[P4.1.1] 自動車燃料の多様化と高効率利用に関する研究開発 ( 将来燃料高度利用技術グループ ) 千葉第 503 研究室 砂田考一 高橋剛 津村雅洋 山口三夫 渡辺尚 石垣正夫 中村修 戸所仁 関本正則 岡本憲一 脇田光明 廣瀬敏之 服部尚弥 毛塚泰治郎 中村直樹 青木隆二 内山成幸 昼間博之

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1 [P4.1.1] 自動車燃料の多様化と高効率利用に関する研究開発 ( 将来燃料高度利用技術グループ ) 千葉第 53 研究室 砂田考一 高橋剛 津村雅洋 山口三夫 渡辺尚 石垣正夫 中村修 戸所仁 関本正則 岡本憲一 脇田光明 廣瀬敏之 服部尚弥 毛塚泰治郎 中村直樹 青木隆二 内山成幸 昼間博之 大山信雄 今井昇一 櫻井嘉人 齊藤智仁 佐藤考 高山佳嗣 高田一美 船木良一 本間嘉幸 小泉信二 真坂博明 萩原宏 1. 研究開発の目的近年 エネルギーセキュリティーと CO 2 削減の観点から GTL 等の合成燃料 バイオマス燃料 オイルサンド等の石油以外の資源から得られる在来型石油以外の燃料利用の必要性が高まっている GTL 等の合成軽油は 現状の軽油と比較して低硫黄 低芳香族 高セタン価であり オイルサンド等から製造される軽油留分は低セタン価 高環状組成物 ( 多環ナフテン アロマ等 ) という特徴を有することから 最新排出ガス規制対応のディーゼル車両 エンジンの排出ガス性能や実用性能に影響を及ぼすことが考えられる 一方 エネルギーの高効率利用と CO 2 削減の一環として わが国ではポスト新長期規制に適合した超クリーンディーゼル車の市場導入が開始されている 本研究開発は 合成燃料やオイルサンドなどの在来型石油以外の燃料について ディーゼル車両 エンジンへの影響を把握すること 及び 燃費に優れたディーゼル乗用車のポテンシャルを評価することにより 自動車燃料の多様化と自動車からの CO 2 削減に貢献することを目的としている なお 本報告は JATOP(Japan Auto-Oil Program) において 先行研究企画 WG および先行研究 WG の下で進めたものである 2. 研究開発の内容 2.1 在来型石油以外の燃料利用を想定したディーゼル燃料品質研究 排出ガス 燃費への燃料品質影響検討在来型石油以外の軽油留分を想定した高アロマ 高多環ナフテン含有の低セタン価燃料や GTL 混合燃料などのモデル燃料を設計し 新短期および新長期規制適合の小型トラック及びポスト新長期規制適合の乗用車を用いて排出ガス ( 後処理装置アウト ) 燃費への燃料品質の影響に関して検討を実施した 燃料の環状構造の違いがエンジンアウトの排出ガスへ及ぼす影響検討環状組成物の構造の違いによる PM 排出量等への影響度を明確にするため パラフィン 1% 基材にアロマとナフテンの各種環状組成物を混合させたモデル燃料を設計し JE5 モード試験を実施してステップワイズ重回帰分析による統計解析を実施した 米国市場軽油とモデル燃料との性能比較検討実際に米国市場で流通している低セタン価 高環状組成物の軽油を入手し 排出ガス 燃費を評価し モデル燃料の試験結果との比較を実施した 実用性能への燃料品質影響検討 -31-

2 3. 研究開発の結果 3.1 在来型石油以外の燃料利用を想定したディーゼル燃料品質研究 排出ガス 燃費への燃料品質影響検討 (1) 評価車両 評価した車両の諸元を表 表 試験車両主要諸元 に示した 車両 NA は後処理装置とし 車両記号 車両 NA 車両 KB 車両 OA て DOC( 酸化触媒 ) を搭載し 新短期ポスト新長適合排出ガス規制新短期新長期期規制に適合した小型トラックである 車排気量 (L) 両 KB は後処理装置として DOC NSR 燃料供給方式 CRS,DI CRS,DI CRS,DI (NOx 吸蔵還元触媒 ) DPF( テ ィーセ ル トランスミッション 5MT 5MT MT 吸入空気方式 NA TC TC ハ ティキュレートフィルター ) を搭載し 新長期 出力 (kw/rpm) 9/31 11/3 127/375 規制に適合した小型トラックである 車 トルク (Nm/rpm) 