JATOP 第 2 回成果発表会 ディーゼル車バイオ燃料 WG 報告 212 年 3 月 9 日 ディーゼル車バイオ燃料 WG 金子タカシ JAPAN AUTO-OIL PROGRAM 1 1
バイオディーゼル燃料とは? メタノール FAME(Fatty Acid Methyl Ester) 脂肪酸メチルエステル 菜種パーム 廃食用油 油脂 ( トリク リセリト ) 脂肪酸 脂肪酸 グリセリン 脂肪酸 + O メタノール メタノール メタノール 脂肪酸 脂肪酸 脂肪酸 FAME メタノール メタノール メタノール + グリセリン 大豆 油脂 H3C H3C H3C C O C O C O CH 2 O CH O CH 2 H3C O C O CH 3 水素 HBD(Hydro Hydro-genated biodiesel) HVO(Hydrotreated Hydrotreated vegetable oil) 水素化バイオ軽油 H3C CH 3 草木 ガス化 FT 合成 水素化分解 FTD(Fischer Fischer Tropsch Diesel) BTL(Biomass Biomass to Liquid) 2
FAME 組成の例 FAME 濃度 mass% 1 8 6 4 2 C18:2 +C18:3 1 31 56 34 C18:1 4 61 27 46 C16: +C18: ハ ーム油メチルエステル 菜種油メチルエステル 大豆油メチルエステル 一例 PME RME SME WME 廃食用油メチルエステル 48 5 13 12 C22: C2:1 C2: C18:3 C18:2 C18:1 C18: C16: C14: C12: C1: C8: 炭素数 SME :2 重結合を複数含む C18:2 C18:3 を多く含む PME : 飽和脂肪酸メチルエステル (C16: C18:) を多く含む 二重結合数 3
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 ) 33 ~35 あり含酸素化合物 2 ~35 26 ~31 なし なし 炭化水素 炭化水素 FAME は二重結合を持つこと 蒸留性状が重質であることや含酸素化合物であることから 品質面で軽油と異なる 4
品質確保法に規定する軽油の強制規格 規制項目 硫黄分セタン指数蒸留性状 (9% 留出温度 ) 脂肪酸メチルエステルトリグリセリド酸価の増加酸価ギ酸 酢酸及びプロピオン酸の合計メタノール FAME を混合しない軽油.1 質量 % 以下 45 以上 36 以下.1 質量 % 以下.1 質量 % 以下 軽油規格値 FAME 混合軽油 5. 質量 % 以下.12mgKOH/g 以下.13mgKOH/g 以下.3 質量 % 以下.1 質量 % 以下 27 年 1 月 15 日公布 同年 3 月 31 日施行 品確法強制規格では FAME 混合上限が 5% (FAME 混合軽油には酸価 酸価の増加 ギ酸 酢酸及びプロピオン酸の合計及びメタノールの上限規格あり ) 高濃度混合の場合には 車両使用時の品質面で懸念あり 5
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 6
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 7
着火性ー着火性指標と測定装置ー (1) 着火性指標 セタン価 (CN CN:Cetane Number) セタン指数 (CI CI:Cetane Index) IQT セタン価 (DCN DCN:Derived Cetane Number) CFR エンジンにより測定 密度と蒸留性状 (T1,5,9) からの計算着火性の指標として軽油 JIS 規格に採用 IQT 装置 ( 定容燃焼容器 ) により測定 ASTM D689 (2) 測定装置 セタン価 (CFR エンジン ) 必要試料量は約 4L 測定時間は約 1 時間 IQT セタン価 (IQT 装置 ) 必要試料量は約 2mL 測定時間は約 2 分少量 短時間での測定が可能 約 18cm 約 6cm 約 13cm 約 8cm 8
着火性ー FAME 混合時のセタン価ー PME SME RME 軽油 A( セタン価 57.5) 軽油 B( セタン価 53.6) 6 6 軽油 C( セタン価 5.6) 58 58 56 56 CN 54 CN 54 52 52 5 1 2 5 1 2 FAME 混合率 mass% RME 混合率 mass% FAME1 2% 混合により大きく着火性が悪化 ( セタン価が低下 ) することはなかった 9
着火性ー着火性指標の関係ー (1) セタン価 (CN CN) vs セタン指数 (CI CI) CI-CN 15 1 5-5 -1 1 2 バイオマス混合率, mass% SME RME PME WME HBD FTD 5% 1% 2% Base 軽油 (2) セタン価 (CN CN) vs IQT セタン価 (DCN DCN) DCN 65 6 55 5 45 赤線は CN56 の場合のセタン価測定の室間再現許容差 (3.3) FAME2% 混合 y = 1. x + 2.49 R2 =.9 45 5 55 6 65 CN DCN 7 65 6 55 5 1 セタン価 vs セタン指数 -FAME1% 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 2 セタン価 vs IQT セタン価 - 炭化水素系燃料は CN と DCN がほぼ同等の値となるが FAME 2% 混合軽油では DCN の方が高い値となる傾向を示した 炭化水素系 ( 軽油 HBD FTD) y =.91x + 4.67 R2 =.96 45 45 5 55 6 65 7 CN 1
