专利名称：用于压燃式发动机的液化气燃料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于压燃式发动机的液化气燃料。具体说，本发明涉及由液化石油气(LGP)或二甲醚(DME)组成的液化气燃料，该燃料在给压燃式发动机提供高效和稳定操作的同时，可以降低黑烟、颗粒物质、NOx、其它空气污染物。
尽管液化石油气(LPG)是通过室温下压缩液化主要由低分子量的碳氢化合物如丙烷(C3H8)，丙烯(CH3CH＝CH2)或丁烷(C4H10)的气体而获得的，尽管液化石油气适于运输，但是它含有较低的自燃性(十六烷数)，因此，在没有任何添加剂时将LPG用作压燃式发动机的燃料，就必须将压缩比率增加到26或更高。可是，如此高的压缩比率降低了压燃式发动机的热效率而且产生巨大的噪音和震颤，因此认为并不实用。
尽管有人认为应该在LPG中加入自由基产生剂以提高较低的十六烷数，但是不利因素是由于其价格高，使该制剂的使用很困难。
二甲醚(DME)在室温下是气态的，当被压缩到15kgf/cm2或更高时被液化，因此可以把其提供给装备有燃料喷射泵的压燃式发动机。DME提供的优点是，它含有与轻油同一水平的十六烷数目，而且在被用作压燃式发动机燃料的时候，产生低浓度NOx的废气和少量的烟。
可是，由于与柴油相比，LPG和DME各自含有较低的粘度，因此在例如燃料喷射泵和燃料喷嘴中很容易发生燃料渗漏，这样从安全、燃料效率和成本效率的角度考虑，存在问题。
此外，由于与柴油相比，液化气如LPG和DME的润滑性较低，因此将这样的液化气用作内燃式发动机的燃料可能会导致另外一个问题例如，燃油喷射阀的滑动摩擦部分与使用柴油时相比，磨损更大，导致在运转一段时期后，引起故障。
自由基产生剂由，例如，有机过氧化物包括二-叔-丁基过氧化物组成，具体说，包含至少一种选自硝酸盐，亚硝酸盐，有机过氧化物和偶氮化合物的化合物。所要增加的液态烃可以是至少一种选自正链烷烃、粗挥发油、煤油、轻油和重油的成分。
本发明的另一个目的是使LPG或DME可以被用作压燃式发动机的燃料，而且降低其从其燃料系统中泄露的量。为了实现上述目标，依照本发明的特点，提供给压燃式发动机燃烧室的燃料主要是由添加了自由基产生剂的LPG或DME组成的液化气，燃料中还加入了至少一种选自液体石蜡、正链烷烃、轻油的成分以提高粘度。
本发明还有一个目的向压燃式发动机提供一种液化气燃料，该燃料可以防止例如在使用液化气燃料时，燃油喷射阀的滑动摩擦部分的磨损，不然会导致滑动摩擦部分出现故障。为了完成上述目的，依照本发明，压燃式发动机的液化石油燃料含有加入了自由基产生剂的LPG或DME，还添加有润滑增强剂。
润滑增强剂包括一种或多种选自高级醇，烷基酯和脂肪酸的成分，每一种的直链碳原子数为8-14，加入10质量ppm到5％重量。还可以将液态烃作为十六烷数量增加助剂加入。该液态烃可以来自原油和/或天然气，也可以是来自正链烷烃，粗挥发油，煤油，轻油或重油中的至少一种。发明的作用依照本发明，由于LPG被加入了5-40％重量的、碳原子数为5-20的液态烃，因此自由基产生剂的十六烷数量增加效应(点火延迟降低效应)可以被放大，这样可以明显降低昂贵的自由基产生剂的含量。
依照本发明，热效率可以被保持在与使用柴油(例如轻油或重油)时一样的水平，而与轻油相比，可以明显降低黑烟的产量。
由于被用作添加剂的液态烃与LPG类似，含有很少的硫磺含量，因此不会产生诸如SOx之类的空气污染物，也不会受硫磺含量的毒害而使催化活性降低，这使得通过使用，例如，脱硝催化剂进行后处理以降低NOx成为可能。
