CN104948325B - 一种汽油机及其测试汽油辛烷值的方法 - Google Patents

Abstract

一种汽油机及其测试汽油辛烷值的方法。该汽油机使用任何辛烷值未知的汽油，可以自动检测该汽油燃料的辛烷值，并根据该汽油的辛烷值，自动选择对应的燃烧控制方法。其中一种燃烧控制方法是均质稀薄燃料点燃燃烧，可以使得空燃比达到40以上，比油耗低于200kW·h／g。这种汽油机可以使用辛烷值范围‑30～120的任何一种汽油作为燃料，而不需要预先知道燃料的辛烷值，是一种智能化的内燃机。

Description

一种汽油机及其测试汽油辛烷值的方法

技术领域

机械工业的内燃机及汽车领域。

背景技术

内燃机是一项成熟的技术，内燃机的基本结构和原理是业内人士所熟悉的。

汽油机一般采用标号固定的汽油，即一台汽油机一般只能使用一种辛烷值标号的汽油，否则就不能获得稳定的功率输出，甚至不能正常运行。

测试汽油辛烷值的方法一般分为研究法和马达法。研究法采用一台单气缸活塞连杆曲轴系统，在标准环境条件下，调节气缸压缩比，以不同的压缩比压缩当量比为1的汽油与空气混合油气。当油气混合气被压燃时，查询和对照在相同条件下能够被压燃的使用正庚烷与异辛烷配置的标准汽油的异辛烷所占比例，这个异辛烷所占比例数值，就是被测试汽油的辛烷值指标。

内燃机的燃烧模式(燃烧控制方法)，一般分为点燃式和压燃式两种。点燃式燃烧模式的优点是工作柔和，发动机升功率大，缺点是热功转换效率低。压燃式燃烧模式的优点是可以实现稀薄燃烧，发动机热功转换效率高，缺点是工作粗暴，升功率低。

均质油气稀薄燃烧，具有工作柔和和热功转换效率高的优点，是内燃机行业研究人员的梦想。但是由于均质稀薄燃料(汽油)难以使用火花塞点火，因此这个梦想一直未能实现。

发明内容

1、本发明汽油机的主要构成和部件包括气缸、活塞、连杆曲轴机构、火花塞、气门和气门附件、油泵、喷油嘴、控制器，等等。控制器通常也称为电脑或者行车电脑(ECU)。这种汽油机可以使用辛烷值未知的汽油或者类似汽油的燃料，能够自动检测汽油的辛烷值，并按照检测到的辛烷值在-30～120范围内的任何一种辛烷值，选定所对应的最好的燃烧控制方法，是一种智能化的内燃机。这种汽油机还能够实现汽油的均质稀薄燃料点燃燃烧模式(控制方法)。

2、本发明一种汽油机测试汽油辛烷值的方法，采用一台汽油发动机，模拟研究法测试汽油辛烷值的方法，检测发动机的输出扭矩、转速、喷油量、喷油次数、喷油相位、空燃比、火花塞点火相位、水箱温度、机油温度、环境温度、尾气温度(上述各项参数，以下简称“气缸燃烧要素”)，缓慢调整火花塞点火相位(或者压燃式汽油机的主喷射喷油相位)，一般在压缩行程，使得点火相位朝远离上止点的位置移动，直到出现爆震，检测爆震出现时火花塞点火相位，以及各项气缸燃烧要素的值，查找数据库数据，发现在相同条件下辛烷值数值是多少的汽油可以而且应该发生爆震，则初步判断发动机所使用燃料(汽油)的辛烷值。当检测到爆震时，迅速推迟火花塞点火相位，以避免爆震。汽车行业对发动机爆震的检测，以及为了避免爆震对点火相位的推迟，是现有技术。一般，连续出现6次爆震，可以确定爆震产生。对于检测数据介于两组数据之间的情况(例如，辛烷值介于55和56之间)，检测的辛烷值指标按照比例计算，数据精确到小数点后一位(例如，辛烷值为55.3)。

发动机运行负荷或者其它状态变化后，运行相对平稳时，重复上述操作，进一步确认汽油的辛烷值。这个检测和确认过程是动态的，即使是使用某一种辛烷值固定的燃料，这个检测和确认过程也是有益的，可以根据燃料随环境变化后燃烧性能的变化，优化燃烧控制方法，增加发动机的动力输出，降低燃料消耗，优化排放指标。因此，采用本发明控制方法的内燃机是智能化的内燃机。这种内燃机(或者汽油机)可以根据燃料(汽油)的辛烷值，确定在不同的负荷(转速和扭矩输出，以及其它气缸燃烧要素)状态，采用点燃燃烧模式或者压燃燃烧模式，以及采用点燃燃烧模式的均质稀薄燃烧模式。

