JP4109044B2 - Fuel for premixed compression self-ignition engines - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、自動車用内燃機関としては火花点火式ガソリンエンジンと圧縮自己着火式ディーゼルエンジンの二種類が広く使用されている。
火花点火式ガソリンエンジンとは、吸気ポートあるいは燃焼室内に燃料を噴射して燃料と空気の予混合気を形成させ、スパークプラグによる電気放電で強制的に点火、燃焼させる方式であり、燃料特性として、蒸発しやすいこと、自己着火し難いこと、点火後は火炎伝播がスムーズに行われること等が求められる。火花点火式ガソリンエンジンから排出される窒素酸化物(以下NOx)、炭化水素(以下HC)、一酸化炭素(以下CO)の浄化には三元触媒などが広く使用されているが、三元触媒による排出ガス浄化システムは、燃料と空気の割合が理論空燃比近傍になる範囲にしか適用できないため、圧縮自己着火式ディーゼルエンジンと比較すると熱効率、燃費が著しく劣ってしまうという短所がある。
【0003】
一方、圧縮自己着火式ディーゼルエンジンとは、圧縮工程でのピストン上昇により燃焼室内の空気が圧縮されて温度が上昇し、軽油の臨界温度以上に達したところに燃料を噴霧し自己着火燃焼させる方式で、燃料特性には自己着火しやすいことが求められる。燃費および熱効率面では優れるものの燃料噴霧を圧縮上死点前30クランク角度から圧縮上死点後10クランク角度付近で行うため、燃焼時の温度分布に濃淡ができ、NOxとすすの排出量が著しく高くなるという短所がある。また圧縮自己着火式ディーゼルエンジンでは排出ガス浄化のための触媒があまり普及しておらず、NOxは100〜1200ppmと非常に高いレベルで大気中に放出されることになる。
【0004】
このように、従来の火花点火式ガソリンエンジンでは排出ガスは浄化できるが燃費や熱効率の面に課題があり、圧縮自己着火式ディーゼルエンジンでは低燃費、高熱効率であるがNOx等の排出ガスの面に課題がある。このため、低NOx排出ガス、低燃費および高熱効率を同時に達成するという課題を解決すべく予混合圧縮自己着火式エンジンが検討されている。
【0005】
予混合圧縮自己着火式エンジンとは、燃料の噴射圧力レベルが20MPa以下と圧縮自己着火式ディーゼルエンジンで使用されている噴射圧力に比べると著しく低い燃料噴射圧力にて燃料を吸気ポートまたは燃焼室内に噴射し、そのサイクルで燃焼する燃料噴射を圧縮上死点前60クランク角度以前に終了するシステムであって、燃料と空気の予混合気をスパークプラグによる強制点火ではなく、自己着火で燃焼させるエンジンである。この予混合圧縮自己着火式エンジンは従来の圧縮自己着火式ディーゼルエンジンに比べて燃料が噴射されてから燃焼の始まるまでの時間が長く、燃料が燃料室内で均一に混合するため、燃焼時に局部的に温度の高い領域ができず、NOx排出レベルを触媒未装着状態で10ppm以下に抑えることが可能となり、かつ燃費および熱効率を圧縮自己着火式ディーゼルエンジン並みの低燃費、高効率が可能である。しかし、このようなエンジンに対し、その特性を十分発揮させることのできる燃料は未だ開発されておらず、予混合圧縮自己着火式エンジンに適した燃料の開発が望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況に鑑み、燃費および熱効率を圧縮自己着火式ディーゼルエンジン並みに保ち、かつNOx排出レベルを触媒未装着状態で10ppm以下に抑えることができる予混合圧縮自己着火式エンジンに適した燃料を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を重ねた結果、特定の蒸留性状を有し、かつ特定の要件を具備した燃料が予混合圧縮自己着火式エンジンの燃料に適していることを見いだし、本発明を完成するに至ったものである。
【0008】
すなわち、本発明は、下記(1)の蒸留性状を有し、かつ下記(2)および(3)で示される要件を具備することを特徴とする予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料に関する。
(1)初留点:45℃未満、
50%留出温度:60℃以上105℃以下、
終点:120℃以上210℃以下
(2)C4+C5+C6+C7≧50容量%
(3)燃料中のパラフィン含有量≧30容量%
(上記(2)におけるC4、C5、C6およびC7は、それぞれ燃料全量を基準とした炭素数4、5、6および7の炭化水素含有量(容量%)を表す。)
【0009】
前記予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料は、芳香族分が40容量%以下、オレフィン分が30容量%以下であることが好ましい。
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳述する。
本発明において、予混合圧縮自己着火式エンジンとは、下記の(A)、(B)および(C)の条件下に燃料を噴射させ、自己着火により燃焼を行わせるエンジンをいう。
(A)燃料噴射圧力:20MPa以下
(B)燃料噴射位置:吸気ポートあるいは燃焼室内部
(C)燃料噴射終了時期:圧縮上死点前60クランク角度以前
