KR20120101419A - 연료 조성물 - Google Patents

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KR20120101419A
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윌리엄 제이. 칸넬라
비또리오 마넨트
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셰브런 유.에스.에이.인크.
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Abstract

본 발명은 95 내지 440 ℉의 비점을 갖는 연료 조성물에 관한 것이며, 연료 조성물은 (a) 적어도 7 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖는다.

Description

연료 조성물 {A FUEL COMPOSITION}
본 발명은 고급 연소 엔진 환경, 특히 부분 예비혼합 연소 (PPC) 방식으로 작동하는 환경에 사용되는 경우에 넓은 부하 범위에 걸쳐 고효율 및 허용될 수 있는 최대 실린더내 압력 상승률을 가지면서 매우 낮은 매연 및 낮은 NOx 방출을 제공하는 연료 조성물에 관한 것이다.
내연 엔진의 방출을 감소시키고 연료 절약을 개선시키는 데에 있어서의 계속된 세계적 강조 및 정부 입법은 고급 고효율의 청정 연소 엔진을 개발할 필요성을 유도하였다. 배기 후처리 시스템 (선택적 촉매 환원, 희박 NOx 트램 및 디이젤 미립자 필터와 같은)은 방출 목표 및 규제를 충족시키기 위해 배기 가스 방출을 저하시키도록 설계되고 상용화되어 왔다. 그러나, 이들 시스템은 차량의 중량을 증가시키며, 증가된 중량 및 시스템을 재생시키기 위한 연료를 사용하기 위한 필요성으로 인해 연료 절약을 최소화시킨다. 엔진 시동 시 방출의 감소는 이들 시스템의 크기를 감소시키고/거나 이에 대한 필요성을 제거한다. 세계적으로, 엔진 설계, 작동 조건, 및 이러한 목적을 달성하기 위한 연료 조성물을 확인하기 위한 많은 R&D 노력이 많은 산업, 정부 및 대학에서 진행 중이다. 고려되는 하나의 진전된 연소 접근법은 예비혼합 압축 착화 (HCCI)이며, 연료는 압축 착화를 통해 개시되는 연소의 출발 전에 공기와 연료의 균일 혼합물이 얻어질 수 있도록 엔진 내로 매우 초기에 주입된다. 상기 방법에 대한 하나의 현저한 단점은 연소 과정 및 높은 압력 상승을 조절하기가 어려우며; 뿐만 아니라, 열방출율이 허용될 수 없게 높은 소음 수준 및 잠재적 엔진 손상의 발생을 일으킨다는 점이다. 따라서, 현재, 허용될 수 있는 성능이 얻어질 수 있는 작동 속도-부하 범위가 매우 제한된다.
엔진 설계, 작동 조건 및 연료 조성물을 최적화시키기 위한 또 다른 접근법은 부분 예비혼합 연소 (PPC) 환경에서 연료를 사용하는 것이다. PPC 세팅에서, 연료 주입 시기는 상사점에 더 근접하며, 따라서 공기 및 연료는 연소 전에 완전히 혼합되지 않는다. 상기 계획을 고속의 냉각 배기가스 재순환/재생 (EGR)에 적용함으로써, 연소 이벤트가 일어나고, 낮은 매연 및 낮은 NOx가 발생한다. 예비혼합 압축 착화 (HCCI)와 비교하여, PPC 엔진 환경에서의 연소의 조절이 열방출율 및 최대 압력 상승률을 감소시키기 위한 가능성과 함께 회복된다.
부분 예비혼합 연소는 디이젤 엔진에 대한 NOx 및 매연을 감소시킬 수 있는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 이 때 까지, 연료 혼합물 중에서의 가장 우수한 시너지, 부분 예비혼합 연소 및 NOx 및 매연의 감소를 얻기 위해 특정 연료 조성물은 개발되지 않았다.
