JP5436041B2 - 軽油組成物 - Google Patents

Description

本発明は、軽油組成物、特には、排出ガス中の煤、窒素酸化物、未燃焼炭化水素及び一酸化炭素等の環境負荷物質の排出量を低減させることが可能な軽油組成物に関するものである。

乗用車に搭載される小型ディーゼルエンジンの排出ガスは窒素酸化物及び煤を含むため、環境問題等の観点から、窒素酸化物吸蔵触媒で排出ガスに含まれる窒素酸化物を一旦吸蔵した後、還元雰囲気下で脱離した窒素酸化物により排出ガス中の未燃焼炭化水素や一酸化炭素を酸化し、更に、下流にフィルターを設けて大気に放出される煤を低減する方法が提案されている。

一方で、環境負荷物質の排出量削減について燃料の面からも検討されており、例えば、３１０℃以上の高沸点留分が粒子状物質の生成に大きく影響することから、９０％留出温度を低下させることにより粒子状物質の生成を抑制した軽油組成物や、軽質化により特に粒子状物質を構成する溶剤可溶分を減少させた軽油組成物が提案されている（非特許文献１及び２）。また、粒子状物質の生成をエンジンの全負荷範囲で大幅に抑制する為にセタン価向上剤を含有し、９０％留出温度を低くしたディーゼルエンジン用燃料油組成物（特許文献１）や、９０％留出温度及び二環以上の芳香族含有量を低くしたディーゼルエンジン用燃料油組成物（特許文献２）が提案されている。また、排出ガス中の粒子状物質、窒素酸化物、未燃焼炭化水素といった環境汚染物質の排出量を大幅に低減する為に、硫黄分を低くし、蒸留性状と芳香族含有量が特定の条件を満たすディーゼルエンジン用燃料油組成物（特許文献３）が提案されている。

特開２０００−１４４１５５号公報 特開２００１−３０３０７６号公報 特開２００１−３０３０８０号公報

渡辺、秋本他、「軽質化軽油の排出ガス低減効果」，石油・石油化学討論会講演要旨集，ｐ．１７２−１７３（２０００） 武井、藤本他，「ディーゼル排出ガス低減に関する軽油性状の研究」，（社）自動車技術会 学術講演会前刷集，９５４０４２６（１９９５）

しかしながら、これらの提案は必ずしも軽油の物理性状と化学性状が排出ガス性状に及ぼす影響を分離出来ていない。言い換えれば、軽油を軽質化することにより揮発性の良化と高沸点成分量の低減が同時に達成される為、さらに踏み込んで軽油の揮発性と粘性に代表される物理性状が排出ガス性状に及ぼす影響と、軽油の着火性と燃焼性に代表される化学性状が排出ガス性状に及ぼす影響とをそれぞれ考慮し、これら性状を組み合わせて排出ガス性状を最適化することに着目してはいない。また、軽油を軽質化すると、動粘度の低下により燃料噴霧の貫通力が低下するため、噴射ノズル近傍に燃料混合気の濃い領域が生成し、酸素濃度不足により煤が発生し易くなる。また、軽質化により密度や発熱量が低下して、燃費の悪化を引き起こす。さらには、燃料組成分布によっては、軽質化により芳香族含有量が増加して、煤が発生し易くなる場合もある。

また、エンジン出口からの排出ガスは、通常、後処理触媒の酸化触媒で酸化され、更に、煤はディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）で除去されるが、この場合、ＮＯｘの量は触媒前後で変化しないことから、エンジン出口では、ＮＯｘの排出量を低く維持することが必要である。また、煤の排出量が多いと、ＤＰＦへの煤の堆積量が増加して、再生頻度が増加することから、エンジン出口では、煤の排出量も低いことが望ましい。しかしながら、前述のＮＯｘ排出量と煤排出量は、一般にトレードオフの関係にあり、一方の排出量を低減すると、もう一方の排出量が増加してしまう。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、軽油の揮発性と粘性に代表される物理性状と、軽油の着火性と燃焼性に代表される化学性状とを適切に組み合わせることで、ＮＯｘ排出量を低く維持しつつ、該ＮＯｘ排出量とトレードオフの関係にある煤排出量を少なくすることが可能で、ディーゼルエンジンからの排出ガス性状を改善することが可能な軽油組成物を提供することにある。

