(57)【要約】  ＤＩ ＨＣＣＩエンジンの負荷能力と負荷範囲を最大化するために、燃料の着火特性をエンジンの圧縮比に合わせることにより、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンの動作は最適化される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＨＣＣＩエンジンの動作を最適化するために、複数の燃料の中からある燃料を選択する方法であって、
前記複数の燃料が同じ尺度で評価され得るように、液化炭化水素を主成分とした複数の試験用の燃料配合に対応するＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０に準拠した相当セタン価(ＤＣＮ)を決定する工程と、
前記複数の燃料配合を試験し、それらの各ＤＣＮに関してそれぞれの自己着火特性を決める工程と、
及び、前記複数の燃料配合のうち、試験されるものの燃料着火性を、前記ＨＣＣＩエンジンの圧縮比（ＣＲ）に合致させて、前記エンジンが所定のＣＲ(圧縮比)で、最も高い負荷で、及びもっとも広い負荷範囲に渡って動作可能な燃料配合を決める工程と、
を含んで構成される方法。
【請求項２】
前記複数の燃料配合は、ディーゼル燃料配合を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の燃料配合は、ガソリン燃料配合を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の燃料配合は、ディーゼル及びガソリン燃料配合の両方を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を６０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を４０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を２０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
ガソリン沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を４０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項９】
ガソリン沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を２０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＤＣＮを決定する工程において、複数の燃料配合は０〜１００のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ディーゼル燃料は、それぞれ２３．４〜４５．０のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記ディーゼル燃料は、１３．９％〜６５．４％の範囲の芳香族化合物含有率を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ガソリン燃料は、２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１４】
前記ガソリン燃料は、１２．７％〜３５．６％の範囲の芳香族化合物含有率を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
異なるＣＲ（前記複数の燃料が有するそれぞれのＣＲ）の複数のＨＣＣＩエンジンを運転する工程と、
最も広い負荷範囲に渡って最も高い負荷を提供する燃料配合ＤＣＮを、各々の前記エンジンについて決定する工程と、
そして、前記複数のＨＣＣＩエンジンの各ＣＲを任意の燃料配合ＤＣＮに合致させるための前記決定工程の結果を表にし、それによって、特定のＣＲを有するＤＩ  ＨＣＣＩエンジンの動作を最適化するために、燃料配合のＤＣＮによって、後の選択を容易にする工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
相当セタン価と（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価との関係を確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
相当セタン価とセタン価との関係を確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ディーゼル燃料配合は、１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
前記ガソリン燃料配合は、６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３％〜７９．３％の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２０】
１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される前記ディーゼル燃料配合と、
６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３〜７９．３の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される前記ガソリン燃料配合と、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項２１】
ＨＣＣＩエンジンは、直接噴射式を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