【0010】
従来の圧縮自己着火式ディーゼルエンジンと比べると、(A)は著しく低い燃料噴射圧力であり、(C)は燃料が噴射されてから燃焼が始まるまでの時間がかなり長く、その結果、燃料が燃焼室内で均一に混合するため燃焼室内温度に局部的に温度の高い領域ができず、窒素酸化物の排出量を触媒未装着状態で10ppm以下にすることができる。なお、予混合圧縮自己着火式エンジンは、HCCIエンジン(Homogeneous Charge Compression Ignition Engine)、PCCIエンジン(Premixed Charge Compression Ignition Engine)、PCIエンジン(Premixed Compression Ignition Engine)、CAIエンジン(Controlled Auto−Ignition Engine)、ARエンジン(Active Radical(Combustion)Engine)の名称で呼ばれることもある。
本発明の燃料は予混合圧縮自己着火式エンジンに適した燃料であるが、予混合圧縮自己着火式エンジンと、火花点火式ガソリンエンジンや電気モータなどを併用するハイブリッド式エンジンに対しても適用することができる。
【0011】
本発明の燃料は、下記(1)の蒸留性状を有していることが必要である。
(1)初留点:45℃未満、
50%留出温度:60℃以上105℃以下、
終点:120℃以上210℃以下
初留点は45℃未満であることが必要である。初留点が45℃以上では燃料の蒸発特性が悪くなり、燃効率および燃費の点で好ましくない。
50%留出温度は60℃以上105℃以下であることが必要である。50%留出温度が105℃を超えると軽質留分とのバランスが崩れ、熱効率の点で不利になるため、105℃以下であることが必要であり、95℃以下が好ましい。一方、燃料の蒸発が及ぼす空気の充填効率の点から50%留出温度の下限は60℃以上であることが必要であり、65℃以上が好ましい。
終点は120℃以上210℃以下であることが必要である。終点が210℃を超えると着火が安定せず、最大出力、熱効率、排出ガスが悪化するため、終点は210℃以下であることが必要であり、200℃以下が好ましい。一方、最大出力の点から120℃以上であることが必要である。
なお、ここでいう初留点、50%留出温度、終点とは、JIS K2254「石油製品−蒸留試験方法」によって測定された値である。
【0012】
本発明の燃料は、下記(2)の要件を具備することが必要である。
(2)C4+C5+C6+C7≧50容量%
ここで、C4、C5、C6およびC7は、それぞれ燃料全量を基準とした炭素数4、5、6および7の炭化水素含有量(容量%)を表す。
本発明において、炭素数4〜7の合計炭化水素含有量は燃料の蒸発特性の点から、50容量%以上であることが必要であり、好ましくは60容量%以上、より好ましくは70容量%以上である。
【0013】
なお、本発明の燃料において炭素数4、5、6および7、並びに炭素数8および炭素数9以上の炭化水素化合物の含有量は特に限定されるものではないが、次のようなものが好ましい。
炭素数4の炭化水素化合物の含有量(C4)は、蒸発ガス(エバポエミッション)の量を低く抑えることができ、引火点等の取扱性が良く、ベーパーロックやアイシングを抑制できる点から、25容量%以下が好ましく、20容量%以下がより好ましく、15容量%以下であることがさらに好ましい。
炭素数5の炭化水素化合物の含有量(C5)は、燃焼性、特にノッキング防止の点から下限は10容量%以上が好ましく、15容量%以上がより好ましく、上限は60容量%以下が好ましく、50容量%以下がより好ましい。
炭素数6の炭化水素化合物の含有量(C6)は、燃焼性、特にノッキング防止の点から下限は5容量%以上が好ましく、10容量%以上がより好ましく、上限は50容量%以下が好ましく、45容量%以下がより好ましい。
炭素数7の炭化水素化合物の含有量(C7)は、予混合圧縮自己着火燃焼における熱効率と出力のバランス面から、30容量%以下が好ましく、20容量%以下がより好ましく、10容量%以下が最も好ましい。
炭素数8の炭化水素化合物の含有量(C8)は、予混合圧縮自己着火燃焼における熱効率と出力のバランス面から、30容量%以下が好ましく、20容量%以下がより好ましく、15容量%以下がさらに好ましく、10容量%以下が最も好ましい。
炭素数9以上の炭化水素化合物の含有量(C9+)は、予混合圧縮自己着火燃焼における熱効率と出力のバランス面から、25容量%以下が好ましく、20容量%以下がより好ましく、15容量%以下がさらに好ましく、10容量%以下が最も好ましい。
なお、ここでいうC4、C5、C6、C7、C8、C9+はJIS K2536「石油製品−成分試験方法」に準拠してガスクロマトグラフを利用して測定した値である。
【0014】
本発明の燃料は、さらに下記(3)の要件を具備することが必要である。
(3)燃料中のパラフィン含有量≧30容量%
燃料中のパラフィン含有量(容量%)は自己着火性を表わす指標であり、予混合圧縮自己着火式エンジンで自己着火特性を上げ、安定した燃焼を得るためには、燃料中のパラフィン含有量は30容量%以上であることが必要であり、50容量%以上が好ましく、60容量%以上がより好ましく、70容量%以上がさらに好ましく、80容量%以上が一層好ましく、90容量%以上が最も好ましい。
