专利名称：一种低辛烷值汽油类燃料多段预混压燃方法
技术领域：
本发明属于发动机燃烧控制领域，具体涉及一种使用电气控制的多段预混压燃的方法。
背景技术：
能源与环境问题是当前世界范围内均面对的严峻问题，本领域研究者亦纷纷致力于发动机提闻热效率、减少氣氧化物排放的研究，以提闻化石能源利用率，减少排放污染。目前常规汽油机的热效率一般为30%左右，远小于柴油机40%的热效率，主要原因之一是其燃烧方式为当量比均质混合气火花点火燃烧，该燃烧方式固有的爆震问题限制了常规汽油机压缩比的提高；而且因使用三效催化剂而无法稀燃，导致其热效率较低。近年来出现的均质充量压燃(HCCI)模式，实现了汽油机压燃工作，但这种燃烧模式的着火时刻和放热速率不易控制，容易出现燃烧不稳定现象；而且其可用负荷范围较小， 虽然能够满足日常中低速巡航和大部分城市工况的要求，但不能满足加速、高速巡航等高功率输出要求，正是由于以上这些缺点导致这种模式的发动机目前还没有得到实用。最近出现的汽油部分预混压燃(PPCI)模式采用缸内多段喷射实现混合气浓度分层，并以此来辖制燃烧放热速率，在一定程度上拓宽了汽油压燃模式的工作范围，向可控的高效清洁缸内直喷压燃汽油机前进了一步。但这种按照“喷油-喷油-燃烧”顺序排列的多段直喷压燃模式没能从根本上跳出为降低碳烟和氮氧化物排放需要燃油与空气混合得更加均匀，而要降低大负荷时过高的压力升高率又需要更多的燃油浓度分层这一矛盾关系，所以其本质是一种均质压燃和扩散压燃之间的折中产物。汽油ppci模式在大负荷时压力升高率过高且氮氧化物排放较高的缺点证明了这种汽油压燃模式存在的局限性。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种实现高效清洁且可控的低辛烷值汽油类燃料多段预混压燃方法，以突破传统火花点火式汽油机热效率低、汽油均质充量压燃模式燃烧放热过程难于直接控制且无法拓宽负荷的问题，并克服汽油部分预混压燃模式大负荷时压力升高率和氮氧化物排放高的局限。实现本发明上述目的的技术方案为—种低辛烷值汽油类燃料的多段预混压燃方法，该方法中，发动机在压缩上止点前160° CA (Crank Angle，曲轴转角)至压缩上止点后40° CA的范围内，采用喷油-燃烧多段燃烧模式。具体为在压缩上止点前160° CA至压缩上止点后40° CA的范围内采用多段喷油、多段预混压燃组合的模式，每次喷油之后跟随一次预混压燃过程。采用这种称为汽油“多段预混压燃”的全新燃烧模式，即在发动机的压缩上止点附近，缸内燃油喷射过程和预混合燃烧过程按照“喷油-燃烧-喷油-燃烧”的顺序排列。这种“喷油-燃烧”的组合过程可以重复1-3次。本发明达到喷油过程和燃烧过程没有重叠，这一点已经被试验证实。每次喷油过程和燃烧放热过程交替出现，没有重叠，这样可以避免“火里喷油”的扩散燃烧过程出现，从而确保每次喷油之后的燃烧放热过程为预混合燃烧。汽油多段预混压燃模式实现了内燃机中缸内压力升高过程和污染物生成过程的解耦，也就是说大负荷时压力升高率过高的问题可以通过采用多阶段的预混合燃烧过程得以解决，而通过仔细优化每一次的预混合燃烧过程，又能够使碳烟和氮氧化物的排放降到很低的水平。这样一来，汽油多段预混压燃模式就从根本上跳出了汽油部分预混压燃模式为了降低大负荷时的压力升高率需要更多的燃油浓度分层，而要降低碳烟和氮氧化物排放又需要更加均质的混合气浓度分布这一矛盾，真正实现了柔和可控的低污染燃烧过程。另夕卜，由于预混合燃烧的速率较快，从而保证了整个燃烧放热过程的高等容度，以实现较高的热效率和低的燃油消耗。其中，所述喷油-燃烧的模式进行1-3次。