333/15 392/1 3/2 両 OA は後処理装置として TWC(3 元触媒 ) NSR DPF を搭載し ポスト新長期規制に適合した乗用車である (2) 試験燃料 後処理装置 DOC DOC+NSR+ TWC+NSR+ DPF DPF セタン価及び組成の影響を確認することを試験のコンセプトとして モデル燃料を調製した 組成としてはアロマや多環ナフテンといった環状組成物に着目した 主要性状を表 に示 した またを図 に各モデル燃料のセタン価と環状組成物の関係を示した セタン価は を目標として 調製した 尚 PM 排出量に影響を及ぼすと考えられる T9 については何れの燃料も市場での JIS2 号軽 油相当とし 硫黄分は全て 1massppm 以下とした ( イ ) セタン価 35 燃料の調製 オイルサンド等の在来型石油以外の燃料を想定し アロマや多環ナフテンの多い低セタン 価 高環状組成物の燃料を調製した 市販の JIS2 号軽油の 燃料にアロマとしてテトラヒドロナフタレン( ナフテノベンゼン ) を ナフテンとして2 環のデカヒドロナフタレンを混合した セタン価 () が 35 で アロマ (A) とナフテン (N) を混合したという意味で と呼ぶ 最近の排出ガス規制年度 後処理技術の異なる車両を用いて セタン価 組成が最新車両の低温始動性等の実用性能に及ぼす影響を検討した エンジン制御との組み合わせによる排出ガス 燃費への燃料品質影響検討 ECU 制御装置を用いて EGR 率や噴射時期を同じにすることで燃料性状が排出ガス 燃費に与える影響を評価した 更に EGR 率や噴射時期を変化させることで エンジン制御が排出ガス 燃費に与える影響を検討した 2.2 ディーゼル車のポテンシャル評価 ポスト新長期規制適合乗用車の燃費 排出ガスのポテンシャルに関する検討ポスト新長期排出ガス規制対応のディーゼル乗用車と 同クラスの新長期規制適合ガソリン車との燃費及び CO 2 排出量の比較を実施した -32-

3 表 モデル燃料の性状 項目 CN45ANBS CN45ANGT (+CI) (+) (+GTL) (paraffin) (paraffin) セタン価 n,i-パラフィン ナフテン 環 組成 2 環 (vol%) アロマ 環 環 ( アロマ+ 多環ナフテン ) H/C(mol/mol) 硫黄分 (mass ppm) <3 <1 <3 <3 <3 <1 (g/cm 3 ) (mm 2 /s) 真発熱量 (J/g) 43,3 42,1 42, 42,1 42,79 43,39 43,35 43,39 43,49 (J/cm 3 ) 35,5 3,7 3,71 3,155 3,25 3,452 34, 34,452 34,1 留出温 T 度 T ( ) T ( ロ ) セタン価 45 燃料の調製セタン価が 45 で 組成が異なる 燃料を調製した にセタ 5 ン価向上剤 (CI 2エチルヘキシルナイトレート ) (BS) (GT) を混合してセタン価が CN45ANBS CN45ANGT 3 セタン価 45 JIS 規格下限の 45 程度になるように 2 調製した燃料がそれぞれ 1 セタン価 5 CN45ANBS パラフィン 1% CN45ANGT である 在来型石油以外の軽油で低アロマ 高ナフテンのものを想定し にデカヒドロナフタレンを混合 セタン価図 セタン価と環状組成物の関係 してセタン価を 45 程度に調製した燃料が である にイソパラフィン溶剤 (PF) を混合してセタン価 45 となるように調製した燃料が である ( ハ ) セタン価 5 燃料の調製 にイソパラフィン溶剤を混合してセタン価 5 となるように調製した燃料が である また 基準として を用いた (3) 排出ガス 燃費に対する運転条件 燃料品質の影響 車両 OA について リアルワールドを想定した各種過渡運転モード ( 東京都 No.1 JCC/H NEDC US-HWY) で評価を行った排出ガス測定結果 ( 後処理装置アウト ) を図 に示した ( 車両 NA 及び KB については昨年度に報告済み ) アロマ + 多環ナフテン (vol%) -33-

