説明

脂肪酸金属化合物を含むディーゼル燃料

【課題】 特定の化合物をディーゼル燃料に混合することによってPM除去装置(DPF)の機能を長期間にわたり維持することができるディーゼル燃料を提供すること及びその化合物からなるディーゼル燃料用添加剤を提供する。
【解決手段】 脂肪酸金属化合物を含むディーゼル燃料であって、当該脂肪酸金属化合物が下記式(1)で示されるものであるディーゼル燃料により解決する。
(CnHmCOO)lM (1)
(但し、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7、lは1〜4の整数を意味し、Mはアルカリ金属、Li、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ディーゼル燃料に関し、より詳しくは、粒子状物質(以下、「PM」ということがある)を除去するための装置の機能を長期間にわたり維持することができるディーゼル燃料に関する。
【背景技術】
【0002】
ディーゼル機関から排出される排気ガスの規制に関しては、現在、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)、粒子状物質(PM)がその対象となっており、特にPMに関しては、東京都をはじめとした関東圏で、2003年10月より環境保護のための条例(例えば、東京都の「都民の健康と安全を確保する環境に関する条例」)が施行され、条例に定める基準値に適合しない車両はPM除去装置(ディーゼル・パティキュレート・フィルター:ディーゼルエンジンの排出ガスに含まれるPMをセラミックフィルターにより捕集する装置。以下、「DPF」ということがある)の装着が義務付けられるようになった。そして、条例に違反した者に対しては罰則が適用されることになっている。
【0003】
DPFは大別して二種類ある。一つは、表面積の大きい吸着体でPMを吸着し、これを焼却などの酸化処理を行うタイプ(捕集型)であり、他方は、排気ガスフィルターに酸化触媒を担持しておき、酸化触媒周辺の吸着体によって吸着されたPMがこの酸化触媒上で酸化されるタイプ(酸化触媒型)である。
【0004】
何れの方法でも一長一短があり、前者では、ディーゼル燃料として硫黄濃度が500ppm以下ものが使用できる点で経済的であるが、PM発生量に応じて焼却処理を行うまでの走行距離が制限されている(例えば100km〜300km)。これに対し後者は走行距離の制限はないが、使用できるディーゼル燃料の硫黄濃度が50ppm以下の低硫黄軽油に限定されていたり、フリーアクセル黒煙濃度が40%以下、或いは一日の走行において排気温度が260℃以上である割合が5%以上である等、種々の制限が課されているのが一般的である。従って、これらの短所を解消し、できる限りDPFのPM処理機能を持続し、長寿命化を図るための手段が望まれている。
【0005】
2003年10月、東京都を中心としてDPFの装着が義務付けられたが、実際に走行する場合、わずか数十キロ程度の走行でフィルタの目詰まりや機能喪失が生じ、運転手や事業主から不満の声が挙がっている。メーカー側は長期寿命化のために、使用可能な軽油として50ppm以下の低硫黄軽油を指定するなど様々な制限を設けているが、供給の不安定性やコストアップの問題が生じる。捕集型のDPFでは一日一回はメンテナンスの必要があり、酸化触媒型のDPFでも早期に機能喪失がおこる。
【0006】
一方、排気ガスにおけるPMの発生にディーゼル燃料の組成が大きく影響することが世界的に認識されている。特に、PMの発生の主要因子として、硫黄濃度、芳香族化合物濃度、さらにセタン価などが挙がっている。これらを考慮して、近年では低排出型合成ディーゼル燃料が開発されている。この低排出型合成ディーゼル燃料の特徴は、燃料の化学構造上、酸素を含有していることである。
【0007】
また、1990年代以降、地球温暖化問題を考慮し、バイオディーゼル燃料が注目を集めている。バイオディーゼル燃料とは、一般に、菜種油、大豆油、パーム油、パーム核油、ひまわり油、米油、ごま油、トウモロコシ油、ココナッツ油、サフラワー油、紅花油、ピーナッツ油、綿実油、アマニ油、マスタード油などの植物性油脂類をメチルエステル化し、ディーゼル機関用燃料としたものである。
【0008】
バイオディーゼル燃料は化学構造内に酸素を含む含酸素燃料であり、硫黄分をほとんど含まないことから黒煙等の有害排気ガスの排出が少ない。また、植物由来であることから京都議定書の規定上、二酸化炭素の排出がゼロカウントとされる。このようなことから、バイオディーゼル燃料は環境負荷の少ない軽油代替燃料として注目されており、欧米では既に規格および法制度も整備され、大豆や菜種油から年間250万トン以上生産され使用されている。
【0009】
一方、日本では、バイオディーゼル燃料は5000トン/年程度が廃食油から製造されており、一部の地方自治体等で使用されている。日本では未だ規格等が整備されていないが、近年中にバイオエタノール、バイオディーゼル燃料の規格化が実施される予定である。