本発明者らは、軽油の揮発性と粘性に代表される物理性状が排出ガス性状に及ぼす影響と、軽油の着火性と燃焼性に代表される化学性状が排出ガス性状に及ぼす影響とをそれぞれ分離して鋭意研究を進めた結果、軽油の揮発性指標の９０％留出温度と粘性指標の動粘度を特定範囲にした上、軽油の着火性指標のセタン価を特定範囲にし、燃焼性指標の燃料組成を規定することにより、排出ガス性状を最適化できることを見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は次の通りである。

（１）セタン価が４０〜６０、全芳香族分が１９．０〜２３．９容量％、２環芳香族分が６．６容量％以下、３環以上の芳香族分が２．８容量％以下、ナフテン分が９．８〜１１．９容量％、イソパラフィン分が３８．０〜３９．７容量％、１５℃における密度が０．７９〜０．８２ｇ／ｃｍ³、３０℃における動粘度が１．８〜３．０ｍｍ²／ｓ、９０％留出温度が２５５〜３０５℃である軽油組成物。

（２）硫黄分が１質量ｐｐｍ以下である上記（１）に記載の軽油組成物。

（３）５０％留出温度、７０％留出温度、９０％留出温度及び９５％留出温度の合計値が１０２０〜１１５０℃である上記（１）又は（２）に記載の軽油組成物。

（４）水素／炭素比（Ｈ／Ｃ比）が１．８〜２．１である上記（１）〜（３）の何れかに記載の軽油組成物。

本発明の軽油組成物は、ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出量を低く維持しつつ、煤排出量を少なくすることができ、かつ、煤の排出量を低減することにより煤除去フィルターに堆積する煤の燃焼頻度を低減できるという格別の効果を奏する。

（セタン価）
本発明の軽油組成物においては、セタン価を４０〜６０の範囲にすることが必要である。セタン価が低すぎると低温時の始動性が悪化し、未燃焼の炭化水素排出量が増加する為、セタン価は４０以上であり、好ましくは４２以上、更に好ましくは４３以上、より一層好ましくは４４以上、特には４５以上である。一方、セタン価が高すぎると高負荷時に着火し易くなり、予混合期間が十分に取れなくなって、煤の排出量が増加する為、セタン価は６０以下であり、好ましくは５８以下、更に好ましくは５６以下、特には５５以下である。ここで、セタン価は、ＪＩＳ Ｋ２２８０「石油製品−燃料油−オクタン価及びセタン価試験方法並びにセタン指数算出方法」に規定された方法で測定されるものである。

（芳香族分）
本発明の軽油組成物においては、全芳香族分が１９．０〜２３．９容量％である。全芳香族分が高すぎると、煤の排出量が増加し、また発熱量が増加することで窒素酸化物排出量も増加する為、全芳香族分は２３．９容量％以下である。一方、芳香族分が低すぎても発熱量が低下することで燃料消費量が増加する為、全芳香族分は１９．０容量％以上であり、好ましくは２０．０容量％以上、更に好ましくは２１．０容量％以上、特には２２．０容量％以上である。また、２環芳香族分は、煤の排出量を減少させるためには、６．６容量％以下であり、好ましくは５．０容量％以下である。さらには、同様に煤の排出量を減少させるためには、３環以上の芳香族分は、２．８容量％以下であり、好ましくは１．０容量％以下である。なお、これら芳香族分は、ＪＰＩ−５Ｓ−４９−９７「石油製品−炭化水素タイプ試験方法−高速液体クロマトグラフ法」に規定された方法で測定されるものである。

（ナフテン分）
本発明の軽油組成物においては、煤の排出量を低減し、また、燃費を良好に維持する観点から、ナフテン分が９．８〜１１．９容量％である。該ナフテン分は、煤排出量及び燃費の観点から、好ましくは９．８〜１０．０容量％、更に好ましくは９．８〜９．９容量％、特に好ましくは９．８容量％である。なお、該ナフテン分の分析には、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製ＨＰ−６８９０Ｎ型ＦＩＤ検出器付きＧＣ及び日本電子社製ＡｃｃｕＴＯＦ ＪＭＳ−Ｔ１００ＧＣ飛行時間型質量分析計からなるＧＣシステムを用いた。詳細な分析条件は次の通りである。

