(57)【要約】【課題】予混合圧縮自己着火式エンジンにおいて、燃料によりエンジン出力及び回転領域を広げることでエンジン制御が容易になり、且つNOx排出レベルを触媒未装着状態でも十分抑制することが可能である、予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料を提供すること。【解決手段】本発明予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料は、ニトロメタンを3〜15容量％含有し、(1)初留点：45℃未満、50％留出温度：60〜105℃、終点：120〜210℃の蒸留性状を有し、かつ(2)C4＋C5＋C6＋C7≧50容量％の要件を具備することを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニトロメタンを3容量％以上15容量％以下含有し、下記(1)の蒸留性状を有し、かつ下記(2)で示される要件を具備することを特徴とする予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料。
(1)初留点：45℃未満、50％留出温度：60℃以上105℃以下、終点：120℃以上210℃以下。
(2)C4＋C5＋C6＋C7≧50容量％(ここで、C4、C5、C6及びC7は、炭素数4、5、6及び7の炭化水素化合物の含有割合を表し、容量％は燃料全量を基準とする)。
【請求項２】
15℃における密度が0.65g／cm3以上0.8g／cm3未満、硫黄分が30質量ppm以下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式エンジン用燃料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合圧縮自己着火式エンジンにおいて、燃料によりエンジン出力並びに回転領域を広げることで、エンジン制御が容易になりエンジンノッキングを起こりにくくし、且つNOx排出レベルを触媒未装着状態で10ppm以下に抑制することをも容易にしうる、予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、自動車用内燃機関としては、火花点火式ガソリンエンジンと圧縮自己着火式ディーゼルエンジンの二種類が広く使用されている。
火花点火式ガソリンエンジンは、吸気ポートあるいは燃焼室内に燃料を噴射して燃料と空気の予混合気を形成させ、スパークプラグによる電気放電で強制的に点火、燃焼させる方式であり、燃料特性として、蒸発しやすいこと、自己着火し難いこと、点火後は火炎伝播がスムーズに行われること等が求められる。火花点火式ガソリンエンジンにおいては、窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)が排出されるため、これらの浄化に三元触媒等が広く使用されている。しかし、三元触媒による排出ガス浄化システムは、燃料と空気との割合が理論空燃比近傍になる範囲にしか適用できないため、圧縮自己着火式ディーゼルエンジンと比較すると熱効率、燃費が著しく劣るという欠点がある。
一方、圧縮自己着火式ディーゼルエンジンは、圧縮工程でのピストン上昇により燃焼室内の空気が圧縮されて温度が上昇し、軽油の臨界温度以上に達したところに燃料を噴霧し自己着火燃焼させる方式であり、燃料特性には自己着火しやすいことが求められる。圧縮自己着火式ディーゼルエンジンは、燃費及び熱効率面に優れるものの燃料噴霧を圧縮上死点前30クランク角度から圧縮上死点後10クランク角度付近で行うため、燃焼時の温度分布に濃淡が生じ、NOx及び煤の排出量が著しく高くなるという欠点がある。また圧縮自己着火式ディーゼルエンジンでは、排出ガス浄化のための触媒があまり普及しておらず、NOxが100〜1200ppmと非常に高いレベルで大気中に放出されるケースもある。
このように、従来の火花点火式ガソリンエンジンは、排出ガスの浄化はある程度できるが燃費や熱効率の面に課題があり、一方、圧縮自己着火式ディーゼルエンジンは、低燃費、高熱効率であるが、NOx等の排出ガスの面に課題がある。このため、低NOx排出ガス、低燃費及び高熱効率を同時に達成するという課題を解決すべく予混合圧縮自己着火式エンジンが現在検討されている。
予混合圧縮自己着火式エンジンは、燃料の噴射圧力レベルが20MPa以下と圧縮自己着火式ディーゼルエンジンにおける噴射圧力に比べると著しく低い燃料噴射圧力にて燃料を吸気ポート又は燃焼室内に噴射し、そのサイクルで燃焼する燃料噴射を圧縮上死点前60クランク角度以前に終了するシステムであって、燃料と空気との予混合気をスパークプラグによる強制点火ではなく、自己着火で燃焼させるエンジンである。予混合圧縮自己着火式エンジンは、従来の圧縮自己着火式ディーゼルエンジンに比べて燃料が噴射されてから燃焼の始まるまでの時間が長く、燃料が燃料室内で均一に混合されるため、燃焼時に局部的に温度の高い領域ができず、NOx排出レベルを触媒未装着状態で10ppm以下に抑えることが可能となり、かつ燃費及び熱効率を圧縮自己着火式ディーゼルエンジン並みの低燃費、高効率にすることが可能である。
