降低压燃式发动机中的磨损
阅读：435发布：2023-02-03
专利汇可以提供降低压燃式发动机中的磨损专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及运行压燃式 发动机 的方法。根据本发明，发动机用含有源自Fischer-Tropsch的 燃料 的组合物运行，以和用源自石油的柴油运行的发动机相比降低发动机 气缸 壁的磨损。，下面是降低压燃式发动机中的磨损专利的具体信息内容。
1.用含有源自Fischer-Tropsch的燃料的组合物运行压燃式发动机以和用源自石油的燃料运行所述发动机相比降低所述发动机气缸壁的磨损的方法。
2.权利要求1的方法，其中所述压燃式发动机的压缩比大于14∶1。
3.权利要求2的方法，其中所述压燃式发动机的压缩比大于16∶1。
4.权利要求2的方法，其中所述发动机的压缩比是18∶1。
5.权利要求1的方法，其中所述压燃式发动机以高于大气压0-2巴的增压来进行涡轮增压。
6.权利要求5的方法，其中所述压燃式发动机以高于大气压0-1.5巴的增压来进行涡轮增压。
7.权利要求1的方法，其中所述发动机在30℃-150℃的油温运行。
8.权利要求7的方法，其中所述发动机在40℃-130℃的油温运行。
9.权利要求1的方法，其中所述燃料组合物包含1体积％-100体积％的Fischer Tropsch燃料。
10.权利要求1的方法，其中所述燃料组合物包含50体积％-100体积％的Fischer Tropsch燃料。
11.权利要求1的方法，其中所述Fischer-Tropsch燃料具有少于0.1质量％的芳族化合物。
12.权利要求1的方法，其中所述Fischer-Tropsch燃料具有少于0.1质量％的硫。
13.权利要求12的方法，其中所述Fischer-Tropsch燃料具有少于0.001质量％的硫。
14.权利要求1的方法，其中所述Fischer-Tropsch燃料具有高于65的十六烷值。
15.权利要求1的方法，其中所述Fischer-Tropsch燃料具有低于0.8kg/l的密度。
16.权利要求1的方法，其中当在CI发动机中燃烧时，所述燃料组合物和源自石油的低硫柴油相比具有较低的火焰发光度。
17.权利要求1的方法，其中当和所述发动机用源自石油的燃料运行相比时，所述燃料组合物降低了发动机油中的烟炱加载量。
18.权利要求1的方法，其中和低硫源自石油的柴油相比，所述方法使得发动机油中的铁污染率下降至多46％。
19.权利要求1的方法，其中和低硫源自石油的柴油相比，所述方法使得发动机油中的铁污染率下降37％。
20.权利要求1的方法，其中和低硫源自石油的柴油相比，所述方法使得发动机油中的铁污染率下降22％。
21.权利要求1的方法，其中和低硫源自石油的柴油燃料相比，所述方法使得发动机油中的铁污染率下降22％-46％。
22.运行压燃式发动机的方法，基本上参照附图所述。
降低压燃式发动机中的磨损
技术领域
[0001] 本发明涉及降低压燃式发动机系统中的磨损。
背景技术
[0002] 在柴油发动机内的许多位置处发生逐渐磨损。发动机润滑油中的铁污染大多数情况下是气缸壁磨损的标识。气缸壁的磨损能够通过如下所述的腐蚀磨损机制、粘合磨损机制和磨蚀磨损机制中的单一或组合方式发生：
[0004] 气缸壁上的粘合磨损典型地发生在发动机启动期间，这是由于柱塞环和气缸壁之间的油量不足。
[0005] 气缸壁上的磨蚀磨损是由于在保护性油膜中存在磨蚀性残余物，其中所述保护性油膜将经润滑的部件分离开。这种残余物能够是大气灰尘和/或来自腐蚀磨损和粘合磨损的金属性残余物。
[0006] Nagaki和Korematsu(Effect of Sulphur Dioxide Added to InductionAir on Wear Of Diesel Engine，SAE 930994，Kogakuin University)已经提出柴油发动机中的柱塞环和气缸衬里的磨损和产生的硫水平强烈相关。该磨损机制假定为是由于油膜中形成硫酸导致的腐蚀和油膜中形成硫酸盐导致的磨蚀的组合。令人感兴趣地是，即使润滑油添加剂有效地中和润滑油槽空间中的酸性组分，也立刻并直接观察到由于二氧化硫添加导致的磨损速率增加。
