CN115306539B - 双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法 - Google Patents

双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，提供一种双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法，双等容热力循环发动机包括气缸、第一喷嘴、第二喷嘴、火花塞、宽氧传感器以及控制器；第一喷嘴连接于气缸的进气道或者气缸的端部，用于向主燃室内喷射抗爆性燃料；第二喷嘴连接于射流室，用于向射流室内喷射氢气燃料；控制器可以根据发动机的平均有效压力和气缸内混合气的过量空气系数，调整第一喷嘴和第二喷嘴的喷射时刻、喷射时机和喷射次数，控制发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热，可以避免主燃室边缘的混合气提前自燃，减少了爆震情况的发生，提高了燃烧等容度，有利于提高发动机的热效率。

Description

双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法。
背景技术
在发动机技术领域内，提高发动机热效率并应用氢、氨等无碳燃料是有效方式，但发动机使用单一无碳燃料(氢气，氨气)存在各自的限制。氢气的制、储、运的成本高、安全性低以及体积热值低依旧是产业化难点。氨气在缸内燃烧时具有低火焰传播速度、NH3和NOx排放高等问题。将氨气与氢气等高火焰速度燃料伴烧可以解决氨燃烧速度慢的问题，利用SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法)可以解决NH3和NOx排放高的问题。在保证可接受的爆震强度条件下，汽油机的均质预混火焰传播放热形式和柴油机的预混燃烧-扩散燃烧放热形式限制了发动机压缩比的提高，使得发动机热效率难以进一步提升。
传统汽油机燃烧所采用的是Otto理论循环(等容循环)，传统柴油机燃烧所采用的是Diesel理论循环(等压循环)。Otto理论循环中采用了单一阶段的等容放热，在实际应用中，燃烧产生的压力密波会在火焰前锋面之前到达燃烧室边缘使末端混合气自燃，导致爆震，发动机燃烧和排放恶化；而Diesel循环中，虽然无爆震的限制，但燃烧持续期过长，燃烧等容度低，发动机热效率无法提高。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双等容热力循环发动机，发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热，可以避免主燃室边缘的混合气提前自燃，减少了爆震情况的发生，提高了燃烧等容度，有利于提高发动机的热效率。
本发明实施例还提供了一种双等容热力循环发动机的燃烧控制方法。
根据本发明第一方面实施例的双等容热力循环发动机，包括：
气缸，形成有主燃室，所述气缸的端部形成有连通于所述主燃室的进气道、排气道以及射流室，所述射流室通过射流孔连通于所述主燃室；
第一喷嘴，连接于所述进气道或者所述气缸的端部，适于向所述主燃室内喷射抗爆性燃料；
第二喷嘴，连接于所述射流室，适于向所述射流室内喷射氢气燃料；
火花塞，连接于所述射流室，适于点燃所述射流室内的所述氢气燃料；
宽氧传感器，连接于所述排气道，适于获取气缸内混合气的过量空气系数；
控制器，信号连接于所述火花塞、所述第一喷嘴、所述第二喷嘴以及所述宽氧传感器，所述控制器被配置为根据发动机的平均有效压力和所述过量空气系数控制所述发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热。
根据本发明的一个实施例，所述过量空气系数在1.0～3.0之间，所述平均有效压力在0.4Mpa～2.0Mpa之间，所述氢气燃料的能量占比在5％～95％之间。
根据本发明的一个实施例，所述两次等容放热包括第一次等容放热和第二次等容放热，所述第一次等容放热的放热率峰值占所述第二次等容放热的放热率峰值的50％～100％，且所述第一次等容放热的放热率峰值对应的平均湍流速度大于 30m/s。
根据本发明的一个实施例，所述第一次等容放热的放热率峰值不高于50J/(°)CA，所述第二次等容放热的放热率峰值不高于80J/(°)CA。
根据本发明的一个实施例，所述气缸的压缩比在15～25之间，所述气缸内压缩点的温度大于850K，所述火花塞的点火能量不低于90mJ。
根据本发明的一个实施例，所述抗爆性燃料包括氨气或者其它辛烷值大于 100的燃料，所述氢气燃料包括氢气或者氢气-空气混合气。
根据本发明第二方面实施例提供的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法，包括：
