专利名称：控制均匀负荷直接喷射压燃式发动机废气排放的方法
技术领域：
本发明涉及直接注入均匀负荷的压燃式发动机，及控制废气排放的方法，尤其是通过调节燃料性能控制从废气排放中的NOx排放量。
相关领域在Kitano等的SAE 2003-01-1815中的“Effects of Fuel Properties onPremixed Charge Compression Ignition Combustion in a Direct InjectionDiesel Engine”，教导了三种试验燃料，分别为两种基于沸程约35℃-139℃而且十六烷值为25，40的燃料，及一种是沸程为170℃-355℃而且十六烷值为53的柴油，当十六烷值降低及喷油定时提高时三种试验燃料的NOX排放量显示出减少的倾向。
在Kalghatgi等人的SAE 2003-01-1816的“A Method of DefiningIgnition Quality of Fuels in HCCI Engines”中教导，对于HCCI发动机，在具有相同的RON情况下，对(十六烷值)更敏感的燃料比对(十六烷值)不太敏感的燃料可能更好。据报道燃料敏感性随燃料的芳香/烯烃族/含氧化合物含量的增加而增加。
均匀负荷压缩点火(HCCI)是一种迅速发展的技术，对于满足将来废气排放条例的要求同时保持良好燃料转换效率显示出显著的可能性。
正在开发HCCI系统的主要理由是它们可满足将来世界范围内排放条例要求的超低NOx和颗粒物排放量，优异的燃料效率和可能免除昂贵的后处理系统。
尽管HCCI形式可用于满足实际所有的即将出现的条例要求，但由于极其低的NOx排放水平，HCCI系统同样针对US的高速公路(on-highway)2010和非等级公路(off-road Tier)4b条例的要求。在所有的发动机操作条件(最多＜10ppm＝下，0.2-0.3g/HP·h的NOx水平转化为＜50ppmNOx，达到这样的水平的惟一另外已知的方法涉及使用昂贵的NOx后处理技术，例如NOx吸附剂和SCR系统。如果实现真正的均匀混合物，要避免汽缸中的富区域，固体碳含量实际上为零，以避免捕获颗粒的必要。同样立法规定了碳氢化合物和CO含量水平，HCCI燃烧固有高水平的这些排放量，尤其是在轻负荷下(低的当量比)。因此，即使HCCI燃烧法可成功消除NOx和PM收集器的必要，但仍需要氧化催化剂。
大多数HCCI开发工作遇到的主要难题是在发动机必须操作的整个功率范围和立法规定的排放循环之内实现这些超低的NOx和PM排放量。对于特定应用场合例如客车和轻型载货汽车，在一些国家中，所述排放循环仅使得机动车实现部分负荷运行，因此可实现高达1/2负荷的低排放，及因而在较高负荷下使用更常规方法的HCCI策略是一种非常可接受的解决方案。然而，对于高速公路卡车和非公路设备而言，所述排放循环要使发动机从轻负载直到满负荷必须产生超低的NOx和PM水平。因此，理想的HCCI解决方案是在所有的发动机操作条件下可工作，这证明是参与HCCI开发的研究工作者最难克服的障碍。其主要原因是当更多燃料注入时燃烧速度迅速增加，从而增加了发动机的功率输出。这些高燃烧速率导致汽缸压力超过发动机气缸组件(活塞，环，头盖等)的结构强度极限，通常伴随有高的NOx排放量并增加热损失。
与标准柴油机相比较，HCCI发动机具有较高的HC和CO排放，因此控制这些排放是同样重要的。
因此，希望确定控制和减少NOx，颗粒物及其他废气排放的方法，所述的方法得以实现而不取决于HCCI发动机机械或者操作控制，同时可增加燃料池的尺寸。
发明内容
已经发现可以通过在HCCI发动机中燃烧十六烷值减少的燃料控制废气排放，尤其是来自直接注入的HCCI发动机的NOX排放，并保持低的水平，所述燃料的十六烷值为约20-50，优选约20-40，更优选20-30。燃料的总芳烃含量大于15wt％，优选大于28wt％，更优选为28-50wt％。燃料沸程为25℃-380℃。对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-91，优选60-81，更优选60-70。
参考附图描述本发明不同的实施方式，其中附图1-5说明在1500rpm，50％负荷下喷油定时和十六烷值(38.5-45.5范围)分别对NOx，AVL烟度值，HC，CO和热效率的影响。
