JP3846824B2 - ガソリンエンジン用燃料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱効率がよく、かつ、環境汚染源の発生が少ないガソリンエンジン用燃料、および、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジン用燃料（いわゆる、ガソリン）は、自動車用燃料などとして大量に利用される。このため、燃料の使用による環境への影響が憂慮され、環境を配慮した燃料が望まれている。通常、ガソリンエンジン用燃料は、原油から蒸留され、または、さらに種種の処理をされた石油基材を配合して製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
どのようなガソリンエンジン用燃料が環境性能に優れるかの判断が難しい。すなわち、環境性能に優れるためには、基本的には熱効率が高く、燃費に優れ、したがって二酸化炭素排出量が低減できることが重要であり、さらに、窒素酸化物や未燃炭化水素の排出量の低いことが必要となる。これらの性能を満足するために必要なガソリンエンジン用燃料の特性は明らかにされていなかった。
【０００４】
また、製造されたガソリンエンジン用燃料の環境性能は、実際にその燃料を用いてエンジンを運転し、性能を測定することが必要となるが、特性が変動する多数の基材から製造される燃料の環境特性を測定し、その配合を決定することは実質的には困難である。
【０００５】
本発明の目的は、ガソリンエンジン用燃料の環境性能を評価する手法を開発し、それに基づき、高い熱効率を有し、燃費に優れ、かつ、窒素酸化物や未燃炭化水素の排出量が低く、環境特性に優れたガソリンエンジン用燃料、および、その製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のガソリンエンジン用燃料は、燃料中の二重結合濃度Ｃｄ（ｍｏｌ／Ｌ）、芳香環濃度Ｃａ（ｍｏｌ／Ｌ）およびナフテン環濃度Ｃｎ（ｍｏｌ／Ｌ）が、
１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄ＞６．２ （１）
の式を満足し、芳香環濃度Ｃａが４（ｍｏｌ／Ｌ）以下であるものであり、更にエンジン内火炎速度が空気過剰率１．３の条件で３．９ｍ／ｓ以上４．８ｍ／ｓ以下であることが好ましい。
【０００７】
本発明のガソリンエンジン用燃料の製造方法は、ガソリンエンジン用燃料に用いる各基材について、エンジン内火炎速度、二重結合濃度Ｃｄ、芳香環濃度Ｃａおよびナフテン環濃度Ｃｎを測定し、各基材の混合割合を決定するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（二重結合濃度）
燃料中１リットル中の二重結合のモル濃度である。燃料の化学組成をガスクロマトグラフィなどで同定し、燃料に含まれる各化合物の濃度を分析し、これらの化合物のうち、二重結合を持つ化合物の濃度とその化合物が持つ二重結合の数との積の総和から算出することで測定できる。このような化合物としては、２−メチル−２−ブテン、シクロヘキセン、シクロペンテン、１−ヘキセン、ジイソブチレン、４−メチル−１−ペンテン、２−メチル２−ブテンなどが挙げられる。
【０００９】
（芳香環濃度）
燃料中１リットル中の芳香環のモル濃度である。燃料の化学組成をガスクロマトグラフィなどで同定し、芳香環を持つ化合物の濃度から算出することで測定できる。環境性能の向上のためには、芳香環濃度Ｃａを６（ｍｏｌ／Ｌ）以下、特には、４（ｍｏｌ／Ｌ）以下とすることが好ましい。このような化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、イソブチルベンゼンなどが挙げられる。
【００１０】
（ナフテン環濃度）
燃料中１リットル中のナフテン環のモル濃度である。燃料の化学組成をガスクロマトグラフィなどで同定し、ナフテン環を持つ化合物の濃度から算出することで測定できる。このような化合物としては、シクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘキセン、シクロペンテンなどが挙げられる。
【００１１】
（各濃度の適切な範囲）
ガソリンエンジン用燃料を構成する代表的な化合物（またはそれらの混合物）をモデル燃料として用い、燃費を測定し、その燃料中の二重結合濃度Ｃｄ、芳香環濃度Ｃａおよびナフテン環濃度Ｃｎを算出した。そして、これらの濃度と燃費の相関関係を詳細に検討したところ、１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄ＞０．９の条件を満たすことにより、通常優れたガソリン基材とされるアルキレート基材よりも燃費に優れることを見いだした。好ましくは、１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄ＞４とすることで、さらに燃費を向上できる。
【００１２】
（エンジン内火炎速度）
エンジン運転時における燃焼室内の火炎の速度である。燃焼室内にイオンプローブを装着し、点火点からイオンプローブに火炎が到達するまでの時間を測定することでエンジン内火炎速度を求めることができる。
【００１３】
