KR20140035905A - 연료 조성물 - Google Patents

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KR20140035905A
KR20140035905A KR1020137030260A KR20137030260A KR20140035905A KR 20140035905 A KR20140035905 A KR 20140035905A KR 1020137030260 A KR1020137030260 A KR 1020137030260A KR 20137030260 A KR20137030260 A KR 20137030260A KR 20140035905 A KR20140035905 A KR 20140035905A
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리차드 제이. 페이라
윌리엄 제이. 카넬라
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셰브런 유.에스.에이.인크.
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Abstract

본 발명은 비등점이 95℉ 내지 440℉인 연료 조성물에 관한 것으로서, 상기 연료 조성물은, n-파라핀 및 나프텐 함량의 총 합이 적어도 22 부피%이고, RON이 약 93 이하이며, 상기 연료는 고급 연소 엔진에 사용된다. 상기 연료 조성물은, (a) 55 부피% 이하의 포화물 함량; (b) 약 88 내지 91의 RON; (c) 약 0 부피% 내지 약 5 부피%의 올레핀 함량; (d) 약 32 부피% 내지 약 40 부피%의 방향족 화합물 함량; (e) 약 8 부피% 내지 약 16 부피%의 에탄올 함량; (f) 약 8 내지 약 11의 옥탄 감도를 포함하며, HCCI 엔진에 사용된다.

Description

연료 조성물{A FUEL COMPOSITION}
본 발명은 예혼합 압축 착화(Homogeneous charge compression ignition, "HCCI") 엔진, 듀얼-모드 파트-타임 HCCI 엔진 및 스파크-보조 HCCI 엔진에 이용될 수 있는 연료 조성물에 관한 것이다.
예혼합 압축 착화(Homogeneous charge compression ignition, "HCCI")는 스파크 점화 엔진의 대안으로서 고효율로 힘을 제공하는 매력적이고 진보된 연소 공정이다. 또한, 디젤과 유사한 효율을 제공하면서도 상당히 낮은 수준의 NOx 및 PM(미세먼지)을 배출하므로, HCCI는 디젤 기관의 대안으로도 사용된다. 통상의 디젤 연소와 달리, HCCI는 화염면(flame front)을 유지하는 것에 의존하지 않는다. 오히려, 연소는 충전 가스의 부피 전체에 걸쳐 다중 지점(multiple points)에서 자발적인 자가 점화의 결과로 발생한다. HCCI의 이러한 특이적 성질은 NOx 배출을 급격하게 감소시키는 낮은 연소 온도를 초래하여, 연소 생성물 가스를 첨가함으로써 (예컨대, 배기 가스 재순환에 의해) 매우 희석된 채로 제조된 매우 저질의 혼합물(들)이 연소되도록 한다. 또한, 통상의 디젤 연소와 달리, 충전물은 충분히 잘 혼합되어 PM이 매우 소량 배출된다. 이에 따라, HCCI는 배기가스를 적게 배출하는, 통상의 디젤 엔진의 대안이 될 수 있다.
HCCI용으로 통상의 디젤 연료 또는 가솔린을 사용하는 것은 이들 연료가 용이하게 입수 가능하기 때문에 바람직하지만, 상기 연료로 허용 가능한 HCCI의 작동 조건을 얻기는 어려울 수 있다. 디젤 연료를 사용할 때에는, 온도가 상승해야 하고 온도가 상승되기 전에 예혼합된 거의 균질한 충전물을 형성해야 하지만 이는 상당한 기화 때문에 어려워진다. 둘째, 디젤 연료는 압축 온도가 약 800°K를 초과하면 신속한 자가 점화를 초래하는 상당한 냉 연소 화학(cool combustion chemistry)을 한다. 디젤 연료는 과도하게 진행된 연소 준비 단계를 초래하고/하거나, 엔진 효율을 감소시키는 감소된 압축비(compression ratio)를 필요로 할 수 있다. 반대로, 가솔린은 과도하게 높은 압축비 또는 다양한 기법을 요구하여 과량의 혼합물(charge)을 가열할 수 있다.
