KR100681596B1 - 희박 한계를 확장시키기 위한 연료 배합물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 층류화염속도 및 특정 증류 특성을 갖는 연료에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 이소옥탄의 층류화염속도보다 큰 층류속도, 및 T₅₀, FBP, IBP를 포함하는 특정 증류 특성을 갖는 하나 이상의 종을 함유한 연료에 관한 것이다.

Description

희박 한계를 확장시키기 위한 연료 배합물{FUEL FORMULATIONS TO EXTEND THE LEAN LIMIT}

본 발명은 내연엔진에서 희박 연소 한계(lean burn limit)를 확장시키기 위한 연료에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고 층류화염속도 및 특정 증류 특성을 갖는 하나 이상의 종을 함유한 연료에 관한 것이다. 이러한 연료는 희박 연소 엔진을 더 낮은 희박 연소 한계에서 작동하게 하여 연료 절약 이득 및 방출물 감소를 가져온다.

최근에 불꽃 점화 엔진의 가장 중요한 발전 중의 하나로 저 내지 중 부하의 희박 조건에서 작동시켜 연료 절약 이득을 달성하는 것을 들 수 있다. 희박 조건에서의 작동을 용이하게 하기 위한 엔진 설계 및 구성에서 현저한 기술적 발전이 이루어져 왔다. 불꽃 점화 엔진은 공지된 연료를 1.0 미만의 표준화된 연료 대 공기 비("Φ")로 사용하여 작동될 수 있다. 표준화된 연료 대 공기 비는 실제 연료 대 공기 비를 화학량론적 연료 대 공기 비로 나눈 것이다. 엔진이 허용불가능한 토크 변동을 나타내기 시작하는 시점의 Φ 값을 "희박 한계"라고 부른다. 엔진의 희박 한계를 확장시킬 수 있는 연료를 사용하여 엔진을 작동시킴으로써, 상기 엔진에서의 연료 절약이 더욱더 향상될 수 있고 NO_x 방출이 감소될 수 있다.

이러한 희박 연소 엔진에서 연료 절약 이득은 전형적으로 저 및 중 부하에서 작동되는 과정에서 실현된다. 그러나, 고 부하에서는 이러한 엔진이 약 1의 Φ에서 작동되어, 연료가 옥탄가 및 기타 표준 연료 규격을 만족시킬 것이 요구된다. 따라서, 실제로 사용하기 위해서는, 본 발명의 연료는 옥탄가 및 기타 표준 연료 규격을 만족시켜야 한다

저온 엔진의 시동은 문제시 되는 엔진 방출물에 대한 잘 알려진 원인이다. 불꽃 분사식("SI", spark injected)의 희박 연소 엔진 또는 통상적 엔진은 불완전한 연료 기화로 인한 저온 시동 과정에서, 부분적인 희박 조건하에 효과적으로 작동된다. 저온 엔진이 시동되는 동안의 희박 한계를 개선시키면, 효과적인 연소를 위한 연료 필요량을 감소시킴으로써 유리하게 탄화수소 방출물을 감소시킬 것이다.

따라서, 표준 연료 규격을 만족시키고, 엔진의 희박 한계를 확장시킬 수 있는 연료가 요구된다. 본 발명의 연료는 이러한 요구를 만족시킨다.

발명의 요약

한 실시태양에서, 본 발명은, 약 0.4 내지 약 0.8 범위의 Φ에서 측정했을 때, 이소옥탄보다 큰 층류화염속도를 갖고; 약 77℃ 미만의 T₅₀, 약 160℃ 미만의 최종 비점 및 약 32℃ 초과의 초기 비점을 포함하는 연료 증류/휘발 특성을 갖는 하나 이상의 종을 효과량으로 포함하는, 연료에 관한 것이다. 또다른 실시태양에서, 본 발명은 토크 변동의 증가없이, 액체 연료가 공급되는 포트-분사식 엔진에서 Φ를 감소시키기 위한 방법이다. 본 발명은 낮은 희박 한계에서 엔진을 작동시킴으로써 NO_x를 동시에 감소시킬 수 있다.

