JP7171776B2

JP7171776B2 - 火花点火式エンジン燃料の製造方法

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Publication number: JP7171776B2
Application number: JP2021006887A
Authority: JP
Inventors: 琢真新井; 公太郎橋本; 勝也松浦; 浩平葛岡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: US20220228077A1; JP2022111454A; CN114806672A

Description

本発明は、火花点火式エンジン用の燃料を製造する火花点火式エンジン燃料の製造方法に関する。

従来、高オクタン価基材として接触改質ガソリンを用いた高オクタン価ガソリンが知られている（例えば特許文献１参照）。上記特許文献１記載の高オクタン価ガソリンは、ナフサ留分を接触改質処理して得られる、接触改質ガソリンから得られたガソリン基材を含有する。

特開２００７－２４６７４４号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の高オクタン価ガソリンを得るには、ナフサ留分に対し、さらにエネルギーを投入して接触改質処理を行う必要があるため、最終的に製造される燃料の単位エネルギーあたりの炭素排出量（炭素強度）を抑制することが難しい。

本発明の一態様は、火花点火式エンジン用の燃料を製造する火花点火式エンジン燃料の製造方法であって、軽質ナフサにシクロペンタンを混合し、軽質ナフサのオクタン価と軽質ナフサの混合割合との積と、シクロペンタンのオクタン価とシクロペンタンの混合割合との積と、の和として算出される燃料のオクタン価の算出値と、燃料のオクタン価の実測値との差を算出することを含む。シクロペンタンの混合割合は、差が極大となる混合割合を中心とし、差が所定値以上となる所定範囲内で決定される。

本発明によれば、炭素強度の低い火花点火式エンジン用の燃料を製造することができる。

再生可能エネルギーを利用して製造される再生可能燃料の一例について説明するための図。標準燃料にシクロペンタンを添加して調製した混合燃料のオクタン価の一例を示す図。シクロペンタンの混合割合および標準燃料のオクタン価に対するオクタンボーナスの特性を示す図。シクロペンタンの混合割合および標準燃料のオクタン価に対する混合燃料のオクタン価（実測値）の特性を示す図。混合燃料の燃焼試験結果の一例を示す図。シクロペンタンの混合割合および標準燃料のオクタン価に対する混合燃料の着火遅れ時間の特性を示す図。ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造するときの、シクロペンタンの好適な混合割合の一例について説明するための図。ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造するときの、シクロペンタンの好適な混合割合の別の例について説明するための図。ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造するときの、シクロペンタンの好適な混合割合のさらに別の例について説明するための図。パラフィン系炭化水素に対するシクロペンタンの添加効果について説明するための図。各混合燃料の燃焼過程で消費、生成されるＯＨラジカルの内訳について説明するための図。

以下、図１～図１１を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る火花点火式エンジン用燃料の製造方法は、オクタン価の低い軽質ナフサを改質し、火花点火式エンジンに適用可能なオクタン価の改質ガソリンを製造する。

地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する（地球温暖化）。

温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光や風力、バイオマスなどの再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。

図１は、再生可能エネルギーを利用して製造される再生可能燃料の一例について説明するための図であり、ＦＴ（フィッシャー・トロプシュ）合成を経由して製造される再生可能燃料を示す。図１に示すように、太陽光発電や風力発電により再生可能電力が生成され、再生可能電力により水の電気分解が行われて再生可能水素が生成される。さらに、再生可能水素と、工場排ガスなどから回収された二酸化炭素とを利用してＦＴ合成が行われ、ＦＴ粗油が生成される。

ＦＴ粗油は、沸点範囲に応じて分留され、ＦＴディーゼル、ジェット燃料、およびＦＴ軽質ナフサに分離される。このうち、ＦＴディーゼルはディーゼルエンジン用の燃料として、ジェット燃料はジェットエンジン用の燃料として、そのまま利用することができる。一方、ＦＴ軽質ナフサは、炭素数が４～６程度の鎖状飽和炭化水素（パラフィン系炭化水素）が主であるためリサーチ法オクタン価が６０～７０程度と低く、そのまま火花点火式ガソリンエンジン用の燃料として利用するとエンジンの燃焼性能を損なうおそれがある。

この点に関し、発明者らは、パラフィン系炭化水素にシクロペンタンを添加（混合）すると、両者のオクタン価および混合比に応じて予測される以上の値までオクタン価が向上することを知見した。そこで、本実施形態では、ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質し、火花点火式エンジンに適用可能なオクタン価の改質ガソリンを製造する、火花点火式エンジン燃料の製造方法について説明する。

