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用于均质充气 压缩点火 发动机的 燃料

阅读：769发布：2020-05-15

专利汇可以提供用于均质充气压缩点火发动机的燃料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种用于均质充气压缩点火发动机的燃料，其在较高的输出功率下可以实现稳定的均质充气压缩点火。该燃料满足如下要求(1)，(2)，(3)和(4)：(1)蒸馏特性：初馏点(IBP)：0℃以上且60℃以下；30体积％馏出温度 (T30)：70℃以上且130℃以下；50体积％馏出温度(T50)：95℃以上且200℃以下；70体积％馏出温度(T70)：100℃以上且280℃以下；90体积％馏出温度(T90)：150℃以上且330℃以下；95体积％馏出温度(T95)：230℃以上且360℃以下；和终馏点(EP)：250℃以上且380℃以下；(2)研究法辛烷值：62以上且85以下；(3)15℃下密度：0.700g/cm3以上且低于0.800g/cm3；以及(4)37.8℃下雷德蒸气压：30kPa以上且低于65kPa。，下面是用于均质充气压缩点火发动机的燃料专利的具体信息内容。

权利要求

1、满足如下要求(1)、(2)、(3)和(4)的用于均质充气压缩点火发动机的燃料：
(1)蒸馏特性：
初馏点(IBP)：0℃以上且60℃以下；
30体积％馏出温度(T30)：70℃以上且130℃以下；
50体积％馏出温度(T50)：95℃以上且200℃以下；
70体积％馏出温度(T70)：100℃以上且280℃以下；
90体积％馏出温度(T90)：150℃以上且330℃以下；
95体积％馏出温度(T95)：230℃以上且360℃以下；和
终馏点(EP)：250℃以上且380℃以下；
(2)研究法辛烷值：62以上且85以下
(3)15℃下的密度：0.700g/cm3以上且低于0.800g/cm3；以及
(4)37.8℃下的雷德蒸气压：30kPa以上且低于65kPa。
2、权利要求1所述的用于均质充气压缩点火发动机的燃料，满足如下要求 (1)、(2)、(3)和(4)：
(1)蒸馏特性：
初馏点(IBP)：0℃以上且50℃以下；
30体积％馏出温度(T30)：70℃以上且110℃以下；
50体积％馏出温度(T50)：95℃以上且150℃以下；
70体积％馏出温度(T70)：100℃以上且250℃以下；
90体积％馏出温度(T90)：150℃以上且330℃以下；
95体积％馏出温度(T95)：230℃以上且360℃以下；和
终馏点(EP)：250℃以上且380℃以下
(2)研究法辛烷值：62以上且85以下
(3)15℃下的密度：0.730g/cm3以上且低于0.780g/cm3；以及
(4)37.8℃下的雷德蒸气压：45kPa以上且低于60kPa。
3、权利要求1所述的用于均质充气压缩点火发动机的燃料，其中燃料的硫含量为10质量ppm以下。
4、权利要求1所述的用于均质充气压缩点火发动机的燃料，含有含氧化合物，该含氧化合物选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、二甲基醚、二异丙醚、甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚(ETBE)、叔戊基甲基醚(TAME)、叔戊基乙基醚、脂肪酸甲酯、和脂肪酸乙酯。
5、权利要求1所述的用于均质充气压缩点火发动机的燃料，其中，所述燃料也能应用于下述类型的发动机，这些发动机选自HCCI-SI 汽油发动机(SI：火花点火)、HCCI-CI 柴油发动机(CI：压缩点火)、和带有HCCI、HCCI-SI和 HCCI-DI发动机的电动混合式发动机。

说明书全文

技术领域

[0002]本发明涉及用于均质充气压缩点火发动机的燃料，更具体地，本发明涉及具有优异可燃性并能够尽可能多地增强发动机输出功率和拓宽发动机转速范围，从而提高发动机热效率的燃料。

