CN114320571A - 操作氢燃料内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

操作氢燃料内燃机1的方法，包括以下步骤：‑提供内燃机1，具有至少一个气缸2和支撑在曲轴5上的活塞3，所述活塞在气缸2中重复往复运动，从而限定主燃烧室21，内燃机1还具有布置在所述气缸2中的点火装置4，其具有点火器部分42和氢燃料喷射器43，两者均布置在预燃室41处，其中预燃室41具有多个孔口44，其用于在所述预燃室41和主燃烧室21之间提供流体连通；以及‑循环操作所述发动机，包括以下步骤：‑将氢燃料引入预燃室41；‑将氢燃料引入主燃烧室21；以及‑点燃预燃室41中被引入的氢燃料，以燃烧主燃烧室21中被引入的氢燃料。

Description

操作氢燃料内燃机的方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的操作使用氢燃料的内燃机的方法和氢燃料内燃机。
本发明属于使用氢燃料的内燃机技术领域，所述内燃机具有利用湍流喷射点火对燃烧室进行点火的预燃室。
背景技术
使用氢燃料的内燃机有助于减缓气候变化，因为氢是汽油或柴油等化石燃料的替代品。特别地，通过使用在使用可再生能源的水解过程中产生的氢，可以很大程度上实现CO2中和的氢供应。此外，在氢内燃机中避免了CO2的排放。
然而，氢气独特的燃料特性，如最低点火能量低、可燃极限宽和简单的低温动力学，使其容易发生异常燃烧。异常燃烧的一种形式是爆震，它是指由不希望的自动点火引起的发动机中燃料的不受控制的燃烧。这种燃烧伴随压力峰值，会损坏活塞、轴承、气缸盖、阀门等。因此，需要防止各种形式的异常燃烧。
对于传统燃料，例如汽油，控制爆震的方法是减少燃烧持续时间。这减少了火焰之前未燃烧的燃料/空气混合物在高温下经历的停留时间，从而减少了其在被点燃的火焰正常消耗之前自燃的可能性。
然而，一旦氢燃料达到某个温度阈值，氢燃料异常燃烧就会非常迅速地发生。与更复杂的碳氢化合物不同，氢气的低温动力学对未燃烧的空气/氢气燃料混合物的停留时间的敏感性最低，这意味着将减少燃烧持续时间作为减轻爆震的机制的效果会明显较差。
因此，有两种有效的方法可以减少氢燃料的异常燃烧。首先是降低整体缸内温度。第二是改变空气/氢气燃料混合物的成分，以提高成功点燃氢气的温度阈值。
存在于燃烧室中的与燃料无关的空气与燃料的质量比(空燃比/化学计量空燃比)，通常表示为lambda(λ)，表示相对于在理论上完全燃烧过程中各自理想的化学计量比的空气与燃料质量比。当提供刚好足够的空气使燃料完全燃烧时，该比率变为化学计量比。这时定义λ＝1。较低的空燃比(λ<1)称为“浓”(rich)，而较高的空燃比(λ>1)称为“稀”(lean)。本发明区分预燃室和主燃烧室之间的λ。通常，λ远离1会导致混合物的点火质量不佳，并最终达到λ极限值，如果违反这些值，则会导致燃烧性能不佳。
与仅通过传统火花塞实现点火的火花点火发动机相比，湍流喷射点火使发动机能够在更宽的λ限值内运行。US 2012 103 302 A1公开了一种用于化石燃料的现有技术内燃机，其采用用于湍流喷射点火的点火系统。该内燃机具有带气缸的发动机缸体。每个汽缸具有与主燃烧室相邻的汽缸盖，主空气燃料充量(main air fuel charge)在主燃烧室中被点燃。活塞布置在燃烧室的边界上，该活塞通过曲轴处的杆连接以实现往复运动。每个汽缸顶限定一进气口和一排气口。该进气口和排气口通过凸轮驱动阀打开和关闭，以提供气缸与进气歧管和排气歧管之间的流体连通。