HCCI 연소는 일반적으로 화염면 없이 발생하는 균질한 공기/연료 혼합물의 제어된 자가 점화를 특징으로 한다. 충전물의 높은 희석률과 함께 비교적 높은 압축비, 언스로틀(un-throttle) 조작 및 매우 높은 연소율은 매우 효율적이다. 생성된 저온의 연소된-가스의 온도는 NOx의 형성을 최소화하며, 연료가 풍부한 영역을 제거함으로써 미립자 또는 그을음이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 여러 가지 HCCI 버전, 즉 각각 구별되는 약어, 예를 들면 HCCI, PCCI, CAI, PPC, MK, UNIBUS, OKP 등이 있다. 일부 디젤 엔진 제조 공장은 디젤 시장에서 파트-타임 HCCI (PCCI)를 사용하기 시작하고 있다. 파트-타임 HCCI 엔진들은 미래에 가솔린 승용차 시장에 사용될 것으로 기대된다.
Dec 등의 미국 특허 제7,128,046호는 통상의 HCCI를 사용하여 가능한 한 보다 높은 엔진 부하(load)에서 과도한 노크(knock) 없이 작동하게 하는 예혼합 압축 착화("HCCI")에서 열방출 속도를 완화시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 엔진 실린더에 층상 연료 충전물을 생성하여 내-실린더(in-cylinder) 가스 (통상 완전 연소에 충분한 산소와 함께)에 일정 범위의 연료 농도를 제공하는 방식으로 연료 충전물을 주입하는 단계를 포함하고, 상기 내 실린더 가스는 적절한 냉 화염 화학(cool flame chemistry)을 갖는 2 단계 점화 연료를 보유한 연료를 사용하여 상이한 연료 농도의 영역들이 순차적으로 자가 점화하도록 한다.
일 구현예로, 본 발명은 비등점이 95℉ 내지 440℉인 연료 조성물에 관한 것으로서, 상기 연료 조성물은
(a) 55 부피% 이하의 포화물 함량;
(b) 약 88 내지 약 91의 RON (Research Octane Number);
(c) 약 0 부피% 내지 약 5 부피%의 올레핀(olefin) 함량;
(d) 약 32 부피% 내지 약 40 부피%의 방향족 화합물 함량;
(e) 약 8 부피% 내지 약 16 부피%의 에탄올 함량;
(f) 약 8 내지 약 11의 옥탄 감도(octane sensitivity)를 포함하며,
상기 연료 조성물은 HCCI 엔진에 사용된다.
일 구현예로, 본 발명은 비등점이 95℉ 내지 440℉인 연료 조성물을 주입하는 단계를 포함하는 HCCI 엔진에서 연료 효율을 개선하는 방법으로서, 상기 연료 조성물은,
(a) 55 부피% 이하의 포화물 함량;
(b) 약 88 내지 약 91의 RON;
(c) 약 0 부피% 내지 약 5 부피%의 올레핀 함량;
(d) 약 32 부피% 내지 약 40 부피%의 방향족 화합물 함량;
(e) 약 8 부피% 내지 약 16 부피%의 에탄올 함량;
(f) 약 8 내지 약 11의 옥탄 감도를 포함하며,
상기 연료 조성물은 HCCI 엔진에 사용된다.
도 1은 본 발명의 연료 및 비교 연료를 주입한 엔진의 작동 가능한 상한 및 하한을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 연료 및 비교 연료의 중량에 의해 측정된 연료 효율(gravimetric fuel efficiency)을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 연료 및 비교 연료의 부피에 의해 측정된 연료 효율(volumetric fuel efficiency)을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대체가 가능하나, 그 중 특정 실시예들을 본 명세서에 상세히 기재한다. 그러나, 이러한 실시예들에 관한 설명이 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하는 것은 아니며, 오히려 본 발명의 범위에는 특허청구범위에 의해 해석되는 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 개조예, 등가물 및 대체예를 포함한다는 것이 이해되어야 한다.
정의
"RON (Research Octane Number)(리서치 옥탄가)"은 특별히 고안된 단기통(single cylinder) CFR 엔진 내에서, 기압에 의존하는 특정 흡입 공기 온도에서, 600 rpm의 엔진 속도로 측정된다. 이것은 낮은 강도의 엔진 작동 조건하에서 연료 성능을 시뮬레이션하기 위한 것이다.
연료 조성물
본 발명의 일 구현예는, 선택적으로 연료 첨가물을 포함하고, HCCI 엔진에 이용될 수 있는 연료 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 연료 조성물은 HCCI의 작동 범위를 확장시키고, HCCI의 작동 범위 내에서 HCCI의 연소 효율을 증가시켜 HCCI 연소를 사용하는 엔진들의 연료 경제와 성능을 개선한다.
