專利名稱：在最低燃料消耗下減少柴油發(fā)動機(jī)的NO_x排放的組合物和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及柴油和發(fā)動機(jī)性能，并且更特別地，涉及用于在最低燃料消耗下減少柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的組合物和方法。
背景技術(shù)：
燃料特性通過其對與射流穿透、卷吸以及燃料-空氣混合相關(guān)的物理過程的影響，以及通過對與燃料化學(xué)、芳烴、分子量和添加劑濃度相關(guān)的燃燒化學(xué)的改變而影響柴油發(fā)動機(jī)的性能和排放性能。對超低含氮氧化物(NOx)的發(fā)動機(jī)排放目標(biāo)以及全球市場上可購得的燃料的變化的持續(xù)關(guān)注導(dǎo)致需要對由燃料特性波動而引起的發(fā)動機(jī)性能變化的更
深理解。可使用均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃(HCCI)和相關(guān)的先進(jìn)燃燒控制策略，例如部分預(yù)混充量壓縮點(diǎn)燃(PCCI)來影響壓縮點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)中的低溫燃燒(LTC)。這些發(fā)動機(jī)操作的LTC模式允許低燃料消耗和低廢氣排放、特別是NOx和煙氣或顆粒物的可能性。所述LTC模式以至少部分空氣-燃料混合物是均質(zhì)蒸汽和在相對低溫度下發(fā)生初始放熱為特征。在LTC模式下的操作具有約0. 2至2. 0的局部當(dāng)量比和1500至2100開爾文(Kelvin)的局部溫度。已經(jīng)報(bào)道了評價柴油特性改變對發(fā)動機(jī)排放的影響的一些研究。這些研究中的很多對于重要的燃料特性對發(fā)動機(jī)性能的定向影響提出了沖突的結(jié)果，其中一些的解釋是由于收集數(shù)據(jù)的NOx水平和發(fā)動機(jī)操作條件中的顯著性差異。通過對HCCI發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)，Bunting, B. G.，Crawford, R. ；ffolf, L.;和 Xu, Y.在 2007 年 10 月伊利諾斯州芝加哥的動力系和流體系統(tǒng)會議和展覽會(Powertrain and Fluid Systems Conferenceand Exhibition)上的“通過主成分分析測定柴油特性、化學(xué)和HCCI發(fā)動機(jī)性能之間的關(guān)系，，(“The Relationship of Diesel Fuel Properties, Chemistry, and HCCI EnginePerformance as Determined by Principal Component Analysis”)， SAE 論文編號2007-01-4059，發(fā)現(xiàn)指示的燃料消耗由燃料含能量控制，而點(diǎn)火特征受十六烷值影響，并且燃料和發(fā)動機(jī)特征必須匹配以實(shí)現(xiàn)最佳性能。所述問題被燃料之間通常高度的混雜而復(fù)雜化，使得其難以分離出將單個作用。例如，Rosenthal, M. L. Bendinsky, T.在1993年10月賓夕法尼亞州費(fèi)城的燃料和潤滑劑會議和博覽會(Fuels and Lubricants Meeting andExposition)上，“燃料特性和化學(xué)對低排放重型柴油發(fā)動機(jī)的排放和放熱的影響”(“TheEffect of Fuel Properties and Chemistry on the Emissions and Heat Release ofLow-Emission Heavy Duty Diesel Engines”)，SAE 論文編號 932800，斷定芳徑含量是推動NOx和顆粒物(即煙氣)排放的主要燃料參數(shù)。然而，之后，Ullman，T. L. ,SpreemK. B.，Mason, R. L.在1995年2月的“從1998重型柴油發(fā)動機(jī)樣機(jī)排放得出的十六烷值的影響(“Effects of Cetane Number of Emissions From A Prototype 1998 Heavy-Duty DieselEngine”)，SAE論文編號950251，報(bào)導(dǎo)了增加十六烷值使重型發(fā)動機(jī)中全部規(guī)定的排放下降。如前述研究舉例說明的，通過嘗試表征燃料對發(fā)動機(jī)性能的影響以及操作條件和燃燒系統(tǒng)可能影響相關(guān)趨勢的程度而試圖在最低燃料消耗下減少NOx排放在存在內(nèi)在挑戰(zhàn)。在大范圍的柴油發(fā)動機(jī)中，量化相對重要的燃料特性例如十六烷值、蒸餾曲線、芳烴濃度、以及其它特性是相當(dāng)困難的。