KR100878067B1 - 스파크 점화 기관에서 순환 조건을 구동시키기 위한 개질연료 조성물 - Google Patents

스파크 점화 기관에서 순환 조건을 구동시키기 위한 개질연료 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라, 개질 연료 조성물을 구동 순환 조건의 함수로서 스파크 점화 내연 기관에 전달하면 연료 효율 및 연소 배출중 하나 이상의 개선이 이루어진다.

Description

스파크 점화 기관에서 순환 조건을 구동시키기 위한 개질 연료 조성물{TUNING FUEL COMPOSITION FOR DRIVING CYCLE CONDITIONS IN SPARK IGNITION ENGINES}
본 발명은 일반적으로 기관 연료 조성물, 및 흡기구(port) 또는 직접 연료 분사 스파크 점화 내연 기관, 특히 11 이상의 압축비(CR)를 갖는 기관에서의 상기 조성물의 용도에 관한 것이다.
석유 정제소 및 기관 제조업자는 둘 다 점증하는 엄격한 정부의 효율 및 배출 요건, 및 소비자의 성능 향상에 대한 요구를 만족시키기 위하여 그들의 제품을 끊임없이 개선시켜야 하는 도전에 항상 직면해있다. 예컨대, 내연 기관에서 사용하기에 적합한 연료를 생산하는 경우, 석유 생산자들은 다수의 탄화수소 함유 스트림을 혼합하여 정부의 연소 배출물 규제 및 기관 제조업자의 연료 성능 기준, 예컨대 연구실(research) 옥탄가(RON)를 충족시킬 수 있는 제품을 생산한다. 유사하게, 통상적으로 기관 제조업자들은 연료의 성질에 맞추어 스파크 점화 유형의 내연 기관을 설계한다. 예컨대, 기관 제조업자들은 불충분한 노킹-저항성을 갖는 연료 가 기관에서 연소될 때, 전형적으로는 노킹을 일으키는 자기점화(auto-ignition) 현상, 및 잠재적인 기관 손상을 가능한 최대한 억제하기 위해 노력한다.
전형적인 구동 상태에서, 기관은 주위 조건(공기 온도, 습도 등), 차량의 부하, 속도, 가속도 등을 포함하는 많은 요소에 따라 광범위한 조건에서 작동한다. 기관 제조업자 및 연료 혼합업자는 이러한 다양한 조건에서 우수한 성능을 발휘하는 제품을 설계해야 한다. 흔히 소정의 속도/부하 조건에서 바람직한 연료 성질 또는 기관 매개변수는 다른 속도/부하 조건에서 전체적인 성능에 불리한 것으로 나타나기 때문에, 이는 본래 절충을 요구한다.
본 발명의 목적은 저부하 및 고부하 기관 조건에서 기관 성능을 향상시키도록 특수하게 설계된 연료를 기관에 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구동 순환을 통하여 기관 성능을 향상시키도록 특수하게 설계된 연료를 기관에 제공하는 것이다.
또한, 스파크 점화 기관은 일반적으로 고부하에서 노킹을 방지하기 위하여 10:1 이하의 압축비(CR)에서 작동하도록 설계된다. 알려진 바와 같이, 약 18:1까지는 부하 범위를 통하여 기관 열 효율을 최대화하는 관점에서 더 높은 CR이 최적이다. 압축비(CR)는 피스톤이 하사점(BDC)에 있을 때의 실린더 및 연소실의 부피를 피스톤이 상사점(TDC)에 있을 때의 부피로 나눈 값으로 정의된다. 더 높은 CR은 이론적 오토(Otto)(기관 압축/팽창) 순환으로부터 얻을 수 있는 일량(work)을 최대화함으로써 더 큰 열 효율을 제공한다. 또한, 더 높은 CR은 연소율을 증가시켜, 이러한 이상적 오토 순환에 더욱 가까운 접근법을 창안함으로써 열 효율에서 추가의 개선을 제공한다. 그러나, 높은 압축비의 스파크 점화 기관의 사용은, 고부하에서 기관 노킹을 갖지 않는 압축비의 상당한 증가를 가능케 하는 충분히 높은 옥탄 총량(overall)을 갖는 단독 연료를 제공하는 것이 실제 어렵기 때문에, 불충분한 고급 연료 옥탄에 의해 제한된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 고부하에서 노킹의 문제가 없는 전체 구동 순환을 통하여 더 큰 열 효율을 실현하는 높은 압축비 기관의 설계를 촉진하는 것이다.
