JATOP 成果発表会 ディーゼル車バイオ燃料 WG 報告 2010 年 6 月 25 日 JATOP ディーゼル車バイオ燃料 WG 金子タカシ JAPAN AUTO-OIL PROGRAM
バイオディーゼル燃料とは? 菜種 メタノール FAME FAME(Fatty Acid Methyl Ester) 脂肪酸メチルエステル O 3 HC C O CH 3 パーム 油脂 PME:Palm Oil Methyl Ester パーム油メチルエステル RME:Rapeseed Oil Methyl Ester 菜種油メチルエステル SME:Soybean Oil Methyl Ester 大豆油メチルエステル WME:Wasted Oil Methyl Ester 廃食用油メチルエステル 大豆 水素処理 HBD(Hydro Hydro-generated biodiesel) 水素化バイオ軽油 3HC CH3 草木 ガス化 FT 合成 FTD(Fischer Fischer Tropsch Diesel) 2
バイオディーゼル燃料の品質 <FAME> < 軽油 > <HBD,FTD> 二重結合 あり なし なし SME RME PME 多中間少 悪酸化安定性 蒸留性状 酸素分 低温で固まりやすい ( 原料油の組成により異なる ) 330 ~350 200 ~350 260 ~310 あり なし なし 含酸素化合物 炭化水素 炭化水素 FAME は品質面で軽油と異なる 現行の FAME の軽油への混合上限 : 日本 5% 高濃度混合の場合には 車両使用時の品質面で懸念あり 3
目的 ディーゼル車用燃料への高濃度 (5% 超 ) バイオマス燃料混合利用における車両使用時の技術的課題を明らかにするとともに 車両側 燃料側での対応策を含めた解析的検討を行い 規格化を含む市場導入検討に資する技術的知見を得る 4
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 5
ー着火性ー各種着火性測定方法とセタン価とセタン指数の関係 着火性指標 セタン価 (CN:Cetane Number) IQT セタン価 (DCN:Derived Cetane Number) セタン指数 (CI:Cetane Index) 測定方法 CFR エンジンにより測定 IQT 装置 ( 定容燃焼容器 ) により測定 密度と蒸留性状からの計算により算出 ( バイオ燃料混合時のセタン価とセタン指数の関係 ) 15 CI-CN 10 5 0-5 SME RME PME WME HBD FTD 10% 20% FAME10% 以上混合時にはセタン指数とセタン価の乖離が大きく セタン指数の適用不可 -10 0 10 20 バイオ燃料混合率 BDF mass% mass% Base 軽油 赤線は CN56 の場合のセタン価測定の室間再現許容差 (3.3) 6
IQT(Ignition Quality Tester) 特徴 IQT 装置外観 ー着火性ー IQT 装置の概要 着火遅れ期間から着火性 (DCN) を評価する装置で ASTM D6890 に適用 必要試料量は約 20mL 測定時間は約 20 分で少量 短時間での測定が可能 ( 参考 )CFRエンジン外観 ( 必要試料量は約 4L) 約 180cm 定容容器 燃料インジェクタ燃料供給口 約 60cm 約 80cm 約 130cm 7
DCN 70 65 60 55 50 45 65 60 ー着火性ーセタン価 (CN) と IQT セタン価 (DCN) の関係 45 50 55 60 65 70 CN FAME10% 混合 Base PM10 PM20 RM10 RM20 SM10 SM20 WM10 WM20 HB20 FT20 RM50 RM100 SME RME PME WME HBD FTD Base 軽油 10% 20% 50% 100% + DCN 70 65 60 55 50 45 65 60 炭化水素系 (Base HBD FTD) FAME20% 混合 点線は 1:1 線 y = 0.91x + 4.67 R² = 0.96 45 50 55 60 65 70 CN DCN 55 50 y = 0.96 x + 4.15 R 2 = 0.91 DCN 55 50 y = 1.00 x + 2.49 R 2 = 0.90 45 45 50 55 60 65 CN 45 45 50 55 60 65 CN 炭化水素系燃料は CN と DCN がほぼ同等の値となるが FAME10% 20% 混合軽油では DCN の方が高い値となる傾向を示した 8
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 9
