一种主动预燃室射流点火的氢氧内燃机及控制方法

本发明提出了一种主动预燃室射流点火的氢氧内燃机及控制方法，具体涉及一种主动预燃室射流点火的氢氧内燃机系统设计及控制方法，属于内燃机领域。

背景技术：

1、发展航天事业无论是对于科学、经济还是国防都有着重大意义。随着科学技术的进步，人类对于航天的探索愈发深入，增加航天器在轨运行时间的需求也应运而生。内燃机的发展历史已有一百多年，已经形成了一套成熟的产业链，利用内燃机发电为航天器供电来延长其在轨运行时间是一个可行的解决方案。

2、氢气的质量能量密度极高，是传统燃料的3倍左右，低温下可以液态形式储存，且在宇宙中广泛分布，是用于航天的理想燃料。然而在航天条件下，环境中可用的氧化剂极少，因此必须携带高效的氧化剂，以满足稳定燃烧和减轻重量的要求。氧气作为一种最常见的高效氧化剂，在航天中得到广泛应用，因此可将氧气作为此内燃机的氧化剂。氢气和氧气分别作为燃料和氧化剂，可以实现高效燃烧，并且燃烧产物只有水，对于保持航天器内部环境清洁也有着重要意义。

3、传统的内燃机以气道喷射为主，但对于氢氧内燃机，如果氢气、氧气在进气道进行预混，容易出现早燃、回火和爆震等问题，严重时会对内燃机造成损伤，不利于内燃机的长久稳定运行。采用缸内直喷的方法可以避免进气道预混的现象，但是氢氧反应活性较高，燃烧会产生极高温度的火焰，气体喷嘴直接伸入缸内与高温火焰接触，导致其使用寿命较短，难以满足长期航天任务的需求。

4、基于主动预燃室的射流点火，是通过点燃预燃室内少量的氢氧混合气，使其燃烧升压，将剩余未燃的物质和高温火焰以射流的形式喷入主燃室内，引燃主燃室中的混合气。这种方法既可以避免氢气和氧气在进气道中的预混，解决异常燃烧的问题，同时预燃室内只燃烧少量混合气，释放热量有限，能够尽可能地保护气体喷嘴，延长其使用寿命。

5、综上所述，设计了一种主动预燃室射流点火的氢氧内燃机及其控制方法，使其能在需求功率稳定运行，实现在航天条件下为航天器发电的功能。

技术实现思路

1、一种主动预燃室射流点火的氢氧内燃机，包括：

2、内燃机系统(p1)，其中有内燃机(13)、主动预燃室(18)、进气门(14)、排气门(21)；氧气供应系统(p2)，其中有储氧罐(1)、减压阀(2)、氧气气体流量控制器(3)、单向阀(4)、阻燃阀(5)、高压氧气喷嘴(16)；氢气供应系统(p3)，其中有储氢罐(6)、减压阀(7)、氢气气体流量控制器(8)、单向阀(9)、阻燃阀(10)、氢气压力传感器(11)、电子节气门(12)；控制系统(p4)，其中有电子控制单元ecu(24)、曲轴位置信号传感器(23)、转速信号传感器(22)、缸内压力传感器(15)、缸内温度传感器(19)、氧传感器(20)、火花塞(17)；

3、所述主动预燃室(18)设置于缸盖顶部的中心位置，其上安装了火花塞(17)和高压氧气喷嘴(16)，底部中心设置了直径4mm的单喷孔，预燃室体积为主燃室的8％；

4、所述电子控制单元ecu(24)分别与氧气气体流量控制器(3)、氢气气体流量控制器(8)、氢气压力传感器(11)、电子节气门(12)、曲轴位置信号传感器(23)、高压氧气喷嘴(16)、缸内压力传感器(15)、火花塞(17)、缸内温度传感器(19)、转速信号传感器(22)、氧传感器(20)有信号交互；

5、进气冲程时，ecu(24)控制电子节气门(12)打开，储氢罐(6)中的纯氢气通过氢气供应系统(p3)，依次经过减压阀(7)、氢气气体流量控制器(8)、单向阀(9)、阻燃阀(10)、氢气压力传感器(11)、电子节气门(12)、进气门(14)进入到气缸内；ecu(24)根据所需输出功率，计算每循环喷氧量，发送喷射信号f驱动高压氧气喷嘴(16)；储氧罐(1)中的纯氧气通过氧气供应系统(p2)，依次经过减压阀(2)、氧气气体流量控制器(3)、单向阀(4)、阻燃阀(5)、高压氧气喷嘴(16)喷入预燃室(18)中，形成高压氧气区域，并随着活塞下行，缸内出现真空度，在压差的作用下氧气通过预燃室的喷孔进入缸内，形成富氢混合气；