依照本发明的特点，由于提供给压燃式发动机燃烧室的、由LPG或DME组成的液化气燃料被加入了选自液体石蜡，正链烷烃和轻油中的至少一种组分以提高其粘性，可以实现良好的密封性能和燃料消耗的高效性。
依照本发明，由于提供给压燃式发动机燃烧室的燃料被加入了润滑提高制剂，可以防止燃料供应和燃料喷嘴的烧坏和磨损。
图1图解了添加了正链烷烃的LPG的黑烟浓度变化；图2图解了添加了正链烷烃的LPG的NOx浓度变化；图3图解了当正链烷烃和DTBP的添加量变化时的点火延迟对照；图4图解了当给LPG添加了不同量的正链烷烃时的点火延迟对照；图5是在燃料喷射泵中，气体泄漏量与作为润滑提高制剂而加入的高级醇，烷基酯和脂肪酸的直链碳原子数目的函数图；
图6图解了在燃料喷射泵中，润滑提高制剂的添加量和气体渗漏量之间的关系；图7图解了在燃料喷射泵中，液态烃的添加量和气体渗漏量之间的关系；图8图解了当燃料喷射压力变化时，汽缸中的压力水平和燃料喷嘴的针阀升程之间的关系；图9图解了燃料喷嘴的不同喷射阀开启压力的NOx排放量；和图10是依照本发明实施方案的压燃式发动机示意图。
发明的最佳实施方案为了让使用LPG来驱动压燃式发动机成为可能，LPG中被加入了自由基产生剂和5-40％重量的、含有5-20个碳原子数的正链烷烃。作为自由基产生剂，至少一种成分选自硝酸盐，亚硝酸盐，有机过氧化物和偶氮化合物。
选择含有5-20个碳原子数的正链烷烃的原因是因为，如果碳原子数等于或高于21，沸点太高，这对用于压燃式发动机的的燃料是不合适的。如果使用LPG的典型代表碳原子数等于或小于4，可燃性就不会有提高。此外，在此加入的液态烃的量为5-40％重量是因为，如果超过40％重量，排放的黑烟就会等于或大于使用轻油的情况，而如果小于5％，提高效率就不够。
(实施例1)该实施例中使用的压燃式发动机的活塞位移是1,858cc，压缩比是17，发动机转速是1500rmp，柱塞直径12mm，燃料喷射压力16.3Mpa，燃料喷射定时设定在上死点前15度。加入液体丁烷和不同量的正链烷烃作为燃料。在该实施例中，黑烟和氮氧化物的排放量被测量并被分别列于表1和表2。增加的正链烷烃是以碳原子数14为中心值、并在附近散布的一种混合物。此外，为了作比较，在轻油作为燃料的情况下，测量黑烟和氮氧化物的排放量，结果被分别列于图1和图2。
如图1所示，在加入了50％重量的正链烷烃的燃料中，黑烟的排放量几乎与使用轻油相等；而加入40％重量的正链烷烃时，黑烟的排放量大约是使用轻油时的1/3；在加入30％重量的正链烷烃时，黑烟的排放量降低到使用轻油时的1/8。
如图2所示，在加入了50％重量的正链烷烃的燃料中，氮氧化物的排放量增加到高于使用轻油时；但是当加入40％或30％重量的正链烷烃时，氮氧化物的排放量基本上与使用轻油时相等。
图3图解了制动器平均有效压力与点火延迟之间的关系。可以从图3中看出，下列情况的点火延迟几乎相同添加有11％重量自由基产生剂的LPG，添加有1％重量自由基产生剂的LPG和添加有30％重量正链烷烃的LPG。
图4图解了在给LPG添加了不同量的正链烷烃时，它们的点火延迟对照。作为自由基产生剂的二-叔-丁基过氧化物(DTBP有机过氧化物)被加入5％重量。可以从图4中看出，在增加了5％重量的正链烷烃时，点火延迟为2.0ms，这与没有加入正链烷烃时的2.1ms只有很小的区别，但是在加入30％重量的正链烷烃时，点火延迟时为1.3，大约是没有加入正链烷烃情况时的一半。