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 11
酸化安定性ー各種酸化安定性試験方法ー 酸価増加試験 Rancimat 試験 PetroOXY 試験 試験条件 試料 35mL 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 11 保持 試料 5mL に所定の酸素を封入し 14 に上昇 評価指標 酸化前後の酸価の差 誘導期間 ( 純水の導電率が急激 誘導期間 ( 初期圧力が1% 低下 ( 酸価 ) に増加し始めるまでの時間 ) するまでの時間 ) 品確法に採用欧州の FAME 規格に採用品確法に採用予定 酸素 (3L/h) 空気 1L/h 揮発性カルボン酸 電極 恒温槽 凝縮器 試料管 試料 試料 3g ヒーター 11 純水 5mL 試料 5mL ヒーター 酸素 改良法は試料容器 試料量 純水量を変更して FAME 混合軽油で測定可能とした 12
酸化安定性ーバイオマス混合軽油の酸化安定性ー FAME 濃度 mass% 1 8 6 4 2 誘導期間 * hr PME1 RME 6.4 5. 4.3 WME SME1 1.9 C22: C2:1 C2: C18:3 C18:2 C18:1 C18: C16: C14: C12: C1: C8: * Rancimat 法 誘導期間 ( 改良 Rancimat) hr 5 4 3 2 1 (48hr 以上を示す ) 1 2 バイオマス混合率 mass% HBD FTD PME1 RME WME SME1 FAME を混合した場合 酸化安定性が悪化した 特に 二重結合を複数持つ C18:2 や C18:3 を多く含む SME を混合した場合 悪化が大きい 一方 HBD FTD を混合した場合 安定性は悪化しなかった 13
酸化安定性 -FAME 混合軽油への酸化防止剤添加効果 - FAME2% 混合軽油 (B2) への BHT の添加効果 誘導期間 (PetroOXY,14 ), 分 16 12 8 4 PME2(B2) SME2(B2) 5 1 15 2 酸化防止剤 (BHT*) 添加量, ppm BHT 無添加では ここで用いた SME は PME より安定性が良かった 酸化防止剤による酸化安定性の改善がみられた ただし C18:2 C18:3 の多い SME の方が添加レスポンスが小さかった *Butylated Hydroxytoluene 14
酸化安定性 -SME2 PME2 の FAME 組成及び天然抗酸化物質 - FAME 濃度, mass% 1 8 6 4 (1)FAME 組成 C22: C2:1 C2: C18:3 C18:2 C18:1 C18: C16: C14: 天然抗酸化物質, ppm (2) 天然抗酸化物質 2 1891 16 12 8 α- β- γ- δ- α- β- γ- δ- Tocopherol Tocotrienol 2 4 SME2 PME2 4 SME2 PME2 FAME 組成 : 二重結合を複数持つC18:2 C18:3の含有量はSME2の方が多かった 天然抗酸化物質 :SME2の方がPME2より著しく多かった PME2よりもSME2の方が安定性が良かったのは天然抗酸化物質が多いためと推定される 15
酸化安定性 -SME2 に含まれる天然抗酸化物質の影響 - 誘導期間 (PetroOXY14 ), 分 天然抗酸化物質の酸化安定性への効果を調査 6 5 4 3 2 1 55 33 SME2 PME2 ( 実試料 B2) 44 378ppm 34 8ppm 天然抗酸化物質あり SME2 PME2 の FAME 組成と天然抗酸化物質を試薬で模擬 SME B2 PME B2 11 29 ( 参考 ) 天然抗酸化物質なし 天然抗酸化物質あり 実試料と同様 SME の方が安定性が良かった 天然抗酸化物質なし PME の方が安定性が良かった 斜字は添加した天然抗酸化物質量 天然の抗酸化物質により酸化安定性が向上した SME2 が PME2 よりも安定性が良かったのは 天然の抗酸化物質が多いためであることを確認した 16
酸化安定性ー BHT 添加時期が安定性に及ぼす影響ー BHT 添加量 2ppm SME2 B2 PME2 B2 PetroOXY(14degC), 誘導期間 min. by PetroOXY14 分 1 8 6 4 2 a) 入手直後添加 b) 保管後に添加 BHT 無添加 2.5 5 7.5 Strage 貯蔵期間 ヶ月 Period, month PetroOXY(14degC), 誘導期間 min. by PetroOXY14 分 16 a) 入手直後添加 14 12 1 b) 保管後に添加 8 6 BHT 無添加 4 2 2.5 5 7.5 Strage 貯蔵期間 ヶ月 Period, month SME は BHT 無添加で保管した場合 酸化安定性が悪化した また 長期保管後に BHT を添加しても 入手直後に添加した場合ほどは改善しなかった 17
酸化安定性ー各因子の酸化安定性に及ぼす影響の把握ー 4 つの因子の酸化安定性に及ぼす影響の定量的な把握のために試薬を用いた試料の安定性試験を実施 (1)Base 軽油 ( 安定性 ) 誘導期間 * IP=75 分を中心に他に 5~12 分の合計 13 種 (2)FAME 組成 C16: C18: 5% C18:1 1% C18:2 混合 C18:3 (3) 天然抗酸化物質 α β -Tocopherol γ δ γ -Tocotrienol 1ppm 2ppm 添加 誘導期間 * を測定 (271 点 ) し 各因子の影響を解析 (4) 酸化防止剤 BHT 1 2ppm 添加 *PetroOXY@14 18
