CN116792226A - 用于内燃机的氢燃料供给方法、系统及其燃烧组件 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于内燃机的氢燃料供给方法、系统及其燃烧组件，其中燃烧组件包括燃烧室、进气道、排气道、第一气体喷射单元、第二气体喷射单元以及引燃燃料喷射单元。进气道与燃烧室连通，且与燃烧室之间设置有进气阀，排气道与燃烧室连通，且与燃烧室之间设置有排气阀，第一气体喷射单元具有第一喷口，第一喷口伸入设置于进气道中，第二气体喷射单元具有第二喷口，第二喷口伸入设置于燃烧室中，引燃燃料喷射单元具有燃料喷口，燃料喷口伸入设置于燃烧室中。通过本燃烧组件能够在保证氢内燃机性能的前提下，实现氢内燃机的稳定运行。

Description

用于内燃机的氢燃料供给方法、系统及其燃烧组件

技术领域

本发明涉及内燃机领域，尤其涉及一种用于内燃机的氢燃料供给方法、系统及其燃烧组件。

背景技术

为控制温室气体排放，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，社会各界都作出了二氧化碳排放下降的承诺目标，这些目标对未来的能源结构提出了更加明确和严格的要求，燃料低碳化甚至零碳化是未来能源发展的必然趋势。

船用替代燃料(特别是低碳零碳燃料)的研究、开发及利用在当前具有重要的意义。一方面，可以摆脱对传统石化燃料的依赖，避免出现能源短缺问题；另一方面，可以有效利用清洁燃料的理化特性，降低氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)和温室气体排放。目前，常见的船用低碳燃料主要有液化天然气(LNG)、甲醇、生物柴油、氨气和氢气等。然而，依靠天然气、醇类及液化石油气之类的含碳燃料代替汽油和柴油进而改善发动机排放的想法，只能对环境污染起到缓解作用而非根治。

氢气是众所周知的“清洁”能源载体，它最大的优点在于不含碳，不会产生含碳污染物排放。此外，氢气还具有清洁、持续再生等特点，以及用于内燃机良好的燃烧性能，有望成为替代传统化石燃料作为内燃机的绝佳燃料。目前，如何保证/甚至提高内燃机性能的同时实现氢内燃机的稳定运行是目前亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃烧组件，能够在保证内燃机性能的前提下，实现内燃机的稳定运行。

为实现前述目的的燃烧组件，其包括：

燃烧室；

进气道，与所述燃烧室连通，且与所述燃烧室之间设置有进气阀；

排气道，与所述燃烧室连通，且与所述燃烧室之间设置有排气阀；

第一气体喷射单元，具有第一喷口，所述第一喷口伸入设置于所述进气道中；

第二气体喷射单元，具有第二喷口，所述第二喷口伸入设置于所述燃烧室中；以及

引燃燃料喷射单元，具有燃料喷口，所述燃料喷口伸入设置于所述燃烧室中。

在一个或多个实施例中，所述燃烧组件包括缸盖、缸套以及活塞，所述缸盖、所述缸套以及所述活塞共同限定出所述燃烧室。

在一个或多个实施例中，所述第二喷口以及所述燃料喷口均与所述缸盖的几何中心错开布设。

另一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种用于内燃机的氢燃料供给系统，其包括如前所述的燃烧组件，所述第一气体喷射单元还包括第一储氢容器、第一连接管路以及第一喷射器，所述第一喷射器具有所述第一喷口，所述第一连接管路连通所述第一储氢容器与所述第一喷射器；所述第二气体喷射单元还包括第二储氢容器、第二连接管路以及第二喷射器，所述第二喷射器具有所述第二喷口，所述第二连接管路连通所述第二储氢容器与所述第二喷射器；所述引燃燃料喷射单元还包括燃料储存容器、第三连接管路以及燃料喷射器，所述燃料喷射器具有所述燃料喷口，所述第三连接管路连通所述燃料储存容器与所述燃料喷射器，所述供给系统还包括：

控制单元；

泵体组件，设置于所述引燃燃料喷射单元中，根据所述控制单元的指令开启或关闭；

其中，所述第一喷射器、所述第二喷射器以及所述燃料喷射器根据所述控制单元的指令开启或关闭。

在一个或多个实施例中，所述第一连接管路中还设置有第一压力传感器以及第一压力调节阀，所述控制单元根据所述第一压力传感器检测到的压力信号调节所述第一压力调节阀，以调节所述第一喷射器喷出的氢气压力；

所述第二连接管路中还设置有第二压力传感器以及第二压力调节阀，所述控制单元根据所述第二压力传感器检测到的压力信号调节所述第二压力调节阀，以调节所述第二喷射器喷出的氢气压力；

所述第三连接管路中还设置有第三压力传感器以及第三压力调节阀，所述控制单元根据所述第三压力传感器检测到的压力信号调节所述第三压力调节阀，以调节所述燃料喷射器喷出的燃料压力。

在一个或多个实施例中，所述泵体组件包括设置在所述燃料储存容器中的低压泵以及设置在所述第三连接管路中的高压泵，所述低压泵用于驱使燃料供给至所述高压泵，所述高压泵用于驱使燃料供给至所述燃料喷射器。

在一个或多个实施例中，所述第一储氢容器为低压氢气瓶，所述第二储氢容器为高压氢气瓶。

在一个或多个实施例中，所述进气道内还设置有进气压力传感器，所述燃烧组件的缸盖上设置有爆震传感器。

又一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种用于内燃机的氢燃料供给方法，其采用如前所述的用于内燃机的氢燃料供给系统对内燃机的氢燃料供给进行调节，包括如下步骤：

根据内燃机的工作负荷，将所述内燃机的工作状态划分为第一工况、第二工况、第三工况、第四工况、第五工况以及第六工况，自所述第一工况至所述第五工况，所述内燃机的工作负荷逐渐增大；

当内燃机处于所述第一工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器开启，同时指令所述第一喷射器以及所述第二喷射器关闭；