複数のＨＣＣＩエンジンのための燃料配合を選択するための方法であって、
それぞれの着火性を決定するために複数の燃料を試験工程と、
及び、所定の圧縮比（ＣＲ）の各エンジンについて、負荷性能とその負荷範囲を最大化する燃料配合を決定又は合致させるため、試験される前記複数の燃料配合のそれぞれで、前記複数のＨＣＣＩエンジンのそれぞれを運転する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
ＡＳＴＭ  方法Ｄ６８９０に準拠して決められる相当セタン価（ＤＣＮ）によって、前記複数の燃料のそれぞれのものを特定する工程をさらに含むことを特徴とした請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ＨＣＣＩエンジンのための燃料配合を選択する際に、将来の参考のために前記運転工程の結果を表にする工程をさらに含むことを特徴とした請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の前記ＤＩ ＨＣＣＩエンジンのそれぞれについてのＣＲに合った前記複数の燃料のＤＣＮ値を、その動作を最適化するために、それぞれ表にし、それによって、与えられたＤＩ ＨＣＣＩエンジンを運転するための燃料配合の将来的な選択を容易にする工程をさらに含むことを特徴とした請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数の燃料配合は、ディーゼル燃料配合を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記複数の燃料配合は、ガソリン燃料配合を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記複数の燃料配合は、ディーゼル及びガソリン燃料配合の両方を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を６０重量%未満にすることにより、前記ＤＩ ＨＣＣＩエンジンからの微粒子排出濃度を制御することさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
ガソリン沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を４０重量%未満にすることにより、前記ＤＩ ＨＣＣＩエンジンからの微粒子排出濃度を制御することさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＤＣＮを特定する工程において、複数の燃料配合は０〜１００のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記ディーゼル燃料は、それぞれ２３．４〜４５．０のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記ディーゼル燃料は、それぞれ１３．９％〜６５．４％の範囲の芳香族化合物含有率を有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ガソリン燃料は、それぞれ２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記ガソリン燃料は、それぞれ１２．７％〜３５．６％の範囲の芳香族化合物含有率を有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ＨＣＣＩエンジンは、直接噴射式を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３７】
（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価によって、前記複数の燃料のそれぞれのものを特定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３８】
セタン価によって、前記複数の燃料のそれぞれのものを特定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３９】
相当セタン価と（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価との関係を確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項４０】
相当セタン価とセタン価との関係を確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項４１】
前記ディーゼル燃料配合は、１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項４２】
前記ガソリン燃料配合は、６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３％〜７９．３％の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項４３】
１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される前記ディーゼル燃料配合と、
６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３％〜７９．３％の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される前記ガソリン燃料配合と、
を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４４】
ＨＣＣＩエンジンの性能を最適化するためのディーゼル燃料配合は、１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される。
