零碳排放氢燃料发动机早燃分析

概述

氢燃料发动机是实现“碳达峰，碳中和”战略的可行技术方向。当前，丰田、一汽、吉利、东风等公司均在进行氢燃料发动机的开发，而且国内自研的氢燃料发动机热效率达到46.11%，处于全球领先水平。

在氢燃料发动机燃烧开发中，早燃是制约氢燃料发动机功率、扭矩提升的关键因素。联合电子氢燃料发动机开发团队早在2017年便开始了氢燃料发动机的仿真及试验研究。多年以来，联合电子支持了一汽、上汽、东风、广汽、长城等主机厂的氢燃料发动机样机开发。基于前期研究结果，本文将深入分析氢燃料发动机的早燃产生机理，并提出可行的早燃抑制策略，助力氢燃料发动机开发。

早燃产生机理及抑制策略

众所周知，氢气的可燃范围极广，燃烧所需的最小点火能量也极低，约为汽油的1/10，因此氢燃料发动机极易发生早燃。在发动机压缩过程中，随着活塞上行，缸内可燃混合气的温度逐步升高。同时，在缸内残留的燃烧颗粒物、火花塞热点、金属飞刺作为炽热点也持续升温，最终在火花塞放电之前引燃氢气，即为早燃，其缸压如图1所示。早燃一般发生在发动机高负荷，伴随有突爆声并出现功率下降和发动机过热的现象，严重的将导致发动机损坏。

图1 氢燃料发动机早燃缸压

借鉴传统汽油机的早燃抑制策略，氢燃料发动机可以从“氢、气、火”三方面进行燃烧优化，如图2所示。其中，试验研究发现，过量空气系统降低、冷型火花塞可显著抑制早燃发生，且高压喷射、喷射相位推迟、压缩比适中对早燃抑制也具有一定效果，点火能量降低、冷却水温度/进气温度降低对早燃抑制效果一般。具体分析如下：

过量空气系数

氢燃料发动机采用稀薄燃烧，当lambda大于2.5之后，NOx排放将降低至10ppm以下。因此，为了获得更低的NOx排放，试验中过量空气系数一般控制在2.5以上。但是随着过量空气系数的增大，即喷氢量不变的前提下，发动机进气量逐步增多，进而导致压缩末期的缸内混合气温度升高，早燃产生的概率增大。

为抑制早燃，建议适当降低过量空气系数，降低压缩末期可燃混合气的温度，进而降低早燃。

火花塞热值

火花塞热值可显著影响火花塞的热特性，表征火花塞绝缘体裙部吸热与散热的平衡能力。氢气的可燃范围极广，燃烧所需的最小点火能量也极低，火花塞极易作为炽热点引燃氢气。因此，为降低早燃，建议选择散热能力较好的冷型火花塞。

试验研究发现，冷型火花塞可显著降低发动机早燃频次，且火花塞侧电极/中心电极的布置会影响早燃抑制效果，需进行燃烧过程的适配分析。

氢气喷射压力及喷射相位

氢气喷射压力及喷射相位可以影响压缩过程燃烧室内部的瞬时混合气浓度。

一般来说，中压/低压喷嘴的氢气喷射压力低于30bar，氢气喷射过程大多发生在缸压不高的进气过程或者压缩初期，喷射完成后留给氢气的混合时间较长。由于氢气的可燃范围较广，混合均匀的氢气极易被分布在不同位置的热点引燃，诱发早燃。而当采用高压氢气喷射时，氢气可以在压缩末期进行喷射，降低压缩中后期的缸内氢气浓度，进而降低氢气被引燃的概率。

研究发现，采用高压喷射、喷射相位在压缩上止点之前100°CA左右时，发动机燃烧最好，热效率最高，早燃倾向最小。

压缩比

压缩比对发动机热效率影响极大。一般来说，压缩比越大，热效率越大。但是，压缩比的增大，将导致压缩终点时气缸内可燃混合气的压力和温度升高，氢气早燃趋势增大。为抑制早燃，需要适配合适的压缩比，以实现热效率和异常燃烧的平衡。

点火能量

点火能量可显著影响氢气的燃烧速度。由于氢气的最小点火能量是汽油的1/10，在火花塞击穿放电阶段，点火线圈储存的能量无法完全消耗，多余的能量将储存在点火线圈，易引起下一循环的点火线圈异常放电，进而引起早燃。为了抑制点火能量过高所引起的早燃，建议采用低能量的点火线圈，或者点火线圈中串联耗散电阻，在火花塞击穿阶段电阻同步散热，消耗多余的点火能量，降低点火线圈误放电引起早燃的概率。

冷却水温度及中冷温度

冷却水温度和中冷温度可直接影响缸内混合气的初始温度。冷却水温度及中冷温度降低，将导致混合气压缩初始温度降低，进而降低早燃趋势。但是，过低的冷却水温度会导致传热增多、热效率变差，发动机性能降低。

基于试验研究结果，建议冷却水温度设置在85℃~90℃左右，满足发动机热效率较高的情况下适配相关温度边界。

总结

碳排放并非来自内燃机本身，而是燃料。利用传统内燃机的产业基础，开发氢燃料发动机是实现车用零碳排放的低成本方案。而在氢燃料发动机系统开发中，早燃是制约氢燃料发动机功率、扭矩提升的关键因素。根据联合电子的研究结果，分析发现：

过量空气系统降低、冷型火花塞可显著抑制发动机早燃。

高压喷射、喷射相位推迟、压缩比适中对早燃抑制具有一定效果。

点火能量降低、冷却水温度/进气温度降低对早燃抑制效果一般。

联合电子基于多年氢燃料发动机开发经验，提出可行的早燃抑制策略，支持整车厂进行高功率、高热效率氢燃料发动机的开发，为汽车行业早日实现双碳战略献计献策。