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(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

前言

化石燃料匱乏、全球變暖威脅和環(huán)境保護(hù)壓力成為研究和發(fā)展替代燃料的主要推動(dòng)力。與傳統(tǒng)石油燃料相比，氫氣具有燃燒速度快、點(diǎn)火能量低、可燃范圍廣、辛烷值和熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。其研發(fā)成為近階段廣大科研人員探索氫能應(yīng)用的熱點(diǎn)之一［1－5］。

但是，由于氫氣與空氣混合氣的點(diǎn)火能量低，導(dǎo)致氫發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生回火和其它不正常燃燒現(xiàn)象，限制了氫發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。對于進(jìn)氣道噴射式氫發(fā)動(dòng)機(jī)，由于缸內(nèi)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(jìn)氣門關(guān)閉前就已點(diǎn)燃產(chǎn)生回火現(xiàn)象。這種不正常燃燒對氫發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性產(chǎn)生非常不利的影響。

從已發(fā)表的文獻(xiàn)看，回火的原因主要與點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒室設(shè)計(jì)和氣道內(nèi)混合氣濃度等因素有關(guān)。在文獻(xiàn)［6］中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火花塞是引起氫發(fā)動(dòng)機(jī)回火的主要因素。普通汽油機(jī)的火花塞工作在較高的溫度以防止積碳，然而這個(gè)溫度卻超過氫氣的自燃溫度。如果氫發(fā)動(dòng)機(jī)采用與汽油機(jī)相同的點(diǎn)火系統(tǒng)，將導(dǎo)致氫氣與空氣混合氣在進(jìn)氣過程中被引燃，引發(fā)回火。在文獻(xiàn)［7］中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即便使用水冷火花塞也不能避免高濃度時(shí)回火，認(rèn)為點(diǎn)火系統(tǒng)的殘余能量引起火花塞意外跳火是引起回火的原因。文獻(xiàn)［8］中發(fā)現(xiàn)火花塞間隙不是引起回火的主要原因，而活塞環(huán)頂岸的間隙內(nèi)的混合氣燃燒會引發(fā)回火。

本文以前人對回火現(xiàn)象機(jī)理的研究成果為依據(jù)，對氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改造。然而，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，改造后的氫發(fā)動(dòng)機(jī)依然無法避免回火發(fā)生?；鼗鸩粌H發(fā)生在氫氧濃混合氣階段，也時(shí)常發(fā)生在怠速、暖機(jī)和小負(fù)荷工況。氫發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、暖機(jī)和小負(fù)荷工況條件下，氫氣與空氣混合氣的當(dāng)量燃空比低，燃燒壓力僅比倒拖時(shí)壓力略高，排氣溫度也僅有120℃，燃燒室內(nèi)各部件溫度也不高，幾乎不可能存在熱點(diǎn)。而在如此低的當(dāng)量燃空比下，氫燃料火焰的淬熄距離與碳?xì)淙剂舷喈?dāng)［9］，火焰很難發(fā)展到活塞環(huán)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(fā)生機(jī)理，本文中對不同負(fù)荷工況條件下的氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了回火分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)研究采用的原型機(jī)為一款2.0L直列4缸、雙頂置凸輪軸、16氣門和電控多點(diǎn)燃油噴射汽油機(jī)。主要的改造內(nèi)容包括:采用冷型非鉑金火花塞，調(diào)整點(diǎn)火間隙，采用高壓線圈集成在點(diǎn)火器上的獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)，使用低灰分潤滑油，安裝油氣分離器以去除曲軸箱通風(fēng)中的潤滑油，排氣門采用鈉冷卻以進(jìn)一步降低其溫度，氫氣在排氣門關(guān)閉后開始噴射，以便空氣對氣缸熱點(diǎn)和殘余廢氣充分冷卻等。改造后保持原汽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)氫氣噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、潤滑油和曲軸箱通風(fēng)管路、排氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。