【0010】
油脂類の主成分であるモノグリセリド、ジグリセリド、トリグリセリドをアルキルアルコールとエステル交換反応させることによって、脂肪酸アルキルエステルが得られることは以前から知られている(例えば、特開2002−167356号公報(特許文献1)、特開2002−294277号公報(特許文献2)、特開2000−44984号公報(特許文献3))。また、遊離脂肪酸とアルキルアルコールとのエステル化反応によって脂肪酸アルキルエステルが得られることも知られている(例えば、「有機化学ハンドブック」技報堂出版、1988、p1407〜p1409(非特許文献1))。
【0011】
他に超臨界アルコール条件で油脂類からバイオディーゼル燃料油を製造する技術についてもこれまで様々検討されてきた(例えば、特開2002−241786号公報(特許文献4)、特開2001−302584号公報(特許文献5)、特開2000−109883号公報(特許文献6)等)。
【0012】
このようにして得られたバイオディーゼル燃料は、分子内に酸素を有する含酸素燃料であることと、硫黄を殆ど含まないことから、PMそのものの発生が少ないという性質を有している。発明者らの実験によっても、バイオディーゼル燃料約20%を従来の軽油に添加するだけで黒煙濃度が70%減少することが判明している。さらに、バイオディーゼル燃料100%で車両を走行させた場合には、黒煙濃度は90%以上減少することが確認されている。
【0013】
しかしながら、バイオディーゼル燃料を使用してもPM中の可溶性有機物質(SOF:一般には未燃焼の燃料成分)は減少せずに排出される。PM総量は、黒煙とSOFとの合計量であることから、条例に定める排出ガスの基準値を完全にクリアーするにはDPFの使用が必要である。一般の軽油と比較すれば、バイオディーゼル燃料はDPFの長寿命化に効果的であることは明らかであるが(一般には、軽油と比較して1.5倍から3倍程度)、実際の使用環境から見ればさらなるDPFの長寿命化が期待されるところである。
【0014】
上記のような問題に対しては、ディーゼル燃料の燃焼による放出ガスの質を改善することが提案されている。例えば、特開2004−35883号公報に、ディーゼル燃料に鉄塩組成物を添加することにより、ディーゼルエンジンの排気ガス系において使用されるPMトラップの性能を改善する旨が開示されている(特許文献7)。しかしながら、DPFの長寿命化には未だ解決すべき課題が多く、十分なものとは言い難い。
【特許文献1】特開2002−167356号公報
【特許文献2】特開2002−294277号公報
【特許文献3】特開2000−044984号公報
【特許文献4】特開2002−241786号公報
【特許文献5】特開2001−302584号公報
【特許文献6】特開2000−109883号公報
【特許文献7】特開2004−35883号公報
【非特許文献1】「有機化学ハンドブック」技報堂出版、1988、p1407〜p1409
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
本発明は上記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、特定の化合物をディーゼル燃料に混合することによってPM除去装置(DPF)の機能を長期間にわたり維持することができるディーゼル燃料を提供すること及びその化合物からなるディーゼル燃料用添加剤を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明は上記課題を解決するため、脂肪酸金属化合物を含むディーゼル燃料であって、当該脂肪酸金属化合物が下記式(1)で示されるものであるディーゼル燃料を提供するものである。
(CnHmCOO)lM (1)
(但し、lは1〜4の整数、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7を意味し、Mはアルカリ金属、Li、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)
【0017】
脂肪酸金属化合物を含むディーゼル燃料はDPFに吸着したPMが直ちに酸化分解されるため、DPFの吸着面はPMが堆積することなく、常に新鮮な状態に維持される。その結果、DPFの機能を長期間にわたり維持することができる。
【0018】
本発明の好ましい態様は以下のとおりである。前記脂肪酸金属化合物の濃度が1〜50ppmであることが好ましい。更に、前記ディーゼル燃料は、硫黄の濃度が50ppm以下であることが好ましく、セタン価が50以上であることが好ましい。前記ディーゼル燃料は、植物油をメチルエステル化したバイオディーゼル燃料を含むことが好ましい。
【0019】
また、本発明は下記式(2)で示される脂肪酸金属化合物を含有し、ディーゼル燃料に添加されるディーゼル燃料用添加剤を提供するものである。