当内燃机处于所述第二工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器以及所述第一喷射器开启，并指令所述第二喷射器关闭；

当内燃机处于所述第三工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器、所述第一喷射器以及所述第二喷射器同时开启，并令所述燃料喷射器的喷射时刻晚于所述第二喷射器的喷射时刻；

当内燃机处于所述第四工况下，所述控制单元指令所述第一喷射器关闭，指令所述燃料喷射器以及所述第二喷射器开启，并令所述燃料喷射器的喷射时刻晚于所述第二喷射器的喷射时刻；

当内燃机处于所述第五工况下，所述控制单元指令所述第一喷射器关闭，指令所述燃料喷射器以及所述第二喷射器开启，并令所述燃料喷射器的喷射时刻早于所述第二喷射器的喷射时刻；

当内燃机处于所述第六工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器的喷射量逐渐增大，并令所述第一喷射器和/或所述第二喷射器的喷射量逐渐减小，直至最终所述第一喷射器以及所述第二喷射器均关闭，仅所述燃料喷射器开启。

在一个或多个实施例中，在所述第一工况下，所述内燃机的负荷小于20％；在所述第二工况下，所述内燃机的负荷为20％至40％；在所述第三工况下，所述内燃机的负荷为40％至60％；在所述第四工况下，所述内燃机的负荷为60％至85％；在所述第五工况下，所述内燃机的负荷为85％至100％；

其中，在所述进气道内还设置有进气压力传感器，所述燃烧组件的缸盖上设置有爆震传感器，将所述内燃机的负荷为20％至100％之间，同时所述爆震传感器检测到的数值大于爆震阈值、以及进气压力传感器检测到的数值大于压力阈值时的工况定义为所述第六工况；

当所述内燃机的负荷为20％至100％之间，所述爆震传感器检测到的数值小于所述爆震阈值时，则继续保持原有氢燃料供给策略。

再一方面，根据本申请的一些实施例，还提供了一种用于内燃机的氢燃料供给方法，其包括如下步骤：

根据内燃机的工作负荷，将所述内燃机的工作状态划分为第一工况、第二工况、第三工况、第四工况、第五工况以及第六工况，自所述第一工况至所述第五工况，所述内燃机的工作负荷逐渐增大；

当内燃机处于所述第一工况下，仅朝向燃烧室喷射燃料，不通入氢气；

当内燃机处于所述第二工况下，朝向燃烧室喷射燃料，同时仅向进气道中喷射氢气；

当内燃机处于所述第三工况下，朝向燃烧室喷射燃料，同时向进气道中喷射氢气，以及直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻晚于氢气的喷射时刻；

当内燃机处于所述第四工况下，朝向燃烧室喷射燃料，仅直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻晚于氢气的喷射时刻；

当内燃机处于所述第五工况下，朝向燃烧室喷射燃料，仅直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻早于氢气的喷射时刻；

当内燃机处于所述第六工况下，令朝向燃烧室喷射燃料的喷射量逐渐增大，并令向燃烧室喷射氢气的喷射量和/或向进气道喷射氢气的喷射量逐渐减小，直至仅朝向燃烧室喷射燃料，不通入氢气。

在一个或多个实施例中，在所述第一工况下，所述内燃机的负荷小于20％；在所述第二工况下，所述内燃机的负荷为20％至40％；在所述第三工况下，所述内燃机的负荷为40％至60％；在所述第四工况下，所述内燃机的负荷为60％至85％；在所述第五工况下，所述内燃机的负荷为85％至100％；

其中，将所述内燃机的负荷为20％至100％之间，同时检测到的爆震数值大于爆震阈值以及检测到的进气道压力数值大于压力阈值时的工况定义为所述第六工况；

当所述内燃机的负荷为20％至100％之间，同时爆震数值小于所述爆震阈值，所述进气道压力数值小于所述压力阈值时，则继续保持原有氢燃料供给策略。

本发明的有益效果在于：

本燃烧组件具备在气体燃料燃烧模式下发出额定功率的能力，且基于该燃烧组件可以实现多种燃烧模式的组织。同时通过本氢燃料供给方法以及系统，能够在20％负荷及以下采用引燃燃料压燃模式，保证发动机稳定运行；在20％～100％负荷通过多种氢燃料供给方法的组合实现氢燃烧模式，通过调整燃料供给喷射参数分别形成引燃燃料引燃进气道预混燃烧模式、引燃燃料引燃进气道和直喷氢气的分层预混燃烧模式、引燃燃料引燃直喷氢气的分层预混燃烧模式和引燃燃料引燃直喷氢气的扩散燃烧模式，避免异常燃烧现象的发生保证氢内燃机稳定运行，同时利用氢气在燃烧室内分布的变化降低NO_X的生成，保证氢内燃机的性能，同时氢气替代率可达到大于等于80％的范围以满足碳减排目标。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本申请一些实施例下的燃烧组件的正面示意图；

图2示出了根据本申请一些实施例下的燃烧组件的俯视示意图；

图3示出了根据本申请一些实施例的氢燃料供给系统的示意图；

图4示出了根据本申请一些实施例的内燃机的氢燃料供给方法的流程示意图；

图5至图8出了根据本申请一些实施例的内燃机的氢燃料供给方法的供给过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在现有的氢内燃机中，燃烧组织的方法主要包括(1)火花点火引燃以及(2)柴油压燃引燃两种。

