專利名稱：控制均勻負(fù)荷直接噴射壓燃式發(fā)動機(jī)廢氣排放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接注入均勻負(fù)荷的壓燃式發(fā)動機(jī)，及控制廢氣排放的方法，尤其是通過調(diào)節(jié)燃料性能控制從廢氣排放中的NOx排放量。
相關(guān)領(lǐng)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”，教導(dǎo)了三種試驗(yàn)燃料，分別為兩種基于沸程約35℃-139℃而且十六烷值為25，40的燃料，及一種是沸程為170℃-355℃而且十六烷值為53的柴油，當(dāng)十六烷值降低及噴油定時(shí)提高時(shí)三種試驗(yàn)燃料的NOX排放量顯示出減少的傾向。
在Kalghatgi等人的SAE 2003-01-1816的“A Method of DefiningIgnition Quality of Fuels in HCCI Engines”中教導(dǎo)，對于HCCI發(fā)動機(jī)，在具有相同的RON情況下，對(十六烷值)更敏感的燃料比對(十六烷值)不太敏感的燃料可能更好。據(jù)報(bào)道燃料敏感性隨燃料的芳香/烯烴族/含氧化合物含量的增加而增加。
均勻負(fù)荷壓縮點(diǎn)火(HCCI)是一種迅速發(fā)展的技術(shù)，對于滿足將來廢氣排放條例的要求同時(shí)保持良好燃料轉(zhuǎn)換效率顯示出顯著的可能性。
正在開發(fā)HCCI系統(tǒng)的主要理由是它們可滿足將來世界范圍內(nèi)排放條例要求的超低NOx和顆粒物排放量，優(yōu)異的燃料效率和可能免除昂貴的后處理系統(tǒng)。
盡管HCCI形式可用于滿足實(shí)際所有的即將出現(xiàn)的條例要求，但由于極其低的NOx排放水平，HCCI系統(tǒng)同樣針對US的高速公路(on-highway)2010和非等級公路(off-road Tier)4b條例的要求。在所有的發(fā)動機(jī)操作條件(最多＜10ppm＝下，0.2-0.3g/HP·h的NOx水平轉(zhuǎn)化為＜50ppmNOx，達(dá)到這樣的水平的惟一另外已知的方法涉及使用昂貴的NOx后處理技術(shù)，例如NOx吸附劑和SCR系統(tǒng)。如果實(shí)現(xiàn)真正的均勻混合物，要避免汽缸中的富區(qū)域，固體碳含量實(shí)際上為零，以避免捕獲顆粒的必要。同樣立法規(guī)定了碳?xì)浠衔锖虲O含量水平，HCCI燃燒固有高水平的這些排放量，尤其是在輕負(fù)荷下(低的當(dāng)量比)。因此，即使HCCI燃燒法可成功消除NOx和PM收集器的必要，但仍需要氧化催化劑。
大多數(shù)HCCI開發(fā)工作遇到的主要難題是在發(fā)動機(jī)必須操作的整個(gè)功率范圍和立法規(guī)定的排放循環(huán)之內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些超低的NOx和PM排放量。對于特定應(yīng)用場合例如客車和輕型載貨汽車，在一些國家中，所述排放循環(huán)僅使得機(jī)動車實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷運(yùn)行，因此可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1/2負(fù)荷的低排放，及因而在較高負(fù)荷下使用更常規(guī)方法的HCCI策略是一種非?？山邮艿慕鉀Q方案。然而，對于高速公路卡車和非公路設(shè)備而言，所述排放循環(huán)要使發(fā)動機(jī)從輕負(fù)載直到滿負(fù)荷必須產(chǎn)生超低的NOx和PM水平。因此，理想的HCCI解決方案是在所有的發(fā)動機(jī)操作條件下可工作，這證明是參與HCCI開發(fā)的研究工作者最難克服的障礙。其主要原因是當(dāng)更多燃料注入時(shí)燃燒速度迅速增加，從而增加了發(fā)動機(jī)的功率輸出。這些高燃燒速率導(dǎo)致汽缸壓力超過發(fā)動機(jī)氣缸組件(活塞，環(huán)，頭蓋等)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限，通常伴隨有高的NOx排放量并增加熱損失。
與標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)相比較，HCCI發(fā)動機(jī)具有較高的HC和CO排放，因此控制這些排放是同樣重要的。