１次カラム：微極性カラム（Ｓｕｐｅｌｃｏ社製ＰＴＥ−５、長さ３０ｍ、内径０．２５ｍｍ、フィルム厚０．２５μｍ）、モジュレータ中空カラム：長さ２ｍ、内径０．１ｍｍ
２次カラム：高極性カラム（Ｓｕｐｅｌｃｏ社製ＳｐｅｌｃｏＷＡＸ１０、長さ２ｍ、内径０．２５ｍｍ、フィルム厚０．２５μｍ）
昇温条件：１０℃／分（５０℃（５分保持）から２８０℃（２７分保持））
注入口温度：２８０℃
注入量：１．０μｌ
スプリット比：１００：１
キャリアガス：ヘリウム（Ｈｅ）、１．０ｍｌ／分
モジュレータ温度：下記のコールド温度、ホット温度を繰り返す。
ホットジェットガス温度：１５０℃（５分保持）から３２０℃（３３分保持）に１０℃／分で昇温。
コールドジェットガス温度：約−１４０℃
モジュレータ頻度：６秒間で０．３秒間ホット温度、その後５．７秒間コールド温度。
インターフェイス中空カラム：長さ０．５ｍ、内径０．２５ｍｍ
ＦＩＤガス条件：水素（４５ｍＬ／分）、空気（４５０ｍＬ／分）、メークアップヘリウム（２５ｍＬ／分）

ここで、上記ＧＣシステムは、炭素数７〜４４の化合物を測定することが可能であり、測定したピーク（山形）の溶出時間とマススペクトルから、それぞれのピーク（山形）に対応する化合物を同定する。同定された全ピーク（山形）の合計を含有量合計（１００ピーク体積％）とし、それぞれのピーク（山形）から対応するそれぞれの化合物の含有量をピーク体積％として算出し、これを容量％とする。ナフテン分（容量％）は、ナフテン環を骨格に持つ成分の合計含有量として求められる。

（密度）
本発明の軽油組成物においては、１５℃における密度を０．７９ｇ／ｃｍ³〜０．８２ｇ／ｃｍ³にすることが必要である。密度をこの範囲にすることにより、燃費を良好に維持でき、排出ガス性状を最適化することが出来る。該密度は、燃費及び排出ガス性状を更に向上させる観点から、０．７９５〜０．８１５ｇ／ｃｍ³が好ましい。該密度は、ＪＩＳ Ｋ２２４９「原油及び石油製品密度試験方法」に規定された方法で測定されるものである。

（動粘度）
また、本発明の軽油組成物においては、３０℃における動粘度を１．８〜３．０ｍｍ²／ｓの範囲にする必要がある。動粘度をこの範囲にすることにより、燃料噴射ポンプでの潤滑性を保持することができ、また、燃料噴射時の燃料の微粒化を促進して排出ガス性状を良好にすることができる。該動粘度は、潤滑性及び排出ガス性状を更に向上させる観点から、好ましくは２．０〜２．８ｍｍ²／ｓ、更に好ましくは２．１〜２．６ｍｍ²／ｓの範囲である。ここで、該動粘度は、ＪＩＳ Ｋ２２８３「動粘度試験方法」に規定された方法により、３０℃で測定されるものである。

（蒸留性状）
本発明の軽油組成物においては、揮発性を良好にすることにより煤の排出量を低減し、また、燃費を良好に維持する観点から、９０％留出温度を２５５〜３０５℃の範囲にする必要がある。なお、該９０％留出温度は、揮発性及び燃費の更なる向上の観点から、２６０℃〜３００℃の範囲内が好ましく、２６５〜２９５℃の範囲内が特に好ましい。また、５０％留出温度、７０％留出温度、９０％留出温度及び９５％留出温度の合計値は、煤の排出量を低減し、燃費を良好に維持する観点から、好ましくは１０２０〜１１５０℃、より好ましくは１０２５〜１１３０℃、特に好ましくは１０３０〜１１２５℃である。なお、これら蒸留性状は、ＪＩＳ Ｋ２２５４「蒸留試験方法」に規定された方法により求められるものである。