其中，在发动机怠速及小负荷运行时，所述喷油-燃烧的模式进行I次。理想情况下，可以在发动机整个工况平面内采用低辛烷值汽油类燃料多段预混压燃模式。但是，在怠速和小负荷工况下，由于喷入缸内的燃油量较少，燃烧过程的压力升高率不会太高，因此为了确保可靠压燃，将采用单次喷油模式，即“喷油-燃烧”的组合过程只有一次。在这种情况下，由于空气充足，因而同样能够实现高效低污染的稀薄燃烧过程，且燃烧放热过程同样可控。随着发动机负荷的增大，将根据需要增加喷油和预混燃烧的次数，以便在保持高效清洁燃烧目标的同时，把压力升高率和燃烧噪声控制在用户可以接受的范围之内。其中，所述多段预混压燃方法使用的燃料为低辛烷值汽油类燃料，例如石脑油或凝析油。低辛烷值汽油类燃料是指辛烷值低于普通市售高辛烷值汽油(93#、95#等)的一类具有较高挥发性且较易压燃的燃料，因此低辛烷值汽油类燃料是一类燃料的概念；石脑油和凝析油都具备高挥发性和容易压燃的特点，因此石脑油和凝析油从属于低辛烷值汽油类燃料的范畴，即石脑油和凝析油是并列关系，它们都包含于低辛烷值汽油类燃料这个大的概念中。传统汽油机火花点火方式要求燃料的抗爆性好、辛烷值高，这对汽油的炼制工艺提出了很高的要求。由于原油通过常压、减压蒸馏炼制工艺得到的低碳(C4 CS)直馏汽油(属于石脑油)，其馏程在4(Tl40° C之间，挥发性好，研究法辛烷值(RON)较低(65 80)，容易产生爆燃，故无法直接用在点燃式汽油机上。为了得到适合点燃式汽油机使用的高辛烷值汽油，需要对直馏燃油进行二次或三次加工，如催化裂化、连续重整、烷基化和苯烃化等。这种炼制工艺得到的成品汽油组分复杂，含有500多种烃，碳原子数在C4 C12之间，燃料动力能耗和原料物耗较高，即使炼油工业竭尽全力，有时也不得不依靠添加甲基叔丁基醚(MTBE )、甲基环戊二烯三羰基锰(MMT )等抗爆剂使汽油的辛烷值达到高标号，这样做大大增加了汽油成本，同时这些抗爆剂会对环境造成二次污染。石脑油(naphtha)是一种轻质液态烃，由原油蒸馏或石油二次加工切取相应馏分而得，通常有较宽的馏程。目前，石脑油主要用作重整和化工原料作为生产芳烃的重整原料，采用7(Tl45°C馏分，称轻石脑油；当以生产高辛烷值汽油为目的时，采用7(Tl80°C馏分，称重石脑油。轻石脑油组分大多集中在C5 CS之间，而重石脑油组分大多集中在C6 ClO之间。据报道，2009年我国全年累计生产石脑油1751万吨，而到2010年全年产量则提高到2527万吨，同比增长44. 3%。可见，石脑油在我国有着广阔的来源和供应量。
除了石脑油可以直接用作压燃式汽油机的燃料之外，天然气藏伴生凝析油(gascondensate)也是一种可以直接用作压燃式汽油机燃料的轻质液态烃。凝析油是指从凝析气田的天然气中凝析出来的液相组分，天然气中部分较重的烃类在油层的高温、高压条件下呈气态，采气时由于压力和温度降低到地面环境条件，这些较重的烃类从天然气中凝析而成为凝析油。凝析油的主要成分是C5 CS烃类的混合物(类似石脑油的组分)，辛烷值低，馏分多在20 200°C，比重小于O. 78kg/L，挥发性好，但目前主要用作炼油和化工产品的优质原料。全球已发现的凝析油气田超过12200多个，2008年全球凝析油生产能力约
3.19亿吨/年，产能主要分布于美国、俄罗斯、澳大利亚、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦及中东和亚太地区。2008年，全球可供出口的凝析油约为I亿吨，其中中东3206万吨，非洲3795万吨，中国400万吨。由于凝析油在俄罗斯和独联体国家没有得到很好的应用，一直保持低廉的价格，我国每年从这些地区大量进口凝析油。同时国内凝析油资源也很丰富，产地主要分布在新疆油田、中原油田、东海油田等，尤其新疆的塔里木油田，凝析油储量占全国总储 量的80%。新疆地区已相继发现了牙哈、吉拉克、英买力、迪拉等13个高压凝析气田，凝析油气当量近2. 