[0007] 根据Takakura等的研究(The Wear Mechanism of Piston rings andCylinder liners Under Cooled-EGR Condition and the Development ofSurface Treatment Technology for Effective Wear reduction，SAE2005-01-1655，Hino Motors Ltd)，采用冷却的Exhaust Gas Recirculation(废气循环，EGR)导致柱塞环和气缸衬里磨损的增加。通过采用组合的发动机试验后评价技术，发现该磨损机制如下发生：废气冷却(冷却的EGR)、硫酸冷凝、在油膜中形成硫酸水溶液、在衬里表面上形成腐蚀磨损(在斯氏体周围优先腐蚀)、除去斯氏体、磨蚀磨损。
[0008] Froelund 和 Ross(Laboratory Benchmarking of Seven Model Year2003-2004Heavy Duty Diesel Engines Using a CI-4 Lubricant，SAE2005-01-3715)发现，总碱值(TBN)缺乏和烟炱载量不会因为EGR而显著增加，虽然在其研究中具有EGR的发动机的铁磨损率明显更大。结论是在该研究中发现的发动机磨损上的差异和EGR不直接相关。所述磨损率更高的原因还没有得到充分解释。
[0009] Kim 等 (Relationships among Oil compositionCombustion-Generated Soot and Diesel Engine Valve Train Wear，SAE922199，General Motors Research and Environmental Labs)发现随着烟炱浓度增加、分散剂浓度下降以及油中硫浓度下降，磨损会增加。
[0010] Mainwaring(Soot and Wear in Heavy duty Diesel Engine，SAE971631，Shell Additives International Ltd)发现仅仅在颗粒尺寸超过油膜厚度的情况下烟炱才作为pro-wear。发现和烟炱团聚控制相比，分散添加剂对由于粘度和相关膜厚度效应造成的磨损的影响更大。
[0011] Truhan等(The Classification of Lubricating Oil contaminants andtheir effect on wear in diesel engines as measured by surface layeractivation，SAE952558，Fleetguard Corp)发现，只要避免了加速磨损所需的阈值水平，发动机对磨损碎片的累积具有相当的耐受性。有机污染物(包括淤泥和氧化产物)看起来不是磨蚀性的，但对提高粘度有显著效果。烟炱测量值和磨损增加并不相当相关，但是认为该测量值可能被有机分解所曲解，而非实际燃料燃烧生成的烟炱测量值。一旦超过了阈值浓度水平和颗粒尺寸，硬颗粒污染仅仅导致磨损。认为该阈值随着发动机及相关油膜厚度的不同而不同。
[0012] 发明目的
[0013] 本发明的目的是提供操作压燃式发动机的方法，由此和上述现有技术措施相比进一步降低磨损。
[0014] 本发明的目的还在于提供操作压燃式发动机的、具有创造性的新方法。
发明内容
[0015] Fischer Tropsch(FT)柴油是源自Fischer Tropsch方法的主要包含链烷烃的低硫低芳族化合物燃料。Fischer Tropsch方法已经在技术文献中进行了大量描述，例如在AP Steynberg和M Dry编辑并由Elsevier以Studies in Surface Science and Catalysis(卷152)(2004)系列丛书中的Fischer Tropsch Technology中进行了描述。