酸化安定性ー誘導期間推定モデルー FAME 混合軽油の誘導期間 * IP 推定モデル 1+2( 分 ) を導いた 1BASE 軽油 FAME 組成で決定する誘導期間 IP( 分 ) = 1 BASE 軽油の安定性 * ( 分 ) 1 +FAME 組成による酸素消費速度増加分 ( 分 -1 ) FAME 組成による酸素消費速度の増加分 (min. -1 ) = +.88 C16:,mass% -.111 C18:,mass% +.615 C18:1,mass% +.6141 C18:2,mass% +.1221 C18:3,mass% 2 天然抗酸化物質 酸化防止剤 (BHT) による IP 向上分 ( 分 ) = 1BASE 軽油 FAME 組成から決まる誘導期間 {4.69 (1-exp(-.62 BHT,massppm )) +4.69 (1-exp(+ln(1-1.152/4.69 (1-exp(-.193 α-tocopherol massppm ))) +ln(1-3.32/4.69 (1-exp(-.149 β-tocopherol massppm ))) +ln(1-4.526/4.69 (1-exp(-.13 γ-tocopherol massppm ))) +ln(1-5.365/4.69 (1-exp(-.96 δ-tocopherol massppm ))) +ln(1-3.439/4.69 (1-exp(-.137 γ-tocotrienol massppm )))))} *PetroOXY@14 19
酸化安定性ー誘導期間推定モデルの検証ー 誘導期間推定モデルをバイオ FAME( 多成分系 ) 試料 7 点を用いて検証した結果 精度良いモデルであることを確認した < 適用範囲 > 誘導期間 15 分以下 FAME 混合量 2% 以下 酸化防止剤 (BHT) 量 2ppm 以下 推定値 min. 2 15 1 5 y=1.189x R 2 =.976 5 1 15 2 実測値 min. 2
酸化安定性ー FAME の影響の考察ー 誘導期間推定モデルを用いて FAME 成分の安定性への影響を考察 誘導期間変化 min. 各 FAME 成分 1% の安定性への影響 (SME2% * 混合軽油から FAME が 1% 変化した場合の変化 ) 2-2 -4-6 -8-1 C16: C18: C18:1 C18:2 C18:3 < 前提条件 > SME2% 混合軽油 FAME 組成 C16: 2.2% C18:.8% C18:1 4.5% C18:2 1.9% C18:3 4.6% BASE 軽油 IP=9 分 BHT1ppm 添加 不飽和結合を複数有する C18:2 C18:3 FAME の酸化安定性への影響が大きい ( これらが多いほど安定性は悪化する ) 21
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 22
部材影響ー部材浸漬試験概要ー ゴム (4 種 ) 樹脂 (6 種 ) 金属 (8 種 ) 単体試験異種金属接触試験 試験部材 1NBR( ニトリルコ ム ) 2H-NBR( 水素添加ニトリルコ ム ) 3FKM( フッ素コ ム ) 4NBR PVC( ニトリルコ ム + ホ リ塩化ヒ ニル ) 1PA( ホ リアミト ) 2PBT( ホ リフ チレンテレフタレート ) 3PPS( ホ リフェニレンサルファイト ) 4POM( ホ リアセタール ) 5 エポキシ樹脂 6 フェノール樹脂 単体試験 異種金属接触試験 1SPCC( 冷間圧延鋼鈑 ) 2AC2A( アルミ鋳物 ) 3C11P( タフピッチ銅 ) 4C26P( 黄銅 ) カップ試験 5 ターンシート ( 錫 - 鉛メッキ鋼鈑 ) 6 ボンデ鋼鈑 ( 電気亜鉛メッキ鋼鈑 ) 7 錫 - 亜鉛メッキ鋼鈑 (SnZn3/3) 8 溶融アルミメッキ鋼鈑 (AlSi3/3) 試験燃料 1L 試験片 ( 異種金属接触の場合は異なる金属片 2 枚を固定 ) 浸漬条件 * 8 12 8 12 8 カップ試験 評価項目 引張強さ等 引張強さ等 試験片重量変化 溶出金属分等 φ5mm 試験燃料 FAME (IP6,9,12hr ** ) 1% 2% 5% 1% 混合 35mm 試験燃料 4mL * 1 時間 ** Rancimat 法 23
部材影響ー浸漬試験のまとめー 試験部材 B1 B2 B5 B1 ゴム (4 種 ) 1NBR 2H-NBR 3FKM 4NBR PVC 変化は小さい 変化が大きい部材が認められた 酸化安定性の悪い FAME の方が影響が大きい傾向が認められた 樹脂 (6 種 ) 1PA 2PBT 3PPS 4POM 5 エポキシ樹脂 6 フェノール樹脂 変化は小さい 変化は小さい 単体試験 1SPCC( 冷間圧延鋼鈑 ) 2AC2A( アルミ鋳物 ) 3C11P( タフピッチ銅 ) 4C26P( 黄銅 ) 変化は小さい C11P は注意が必要 金属 (8 種 ) 異種金属接触試験 AC2A/Zn SPCC/C11P C11P/Zn 変化は小さい SPCC/C11P は注意が必要 カップ試験 5 ターンシート ( 錫 - 鉛メッキ鋼鈑 ) 6 ボンデ鋼鈑 ( 電気亜鉛メッキ鋼鈑 ) 7 錫 - 亜鉛メッキ鋼鈑 (SnZn3/3) 8 溶融アルミメッキ鋼鈑 (AlSi3/3) ターンシートは注意が必要 ターンシートボンデ鋼板錫 - 亜鉛メッキ鋼鈑は注意が必要 24
部材影響ー FAME 混合時のゴム材への影響ー NBR の引張強さ変化 3 浸漬条件 :8 1hr 引張強さ MPa 2 1 酸化安定性の悪化とともに引っ張り強さが低下 2 4 6 8 1 FAME 混合率 mass% * Rancimat 法 供試 FAME の酸化安定性 * IP6hr IP9hr IP12hr NBR では B5 B1 で引っ張り強さが低下した また 酸化安定性の悪い FAME の方が影響が大きい傾向が認められた 25