数据库数据来源，通过台架试验测试辛烷值范围从-30～120辛烷值间隔为1的各种汽油在不同条件下产生爆震的条件数据，然后将这种海量数据组合成数据库，并存储在发动机控制器内部，供控制器随时查询对照。台架试验和试验数据组合成数据库，以及数据库存储到发动机控制器，以及控制器对数据库的管理、查询、对照、比较，是现有技术。数据库数据还可以制作成MAP图谱，辛烷值范围-30～120的151种汽油，具有151张MAP图谱。图谱的制作、存储和调取，也是现有技术。一般连续测试6次，并且辛烷值检测数据相对收敛时，取4个中间数的平均值作为辛烷值的检测结果。如果检测数据是发散的，或者在图谱出现重合的现象，则补充增加测试数据的次数，并且兼顾到历史数据，兼顾到油箱盖的开启与否，然后加以判断。

这种汽油燃料可以是石油炼制的产物，也可以是生物质燃料，或者来源于煤炭等其它原料的合成燃料。按照本方法，可检测的汽油辛烷值范围还可以低于-30，或者高于120。

3、本发明一种内燃机的稀薄燃烧控制方法，其技术特征是：采用汽油或者类似汽油的燃料，汽油与空气预混合，采用火花塞点火，空燃比持续稳定地大于等于45，或者空燃比持续稳定地大于等于40小于45，或者空燃比持续稳定地大于等于35小于40，或者空燃比持续稳定地大于等于30小于35，或者空燃比持续稳定地大于25.5小于30，或者空燃比持续稳定地大于等于20小于等于25.5，或者空燃比持续稳定地大于等于18小于20，或者空燃比持续稳定地大于等于16小于18，或者空燃比持续稳定地大于等于15小于16。这种空燃比“持续稳定地”保持在一个范围，不是短时间达到，而是发动机可以稳定地以这样的空燃比运行几分钟甚至几小时。

现在的汽车发动机控制器将空燃比限定在25.5以内，但是并不能持续稳定地保持发动机以空燃比在25附近运行。因为在低负荷，进气压力较低的情况下，提高空燃比会使得发动机点火可靠性降低，甚至无法点火。发动机无法进入高空燃比的均质稀薄燃料点燃燃烧状态。这是困扰内燃机研究人员几十年的一个技术障碍。例如，压缩比10.5的汽油发动机，使用93#汽油，在进气压力为40kpa时，采用空气与燃料比例18，就不能使用火花塞正常点火。但是同样条件下，使用辛烷值为40的汽油替换93#汽油作为燃料，就可以使用火花塞正常点火。或者在同样条件下，将气缸的压缩比提高到17，就可以使用火花塞正常点火。

本发明实现上述技术特征的关键技术特征是：进入高空燃比混合油气的点燃燃烧状态的控制方法，具体方法有四个，它们是：

(1)、采用增加气缸压缩比的方法，提高压缩行程末端油气混合气的温度，增加稀薄油气混合气采用火花塞点火的点火可靠性。汽油发动机可以将压缩比提高到12-15，或者15-17，或者17-19，使用93号汽油，或者97号汽油。

(2)、采用当量比为1的油气混合气作为低负荷运行时的燃料浓度，随着负荷的提升，也就是随着空气进气压力的增加，油气混合气在压缩行程末端的温度增加，在提高空燃比可以保证点火可靠性的前提下，逐步增加空燃比。台架试验可以确定能够保证点火可靠性的空燃比。

(3)、增加进气压力的上限额度。为了便于提高空燃比，并在最大输出功率不变的前提下，节省燃料。

(4)、进气压力处于高位时，尤其是节气门全开时，是提高或者增加空燃比的有利时机；

这四种具体方法单独使用，或者组合使用。

当量比为1时，标准空燃比一般为14.7或者14.6。

进气压力达到最大值之后，尽量维持进气压力处于高位，需要降低负荷时，只是控制增加空燃比，降低燃料喷射量。尽量控制空燃比处于高位。各种条件下，火花塞点火的可靠性，或者允许空燃比所能够达到的上限数据，可以通过台架试验获得。换句话说，具体的与汽油辛烷值、与各种气缸燃烧要素相对应的可以可靠点燃的空燃比和进气压力，需要通过台架试验确定。这种台架试验方法，是现有技术。

