第 57 回（2007 年）自動車技術会 論文賞

論文名 最新小型ディーゼル車の低温運転性に及ぼす燃料供給システムの影響
掲載誌 自動車技術会論文集 Vol. 37, No. 6
受賞理由
ディーゼル車は排出ガス低減のため燃料の高圧噴射化が進んでおり、併せて燃料供給ラインの異物除去を目的としたフィルタの改良も行われている。一方低温運転性（始動性、走行性）はフィルタを含む燃料供給システムに大きく影響される。
そこで燃料供給システムの違う代表的な市販小型ディーゼル車 11 台を使用し、システムと低温運転性の関係を詳細に調査・解析した。その結果、燃料供給システムが低温運転性に影響する要因がフィルタの装着位置・容量、燃料ラインの容量、燃料流量等であることを見出し、具体的な悪化対策として適正なフィルタ装着位置や容量、各部の加熱等を提案した。
調査内容は現状で考えられうる広範囲なシステム・条件を含み信頼性が高く、その結果は今後のディーゼル車設計に一つの指針を提供するものであり極めて有用性が高い。

377 最新小型ディーゼル車の低温運転性に及ぼす燃料供給システムの影響 *瀬戸浩志 1,2)

大森敬朗 1,3)那須野一八 1,4)

野村守 1,5)

吉田強 1,6)

小林秀一 1,7)

古田智史 1,8)

Influence of fuel supply system design on low temperature operability of light duty diesel vehicles
Hiroshi Seto

Noriaki Ohmori Kazuya Nasuno

Mamoru Nomura

Tsutomu Yoshida Shuichi Kobayashi

Satoshi Furuta

Japan Petroleum Institute has conducted cold weather tests on recent light duty diesel trucks.
Though the low temperature properties of the diesel fuel are almost the same as before, number of vehicles which
demonstrated poor startability and/or drivability under cold weather conditions has been increasing due tomodifications on fuel supply system design to cope with recent stringent emission regulations. One of the major
observations is the installation of fine-mesh filters into fuel pump.
The results of this study indicate that removal of filters from fuel pump and installation of fuel heating device
improve low temperature operability.

Key Words: Cold Weather Test, Drivability, Fuel System / Diesel Fuel, Wax, Filter Plugging, Startability ③
1.まえがき改良が進められており，従来の列型・分配型燃料噴射ポンプディーゼル車の実用性能を設計する上で，排ガス性能ととを搭載したものから，高圧分配型･コモンレール式等の高圧もに低温性能も重要な商品品質である．

燃料噴射システムを搭載したものに移行しつつある．一方，

軽油は低温時にワックス分が析出するため，使用条件によ燃料も排ガス低減のための新規車両技術から要請されるサっては燃料系統に設置されたフィルタを閉塞させ，始動性やルファーフリー化を行いながら，低温性状については以前と走行性に不具合を起こす場合がある．これを防ぐため，軽油同等のレベルを維持して生産されている．

は特 1 号から特 3 号まで低温流動性の異なる 5 つのグレード

これら高圧燃料噴射システムへの改良・見直しと同時に，に分類されており，冬季用一般軽油の 2 号軽油では月別最低燃料供給システム全体の設計も変更されている(2)．特に，燃気温が－10℃以上である地域での使用が推奨されている(1)．

料ラインの異物除去を目的とした各種フィルタについては，言い換えれば，2 号軽油を使用する場合には，－10℃においポンプ内部の保護のために目の細かいフィルタ（ポンプ内フても不具合のないことが期待されているといえる．

ィルタ，Fig.1）が装着される傾向にあり，またメインフィル

国内ディーゼル車はここ数年の排ガス規制強化に対応した

タが小型化されていたり，特に小型トラックの場合にはその設置位置がエンジン近傍（運転席下）から荷台下に変更され＊2006 年 5 月 26 日自動車技術会春季学術講演会において発表ている車両が増えている．

1) (社)石油学会 製品部会 燃料油分科会 ディーゼル車の燃料供給システム調査専門委員会（102-0093 千代田区平河町 1-3-14）
2) エクソンモービル(有)3) 東燃ゼネラル石油(株)4) 新日本石油(株)5) 出光興産(株)6) 昭和シェル石油(株)7) コスモ石油(株)8) (株)JOMO テクニカルリサーチセンター