盡管過去的成就有助于提供合理了解燃料對普通高N0X&動機(jī)和HCCI系統(tǒng)的影響，但是關(guān)于不使用HCCI燃燒技術(shù)和使用超低硫柴油(ULSD)的先進(jìn)的超低NOx燃燒系統(tǒng)(低于15ppm硫含量)，可獲得的文獻(xiàn)相當(dāng)有限。因此，高度期望研發(fā)一種用于在最低燃料消耗下減少來自在低溫燃燒模式下操作的柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的有效方法。還將期望提供一種柴油燃料組合物，其在最低燃料消耗下有效減少來自在低溫燃燒模式下操作的柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實(shí)施方式中，本發(fā)明針對一種用于在最低燃料消耗下減少來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的方法，其中所述柴油發(fā)動機(jī)在低溫燃燒模式下操作，所述方法包含在所述柴油發(fā)動機(jī)中加入具有如下組合的至少一種柴油燃料或柴油燃料的摻合組分的步驟在190°C至280°C范圍內(nèi)的低T50，在31至60范圍內(nèi)的高十六烷值和減少排放有效量的無氮十六烷值改進(jìn)劑。在另一方面，本發(fā)明提供一種用于在最低燃料消耗下減少來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的柴油燃料組合物，其中所述柴油發(fā)動機(jī)在低溫燃燒模式下操作，所述組合物包含具有如下組合的至少一種柴油燃料或柴油燃料的摻合組分在190°C至280°C范圍內(nèi)的低T50，在31至60范圍內(nèi)的高十六烷值和減少排放有效量的無氮十六烷值改進(jìn)劑。通過在柴油發(fā)動機(jī)中加入本發(fā)明的柴油燃料組合物，本發(fā)明的方法在最低燃料消耗下將來自在低溫燃燒模式下操作的柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放有效地減少至少10%。


圖I包含開發(fā)選擇理想燃料的模型的各種燃料的蒸餾曲線圖。圖2是歸一化燃料NOx比排放的估計(jì)值相對于測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性的圖。圖3是歸一化煙氣排放的估計(jì)值相對于測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性的圖。圖4是歸一化總指示比燃料消耗的估計(jì)值相對于測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性的圖。圖5是歸一化氣缸峰值壓力的估計(jì)值相對于測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性的圖。圖6是50%累積放熱的歸一化曲柄角的估計(jì)值與測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性的圖。圖7是各自獨(dú)立的發(fā)動機(jī)控制和燃料特性在其對歸一化燃料NOx比排放的影響方面的估算模型系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤差的比率的圖。圖8是各自獨(dú)立的發(fā)動機(jī)控制和燃料特性在其對歸一化煙氣排放的影響方面的估算模型系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤差的比率的圖。圖9是各自獨(dú)立的發(fā)動機(jī)控制和燃料特性在其對歸一化總指示比燃料消耗的影響方面的估算模型系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤差的比率的圖。圖10是各自獨(dú)立的發(fā)動機(jī)控制和燃料特性在其對歸一化氣缸峰值壓力的影響方面的估算模型系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤差的比率的圖。圖11是各自獨(dú)立的發(fā)動機(jī)控制和燃料特性在其對50%累積放熱的歸一化曲柄角的影響方面的估算模型系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤差的比率的圖。圖12是兩種燃料在燃料特性和發(fā)動機(jī)控制對N0x-gisfc折衷的影響方面的歸一化gisfc相對于歸一化fsN0x的圖。圖13是根據(jù)T50和進(jìn)氣側(cè)氧濃度(分別在Y和X軸上)，歸一化燃料NOx比排放(在Z軸上)的等值線圖。圖14是根據(jù)T50和十六烷值(分別在Y和X軸上)，歸一化燃料NOx比排放(在Z軸上)的等值線圖。 圖15是根據(jù)T50和進(jìn)氣側(cè)氧濃度(分別在Y和X軸上)，歸一化煙氣(在Z軸上)的等值線圖。圖16是根據(jù)T50和蒸餾曲線斜率(分別在Y和X軸上)，歸一化煙氣(在Z軸上)的等值線圖。圖17是根據(jù)十六烷值和空氣-燃料比(分別在Y和X軸上)，歸一化總指示比燃料消耗(在Z軸上)的等值線圖。圖18是根據(jù)T50和十六烷值(分別在Y和X軸上)，歸一化燃料NOx比排放(在Z軸上)的等值線圖。圖19是根據(jù)十六烷值和噴射啟動命令(分別在Y和X軸上)，歸一化比燃料消耗(在Z軸上)的等值線圖。
