進氣道噴射氫發(fā)動機燃燒及爆震特性試驗研究

衛(wèi)海橋，王?楠，李?衛(wèi)，賈德民，李金光，潘家營

進氣道噴射氫發(fā)動機燃燒及爆震特性試驗研究

衛(wèi)海橋1，王?楠1，李?衛(wèi)2，賈德民2，李金光1，潘家營1

(1. 天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2. 濰柴動力股份有限公司，濰坊 261041)

為探究進氣道噴射(PFI)氫發(fā)動機燃燒特性，以一臺四沖程PFI氫發(fā)動機為研究對象，開展了關(guān)鍵參數(shù)(點火時刻、當量比)對氫發(fā)動機燃燒及爆震特性影響的試驗研究，其中點火時刻在-5°CA～-30°CA內(nèi)變化，當量比在0.5～0.8內(nèi)變化．結(jié)果表明，隨著點火時刻從-5°CA提前到-30°CA，發(fā)動機做功能力逐漸降低，循環(huán)變動逐漸增大；將當量比從0.5提高到0.7時，發(fā)動機做功能力有所下降且循環(huán)變動增大，綜合發(fā)動機做功能力和循環(huán)變動來看，-15°CA點火時刻發(fā)動機性能最優(yōu)；根據(jù)統(tǒng)計學角度分析得知，從點火時刻-25°CA開始，隨著點火時刻的推遲，平均爆震強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢；平均爆震強度隨當量比的提高整體呈增大趨勢，但其對當量比的敏感性與點火時刻密切關(guān)聯(lián)，-15°CA～-20°CA點火時，增大當量比會使平均爆震強度明顯增加；同時，點火時刻較為提前或推遲時爆震概率對當量比的敏感性較大，增大當量比會使爆震概率明顯增加、爆震起始時刻提前．此外，在高當量比條件下，初期循環(huán)中一般強度爆震的累加作用會誘發(fā)超級爆震．

氫發(fā)動機；燃燒特性；爆震；超級爆震；點火時刻；當量比

日益減少的原油儲備和愈發(fā)嚴重的環(huán)境污染迫使研究學者一直致力于尋找高效、清潔、可再生的替代燃料[1-2]．氫氣作為一種發(fā)動機燃料，具有很多優(yōu)點，比如氫氣可由可再生能源制取，完全燃燒時產(chǎn)物只有水，可以實現(xiàn)全生命周期的零碳排放[3]．氫氣質(zhì)量能量密度高，擁有較寬的可燃界限、最小的點火能量以及較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣萚4]．根據(jù)奧托循環(huán)理論，其較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢詫崿F(xiàn)更高的熱效率[5]．但氫氣也存在局限性，如體積熱值低、NO排放高，容易引起早燃、回火、爆震等異常燃燒現(xiàn)象[6]，不僅會降低發(fā)動機的功率輸出，嚴重時會導(dǎo)致發(fā)動機部件的不可逆損壞[7-9]．

進氣道噴射式(PFI)氫發(fā)動機由于其裝置簡單且耐久性好等優(yōu)點受到廣大研究人員的重視，但是PFI氫發(fā)動機的異常燃燒現(xiàn)象也更為嚴重．研究人員為深入理解PFI氫發(fā)動機的異常燃燒機理開展了一系列工作．Li等[10]以一臺PFI氫發(fā)動機為研究對象進行了壓縮比和進氣溫度對爆震影響的試驗研究，發(fā)現(xiàn)壓縮比和進氣溫度是影響氫發(fā)動機燃燒爆震極限當量比的重要參數(shù)．Szwaja等[11]發(fā)現(xiàn)氫發(fā)動機在不同的壓縮比下發(fā)生的爆震有所不同，壓縮比在11以下時最大壓力振蕩幅值在0.1MPa以下，而壓縮比大于11時最大壓力振蕩幅值可能會突破一個數(shù)量級．Luo等[12]通過數(shù)值模擬方法，研究了氫發(fā)動機的爆震誘發(fā)因素及爆震頻率，發(fā)現(xiàn)氫發(fā)動機的異常燃燒現(xiàn)象存在相互促進的關(guān)系，回火和早燃很大概率會誘發(fā)爆震；通過傅里葉變換分析得知，氫發(fā)動機在各個模式下的爆震頻率都高于汽油機，輕度爆震的壓力波沿徑向傳播，重度爆震的壓力波沿軸向傳播．Szwaja等[13]發(fā)現(xiàn)，氫發(fā)動機的爆震可以分為輕爆震和重爆震，輕爆震發(fā)生在燃燒初期，而重爆震發(fā)生在燃燒末期，重爆震會因為熱應(yīng)力迅速損壞發(fā)動機．

