概述
氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰,碳中和”戰(zhàn)略的可行技術(shù)方向。當(dāng)前,豐田、一汽、吉利、東風(fēng)等公司均在進(jìn)行氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā),而且國(guó)內(nèi)自研的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到46.11%,處于全球領(lǐng)先水平。
在氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒開(kāi)發(fā)中,早燃是制約氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩提升的關(guān)鍵因素。聯(lián)合電子氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)早在2017年便開(kāi)始了氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真及試驗(yàn)研究。多年以來(lái),聯(lián)合電子支持了一汽、上汽、東風(fēng)、廣汽、長(zhǎng)城等主機(jī)廠的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)開(kāi)發(fā)。基于前期研究結(jié)果,本文將深入分析氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃產(chǎn)生機(jī)理,并提出可行的早燃抑制策略,助力氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)。
早燃產(chǎn)生機(jī)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(diǎn)火能量也極低,約為汽油的1/10,因此氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)極易發(fā)生早燃。在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮過(guò)程中,隨著活塞上行,缸內(nèi)可燃混合氣的溫度逐步升高。同時(shí),在缸內(nèi)殘留的燃燒顆粒物、火花塞熱點(diǎn)、金屬飛刺作為熾熱點(diǎn)也持續(xù)升溫,最終在火花塞放電之前引燃?xì)錃猓礊樵缛迹涓讐喝鐖D1所示。早燃一般發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷,伴隨有突爆聲并出現(xiàn)功率下降和發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的現(xiàn)象,嚴(yán)重的將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

圖1 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)早燃缸壓

借鑒傳統(tǒng)汽油機(jī)的早燃抑制策略,氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以從“氫、氣、火”三方面進(jìn)行燃燒優(yōu)化,如圖2所示。其中,試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),過(guò)量空氣系統(tǒng)降低、冷型火花塞可顯著抑制早燃發(fā)生,且高壓噴射、噴射相位推遲、壓縮比適中對(duì)早燃抑制也具有一定效果,點(diǎn)火能量降低、冷卻水溫度/進(jìn)氣溫度降低對(duì)早燃抑制效果一般。具體分析如下:

過(guò)量空????????氣系數(shù)
氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒,當(dāng)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(yàn)中過(guò)量空氣系數(shù)一般控制在2.5以上。但是隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大,即噴氫量不變的前提下,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量逐步增多,進(jìn)而導(dǎo)致壓縮末期的缸內(nèi)混合氣溫度升高,早燃產(chǎn)生的概率增大。
為抑制早燃,建議適當(dāng)降低過(guò)量空氣系數(shù),降低壓縮末期可燃混合氣的溫度,進(jìn)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(diǎn)火能量也極低,火花塞極易作為熾熱點(diǎn)引燃?xì)錃狻R虼耍瑸榻档驮缛迹ㄗh選擇散熱能力較好的冷型火花塞。
試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),冷型火花塞可顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)早燃頻次,且火花塞側(cè)電極/中心電極的布置會(huì)影響早燃抑制效果,需進(jìn)行燃燒過(guò)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(guò)程燃燒室內(nèi)部的瞬時(shí)混合氣濃度。
一般來(lái)說(shuō),中壓/低壓噴嘴的氫氣噴射壓力低于30bar,氫氣噴射過(guò)程大多發(fā)生在缸壓不高的進(jìn)氣過(guò)程或者壓縮初期,噴射完成后留給氫氣的混合時(shí)間較長(zhǎng)。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(diǎn)引燃,誘發(fā)早燃。而當(dāng)采用高壓氫氣噴射時(shí),氫氣可以在壓縮末期進(jìn)行噴射,降低壓縮中后期的缸內(nèi)氫氣濃度,進(jìn)而降低氫氣被引燃的概率。
研究發(fā)現(xiàn),采用高壓噴射、噴射相位在壓縮上止點(diǎn)之前100°CA左右時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒最好,熱效率最高,早燃傾向最小。?
壓縮比
壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率影響極大。一般來(lái)說(shuō),壓縮比越大,熱效率越大。但是,壓縮比的增大,將導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)可燃混合氣的壓力和溫度升高,氫氣早燃趨勢(shì)增大。為抑制早燃,需要適配合適的壓縮比,以實(shí)現(xiàn)熱效率和異常燃燒的平衡。
點(diǎn)火能量
點(diǎn)火能量可顯著影響氫氣的燃燒速度。由于氫氣的最小點(diǎn)火能量是汽油的1/10,在火花塞擊穿放電階段,點(diǎn)火線圈儲(chǔ)存的能量無(wú)法完全消耗,多余的能量將儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈,易引起下一循環(huán)的點(diǎn)火線圈異常放電,進(jìn)而引起早燃。為了抑制點(diǎn)火能量過(guò)高所引起的早燃,建議采用低能量的點(diǎn)火線圈,或者點(diǎn)火線圈中串聯(lián)耗散電阻,在火花塞擊穿階段電阻同步散熱,消耗多余的點(diǎn)火能量,降低點(diǎn)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(nèi)混合氣的初始溫度。冷卻水溫度及中冷溫度降低,將導(dǎo)致混合氣壓縮初始溫度降低,進(jìn)而降低早燃趨勢(shì)。但是,過(guò)低的冷卻水溫度會(huì)導(dǎo)致傳熱增多、熱效率變差,發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低。
基于試驗(yàn)研究結(jié)果,建議冷卻水溫度設(shè)置在85℃~90℃左右,滿足發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較高的情況下適配相關(guān)溫度邊界。
總結(jié)
碳排放并非來(lái)自內(nèi)燃機(jī)本身,而是燃料。利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)車(chē)用零碳排放的低成本方案。而在氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中,早燃是制約氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩提升的關(guān)鍵因素。根據(jù)聯(lián)合電子的研究結(jié)果,分析發(fā)現(xiàn):
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過(guò)量空氣系統(tǒng)降低、冷型火花塞可顯著抑制發(fā)動(dòng)機(jī)早燃。
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高壓噴射、噴射相位推遲、壓縮比適中對(duì)早燃抑制具有一定效果。
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點(diǎn)火能量降低、冷卻水溫度/進(jìn)氣溫度降低對(duì)早燃抑制效果一般。
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