具體實(shí)施例方式為滿足常用燃料規(guī)格，例如揮發(fā)性和十六烷值，煉油廠必須將來自煉廠的各種裝置的若干煉廠油料摻合。例如，在非常簡化的水平下，修改沸點(diǎn)曲線的主要方法是通過加入多環(huán)芳烴油料，而修改十六烷值的主要方法是加入單環(huán)芳烴或多環(huán)芳烴以及使用十六烷改進(jìn)劑。然而，在滿足燃料規(guī)格時，可能顯著改變?nèi)剂匣瘜W(xué)。另外，燃料規(guī)格很少孤立改變，滿足一個特性的一種規(guī)格的動力可能具有對其它指定特性的不良影響?；旌先剂鲜且婚T復(fù)雜的科學(xué)，并且很少可能更改單個特性而不更改其它特性。這使得其難以精確地獲得計(jì)劃的燃料并且導(dǎo)致很多燃料-相關(guān)的特性彼此相關(guān)，尤其是用為數(shù)有限的燃料時。因此，在本發(fā)明中，對于任何回歸分析，如果燃料變量在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中高度相關(guān)，則不能分離出單個燃料變量的影響。本發(fā)明涉及柴油特性對柴油發(fā)動機(jī)、特別是在超低NOx水平下操作的輕型柴油發(fā)動機(jī)的燃燒和排放性能的影響。另外，本發(fā)明區(qū)分了燃料特性和發(fā)動機(jī)控制的影響，并分離出燃料揮發(fā)性、點(diǎn)火性能和蒸餾溫度范圍中的離散度(如下定義，其由蒸餾曲線的斜率表示)的各自貢獻(xiàn)，并且證明NOx和煙氣排放受中餾溫度、十六烷值和十六烷值改進(jìn)劑的影響。還應(yīng)該注意，在本發(fā)明的實(shí)踐中，未燃燒的烴、顆粒物質(zhì)和一氧化碳的排放低于法定排放限。
為確定本發(fā)明的發(fā)動機(jī)輸出與燃料和發(fā)動機(jī)控制桿之間的函數(shù)關(guān)系而開發(fā)的基于回歸的多變量模型表明，通過減少燃料的多環(huán)芳烴含量而實(shí)現(xiàn)的較低的中餾溫度提供NOx和煙氣排放的顯著減少。增加十六烷值與降低單環(huán)芳烴含量相關(guān)聯(lián)，提供減少NOx排放的些少效益。然而，使用無氮的十六烷改進(jìn)劑提供大得多的NOx排放減少。燃料特性對總指示比燃料消耗(“gisfc”)僅存在少許直接影響，但對排放和燃料消耗的同時校正制衡了“有利的”燃料特性，能夠得到顯著的間接效益。本發(fā)明還證明，從歸回模型來看，燃料特性對選擇放熱特性例如氣缸峰值壓力(“pep”)的影響、以及對燃燒相的影響并不顯著。在本發(fā)明中，同時選擇燃料特性值和發(fā)動機(jī)控制設(shè)置以提供NOx排放和燃料消耗折衷的最佳組合，其表明燃料消耗和NOx排放分別從基準(zhǔn)ULSD顯著改進(jìn)大約7%和20%的程度。因此，本發(fā)明針對一種用于在最低燃料消耗下減少來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的新柴油燃料組合物和方法，其中所述柴油發(fā)動機(jī)在低溫燃燒模式下操作。根據(jù)本發(fā)明，所述柴油燃料組合物包含具有如下組合的至少一種柴油燃料或柴油燃料的摻合組分在190°C至280°C范圍內(nèi)的低T50、在31至60范圍內(nèi)的高十六烷值和減少排放有效量的無氮十六烷改進(jìn)劑，并且將其加入柴油發(fā)動機(jī)中。
在局部燃燒溫度在約1500至2100開爾文(Kelvin)的范圍內(nèi)并且局部當(dāng)量比在約0.2至2.0的范圍內(nèi)時，柴油發(fā)動機(jī)在低溫燃燒(LTC)模式下操作。根據(jù)本發(fā)明，所述LTC模式可通過如下方法柴油發(fā)動機(jī)的以下獨(dú)立發(fā)動機(jī)控制的每一個設(shè)值而實(shí)現(xiàn)(i)建立一些燃料特性輸入，所述燃料特性輸入各自代表燃料的蒸餾溫度、燃料的十六烷值以及燃料的蒸餾斜率中至少一種；(ii)建立一些發(fā)動機(jī)性能輸入，所述發(fā)動機(jī)性能輸入各自對應(yīng)于下列的至少一種每氣缸燃料量、燃料定時、燃料和空氣之間的比率、燃料壓力、氣體溫度、氣體壓力、EGR流量、發(fā)動機(jī)氣流的氧含量、發(fā)動機(jī)速度和發(fā)動機(jī)負(fù)載；(iii)根據(jù)燃料特性輸入和發(fā)動機(jī)性能輸入產(chǎn)生發(fā)動機(jī)控制信息；以及(iv)訪問發(fā)動機(jī)控制信息來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)控制，以在最低燃料消耗下提供產(chǎn)生最低NOx和煙氣排放的組合。本文所用的“T50”，是50%蒸餾的溫度并優(yōu)選在190°C至255°C的范圍內(nèi)。