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在高增压汽油/乙醇发动机中使用直接喷射无水乙醇的爆震抑制计算
摘要
计算是对于使用乙醇直喷的汽油/乙醇发动机中爆震抑制的叙述。计算表明，蒸发冷却后直接喷射乙醇，加上乙醇的高辛烷值，可以有效地抑制爆震，从而允许使用具有显著增加效率的小型涡轮增压发动机。计算表明，相对于常规的自然吸气式发动机，增强的爆震抑制可以允许歧管压力增加两倍以上，同时还允许增加压缩比。这种增加的压力可以令发动机尺寸减小，导致相对于常规进气道喷油式发动机运行的部分负荷效率提高30％。少于一加仑的乙醇匹配二十加仑的汽油可能足以允许这种发动机小型化和效率增加。乙醇直接喷射将使得采用乙醇置换汽油成为可能，更重要的是，提高了汽油利用率。
I.简介
由于对二氧化碳排放造成的全球变暖和石油价格上涨的担忧，减少汽油消耗的需求正在增加。汽油消耗可以通过增加发动机效率和通过广泛使用可再生燃料来减少。通过使用允许使用小型的发动机的涡轮增压器增压，可以提高汽油发动机的效率。然而，该方法受到爆震产生的限制（缸内未燃烧末端气体的自燃）。我们提出了一个观点，其中乙醇直接喷射大大增加了爆震阻力，允许高强度涡轮增压运行，并大大提高了汽油机的部分负载效率。该设想还可以促进扩大乙醇的使用，乙醇是一种可再生燃料，其使用的程度在世界各地增长。
这种DI乙醇增压汽油机理念可以提供一种经济上有吸引力的方式来增加汽油机燃料经济性并相应地减少CO 2温室气体排放。这种方法可以从生物质预期生产乙醇。它可以提供比汽油/电动混合动力或涡轮增压柴油车辆更明显降低成本的替代方案。可能仅需要少量乙醇（即，每20加仑汽油少于1加仑乙醇）来实现效率的大幅提高。DI乙醇增压汽油机理念还可以实现乙醇的高效率，灵活的燃料使用。 直接喷射涡轮增压发动机可以在接近100％的汽油和100％乙醇之间的燃料使用范围内以高效率运行。驾驶员可以根据其价格和可用性来确定乙醇使用量。
确定爆震抑制的改进方案是考虑这种方法的一个根本问题。本文的目的是描述在一系列发动机运行的条件下乙醇直接喷射对爆震抑制的影响的探索性计算。这些计算提供了关于可以实现的涡轮增压量，发动机尺寸减小和效率增加以及关于所需的乙醇量的指导。第二节描述了DI乙醇增压汽油机概念。第三节描述了用于确定爆震发生的模型。第四节描述了发动机计算的结果，作为入口歧管压力，发动机转速和喷油定时的影响来确定避免爆震的乙醇要求。第五节描述了抑制爆震方案的不同结果，包括使用分层乙醇添加和使用其他抗爆燃料添加剂。结论见第六节。
II. DI乙醇增压汽油机模型
DI乙醇增压汽油发动机模型使用单独控制的乙醇直接喷射到气缸中。乙醇直接喷射表明了对汽油的辛烷值的按需增强，直到非常高的水平（例如辛烷值为130或者更多）。辛烷值的增加使得发动机可以在更好的增压，特定的扭矩，功率水平下运行。这使得可以使用小型高增压涡轮发动机来获得与更大发动机相同的峰值性能，同时在部分负荷下更高效的运行。例如，3.0升发动机可能被大约一半尺寸的发动机替换，这可能导致在典型的驱动周期中燃料效率增加30％。通过该乙醇爆震抑制机构，高增压涡轮发动机也能够使用比常规发动机更高的压缩比。