본 발명의 고 층류화염속도의 종은 R1-O-R2, R1-C=C-R2,

(여기서, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 독립적으로 H, 선형알킬, 분지형알킬, 사이클로알킬, 아릴 및 알킬아릴로 이루어진 군으로부터 선택됨) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있되, 단, 상기 종은 약 5 내지 약 12 범위의 탄소원자 총수를 갖고, 상기 종이 R1-O-R2인 경우, R1 및 R2는 둘다 하이드로카빌이고 탄소원자 총수는 약 7 내지 약 12 범위이다.

또다른 실시태양에서, 본 발명은 저 부하 조건에서 약 0.4 내지 약 0.8 범위의 Φ값 및 약 0.6 Nm 미만의 토크 변동을 갖는 포트 연료-분사식 엔진에 사용하기 위한 연료이다.

도 1은 서로 다른 층류화염속도 및 증류 특성을 갖는 연료에 대해서 여러 분사 시간에 대한 희박 한계에서의 등가비 변화를 나타낸다.

도 2는 표 2의 연료 중 5가지에 대해서 0.6 Φ에서 측정된 상대적인 층류화염속도와 함께 희박 한계 변화를 나타낸다.

도 3은 표 2의 모든 연료에 대한 증류 곡선을 나타낸다.

본 발명은 특정 증류 특성, 및 고 층류화염속도를 갖는 하나 이상의 종 효과량을 갖는 연료를 사용하여 엔진을 작동시킴으로써 엔진의 희박 한계를 더 낮은 Φ값으로 확장시킬 수 있다는 발견에 기초한 것이다. 연료의 증류 특성 및 연료 내의 종의 층류화염속도 특성 둘다를 조절하면 내연엔진에서 희박 한계를 확장시키는 연료가 수득된다. 희박 한계가 낮을수록 연료는 더 많이 절약된다. 또한, 이러한 연료를 사용하면, 엔진을 더 낮은 Φ값에서 작동시킬 수 있게 함으로써 NO_x의 방출을 감소시킨다.

연료는 임의의 상으로 존재할 수 있지만, 바람직한 연료는 불꽃 점화에 바람직하게 사용되는 액체 연료이다. 더욱 바람직하게는, 연료는 이소옥탄보다 큰 층류화염속도를 갖는 종 약 10 부피% 이상과 가솔린의 블렌드이다. 본 발명은 실질적으로 모든 가솔린과 상용가능하며, 본 발명내의 블렌드는 옥탄가, 안정성 및 기타 표준 가솔린 규격을 만족시킨다.

상기 기술된 바와 같이, 본 연료의 한 특성은 이소옥탄보다 큰 층류화염속도를 갖는 종이다. 층류화염속도는 당해 기술분야에 잘 알려진 연소-봄베 기법에 의해 측정된다. 예를 들어, 문헌[M. Metghalchi and J. C. Keck, Combustion and Flame, 38: 143-154 (1980)]을 참조한다.

본 발명의 고 층류속도 종은 R1-O-R2, R1-C=C-R2,

(여기서, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 독립적으로 H, 선형알킬, 분지형알킬, 사이클로알킬, 아릴 및 알킬아릴로 이루어진 군으로부터 선택됨)로 이루어진 군으로부터 선택되되, 단, 상기 종은 약 5 내지 약 12 범위의 탄소원자 총수를 갖고, 상기 종이 R1-O-R2인 경우, R1 및 R2는 둘다 하이드로카빌이고 탄소원자 총수는 약 7 내지 약 12 범위이다.

고 층류화염속도 종의 표준 비점은 약 35 내지 약 225℃ 범위이고, 또다른 실시태양에서, 표준 비점은 약 75 내지 약 225℃ 범위이다.

