JP2011148947A - 軽油組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ベース軽油と、炭素数2のアルコールと、炭素数4のアルコールとを含み、前記炭素数2のアルコールに対する前記炭素数4のアルコールの容量比が0.2〜1.0であり、前記ベース軽油に対する前記アルコールの合計の容量比が0.1〜1.2であり、セタン価が39以上であることを特徴とする軽油組成物である。
【選択図】なし
Description
ベース軽油と、炭素数2のアルコールと、炭素数4のアルコールとを含み、
前記炭素数2のアルコール(EtOH)に対する前記炭素数4のアルコール(BuOH)の容量比(BuOH/EtOH)が0.2〜1.0であり、
前記ベース軽油(BGO)に対する前記アルコールの合計(ROH)の容量比(ROH/BGO)が0.1〜1.2であり、
セタン価(CN)が39以上である
ことを特徴とする。
15℃における密度が0.87g/cm3以下、
硫黄分が10質量ppm以下、
初留点が150〜220℃、
終点が260〜370℃、
全芳香族分が30容量%以下である
ことを特徴とする上記(1)記載の軽油組成物である。
本発明の軽油組成物は、炭素数2のアルコール(EtOH)に対する炭素数4のアルコール(BuOH)の容量比(BuOH/EtOH)が0.2〜1.0、好ましくは0.3〜0.8である。ベース軽油に混合できる有益なバイオアルコールとしては、炭素数2のアルコール(エタノール)と炭素数4のアルコール(例えばn−ブタノール)があるが、前述のように経済性などの観点からはエタノールが優れている。しかしながら、エタノールはベース軽油に溶解しないので、本発明では、炭素数2のアルコールと炭素数4のアルコールの混合溶液をベース軽油に溶解させる。但し、炭素数4のアルコールの割合が高過ぎると、1容量%以下の水分を添加しても、ベース軽油相とアルコール相に分離しないため、オンサイト(自動車)で着火性の大きく異なる2種類の燃料を得ることができない。そのため、炭素数2のアルコールと炭素数4のアルコールの容量比は、エタノールがベース軽油に溶解し、且つ1容量%以下の水分の添加で、ベース軽油相とアルコール相に分離する比であることが必須であり、これらの観点から、該容量比は0.2〜1.0である。該容量比が0.2未満では、エタノールの割合が高すぎて、炭素数2のアルコールと炭素数4のアルコールの混合溶液がベース軽油に溶解しない。なお、該容量比を0.3以上とすることで、炭素数2のアルコールと炭素数4のアルコールとの混合溶液のベース軽油への溶解性が特に良好となる。また、該容量比が1.0を超えると、水の添加による相分離に時間がかかり、且つベース軽油相へのアルコールの溶解が見られ、着火性の異なる2燃料を簡便に、且つ迅速に得るとの目的を十分には達成できない。さらに、該容量比が大きすぎると、水分を添加しても相分離せず、該燃料組成物の目的を達成できなくなる。また、バイオアルコールとしては、エタノールを用いることが望ましいことから、炭素数2のアルコールに対する炭素数4のアルコールの容量比は、好ましくは0.8以下である。
本発明の軽油組成物は、ベース軽油(BGO)に対する上記アルコールの合計(ROH=EtOH+BuOH)の容量比(ROH/BGO)が0.1〜1.2であり、好ましくは0.2〜1.0である。該容量比は大きいほど、バイオ燃料比率が高まるのでCO2削減効果が大きいが、アルコールは軽油よりも製造価格が高く、且つその供給量にも制約があるので、適正な比率が存在する。また、広範囲な運転条件下でPCI燃焼を達成するためには、2種類の燃料を適量確保する必要があり、この観点からも、最適な比率が存在する。すなわち、同比率が低すぎるとPCI燃焼で高負荷運転が可能な運転割合が低下し、また、該比率が高過ぎるとPCI燃焼で低負荷運転が可能な割合が低下するので、自動車用燃料としての商品性が低下することとなるため、該容量比は0.1〜1.2である。また、該容量比が1.2を超えると、後述する軽油組成物のセタン価(CN)を39以上に保つことが困難となるので、CNの観点からも、該容量比は1.2以下であり、好ましくは1.0以下である。また、該容量比が1.2を超えると、水分を1容量%添加しても相分離せず、該燃料組成物の目的を達成できなくなる。また、該容量比が0.1未満では、バイオ燃料比率が低くCO2削減効果が小さく、該容量比を0.2以上とすることで、CO2削減効果が大きくなる。