在进气冲程或者压缩冲程早期，根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料，所述抗爆性燃料在所述主燃室内形成均质混合气；
在压缩冲程，根据所述过量空气系数控制第二喷嘴向射流室内喷射氢气燃料；
在压缩冲程末期，点燃所述氢气燃料形成氢火焰，所述氢火焰通过射流孔形成射流火焰并喷入所述主燃室，形成第一次等容放热；
所述火焰射流引燃所述主燃室内的所述均质混合气，所述均质混合气多火焰面燃烧，快速加热近壁面处的所述均质混合气至自燃状态，形成第二次等容放热。
根据本发明的一个实施例，所述根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料的步骤具体包括：
获取发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数；
确定所述过量空气系数在1.0～2.0之间且所述平均有效压力在 0.4Mpa～1.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA～310°CA；
确定所述过量空气系数在1.0～2.0之间且所述平均有效压力在 1.0Mpa～2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射两次抗爆性燃料，第一次喷射的时刻位于压缩上止点前260°CA～310°CA，第二次喷射的时刻位于压缩上止点前180°CA～220°CA；
确定所述过量空气系数大于2.0且所述平均有效压力在0.4Mpa～2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA～310°CA。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述过量空气系数控制第二喷嘴向射流室内喷射氢气燃料的步骤具体包括：
获取气缸内的过量空气系数；
确定所述过量空气系数在1.0～2.0之间时，控制第二喷嘴向射流室内喷射一次氢气燃料，所述氢气燃料的能量占比为5％～50％；
确定所述过量空气系数大于2.0时，控制所述第二喷嘴向所述射流室内喷射两次氢气燃料，所述氢气燃料的能量占比为50％～95％，第一次喷射时刻为压缩上止点前260°CA～310°CA，第二次喷射时刻为压缩上止点前120°CA～30° CA。
根据本发明的一个实施例，所述点燃所述氢气燃料形成火焰射流，之前还包括：
调整点火时刻，使所述气缸内的燃烧重心位于压缩上止点后3°CA～8°CA。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
根据本发明第一方面实施例提供的双等容热力循环发动机，包括气缸、第一喷嘴、第二喷嘴、火花塞、宽氧传感器以及控制器；气缸内形成有主燃室，气缸的端部形成有连通于主燃室的进气道、排气道以及射流室，射流室通过射流孔连通于主燃室；第一喷嘴连接于气缸的进气道或者气缸的端部，用于向主燃室内喷射抗爆性燃料；第二喷嘴连接于射流室，用于向射流室内喷射氢气燃料，火花塞连接于射流室，用于点燃射流室内的氢气燃料；宽氧传感器连接于气缸的排气道，适于获取气缸内混合气的过量空气系数；控制器信号连接于火花塞、第一喷嘴、第二喷嘴和宽氧传感器，控制器可以根据发动机的平均有效压力和气缸内混合气的过量空气系数，调整第一喷嘴和第二喷嘴的喷射时刻、喷射时机和喷射次数，以及火花塞的点火时刻，控制发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热。双等容热力循环发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热，可以避免主燃室边缘的混合气提前自燃，减少了爆震情况的发生，同时又提高了燃烧速度和燃烧等容度，提高了发动机的热效率。
本发明的附加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
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一方面实施例提供的双等容热力循环发动机的示意图；
图2是本发明第一方面实施例提供的双等容热力循环发动机的曲轴角度-放热率变化示意图；
图3是本发明第一方面实施例提供的双等容热力循环发动机的P-V示意图；
图4是本发明第二方面实施例提供的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法的流程图；
图5是本发明第二方面实施例提供的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法的抗爆性燃料喷射策略示意图；
