* 高熱効率機関 * - 舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性高熱効率機関舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性高石龍夫高石龍夫 1. はじめに往復動内燃機関 ( 以下, ピストンエンジンと呼ぶ ) は空気を作動ガスとし, その空気の一部もしくは全部を利

Size: px

Start display at page:

Download "* 高熱効率機関 * - 舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性高熱効率機関舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性高石龍夫 ** 高石龍夫 ** 1. はじめに往復動内燃機関 ( 以下, ピストンエンジンと呼ぶ ) は空気を作動ガスとし, その空気の一部もしくは全部を利"

うまじおおふさ
4 years ago
Views:

1 * 高熱効率機関 * - 舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性高熱効率機関舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性高石龍夫 ** 高石龍夫 ** 1. はじめに往復動内燃機関 ( 以下, ピストンエンジンと呼ぶ ) は空気を作動ガスとし, その空気の一部もしくは全部を利用してシリンダ内で燃焼を行い, 燃焼生成ガスともども作動ガスとして利用し, サイクルを描いている. このようにピストンエンジンは圧縮, 燃焼, 膨張などの各過程をすべて一つのシリンダの中で行うので, 単純な機構で構成され, 熱効率が高く, かつコンパクトで負荷応答性の良い資質を有する原動機である. 大型舶用低速 2 サイクルディーゼル機関は小型ディーゼル機関に比べて高い熱効率で運航経済性の面で有利な特徴を有している. 本稿では, 舶用ディーゼル機関の高熱効率について基本的考え方及びこれまでの熱効率向上の取組みを概観するとともに, 今後の熱効率向上の可能性に関して私見を述べる. これを作動面から改めて見れば, ピストンエンジンは静圧的でほぼ断熱的な圧縮膨張が可能な熱機関であり, シリンダ内でのガス流動を小さくすることができる. このため, 作動ガスそのものは高温高圧であるものの, ガス側熱伝達率を小さくすることが可能となり, 燃焼室壁面での熱損失などの熱の授受が少ない特性を有する. 特に低速 2 サイクルディーゼル機関では, 非定常燃焼の時間的制約が小型高速ディーゼル機関に比べて少なく, シリンダ内ガス流動を相対的に小さくすることができ, 図 2 に示すように熱損失低減の面で有利である. 2. 大型舶用ディーゼル機関の高熱効率大型舶用の低速 2 サイクルディーゼル機関は, 厳しい燃費率競争の結果, 熱効率が大幅に向上し, 図 1 に示すように単体原動機としては最高の熱効率である. この熱効率の高さは大シリンダ径, ロングストローク, 高空気過剰率, 低速回転数などの要因に支えられ, 各種損失の減少が得られ熱力学的にもより理想に近いサイクルの実現が図られていると考える. 図 2 ディーゼル機関の熱勘定割合また, 前述した通り一つのシリンダの中で圧縮, 燃焼, 膨張等の各過程を繰り返す間欠非定常燃焼ゆえの利点が作動ガス温度特性にある. すなわち, ディーゼル機関においては, 熱負荷面強度面等からの温度制約が定常燃焼の内燃機関 ( ガスタービン ) に比べてそれほど厳しくなく, シリンダ内作動ガスの最高温度を高くすることができる. ディーゼル機関とガスタービンの基本的作動特性の比較を図 3 に示す. 図 1 各種原動機の熱効率 * 原稿受付平成 26 年 12 月 24 日. ** 正会員 ( 株 )MIJAC( 東京都品川区北品川 3-6-9). Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -1- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 50, No. 2(2015) 75

