一種汽油機及其測試汽油辛烷值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 機械工業(yè)的內(nèi)燃機及汽車領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)燃機是一項成熟的技術(shù)，內(nèi)燃機的基本結(jié)構(gòu)和原理是業(yè)內(nèi)人士所熟悉的。
[0003] 汽油機一般采用標號固定的汽油，即一臺汽油機一般只能使用一種辛烷值標號的 汽油，否則就不能獲得穩(wěn)定的功率輸出，甚至不能正常運行。
[0004] 測試汽油辛烷值的方法一般分為研究法和馬達法。研究法采用一臺單氣缸活塞連 桿曲軸系統(tǒng)，在標準環(huán)境條件下，調(diào)節(jié)氣缸壓縮比，以不同的壓縮比壓縮當量比為1的汽油 與空氣混合油氣。當油氣混合氣被壓燃時，查詢和對照在相同條件下能夠被壓燃的使用正 庚烷與異辛烷配置的標準汽油的異辛烷所占比例，這個異辛烷所占比例數(shù)值，就是被測試 汽油的辛烷值指標。
[0005] 內(nèi)燃機的燃燒模式（燃燒控制方法），一般分為點燃式和壓燃式兩種。點燃式燃燒 模式的優(yōu)點是工作柔和，發(fā)動機升功率大，缺點是熱功轉(zhuǎn)換效率低。壓燃式燃燒模式的優(yōu)點 是可以實現(xiàn)稀薄燃燒，發(fā)動機熱功轉(zhuǎn)換效率高，缺點是工作粗暴，升功率低。
[0006] 均質(zhì)油氣稀薄燃燒，具有工作柔和和熱功轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，是內(nèi)燃機行業(yè)研究 人員的夢想。但是由于均質(zhì)稀薄燃料（汽油）難以使用火花塞點火，因此這個夢想一直未 能實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 1、本發(fā)明汽油機的主要構(gòu)成和部件包括氣缸、活塞、連桿曲軸機構(gòu)、火花塞、氣門 和氣門附件、油泵、噴油嘴、控制器，等等?？刂破魍ǔＲ卜Q為電腦或者行車電腦（ECU)。這 種汽油機可以使用辛烷值未知的汽油或者類似汽油的燃料，能夠自動檢測汽油的辛烷值， 并按照檢測到的辛烷值在-30~120范圍內(nèi)的任何一種辛烷值，選定所對應的最好的燃燒 控制方法，是一種智能化的內(nèi)燃機。這種汽油機還能夠?qū)崿F(xiàn)汽油的均質(zhì)稀薄燃料點燃燃燒 模式（控制方法）。
[0008] 2、本發(fā)明一種汽油機測試汽油辛烷值的方法，采用一臺汽油發(fā)動機，模擬研究法 測試汽油辛烷值的方法，檢測發(fā)動機的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、噴油量、噴油次數(shù)、噴油相位、空燃 t匕、火花塞點火相位、水箱溫度、機油溫度、環(huán)境溫度、尾氣溫度（上述各項參數(shù)，以下簡稱 "氣缸燃燒要素"），緩慢調(diào)整火花塞點火相位（或者壓燃式汽油機的主噴射噴油相位），一 般在壓縮行程，使得點火相位朝遠離上止點的位置移動，直到出現(xiàn)爆震，檢測爆震出現(xiàn)時火 花塞點火相位，以及各項氣缸燃燒要素的值，查找數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在相同條件下辛烷值數(shù) 值是多少的汽油可以而且應該發(fā)生爆震，則初步判斷發(fā)動機所使用燃料（汽油）的辛烷值。 當檢測到爆震時，迅速推遲火花塞點火相位，以避免爆震。汽車行業(yè)對發(fā)動機爆震的檢測， 以及為了避免爆震對點火相位的推遲，是現(xiàn)有技術(shù)。一般，連續(xù)出現(xiàn)6次爆震，可以確定爆 震產(chǎn)生。對于檢測數(shù)據(jù)介于兩組數(shù)據(jù)之間的情況（例如，辛烷值介于55和56之間），檢測 的辛烷值指標按照比例計算，數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后一位（例如，辛烷值為55. 3)。
