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1 Bulletin of the JSME 日 本 機 械 学 会 論 文 集 Transactions of the JSME (in Japanese) Vol.82, No.84, 216 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 燃 料 改 質 エンジンシステムによる 熱 効 率 向 上 とNOx 低 減 白 川 雄 三 *1, 島 田 敦 史 *1 *1, 石 川 敬 郎 Fuel reforming engine system using low concentration hydrous ethanol with improved thermal efficiency and low NOx emissions Yuzo SHIRAKAWA *1, Atsushi SHIMADA *1 and Takao ISHIKAWA *1 *1 Hitachi, Ltd. Research & Development Group Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki , Japan Received 2 October 215 Abstract Bioethanol can be used as alternative fuel for an internal combustion engine. However, the price of bioethanol per calorific value is generally higher than that of gasoline. Therefore, it is necessary to improve thermal efficiencies of engine using bioethanol and reduce the refining cost of bioethanol. This study aims to improve thermal efficiency in a fuel reforming engine system using low concentration hydrous ethanol (less than 6 wt%). Low concentration hydrous ethanol can reduce the fuel cost because it can be generated from biomass with reduced number of distillation process for refinement. The fuel reforming engine system installs the reformer in the exhaust pipe of an engine, and hydrous ethanol and exhaust heat are supplied to the reformer, which generates the reformed gas containing hydrogen. Part of the hydrous ethanol is supplied to the engine cylinders. This system has three features: (1) exhaust heat recovery by fuel reforming, (2) hydrogen mixed combustion for lean burn, (3) high compression and low temperature combustion using hydrous ethanol with high octane number. This system can be combined these three features. Therefore, this system can the thermal efficiency can be dramatically improved. In this study, thermal efficiency improvements of this system are examined by experimental analysis. As a result, the reformed gas containing hydrogen improves thermal efficiency because the hydrogen in the reformed gas promotes the combustion of low concentration hydrous ethanol. And exhaust heat recovery using fuel reforming improves thermal efficiency. In addition, NO X emissions of this system using low