背景技术

[0003]现今，广泛应用的有两类发动机，其中一种是火花点火式汽油发动机，以及另一种是压缩点火式柴油发动机。

[0004]对于火花点火式汽油发动机，燃料被喷入进气口或燃烧室，并且形成空气燃料混合物的预混合气。然后预混合气由火花塞点燃并燃烧。要求该燃料具有高挥发性和低自燃特性。由于火花点火式汽油发动机排放氮氧化物 (NOx)，烃(HC)和一氧化碳，三效催化剂已经被广泛用于净化这些排放物。然而，废气净化系统，例如三效催化剂仅适用于一定范围，其中空气-燃料比在一个非常窄的化学计量空气-燃料比范围内，并且这是与压缩点火式柴油发动机相比具有低的热效率和差的耗油率(燃料消耗)的原因。

[0005]对于柴油发动机，柴油燃料被直接喷入汽缸并在压缩冲程过程中与空气混合。通过活塞压缩来提高温度和压力，使空气-燃料混合物自燃。要求柴油燃料具有高可燃特性。压缩自动点火柴油发动机在耗油率和热效率方面性能优异，但具有由非均质空气燃料混合物导致的NOx和碳烟排放物的缺点。此外，需要对后续处理系统例如氧化催化剂，NOx捕集，柴油微粒过滤器或SCR 系统进行严格控制，从而降低NOx和碳烟来符合政策规定。

[0006]因此，传统的火花点火式汽油发动机可以将废气净化到一定程度，但是在耗油率和热效率方面存在问题。相反，柴油发动机在耗油率上性能优异并具有高的热效率，但是具有排放NOx的问题。因此，已经研究一种均质充气压缩点火发动机来实现低的NOx废气，优异的耗油率和高的热效率。

[0007]对于均质充气压缩点火发动机，燃料在20MPa以下的喷射压力下喷入进气口或燃烧室，该压力极度低于柴油发动机的喷射压力并且燃料喷射在上止点前60度曲柄角处完成，从而预混合的空气-燃料混合物通过自燃而不是火花点火进行燃烧。与柴油发动机相比，均质充气压缩点火发动机用更长时间在汽缸中制备充分混合的空气-燃料混合物。因此，对于均质充气压缩点火发动机，不会在汽缸内局部地形成温度高于2200K的高温燃烧区，并且这是不用还原催化剂而具有低的NOx排放特性(少于10质量ppm)的原因。均质充气压缩点火发动机的热效率和耗油率与柴油发动机的相当。

[0008]对于均质充气压缩自动点火发动机，针对各种不同的指数例如可燃性，挥发性，十六烷值和辛烷值，各种各样的燃料已被提出(例如，见下面的专利文献1到13)。然而，从发动机性能方面而言，需要更适宜和合适的用于均质充气压缩点火的燃料。专利文献1：日本专利公开号2004-919657
专利文献2：日本专利公开号2004-919658
专利文献3：日本专利公开号2004-919659
专利文献4：日本专利公开号2004-919660
专利文献5：日本专利公开号2004-919661
专利文献6：日本专利公开号2004-919662
专利文献7：日本专利公开号2004-919663
专利文献8：日本专利公开号2004-919664
专利文献9：日本专利公开号2004-919665
专利文献10：日本专利公开号2004-919666
专利文献11：日本专利公开号2004-919667
专利文献12：日本专利公开号2004-919668
专利文献13：日本专利公开号2004-315604

发明内容

[0009]对于均质充气压缩点火(下文中称作“HCCI”)发动机，混合均匀的空气-燃料混合物通过活塞进行压缩来提高温度和压力，并且引发自燃。商用汽油具有一个缺点，即当其用于HCCI发动机时，由于汽油的可燃性差，涉及发动机转速和载荷的驱动范围无法拓宽。相反，由于商用瓦斯油具有挥发特性差的缺点，将瓦斯油和空气进行预混合是困难的。当目前商用的汽油或瓦斯油以其本身被应用时，其难以进行HCCI燃烧。

