JP5334556B2 - 低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物 - Google Patents
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・排気ガスの少なくとも一部を吸入空気中に再循環する排気ガス再循環装置を具え、吸入空気と再循環された排気ガスとの混合ガス中の酸素濃度が17体積%以下となる条件で運転される低温、予混合化圧縮着火エンジン用の燃料油組成物であって、
・硫黄分が10質量ppm以下で、
・90容量%留出温度が300℃以下で、
・セタン価(CN)が58以上で、且つ
・芳香族分が20容量%以下であり、
・酸素含有化合物を5容量%以上含有する
ことを特徴とする。
R1O−(AO)n−H ・・・ (1)
[式中、R1は炭素数1〜4のアルキル基であり、Aはそれぞれ独立して炭素数2〜4のアルキレン基であり、nは2〜10である]で表わされるポリアルキレングリコール、及び下記一般式(2):
R2−COO−R3 ・・・ (2)
[式中、R2−COは炭素数12〜20の飽和又は不飽和の脂肪酸残基であり、R3は炭素数1〜4のアルキル基である]で表わされる脂肪酸エステルが好ましい。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、硫黄分が10質量ppm以下であり、好ましくは4質量ppm以下である。本発明の燃料油組成物は、硫黄分が10質量ppm以下であるため、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、排出ガス浄化触媒を被毒するので、硫黄分の低減は、排出ガス浄化触媒の性能の維持を通じても、環境負荷の低減に寄与できる。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、本発明の燃料油組成物中の硫黄分は、4質量ppm以下であることが好ましい。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、90容量%留出温度(T90)が300℃以下である。90容量%留出温度(T90)が330℃を超えると、粒子状物質(PM)の排出量が増加して、環境負荷を十分に低減できない。また、燃料油組成物の後留部分の揮発性は、燃料油組成物と空気との混合気の形成や燃焼性に影響し、90容量%留出温度(T90)が330℃を超えると、燃料油組成物と空気との混合気の形成に支障を来たしたり、該混合気の燃焼性が低下してしまう。更に、ディーゼルエンジンに比べて燃料を早期に噴射する低温、予混合化圧縮着火エンジンでは、燃料の一部がシリンダーライナーに到達し、ピストンの下降で掻き落とされてオイルパンへと流れ込み、エンジンオイルの希釈を引き起こすことがあるが、90容量%留出温度(T90)が330℃以下の燃料組成物は、気化し易く、ピストンの下降前に十分気化・燃焼するため、エンジンオイルの希釈を抑制することができる。従って、低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料の性状としては、90容量%留出温度(T90)が330℃以下であることが必要である。そして、上記の問題に対応するには、90容量%留出温度(T90)が低い程好ましいため、本発明の燃料油組成物は、90容量%留出温度(T90)が300℃以下である。また、特に限定されるものではないが、本発明の燃料油組成物は、軽油の生産量減少を抑制する観点から、90容量%留出温度(T90)が270℃以上であることが好ましい。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、高EGR条件下でも安定した着火を確保しつつ、HCやCOの増加を抑え、更には、低負荷条件下での低温、予混合化燃焼を確保する観点から、セタン価(CN)が58以上である。なお、従来型ディーゼル燃焼では、セタン価が45以上で十分な性能を発揮するが、低温、予混合化燃焼では、高いセタン価(CN)と酸素含有化合物の配合との組み合わせが重要である。なお、セタン価を調整するために、本発明の燃料油組成物には、セタン価向上剤を添加してもよい。
上記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、有機過酸化物系セタン価向上剤が挙げられる。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。これらセタン価向上剤の添加量は、0.5質量%以下の範囲が好ましく、0.1質量%以下の範囲が更に好ましい。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、芳香族分が20容量%以下である。芳香族分が増加すると、排出ガス中の一酸化炭素(CO)や粒子状物質(PM)が増加するため、本発明の燃料油組成物は、芳香族分が20容量%以下、好ましくは19容量%以下、更に好ましくは18容量%以下である。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、有害ガス成分の排出削減の観点から、酸素含有化合物を5容量%以上含有し、好ましくは10容量%以上含有する。また、酸素含有化合物を5容量%以上含有する事で従来型ディーゼル燃焼にも効果がある。一方、特に限定されるものではないが、本発明の燃料油組成物は、経済性や燃料性状全体のバランスを確保する観点から、酸素含有化合物の含有量が40容量%以下であることが好ましい。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物は、上記の性状を満たすように、例えば、軽油基材に対して、酸素含有化合物を配合して調製することができる。この場合、配合する酸素含有化合物の沸点は、軽油基材の分留性状範囲に影響しないよう、150〜400℃の範囲が好ましい。また、ベースとなる軽油基材のセタン価は通常45以上であり、本発明の燃料油組成物はセタン価が58以上であるため、セタン価向上剤を用いる場合を想定しても、配合する酸素含有化合物はセタン価が45以上であることが好ましい。更に、排出ガスの浄化に効果を発揮するためには、酸素含有化合物の酸素含有量が一定値以上であることが好ましく、具体的には、酸素/炭素比が0.05以上であることが好ましい。加えて、実用上の観点から、酸素含有化合物は、軽油基材に可溶であることが好ましく、また、軽油基材と酸素含有化合物の混合物に水を加えても相分離しないことが好ましい。
