JP6071695B2 - 予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物 - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジン用などの燃料油組成物に関し、更に詳しくは、スモーク排出量を低減できる予混合圧縮自己着火燃焼を達成することが出来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エンジンの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過ぎる、高温燃焼の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）の排出量が多い。

これを解決するための技術として、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）。このような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、ディーゼルエンジンにおいても、燃料を早期にかつ最適なタイミングで噴射すること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、特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気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。

従って、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。

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、排気ガス中のＮＯｘやスモークが少なくなるものの、ＮＯｘやスモークの発生の抑制が満足できるものではない。また、燃料の噴射時期が若干変化するとスモークの増加を招くなど、十分に優れた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（例えば、非特許文献１参照）。

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ため、燃料の性状によっては、上記の課題を解決し、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り、例えば、特許文献１では、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気ガスの少ない予混合圧縮自己着火燃焼が可能になる事が示されている。

一方、環境保全の観点から、二酸化炭素排出量抑制のために、エタノールなどのバイオマス由来の含酸素基材の導入も検討されている。これらの含酸素基材を燃料に用いた場合、大気中から二酸化炭素を吸収してできた植物を原料としていることから、燃焼させても、大気中への二酸化炭素排出は少ないとみなされている。例えば、特許文献２では燃料組成物に含酸素化合物を配合することにより通常のディーゼル燃焼でスモークが低減することが知られており、燃料中の含酸素量でスモーク低減効果が整理されることが示されている。

特開２００８−８８３８５号公報 特表２００５−５２００３３号公報

Ｒｕｄｏｌｆ Ｈ． Ｓｔａｎｇｌｅｍａｉｅｒ ａｎｄ Ｃｈａｒｌｅｓ Ｅ． Ｒｏｂｅｒｔｓ， ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ＮＯ．１９９９−０１−３６８２

しかしながら、含酸素基材を配合した燃料を予混合圧縮自己着火燃焼に適用した例は少なく、スモーク排出量へ与える影響は不明である。

従って、本発明の目的は、含酸素化合物が配合されている燃料油組成物であって、様々な燃料噴射時期においても十分にスモーク排出量を低減することができる予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下に示す予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物を提供するものである。
すなわち、本発明は、含酸素化合物を含有する予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物であって、
燃料のセタン価が３５〜４０の範囲にあり、初留点が２０℃以上１３０℃以下、５０容量％留出点が６０℃以上１８０℃以下、終点が２００℃以上３００℃以下であり、３０℃における動粘度が０．６ｍｍ^２／ｓ以上０．８２ｍｍ^２／ｓ以下であり、２５℃における表面張力が２０．０ｍＮ／ｍ以上２３．５ｍＮ／ｍ以下であり、芳香族分が３０容量％以下であり、
該含酸素化合物がアルコール又はモノエーテルであり、該含酸素化合物の含有量が２〜５容量％であること、
を特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物を提供するものである。

本発明によれば、含酸素化合物が配合されている燃料油組成物であって、様々な燃料噴射時期においても十分にスモーク排出量を低減することができる予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物を提供することができる。このような本発明の燃料油組成物の上記優れた作用効果は、本発明に規定する燃料油組成物の諸性状に関する要件と、調製に用いる調合基材に関する要件とが相俟って達せられるものと考えられ、これらの要件のいずれが欠けても本発明の燃料油組成物の上記優れた作用効果は達せられない。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物は、含酸素化合物を含有する予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物であって、
燃料のセタン価が３５〜４５の範囲にあり、初留点が２０℃以上１３０℃以下、５０容量％留出点が６０℃以上１８０℃以下、終点が２００℃以上３００℃以下であり、３０℃における動粘度が０．６ｍｍ^２／ｓ以上０．８２ｍｍ^２／ｓ以下であり、２５℃における表面張力が２０．０ｍＮ／ｍ以上２３．５ｍＮ／ｍ以下であり、
該含酸素化合物がアルコール又はモノエーテルであり、該含酸素化合物の含有量が２〜１５容量％であること、
を特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物である。

本発明における予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の３０℃における動粘度は、０．６ｍｍ^２／ｓ以上０．８２ｍｍ^２／ｓ以下、好ましくは０．６１５ｍｍ^２／ｓ以上０．８２ｍｍ^２／ｓ以下、さらに好ましくは０．６２ｍｍ^２／ｓ以上０．８２ｍｍ^２／ｓ以下である。３０℃における動粘度が上記範囲内にあることにより、適切な燃料噴霧が達成され、燃料空気予混合気の形成が容易になり、ＨＣやＣＯなどの不完全燃焼生成物を抑制することが出来る。なお、動粘度はＪＩＳ Ｋ ２２８３「原油及び石油製品−動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」に準じて測定した値を意味する。