部材影響ー金属 ( ターンシート ) への影響ー < 質量変化率 > < メッキ状態と溶出金属 > 質量変化率 %.2 浸漬条件 :8 1hr -.2 -.4 -.6 2 4 6 8 1 FAME 混合率 mass% 供試 FAMEの酸化安定性 * IP6hr IP9hr IP12hr 観察箇所 ( 界面 ) BASE 軽油 FAME 1% (IP12hr) メッキ状態 異常なし 鋼鈑露出 溶出金属 Pb<5ppm Sn<5ppm Pb 255ppm Sn 22ppm * Rancimat 法 ターンシートの質量減少が認められた また BASE 軽油にはみられないメッキ溶出による鋼鈑露出や金属溶出がみられた 26
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 27
常温貯蔵安定性 ー曇り点より高い温度での析出物生成ー 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 ( 常温析出物 ) ( 例 ) FAME2% 混合軽油 (CP-2 ) を 5~8 で 1 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 ) 28
常温貯蔵安定性ー常温析出物分析結果ー FAME 中の飽和脂肪酸モノグリセライド * mass% *C16: +C18: 析出物重量 mg/l 5 4 3 2 1 フィルタ捕集量 SG 1.1mg 分析値 貯蔵温度 5 16hr ろ過フィルタ目開き.8μm 飽和脂肪酸モノグリセライド C12: C14: C16: C18: フィルタ捕集量 SG 検出せず 分析値 フィルタ捕集量 FAME 遊離脂肪酸 飽和脂肪酸モノグリセライド SG.9mg 分析値 フィルタ捕集量 PME (typea)2% PME (typeb)2% SME 2% RME 2%.29.7.15.5 PME SME RME 混合軽油では曇り点より高い温度で析出物がみられた PME(typeA) から多くの析出物が生成し その主成分は飽和脂肪酸モノグリセライドであった また PME(typeA) にも多くの飽和脂肪酸モノグリセライドが含まれていた 一方 飽和脂肪酸モノグリセライドが少ない PME(typeB) からの析出物は比較的少量であった n-p SG.1mg 分析値 29
エンジン回転 rpm, rpm 常温貯蔵安定性ー車両試験結果ー 燃料フィルタ差圧 MF, kpa kpa 析出物量の多かったPME(typeA)2% 混合燃料 ( 下層 ) を用いた 5 での走行試験を実施 3 25 2 15 1 5 12 1 8 6 4 2 *1) *2) コモンレール圧 車速 回転 燃料フィルタ差圧 6 5 4 3 2 1 12 1 8 6 4 2 車速, km/h コモンレール圧, MPa *1) 通常運転時 *2) 異常時 エンジンストール 試験後の燃料フィルタ外観 約 13L 分の燃料の常温析出物で燃料フィルタが目詰まり 燃料フィルタへの析出物の目詰まりにより車両不具合 ( エンジンストール ) が発生することを確認した 3
常温貯蔵安定性 -PME(typeB) SME からの常温析出物調査 - 析出物重量の少なかった PME(typeB) SME2% の析出物に関して フィルタ通油性試験と析出物重量の面から調査 < フィルタ通油性試験 (ASTM D268)> 試料通油時の圧力変化を計測 全量通油前に圧力が上限値 15kPa に達した場合 FAIL とした ポンプ 試料 3mL 25 5 フィルタ P 目開き 16μm の車両燃料フィルタ Φ=13mm ASTM 法は目開き 1.6μm ガラス繊維フィルタ Φ=13mm < 通油性試験結果 > (5 車両燃料フィルタ ) PME(typeA)2% FAIL PME(typeB)2% PASS SME2% FAIL 31
常温貯蔵安定性 -SME の常温析出物とフィルタ通油性 - 析出物重量 mg/l 小さい結晶 (.8 と 1μm フィルタ捕捉物の差 ) 大きい結晶 (1μm フィルタ捕捉物 ) 2 15 1 5 ASTM D268 通油性 ( 車両フィルタ 16μm 使用 ) PASS PME(typeB) 2% FAIL SME 2% PME(typeB) 2% SME 2% 1μm 程度の大きい結晶 A とそれらが凝集して数百 μm 以上にまで巨大化した結晶 B が観察された <5 での析出物結晶 > A 1μm 1μm 1μm B SME の巨大な結晶がフィルタ通油性を悪化させたと考えられる 32
常温貯蔵安定性 -SME のフィルタ通油性悪化の原因 - 試薬を用いて SME に含まれる成分の析出物 (@5 ) への影響を調査 PME(typeB) 2% 脂肪酸モノク リセライト.2% ステロールク ルコシト 2ppm PME(typeB)2% に脂肪酸モノク リセライト (.13%) と遊離脂肪酸 (.2%) を添加 さらに微量 (5ppm) のステロールク ルコシト を添加 1μm 1μm 1μm 程度の大きい結晶 SME 2% 脂肪酸モノク リセライト.15% ステロールク ルコシト 18ppm 1μm 大きい結晶が凝集して巨大な結晶に成長 1μm 脂肪酸モノグリセライド等と微量のステロールグルコシドの共存時に SME の場合と同様に大きな結晶が凝集して巨大化する現象がみられた 33
