JP5342864B2

JP5342864B2 - 予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物及びその製造方法

Info

Publication number: JP5342864B2
Application number: JP2008322459A
Authority: JP
Inventors: 行男赤坂
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: JP2009167401A

Description

本発明は、予混合圧縮着火エンジン用の燃料油組成物及びその製造方法に関し、特には、予混合圧縮着火エンジンに用いた際に、予混合圧縮着火燃焼を確保できる負荷条件の範囲を、ガソリンや軽油等の従来の自動車用燃料ではなし得ない範囲まで拡大することが可能な燃料油組成物に関するものである。

自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）は、大気中におけるこれら有害成分濃度に一定の寄与があるため、大気環境改善の観点から、これら有害排出ガス成分の削減が強く求められている。一方、地球温暖化防止のためには、化石燃料の燃焼で排出されるＣＯ₂の削減が必要であり、自動車からのＣＯ₂排出の削減、即ち、自動車の燃料消費効率（燃費）の向上が強く求められている。このように、自動車においては、有害ガス成分の排出削減とＣＯ₂の排出削減を同時に達成する必要があり、昨今、その対応技術として、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ：Premixed Charge Compression Ignition）エンジンが注目されている。

ＰＣＣＩエンジンでは、燃焼の開始（着火）を燃料の自己着火に依存しているので、燃焼室内の温度が低い冷機時や低負荷条件下では、着火性の良好な燃料が必要となる。しかしながら、着火性の良好な燃料は、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、燃焼室内で多点同時着火による急激な燃焼を起こし、燃焼騒音の増大やエンジンの損傷を引き起こしてしまう。そのため、燃焼室内の温度が高い高負荷条件下では、着火性の低い燃料、即ち、緩慢な燃焼挙動を示す燃料が求められる。従って、ＰＣＣＩエンジン用燃料としては、低負荷条件では着火性の指標であるセタン価（ＣＮ）が高く、高負荷条件下では緩慢な燃焼を期待できるリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が高い燃料が望ましい。

より詳しくは、低負荷条件下における予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）燃焼の成立の有無は、燃料のセタン価（ＣＮ）に規定されるため、安定した着火と燃焼を確保できる負荷条件の下限値は、燃料のセタン価（ＣＮ）に大きく依存する。一方、高負荷条件下におけるＰＣＣＩ燃焼の成立の有無は、燃料のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）に規定されるため、緩慢な燃焼を確保できる負荷条件の上限値は、燃料のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）に大きく依存する。従って、ＰＣＣＩ燃焼が成立する負荷条件の範囲は、燃料のセタン価（ＣＮ）とリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）との両方に大きく依存することとなる。

ＰＣＣＩ燃焼が成立しないエンジンの負荷条件下では、従来型の燃焼形態（ガソリン燃焼又はディーゼルエンジン燃焼）を用いることとなるが、有害排出ガスの低減と燃費の向上を同時に達成できるＰＣＣＩ燃焼の範囲が広い程、エンジン性能としては優れているため、セタン価（ＣＮ）及びリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）の両方が高い燃料が求められている。

特開２００４−９１６５７号公報大聖, 「ディーゼルエンジン技術に関する将来展望」, 自動車技術, Vol.59, No.4 (2005)

しかしながら、炭化水素のセタン価（ＣＮ）とリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）との関係はトレードオフの関係にあり、セタン価（ＣＮ）の高い燃料は、リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が低いことが判っている。

そこで、本発明の目的は、セタン価（ＣＮ）及びリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）の両者を最適値にバランスさせることで、ＰＣＣＩ燃焼が成立する負荷条件の範囲を、ガソリンや軽油等の従来の自動車用燃料ではなし得ない範囲まで拡大することが可能な予混合圧縮着火エンジン用の燃料油組成物を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、特定の蒸留性状を有し、セタン価（ＣＮ）及びリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が特定の範囲にある燃料油組成物を予混合圧縮着火エンジンに用いることで、ＰＣＣＩ燃焼が成立する負荷条件の範囲が、従来の自動車用燃料（ガソリン、軽油）ではなし得ない範囲まで拡大することを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明の予混合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、
・９０容量％留出温度が１８０〜３３２．５℃で、
・セタン価（ＣＮ）が２５〜３９．７で、
・リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が３５以上で、
・セタン価とリサーチ法オクタン価との和（ＣＮ＋ＲＯＮ）が７０以上である
ことを特徴とする。