因此，希望確定控制和減少NOx，顆粒物及其他廢氣排放的方法，所述的方法得以實(shí)現(xiàn)而不取決于HCCI發(fā)動機(jī)機(jī)械或者操作控制，同時(shí)可增加燃料池的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過在HCCI發(fā)動機(jī)中燃燒十六烷值減少的燃料控制廢氣排放，尤其是來自直接注入的HCCI發(fā)動機(jī)的NOX排放，并保持低的水平，所述燃料的十六烷值為約20-50，優(yōu)選約20-40，更優(yōu)選20-30。燃料的總芳烴含量大于15wt％，優(yōu)選大于28wt％，更優(yōu)選為28-50wt％。燃料沸程為25℃-380℃。對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-91，優(yōu)選60-81，更優(yōu)選60-70。


參考附圖描述本發(fā)明不同的實(shí)施方式，其中附圖1-5說明在1500rpm，50％負(fù)荷下噴油定時(shí)和十六烷值(38.5-45.5范圍)分別對NOx，AVL煙度值，HC，CO和熱效率的影響。
附圖6-10說明在1200rpm，25％負(fù)荷下噴油定時(shí)和十六烷值(46.7-55.4范圍)分別對NOx，AVL煙度值，HC，CO和熱效率的影響。
附圖11和12說明在1200rpm，25％負(fù)荷下，正常的和增強(qiáng)的十六烷值分別對汽缸壓力和放熱率的影響。
附圖13-17說明在1500rpm，25％負(fù)荷下，噴油定時(shí)和芳烴含量分別對NOx，AVL煙度值，HC，CO和熱效率的影響。
附圖18-19說明在1200rpm，25％負(fù)荷下，燃料揮發(fā)性分別對發(fā)動機(jī)放熱和汽缸壓力的影響。
附圖20-24說明在1200rpm和1800rpm下，燃料揮發(fā)性分別對NOx，AVL煙度值，HC，CO和熱效率的影響。
發(fā)明說明書可以通過在直接注入式HCCI發(fā)動機(jī)中燃燒燃料控制廢氣排放，尤其是來自直接注入式均勻進(jìn)料壓燃式發(fā)動機(jī)的NOX排放量，并保持低的水平，其中所述的燃料在壓縮沖程期間注入，所述燃料的十六烷值或者衍生的十六烷值分別通過ASTM D613或者ASTM D6890的方法確定，為約20-50，優(yōu)選約20-40，更優(yōu)選約20-30，此外所述燃料的總芳烴含量為約15wt％或更多，優(yōu)選28wt％或更多，更優(yōu)選約15-50wt％，最優(yōu)選為約28-50wt％。燃料沸程為25℃-380℃。對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-91，優(yōu)選60-81，更優(yōu)選60-70。
柴油機(jī)燃料定義為在大氣壓下在約l50℃-380℃溫度范圍之內(nèi)沸騰的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，而汽油燃料是在大氣壓下在約25℃-220℃溫度范圍之內(nèi)沸騰的那些。
所述使用的燃料也可以包含非碳?xì)浠衔锝M分，例如含氧化合物。它們也可以包含添加劑，例如染料，抗氧化劑，十六烷值增進(jìn)劑，低溫流動改進(jìn)劑或者潤滑性能改進(jìn)劑。
試驗(yàn)進(jìn)行研究以考察燃料特性對HCCI發(fā)動機(jī)性能和廢氣排放的影響，對于所有的燃料集中考察十六烷值，芳烴含量和揮發(fā)性，對于汽油燃料考察辛烷值。用于該研究的柴油機(jī)燃料性質(zhì)顯示于表1中。汽油試驗(yàn)燃料的性質(zhì)列于表2中。
表1-柴油機(jī)試驗(yàn)燃料的性質(zhì)

**燃料D9用0.15vol％的硝酸乙基己基酯十六烷值增進(jìn)劑處理***燃料D9用0.4vol％的硝酸乙基己基酯十六烷值增進(jìn)劑處理*燃料D3用0.3vol％的硝酸乙基己基酯十六烷值增進(jìn)劑處理表2-汽油試驗(yàn)燃料的性質(zhì)

用于該研究的發(fā)動機(jī)是單缸Caterpillar 3401發(fā)動機(jī)，規(guī)格列于表3中。使用液壓加強(qiáng)的燃料噴射器提供均勻的噴射分布。
表3-發(fā)動機(jī)規(guī)格氣缸工作容量2.44dm3內(nèi)徑/沖程 137.2/165.1mm每汽缸的汽門數(shù) 4渦流比 ～0.4使用入口和排氣均壓箱以提供代表實(shí)際的多汽缸渦輪增壓器操作特征的增壓和反壓力水平。不使用氧化催化劑，因此報(bào)導(dǎo)的HC和CO水平是所有的發(fā)動機(jī)停止?fàn)顟B(tài)值。用Horiba EXSA分析器測定CO，HC，NOx和CO2廢氣排放量。使用AVL廢氣分析儀進(jìn)行煙霧測量。
