CN111996042B - 火花点燃激发压燃式内燃机用燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于内燃机用燃料技术领域，具体涉及一种火花点燃激发压燃式内燃机用燃料。以所述燃料的总体积计，包括：含有烷烃和芳烃的烃成分80～85体积％，及醇成分15～20体积％；所述燃料的研究法辛烷值为83～87，所述燃料的燃料敏感度为4～6。本发明提供的燃料在实现点燃‑压燃式内燃机高热效率的同时抑制燃烧粗暴，降低碳氢比与颗粒物生成倾向，实现无爆震燃烧。火焰传播释放出的热量占总热量的比例为30‑50％，自燃峰值放热率不高于80J/(°)CA，自燃峰值放热率相位位于上止点后5°CA附近，整个燃烧过程的最大压升率低于0.65MPa/(°)CA，对应的响度指数不高于5MW/m2。

Description

火花点燃激发压燃式内燃机用燃料
技术领域
本发明属于内燃机用燃料技术领域，具体涉及一种火花点燃激发压燃式内燃机用燃料。
背景技术
内燃机量大面广，尤其是应用于车载环境的内燃机，其节能减排的效果将深刻影响国家能源安全与环境治理效果，是今后一段时间内需要不断发展并完善的技术领域。革新燃烧模式与利用低碳可再生、浅加工燃料是推动内燃机节能减排技术进步的两大措施，其中先进燃烧模式能兼顾高热效率与超低排放，打破传统内燃机中NOx与碳烟排放的trade-off关系，缓和热效率与最大压升率的矛盾，拓展稀燃极限。而以乙醇为代表的低碳、可再生燃料已经确定在2020年全国范围内进行推广，目前市面上E10燃料已广泛应用。
最近二、三十年内，以均质混合气压缩着火(HCCI,Homogeneous ChargeCompression Ignition)为代表的低温燃烧模式被系统研究，其学术思想可上溯至20世纪30年代。由于早期汽油机压缩比较低，这一低温燃烧过程直至1979年才由Onishi在二冲程汽油机中发现。HCCI是一种典型的由化学动力学控制的低温燃烧模式，具有高热效率、氮氧化物(NOx)近零排放的优势，但至今未能产业化，主要受制于燃烧相位难控制，自燃时刻对环境温度压力过于敏感，最大负荷在压升率的限制下难以拓展，通常实现的有效平均压力(BMEP)不超过0.8MPa(Makkapati S and Curtis E.Boosted HCCI-ExperimentalObservations in a Single Cylinder Engine[C].SAE Technical Paper 2014-01-1277)，难以车用。而点燃-压燃技术，包括火花辅助压燃(SACI)、火花点火激发均质自燃(SICI)、火花点火控制自燃(SPCCI)、火花辅助分层压燃(SSCI)等，通过调节点火时刻改变燃烧相位，用火焰传播压缩末端混合气使其自燃，降低了自燃对外界温度压力的敏感性，提升了燃烧相位的控制力。同时，火焰消耗了部分混合气，降低了自燃时缸内的能量密度，再配合混合气分层策略，有助于降低自燃强度，拓展了内燃机负荷极限。其燃烧过程包含两个放热阶段，首先是火焰传播，而后是末端混合气自燃，且在无火焰传播条件下，自燃不会发生。
现有的点燃-压燃模式研究多停留于燃烧控制策略的优化，参见清华大学火花点火激发均质压燃专利(CN 101619670A)、马自达公司第二代创驰蓝天SPCCI发动机全工况控制策略专利(PCT/JP2017/042068)、密歇根大学火花辅助压燃发动机台架试验(Olesky LM,Martz JB,Lavoie GA,et al.The effects of spark timing,unburned gastemperature,and negative valve overlap on the rates of stoichiometric sparkassisted compression ignition combustion[J].Applied Energy,2013,105:407-17)、天津大学火花辅助压燃发动机台架试验(Zhou L,Dong K,Hua J,et al.Effects ofapplying EGR with split injection strategy on combustion performance andknock resistance in a spark assisted compression ignition(SACI)engine[J].Applied Thermal Engineering,2018,145:98-109)。