본 발명자들은 약 69 내지 약 99의 옥탄 요구치를 갖는 특정 가솔린 연료 조성물이 50%를 초과하는 높은 총 효율을 가질 수 있고, 넓은 부하 범위 (18 바아의 총 IMEP 이하 또는 초과)에 걸쳐 작동을 가능하게 하며, 압축 착화 엔진 환경에서 PPC-형 방식에 사용되는 경우에 NOx 및 매연의 현저한 감소를 제공함을 발견하였다. 추가로, 가솔린 비점 내에서, 연료 특성 및 특정 연료 조성물은 압력 상승률에 현저히 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며; 엔진 성능 연료 조성물은 허용될 수 있는 값을 유도하는 것으로 밝혀졌다. 가장 우수한 전체 성능은 7 부피%를 초과하는 n-파라핀 및 나프텐 함량의 총합을 갖는 연료로 달성되었다.
관련 기술의 설명
1998년에 Nissan은 이들이 MK-연소로 부르는 PPC-형 방법을 사용하여 제한된 수의 디이젤-연료 차량을 생산하였다. 그러나, PPC 작동이 만족스럽게 작동시키는 작동 범위는 매우 제한되었고, 이들 엔진의 생산은 중단되었다.
최근에, Noehre 등 (SAE paper 2006-01-3412)은 PPC-형 방식 하에 작동되는 스카니아 D12 디이젤 엔진에 사용되는 디이젤 연료를 사용하여 비교적 낮은 NOx 및 매연을 달성하였다. 그러나, 15 바아의 IMEP의 중간 내지 높은 부하를 달성하기 위해, 거의 비현실적인 고수준의 EGR (약 70%), 4.0 바아의 높은 부스트 압력 및 12:1의 비교적 낮은 압축비를 사용하는 것이 필요하다. 상기 압축비의 결과로서, 엔진 효율은 저하되었다.
더욱 최근에, Kalghatgi 등 (SAE papers 2006-01-3385 및 2007-01-0006)은 매연 수준을 저하시키고 위해 PPC-형 작동에서 고옥탄 가솔린을 사용하는 것을 제안하였다. 이들의 연구에서, 14:1의 압축비를 갖는 스카니아 D12 대형 CI 엔진에서, 이들은 단지 94.7의 RON을 갖는 프리미엄 가솔린을 시험하였다. 탄화수소 및 CO 수준은 2 g/kWhr을 초과하는 값으로 비교적 높았다.
유사하게, Manente 등 (SAE paper 2009-01-0944)은 스카니아(Scania) D12 대형 CI 엔진에서 프리미엄 가솔린 (98의 RON)을 시험하고, 45%의 총 특정 효율을 얻었으며, 이는 디이젤 연료에 대한 효율과 동등한 것이다. NOx 수준은 디이젤에 대한 것보다 더 낮지만, 여전히 연료, 유로 VI 및 US 2010 규제 제한을 초과하고, 따라서 여전히 NOx 배기 후처리 시스템을 필요로 하는 약 0.7 g/kwhr의 수준에 있다. 탄화수소 및 CO 수준은 또한 각각 약 0.5 및 6.0 g/kWhr의 수준으로 높았다. 상기 문헌의 처음에, Manente 등은 작업이 압축 착화 엔진에 대한 가장 우수한 연료가 고옥탄가를 가져야 함을 입증함을 규정하였다.
Kalghatgi 등 및 Manente 등과 같은 연구자가 프리미엄 가솔린이 PPC-형 작동에서 디이젤 연료보다 더 낮은 NOx 및 매연 수준을 제공할 수 있음을 입증하였지만, 프리미엄 가솔린 만큰 높은 옥탄가를 갖는 연료는 전시간 작동을 가능하게 하도록 속도 부하 작동 범위의 충분한 확장을 허용하는 최적 연료가 아닐 수 있다. 또한, 연료 화학 및 조성은 옥탄가보다는 최적 성능에 대한 중요한 파라미터일 수 있다.
본 발명은 고급 연소 엔진 환경, 특히 부분 예비혼합 연소 (PPC) 방식으로 작동하는 환경에 사용되는 경우에 넓은 부하 범위에 걸쳐 고효율 및 허용될 수 있는 최대 실린더내 압력 상승률을 가지면서 매우 낮은 매연 및 낮은 NOx 방출을 제공하는 연료 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
하나의 구현예에서, 본 발명은 고급 연소 엔진, 특히 부분 예비혼합 연소 방식으로 작동되는 압축 착화 엔진에서 더 우수한 성능 및 더 넓은 속도 부하 작동 범위를 가능하게 하는 연료 조성물에 관한 것이다.
