火花点火式发动机燃料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备火花点火式发动机用燃料的火花点火式发动机燃料的制备方法。

背景技术

以往已知有使用催化重整汽油作为高辛烷值基材的高辛烷值汽油(例如参见专利文献1)。专利文献1中记载的高辛烷值汽油含有汽油基材，该汽油基材从对石脑油馏分进行催化重整处理而得到的催化重整汽油获得。

然而，为了获得专利文献1中记载的高辛烷值汽油，需要对石脑油馏分进一步投入能源，实施催化重整处理，因此难以抑制最终制备的燃料的单位能源的碳排放量(碳强度)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-246744号公报(JP2007-246744A)。

发明内容

本发明的一技术方案是制备火花点火式发动机用燃料的火花点火式发动机燃料的制备方法，包括在轻质石脑油中混合环戊烷。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关的以下实施方式的说明进一步阐明。

图1是用于说明使用可再生能源制备的可再生燃料的一例的图；

图2是示出在标准燃料中添加环戊烷制备出的混合燃料的辛烷值的一例的图；

图3是示出辛烷加成相对于环戊烷的混合比例和标准燃料的辛烷值的特性的图；

图4是示出混合燃料的辛烷值(实测值)相对于环戊烷的混合比例和标准燃料的辛烷值的特性的图；

图5是示出混合燃料的燃烧试验结果的一例的图；

图6是示出混合燃料的点火延迟时间相对于环戊烷的混合比例和标准燃料的辛烷值的特性的图；

图7是用于说明在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油时的环戊烷的优选混合比例的一例的图；

图8是用于说明在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油时的环戊烷的优选混合比例的另一例的图；

图9是用于说明在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油时的环戊烷的优选混合比例的又一例的图；

图10是用于说明在链烷烃中添加环戊烷的添加效果的图；

图11是用于说明一般链烷烃燃烧时的化学反应的图；

图12是用于说明环戊烷燃烧时的化学反应的图；

图13是用于说明各混合燃料燃烧过程中消耗、生成的OH自由基情况的图。

具体实施方式

以下参照图1至图13说明本发明的实施方式。本发明的实施方式的火花点火式发动机用燃料的制备方法是对辛烷值较低的轻质石脑油进行重整，制备能够用于火花点火式发动机的辛烷值的重整汽油。

地球的平均气温因大气中的温室气体而保持在适合生物的温暖状态。具体而言，温室气体吸收从被太阳光加热了的地表向宇宙空间辐射的热的一部分，并将其再次向地表辐射，由此使大气保持温暖的状态。当像这样的大气中的温室气体的浓度增加时，地球的平均气温会上升(全球变暖)。

温室气体中对全球变暖影响较大的二氧化碳在大气中的浓度由以植物、化石燃料的形态固定在地上、地下的碳与以二氧化碳的形态存在于大气中的碳之间的平衡决定。例如，当植物在生长过程中通过光合作用吸收大气中的二氧化碳时，大气中的二氧化碳浓度降低，当化石燃料燃烧向大气中释放二氧化碳时，大气中的二氧化碳浓度升高。为了抑制全球变暖，需要使用太阳光、风力、生物质等可再生能源来替代化石燃料，减少碳排放量。

图1是用于说明使用可再生能源制备的可再生燃料的一例的图，示出经由FT(费托)合成制备的可再生燃料。如图1所示，通过太阳光发电、风力发电等，从太阳能、风能等可再生能源生成可再生电力，利用可再生电力实施水的电解，从而生成可再生氢。然后，利用可再生氢和从工厂废气等中回收的二氧化碳进行FT合成，生成FT粗油。

FT粗油根据沸点范围被分馏而分离为FT柴油、喷气燃料以及FT轻质石脑油。其中，FT柴油能够直接作为柴油发动机用燃料使用，喷气燃料能够直接作为喷气发动机用燃料使用。而FT轻质石脑油主要是碳数为4～6左右的链状饱和烃(链烷烃)，因此研究法辛烷值为60-70左右，较低，如果直接作为火花点火式汽油发动机用燃料使用，可能会损坏发动机的燃烧性能。