盡管對PFI氫發(fā)動機的燃燒及爆震已經(jīng)做了大量研究，但氫發(fā)動機的燃燒技術(shù)仍然不成熟[14-15]．研究發(fā)現(xiàn)，氫發(fā)動機存在不同強度的爆震，但是不同強度爆震的誘發(fā)原因尚不清楚(如燃燒速率過快和末端自燃均可能引起爆震)，不同強度爆震之間的關(guān)聯(lián)也不明確，關(guān)于發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)對燃燒及爆震強度的影響研究不夠完善．因此，本文以一臺PFI氫發(fā)動機為研究對象，探究關(guān)鍵參數(shù)(點火時刻、當量比)對PFI氫發(fā)動機燃燒及爆震特性的影響，研究結(jié)果對于深入理解氫發(fā)動機燃燒特性及不同強度爆震的誘發(fā)機理及從根本上尋求解決方法提供重要理論指導(dǎo)．

1?試驗裝置及研究方法

1.1?試驗裝置

本研究在一臺由General Motor 2.0T為原型機改造的進氣道噴射式氫發(fā)動機上進行．該發(fā)動機配備了可拆卸的活塞以便調(diào)節(jié)壓縮比，為了研究氫發(fā)動機的燃燒及爆震特性，本文選擇了壓縮比為12的活塞．燃燒室由帶有4氣門(2個進氣門、2個排氣門)的缸蓋及平頂活塞構(gòu)成，其內(nèi)徑是88mm，行程為105mm，保證了約0.64L的排量．此外，節(jié)氣門開度維持在8%左右，此時純壓縮的最大缸壓為2.47MPa，約為節(jié)氣門全開時的85%．圖1為發(fā)動機臺架示意，詳細參數(shù)見表1．

圖1?發(fā)動機臺架示意

表1?發(fā)動機主要參數(shù)

Tab.1?Specifications of the test engine

1.2?試驗方法與數(shù)據(jù)處理

試驗發(fā)動機由一臺直流測功機(DZDC-20S)控制，轉(zhuǎn)速維持在1000r/min，精度為±0.2%．上止點前280°CA時，由電子控制單元(MOTEC M400)控制進氣道噴射器以0.3MPa的壓力向缸內(nèi)噴射氫氣，噴射脈沖寬度與噴射量呈線性關(guān)系，當量比由安裝在排氣管上的Bosch寬域氧傳感器測量，測量分辨率為0.1%，響應(yīng)時間為0.15s．本文通過調(diào)整噴射脈寬使當量比分別等于0.5、0.6、0.7、0.8．

由于發(fā)動機采用風冷冷卻方式，無法長時間點火運行，故選取了缸蓋溫度作為試驗時的參考溫度，缸蓋溫度由一個安裝在缸蓋上的K型熱電偶測量，測量精度為±0.1℃，為盡量消除因缸體溫度高導(dǎo)致的測量結(jié)果失準，采用監(jiān)測缸蓋溫度后采集數(shù)據(jù)的方法，當缸蓋溫度接近90℃時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集連續(xù)循環(huán)的熱力學數(shù)據(jù)；當缸蓋溫度超過95℃時，發(fā)動機停止運行使其冷卻．缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)由一個Kistler 6125A型壓電式壓力傳感器和一臺Kistler 5018型電荷放大器測量，其采集分辨率可達0.1°CA．在發(fā)動機運行穩(wěn)定之后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集50個循環(huán)下的熱力學數(shù)據(jù)，所有的控制都基于電子控制單元．

壓力的采樣頻率為0.1°CA即60kHz，足夠捕捉爆震現(xiàn)象的壓力振蕩[16]．應(yīng)用帶通濾波器從范圍為4～25kHz的原始缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)中分離爆震壓力[17].然后計算爆震強度(maximum amplitude of pressure oscillations，MAPO)，其被定義為帶通濾波壓力跡線的絕對峰值[18]．此外，基于熱力學第一定律的標準單區(qū)域模型計算熱釋放率(HRR)、燃燒持續(xù)期(combustion duration)和燃燒相位[19]．

本文以平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)(coefficients of variation of indicated mean effective pressure，COVIMEP)來表征發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，其計算式為