【請求項４５】
ＨＣＣＩエンジンの性能を最適化するためのガソリン燃料配合は、６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３％〜７９．３％の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される。
【請求項４６】
ＨＣＣＩエンジンの性能を最適化するためのガソリン燃料配合は、
１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成る第１グループのディーゼル燃料配合と、
６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３％〜７９．３％の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成る第２グループのガソリン燃料配合と、
を含む第１及び第２の燃料配合のグループの一つから選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、米国出願番号第１１／４０７，５２５号（２００６年４月２０日出願）と関連しており、この出願より優先権を有する。
【０００２】
本開示内容は、概略的には内燃機関の動作の制御方法に関し、より詳しくは均一予混合圧縮着火（homogeneous charge compression ignition、HCCI）エンジンの動作の制御を最適化するための燃料選択方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
内燃機関は、空燃混合気の混合程度とその混合気がどのように着火されるかによって決められる４つのカテゴリーに定義分類される。標準のガソリンエンジンにおいては、空気と燃料は、十分に混合された混合気として予混合され、火花によって点火される。標準のディーゼルエンジンにおいては、燃料は、ピストンの圧縮行程中にシリンダ内へ噴射される。圧縮による温度上昇が燃焼を誘発する時には、まだ空気と燃料は十分に混合されない。均一予混合圧縮着火（homogenous charge compression ignition、HCCI）エンジンにおいては、空気と燃料は、圧縮による自己着火前に十分に混合される。ＨＣＣＩエンジンにおいては、ガソリンエンジンと同様に、空気と燃料は予混合されるか、あるいは、ディーゼルのように燃料は直接噴射が可能であるが、その場合、着火前に予めより良い状態に空燃混合することができる。より良い空燃混合により、ＮＯxと粒子状物質の排出量は、標準のディーゼル燃焼と比較すると非常に低くなる。標準のディーゼル燃焼においては、部分的に生じるリッチ混合気によりすすが発生し、そしてその噴射燃料を囲む火炎は高濃度のＮＯxをもたらす。ＨＣＣＩは、吸気絞りがなく、高い圧縮比を使用できるので、ガソリンエンジンより燃費が良い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨＣＣＩの主な問題点は、あまりに急速な燃焼と誘発発火環境の不足にある。一旦ＨＣＣＩエンジンのシリンダ内温度が十分に高くなると、予め混合された空燃混合気は急速に燃焼する。燃焼があまりに急速な場合、圧力上昇率は高くなるが、これは過度の騒音と潜在的なエンジンダメージの原因となり得る。発火を誘発する環境の不足により、ＨＣＣＩエンジンを制御することがより難しくなる。ガソリンエンジンにおいては、火花により発火を誘発するのに対して、ディーゼルエンジンにおいては、高温の圧縮空気中に燃料を噴射されることにより発火を誘発する。これらの方法は、ＨＣＣＩエンジンの着火タイミングと燃焼時間を制御するためには用いることはできない。
【０００５】
ＨＣＣＩエンジンの別の問題点は、それらの負荷範囲が制限されることである。これは、燃焼フェージング、シリンダ内圧力、シリンダ内圧力の上昇率及びＮＯx排出量の少なくともひとつを制御するために、高い過剰空燃率及び高いＥＧＲ率の少なくとも一方を採用していることに起因している
【０００６】
現在、ＨＣＣＩエンジンが直面している課題のいくつかには、
限られた負荷範囲、
ＨＣＣＩ燃料の着火特性についての共通の、さらに、実用的な尺度がないこと、そして、ディーゼル沸点範囲の燃料において、特に高いエンジン負荷で動作している間の過剰な微粒子／煤煙排出
が挙げられる。
【０００７】
ＨＣＣＩ技術は、まだ比較的初期の開発段階にあるが、その排出物質および燃費の優れた特性を有しているため、大きな成長性が見込まれる。様々なバージョン／形状のＨＣＣＩエンジンが世界中で開発されているが、それらの商業化は、主に、限られた負荷範囲、困難な燃焼フェージング及び過度な熱発生率の制御といった技術課題によって、妨げられている。ＨＣＣＩに関するこれらの課題や機会のいくつかに取り組むために、２００２年の秋以来、キャタピラ社はエクソンモービル社と協同研究及び開発の契約を結んでいる。この開示は、それらの共同作業の成果である。
【０００８】
以下の開示において、ディーゼル燃料は、大気圧下、約１５０℃ 〜３８０℃以内の温度範囲にわたって沸騰する炭化水素の混合物として定義されるのに対して、ガソリンは、大気圧下、約２５℃〜２２０℃以内の温度範囲にわたって沸騰する炭化水素の混合物として定義される。
【０００９】
