J-MAPにおける自動車・燃料研究の意義～PEC/JPECの活動を振り返って～

２０２０年３月
大聖 泰弘（早稲田大学 研究院 次世代自動車研究機構）
J-MAP自動車・燃料専門委員会
Japan Marine and AutoPetroleum Program2

わが国の大気汚染に係る環境基準物 質

環境上の条件

二酸化硫黄 (SO2)

１時間値の１日平均値が0.04ppm以下であり，かつ１時間値が0.1ppm以下であること。

全域で達成。

二酸化窒素 (NO2)

1時間値の1日平均値が0.04ppmから0.06ppmまでのゾーン内またはそれ以下。

わずかに未達成地域が残る。

PM10： 1時間値の1日平均値が0.10mg/m3以下で，かつ1時間値gが0.20mg/m3以下。

ほぼ全域で達成。

PM2.5：1年平均値が15μg／m3以下で，かつ1日平均値が35μg／m3以下であること。

未達成地域が残る。

浮遊粒子状物 (SPM)

光化学ｵｷｼﾀﾞﾝﾄ (Ox) 1時間値が0.06ppm以下であること。
一酸化炭素 (CO)

1時間値の1日平均値が10ppm以下で あり、かつ，1時間値の8時間平均値が20ppm以下であること。

達成状況

全域で未達成。
全域で達成。

注） 平成9年2月にベンゼン（1年平均値0.06ppm以下），トリクロロエチレン（同0.2mg/m3），テトラクロロエチレン（同0.2mg/m3），平成11年12月27日にダイオキシン類（同0.6pgTEQ/m3），平成13年４月20日にジクロロメタン（同0.15mg/m3），平成21年9月には，PM2.5の大気汚染に係る環境基準がそれぞれ設定されている。

自動車排出ガス・燃料規制の仕組み
中央環境審議会 答申

大気汚染防止法（環境省）《排出ガス規制》《燃料規制》

自動車の運行の際に排出される自動車排出ガスの量の許容限度（告示）

自動車燃料の性状に関する許容限度又は自動車の燃料に含まれる物質の量の許容限度（告示）

道路運送車両法（国土交通省）揮発油等の品質の確保等に関する法律（経済産業省）道路運送車両の保安基準（省令）

揮発油規格及び軽油規格（省令）3自動車に関する国際基準調和活動の枠組み

4

国際連合(UN)
欧州経済委員会(ECE)
自動車基準国際調和フォーラム (WP29)
安全一般(GRSG)

衝突安全(GRSP)

自動運転(GRVA)

灯火器
(GRE)

騒音とタイヤ(GRBP)
排出ガスとエネルギー(GRPE)❏わが国としては，開発の合理化が図られる国際基準調和に積極的に参画し，推進すべき。そのような戦略の構築と国際舞台で活躍し得る人材の育成が重要な課題。
注）各国の基準認証制度が国際貿易の不必要な障害を防ぐためのWTOの「貿易の技術的障害に関する協定」（1995年1月17日発効）に基づく。

自動車排出ガス規制に係る中央環境審議会の答申
中間答申1996年
第二次 1997年

5PEC/JPECの活動
二輪車規制導入，ガソリンの低ベンゼン化
1997
ガソリン車の新短期，新長期規制
ディーゼル特殊自動車の規制導入
第三次 1998年10月 ディーゼル車の新短期 (2003～2004年実施),新長期規制
JCAPⅠ
第四次 2000年12月 ディーゼル車の新長期規制前倒し(2005年実施)，ディーゼル特殊自動車の規制前倒し
軽油の硫黄分低減（500→50ppm）
第五次 2002年4月
ディーゼル・ガソリン車の新長期規制
2002
第六次 2003年6月
二輪車，特殊自動車の規制強化
第七次 2003年7月
軽油の超低硫黄化（50→10ppm）
JCAPⅡ
ガソリン，軽油の燃料品質の規制強化
第八次 2005年4月
ディーゼル・ガソリン車のポスト新長期規制
2007（2009～10年実施，ﾘｰﾝﾊﾞｰﾝ直噴車PM規制）
第九次 2008年1月
ディーゼル特殊自動車の規制強化
JATOPⅠ
第十次 2010年7月
ディーゼル重量車のNOx挑戦目標，E10燃料
2012
第十一次 2012年8月 二輪車，ディーゼル重量車，ディーゼル特殊車のJATOPⅡ
排出ガス低減対策
2015
第十二次 2015年2月 乗用車等の排出ガス試験法の国際調和（WLTC）
JATOPⅢ
第十三次 2017年5月 燃料蒸発ガス対策，ストイキ直噴車のPM規制
2018
二輪車の排出ガス低減対策
J-MAP
第十四次 検討中
2020年度前半に提示予定（PN規制他）
2020

