專利名稱：用于使hcci發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍最佳化和使尾氣排放最小化的燃料的選擇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的公開內(nèi)容概括地說涉及控制內(nèi)燃機(jī)操作的方法，并且更 特別地涉及選擇用于優(yōu)化均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)操作控制的 燃料的方法。
背景技術(shù)：
依據(jù)空氣/燃料進(jìn)料中的混合量和所述進(jìn)料如何點(diǎn)火可將內(nèi)燃機(jī) 定義分為四類。在標(biāo)準(zhǔn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣和燃料被預(yù)先混合成為充 分混合的進(jìn)料，該進(jìn)料利用電火花點(diǎn)火。在標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，在活 塞的壓縮沖程過程中，燃料被噴霧進(jìn)入到氣缸中。當(dāng)由于壓縮導(dǎo)致的 溫度上升引起燃燒時(shí)，空氣和燃料沒有充分地混合。在均質(zhì)充量壓縮 點(diǎn)火(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣和燃料充分地混合，之后由于壓縮而自點(diǎn) 火。在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣和燃料可以如在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中那樣被預(yù)先 混合，或燃料能像柴油一樣直接噴射，但是在點(diǎn)火以前要更早地使空 氣/燃料更好地混合。與標(biāo)準(zhǔn)的柴油燃燒對(duì)比，更好的空氣/燃料混合產(chǎn) 生低得多的NOx和PM排放，其中在標(biāo)準(zhǔn)的柴油燃燒中富燃料/空氣穴 導(dǎo)致生成煙灰，以及環(huán)繞噴吹燃料的火焰導(dǎo)致高的NOx。因?yàn)闆]有阻 塞以及因?yàn)榭梢允褂酶叩膲嚎s比，所以，與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，HCCI 具有更好的燃料經(jīng)濟(jì)性。
對(duì)于HCCI的主要難題不僅是燃燒太迅速，而且缺少觸發(fā)點(diǎn)火事件。 一旦HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的溫度足夠的高，則預(yù)先混合的空氣/燃 料混合物迅速燃燒。如果燃燒太迅速，那么會(huì)產(chǎn)生高的壓力升高速率， 引起過多的噪音和可能的發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。缺少點(diǎn)火觸發(fā)事件使得更難以
控制HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)。在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，電火花引發(fā)點(diǎn)火，而在柴油機(jī)中， 噴射到熱壓縮空氣中的燃料引發(fā)點(diǎn)火。這些手段不能用于控制在HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)中的點(diǎn)火時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間。
對(duì)于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，另外的難題是為了控制燃燒相位、汽缸壓力、 汽缸壓力上升速度和/或NOx排放而使用高過量的空氣/燃料比和/或高 的EGR率導(dǎo)致的有限的負(fù)荷范圍。
目前，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的一些難題包括-有限的負(fù)荷范圍；
對(duì)于HCCI燃料點(diǎn)火性能，缺少普遍的然而實(shí)用的控制措施；和 在使用柴油沸程燃料操作過程中，過多的微粒/煙霧排放，特別在 高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下。
HCCI技術(shù)仍處于相對(duì)初期的開發(fā)，然而由于其優(yōu)異的廢氣排放和 燃料效率特性，因而具有極大的發(fā)展前景。全世界正在開發(fā)不同型式/ 構(gòu)造的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)。它們的商業(yè)化進(jìn)程主要受到如下技術(shù)難題的阻 止，包括有限的負(fù)荷范圍、難以控制燃燒相位和過度的熱釋放速度。 為解決一些與HCCI相關(guān)的難題以及抓住這樣的機(jī)會(huì)，從2002年秋天， Caterpillar與ExxonMobil公司開始執(zhí)行協(xié)作研究與開發(fā)合同。本發(fā)明 的公開內(nèi)容是他們共同工作的結(jié)果。
在以下的公開中，柴油定義為在大氣壓力下沸點(diǎn)在約15(TC至380 i:溫度范圍之內(nèi)的烴的混合物，而汽油定義為在大氣壓力沸點(diǎn)在約25 ^至22(TC溫度范圍之內(nèi)的烴的混合物。