4 PM ( g/km) PM CO (g/km) 遅い平均車速度速い CO Tokyo 1 JCC JCH NEDC HWY Tokyo 1 JCC JCH NEDC HWY NOx (g/km) NOx THC (g/km) THC Tokyo 1 JCC JCH NEDC HWY Tokyo 1 JCC JCH NEDC HWY CO2 ( g/km) CO 2 Fuel Economy km/mj Fuel Economy Tokyo 1 JCC JCH NEDC HWY Tokyo 1 JCC JCH NEDC HWY 図 各モード運転での排出ガス 燃費 ( 車両 OA) ( イ ) 燃料影響本車両は後処理装置として TWC NSR DPF を装着しており NOx PM を含めた各規制排出ガスの排出量自体が低く抑えられていた 但し CO 排出量についてはコールドスタートモード (JCC,NEDC) 時に燃料影響が見られ セタン価の低下に伴い排出量の増加傾向が見られた また同一セタン価では 環状組成物の増加に伴い排出量の増加傾向が見られた THC 排出量についても同様に コールドスタートモードではセタン価の影響が見られた またセタン価が JIS 規格を外れる では 大幅な増加が確認された NOx 排出量については明確な燃料間の差は認められなかった PM 排出量については燃料影響の評価が出来ないほど 排出量が少なかった CO 2 排出量は H/C 比の高いパラフィン燃料で排出量が少なくなる傾向を示した 熱量ベースの燃費についてはコールドスタートモード (JCC,NEDC) 時に で悪化しているが セタン価が 45 以上では燃料影響は小さかった ( ロ ) 走行モードの影響 CO 排出量については コールドスタートモード (JCC NEDC) で増加している また車両 NA KB の場合はモード平均車速の低下に伴い排出量が増加する傾向が見られたが 車両 -34-

5 OA では異なる傾向を示し 中速モード (JCC/H NEDC) で排出量が増加し 低速モード (Tokyo 1) 高速モード(US-HWY) で排出量が減少する傾向が見られた THC についても同様である そのため 車両 OA についてはエンジン制御面から下記のとおり解析を行った 排出ガス連続データや制御データから 通常運転では CO,THC の排出量は少ないが リッチスパイク制御時に排出量が増加することが分かった リッチスパイク制御が行われるのは中速モード (JCC/H NEDC) であり アイドリング 低速モード (Tokyo1 モード ) 高速モード (US-HWY モード ) では行われていないので 中速モードで CO,THC 排出量が増加し 低速モード 高速モードで排出量が減少するのはリッチスパイク制御と関係していることが分かった また JCC では JCH よりも多くの CO,THC が排出されている JCC では触媒が冷えた状態のコールドスタートであり リッチスパイクの回数は JCCの方が少ないので リッチスパイクに起因する CO,THC は少ない しかし 始動直後は 3 元触媒や触媒 DPF 等の酸化機能が低下しているために トータルで CO,THC の排出量が増加したものと考えられる NOx についてはコールドスタートモードの JCC 及び NEDC での排出量が高い傾向を示している 始動直後の NOx 触媒の機能低下と EGR バルブ制御が Hot と Cold で異なっていることから 両方の理由によるものと考えられる モード平均車速の低下に伴い燃費は悪化した また JC モードでは Cold の方が Hot よりも燃費が悪化した 燃料の環状構造の違いがエンジンアウトの排出ガスへ及ぼす影響検討 (1) 評価エンジン表 エンジン諸元エンジン諸元を表 に示す 後処理エンジン記号エンジンAB 装置として DOC DPF を搭載し 新長期規制に適合排出ガス規制新長期排気量 L 3 適合した小型トラック用のエンジンである 燃料供給システムコモンレール (2) 試験燃料変速機 MT 組成データを図 に示す 1 環ナフテン エンジンタイプ 4Cly., DI, TC 最大出力 kw/rpm 115/2 2 環ナフテン アルキルベンゼン ナフテノベンゼ最大トルク Nm/rpm 