(57)【要約】  本発明は、圧縮着火エンジンの運転方法に関する。本発明において、石油由来燃料でのエンジンの運転よりエンジンシリンダ壁の摩耗を軽減するために、エンジンは、フィッシャー・トロプシュ由来燃料含有組成物で運転される。【選択図】図１
2011523690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油由来燃料でのエンジンの運転よりエンジンシリンダ壁の摩耗を軽減するためにフィッシャー・トロプシュ由来燃料含有組成物で圧縮着火エンジンを運転する方法。
【請求項２】
前記圧縮着火エンジンの圧縮比が１４：１より高い、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮着火エンジンの圧縮（比）が１６：１を超える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エンジンの圧縮比が１８：１である、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮着火エンジンが、大気圧より０〜２ｂａｒ高い与圧でターボチャージされる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記圧縮着火エンジンが、大気圧より０〜１．５ｂａｒ高い与圧でターボチャージされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記エンジンが３０℃〜１５０℃のオイル温度で動作する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エンジンが４０〜１３０℃のオイル温度で動作する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料組成物が１体積％〜１００体積％のフィッシャー・トロプシュ燃料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料組成物が５０体積％〜１００体積％のフィッシャー・トロプシュ燃料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記フィッシャー・トロプシュ燃料が０．１質量％未満の芳香族を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィッシャー・トロプシュ燃料が０．１質量％未満の硫黄を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記フィッシャー・トロプシュ燃料が０．００１質量％未満の硫黄を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記フィッシャー・トロプシュ燃料が６５を超えるセタン価を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記フィッシャー・トロプシュ燃料が０．８ｋｇ／ｌ未満の密度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料組成物が、ＣＩエンジンで燃焼させた場合に、石油由来低硫黄ディーゼルより低い火炎輝度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料組成物が、石油由来燃料で動作するエンジンと比較した場合に、エンジンオイルにおける煤負荷の量を減少させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
低硫黄石油由来ディーゼルと比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を最高で４６％低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
低硫黄石油由来ディーゼルと比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を３７％低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
低硫黄石油由来ディーゼルと比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を２２％低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
低硫黄石油由来ディーゼル燃料と比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を２２〜４６％低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