為了控制燃燒相位、峰值汽缸壓力、汽缸壓力上升速度和/或NOx排放，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在高的空氣/燃料比和/或高的EGR率下操作。這限 制了在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中可被燃燒的燃料量，并因此限制了最大可獲 得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。例如，如果在相同的類柴油壓縮比下進(jìn)行比較，使用 典型的十六垸值為45的US柴油操作的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，最多僅能產(chǎn)生 可由可比的柴油機(jī)獲得的1/3的負(fù)荷。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)的公開內(nèi)容的一個(gè)方面是從多種燃料中選擇一種燃料用于 優(yōu)化HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的操作。該方法包括如下步驟根據(jù)ASTM方法D6890 確定待被測(cè)試的多種基于液態(tài)烴的燃料配方的導(dǎo)出十六垸值(DCN)，以 在相同的標(biāo)準(zhǔn)上評(píng)價(jià)所述的燃料；測(cè)試所述的多種燃料配方以確定每 一種相對(duì)于它們各自的DCN的自燃性；和使經(jīng)測(cè)試的所述多種燃料配 方中的一種的燃料可燃性與所述的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比(CR)匹配，以確 定能夠使所述的發(fā)動(dòng)機(jī)在給定CR下、在最高負(fù)荷下以及在最寬的負(fù)荷 范圍內(nèi)操作的燃料配方。
本申請(qǐng)的公開內(nèi)容的另一個(gè)方面是選擇用于多種HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃 料配方的方法。該方法包括如下步驟測(cè)試多種燃料以確定每一種燃 料的可燃性；和使用所測(cè)試的所述多種燃料的配方的每一種運(yùn)行所述 的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的每一種，以確定對(duì)于每一種給定CR發(fā)動(dòng)機(jī)，能使其 負(fù)荷能力和負(fù)荷范圍達(dá)到最大的燃料配方。


下面參考附圖描述本發(fā)明公開內(nèi)容的多種實(shí)施方式，其中相同的
對(duì)象由相同的附圖標(biāo)記表明，其中
圖1顯示當(dāng)操作HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，選擇測(cè)試燃料以評(píng)價(jià)燃料可燃 性、化學(xué)組成和揮發(fā)性影響的示意框圖； 圖2是說明所測(cè)試的汽油的特性的表； 圖3是說明所測(cè)試的柴油的特性的表；
圖4是說明用于測(cè)試多種燃料的單氣缸直接噴射(DI)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格的表；
圖5顯示，在每分鐘1200的轉(zhuǎn)數(shù)下以千帕斯卡(BMEP， kPa)表示 的最大和最小可獲得制動(dòng)平均有效壓力或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相對(duì)于導(dǎo)出十六 烷值的曲線，還顯示了最大和最小可獲得負(fù)荷的最佳似合曲線；
圖6顯示在每分鐘1800的轉(zhuǎn)數(shù)下以千帕斯卡(BMEP， kPa)表示的 最大和最小可獲得制動(dòng)平均發(fā)動(dòng)機(jī)壓力或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相對(duì)于導(dǎo)出十六 烷值的曲線，還顯示了最大和最小可獲得負(fù)荷的最佳似合曲線；
圖7顯示在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比下，最大和最小可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù) 荷相對(duì)于導(dǎo)出十六垸值的曲線；
圖8顯示(R+M)/2和十六垸值相對(duì)于導(dǎo)出十六垸值的曲線；
圖9顯示對(duì)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煙霧單位(BSU) 計(jì)的煙霧量相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(BMEP/kpa)的曲線；
圖IO顯示分別對(duì)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1800 rpm下，煙霧量相對(duì)于發(fā) 動(dòng)機(jī)負(fù)荷的曲線；
圖11是顯示了在圖9和IO的曲線中使用的燃料系列的表；禾口
圖12是說明與所測(cè)試的燃料系列有關(guān)的平均煙霧數(shù)據(jù)的表。
詳細(xì)描述
使用單一參數(shù)表征包括汽油和柴油二者的寬范圍的燃料的點(diǎn)火性 有助于燃料供應(yīng)商、發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司和最終用戶。由本發(fā)明的發(fā)明人 進(jìn)行的測(cè)試表明具有相同的根據(jù)ASTM方法D6890確定的導(dǎo)出十六 烷值的基于液態(tài)烴的燃料在DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中顯示出相同的自燃性， 并能夠使HCCI操作達(dá)到相同的最大負(fù)荷和處于相同的負(fù)荷范圍之內(nèi)， 無論它們的沸程和烴組成如何。因此由ASTM方法D6890確定的導(dǎo)出 十六垸值被提出作為在DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的汽油和柴油二者自燃 性的通用量度。盡管本文中更詳細(xì)地描述了與本發(fā)明公開內(nèi)容有關(guān)的 DI HCCI，但應(yīng)該理解其它類型的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)(非直接噴射)也可以與 本發(fā)明的公開一起應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果。另外，還應(yīng)該理解術(shù)語DIHCCI或HCCI可以可互換地使用描述任何的這種HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)。