- 酸化安定性 - 各種酸化安定性試験方法 酸価増加試験 Rancimat 試験 PetroOXY 試験 試験条件 試料 350mL を酸素吹き込み下で 115 16hr 保持 試料 3g を空気吹き込み下で 110 保持 試料 5mL に所定の酸素を封入し所定温度 (110 ~150 ) まで上昇 評価指標 酸化前後の酸価の差 ( 酸価 ) 誘導期間 ( 純水の導電率が急激に増加し始めるまでの時間 ) 誘導期間 ( 初期圧力が 10% 低下するまでの時間 ) 酸素 (3L/h) 凝縮器恒温槽 空気 10L/h 試料管 揮発性カルボン酸ガス 空気吹込管 測定容器 電極 純水 (50mL) 導電率測定 試料管 110 加熱 試料 (3g) ヒーターブロック 改良法は試料管長 (150 250mm) 試料量 (3 7.5g) 純水量 (50 60mL) が異なる 10
IP by IP PetroOXY(140 ) by 誘導期間 PetroOXY (PetroOXY,140 ), (@140 ), (hr) hr hr - 酸化安定性 - 改良 Rancimat vs PetroOXY, 酸化 vs PetroOXY 7 6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 IP 誘導期間 by Modified ( 改良 Rancimat), Rancimat, (hr) hr IP IP by 誘導期間 by PetroOXY(140 ) PetroOXY (PetroOXY,140 ), (@140 ), (hr) hr hr 7 6 5 4 3 2 1 0 TAN 0.12 SME RME PME WME HBD FTD 10% 20% Base 軽油 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 TAN Δ 酸価, (mgkoh/g) 各試験法の相関には FAME 種による特異な傾向はみられなかった 炭化水素系 (Base 軽油 HBD 混合 FTD 混合 ) は FAME 混合軽油とやや異なる傾向を示した 11
- 酸化安定性 - B100 の安定性が混合軽油の安定性に及ぼす影響 軽油 A 軽油 B IP by Modified Rancimat 誘導期間 IP by Modified ( 改良 Rancimat), Rancimat, hr (hr) 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 Biomass バイオ燃料混合率 Blend blend level, (mass%) mass% IP 誘導期間 by IP Modified by ( Modified 改良 Rancimat), Rancimat, hr hr (hr) 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 Biomass blend Blend level level, (mass%) mass% バイオ燃料混合率 mass% SME RME PME WME HBD FTD バイオ燃料 (B100) の誘導期間 (hr) 1.9 6.4 5.0 4.3 >48 31.3 (Rancimat) WME SME( 安定性良くない ) を混合することにより 混合軽油の安定性は低下した Base 軽油の安定性に関わらず 20% 混合でほぼ同等のレベルまで低下した 12
- 酸化安定性 - FAME 種による酸化防止剤添加効果の違い (B20) TAN, 酸価, mgkoh/g 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 (1) 酸価 SME(B20) PME(B20) 誘導期間 PetroOXY (PetroOXY,140 ), (140degC), min. min. 160 120 80 40 0 (2)PetroOXY 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 酸化防止剤 BHT concentration (BHT*) 添加量 in DGO,, ppm 酸化防止剤 BHT concentration (BHT*) 添加量 in DGO,, ppm この試験に用いた SME と PME では BHT 無添加の場合の酸化安定性は SME の方が良かったが BHT 添加による安定性改善効果は PME の方が良かった *Butylated Hydroxytoluene 13
- 酸化安定性 - FAME 中の抗酸化物質と脂肪酸メチルエステル組成 抗酸化物質, ppm (1) 抗酸化物質 (2) 脂肪酸メチルエステル 2000 1600 1200 800 1891 α-tocopherol β-tocopherol γ-tocopherol δ-tocopherol α-tocotrienol β-tocotrienol γ-tocotrienol δ-tocotrienol FAME 濃度, mass% 100 80 60 40 98.8 99.8 C22:0 C20:1 C20:0 C18:3 C18:2 C18:1 C18:0 C16:0 C14:0 400 0 SME 40 PME 20 0 SME PME 炭素数 二重結合数 抗酸化物質 : ( 天然の ) 抗酸化物質の含有量は SME の方が PME より著しく多かった 不飽和成分 : 不飽和脂肪酸メチルエステルは SME の方に多く含まれ またより酸化されやすい二重結合を複数 (2,3) 持つ成分の含有量も SME の方が多かった 14