在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1200，1500和1800rpm，及發(fā)動機(jī)載荷25％，50％和70+％下測試所述燃料。
所述研究集中于發(fā)動機(jī)操作條件，特征在于NOX排放量＜0.2g/HP·h，和AVL煙度值＜0.1。前者相應(yīng)于重載發(fā)動機(jī)的US EPA2010NOx排放量標(biāo)準(zhǔn)，而后者大致相當(dāng)于0.01g/HP·h的2010微粒排放要求。
通過比較低十六烷值的(38.5)柴油機(jī)燃料D3和中等范圍十六烷值(45.5)燃料D4，及中間范圍十六烷值(46.7)的柴油機(jī)燃料D7和高十六烷值(55.4)柴油機(jī)燃料D8，測定十六烷值對HCCI發(fā)動機(jī)性能和排放量的影響。所述的每一對燃料具有非常類似的蒸餾性質(zhì)和芳烴含量。
通過改變?nèi)剂系奶細(xì)浠衔锝M成(正常的十六烷值)實(shí)現(xiàn)的十六烷值增加的影響，與通過使用硝酸乙基己基酯十六烷值增進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)的十六烷值增加進(jìn)行了比較。該對比涉及試驗(yàn)正常十六烷值的D3和D4，及十六烷值增強(qiáng)的燃料D1(通過用十六烷值增進(jìn)劑處理燃料D3制備)。所述燃料D1的十六烷值(45.9)與燃料D4的十六烷值(45.5)匹配，以及與芳烴含量和蒸餾性質(zhì)匹配。另外，十六烷值為31.7的柴油燃料D2，衍生十六烷值分別為20.4，26.7和31.2的三種汽油，G1，G2和G3，進(jìn)行試驗(yàn)確定進(jìn)一步減少十六烷值對發(fā)動機(jī)工作范圍的影響。同樣可以測定燃料G1，G2和G3的辛烷值的影響。
分別使用包含44.7和28.7wt％芳烴的燃料D4和D7研究芳烴含量的影響。
通過比較中間餾分燃料D6和D7研究揮發(fā)性的影響。燃料D6比燃料D7揮發(fā)性更大，因?yàn)槠漯s程較低，例如這些燃料的90％蒸餾溫度分別等于257℃和313℃。燃料D7具有No.2柴油燃料的揮發(fā)性，而燃料D6具有No.1柴油燃料或者煤油的揮發(fā)性。通過比較柴油和汽油燃料的結(jié)果確定揮發(fā)性影響。
附圖1-5說明以十六烷值分別為38.5和45.5的燃料D3和D4運(yùn)行的試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的NOx，AVL煙度值，HC，CO和熱效率。對于十六烷值分別為46.7和55.4的燃料D7和D8，相同的參數(shù)繪制在附圖6-10中。在每一情況下，對于單一的速度/載荷狀態(tài)下顯示出十六烷值影響，但是在所述試驗(yàn)條件之內(nèi)它們沒有顯著差異。當(dāng)燃料噴油定時(shí)延遲時(shí)，NOx排放量增加，而煙度值，HC和CO排放量減少或者保持沒有變化。
在較早(超前)的噴油定時(shí)下，NOX排放量極低，因?yàn)槿剂险舭l(fā)并與空氣混合充裕的時(shí)間導(dǎo)致燃料在低燃燒溫度下在燃燒室內(nèi)相對均勻的分布。對于延遲的(推遲的)燃燒定時(shí)，在燃燒室內(nèi)燃料分布變得不太均勻?qū)е螺^高的局部燃燒溫度，并增加NOX排放量，但是減少了HC，CO和煙度值。使用中間的噴油定時(shí)范圍，其中可以實(shí)現(xiàn)低的NOx和煙度值并具有中等水平的HC和CO。
隨著噴油定時(shí)推遲熱效率趨于改善，保持較低的HC和CO排放量?？偟恼f來，在所有的用于該研究的發(fā)動機(jī)操作條件下，不同十六烷值對發(fā)動機(jī)性能和排放量的影響很小，當(dāng)噴油定時(shí)推遲時(shí)趨于消失。如果其影響是可察覺的，則與低十六烷值的燃料比較，在超前的燃油噴射設(shè)置下十六烷值增加似乎改善CO，HC和煙霧排放量。觀察到的這些十六烷值小的影響歸因于與燃料十六烷值增加相關(guān)的燃料反應(yīng)性增加和超前開始的燃燒定時(shí)。
盡管與較低十六烷值燃料相比，在超前燃油噴射設(shè)置下較高的十六烷值燃料似乎改善CO，HC和煙霧排放量，但在研究的注入設(shè)定范圍之內(nèi)，較低十六烷值的燃料似乎保持NOx減少到相同的低水平，或者NOx改善超過了所述高十六烷值燃料表現(xiàn)出的NOx水平(見附圖1-10和表4)。