また、本発明の予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物の製造方法は、セタン価（ＣＮ）が４０以上の燃料油１にリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が８０以上の燃料油２を混合することを特徴とする。

なお、本発明において、硫黄分はＪＩＳＫ２５４１−６に従って測定され、９０容量％留出温度はＪＩＳＫ２２５４に従って測定され、セタン価（ＣＮ）及びリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）はＪＩＳＫ２２８０に従って測定される。

本発明によれば、特定の蒸留性状を有し、セタン価（ＣＮ）及びリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が特定の範囲にある燃料油組成物を予混合圧縮着火エンジンに用いることで、ＰＣＣＩ燃焼が成立する負荷条件の範囲を、従来の自動車用燃料（ガソリン、軽油）ではなし得ない範囲まで拡大することが可能となる。

以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の予混合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、９０容量％留出温度が１８０〜３３２．５℃で、セタン価（ＣＮ）が２５〜３９．７で、リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が３５以上で、セタン価とリサーチ法オクタン価との和（ＣＮ＋ＲＯＮ）が７０以上であることを特徴とする。本発明の燃料油組成物は、セタン価（ＣＮ）が十分高いため、ＰＣＣＩ燃焼を確保できる負荷条件の下限値が十分低い。また、本発明の燃料油組成物は、リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が十分高いため、ＰＣＣＩ燃焼を確保できる負荷条件の上限値が十分高い。更に、本発明の燃料油組成物は、セタン価とリサーチ法オクタン価との和（ＣＮ＋ＲＯＮ）が十分高いため、ＰＣＣＩ燃焼を確保できる負荷条件の範囲が広く、従来の自動車用燃料（ガソリン、軽油）ではなし得ない範囲までＰＣＣＩ燃焼が成立する負荷条件の範囲を拡大することができ、予混合圧縮着火エンジンに特に好適である。

＜硫黄分＞
本発明のＰＣＣＩ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８質量ppm以下、さらに好ましくは５質量ppm以下、特には１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、好ましくは８質量ppm以下、さらに好ましくは５質量ppm以下、特には１質量ppm以下である。

＜９０容量％留出温度（Ｔ９０）＞
本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物は、９０容量％留出温度（Ｔ９０）が３５０℃以下であり、好ましくは３４０℃以下、さらに好ましくは３３０℃以下、特には３２０℃以下である。９０容量％留出温度（Ｔ９０）が３５０℃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３５０℃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。また、ディーゼルエンジンに比べて燃料を早期に噴射するＰＣＣＩ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３５０℃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するため、エンジンオイルの希釈を引き起こすことがない。従って、ＰＣＣＩエンジン用燃料の性状としては、９０容量％留出温度（Ｔ９０）が３５０℃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３４０℃以下であることが好ましく、３３０℃以下であることが更に好ましく、３２０℃以下であることが特に好ましい。また、本発明の燃料油組成物は、噴射ポンプの潤滑性維持の観点から、９０容量％留出温度（Ｔ９０）が１８０℃以上であり、２００℃以上であることが好ましい。

＜セタン価（ＣＮ）＞
本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物は、ＰＣＣＩ燃焼を確保できる負荷条件の下限値に影響を及ぼすセタン価（ＣＮ）が２５以上であり、好ましくは３０以上、さらに好ましくは３５以上、特には３７以上である。燃料油の着火性を向上させるために、エンジン側では圧縮比の向上等の対策が採られるが、燃料油の確実な着火と燃焼の安定性とを確保するためには、燃料油自体のセタン価（ＣＮ）を２５以上とすることが必要であり、好ましくは３０以上、さらに好ましくは３５以上、特に好ましくは３７以上とする。また、燃料油のセタン価（ＣＮ）が高過ぎると、燃料油の噴射から着火に至るまでの時間、即ち、着火遅れが短縮されるため、混合気の形成に許される時間が短縮されたり、早期着火による着火時期の進み過ぎによって、エンジン性能の悪化を招くので、燃料油組成物のセタン価（ＣＮ）は４０以下であることが必要であり、好ましくは３９以下、さらに好ましくは３８以下、特には３７以下である。