わが国における燃費基準の沿革(1973年)
1979年 6月
1979年12月
1993年 1月
1996年 3月
1998年 6月
1999年 3月
2003年 7月
2006年 3月
2007年 7月
2011年10月
2015年上期
2017年12月
2019年 6月

6PEC/JPECの活動（第1次石油ショックの勃発）
1997
エネルギーの使用の合理化に関する法律（省エネ法）制定
ガソリン乗用自動車の燃費基準策定 （1985年度目標）
ガソリン乗用自動車の燃費基準の改正 （2000年度目標）
JCAPⅠ
ガソリン貨物自動車の燃費基準の策定 （2003年度目標）
省エネ法改正・・・「トップランナー基準」の考え方の導入
乗用車，小型貨物車のトップランナー基準の策定（ガソリン車：2010年度目標，ディーゼル車：2005年度目標）
2002
ＬＰガス乗用車のトップランナー基準の策定（2010年度目標）
重量車（トラック，バス等）のトップランナー基準の策定
JCAPⅡ（2015年度目標）
2007
乗用車，小型バス，小型貨物車の新燃費基準の策定（2015年度目標）
JATOPⅠ
経産省・国交省は乗用車の2020年度の新燃費基準を取りま2012
とめ、発表した。2012年春に関連法令を改正した。
JATOPⅡ2015
小型貨物車の新燃費基準の提示，WLTPによる乗用車燃費
JATOPⅢ
試験法の検討2018
重量車燃費基準の策定（2025年度目標）
J-MAP
乗用車（EVとPHVを含む）の燃費基準策定（2030年度目標）
2020ガソリンエンジンの代表的な排出ガス対策例
燃 料
タンク
キャニスタ

EGR弁

電磁弁

電子制御

エアクリーナユニット
空 気

A/Fセンサ

エアフロー 絞り弁

O 2センサ

メータ

前置触媒

インジェクタ

点火ﾌﾟﾗｸﾞ
可変弁機構

排 気O2センサ

主触媒❏ガソリン車は，理論混合比燃焼での三元触媒システムを含む精緻な制御により超低排出ガス特性を実現している。リーンバーンでこれを達成することは難しいのが現状である。
❏中長期的には燃費規制の強化に適合してさらに進化を続ける必要がある。

7

わが国におけるガソリン乗用車の排出ガス規制値の推移 8（国交省・自工会資料他）❏昭和41年(1966年） 4ﾓｰﾄﾞによるCOの濃度規制を開始。
❏昭和50年から11ﾓｰﾄﾞによる冷始動時の規制も実施。
＊：昭和48年度規制ﾚﾍﾞﾙに対して約1/10とするもので，日本版マスキー法と呼ばれている。
❏平成21年（2009年）からJC08ﾓｰﾄﾞでﾎﾟｽﾄ新長期規制で直噴車にPM0.005g/kmを適用。
❏平成30年（2018年）から新モードWLTCを採用。
(CO:1.15, NMHC: 0.10, NOx:0.05 g/km)

昭和48年度規制（10ﾓｰﾄﾞ）
CO:18.4g/km
HC:2.94g/km
NOx: 2.18g/km

100

規制値の削減率
(%)

