JP2013537250A

JP2013537250A - ディーゼルエンジンの効率向上

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Publication number: JP2013537250A
Application number: JP2013528407A
Authority: JP
Inventors: エイドリアンジェームズヴェラエアス; ポールワーナーシェイバーグ; アンドリューイェーツ
Original assignee: セイソルテクノロジー（プロプライエタリー）リミテッド
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-09-30
Also published as: WO2012034140A1; AU2011298995B2; NL2007359A; AU2011298995A1; NL2007359C2; US20130333651A1; CA2810567A1

Abstract

本発明は、エンジンの効率が、従来の原油由来ディーゼル燃料を使用したときに得られるエンジン効率よりも少なくとも１％向上するように、酸素が制限された条件下でディーゼルエンジンを動作させる方法を提供し、該方法は、エンジンにおいて、０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満の密度を有する留出燃料を燃焼させることを含んでいる。本発明は、酸素が制限された条件下でディーゼルエンジンを動作させる際に、エンジン効率の向上を達成するための、（２０℃での）密度が０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満である留出燃料の使用法に拡張され、該使用法は、エンジンの効率が、従来の原油由来ディーゼル燃料を使用したときに得られるエンジン効率よりも少なくとも１％向上するように、その燃料を燃焼させることを含んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸素が制限された条件下で動作するディーゼルエンジンに適した燃料組成又は燃料性状に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンは、燃料希薄条件で動作し、その場合、燃料燃焼は、化学量論的燃焼に必要な量に対して過剰量の酸化剤／空気の存在する環境で行われる。このことは、より完全な、ひいては効率的なディーゼル燃料の燃焼を可能にし、また、ディーゼルエンジンの優れた燃費の要因の一部をなしている。これに対し、過濃ディーゼル燃焼は、一般に、燃料効率を低下させることになり、また、ディーゼル燃料の不完全燃焼により、スス、未燃炭化水素、及びＣＯ排出が著しく増加することになる。

しかしながら、燃料希薄燃焼の最適な効率から大きく外れた空気／燃料比でディーゼルエンジンを動作させることが、いくつかの理由で、遥かに一般的になりつつある。

化学量論的又は燃料リッチなディーゼルエンジンの動作を推し進めることは、ＮＯ_x排出量の削減に焦点を当てた法規の強化への対応において、重大な課題となっている。排出ＮＯ_xの後処理のための最も効果的な技術の一つは、ＬＮＴ（ＬｅａｎＮＯ_x Ｔｒａｐ：ＮＯ_x吸蔵器）である。しかし、この装置は、極めて低酸素の条件下で排出還元剤にさらすことによる周期的オンライン再生を必要とする。従来の燃料希薄ディーゼルエンジン運転の場合のように、排気流が酸素リッチである状況で、これを実現することが容易でないことは明らかである。そこで、燃料効率に及ぼす影響を最小限に抑えながら、化学量論的なディーゼルエンジン運転を達成しようとする試みが、大きな進展を続けている。これらの多くは、機械的手段を含むものであり、それらは、燃料を物理的に噴霧するものであるか、又は燃料リッチ環境で得られる酸素を最大限利用するように空気と燃料の混合を改善するものである。

また、高負荷下、又はレース用及び軍用のエンジンのような高性能用途で動作するディーゼルエンジンも、一般に、最大限の出力を達成するために過量の燃料が噴射されることによって、酸素が制限された運転又は化学量論的運転に近い条件で動作する。このような状況では出力は最大化され得るものの、そうすることによる燃料効率への大きな影響がある。

更には、ＮＯ_x排出量を削減するために、かなりのＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｙｃｌｉｎｇ：排気再循環）によって動作するディーゼルエンジンも、やはり、燃料効率の低下と、不完全燃焼に起因するスス又は微粒子形成の増加が認められることがある。

最後に、エネルギー効率の向上及び二酸化炭素排出量の削減に拍車がかかることによって、ますます小型化されたエンジンが車両に搭載されるようになりつつある。これは、全負荷性能は同等で、部分負荷効率を向上させるために、より小さな排気量で同等の最大出力を持つエンジンが利用されるようになりつつあることを意味する。エンジン排気量がより小さいことは、そのようなエンジンにおいて、空気利用率によって最大出力が制限され得ることを意味する。

本発明の第１の態様により、酸素が制限された条件下でディーゼルエンジンを動作させる際に、エンジン効率の向上を達成するための、（２０℃での）密度が０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満である留出燃料の使用法を提供し、該使用法は、エンジンの効率が、従来の原油由来ディーゼル燃料を使用したときに得られるエンジン効率よりも少なくとも１％向上するように、その燃料を燃焼させることを含む。

