氫內(nèi)燃機(jī)燃燒早燃回火問題

楊敏敏

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

氫內(nèi)燃機(jī)燃燒早燃回火問題

楊敏敏

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

氫內(nèi)燃機(jī)以其燃料的優(yōu)勢倍受關(guān)注，但是氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道噴射異常燃燒是最大限制的一個原因，包括早燃、爆燃、回火。通過分析國內(nèi)外關(guān)于氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒的研究成果，找出氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒的主要影響因素和其產(chǎn)生的原因，提出一些解決氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒的方法。

進(jìn)氣道噴射；異常燃燒；回火；早燃；氫內(nèi)燃機(jī)

CLC NO.:U472.8Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-150-02

1、早燃

氫內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣門關(guān)閉之后，新鮮充量在未被火花塞點(diǎn)燃時與燃燒室內(nèi)局部溫度過高的一些熱點(diǎn)相接觸引起混合燃料氣體在氣缸內(nèi)發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。其中熱點(diǎn)包括火花塞、排氣門、積炭、高溫壁面及其棱角等等。

1.1 早燃的特點(diǎn)及危害

早燃導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率低下，工作粗暴，增大了發(fā)動機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，排氣溫度增高。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，氫燃料發(fā)動機(jī)中的早燃問題要嚴(yán)重得多，這主要是由于氫氣點(diǎn)火能量低、著火界限寬、火焰淬熄距離小和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?。而且熱?fù)荷增大又為早燃創(chuàng)造了更大幾率的條件進(jìn)一步影響氫發(fā)動機(jī)工作工作穩(wěn)定性。早燃情況比輕微時，導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)噪聲增大，并且引起輕微震動。一般情況下，早燃會導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，極大可能影響到司機(jī)的正常駕駛；如果早燃比較嚴(yán)重的話，會破壞氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管、氣缸等部件，并影響其性能安全隱患。

1.2 早燃產(chǎn)生的機(jī)理

早燃時缸內(nèi)溫度、壓力急劇升高，氣缸壓力曲線相位比正常燃燒時提前，最大燃燒壓力、壓力升高率比正常燃燒高，使壓縮行程末期的負(fù)功很大，功率下降，循環(huán)效率降低，伴有過熱現(xiàn)象產(chǎn)生。在濃的氫氧混合氣中發(fā)生早燃時，由于點(diǎn)燃區(qū)域較大，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，壓力和壓力升高率急劇升高，氫發(fā)動機(jī)容易過熱，使氫發(fā)動機(jī)正常工作遭到破壞。

1.3 影響因素及控制措施

氫內(nèi)燃機(jī)早燃的主要影響因素是混合氣體的壓縮比、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和通過進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸時，混合氣體的溫度等?；旌蠚怏w的壓縮比越高，早燃會降低當(dāng)量比，導(dǎo)致氫氣不能充分燃燒，不能將其熱量完全釋放；發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和混合氣體的溫度越高，都會造成早燃會降低當(dāng)量比。

為了避免早燃現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)控制壓縮比、轉(zhuǎn)速和混合氣溫度。壓縮比和轉(zhuǎn)速越高，早燃限制當(dāng)量比越小；混合氣溫度越高，早燃限制當(dāng)量比越小。此外，可以采用以下幾點(diǎn)措施來減少早燃現(xiàn)象的發(fā)生：

a.冷的火花塞和狹小的火花塞間隙，保持缸內(nèi)清潔，避免更多的熾熱點(diǎn)；b.采用缸內(nèi)直接噴射技術(shù)；c.采用液氫供氫系統(tǒng)； d.廢氣再循環(huán)；e.進(jìn)氣歧管噴水；f.進(jìn)氣管噴射冷空氣；g.選用冷型火花塞[2]。

2、爆燃

2.1 爆燃的特點(diǎn)及危害

爆燃是指氫內(nèi)燃機(jī)在完成點(diǎn)火之后，離火焰較遠(yuǎn)的地方，在火焰前鋒面還沒有到達(dá)之前而發(fā)生的燃燒，終燃混合氣的自燃現(xiàn)象，它是一種非正常燃燒，主要表現(xiàn)為缸內(nèi)壓力作高頻大幅度波動，發(fā)動機(jī)振動加劇。且火焰以高于正常燃燒數(shù)倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲產(chǎn)生俗稱的“敲缸”。敲缸情況比較輕時，氣缸內(nèi)有金屬敲擊聲發(fā)出。一般情況下，使得氫內(nèi)燃機(jī)的工作變得異常不穩(wěn)定，同時產(chǎn)生較大幅度的振動；敲缸比較嚴(yán)重時，會造成火花塞、活塞等部件產(chǎn)生過熱而燒損。

2.2 爆燃產(chǎn)生的燃燒機(jī)理

爆燃的經(jīng)典理論認(rèn)為溫度是決定正常燃燒向爆燃轉(zhuǎn)化的因素，因?yàn)榉磻?yīng)速度與溫度有指數(shù)關(guān)系并隨著溫度升高而迅速增加。爆燃產(chǎn)生的主要原因是發(fā)動機(jī)火花塞點(diǎn)火后，氣缸內(nèi)未燃盡的部分燃料產(chǎn)生不受控制的自燃（爆燃）。爆燃的產(chǎn)生和發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時刻有關(guān)，若點(diǎn)火時刻早，燃燒的最高壓力過高，爆燃就容易發(fā)生。

2.3 主要影響因素及控制措施

氫內(nèi)燃機(jī)爆燃的主要因素是壓縮比、轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火是否正時和氣體的溫度。

