专利名称：用于内燃机的汽车汽油燃料的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽油组合物以及它们在火花点火式内燃机(如汽车发动机)中的用途。
背景知识燃烧产生的污染物包括一般称作NOx(在这里x是代表分子中氧原子数一个的整数)的氮的氧化物。这些氧化物包括一氧化氮和二氧化氮。在燃烧过程中空气(含有氮气和氧气的气体)受到一段时间的高温形成NOx。近来对较低90％馏出温度的汽油的研究表明较快燃烧的汽油(较低的90％馏出温度)将更迅速地达到高温，这就增加了空气中的氧气和氮气暴露在高温中的时间，因此引起NOx增加(见图)。通过引用结合到本文的美国专利#5,015,356描述了这一类型的燃料。
目前在火花点火式内燃机中用作燃料的汽油要求辛烷值(R＋M)/2几乎全部落在84-94之间。为避免或减少发动机“爆震”，或是为了提高燃料的燃烧效率，有些发动机比其他的发动机需要更高的辛烷值，这取决于它们的压缩比或积碳的累积(使用年限)。
过去低压缩比的发动机使用较低辛烷值的汽油，但是因为低的效率和功率输出的原因在平常的实际使用中已放弃了。后来发现提高发动机的压缩比和提前点火正时可以大大地提高燃料的燃烧效率。但是要达到这样的结果，所用的汽油要有一非常高的辛烷值。事实上，加利福尼亚州现在通过法律规定在加利福尼亚生产、进口、销售或者使用的汽车汽油必须具有一个最低为87的辛烷值(R＋M)/2。如果较低辛烷值的汽油可有效用于目前的发动机，特别是当它们的使用可以导致减少NOx污染物时，这将是非常需要的。
如下文描述，本发明部分涉及低辛烷值的燃料，这种燃料具有低于82的辛烷值和低于310°F的ASTM D-86 90％馏出温度(在此称作E-汽油II)。上述E-汽油II的好处在于它是一种低辛烷品级的燃料，但是只要推迟发动机的点火提前便可以在传统的内燃汽车发动机中使用。这样当前的发动机使用辛烷值低于82的汽油可以提供提高的燃烧效率，条件是推迟点火提前以及该汽油有一个低的馏出温度(ASTM D-86 90％馏出温度低于310°F)。
在推迟点火提前的发动机中使用现有技术的汽油会导致燃烧污染物的增加，这样现有技术的汽油和E-汽油II不能在具有较小点火提前角的发动机中交替使用。因此非常需要另外提供一种汽油，这种汽油既可以在目前没有推迟点火提前的发动机中有效地使用，也可以在为适应E-汽油II而推迟点火提前的发动机中有效地使用。
本发明的一个目的是提供一种低辛烷值(低于87)的汽车汽油，该汽油仍可以在传统的汽车发动机中有效地使用而不产生不符合需要水平的污染。更具体地说，本发明的第一个目的是提供一种通过改良发动机使得本发明的燃料可以有效地使用而实现减少NOx的方法。在这方面已经发现虽然本发明的燃料的辛烷值低于82，90％馏出温度为310°F或更低，但只要推迟发动机的点火提前就可以在传统的内燃汽车发动机中使用。该汽油(在此称作E-汽油II)不能用于没有推迟点火提前的传统发动机中。因此，本发明的第二个目的是提供低辛烷值的燃料(在此称作E-汽油III)，它们既可以在传统的点火提前的发动机中，也可通用于为适应E-汽油II而推迟点火提前的发动机中。
本发明进一步的目的是提供一种可以完全燃烧，而且在内燃机的废气中产生低水平污染物的燃料。
本发明进一步的目的是提供一种具有良好的驾驶性能和冷机起动性能的汽油。
本发明更进一步的目的是提供一种在内燃机中在高于化学计算量的空气与燃料比下性能良好的汽油。
本发明的另一个目的是提供一种液体燃料，该燃料可以形成蒸汽或气体的状态，而且在内燃机中与送入的空气混合时还能保持这种状态。
使用具有较低的90％馏出温度和低辛烷值的汽油实现了这些和其他的目的。使用低90％馏出温度为的是汽油在发动机中与空气混合点火时可以很快燃烧而且更完全。使用低辛烷值为的是加快和空气的燃烧速率。可以通过已知的技术降低辛烷值，如减少在汽油生产时使用的高辛烷值组分的量，或者减少通常加入到汽油中的辛烷值提高添加剂(octane booster additive)。所要求的馏出温度可以通过传统的汽油生产或精炼技术(如在精炼厂里从汽油混合流中蒸去重尾馏分)来实现。更具体地说，第一个和其他的目的(即与E-汽油II相关的目的)通过提供一种辛烷值低于82，ASTM D-86 90％馏出温度为310°F或更低汽油来实现。第二个和其他的目的(与E-汽油III相关的目的)通过提供一种辛烷值最高不到87，最低为82(即82-87，不包括87)，ASTMD-86 90％馏出温度为310°F或更低(优选低于290°F)的汽油来实现。
