JP4926514B2 - 圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に関し、さらに詳しくは、優れた排気ガス特性と燃焼騒音の低い予混合圧縮自己着火燃焼を達成することができる燃料油組成物に関する。

近年、環境問題から自動車から排出される排気ガスの低減や熱効率の向上が求められている。ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べ熱効率が高く、地球温暖化に関係があるといわれている二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量が低い特性を有する。しかしながら、通常の拡散燃焼によるディーゼルエンジンでは、部分的に燃料の濃度が濃すぎる、高温燃焼する領域が形成されるなどの理由により、スモークや酸化窒素（ＮＯｘ）の排出が問題となっている。これを解決するための新技術として、予混合圧縮自己着火エンジンが注目されている（例えば、非特許文献１参照）。

上記予混合圧縮自己着火エンジンで行われる予混合圧縮自己着火燃焼は、燃料と空気が希薄予混合された状態で圧縮されることにより、燃料が自己着火し燃焼する現象であり、通常のディーゼルエンジンにおいても、燃料を早期に噴射することによる燃料噴射時期の調整によって希薄予混合気を形成し、それを圧縮着火させることにより、排気ガス中のＮＯｘやスモークを同時に低減することが可能である。しかしながら、一般に、高負荷条件において予混合圧縮着火燃焼を応用すると、混合気形成の悪化や急速な燃焼形態により排出ガスが増加するだけでなく燃焼騒音の増大も発生する場合があり、予混合圧縮自己着火燃焼は比較的負荷の低い領域に限られている。したがって、高負荷領域での運転は、燃料噴射時期を変化させることにより通常の拡散燃焼を行う運転が必要となるため、予混合圧縮自己着火エンジンにおいても、一般的なディーゼルエンジンの燃料噴射ノズル（ホールノズル）や燃焼室形状が求められる。ここで、ホールノズルを用いた通常のディーゼルエンジンにおいて、一般的な軽油を用いて早期噴射による予混合圧縮自己着火燃焼により運転を行った場合、従来の一般的な軽油を用いた拡散燃焼に依存するディーゼル燃焼による運転の場合に比べれば、ＮＯｘやスモークの発生が抑制されて、排気ガスがこれらの含有量の少ない優れた特性を示すが、まだＮＯｘやスモークの発生の抑制が満足できるものではなく、また、燃焼騒音の発生を招くなど、十分に優れた運転特性を示す予混合圧縮自己着火燃焼を達成することは困難であった。

予混合圧縮自己着火燃焼では、燃料がエンジンシリンダー内に噴射された後、空気と予混合され、燃料の酸化反応が逐次的に進行し着火・燃焼という過程を経るので、燃料と空気の予混合気の形成と着火時期が重要なポイントであって、燃料自体の物理特性や化学特性が大きく影響する。それ故、燃料の性状によっては、通常のホールノズルや燃焼室形状のディーゼルエンジンにおいても予混合圧縮自己着火燃焼を達成できる可能性があると考えられる。この考えに基づき、燃料組成物の蒸留性状やセタン価を制御することにより排出ガスの少ない予混合圧縮着火燃焼を可能にした予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この燃料油組成物では、まだ上述した燃焼騒音に関する課題は解決されておらず、予混合圧縮自己着火燃焼に用いる燃料の品質を更に改善して、低排出ガス特性と低燃焼騒音特性を両立させることが求められている。

特開２００４−３１５６０４号公報 Ｒｕｄｏｌｆ Ｈ． Ｓｔａｎｇｌｅｍａｉｅｒ ａｎｄ Ｃｈａｒｌｅｓ Ｅ． Ｒｏｂｅｒｔｓ， ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ＮＯ．１９９９−０１−３６８２