実質的に添付の図面を参照しながら本明細書中で説明したように圧縮着火エンジンを運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火エンジンシステムにおける摩耗の軽減に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンにおいては、多くの部位が次第に摩耗していく。シリンダ壁の摩耗の最も一般的な指標となるのが、エンジン潤滑油の鉄による汚染である。シリンダ壁の摩耗は、以下のような腐食、凝着及びアブレーシブ摩耗のメカニズムが単独で又は組み合わさって引き起こされる。
【０００３】
すなわち、シリンダ壁の腐食による摩耗は、酸性物質が油膜中で又は金属面上で直接生成されることによって引き起こされる。これは通常、燃料に含まれる硫黄及びそれに続く燃焼生成物中での硫黄酸化物、硫酸の生成のレベルに関係する。
【０００４】
シリンダ壁の凝着摩耗は典型的にはエンジン始動時に、ピストンリングとシリンダ壁との間のオイルの不足から生じる。
【０００５】
アブレーシブ摩耗は、潤滑部を隔てる保護油膜中の研削性のデブリの存在により、シリンダ壁上で発生する。このデブリは、大気中の粉塵及び／又は腐食性、凝着性の摩耗から生じる金属片等である。
【０００６】
ディーゼルエンジンにおけるピストンリング及びシリンダライナの摩耗が誘導硫黄レベルと強く関連していることが、Ｎａｇａｋｉ及びＫｏｒｅｍａｔｓｕ（Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｓｕｌｐｈｕｒ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ａｄｄｅｄ  ｔｏ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ａｉｒ  ｏｎ  Ｗｅａｒ  Ｏｆ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ，ＳＡＥ  ９３０９９４，Ｋｏｇａｋｕｉｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）によって示されている。摩耗のメカニズムは、油膜における硫酸の生成による腐食と油膜における硫酸塩の生成が引き起こすアブレーションとの組み合わせであると考えられた。興味深いことに、二酸化硫黄が加わることによる摩耗率の上昇は、潤滑油への添加剤により油溜め中の酸性成分を効果的に中和してもすぐに直接的に観察された。
【０００７】
Ｔａｋａｋｕｒａらの研究によると（Ｔｈｅ  Ｗｅａｒ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  Ｐｉｓｔｏｎ  ｒｉｎｇｓ  ａｎｄ  Ｃｙｌｉｎｄｅｒ  ｌｉｎｅｒｓ  Ｕｎｄｅｒ  Ｃｏｏｌｅｄ−ＥＧＲ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｗｅａｒ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ＳＡＥ  ２００５−０１−１６５５，Ｈｉｎｏ  Ｍｏｔｏｒｓ  Ｌｔｄ．）、冷却排ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）の利用によってピストンリング及びシリンダライナの摩耗が増大する。後エンジン試験評価技法を組み合わせることにより、摩耗のメカニズムが以下のようであることが確認された。すなわち、排ガスの冷却（冷却ＥＧＲ）、硫酸の凝縮、油膜における含水硫酸の生成、ライナ表面における腐食性の摩耗（ステダイト周辺が先に腐食する）、ステダイトの除去、アブレーシブ摩耗である。
【０００８】
Ｆｒｏｅｌｕｎｄ及びＲｏｓｓによって（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｂｅｎｃｈｍａｒｋｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｅｖｅｎ  Ｍｏｄｅｌ  Ｙｅａｒ  ２００３−２００４  Ｈｅａｖｙ  Ｄｕｔｙ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  ＣＩ−４  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ，ＳＡＥ  ２００５−０１−３７１５）、ＥＧＲを採用したこの研究のエンジンでは鉄摩耗率が著しく高かったにも関わらず、全塩基価（ｔｏｒａｌ  ｂａｓｅ  ｎｕｍｂｅｒ：ＴＢＮ）の不足及び煤負荷がＥＧＲによって大きくは上昇しないことが判明した。この研究において観察されたエンジン摩耗における違いが、ＥＧＲとは直接関連してはいないと結論づけられた。摩耗率が高くなる理由は、完全には解明されなかった。
【０００９】