エンジン効率の向上は１．５％とすることができる。

エンジン効率の向上は、２．０％以上とすることができる。
であること。

留出燃料は、０．７８０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有することができる。

留出燃料は、０．７７０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有することができる。

留出燃料は、フィッシャー・トロプシュ（Ｆｉｓｃｈｅｒ‐Ｔｒｏｐｓｃｈ）由来のディーゼル燃料を含むことができる。

本発明の第２の態様により、エンジンの効率が、従来の原油由来ディーゼル燃料を使用したときに得られるエンジン効率よりも少なくとも１％向上するように、酸素が制限された条件下でディーゼルエンジンを動作させる方法を提供し、該方法は、エンジンにおいて、０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満の密度を有する留出燃料を燃焼させることを含む。

エンジン効率の向上は、１．５％とすることができる。

エンジン効率の向上は、２．０％以上とすることができる。

留出燃料は、０．７８０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有することができる。
留出燃料は、０．７７０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有することができる。

本発明は、目下のところ、レース用及び軍用のエンジンのような高性能用途、又は積極的に小型化されたディーゼルエンジンの分野に特に適用されると思われるが、そのような用途に限定されるものではない。

燃料入力の関数としての（例えば当量比としての）エンジン出力（例えばＩＭＥＰとして）の測定値を示すグラフである。（エンジン出力の測定値としての）ＩＭＥＰを、当量比の値の関数として示すグラフである。エンジンの図示効率を、燃料エネルギー入力の関数として示すグラフである。

本発明は、化学量論的運転又は酸素が制限された運転に近い条件下で動作させながら燃料効率の向上を達成するための、燃料ベースのソリューションを実現することを目的とする。本発明者らは、このような条件下での効率の大幅な向上が、０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満の密度を有するフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）由来のディーゼル燃料を使用することにより得られることを発見した。これは、従来の原油由来ディーゼル燃料の場合に観測される密度よりも低い密度を持つ任意のディーゼル燃料に拡張することができる。

典型的には、本発明で使用されるディーゼル燃料には、ＧＴＬ（ｇａｓ‐ｔｏ‐ｌｉｑｕｉｄ：天然ガス液化）燃料、ＣＴＬ（ｃｏａｌ‐ｔｏ‐ｌｉｑｕｉｄ：石炭液化）燃料、ＢＴＬ（ｂｉｏｍａｓｓ‐ｔｏ‐ｌｉｑｕｉｄ：バイオマス液化）、ＯＴＬ（ｏｉｌｓａｎｄｓ‐ｔｏ‐ｌｉｑｕｉｄ：オイルサンド液化）として記載されるものなど、フィッシャー・トロプシュ由来のディーゼル燃料が含まれる。このような留出燃料油は、通常、１１０℃〜５００℃の範囲内、例えば１５０℃〜４００℃で、沸騰する。

このような燃料は、一般に、間接噴射式又は直接噴射式のいずれかの圧縮着火（ＣＩ：ＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ）内燃エンジンでの使用に適している。

フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）生成物は、メタンから分子量１４００ｇ．ｍｏｌ^-1を超える種まで幅広い炭化水素をカバーし、主としてパラフィン系炭化水素を含み、更に、遥かに少量のオレフィン及び酸素化物といった他の種を含む。このようなディーゼル燃料は、そのままで、或いは現行及び／又は将来の、より厳しい燃料品質及び環境の規格を満たしていない他のディーゼル燃料の品質を向上させるためにブレンドして、使用することができる。

低温ＦＴ（ＬＴＦＴ）法について、技術文献に、例えば、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ（エルゼビア）社により“ＳｔｕｄｉｅｓｉｎＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＣａｔａｌｙｓｉｓ”シリーズ（第１５２巻）で出版された、ＡＰＳｔｅｙｎｂｅｒｇとＭＤｒｙの編集による「フィッシャー・トロプシュ技術」（２００４年）に、詳しく記載されている。この方法の特徴の一部は、例えば、米国特許第５５９９８４９号、米国特許第５８４４００６号、米国特許第６２０１０３１号、米国特許第６２６５４５２号、及び米国特許第６４６２０９８号に開示されたものであり、これらはいずれも、「ガス状反応物から液体生成物及び場合によりガス状生成物を製造する方法」について教示している。