하나의 구현예에서, 본 발명은 95 내지 440 ℉의 비점을 갖는 연료 조성물에 관한 것이며, 연료 조성물은 (a) 적어도 7 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합 및 (b) 약 93 이하의 RON을 가지며, 연료는 고급 연소 엔진에 사용된다.
하나의 구현예에서, 본 발명은 하기의 특징을 포함하여 내연 엔진을 작동하는 방법에 관한 것이다:
i. 내연 엔진에서 연료 조성물을 사용하며, 연료 조성물이 (a) 95 내지 440 ℉의 비점을 갖고, 연료 조성물이 (b) 7 부피% 이상의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖고, (c) RON이 약 93 이하이고;
ii. 내연 엔진을 작동하며, 압축비가 약 16:1 내지 약 20:1이고, 내연 엔진이 부분 예비혼합 연소 조건 하에 작동되고;
iii. 연료 조성물은 적어도 18 바아 이하의 총 IMEP의 부하에서 사용되고, 엔진 시동 시 NOx 방출이 불과 0.35 g/kWhr; (0.3 g/kWhr)이며;
iv. 배기가스 재순환율은 60 부피% 미만이다.
본 발명자들은 50%를 초과하는 매우 고효율; 0.3 g/kWhr 미만의 매우 낮은 NOx 수준; 15 바아/CAD 이하의 허용될 수 있는 실리더내 최대 압력 상승률 및 허용될 수 있는 매연 수준을 가능하게 하는 연료 조성물을 발견하였다.
도 1은 파일럿 분사로 주입되는 총 연료의 비율을 나타낸 것이다.
도 2는 사용되는 엔진 부스트 압력을 나타낸 것이다.
도 3은 연소실 내로 주입되는 공기의 입구 온도를 나타낸 것이다.
도 4는 사용되는 배기가스 재생 (EGR) 수준을 나타낸 것이다.
도 5는 시험되는 연료로 얻어지는 엔진 효율을 나타낸 것이다.
도 6은 시험되는 연료로 얻어지는 연소 효율을 나타낸 것이다.
도 7는 시험되는 연료에 대한 엔진 시동 시 NOx 방출을 나타낸 것이다.
도 8은 시험되는 연료에 대한 엔진 시동 시 CO 방출을 나타낸 것이다.
도 9는 시험되는 연료에 대한 엔진 시동 시 탄화수소 방출을 나타낸 것이다.
도 10은 시험되는 연료에 대한 매연 방출을 나타낸 것이다.
도 11은 시험되는 연료에 대해 얻어지는 실린더내 최대 압력 상승률을 나타낸 것이다.
도 12는 최대 압력 상승률과 연료 조성 사이에 발견된 상관관계를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적 형태가 가능하지만, 이들의 특정 구현예가 본원에 상세히 기술된다. 그러나, 본원에서 특정 구현예들의 기술은 본 발명을 기술된 특정 형태로 제한하려는 것이 아니지만, 대조적으로, 의도는 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변형, 균등물 및 대안을 포괄하려는 것임이 이해되어야 한다.
정의
RON - 옥탄 요구치는 600 rpm의 엔진 속도 및 기압에 의존하는 특정 흡기 온도에서 특수하게 설계된 단일 실린더 CFR 엔진에서 측정된다. 이는 저심각도 엔진 작동 하의 연료 성능을 시뮬레이션한다고 보고되어 있다.
MON- 모터 옥탄가는 900 rpm의 엔진 속도 및 100℉의 흡기 온도에서 특수하게 설계된 단일 실린더 CFR 엔진에서 측정된다. 이는 높은 속도 또는 높은 부하에서 발생할 수 있는 더욱 심각한 작동을 모의한다고 보고되어 있다. 실제로, 가솔린의 옥탄은 RON 및 MON의 평균 또는 R+M/2로서 자주 보고되어 있다.