80
60
40

昭和53年度規制＊（10ﾓｰﾄﾞ）CO：2.10g/km
HC: 0.25 〃NOx：0.25 〃

新短期規制<2000年より>（10・15モード）
CO：0.67g/km
HC: 0.08 〃NOx：0.08 〃’90

2000

新長期規制
<2005年より>（ｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞﾓｰﾄﾞ）
CO：1.15g/km
NMHC:0.05 〃NOx：0.05 〃200’70▲

’80▲

▲

’10 (年)

ディーゼルエンジンの代表的な排出ガス対策例
LPL EGR

EGR
ｸｰﾗ

エア・フィルタ
ｽﾛｯﾄﾙ弁

ｽﾛｯﾄﾙ弁

酸化触媒+DPF+
NOx還元触媒

E新 気E

排気E

<最新規制値>
還元剤 成 分 : CO NMTC NOx PM 単位
供給ｼｽﾃﾑ 乗用車: 0.63 0.024 0.15 0.005 g/km
重量車: 2.22 0.17 0.4 0.010 g/kWh

ターボ過給器 E（可変機構，２段化）

ｲﾝﾀｰ
ｸｰﾗ
吸気ｽﾛｯﾄﾙ弁

E

ERG弁
E

各部温度圧力入力

EGR
ｸｰﾗ

HPL EGRE
電子制御高圧噴射システム（多段噴射）

各部制御
出力

ECU

E :電子制御入出力

低硫黄軽油を利用して，燃料噴射系と排気後処理（DPFと尿素SCR）の最適な制御システム化，信頼・耐久性の確保，コスト低減が重要。長期的に一層の高効率化を目指す必要がある。

9

酸化触媒，DPF，尿素SCRシステム

DPFの強制再生エンジン 時の燃料供給
排 気
酸化触媒
HC, CO,SOF低減
2NO＋O2→2NO2

尿素水（32.5%）燃料の3～7%
アンモニア生成反応：(NH2 )2CO+H2O → 6NH3+CO2
連続再生式
DPF
C + 2NO2→CO2＋2NO(250℃以上)
C＋O2 →CO２

NOx選択還元
触媒(SCR)

酸化触媒

余剰NH3
4NO+4NH3+O2の除去→4N2+6H2O (1)6NO2+8NH3→7N2+12H2O (2)NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (3)＜課 題＞ ❑燃焼によるNOxとPM低減，燃費改善と後処理をどう分担するか？
❑DPFの強制再生での燃料消費抑制 ❑低温でのSCR浄化率の向上❑尿素水供給量制御の最適化 ❑HCやS被毒の抑制と触媒種の選択❑アンモニアとN2Oの排出抑制 ❑コンパクト化 ❑信頼耐久性の確保

10ガソリンエンジンにおける燃料供給方式とその特徴①→③：燃料の輸送遅れ，分配性，始動性の改善
①SPI
②MPI
点火ﾌﾟﾗｸﾞ③直噴
絞り弁（ｾﾝﾀｰ）
L③直噴（ｻｲﾄﾞ）◎① SPI（ｼﾝｸﾞﾙﾎﾟｲﾝﾄｲﾝｼﾞｪｸｼｮﾝ）○簡易的なシステム△厳密な空燃比制御が困難② MPI（ﾏﾙﾁﾎﾟｲﾝﾄｲﾝｼﾞｪｸｼｮﾝ）○厳密な空燃比制御が可能○気筒間の供給ﾊﾞﾗﾂｷの抑制◎三元触媒によりNOx大幅低減③ 筒内直接噴射◎希薄な成層燃焼/理論混合比◎耐ﾉｯｸ性向上(高圧縮比化）で燃費改善，LSPI/HSPI対策◎過給・ﾀﾞｳﾝｻｲｼﾞﾝｸﾞとの組合せ○大量EGRによるHCCIの可能性△低温PM，PN対策，GPFが必要？
△希薄燃焼ではNOx還元触媒が必要（低S燃料が必須）
△コスト高

11

燃費基準（平均値）の推移（国交省，2019年）❏2030年度基準では2016年度
25.4
実績比で約32.4%改善

km/L❏2015年度基準では2002年度実績比で約12%改善

20.3 44%17.6

20 16.8km/L

49%15 - 13.6 24%

7.63
7.63

7.5 - 6.72 13.4%

6.52
5.71 14.3%

10 -

5.0 -

5-JC08
モード

WLTC
モード

2.5 -0-02010

2015

2020 2030年度[ 企業平均 ]