이론적으로, 소정의 중부하 내지 고부하에서 더 높은 효율의 기관 작동은 MBT 스파크 시점(timing)을 제공하는 값에 더 가깝게 스파크 점화 시점을 조정함으로써 달성될 수 있다. MBT는 최상의 토크(torque)를 위한 최소 스파크 진각(advance)으로서 정의된다. 그러나, 경험상 시판되는 가솔린으로는 중부하 내지 고부하의 조건에서 노킹이 전형적으로 MBT보다 더 이른 시점에 일어나기 때문에, 점화 시점을 MBT에 도달되도록 조정하는 것은 실질적이지 못하다. 원칙적으로, 매우 높은 옥탄 연료를 사용하여 작동하면 구동 순환을 통해 MBT에서 기관을 작동하는 것이 가능하다. 이에 본 발명자들은 하기에 노킹이 없고, 성능을 최적화하도록 맞춰진 다른 연소 성질을 함께 갖는, MBT에 접근하거나 MBT에서 작동하기에 충분한 옥탄을 갖는 연료를 기관에 제공하는 것이 더욱 바람직한 접근법임을 밝힌다.
본 발명의 또 다른 목적은 스파크 점화 시점을 MBT를 제공하는 값에 더욱 가깝게 조정할 수 있게 하는 연료 조성물을 제공하는 것이다.
현재, 스파크 점화 기관은 저부하 내지 중부하 조건에서 1.0 미만의 표준화된 연료 대 공기 비율(Φ)에서 공지의 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 표준화된 연료 대 공기 비율은 화학량론적 연료 대 공기 비율로 나눈 실제 연료 대 공기 비율이다. 또한, 기관은 1.0 이하의 Φ에서 "희박화(leaning out)" 희석제로서 재순환 배기 기체(EGR)를 이용하여 작동될 수 있다. EGR은 잔류 연소 기체는 물론 재순환되는 배기 기체를 둘 다 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 기관을 희박하게 작동하는 일과 관련된 한 가지 도전은 연료의 빠르고 완전한 연소의 확립이 어렵다는 점이다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 연소 지속시간을 단축시키고 그에 따라 열역학적 효율을 개선시키는 희박(lean) 조건에서 사용하기 위한 높은 연소율 연료를 제공하는 것이다. 또한, 더 빠른 연소율은 연료의 전환을 최대화하는 역할을 하고, 그에 따라 전체적인 연료 경제성을 증가시키고 배출을 감소시킨다. 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 충분한 고부하에서 연료의 자기점화는 기관에 기계적 손상을 줄 위험, 예컨대 노킹을 일으킬 수 있다. 그러나, 소정의 저부하 조건에서, 예컨대 희박 층상 작동(lean stratified operation)에서, 연료의 자기점화는, 연소 특성을 최적화하여 감소된 기관 배출 및 더 높은 효율을 가져오므로 전체적인 기관 작동에 이로울 수 있다. 따라서, 본 발명의 추가의 목적은 높은 자기점화 경향의, 저옥탄 연료를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은 높은 층류 화염 속도(laminar flame speed)의 연료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 그에 따른 장점은 본 명세서의 이해로부터 명백해질 것이다.
발명의 요약
본 발명의 하나의 양태는 스파크 점화 내연 기관, 특히 11 이상의 CR을 갖는 기관의 작동시 사용하기 위한 다수의 무연 연료 조성물을 제공하는 것으로, 이들 조성물은 각각 연료 효율 및 연소 배출을 개선하기 위하여 미리 선택된 기관 작동 조건에서 사용하기에 적합한 상이한 예정된 연소 성질을 갖는다.
하나의 실시태양에서, 적어도 제 1 연료 및 제 2 연료 조성물이 제공되며, 이 때 제 1 연료는 고부하 기관 조건에서 연소를 개선시키기에 충분한 연소 성질을 갖고, 제 2 연료는 저부하 기관 조건에서 연소를 개선시키기에 충분한 연소 성질을 갖는다.
저부하 조건에서 사용하기에 특히 바람직한 연료는 90 미만의 RON, 및 기관 작동 순환에서 90% 연소 완료시 1/크랭크 각도로서 정의되는, 이 시점에서 이소옥탄의 평균 연소율의 105%보다 큰 기관에서의 평균 연소율, 및 기관 작동 순환의 이 시점에서 또는 이 시점 부근에서 기관의 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된, 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는 가솔린 비점 범위에서 비등하는 무연 연료이다.
저부하 조건에서 사용하기에 특히 바람직한 연료는 90 미만의 RON, 및 순환에서 90% 연소 완료시 1/크랭크 각도로서 정의되는, 이 시점에서의 이소 옥탄의 평균 연소율의 105%보다 큰 기관에서의 평균 연소율, 및 부하 정도(scale)의 하단부에서 기관의 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된, 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는 가솔린 비점 범위에서 비등하는 무연 연료이다.
전술한 바를 고려하면, 넓은 범위의 본 발명의 변경 및 변화가 앞에 개진된 넓은 양태 내에 속함을 쉽게 인지할 수 있을 것이며, 본 발명의 특유의 범위는 하기 상세한 설명을 이해함으로써 더욱 더 명백해질 것이다.
