JP2014510830A - 燃料組成物 - Google Patents
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Abstract
華氏９５〜４４０度の沸騰範囲を有する燃料組成物であって、該燃料組成物が：
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記燃料組成物。
【選択図】図１
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記燃料組成物。
【選択図】図１
Description
本発明はＨＣＣＩエンジン、デュアルモードパートタイムＨＣＣＩエンジン、及びスパーク補助ＨＣＣＩエンジンに使用することのできる燃料組成物に関する。
予混合圧縮着火（「ＨＣＣＩ」）は火花点火エンジンに対する高効率の代替手段としての可能性を提供する魅力的な先進燃焼プロセスである。ディーゼル様の効率を提供しつつも実質的に低いＮＯｘとＰＭ排出を提供することにより、ＨＣＣＩはまたディーゼルエンジンに代わる低排出性の代替手段を提供する。従来のディーゼル燃焼と異なり、ＨＣＣＩは火炎前面を維持することに依存しない。むしろ、燃焼は給気ガスの体積全体に亘って複数の点で自発的な自己着火の結果として生じる。ＨＣＣＩのこのユニークな特性により、燃焼生成ガスの添加により（例えば、排ガス再循環により）極めて薄く希釈された非常に希薄な混合物（単数又は複数）の燃焼を可能にし、その結果低い燃焼温度となり、ＮＯｘ排出を劇的に減少させる。また、従来のディーゼル燃焼と異なり、給気は十分によく混合されているので、ＰＭ排出は極めて低い。その結果、ＨＣＣＩは従来のディーゼルエンジンに対する低排出代替手段を提供する。
ＨＣＣＩのための従来のディーゼル燃料又はガソリンの使用は、これらの燃料が容易に入手可能であるという理由から、望ましいものではあるが、これらの燃料で許容可能なＨＣＣＩ運転条件を達成することは困難なことがある。ディーゼル燃料では、全体の蒸発が起こって予混合された均一に近い給気を形成することが難しくなる前に高い温度が必要となる。第二に、ディーゼル燃料は重要な冷却燃焼化学反応を有しており、一旦燃焼温度が約８００°Ｋを超えると、急速な自然着火につながる。これにより過剰に高度な燃焼相を引き起こすか、及び／又は圧縮比の減少を必要とし、エンジン効率を下げることがあり得るのである。逆に、ガソリンは過剰に高い圧縮比又は大きな給気加熱を提供するための様々なテクニックを必要とし得る。
ＨＣＣＩ燃焼は一般に均一な空気／燃料混合物の制御された自己着火として特徴付けられ、火炎前面（フレームフロント）なしで生じる。高給気希釈に沿った、比較的高い圧縮比、スロットル調整されていない運転、及び極めて高い燃焼比が高い効率を提供する。得られた低燃焼済みガス温度がＮＯｘの形成を最小化し、燃料リッチな領域を除去することで微粒子状物質やすすの形成を防止することができる。ＨＣＣＩには幾つかのバージョンがあり、その各々は別個の頭字語（アクロニム）を有している。例えば、ＨＣＣＩ、ＰＣＣＩ、ＣＡＩ、ＰＰＣ、ＭＫ、ＵＮＩＢＵＳ、ＯＫＰなどである。ディーゼルエンジン製造業のなかにはディーゼル業界においてパートタイムＨＣＣＩ（この場合、ＰＣＣＩ）を用い始めているところもある。パートタイムＨＣＣＩエンジンは新しい未来におけるガソリン乗用車市場で使用されることが期待される。
Ｄｅｃら、米国特許第７，１２８，０４６号明細書は、従来のＨＣＣＩでできるよりも高いエンジン負荷で過剰なノックを起こさずに運転が可能な予混合圧縮着火（「ＨＣＣＩ」）エンジンにおける熱排出速度を遅くする方法に関する。この方法は、エンジンシリンダー内に層状燃料給気を作り、様々な燃料濃度の領域が連続して自動着火するように適切な冷炎（ｃｏｏｌ−ｆｌａｍｅ）化学反応を有する二段着火燃料を有する燃料を用いて、シリンダー内ガス（典型的には完全燃焼に十分な酸素を含む）中の或る範囲の燃料濃度を提供するように、燃料給気を噴射することを含む。
本発明は、ＨＣＣＩエンジンに用いられる燃料組成物、及びＨＣＣＩエンジンにおける燃料効率を改良する方法を提供する。
一つの態様では、本発明は華氏９５〜４４０度の沸騰範囲を有する燃料組成物であって、該燃料組成物が
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；
（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；
（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；
