進氣道噴射式氫發動機回火研究*

劉興華，梁 虹，劉福水，孫大偉，孫柏剛，孫作宇，張春龍

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

前言

化石燃料匱乏、全球變暖威脅和環境保護壓力成為研究和發展替代燃料的主要推動力。與傳統石油燃料相比，氫氣具有燃燒速度快、點火能量低、可燃范圍廣、辛烷值和熱效率高等優點。其研發成為近階段廣大科研人員探索氫能應用的熱點之一［1－5］。

但是，由于氫氣與空氣混合氣的點火能量低，導致氫發動機發生回火和其它不正常燃燒現象，限制了氫發動機的發展。對于進氣道噴射式氫發動機，由于缸內殘余熱量和高溫排氣等因素的影響，新鮮氫氣與空氣混合氣在進氣門關閉前就已點燃產生回火現象。這種不正常燃燒對氫發動機的穩定性、可靠性和安全性產生非常不利的影響。

從已發表的文獻看，回火的原因主要與點火系統、燃燒室設計和氣道內混合氣濃度等因素有關。在文獻［6］中試驗發現，火花塞是引起氫發動機回火的主要因素。普通汽油機的火花塞工作在較高的溫度以防止積碳，然而這個溫度卻超過氫氣的自燃溫度。如果氫發動機采用與汽油機相同的點火系統，將導致氫氣與空氣混合氣在進氣過程中被引燃，引發回火。在文獻［7］中試驗發現，即便使用水冷火花塞也不能避免高濃度時回火，認為點火系統的殘余能量引起火花塞意外跳火是引起回火的原因。文獻［8］中發現火花塞間隙不是引起回火的主要原因，而活塞環頂岸的間隙內的混合氣燃燒會引發回火。

本文以前人對回火現象機理的研究成果為依據，對氫發動機進行了改造。然而，在試驗中發現，改造后的氫發動機依然無法避免回火發生。回火不僅發生在氫氧濃混合氣階段，也時常發生在怠速、暖機和小負荷工況。氫發動機在怠速、暖機和小負荷工況條件下，氫氣與空氣混合氣的當量燃空比低，燃燒壓力僅比倒拖時壓力略高，排氣溫度也僅有120℃，燃燒室內各部件溫度也不高，幾乎不可能存在熱點。而在如此低的當量燃空比下，氫燃料火焰的淬熄距離與碳氫燃料相當［9］，火焰很難發展到活塞環岸的縫隙中去，縫隙燃燒的可能性很小。因此，為揭示回火的發生機理，本文中對不同負荷工況條件下的氫發動機進行了回火分析。

1 試驗設備

試驗研究采用的原型機為一款2.0L直列4缸、雙頂置凸輪軸、16氣門和電控多點燃油噴射汽油機。主要的改造內容包括:采用冷型非鉑金火花塞，調整點火間隙，采用高壓線圈集成在點火器上的獨立點火系統，使用低灰分潤滑油，安裝油氣分離器以去除曲軸箱通風中的潤滑油，排氣門采用鈉冷卻以進一步降低其溫度，氫氣在排氣門關閉后開始噴射，以便空氣對氣缸熱點和殘余廢氣充分冷卻等。改造后保持原汽油機的基本結構參數，重新設計和改進氫氣噴射系統、點火系統、潤滑油和曲軸箱通風管路、排氣系統和電控系統等。

氫發動機采用進氣道順序噴射燃料供應系統。考慮到氫氣密度低，需要噴射體積流量大，每缸安裝兩個氫氣噴嘴。為了使氫發動機在不同負荷工況條件下保持氫氣計量的準確穩定，在氫軌上安裝壓力調節閥，可根據工況變化調節氫軌壓力。原型機的點火系統為兩缸同時點火(1、4缸一組，2、3缸一組)的富余點火系統。由于氫燃料的可燃范圍寬和易燃的特點，氫發動機在進氣過程中點火會頻繁地引發回火，因此將原有的富余點火系統改為每缸獨立點火。選用低灰分潤滑油。保留原機的三效催化轉化器，這樣當混合氣濃于化學計量比時可以利用未燃氫氣通過三效催化轉化器來還原氮氧化物。由于氫發動機大部分處于稀燃工況，故安裝寬域氧傳感器。由于氫發動機比原汽油機增加了數個不同類型的執行器和傳感器，控制策略也有區別，因此重新開發氫發動機的電控系統。氫發動機具體參數如表1所示。試驗臺架的具體布置示意圖如圖1所示。

2 試驗研究

2.1 小負荷條件下的回火

小負荷運行工況設定氫發動機轉速為850r/min，當量燃空比為0.2，冷卻液溫度為35℃，調整點火角度直至發生回火。圖2為氫發動機在小負荷工況時正常循環與發生回火循環的比較圖，圖2(a)為正常運轉和發生回火時的第4缸進氣壓力曲線，圖2(b)為計算得到的第4缸氣門附近的當量燃空比隨曲軸轉角的變化曲線。噴氫開始角度為進氣上止點后34°CA，噴射持續期 24°CA。由圖 2(b)可知，由于進氣回流的原因，使氣門附近在進氣開始時存有極低濃度的氫氣。隨著空氣的進入，氣門附近的混合氣濃度下降。噴氫開始后，由于噴氫位置距離氣門有一段距離，故經過15°CA后氣門處的混合氣濃度才開始升高。回火發生在進氣上止點后85°CA，此時已有部分較高濃度的混合氣進入到氣缸中，被點燃后發生了回火。