375/1 ンの 4 種類の環状組成物に着目した 統計解析上 後処理装置 DOC+DPF それぞれの環状組成物が独セタン価 45 系列立変数になるように これら 4 n,i- パラフィン 1 環ナフテン 2 環ナフテンアルキルヘ ンセ ンナフテノヘ ンセ ン種類の試薬または溶剤をパ 1% ラフィン基材に混合させるこ % とにより調製し パラフィン % 1% の燃料を含め 計 5 種 1 % 3 75 類のセタン価 45 のモデル燃 2% 料を調製した % 各環状組成物のパラフィ CN45_P CN45_1N CN45_2N CN45_AB CN45_NB ン基材への混合割合は 各図 試験燃料マトリクス燃料のセタン価が 45 程度になるようにしたために同じではない また蒸留についてはマトリクス燃料間で T9 が極力同等になるように 蒸留性状の異なるパラフィン基材を用いて調製した 構成比 (vol %) -35-

6 更にこれら 5 種類のモデル燃料にセタン価向上剤を混合し セタン価 55 系列の燃料も調製し てセタン価も変数となるようにした (3) 試験結果 ( エンジンアウト PM 排出量 ) PM 排出量をセタン価と各燃料組成で回帰させると以下の式で表され セタン価と1 環ナフテンが除外された PM(g/kWh)= NB(vol%)+.2 AB(vol%)+.19 2N(vol%) ( 調整済み R2 乗 :.91) つまり 本エンジンに対しては1 環ナフテンはパラフィンと影響度が同じであることを表している 本エンジンのエンジンアウト PM に及ぼす影響は ナフテノベンゼン (NB) を基準とすると アルキルベンゼン (AB) は約. 倍 2 環ナフテン (2N) は約.4 倍 1 環ナフテン (1N) は 倍 ( 影響なし ) と整理でき 各環状組成物の影響度を把握することができた 組成の代わりに密度 H/C でそれぞれ回帰させた結果を以下に示した どちらの R2 乗も高いことから 組成の代わりに密度 H/C でも PM 排出量を推測できることがわかった PM(g/kWh)= d(g/cm3) ( 調整済み R2 乗 :.31) PM(g/kWh)= (H/C) ( 調整済み R2 乗 :.24) モデル燃料と米国市場軽油との性能比較検討 (1) 評価エンジン表 のエンジンを使用した (2) 試験燃料米国で市販されており セタン価 環状組成物割合が異なる 2 種類の軽油を調達した 詳細性状を表 に示す 比較として 燃料の性状も記した 図 にモデル燃料及び米国軽油のセタン価と組成の関係を示す 米国 CHICAGO 軽油は と の中間に位置する 低セタン価 高環状組成物の軽油である 一方 米国 LA 軽油は と CN45ANBS の中間に位置する なお 何れの米国軽油も やモデル燃料と比較すると 蒸留表 米国軽油の主要性状性状が軽質である また CHICAGO 軽油は多環アロマ CHICAGO LA が多いという特徴を有する Cetane number n,i-paraffins Naphthenes Mono Components Di (vol%) Aromatics Mono Di Aromatics Di -Naphthenes H/C(mol/mol) Sulfur (mass ppm) Density (@15 g/cm3) Viscosity mm2/s) Lower Heating value(j/g) Lower Heating value(j/cm3) IBP Distillation 1vol% ( ) 5vol% vol% EP アロマ + 多環ナフテン (vol%) CHICAGO CN45ANBS LA セタン価 図 セタン価と環状組成物 -3-

