JP4109053B2

JP4109053B2 - Fuel for premixed compression self-ignition engines

Info

Publication number: JP4109053B2
Application number: JP2002255312A
Authority: JP
Inventors: 元柴田; 健一郎斎藤; タカシ金子; 秀昭菅野; 宏次尾山
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP2004091667A

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：３０℃以上８０℃以下、
終点：１２０℃未満
（２）４×Ｅ１＋３×Ｅ２＋２×Ｅ３−１×Ｅ４−４×Ｅ５≧１５０
（３）ＲＯＮ−ＣＮ≦８５
（上記（２）におけるＥ１は沸点７０℃未満の留分（容量％）、Ｅ２は沸点７０℃以上１００℃未満の留分（容量％）、Ｅ３は沸点１００℃以上１３０℃未満の留分（容量％）、Ｅ４は沸点１３０℃以上１６０℃未満の留分（容量％）、Ｅ５は沸点１６０℃以上の留分（容量％）をそれぞれ表し、上記（３）におけるＲＯＮはリサーチ法オクタン価、ＣＮはセタン価を表す。）
【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１０容量％以下、オレフィン分が２０容量％以下であることが好ましい。
【００１０】
【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
【００１１】
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。
【００１２】
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：３０℃以上８０℃以下、
終点：１２０℃未満
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３０℃以上８０℃以下であることが必要である。５０％留出温度は燃焼が改善され、特に熱効率面で有利となることから、上限は８０℃以下であることが必要であり、７５℃以下が好ましく、下限は３０℃以上であることが必要である。
終点は１２０℃未満であることが必要である。終点が１２０℃未満である場合、予混合が促進されて熱効率が高くなるのと同時にNOｘの排出量を著しく低下させることが可能となる。
なお、ここでいう初留点、５０％留出温度、終点とは、ＪＩＳＫ２２５４「石油製品−蒸留試験方法」によって測定された値である。
【００１３】
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）４×Ｅ１＋３×Ｅ２＋２×Ｅ３−１×Ｅ４−４×Ｅ５≧１５０
ここで、Ｅ１は沸点７０℃未満の留分（容量％）、Ｅ２は沸点７０℃以上１００℃未満の留分（容量％）、Ｅ３は沸点１００℃以上１３０℃未満の留分（容量％）、Ｅ４は沸点１３０℃以上１６０℃未満の留分（容量％）、Ｅ５は沸点１６０℃以上の留分（容量％）をそれぞれ表す。
【００１４】
要件（２）における左辺は、New Driveability Index（ＮＤＩ：新運転性指標）として自動車の運転性を鑑みて開発された燃料の指標である。
本発明においては、かかるＮＤＩが予混合圧縮自己着火式エンジンの熱効率を上げる点で１５０以上であることが必要である。好ましくは、２００以上であり、より好ましくは２５０以上であり、最も好ましくは３００以上である。
なお、ここでいうＮＤＩは1995年のＳＡＥにて柴田らが報告（Gen Shibata et al "The Development of Driveability Index and the Effects of Gasoline Volatility on Engine Performance、SAE Paper 952521、1995）した方法に基づいて算出したものである。
【００１５】
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）ＲＯＮ−ＣＮ≦８５
ここで、ＲＯＮはリサーチ法オクタン価であり燃料のノッキング指標を表し、ＣＮはセタン価であり燃料の着火性の指標を表すものである。
ＲＯＮ−ＣＮは燃料の自己着火性を判断するために、本発明者らが見いだした指標である。予混合圧縮自己着火式エンジンで安定した燃焼を得るためには、ＲＯＮ−ＣＮの値が８５以下であることが必要であり、８０以下であることが好ましく、７５以下がより好ましく、７０以下がさらに好ましく、６５以下が一層好ましく、６０以下がさらにより一層好ましく、５５以下が最も好ましい。
なお、ここでＲＯＮおよびセタン価３０以上のＣＮは、ＪＩＳＫ２２８０「オクタン価及びセタン価試験方法」により測定される値である。また、セタン価３０未満のＣＮは、セタン価５５の軽油８０容量％に試料２０容量％を混合して得られた混合燃料のセタン価を上記記載のＪＩＳＫ２２８０に準拠した方法で測定し、セタン価５５の軽油のセタン価と混合割合（８０容量％）、および試料の混合割合（２０容量％）とから、セタン価を算出する方法により求められる値である。
【００１６】
本発明の燃料中のオレフィン分の含有量は、予混合圧縮自己着火の促進、およびノッキング防止の点から、２０容量％以下であることが好ましく、１０容量％以下がより好ましい。
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、１０容量％以下であることが好ましく、５容量％以下がより好ましい。
なお、ここでいうオレフィン分および芳香族分とはＪＩＳＫ２５３６「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。
【００１７】
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、０．７５ｇ／ｃｍ³以下であることが好ましく、ベーパーロックなどの問題から、０．６２ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましく、より好ましくは０．６５ｇ／ｃｍ³以上である。なお、ここでいう密度とはＪＩＳＫ２２４９「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。
【００１８】
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、ＪＩＳＫ２５４１「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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（ＧａｓｔｏＬｉｑｕｉｄｓ）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。
【００２１】
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。
【００２２】
【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。
【００２３】
実施例１〜４及び比較例１
表１に示すように本発明の燃料（実施例１〜４）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。
【００２４】
（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
【００２５】
（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、ＤＣ９５２２０ｋＷ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。
【００２６】
（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。
【００２７】
（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。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１に示す結果から、本発明の燃料（実施例１〜４）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。
【００３０】
【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: 30 ° C or higher and 80 ° C or lower,
