氢内燃机燃烧早燃回火问题

杨敏敏

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

氢内燃机燃烧早燃回火问题

杨敏敏

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

氢内燃机以其燃料的优势倍受关注，但是氢内燃机进气道喷射异常燃烧是最大限制的一个原因，包括早燃、爆燃、回火。通过分析国内外关于氢内燃机的异常燃烧的研究成果，找出氢内燃机的异常燃烧的主要影响因素和其产生的原因，提出一些解决氢内燃机异常燃烧的方法。

进气道喷射；异常燃烧；回火；早燃；氢内燃机

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

1、早燃

氢内燃机在进气门关闭之后，新鲜充量在未被火花塞点燃时与燃烧室内局部温度过高的一些热点相接触引起混合燃料气体在气缸内发生燃烧的现象。其中热点包括火花塞、排气门、积炭、高温壁面及其棱角等等。

1.1 早燃的特点及危害

早燃导致发动机效率低下，工作粗暴，增大了发动机的机械负荷和热负荷，排气温度增高。与传统发动机相比，氢燃料发动机中的早燃问题要严重得多，这主要是由于氢气点火能量低、着火界限宽、火焰淬熄距离小和火焰传播速度快。而且热负荷增大又为早燃创造了更大几率的条件进一步影响氢发动机工作工作稳定性。早燃情况比轻微时，导致氢内燃机噪声增大，并且引起轻微震动。一般情况下，早燃会导致氢内燃机非正常运转，极大可能影响到司机的正常驾驶；如果早燃比较严重的话，会破坏氢内燃机的进气管、气缸等部件，并影响其性能安全隐患。

1.2 早燃产生的机理

早燃时缸内温度、压力急剧升高，气缸压力曲线相位比正常燃烧时提前，最大燃烧压力、压力升高率比正常燃烧高，使压缩行程末期的负功很大，功率下降，循环效率降低，伴有过热现象产生。在浓的氢氧混合气中发生早燃时，由于点燃区域较大，火焰传播速度极快，压力和压力升高率急剧升高，氢发动机容易过热，使氢发动机正常工作遭到破坏。

1.3 影响因素及控制措施

氢内燃机早燃的主要影响因素是混合气体的压缩比、发动机的转速和通过进气管进入气缸时，混合气体的温度等。混合气体的压缩比越高，早燃会降低当量比，导致氢气不能充分燃烧，不能将其热量完全释放；发动机的转速和混合气体的温度越高，都会造成早燃会降低当量比。

为了避免早燃现象的发生，应控制压缩比、转速和混合气温度。压缩比和转速越高，早燃限制当量比越小；混合气温度越高，早燃限制当量比越小。此外，可以采用以下几点措施来减少早燃现象的发生：

a.冷的火花塞和狭小的火花塞间隙，保持缸内清洁，避免更多的炽热点；b.采用缸内直接喷射技术；c.采用液氢供氢系统； d.废气再循环；e.进气歧管喷水；f.进气管喷射冷空气；g.选用冷型火花塞[2]。

2、爆燃

2.1 爆燃的特点及危害

爆燃是指氢内燃机在完成点火之后，离火焰较远的地方，在火焰前锋面还没有到达之前而发生的燃烧，终燃混合气的自燃现象，它是一种非正常燃烧，主要表现为缸内压力作高频大幅度波动，发动机振动加剧。且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声产生俗称的“敲缸”。敲缸情况比较轻时，气缸内有金属敲击声发出。一般情况下，使得氢内燃机的工作变得异常不稳定，同时产生较大幅度的振动；敲缸比较严重时，会造成火花塞、活塞等部件产生过热而烧损。

2.2 爆燃产生的燃烧机理

爆燃的经典理论认为温度是决定正常燃烧向爆燃转化的因素，因为反应速度与温度有指数关系并随着温度升高而迅速增加。爆燃产生的主要原因是发动机火花塞点火后，气缸内未燃尽的部分燃料产生不受控制的自燃（爆燃）。爆燃的产生和发动机点火时刻有关，若点火时刻早，燃烧的最高压力过高，爆燃就容易发生。

