Автомобильное бензиновое топливо для двигателя внутреннего сгорания, способ работы двигателя и способ снижения выбросов

011821 Изобретение относится к составам бензинового топлива и способам их применения в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, например в автомобильных двигателях. Загрязняющие атмосферу вещества, образующиеся при сгорании, включают оксиды азота, которые обычно обозначаются NOx (где x-целое число, которое представляет число атомов кислорода в молекуле). Такими оксидами являются NO и NO2. NOx образуются в процессе сгорания, когда азот и кислород,из которых состоит воздух, подвергаются действию высоких температур в течение некоторого промежутка времени. Исследования на бензине с пониженной температурой 90%-ной перегонки, имеющем повышенную скорость сгорания, показали, что такой бензин при сгорании быстрее достигает высокой температуры, что увеличивает время воздействия высокой температуры на азот и кислород воздуха и тем самым вызывает увеличение содержания NOx в выхлопных газах (см. прилагаемую фигуру). Известные бензины, используемые в настоящее время в качестве топлива в современных автомобильных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, требуют октановых чисел, определяемых по формуле (R+M)/2, которые почти полностью попадают в диапазон октановых чисел 84-94(например, US 5015356, C10L 1/02, 1991). Все октановые числа, указанные в данном описании, определены по формуле (R+M)/2, где R определяется по ASTM D-2699 и М определяется по ASTM D-2700. Чтобы устранить или уменьшить детонационный "стук" двигателя или улучшить эффективность сгорания топлива, для некоторых двигателей требуется более высокооктановый бензин, чем для других, в зависимости от их степени сжатия или накопления углеродистых отложений (срока службы). Если в двигателе имеет место детонация ("стук"), существенно увеличиваются и выбросы НС (углеводородов), и выбросы СО. Бензины с пониженным октановым числом использовались в прошлом в двигателях с низкой степенью сжатия, но в обычной практике от использования таких двигателей отказались вследствие их низкой эффективности и низкой отдаваемой мощности, поскольку было обнаружено, что увеличение степени сжатия в двигателе и регулировка момента зажигания существенно улучшают эффективность сгорания топлива. Однако для достижения такого результата требовалось, чтобы бензин имел намного более высокое октановое число. Действительно, закон штата Калифорния теперь требует, чтобы автомобильный бензин, изготовленный, ввезенный, продаваемый или используемый в Калифорнии, имел минимальное октановое число (R+M)/2, равное 87. Наиболее близким к предложенному автомобильному бензиновому топливу является известное автомобильное бензиновое топливо для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащее смесь углеводородов, которое имеет октановое число (R+M)/2 в пределах 82,3-83,2 и температуру 90%-ной перегонки по ASTM D-86 в пределах 307-313F (153-156C) (Химия и технология топлив и масел, 1970,5, с. 10-11). Это топливо является относительно высокооктановым. Задачей данного изобретения является создание автомобильного топлива с более низким октановым числом, которое, тем не менее, можно было бы эффективно использовать в современных двигателях,модифицируя их так, чтобы топливо данного изобретения можно было эффективно использовать с одновременным снижением загрязнения окружающей среды оксидами азота NOx. Поставленная задача решается предложенным автомобильным бензиновым топливом для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащим смесь углеводородов, при условии, что топливо имеет температуру 90%-ной перегонки по ASTM D-86, равную 310F (154C) или менее и октановое число (R+M)/2, которое меньше 82. Предпочтительным вариантом выполнения предложенного автомобильного топлива является топливо, имеющее октановое число, которое равно или меньше 80, в частности, топливо, в котором температура 90%-ной перегонки находится в интервале 265-285F (129-141C) и октановое число составляет 72 или более 72, но менее 82. Предложенное топливо может дополнительно содержать известные присадки, кислородсодержащие соединения, наполнители топлива или другие компоненты, которые улучшают свойства или характеристики сгорания бензина. Такие добавки можно использовать каждую в отдельности или в любом сочетании. Низкая температура 90%-ной