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 15
- 部材影響 - ゴム 樹脂浸漬試験結果ゴム(4 種類)樹脂(6 種類B10 B20 B50 B100 NBR( ニトリルゴム ) H-NBR ( 水素添加ニトリルゴム ) FKM( フッ素ゴム ) NBR PVC ( ニトリル ポリ塩化ビニル ) PA( ポリアミド ) POM( ポリアセタール ) )エポキシ樹脂 PBT ( ポリブチレンテレフタレート ) PPS ( ポリフェニレンサルファイド ) 変化は小さい 変化は小さい 変化は小さい B50 B100 では変化が大きい部材 項目が認められた また 酸化安定性の悪い FAME の方が影響が大きい傾向もみられた フェノール樹脂 浸漬条件 ゴム NBR NBR PVC:80 1000hr 樹脂 全部材 :120 1000hr H-NBR FKM:120 1000hr 16
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 17
- 常温貯蔵安定性 - 曇り点より高い温度での析出物生成 曇り点より高い温度 軽油では析出物は生成しない FAME 混合軽油では析出物が生成する場合あり ( 例 ) FAME20% 混合軽油 (CP-2 ) を 5~8 で 10 日間静置した場合 CP: 曇り点 (WAX が析出する温度 ) CFPP: 目詰まり点 ( 析出した WAX でフィルタが目詰まりする温度 ) 低温 PP: 流動点 ( 流動性がなくなる温度 ) 18
- 常温貯蔵安定性 - 析出物生成分析結果 分析方法 2( 遊離脂肪酸 FAME n- パラフィン ) 析出物濃度, ppm 600 500 400 300 200 100 貯蔵温度 5 遊離脂肪酸 FAME n- パラフィン 飽和脂肪酸モノグリセライド C12:0 C14:0 C16:0 C18:0 分析方法 1( 飽和脂肪酸モノグリセライド ) 遊離脂肪酸 FAME n- パラフィン 飽和脂肪酸モノグリセライド C12:0 C14:0 C16:0 C18:0 遊離脂肪酸 FAME n- パラフィン 0 フィルタ捕集量 各分析法積み上げ フィルタ捕集量 各分析法積み上げ フィルタ捕集量 各分析法積み上げ PME20% SME20% RME20% PME 混合軽油からの析出物は飽和脂肪酸モノグリセライドが主成分と考えられる 19
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 20
- 排出ガス影響 - エンジン諸元 排出ガス分析項目 ディーゼル車の主要な排出ガス後処理システムである DPF( ディーゼルパティキュレートフィルタ ) NSR(NOx 吸蔵還元触媒 ) 尿素 SCR システムを搭載した車両 / エンジンで試験 主要諸元 車両 エンジン名称気筒数総排気量 L 排出ガス規制排出ガス低減技術 試験モード 車両 A 直列 4 気筒 3.0 新長期規制ターボインタークーラコモンレール式燃料噴射システムクールド EGR DOC+DPF JC08(Cold, Hot) エンジン B2 直列 4 気筒 4.0 新長期規制ターボインタークーラコモンレール式燃料噴射システムクールド EGR DOC+DPF+NSR JE05 エンジン C 直列 6 気筒 9.2 新長期規制ターボインタークーラコモンレール式燃料噴射システムクールド EGR DOC+ 尿素 SCR JE05, 定常 エンジン 後処理システムの制御は現行軽油ベース分析項目 CO, HC, NOx, PM, 燃料消費率, 未規制物質 ( アルデヒド 芳香族 ) 等試験燃料バイオ燃料 5 種類 (SME,RME,PME,HBD,FTD) を軽油に10%,20% 混合 21