End point: less than 120 ° C. (2) 4 × E1 + 3 × E2 + 2 × E3-1 × E4-4 × E5 ≧ 150
(3) RON-CN ≦ 85
(E1 in the above (2) is a fraction (volume%) having a boiling point of less than 70 ° C., E2 is a fraction (volume%) having a boiling point of 70 ° C. or more and less than 100 ° C., and E3 is a fraction having a boiling point of 100 ° C. or more and less than 130 ° C. E4 represents a fraction having a boiling point of 130 ° C. or more and less than 160 ° C. (volume%), E5 represents a fraction having a boiling point of 160 ° C. or more (volume%), and RON in the above (3) is a research octane number, CN Represents cetane number.)
[0009]
The premixed compression self-ignition engine fuel preferably has an aromatic content of 10% by volume or less and an olefin content of 20% by volume or less.
[0010]
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.
[0012]
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: 30 ° C or higher and 80 ° C or lower,
End point: less than 120 ° C. The initial boiling point must be less 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 30 ° C. or higher and 80 ° C. or lower. The 50% distillation temperature improves combustion and is particularly advantageous in terms of thermal efficiency, so the upper limit must be 80 ° C or lower, preferably 75 ° C or lower, and the lower limit must be 30 ° C or higher. It is.
The end point needs to be less than 120 ° C. When the end point is less than 120 ° C., premixing is promoted to increase the thermal efficiency, and at the same time, the NOx emission amount can be significantly reduced.
Here, the initial boiling point, 50% distillation temperature, and end point are values measured by JIS K2254 “Petroleum product-distillation test method”.
[0013]
The fuel of the present invention needs to satisfy the following requirement (2).
(2) 4 × E1 + 3 × E2 + 2 × E3-1 × E4-4 × E5 ≧ 150
Here, E1 is a fraction having a boiling point of less than 70 ° C. (volume%), E2 is a fraction having a boiling point of 70 ° C. or more and less than 100 ° C. (volume%), and E3 is a fraction having a boiling point of 100 ° C. or more but less than 130 ° C. (volume%). , E4 represents a fraction (volume%) having a boiling point of 130 ° C. or more and less than 160 ° C., and E5 represents a fraction (volume%) having a boiling point of 160 ° C. or more.
[0014]
The left side in the requirement (2) is a fuel index developed in consideration of the drivability of the automobile as a New Driveability Index (NDI).
In the present invention, the NDI needs to be 150 or more in terms of increasing the thermal efficiency of the premixed compression self-ignition engine. Preferably, it is 200 or more, more preferably 250 or more, and most preferably 300 or more.
The NDI here is calculated based on the method reported by Shibata et al. (Gen Shibata et al "The Development of Driveability Index and the Effects of Gasoline Volatility on Engine Performance, SAE Paper 952521, 1995)" It is a thing.
[0015]
The fuel of the present invention further needs to satisfy the following requirement (3).
(3) RON-CN ≦ 85
Here, RON is a research octane number and represents a fuel knocking index, and CN is a cetane number and represents a fuel ignitability index.
RON-CN is an index that the present inventors have found in order to determine the self-ignitability of fuel. In order to obtain stable combustion in a premixed compression self-ignition engine, the value of RON-CN needs to be 85 or less, preferably 80 or less, more preferably 75 or less, and 70 or less. More preferably, it is more preferably 65 or less, still more preferably 60 or less, and most preferably 55 or less.