≪乗用車≫

2015

2025

＜トラック等＞2015 2025年度
＜バ ス＞

≪重量車≫

12ディーゼルナノ粒子の生成と対策

影響因子
成 分生成要因
規制動向
対 策課 題・燃料性状 （・排気温度 ・大気との希釈率 ・保持時間 ・湿度）
・軽油の硫黄分 ・潤滑油と添加剤 ・燃料と燃焼起源（T90，芳香族）
・低温でDPF内に捕捉された成分の温度上昇時の蒸発と希釈による凝縮
・DPF再生時，NOx吸蔵触媒でのリッチスパイク時
・EUでのPN規制：乗用車 6×1011 個/km，重量車 6×1011 個/kWh★直噴ｶﾞｿﾘﾝ車にも適用（冷始動，壁面衝突等で排出，GPFが必要か?）
・わが国でも“PM2.5”の環境基準が設定された。（2009年9月）
・大部分はDPFで捕捉可能。酸化触媒でも除去 ・軽油低硫黄化
・潤滑油消費量の低減，添加剤の改善 ・DPF再生時とリッチスパイク時対策
・PM2.5への影響の解明 ・測定法の確立 ・粒子数規制の可否の検討

13

PEC/JPECにおける燃料利用技術事業
将来の自動車・燃料における技術課題の解決を目指した自動車・石油の共同研究
・ 将来の環境課題の解決 ・ エネルギーセキュリティ確保に寄与
・ 将来の燃料を適用する際の技術課題の確認と解決策の検討

自動車に関する技術（既販車や最新規制車で燃料を使う側）

共同研究
経済産業省補助金事業

石油燃料に関する技術（燃料を作る側）

自動車・燃料技術に関する重要な課題を効果的に解決

14

JCAPからJATOP, さらにJ-MAPへ

15

JCAPから，JTOP，J-MAPへと，「大気環境保全・改善」を前提に，地球温暖化，エネ
ルギーセキュリティ対応のため， 「CO2削減」 「燃料多様化」 「排出ガス低減」 を同時解決する自動車・燃料利用技術の確立を目指す。

❑原油性状や各成分の需給関係からガソリンや軽油の組成や性状が変わる可能性があり，既販車の燃費や排出ガスへの影響を調査し，その対策方策を探る。
❑排出ガス規制の強化による大気環境改善効果の検討・評価を行う。（大気モデルの活用・提供を図る。）
PECのHPより

PEC/JPECにおける燃料利用技術事業の経緯

16

1997年4月自動車業界と石油業界の共同研究がスタートし，2020年に至る23年間の実績（経済産業省の補助金事業）
Japan AuTo Oil Program
Japan Clean Air Program

Japan Marine and Auto Petroleum Program

呼称

JCAPⅠ

JCAPⅡ

JATOPⅠJATOPⅡJATOPⅢ

J-MAP

期間'97.4～'02.3(５年間)'02.4～'07.3(５年間)'07.4～'12.3(５年間)'12.4～ '15.3(３年間)'15.4～ '18.3(３年間)'18.4～ ‘20.3
(2年間)

目的

大気環境改善（一層の 排出ガス低減）実施
内容❏ガソリン，軽油の低S化（10ppmによるエミッション及び燃費向上効果を確認❏ETBE 8% (E3相当）混合利用は，排出ガスと実用性能の点で問題のないことを確認「CO2削減」 「燃料多様化」 「排出ガス低減」の同時実現❏燃料多様化への対応検討（JATOPⅠ)
・バイオ燃料の高濃度利用（E10，ETBE22, B5等）
・非在来型石油基材の利用❏将来のディーゼル燃料の検討(JATOPⅠ)❏分解留分の自動車用燃料としての利用に関する研究(JATOPⅡ, Ⅲ，J-MAP)

