JP2010241871A - 予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物 - Google Patents
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- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Abstract
【解決手段】硫黄分が10質量ppm以下、90%留出温度が360℃以下、ナフテン分が30容量%以上、セタン価が35以上、15℃における密度が0.860g/cm3以下であることを特徴とする、予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物である。この予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、改質器付き予混合圧縮着火エンジンの燃料として好適に使用し得る。
【選択図】図1
Description
(1)硫黄分が10質量ppm以下
(2)90%留出温度が360℃以下
(3)ナフテン分が30容量%以上
(4)セタン価が35以上
(5)15℃における密度が0.860g/cm3以下
そして、本発明の予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、上記の如き性状を有するので、改質器付き予混合圧縮着火エンジンのPCCI燃焼領域を飛躍的に拡大すると共に、熱効率の向上と、有害ガス成分およびCO2の排出量の削減を達成することができる。
以下に、本発明の燃料油組成物を詳細に説明する。本発明の燃料油組成物は、下記のような硫黄分、蒸留性状、セタン価、密度を有することを特徴とする。なお、本発明の燃料油組成物は、改質器付き予混合圧縮着火エンジン用の燃料として特に適しているが、改質器を備えていない既存の予混合圧縮着火エンジンに用いても良い。
本発明の燃料油組成物は、硫黄分が10質量ppm以下、好ましくは1質量ppm以下である。硫黄分が10質量ppm以下の場合、燃焼時に生成する硫黄酸化物の量が少なく、環境へ与える負荷を低減することができるからである。また、硫黄分は、有害排気ガス成分を処理するための排気ガス浄化触媒を被毒するので、硫黄分の低い燃料油組成物は、排気ガス浄化触媒の性能を長く維持することができるという観点からも、環境負荷の低減に寄与できるからである。更に、排気ガス浄化触媒としてNOx吸蔵還元触媒を備える予混合圧縮着火エンジンにおいては、硫黄で被毒した触媒の再生に大量の燃料を使用するところ、燃料油組成物中の硫黄分を低減すれば、再生に必要な燃料の量を削減することができ、燃費の向上に寄与できるからである。そして、これらの効果は、硫黄分が低い程顕著であるため、本発明の燃料油組成物中の硫黄分は、1質量ppm以下であることが好ましい。
本発明の燃料油組成物は、90%留出温度が360℃以下、好ましくは350℃以下、更に好ましくは340℃以下である。90%留出温度が360℃以下の場合、燃料油組成物中の重質留分の気化が不十分となることに起因する未燃焼炭化水素の増加や、潤滑油の希釈の増大を防止することができるからである。更に、本発明の燃料油組成物は、90%留出温度が300℃以上であることが好ましく、310℃以上であることがより好ましい。90%留出温度が低すぎると燃料噴射器の摩耗が発生したり、燃費が悪化したりするからである。
本発明の燃料油組成物は、セタン価(CN)が35以上、好ましくは38以上である。本発明の燃料組成物は、温度条件が低い条件下、例えば低負荷条件などで使用される場合には、十分な着火性を有している必要があるのでセタン価は35以上である。セタン価が低過ぎると着火遅れの増大や失火が起こり、白煙の増大や運転性の悪化を引き起こすからである。なお、本発明の燃料組成物のセタン価は65以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましい。セタン価が高い燃料組成物を製造する場合、製造時に発生するCO2量が多くなるからである。また、製造コストも高くなるので、経済性の観点からもセタン価は65以下が望ましい。
本発明の燃料油組成物は、ナフテン分が、30容量%以上、好ましくは40容量%以上である。改質器付きディーゼルエンジンの燃料として用いる場合、燃料油組成物中のナフテンが少ないと、改質器でナフテンの脱水素反応による廃熱回収や水素生成を十分に行うことができずCO2排出量の削減効果が小さくなるからである。また、本発明の燃料油組成物は、ナフテン分が、80容量%以下、好ましくは70容量%以下である。ナフテンが多すぎると、改質前の燃料油組成物のセタン価を35以上にすることが困難なためである。
本発明の燃料油組成物は、15℃における密度が0.860g/cm3以下、好ましくは0.850g/cm3以下である。15℃における密度を0.860g/cm3以下とすることにより、エンジンの燃焼室でのデポジットの増加を防止できるからである。また、燃料の重質化は燃焼により発生する黒煙の増大を招くからである。なお、本発明の燃料油組成物は、15℃における密度が0.800g/cm3以上であることが好ましい。密度が低すぎると燃費が悪化するからである。