（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；
（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；
を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記燃料組成物に関する。
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；
（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；
（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；
（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；
（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；
を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記燃料組成物に関する。
一つの態様では、本発明は華氏９５〜４４０度の沸騰範囲を有する燃料組成物を噴射することを含む、ＨＣＣＩエンジンにおける燃料効率を改良する方法であって、該燃料組成物が
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；
（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；
（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；
（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；
（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；
を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記方法に関する。
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；
（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；
（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；
（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；
（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；
を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記方法に関する。
本発明は様々な変更と代替的形態が可能であり、その具体的な態様は本明細書に詳細に記載されている。しかし、具体的態様の本明細書における記載は本発明を開示された特定の形態に制限することを意図するものではなく、本発明はあらゆる変更、均等物、及び代替物を包含すべきであり、これらも添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の精神と範囲内に入るものであることを理解すべきである。
定義
ＲＯＮ−リサーチオクタン価は、６００ｒｐｍのエンジン速度と、気圧に依存する特定の吸気温度での特別に設計された一気筒ＣＦＲエンジンにおいて測定する。それは、報告によれば低過酷度エンジン運転の下での燃料性能をシミュレートするとされている。
ＲＯＮ−リサーチオクタン価は、６００ｒｐｍのエンジン速度と、気圧に依存する特定の吸気温度での特別に設計された一気筒ＣＦＲエンジンにおいて測定する。それは、報告によれば低過酷度エンジン運転の下での燃料性能をシミュレートするとされている。
燃料組成物
本発明の一つの態様は、燃料添加剤を任意に含み、ＨＣＣＩエンジンに用いることができる燃料組成物に関する。本願の特許請求の範囲に記載の発明の燃料組成物はＨＣＣＩ運転範囲にまで拡張し、ＨＣＣＩ運転範囲内でＨＣＣＩ燃焼の効率を上昇させ、ＨＣＣＩ燃焼を用いたエンジンの燃料経済と性能を改善する。
本発明の一つの態様は、燃料添加剤を任意に含み、ＨＣＣＩエンジンに用いることができる燃料組成物に関する。本願の特許請求の範囲に記載の発明の燃料組成物はＨＣＣＩ運転範囲にまで拡張し、ＨＣＣＩ運転範囲内でＨＣＣＩ燃焼の効率を上昇させ、ＨＣＣＩ燃焼を用いたエンジンの燃料経済と性能を改善する。
