JP6887359B2 - リーンバーンエンジン用ガソリン組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、リーンバーンエンジン用ガソリン組成物に関する。
従来から、理論空燃比より薄い混合気で燃料を燃焼させるリーンバーンエンジンが知られている。このようなリーンバーンエンジン用の燃料としては、例えば、特許文献１に、アルキレートガソリン、接触改質ガソリン、軽質接触分解ガソリン及びコーカーライトガソリンよりなる群から選ばれた１種以上のガソリンを配合したことを特徴とするリーンバーンエンジン用燃料組成物が開示されている。
リーンバーンエンジンにおいて、運転可能な空燃比（空気／燃料）の上限はリーン限界と称され、このリーン限界を拡大することで、燃費の向上、燃焼の安定化等が期待される。
本発明は、リーンバーンエンジンのリーン限界を拡大させることが可能な、リーンバーンエンジン用ガソリン組成物を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、含酸素化合物を含み、３０４ｋＰａ、４５０Ｋ、当量比１．０における層流燃焼速度が０．６０〜０．８０ｍ／ｓである、リーンバーンエンジン用ガソリン組成物に関する。
一態様において、含酸素化合物は、含酸素複素環式化合物及び含酸素芳香族化合物からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。
一態様において、含酸素複素環式化合物は、フラン環、テトラヒドロフラン環、エチレンオキシド環、ベンゾピラン環からなる群より選択される少なくとも一種の含酸素複素環を有するものであってよい。
一態様において、含酸素複素環式化合物は、フランであってよい。
一態様において、含酸素芳香族化合物は、アルコキシベンゼンであってよい。
一態様において、アルコキシベンゼンは、アニソール及びフェネトールからなる群より選択されてよい。
本発明によれば、リーンバーンエンジンのリーン限界を拡大させることが可能な、リーンバーンエンジン用ガソリン組成物が提供される。
以下、本発明の好適な一実施形態について説明する。
本実施形態に係るリーンバーンエンジン用ガソリン組成物は、含酸素化合物を含み、３０４ｋＰａ、４５０Ｋ、当量比１．０における層流燃焼速度が０．６０〜０．８０ｍ／ｓである。
このようなリーンバーンエンジン用ガソリン組成物は、リーンバーンエンジンのリーン限界を拡大させることができる。
本実施形態に係るリーンバーンエンジン用ガソリン組成物に含まれる含酸素化合物について以下に詳述する。
＜含酸素化合物＞
含酸素化合物は、構成元素として酸素を含む有機化合物である。含酸素化合物としては、例えば、含酸素複素環式化合物、含酸素芳香族化合物、含酸素脂肪族化合物等が挙げられる。含酸素化合物は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
含酸素化合物は、構成元素として酸素を含む有機化合物である。含酸素化合物としては、例えば、含酸素複素環式化合物、含酸素芳香族化合物、含酸素脂肪族化合物等が挙げられる。含酸素化合物は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
含酸素化合物としては、燃焼速度が一層向上する観点から、特に含酸素複素環式化合物及び含酸素芳香族化合物が好ましい。
含酸素複素環式化合物は、含酸素複素環を有する化合物である。含酸素複素環式化合物としては、例えば、フラン環、テトラヒドロフラン環、エチレンオキシド環、プロピレンオキシド環、ピラン環、テトラヒドロピラン環、ベンゾフラン環、ベンゾピラン環等の含酸素複素環を有する化合物が挙げられる。含酸素複素環式化合物としては、燃焼速度が一層向上する観点から、フラン環を有する化合物が好ましい。フラン環を有する化合物としては、例えば、フラン、２−メチルフラン、２，５−ジメチルフランが挙げられる。フラン環を有する化合物としては、燃焼速度が一層向上する観点から、フランが好ましい。
含酸素芳香族化合物は、構成元素として酸素を含み、芳香環を有する化合物である。含酸素芳香族化合物としては、例えば、芳香環に直接結合する酸素原子を有する芳香族化合物（例えば、アルコキシベンゼン、フェノール類等）等が挙げられる。
アルコキシベンゼンとしては、例えば、アニソール、フェネトール、プロピルオキシベンゼン等が挙げられる。アルコキシベンゼンとしては、ガソリン基材との沸点範囲の一致の観点から、アニソール及びフェネトールが好ましい。