7 モデル燃料 PM(g/kWh) NOx(g/kWh) NMHC(g/kWh) CO(g/kWh) CN45ANBS PM(g/kWh) NOx(g/kWh) NMHC(g/kWh) CO(g/kWh) Aroma+Polycyc. Naphthene(vol%) Aroma+Polycyc. Naphthene(vol%) Aroma+Polycyc. Naphthene(vol%) Aroma+Polycyc. Naphthene(vol%) 図 米国市場軽油とモデル燃料との排出ガス性能比較 (JE5 モード エンジンアウト ) CN45ANGT (3)JE5 モードでの試験結果 JE5 モードでのエンジンアウトの排出ガス試験結果について モデル燃料の試験結果との比較を図 に示す ( イ )PM モデル燃料の結果では 組成の影響を受け 環状組成物割合の増加に伴い排出量は増加する傾向を示し 今回の米国 2 燃料でも同様の傾向を示している 尚 図 に示すように環状組成物割合との関係では 米国軽油はモデル燃料と比較すると PM 排出量が若干少ない傾向を示しているが 前述したとおり 米国 2 燃料の蒸留性状がモデル燃料と比較して軽質であることが影響したと考えられる ( ロ )NOx モデル燃料の結果では明確なセタン価及び組成の影響は認められず 今回の米国 2 燃料でも同様であることが分かった -37-

8 ( ハ )CO NMHC 本エンジンではセタン価が支配的因子であり 米国軽油はモデル燃料の傾向線上に乗る 即ちセタン価 41 の CHICAGO は と CN45 系列の中間に位置し セタン価 51 の LA は CN45 系列と CN5 系列の間に位置している 以上のことから セタン価 環状組成物の変化に対する排出ガスの挙動について モデル燃料と米国軽油は同様の傾向を示し セタン価 環状組成物割合が同等であれば 排出ガス値もほぼ同等であることが推定された 実用性能への燃料品質影響検討 (1) 評価車両車両諸元を表 に 1. 車両 OA 1. 車両 KB.... 示す (2) 試験燃料 性状を表 に示 す 2 2 (3) 評価項目 ( イ ) 始動性試験 1 5 試験室温度 及び において 以下の 3 項目について評価した エンジンの始動時 車両 OA 車両 KB 間 ( 回転数 バッテリー電圧 ) 図 実用性能試験結果 ( ) 2 始動時の白煙 1. (Opacity 最大値 ) 車両 OA 2 1. 車両 KB THC 濃度 (-3s の 最大値 -5s の平 均値 ) ( ロ ) 運転性試験 2 2 エンジン暖機後 ( エン ジン油温が安定後 ) 試 験室温度 及び において加速性能 (~ 4 4 km/h までの加速時間 ) を評価した 白煙 THC 車両 OA 車両 KB も併せて評価した (4) 実用性能図 実用性能試験結果 (2 ) での結果を図 に示す エンジン始動時間と加速性に関しては車両 KB も車両 OA も燃料性状の影響は見られず 何れもほぼ同等であった 一方 始動時白煙 (Opacity) と THC については燃料性状の Time of Engine Start (s) Opacity (%) THC (ppm) Acceleration time from km/h tokm/h (s) Time of Engine Start (s) Opacity (%) THC (ppm) Acceleration time from km/h tokm/h (s) Time of Engine Start (s) Opacity (%) THC (ppm) Acceleration time from km/h tokm/h (s) Time of Engine Start (s) Opacity (%) THC (ppm) Acceleration time from km/h tokm/h (s) -3-

9 影響が見られた セタン価が低くなるほど 白煙濃度 THC は増加する傾向が見られたが セタン価の低下に伴い 着火性が悪化したためと考えられる 2 での結果を図 に示す エンジン始動時間と加速性に関しては の場合と同様に 車両 KB も車両 OA も燃料性状の影響は見られなかった また で燃料性状の差が見られた始動時白煙に関しては何れもほとんど排出されておらず 差がなかった しかし THC について と同様に セタン価が低くなるほど 増加するという燃料性状の影響が見られた エンジン制御との組み合わせによる排出ガス 燃費への燃料品質影響検討 (1) 評価エンジンエンジンの諸元を表 に示す (2) 試験燃料性状を表 に示す (3) 結果 ( イ )Step 1: 