CN100395317C - 一种均质预混和压燃发动机的燃料添加剂 - Google Patents

Abstract

一种均质预混和压燃发动机的燃料添加剂，属于燃料添加剂技术领域。均质预混和压燃发动机低负荷易失火、高负荷易爆震、运行工况较窄。采用添加剂是解决上述问题的相对简单可行的技术路线。本发明提供的添加剂，由着火促进剂(质量%)二叔丁基过氧化物：5～30；叔丁基过氧化氢：5～35；过氧化苯甲酸叔丁酯：2～20；过氧化二异丙苯：2～20；过氧化氢异丙苯：2～20；抗爆剂(质量%)乙醇：5～30；甲醇：1～10；甲基叔戊基醚：5～20；二茂铁：1～10组成。采用本发明提供的添加剂，能有效拓宽HCCI发动机的运行范围，较大幅度降低HC和CO排放。

Description

一种均质预混和压燃发动机的燃料添加剂

技术领域

一种能改善均质预混和压燃(HCCI)发动机燃烧状况的燃料添加剂，属于燃料添加剂技术领域。

背景技术

随着汽车工业在全球范围内的不断发展和人们对汽车动力性、经济性更高的追求以及世界各国汽车排放标准的日益严格，这些都迫使人们对目前的汽车状况进行思考，特别关注的是，如何对汽车的心脏-发动机重新进行设计和改造，实现更高效、更环保的目标。传统的发动机(汽油机、柴油机)有各自的长处和弱点，能否设计一个可以结合二者优点的新型发动机呢？答案是肯定的，人们正在开发一种综合汽油机和柴油机优点的均质预混和压燃发动机。

柴油机采用高压缩比，具有高的热效率，较低的HC和CO排放，却产生较高的氮氧化物和颗粒，而这两种排放物较难处理且后处理成本较高。汽油机采用低压缩比预混合燃烧，热效率较低，采用当量比闭环控制和三元催化器可大幅度降低汽油机的排放。由此可见，在热效率方面柴油机优于汽油机，但在排放处理方面，汽油机优于柴油机。如能把柴油机的优点(高压缩比)和汽油机的优点(均质预混合)结合起来，则有可能使发动机实现高效、低排放。HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)发动机就是综合了汽油机和柴油机优点的均质预混合压燃着火发动机。高压缩比实现高热效率，均质预混合实现低排放。由于HCCI燃烧由燃烧边界条件和燃料化学协同控制，因此，着火时刻难于控制，低负荷易失火，高负荷易爆震，运行工况较窄。但在HCCI实现的运行工况内，HCCI发动机具有较高的热效率(接近柴油机)，极低的NO_x排放(10ppm以下)和与传统汽油机相当的HC和CO排放。由此可见，如能拓宽HCCI发动机的运行工况范围，则HCCI发动机具有广泛的应用前景。

采用可变压缩比、可变气门正时、进气预热等技术手段可有效拓宽HCCI发动机的工况范围，但可变压缩比、可变气门正时等技术目前尚不成熟且价格昂贵，短期内难以推广使用，而且由于进气预热时间较长，难以满足车辆瞬态控制的实际要求。采用添加剂就成为一条相对简单可行的技术路线，即通过在燃料中加入适量的着火促进剂(initiator)拓宽HCCI发动机的低负荷燃烧范围，在燃料中加入适量的抗爆剂(inhibitor)降低燃烧反应速率，拓宽HCCI发动机的高负荷工作范围。添加少量的HCCI燃油添加剂可以很好的控制HCCI的燃烧过程，改善着火并延长燃料的燃烧时间，增加发动机的动力输出。燃烧反应是自由基的链式反应，通过对燃料(例如，异辛烷)的基元反应分析，可以知道在低温(＜1000℃)和高温(＞1000℃)温度区域分别有不同的控速基元反应和关键物种。例如，对于异辛烷的燃烧反应，在低温区域，C₇H₁₅·+O₂＝C₇H₁₅OO·为控速反应，C₇H₁₅·为关键的反应物种；在高温区域，烷基自由基的裂解成小分子碎片的反应为控速反应。通过选择某些在低温可以分解生成活性自由基的物质作为着火促进剂，利用自由基的链引发反应实现燃料的HCCI着火；选择某些在高温可以分解生成惰性物质和高辛烷值物质作为燃烧抑制剂，淬灭一些自由基反应，控制高负荷的燃烧速率，解决HCCI发动机高负荷爆震的问题。本发明选择若干有机过氧化物作为着火促进剂，若干醇类和醚类化合物作为抗爆剂，通过大量实验确定各种物质在添加剂中的浓度范围及在燃料中的添加剂量范围。

发明内容

为了解决HCCI发动机低负荷容易失火问题，本发明通过在燃料中加入适量的添加剂(过氧化物)，利用过氧化物在低温下分解生成的活性自由基，引发燃油的链式反应来拓宽HCCI发动机的低负荷燃烧范围。为了解决HCCI发动机高负荷容易爆震的问题，本发明通过在燃料中添加适量的醇类和醚类抗爆剂抑制高负荷的燃烧速率，控制爆震。