従って、このような予混合圧縮自己着火式エンジンに適した燃料の開発が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、予混合圧縮自己着火式エンジンにおいて、燃料によりエンジン出力並びに回転領域を広げることで、エンジン制御が容易になりエンジンノッキングを起こりにくくし、且つNOx排出レベルを触媒未装着状態で10ppm以下に抑制することをも容易にしうる、予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を重ねた結果、ニトロメタンを特定量含有し、特定の蒸留性状を有し、かつ特定の要件を具備した燃料が予混合圧縮自己着火式エンジンの燃料に適していることを見いだし、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば、ニトロメタンを3容量％以上15容量％以下含有し、下記(1)の蒸留性状を有し、かつ下記(2)で示される要件を具備することを特徴とする予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料が提供される。
(1)初留点：45℃未満、50％留出温度：60℃以上105℃以下、終点：120℃以上210℃以下。
(2)C4＋C5＋C6＋C7≧50容量％(ここで、C4、C5、C6及びC7は、炭素数4、5、6及び7の炭化水素化合物の含有割合を表し、容量％は燃料全量を基準とする)。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の燃料は、ニトロメタンを特定量含有し、特定の蒸留性状を有し、かつ特定の要件を具備しているので、予混合圧縮自己着火式エンジンの特性を十分に発揮させることができ、エンジン出力が向上し且つ回転領域を広げることでエンジン制御が容易になり、さらに低NOｘ排出ガスを同時に達成することが可能となる。また、本発明の燃料は、予混合圧縮自己着火式エンジンと、火花点火式ガソリンエンジンや電気モータ等とを併用したハイブリッド式エンジン等の燃料にも利用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に本発明を詳述する。
本発明において、予混合圧縮自己着火式エンジンとは、下記(A)、(B)及び(C)の条件下に燃料を噴射させ、自己着火により燃焼を行わせるエンジンをいう。
(A)燃料噴射圧力：20MPa以下、(B)燃料噴射位置：吸気ポート及び／又は燃焼室内部、(C)燃料噴射終了時期：圧縮上死点前60クランク角度以前。
予混合圧縮自己着火式エンジンは、従来の圧縮自己着火式ディーゼルエンジンに比べると、(A)の燃料噴射圧力が著しく低く、(C)の燃料噴射終了時期、即ち、燃料が噴射されてから燃焼が始まるまでの時間がかなり長い。従って、予混合圧縮自己着火式エンジンにおいては、燃料が燃焼室内で均一に混合されるため、燃焼室内において局部的に温度の高い領域ができず、窒素酸化物の排出量を触媒未装着状態で10ppm以下にすることができる。
尚、予混合圧縮自己着火式エンジンは、HCCIエンジン(Homogeneous Charge Compression Ignition Engine)、PCCIエンジン(Premixed Charge Compression Ignition Engine)、PCIエンジン(Premixed Compression Ignition Engine)、CAIエンジン(Controlled Auto-Ignition Engine)、ARエンジン(Active Radical (Combustion) Engine)と呼ばれることもある。
本発明の燃料は、予混合圧縮自己着火式エンジンに適した燃料であるが、該予混合圧縮自己着火式エンジンと、火花点火式ガソリンエンジンや電気モータ等とを併用したハイブリッド式エンジンに対しても適用することができる。
【０００７】
本発明の燃料は、ニトロメタンを特定割合で含有する。ニトロメタンは、予混合圧縮自己着火式エンジンにおける着火性を向上させ、エンジンにおける最適な燃焼制御を容易にすることができる。
本発明の燃料において、ニトロメタンの含有割合の下限値は、燃料全量に対して3容量％以上であり、5容量％以上がより好ましく、8容量％以上がさらに好ましく、10容量％以上が最も好ましい。前記下限値が3容量％未満の場合、燃料の自己着火が遅くなり、着火制御が困難になる。一方、上限値は、燃料全量に対して15容量％以下である。該上限値が15容量％を超えると自己着火が早すぎて、着火制御が困難になり、ノッキングを引き起こす要因になり易い。