常温貯蔵安定性ー添加剤による通油性改善の可能性ー 添加剤を添加 ( リコメンド量.3mass%) したSME2% 混合軽油のフィルタ通油性を評価 FAIL 圧力 kpa 1 8 6 4 2 添加剤なし 添加剤なし 1 2 3 4 5 6 7 8 9 時間 sec. 添加剤あり 添加剤あり PASS 結晶の成長を抑制 結晶の成長を抑制 SME への添加剤の添加により フィルタ通油性が改善する可能性が示された 34
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 35
排出ガス影響ーエンジン諸元 排出ガス分析項目ー 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 / エンジンで排出ガス試験を実施 (1) 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 (2) 分析項目 CO, HC, NOx, PM 車両 A 直列 4 気筒 3. 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 JC8(Cold, Hot) エンジン B2 直列 4 気筒 4. 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 JE5 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 JE5, 定常 エンジン 後処理システムの制御は現行軽油ベース (3) 試験燃料バイオ燃料 5 種類 (SME,RME,PME,HBD,FTD) を軽油に 1%,2% 混合 36
排出ガス影響 - バイオ燃料 1%, 2% 混合時の影響ー 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%) JC8C JC8H JE5 JE5 定常 JE5 定常 1 = * = * * -(SME,RME, PME,FTD) -(RME,PME) 2 -(HBD) * = * * -(SME,RME, -(SME,RME, PME,FTD) PME) 1 = = = * * -(SME,RME, PME,HBD) -(RME) 2 = = = * * -(SME,RME, -(SME,RME, PME,HBD) PME) 1 = = +(SME,RME) = = +(PME) = 2 = = -(HBD) +(SME,RME, +(SME,RME) = HBD) +(SME,RME, PME) +(SME) 1 = = = = = 2 = = = -(RME) = 全体的傾向触媒 OUT :FAME2% 混合でNOx 増加 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 減少 FAME2% 混合でNOx 増加 ( 触媒前 ) 炭化水素系バイオ燃料は概ね変化なし 37
排出ガス影響ー高濃度混合時の NOx 影響ー NOx (g/kwh) NOx, g/kwh 1. 8. 6. 4. 2.. エンジン OUT 2 4 6 8 1 Biomass FAME 混合率 blend level, mass% (mass%) NOx, (g/kwh) 4. 3. 2. 1.. 触媒 OUT Emission 排出ガス規制値 limits:2.g/kwh エンジン C JE5 2 4 6 8 1 Biomass FAME 混合率 blend level, mass% (mass%) SME RME NOx 浄化率 NOx 浄化率 (Base (Base 軽油との差, %),%) -5 5-1 -15-2 -25-3 浄化率 2 4 6 8 1 Biomass FAME 混合率 blend level, mass% (mass%) 尿素水噴射量尿素水噴射量 (Base (Base 軽油との比 ) ) 1.5 1..95.9.85.8 尿素水噴射量 2 4 6 8 1 Biomass blend level (mass%) FAME 混合率, mass% FAME 高濃度 (3,5,1%) 混合では エンジン OUT 触媒 OUT 共に大幅に NOx が増加した 38
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 39
後処理影響ー DPF 再生メカニズムと試験方法ー 最新車両には排出ガス中のPM 低減のためにDPFが広く普及 ポスト噴射によるDPF 再生制御が組み込まれている ポスト噴射による DPF 再生とは? 燃料を排気行程で噴射し DPF 上で燃焼させ 堆積した煤を燃焼させる 燃料の燃焼特性が影響 DPF (Diesel Particulate Filter) DPF 再生制御に対するバイオ燃料混合の影響について調査 ( 試験方法 ) DPF 再生制御プログラムを作動し DPF 強制再生が正常に機能するかを調査 自動強制再生走行中 ( エンジン暖機 ) を想定した条件 手動強制再生エンジン始動直後 ( エンジン冷機 ) を想定した条件 4
後処理影響ー DPF 強制再生結果の一例ー DPF 入口温度 6 5 4 3 2 1 Pass ベース軽油 ( 手動強制再生 ) RME2%( 手動強制再生 ) 再生プログラム開始 5 1 15 2 再生時間秒 DPF 入口温度 6 5 4 3 2 1 Fail 再生プログラム開始 5 1 15 2 再生時間秒 再生に必要な温度まで上昇した 再生に必要な温度まで上昇しなかった 41