- 排出ガス影響 - バイオ燃料 10%, 20% 混合時の影響 分析計の定量限界より高い濃度の排出ガスについて 一元配置 5% 有意水準で検定実施 ( バイオ燃料混合によって -: 低減 +: 増加 =: 変化なし *: 定量限界以下につき検定せず ) Emissions CO HC NOx PM Biomass Vehicle-A Engine-B2 Engine-C blend level 触媒 OUT 触媒 OUT 触媒 OUT 触媒 OUT エンジンOUT (mass%) JC08C JC08H JE05 JE05 定常 JE05 定常 10 = * = * * -(SME,RME, PME,FTD) -(RME,PME) 20 -(HBD) * = * * -(SME,RME, -(SME,RME, PME,FTD) PME) 10 = = = * * -(SME,RME, PME,HBD) -(RME) 20 = = = * * -(SME,RME, -(SME,RME, PME,HBD) PME) 10 = = +(SME,RME) = = +(PME) = 20 = = -(HBD) +(SME,RME, +(SME,RME) = HBD) +(SME,RME, PME) +(SME) 10 = = = = = 20 = = = -(RME) = 全体的傾向触媒 OUT :FAME20% 混合で NOx 炭化水素系バイオ燃料は概ね変化なし エンジン OUT:FAME 混合で CO HC FAME20% 混合で NOx 炭化水素系バイオ燃料は概ね変化なし 22
NOx (g/kwh) NOx, g/kwh 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 - 排出ガス影響ー高濃度混合時の NOx 影響 エンジン OUT 0 20 40 60 80 100 バイオマス混合率 Biomass blend level, mass% (mass%) NOx (g/kwh), 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 触媒 OUT Emission 排出ガス規制値 limits:2.0g/kwh 0 20 40 60 80 100 バイオマス混合率 Biomass blend level, mass% (mass%) エンジン C JE05 SME RME NOx 浄化率 NOx 浄化率 (Base (Base 軽油との差, %),%) -5 05-10 -15-20 -25-30 浄化率 0 20 40 60 80 100 バイオマス混合率 Biomass blend level, mass% (mass%) 尿素水噴射量 (Base 軽油との比 ) 尿素水噴射量 (Base 軽油との比 ) 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 尿素水噴射量 0 20 40 60 80 100 Biomass blend level (mass%) バイオマス混合率, mass% FAME 高濃度 (30,50,100%) 混合では エンジン OUT 触媒 OUT 共に大幅に NOx が増加した 23
PM, (g/kwh) 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 - 排出ガス影響ー高濃度混合時の PM 影響 エンジン OUT 0 20 40 60 80 100 バイオ燃料混合率 Biomass blend level, mass% (mass%) PM, g/kwh PM (g/kwh) 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 触媒 OUT 排出ガス規制値 Emission limits:0.027g/kwh エンジン C JE05 0 20 40 60 80 100 バイオ燃料混合率 Biomass blend level, (mass%) mass% SME RME PM 捕集フィルタ外観 ( エンジン OUT) Base RME30% RME50% RME 0.033 0.033 0.031 0.035 PM, g/kwh 0.04 0.03 0.02 0.01 PM( エンジン OUT) 中の SOF/SOOT 比 SOF SOOT 0.00 Base RME30% RME50% RME 触媒 OUT の PM が低い傾向を示すのは エンジン OUT からの PM 中の SOF 比が高く SOF が燃焼したことによると推定 24
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 25
- 後処理影響 - 試験項目および内容 DPF の機能 制御に対する影響 試験項目 1 BPT 2 DPF 再生速度 3 DPF 強制再生 内容 煤の堆積速度 / 燃焼速度がバランスする温度を調べる 所定の触媒温度において煤が燃焼する速度 (DPF が再生する速度 ) を調べる 生成した煤を DPF で燃焼させるときの DPF 制御に与える影響を調べる 26
- 後処理影響 - 試験項目および内容 DPF の機能 制御に対する影響 試験項目 1 BPT 2 DPF 再生速度 3 DPF 強制再生 内容 煤の堆積速度 / 燃焼速度がバランスする温度を調べる 所定の触媒温度において煤が燃焼する速度 (DPF が再生する速度 ) を調べる 生成した煤を DPF で燃焼させるときの DPF 制御に与える影響を調べる 27