本発明の一つの態様で用いられる燃料組成物は約８８〜約９１のリサーチオクタン価（ＲＯＮ）を有している。燃料組成物は５５体積％以下の飽和含量、好ましくは５２体積％以下の飽和含量、そしてより好ましくは５０体積％以下の飽和含量を有している。燃料組成物は約０〜約５体積％、好ましくは約２〜約５体積％、より好ましくは約３〜約４．５体積％のオレフィン含量を有する。燃料組成物は約３２〜約４０体積％、好ましくは約３４〜約４０体積％、より好ましくは約３５〜約３９体積％の芳香族化合物含量を有する。燃料組成物は約８〜約１６体積％、好ましくは約９〜約１２体積％、より好ましくは約９〜約１１体積％のエタノール含量を有する。燃料組成物は約８〜約１１のオクタン感度を有する。
燃料組成物の製造方法
本願の特許請求の範囲に記載の発明に使用される燃料は商業的な精製施設から得られたものであり、ｎ−ヘプタン又はエタノールを添加されたこともある。少なくとも２つの精製流がブレンドされ、上述の燃料組成を有する燃料を得た。これらの燃料を製造するための典型的なプロセスと条件についての情報は、ウィリアム レフラー（Ｗｉｌｌｉａｍ Ｌｅｆｆｌｅｒ）（ＰｅｎｎＷｅｌｌ Ｃｏｒｐ， ２０００）による「石油精製」（“Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ”）において得られる。
本願の特許請求の範囲に記載の発明に使用される燃料は商業的な精製施設から得られたものであり、ｎ−ヘプタン又はエタノールを添加されたこともある。少なくとも２つの精製流がブレンドされ、上述の燃料組成を有する燃料を得た。これらの燃料を製造するための典型的なプロセスと条件についての情報は、ウィリアム レフラー（Ｗｉｌｌｉａｍ Ｌｅｆｆｌｅｒ）（ＰｅｎｎＷｅｌｌ Ｃｏｒｐ， ２０００）による「石油精製」（“Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ”）において得られる。
エンジン条件
本発明の燃料は予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）型の先進燃焼エンジン環境で用いられた。エンジンは少なくとも一気筒を有する。エンジンは全体的な又は部分的なＨＣＣＩエンジン環境で運転してもよい。エンジンは典型的には、排ガスがエンジンに再循環される排気リサイクルバルブ配置を有している。典型的には、排気バルブは少なくとも二回開く。二回目以降の開放の間、吸気ストロークが開き、熱い残渣ガスがエンジンのシリンダーに戻される。
本発明の燃料は予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）型の先進燃焼エンジン環境で用いられた。エンジンは少なくとも一気筒を有する。エンジンは全体的な又は部分的なＨＣＣＩエンジン環境で運転してもよい。エンジンは典型的には、排ガスがエンジンに再循環される排気リサイクルバルブ配置を有している。典型的には、排気バルブは少なくとも二回開く。二回目以降の開放の間、吸気ストロークが開き、熱い残渣ガスがエンジンのシリンダーに戻される。
一つの態様では、エンジンは一気筒、４ストロークエンジンであり、これは完全なＨＣＣＩモードで運転される。一つの態様では、対の吸排気バルブ付きのベルト駆動式ダブルオーバーヘッドカムを備えた片流れ屋根形のアルミニウムヘッドである。
典型的には、エンジンは８〜２０、より好ましくは１０〜１６、最も好ましくは１０〜１４の圧縮比を有する。
本発明の燃料は様々なボアホールサイズを有するエンジンで用いることができる。典型的には、エンジンのボア（孔）：ストローク比は０．９０：１〜０．９６：１．１０である。
典型的にはエンジンの排気量は約０．５０Ｌ〜約１８Ｌである。より好ましくは、約０．８Ｌ〜約６Ｌである。
バルブ・タイミング：
−吸気バルブ開／吸気バルブ閉：３４６°ＡＴＤＣ／１２８°ＢＴＤＣ
−排気バルブ開／吸気バルブ閉：１３０°ＡＴＤＣ／３５２°ＢＴＤＣ
−２回目排気バルブ開／排気バルブ閉：３２６°ＢＴＤＣ／１８９°ＢＴＤＣ
−吸気バルブ開／吸気バルブ閉：３４６°ＡＴＤＣ／１２８°ＢＴＤＣ
−排気バルブ開／吸気バルブ閉：１３０°ＡＴＤＣ／３５２°ＢＴＤＣ
−２回目排気バルブ開／排気バルブ閉：３２６°ＢＴＤＣ／１８９°ＢＴＤＣ
以下の実施例は本発明の具体的な実施態様を説明するために提示されるものであり、いかなる場合も本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
