CN114357748A - 基于目标放热率的燃烧系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于目标放热率的燃烧系统设计方法，属于柴油机燃烧室设计技术领域，包括：基于米勒、撒巴特循环耦合模型获取最优理想放热率；基于双韦伯函数模拟最优理想放热率，得到目标放热率；构建放热率与活塞几何参数、喷油参数之间的映射关系，映射关系包括目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数、扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数；基于映射关系和目标放热率求解目标活塞几何参数和目标喷油参数；根据目标活塞几何参数和目标喷油参数设计燃烧系统。该方法不依赖于经验，无需进行多方案设计，大大减少计算时间，缩短燃烧系统研发周期。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种基于目标放热率的燃烧系统设计方法。
背景技术
船用柴油机是船舶的主要动力，随着排放法规的日益严格，高效、清洁燃烧方式的开发备受关注。燃烧系统配置决定了燃烧过程，因此极大地影响了柴油机的动力性、经济型以及排放性，因此燃烧系统的设计尤为重要。目前燃烧系统设计均采用逆向设计，即先对燃烧室几何参数、喷油策略进行参数交叉组合形成不同燃烧系统方案，对生成的方案进行仿真计算，根据仿真结果优选燃烧系统方案，这种燃烧系统设计方式的优点为操作简单，无需关注燃烧系统配置与燃烧过程之间的机理联系；其缺点也很明显，众多参数组合生成大量方案，对于改型机的开发方案可达200个以上，对于新机型的开发则方案数量更多，这会增加计算资源的需求，且燃烧系统设计仿真计算为三维仿真计算，计算时间较长，对于缸径大的柴油机则计算时间呈指数增加，严重增加燃烧系统研发周期；并且由于燃烧系统的逆向设计不关注燃烧系统配置与燃烧过程之间的机理联系，燃烧系统设计的好坏将强依赖于经验。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于目标放热率的燃烧系统设计方法，该方法不依赖于经验，无需进行多方案设计，大大减少计算时间，缩短燃烧系统研发周期。
为达到上述目的，本发明实施例提出了基于目标放热率的燃烧系统设计方法，包括以下步骤：步骤S1，基于米勒、撒巴特循环耦合模型获取最优理想放热率；步骤S2，基于双韦伯函数模拟所述最优理想放热率，得到目标放热率；步骤S3，构建放热率与活塞几何参数、喷油参数之间的映射关系，其中，所述映射关系包括目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数、扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数；步骤S4，基于所述映射关系和所述目标放热率求解目标活塞几何参数和目标喷油参数；步骤S5，根据所述目标活塞几何参数和所述目标喷油参数设计燃烧系统。
本发明实施例的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，基于配气可变，面向理论工作循环进行热效率分析，得到理想放热率；利用柴油机燃烧模型双韦伯曲线模拟理想放热率得到目标放热率，基于理论分析建立放热率与喷油参数、活塞几何特征参数的映射关系，基于目标放热率与映射关系得到燃烧系统特征参数，完成燃烧系统设计，关注燃烧系统特征参数与燃烧的机理联系，不依赖于经验，无需进行多方案设计，大大减少计算时间，缩短燃烧系统研发周期。
另外，根据本发明上述实施例的基于目标放热率的燃烧系统设计方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S1具体包括：步骤S101，基于米勒和撒巴特耦合循环构建有效热效率计算零维模型；步骤S102，基于所述有效热效率计算零维模型，分析定容度和米勒度对有效热效率的影响规律，得到最优理想放热率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述定容度为定容燃烧的燃油质量与总燃油质量比，所述米勒度为传统循环与米勒循环的IVC时刻体积比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2具体包括：步骤S201，基于一维GT仿真模型，以双韦伯函数模拟理想放热率，获得韦伯函数特征参数；步骤S202，结合预设柴油机限制条件优化所述韦伯函数特征参数；步骤S203，根据优化后的韦伯函数特征参数，得到所述目标放热率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述韦伯函数为：
其中，x1为放热量，mp为常数，τ为点火延迟，
为曲轴转角，
为燃烧起点对应的曲轴转角，Qd为已燃烧的燃油质量分数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3具体包括：步骤S301，以喷雾撞壁时刻为分界点将放热率分为预混阶段和扩散阶段，分别研究所述预混阶段和所述扩散阶段的特征参数与喷油参数和燃烧室形状参数的关系；步骤S302，在所述预混阶段，分别确定目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数，在所述扩散阶段，确定扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数为：
θSOC＝θSOI+θid
其中，θSOC为燃烧起点，θSOI为喷油起点，θid为滞燃期，C1-C6为常数，Ta为环境温度，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，Pinj为喷射压力，O2为氧气浓度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当撞壁位置为燃烧室喉口时，所述预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数为：
其中，rth为燃烧室喉口半径，
为曲轴转角处的活塞位移，lcl为余隙高度，Kp为常数，Pi为喷射压力，Pa为背压，ρa为环境密度，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，t为为喷油起点到撞壁时刻的持续时间，即预混燃烧持续期与滞燃期之和。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数为：