本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたものであり、予混合圧縮自己着火燃焼における燃料の性状の及ぼす影響の大きさに着目し、予混合圧縮自己着火燃焼と燃料の性状の関係を十分に究明して、十分に優れた排気ガス特性を示し、かつ燃焼騒音の低い予混合圧縮自己着火燃焼を達成することができる燃料油組成物を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、燃料全体中に占める芳香族量を一定範囲に制御し、かつ一定の沸点留分毎の芳香族量を一定範囲に制御することで、早期噴射により予混合圧縮着火燃焼を行う場合におけるスモークの排出や燃焼騒音を合わせて低減することが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、上記目的を達成するために、次の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物を提供する。
（１）初留点が２０℃以上１３５℃以下、５０％留出点が６０℃以上２５０℃以下、終点が２００℃以上３５０℃以下であり、３０℃における動粘度が０．４ｍｍ ^２ ／ｓ以上３．０ｍｍ ^２ ／ｓ以下であり、硫黄分が１０質量ｐｐｍ以下であり、燃料全体のセタン価が３０〜５０の範囲にあり、燃料全体中に占める全芳香族量が４５容量％以下であり、２環芳香族量が３容量％以下であり、１５０℃以上の沸点を有する芳香族量が２０容量％以下であり、かつ全芳香族量の３０容量％以上が１５０℃未満の留分中に含まれることを特徴とする圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
（２）沸点が１５０℃未満の留分のセタン価が１０以上４５以下であり、沸点が１５０℃以上の留分のセタン価が３０以上９５以下であることを特徴とする上記（１）に記載の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
（３）沸点が１５０℃未満の留分のセタン価（１５０−ＣＮ）と沸点が１５０℃以上の留分のセタン価（１５０＋ＣＮ）の比〔（１５０−ＣＮ）／（１５０＋ＣＮ）〕が１以下であることを特徴とする上記（２）に記載の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
（４）終点が２００℃以上３００℃以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１に記載の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。

本発明によれば、十分に優れた排気ガス特性を示し、かつ低い燃焼騒音を示す予混合圧縮自己着火燃焼を達成することができる燃料油組成物が提供される。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の燃料油組成物は、原油を常圧蒸留して得られるナフサ留分、ナフサ留分を脱硫して得られる脱硫ナフサ、脱硫ナフサを接触改質して得られる改質ガソリン、および改質ガソリンからベンゼンを取り除いた脱ベンゼン改質ガソリン、原油を常圧蒸留して得られる灯軽油留分、灯軽油留分を脱硫して得られる脱硫灯軽油、重質油を接触分解、水素化分解、あるいは熱分解して得られる、ガソリン、灯軽油留分、オレフィンとイソブタンから生成されるアルキレート、ナフサ留分を接触処理し、異性化したアイソメレート、炭素数４あるいは５の炭化水素などを適宜配合して調製することができる。また、フィッシャートロプシュ合成によるパラフィン系炭化水素やアルコール燃料、種々の炭素数を有するパラフィン系溶剤、ナフテン系溶剤、芳香族系溶剤などを原料として用いることもできる。また、本発明の燃料油組成物は、上記のように各種の原料留分を適宜配合して好適に調整することができるが、必要に応じて、原油からの直留留分として取得することも可能である。

本発明の燃料油組成物において、硫黄分は１０質量ｐｐｍ以下であって、好ましくは８質量ｐｐｍ以下である。硫黄分が１０質量ｐｐｍより多いと、排気ガス中の硫黄酸化物の含有量が多くなる場合があり、また該排気ガスを処理する触媒を被毒する場合がある。硫黄分は、ＪＩＳ Ｋ ２５４１の微量電量滴定式酸化法により測定できる。