内燃机还包括安装在进气歧管中的燃料喷射器，作为将主燃料/空气充量(mainfuel/air charge)通过进气口引入燃烧室的装置。点火装置具有布置成面向内部预燃室容积的点火器部分和喷射器。
预燃室成型为形成一喷嘴，该喷嘴具有彼此间隔布置的多个孔口并且提供预燃室和燃烧室之间的流体连通。点火器部分点燃预燃室中的燃料。当燃烧产物离开预燃烧室进入主燃烧室时，孔口直径保持较小以促进火焰熄灭。火焰熄灭意味着部分燃烧的预燃室产品被迫通过预燃室的小孔。燃烧产物被熄灭，但通过主燃烧室分散，然后与主燃料充量(main fuel charge)发生反应，并通过距离预燃室喷嘴一定距离处的化学、热和湍流效应在主燃烧室的多个位置引发燃烧。
US 2015 006 848 9 A1中公开了一种能够产生更有效反应射流的改进点火装置。该点火装置的预燃室包括多个具有有利设计(即直径尺寸)的孔口，以提供预燃室容积和主燃室容积之间的流体连通。
在喷射点火器的情况下，来自火花塞的电能被用于借助预燃室燃烧将预燃室中的少量燃料/空气混合物转化为化学能。预燃室中由此产生的压力增加引起所述化学能以射流的形式被迅速输送到主燃烧室，所述射流是在内容物流过预燃室的喷嘴开口时形成的。由于湍流喷射点火(TJI)是一种高能点火源，上述技术允许使用以超稀空燃比(ultra leanair-fuel ratio)为特征的低点火质量混合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用由湍流喷射点火点燃的氢燃料来操作内燃机以改善燃烧并减少异常燃烧的方法，同时还提供一种以氢为燃料的内燃机。
该目的通过一种操作氢燃料内燃机的方法实现，该方法包括以下步骤：
-提供一种内燃机，该内燃机具有至少一个汽缸和支撑在曲轴上的活塞，所述活塞用于在汽缸中重复往复运动以限定燃烧室。内燃机具有布置在所述气缸中的点火装置，其具有布置在预燃室处的点火器部分和氢燃料喷射器。预燃室具有多个孔口，用于在所述预燃室和燃烧室之间提供流体连通。
-循环操作所述发动机，包括以下步骤：
-将氢燃料引入预燃室；
-将氢燃料引入主燃烧室；以及
-点燃预燃室中注入的氢燃料，以燃烧主燃烧室中被引入的氢燃料。
氢燃料是指按体积计含氢超过50％的氢燃料混合物。使用(活性氢燃料的)预燃室燃烧器(主动喷射点火)将预燃室中的λ与主燃烧室中的λ分离。这实现了在预燃室中调整λ，以便在预燃室中发生最佳火花事件，其高反应性产物随后在主燃烧室中引发第二次燃烧事件。主燃烧室中的λ可以独立于预燃室中的λ进行调节，其调节方式为实现减轻预燃室和主燃烧室中的异常燃烧。
具体地说，在将氢燃料引入主燃烧室的步骤之后进行在将氢燃料引入预燃室的步骤。这使得能单独控制预燃室和主燃烧室中的空气/氢燃料混合物(和λ)。
作为替换方案，将氢燃料引入预燃室的步骤和将氢燃料引入主燃烧室的步骤至少部分重叠进行。这使得能同时改进对主燃烧室和预燃室中的空气/氢燃料混合物的控制。
特别优选地是将氢燃料引入预燃室的步骤包括被引入主燃烧室的氢燃料的一部分进入预燃室。
根据优选方面，将氢燃料引入预燃室的步骤包括在气缸中活塞的压缩冲程期间被引入主燃烧室的氢燃料的一部分进入预燃室。
根据另一个优选方面，将氢燃料引入预燃室的步骤包括在气缸中活塞的进气冲程期间被引入主燃烧室的氢燃料的一部分部分地进入预燃室。