Here, RON and CN having a cetane number of 30 or more are values measured according to JIS K2280 “Testing method for octane number and cetane number”. Further, CN having a cetane number of less than 30 is obtained by measuring the cetane number of a mixed fuel obtained by mixing 20% by volume of a sample with 80% by volume of light oil having a cetane number of 55 by a method based on JIS K2280 described above. This is a value determined by a method of calculating the cetane number from the cetane number and mixing ratio (80% by volume) of the light oil of No. 55 and the mixing ratio (20% by volume) of the sample.
[0016]
The olefin content in the fuel of the present invention is preferably 20% by volume or less, more preferably 10% by volume or less, from the viewpoint of promoting premixed compression self-ignition and preventing knocking.
In addition, the aromatic content in the fuel of the present invention is preferably 10% by volume or less, more preferably 5% by volume or less, from the same viewpoint as the olefin content.
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”.
[0017]
The density (15 ° C.) of the fuel of the present invention is not limited at all. However, it is preferably 0.75 g / cm ³ or less from the viewpoint that the accelerator response becomes dull, and 0.62 g / cm 2 due to problems such as vapor lock. It is preferably cm ³ or more, more preferably 0.65 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”.
[0018]
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”.
[0019]
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. Therefore, 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.
[0020]
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.
[0021]
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.
[0022]
【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.
[0023]
Examples 1 to 4 and Comparative Example 1
As shown in Table 1, fuels of the present invention (Examples 1 to 4) 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.
[0024]
(Engine specifications)
Engine type: Inline 6-cylinder premixed compression self-ignition engine displacement: 2000cc
Compression ratio: 16
Fuel injection pressure: 8 MPa
[0025]
(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).
[0026]
(Transient response test)
An electric pulse width of an injector that satisfies the following conditions at a fuel injection amount 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.
[0027]
(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.
[0028]
[Table 1]

[0029]
From the results shown in Table 1, when the fuel of the present invention (Examples 1 to 4) 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.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, in contrast to the premixed compression self-ignition engine that has been developed to solve the problems of simultaneously achieving low NOx exhaust gas, low fuel consumption, and high thermal efficiency, the fuel of the present invention has 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.

Claims

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: 30 ° C or higher and 80 ° C or lower,
End point: less than 120 ° C. (2) 4 × E1 + 3 × E2 + 2 × E3-1 × E4-4 × E5 ≧ 150
(3) RON-CN ≦ 85
(E1 in the above (2) is a fraction (volume%) having a boiling point of less than 70 ° C., E2 is a fraction (volume%) having a boiling point of 70 ° C. or more and less than 100 ° C., and E3 is a fraction having a boiling point of 100 ° C. or more and less than 130 ° C. E4 represents a fraction having a boiling point of 130 ° C. or more and less than 160 ° C. (volume%), E5 represents a fraction having a boiling point of 160 ° C. or more (volume%), and RON in the above (3) is a research octane number, CN Represents cetane number.)

The premixed compression self-ignition engine fuel according to claim 1, wherein the aromatic content is 10% by volume or less and the olefin content is 20% by volume or less.