CN101438152B - 用于使hcci发动机工作范围最佳化和使尾气排放最小化的燃料的选择 - Google Patents
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Abstract
通过使燃料的可燃性与发动机的压缩比匹配，从而优化DI HCCI发动机的操作，使负荷能力和负荷范围最大化。
Description
相关申请
本申请与2006年4月20日(20/4/2006)提交的美国申请US11/407,525相关，并要求其优先权。
技术领域
本发明的公开内容概括地说涉及控制内燃机操作的方法，并且更特别地涉及选择用于优化均质充量压缩点火(HCCI)发动机操作控制的燃料的方法。
背景技术
依据空气/燃料进料中的混合量和所述进料如何点火可将内燃机定义分为四类。在标准汽油发动机中，空气和燃料被预先混合成为充分混合的进料，该进料利用电火花点火。在标准柴油发动机中，在活塞的压缩冲程过程中，燃料被喷雾进入到气缸中。当由于压缩导致的温度上升引起燃烧时，空气和燃料没有充分地混合。在均质充量压缩点火(HCCI)发动机中，空气和燃料充分地混合，之后由于压缩而自点火。在HCCI发动机中，空气和燃料可以如在汽油发动机中那样被预先混合，或燃料能像柴油一样直接喷射，但是在点火以前要更早地使空气/燃料更好地混合。与标准的柴油燃烧对比，更好的空气/燃料混合产生低得多的NOx和PM排放，其中在标准的柴油燃烧中富燃料/空气穴导致生成烟灰，以及环绕喷吹燃料的火焰导致高的NOx。因为没有阻塞以及因为可以使用更高的压缩比，所以，与汽油发动机相比较，HCCI具有更好的燃料经济性。
对于HCCI的主要难题不仅是燃烧太迅速，而且缺少触发点火事件。一旦HCCI发动机气缸中的温度足够的高，则预先混合的空气/燃料混合物迅速燃烧。如果燃烧太迅速，那么会产生高的压力升高速率，引起过多的噪音和可能的发动机损坏。缺少点火触发事件使得更难以控制HCCI发动机。在汽油发动机中，电火花引发点火，而在柴油机中，喷射到热压缩空气中的燃料引发点火。这些手段不能用于控制在HCCI发动机中的点火时机和持续时间。
对于HCCI发动机，另外的难题是为了控制燃烧相位、汽缸压力、汽缸压力上升速度和/或NOx排放而使用高过量的空气/燃料比和/或高的EGR率导致的有限的负荷范围。
目前，HCCI发动机面临的一些难题包括：
有限的负荷范围；
对于HCCI燃料点火性能，缺少普遍的然而实用的控制措施；和
在使用柴油沸程燃料操作过程中，过多的微粒/烟雾排放，特别在高的发动机负荷下。
HCCI技术仍处于相对初期的开发，然而由于其优异的废气排放和燃料效率特性，因而具有极大的发展前景。全世界正在开发不同型式/构造的HCCI发动机。它们的商业化进程主要受到如下技术难题的阻止，包括有限的负荷范围、难以控制燃烧相位和过度的热释放速度。为解决一些与HCCI相关的难题以及抓住这样的机会，从2002年秋天，Caterpillar与ExxonMobil公司开始执行协作研究与开发合同。本发明的公开内容是他们共同工作的结果。
在以下的公开中，柴油定义为在大气压力下沸点在约150℃至380℃温度范围之内的烃的混合物，而汽油定义为在大气压力沸点在约25℃至220℃温度范围之内的烃的混合物。
为了控制燃烧相位、峰值汽缸压力、汽缸压力上升速度和/或NOx 排放，HCCI发动机在高的空气/燃料比和/或高的EGR率下操作。这限制了在发动机循环过程中可被燃烧的燃料量，并因此限制了最大可获得发动机负荷。例如，如果在相同的类柴油压缩比下进行比较，使用典型的十六烷值为45的US柴油操作的HCCI发动机，最多仅能产生可由可比的柴油机获得的1/3的负荷。
发明内容