後処理影響ー DPF 強制再生試験結果ー 試験項目 DPF 強制再生 自動 手動 :Pass :Fail *1:RME CME *2:RME *3 他の混合率の結果から推定バイオ燃料混合率 mass% 1 2 5 1 (FAME *2 ) (FAME *2 (HBD) (FAME *1 *1 ) (FAME *3 *3 ) *2 ) (FAME *3 *3 ) FAME 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 - 自動強制再生は FAME1% 混合で Fail - 手動強制再生は FAME2% 混合で Fail(HBD2% 混合は Pass) (FAME 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 ) 42
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 43
低温運転性影響 - 低温性能 - FAME 濃度 mass% 1 8 6 4 2 目詰まり点 CFPP PME SME WME RME +14-4 -3-11 C22: C2:1 C2: C18:3 C18:2 C18:1 C18: C16: C14: C12: C1: C8: CFPP -5-1 -15-2 1 2 FAME 混合率 mass% PME SME WME RME 飽和脂肪酸メチルエステルを多く含む PME は低温性能が良くない その PME を軽油に混合すると 混合軽油の CFPP も悪化した 44
低温運転性影響ー試験概要ー PME 混合により低温性能が悪化するため 2 台 ( 新長期 新短期規制 ) の車両を用いて PME1 2% 混合軽油の低温運転性を評価 < 評価手順 > 急冷 室温 曇り点 +5 (1hr 保持 ) 徐冷 ソーク 試験温度 1 /hr 1 /hr 1hr 試験開始 エンジン始動 PASS アイドル 5 分 PASS 5km/h 走行 PASS 試験終了 始動しない アイドル中に停止 FAIL 規定速度で走行不可 エンジン停止 FAIL (FAIL の場合は温度を 1 上げて繰り返し試験を実施 ) PASS となった最低温度 作動限界温度 45
低温運転性影響ー作動限界温度と目詰まり点の関係ー 目詰まり点 * ( CFPP), 2 車両 ( 新短期 ) 15 PME2% 車両 ( 新長期 ) 19 悪化 1 5 PME1% BASE 軽油 3 悪化 -5-5 5 作動限界温度 * * 対 BASE(B) 軽油 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 ) 46
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 47
エンジンオイル影響ー DPF 再生時のエンジン油の燃料希釈ー 最新車両には排出ガス中の PM 低減のために DPF 搭載車両が広く普及 DPF 再生制御時のポスト噴射によりエンジン油の燃料希釈が増加傾向 ポスト噴射によるエンジン油の燃料希釈 燃料を排気行程で噴射するため 燃料の一部がエンジン油に混入 燃料特性 ( 揮発性 安定性 ) が影響? (FAME は軽油より蒸留性状が重質 ) DPF (Diesel Particulate Filter) バイオ燃料のエンジン油の燃料希釈影響について調査 48
エンジンオイル影響 -FAME 混入時の懸念点と試験条件ー (1)FAME 混入時の懸念点 ポスト噴射 エンジン油希釈 (2) 試験条件 ( イメージ ) FAME 混入量大 ( 重質な FAME は残存しやすい ) 1FAME の希釈影響 2FAME の劣化影響 油圧低下 ( 動粘度低下 ) エンジン油酸化劣化 回転数 DPF 再生 ( ポスト噴射 ) 全負荷 1FAME の希釈影響 2FAME の劣化影響 希釈影響評価時は DPF 再生を長く 劣化影響評価時は全負荷運転時間を長い条件とした ( 総試験時間 12hr 23hr) アイドル 時間 停止 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 49
エンジンオイル影響ー RME 混合時の油圧低下ー (1) エンジン油希釈影響 エンジン油圧, kpa 供試油 :1W-3 油 5 4 3 エンジン油交換 2 5 1 15 2 Base 軽油 RME1% RME2% 耐久運転時間, hr RME1% 2% 混合軽油では BASE 軽油にみられない大きなエンジン油圧の低下が発生し エンジン油の交換が必要となった 5
エンジンオイル影響 - エンジン油中の軽油分 FAME 分残存量 - (1) エンジン油希釈影響 12 1 8 6 4 2 供試油 :1W-3 軽油分 (GC 法 ) FAME 分 (ASTM D6866) エンジン油交換 エンジン油交換 51 2hr 軽油分 FAME 分残存量, mass % hr 25hr 5hr 75hr 1hr 125hr 15hr 175hr 2hr hr 5hr 1hr 1hr 15hr 2hr hr 25hr 5hr 75hr 1hr 12hr 12hr 17hr BASE 軽油 RME1% RME2% 軽油より重質な FAME はエンジン油中に多く残存した (FAME 分の多量の残存による動粘度低下がエンジン油圧低下の原因 )
エンジンオイル影響ー HBD 混合時の油圧変化ー (1) エンジン油希釈影響 エンジン油圧, kpa 供試油 :1W-3 油 5 4 3 2 5 1 15 2 Base 軽油 HBD1% 耐久運転時間, hr エンジン油圧低下は BASE 軽油と同等であり エンジン油の交換は不要であった 52