6、压缩冲程时，活塞上行，缸内压力升高，部分富氢混合气通过预燃室(18)的喷孔被压入预燃室内，ecu(24)再次发送喷射信号f驱动高压氧气喷嘴(16)喷射氧气，在预燃室中形成富氧混合气；ecu(25)在上止点前发送点火信号h驱动火花塞(17)点火；

7、做功冲程时，预燃室(18)中的富氧混合气剧烈燃烧升压，将燃烧的火焰和未燃烧完的高温氧气以射流的形式喷入主燃室内，引燃主燃室中的富氢混合气，主燃室中燃烧产生的巨大压升推动活塞下行做功；

8、排气冲程时，排气门(21)打开，活塞上行将缸内气体排出，内燃机完成一次循环。

9、一种主动预燃室射流点火的氢氧内燃机的控制方法，包括：

10、(1)、燃烧控制策略

11、ecu(24)发送节气门开关信号d打开电子节气门(12)向缸内进氢，设置氢气流量为ecu(24)根据所需输出功率p计算出每循环燃烧所需氧气量(其中p为输出功率，η为能量转化效率，为氢气低热值，n为内燃机转速)，发出喷射信号f驱动高压氧气喷嘴(16)，并设置进气冲程喷射时刻为上止点前240°ca，喷射脉宽为10°ca，压缩冲程喷射时刻为上止点前60°ca，喷射脉宽为10°ca；ecu(24)发送点火信号h驱动火花塞(17)点火，并设置点火时刻为上止点前18°ca；

12、ecu(24)通过氧传感器(20)接收氢氧当量比信号k，若此时氢氧当量比(为额定工况时的氢氧当量比)，ecu(24)发送氢气流量信号b控制氢气气体流量控制器(8)增加氢气流量，直至若此时氢氧当量比ecu(24)发送氢气流量信号b控制氢气气体流量控制器(8)减少氢气流量，直至

13、(2)、回火控制策略

14、若在进气冲程时，ecu(24)通过缸内压力传感器(15)检测到存在缸压上升的现象，则判断此时出现回火；ecu(24)在下一循环推迟5°ca发送进气冲程喷射信号f，喷射脉宽保持不变；ecu(24)继续检测后10个循环的缸压情况，若仍存在回火现象，则重复上述动作，直至消除回火现象；

15、若进气冲程喷射时刻推迟至上止点前200°ca仍存在回火现象，则ecu(24)在下一循环停止在进气冲程发送喷射信号f，压缩冲程喷射信号保持不变；

16、(3)、早燃控制策略

17、若在压缩冲程时，ecu(24)检测到早燃现象，则ecu(24)在下一循环减少进气冲程喷射脉宽2°ca，喷射时刻保持不变；ecu(24)继续检测后10个循环情况，若仍存在早燃现象，则重复上述动作，直至消除早燃现象；

18、若进气冲程喷射脉宽减少至0°ca仍存在早燃现象，则ecu(24)在下一循环推迟5°ca发送压缩冲程喷射信号f；ecu(24)继续检测后10个循环情况，若仍存在早燃现象，则重复上述动作，直至消除早燃现象；

19、(4)、爆震控制策略

20、若在压缩冲程时，ecu(24)通过缸内压力传感器(15)检测到剧烈的压升，则判断此时出现爆震；ecu(24)在下一循环推迟2°ca发送点火信号h；ecu(24)继续检测后10个循环的缸压情况，若仍存在爆震现象，则重复上述动作，直至消除爆震现象；

21、若点火时刻推迟至上止点前10°ca时仍存在爆震现象，则ecu(24)在下一循环减少压缩冲程的喷射脉宽2°ca，喷射时刻保持不变；ecu(24)继续检测后10个循环的缸压情况，若仍存在爆震现象，则重复上述动作，直至消除爆震现象；

22、若压缩冲程的喷射脉宽减少至4°ca时仍存在爆震现象，则ecu(24)发送节气门开关信号d关闭电子节气门(12)，并发送流量信号控制氢气气体流量控制器(8)和氧气气体流量控制器(3)，切断氢气和氧气流量，完成停机。