8亿吨，仅牙哈凝析气田就日产凝析油2190吨。在世界范围内，凝析油的分布十分广泛且蕴藏量巨大，这无疑为低辛烷值汽油类燃料在压燃式汽油机的大规模应用提供了广阔的前景。本发明的方法采用石脑油或凝析油作为燃料，由于这些低辛烷值汽油类燃料的来源广泛且炼制工艺简单，因此生产成本较低；而且由于不需要添加甲基叔丁基醚(MTBE)、四乙基铅等对环境有害的抗爆剂，使得这些低辛烷值汽油类燃料与目前大规模使用的高辛烷值汽油相比，具有环境友好的特性。所以该种低辛烷值汽油类燃料多段预混压燃方法同时具备高效清洁、柔和可控以及使用成本低等多项优势。其中，所述发动机的压缩比为13-22。得益于低辛烷值汽油类燃料的高挥发性和良好的自燃特性，所使用的低辛烷值汽油类燃料多段预混压燃模式可以在不采用进气加热等辅助手段的情况下，在常规柴油机的压缩比下就能够实现稳定压燃。其中，所述喷油-燃烧多段燃烧模式通过电控高压共轨系统控制。通过采用电控高压共轨系统可以方便地调节和优化喷油次数、喷油时刻、喷油压力和燃油喷射比例等参数，以达到最优的油气匹配关系，实现柔和可控且高效清洁的燃烧放热过程。其中，所述电控高压共轨系统控制所述喷油-燃烧多段燃烧模式运行中的喷油次数、喷油时刻、喷油压力和燃油喷射比例。其中，所述电控高压共轨系统控制喷油次数为1-3次，控制喷油时刻为压缩上止点前160° CA至压缩上止点后40° CA的范围内。其中，所述电控高压共轨系统控制喷油压力为40MPa_200MPa。燃油喷射比例(每次喷射油量的比例)为第一次喷入循环总燃油质量的30%-100%，第二次喷入循环总燃油质量的0%-70%，第三次喷入循环总燃油质量的0%-40%。本发明的有益效果在于通过采用多阶段的预混合燃烧过程解决了汽油压燃模式大负荷时压力升高率过高的问题，实现了柔和可控的低污染燃烧过程；由于预混合燃烧的速率较快，从而保证了整个燃烧放热过程的高等容度，实现了较高的热效率和低的燃油消耗。采用石脑油和凝析油等低辛烷值汽油类燃料可以降低汽油生产成本并减少对环境有害的抗爆添加剂的使用，实现内燃机的高效清洁燃烧。
图I低辛烷值汽油类燃料多段预混压燃模式喷油与燃烧放热顺序示意图。
具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中，所使用的发动机为长城汽车公司生产的GW4D20型柴油机，测量尾气的仪器为奥地利AVL公司生产的CEB2型尾气分析仪。电控高压共轨系统的控制软件购自易控汽车电子有限公司，燃油喷射系统硬件由美国德尔福公司生产。
实施例I使用石脑油作为燃料，不添加抗爆剂。实施例用发动机参数为气缸缸径83. 1_，行程92mm，连杆长度145. 8mm，压缩比16. 7，进气门关闭时刻-130° CAATDC(相对于压缩上止点)。电控高压共轨系统控制操作。发动机转速为2000r/mim，负荷为O. 7MPa IMEP (平均指示压力)时，石脑油喷射时刻为第一次喷射在压缩上止点前80° CA，第二次喷射在压缩上止点后5° CA (参见图1)，喷油压力为80MPa。进行两次喷油-燃烧。燃油喷射比例为第一次喷入循环总燃油质量的50%，第二次喷入循环总燃油质量的50%。喷油过程和燃烧过程没有重叠。得本发动机指示效率为51. 6%，排放的NOx为230ppm，最大压力升高率为O. 34MPa/° CA，且试验过程中没有采用进气增压和废气再循环(EGR)。实施例2使用石脑油作为燃料，不添加抗爆剂。实施例用发动机参数为气缸缸径83. 1mm，行程92mm，连杆长度145. 8mm，压缩比16. 7，进气门关闭时刻-130° CAATDC(相对于压缩上止点)。电控高压共轨系统控制操作。发动机转速为1500r/mim，负荷为O. 6MPa MEP(平均指示压力)时，石脑油喷射时刻为第一次喷射在压缩上止点前40° CA，第二次喷射在压缩上止点后5° CA，喷油压力为80MPa。