concentration hydrous ethanol were lower than that of using pure ethanol fuel (115ppm 65ppm) because the combustion temperature of hydrous ethanol is lower than that of pure ethanol. Low concentration hydrous ethanol in fuel reforming engine system could achieve high thermal efficiency and low NO X emissions. Key words : Engine, Ethanol, Fuel reforming, Hydrogen, Efficiency, NOx emission, Hydrous ethanol 1. 緒 言 近 年, 内 燃 機 関 に 利 用 する 石 油 代 替 燃 料 の 一 つとしてバイオエタノールが 注 目 されている.しかし, 一 般 的 に バイオエタノールはガソリンに 比 べ 単 位 発 熱 量 あたりの 燃 料 価 格 が 高 いことから, 現 行 のエンジンシステムに 使 用 する 場 合, 出 力 あたりの 燃 料 コストが 高 くなる( 朝 野, 美 濃 輪,27).そのため,バイオエタノールを 普 及 拡 大 するにはバイオエタノールを 利 用 したエンジンシステムの 高 効 率 化 とバイオエタノール 製 造 の 低 コスト 化 が 求 められる. 現 行 のエンジンシステムでは, 一 般 的 に 濃 度 99.5wt% 以 上 の 無 水 エタノールが 用 いられている.このエタノー ルは 製 造 工 程 において 蒸 留, 脱 水 により 高 濃 度 化 する 必 要 がある. 例 えば,コーンを 原 料 としてエタノールを 製 造 した 場 合, 原 料 の 持 つ 総 エネルギーに 対 して 蒸 留 工 程 で 23%, 脱 水 工 程 で 14%のエネルギーを 必 要 とする(セ No [DOI:1.1299/transjsme ], J-STAGE Advance Publication date : 19 July, 216 *1 ( 株 ) 日 立 製 作 所 研 究 開 発 グループ( 茨 城 県 日 立 市 大 みか 町 7-1-1) of corresponding author: yuzo.shirakawa.ad@hitachi.com 1

2 ティアプラジャ 他,212).これに 対 し, 含 水 エタノールは 製 造 工 程 において 蒸 留 を 簡 略 化 でき 脱 水 を 必 要 としな いため, 無 水 エタノールに 比 べ 製 造 時 に 必 要 なエネルギーを 大 幅 に 低 減 できる.これにより, 燃 料 の 低 コスト 化 が 可 能 となるため, 含 水 エタノールの 利 用 は 無 水 エタノールに 比 べ 単 位 出 力 当 たりの 燃 料 コストが 低 減 できる. また, 現 行 の 消 防 法 によりエタノール 濃 度 6 wt% 未 満 の 含 水 エタノール( 以 下, 低 濃 度 含 水 エタノール)は 危 険 物 の 対 象 外 であることから, 取 り 扱 いが 容 易 な 燃 料 である. 一 般 的 に,エンジンは 投 入 燃 料 エネルギーの ~5% 程 度 を 排 気 熱 として 損 失 している.そのため, 排 熱 回 収 により 排 気 熱 を 動 力 に 変 換 することは 熱 効 率 向 上 に 有 効 な 手 段 である.また, 火 花 点 火 エンジンの 理 論 サイクル であるオットーサイクルは 比 熱 比 と 圧 縮 比 を 高 めることで 理 論 効 率 が 向 上 する.よって, 排 熱 回 収 と 高 比 熱 比 化, 高 圧 縮 比 化 によりエンジンの 熱 効 率 は 大 幅 に 向 上 する. そこで, 本 研 究 では 低 コストで 製 造 可 能 な 低 濃 度 含 水 エタノールを 燃 料 として 用 い, 排 熱 回 収 と 高 比 熱 比 化, 高 圧 縮 比 化 が 可 能 な 燃 料 改 質 エンジンシステムを 提 案 し,その 効 果 を 検 討 する. 本 システムは 排 気 管 に 装 着 した 独 自 の 触 媒 反 応 器 を 用 いて 吸 熱 反 応 により 低 濃 度 含 水 エタノールから 水 素 を 含 む 改 質 ガスを 生 成 して 燃 焼 に 利 用 する.これにより, 排 気 熱 の 一 部 を 供 給 燃 料 の 熱 量 に 回 収 するため 排 熱 回 収 を 行 える.また, 水 素 は 希 薄 燃 焼 が 可 能 であることから 高 比 熱 比 化 に 有 効 な 燃 料 であり, 一 部 の 含 水 エタノールをエンジンに 直 接 供 給 することで, 高 圧 縮 比 化 を 可 能 とする. エタノールの 燃 料 改 質 を 用 いたエンジンシステムの 提 案 はなされており, 計 算 による 排 熱 回 収 の 効 果 検 討 や 改 質 ガスを 模 擬 した 模 擬 ガス 実 験 による 効 果 検 討 が 行 われている( 首 藤, 藤 井,29, 森 棟, 是 松,21).