（硫黄分）
本発明の軽油組成物においては、排出ガス中の硫黄酸化物の低減、及び排出ガスの後処理装置の耐久性向上の観点から、硫黄分を１質量ｐｐｍ以下の範囲にすることが好ましい。なお、該硫黄分は、ＪＩＳ Ｋ２５４１−６「硫黄分試験方法（紫外蛍光法）」に規定された方法で測定されるものである。

（真発熱量）
本発明の軽油組成物においては、燃費を良好にするために、真発熱量を好ましくは４２８００〜４３３５０ｋＪ／ｋｇ、更に好ましくは４３１００〜４３３００ｋＪ／ｋｇの範囲とする。ここで、該真発熱量は、ＪＩＳ Ｋ２２７９「原油及び石油製品−発熱量試験方法及び計算による推定方法」に規定された方法により求められるものである。

（イソパラフィン分）
本発明の軽油組成物においては、煤の排出量を低減し、また、燃費を良好に維持する観点から、イソパラフィン分が３８．０〜３９．７容量％であり、好ましくは３８．０容量％である。該イソパラフィン分の分析は、上述のナフテン分の分析と同様にして行うことができる。

（Ｈ／Ｃ比）
本発明の軽油組成物においては、微小粒子の個数をさらに低減する観点から、水素／炭素比（Ｈ／Ｃ比）を１．８〜２．１の範囲にすること好ましく、特には１．９〜２．１の範囲にすることが好ましい。該Ｈ／Ｃ比は、有機元素分析により水素（Ｈ）分と炭素（Ｃ）分を測定して、Ｈ／Ｃ比（モル比）を求めるものである。

（軽油組成物の調製）
本発明の軽油組成物は、原料油として、例えば、常圧蒸留装置、接触分解装置、熱分解装置等から得られる各種の軽油留分、すなわち沸点が１４０〜４００℃の範囲で留出する留分を用いて、適宜混合して水素化脱硫するか、水素化脱硫後に適宜混合することにより得られるが、芳香族を多く含む原料油を処理する場合は、製品の硫黄分や芳香族分を所定範囲にするために、反応温度や水素分圧を高くし、また水素／オイル比を高くすることが有効である。なお、芳香族を多く含む原料油は難脱硫成分も多く含むことから、水素化脱硫にあたっては硫黄分を選択的に除去する触媒を用いることが好ましい。水素化脱硫は、Ｃｏ、Ｍｏ及びＮｉの１種以上を含有し、又所望によりＰを担持した水素化触媒を用い、反応温度２７０〜３８０℃、好ましくは２９５〜３６０℃、反応圧力２．５〜８．５ＭＰａ、好ましくは２．７〜７．０ＭＰａ、ＬＨＳＶ０．９〜６．０ｈ^-1、好ましくは０．９〜５．４ｈ^-1、水素／オイル比１３０〜３００Ｎｍ³／ｋＬの条件の範囲で適宜選択して、上述した本発明の軽油組成物が得られる様にするとよい。

本発明では、上記水素化脱硫した軽油留分に、灯油留分、ＧＴＬ、ＢＴＸを製造する際の副生成留分、潤滑油を製造する際の副生成留分、ノルマルパラフィン化合物、ノルマルパラフィン系溶剤、イソパラフィン化合物、イソパラフィン系溶剤、芳香族化合物、芳香族系溶剤、バイオマス由来の燃料基材、ナフテン化合物、ナフテン系溶剤、等を適宜配合して、上述の性状、品質に合った軽油組成物を調製することができる。

なお、上記方法で得られた軽油組成物には、低温流動性向上剤、耐摩耗性向上剤、セタン価向上剤、酸化防止剤、金属不活性化剤、腐食防止剤等の公知の燃料添加剤を添加してもよい。低温流動性向上剤としては、エチレン共重合体などを用いることができるが、特には、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニルなどの飽和脂肪酸のビニルエステルが好ましく用いられる。耐摩耗性向上剤としては、例えば長鎖脂肪酸（炭素数１２〜２４）又はその脂肪酸エステルが好ましく用いられ、１０〜５００質量ｐｐｍ、好ましくは５０〜１００質量ｐｐｍの添加量で十分に耐摩耗性が向上する。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