【０００８】
本発明の燃料は、(1)初留点：45℃未満、50％留出温度：60℃以上105℃以下、好ましくは65℃以上95℃以下、終点：120℃以上210℃以下、好ましくは120℃以上200℃以下の蒸留性状を有する。
前記初留点が45℃以上では、予混合圧縮自己着火式エンジンにおける燃料の蒸発特性が悪化し、所望の熱効率及び燃費が得られ難くなる。
前記50％留出温度が105℃を超えると軽質留分とのバランスが崩れ、予混合圧縮自己着火式エンジンにおける熱効率が悪化する。一方、50％留出温度が60℃未満では、燃料の蒸発が及ぼす空気の充填効率が悪化する恐れがある。
前記終点が210℃を超えると着火が安定せず、その制御が困難となり、最大出力、熱効率、排出ガス量が悪化する。一方、終点が120℃未満では、最大出力が低下する恐れが生じる。
ここで、初留点、50％留出温度及び終点は、JIS K2254「石油製品一蒸留試験方法」によって測定された値である。
【０００９】
本発明の燃料は、(2)C4＋C5＋C6＋C7≧50容量％の要件を具備する。ここで、C4、C5、C6及びC7は、炭素数4、5、6及び7の炭化水素化合物の含有割合を表し、容量％は燃料全量を基準とする。
前記炭素数4〜7の炭化水素化合物の合計含有割合は、予混合圧縮自己着火式エンジンにおける燃料蒸発特性に基づく制御を容易にするために60容量％以上が好ましく、70容量％以上がより好ましい。
本発明の燃料において、炭素数4〜7の炭化水素化合物、並びに炭素数8及び9以上の炭化水素化合物の各含有割合は、それぞれ特に限定されるものではなく、前記(2)の要件を具備すれば良く後述する含有割合が好ましく挙げられる。また、炭素数4〜7の炭化水素化合物の含有割合は、通常、C4＞0容量％、C5＞0容量％、C6＞0容量％及びC7＞0容量％である。
【００１０】
本発明の燃料において、炭素数4の炭化水素化合物の含有割合(C4)は、蒸発ガス(エバポエミッション)の量を低く抑えることができ、引火点等の取扱性が良く、ペーパーロックやアイシングを抑制できる点から、燃料全量に対して通常25容量％以下、好ましくは20容量％以下、特に好ましくは15容量％以下である。
炭素数5の炭化水素化合物の含有割合(C5)は、燃焼性、特にノッキング防止の点から燃料全量に対して下限値は10容量％以上が好ましく、15容量％以上がより好ましい。一方、上限値は60容量％以下が好ましく、50容量％以下がより好ましい。
炭素数6の炭化水素化合物の含有割合(C6)は、燃焼性、特にノッキング防止の点から燃料全量に対して下限値は5容量％以上が好ましく、10容量％以上がより好ましい。一方、上限値は50容量％以下が好ましく、45容量％以下がより好ましい。
炭素数7の炭化水素化合物の含有割合(C7)は、予混合圧縮自己着火燃焼における熱効率と出力のバランス面から、燃料全量に対して30容量％以下が好ましく、20容量％以下がより好ましく、10容量％以下が最も好ましい。
炭素数8の炭化水素化合物の含有割合(C8)は、予混合圧縮自己着火燃焼における熱効率と出力のバランス面から、燃料全量に対して30容量％以下が好ましく、20容量％以下がより好ましく、15容量％以下がさらに好ましく、10容量％以下が最も好ましい。
炭素数9以上の炭化水素化合物の含有割合(C9以上)は、予混合圧縮自己着火燃焼における熱効率と出力のバランス面から、燃料全量に対して25容量％以下が好ましく、20容量％以下がより好ましく、15容量％以下がさらに好ましく、10容量％以下が最も好ましい。
ここで、C4、C5、C6、C7、C8、C9以上の炭化水素化合物の含有割合はJIS K2536「石油製品一成分試験方法」に準拠してガスクロマトグラフを利用して測定した値である。
【００１１】
本究明の燃料の15℃における密度は何等制限はないが、アクセルレスポンスが鈍くなる点から、0.80g／cm3未満が好ましく、より好ましくは0.78g／cm3未満であり、また、ペーパーロック等の問題から、0.65g／cm3以上が好ましく、より好ましくは0.68g／cm3以上である。
ここで、15℃における密度とは、JIS K2249「原油及び石油製品の密度試験方法並びに密度・質量・容量換算表」により測定される値である。
【００１２】
本発明の燃料において、硫黄分の含有量は特に限定されないが、30質量ppm以下が好ましい。30質量ppmを超えると、エンジンに装着した排出ガス浄化のための触媒が硫黄により被毒され、排出ガス浄化能力が低下する問題が生じ好ましくない。燃料における硫黄分は、触媒の性能維持の点から10質量ppm以下がより好ましく、5質量ppm以下がさらに好ましく、1質量ppm以下が最も好ましい。