本発明の軽油組成物は、セタン価(CN)が39以上であり、好ましくは42以上である。自動車用燃料の利用実態を想定すると、該軽油組成物は既存のディーゼル車用軽油への混合、該軽油組成物を使用する2燃料システムの作動不良などのトラブルを考慮する必要があり、エンジン損傷に至る決定的なダメージを避けるためにも、セタン価(CN)は39以上であることを要する。CNが39未満では、多点同時着火に伴う急激な燃焼のために激しいノックを起こし、エンジン損傷に至る懸念があるため、CNは39以上、好ましくは42以上である。
本発明の軽油組成物並びに該軽油組成物中のベース軽油は、硫黄分が10質量ppm以下であることが好ましく、この場合、燃焼生成物である硫黄酸化物が少なく、環境負荷の低減に寄与できる。また、硫黄分は、粒子状物質(PM)を酸化・除去するDPF(ディーゼルパティキュレートフィルター)触媒を被毒するので、硫黄分の低減は、PMの浄化率を維持するために極めて重要である。更に、NOx吸蔵還元触媒を装着した車輌においては、該触媒の硫黄被毒の再生に燃料を使用するので、硫黄分の低減は、燃費の向上にも寄与する。そして、これらの効果は、硫黄分が低い程顕著であるため、本発明の軽油組成物並びに該軽油組成物中のベース軽油中の硫黄分は、好ましくは10質量ppm以下であり、更に好ましくは6質量ppm以下、特に好ましくは3質量ppm以下である。
本発明の軽油組成物は、該軽油組成物中のベース軽油の初留点(IBP)が150〜220℃であることが好ましく、更に好ましくは160〜200℃である。軽油組成物中のベース軽油の初留点が150℃を下回ると、高温条件下では燃料の噴射系に燃料蒸気が発生し、必要な燃料噴射量を確保できなくなることが懸念される。また、初留点が低過ぎると、燃料の取り扱いや燃料の供給システムでの燃料の気化に伴う危険性が増すことからも、初留点は150℃以上であることが好ましく、更に好ましくは160℃以上である。また、初留点が220℃を超えると、本発明の軽油組成物に利用できるベース軽油の量(得率)が少なくなりすぎるので、経済性や必要なベース軽油量の確保の観点から、本発明の軽油組成物中のベース軽油は、初留点が220℃以下であることが好ましく、更に好ましくは200℃以下である。
本発明の軽油組成物は、該軽油組成物中のベース軽油の全芳香族分が30容量%以下であることが好ましく、更に好ましくは23容量%以下である。軽油組成物のベース軽油中の芳香族の含有量が増大し過ぎると、粒子状物質(PM)の排出量が増加して、環境負荷を十分には低減できないからである。また、芳香族含有量とセタン価(CN)は、大凡の反比例関係にあり、芳香族分が多すぎると、CNの規定(39以上)を満足できなくなるからである。また、特に限定されるものではないが、2環以上の芳香族が1環芳香族よりもPM排出量への影響が大きいので、上記軽油組成物のベース軽油中の2環以上の芳香族の含有量は、好ましくは5容量%以下、更に好ましくは2容量%以下である。
本発明の軽油組成物中のベース軽油(炭化水素)は、15℃での密度が0.87g/cm3以下であることが好ましい。軽油組成物中のベース軽油の密度が0.87g/cm3を超えると、軽油の噴射割合が多い運転条件下(低、中負荷で比較的低速度)では、燃料の霧化特性の悪化などから、燃焼効率の低下や排出ガスの悪化を起こすので、ベース軽油の密度は、好ましくは0.87g/cm3以下、更に好ましくは0.865g/cm3以下、より一層好ましくは0.86g/cm3以下である。一方、特に限定されるものではないが、ベース軽油の密度が0.79g/cm3未満では、容量基準の燃料消費率が悪化するので、燃料の商品性の観点から好ましくなく、そのため、ベース軽油の密度は0.79g/cm3以上であることが好ましい。
本発明の軽油組成物の調製に供するベース軽油には、上記の性状を満たすように、軽油基材、該軽油基材を飽和水素化した超低芳香族基材、脱硫した軽油基材から溶剤抽出、膜分離、吸着などを用いて芳香族を除去した脱芳香族基材、天然ガスを原料としてFT合成で得られるGTLを用いることができる。本発明の軽油組成物は、上記ベース軽油とバイオアルコール(エタノールとn−ブタノール等)とを混合して調製することができる。