含酸素脂肪族化合物としては、例えば、アルコール類、エーテル類（例えば、エチルアルコール、イソブチルアルコール、ＥＴＢＥ（エチル−ｔｅｒｔ−ブチルエーテル）等）等が挙げられる。
ガソリン組成物に含まれる含酸素化合物の含有量は、ガソリン組成物全量を基準として、例えば５体積％以上であってよく、７体積％以上であることが好ましく、１０体積％以上であることがより好ましい。含有量を多くすることで、燃焼速度が一層向上する傾向がある。また、含酸素化合物の含有量は、例えば８０体積％以下であってよく、７０体積％以下であることが好ましく、６０体積％以下であることがより好ましい。含有量を少なくすることで、発熱量が増加する傾向がある。
次いで、本実施形態に係る層流燃焼速度について詳述する。
＜層流燃焼速度＞
本明細書中、層流燃焼速度は、３０４ｋＰａ、４５０Ｋ、当量比φが１．０の場合における層流燃焼速度を指す。なお、当量比φとは、ガソリン組成物の理論空燃比を層流燃焼速度測定時の混合気の空燃比で除したものである。層流燃焼速度（ＳＬ）は、式（１）に従うものとし、温度及び圧力がそれぞれ３０４ｋＰａ、４５０Ｋとは異なる温度（Ｔ０）及び圧力（ｐ０）で測定された層流燃焼速度（ＳＬ０）については、式（１）にＳＬ０、Ｔ０及びｐ０を代入することで、３０４ｋＰａ、４５０Ｋにおける層流燃焼速度（ＳＬ）へと変換できる。複数の成分を含むガソリン組成物の層流燃焼速度は、各成分の層流燃焼速度から、各成分の体積の比を重みとした算術平均により求めることができる。
本明細書中、層流燃焼速度は、３０４ｋＰａ、４５０Ｋ、当量比φが１．０の場合における層流燃焼速度を指す。なお、当量比φとは、ガソリン組成物の理論空燃比を層流燃焼速度測定時の混合気の空燃比で除したものである。層流燃焼速度（ＳＬ）は、式（１）に従うものとし、温度及び圧力がそれぞれ３０４ｋＰａ、４５０Ｋとは異なる温度（Ｔ０）及び圧力（ｐ０）で測定された層流燃焼速度（ＳＬ０）については、式（１）にＳＬ０、Ｔ０及びｐ０を代入することで、３０４ｋＰａ、４５０Ｋにおける層流燃焼速度（ＳＬ）へと変換できる。複数の成分を含むガソリン組成物の層流燃焼速度は、各成分の層流燃焼速度から、各成分の体積の比を重みとした算術平均により求めることができる。
式（１）中、ＳＬは、３０４ｋＰａ、４５０Ｋ、当量比１．０における層流燃焼速度を表す。ＳＬ０は、温度Ｔ０（Ｋ）、圧力ｐ０（ｋＰａ）、当量比１．０における層流燃焼速度を表す。
本実施形態に係るガソリン組成物において、層流燃焼速度は、０．６０ｍ／ｓ以上であり、好ましくは０．６３ｍ／ｓ以上、より好ましくは０．６５ｍ／ｓ以上である。層流燃焼速度が大きいとリーン限界が一層向上する傾向がある。また、層流燃焼速度は、０．８０ｍ／ｓ以下であり、好ましくは０．７９ｍ／ｓ以下、より好ましくは０．７７ｍ／ｓ以下である。層流燃焼速度が小さいと燃焼室の圧力上昇率が小さくなり、エンジン破損の可能性を低減できる。
本実施形態に係るガソリン組成物は、一種又は二種以上のガソリン基材を含有していてよい。ガソリン基材としては、従来公知の任意の方法で製造されるガソリン基材を用いることができる。
ガソリン基材としては、例えば、原油を常圧蒸留して得られる軽質ナフサ、重質ナフサ、重質ナフサを脱硫処理して得られる脱硫重質ナフサ、接触分解法で得られる接触分解ガソリン、接触分解ガソリンを分留して得られる軽質分解ガソリン、中質分解ガソリン、重質分解ガソリン、水素化分解法で得られる水素化分解ガソリン、接触改質法で得られる改質ガソリン、改質ガソリンを分留して得られる軽質改質ガソリン、重質改質ガソリン、改質ガソリンより芳香族分を抽出した残分であるラフィネート、オレフィン分の重合によって得られる重合ガソリン、イソブタンなどの炭化水素に低級オレフィンを付加（アルキル化）することによって得られるアルキレート、軽質ナフサを異性化装置でイソパラフィンに転化して得られる異性化ガソリン、脱ノルマルパラフィン油、ブタン、芳香族炭化水素化合物、パラフィン炭化水素化合物、ナフテン炭化水素化合物、オレフィン炭化水素化合物、ＥＴＢＥ、プロピレンを二量化し、続いてこれを水素化して得られるパラフィン留分、ハイオクガソリン、合成原油ナフサ（オイルサンド油を熱分解プロセス等でアップグレーディング後、蒸留により得られたナフサ留分）、天然ガス等を一酸化炭素と水素に分解した後にＦ−Ｔ（Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ）合成で得られるＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ）の軽質留分等の基材を一種又は二種以上を混合することで製造することができる。
