进气道喷射氢发动机燃烧及爆震特性试验研究

卫海桥，王 楠，李 卫，贾德民，李金光，潘家营

进气道喷射氢发动机燃烧及爆震特性试验研究

卫海桥1，王 楠1，李 卫2，贾德民2，李金光1，潘家营1

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 潍柴动力股份有限公司，潍坊 261041)

为探究进气道喷射(PFI)氢发动机燃烧特性，以一台四冲程PFI氢发动机为研究对象，开展了关键参数(点火时刻、当量比)对氢发动机燃烧及爆震特性影响的试验研究，其中点火时刻在-5°CA～-30°CA内变化，当量比在0.5～0.8内变化．结果表明，随着点火时刻从-5°CA提前到-30°CA，发动机做功能力逐渐降低，循环变动逐渐增大；将当量比从0.5提高到0.7时，发动机做功能力有所下降且循环变动增大，综合发动机做功能力和循环变动来看，-15°CA点火时刻发动机性能最优；根据统计学角度分析得知，从点火时刻-25°CA开始，随着点火时刻的推迟，平均爆震强度呈现先增大后降低的趋势；平均爆震强度随当量比的提高整体呈增大趋势，但其对当量比的敏感性与点火时刻密切关联，-15°CA～-20°CA点火时，增大当量比会使平均爆震强度明显增加；同时，点火时刻较为提前或推迟时爆震概率对当量比的敏感性较大，增大当量比会使爆震概率明显增加、爆震起始时刻提前．此外，在高当量比条件下，初期循环中一般强度爆震的累加作用会诱发超级爆震．

氢发动机；燃烧特性；爆震；超级爆震；点火时刻；当量比

日益减少的原油储备和愈发严重的环境污染迫使研究学者一直致力于寻找高效、清洁、可再生的替代燃料[1-2]．氢气作为一种发动机燃料，具有很多优点，比如氢气可由可再生能源制取，完全燃烧时产物只有水，可以实现全生命周期的零碳排放[3]．氢气质量能量密度高，拥有较宽的可燃界限、最小的点火能量以及较快的火焰传播速度[4]．根据奥托循环理论，其较快的火焰传播速度可以实现更高的热效率[5]．但氢气也存在局限性，如体积热值低、NO排放高，容易引起早燃、回火、爆震等异常燃烧现象[6]，不仅会降低发动机的功率输出，严重时会导致发动机部件的不可逆损坏[7-9]．

进气道喷射式(PFI)氢发动机由于其装置简单且耐久性好等优点受到广大研究人员的重视，但是PFI氢发动机的异常燃烧现象也更为严重．研究人员为深入理解PFI氢发动机的异常燃烧机理开展了一系列工作．Li等[10]以一台PFI氢发动机为研究对象进行了压缩比和进气温度对爆震影响的试验研究，发现压缩比和进气温度是影响氢发动机燃烧爆震极限当量比的重要参数．Szwaja等[11]发现氢发动机在不同的压缩比下发生的爆震有所不同，压缩比在11以下时最大压力振荡幅值在0.1MPa以下，而压缩比大于11时最大压力振荡幅值可能会突破一个数量级．Luo等[12]通过数值模拟方法，研究了氢发动机的爆震诱发因素及爆震频率，发现氢发动机的异常燃烧现象存在相互促进的关系，回火和早燃很大概率会诱发爆震；通过傅里叶变换分析得知，氢发动机在各个模式下的爆震频率都高于汽油机，轻度爆震的压力波沿径向传播，重度爆震的压力波沿轴向传播．Szwaja等[13]发现，氢发动机的爆震可以分为轻爆震和重爆震，轻爆震发生在燃烧初期，而重爆震发生在燃烧末期，重爆震会因为热应力迅速损坏发动机．

尽管对PFI氢发动机的燃烧及爆震已经做了大量研究，但氢发动机的燃烧技术仍然不成熟[14-15]．研究发现，氢发动机存在不同强度的爆震，但是不同强度爆震的诱发原因尚不清楚(如燃烧速率过快和末端自燃均可能引起爆震)，不同强度爆震之间的关联也不明确，关于发动机关键参数对燃烧及爆震强度的影响研究不够完善．因此，本文以一台PFI氢发动机为研究对象，探究关键参数(点火时刻、当量比)对PFI氢发动机燃烧及爆震特性的影响，研究结果对于深入理解氢发动机燃烧特性及不同强度爆震的诱发机理及从根本上寻求解决方法提供重要理论指导．