本発明では、フィッシャー‐トロプシュ由来のディーゼル燃料の「使用」という表現は、その成分を燃料組成に取り込むこと意味する。これは、任意選択的に、原油由来ディーゼル燃料など１つ又は複数の他の燃料成分との混合物とすることができる。一実施形態において、フィッシャー・トロプシュ由来のディーゼル燃料は、１つ又は複数の燃料添加剤が任意選択的に加えられた、唯一存在する燃料成分とすることができる。

当量比（φ）及び酸素が制限された条件の定義
（本明細書で用いるような）燃焼系の当量比は、燃料・酸化剤（空気）混合比と化学量論的燃料・酸化剤（空気）混合比の実際の商として定義される。よって、当量比（φ）は、数学的に以下のように表現することができる。

ここで、
ｍは質量を表し、
ｎはモル数を表し、
添え字は、それぞれ、燃料（ｆｕｅｌ）と、酸化剤（ｏｘ）と、化学量論的条件（ｓｔ）である。

当量比が１であると、存在する酸化剤又は空気の量が、まさに、存在する燃料の化学量論的燃焼に必要な量であることを示している。１より小さい当量比、及び１より大きい当量比は、それぞれ、燃料の完全燃焼に必要な量に比較して酸化剤が過剰又は不足であることを示している。

当量比が極めて低い時には、燃焼過程で放出されるエネルギーは、利用可能な燃料によって制限される。これに対して、遥かに高い値の当量比の時には、燃焼過程で放出されるエネルギーは、酸素の利用率によって制限される（即ち、酸素により制限される）ことになり得る。従って、酸素により制限される燃料燃焼は、準最適な燃焼であり、その結果、ススが発生し、燃焼効率が低くなる。理論的には、効率的な燃焼ではなくなる当量比値の閾値は１であるはずであり、つまり、すべての燃料が化学量論的に燃焼される。しかし、実際には、この閾値は、システム制約又は設計制約によって、シリンダ内で得られるすべての酸素の完全な利用を可能にすることができないため、若干低い当量比の値に設定される。

酸素が制限された運転の始まりの当量比値の閾値は、個々のディーゼルエンジン系又は設計に応じて変わり得る。一部のエンジン型式では、酸素が制限された運転は０．６ほどの低いφ値で始まることがある一方で、より最新の別のエンジン設計の場合には、この閾値は、通常、より高い約０．８の値、或いは更に高い０．９の値となる。

酸素が制限された運転の始まりの当量比値の閾値の決定は比較的単純である。図１は、そのような決定を示す概略図である。燃料入力の関数としての（例えば当量比としての）エンジン出力（例えば、ＩＭＥＰ（ＩｎｄｉｃａｔｅｄＭｅａｎＥｆｆｅｃｔｉｖｅＰｒｅｓｓｕｒｅ：図示平均有効圧）として）の測定値は、従来の動作条件下では、（図１のＡ領域に示す応答のように）比較的直線的な応答を示す。論理的には、燃料注入率が増加すると、これによってエンジン出力も増加する。酸素が制限された運転が始まるポイントで、この応答は、燃料入力増加の関数としてのエンジン出力増加の割合の低下を示し始める（図１にＢ点として示す）。より高い当量比では、排気ガス中の不完全燃焼生成物（例えば、一酸化炭素、未燃炭化水素、スス）の濃度が著しく増加する。燃料が、もはや、より低い燃料注入レベル（φ値）であったときのように効率的に燃焼されることがないのは明らかである。本発明の目的では、この挙動の変化が観測されるポイントの閾値を酸素制限と定義する。よって、この点を超えた当量比値での運転は、酸素が制限された運転となる。

この適用の範囲で用いられる当量比の値は、測定された燃料及び空気の流量と、（１）の技術で周知のように解析的に決定された燃料中の水素、炭素、酸素の質量分率から決定される化学量論的燃料／空気比と、を用いて決定された。

酸素が制限された運転の用途の説明
ＣＩディーゼルエンジンの酸素が制限された運転は、一般に、以下のような用途で生じる。
・高負荷での、即ち最大出力を得るための燃料注入での運転
・同じく燃料注入レベルが高く、（積極的に小型化されたディーゼルエンジン、レース用又は軍用のディーゼルエンジンのように）高性能用に最適化された運転
・燃焼に使用できる酸素の量を実質的に減少させるＥＧＲが増加された条件下での運転
・種々のＮＯ_x排気ガス後処理技術を用いることによる、化学量論的条件下又はそれに近い条件下での運転

