(57)【要約】  本明細書において開示される実施形態は、全般的に、燃焼チャンバにおける霧化および空気混合を速やかに促進しそれにより燃料効率を増加させ有害なＮＯＸおよび粒子の排気放出を低減するために、ディーゼル燃料においてテルペンおよびセタン価改善剤を含有する低濃度添加剤を使用することに関するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相のテルペンおよびセタン価向上剤を含有する、ディーゼル燃料と混合されるための添加剤組成物。
【請求項２】
前記テルペンはｄ−リモネンである、請求項１に記載の添加剤組成物。
【請求項３】
前記添加剤は約７５重量％から約９０重量％のｄ−リモネンを含有する、請求項２に記載の添加剤組成物。
【請求項４】
前記添加剤は約８０重量％から約８５重量％のｄ−リモネンを含有する、請求項２に記載の添加剤組成物。
【請求項５】
前記セタン価向上剤は２−エチルヘキシルニトラートである、請求項２に記載の添加剤組成物。
【請求項６】
前記添加剤は約１０重量％から約２５重量％の２−エチルヘキシルニトラートを含有する、請求項５に記載の添加剤組成物。
【請求項７】
前記添加剤は約１５重量％から約２０重量％の２−エチルヘキシルニトラートを含有する、請求項５に記載の添加剤。
【請求項８】
請求項１に記載の前記添加剤組成物は、燃料効率を向上させ排気放出を低減するために、ディーゼル燃料に加えられる、燃料組成物。
【請求項９】
約０．０００７重量％から約０．０１重量％の請求項１に記載の前記添加剤組成物を含有する、請求項８に記載の燃料組成物。
【請求項１０】
約０．００１重量％から約０．００５重量％の請求項１に記載の前記添加剤組成物を含有する、請求項８に記載の燃料組成物。
【請求項１１】
ディーゼルエンジンを点火するための方法であって、（ａ）液相のテルペンおよびセタン価向上剤を含有する添加剤をディーゼル燃料に加えて混合液を形成するステップと、（ｂ）前記混合液を前記ディーゼルエンジンに加えるステップと、（ｃ）前記ディーゼルエンジンを点火するステップと、を含む方法。
【請求項１２】
前記テルペンはｄ−リモネンであり前記セタン価向上剤は２−エチルヘキシルニトラートである、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１０年８月１０日に出願された米国仮特許出願整理番号第６１／３７２，０９２号の優先権を主張するものであり、この仮特許出願は引用することにより本明細書に援用される。
【０００２】
本発明の実施形態は、全般的に、内燃機関およびボイラにおける燃料添加剤に関する。さらに詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンにおいて燃料効率を改善し有毒な排気放出を低減するための物質組成物および方法を開示する。
【背景技術】
【０００３】
ディーゼル燃料エンジンにおいて、唯一最大の制約的なパラメータは低い空気利用率である。燃料は、ピストンが上死点に極めて近接するとき、液体流として燃焼チャンバに噴霧される。そのため霧化および混合のための時間が極めて少なくなってしまう。燃料は霧化され空気と混合されたときにのみ燃焼し、それにより噴霧の中核にある液体燃料は熱分解と固形物の形成とを開始する。１ミリ秒未満の間に比較的大量の燃料が霧化される必要があるより高い負荷においては、より大量の粒子状物質が生成される。加えて、燃料の霧化のためにより長い時間が消費されるにつれてＮＯＸの生成も増加する。
【０００４】
エンジン製造業者は、現在のところ、霧化を支援するための超高圧燃料噴射装置を設置することにより、この問題を解決する。一方、この高圧噴射の結果生じる吸排気損失は１０〜１５％のエンジンのエネルギー出力を奪う。エンジン製造業者は、ＮＯＸ排出を制御するために、排気ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）にも、現在、大きく依存している。一方、ＥＧＲは、バルクガス温度を低下させ、仕事出力を低下させ、燃焼不安定性を生じさせる。バイオディーゼルを使用した場合、バイオディーゼルの揮発性がより低く燃料の酸素含有量が高い（１０％を超える）ため、効果的な燃焼がさらに低下してしまう。さらに、バイオディーゼルが噴射装置上におよび燃焼チャンバ自体内に形成しがちである樹脂状沈殿物および堆積物も燃焼プロセスを損なう。
【０００５】