＜軽油組成物の調製＞
まず以下のようにして、評価試験のために用いる軽油組成物（供試軽油１〜６）を調製した。これら供試軽油１〜６の組成等の分析値を表１に示す。分析は、上述した方法によるが、Ｈ／Ｃ比については、有機元素分析装置（ＬＥＣＯ社製ＣＨＮ−１０００型）を用いて、Ｈ分とＣ分を測定して、その比を求めた。また、セタン指数はＪＩＳ Ｋ２２８０「石油製品−燃料油−オクタン価及びセタン価試験方法並びにセタン指数算出方法」に規定された方法で測定し、１環芳香族分はＪＰＩ−５Ｓ−４９−９７「石油製品−炭化水素タイプ試験方法−高速液体クロマトグラフ法」に規定された方法で測定した。

供試軽油１：市販灯油を９５容量％、接触改質ガソリンの沸点１８０〜２２０℃の留分を５容量％混合して調製した。

供試軽油２：市販灯油を２０容量％、常圧蒸留装置の１７０〜３６０℃の留分に含まれるパラフィン分を除去した後に脱硫した、脱ろう脱硫軽油８０容量％をそれぞれ配合して調製した。

供試軽油３：韓国油公製の市販水素化分解軽油

供試軽油４：市販の１号軽油

供試軽油５：市販の１号軽油（供試軽油４より重質）

供試軽油６：市販の灯油

次に上記供試軽油について、以下に示す市販ディーゼルエンジンを用い、定常条件におけるエンジン出口直後の排出ガス性状としてスモーク（煤）値（％）を司測研社製反射型スモークメータで測定し、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（ＴＨＣ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）それぞれの排出量（ｇ／ｋＷｈ）をベスト測器社製排ガス分析計で測定した。数値は比較例２の供試軽油４（市販の１号軽油）を基準にして相対値（％／％、ｇ／ｋＷｈ ／ ｇ／ｋＷｈ、又は、ｋｇ／ｋＷｈ ／ ｋｇ／ｋＷｈ）で示した。これらの結果を表２に示す。

＜供試エンジン諸元と運転条件＞
気筒数： ４気筒
総排気量： 約２Ｌ
圧縮比： 約１７
定常条件： １５００ｒｐｍ、１／４負荷

これらの結果から、本発明の軽油組成物である実施例１及び２の供試軽油は、比較例１、２、３及び４の供試軽油に比較してＮＯｘ排出量が同等以下に抑えられており、また、スモーク排出量も同等以下に抑えられており、ＣＯ₂排出量も同等であることが分かる。なお、比較例４の供試軽油は、ＮＯｘ排出量及びスモーク排出量が実施例と同等であるものの、ＴＨＣ排出量が非常に多かった。

本発明の軽油組成物は、ディーゼルエンジン用燃料又はその混合基材として好適に利用できる。

Claims (4)

1. セタン価が４０〜６０、全芳香族分が１９．０〜２３．９容量％、２環芳香族分が６．６容量％以下、３環以上の芳香族分が２．８容量％以下、ナフテン分が９．８〜１１．９容量％、イソパラフィン分が３８．０〜３９．７容量％、１５℃における密度が０．７９〜０．８２ｇ／ｃｍ³、３０℃における動粘度が１．８〜３．０ｍｍ²／ｓ、９０％留出温度が２５５〜３０５℃である軽油組成物。
2. 硫黄分が１質量ｐｐｍ以下である請求項１に記載の軽油組成物。
3. ５０％留出温度、７０％留出温度、９０％留出温度及び９５％留出温度の合計値が１０２０〜１１５０℃である請求項１又は２に記載の軽油組成物。
4. 水素／炭素比（Ｈ／Ｃ比）が１．８〜２．１である請求項１〜３の何れかに記載の軽油組成物。