浅谈氢内燃机异常燃烧中的早燃

袁珂佳

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

浅谈氢内燃机异常燃烧中的早燃

袁珂佳

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

随着汽车保有量的不断增加，发动机的可替代燃料成为人们研究的热点。氢能因其自身的优点被认为是最有前途的汽车燃料替代能源之一。进气道喷射式氢内燃机未能大面积推广使用的主要原因是氢内燃机的早燃、回火和敲缸等异常燃烧问题。找出早燃产生的原因和影响因素，对早燃问题进行探索性的研究。

进气道喷射式；氢内燃机；异常燃烧；早燃

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

引言

氢气作为汽车燃料的使用主要有两种形式：一是通过氢的离子化转化成电能，通过燃料电池实现；二是通过氢的燃烧从化学能转化为机械能，由内燃机实现。在氢内燃机中，氢空气混合气主要通过缸内直喷和进气道喷射两种方式形成，缸内直喷式氢内燃机能够避免回火，但其对喷氢系统的结构要求较高；进气道喷射式氢内燃机对喷氢系统要求不高，混合气的形成和燃烧比较容易组织，混合气形成质量高[1]。但进气道喷射式氢内燃机存在早燃等异常燃烧问题。

1 氢气的理化性质及其作为燃料的特点

1.1 氢气的理化性质

表1 氢气的理化性质

氢气密度非常小，只有空气的1/14，是目前世界上公认的最轻的气体。氢元素广泛存在于自然界，氢的来源比较广，属于可再生能源。氢在常温常压下比较稳定，但在空气中与空气混合形成的混合物遇到明火或高温易爆炸。

1.2 氢气作为内燃机燃料的特点

氢气是清洁可再生的能源，作为内燃机的燃料，排放物中不含CH、CO和碳的颗粒物，解决了汽车排放物污染环境的问题；氢气的获取方法有多种，通过电解水的方法即可获取，解决了能源危机。氢气作为内燃机的燃料也有不利于内燃机工作的部分特性，比如点火能量小、密度小等。氢气作为内燃机燃料的特性如下：

（1）燃烧产物是水和少量的氮氧化物，氮氧化物的处理较容易；

（2）着火界限较宽，可燃范围广，可进行稀燃；

（3）扩散性好，与空气混合得更加充分，易于燃烧；

（4）点火能量较小，不易发生失火，但易被热表面和高温废气提前点燃；

（5）氢空气混合气的能量密度小，输出功率会降低[2]。

2 氢内燃机的异常燃烧

国内外研究人员在氢内燃机异常燃烧方面已经进行了一系列研究，并取得的了一定的成果。由于多方面因素，氢内燃机存在早燃、回火和爆震（俗称敲缸）三种异常燃烧，有时三者可以互相转化和促进，比如早燃的不断提前最终导致回火的发生，爆震时过高的压力升高率容易产生缸内炽热点使早燃和回火发生[3]。

2.1 早燃

早燃是指在火花塞点火以前，混合气被一些点火源提前点燃而开始燃烧的现象。点火源主要有两类：一类是高温热点，如火花塞电极、排气门、燃烧室内和活塞表面的沉积物、润滑油分解的碳粒、随空气进入气缸的杂质等；另一类是后燃混合气和高温废气，后燃混合气指气缸内残余混合气的后燃，高温废气是上一循环残余在狭小缝隙中的高温气体。早燃的发生具有偶然性和非连续性，且不可控。

2.2 回火

回火是指在氢内燃机运转时火焰传播到进气管内引起的燃烧现象。根据回火产生时刻的不同可将其分为两种，进气门刚开启时产生的回火主要是由高温废气、后燃混合气和高温热点引起的；进气门快关闭时的回火主要是由早燃的不断提前引起的。回火会使氢内燃机噪音增大，循环变动增大，严重时内燃机会停止运转。

2.3 爆震

爆震是指点火后离火花塞较远处的可燃混合气在火焰前锋面到达之前的自燃现象。爆震产生的原因是离火花塞较远处的可燃混合气的自燃导致缸内压力急剧升高。爆震会使氢内燃机的工作不稳定，功率下降，严重时会使火花塞活塞等部件损坏。

3 影响氢内燃机早燃的因素

氢内燃机出现轻微的早燃现象时，会出现噪声和振动[4]；早燃现象严重时，会影响发动机的正常工作，造成零件因承受额外的冲击负荷而过早损坏。早燃的发生受压缩比、排气背压、喷氢策略等多种因素的影响。