エンジン効率の測定
本発明によると、酸素が制限された条件下でＦＴ由来のディーゼル燃料を使用する場合のエンジンの効率が、同じ条件下で原油由来の燃料の場合に観測される効率に比して、向上される。その効率は、機械的仕事量／燃料エネルギー入力の比と定義される。

「機械的仕事量」は、当該技術分野で周知の方法を用いてエンジン出力を測定することにより決定され、一方、「燃料エネルギー入力」は、燃料の発熱量と、所定の試験に導入される燃料の量を用いて算出される。言うまでもなく、この比率の値が大きいほど、プロセス効率は高い。よって、この場合の効率は、以下のように、（１サイクルあたりの正味図示仕事量）／（１サイクルあたりの燃料エネルギー入力）として計算される。

ここで、
ＩＭＥＰはＰａで表す図示平均有効圧であり、
Ｖ_dはｍ³で表すシリンダ行程容積であり、
ｍ_fはｋｇで表す１サイクルあたり噴射される燃料の質量であり、
ＬＨＶはＪ／ｋｇで表す燃料の低位発熱量である。

この効率の向上は、欧州のＥＮ５９０ディーゼル燃料規格を満たす燃料のような原油由来ディーゼル燃料を使用する基準ケースに対して、相対的に測定することができる。酸素が制限された条件に近づくと、ＦＴ由来のディーゼル燃料を使用した場合に正の効率差が観測される。典型的には、この場合の向上は、同じ条件下での原油由来燃料の効率の測定値と比較して、少なくとも１％〜２．０％である。

ここで、本発明について、限定するものではない以下の例によって説明する。

次の２つの試験燃料を用いて、ある範囲の空気／燃料条件についてエンジン試験を実施した。
・ＧＴＬによる完全合成のＦＴ由来ディーゼル
・代表的な欧州規格ＥＮ５９０の原油由来ディーゼル

エンジン試験は、最新の乗用車用ディーゼルエンジンに似せて構成された研究用のリカルドＨｙｄｒａ単気筒エンジンで実施した。

試験手順では、安定した状態でエンジンを作動させて、噴射期間を徐々に増加させていった。各試験点での結果を記録するために、高速データ収集・統計平均化システムを使用した。

そして、ＦＴ由来のＧＴＬディーゼルでの性能を、ＥＮ５９０基準ディーゼルの場合と比較した。

結果の分析によって、２つのサンプル間に挙動の差が認められる関心領域は、５００〜７００μｓの噴射期間の範囲内であることが判明した。これは、酸素が制限された条件に近い状態と考えることができる。また、結果に提示する曲線の当てはめを容易にするため、この領域でより多くのデータ点を得るように試験を実施した。

エンジン出力は、２通りの独立な方法で測定した。
・トルクを、動力計のロードセルによって測定した。
・シリンダ内圧用トランスデューサ（ＡＶＬＱ３４Ｃ型）により得られた信号から、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧）を算出した。

従って、これらＩＭＥＰとトルクの結果は、エンジン出力の２通りの独立な測定値を表すものと考えることができる。これらの両方を、エンジンが安定した状態で動作した８８サイクルで平均する。

・ＩＭＥＰは、トルク値から算出することもできるので、クロスチェックが可能である。
・燃料消費量は、校正された燃料計（ＡＶＬ７３３型）を使用して質量ベースで測定し、２０℃での燃料密度を用いて体積に換算した。
・空気消費量は、校正された層流型流量計（Ｃｕｓｓｏｎｓ１２０２型）によって測定した。
・エネルギー入力は、各サイクルで注入される燃料エネルギーを表し、これは、エンジン回転数、燃料の質量流量、及び燃料のエネルギー含量に基づくものである。

この考察から得られた一部の測定結果を、図２及び図３でグラフに示している。

図２は、（エンジン出力の測定値としての）ＩＭＥＰを、当量比の値の関数として示している。当量比の値の増加によって得られる、両方の燃料サンプルに共通の最大ＩＭＥＰが存在することが、はっきりと認められる。また、本例では当量比が約０．６を超えて増加したときに、ＧＴＬディーゼルとＥＮ５９０基準ディーゼルとの間に挙動の違いがあることも明らかである。この違いは、当量比の値が０．７を超えて増加すると、より顕著になり、そして値が１を超えると減少する。動作条件が、より酸素が制限された状態になるにつれて、ＧＴＬディーゼルを使用する場合のエンジン出力が、原油由来のＥＮ５９０基準ディーゼルの場合のエンジン出力を大きく超えるようになることが極めて明らかにわかる。

