进气道喷射式氢发动机回火研究*

刘兴华，梁 虹，刘福水，孙大伟，孙柏刚，孙作宇，张春龙

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

前言

化石燃料匮乏、全球变暖威胁和环境保护压力成为研究和发展替代燃料的主要推动力。与传统石油燃料相比，氢气具有燃烧速度快、点火能量低、可燃范围广、辛烷值和热效率高等优点。其研发成为近阶段广大科研人员探索氢能应用的热点之一［1－5］。

但是，由于氢气与空气混合气的点火能量低，导致氢发动机发生回火和其它不正常燃烧现象，限制了氢发动机的发展。对于进气道喷射式氢发动机，由于缸内残余热量和高温排气等因素的影响，新鲜氢气与空气混合气在进气门关闭前就已点燃产生回火现象。这种不正常燃烧对氢发动机的稳定性、可靠性和安全性产生非常不利的影响。

从已发表的文献看，回火的原因主要与点火系统、燃烧室设计和气道内混合气浓度等因素有关。在文献［6］中试验发现，火花塞是引起氢发动机回火的主要因素。普通汽油机的火花塞工作在较高的温度以防止积碳，然而这个温度却超过氢气的自燃温度。如果氢发动机采用与汽油机相同的点火系统，将导致氢气与空气混合气在进气过程中被引燃，引发回火。在文献［7］中试验发现，即便使用水冷火花塞也不能避免高浓度时回火，认为点火系统的残余能量引起火花塞意外跳火是引起回火的原因。文献［8］中发现火花塞间隙不是引起回火的主要原因，而活塞环顶岸的间隙内的混合气燃烧会引发回火。

本文以前人对回火现象机理的研究成果为依据，对氢发动机进行了改造。然而，在试验中发现，改造后的氢发动机依然无法避免回火发生。回火不仅发生在氢氧浓混合气阶段，也时常发生在怠速、暖机和小负荷工况。氢发动机在怠速、暖机和小负荷工况条件下，氢气与空气混合气的当量燃空比低，燃烧压力仅比倒拖时压力略高，排气温度也仅有120℃，燃烧室内各部件温度也不高，几乎不可能存在热点。而在如此低的当量燃空比下，氢燃料火焰的淬熄距离与碳氢燃料相当［9］，火焰很难发展到活塞环岸的缝隙中去，缝隙燃烧的可能性很小。因此，为揭示回火的发生机理，本文中对不同负荷工况条件下的氢发动机进行了回火分析。

1 试验设备

试验研究采用的原型机为一款2.0L直列4缸、双顶置凸轮轴、16气门和电控多点燃油喷射汽油机。主要的改造内容包括:采用冷型非铂金火花塞，调整点火间隙，采用高压线圈集成在点火器上的独立点火系统，使用低灰分润滑油，安装油气分离器以去除曲轴箱通风中的润滑油，排气门采用钠冷却以进一步降低其温度，氢气在排气门关闭后开始喷射，以便空气对气缸热点和残余废气充分冷却等。改造后保持原汽油机的基本结构参数，重新设计和改进氢气喷射系统、点火系统、润滑油和曲轴箱通风管路、排气系统和电控系统等。

氢发动机采用进气道顺序喷射燃料供应系统。考虑到氢气密度低，需要喷射体积流量大，每缸安装两个氢气喷嘴。为了使氢发动机在不同负荷工况条件下保持氢气计量的准确稳定，在氢轨上安装压力调节阀，可根据工况变化调节氢轨压力。原型机的点火系统为两缸同时点火(1、4缸一组，2、3缸一组)的富余点火系统。由于氢燃料的可燃范围宽和易燃的特点，氢发动机在进气过程中点火会频繁地引发回火，因此将原有的富余点火系统改为每缸独立点火。选用低灰分润滑油。保留原机的三效催化转化器，这样当混合气浓于化学计量比时可以利用未燃氢气通过三效催化转化器来还原氮氧化物。由于氢发动机大部分处于稀燃工况，故安装宽域氧传感器。由于氢发动机比原汽油机增加了数个不同类型的执行器和传感器，控制策略也有区别，因此重新开发氢发动机的电控系统。氢发动机具体参数如表1所示。试验台架的具体布置示意图如图1所示。