(实施例2)该实施例中使用的压燃式发动机的活塞排量是1,858cc，压缩比是17，发动机转速是1500rmp，柱塞直径12mm，燃料喷射压力25.5Mpa，燃料喷射定时设定在上死点前27度。将加入了5％重量的二-叔-丁基过氧化物(自由基产生剂)的液体丁烷作为燃料，燃料中还加入了100质量ppm的长链烷基酯(添加酯润滑提高制剂)和10％重量的液体石蜡(液态烃16烷提高助剂)。
图5图解了高级醇，烷基酯和脂肪酸的直链碳原子数与燃料喷射泵中气体渗漏量之间的关系，所述的高级醇，烷基酯和脂肪酸，在实施例2中都是作为润滑提高制剂加入的。如图5中所示，在高级醇作为润滑提高制剂时，泄漏量的最低范围落在直链碳原子12-14附近，而在烷基酯和脂肪酸作为润滑提高制剂时，泄漏量的最低范围落在直链碳原子14上。
至于直链碳原子数为12或更少的脂肪酸，没有观察到降低泄漏量的效应。此外，由于7个或小于7个碳原子数的添加剂不能使润滑性有充分的提高，所以希望使用碳原子数等于或大于8，小于14的添加剂。
图6图解了在实施例2中，燃料喷射泵中高级醇，烷基酯或脂肪酸的添加量和气体泄漏量之间的关系，图中显示，添加量小于10质量ppm的高级醇，烷基酯和脂肪酸不足以产生提高效应。另一方面，由于添加量超过5％重量会对燃烧废气产生负面影响，因此润滑提高制剂的添加量优选10质量ppm-5％重量。
此外，在50℃-60℃或更高温度下使用高级醇，会增加了摩擦系数。因为燃料喷射泵通常在60℃-70℃下运转，因此希望使用烷基酯或脂肪酸。
图7图解了在实施例2中，与润滑提高制剂一同加入的液态烃的添加量和燃料喷射泵的气体渗漏量之间的关系，其中除了所述的液体石蜡，正链烷烃和轻油也可以作为液态烃加入。关于液态烃的添加量，添加量越高，泄漏量越低。然而，添加剂超过30％重量会产生对燃烧废气的负面影响，导致排放出黑烟等物质，如果添加量小于1％重量，则不足以产生提高效应，因此液态烃的合适添加量应该为1-3％重量。
从图7中可以明显地看出，当没有液体石蜡加入时，气体泄漏量大约是4公升/分钟，但是当液体石蜡加入1％重量时，气体泄漏量降低到3.7公升/分钟，当液体石蜡加入10％重量时，气体泄漏量降低到2.7公升/分钟。此外，加入正链烷烃和轻油可以降低气体泄漏量。通过以轻油、正链烷烃和液体石蜡的次序加入，密封性能提高得更大，而且这些物质与液化气有更好的相容性，所以能够与其均一地混和。
由于液体石蜡和正链烷烃是碳水化合物，并且不含有含量硫也不含有金属成分，所以它们对燃烧没有负面影响。因此，当燃烧质量被保持在某一水平时，燃料供应系统的泄漏降低，而且燃料消耗的效率提高。
如图7所示，加入30％重量的正链烷烃(以碳原子数14为中心值，在附近散布的混合物)，可以使气体泄漏量降低60％。加入20％重量的正链烷烃，可以使气体泄漏量降低40％。这是因为正链烷烃的加入增加了液化气的粘度，从而成功地封住了柱塞滑动部分之间的间隙。
在使用上述燃料的压燃式发动机中，由于所提供燃料被添加了润滑提高制剂和液态烃，因此燃料喷嘴，燃料喷射泵，压力进料式燃料柱塞泵等的滑动部分被燃料润滑，所以能够防止那些其它情况下的、因润滑不足而导致的磨损和故障。
当使用液体丁烷单一物质(100％液体丁烷)来驱动压燃式发动机时，在上述的相同条件下，发动机的马力和发动机转速在发动10分钟后变得不稳定，在随后的另外几分钟后，发动机停转而且无法重新启动。在这种情况下，可以在燃料喷嘴的滑动部分观察到由润滑不足导致的磨损和燃烧。
在以上的实施例1和2中，尽管液体丁烷被用作液化气，也可以使用液体丙烷或者液体丁烷和液体丙烷的混和物。此外，液化气可以是DME，而且在这种情况下，不需要加入自由基产生剂。可以使用粗挥发油，煤油和液态烃如轻油和重油来代替正链烷烃作为粘性提高制剂。
