JP2017106036A

JP2017106036A - 燃料油

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Publication number: JP2017106036A
Application number: JP2017041885A
Authority: JP
Inventors: 惠一古関; Keiichi Koseki; 武虎内木; Taketora Uchiki
Original assignee: Tonen General Sekiyu KK
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JP6448690B2

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、燃料油全量を基準として炭化水素油を６０容量％以上含み、炭化水素油全量を基準として、飽和炭化水素の含量が３０容量％以上であり、オレフィン系炭化水素の含量が１０容量％以下であり、芳香族炭化水素の含量が６５容量％以下であり、ナフテン系炭化水素含量が４５容量％以下であり、蒸留の初留点が１００℃以上である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、特定の組成および蒸留性状を有する燃料油が、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、燃料油全量を基準として炭化水素油を６０容量％以上含み、炭化水素油全量を基準として、飽和炭化水素の含量が３０容量％以上であり、オレフィン系炭化水素の含量が１０容量％以下であり、芳香族炭化水素の含量が６５容量％以下であり、ナフテン系炭化水素含量が４５容量％以下であり、蒸留の初留点が１００℃以上である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、燃料油全量を基準として炭化水素油を６０容量％以上、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％含み、炭化水素油全量を基準として、飽和炭化水素含量が３０容量％以上であり、オレフィン系炭化水素含量が１０容量％以下であり、芳香族炭化水素の量が６５容量％以下であり、ナフテン系炭化水素含量が４５容量％以下であり、蒸留の初留点が１００℃以上である。

上記飽和炭化水素含量は、燃焼の始動性を確保する点から、３５容量％以上、好ましくは５０容量％以上、より好ましくは６０容量％以上、さらに好ましくは７０容量％以上である。上限は限定的でないが、好ましくは１００容量％、さらに好ましくは９５容量％、より好ましくは９０容量％である。

上記オレフィン系炭化水素含量は、火炎伝播特性および酸化安定性の観点から、１０容量％以下であり、下限は限定的ではないが、好ましくは０容量％である。

上記芳香族炭化水素含量は、燃焼効率の点から、６５容量％以下、好ましくは５０容量％以下であり、また、０容量％以上が好ましく、３０容量％以上がより好ましく、４０容量％以上がさらに好ましい。

上記ナフテン系炭化水素含量は、排ガス中のＴＨＣの量を低減する点から、４５容量％以下、好ましくは４０容量％以下、より好ましくは３０容量％以下であり、下限は限定的ではないが、好ましくは０容量％である。

上記の飽和炭化水素含量、オレフィン系炭化水素含量および芳香族炭化水素含量は、ＪＰＩ−５Ｓ−４９−９７に定めるＨＰＬＣ法により測定される値である。また、ナフテン系炭化水素含量は、ＡＳＴＭＤ２４２５「Standard Test Method for Hydrocarbon Types in Middle Distillates by Mass Spectrometry」により測定される値である。

また、本発明の燃料油の蒸留性状は、蒸留の初留点（ＩＢＰ）が１００℃以上である点を除いて何ら制限はないが、初留点（ＩＢＰ）は１００℃以上１９０℃以下が好ましく、１３０℃以上１９０℃以下がより好ましく、１４５℃以上１９０℃以下が最も好ましい。初留点が低いと、引火性が高くなり、また蒸発ガス（ＴＨＣ）が発生し易くなり、取扱性に問題がある。

蒸留の初留点以外については、１０容量％留出温度（Ｔ_１０）が１２０℃以上２１０℃以下が好ましく、１４０℃以上２３０℃以下がより好ましく、１６０℃以上２３０℃以下が最も好ましい。また、３０容量％留出温度（Ｔ_３０）は１６０℃以上２２０℃以下が好ましく、５０容量％留出温度（Ｔ_５０）は１８０℃以上２４０℃以下が好ましく、７０容量％留出温度（Ｔ_７０）は２００℃以上２６５℃以下が好ましく、９０容量％留出温度（Ｔ_９０）は２１０℃以上３００℃未満が好ましく、２１０℃以上２９５℃未満がより好ましく、９５容量％留出温度（Ｔ_９５）は２２０℃以上３１５℃以下が好ましく、２２０℃以上３０５℃以下がより好ましく、２２０℃以上３００℃以下が最も好ましい。蒸留終点（ＥＰ）は２３０℃以上３３０℃以下が好ましく、２３０℃以上３１０以下がより好ましく、２３０℃以上２８０℃以下が最も好ましい。

１０容量％留出温度（Ｔ₁₀）が低いと、引火性が高くなり、また蒸発ガス（ＴＨＣ）が発生し易くなり、取扱性に問題がある。９５容量％留出温度（Ｔ₉₅）及び蒸留終点（ＥＰ）の上限値は、排出ガス中のＴＨＣの量が少ない点などから規定される。