低芳族化合物汽油沸程燃料在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)操作范圍之內(nèi)基本上不 排放煙霧，而高芳族化合物汽油在中等和重度負(fù)荷下排放少量的煙霧。 發(fā)現(xiàn)柴油沸程燃料在高負(fù)荷和接近化學(xué)計(jì)量的操作條件下排放大量的 煙霧。另外，顯示出當(dāng)使用柴油或汽油操作發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，所述燃料的芳 族化合物含量的增加會(huì)增加煙霧排放。由于煙霧排放的明顯減少可以 消除對(duì)顆粒過濾器的需要，或至少能夠使用較低效率的過濾器，所以 提出一種控制從DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的煙霧排放的方法，所述的方法要求 這種發(fā)動(dòng)機(jī)用柴油或汽油加注燃料，其中所述燃料的芳族化合物含量 被控制低于標(biāo)明的限度。
燃料對(duì)DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響表明通過匹配燃料的點(diǎn)火性 與發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比能實(shí)現(xiàn)最高的最大負(fù)荷和最寬的負(fù)荷范圍，而且寬 范圍的燃料化學(xué)組成可用于實(shí)現(xiàn)寬范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)操作負(fù)荷。如圖1的 餅式圖形所示，仔細(xì)設(shè)計(jì)測(cè)試燃料以評(píng)價(jià)燃料可燃性、化學(xué)組成和揮 發(fā)性對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)操作的影響。導(dǎo)出十六垸值(DCN)用作可燃性參數(shù)。 具有高DCN的燃料容易點(diǎn)火，而具有低DCN的燃料更耐受點(diǎn)火。所 述測(cè)試燃料覆蓋寬范圍的燃料可燃性、化學(xué)組成和揮發(fā)性。分別評(píng)價(jià) 兩個(gè)揮發(fā)性范圍在汽油沸程的高揮發(fā)性燃料4和8，和在柴油沸程的 較低揮發(fā)性燃料2、 6和16。在每一揮發(fā)性范圍之內(nèi)，構(gòu)成具有高芳族 化合物和低芳族化合物含量的兩個(gè)燃料組成系列。最后，有兩個(gè)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。更具體地說，在"低DCN"范圍內(nèi)，和汽油4對(duì)比，柴油2具有更 高的芳族化合物含量10和更低的垸屬烴含量14。燃料16代表普通US 柴油，具有幾乎等于環(huán)烷12、芬烴IO和垸屬烴含量14。測(cè)試燃料組
成隨著導(dǎo)出十六垸值、揮發(fā)性和芳族化合物含量變化顯著變化。在揮 發(fā)性更大的燃料中的芬烴物質(zhì)具有一個(gè)環(huán)和短的垸屬烴側(cè)鏈，而在揮 發(fā)性不太大的燃料中的芳族化合物具有1-3個(gè)環(huán)和更長(zhǎng)的烷屬烴側(cè)鏈。 類似地，所述烷屬烴物質(zhì)在分子大小和支化方面不同。標(biāo)記為12的部
13分在柴油中主要是環(huán)烷烴，和在汽油中是烯烴和環(huán)垸烴。所有這些因 素都能影響燃料的化學(xué)組成和點(diǎn)火。
對(duì)于汽油和柴油，分別在圖2和3中顯示的表中提供測(cè)試燃料的
特性。在圖2和3中的燃料對(duì)應(yīng)于在圖1中描述的燃料實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。例 如，參考圖2，開發(fā)了一系列汽油組合物Gll、 G12禾PG13，它們每一 種對(duì)應(yīng)于在圖1中由參考數(shù)字8概括標(biāo)明的燃料組成。在一些情況下， 開發(fā)系列的燃料，以測(cè)試在圖1中通常標(biāo)示為燃料組成2、 6和8在組 成和可燃性方面較小的變化。汽油組合物G23與圖1中通常標(biāo)明的燃 料組成4有關(guān)。類似地，參考圖3，開發(fā)一系列柴油組合物D12、 D12-C 和D15,其對(duì)應(yīng)于圖1的概括標(biāo)明的燃料組成2。開發(fā)柴油組合物D13 與和D13-B，其對(duì)應(yīng)于圖1中概括標(biāo)明的燃料組成6。同樣，柴油組合 物D14對(duì)應(yīng)于圖1中概括標(biāo)明的燃料組成16。如圖3所示，柴油的導(dǎo) 出十六垸值(DCN)的范圍為23.4至45.0，和芳族化合物含量為13.9至 65.4%。如圖2所示，汽油的導(dǎo)出十六垸值的范圍為27.2至32.4，和 (R+M)/2辛烷值為62.5至80.7，其中對(duì)于燃料Gll、 G12和G13，所 述芳族化合物含量基本上相同(約13%)，但是對(duì)于汽油組合物G23，顯 著更高(35.6%)。測(cè)試的汽油和柴油各自的蒸餾性質(zhì)接近相當(dāng)。因此， 本發(fā)明發(fā)明人發(fā)現(xiàn)導(dǎo)出十六垸值是用于評(píng)定燃料可燃性有用的參數(shù)， 因?yàn)槠秃筒裼投叨寄茉谙嗤臉?biāo)準(zhǔn)上評(píng)價(jià)。