本申请的公开内容的一个方面是从多种燃料中选择一种燃料用于优化HCCI发动机的操作。该方法包括如下步骤：根据ASTM方法D6890确定待被测试的多种基于液态烃的燃料配方的导出十六烷值(DCN)，以在相同的标准上评价所述的燃料；测试所述的多种燃料配方以确定每一种相对于它们各自的DCN的自燃性；和使经测试的所述多种燃料配方中的一种的燃料可燃性与所述的HCCI发动机压缩比(CR)匹配，以确定能够使所述的发动机在给定CR下、在最高负荷下以及在最宽的负荷范围内操作的燃料配方。
本申请的公开内容的另一个方面是选择用于多种HCCI发动机燃料配方的方法。该方法包括如下步骤：测试多种燃料以确定每一种燃料的可燃性；和使用所测试的所述多种燃料的配方的每一种运行所述的HCCI发动机的每一种，以确定对于每一种给定CR发动机，能使其负荷能力和负荷范围达到最大的燃料配方。
附图说明
下面参考附图描述本发明公开内容的多种实施方式，其中相同的对象由相同的附图标记表明，其中：
图1显示当操作HCCI发动机时，选择测试燃料以评价燃料可燃性、化学组成和挥发性影响的示意框图；
图2是说明所测试的汽油的特性的表；
图3是说明所测试的柴油的特性的表；
图4是说明用于测试多种燃料的单气缸直接喷射(DI)HCCI发动机 的规格的表；
图5显示，在每分钟1200的转数下以千帕斯卡(BMEP，kPa)表示的最大和最小可获得制动平均有效压力或发动机负荷相对于导出十六烷值的曲线，还显示了最大和最小可获得负荷的最佳似合曲线；
图6显示在每分钟1800的转数下以千帕斯卡(BMEP，kPa)表示的最大和最小可获得制动平均发动机压力或发动机负荷相对于导出十六烷值的曲线，还显示了最大和最小可获得负荷的最佳似合曲线；
图7显示在不同的发动机压缩比下，最大和最小可获得发动机负荷相对于导出十六烷值的曲线；
图8显示(R+M)/2和十六烷值相对于导出十六烷值的曲线；
图9显示对于高芳族化合物柴油、低芳族化合物柴油、高芳族化合物汽油和低芳族化合物汽油，在1200rpm下，以Bosch烟雾单位(BSU)计的烟雾量相对于发动机负荷(BMEP/kpa)的曲线；
图10显示分别对于高芳族化合物柴油、低芳族化合物柴油、高芳族化合物汽油和低芳族化合物汽油，在1800rpm下，烟雾量相对于发动机负荷的曲线；
图11是显示了在图9和10的曲线中使用的燃料系列的表；和
图12是说明与所测试的燃料系列有关的平均烟雾数据的表。
详细描述
使用单一参数表征包括汽油和柴油二者的宽范围的燃料的点火性有助于燃料供应商、发动机制造公司和最终用户。由本发明的发明人进行的测试表明：具有相同的根据ASTM方法D6890确定的导出十六烷值的基于液态烃的燃料在DI HCCI发动机中显示出相同的自燃性，并能够使HCCI操作达到相同的最大负荷和处于相同的负荷范围之内，无论它们的沸程和烃组成如何。因此由ASTM方法D6890确定的导出十六烷值被提出作为在DI HCCI发动机中使用的汽油和柴油二者自燃性的通用量度。尽管本文中更详细地描述了与本发明公开内容有关的DI HCCI，但应该理解其它类型的HCCI发动机(非直接喷射)也可以与本发明的公开一起应用以实现类似的结果。另外，还应该理解术语DI HCCI或HCCI可以可互换地使用描述任何的这种HCCI发动机。
低芳族化合物汽油沸程燃料在整个发动机操作范围之内基本上不排放烟雾，而高芳族化合物汽油在中等和重度负荷下排放少量的烟雾。发现柴油沸程燃料在高负荷和接近化学计量的操作条件下排放大量的烟雾。另外，显示出当使用柴油或汽油操作发动机时，所述燃料的芳族化合物含量的增加会增加烟雾排放。由于烟雾排放的明显减少可以消除对颗粒过滤器的需要，或至少能够使用较低效率的过滤器，所以提出一种控制从DI HCCI发动机的烟雾排放的方法，所述的方法要求这种发动机用柴油或汽油加注燃料，其中所述燃料的芳族化合物含量被控制低于标明的限度。