使用乙醇喷射以便最大化当将其直接喷射到发动机气缸中时发生的蒸发冷却。在常规的进气道喷油中，汽油可以被引入进气口。来自乙醇蒸发冷却的燃料/空气充量的温度降低是提高燃料辛烷值并抑制爆震的主要因素。爆震抑制允许高增压涡轮的高扭矩发动机运行，否则这是不允许的。因此，小型，高增压涡轮发动机可以提供与更大的自然吸气发动机相同的最大扭矩和功率。发动机还可以在比自然吸气发动机更低的转速范围内产生更多的扭矩，并因此提供更优良的发动机性能。爆震传感器可用于确定何时需要乙醇以防止爆震。在高扭矩运行的短暂时段期间，可以使用高达100％的高浓度乙醇来防止爆震。对于大多数运转周期，车辆在低扭矩下操作，并且不需要使用乙醇来抑制爆震。
乙醇储存在与汽油分开的罐中。两个罐可以通过将单个罐分成两个隔室而形成。例如，20加仑罐可以分为15加仑汽油罐和5加仑乙醇罐。使用5加仑乙醇罐可以使乙醇供给频率为每两至六个月一次。由于汽油使用的较高效率，汽车油箱的尺寸减小不会对车辆里程产生不利影响。
燃料管理系统将有能力最大限度地减少乙醇，只有在需要时才能使用，以防止发动机爆震，并仅提供在一定扭矩下防止爆震所需的用量。所需的乙醇的百分比将取决于在运行循环期间使用的高扭矩运转的量。
高效涡轮增压发动机可以使用从用于爆震抑制（小于5％）所需的最小值到使用100％乙醇的大范围的乙醇消耗运行。这种灵活使用更多的乙醇将进一步降低汽油消耗和二氧化碳温室气体产量。驾驶员可以根据可用性，方便性和乙醇相对于汽油的价格来决定要使用的乙醇的量。
排放的空气污染物，如氮氧化物（NOx），一氧化碳和碳氢化合物将类似于来自现有技术的汽油机车辆的低水平，并且将符合严格的美国标准。如在汽油机车辆的现有技术情况下，通过使用催化转化器将获得高效的排放控制。此外，由生物质产生的乙醇被认为是碳中和的。
III. 爆震的化学和热模型
为了在整个发动机示功图中提供对爆震抑制的有效证据，使用未燃烧的末端气体混合物的体积压缩通过21个因子来表示末端气体条件，以表示活塞压缩（压缩比为10）和燃烧压力升高压缩直到最大压力点的组合，初始进气结束时未燃烧混合物条件。在所选择的发动机转速下，将该压缩的正时定标为进气门关闭角（〜50°ABC）至峰值压力角（15-20°ATC）。尾气是在约75％（质量）的燃料已燃烧之后剩余的空气/燃料混合物，在最大压力的曲柄角处的气缸中的情况。它是最易于自燃（爆震）的尾气。在这一点上，尾气达到其最高温度。该体积压缩比的结果与在具有化学计量的汽油/空气混合物的单缸发动机中在MIT斯隆汽车实验室中确定的实验压力范围内匹配。因此，在整个发动机转速范围内接近节气门全开的条件下执行计算，其中爆震是约束的发动机条件。
化学动力学代码CHEMKIN 4.0.1 [3]用于化学计算。CHEMKIN代码是用于解决复杂化学动力学问题的软件工具。该模型使用基于Curran等人的主要参考汽油燃料（PRF）机制的化学模型和反应速率信息。[4]代表燃料的自燃。该机制包括乙醇化学模型[5]。
缸内乙醇汽化对未燃烧混合物温度的影响由乙醇的蒸发热计算，假设乙醇/缸内空气系统在喷射时经历绝热混合和蒸发过程。汽油和乙醇的性质如表1所示。乙醇具有高的蒸发潜热，约为汽油的3倍。由于相对于汽油的较低的乙醇燃烧热，汽化热与燃烧热之间的差别甚至更高。已经考虑了几种情况。第一个是当乙醇是在歧管中进气道喷油时。在这种情况下，来自乙醇蒸发的冷却效果小，因为乙醇从进气阀和歧管壁蒸发，对混合气温度的影响最小。在本计算中，对于乙醇进气道喷油，忽略蒸发热。