制御条件を固定した場合の燃料品質影響標準装備の ECU では燃料性状によって EGR 率や噴射パターンが変化することがある そこで これらの制御パターンを同一に設定して 燃料物性と燃料組成の影響を評価した JE5 モードでの回転数 トルクマップから運転頻度が高い条件で行った ( 表 ) また エンジン制御条件を表 に示す 1rpm/1N m( 低回転 低負荷 ) で行った排出ガス 着火遅れの結果を図 及び図 に示す セタン価の低下に伴い パイロットの着火遅れは増大しているが メインの着火遅れはほとんど変化が見られない これは 2 段噴射により メインの着火遅れが抑制され 急激な熱発生率の上昇が抑えられたことから NOx 生成も抑制されたと考えられる また これまでと同様に環状組成物が PM に影響を与えることを確認した 表 回転数 / 負荷 3 - トルク (N m) 回転数 (rpm) 1 22 表 エンジン制御条件 吸気 O2 濃度 ハ イロット噴射 メイン噴射 過給圧力 /EGR 率 時期 時期 1.5%/ 約 23% -7.2 CA 5 CA 14~17kPa PM(g/kWh) 環状組成物の影響 NOx(g/kWh) メイン着火遅れの抑制 なお 22rpm/1N m( 高回転 低負荷 ) ではセタン価低下に伴い パイロット噴射とメイン噴射の着火遅れが増大した ( 図 ) また 高負荷では燃料影響は見られなかった ( ロ )Step 2: 制御条件を変化させた場合の燃料品質影響 ( その 1) 各種燃料を用いて EGR 率 燃料噴射時期を変化させ 制御パラメータの排出ガス 燃費 ハ イロット着火遅れ (deg) メイン着火遅れ (deg) 図 燃料影響 (1rpm/1N m) 図 燃料影響 (1rpm/1N m) -39-

10 への影響を把握した Step 1 で燃料性状の影響が最も顕著であった 22rpm/1N m( 高回転 低負荷 ) で行った 結果を図 に示す NOx については燃料性状の影響は小さく エンジン制御因子の影響が大きいことが分かった 一方 Smoke は EGR 率を上げるほ ど ( 吸気酸素濃度を下げるほど ) 燃料性状( セタン価 ) の影響が大きくなることが分かった また メイン噴射時期を遅角させた場合も同様であった ( ハ )Step 2: 制御条件を変化させた場合の燃料品質影響 ( その 2) EGR 率 噴射時期 噴射 ( エンジンアウト ) Smoke (.1%) NOx (ppm) PM(g/kWh) メインも着火遅れ NOx(g/kWh) 5 EGR 率の影響 燃料によらず 3 O2 濃度で整理 2 ( 燃料差小 ) 1 (45) EGR3% (5) EGR 率増加に () より燃料間の 差が拡大 2 EGR% EGR 増 EGR 減 吸気 O2 濃度 % 圧 過給圧を変数とした排出ガス 燃費試験を行い 重回帰分析により各燃料毎に制御パラメーターが排出ガス 燃費に与える影響を評価した 燃料影響が出やすい低負荷で行った (1rpm/1N m 及び 22rpm/1N m) 1rpm/1N m でのオリジナルの制御条件を下記する コモンレール圧力 =MPa 吸気圧 =1kPa 吸気酸素濃度 =1.4% パイロット噴射時期 =-.7 degatdc メイン噴射時期 =3.7degATDC 表 に示す制御マトリックスで排出ガス 燃費に与える影響をステップワイズ多重回帰分析により評価した 噴射時期の試験条件を下記する オリジナル条件 メイン噴射及びパイロット噴射:5deg 進角 メイン噴射及びパイロット噴射:5deg 遅角 パイロット噴射のみ:5deg 進角 パイロット噴射のみ:4deg 遅角 メイン噴射のみ:5deg 進角 メイン噴射のみ:4deg 遅角これらの噴射時期 7 条件のそれぞれに対して コモンレール圧 吸気圧 吸気酸素濃度の中で一つの条件のみを下記のように変化させた (1rpm/1N m) コモンレール圧:MPa( オリジナル ) or 1MPa 吸気圧:1kPa( オリジナル ) 1 or 19kPa 吸気酸素濃度:1.4%( オリジナル ) 17.7 or 19.% ハ イロット着火遅れ (deg) メイン着火遅れ (deg) 図 燃料影響 (22rpm/1N m) ( エンジンアウト ) Smoke (.1%) NOx (ppm) メイン噴射時期の影響 12 1 燃料によらず噴射時 期で整理 ( 燃料差小 ) 2 (45) (5) () ある程度遅角すると 減少 (GTL ) 2 進角遅角 メイン噴射時期 deg 図 制御パラメーターの影響 -31-