本発明の燃料油組成物は、燃料油組成物中に含まれているナフテンの転化率が95%、好ましくは98%、更に好ましくは99%の条件下でのセタン価の低下度、例えば、白金触媒を充填した改質器において400℃以上の温度で脱水素反応を行った場合のセタン価の低下度が、7以上、好ましくは10以上である。セタン価の低下度が低いと、PCCI燃焼領域を十分に拡大することができない恐れがあるからである。
本発明の燃料油組成物は、30℃における動粘度が1.0mm2/s以上、好ましくは1.5mm2/s以上である。動粘度が低過ぎると、エンジンへの十分な燃料供給が困難になるからである。また、本発明の燃料油組成物は、30℃における動粘度が4.0mm2/s以下、好ましくは3.5mm2/s以下である。動粘度が高くなると、エンジンの燃焼室内に噴射された燃料の微粒化が困難となり、燃焼時に発生する黒煙が増加するからである。なお、動粘度は、JIS K2283に準拠して測定することができる。
本発明の燃料油組成物は、芳香族化合物の含有量が40容量%以下、好ましくは30容量%以下、更に好ましくは20容量%以下である。芳香族化合物が多いと燃焼時に発生する黒煙が増加するからである。また、特に多環芳香族化合物が燃料油組成物中に多量に含まれている場合、黒煙の増大に加えて燃焼室の汚れを招くので、本発明の燃料油組成物は、多環芳香族化合物の含有量が5容量%以下であることが好ましく、2容量%以下であることが更に好ましい。なお、芳香族化合物分は、JPI−5S−49−97「石油製品−炭化水素タイプ試験方法−高速液体クロマトグラフ法」に準拠して測定することができる。
本発明の燃料油組成物は、例えば、上記の蒸留性状を満たすように分留した軽油基材を水素化分解して製造した低芳香族軽油に、接触分解軽油を飽和水素化した芳香族を含まない軽油(ナフテン系軽油)、ナフテン系溶剤、ノルマルパラフィンを製造する際に留出されるラフィネート(高温高圧下で水素化された灯油留分)等のナフテンリッチな基材を混合して製造することができる。また、必要に応じて、セタン価(CN)の高いパラフィン系軽油基材を混合することもできる。
なお、本発明の燃料油組成物には、必要に応じてセタン価向上剤を添加しても良く、上記セタン価向上剤としては、アルキルナイトレート系セタン価向上剤や、有機過酸化物系セタン価向上剤が挙げられる。ここで、上記アルキルナイトレート系セタン価向上剤としては、炭素数6〜12のアルキルナイトレートが好ましく、2-メチルヘキシルナイトレートが特に好ましい。また、上記有機過酸化物系セタン価向上剤としては、炭素数6〜12のジアルキルパーオキサイドが好ましく、ジ-t-ブチルパーオキサイドが特に好ましい。そして、これらセタン価向上剤の添加量は、0.5質量%以下が好ましく、0.1質量%以下が更に好ましい。セタン価向上剤の添加量を増すとセタン価は高くなるが、その増加の割合は、添加量が0.5質量%を超えると極めて小さくなるので、セタン価向上剤添加の費用対効果の観点から添加量は0.5質量%以下とすることが好ましい。
また、本発明の燃料油組成物には、任意に、燃料油組成物の安定性を確保するための酸化防止剤、燃料油組成物の低温流動性を確保するための低温流動性向上剤、燃料油組成物の潤滑性を確保するための潤滑性向上剤、エンジンの清浄性を確保するための清浄剤等を適宜添加することができる。
上述した本発明の燃料油組成物は、既存の予混合圧縮着火エンジンの他、排気ガスの廃熱を利用して燃料を脱水素化(改質)する改質器を備える、改質器付き予混合圧縮着火エンジンに好適に用いることができる。
C7H14 → C7H8 + 3H2 △H=205kJ/mol
そして、上記反応式からも明らかなように、脱水素反応は吸熱反応であるところ、改質器7では、排気ガスの廃熱を回収して該反応に有効利用しているので、改質器付き予混合圧縮着火エンジン1の熱効率が向上し、それによりCO2排出量を削減することができる。また、高負荷で運転している場合には高温の排気ガスがエンジン本体6から排出されるので、高温下、高い転化率で燃料の脱水素反応を行うことができる。従って、排気ガスの廃熱を改質器7での脱水素反応に利用した改質器付き予混合圧縮着火エンジン1では、高負荷条件下ほど低セタン価の改質燃料が生成され、該低セタン価の改質燃料と極めて着火性の低い水素を使用することができるので、既存の予混合圧縮着火エンジンと比較して、PCCI燃焼領域を拡大することができる。
以下の供試燃料を調製し、下記の方法で性状分析を行った。結果を表2に示す。
更に、下記の供試機関(改質器付き予混合圧縮着火エンジン)を下記の条件で運転して、供試燃料および改質器で改質した改質燃料を用いて運転した場合のPCCI燃焼領域の評価を下記の方法で行った。なお、評価は、市販の軽油を用いた場合(比較例1)と比較して、PCCI燃焼領域が拡大した燃料を(○)、同等の燃焼領域が認められた燃料を(△)、燃焼領域が縮小した燃料を(×)とした。結果を表2に示す。
・燃料−1:市販軽油(ベース燃料)
・燃料−2:接触分解軽油基材(LCO)
・燃料−3:市販灯油
・燃料−4:石油系軽油基材を水素化分解した低芳香族燃料30容量%に、芳香族化合物分が0.02容量%以下の飽和水素化燃料(特開2006−96786号公報に記載のナフテン系溶剤)70容量%を混合した燃料