도 1은 이소옥탄과 비교한, 본 발명의 연료의 출력 토크에 미치는 연료 조성 및 압축비의 효과를 설명한다.
도 2는 이소옥탄과 본 발명의 일종의 연료의 상대적 기관 브레이크 효율 대 스파크 진각을 비교한다.
도 3은 이소옥탄과 본 발명의 일종의 연료의 연소 곡선을 비교한다.
도 4는 대조(reference) 연료 LFG-2B와 비교한, 본 발명의 연료의 다양한 분사 시점에서 출력 토크에 미치는 연료 조성 및 압축비의 효과를 설명한다.
도 5는 본 발명에 의해 수득된 배출 이득(benefit)을 설명한다.
도 6은 대조 연료 LFG-2B와 비교한, 본 발명의 연료의 출력 토크에 미치는 더 높은 압축비 및 연료 조성의 효과를 설명한다.
도 7은 대조 연료 LFG-2B와 본 발명의 일종의 연료의 연속 곡선을 비교한다.
도 8은 본 발명에 의해 수득된 배출 이득을 설명한다.
도 9는 대조 연료 LFG-2B와 본 발명의 일종의 연료의 일정한 NOx 배출에서의 기관 브레이크 효율을 비교한다.
도 10은 중부하 조건에서 본 발명의 일종의 연료, 대조 연료 LFG-2B 및 RON91의 배출 자료를 비교한다.
도 11은 대조 연료 LFG-2B 및 RON91과 비교한, 본 발명의 일종의 연료의 상대적 출력 토크에 미치는 연료 조성 및 압축비의 효과를 설명한다.
도 12는 본 발명에 의해 수득된 상대적 연료 효율 개선을 설명한다.
도 13은 본 발명에 의해 수득된 연료 효율 및 배출 개선을 설명한다.
도 14는 대조 연료 이소옥탄과 몇 가지 저옥탄 시험 연료의 열 방출 곡선을 비교한다.
당해 기술분야에 널리 알려진 바와 같이, 일반적으로 가솔린 연료는 대기압에서 약 77℉(25℃) 내지 약 437℉(225℃) 범위에서 비등하는 탄화수소의 혼합물로 구성된다. 전형적으로 가솔린 연료는 다량의 파라핀, 사이클로파라핀, 올레핀 및 방향족의 혼합물, 및 더 적은, 즉 소량의 산소화물(oxygenate), 세정제, 염료, 부식 억제제 등을 비롯한 첨가제를 포함한다. 또한, 전형적으로 가솔린 연료는 고급(premium) 등급의 경우 약 98, 그리고 표준(regular) 등급의 경우 약 92의 RON을 갖도록 배합되며, 차량 기관에서 단독으로 사용되며, 사용되는 등급은 보통 차량 제조업자의 권장에 따른다.
본 발명은 특정 차량 기관용 단독 연료를 배합하는 실시관행으로부터 벗어난 다. 실제로, 본 발명은 기관의 특이적 작동 조건에 맞춰진 연소 성질을 갖는 일련의 연료 조성물을 제공함으로써 유의성있는 이득이 달성될 수 있다는 발견에 기초한다.
본 발명의 연료 조성물은 가솔린 범위에서 비등하고 스파크 점화 내연 기관, 특히 11 이상의 CR을 갖는 기관에서 사용될 수 있는 무연 연료이다.
한 실시태양에서, 연료 조성물은 적어도 제 1 연료 및 제 2 연료를 포함한다. 제 1 연료는 100보다 큰 RON, 및 순환의 고부하 단부(high load end)에서 이소옥탄의 연소율의 105%보다 큰 연소율 및 부하 정도의 상단부에서의 기관 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는다. 제 2 연료는 90 미만의 RON, 순환의 하단부에서 이소옥탄의 연소율의 105%보다 큰 연소율 및 부하 정도의 하단부에서 기관의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는다.
연료 조성물의 층류 화염 속도는 당해 기술분야에 널리 알려진 연소-봄베(bomb) 기법으로 측정된다. 이와 관련하여, 예컨대 문헌[M. Metghalchi and J. C. Keck, Combustion and Flame, 38:143-154(1980)]을 참조할 수 있다.
구동 순환의 고부하 부분에서 기관의 작동에 특히 유용한 무연 연료는 100보다 큰 RON을 갖고 가솔린 범위에서 비등하고 약 45부피% 초과의, 바람직하게는 약 55부피% 초과의 방향족을 함유하는 탄화수소의 혼합물을 포함한다.
구동 순환의 저부하 부분에서 기관의 작동에 특히 유용한 무연 제 2 연료는 90 미만의 RON을 갖고 가솔린 범위에서 비등하고 제 1 연료보다 더 적은, 예컨대 약 45부피% 미만, 바람직하게는 약 20부피% 미만의 방향족을 함유하는 탄화수소의 혼합물을 포함한다.