[0016] 根据本发明的第一方面，提供了用含有源自Fischer-Tropsch的燃料的组合物操作压燃式(CI)发动机以和用源自石油的燃料操作该发动机相比降低发动机气缸壁磨损的方法。
[0017] 发动机的压缩比可以大于14∶1，典型地高于16∶1，在一个实施方案中是18∶1。
[0019] 发动机油操作温度可以是30-150℃，典型地为40-130℃。
[0020] 燃料组合物可以包含1体积％-100体积％的Fischer Tropsch燃料。
[0021] 燃料组合物可以包含50体积％-100体积％的Fischer Tropsch燃料。
[0022] Fischer Tropsch燃料可以具有＜0.1质量％芳族化合物、＜0.1质量％硫、高于65的十六烷值、和低于0.8kg/l的密度，通常低于0.01质量％的硫，典型地低于0.001质量％的硫。
[0023] 进行对比用的源自石油的燃料可以具有＜0.1质量％的硫，通常＜0.01质量％的硫，典型地＜0.002质量％的硫。
[0024] 当在CI发动机中燃料时，所述燃料组合物可以具有比源自石油的低硫柴油低的火焰发光度。
[0025] 当和用源自石油的燃料运行的发动机相比时，所述燃料组合物可以降低发动机油中的烟炱加载量。
[0026] 和低硫源自石油的柴油相比，本方法可以使发动机油中的铁污染率下降至多46％。
[0027] 和低硫源自石油的柴油相比，本方法可以使发动机油中的铁污染速率下降37％。
[0028] 和低硫源自石油的柴油相比，本方法可以使发动机油中的铁污染率下降22％。
[0029] 和低硫源自石油的柴油相比，本方法可以使发动机油中的铁污染率下降22-46％。
[0030] 在其中发动机进行了1800个33分钟20秒的周期的1000小时耐久性试验中，获得了降低的磨损率。在每个周期中，发动机操作条件在其整个允许范围内变化：
[0033] □发动机的压缩比为18∶1
[0034] □发动机进行涡轮增压并中间冷却——增压在高于大气压零-1.4巴(大约2.4巴绝对压力)之间变化
[0035] □发动机冷却剂温度在40-95℃之间变化
[0036] □发动机油温度在40-130℃之间变化
具体实施方式
[0038] 图1示出了用于轿车车队的各种燃料组合物的铁污染数据和行驶距离之间的关系；
[0039] 图2示出了各种燃料组合物的台架测力计耐久性试验(benchdynamometer endurance test)的铁污染数据；
[0040] 图3示出了对于各种燃料组合物而言，在发动机推动轴(thrustaxis)上的气缸内膛的磨损测量值；
[0041] 图4示出了对于应用到客车车队的各种燃料组合物而言，归一化的铁污染数据和行驶距离之间的关系；
[0042] 图5示出了两种不同的燃料组合物在恒定体积弹中的燃烧图；和[0043] 图6示出了两种不同燃料组合物在石英柱塞发动机中的燃烧图。
[0044] 在所有图中，相似的附图标记代表相似的部件，除非另有说明。下面，采用三种不同燃料来操作车辆。在表1、2和3中总结了气-液(GTL)型柴油燃料、超低硫EN590参比柴油燃料、以及这两种燃料的50∶50掺混物的参数和其它性质。在下面实施例中使用的GTL柴油是通过Fischer Tropsch方法制备或源自Fischer Tropsch方法的。
[0045] 实施例1
[0046] 采用气-液(GTL)型柴油燃料、超低硫EN590参比柴油燃料、以及这两种燃料的50∶50掺混物进行了微型车队试验。在该车队试验中使用了三辆Mercedes Benz C220CDI车，每辆使用所述三种测试燃料的一种。在整个试验中定期监测数个参数，直到所有车辆进行了最少20000km的距离。
[0047] 这些参数之一是润滑油状况，其在试验中通过定期油样分析来监测。铁污染结果示于图1中，表明GTL以纯态使用以及掺混使用时都具有显著降低磨损的潜力。
[0048] 表1
[0049]
[0050]