ここで、硫黄分とは、JIS K2541「原油及び石油製品一硫黄分試験方法」により測定される値である。
【００１３】
本発明の燃料は、主成分として前記炭化水素化合物を含むが、その他に、エーテル、アルコール、ケトン、エステル、グリコール等の含酸素化合物を含有していてもよい。
含酸素化合物としては、例えば、メタノール、エタノール、ノルマルプロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ノルマルブチルアルコール、イソブチルアルコール、ジメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテル(MTBE)、エチルターシャリーブチルエーテル(ETBE)、ターシャリーアミルメチルエーテル(TAME)、ターシャリーアミルエチルエーテル等が挙げられる。
本発明の燃料は、前記含酸素化合物を含有することにより、排出ガス中のHC量を低減できるが、NOx量は増加する。従って、含酸素化合物の含有割合は、酸素元素換算(酸素含有量)で燃料全量に対し20質量％以下が好ましく、10質量％以下がより好ましく、3質量％以下が最も好ましい。
【００１４】
本発明の燃料は、例えば、原油蒸留装置、ナフサ改質装置、アルキレーション装置等から得られるプロパンを中心とした直留系プロパン留分、ブタンを中心とした直留系ブタン留分、それらを脱硫した直留系脱硫プロパン留分、直留系脱硫ブタン留分、接触分解装置等から得られるプロパン・プロピレンを中心とした分解系プロパン留分、ブタン・ブテンを中心とした分解系ブタン留分、原油を常圧蒸留して得られるナフサ留分(フルレンジナフサ)、ナフサの軽質留分(軽質ナフサ)、ナフサの重質留分(重質ナフサ)、フルレンジナフサを脱硫した脱硫フルレンジナフサ、軽質ナフサを脱硫した脱硫軽質ナフサ、重質ナフサを脱硫した脱硫重質ナフサ、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、イソブタン等の炭化水素化合物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、接触改質法で得られる改質ガソリン、改質ガソリンから芳香族分を抽出した残分であるラフィネート、改質ガソリンの軽質留分、改質ガソリンの中重質留分、改質ガソリンの重質留分、接触分解法、水素化分解法等で得られる分解ガソリン、分解ガソリンの軽質留分、分解ガソリンの重質留分、及び天然ガス等を一酸化炭素と水素とに分解した後に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1種又は2種以上混合して調製することができる。
【００１５】
本発明の燃料においては、必要に応じてセタン価向上剤を適量配合し、得られる燃料のセタン価を向上させることができる。
セタン価向上剤としては、軽油のセタン価向上剤として知られる各種化合物を任意に使用することができ、例えば、硝酸エステルや有機過酸化物等が挙げられる。これらのセタン価向上剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いても良い。
硝酸エステルには、2-クロロエチルナイトレート、2-エトキシエチルナイトレート、イソプロピルナイトレート、ブチルナイトレート、第一アミルナイトレート、第二アミルナイトレート、イソアミルナイトレート、第一ヘキシルナイトレート、第二ヘキシルナイトレート、n-ヘプチルナイトレート、n-オクチルナイトレート、2-エチルヘキシルナイトレート、シクロヘキシルナイトレート、エチレングリコールジナイトレート等の種々のナイトレート等が包含されるが、特に、炭素数6〜8のアルキルナイトレートの使用が好ましい。
【００１６】
本発明の燃料においては、必要に応じて摩耗調整剤を適量配合し、得られる燃料の潤滑性を向上させることができる。主な摩耗調整剤としては、例えば、高級アルコール；ヒドロキシル基を1〜4個有する炭素数1〜30のアルコール化合物；高級カルボン酸；高級モノカルボン酸と、グリコール又は3価アルコールとの反応物であるヒドロキシル基含有エステル；高級ポリカルボン酸と多価アルコールとのエステル；＞NR(Rは炭素原子数5〜40の炭化水素基である)を含む組成を示し、1以上の置換基を有する少なくとも1個の窒素化合物とを組み合わせた多価アルコールのエステル；高級カルボン酸とアルコールアミンとのアミド化合物等が挙げられる。これらは、単独又は混合物として用いることができる。
これらのうちでは、炭素数10〜25の高級モノカルボン酸と、グリコール又は3価アルコールとの反応物であるヒドロキシル基含有エステル及び／又は炭素数5〜25の高級カルボン酸とアルコールアミンとのアミド化合物が好ましく、炭素数10〜25の高級モノカルボン酸とグリセリンエステル及び／又は炭素数5〜25の高級モノカルボン酸とジエタノールアミンとのアミド化合物が最も好ましい。