3.1 压缩比对早燃的影响

气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。随着压缩比的增加，可燃混合气在压缩过程中的温度也会不断增加，致使缸内炽热表面的热量不易散去，并保持较高的温度，氢空气混合气进入缸内易被炽热表面提前点燃，发生早燃。压缩比的增加使早燃发生的机率也相应地增大。

3.2 混合气温度对早燃影响

氢空气混合气的温度对早燃也有一定的影响，进入气缸的氢空气混合气的温度越高，越易被高温废气或缸内炽热的表面在火花塞未点火之前提前点燃。因氢气所需点火能量较小，混合气的温度越高，能量越大，越易被点燃，因此早燃发生的机率也就越大。

3.3 进排气配气相位对早燃的影响

内燃机从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开。低速大负荷工况下，进排气门的重叠角度影响缸内热负荷和燃烧室的壁面温度[5]。进排气门的重叠角度较小时，扫气效应不明显，进排气门的重叠角度增大有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜冲量，有利于降低缸内热负荷和燃烧室的壁面温度。随着进排气门的重叠角度增大，早燃发生的机率降低。但一般情况下进排气门的重叠角度不宜过大，不然会出现部分气体倒流的现象，影响氢内燃机的正常燃烧。

3.4 火花塞对早燃的影响

火花塞是引起早燃的炽热表面之一。火花塞位于燃烧室内，在压缩做工冲程会吸收高温混合气燃烧时产生的热量，成为炽热表面。高温条件下部分润滑油会挥发附着在火花塞上形成积碳，热量不易散失，易成为炽热表面。火花塞材质和结构的不同影响火花塞的导热能力，导热能力越差，越易引起早燃。

4 控制早燃发生的措施

4.1 EGR

废气再循环简称EGR，燃烧后废气的一部分与新鲜充量一同进入燃烧室，再循环的废气吸收缸内的部分热量来降低燃烧温度和压力，延缓燃烧过程，降低早燃发生的机率。EGR的废气量需根据发动机的不同工况进行调整以保证发动机正常的动力输出。

4.2 进气歧管喷水

将水以高压水雾的方式喷入进气歧管中，高压水雾遇到高温将汽化蒸发带走进气歧管中的热量，经由高压水雾冷却，混合气的温度将会降低、密度会增大。进气歧管喷水的方法降低了早燃发生的机率。进气道喷射液氢和进气道喷射冷空气与进气歧管喷水的原理相同，均用来降低进入气缸的混合气的温度。

4.3 采用可变进排气配气相位

可变配气相位能够改变扫气效应，排出残余废气，改变进入气缸的新鲜冲量。在不同工况下可通过改变配气相位以保证足够的扫气和新鲜冲量的进入，对燃烧室内汽缸盖、排气门、活塞顶等高温部件进行冷却。合适的配气相位能够降低早燃发生的机率。

4.4 选用冷型火花塞

热型火花塞绝缘体裙部长，受热面积大，传热距离长，散热困难，容易形成炽热表面。相反冷型火花塞外部绝缘体较短，热能传送至冷却系统的路程较短，火花塞产生的热能较易散失，不易形成炽热表面。冷型火花塞的选用，降低了早燃发生的机率。

5 结论

文章首先介绍了氢能的理化特性和作为内燃机燃料的特点。氢作为内燃机的燃料存在异常燃烧问题，针对异常燃烧中的早燃展开讨论，对影响氢内燃机早燃的因素和控制早燃发生的措施进行分析。影响氢内燃机早燃的因素有许多种，从中选出压缩比等四种因素进行分析，找出其对早燃的影响。根据早燃发生的条件对早燃发生的控制措施进行分析，采取适当的措施以降低早燃发生的机率。 本文提出的影响因素和控制措施对解决早燃等异常燃烧问题具有一定的指导意义。

[1] 王占宜,赵岚,张静.氢气在发动机中的应用研究[J].内燃机与动力装置,2010,(05):55-58.

[2] 王存磊,朱磊,袁银南,张育华. 氢气在内燃机上的应用及特点[J].拖拉机与农用运输车,2007,(03):1-3+6.

[3] 杨振中. 氢燃料发动机燃烧与优化控制[D].浙江大学,2001.

[4] 张永锋,周仁斌,赵江涛,杨杰敏. 氢内燃机异常燃烧的研究[J]. 内燃机,2011,(04):54-56.

[5] 乔佳伟,王义夫,王继波,马少康,乔闯,袁凌峰. 增压直喷汽油发动机早燃现象改善的研究[J].小型内燃机与车辆技术,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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-162-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.056

袁珂佳，就职于华北水利水电大学。