(CnHmCOO)lM (2)
(但し、lは1〜4の整数、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7を意味し、Mはアルカリ金属、Li、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)
【0020】
このような構成により、脂肪酸金属化合物が添加されたディーゼル燃料はDPFに吸着したPMが直ちに酸化分解され、DPFの吸着面はPMが堆積することなく、常に新鮮な状態に維持される。その結果、DPFの機能を長期間にわたり維持することができる。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、上記課題が解決可能であり、DPFを使用する側にとっては採算性のあるPM規制対策を行うことができ、行政側にとっては実現可能性の高いPM規制を行うことができる。さらに本発明の副次的な効果として、ディーゼル燃料としてバイオディーゼル燃料を使用すれば、二酸化炭素の排出量を削減することができるため、地球温暖化防止対策も行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
次に、本発明に係るディーゼル燃料の実施形態について更に詳細に説明する。本発明の実施形態に係るディーゼル燃料は、脂肪酸金属化合物を含む。即ち、ディーゼル燃料に脂肪酸金属化合物を燃料規格値以内(5mg/kg未満)で混合したものである。
【0023】
図1は、本実施形態に係るディーゼル燃料から発生したPMが捕集型DPFにより処理されるまでの一連の工程を示す図である。図1では、本実施形態に係るディーゼル燃料として、脂肪酸金属化合物を含むバイオディーゼル燃料を用いた例を示す。
【0024】
本実施形態に係るディーゼル燃料は、ディーゼルエンジン(図示せず)内でディーゼル燃料が燃焼する際に生じる粒子状物質(PM)1の排出量を脂肪酸エステル化合物の効果で減少させるとともに、生じたPM1の粒子径を微小化し、微小化されたPM1a、1b及び1cとする。
【0025】
本実施形態に係るディーゼル燃料が燃焼すると、脂肪酸金属化合物中の金属が酸化されるとともに、その酸化物2が、微小化されたPM1a、1b及び1cの表面に付着する。
【0026】
金属酸化物2が付着したPM1a、1b及び1cはPM除去装置(DPF)の捕集面3に吸着される。捕集面3は珪素等の金属酸化物を含有するセラミックスからなるのが一般的である。
【0027】
上記のようにPM除去装置(DPF)の捕集面3に吸着されたPM1a、1b及び1cは、捕集面3の金属酸化物2との複合触媒作用及び排気ガス温度との相互作用により、PM1a、1b及び1cが瞬時に酸化分解され、二酸化炭素となる。その結果捕集面3は常に新鮮に保たれる。このような作用効果は、酸化触媒型DPFにおいても同様である。
【0028】
上述の脂肪酸金属化合物は、バイオディーゼル燃料などの低排出型軽油のみならず、従来の化石燃料系軽油とも混合が可能であり、軽油の規格も満たしていることから、通常のディーゼル車にそのまま用いることができる。
【0029】
前記脂肪酸金属化合物としては、下記式(1)で示されるものが使用される。
(CnHmCOO)lM (1)
(但し、lは1〜4の整数、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7を意味し、Mはアルカリ金属、Li、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)
【0030】
上記式(1)の脂肪酸金属化合物としては、例えば、パルミチン酸カリウム、パルミチン酸ナトリウム、パルミチン酸マグネシウム、パルミチン酸カルシウム、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、オレイン酸カリウム、オレイン酸ナトリウム、オレイン酸マグネシウム、オレイン酸カルシウム等を挙げることができる。これらは1種のみならず、2種以上の混合物としても使用することができる。
【0031】
前記脂肪酸金属化合物の濃度は、ディーゼル燃料の規格及び効果の上限・下限等を考慮すれば1〜50ppmであることが好ましく、10〜30ppmであることが更に好ましい。
【0032】
また、硫黄酸化物の発生を極力低減させるという観点からディーゼル燃料中の硫黄の濃度が50ppm以下であり、また、燃料としての燃焼性という観点からセタン価が50以上であることが好ましい。これらを考慮すれば、ディーゼル燃料としては、石油の精製過程で硫黄分を大幅に取り除いた低硫黄軽油又は植物をメチルエステル化したバイオディーゼル燃料を用いることが好ましい。なお、バイオディーゼル燃料の製造装置及び製造方法に関しては、特許第3530884号および特許第3530885号に詳しく説明されている。
【0033】
本発明はまた、下記式(2)で示される脂肪酸金属化合物を含有し、ディーゼル燃料に添加されるディーゼル燃料用添加剤を提供するものである。
