JP5319253B2 - 改質器付き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)
Description
なお、例えば”E.M.Nyoaard et al, J. Inst. Petr., 27, 348(1941)”等に記載されているように、一般的に、燃料の着火性の指標であるセタン価は、オクタン価とトレードオフの関係にあり、着火性の高い高セタン価の燃料はオクタン価が低く、着火性の低い低セタン価の燃料はオクタン価が高いところ、本明細書では、便宜のため、以降、オクタン価の高低に基づき燃料の着火性を評価する。燃料の揮発性(沸点)によってはセタン価の測定が困難な場合があるからである。
(1)硫黄分が10質量ppm以下
(2)90%留出温度が220℃以下
(3)リサーチ法オクタン価が70以下
(4)15℃における密度が0.840g/cm3以下
そして、本発明の改質器付き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CAI燃焼領域を飛躍的に拡大すると共に、熱効率の向上およびCO2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、オクタン価、密度を有し、ナフテンを含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220℃以下、好ましくは200℃以下である。90%留出温度が220℃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。また、本発明の燃料油組成物は、90%留出温度が110℃以上であることが好ましい。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、オクタン価が70以下、好ましくは65以下である。本発明の燃料油組成物は、冷機時や低負荷条件下では改質することなくそのままエンジンに供給されるため着火性が高いことが望ましいところ、オクタン価が高すぎると着火性が低くなってしまうからである。
本発明の燃料油組成物は、15℃における密度が0.840g/cm3以下、好ましくは0.800g/cm3以下である。15℃における密度を0.840g/cm3以下とすることにより、エンジンの燃焼室や吸気系でのデポジットの増加を防止できるからである。また、本発明の燃料油組成物は、密度が0.700g/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100%、好ましくは98%、更に好ましくは96%の条件下でのオクタン価の向上度、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オクタン価の向上度が、20以上、好ましくは25以上である。オクタン価の向上度が低いと、CAI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。ここで、オクタン価の向上度は燃料油組成物中のナフテンの含有量及びナフテンの化学構造に依存する(後述する表1参照)。従って、本発明の燃料油組成物は、所望のオクタン価向上分に見合う量のナフテン分を有することが必要である。なお、オクタン価の向上度は、改質前の燃料油組成物のオクタン価と、改質後の燃料油組成物のオクタン価とを比較することにより求めることができる。
本発明の燃料油組成物は、ナフテン分が好ましくは20質量%以上、更に好ましくは30質量%以上である。ナフテンはセタン価が高く、オクタン価が低いからである。
本発明の燃料油組成物は、例えば、上述の蒸留性状を満たすように分留した、上記の硫黄分、密度を有する接触改質ガソリン(RF)や接触分解ガソリン(FCC)基材を常法に従い飽和水素化してナフテンリッチな基材とすることにより製造し得る。なお、本発明の燃料油組成物は、必用に応じて、上記基材にセタン価(CN)の高いパラフィン系ガソリン基材を混合し、或いは、2-エチルヘキシル硝酸エステル、ジターシャリーブチルペルオキシド等のセタン価向上剤を添加して製造しても良い。
また、本発明の燃料油組成物には、燃料油組成物の安定性を確保するための酸化防止剤や、エンジンの清浄性を確保するための清浄剤等の通常の添加剤を適宜添加することができる。
ここで、本発明の燃料油組成物を適用し得る改質器付き予混合圧縮着火エンジンの構成の一態様を、図1に示す。
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、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。なお、高負荷条件下ではノッキング防止のために高いオクタン価の改質燃料が必要となるが、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予混合圧縮着火エンジン1では、高負荷条件下ほど高オクタン価の改質燃料が生成され、該高オクタン価の改質燃料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、CAI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CAI燃焼領域の評価を下記の方法で行った。なお、評価は、市販のレギュラーガソリンを用いた場合(比較例1)と比較して、CAI燃焼領域が拡大した燃料を(○)、同等の性能が認められた燃料を(△)、性能が低下した燃料を(×)とした。結果を表2に示す。
・燃料−1:市販のレギュラーガソリン(RG)
・燃料−2:アルキレートガソリン(ALK)
・燃料−3:接触分解ガソリン(FCC)
・燃料−4:接触改質ガソリン中の芳香族をナフテンにまで飽和水素化した燃料(RF-H)(飽和水素化は、市販の白金系触媒を用いて反応温度260℃、圧力2MPa、水素/オイル比1500L/L、LHSV0.75h−1の条件で行った)
・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)」
・オクタン価(RON):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:ガスクロマトグラフィー(GC−PIONA)による測定
・気筒数:1
・ボア、ストローク(mm):86、86
・排気量(cm3):499.5
・圧縮比:12
・改質器:白金アルミナ触媒を充填した熱交換型触媒反応器と、水素分離膜を用いた膜分離反応器とを備え、熱交換型触媒反応器において250℃以上の温度で供試燃料中に含まれるナフテン等を脱水素して芳香族化合物に転化し、またこの際に発生する水素を膜分離反応器で分離する。
エンジン回転速度を1500(rpm)に固定し、燃料の供給量を変化させ、CAI燃焼が成立する負荷範囲を求めた。
低負荷条件側でのCAI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CAI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CAI燃焼が可能な負荷ついては、改質器でオクタン価を高めた改質燃料を用いた場合のCAI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、CAI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(CAI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 (2)
- 脱水素触媒を用いて燃料油組成物中に含まれるナフテン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、
硫黄分が10質量ppm以下、90%留出温度が220℃以下、リサーチ法オクタン価が70以下、15℃における密度が0.840g/cm3以下であり、ナフテンを30質量%以上含有することを特徴とする、改質器付き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オクタン価が、前記改質器での改質前の燃料油組成物のオクタン価より20以上高いことを特徴とする、請求項1に記載の改質器付き予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物。
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