关于这一点，发明人发现如果在链烷烃中添加(混合)环戊烷，则根据两者的辛烷值和混合比，辛烷值会提高至超过预想的值。因此，在本实施方式中，将说明在FT轻质石脑油中添加环戊烷进行重整来制备能够用于火花点火式发动机的辛烷值的重整汽油的火花点火式发动机燃料的制备方法。

图2是示出针对标准燃料(辛烷值(研究法辛烷值RON)65)改变混合比例x(标准状态下的容量％)地添加环戊烷(辛烷值103.2)而制备出的混合燃料的辛烷值的一例的图。标准燃料都是以适当的混合比调和作为链烷烃的异辛烷(辛烷值100)与正庚烷(辛烷值0)而制备的。此外，在本实施方式中，环戊烷的辛烷值使用通过依据JIS标准的试验计测出的实验值。如图2的虚线所示，基于标准燃料与环戊烷的混合比通过下式(i)计算出的混合燃料的辛烷值的计算值RONc根据环戊烷的混合比例x而直线式增加。

RONc＝65(100－x)/100+103.2x/100(i)

另一方面，如图2的曲线和实线所示，混合燃料的辛烷值的实测值RONa不依赖于环戊烷的混合比例x地高于计算值RONc，在混合比例x为50％时达到最大。辛烷值不同的标准燃料也都表现出相同的趋势。由此可以认为在链烷烃与环戊烷之间产生着某种相互作用。以下将辛烷值的实测值RONa与计算值RONc之差ΔRON称为“辛烷加成”。

这样，在链烷烃中添加了环戊烷时的辛烷加成ΔRON在环戊烷的混合比例x为50％时达到最大。因此，在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油的情况下，从有效利用FT轻质石脑油的观点出发，优选使环戊烷的混合比例x在50％以下。

图3是示出辛烷加成ΔRON相对于环戊烷的混合比例x和标准燃料的辛烷值的特性的图。如图3所示，辛烷加成ΔRON无论标准燃料的辛烷值为多少，都在环戊烷的混合比例x为50％时显示最大值。标准燃料的辛烷值越低，辛烷加成ΔRON的最大值越大。通过在与FT轻质石脑油相当的辛烷值60～70范围内，调整环戊烷的混合比例x，由此能使辛烷加成ΔRON为15以上。在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油的情况下，从充分发挥利用环戊烷的添加效果的观点出发，优选在辛烷加成ΔRON达到规定值(例如，15)以上的范围设定环戊烷的混合比例x。

图4是示出混合燃料的辛烷值(实测值)RONa相对于环戊烷的混合比例x和标准燃料的辛烷值的特性的图。如图4所示，混合燃料的辛烷值RONa根据标准燃料的辛烷值和环戊烷的混合比例x而发生变化。基于这样的试验结果，设定检量线(预先规定的特性)，并基于此来设定环戊烷的混合比例x，由此能够在FT轻质石脑油中添加环戊烷，制备适当辛烷值的重整汽油。例如，能够制备与标准汽油相当的辛烷值88～95的重整汽油。

图5和图6是示出混合燃料的燃烧试验结果的一例的图，示出使用快速压缩装置的燃烧试验的结果。在使用快速压缩装置的燃烧试验中，在真空状态的燃烧室中导入理论空燃比的燃料与空气的混合气，将混合气压缩至规定压缩比，计测达到规定压缩比后至开始自燃为止的时间(点火延迟时间)ti[ms]。

图5示出最大热效率[％]相对于点火延迟时间ti的特性。如图5所示，一方面当点火延迟时间ti小于10ms时，最大热效率显著降低，另一方面在点火延迟时间ti为10ms以上的范围，显示出最大热效率稳定的趋势。因此，在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油的情况下，从确保所使用的火花点火式发动机的充分性能的观点出发，优选以点火延迟时间ti达到10ms以上的方式设定环戊烷的混合比例x。