2 试验研究

2.1 小负荷条件下的回火

小负荷运行工况设定氢发动机转速为850r/min，当量燃空比为0.2，冷却液温度为35℃，调整点火角度直至发生回火。图2为氢发动机在小负荷工况时正常循环与发生回火循环的比较图，图2(a)为正常运转和发生回火时的第4缸进气压力曲线，图2(b)为计算得到的第4缸气门附近的当量燃空比随曲轴转角的变化曲线。喷氢开始角度为进气上止点后34°CA，喷射持续期 24°CA。由图 2(b)可知，由于进气回流的原因，使气门附近在进气开始时存有极低浓度的氢气。随着空气的进入，气门附近的混合气浓度下降。喷氢开始后，由于喷氢位置距离气门有一段距离，故经过15°CA后气门处的混合气浓度才开始升高。回火发生在进气上止点后85°CA，此时已有部分较高浓度的混合气进入到气缸中，被点燃后发生了回火。

图2(c)为正常运转工况(点火角度上止点前38°CA，循环43)和发生回火工况(点火角度上止点前14°CA，循环63)的缸压对比曲线。回火工况是指回火频繁发生的工况，但也会有某循环不发生回火，如循环63。由图可以看出，循环63的最高燃烧压力和膨胀压力都要低于循环43。图2(d)为循环43和循环63的瞬时放热率和累积放热率的对比曲线。从图2(d)中可以看出:相对于循环63，循环43的点火角度提前，燃烧开始较早，燃烧速度较快而瞬时放热率值较高，上止点后100°CA左右燃烧基本结束;而循环63的点火角度较晚，燃烧始点滞后，在整个燃烧过程中的放热峰值较低，燃烧速度较慢，在上止点后100°CA还有比较明显的放热，表明此时氢气依然在燃烧;从累计放热量上可看出，在上止点后100°CA，循环63的放热量仅为循环43的60%，说明还有大量的氢气没有燃烧。

由于氢气的可燃极限十分宽广，在极稀薄的混合气下(当量燃空比0.1)，尽管火焰面不再连续，但依然可以在局部以火球的形式十分缓慢地传播［10］。在循环63的工况下(如图2(c)和图2(d)中)，燃烧可能会在局部区域一直持续到进气门打开，遇到进入的新鲜充量后发生回火。

因此避免小负荷回火最直接的办法就是提高混合气的燃烧速度。混合气十分稀薄时大幅度提前点火角度，或者对空气节流提高混合气浓度，都能够提高混合气的燃烧速度从而避免回火。后者不仅可以避免回火，还减少了未燃氢损失。试验证明保持混合气当量燃空比为0.25时发动机能够稳定高效地运转，故在实际运行中氢发动机在怠速和小负荷时节流运行，混合气当量燃空比宜保持在0.25附近。

2.2 高负荷条件下的回火

高负荷时混合气的当量燃空比较高，燃烧时缸内的压力和温度都很高，图3为氢发动机在高负荷工况时正常循环与发生回火循环的对比图。图3(a)为氢发动机在转速3 000r/min，当量燃空比0.65，排气温度626℃，第4缸正常运行和发生回火时的进气压力。为了在进气初期利用空气对气缸冷却，喷氢开始角度设为进气上止点后50°CA。然而从图中可以看出，由于所需氢气量大，喷氢持续期180°CA，在进气门关闭后还没有结束，因此在进气道中残留了较浓的混合气。在下个循环的进气上止点后8°CA发生了回火，表明新鲜混合气遇到高温废气后发生了回火。