本発明における予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の２５℃における表面張力は、２０ｍＮ／ｍ以上２３．５ｍＮｍ以下、好ましくは２０．５ｍＮ／ｍ以上２３ｍＮ／ｍ以下、さらに好ましくは２１ｍＮ／ｍ以上２２．５ｍＮ／ｍ以下である。２５℃における表面張力が上記範囲内であることにより、適切な燃料噴霧が達成され、燃料空気予混合気の生成が容易になり、ＨＣやＣＯなどの不完全燃焼生成物を抑制することが出来る。なお、表面張力は、ＪＩＳ Ｋ ２２４１「切削油剤−表面張力試験方法」に準じて測定した値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の初留点（ＩＢＰ）は、２０〜１３０℃、好ましくは３０〜１２０℃、さらに好ましくは４０〜１１０℃である。
本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の１０容量％留出温度（Ｔ１０）は、４０〜１５０℃、好ましくは５０〜１４０℃、さらに好ましくは６０〜１３０℃である。
本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の５０容量％留出温度（Ｔ５０）は、６０〜１８０℃、好ましくは７０〜１７０℃、さらに好ましくは８０〜１６０℃である。
本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の９０容量％留出温度（Ｔ９０）は、１６０〜２５０℃、好ましくは１７０〜２４０℃、さらに好ましくは１８０〜２３０℃である。
本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の終点（ＥＰ）は、２００〜３００℃、好ましくは２１０〜２９０℃、さらに好ましくは２２０〜２８０℃である。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物において、ＩＢＰ、Ｔ１０、Ｔ５０、Ｔ９０及びＥＰが上記範囲内であることにより、運転性や加速性といった自動車用内燃機関としての特性を発揮できる。なお、ＩＢＰ、Ｔ１０、Ｔ５０、Ｔ９０及びＥＰは、ＪＩＳ Ｋ ２２５４「石油製品−蒸留試験方法」に準じて測定した値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物のセタン価は、３５以上４５以下、好ましくは３６以上４３以下、さらに好ましくは３８以上４０以下である。予混合圧縮自己着火を行う場合において、セタン価が３５以上であることにより、ＨＣの排出量を減少する事が出来る。また、セタン価が４５以下であることにより、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少なくなる事から、燃焼騒音を低く保つ事が出来る。なお、セタン価は、ＪＩＳ Ｋ ２２８０「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」に準じて測定した値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物中の硫黄分は、好ましくは１０質量ｐｐｍ以下、特に好ましく９質量ｐｐｍ以下、さらに好ましくは８質量ｐｐｍ以下である。硫黄分が１０質量ｐｐｍ以下であることにより、排気ガス浄化触媒の能力低下を防止し、排気ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの濃度上昇を防止できる。なお、硫黄分は、ＪＩＳ Ｋ ２５４１「原油及び石油製品−硫黄分試験方法」に準じて測定した値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の真発熱量は、９５００ｋｃａｌ／ｋｇ以上、好ましくは９６００ｋａｃｌ／ｋｇ以上、さらに好ましくは９７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上である。真発熱量が９５００ｋｃａｌ／ｋｇ以上であれば、車両燃費の低下を抑制できる。なお、真発熱量は、ＪＩＳ Ｋ ２２７９「原油及び石油製品−発熱量試験方法及び計算による推定方法」に準じて測定した値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物中の芳香族分は、３５容量％以下、好ましくは３０容量％以下、さらに好ましくは２８容量％以下である。燃料油組成物中の芳香族分が３５容量％以下であることにより、完全燃焼性が向上する事から、予混合圧縮自己着火燃焼時にスモークの排出を低減できる。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物中のオレフィン分は、１０容量％以下、好ましくは８容量％以下、さらに好ましくは５容量％以下である。燃料油組成物中のオレフィン分が１０容量％以下であることにより、予混合圧縮自己着火燃焼時にスモークの排出を低減出来、また、燃料の貯蔵安定性が悪化しない。

上記燃料油組成物の芳香族分、オレフィン分の含有量は、ＪＩＳ Ｋ ２５３６−２ 「石油製品−成分試験方法−ガスクロによる全成分試験方法」に準じて測定した値を意味する。留分別の芳香族量、オレフィン量については、基材の芳香族量、オレフィン量の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、それぞれを上記の方法で測定して求めてもよい。