本发明所有燃料的一个共同技术特征是它们的辛烷值低于87以及低的90％馏出温度。
附图
的简要描述附图是显示当ASTM D-86 90％馏出温度从360°F降至280°F时对汽车废气排放影响的图。
本发明和优选的实施方案的详细描述1)E-汽油II较低终馏点的汽油可减少“气缸壁润湿”，这样当辛烷值低于最低限度时将产生较少的发动机“爆震”，这个最低限度为由州和联邦管理者为现代的Phase2汽油所确定的87辛烷值的最低限度。所有在此指出的辛烷值由公式(R＋M)/2确定，式中R由ASTM D-2699定义，M由ASTM D-2700定义。通过测试和应用标准联邦测试程序发现这种低终馏点的汽油即使其辛烷值(R＋M)/2低于82(例如低至81.8)仍然可以用来运转标准的汽车发动机而不产生爆震。实施例1中的“special”汽油就是这样一个90％馏出温度低于310°F的燃料的例子。实施例1显示了传统汽油与本发明的ASTMD-86 90％馏出温度低于310°F的汽油(在此定义为“SPECIAL”)的比较。
以前低辛烷值汽油用于低压缩比的发动机。但是后来发现降低90％馏出温度(通过ASTM D-86馏出试验来确定)至310°F或更低(优选范围是252°F-282°F)，也可以降低目前商业可得的汽油的辛烷值并用于现在的要求具有84或更高的辛烷值的汽油的发动机。本发明的燃料的辛烷值低于82，优选低于80。
通过发动机的测功试验(实施例2)进一步发现用较低90％馏出温度的汽油可在比同样的标准汽车发动机燃烧传统的87辛烷值汽油所要求的小的点火提前角下运转标准汽车发动机。另外，还发现在具有较小点火提前角的发动机中燃烧低90％馏出温度的汽油减少了排放，特别是减少了NOx排放。由于较低90％馏出温度的汽油通常增加NOx排放(见附图)，但是通过推迟点火提前后这些相同的燃料可以在降低水平的NOx排放下运转发动机(见实施例2)，因此这是非常重要的。降低点火提前角也允许辛烷值(R＋M)/2进一步减少至低于81.8，优选80或更低。
本发明的汽油使用标准的汽油成分，其中可包括添加剂和/或氧化剂(oxygenates)。这样，除了较低的90％馏出温度和较低的辛烷值外，本发明的汽油在其他方面与当前可得的传统汽油是一样的。
在优选的实施方案中，ASTM D-86 90％馏出温度降至265°F-285°F之间。此外，优选汽油的辛烷值在72-82之间。这种汽油可以通过推迟汽车的点火提前(优选4°-12°)来降低传统的内燃机尾气中的污染物。
本发明的独特之处在于这里描述的新型的低辛烷值汽油可以在当前可得的发动机中工作，而且与目前可得的汽油运转这些发动机相比可以提供提高的燃烧效率和降低燃烧污染物。本发明的汽油也容易蒸发或气化，一旦在蒸气或气体状态时它们具有更好的稳定性，这样和引入的空气混合时它们基本上保持这种状态。这个特点提高了油气比以及更高空气燃料比的可燃混合气的点火性能。低辛烷值汽油也有助于较高空气燃料比的燃烧，因为过量的空气是非常好的辛烷值提高剂。如果辛烷值过高，燃料在发动机内来不及完全燃烧。众所周知高于化学计量的空气燃料比可以实现燃料的燃烧效率和较低的尾管污染物。
在优选的实施方案中，汽油具有低于345°F的终馏点温度(ASTMD-86)和低于80的辛烷值(R＋M)/2。这种燃料可另外含有可提高汽油性质和燃烧特性的添加剂、氧化剂、燃料补充剂或其他的组分。这些添加剂可以单独使用或以它们的任意混合使用。
本发明的燃料可以以液体、蒸气或气体的状态或以它们的任意混合的形式在内燃机中使用。使用本发明的燃料导致减少了内燃机中燃烧的有毒排放物。
本发明的汽油也可实现比目前火花点火式内燃机中所使用的更高的空气燃料比的燃烧混合物的可靠点火。