上記軽油基材は、原料油として、例えば、常圧蒸留装置、接触分解装置、熱分解装置等から得られる各種の軽油留分、すなわち沸点範囲が130〜400℃の範囲で留出する留分を用いて、適宜混合して水素化脱硫するか、水素化脱硫後に適宜混合することにより得られるが、芳香族を多く含む原料油を処理する場合は、製品の硫黄分や芳香族分を所定範囲にするために、反応温度や水素分圧を高くし、また水素/オイル比を高くすることが有効である。なお、芳香族を多く含む原料油は難脱硫成分も多く含むことから、水素化脱硫にあたっては硫黄分を選択的に除去する触媒を用いる必要がある。
上記脱芳香族基材の性状は、セタン価が52以上70未満、全芳香族分が0〜5容量%、初留温度が130〜190℃、終点が280〜320℃、硫黄分が10質量ppm以下であり、脱硫した軽質軽油基材(沸点が130〜320℃)を50容量%と50容量%のフルフラールを常温、常圧で激しく混合・攪拌して芳香族を抽出し、フルフラール層(下層)をデカンテーションで除去する操作を繰り返した後に、軽油を水洗い・脱水して製造できる。また、必要に応じて、フルフラール処理油を140℃で5hr活性化処理したシリカゲルを充填したカラムに通過させて更に芳香族を除去することもできる。更に、芳香族除去のために膜分離技術を用いることもできる。
(セタン価向上剤)
本発明の軽油組成物には、必要に応じてセタン価向上剤を添加しても良く、該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、本発明の軽油組成物には、任意に、軽油組成物の安定性を確保するための酸化防止剤、軽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、軽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。
以下の評価用燃料を調製した。供試燃料の性状を表1に示す。
・燃料−1:市販JIS−2号軽油。(市販軽油)
・燃料−2:天然ガスからFT合成で製造したパラフィン系燃料。JOMOサンエナジー社からモスガス品として購入。(GTL)
・燃料−3:硫黄分が10質量ppm以下になるように脱硫した軽質軽油基材から芳香族を溶剤抽出で除去した軽質留分。(脱芳香族基材)
・燃料−4:70容量%の市販軽油と、10容量%の試薬1級のn−ブタノール(n−BuOH)と、20容量%の試薬1級のエタノール(EtOH)の混合燃料。
・燃料−5:70容量%のGTLと、10容量%の試薬1級のn−ブタノールと、20容量%の試薬1級のエタノールの混合燃料。
・燃料−6:70容量%の脱芳香族基材と、10容量%の試薬1級のn−ブタノールと、20容量%の試薬1級のエタノールの混合燃料。
・燃料−7:70容量%の市販軽油と、30容量%の試薬1級のn−ブタノールの混合燃料。
・燃料−8:70容量%の市販軽油と、25容量%の試薬1級のn−ブタノールと、5容量%の試薬1級のエタノールの混合燃料。
・燃料−9:70容量%の市販軽油と、2容量%の試薬1級のn−ブタノールと、28容量%の試薬1級のエタノールの混合燃料。
・燃料−10:40容量%の市販軽油と、20容量%の試薬1級のn−ブタノールと、40容量%の試薬1級のエタノールの混合燃料。
・密度:JIS K2249「原油及び石油製品の密度試験法」
・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)」
・全芳香族分、2環以上の芳香族分:石油学会法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」
・セタン価:JIS K2280「石油製品−燃料油−オクタン価およびセタン価試験方法並びにセタン指数算出法」
・H分とC分:有機元素分析装置(LECO社製CHN−1000型)を用いて測定
気筒数:1
排気量:1007(cm3)
圧縮比:18
燃料噴射系:軽油はコモンレール高圧噴射装置で直接燃焼室に、アルコールはガソリン車用燃料噴射装置で吸入管に噴射
