浅谈氢内燃机异常燃烧的原因及控制策略

武 猛

（华北水利水电大学 机械学院，郑州 450011）

浅谈氢内燃机异常燃烧的原因及控制策略

武 猛

（华北水利水电大学 机械学院，郑州 450011）

随着环境问题越来越严重，世界各国都致力于开发新能源，寻找化石燃料的替代品，汽车行业在节约能源、减少污染这一方面首当其冲。随着各国政府对环境污染问题越来越重视，进气管喷射式氢内燃机被广泛应用。但这种氢内燃机在使用过程中还存在一些问题，其中，氢内燃机的异常燃烧是最突出的问题，其使氢内燃机的大面积使用和推广受到制约。笔者通过分析国内外关于氢内燃机异常燃烧的研究成果，找出氢内燃机异常燃烧的主要影响因素和产生的原因，提出解决氢内燃机异常燃烧的方法，为进气管喷射式氢内燃机的大范围推广提供技术上的保证。

进气管喷射式氢内燃机 异常燃烧 早燃 爆燃 回火

本文重点讨论有关氢内燃机异常燃烧的问题，并提出一些解决措施。

1 氢内燃机的异常燃烧

1.1 氢内燃机异常燃烧的分类

氢内燃机的异常燃烧主要有三种：一是早燃，即氢内燃机在进气门关闭后，而火花塞还没有点火前，混合燃料气体就在气缸内发生燃烧的现象。二是回火，指氢内燃机在进气门开启的过程中，火焰进入进气管而引起的燃烧。三是爆燃（俗称敲缸），指氢内燃机完成点火后，在离火焰较远的地方，火焰前锋面还没有到达前就已被点燃的现象。这三种异常燃烧既会对氢内燃机的部件和结构产生一定影响，又会造成燃料浪费，能源利用程度降低，甚至会产生一些安全事故。

1.2 氢内燃机异常燃烧的危害

（1）氢内燃机发生早燃造成的主要危害：早燃情况比较轻时，会增大氢内燃机的噪声，同时引起氢内燃机的轻微震动，这是判别氢内燃机发生早燃的基本标志；一般情况下，早燃会导致氢内燃机停止运转，影响汽车正常行驶；若情况比较严重，会造成氢内燃机的进气管、火花塞、气缸等部件损坏。

（2）氢内燃机发生回火造成的主要危害：回火情况比较轻时，会导致氢内燃机噪音迅速增大或进气管发生局部范围的小火，噪音是判断氢内燃机发生回火现象的标志，这一点需要注意，因为一旦不能及时发觉并采取积极有效的处理措施，可能会导致进气管和供氢系统在高温下被损坏。一般情况下，回火的发生会影响后续循环的供气，造成氢内燃机循环变动增大运转不稳定，甚至停止运转，造成动力骤失。

（3）氢内燃机发生爆燃造成的主要危害：爆燃情况比较轻时，气缸内会产生金属敲击声，这是判别氢内燃机发生敲缸现象的标志。轻微的爆燃对增大发动机功率是有益的，但强烈的爆燃会造成一些损害。一般情况下，爆燃使氢内燃机的工作变得异常不稳定，功率下降严重，同时产生较大幅度的振动；爆燃比较严重时，会造成火花塞、活塞等部件过热而烧损。

氢内燃机的这三种异常燃烧现象都有相应的识别标志，但往往是一种现象的发生会引起其他异常燃烧现象的发生，研究人员要剖析各种异常现象的本质，才能合理提出抑制方法。

2 氢内燃机的异常燃烧的主要影响因素

2.1 氢内燃机早燃的主要影响因素

氢内燃机早燃的主要影响因素是发动机的压缩比、转速和通过进气管进入气缸时混合气体的温度。混合气的压缩程度越高、发动机的转速越大、混合气的温度越高，越容易引起早燃，导致活塞上行所做的负功增加，从而降低氢气的燃烧热效率。

2.2 氢内燃机回火的主要影响因素

氢内燃机回火的主要因素是喷气管喷氢脉宽，过早结束喷氢能有效抑制回火的发生，但此时缸内混合气当量比变小，不能保证氢内燃机的燃烧效率，不能正常提供动力；氢内燃机的喷氢系统结构和进气系统结构也影响氢内燃机的正常运转，但该问题基本上在设计中已解决；早燃也是影响氢内燃机发生回火的重要因素。

2.3 氢内燃机爆燃的主要影响因素

氢内燃机爆燃的主要因素是压缩比、转速、点火提前角和混合气的浓度。发动机的压缩比越高，点火提前角越大，缸内压力增加，爆燃倾向增大；发动机的转速增加时，充量系数下降，缸内压力下降，终燃混合气温度较低，爆燃倾向减小；过稀或过浓的混合气有助于减小爆燃。

3 氢内燃机的异常燃烧的控制策略

3.1 氢内燃机早燃的解决办法

通过分析氢内燃机早燃的影响因素和产生的主要原因，并结合实际工作经验，提出解决氢内燃机早燃的主要方法：第一，通过改进氢内燃机的结构，考虑加入喷水或喷射液态氢或冷空气装置，也可以通过进入管进行喷射水、冷空气或液态氢等冷却物质；第二，可以考虑选择冷型活塞，以降低氢内燃机早燃的问题；第三，准确控制喷氢时间和喷氢量，让空气先进入气缸，降低高温热点的温度。

3.2 氢内燃机回火的解决办法

氢内燃机回火的解决办法主要从点火源、火焰传播途径和混合气体这三个方面考虑。第一，通过改进氢内燃机的结构，可以考虑加入喷水或喷射液态氢或冷空气装置，也可以通过进入管进行喷射水、冷空气或液态氢等冷却物质。该方法和氢内燃机早燃的解决办法一致，主要是在氢内燃机的设计方面进行改进。第二，缩短进氢持续时间，以此控制火焰传播。第三，通过临近气缸供氢法、平衡吸氢法等方法控制氢气的供应时间和供应量，确保燃烧正常进行。

3.3 氢内燃机爆燃的解决办法

目前，有效解决氢内燃机爆燃的办法是推迟点火，但推迟点火容易引起早燃，所以在界定点火提前角时，需要做大量的试验，以探究如何在不引起早燃的情况下有效抑制爆燃的发生。此外，研究人员也提出了一些其他方法，比如，加大进排气重叠期、优化火花塞的位置（火花塞靠近排气门）等，这也是氢内燃机研究的主要方向。

全球环境问题和能源问题日益突出，氢气作为内燃机的代替燃料能很好地解决能源短缺问题和环境污染问题，但其还存在异常燃烧的缺陷，针对此问题，汽车企业和高校已经进行了相关研究，但还有部分问题没有解决，这是氢内燃机大范围推广应用的瓶颈，需要研究人员和技术人员做好相关工作，为氢内燃机的发展铺平道路。

[1]刘兴华，梁虹，刘福水，等.进气道喷射式氢发动机回火研究[J].汽车工程，2014，（6）.

[2]李清博，路斌，孟育博.基于AVL-FIRE模拟的氢内燃机转速对其燃烧特性的影响[J].北水利水电学院学报，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