零碳排放氫燃料發動機早燃分析

概述

氫燃料發動機是實現“碳達峰，碳中和”戰略的可行技術方向。當前，豐田、一汽、吉利、東風等公司均在進行氫燃料發動機的開發，而且國內自研的氫燃料發動機熱效率達到46.11%，處于全球領先水平。

在氫燃料發動機燃燒開發中，早燃是制約氫燃料發動機功率、扭矩提升的關鍵因素。聯合電子氫燃料發動機開發團隊早在2017年便開始了氫燃料發動機的仿真及試驗研究。多年以來，聯合電子支持了一汽、上汽、東風、廣汽、長城等主機廠的氫燃料發動機樣機開發?；谇捌谘芯拷Y果，本文將深入分析氫燃料發動機的早燃產生機理，并提出可行的早燃抑制策略，助力氫燃料發動機開發。

早燃產生機理及抑制策略

眾所周知，氫氣的可燃范圍極廣，燃燒所需的最小點火能量也極低，約為汽油的1/10，因此氫燃料發動機極易發生早燃。在發動機壓縮過程中，隨著活塞上行，缸內可燃混合氣的溫度逐步升高。同時，在缸內殘留的燃燒顆粒物、火花塞熱點、金屬飛刺作為熾熱點也持續升溫，最終在火花塞放電之前引燃氫氣，即為早燃，其缸壓如圖1所示。早燃一般發生在發動機高負荷，伴隨有突爆聲并出現功率下降和發動機過熱的現象，嚴重的將導致發動機損壞。

圖1 氫燃料發動機早燃缸壓

借鑒傳統汽油機的早燃抑制策略，氫燃料發動機可以從“氫、氣、火”三方面進行燃燒優化，如圖2所示。其中，試驗研究發現，過量空氣系統降低、冷型火花塞可顯著抑制早燃發生，且高壓噴射、噴射相位推遲、壓縮比適中對早燃抑制也具有一定效果，點火能量降低、冷卻水溫度/進氣溫度降低對早燃抑制效果一般。具體分析如下：

? ? 圖2 氫燃料發動機早燃抑制策略 ?

過量空????????氣系數

氫燃料發動機采用稀薄燃燒，當lambda大于2.5之后，NOx排放將降低至10ppm以下。因此，為了獲得更低的NOx排放，試驗中過量空氣系數一般控制在2.5以上。但是隨著過量空氣系數的增大，即噴氫量不變的前提下，發動機進氣量逐步增多，進而導致壓縮末期的缸內混合氣溫度升高，早燃產生的概率增大。

為抑制早燃，建議適當降低過量空氣系數，降低壓縮末期可燃混合氣的溫度，進而降低早燃。????????

火花塞熱值

??火花塞熱值可顯著影響火花塞的熱特性，表征火花塞絕緣體裙部吸熱與散熱的平衡能力。氫氣的可燃范圍極廣，燃燒所需的最小點火能量也極低，火花塞極易作為熾熱點引燃氫氣。因此，為降低早燃，建議選擇散熱能力較好的冷型火花塞。

試驗研究發現，冷型火花塞可顯著降低發動機早燃頻次，且火花塞側電極/中心電極的布置會影響早燃抑制效果，需進行燃燒過程的適配分析。?

氫氣噴射壓力及噴射相位

????氫氣噴射壓力及噴射相位可以影響壓縮過程燃燒室內部的瞬時混合氣濃度。

一般來說，中壓/低壓噴嘴的氫氣噴射壓力低于30bar，氫氣噴射過程大多發生在缸壓不高的進氣過程或者壓縮初期，噴射完成后留給氫氣的混合時間較長。由于氫氣的可燃范圍較廣，混合均勻的氫氣極易被分布在不同位置的熱點引燃，誘發早燃。而當采用高壓氫氣噴射時，氫氣可以在壓縮末期進行噴射，降低壓縮中后期的缸內氫氣濃度，進而降低氫氣被引燃的概率。

研究發現，采用高壓噴射、噴射相位在壓縮上止點之前100°CA左右時，發動機燃燒最好，熱效率最高，早燃傾向最小。?

壓縮比

壓縮比對發動機熱效率影響極大。一般來說，壓縮比越大，熱效率越大。但是，壓縮比的增大，將導致壓縮終點時氣缸內可燃混合氣的壓力和溫度升高，氫氣早燃趨勢增大。為抑制早燃，需要適配合適的壓縮比，以實現熱效率和異常燃燒的平衡。

點火能量

點火能量可顯著影響氫氣的燃燒速度。由于氫氣的最小點火能量是汽油的1/10，在火花塞擊穿放電階段，點火線圈儲存的能量無法完全消耗，多余的能量將儲存在點火線圈，易引起下一循環的點火線圈異常放電，進而引起早燃。為了抑制點火能量過高所引起的早燃，建議采用低能量的點火線圈，或者點火線圈中串聯耗散電阻，在火花塞擊穿階段電阻同步散熱，消耗多余的點火能量，降低點火線圈誤放電引起早燃的概率。

冷卻水溫度及中冷溫度

冷卻水溫度和中冷溫度可直接影響缸內混合氣的初始溫度。冷卻水溫度及中冷溫度降低，將導致混合氣壓縮初始溫度降低，進而降低早燃趨勢。但是，過低的冷卻水溫度會導致傳熱增多、熱效率變差，發動機性能降低。

基于試驗研究結果，建議冷卻水溫度設置在85℃~90℃左右，滿足發動機熱效率較高的情況下適配相關溫度邊界。

總結

碳排放并非來自內燃機本身，而是燃料。利用傳統內燃機的產業基礎，開發氫燃料發動機是實現車用零碳排放的低成本方案。而在氫燃料發動機系統開發中，早燃是制約氫燃料發動機功率、扭矩提升的關鍵因素。根據聯合電子的研究結果，分析發現：

• 過量空氣系統降低、冷型火花塞可顯著抑制發動機早燃。

• 高壓噴射、噴射相位推遲、壓縮比適中對早燃抑制具有一定效果。

• 點火能量降低、冷卻水溫度/進氣溫度降低對早燃抑制效果一般。

聯合電子基于多年氫燃料發動機開發經驗，提出可行的早燃抑制策略，支持整車廠進行高功率、高熱效率氫燃料發動機的開發，為汽車行業早日實現雙碳戰略獻計獻策。

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