对于(1)火花点火引燃而言，氢燃料引入气缸的方式有两种：进气道预混和高压缸内直喷。进气道预混是当发动机处于进气行程状态时，喷射阀喷射氢燃料或氢燃料与天然气等其他燃料混合燃料到进气道/歧管与新鲜空气混合后进入气缸。发动机在压缩行程里压缩空气与燃料的混合气，在压缩行程的终点，通过火花点火来引燃缸内新鲜充量，采用该方法具有结构简单、成本低的特点。高压缸内直喷是将氢燃料或氢燃料与天然气等其他燃料混合燃料在进气阀关闭后通过燃料喷射阀喷入发动机气缸内，在压缩行程终点，通过火花点火来引燃缸内新鲜充量，采用该方法可以避免回火的发生。在前两种方式基础上，借助进气过程中进气道和缸内的压力差，也可将少量氢燃料或氢燃料与天然气等其他燃料混合燃料通过单向阀进入预燃室中，少量新鲜充量在预燃室中通过火花点火被引燃，通过预燃室喷出射流火焰引燃进气道喷射组织形成的新鲜充量或是缸内直喷形成的新鲜充量。

对于(2)柴油压燃引燃而言，氢燃料引入气缸的方式同样也有两种：进气道预混和高压缸内直喷。进气道预混是当发动机处于进气行程状态时，喷射阀喷射氢燃料或氢燃料与天然气等其他燃料混合燃料到进气道/歧管与新鲜空气混合后进入气缸。发动机在压缩行程里压缩空气与燃料的混合气，在压缩行程的终点，通过柴油直喷压燃来引燃缸内新鲜充量。高压缸内直喷是将氢燃料或氢燃料与天然气等其他燃料混合燃料在进气阀关闭后通过燃料喷射阀喷入发动机气缸内，在压缩行程终点，通过柴油直喷压燃来引燃缸内新鲜充量。

然而发明人发现，对于现有的氢内燃机而言，经常还会产生异常燃烧现象，导致氢内燃机无法稳定运行。在氢燃料内燃机，异常燃烧主要包括回火、早燃和爆震三种，以下分别对三种异常燃烧进行介绍。

早燃是指氢空气混合气在点火之前被缸内炽热点点燃而开始燃烧的现象，早燃使燃烧失控，并且使传热损失增加和发动机过热，容易使进气阀/门处温度升高和过热，从而引起进气管回火，所以早燃也易引起回火。

回火是指在进气过程中，进气门尚未关闭时，缸内火焰传播到进气管并引燃进气管内的氢空气混合气，或进气管内的氢空气混合气被缸内或进气门热点点燃的一种不正常燃烧现象。回火一般伴随着早燃而发生，通常发生在较浓混合气工况，高速时更易于发生。当氢内燃机发生回火时，正常的工作过程会遭到破坏，使得内燃机功率下降、经济性变差，严重时使内燃机熄火，因此尤其需要抑制氢内燃机的回火现象。

爆震是指当发动机进气时，在压缩行程还未到达设计的点火位置、种种控制之外的因素却导致燃气混合物自行点火燃烧。此时，燃烧所产生的巨大冲击力与活塞运动的方向相反，从而引起发动机震动的现象。

目前，对于氢燃料内燃机异常燃烧控制方法具有如下方式：

对于进气道喷氢内燃机极易发生的回火和早燃现象，目前常用的控制方法如下：

(1)在起动过程初期，点火系统和喷氢系统均处于关闭状态，通过倒拖过程将进排气系统中可能存在的残余氢气完全排出而后经过只点火不喷氢的过渡工况，降低回火的风险最终氢气喷射系统开始工作，以实现起动怠速过程，能够一定程度上减少回火现象的发生。

(2)使用多路喷氢系统，采用多路喷氢系统并行喷氢、进气管延迟喷氢、固定喷氢结束时刻与推迟点火相结合的方式，来预防异常燃烧的发生。

(3)避开在进气起始时刻气门叠开角内喷氢，尽量减少氢气在进气管内停留时间，以及通过前期进气冷却进气歧管内部热点，降低混合气被点燃的概率以降低回火发生的概率。

而对于进气道喷氢内燃机可能会发生的早燃和爆震现象，目前常用的控制方法如下：

(1)通过缸内直喷氢气的二次喷射在燃烧室形成稀燃区和浓燃区，避免了易生成NOx的燃烧区域。同时，采用氢内燃机火花辅助点燃加扩散燃烧的燃烧控制方法，通过电控单元的具体控制实现缸内直喷氢内燃机的高输出功率、高热效率、低NOx排放。

(2)基于混合气活性可控的氢内燃机控制装置，采用水汽再循环利用及缸内直喷氢气和水，控制氢气和喷水时刻，调控氢内燃机混合气组分及活性，控制氢内燃机点火时刻之前的缸内混和气热力学状态，从而调控氢内燃机燃烧速率，以消除缸内爆震燃烧。

但发明人在实践中却发现，对于进气道喷射氢内燃机，氢气占据一部分气缸工作容积会导致充量系数较小，输出功率较低，同时有可能诱发早燃、回火、爆震等异常燃烧现象，采用前述方法虽然可以抑制异常燃烧现象的产生，但异常燃烧仍会有几率出现。而缸内直喷氢内燃机避免了氢气占据气缸工作容积，提高了充量系数，而且可以一定程度上抑制异常燃烧的发生，但是如何合理进行缸内直喷氢内燃机的整机系统设计是目前面临的难题。此外，缸内直喷氢内燃机的高性能和低排放以及氢与空气混合物形成和燃烧方式有关，采用不合理的缸内直喷氢内燃机的氢气喷射策略和燃烧控制方法不利于提高发动机性能并改善发动机排放水平。

针对上述问题，一方面，根据本申请的一些实施例，提供了一种燃烧组件，其能够在保证氢内燃机性能的前提下实现氢内燃机的稳定运行。如图1示出了根据本申请一些实施例下的燃烧组件的正面示意图，图2示出了根据本申请一些实施例下的燃烧组件的俯视示意图。

根据本申请的一些实施例，燃烧组件100包括进气道1、排气道2、燃烧室3、第一气体喷射单元4、第二气体喷射单元5以及引燃燃料喷射单元6。

进气道1与燃烧室3连通，且与燃烧室3之间设置有进气阀7。排气道2与燃烧室3连通，且与燃烧室3之间设置有排气阀8。其中，进气阀7的启闭定义了燃烧组件的进气动作，而排气阀8的启闭定义了燃烧组件的排气动作。

