淺談氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒的原因及控制策略

武 猛

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450011）

淺談氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒的原因及控制策略

武 猛

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450011）

隨著環(huán)境問題越來越嚴(yán)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(dāng)其沖。隨著各國政府對環(huán)境污染問題越來越重視，進(jìn)氣管噴射式氫內(nèi)燃機(jī)被廣泛應(yīng)用。但這種氫內(nèi)燃機(jī)在使用過程中還存在一些問題，其中，氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒是最突出的問題，其使氫內(nèi)燃機(jī)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(jī)異常燃燒的研究成果，找出氫內(nèi)燃機(jī)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(jī)異常燃燒的方法，為進(jìn)氣管噴射式氫內(nèi)燃機(jī)的大范圍推廣提供技術(shù)上的保證。

進(jìn)氣管噴射式氫內(nèi)燃機(jī) 異常燃燒 早燃 爆燃 回火

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

1 氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒

1.1 氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒的分類

氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒主要有三種：一是早燃，即氫內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣門關(guān)閉后，而火花塞還沒有點(diǎn)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(jī)在進(jìn)氣門開啟的過程中，火焰進(jìn)入進(jìn)氣管而引起的燃燒。三是爆燃（俗稱敲缸），指氫內(nèi)燃機(jī)完成點(diǎn)火后，在離火焰較遠(yuǎn)的地方，火焰前鋒面還沒有到達(dá)前就已被點(diǎn)燃的現(xiàn)象。這三種異常燃燒既會對氫內(nèi)燃機(jī)的部件和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，又會造成燃料浪費(fèi)，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(jī)異常燃燒的危害

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

（2）氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)生回火造成的主要危害：回火情況比較輕時(shí)，會導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)噪音迅速增大或進(jìn)氣管發(fā)生局部范圍的小火，噪音是判斷氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)生回火現(xiàn)象的標(biāo)志，這一點(diǎn)需要注意，因?yàn)橐坏┎荒芗皶r(shí)發(fā)覺并采取積極有效的處理措施，可能會導(dǎo)致進(jìn)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(jī)循環(huán)變動(dòng)增大運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，甚至停止運(yùn)轉(zhuǎn)，造成動(dòng)力驟失。

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

氫內(nèi)燃機(jī)的這三種異常燃燒現(xiàn)象都有相應(yīng)的識別標(biāo)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(jī)的異常燃燒的主要影響因素

2.1 氫內(nèi)燃機(jī)早燃的主要影響因素

氫內(nèi)燃機(jī)早燃的主要影響因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、轉(zhuǎn)速和通過進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸時(shí)混合氣體的溫度。混合氣的壓縮程度越高、發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)功增加，從而降低氫氣的燃燒熱效率。

2.2 氫內(nèi)燃機(jī)回火的主要影響因素

氫內(nèi)燃機(jī)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(shí)缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比變小，不能保證氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率，不能正常提供動(dòng)力；氫內(nèi)燃機(jī)的噴氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也影響氫內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但該問題基本上在設(shè)計(jì)中已解決；早燃也是影響氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)生回火的重要因素。

2.3 氫內(nèi)燃機(jī)爆燃的主要影響因素

氫內(nèi)燃機(jī)爆燃的主要因素是壓縮比、轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前角和混合氣的濃度。發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比越高，點(diǎn)火提前角越大，缸內(nèi)壓力增加，爆燃傾向增大；發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，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??；過稀或過濃的混合氣有助于減小爆燃。

3 氫內(nèi)燃機(jī)的異常燃燒的控制策略

3.1 氫內(nèi)燃機(jī)早燃的解決辦法

通過分析氫內(nèi)燃機(jī)早燃的影響因素和產(chǎn)生的主要原因，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出解決氫內(nèi)燃機(jī)早燃的主要方法：第一，通過改進(jìn)氫內(nèi)燃機(jī)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(jìn)入管進(jìn)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(jī)早燃的問題；第三，準(zhǔn)確控制噴氫時(shí)間和噴氫量，讓空氣先進(jìn)入氣缸，降低高溫?zé)狳c(diǎn)的溫度。

3.2 氫內(nèi)燃機(jī)回火的解決辦法

氫內(nèi)燃機(jī)回火的解決辦法主要從點(diǎn)火源、火焰?zhèn)鞑ネ緩胶突旌蠚怏w這三個(gè)方面考慮。第一，通過改進(jìn)氫內(nèi)燃機(jī)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(jìn)入管進(jìn)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(jī)早燃的解決辦法一致，主要是在氫內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)。第二，縮短進(jìn)氫持續(xù)時(shí)間，以此控制火焰?zhèn)鞑?。第三，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(shí)間和供應(yīng)量，確保燃燒正常進(jìn)行。

3.3 氫內(nèi)燃機(jī)爆燃的解決辦法

目前，有效解決氫內(nèi)燃機(jī)爆燃的辦法是推遲點(diǎn)火，但推遲點(diǎn)火容易引起早燃，所以在界定點(diǎn)火提前角時(shí)，需要做大量的試驗(yàn)，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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)的發(fā)展鋪平道路。

[1]劉興華，梁虹，劉福水，等.進(jìn)氣道噴射式氫發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速對其燃燒特性的影響[J].北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，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