이소옥탄의 층류화염속도에 대한, 본 발명에 유용한 몇몇 종의 층류화염속도는 그들의 표준 비점(℃)과 함께 하기 표 1에 기술한다. 이러한 층류속도는 Φ=0.6에서 연소 봄베에서 측정하였다. 하기 표 1에 열거된 종은 상대적으로 낮은 독성, 높은 열안정성, 및 만족스러운 옥탄가(즉, 모터 옥탄가(MON, motor octane number)>75, 리서치 옥탄가(RON, research octane number)>80)를 갖는 것에 주목해야 한다.

	사이클로펜탄	펜텐-2	톨루엔	사이클로헥산	아니솔
이소옥탄에 대한 층류화염속도	1.06	1.29	1.4	1.42	1.57
표준 비점	49	37	110	81	154

연료는 상대적으로 고 층류화염속도(즉, 이소옥탄의 층류화염속도를 초과함)를 갖는 종을 함유할 수 있지만, 향상된 희박 한계를 나타낼 수는 없다. 따라서, 본 발명은 고 층류화염속도와 전체 연료의 특정 증류 특성의 조합을 교시하고 있다.

본 발명의 연료를 기술하는데 본원에서 사용된 증류 특성은 T₅₀, 초기 비점(IBP), 및 최종 비점(FBP)이고, 이들 모두 ASTM 규격 D86에 따라 측정된다. 전체 연료는 약 77℃ 미만의 T₅₀을 갖는다. 또다른 실시태양에서, T₅₀은 약 70℃, 65℃, 60℃, 55℃ 및 50℃ 미만이다. 전체 연료는 약 160℃ 미만의 최종 비점(FBP)을 갖는다. 또다른 실시태양에서, FBP는 약 155℃, 150℃, 145℃, 130℃, 115℃ 및 100℃ 미만이다. 모든 연료는 약 32℃ 초과의 초기 비점(IBP)을 갖는다. 바람직한 실시태양에서 IBP는 약 35℃ 초과이고, 또다른 실시태양에서 IBP는 약 40℃ 및 45℃ 초과이다.

제한받고자 하는 것은 아니고 완벽하게 평가되지는 않았지만, 본원에 기술된 범위 밖의 증류 특성을 갖는 연료는 확장된 초기 연소, 지연된 최종 연소 또는 어느 정도의 이들의 조합을 초래하는 것으로 이해된다. 본 발명과 다른 IBP를 갖는 연료 블렌드는 기체 흐름이 유입됨으로써 점화 플러그 영역 밖으로 쓸려나와서, 점화시 불꽃 근처에서의 국부적 연료: 공기 비를 감소시키는데, 이는 모두 불량하거나 더욱 불량한 희박 한계 성능의 원인이 된다. 본원에 기술된 바와 같은 층류화염속도와 증류 특성의 조합은 희박 한계를 향상시키는 것으로 생각된다.

한 실시태양에서, 본 발명의 연료는 옥시게네이트(oxygenate)를 함유할 수 있다. 그러나, 옥시게네이트는 또한 연료의 희박 한계 성능을 향상시키도록(또는, 최소한 희박 한계 성능을 떨어뜨리지 않도록) 선택된다. 에탄올 또는 메틸-t-부틸 에테르와 같은 산소 함유 종, 또는 기타 상대적으로 휘발성인 특정 산소 함유 화합물은 점화 플러그의 영역에서, 전체 평균보다 낮은 국부 Φ를 갖는 연료:공기 혼합물을 생성하는 단점을 가질 것이다. 이로써 더욱 불량한 점화 특성 및 낮은 초기 층류속도가 초래된다. 따라서, 이러한 성질의 산소를 사용할 때는, 산소 함량은 2.6 중량% 미만, 바람직하게는 약 2 중량% 미만으로 제한된다. 따라서, 본 발명의 연료가 하기 기술된 산소 함유 종으로부터의 산소를 함유할 때는, 상기 종은 약 2.6 중량% 이하, 바람직하게는 약 2.0 중량% 이하로 제한된다. 2.6 중량% 이하로 제한된 산소 종은 R1-O-R2(여기서, R1 및 R2는 독립적으로 H, 선형알킬, 분지형알킬, 사이클로알킬, 아릴 및 알킬아릴로 이루어진 군으로부터 선택되고, 탄소원자 총수는 약 1 내지 약 6의 범위임)로 정의된다.