[0051] 实施例2
[0052] 使用现代化的共轨轿车柴油发动机进行两个1000小时台架测力计试验。将GTL柴油和符合EN590燃料规格的柴油进行比较。
[0053] GTL发动机显示出明显更低的磨损率，和EN590相比Fe污染下降37％，这通过定期油样分析表明，参见图2，其中示出了台架测力计耐久性试验的铁污染数据。
[0054] 采用标准的空气测量技术(air-gauging technique)测量了两个发动机的所有四个气缸的气缸内膛。该方法得到了可重复的内膛直径测量值，精度至1微米。由于气缸内膛磨损还没有成为本项目的主要关注区域，所以在所述试验之前没有进行基准测量。为了确认气缸内膛磨损，在较低位置的柱塞环反向区域下面对所述内膛进行了测量，这些测量结果用作每个气缸的没有磨损的基准测量值，其中假定圆柱度完美无缺。两个发动机的内膛都显示出在主要和次要的推力面上有明显的、直观的抛光痕迹。将两个发动机的气缸的推动轴上的磨损测量值进行比较发现，FT柴油发动机的磨损比EN590发动机少25％。图3示出了内膛磨损测量结果，其给出了发动机推动轴上的发动机内膛磨损测量值的比较结果。
[0055] 实施例3
[0056] 进行了客车车队探索性试验，其中选择了二十辆车，并且该测试程序是将所有20辆车都用European EN590柴油运行15000km的第一放油间距，然后其中的10辆车(测试组)变成用纯的GTL柴油再运行两个放油间距(对于每辆车而言，等同于30000km的距离)，而其余10辆车(对照组)用EN590再完成一个放油间距。这个程序的目的是在第一测试间距中设定基准，然后在第二和第三测试间距中直接比较GTL和EN590燃料。
[0057] 表2
[0058]性质 单位 GTL EN590
密度@20℃ kg/l 0.7698 0.8275
粘度@40℃ cSt 2.46 2.34
总硫量 mg/kg ＜1 4
总芳族化合物量 质量％ ＜0.1 23.1
单环芳族化合物 质量％ ＜0.1 20.5
二环芳族化合物 质量％ ＜0.1 2.4
多环芳族化合物 质量％ ＜0.1 0.2
蒸馏
IBP ℃ 180 150
5％ ℃ 201 190
10％ ℃ 208 196
20％ ℃ 219 207
30％ ℃ 235 223
40％ ℃ 251 242
50％ ℃ 269 257
60％ ℃ 286 272
70％ ℃ 304 287
80％ ℃ 323 303
90％ ℃ 346 325
95％ ℃ 363 344
FBP ℃ 369 357
十六烷值 ＞72 55
推导的十六烷值 82 56
CFPP ℃ -5 -22
润滑度(HFRR) wsd，μm 265±80 340±80
闪点 ℃ 63 61
密度@20℃ kg/l 0.7698 0.8275
粘度@40℃ cSt 2.46 2.34
总硫量 mg/kg ＜1 4
总芳族化合物量 质量％ ＜0.1 23.1
单环芳族化合物 质量％ ＜0.1 20.5
二环芳族化合物 质量％ ＜0.1 2.4
多环芳族化合物 质量％ ＜0.1 0.2
蒸馏
IBP ℃ 180 150
5％ ℃ 201 190
10％ ℃ 208 196
20％ ℃ 219 207
30％ ℃ 235 223
40％ ℃ 251 242
50％ ℃ 269 257
60％ ℃ 286 272
70％ ℃ 304 287
80％ ℃ 323 303
90％ ℃ 346 325
95％ ℃ 363 344
FBP ℃ 369 357
十六烷值 ＞72 55
推导的十六烷值 82 56
CFPP ℃ -5 -22
润滑度(HFRR) wsd，μm 265±80 340±80
闪点 ℃ 63 61
[0059] 在整个该探索性试验中，进行了各种测量和评估来评价GTL柴油的性能。这些包括定期润滑油分析，该分析结果最近重新查看发现当用GTL柴油运行时出现了明显的磨损降低效果。运用将对磨损率的变量效应分离出来并抛弃明显的界外数据的特定程序，得到了线性回归，其显示出GTL柴油的磨损降低效果在28％-46％之间(通过图4中的趋势线斜率示出)。这种进行探索性试验的方式特别有意义，因为它显示出磨损降低是燃料特异性的。