煤濃度の上昇、分散剤濃度の低下及び油中硫黄濃度の低下と共に摩耗が増大することが、Ｋｉｍら（Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ  ａｍｏｎｇ  Ｏｉｌ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ−Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｓｏｏｔ  ａｎｄ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｒａｉｎ  Ｗｅａｒ，ＳＡＥ  ９２２１９９，Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｌａｂｓ）によって示されている。
【００１０】
粒径が油膜の厚さを超えた場合にのみ、煤が摩耗を助長することが、Ｍａｉｎｗａｒｉｎｇによって発見されている（Ｓｏｏｔ  ａｎｄ  Ｗｅａｒ  ｉｎ  Ｈｅａｖｙ  ｄｕｔｙ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ，ＳＡＥ  ９７１６３１，Ｓｈｅｌｌ  Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌｔｄ）。分散性添加剤が、煤の集塊制御よりも、粘度及びそれに関連した膜厚への影響による摩耗に大きな効果があることが判明した。
【００１１】
摩耗を加速させる閾値を回避する限り、エンジンの摩耗デブリの堆積に対する耐性は極めて高いことが、Ｔｒｕｈａｎら（Ｔｈｅ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｏｉｌ  ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｎ  ｗｅａｒ  ｉｎ  ｄｉｅｓｅｌ  ｅｎｇｉｎｅｓ  ａｓ  ｍｅａｓｕｒｅｄ  ｂｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｌａｙｅｒ  ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ，ＳＡＥ  ９５２５５８，Ｆｌｅｅｔｇｕａｒｄ  Ｃｏｒｐ）によって示されている。スラッジ及び酸化生成物を含む有機物による汚染がアブレーシブ摩耗性とは見られなかったものの、スラッジ及び酸化生成物は粘度上昇に間違いなく大きく影響した。測定された煤の量は増大した摩耗とそれほど相関関係にはなかったが、有機物の分解によって燃料の燃焼で実際に生じる煤が測定されず、測定にゆがみが生じた可能性が考えられた。濃度及び粒径の閾値を一旦越えると、硬い粒子による汚染は摩耗を引き起こすのみであった。この閾値は、エンジン及び関連する油膜厚さによって異なると考えられた。
【００１２】
本発明の目的は、上述した従来の手段と比較して摩耗をより軽減できる圧縮着火エンジンの運転方法を提供することである。
【００１３】
本発明の目的は、創意に富んだ工程を伴う、圧縮着火エンジンの新しい運転方法を提供することでもある。
【発明の概要】
【００１４】
フィッシャー・トロプシュ（Ｆｉｓｃｈｅｒ  Ｔｒｏｐｓｃｈ：ＦＴ）ディーゼルは、主にフィッシャー・トロプシュ法由来のパラフィンを含む、硫黄分の少ない、低芳香族燃料である。フィッシャー・トロプシュ法は技術文献に広く記載されており、例えばＡＰ  Ｓｔｅｙｎｂｅｒｇ及びＭ  Ｄｒｙによって編集され、ＥｌｓｅｖｉｅｒによってＳｔｕｄｉｅｓ  ｉｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓのシリーズ（Ｖ．１５２）（２００４）に掲載されたＦｉｓｃｈｅｒ  Ｔｒｏｐｓｃｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが挙げられる。
【００１５】
本発明の第１態様において、石油由来燃料でのエンジンの運転よりエンジンシリンダ壁の摩耗を軽減するためにフィッシャー・トロプシュ由来燃料含有組成物で圧縮着火（ＣＩ）エンジンを運転する方法が提供される。
【００１６】
エンジンは、１４：１より高い、典型的には１６：１を超える、一実施形態においては１８：１の圧縮比を有し得る。
【００１７】
エンジンを、大気圧より０〜２ｂａｒ、典型的には大気圧から０〜１．５ｂａｒ高い与圧でターボチャージし得る。
【００１８】
エンジンオイル使用温度は、３０℃〜１５０℃、典型的には４０〜１３０℃であり得る。
【００１９】
燃料組成物は、１体積％〜１００体積％のフィッシャー・トロプシュ燃料を含み得る。
【００２０】
燃料組成物は、５０体積％〜１００体積％のフィッシャー・トロプシュ燃料を含み得る。
【００２１】
フィッシャー・トロプシュ燃料は、０．１質量％未満の芳香族、０．１質量％未満の硫黄、６５を超えるセタン価及び０．８ｋｇ／ｌ未満の密度、一般に０．０１質量％未満の硫黄、典型的には０．００１質量％未満の硫黄を有し得る。
【００２２】
比較の対象となる石油由来燃料は０．１質量％未満の硫黄、一般に０．０１質量％未満の硫黄、典型的には０．００２質量％未満の硫黄を有し得る。