洗浄燃料添加剤も、噴射装置ノズル上の堆積物および燃焼チャンバ内の堆積物を除去することにより、失われた燃費を回復し排気放出を低減する能力を有するものとして、よく知られている。それにも関わらず、これらの燃料添加剤は清浄なエンジン以上に燃焼を改善することは不可能である。金属ベース添加剤もよく知られた燃焼促進添加剤であり、ディーゼルエンジンにおいて性能を改善し、粒子状物質の形成を低減することができる。しかしこれらの金属ベース添加剤は触媒の作用を損なうものであり、人間および環境に対して有害な効果を有することが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液体燃料噴霧を速やかに分散および霧化する改善された方法が望まれる。有害な副作用を与えることなくエンジン効率を顕著に高め有害な排気放出を低減する燃料添加剤技術に対する要求は依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書において開示される実施形態は全般的に内燃機関およびボイラにおける燃料添加剤に関する。１つの実施形態において、液相のテルペンおよびセタン価向上剤を含有する、液相のディーゼル燃料と混合されるための添加剤組成物が提供される。他の実施形態において、テルペンはｄ−リモネンである。他の実施形態において、セタン価向上剤は２−エチルヘキシルニトラートである。
【０００８】
他の実施形態において、ディーゼルエンジンを点火するための方法が提供される。この方法は、（ａ）液相のテルペンおよびセタン価向上剤を含有する添加剤をディーゼル燃料に加えて混合液を形成するステップと、（ｂ）その混合液をディーゼルエンジンに加えるステップと、（ｃ）そのディーゼルエンジンを点火するステップと、を含む。他の実施形態において、テルペンはｄ−リモネンでありセタン価向上剤は２−エチルヘキシルニトラートである。
【０００９】
上述の本発明の特徴が詳細に理解され得るよう、上記にまとめた本発明のより詳細な説明が、これらの実施形態を参照することにより提供され得る。なお、そのうちのいくつかが添付の図面に示される。一方、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものであり、したがって、本発明が他の等しく効果的である実施形態も含むものであるため、本発明の範囲を限定するものであると考えてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ベース燃料と１つの実施形態に係る添加剤が混合された燃料とに対する、時間対圧力曲線を示すグラフである。
【図２】ベース燃料と１つの実施形態に係る添加剤が混合された燃料とに対する、移動距離対燃費の関係を示すグラフである。
【図３】１つの実施形態に係る添加剤が混合された燃料で稼働する４台のトラックに対する、時間と燃費における改善とのグラフである。
【図４】ベース燃料に対する、圧力対時間曲線を示すグラフである。
【図５】ｄ−リモネンが混合された燃料に対する、圧力対時間曲線を示すグラフである。
【図６】ｄ−リモネンおよび２−エチルヘキシルニトラートが混合された燃料に対する、圧力対時間曲線を示すグラフである。
【図７】ｄ−リモネンおよび２−エチルヘキシルニトラートが混合された燃料に対する、圧力対時間曲線を示すグラフである。
【図８】２−エチルヘキシルニトラートが混合された燃料に対する、圧力対時間曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書において開示される実施形態は全般的に内燃機関およびボイラにおける燃料添加剤に関する。さらに詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンにおいて燃料効率を改善し有毒排気放出を低減するために、ｄ−リモネン等のテルペンおよび２−エチルヘキシルニトラート等のセタン価改善剤を含有する組成物を開示する。本発明のテルペン成分は、柑橘類の果皮等の農業廃棄物および水から作られ、非常に良好なカーボンフットプリントを提供する。
【００１２】
驚くべきことに、極めて高いオクタン価を有するｄ−リモネンは、２−エチルヘキシルニトラート等のセタン価改善剤とともに極めて低い濃度で用いられるとき、顕著に燃費を改善し、有害な排気放出を低減し得ることが見出された。
【００１３】