本発明の燃料油組成物において、初留点は２０℃以上１３５℃以下であって、好ましくは２０℃以上１００℃以下である。１３５℃より初留点が高いと、燃料油組成物の揮発性が乏しくなることから、燃料油組成物と空気の混合割合が低くなるため、予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合、スモークや炭化水素が多く排出される場合がある。初留点が２０℃より低いと、燃料ポンプや燃料パイプ中に燃料油組成物の蒸気が多量に発生して燃料油組成物の流通が妨げられる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、５０％留出点は６０℃以上２５０℃以下であって、好ましくは８０℃以上２３０℃以下であり、より好ましくは１００℃以上２００℃以下である。２５０℃より５０％留出点が高いと、燃料の揮発性が乏しくなることから、燃料油組成物と空気の混合割合が低くなるため、予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合、スモークや炭化水素が多く排出される場合がある。５０％留出点が６０℃より低いと、燃料ポンプや燃料パイプ中に燃料油組成物の蒸気が多量に発生して燃料油組成物の流通が妨げられる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、終点は２００℃以上３５０℃以下であって、好ましくは２００℃以上３００℃以下である。３５０℃より終点が高いと、燃料油組成物の揮発性が乏しくなることから、燃料油組成物と空気の混合割合が低くなるため、予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合、スモークや炭化水素が多く排出される場合がある。終点が２００℃より低いと、夏場などの高温時に燃料ポンプや燃料パイプ中に燃料油組成物の蒸気が多量に発生して燃料油組成物の流通が妨げられる場合があるのに加え、燃料としての蒸留範囲が極端に狭くなるために、得率が少なくなりすぎて効率的でない。
上記初留点や、５０％留出点や、終点といった蒸留性状は、ＪＩＳ Ｋ ２２５４の石油製品蒸留試験方法の常圧法により測定できる。

本発明の燃料油組成物において、３０℃における動粘度は０．４ｍｍ^２／ｓ以上３．０ｍｍ^２／ｓ以下であって、好ましくは０．４ｍｍ^２／ｓ以上２．５ｍｍ^２／ｓ以下であり、さらに好ましくは０．５ｍｍ^２／ｓ以上２．０ｍｍ^２／ｓ以下である。動粘度が３．０ｍｍ^２／ｓより高いと、燃料油組成物の噴霧角度が狭くなり、微粒化が促進されにくいことから、予混合気の形成が悪くなる。動粘度が低すぎる場合には、燃料ポンプなどの磨耗を生じる場合があり好ましくない。動粘度は、ＪＩＳ Ｋ２２８３の石油製品動粘度試験方法により測定できる。

本発明の燃料油組成物において、セタン価は３０以上５０以下であって、好ましくは３５以上４５以下である。予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合において、セタン価が３０より低いと、炭化水素の排出量が増加する場合がある。一方、セタン価が５０より高いと、予混合圧縮自己着火燃焼をより高負荷で達成しようとする場合、急激な熱発生を伴う場合があることから、燃焼騒音が高くなる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、沸点が１５０℃未満の留分のセタン価（以下、150−CNとも表す）は１０以上４５以下が好ましく、さらに好ましくは１０以上４０以下である。予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合において、沸点が１５０℃未満の留分のセタン価が１０より低いと、炭化水素の排出量が増加する場合がある。一方、沸点が１５０℃未満の留分のセタン価が４５より高いと、予混合圧縮着火燃焼を行う場合において燃焼騒音が大きくなる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、沸点が１５０℃以上の留分のセタン価（以下、150+CNとも表す）は３０以上９５以下が好ましく、さらに好ましくは３５以上９５以下である。予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合において、沸点が１５０℃以上の留分のセタン価が３５より低いと、炭化水素の排出量が増加する場合があり、さらに予混合圧縮着火燃焼において燃焼騒音が大きくなる場合がある。一方、沸点が１５０℃以上の留分のセタン価が９５より高くなっても燃焼騒音が大きくなる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、沸点が１５０℃未満の留分のセタン価（150−CN）と沸点が１５０℃以上の留分のセタン価（150+CN）の比〔（150−CN）／（150+CN）〕は、１以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．８以下である。この比が１以下であれば、予混合圧縮着火燃焼における燃焼騒音を一層抑制することが可能となる。
セタン価は、ＪＩＳ Ｋ ２２８０の燃料油セタン価試験方法により測定できる。留分別のセタン価については、それぞれの留分に該当する燃料調製用基材のセタン価を測定してもよいし、本発明の燃料油組成物を蒸留により分留し、それぞれの留分のセタン価を測定してもよい。