其中，第一气体喷射单元4具有第一喷口40，第一喷口40即为气体燃料，例如氢气，自第一气体喷射单元4中喷出的位置，在图中所示的实施例中，第一喷口40在组装状态下是伸入在进气道1中，从而自第一气体喷射单元4中喷射出的气体燃料是首先进入至进气道1内。第二气体喷射单元5具有第二喷口50，第二喷口50也即为气体燃料，例如氢气，自第二气体喷射单元5中喷出的位置，第二喷口50在组装状态下是伸入设置在燃烧室3内，从而自第二喷口50喷射出的气体燃料是直接进入至燃烧室3中。在本申请实施例的描述中，技术术语“第一XX”“第二XX”，例如“第一喷口”“第二喷口”等仅用于区别不同对象，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、特定顺序或主次关系。

引燃燃料喷射单元6具有燃料喷口50，燃料喷口50为燃料自引燃燃料喷射单元6中喷出的位置，在组装状态下，燃料喷口50伸入至燃烧室3中，从而令自燃料喷口50喷出的燃料直接进入至燃烧室3中。

具有前述构型的燃烧组件能够实现单独通过进气道1通入氢气、单独朝向燃烧室3直喷通入氢气以及同时通过进气道1以及朝向燃烧室3直喷通入氢气，使得具有其的内燃机可以具备多种燃烧模式组织形式以应对不同工况，为实现氢内燃机的稳定运行提供基础。

进一步地，在一个具体的实施例中，燃烧组件100包括缸盖31、缸套32以及活塞33，活塞33上方具有凹坑330，缸盖31、缸套32以及活塞33上方的凹坑330共同限定出燃烧室3。

进一步地，在一个具体的实施例中，结合图1以及图2所示，第二喷口40以及燃料喷口50均与缸盖31的几何中心错开布设。通过错开布设的设计能够为第二喷口40和燃料喷口50预留安装位置，提高来自第二喷口40的氢气和来自燃料喷口50的引燃燃料的空气利用率，保证氢内燃机的动力输出。

另一方面，根据本申请的一些实施例，还提供了一种用于内燃机的氢燃料供给系统，其包括如前一个或多个实施例中所记载的燃烧组件100，如图3示出了根据本申请一些实施例的氢燃料供给系统的示意图。

如图3所示，供给系统还包括控制单元101，控制单元101在一些实施例中可以是连同编程的微处理器或计算机。

其中，第一气体喷射单元4还包括第一喷射器41、第一储氢容器42以及第一连接管路43，第一喷射器41的喷出出口为第一喷口40，第一储氢容器42为储存氢气的容器，例如氢气瓶，而第一连接管路43则为任意构型能够连通第一储氢容器42与第一喷射器41的管子，例如刚性管件或柔性软管，在图中以实线线条进行示意性表示。第二气体喷射单元5还包括第二喷射器51、第二储氢容器52以及第二连接管路53，第二喷射器51的喷出出口为第二喷口50，第二储氢容器52为储存氢气的容器，例如氢气瓶，而第二连接管路53则为任意构型能够连通第二储氢容器52与第二喷射器51的管子，例如刚性管件或柔性软管。引燃燃料喷射单元6包括燃料喷射器61、燃料储存容器62以及第三连接管路63，燃料喷口50为燃料喷射器61的喷出出口，燃料储存容器62为储存燃料的容器，例如燃料箱，第三连接管路63为任意构型能够连通燃料储存容器62与燃料喷射器61的管子，例如刚性管件或柔性软管。可以理解的是，文中所描述的第一喷射器41、第二喷射器51以及燃料喷射器61为能够令有一定压力的流体通过喷嘴喷出的装置，例如现有的引射器、喷射泵等，其具有开启以及关闭两种状态，在开启状态下允许流体自喷嘴喷出，而在关闭状态下阻止流体自喷嘴喷出。在本申请所记载的一个或多个实施例中，第一喷射器41、第二喷射器51以及燃料喷射器61能够根据控制单元101的指令在开启以及关闭状态之间切换。在引燃燃料喷射单元6中还设置有泵体组件，泵体组件在开启状态下用于驱使燃料自燃料储存容器62朝向燃料喷射器61流动，其根据控制单元101的指令开启或关闭。

在一些具体的实施例中，泵体组件包括设置在燃料储存容器62中的低压泵64以及设置在第三连接管路63中的高压泵65，低压泵64用于驱使燃料供给至高压泵65，高压泵65用于驱使燃料供给至燃料喷射器61。前述供给动作根据控制单元101的指令进行，从而在燃料喷射器61内形成具有一定压力的燃料，当控制单元101指令燃料喷射器61开启口，能够自燃料喷口50喷出具有一定压力的引燃燃料。其中，低压泵64将燃料存储容器62中的引燃燃油泵出至高压泵65的燃料泵，由低压泵64泵出的引燃燃料具有0.3～1.5MPa的供给压力，高压泵65将由低压泵64泵出的引燃燃料的供给压力加压至60MPa以上的燃料泵，通过设置低压泵64以及高压泵65能够将引燃燃料由燃料存储容器62中供给至燃料喷口60，同时保证引燃燃料喷射压力大于60MPa，在控制单元的控制下，引燃燃料直接喷入燃烧室内组织燃烧。

在一些具体的实施例中，第一储氢容器42为低压氢气瓶，第二储氢容器52为高压氢气瓶，其中低压氢气瓶是指喷出压力为0.8至1.5MPa的氢气瓶，高压氢气瓶是指喷出压力为35至75MPa的氢气瓶，通过配置低压氢气瓶以及高压氢气瓶能够将氢气分别供给至第一喷射器41和第二喷射器51，以分别在进气道1和燃烧室3内喷入氢气，随着进气阀7的开启，进气道1中的氢气进入缸内形成均匀的氢气空气混合气，来自第二喷射器51的氢气喷入燃烧室3内形成分层预混氢气空气混合气。