式中：IMEP是單個工況下每個循環(huán)的平均指示壓力；IMEPm是該工況下個循環(huán)的平均值；是該工況的循環(huán)數(shù)．

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?點火時刻和當量比對燃燒性能的影響

對于進氣道噴射式發(fā)動機來說，點火時刻和當量比對發(fā)動機性能和燃燒過程有著顯著的影響，圖2和圖3分別給出了不同點火時刻和當量比條件下的缸壓和放熱率．如圖2所示，在當量比0.5的條件下，隨著點火時刻從-5°CA提前到-30°CA，燃燒相位逐漸提前，反應(yīng)速度加快，缸內(nèi)最大壓力峰值從5.18MPa先增大到6.1MPa又逐漸降低到5.9MPa，HRR從70.4J/(°CA)逐漸增大到97.8J/(°CA)，放熱更加集中．如圖3所示，點火時刻固定在-25°CA條件下，隨著當量比從0.5增大到0.7，燃燒相位提前、反應(yīng)速度加快、放熱更加集中，缸內(nèi)最大壓力峰值從5.8MPa增大到6.2MPa，HRR峰值從60.2J/(°CA)增大到97J/(°CA)．

圖2?不同點火時刻下的缸內(nèi)壓力和放熱率

圖3?不同當量比下的缸內(nèi)壓力和放熱率

圖4給出了不同點火時刻及當量比條件下的IMEP及COVIMEP，用以表征發(fā)動機的做功能力及燃燒穩(wěn)定性．從圖4(a)可以看出，在當量比0.5條件下，隨著點火時刻從-30°CA推遲到-5°CA，平均指示壓力IMEP從0.11MPa逐漸增大到0.37MPa，發(fā)動機做功能力逐漸增強；將當量比從0.5增大到0.7時，發(fā)動機IMEP整體呈減小趨勢．從圖4(b)可以看出，在當量比0.5條件下，隨著點火時刻從-30°CA推遲到-5°CA，COVIMEP從37%逐漸降低到8%；將當量比從0.5增大到0.7，由于混合氣濃度的增大使得缸內(nèi)燃燒更加劇烈，燃燒持續(xù)期明顯縮短，發(fā)動機COVIMEP逐漸增大．

圖5給出了不同點火時刻和當量比條件下的燃燒持續(xù)期，記錄為燃燒質(zhì)量分數(shù)從CA10～CA90的曲軸轉(zhuǎn)角．當量比為0.5時，隨著點火時刻的推遲，燃燒持續(xù)期先增大后減小，燃燒持續(xù)期一般維持在10°CA左右，且增大當量比會使燃燒持續(xù)期縮短．

當量比增大會使得發(fā)動機燃燒持續(xù)期對點火時刻的敏感性下降．由于氫發(fā)動機燃燒持續(xù)期較短，當點火時刻過于提前時，整個燃燒過程發(fā)生在壓縮行程，即完全轉(zhuǎn)化為負功，所以IMEP較小，同時循環(huán)變動較大．推遲點火時刻可以在低當量比條件下提高發(fā)動機做功能力的同時降低循環(huán)變動，但是在高當量比條件下易誘發(fā)爆震燃燒．

圖5?不同點火時刻和當量比下的燃燒持續(xù)期

2.2?點火時刻對PFI氫發(fā)動機爆震特性的影響

為進一步研究關(guān)鍵參數(shù)對氫發(fā)動機爆震特性的影響，繼續(xù)增大當量比進行不同點火時刻對氫發(fā)動機爆震特性的試驗研究．通常將MAPO在一個或幾個MPa時的爆震定義為常規(guī)爆震，而將MAPO超過常規(guī)爆震一個甚至兩個數(shù)量級以上的爆震定義為超級爆震[20]．為了研究不同情況下的PFI氫發(fā)動機爆震的統(tǒng)計學特性，圖6分別給出了當量比0.6、0.7、0.8下50個連續(xù)循環(huán)的詳細MAPO分布，分別對應(yīng)無爆震、輕爆震、超級爆震情況，并給出了平均爆震強度MAPO及MAPO相對標準偏差(relative standard deviation，RSD)．

觀察平均MAPO發(fā)現(xiàn)，在當量比0.6沒有爆震發(fā)生的情況下，平均MAPO基本保持不變，維持在0.1MPa以下，RSD基本維持在0.15～0.35不變．

當量比0.7時，隨著點火時刻從-30°CA推遲到-5°CA，平均爆震強度MAPO呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，最大平均MAPO發(fā)生在-20°CA點火時，約為0.22MPa；對于發(fā)生爆震的工況(點火時刻-20°CA、-15°CA、-10°CA)，單個循環(huán)的MAPO分散在0.10～0.45MPa之間，最大MAPO發(fā)生在-20°CA點火時，約為0.42MPa．綜上得知當量比0.7時發(fā)生的爆震為一般強度爆震；無量綱數(shù)RSD基本保持不變，約為0.35～0.55，證明一般強度爆震主要取決于較大的燃燒放熱率或壓力升高率．