[0060] 它特别 有意义 的另外原 因是由 于客车 发动机 并不利用 Exhuast GasRecirculation(EGR)(其被认为会影响气缸磨损率，尤其在EGR被冷却的情况下)。图4示出了归一化的铁含量，也就是如果所有客车发动机和灰尘污染都精确相同时铁含量会呈现的情况。
[0061] 表3
[0062]性质 单位 GTL EN590
二环芳族化合物H/C 质量％ 0 4.87
单环芳族化合物H/C 质量％ 0 20.44
多环芳族化合物H/C 质量％ 0 4.870
总芳族化合物H/C 质量％ 0 25.310
三环芳族化合物H/C 质量％ 0 0
十六烷值 81.0 55.5
CFPP ℃ -6 -23
浊点 ℃ -4.4 -7.5
密度@15 kg/l 0.7732 0.8311
IBP ℃ 208.6 158.0
10％ ℃ 222.0 194.8
20％ ℃ 235.5 208.3
30％ ℃ 251.0 226.0
40％ ℃ 199.1 243.9
50％ ℃ 267.6 259.6
60％ ℃ 284.5 273.5
70％ ℃ 301.1 287.8
80％ ℃ 319.3 304.4
90％ ℃ 340.2 327.0
95％ ℃ 354.2 346.4
FBP ℃ 362.5 358.5
闪点 ℃ 68 59
润滑度 WSD微米 349 233
总硫量 mg/kg ＜1 18
二环芳族化合物H/C 质量％ 0 4.87
单环芳族化合物H/C 质量％ 0 20.44
多环芳族化合物H/C 质量％ 0 4.870
总芳族化合物H/C 质量％ 0 25.310
三环芳族化合物H/C 质量％ 0 0
十六烷值 81.0 55.5
CFPP ℃ -6 -23
浊点 ℃ -4.4 -7.5
密度@15 kg/l 0.7732 0.8311
IBP ℃ 208.6 158.0
10％ ℃ 222.0 194.8
20％ ℃ 235.5 208.3
30％ ℃ 251.0 226.0
40％ ℃ 199.1 243.9
50％ ℃ 267.6 259.6
60％ ℃ 284.5 273.5
70％ ℃ 301.1 287.8
80％ ℃ 319.3 304.4
90％ ℃ 340.2 327.0
95％ ℃ 354.2 346.4
FBP ℃ 362.5 358.5
闪点 ℃ 68 59
润滑度 WSD微米 349 233
总硫量 mg/kg ＜1 18
[0063] 本发明的进一步讨论
[0064] 重新查看了在Sasol Advanced Fuels Laboratory(SAFL)在RicardoHydra发动机和Combustion Bomb上进行的用于比较GTL和EN590的光学燃烧研究，以关注火焰位置和发光度方面的差异、气缸壁的对流和辐射加热方面的差异、以及可能的后续油膜保持方面的差异。图像示出在图5中。在图5中，给出了在恒定体积弹中GTL和EN590燃烧的对比图。
[0065] 这些图像显示在EN590柴油燃料的情况下，火焰发光度的水平略微增加，并且火焰非常略微地更靠近壁。EN590的更高的芳族化合物含量可以导致更高的辐射热传送到发动机气缸壁上的保护性油膜上，从而导致润滑下降，磨损增加。
[0066] 采用从石英柱塞C220CDI发动机上获取的图像数据进行了相似的燃烧图像研究。图像显示出在火焰发光度方面和所述弹试验中相似的差异，以及在GTL发动机燃烧室中发光燃烧的时间减少。图6示出了在TDC之后41度的比较结果。在图6中，示出了GTL和EN590在石英柱塞发动机中在41度ATDC的图像比较。
[0067] 应该认识到，虽然已经结合具体实施方案描述了本发明的各个方面，但是显而易见的是在本发明的精神和范围内可以对本公开进行替换和改变。
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