武 猛

（華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，鄭州 450011）

淺談氫內(nèi)燃機異常燃燒的原因及控制策略

武 猛

（華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，鄭州 450011）

隨著環(huán)境問題越來越嚴重，世界各國都致力于開發(fā)新能源，尋找化石燃料的替代品，汽車行業(yè)在節(jié)約能源、減少污染這一方面首當其沖。隨著各國政府對環(huán)境污染問題越來越重視，進氣管噴射式氫內(nèi)燃機被廣泛應(yīng)用。但這種氫內(nèi)燃機在使用過程中還存在一些問題，其中，氫內(nèi)燃機的異常燃燒是最突出的問題，其使氫內(nèi)燃機的大面積使用和推廣受到制約。筆者通過分析國內(nèi)外關(guān)于氫內(nèi)燃機異常燃燒的研究成果，找出氫內(nèi)燃機異常燃燒的主要影響因素和產(chǎn)生的原因，提出解決氫內(nèi)燃機異常燃燒的方法，為進氣管噴射式氫內(nèi)燃機的大范圍推廣提供技術(shù)上的保證。

進氣管噴射式氫內(nèi)燃機 異常燃燒 早燃 爆燃 回火

本文重點討論有關(guān)氫內(nèi)燃機異常燃燒的問題，并提出一些解決措施。

1 氫內(nèi)燃機的異常燃燒

1.1 氫內(nèi)燃機異常燃燒的分類

氫內(nèi)燃機的異常燃燒主要有三種：一是早燃，即氫內(nèi)燃機在進氣門關(guān)閉后，而火花塞還沒有點火前，混合燃料氣體就在氣缸內(nèi)發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。二是回火，指氫內(nèi)燃機在進氣門開啟的過程中，火焰進入進氣管而引起的燃燒。三是爆燃（俗稱敲缸），指氫內(nèi)燃機完成點火后，在離火焰較遠的地方，火焰前鋒面還沒有到達前就已被點燃的現(xiàn)象。這三種異常燃燒既會對氫內(nèi)燃機的部件和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，又會造成燃料浪費，能源利用程度降低，甚至?xí)a(chǎn)生一些安全事故。

1.2 氫內(nèi)燃機異常燃燒的危害

（1）氫內(nèi)燃機發(fā)生早燃造成的主要危害：早燃情況比較輕時，會增大氫內(nèi)燃機的噪聲，同時引起氫內(nèi)燃機的輕微震動，這是判別氫內(nèi)燃機發(fā)生早燃的基本標志；一般情況下，早燃會導(dǎo)致氫內(nèi)燃機停止運轉(zhuǎn)，影響汽車正常行駛；若情況比較嚴重，會造成氫內(nèi)燃機的進氣管、火花塞、氣缸等部件損壞。

（2）氫內(nèi)燃機發(fā)生回火造成的主要危害：回火情況比較輕時，會導(dǎo)致氫內(nèi)燃機噪音迅速增大或進氣管發(fā)生局部范圍的小火，噪音是判斷氫內(nèi)燃機發(fā)生回火現(xiàn)象的標志，這一點需要注意，因為一旦不能及時發(fā)覺并采取積極有效的處理措施，可能會導(dǎo)致進氣管和供氫系統(tǒng)在高溫下被損壞。一般情況下，回火的發(fā)生會影響后續(xù)循環(huán)的供氣，造成氫內(nèi)燃機循環(huán)變動增大運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，甚至停止運轉(zhuǎn)，造成動力驟失。

（3）氫內(nèi)燃機發(fā)生爆燃造成的主要危害：爆燃情況比較輕時，氣缸內(nèi)會產(chǎn)生金屬敲擊聲，這是判別氫內(nèi)燃機發(fā)生敲缸現(xiàn)象的標志。輕微的爆燃對增大發(fā)動機功率是有益的，但強烈的爆燃會造成一些損害。一般情況下，爆燃使氫內(nèi)燃機的工作變得異常不穩(wěn)定，功率下降嚴重，同時產(chǎn)生較大幅度的振動；爆燃比較嚴重時，會造成火花塞、活塞等部件過熱而燒損。

氫內(nèi)燃機的這三種異常燃燒現(xiàn)象都有相應(yīng)的識別標志，但往往是一種現(xiàn)象的發(fā)生會引起其他異常燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，研究人員要剖析各種異?，F(xiàn)象的本質(zhì)，才能合理提出抑制方法。

2 氫內(nèi)燃機的異常燃燒的主要影響因素

2.1 氫內(nèi)燃機早燃的主要影響因素

氫內(nèi)燃機早燃的主要影響因素是發(fā)動機的壓縮比、轉(zhuǎn)速和通過進氣管進入氣缸時混合氣體的溫度?；旌蠚獾膲嚎s程度越高、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越大、混合氣的溫度越高，越容易引起早燃，導(dǎo)致活塞上行所做的負功增加，從而降低氫氣的燃燒熱效率。