再一方面，根据本申请的一些实施例，还提供了一种用于内燃机的氢燃料供给方法，其采用前述一个或多个实施例中所记载的氢燃料供给系统对内燃机的氢燃料供给进行调节，如图4示出了根据本申请一些实施例的内燃机的氢燃料供给方法的流程示意图，其包括如下步骤：

步骤S1：根据内燃机的工作负荷，将内燃机的工作状态划分为第一工况、第二工况、第三工况、第四工况、第五工况以及第六工况，自第一工况至第五工况，内燃机的工作负荷逐渐增大。

步骤S2：当内燃机处于第一工况下，控制单元101指令燃料喷射器61开启，同时指令第一喷射器41以及第二喷射器51关闭。即如图5所示状态，在燃烧室3内仅具有燃料喷射器61喷出的燃料。在第一工况下，此时发动机处于启动状态，此时仅通过燃料喷射器61喷出燃料，以组织内燃机引燃燃料燃烧模式以保证正常启动。

步骤S3：当内燃机处于第二工况下，控制单元101指令燃料喷射器61以及第一喷射器41开启，并指令第二喷射器51关闭。即如图6所示状态，燃烧室3内填充有第一喷射器41喷出，自进气道进入至燃烧室3内的氢气，在图中以黑点进行表示。此时内燃机处于负荷较小的工况，通过第一喷射器41喷出氢气，令氢气自进气道进入至燃烧室3内，组织引燃燃料引燃预混氢混合气燃烧模式，避免内燃机回火现象的发生并提高内燃机的热效率。

步骤S4：当内燃机处于第三工况下，控制单元101指令燃料喷射器61、第一喷射器41以及第二喷射器51同时开启，并令燃料喷射器61的喷射时刻晚于第二喷射器51的喷射时刻。即如图7所示状态，燃烧室3内填充有第一喷射器41喷出，自进气道进入至燃烧室3内的氢气，在图中以黑点进行表示，同时也包含自第二喷射器51直喷进入燃烧室内的氢气，在图中以白色圆圈a表示。此时内燃机处于中等负荷的工况，采用燃料喷射器61喷射引燃燃料引燃由来自第二喷射器51直喷的氢气以及自进气道形成的分层氢气-空气混合气，避免爆震现象的发生并降低NOX的生成。

步骤S5：当内燃机处于第四工况下，控制单元101指令第一喷射器41关闭，指令燃料喷射器61以及第二喷射器51开启，并令燃料喷射器61的喷射时刻晚于第二喷射器51的喷射时刻。即如图8所示状态，在燃烧室3内仅包含自第二喷射器51直喷进入的氢气。此时内燃机处于中高负荷的工况，令燃料喷射器61喷射时刻晚于缸内直喷氢气喷射时刻，形成氢气分层稀薄燃烧，提高内燃机热效率避免爆震现象的发生并降低NO_X的生成。

步骤S6：当内燃机处于第五工况下，控制单元101指令第一喷射器41关闭，指令燃料喷射器61以及第二喷射器51开启，并令燃料喷射器61的喷射时刻早于第二喷射器51的喷射时刻。也如图8所示状态，在燃烧室3内仅包含自第二喷射器51直喷进入的氢气。此时内燃机处于高负荷的工况，引燃燃料的喷射时刻早于缸内直喷氢气的喷射时刻，形成引燃燃料有引燃氢气的扩散燃烧，保证氢气替代率达95％及以上。

步骤S7：当内燃机处于第六工况下，控制单元101指令燃料喷射器61的喷射量逐渐增大，并令第一喷射器41和/或第二喷射器51的喷射量逐渐减小，直至最终第一喷射器41以及第二喷射器51均关闭，仅燃料喷射器61开启。最终状态回到如图5所示状态。

进一步地，在一些具体的实施例中，如图3所示，进气道1内还设置有进气压力传感器102，燃烧组件的缸盖上设置有爆震传感器103。

在内燃机的氢燃料供给方法中，具体地，在第一工况下，内燃机的负荷小于20％；在第二工况下，内燃机的负荷为20％至40％；在第三工况下，内燃机的负荷为40％至60％；在第四工况下，内燃机的负荷为60％至85％；在第五工况下，内燃机的负荷为85％至100％。

其中，第六工况为内燃机的负荷为20％至100％之间同时爆震传感器103检测到的数值大于爆震阈值时，以及进气压力传感器102检测到的数值大于压力阈值时的内燃机工况。在该第六工况下，通过爆震传感器103以及进气压力传感器102检测到的信号可以判断出内燃机中有异常燃烧(回火、早燃、爆震)现象，同时，通过判断爆震传感器103检测到的数值大于爆震阈值，且进气压力传感器102检测到的数值大于压力阈值时，能够判断出出现的不正常燃烧现象无法通过调整燃料喷射器61喷射时刻、第一喷射器41和第二喷射器51喷射时刻进行抑制，此时只能通过将第一喷射器41和第二喷射器51喷射的氢气量逐渐减少，燃料喷射器61的燃料喷射量逐渐增大以维持发动机输出功率不变，最终转为引燃燃料燃烧模式运行直至发动机降载停机。在一些实施例中，压力阈值以及爆震阈值的大小选取是根据不同构型的内燃机选取，例如通过多次试验试错得到的合适取值。

当内燃机的负荷为20％至100％之间，即第二至第五工况下，爆震传感器103检测到的数值小于爆震阈值，同时进气压力传感器102检测到的数值小于压力阈值时，则继续保持原有氢燃料供给策略，例如在第二工况下检测到爆震，但爆震震动的大小数值小于爆震阈值时，则继续保持第二工况下的燃料供给状态，并合理调节燃料喷射器61喷射时刻、第一喷射器41、第二喷射器51的喷射参数，如可以通过推迟燃料喷射器61和第二喷射器51喷射时刻来抑制爆震现象的发生，或通过推迟燃料喷射器61喷射时刻并增加燃料喷射器61和第二喷射器51喷射间隔可以抑制爆震的发生，或通过推迟第一喷射器41的喷射时刻来抑制早燃现象的发生，或将燃料喷射器61中的燃料分两次喷射来调整预混燃烧比例，或通过控制第二喷射器51喷射时刻晚于燃料喷射器61的喷射时刻，或在不同工况下采用上述手段同时配合优化来消除异常燃烧状态。

