袁珂佳

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

淺談氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒中的早燃

袁珂佳

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

隨著汽車保有量的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的可替代燃料成為人們研究的熱點(diǎn)。氫能因其自身的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有前途的汽車燃料替代能源之一。進(jìn)氣道噴射式氫內(nèi)燃機(jī)未能大面積推廣使用的主要原因是氫內(nèi)燃機(jī)的早燃、回火和敲缸等異常燃燒問(wèn)題。找出早燃產(chǎn)生的原因和影響因素，對(duì)早燃問(wèn)題進(jìn)行探索性的研究。

進(jìn)氣道噴射式；氫內(nèi)燃機(jī)；異常燃燒；早燃

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-162-03

引言

氫氣作為汽車燃料的使用主要有兩種形式：一是通過(guò)氫的離子化轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)燃料電池實(shí)現(xiàn)；二是通過(guò)氫的燃燒從化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)。在氫內(nèi)燃機(jī)中，氫空氣混合氣主要通過(guò)缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣道噴射兩種方式形成，缸內(nèi)直噴式氫內(nèi)燃機(jī)能夠避免回火，但其對(duì)噴氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求較高；進(jìn)氣道噴射式氫內(nèi)燃機(jī)對(duì)噴氫系統(tǒng)要求不高，混合氣的形成和燃燒比較容易組織，混合氣形成質(zhì)量高[1]。但進(jìn)氣道噴射式氫內(nèi)燃機(jī)存在早燃等異常燃燒問(wèn)題。

1 氫氣的理化性質(zhì)及其作為燃料的特點(diǎn)

1.1 氫氣的理化性質(zhì)

表1 氫氣的理化性質(zhì)

氫氣密度非常小，只有空氣的1/14，是目前世界上公認(rèn)的最輕的氣體。氫元素廣泛存在于自然界，氫的來(lái)源比較廣，屬于可再生能源。氫在常溫常壓下比較穩(wěn)定，但在空氣中與空氣混合形成的混合物遇到明火或高溫易爆炸。

1.2 氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的特點(diǎn)

氫氣是清潔可再生的能源，作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，排放物中不含CH、CO和碳的顆粒物，解決了汽車排放物污染環(huán)境的問(wèn)題；氫氣的獲取方法有多種，通過(guò)電解水的方法即可獲取，解決了能源危機(jī)。氫氣作為內(nèi)燃機(jī)的燃料也有不利于內(nèi)燃機(jī)工作的部分特性，比如點(diǎn)火能量小、密度小等。氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的特性如下：

（1）燃燒產(chǎn)物是水和少量的氮氧化物，氮氧化物的處理較容易；

（2）著火界限較寬，可燃范圍廣，可進(jìn)行稀燃；

（3）擴(kuò)散性好，與空氣混合得更加充分，易于燃燒；

（4）點(diǎn)火能量較小，不易發(fā)生失火，但易被熱表面和高溫廢氣提前點(diǎn)燃；

（5）氫空氣混合氣的能量密度小，輸出功率會(huì)降低[2]。

2 氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒

國(guó)內(nèi)外研究人員在氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒方面已經(jīng)進(jìn)行了一系列研究，并取得的了一定的成果。由于多方面因素，氫內(nèi)燃機(jī)存在早燃、回火和爆震（俗稱敲缸）三種異常燃燒，有時(shí)三者可以互相轉(zhuǎn)化和促進(jìn)，比如早燃的不斷提前最終導(dǎo)致回火的發(fā)生，爆震時(shí)過(guò)高的壓力升高率容易產(chǎn)生缸內(nèi)熾熱點(diǎn)使早燃和回火發(fā)生[3]。

2.1 早燃

早燃是指在火花塞點(diǎn)火以前，混合氣被一些點(diǎn)火源提前點(diǎn)燃而開始燃燒的現(xiàn)象。點(diǎn)火源主要有兩類：一類是高溫?zé)狳c(diǎn)，如火花塞電極、排氣門、燃燒室內(nèi)和活塞表面的沉積物、潤(rùn)滑油分解的碳粒、隨空氣進(jìn)入氣缸的雜質(zhì)等；另一類是后燃混合氣和高溫廢氣，后燃混合氣指氣缸內(nèi)殘余混合氣的后燃，高溫廢氣是上一循環(huán)殘余在狹小縫隙中的高溫氣體。早燃的發(fā)生具有偶然性和非連續(xù)性，且不可控。