また, 水 素 を 一 部 燃 料 とした 混 合 燃 焼 システムでは 希 薄 燃 焼 領 域 が 拡 大 するという 報 告 がなされている(White et al., 26).また, 含 水 エタノールは 燃 料 中 の 潜 熱 が 大 きいこと, 高 オクタン 価 燃 料 であることから 対 ノッキング 性 に 優 れ,エンジンの 高 圧 縮 比 での 運 転 が 可 能 であると 報 告 されている(Bromberg and Blumberg, 29, Bromberg and Cohn, 21).さらに, 反 応 器 を 取 り 付 けて, 低 濃 度 含 水 エタノール(6 wt% 未 満 )を 用 いた 燃 料 改 質 エンジンの 熱 効 率 向 上 効 果 の 検 討 を 行 った 報 告 がなされている(Shimada and Ishikawa, 213).しかし, 低 濃 度 含 水 エタノール および 改 質 ガスが 各 種 熱 効 率 因 子,NOx 排 出 量 などに 与 える 影 響 を 明 らかにした 報 告 はなされていない. 本 報 では 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 燃 料 改 質 エンジンの 高 効 率 化 を 目 的 とし,エタノール 濃 度 および 改 質 ガスが 各 種 熱 効 率 因 子, 希 薄 限 界,NOx 排 出 量 に 与 える 影 響 を, 改 質 ガスを 模 擬 した 模 擬 ガス 実 験 により 調 べた. また 反 応 器 をエンジン 排 気 管 に 搭 載 した 反 応 器 実 装 試 験 により 本 システムの 熱 効 率 向 上 効 果 と NOx 排 出 量 の 低 減 効 果 の 検 討 を 行 った. 2. 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 燃 料 改 質 エンジンシステムの 構 成 と 熱 効 率 向 上 効 果 図 1 に 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 排 熱 回 収 エンジンシステムのシステム 概 略 を 示 す. 本 システムは,エンジン 排 気 管 に 接 続 した 反 応 器 に,エンジン 排 熱 と 含 水 エタノールを 供 給 する 構 成 である. 反 応 器 内 で 含 水 エタノールの 改 質 より, 水 素 を 含 む 改 質 ガスが 生 成 される. 生 成 された 改 質 ガスは 吸 気 管 に 供 給 される.また, 一 部 の 含 水 エタノールはエンジンに 直 接 供 給 される. Hydrous ethanol Reformed gas Effect (1)Fuel reforming Exhaust heat recovery Intake gas Reformer Exhaust gas Effect(3)Hydrous ethanol supply Low-temperature combustion High compression combustion Effect(2)H2 mixed combustion Lean burn Hydrous ethanol Fig. 1 Features of fuel reforming engine system using low concentration hydrous ethanol 2

3 本 システムは, 以 下 の 3 つの 効 果 が 期 待 できる. 効 果 1. 燃 料 改 質 を 用 いた 排 熱 回 収 による 熱 効 率 向 上 含 水 エタノールの 燃 料 改 質 は 以 下 に 示 すような 例 がある. C 2 H 5 OH + 3H 2 O 2CO 2 + 6H kj (1) C 2 H 5 OH + H 2 O 2CO + 4H kj (2) 含 水 エタノールの 改 質 は 式 (1)(2)のような 吸 熱 反 応 である. 式 (1)の 場 合, 燃 料 改 質 により 217kJ 吸 熱 す るため, 改 質 ガスの 持 つ 熱 量 は 供 給 する 含 水 エタノールに 比 べて 増 大 し, 約 1.17 倍 になる. 式 ( 2)の 場 合 は 298kJ 吸 熱 するため, 約 1.24 倍 に 増 大 する.この 反 応 に 排 気 熱 を 利 用 することで, 排 気 熱 が 燃 料 のエネルギーとして 回 収 され, 熱 効 率 が 向 上 する. 効 果 2. 改 質 ガス 中 の 水 素 を 用 いた 希 薄 燃 焼 による 熱 効 率 向 上 改 質 ガスに 含 まれる 水 素 はガソリンに 比 べ, 希 薄 状 態 での 安 定 燃 焼 が 可 能 である.これにより 比 熱 比 が 増 大 す ることから, 熱 効 率 の 向 上 が 期 待 できる. 効 果 3. 