附图6-10说明在1200rpm，25％负荷下喷油定时和十六烷值(46.7-55.4范围)分别对NOx，AVL烟度值，HC，CO和热效率的影响。
附图11和12说明在1200rpm，25％负荷下，正常的和增强的十六烷值分别对汽缸压力和放热率的影响。
附图13-17说明在1500rpm，25％负荷下，喷油定时和芳烃含量分别对NOx，AVL烟度值，HC，CO和热效率的影响。
附图18-19说明在1200rpm，25％负荷下，燃料挥发性分别对发动机放热和汽缸压力的影响。
附图20-24说明在1200rpm和1800rpm下，燃料挥发性分别对NOx，AVL烟度值，HC，CO和热效率的影响。
发明说明书可以通过在直接注入式HCCI发动机中燃烧燃料控制废气排放，尤其是来自直接注入式均匀进料压燃式发动机的NOX排放量，并保持低的水平，其中所述的燃料在压缩冲程期间注入，所述燃料的十六烷值或者衍生的十六烷值分别通过ASTM D613或者ASTM D6890的方法确定，为约20-50，优选约20-40，更优选约20-30，此外所述燃料的总芳烃含量为约15wt％或更多，优选28wt％或更多，更优选约15-50wt％，最优选为约28-50wt％。燃料沸程为25℃-380℃。对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-91，优选60-81，更优选60-70。
柴油机燃料定义为在大气压下在约l50℃-380℃温度范围之内沸腾的碳氢化合物的混合物，而汽油燃料是在大气压下在约25℃-220℃温度范围之内沸腾的那些。
所述使用的燃料也可以包含非碳氢化合物组分，例如含氧化合物。它们也可以包含添加剂，例如染料，抗氧化剂，十六烷值增进剂，低温流动改进剂或者润滑性能改进剂。
试验进行研究以考察燃料特性对HCCI发动机性能和废气排放的影响，对于所有的燃料集中考察十六烷值，芳烃含量和挥发性，对于汽油燃料考察辛烷值。用于该研究的柴油机燃料性质显示于表1中。汽油试验燃料的性质列于表2中。
表1-柴油机试验燃料的性质
**燃料D9用0.15vol％的硝酸乙基己基酯十六烷值增进剂处理***燃料D9用0.4vol％的硝酸乙基己基酯十六烷值增进剂处理*燃料D3用0.3vol％的硝酸乙基己基酯十六烷值增进剂处理表2-汽油试验燃料的性质
用于该研究的发动机是单缸Caterpillar 3401发动机，规格列于表3中。使用液压加强的燃料喷射器提供均匀的喷射分布。
表3-发动机规格气缸工作容量2.44dm3内径/冲程 137.2/165.1mm每汽缸的汽门数 4涡流比 ～0.4使用入口和排气均压箱以提供代表实际的多汽缸涡轮增压器操作特征的增压和反压力水平。不使用氧化催化剂，因此报导的HC和CO水平是所有的发动机停止状态值。用Horiba EXSA分析器测定CO，HC，NOx和CO2废气排放量。使用AVL废气分析仪进行烟雾测量。
在发动机转速1200，1500和1800rpm，及发动机载荷25％，50％和70+％下测试所述燃料。
所述研究集中于发动机操作条件，特征在于NOX排放量＜0.2g/HP·h，和AVL烟度值＜0.1。前者相应于重载发动机的US EPA2010NOx排放量标准，而后者大致相当于0.01g/HP·h的2010微粒排放要求。
通过比较低十六烷值的(38.5)柴油机燃料D3和中等范围十六烷值(45.5)燃料D4，及中间范围十六烷值(46.7)的柴油机燃料D7和高十六烷值(55.4)柴油机燃料D8，测定十六烷值对HCCI发动机性能和排放量的影响。所述的每一对燃料具有非常类似的蒸馏性质和芳烃含量。
通过改变燃料的碳氢化合物组成(正常的十六烷值)实现的十六烷值增加的影响，与通过使用硝酸乙基己基酯十六烷值增进剂实现的十六烷值增加进行了比较。该对比涉及试验正常十六烷值的D3和D4，及十六烷值增强的燃料D1(通过用十六烷值增进剂处理燃料D3制备)。所述燃料D1的十六烷值(45.9)与燃料D4的十六烷值(45.5)匹配，以及与芳烃含量和蒸馏性质匹配。另外，十六烷值为31.7的柴油燃料D2，衍生十六烷值分别为20.4，26.7和31.2的三种汽油，G1，G2和G3，进行试验确定进一步减少十六烷值对发动机工作范围的影响。同样可以测定燃料G1，G2和G3的辛烷值的影响。
分别使用包含44.7和28.7wt％芳烃的燃料D4和D7研究芳烃含量的影响。
