令和３年(第２１回)海上技術安全研究所研究発表会

舶用低硫黄燃料の着火性指標

Ignitability Index of Low Sulfur Marine Fuel

環境・動力系
高木 正英
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

目次

1. はじめに，目的2. 留出油，残渣油の規格になっているセタン指数とCCAIの概説
3. これまで実施してきた検討内容の報告
留出油 セタン指数の問題点と修正
残渣油 CCAIの問題点と修正

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現在の船舶︓ディーゼルエンジン＋留出油，残渣油
燃料に関する課題の⼀つ︓
留出油，残渣油の規格にある着火性指標はバラツキあり（右図）

着火性のモノサシが脆弱想定される問題︓
想定していない燃焼が生じる（着火して欲しい時に着火しない）
機関の不安定性，排気の悪化，機関トラブル?

・着火性を正確に判断できる指標が必要
・より良い，着火性指標の改良・作成

CN [-] 着火性（実験値）

背景CN [-] 着火性（実験値）

はじめに留出油CI [-] 着火性指標

残渣油
CCAI [-] 着火性指標

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はじめに

物理現象と燃料の関係

ディーゼルエンジン内の燃料噴霧・燃焼・液柱，液滴の運動，微粒化

燃料ごとに各現象の起こる時間，状況が異なる

・乱流拡散（燃料の広がり）
・液滴の蒸発・燃料蒸気と空気の混合・化学反応による燃料の着火・燃焼
燃料の着火には，蒸発（混合）+化学反応が重要

・燃料が多種多様な炭化水素の混合物（全混合物の同定は現実的には不可能）

100 [mm]・微細噴孔からの燃料の噴出

・完全に混合物が⼀致する燃料がない
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所4はじめにディーゼル燃料の着火性

ディーゼルエンジン内の燃料噴霧・燃焼
ディーゼルエンジンのために必要な燃料の特徴
⽤いている燃料の燃料成分，混合割合によって着火時期が異なる

100 [mm]

望んでいる時に着火すること① 燃やして確認② 燃料の物性値から，成分・混合割合を推定して着火性を推算
・舶⽤留出油・舶⽤残渣油成分・混合割合と関係する物性値

セタン指数 (蒸留温度，密度)CCAI（密度，動粘度）

蒸留温度︔常温・常圧場でフラスコ内の燃料を加熱し続け，あるフラスコ内燃料体積（x%）になった時の温度
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はじめに

現在の舶用燃料の状況

現在の舶⽤燃料

Global Sulphur Cap 2020硫⻩分 3.50%以下→0.5%以下 (2020.1~)

低硫⻩燃料の作製
燃料基材の種類，混合量の変更

高硫⻩燃料基材の混合量制限
例えば，減圧残油（VR : Vacuum Residue）
高硫⻩燃料基材 ≒ 高粘度
粘度の低下

⼀方で，様々な低硫⻩基材による作製方法の多様化
燃料成分・混合量と着火性の関係が不明確

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目的
着火性を正確に判断できる，より良い着火性指標の作成
・舶⽤留出油セタン指数の改良
・蒸発現象との関係
・基準燃料との⽐較，式の変更

・舶⽤残渣油CCAIの改良・CCAIの要因の解明
・モデル燃料による修正式の構築
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目次

1. はじめに，目的2. 留出油，残渣油の規格になっているセタン指数とCCAIの概説
3. これまで実施してきた検討内容の報告
留出油 セタン指数の問題点と修正
残渣油 CCAIの問題点と修正

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セタン価
ディーゼル噴霧燃焼における着火性「燃料が噴射されてから着火するまでの時間」
Swirl chamber
圧力センサ
圧縮比調整用
プラグ

φ41.28mm

試験燃料の着火性 =二成分混合燃料（標準燃料）の着火性
ヘプタメチルノナン → セタン価 15n-ヘキサデカン→ セタン価100
セタン価 = ヘキサデカン [vol. %]+0.15×ヘプタメチルノナン [vol. %]インジェクタ

ピストン114mm

セタン価（Cetane Number）: ISO 5165
ディーゼル燃料の着火性を表す基準指標
・CFR（Cooperative Fuel Research Committee）エンジン
・実験方法