第二种情况描述了在入口阀打开时直接注入乙醇。在这种情况下，充气的冷却效果导致将额外的空气吸入气缸中。这里，可以将充气冷却过程分析为绝热恒压过程。
第三种情况是在入口阀关闭后的乙醇喷射。因此，对于这种情况的燃料的冷却不会导致额外的气体流入气缸，并且可以作为绝热恒定体积过程进行分析。
图1显示了由于乙醇的注入对汽缸充气温度的影响进入在关闭进气阀之前的用于喷射的气缸（提前喷射）和阀关闭后的喷射（后喷射）。纵坐标是对于化学计量的空气-燃料混合物的乙醇分数（通过能量），其余燃料是进气道喷射的汽油。即使使用相对较少的乙醇直接喷射部分，也可以实现充气温度，Delta;Tethanol显着下降。
图1.由于乙醇直接注入引起的空气温度变化，Delta;Tethanol作为用于提前乙醇喷射（在入口阀关闭之前，导致绝热恒定压力过程）的直接注入的乙醇含量（通过能量）和延迟乙醇喷射（进气阀关闭后，导致绝热恒定容积过程）的函数。
由于涡轮增压引起的温度增加的效果如下。使用绝热可逆压缩计算涡轮增压时空气温度的增加。管道或中间冷却器中的热传递减缓了该温度上升。这些组合效应通过假设进入气缸的空气充量的温度的增加来建模
Delta;Tcharge=beta;Delta;Tturbo，ideal
其中Delta;Tturbo，ideal是由于可逆压缩后的空气温度升高升压，beta;是常数。beta;表示多个不可逆过程压缩（其增加Delta;Tcharge），以及冷却或由于热导致的电荷在入口歧管中的交换和中间冷却器的存在。 beta;值为0.3，0.4和0.6已被用于建模。最后，假设对于具有汽油进气道喷射的自然吸气发动机，压缩开始时的充气温度（空气，燃料蒸汽，残余燃烧气体）为380K。因此，该过程的初始缸内未燃烧混合物温度
Tinit = 380K-Delta;Tethanol Delta;Tcharge
为了简单起见，在延迟喷射的情况下（在进气阀关闭之后），假设在阀关闭之后立即注入乙醇并且快速蒸发。在实践中，可以在压缩循环已经增加缸内混合物中的温度之后进行喷射。这种增加的充气温度将有助于乙醇蒸发，但不会显着改变蒸发冷却温度下降的幅度。
使用有效的中冷器将使温度基本上大于对应于beta;〜0.3的温度。它们的涡轮增压发动机的计算入口充气温度对应于beta;〜0.1。该模型遵循0.7次曲柄转数，从压缩开始时开始。改变乙醇的量（和所得到的初始温度）以确定爆震和非爆震操作之间的边界。初始温度的小扰动可导致行为的大变化。图2显示了节气门全开的模型的结果，900转/分的运行85号和86号汽油（无乙醇注射）。应当注意，尾气达到最大压力后对于85号燃料发生了爆震。已经确定，小的初始温度变化导致自燃的时间的显着变化。对于初始温度的一个变化（对应于乙醇能量分数的1％变化），自燃开始变化5曲柄角度。因此，避免爆震所需的乙醇对自燃的时间不是非常敏感。
假设气缸充量由燃料和空气组成，具有1％的湿度。对气缸中存在的残余燃烧气体（几个百分比）没有进行组分校正。然而，380K的初始温度说明了内部再循环燃烧产物的热含量。
图2.对于汽油喷射，终端气体温度作为曲柄角的函数，对于两个等级的汽油，85号和86号，初始温度为340K，进气歧管压力为1bar（无点火延迟）。
IV.爆震抑制要求