通过比较中间馏分燃料D6和D7研究挥发性的影响。燃料D6比燃料D7挥发性更大，因为其馏程较低，例如这些燃料的90％蒸馏温度分别等于257℃和313℃。燃料D7具有No.2柴油燃料的挥发性，而燃料D6具有No.1柴油燃料或者煤油的挥发性。通过比较柴油和汽油燃料的结果确定挥发性影响。
附图1-5说明以十六烷值分别为38.5和45.5的燃料D3和D4运行的试验发动机的NOx，AVL烟度值，HC，CO和热效率。对于十六烷值分别为46.7和55.4的燃料D7和D8，相同的参数绘制在附图6-10中。在每一情况下，对于单一的速度/载荷状态下显示出十六烷值影响，但是在所述试验条件之内它们没有显著差异。当燃料喷油定时延迟时，NOx排放量增加，而烟度值，HC和CO排放量减少或者保持没有变化。
在较早(超前)的喷油定时下，NOX排放量极低，因为燃料蒸发并与空气混合充裕的时间导致燃料在低燃烧温度下在燃烧室内相对均匀的分布。对于延迟的(推迟的)燃烧定时，在燃烧室内燃料分布变得不太均匀导致较高的局部燃烧温度，并增加NOX排放量，但是减少了HC，CO和烟度值。使用中间的喷油定时范围，其中可以实现低的NOx和烟度值并具有中等水平的HC和CO。
随着喷油定时推迟热效率趋于改善，保持较低的HC和CO排放量。总的说来，在所有的用于该研究的发动机操作条件下，不同十六烷值对发动机性能和排放量的影响很小，当喷油定时推迟时趋于消失。如果其影响是可察觉的，则与低十六烷值的燃料比较，在超前的燃油喷射设置下十六烷值增加似乎改善CO，HC和烟雾排放量。观察到的这些十六烷值小的影响归因于与燃料十六烷值增加相关的燃料反应性增加和超前开始的燃烧定时。
尽管与较低十六烷值燃料相比，在超前燃油喷射设置下较高的十六烷值燃料似乎改善CO，HC和烟雾排放量，但在研究的注入设定范围之内，较低十六烷值的燃料似乎保持NOx减少到相同的低水平，或者NOx改善超过了所述高十六烷值燃料表现出的NOx水平(见附图1-10和表4)。
在包含1200rpm，25％负荷下进行的发动机试验结果的表4中比较了正常和增强十六烷值的影响。这些结果表明45.5十六烷值未增加的燃料D4和45.9十六烷值点火增强的燃料D1对HCCI发动机NOx，AVL烟度值，HC，CO和热效率，相对于38.5十六烷值基础燃料D3，具有大致相同的影响。如附图11和12所示，相对于燃料D3，同样燃料D1和D4的燃烧定时提前开始约6度曲柄角。在HCCI发动机中十六烷值对SOC定时的影响是不希望的。事实上，从在HCCI发动机上实现较高负荷操作观点看它是起相反作用的。增加十六烷值使得在高负荷下更难以实现优化的燃烧定相，及在汽缸压力和压力升高速率限制的约束内更难以使热效率最大化。
表4-正常和增强的十六烷值的效果
如表5和6所示，柴油燃料D2和汽油G3可以使HCCI发动机在宽的速度和负荷范围之内运行。燃料D2可以使发动机在1200rpm，72％负荷和1800rpm，78％负荷下运行。燃料G3可以使发动机在75％负荷，1200rpm和83％负荷1800rpm下运行。燃料D2的十六烷值和燃料G3的衍生十六烷值分别为31.7和31.2。另一方面，汽油G1和G2证明过度抵抗自动点火，严重限制了发动机的工作范围。燃料G2(衍生的十六烷值为26.7)可以使发动机在1200rpm下实现75％的负荷，但是在1800rpm下其运行限制于单一的71％负荷。在1200rpm下，在燃料G1(衍生十六烷值为20.4)上发动机运行限于50-75％窄的负荷范围。在1800rpm下，在该燃料上没有实现HCCI燃烧。
试验结果同样表明当燃料辛烷值减少时，发动机工作范围增加。(R+M)/2辛烷值为63.2的燃料G3可以提供比R+M/2为81.2的G2较大的工作范围，继而G2可以提供比R+M/2为91.2的G1较大的工作范围。辛烷值是汽油燃料抗引燃性的度量。与标准的汽油发动机不同，HCCI发动机没有火花塞启动点火所述燃料。如果所述燃料抗引燃性过高，那么燃料太难以点火，因此限制发动机运行。
表5-在燃料D2上运行的HCCI发动机负荷范围
表6-在燃料G1，G2和G3上HCCI发动机运行的负荷范围
在附图13-17中显示出1500rpm，25％负荷工作点下的燃料芳烃含量对废气排放和热效率的影响基于总芳烃含量分别等于44.7和28.7wt％的燃料D4和D7进行对比。通常，观察到的影响是小的，对于用于该研究中的发动机操作条件而言，这种影响遵循的趋势不太清楚。这些结果表示这种HCCI燃烧系统对柴油燃料芳烃含量相对不敏感。