图6是本发明第二方面实施例提供的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法的氢气燃料喷射策略示意图。
附图标记：
100、气缸；101、活塞；102、主燃室；104、进气道；106、排气道；108、射流室；110、射流孔；112、第一喷嘴；114、第二喷嘴；116、火花塞；
200、火焰射流；210、压燃火焰。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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实施例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。
传统汽油机燃烧所采用的是Otto理论循环(等容循环)，传统柴油机燃烧所采用的是Diesel理论循环(等压循环)。Otto理论循环中采用了单一阶段的等容放热，在实际应用中，燃烧产生的压力密波会在火焰前锋面之前到达燃烧室边缘使末端混合气自燃，导致爆震，发动机燃烧和排放恶化；而Diesel循环中，虽然无爆震的限制，但燃烧持续期过长，燃烧等容度低，发动机热效率无法提高。
根据本发明第一方面实施例提供的双等容热力循环发动机，请参阅图1至图3，包括气缸100、第一喷嘴112、第二喷嘴114、火花塞116、宽氧传感器以及控制器。
发动机具有一个或者多个气缸100，气缸100包括呈中空结构的缸筒，缸筒的一端设置有端盖，两者形成半封闭的筒状结构。活塞101活动插设在缸筒内，端盖、缸筒以及活塞101围设形成主燃室102。燃料以雾化状态或者气体状态进入主燃室102，活塞101向上止点运动的过程中，持续挤压混合气体。
气缸100的端部形成有连通于主燃室102的进气道104、排气道106以及射流室108，进气道104用于将外部空气以及燃料通入主燃室102，排气道106用于将燃烧结束的废气排出主燃室102。进气道104在进气冲程导通，在压缩冲程、做功冲程以及排气冲程堵塞，排气道106在进气冲程、压缩冲程以及做功冲程堵塞，在排气冲程导通。
为了实现进气道104和排气道106的状态切换，进气道104和排气道106 包括阀门以及歧管，阀门可以使进气道104和排气道106在导通状态和堵塞状态之间切换。
气缸100的端部形成有射流室108，射流室108可以是独立的结构，还可以与端盖一体成型，射流室108通过射流孔110连通于主燃室102，射流孔110的数量为多个。射流室108内的氢气燃料燃烧时，会在射流孔110处形成多束火焰射流200，高速的火焰射流200可以快速点燃主燃室102内的燃料，提高了主燃室102内燃料的燃烧速度。
在一些实施例中，调整射流孔110的尺寸以及数量，可以调整火焰射流200 的形态以及喷射速度。
第一喷嘴112连接于气缸100的进气道104或者气缸100的端部，第一喷嘴112适于向主燃室102内喷射抗爆性燃料。第一喷嘴112连接于进气道104时，第一喷嘴112将抗爆性燃料喷入进气道104内，抗爆性燃料随着进气道104内的空气进入主燃室102内。第一喷嘴112连接于气缸100的端盖时，可以向主燃室 102内直接喷射抗爆性燃料。
需要说明的是，采用进气道喷射和缸内直喷时，抗爆性燃料的喷射时机有所区别，以确保抗爆性燃料与空气在主燃室102内均匀混合，形成均质混合气，有利于提升抗爆性燃料的燃烧效率。抗爆性燃料包括氨气或者其它辛烷值大于 100的燃料，抗爆性燃料采用无碳或者少碳的材料，降低了温室气体的排放量。
第二喷嘴114连接于射流室108，用于向射流室108内喷射氢气燃料，氢气燃料包括氢气或者氢气-空气混合气。
火花塞116连接于射流室108，用于点燃射流室108内的氢气燃料。在压缩冲程末期，点燃氢气燃料，氢气燃料的活性较高，燃烧速度较快，可以在射流孔 110处形成高温高速的火焰射流200，多束火焰射流200可以点燃主燃室102内的抗爆性燃料，例如氨气，加快了抗爆性燃料的燃烧速度以及热传递速度，此时形成第一次等容放热。
多束火焰射流200引燃主燃室102内的均质混合气，均质混合气多火焰面燃烧，均质混合气温度快速提升，可以使靠近主燃室102的壁面处的均质混合气达到自燃状态，近壁面形成多处压燃火焰210，进而形成第二次等容放热，气缸 100内的均质混合气迅速燃烧完全。
宽氧传感器(图中未示出)连接于排气道106，宽氧传感器用以获取过量空气系数信号，根据过量空气系数信号调整各喷嘴的喷射时刻、喷射脉宽和喷射次数，可以促进燃料充分燃烧，以达到节约能源的目的。