驚くべきことに、ｄ−リモネンは、ディーゼル燃料における燃焼の開始を顕著に進行させ、それにより、燃焼事象が短縮化され、燃料効率が向上し、劇的にＮＯＸおよび粒子の排気放出が軽減されることが見出された。この発見は予期しないものであった。なぜなら、ｄ−リモネンはオクタン価が高く（オクタン価１０６）、著しくディーゼル燃料の点火品質を劣化させ燃焼開始を妨げるであろうことが知られているからである。
【００１４】
いかなる方法においてもこの機構に限定されることなく、ｄ−リモネンがエンジンの燃焼チャンバ内等の超高温・超高圧にさらされると、その分子が液体燃料噴霧を速やかに分散させると考えられる。リモネン（Ｃ１０Ｈ１６）は特に柑橘類果実において高濃度で見出される。本発明の燃料添加剤点火を調製するために好適なテルペンであるリモネンは、未処理／工業等級、食品等級、およびレモン・ライム等級の３つの異なる等級においてＦｌｏｒｉｄａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ社から商業的に入手可能である。食品等級は約９７％のｄ−リモネンを含有し、未処理／工業等級は約９５％のｄ−リモネンを含有し、レモン・ライム等級は約７０％のｄ−リモネンを含有し、これら３つの等級において、残余分は他のテルペン系炭化水素類および酸素化化合物である。リモネンの工業等級および食品等級は本発明における使用に対してより好適である。
【００１５】
より一般的なリモネン異性体であるｄ−リモネン（４−イソプロペニル−１−メチルシクロヘキセン）は大気温度において無害であり、通常は安全と認められる（ＵＮ  ＮＲＡＳ）の評価を有する。一方、リモネンは純度に応じて約華氏１１３度〜約華氏１２４度の範囲の引火点を有する。したがって、華氏１０００度を越える燃焼チャンバにおける圧縮熱により生成される温度等の高温にさらされると、ｄ−リモネンは急速に２つに熱分解し、２モルのイソプレンガスが生成され、それにより燃料噴霧の初期膨張が生じる。この反応生成物はよく知られた過酸化物生成体であり、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（第６版、第２巻）において強い爆発性を有するものとして分類される。次いで、液体燃料噴霧の急速な分散と、液体燃料および高温空気の混合の強化と、霧化の高速化と、大量吸気との混合とを生じさせる微小爆発事象は確保する。しかし、この急速な霧化プロセスは芳香族等の燃料の低セタン成分にも影響を与えるため、２エチルヘキシルニトラート等のセタン価向上剤が、気相における芳香族の自動点火を急速に促進するために加えられてもよい。
【００１６】
セタン価向上剤／改善剤は、特に燃料組成物が圧縮点火式エンジンにおいて用いられる場合、燃料爆発特性を改善する。セタン価向上剤の例は硝酸塩、亜硝酸塩、および過酸化物を含む。好適なセタン価改善剤はＥｔｈｙｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から「ＨＩＴＥＣＨ  ４１０３」の商品名で入手可能である２−エチルヘキシルニトラート（２−ＥＨＮ）である。２−ＥＨＮの任意の異性体が本明細書において説明される添加剤において好適であるが、過酸化ジ−ｔ−ブチル（ＤＴＢＰ：ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ  ｐｅｒｏｘｉｄｅ）（Ｃ８Ｈ１８Ｏ２）も用いられ得る。硝酸アンモニウムも、エマルジョン安定化特性を有する付加的な利点を有するセタン価改善剤として用いられ得る。好適な組成物は約０．１重量％〜０．４重量％のセタン価向上剤を含有する。
【００１７】
本明細書において説明される添加剤組成物は液相のテルペンおよびセタン価改善剤を含有する。１つの実施形態において、この添加剤は、約１０重量％〜約２５重量％の２−エチルヘキシルニトラート、および約７５重量％〜約９０重量％のｄ−リモネンを含有し得る。他の実施形態において、この添加剤は、好適には、約１５重量％〜約２０重量％の２−エチルヘキシルニトラート、および約８０重量％〜約８５重量％のｄ−リモネンを含有し得る。好適には、燃料におけるテルペン／セタン価改善剤添加剤の濃度は約０．００７５重量％未満である。このように形成されたｄ−リモネン添加剤は、次に燃料と混合されると、燃費を改善しこの燃料組成物を動力源とするエンジンにより放出されるＮＯＸおよび粒子を低減するために、処理される。これらの利点を提供することが示される、ディーゼル燃料における添加剤の好適な濃度は約０．０００７重量％〜０．０１重量％の範囲である。他の実施形態において、この燃料は約０．００１重量％〜約０．００５重量％の添加剤を含有する。このディーゼル燃料は、バイオディーゼル燃料を含む、ＡＳＴＭディーゼル燃料基準を満足する任意のディーゼル燃料であり得る。