負荷触媒入口温度- 後処理影響 - 1BPT 試験概要および試験燃料 BPT:Balance Point Temperature 所定条件で所定量の煤を DPF 上に溜める (a) 次に 負荷を徐々に上げる 一定時間保持 の操作を繰り返す (b) 負荷を保持している間に差圧が上がらなくなったとき (c) 煤の燃焼速度と堆積速度がバランスしたと見なし このときの触媒入口温度を BPT とする (a) (b) 圧BPT 時間差(c) 試験燃料マトリックス (DPF 再生速度も同じ ) ベース軽油 2 号軽油 混合基材 混合率 (mass%) 20 50 大豆油 ME ナタネ油 ME パーム油 ME 水素化植物油 参考 :SAE2006-01-3280 28
BPT 330 320 310 300 - 後処理影響 - 1BPT 試験結果 ヘ ース軽油 SM20 RM20 PM20 SM50 RM50 HB20 SME RME PME HBD 20% 50% Base 軽油 290 280 0 10 20 30 40 50 60 バイオ燃料混合率 BDF mass%, mass% バイオ燃料混合率 BDF (mass%), mass% 試験項目 10 20 50 100 BPT ( ) ( ) : ベース軽油より低い : ベース軽油と同等カッコ内は前後の結果からの推定 29
- 後処理影響 - 試験項目および内容 DPF の機能 制御に対する影響 試験項目 1 BPT 2 DPF 再生速度 3 DPF 強制再生 内容 煤の堆積速度 / 燃焼速度がバランスする温度を調べる 所定の触媒温度において煤が燃焼する速度 (DPF が再生する速度 ) を調べる 生成した煤を DPF で燃焼させるときの DPF 制御に与える影響を調べる 30
- 後処理影響 - 2 DPF 再生速度 試験概要 所定条件で所定量の煤を DPF に溜める (d) 次に BPT より少し高負荷の条件 (e) * で煤を燃焼する 単位時間当たりの差圧変化 ( ) を DPF 再生速度とする * BPT の結果から DPF 入口温度 320~325 になる負荷 差圧 kpa 13 12 11 10 9 8 7 煤溜め (d) DPF 再生 (e) 400 350 300 250 DPF 入口温度 0 5000 10000 15000 時間 sec 31
DPF 再生速度 kpa/hr - 後処理影響 - 2 DPF 再生速度試験結果 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0-0.4 0 10 20 30 40 50 60 バイオ燃料混合率 BDF, mass% mass% ヘ ース軽油 SM20 RM20 PM20 SM50 RM50 HB20 SME RME PME HBD バイオ燃料混合率 BDF (mass%), mass% 試験項目 10 20 50 RME SME DPF 再生速度 ( ) : ベース軽油より速い : ベース軽油と同等 カッコ内は前後の結果からの推定 20% 50% Base 軽油 32
- 後処理影響 - 試験項目および内容 DPF の機能 制御に対する影響 試験項目 1 BPT 2 DPF 再生速度 3 DPF 強制再生 内容 煤の堆積速度 / 燃焼速度がバランスする温度を調べる 所定の触媒温度において煤が燃焼する速度 (DPF が再生する速度 ) を調べる 生成した煤を DPF で燃焼させるときの DPF 制御に与える影響を調べる 33
- 後処理影響 - DPF 強制再生試験概要 現在の車両は DPF を再生する ( 煤を燃焼する ) 制御が組み込まれている 再生方法には自動強制再生と手動強制再生がある これらの再生制御に対するバイオ燃料混合の影響について調査する 試験方法 自動強制再生 : 走行中 ( エンジン暖機状態 ) を想定したエンジン状態で DPF 再生制御プログラムを作動し DPF 入口温度や温度が上昇するまでの時間等から DPF 強制再生が正常に機能するかどうかを調査する 手動強制再生 : エンジン始動直後 ( エンジン冷機状態 ) を想定したエンジン状態で DPF 再生制御プログラムを作動し DPF 入口温度や温度が上昇するまでの時間等から DPF 強制再生が正常に機能するかどうかを調査する 34
- 後処理影響 - DPF 強制再生試験結果 試験項目 10 バイオ燃料混合率 BDF, (mass%) mass% 20 50 100 RME RME CME HBD RME RME DPF 自動 強制再生 手動 ( ) ( ) :Pass :Fail カッコ内は前後の結果からの推定 注 ) RME: ナタネ油 ME CME: ココナッツ油 ME HBD: 水素化植物油 バイオ燃料混合率の増加により 強制再生が Fail となる傾向がみられた手動強制再生は FAME20% 混合で Fail(HBD20% 混合は Pass) 自動強制再生は FAME100% 混合で Fail (BDF の発熱量や揮発性が軽油と比較して低いことに起因すると推定される ) 35