圖1至3中描述的燃料給寬范圍的燃料化學(xué)組成提供可燃性，所 述的可燃性通過作為在商品汽油和柴油之間的媒介的DCN確定。如在 圖1中所示意，揮發(fā)性、可燃性和芳族化合物含量的變化對(duì)在寬的組 成類別之內(nèi)的燃料化合物的性質(zhì)具有明顯的影響。例如，如圖1所示， 增加揮發(fā)性減少了垸屬烴分子的尺寸，并減少了在芳族化合物分子上 的烷屬烴側(cè)鏈的長(zhǎng)度。因此，燃料組成的范圍甚至比圖2和3中的組 成變量描述的范圍更寬。使用寬沸程燃料在整個(gè)寬組成范圍內(nèi)提供相 同的可燃性是所述測(cè)試的重要組成部分。單氣缸DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)用于這些測(cè)試中。在圖4中顯示的表中提 供它的規(guī)格。對(duì)于在該研究中使用的壓縮比，對(duì)于這種發(fā)動(dòng)機(jī)建立的 目標(biāo)制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)在1200 rpm下為1600kPa，在1800 rpm 下為1400 kPa。峰值汽缸壓力和汽缸壓力上升速率分別在18兆帕斯卡 (MPa)和3MPa/度曲柄角時(shí)達(dá)到極限。指示平均有效壓力(IMEP)的偏離 系數(shù)限制在5%。
如圖5和6所示，對(duì)于具有DCN》7的測(cè)試燃料而言，當(dāng)燃料的 導(dǎo)出十六烷值減少時(shí)，最大和最小可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷曲線18和20分 別增加，。特別地，以較快的速率增加的最大可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷導(dǎo)致 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍的擴(kuò)展。如圖5所示，在1200rpm時(shí)，實(shí)現(xiàn)1600kPa 的目標(biāo)BMEP水平需要使用導(dǎo)出十六垸值等于或低于約28的燃料。如 圖6所示，在1800 rpm時(shí)，實(shí)現(xiàn)1400kPa的目標(biāo)BMEP水平需要使用 導(dǎo)出十六垸值等于或低于約32的燃料。相對(duì)于使用典型的US柴油(燃 料D14， DCN二45)的操作，最大可獲得負(fù)荷的增加，在1200rpm時(shí)為 60%(從約1000kPa至1600kPa)，和在1800 rpm時(shí)為40%(從約1000kPa 至1400kPa)。同時(shí)，在1200 rpm時(shí)負(fù)荷范圍增加55%(從760kPa至 1180kPa)，在1800 rpm時(shí)增加25%(從840kPa至1050kPa)。
在一套速度/負(fù)荷條件下，即在1200rpm和600kPa的BMEP下， 只有使用柴油D15(DCN二23.4)才可獲得穩(wěn)定燃燒，這表明在測(cè)試的實(shí) 驗(yàn)條件下，對(duì)于成功的HCCI操作(至少對(duì)于柴油)，存在最低的DCN 限制。如在圖6中所述的，預(yù)期類似的最低DCN限制同樣適用于速度 為1800 rpm的情況，因?yàn)?800 rpm代表更苛刻的操作條件。
由于為控制燃燒相位而減少對(duì)EGR(廢氣再循環(huán))的需要，燃料可 燃性的減小能夠在DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)(對(duì)于DCN〉27)中實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)荷水 平，因此使其能夠增加氣缸進(jìn)料中的空氣量。因此，更多的燃料可被 噴射進(jìn)入氣缸之內(nèi)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增加。由于發(fā)動(dòng)機(jī)加注燃料 的增加，最低可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷隨著燃料可燃性的降低而增加，需要發(fā)動(dòng)機(jī)加注燃料與延緩的噴油定時(shí)一起操作，以保證大約在活塞的 TDC(上止點(diǎn))位置處開始燃燒，并保證NOx排放限制在可接受限值之內(nèi)。
如圖5和6表明，燃料的可燃性能夠與DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比 匹配以實(shí)現(xiàn)最高的負(fù)荷和最寬的HCCI負(fù)荷范圍。如在圖7中所示意那 樣，預(yù)期隨著壓縮比的變化，最優(yōu)的燃料可燃性要求同樣將改變，但 建立那些要求的原則保持不變。在圖7中分別顯示了對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮 比CR1、 CR2禾BCR3，最大可獲得負(fù)荷曲線22、 24和26。同樣，在圖 7中分別顯示了對(duì)于壓縮比CR1、 CR2和CR3，最小可獲得負(fù)荷曲線 28、 30和32。值得注意的是盡管DCN在圖5、 6和7中用于表征燃 料的點(diǎn)火性，但同樣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，在優(yōu)選實(shí)施方案中，包括柴油和/或汽油制劑的、 每一種具有通過DCN測(cè)量的燃料可燃性的寬范圍的基于液態(tài)烴的燃料 在表中被列出，表明每一種燃料制劑，其DCN，以及如下DIHCCI發(fā) 動(dòng)機(jī)壓縮比，對(duì)于所述DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，每一種燃料制劑能提供最優(yōu) 化的高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和負(fù)荷范圍。