エンジンオイル影響ーエンジン油圧変化と FAME 混入量ー (2) エンジン油劣化影響 軽油分 (GC 法 ) FAME 分 (ASTM 法 ) 試験時間 hr 53 軽油 +FAME 混入量 mass% エンジン油圧変化, kpa 12 1 8 6 4 2 5 4 3 2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 試験時間, hr Base SME2% WME2% RME2% 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 Base RME2% WME2% SME2% FAME 混合時はエンジン油への FAME 混入により油圧が低下したが 3hr の運転は可能であった 混入した FAME の酸化劣化によるエンジン油性能への影響を調査した
エンジンオイル影響 - 全塩基価 全酸化増加の変化ー (2) エンジン油劣化影響 エンジン油の全塩基価 (TBN) mgkoh/g 1.5 劣化 エンジン油の全酸価 (TAN) mgkoh/g 4 試験終了 (3hr) 時点 劣化 BASE 軽油 RME 2% WME 2% SME 2% BASE 軽油 RME 2% WME 2% SME 2% BASE 軽油と比べて FAME 混合時はエンジン油の劣化傾向がみられた 3 種類の FAME の中では C18:2 や C18:3 を多く含み 酸化安定性の悪い SME のエンジン油の酸化劣化が大きかった 54
エンジンオイル影響ーエンジン油の不溶解分変化と SME B2 試験後の軸受面性状ー (2) エンジン油劣化影響 不溶解分 (Pentane B) mass% 12 9 BASE 軽油 RME 2% WME 2% SME 2% 6 3 1 2 3 運転時間 hr SME2% 試験後の軸受面状態 C/Shaft 回転方向 オーバレイが無くなりケルメット層露出 面荒れ SME 2% では 18hr 以降に不溶解分の大幅な増加がみられ メタル表面に焼き付き兆候と思われる面荒れが発生した 55
エンジンオイル影響ーエンジン油による劣化抑制の可能性ー (2) エンジン油劣化影響 エンジン油の全塩基価 mgkoh/g 2. 1.5 1..5. エンジン耐久試験結果 BASE SME2% SME2% JASO DH-2 1W-3 油 ( 一例 ) ACEA E6 1W-4 油 ( 一例 ) 全塩基価保持性能に優れる ACEA E6 油を使用した場合 エンジン油の全塩基価低下が若干抑制された 56
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 57
インジェクタデポジットー試験概要ー (1) 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 (2) 試験時間 18 時間 (3) 試験エンジンの主要諸元 気筒数総排気量 L 排出ガス規制排出ガス低減技術 直列 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 (%) 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8-1 試験モード 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 6 1 12 18 3 24 3 5 36 時間 Time, (sec) min. Torque (%) 58
インジェクタデポジット - 金属種 FAME 濃度の影響ー (1) 添加金属種の影響 (SME1% 混合軽油 金属量は 1ppm) 燃料噴射量変化率, % 2-2 -4-6 -8-1 Zn Cu Ca Na Mg 1hr 時点 (88hr 時点 * ) * 不具合発生のため 88hr で試験終了 燃料噴射量変化率, % 2-2 -4-6 -8-1 (2)FAME 濃度の影響 ( 添加金属は Zn1ppm) PME 1% 2% SME 1% 2% FAME 混合時に金属を添加した場合 デポジットによる燃料噴射量の低下がみられた 噴射量低下 ( 大きい )Cu>Zn Na>Ca>(Mg) FAME2% では 1% よりも燃料噴射量が低下しなかった 59
インジェクタデポジット -FAME 混合によるインジェクタデポジットへの影響ー FAME 混合 デポジット生成 デポジット除去 化学的 ( 溶解性 ) 物理的 ( 重質留分 ) PME(C16: C18: が主成分 ) より軽質な CME(C12: C14: が主成分のココナツ油メチルエステル ) を混合して 物理的除去が減少するかを確認 化学的除去 物理的除去 PME 同等 大 CME 小 燃料噴射量変化率, % -2-4 -6 PME2% CME2% PME の方が噴射量低下が小さく 重質分による物理的除去影響が大きく現れたと考えられる (FAME1% より 2% 混合の方が燃料噴射率低下が小さかったのは重質分による物理的除去影響が大きかった可能性がある ) 6
報告内容 ( 研究テーマ ) (1) 性状影響 着火性 (2) 安定性影響 酸化安定性 部材影響 常温貯蔵安定性 (3) 排出ガス影響 (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 (4) 後処理影響 61
長期駐車時安定性 ー試験概要ー 試験内容 FAME 混合軽油 (SME1%) が走行による熱履歴を受け 長期駐車された場合の車両性能への影響を確認 ( 車両性能 * 評価結果 ) 3 ヶ月 +1 週間後以降にアイドル変動が発生 駐車開始 (1ヶ月後) (2ヵ月後)(3ヵ月後) (4ヵ月後) (5ヵ月後) (6ヵ月後) 21.1 末 8km/h 8hr 走行 不具合なし 不具合なし アイドル変動 噴射ホ ンフ 交換 酸価, mgkoh/g 1.2 1..8.6.4.2. 過酸化物価 酸価 1 2 3 4 5 6 7 駐車日数, ヶ月 12 1 8 6 4 2 過酸化物価, mg/kg 長期駐車中に燃料の酸化安定性が悪化した 62
