商用水素エンジンで熱効率50%を達成

CO2削減目標の達成に向けて、水素エンジンの開発が加速しています。商用車の内燃機関における水素燃料は、火花点火方式のリーンバーンまたは高圧直噴のいずれかの技術を採用しています。特に後期サイクル直噴は、出力密度や過渡応答に優れたメリットを提供します。さらに、燃費性能も高く、HD（大型車両）の総所有コスト（TCO）の最適化に大きく寄与します。

AVL、Tupy、およびその他のパートナー企業は、WestportのHPDI（高圧直噴）システムを使用した大型水素エンジンで、熱効率50%を達成しました。

EUは、2023年2月に導入された新たな規制とともに、大型商用車に対する厳格なCO₂削減目標を設定しました。これらの規制では、2030年から始まるより厳格なフリート目標を提示しており、CO₂無排出車両（ZEV）向け主要パワートレインとして水素内燃エンジンの可能性を再検討しています。合成燃料の役割については現在も議論が尽くされている最中ですが、CO₂削減戦略に合成燃料を加えるべきだという政治的な賛同が広がっています。
EUは主に、水素などの非炭素燃料を重視するTank-to-Wheel (TTW)アプローチを採用していますが、Well-to-Wheel (WTW)アプローチも一部市場で勢いを増す可能性があります。米国では、EPAの2023年3月改訂版がこれらの目標に沿って、水素使用車両をCO₂試験の対象から除外する一方、カリフォルニア州のCARB規制は、2045年までに車両のゼロエミッション化を目指し、ZEVカテゴリーから水素エンジンを除外しています。

AVLでは水素の燃料特性をディーゼルおよびメタンと比較し、エンジンにおける水素使用について考慮すべき重要な事項を明らかにしました。直噴による水素の内部混合気形成により、混合気発熱量を高め、同じ空気流量に対する空気過剰率を増加させます。他の燃料よりも最小点火エネルギーがはるかに低く、プレイグニッションしやすいものの、後期サイクル直噴に適しています。水素の発火温度はメタンと同様に高く、ディーゼルプロセスに類似した発火を実現するためには特別な対策が必要です。さらに、水素は可燃限界が広く、希薄混合気と過濃混合気の両方に対応します。

AVL、TUPY、Westport、およびITnA (TU-Graz)の共同プロジェクトでは、H2-HPDI実証機の設計、製作、試験を行いました。ベースエンジンは13Lの大型多気筒ディーゼルエンジンで、265バールのピークシリンダー圧（実証目的）は、BTEの達成を目指した高圧直噴の調査に適していました。このエンジンには高圧EGRとVGT（可変形状タービン）が装備されています。

設計変更はAVLが担当し、WestportのHPDI 2.0燃料噴射システムのデュアルフューエルインジェクターと水素（H2）調整モジュールが検討されました。ディーゼル燃料とH2レール、燃料パイプ、バルブカバーはベースエンジンと燃料噴射システムの要件に合わせて調整されました。

さらに、AVLは高圧直噴オペレーション向けにAVL RPEMS（Rapid Prototype Engine Management Systems）を改良し、過渡エンジンオペレーションを実現しています。

ベースラインのディーゼルエンジンは47.6 %のBTEを示しました。WestportのHPDI 2.0燃料噴射システムをベースラインエンジンに搭載した後、水素を用いて測定した結果、ブレーキ熱効率は49.1 %となり、+1.5%ポイント向上しました。後期サイクルの水素直噴による膨張仕事の増加と、低ディーゼル噴射量・低噴射圧(200～350 bar)による摩擦低減が寄与しました。
さらに、エンジンのガス交換を最適化することで、ブレーキ熱効率50.1 %を実現しました。
さらなるブレーキ熱効率向上のために、1-Dシミュレーションと比較可能なエンジン測定に基づいて推定を実施しました。その推定によれば、圧縮比を23.0に高め、高効率ターボチャージャーを固定形状ツインスクロールタービンに組み込むことで、51.7 %のブレーキ熱効率を確認できました。

H2-HPDIエンジンは、全負荷状態で97.5 %の水素エネルギー比で稼働しました。液体パイロットが、水素発火について安定かつ堅牢な条件を実現する唯一の安定的な手段であることが明らかになりました。現在使用されているパイロット量は、潜在的CO₂制限である3 g CO₂/t.km (HD長距離トラック輸送向け)を十分満たすほど少なくなっています。

AVL、TUPY、Westport、ITnA (TU-Graz)による共同プロジェクトでは、水素高圧直噴(H₂-HPDI)エンジンの開発・試験を実施し、ブレーキ熱効率(BTE) 50 %超を達成しており、最大52 %の改善が期待できます。このエンジンの性能はディーゼルエンジンに匹敵し、全負荷出力と過渡トルク特性は同等です。
燃費は、大型車両の総所有コストを最適化する上で主要な要因です。したがって、高圧直噴により、商用車の用途に必要な堅牢性を加え、高負荷オペレーションプロファイルに対して、最高水準の効率性でカーボンニュートラルを実現します。
H₂-HPDIは、安定した発火を実現するために少量の液体パイロット噴射を使用し、全負荷で97.5 %の水素エネルギー比で動作しました。このセットアップでは、3 g CO₂/t.km(大型車輸送)のCO₂排出目標を達成しています。