1 试验装置及研究方法

1.1 试验装置

本研究在一台由General Motor 2.0T为原型机改造的进气道喷射式氢发动机上进行．该发动机配备了可拆卸的活塞以便调节压缩比，为了研究氢发动机的燃烧及爆震特性，本文选择了压缩比为12的活塞．燃烧室由带有4气门(2个进气门、2个排气门)的缸盖及平顶活塞构成，其内径是88mm，行程为105mm，保证了约0.64L的排量．此外，节气门开度维持在8%左右，此时纯压缩的最大缸压为2.47MPa，约为节气门全开时的85%．图1为发动机台架示意，详细参数见表1．

图1 发动机台架示意

表1 发动机主要参数

Tab.1 Specifications of the test engine

1.2 试验方法与数据处理

试验发动机由一台直流测功机(DZDC-20S)控制，转速维持在1000r/min，精度为±0.2%．上止点前280°CA时，由电子控制单元(MOTEC M400)控制进气道喷射器以0.3MPa的压力向缸内喷射氢气，喷射脉冲宽度与喷射量呈线性关系，当量比由安装在排气管上的Bosch宽域氧传感器测量，测量分辨率为0.1%，响应时间为0.15s．本文通过调整喷射脉宽使当量比分别等于0.5、0.6、0.7、0.8．

由于发动机采用风冷冷却方式，无法长时间点火运行，故选取了缸盖温度作为试验时的参考温度，缸盖温度由一个安装在缸盖上的K型热电偶测量，测量精度为±0.1℃，为尽量消除因缸体温度高导致的测量结果失准，采用监测缸盖温度后采集数据的方法，当缸盖温度接近90℃时，数据采集系统开始采集连续循环的热力学数据；当缸盖温度超过95℃时，发动机停止运行使其冷却．缸内压力数据由一个Kistler 6125A型压电式压力传感器和一台Kistler 5018型电荷放大器测量，其采集分辨率可达0.1°CA．在发动机运行稳定之后，数据采集系统连续采集50个循环下的热力学数据，所有的控制都基于电子控制单元．

压力的采样频率为0.1°CA即60kHz，足够捕捉爆震现象的压力振荡[16]．应用带通滤波器从范围为4～25kHz的原始缸内压力数据中分离爆震压力[17].然后计算爆震强度(maximum amplitude of pressure oscillations，MAPO)，其被定义为带通滤波压力迹线的绝对峰值[18]．此外，基于热力学第一定律的标准单区域模型计算热释放率(HRR)、燃烧持续期(combustion duration)和燃烧相位[19]．

本文以平均指示压力循环变动系数(coefficients of variation of indicated mean effective pressure，COVIMEP)来表征发动机的燃烧稳定性，其计算式为

式中：IMEP是单个工况下每个循环的平均指示压力；IMEPm是该工况下个循环的平均值；是该工况的循环数．

2 试验结果与分析

2.1 点火时刻和当量比对燃烧性能的影响

对于进气道喷射式发动机来说，点火时刻和当量比对发动机性能和燃烧过程有着显著的影响，图2和图3分别给出了不同点火时刻和当量比条件下的缸压和放热率．如图2所示，在当量比0.5的条件下，随着点火时刻从-5°CA提前到-30°CA，燃烧相位逐渐提前，反应速度加快，缸内最大压力峰值从5.18MPa先增大到6.1MPa又逐渐降低到5.9MPa，HRR从70.4J/(°CA)逐渐增大到97.8J/(°CA)，放热更加集中．如图3所示，点火时刻固定在-25°CA条件下，随着当量比从0.5增大到0.7，燃烧相位提前、反应速度加快、放热更加集中，缸内最大压力峰值从5.8MPa增大到6.2MPa，HRR峰值从60.2J/(°CA)增大到97J/(°CA)．

图2 不同点火时刻下的缸内压力和放热率

图3 不同当量比下的缸内压力和放热率

图4给出了不同点火时刻及当量比条件下的IMEP及COVIMEP，用以表征发动机的做功能力及燃烧稳定性．从图4(a)可以看出，在当量比0.5条件下，随着点火时刻从-30°CA推迟到-5°CA，平均指示压力IMEP从0.11MPa逐渐增大到0.37MPa，发动机做功能力逐渐增强；将当量比从0.5增大到0.7时，发动机IMEP整体呈减小趋势．从图4(b)可以看出，在当量比0.5条件下，随着点火时刻从-30°CA推迟到-5°CA，COVIMEP从37%逐渐降低到8%；将当量比从0.5增大到0.7，由于混合气浓度的增大使得缸内燃烧更加剧烈，燃烧持续期明显缩短，发动机COVIMEP逐渐增大．