[0010]均质充气压缩点火发动机(下文中称作“HCCI发动机”)需要一种燃料，其具有(i)挥发性和(ii)优异的可燃性。为了实现这种燃料的生产，优选有效地利用汽油的挥发性和瓦斯油的可燃性。作为详尽研究适用于HCCI燃烧的燃料的结果，前述问题得到解决，并且本发明也得以完成。

[0011]即，本发明涉及一种满足如下条件(1)，(2)，(3)，和(4)的用于均质充气压缩点火发动机的燃料：(1)蒸馏特性：
初馏点(IBP)：0℃以上且60℃以下；
30体积％馏出温度(T30)：70℃以上且130℃以下；
50体积％馏出温度(T50)：95℃以上且200℃以下；
70体积％馏出温度(T70)：100℃以上且280℃以下；
90体积％馏出温度(T90)：150℃以上且330℃以下；
95体积％馏出温度(T95)：230℃以上且360℃以下；
终馏点(EP)：250℃以上且380℃以下；
(2)研究法辛烷值：62以上且85以下
(3)15℃下密度：0.700g/cm3以上且低于0.800g/cm3；以及
(4)37.8℃下雷德(Reid)蒸气压：30kPa以上且低于65kPa。

[0012]发明效果

[0013]由于低沸点馏分中含有的烃，本发明的燃料可易于与空气混合，并且由于高沸点馏分中含有的烃的可燃性，本发明的燃料能在较高的输出功率下实现稳定的HCCI燃烧。尽管具有这些特性的燃料能够被生产，例如，通过混合汽油和瓦斯油，调节为处于本发明定义的范围内的燃料使得HCCI发动机显示其固有的性能。附图说明

[0014]当将前述概述，连同下面对本发明的详细描述与附图结合阅读时，其会被更好地理解。为了说明本发明，附图中显示了本发明优选的实施方案。然而，应当理解为本发明并不限于所示的精确的安排和结构。

[0015]图1显示本发明限定的蒸馏特性范围。

[0016]图2显示实施例1，比较例3和比较例4中每个的热释放率。

具体实施方式

[0017]下文将更详细地对本发明进行描述。

[0018]本发明的燃料适用于均质充气压缩点火发动机(下文中将均质充气压缩点火简称为HCCI)。此处术语“HCCI”表示燃料在下述条件(A)，(B)和 (C)下通过自燃进行燃烧的燃烧模式：(A)燃料喷射压力：20MPa以下；
(B)燃料喷射位置：进气口和/或直接喷入汽缸；和
(C)燃料喷射完成的时间：上止点前60度曲柄角。

[0019]HCCI的(A)燃料喷射压力低于传统柴油发动机并且(C)喷射结束之后到燃烧开始以用来在汽缸中形成混合均匀的空气燃料混合物的时间比传统柴油发动机的长。因此，对于HCCI发动机，不会在汽缸内局部形成温度高于 2200K的高温燃烧区，并且这是不用还原催化剂而具有低的NOx排放特性(少于 10质量ppm)的原因。

[0020]均质充气压缩点火燃烧模式也可以被称为HCCI(均质充气压缩点火)，PCCI(预混合充气压缩点火)，PCI(预混合压缩点火)，CAI(受控自动点火)或AR(活性基(燃烧))。

[0021]本发明的燃料适用于HCCI发动机。然而，该燃料也可应用于下述类型的发动机，例如HCCI-SI汽油发动机(SI：火花点火)，HCCI-CI柴油发动机(CI：压缩点火)，和带有HCCI，HCCI-SI和HCCI-DI发动机的电动混合式发动机。

[0022]本发明的燃料需要具有如下蒸馏特性(1)：(1)蒸馏特性：
初馏点(IBP)：0℃以上且60℃以下；
30体积％馏出温度(T30)：70℃以上且130℃以下；
50体积％馏出温度(T50)：95℃以上且200℃以下；
70体积％馏出温度(T70)：100℃以上且280℃以下；
90体积％馏出温度(T90)：150℃以上且330℃以下；
95体积％馏出温度(T95)：230℃以上且360℃以下；和
终馏点(EP)：250℃以上且380℃以下。