其中，mnet为预混燃烧质量，kρ为模型参数，d0为喷孔直径，Pi为喷射压力，Pa为背压，a、b和Kp为常数，ρA为环境密度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数为：
其中，HRR为扩散燃烧放热率，m为扩散燃烧燃油质量，
分别为离散容积对应的湍流强度，V1、V2分别为离散容积，是关于活塞凹坑深度的函数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于目标放热率的燃烧系统设计方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的基于米勒和撒巴特耦合循环示意图；
图3是本发明一个实施例的放热率示意图；
图4是本发明一个实施例的射流、燃烧室示意图；
图5是本发明一个实施例的燃烧室离散化示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于目标放热率的燃烧系统设计方法。
图1是本发明一个实施例的基于目标放热率的燃烧系统设计方法的流程图。
如图1所示，该基于目标放热率的燃烧系统设计方法包括以下步骤：
在步骤S1中，基于米勒、撒巴特循环耦合模型获取最优理想放热率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S1具体包括：
步骤S101，基于米勒和撒巴特耦合循环构建有效热效率计算零维模型；
步骤S102，基于有效热效率计算零维模型，分析定容度和米勒度对有效热效率的影响规律，得到最优理想放热率。
具体地，如图2所示，本发明实施例基于米勒和撒巴特耦合循环构建有效热效率计算零维模型，其优化自变量为定容度xiv-定容燃烧的燃油质量与总燃油质量比、米勒度rm-传统循环与米勒循环的IVC时刻体积比。通过分析定容度和米勒度对有效热效率的影响规律，可以得到最佳热效率时对应的定容度与米勒度的匹配，从而获得理想循环最优的放热率。
在步骤S2中，基于双韦伯函数模拟最优理想放热率，得到目标放热率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S2具体包括：
步骤S201，基于一维GT仿真模型，以双韦伯函数模拟理想放热率，获得韦伯函数特征参数；
步骤S202，结合预设柴油机限制条件优化韦伯函数特征参数；
步骤S203，根据优化后的韦伯函数特征参数，得到目标放热率。
也就是说，基于一维GT仿真模型，以双韦伯函数模拟理想放热率，结合限制条件，优化韦伯函数特征参数，从而得到最终目标放热率，即目标放热率。其中，韦伯函数为：
其中，x1为放热量，mp为常数，τ为点火延迟，
为曲轴转角，
为燃烧起点对应的曲轴转角，Qd为已燃烧的燃油质量分数。
在步骤S3中，构建放热率与活塞几何参数、喷油参数之间的映射关系，其中，映射关系包括目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数、扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S3具体包括：
步骤S301，以喷雾撞壁时刻为分界点将放热率分为预混阶段和扩散阶段，分别研究预混阶段和扩散阶段的特征参数与喷油参数和燃烧室形状参数的关系；
步骤S302，在预混阶段，分别确定目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数，在扩散阶段，确定扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数。
也就是说，以喷雾撞壁时刻为分界点将放热率分为预混和扩散两个阶段，分别研究预混阶段和扩散阶段特征参数与喷油参数和燃烧室形状参数的关系，其中目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数，预混燃烧持续期与燃烧室喉口半径是喷油压力与喷孔直径的函数，预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数，扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数。
进一步地，燃烧起点与喷油正时、滞燃期的函数为：
θSOC＝θSOI+θid
其中，θSOC为燃烧起点，θSOI为喷油起点，θid为滞燃期，C1-C6为常数，Ta为环境温度，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，Pinj为喷射压力，O2为氧气浓度。
如图3所示，理论分析得预混燃烧终点为喷雾撞壁点，当撞壁位置为喉口位置时，则有以下关系成立：
S＝Kp((Pi-Pa)/ρA)0.25d0 0.5t0.5
其中，limp为喷孔到撞壁位置的距离，S为喷雾贯穿距，rth为燃烧室喉口半径，
为曲轴转角处的活塞位移，lcl为余隙高度，Kp为常数，Pi为喷射压力，Pa为背压，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，t为喷油起点到喷雾撞壁时刻的持续时间。
令两式相等，建立预混燃烧持续期，预混燃烧持续期为燃烧起点到喷雾撞壁时刻，是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数。即在预混燃烧结束时刻喷雾贯穿距长度等于从喷孔到撞壁位置的距离。当喷雾撞壁在燃烧室喉口位置时，与燃烧室喉口半径是喷油压力与喷孔直径对应的函数，具体如下：
其中，rth为燃烧室喉口半径，
为曲轴转角处的活塞位移，lcl为余隙高度，Kp为常数，Pi为喷射压力，Pa为背压，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，t为为喷油起点到撞壁时刻的持续时间，即预混燃烧持续期与滞燃期之和。
如图3所示，根据射流理论分析建立预混燃烧质量与喷油压力、喷孔直径的函数，其中，预混燃烧质量定义为在喷雾撞壁时刻，喷雾外围可供预混燃烧的当量比范围内的燃油质量，是通过对喷雾建立圆锥形的简化一维模型，并对轴向和径向进行积分求得，具体如下：
其中，mnet为预混燃烧质量，kρ为模型参数，d0为喷孔直径，Pi为喷射压力，Pa为背压，a、b和Kp为常数，ρA为环境密度。