2)E-汽油III除非如下文注明，上文对E-汽油II的描述也适用于可通用于传统的点火提前的发动机和推迟点火提前的发动机中的本发明的汽油(E-汽油III)。E-汽油III不同于E-汽油II之处在于它要求一个90％馏出温度(由ASTM D-86确定)和辛烷值的特定组合，这样它可通用于推迟点火提前的发动机和常规点火提前的传统发动机中。
已经发现通过降低90％馏出温度(由ASTM D-86确定)至310°F或更低(优选低于290°F)，也可以降低现有技术的汽油辛烷值并在现有的要求具有87或更高的辛烷值的汽油的发动机中使用。在本发明的这个实施方案中，所述汽油具有在82-87之间(不含87)的辛烷品级。优选辛烷辛烷品级为82-84。
在一个优选的实施方案中，所述ASTM D-86 90％馏出温度低于290°F。另外，在这个优选的实施方案中汽油的辛烷值在82-84之间。
E-汽油III的独特之处在于它是一种可以在当前可得的无论点火提前推迟与否的发动机中工作的低辛烷值汽油并且与在这些发动机中使用现有技术的汽油相比，提供了更高的燃烧效率和较低水平的燃烧污染物。
在另一个实施方案中，所述E-汽油III具有低于345°F的真沸点终馏点温度和低于84(即82-84，不含84)的辛烷值(R＋M)/2。
实施例11989年11月Compliance and Research Services，Inc.，Linden，NJ在Oldsmobile Cutlass做的动态试验显示为了改进喷油器的挥发作用而设计的燃料(即在此定义为SPECIAL的具有低于310°F的90％馏出温度的本发明的燃料)在低辛烷值下可很好地运转而不发生发动机爆震。当发动机发生“爆震”时，HC(碳氢化合物)和CO的排放显著增加。在该试验中，本发明的燃料在没有增加HC和CO的排放下很好地运转，由此可以确定即使使用的燃料的辛烷值只有81.8，该发动机还是很好运转而没有爆震。
汽油*SPECIAL**排放HC(平均)-.146HC(平均)-.136市区CO(平均)-1.449 CO(平均)-1.431排放HC(平均)-.076HC(平均)-.070高速公路CO(平均)-.785CO(平均)-.593*辛烷值R＋M/2＝92.0**辛烷值R＋M/2＝81.8排放数据单位为克/米。
实施例2在Pittsburgh Applied Research Center(PARC)的测试是用一个有Go Power Dynamometer和TEC Electromotive Control System的Pontiac 4-气缸发动机(2.5L)来进行的。下面的数据是从以约2000rpm运转发动机的总分析表上获得的，每次测试时除了碳氢化合物、NOx和所用的燃料按如下表列出外，所有条件都大致相同。日期 HCNOx点火提前 汽油(以度数计量)06/14/907841,076 49Chevron06/14/907881,232 49Chevron06/13/9080096049Special*06/13/9080496849Special*06/13/9075255643Special*06/13/9074459644Special*06/13/9071236838Special*06/13/9071232838Special**90％馏出温度低于310°F。
注意NOx随点火提前的变化而改变。
虽然已经以某些优选的实施方案及其示例性例子对本发明进行了述，但是本领域熟练的技术人员很容易理解在不偏离其宗旨的情况下可作出变动、修改、改变、省略和替换。因此，本发明将仅局限于以下的权利要求书的范围内。
权利要求
1.用作火花点火式内燃机的燃料的汽油组合物，所述燃料含有碳氢化合物混合物，条件是所述汽油具有310°F或更低的ASTM D-8690％馏出温度以及低于82的辛烷值(R＋M)/2。
2.权利要求1的燃料，所述燃料具有80或更低的辛烷值。
3.权利要求1的燃料，其中所述90％馏出温度在265°F-285°F之间以及辛烷值落在72-82之间。