2 211 高熱効率機関 - 舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性和文表題以下に主要な各手法の概要について述べる. 図 3 ディーゼル, ガスタービンの作動特性比較本図では, ディーゼル機関とガスタービンのガス温度特性並びにトルク特性を模式的に示しており, ディーゼル機関においては最高ガス温度を高くできるポテンシャルを有することが分かる. このような間欠非定常燃焼機関としての基本的特性が高熱効率実現を支えていると考える. 3.2 排気ターボ過給機系の改善排気ターボ過給機の性能向上過給機の圧力比向上及び効率向上がディーゼル機関の性能向上に寄与してきた. すなわち, 掃気圧力比向上により筒内の空気量増大により空気過剰率をキープしながら燃料噴射量増大が可能となり, 正味平均有効圧力の向上が図られた. 一方, 過給機効率向上により次のような論理で機関本体の熱効率向上が実現された. 排気圧力の低下に応じ, 掃気流量減少を伴うことなしで掃気ポートの高さを低くして, 排気弁の開弁時期を遅らせて膨張行程の有効ストロークの増大が可能となる. この結果, 機関本体の熱効率向上が得られる. 図 5 に排気弁開弁時期と燃費率の関係を示すが, 開弁時期を遅延させることにより燃費率低減が実現されている. 3. 低速 2 サイクルディーゼル機関の燃費率低減の基本的考え方熱効率 50% 超のレベルにある低速 2 サイクルディーゼル機関に対して, 今後の更なる熱効率向上の可能性を見定める上で, これまでの燃費率低減の取組みを概観して技術開発の方向性を探ることは重要と考える. 3.1 これまでの低燃費率化の歩み舶用 2 サイクルディーゼル機関の燃費率は 1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて大幅に改善された. その一例として, UE 機関における燃費率低減の流れ及びその手法を図 4 に示す. 過給方式の変更及び排気ターボ過給機効率の改善, 筒内最高圧力 Pmaxの上昇, 掃気効率の改善, 燃料噴射系の改善などにより, 約 20% の燃費率改善が実現され, 熱効率 50% を超える高いレベルに到達したことが分かる. 図 5 排気弁開弁時期と燃費率過給方式の変遷初期の舶用 2 サイクルディーゼル機関は過給方式として, 動圧過給が採用されていたが, 上記の過給機性能向上により静圧過給方式への移行がなされた. 静圧過給方式では排気圧力変動を伴う動圧過給方式に比べて高圧排気の期間が短いため, 掃気の流れをそこなうことなく排気弁の開弁時期を遅延することができ, 膨張行程の有効ストローク増大が得られる. 3.3 筒内最高圧力 Pmax の上昇筒内最高圧力 Pmax と掃気圧力 ( 過給圧力 )Ps の比である Pmax/Ps はディーゼル機関のサイクル熱効率の決定因子である. 図 6 に筒内最高圧力 / 掃気圧力と燃費率の関係を示す. 図 4 UE 機関の低燃費率化 Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -2- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 50, No. 2(2015) 76