本発明の燃料油組成物において、燃料全体中に占める全芳香族量は４５容量％以下であり、好ましくは３５容量％以下である。４５容量％より全芳香族量が多いと予混合圧縮着火燃焼時にスモークの排出が多くなる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、燃料全体中に占める２環芳香族量は３容量％以下であり、好ましくは２容量％以下である。３容量％より２環芳香族が多いと、予混合圧縮着火燃焼時にスモークの排出が多くなる場合がある。

本発明の燃料油組成物において、燃料全体中に占める１５０℃以上の沸点を有する芳香族量は２０容量％以下であり、好ましくは１５容量％以下である。１５０℃以上の沸点を有する芳香族量が２０容量％より多いと予混合圧縮着火燃焼時にスモークの排出が多くなる場合がある。

また、本発明の燃料油組成物においては、全芳香族量の３０容量％以上が、沸点が１５０℃未満の留分中に含まれる。沸点が１５０℃未満の留分中に含まれる芳香族が、全芳香族量の３０容量％より少ないと、予混合圧縮着火燃焼において燃焼騒音が大きくなる場合があり、またスモークの増大を引き起こす場合もある。

本発明において、燃料油組成物の芳香族量は、沸点200℃程度までのガソリン留分についてはJIS K 2536-2 石油製品−成分試験方法により、灯軽油留分については、JPI-5S-49-97に記載の方法により測定できる。留分別の芳香族量や割合については、基材の芳香族量と配合処方から算出してもよいし、燃料油組成物を蒸留により分留し、それぞれの留分について上記の方法で測定して求めてもよい。

本発明の燃料油組成物には、必要に応じて公知の燃料添加剤、例えば、酸化防止剤、氷結防止剤、助燃剤、帯電防止剤、防錆剤、識別剤、着色剤、清浄剤、セタン価向上剤、消泡剤、酸化防止剤、流動性向上剤、潤滑性向上剤などを、適量添加することができる。

次に、本発明を実施例および比較例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明は、これらの例によって何ら制限されるものではない。

実施例１〜３ および比較例１〜５
表１に示す性状を有する燃料油組成物を下記のようにして調製し、その評価を下記の方法により行った。
実施例１：原油を常圧蒸留して得られる重質ナフサ留分（沸点範囲80℃〜140℃）と灯油留分（沸点範囲145℃〜245℃）をそれぞれ水素化脱硫処理した基材を等容量混合して調製した。
実施例２：沸点範囲104℃〜177℃の重質リフォーメートを43容量％、70℃〜103℃の沸点範囲のｎ−パラフィンを13容量％、169℃〜257℃の沸点範囲のｎ−パラフィンを35容量％、166℃〜266℃の沸点範囲のイソパラフィン溶剤を9容量％の割合で混合して調製した。
実施例３：流動接触分解装置から留出する沸点範囲78℃〜207℃の重質流動接触分解ガソリンを水素化脱硫処理した基材を62容量％、95℃〜254℃の沸点範囲のｎ−パラフィン混合物を38容量％の割合で混合して調製した。

比較例１：161℃〜245℃の沸点範囲を有する芳香族溶剤を31容量％、αメチルナフタレンを2.8容量％、75℃〜150℃の沸点範囲を有するｎ−パラフィン混合物を55容量％、炭素数14のｎ−パラフィンを11.2容量％の割合で混合して調製した。
比較例２：原油を常圧蒸留して得られる灯軽油留分（沸点範囲170℃〜360℃）を水素化脱硫処理した基材に沸点範囲が200℃〜330℃のイソパラフィン溶剤を47容量％配合して調製した。
比較例３：原油を常圧蒸留して得られる灯油留分（145℃〜245℃）を水素化脱硫処理した基材に、沸点範囲が80℃〜240℃のイソパラフィン溶剤を80容量％配合して調製した。
比較例４：一般的な２号軽油を用いた。
比較例５：沸点範囲104℃〜177℃の重質リフォーメートを用いた。

評価試験エンジンとして、直列4気筒、排気量２L、コモンレール方式の燃料噴射装置およびインタークーラー付のターボ加給機、クールド排ガス再循環装置が搭載されているディーゼルエンジンを使用した。本試験エンジンの主要緒元を表２に示す。本試験エンジンにおいて、圧縮比を１５とし、燃料の噴射時期を、通常のディーゼル燃焼の場合に比べ早期に設定することにより、予混合圧縮自己着火燃焼を可能にしている。