- 後処理影響 - 試験結果まとめ バイオ燃料混合率 BDF,(mass%) mass% 試験項目 10 20 50 100 BPT 測定 (FAME) (FAME) DPF 再生速度 (RME) (SME) 自動 (FAME) (FAME) DPF 強制再生 (HBD) 手動 (FAME) (FAME) (FAME) 赤字 : 他の混合率の結果から推定 10% 混合 : 20% 混合 : 50% 以上混合 : BPT DPF 再生速度 DPF 強制再生とも軽油と同等 BPT DPF 再生速度は軽油と同等 FAME 混合のDPF 手動強制再生はFail HBD 混合はPass BPTは軽油より低く DPF 再生速度は同等か速い DPF 強制再生はFAME 混合の手動強制再生がFail( 推定 ) FAME100% では自動強制再生もFail 36
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 37
試験車両 車両 D 新短期荷台下なし 車両 E 新長期エンシ ンルーム内あり ー低温運転性ー試験概要 排カ ス規制メインフィルタ位置還流システム 試験室内冷却条件 : 石油学会法に準拠 室温 (20 ) 急冷 曇り点 +5 (1h 保持 ) 徐冷 試験温度 ソーク 試験開始 10 /hr 1 /hr 1hr CFPP, 目詰まり点 ( CFPP), 作動限界温度 * と 目詰まり点 * の関係 20 15 10 5 0-5 * 対 BASE(B0) 軽油 車両 D 19 悪化 BASE 車両 E PME 10% 3 悪化 PME 20% -5 0 5 作動限界温度, PME 混合軽油では CFPP および作動限界温度が悪化した ( ただし CFPP の悪化ほどは作動限界温度は悪化しなかった ) 38
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 39
ーエンジンオイル影響ー試験概要 試験パターン : 右下図参照 全負荷 再生 アイト ル 停止を含む モート 運転 DPF 再生は市場走行における走行距離と DPF 再生の関係を模擬 2008 自動車技術会論文を基本 +α エンジン H の主要諸元 気筒数総排気量 L 排出ガス規制排出ガス低減技術 直列 4 気筒 4.0 新長期規制ターボインタークーラコモンレール式燃料噴射システムクールド EGR DOC+DPF 耐久試験時間 :200 時間 ( 全負荷時 ) ポスト噴射実施 ( 燃料によりエンジン油が希釈する可能性あり ) 回転数 試験パターンイメージ図全負荷再生アイドル時間 停止 40
ーエンジンオイル影響ー試験マトリックス 供試バイオ燃料 BDF なし RME HBD RME BDF バイオ燃料混合率 mass% 供試エンジン油 - 10 20 10 10 純正油 JASO DH-2 10W-30 高粘度油 15W-40 RME: 菜種油メチルエステル HBD: 水素化バイオ軽油 41
- エンジンオイル影響 - BASEvsRME10%,20% 油圧変化 エンジン油圧, kpa 500 400 300 200 供試油 :10W-30 エンジンオイル交換 0 50 100 150 200 RME10%-1 RME10%-2 Base 軽油 RME20%-1 耐久運転時間, hr RME20%-2 燃料 試験結果 Base 軽油 規定値までの油圧低下発生せず ( オイル交換なし ) RME10% RME20% 燃料希釈による油圧低下が発生し 100hr でエンジン油交換実施 燃料希釈による油圧低下が発生し 120hrでエンジン油交換実施 (60hr 頃から油圧が低下が小さくなる傾向あり ) 42
- エンジンオイル影響 - エンジン油中の FAME 軽油混入量 軽油分 FAME 分混入量, mass % 12 10 8 6 4 2 0 供試油 :10W-30 0 軽油分 (GC 法 ) * FAME 分 (ASTM D6866) 25 50 75 100 125 150 175 200 0 50 100 100 BASE 軽油 RME10% RME20% オイル交換 150 200 0 *120hr 以降 分析機関変更 25 50 75 100 120 * オイル交換 120 170 200 FAME 分の方が軽油分よりもエンジンオイル中に残留しやすいまた RME20% の方が RME10% よりもエンジンオイル中に残留した FAME 量が多かった 43
ーエンジンオイル影響ー FAME 混合軽油による懸念点 ポスト噴射 エンジン油希釈 FAME 混入量大 希釈影響 ( 動粘度低下 ) 劣化影響 ( 動粘度上昇 ) ( 酸価増加 ) ( 塩基価減少 ) 油圧低下 油圧低下抑制鉛分増加等 44