11 つまり エンジン制御条件は 7 条件であり 合計 49 条件で試験を行った 表 制御マトリックス噴射時期 1rpm/1N m ハ イロットメイン Base -5deg +5deg -5deg +4deg -4deg +5deg Base ( オリシ ナル条件 ) エ MPa ンコモンレール圧 1MPa Base のエンジン制御条件からジン 1kPa 吸気圧何れか一つの条件を変更制 19kPa 17.7% ( 例 ) コモンレール圧 : or 1MPa 御吸気酸素濃度 19.% 表 に NOx に与える燃料毎のエンジン制御因子の影響を示した メイン噴射時期と吸気酸素濃度の影響が大きいが 回転数毎の各燃料の定数に大きな差はないことが分かる つまり 燃料性状の影響は小さく エンジン制御因子の影響が大きい結果が得られた 表 制御パラメーターが NOx に与える影響 モデル燃料 係数 ( 説明変数 ) 環状組成目的変数噴射時期 Pilot 噴射時期 Main コモンレール圧吸気圧吸気酸素濃度定数項 R^2 セタン価物 (vol%) (degatdc) (degatdc) (MPa) (kpa) (%) rpm/1Nm CN45ANGT NOx(g/kWh) rpm/1Nm CN45ANGT 45 NOx(g/kWh) 表 に Smoke に与える燃料毎のエンジン制御因子の影響を示した 吸気酸素濃度の影響があり 全体的にメイン噴射時期の影響もある ここで NOx と比較するとメイン噴射時期と吸気酸素濃度の係数の正負が逆であることから NOx と Smoke はトレードオフの関係であることが分かる また 1rpm ではコモンレール圧の影響もあるが NOx はコモンレール圧の影響が小さいので コモンレール圧を上げることで NOx を増加することなく Smoke を低減できる可能性がある また セタン価 45 の燃料間で比較すると 環状組成物の影響が大きいことが分かる 表 制御パラメーターが Smoke に与える影響 モデル燃料 係数 ( 説明変数 ) 環状組成目的変数噴射時期 Pilot 噴射時期 Main コモンレール圧吸気圧吸気酸素濃度定数項 R^2 セタン価物 (vol%) (degatdc) (degatdc) (MPa) (kpa) (%) rpm/1Nm CN45ANGT Smoke(BSU) rpm/1Nm CN45ANGT Smoke(BSU)

12 3.2 ディーゼル車のポテンシャル評価 ポスト新長期規制適合乗用車の燃費 排出ガスのポテンシャルに関する検討 (1) 評価車両 表 車両諸元 車両諸元を表 に示す ポスト新長期規制適合 車両記号 D-4 G-4 燃料軽油ガソリン (R) ディーゼル乗用車として D-4 を選定した 過給インターク適合排出ガス規制ポスト新長期新長期 (5% ーラターボ搭載の直噴エンジンであり コモンレールとピエゾインジェクタによる高圧燃料噴射 大容量クールド 低減レベル ) シリンダー数 L 型 4 気筒 L 型 4 気筒排気量 cc EGR DOHC 等の要素技術を備える また後処理装置とし 出力 kw/rpm 127/ / トルク Nm/rpm 3/2 23/4 て 三元触媒 DPF NOx 触媒を装備する 燃料供給方式コモンレール PFI 一方 比較とするガソリン乗用車として D-4 と同一車種 過給器 あり なし であり 出力が同等である G-4 を選定した 圧縮比 (2) 試験燃料 変速機 MT CVT 車両重量 kg 軽油は JIS 2 号軽油 ガソリンは市販レギュラーガソリンを用いた 軽油性状を表 に ガソ 後処理装置 LNT+DPF 3WC 表 軽油性状表 ガソリン性状リン性状を表 に示した 密度 (g/cm ).22 密度 (g/cm ).741 IBP 173. (3) 試験モード IBP 3.5 T 蒸留性状 T T5 24. 