有利地，将氢燃料引入预燃室的步骤包括借助氢燃料喷射器将氢燃料喷射到预燃室中。这实现了减小预燃室中的空气/氢燃料比λ并补偿从主燃烧室进入预燃室的氢燃料的稀λ。
根据有利的方面，将氢燃料引入预燃室的步骤包括借助预燃室中的燃料喷射器进行的多次氢燃料喷射。这允许添加更多的氢燃料，并因此提供了将在预燃室中被点燃的浓混合物，这改进了氢燃料-空气混合物的可燃性。
一个特别优选的方面涉及选择预燃室内的氢燃料喷射量，使得在预燃室内点燃喷射氢燃料时预燃室内的空气/氢燃料比λ在0.25≤λ≤0.4的范围内。选择该λ范围以降低预燃室内的燃烧温度，从而减轻预燃室内的异常燃烧(例如提前点火、爆震)。此外，选择该λ范围以获得最佳的预燃室燃烧持续时间，从而减轻预燃室和主燃室中的异常燃烧(例如提前点火、爆震)。
根据另一特别优选的方面，选择预燃室内的氢燃料喷射量，使得在预燃室内点燃喷射氢燃料时预燃室内的空气/氢燃料比λ在1.4≤λ≤2.5的范围内。选择该λ范围以降低预燃室内的燃烧温度，从而减轻预燃室内的异常燃烧(例如提前点火、爆震)。此外，选择该λ范围以获得最佳的预燃室燃烧持续时间，从而减轻预燃室和主燃室中的异常燃烧(例如提前点火、爆震)。
特别优选的是，在预燃室内进行氢燃料喷射，使得在预燃室内喷射氢燃料的步骤期间预燃室内的空气/氢燃料比λ保持在1.4≤λ，直到点燃预燃室中喷射的氢燃料。这与在预燃室中点燃喷射的氢燃料时达到1.4≤λ≤2.5的范围结合适用。这允许降低在预燃室中发生异常燃烧(例如提前点火、爆震)的可能性。
附图说明
下面结合附图描述本发明的优点。在下文中：
图1是具有用于湍流喷射点火的点火装置的使用氢燃料的内燃机的垂直截面图；
图2是描述用于操作使用氢燃料的内燃机的方法的步骤框图；
图3是示出了点火时(点火正时)的预燃室燃烧持续时间vs预燃室λ的曲线图；
图4是示出了主燃烧室早期燃烧持续时间vs预燃烧室燃烧持续时间的曲线图；
图5是示出了在点火时(点火正时)预燃室内部内容物的模拟峰值燃烧温度vs预燃室λ的曲线图；
图6是示出了定容绝热火焰温度和火焰速度VS lambdaλ的曲线图。
具体实施方式
在图1中，给出了使用氢燃料的内燃机1的示例，其在本图示中示出了气缸2和支撑在曲轴5处用于在气缸2中重复往复运动的活塞3。气缸2和活塞3构成主燃烧室21。内燃机1具有布置成面向燃烧室21的点火装置4。点火装置4具有点火器部分42和氢燃料喷射器43，两者都布置在预燃室41处，以形成预燃室41的内部容积的一部分。预燃室41具有多个孔口44，用于在所述预燃室41的内部容积和主燃烧室21的内部容积之间提供流体连通。
根据本发明，氢燃料被引入主燃烧室21。随后，氢燃料被引入预燃室41，其引入方式为使得在气缸2中的活塞3的压缩冲程期间将氢燃料从主燃烧室21引入预燃室41。通过借助氢燃料喷射器43将氢燃料喷射到预燃室41中，更多的氢燃料被引入预燃室41。被引入的氢燃料经由点火器部分42在预燃室41中被点燃。在预燃室41中产生的压力增加致使这种化学能以射流的形式被迅速传递到主燃烧室21，当内容物通过孔口44流到主燃烧室21时形成射流，以在主燃烧室21中燃烧被引入的氢燃料。
操作氢燃料内燃机(如图1所示)的方法由图2的框图进行图示说明。图1和图2的附图标记相互对应，因此在下文中，图1中所示的附图标记用于对图2的描述。
步骤A涉及向主燃烧室21引入氢燃料.
