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よりよい大気をめざして

自動車と燃料のさらなる挑戦

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JCAP第5回成果発表会

オイルWG報告

2007年2月22日

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPF (連続再生式DPF) に及ぼすアッシュの影響 2.2 NSR (NOx吸蔵還元触媒) に及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCR (NOx選択還元触媒) に及ぼすアッシュ、S、P の影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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研究の目的

¾ ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 低硫黄軽油の導入に伴い実用化される後処理装置（CR-DPF、 NSR、尿素SCR）に対するオイルのSAPS*成分の影響を把握 することにより、オイル側からの対応策に必要な知見を得る *SAPS：Sulfated Ash（硫酸灰分)，Phosphate，Sulfurの略 ¾ ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 省燃費型エンジンオイルの燃費改善効果について、日本及び 米国の燃費測定モードで評価し、CO₂削減のポテンシャルを把 握する

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全体計画

スケジュール（年度) H14 H15 H16 H17 H18 成果発表会  ①CR-DPFに及ぼすアッシュの影響  ②NSRに及ぼすS、Pの影響 検討項目 2)ガソリン車のCO2削減に与えるエンジン  オイルの効果  ③尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 1)ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジン  オイルの影響 中間まとめ 最終まとめ

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPFに及ぼすアッシュの影響 2.2 NSRに及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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検討内容

¾台上走行試験 DPF圧力損失(圧損)に及ぼすオイル由来のアッシュの影響を 把握する ¾排出ガス分析試験 CR-DPF前後の排出ガス中のアッシュ成分を分析し、DPFへ のアッシュ堆積に及ぼすDPF仕様、運転条件、及びオイル添 加剤組成等の各種パラメータの影響を把握する

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台上走行試験の試験条件と試験マトリックス

• エンジンは長期規制に対応した6.9L直噴エンジン • DPFには前段に酸化触媒、後段のDPFにも酸化触媒を担持 した連続再生式DPF（CR-DPF）を使用 • 最高出力点での定常運転（2700rpm/全負荷）で、DPF目詰 まりによる圧力損失を評価

Test No. Oil Fuel sulfur Test duration

1 DH-1 class (S.Ash*=1.70) S=50ppm 600h 2 Low Ash-A (S.Ash=1.31) S=50ppm 600h 3 Low Ash-B (S.Ash=0.96) S=50ppm 600h 4 Low Ash-B (S.Ash=0.96) S=50ppm 1000h 5 Low Ash-B (S.Ash=0.96) S=10ppm 600h *Sulfated Ash

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台上走行試験の結果

• オイル中の硫酸灰分量(アッシュ量の指標)の低減は、DPF内 でのアッシュ堆積量を低減し圧損上昇が緩和される • 燃料S量を50ppmから10ppmに低減しても、DPFの圧損に及 ぼす影響は認められない DPFの断面図 DH-1 class S.Ash =1.70% 600h Low Ash-B S.Ash =0.96% 600h オイルアッシュ(CaSO4主体) S50 Fuel 0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000 Time, h

Increase of normalized CR- DPF pressure drop, kPa

DH-1 class S.Ash=1.70 Low Ash-A S.Ash=1.31 Low Ash-B S.Ash=0.96 Low Ash-B (S10 Fuel) 6.9L engine +CR-DPF, Full/Full

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排出ガス分析試験の試験方法

• CR-DPF前後で、排出ガス中の金属量を元素毎に定量し、そ の差から、CR-DPFでの各金属の捕捉率を算出 短時間で各種パラメーターの影響を評価できる • エンジン及びCR-DPFの仕様は走行試験と基本的に同じ Engine CR -DPF Valve Heater Sampling filter

(Silica fiber thimble filter)

Pressure sensor

Cooler Water trap vessel Silica gel

Mass flow meter (Max.100L/min)

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排出ガス分析試験結果①

• 今回の試験条件では、DPFのサイズ/材質、排気温度、燃 料S量に拘わらず、オイル由来の金属は、ほとんどすべて CR-DPFで捕捉される 0 20 40 60 80 100 1 2 3 4 5 M e ta l tr a p p in g r a ti o , % Ca Zn P DH-1 class No2 DPF 1/2 length No.4 1/2 load (350 oC) No3 SiC No.5 Fuel S=0ppm No.1 Ref.