перегонки необходима для того, чтобы бензин мог сгорать быстро и более полно при смешении с воздухом и зажигании в двигателе. Низкое октановое число необходимо для того, чтобы скорость сгорания в смеси с воздухом была высокой. Общеизвестно, что для обычных автомобильных бензинов существует обратная зависимость между температурой 90%-ной перегонки и октановым числом. Это означает, что, чем ниже температура 90%ной перегонки, тем выше октановое число, и наоборот, чем выше температура 90%-ной перегонки, тем ниже октановое число. Общеизвестно также, что работа двигателя на обычном автомобильном бензине с пониженной температурой 90%-ной перегонки приводит к увеличению выделения окислов азота в атмосферу. Изобретателю удалось, используя обычные в технике получения моторных топлив процессы перегонки и крекинга, создать новый вид автомобильного бензинового топлива, который характеризуется сочетанием пониженной температуры 90%-ной перегонки с пониженным октановым числом. Октановое число можно снизить известными способами, такими как снижение количества высокооктановых компонентов, используемых при получении бензина, или путем снижения количества присадок, повышающих-1 011821 октановое число, которые обычно добавляют в бензин. Желаемой температуры перегонки можно достичь обычными способами получения и очистки бензина, такими как отгонка тяжелых фракций из бензиновых смешанных технологических потоков на нефтеперерабатывающих заводах. Достижение ранее не известного сочетания пониженной температуры 90%-ной перегонки с пониженным октановым числом позволило получить неожиданный технический результат - уменьшение вредных выделений в атмосферу при работе двигателя. В бензине согласно изобретению используются стандартные компоненты бензина, которые могут включать присадки и/или кислородсодержащие вещества. Таким образом, за исключением пониженной температуры 90%-ной перегонки и пониженного октанового числа бензин согласно изобретению в остальном является таким же, как обычный бензин, который используется в настоящее время. Предложенное автомобильное топливо здесь и ниже обозначено как Е-бензин II (E-gasoline II). Бензины по изобретению легко испаряются или переходят в газообразное состояние. Так как в парообразном или газообразном состоянии они имеют повышенную стабильность, они, в основном, остаются в этом состоянии при смешении с воздухом, вводимым в камеру сгорания двигателя. Эта характеристика улучшает отношение воздуха к топливу и характеристики зажигания горючей смеси с повышенным отношением воздуха к топливу. Низкое октановое число бензина также способствует сгоранию при более высоком отношении воздуха к топливу, так как избыточный воздух является превосходной присадкой, повышающей октановое число. Хорошо известно, что эффективность сгорания и пониженное содержание загрязняющих веществ в выхлопе достигаются при отношениях воздуха к топливу выше стехиометрического. Бензин согласно изобретению позволяет достичь надежного зажигания горючих смесей, имеющих более высокие отношения воздуха к топливу, чем в смесях, используемых в настоящее время в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Поставленная в изобретении задача решается также предложенным способом работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором имеется по меньшей мере одна камера сгорания и система установки опережения зажигания, при этом способ включает введение топлива и воздуха,в частности, при соотношении воздуха к топливу, которое выше стехиометрического, по меньшей мере в одну камеру сгорания и зажигание указанной смеси искрой, причем топливом является Е-бензин II, при условии, что система установки опережения зажигания двигателя установлена на такую величину, при которой исключается детонация при работе двигателя. Предложенное автомобильное топливо можно использовать в стандартном автомобильном двигателе при меньшем опережении зажигания, чем требовалось бы для того же двигателя, работающего на бензине с октановым числом, например 87. Кроме того, было также обнаружено, что при сгорании бензина с пониженным октановым числом и низкой температурой 90%-ной перегонки в двигателе с меньшим опережением зажигания достигается уменьшение выбросов загрязняющих веществ, особенно уменьшение выбросов NOx. Это очень важно потому, что обычные бензины с низкой температурой 90%ной перегонки повышают