在步骤B中，氢燃料被引入预燃室41，其引入方式为使得在气缸2中的活塞3的压缩冲程期间将氢燃料从主燃烧室21引入预燃室41。
在步骤C中，借助氢燃料喷射器43将氢燃料喷射到预燃室41中。这实现了减小预燃室41中的空气/氢燃料比λ并补偿从主燃烧室21进入预燃室41的氢燃料的稀λ。本发明示例包括经由预燃室41中的氢燃料喷射器43的氢燃料的多次喷射(步骤C、步骤C、步骤C、……)。预燃室41中提供的空气/氢燃料混合物在每次喷射后将变得更浓，这改善了氢燃料-空气混合物的可燃性。
在步骤D中，借助点火器部分42点燃预燃室41中被引入的氢燃料。通过预燃室41中产生的压力增加，化学能以射流的形式被迅速传递到主燃烧室21，当内容物通过孔口44流到主燃烧室21时形成射流，以在主燃烧室21中燃烧被引入的氢燃料。
图3是示出了点燃预燃室中被喷射的氢燃料时(即点火正时)的预燃室燃烧持续时间vs预燃室λ的曲线图。为了达到最佳燃烧性能，选择预燃室内的氢燃料喷射量，使得点燃预燃室中被喷射的氢燃料时(即点火正时)的预燃室内的归一化(normalized)空气/氢燃料比λ在0.25≤λ≤0.4的范围内或者在1.4≤λ≤2.5的范围内。此外，选择这些λ范围以获得最佳的预燃室燃烧持续时间，从而减轻异常燃烧(例如提前点火、爆震)。在这些区域之外，过慢的预燃室燃烧很可能导致发动机性能不佳，例如，由于不可接受的燃烧不稳定或者预燃室或主燃室的失火，或者过快的预燃室燃烧导致预燃室中的异常燃烧，例如爆震。
图4是显示主燃烧室早期燃烧持续时间(主燃烧室消耗现有燃料质量的0％至10％花费的以曲柄角度时间计的持续时间)vs预燃烧室燃烧持续时间的曲线图。区域A标识过慢的预燃室燃烧产生的在主燃室中过慢的早期燃烧的区域，这导致发动机性能不佳的可能性很高，例如不可接受的燃烧不稳定或者预燃室或主燃室中的失火。区域B标识过快的预燃室燃烧事件区域，该类事件会导致预燃室中的异常燃烧(例如爆震)。
图5是示出了点燃预燃室中被喷射的氢燃料时(即点火正时)的预燃室内部内容物的模拟峰值燃烧温度vs预燃室λ的曲线图。在0.4≤λ≤1.4范围内的高燃烧温度会增加在后续发动机循环中发生异常燃烧(例如提前点火或爆震)的可能性。
为了达到最佳燃烧性能，选择预燃室内的氢燃料喷射量，使得点燃预燃室中被喷射的氢燃料时(即点火正时)的预燃室内的归一化(normalized)空气/氢燃料比λ在0.25≤λ≤0.4的范围内或者在1.4≤λ≤2.5的范围内。选择λ的两个范围以将预燃室内的燃烧温度降低到减轻异常燃烧(例如提前点火或爆震)的程度。
图6是示出了定容绝热火焰温度和火焰速度vs lambdaλ的曲线图。该图用于指示氢燃料特性与λ的一般关系，例如适用于在点燃预燃室内喷射的氢燃料时(即在点火正时)优化预燃室内的归一化空气/氢燃料比λ。
为了达到最佳燃烧性能，选择预燃室内的氢燃料喷射量，使得点燃预燃室中被喷射的氢燃料时(即点火正时)的预燃室内的归一化(normalized)空气/氢燃料比λ在0.25≤λ≤0.4的范围内或者在1.4≤λ≤2.5的范围内，从而同时考虑到会影响燃烧行为的定容绝热火焰温度和火焰速度。例如，在稀薄条件(lean conditions)下，λ＝1.4处的高火焰温度在某种程度上被较慢的化学反应所抵消，然后是低火焰速度，这导致预燃室中的峰值燃烧压力较低。
出于这个原因，良好的预燃烧室和随后的主燃烧室燃烧的最佳λ范围不需要围绕λ＝1对称，而是转移到更富的值。

Claims (12)

1.操作氢燃料内燃机(1)的方法，包括以下步骤：
-提供内燃机(1)，具有至少一个气缸(2)和支撑在曲轴(5)上的活塞(3)，所述活塞在气缸(2)中重复往复运动，从而限定主燃烧室(21)，内燃机(1)还具有布置在所述气缸(2)中的点火装置(4)，其具有点火器部分(42)和氢燃料喷射器(43)，两者均布置在预燃室(41)处，其中预燃室(41)具有多个孔口(44)，其用于在所述预燃室(41)和主燃烧室(21)之间提供流体连通；以及
-循环操作所述发动机，包括以下步骤：
-将氢燃料引入预燃室(41)；
-将氢燃料引入主燃烧室(21)；以及
-点燃预燃室(41)中被引入的氢燃料，以燃烧主燃烧室(21)中被引入的氢燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在将氢燃料引入主燃烧室(21)的步骤之后进行将氢燃料引入预燃室(41)的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将氢燃料引入预燃室(41)的步骤和将氢燃料引入主燃烧室(21)的步骤至少部分重叠进行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将氢燃料引入预燃室(41)的步骤包括被引入主燃烧室(21)的氢燃料的一部分进入预燃室(41)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将氢燃料引入预燃室(41)的步骤包括在气缸(2)中活塞(3)的压缩冲程期间被引入主燃烧室(21)的氢燃料的一部分进入预燃室(41)。
