氨内燃机定压燃烧控制方法及装置和内燃机

1.涉及动力与能源工程领域，具体涉及喷射控制。


背景技术：

2.随着社会对于温室效应、内燃机排放的关注度越来越高，越来越多的国际法规将聚焦碳排放问题，对内燃机的使用进行限制，内燃机采用传统燃料将不可避免的产生碳排放，释放二氧化碳气体，以氨作为燃料的内燃机燃烧不产生碳排放、使用成本低生产和制备简单、能量及储能密度高于液态氢、安全性高、加油周期合理等诸多优点，必将成为未来最主要的燃料，氨燃料内燃机已经成为内燃机行业中对碳排放法规的重要技术路线。
3.现阶段的氨燃料内燃机的设计应用中，广泛采用了柴油引燃氨的方式实现氨燃料的应用，但是这种方式并不能完全实现零碳排放的目的。于是研究逐渐聚焦于活性基混合氨压燃方式设计氨燃料发动机，但由于氨燃料的辛烷值高，氨燃料缸内直喷压燃时存在严重的高爆发压力问题，对于内燃机的机械强度和热负荷都有很大的要求，影响内燃机的效率和可靠性。目前的工业技术发展很大程度上限制了氨燃料内燃机的发展和进一步研发，在氨燃料压燃方案研究中，没有一个较优的方法控制氨燃料缸内直喷压燃爆发压力。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的由于氨燃料的辛烷值高，氨燃料缸内直喷压燃时存在严重的高爆发压力问题，对于内燃机的机械强度和热负荷都有很大的要求，影响内燃机的效率和可靠性得问题，提出了一种控制氨燃烧爆发压力，进行氨内燃机缸内直喷定压燃烧氨脉冲喷射的方法，具体的：
5.内燃机定压燃烧控制方法，应用于内燃机，所述的方法为：通过脉冲的方式，多次喷射燃料使所述的内燃机的气缸内的压力处于预先设定或通过仿真计算得出的内燃机能承受的最高工作压力。
6.基于同一发明构思，本发明还提供了内燃机定压燃烧控制方法，应用于内燃机，所述的方法包括：
7.步骤1：根据所述的内燃机的特性，确定所述内燃机的最高工作压力；
8.步骤2：根据所述的最高工作压力，确定第一次燃料喷射参数和最佳喷射次数；
9.步骤3：当所述的内燃机内部压力下降后，进行燃料喷射；
10.步骤4，重复所述的步骤3，直到达到所述的最佳喷射次数。
11.进一步，所述的步骤1中，内燃机的特性包括：材料、规格参数和燃料特性。
12.进一步，所述的步骤3具体为：
13.当所述的内燃机内部压力低于预设低压值或压力下降速度高于预设速度值，则进行燃料喷射，使内燃机内部压力达到最高工作压力。
14.进一步，所述的步骤4采用ecu控制设备实现。
15.基于同一发明构思，本发明还提供了内燃机定压燃烧控制装置，应用于内燃机，所
述的装置包括：用于通过脉冲的方式，多次喷射燃料使所述的内燃机的气缸内的压力处于标定值。
16.基于同一发明构思，本发明还提供了内燃机定压燃烧控制装置，应用于内燃机，所述的装置包括：
17.模块1：用于根据所述的内燃机的特性，确定所述内燃机的最高工作压力；
18.模块2：用于根据所述的最高工作压力，确定第一次燃料喷射参数和最佳喷射次数；
19.模块3：用于当所述的内燃机内部压力下降后，进行燃料喷射；
20.模块4，用于重复所述的模块3的功能，直到达到所述的最佳喷射次数。
21.进一步，所述的模块1中，内燃机的特性包括：材料、规格参数和燃料特性。
22.进一步，所述的模块3具体为：
23.用于在所述的内燃机内部压力低于预设低压值或压力下降速度高于预设速度值，则进行燃料喷射，使内燃机内部压力达到最高工作压力。
24.基于同一发明构思，本发明还提供了内燃机，所述的内燃机包括所述的内燃机定压燃烧控制装置。
25.本发明的有益之处在于：
26.本发明提供的内燃机定压燃烧控制方法，从缸内燃烧方面控制氨燃料缸内直喷压燃爆发压力，目前尚未出现过氨燃料的喷射策略的仿真和实验，本发明提供的内燃机定压燃烧控制方法填补了现有技术的空缺，为内燃机定压燃烧控制提供了新的研究方向。
