JP2014169367A - 燃料油 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料油と、酸素を６５体積％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関において使用される燃料油であって、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が少ない燃料油を提供する。
【解決手段】燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関において使用される燃料油であって、リサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材および、多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材を含むことを特徴とする前記燃料油。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料油を燃焼させることにより動力を得る内燃機関において有用な燃料油、この燃料油を用いる内燃機関および上記燃料油を用いる内燃機関を搭載した気動車に関する。

ガソリン等の燃料油を燃焼させて動力を得る内燃機関、特に自動車用エンジンでは、燃料油が空気と混合されて燃焼に付される。空気中に７８．０％存在する窒素分子が、燃焼過程において１酸化１窒素、１酸化２窒素およびその二量体、２酸化３窒素などの窒素酸化物（ＮＯＸ）を生成し、それらが無視できない量で排出されるという問題がある。さらに、上記空気中に含まれる窒素は、酸素による燃焼の働きを抑える作用をするため、燃焼室において未燃の炭化水素が残り、それが排ガスとして排出され得る。ＮＯＸや全炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を低減するために、三元触媒やＮＯＸ吸蔵還元触媒が使用されている。

しかし、三元触媒は、その効果を発揮するために、燃料油と空気の量が理論空燃比（ストイキオメトリ）を満たすことと共に厳しい温度管理が必要であり、また、白金やロジウムなどの高価な貴金属を必要とする。

また、水素を燃料として燃焼させて動力を得るエンジンが知られている（例えば特許文献１および２）。このエンジンでは、水素が、酸素と、作動ガスとしてのアルゴンガスとともに燃焼に付され、非常に高い熱効率を有するとともに、窒素を使用しないので、ＮＯＸを排出する恐れがない。しかし、水素を使用するので、爆発の危険性が高く、取扱いには注意が必要であり、簡便に利用できるものではない。

特開平１１−９３６８１号公報 特開２００９−６８３９２号公報

本発明者らは、燃料油の燃焼において、従来の空気に代えて、酸素を６５容量％以上含む気体を使用することにより、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が低減されることを先に見出した（特願２０１２−２８６９４２号）。本発明の目的は、このような燃焼により動力を得る内燃機関において有用な燃料油であって、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が少ない燃料油を提供することである。

本発明者らは、特定の基材を有する燃料油が、酸素を６５容量％以上含む気体とともに燃焼に付されると、上記目的が達成されることを見出した。

すなわち、本発明は、燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関において使用される燃料油であって、リサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材および、多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材を含むことを特徴とする前記燃料油である。
また、本発明は、燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関であって、該燃料油として上記燃料油が使用される内燃機関を提供する。
また、本発明は、燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関を搭載した気動車であって、該燃料油として上記燃料油が使用される気動車を提供する。

本発明の燃料油は、酸素を６５容量％以上含む気体との燃焼に付されるとき、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が少なく、したがって、このような燃焼により動力を得る内燃機関において、必ずしも三元触媒やＮＯＸ吸蔵還元触媒を使用する必要がない。また、本発明の燃料油を使用する上記内燃機関は、車両、例えば気動車や自動車等、において好適に使用することができる。

実施例で使用した内燃機関システムを示す模式図である。

本発明の燃料油は、酸素を６５容量％以上含む気体とともに燃料油が燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関において使用される。

図１は、上記内燃機関を含むシステムの一例を示す図である。内燃機関１０は、燃焼室を有する。燃焼室では、燃料タンク１から供給された燃料油が、プリサーバ５を経由して供給される気体と一緒に燃焼に付される。上記気体は、定常状態の燃焼において、酸素を６５容量％以上含む。上記気体は、ＮＯＸの生成を抑える点から、窒素を含まないのが好ましい。

このような内燃機関において使用される本発明の燃料油は、リサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材および、多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材を含む。なお、上記リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）は、ＪＩＳ Ｋ ２２８０「オクタン価及びセタン価試験方法」により測定される値である。

リサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材は、この条件を満たす限り、どのようなガソリン基材であっても構わない。具体的には、原油を常圧蒸留して得られる軽質ナフサ、原油を常圧蒸留して得られる重質ナフサ、原油を蒸留して得られるナフサ留分を脱硫処理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、アルキレートを脱硫処理した脱硫アルキレート、脱硫されたイソブタン等の炭化水素と脱硫された低級オレフィンによる低硫黄アルキレート、接触改質法で得られる改質ガソリンから芳香族分をスルフォラン抽出した残分であるラフィネート（スルフォランラフィネート）、接触分解法で得られる分解ガソリンの軽質留分(軽質分解ガソリン)および改質ガソリンの軽質留分（軽質改質ガソリン）が挙げられる。中でも、軽質ナフサ、重質ナフサ、脱硫フルレンジナフサ、脱硫軽質ナフサ、脱硫重質ナフサおよび異性化ガソリンが好ましい。リサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材の量は、限定的ではないが、燃料油全量を基準として、１容量％以上が好ましく、３容量％以上がより好ましく、５容量％以上がさらに好ましく、１０容量％以上がより一層好ましく、また、９９容量％以下が好ましく、９７容量％以下がより好ましく、９５容量％以下がさらに好ましく、９０容量％以下がより一層好ましい。

多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材は、この条件を満たす限り、どのような基材であっても構わない。ここで、多環芳香族炭化水素は、互いに縮合した２以上の芳香環を有する炭化水素であり、具体的には、ナフタレンなどの２環芳香族炭化水素、アセナフテン、アセナフチレン、アントラセン、フルオレンおよびフェナントレンなどの３環芳香族炭化水素、ならびにピレン、フルオランテンおよびベンゾ［ａ］ピレン等の４以上の芳香環を有する芳香族炭化水素が挙げられる。上記基材の具体例としては、接触改質法で得られる改質ガソリンの重質留分（特に、１６０℃以上の留分）、接触分解法で得られる分解ガソリンの重質留分（特に、１６０℃以上の留分）、接触分解灯油、接触分解灯油の重質留分、接触分解軽油、接触分解軽油の重質留分、ナフタレン等の２環芳香族炭化水素、アセナフテン、アセナフチレン、アントラセン、フルオレンおよびフェナントレン等の３環芳香族炭化水素、４以上の芳香環を有する芳香族炭化水素、ならびに１以上の多環芳香族炭化水素を含有する芳香族炭化水素系溶剤（例えば、エクソンモービルケミカル社製のＳ２０0（商品名））が挙げられる。中でも、常温で液体のものが好ましく、特に、接触分解灯油、接触分解軽油および上記芳香族炭化水素系溶剤が好ましい。上記基材は、上述のように、多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材であれば、どのような基材であっても構わないが、好ましくは多環芳香族炭化水素を２０容量％以上含有する基材、さらに好ましくは多環芳香族炭化水素を３０容量％以上含有する基材、より一層好ましくは多環芳香族炭化水素を４０容量％以上含有する基材が好ましい。多環芳香族炭化水素含量の上限は１００容量％であり、好ましくは９５容量％である。上記多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材の量は、限定的ではないが、燃料油全量を基準として、１容量％以上が好ましく、３容量％以上がより好ましく、５容量％以上がさらに好ましく、１０容量％以上がより一層好ましく、また、９９容量％以下が好ましく、９７容量％以下がより好ましく、９５容量％以下がさらに好ましく、９０容量％以下がより一層好ましい。

本発明の燃料油の蒸留性状は、特に制限されないが、蒸留の初留点（IBP）は、燃焼の始動性を確保する点から、２１℃以上７５℃以下が好ましく、２８℃以上６５℃以下がより好ましく、３０℃以上６０℃以下がさらに好ましい。１０容量％留出温度（Ｔ_１０）は、燃焼の始動性を確保する点から、４０℃以上８５℃以下がこのましく、４５℃以上８０℃以下がより好ましく、５０℃以上７５℃以下がさらに好ましい。５０容量％留出温度（Ｔ_５０）は限定的ではないものの、１３０℃以上３００℃以下が好ましい。

９０容量％留出温度（Ｔ₉₀）は、２４０℃以上３９０℃以下が好ましく、２４０℃以上３６０℃以下がより好ましく、２４０℃以上３３０℃以下がさらにより好ましく、２４０℃以上３１０℃以下が最も好ましい。９５容量％留出温度（Ｔ₉₅）は、２５０℃以上４３０℃以下が好ましく、２５０℃以上４００℃以下がより好ましく、２５０℃以上３８０℃以下がさらに好ましく、２５０℃以上３２０℃以下が最も好ましい。終点（ＥＰ）は、２６０℃以上４５０℃以下が好ましく、２６０℃以上４１０℃以下がより好ましく、２６０℃以上３９０℃以下がさらに好ましく、２６０℃以上３６０℃以下が最も好ましい。上記９０容量％留出温度（Ｔ₉₀）、９５容量％留出温度（Ｔ₉₅）及び終点（ＥＰ）の上限値は、排出ガス中のＴＨＣの量が少ないなどの点から規定される。