５種の燃料組成物を、全ＨＣＣＩモードで運転された一気筒４ストロークガソリンリサーチエンジンに噴射した。燃料組成物は精製流のブレンドとした。各燃料は望ましい量の飽和物、芳香族化合物、及びオレフィンを与えるように精製流をブレンドすることに由来した。必要に応じて、エタノールを燃料ブレンドに添加した。本発明で用いる燃料の主要な特性を表１に挙げる。
エンジンの種類と仕様
エンジンは対の吸排気バルブ付きのベルト駆動式ダブルオーバーヘッドカムを備えた片流れ屋根形のアルミニウムヘッドを有していた。
エンジンは排気リブリージングバルブ戦略を利用した。典型的には、このような戦略により排気バルブは吸気ストロークで二度目に開いて、シリンダー内に熱い残渣給気（即ち噴射燃料）を戻して再誘導する。
エンジンは対の吸排気バルブ付きのベルト駆動式ダブルオーバーヘッドカムを備えた片流れ屋根形のアルミニウムヘッドを有していた。
エンジンは排気リブリージングバルブ戦略を利用した。典型的には、このような戦略により排気バルブは吸気ストロークで二度目に開いて、シリンダー内に熱い残渣給気（即ち噴射燃料）を戻して再誘導する。
エンジンは以下の仕様を有していた。
圧縮比： １２．５
ボア（孔）： ８６．０ｍｍ
ストローク： ９４．６ｍｍ
排気量： ０．５４９リットル
連接棒長さ： １５２．２ｍｍ
バルブタイミング：
・吸気バルブ開／吸気バルブ閉： ３４６°ＡＴＤＣ／１２８°ＢＴＤＣ。
・排気バルブ開／排気バルブ閉： １３０°ＡＴＤＣ／３５２°ＢＴＤＣ。
・２回目排気バルブ開／排気バルブ閉： ３２６°ＢＴＤＣ／１８９°ＢＴＤＣ。
圧縮比： １２．５
ボア（孔）： ８６．０ｍｍ
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排気量： ０．５４９リットル
連接棒長さ： １５２．２ｍｍ
バルブタイミング：
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・排気バルブ開／排気バルブ閉： １３０°ＡＴＤＣ／３５２°ＢＴＤＣ。
・２回目排気バルブ開／排気バルブ閉： ３２６°ＢＴＤＣ／１８９°ＢＴＤＣ。
燃料特性：
表１ 燃料とその特性
表１ 燃料とその特性
上述のように、体積％の飽和物、芳香族化合物、オレフィン、場合によりエタノールを得るための様々な割合の精製物から得られたガソリンレンジ流をブレンドすることにより、燃料を調製した。
実験手順：
燃料と空気をエンジンの燃焼室に噴射した。燃料は、わずかではあるが異なる組成により典型的には様々なエネルギー含量を有しているので、噴射する燃料の体積を調整することにより、各燃料のサイクル当たりエンジンの燃焼室に同じエネルギー総量を噴射した。
燃料と空気をエンジンの燃焼室に噴射した。燃料は、わずかではあるが異なる組成により典型的には様々なエネルギー含量を有しているので、噴射する燃料の体積を調整することにより、各燃料のサイクル当たりエンジンの燃焼室に同じエネルギー総量を噴射した。
噴射した空気の量は、等量比＝０．７３＝（（化学量論的 空気／燃料 比）／（実際の 空気／燃料 比））となるように調整した。
吸気温度をすべての燃料が、２０００ｒｐｍの基準速度で同じＣＡ５０（燃料の積算５０％が燃焼したときのエンジンクランク角位置）を有することができるように設定した。
各燃料の運転の許容範囲を確立するために：
エンジン速度と負荷を変化させた。燃焼室に噴射した燃料の量を調整することにより負荷を変えた。負荷はブレーキ平均有効圧（ＢＭＥＰ）の従来からの単位を用いて報告される。
エンジン速度と負荷を変化させた。燃焼室に噴射した燃料の量を調整することにより負荷を変えた。負荷はブレーキ平均有効圧（ＢＭＥＰ）の従来からの単位を用いて報告される。
各速度で、ミスファイアが生じた閾値を見つけることで、許容可能な低負荷限界を決定し、これを（表示平均有効圧）ＩＭＥＰの変動係数＝５％の点として定義する。
各速度で、許容可能な低負荷限界を、共鳴強度１の値が、値＝５を超え始める閾値点により決定した。
結果
図１は１２００〜２４００ｒｐｍの速度範囲に亘って試験した燃料の運転の許容可能な上限と下限を示す。図１に教示されるように、運転範囲がより広くなるほど、燃料はより効率的になる。具体的には、燃料Ｃに関して、ブレーキ効率平均圧力の高負荷は少なくとも約２．５バールよりも高く、ブレーキ効率平均圧力の低負荷は少なくとも約１．７５バールよりも低い。燃料Ｃは試験した燃料の最も広い運転範囲を示す。
図１は１２００〜２４００ｒｐｍの速度範囲に亘って試験した燃料の運転の許容可能な上限と下限を示す。図１に教示されるように、運転範囲がより広くなるほど、燃料はより効率的になる。具体的には、燃料Ｃに関して、ブレーキ効率平均圧力の高負荷は少なくとも約２．５バールよりも高く、ブレーキ効率平均圧力の低負荷は少なくとも約１．７５バールよりも低い。燃料Ｃは試験した燃料の最も広い運転範囲を示す。