ＨＣＣＩエンジンは、燃焼フェージング、シリンダ内の最高圧力、シリンダ内の圧力上昇率及びＮＯx排出量の少なくともひとつを制御するため、高空燃比及び高ＥＧＲ率の少なくとも一方で作動する。これは、エンジンサイクルの間に燃焼され得る燃料の量を制限し、これによって、エンジンの到達可能な最大負荷を制限する。例えば、ディーゼルと同等の圧縮比で比較される場合、代表的なセタン価４５の米国のディーゼル燃料で作動するＨＣＣＩエンジンは、最大でも、比較するディーゼルエンジンの１／３しか到達可能な負荷を発生させることができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示の一つの態様は、ＨＣＣＩエンジンの動作を最適化するために、複数の燃料の中から、燃料を選択する方法についてである。その方法は、前記複数の燃料が同じ尺度で評価され得るように、複数の液化炭化水素ベースの燃料配合を試験するため対応するＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０に準拠した相当セタン価（ＤＣＮ）を決定する工程と、前記複数の燃料配合を試験し、それらの各ＤＣＮに関してそれぞれの自己着火特性を決める工程と、及び、前記複数の燃料配合のうち、試験されるものの燃料着火性を、前記ＨＣＣＩエンジンの圧縮比（ＣＲ）に合致させて、前記エンジンが所定のＣＲ(圧縮比)で、最も高い負荷で、そしてもっとも広い負荷範囲に渡って動作可能な燃料配合を決める工程とを含む。
【００１１】
開示の別の態様は、複数のＨＣＣＩエンジンのための燃料配合を選択する方法である。その方法は、複数の燃料を試験し、それぞれの着火性を決定する工程と、及び、試験される前記複数の燃料配合のそれぞれで、前記複数のＨＣＣＩエンジンのそれぞれを運転し、所定のＣＲの各エンジンに関し、負荷性能とその負荷範囲を最大化する燃料配合を決める工程とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本開示の様々な実施形態を説明する。尚、同一の要素には同一の符号が示されている。
【００１３】
ガソリンおよびディーゼルの双方を含む広範囲の燃料の発火特性を特徴づけるために単一のパラメータを使用することは、燃料供給者、エンジン製造者および末端ユーザのためになるだろう。本発明者によって実施された試験は、ＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０に準拠して決められる同一の相当セタン価を有する液化炭化水素ベースの燃料が、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンにおいて同じ自己着火特性を示すことと、それらの沸点範囲および炭化水素構造に関わりなく同じ最大負荷まで、そして同じ負荷範囲にわたってＨＣＣＩエンジンの動作が可能なことを実証した。ＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０による相当セタン価は、その結果、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンに使用されるガソリンとディーゼル燃料の双方の自己着火性にとっての共通の尺度として提案される。本願明細書において、ＤＩ ＨＣＣＩは、本開示との関連で詳細に記載されているが、他のタイプのＨＣＣＩエンジン（非直接噴射）も、本発明に対し同様の成果を得るために使用できることを理解するべきである。
さらに、どのようなＨＣＣＩエンジンが記載されている場合でも、ＤＩ ＨＣＣＩまたはＨＣＣＩという言葉は、ほぼ同じ意味で使われていると理解するべきである。
【００１４】
低芳香族ガソリン沸点範囲燃料は、基本的に全エンジン動作範囲に渡って、煤煙を放出しないのに対して高芳香族ガソリンは、中高負荷において少量の煤煙を放出する。ディーゼル沸点範囲燃料は、高い負荷や、ほぼ化学量論的な動作状態で、相当量の煤煙を放出するということが分かった。さらに、燃料の芳香族化合物含有率の増加は、エンジンがディーゼル燃料またはガソリンのどちらかで動作した時でも、煤煙の発生が増加することが明らかとなった。煤煙発生の著しい低減は、微粒子フィルターの必要性を無くすか、少なくとも低効率のフィルターの使用を可能にするので、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンからの煤煙発生を抑制する方法が提案されているが、その場合、このようなエンジンは、燃料内の芳香族化合物含有量が指定された限界以下に調整されたディーゼル燃料またはガソリンを燃料としなければならない。
【００１５】
ＤＩ ＨＣＣＩエンジンの性能に及ぼす燃料の影響によりは、燃料の着火特性をエンジンの圧縮比に合致させることにより、最高負荷および最も広い負荷範囲が実現できること、及び、広いエンジン動作負荷範囲を達成するために広範囲の燃料化学特性を利用できることが明らかとなった。試験燃料は、図１の円グラフに示すようにＨＣＣＩエンジン動作に及ぼす燃料着火性、化学特性および揮発性の影響を評価できるように慎重に決められた。相当セタン価（ＤＣＮ）が、着火性のパラメータとして使われた。高いＤＣＮを有する燃料は容易に着火するが、低いＤＣＮを有する燃料は着火に対し耐性を示す。試験燃料は、燃料着火性、化学特性および揮発性の広範囲に及んだ。２つの揮発性の範囲が評価された。すなわち、ガソリン沸点範囲で高い揮発性を有する燃料４および８と、それぞれディーゼル沸点範囲でより低い揮発性を有する燃料２，６及び１６である。それぞれの揮発性の範囲で、２つの燃料組成群は、芳香族の含有率が高いものと低いものとによって構成された。最後に、着火性の二つのレベルがあった。すなわち、高いＤＣＮを有する燃料１６および低いＤＣＮを有する燃料２，４，８および６である。より具体的に言うと、低いＤＣＮ範囲では、ディーゼル燃料２は、ガソリン燃料４と比較すると、芳香族化合物含有率１０が高く、パラフィン族化合物含有率１４は低い。燃料１６は平均的な米国のディーゼル燃料を表し、ほぼ同じのナフテン族含有率１２、芳香族化合物含有率１０およびパラフィン族化合物含有率１４を有する。試験燃料の組成は、相当セタン価、揮発性および芳香族化合物含有率によって著しく変化する。揮発性のより高い燃料の芳香族種は一つの環と短いパラフィン側鎖を有するのに対して、揮発性のより低い燃料の芳香族種は１〜３つの環とより長い側鎖を有する。同様に、パラフィン種は、分子の大きさおよび枝分かれにおいて異なる。１２と標識化された部分は、ディーゼル燃料の場合は、主にナフテン族であって、ガソリンの場合は、オレフィンおよびナフテン族である。これらの要素の全てが、燃料の化学特性および着火性に影響を及ぼし得る。