[0023]图1中阴影区域是本发明限定的蒸馏特性的范围。具有沸点高于图1中表示本发明上限蒸馏特性的曲线之上的蒸馏特性范围的蒸馏特性的燃料的挥发性极差并因此难以与空气预混合。具有沸点低于图1中表示本发明下限蒸馏特性的曲线之下的蒸馏特性范围的蒸馏特性的燃料的可燃性差并且难以进行HCCI驱动。

[0024]优选地，如果HCCI发动机的运转性能渴望进一步加强，燃料具有如下蒸馏特性(1’)：(1’)蒸馏特性：
初馏点(IBP)：0℃以上且50℃以下；
30体积％馏出温度(T30)：70℃以上且110℃以下；
50体积％馏出温度(T50)：95℃以上且150℃以下；
70体积％馏出温度(T70)：100℃以上且250℃以下；
90体积％馏出温度(T90)：150℃以上且330℃以下；
95体积％馏出温度(T95)：230℃以上且360℃以下；和
终馏点(EP)：250℃以上且380℃以下。
此处所用的蒸馏特性是指按照JIS K 2254“石油制品-蒸馏特性的测定”所测定的数值。

[0025]本发明的燃料需要具有满足如下要求(2)的研究法辛烷值：(2)研究法辛烷值：62以上且85以下。

[0026]燃料的研究法辛烷值必须为62以上且85以下。研究法辛烷值大于85的燃料可燃性差并因此不能增加HCCI发动机的发动机转速。例如，由于在较高的负荷下HCCI发动机不能被驱动，研究法辛烷值为92的普通汽油是不优选的。由于在较高的负荷下HCCI发动机不能被驱动，研究法辛烷值低于62 的燃料也是不优选的。此处所用的研究法辛烷值是指按照JIS K 2280“石油制品-辛烷值，十六烷值的测定和十六烷指数的计算”所测定的值。

[0027]本发明的燃料需要具有满足如下要求(3)的密度：(3)15℃下密度：0.700g/cm3以上且低于0.800g/cm3。

[0028]燃料在15℃下密度必须为0.700g/cm3以上且低于0.800g/cm3，优选为0.730g/cm3以上且低于0.780g/cm3。15℃下密度低于0.700g/cm3的燃料是不优选的，因为燃料具有较高的蒸气压并由此当存在来自发动机的热量的情况下燃料会在配管中汽化，可能会导致不能对HCCI发动机进行适宜的驱动。15℃ 下密度高于0.800g/cm3的燃料也是不优选的，因为燃料的挥发性差，因此当发动机在较高转速下驱动时，会释放出大量未燃烧的烃而导致耗油率和热效率变差。此处所用的15℃下密度是指按照JIS K 2249“原油及石油制品-密度的测定和基于基准温度(15℃)的石油计量表”所测定的数值。

[0029]本发明的燃料需要具有满足如下要求(4)的雷德蒸气压(RVP)：(4)37.8℃下雷德蒸气压：30kPa以上且65kPa以下。

[0030]燃料的雷德蒸气压必须为30kPa以上且65kPa以下。雷德蒸气压高于65kPa的燃料是不优选的，因为燃料从燃料槽中以蒸发的气体的形式被排出并因此造成光化学烟雾的生成。雷德蒸气压低于30kPa的燃料也是不优选的，因为其挥发性差并由此发动机可能无法起动。即使发动机被起动，这种燃料具有一个缺陷即其引起转矩的很大的循环变动并需要时间来稳定发动机的运转。如果需要阻止燃料形成蒸发的气体并提高发动机的可起动性，优选雷德蒸气压为45kPa以上且低于60kPa。此处所用的雷德蒸气压是指按照JIS K 2258“原油及石油制品-蒸气压的测定-雷德方法”所测定的数值。

[0031]对于燃料的硫含量没有特殊的限制。然而，硫含量优选为10质量 ppm以下，并且为了维持催化剂的性能在高的水平，更优选为5质量ppm，最优选为1质量ppm以下。高于10质量ppm的硫含量是不优选的，因为装配在发动机中的废气净化催化剂会产生硫中毒，导致差的废气净化性能。此处所用的硫含量是指按照JIS K 2541“原油和石油制品-硫含量的测定”所测定的数值。