전술한 특성을 충족시키는 연료는 고부하 조건에서 작동시 다양한 유형의 스파크 점화 내연 기관에 효율 이득을 제공한다. 고부하 조건은 MBT 스파크 시점에서 98의 RON 가솔린으로 노킹이 일어나는, 기관 작동 지도(map)의 영역으로서 정의된다. 노킹은 기관에 기계적 손상의 위험을 제공할 수 있는 폭발을 일으키게 되는, 충분히 심각한 실린더내 조건하에 자기점화로서 정의된다.
흡기구 연료 분사 기관의 경우에, 상기 제 1 연료의 성질을 갖는 연료를 사용하면, 기관이 11 이상의 CR에서 작동되도록 설계될 수 있고, MBT 경우에 더 가까운 진각 스파크 시점이 가능케 된다. 이러한 설계 특징은 전체적인 순환 효율을 향상시키는 바, 즉 개선된 연료 경제성을 제공한다.
더욱 구체적으로, 이들 장점은 직접 연료 분사 기관, 특히 직접 분사 희박 연소 기관 시스템, 예컨대 층상 충전(stratified charge) 직접 분사 시스템에서 달성된다. 층상 충전은 불균등한 공기:연료 비율 분배가 있는 실린더내 조건이다. 알려진 바와 같이, "희박 연소" 기관은 표준화된 1.0 미만의 연료 대 공기 비율(Φ)에서 및/또는 1.0 이하의 Φ에서 "희박화" 희석제로서 재순환 배기 기체를 이용하여 작동한다.
상기 제 2 연료의 연소 성질을 갖는 연료는 특히, 재순환 배기 기체와 함께 저부하 조건에서 작동되는 층상 연료 시스템을 비롯한 스파크 점화 기관의 작동에 사용하기에 적합하다. 저부하 기관 조건은 기관이 전술한 바의 노킹 조건이 없이 대략 90의 RON을 갖는 연료를 이용하여 MBT 시점에서 작동될 수 있는 영역 또는 그 이하인, 기관 작동 지도의 영역이다.
제 1 연료와 제 2 연료 사이의 연소 성질의 범위를 갖는 연료는 기관 작동 조건에 연료 조성물의 더욱 완전한 개질(tuning)을 제공한다. 실제로, 제 1 연료와 제 2 연료 사이의 RON을 갖고, 가장 바람직하게는 순환의 중부하 단부에서 이소옥탄의 연소율의 105%보다 큰 연소율, 가장 바람직하게는 부하 정도의 중단부에서 기관의 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는 제 3 연료 조성물을 제공할 수 있다. 이러한 연료는 중부하 기관 조건, 즉 MBT에 요구되는 옥탄이 98 RON 미만 90 RON 초과인 조건에서 사용될 수 있다.
본 발명의 이득을 달성하는 한 가지 방법은, 예컨대 기관 부하 정도의 상단부에서 기관에 고옥탄 연료를 제공하고, 기관 부하 정도의 하단부에서 저옥탄 연료를 제공하는 방법이다. 이를 달성할 수 있는 많은 방법이 있다. 예컨대, 하나는 제 1 연료를 포함하고 다른 하나는 제 2 연료를 포함하는 두 연료 탱크를 구비하여 예정된 기관 조건에 기초하여 연료를 기관에 공급할 수 있다. 전자 제어 단위 지도가 이러한 결정을 위한 기준이 될 수 있다. 선택적으로, 제 1 연료 및 제 2 연료를 적절한 비율로 혼합하여 중부하 조건에서 기관에 공급되는 제 3 연료를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시태양에서, 단독 연료, 즉 약 92 RON의 표준 등급 가솔린을 차량 주 연료 탱크에 저장한다. 중부하 기관 조건에서, 연료를 기관에 직접 공급한다. 또한, 주 탱크로부터의 연료의 부분을 두 스트림으로 분리한다. 고부하 조건에서, 고부하 조건에서 사용하기 위해 저장된 100보다 큰 RON 및 45부피% 초과의 방향족을 함유하는 제 1 연료 스트림을 기관에 전달한다. 저부하 조건에서, 제 2 탱크에 저장된 90 미만의 RON을 갖고 제 1 연료보다 적은 방향족을 함유하는 제 2 연료 스트림을 기관에 공급한다. 연료의 두 스트림으로의 분리는, 바람직하게는 과기화(pervaporation) 막 분리 기법으로 달성될 수 있으며, 이와 관련해서는, 과기화 조건에서 가솔린 비등 범위의 방향족 및 비방향족의 분리를 위해 폴리에틸렌 테레프탈레이트 막의 사용을 교시하고 있는, 유럽 특허 제466469호를 참조할 수 있으며, 이는 본원에 참조로서 인용된다.