(CnHmCOO)lM (2)
(但し、lは1〜4の整数、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7を意味し、Mはアルカリ金属、Li、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)
【0034】
上記式(2)の脂肪酸金属化合物としては、例えば、パルミチン酸カリウム、パルミチン酸ナトリウム、パルミチン酸マグネシウム、パルミチン酸カルシウム、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、オレイン酸カリウム、オレイン酸ナトリウム、オレイン酸マグネシウム、オレイン酸カルシウム等を挙げることができる。これらは1種のみならず、2種以上の混合物としても使用することができる。
【0035】
前記ディーゼル燃料用添加剤の添加量は、ディーゼル燃料の規格及び効果の上限・下限等を考慮すればディーゼル燃料における濃度が1〜50ppmとなるように添加することが好ましく、10〜30ppmであることが更に好ましい。
【0036】
前記ディーゼル燃料用添加剤の形態は特に制限されず、粉末状、顆粒状、タブレット状、液状等、いずれの形態も取り得る。また、前記ディーゼル燃料用添加剤の純度は少なくとも98%以上であることが好ましい。
【実施例1】
【0037】
まず、ディーゼル燃料用添加剤(脂肪酸金属化合物)として純度99%以上のステアリン酸カリウムを用い、これを20ppmの濃度となるように脂肪酸メチルエステル化燃料(硫黄濃度1.0ppm、セタン価55のバイオディーゼル燃料)に添加することにより、所望のディーゼル燃料を調製した。これを、捕集型DPF[外部電源再生式DPF(商品名:モコビーZK、コモテック社製)]を装着した排気量3000cc、8トントラック(平成11年規制車)の燃料タンクに充填し、一般道路での走行を行った。
【0038】
走行中、DPFに装備されている「警告灯」を観察し、触媒の機能喪失を知らせるランプが点灯するまでの走行距離を計測した。また、通常の硫黄濃度(50ppm以下)の軽油で走行した場合のフィルタの取り替え制限距離ごとにDPF本体を目視確認し、PM除去機能の耐久性を判断した。結果を表1に示した。
【実施例2】
【0039】
ディーゼル燃料用添加剤(脂肪酸金属化合物)として、ステアリン酸カリウムとオレイン酸カリウムの1:1混合物を使用した以外は、実施例1と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
【実施例3】
【0040】
脂肪酸メチルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)の製造工程で生じた脂肪酸カリウム塩をディーゼル燃料用添加剤(脂肪酸金属化合物)として用いた以外は、実施例1と同様に試験を行った。なお、脂肪酸組成は、パルミチン酸:ステアリン酸:オレイン酸:リノール酸=1:1:7:1であった。結果を表1に示した。
【実施例4】
【0041】
ディーゼル燃料用添加剤(脂肪酸金属化合物)としてステアリン酸ナトリウムを使用した以外は、実施例1と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
【実施例5】
【0042】
ディーゼル燃料用添加剤(脂肪酸金属化合物)としてステアリン酸カルシウムを使用した以外は、実施例1と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
【実施例6】
【0043】
実施例5で用いたステアリン酸カルシウムの濃度を40ppmとした以外は、実施例1と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
【実施例7】
【0044】
ステアリン酸カリウムの濃度を10ppmとした以外は実施例1と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
【実施例8】
【0045】
ステアリン酸カリウムの濃度を40ppmとした以外は実施例1と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
【実施例9】
【0046】
純度99%以上のステアリン酸カリウムを20ppm含んだ脂肪酸メチルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)20容量%を軽油(硫黄濃度50ppm以下。JIS 2号)に混合した燃料を使用した以外は、実施例1と同様に試験した。結果を表1に示した。
【実施例10】
【0047】
純度99%以上のステアリン酸カリウムを20ppm含んだ脂肪酸メチルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)50%を軽油(硫黄濃度50ppm以下。JIS 2号)に混合した燃料を使用した以外は、実施例1と同様に試験した。結果を表1に示した。