进一步地，如图4所示，根据射流理论可得到，表征扩散燃烧混合过程的特征混合参数为湍流强度与湍流长度之比
如图5所示，将活塞燃烧室离散化，则表征扩散燃烧混合过程的特征混合参数为各离散湍流强度与湍流长度之比的加权和，因此扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数为：
其中，HRR为扩散燃烧放热率，m为扩散燃烧燃油质量，
分别为离散容积对应的湍流强度，V1、V2分别为离散容积，是关于活塞凹坑深度的函数。
其中，V1、V2对应的计算公式如下所示，
h1＝cosα·limp
l2＝sinα·limp
在步骤S4中，基于映射关系和目标放热率求解目标活塞几何参数和目标喷油参数。
在步骤S5中，根据目标活塞几何参数和目标喷油参数设计燃烧系统。
也就是说，基于目标放热率，利用放热率与喷油特征参数、活塞几何特征参数的映射关系，反推各参数值，根据各参数值即可得到可实现目标放热率的燃烧系统设计方案。
综上，本发明实施例提出的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，为燃烧系统正向设计方法，关注燃烧系统特征参数与燃烧的机理联系，不依赖于经验，无需进行多方案设计，大大减少计算时间，缩短燃烧系统研发周期，克服传统燃烧系统逆向设计方法的缺点，为燃烧系统设计人员提供一种科学、准确的燃烧系统设计方法。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，基于米勒、撒巴特循环耦合模型获取最优理想放热率；
步骤S2，基于双韦伯函数模拟所述最优理想放热率，得到目标放热率；
步骤S3，构建放热率与活塞几何参数、喷油参数之间的映射关系，其中，所述映射关系包括目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数、扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数；
步骤S4，基于所述映射关系和所述目标放热率求解目标活塞几何参数和目标喷油参数；
步骤S5，根据所述目标活塞几何参数和所述目标喷油参数设计燃烧系统。
2.根据权利要求1所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
步骤S101，基于米勒和撒巴特耦合循环构建有效热效率计算零维模型；
步骤S102，基于所述有效热效率计算零维模型，分析定容度和米勒度对有效热效率的影响规律，得到最优理想放热率。
3.根据权利要求2所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述定容度为定容燃烧的燃油质量与总燃油质量比，所述米勒度为传统循环与米勒循环的IVC时刻体积比。
4.根据权利要求1所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S201，基于一维GT仿真模型，以双韦伯函数模拟理想放热率，获得韦伯函数特征参数；
步骤S202，结合预设柴油机限制条件优化所述韦伯函数特征参数；
步骤S203，根据优化后的韦伯函数特征参数，得到所述目标放热率。
5.根据权利要求4所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述韦伯函数为：
其中，x1为放热量，mp为常数，τ为点火延迟，
为曲轴转角，
为燃烧起点对应的曲轴转角，Qd为已燃烧的燃油质量分数。
6.根据权利要求1所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S301，以喷雾撞壁时刻为分界点将放热率分为预混阶段和扩散阶段，分别研究所述预混阶段和所述扩散阶段的特征参数与喷油参数和燃烧室形状参数的关系；
步骤S302，在所述预混阶段，分别确定目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数、预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数、预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数，在所述扩散阶段，确定扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数。
7.根据权利要求6所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述目标燃烧起点为喷油正时、滞燃期的函数为：
θSOC＝θSOI+θid
其中，θSOC为燃烧起点，θSOI为喷油起点，θid为滞燃期，C1-C6为常数，Ta为环境温度，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，Pinj为喷射压力，O2为氧气浓度。
8.根据权利要求6所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，当撞壁位置为燃烧室喉口时，所述预混燃烧持续期是燃烧室喉口半径、喷油压力与喷孔直径的函数为：
其中，rth为燃烧室喉口半径，
为曲轴转角处的活塞位移，lcl为余隙高度，Kp为常数，Pi为喷射压力，Pa为背压，ρA为环境密度，d0为喷孔直径，t为为喷油起点到撞壁时刻的持续时间，即预混燃烧持续期与滞燃期之和。
9.根据权利要求6所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述预混燃烧质量为喷油压力与喷孔直径的函数为：
其中，mnet为预混燃烧质量，kρ为模型参数，d0为喷孔直径，Pi为喷射压力，Pa为背压，a、b和Kp为常数，ρA为环境密度。
10.根据权利要求6所述的基于目标放热率的燃烧系统设计方法，其特征在于，所述扩散燃烧为活塞凹坑深度的函数为：
其中，HRR为扩散燃烧放热率，m为扩散燃烧燃油质量，
分别为离散容积对应的湍流强度，V1、V2分别为离散容积。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115168991A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-10-11 | 北京理工大学 | 一种对置活塞双碰壁喷油燃烧室参数化设计方法 |