均质稀薄燃料点燃燃烧模式，也可以采用多次喷油的方法，增加均质油气混合气的相对不均匀性，提高燃烧速度。

在满足功率和扭矩输出要求的前提下，在保证点火可靠性的前提下，尽量提高空气和燃料的混合比例，以提高发动机热功转换效率，降低尾气中氮氧化合物的排放量。同样的功率输出，燃料消耗降低。一旦因为提高空燃比使得火花塞点火可靠性降低(现有汽车发动机具有检测火花塞点火可靠性的技术措施，通常称未能正常点火为“失火”)，或者不能正常点火，则立即降低空燃比(增加喷油量)，直至恢复正常点火。

采用部分尾气回用的方法，降低油气混合气中氧气含量，以降低排放尾气的氮氧化合物含量。可以设置一个节气门，用于调节尾气回用的比例。随着空燃比的增加，增加尾气节气门的开度，增加尾气回用的比例。

当量比大于1之后，提高空燃比，相同质量的油气混合气中，空气的比例增加，油气混合气被点火的难度增加，火焰燃烧和扩散过程中，单位燃料需要加热的介质质量增加，因此火焰温度较低，火焰扩散速度较慢，也就是燃烧速度较慢，相当于提高了汽油的辛烷值(相对辛烷值)，相当于提高了汽油的燃点。因此，采用均质稀薄燃料(汽油)点燃燃烧控制技术，可以采用较高的压缩比，却不会有爆震。

使用常规汽油无法在低负荷提升空燃比(例如：进气压力40kpa，压缩比10，空燃比不可能达到18，或者17，因为在这样的空燃比条件下，无法使用火花塞可靠点火)，这是内燃机工业发展100年来，未能实现均质稀薄燃料点燃燃烧控制技术和应用的关键障碍。

气缸的燃烧要素包括但是不仅限于：进气压力(进气量)、进气温度、环境温度、水箱温度、机油温度、转速、火花塞点火相位角(点火时间)、喷油量(每一次)、喷油压力、喷油次数、喷油相位角、压缩比、扭矩输出、汽油的辛烷值、是否出现爆震，等等。有些参数是可以控制的，有些是设备所固有的无法控制和改变的，但是对控制参数的选择具有重要的影响。

本说明书所述“供气”，表示供应空气。空燃比是指空气与燃料的比例。与本发明相关的内燃机的结构、基本工作原理，等等，是业内技术人员熟知的是现有技术，本说明书没有详细说明。

具体实施方法

实施例1，一台4缸4冲程的内燃机，气缸直径为76毫米，压缩比为10，使用辛烷值为93的汽油(研究法RON)。在内燃机的进气行程，向气缸内喷射燃料(或者向进气管道喷射燃料)，空气与燃料混合比例在低负荷区域基本稳定当量比1，或者稍微加浓(现有技术)，较高负荷区域开始缓慢降低燃料增量(随负荷增加，空燃比增加，供油量也增加)，增加空燃比，进入高负荷区之后，可以较快地增加空燃比。表1是空燃比随进气压力变化的一种控制方法的举例：

表1空燃比随进气压力增加而增加的控制方案之一

进气压力(kpa)	30	40	50	60	70	80	90	100
									空燃比	14.6	14.6	14.6	14.7	14.8	15	15.3	15.6
进气压力(kpa)	110	120	130	140	150	160	170	180
									空燃比	16	16.4	16.8	17.2	17.6	18	18.4	18.8
进气压力(kpa)	190	200	210	220	230	240
									空燃比	19.2	19.7	20.2	20.7	21.2	21.7

发动机启动阶段空燃比不随进气压力变化，按照当量比1执行，或者燃料浓度稍有增加，这是现有技术。

当量比为1时，空燃比为14.6或者14.7。不同的汽车公司对当量比1所对应的空燃比有不同的选择。

表1所列对照数据是发动机从低负荷状态提升负荷时，确保点火可靠性的控制参数。从高负荷向低负荷过渡时，可以按照更高的空燃比执行。例如：进气压力180kpa对应的空燃比是18.8，在降低负荷时，可以维持进气压力不降低或者少降低，而把空燃比提升到19，或者20，或者更高。这种降低负荷时，各种进气压力所对应的针对各种不同辛烷值汽油的最大的空燃比数据，可以通过台架试验获得。