【００１６】
試験燃料の特性は、ガソリン燃料及びディーゼル燃料に関するそれぞれの図２および３にある表に示されている。図２および図３中の燃料は、図１に表された燃料実験計画に対応する。例えば、図２を参照すると、ガソリン燃料の組成Ｇ１１，Ｇ１２およびＧ１３の一群が明らかにされ、それぞれは、図１の参照番号８で概略的に示された燃料組成に対応する。場合によっては、組成および着火性についての小さな変化を分析するために、一連の燃料は、明らかにされ、そして、図１に燃料組成２，６および８として概略的に示されている。ガソリンの燃料組成Ｇ２３は、図１に概略的に示された燃料組成４に関連する。同様に、図３を参照すると、ディーゼル燃料の組成Ｄ１２，Ｄ１２−Ｃ、およびＤ１５の一群が明らかにされ、そして、図１に概略的に示された燃料組成２に対応する。ディーゼルの燃料組成Ｄ１３とＤ１３−Ｂは明らかにされ、そして、図１に概略的に示された燃料組成６に対応する。また、ディーゼルの燃料組成Ｄ１４は、図１に概略的に示された燃料組成１６に対応する。図３に示すように、ディーゼル燃料の相当セタン価（ＤＣＮ）は、２３．４から４５．０の範囲に渡り、そして芳香族化合物含有率は１３．９から６５．４％の範囲に渡る。図２に示すように、ガソリンの相当セタン価は、２７．２から３２．４の範囲で変動し、そして、（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価 は６２．５から８０．７の範囲で変動する。ここでは、芳香族化合物含有率は、燃料Ｇ１１，Ｇ１２およびＧ１３については、基本的に同一（約１３％）であるが、ガソリン燃料の組成Ｇ２３については、かなり高い（３５．６％）。試験用のガソリンおよびディーゼル燃料のそれぞれの蒸留特性は、厳密に一致している。従って、ガソリン及びディーゼル燃料とが同一の尺度で評価され得るため、本発明者は、相当セタン価は燃料着火性を評価する上で有用なパラメータであることを発見した。
【００１７】
図１〜３に記載されている燃料は、市販ガソリンとディーゼルの中間のＤＣＮによって決定された着火特性を有する広い範囲の燃料化学特性をもたらす。図１に図示したように、揮発性、着火性および芳香族化合物含有率の変化は、広い組成分類内で燃料化合物の性質に著しい影響を与える。例えば、図１に示すように、揮発性の増加はパラフィン分子サイズを小さくし、芳香族分子上のパラフィン側鎖の長さを縮小する。したがって、燃料組成の範囲は、組成変化を示す図２および３に記載されている範囲より広くさえある。広い沸点範囲を有する燃料を使用しこの広い組成範囲にわたって同等の着火性を提供することは、試験の重要な要素であった。
【００１８】
単気筒ＤＩ ＨＣＣＩエンジンが、これらの試験に使用された。その仕様を、図４の表に示す。この研究において使用する圧縮比に対して、このエンジンについて設定した正味平均有効圧力(BMEP kPa)の目標値は、１２００ｒｐｍで１６００ｋＰａ、そして１８００ｒｐｍで１４００ｋＰａであった。最高シリンダ圧力とシリンダ圧力上昇率は、それぞれ、１８メガパスカル(ＭＰａ)と３ＭＰａ／クランク角度に制限された。図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）の可変係数は、５％で制限された。
【００１９】
図５および６に示すように、最大及び最小の達成可能なエンジン負荷曲線１８，２０は、ともに、それぞれＤＣＮ＞２７で試験された燃料については、相当セタン価が減少するにつれて、増加した。特に、最大の達成可能なエンジン負荷は、高速回転において増加し、その結果、エンジンの負荷範囲が広がった。１２００ｒｐｍでは、図５に示すように、１６００ｋＰａの目標ＢＭＥＰレベル達成のために、相当セタン価は約２８以下の燃料の使用を必要とした。１８００ｒｐｍでは、図６に示すように、１４００ｋＰａの目標ＢＭＥＰレベル達成のために、相当セタン価が約３２以下の燃料の使用を必要とした。標準的な米国ディーゼル燃料（ 燃料Ｄ１４ （ＤＣＮ＝４５））で作動する場合の最大の達成可能な負荷の増加は、１２００ｒｐｍで６０％（約１０００ｋＰａから１６００ｋＰａ）そして１８００ｒｐｍでは４０％（約１０００ｋＰａから１４００ｋＰａａ）であった。同時に、負荷範囲は１２００ｒｐｍで５５％（７６０ｋＰａから１１８０ｋＰａａ）、そして１８００ｒｐｍで２５％（８４０ｋＰａから１０５０ｋＰａａ）増加した。
【００２０】
安定燃焼は、１つの速度／負荷条件（すなわち１２００ｒｐｍおよび６００ｋＰａ ＢＭＥＰ）の下で、ディーゼル燃料Ｄ１５（ＤＣＮ＝２３．４）を使用することによってのみ達成されたが、これは、テストした実験条件下で、ＨＣＣＩ（少なくともディーゼル燃料において）の良好な動作にとってＤＣＮ下限値が存在することを示している。図６で概略が示されているように、同様のＤＣＮ下限値が、１８００ｒｐｍの速度においても当てはまると思われるが、これは、１８００ｒｐｍはより厳しい動作条件を表すからである。
【００２１】
燃焼フェージングを制御するためのＥＧＲ（排気ガス再循環）の必要性が少なくなったことにより、燃料着火性が低減し、ＤＩ ＨＣＣＩエンジン（ＤＣＮ＞２７において）において、より高い負荷レベルが可能となった。これにより、シリンダ混合気内の空気量を増量することが可能となった。その結果、より多くの燃料をシリンダ内に噴射できるため、エンジン出力が増加する。最小の達成可能なエンジン負荷は、エンジン給油量の増加により、燃料着火性の低減、遅延された噴射タイミングとともに増加したが、これは、ピストンのほぼＴＤＣ（上死点）で燃焼の開始が確実に起こり、ＮＯｘ排出量を許容範囲内に確実に収めるために必要であった。