図２は、標準燃料（オクタン価（リサーチ法オクタン価ＲＯＮ）６５）に対し、混合割合ｘ（標準状態での容量％）を変えてシクロペンタン（オクタン価１０３．２）を添加して調製した混合燃料のオクタン価の一例を示す図である。標準燃料は、いずれもパラフィン系炭化水素であるイソオクタン（オクタン価１００）とｎ－ヘプタン（オクタン価０）とを適宜な混合比で調合して調製される。なお、本実施形態では、シクロペンタンのオクタン価として、ＪＩＳ規格に沿った試験により計測した実験値を用いる。図２に破線で示すように、標準燃料とシクロペンタンとの混合比に基づいて下式(i)により算出される混合燃料のオクタン価の算出値ＲＯＮｃは、シクロペンタンの混合割合ｘに応じて直線的に増加する。
ＲＯＮｃ＝６５（１００－ｘ）／１００＋１０３．２ｘ／１００ (i)

一方、図２にプロットおよび実線で示すように、混合燃料のオクタン価の実測値ＲＯＮａは、シクロペンタンの混合割合ｘによらず算出値ＲＯＮｃよりも高く、混合割合ｘが５０％で極大となった。オクタン価の異なる標準燃料についても、同様の傾向が見られた。このことから、パラフィン系炭化水素とシクロペンタンとの間で何らかの相互作用が生じていると考えられる。以下では、オクタン価の実測値ＲＯＮａと算出値ＲＯＮｃとの差ΔＲＯＮを、「オクタンボーナス」と称する。

このように、パラフィン系炭化水素にシクロペンタンを添加したときのオクタンボーナスΔＲＯＮは、シクロペンタンの混合割合ｘが５０％で極大となる。したがって、ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造する場合、ＦＴ軽質ナフサを有効活用する観点から、シクロペンタンの混合割合ｘを５０％以下とすることが好ましい。

図３は、シクロペンタンの混合割合ｘおよび標準燃料のオクタン価に対するオクタンボーナスΔＲＯＮの特性を示す図である。図３に示すように、オクタンボーナスΔＲＯＮは、標準燃料のオクタン価にかかわらず、シクロペンタンの混合割合ｘが５０％のときに極大値を示す。オクタンボーナスΔＲＯＮの極大値は、標準燃料のオクタン価が低いほど大きくなる。ＦＴ軽質ナフサ相当のオクタン価６０～７０では、シクロペンタンの混合割合ｘを調整することで、オクタンボーナスΔＲＯＮを１５以上とすることができる。ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造する場合、シクロペンタンの添加効果を十分に活かす観点から、オクタンボーナスΔＲＯＮが所定値（例えば、１５）以上となる範囲でシクロペンタンの混合割合ｘを決定することが好ましい。

図４は、シクロペンタンの混合割合ｘおよび標準燃料のオクタン価に対する混合燃料のオクタン価（実測値）ＲＯＮａの特性を示す図である。図４に示すように、混合燃料のオクタン価ＲＯＮａは、標準燃料のオクタン価およびシクロペンタンの混合割合ｘに応じて変化する。このような試験結果に基づいて検量線（予め定められた特性）を設定し、それに基づいてシクロペンタンの混合割合ｘを決定することで、ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して適宜なオクタン価の改質ガソリンを製造することができる。例えば、レギュラーガソリン相当のオクタン価８８～９５の改質ガソリンを製造することができる。

図５および図６は、混合燃料の燃焼試験結果の一例を示す図であり、急速圧縮装置による燃焼試験の結果を示す。急速圧縮装置による燃焼試験では、真空状態の燃焼室に理論空燃比の燃料と空気の混合気を導入し、混合気を所定圧縮比まで圧縮し、所定圧縮比に達してから自己着火が開始するまでの時間（着火遅れ時間）ｔｉ［ｍｓ］を計測した。

図５は、着火遅れ時間ｔｉに対する最大熱効率［％］の特性を示す。図５に示すように、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓを下回ると最大熱効率が著しく低下する一方、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上の範囲では最大熱効率が安定する傾向が見られた。したがって、ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造する場合、適用される火花点火式エンジンの十分な性能を確保する観点から、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上となるようにシクロペンタンの混合割合ｘを決定することが好ましい。

図６は、シクロペンタンの混合割合ｘおよび標準燃料のオクタン価に対する着火遅れ時間ｔｉの特性を示す。図６に示すように、シクロペンタンの混合割合ｘが大きくなるほど着火遅れ時間ｔｉは長くなり、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓに達するシクロペンタンの混合割合ｘは、標準燃料のオクタン価が高いほど低くなる。