このような挙動の違いを直接確認するため、更には、２つのサンプルの燃料性状（密度、発熱量、当量比など）の違いによって生じ得る効果を説明するため、各サンプルの性能データを公平に比較する方法を採用した。

各試験点の（Ｊで表す）燃料エネルギー入力は、次のように、その点での燃料の質量流量とエンジン回転数、更に燃料の低位発熱量（ＭＪ／ｋｇで表すＬＨＶ）から算出することができる。

ここで、

はｋｇ／ｈで表す燃料の質量流量であり、
ＬＨＶはＪ／ｋｇで表す燃料の低位発熱量であり、
Ｎはｒｅｖ／ｍｉｎで表すエンジン回転数である。

エンジンの効率を、（仕事量）／（エネルギー入力）と広く定義することができるとすると、任意の点の図示効率は、公平に、（上記の式（２）に従って）算出することができる。これによって、図３に示すように、エンジンの図示効率を、（式（３）による）燃料エネルギー入力の関数としてグラフに表すことが可能である。

エネルギー入力が低い（即ち、燃料注入レベルが低い）ところでは、両方の燃料サンプルのデータは、その動作点での最大エンジン効率を表す直線にほぼ沿っている。これを、一定効率を示す水平線として図３に示している。この領域では、シリンダ内に過剰空気が十分にあることによって、燃焼効率は最大化される。

燃料エネルギー入力（

．ＬＨＶ）を増加させると（つまり、燃料注入レベルを増加させると）、これによって、シリンダ内で利用できる酸素が制限されるようになって、燃焼効率が低下し、同じくエンジンの全体効率が低下する。最終的に、これらの点は、一定ＩＭＥＰでの効率を示す双曲線に沿うことになる。これは、より多くのエネルギー（即ち、燃料）が追加されてもＩＭＥＰの増加は得られないので、酸素が制限されたエンジンの最大出力と考えることができる。

この適用例で観測される興味深い結果は、これら２つの限界条件の間の移行部にある。この領域での２つの燃料の効率結果の差は、２つの燃料の燃焼効率の差を示している。燃料効率曲線が、燃料限界と酸素限界のラインの交点に近づくほど、燃料の燃焼効率特性は高くなる。図３において、やはり、酸素が制限された条件に近づくにつれて、ＧＴＬディーゼルが、原油由来の基準に比して、遥かに優れた性能を与えることが、極めて明らかである。データに曲線を当てはめることで、これらの試験結果では、ＥＮ５９０ディーゼルに対してＧＴＬディーゼルの効率が最大で約２．４％優れていることがわかる。これは、酸素が制限された条件に近づくにつれて、ＧＴＬディーゼルが、シリンダ内で利用できる空気を、ＥＮ５９０ディーゼルよりも効率的に利用することを示していると思われる。これは、図２から導かれた結論と一致している。

参考文献
（１）Ｊ．Ｂ．Ｈｅｙｗｏｏｄ，ＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ，１９８８，ｐｇ６９．

Claims

エンジン効率の向上を達成するためにディーゼルエンジンを動作させる方法であって、酸素が制限された動作条件下、前記エンジンにおいて、（２０℃での）密度が０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満である留出燃料を燃焼させることを含み、前記エンジンの効率が、従来の原油由来ディーゼル燃料を使用した場合に得られるエンジン効率に対して少なくとも１％向上される、前記方法。
前記留出燃料が、０．７８０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有する、請求項１に記載の方法。
前記留出燃料が、０．７７０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有する、請求項１又は２に記載の方法。
前記留出燃料が、その成分として、フィッシャー‐トロプシュディーゼル燃料を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
前記留出燃料が、フィッシャー‐トロプシュディーゼル燃料である、請求項４に記載の方法。
（２０℃での）密度が０．８００ｇ．ｃｍ^-3未満である留出燃料の、ディーゼルエンジンの燃料としての使用であって、酸素が制限された条件下で前記ディーゼルエンジンを動作させて前記燃料を燃焼し、前記エンジンの効率が、従来の原油由来ディーゼル燃料を使用した場合に得られるエンジン効率に対して少なくとも１％向上されることを含む、前記使用。
前記留出燃料が、０．７８０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有する、請求項６に記載の使用。
前記留出燃料が、０．７７０ｇ．ｃｍ^-3以下の密度を有する、請求項７に記載の使用。
前記留出燃料が、その成分として、フィッシャー‐トロプシュディーゼル燃料を含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載の使用。
前記留出燃料が、フィッシャー‐トロプシュディーゼル燃料である、請求項９に記載の使用。
エンジン効率が少なくとも１．５％向上される、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の使用。