できるだけ広い運転範囲を有することに加えて、重要な特徴は、表示燃料消費比、ＩＳＦＣ（以下の定義参照）により測定された燃料効率である。ＩＳＦＣが低いほど、燃料の効率は高くなる。図２及び３は重量ベース（消費燃料のグラム／ｋｗ‐ｈｒ）及び体積ベース（消費ガロン／ｋｗｈｒ）の両方で、燃料Ｃが最も効率的であることを示す。体積燃料効率は車両運転手にとって最も関連のある燃料効率パラメータである。
表示燃料消費比、ＩＳＦＣ＝エンジン速度＊燃料噴射比／（表示出力）
ここで、表示出力＝負荷＊π＊（ボア／２）２＊ストローク＊速度
ここで、表示出力＝負荷＊π＊（ボア／２）２＊ストローク＊速度
１ 共鳴強度はエンジンにおけるノッキングの発生を確認するために使われる用語である。Ｏ．Ｓｅｏｋ Ｋｗｏｎ及びＯｃｋ Ｔａｅｃｋ Ｌｉｍ，“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｂｏｏｓｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＨＣＣＩ Ｅｎｇｉｎｅ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉ−Ｚｏｎｅ Ｍｏｄｅｌ，”（複数ゾーンモデルを用いたＨＣＣＩエンジンにおける温度成層化に対する給気圧の効果）Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌｕｍｅ ２４，Ｎｕｍｂｅｒ １，３９９−４０６，ＤＯＩ：１０．１００７／ｓ１２２０６−００９−１２０１−ｙ参照。
Claims (17)
- 華氏９５〜４４０度の沸騰範囲を有する燃料組成物であって、該燃料組成物が：
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；
（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；
（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；
（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；
（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；
を含み、該燃料組成物がＨＣＣＩエンジンに用いられるものである上記燃料組成物。 - ＨＣＣＩエンジンが、ＨＣＣＩモードで、又は火花点火モードで、又はＨＣＣＩモードと火花点火モードの両方で運転されるパートタイムＨＣＣＩエンジンである、請求項１記載の燃料組成物。
- 飽和物含量が５２体積％以下である、請求項１記載の燃料組成物。
- 飽和物含量が５０体積％以下である、請求項３記載の燃料組成物。
- オレフィン含量が約２〜約５体積％である、請求項１記載の燃料組成物。
- オレフィン含量が約３〜約４．５体積％である、請求項５記載の燃料組成物。
- 芳香族化合物含量が約３４〜約４０体積％である、請求項１記載の燃料組成物。
- 芳香族化合物含量が約３５〜約３９体積％である、請求項７記載の燃料組成物。
- エタノール含量が約９〜約１２体積％である、請求項１記載の燃料組成物。
- エタノール含量が約９〜約１１体積％である、請求項９記載の燃料組成物。
- 華氏９５〜４４０度の沸騰範囲を有する燃料組成物をＨＣＣＩエンジンに噴射することを含む、ＨＣＣＩエンジンにおける燃料効率を改良する方法であって、該燃料組成物が：
（ａ）５５体積％以下の飽和物含量；
（ｂ）約８８〜約９１のＲＯＮ；
（ｃ）約０〜約５体積％のオレフィン含量；
（ｄ）約３２〜約４０体積％の芳香族化合物含量；
（ｅ）約８〜約１６体積％のエタノール含量；
（ｆ）約８〜約１１のオクタン感度；
を含む、上記方法。 - ＨＣＣＩエンジンが、ＨＣＣＩモードで、又は火花点火モードで、又はＨＣＣＩモードと火花点火モードの両方で運転されるパートタイムＨＣＣＩエンジンである、請求項１１記載の方法。
- 低負荷ブレーキ平均有効圧が１．７バール未満である、請求項１１記載の方法。
- 高負荷ブレーキ平均有効圧が２．５バールを超える、請求項１１記載の方法。
- 高負荷ブレーキ平均有効圧が２．５バールを超え、低負荷ブレーキ平均有効圧が１．７バール未満である、請求項１１記載の方法。
- 体積燃料消費が０．７１ｇａｌ／ＫＷ−ｈｒ未満である、請求項１１記載の方法。
- 重量燃料消費が２００ｇ／ＫＷ−ｈｒ未満である、請求項１１記載の方法。
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