＜リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）＞
本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物は、ＰＣＣＩ燃焼を確保できる負荷条件の上限値に影響を及ぼすリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が３５以上であり、好ましくは４０以上、さらに好ましくは４５以上、特には５０以上である。高負荷条件下での緩慢な燃焼を確保するためには、燃料油組成物のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）を３５以上とすることが必要である。なお、過早着火や急激な燃焼を回避するために、エンジン側では排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）の導入等の対策が講じられるが、高負荷条件下でＰＣＣＩ燃焼として許容できる騒音や燃焼圧力上昇率を確保するためには、燃料油組成物のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）を３５以上、好ましくは４０以上、さらに好ましくは４５以上、特には５０以上とする。

＜ＣＮ＋ＲＯＮ＞
本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物は、セタン価（ＣＮ）とリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）との和（ＣＮ＋ＲＯＮ）が７０以上であり、好ましくは７５以上、さらに好ましくは８０以上、特には９０以上である。適切なＰＣＣＩ燃焼範囲を確保するためには、セタン価（ＣＮ）とリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）とのそれぞれを適切に保つと共に、両者の和（ＣＮ＋ＲＯＮ）を７０以上とすることが必要であり、好ましく７５以上、さらに好ましくは８０以上、特には９０以上とする。

＜燃料油組成物の調製＞
本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物は、セタン価（ＣＮ）が４０以上の燃料油１にリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が８０以上の燃料油２を混合することで製造できる。燃料油１のセタン価（ＣＮ）が４０を下回るか、及び／又は燃料油２のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が８０を下回ると上記の性状を満たすことが難しくなる。燃料油１のセタン価（ＣＮ）は好ましくは４３以上である。また、燃料油２のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）は好ましくは８５以上である。例えば、本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物は、セタン価が高い市販灯油、あるいは軽油と、オクタン価が高いガソリン基材の両者、あるいはセタン価が高いノルマルパラフィンにオクタン価が高いイソパラフィン、オレフィンあるいはアロマを混合して調製することができる。なお、燃料油１と燃料油２の容量比（燃料油１／燃料油２）は、上記の性状を満たすように適宜調整すればよいが、例えば、１０／９０〜９０／１０の範囲が好ましい。

＜添加剤＞
本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物には、上述のセタン価（ＣＮ）を向上させるために、セタン価向上剤を配合することができる。該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、０．０５〜１質量％の範囲が好ましい。

また、本発明のＰＣＣＩエンジン用燃料油組成物には、その他の添加剤として、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。

上記酸化防止剤としては、２,６-ジ-ｔ-ブチルフェノール、２,６-ジ-ｔ-ブチル-４-メチルフェノール、２,４-ジメチル-６-ｔ-ブチルフェノール、２,４,６-トリ-ｔ-ブチルフェノール、２-ｔ-ブチル-４,６-ジメチルフェノール、２-ｔ-ブチルフェノール等のフェノール系酸化防止剤や、Ｎ,Ｎ'-ジイソプロピル-ｐ-フェニレンジアミン、Ｎ,Ｎ'-ジ-sec-ブチル-ｐ-フェニレンジアミン等のアミン系酸化防止剤、及びこれらの混合物が挙げられる。これら酸化防止剤の添加量は、０．０５〜１質量％の範囲が好ましい。

上記低温流動性向上剤としては、公知のエチレン共重合体等を用いることができるが、特には、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル等の飽和脂肪酸のビニルエステルが好ましく用いられる。これら低温流動性向上剤の添加量は、特に限定されず、目的に応じて、適宜選択することができる。

上記潤滑性向上剤としては、例えば、長鎖（例えば、炭素数１２〜２４）の脂肪酸又はその脂肪酸エステルが好ましく用いられる。該潤滑性向上剤を１０〜５００質量ppmの範囲、好ましくは５０〜１００質量ppmの範囲で添加することで、耐摩耗性を十分に向上させることができる。

上記清浄剤としては、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等が挙げられる。これら清浄剤の添加量は、特に限定されず、目的に応じて、適宜選択することができる。