Fig.1 Magnifications of pump filter (right)
and traditional pre-filter (left)ディーゼル車の低温運転性は軽油の低温流動性との関係

以上のような調査の結果，新規制対応車両の燃料供給シスが極めて深いため，前述のような燃料供給システムの変更にテムは従来の短期規制対応車両と比較して以下の特徴が見

より低温運転性の悪化が懸念される．

られた．

これらの状況を鑑み，（社）石油学会は(株)石油産業技術研

1) 燃料ポンプ内に目の細かい微小なサイズのフィルタ（ス究所の委託により，1998 年よりディーゼル車の低温性能に関トレーナ）が装着されているものが増えている．

する調査活動を行っている．具体的な調査内容としては，①2) 小型トラックにおいてはメインフィルタの設置位置が小型トラック，乗用車を中心とした既販ディーゼル車の諸元

運転席下から荷台下に変更されている車両がさらに増および燃料供給システムの実態調査，②市場台数や占有率な加している．

どの調査，③ ①および②の調査結果に基づいて選定した車

3) 一部車種のメインフィルタがモジュール型（ハニカム型）に変更されていたり，小型化されている．

両の低温実車試験の実施，などである．また，これらの調査から明らかになった問題点を技術情報として発信すること

4) 高圧分配型ポンプ搭載車両では燃料流量が増大している場合が多い．

も活動目的のひとつとしている．
本稿ではこれまでの（社）石油学会による調査結果(3, 4, 5, 6, 7)を総括し，低温実車試験の結果を中心に，ディーゼル車の燃これらの調査結果をベースに，Table.1 に示すように異なる料供給システム全体の中で低温運転性に影響を及ぼす因子特徴をもった短期規制適合車（列型，分配型）4 台，長期規について述べる．さらに，それらの結果を踏まえ，低温性能制適合車（高圧分配型）3 台，新短期規制適合車（コモンレの観点から理想的な燃料供給システムの設計についても言ール式）4 台，計 11 台を選定し，低温実車試験を実施した．

及する．
2.2. 低温実車試験
供試燃料は Table.2 に示すような市販の 2 号軽油を用いた．

2. 調査の概要
2.1. 諸元調査および試験車両選定

Table.2 Test Fuels Properties

小型トラックを中心とした既販ディーゼル車について，幅広く諸元および燃料供給システムの構成を調査した．また，市場での販売台数，市場占有率などについても調査を行った．
調査には以下の資料等を用いた．
・

新型車解説書等の構造説明書，自動車検査証，カタログ，各種出版物，インターネット情報など

・燃料ポンプ，メインフィルタ，燃料タンクおよび燃料

Fuel Name
Item
CFPP, ℃
Pour Pt., ℃
Wax content
at －10℃,
mass%

JPI
grade2(1)－10－16

JPI
grade2(2)－8－18

less than －5
less than －7.5

1.67

1.61

NAJIS spec

TestMethod
JIS K2288
JIS K2269
Low-temp
filtration
or DSC** DSC: Differential Scanning Calorimetry

ライン等の実部品・試験は「低温シャシによるディーゼル車低温運転性試験マ

実車における燃料流量の計測

ニュアル」（石油学会，平成 13 年版）に従い，Fig.2 の手順でTable.1 Features of the Test Vehicles
VehicleName
Fuel pumptype
Emission
regulation
Main filtertypeMain filter
location
Fuel flow rate
at 50km/h (L/h)
Pump filter
mesh size(micron)Line volume（mL）*1
Otherfeatures