圖2(c)為正常運轉工況(點火角度上止點前38°CA，循環43)和發生回火工況(點火角度上止點前14°CA，循環63)的缸壓對比曲線。回火工況是指回火頻繁發生的工況，但也會有某循環不發生回火，如循環63。由圖可以看出，循環63的最高燃燒壓力和膨脹壓力都要低于循環43。圖2(d)為循環43和循環63的瞬時放熱率和累積放熱率的對比曲線。從圖2(d)中可以看出:相對于循環63，循環43的點火角度提前，燃燒開始較早，燃燒速度較快而瞬時放熱率值較高，上止點后100°CA左右燃燒基本結束;而循環63的點火角度較晚，燃燒始點滯后，在整個燃燒過程中的放熱峰值較低，燃燒速度較慢，在上止點后100°CA還有比較明顯的放熱，表明此時氫氣依然在燃燒;從累計放熱量上可看出，在上止點后100°CA，循環63的放熱量僅為循環43的60%，說明還有大量的氫氣沒有燃燒。

由于氫氣的可燃極限十分寬廣，在極稀薄的混合氣下(當量燃空比0.1)，盡管火焰面不再連續，但依然可以在局部以火球的形式十分緩慢地傳播［10］。在循環63的工況下(如圖2(c)和圖2(d)中)，燃燒可能會在局部區域一直持續到進氣門打開，遇到進入的新鮮充量后發生回火。

因此避免小負荷回火最直接的辦法就是提高混合氣的燃燒速度。混合氣十分稀薄時大幅度提前點火角度，或者對空氣節流提高混合氣濃度，都能夠提高混合氣的燃燒速度從而避免回火。后者不僅可以避免回火，還減少了未燃氫損失。試驗證明保持混合氣當量燃空比為0.25時發動機能夠穩定高效地運轉，故在實際運行中氫發動機在怠速和小負荷時節流運行，混合氣當量燃空比宜保持在0.25附近。

2.2 高負荷條件下的回火

高負荷時混合氣的當量燃空比較高，燃燒時缸內的壓力和溫度都很高，圖3為氫發動機在高負荷工況時正常循環與發生回火循環的對比圖。圖3(a)為氫發動機在轉速3 000r/min，當量燃空比0.65，排氣溫度626℃，第4缸正常運行和發生回火時的進氣壓力。為了在進氣初期利用空氣對氣缸冷卻，噴氫開始角度設為進氣上止點后50°CA。然而從圖中可以看出，由于所需氫氣量大，噴氫持續期180°CA，在進氣門關閉后還沒有結束，因此在進氣道中殘留了較濃的混合氣。在下個循環的進氣上止點后8°CA發生了回火，表明新鮮混合氣遇到高溫廢氣后發生了回火。

圖3(b)為氫發動機在轉速5 000r/min，當量燃空比0.63，排氣溫度695℃，第3缸正常運行和發生回火時的進氣壓力。噴氫開始角度設為進氣上止點后30°CA，噴氫持續期 210°CA，在進氣門關閉后依然沒有結束噴氫，因此與圖3(a)所示工況一樣，在進氣道內殘留了較濃的混合氣。與圖3(a)不同的是，回火發生在下一個循環進氣上止點后63°CA，表明新鮮充量在受到殘余廢氣或缸內熱點的加熱后一段時間才發生回火。

圖3(b)中還顯示了第1缸的進氣壓力，在第139循環中第1缸進氣壓力也出現了較高的壓力峰值，而此時第1缸正處于壓縮行程末期，并不存在回火的可能。考慮到第1缸進氣壓力開始上升的角度和第3缸回火角度相差64°CA(約2.13ms)，第3缸和第1缸壓力傳感器相距約751mm，聲速346m/s(空氣25℃)，壓力傳播時間剛好為2.17ms。因此可以確定是由于第3缸回火時的壓力波傳遞到第1缸，造成了第1缸進氣壓力波動。

綜上所述，氫發動機在高負荷時發生回火是由于高溫殘余廢氣或者缸內熱點引燃的可能性較大。然而，在高轉速噴氫持續期較長的工況下，通過推遲噴射在進氣初期利用空氣冷卻氣缸的辦法并不適用。因此需要對噴射相位進行全面的考慮，得到一個既能在高轉速大負荷時滿足噴氫量的需求，又能滿足無回火運行所需要的進氣前期冷卻的噴氫相位。

3 結論

為了研究氫發動機在不同負荷工況下發生回火的機理，以一臺4缸2.0L的氫發動機為研究對象進行了試驗研究，得到如下結論:

(1)氫發動機在小負荷時發生回火是由于混合氣的燃燒速度緩慢的可能性較大，避免小負荷回火最直接的辦法就是大幅度提前點火或者對空氣節流提高混合氣濃度;

(2)氫發動機在高負荷時發生回火是由于殘余廢氣或者缸內熱點引燃的可能性較大。

今后須對噴氫相位進行全面的考慮，得到一個既能在高轉速大負荷時滿足噴氫量的需求，又能滿足無回火運行所需要的進氣前期冷卻的噴氫相位。

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