17

わが国における燃料中の硫黄低減
1.2%

軽 油

石油企業の自主的取組みで，10ppm以下の低Ｓ化を早期実現し，東京都の「ディーゼルNO作戦」にも貢献。
（米国では15ppm，EUでは10ppm）

0.5%

1953 76

500ppm50ppm
0.2%<10ppm92

97 2003 ’05-’07

JCAP

ガソリン
100ppm50ppm<10ppm2005 ’05-’08

JCAP Ⅰ,Ⅱ(1997.4-2007.3）❏排出ガス規制の強化に伴う低S化の必要性（大気中のSO2も低減）
・ NOx低減のためのEGRによるエンジン部品の腐食摩耗の対策
・ 潤滑油由来の灰分（CaSO4）によるDPFの目詰まり防止（低ｱｯｼｭ油の利用）
・ NOx吸蔵還元触媒におけるS成分の吸蔵・被毒の抑制
特に新長期規制，ポスト新長期規制対応のリーンバーン直噴ガソリン車とディーゼル車における利点（被毒回復制御時に必要な燃料消費量の抑制）❏精製過程での超深度脱硫によるCO2増加
・ NOx吸蔵還元触媒装着車の普及促進で克服？
❏舶用エンジンの硫黄は，2020年に2.0%から0.5%以下に低減（J-MAP）

JATOPⅠの狙いと成果

18

JATOP

既販車でバイオ燃料や低セタン価燃料を使用した際の 「CO2削減」 「燃料多様化」「排出ガス低減」の３課題の同時実現の可能性を明確化する。
❏バイオディーゼル（FAME）を高濃度（5%超）に混合した場合のエンジン系統と排出ガスへの影響に関わる技術的課題を明確化⇒FAME混合軽油の規格化（品質確保法）：B5❏エタノール10%混合ガソリン（E10）の規格化（品質確保法，JIS)と車両における技術的課題を明確化⇒運転性能，燃料系統部品の耐腐食性，ゴム材の透過/膨潤の防止，燃料蒸発ガス抑制機能など安全・環境面の対策が講じられることになった。
❏将来を想定した低セタン価試験燃料使用時の既販車における運転性能，排出ガスへの影響を把握

エネルギー供給構造高度化法の施行（2010年）

19JATOP＜背景＞：国内燃料油需要の減少とA重油及びB・C重油の需要減少に対して重質油の分解系ガソリン・軽油の有効利用の検討を行うことが重要。

⇒ JATOPⅡ，Ⅲの取組みへ❏１次告示（2010年7月）：「重質油分解装置」装備率（重質油分解装置能力/原油処理装置能力）の向上義務づけ❏２次告示（2014年6月）：「残油処理装置」装備率（残油装置能力/原油処理装置能力）の向上義務づけ❏３次告示（2017年10月）：「減圧蒸留残渣油（VR）」の処理率向上義務づけ（資源エネルギー庁HPを参照）

JATOPⅢの成果（１）～ディーゼル車研究の成果～

20JATOP❏燃料側
分解軽油混合増で芳香族分が増えても，一定のセタン価を維持しつつ蒸留軽質化することが，DPF負荷に対する燃料側の対策として有効なことを明らかにした。一方，セタン価向上剤に含まれるN成分によって，NOx排出量が増加する点に注意を要する。
❏車両側
そのような燃料を利用する場合，尿素SCRシステムはNOxだけでなく，DPF負荷に対しても有効であることが分かった。
【分解軽油混合増による性状変化】✓ セタン価：低下
現行2号
軽油✓ 芳香族分：増加