図７～図９は、ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造するときの、シクロペンタンの好適な混合割合ｘの一例について説明するための図であり、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価に対する好適な混合割合ｘの範囲の一例を示す。

シクロペンタンの混合割合ｘは、ＦＴ軽質ナフサを有効活用する観点では、５０％以下とすることが好ましい（図２）。また、改質ガソリンが適用される火花点火式エンジンの十分な性能を確保する観点では、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上となるように決定されることが好ましい（図５、図６）。すなわち、図７の例に示すように、ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造するときのシクロペンタンの混合割合ｘは、５０％以下、かつ、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上となるように決定されることが好ましい。

シクロペンタンの混合割合ｘは、その添加効果を十分に活かす観点では、オクタンボーナスΔＲＯＮが所定値（例えば、１５）以上となる範囲で決定されることが好ましい（図３）。また、改質ガソリンが適用される火花点火式エンジンの十分な性能を確保する観点では、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上となるように決定されることが好ましい（図５、図６）。すなわち、図８の例に示すように、シクロペンタンの混合割合ｘは、オクタンボーナスΔＲＯＮが所定値（例えば、１５）以上となる範囲で、着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上となるように決定されることが好ましい。

ＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加して改質ガソリンを製造するときのシクロペンタンの混合割合ｘは、希望する改質ガソリンのオクタン価に応じて決定することができる（図４）。例えば、レギュラーガソリン相当のオクタン価８８～９５となるように予め定められた特性に基づいて決定することができる。この場合、改質ガソリンが適用されるエンジンの性能は確保されるが、添加効果を十分に活かす観点で、オクタンボーナスΔＲＯＮが所定値（例えば、１５）以上となる範囲で決定されることが好ましい（図３）。すなわち、図９の例に示すように、シクロペンタンの混合割合ｘは、オクタンボーナスΔＲＯＮが所定値（例えば、１５）以上となる範囲で、混合燃料のオクタン価ＲＯＮａが所定範囲となるように予め定められた特性に基づいて決定されることが好ましい。

図１０は、パラフィン系炭化水素に対するシクロペンタンの添加効果について説明するための図であり、燃料の組成を変えたときの燃焼温度の時間変化を示す。図１０に示すように、イソオクタン５０％とｎ－ヘプタン５０％との混合燃料（標準燃料）と、イソオクタン５０％とシクロペンタン５０％との混合燃料とでは、燃焼温度が上昇する低温酸化反応に至る時間に大きな差異が見られた。低温酸化反応は、燃料分子の緩慢な酸化反応により生じる発熱反応であり、ＯＨラジカルの生成と消費により連鎖的に進行する。

化学反応解析の結果、一般的なパラフィン系炭化水素が燃焼するときの化学反応では、消費されるＯＨラジカルに対し、化学当量で２倍弱のＯＨラジカルが生成された。このように、一般的なパラフィン系炭化水素の燃焼では、消費されるＯＨラジカルよりも生成されるＯＨラジカルが多くなるため、連鎖反応が進行しやすく、低温酸化反応が急速に進行する。

一方、シクロペンタンが燃焼するときの化学反応では、消費されるＯＨラジカルに対し、０．６５倍弱のＯＨラジカルが生成された。また、生成物の３５％が安定なシクロペンテンとなり、ラジカルが消滅する停止反応の割合が高いことが確認された。このように、シクロペンタンの燃焼では、消費されるＯＨラジカルよりも生成されるＯＨラジカルが少なくなるため、連鎖反応が進行しにくく、低温酸化反応が急速に進行しにくい。

図１１は、各混合燃料の燃焼過程で消費、生成されるＯＨラジカルの内訳について説明するための図であり、化学反応解析の結果を示す。図１１に示すように、イソオクタン５０％とｎ－ヘプタン５０％との混合燃料では、イソオクタンの燃焼過程で消費されるＯＨラジカルと生成されるＯＨラジカル、ｎ－ヘプタンの燃焼過程で消費されるＯＨラジカルと生成されるＯＨラジカルが、ほぼ等しい。このため、ｎ－ヘプタンの低温酸化反応の速度は、イソオクタンの共存によって変化することがない。

一方、シクロペンタン５０％とｎ－ヘプタン５０％との混合燃料では、シクロペンタンの燃焼過程で消費されるＯＨラジカルが生成されるＯＨラジカルより多く、ｎ－ヘプタンの燃焼過程で消費されるＯＨラジカルが生成されるＯＨラジカルより少ない。すなわち、ｎ－ヘプタンの低温酸化反応とシクロペンタンの低温酸化反応とが並行して進行する場合、ｎ－ヘプタンの燃焼過程で生成されたＯＨラジカルは、シクロペンタンの燃焼過程で消費される。このため、ｎ－ヘプタンの低温酸化反応は、シクロペンタンの共存によって進行しにくくなる。