2.3 主要影响因素及控制措施

氢内燃机爆燃的主要因素是压缩比、转速、点火是否正时和气体的温度。

抑制爆燃可以采取以下措施：

a.改进优化燃烧室形状。采用紧凑的燃烧室，合理选择火花塞位置，增强燃烧室中的气体流动，加快火焰传播速率，缩短火焰传播距离； b.缩小气缸直径，提高发动机转速； c.可变压缩比发动机。利用发动机在高转速时不易发生爆燃的特性，使发动机的压缩比随其负荷和转速的变化而改变； d.均匀燃烧。均匀燃烧的实质是积极地引起自燃，然后再消除自燃的有害后果的方法，即消除爆燃；e.控制爆燃的措施还有采用稀薄混合气燃烧和分层燃烧技术，在末端气区设置冷却区，克服燃烧室表面的粗糙度，进气节流，降低进气温度，冷却排气门，周边多个火花塞点火等。

3、回火

3.1 回火的特点及危害

回火是氢内燃机在进气过程中，进气门未关闭，火花塞还未点燃气缸内混合气而被热点引燃导致火焰传播到进气管内的一种不正常燃烧现象。“回火”造成氢发动机工作不正常，功率下降，经济性变坏，严重的回火致使进气管内温度和压力过高，导致新鲜充量无法进入气缸，氢发动机失火，有时甚至会破坏供氢系统，造成严重的事故。

3.2 回火产生的燃烧机理

产生回火的原因根据产生时刻的不同分为两种：a.进气门刚开启时进气管内产生回火，主要是由于高温废气、后燃混合气和高温热点点燃的；b.进气门快关闭时进气管内产生回火，主要是由于早燃的不断提前所引起的。

影响回火的因素主要有喷氢正时、喷氢系统结构、进气系统结构和点火源。回火与混合气的燃烧速度及其浓度有关，混合气过稀则燃烧速度就会缓慢，混合气的燃烧就会延续到排气终了，在进气门打开时，还在燃烧的混合气就很容易将进气管内的混合气引燃。

3.3 主要影响因素及控制措施

内燃机回火的主要因素是喷气管是否喷氢正时，只有喷气正时，才能保证氢内燃机的燃烧效率和正常提供动力，否则都会影响到氢内燃机的正常运转；

抑制回火可以采用如下的方法：

a.抑制早燃； b.喷水。降低燃烧室内温度可以控制回火。从进气门开启开始，在喷氢期间向进气管喷水，利用喷水吸收汽化潜热来降低气缸内的温度，使其降到表面着火温度以下； c.电控系统和电磁阀相结合的控制系统。也可以采用电控系统与电磁阀相结合的控制系统； d.平行燃料供给系统。

4、结论

早燃、爆燃和回火三者之间既有联系又有区别。爆燃和早燃有一定的联系，特别氢发动机中压缩比高时，早燃和爆燃往往是同时发生，互相促进相互影响。早燃又为回火创造条件。气缸内的一些炽热点导致氢发动机的早燃，使继而使得终燃混合气温度和压力上升，气缸最高燃烧压力和温度、压力升高率和温度升高率比正常燃烧时大，导致混合气受到压缩和传热，促进了爆燃，另一方面爆燃促使气缸壁的传热，导致燃烧室零件过热，从而形成更多的炽热点，进而促进早燃。

[1] 杨振中.氢燃料内燃机燃烧与优化控制[D].杭州：浙江大学,2001 .

[2] 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（4）：54-56 .

[3] 刘兴华,梁虹,刘福水,孙大伟,孙柏刚,孙作宇,张春龙.进气道喷射式氢发动机回火研究[J].汽车工程.2014(06)

[4] 高玉国,杨振中,郭树满,秦朝举,程文涛,张威.不同形式的进气道对氢内燃机混合气形成的影响[J].内燃机工程.2014(03)

[5] 杨振中.氢燃料发动机燃烧与优化控制.[D].杭州：浙江大学.2001.

[6] 张志沛.汽车发动机原理.人民交通出版社.2011.7

[7] 刘斌彬,李国灿,郑亚银．柴油机高压共轨燃油喷射系统现 状与发展趋势内燃机,2006(2)：1—3

[8] 王韶銧,李建秋.汽车电子技术[M].北京：清华大学出版社,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

杨敏敏，就读于华北水利水电大学。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.054