可以用作自由基产生剂的物质除了上述的二-叔-丁基过氧化物外，还包括有机过氧化物如甲基异丁基酮过氧化物，三-叔-丁基过氧化三嗪，2，5-二甲基-2，5-二-叔-丁基过氧化己烷，1，1-二-叔-丁基过氧化环己烷和2，2-二-丁基过氧化丁烷，硝酸盐如异辛基硝酸盐，异戊基硝酸盐，正戊基硝酸盐和异丙基硝酸盐和乙烷基己基硝酸盐，亚硝酸盐如正丙基亚硝酸盐和正丁基亚硝酸盐，和偶氮化合物。
(实施例3)向活塞位移是1,858cc，压缩比是17，发动机转速是1500rmp，柱塞直径12mm，燃料喷射定时设定在上死点前20度的压燃式发动机提供液化气燃料以检测发动机性能和废气组分。液化气燃料包括混合有1％重量二-叔-丁基过氧化物(有机过氧化物自由基产生剂)的液体丁烷，还添加有100质量ppm的长链烷基酯(添加酯润滑提高制剂)和30％重量正链烷烃(液态烃十六烷数提高助剂)。
图8图解了在实施例3的条件和燃料下，不同燃料喷射压力的气缸压力和燃料喷嘴的针阀升程之间的关系。从图8中可以看到，燃料喷射压力，从25.5Mpa的水半下降，使气缸的最终压力稍微降低而且使燃料喷嘴的喷射阀开放时间变长。由于LPG的沸点低于柴油，所以它在气缸中被均-地分散，而且即使被低压下喷射，燃料也会在一段时期内被连续射入气缸，所以在气缸中可以实现缓慢燃烧。这使得燃烧温度相对地低而且降低了NOx的排放量。
图9图解了在实施例3中，燃料喷嘴的不同喷射阀开启压力的NOx排放量。将燃料喷嘴的不同喷射阀开启压力设定在16.3MPa，10.2MPa和25.5MPa(这是常规轻油的典型压力)，测定NOx的排放量，将其设定为对照，假设在该条件下NOx的排放量为100％，根据测试结果，在喷射阀开启压力为16.3MPa时，NOx的废气排放量降低大约12％，在喷射阀开启压力为10.2MPa的时候，NOx的废气排放量降低大约24％。
从图9中发现，如果设定的阀门开启压力大于16MPa，NOx降低效果较小。此外，如果设定的阀门开启压力小于5MPa，会使燃料喷射压力小于汽缸中的最大最终压力，这会导致回火的发生。因此燃料喷嘴的阀门开启压力优选设定在5-16MPa。
图10是依照本发明首选实施方案的压燃式发动机系统示意图。在图10中，压燃式发动机1包括液化气燃料储油罐2，从储油罐2中伸出来的燃料供应系统3，安置在燃料供应系统3中的燃料喷射泵4，和燃料喷嘴5。燃料喷嘴5被安置在从燃料喷射泵4生出来的高压燃料系统的尖端。储存在储油罐2中的液化气燃料是这样的燃料，该燃料由LPG组成，其中的LPG混合有至少一种选自自由基产生剂硝酸盐，亚硝酸盐，有机过氧化物和偶氮化合物的组分。
降低NOx的催化反应器8被安置到排气系统7，排气系统7使从压燃式发动机1的排气歧管6中延伸出来的。还原剂供应系统9被连接到排气系统7中催化反应器8上游的部分。
还原剂供应系统9含有用来接受从燃料喷射泵4、燃料喷嘴5泄露的燃料的缓冲罐10、和被安置在从缓冲罐10延伸出来的流道部分的供给泵11和流道开关12。供给泵11接受来自还原剂管路13的还原剂，管路1从缓冲罐10和储存罐2导流燃料(还原剂)。缓冲罐10控制或吸收由泄漏的燃料气排放的变化引起的压力波动。
催化反应器8含有由金属氧化物组成的催化剂，该催化剂作为一种降低NOx的活性组分，而且该催化剂被安置在能够达到其最适反应温度250-400℃的地方。而后，将来自发动机的废气添加给泄露的燃料，并且将其导入催化反应器8，在此，泄露的燃料作为还原剂降低废气中NOx的含量。