なお、ここでいうパラフィン含有量とは、JIS K2536「石油製品−成分試験方法」に準拠してガスクロマトグラフを利用して測定した値である。
【0015】
本発明の燃料中のオレフィン分の含有量は、30容量%以下であることが好ましい。燃料中のオレフィン分が30容量%を越えると予混合圧縮自己着火を阻害し、ノッキングを引き起こし易くなるため好ましくない。なお、燃料中のオレフィン分の含有量は、25容量%以下であることがより好ましく、20容量%以下がさらに好ましく、15容量%以下が一層好ましく、10容量%以下が最も好ましい。
また、本発明の燃料中の芳香族分の含有量は、オレフィン分と同様の観点から、40容量%以下であることが好ましく、30容量%以下がより好ましく、20容量%以下がさらに好ましく、10容量%以下が最も好ましい。
なお、ここでいうオレフィン分および芳香族分とはJIS K2536「石油製品−成分試験方法」の蛍光指示薬吸着法により測定される値である。
【0016】
本発明の燃料の密度(15℃)にはなんら制限はないが、アクセルレスポンスが鈍くなる点から、0.80g/cm3以下であることが好ましく、より好ましくは0.78g/cm3以下であり、ベーパーロックなどの問題から、0.65g/cm3以上であることが好ましく、より好ましくは0.68g/cm3以上である。なお、ここでいう密度とはJIS K2249「原油及び石油製品の密度試験方法並びに密度・質量・容量換算表」により測定される値である。
【0017】
本発明の燃料の硫黄分は特に限定されるものではないが、30質量ppm以下であることが好ましい。30質量ppmを越えた場合、エンジンに装着した排出ガス浄化のための触媒が硫黄により被毒され、排出ガス浄化能力が低下するといった問題が生じるため好ましくない。燃料の硫黄分は、触媒の性能維持の点から10質量ppm以下がより好ましく、5質量ppm以下がさらに好ましく、1質量ppm以下が最も好ましい。
なお、ここでいう硫黄分とは、JIS K2541「原油及び石油製品−硫黄分試験方法」により測定される値である。
【0018】
本発明の燃料は主成分である炭化水素のほかに、エーテル、アルコール、ケトン、エステル、及びグリコールなどの含酸素化合物を含有していてもよい。含酸素化合物としては例えば、メタノール、エタノール、ノルマルプロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ノルマルブチルアルコール、イソブチルアルコール、ジメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテル(MTBE)、エチルターシャリーブチルエーテル(ETBE)、ターシャリーアミルメチルエーテル(TAME)、及びターシャリーアミルエチルエーテル等が挙げられる。含酸素化合物を含有すると排出ガス中のHC量は低減できるが、NOx量は増加してしまうので、含酸素化合物の含有量は、燃料全量基準で酸素元素換算(酸素含有量)20質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましく、3質量%以下が最も好ましい。
【0019】
本発明の燃料は、具体的には例えば、原油蒸留装置、ナフサ改質装置、アルキレーション装置等から得られるプロパンを中心とした直留系プロパン留分、ブタンを中心とした直留系ブタン留分、それらを脱硫した直留系脱硫プロパン留分、直留系脱硫ブタン留分、接触分解装置等から得られるプロパン・プロピレンを中心とした分解系プロパン留分、ブタン・ブテンを中心とした分解系ブタン留分、原油を常圧蒸留して得られるナフサ留分(フルレンジナフサ)、ナフサの軽質留分(軽質ナフサ)、ナフサの重質留分(重質ナフサ)、フルレンジナフサを脱硫した脱硫フルレンジナフサ、軽質ナフサを脱硫した脱硫軽質ナフサ、重質ナフサを脱硫した脱硫重質ナフサ、軽質ナフサを異性化装置でイソパラフィンに転化して得られる異性化ガソリン、イソブタン等の炭化水素に低級オレフィンを付加(アルキル化)することによって得られるアルキレート、接触改質法で得られる改質ガソリン、改質ガソリンより芳香族分を抽出した残分であるラフィネート、改質ガソリンの軽質留分、改質ガソリンの中重質留分、改質ガソリンの重質留分、接触分解法、水素化分解法等で得られる分解ガソリン、分解ガソリンの軽質留分、分解ガソリンの重質留分、及び天然ガス等を一酸化炭素と水素に分解した後にF−T(Fischer−Tropsch)合成で得られるGTL(Gas to Liquids)の軽質留分等の基材を1種又は2種以上を混合して調製することで製造することができる。
【0020】