图5给出了不同点火时刻和当量比条件下的燃烧持续期，记录为燃烧质量分数从CA10～CA90的曲轴转角．当量比为0.5时，随着点火时刻的推迟，燃烧持续期先增大后减小，燃烧持续期一般维持在10°CA左右，且增大当量比会使燃烧持续期缩短．

当量比增大会使得发动机燃烧持续期对点火时刻的敏感性下降．由于氢发动机燃烧持续期较短，当点火时刻过于提前时，整个燃烧过程发生在压缩行程，即完全转化为负功，所以IMEP较小，同时循环变动较大．推迟点火时刻可以在低当量比条件下提高发动机做功能力的同时降低循环变动，但是在高当量比条件下易诱发爆震燃烧．

图5 不同点火时刻和当量比下的燃烧持续期

2.2 点火时刻对PFI氢发动机爆震特性的影响

为进一步研究关键参数对氢发动机爆震特性的影响，继续增大当量比进行不同点火时刻对氢发动机爆震特性的试验研究．通常将MAPO在一个或几个MPa时的爆震定义为常规爆震，而将MAPO超过常规爆震一个甚至两个数量级以上的爆震定义为超级爆震[20]．为了研究不同情况下的PFI氢发动机爆震的统计学特性，图6分别给出了当量比0.6、0.7、0.8下50个连续循环的详细MAPO分布，分别对应无爆震、轻爆震、超级爆震情况，并给出了平均爆震强度MAPO及MAPO相对标准偏差(relative standard deviation，RSD)．

观察平均MAPO发现，在当量比0.6没有爆震发生的情况下，平均MAPO基本保持不变，维持在0.1MPa以下，RSD基本维持在0.15～0.35不变．

当量比0.7时，随着点火时刻从-30°CA推迟到-5°CA，平均爆震强度MAPO呈现先增大后降低的趋势，最大平均MAPO发生在-20°CA点火时，约为0.22MPa；对于发生爆震的工况(点火时刻-20°CA、-15°CA、-10°CA)，单个循环的MAPO分散在0.10～0.45MPa之间，最大MAPO发生在-20°CA点火时，约为0.42MPa．综上得知当量比0.7时发生的爆震为一般强度爆震；无量纲数RSD基本保持不变，约为0.35～0.55，证明一般强度爆震主要取决于较大的燃烧放热率或压力升高率．

当量比0.8时，所有点火时刻均发生了爆震，平均MAPO随点火时刻推迟呈现先增大后减小又增大的趋势，最大平均MAPO发生在-15°CA，约为1MPa；单个循环MAPO分散在0.1～6.5MPa之间，最大MAPO发生在-15°CA点火时，约为6.2MPa，此时的爆震强度较当量比0.7时的爆震强度增大了一个数量级，为超级爆震；无量纲数RSD从-25°CA点火时的0.586增大到-15°CA点火时的1.405，随机性增加，证明超级爆震的发生是由于随机的热点自燃引起的．

综上研究发现，每个当量比下均存在一个最强爆震点火时刻(一般在-20°CA～-15°CA左右)使得氢发动机爆震强度最大，以此为基准提前或推迟点火时均使发动机爆震强度减小．这与汽油机爆震表现出的规律是完全不同的[21]，一般来说汽油机爆震强度随着点火时刻推迟呈减小趋势；同时，两种发动机爆震强度对点火时刻的敏感度也不同，每推迟10°CA点火，氢气发动机爆震强度变化幅值很大，一般在0.2～0.8MPa左右，即氢气发动机爆震强度对点火时刻更敏感．

由以上得知当量比0.8、点火时刻-15°CA时爆震概率最高且平均MAPO最大，因此对此工况展开着重分析．如图7所示，前6个循环发生了一般强度爆震，MAPO从0.15MPa逐渐增加到0.75MPa，第7个循环发生了超级爆震，此刻MAPO较一般强度爆震增大一个数量级至3.8MPa，即诱发了超级爆震．在初始几个循环中，随着一般爆震强度的增加，缸内部件被不断加热，一般爆震的累积作用使得缸内部件出现局部过热的现象，继而诱发了超级爆震现象的发生．

图6 不同当量比下不同点火时刻时的详细MAPO分布

如图8所示，此工况下最强爆震循环为第14个循环，此循环的缸内最大压力峰值达到12.8MPa、最大HRR达到280J/(°CA)、MAPO高达6.1MPa．将此循环的原始缸内压力曲线、经过4～25kHz带通滤波的压力振荡曲线以及放热率曲线与一般爆震进行比较．一般爆震循环的缸内最大压力峰值约为6.2MPa、最大HRR约为170J/(°CA)、最大MAPO约为0.25MPa．CAKO(the onset of pressure oscillation)定义为压力振荡开始时对应的曲轴转角，发现一般爆震情况的CAKO与瞬时放热率峰值重合，说明一般爆震是由于高HRR引起，而超级爆震循环的瞬时放热率呈现多段波动上升趋势．