为了防止温度低时还原作用下降，需要检测催化温度，这样，可以基于测量到的催化温度，控制所要加入的泄漏燃料的量。此外，为了响应与发动机节流阀的开关度成比例变化的废气量，基于节流阀的开关度调控所要加入的泄露燃料的量。
发明效果在每条附加权利要求中定义的本发明，提供了下列卓越的效果。依照本发明的压燃式发动机的液化气燃料，含有添加有自由基产生剂的LPG或DME，还添加有润滑提高制剂。因此，本发明的液化气燃料具有高度提高的润滑性，这样可以防止燃料喷射泵，燃料喷嘴等的滑动和摩擦部分发生故障。
此外，当不含有任何含量硫和金属组分的液态烃与润滑提高制剂一同被加入时，可以提高润滑性而不对燃烧产生任何负面影响。加入1％重量一30％重量的液态烃可以提高十六烷数而不会对燃烧气体有不利影响，而且还可以提高燃料的粘性以降低燃料喷射泵中液化气的泄漏量。
依照本发明的特点，由于液化气燃料被增加了至少一种选自液体石蜡，正链烷烃和轻油的成分，因此可以提高粘性，密封性能，并因此提高燃料消耗效率，这样就使得液化气燃料在不需要接受任何处理的情况下，例如给燃料喷射泵和燃料喷嘴涂层，可以被用作压燃式发动机的燃料。
依照本发明，通过给LPG加入5-40％重量的、碳原子数为5-20的液态烃，可以放大LPG自由基产生剂的十六烷数量提高效应，从而明显降低自由基产生剂的添加量。在这种情况下，与使用轻油时比较，黑烟的排放量可以被显著降低，此外，可以降低氮氧化物的排放量。由于液态烃，如正链烷烃等，与LPG一样价格便宜，这样就可以把因增加自由基产生剂所引起的成本上升降低到最小。
尽管自由基产生剂有着固有的自分解性和腐蚀性，但是可以通过加入液态烃如正链烷烃等来降低对自由基产生剂的分解率和腐蚀性的影响，以提高储存和运输的安全性。
权利要求
1.一种提供给压燃式发动机燃烧室的燃料，该燃料含有作为主要成分的、添加了自由基产生剂的LPG或DME，其中所述的LPG的主要组分是液体丁烷或液体丙烷或其混合物，所述的燃料还添加有润滑提高制剂。
2.权利要求1的燃料，还添加有液态烃。
3.权利要求1或2的燃料，其中的润滑提高制剂含有一种或多种选自高级醇，烷基酯和脂肪酸的成分，每一种的直链碳原子数为8-14， 加入到所述燃料中的量为10质量ppm到5％重量。
4.权利要求2或3的燃料，其中所述的液态烃是正链烷烃，粗挥发油，煤油，轻油和重油中的至少一种。
5.权利要求1的燃料，还添加有粘性提高制剂。
6.权利要求5的燃料，其中所述的粘性提高制剂由至少一种选自液体石蜡，正链烷烃和轻油的成分组成。
7.一种提供给压燃式发动机燃烧室的燃料，其中发动机压缩室的压力比设定在11-23，所述的燃料包含添加了液态烃和自由基产生剂的LPG，其中的液态烃的碳原子数为5-20，添加量为5％-40％重量。
8.权利要求7的燃料，还添加有润滑提高制剂和粘性提高制剂。
9.权利要求7的燃料，其中所述的自由基产生剂包含至少一种选自硝酸盐，业硝酸盐，有机过氧化物和偶氮化合物的成分。
10.权利要求7的燃料，其中所述的液态烃是至少一种选自正链烷烃，粗挥发油，煤油，轻油和重油的成分。
全文摘要
本发明公开了一种液化气燃料，它可以降低空气污染物，例如压燃式发动机废气中的黑烟、颗粒物质、NOx和SOx，的排放。该液化气燃料包括添加有自由基产生剂，润滑提高制剂和液态烃的液化石油气，或添加有润滑提高制剂的二甲醚。
文档编号C10L1/18GK1426448SQ01808742
公开日2003年6月25日 申请日期2001年4月27日 优先权日2000年4月28日
发明者田村昌三, 后藤新一, 杉山宏石, 梶原昌高, 相良信 申请人:岩谷产业株式会社, 田村昌三, 后藤新一