본 발명의 일 구현예에 이용되는 연료 조성물은 약 88 내지 약 91의 리서치 옥탄가(RON)를 가진다. 상기 연료 조성물은 포화물 함량을 55 부피% 이하, 바람직하게는 52 부피% 이하, 및 더 바람직하게는 50 부피% 이하로 가진다. 상기 연료 조성물은 올레핀 함량을 약 0 부피% 내지 약 5 부피%, 바람직하게는 약 2 부피% 내지 약 5 부피%, 및 더 바람직하게는 약 3 부피% 내지 약 4.5 부피%로 가진다. 상기 연료 조성물은 방향족 화합물 함량을 약 32 부피% 내지 약 40 부피%, 바람직하게는 약 34 부피% 내지 약 40 부피%, 및 더 바람직하게는 약 35 부피% 내지 약 39 부피%로 가진다. 상기 연료 조성물은 에탄올을 약 8 부피% 내지 약 16 부피%, 바람직하게는 약 9 부피% 내지 약 12 부피%, 및 더 바람직하게는 약 9 부피% 내지 약 11 부피%로 가진다. 상기 연료 조성물 옥탄감도를 약 8 내지 약 11로 가진다.
연료 조성물의 제조 방법
본 발명에 이용된 연료는 정유 공장으로부터 얻었으며, 일부의 경우에는 n-헵탄 또는 에탄올이 첨가되었다. 적어도 두 개의 정유 스트림(refinery streams)을 혼합하여 전술한 연료 조성물을 가진 연료를 얻었다. 상기 연료를 제조하기 위한 통상의 공정 및 조건에 대한 정보는 문헌["Petroleum Refining" by William Leffler (PennWell Corp, 2000)]에서 확인할 수 있다.
엔진 조건
본 발명의 연료는 예혼합 압축 착화(HCCI)형의 진보된 연소 엔진 환경에서 이용된다. 상기 엔진은 하나 이상의 실린더를 보유한다. 상기 엔진은 전체 또는 일부의 HCCI 엔진 환경에서 작동될 수 있다. 상기 엔진은 배기 재순환 밸브 구조를 가지며, 여기서 배기 가스는 엔진으로 재순환된다. 통상, 상기 배기 밸브는 적어도 두 번 열린다. 두 번째 또는 후속의 개방(들) 중에, 흡기 행정(stroke)이 열려 고온의 잔류 가스가 엔진의 실린더(들) 내로 재충전된다.
일 구현예에서, 상기 엔진은 전체(full) HCCI 모드로 작동되는 단기통의 4-행정 엔진이다. 일 구현예에서, 펜트 루프형(pent-roof shaped)의 알루미늄 헤드는 한 쌍의 흡기 및 배기 밸브를 가진 벨트-구동형의 이중 오버헤드 캠(belt-driven double overhead cams)을 보유한다.
통상, 상기 엔진의 압축비는 8 : 20, 더 바람직하게는 10 : 16, 및 가장 바람직하게는 10 : 14이다.
본 발명의 연료는 다양한 보어 홀(bore hole) 크기를 가진 엔진에 사용될 수 있다. 통상, 상기 엔진의 보어 대 행정(stroke) 비는 0.90:1 내지 0.96:1.10이다.
통상, 상기 엔진의 배기량은 약 0.50L 내지 약 18L이다. 더 바람직하게는 약 0.8L 내지 약 6L이다.
밸브 타이밍:
- 흡기 밸브 개방/흡기 밸브 폐쇄: 346°ATDC/128°BTDC
- 배기 밸브 개방/배기 밸브 폐쇄: 130°ATDC/352°BTDC
- 2차 배기 밸브 개방/배기 밸브 폐쇄: 326°BTDC/189°BTDC
하기 실시예는 본 발명의 특정 구현예를 예시하기 위해 제시되며, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되지는 않는다.
< 실시예 >
전체(full) HCCI 모드로 작동되는 단기통 4-행정 가솔린 리서치 엔진 속으로 5개의 연료 조성물을 주입하였다. 상기 연료 조성물들은 정유 스트림의 혼합물이었다. 목적하는 양의 포화물(saturates), 방향족 화합물 및 올레핀을 제공하기 위하여 상기 정유 스트림을 혼합함으로써 각각의 연료를 얻었다. 선택적으로, 에탄올을 상기 연료 혼합물에 첨가하였고; 본 발명에 이용된 연료들의 주요 성질은 하기 표 1에 기재되어 있다.