控制器即电控单元，控制器信号连接于火花塞116、第一喷嘴112、第二喷嘴114以及宽氧传感器，控制器被配置为根据发动机的负荷和过量空气系数控制发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热。
根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热，可以避免主燃室边缘的混合气提前自燃，减少了爆震情况的发生，提高了燃烧等容度，有利于提高发动机的热效率。
根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，气缸100内的过量空气系数在1.0～3.0之间，平均有效压力在0.4Mpa～2.0Mpa之间，氢气燃料的能量占比在5％～95％之间。
可以理解的是，平均有效压力是指单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力，记作MEP，单位为MPa。平均有效压力越大，发动机的做功能力越强，平均有效压力可以体现发动机承受的负荷。
为了匹配后处理系统，过量空气系数一般均大于1.0，小于3.0是为了保证燃烧稳定，燃烧波动满足发动机产品要求；平均有效压力在0.4Mpa～2.0Mpa之间，这是乘用车车用点燃式发动机常用负荷范围，氢气燃料的能量占比大于5％是为了弥补氨火焰速度慢、点火能量高的缺点，小于95％而保证至少5％的氨能量占比是为了避免爆震。
根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，两次等容放热包括第一次等容放热和第二次等容放热，第一次等容放热的放热率峰值占第二次等容放热的放热率峰值的50％～100％，且第一次等容放热的放热率峰值对应的平均湍流速度大于30m/s。
可以理解的是，第一次等容放热的放热率峰值占第二次等容放热的放热率峰值的50％～100％，是为了爆震第二次等容放热的放热率，提高整体燃烧等容度；平均湍流速度大于30m/s是为了保证射流火焰的速度满足第一次等容放热的放热特征。
平均湍流速度为多个射流孔110中火焰射流200的平均燃烧喷射速率，可以衡量火焰射流200加热以及点燃均质混合气的速度。
抗爆性燃料具有低自燃活性，燃烧速度较慢，提高火焰射流200的喷射速度，可以快速点燃主燃室102内的均质混合气，有利于促进第二次等容放热的发生。第一次等容放热的放热率峰值对应的平均湍流速度大于30m/s，可以使火焰射流200迅速到达主燃室102的末端，保障了第二次等容放热的发生。
第一次等容放热有助于快速提高均质混合气的温度和燃烧速度，进而降低了燃烧持续期，提高了第二次等容放热的燃烧等容度，提高了发动机的热效率。
第一次等容放热的放热率峰值占第二次等容放热的放热率峰值的 50％～100％，用于驱动活塞做功的能量较多，提高了发动机的热效率。
在一些实施例中，调整射流室108以及射流孔110的构造或者氢气燃料的喷射策略，可以提高火焰射流200的喷射速度或者改善火焰射流200的喷射形态，加快了均质混合气的燃烧。
根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，第一次等容放热的放热率峰值不高于50J/(°)CA，第二次等容放热的放热率峰值不高于80J/(°)CA。
第一次等容放热率峰值不高于50J/(°)CA，一是为了保证一定压燃放热的比例，提高整体燃烧等容度，二是限制射流放热阶段的放热率峰值，可以避免传热损失过大；第二次等容放热的放热率峰值不高于80J/(°)CA是为了避免缸内出现爆震。
可以理解的是，湍流燃烧速率取决于多个射流孔110内最高的燃烧喷射速率。
根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，气缸100的压缩比在 15～25之间，气缸内压缩点的温度大于850K，火花塞的点火能量不低于90mJ。
压缩比提高有助于发动机热效率提高，压缩比不能过高是避免爆震和发动机摩擦功过大，该压缩比范围内压缩点的温度一般将大于850K，是为了实现末端混合气压燃燃烧状态，火花塞点火能量不低于90mJ是为了在高氨掺混比或稀燃条件下点火稳定，且量产火花塞可以满足不低于90mJ的点火能量。
在一些实施例中，双等容热力循环发动机还包括爆震传感器，爆震传感器连接于气缸100，且信号连接于控制器，用于获取气缸100内的爆震信号。
可以理解的是，点火时刻过早时，火焰射流200促使主燃室102内的多火焰面燃烧，主燃室102近壁面处的均质混合气提前压燃，会造成气缸100的爆震。通过获取气缸100的爆震信号，可以调整火花塞116的点火时刻，进而减少爆震的发生，有助于保证发动机稳定运行。