本発明における予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物のＨＦＲＲの磨耗痕径ＷＳ１．４は、４００μｍ以下、好ましくは３９０μｍ以下、さらに好ましくは３８０μｍ以下となる潤滑性能を有することが好ましい。ＨＦＲＲの磨耗痕径ＷＳ１．４が４００μｍを超えると、特に分配型噴射ポンプを搭載したディーゼルエンジンにおいて、運転中のポンプの駆動トルク増、ポンプ各部の磨耗増を引き起こし、排気ガス性能、微小粒子性能の悪化のみならず、エンジン自体が破壊される恐れもあり、また、高圧噴射が可能な電子制御式燃料噴射ポンプにおいても、摺動面等の磨耗が懸念される。なお、本発明でいうＨＦＲＲ摩耗痕径（ＷＳ１．４）とは、社団法人石油学会から発行されている石油学会規格ＪＰＩ−５Ｓ−５０−９８「軽油−潤滑性試験方法」により測定される値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物は、含酸素化合物を含有する。本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に含有される含酸素化合物は、アルコール又はモノエーテルであり、好ましくは軽質の含酸素化合物である。本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に含有される含酸素化合物は、アルコール及びモノエーテルのいずれか一方であっても、アルコール及びモノエーテルの組み合わせであってもよい。本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に含有される含酸素化合物としては、例えば、エタノール、エチルターシャリーブチルエーテル（ＥＴＢＥ）、ターシャリーブタノール（ＴＢＡ）、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール、１−ブタノール、２−ブタノール、メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル等が挙げられ、これらのうち、エタノール、エチルターシャリーブチルエーテル（ＥＴＢＥ）が好ましい。本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に含有される含酸素化合物は、１種単独であっても２種以上の組み合わせであってもよい。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に含有される含酸素化合物の炭素数は、好ましくは１〜６、特に好ましくは２〜６である。そして、含酸素化合物がアルコールの場合、含酸素化合物としては、炭素数が２〜６のアルコールが好ましく、炭素数２〜４のアルコールが特に好ましい。また、含酸素化合物がモノエーテルの場合、含酸素化合物としては、炭素数が２〜６のモノエーテルが好ましく、炭素数３〜６のモノエーテルが特に好ましい。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に含有される含酸素化合物の分子量は、好ましくは３２〜１０２であり、特に好ましくは４６〜１０２である。含酸素化合物の分子量が上記範囲内にある事により、スモーク排出量の低減を達成することができる。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の含酸素化合物の含有量は、２〜１５容量％、好ましくは３〜１３容量％、さらに好ましくは５〜１２容量％である。含酸素化合物の含有量が上記範囲にあることにより、スモーク排出量の低減を達成することが出来る。なお、本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物が、複数種の含酸素化合物を含有する場合、含酸素化合物の含有量とは、それら複数種の含酸素化合物の合計の含有量を指す。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物が、含酸素化合物として、ＥＴＢＥを含有する場合、含酸素化合物全体に占めるＥＴＢＥの割合（（ＥＴＢＥ／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは８０容量％以上、さらに好ましくは８５容量％以上である。
また、本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物が、含酸素化合物として、エタノールを含有する場合、含酸素化合物全体に占めるエタノールの割合（（エタノール／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは９０容量％以上、さらに好ましくは９５容量％以上である。
また、本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物が、含酸素化合物として、ＥＴＢＥ及びエタノールを含有する場合、含酸素化合物に占めるＥＴＢＥの割合（（ＥＴＢＥ／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは８０容量％以上、さらに好ましくは８５容量％以上であり、含酸素化合物に占めるエタノールの割合（（エタノール／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは１５容量％以下、さらに好ましくは１０容量％以下である。
また、本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物が、含酸素化合物として、ＥＴＢＥ、エタノール及びＴＢＡを含有する場合、含酸素化合物に占めるＥＴＢＥの割合（（ＥＴＢＥ／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは８０容量％以上、さらに好ましくは８５容量％以上であり、含酸素化合物に占めるエタノールの割合（（エタノール／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは１５容量％以下、さらに好ましくは１０容量％以下であり、含酸素化合物に占めるＴＢＡの割合（（ＴＢＡ／含酸素化合物の合計）×１００）は、好ましくは１容量％以下、さらに好ましくは０．８容量％以下である。
ＥＴＢＥ、エタノール又はＴＢＡの割合が上記範囲内であることにより、スモーク排出量の低減効果が高くなる。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物に用いられるＥＴＢＥは、製造方法は特に限定されるものではなく、一般的に製造されるものが使用可能であるが、ＥＴＢＥと同時に得られる未反応のエタノールと副生成物であるＴＢＡの含有量を確認し、上記で規定する範囲に治まるよう原料組成や反応条件を調整することで得ることが出来る。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物の１５℃密度は、０．６８３〜０．７８３ｇ／ｃｍ^３、好ましくは０．６９０〜０．７７８ｇ／ｃｍ^３、さらに好ましくは０．６９５〜０．７７３ｇ／ｃｍ^３である。密度が上記範囲内にあることにより、車両燃費の低下やＨＣやＣＯの排出を抑制できる。なお、密度は、ＪＩＳ Ｋ ２２４９「原油及び石油製品−密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」に準じて測定した値を意味する。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物は、基材として、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、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、水素化分解又は熱分解して得られるガソリン又は灯軽油留分、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又は５の炭化水素等を用い、これらの基材と含酸素化合物を適宜配合することにより、調製される。また、本発明の予混合圧縮自己着火燃焼用燃料油組成物において、基材としては、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、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、芳香族系溶剤等も用いられる。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物は、上記のように各種の基材を適宜配合する際、燃料油組成物としての性状が本発明で規定する範囲に含まれるように調製することも可能である。