- エンジンオイル影響 - BASE(10W-30)vsRME10%(15W-40) 油圧変化 エンジン油圧, kpa 500 400 300 200 0 50 100 150 200 Base 軽油 (10W-30) RME10% (15W-40) 高粘度油 耐久運転時間, hr 燃料 試験結果 Base 軽油 規定値までの油圧低下発生せず ( オイル交換なし ) RME10% 初期油圧レベルが高く 200hr オイル交換なしで試験終了 80hr 以降油圧低下が小さくなった 45
- エンジンオイル影響 - 試験後のエンジン油性状変化 TBN Remaining ratio 全塩基価残存率 a) 全塩基価残存率 1 BASE RME20% RME10% RME10%+15W-40( 高粘度油 ) 0 0 200 エンジン油使用時間, hr 酸価, mgkoh/g TAN mgkoh/g b) 全酸価増加 2.5 0 RME10%+ 15W-40( 高粘度油 ) RME20% RME10% Base 0 200 エンジン油使用時間, hr RME10%+ 高粘度油 (15W-40) の試験後のエンジン油は BASE より全塩基価残存率が低く 全酸価増加が大きかった ( エンジン油の劣化の兆候が現れた ) 46
- エンジンオイル影響ー 鉛濃度, ppm RME10%+ 高粘度油の軸受メタル類の鉛抜け現象 a) エンジン油中の鉛含有量 b) 軸受けメタルの鉛分布 100 0 RME10%+ 高粘度油 (15W-40) RME10% RME20% BASE 0 200 エンジン油使用時間, hr 1 新品の鉛分布状態 メタル表層メタル内層 RME10%+ 高粘度油 (15W-40) の試験後のエンジン油の鉛濃度が BASE よりも大きく増加した RME10%+ 高粘度油で試験後の軸受メタル類の一部に鉛抜け出しの兆候が認められた 2 試験後の鉛分布状態 注. 鉛は白色で表示 47
- エンジンオイル影響 - FAME 混合軽油による懸念点 ポスト噴射 エンジン油希釈 FAME 混入量大 希釈影響 ( 動粘度低下 ) 劣化影響 ( 動粘度上昇 ) ( 酸価増加 ) ( 塩基価減少 ) 油圧低下 油圧低下抑制鉛分増加等 48
ーエンジンオイル影響ー BASE vs HBD10% エンジン油圧, kpa 500 400 300 200 供試油 :10W-30 0 50 100 150 200 Base HBD10% 耐久運転時間, hr 燃料 試験結果 BASE 軽油 規定値までの油圧低下発生せず ( オイル交換なし ) HBD10% 油圧低下は Base(B0) と同レベル 200hr オイル交換なし 49
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 50
- インジェクタデポジット - 試験概要 運転条件欧州で採用されているインジェクタコーキング試験を基本として日本のエンジンに適用 試験時間 108 時間 試験エンジンの主要諸元 試験モード 気筒数総排気量 L 排出ガス規制排出ガス低減技術 直列 6 気筒 7.5 新長期規制ターボインタークーラコモンレール式燃料噴射システムクールド EGR DOC+DPF Engine Speed (%) 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 600 10 1200 1800 30 40 2400 503000603600 時間 Time, (sec) min. Torque (%) 51
- インジェクタデポジット - 試験マトリックス TEST No. 1 2 3 4 5 FAME 種 無 (BASE) PME SME FAME 濃度 無 10% 酸化安定性 (PetroOXY140 ) min. Zn 添加 (1ppm) 75 62 61 56 無 有 無 有 ( 参考参考 )FAME 混合軽油によるインジェクタデポジット生成 燃料中の FAME 酸化劣化 ( 金属分含有 ) コーキングデポジット生成流量低下 エンジントルク低下 ( カルボン酸塩生成 ) 52
- インジェクターデポジット - 燃料噴射量変化 No.1 BASE 軽油 No.3 PME10%(Znなし ) No.5 SME10%+Zn 1ppm No.2 BASE 軽油 +Zn 1ppm No.4 PME10%+Zn 1ppm 燃料噴射量変化率, % 燃料噴射量変化率, % 4 2 0-2 -4-6 0 20 40 60 80 100 運転時間, hr 燃料噴射量変化率,% ( 参考 : 約 100hr 後の変化率 ) 2 1 0-1 -2-3 -4-5 0% BASE BASE+Zn PME10% PME10%+Zn SME10%+Zn Zn を強制的に添加した燃料を用いて耐久試験を実施した結果 燃料噴射量が低下した 噴射低下量は FAME(SME PME) を 10% 混合した軽油の方が BASE 軽油よりも大きかった Zn を添加しなかった BASE 軽油 PME10% 混合軽油では 噴射量の低下はみられなかった 53