연료 조성물
본 발명의 하나의 구현예는 본 발명의 연료들이 고급 연소 엔진에서 부분 예비혼합 연소 방식으로 사용되는 경우에, 특히 통상적인 디이젤 연료 조성물 및 프리미엄 가솔린 (RON > 94)과 비교할 경우에, (a) NOx의 상당한 감소, (b) 매연 방출의 감소, 및 (c) 고효율을 제공하는 연료 조성물에 관한 것이다. 바람직하게는, 연료 조성물은 부분 예비혼합 연소 조건 하에 디이젤-형 엔진에 사용되는 가솔린-형 연료 조성물이다. 또한, 본 발명의 특정 연료 조성물에 대해, 적정한 최대 압력 상승률이 얻어지며, 따라서 엔진이 고급 연소 조건 하에 만족스럽게 구동될 수 있는 범위를 상당히 확장시킨다.
본 발명의 하나의 구현예에 사용되는 연료 조성물은 적어도 7 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖는다.
하나의 구현예에서, 연료 조성물은 바람직하게는 약 93 이하의 RON 및 적어도 7 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 연료 조성물은 약 90 이하의 RON 및 적어도 15 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖는다.
연료 조성물의 제조 방법
본 발명에 사용되는 연료는 상업적인 정제소에서 얻어지며, 일부 경우에, n-헵탄 또는 에탄올이 첨가된다. 이들 연료의 제조를 위한 대표적 공정과 조건에 대한 정보는 William Leffler에 의한 "Petroleum Refining" (PennWell Corp, 2000)에서 찾을 수 있다.
엔진 조건
본 발명의 연료는 고급 엔진 연소 환경에서 사용된다. 이러한 연소 환경은 대표적으로 연소된 연료를 발생시키고, 초저 NOx 방출 (예를 들어, 0.35 g/kWhr 미만) 또는 낮은 매연(예를 들어, 5 미만의 FSN) 또는 둘 모두를 발생시킨다. 낮은 NOx 방출 또는 낮은 매연 또는 둘 모두를 발생시키는 것 이외에, 이들 연료는 하기 기술되는 바와 같은 엔진 환경에 사용된다.
바람직하게는, 엔진 부하는 적어도 약 18 바아의 총 도시 평균 유효 압력 (IMEP) 이하이었다. 더욱 바람직하게는, 엔진 부하는 적어도 약 16 바아의 총 IMEP 이하이었다.
또한, 본 발명의 하나의 구현예에서, 상기 언급된 연료 조성물은 내연 엔진에서 사용되며, 엔진 부하가 적어도 12 바아의 총 IMEP 이하인 경우, 바람직하게는 엔진 시동 시 NOx 수준은 불과 0.35 g/kWhr 이하이다. 더욱 바람직하게는, 엔진 부하가 적어도 최대 약 12 바아의 총 IMEP 이하인 경우, 상기 엔진 시동 시 NOx 수준은 불과 0.3 g/kWhr이다.
또한, 본 발명의 하나의 구현예에서, 상기 언급된 연료 조성물은 약 16:1 내지 약 20:1의 압축비를 갖는 내연 엔진에 사용된다. 더욱 바람직하게는, 압축비는 약 17:1 내지 19:1이다. 가장 바람직하게는, 상기 압축비는 18:1이다.
본 발명의 하나의 구현예에서, 상기 언급된 연료 조성물은 바람직하게는 배기 가스 재순환율이 60 부피% 미만인 내연 엔진에서 사용된다. 더욱 바람직하게는, 배기 가스 재순환율은 55 부피% 미만이다.
하나의 구현예에서, 상기 언급된 연료 조성물은 바람직하게는 최대 압력 상승률이 약 15 바아/크랭크 각도(CAD) 미만인 내연 엔진에서 사용된다. 더욱 바람직하게는, 최대 압력 상승률은 약 13 바아/CAD 미만이다.
하기 실시예는 본 발명의 특정 구현예를 예시하기 위해 제공되며, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 이해되지 않아야 한다.
실시예
엔진 파라미터 및 작동 조건
실험 동안 사용한 엔진은 대형 단일 실린더 압축 착화 엔진인 스카니아 D12이었다. 실린더 헤드는 평평하며, 사용한 피스톤은 얇은 통형이었다. 기하학적 특성은 표 1에서 발견할 수 있다. 엔진은 외부 공기배관으로부터 압축 공기를 사용하여 부스팅하였으며; 입구 압력을 웨이스트 게이트 밸브를 사용하여 조절하였다. 흡입 매니폴드 앞에 위치한 가열기 (Leister)를 사용하여 공기를 바람직한 입구 온도로 가열하였다.