Truck-A

Truck-B

Truck-CIn-lineHigh
Pressure
Distributor

CommonRail

Distributor

High
Pressure
Distributor

Van-D
CommonRail

CommonRail

In-lineDistributor

High
Pressure
Distributor

Short-term

Short-termLong-termNew
short-term

Short-termLong-termNew
short-term

Short-termLong-termNew
short-term

New
short-term

Pleat

SpiralSpiralSpiralPleat

SpiralPleat

SpiralModulePleat

ModuleEngineroom

Engineroom

Engineroom

UndercarrierEngineroom

Undercarrier

Undercarrier

Engineroom

Undercarrier

UndercarrierEngineroom

413211022301102237110

2430

None

150

150150None150, 70

None150150150

None

2222107290

290

2282100

21

*2

*2

Not
measuredPre-filter(350micron)CommonRail*2

NotmeasuredPre-filter(500micron)*1: Volume between main filter and fuel pump
*2: Electric heater equipped optionally for cold area version*3: Fuel Recirculation System equipped as a standard fitment*3

実施した．なお，試験温度（設定した雰囲気温度）までの冷にコモンレール式車両では，それ以前の燃料供給システムで却速度は，実際の気象条件を参考にして軽油の低温流動性には見られなかった始動性の不具合が発生した．

厳しい 1℃/h の徐冷とすることを基本とした．
3.1.2. トラック B の低温試験結果
従来型（短期規制適合）である列型車両と比較して，長期Flushing, Filling test fuel

規制適合の高圧分配型車両はメインフィルタが荷台下に移Ignition

Cooling by 1℃ /h

動しているとともに，ポンプ内フィルタが装着されているとIdling for 5minSoaking for 1h at test temp.

Running at 50km/hいう特徴がある．また，燃料流量も列型車両と比較して約 3倍に増加している．試験の結果，この車両の作動限界温度は走行性の不具合により従来型（列型）よりも 4℃悪化した．
一方，最新型のコモンレール式車両ではメインフィルタは荷台下に設置されているが，ポンプ内フィルタは装着されてFig.2 Schema of Cold Weather Test at JPI

おらず，また燃料流量も従来型（列型）と同等レベルである．
さらに本車両の最大の特徴は低温時にはリターン燃料を直試験結果については，従来から市場に存在し現在も占有率接メインフィルタに戻す「燃料リサーキュレーションシステが比較的高いトラック A（列型）を基準として相対評価した．

ム」を“標準装備”していることである．試験の結果，このまた，試験にあたり，車両各部の雰囲気温度および燃料油温，車両の作動限界温度は従来型（列型）と比較して 4℃以上改メインフィルタ前後の燃料圧力等を計測し，必要に応じてこ善されていた．このことは，厳しい排ガス規制に適合させつれらのデータを用いて試験結果を整理し，解析した．

つも，低温運転性を従来よりも向上させることが可能であるという重要な事実を示している．

3. 試験結果および考察
3.1.3. トラック C の低温試験結果

3.1. 小型トラックの作動限界温度
始動時，アイドリング時および走行時のいずれにも不具合

本車両ではすべてのモデルにポンプ内フィルタが装着さが生じなかった最低試験温度を『作動限界温度』と定義し，れている．さらに，従来型（短期規制適合）である分配型車評価した結果を Fig.3 に示す．

両と比較して，長期規制適合の高圧分配型車両はメインフィ

Low Temp. Operability

High
Minimum Operable Temp.

Deteriorated
High pressure
Distributor

こと，さらに燃料流量が約 3 倍に増加していることが特徴でHigh pressure
Distributorある．また，新短期規制適合のコモンレール式車両はプリー

Common Railツ型（菊花型）のメインフィルタが荷台下に設置されており，Common RailHigh pressure
Distributor

差圧感知式のヒーターが寒冷地仕様車にオプション設定さ

Distributor

In-lineBase Line

Distributor

In-line

れている．

1℃
Improved bymore than 4℃～～GoodLow

Bad

ルタがモジュール型に変更され，かつ荷台下に移動している

Common Rail

Truck-A

Truck-B

Truck-C

Fig.3 Summary of Cold Weather Test Results

試験の結果，すべてのモデルで始動性の不具合が認められた．また，新型車両の作動限界温度は従来型（分配型）と比較して 2～3℃悪化していたが，より新しいコモンレール式車両の方が 1℃程度良好であった．さらにコモンレール式車両
では，ヒーターが作動することで，走行可能温度（不具合無しに走行可能な最低温度）が 6℃以上改善することを確認した．ただし，始動性は改善されなかった．