또 다른 실시태양에서, 본 발명은 기관의 저부하 내지 중부하동안 높은, 즉 20% 이상의 재순환 배기 기체에서 작동되는 기관에 적용될 수 있다.
실시예 1
연소 효율 및 성능에 미치는 고옥탄, 고노킹-저항성, 고연소율 연료의 효과를, 쉘형 피스톤 공동(cavity), 곧은 흡기구 및 팬형 연료 분무기를 갖는 직렬식 4기통(배기량 2.0리터) DOHC 4밸브/실린더 직접 분사 스파크 점화 기관에서 조사하였다. 기관을 압축비 13.0에서 고부하/완전개방 쓰로틀(wide open throttle: WOT)에서 작동시켰다. 기준 연료는 RON 100의 순수한 이소옥탄이었다. 시험 연료인 소위 "DF-2"는 60%의 톨루엔, 33%의 이소옥탄 및 7%의 n-헵탄을 포함하였고 측정된 RON은 103이었다. 연료 성질은 하기 표 1에 기재되어 있다. 두 연료를 하기 조건에서 연소시켰다: 기관 속도=4000rpm, 연료/공기 비율(Φ)=1.15 및 상사점(BTDC) 전의 스파크 진각 시점=11 내지 24도. 이 실시예 및 하기의 다른 실시예에서 연료의 분사량은 동등한 총 가열값을 유지하도록 조정되었다.
완전개방 쓰로틀(WOT) 시험에서의 연료 성질
시험 연료 DF-2 이소옥탄
밀도 15℃에서 g/cm3 0.7945 0.694
RON - 103.1 100
MON - 93.2 100
LHV KJ/g 44.4
H/C mol/mol 1.553 2.25
방향족 부피% 60 0
A/F 화학량론 15.1
점도 30℃에서 mm2/s 0.569
증류 IBP ℃ 98.5 99
T5 ℃ 102.0 99
T10 ℃ 102.0 99
T20 ℃ 102.5 99
T30 ℃ 103.0 99
T40 ℃ 103.0 99
T50 ℃ 103.5 99
T60 ℃ 104.0 99
T70 ℃ 104.5 99
T80 ℃ 105.0 99
T90 ℃ 106.5 99
T95 ℃ 107.5 99
EP ℃ 109.5 99

출력 토크에 미치는 더 높은 압축비의 효과를 도 1에 나타낸다. "기준" 및 이소옥탄 자료를 비교한 결과, 최고 기관 토크가 압축비 13.0에서 9.8에 대하여 8% 더 높은 것으로 나타난다. 이소옥탄의 경우 기관 작동은 노킹 한계로 인하여 약 18도 BTDC의 스파크 진각으로 제한된다.
DF-2 자료와 이소옥탄 자료를 비교한 결과, 스파크 진각이 기관 토크 출력에서 평탄역(plateau)에 도달하기에, 즉 MBT에서 작동되기에 충분히 이르게 설정될 뿐만 아니라, 동일한 스파크 진각에서 이소옥탄에 대하여 연료 DF-2의 경우 유의성있는 토크 이득이 있는 것으로 나타난다. 더 높은 압축비와 연료-유래 이득의 조합은 11.8%의 전체 토크의 유의성있는 개선을 가져온다.
도 2는 이소옥탄 및 연료 DF-2에 있어서의 기관 브레이크 효율 대 스파크 진각을 나타낸다. 기준과 이소옥탄 자료를 비교한 결과, 이소옥탄으로 작동시켜 압축비를 9.8에서 13.0으로 증가시키면 상대적 효율을 약 11.6% 상승시키는 것으로 나타난다. 고옥탄 DF-2는 13 CR에서 MBT에 도달하기 충분히 이전의 스파크 진각에서 기관이 작동될 수 있게 함으로써 이소옥탄에 대하여 추가의 이득을 제공한다. 고옥탄 연료 DF-2를 이용함과 관련된 전체적 이득은 약 14.6%의 상대적 브레이크 효율의 증가이다.
도 3은 이소옥탄 및 연료 DF-2의 연소 곡선을 나타내며, 이로부터 연료 DF-2가 더 빠른 열방출을 나타냄을 볼 수 있다(도 3b). 이는 도면 밑의 표의 자료로부터 확인되는데, 여기서 연료 DF-2는 50% 및 90% 연소 둘 다에 도달하는데 더 작은 기관 크랭크 각도를 가짐을 보여준다. 이러한 더 빠른 연소는 상사점 부근에서 더 많은 에너지를 방출함으로써, 더 높은 효율을 산출한다.