<표 1>
Figure pct00001

엔진을 100 및 1300 rpm의 속도에서 1-12 바아의 총 IMEP 사이에서 부하 스위프를 수행함으로써 구동시켰다.
스카니아 D12 엔진에 Bosch로부터의 초기 커먼 레일 분사 시스템을 장착하였다. 통상의 노즐을 포괄적 각이 120o인 노즐로 교체하였다. 노즐은 8개의 오리피스를 가졌으며; 오리피스의 직경은 0.18㎜이었다. 연료 유량을 Sartorius로부터의 두자리 정밀도를 갖는 비중계를 사용하여 측정하고, 각각의 작동 시점을 적어도 2 분 동안 샘플링하였다.
주입 방법은 1 또는 2개의 연료 주입 지점을 사용하여 연료 또는 에탄올을 엔진의 연소실 내로 주입시키는 것으로 구성된다. 사용되는 경우, 제 1 또는 파일럿 분사 지점을 매우 초기에 압축 행정 사이클에 위치시켜서 균일 혼합물을 생성시키면서, 제 2 지점을 상사점 근처에서 주입하여 연소 이벤트를 유발시켰다. 파일럿 분사에서 연료량은 부하에 무관하며; 이는 단지 압축비, 연료 반응성 및 EGR 수준의 함수이다. 사용되는 경우, 파일럿 분사는 항상 -60 상사점 (TDC)에서 일어났다. 부하가 증가됨에 따라, 파일럿 분사량은 감소하였다. 파일럿 분사로 주입되는 총 연료의 비율을 도 1에 도시하였다. 입구 압력을 부하에 따라 조절하였으며, 2 바아의 총 IMEP 미만의 부하에서 절대 1.25-1.5 바아의 부스트 압력의 값은 12 바아의 총 IMEP 부하에서 절대 2.25 바아의 값으로 증가하였다. 특정 부스트 압력 값을 도 2에 플롯팅하였다. 이들 부스트 압력은 오늘날 현재 차량 사용에서 터보 과급기 시스템에 의해 얻을 수 있다. 입구 온도를 조절하여 부하 스위프 동안 내내 모든 연료를 사용하여 안정한 연소를 유지시켰다. 이들 값을 도 3에 플롯팅하였다. NOx를 최고 부하 (즉, 12 바아의 총 IMEP)에서 0.40 g/kWh 미만으로 유지시키기 위해, 약 35% 내지 약 50%의 EGR을 도 4에 도시된 바와 같이 모든 연료에 사용하였다. 이들 EGR 값은 적정하고 실현가능하여 통상의 시스템이 오늘날 차량에 사용되도록 한다. 상기 문헌에 사용되는 EGR은 흡입 및 배기에서 이산화탄소의 비로서 정의된다. 배기가스를 흡입에 도입시키기 전에 냉각시켰다.
방출 측정 시스템
방출을 Cussons 기체 분석 시스템을 사용하여 측정하였다. CO 및 CO2를 비분산성 적외선 분석기에 의해 측정하였고; O2를 상자성 분석기로 측정하였으며; 총 탄화수소를 가열 불꽃 이온화 검출기로 측정하였다. 화학발광 분석기를 사용하여 NOx를 측정하였으며, 연기를 AVL 415 광투과식 매연측정기로 측정하였다. 각각의 분석기를 매회 측정 세팅 전에 적절한 캘리브레이션 가스로 보정하였다.
연료
가솔린 범위의 비점 (즉, 95 내지 440 ℉)을 갖는 9가지의 연료를 시험하였다. 이들 연료의 주요 특성을 표 2에 기재하였다.
<표 2>
Figure pct00002
9가지 연료를 1000 및 1300 rpm의 엔진 속도에서 0.5-12.5 바아의 총 IMEP로부터 부하 스위프를 통해 시험하였다. 엔진 하드웨어는 시험된 최고 부하를 제한하였다. 실시예 1, 4, 6 및 7의 고반응성으로 인해, 단지 하나의 주입 지점을 이들 연료에 대해 사용하였다.