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排出ガス分析試験結果②

• オイル組成が変わっても、オイル由来の金属の95％以上 がCR-DPFで捕捉されている 0 20 40 60 80 100 1 2 3 4 5 6 7 M e ta l t ra pping r a ti o, %

Ca Zn P Mg 2700r/min, Full load

No. 1 Ref. Ca-Phenate No. 7 Ca-Sulfonate No. 8 Ca-Salicylate No. 10 Neutral Sulfonate uptreat No. 9 Mg-Sulfonate No.11 Low volatility No. 6. Ca downtreat

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CR-DPFに及ぼすアッシュの影響(まとめ)

¾ オイルの硫酸灰分量の低減は、DPFでのアッ

シュ堆積量を減らし、圧損上昇を緩和させること

から、DPFメンテナンス期間の延長に寄与し得る

DPF装着車には硫酸灰分量を低減したオイルが

必要である

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPFに及ぼすアッシュの影響 2.2 NSRに及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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SO

₂

排出量に対するオイルSの寄与度（推算）

0 50 100 150 200 250 300 1 2 3 SO 2 em issi on, g

SO2 emission from oil SO2 emission from fuel

Sulfur in fuel ppm 50 10 0 Sulfur in oil mass% 0.8 0.8 0.8

• 燃料S量が10ppm以下になると、オイルS量の影響は無視 できなくなる

オイルSの影響検討が必要

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検討内容

¾ 台上走行試験 硫黄被毒回復のための燃料噴射制御(Sパージ)を行わない 耐久試験で、NSRに及ぼすオイル由来のS、Pの影響を把握 する ¾ 排出特性調査 台上走行試験と同じ運転条件、供試油で、排出ガス中のS、 P量を分析し、台上走行試験の結果を解析する

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台上走行試験の試験条件と試験マトリックス

• エンジンは新短期規制に適合した4L直噴コモンレール、PM・ NOx同時低減型触媒(NSR+DPF)を搭載 • 2200rpm/115Nmの定常運転で排ガスのNOx浄化率を評価 但し、硫黄の影響を加速するために、Sパージ（硫黄被毒回 復のための燃料噴射制御）をOFF Oil

Name S mass% P mass% S.Ash mass%

1 High SAPS 0.76 0.11 1.7 2 Low SAPS 0.34 0.07 0.9 3 High SAPS 0.76 0.11 1.7 4 Low SAPS 0.34 0.07 0.9 5 High ZnDTP 0.69 0.28 1.4 6 High S Basestock 0.67 0.07 0.8 S10 S0* Test No. Fuel * Sulfur content <1ppm.

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NOx浄化率の経時変化

0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 250 Time, h N O x conver si on r a ti o, ％

High SAPS / S10 Fuel Low SAPS / S10 Fuel

High SAPS / S0 Fuel Low SAPS / S0 Fuel

High ZnDTP / S0 Fuel High S Basestock / S0 Fuel

S10 Fuel S0 Fuel

• 試験時間の経過に従い、NOx浄化率は低下している

• S0燃料、S10燃料のいずれの場合も、Low SAPS油に比べ

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NOx浄化率の比較

• S0燃料の場合で比較すると、NOx浄化率の低下は、オイル のP量よりもS量により大きく影響を受けていることがわかる 0 20 40 60 80 100

High SAPS Low SAPS High

ZnDTP High S basestock N O x conver si on r a ti o ＠200h, ％ S0 Fuel Oil S cont. % 0.76 0.34 0.69 0.67 Oil P cont. % 0.11 0.07 0.28 0.07

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S排出量とNOx浄化率との関係

• Sパージを行わない場合、NOx浄化率は、燃料とオイルからの S排出量が多くなるに従い低下する • 今回の試験において、オイル由来のPが触媒被毒に与える影 響は認められなかった 0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25

Sulfur emission (Calculated), g

N O x co n ver si o n , %

High SAPS / S10 Fuel Low SAPS / S10 Fuel High SAPS / S0 Fuel Low SAPS / S0 Fuel High ZnDTP / S0 Fuel

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触媒分析-元素分析

• 触媒に堆積したP/S比は、いずれの試験でもオイルのP/S比 より小さく、Sに比べPの排出量が少ないことが示唆される S P P/S S P P/S (%) (%) (g/unit) (g/unit) 1 High SAPS 0.76 0.11 0.14 21.2 0.80 0.04 2 Low SAPS 0.34 0.07 0.21 15.5 0.67 0.04 3 High SAPS 0.76 0.11 0.14 8.4 0.25 0.03 4 Low SAPS 0.34 0.07 0.21 5.3 0.52 0.10 5 High ZnDTP 0.69 0.28 0.41 8.5 1.57 0.18 6 High S Basestock _{0.67 0.07 0.10 10.5 0.17 0.02} S10 S0 Name Test No. Oil Fuel Elementary Deposits on NSR + DPF

