燃料のピストン圧縮改質による船舶用超排出ガスエンジンの実用化研究

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03890
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 柴田 元 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70613785)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 燃料改質 / ディーゼルエンジン / バイオガス

Outline of Annual Research Achievements

R3年度までの研究では窒素を多量に含む環境下で、軽油の代替としてノルマルヘプタンを用いた改質研究をエンジン実験と化学動力学計算の両面より実施し、水素や一酸化炭素の生成課程および収率を向上させる方法について検討を行った。これらのデータに基づき、R4年度は粗バイオガス（二酸化炭素とメタン）を用いたピストン圧縮改質装置を作成し、実験を実施した。
吸気としてノルマルヘプタンと空気の混合気、過濃なメタン、メタンと同量の二酸化炭素をディーゼルエンジン内に供給しピストン圧縮してノルマルヘプタンを着火源にドライリフォーミング反応を起こして一酸化炭素と水素を生成させるだけでなく、吸熱反応による排熱回収とエンジンの出力を得ることを目標としている。生成される水素と一酸化炭素は液体合成燃料（e-fuel）の原料であり再利用することができる。
メタンと二酸化炭素の供給モル比、酸素濃度、吸気加熱温度をパラメータに実験をした。その結果、メタンと二酸化炭素より一酸化炭素と水素が生成するドライリフォーミング反応がエンジン内で起こることが確認され、改質中の筒内最高温度が高いほど水素や一酸化炭素の生成割合およびメタンから水素への転化率が高くなることが確認された。また、二酸化炭素を供給せずにメタンだけを供給した場合は、ノルマルヘプタンの燃焼で生成する二酸化炭素とメタンによるドライリフォーミング反応が起こり、排気中に排出される二酸化炭素濃度を1％以下に抑制することができた。この結果は、ドライリフォーミング反応を利用してエンジンからの二酸化炭素排出削減が可能であることを意味しており、大変興味深い。
一方、高当量比環境で改質が行われるためスモークが高濃度で排出されることが課題である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究の進捗は順調であるが、新しい設備の導入などの際に時間がかかるため、同時に複数の計画を進行させることで、時間にロスが生じないように努めている。

Strategy for Future Research Activity

これまで吸気に大量の窒素を供給して実験を行ってきたが、実用化を考えると窒素希釈のない実際のエンジン環境で実施することが必要となる。過給や排気再循環などが行える設備に移管し、燃料に軽油を使用する実験を実施する。

Causes of Carryover

実験で使用するメタンガスおよび二酸化炭素ガスの購入、軽油を用いた実験設備の改造、安全対策などの費用に使用する。