上記した初留点（ＩＢＰ）、１０容量％留出温度（Ｔ₁₀）、５０容量％留出温度（Ｔ₅₀）、９０容量％留出温度（Ｔ₉₀）、９５容量％留出温度（Ｔ₉₅）、及び終点（ＥＰ）は、ＪＩＳＫ ２２５４「石油製品−蒸留試験方法」によって測定される蒸留性状である。

本発明の燃料油は、好ましくは、燃料油全量に基づいて、炭化水素油を６０容量％以上、より好ましくは８０容量％以上、さらに好ましくは９０容量％以上、さらに好ましくは９３容量％〜１００容量％含む。炭化水素油中の飽和炭化水素含量、芳香族炭化水素含量およびオレフィン系炭化水素含量については特に限定されないが、以下に好ましい態様を記載する。

飽和炭化水素含量は、燃焼の始動性確保の観点から、３５容量％以上が好ましく、４０容量％以上であることがより好ましく、４５容量％以上であることがさらに好ましい。オレフィン系炭化水素含量は、火炎伝播特性の観点から、１容量％以上が好ましく、５容量％以上であることがより好ましい。

芳香族炭化水素含量は、燃焼効率の観点から、５容量％以上であることが好ましく、１０容量％以上であることがさらに好ましく、１５容量％以上であることがさらに好ましい。上限についても限定的ではないが、６５容量％以下であることが好ましく、６０容量％以下であることがさらに好ましく、５５容量％以下であることがより好ましい。

また、炭化水素油中の１環芳香族炭化水素含量は、燃費が良いことおよび排出ガス中のＴＨＣの量が少ないことから、３５容量％以下が好ましく、３０容量％以下であることがより好ましく、２７容量％以下であることがさらに好ましく、下限については、０容量％以上であることが好ましく、１容量％以上であることがより好ましく、３容量％以上であることがさらに好ましい。炭化水素油中の２環芳香族炭化水素含量は、燃費が良いことおよび排出ガス中のＴＨＣの量が少ないことから、２５容量％以下が好ましく、１５容量％以下であることがより好ましく、１０容量％以下であることがさらにより好ましく、下限については、０容量％以上であることが好ましく、１容量％以上であることがさらに好ましく、３容量％以上であることがさらに好ましい。炭化水素油中の３環以上の多環芳香族炭化水素含量は、燃費が良いことおよび排出ガス中のＴＨＣの量が少ないことから、１５容量％以下が好ましく、１０容量％以下であることがより好ましく、７容量％以下であることがさらにより好ましく、下限については、０容量％以上であることが好ましく、１容量％以上であることがさらに好ましく、３容量％以上であることがさらに好ましい。ただし、２環以上の多環芳香族炭化水素含量は、１容量％以上であることが好ましく、３容量％以上であることがより好ましい。

上記の飽和炭化水素含量、芳香族炭化水素含量、１環芳香族炭化水素含量、２環芳香族炭化水素含量、３環以上の多環芳香族炭化水素含量およびオレフィン系炭化水素含量は、全てＪＰＩ−５Ｓ−４９−９７に定めるＨＰＬＣ法により測定される値である。

本発明の燃料油の硫黄含量は何ら制限されない。これは、本発明の燃料油は、上記特定の内燃機関において使用されるものであり、上述したように、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量が少なく、したがって、三元触媒等の触媒を使用する必要がないからである。従来の内燃機関では、ＮＯＸやＴＨＣ等の排ガスの量を低減するために三元触媒等の触媒が使用され、燃料油中の硫黄含有量が多いと触媒が失活するが、本発明の燃料油は、そのような触媒の使用が不要であり、したがって、硫黄含量は何ら制限されない。好ましくは、内燃機関のシステムの劣化を小さくできることなどから、燃料油の全量を基準として、２０００質量ｐｐｍ以下であり、５００質量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、２００質量ｐｐｍ以下であることがさらにより好ましく、８０質量ｐｐｍ以下であることが一層好ましく、２０質量ｐｐｍ未満であることが最も好ましく、下限は限定的ではないが、０質量ｐｐｍである。

上記硫黄含量は、１質量ｐｐｍ以上の場合には、ＪＩＳ Ｋ ２５４１「原油及び石油製品−硫黄分試験方法」により測定される値であり、１質量ｐｐｍ未満の場合には、ＡＳＴＭ Ｄ４０４５−９６「Standard Test Method for Sulfur in Petroleum Products byHydrogenolysis and Rateometric Colorimetry」により測定される値である。