このように、シクロペンタンは、単体として酸化しにくいだけでなく、パラフィン系炭化水素に添加（混合）された場合、燃焼過程で生成されるＯＨラジカルを消費することで、混合燃料全体としての低温酸化反応を進行しにくくし、燃焼を緩慢にする効果がある。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）火花点火式エンジン用の改質ガソリンを製造する火花点火式エンジン燃料の製造方法は、軽質ナフサにシクロペンタンを混合することを含む。オクタン価の低い軽質ナフサに対し、シクロペンタンを添加することで、火花点火式エンジンに適用可能なオクタン価の改質ガソリンを製造するため、追加的なエネルギーを投入することなく炭素強度の低い改質ガソリンを製造することができる。

（２）シクロペンタンの混合割合ｘは、改質ガソリンが所定圧縮比で燃焼するときの、改質ガソリンが所定圧縮比まで圧縮されてから自己着火するまでの着火遅れ時間ｔｉが１０ｍｓ以上となるように決定される。これにより、改質ガソリンが適用される火花点火式エンジンの十分な性能を確保することができる。

（３）シクロペンタンの混合割合ｘは、５０容量％以下である。シクロペンタンの混合割合ｘを、軽質ナフサとシクロペンタンとの相互作用によるシクロペンタンの添加効果が極大となる５０％以下とすることで、軽質ナフサを有効活用することができる。

（４）シクロペンタンの混合割合ｘは、軽質ナフサのオクタン価と、シクロペンタンのオクタン価と、軽質ナフサとシクロペンタンとの混合比とに基づいて算出される改質ガソリンのオクタン価の算出値ＲＯＮｃと、改質ガソリンのオクタン価の実測値ＲＯＮａとの差ΔＲＯＮが所定値（例えば、１５）以上となるように決定される。軽質ナフサとシクロペンタンとの相互作用によるシクロペンタンの添加効果が十分大きい範囲でシクロペンタンの混合割合ｘを決定することで、シクロペンタンの添加効果を十分に活かすことができる。

（５）軽質ナフサは、ＦＴ合成により得られたＦＴ軽質ナフサである。ＦＴ軽質ナフサを活用することで、改質ガソリンの炭素強度を一層抑制することができる。

上記実施形態では、再生可能燃料であるＦＴ軽質ナフサにシクロペンタンを添加する例を説明したが、化石燃料由来のナフサにシクロペンタンを添加してもよい。また、シクロペンタンとして、再生可能燃料に由来する再生可能シクロペンタンを用いてもよい。この場合、改質ガソリンの炭素強度を一層低減することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

Claims

火花点火式エンジン用の燃料を製造する火花点火式エンジン燃料の製造方法であって、
軽質ナフサにシクロペンタンを混合し、
前記軽質ナフサのオクタン価と前記軽質ナフサの混合割合との積と、前記シクロペンタンのオクタン価と前記シクロペンタンの混合割合との積と、の和として算出される前記燃料のオクタン価の算出値と、前記燃料のオクタン価の実測値との差を算出することを含み、
前記シクロペンタンの混合割合は、前記差が極大となる混合割合を中心とし、前記差が所定値以上となる所定範囲内で決定されることを特徴とする火花点火式エンジン燃料の製造方法。
請求項１に記載の火花点火式エンジン燃料の製造方法において、
真空状態の燃焼室に理論空燃比の前記燃料と空気との混合気を導入し、前記混合気を圧縮し、圧縮された前記混合気が自己着火するまでの着火遅れ時間を計測することを含み、
前記シクロペンタンの混合割合は、前記着火遅れ時間が１０ｍｓ以上となるように決定されることを特徴とする火花点火式エンジン燃料の製造方法。
請求項２に記載の火花点火式エンジン燃料の製造方法において、
前記シクロペンタンの混合割合は、５０容量％以下であることを特徴とする火花点火式エンジン燃料の製造方法。
請求項１～３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジン燃料の製造方法において、
前記所定値は、１５であることを特徴とする火花点火式エンジン燃料の製造方法。
請求項１～４のいずれか１項に記載の火花点火式エンジン燃料の製造方法において、
前記軽質ナフサは、フィッシャー・トロプシュ合成により得られたＦＴ軽質ナフサであることを特徴とする火花点火式エンジン燃料の製造方法。