본 발명은 하기 실시예에서 보다 구체적으로 기술된다.

실시예

5가지의 연료 블렌드 "A" 내지 "E"를 사용하여 희박 연소 포트 분사식 엔진에서 하기 측정을 수행하였다. 연료 A 내지 E의 조성 및 층류화염속도(Φ=0.6)는 하기 표 2에 기술한다. 이러한 층류화염속도는 각 연료 성분 종의 층류화염속도를 측정하고, 중량%를 기준으로 이들 값을 선형적으로 결합함으로써 측정되었다. 이러한 화염속도 측정은 문헌[M. Metghalchi and J. C. Keck. Combustion and Flame, 38:143-154 (1980)]에 기술된 기법에 따라, 공기 중 질소를 아르곤으로 치환하여 Φ=0.6에서 일정 부피의 연소 봄베에서 수행되었다. 이외에, 비교 목적을 위해서, 설정된 엔진 시험에 기준이 되는 통상의 가솔린 연료(LFG2A)를 포함시켰다. 기준 연료의 특성은 다음과 같다: ASTM T₅₀ = 100℃, FBP = 176℃, IBP = 31.0℃, RON = 91.4 및 MON = 82.4. 조성상, 기준 연료는 포화물 64 부피%, 올레핀 8 부피%, 방향족 29부피%를 함유하였다.

연료	A	B	C	D	E	LFG2A
ASTM 증류
IBP	44	41.5	38.5	32.5	37.5	31.0
T50(℃)	72	70	56	47	61	100
FBP(℃)	105.5	107.5	94.5	151	150.5	176
연료 조성(부피%)
이소펜탄	14.4	14.4	14.4	14.4
펜텐-2			30	50	50
사이클로펜탄		19.6	19.6
2-메틸펜탄	39.6
4-메틸-1-펜텐	10	10
사이클로헥산		43	30		30
이소옥탄	23		3
톨루엔	13	13	3
아니솔				35.6	20
황 함량(ppm)	<50	<50	<50	<50	<50	>70
RON/MON	89.9/80.8	93.6/82.7	85.0/81.7	100.5/85.7	95.8/80.6
0.6Φ에서 이소옥탄과 비교한층류속도	1.10	1.29	1.29	1.39	1.41

시판되는 희박 연소 엔진을, 일정 범위의 연료 주사 시간 및 연료/공기 비에 걸쳐 대표적인 저 부하 조건(2000 rpm, 0.3 Mpa BMEP, 물 및 오일 온도=90℃)에서 개방 및 폐쇄 흡입 밸브에 의한 연료 분사식 동기화를 포함하는 벤치동력계상에서 정상상태로 작동시켰다. 각각의 작동 시점에서, 불꽃 발생을 최소 연료 소비량(즉, MBT, 최대 브레이크 토크 시간)이 되도록 조절하였다. 희박 한계는 토크 변동이 0.6 Nm으로 증가할 때까지 연료/공기 비를 감소시키면서 토크 변동을 측정함으로써 각각의 시험에서 측정하였다. 희박 한계가 가장 많이 최소화되는 연료 주사 시간의 범위와 교차하는 연료 A 또는 LFG2A와 비교해서, 연료 B 내지 E를 사용할 때 희박 한계가 현저히 향상되었다. 이러한 데이터를 하기 표 3에 요약한다.