含 水 エタノールの 直 接 噴 射 による 熱 効 率 向 上 と NOx 低 減 含 水 エタノールを 直 接 エンジンに 供 給 した 場 合 は,エタノールが 高 オクタン 価 燃 料 であること(Nakata et al., 27),また 水 の 顕 熱 潜 熱 が 大 きいため 燃 焼 温 度 の 低 温 化 が 可 能 であることから, 対 ノッキング 性 に 優 れ 高 圧 縮 比 化 を 実 現 できる.さらに, 水 を 直 接 供 給 することによる 燃 焼 温 度 の 低 温 化 は NOx 排 出 量 を 低 減 することが 期 待 できる. 本 システムは 上 記 の 3 つの 効 果 を 同 時 に 実 現 できるシステムであり, 大 幅 な 熱 効 率 向 上 効 果 と NOx の 低 減 効 果 を 見 込 める. 図 2 に 上 記 の 3 効 果 によるエンジンの 理 論 効 率 の 向 上 効 果 の 計 算 結 果 を 示 す. Improvement rate of theoretical thermal efficiency ηth[%] Base 5 High compression combustion (λ=2,ε=15) Lean combustion (λ=2,ε=1) Exhaust heat recovery (λ=1,ε=1) Rate of fuel supplied to reformer Rre [%] Effect 3 Effect 2 Effect 1 Fig. 2 Influence of three effects on improvement rate of theoretical thermal efficiency エンジンの 理 論 効 率 ( th )は 式 (3)により 算 出 した. th = (3) 3

4 ここで, は 圧 縮 比, は 筒 内 ガスの 比 熱 比 を 示 す.Q system はシステム(エンジンおよび 反 応 器 )へ 供 給 する 燃 料 熱 量,Q engine はエンジンに 直 接 供 給 される 含 水 エタノールと 反 応 器 より 供 給 される 改 質 ガスの 合 計 熱 量 を 示 し, 以 下 の 式 より 算 出 する. Q engine = Q DI + Q re Q DI = (1-R re )Q system Q re = R re A Q system (4) (5) (6) ここで,Q DI はエンジンに 直 接 供 給 する 熱 量,Q re は 改 質 ガスの 熱 量,R re はシステムへ 供 給 する 熱 量 中 の 反 応 器 へ 供 給 する 熱 量 割 合,A は 反 応 器 内 での 含 水 エタノールの 水 蒸 気 改 質 による 熱 量 向 上 割 合 を 示 す. A は 式 (1)の 反 応 を 想 定 し,1.17 とした. 空 気 過 剰 率 λは 希 薄 化 により 1 から 2 へ, 圧 縮 比 は 高 圧 縮 比 化 に より 1 から 15 へ 高 め, 各 効 果 による 理 論 の 向 上 効 果 の 計 算 を 行 った. 図 2 より,R re の 増 大 に 伴 い, 排 熱 回 収 の 効 果 が 増 大 し 理 論 効 率 が 向 上 する 結 果 となる( 効 果 1). 更 に, 水 素 供 給 による 希 薄 燃 焼 ( 効 果 2)および 含 水 エタノール 供 給 による 高 圧 縮 比 化 ( 効 果 3)により 理 論 効 率 が 向 上 する. 効 果 1~3を 組 み 合 わせることで 理 論 効 率 はベース 効 率 に 比 べ28.8% 向 上 する 結 果 となった(R re =5% 時 ).よって, 本 システムは 従 来 のエンジンシステムに 比 べて 大 幅 な 熱 効 率 向 上 を 期 待 できる. 3. 実 験 方 法 および 装 置 3 1 模 擬 ガス 実 験 改 質 ガス 及 びエンジン 直 接 噴 射 する 含 水 エタノールのエタノール 濃 度 が 燃 焼 に 与 える 影 響 を 調 べるため, 改 質 ガスを 模 擬 した 模 擬 ガスを 用 いた 実 験 を 行 った. 実 験 装 置 の 概 略 を 図 3 に 示 す.また 表 1 に 供 試 エンジンの 仕 様 および 実 験 条 件 を 示 す. 模 擬 ガスは 式 (1)の 反 応 を 想 定 し,H 2 および CO 2 を 用 いた. 模 擬 ガスの 成 分 は 体 積 比 H 2 :CO 2 =3:1 に 固 定 した. 水 素 は 電 磁 式 インジェクターを 用 いて 吸 気 管 へ 供 給 し 流 量 計 測 には 熱 線 式 質 量 流 量 計 (OVAL F-333S)を 用 いた. 二 酸 化 炭 素 は 吸 気 管 へ 連 続 供 給 とし, 質 量 流 量 計 (ALICAT M-25SLPM)により 流 量 計 測 を 行 った. 空 気 流 量 の 調 節 には 電 磁 式 スロットルを 用 い, 層 流 流 量 計 ( 司 測 研 LFE5B)により 流 量 計 測 を 行 った.