根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，主动引燃射流室108内的氢气燃料，在射流孔110处形成火焰射流200，形成第一次等容放热，气缸100 内多火焰面燃烧对末端的均质混合气起到快速加热作用，最终使得末端的均质混合气多点同时自燃，形成第二次等容放热。氨气或者其他抗爆性燃料的低自燃活性，末端自燃并不会产生强烈压力震荡，通过等容-等压-等容三阶段放热，能够降低爆震倾向，同时还可以提高发动机许用压缩比。
与此同时，本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，可以提出不同工况条件下实现双等容循环的燃烧控制策略，实现发动机的高热效率，同时还可以抑制燃烧粗暴，拓展稀燃极限，利用来源广泛的燃料，推动传统发动机工作方式不断接近理想热力循环。
根据本发明第二方面实施例提供的本发明实施例提供的双等容热力循环发动机，请参阅图4至图6，包括：
S300、在进气冲程或者压缩冲程早期，根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料，所述抗爆性燃料在所述主燃室内形成均质混合气。
S310、在压缩冲程，根据所述过量空气系数控制第二喷嘴向射流室内喷射氢气燃料。
S320、在压缩冲程末期，点燃所述氢气燃料形成氢火焰，所述氢火焰通过射流孔形成射流火焰并喷入所述主燃室，形成第一次等容放热。
S330、所述火焰射流引燃所述主燃室内的所述均质混合气，所述均质混合气多火焰面燃烧，快速加热近壁面处的所述均质混合气至自燃状态，形成第二次等容放热。
可以理解的是，根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法，主动引燃射流室108内的氢气燃料，在射流孔110处形成火焰射流200，形成第一次等容放热，气缸100内多火焰面燃烧对末端的均质混合气起到快速加热作用，最终使得末端的均质混合气多点同时自燃，形成第二次等容放热。氨气或者其他抗爆性燃料的低自燃活性，末端自燃并不会产生强烈压力震荡，通过等容 -等压-等容三阶段放热，能够降低爆震倾向，同时还可以提高发动机许用压缩比。可以提出不同工况条件下实现双等容循环的燃烧控制策略，实现发动机的高热效率，同时还可以抑制燃烧粗暴，拓展稀燃极限，利用来源广泛的燃料，推动传统发动机工作方式不断接近理想热力循环。
在一些实施例中，根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料的步骤具体包括：
S302、获取发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数。
S304、确定所述过量空气系数在1.0～2.0之间且所述平均有效压力在 0.4Mpa～1.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA～310°CA。
S304、确定所述过量空气系数在1.0～2.0之间且所述平均有效压力在1.0Mpa～2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射两次抗爆性燃料，第一次喷射的时刻位于压缩上止点前260°CA～310°CA，第二次喷射的时刻位于压缩上止点前180°CA～220°CA。
需要说明的是，采用气缸内直喷时，第二次喷射的时刻位于压缩上止点前 80～120°CA，可以促进抗爆性燃料与空气充分混合，提高均质混合气的燃烧性能。
S306、确定所述过量空气系数大于2.0且所述平均有效压力在0.4Mpa～2.0Mpa 之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA～310°CA。
在一些实施例中，根据所述过量空气系数控制第二喷嘴向射流室内喷射氢气燃料的步骤具体包括：
S312、获取气缸内的过量空气系数。
S314、确定所述过量空气系数在1.0～2.0之间时，控制第二喷嘴向射流室内喷射一次氢气燃料，所述氢气燃料的能量占比为5％～50％。
S316、确定所述过量空气系数大于2.0时，控制所述第二喷嘴向所述射流室内喷射两次氢气燃料，所述氢气燃料的能量占比为50％～95％，第一次喷射时刻为压缩上止点前260°CA～310°CA，第二次喷射时刻为压缩上止点前 120°CA～30°CA。
在一些实施例中，点燃所述氢气燃料形成火焰射流，之前还包括：
S322、调整点火时刻，使所述气缸内的燃烧重心位于压缩上止点后3° CA～8°CA。
燃烧重心位于压缩上止点后3°CA～8°CA时发动机燃烧等容度较高，燃油经济性较优。
可以理解的是，通过调整点火时刻，可以使气缸100内的燃烧重心(50％累计放热率)位于压缩上止点后3°CA～8°CA，可以使氢气以及抗爆性燃料的热量充分转换为机械功，提高了发动机的热效率。