【００１８】
他の実施形態において、１リットルの添加剤は、９３％〜１００％の範囲、好適には９３％〜１００％の範囲、さらに好適には９６％〜１００％の範囲の純度を有するｄ−リモネン８３０ｍｌを２−エチルヘキシルニトラート１７０ｍｌと混合することにより調製され得る。上記に説明したその結果生成される混合液は、次に、５００重量ｐｐｍ〜１０，０００重量ｐｐｍ、より好適には８００重量ｐｐｍ〜２，５００重量ｐｐｍの範囲の濃度の燃料添加剤として用いられ得る。
【００１９】
リモネンの点火による発熱は、石油化学蒸留物に由来する現在使用される炭質固体燃料軽油からの発熱と有利に匹敵する。図１は、工業規格点火品質テスト、ＡＳＴＭ  ６８９０／０８から取られた、圧力対時間曲線を示す。このテストは、燃料が噴射される直前のピストンが上死点に近い時点における強力なディーゼルエンジンの単一シリンダの容積と同じ容積を有する燃焼容器を利用する。燃焼容器における空気の圧力および温度も燃料噴射直前の燃焼の条件と同じである。このテストはエンジンテストに関連する変動性の多くを排除する。各圧力曲線は毎秒あたり１０，０００サンプルで取得されたデータから構築された。図１において示される曲線は３２回の個別試運転の平均である（１，０００回の試運転がｄ−リモネンおよび２−エチルヘキシルニトラート添加剤を用いて実行され、得られた結果は同様であった）。使用された添加剤においては、約８３重量％のｄ−リモネンおよび約１７重量％の２−エチルヘキシルニトラートが約２２００重量ｐｐｍの濃度のベース燃料に加えられた。図１から見られるように、ｄ−リモネンおよび２−エチルヘキシルニトラート添加剤は、超低硫黄軽油（ＵＬＳＤ：ｕｌｔｒａ  ｌｏｗ  ｓｕｌｆｕｒ  ｄｉｅｓｅｌ）よりも燃焼を早期に開始する。添加剤が加えられた場合、曲線の傾斜がより急勾配となることも見ることができる。このことは、ＵＬＳＤを用いる場合よりも、より多量の燃料がエネルギーをより早期に放出することを示すものである。このことにより、正味平均有効圧力はより高くなり、その結果、燃料消費が低減される（正味燃料消費率＝燃料消費量／正味平均有効圧力）。（網掛けエリアは各サイクルにおいて実行される仕事を表す。）このデータは、この添加剤が燃料燃焼向上剤として機能することを示す。
【００２０】
短縮化された燃焼事象も排気ガス中におけるＮＯＸの形成を低減する機能を有する。この速やかな熱放出により、より多くの化学エネルギーが、理論的に最適な定容サイクル効率が生じる上死点において、ピストン頂面上で利用可能な仕事に変換される。さらに、この技術は、液体燃料噴霧内における熱分解反応を制限または排除することにより、粒子状物質も低減する。
【００２１】
開示された物質、化合物、組成物、物品、方法の特定の態様についてこれから参照する。なお、これらの例を添付の実施例において示す。ｄ−リモネンおよび２−エチルヘキシルニトラート添加剤は、中間的なトラックおよび強力なトラック上でテストを実施することにより、燃費改善性能に関して評価された。これらのテストで用いられたエンジンは、５．９リットルおよび２５０馬力〜１５リットルおよび６００馬力以上の範囲であった。以下で実施されたテストにおいてベース物質として用いられた基準燃料は超低硫黄軽油（ＵＬＳＤ）燃料であった。一方、本明細書において説明される添加剤は、単に超低硫黄軽油のみばかりではなく他種類のディーゼル燃料とともに用いられることが可能であることに注意すべきである。これらのテストにおいて１０〜２３％の範囲の燃費改善が測定された。以下の実施例が本発明をさらに説明するであろう。これらの実施例は単に例示を意図するものである。他の変化例および修正例が、添付の請求項により決定される本発明の範囲から逸脱することなく、または係る本発明の範囲を限定することなく、本明細書において説明される形態および詳細において可能であり得る。
【００２２】
実施例１
添加剤１リットルは、純度が９７％のｄ−リモネン８３０ｍｌと２−エチルヘキシルニトラート１７０ｍｌとを混合することにより調製される。
【００２３】
実施例２