蒸留性状定速走行は 2 km/h から 12 km/h ( ) T T ( ) EP 359. T9 1.5 まで 2km/h 刻みで試験を行った 動粘度 (mm 2 /s@3 ) 3.91 EP 12. セタン価過渡モードでは日本の認証モードで 54.2 RON 9.5 オクタン価セタン指数 5.9 MON 2. 硫黄分 (mass ppm) ある JC モードに加え 加減速や平均 5 硫黄分 (mass ppm) <1 飽和分 1.9 元素分析炭素分 7.2 オレフィン分. 速度が異なるモードで確認するために東 HPLC (mass %) 水素分 12. (vol%) 1 環アロマ分 環アロマ分.9 京都 No JC 11 NEDC 3 環アロマ分. 炭素分.2 US-HWY の各モードで実施した 元素分析 (mass %) 水素分 13. 酸素分 <.1 (4) 結果 ディーゼル乗用車 (D-4) のガソリン乗用車 (G-4) に対する CO 2 低減効果を図 に示す 特 に低中速域で CO 2 低減効果が大きいことから 低中速域の頻度の多い日本の道路交通事情を 踏まえると ディーゼルシフトは CO 2 低減に有効といえる G 車に対する D 車の CO2 低減割合 ( 過渡運転 )% モード平均車速 km/h G 車に対する D 車の CO2 低減割合 ( 一定速 )% 図 CO2 低減効果 車速 km/h -312-

13 4. まとめ 4.1 在来型石油以外の燃料利用を想定したディーゼル燃料品質研究 排出ガス 燃費への燃料品質影響検討ポスト新長期規制適合車両 OA では セタン価 組成が排出ガス 燃費に与える影響は小さく 特にセタン価が JIS 規格の範囲 (45 以上 ) では排出ガス 燃費に大きな差は認められないことが分かった 但し コールドスタート時の CO THC に対してはポスト新長期の車両でも燃料影響が確認され セタン価の低下 環状組成物の増加に伴い増加する傾向を把握した 燃料の環状構造の違いがエンジンアウトの排出ガスへ及ぼす影響検討本エンジンのエンジンアウト PM に及ぼす影響は ナフテノベンゼンを基準とすると アルキルベンゼンは約. 倍 2 環ナフテンは約.4 倍 1 環ナフテンはパラフィンと同様に 倍 ( 影響なし ) と整理された モデル燃料と米国市場軽油との性能比較検討米国軽油でもセタン価 環状組成物の変化に対する排出ガスの挙動はモデル燃料と同様の傾向を示した 但し 米国軽油はモデル燃料と比較して蒸留性状が軽質であること 多環アロマが多いことから PM 排出量に関しては 蒸留性状の軽質化による低減効果と多環アロマ含有による増加効果が相殺されている可能性が示唆された 実用性能への燃料品質影響検討新長期適合車 ポスト新長期適合車では THC 低温始動時の白煙に対して燃料品質の影響があることがわかった 始動性 加速性に対しては燃料影響が小さいことがわかった エンジン制御との組み合わせによる排出ガス 燃費への燃料品質影響検討 (1) 低負荷運転時において 低 EGR 率であれば Smoke に与えるセタン価の影響が見られないが EGR 率を上げるとその影響が広がる傾向が見られた また メイン噴射時期を遅角させた場合も同様であった このように燃料性状が排出ガスに与える影響は一律ではなく 制御条件の影響も受けることが分かった (2)EGR 噴射時期 噴射圧 過給圧を変数とした排出ガス 燃費試験を行い 重回帰分析により燃料毎のエンジンアウト排出ガスを制御パラメータで解析した結果 燃料毎に制御を最適化することで 排出ガスの低減 燃費の向上が出来る可能性を見出した 4.2 ディーゼル車のポテンシャル評価 ポスト新長期規制適合乗用車の燃費 排出ガスのポテンシャルに関する検討 (1) ディーゼル乗用車は同等出力のガソリン乗用車と比較して 走行パターンによらず CO 2 低減を達成しており 特に市街地走行のような低中速域で大幅に燃費が優れ CO 2 低減に対する優れた効果が確認された (2) ポスト新長期規制適合ディーゼル乗用車は新長期規制適合のガソリン車並の排出ガスレベルを実現しながら 依然として CO 2 低減に有効であることを把握した -313-