고옥탄 연료 DF-2의 이득은 하기 표 2에서 확인된다:
연료 토크에서의 %이득(credit) 효율에서의 %이득
표준 기체 - -
이소옥탄 7.8 11.6
DF-2 11.8 14.6
실시예 2
연소 효율 및 성능에 미치는 저옥탄, 저 자기점화-저항성, 고연소율 연료의 효과를 실시예 1에 기재된 직렬식 4기통(배기량 2.0리터) DOHC 4밸브 직접 분사 스파크 점화 기관에서 조사하였다. 기관을 압축비 9.8 및 13.0에서 다양한 저부하 및 중부하 조건에서 작동시켰다. 기준 연료는 91.7의 RON 값을 갖는, 소위 LFG-2B의 시판 일본 표준 가솔린이었다. 저옥탄 시험 연료, 소위 DF-1은 68%의 이소옥탄, 22%의 n-헵탄 및 10%의 톨루엔으로 구성되었고, 측정된 RON은 83.8이었다. 이 연료 성질을 하기 표 3에 나타낸다:
연료 성질
시험 연료 DF-1 RON91 LFG-2B
실측치 계산치
밀도 15℃에서 g/cm3 0.7091 0.7094 0.6931 0.7356
RON - 83.8 80.7 91 91.7
MON - 82.2 ? 91 82.7
LHV KJ/g 43.91 44.5 43.0
H/C mol/mol 2.164 2.112 2.25 1.87
방향족 부피% 10 0 28.7
A/F 화학량론 14.900 15.1 14.7
점도 30℃에서 mm2/s 0.603
증류 IBP ℃ 95.0 약 99 31.5
T5 ℃ 98.0 42.5
T10 ℃ 98.0 50.5
T20 ℃ 98.5 62.0
T30 ℃ 98.5 72.5
T40 ℃ 98.5 85.5
T50 ℃ 98.5 101.0
T60 ℃ 98.5 114.5
T70 ℃ 98.5 127.5
T80 ℃ 98.5 144.5
T90 ℃ 98.5 157.0
T95 ℃ 98.5 164.5
EP ℃ 120.0 약 99 175.5

1200rpm 및 23도 BTDC의 고정된 스파크 시점의 기관 조건에서 연료 DF-1 및 기준 연료 LFG-2B에 대한 토크 출력 대 분사 시점을 비교한 결과를 도 4에 나타낸다. 연료 DF-1에서는 유의성있게 더 높은 토크 값(좌측 도면) 및 일반적으로 더 낮은 토크 변동(우측 도면)이 실현되었다. 또한, DF-1 연료는 유의성있게 더 낮은 NOx, HC 및 연기 배출물을 발생시킨다(도 5 참조). 효율에 미치는 압축비의 효과를 나타낸 도 6에서는, CR 9.8(기준) 및 13에서 LFG-2B에 대한 브레이크 효율 대 분사 시점을 보여준다. 더 높은 CR 작동에 의해 실현된 상대적 효율에서의 전체적 상승(boost)은 약 1.5%이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 전체적인 상대적 효율에 미치는 연료 조성의 효과는 이보다 더 크다. 전체적인 상대적 효율 이득 7%중에서 DF-1 대 LFG-2B의 연소와 관련된 상대적 효율 증가는 약 5.5%이다. 상대적 효율 이득을 하기 표 4에 요약한다:
연료 상대적 효율에서 %이득
LFG-2B(CR=9.8) -
LFG-2B(CR=13) 1.5
DF-1(CR=13) 5.5
합계 7.0

도 7은 동일한 분사 및 스파크 진각 시점에서 DF-1 및 LFG-2B에 대한 연소 곡선을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 연료 DF-1에 대한 연소 곡선은 열 방출의 두 단계를 보여준다. 이 열 방출 행태는 저옥탄 연료에서 일어나는 다점 자기점화를 표시한다. 이들 연료의 전체적인 평균 연소율은 비슷하고 두 연료 다 상대 적으로 연소율이 높지만, 더 높은 효율 및 더 낮은 배출을 나타내는 자료는, 자기점화의 이득을 얻기 위하여 낮은 RON을 유지시키는 것이 중요함을 설명한다.
실시예 3
연소 효율 및 성능에 미치는 저옥탄, 저 자기점화-저항성, 고연소율 연료의 효과를 실시예 1 및 2에 기재된 직렬식 4기통(배기량 2.0리터) DOHC 4밸브 직접 분사 스파크 점화 기관에서 구동 순환의 상이한 영역에서 조사하였다. 실시예 2에 기재된 기관 조건보다 속도/부하 지도의 상이한 부분에 위치하는, 3000rpm의 기관 속도 및 Φ 0.56의 연료/공기 비율에서 기관을 작동시켰다. 9.8 및 13.0의 압축비에서 기관을 작동시켰다. 기준 연료는 91.7의 RON 값을 갖는 시판 일본 표준 가솔린, 소위 LFG-2B이었다. 저옥탄 시험 연료, 소위 DF-1은 실시예 2에 기재된 동일한 연료이고, 68%의 이소옥탄, 22%의 n-헵탄 및 10%의 톨루엔으로 구성되었고, 측정된 RON은 83.8이었다. 연료 성질은 표 3에 나타냈고, 실시예 2의 기관 작동 조건에서 관찰된 바와 같이, 연료 DF-1에서는 기준 연료 LFG-2B에서 보다 유의성있게 더 낮은 NOx 및 연기 배출이 관찰된다(도 8 참조).