摩耗調整剤の添加量は特に制限はないが、十分な燃費及び出力改善効果を発揮させ、一方、それ以上添加しても効果の向上が期待できない等の点から本発明の燃料1リットルあたり通常10〜300mg、好ましくは30〜250mgの含有割合となるように添加することが好ましい。
【００１７】
本発明の燃料は、必要に応じて上述のセタン価向上剤、摩擦調整剤等以外の他の燃料油添加剤を含有していても良い。他の燃料油添加剤としては、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等の清浄分散剤、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の酸化防止剤；N,N'-ジサリチリデン-1,2-ジアミノプロパン等のアミンカルボニル縮合化合物等の金属不活性化剤、有機リン系化合物等の表面着火防止剤、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の助燃剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤等の帯電防止剤、アゾ染料等の着色剤、有機カルボン酸及びそれらの誘導体類、アルケニルコハク酸エステル等の防錆剤、ソルビタンエステル類等の水抜き剤、キニザリン、クマリン等の識別剤、天然精油合成香料等の着臭剤等が挙げられる。これらの添加剤は、単独若しくは混合物として添加することができ、これら添加剤全量が、燃料全量基準で0.1質量％以下となるような割合で添加することが好ましい。
【実施例】
【００１８】
以下に、実施例及び比較例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されない。
【００１９】
実施例１〜５、比較例１、２
表1に示す組成に従って本発明の燃料(実施例1〜5)及び比較用の燃料(比較例1、2)を常法により調製した。得られた各燃料の炭化水素化合物及びニトロメタンの含有割合、並びに蒸留性状、密度、硫黄分の測定結果を表2に示す。
また、得られた各燃料を下記の予混合圧縮自己着火式エンジンを用いて、以下の試験を行い燃料の評価を実施した。結果を表2に示す。
【００２０】
（エンジン諸元）
エンジン種類：直列6気筒予混合圧縮自己着火式エンジン、排気量：2000cc、圧縮比：16、燃料噴射圧力：8MPa。
（エンジン試験）
下記手順でエンジンを運転して回転−出力曲線図(マップ)を作成し、運転可能最大回転数、最大出力、ノッキングレベル、窒素酸化物量、エンジン始動時間を求めた。
(1)動力計(明電舎社製、DC95 220kWの直流動力計)を回転−吸気圧制御にし、所定の回転数でエンジンをモータリング駆動する。
(2)燃料を噴射し、徐々に噴射量を増量する。
(3)自己着火燃焼を始めたら、燃料噴射量に対応する出力、燃料消費量、排出ガス、ノッキングレベルを計測する。
(4)運転できなくなるまで燃料噴射量を増量し、(3)の作業を継続する。
(5)回転数を変化させて(2)〜(4)を繰り返す。
出力は、動力計から得られる軸トルクと回転数より算出した。
ノッキングレベルは、ノッキングを燃焼解析装置(小野測器社製、DS9110)にて解析し、結果をレベル1〜5の5段階で評価した。この際、レベル1の燃料は最大回転領域までの全ての回転数領域においてノッキングしにくいことを表し、レベルが大きくなるに従いノッキングが起こり易くなることを表す。
窒素酸化物排出量は、エンジン排気管より燃焼排出ガスをサンプリングし排出ガス分析計(堀場製作所社製、MEXA9100)にて計測を行った。
(エンジン始動時間)
エンジンを−15℃の状態で48時間放置することで十分に冷却させた後、スタータを始動させてから第1気筒が初爆(スタータを始動した後、初めて気筒内の予混合気が着火すること)するまでに要する時間を計測した。この時間が長いほどエンジンの始動性が悪いことを表す。
【００２１】
【表１】
2005042020.tif 000002
【００２２】
【表２】
2005042020.tif 000003
【００２３】
表2の結果から、本発明の燃料(実施例1〜5)を用いた場合には、比較例1、2の燃料に比べて、最大出力を高く、窒素酸化物排出量を少なく、運転可能最大回転数を大きく、ノッキングレベルを小さく、エンジン始動時間を短くすることができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
予混合圧縮自己着火式エンジン、若しくは予混合圧縮自己着火式エンジンと、火花点火式ガソリンエンジンや電気モータ等とを併用したハイブリッド式エンジン等の燃料に利用可能である。