本発明の低温、予混合化圧縮着火エンジン用燃料油組成物には、上記セタン価向上剤以外の添加剤として、燃料油組成物の安定性を確保するための酸化防止剤、低温流動性を確保するための低温流動性向上剤、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。
上述した本発明の燃料油組成物は、低温、予混合化圧縮着火エンジンに用いられる。該エンジンは、予混合圧縮着火エンジンであるPCCI(Premixed Charge Compression Ignition)やHCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)エンジンを包含するものであり、予混合燃焼を主に多量のEGRによって達成するものである。低温、予混合化燃焼は、従来のディーゼルエンジンと同様に圧縮着火であるが、燃料噴射時期、燃料噴射圧力や噴射パターン、圧縮比、燃焼室構造などを最適化して達成される燃料と空気が十分に混合した予混合気の燃焼で形成される予混合火炎のみで燃焼を完結する燃焼方式であり、また、該低温、予混合化燃焼は、予混合気の形成に必要な長い着火遅れを多量のEGRで達成するものであり、多量のEGRが必須な予混合燃焼である。従来のディーゼルエンジンでは、予混合火炎に加えて燃料と空気の境界層に火炎が形成される拡散火炎が観察されるが、低温、予混合化圧縮着火エンジンでは、この拡散火炎が観察されない。すなわち、該低温、予混合化燃焼は、熱発生率曲線を観察すると冷炎に伴う微弱な熱発生に続いて、主燃焼による熱発生のピークが予混合火炎に対応する1つのピークだけの燃焼であり、NOxやPMが抑制されている。一方、実際の熱発生曲線では熱発生の後半がテーリングする事があるため、低温、予混合化圧縮着火エンジンは、予混合燃焼に伴う熱発生が全体の90%以上(予混合燃焼か拡散燃焼かが明確でない後半の燃焼が10%以下)のエンジンと定義される。また、該予混合化圧縮着火エンジンは、高圧縮比で運転できることなどから、ガソリンエンジン(火花点火式エンジン)に比べて高効率であるという特徴を有する。
・軽油:市販の軽油(JIS 2号)を準備した。
・燃料−1:市販軽油90容量%に、トリプロピレングリコールメチルエステル(TPM)を10容量%混合して調製した。
・燃料−2:市販軽油を90容量%留出温度(T90)が300℃以下となるように分留した軽質軽油基材90容量%に、トリプロピレングリコールメチルエステル(TPM)を10容量%混合し、該混合物にアルキルナイトレート(NT, セタン価向上剤)を0.5質量%添加して調製した。
・燃料−3:市販軽油80容量%に、接触分解装置からの接触分解油(LCO)を20容量%混合して調製した。
・TPM:川口薬品化学(株)から純度97.5%以上を購入した。
・アルキルナイトレート:アフトンケミカル・ジャパン(株)製HITEC−4105K
・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)」
・セタン価(CN):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(指数は適用できない)
・芳香族分: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」
・気筒数:1
・排気量(cm3):1007
・圧縮比:14〜18
・燃料供給方式:筒内噴射(コモンレール)
・回転速度(rpm):1200
・燃料噴射量(mm3):可変(PCCI燃焼範囲をカバー)
・燃料噴射圧力(MPa):40〜120
・EGR率(%):0〜70
(1)排出ガス測定
堀場製排出ガス測定装置を用いて、排出ガス中の窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)の各濃度を測定した。また、黒煙の測定には小野測器製スモークメータを用いた。
小野測器製燃焼解析装置を用いて、燃焼変動、着火遅れ、熱発生率の最大値を測定した。
Claims (2)
- 排気ガスの少なくとも一部を吸入空気中に再循環する排気ガス再循環装置を具え、吸入空気と再循環された排気ガスとの混合ガス中の酸素濃度が17体積%以下となる条件で運転される低温、予混合化圧縮着火エンジン用の燃料油組成物であって、
硫黄分が10質量ppm以下で、90容量%留出温度が300℃以下で、セタン価(CN)が58以上で、且つ芳香族分が20容量%以下であり、酸素含有化合物を5容量%以上含有することを特徴とする燃料油組成物。 - 前記酸素含有化合物が、下記一般式(1):
R1O−(AO)n−H ・・・ (1)
[式中、R1は炭素数1〜4のアルキル基であり、Aはそれぞれ独立して炭素数2〜4のアルキレン基であり、nは2〜10である]で表わされるポリアルキレングリコール、及び下記一般式(2):
R2−COO−R3 ・・・ (2)
[式中、R2−COは炭素数12〜20の飽和又は不飽和の脂肪酸残基であり、R3は炭素数1〜4のアルキル基である]で表わされる脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載の燃料油組成物。
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