3.1.1. トラック A の低温試験結果
本車両では列型を除いてポンプ内フィルタが装着されている．さらに，従来型（短期規制適合）である列型，分配型

3.2. 低温始動性の支配要因
3.2.1. ポンプ内フィルタの影響車両と比較して，長期規制適合の高圧分配型車両は燃料流量各車両の低温始動性を試験温度で整理した結果を Fig.4 にが約 3 倍に増加している．一方，新短期規制適合のコモンレ示す．ポンプ内フィルタが装着されていない車両では，試験ール式車両はメインフィルタが運転席下から荷台下に移動した温度範囲での低温始動性の不具合はまったく見られなしているという特徴がある．

かった．一方，ポンプ内フィルタが装着されている車両では，試験の結果，これらの新型車両は従来型（列型，分配型）

車両によって温度が異なるが，全ての車両で始動性不具合がよりも作動限界温度が 1～3℃劣る（高い）結果となった．特認められた．不具合の発生温度はメインフィルタが荷台下に設置されている車両の方が高く（悪く）なる傾向を示した．

ワックスの結晶が 180μm 程度まで成長していたのに対し，これらのことから，始動性の不具合は目が細かくサイズも急冷条件ではそれよりも小さかった．これは，急冷した場合微小なポンプ内フィルタが，メインフィルタから燃料ポンプにはワックスの結晶核が同時に多数生成する一方，徐冷に比に至る燃料ライン内の燃料から析出したワックス分によっべて冷却過程での結晶核成長が十分に行われず，また試験温て少量で閉塞するために発生するものと考えられる．また，度到達後長時間保持しても新しいワックスの結晶核生成や，メインフィルタが荷台下にある車両は，運転席下にある車両既に生成した結晶核同士の結合が見込めない為と考えられ，と比較してメインフィルタ～燃料ポンプ間のラインが長く全体として結晶サイズが小さくなったものと推察される．ま（容量が大きく）なるため，ライン内にある燃料から析出すた，急冷による細かいワックス結晶はポンプ内フィルタ（目るワックス量が相対的に多くなり，より高い温度でも始動性開き約 150μm）を通過することができるので，試験結果が不具合が発生したものと考えられる．

甘くなったものと考えられる．言い換えれば，低温試験を実施する際に試験温度まで急冷してしまうと，いくらソーキング時間を長く延ばしてもワックスの析出が始動性に及ぼす影響を正確に評価できないことになる．したがって，車両の低温性能評価を行う場合には，実際の気象条件に即した冷却速度で行うことが重要である．
3.3. 低温走行性の支配要因
次に走行性の評価結果を示す．なお，始動時に不具合が発生した場合でも，燃料ポンプを加温してポンプ内フィルタに詰まったワックス分を十分に溶かすことによりエンジン始動が可能であったので，走行性の支配要因を評価するため，始動可能時と同様に走行性の評価を行った．

Fig.4 Dominant Factors to Low Temperature Startability
3.3.1. 走行試験における燃料の圧力と温度変化
3.2.2. 試験温度までの冷却速度の影響

走行試験結果の一例として，トラック A（列型）の－9℃と次に，試験温度までの冷却速度が始動性に及ぼす影響を検－10℃における走行試験中のメインフィルタ前後の差圧お討した結果を Fig.5 に示す．徐冷した場合（1℃/h）には－9℃

よびフィルタ内部燃料油温の変化を Fig.6 に示す．これを見試験で始動性不具合が認められたが，急冷した場合（10℃/h）

ると，いずれの試験においても走行に伴って差圧も燃料油温にはソーキング時間を 5 時間に延長したにもかかわらず，－も上昇していることがわかる．

12℃試験でも始動性不具合は発生しなかった．すなわち，作動限界温度としては急冷で評価した方が徐冷に比べて 4℃程

400

Tested at -10℃

Fail

Tested at -9℃

Pass

200

Wax melting temperature

001020Test period，min

1050-5

Fuel temperaturein the main filter ,℃

Pressure difference between
before and after the main filter, kPa

Truck-A (In-line)