一种均质预混和压燃发动机的燃料添加剂，其特征在于，包括以下质量百分含量的物质：

二叔丁基过氧化物：5～30；

叔丁基过氧化氢：5～35；

过氧化苯甲酸叔丁酯：2～20；

过氧化二异丙苯：2～20；

过氧化氢异丙苯：2～20；

乙醇：5～30；

甲醇：1～10；

甲基叔戊基醚：5～20；

二茂铁：1～10。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将质量分数为0.2～5％的含有上述物质的燃料添加剂添加到高辛烷值燃料中形成HCCI发动机燃料，采用电喷汽油机的供油系统将HCCI发动机燃料喷射到各缸的进气道中，燃料与空气预混后进入汽缸压缩着火，由于添加剂中过氧化物在低温下的引爆作用，HCCI发动机可在较低的负荷和温度下可靠着火。随着喷油量和HCCI发动机负荷的增加，同时燃烧的燃油量增加，燃烧速率过快，此时，燃料中的醇类、醚类物质在高温下分解产生的中间物质使部分活性自由基淬灭，达到降低燃烧速度、控制爆震的目的。

本发明的有益效果是，通过在燃料中加入添加剂，改善了燃料的物化特性，使其能在较宽广的负荷范围内正常燃烧，实现了HCCI发动机的宽范围运行，避免使用可变气门正时、可变压缩比等昂贵复杂技术，为HCCI发动机的低成本实现提供了一条可行的技术途径。

本发明添加剂的配制过程十分简单，只要将各组分按一定的质量分数混合并充分搅拌均匀，即可直接加到燃料中，添加剂原料均可采用工业品级原料。

具体实施方式

添加剂1：

二叔丁基过氧化物：18；叔丁基过氧化氢：22；过氧化苯甲酸叔丁酯：15。过氧化二异丙苯：10；过氧化氢异丙苯：8；乙醇：10；甲醇：6；甲基叔戊基醚：7；二茂铁：4。

添加剂2：

二叔丁基过氧化物：22；叔丁基过氧化氢：12；过氧化苯甲酸叔丁酯：15；过氧化二异丙苯：14；过氧化氢异丙苯：10；乙醇：10；甲醇：6；甲基叔戊基醚：7；二茂铁：4。

添加剂3：

二叔丁基过氧化物：27；叔丁基过氧化氢：35；过氧化苯甲酸叔丁酯：7；过氧化二异丙苯：6；过氧化氢异丙苯：6；乙醇：8；甲醇：3；甲基叔戊基醚：5；二茂铁：3。

添加剂4：

二叔丁基过氧化物：30；叔丁基过氧化氢：10；过氧化苯甲酸叔丁酯：20；过氧化二异丙苯：10；过氧化氢异丙苯：8；乙醇：8；甲醇：6；甲基叔戊基醚：6；二茂铁：2。

实例1：

把添加剂1按质量分数0.2％添加到90号商品汽油中，在发动机水温和机油温度均为90度时进行HCCI燃烧实验，HCCI发动机的负荷从从原90号汽油的(过量空气系数)2.8～3.3拓展到2.7～3.5，HC从原机的510ppm～4000ppm降低到440ppm～3500ppm，HC排放平均降低12％；CO从原机的0.07％～0.78％降低到0.055％～0.62％，CO平均降低21％。

实例2：

把添加剂2按质量分数0.5％添加到90号商品汽油中，在发动机水温和机油温度均为90度时进行HCCI燃烧实验，HCCI发动机的负荷从从原90号汽油的(过量空气系数)2.8～3.3拓展到2.6～3.6，HC从原机的510ppm～4000ppm降低到418ppm～3280ppm，HC排放平均降低18％；CO从原机的0.07％～0.78％降低到0.052％～0.58％，CO平均降低26％。

实例3：

把添加剂3按质量分数2％添加到90号商品汽油中，在发动机水温和机油温度均为90度时进行HCCI燃烧实验，HCCI发动机的负荷从从原90号汽油的(过量空气系数)2.8～3.3拓展到23～3.8，HC从原机的510ppm～4000ppm降低到326ppm～2560ppm，HC排放平均降低36％，CO从原机的0.07％～0.78％降低到0.037％～0.41％，CO平均降低47％。

实例4：

把添加剂4按质量分数5％添加到90号商品汽油中，在发动机水温和机油温度均为90度时进行HCCI燃烧实验，HCCI发动机的负荷从从原90号汽油的(过量空气系数)2.8～3.3拓展到2.1～4.2，HC从原机的510ppm～4000ppm降低到244ppm～1920ppm，HC排放平均降低52％，CO从原机的0.07％～0.78％降低到0.027％～0.3％，CO平均降低61％。

上述实例的发动机台架试验结果表明，采用本发明提供的添加剂能有效拓宽HCCI发动机的运行范围，较大幅度降低HC和CO排放。

Claims (1)

1.一种均质预混和压燃发动机的燃料添加剂，其特征在于，包含以下质量百分含量的物质：

二叔丁基过氧化物：5～30；

叔丁基过氧化氢：5～35；

过氧化苯甲酸叔丁酯：2～20；

过氧化二异丙苯：2～20；

过氧化氢异丙苯：2～20；

乙醇：5～30；

甲醇：1～10；

甲基叔戊基醚：5～20；

二茂铁：1～10。