カミンズ社ターボエンジンが装備された１９９９年式ダッジピックアップトラックが水平道路負荷においてシャシー動力計上で毎時５０マイルでテストされた。図２において示されるように、このトラックの燃費は２０マイル走行後に安定した。未添加のベースとなる超低硫黄軽油（ＵＬＳＤ）燃料で６０マイル走行後に燃費は安定し、その測定値は３７．３マイル／ガロンであった。１７重量％の２−エチルヘキシルニトラートおよび８３重量％のｄ−リモネンを含有する実施例１の混合液が、次に、０．３オンス／ガロンの濃度の燃料に加えられた。この添加剤でさらに１２マイルを走行後に測定された燃費は４０．１マイル／ガロンであった。なお、これは７．５％の燃費改善を示すものであった。
【００２４】
実施例３
カミンズ社製ＩＳＸエンジンが装備された、オハイオ州の長距離運送トラックからの４台のトラックのそれぞれに、３ヶ月の期間にわたって、ベース燃料と、濃度２５００ｐｐｍの実施例１の添加剤とが補給された。これらのトラックは通常の道路条件下で走行された。図３において示されるように、これら４台のトラックのうちの３台は、テスト期間中、燃費において顕著な改善を示した。全車両中の１台（トラック４０５０６７番）はこの化学的性質に対して積極的反応を示さなかった。これは、例え全エンジンが同じであったとしても全トラックが必ずしも化学的性質またはハードウェアに応答しない運送サービスにとっては一般的なことである。応答における差異は、通常、運転手の多様性に帰着されることができる。
【００２５】
走行テストの燃費改善結果は、一般にいくつかの理由により、シャシー動力計の結果よりも高くなり得る。車両がベッドプレート上に固定されるため、燃焼向上剤を動力計上の車両の燃料タンクに混合することは、燃焼向上剤がバルク燃料と混合する制限された機会を提供する。走行テストにおいては、停車／発車・運転により生じる燃料移動により燃料および添加剤はより速やかに混合される。また、走行テストの期間は一般に動力計テストよりも長期にわたるものとなり、そのために添加剤の他の有利な属性の作用が開始され得ることとなる。
【００２６】
図４〜図８は、工業規格点火品質テストを使用する燃焼容器テスト、ＡＳＴＭ  ６８９０／０８から取られた、異なる燃料組成物に対する圧力対時間曲線を示す。以下の表において、各走行に対する約７ｍｓの時点における走行条件および結果として生じた圧力がまとめられる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図４は添加剤が全く加えられていないベースディーゼル燃料に対する圧力対時間曲線を示す。図５はベースディーゼル燃料にｄ−リモネンのみを加えることによるいくらかの改善を示す。図６は、約９１％のｄ−リモネンおよび約９％の２−エチルヘキシルニトラートを有する添加剤がディーゼル燃料に加えられたときの、さらに大きい改善を示す。図７は、より少量の添加剤がディーゼル燃料に加えられ（ただし、２−エチルヘキシルニトラートの濃度がより高くなっている）、それによりさらなる改善が見られたことを示す。最後に、図８は２−エチルヘキシルニトラートのみが加えられた燃料混合液に対する結果を示す。図７におけるｄ−リモネンおよび２−エチルヘキシルニトラートの混合液は、２−エチルヘキシルニトラートのみの混合液よりも燃焼向上剤としてさらに優れた性能を発揮した。図７における曲線の勾配は、図８におけるよりも急である。このことは、２−エチルヘキシルニトラートのみを用いる場合よりも８３／１７のｄ−リモネン／２−エチルヘキシルニトラートの組み合わせを用いる場合に、より多量の燃料がエネルギーをより早期に放出することを示すものである（曲線下方のエリアは、なされた仕事量を表す）。このデータは、ｄ−リモネン／２−エチルヘキシルニトラート添加剤が燃料燃焼向上剤として機能することを示す。
【００２９】
上記は本発明の実施形態を対象とするものであるが、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態が、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、考案されることが可能であり、本発明の範囲は以下の請求項により決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013536284.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013536284.tif 000010
【図８】
2013536284.tif 000011
【国際調査報告】
2013536284.tif 000012
2013536284.tif 000013
2013536284.tif 000014