概述

氫燃料發(fā)動機是實現(xiàn)“碳達峰，碳中和”戰(zhàn)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(fā)動機的開發(fā)，而且國內(nèi)自研的氫燃料發(fā)動機熱效率達到46.11%，處于全球領先水平。

在氫燃料發(fā)動機燃燒開發(fā)中，早燃是制約氫燃料發(fā)動機功率、扭矩提升的關鍵因素。聯(lián)合電子氫燃料發(fā)動機開發(fā)團隊早在2017年便開始了氫燃料發(fā)動機的仿真及試驗研究。多年以來，聯(lián)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(fā)動機樣機開發(fā)。基于前期研究結果，本文將深入分析氫燃料發(fā)動機的早燃產(chǎn)生機理，并提出可行的早燃抑制策略，助力氫燃料發(fā)動機開發(fā)。

早燃產(chǎn)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(fā)動機極易發(fā)生早燃。在發(fā)動機壓縮過程中，隨著活塞上行，缸內(nèi)可燃混合氣的溫度逐步升高。同時，在缸內(nèi)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(xù)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(fā)生在發(fā)動機高負荷，伴隨有突爆聲并出現(xiàn)功率下降和發(fā)動機過熱的現(xiàn)象，嚴重的將導致發(fā)動機損壞。

圖1 氫燃料發(fā)動機早燃缸壓

借鑒傳統(tǒng)汽油機的早燃抑制策略，氫燃料發(fā)動機可以從“氫、氣、火”三方面進行燃燒優(yōu)化，如圖2所示。其中，試驗研究發(fā)現(xiàn)，過量空氣系統(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：

過量空氣系數(shù)

氫燃料發(fā)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(shù)一般控制在2.5以上。但是隨著過量空氣系數(shù)的增大，即噴氫量不變的前提下，發(fā)動機進氣量逐步增多，進而導致壓縮末期的缸內(nèi)混合氣溫度升高，早燃產(chǎn)生的概率增大。

為抑制早燃，建議適當降低過量空氣系數(shù)，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(fā)現(xiàn)，冷型火花塞可顯著降低發(fā)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(nèi)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(fā)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(fā)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(nèi)氫氣濃度，進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之前100°CA左右時，發(fā)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(fā)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(nèi)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(xiàn)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(huán)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(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(nèi)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(fā)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(fā)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(nèi)燃機本身，而是燃料。利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機的產(chǎn)業(yè)基礎，開發(fā)氫燃料發(fā)動機是實現(xiàn)車用零碳排放的低成本方案。而在氫燃料發(fā)動機系統(tǒng)開發(fā)中，早燃是制約氫燃料發(fā)動機功率、扭矩提升的關鍵因素。根據(jù)聯(lián)合電子的研究結果，分析發(fā)現(xiàn)：

過量空氣系統(tǒng)降低、冷型火花塞可顯著抑制發(fā)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(lián)合電子基于多年氫燃料發(fā)動機開發(fā)經(jīng)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(fā)動機的開發(fā)，為汽車行業(yè)早日實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略獻計獻策。