燃料对DI HCCI发动机性能的影响表明：通过匹配燃料的点火性与发动机的压缩比能实现最高的最大负荷和最宽的负荷范围，而且宽范围的燃料化学组成可用于实现宽范围的发动机操作负荷。如图1的饼式图形所示，仔细设计测试燃料以评价燃料可燃性、化学组成和挥发性对HCCI发动机操作的影响。导出十六烷值(DCN)用作可燃性参数。具有高DCN的燃料容易点火，而具有低DCN的燃料更耐受点火。所述测试燃料覆盖宽范围的燃料可燃性、化学组成和挥发性。分别评价两个挥发性范围：在汽油沸程的高挥发性燃料4和8，和在柴油沸程的较低挥发性燃料2、6和16。在每一挥发性范围之内，构成具有高芳族化合物和低芳族化合物含量的两个燃料组成系列。最后，有两个水平的可燃性，具有高DCN的燃料16，和具有低DCN的燃料2、4、8和6。更具体地说，在“低DCN”范围内，和汽油4对比，柴油2具有更高的芳族化合物含量10和更低的烷属烃含量14。燃料16代表普通US柴油，具有几乎等于环烷12、芬烃10和烷属烃含量14。测试燃料组成随着导出十六烷值、挥发性和芳族化合物含量变化显著变化。在挥发性更大的燃料中的芬烃物质具有一个环和短的烷属烃侧链，而在挥发性不太大的燃料中的芳族化合物具有1-3个环和更长的烷属烃侧链。类似地，所述烷属烃物质在分子大小和支化方面不同。标记为12的部 分在柴油中主要是环烷烃，和在汽油中是烯烃和环烷烃。所有这些因素都能影响燃料的化学组成和点火。
对于汽油和柴油，分别在图2和3中显示的表中提供测试燃料的特性。在图2和3中的燃料对应于在图1中描述的燃料实验设计。例如，参考图2，开发了一系列汽油组合物G11、G12和G13，它们每一种对应于在图1中由参考数字8概括标明的燃料组成。在一些情况下，开发系列的燃料，以测试在图1中通常标示为燃料组成2、6和8在组成和可燃性方面较小的变化。汽油组合物G23与图1中通常标明的燃料组成4有关。类似地，参考图3，开发一系列柴油组合物D12、D12-C和D15，其对应于图1的概括标明的燃料组成2。开发柴油组合物D13与和D13-B，其对应于图1中概括标明的燃料组成6。同样，柴油组合物D14对应于图1中概括标明的燃料组成16。如图3所示，柴油的导出十六烷值(DCN)的范围为23.4至45.0，和芳族化合物含量为13.9至65.4％。如图2所示，汽油的导出十六烷值的范围为27.2至32.4，和(R+M)/2辛烷值为62.5至80.7，其中对于燃料G11、G12和G13，所述芳族化合物含量基本上相同(约13％)，但是对于汽油组合物G23，显著更高(35.6％)。测试的汽油和柴油各自的蒸馏性质接近相当。因此，本发明发明人发现：导出十六烷值是用于评定燃料可燃性有用的参数，因为汽油和柴油二者都能在相同的标准上评价。
图1至3中描述的燃料给宽范围的燃料化学组成提供可燃性，所述的可燃性通过作为在商品汽油和柴油之间的媒介的DCN确定。如在图1中所示意，挥发性、可燃性和芳族化合物含量的变化对在宽的组成类别之内的燃料化合物的性质具有明显的影响。例如，如图1所示，增加挥发性减少了烷属烃分子的尺寸，并减少了在芳族化合物分子上的烷属烃侧链的长度。因此，燃料组成的范围甚至比图2和3中的组成变量描述的范围更宽。使用宽沸程燃料在整个宽组成范围内提供相同的可燃性是所述测试的重要组成部分。
单气缸DI HCCI发动机用于这些测试中。在图4中显示的表中提供它的规格。对于在该研究中使用的压缩比，对于这种发动机建立的目标制动平均有效压力(BMEP)在1200rpm下为1600kPa，在1800rpm下为1400kPa。峰值汽缸压力和汽缸压力上升速率分别在18兆帕斯卡(MPa)和3MPa/度曲柄角时达到极限。指示平均有效压力(IMEP)的偏离系数限制在5％。