＜予混合圧縮着火エンジン＞
上述した本発明の燃料油組成物は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）エンジンに用いられる。該ＰＣＣＩエンジンは、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）エンジンとも呼ばれ、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、ＥＧＲ、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る。したがって、熱発生のパターンを観察すると冷炎に伴う微弱な熱発生（観察されない場合もあるが）に続いて主燃焼である予混合火炎による１つの熱発ピークが観察される。従来型ディーゼル燃焼では予混合火炎と拡散火炎に伴う２つのピークが観察される点で、大きく異なっている。また、予混合火炎の伝播で燃焼が完結するガソリンエンジンとも異なる。なお、実際のＰＣＣＩエンジンでは、熱発生パターンのテーリングが観察される場合があるが、この原因（予混合火炎か拡散火炎か）は明確でないので、該ＰＣＣＩエンジンでは主燃焼が９０％以上（テーリングに伴う熱発生が１０％未満）と定義される。また、該ＰＣＣＩ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。

そして、かかる予混合圧縮着火エンジンに上述した本発明の燃料油組成物を用いることで、ＰＣＣＩ燃焼を確保できる負荷条件の範囲を、従来の自動車用燃料（ガソリン、軽油）ではなし得ない範囲まで拡大できるため、従来の自動車用燃料を用いた場合よりも、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）等の有害排出ガス成分を削減しつつ、自動車の燃費を向上させることができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

以下の供試燃料に対して、下記の方法で性状分析を行った。
＜供試燃料の調製＞
・ＲＧ：市販のレギュラーガソリンを準備した。
・ＡＤＯ：市販の軽油（ＪＩＳ２号）を準備した。
・ＫＥＲＯ：市販の灯油を準備した。
・ＧＴＬ：（株）ＪＯＭＯサンエナジーを通じてモスガス品を購入した。
・ＳＨＮＰ：（株）ＪＯＭＯサンエナジーを通じて炭素数１４、１５、１６のノルマルパラフィン混合物を購入した。
・水素化分解軽油：韓国油公の軽油を購入した。全硫黄分は１質量ppm、９０％留出温度は３３９．５℃である。
・ＲＦＧ：重質ナフサを固体触媒により移動床式反応装置を用いて反応させることにより、芳香族分の高い炭化水素に改質し、ペンタン留分以下を蒸留分離することにより得られたオクタン価１０６の接触改質ガソリンを用いた。
・プロピルベンゼン：関東化学（株）純度９７.０％以上。ＲＯＮはＲＧにプロピルベンゼンを２０容量％混合してＲＯＮを測定し、混合比率から算出することで１１４を求めた。
・燃料−１：ＫＥＲＯ［ＣＮ＝４５．０］６０容量％にプロピルベンゼン［ＲＯＮ＝１１４］を４０容量％混合して調製した。
・燃料−２：ＲＧ［ＲＯＮ＝９０．３］８０容量％にＳＨＮＰ［ＣＮ＝９５］を２０容量％混合して調製した。
・燃料−３：水素化分解軽油［ＣＮ＝５９］６０容量％にＲＦＧ［ＲＯＮ＝１０６］を４０容量％混合して調製した。

＜燃料の性状分析法＞
・密度：ＪＩＳＫ２２４９「原油及び石油製品密度試験法」
・蒸留性状：ＪＩＳＫ２２５４「蒸留試験法」
・硫黄分：ＪＩＳＫ２５４１−６「硫黄分試験法（紫外蛍光法）」
・セタン価（ＣＮ）：ＪＩＳＫ２２８０「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）
・リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）：ＪＩＳＫ２２８０「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」

表１から明らかなように、本発明で規定する性状を満たす燃料油組成物は、負荷条件の上限値を上昇させる為に比較例２、３及び４に比較してオクタン価が高く、負荷条件の下限値を低下させる為に比較例１に比較してセタン価が高く、ＰＣＣＩ燃焼が成立する負荷条件の範囲が拡大するのに最適な燃料組成物である。

Claims

硫黄分が１０質量ｐｐｍ以下で、９０容量％留出温度が１８０〜３３２．５℃で、セタン価（ＣＮ）が２５〜３９．７で、リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が３５以上で、セタン価とリサーチ法オクタン価との和（ＣＮ＋ＲＯＮ）が７０以上であることを特徴とする予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物。
セタン価（ＣＮ）が４０以上の燃料油１にリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）が８０以上の燃料油２を混合することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジン用燃料油組成物の製造方法。