當量比0.8時，所有點火時刻均發(fā)生了爆震，平均MAPO隨點火時刻推遲呈現(xiàn)先增大后減小又增大的趨勢，最大平均MAPO發(fā)生在-15°CA，約為1MPa；單個循環(huán)MAPO分散在0.1～6.5MPa之間，最大MAPO發(fā)生在-15°CA點火時，約為6.2MPa，此時的爆震強度較當量比0.7時的爆震強度增大了一個數(shù)量級，為超級爆震；無量綱數(shù)RSD從-25°CA點火時的0.586增大到-15°CA點火時的1.405，隨機性增加，證明超級爆震的發(fā)生是由于隨機的熱點自燃引起的．

綜上研究發(fā)現(xiàn)，每個當量比下均存在一個最強爆震點火時刻(一般在-20°CA～-15°CA左右)使得氫發(fā)動機爆震強度最大，以此為基準提前或推遲點火時均使發(fā)動機爆震強度減小．這與汽油機爆震表現(xiàn)出的規(guī)律是完全不同的[21]，一般來說汽油機爆震強度隨著點火時刻推遲呈減小趨勢；同時，兩種發(fā)動機爆震強度對點火時刻的敏感度也不同，每推遲10°CA點火，氫氣發(fā)動機爆震強度變化幅值很大，一般在0.2～0.8MPa左右，即氫氣發(fā)動機爆震強度對點火時刻更敏感．

由以上得知當量比0.8、點火時刻-15°CA時爆震概率最高且平均MAPO最大，因此對此工況展開著重分析．如圖7所示，前6個循環(huán)發(fā)生了一般強度爆震，MAPO從0.15MPa逐漸增加到0.75MPa，第7個循環(huán)發(fā)生了超級爆震，此刻MAPO較一般強度爆震增大一個數(shù)量級至3.8MPa，即誘發(fā)了超級爆震．在初始幾個循環(huán)中，隨著一般爆震強度的增加，缸內(nèi)部件被不斷加熱，一般爆震的累積作用使得缸內(nèi)部件出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，繼而誘發(fā)了超級爆震現(xiàn)象的發(fā)生．

圖6?不同當量比下不同點火時刻時的詳細MAPO分布

如圖8所示，此工況下最強爆震循環(huán)為第14個循環(huán)，此循環(huán)的缸內(nèi)最大壓力峰值達到12.8MPa、最大HRR達到280J/(°CA)、MAPO高達6.1MPa．將此循環(huán)的原始缸內(nèi)壓力曲線、經(jīng)過4～25kHz帶通濾波的壓力振蕩曲線以及放熱率曲線與一般爆震進行比較．一般爆震循環(huán)的缸內(nèi)最大壓力峰值約為6.2MPa、最大HRR約為170J/(°CA)、最大MAPO約為0.25MPa．CAKO(the onset of pressure oscillation)定義為壓力振蕩開始時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，發(fā)現(xiàn)一般爆震情況的CAKO與瞬時放熱率峰值重合，說明一般爆震是由于高HRR引起，而超級爆震循環(huán)的瞬時放熱率呈現(xiàn)多段波動上升趨勢．

圖7 初期7個循環(huán)的缸壓及壓力振蕩以及相應(yīng)的MAPO

圖8 不同強度爆震循環(huán)的原始缸內(nèi)壓力、放熱率及壓力振蕩

2.3?當量比對PFI氫發(fā)動機爆震特性的影響

由圖9可知，提高當量比使氫發(fā)動機爆震強度增大．在當量比從0.6增大到0.7時，爆震強度在各個點火時刻下的增幅基本維持在0.2MPa以內(nèi)．

圖9?不同點火時刻下不同當量比的平均爆震強度

將當量比從0.7增大到0.8發(fā)現(xiàn)，平均爆震強度對當量比的敏感性和點火時刻存在很大關(guān)聯(lián)性．具體表現(xiàn)在－20°CA及－15°CA左右點火時，平均爆震強度對當量比的敏感性較大，平均爆震強度隨著當量比增大的增幅超過0.8MPa；提前或推遲點火時，增大當量比僅使得平均爆震強度小幅度增大，增幅均在0.1MPa左右．