如图5和6所示，对于具有DCN>27的测试燃料而言，当燃料的导出十六烷值减少时，最大和最小可获得发动机负荷曲线18和20分别增加，。特别地，以较快的速率增加的最大可获得发动机负荷导致发动机负荷范围的扩展。如图5所示，在1200rpm时，实现1600kPa的目标BMEP水平需要使用导出十六烷值等于或低于约28的燃料。如图6所示，在1800rpm时，实现1400kPa的目标BMEP水平需要使用导出十六烷值等于或低于约32的燃料。相对于使用典型的US柴油(燃料D14，DCN＝45)的操作，最大可获得负荷的增加，在1200rpm时为60％(从约1000kPa至1600kPa)，和在1800rpm时为40％(从约1000kPa至1400kPa)。同时，在1200rpm时负荷范围增加55％(从760kPa至1180kPa)，在1800rpm时增加25％(从840kPa至1050kPa)。
在一套速度/负荷条件下，即在1200rpm和600kPa的BMEP下，只有使用柴油D15(DCN＝23.4)才可获得稳定燃烧，这表明在测试的实验条件下，对于成功的HCCI操作(至少对于柴油)，存在最低的DCN限制。如在图6中所述的，预期类似的最低DCN限制同样适用于速度为1800rpm的情况，因为1800rpm代表更苛刻的操作条件。
由于为控制燃烧相位而减少对EGR(废气再循环)的需要，燃料可燃性的减小能够在DI HCCI发动机(对于DCN>27)中实现更高的负荷水平，因此使其能够增加气缸进料中的空气量。因此，更多的燃料可被喷射进入气缸之内，导致发动机输出功率增加。由于发动机加注燃料的增加，最低可获得发动机负荷随着燃料可燃性的降低而增加，需要 发动机加注燃料与延缓的喷油定时一起操作，以保证大约在活塞的TDC(上止点)位置处开始燃烧，并保证NOx排放限制在可接受限值之内。
如图5和6表明，燃料的可燃性能够与DI HCCI发动机的压缩比匹配以实现最高的负荷和最宽的HCCI负荷范围。如在图7中所示意那样，预期随着压缩比的变化，最优的燃料可燃性要求同样将改变，但建立那些要求的原则保持不变。在图7中分别显示了对于发动机压缩比CR1、CR2和CR3，最大可获得负荷曲线22、24和26。同样，在图7中分别显示了对于压缩比CR1、CR2和CR3，最小可获得负荷曲线28、30和32。值得注意的是：尽管DCN在图5、6和7中用于表征燃料的点火性，但同样可以使用燃料可燃性的其它的量度，例如辛烷值或十六烷值。然而，在优选实施方案中，包括柴油和/或汽油制剂的、每一种具有通过DCN测量的燃料可燃性的宽范围的基于液态烃的燃料在表中被列出，表明每一种燃料制剂，其DCN，以及如下DI HCCI发动机压缩比，对于所述DI HCCI发动机，每一种燃料制剂能提供最优化的高发动机负荷和负荷范围。
总之，本发明公开内容的一个实施方式定义了为了增加它们能产生的极限负荷和使在HCCI可操作的负荷范围达到最大值，使DI HCCI发动机压缩比和燃料可燃性要求匹配的方法。具有与典型US柴油相比的减少的可燃性的燃料能够实现更高的发动机压缩比和更高效的操作。因此，能最大程度地并最高效率地利用DI HCCI技术独特的燃料效率和尾气排放优点。
由包括宽范围燃料化学组成和挥发性的燃料得到的结果描述在图5和6中。使用如下燃料获得高的发动机负荷，所述燃料采用了低或高沸点范围以及燃料芳族化合物含量为12.7至65.4％的。这表明能利用宽范围的燃料组成和挥发性实现高的发动机负荷。
应当指出名为“通过在等容室内燃烧确定柴油点火延迟和导出十六烷值(DCN)的标准测试方法”的ASTM方法D6890覆盖33至60的DCN范围，并定义了它的精确度。然而，在该方法中用于从点火延迟数据计算DCN的方程式最初是从使用DCN范围为0至100的燃料导出的。另外，该方法不适用于汽油沸程燃料，即使它的校准燃料落在该范围内。不考虑这些限制，并且为本发明公开的目的，在ASTM方法D6890中定义的测试方法在0至100的DCN范围之内，不仅可适用于汽油沸程燃料，而且可适用于柴油沸程燃料。