图6示出点火延迟时间ti相对于环戊烷的混合比例x和标准燃料的辛烷值的特性。如图6所示，环戊烷的混合比例x越大，点火延迟时间ti越长；标准燃料的辛烷值越大，点火延迟时间ti达到10ms的环戊烷的混合比例x越低。

图7到图9是用于说明在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油时的环戊烷的优选混合比例x的一例的图，示出相对于FT轻质石脑油的辛烷值的优选混合比例x的范围的一例。

从有效利用FT轻质石脑油的观点出发，环戊烷的混合比例x优选为50％以下(图2、图3)。另外，从确保应用重整汽油的火花点火式发动机的充分性能的观点出发，优选设定为点火延迟时间ti达到10ms以上(图5、图6)。即，如图7的例子所示，优选将在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油时的环戊烷的混合比例x设定为50％以下，并且设定为点火延迟时间ti达到10ms以上。

从充分发挥环戊烷的添加效果的观点出发，优选在辛烷加成ΔRON达到规定值(例如，15)以上的范围设定环戊烷的混合比例x(图3)。另外，从确保应用重整汽油的火花点火式发动机的充分性能的观点出发，优选以点火延迟时间ti达到10ms以上的方式设定环戊烷的混合比例x(图5、图6)。即，如图8的例子所示，在辛烷加成ΔRON达到规定值(例如，15)以上的范围，以点火延迟时间ti达到10ms以上的方式设定环戊烷的混合比例x。

在FT轻质石脑油中添加环戊烷制备重整汽油时的环戊烷的混合比例x能够根据所希望的重整汽油的辛烷值来设定(图4)。例如，能够基于以达到与标准汽油相当的辛烷值88～95的方式预先规定的特性来设定。在该情况下，虽然能够确保应用重整汽油的发动机的性能，但从有效发挥添加效果的观点出发，优选在辛烷加成ΔRON达到规定值(例如，15)以上的范围设定环戊烷的混合比例x(图3)。即，如图9的例子所示，优选在辛烷加成ΔRON达到规定值(例如，15)以上的范围，基于预先以混合燃料的辛烷值RONa达到规定范围的方式设定的特性来设定环戊烷的混合比例x。

图10是用于说明环戊烷相对于链烷烃的添加效果的图，示出不同燃料成分的燃烧温度随时间的变化。如图10所示，异辛烷50％与正庚烷50％的混合燃料(标准燃料)和环戊烷50％与正庚烷50％的混合燃料在至达到燃烧温度升高的低温氧化反应为止的时间上表现出较大的差异。低温氧化反应是因燃料分子的缓慢的氧化反应而产生的发热反应，通过OH自由基的生成和消耗而连锁地进行。

图11是用于说明一般链烷烃燃烧时的化学反应的图。对化学反应进行分析，结果在一般链烷烃(RH)燃烧时的化学反应中，相对于所消耗的OH自由基，生成按化学当量不足其2倍的OH自由基。这样，在一般链烷烃燃烧中，由于所生成的OH自由基比所消耗的OH自由基多，因此容易进行连锁反应，低温氧化反应迅速进行。

图12是用于说明环戊烷燃烧时的化学反应的图。在环戊烷燃烧时的化学反应中，相对于所消耗的OH自由基，生成不足其0.65倍的OH自由基。还确认到生成物的35％为稳定的环戊烯，自由基消失的终止反应的比例较高。这样，在环戊烷燃烧中，所生成的OH自由基比所消耗的OH自由基少，因此不易进行连锁反应，不易迅速地进行低温氧化反应。

图13是用于说明各混合燃料的燃烧过程中消耗、生成的OH自由基的情况的图，示出化学反应分析的结果。如图13所示，在异辛烷50％与正庚烷50％的混合燃料中，在异辛烷的燃烧过程中消耗的OH自由基(43％)与生成的OH自由基(40％)几乎相等，在正庚烷的燃烧过程中消耗的OH自由基(57％)与生成的OH自由基(60％)几乎相等。因此，正庚烷的低温氧化反应的速度并未因异辛烷的共存而发生变化。