결과
효율
엔진 (즉, 엔진 성능)의 효율은 내연 엔진에 사용되는 연료에 의존하는 중요한 파라미터이다. 9가지 연료에 대한 부하의 함수로서 총 고시효율을 도 5에 플롯팅하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 2-3 바아의 총 IMEP 보다 높은 부하에 대해 효율은 연료 모두에 대해 49%보다 높았다. 가장 우수한 효율은 고옥탄 프리미엄 가솔린 및 디이젤 연료에 대해 Kalghatgi 등 및 Manente 등에 의해 보고된 것보다 현저히 더 높았다.
57% 만큼 높은 효율 값이 얻어졌다. 일반적으로, 최고 총 고시효율을 갖는 본 연구에서의 연료는 실시예 5, 6 및 7의 연료이며, 이들은 최고 옥탄 연료가 아니다.
도 6은 연소 효율이 항상 5 바아의 IMEP보다 높은 부하에 대해 97%보다 높음을 나타낸다. 이는 EGR 수준이 최고 부하에서 약 50%이고, 대표적으로 이들 조건에서 효율이 감소함을 고려한 주목할 만한 결과이다.
방출
총 고시 NOx 방출을 도 7에 나타내었다. 50% EGR 및 18:1의 압축비를 모든 연료에 사용하였다. 본 발명의 연료에 대해, 이들 엔진 작동 조건은 12 바아의 총 IMEP에서도 0.35 g/kWh 미만의 매우 낮은 NOx 수준을 발생시켰다. 부하를 감소시키면, 연소 엔진 내의 더 낮은 연소 온도로 인해, NOx가 또한 감소하였다. 일부 경우에, 예를 들어 실시예 2에서, NOx는 방출이 전력에 비례하여 프롯팅되기 때문에 더 낮은 부하에서 증가하며, 이는 효율이 감소하는 경우에 특정 방출이 증가함을 의미한다.
높은 연소 효율 때문에, CO 및 HC의 낮은 값이 연료 모두에 대해 얻어졌다 (각각 도 8 및 도 9 참조). 이들 값은 프리미엄 가솔린 및 디이젤 연료에 대해 Kalghatgi 등 및 Manente 등에 의해 얻어지는 값보다 현저히 더 낮다. 본 발명의 연료가 사용되는 경우에 얻어지는 CO 및 NOx의 낮은 값은 PPC 방식으로 연소되는 중간 내지 고옥탄가 연료의 사용으로, 1500 내지 2000 [K]의 온도 범위에서 연료-공기 혼합물을 연소시키는 것이 가능함을 나타내는 것이다.
CO로부터 CO2로의 반응을 촉진시키기 위해 1500 [K]보다 높은 연소 온도가 필요하며; 본질적으로 연소 온도를 2000 [K] 미만으로 유지시키는 것이 중요하다.
매연 수준은 약 6 바아의 총 IMEP의 부하 까지 연료 모두에 대해 매우 낮다 (<1 FSN). 도 10에 도시된 바와 같이, 부하가 12 바아의 총 IMEP 까지 증가함에 따라, 연료에 대한 매연 수준은 1000 rpm의 속도에서 0.1 내지 3.1 FSN 및 1300 rpm의 속도에서 0.2-5 FSN의 값의 수준으로 증가하였다. 최적화된 흐름 운동과 조합된 각각 다른 주입 시스템의 사용은 훨씬 더 낮은 매연 값을 가능하게 한다. 이들 엔진 시동 시 값은 공통의 통상의 디이젤 미립 필터가 정부 방출 규제를 충족시키기 위해 추가로 처리될 수 있을 정도로 충분히 낮다.
12 바아의 총 IMEP의 최고 부하 지점에서의 최저 매연 값이 실시예 4 및 비교 실시예 1에서의 연료에 대해 얻어졌다. 에탄올은 이의 분자량 때문에, 0.06 FSN 미만의 매연을 가졌다.