上記蒸留の初留点（ＩＢＰ）、１０容量％留出温度（Ｔ_１０）、３０容量％留出温度（Ｔ_３０）、５０容量％留出温度（Ｔ_５０）、７０容量％留出温度（Ｔ_７０）、９０容量％留出温度（Ｔ_９０）、９５容量％留出温度（Ｔ₉₅）および終点（ＥＰ）は、ＪＩＳＫ２２５４「石油製品−蒸留試験方法」によって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、２００質量ｐｐｍ以下であり、１００質量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、８０質量ｐｐｍ以下であることがさらにより好ましく、２０質量ｐｐｍ以下であることが一層好ましく、下限は限定的ではないが、好ましくは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、ＪＩＳＫ２５４１「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、ＡＳＴＭＤ４０４５−９６「Standard Test Method for Sulfur in Petroleum Products by Hydrogenolysis and RateometricColorimetry」により測定される値である。

本発明の燃料油の煙点は、限定的ではないが、１８ｍｍ以上が好ましく、２１ｍｍ以上がさらに好ましい。なお、煙点は、ＪＩＳＫ２２０３により測定される。

本発明の燃料油の製造方法については、特に制限はない。具体的には例えば、原油を蒸留して得られる灯油留分を脱硫した脱硫灯油、脱硫灯油を水素処理して低芳香族、低硫黄化した脱硫水添灯油、天然ガス等を一酸化炭素と水素に分解した後にＦ−Ｔ（Fischer-Tropsch ）合成で得られる「ＧＴＬ（Gas to Liquids）」の灯油留分（ＧＴＬ灯油）、減圧留出油等を水素化脱硫・分解して得られる灯油相当留分(水素化分解灯油)、残油・減圧留出油等を接触分解して得られる灯油相当留分(接触分解灯油)、重油・残油等を直接脱硫の後に得られる灯油相当留分(重油直接脱硫灯油）等の炭化水素油の１種または２種以上を用いて製造される。したがって、ＧＴＬ灯油と脱硫灯油、ＧＴＬ灯油と脱硫水添灯油といったＧＴＬ灯油組成物も使用できるし、脱硫灯油と水素化分解灯油からなる組成物のように、石油系燃料のみからなる灯油組成物の使用も可能である。

また、必要に応じて、本発明の要旨を損なわない範囲で、ガソリン基材を添加することができる。ガソリン基材としては、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、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）、改質ガソリンの軽質留分（軽質改質ガソリン）、改質ガソリンの中重質留分（中重質改質ガソリン）、改質ガソリンの重質留分（重質改質ガソリン）、接触分解法や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（軽質分解ガソリン）、分解ガソリンの重質留分（重質分解ガソリン）、分解ガソリンを脱硫処理した脱硫分解ガソリン、分解ガソリンの軽質留分を脱硫処理した脱硫軽質分解ガソリン、分解ガソリンの重質留分を脱硫処理した脱硫重質分解ガソリンを添加することもできる。このうち、特に芳香族炭化水素を含有するガソリン基材が好ましく、たとえば、改質ガソリンの中重質留分、改質ガソリンの重質留分、分解ガソリンの重質留分、分解ガソリンを脱硫処理した脱硫分解ガソリンおよび分解ガソリンの重質留分を脱硫処理した脱硫重質分解ガソリンが好ましい。

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、識別のための着色剤、酸化安定度向上のための酸化防止剤、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、および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１〜８
表３に示す量（容量％）の基材を使用して、表３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１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１と同様にして運転を行った。ＮＯＸ排出量は２００ｐｐｍであり、ＴＨＣ排出量は４００ｐｐｍであった。

比較例２
実施例１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

すなわち、本発明は、燃料油全量を基準として炭化水素油を８０容量％以上含み、炭化水素油全量を基準として、飽和炭化水素の含量が３５容量％以上１００容量％以下であり、オレフィン系炭化水素の含量が１０容量％以下であり、芳香族炭化水素の含量が６５容量％以下であり、ナフテン系炭化水素含量が４５容量％以下であり、蒸留の初留点が１００℃以上１９０℃以下、１０容量％留出温度（Ｔ _１０）が１２０℃以上２１０℃以下、５０容量％留出温度（Ｔ _５０）が１８０℃以上２４０℃以下、９０容量％留出温度（Ｔ _９０）が２１０℃以上３００℃未満、９５容量％留出温度（Ｔ _９５）が２２０℃以上３１５℃以下、蒸留終点（ＥＰ）が２３０℃以上３３０℃以下である燃料油を内燃機関において使用する方法であって、上記内燃機関が、始動時に、上記燃料油と、１０〜５０容量％の酸素を含む気体が供給され、始動後に、上記燃料油と、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、上記方法である。

Claims

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、燃料油全量を基準として炭化水素油を６０容量％以上含み、炭化水素油全量を基準として、飽和炭化水素の含量が３０容量％以上であり、オレフィン系炭化水素の含量が１０容量％以下であり、芳香族炭化水素の含量が６５容量％以下であり、ナフテン系炭化水素含量が４５容量％以下であり、蒸留の初留点が１００℃以上であることを特徴とする前記燃料油。
蒸留の初留点が１００℃以上１９０℃以下であり、１０容量％留出温度が１２０℃以上２１０℃以下であり、９５容量％留出温度が２２０℃以上３１５℃以下であり、かつ終点が２３０℃以上３３０℃以下である、請求項１記載の燃料油。
硫黄分含有量が２００質量ｐｐｍ以下である、請求項１または２記載の燃料油。
含酸素化合物を含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料油。
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１〜４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。
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１〜４のいずれか１項記載の燃料油が使用される、前記気動車。