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S,P排出量(計算値)との比較

• Sはオイル消費量から計算した排出量の120％が触媒に堆積 • Pは排出量(計算値)の60％が堆積 y = 1.191x R2 = 0.9886 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25

S emission (Calculated), g/unit

S content in NSR Cat.+ D PF, g/unit y = 0.6139x R2 = 0.9092 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4

P emission (Calculated), g/unit

P content in NSR Cat.+ D PF , g/unit

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Ca, Zn排出量(計算値)との比較

• Ca、ZnもPと同様に排出量(計算値)の60％が堆積 • Sと、P、Ca、Znは排出の様態が異なっていると推測 y = 0.6154x R2 = 0.9881 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

Ca emission (Calculated), g/unit

Ca content in NSR Cat.+ D PF, g/unit y = 0.6041x R2 = 0.9817 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4

Zn emission (Calculated), g/unit

Zn content in NSR Cat.+

D

PF,

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排出ガス分析試験の試験方法

• エンジン、運転条件は走行試験と同一 • 触媒手前で排出ガスをサンプリング • 粒子状物質は円筒ろ紙でカットし、吸収液に捕捉されたガス状 物質（S,Pの酸化物)を分析

Mass flow meter Engine

Vacuum pump Heater

Filter

(Silica fiber thimble filter)

Pressure sensor Silica gel

Impingers filled with

3ｗｔ% H₂O₂ solution

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オイルS,P量と排出ガス中のS,P量の関係

• Sはガス状物質(SOxと推定)として排出されているが、Pは ほとんど排出されていない y = 215x R2 = 0.9898 0 50 100 150 200 250 300 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Sulfur in the new oil, mass%

S u lf u r i n t h e exh au st , mi c ro g /m3 circle: average bar: + - sigma S0 Fuel y = 45x R2 = 0.5888 0 20 40 60 80 100 0.0 0.1 0.2 0.3

Phosphorus in the new oil, mass%

P hos phor us i n t h e e x h a u s t, mi c ro g /m3 circle: average bar: + - sigma S0 Fuel Sulfur Phosphorus

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オイル消費の中身解析

• ミストによるオイル消費の割合は平均で62％ • 触媒上でのP、Ca、Znの堆積割合と一致 0 1 2 3 4 5 6 7 High SAP S Low S AP S High SA PS Low S AP S Hig h Zn DT P High S Bas estoc k Av erag e O il c o nsum pt ion g/ h Vapor Mist S10 Fuel S0 Fuel 62% 38% ①蒸発：基油･添加剤の軽質分 熱酸化分解により発生したガス等の軽質分 ②オイルミストの飛散 オイル消費

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NSRに及ぼすS、Pの影響(まとめ)

¾ Sパージ(硫黄被毒回復制御)を行わない今回の試験で、

NSRのNOx浄化率は、オイル中のSによる被毒の影響

を受け、オイル由来のS排出量が多いほど低下した

¾ Sと比べてPの排出量は少なく、今回の試験条件ではP

による触媒被毒は明確には認められなかった

NSR装着車にはS量を低減したオイルが好ましい

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPFに及ぼすアッシュの影響 2.2 NSRに及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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試験概要

¾ 長時間の耐久試験を行い、尿素SCRに対するオイル由来の アッシュ、S、Pの影響の有無を確認する • 試験：長時間エンジン耐久試験 ‒ 運転条件：100%回転/60％負荷 （熱劣化を防ぐため、SCR入口温度400℃以下) ‒ 試験時間：1270ｈ (実車15万km相当) • エンジン：新長期規制対応エンジン(9.2L, 直噴コモンレール) • 後処理：酸化触媒+尿素SCR+酸化触媒 • 燃料：市販S10軽油 • 供試油：High SAPS油（国内市場上限レベル)

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NOx浄化率の経時変化

• 試験中にNOx浄化率の低下は認められない • Ca, Zn, S及びPは前段の酸化触媒に多く堆積する傾向が認めら れたものの、触媒性能にとって問題のないレベル 0 20 40 60 80 100 120 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time, h N O x co n ver si o n I n d ex, %

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尿素SCR に及ぼすアッシュ、S、Pの影響

(まとめ)