3 高熱効率機関 - 日本マリンエンジニアリング学会執筆要項舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性 212 図 6 筒内最高圧力 / 掃気圧力と燃費率筒内最高圧力 / 掃気圧力を増大させる場合, 掃気圧力一定で筒内最高圧力を上昇させる手法と筒内最高圧力一定で掃気圧力を低下させる手法が考えられる. 前者では燃費率低減効果が顕著に発揮できるが, 後者では燃費率低減効果が頭打ち傾向にある. これは掃気圧力低下により筒内の空気過剰率の減少を招き, 燃焼悪化を伴うためにこのような傾向になるためと考える. 3.5 燃焼性能の向上ディーゼル機関の燃焼性能の良否は, 空気側条件 ( 空気量, 筒内スワール等 ), 燃料噴射側条件 ( 噴射圧力, 噴射期間, 噴射率モード等 ), 燃焼室形状等により大きく影響される. 熱効率向上に関して, 燃焼面では燃焼効率, 燃焼の等容度が重要なファクターである. ここでは, 燃料噴射期間, 燃焼期間 ( 受熱期間 ), 受熱モードと燃費率の関係について簡単に述べる. 燃料噴射系の高圧噴射化高噴射率化による噴射期間短縮の結果, 燃焼期間の短縮が実現され, 燃費率低減に寄与する. さらに, 燃焼モード制御による燃費率低減の可能性に関するサイクル計算結果を図 8 に示す. 3.4 掃気効率の向上 2 サイクルディーゼル機関では熱力学的に作動ガスの性状的な問題がある. すなわち, サイクルの圧縮及び燃焼の行程において, 作動ガス中に CO2 やH2O 等の燃焼ガスの一部が残留することが避けられない. このため, 作動ガスとしての物性値である比熱比の低下が生じ, サイクル効率低下を引き起こす. また燃焼用の空気量の減少による燃焼悪化を招き, 燃焼効率低下を引き起こす. これらを改善するためには, 掃気効率向上による空気量増大が必要になる. 具体的な手法として, 過給機効率向上による掃排気の圧力比の増大, 及び掃気ポート高さの増大による掃気通路面積の増大が有効である. 図 7 に掃気効率改善の技術経緯を示す. 掃気ポート形状等による掃気効率向上の結果, サイクルの作動ガスの比熱比が増大し, 図示燃費率が改善される. 図 8 受熱率モード受熱期間制御による燃費率低減 Pmax 一定となるよう受熱開始時期を変化させて, 受熱期間短縮及び受熱モード制御により燃費率低減が可能である. ただ, 図中の受熱モードで最も有効である後高受熱モードにおいて, 受熱期間 30deg 程度で燃費率低減効果は頭打ち状況となっている. 現状の低速 2 サイクルディーゼル機関において受熱期間はすでに 30deg レベルであり, このままでは燃費率低減はそれほど期待できない. 熱損失低減を含めた有効受熱量の増大に改善の余地が残っていると考える. 図 7 掃気効率の改善 3.6 電子制御技術の導入舶用 2 サイクルディーゼル機関に対する各種ニーズに対応するため, 各エンジンメーカとも電子制御技術を導入したエンジンを開発している. 燃料噴射系, 排気動弁系, 始動系, シリンダ注油系を中心に機械式から電子制御式への変更により機関負荷条件や周囲条件, 燃料性状等に応じた作動タイミング, 燃料噴射率の自由な設定が可能となる. このような電子制御化の結果, Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -3- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 50, No. 2(2015) 77

213 高熱効率機関 - 舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性和文表題 NOx 排出量と燃費率のトレードオフ関係の大幅な改善が実現されている. 今後の更なる CO2 削減を図るためには, 機関単体の熱効率向上のみならず, 排気損失の回収や排出ガスや冷却水からの廃熱回収なども必要となるが, 本特集号の別稿にて解説されているので, 本稿では取り上げないことにする.

UE 機関の最新機種である UEC50LSH-Eco-C2 機関においては, 100% 負荷の P1 点で約 51%, P2 点で約 53% の熱効率, 75% 負荷の P1 点で約 53%, P2 点で約 55% の高いレベルの熱効率となっている.

Dual Fuel 方式のガス機関のガスモードでの機関端効率 ( 機付補機無 ) は, シリンダボア 50cm クラスで 49~50%, シリンダボア 30cm クラスで 47~49% と高い熱効率を実現している. ガス機関では電子制御技術等によりノッキング等の異常燃焼を避けながら高負荷運転を実現している.