NO.1 BASE 軽油 - インジェクターデポジット - デポジット付着状況 ノズル噴孔内の下流部にのみ極微量のデポジットが付着 NO.2 BASE 軽油 +Zn 1ppm ノズル噴孔内全体にデポジットが付着 NO.3 PME10% ノズル噴孔内の下流部にのみ極微量のデポジットが付着 NO.4 PME10% +Zn 1ppm ノズル噴孔内全体にデポジットが付着 NO.5 SME10% +Zn 1ppm ノズル噴孔内全体にデポジットが付着 54
研究テーマ (1) 性状影響 低温 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 酸化劣化機構 部材影響 常温貯蔵安定性 (5) 低温運転性影響 (6) エンジンオイル影響 (7) 信頼性影響 インジェクタデポジット 長期駐車時安定性 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 55
- 長期駐車時安定性 - 試験概要 試験計画走行による燃料が熱履歴を与えた場合の長期駐車 (6 ヶ月 ) 後の車両性能への影響を確認 車両評価 ( 始動性 アイドル安定性 走行性等 ) 燃料の酸化安定性評価 車両タンク外観 ( 直射日光照射は 12 時 ~17 時頃 ) ( 駐車開始 )(1ヵ月後)(2ヵ月後)(3ヵ月後)(4ヵ月後)(5ヵ月後)(6ヵ月後) 駐車前走行 56
車両評価 - 長期駐車時安定性 - 試験結果 ( 駐車開始 ) 2009.8 末 (1 ヶ月後 )(2 ヵ月後 ) (3 ヵ月後 ) (4 ヵ月後 ) (5 ヵ月後 ) (6 ヵ月後 ) 2010.1 末 80km/h 8hr 走行 不具合なし 不具合なし アイドル変動発生 噴射ホ ンフ 交換 燃料の酸化安定性評価 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 PetroOXY(140 ) 酸価 過酸化物価 酸価 Modified Rancimat -1 0 1 2 3 4 5 6 7 酸価酸価 10, 10, 酸価酸価 mgkoh/g, mgkoh/g 誘導期間 IP by (Modified Rancimat,hr Rancimat),hr or 誘導期間 PetroOXY (PetroOXY,140 ),min. (140 ),min 駐車日数, ヶ月 1200 過酸化物価, mg/kg 1000 800 600 400 200 0 アイドル変動時の回転数, コモンレール圧 120 エンジン回転数, rpm 100 80 60 40 20 コモンレール圧, MPa 0 0 0 30 60 90 120 150 試験時間, 秒 1200 1000 800 600 400 200 57
- 長期駐車時安定性 - アイドル変動発生後の噴射ポンプ分解結果 調量バルブ部 ソレノイト 部 SCV( サクションコントロールハ ルフ ) 模式図 分解後 ニードルの摺動を手押しで確認したニードルの摺動抵抗は異常に大きい 写真撮影後 洗浄して異物を洗い再び撮影した ニート ル フ ッシュ アーマチュア SCV 分解後 洗浄後 ニート ル フ ッシュ アーマチュアはともに褐色の異物が付着している 冷始動後に生じたアイドル不具合は SCV の作動不良が原因と考えられる 58
(1) 性状影響 これまでの研究で明らかになった懸念点 ( 技術課題 ) 項目 低温 着火性 酸化安定性 FAME 混合 10% 混合 20% 混合 50% 混合 100% 混合 ( ニート ) ニートFAMEで低温性能の良くないものは 混合軽油も良くない着火性指標としてセタン指数は適用不可 IQTセタン価 (DCN) はFAME10% 20% 混合軽油では値がシフト安定性の良くないFAMEを混合すると特に低下 ( 酸化防止剤の添加効果の把握が重要 ) (2) 安定性影響 (3) 排出ガス影響 (4) 後処理影響 部材影響 常温貯蔵安定性 浸漬試験の結果ではゴムへの影響は小さい 浸漬試験の結果では樹脂への影響は小さい PME RME SME で曇り点より高い温度での析出物を確認 排出ガスレベルは低い FAME20% 混合で手動強制再生が FAIL ゴムに影響が発生する場合あり (FAME の安定性の影響もあり ) 浸漬試験の結果では樹脂への影響は小さい NOx 増加 - 手動強制再生 自動強制再生が FAIL (5) 低温運転性影響 PME RME SME で作動限界温度悪化 ( 特に PME の影響大 ) FAMEによるエンジンオイル希釈で (6) エンジンオイル影響 - 油圧低下インジェクタデポジット検討中 - (7) 信頼性影響長期駐車時安定性長期駐車後の始動時に不具合が発生 - - 重大な懸念点 定量的な影響を明確にし 自動車 燃料での対策の検討が必要品質の問題はないが 燃料指標の見直しが必要 59
ご清聴ありがとうございました