浅谈氢燃料发动机的异常燃烧.doc

浅谈氢燃料发动机的异常燃烧摘要：由于氢燃料发动机自身工作过程的组织不当，容易出现早燃、 爆燃和回火等异常燃烧现象，导致发动机性能的急剧下降，甚至无法正常 丁作在全ifii分析有关氢燃料发动机异常燃烧的研究成果的基础上，整理 出氢燃料发动机异常燃烧的机理、特点和避免异常燃烧产生的方法，总结 出早燃、爆燃和回火三者之间的关系，为进一步研究氢燃料发动机的正常 工作提供了指导意义关键词：氢燃料发动机；异常燃烧；燃烧机理1. 引言随着现代社会的发展，环保被越来越多的人重视，与传统燃料相比，氢作为车用发动机燃料拥有众多的优势，被认为是最冇发展前途的清洁代用燃料之一［1］正是由于氢燃料与传统燃料（如汽油和柴油）的物化特性及燃烧特性有着明显的差异，若其工作过程组织不当，使氢作为内燃机的燃料时，燃烧很难控制,更易出现早燃、冋火和爆燃等异常燃烧问题2. 早燃2. 1.概念早燃是指新鲜充量在未被火花塞点燃时与燃烧室内局部温度过高的 一些热点（如火花塞、排气门和积炭）相接触引起燃烧的现象2. 2.特点早燃导致发动机效率低下，工作粗暴，增大了发动机的机械负荷和热 负荷，排气温度增高与传统发动机相比，氢燃料发动机中的早燃问题要 严重得多，这主要是由于氢气点火能量低、着火界限宽、火焰淬熄距离小 和火焰传播速度快。

2. 3.早燃产生的燃烧机理早燃时缸内温度、压力急剧升高，气缸压力曲线相位比正常燃烧时提 前，最大燃烧压力、压力升高率比止常燃烧高，使压缩行程末期的负功很 大，功率下降，循环效率降低，伴有过热现象产生在浓的氢氧混合气中 发生早燃时，由于点燃区域较大，火焰传播速度极快，压力和压力升高率 急剧升高，氢发动机容易过热，使氢发动机正常工作遭到破坏2. 4.控制方法为了避免早燃现象的发生，应控制压缩比、转速和混合气温度压缩 比和转速越高，早燃限制当量比越小；混合气温度越高，早燃限制当量比 越小此外，可以采用以下几点措施来减少早燃现象的发生：2.4.1.冷的火花塞和狭小的火花塞间隙，保持缸内清洁，避免更多的 炽热点；2. 4. 2.采用缸内直接喷射技术；2.4. 3.采用液氢供氢系统；4.废气再循环；5•进气歧管喷水；6•进气管喷射冷空气［2］；7•选用冷型火花塞［3］3. 爆燃3. 1 •概念及特点爆燃是终燃混合气的自燃现象，它是一种非正常燃烧，主要表现为缸 内压力作高频大幅度波动，发动机振动加剧3. 2.爆燃产生的燃烧机理[4]爆燃产生的主要原因是发动机火花塞点火后，气缸内未燃尽的部分燃 料产生不受控制的自燃（爆燃）。

爆燃的产生和发动机点火时刻有关，若 点火时刻早，燃烧的最高压力过高，爆燃就容易发生爆燃与燃气的组成 密切相关，某些惰性气体可增强燃气在发动机内的抗爆燃能力3. 3.控制方法：抑制爆燃可以采取以下措施:3. 3.1.改进优化燃烧室形状采用紧凑的燃烧室，合理选择火花塞位置，增强燃烧室中的气体流动，加快火焰传播速率，缩短火焰传播距离；3. 3. 2.缩小气缸直径，提高发动机转速；3. 3. 3.可变压缩比发动机利用发动机在高转速时不易发生爆燃的特性，使发动机的压缩比随其负荷和转速的变化而改变；3. 3. 4.均匀燃烧均匀燃烧的实质是积极地引起自燃，然后再消除自燃的有害后果的方法，即消除爆燃；3. 3. 5.控制爆燃的措施还冇采用稀薄混合气燃烧和分层燃烧技术，在 末端气区设置冷却区，克服燃烧室表面的粗糙度，进气节流，降低进气温 度，冷却排气门，周边多个火花塞点火等4. 回火4. 1.概念回火是在进气过程中，进气门尚未关闭，气缸内混合气未经火花塞点 燃而被热点引燃，火焰传播到进气管内的一种不正常燃烧现象4. 2.特点“回火”造成氢发动机工作不正常，功率下降，经济性变坏，严重的 回火致使进气管内温度和压力过高，导致新鲜充量无法进入气缸，氢发动 机失火，有时甚至会破坏供氢系统，造成严重的事故。

4. 3.回火产生的燃烧机理产生回火的原因根据产生时刻的不同分为两种：a.进气门刚开启时进 气管内产生回火，主耍是由于高温废气、后燃混合气和高温热点点燃的； b.进气门快关闭时进气管内产生回火，主要是山于早燃的不断提前所引起 的影响回火的因素主要有喷氢正时、喷氢系统结构、进气系统结构和点 火源回火与混合气的燃烧速度及其浓度冇关，混合气过稀则燃烧速度就 会缓慢，混合气的燃烧就会延续到排气终了，在进气门打开时，还在燃烧 的混合气就很容易将进气管内的混合气引燃4. 4.控制方法抑制回火可以采用如下的方法：4. 4. 1.抑制早燃；4. 4. 2.喷水降低燃烧室内温度可以控制回火从进气门开启开始， 在喷氢期间向进气管喷水，利用喷水吸收汽化潜热来降低气缸内的温度， 使其降到表面着火温度以下；4.4.3.电控系统和电磁阀相结合的控制系统也可以采用电控系统与 电磁阀相结合的控制系统；4・4・4・平行燃料供给系统5. 结论综上所述，早燃、爆燃和回火之间既有区别乂有联系爆燃和早燃有 一定的关系，特别是在压缩比高的氢发动机中，早燃和爆燃往往是同时出 现，而一且彼此影响、互相促进的气缸内的某些炽热点引起氢发动机的早 燃，使末端气体温度和压力上升，气缸最高燃烧压力和温度、压力升高率 和温度升高率比正常燃烧时大，导致混合气受到压缩和传热，促进了爆燃, 而爆燃必然增加气缸壁的传热，使燃烧室零件过热，从而形成更多的炽热 点，进而再次导致早燃。

当早燃发生时，最高压力值逐渐降低，口随着氢发动机工作循环的进 行，早燃现象越来越严重，燃烧产生的位置不断提前，最高压力值不断降 低，缸内压缩初期的高温点逐步前移，而且氢气的点火能量很低，此时高 温废气或缸内炽热点非常容易点燃在进气门未关闭时的新鲜充量，回火产 生，氢发动机的最高压力进一步下降保证三者处于一个适当的平衡状态, 有利于氢燃料发动机的止常运行参考文献刘福水，郝利君，Heitz Peter.氢燃料内燃机技术现状与发展展 望[J]•汽车工程,2006 (7)： 622-624.J. Keller, A. Lutz・ Hydrogen Fueled Engines in Hybrid Vehicles[C]. SAE Paper 010546, 2001.张永锋，周仁斌，赵江涛，杨杰敏.氢内燃机异常燃烧的研究[J]・内燃机，2011 (4)： 54-56杨振中•氢燃料内燃机燃烧与优化控制[D]・杭州：浙江大学，2001基金项目：华北水利水电大学研究生教育创新计划基金资助项目(YK2012-04)。