また, 一 部 の 含 水 エタノールはインジェクターを 用 いてエンジン 筒 内 へ 直 接 噴 射 し,コリオリ 式 質 量 流 量 計 ( 小 野 測 器 FZ-21)により 供 給 流 量 を 計 測 した. 各 流 量 より 空 気 過 剰 率 λを 算 出 した.エンジンへ 供 給 する 燃 料 の 総 熱 量 ( 含 水 エタノール+ 模 擬 ガス)は 6 kw に 固 定 し, 模 擬 ガスの 供 給 熱 量 は 総 熱 量 中 の % 以 下 とした.エンジン 燃 焼 室 内 に 取 り 付 けたピエゾ 式 圧 力 センサー(Kistler 652)より 1 サイクル 分 の 筒 内 圧 力 を 計 測 し, 計 測 データを 平 均 した 後 に 熱 発 生 率, 発 熱 等 容 度 の 解 析 に 供 した.また, 排 ガス 分 析 計 (Horiba MEXA 16)により 排 ガス 中 の THC,CO,CO 2,NOx の 計 測 を 行 い, 排 ガス 計 測 結 果 を 用 いて 燃 焼 効 率 の 算 出 を 行 った. エンジンの 冷 却 水 は 冷 却 水 出 口 温 度 が 8 となるよう 設 定 した. 冷 却 水 のエンジン 入 口 温 度, 出 口 温 度 および 流 量 を 計 測 し,エンジンの 冷 却 損 失 を 算 出 した.また,エンジン 排 ガス 温 度 の 計 測 を 行 い,エンジンの 排 気 損 失 算 出 に 供 した. 3 2 反 応 器 実 装 試 験 反 応 器 を 排 気 管 に 搭 載 した 実 機 エンジンシステムにより 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 燃 料 回 収 エンジンシス テムの 熱 効 率 向 上 および NOx 排 出 低 減 効 果 の 検 討 を 行 った. 図 4 に, 反 応 器 実 装 試 験 装 置 の 概 略 を 示 す.エンジンの 仕 様 および 条 件 は 表 1 と 同 様 である. 反 応 器 をエンジ ンの 排 気 管 に 取 り 付 け,エンジン 排 熱 を 反 応 器 に 供 給 した. 反 応 器 へ 供 給 する 含 水 エタノールはマスフローコン トローラー(Bronkhorst minicori-flow)を 用 いて 流 量 を 制 御 した. 反 応 器 で 生 成 された 改 質 ガスは 冷 却 器 を 通 し 改 質 ガスの 温 度 を 4 ~5 に 低 下 させた. 未 反 応 水 蒸 気 はタンクに 回 収 し, 改 質 ガスはエンジン 吸 気 管 へ 連 続 供 給 した.また, 一 部 の 含 水 エタノールはエンジンに 直 接 供 給 した.エンジンへ 直 接 供 給 する 含 水 エタノール は 濃 度 59 wt%とし, 反 応 器 へ 供 給 する 含 水 エタノールは 濃 度 2wt%とした.システム(エンジン 及 び 反 応 器 )へ 供 給 する 燃 料 の 総 熱 量 は 6 kw に 固 定 した.システムへ 供 給 する 燃 料 熱 量 中 の 反 応 器 へ 供 給 する 熱 量 割 合 (R re ) は %とした. 図 5 に 本 実 験 で 用 いた 反 応 器 の 構 造 を 示 す. 反 応 器 は 触 媒 を 充 填 した 反 応 ラインと 排 ガスライン 4

5 が 別 になっている 熱 交 換 型 の 構 造 であり, 排 ガスの 熱 を 触 媒 に 供 給 する 構 造 である. 触 媒 は Pt/Al 2 O 3 の 金 属 触 媒 を 用 いた.また, 反 応 器 の 入 口 および 出 口 の 排 気 ガス 温 度 を 測 定 し, 反 応 器 による 回 収 熱 量 の 算 出 に 供 した. Hydrous ethanol tank Low pressure pump Coriolis flow meter CO2 bomb H2 bomb Table 1 Engine specifications and conditions 4 Stroke SI turbo engine Engine type with 4cylinders and 4valves Bore[mm] stroke [mm] Flow meter Air High pressure pump Turbo (Compressor) Throttle Injector Dynamo Valve Mass flow meter Injector Spark plug Engine Turbo(Expander) Pressure sensor Exhaust gas Displaced volume [cc] 1389 Compression ratio 14.5 Ignition timing Minimum advance for the Best Torque (MBT) Coolant temperature [ ] 8 Engine speed[min -1 ] 25 Ethanol concentration of hydrous ethanol[wt%] 59, 8, 1 Fig. 3 