[0032]本发明的燃料含有烃作为主要组分，但可进一步含有含氧化合物例如醚，醇，酮，酯，和二醇。含氧化合物的例子包括甲醇，乙醇，正丙醇，异丙醇，正丁醇，异丁醇，二甲基醚，二异丙基醚，甲基叔丁基醚(MTBE)，乙基叔丁基醚(ETBE)，叔戊基甲基醚(TAME)，叔戊基乙基醚，脂肪酸甲酯，和脂肪酸乙酯。

[0033]由于前述含氧化合物的存在，本发明的燃料可以减少未燃烧的烃 (HC)和微细颗粒物质。当燃料中含有源于生物质的含氧化合物时，其有助于降低二氧化碳。然而，根据具体情况，含氧化合物导致含氮化合物的增加。因此，以燃料的总质量为基准，含氧化合物的含量以氧计优选为5质量％以下。

[0034]只要能够获得如上所描述的燃料特性，对本发明的燃料的基础油没有特殊限制。例如，基础油可为任何一种或多种燃料基础原料，其选自通过原油常压蒸馏生成的石脑油馏分(全馏程石脑油)；石脑油的轻馏分(轻石脑油)；石脑油的重馏分(重石脑油)；通过全馏程石脑油的脱硫作用而生成的脱硫全馏程石脑油；通过轻石脑油的脱硫作用而生成的脱硫轻石脑油；通过重石脑油的脱硫作用而生成的脱硫重石脑油；通过在异构化装置中将轻石脑油转化为异链烷烃而生成的异构化汽油；通过将低级烯烃加成到烃例如异丁烷上(烷基化) 而生成的烷基化物，通过催化重整过程而生成的重整汽油；通过从重整油中萃取芳香烃组分而得到的作为残渣的残余液；作为重整油的轻馏分的轻重整油；作为重整油的中间馏分的中间重整油；作为重整油的重馏分的重重整油；通过催化裂化或加氢裂化而生成的裂解汽油；裂解汽油的轻馏分；裂解汽油的重馏分；通过原油的常压蒸馏装置而生成的直馏瓦斯油和直馏煤油；在真空蒸馏单元中，通过处理由常压蒸馏装置所生成的直馏重油或渣油而生成的真空瓦斯油；通过催化裂化或加氢裂化真空重瓦斯油或脱硫重油而生成的催化裂化或加氢裂化瓦斯油和煤油；通过加氢精制前述石油烃所得的加氢精制瓦斯油，加氢脱硫瓦斯油或加氢精制煤油；以及通过FT(费-托)合成已被分解为一氧化碳或氢气的天然气而生成的GTL(气变液)的石脑油馏分，煤油馏分和瓦斯油馏分。

[0035]如果需要，本发明的燃料可含有已知的燃料添加剂。这些燃料添加剂的例子包括：摩擦改进剂例如羧酸和醇胺的酰胺化合物；清净-分散剂例如琥珀酰亚胺，聚烷基胺，和聚醚胺；抗氧剂例如N，N’-二异丙基-对苯二胺，N，N’ -二异丁基-对苯二胺，2，6-二-叔丁基-4-甲基苯酚和受阻酚；金属减活剂如胺羰基缩合物例如，N，N’-二亚水杨基-1，2-二氨基丙烷；表面着火抑制剂例如有机磷化合物；防冻剂例如多元醇及其醚；燃烧改进剂例如有机酸的碱或碱土金属盐和高级醇的硫酸酯；抗静电添加剂例如阴离子，阳离子，和两性表面活性剂；着色剂例如偶氮染料；防锈剂例如有机羧酸，它们的衍生物和烯基琥珀酸酯；排水剂例如山梨糖醇酐酯；十六烷值改进剂例如硝酸酯和有机过氧化物；润滑性改进剂例如基于羧酸-、酯-、醇-和苯酚-的润滑性改进剂；基于硅酮的消泡剂；低温流动改进剂例如乙烯醋酸乙烯酯共聚物和烯基琥珀酰亚胺；标记物(markers)如奎札因和香豆素；以及加味剂。这些添加剂可以单独或组合加入，并且期望被加入从而使得这些添加剂的总量以燃料总量为基准，为0.5质量％以下，更优选为0.2质量％以下。添加剂的总量为以它们的有效成分计的量。