ガソリン基材の含有量は、ガソリン組成物の総量に対して、例えば１０体積％以上であってよく、３０体積％以上が好ましく、５０体積％以上がより好ましい。また、ガソリン基材の含有量は、ガソリン組成物の総量に対して、例えば９５体積％以下であってよく、９３体積％以下が好ましく、９０体積％以下がより好ましい。
含酸素化合物とガソリン基材との合計含有量は、ガソリン組成物の総量に対して、例えば８０体積％以上であってよく、９０体積％以上が好ましく、９５体積％以上がより好ましく、１００体積％であってもよい。
本実施形態に係るガソリン組成物は、ガソリン基材及び含酸素化合物以外の他の成分を更に含有していてよい。他の成分としては、例えば、清浄分散剤、酸化防止剤、金属不活性化剤、表面着火防止剤、氷結防止剤、助燃剤、帯電防止剤、着色剤、防錆剤、水抜き剤、識別剤、着臭剤、摩擦調整剤等が挙げられる。これらの他の成分の合計含有量は、ガソリン組成物の総量に対して、例えば１体積％以下であってよく、０．５体積％以下が好ましく、０．１体積％以下がより好ましい。また、上記の他の成分の合計含有量は、ガソリン組成物の総量に対して、例えば０．００１体積％以上であってよく、０．００２体積％以上であってもよい。
清浄分散剤としては、通常使用される清浄分散剤を用いることができ、例えば、コハク酸イミド、ポリアルキルアミン、ポリエーテルアミンなどのガソリン清浄分散剤として公知の化合物を用いることができる。酸化防止剤としては、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジイソプロピル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−ジイソブチル−ｐ−フェニレンジアミン、２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェノール、ヒンダードフェノール類等が挙げられる。金属不活性化剤としては、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジサリチリデン−１，２−ジアミノプロパンのようなアミンカルボニル縮合化合物等が挙げられる。表面着火防止剤としては、例えば、有機リン系化合物等が挙げられる。氷結防止剤としては、例えば、多価アルコール又はそのエーテル等が挙げられる。助燃剤としては、例えば、有機酸のアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩、高級アルコール硫酸エステル等が挙げられる。帯電防止剤としては、例えば、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤等が挙げられる。着色剤としては、例えば、アゾ染料等が挙げられる。防錆剤としては、例えば、有機カルボン酸又はその誘導体類、アルケニルコハク酸エステル等が挙げられる。水抜き剤としては、例えば、ソルビタンエステル類等が挙げられる。識別剤としては、例えば、キリザニン、クマリン等が挙げられる。着臭剤としては、例えば、天然精油合成香料等が挙げられる。摩擦調整剤としては、例えば、高級カルボン酸モノグリセリド及び高級カルボン酸のアミド化合物の混合物等が挙げられる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
＜ガソリン組成物の調製＞
原料成分として、下記表１に示す成分を準備し、表１に示す体積比で混合した。なお、イソオクタンは、ＪＩＳ Ｋ ２２８０−１におけるイソオクタン正標準燃料に規定された品質のものを用いた。また、フランは、東京化成工業株式会社製造の純度９９．０％以上のものを用いた。
＜ガソリン組成物の調製＞
原料成分として、下記表１に示す成分を準備し、表１に示す体積比で混合した。なお、イソオクタンは、ＪＩＳ Ｋ ２２８０−１におけるイソオクタン正標準燃料に規定された品質のものを用いた。また、フランは、東京化成工業株式会社製造の純度９９．０％以上のものを用いた。
＜層流燃焼速度の算出＞