DI HCCI发动机能使用宽范围的从汽油到柴油的基于烃的液态燃料进行操作。在目前实际应用中，使用若干参数表征这些燃料的点火性能，例如马达法辛烷值、研究法辛烷值和十六烷值。而且，辛烷值和十六烷值评价法不适用于具有宽范围点火性和馏程的燃料。例如，通常，汽油对于自动点火的耐受性太高以致于不能根据ASTM方法D613测量它们的十六烷值。柴油没有足够的挥发性以致于不能根据ASTM方法D2699与D2700测量它们的辛烷值。注意到相对新的ASTM方法D6890能适于覆盖宽点火性和馏程的燃料，提供评价汽油和柴油点火性的方法。图8显示出对于许多汽油和柴油沸程的燃料，(R+M)/2辛烷值(其中R和M分别是ASTM D2699研究法和ASTM D2700的马达法辛烷值)和ASTMD6890导出十六烷值之间的关系，以及ASTMD613十六烷值和ASTM D6890导出十六烷值之间的关系。
图8显示出能够在DCN和(R+M)/2辛烷值之间，以及十六烷值和DCN之间建立关系。还可以使用其它的函数形式建立RON、MON和DCN之间的其它的关系。这些点火参数、十六烷值、RON、MON和(R+M)/2或这些参数的函数组合也可以用来匹配燃料可燃性与发动机的压缩比。
值得注意的是，测试表明：具有相同的根据ASTM方法D6890确定的导出十六烷值的基于液态烃的燃料在DI HCCI发动机中显示相同 的自燃性，并都能够使HCCI操作达到相同的最大负荷和在相同的负荷范围之内，无论它们的沸程和烃组成如何。对于四种汽油和六种柴油，该结论在图5和6中示例说明，其中所述的汽油和柴油特性分别提供于图2和3的表中。
正如前面提到的那样，利用单一参数表征宽范围燃料的点火性有助于燃料供应商、DI HCCI发动机制造公司以及最终用户。通过使用该参数，用于DI HCCI发动机的燃料现在可用相同的仪器、根据相同的测试方法进行评定，而且，只要相关的发动机设计为适应这些燃料的其它性能，则基于它们的DCN，所述燃料可互换地使用，使用单一的测试方法将简化并降低燃料开发、DI HCCI发动机开发以及燃料和发动机质量管理的成本。因此，通过ASTM方法D6890确定的导出十六烷值被提出作为用于DI HCCI发动机的汽油和中间馏分沸程燃料自点燃性的通用量度。图8分别显示十六烷值相对于衍生十六烷值的曲线34和(R+M)/2相对于衍生十六烷值的曲线36。
废气颗粒(烟雾)被认为是污染物质，并且在许多国家控制它的排放。微粒排放标准变得日益严格，迫使使用昂贵的同样导致燃料效率损失的颗粒过滤器。因此，减少发动机向外排放废气颗粒物以消除对这些装置的需要或能够使用不太昂贵的效率较低的过滤器是有利的。
如之前指出的，在DI HCCI发动机中实施的测试已经表明低芳族化合物汽油在整个发动机操作范围之内基本上不排放烟雾，而高芳族化合物汽油在中等和重度负荷下排放少量的烟雾。发现柴油在高负荷和近化学计量的操作条件下排放大量的烟雾。另外，增加柴油中的芳族化合物含量表明在中等和重度负荷下会增加烟雾排放。在图9(1200rpm)和图10(1800rpm)中分别示例说明了对于在图2和3表中列出的几种汽油和柴油的观测结果。根据燃料类型(柴油或汽油)和相对的芳族化合物含量(高或低)将烟雾数据在图9和10中作图。在图9和10的每一个中，拟合的曲线38、40、42和44分别代表高芳族化合物柴 油、低低芳族化合物柴油、高芳族化合物汽油和低芳族化合物汽油。包括在每一系列数据中的燃料与该系列平均芳族化合物含量一起列在图11中显示的表中。对于1200rpm的速度和1800rpm的速度，计算如图12表中所示的每一系列燃料的平均烟雾数据，其中，对于轻负荷(认为<600kpa BMEP)、中等负荷(600kpa<BMEP<1200kPa)和重度负荷(BMEP>1200kpa)将平均烟雾值列在表中。
