氫氣發動機異常燃燒特性及早燃優化試驗

吳威龍 吳廣權 陳 泓 杜家坤 李鈺懷 冶 麟

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434）

引言

我國做出了力爭2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和的雙碳承諾。量大面廣的內燃機肩負著節能減排的重要使命，同時面臨著實現碳中和的巨大挑戰。采用氫氣作為替代燃料驅動內燃機是滿足越來越嚴格的排放法規、實現近零排放的有效解決方案[1-2]。

相對傳統碳氫燃料，氫氣有諸多優勢：作為一種零碳燃料，燃燒后的產物是水，不產生CO2、CO 和HC；燃燒速度快，接近理想奧托循環過程，可實現較高熱效率；可燃混合氣濃度范圍很寬，易于實現稀薄燃燒；抗爆性強，可使用高壓縮比技術。只要氫氣產自可再生能源和水，是可以實現近零排放的。因此氫氣被認為是最有前景的替代燃料、未來能源的載體[3-4]。但是氫氣作為內燃機燃料的一個挑戰是易受異常燃燒影響，如早燃、爆震和回火，主要原因是氫的點火能量很低。早燃是指在正常點火之前，混合氣達到自燃條件發生大面積自燃現象的非正常燃燒。因此無法通過推遲點火角來阻止，這點與常規爆震完全不同。早燃發生時，一般會產生很高的燃燒溫度和壓力，它會直接影響負荷的提升，甚至損壞發動機，因此異常燃燒問題是氫氣發動機開發過程中關注的重點。

本文基于一臺1.5 L 缸內直噴氫氣發動機，首先分析了氫氣發動機異常燃燒特性，接著探討了燃燒邊界條件對氫氣發動機燃燒過程的影響及早燃優化。

1 試驗方法

試驗用氫直噴內燃機是基于一臺1.5 L 三缸直列米勒增壓直噴汽油機改制而來，其主要結構參數見表1。主要改造工作包括：原機缸蓋針對氫噴嘴安裝孔做適應性變更；原機取消高壓油泵，油軌總成替換為氫軌總成；設計加工鋁制進氣歧管；增加外掛氫噴嘴驅動模塊。試驗整體臺架布置如圖1所示。

圖1 臺架布置示意圖

表1 氫直噴內燃機主要結構參數

2 試驗結果及分析

2.1 氫氣發動機異常燃燒特性分析

氫作為內燃機燃料的一個挑戰是易受異常燃燒影響，如早燃、爆震和回火。氫的點火能量是極低的，熱表面或顆粒、熱殘余廢氣、點火系統殘余放電等足夠點著氫空混合氣。回火通常僅發生在氣道噴射系統，發生在混合氣點著而進氣門還在打開狀態，壓力波逃向進氣歧管，可能引起機械部件損壞。在進氣門關閉后氫噴入燃燒室可以避免回火，但是早燃的風險仍然存在[5-9]。點火系統設計需考慮采用冷型火花塞和優化點火線圈，避免火花塞成為熱點和點火系統殘余放電；燃燒室設計需避免潛在的熱點；此外曲軸系統爆壓設計也需考慮更高的異常燃燒爆壓。

不像汽油機早燃主要發生在低轉速大負荷工況，氫氣發動機在中小負荷工況也容易發生早燃。圖2 為試驗過程中捕捉到的一早燃事件。在1 200 r/min@BMEP=0.4 MPa 第1 缸發生早燃時，爆發壓力由3.2 MPa 竄升至5.5 MPa。另外觀察早燃時缸壓曲線，其沒有呈現像傳統汽油機早燃時的鋸齒狀和急速竄升，主要是這一早燃發生時刻非常早，在壓縮初期約上止點前170°就發生了，另外氫燃燒速度快，在壓縮前期就完成了燃燒，壓縮后期不再發生燃燒呈現純壓縮狀態。也正是發生時刻非常早和燃燒速度快，所以此類早燃事件發生時沒有明顯的早燃聲音，不易被發現，對發動機危害性極大，需要特別關注。由圖3 的示功圖可以看出，發生早燃時，壓縮壓力急劇升高，并且大于膨脹壓力，指示功完全為負值。從圖4 可以看出，早燃發生時，轉速會有明顯波動（圖示第3 個波動是由第2 缸早燃導致），爆發壓 力急劇上升，但是燃燒重心和IMEP 呈現負值，主要是此類早燃發生時刻非常早導致。