2.2 回火

回火是指在氫內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)火焰?zhèn)鞑サ竭M(jìn)氣管內(nèi)引起的燃燒現(xiàn)象。根據(jù)回火產(chǎn)生時(shí)刻的不同可將其分為兩種，進(jìn)氣門剛開啟時(shí)產(chǎn)生的回火主要是由高溫廢氣、后燃混合氣和高溫?zé)狳c(diǎn)引起的；進(jìn)氣門快關(guān)閉時(shí)的回火主要是由早燃的不斷提前引起的?；鼗饡?huì)使氫內(nèi)燃機(jī)噪音增大，循環(huán)變動(dòng)增大，嚴(yán)重時(shí)內(nèi)燃機(jī)會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 爆震

爆震是指點(diǎn)火后離火花塞較遠(yuǎn)處的可燃混合氣在火焰前鋒面到達(dá)之前的自燃現(xiàn)象。爆震產(chǎn)生的原因是離火花塞較遠(yuǎn)處的可燃混合氣的自燃導(dǎo)致缸內(nèi)壓力急劇升高。爆震會(huì)使氫內(nèi)燃機(jī)的工作不穩(wěn)定，功率下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使火花塞活塞等部件損壞。

3 影響氫內(nèi)燃機(jī)早燃的因素

氫內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)輕微的早燃現(xiàn)象時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)[4]；早燃現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，造成零件因承受額外的沖擊負(fù)荷而過(guò)早損壞。早燃的發(fā)生受壓縮比、排氣背壓、噴氫策略等多種因素的影響。

3.1 壓縮比對(duì)早燃的影響

氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比稱為壓縮比。隨著壓縮比的增加，可燃混合氣在壓縮過(guò)程中的溫度也會(huì)不斷增加，致使缸內(nèi)熾熱表面的熱量不易散去，并保持較高的溫度，氫空氣混合氣進(jìn)入缸內(nèi)易被熾熱表面提前點(diǎn)燃，發(fā)生早燃。壓縮比的增加使早燃發(fā)生的機(jī)率也相應(yīng)地增大。

3.2 混合氣溫度對(duì)早燃影響

氫空氣混合氣的溫度對(duì)早燃也有一定的影響，進(jìn)入氣缸的氫空氣混合氣的溫度越高，越易被高溫廢氣或缸內(nèi)熾熱的表面在火花塞未點(diǎn)火之前提前點(diǎn)燃。因氫氣所需點(diǎn)火能量較小，混合氣的溫度越高，能量越大，越易被點(diǎn)燃，因此早燃發(fā)生的機(jī)率也就越大。

3.3 進(jìn)排氣配氣相位對(duì)早燃的影響

內(nèi)燃機(jī)從進(jìn)氣門開啟到排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進(jìn)排氣門同時(shí)開啟的狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為氣門疊開。低速大負(fù)荷工況下，進(jìn)排氣門的重疊角度影響缸內(nèi)熱負(fù)荷和燃燒室的壁面溫度[5]。進(jìn)排氣門的重疊角度較小時(shí)，掃氣效應(yīng)不明顯，進(jìn)排氣門的重疊角度增大有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加進(jìn)入氣缸的新鮮沖量，有利于降低缸內(nèi)熱負(fù)荷和燃燒室的壁面溫度。隨著進(jìn)排氣門的重疊角度增大，早燃發(fā)生的機(jī)率降低。但一般情況下進(jìn)排氣門的重疊角度不宜過(guò)大，不然會(huì)出現(xiàn)部分氣體倒流的現(xiàn)象，影響氫內(nèi)燃機(jī)的正常燃燒。

3.4 火花塞對(duì)早燃的影響

火花塞是引起早燃的熾熱表面之一。火花塞位于燃燒室內(nèi)，在壓縮做工沖程會(huì)吸收高溫混合氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，成為熾熱表面。高溫條件下部分潤(rùn)滑油會(huì)揮發(fā)附著在火花塞上形成積碳，熱量不易散失，易成為熾熱表面。火花塞材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同影響火花塞的導(dǎo)熱能力，導(dǎo)熱能力越差，越易引起早燃。