在本节中，计算模型用于确定所需的乙醇能量用于不同入口歧管压力，压缩比的爆震抑制的分数和发动机转速。考虑两种情况。第一种情况假定乙醇均匀地分布在整个圆筒中。这种情况的结果如下所示。 第二种情况调查非均质或分层乙醇分布的影响。
喷射时间的影响
为了研究提前（在关闭入口阀之前）和延迟（在关闭入口阀之后）乙醇喷射的影响，计算100％乙醇的最大非爆震入口歧管压力，对于发动机压缩比为10 和值beta;〜0.4。结果示于表2。
在表2中的“无蒸发冷却”栏中，乙醇是进气道喷射的，因此
乙醇从入口阀和进气歧管壁蒸发，从而不冷却空气充气。使用进气道喷射（PFI）乙醇允许轻微涡轮增压（1.05bar），因为相对于汽油，乙醇的辛烷值增加（进气温度略微增加）。第三列对应于乙醇的提前喷射（入口阀打开，导致进料的恒压冷却）。第四列用于延迟喷射（进样阀关闭后，进行恒定体积冷却）。净效应是使用进气道喷射（PFI）乙醇仅允许增压压力的适度增加。当乙醇在缸内蒸发冷却时，刚好避免爆震的歧管压力显着升高。在提前喷射的情况下，气缸中的初始压力和入口歧管中的压力相同（2.4bar），但是即使在包括增压的效果之后，充气温度也低于基线（380K）。在延迟喷射的情况下，在发动机爆震开始之前，歧管压力可以增加至4bar。在延迟喷射的情况下，较大的增压是由于恒定体积过程而导致的进气的冷却。（恒定体积热容量为恒定压力情况的约2/3）
在延迟喷射的情况下（进气阀关闭后）冷却的充气恒定体积将乙醇注入后的压力降低至约3bar（假定在入口阀关闭之后立即发生）。
即使后冷却气缸压力（3.0bar）相对于歧管压力降低，在提前喷射（2.4bar）的情况下，气缸内压力仍然高于提前喷射的压力。净影响是最大扭矩在延迟喷射的情况下高于提前喷射的情况。
在实践中，在阀已经关闭并且已经发生一些压缩之后的喷射具有注入更热气体的优点，这有助于确保乙醇完全汽化并防止液化。本文其余部分的计算将用于延迟喷射（在阀关闭后立即）。
还应注意的是，在注入乙醇后的燃料温度对于提前和延迟喷射是相对的。这是因为在恒定容积下的更大的蒸发冷却效果允许更高的歧管压力，这导致更高的发动机进气温度。爆震起点与进气温度密切相关，因此表2中的提前和延迟喷射具有可比的爆震反生Tint。 我们会回到这一点的第六节
在最低发动机转速下，乙醇需求最高，因为有更多自发化学发生的时间。在本文中，假设点火延迟不用于避免爆震。在实践中，它可以与一些扭矩损失一起使用。图3示出了在发动机转速为900rpm和beta;= 0.4时的计算结果不同的发动机压缩比，作为进气歧管压力的函数。顶端两条曲线用于汽油的进气口喷射。显示了直接喷射乙醇和汽油的情况用于比较。零乙醇含量的位置对应于最大入口歧管压力，其中PRF燃料（87号）将恰好避免在没有点火延迟的情况下的爆震。假定空气/燃料混合是均匀的。对于增加的发动机速度已经进行了相同的计算。结果为Rc = 10和beta;= 0.4的情况如图4所示。显示了作为入口歧管压力和发动机速度的函数的恒定乙醇质量分数的轮廓。图右边的颜色条表示在给定点的乙醇质量分数。
如上所述，所需的最高质量分数是在发动机的低转速下。还显示出了发动机可以在没有仅用汽油的爆震的情况下运行的边界，并且对应于具有最深蓝色的上部区域。虽然最大乙醇分数高，约0.6，它发生在最低转速和最高歧管压力。
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