本発明の燃料には、必要に応じて燃料油添加剤を添加することができる。この様な添加剤としては、具体的には例えば、コハク酸イミド、ポリアルキルアミン、ポリエーテルアミンなどの清浄分散剤;高級脂肪酸のエステルまたはアミド化合物などの摩擦調整剤;N,N’−ジイソプロピル−p−フェニレンジアミン、N,N’−ジイソブチル−p−フェニレンジアミン、及び2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、ヒンダードフェノール類等の酸化防止剤;N,N’−ジサリチリデン−1,2−ジアミノプロパンのようなアミンカルボニル縮合化合物等の金属不活性化剤;有機リン系化合物などの表面着火防止剤;多価アルコールおよびそのエーテルなどの氷結防止剤;有機酸のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩、高級アルコール硫酸エステルなどの助燃剤;アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤などの帯電防止剤;アゾ染料などの着色剤;有機カルボン酸及びそれらの誘導体類、アルケニルコハク酸エステル等の防錆剤;ソルビタンエステル類等の水抜き剤;キニザリン、クマリンなどの識別剤;天然精油合成香料などの着臭剤等が挙げられる。これらの添加剤は、1種または2種以上を添加することができ、その合計添加量は燃料全量基準で0.1質量%以下とすることが好ましい。
【0021】
【実施例】
以下に、実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【0022】
実施例1〜5及び比較例1
表1に示すように本発明の燃料(実施例1〜5)及び比較用の燃料(比較例1)を調製した。
得られた各燃料を下記に示す予混合圧縮自己着火式エンジンを用いて、以下の試験を行い、燃料の評価を実施した。
【0023】
(エンジン諸元)
エンジン種類 :直列6気筒予混合圧縮自己着火式エンジン
排気量 :2000cc
圧縮比 :16
燃料噴射圧力 :8MPa
【0024】
(エンジン試験)
下記の手順でエンジンを運転して回転−出力曲線図(マップ)をつくり、マップから運転可能最大回転数、最大熱効率、最大出力、ノッキングレベル、窒素酸化物量を求める。
(1) 動力計(明電舎社製、DC95 220kWの直流動力計)を回転−吸気圧制御にし、所定の回転数でエンジンをモータリング駆動する。
(2) 燃料を噴射し、徐々に噴射量を増量する。
(3) 自己着火燃焼を始めたら、燃料噴射量に対応する出力、燃料消費量、排出ガス、ノッキングレベルを計測し、熱効率を算出する。
(4) 運転できなくなるまで燃料噴射量を増量し、(3)の作業を継続する。
(5) 回転数を変化させて(2)〜(4)を繰り返す。
・出力:動力計から得られる軸トルクと回転数より算出する。
・燃料消費量:重量式燃費計(小野測器社製、FX−3400)にて測定を行なう。
・熱効率:出力と燃料の低位発熱量により算出する。
・ノッキングレベル:ノッキングを燃焼解析装置(小野測器社製、DS9110)にて解析し、結果をレベル1〜5の5段階で評価する。レベル1の燃料は最大回転領域までの全ての回転数領域においてノッキングしにくいことを表し、レベルが大きくなるに従いノッキングが起こり易くなることを表す。
・窒素酸化物排出量:エンジン排気管より燃焼排出ガスをサンプリングし排出ガス分析計(堀場製作所社製、MEXA9100)にて計測を行う。
【0025】
(過渡応答レスポンス試験)
エンジン回転数:800rpmにおいて燃料噴射量が下記の条件になるインジェクタの電気パルス幅を事前に計測する。
(a)空気過剰率3.2となる燃料噴射量
(b)空気過剰率2.4となる燃料噴射量
6気筒全てに対し燃料噴射量を(a)の状態にして燃料を噴霧し、瞬間的に(b)の状態に切り替えた場合、空気過剰率が2.6(空気過剰率2.4の90%)に達するのに要するサイクル数をレベル1〜5の5段階で評価する。過渡応答レスポンスレベル1の燃料は応答性が非常に良いことを表し、レベルが大きくなるに従い燃料の応答性が悪くなることを表す。
【0026】
(エンジン始動時間)
エンジンを−15℃の状態で48時間放置することで十分に冷却させた後、スタータを始動させてから第1気筒が初爆(スタータを始動した後、初めて気筒内の予混合気が着火すること)するまでに要する時間を計測する。この時間が長いほどエンジンの始動性が悪いことを表す。
【0027】
【表1】
【0028】
表1に示す結果から、本発明の燃料(実施例1〜5)を用いた場合には、比較例1の燃料に比べて、最大熱効率および最大出力を高く、窒素酸化物排出量を少なく、運転可能最大回転数を大きく、ノッキングレベルおよび過渡応答レスポンスレベルを小さく、エンジン始動時間を短くすることができる。
【0029】
【発明の効果】
以上のように、低NOx排出ガス、低燃費、高熱効率を同時に達成するという課題を解決すべく開発されている予混合圧縮自己着火式エンジンに対して、本発明の燃料は、予混合圧縮自己着火式エンジンの特性を十分に発揮し得る燃料であり、予混合圧縮自己着火式エンジンに適していることが明らかである。また、本発明の燃料は、予混合圧縮自己着火式エンジンと、火花点火式ガソリンエンジンや電気モータなどを併用するハイブリッド式エンジンに対しても適用することができるものである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a premixed compression self-ignition engine fuel.
[0002]
[Prior art]
Today, two types of internal combustion engines for automobiles are widely used: a spark ignition gasoline engine and a compression self-ignition diesel engine.