エンジン回転速度を1300rpm及び2200rpmに固定し、20%及び80%負荷条件下で、軽油の噴射時期、軽油とアルコールの比率(噴射量)、ERG量を制御してPCI燃焼とし、各燃料の排出ガス(堀場製作所製 排出ガス分析装置)、燃焼に伴う圧力上昇率の最大値(司測研製圧力センサーと小野測器製燃焼解析装置で燃焼挙動を観察)を測定した。各燃料に対して「窒素酸化物(NOx)が200(ppm)以下、黒煙が1(BSU)以下、圧力上昇率の最大値が1.3(MPa/CA)」を達成できた場合を(○)、達成できない場合を(×)と評価し、表1に記載した。
相分離する燃料:1容量%の水分添加で相分離させた燃料の軽油相を燃焼室に、アルコール相を吸気管に供給し、低負荷条件下では軽油燃焼を、高負荷条件下ではアルコールを主燃焼とした。
相分離しない燃料:1容量%の水分添加でも相分離しなかった燃料は、全燃料を燃焼室に噴射した。
上述のエンジンを用いて、供試燃料を燃料噴射時期15(°BTDC)で、エンジンに噴射して従来型ディーゼル燃焼を達成し、各燃料の着火遅れ(ID)を測定した。燃料−1(市販軽油)に比較し、顕著にIDが長くなったことによる運転性の悪化が観察された場合を「判定(×)」と、観察されない場合を「判定(○)」と評価した。
室温で、共栓付きメスシリンダー容器に供試燃料を100(ml)秤量し、蒸留水を1(ml)添加して、手動で1分間激しく振って攪拌し、軽油相とアルコール相に分離するか否かを30分間観察した。3分以内に、明確な界面を持って(エマルジョン相を形成しないで)、供試燃料の炭化水素とアルコールの混合比率に準じて分離した場合を「判定(○)」と、相分離が観察されない場合や3分を超えてもエマルジョン相が残存したり、軽油相やアルコール相が不透明な場合を「判定(×)」とした。
表1に示した各燃料の評価結果は以下の通りである。
・燃料−1、燃料−2、燃料−3:炭化水素で構成される多成分系燃料であり、水分の添加で着火性の大きく異なる2種類の燃料に分離することはできないので、低負荷条件下ではPCI燃焼が成立するが、高負荷条件下ではPCI燃焼を得られない。判定(×)
・燃料−4、燃料−6:1容量%の水分の添加で軽油相(高着火性)とアルコール相(低着火性)に分離するので、エンジン条件に拘わらずPCI燃焼を達成できる。判定(○)。また、該組成物の着火性は、燃料−1には劣るが、DIエンジン試験でのIDへの悪影響は小さく、DIエンジン適合性もある。判定(○)
・燃料−5:1容量%の水分の添加で軽油相とアルコール相に分離するので、エンジン条件に拘わらずPCI燃焼を達成できる。判定(○)。また、該組成物の着火性は、燃料−1とほぼ同等であり、DIエンジン適合性にも優れている。判定(○)
・燃料−7:1容量%の水分の添加でも軽油相とアルコール相に分離しないので、広範囲なエンジン条件でPCI燃焼を達成できない。判定(×)
・燃料−8:1容量%の水分の添加でも軽油相とアルコール相に分離しないので、広範囲なエンジン条件でPCI燃焼を達成できない。判定(×)。なお、添加水分量を増すと相分離が見られるものの、分離に時間がかかることなどから、商品性の観点から問題がある。判定(×)
・燃料−9:水分を添加しなくても均一な溶液を得ることができないので、判定は(×)である。
・燃料−10:1容量%の水分の添加では軽油相とアルコール相に分離しないので、広範囲なエンジン条件でPCI燃焼を達成できない。判定(×)。さらに、該組成物の着火性は、燃料−1に比較して大きく悪化するので、DIエンジン適合性にも問題がある。判定(×)
Claims (2)
- ベース軽油と、炭素数2のアルコールと、炭素数4のアルコールとを含み、
前記炭素数2のアルコールに対する前記炭素数4のアルコールの容量比が0.2〜1.0であり、
前記ベース軽油に対する前記アルコールの合計の容量比が0.1〜1.2であり、
セタン価が39以上であることを特徴とする軽油組成物。 - 前記ベース軽油は、15℃における密度が0.87g/cm3以下、硫黄分が10質量ppm以下、初留点が150〜220℃、終点が260〜370℃、全芳香族分が30容量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の軽油組成物。
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