上記試験エンジンを用いて、エンジン回転数：2000rpm、燃料噴射圧力：50MPa、噴射時期：上死点30°前、トルク：60Nmの条件で、各実施例、各比較例で調製した燃料油組成物の予混合圧縮着火燃焼時の燃焼騒音、炭化水素排出量（THC）、NOx排出量、スモーク排出量（FNS）を測定した。なお、NOｘ、CO、THCなど排ガス測定については、自動車排ガス分析計で排気管から直接測定した。燃焼騒音については、燃焼騒音計を用いて、エンジン筒内圧力波形から導出した。評価結果を表３に示す。

＊１：Ｆｉｌｔｅｒ Ｓｍｏｋｅ Ｎｕｍｂｅｒ；紙を通して所定量の排気ガスを吸引し、付着したスモークの反射率を測定する評価方法。評価は、真っ白＝０、真っ黒＝１０とし、真っ白と真っ黒の間を０〜１０で評価する。すなわち、測定用紙に光を照射し、その反射光を反射率計で計測することにより、次式で与えられる。
ＦＳＮ＝（Ｒｆ−Ｒｓ）／Ｒｆ×１０
式中：Rf：排気ガスを吸引する前の用紙の反射率計値
Rs：排気ガスを吸引し、スモークが付着した用紙の反射率計値

燃料油組成物の評価に当たり、好適に排出ガスの少ない状態で予混合圧縮着火燃焼が達成されていると判断できる排出ガスレベルを、スモーク排出量：０．３以下、NOx排出量：30ppm以下、炭化水素排出量：3000ppm以下であるときとした。

表３から明らかなように、本発明に規定する要件、すなわち初留点が２０℃以上１３５℃以下、５０％留出点が６０℃以上２５０℃以下、終点が２００℃以上３５０℃以下であり、３０℃における動粘度が０．４ｍｍ ^２ ／ｓ以上３．０ｍｍ ^２ ／ｓ以下であり、硫黄分が１０質量ｐｐｍ以下であり、燃料全体のセタン価が３０〜５０の範囲にあり、更に燃料全体中に占める全芳香族量が４５容量％以下であり、２環芳香族量が３容量％以下であり、１５０℃以上の沸点を有する芳香族量が２０容量％以下であり、かつ全芳香族量の３０％以上が、沸点が１５０℃未満の留分中に含まれる芳香族であるという要件を満たす実施例１〜３の燃料油組成物は、好適に排出ガスの少ない状態で予混合圧縮自己着火燃焼を達成することができ、その燃焼騒音は、比較例１〜５の当該要件を満たさない燃料油組成物の燃焼騒音より遥かに良好な騒音特性を示す。

Claims (4)

1. 初留点が２０℃以上１３５℃以下、５０％留出点が６０℃以上２５０℃以下、終点が２００℃以上３５０℃以下であり、３０℃における動粘度が０．４ｍｍ ^２ ／ｓ以上３．０ｍｍ ^２ ／ｓ以下であり、硫黄分が１０質量ｐｐｍ以下であり、燃料全体のセタン価が３０〜５０の範囲にあり、燃料全体中に占める全芳香族量が４５容量％以下であり、２環芳香族量が３容量％以下であり、１５０℃以上の沸点を有する芳香族量が２０容量％以下であり、かつ全芳香族量の３０容量％以上が１５０℃未満の留分中に含まれることを特徴とする圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
2. 沸点が１５０℃未満の留分のセタン価が１０以上４５以下であり、沸点が１５０℃以上の留分のセタン価が３０以上９５以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
3. 沸点が１５０℃未満の留分のセタン価（１５０−ＣＮ）と沸点が１５０℃以上の留分のセタン価（１５０＋ＣＮ）の比〔（１５０−ＣＮ）／（１５０＋ＣＮ）〕が１以下であることを特徴とする請求項２に記載の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
4. 終点が２００℃以上３００℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。