本文所用的“十六烷值”可根據(jù)ASTM法D613或測量點(diǎn)火性能而確定，例如通過ASTM D6890或D7170確定的推導(dǎo)十六烷值。優(yōu)選地，高十六烷值將在40至60的范圍內(nèi)?？捎糜诒景l(fā)明實(shí)踐的無氮十六烷改進(jìn)劑包括含有氧-氧鍵的有機(jī)化合物，例如烷基過氧化物、芳基過氧化物、烷基芳基過氧化物、酰基過氧化物、過氧酯、過氧酮、過酸、氫過氧化物、及其混合物。合適的無氮十六烷改進(jìn)劑的具體實(shí)例包括但不限于二叔丁基過氧化物、枯基過氧化物、2. 5-二甲基-2，5-二(叔丁基過氧)己烷、叔丁基枯基過氧化物、苯甲?；^氧化物、過乙酸叔丁酷、3，6, 9- 二乙基_3，9- 二甲基-1，4, 7- 二過氧壬燒、2，2- 二(叔丁基)丁烷、過氧乙酸和叔丁基氫過氧化物。二叔丁基過氧化物是特別優(yōu)選的無氮十六烷改進(jìn)劑。所述柴油燃料組合物優(yōu)選包含在約IOppm至約10，OOOppm范圍內(nèi)的減少排放有效量的無氮十六烷改進(jìn)劑。更優(yōu)選地，存在于所述柴油燃料組合物中的無氮十六烷改進(jìn)劑的量在約IOOppm至約10，OOOppm的范圍內(nèi)。本發(fā)明的各柴油燃料或摻合組分還任選具有在58°C至140°C范圍內(nèi)、更優(yōu)選80°C至140°C范圍內(nèi)的高蒸餾曲線斜率。可例如通過ASTM法D86測定所述蒸餾曲線的斜率(將其定義為從蒸餾90%燃料或摻合組分的溫度(T90)中減去蒸餾10%燃料或摻合組分的溫度(HO)而獲得的差值)可通過任何常規(guī)方法將所述柴油燃料組合物加入柴油發(fā)動機(jī)中，并且在加入到在LTC模式下操作的柴油發(fā)動機(jī)時，在最低燃料消耗下使NOx排放有效地減少至少10%。在本發(fā)明的實(shí)踐中，所述柴油燃料組合物還可包含本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的添加劑，以增強(qiáng)燃料的處理和其它性能特性。這些添加劑的實(shí)例包括但不限于，傾點(diǎn)下降劑、抗石蠟沉積劑、濁點(diǎn)降低劑、低溫流動改進(jìn)劑、腐蝕抑制劑、抗氧化劑、穩(wěn)定性增強(qiáng)劑、金屬鈍化劑、潤滑性改進(jìn)劑、去污劑、分散劑、除冰劑、抗靜電劑和破乳劑。實(shí)施例以下實(shí)施例旨在舉例說明本發(fā)明并教導(dǎo)普通技術(shù)人員如何制造和使用本發(fā)明。這些實(shí)施例不旨在以任何方式限制本發(fā)明或其保護(hù)。使用從幾種中間精煉摻合流(即柴油的摻合組分)摻合的燃料和來自幾家煉油廠 的成品餾分燃料組合(即柴油)舉例說明本發(fā)明的方法和組合物。這些摻合物和成品燃料代表不同的處理方法和原油來源。使用得自中間精煉摻合流和來自四家煉油廠的成品餾分燃料組合的共十一種不同的實(shí)驗(yàn)柴油。用于所用燃料組的所選變量包括十六烷值、沸點(diǎn)分布、芳烴含量和十六烷改進(jìn)劑。得自中間精煉摻合流和來自四家煉油廠的成品餾分燃料組合的十一種不同的實(shí)驗(yàn)柴油證明在三個特性方面的變化十六烷值、芳烴含量和蒸餾溫度。使用具有大約35、45和55的三個水平的十六烷值的燃料。所用燃料具有在I號和2號柴油范圍內(nèi)的沸點(diǎn)分布(如柴油燃料的 ASTM D975 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(ASTM D975 Standard Specification for Diesel Fuel Oils)所要求的)，并且具有大概三個TlO水平和兩個T90水平，分別代表達(dá)到10%和90%蒸餾的溫度。根據(jù)需要調(diào)節(jié)所用燃料的芳烴含量以滿足十六烷值和沸點(diǎn)值，并且從約20%至約50%變動。在一些情況下使用十六烷改進(jìn)劑添加劑，以彌補(bǔ)為了改變?nèi)舾扇剂系姆悬c(diǎn)分布而使用高沸點(diǎn)芳烴油料所導(dǎo)致的較低的十六烷值。使用2-乙基己基硝酸酯作為含氮十六烷值改進(jìn)劑，并使用二叔丁基過氧化物作為無氮十六烷值改進(jìn)劑。所用十一種不同燃料混合物的物理和化學(xué)特性，連同用于其測量的各自的ASTM方法，在表I中提供。表I
權(quán)利要求
1.一種用于在最低油耗下減少來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的方法，其中所述柴油發(fā)動機(jī)以低溫燃燒模式操作，所述方法包含向所述柴油發(fā)動機(jī)加入具有如下組合的至少一種柴油或柴油的調(diào)合組分的步驟在190°C至280°C范圍內(nèi)的低T50，在31至60范圍內(nèi)的高十六烷值和減排有效量的無氮十六烷改進(jìn)劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中每一種柴油或調(diào)合組分具有在190°C至255°C范圍內(nèi)的低T50。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中每一種柴油或調(diào)合組分具有在40至60范圍內(nèi)的高十六烷值.