圖2 早燃事件

圖3 示功圖

圖4 早燃的燃燒參數

2.2 燃燒邊界條件對氫氣發動機燃燒過程的影響及早燃優化

由圖5 可以看出隨著氫空混合氣逐漸加濃，點火角是不斷推遲的。在中大負荷，燃燒重心隨著混合氣加濃，不能保持在最佳位置，是不斷后推的（如圖6所示）。說明混合氣濃度對氫氣發動機的爆震邊界是有重要影響的，稀燃模式下混合氣越濃越容易爆震。

圖5 點火角隨λ 的變化（2 500 r/min）

圖6 燃燒重心隨λ 的變化（2 500 r/min）

針對試驗工況2 500 r/min@BMEP=1.2 MPa 進行噴射結束角掃描，為避免回火噴射都在進氣門關閉后進行。有效熱效率和λ 隨EOI 的變化如圖7 所示。可以看出，隨著EOI 逐漸提前，有效熱效率是逐漸增加的，主要是因為噴射提前，氫空可燃混合氣形成更充分，均質化程度更好，燃燒效率更高。噴射壓力1.6 MPa，EOI=66°CA 時有效熱效率可達43.5%，EOI 提前到70°CA 時有效熱效率有所增加，但容易出現早燃。將噴射壓力提高到2.0 MPa，保持相同的EOI，有效熱效率反而要低0.1%。主要是噴射壓力提高后，噴射開始角反而推遲了，導致混合氣的混合時間變短了，燃燒持續期變長；EOI 可拓展提前到75°CA 時才會出現早燃。

圖7 有效熱效率和λ 隨EOI 的變化

當EOI 從60°CA 往靠近上止點方向繼續推遲時，有效熱效率急劇下降，λ 卻急劇上升。一方面是因為混合時間短，混合不均勻；另一方面主要是因為EOI 繼續推遲時，缸內壓力變得較高，氫噴嘴無法順暢噴出氫氣，這也可以從圖8 得到驗證，在噴氫脈寬基本不變的情況下，噴氫流量急劇下降，混合氣逐漸變稀，燃燒穩定性顯著惡化和燃燒持續期變長（如圖9 所示），從而無法保持負荷不變。

圖8 噴氫流量和噴氫脈寬隨EOI 的變化

圖9 循環變動率和燃燒持續期隨EOI 的變化

圖10 給出了氫噴嘴噴射的缸內背壓，可以看出，EOI 推遲到60°CA 時，噴射背壓從0.28 MPa 增加至0.85 MPa；按升速工況臨界壓比計算的臨界噴射背壓就是0.85 MPa，這一計算結果與EOI 從60°CA繼續推遲時噴氫受阻的試驗結果是一致的。由試驗結果可以看出，推遲噴射結束角可以避免早燃；對于試驗工況點，當前的1.6 MPa 氫噴嘴配置不允許較晚直噴，較晚直噴噴氣會受阻，噴射提前容易出現早燃，可用的噴射相位區間非常窄。進一步提高軌壓和優化噴射策略避免早燃有望進一步提升熱效率。

圖10 氫噴嘴噴射的缸內背壓

3 結論

本文基于一臺1.5 L 缸內直噴氫氣發動機進行了相關試驗研究，得到如下結論：

1）氫氣發動機在中小負荷工況容易發生早燃，試驗捕捉到的早燃發生時刻非常早，在壓縮早期就發生，沒有明顯的早燃聲音，不易被發現，需特別關注。

2）氫氣稀燃模式下混合氣越濃越容易爆震。靠近上止點噴射時，缸內噴射背壓增加，噴射流量減小，噴射提前容易出現早燃，推遲噴射可以避免早燃，優化噴射策略后，有效熱效率達43.5%。進一步提高軌壓和優化噴射策略避免異常燃燒有望進一步提升熱效率。