엔진 잡음/최대 압력 상승률
고부하에서의 부분 예비혼합 연소 및 HCCI와 같은 고급 연소 시스템의 주요 도전 중 하나는 엔진 소음 및 잠재적 엔진 손상에 관련하는 최대 압력 상승률이다. 이전 연구의 작동 범위는 최대 압력 상승률 및 엔진 잡음의 허용될 수 없는 수준으로 인해 중간 부하로 제한되었다. 현재의 연구에서 최대 압력 상승률은 부하의 함수로서 도 11에 플롯팅되어 있다. 대형 엔진에 대해, 15 바아/CAD 이하의 최대 압력 상승률이 적정하다. 본 발명자들은 최대 압력 상승률이 상승률 대 n-파라핀 및 나프텐 함량의 총합을 플롯팅한 도 12에 도시된 바와 같이 연료의 특성과 상관하는 것으로 보임을 발견하였다. 본 발명자들은 7 부피% 이상의 n-파라핀 및 나프텐 함량의 총합을 갖는 연료가 허용될 수 있는 압력 상승률 (즉, 15 바아/CAD 미만)을 제공함을 발견하였다. 17 바아/CAD를 초과하는 압력 상승률을 갖는 가장 불량한 성능 연료는 비교 실시예 1 및 2이었다. 이들 연료는 7 부피% 미만의 n-파라핀 및 나프텐 함량의 총합을 갖는 2가지 연료이다.
따라서, 본 발명자들은 적정한 압력 상승률 (높은 총 효율 및 매우 낮은 NOx 방출과 함께)이 고급 연소, 특히 7 부피%를 초과하는 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 함유하는 가솔린-형 연료를 사용하는 부분 예비혼합 연소 세팅에서 광범위한 부하 조건에 걸쳐 얻어질 수 있음을 발견하였다.

Claims (15)

  1. 95 내지 440 ℉의 비점을 갖는 연료 조성물로서, 상기 연료 조성물이 (a) 적어도 7 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합 및 (b) 약 93 이하의 RON을 가지며, 상기 연료가 고급 연소 엔진에 사용되는, 연료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고급 연소 엔진이 부분 예비혼합 연소 방식으로 작동되는, 연료 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 조성물이 적어도 15 부피%의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖는, 연료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 조성물이 약 85 이하의 RON을 갖는, 연료 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 조성물이 약 80 이하의 RON을 갖는, 연료 조성물.
  6. 내연 엔진의 작동 방법에 있어서,
    i. 내연 엔진에서 연료 조성물을 사용하는 단계로서, 상기 연료 조성물이 (a) 95 내지 440 ℉의 비점을 갖고, 상기 연료 조성물이 (b) 7 부피% 이상의 n-파라핀 및 나프텐의 총합을 갖고, (c) RON이 약 93 이하이고;
    ii. 내연 엔진을 작동시키는 단계로서, 상기 압축비가 약 16:1 내지 약 20:1이고, 상기 내연 엔진이 부분 예비혼합 연소 조건 하에 작동되는 단계를 포함하고,
    iii. 상기 연료 조성물은 적어도 18 바아 이하의 총 IMEP의 부하에서 사용되고, 엔진 시동 시 NOx 방출이 불과 0.35 g/kWhr이며;
    iv. 배기가스 재순환율은 60 부피% 미만인, 내연 엔진의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내연 엔진이 50% 초과의 총 효율을 갖는, 내연 엔진의 작동 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 내연 엔진이 약 17 바아/크랭크 각 미만의 최대 압력 상승률을 갖는, 내연 엔진의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 최대 압력 상승률이 약 15 바아/CAD 미만인, 내연 엔진의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 최대 압력 상승률이 약 13 바아/CAD 미만인, 내연 엔진의 작동 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 내연 엔진이 작동되며, 상기 배기가스 재순환율이 55 부피% 미만인, 내연 엔진의 작동 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 엔진 시동 시 NOx 방출이 불과 0.3 g/kW-hr인, 내연 엔진의 작동 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 연료 조성물이 12 바아 이하의 총 IMEP의 부하에서 사용되는, 내연 엔진의 작동 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 내연 엔진이 약 17:1 내지 약 19:1의 압축비로 작동되는, 내연 엔진의 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내연 엔진이 18:1의 압축비로 작동되는, 내연 엔진의 작동 방법.
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