2.2 氫內(nèi)燃機回火的主要影響因素

氫內(nèi)燃機回火的主要因素是噴氣管噴氫脈寬，過早結(jié)束噴氫能有效抑制回火的發(fā)生，但此時缸內(nèi)混合氣當量比變小，不能保證氫內(nèi)燃機的燃燒效率，不能正常提供動力；氫內(nèi)燃機的噴氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也影響氫內(nèi)燃機的正常運轉(zhuǎn)，但該問題基本上在設(shè)計中已解決；早燃也是影響氫內(nèi)燃機發(fā)生回火的重要因素。

2.3 氫內(nèi)燃機爆燃的主要影響因素

氫內(nèi)燃機爆燃的主要因素是壓縮比、轉(zhuǎn)速、點火提前角和混合氣的濃度。發(fā)動機的壓縮比越高，點火提前角越大，缸內(nèi)壓力增加，爆燃傾向增大；發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加時，充量系數(shù)下降，缸內(nèi)壓力下降，終燃混合氣溫度較低，爆燃傾向減?。贿^稀或過濃的混合氣有助于減小爆燃。

3 氫內(nèi)燃機的異常燃燒的控制策略

3.1 氫內(nèi)燃機早燃的解決辦法

通過分析氫內(nèi)燃機早燃的影響因素和產(chǎn)生的主要原因，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗，提出解決氫內(nèi)燃機早燃的主要方法：第一，通過改進氫內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)，考慮加入噴水或噴射液態(tài)氫或冷空氣裝置，也可以通過進入管進行噴射水、冷空氣或液態(tài)氫等冷卻物質(zhì)；第二，可以考慮選擇冷型活塞，以降低氫內(nèi)燃機早燃的問題；第三，準確控制噴氫時間和噴氫量，讓空氣先進入氣缸，降低高溫?zé)狳c的溫度。

3.2 氫內(nèi)燃機回火的解決辦法

氫內(nèi)燃機回火的解決辦法主要從點火源、火焰?zhèn)鞑ネ緩胶突旌蠚怏w這三個方面考慮。第一，通過改進氫內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)，可以考慮加入噴水或噴射液態(tài)氫或冷空氣裝置，也可以通過進入管進行噴射水、冷空氣或液態(tài)氫等冷卻物質(zhì)。該方法和氫內(nèi)燃機早燃的解決辦法一致，主要是在氫內(nèi)燃機的設(shè)計方面進行改進。第二，縮短進氫持續(xù)時間，以此控制火焰?zhèn)鞑ァ５谌?，通過臨近氣缸供氫法、平衡吸氫法等方法控制氫氣的供應(yīng)時間和供應(yīng)量，確保燃燒正常進行。

3.3 氫內(nèi)燃機爆燃的解決辦法

目前，有效解決氫內(nèi)燃機爆燃的辦法是推遲點火，但推遲點火容易引起早燃，所以在界定點火提前角時，需要做大量的試驗，以探究如何在不引起早燃的情況下有效抑制爆燃的發(fā)生。此外，研究人員也提出了一些其他方法，比如，加大進排氣重疊期、優(yōu)化火花塞的位置（火花塞靠近排氣門）等，這也是氫內(nèi)燃機研究的主要方向。

全球環(huán)境問題和能源問題日益突出，氫氣作為內(nèi)燃機的代替燃料能很好地解決能源短缺問題和環(huán)境污染問題，但其還存在異常燃燒的缺陷，針對此問題，汽車企業(yè)和高校已經(jīng)進行了相關(guān)研究，但還有部分問題沒有解決，這是氫內(nèi)燃機大范圍推廣應(yīng)用的瓶頸，需要研究人員和技術(shù)人員做好相關(guān)工作，為氫內(nèi)燃機的發(fā)展鋪平道路。

[1]劉興華，梁虹，劉福水，等.進氣道噴射式氫發(fā)動機回火研究[J].汽車工程，2014，（6）.

[2]李清博，路斌，孟育博.基于AVL-FIRE模擬的氫內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速對其燃燒特性的影響[J].北水利水電學(xué)院學(xué)報，2013，（1）.

Discussion on the Cause and Control Strategy of Abnormal Combustion of Hydrogen Internal Combustion Engine

WU Meng
(University of North China Water Conservancy and Hydropower, Zhengzhou 450011)

With the increas ing environmental problems, the world is committed to developing new ener gy sources, looking for alternatives to fossil fuels, the automotive industry in the first to save energy and reduce pollution. With the increasing emphasis on environmental pollution, the air inlet pipe is widely used in the air inlet pipe. However, there are some problems in the use of hydrogen internal combustion engine, which is the most prominent problem of the abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine. Based on the analysis of the results of the research on the abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine in China and abroad, the main influencing factors and the causes of the abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine are presented.

hydrogen internal combustion engine, the intake manifold injection abnormal combustion, pre ignition, deflagration, tempering