φ82.6mm

CFRエンジンの概念図(N. Ladommatos, et. al., Fuel,75-1 (1996)8-14)

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9舶用燃料の着火性代替指標
ディーゼル噴霧燃焼における着火性「燃料が噴射されてから着火するまでの時間」
舶⽤留出油，舶⽤残渣油の場合
・CFRエンジン試験条件を満たすことができない
・⼀定量の燃料確保
・簡便性の要求
セタン価の代替手法︓ ISO 8217
留出油 セタン指数（CI : Cetane Index）
残渣油 CCAI（Calculated Carbon Aromaticity Index）

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10着火性評価指標

セタン指数

セタン指数︓舶⽤留出油の着火性指標
セタン指数（新） JIS K 2280-5 : 2013 (ISO 4264 : 2018) 現在の規格=45.2+0.0892 (T10-215)+(0.131+0.901B)(T50-260)+(0.0523-0.42B)(T90-310)+0.00049{(T10-215)2-(T90-310)2}+107B+60B2

変数・10, 50, 90%留出温度・密度

B=exp{-0.0035(D-850)}-1
四変数方程式（上式）
約1500種類の燃料の結果からInghamらによって算出
M.C. Ingham, et. al., Improved Predictive Equations
for Cetane Number, SAE paper No. 860250(1986), pp.
1-14.

実験相関式のため，バラツキがある

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11着火性評価指標

CCAI

CCAI︓舶⽤残渣油の着火性指標

ISO 8217 : 2017 現在の規格

A. P. Zeelenberg, et. al., The ignition performance of fuel oils inmarine diesel engines, CIMAC 1983 Paris, D13.2, pp. 1455-1469.

CCAI = ρL − 81 − 141log 10 log 10 (ν L + 0.85)  − 483log 10T + 273
323

ρL︔密度@15℃ [kg/m3]
νL︔動粘度 [mm2/s]
T ︔動粘度計測時の温度 [K]Zeelenbergが提案した着火性の関係
燃料の芳香族性（Aromaticity）

相関

密度と動粘度から求められる指数
CCAI

燃料の着火性相関・燃料の芳香族性と着火性の結び付け
・計測項目に制約のある重油で，計測可能な密度と動粘度から求められた指数（CCAI）から燃料の着火性を簡易に予測，推定できるツール
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12着火性評価指標

CCAI

芳香族性（Aromaticity）の意味

燃料中の総炭素原子のうち，芳香族の環状構造を構成している炭素原子の割合
11環状構造の炭素原子数10
例えば，メチルナフタレン C11H10 の場合，== 0.91
総炭素原子数
1110189762

適⽤燃料（1）Zeelenbergの原著論⽂（19種類中，留出油8種類）から，残渣油以外（留出油）にも適⽤可(2) Soudersの粘性係数推算式との相似性から，分子構造が既知の炭化水素（単成分，複数混合成分）にも適⽤可MMμL︔粘性係数 [Pa s]k = ρL × 10−3 − log 10 log 10 ( μL × 104 ) IIM︔分子量 [g/mol]

345I ︔原子・構造定数k ︔定数（2.9）

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1. はじめに，目的2. 留出油，残渣油の規格になっているセタン指数とCCAIの概説
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留出油 セタン指数の問題点と修正
残渣油 CCAIの問題点と修正

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セタン指数と蒸発性の関係
セタン指数に使う「蒸留曲線」と，着火現象に関係がある「蒸発特性」の関係を評価
実在燃料に適⽤できる蒸発モデル（物性値推算モデル）がない
蒸発燃料
分⼦量

実在燃料のセタン指数の変化に対応できる蒸発モデルの作成
時々刻々と変化する液体燃料，蒸気の物性値が必要
物性値推算モデル（蒸発開始から終了まで連続的に蒸発する分子量が変化）
物性決定に必要なもの
・蒸留曲線
・分子成分タイプ︔HPLCによる5成分分析値(飽和分，オレフィン，⼀，二，三環芳香族)

気体平均
分⼦量

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液体平均
分⼦量，密度15セタン指数と蒸発性の関係
液滴蒸発モデル検証（蒸発速度定数）