イソオクタンの層流燃焼速度は、ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−２９３６．の記載から、温度４５０Ｋ、圧力３０４ｋＰａ、当量比１.０におけるイソオクタンの層流燃焼速度の値を読み取った（０．５４ｍ／ｓ）。
イソオクタンの層流燃焼速度は、ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−２９３６．の記載から、温度４５０Ｋ、圧力３０４ｋＰａ、当量比１.０におけるイソオクタンの層流燃焼速度の値を読み取った（０．５４ｍ／ｓ）。
また、フランの層流燃焼速度は、Ｊ． Ｃｈｅｍ． Ｅｎｇ． Ｄａｔａ， ４， １９５９， ２２６−２３７．の記載から、温度２９８Ｋ、当量比１．０におけるフランの層流燃焼速度の値を読み取り（０．６３ｍ／ｓ）、当該層流燃焼速度の測定時の圧力がｐ０＝１０１．３ｋＰａ（常圧）であると仮定し、ＳＬ０＝０．６３ｍ／ｓ、Ｔ０＝２９８Ｋ、ｐ０＝１０１．３ｋＰａを式（１）に代入して、算出した。
実施例１のガソリン組成物の層流燃焼速度は、イソオクタン及びフランの層流燃焼速度から算出した。算出した層流燃焼速度の値を表１に示した。
＜リーン限界の測定＞
リーン限界は、下記の試験エンジンを使用し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、正味平均有効圧力０．４ＭＰａの条件下で空気過剰率を変更することで測定した。リーン限界は、図示平均有効圧力の変動率が３％を超える点における空気過剰率とした。なお、空気過剰率とは試験時の混合気の空燃比をガソリン組成物の理論空燃比で除したものであり、当量比φの逆数となる。
（試験エンジン）
エンジン：直列４気筒
排気量：１７９７ｃｃ
噴射方式：ポート噴射式
測定結果を表１に示す。なお、リーン限界向上幅とは、得られた測定結果から、レギュラーガソリンを用いた場合のリーン限界（１．７６）を減じた値である。
リーン限界は、下記の試験エンジンを使用し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、正味平均有効圧力０．４ＭＰａの条件下で空気過剰率を変更することで測定した。リーン限界は、図示平均有効圧力の変動率が３％を超える点における空気過剰率とした。なお、空気過剰率とは試験時の混合気の空燃比をガソリン組成物の理論空燃比で除したものであり、当量比φの逆数となる。
（試験エンジン）
エンジン：直列４気筒
排気量：１７９７ｃｃ
噴射方式：ポート噴射式
測定結果を表１に示す。なお、リーン限界向上幅とは、得られた測定結果から、レギュラーガソリンを用いた場合のリーン限界（１．７６）を減じた値である。
（参考例１）
＜ガソリン組成物の調製及びリーン限界の測定＞
原料成分を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてガソリン組成物を調製した。なお、アニソールは、辻本化学工業株式会社製造の純度９９．０％以上のものを用いた。また、得られたガソリン組成物について、実施例１と同様にしてリーン限界の測定を行った。測定結果を表１に示した。
＜ガソリン組成物の調製及びリーン限界の測定＞
原料成分を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてガソリン組成物を調製した。なお、アニソールは、辻本化学工業株式会社製造の純度９９．０％以上のものを用いた。また、得られたガソリン組成物について、実施例１と同様にしてリーン限界の測定を行った。測定結果を表１に示した。
＜層流燃焼速度の算出＞
アニソールの層流燃焼速度は、ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−２９３６．の記載から、温度４５０Ｋ、圧力３０４ｋＰａ、当量比１.０におけるアニソールの層流燃焼速度の値を読み取った（０．７６ｍ／ｓ）。
アニソールの層流燃焼速度は、ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−２９３６．の記載から、温度４５０Ｋ、圧力３０４ｋＰａ、当量比１.０におけるアニソールの層流燃焼速度の値を読み取った（０．７６ｍ／ｓ）。
参考例１のガソリン組成物の層流燃焼速度は、イソオクタン及びアニソールの層流燃焼速度から算出した。算出した層流燃焼速度の値を表１に示した。
（比較例１）
＜ガソリン組成物の調製及びリーン限界の測定＞