A spark-ignition gasoline engine is a system in which fuel is injected into the intake port or combustion chamber to form a premixed mixture of fuel and air, and forcibly ignited and burned by electric discharge by a spark plug. It is required that it evaporates easily, is difficult to self-ignite, and that the flame propagates smoothly after ignition. Three-way catalysts are widely used to purify nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx), hydrocarbons (hereinafter referred to as HC), and carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) discharged from a spark ignition gasoline engine. Since the exhaust gas purification system according to can be applied only to the range in which the ratio of fuel and air is close to the theoretical air-fuel ratio, there is a disadvantage that the thermal efficiency and fuel consumption are remarkably inferior compared with a compression self-ignition diesel engine.
[0003]
On the other hand, the compression self-ignition type diesel engine is a system in which the air in the combustion chamber is compressed due to the piston rise in the compression process, the temperature rises, and fuel is sprayed and self-ignited and combusted when it reaches the critical temperature of light oil or higher Therefore, the fuel characteristics are required to be easily ignited. Although it is excellent in terms of fuel efficiency and thermal efficiency, fuel spray is performed from 30 crank angle before compression top dead center to around 10 crank angle after compression top dead center, so the temperature distribution during combustion is shaded and NOx and soot emissions are remarkably high There is a disadvantage of becoming higher. Further, in a compression self-ignition type diesel engine, a catalyst for purifying exhaust gas is not so popular, and NOx is released into the atmosphere at a very high level of 100 to 1200 ppm.
[0004]
Thus, the conventional spark-ignition gasoline engine can purify the exhaust gas, but there are problems in terms of fuel consumption and thermal efficiency, while the compression self-ignition diesel engine has low fuel consumption and high thermal efficiency, but the exhaust gas such as NOx There is a problem. For this reason, premixed compression self-ignition engines have been studied to solve the problem of simultaneously achieving low NOx emission, low fuel consumption, and high thermal efficiency.
[0005]
A premixed compression self-ignition engine means that the fuel injection pressure level is 20 MPa or less and the fuel is injected into the intake port or the combustion chamber at a fuel injection pressure that is significantly lower than the injection pressure used in the compression self-ignition diesel engine. An engine for injecting fuel and combusting in that cycle before 60 crank angles before compression top dead center, in which a premixed mixture of fuel and air is burned by self-ignition rather than forced ignition by a spark plug It is. This premixed compression self-ignition engine has a longer time from fuel injection to the start of combustion than the conventional compression self-ignition diesel engine, and the fuel is uniformly mixed in the fuel chamber. Therefore, the NOx emission level can be suppressed to 10 ppm or less when the catalyst is not mounted, and the fuel consumption and thermal efficiency can be as low as those of a compression self-ignition diesel engine. However, a fuel capable of sufficiently exhibiting the characteristics of such an engine has not yet been developed, and development of a fuel suitable for a premixed compression self-ignition engine is desired.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In view of such a situation, the present invention provides a premixed compression self-ignition engine capable of maintaining fuel efficiency and thermal efficiency at the same level as a compression self-ignition diesel engine and suppressing the NOx emission level to 10 ppm or less with no catalyst installed. The object is to provide a suitable fuel.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive research, and as a result, a fuel having a specific distillation property and a specific requirement is suitable as a fuel for a premixed compression self-ignition engine. As a result, the present invention has been completed.
[0008]
That is, the present invention relates to a fuel for a premixed compression self-ignition engine characterized by having the distillation properties of the following (1) and satisfying the requirements shown by the following (2) and (3).
(1) Initial boiling point: less than 45 ° C,
50% distillation temperature: 60 ° C or higher and 105 ° C or lower,
End point: 120 ° C. or higher and 210 ° C. or lower (2) C4 + C5 + C6 + C7 ≧ 50% by volume
(3) Paraffin content in fuel> 30% by volume
(C4, C5, C6 and C7 in (2) above represent the hydrocarbon content (volume%) of 4, 5, 6 and 7 carbon atoms based on the total amount of fuel, respectively)
[0009]
The premixed compression self-ignition engine fuel preferably has an aromatic content of 40% by volume or less and an olefin content of 30% by volume or less.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
In the present invention, the premixed compression self-ignition engine refers to an engine that injects fuel under the following conditions (A), (B), and (C) and burns by self-ignition.
(A) Fuel injection pressure: 20 MPa or less (B) Fuel injection position: intake port or inside combustion chamber (C) Fuel injection end time: Before 60 crank angle before compression top dead center
Compared to a conventional compression self-ignition diesel engine, (A) is a remarkably low fuel injection pressure, and (C) is a considerably long time from the injection of fuel to the start of combustion. Since the mixture is uniformly mixed indoors, there is no locally high temperature region in the combustion chamber temperature, and the nitrogen oxide emission can be reduced to 10 ppm or less when no catalyst is attached. The premixed compression self-ignition engine includes an HCCI engine (Homogeneous Charge Compression Ignition Engine), a PCCI engine (Premixed Charge Compression Ignition Engine), a PCI engine (Premixed Compression Ignition Engine), a CAI engine (Controlled Auto-Ignition Engine), It may be called by the name of AR engine (Active Radical (Combustion) Engine).
