2013 Fiscal Year Research-status Report
天然ガスを主燃料とする二元燃料ディーゼル機関の燃焼特性改善
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25420927
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Niigata Institute of Technology |
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Principal Investigator |
吉本 康文 新潟工科大学, 工学部, 教授 (90167023)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ディーゼル機関 / 二元燃料 / 天然ガス / ディーゼル燃焼 / 過給 / 正味熱効率 / 排ガス特性 |
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| Research Abstract |
本研究は、圧縮天然ガス（CNG）を主燃料として吸気管に供給し、ディーゼル燃料を燃焼室内に噴射して着火、燃焼を行う方式の二元燃料ディーゼル機関の燃焼特性改善を目的とする。燃焼特性改善の要件として、①排気再循環（EGR）の適用、②過給の採用、③含酸素燃料の着火燃料への適用、④DME（ジメチルエーテル）のCNGへの予混合、を取り上げ、最適燃焼条件の解明を最終目標とする。
本年度は上記要件のうち、②過給の採用、を優先的に取り上げ、外部モータ駆動による機械式過給システムを構築した。過給機にはルーツブロワ式スーパーチャージャー（小倉クラッチ製、TX04）を選定し、インバータによりモータの回転速度を制御することで過給圧を変化させた。これにより吸気管内圧力を98 kPa（絶対圧、過給なし）から140 kPaまでの範囲内で、安定的に過給圧を変化できた。実験の結果、通常のディーゼル運転では過給圧を140 kPaまで高く設定することで高負荷運転における正味熱効率、およびSmokeエミッションの大幅な改善が得られることがわかった。一方、120 kPaを超える過給圧のもとで二元燃料運転を行った場合では、CNG供給比率の増加にともないHCエミッションの大幅な増大が生じ、正味熱効率は低下する結果を得た。CNGを主燃料とする二元燃料運転ではディーゼル燃料噴霧によって着火が生じ、その後、噴霧束の外側に存在するCNGと空気との予混合気に向かって火炎伝ぱ燃焼が進行するものと考えられる。過給を行うと、この噴霧束外側部分に存在するCNG-空気予混合気の希薄化が進み、このため、火炎伝ぱ燃焼が完結できずに大量のHCが生成したことが考えられた。
なお、NOx低減対策の基本技術であるEGRを模擬した実験に関しては、本研究に着手する時点ですでに完了しており、その結果を論文にとりまとめ公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前述のように、本研究では二元燃料ディーゼル機関の燃焼特性を改善するための要件として、①排気再循環（EGR）の適用、②過給の採用、③含酸素燃料の着火燃料への適用、④DME（ジメチルエーテル）のCNG（天然ガス）への予混合、を取り上げ、最適燃焼条件を解明することを最終目標としている。本年度は、このうち目標達成がもっとも困難であると予想された、②過給の採用、を優先的に取り上げて研究を行ったものである。モータで駆動するルーツブロワ式過給機の回転速度をインバータで制御する過給システムを構築した結果、140 kPaの過給圧の範囲まで安定的に運転できることが確認できた。なお、本システムの仕様では160 kPaを超える過給能力を有していることから、エンジンの強度と耐久性が許容できれば、さらに高い過給圧で実験を行うことも可能である。
本年度に実施した一連の研究の結果、二元燃料ディーゼル燃焼に機械式過給を適用した際には、通常のディーゼル運転の場合とは大きく異なる特性を示すことが明らかとなった。すなわち、二つの実験変数：CNG供給比率（エンジンへの全供給熱量に対するCNGの供給熱量の比率）と過給圧に関して、最適な運転範囲が存在するという有用な知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) CNGを主燃料とする二元燃料ディーゼル機関に対して、バイオディーゼルの中でも酸素含有率の高いココナッツ油メチルエステル（CME）を着火燃料に適用する。さらにCMEと1-ブタノールとの混合燃料を着火燃料に適用した際の燃焼特性を調査する。1-ブタノールの酸素含有率はCMEよりも高いことからSmokeエミッションのさらなる低減が期待できる。この実験を、過給圧およびCNG供給比率を変えて系統的に行う。なお、本方式の二元燃料運転では、CNG供給比率が75～77％を超えると着火燃料の噴射量が少なくなりすぎて着火が不安定となり、失火サイクルが出現する。このため正味熱効率の顕著な低下が生じることが明らかとなっている。これに対して発熱量の低いCMEと1-ブタノールとの混合燃料を着火燃料に適用することによって、燃料噴射量を18％程度増加することができ、これによって失火による運転限界（CNG供給比率）を拡張できる可能性が考えられる。
(2) 二元燃料ディーゼル機関から排出されるNOxを低減するためにEGR（排気再循環）を適用する。CNG供給比率の増加とともに着火遅れは漸増し、これにともない予混合的燃焼が活性化する。このため、NOx濃度は通常のディーゼル運転に比べ相対的に高い。そこで、NOx低減対策の基本技術であるEGRを適用する。吸入空気、再循環ガス、およびCNGが混合した後のガス温度を40℃ と80℃の2段階に設定する。実験は定格出力から1/4出力まで変化させ、吸気の酸素濃度（EGR率）を21～15％程度まで変化させる。CNG供給比率は0％（通常運転）から安定運転限界まで広範囲に変化させ、着火燃料にはJIS 2号軽油を使用する。さらに、過給機前段に排気を還流する方式のEGRを行い、二元燃料ディーゼル燃焼に及ぼす過給圧とEGR率との相乗効果を調べる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本年度に使い切る予定であったが、残額が発生した。
次年度に使用する。
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