4.运转火花点火式内燃机的方法，所述内燃机至少具有一个燃烧室和一个点火提前装置；所述方法包括将汽油和空气引入所述至少的一个燃烧室中并用火花点燃所述混合物；所述汽油含有碳氢化合物混合物，条件是所述汽油的ASTM D-86 90％馏出温度为310°F或更低以及辛烷值(R＋M)/2低于82；条件是所述发动机的点火提前装置设定在当所述发动机运转时可避免爆震的水平上。
5.权利要求4的方法，其中所述汽油的辛烷值为80或更低。
6.权利要求4的方法，其中所述汽油的ASTMD-86 90％馏出温度在265°F-285°F之间以及辛烷值(R＋M)/2落在72-82之间。
7.减少火花点火式内燃机的NOx排放的方法，所述内燃机至少具有一个燃烧室和一个点火提前装置，该点火提前装置设定在当用作运转所述发动机的燃料的汽油的辛烷品级至少是82时可以避免发动机爆震的一个最低限度的有效值上；其中所述改进包括用本发明的汽油作为发动机运转的燃料，条件是推迟点火提前一个有效值以避免发动机爆震；所述汽油含有ASTM D-86 90％馏出温度为310°F或更低以及辛烷值(R＋M)/2低于82的碳氢化合物混合物。
8.权利要求7的方法，其中所述汽油的辛烷值为80或更低。
9.权利要求7的方法，其中所述汽油的ASTM D-86 90％馏出温度在265°F-285°F之间以及辛烷值(R＋M)/2落在72-82之间。
10.用于火花点火式内燃机的汽油燃料组合物，所述燃料含有碳氢化合物混合物，条件是所述混合物的ASTM D-86终馏点温度低于345°F和辛烷值(R＋M)/2低于80，并且其中所述组合物可能包括通常加入汽油中的添加剂和燃料补充剂。
11.用作火花点火式内燃机的燃料的汽油组合物，所述汽油含有碳氢化合物混合物，条件是所述汽油的ASTM D-86 90％馏出温度为310°F或更低以及辛烷值(R＋M)/2落在82-87之间，但不包括87。
12.权利要求1的汽油，其中所述90％馏出温度低于290°F。
13.用作内燃机的燃料的汽油组合物，所述汽油含有碳氢化合物混合物，该混合物的真沸点终馏点温度为345°F或更低以及辛烷值(R＋M)/2落在82-87之间，但不包括87。
14.运转内燃机的方法，所述内燃机至少具有一个燃烧室；所述方法包括将汽油和空气引入所述至少的一个燃烧室中并用火花点燃所述混合物；所述汽油含有碳氢化合物混合物，条件是所述汽油的ASTMD-86 90％馏出温度为310°F或更低以及辛烷值(R＋M)/2落在82-87之间，但不包括87。
15.权利要求14的方法，其中所述汽油的90％馏出温度低于290°F。
16.权利要求14的方法，其中所述汽油含有碳氢化合物混合物，该碳氢化合物混合物的真沸点终馏点温度为345°F或更低以及辛烷值(R＋M)/2落在82-87之间，但不包括87。
17.权利要求14的方法，其中所述发动机用超过化学计算量的空气燃料比来运转。
18.权利要求15的方法，其中所述发动机用超过化学计算量的空气燃料比来运转。
19.权利要求16的方法，其中所述发动机用超过化学计算量的空气燃料比来运转。
20.减少汽车尾管污染物排放的方法，所述方法包括使用 11、12或13的汽油来运转由内燃机产生动力的汽车。
21.权利要求20的方法，其中所述汽油含有添加剂、氧化剂(oxygenates)或任何汽油体积补充剂(volume extender)。
22.减少火花点火式内燃机NOx排放的方法，所述内燃机至少具有一个燃烧室和一个点火提前装置；所述方法包括将汽油和空气引入所述至少的一个燃烧室中并用火花点燃所述混合物；所述汽油是权利要求1、2或3的汽油；条件是所述内燃机的点火提前装置设定在当所述发动机运转时可避免爆震的水平上。
23.减少火花点火式内燃机产生的燃烧污染物的方法，所述方法包括用权利要求11、12或13的汽油在超过化学计算量的空气燃料比下运转所述发动机。
全文摘要
用于火花点火式内燃机的快速燃烧的汽油类型的组合物,该组合物的ASTM D－86 90%馏出温度为310°F或更低,辛烷值(R+M)/2为82或更低,它可以在推迟点火提前的发动机中使用从而实现减少NO
文档编号C10L1/00GK1333809SQ9981552
公开日2002年1月30日 申请日期1999年11月17日 优先权日1998年11月17日
发明者W·L·塔尔伯特 申请人:塔尔伯特燃料系统公司