4 213 高熱効率機関 - 舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性和文表題 NOx 排出量と燃費率のトレードオフ関係の大幅な改善が実現されている. 今後の更なる CO2 削減を図るためには, 機関単体の熱効率向上のみならず, 排気損失の回収や排出ガスや冷却水からの廃熱回収なども必要となるが, 本特集号の別稿にて解説されているので, 本稿では取り上げないことにする. 向上 ) により燃費率低減を確認するとともに, 図 9 に示す通り 2020 年までに燃費率 5% 削減を目指して実用化研究を進めている. 3.7 熱効率の現状これまで述べたような各種技術開発の成果を受けて, 舶用 2サイクルディーゼル機関の熱効率は50% をはるかに超える高いレベルが実現されている. その一例を簡単に紹介する. UE 機関の最新機種である UEC50LSH-Eco-C2 機関においては, 100% 負荷の P1 点で約 51%, P2 点で約 53% の熱効率, 75% 負荷の P1 点で約 53%, P2 点で約 55% の高いレベルの熱効率となっている. 一方, 最近の IMO 排ガス規制強化や CO2 削減といった地球環境適合ニーズの高まりを受けて, 舶用の分野においてもガス焚き機関が採用されており, 当該機関の熱効率について簡単に触れる. Dual Fuel 方式のガス機関のガスモードでの機関端効率 ( 機付補機無 ) は, シリンダボア 50cm クラスで 49~50%, シリンダボア 30cm クラスで 47~49% と高い熱効率を実現している. ガス機関では電子制御技術等によりノッキング等の異常燃焼を避けながら高負荷運転を実現している. ガス機関のガスモード運転では高負荷ほどディーゼル機関に比べて受熱期間が相対的に短くなり, 等容度が高くなり, このため 50% レベルの高い熱効率が得られていると考える. 図 9 HERCULES プロジェクトの概要機関性能向上に関しては, 筒内最高圧力 Pmax を 200bar まで上昇させるとともに, 二段過給方式により掃気圧力を 8bar, ターボ効率を 76% に向上させて, 燃費率 :5~6g/kwh 低減, NOx:50% 低減が得られている. また, 高圧ボイラ複合サイクルにて熱効率 60% を目指している. 更なる燃費率低減のため, 図 10 に示すように低摩擦ピストンリングによる摩擦損失 30% 低減をシミュレーションにて検討中である. 4. 今後の熱効率向上の可能性これまで述べてきたように舶用 2 サイクルディーゼル機関の熱効率は 50% をはるかに超える高いレベルが実現されており, 今後のより一層の熱効率向上の余地は残されているのか? 難しい課題であるが, 海外のエンジン技術開発動向も踏まえて, 簡単に触れてみる. 4.1 海外での技術開発動向将来舶用機関の研究開発を All EU( プロジェクト参加メンバー : エンジンメーカを主体に過給機, エンジン部品メーカ, EU 内の大学研究機関, 船会社, 船級協会 ) で実施している HERCULES プロジェクトの状況を要約すれば, 以下の通りである. 主として機関本体改良 (Pmax 上昇等 ) 及び過給機系改良 ( 二段過給方式によるターボ効率と掃気圧力の図 10 HERCULES プロジェクトでの摩擦損失低減別のエンジン研究コンサルタントの見解によれば, 燃費率は筒内最高圧力 Pmax と平均有効圧力 Pme の比である Pmax/Pme の関数であり, Pmax/Pme:8.0~ 8.5 のゾーンで最適燃費率が得られるとの情報である. Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -4- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 50, No. 2(2015) 78