27.本发明为了解决以氨作为燃料的内燃机不能完全实现零碳排放的问题，没有按照现有技术的活性基混合氨压燃方式研究思路，为了解决内燃气的机机械强度和热负荷的问题，而是从控制缸内燃烧的方式去解决问题，即：采用了现有技术没有采用的技术手段，填补了技术空白，也引领了技术发展方向。
28.本发明提供的内燃机定压燃烧控制方法，将最高燃烧压力控制在机械强度要求的范围内，增加了机器的安全性和可靠性。
29.本发明提供的内燃机定压燃烧控制方法，从缸内燃烧方面控制氨燃料缸内直喷压燃爆发压力，解决了氨燃料的高爆发压力缸内直喷压燃受机械强度限制的问题。
30.本发明提供的内燃机定压燃烧控制方法，将缸内燃烧压力控制在最高工作压力范围内的同时，实现等压燃烧，综合考虑燃烧和排放的因素，使燃烧过程接近热力学中的等压过程，既保证输出的扭矩即做功能力，又提升了燃烧效率，有效降低了排放物中的no
x
等未完全燃烧产物。
31.适合在氨燃料压燃研究和实施中应用。
附图说明
32.图1表示实施方式一提供的内燃机定压燃烧控制方法的流程图；
33.图2表示实施方式十一提到的喷射过程中喷射燃料量和曲轴转角间关系的示例图；
34.图3表示实施方式十一提到的喷射过程中压力随曲轴转角角度变化而变化的示意图。
具体实施方式
35.为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案的进行进一步详细地描述，具体的：
36.实施方式一、本实施方式提供了内燃机定压燃烧控制方法，应用于内燃机，所述的方法为：通过脉冲的方式，多次喷射氨燃料使所述的内燃机的气缸内的压力处于预先设定或通过仿真计算得出的内燃机能承受的最高工作压力。
37.实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式提供了内燃机定压燃烧控制方法，应用于内燃机，所述的方法包括：
38.步骤1：根据所述的内燃机的特性，确定所述内燃机的最高工作压力；
39.步骤2：根据所述的最高工作压力，确定第一次燃料喷射参数和最佳喷射次数；
40.步骤3：当所述的内燃机内部压力下降后，进行燃料喷射；
41.步骤4，重复所述的步骤3，直到达到所述的最佳喷射次数。
42.实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的内燃机定压燃烧控制方法的进一步限定，所述的步骤1中，内燃机的特性包括：材料、规格参数和燃料特性。
43.实施方式四、本实施方式是对实施方式二提供的内燃机定压燃烧控制方法的进一步限定，所述的步骤3具体为：
44.当所述的内燃机内部压力低于预设低压值或压力下降速度高于预设速度值，本实施例中分别采用296bar为预设低压值，-7bar/
°
ca为压力下降预设速度值，则进行燃料喷射，使内燃机内部压力达到最高工作压力。
45.实施方式五、本实施方式是对实施方式二提供的内燃机定压燃烧控制方法的进一步限定，所述的步骤4采用ecu控制设备实现。
46.实施方式六、本实施方式提供了内燃机定压燃烧控制装置，应用于内燃机，所述的装置包括：用于通过脉冲的方式，多次喷射燃料使所述的内燃机的气缸内的压力处于标定值。
47.实施方式七、本实施方式提供了内燃机定压燃烧控制装置，应用于内燃机，所述的装置包括：
48.模块1：用于根据所述的内燃机的特性，确定所述内燃机的最高工作压力；
49.模块2：用于根据所述的最高工作压力，确定第一次燃料喷射参数和最佳喷射次数；
50.模块3：用于当所述的内燃机内部压力下降后，进行燃料喷射；
51.模块4，用于重复所述的模块3的功能，直到达到所述的最佳喷射次数。