엔진 설명 및 사양:
상기 엔진은 한 쌍의 흡기 및 배기 밸브가 있는 벨트-구동형 이중 오버헤드 캠을 보유한 펜트 루프형 알루미늄 헤드를 가졌다.
상기 엔진은 배기 재흡기 밸브(exhaust re-breathing valve) 전략을 이용하였다. 통상, 이와 같은 전략으로, 배기 밸브는 흡기 행정 중 두 번 개방되어 고온의 잔류 충전물(즉, 주입된 연료)을 실린더 내로 재유입시킨다.
상기 엔진은 다음과 같은 사양을 가졌다:
압축비: 12.5
보어(bore): 86.0 mm
행정: 94.6 mm
배기량: 0.549 L
커넥팅 로드 길이: 152.2 mm
밸브 타이밍:
- 흡기 밸브 개방/흡기 밸브 폐쇄: 346°ATDC/128°BTDC
- 배기 밸브 개방/배기 밸브 폐쇄: 130°ATDC/352°BTDC
- 2차 배기 밸브 개방/배기 밸브 폐쇄: 326°BTDC/189°BTDC
연료 성질:
연료 및 그 성질
연료 혼합물 RON 감도 포화물
부피% 		방향족화합물
부피% 		올레핀
부피 % 		에탄올
부피% 		수소/탄소 몰비
실시예 1 89.5 8.6 48.9 37.2 4.2 9.7 1.86
실시예 2 98.1 10.8 49.8 37.5 3.5 9.7 1.87
비교예 1 90.5 7.9 69.6 26.1 4.4 0 1.89
비교예 2 98.4 9.1 66.8 23.2 0.3 9.7 2.07
비교예 3 88.5 6.4 65.5 23.8 0.9 9.7 2.01
전술한 바와 같이, 상기 연료들은 정유 공장으로부터 얻은 가솔린 범위의 스트림을 상이한 비율로 혼합하여 부피%의 포화물, 방향족 화합물, 올레핀 및 선택적으로 에탄올을 얻음으로써 제조하였다.
실험 절차:
연료 및 공기를 엔진의 연소실 내로 주입하였다. 연료들은 통상 상이한 조성으로 인해, 약하기는 하지만, 상이한 에너지 함량을 가지기 때문에, 주입되는 연료의 부피를 조정하여 각각의 연료에 대해 주기마다 동일한 총량의 에너지를 엔진의 연소실 내로 주입하였다.
주입된 공기의 양은, 당량비 = 0.73 = ((화학량론적 공기(stoichiometric air)/연료비(fuel ratio))/(실제 공기/연료비))가 되도록 조정하였다.
흡기 공기 온도는 모든 연료들이 기준 속도 2000 rpm에서 동일한 CA50 (연료의 누적 50%가 연소된 경우에 엔진 크랭크 각도 위치)을 가질 수 있도록 조정하였다.
각각의 연료의 허용 가능한 작동 범위를 설정하기 위해, 상기 엔진 속도 및 부하를 변화시켰다. 부하는 연소실로 주입되는 연료의 양을 조정함으로써 변화시켰다. 부하는 제동 평균 유효 압력(Brake Mean Effective Pressure-BMEP)의 통상적인 단위를 사용하여 나타내었다.
각각의 속도에서, 허용 가능한 부하의 하한치는 실화(misfire)가 일어난 한계치, 즉 IMEP(Indicated Mean Effective Pressure-도시 평균 유효 압력)의 변동계수 = 5%가 되는 점으로 정의되는 한계치를 발견하여 측정하였다.
각각의 속도에서, 허용 가능한 부하 상한치는 링잉 강도(ringing intensity) 값이 5를 초과하기 시작한 한계점(threshold)으로 측정하였다. 상기 "링잉 강도"란 엔진에서 노킹의 발생을 확인하기 위해 사용되는 용어이다(문헌[O. Seok Kwon and Ock Taeck Lim, "Effect of Boost Pressure on Thermal Stratification in HCCI Engine Using the Multi-Zone Model," Journal of Mechanical Science and Technology, Volume 24, Number 1, 399-406, DOI: 10.1007/s12206-009-1201-y]을 참조).