выбросы NOx (см. фигуру), но путем уменьшения опережения зажигания можно при работе двигателя уменьшить количество выбросов NOx, как показано в приведенном ниже примере 2. Уменьшение опережения зажигания также дает возможность дальнейшего уменьшения октанового числа (R+M)/2 до величин, меньших 81,8, предпочтительно до 80 или менее. В предпочтительном варианте осуществления изобретения температура 90%-ной перегонки находится в интервале от 265F (129C) до 285F (141C); при этом октановое число бензина предпочтительно находится в интервале 72-82. С таким бензином можно снизить содержание загрязняющих веществ в выхлопе обычного двигателя внутреннего сгорания путем задержки опережения зажигания в двигателе автомобиля предпочтительно на величину в пределах от 4 до 12. Поставленная в изобретении задача решается также предложенным способом снижения выброса загрязняющих веществ, в частности, выбросов NOx, из двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в частности, двигателя автомобиля, в котором имеется по меньшей мере одна камера сгорания и система установки опережения зажигания, причем в способе устанавливают систему установки опережения зажигания на минимальную эффективную величину, чтобы избежать детонации в двигателе, при этом используют в качестве бензинового топлива для работы двигателя автомобильное бензиновое топливо Е-бензин II. Общеизвестно, что система опережения зажигания может быть отрегулирована непосредственно на объекте путем экспериментального подбора такой его величины, при которой исключается детонация данного двигателя при работе на данном топливе (см., например: J.B.Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals, McGrow Hill, N.Y.: 1988, p. 857). Изобретателю удалось установить, что такое регулирование работы с обеспечением отсутствия детонации возможно осуществить в современных двигателях,характеризующихся высокими степенями сжатия, даже при их работе на низкооктановом топливе, благодаря тому, что этим топливом является предложенный Е-бензин II, и при этом достичь снижения выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, в частности, оксидов азота. Е-бензин II является топливом с низким октановым числом, но его, тем не менее, можно использовать в обычных автомобильных двигателях внутреннего сгорания, просто задерживая опережение зажигания двигателя. Такие современные двигатели могут обеспечить улучшенную эффективность сгорания-2 011821 при использовании бензина, имеющего октановые числа менее 82, при условии, что опережение зажигания задерживается, и бензин имеет низкую температуру перегонки - температура 90%-ной перегонки поASTM D-86 менее 310F (154C). Предложенное топливо сгорает чисто и дает низкое содержание загрязняющих веществ в выхлопе двигателя внутреннего сгорания, имеет хорошие свойства по отдаваемой мощности и по запуску двигателя при низких температурах, хорошие рабочие характеристики при отношении воздуха к топливу в двигателе внутреннего сгорания выше стехиометрического. На прилагаемой фигуре представлена диаграмма, которая показывает влияние снижения температуры 90%-ной перегонки по ASTM D-86 от 360F (182C) до 280F (138 С) на выброс загрязняющих веществ в автомобильном выхлопе. Сущность изобретения иллюстрируется приведенными ниже примерами 1, 2. В примере 1 дано сравнение обычного бензина и бензина настоящего изобретения, имеющего температуру 90%-ной перегонки менее 310F (154C), полученное на основе испытаний с использованием стандартных федеральных методов, принятых в США. В примере 2 даны результаты динамометрических испытаний двигателя при работе на бензине настоящего изобретения. Пример 1. Динамические испытания, проведенные фирмой Compliance and Research Services, Inc., Линден,штат Нью-Йорк, на автомобиле Oldsmobile Cutlass в ноябре 1989 г., показали, что топливо, предназначенное для улучшенного испарения при впрыске, т.