【００２２】
図５および６が示しているように、最高負荷および最も広いＨＣＣＩ負荷範囲を達成するために、燃料着火性を、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンの圧縮比に合わすことができる。圧縮比の変更に伴い、図７に概略が示されるように、最適な燃料着火性の要件も変化するが、それらの要件を確立する原理は変わらないことが予測される。図７に、最大達成可能負荷曲線２２，２４および２６が、エンジン圧縮比ＣＲ１，ＣＲ２およびＣＲ３においてそれぞれ示されている。さらに、図７に、最小達成可能負荷曲線２８，３０および３２が、エンジン圧縮比ＣＲ１，ＣＲ２およびＣＲ３においてそれぞれ示されている。図５，６および７において、ＤＣＮが燃料の着火特性を特徴づけるために使用されたが、例えばオクタン価またはセタン価のような他の燃料着火性の尺度も使用できる点も、注目に値する。一方、好ましい実施形態においては、ディーゼル燃料およびガソリン燃料配合の少なくとも一方を含み、ＤＣＮにより示めされた燃料着火特性をそれぞれに有する多種多様な液化炭化水素ベースの燃料が表中に示されている。そして、その表は、各燃料配合が最適の高いエンジン負荷と負荷範囲を提供するための、各燃料配合、そのＤＣＮ、およびＤＩ ＨＣＣＩエンジンの圧縮比を特定する。
【００２３】
要約すると、本開示の一実施形態は、発生可能な最大負荷を増加させ、そしてＨＣＣＩの動作可能な負荷範囲を最大にするために、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンの圧縮比と燃料着火性の要件にマッチする方法を明示する。標準的な米国ディーゼルと比べて着火性が低減した燃料は、より高いエンジン圧縮比およびより効率的な動作を可能にする。その結果、ＤＩ ＨＣＣＩ技術の独自の燃料効率および排気物質の利点が、最大限且つ最大効率で利用されることができる。
【００２４】
図５および６に表された結果は、燃料の化学特性および揮発性の広い範囲を網羅する燃料により得られた。高いエンジン負荷は、高低どちらかの沸点範囲を用いる燃料及び１２．７から６５．４％におよぶ芳香族化合物含有率を有する燃料によって得られた。これは、広範囲の燃料組成および揮発性が、高いエンジン負荷を得るために使用できるということを示している。
【００２５】
「定容積室内燃焼によるディーゼル燃料油の着火遅れと相当セタン価（ＤＣＮ）を決める標準的な試験方法」と題されたＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０が、その精度が定義される３３から６０のＤＣＮの範囲をカバーしている点に留意されたい。しかしながら、着火遅れデータからＤＣＮを計算するためにこの方法で使われる方程式は、当初は０から１００までのＤＣＮ範囲内にある燃料を用いて開発された。さらに、その範囲内に収まったその較正燃料であっても、この方法は、ガソリン沸点範囲の燃料には適用されない。これらの制約に関わらず、この開示のために、ＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０において定義された試験方法は、０から１００の範囲のＤＣＮにわたって、ガソリンおよびディーゼル沸点範囲の両方に適用される。
【００２６】
ＤＩ ＨＣＣＩエンジンは、ガソリンからディーゼル燃料にわたる広範囲の炭化水素ベースの液化燃料で作動可能である。実際上は、例えば、モータオクタン価、リサーチオクタン価およびセタン価といった、いくつかのパラメータが、これらの燃料の着火特性を特徴づけるために用いられる。さらに、オクタン価およびセタン価評定法は、広い着火特性および蒸留範囲にわたる燃料には、適用できない。例えば、ガソリンは一般的に、自己発火に対して過度な耐性を示すため、ＡＳＴＭ 方法Ｄ６１３に準拠して測定されるそれらのセタン価を有することができない。ディーゼル燃料は、ＡＳＴＭ 方法Ｄ２６９９およびＤ２７００に準拠して測定されるそれらのオクタン価を有するのに十分な揮発性を示さない。比較的新しいＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０は、広い着火特性および蒸留範囲を網羅する燃料に適用することができるという点に注目して、ガソリンおよびディーゼル燃料の着火特性を評価する方法を提供する。図８は、様々なガソリンおよびディーゼル沸点範囲の燃料についての（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価（ＲとＭはそれぞれＡＳＴＭ Ｄ２６９９リサーチオクタン価とＡＳＴＭ Ｄ２７００モータオクタン価である）とＡＳＴＭ Ｄ６８９０相当セタン価との関係および、ＡＳＴＭ Ｄ６１３セタン価とＡＳＴＭ Ｄ６８９０相当セタン価との関係を示す。
【００２７】
図８は、ＤＣＮと(Ｒ＋Ｍ)／２オクタン価との間および、セタン価とＤＣＮとの間で、関係が確立できることを示す。他の関数形式を使用して、ＲＯＮ、ＭＯＭとＤＣＮとの間で、さらなる関係も確立できる。これらの着火パラメータ（セタン価、ＲＯＮ、ＭＯＮ、そして、（Ｒ＋Ｍ）／２またはこれらのパラメータの実用的な組合せ）は、燃料着火性をエンジン圧縮比とマッチさせるために使用できる。
【００２８】
特に、ＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０に準拠して決められた同じ相当セタン価を有する液化炭化水素ベースの燃料が、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンで同じ自己着火特性を示し、そしてそれらの沸点範囲および炭化水素構造にかかわりなく同じ最大負荷まで、そして同じ負荷範囲にわたってＨＣＣＩ動作を可能にすることが、試験により立証された。この主張は、４つのガソリンと６つのディーゼル燃料について図５および６に図示される。それらの燃料の性質は、それぞれ図２および３の表に示されている。
