淺談氫內燃機異常燃燒的原因及控制策略

武 猛

（華北水利水電大學 機械學院，鄭州 450011）

淺談氫內燃機異常燃燒的原因及控制策略

武 猛

（華北水利水電大學 機械學院，鄭州 450011）

隨著環境問題越來越嚴重，世界各國都致力于開發新能源，尋找化石燃料的替代品，汽車行業在節約能源、減少污染這一方面首當其沖。隨著各國政府對環境污染問題越來越重視，進氣管噴射式氫內燃機被廣泛應用。但這種氫內燃機在使用過程中還存在一些問題，其中，氫內燃機的異常燃燒是最突出的問題，其使氫內燃機的大面積使用和推廣受到制約。筆者通過分析國內外關于氫內燃機異常燃燒的研究成果，找出氫內燃機異常燃燒的主要影響因素和產生的原因，提出解決氫內燃機異常燃燒的方法，為進氣管噴射式氫內燃機的大范圍推廣提供技術上的保證。

進氣管噴射式氫內燃機 異常燃燒 早燃 爆燃 回火

本文重點討論有關氫內燃機異常燃燒的問題，并提出一些解決措施。

1 氫內燃機的異常燃燒

1.1 氫內燃機異常燃燒的分類

氫內燃機的異常燃燒主要有三種：一是早燃，即氫內燃機在進氣門關閉后，而火花塞還沒有點火前，混合燃料氣體就在氣缸內發生燃燒的現象。二是回火，指氫內燃機在進氣門開啟的過程中，火焰進入進氣管而引起的燃燒。三是爆燃（俗稱敲缸），指氫內燃機完成點火后，在離火焰較遠的地方，火焰前鋒面還沒有到達前就已被點燃的現象。這三種異常燃燒既會對氫內燃機的部件和結構產生一定影響，又會造成燃料浪費，能源利用程度降低，甚至會產生一些安全事故。

1.2 氫內燃機異常燃燒的危害

（1）氫內燃機發生早燃造成的主要危害：早燃情況比較輕時，會增大氫內燃機的噪聲，同時引起氫內燃機的輕微震動，這是判別氫內燃機發生早燃的基本標志；一般情況下，早燃會導致氫內燃機停止運轉，影響汽車正常行駛；若情況比較嚴重，會造成氫內燃機的進氣管、火花塞、氣缸等部件損壞。

（2）氫內燃機發生回火造成的主要危害：回火情況比較輕時，會導致氫內燃機噪音迅速增大或進氣管發生局部范圍的小火，噪音是判斷氫內燃機發生回火現象的標志，這一點需要注意，因為一旦不能及時發覺并采取積極有效的處理措施，可能會導致進氣管和供氫系統在高溫下被損壞。一般情況下，回火的發生會影響后續循環的供氣，造成氫內燃機循環變動增大運轉不穩定，甚至停止運轉，造成動力驟失。

（3）氫內燃機發生爆燃造成的主要危害：爆燃情況比較輕時，氣缸內會產生金屬敲擊聲，這是判別氫內燃機發生敲缸現象的標志。輕微的爆燃對增大發動機功率是有益的，但強烈的爆燃會造成一些損害。一般情況下，爆燃使氫內燃機的工作變得異常不穩定，功率下降嚴重，同時產生較大幅度的振動；爆燃比較嚴重時，會造成火花塞、活塞等部件過熱而燒損。

氫內燃機的這三種異常燃燒現象都有相應的識別標志，但往往是一種現象的發生會引起其他異常燃燒現象的發生，研究人員要剖析各種異?，F象的本質，才能合理提出抑制方法。

2 氫內燃機的異常燃燒的主要影響因素

2.1 氫內燃機早燃的主要影響因素

氫內燃機早燃的主要影響因素是發動機的壓縮比、轉速和通過進氣管進入氣缸時混合氣體的溫度?；旌蠚獾膲嚎s程度越高、發動機的轉速越大、混合氣的溫度越高，越容易引起早燃，導致活塞上行所做的負功增加，從而降低氫氣的燃燒熱效率。

2.2 氫內燃機回火的主要影響因素

氫內燃機回火的主要因素是噴氣管噴氫脈寬，過早結束噴氫能有效抑制回火的發生，但此時缸內混合氣當量比變小，不能保證氫內燃機的燃燒效率，不能正常提供動力；氫內燃機的噴氫系統結構和進氣系統結構也影響氫內燃機的正常運轉，但該問題基本上在設計中已解決；早燃也是影響氫內燃機發生回火的重要因素。

2.3 氫內燃機爆燃的主要影響因素

氫內燃機爆燃的主要因素是壓縮比、轉速、點火提前角和混合氣的濃度。發動機的壓縮比越高，點火提前角越大，缸內壓力增加，爆燃傾向增大；發動機的轉速增加時，充量系數下降，缸內壓力下降，終燃混合氣溫度較低，爆燃傾向減?。贿^稀或過濃的混合氣有助于減小爆燃。

3 氫內燃機的異常燃燒的控制策略

3.1 氫內燃機早燃的解決辦法

通過分析氫內燃機早燃的影響因素和產生的主要原因，并結合實際工作經驗，提出解決氫內燃機早燃的主要方法：第一，通過改進氫內燃機的結構，考慮加入噴水或噴射液態氫或冷空氣裝置，也可以通過進入管進行噴射水、冷空氣或液態氫等冷卻物質；第二，可以考慮選擇冷型活塞，以降低氫內燃機早燃的問題；第三，準確控制噴氫時間和噴氫量，讓空氣先進入氣缸，降低高溫熱點的溫度。

3.2 氫內燃機回火的解決辦法

氫內燃機回火的解決辦法主要從點火源、火焰傳播途徑和混合氣體這三個方面考慮。第一，通過改進氫內燃機的結構，可以考慮加入噴水或噴射液態氫或冷空氣裝置，也可以通過進入管進行噴射水、冷空氣或液態氫等冷卻物質。該方法和氫內燃機早燃的解決辦法一致，主要是在氫內燃機的設計方面進行改進。第二，縮短進氫持續時間，以此控制火焰傳播。第三，通過臨近氣缸供氫法、平衡吸氫法等方法控制氫氣的供應時間和供應量，確保燃燒正常進行。

3.3 氫內燃機爆燃的解決辦法

目前，有效解決氫內燃機爆燃的辦法是推遲點火，但推遲點火容易引起早燃，所以在界定點火提前角時，需要做大量的試驗，以探究如何在不引起早燃的情況下有效抑制爆燃的發生。此外，研究人員也提出了一些其他方法，比如，加大進排氣重疊期、優化火花塞的位置（火花塞靠近排氣門）等，這也是氫內燃機研究的主要方向。

全球環境問題和能源問題日益突出，氫氣作為內燃機的代替燃料能很好地解決能源短缺問題和環境污染問題，但其還存在異常燃燒的缺陷，針對此問題，汽車企業和高校已經進行了相關研究，但還有部分問題沒有解決，這是氫內燃機大范圍推廣應用的瓶頸，需要研究人員和技術人員做好相關工作，為氫內燃機的發展鋪平道路。

[1]劉興華，梁虹，劉福水，等.進氣道噴射式氫發動機回火研究[J].汽車工程，2014，（6）.

[2]李清博，路斌，孟育博.基于AVL-FIRE模擬的氫內燃機轉速對其燃燒特性的影響[J].北水利水電學院學報，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