图3(b)为氢发动机在转速5 000r/min，当量燃空比0.63，排气温度695℃，第3缸正常运行和发生回火时的进气压力。喷氢开始角度设为进气上止点后30°CA，喷氢持续期 210°CA，在进气门关闭后依然没有结束喷氢，因此与图3(a)所示工况一样，在进气道内残留了较浓的混合气。与图3(a)不同的是，回火发生在下一个循环进气上止点后63°CA，表明新鲜充量在受到残余废气或缸内热点的加热后一段时间才发生回火。

图3(b)中还显示了第1缸的进气压力，在第139循环中第1缸进气压力也出现了较高的压力峰值，而此时第1缸正处于压缩行程末期，并不存在回火的可能。考虑到第1缸进气压力开始上升的角度和第3缸回火角度相差64°CA(约2.13ms)，第3缸和第1缸压力传感器相距约751mm，声速346m/s(空气25℃)，压力传播时间刚好为2.17ms。因此可以确定是由于第3缸回火时的压力波传递到第1缸，造成了第1缸进气压力波动。

综上所述，氢发动机在高负荷时发生回火是由于高温残余废气或者缸内热点引燃的可能性较大。然而，在高转速喷氢持续期较长的工况下，通过推迟喷射在进气初期利用空气冷却气缸的办法并不适用。因此需要对喷射相位进行全面的考虑，得到一个既能在高转速大负荷时满足喷氢量的需求，又能满足无回火运行所需要的进气前期冷却的喷氢相位。

3 结论

为了研究氢发动机在不同负荷工况下发生回火的机理，以一台4缸2.0L的氢发动机为研究对象进行了试验研究，得到如下结论:

(1)氢发动机在小负荷时发生回火是由于混合气的燃烧速度缓慢的可能性较大，避免小负荷回火最直接的办法就是大幅度提前点火或者对空气节流提高混合气浓度;

(2)氢发动机在高负荷时发生回火是由于残余废气或者缸内热点引燃的可能性较大。

今后须对喷氢相位进行全面的考虑，得到一个既能在高转速大负荷时满足喷氢量的需求，又能满足无回火运行所需要的进气前期冷却的喷氢相位。

［1］Das L M.Hydrogen Engines-a View of the Past and a Look into the Future［J］.International Journal of Hydrogen Energy，1990，15(6):425－43.

［2］Das L M.Near-term Introduction of Hydrogen Engines for Automotive and Agricultural Application［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2002，27(5):479 －87.

［3］White C M，Steeper R R，Lutz A E.The Hydrogen-fueled Internal Combustion Engine:a Technical Review［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2006，31(10).

［4］Escalante Soberanis M A，Fernandez A M.A Review on the Technical Adaptations for Internal Combustion Engines to Operate with Gas/Hydrogen Mixtures［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(21).

［5］Sun Z Y，Liu F S，Liu X H，et al.Research and Development of Hydrogen Fuelled Engines in China［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37(1).

［6］Das L M.Hydrogen-Oxygen Reaction Mechanism and Its Implication to Hydrogen Engine Combustion［J］.International Journal of Hydrogen Energy，1996，21(8):703 －715.

［7］Kondo T，Iio S，Hiruma M.A Study on the Mechanism of Backfire in External Mixture Formation Hydrogen Engines-About Backfire Occurred by the Cause of the Spark Plug［C］.SAE Paper 971704.

［8］Lee J T，Kim Y Y，Lee C W，et al.An Investigation of a Cause of Backfire and Its Control Due to Crevice Volumes in a Hydrogen Fueled Engine［C］.ASME，2001，123:204 －210.

［9］伯纳德，刘易斯.气体燃料燃烧与瓦斯爆炸［M］.王方，译.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［10］Drell L，Belles F E.Survey of Hydrogen Combustion Properties［R］.Report 1383.National Advisory Committee for Aeronautics，1958.