控制策略的优化主要从进气温度压力、点火提前角、废气再循环率(EGR)、喷射时刻与喷射量、局部当量比等方面研究其对燃烧过程的影响，而未有专门针对燃料，尤其是包含乙醇的燃料组分优化。目前，点燃-压燃试验和模拟中使用的燃料主要为市售(乙醇)汽油，RON处于87～100之间，敏感度S处于10附近。而适用于点燃-压燃模式的燃料与传统增压小排量汽油机所用的高抗爆性汽油不同，与适用于汽油压燃所使用的低辛烷值汽油亦不同，需要在组分设计时同时考虑火焰传播与自燃两方面的要求：组分活性太高，自燃强度过大，燃烧粗暴，火焰所起的作用大大削弱，类似于HCCI；活性太低，则自燃困难。燃烧相位滞后，失去了压燃过程的高等容度与节能减排优势。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其在实现内燃机高热效率的同时抑制燃烧粗暴，降低碳氢比与颗粒物生成倾向，实现无爆震燃烧。
具体来说，本发明提供了如下技术方案。
一种火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，以所述燃料的总体积计，包括：
含有烷烃和芳烃的烃成分80～85体积％，及
醇成分15～20体积％；
所述燃料的研究法辛烷值为83～87，所述燃料的燃料敏感度为4～6。
优选的，上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料中，所述醇包含乙醇，以所述燃料的总体积计，所述乙醇与所述芳烃的体积分数的总和为24～30％。
优选的，上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料中，所述芳烃在所述烃成分中的体积分数为10～15％。
优选的，上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料中，所述烃成分的研究法辛烷值为65～70，所述烃成分的燃料敏感度为2～3。
优选的，上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料中，所述烃成分含有正庚烷、异辛烷和甲苯(正庚烷/异辛烷/甲苯三组分燃料)，以所述烃成分的总体积计，所述正庚烷为32～39.5体积％，所述异辛烷为45.5～58体积％，所述甲苯为10～15％。
以上所述的正庚烷/异辛烷/甲苯三组分燃料按照线性混合模型配制而成，若混合模型基于摩尔分数，则直接以各组分的摩尔分数为权重；若基于组分的体积分数构建模型，则需要采用归一化目标参数法。无论基于体积或是摩尔分数，混合模型均为线性模型。
优选的，上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料中，所述烃成分为直馏石脑油，所述醇成分为乙醇。浅加工的石脑油，尤其是直馏石脑油具有高活性、低烯烃、低芳烃、低辛烷值与敏感度的特点，适合作为基础燃料组分，同时无催化裂化与重整环节，炼制成本远低于市售高辛烷值汽油；而乙醇具有高层流火焰速度、高火焰速度压力相关性、低温强惰性-高温强活性的特点，低压时火焰速度提升程度大于链烷烃与芳烃，火焰对燃烧相位的调控力较强；同时，在大于830K时，乙醇活性超过异辛烷，将直馏石脑油与乙醇结合，是一种潜在的、适用于点燃-压燃模式的燃料组合，在简化工艺的同时实现了燃料的低碳与低颗粒物排放。
优选的，上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料中，所述火花点燃激发压燃式内燃机的有效压缩比为11-16：1，压缩上止点的温度不低于700K，总体过量空气系数大于1.5。
本发明还提供了上述火花点燃激发压燃式内燃机用燃料的制备方法，将所述直馏石脑油或正庚烷/异辛烷/甲苯三组分燃料与乙醇，按照烃成分与醇成分的体积分数要求，计量-掺混-搅拌均匀，即可配制完成。
本发明所取得的有益效果：
(1)成本低、组分构成与配制方法简单，由非含氧烃类与乙醇混合而成。以直馏石脑油为代表的非含氧烃易于炼制，无需经过催化裂化、重整等复杂的二次工艺，炼制成本远低于市售高辛烷值汽油。而以正庚烷/异辛烷/甲苯三组分燃料为代表的非含氧烃在工程上易于配制，基于各组分摩尔分数的线性加权混合即可，几乎不存在非线性关系，组分浓度准确，便于开展高精度实验与数值模拟研究。
(2)符合低碳化与可再生要求。乙醇的添加能够降低燃料的碳氢比，适当提高含氧量，降低颗粒物生成倾向的同时限制燃料热值的降低程度，有助于维持车用内燃机的动力性，并减少对于传统石油基组分的依赖，满足国家中长期车用能源发展战略。