연료	희박 한계에서의 최소 등가비	최소 Φ 동안의 연료 주사 시간*
A	0.58	75
B	0.56	90
C	0.54	75
D	0.48	75
E	0.52	75
LFG2A	0.60	80
*주사 완결시 상사점 이후의 크랭크 각도(CAD)(°)

각각의 연료는 희박 한계에서 대략 동일한 불꽃 발생(50±2°CAD)을 가졌다. 이는 희박 한계에서의 연소 지속시간이 대략 동일함을 의미하며, 그 이유는 연소 지속시간이 더욱 길면 MBT 시간이 더욱 빠를 것으로 통상적으로 요구되기 때문이다.

연료 A 내지 E에 대한 희박 한계는 그들의 층류화염속도와 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 도 2에서 예시된다. 모든 층류화염속도는 연료 A의 연소 속도와 비교해서 표시된다. 이러한 값들은 연료 A에 대한 실린더내 조건 대 주어진 퍼센트 연소에서의 실린더낸 조건의 차에 대해 보정하였다.

Φ=0.66에서의 연소 속도 곡선을 6가지 연료 모두에 대해서 측정하였다; 그 결과는 50%, 75% 및 90% 연소에 대해서 하기 표 4에 나타낸다. 본 발명에 따라 측정된 층류화염속도는 엔진 연소 속도와 상관관계가 있는 것으로 잘 알려져 있다. 예를 들어, 문헌["The Nature of Turbulent Flame Propagation in a Homogeneous Spark Ignited Engine" by Edward G. Groff and Frederic A. Matekunas SAE Paper 800133]을 참조한다. 이러한 공지된 상관관계는 일반적으로 연료 A 내지 E에 대해서 하기 표 4에 나타낸 바와 같다. 또한, 표 4는 기준 연료 LFG2A에 대해서 측정한 연소 속도를 나타낸다. 이는 중간 층류화염속도를 갖고, 당해 기술분야에 공지된 잘 확립된 상관관계에 의거하여 중간 연소 속도를 갖는다. 그러나, 표 3에 기술된 바와 같이, 이는 가장 불량한 희박 한계를 갖는다.

연료	50% 연소시의 연소 속도(%/CAD)	75% 연소시의 연소 속도(%/CAD)	90% 연소시의 연소 속도(%/CAD)	0 내지 2.5% 초기 연소에 대한 CAD
A	3.1	2.1	0.6	21°
B	3.2	2.4	0.9	18°
C	3	2	0.8	19°
D	3.7	2.8	1.4	17°
E	3.8	2.9	1.5	17°
LGF2A	3.2	2.4	1.1	26°

또한, 표 4는 6가지 모든 연료에 대한 2.5% 초기 연소를 달성하는데 걸리는 크랭크 각도 지속시간(평균 연소 속도의 역수)을 나타낸다. 연소의 이러한 부분의 총 지속시간은 연료 A 내지 E에 대해서 약 20°의 크랭크 각도이고, 이는 총 연소 지속시간의 약 25%를 나타낸다. 그러나, LFG2A 연료의 초기 연소 지속시간은 상당히 길어서, 약 26°의 크랭크 각도이다.

제한받고자 하는 것은 아니지만, LFG2A에 대한 더욱 긴 초기 연소 지속시간은 기타 5가지 연료와 비교해서 더욱 불량한 희박 한계 성능을 초래하는 것으로 생각된다. 상대적으로 불량한 희박 한계 성능은 도 3에 나타낸 6가지 모든 연료의 증류 곡선을 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, LFG2A 연료와 기타 5가지 연료 사이의 증류 특성 차이로 인한 것으로 생각된다.