分解軽油混合量増加【懸念される自動車性能】✓✓✓✓

排出ガス・燃費
DPF負荷
排気系ハード噴射系ハードJATOPⅢの成果（2）～ガソリン車研究の成果～～分解ガソリンの混合量増加に伴う影響について～

JATOP❏オレフィンが30vol%程度まで増加しても，重質アロマが現行市場上限相当であれば，排出ガス，デポジットの悪化は認められなかった。
❏その際，相対的にトータルアロマが減少するため，重質アロマが増加する場合でも，ＰＮの増加を抑制できる可能性があることがわかった。例えば，トータルアロマが5ｖｏｌ％低減の場合，Ｃ11Ａが1vol%増加しても，ＰＮは分解ガソリン増量前と同程度以下になると考えられる。
❏さらに，オレフィンが40vol%程度まで大幅に増加しても，重質アロマが現行市場相当（C11Aは1vol%程度） であれば，排出ガスとデポジットの悪化は認められなかった。
【分解ガソリン混合増による性状変化】【懸念される自動車性能】✓ オレフィン：増加✓ 排出ガス・燃費

現行レギュ
ラーガソリン✓ 重質アロマ：増加✓ デポジット

分解ガソリン混合量増加

21

エネルギー供給構造高度化法の新基準を受けて

22

J-MAP

＜３次告示＞ （2017年10月）
各社に減圧蒸留残渣油（VR）の処理率（=１日当りVR通油量/１日当り原油処理量）向上を義務づけ。（2021年度末までに国内平均VR処理率を7.5%程度まで向上。）

残渣油の処理率の更なる向上
により，分解系留分が増加すると想定される。

JATOP Ⅰ
2007～2011年度

JATOP Ⅱ
2012～2014年度

JATOP Ⅲ
2015～2017年度

J-MAP
2018～2019年度

石油の有効利用の手段として，分解系留分の自動車燃料としての利用拡大が必要とされた。
<資源エネルギー庁HPを参考に作成>

J-MAPにおける自動車・燃料研究の目的

23

J-MAP

【１】ＪＡＴＯＰⅢで明らかになった課題について，対策の可能性を明らかにする。
❏ディーゼル車研究（自動車業界と石油業界の共同研究）
・ＤＰＦ負荷に対する燃料側の対策として実用化に資する蒸留軽質化の効果を確認する。
❏ガソリン車研究（自動車業界と石油業界の共同研究）
・分解ガソリンの利用拡大に伴って重質アロマ分が増える場合に懸念される自動車からのPN排出について、種々の車両技術に対する燃料組成による改善効果を把握する。
・分解ガソリンの利用拡大に伴ってオレフィン分，重質アロマ分が増える場合に懸念されるエンジンデポジットへの影響，添加剤等による改善効果を把握する。
【２】分解ガソリン留分の将来にわたっての利用可能性の把握に資する。

❏将来燃焼研究（石油業界の独自研究）
・将来のエンジンにおける高効率燃焼技術の一つである「超希薄燃焼」に対する燃料性状影響に関する技術的知見を得る。

24

J-MAPの委員会・WG運営体制図
J-MAP

J-MAP: Japan Marine and Auto Petroleum program

J-MAP

JPEC 自動車･新燃料部【事務局】

船舶・自動車及び燃料研究委員会

船舶・燃料企画小委員会

自動車・燃料企画小委員会
自動車・燃料専門委員会

船舶・燃料専門委員会

船舶・燃料研究WG（船舶業界と石油業界の共同研究）

ガソリン車WG

ディーゼル車WG（自動車業界と石油業界の共同研究）

将来燃焼研究WG（石油業界の独自研究）

J-MAPの成果報告（自動車・燃料WG）❏ ディーゼル車WG報告 （自動車業界と石油業界の共同研究）❏ガソリン車WG報告 （自動車業界と石油業界の共同研究）❏将来燃焼研究WG報告 （石油業界の研究）

25

今後の自動車用エンジン・燃料技術
燃焼技術
新燃焼ｺﾝｾﾌﾟﾄ
可変機構
材料
電子制御（ｾﾝｻ，ｱｸﾁｭｴｰﾀ）実験・計測
数値ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
最適制御

燃焼反応化学
燃料設計・合成性状適正化（ｵｸﾀﾝ価,ｾﾀﾝ価）
天然ｶﾞｽ
低炭素燃料
（ﾊﾞｲｵﾏｽ・水素e-gas, e-fuel）

後処理技術

燃料技術

フィルター技術
触媒化学・技術

分解系留分の利用
品質の確保

従来車
ハイブリッド車
プラグインハイブリッド車

26