【００２３】
燃料組成物は、ＣＩエンジンで燃焼させた場合に、石油由来の低硫黄ディーゼルより低い火炎輝度を有し得る。
【００２４】
燃料組成物は、石油由来燃料で動作するエンジンと比較した場合に、エンジンオイルにおける煤負荷の量を減少させ得る。
【００２５】
本方法は、低硫黄石油由来ディーゼルと比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を最高で４６％低下させ得る。
【００２６】
本方法は、低硫黄石油由来ディーゼルと比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を３７％低下させ得る。
【００２７】
本方法は、低硫黄石油由来ディーゼルと比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を２２％低下させ得る。
【００２８】
本方法は、低硫黄石油由来ディーゼル燃料と比較して、エンジンオイルにおける鉄汚染率を２２〜４６％低下させ得る。
【００２９】
摩耗率の低下は、エンジンに３３分２０秒のサイクルを１８００回繰り返させる１０００時間耐久試験において達成された。各サイクルにおいて、エンジン運転条件を、その対応範囲内で変化させた。すなわち、
速度はアイドル（７８０ｒｐｍ）〜全速（４６００ｒｐｍ）の間で変化し、短い静止時間があった；
負荷は、ゼロ（アイドル時）〜全負荷（トルク＝３４０Ｎｍ）の間で変化した；
エンジンは１８：１の圧縮比を有する；
エンジンをターボチャージし、中間冷却する。与圧は、大気圧より０〜１．４ｂａｒ上（絶対圧力約２．４ｂａｒ）の間で変化する；
エンジン冷却剤温度は４０〜９５℃の間で変化した；
エンジンオイル温度は４０〜１３０℃の間で変化した
であった。
ここで本発明を、添付の図面を参照しながら、非限定的な実施例のみにより説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】乗用車フリートに適用した様々な燃料組成物についての、走行距離に対する鉄汚染データを図式的に示す。
【図２】様々な燃料組成物についてベンチ動力計耐久試験で得た鉄汚染データを図式的に示す。
【図３】様々な燃料組成物の場合のエンジンにおけるスラスト軸上でのシリンダボア摩耗測定値を図式的に示す。
【図４】バスフリートに適用された様々な燃料組成物についての、走行距離に対する正規化された鉄汚染データを図式的に表す。
【図５】２種類の異なる燃料組成物の定容ボンベにおける燃焼イメージを概略的に示す。
【図６】２種類の異なる燃料組成物の石英ピストンエンジンにおける燃焼イメージを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
全ての図において、特に記載がない限り、同一の参照番号は同様の部品を示す。以下において、３種類の異なる燃料を使用して車両を運転する。ＧＴＬ（Ｇａｓ−ｔｏ−Ｌｉｑｕｉｄｓ）ディーゼル燃料、超低硫黄ＥＮ５９０基準ディーゼル燃料及びこれら２種類の燃料の５０：５０のブレンドのパラメータ及びその他の特性を表１、２、３にまとめる。以下の実施例で使用のＧＴＬディーゼルは、フィッシャー・トロプシュ法で製造された又はフィッシャー・トロプシュ法由来であった。
【実施例】
【００３２】
実施例１
ＧＴＬディーゼル燃料、超低硫黄ＥＮ５９０基準ディーゼル燃料及びこれら２種類の燃料の５０：５０のブレンドを使用してミニフリート試験を行った。３台のメルセデスベンツＣ２２０ＣＤＩ車両をこのフリート試験で使用し、各車両は、３種類の試験燃料のうちの１つを使用した。いくつかのパラメータを、試験中、全ての車両の最低走行距離が２００００ｋｍになるまで定期的に監視した。
【００３３】
これらのパラメータの１つが潤滑油の状態であり、試験中、通常のオイル試料分析によって監視された。鉄汚染についての結果は図１に示され、図１は、ＧＴＬが、その純粋な形態でもブレンドされた場合でも顕著な摩耗軽減性能を見せることを示す。
【００３４】
【表１】
2011523690.tif 000003
【００３５】
実施例２
２種類の１０００時間ベンチ動力計試験を、最新式のコモンレール式乗用車ディーゼルエンジンを使用して行った。ＧＴＬディーゼルを、ＥＮ５９０燃料規格に準拠したディーゼルと比較した。
【００３６】
ＧＴＬエンジンは、通常のオイル試料分析によって示されるように、著しく低い摩耗率、つまりＥＮ５９０より３７％低いＦｅ汚染度を示した。図２を参照のこと。図２にはベンチ動力計耐久試験から得られた鉄汚染データが示される。
【００３７】