Claims (67)

1. 약 0.4 내지 0.8 범위의 Φ(실제 연료 대 공기 비를 화학량론적 연료 대 공기 비로 나눔으로써 계산된, 표준화된 연료 대 공기 비)에서 측정했을 때 이소옥탄보다 큰 층류화염속도를 갖는 하나 이상의 고 층류화염속도 종을, 연료의 액체 부피를 기준으로 10 내지 99 부피%의 양으로 포함하고,

   77℃ 미만의 T₅₀; 160℃ 미만의 최종 비점(FBP); 32℃ 초과의 초기 비점(IBP); 및 R1-O-R2(여기서, R1 및 R2는 독립적으로 H, 선형알킬, 분지형알킬, 사이클로알킬, 아릴 및 알킬아릴로 이루어진 군으로부터 선택되고, 탄소원자 총수는 약 1 내지 약 6의 범위임)로 정의된 산소 함유 종으로부터의 2.6 중량% 미만의 산소를 갖는,

   연료.
2. 제 1 항에 있어서,

   고 층류화염속도 종이 R1-O-R2, R1-C=C-R2, (여기서, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 독립적으로 H, 선형알킬, 분지형알킬, 사이클로알킬, 아릴 및 알킬아릴로 이루어진 군으로부터 선택됨), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되되, 단 상기 종은 5 내지 12 범위의 탄소원자 총수를 갖고, 상기 종이 R1-O-R2인 경우, R1 및 R2는 둘다 하이드로카빌이고 탄소원자 총수는 7 내지 12의 범위인 연료.
3. 제 2 항에 있어서,

   고 층류화염속도 종이 사이클로펜탄, 펜텐-2, 톨루엔, 사이클로헥산, 아니솔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 연료.
4. 제 2 항에 있어서,

   연료의 층류화염속도가 이소옥탄의 층류화염속도보다 큰 연료.
5. 제 4 항에 있어서,

   고 층류화염속도 종이 35 내지 225℃ 범위의 표준 비점 및 70 내지 110 범위의 모터 옥탄가를 갖는 연료.
6. 제 5 항에 있어서,

   가솔린 또는 무연 가솔린을 추가로 포함하는 연료.
7. 제 6 항에 있어서,

   연료의 리서치 옥탄가가 80 내지 120의 범위이고, 모터 옥탄가가 70 내지 110의 범위인 연료.
8. 0.4 내지 0.8 범위의 Φ(실제 연료 대 공기 비를 화학량론적 연료 대 공기 비로 나눔으로써 계산된, 표준화된 연료 대 공기 비)에서 측정했을 때 이소옥탄보다 큰 층류화염속도를 갖는 하나 이상의 고 층류화염속도 종을, 연료의 액체 부피를 기준으로 10 내지 99 부피%의 양으로 연료에 첨가하는 것을 포함하는,

   액체 연료가 공급되는 포트-분사식 엔진에서 토크 변동의 증가없이 Φ를 감소시키기 위한 방법으로서,

   상기 연료가 77℃ 미만의 T₅₀; 160℃ 미만의 FBP; 32℃ 초과의 IBP; 및 R1-O-R2(여기서, R1 및 R2는 독립적으로 H, 선형알킬, 분지형알킬, 사이클로알킬, 아릴 및 알킬아릴로 이루어진 군으로부터 선택되고, 탄소원자 총수는 1 내지 6의 범위임)로 정의된 산소 함유 종으로부터의 약 2.6 중량% 미만의 산소 함량을 갖는, 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   고 층류화염속도 종이 제 2 항, 제 3 항 또는 제 5 항에 정의된 군으로부터 선택되는 방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    연료의 층류화염속도가 이소옥탄의 층류화염속도보다 큰 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    고 층류화염속도 종이 35 내지 225℃ 범위의 표준 비점 및 70 내지 110 범위의 모터 옥탄가를 갖는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 따른 연료를 사용하는 것을 포함하는, 내연엔진에서의 희박 연소 한계를 확장시키기 위한 방법.
13. 130 ppm 미만의 황 함량을 갖는 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 따른 연료를 사용하는 것을 포함하는, 내연엔진에서의 희박 연소 한계를 확장시킴과 동시에 내연엔진으로부터의 방출물을 감소시키기 위한 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    연료가 70 ppm 미만의 황 함량을 갖는 것인 방법.
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