¾ 従来より使用されているDH-1相当のHigh SAPS

油を用いた長時間走行試験でNOx浄化率の低下

は認められず、排出ガスの耐久寿命を考慮しても、

尿素SCRシステムに及ぼすオイル由来のアッシュ、

S、Pの影響は小さい

尿素SCR装着車には、DH-1規格レベルのオ

イルであれば、SAPS成分低減の必要はない

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPFに及ぼすアッシュの影響 2.2 NSRに及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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JASO規格への反映

¾ 得られた結果をDPFを装着したトラック・バス等の重量車用 ディーゼルエンジン油の規格であるJASO DH-2に反映させた 市場DH-1の分布 DH-2 (新規格) DH-1 （従来規格/参考) 硫酸灰分量 1.0±0.1mass％以内 規定なし 硫黄量 0.5mass%以下 規定なし りん量 0.12mass%以下 規定なし 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.05 0.10 0.15 0.20 リン量, mass% 硫黄量, mass % 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.05 0.10 0.15 0.20 リン量, mass% 硫黄量, mass % DH-2規格 市場DH-1の分布 0 2 4 6 8 10 12 14 0.9≦ X<1. 1 1.1≦ X<1 .3 1.3≦ X<1. 5 1.5≦ X<1. 7 1.7≦ X<1 .9 1.9≦ X<2. 1 硫酸灰分 mass% 油種数 DH-2規格幅

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPFに及ぼすアッシュの影響 2.2 NSRに及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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試験概要

¾ 省燃費型エンジンオイルの燃費改善効果について、日本及 び米国の燃費測定モードで評価し、CO₂削減のポテンシャル を把握する • 試験：シャシーダイナモを用いた車両燃費試験 ‒ 測定モード：10･15モード（日本) FTPモード(米国) ‒ 初期（3,200km）及びエージング後（10,400km）の燃費を 評価 • 試験車両：乗用車 (2.5L, MPI, 2WD, すべり動弁系タイプ）

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供試油の性状

• 低粘度、Mo系摩擦調整剤(MoFM)を配合した省燃費型エン ジンオイル(3油種)を評価

• 基準油に対する燃費改善率(FEI)として算出

Oil-A Oil-C Oil-J Baseline Oil

Vis. grade 5W-20 5W-20 0W-20 20W-30

FM formulation None Yes Yes None

KV 40℃ 45.12 45.22 41.40 103.5

mm2/s 100℃ 8.02 8.07 8.95 12.13

VI  151 152 205 108

HTHS vis., mPa・s 2.6 2.6 2.6 3.7

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初期の燃費改善効果

10・15 mode FTP mode • 低粘度化、MoFM配合により、燃費改善率は向上し、最も効果 の高いOil-Jで4％程度に達する • MoFM配合による燃費改善効果は0.5∼1.0％程度と考えられる • FTPモードは10・15モードに比べ低粘度化による燃費改善効 果が高い 0 1 2 3 4 5

Oil-A Oil-C Oil-J

FE I,   ％ 0 1 2 3 4 5

Oil-A Oil-C Oil-J

FE

I,

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エージング後の燃費改善効果

• エージングにより、いずれの供試油も燃費改善率は低下して いるが、1万km走行後でも1∼3％程度の改善効果は維持さ れている 0 1 2 3 4 5

Oil-A Oil-C Oil-J

FEI , ％ 10・15 mode 0 1 2 3 4 5

Oil-A Oil-C Oil-J

FE I,   ％ FTP mode 初期(3,200km) エージング後(10,400km)

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報告内容

1. 研究の目的と全体計画 2. ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影響 2.1 CR-DPFに及ぼすアッシュの影響 2.2 NSRに及ぼすS、Pの影響 2.3 尿素SCRに及ぼすアッシュ、S、Pの影響 2.4 オイル規格への反映 3. ガソリン車のCO₂削減に与えるエンジンオイルの効果 4. まとめ

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まとめ

¾ ディーゼル後処理装置に及ぼすエンジンオイルの影

響について検討し、DPFにはオイルのアッシュ低減

が必要であり、NSRにはS量の低減が好ましいこと

を把握した

得られた結果をJASOディーゼルエンジン油規格に

反映させた

¾ ガソリン車のCO

₂

削減に与えるエンジンオイルの効

果は、日米の燃費測定モードにより異なるものの、

20W-30油比で最大4％程度あることを把握した

今回得られた基礎データは、オイルの燃費性能を評

価するASTM試験法を開発するために活用される予

定である