氫發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道順序噴射燃料供應(yīng)系統(tǒng)?？紤]到氫氣密度低，需要噴射體積流量大，每缸安裝兩個(gè)氫氣噴嘴。為了使氫發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷工況條件下保持氫氣計(jì)量的準(zhǔn)確穩(wěn)定，在氫軌上安裝壓力調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)工況變化調(diào)節(jié)氫軌壓力。原型機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)為兩缸同時(shí)點(diǎn)火(1、4缸一組，2、3缸一組)的富余點(diǎn)火系統(tǒng)。由于氫燃料的可燃范圍寬和易燃的特點(diǎn)，氫發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣過程中點(diǎn)火會頻繁地引發(fā)回火，因此將原有的富余點(diǎn)火系統(tǒng)改為每缸獨(dú)立點(diǎn)火。選用低灰分潤滑油。保留原機(jī)的三效催化轉(zhuǎn)化器，這樣當(dāng)混合氣濃于化學(xué)計(jì)量比時(shí)可以利用未燃?xì)錃馔ㄟ^三效催化轉(zhuǎn)化器來還原氮氧化物。由于氫發(fā)動(dòng)機(jī)大部分處于稀燃工況，故安裝寬域氧傳感器。由于氫發(fā)動(dòng)機(jī)比原汽油機(jī)增加了數(shù)個(gè)不同類型的執(zhí)行器和傳感器，控制策略也有區(qū)別，因此重新開發(fā)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)。氫發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)臺架的具體布置示意圖如圖1所示。

2 試驗(yàn)研究

2.1 小負(fù)荷條件下的回火

小負(fù)荷運(yùn)行工況設(shè)定氫發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為850r/min，當(dāng)量燃空比為0.2，冷卻液溫度為35℃，調(diào)整點(diǎn)火角度直至發(fā)生回火。圖2為氫發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況時(shí)正常循環(huán)與發(fā)生回火循環(huán)的比較圖，圖2(a)為正常運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)生回火時(shí)的第4缸進(jìn)氣壓力曲線，圖2(b)為計(jì)算得到的第4缸氣門附近的當(dāng)量燃空比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。噴氫開始角度為進(jìn)氣上止點(diǎn)后34°CA，噴射持續(xù)期 24°CA。由圖 2(b)可知，由于進(jìn)氣回流的原因，使氣門附近在進(jìn)氣開始時(shí)存有極低濃度的氫氣。隨著空氣的進(jìn)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(jīng)過15°CA后氣門處的混合氣濃度才開始升高?；鼗鸢l(fā)生在進(jìn)氣上止點(diǎn)后85°CA，此時(shí)已有部分較高濃度的混合氣進(jìn)入到氣缸中，被點(diǎn)燃后發(fā)生了回火。

圖2(c)為正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況(點(diǎn)火角度上止點(diǎn)前38°CA，循環(huán)43)和發(fā)生回火工況(點(diǎn)火角度上止點(diǎn)前14°CA，循環(huán)63)的缸壓對比曲線?；鼗鸸r是指回火頻繁發(fā)生的工況，但也會有某循環(huán)不發(fā)生回火，如循環(huán)63。由圖可以看出，循環(huán)63的最高燃燒壓力和膨脹壓力都要低于循環(huán)43。圖2(d)為循環(huán)43和循環(huán)63的瞬時(shí)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(huán)63，循環(huán)43的點(diǎn)火角度提前，燃燒開始較早，燃燒速度較快而瞬時(shí)放熱率值較高，上止點(diǎn)后100°CA左右燃燒基本結(jié)束;而循環(huán)63的點(diǎn)火角度較晚，燃燒始點(diǎn)滯后，在整個(gè)燃燒過程中的放熱峰值較低，燃燒速度較慢，在上止點(diǎn)后100°CA還有比較明顯的放熱，表明此時(shí)氫氣依然在燃燒;從累計(jì)放熱量上可看出，在上止點(diǎn)后100°CA，循環(huán)63的放熱量僅為循環(huán)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(dāng)量燃空比0.1)，盡管火焰面不再連續(xù)，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(huán)63的工況下(如圖2(c)和圖2(d)中)，燃燒可能會在局部區(qū)域一直持續(xù)到進(jìn)氣門打開，遇到進(jìn)入的新鮮充量后發(fā)生回火。