總之，本發(fā)明公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式定義了為了增加它們能產(chǎn) 生的極限負(fù)荷和使在HCCI可操作的負(fù)荷范圍達(dá)到最大值，使DI HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比和燃料可燃性要求匹配的方法。具有與典型US柴油相比 的減少的可燃性的燃料能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比和更高效的操 作。因此，能最大程度地并最高效率地利用DI HCCI技術(shù)獨(dú)特的燃料
效率和尾氣排放優(yōu)點(diǎn)。
由包括寬范圍燃料化學(xué)組成和揮發(fā)性的燃料得到的結(jié)果描述在圖 5和6中。使用如下燃料獲得高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，所述燃料采用了低或高 沸點(diǎn)范圍以及燃料芳族化合物含量為12.7至65.4%的。這表明能利用 寬范圍的燃料組成和揮發(fā)性實(shí)現(xiàn)高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。
16應(yīng)當(dāng)指出名為"通過在等容室內(nèi)燃燒確定柴油點(diǎn)火延遲和導(dǎo)出十六烷值(DCN)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法"的ASTM方法D6890覆蓋33至60的 DCN范圍，并定義了它的精確度。然而，在該方法中用于從點(diǎn)火延遲 數(shù)據(jù)計(jì)算DCN的方程式最初是從使用DCN范圍為0至100的燃料導(dǎo) 出的。另外，該方法不適用于汽油沸程燃料，即使它的校準(zhǔn)燃料落在 該范圍內(nèi)。不考慮這些限制，并且為本發(fā)明公開的目的，在ASTM方 法D6890中定義的測(cè)試方法在0至100的DCN范圍之內(nèi)，不僅可適用 于汽油沸程燃料，而且可適用于柴油沸程燃料。
DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)能使用寬范圍的從汽油到柴油的基于烴的液態(tài)燃 料進(jìn)行操作。在目前實(shí)際應(yīng)用中，使用若干參數(shù)表征這些燃料的點(diǎn)火 性能，例如馬達(dá)法辛垸值、研究法辛烷值和十六垸值。而且，辛垸值 和十六烷值評(píng)價(jià)法不適用于具有寬范圍點(diǎn)火性和餾程的燃料。例如， 通常，汽油對(duì)于自動(dòng)點(diǎn)火的耐受性太高以致于不能根據(jù)ASTM方法 D613測(cè)量它們的十六烷值。柴油沒有足夠的揮發(fā)性以致于不能根據(jù) ASTM方法D2699與D2700測(cè)量它們的辛烷值。注意到相對(duì)新的ASTM 方法D6890能適于覆蓋寬點(diǎn)火性和餾程的燃料，提供評(píng)價(jià)汽油和柴油 點(diǎn)火性的方法。圖8顯示出對(duì)于許多汽油和柴油沸程的燃料，(R+M)/2 辛烷值(其中R和M分別是ASTM D2699研究法和ASTM D2700的馬 達(dá)法辛烷值)和ASTMD6890導(dǎo)出十六垸值之間的關(guān)系，以及ASTM D613十六垸值和ASTM D6890導(dǎo)出十六烷值之間的關(guān)系。
圖8顯示出能夠在DCN和(R+M)/2辛垸值之間，以及十六烷值和 DCN之間建立關(guān)系。還可以使用其它的函數(shù)形式建立RON、 MON和 DCN之間的其它的關(guān)系。這些點(diǎn)火參數(shù)、十六垸值、RON、 MON和 (R+M)/2或這些參數(shù)的函數(shù)組合也可以用來匹配燃料可燃性與發(fā)動(dòng)機(jī) 的壓縮比。
值得注意的是，測(cè)試表明具有相同的根據(jù)ASTM方法D6890確 定的導(dǎo)出十六烷值的基于液態(tài)烴的燃料在DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中顯示相同的自燃性，并都能夠使HCCI操作達(dá)到相同的最大負(fù)荷和在相同的負(fù)荷 范圍之內(nèi)，無論它們的沸程和烴組成如何。對(duì)于四種汽油和六種柴油，
該結(jié)論在圖5和6中示例說明，其中所述的汽油和柴油特性分別提供 于圖2禾口 3的表中。
正如前面提到的那樣，利用單一參數(shù)表征寬范圍燃料的點(diǎn)火性有 助于燃料供應(yīng)商、DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司以及最終用戶。通過使用該 參數(shù)，用于DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料現(xiàn)在可用相同的儀器、根據(jù)相同的 測(cè)試方法進(jìn)行評(píng)定，而且，只要相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為適應(yīng)這些燃料的 其它性能，則基于它們的DCN，所述燃料可互換地使用，使用單一的 測(cè)試方法將簡(jiǎn)化并降低燃料開發(fā)、DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)以及燃料和發(fā)動(dòng) 機(jī)質(zhì)量管理的成本。因此，通過ASTM方法D6890確定的導(dǎo)出十六垸 值被提出作為用于DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油和中間餾分沸程燃料自點(diǎn)燃 性的通用量度。圖8分別顯示十六烷值相對(duì)于衍生十六垸值的曲線34 和(R+M)/2相對(duì)于衍生十六烷值的曲線36。