另一方面，在环戊烷50％与正庚烷50％的混合燃料中，在环戊烷的燃烧过程中消耗的OH自由基(56％)比生成的OH自由基(38％)多，在正庚烷的燃烧过程中消耗的OH自由基(44％)比生成的OH自由基(62％)少。即，在并行进行正庚烷的低温氧化反应和环戊烷的低温氧化反应的情况下，在正庚烷的燃烧过程中生成的OH自由基在环戊烷的燃烧过程中被消耗。因此，因环戊烷的共存而不易进行正庚烷的低温氧化反应。

这样，环戊烷不仅不易作为单体进行氧化，在添加(混合)于链烷烃中的情况下，还会因消耗在燃烧过程中生成的OH自由基，而不易进行混合燃料整体的低温氧化反应，具有使燃烧变得缓慢的效果。

采用本实施方式，能够起到如下作用效果。

(1)制备火花点火式发动机用的重整汽油的火花点火式发动机燃料的制备方法包括在轻质石脑油中混合环戊烷。通过对辛烷值较低的轻质石脑油添加环戊烷，由此制备具备能够用于火花点火式发动机的辛烷值的重整汽油，因此无需投入追加能源就能制备碳强度较低的重整汽油。

(2)环戊烷的混合比例x以在重整汽油按照规定压缩比燃烧时的重整汽油被压缩到规定压缩比后至自燃为止的点火延迟时间ti达到10ms以上的方式设定。由此，能够确保应用重整汽油的火花点火式发动机的充分性能。

(3)环戊烷的混合比例x为按照体积计算低于50％。通过使环戊烷的混合比例x为基于轻质石脑油与环戊烷的相互作用而产生的环戊烷的添加效果达到最大的50％以下，能够有效利用轻质石脑油。

(4)环戊烷的混合比例x以重整汽油的辛烷值的计算值RONc与重整汽油的辛烷值的实测值RONa之差ΔRON达到规定值(例如，15)以上的方式设定，所述重整汽油的辛烷值的计算值RONc基于轻质石脑油的辛烷值、环戊烷的辛烷值以及轻质石脑油与环戊烷的混合比计算得到。通过在基于轻质石脑油与环戊烷的相互作用而产生的环戊烷的添加效果足够大的范围设定环戊烷的混合比例x，能够充分发挥环戊烷的添加效果。

(5)轻质石脑油是通过FT合成得到的FT轻质石脑油。通过利用FT轻质石脑油，能够进一步抑制重整汽油的碳强度。

(6)环戊烷的混合比例x基于以重整汽油的辛烷值达到规定范围的方式预先规定的特性而设定，并且以重整汽油的辛烷值的计算值RONc与重整汽油的辛烷值的实测值RONa之差ΔRON达到规定值(例如，15)以上的方式设定，所述重整汽油的辛烷值的计算值RONc基于轻质石脑油的辛烷值、环戊烷的辛烷值以及轻质石脑油与环戊烷的混合比计算得到。

通过在基于轻质石脑油与环戊烷的相互作用而产生的环戊烷的添加效果足够大的范围设定环戊烷的混合比例x，能够充分发挥环戊烷的添加效果，高效地制备高辛烷值的重整汽油。另外，通过基于考虑作为轻质石脑油的主要成分的链烷烃与环戊烷的相互作用而预先规定的特性来设定环戊烷的混合比例x，能够制备适当辛烷值的重整汽油。

(7)规定范围根据标准汽油的辛烷值设定。在该情况下，能够优选将重整汽油用于设想使用标准汽油而制备的汽油发动机。

在上述实施方式中说明了在作为可再生燃料的FT轻质石脑油中添加环戊烷的例子，但也可以在来自化石燃料的石脑油中添加环戊烷。另外，环戊烷还可以使用来自可再生燃料的可再生环戊烷。在该情况下，能够进一步减少重整汽油的碳强度。

上述实施方式与变形例中的一个或多个能够任意组合，也能够组合变形例彼此。

根据本发明，能够制备碳强度较低的火花点火式发动机用燃料。

以上，结合优选实施方式说明了本发明，但本领域技术人员应理解为能够在不脱离后述权利要求书的公开范围的情况下进行各种修改和变更。