本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物は、必要に応じて、各種添加剤を含有することが出来る。この添加剤としては、チオアミド化合物等の金属不活性剤、有機リン系化合物等の表面着火防止剤、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、ポリイソブテンアミン等の清浄分散剤、多価アルコール及びそのエーテル等の氷結防止剤、有機酸のアルカリ金属やアルカリ土類金属塩、高級アルコールの硫酸エステル等の助燃剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、良性界面活性剤等の帯電防止剤、アルケニルコハク酸エステル等の錆止め剤、アゾ染料等の着色剤等、公知の燃料添加剤が挙げられる。これらの添加剤は、１種単独であっても２種以上の組み合わせであってもよい。本発明の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物中のこれら添加剤の含有量は任意であるが、通常、添加剤の合計含有量は、０．１質量％以下であることが好ましい。

以下に本発明の内容を実施例及び比較例により更に詳しく説明するが、本発明はこれらによって制限されるものではない。

実施例、参考例及び比較例の燃料油組成物の調製に用いた含酸素基材に占める各含酸素化合物の割合を表１に、各基材の配合割合を表２に、重質接触改質ガソリンの性状を表３に示す。

表中、ＥＴＢＥはエチルターシャリーブチルエーテル、ＥｔＯＨはエタノール、ＴＢＡはターシャリーブタノール、Ｄｉｇｌｙｍｅはジエチレングリコールジメチルエーテルである。

（試験に用いたエンジン）
評価試験エンジンとして、直列４気筒、排気量２．２Ｌ、コモンレール方式の燃料噴射装置及びインタークーラー付のターボ加給機、クールド排気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言を表４に示す。本試験エンジンにおいて、圧縮比を１５．８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。

（スモーク排出量試験）
本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、噴射量：１６ｍｍ^３／ｓｔの条件で試験を実施し、予混合圧縮着火燃焼時のスモーク排出量[ＦＳＮ]（ＦＳＮ：Ｆｉｌｔｅｒ Ｓｍｏｋｅ Ｎｕｍｂｅｒ）を測定した。

表６から明らかなように、特定の含酸素化合物を特定量含有している本発明の実施例の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物は、各噴射時期に生成するスモーク排出量が少ないことがわかる。一方、比較例１では含酸素化合物としてトリエーテルであるジグリムを用いているためスモーク排出量が多くなっている。比較例２では含酸素基材の配合量が規定を外れるため潤滑性能が劣る。比較例３も同様に含酸素基材の配合量が規定を外れるため燃料油組成物として表面張力の規定が外れる。

Claims (2)

1. 含酸素化合物を含有する予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物であって、
   燃料のセタン価が３５〜４０の範囲にあり、初留点が２０℃以上１３０℃以下、５０容量％留出点が６０℃以上１８０℃以下、終点が２００℃以上３００℃以下であり、３０℃における動粘度が０．６ｍｍ^２／ｓ以上０．８２ｍｍ^２／ｓ以下であり、２５℃における表面張力が２０．０ｍＮ／ｍ以上２３．５ｍＮ／ｍ以下であり、芳香族分が３０容量％以下であり、
   該含酸素化合物がアルコール又はモノエーテルであり、該含酸素化合物の含有量が２〜５容量％であること、
   を特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。
2. 前記含酸素化合物の炭素数が１〜６であることを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮自己着火エンジン用燃料油組成物。