图7 初期7个循环的缸压及压力振荡以及相应的MAPO

图8 不同强度爆震循环的原始缸内压力、放热率及压力振荡

2.3 当量比对PFI氢发动机爆震特性的影响

由图9可知，提高当量比使氢发动机爆震强度增大．在当量比从0.6增大到0.7时，爆震强度在各个点火时刻下的增幅基本维持在0.2MPa以内．

图9 不同点火时刻下不同当量比的平均爆震强度

将当量比从0.7增大到0.8发现，平均爆震强度对当量比的敏感性和点火时刻存在很大关联性．具体表现在－20°CA及－15°CA左右点火时，平均爆震强度对当量比的敏感性较大，平均爆震强度随着当量比增大的增幅超过0.8MPa；提前或推迟点火时，增大当量比仅使得平均爆震强度小幅度增大，增幅均在0.1MPa左右．

将每个工况50个循环中MAPO大于0.1MPa的循环所占的比例定义为爆震概率．如图10所示，增大当量比使发动机爆震概率增大．但爆震概率对当量比的敏感性与点火时刻存在很大关联性．具体体现在最强爆震点火时刻附近点火时，不同当量比下均存在较大爆震概率故增幅较小；以最强爆震点火时刻为基准提前或推迟点火时刻，当量比的增大使得爆震概率明显增大，其中在－25°CA及－5°CA点火时，增大当量比使爆震概率增大70%．

图10 不同点火时刻下不同当量比的爆震概率

图11所示为点火时刻-20°CA时，不同当量比条件下最强爆震循环原始缸内压力及压力振荡对比．由图可知，增大当量比使得缸内反应速度加快，缸内最大压力峰值从5.8MPa增大到9.3MPa，爆震强度从0.4MPa增加到4MPa，另外爆震起始时刻也从－8°CA提前到－12°CA．

图11 相同点火时刻不同当量比下的原始缸内压力及压力振荡

3 结 论

本文基于一台进气道喷射式单缸氢发动机，开展了关键参数(点火时刻、当量比)对发动机燃烧及爆震特性影响的试验研究，主要结论如下．

(1) 点火时刻对氢发动机燃烧过程有着显著影响．持续提前点火时刻会使发动机的做功能力降低，同时循环变动增加．综合发动机做功能力和循环变动来看，－15°CA左右点火时发动机性能最优．

(2) 当量比对氢发动机做功能力和爆震燃烧具有重要作用．固定最佳点火时刻条件下，持续增大当量比会使发动机做功能力下降、循环变动增大．不同当量比下均存在最强的爆震点火时刻，一般是在－20°CA～－15°CA左右．

(3) 氢发动机爆震强度对点火时刻和当量比相当敏感，且其对当量比的敏感性与点火时刻存在很大关联．在爆震最强的点火时刻下增大当量比可以使平均爆震强度显著增大，最大增幅可达0.8MPa．同时，高当量比条件下，一般强度爆震不断累加会诱发产生超级爆震．

［1］ Álvarez Fernández R，Corbera Caraballo S，Beltrán Cilleruelo F，et al. Fuel optimization strategy for hydrogen fuel cell range extender vehicles applying genetic algorithms[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，81：655-668.

［2］ 姚春德，徐元利，张志辉，等. 一种高效清洁燃烧纯甲醇燃料的新方法探索[J]. 天津大学学报，2008，41(10)：1196-1201.

Yao Chunde，Xu Yuanli，Zhang Zhihui，et al. Explora-tion of a new approach to clean and high efficiency combustion with methanol fuel[J]. Journal of Tianjin University，2008，41(10)：1196-1201(in Chinese).

［3］ Peschka W. Hydrogen：The future cryofuel in internal combustion engines[J]. International Journal of Hydro-gen Energy，1998，23(1)：27-43.

［4］ White C M，Steeper R R，Lutz A E. The hydrogen-fuelled internal combustion engine：A technical re-view[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2006，31(10)：1292-1305.

［5］ Liu X，Liu F，Zhou L，et al. Backfire prediction in a manifold injection hydrogen internal combustion engine [J]. International Journal of Hydrogen Energy，2008，33(14)：3847-3855.

［6］ Fitton J，Nates R. Knock erosion in spark-ignition engines[J]. SAE Trans，1996，105：2318e26.

［7］ Kahraman E，Ozcanlı S C，Ozerdem B. An experimen-tal study on performance and emission characteristics of a hydrogen fuelled spark ignition engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2007，32(12)：2066-2072.