在包含1200rpm，25％負(fù)荷下進(jìn)行的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的表4中比較了正常和增強(qiáng)十六烷值的影響。這些結(jié)果表明45.5十六烷值未增加的燃料D4和45.9十六烷值點(diǎn)火增強(qiáng)的燃料D1對HCCI發(fā)動機(jī)NOx，AVL煙度值，HC，CO和熱效率，相對于38.5十六烷值基礎(chǔ)燃料D3，具有大致相同的影響。如附圖11和12所示，相對于燃料D3，同樣燃料D1和D4的燃燒定時(shí)提前開始約6度曲柄角。在HCCI發(fā)動機(jī)中十六烷值對SOC定時(shí)的影響是不希望的。事實(shí)上，從在HCCI發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)較高負(fù)荷操作觀點(diǎn)看它是起相反作用的。增加十六烷值使得在高負(fù)荷下更難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的燃燒定相，及在汽缸壓力和壓力升高速率限制的約束內(nèi)更難以使熱效率最大化。
表4-正常和增強(qiáng)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發(fā)動機(jī)在寬的速度和負(fù)荷范圍之內(nèi)運(yùn)行。燃料D2可以使發(fā)動機(jī)在1200rpm，72％負(fù)荷和1800rpm，78％負(fù)荷下運(yùn)行。燃料G3可以使發(fā)動機(jī)在75％負(fù)荷，1200rpm和83％負(fù)荷1800rpm下運(yùn)行。燃料D2的十六烷值和燃料G3的衍生十六烷值分別為31.7和31.2。另一方面，汽油G1和G2證明過度抵抗自動點(diǎn)火，嚴(yán)重限制了發(fā)動機(jī)的工作范圍。燃料G2(衍生的十六烷值為26.7)可以使發(fā)動機(jī)在1200rpm下實(shí)現(xiàn)75％的負(fù)荷，但是在1800rpm下其運(yùn)行限制于單一的71％負(fù)荷。在1200rpm下，在燃料G1(衍生十六烷值為20.4)上發(fā)動機(jī)運(yùn)行限于50-75％窄的負(fù)荷范圍。在1800rpm下，在該燃料上沒有實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒。
試驗(yàn)結(jié)果同樣表明當(dāng)燃料辛烷值減少時(shí)，發(fā)動機(jī)工作范圍增加。(R+M)/2辛烷值為63.2的燃料G3可以提供比R+M/2為81.2的G2較大的工作范圍，繼而G2可以提供比R+M/2為91.2的G1較大的工作范圍。辛烷值是汽油燃料抗引燃性的度量。與標(biāo)準(zhǔn)的汽油發(fā)動機(jī)不同，HCCI發(fā)動機(jī)沒有火花塞啟動點(diǎn)火所述燃料。如果所述燃料抗引燃性過高，那么燃料太難以點(diǎn)火，因此限制發(fā)動機(jī)運(yùn)行。
表5-在燃料D2上運(yùn)行的HCCI發(fā)動機(jī)負(fù)荷范圍

表6-在燃料G1，G2和G3上HCCI發(fā)動機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷范圍

在附圖13-17中顯示出1500rpm，25％負(fù)荷工作點(diǎn)下的燃料芳烴含量對廢氣排放和熱效率的影響基于總芳烴含量分別等于44.7和28.7wt％的燃料D4和D7進(jìn)行對比。通常，觀察到的影響是小的，對于用于該研究中的發(fā)動機(jī)操作條件而言，這種影響遵循的趨勢不太清楚。這些結(jié)果表示這種HCCI燃燒系統(tǒng)對柴油燃料芳烴含量相對不敏感。
HCCI燃燒系統(tǒng)似乎對柴油燃料芳烴含量相對不敏感，而常規(guī)的柴油燃燒系統(tǒng)對這種參數(shù)敏感。
這種對芳烴的不敏感性，以及良好的運(yùn)行能力及使用較低十六烷值柴油燃料實(shí)現(xiàn)的低NOX排放量，可以顯著增加可用柴油燃料池的尺寸。
如表5和6所示，對于柴油燃料D2所述發(fā)動機(jī)能夠在高達(dá)78％負(fù)荷下運(yùn)行，對于汽油燃料G3可以在高達(dá)83％的負(fù)荷下運(yùn)行。這表明寬范圍的燃料揮發(fā)性可用于所述發(fā)動機(jī)。附圖18和19比較了燃料D6和D7的汽缸壓力和放熱率。這些燃料揮發(fā)性不同但是它們的芳烴含量和十六烷值匹配很好。揮發(fā)性增加對點(diǎn)火定時(shí)的開始沒有產(chǎn)生顯著影響，不影響汽缸壓力和放熱率。