| CN115324721A (zh) * | 2022-10-14 | 2022-11-11 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧系统及其优化设计方法 |
| CN117421842A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-01-19 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧室、发动机及燃烧室设计方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101839166A (zh) * | 2009-11-06 | 2010-09-22 | 北京理工大学 | 侧卷流燃烧室 |
| US20150275810A1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Apparatus and method for controlling diesel engine |
| CN105909404A (zh) * | 2015-02-24 | 2016-08-31 | 丰田自动车株式会社 | 内燃机的放热率波形计算装置及放热率波形计算方法 |
| CN108268713A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-07-10 | 上海交通大学 | 基于柴油机燃烧相似性理论的模型机的设计方法与模型机 |
| EP3591184A1 (en) * | 2018-07-06 | 2020-01-08 | Mazda Motor Corporation | Fuel injection control device and fuel injection control method for diesel engine |
| CN111625960A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-04 | 海南热带汽车试验有限公司 | 一种基于cfd的e10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法 |
-
2021
- 2021-12-24 CN CN202111602595.4A patent/CN114357748B/zh active Active
-
2022
- 2022-12-21 US US18/085,628 patent/US20230184190A1/en active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101839166A (zh) * | 2009-11-06 | 2010-09-22 | 北京理工大学 | 侧卷流燃烧室 |
| US20150275810A1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Apparatus and method for controlling diesel engine |
| CN105909404A (zh) * | 2015-02-24 | 2016-08-31 | 丰田自动车株式会社 | 内燃机的放热率波形计算装置及放热率波形计算方法 |
| CN108268713A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-07-10 | 上海交通大学 | 基于柴油机燃烧相似性理论的模型机的设计方法与模型机 |
| EP3591184A1 (en) * | 2018-07-06 | 2020-01-08 | Mazda Motor Corporation | Fuel injection control device and fuel injection control method for diesel engine |
| US20200011264A1 (en) * | 2018-07-06 | 2020-01-09 | Mazda Motor Corporation | Fuel injection control system and fuel injection control method for diesel engine |
| CN111625960A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-04 | 海南热带汽车试验有限公司 | 一种基于cfd的e10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 聂振华: "《基于贝叶斯正则化燃烧模型的柴油机智能标定方法研究》", 《中国优秀硕士论文全文库》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115168991A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-10-11 | 北京理工大学 | 一种对置活塞双碰壁喷油燃烧室参数化设计方法 |
| CN115168991B (zh) * | 2022-06-28 | 2023-09-12 | 北京理工大学 | 一种对置活塞双碰壁喷油燃烧室参数化设计方法 |
| CN115324721A (zh) * | 2022-10-14 | 2022-11-11 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧系统及其优化设计方法 |
| CN117421842A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-01-19 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧室、发动机及燃烧室设计方法 |
| CN117421842B (zh) * | 2023-12-18 | 2024-04-16 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧室、发动机及燃烧室设计方法 |
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