在一些具体的实施例中，第一连接管路43中还设置有第一压力传感器431以及第一压力调节阀432，控制单元101根据第一压力传感器431检测到的压力信号调节第一压力调节阀431，以调节第一喷射器41喷出的氢气压力。第二连接管路53中还设置有第二压力传感器531以及第二压力调节阀532，控制单元101根据第二压力传感器531检测到的压力信号调节第二压力调节阀532，以调节第二喷射器51喷出的氢气压力。第三连接管路63中还设置有第三压力传感器631以及第三压力调节阀632，控制单元101根据第三压力传感器631检测到的压力信号调节第三压力调节阀632，以调节燃料喷射器61喷出的燃料压力。控制系统101能够根据第一压力传感器431、第二压力传感器531以及第三压力传感器631来判断低压氢气、高压氢气以及引燃燃料的供给是否正常，并对应调节供给压力，以便于实现供给的精准调节。在一个具体的实施例中，第三压力调节阀632为泄压阀。在一些具体的实施例中，第一压力传感器431、第二压力传感器531以及第三压力传感器631与控制单元101通过有线电连接或无线电连接，例如通过电信号连接，第一至第三压力调节阀与控制单元101也通过有线电连接或无线电连接，例如通过电信号连接。

在一些具体的实施例中，在控制单元101控制调整第一喷射器41喷射时刻避开进气阀7以及排气阀8叠开区向进气道1内喷射氢气进入缸内燃烧室，通过避开叠开区以保证进气效率。具体地，进气阀7连接有进气凸轮71，排气阀8连接有排气凸轮81，进气凸轮71上设置有凸轮轴传感器104，控制单元1通过凸轮轴传感器104检测识别进气凸轮71的相位，以判断进气阀7以及排气阀8是否处于叠开区。

在一些具体的实施例中，排气道2中还设置有排气压力传感器21以及排气温度传感器22，排气压力传感器21以及排气温度传感器22与控制单元101通过有线电连接或无线电连接，从而能够令控制单元101判断排气道2内的温度以及压力，对燃烧组件的运行状态进行识别。

又一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种用于内燃机的氢燃料供给方法，其可以采用不限于如前所述实施例中记载的氢燃料供给系统进行供给。其包括如下步骤：

首先，根据内燃机的工作负荷，将内燃机的工作状态划分为第一工况、第二工况、第三工况、第四工况、第五工况以及第六工况，自第一工况至第五工况，内燃机的工作负荷逐渐增大。

随后，当内燃机处于第一工况下，仅朝向燃烧室喷射燃料，不通入氢气。

随后，当内燃机处于第二工况下，朝向燃烧室喷射燃料，同时仅向进气道中喷射氢气。

随后，当内燃机处于第三工况下，朝向燃烧室喷射燃料，同时向进气道中喷射氢气，以及直接向燃烧室喷射氢气。

随后，当内燃机处于第四工况下，朝向燃烧室喷射燃料，仅直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻晚于氢气的喷射时刻。

随后，当内燃机处于第五工况下，朝向燃烧室喷射燃料，仅直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻早于氢气的喷射时刻。

最后，当内燃机处于第六工况下，令朝向燃烧室喷射燃料的喷射量逐渐增大，并令向燃烧室喷射氢气的喷射量和/或向进气道喷射氢气的喷射量逐渐减小，直至仅朝向燃烧室喷射燃料，不通入氢气。

在前述实施例的基础上，内燃机的氢燃料供给方法还包括如下细节，具体地，在第一工况下，内燃机的负荷小于20％；在第二工况下，内燃机的负荷为20％至40％；在第三工况下，内燃机的负荷为40％至60％；在第四工况下，内燃机的负荷为60％至85％；在第五工况下，内燃机的负荷为85％至100％。其中，将内燃机的负荷为20％至100％之间，同时检测到的爆震数值大于爆震阈值时的工况定义为第六工况。当内燃机的负荷为20％至100％之间，同时爆震数值小于爆震阈值时，则继续保持原有氢燃料供给策略。

以下通过本内燃机的氢燃料供给方法的一具体实施例来进一步进行详述：

首先，在发动机吹车完成后，启动发动机。

最后，发动机的控制单元101控制引燃燃料低压泵64启动从引燃燃料箱中供给引燃燃料给引燃燃料高压泵65，高压泵65将引燃燃料供给到与燃料喷射器61相连的第三连接管路63中。发动机的控制单元101对第三压力传感器631的信号进行解析，控制引燃燃料供给第三压力调节阀632的开启与关闭，调节引燃燃料供给压力到目标值。开启第一储氢容器42、第一压力调节阀431、第二储氢容器52、第二压力调节阀532。发动机的控制单元101通过第一压力传感器431和第二压力传感器531输入信号判断低压和高压氢气供给是否正常，此时的发动机处于第一工况，若低压和高压氢气供给正常，则可以继续转入至下一阶段，对发动机进行启动，否则不能对发动机进行启动。

随后，发动机启动，若启动不成功，发动机的控制单元101调整燃料喷射器61喷射参数，再次进行启动，启动成功后，转入下一阶段，使得发动机进入第二工况。

当发动机加载到20％负荷，判断转速波动小于等于10rpm，发动机的控制单元101驱动第一喷射器41开启，调整第一喷射器41喷射时刻避开进气阀7、排气阀8叠开区向进气道1内喷射氢气进入缸内，并控制燃料喷射器61喷射脉宽逐渐减小，发动机的控制单元101控制第一喷射器41喷射脉宽逐渐增大以维持功率不变，切换成功则可以转入下一阶段。其中，若判断得到发动机转速波动大于10rpm，则调整燃料喷射器61的喷射策略，直至转速波动小于等于10rpm。