进行两次喷油-燃烧。燃油喷射比例为第一次喷入循环总燃油质量的50%，第二次喷入循环总燃油质量的50%。喷油过程和燃烧过程没有重叠。得本发动机指示效率为43. 6%，排放的NOx为414ppm，最大压力升高率为O. 58MPa/° CA，且试验过程中没有采用进气增压和废气再循环(EGR )。以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
权利要求
1.一种低辛烷值汽油类燃料的多段预混压燃方法，其特征在于，发动机在压缩上止点前160° CA至压缩上止点后40° CA的范围内采用喷油-燃烧多段组合燃烧模式。
2.如权利要求I所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述喷油-燃烧的组合燃烧模式进行1_3次。
3.如权利要求2所述的多段预混压燃方法，其特征在于，在发动机怠速及小负荷时，所述喷油-燃烧的模式进行I次。
4.如权利要求I所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述多段预混压燃方法使用的燃料为低辛烷值汽油类燃料，所述低辛烷值汽油类燃料为石脑油或凝析油。
5.如权利要求I所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述发动机的压缩比为13-22。
6.如权利要求I所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述喷油-燃烧多段燃烧模式通过电控高压共轨系统控制。
7.如权利要求6所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述电控高压共轨系统控制所述喷油-燃烧多段燃烧模式运行中的喷油次数、喷油时刻、喷油压力和燃油喷射比例。
8.如权利要求6或7所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述电控高压共轨系统控制喷油次数为1-3次，控制喷油时刻为压缩上止点前160° CA至压缩上止点后40° CA的范围内，且除第一次喷油外，每次喷油过程均在前一次燃烧过程之后进行。
9.如权利要求6或7所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述电控高压共轨系统控制喷油压力为40MPa-200MPa。
10.如权利要求6或7所述的多段预混压燃方法，其特征在于，所述燃油喷射比例为第一次喷入循环总燃油质量的30%-100%，第二次喷入循环总燃油质量的0%-70%，第三次喷入循环总燃油质量的0%-40%。
全文摘要
本发明提出一种低辛烷值汽油类燃料的多段预混压燃方法，发动机运行时，在压缩上止点前160°CA至压缩上止点后40°CA的范围内采用多段喷油、多段预混压燃组合的模式，每次喷油之后跟随一次预混压燃过程。所述喷油-燃烧的组合过程可重复进行1-3次。本发明通过采用多阶段的预混合燃烧过程解决了汽油压燃模式大负荷时压力升高率过高的问题，实现了柔和可控的低污染燃烧过程；由于预混合燃烧的速率较快，保证了整个燃烧放热过程的高等容度，实现了较高的热效率和低的燃油消耗。本发明采用低辛烷值汽油类燃料可以降低汽油生产成本并减少对环境有害的抗爆添加剂的使用，实现内燃机的高效清洁燃烧。
文档编号F02D41/40GK102900555SQ20121038140
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者杨洪强, 帅石金, 王志, 王建昕 申请人:清华大学