е. топливо данного изобретения, имеющее температуру 90%-ной перегонки менее 310F (154C), октановое число, равное только 81,8, и обозначенное здесь как "специальный бензин", может работать хорошо без детонации в двигателе при низком октановом числе. В этом испытании топливо данного изобретения хорошо работало без детонации и без повышения выбросов НС и СО. Результаты испытаний приведены в нижеследующей таблице 1. Данные по выбросам загрязняющих веществ приведены в граммах на милю пробега (1 г/миля = 0,62 г/км) Таблица 1 Октановое число (R+M)/2 = 92,0 Октановое число (R+M)/2 = 81,8 Пример 2. Испытания в Питтсбургском центре прикладных исследований (PARC) проводили, используя 4 цилиндровый двигатель (2,5 л) Pontiac, при помощи динамометра Go Power (Go Power Dynamometer) и измерительной системы ТЕС Electromotive (TEC Electromotive Control System). Следующие данные были взяты из записей показаний приборов при работе двигателя со скоростью вращения 2000 об./мин, причем все условия были одинаковыми за исключением величин выбросов углеводородов, NOx и используемого топлива, как показано в приведенной ниже табл. 2. Из табл. 2 видно, что при использовании специального бензина имеет место более низкий уровень выбросов NOx, еще более снижающийся при изменении опережения зажигания. Таблица 2 Бензин по изобретению с температурой 90%-ной перегонки менее 310F (154C)-3 011821 Хотя настоящее изобретение было описано на основе некоторых предпочтительных вариантов его осуществления, и приведены относящиеся к ним примеры, специалистам в данной области техники очевидно, что могут быть внесены изменения, дополнения, сделаны исключения и замены, которые не выходят за пределы сущности изобретения. Поэтому предполагается, что настоящее изобретение ограничивается только его объемом, определенным формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Автомобильное бензиновое топливо для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащее смесь углеводородов, при условии, что топливо имеет температуру 90%-ной перегонки по ASTM D-86, равную 310F (154C) или менее, и октановое число (R+M)/2, которое меньше 82. 2. Топливо по п.1, имеющее октановое число, которое равно или меньше 80. 3. Топливо по п.1, в котором температура 90%-ной перегонки находится в интервале 265-285F(129-141C) и октановое число составляет 72 или более 72, но менее 82. 4. Топливо по п.1, содержащее смесь углеводородов, при условии, что смесь имеет октановое число(R+M)/2 меньше 80, и топливо может содержать присадки и наполнители топлива, обычные для бензина. 5. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором имеется по меньшей мере одна камера сгорания и система установки опережения зажигания, при этом способ включает введение топлива и воздуха по меньшей мере в одну камеру сгорания и зажигание указанной смеси искрой, причем топливо является автомобильным бензиновым топливом по любому из пп.1-4 при условии, что система установки опережения зажигания двигателя установлена на такую величину, при которой исключается детонация при работе двигателя. 6. Способ по п.5, в котором двигатель работает при соотношении воздуха к топливу, которое выше стехиометрического. 7. Способ снижения выбросов NOx из двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором имеется по меньшей мере одна камера сгорания и система установки опережения зажигания, в котором устанавливают систему установки опережения зажигания на минимальную эффективную величину, чтобы избежать детонации в двигателе, при этом используют в качестве бензинового топлива для работы двигателя автомобильное бензиновое топливо по любому из пп.1-4. 8. Способ снижения выброса загрязняющих веществ в выхлопе автомобиля, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания, который включает использование автомобильного бензинового топлива по любому из пп.1-4. 9. Способ по п.8, в котором автомобильное бензиновое топливо содержит присадки, кислородсодержащие соединения или объемный наполнитель бензина. 10. Способ снижения выбросов NOx из двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором имеется по меньшей мере одна камера сгорания и система установки опережения зажигания,при этом способ включает введение топлива и воздуха по меньшей мере в одну камеру сгорания и зажигание смеси искрой, причем топливо является автомобильным бензиновым топливом по любому из пп.14 при условии, что система установки опережения зажигания двигателя установлена на такую величину,при которой исключается детонация при работе двигателя. 11. Способ снижения выбросов продуктов сгорания, загрязняющих окружающую среду, из двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который включает работу двигателя при соотношениях воздуха к топливу выше стехиометрического отношения, с использованием автомобильного бензинового топлива по любому из пп.1-4.