6.根据权利要求4所述的方法，其中将氢燃料引入预燃室(41)的步骤包括在气缸(2)中活塞(3)的进气冲程期间被引入主燃烧室(21)的氢燃料的一部分部分地进入预燃室(41)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将氢燃料引入预燃室(41)的步骤包括被借助氢燃料喷射器(43)将氢燃料喷射到预燃室(41)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将氢燃料引入预燃室(41)的步骤包括在预燃室(41)中借助燃料喷射器(43)进行的多次氢燃料喷射。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中选择预燃室(41)中被引入的氢燃料量，使得在预燃室(41)中点燃喷射的氢燃料时预燃室(41)内的空气/氢燃料比λ在0.25≤λ≤0.4的范围内。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中选择预燃室(41)中被引入的氢燃料量，使得在预燃室(41)中点燃喷射的氢燃料时预燃室(41)内的空气/氢燃料比λ在1.4≤λ≤2.5的范围内。
11.根据权利要求10所述的方法，其中进行将氢燃料引入预燃室(41)的步骤，使得在将氢燃料引入预燃室(41)的步骤期间预燃室(41)内的空气/氢燃料比λ保持在1.4≤λ，直到点燃预燃室(41)中被引入的氢燃料。
12.氢燃料内燃机(1)，包括至少一个气缸(2)和支撑在曲轴(5)上的活塞(3)，所述活塞在气缸(2)中重复往复运动，从而限定主燃烧室(21)，内燃机(1)还具有布置在所述气缸(2)中的点火装置(4)，其具有点火器部分(42)和氢燃料喷射器(43)，两者均布置在预燃室(41)处，其中预燃室(41)具有多个孔口(44)，其用于在所述预燃室(41)和主燃烧室(21)之间提供流体连通，以及根据前述权利要求中任一项所述的方法来操作所述氢燃料内燃机(1)。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114934839A (zh) * 2022-05-05 2022-08-23 北京工业大学 一种氢气射流点火氨内燃机及控制方法
CN115126592A (zh) * 2022-07-27 2022-09-30 同济大学 一种氢气预燃室式发动机及其控制方法
CN115217622A (zh) * 2022-07-15 2022-10-21 天津大学 一种基于反应活性调控的氨氢融合燃料控制系统
CN116201630A (zh) * 2023-02-27 2023-06-02 重庆长安汽车股份有限公司 一种氢气发动机燃烧系统及燃烧模式控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007205236A (ja) * 2006-02-01 2007-08-16 Nissan Motor Co Ltd 副室式内燃機関
CN105715398A (zh) * 2014-12-19 2016-06-29 Ge延巴赫两合无限公司 用于运行火花点火式内燃机的方法
US20160348569A1 (en) * 2015-05-28 2016-12-01 Caterpillar Inc. Combustion Pre-Chamber and Method for Operating Same
CN106194395A (zh) * 2014-09-25 2016-12-07 马勒动力总成有限公司 火花点火发动机的湍流射流点火预燃室燃烧系统
CN107587930A (zh) * 2016-07-06 2018-01-16 马勒动力系统有限责任公司 用于起动内燃机的方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5947076A (en) * 1998-04-17 1999-09-07 Caterpillar Inc. Fuel combustion assembly for an internal combustion engine having an encapsulated spark plug for igniting lean gaseous fuel within a precombustion chamber