［8］ Das L M. Hydrogen engine：Research and develop-ment(R&D)programmes in Indian Institute of Technol-ogy(IIT)，Delhi[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2002，27(9)：953-965.

［9］ Ji C，Wang S，Bo Z. Effect of spark timing on the performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at lean conditions[J]. International Journal of Hydrogen En-ergy，2010，35(5)：2203-2212.

［10］ Li H，Karim G A. Knock in spark ignition hydrogen engines[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2004，29(8)：859-865.

［11］ Szwaja S，Bhandary K R，Naber J D. Comparisons of hydrogen and gasoline combustion knock in a spark ignition engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2007，32(18)：5076-5087.

［12］ Luo Q H，Sun B G. Inducing factors and frequency of combustion knock in hydrogen internal combustion engines[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2016，41(36)：16296-16305.

［13］ Szwaja S，Naber J D. Dual nature of hydrogen combus-tion knock[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2013，38(28)：12489-12496.

［14］ Pal A，Agarwal A K. Effect of compression ratio on combustion，performance and emissions of a laser ig-nited single cylinder hydrogen engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2015，40(36)：12531-12540.

［15］ Sun Y，Yu X，Dong W，et al. Effects of hydrogen direct injection on engine stability and optimization of control parameters fora combined injection engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2018，43(13)：6723-6733.

［16］ Galloni E. Dynamic knock detection and quantification in a spark ignition engine by means of a pressure based method[J]. Energy Conversion and Management，2012，64：256-262.

［17］刘昌文，马国斌，潘家营，等. 燃烧边界条件对异辛烷自燃及爆震的影响[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2019，52(9)：941-948.

Liu Changwen，Ma Guobin，Pan Jiaying，et al. Effects of combustion boundary conditions of iso-octane air mixture on auto-ignition and knock[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2019，52(9)：941-948(in Chinese).

［18］ Chen L，Wei H，Pan J，et al. Understanding the correlation between auto-ignition，heat release and knocking characteristics through optical engines with high compression ratio[J]. Fuel，2020，261：116405.

［19］ McGraw H. Internal Combustion Engine Fundamen-tals[M]. New York：McGraw-Hill，1988.

［20］ Wang Z，Liu H，Reitz R D. Knocking combustion in spark-ignition engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2017，61：78-112.

［21］ Chen L，Zhang R，Pan J，et al. Optical study on autoignition and knocking characteristics of dual-fuel engine under CISI combustion modes[J]. Fuel，2020，266：117107.

Experimental Investigations on Combustion and Knock Characteristics of Port Fuel Injection Hydrogen Engine

Wei Haiqiao1，Wang Nan1，Li Wei2，Jia Demin2，Li Jinguang1，Pan Jiaying1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China)

To explore the combustion and knock characteristics of a port fuel injection(PFI)hydrogen engine，this study investigates the effect of key parameters(ignition timing and equivalence ratio)on the combustion and knock characteristics of a four-stroke PFI hydrogen engine. In the experimental study，the ignition time varies from -5°CA to -30°CA and the equivalence ratio varies from 0.5 to 0.8. Results show that as the ignition time advances，the engine’s power gradually reduces，whereas the cycle’s variation gradually increases. When the equivalence ratio is increased from 0.5 to 0.7，the engine’s power reduces，whereas the cycle’s variation increases. From the perspective of comprehensive engine power and cycle variations，the engine performance is optimal when the ignition time is approximately -15°CA. The statistical analysis revealed that starting from an ignition time of -25°CA，with the ignition time delayed，the average knock intensity first increases and then decreases. Further，with increasing equivalence ratio，the average knock intensity increases；however，its sensitivity to the equivalence ratio is closely related to the ignition time. When the ignition time is between -15°CA and -20°CA，increasing the equivalence ratio will significantly increase the average knock intensity. Moreover，the sensitivity of the knock probability to the equivalence ratio is closely related to the ignition timing，i.e.，when the ignition time advances or delays，the sensitivity improves. Thus，increasing the equivalence ratio will significantly increase the knock probability and advance the knock onset time. In addition，at a high equivalence ratio，the cumulative effect of general intensity knock in the initial cycle will induce the occurrence of a super knock phenomenon.

hydrogen engine；combustion characteristics；knock；super knock；ignition time；equivalence ratio

10.11784/tdxbz202108042

TK448.21

A

0493-2137(2022)12-1230-07

2021-08-16；

2021-09-15.

卫海桥（1974—  ），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(52076149，51825603).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 52076149，No. 51825603).

(责任编辑：金顺爱)