[比較例1]
【0048】
ディーゼル燃料として脂肪酸金属化合物を含まない軽油(硫黄濃度50ppm以下。JIS 2号)を使用した以外は、実施例1と同様に試験した。結果を表1に示した。
[比較例2]
【0049】
ディーゼル燃料として脂肪酸金属化合物を含まない脂肪酸アルキルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)のみを使用した以外は実施例1と同様に試験した。結果を表1に示した。
【0050】
【表1】

【実施例11】
【0051】
まず、ディーゼル燃料用添加剤(脂肪酸金属化合物)として純度99%以上のステアリン酸カリウムを用い、これを20ppmの濃度となるように脂肪酸メチルエステル化燃料(硫黄濃度1ppm、セタン価55のバイオディーゼル燃料)に添加することにより、所望のディーゼル燃料を調製した。これを、酸化触媒型DPF[ジョンソンマッセイCRT方式(商品名:CRT−TSS SOW−301B、三井物産社製)]を装着した排気量3000cc、8トントラック(平成11年規制車)の燃料タンクに充填し、一般道路での走行を行った。
【0052】
走行中、DPFに装備されている「警告灯」を観察し、触媒の機能喪失を知らせるランプが点灯するまでの走行距離を計測した。また、通常の硫黄濃度(50ppm以下)の軽油で走行した場合のフィルタの取り替え制限距離ごとにDPF本体を目視確認し、PM除去機能の耐久性を判断した。結果を表2に示した。
【実施例12】
【0053】
ステアリン酸カリウムを10ppmとした以外は実施例11と同様に試験を行った。結果を表2に示した。
【実施例13】
【0054】
純度99%以上のステアリン酸カリウムを20ppm含んだ脂肪酸メチルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)20容量%を軽油(硫黄濃度50ppm以下。JIS 2号)に混合した燃料を使用した以外は、実施例11と同様に試験した。結果を表2に示した。
【実施例14】
【0055】
純度99%以上のステアリン酸カリウムを20ppm含んだ脂肪酸メチルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)50容量%を軽油(硫黄濃度50ppm以下。JIS 2号)に混合した燃料を使用した以外は、実施例11と同様に試験した。結果を表2に示した。
[比較例3]
【0056】
ディーゼル燃料として脂肪酸金属化合物を含まない硫黄濃度50ppm以下の軽油を使用した以外は実施例11と同様に試験した。結果を表2に示した。
[比較例4]
【0057】
ディーゼル燃料として脂肪酸金属塩を含まない脂肪酸アルキルエステル化燃料(バイオディーゼル燃料)のみを使用した以外は実施例11と同様に試験した。結果を表2に示した。
【0058】
【表2】

【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】本実施形態に係るディーゼル燃料から発生したPMが捕集型DPFにより処理されるまでの一連の工程を示す図である。
【符号の説明】
【0060】
1:PM、1a、1b及び1c:微小化されたPM、2:金属酸化物、3:捕集面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
脂肪酸金属化合物を含むディーゼル燃料であって、当該脂肪酸金属化合物が下記式(1)で示されるものであるディーゼル燃料。
(CnHmCOO)lM (1)
(但し、lは1〜4の整数、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7を意味し、Mはアルカリ金属、Li、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)
【請求項2】
前記脂肪酸金属化合物の濃度が1〜50ppmである請求項1記載のディーゼル燃料。
【請求項3】
硫黄の濃度が50ppm以下である請求項1又は2記載のディーゼル燃料。
【請求項4】
セタン価が50以上である請求項1〜3のいずれか1項記載のディーゼル燃料。
【請求項5】
前記ディーゼル燃料が、植物油をメチルエステル化したバイオディーゼル燃料を含む請求項1〜4記載のディーゼル燃料。
【請求項6】
下記式(2)で示される脂肪酸金属化合物を含有し、ディーゼル燃料に添加されるディーゼル燃料用添加剤。
(CnHmCOO)lM (2)
(但し、lは1〜4の整数、nは5〜21の整数、mは2n−1、2n−3、2n−5又は2n−7を意味し、MはLi、Na、K、Ag、Mg、Ca、Zn、Cu、Sr、Co、Ni、Sn、Al、Ti、Zrからなる群から選択される。)

【図1】
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