随后，发动机的控制单元101控制燃料喷射器61喷射脉宽逐渐减小至固定值，发动机的控制单元101控制第一喷射器41喷射脉宽逐渐增大以维持功率不变，以引燃燃料引燃预混氢气燃烧模式运行。发动机的控制单元101解析来自爆震传感器103传输的震动信号和进气压力传感器102传输的压力信息，判断是否发生回火、早燃和爆震，如若强度可控则在调整引燃燃料喷射策略后可进入第三工况；如若强度不可控则判断进入第六工况。

随后，当发动机加载至40％，发动机的控制单元101控制第二喷射器51开启，保证总氢气喷射量不变的情况下，维持第二喷射器51喷射的氢气和第一喷射器41喷射的氢气比例为20％：80％，燃料喷射器61的喷射策略保持不变，以引燃燃料引燃分层预混氢气燃烧模式运行。发动机的控制单元101解析来自爆震传感器103传输的震动信号和进气压力传感器102传输的压力信息，判断是否发生回火、早燃和爆震，如若强度可控则在调整引燃燃料喷射策略后可进入第四工况，如若强度不可控则判断进入第六工况。

当发动机加载至60％，发动机的控制单元101控制第一喷射器41关闭，控制第二喷射器51开启，第二喷射器51喷射持续期增大，控制燃料喷射器61的喷射脉宽不变，燃料喷射器61的喷射时刻晚于第二喷射器51喷射时刻，以引燃燃料引燃分层氢气稀燃模式运行。发动机的控制单元101解析来自爆震传感器103传输的震动信号，判断是否发生早燃和爆震，如若强度可控则在调整引燃燃料喷射策略后可进入第五工况，如若强度不可控则判断进入第六工况。

当发动机加载至85％，发动机的控制单元101控制第二喷射器51开启，并控制燃料喷射器61的喷射时刻早于第二喷射器51喷射时刻，以引燃燃料引燃氢气扩散燃烧模式运行。发动机的控制单元101解析来自爆震传感器103传输的震动信号，判断是否发生早燃和爆震，如若强度可控则在调整引燃燃料喷射策略并在发动机加载到100％工况并运行一段时间后发动机降载停机，如若强度不可控则判断进入第六工况。

当判断得到异常燃烧(回火、早燃、爆震)不可控时，令供给策略对应至第六工况，此时发动机的控制单元101控制第一喷射器41喷射脉宽逐渐降低，控制第二喷射器51喷射脉宽逐渐降低，控制燃料喷射器61的喷射脉宽逐渐增大，维持发动机输出功率不变，最终转为引燃燃料燃烧模式运行，至发动机降载停机。

通过前述一个或多个实施例中所记载的燃烧组件，其具备在氢燃烧模式下发出额定功率的能力，且基于该燃烧组件可以实现多种燃烧模式的组织。同时通过前述一个或多个实施例中所记载的氢燃料供给方法以及系统，能够在20％负荷及以下采用引燃燃料压燃模式，保证发动机稳定运行；在20％～100％负荷通过多种氢燃料供给方法的组合实现氢燃烧模式，通过调整燃料供给喷射参数分别形成引燃燃料引燃进气道预混燃烧模式、引燃燃料引燃进气道和直喷氢气的分层预混燃烧模式、引燃燃料引燃直喷氢气的分层预混燃烧模式和引燃燃料引燃直喷氢气的扩散燃烧模式，避免异常燃烧现象的发生保证氢内燃机稳定运行，同时利用氢气在燃烧室内分布的变化降低NO_X的生成，保证氢内燃机的性能，同时氢气替代率可达到大于等于80％的范围以满足碳减排目标。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

1.一种燃烧组件，其特征在于，包括：

燃烧室；

进气道，与所述燃烧室连通，且与所述燃烧室之间设置有进气阀；

排气道，与所述燃烧室连通，且与所述燃烧室之间设置有排气阀；

第一气体喷射单元，具有第一喷口，所述第一喷口伸入设置于所述进气道中；

第二气体喷射单元，具有第二喷口，所述第二喷口伸入设置于所述燃烧室中；以及

引燃燃料喷射单元，具有燃料喷口，所述燃料喷口伸入设置于所述燃烧室中。

2.如权利要求1所述的燃烧组件，其特征在于，所述燃烧组件包括缸盖、缸套以及活塞，所述缸盖、所述缸套以及所述活塞共同限定出所述燃烧室。

3.如权利要求2所述的燃烧组件，其特征在于，所述第二喷口以及所述燃料喷口均与所述缸盖的几何中心错开布设。

4.一种用于内燃机的氢燃料供给系统，其特征在于，包括如权利要求1至3中任一项所述的燃烧组件，所述第一气体喷射单元还包括第一储氢容器、第一连接管路以及第一喷射器，所述第一喷射器具有所述第一喷口，所述第一连接管路连通所述第一储氢容器与所述第一喷射器；所述第二气体喷射单元还包括第二储氢容器、第二连接管路以及第二喷射器，所述第二喷射器具有所述第二喷口，所述第二连接管路连通所述第二储氢容器与所述第二喷射器；所述引燃燃料喷射单元还包括燃料储存容器、第三连接管路以及燃料喷射器，所述燃料喷射器具有所述燃料喷口，所述第三连接管路连通所述燃料储存容器与所述燃料喷射器，所述供给系统还包括：

控制单元；

泵体组件，设置于所述引燃燃料喷射单元中，根据所述控制单元的指令开启或关闭；

其中，所述第一喷射器、所述第二喷射器以及所述燃料喷射器根据所述控制单元的指令开启或关闭。

5.如权利要求4所述的用于内燃机的氢燃料供给系统，其特征在于，

所述第一连接管路中还设置有第一压力传感器以及第一压力调节阀，所述控制单元根据所述第一压力传感器检测到的压力信号调节所述第一压力调节阀，以调节所述第一喷射器喷出的氢气压力；