5 高熱効率機関 - 日本マリンエンジニアリング学会執筆要項舶用ディーゼル機関の熱効率向上の経緯と今後の可能性 214 このためには, 筒内最高圧力を 190~200bar レベルまで上昇させる必要がある. また, 平均有効圧力増大の点から過給圧力上昇が必要になり, 二段過給方式の必要性を論じている. 4.2 熱効率向上に関する簡易検討熱効率向上の可能性をある程度定量的に見定めるべく, 原点に戻って熱効率の理論式をベースにした簡易検討を実施し, 今後の取組みの方向付けをした簡易検討具体的なやり方として, 熱効率を次式で算出検討した. ηth=ηotto ηgl ηcomb (1-ηcool) ηm a) オットー効率 ηotto は圧縮比を 15, 作動ガスの比熱比を 1.35 とすれば, となる. ここで, 比熱比は概略的に空気 1.4 と高温ガス 1.3 の中間として 1.35 を用いた. b) 等容度 ηgl はこれまでのディーゼル機関の実績に基づいて, 0.88 とする. c) 燃焼効率 ηcomb は 0.98 とする. d) 冷却損失 ηcool を 0 とする. 実際上, 冷却損失は 0.06 程度あると推察されるが, 上記の等容度 0.88 は冷却損失まで考慮した値であり, 0.06 とすればダブルカウントになるので, ここでは 0 とする. e) 機械効率 ηm を 0.95 とする. 以上の数値を上式に代入すれば, 以下の通りとなる. ηth= =0.502 この数値は現状の舶用ディーゼル機関の熱効率に概略相当する値であり, これをベースに熱効率向上の可能性を探ってみる. ただし等容度や燃焼効率の向上は限界レベルであり, ここでは除外する 1) サイクル作動ガスを完全空気と仮定すれば, 比熱比が 1.4 となり, オットー効率がとなり, 熱効率はとなり, 8% の向上が期待される. これを実現するためには, 更なる過給機効率向上及び掃気効率向上などが必要となる. 2) 機械損失を半減できれば, 機械効率がとなり, 熱効率はとなり, 2.5% の向上が期待される. 実際上, 機械損失を半減する具体的な方法論やハードの問題があるものの今後の研究課題と考える. また, 高出力化により相対的な機械損失の寄与度低減が有効と思われる. 以上を纏めれば, 今後のディーゼル機関単体での熱効率向上の可能性として, より一層の掃気効率向上や機械損失低減などによる改善効果の余地が残されていると考えるが, そのゲインはそれほど多くはないと思われる. 5. まとめ舶用ディーゼル機関の熱効率向上に関して, これまでの取組みを概観し, 現状分析と今後の可能性を簡単に述べた. 今後, より一層の過給機系の改善 ( 過給機単体の効率向上, 圧力比向上, 二段過給方式など ) や掃気ポートの最適化を含めた掃気効率改善による空気過剰率の向上, 機械損失や熱損失の低減, また筒内最高圧力 Pmax/ 掃気圧力 ( 過給圧力 )Ps の上昇などに取組んでいくことが必要と考える. 船舶を取り巻く環境問題, 経済問題に対応すべく, 舶用ディーゼル機関の更なる熱効率向上へ向けて, これまでの長い間の技術蓄積を活かすとともに, 先端技術の導入や総合技術の高度化により時代の要請に応えていくことが求められている. 引き続き, エンジン技術開発に注力していく. 参考文献 1) 下田邦彦, 往復動内燃機関の展望, 三菱重工技報, Vol34, No4, p255, 1997 年 2) 土佐陽三, 燃費低減への挑戦, 日本機械学会講演会予稿集, p52, 1996 年 3) 立石又二, 舶用エンジンの新技術, 日本機械学会誌, 1990 年 2 月 4) 宮野, 小野, 岡部, 安枝, 板谷, 三菱重工技報, Vol24, No2, 1987 年 3 月 5)Tsuneya,Hirayama, Miyano,Tateishi,14 th,cimac, 1981 年 6)Rinoie,Hirayama,Miyano,Tateishi,Tujimura, 16 th,cimac,1985 年 7)NikolaosP.Kyrtatos,HERCULES A-B-C,Transport Research Arena-Europe,2012 年著者紹介姓名高石龍夫日本マリンエンジニアリング学会正会員 1952 年生. ( 株 ) マリタイムイノベーションジャパン (MIJAC) 最終学歴九州大学大学院専門分野内燃機関舶用燃料 Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -5- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 50, No. 2(2015) 79

EPA Tier4排出ガス規制対応２～３ｔフォークリフト向けディーゼルエンジンの開発,三菱重工技報 Vol.54 No.1(2017)

EPA Tier4排出ガス規制対応２～３ｔフォークリフト向けディーゼルエンジンの開発,三菱重工技報 Vol.54 No.1(2017) M-FET 特集技術論文 49 EPA Tier4 排出ガス規制対応 2~3t フォークリフト向けディーゼルエンジンの開発 Development of EPA Interim Tier4 Certified Diesel Engines for 2-3t Forklift Trucks *1 山本高之 *2 平岡賢二 Takayuki Yamamoto Kenji Hiraoka *2 入口信也