【００２９】
前述のように、広範囲にわたる燃料の着火特性を特徴づける単一のパラメータの使用は、末端ユーザのみならず、燃料供給者、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンの製造者にとって有益である。このパラメータの使用によって、同類のエンジンがこれらの燃料の他の特性に対応するように設計されている限り、ＤＩ ＨＣＣＩエンジン用の燃料は、同じ装置で、同じ試験方法に準拠して評価され、それらのＤＣＮに基いて交互に使用される。単一の試験方法を使用することにより、燃料開発、そして燃料およびエンジン特性の制御だけでなくＤＩ ＨＣＣＩエンジンの開発が容易となり、そのコストは削減されるだろう。したがって、ＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０による相当セタン価は、それゆえにＤＩ ＨＣＣＩで使用されるガソリンおよび中間留分の沸点範囲燃料双方に対する自己着火性の共通の尺度として提案される。図８は、セタン価の曲線３４と(Ｒ＋Ｍ)／２の曲線３６に対する相当セタン価をそれぞれ示す。
【００３０】
排出微粒子（煤煙）は汚染物質と考えられ、その排気物質は多くの国において規制されている。微粒子排出の基準は、ますます厳しくなっており、燃費低下を引き起こす高価な微粒子フィルターの使用を余儀なくされている。したがって、これらの装置の必要性を無くし、より安価で低効率のフィルターを使用できるようにするために、エンジンからの排気微粒子の排出を抑えることは有益なことである。
【００３１】
前述のように、低芳香族ガソリンは基本的に、エンジンの全ての動作範囲にわたって、煤煙をまったく放出しないのに対して、高芳香族ガソリンは中高負荷において微量の煤煙を放出するということが、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンで実施された試験により実証された。ディーゼル燃料の場合、高負荷、及びほぼ化学量論的な動作条件で多量の煤煙を放出することが分かった。さらに、ディーゼル燃料の芳香族化合物含有率の増加は、中高負荷で煤煙排出量の増加として示された。これらの結果を、図２および３の表にあるいくつかのガソリンおよびディーゼル燃料について、図９（１２００ｒｐｍ）および図１０（１８００ｒｐｍ）にそれぞれ示す。図９および１０の煤煙データは、燃料の種類（ディーゼルかガソリン）と芳香族炭火水素の相対的な含有率（高いか低い）に対応してプロットされている。図９および１０のそれぞれにおいて、フィット曲線３８，４０，４２および４４は、高芳香族ディーゼル、低芳香族ディーゼル、高芳香族ガソリンおよび低芳香族ガソリンをそれぞれ表す。それぞれのデータ群内の燃料は、その燃料群の芳香族の平均含有率とともに、図１１に示す表に記載される。図１２の表に示すように、平均煤煙データは、燃料の各群について計算された。ここでは、平均煤煙値が、軽負荷（６００ｋＰａ 以下のＢＭＥＰ）、中負荷（６００ｋＰａ ＜ ＢＭＥＰ ＜１２００ｋＰａ）、そして、高負荷（ＢＭＥＰ＞ １２００ｋＰａ）について、１２００ｒｐｍと１８００ｒｐｍの速度で表にされている。
【００３２】
これらの結果を考慮して、ＤＩ ＨＣＣＩエンジンからの微粒子排出量の制御方法が提案されるが、その場合、かかるエンジンには芳香族の含有率が調整されたディーゼル燃料またはガソリンの供給が必要とされる。ディーゼル沸点範囲の燃料の場合、芳香族化合物含有率が６０重量％未満、好ましくは４０重量％未満、そしてさらに好ましくは、２０重量％未満であるべきと決められた。ガソリン沸点範囲の燃料の場合、芳香族化合物含有率は、４０重量％未満、そして好ましくは２０重量％未満であるべきである。
【００３３】
本開示の様々な実施形態が示され且つ説明されたが、それらに限定することを意味するものではない。当業者であれば、これらの実施形態に多少の変更が加えられても、その変更が（添付の）請求項の範囲の思想から逸脱するものではないことがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ＨＣＣＩエンジンの動作における燃料着火性、化学的性質および揮発性の影響を評価する試験燃料選択の概略構成図である。
【図２】試験されたガソリン燃料の特性を示す表である。
【図３】試験されたディーゼル燃料の特性を示す表である。
【図４】様々な燃料を試験する際に使用した単気筒直接噴射（ＤＩ）ＨＣＣＩエンジンの仕様を示す表である。
【図５】１２００ｒｐｍで、最大及び最小の達成可能なキロPascalでの正味平均有効圧力(BMEP kPa)またはエンジン負荷に対する相当セタン価を示し、最大及び最小の達成可能な負荷の近似線も示す。
【図６】１８００ｒｐｍで、最大及び最小の達成可能なキロPascalでの正味平均有効圧力(BMEP kPa)またはエンジン負荷に対する相当セタン価を示し、最大及び最小の達成可能な負荷の近似曲線も示す。
【図７】異なるエンジン圧縮比での、最大及び最小の達成可能なエンジン負荷に対する相当セタン価の曲線を示す。
【図８】(Ｒ＋Ｍ)／２とセタン価に対する相当セタン価の曲線を示す。
【図９】１２００ｒｐｍで、ボッシュスモークユニット（ＢＳＵ）の煤煙に対するエンジン負荷(BMEP/kPa)についての曲線を、高い芳香族ディーゼル燃料、低い芳香族ディーゼル燃料、高い芳香族ガソリン燃料および低い芳香族ガソリン燃料の場合で示す。
【図１０】１８００ｒｐｍで、ボッシュスモークユニット（ＢＳＵ）の煤煙に対するエンジン負荷(BMEP/kPa)についての曲線を、高い芳香族ディーゼル燃料、低い芳香族ディーゼル燃料、高い芳香族ガソリン燃料および低い芳香族ガソリン燃料の場合で示す。