因此避免小負(fù)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(shí)大幅度提前點(diǎn)火角度，或者對空氣節(jié)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?xì)鋼p失。試驗(yàn)證明保持混合氣當(dāng)量燃空比為0.25時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，故在實(shí)際運(yùn)行中氫發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速和小負(fù)荷時(shí)節(jié)流運(yùn)行，混合氣當(dāng)量燃空比宜保持在0.25附近。

2.2 高負(fù)荷條件下的回火

高負(fù)荷時(shí)混合氣的當(dāng)量燃空比較高，燃燒時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度都很高，圖3為氫發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況時(shí)正常循環(huán)與發(fā)生回火循環(huán)的對比圖。圖3(a)為氫發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速3 000r/min，當(dāng)量燃空比0.65，排氣溫度626℃，第4缸正常運(yùn)行和發(fā)生回火時(shí)的進(jìn)氣壓力。為了在進(jìn)氣初期利用空氣對氣缸冷卻，噴氫開始角度設(shè)為進(jìn)氣上止點(diǎn)后50°CA。然而從圖中可以看出，由于所需氫氣量大，噴氫持續(xù)期180°CA，在進(jìn)氣門關(guān)閉后還沒有結(jié)束，因此在進(jìn)氣道中殘留了較濃的混合氣。在下個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣上止點(diǎn)后8°CA發(fā)生了回火，表明新鮮混合氣遇到高溫廢氣后發(fā)生了回火。

圖3(b)為氫發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速5 000r/min，當(dāng)量燃空比0.63，排氣溫度695℃，第3缸正常運(yùn)行和發(fā)生回火時(shí)的進(jìn)氣壓力。噴氫開始角度設(shè)為進(jìn)氣上止點(diǎn)后30°CA，噴氫持續(xù)期 210°CA，在進(jìn)氣門關(guān)閉后依然沒有結(jié)束噴氫，因此與圖3(a)所示工況一樣，在進(jìn)氣道內(nèi)殘留了較濃的混合氣。與圖3(a)不同的是，回火發(fā)生在下一個(gè)循環(huán)進(jìn)氣上止點(diǎn)后63°CA，表明新鮮充量在受到殘余廢氣或缸內(nèi)熱點(diǎn)的加熱后一段時(shí)間才發(fā)生回火。

圖3(b)中還顯示了第1缸的進(jìn)氣壓力，在第139循環(huán)中第1缸進(jìn)氣壓力也出現(xiàn)了較高的壓力峰值，而此時(shí)第1缸正處于壓縮行程末期，并不存在回火的可能?？紤]到第1缸進(jìn)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(shí)間剛好為2.17ms。因此可以確定是由于第3缸回火時(shí)的壓力波傳遞到第1缸，造成了第1缸進(jìn)氣壓力波動(dòng)。

綜上所述，氫發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷時(shí)發(fā)生回火是由于高溫殘余廢氣或者缸內(nèi)熱點(diǎn)引燃的可能性較大。然而，在高轉(zhuǎn)速噴氫持續(xù)期較長的工況下，通過推遲噴射在進(jìn)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(jìn)行全面的考慮，得到一個(gè)既能在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)滿足噴氫量的需求，又能滿足無回火運(yùn)行所需要的進(jìn)氣前期冷卻的噴氫相位。

3 結(jié)論

為了研究氫發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷工況下發(fā)生回火的機(jī)理，以一臺4缸2.0L的氫發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論:

(1)氫發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷時(shí)發(fā)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(fù)荷回火最直接的辦法就是大幅度提前點(diǎn)火或者對空氣節(jié)流提高混合氣濃度;

(2)氫發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷時(shí)發(fā)生回火是由于殘余廢氣或者缸內(nèi)熱點(diǎn)引燃的可能性較大。

今后須對噴氫相位進(jìn)行全面的考慮，得到一個(gè)既能在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)滿足噴氫量的需求，又能滿足無回火運(yùn)行所需要的進(jìn)氣前期冷卻的噴氫相位。

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