所述第二连接管路中还设置有第二压力传感器以及第二压力调节阀，所述控制单元根据所述第二压力传感器检测到的压力信号调节所述第二压力调节阀，以调节所述第二喷射器喷出的氢气压力；

所述第三连接管路中还设置有第三压力传感器以及第三压力调节阀，所述控制单元根据所述第三压力传感器检测到的压力信号调节所述第三压力调节阀，以调节所述燃料喷射器喷出的燃料压力。

6.如权利要求4所述的用于内燃机的氢燃料供给系统，其特征在于，所述泵体组件包括设置在所述燃料储存容器中的低压泵以及设置在所述第三连接管路中的高压泵，所述低压泵用于驱使燃料供给至所述高压泵，所述高压泵用于驱使燃料供给至所述燃料喷射器。

7.如权利要求4所述的用于内燃机的氢燃料供给系统，其特征在于，所述第一储氢容器为低压氢气瓶，所述第二储氢容器为高压氢气瓶。

8.如权利要求4所述的用于内燃机的氢燃料供给系统，其特征在于，所述进气道内还设置有进气压力传感器，所述燃烧组件的缸盖上设置有爆震传感器。

9.一种用于内燃机的氢燃料供给方法，其特征在于，采用如权利要求4至8任一项所述的用于内燃机的氢燃料供给系统对内燃机的氢燃料供给进行调节，包括如下步骤：

根据内燃机的工作负荷，将所述内燃机的工作状态划分为第一工况、第二工况、第三工况、第四工况、第五工况以及第六工况，自所述第一工况至所述第五工况，所述内燃机的工作负荷逐渐增大；

当内燃机处于所述第一工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器开启，同时指令所述第一喷射器以及所述第二喷射器关闭；

当内燃机处于所述第二工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器以及所述第一喷射器开启，并指令所述第二喷射器关闭；

当内燃机处于所述第三工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器、所述第一喷射器以及所述第二喷射器同时开启，并令所述燃料喷射器的喷射时刻晚于所述第二喷射器的喷射时刻；

当内燃机处于所述第四工况下，所述控制单元指令所述第一喷射器关闭，指令所述燃料喷射器以及所述第二喷射器开启，并令所述燃料喷射器的喷射时刻晚于所述第二喷射器的喷射时刻；

当内燃机处于所述第五工况下，所述控制单元指令所述第一喷射器关闭，指令所述燃料喷射器以及所述第二喷射器开启，并令所述燃料喷射器的喷射时刻早于所述第二喷射器的喷射时刻；

当内燃机处于所述第六工况下，所述控制单元指令所述燃料喷射器的喷射量逐渐增大，并令所述第一喷射器和/或所述第二喷射器的喷射量逐渐减小，直至最终所述第一喷射器以及所述第二喷射器均关闭，仅所述燃料喷射器开启。

10.如权利要求9所述的用于内燃机的氢燃料供给方法，其特征在于，在所述第一工况下，所述内燃机的负荷小于20％；在所述第二工况下，所述内燃机的负荷为20％至40％；在所述第三工况下，所述内燃机的负荷为40％至60％；在所述第四工况下，所述内燃机的负荷为60％至85％；在所述第五工况下，所述内燃机的负荷为85％至100％；

其中，在所述进气道内还设置有进气压力传感器，所述燃烧组件的缸盖上设置有爆震传感器，将所述内燃机的负荷为20％至100％之间，同时所述爆震传感器检测到的数值大于爆震阈值、以及进气压力传感器检测到的数值大于压力阈值时的工况定义为所述第六工况；

当所述内燃机的负荷为20％至100％之间，所述爆震传感器检测到的数值小于所述爆震阈值时，则继续保持原有氢燃料供给策略。

11.一种用于内燃机的氢燃料供给方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据内燃机的工作负荷，将所述内燃机的工作状态划分为第一工况、第二工况、第三工况、第四工况、第五工况以及第六工况，自所述第一工况至所述第五工况，所述内燃机的工作负荷逐渐增大；

当内燃机处于所述第一工况下，仅朝向燃烧室喷射燃料，不通入氢气；

当内燃机处于所述第二工况下，朝向燃烧室喷射燃料，同时仅向进气道中喷射氢气；

当内燃机处于所述第三工况下，朝向燃烧室喷射燃料，同时向进气道中喷射氢气，以及直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻晚于氢气的喷射时刻；

当内燃机处于所述第四工况下，朝向燃烧室喷射燃料，仅直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻晚于氢气的喷射时刻；

当内燃机处于所述第五工况下，朝向燃烧室喷射燃料，仅直接向燃烧室喷射氢气，同时令燃料的喷射时刻早于氢气的喷射时刻；

当内燃机处于所述第六工况下，令朝向燃烧室喷射燃料的喷射量逐渐增大，并令向燃烧室喷射氢气的喷射量和/或向进气道喷射氢气的喷射量逐渐减小，直至仅朝向燃烧室喷射燃料，不通入氢气。

12.如权利要求11所述的用于内燃机的氢燃料供给方法，其特征在于，在所述第一工况下，所述内燃机的负荷小于20％；在所述第二工况下，所述内燃机的负荷为20％至40％；在所述第三工况下，所述内燃机的负荷为40％至60％；在所述第四工况下，所述内燃机的负荷为60％至85％；在所述第五工况下，所述内燃机的负荷为85％至100％；

其中，将所述内燃机的负荷为20％至100％之间，同时检测到的爆震数值大于爆震阈值以及检测到的进气道压力数值大于压力阈值时的工况定义为所述第六工况；

当所述内燃机的负荷为20％至100％之间，同时爆震数值小于所述爆震阈值，所述进气道压力数值小于所述压力阈值时，则继续保持原有氢燃料供给策略。