本発明の燃料油の製造方法は、本発明の要旨を損なわない限り、特に制限されない。上述したリサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材の１種以上および上述した多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材の１種以上を用いて製造され得る。

本発明の燃料油の製造において、含酸素化合物をさらに添加してもよい。上記含酸素化合物としては、たとえば、メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）およびエチルターシャリーブチルエーテル（ＥＴＢＥ）などのエーテル類、メタノール、エタノール、１−ブタノール、２−ブタノールおよびイソブタノールなどのアルコール類が挙げられる。本発明の燃料油中の上記含酸素化合物の量は、限定的ではないが、４０容量％以下が好ましく、より好ましくは２０容量％以下、さらに好ましくは１０容量％以下、さらに好ましくは７容量％以下である。

本発明の燃料油には、識別のために着色剤、酸化安定度向上のために酸化防止剤、金属不活性化剤、腐食防止のための腐食防止剤、燃料ラインの清浄性維持のための清浄剤、潤滑性向上のための潤滑性向上剤等の添加剤を添加してもよい。

本発明の燃料油が使用されるところの上記内燃機関は、その始動をより安定的に行うために、始動時（すなわち、燃焼の開始時）には、酸素とともに窒素および任意的な希ガスを含む気体が燃焼室に供給されるのが好ましい。上記酸素の量は気体の１０〜５０容量％、好ましくは１０〜４０容量％であり、窒素の量は気体の５０〜９０容量％、好ましくは６０〜９０容量％であり、希ガスの量は０〜２０容量％、好ましくは０〜１５容量％であるのが好ましい。なお、希ガスは、元素周期律表の１８族元素を意味し、典型的にはアルゴンである。

内燃機関の始動後は、上記気体中の酸素の割合を徐々にまたは段階的に増加させることができ、運転が定常状態に達すると（典型的には、始動時から１０〜３０秒後）、酸素を６５容量％以上含む気体を、好ましくは酸素を７５〜１００容量％含む気体を、さらに好ましくは酸素を８５〜１００容量％含む気体を、さらに好ましくは酸素を９０〜１００容量％含む気体を、最も好ましくは酸素のみからなる気体を燃焼に付すことにより、安定的に運転を続けることができるとともに、ＮＯＸの排出を抑えることができる。空気を使用する従来の内燃機関では、空気中に多量に含まれる窒素が酸素による燃焼の働きを抑える作用をするため、燃焼室において未燃の炭化水素が残り、排ガスとして排出されるが、本発明の内燃機関では、上記気体が６５容量％以上の酸素を含むので、未燃の炭化水素量を少なくすることができ、したがって、全炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を抑えることができる。また、未燃の炭化水素量が少ないので、燃焼効率が高い。

運転が定常状態に達したときの気体は、本発明の効果を損なわない範囲で、窒素および／または希ガスを含んでいてもよい。含み得る窒素の量は、気体の０〜３５容量％、好ましくは０〜１５容量％であり、希ガスの量は、気体の０〜１０容量％、好ましくは０〜５容量％である。これらの量範囲であれば、燃焼温度低下効果があり、気体が窒素を含んでいても、ＮＯＸの排出量は少なめである。

始動時およびその後の気体の成分の割合が適宜調整できるように、かつ圧力変動を低減して気体を燃焼室に安定的に供給することができるように、上記酸素、窒素および希ガスは、好ましくは、図１に示されるように、各気体のボンベから燃焼室へ供給される。窒素の供給は、窒素ボンベの他に空気ボンベを使用して行ってもよく、あるいは、自然吸気によって行ってもよい。図１では、窒素、酸素および希ガス（アルゴン）がそれぞれ、空気ボンベ２、酸素ボンベ３およびアルゴンボンベ４からプリサーバ５を経由して燃焼室に供給される。

上記内燃機関では、燃焼に付される気体が酸素を６５容量％以上の量で含むので、ＮＯＸの排出が有意に低減され、したがって、高価な三元触媒や窒素酸化物吸蔵還元触媒を使用する必要がない。これは、内燃機関の簡素化および低コスト化をもたらす。しかし、本発明における内燃機関は、触媒を一切使用しないことを意図したものではなく、必要に応じて、少量の三元触媒や慣用的に使用される他の触媒（例えば吸着剤）を使用してもよい。