HCCI燃烧系统似乎对柴油燃料芳烃含量相对不敏感，而常规的柴油燃烧系统对这种参数敏感。
这种对芳烃的不敏感性，以及良好的运行能力及使用较低十六烷值柴油燃料实现的低NOX排放量，可以显著增加可用柴油燃料池的尺寸。
如表5和6所示，对于柴油燃料D2所述发动机能够在高达78％负荷下运行，对于汽油燃料G3可以在高达83％的负荷下运行。这表明宽范围的燃料挥发性可用于所述发动机。附图18和19比较了燃料D6和D7的汽缸压力和放热率。这些燃料挥发性不同但是它们的芳烃含量和十六烷值匹配很好。挥发性增加对点火定时的开始没有产生显著影响，不影响汽缸压力和放热率。
附图20-24显示出通过比较D6和D7，对于发动机载荷25和50％情况下的燃料挥发性对废气排放和热效率的影响。挥发性增加对排放量和效率产生小的影响。对于挥发性更大的燃料D6，NOx，烟度值和HC排放量减少，而热效率没有影响。这些影响可以由在点火的时候，发动机燃烧室内挥发性更大的燃料D6更均匀的分布引起的。然而，CO排放量结果是多种因素引起的。
这些结果表明宽范围的挥发性类型燃料可以用于该发动机。挥发性更大的燃料如煤油或者汽油由于更好的燃料蒸发和混合性可以提供排放优点。利用挥发性燃料如柴油还有(另外的)优点，因为这些燃料具有较高的能量密度，因此可提供更好的行车里程，这对于已知的大量柴油燃料消费者的卡车运输业是非常重要的。
权利要求
1.一种操作均匀负荷直接喷射压燃式发动机以控制发动机内燃烧产生的废气排放水平的方法，其中燃料在压缩冲程期间注入，所述燃料通过ASTM D613确定的十六烷值，或者通过ASTM D6890确定的衍生十六烷值，为20-50，总芳烃含量等于或者大于15wt％。
2.权利要求1所述的方法，其中所述燃料的十六烷值为20-40。
3.权利要求1所述的方法，其中所述燃料的十六烷值为20-30。
4.权利要求1，2和3的方法，其中所述燃料的总芳烃含量等于或者大于28wt％。
5.权利要求1，2和3的方法，其中所述燃料的总芳烃含量为28wt％-50wt％。
6.权利要求1的方法，其中所述燃料的沸点温度范围为25℃-380℃。
7.所述权利要求1的方法，其中对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-91。
8.所述权利要求1的方法，其中对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-81。
9.所述权利要求1的方法，其中对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-70。
10.权利要求1-9的方法，其中控制排放的废气是NOx。
11.一种操作均匀负荷直接喷射压燃式发动机以控制所述发动机内燃烧产生的废气排放水平的方法，其中燃料在压缩冲程期间注入，所述燃料通过ASTM D613确定的十六烷值，或者通过ASTM D6890确定的衍生十六烷值，等于或者小于50，总芳烃含量等于或者大于15wt％。
12.权利要求11的方法，其中所述燃料的总芳烃含量等于或者大于28wt％。
13.权利要求11的方法，其中所述燃料的总芳烃含量为28wt％-50wt％。
14.权利要求11的方法，其中所述的燃料的沸点温度范围为25℃-380℃。
15.所述权利要求11的方法，其中对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-91。
16.所述权利要求11的方法，其中对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-81。
17.所述权利要求11的方法，其中对于汽油燃料，研究法和马达法辛烷值的平均值，(R+M)/2，为60-70。
18.权利要求1-17的方法，其中控制排放的废气是NOx。
全文摘要
公开一种通过在均匀负荷直接喷射压燃式发动机中燃烧十六烷值等于或者小于50，芳烃含量等于或者大于15wt％的燃料，从而控制发动机废气排放的方法。
文档编号F02M1/16GK1950489SQ200580014015
公开日2007年4月18日 申请日期2005年4月27日 优先权日2004年5月14日
发明者拉法尔·A·索博托夫斯基, 查尔斯·H·施莱尔, 凯文·P·达菲, 肯尼斯·D·埃代马恩 申请人:埃克森美孚研究工程公司, 卡特尔皮亚尔公司