原料成分を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてガソリン組成物を調製した。なお、トルエンは、ＪＩＳ Ｋ ２２８０−１におけるトルエン系副標準燃料に規定された品質のものを用いた。また、得られたガソリン組成物について、実施例１と同様にしてリーン限界の測定を行った。測定結果を表１に示した。
＜ガソリン組成物の調製及びリーン限界の測定＞
原料成分を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてガソリン組成物を調製した。なお、トルエンは、ＪＩＳ Ｋ ２２８０−１におけるトルエン系副標準燃料に規定された品質のものを用いた。また、得られたガソリン組成物について、実施例１と同様にしてリーン限界の測定を行った。測定結果を表１に示した。
＜層流燃焼速度の算出＞
トルエンの層流燃焼速度は、ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−２９３６．の記載から、温度４５０Ｋ、圧力３０４ｋＰａ、当量比１.０におけるトルエンの層流燃焼速度の値を読み取った（０．６０ｍ／ｓ）。
トルエンの層流燃焼速度は、ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−２９３６．の記載から、温度４５０Ｋ、圧力３０４ｋＰａ、当量比１.０におけるトルエンの層流燃焼速度の値を読み取った（０．６０ｍ／ｓ）。
比較例１のガソリン組成物の層流燃焼速度は、イソオクタン及びトルエンの層流燃焼速度から算出した。算出した層流燃焼速度の値を表１に示した。
（比較例２）
＜ガソリン組成物の調製及びリーン限界の測定＞
原料成分を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてガソリン組成物を調製した。なお、表１中のＥＴＢＥは、エチル−ｔｅｒｔ−ブチルエーテルを表す。ＥＴＢＥは石油精製プロセスにおけるＥＴＢＥ製造装置から得た。また、得られたガソリン組成物について、実施例１と同様にしてリーン限界の測定を行った。測定結果を表１に示した。
＜ガソリン組成物の調製及びリーン限界の測定＞
原料成分を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてガソリン組成物を調製した。なお、表１中のＥＴＢＥは、エチル−ｔｅｒｔ−ブチルエーテルを表す。ＥＴＢＥは石油精製プロセスにおけるＥＴＢＥ製造装置から得た。また、得られたガソリン組成物について、実施例１と同様にしてリーン限界の測定を行った。測定結果を表１に示した。
＜層流燃焼速度の算出＞
ＥＴＢＥの層流燃焼速度については、Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｆｕｅｌｓ ２００８， ２２， ３７０１−３７０８．の記載から、温度２９８Ｋ、圧力１０１．３ｋＰａ、当量比１．０におけるＥＴＢＥの層流燃焼速度の値を読み取り（０．３１ｍ／ｓ）、ＳＬ０＝０．３１ｍ／ｓ、Ｔ０＝２９８Ｋ、ｐ０＝１０１．３ｋＰａを式（１）に代入して、算出した。
ＥＴＢＥの層流燃焼速度については、Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｆｕｅｌｓ ２００８， ２２， ３７０１−３７０８．の記載から、温度２９８Ｋ、圧力１０１．３ｋＰａ、当量比１．０におけるＥＴＢＥの層流燃焼速度の値を読み取り（０．３１ｍ／ｓ）、ＳＬ０＝０．３１ｍ／ｓ、Ｔ０＝２９８Ｋ、ｐ０＝１０１．３ｋＰａを式（１）に代入して、算出した。
比較例２のガソリン組成物の層流燃焼速度は、イソオクタン及びＥＴＢＥの層流燃焼速度から算出した。算出した層流燃焼速度の値を表１に示した。
Claims (2)
- 含酸素化合物を含み、
３０４ｋＰａ、４５０Ｋ、当量比１．０における層流燃焼速度が０．６０〜０．８０ｍ／ｓであり、
前記含酸素化合物が、フラン環を有する含酸素複素環式化合物であり、
前記含酸素化合物の含有量が、ガソリン組成物の全量を基準として５０体積％以上８０体積％以下である、リーンバーンエンジン用ガソリン組成物。 - 前記含酸素複素環式化合物が、フランである、請求項１に記載のリーンバーンエンジン用ガソリン組成物。
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