本発明における内燃機関は、必要に応じて、燃料油を改質するための改質器を備えることができる。これにより、重質化した燃焼効率の良い燃料油を内燃機関に供給することができる。この場合において、燃料油の改質は、燃料油の全体について行ってもよいが、必ずしもその必要はなく、一部についてのみ行ってもよい。

さらに、上記内燃機関は、ノッキング防止のために、圧縮比を例えば８．５以下に下げる、および／または冷却水出口温度を例えば５０〜８０℃に下げるなどを、必要に応じて行うことができる。また、酸素吸入抵抗防止のために、膨張と収縮が可能なバッファバックを設置するのが好ましい。バックファイヤ防止のために、低回転域にしたり、吸入負圧を下げすぎないようにしたり（例えば、４００ｍｍＨｇ以下にしない）、および／またはバルブクリアランスを調整したりするのが好ましい。

以下に、本発明を実施例により説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。実施例で使用した炭化水素油の性状等を表１〜２に示す。

実施例１〜１２
下記表１〜２に示す燃料油基材を表３〜４に示す量（容量％）で使用して、表３〜４に示す燃料油を製造した。得られた燃料油を、図１に示す内燃機関システムにおいて使用して、ＮＯＸ排出量およびＴＨＣ排出量を測定した。結果を表３〜４に示す。なお、内燃機関１０として、４サイクル２気筒で総排気量３５９ｃｃのものを使用した。燃料油は燃料タンク１から供給され、気体は、空気ボンベ２、酸素ボンベ３、アルゴンボンベ４からプリサーバ５に供給された後、内燃機関１０の燃焼室に供給された。排気は、酸化触媒６で処理した後、冷却管７を通って排出された。排出された気体は、アルゴンガスおよび二酸化炭素が主体であり、その他に液体として水が排出された。

内燃機関の運転は、以下のように行った。すなわち、始動時に、酸素、アルゴンおよび窒素をそれぞれ、２０．９容量％、０．９容量％および７８．１容量％の量で含む気体を燃焼室に供給した。始動から３０秒経過後に目視によって定常状態になったことが確認され、さらに３０秒間運転を続け、その後、上記気体の組成を酸素８９．３容量％および窒素１０．７容量％に調整して運転を続けた。その結果、１００時間継続して支障なく運転された。なお、内燃機関の回転数を３０００ｒｐｍ、圧縮比を７．６、冷却水温度を６０℃とした。

ＮＯＸ排出量の測定
燃焼が定常状態になったことを目視およびオシロスコープの回転数で確認し、その５〜１０秒後にサンプリングバッグでの排ガスの採取を開始した。採取を１０秒間行った後、採取した排ガスを直ちにＮＯＸ検知管に導入し、色の変化からＮＯＸ量を決定した。

ＴＨＣ排出量の測定
燃焼が定常状態になったことを目視およびオシロスコープの回転数で確認し、その５〜１０秒後にサンプリングバッグでの排ガスの採取を開始した。採取を１０秒間行った後、採取した排ガスを直ちにＴＨＣ検知管に導入し、色の変化からＴＨＣ量を決定した。

比較例１
実施例１１において、内燃機関１０の燃焼室に供給された気体を、始動時も定常状態時も共に空気のみにしたことを除いて、実施例１１と同様にして運転を行った。ＮＯＸ排出量は１４０ｐｐｍであり、ＴＨＣ排出量は４００ｐｐｍであった。

比較例２
実施例１１において、始動時における気体として、酸素７０容量％、窒素２９容量％およびアルゴン０．９容量％を含むものを使用した。バックファイヤを生じ、燃焼が不安定になったため、運転を中止した。

１ 燃料タンク
２ 空気ボンベ
３ 酸素ボンベ
４ アルゴンボンベ
５ プリサーバ
６ 酸化触媒
７ 冷却管
１０ 内燃機関

Claims (5)

1. 燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関において使用される燃料油であって、リサーチオクタン価が９６．０以下であるガソリン基材および、多環芳香族炭化水素を１０容量％以上含有する基材を含むことを特徴とする前記燃料油。
2. 硫黄含量が２０００質量ｐｐｍ以下である、請求項１記載の燃料油。
3. 含酸素化合物を含む、請求項１または２記載の燃料油。
4. 燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関であって、該燃料油として請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料油が使用される、前記内燃機関。
5. 燃料油と、酸素を６５容量％以上含む気体とが燃焼に付されるように適合されている燃焼室を有する内燃機関を搭載した気動車であって、該燃料油として請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料油が使用される、前記気動車。

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