廢氣顆粒(煙霧)被認(rèn)為是污染物質(zhì)，并且在許多國(guó)家控制它的排 放。微粒排放標(biāo)準(zhǔn)變得日益嚴(yán)格，迫使使用昂貴的同樣導(dǎo)致燃料效率 損失的顆粒過濾器。因此，減少發(fā)動(dòng)機(jī)向外排放廢氣顆粒物以消除對(duì) 這些裝置的需要或能夠使用不太昂貴的效率較低的過濾器是有利的。
如之前指出的，在DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)施的測(cè)試已經(jīng)表明低芳族 化合物汽油在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)操作范圍之內(nèi)基本上不排放煙霧，而高芳族 化合物汽油在中等和重度負(fù)荷下排放少量的煙霧。發(fā)現(xiàn)柴油在高負(fù)荷 和近化學(xué)計(jì)量的操作條件下排放大量的煙霧。另外，增加柴油中的芳 族化合物含量表明在中等和重度負(fù)荷下會(huì)增加煙霧排放。在圖 9(1200 rpm)和圖10( 1800 rpm)中分別示例說明了對(duì)于在圖2和3表中列 出的幾種汽油和柴油的觀測(cè)結(jié)果。根據(jù)燃料類型(柴油或汽油)和相對(duì)的 芳族化合物含量(高或低)將煙霧數(shù)據(jù)在圖9和IO中作圖。在圖9和10 的每一個(gè)中，擬合的曲線38、 40、 42和44分別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。 包括在每一系列數(shù)據(jù)中的燃料與該系列平均芳族化合物含量一起列在
圖11中顯示的表中。對(duì)于1200rpm的速度和1800 rpm的速度，計(jì)算 如圖12表中所示的每一系列燃料的平均煙霧數(shù)據(jù)，其中，對(duì)于輕負(fù)荷 (認(rèn)為<600 kpa BMEP)、中等負(fù)荷(600 kpa<BMEP<1200 kPa)和重度負(fù)荷 (BMEP>1200 kpa)將平均煙霧值列在表中。
考慮到這些結(jié)果， 一種控制從DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放的方法 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給這種 發(fā)動(dòng)機(jī)加注燃料。在柴油沸程燃料情況下，已經(jīng)確定所述芳族化合物 含量應(yīng)該低于60wt%，優(yōu)選低于40wt%，和更優(yōu)選低于20wt%。在汽 油沸程燃料情況下，所述芳族化合物含量應(yīng)該小于40wt%，和優(yōu)選小 于20wt%。
盡管已經(jīng)說明和描述了本發(fā)明的多種實(shí)施方式，但它們不意味著 限制于此。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到對(duì)這些實(shí)施方式的某些改 變，所述的改變意欲被所附的權(quán)利要求的主旨所覆蓋。
權(quán)利要求
1. 一種從多種燃料中選擇燃料用于優(yōu)化HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)操作的方法，所述的方法包括如下的步驟根據(jù)ASTM方法D6890確定待被測(cè)試的多種基于液態(tài)烴的燃料配方的導(dǎo)出十六烷值(DCN)，以使所述的燃料在相同的標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行評(píng)價(jià)；測(cè)試所述的多種燃料配方以確定每一種相對(duì)于它們各自的DCN的自燃性；和使經(jīng)測(cè)試的所述多種燃料配方中的一種的燃料可燃性與所述的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比(CR)相匹配，以確定能夠使所述的發(fā)動(dòng)機(jī)在給定CR下、在最高的負(fù)荷下和在最寬的負(fù)荷范圍內(nèi)操作的燃料配方。
2. 權(quán)利要求l所述的方法，其中所述的多種燃料配方包括柴油制劑。
3. 權(quán)利要求l所述的方法，其中所述的多種燃料配方包括汽油制劑。
4. 權(quán)利要求l所述的方法，其中所述的多種燃料配方包括柴油和 汽油制劑二者。
5. 權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括通過使柴油沸程燃料的芳 族化合物含量小于60wty。控制從所述的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
6. 權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括通過使柴油沸程燃料的芳 族化合物含量小于40wt。/?？刂茝乃龅腍CCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
7. 權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括通過使柴油沸程燃料的芳 族化合物含量小于20wt。/?？刂茝乃龅腍CCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
8. 權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括通過使汽油沸程燃料的芳族化合物含量小于40wt。/。控制從所述的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