The fuel of the present invention is suitable for a premixed compression self-ignition engine, but is also applicable to a premixed compression self-ignition engine and a hybrid engine using a spark ignition gasoline engine, an electric motor, or the like. be able to.
[0011]
The fuel of the present invention is required to have the following distillation property (1).
(1) Initial boiling point: less than 45 ° C,
50% distillation temperature: 60 ° C or higher and 105 ° C or lower,
End point: 120 ° C. or higher and 210 ° C. or lower The initial boiling point must be lower than 45 ° C. If the initial boiling point is 45 ° C. or higher, the fuel evaporation characteristics deteriorate, which is not preferable in terms of fuel efficiency and fuel consumption.
The 50% distillation temperature needs to be 60 ° C. or higher and 105 ° C. or lower. If the 50% distillation temperature exceeds 105 ° C, the balance with the light fraction is lost and disadvantageous in terms of thermal efficiency. Therefore, it is necessary that the temperature be 105 ° C or less, and 95 ° C or less is preferable. On the other hand, the lower limit of the 50% distillation temperature is required to be 60 ° C. or higher, and preferably 65 ° C. or higher, from the viewpoint of the efficiency of air filling due to fuel evaporation.
The end point needs to be 120 ° C. or higher and 210 ° C. or lower. If the end point exceeds 210 ° C, the ignition is not stable, and the maximum output, thermal efficiency, and exhaust gas are deteriorated. Therefore, the end point needs to be 210 ° C or less, and preferably 200 ° C or less. On the other hand, it is necessary to be 120 ° C. or higher from the point of maximum output.
Here, the initial boiling point, 50% distillation temperature, and end point are values measured by JIS K2254 “Petroleum product-distillation test method”.
[0012]
The fuel of the present invention needs to satisfy the following requirement (2).
(2) C4 + C5 + C6 + C7 ≧ 50% by volume
Here, C4, C5, C6, and C7 represent the hydrocarbon content (volume%) of 4, 5, 6, and 7 carbon atoms based on the total amount of fuel, respectively.
In the present invention, the total hydrocarbon content of 4 to 7 carbon atoms is required to be 50% by volume or more, preferably 60% by volume or more, more preferably 70% by volume or more from the viewpoint of fuel evaporation characteristics. It is.
[0013]
In the fuel of the present invention, the content of hydrocarbon compounds having 4, 5, 6, and 7 carbon atoms and 8 or more carbon atoms is not particularly limited, but the following is preferable. .
The content of the hydrocarbon compound having 4 carbon atoms (C4) is 25 because the amount of evaporation gas (evaporation) can be kept low, handling properties such as flash point are good, and vapor lock and icing can be suppressed. % By volume or less is preferable, 20% by volume or less is more preferable, and 15% by volume or less is more preferable.
The content (C5) of the hydrocarbon compound having 5 carbon atoms is preferably 10% by volume or more, more preferably 15% by volume or more, and more preferably 60% by volume or less from the viewpoint of flammability, particularly knocking prevention. 50% by volume or less is more preferable.
The content (C6) of the hydrocarbon compound having 6 carbon atoms is preferably 5% by volume or more, more preferably 10% by volume or more, and more preferably 50% by volume or less, from the viewpoint of flammability, particularly knocking prevention. 45% by volume or less is more preferable.
The content (C7) of the hydrocarbon compound having 7 carbon atoms is preferably 30% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, more preferably 10% by volume or less, from the viewpoint of the balance between thermal efficiency and output in premixed compression auto-ignition combustion. Most preferred.
The content (C8) of the hydrocarbon compound having 8 carbon atoms is preferably 30% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, and more preferably 15% by volume or less from the viewpoint of the balance between thermal efficiency and output in premixed compression auto-ignition combustion. More preferred is 10% by volume or less.
The content (C9 +) of the hydrocarbon compound having 9 or more carbon atoms is preferably 25% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, and more preferably 15% by volume or less from the viewpoint of the balance between thermal efficiency and output in premixed compression auto-ignition combustion. Is more preferable, and 10% by volume or less is most preferable.
Here, C4, C5, C6, C7, C8, and C9 + are values measured using a gas chromatograph in accordance with JIS K2536 “Petroleum product-component test method”.
[0014]
The fuel of the present invention further needs to satisfy the following requirement (3).
(3) Paraffin content in fuel> 30% by volume
The paraffin content (volume%) in the fuel is an index indicating self-ignitability, and in order to improve the self-ignition characteristics in a premixed compression self-ignition engine and obtain stable combustion, the paraffin content in the fuel is It is necessary to be 30% by volume or more, preferably 50% by volume or more, more preferably 60% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, still more preferably 80% by volume or more, and most preferably 90% by volume or more. .
In addition, paraffin content here is the value measured using the gas chromatograph based on JISK2536 "Petroleum product-component test method".
[0015]
The olefin content in the fuel of the present invention is preferably 30% by volume or less. If the olefin content in the fuel exceeds 30% by volume, it is not preferable because premixed compression self-ignition is inhibited and knocking is likely to occur. The olefin content in the fuel is more preferably 25% by volume or less, further preferably 20% by volume or less, more preferably 15% by volume or less, and most preferably 10% by volume or less.