【図１１】図９および図１０の曲線内に現れる燃料群の表を示す。
【図１２】試験された燃料群に関する平均煤煙データを示す表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月5日(2009.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＨＣＣＩエンジンの動作を最適化するために、複数の燃料配合の中からある燃料配合を選択する方法であって、
試験用に、ガソリン燃料配合とディーゼル燃料配合の両方を含む前記複数の燃料配合を提供する工程と、
前記燃料配合が同じ尺度で評価され得るように、前記ＨＣＣＩエンジンで用いる前記複数の燃料配合のそれぞれに対する自己着火性の共通の尺度としてＡＳＴＭ 方法Ｄ６８９０に準拠した相当セタン価(ＤＣＮ)を決定する工程と、
前記複数の燃料配合を試験し、それらの各ＤＣＮに関してそれぞれの自己着火特性を決める工程と、
及び、前記複数の燃料配合のうち、試験されるものの燃料着火性を、前記ＨＣＣＩエンジンの圧縮比（ＣＲ）に合致させて、前記エンジンが所定のＣＲ(圧縮比)で、最も高い負荷で、及びもっとも広い負荷範囲に渡って動作可能な燃料配合を決める工程と、
を含んで構成される方法。
【請求項２】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を６０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を４０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ディーゼル沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を２０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ガソリン沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を４０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ガソリン沸点範囲燃料の芳香族化合物含有率を２０重量%未満にすることにより、前記ＨＣＣＩエンジンから微粒子排出を抑制することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ＤＣＮを決定する工程において、複数の燃料配合は０〜１００のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ディーゼル燃料配合は、それぞれ２３．４〜４５．０のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ディーゼル燃料配合は、１３．９％〜６５．４％の範囲の芳香族化合物含有率を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガソリン燃料配合は、２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガソリン燃料配合は、１２．７％〜３５．６％の範囲の芳香族化合物含有率を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
相当セタン価と（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価との関係を確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
相当セタン価とセタン価との関係を確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
１９．４〜４５．９のセタン価範囲に相当する２３．４〜４５のＤＣＮ範囲、１３．９％〜６５．４％の範囲にある芳香族化合物含有率及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される前記ディーゼル燃料配合と、
６２．５〜８０．７の（Ｒ＋Ｍ）／２オクタン価範囲に相当する２７．２〜３２．４のＤＣＮ範囲、１２．７％〜３５．６％の範囲にある芳香族化合物含有率、６０．３％〜７９．３％の範囲にあるパラフィン族化合物含有率、及びそれらの組合せを有する配合から成るグループから選択される前記ガソリン燃料配合と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
ＨＣＣＩエンジンは、直接噴射式を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
所定の圧縮比（ＣＲ）の各エンジンについて、負荷性能とその負荷範囲を最大化する燃料配合を決定又は合致させるため、試験される前記複数の燃料配合のそれぞれで、前記複数のＨＣＣＩエンジンのそれぞれを運転する工程と、
前記複数の前記ＤＩ ＨＣＣＩエンジンのそれぞれについてのＣＲに合った前記複数の燃料配合のＤＣＮ値を、その動作を最適化するために、それぞれ表にし、それによって、与えられたＤＩ ＨＣＣＩエンジンを運転するための燃料配合の将来的な選択を容易にする工程と、
をさらに含むことを特徴とした請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＤＣＮを決定する工程において、複数の燃料配合は０〜１００の範囲のＤＣＮを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ディーゼル燃料配合は、それぞれ２３．４〜４５．０の範囲のＤＣＮを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
2010501049.tif 000015
2010501049.tif 000016