実験結果と同一傾向を示す

d0 初期液滴径 [mm]Ke 蒸発速度定数 [mm2/s]
t95/d02 95%液滴寿命 [s/mm2]
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セタン指数と蒸発性の関係
セタン指数と蒸発性の関係 （セタン指数 蒸留温度と密度の関数）
密度を固定し，蒸留曲線を変更

指標に使われる「蒸留曲線」と着火現象の要因である「蒸発曲線」は相似
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セタン指数の修正

Ignition Delay [ms]目標︓
標準燃料と実在燃料が同⼀線上にのる標準燃料（ ）と⽐べて，実際の燃料（ ）の着火遅れが⻑い
セタン指数の定数（赤字）を修正
Cetane Index (New)Catane Index (Enhanced)
Standard Fuel
Cetane Index (CI), Cetane Number (CN) [-]セタン指数 _修正 ( )= 45.2+0.020 (T10-215)+(0.493+1.20B)(T50-260)+(-0.149-0.704B)(T90-310)-0.000293{(T10-215)2-(T90-310)2}+86.829B-72.312B2
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1. はじめに，目的2. 留出油，残渣油の規格になっているセタン指数とCCAIの概説
3. これまで実施してきた検討内容の報告
留出油 セタン指数の問題点と修正
残渣油 CCAIの問題点と修正

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19CCAIと燃料成分の関係
単成分，二成分舶⽤残渣油

オクタデカン・混合⽐の変更の場合，CCAI-CNの線形性有り
・同⼀CCAIでもCNは異なる

ノナン

ヘプチルベンゼン

メチル
ナフタレン
竹田他，JIME44-4(2009)
から再編集

相関
燃料の芳香族性（Aromaticity）

目標︓多成分の舶⽤燃料のCCAI-CNが同⼀直線上にのる（線形にする）
先ず，バラツキ抑制方法として，「単成分でのCCAI-CNで線形性が保たれれば，精度向上︖」

留出油，残渣油でのCCAI
Soudersの式（単，多成分）CCAIと着火性には相関はあるが，精度は高くない

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CCAIと燃料成分の関係
CCAIの問題点（単成分）・アルカン︓CCAIが変わらない・芳香族︓環数ごとに傾向が異なる
分子構造ごとに修正

アルカン
CCAIs = 2.768ρL − 1861

式の変更

− 807.6log 10 log 10 (ν L + 0.85) 芳香族
CCAIa = ρL − 81{1 − 2.486exp ( −0.1603α )}− 141log 10 log 10 (ν L + 0.85) α ︔環状構造の炭素原子数

単成分のアルカン，⼀環，二環芳香族のCCAI-CN関係がほぼ線形化
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CCAIと燃料成分の関係
修正CCAI（二成分系への拡張）

CCAII = Vf _ s CCAIs + Vf _ a CCAIa

R2 0.953Vf︔体積分率

二成分系燃料（成分，混合⽐が既知）
・単成分燃料で求めた線形関係を維持
・アルカン，芳香族のそれぞれの体積分率からCCAI-CNの高い線形性を実現
今後の課題︓
実際の燃料では成分，混合⽐は不明であるため，この手法を適⽤するための成分，混合⽐の推定算出法の確⽴

R2 0.705
アルカン，芳香族の二成分燃料（混合⽐変更）アルカン︓ ノナン，トリデカン，オクタデカン
⼀環芳香族︓エチルベンゼン，ヘプチルベンゼン，ドデシルベンゼン
二環芳香族︓メチルナフタレン

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まとめ
留出油，残渣油の着火性規格になっているセタン指数とCCAIの概説と，着火性指標の高精度化のために，これまで実施してきた検討内容について報告した。
モデル燃料による検討から，・セタン指数は，現⾏の係数を標準燃料に一致するように修正，・CCAIは，燃料成分ごとにCCAIを修正，することによって，より高精度になることを例⽰した。
低硫⻩化に伴い，様々な成分の燃料が作製できるようになったことから，成分が異なる実燃料に適⽤できる 「より精度の高い着火性指標の構築」 を目指し，引き続き検討していく。
本報告の「セタン指数の検討」については，ENEOS株式会社，北海道大学（橋本望准教授）との共同研究により実施しました。「CCAIの検討」については，JSPS科研費18K04588の助成を受けたものです。関係各位に深く感謝申し上げます。
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