將每個工況50個循環(huán)中MAPO大于0.1MPa的循環(huán)所占的比例定義為爆震概率．如圖10所示，增大當量比使發(fā)動機爆震概率增大．但爆震概率對當量比的敏感性與點火時刻存在很大關(guān)聯(lián)性．具體體現(xiàn)在最強爆震點火時刻附近點火時，不同當量比下均存在較大爆震概率故增幅較小；以最強爆震點火時刻為基準提前或推遲點火時刻，當量比的增大使得爆震概率明顯增大，其中在－25°CA及－5°CA點火時，增大當量比使爆震概率增大70%．

圖10?不同點火時刻下不同當量比的爆震概率

圖11所示為點火時刻-20°CA時，不同當量比條件下最強爆震循環(huán)原始缸內(nèi)壓力及壓力振蕩對比．由圖可知，增大當量比使得缸內(nèi)反應(yīng)速度加快，缸內(nèi)最大壓力峰值從5.8MPa增大到9.3MPa，爆震強度從0.4MPa增加到4MPa，另外爆震起始時刻也從－8°CA提前到－12°CA．

圖11 相同點火時刻不同當量比下的原始缸內(nèi)壓力及壓力振蕩

3?結(jié)?論

本文基于一臺進氣道噴射式單缸氫發(fā)動機，開展了關(guān)鍵參數(shù)(點火時刻、當量比)對發(fā)動機燃燒及爆震特性影響的試驗研究，主要結(jié)論如下．

(1) 點火時刻對氫發(fā)動機燃燒過程有著顯著影響．持續(xù)提前點火時刻會使發(fā)動機的做功能力降低，同時循環(huán)變動增加．綜合發(fā)動機做功能力和循環(huán)變動來看，－15°CA左右點火時發(fā)動機性能最優(yōu)．

(2) 當量比對氫發(fā)動機做功能力和爆震燃燒具有重要作用．固定最佳點火時刻條件下，持續(xù)增大當量比會使發(fā)動機做功能力下降、循環(huán)變動增大．不同當量比下均存在最強的爆震點火時刻，一般是在－20°CA～－15°CA左右．

(3) 氫發(fā)動機爆震強度對點火時刻和當量比相當敏感，且其對當量比的敏感性與點火時刻存在很大關(guān)聯(lián)．在爆震最強的點火時刻下增大當量比可以使平均爆震強度顯著增大，最大增幅可達0.8MPa．同時，高當量比條件下，一般強度爆震不斷累加會誘發(fā)產(chǎn)生超級爆震．

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Experimental Investigations on Combustion and Knock Characteristics of Port Fuel Injection Hydrogen Engine

Wei Haiqiao1，Wang Nan1，Li Wei2，Jia Demin2，Li Jinguang1，Pan Jiaying1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China)

To explore the combustion and knock characteristics of a port fuel injection(PFI)hydrogen engine，this study investigates the effect of key parameters(ignition timing and equivalence ratio)on the combustion and knock characteristics of a four-stroke PFI hydrogen engine. In the experimental study，the ignition time varies from -5°CA to -30°CA and the equivalence ratio varies from 0.5 to 0.8. Results show that as the ignition time advances，the engine’s power gradually reduces，whereas the cycle’s variation gradually increases. When the equivalence ratio is increased from 0.5 to 0.7，the engine’s power reduces，whereas the cycle’s variation increases. From the perspective of comprehensive engine power and cycle variations，the engine performance is optimal when the ignition time is approximately -15°CA. The statistical analysis revealed that starting from an ignition time of -25°CA，with the ignition time delayed，the average knock intensity first increases and then decreases. Further，with increasing equivalence ratio，the average knock intensity increases；however，its sensitivity to the equivalence ratio is closely related to the ignition time. When the ignition time is between -15°CA and -20°CA，increasing the equivalence ratio will significantly increase the average knock intensity. Moreover，the sensitivity of the knock probability to the equivalence ratio is closely related to the ignition timing，i.e.，when the ignition time advances or delays，the sensitivity improves. Thus，increasing the equivalence ratio will significantly increase the knock probability and advance the knock onset time. In addition，at a high equivalence ratio，the cumulative effect of general intensity knock in the initial cycle will induce the occurrence of a super knock phenomenon.

hydrogen engine；combustion characteristics；knock；super knock；ignition time；equivalence ratio

10.11784/tdxbz202108042

TK448.21

A

0493-2137(2022)12-1230-07

2021-08-16；

2021-09-15.

衛(wèi)海橋（1974—??），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.

潘家營，jypan@tju.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(52076149，51825603).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 52076149，No. 51825603).

(責任編輯：金順愛)