同样，表1和表2所列数据，可以根据台架试验获得优化，并且根据各个发动机或者汽车制造商对点火可靠性的标准不同，做出相应的补偿或者校正。

各种工况条件下的最佳空燃比的选择，还应该考虑到环境温度、水箱温度、机油温度等因素，并做出相应的补偿或者校正。

上述通过台架试验获得，以及补偿或者校正进气压力所对应的空燃比的方法，是现有技术。

实施例2：一台4缸4冲程的内燃机，气缸直径为76毫米，压缩比为17，使用辛烷值为93的汽油(研究法RON)。实施例2与实施例1不同的硬件部分，仅仅是将气缸的压缩比从10提高到17，则正常运行时(启动阶段除外)，空燃比随进气压力增加而增加的速率可以更高，如表2所示。

表2空燃比随进气压力增加而增加的控制方案之二

进气压力(kpa)	30	40	50	60	70	80	90	100
									空燃比	14.6	14.7	14.9	15.2	15.6	16.1	16.6	17.1
进气压力(kpa)	110	120	130	140	150	160	170	180
									空燃比	17.7	18.3	18.9	19.5	20.2	20.9	21.6	22.3
进气压力(kpa)	190	200	210	220	230	240	250	260
									空燃比	23.1	23.9	24.7	25.5	26.3	27.2	28.1	29

实施例3，发动机进入高负荷运行之后，需要降低负荷运行，或者进入巡航速度运行时，可以采用维持进气压力不变，仅仅是减少燃料喷射量的方法，提高空燃比，从而实现节省燃料的目的。

当发动机处于较低负荷，并且空燃比较高的运行状态时，如果需要提升负荷，仅仅通过增加节气门开度的方法，或者通过增加进气量的方法(维持空燃比不变)增加燃料供应量，发动机响应速度会很慢。本发明采用维持进气量不变或者增加进气量的同时，降低空燃比，通过降低空燃比的方法可以快速增加燃料供应量，发动机的动力性能会表现得特别出色，即汽车的加速性能会非常出色。即便是通过降低空燃比的方法，短时间提升发动机负荷，此时的空燃比仍然可以高于当量比1，以节省燃料。

实施例4，一台4缸4冲程的内燃机，气缸直径为76毫米，压缩比为17.0，使用辛烷值为55的低辛烷值汽油(研究法RON)。内燃机首先在压燃状态运行，转速在2000转／分钟，喷油相位在压缩行程活塞到达上止点前26度，进气压力106kpa，空燃比40.6，水箱温度88℃，机油温度90℃，扭矩输出为18N·M。在这个稳定运行状态的基础上，转换燃烧控制方法进入本发明的均质稀薄燃料点燃燃烧状态，具体控制参数为：燃料喷射相位在进气行程活塞经过上止点后60度，进气压力106kpa，空燃比40.6，火花塞点火相位为压缩行程活塞到达上止点前10度，在转速同样为2000转／分钟的情况下，水箱温度80℃，机油温度90℃，扭矩输出为25N·M，比油耗为205kW·h／g。运行过程中，没有爆震。由此可见，在空燃比相同的情况下，均质点燃燃烧控制方法与扩散压燃燃烧控制方法相比，发动机热功转换效率更高，动力输出更大。由于均质稀薄燃料点燃燃烧方式的火焰温度较低，预期发动机尾气中氮氧化合物含量较低。

实施例5，一台4缸4冲程的内燃机，气缸直径为76毫米，压缩比为10，涡轮增压，使用辛烷值为40的低辛烷值汽油(研究法RON)。该内燃机原厂出厂标定的进气压力上限为180kpa，最大扭矩输出为240N·M。本发明的验证试验，将进气压力上限调整为240kpa，对应240kpa进气压力的空燃比为25，试验结果表明，在转速为2000转／分钟和输出最大扭矩相同的前提下，节省燃料18.1％。

实施例6、汽油机检测汽油辛烷值时，缓慢提前点火相位的方法之一：当前运行条件，尤其是进气压力和喷油量确定的条件下，发动机一般会对应一个较窄的扭矩范围(数据库数据)，从靠近这个扭矩范围的低端边缘开始，逐步提前火花塞点火相位，直到出现爆震。转速2000转／分钟时，以60毫秒为时间单位，每60毫秒提前点火相位0.1度(发动机转动一周为360度)，一般情况下，发动机做功一次检测一次爆震。

Claims (5)