52.实施方式八、本实施方式是对实施方式七提供的内燃机定压燃烧控制装置的进一步限定，所述的模块1中，内燃机的特性包括：材料、规格参数和燃料特性。
53.实施方式九、本实施方式是对实施方式七提供的内燃机定压燃烧控制装置的进一步限定，所述的模块3具体为：
54.用于在所述的内燃机内部压力低于预设低压值或压力下降速度高于预设速度值，则进行燃料喷射，使内燃机内部压力达到最高工作压力。
55.实施方式十、本实施方式提供了内燃机，所述的内燃机包括权利要求7所述的内燃机定压燃烧控制装置。
56.实施方式十一、结合图2-3说明本实施方式，本实施方式是为实施方式二提供的内燃机定压燃烧控制方法提供的一个具体的仿真案例，并具体说明仿真流程，同时也用于解释上述实施方式一和实施方式二至五提供的内燃机定压燃烧控制方法，具体的：
57.图1是本发明提供的内燃机定压燃烧控制方法的流程图，通过内燃机的特征参数获取到内燃机的峰值压力、峰值温度等参数，通过燃料理化特性、燃烧机理获取到燃料的燃烧特性，根据内燃机材料和设计参数获得内燃机能承受的工作压力；
58.根据以上参数，通过现有技术计算获得最优的燃料喷射提前角度和喷射次数，在本实施方式中，承受的工作压力为300bar，喷射提前角为-6
°
ca，最优喷射次数为4次，参见图2所示，在第一次主燃料喷射阶段获得最高的压力上升和更完全的燃烧效果，第一阶段燃料喷射后达到最高工作压力；
[0059][0060]
表1内燃机参数
[0061]
在缸内压力达到最高工作压力后，随着活塞的下行，缸内压力会有所下降，布置缸压传感器检测缸内压力的实时变化，当缸内平均压力下降高于预设值时，通过第二次脉冲燃料喷射控制压力，持续燃烧将压力继续提升到最高工作压力；
[0062]
随着活塞的进一步下行，缸内压力下降加快，在缸压传感器检测缸压下降高于预设值时，继续进行第三次燃料喷射，将燃烧压力提升到最高工作压力；
[0063]
随着活塞下行按相同方法控制缸内直喷装置进行第四次喷射，将缸内压力继续提升到最高工作压力，经过以上喷射过程，喷射过程中喷射燃料量和曲轴转角间关系的示例图如图2所示。
[0064]
以上提到的缸压预设值，亦可采用缸压变化率作为检测值，作为补充，亦可在缸压和变化率的基础上提出一种综合评价指标，改良控制方法；
[0065]
随着工作容积的变化，第一次主喷的燃料由内燃机的燃料燃烧时刻压力和最高工作压力的差值等诸多因素决定；
[0066]
第一次主喷过后，随着活塞下行，第二次，第三次，第四次喷射燃料的间隔时间逐渐缩短。通过四次脉冲燃料喷射，将燃烧持续时间增长到30
°
ca甚至更高，提升内燃机的做功效率；
[0067]
可以根据工作需求、内燃机材料、技术参数、燃料通过ecu控制设备实现不同使用场景的定压高效燃烧，喷射过程中压力随曲轴转角角度变化而变化的示意图如图3所示，根
据该图能够获知，现有技术中对燃料喷射不做控制，则其工作压力(图中虚线)出现骤然升高、且高出安全压力的情况出现，该种情况会产生安全隐患。而本实施方式的技术方案通过控制燃料喷射实现对最高压力的控制，参见图3中实线的曲线，其内部压力在上升到设定的最高工作压力值附近时，就开始区域平稳，不会超过设定的最高工作压力值，进而降低了缸内部压力，消除了由于压力带来的安全隐患。
[0068]
根据所述控制方法，所述内燃机在原有的内燃机的设备的基础上需配备燃料脉冲喷设装置、缸内多点布置缸压检测装置、ecu控制设备、信号接收器、信号处理器及相关的信号传输线路。
[0069]
以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的修改和改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包括在本发明的保护范围之内。