附圖20-24顯示出通過比較D6和D7，對于發(fā)動機(jī)載荷25和50％情況下的燃料揮發(fā)性對廢氣排放和熱效率的影響。揮發(fā)性增加對排放量和效率產(chǎn)生小的影響。對于揮發(fā)性更大的燃料D6，NOx，煙度值和HC排放量減少，而熱效率沒有影響。這些影響可以由在點(diǎn)火的時(shí)候，發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)揮發(fā)性更大的燃料D6更均勻的分布引起的。然而，CO排放量結(jié)果是多種因素引起的。
這些結(jié)果表明寬范圍的揮發(fā)性類型燃料可以用于該發(fā)動機(jī)。揮發(fā)性更大的燃料如煤油或者汽油由于更好的燃料蒸發(fā)和混合性可以提供排放優(yōu)點(diǎn)。利用揮發(fā)性燃料如柴油還有(另外的)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@些燃料具有較高的能量密度，因此可提供更好的行車?yán)锍?，這對于已知的大量柴油燃料消費(fèi)者的卡車運(yùn)輸業(yè)是非常重要的。
權(quán)利要求
1.一種操作均勻負(fù)荷直接噴射壓燃式發(fā)動機(jī)以控制發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生的廢氣排放水平的方法，其中燃料在壓縮沖程期間注入，所述燃料通過ASTM D613確定的十六烷值，或者通過ASTM D6890確定的衍生十六烷值，為20-50，總芳烴含量等于或者大于15wt％。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料的十六烷值為20-40。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料的十六烷值為20-30。
4.權(quán)利要求1，2和3的方法，其中所述燃料的總芳烴含量等于或者大于28wt％。
5.權(quán)利要求1，2和3的方法，其中所述燃料的總芳烴含量為28wt％-50wt％。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述燃料的沸點(diǎn)溫度范圍為25℃-380℃。
7.所述權(quán)利要求1的方法，其中對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-91。
8.所述權(quán)利要求1的方法，其中對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-81。
9.所述權(quán)利要求1的方法，其中對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-70。
10.權(quán)利要求1-9的方法，其中控制排放的廢氣是NOx。
11.一種操作均勻負(fù)荷直接噴射壓燃式發(fā)動機(jī)以控制所述發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生的廢氣排放水平的方法，其中燃料在壓縮沖程期間注入，所述燃料通過ASTM D613確定的十六烷值，或者通過ASTM D6890確定的衍生十六烷值，等于或者小于50，總芳烴含量等于或者大于15wt％。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述燃料的總芳烴含量等于或者大于28wt％。
13.權(quán)利要求11的方法，其中所述燃料的總芳烴含量為28wt％-50wt％。
14.權(quán)利要求11的方法，其中所述的燃料的沸點(diǎn)溫度范圍為25℃-380℃。
15.所述權(quán)利要求11的方法，其中對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-91。
16.所述權(quán)利要求11的方法，其中對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-81。
17.所述權(quán)利要求11的方法，其中對于汽油燃料，研究法和馬達(dá)法辛烷值的平均值，(R+M)/2，為60-70。
18.權(quán)利要求1-17的方法，其中控制排放的廢氣是NOx。
全文摘要
公開一種通過在均勻負(fù)荷直接噴射壓燃式發(fā)動機(jī)中燃燒十六烷值等于或者小于50，芳烴含量等于或者大于15wt％的燃料，從而控制發(fā)動機(jī)廢氣排放的方法。
文檔編號F02M1/16GK1950489SQ200580014015
公開日2007年4月18日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者拉法爾·A·索博托夫斯基, 查爾斯·H·施萊爾, 凱文·P·達(dá)菲, 肯尼斯·D·埃代馬恩 申請人:埃克森美孚研究工程公司, 卡特爾皮亞爾公司