1.一种汽油机测试汽油辛烷值的方法，其技术特征是：采用一台汽油发动机，检测发动机的参数：输出扭矩、喷油量、喷油次数、喷油相位、喷油压力、空燃比、火花塞点火相位、进气压力、进气温度、水箱温度、机油温度、环境温度、转速；缓慢调整火花塞点火相位，直到出现爆震，根据爆震出现时火花塞点火的相位，以及上述各项参数的值，查找数据库数据，确定在爆震时与上述各项参数的值相同的条件下辛烷值数值是多少的汽油可以发生爆震而且应该发生爆震，则初步判断发动机所使用燃料的辛烷值；

当检测到爆震时，迅速推迟火花塞点火相位，以避免爆震；

发动机运行负荷、状态变化后，运行相对平稳时，重复上述操作，进一步确认汽油的辛烷值；

在汽油发动机的控制器安装数据库，供控制器随时查询对照；

在数据库中存储辛烷值从-30到120的辛烷值间隔为1的151种汽油中的全部或者部分汽油品种在不同工况条件下产生爆震的条件数据。

2.一种汽油机的控制方法，采用权利要求1所述的一种汽油机测试汽油辛烷值的方法，其技术特征是：控制器中存储多种辛烷值汽油在各种工况和气缸燃烧要素条件下出现爆震的数据库；存储针对不同辛烷值汽油在各种工况条件下的最好的燃烧控制方法的数据库；通过连续检测汽油机运行过程中出现爆震时所对应的各种气缸燃烧要素，判断燃料箱中汽油的辛烷值；根据对汽油燃料辛烷值的判断和各种气缸燃烧要素当前的数据，决定采用哪一种或者哪几种燃烧控制方法和控制策略；

所述燃烧控制方法包括但是不仅限于汽油的均质点燃燃烧控制方法，汽油的均质点燃稀薄燃烧控制方法，汽油的扩散压燃燃烧控制方法。

3.根据权利要求2所述的一种汽油机的控制方法，其技术特征包括：采用汽油或者非标准汽油做燃料，燃料与空气预混合，采用火花塞点火，在满足功率和扭矩输出要求的前提下，在保证点火可靠性的前提下，尽量提高空气和燃料的混合比例，以及下列技术特征的一项或者几项：

燃料供应为缸内直喷时，采用一次或者多次喷油的方法，增加均质油气混合气的相对不均匀性，提高燃烧速度；

采用增加气缸压缩比的方法，提高压缩行程末端油气混合气的温度，增加稀薄油气混合气采用火花塞点火的点火可靠性；

增加进气压力的上限额度；

采用当量比为1的油气混合气作为低负荷运行时的燃料浓度；

随着负荷的提升，在保证点火可靠性的前提下，逐步增加空燃比；

降低发动机负荷时，在维持进气压力不变或者降低进气量的同时，提高空燃比控制系数，同步降低燃料喷射量；

提升发动机负荷时，在维持进气量不变或者增加进气量的同时，通过降低空燃比的方法快速增加燃料供应量，快速增加发动机的动力输出能力；

采用部分尾气回用的方法，降低排放尾气的氮氧化合物含量；

随着空燃比的增加，增加尾气回用的比例。

4.一种内燃机，其技术特征是：采用权利要求1所述的一种汽油机测试汽油辛烷值的方法，或者采用权利要求2和3所述的任意一种汽油机的控制方法。

5.根据权利要求4所述的一种内燃机，其技术特征是：能够自动检测油箱中燃料的辛烷值；能够使用辛烷值-30～120的汽油做燃料；

控制器中存储了辛烷值范围-30～120的151种汽油的全部或者部分汽油品种在各种工况和气缸燃烧要素条件下出现爆震的数据库；存储了针对上述汽油品种在各种工况条件下的最好的燃烧控制方法的数据库；通过连续检测汽油机运行过程中出现爆震时所对应的各种气缸燃烧要素，判断燃料箱中汽油的辛烷值；根据对汽油燃料辛烷值的判断和各种气缸燃烧要素当前的数据，决定采用哪一种或者哪几种燃烧控制方法和控制策略；

使用辛烷值小于等于69的低辛烷值汽油时，可以实现压燃燃烧控制方法，及其与均质点燃稀薄燃烧控制方法和均质点燃燃烧控制方法组合的燃烧控制方法；

作为可供选择的技术方案，采用部分尾气回用的方法，并且随着空燃比的增加，增加尾气回用的比例。