The aromatic content in the fuel of the present invention is preferably 40% by volume or less, more preferably 30% by volume or less, still more preferably 20% by volume or less, from the same viewpoint as the olefin content. 10% by volume or less is most preferable.
In addition, the olefin content and aromatic content here are values measured by the fluorescent indicator adsorption method of JIS K2536 “Petroleum product-component test method”.
[0016]
Without any limitation on the density (15 ° C.) of the fuel of the present invention, from the viewpoint of the accelerator response becomes dull, it is preferably 0.80 g / cm 3 or less, more preferably 0.78 g / cm 3 or less In view of problems such as vapor lock, it is preferably 0.65 g / cm 3 or more, more preferably 0.68 g / cm 3 or more. In addition, the density here is a value measured by JIS K2249 “Density test method and density / mass / capacity conversion table for crude oil and petroleum products”.
[0017]
The sulfur content of the fuel of the present invention is not particularly limited, but is preferably 30 ppm by mass or less. Exceeding 30 ppm by mass is not preferable because the exhaust gas purifying catalyst mounted on the engine is poisoned by sulfur and the exhaust gas purifying ability is lowered. The sulfur content of the fuel is more preferably 10 ppm by mass or less, more preferably 5 ppm by mass or less, and most preferably 1 ppm by mass or less from the viewpoint of maintaining the performance of the catalyst.
In addition, the sulfur content here is a value measured by JIS K2541 “Crude oil and petroleum products—sulfur content test method”.
[0018]
The fuel of the present invention may contain oxygen-containing compounds such as ethers, alcohols, ketones, esters, and glycols in addition to the main hydrocarbon. Examples of the oxygen-containing compound include methanol, ethanol, normal propyl alcohol, isopropyl alcohol, normal butyl alcohol, isobutyl alcohol, dimethyl ether, diisopropyl ether, methyl tertiary butyl ether (MTBE), ethyl tertiary butyl ether (ETBE), and tertiary amyl methyl. Examples include ether (TAME) and tertiary amyl ethyl ether. If an oxygen-containing compound is contained, the amount of HC in the exhaust gas can be reduced, but the amount of NOx increases, so the oxygen-containing compound content is 20 mass% or less in terms of oxygen element (oxygen content) based on the total amount of fuel. Is preferable, 10 mass% or less is more preferable, and 3 mass% or less is the most preferable.
[0019]
Specifically, the fuel of the present invention is, for example, a straight-run propane fraction centered on propane obtained from a crude oil distillation apparatus, a naphtha reformer, an alkylation apparatus, or the like, or a straight-run butane stream centered on butane. , Straight-run desulfurized propane fraction obtained by desulfurizing them, straight-run desulfurized butane fraction, cracked propane fraction mainly from propane / propylene obtained from catalytic cracker, etc., cracking mainly butane / butene Desulfurization of naphtha distillate, naphtha distillate obtained by atmospheric distillation of crude oil (full range naphtha), light distillate of naphtha (light naphtha), heavy distillate of naphtha (heavy naphtha), full range naphtha Full-range naphtha, desulfurized light naphtha desulfurized light naphtha, desulfurized heavy naphtha desulfurized heavy naphtha, isomerized gasodium obtained by converting light naphtha into isoparaffin using an isomerizer Alkylate obtained by adding (alkylating) lower olefins to hydrocarbons such as ethylene and isobutane, reformed gasoline obtained by catalytic reforming, and raffinate that is a residue obtained by extracting aromatics from reformed gasoline , Light fraction of reformed gasoline, medium heavy fraction of reformed gasoline, heavy fraction of reformed gasoline, cracked gasoline obtained by catalytic cracking method, hydrocracking method, light fraction of cracked gasoline, A base material such as a heavy fraction of cracked gasoline and a light fraction of GTL (Gas to Liquids) obtained by FT (Fischer-Tropsch) synthesis after cracking natural gas or the like into carbon monoxide and hydrogen 1 It can manufacture by mixing a seed | species or 2 or more types.
[0020]
If necessary, a fuel oil additive can be added to the fuel of the present invention. Specific examples of such additives include detergent dispersants such as succinimide, polyalkylamine, and polyetheramine; friction modifiers such as higher fatty acid esters or amide compounds; N, N′-diisopropyl -Antioxidants such as p-phenylenediamine, N, N'-diisobutyl-p-phenylenediamine, and 2,6-di-t-butyl-4-methylphenol, hindered phenols; N, N'-disalicylidene Metal deactivators such as amine carbonyl condensation compounds such as -1,2-diaminopropane; surface ignition inhibitors such as organophosphorus compounds; anti-icing agents such as polyhydric alcohols and ethers thereof; alkali metals of organic acids Auxiliary agents such as salts or alkaline earth metal salts, higher alcohol sulfates; anionic surfactants, cationic boundaries Antistatic agents such as activators and amphoteric surfactants; Colorants such as azo dyes; Rust preventives such as organic carboxylic acids and their derivatives, alkenyl succinic acid esters; Dewatering agents such as sorbitan esters; Quinizarine, Examples include discriminating agents such as coumarins; and odorants such as natural essential oil synthetic fragrances. One or more of these additives can be added, and the total addition amount is preferably 0.1% by mass or less based on the total amount of fuel.