[0009] 發(fā)動機運行負荷或者其它狀態(tài)變化后，運行相對平穩(wěn)時，重復上述操作，進一步確 認汽油的辛烷值。這個檢測和確認過程是動態(tài)的，即使是使用某一種辛烷值固定的燃料，這 個檢測和確認過程也是有益的，可以根據(jù)燃料隨環(huán)境變化后燃燒性能的變化，優(yōu)化燃燒控 制方法，增加發(fā)動機的動力輸出，降低燃料消耗，優(yōu)化排放指標。因此，采用本發(fā)明控制方法 的內(nèi)燃機是智能化的內(nèi)燃機。這種內(nèi)燃機（或者汽油機）可以根據(jù)燃料（汽油）的辛烷值， 確定在不同的負荷（轉(zhuǎn)速和扭矩輸出，以及其它氣缸燃燒要素）狀態(tài)，采用點燃燃燒模式或 者壓燃燃燒模式，以及采用點燃燃燒模式的均質(zhì)稀薄燃燒模式。
[0010] 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)來源，通過臺架試驗測試辛烷值范圍從-30~120辛烷值間隔為1的 各種汽油在不同條件下產(chǎn)生爆震的條件數(shù)據(jù)，然后將這種海量數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)庫，并存儲 在發(fā)動機控制器內(nèi)部，供控制器隨時查詢對照。臺架試驗和試驗數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)庫，以及數(shù) 據(jù)庫存儲到發(fā)動機控制器，以及控制器對數(shù)據(jù)庫的管理、查詢、對照、比較，是現(xiàn)有技術(shù)。數(shù) 據(jù)庫數(shù)據(jù)還可以制作成MP圖譜，辛烷值范圍-30~120的151種汽油，具有151張 MP圖 譜。圖譜的制作、存儲和調(diào)取，也是現(xiàn)有技術(shù)。一般連續(xù)測試6次，并且辛烷值檢測數(shù)據(jù)相 對收斂時，取4個中間數(shù)的平均值作為辛烷值的檢測結(jié)果。如果檢測數(shù)據(jù)是發(fā)散的，或者在 圖譜出現(xiàn)重合的現(xiàn)象，則補充增加測試數(shù)據(jù)的次數(shù)，并且兼顧到歷史數(shù)據(jù)，兼顧到油箱蓋的 開啟與否，然后加以判斷。
[0011] 這種汽油燃料可以是石油煉制的產(chǎn)物，也可以是生物質(zhì)燃料，或者來源于煤炭等 其它原料的合成燃料。按照本方法，可檢測的汽油辛烷值范圍還可以低于-30,或者高于 120。
[0012] 3、本發(fā)明一種內(nèi)燃機的稀薄燃燒控制方法，其技術(shù)特征是：采用汽油或者類似汽 油的燃料，汽油與空氣預混合，采用火花塞點火，空燃比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于45,或者空燃 比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于40小于45,或者空燃比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于35小于40,或者空燃 比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于30小于35,或者空燃比持續(xù)穩(wěn)定地大于25. 5小于30,或者空燃比 持續(xù)穩(wěn)定地大于等于20小于等于25. 5,或者空燃比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于18小于20,或者 空燃比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于16小于18,或者空燃比持續(xù)穩(wěn)定地大于等于15小于16。這種 空燃比"持續(xù)穩(wěn)定地"保持在一個范圍，不是短時間達到，而是發(fā)動機可以穩(wěn)定地以這樣的 空燃比運行幾分鐘甚至幾小時。
[0013] 現(xiàn)在的汽車發(fā)動機控制器將空燃比限定在25. 5以內(nèi)，但是并不能持續(xù)穩(wěn)定地保 持發(fā)動機以空燃比在25附近運行。因為在低負荷，進氣壓力較低的情況下，提高空燃比會 使得發(fā)動機點火可靠性降低，甚至無法點火。發(fā)動機無法進入高空燃比的均質(zhì)稀薄燃料點 燃燃燒狀態(tài)。這是困擾內(nèi)燃機研究人員幾十年的一個技術(shù)障礙。例如，壓縮比10. 5的汽油 發(fā)動機，使用93#汽油，在進氣壓力為40kpa時，采用空氣與燃料比例18,就不能使用火花塞 正常點火。但是同樣條件下，使用辛烷值為40的汽油替換93#汽油作為燃料，就可以使用 火花塞正常點火?；蛘咴谕瑯訔l件下，將氣缸的壓縮比提高到17,就可以使用火花塞正常點 火。