２種類のエンジンの４つのシリンダ全てのシリンダボアを、標準的な空気圧計測技法を使用して測定した。この方法によって、１マイクロメートルの再現精度でボアの測定を行う。このプロジェクトにとってシリンダボアの摩耗は最も重要な対象ではないため、試験前にベースラインの測定は行わなかった。シリンダボアの摩耗を確認するため、下方ピストンリング反転領域の下でボアを測定し、これらの測定値を、完全な円筒度であると仮定して、無摩耗のベースライン測定値として各シリンダに利用した。両エンジンのボアでは、１次及び２次スラスト面において、はっきりとした研磨痕が視認できた。両エンジンのシリンダのスラスト軸上で測定された摩耗を比較したところ、ＦＴディーゼルエンジンは、ＥＮ５９０エンジンより２５％、摩耗が少ないことが判明した。ボアの摩耗の測定結果を図３に示す。図３は、両エンジンのスラスト軸上で測定されたシリンダボア摩耗を比較したものである。
【００３８】
実施例３
バスフリート試験を行った。この試験では２０台の車両を選択し、試験手順は、２０台の車両全てを欧州規格ＥＮ５９０ディーゼルで１回目のオイルドレン間隔１５０００ｋｍにわたって走行させることであった。その後、車両のうち１０台（試験群）を純粋なＧＴＬディーゼルでの走行に変更し、更に２回のオイルドレン間隔にわたって走行させた（各車両につき３００００ｋｍの距離に等しい）。一方、残りの１０台（対照群）はＥＮ５９０ディーゼルでの走行をもう１オイルドレン間隔完了させた。この手順の目的は、最初の試験間隔中にベースラインを設定し、次にＧＴＬ燃料とＥＮ５９０燃料とを第２及び第３試験間隔中に直接比較することであった。
【００３９】
【表２】
2011523690.tif 000004
【００４０】
試験全体を通して、ＧＴＬディーゼルの性能を評価するために様々な測定及びアセスメントを行った。これらには通常の潤滑油分析が含まれ、最近、再考したところ、ＧＴＬディーゼルで走行すると顕著な摩耗軽減効果を示すと判明した。摩耗率を左右する様々な影響を区別し、また明らかな異常値データを除外する特殊な手順により線形回帰分析を行った。この分析によって、ＧＴＬディーゼルの摩耗軽減効果が２８〜４６％（図４のトレンドラインの傾きによって示されるとおりである）であることが示された。この試験の実行方法は、摩耗の減少が燃料だけを原因とすると証明できる点で特に意義がある。
【００４１】
この試験の実行方法は、バスのエンジンが排ガス再循環（ＥＧＲ）（特に冷却ＥＧＲの場合に、シリンダ摩耗率に影響を与えることが知られている）を利用しなかったことからも特に意義深い。図４は、全てのバスのエンジン及び粉塵汚染度が全く同じであった場合の正規化された鉄レベルを示す。
【００４２】
【表３】
2011523690.tif 000005
【００４３】
本発明についての更なる説明
ＧＴＬディーゼル燃料及びＥＮ５９０ディーゼル燃料をＲｅｃａｒｄｏ  Ｈｙｄｒａエンジンの場合と燃焼ボンベの場合とで比較したＳａｓｏｌ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｆｕｅｌｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＳＡＦＬ）での光学的燃焼研究を、火炎の位置及び輝度における差、シリンダ壁の対流加熱及び輻射加熱における差並びにそれに続く考えられ得る油膜の保存状態の差について再考した。図５にイメージを示す。図５において、定容ボンベにおけるＧＴＬディーゼル燃料及びＥＮ５９０ディーゼル燃料の燃焼のイメージを比較する。
【００４４】
これらのイメージから、ＥＮ５９０ディーゼル燃料のほうが火炎輝度のレベルが若干高く、また火炎がごくわずかだが壁により近いことがわかる。ＥＮ５９０ディーゼル燃料における高い芳香族含有量が、エンジンのシリンダ壁上の保護油膜への輻射熱のより多い伝達と、その結果としての潤滑性の低下及び摩耗の増大を引き起こし得た。
【００４５】
同様の燃焼イメージ研究を、石英ピストンＣ２２０  ＣＤＩエンジンから得られたイメージデータを使用して行った。イメージから、ボンベ実験と同様の火炎輝度における違い及びＧＴＬエンジンの燃焼室における発光燃焼時間の短縮が判明した。図６は、上死点後４１°での比較を示す。図６において、石英ピストンエンジンにおけるＧＴＬディーゼル燃料及びＥＮ５９０ディーゼル燃料の上死点後４１°でのイメージを比較する。
【００４６】
本発明の様々な態様を特定の実施形態に関連して説明してきたが、代用及び改変が本開示から明らかであり、またそれらが本発明の精神及び範囲内にあることが理解できる。
【００４７】
従って、本発明について説明し、また添付の図面を参照しながら説明した通りに例示してきたが、これらは例示及び例えに過ぎず、限定を目的としたものではないことをしっかりと理解されたい。本発明の精神及び範囲は、請求項の文言によってのみ限定される。
【図１】
2011523690.tif 000006
【図２】
2011523690.tif 000007
【図３】
2011523690.tif 000008
【図４】
2011523690.tif 000009
【図６】
2011523690.tif 000010
【図５】
2011523690.tif 000011
【国際調査報告】
2011523690.tif 000012
2011523690.tif 000013