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中每一種柴油或調(diào)合組分還具有在58°C至140°C范圍內(nèi)的高蒸餾曲線斜率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中每一種柴油或調(diào)合組分具有在80°C至140°C范圍內(nèi)的高蒸餾曲線斜率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述柴油或調(diào)合組分具有選自烷基過氧化物、芳基過氧化物、烷基芳基過氧化物、?；^氧化物、過氧酯、過氧酮、過酸、氫過氧化物及其混合物的無氮十六烷改進(jìn)劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述無氮十六烷改進(jìn)劑是二叔丁基過氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述無氮十六烷改進(jìn)劑的量在約IOppm至10, OOOppm的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述無氮十六烷改進(jìn)劑的量在約IOOppm至10, OOOppm的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放減少至少10%。
11.一種用于在最低油耗下減少來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的柴油組合物，其中所述柴油發(fā)動機(jī)以低溫燃燒模式操作，所述組合物包含具有如下組合的至少一種柴油或柴油的調(diào)合組分在190°C至280°C范圍內(nèi)的低T50，在31至60范圍內(nèi)的高十六烷值和減排有效量的無氮十六燒改進(jìn)劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中每一種柴油或調(diào)合組分具有在190°C至255°C范圍內(nèi)的低T50。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中每一種柴油或調(diào)合組分具有在40至60范圍內(nèi)的高十六烷值.
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中每一種柴油或調(diào)合組分另外具有在58°C至140°C范圍內(nèi)的高蒸餾曲線斜率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的組合物，其中每一種柴油或調(diào)合組分具有在80°C至140°C范圍內(nèi)的高蒸餾曲線斜率。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中所述柴油或調(diào)合組分具有選自烷基過氧化物、芳基過氧化物、烷基芳基過氧化物、?；^氧化物、過氧酯、過氧酮、過酸、氫過氧化物及其混合物的無氮十六燒改進(jìn)劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的組合物，其中所述無氮十六烷改進(jìn)劑是二叔丁基過氧化物。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中所述無氮十六烷改進(jìn)劑的量在約IOppm至·10，OOOppm的范圍內(nèi)o
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中所述無氮十六烷改進(jìn)劑的量在約IOOppm至·10，OOOppm的范圍內(nèi)o
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中所述來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放減少至少·10%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柴油組合物以及一種用于在最低油耗下減少來自柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放的方法，其中所述柴油發(fā)動機(jī)以低溫燃燒模式操作，所述方法包含向所述柴油發(fā)動機(jī)加入具有如下組合的至少一種柴油或于柴油的調(diào)合組分的步驟在190℃至280℃范圍內(nèi)的低T50，在31至60范圍內(nèi)的高十六烷值和減排有效量的無氮十六烷改進(jìn)劑。
文檔編號C10L1/18GK102770512SQ201080059064
公開日2012年11月7日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者徐一, 萊斯利·沃爾夫 申請人:Bp北美公司