(3)兼顾火焰传播与自燃特性。非含氧烃类的RON与S较低，燃料化学活性较强，低温时(内燃机小负荷或低进气温度)，乙醇能够抑制非含氧烃类的化学活性，降低粗暴燃烧的发生概率，同时乙醇更低的点火能与低压下更快的火焰速度使火焰传播初期的稳定性增加，减少失火概率；高温时(内燃机中高负荷或较高进气温度)，乙醇活性大幅增强，在确保燃烧相位的前提下混合气能够更加稀薄，有助于提升热效率。
(4)比市售乙醇汽油更有优势。相较于现有市售高辛烷值乙醇汽油，如E10、E30与E85，本发明提出的基于低辛烷值、低敏感度的非含氧烃与乙醇混合而成的专用燃料能更好地平衡燃料活性与火焰传播特性，实现火焰放热比例为30-50％，既利用了火焰对末端混合气的压缩促进其自燃，又控制了高温热焰范围，降低热力型NOx排放。
(5)将本发明的燃料用于火花点燃激发压燃式内燃机中，火焰传播释放出的热量占总热量的比例为30-50％，自燃峰值放热率不高于80J/(°)CA，自燃峰值放热率相位位于上止点后5°CA附近，整个燃烧过程的最大压升率低于0.65MPa/(°)CA，对应的响度指数(RI,Ringing Index)不高于5MW/m2。
附图说明
图1是五种燃料的组分构成图；
图2是三种进气压力下五种燃料的缸压与瞬时放热率对比图，其中，(a)为进气压力0.1MPa，(b)为进气压力0.125MPa，(c)为进气压力0.15MPa；
图3是峰值压力相位-自燃峰值放热率相位对比图；
图4是自燃最大压升率与CA50对比图；
图5是自燃时刻-自燃比例对比图；
图6是三种进气压力下燃料的指示热效率-指示平均压力对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。
以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的实验原料和相关设备等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
实施例1中烃成分为正庚烷/异辛烷/甲苯三组分燃料，与乙醇混合构成火花点燃激发压燃式内燃机用燃料。正庚烷、异辛烷、甲苯与乙醇的主要理化特性参数见表1。
表1正庚烷、异辛烷、甲苯与乙醇的主要理化特性
Figure BDA0002610611960000061
将实施例1的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料与其余四种燃料的燃烧特性、所实现的内燃机热效率、内燃机负荷分别进行对比。上述五种燃料依次记作燃料1-5，其中燃料4代表实施例1的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，具体燃料组分的体积分数见图1。5种燃料的辛烷值、敏感度与低热值见表2。
表2五种燃料的辛烷值、敏感度与低热值
Figure BDA0002610611960000071
采用发动机三维数值模拟耦合化学反应机理评价上述五种燃料的点燃-压燃特性，转速固定为2000r/min，在0.1、0.125、0.15MPa三种进气压力条件下开展模拟，不同压力下每种燃料的喷射质量固定不变，因而随着进气压力的提高，缸内的总体燃空当量比逐渐降低，具体分别为0.845、0.676与0.6。点火提前角固定为25°CA BTDC，发动机结构参数与部分热力边界条件见表3。
表3发动机结构参数与边界条件
Figure BDA0002610611960000072
模拟中采用两次喷射策略形成浓稀分层。图2示出了不同进气压力下五种燃料的缸压与放热率结果，其中，(a)为进气压力0.1MPa，(b)为进气压力0.125MPa，(c)为进气压力0.15MPa。可以看出，无论进气压力如何，燃料5(RON＝86,S＝0)的最大瞬时放热率均超标，在低压条件下出现整体燃烧相位较迟且放热过于集中的情况，非常不利于燃烧调控，加之燃料5中无乙醇添加，火焰速度较低，初始放热缓慢，此时调节点火提前角对改善燃烧过程的作用十分有限。另一方面，燃料1-3由于过高的乙醇/甲苯含量，实现点燃-压燃两阶段燃烧较为困难，辛烷值的降低虽使自燃放热过程稍有提前，但作用不显著，难以满足自燃比例大于50％的目标。同时，图2的结果基于25°点火提前角，若进一步提前点火，较低的缸内温度与不充分的油气混合会降低点火稳定性，因而，提前点火对提升燃料1-3的自燃比例基本失效。综上所述，敏感度过高或过低的燃料不适宜做点燃-压燃的专用燃料。