考虑到这些结果，一种控制从DI HCCI发动机的颗粒排放的方法被提出，所述的方法需要用控制芳族化合物含量的柴油或汽油给这种发动机加注燃料。在柴油沸程燃料情况下，已经确定所述芳族化合物含量应该低于60wt％，优选低于40wt％，和更优选低于20wt％。在汽油沸程燃料情况下，所述芳族化合物含量应该小于40wt％，和优选小于20wt％。
尽管已经说明和描述了本发明的多种实施方式，但它们不意味着限制于此。本领域普通技术人员可以认识到对这些实施方式的某些改变，所述的改变意欲被所附的权利要求的主旨所覆盖。
Claims (16)
1.一种从多种燃料制剂中选择燃料制剂用于优化HCCI发动机操作的方法，所述的方法包括如下的步骤：
提供包括汽油制剂和柴油制剂二者的所述多种燃料制剂用于测试；
根据ASTM方法D6890确定导出十六烷值DCN作为对于在所述HCCI发动机中使用的所述多种燃料制剂中的每一种的自燃性的通用量度，以使所述的燃料制剂在相同的标准上进行评价；
测试所述的多种燃料制剂以确定每一种相对于它们各自的DCN的自燃性；和
使经测试的所述多种燃料制剂中的一种的燃料可燃性与所述的HCCI发动机的压缩比CR相匹配，以确定能够使所述的发动机在给定CR下、在最高的负荷下和在最宽的负荷范围内操作的燃料制剂。
2.权利要求1所述的方法，进一步包括通过使柴油沸程燃料的芳族化合物含量小于60wt％控制从所述的HCCI发动机的颗粒排放。
3.权利要求1所述的方法，进一步包括通过使柴油沸程燃料的芳族化合物含量小于40wt％控制从所述的HCCI发动机的颗粒排放。
4.权利要求1所述的方法，进一步包括通过使柴油沸程燃料的芳族化合物含量小于20wt％控制从所述的HCCI发动机的颗粒排放。
5.权利要求1所述的方法，进一步包括通过使汽油沸程燃料的芳族化合物含量小于40wt％控制从所述的HCCI发动机的颗粒排放。
6.权利要求1所述的方法，进一步包括通过使汽油沸程燃料的芳族化合物含量小于20wt％控制从所述的HCCI发动机的颗粒排放。
7.权利要求1所述的方法，其中在所述的确定步骤中，所述多种燃料制剂具有0-100的DCN数值。
8.权利要求1所述的方法，其中所述的柴油制剂的DCN范围为23.4至45.0。
9.权利要求8所述的方法，其中所述的柴油制剂的芳族化合物含量为13.9％至65.4％。
10.权利要求1所述的方法，其中所述的汽油制剂的DCN为27.2至32.4。
11.权利要求10所述的方法，其中所述的汽油制剂的芳族化合物含量为12.7％至35.6％。
12.权利要求1所述的方法，进一步包括如下的步骤：在所述导出十六烷值和(R+M)/2辛烷值之间建立关系。
13.权利要求1所述的方法，进一步包括如下的步骤：在导出十六烷值和十六烷值之间建立关系。
14.权利要求1所述的方法，进一步包括：
所述的柴油制剂选自DCN范围为23.4至45的制剂、相当于十六烷值范围为19.4至45.9的制剂、芳族化合物含量为13.9％至65.4％的制剂，及其组合；和
所述的汽油制剂选自DCN范围为27.2至32.4的制剂、相当于(R+M)/2辛烷值范围为62.5至80.7的制剂、芳族化合物含量为12.7％至35.6％的制剂、烷属烃含量范围为60.3至79.3的制剂，及其组合。
15.权利要求1所述的方法，其中所述HCCI发动机包括直接喷射HCCI发动机。
16.权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：
运行使用经测试的所述多种燃料制剂中的每一种的多种HCCI发动机中的每一个，以对于具有给定压缩比CR的每个发动机，确定使其负荷能力和负荷范围最大化的燃料制剂；和
将与所述多种的每一个所述的HCCI发动机的CR分别匹配的所述多种燃料制剂的DCN数值列表，用于优化其操作，从而使为运行给定HCCI发动机而进行的燃料制剂的选择更容易。
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