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ー 調量バルブ模式図 バルブ部 ソレノイド部 異物付着状況 調量バルブ 洗浄前 未使用 ( 参考 ) 分解後 バルブ部の摺動抵抗が大きく 内部に褐色の異物が付着していた ( 異物の主成分は劣化した FAME 由来の重合物とカルボン酸塩と推定 ) 冷始動後のアイドル不具合は 異物付着による調量バルブの作動不良が原因と考えられる 63
高濃度 FAME 混合時の課題と対応策 1 項目 FAME 混合 1% 混合 2% 混合 5% 混合 1%( ニート ) (1) 性状影響 着火性 課題対応策 セタン指数はセタン価との乖離が大きい IQT セタン価 (DCN) は FAME1% 2% 混合軽油ではセタン価よりも 2~3 高い セタン指数の適用不可 IQT セタン価を使用する場合 FAME 混合によるシフト幅を考慮した管理を行う (2) 安定性影響 酸化安定性 課題対応策 FAME 混合時には酸化安定性が悪化する 特に二重結合を複数もつ C18:2 C18:3 が多い SME は悪化が大きい SME の場合 酸化防止剤の添加レスポンスが悪い ( 多量の酸化防止剤が必要 ) SME は長期間保管後に酸化防止剤を添加しても 入手直後に添加したより安定性改善効果が小さい FAME 混合軽油の酸化安定性の改善には酸化防止剤の添加が有効 ( 酸化安定性への BASE 軽油の安定性 FAME 組成 天然抗酸化物質の影響を考慮する ) SME には多量の酸化防止剤が必要 SME には入手直後に酸化防止剤の添加が必要 重大な懸念点 懸念点燃料指標の見直しが必要 64
高濃度 FAME 混合時の課題と対応策 2 (2) 安定性影響 項目 部材影響 ゴム 樹脂 金属 常温貯蔵安定性 課題 浸漬試験の結果ではゴムへの影響は小さい 1% 混合 2% 混合 5% 混合 1%( ニート ) 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 ) 対応策 - 使用する部材に注意が必要 課題 浸漬試験の結果では樹脂への影響は小さい 対応策 - - 課題 ターンシートでは注意が必要 対応策 課題 対応策 燃料タンクはターンシートが使用されていないものを使用する FAME 混合 PME RME SME で曇り点より高い温度で析出物を確認 PME : 飽和脂肪酸モノグリセライドが多いものは析出物重量が多い SME RME : 大きい結晶の生成がみられる また その結晶の目詰まりでフィルタ通油性が悪化する 析出物による燃料フィルタ目詰まりによりエンジンストール等の不具合発生 析出物によるフィルタ通油性悪化の対策が必要 PME : 飽和脂肪酸モノグリセライド量を管理する SME RME : 添加剤による改善の可能性あり 燃料フィルタの交換頻度を上げる 燃料フィルタを大型化する 冬季対策用燃料エレメント ( 加温タイプ ) に交換する 金属に影響が発生する場合あり ( タフピッチ銅 ボンデ鋼板 ターンシートでは注意が必要 ) 使用する部材に注意が必要 重大な懸念点 懸念点燃料指標の見直しが必要 65
高濃度 FAME 混合時の課題と対応策 3 項目 (3) 排出ガス影響 FAME 混合 1% 混合 2% 混合 5% 混合 1%( ニート ) 課題 排出ガスへの影響は小さい NOx 増加 対応策 - (4) 後処理影響 課題 FAME2% 混合で手動強制再生が FAIL 対応策 運転条件に合わせた再生運転の最適化の検討が必要 手動強制再生自動強制再生が FAIL 課題 PME RME SME で作動限界温度が上昇し 低温運転性が悪化 ( 特に PME の影響大 ) (5) 低温運転性影響 対応策 PME は寒冷地や冬季には使用しない 燃料フィルタの交換頻度を上げる 燃料フィルタを大型化する 冬季対策用燃料エレメント ( 加温タイプ ) に交換する 重大な懸念点 懸念点燃料指標の見直しが必要 66
高濃度 FAME 混合時の課題と対応策 4 項目 (6) エンジンオイル影響 課題 対応策 1% 混合 2% 混合 5% 混合 1%( ニート ) FAME 混入によるエンジン油圧の低下及びエンジン油の酸化劣化 エンジン油交換頻度を上げる 高性能エンジン油を使用する FAME 混合 (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 課題 対応策 金属混入時にインジェクタデポジット生成に起因する燃料噴射量低下が発生 FAME 中の金属混入量を減らすように管理する 燃料系部品に適切な部材を使用する 課題 長期駐車後の始動時に始動不良等の不具合発生 対応策 駐車前に FAME 非混合軽油に交換する 重大な懸念点 懸念点燃料指標の見直しが必要 67
まとめ 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した FAME1% 2% 混合については部材影響 常温貯蔵安定性 長期駐車時安定性等 多くの懸念点がみられた 供給量の確保を前提に バイオ燃料をディーゼル車用燃料として 幅広く 利用する場合 FAME 高濃度混合は上記の多くの懸念点に留意する必要がある ただし FAME は原料組成等によっても特性が異なり一律の品質管理が難しいこと また特に既存車においては車両側での対応が困難なこと等も考慮すると 水素化等によって軽油と同等品質の炭化水素系燃料に変換することが品質的には望ましい 地産地消等の 限られた範囲 で FAME 高濃度混合燃料を利用する場合 上記の懸念点に留意し 必要な対応策を講じることが望ましい 本研究が ディーゼル車バイオ燃料利用における安全 安心の確保に貢献することを期待する 68