[发明专利]用于使HCCI发动机工作范围最佳化和使尾气排放最小化的燃料的选择

说明书

相关申请

本申请与2006年4月20日(20/4/2006)提交的美国申请US11/407,525相关，并要求其优先权。 

技术领域

本发明的公开内容概括地说涉及控制内燃机操作的方法，并且更特别地涉及选择用于优化均质充量压缩点火(HCCI)发动机操作控制的燃料的方法。 

背景技术

依据空气/燃料进料中的混合量和所述进料如何点火可将内燃机定义分为四类。在标准汽油发动机中，空气和燃料被预先混合成为充分混合的进料，该进料利用电火花点火。在标准柴油发动机中，在活塞的压缩冲程过程中，燃料被喷雾进入到气缸中。当由于压缩导致的温度上升引起燃烧时，空气和燃料没有充分地混合。在均质充量压缩点火(HCCI)发动机中，空气和燃料充分地混合，之后由于压缩而自点火。在HCCI发动机中，空气和燃料可以如在汽油发动机中那样被预先混合，或燃料能像柴油一样直接喷射，但是在点火以前要更早地使空气/燃料更好地混合。与标准的柴油燃烧对比，更好的空气/燃料混合产生低得多的NOx和PM排放，其中在标准的柴油燃烧中富燃料/空气穴导致生成烟灰，以及环绕喷吹燃料的火焰导致高的NOx。因为没有阻塞以及因为可以使用更高的压缩比，所以，与汽油发动机相比较，HCCI具有更好的燃料经济性。 

对于HCCI的主要难题不仅是燃烧太迅速，而且缺少触发点火事件。一旦HCCI发动机气缸中的温度足够的高，则预先混合的空气/燃料混合物迅速燃烧。如果燃烧太迅速，那么会产生高的压力升高速率，引起过多的噪音和可能的发动机损坏。缺少点火触发事件使得更难以控制HCCI发动机。在汽油发动机中，电火花引发点火，而在柴油机中，喷射到热压缩空气中的燃料引发点火。这些手段不能用于控制在HCCI发动机中的点火时机和持续时间。 

对于HCCI发动机，另外的难题是为了控制燃烧相位、汽缸压力、汽缸压力上升速度和/或NOx排放而使用高过量的空气/燃料比和/或高的EGR率导致的有限的负荷范围。 

目前，HCCI发动机面临的一些难题包括： 

有限的负荷范围； 

对于HCCI燃料点火性能，缺少普遍的然而实用的控制措施；和 

在使用柴油沸程燃料操作过程中，过多的微粒/烟雾排放，特别在高的发动机负荷下。 

HCCI技术仍处于相对初期的开发，然而由于其优异的废气排放和燃料效率特性，因而具有极大的发展前景。全世界正在开发不同型式/构造的HCCI发动机。它们的商业化进程主要受到如下技术难题的阻止，包括有限的负荷范围、难以控制燃烧相位和过度的热释放速度。为解决一些与HCCI相关的难题以及抓住这样的机会，从2002年秋天，Caterpillar与ExxonMobil公司开始执行协作研究与开发合同。本发明的公开内容是他们共同工作的结果。 

在以下的公开中，柴油定义为在大气压力下沸点在约150℃至380℃温度范围之内的烃的混合物，而汽油定义为在大气压力沸点在约25℃至220℃温度范围之内的烃的混合物。 

为了控制燃烧相位、峰值汽缸压力、汽缸压力上升速度和/或NOx 排放，HCCI发动机在高的空气/燃料比和/或高的EGR率下操作。这限制了在发动机循环过程中可被燃烧的燃料量，并因此限制了最大可获得发动机负荷。例如，如果在相同的类柴油压缩比下进行比较，使用典型的十六烷值为45的US柴油操作的HCCI发动机，最多仅能产生可由可比的柴油机获得的1/3的负荷。 

发明内容

本申请的公开内容的一个方面是从多种燃料中选择一种燃料用于优化HCCI发动机的操作。该方法包括如下步骤：根据ASTM方法D6890确定待被测试的多种基于液态烃的燃料配方的导出十六烷值(DCN)，以在相同的标准上评价所述的燃料；测试所述的多种燃料配方以确定每一种相对于它们各自的DCN的自燃性；和使经测试的所述多种燃料配方中的一种的燃料可燃性与所述的HCCI发动机压缩比(CR)匹配，以确定能够使所述的发动机在给定CR下、在最高负荷下以及在最宽的负荷范围内操作的燃料配方。 

本申请的公开内容的另一个方面是选择用于多种HCCI发动机燃料配方的方法。该方法包括如下步骤：测试多种燃料以确定每一种燃料的可燃性；和使用所测试的所述多种燃料的配方的每一种运行所述的HCCI发动机的每一种，以确定对于每一种给定CR发动机，能使其负荷能力和负荷范围达到最大的燃料配方。 

附图说明