图3对比了五种燃料的峰值压力相位与自燃峰值放热率相位。通常为了保证燃烧等容度，峰值压力相位应位于10°CA ATDC附近。考虑自燃放热比例与燃烧重心，自燃的峰值放热率相位应位于5°CA ATDC，这一相位过早会引起压缩负功显著增加，热效率受损，过晚会引起不完全燃烧，等容度下降，尤其是在稀混合气环境。在图3目标区域中，以实心菱形表征的燃料4最符合燃烧相位要求。
图4总结三种进气压力下各燃料的自燃最大压升率与CA50(50％累计放热率对应的曲柄转角)，其中RI的计算方法如下：
Figure BDA0002610611960000081
其中，κ为绝热指数，pmax为峰值压力，对于连续运转的汽油机，pmax通常在10MPa附近。Tmax为最高燃烧温度，稀燃工况通常取2000K，化学当量比工况通常取2400K，
Figure BDA0002610611960000091
为时域内的最大压升率。
从图4可以看出，燃料5(RON＝86,S＝0)或不满足最大压升率低于0.65MPa/(°)CA的要求，或不满足燃烧高等容度的要求；而燃料1-3虽满足最大压升率要求，但均存在某些进气条件下燃烧过于滞后的现象。燃料4处于最大压升率要求的边界，CA50均位于6°CAATDC以内，最有利于同时实现高等容度燃烧并控制燃烧粗暴程度。
图5示出了五种燃料自燃时刻与自燃比例的对比结果。自燃时刻选取瞬时放热率二阶导数的第一个峰值对应的曲柄转角。由于缺乏高敏感度组分(乙醇与芳烃)，燃料5(RON＝86,S＝0)的自燃比例均大于70％，部分工况甚至超过80％，过大的自燃比例弱化了火焰的调控作用，使最大压升率过高，类似于传统HCCI过程；燃料1-3的自燃比例虽然均小于70％，但低压工况对应的自燃比例过低，小于50％，燃烧持续期大幅延长，不满足需求。同时，根据自燃峰值放热率相位要求，较优的自燃时刻在2°CA ATDC附近，因此，基于自燃比例与自燃时刻的约束，仅有燃料4符合点燃-压燃两阶段燃烧需求。
图6进一步总结了三种进气压力条件下不同燃料所实现的指示热效率与平均指示压力。基于图2-图5的讨论，燃料5不能满足全部燃烧指标要求，因而图6中未示出其热效率。可以看出，在燃料质量不变的条件下，通过不断增压进而创造稀燃环境，有利于同时提高内燃机的热效率与负荷，燃料4(RON＝86,S＝5)因其适中的化学活性实现了较为提前的自燃相位，热效率的提升最为明显，因此，燃料4(RON＝86,S＝5)可以视作点燃-压燃式内燃机的含醇专用燃料。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，以所述燃料的总体积计，包括：
含有烷烃和芳烃的烃成分80~85体积%，及
醇成分15~20体积%；
所述燃料的研究法辛烷值为83~87，所述燃料的燃料敏感度为4~6；
所述醇包含乙醇，以所述燃料的总体积计，所述乙醇与所述芳烃的体积分数的总和为24~30%；
所述芳烃在所述烃成分中的体积分数为10~15%。
2.根据权利要求1所述的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，所述烃成分的研究法辛烷值为65~70，所述烃成分的燃料敏感度为2~3。
3.根据权利要求1或2所述的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，所述烃成分含有正庚烷、异辛烷和甲苯，以所述烃成分的总体积计，所述正庚烷为32.0~39.5体积%，所述异辛烷为45.5~58体积%，所述甲苯为10~15%。
4.根据权利要求1或2所述的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，所述烃成分为直馏石脑油，所述醇成分为乙醇。
5.根据权利要求1或2所述的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，所述火花点燃激发压燃式内燃机的有效压缩比为11-16：1，压缩上止点的温度不低于700 K，总体过量空气系数大于1.5。
6.根据权利要求3所述的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，所述火花点燃激发压燃式内燃机的有效压缩比为11-16：1，压缩上止点的温度不低于700 K，总体过量空气系数大于1.5。
7.根据权利要求4所述的火花点燃激发压燃式内燃机用燃料，其特征在于，所述火花点燃激发压燃式内燃机的有效压缩比为11-16：1，压缩上止点的温度不低于700 K，总体过量空气系数大于1.5。
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