상대적 효율에 미치는 압축비의 효율을 나타낸 도 9에서는, 압축비 9.8(기준) 및 13.0에서 LFG-2B에 대한 상대적 브레이크 효율 및 분사 시점을 보여준다. 더 높은 CR 작동에서 실현된 상대적 효율의 전체적 상승은 약 3%이다. 전체적인 상대적 효율에 미치는 연료 조성의 효과는 도 8에 나타낸 바와 같이 이보다 더 크다. 전체적인 상대적 효율 이득은 8%이고, DF-1 대 LFG-2B의 연소와 관련된 상대 적 효율 증가는 약 5%이다. 상대적 효율 이득을 하기 표 5에 요약한다:
연료 상대적 효율에서 %이득
LFG-2B(CR=9.8) -
LFG-2B(CR=13) 3
DF-1(CR=13) 5
합계 8

실시예 4
연소 효율 및 성능에 미치는 연료 옥탄 및 자기점화 저항성의 효과를 실시예 1 내지 3에 기재된 동일한 직렬식 4기통(배기량 2.0리터) DOHC 4밸브 직접 분사 스파크 점화 기관에서 중부하에서 조사하였다. 실시예 2 및 3에 기재된 기관 조건보다 속도/부하 전체도의 상이한 부분에 위치하는, 2400rpm의 기관 속도 및 Φ 0.63의 연료/공기 비율에서 기관을 작동시켰다. 9.8 및 13.0의 압축비에서 기관을 작동시켰다. 두 기준 연료가 이 연구에 사용되었다. 하나는 91.7의 RON 값을 갖는 시판 일본 표준 가솔린, 소위 LFG-2B이었다. 다른 하나는 91의 RON을 갖는 91%의 이소옥탄 및 9%의 n-헵탄의 블렌드, 소위 RON91이었다. 저옥탄 시험 연료, 소위 DF-1은 실시예 2 및 3에 기재된 동일한 연료이고, 68%의 이소옥탄, 22%의 n-헵탄 및 10%의 톨루엔으로 구성되었고, 측정된 RON은 83.8이었다. 연료 성질은 표 3에 나타내었다. 실시예 2 및 3의 기관 작동 조건에서 관찰된 바와 같이, 연료 DF-1에서는 기준 연료 LFG-2B에서 보다 유의성있게 더 낮은 NOx 및 연기 배출이 관찰된다(도 10 참조).
토크 출력에 미치는 압축비의 효과를 나타낸 도 11에서는, CR 9.8 및 13.0에서 LFG-2B에 대한 상대적 토크 출력 대 분사 시점을 보여준다. 또한, RON91 및 DF-1에 대한 자료도 보여준다. 이전의 두 실시예와 다르게, 저옥탄 연료 DF-1은 고옥탄 연료보다 더 낮은 상대적 토크 출력을 가진다. 유사하게, 기관 상대적 효율은 RON91 및 LFG-2B에서보다 저옥탄 연료 DF-1에서 더 낮다(도 12 참조). 감소된 성능의 이유는 노킹 제한 때문에 기관이 저옥탄 연료 DF-1을 이용하여 MBT에 접근하는 스파크 진각 시점에 작동될 수 없기 때문이다. 이들 자료는 중부하에서는 통상의 가솔린과 더 유사한 연료 성질이 저옥탄 연료(예: 연료 DF-1)보다 더 적합함을 설명한다.
실시예 5
연소 효율 및 성능에 미치는 저옥탄, 낮은 자기점화 저항성, 고연소율 연료의 효과를 실시예 1 내지 4에 기재된 기관에 유사한 직렬식 4기통(배기량 2.0리터) DOHC 4밸브 직접 분사 스파크 점화 기관에서 조사하였다. 이 기관은 실시예 1 내지 4에 기재된 팬 분무 분사기 대신에 와류(swirl) 분사기를 가졌고, 10.3의 더 낮은 압축비에서 작동시켰다. 1200rpm의 기관 속도 및 Φ 0.5의 연료/공기 비율에서 기관을 작동시켰다. 기준 연료는 100% 이소옥탄(RON=100)이었고, 몇 가지 저옥탄 시험 연료, 즉 n-헥산(RON=25), 2-메틸펜탄(RON=69) 및 사이클로헥산(RON=84)을 조사하였다.