결과:
도 1은 1200 rpm 내지 2400 rpm의 속도 범위에서 시험된 연료들에 대해 작동 가능한 상한 및 하한치를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 작동 범위가 넓을수록 연료는 더 효율적이다. 구체적으로, 연료 C와 관련하여, 제동 유효 평균 압력의 고부하(high load)는 적어도 약 2.5 바(bar) 이상이고, 제동 유효 평균 압력의 저부하(low load)는 적어도 약 1.75 바 미만이다. 연료 C는 시험된 연료들 중 가장 넓은 작동 범위를 나타낸다.
가능한 한 넓은 작동 범위를 가지는 것 외에도, 중요한 특성은 도시 연료 소비율(Indicated Specific Fuel Consumption, ISFC)에 의해 측정되는 연료 효율이다 (하기 정의 참조). ISFC가 낮을수록 연료는 더 효율적이다. 도 2 및 도 3은 중량(소비된 연료 g/kw-hr) 및 부피 기준으로 (소비된 갤런/kw-hr), 연료 C가 가장 효율적이라는 것을 보여준다. 부피 기준의 연료 효율은 차량 운전자에게 가장 관련이 큰 연료 효율 변수이다.
도시 연료 소비율(ISFC) = 엔진 속도 * 연료 주입속도/(도시 전력(indicated power))
상기 식에서, 도시 전력 (Indicated Power) = 부하*π*(보어/2)2*행정*속도.

Claims (17)

  1. 비등점이 95℉ 내지 440℉인 연료 조성물로서,
    (a) 55 부피% 이하의 포화물 함량;
    (b) 약 88 내지 91의 RON (Research Octane Number);
    (c) 약 0 부피% 내지 약 5 부피%의 올레핀(olefin) 함량;
    (d) 약 32 부피% 내지 약 40 부피%의 방향족 화합물 함량;
    (e) 약 8 부피% 내지 약 16 부피%의 에탄올 함량;
    (f) 약 8 내지 약 11의 옥탄 감도(octane sensitivity)를 포함하며,
    HCCI(Homogeneous charge compression ignition) 엔진에 사용되는 연료 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 HCCI 엔진은, HCCI 모드, 스파크 점화 모드, 또는 양자 모두의 모드로 작동되는 파트-타임 HCCI 엔진인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 포화물 함량은 52 부피% 이하인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 포화물 함량은 50 부피% 이하인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀 함량은 약 2 부피% 내지 약 5 부피%인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 올레핀 함량은 약 3 부피% 내지 약 4.5 부피%인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방향족 화합물 함량은 약 34 부피% 내지 약 40 부피%인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 방향족 화합물 함량은 약 35 부피% 내지 약 39 부피%인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 에탄올 함량은 약 9 부피% 내지 약 12 부피%인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 에탄올 함량은 약 9 부피% 내지 약 11 부피%인 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  11. 비등점이 95℉ 내지 440℉인 연료 조성물을 HCCI 엔진 내로 주입하는 단계를 포함하는, HCCI 엔진 내 연료 효율을 개선하는 방법으로서, 상기 연료 조성물은
    (a) 55 부피% 이하의 포화물 함량;
    (b) 약 88 내지 약 91의 RON (Research Octane Number);
    (c) 약 0 부피% 내지 약 5 부피%의 올레핀 함량;
    (d) 약 32 부피% 내지 약 40 부피%의 방향족 화합물 함량;
    (e) 약 8 부피% 내지 약 16 부피%의 에탄올 함량;
    (f) 약 8 내지 약 11의 옥탄 감도(octane sensitivity)를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 HCCI 엔진은 HCCI 모드, 스파크 점화 모드, 또는 양자 모두의 모드로 작동되는 파트-타임 HCCI 엔진인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    저 부하(low load) 제동 평균 유효 압력(Brake Mean Effective Pressure)이 1.7 바(bar) 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    고 부하(high load) 제동 평균 유효 압력이 2.5 바(bar) 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    고 부하 제동 평균 유효 압력이 2.5 바(bar) 이상이고, 저 부하 제동 평균 유효 압력이 1.7 바 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    부피 연료 소비율(Volumetric Fuel Consumption)이 0.71 gal/KW-hr 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    중량 연료 소비율(Gravimetric Fuel Consumption)이 200 g/KW-hr 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
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