9. 權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括通過使汽油沸程燃料的芳 族化合物含量小于20wt。/?？刂茝乃龅腍CCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
10. 權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述的確定步驟中，所述多 種燃料配方具有0-100的DCN數(shù)值。
11. 權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的柴油的DCN范圍分別為 23.4至45.0。
12. 權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述的柴油的芳族化合物含量 為13.9%至65.4%。
13. 權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的汽油的DCN為27.2至32.4。
14. 權(quán)利要求13所述的方法，其中所述的汽油的芳族化合物含量 為12.7%至35.6%。
15. 權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟 運(yùn)行多種具有不同CR的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，每一種利用所述的多種燃料進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于所述的每一種發(fā)動(dòng)機(jī)，確定能在最寬負(fù)荷范圍之內(nèi)提供最高 負(fù)荷的燃料配方的DCN;禾口將所述確定步驟的結(jié)果列表以與使所述的多種HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中的 每一個(gè)的CR與所述任選的燃料配方的DCN相匹配，從而使隨后為了 優(yōu)化具有特定CR的DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的操作而進(jìn)行的燃料配方DCN的選擇更容易。
16. 權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟在所述導(dǎo) 出十六烷值和(R+M)/2辛垸值之間建立關(guān)系。
17. 權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟在導(dǎo)出十 六垸值和十六烷值之間建立關(guān)系。
18. 權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的柴油制劑選自DCN范圍 為23.4至45的制劑、相當(dāng)于十六垸值范圍為19.4至45.9的制劑、芳 族化合物含量范圍為13.9%至65.4%的制劑，及其組合。
19. 權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的汽油制劑選自DCN范圍 為27.2至32.4的制劑、相當(dāng)于(R+M)/2辛烷值范圍為62.5至80.7的制 劑、芳族化合物含量范圍為12.7%至35.6%的制劑、垸屬烴含量范圍為 60.3%至79.3%的制劑，及其組合。
20. 權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括所述的柴油制劑選自DCN范圍為23.4至45的制劑、相當(dāng)于十六 烷值范圍為19.4至45.9的制劑、芳族化合物含量為13.9%至65.4%的 制劑，及其組合；和所述的汽油制劑選自DCN范圍為27.2至32.4的制劑、相當(dāng)于 (R+M)/2辛垸值范圍為62.5至80.7的制劑、芳族化合物含量為12.7% 至35.6%的制劑、垸屬烴含量范圍為60.3至79.3的制劑，及其組合。
21. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)包括直接注入。
22. —種選擇燃料配方用于多種HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括如下的步驟測(cè)試多種燃料以確定每一種的可燃性；和使用所測(cè)試的所述多種燃料配方的每一種運(yùn)行所述的多種HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的每一種，以確定或匹配，對(duì)于給定壓縮比(CR)的每一種發(fā)動(dòng) 機(jī)，能使其負(fù)荷能力和負(fù)荷范圍達(dá)到最大的燃料配方。
23. 權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟 通過根據(jù)ASTM方法D6890確定的導(dǎo)出十六垸值(DCN)明確所述的多種燃料的每一種。
24. 權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括將所述的運(yùn)行步驟的結(jié) 果列表的步驟，用于將來在選擇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃料配方時(shí)參考。
25. 權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括將與所述多種的每一個(gè) 所述的DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的CR分別匹配的所述多種燃料的DCN數(shù)值列 表的步驟，用于優(yōu)化其操作，從而使為運(yùn)行給定DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)而進(jìn) 行的燃料配方的選擇更容易。