３．９ｍ／ｓ以上、特には、４．１ｍ／ｓ以上であることが、熱効率の向上の点から好ましい。４．８ｍ／ｓを越えると窒素酸化物などが増え、環境性能が低下するため好ましくなく、特には、４．４ｍ／ｓ以下であることがより好ましい。
【００１４】
（ガソリンとして一般的に必要な特性）
ガソリンエンジン用燃料としては、リサーチ法オクタン価が８９以上、特には９６以上であり、１５℃密度が０．７８３ｇ／ｃｍ²以下であり、５０％留出温度が７５℃〜１１０℃であり、３７．８℃蒸気圧が４４ｋＰａ〜８９ｋＰａであることが好ましい。
【００１５】
（燃料用基材）
本発明に使用する燃料基材としては、特に制限はなく、石油留分などの炭化水素を主成分とする各種基材を用いることができる。二重結合濃度Ｃｄに富む基材としては接触分解により得られた分解ガソリンなどの基材が、また、芳香環濃度Ｃａに富む基材としては改質により得られる改質ガソリン（リフォメート）などの基材が好ましく用いられる。ナフテン環濃度Ｃｎに富む基材としては、石油留分の異性化によりメチルシクロペンテンなどのナフテン環を富化した基材を用いることが好ましい。
【００１６】
エンジン内火炎速度、二重結合濃度Ｃｄ、芳香環濃度Ｃａおよびナフテン環濃度Ｃｎは、加成性が成り立つので、各基材の濃度をその基材の配合率で重み付けした総和の濃度として、燃料中の各濃度を算出することにより、その燃料の燃費、熱効率を予想できる。したがって、各基材のこれらの濃度を測定し、１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄ＞０．９の条件を満たすように基材の混合割合を決めることにより、高い熱効率を有し、かつ、環境特性に優れたガソリンエンジン用燃料を効率よく製造することができる。
【００１７】
本発明による燃料には、メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、エチルターシャリーブチルエーテル（ＥＴＢＥ）、ターシャリーアミルメチルエーテル（ＴＡＭＥ）などの含酸素化合物をさらに加えることもできる。
【００１８】
【実施例】
（モデル燃料）
単一化合物およびそれらの混合物を用いて燃料Ａ〜Ｈ、Ｊ〜Ｎを作成した。燃料Ｉは、炭素数８のイソパラフィンを主成分とするアルキレート基材である。これらの火炎速度、二重結合濃度Ｃｄ、芳香環濃度Ｃａおよびナフテン環濃度Ｃｎを表１、表２に示す。
【００１９】
（測定方法）
火炎速度は、ＡＳＴＭ規格でのオクタン価測定用エンジンであるＣＦＲエンジンを用いた。エンジンヘッドの中心に点火プラグがあり、それから３７．５ｍｍの間隔でエンジンヘッドの外周部にイオンプローブを装着し、点火からイオンプローブに火炎が到達するまでの時間を測定することにより求めた。
【００２０】
エンジンの運転条件は、回転数７５０ｒｐｍ、着火時期２２度ＢＴＤＣ、吸入空気温度１５℃、冷却水温度１００℃、圧縮比７：１、空気過剰率１．３であった。
【００２１】
熱効率は、圧力ピックアップにより燃焼室内の圧力を測定することにより仕事量を算出し、仕事量と消費燃料の発熱量から熱効率を算出した。燃費は、消費される燃料量から算出した。排気ガス中の排出未燃炭化水素濃度、排出窒素酸化物濃度は、排ガス分析計により測定した。
【００２２】
これらの測定結果を表１、表２に示す。排気ガス中の排出未燃炭化水素濃度、排出窒素酸化物濃度および燃費は、燃料Ｉ（アルキレート基材）を基準とした増減率で評価した。
【００２３】
１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄの値が０．９以上である燃料Ａ〜Ｆでは、燃費が２％以上改善されている。他方、１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄの値が、０または負の燃料Ｈ〜Ｎでは、燃費は改善されない。
【００２４】
火炎速度が、３．８ｍ／ｓに満たない燃料Ｉ、Ｊなどは、燃費に比較して、相対的に熱効率が悪い。他方、燃料Ｈのように火炎速度が、４．８ｍ／ｓを越えると、排出窒素酸化物の濃度が増大してしまう。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【発明の効果】
本発明によるガソリンエンジン用燃料は、燃料中の二重結合濃度Ｃｄ（ｍｏｌ／Ｌ）、芳香環濃度Ｃａ（ｍｏｌ／Ｌ）およびナフテン環濃度Ｃｎ（ｍｏｌ／Ｌ）が、
１．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄ＞６．２ の式を満足し、芳香環濃度Ｃａが４（ｍｏｌ／Ｌ）以下であるものであり、熱効率、燃費に優れ、排気ガス中の規制成分が低減され、環境特性に優れたガソリンエンジン用燃料が得られる。

Claims (2)

1. 燃料中の二重結合濃度Ｃｄ（ｍｏｌ／Ｌ）、芳香環濃度Ｃａ（ｍｏｌ／Ｌ）およびナフテン環濃度Ｃｎ（ｍｏｌ／Ｌ）が、
   １．４３Ｃａ＋０．６６Ｃｎ−０．３３Ｃｄ＞６．２ （１）
   の式を満足し、芳香環濃度Ｃａが４（ｍｏｌ／Ｌ）以下であるガソリンエンジン用燃料。
2. 請求項１記載のガソリンエンジン用燃料において、エンジン内火炎速度が空気過剰率１．３の条件で３．９ｍ／ｓ以上４．８ｍ／ｓ以下であるガソリン用燃料油。