4 控制早燃發(fā)生的措施

4.1 EGR

廢氣再循環(huán)簡(jiǎn)稱EGR，燃燒后廢氣的一部分與新鮮充量一同進(jìn)入燃燒室，再循環(huán)的廢氣吸收缸內(nèi)的部分熱量來(lái)降低燃燒溫度和壓力，延緩燃燒過(guò)程，降低早燃發(fā)生的機(jī)率。EGR的廢氣量需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況進(jìn)行調(diào)整以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常的動(dòng)力輸出。

4.2 進(jìn)氣歧管噴水

將水以高壓水霧的方式噴入進(jìn)氣歧管中，高壓水霧遇到高溫將汽化蒸發(fā)帶走進(jìn)氣歧管中的熱量，經(jīng)由高壓水霧冷卻，混合氣的溫度將會(huì)降低、密度會(huì)增大。進(jìn)氣歧管噴水的方法降低了早燃發(fā)生的機(jī)率。進(jìn)氣道噴射液氫和進(jìn)氣道噴射冷空氣與進(jìn)氣歧管噴水的原理相同，均用來(lái)降低進(jìn)入氣缸的混合氣的溫度。

4.3 采用可變進(jìn)排氣配氣相位

可變配氣相位能夠改變掃氣效應(yīng)，排出殘余廢氣，改變進(jìn)入氣缸的新鮮沖量。在不同工況下可通過(guò)改變配氣相位以保證足夠的掃氣和新鮮沖量的進(jìn)入，對(duì)燃燒室內(nèi)汽缸蓋、排氣門、活塞頂?shù)雀邷夭考M(jìn)行冷卻。合適的配氣相位能夠降低早燃發(fā)生的機(jī)率。

4.4 選用冷型火花塞

熱型火花塞絕緣體裙部長(zhǎng)，受熱面積大，傳熱距離長(zhǎng)，散熱困難，容易形成熾熱表面。相反冷型火花塞外部絕緣體較短，熱能傳送至冷卻系統(tǒng)的路程較短，火花塞產(chǎn)生的熱能較易散失，不易形成熾熱表面。冷型火花塞的選用，降低了早燃發(fā)生的機(jī)率。

5 結(jié)論

文章首先介紹了氫能的理化特性和作為內(nèi)燃機(jī)燃料的特點(diǎn)。氫作為內(nèi)燃機(jī)的燃料存在異常燃燒問(wèn)題，針對(duì)異常燃燒中的早燃展開討論，對(duì)影響氫內(nèi)燃機(jī)早燃的因素和控制早燃發(fā)生的措施進(jìn)行分析。影響氫內(nèi)燃機(jī)早燃的因素有許多種，從中選出壓縮比等四種因素進(jìn)行分析，找出其對(duì)早燃的影響。根據(jù)早燃發(fā)生的條件對(duì)早燃發(fā)生的控制措施進(jìn)行分析，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮越档驮缛及l(fā)生的機(jī)率。 本文提出的影響因素和控制措施對(duì)解決早燃等異常燃燒問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 王占宜,趙嵐,張靜.氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2010,(05):55-58.

[2] 王存磊,朱磊,袁銀南,張育華. 氫氣在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用及特點(diǎn)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2007,(03):1-3+6.

[3] 楊振中. 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與優(yōu)化控制[D].浙江大學(xué),2001.

[4] 張永鋒,周仁斌,趙江濤,楊杰敏. 氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī),2011,(04):54-56.

[5] 喬佳偉,王義夫,王繼波,馬少康,喬闖,袁凌峰. 增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)早燃現(xiàn)象改善的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2014,(06):44-47.

Discussion on pre-ignition in Abnormal Combustion of Hydrogen internal combustion Engine

Yuan Kejia
( North China University Of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )

With the increase of car ownership, the alternative fuel of the engine has become a hot research topic. Hydrogen due to its own advantages is considered one of the most promising alternative fuels for automotive fuels.The main reasons for the lack of large-scale use is the pre-ignition、backfire and Knock on the cylinder of hydrogen internal combustion engines.To find out the causes and influencing factors of the pre-ignition, and to explore the pre-ignition.

Port injection; hydrogen internal combustion engine; abnormal combustion; pre-ignition

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-162-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.056

袁珂佳，就職于華北水利水電大學(xué)。