综上所述，根据本发明实施例提供的双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法，双等容热力循环发动机包括气缸100、第一喷嘴112、第二喷嘴114、火花塞 116、宽氧传感器以及控制器；气缸100内形成有主燃室102，气缸100的端部形成有连通于主燃室102的进气道104、排气道106以及射流室108，射流室108通过射流孔110连通于主燃室102；第一喷嘴112连接于气缸100的进气道104或者气缸100 的端部，用于向主燃室102内喷射抗爆性燃料；第二喷嘴114连接于射流室108，用于向射流室108内喷射氢气燃料，火花塞116连接于射流室108，用于点燃射流室108内的氢气燃料；宽氧传感器连接于气缸100的排气道106，适于获取空燃比，进而获取气缸100内的过量空气系数；控制器信号连接于火花塞116、第一喷嘴112、第二喷嘴114和宽氧传感器，控制器可以根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数，调整第一喷嘴112和第二喷嘴114的喷射时刻、喷射时机和喷射次数，以及火花塞116的点火时刻，控制发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热。双等容热力循环发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热，可以避免主燃室边缘的混合气自燃，减少了爆震情况的发生，同时又提高了燃烧速度和燃烧等容度，提高了发动机的热效率。
与相关技术相比，本发明实施例提供的双等容热力循环发动机及其燃烧控制方法，具有如下优点：
1.与Otto循环相比，双等容循环降低了发动机爆震倾向，有利于提高发动机压缩比；与Diesel循环相比，双等容循环提高了燃烧等容度，有利于提高发动机的热效率；末端低活性燃料自燃不会产生强烈压力振荡，对发动机不具有破坏性。
2.所需燃料来源广、成本低。氢气可由风电能、水电能和光伏电能等通过成熟的电解水技术获得，生产过程中无碳排放；氨主要在高温高压和催化条件下形成，由氮气和氢气通过Haber-Bosch工艺合成制得，制、储、运过程成本低，安全性高；乙醇可由来源广泛的含淀粉、纤维素或糖类的生物原料发酵制备。在发动机中使用氢气，还可利用排气余热催化制氢，减少车载储氢成本。
3.双等容循环面向射流点火燃烧系统的提出，符合车用动力发展趋势。车用混合动力技术降低了对发动机的要求，使得发动机更多地在高效区运行，有利于射流点火燃烧技术的应用。射流点火利用体点火形成火焰射流，多束火焰射流在气缸内形成多火焰面燃烧，加快燃烧。氢气辅助射流能够有效拓展稀燃极限。
4.策略简单，硬件要求低。射流室内火花塞可采用市售类火花塞(点火能量≥90mJ)，射流室、火花塞和氢气喷射系统可集成设计，有利于气缸端盖布置。进气道及气缸内燃料喷射控制可通过产品级ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)实现，成本较低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双等容热力循环发动机，其特征在于，包括：
气缸，形成有主燃室，所述气缸的端部形成有连通于所述主燃室的进气道、排气道以及射流室，所述射流室通过射流孔连通于所述主燃室；
第一喷嘴，连接于所述进气道或者所述气缸的端部，适于向所述主燃室内喷射抗爆性燃料；
第二喷嘴，连接于所述射流室，适于向所述射流室内喷射氢气燃料；
火花塞，连接于所述射流室，适于点燃所述射流室内的所述氢气燃料；
宽氧传感器，连接于所述排气道，适于获取气缸内混合气的过量空气系数；
控制器，信号连接于所述火花塞、所述第一喷嘴、所述第二喷嘴以及所述宽氧传感器，所述控制器被配置为根据发动机的平均有效压力和所述过量空气系数控制发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热；
其中，所述根据发动机的平均有效压力和所述过量空气系数控制发动机在压缩上止点前后形成顺序的两次等容放热，至少包括：在进气冲程或者压缩冲程早期，根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料，所述抗爆性燃料在所述主燃室内形成均质混合气；
其中，所述根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料的步骤，具体包括：
获取发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数；
确定所述过量空气系数在1.0~2.0之间且所述平均有效压力在0.4Mpa~1.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA~310°CA；