JP2002266645A (ja) * 2001-03-13 2002-09-18 Osaka Gas Co Ltd エンジン及びその運転方法及び副室機構
JP2006177248A (ja) * 2004-12-22 2006-07-06 Nissan Motor Co Ltd 副室式内燃機関
JP2006322367A (ja) * 2005-05-18 2006-11-30 Nissan Motor Co Ltd 副室式内燃機関
JP2007085181A (ja) * 2005-09-20 2007-04-05 Nissan Motor Co Ltd 副室式内燃機関
JP2007085255A (ja) * 2005-09-22 2007-04-05 Nissan Motor Co Ltd 副室式内燃機関
JP4458036B2 (ja) * 2005-12-15 2010-04-28 日産自動車株式会社 副室式エンジン
US9353674B2 (en) 2010-11-01 2016-05-31 Mahle Powertrain, Llc Turbulent jet ignition pre-chamber combustion system for spark ignition engines
WO2012061397A2 (en) 2010-11-01 2012-05-10 Mahle Powertrain, Llc Turbulent jet ignition pre-chamber combustion system for spark ignition engines
JP2017137853A (ja) * 2016-02-04 2017-08-10 本田技研工業株式会社 ガスエンジン
JP7175213B2 (ja) * 2019-02-12 2022-11-18 大阪瓦斯株式会社 エンジンシステム
US11300038B2 (en) 2020-04-23 2022-04-12 Liebherr Machines Bulle Sa Engine having prechamber ignition and method of controlling such an engine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007205236A (ja) * 2006-02-01 2007-08-16 Nissan Motor Co Ltd 副室式内燃機関
CN106194395A (zh) * 2014-09-25 2016-12-07 马勒动力总成有限公司 火花点火发动机的湍流射流点火预燃室燃烧系统
CN105715398A (zh) * 2014-12-19 2016-06-29 Ge延巴赫两合无限公司 用于运行火花点火式内燃机的方法
US20160348569A1 (en) * 2015-05-28 2016-12-01 Caterpillar Inc. Combustion Pre-Chamber and Method for Operating Same
CN107587930A (zh) * 2016-07-06 2018-01-16 马勒动力系统有限责任公司 用于起动内燃机的方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114934839A (zh) * 2022-05-05 2022-08-23 北京工业大学 一种氢气射流点火氨内燃机及控制方法
CN114934839B (zh) * 2022-05-05 2023-10-03 北京工业大学 一种氢气射流点火氨内燃机及控制方法
CN115217622A (zh) * 2022-07-15 2022-10-21 天津大学 一种基于反应活性调控的氨氢融合燃料控制系统
CN115217622B (zh) * 2022-07-15 2024-01-30 天津大学 一种基于反应活性调控的氨氢融合燃料控制系统
CN115126592A (zh) * 2022-07-27 2022-09-30 同济大学 一种氢气预燃室式发动机及其控制方法
CN115126592B (zh) * 2022-07-27 2023-08-29 同济大学 一种氢气预燃室式发动机及其控制方法
CN116201630A (zh) * 2023-02-27 2023-06-02 重庆长安汽车股份有限公司 一种氢气发动机燃烧系统及燃烧模式控制方法
CN116201630B (zh) * 2023-02-27 2024-04-16 重庆长安汽车股份有限公司 一种氢气发动机燃烧系统及燃烧模式控制方法

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