[0014] 本發(fā)明實現(xiàn)上述技術(shù)特征的關(guān)鍵技術(shù)特征是：進入高空燃比混合油氣的點燃燃燒 狀態(tài)的控制方法，具體方法有四個，它們是：
[0015] (1)、采用增加氣缸壓縮比的方法，提高壓縮行程末端油氣混合氣的溫度，增加稀 薄油氣混合氣采用火花塞點火的點火可靠性。汽油發(fā)動機可以將壓縮比提高到12-15,或者 15-17,或者17-19,使用93號汽油，或者97號汽油。
[0016] (2)、采用當量比為1的油氣混合氣作為低負荷運行時的燃料濃度，隨著負荷的提 升，也就是隨著空氣進氣壓力的增加，油氣混合氣在壓縮行程末端的溫度增加，在提高空燃 比可以保證點火可靠性的前提下，逐步增加空燃比。臺架試驗可以確定能夠保證點火可靠 性的空燃比。
[0017] (3)、增加進氣壓力的上限額度。為了便于提高空燃比，并在最大輸出功率不變的 前提下，節(jié)省燃料。
[0018] (4)、進氣壓力處于高位時，尤其是節(jié)氣門全開時，是提高或者增加空燃比的有利 時機；
[0019] 這四種具體方法單獨使用，或者組合使用。
[0020] 當量比為1時,標準空燃比一般為14. 7或者14. 6。
[0021] 進氣壓力達到最大值之后，盡量維持進氣壓力處于高位，需要降低負荷時，只是控 制增加空燃比，降低燃料噴射量。盡量控制空燃比處于高位。各種條件下，火花塞點火的可 靠性，或者允許空燃比所能夠達到的上限數(shù)據(jù)，可以通過臺架試驗獲得。換句話說，具體的 與汽油辛烷值、與各種氣缸燃燒要素相對應的可以可靠點燃的空燃比和進氣壓力，需要通 過臺架試驗確定。這種臺架試驗方法，是現(xiàn)有技術(shù)。
[0022] 均質(zhì)稀薄燃料點燃燃燒模式，也可以采用多次噴油的方法，增加均質(zhì)油氣混合氣 的相對不均勻性，提高燃燒速度。
[0023] 在滿足功率和扭矩輸出要求的前提下，在保證點火可靠性的前提下，盡量提高空 氣和燃料的混合比例，以提高發(fā)動機熱功轉(zhuǎn)換效率，降低尾氣中氮氧化合物的排放量。同樣 的功率輸出，燃料消耗降低。一旦因為提高空燃比使得火花塞點火可靠性降低（現(xiàn)有汽車 發(fā)動機具有檢測火花塞點火可靠性的技術(shù)措施，通常稱未能正常點火為"失火"），或者不能 正常點火，則立即降低空燃比（增加噴油量），直至恢復正常點火。
[0024] 采用部分尾氣回用的方法，降低油氣混合氣中氧氣含量，以降低排放尾氣的氮氧 化合物含量?？梢栽O(shè)置一個節(jié)氣門，用于調(diào)節(jié)尾氣回用的比例。隨著空燃比的增加，增加尾 氣節(jié)氣門的開度，增加尾氣回用的比例。
[0025] 當量比大于1之后，提高空燃比，相同質(zhì)量的油氣混合氣中，空氣的比例增加，油 氣混合氣被點火的難度增加，火焰燃燒和擴散過程中，單位燃料需要加熱的介質(zhì)質(zhì)量增加， 因此火焰溫度較低，火焰擴散速度較慢，也就是燃燒速度較慢，相當于提高了汽油的辛烷值 (相對辛烷值），相當于提高了汽油的燃點。因此，采用均質(zhì)稀薄燃料（汽油）點燃燃燒控 制技術(shù)，可以采用較高的壓縮比，卻不會有爆震。
[0026] 使用常規(guī)汽油無法在低負荷提升空燃比（例如：進氣壓力40kpa，壓縮比10,空燃 比不可能達到18,或者17,因為在這樣的空燃比條件下，無法使用火花塞可靠點火），這是 內(nèi)燃機工業(yè)發(fā)展100年來，未能實現(xiàn)均質(zhì)稀薄燃料點燃燃燒控制技術(shù)和應用的關(guān)鍵障礙。
[0027] 氣缸的燃燒要素包括但是不僅限于：進氣壓力（進氣量）、進氣溫度、環(huán)境溫度、水 箱溫度、機油溫度、轉(zhuǎn)速、火花塞點火相位角（點火時間）、噴油量（每一次）、噴油壓力、噴 油次數(shù)、噴油相位角、壓縮比、扭矩輸出、汽油的辛烷值、是否出現(xiàn)爆震，等等。有些參數(shù)是可 以控制的，有些是設(shè)備所固有的無法控制和改變的，但是對控制參數(shù)的選擇具有重要的影 響。
[0028] 本說明書所述"供氣"，表示供應空氣?？杖急仁侵缚諝馀c燃料的比例。與本發(fā)明 相關(guān)的內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)、基本工作原理，等等，是業(yè)內(nèi)技術(shù)人員熟知的是現(xiàn)有技術(shù)，本說明書 沒有詳細說明。
[0029] 具體實施方法
[0030] 實施例1，一臺4缸4沖程的內(nèi)燃機，氣缸直徑為76毫米，壓縮比為10,使用辛烷 值為93的汽油（研究法R0N)。在內(nèi)燃機的