26. 權(quán)利要求22所述的方法，其中所述的多種燃料配方包括柴油 制劑。
27. 權(quán)利要求22所述的方法，其中所述的多種燃料配方包括汽油 制劑。
28. 權(quán)利要求22所述的方法，其中所述的多種燃料配方包括柴油 和汽油制劑二者。
29. 權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括通過使柴油沸程燃料的 芳族化合物含量小于60wt。/?？刂茝乃龅腍CCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
30. 權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括通過使汽油沸程燃料的 芳族化合物含量小于40wt。/。控制從所述的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放。
31. 權(quán)利要求23所述的方法， 種燃料的DCN數(shù)值為0至100。
32. 權(quán)利要求26所述的方法， 為23.4至45.0。
33. 權(quán)利要求32所述的方法， 為13.9%至65.4%。
34. 權(quán)利要求27所述的方法， 。
35. 權(quán)利要求34所述的方法， 為12.7%至35.6%。
36. 權(quán)利要求22所述的方法，入。其中在所述的明確步驟中，所述多其中所述的柴油的DCN范圍分別其中所述的柴油的芳族化合物含量其中所述的汽油的DCN為27.2至其中所述的汽油的芳族化合物含量其中所述HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)包括直接注
37. 權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟通過 (R+M)/2辛烷值明確所述的多種燃料的每一種。
38. 權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟通過十六 垸值明確所述的多種燃料的每 一 種。
39. 權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟在所述導(dǎo) 出十六垸值和(R+M)/2辛垸值之間建立關(guān)系。
40. 權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括如下的步驟在導(dǎo)出十 六垸值和十六烷值之間建立關(guān)系。
41. 權(quán)利要求26所述的方法，其中所述的柴油制劑選自DCN范 圍為23.4至45的制劑、相當(dāng)于十六烷值范圍為19.4至45.9的制劑、 芳族化合物含量范圍為13.9%至65.4%的制劑，及其組合。
42. 權(quán)利要求27所述的方法，其中所述的汽油制劑選自DCN范 圍為27.2至32.4的制劑、相當(dāng)于(R+M)/2辛垸值范圍為62.5至80.7 的制劑、芳族化合物含量范圍為12.7%至35.6%的制劑、垸屬烴含量范 圍為60.3%至79.3%的制劑，及其組合。
43. 權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括所述的柴油制劑選自DCN范圍為23.4至45的制劑、相當(dāng)于十六 烷值范圍為19.4至45.9的制劑、芳族化合物含量為13.9%至65.4%的 制劑，及其組合；和所述的汽油制劑選自DCN范圍為27.2至32.4的制劑、相當(dāng)于 (R+M)/2辛烷值范圍為62.5至80.7的制劑、芳族化合物含量為12.7% 至35.6%的制劑、烷屬烴含量范圍為60.3至79.3的制劑，及其組合。
44. 一種用于優(yōu)化HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)性能的柴油制劑，選自DCN范圍 為23.4至45的制劑、相當(dāng)于十六烷值范圍為19.4至45.9的制劑、芳 族化合物含量為13.9%至65.4%的制劑，及其組合。
45. —種用于優(yōu)化HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)性能的汽油制劑，選自DCN范圍 為27.2至32.4的制劑、相當(dāng)于(R+M)/2辛垸值范圍為62.5至80.7的制 劑、芳族化合物含量范圍為12.7%至35.6%的制劑、烷屬烴含量范圍為 60.3%至79.3%的制劑，及其組合。
46. —種用于優(yōu)化HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)性能的燃料制劑，選自第一和第二 組燃料制劑之一，所述第一和第二組燃料制劑包括第一組的柴油制劑，由DCN范圍為23.4至45的制劑、相當(dāng)于十六烷值范圍為19.4至45.9的制劑、芳族化合物含量為13.9%至65.4% 的制劑，及其組合組成；和第二組的汽油制劑，由DCN范圍為27.2至32.4的制劑、相當(dāng)于 (R+M)/2辛烷值范圍為62.5至80.7的制劑、芳族化合物含量為12.7% 至35.6%的制劑、垸屬烴含量范圍為60.3至79.3的制劑，及其組合組 成。
全文摘要
通過使燃料的可燃性與發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比匹配，從而優(yōu)化DI HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的操作，使負(fù)荷能力和負(fù)荷范圍最大化。
文檔編號(hào)G01N33/22GK101438152SQ200780014199
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者凱文·P·達(dá)菲, 拉法爾·A·索博托夫斯基, 查爾斯·H·施萊爾, 邁克爾·P·利希蒂 申請(qǐng)人:?？松梨谘芯抗こ坦?卡特爾皮亞爾公司