确定所述过量空气系数在1.0~2.0之间且所述平均有效压力在1.0Mpa~2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射两次抗爆性燃料，第一次喷射的时刻位于压缩上止点前260°CA~310°CA，第二次喷射的时刻位于压缩上止点前180°CA~220°CA；
确定所述过量空气系数大于2.0且所述平均有效压力在0.4Mpa~2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA~310°CA。
2.根据权利要求1所述的双等容热力循环发动机，其特征在于，所述过量空气系数在1.0~3.0之间，所述平均有效压力在0.4Mpa~2.0Mpa之间，所述氢气燃料的能量占比在5%~95%之间。
3.根据权利要求2所述的双等容热力循环发动机，其特征在于，所述两次等容放热包括第一次等容放热和第二次等容放热，所述第一次等容放热的放热率峰值占所述第二次等容放热的放热率峰值的50%~100%，且所述第一次等容放热的放热率峰值对应的平均湍流速度大于30m/s。
4.根据权利要求3所述的双等容热力循环发动机，其特征在于，所述第一次等容放热的放热率峰值不高于50J/（°CA），所述第二次等容放热的放热率峰值不高于80J/（°CA）。
5.根据权利要求1至4任一项所述的双等容热力循环发动机，其特征在于，所述气缸的压缩比在15~25之间，所述气缸内压缩点的温度大于850K，所述火花塞的点火能量不低于90mJ。
6.根据权利要求1至4任一项所述的双等容热力循环发动机，其特征在于，所述抗爆性燃料包括氨气或者其它辛烷值大于100的燃料，所述氢气燃料包括氢气或者氢气-空气混合气。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法，其特征在于，包括：
在进气冲程或者压缩冲程早期，根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料，所述抗爆性燃料在所述主燃室内形成均质混合气；
在压缩冲程，根据所述过量空气系数控制第二喷嘴向射流室内喷射氢气燃料；
在压缩冲程末期，点燃所述氢气燃料形成氢火焰，所述氢火焰通过射流孔形成火焰射流并喷入所述主燃室，形成第一次等容放热；
所述火焰射流引燃所述主燃室内的所述均质混合气，所述均质混合气多火焰面燃烧，快速加热近壁面处的所述均质混合气至自燃状态，形成第二次等容放热；
其中，所述根据发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数控制第一喷嘴向主燃室内喷射抗爆性燃料的步骤，具体包括：
获取发动机的平均有效压力和气缸内的过量空气系数；
确定所述过量空气系数在1.0~2.0之间且所述平均有效压力在0.4Mpa~1.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA~310°CA；
确定所述过量空气系数在1.0~2.0之间且所述平均有效压力在1.0Mpa~2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射两次抗爆性燃料，第一次喷射的时刻位于压缩上止点前260°CA~310°CA，第二次喷射的时刻位于压缩上止点前180°CA~220°CA；
确定所述过量空气系数大于2.0且所述平均有效压力在0.4Mpa~2.0Mpa之间时，控制所述第一喷嘴向所述进气道内喷射一次抗爆性燃料，喷射时刻位于压缩上止点前260°CA~310°CA。
8.根据权利要求7所述的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法，其特征在于，所述根据所述过量空气系数控制第二喷嘴向射流室内喷射氢气燃料的步骤具体包括：
获取气缸内的过量空气系数；
确定所述过量空气系数在1.0~2.0之间时，控制第二喷嘴向射流室内喷射一次氢气燃料，所述氢气燃料的能量占比为5%~50%；
确定所述过量空气系数大于2.0时，控制所述第二喷嘴向所述射流室内喷射两次氢气燃料，所述氢气燃料的能量占比为50%~95%，第一次喷射时刻为压缩上止点前260°CA~310°CA，第二次喷射时刻为压缩上止点前120°CA~30°CA。
9.根据权利要求7所述的双等容热力循环发动机的燃烧控制方法，其特征在于，所述点燃所述氢气燃料形成火焰射流，之前还包括：
调整点火时刻，使所述气缸内的燃烧重心位于压缩上止点后3°CA~8°CA。
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