Critical pressure difference○度甘い結果となった．

-1030Fig.6 Change in Pressure Difference andFuel Temperature during the Test
走行性 PASS（－9℃試験）の場合，燃料油温が上昇しワッ
Fig.5 Influence of Cooling Rate on Startability

クス溶解温度に達した後，差圧は減少に転じ，その後十分に低下するまで不具合なく走行できた．一方，走行性 FAIL（－各試験温度での燃料を顕微鏡観察した結果，徐冷条件では10℃試験）の場合，燃料油温がワックス溶解温度に達するよ

り先に差圧が走行不良の限界値を超え，十分な量の燃料が供するために，トラック C（高圧分配型）において標準である給されなくなったために車速（50km/h）を維持できなくなっモジュール型から，旧モデル用の同サイズのスパイラル型

た．

（ロール型）に変更して走行試験を行った結果を Fig.8 に示

これらのことから差圧が上昇するのはメインフィルタ内

す．モジュール型では－7℃で走行性 FAIL となったが，スパにワックスが堆積して燃料が通りにくくなるためであるとイラル型では－8℃でも走行性 PASS であったので，フィルタ考えられる．また，走行性 PASS の場合に差圧が減少に転じ形状の変更により走行可能温度は 2℃改善したことになる．

たのは，エンジンからの輻射熱や温められたリターン燃料にモジュール型はろ過面積を大きく取ることができ，メインフ

よって燃料油温が上昇し，堆積したワックスが溶解し始めた

ィルタの小型化，ろ過効率の向上に寄与すると言われているためと考えられる．このように，メインフィルタの昇温速度が，燃料の流路が狭くなるためにワックスによる閉塞に対しは低温時の走行性に対する重要な影響因子のひとつである．ては弱くなると考えられる．このことは Fig.8 におけるワックス許容量（限界捕捉量）の違いにも現れている．

3.3.2. メインフィルタ昇温速度の影響
次に，各試験で得られた走行可能温度と低温走行時のメイ

Test Temperatrue，℃

ンフィルタ内部の昇温速度との関係を Fig.7 に示す．メインフィルタが荷台下に設置されている車両では，運転席下に設置されている車両よりも走行可能温度が高く（悪く）なっていることがわかる．すなわち，このような車両ではメインフィルタが直接外気にさらされ，エンジンの輻射熱を受けられないために温度が上昇しにくくなっており，低温時の走行性

Lowest Drivable Temperature，℃に対しては不利であることを示している．

-5

Improved!!
Electric Heater

-15

00.5

Truck-C (High pressure Distributor)-6○-7××-8

Improved
by 2℃○-9×-10
Module(Standard)

SpiralWax capacity: 45g

Condition for Main Filter●：Mounted in engine room▲：Mounted under carrier■：▲ with Heating device/system-10-580g

Fig.8 Influence of the type of Main Filter
on Low Temperature Drivability
3.3.4. 燃料流量の影響

Fuel Recirculation
System

11.5

Heating Rate of Fuel in Main Filter , ℃/min

次に，トラック A（分配型，高圧分配型）の－10℃試験におけるメインフィルタ前後の差圧変化を Fig.9 に示す．両車両の燃料供給システムは燃料ポンプ形式と燃料流量が異なる以外，基本的には同じ構成である．分配型車両では始動か

Fig.7 Relation between Heating Rate of Fuel in Main Filter

ら最大差圧に達するまでに 20 分以上を要しており，最終的and Low Temperature Drivabilityには差圧が減少して走行性 PASS となったのに対し，高圧分配型車両では数分間で最大差圧に達し，その後走行性に不具

その一方で，メインフィルタが荷台下に設置されている場合が発生したので，試験結果は FAIL となった．

合でも，差圧感知式ヒーターや燃料リサーキュレーションシ

Temperature : －10℃

フィルタが運転席下に設置されている車両よりもさらに走行可能温度が低く（良好に）なっており，加熱装置の効果は非常に大きいといえる．両者を比較した場合，ヒーターでは一定量のワックスが堆積して差圧が上昇しないと作動しないのに対し，燃料リサーキュレーションシステムではワックスがメインフィルタで捕捉され差圧が上昇し始めるよりも前に溶解されるので，メインフィルタ閉塞に対してヒーターよりもさらに高い効果を示すことも確認された．

