2014 Fiscal Year Research-status Report
炭酸ガス抽入燃料によるディーゼル機関の燃焼改善に関する研究
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26420889
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| Research Institution | Kurume National College of Technology |
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Principal Investigator |
中武 靖仁 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (30280481)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | エネルギー節約・効率利用 / 低炭素化社会 / 超微細気泡 / ディーゼル機関 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ディーゼル燃料へ超微細気泡（マイクロ・ナノバブル）を混入させることで、燃焼改善すなわち燃費や有害排出ガスの同時低減が可能となり、環境負荷の低減へとつながることを明らかにしてきた。これまで燃料へ混入させる気体として、空気を用いてきたが、常温・常圧で空気より高い溶解性を有する炭酸ガス（二酸化炭素）を用いることで、ディーゼル機関の更なる燃焼改善を図り、燃費と有害排出ガスの同時低減について実験的に解明することを目的とした。
まず、炭酸ガス抽入燃料の物理・化学的特性の解明として、微細炭酸ガス抽入燃料を製造する装置条件（エジェクタ構造、ポンプサイズ）、生成条件（操作条件：燃料・空気の圧力・流量）、気象条件（気温、湿度、大気圧）によるナノサイズ気泡径分布、数密度（ボイド率） 、ゼータ電位をナノ粒子分析装置にて、粘度、表面張力、噴射後の粒径分布の測定と検証、および溶存酸素量（DO値）、pH（イオン量）、セタン価の測定、GC/MS（ガスクロマトグラフ質量分析）装置による化学式構造など、物理的および化学的特性の変化を微細空気泡混入の場合と比較しながらの一部定量的評価を行った。
次に、機関性能実験および燃焼解析として、ディーゼル機関に超微細炭酸ガス抽入装置を設置して燃料消費率、充填効率、騒音、トルク特性、排気ガス温度、排気エミッション（すす、NOx）、吸気側･排気側空燃比および筒内燃焼圧による燃焼解析などを比較測定し、燃料消費量および排気エミッションの低減評価を行う。筒内燃焼圧解析による熱発生率変化により、燃焼時間の短縮効果の一部を検討した。
現在、（財）運輸低公害車普及機構などで一般車両の燃費計測に採用されているカーボンバランス法による燃費比較実験を試みた。また、有害排出ガスの１つであるNOxの低減効果を検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
炭酸ガス抽入燃料の物理・化学的特性の解明としては、生成条件（自吸空気真空圧）と気象条件（自吸空気温度・湿度）の差異によるゼータ電位の変化について評価を行った。おおまかな定性的な傾向は得られているものの、同一条件の燃料でも時間的変化があるなど、ゼータ電位の数値安定性が得られず、定量的な結果を得るまで至っていない。
機関性能実験および燃焼解析については、炭酸ガス抽入燃料がディーゼル機関の燃費に、どの程度影響を及ぼすかについて重点的に検討した。まず、2種類の燃料噴射方式について検討を行った。１つ目の、燃料噴射圧80MPaのコモンレール式燃料噴射方式を用いた実験では、燃費が負荷平均で5％、最大10％、ならびにすすや騒音の低減効果もあった。しかしながら、2つ目の燃料噴射圧20MPaの機械式燃料噴射方式の実験では、燃費性能などほとんどの測定値において差異が認められなかった。クランク角と筒内圧との関係を示す燃焼解析においても、ほとんど差異が認められなかった。2種類の噴射方式の差異による炭酸燃料の優位性を解明することにより、更なる炭酸ガス燃料、ならびに微細気泡を混入させた燃料によるディーゼル機関の環境負荷低減について、より安定し、しかも高効率な知見が得られるものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究より、水中の場合であるが、本研究で採用するエジェクタ式による微細気泡混入の効果は、飽和溶存酸素量へより速く、高効率に近づけさせることが可能である。さらに、加圧溶解式とナノバブル発生ノズルを組み合わせたナノサイズの気泡は、飽和溶存酸素量よりも多くの溶存酸素量を含有させることが可能である。従って、微細気泡混入法を複合利用することで、ナノサイズの気泡をより効果的に燃料に混入させることにより、さらなる燃焼改善、すなわち燃費と有害排出ガスの低減効果が期待される。
そこで、ナノサイズ気泡混入の優位性を検討すべく、燃料の特性実験、ならびにエンジンベンチを用いた機関性能実験、および排気ガス成分分析を実験的に遂行する。
また、ディーゼル機関でEGR（排ガス再循環）は主に、NOxの低減や部分負荷（エンジン回転で全負荷の出力を出さない点）時の燃費向上のために用いられている。実用的なことを鑑みると、炭酸ガスを排気ガスより供給することが最善と考えられる。また、排気ガス中の二酸化炭素を循環して使用できるため、排出CO2をさらに低減できる可能性があり、非常に有意義な研究となりえる。
次に、排気ガスを燃料に微細気泡として注入するシステムの設計、製作を行い、ディーゼル燃焼改善実験を遂行する。
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