・燃料−5:石油系軽油基材を水素化分解した低芳香族燃料30容量%に対し、純度96%以上の1−メチルナフタレン試薬を水素化した飽和水素化燃料を70容量%混合した燃料
・密度:JIS K2249「原油及び石油製品密度試験法」
・蒸留性状:JIS K2254「蒸留試験法」
・硫黄分:JIS K2541−6「硫黄分試験法(紫外蛍光法)」
・セタン価(CN):JIS K2280「石油製品−燃料油−オクタン価及びセタン価試験方法並びにセタン指数算出方法」に規定された実測法
・ナフテン分:Agilent Technologies社製HP−6890N型FID検出器付きGCおよび日本電子社製AccuTOF JMS−T100GC飛行時間型質量分析計からなるGCシステムを用いた。詳細な分析条件は次の通りである。
1次カラム:微極性カラム(Supelco社製PTE−5、長さ30m、内径0.25mm、フィルム厚0.25μm)、モジュレータ中空カラム:長さ2m、内径0.1mm
2次カラム:高極性カラム(Supelco社製SpelcoWAX10、長さ2m、内径0.25mm、フィルム厚0.25μm)
昇温条件:10℃/分(50℃(5分保持)から280℃(27分保持))
注入口温度:280°C
注入量:1.0μl
スプリット比:100:1
キャリアガス:ヘリウム(He)、1.0ml/分
モジュレータ温度:下記のコールド温度、ホット温度を繰り返す。
ホットジェットガス温度:150℃(5分保持)から320℃(33分保持)に10℃/分で昇温。
コールドジェットガス温度:約−140℃
モジュレータ頻度:6秒間で0.3秒間ホット温度、その後5.7秒間コールド温度。
インターフェイス中空カラム:長さ0.5m、内径0.25mm
FIDガス条件:水素(45mL/分)、空気(450mL/分)、メークアップヘリウム(25mL/分)
ここで、本GCシステムは、炭素数7〜44の化合物を測定することが可能であり、測定したピーク(山形)の溶出時間とマススペクトルから、それぞれのピーク(山形)に対応する化合物を同定する。同定された全ピーク(山形)の合計を含有量合計(100ピーク体積%)とし、それぞれのピーク(山形)から対応するそれぞれの化合物の含有量をピーク体積%として算出し、これを容量%とする。ナフテン分(容量%)は、ナフテン環を骨格に持つ成分の合計含有量として求められる。
・気筒数:1
・排気量(cm3):1007
・圧縮比:14
エンジン回転速度を1320(rpm)、燃料の噴射圧力を40MPaに固定し、燃料の噴射量・噴射時期を変化させ、PCCI燃焼が成立する負荷範囲を求めた。
低負荷条件(高い着火性が求められる条件)側でのPCCI燃焼が可能な負荷ついては、改質していない燃料をそのまま用いた場合のPCCI燃焼限界を着火・燃焼の安定性の指標である燃焼変動を用いて決定することにより求め、また、高負荷条件側でのPCCI燃焼が可能な負荷ついては、改質器でセタン価を低減した改質燃料および水素を用いた場合のPCCI燃焼限界を急激な燃焼の指標である圧力上昇率の最大値及びNOx排出量を用いて決定することにより求めた。具体的には、燃焼変動係数COVは0.5%、圧力上昇率(dP/dθ)は1.0MPa、NOx排出量は0.5g/kWhを閾値として、PCCI燃焼限界を求めた。そして、両者を合わせて、その燃料の予混合圧縮着火運転が可能な負荷領域(PCCI燃焼領域)とした。
(1)排気ガス測定
排気ガス分析計(堀場製)を用いて、排気ガス中の二酸化炭素(CO2)、窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)の各濃度を測定した。
(2)燃焼解析
燃焼解析装置(小野測器製)を用いて、図示平均有効圧力、燃焼変動を解析・評価した。また、着火遅れ、dP/dtの最大値を測定した。
(3)容量燃費
図示平均有効圧力と燃料消費量の測定値から容量燃費を算出した。
2 タンク
3 ポンプ
4 燃料噴射弁
5 吸気管
6 エンジン本体
7 改質器
8 タンク
9 ポンプ
10 燃料噴射弁
11 排気ガス浄化触媒
12 タンク
13 噴射系
Claims (3)
- 硫黄分が10質量ppm以下、90%留出温度が360℃以下、ナフテン分が30容量%以上、セタン価が35以上、15℃における密度が0.860g/cm3以下である、予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物。
- 脱水素触媒を用いて燃料油組成物を脱水素し改質燃料油組成物へと改質する改質器を備えた改質器付き予混合圧縮着火エンジンに用いられ、且つ、
前記改質燃料油組成物のセタン価が、前記改質器での改質前の燃料油組成物のセタン価より7以上低い、請求項1に記載の予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物。 - 前記改質燃料油組成物のセタン価が28以下である、請求項2に記載の予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物。
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