[0021]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0022]
Examples 1 to 5 and Comparative Example 1
As shown in Table 1, fuels of the present invention (Examples 1 to 5) and comparative fuels (Comparative Example 1) were prepared.
Each of the obtained fuels was subjected to the following tests using the premixed compression self-ignition engine shown below, and the fuel was evaluated.
[0023]
(Engine specifications)
Engine type: Inline 6-cylinder premixed compression self-ignition engine displacement: 2000cc
Compression ratio: 16
Fuel injection pressure: 8 MPa
[0024]
(Engine test)
The engine is operated according to the following procedure to create a rotation-output curve diagram (map), and the maximum operable speed, maximum thermal efficiency, maximum output, knocking level, and nitrogen oxide amount are obtained from the map.
(1) A dynamometer (DC95 220 kW DC dynamometer manufactured by Meidensha) is set to rotation-intake pressure control, and the engine is motored at a predetermined rotational speed.
(2) Inject fuel and gradually increase the injection amount.
(3) After starting self-ignition combustion, measure the output corresponding to the fuel injection amount, fuel consumption, exhaust gas, knocking level, and calculate the thermal efficiency.
(4) Increase the fuel injection amount until it can no longer operate, and continue the operation in (3).
(5) Repeat steps (2) to (4) while changing the rotation speed.
・ Output: Calculated from shaft torque and rotation speed obtained from dynamometer.
Fuel consumption: Measured with a weight-type fuel consumption meter (FX-3400, manufactured by Ono Sokki Co., Ltd.).
・ Thermal efficiency: Calculated based on output and lower heating value of fuel.
-Knocking level: Knocking is analyzed with a combustion analyzer (DS9110, manufactured by Ono Sokki Co., Ltd.), and the result is evaluated in five levels of levels 1-5. The level 1 fuel indicates that it is difficult to knock in all the rotational speed regions up to the maximum rotational region, and indicates that knocking is likely to occur as the level increases.
Nitrogen oxide emissions: Combustion exhaust gas is sampled from the engine exhaust pipe and measured with an exhaust gas analyzer (manufactured by Horiba, Ltd., MEXA9100).
[0025]
(Transient response test)
The electric pulse width of the injector, in which the fuel injection amount becomes the following condition at an engine speed of 800 rpm, is measured in advance.
(A) Fuel injection amount at which the excess air ratio is 3.2 (b) Fuel injection amount at which the excess air ratio is 2.4 When the state is switched to the state (b), the number of cycles required for the excess air ratio to reach 2.6 (90% of the excess air ratio 2.4) is evaluated in five stages of levels 1 to 5. The fuel of the transient response level 1 indicates that the response is very good, and indicates that the fuel response becomes worse as the level increases.
[0026]
(Engine start time)
The engine is allowed to cool for 48 hours at -15 ° C., and then the starter is started, and then the first cylinder is first exploded (the premixed gas in the cylinder is ignited for the first time after the starter is started). Measure the time it takes to do. The longer this time, the worse the engine startability.
[0027]
[Table 1]
[0028]
From the results shown in Table 1, when the fuel of the present invention (Examples 1 to 5) was used, the maximum thermal efficiency and the maximum output were higher than those of Comparative Example 1, and the amount of nitrogen oxides was reduced. The maximum operable speed can be increased, the knocking level and transient response level can be decreased, and the engine start time can be shortened.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, in contrast to the premixed compression self-ignition engine that has been developed to solve the problem of simultaneously achieving low NOx emission, low fuel consumption, and high thermal efficiency, the fuel of the present invention is a premixed compression self-ignition engine. It is a fuel that can fully exhibit the characteristics of an ignition engine, and is clearly suitable for a premixed compression self-ignition engine. The fuel of the present invention can also be applied to a hybrid engine that uses a premixed compression self-ignition engine and a spark ignition gasoline engine or an electric motor together.
Claims (2)
(1)初留点:45℃未満、
50%留出温度:60℃以上105℃以下、
終点:120℃以上210℃以下
(2)C4+C5+C6+C7≧50容量%
(3)燃料中のパラフィン含有量≧30容量%
(上記(2)におけるC4、C5、C6およびC7は、それぞれ燃料全量を基準とした炭素数4、5、6および7の炭化水素含有量(容量%)を表す。)A fuel for a premixed compression self-ignition engine characterized by having the following distillation properties (1) and satisfying the requirements shown in the following (2) and (3).
(1) Initial boiling point: less than 45 ° C,
50% distillation temperature: 60 ° C or higher and 105 ° C or lower,
End point: 120 ° C. or higher and 210 ° C. or lower (2) C4 + C5 + C6 + C7 ≧ 50% by volume
(3) Paraffin content in fuel> 30% by volume
(C4, C5, C6 and C7 in (2) above represent the hydrocarbon content (volume%) of 4, 5, 6 and 7 carbon atoms based on the total amount of fuel, respectively)
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