Pressure Difference between
before and after the Main Filter, kPa

ステムなどの燃料加熱装置を装備している車両では，メイン

100×Truck-A(High pressure distributor)
Fuel flow rate : ~110L/h

FAIL○PASS Truck-A(Distributor)
Fuel flow rate : ~32L/h

50002040

Test period, min60

Fig.9 Influence of Fuel Velocity on Increase
3.3.3. メインフィルタ形状の影響
次に，メインフィルタ形状が走行性におよぼす影響を検討

in Pressure Difference5. 終わりに

この場合，メインフィルタ前後の差圧は，ワックスがメインフィルタに堆積して燃料が流れにくくなることによって軽油の低温流動性は重要な実用性能のひとつであり，石油発生すると考えられるので，差圧の上昇が速いことはワック

業界は硫黄分低減以降も従来どおりの性能を満足するようスの堆積速度が大きいことを意味する．すなわち，燃料流量品質設計を行っている．

が多いと，メインフィルタを通過する燃料量が増えるために今後，新長期規制に対応するモデルが市場に導入されてく

単位時間当りに捕捉されるワックス量が増え，その結果，燃るが，車両設計に対しては，従来モデル並みの低温時の作動

料油温が上昇する前にメインフィルタのワックス許容量（限限界温度を基準にし，また，使用環境に即した条件で評価を界捕捉量）に達しやすくなり，走行性に不具合が発生する可行い，ワックスによる低温運転性悪化要因に十分配慮した燃能性が高まると考えられる．

料供給システムの導入，拡大を希望する．

3.4. まとめ最後に本活動にあたって（財）石油産業活性化センター石以上より，燃料供給システムにおける低温運転性（始動性，油基盤技術研究所のご協力を頂いたことに感謝の意を表す．

走行性）への悪化要因をまとめると，以下のようになる．
1) 始動性悪化要因
参 考 文 献

－ポンプ内フィルタの装着－メインフィルタの設置位置変更によるメインフィル
タ～ポンプ間の燃料ライン容量の増加
2) 走行性悪化要因－メインフィルタの設置位置変更による昇温速度低下－メインフィルタの形状変更（モジュール型），小型化によるワックス許容量の減少－燃料流量増加(1)日本規格協会：軽油使用ガイドライン，JIS K 2204（軽油），解説，参考 b)(2)野村守：軽油の低温性能，エンジンテクノロジー，Vol.5，No.4，2003，p.60－65(3)田中重行：ディーゼル車の燃料供給システム調査，石油学会，1999 年石油製品討論会，1999，p.149－155(4)那須野一八：ディーゼル車の低温時フィルタ閉塞性試験
調査，石油学会，2001 年石油製品討論会，2001，p.130

4. 理想的な燃料供給システム
これまでに述べてきた内容を踏まえると，ディーゼル車の低温性能の観点から理想的な燃料供給システムとして，以下のような設計例が考えられる．

－136(5)野村守：最新ディーゼル車の燃料供給システム調査，石油学会，2002 年石油製品討論会，2002，p.123－134(6)那須野一八：ディーゼル車の燃料供給システム調査（2003 年度）
，石油学会，2004 年石油製品討論会，2004，

1) 始動性対策－ポンプ内フィルタはできるだけ装着しない－どうしてもポンプ内フィルタを装着する場合には，目開きや寸法をできるだけ大きくする－メインフィルタはエンジン近傍に設置する－エンジンルーム外に設置する場合には，メインフィルタ～ポンプ間に析出するワックスの対策を施す（例えばラインヒーターなど）
2) 走行性対策－メインフィルタはできるだけワックス許容量の大きな形状（スパイラル型，プリーツ型）及びサイズとし，エンジン近傍に設置する－エンジンルーム外に設置する場合には，加熱装置を装備する－燃料流量はできるだけ少なくする

p.35－44(7)大森敬朗：ディーゼル車の燃料供給システム調査（2004年度），石油学会，2005 年石油製品討論会，2005，p.60－67