抑制爆燃可以采取以下措施：

a.改進(jìn)優(yōu)化燃燒室形狀。采用緊湊的燃燒室，合理選擇火花塞位置，增強(qiáng)燃燒室中的氣體流動，加快火焰?zhèn)鞑ニ俾?，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x； b.縮小氣缸直徑，提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速； c.可變壓縮比發(fā)動機(jī)。利用發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速時不易發(fā)生爆燃的特性，使發(fā)動機(jī)的壓縮比隨其負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化而改變； d.均勻燃燒。均勻燃燒的實(shí)質(zhì)是積極地引起自燃，然后再消除自燃的有害后果的方法，即消除爆燃；e.控制爆燃的措施還有采用稀薄混合氣燃燒和分層燃燒技術(shù)，在末端氣區(qū)設(shè)置冷卻區(qū)，克服燃燒室表面的粗糙度，進(jìn)氣節(jié)流，降低進(jìn)氣溫度，冷卻排氣門，周邊多個火花塞點(diǎn)火等。

3、回火

3.1 回火的特點(diǎn)及危害

回火是氫內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣過程中，進(jìn)氣門未關(guān)閉，火花塞還未點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)混合氣而被熱點(diǎn)引燃導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑サ竭M(jìn)氣管內(nèi)的一種不正常燃燒現(xiàn)象?！盎鼗稹痹斐蓺浒l(fā)動機(jī)工作不正常，功率下降，經(jīng)濟(jì)性變壞，嚴(yán)重的回火致使進(jìn)氣管內(nèi)溫度和壓力過高，導(dǎo)致新鮮充量無法進(jìn)入氣缸，氫發(fā)動機(jī)失火，有時甚至?xí)茐墓湎到y(tǒng)，造成嚴(yán)重的事故。

3.2 回火產(chǎn)生的燃燒機(jī)理

產(chǎn)生回火的原因根據(jù)產(chǎn)生時刻的不同分為兩種：a.進(jìn)氣門剛開啟時進(jìn)氣管內(nèi)產(chǎn)生回火，主要是由于高溫廢氣、后燃混合氣和高溫?zé)狳c(diǎn)點(diǎn)燃的；b.進(jìn)氣門快關(guān)閉時進(jìn)氣管內(nèi)產(chǎn)生回火，主要是由于早燃的不斷提前所引起的。

影響回火的因素主要有噴氫正時、噴氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火源?；鼗鹋c混合氣的燃燒速度及其濃度有關(guān)，混合氣過稀則燃燒速度就會緩慢，混合氣的燃燒就會延續(xù)到排氣終了，在進(jìn)氣門打開時，還在燃燒的混合氣就很容易將進(jìn)氣管內(nèi)的混合氣引燃。

3.3 主要影響因素及控制措施

內(nèi)燃機(jī)回火的主要因素是噴氣管是否噴氫正時，只有噴氣正時，才能保證氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率和正常提供動力，否則都會影響到氫內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；

抑制回火可以采用如下的方法：

a.抑制早燃； b.噴水。降低燃燒室內(nèi)溫度可以控制回火。從進(jìn)氣門開啟開始，在噴氫期間向進(jìn)氣管噴水，利用噴水吸收汽化潛熱來降低氣缸內(nèi)的溫度，使其降到表面著火溫度以下； c.電控系統(tǒng)和電磁閥相結(jié)合的控制系統(tǒng)。也可以采用電控系統(tǒng)與電磁閥相結(jié)合的控制系統(tǒng)； d.平行燃料供給系統(tǒng)。

4、結(jié)論

早燃、爆燃和回火三者之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。爆燃和早燃有一定的聯(lián)系，特別氫發(fā)動機(jī)中壓縮比高時，早燃和爆燃往往是同時發(fā)生，互相促進(jìn)相互影響。早燃又為回火創(chuàng)造條件。氣缸內(nèi)的一些熾熱點(diǎn)導(dǎo)致氫發(fā)動機(jī)的早燃，使繼而使得終燃混合氣溫度和壓力上升，氣缸最高燃燒壓力和溫度、壓力升高率和溫度升高率比正常燃燒時大，導(dǎo)致混合氣受到壓縮和傳熱，促進(jìn)了爆燃，另一方面爆燃促使氣缸壁的傳熱，導(dǎo)致燃燒室零件過熱，從而形成更多的熾熱點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)早燃。

[1] 楊振中.氫燃料內(nèi)燃機(jī)燃燒與優(yōu)化控制[D].杭州：浙江大學(xué),2001 .

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[7] 劉斌彬,李國燦,鄭亞銀．柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)現(xiàn) 狀與發(fā)展趨勢內(nèi)燃機(jī),2006(2)：1—3

[8] 王韶銧,李建秋.汽車電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

Problems of early Combustion and Tempering of Hydrogen internal Combustion Engine

Yang Minmin ( North China university of water conservancy and hydropower, Henan Zhengzhou 450000 )

The hydrogen internal combustion engine has attracted much attention for its advantages. But the abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine intake port injection is a major cause of the maximum limit, including early combustion, deflagration, tempering. Through the analysis of domestic and foreign research results about the abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine, and find out the main influencing factors of abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine and their causes, and puts forward some solving method of abnormal combustion of hydrogen internal combustion engine.

PFI; Abnormal combustion; Tempering; Preignition; Hydorgen—Fueled Engine

U472.8

A

1671-7988 (2017)06-150-02

楊敏敏，就讀于華北水利水電大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.054