이들 연료의 연소 곡선을 도 13에 나타낸다. 몇 가지 관찰 결과가 주목할만하다. 첫째, n-헥산의 경우 연소 곡선이 가장 가파라서 다른 연료보다 훨씬 더 빠르게 80% 연소 완료에 도달한다. 이에 따라 전체적인 효율이 이소옥탄보다 8% 더 높다. 둘째, n-헥산의 경우 NOx 수준이 이소옥탄보다 훨씬 더 적다. 이는 매우 빠른 열 방출, 및 고온과 시간의 조합이 최소화되었을 때 보다 적은 NOx를 형성하는 경향을 반영한다. 셋째, n-헥산에 대하여 확인된 것과 유사한 상대적 효율 이득이 다른 두 저옥탄 연료, 즉 2-메틸펜탄 및 사이클로헥산에서도 관찰되었는데, 여기서 각각 2% 및 6%의 이득이 관찰된다. 이들 저옥탄 연료의 높은 상대적 효율은 저옥탄 연료의 빠른 연소율을 반영한다. 이 높은 연소율은 두 가지 주요 기여 요소, i) 높은 층류 화염 속도, 및 ii) 제어된 자기점화를 갖는다. 높은 층류 화염 속도는 사이클로헥산의 높은 상대적 효율의 원인이 되는 주요 요소이고, 한편 자기점화는 n-헥산 및 2-메틸펜탄의 증가된 상대적 효율의 원인이 되는 주요 요소로 보인다. 이는 도 14로부터 명백한데, 여기서는 이들 연료에 대한 열 방출 곡선을 보여준다. n-헥산의 경우 매우 빠른 열 방출은 화염 전방으로부터의 단부 기체 압축 및 피스톤 운동에 의해 개시된 다중 자기점화로부터 유래되는 것으로 가정된다. 이러한 조건에서, 자기점화가 고부하에서 노킹 조건하에서 전형적으로 부닥치는 열 방출 수준을 발생시키기 않고, 따라서 자기점화와 관련된 해로운 효과가 관찰되지 않는 점은 주목할 만하다.
이들 자료는 압축비 10:1의 기관에서 얻는 것이지만, 저옥탄의 이득은 더 높은 CR에서도 실현될 것으로 기대된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이는 실시예 2 및 3에서 설명되었는데, 여기서 CR을 9.8에서 13으로 증가시키면 모든 부하 및 속도에서 더 높은 효율이 나왔다. 또한, 저옥탄 연료를 이용한 이들 실시예에 서 관찰된 추가의 효율 및 배출 이득은 유사한 작동 조건에서 더 높은 CR 기관에서도 이들 연료를 이용하여 실현될 것으로 기대된다.

Claims (12)

  1. 각각 가솔린 범위에서 비등하고 압축비(CR) 11 이상의 스파크 점화 내연 기관에서 작동가능한, 적어도 제 1 무연 연료 및 제 2 무연 연료를 포함하는 복수의 연료로서,
    제 1 연료는 45부피% 초과의 방향족을 함유하고, 100보다 큰 연구실 옥탄가(RON), 및 고부하 조건에서 이소옥탄의 평균 연소율의 105%보다 큰 평균 연소율과 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는 탄화수소의 혼합물이고;
    제 2 연료는 90 미만의 RON, 및 저부하 조건에서 이소옥탄의 평균 연소율의 105%보다 큰 평균 연소율과 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖고, 45부피% 미만의 방향족을 함유하는 탄화수소의 혼합물인,
    연료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료와 제 2 연료 사이의 RON, 및 중부하 조건에서 이소옥탄의 연소율의 105%보다 큰 연소율과 이소옥탄의 층류 화염 속도의 105%보다 큰 층류 화염 속도를 갖는 적어도 제 3 연료를 포함하는 연료.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 3 연료가 제 1 연료 및 제 2 연료의 혼합물인 연료.
  4. 제 3 항에 있어서,
    혼합물이, 기관이 최상의 토크를 위한 최소의 스파크 진각(MBT)에서 또는 MBT 부근에서 작동되게 기능하는 연료.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 3 연료가, 기관이 최상의 토크를 위한 최소의 스파크 진각(MBT)에서 또는 MBT 부근에서 작동되게 기능하는 연료.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료가 약 55부피% 초과의 방향족을 함유하는 연료.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 연료가 약 60부피%의 방향족을 함유하는 연료.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 2 연료가 약 20부피% 미만의 방향족을 함유하는 연료.
  9. 고부하 조건에서 제 1 항에 따른 제 1 연료를 연소시키고, 저부하 조건에서 제 1 항에 따른 제 2 연료를 연소시킴을 포함하는, 11 이상의 CR을 갖는 스파크 점화 내연 기관의 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    중부하 조건에서 제 3 항에 따른 연료를 연소시킴을 포함하는 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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