[0036][实施例]

[0037]在下文中，本发明通过下述实施例和比较例进行了更详细的描述，但其不应被解释为限制本发明的范围。

[0038](1)实施例中所用的发动机

[0039](发动机规格)

[0040]发动机类型：排量为1998CC和压缩比为15的直列四缸HCCI发动机。发动机规格在文献“SAE2006-01-0207”(2006年4月公开)中进行了描述。

[0041]HCCI发动机在进气管中安装有增压器，并且在下述条件下在实施例和比较例中进行均质充气压缩点火燃烧的评价试验。

[0042](2)实施例和比较例中的实验条件

[0043]在下述实验条件A和B下进行实施例和比较例的测量。

[0044](2-1)实验条件A和B中共同的驱动条件

[0045]a)进气压力：130kPa(绝对压力)

[0046]b)进气温度：65℃

[0047](2-2)实验A中的驱动条件

[0048]发动机在1500rpm的发动机转速和600kPa/deg的最大压力上升率下被驱动。在这些驱动条件下，进行实验A，从而测量转矩、以及从10％高温热释放燃烧到90％高温热释放燃烧之间的期间，将其定义为“燃烧期”(单位：曲柄角)。

[0049](2-3)实验B中的驱动条件

[0050]发动机在1500rpm的发动机转速和70Nm的发动机转矩下被驱动，从而测量最大压力上升率和氮氧化物的排放量。

[0051](3)实施例和比较例中使用的燃料

[0052]实施例和比较例中使用燃料的性质列于如下表1和2中。比较例1 到3和实施例1到5的燃料是将比较例4的普通汽油与2号瓦斯油混合而制得的，并且它们的混合比例在表的下栏中列出。类似地，比较例5到7和实施例6 到10的燃料是通过将比较例4的普通汽油和3号瓦斯油混合而制得的。在实验条件A和B下用这些燃料进行发动机性能测试。

[0055](4)实验结果

[0056]实验结果在下表3中列出。

[0058](4-1)在实验条件A下测量的转矩和燃烧期的实验结果

[0059]当使用比较例4的普通汽油时，燃烧期较短并且最大转矩仅为 68Nm。然而，增加瓦斯油的混合比例会延长燃烧期并提高最大转矩。然而，过多的增大瓦斯油的混合比例会极度促进燃料的点火，并且在600kPa/deg下测量的转矩会很小。在实验条件A下实施例1到10的燃料能够提供80Nm以上的实际转矩，并且与比较例4的燃料相比，能够使转矩增加32％到100％。

[0060](4-2)在实验条件B下，最大压力上升率和NOx(氮氧化物)排放量的实验结果

[0061]普通汽油和瓦斯油的混合物使得能够在减低的最大压力上升率下驱动。例如，在1500rpm和70Nm下普通汽油的最大压力上升率为910kPa/deg。然而含有30％的2号瓦斯油的实施例3的燃料能够保持最大压力上升率低至 500kPa/deg。瓦斯油混合比例的进一步增大导致最大压力上升率增大(比较例1， 2，3，5，6和7)。结果，本发明的所有实施例1到10的燃料使得能够在700kPa/deg 以下的最大压力上升率下驱动。

[0062](4-3)热释放率的比较

[0063]图2表明在实验条件A下实施例3和比较例4的热释放率。从图2 中明显可以看出，实施例3的燃料燃烧的热值远大于比较例3和4的燃料。所有其他实施例的燃料的燃烧与实施例3的类似，并且与传统的汽油和瓦斯油相比可以显著改善发动机性能。

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