Schematic of experimental set-up using gas mixture to simulate reforming function Hydrous ethanol tank Low pressure pump Mass flow meter Hydrous ethanol tank Reformed gas Hydrous Ethanol Flow meter Air High pressure pump Turbo (Compressor) Reformed Gas line Cooler tank Mass flow controller Exhaust gas Throttle Injector Dynamo Turbo (Expander) Exhaust gas Reformer Reactive line with catalyst (Pt/Al 2 O 3 ) Exhaust gas line Engine Fig. 5 Reformer structure Fig. 4 Schematic of reformer implementation experiment 3 3 解 析 評 価 方 法 模 擬 ガス 実 験 および 反 応 器 実 装 実 験 における 各 種 熱 効 率 因 子 の 評 価 方 法 について 説 明 する. 熱 効 率 は 以 下 の 式 (7)にて 定 義 した. e = (7) 5

6 ここで,W e は 動 力 計 にて 計 測 した 軸 出 力 を 示 す.Q fuel はエンジンシステムへ 供 給 した 燃 料 熱 量 を 示 し, 模 擬 ガ ス 実 験 では 直 接 供 給 する 燃 料 熱 量 と 模 擬 ガス 燃 料 熱 量 の 和 を, 反 応 器 実 装 実 験 では 直 接 供 給 する 燃 料 熱 量 と 反 応 器 へ 供 給 する 燃 料 熱 量 の 和 を 用 いる. 熱 発 生 率 は 計 測 した 燃 焼 圧 力 データを 用 いて 式 (8)にて 算 出 した.また, 算 出 した 熱 発 生 率 を 用 いて 発 熱 等 容 度 glh を 式 (9)により 算 出 した. = + - (8) glh = 1- d (9) ここで,V は 各 クランクアングルにおける 筒 内 容 積 を,P は 各 クランクアングルにおける 筒 内 圧 力 センサより 計 測 した 圧 力 値 を 示 す. は 各 クランクアングルにおける 筒 内 ガスの 比 熱 比 を 示 す.この 際 熱 発 生 率 から 求 め た 燃 焼 割 合 によりガス 組 成 を 導 き 比 熱 比 を 求 め, 得 られた 比 熱 比 を 用 いて 再 度 熱 発 生 率 を 導 く 計 算 を 繰 り 返 すこ とで 熱 発 生 率 の 値 を 収 束 させている( 首 藤 他,2).V c はすきま 容 積,V h は 行 程 容 積 を 示 す. 発 熱 等 容 度 の 積 分 区 間 は 点 火 時 期 から 排 気 バルブ 開 時 期 (138 CA ATDC)とした 冷 却 損 失 割 合 は,エンジン 冷 却 水 のエネルギー 差 より 算 出 した 冷 却 損 失 熱 量 Q c を 用 いて 式 (1)で 定 義 した. w = (1) 各 クランクアングルにおける 筒 内 ガス 平 均 温 度 T の 算 出 式 は 式 (11)により 算 出 した. T = (11) ここで,n は 各 クランクアングルにおける 筒 内 ガスのモル 数 を 示 す この 際, 熱 発 生 率 から 求 めた 燃 焼 割 合 を 用 いることで, 燃 焼 によるガス 組 成 の 変 化 を 考 慮 してモル 数 を 算 出 している.R はガス 定 数 を 示 し, 本 計 算 では 8.314J/mol K と 定 義 した. 燃 焼 効 率 は 排 ガス 分 析 計 (Horiba MEXA 16)による 排 ガス 中 の THC,CO 量 の 計 測 値 を 用 いて 算 出 した. 4. 実 験 結 果 および 考 察 4 1 エタノール 濃 度 および 模 擬 ガスが 各 種 熱 効 率 因 子 に 与 える 影 響 エンジンに 直 接 供 給 するエタノール 濃 度 (R et )は 1 wt%,8 wt%,59 wt%とし,エンジンに 供 給 する 熱 量 の うち 模 擬 ガスの 熱 量 割 合 (R si )は %,2%とした. 空 気 過 剰 率 λは 1.2 で 運 転 を 行 った. 点 火 時 期 はトルクが 最 大 となる 時 期 (MBT)に 設 定 した. 図 6 に 各 エタノール 濃 度 における 熱 発 生 率 の 解 析 結 果 を 示 す. 表 2 に 各 条 件 での, 点 火 時 期 と 燃 焼 期 間 および 着 火 遅 れの 解 析 結 果 を 示 す. 点 火 から 任 意 のクランクアングルまでの 熱 発 生 率 の 積 分 値 を 任 意 のクランクアングルにおける 熱 発 生 量 とし, 熱 発 生 量 の 最 大 値 を 最 大 熱 発 生 量 とする. 最 大 熱 発 生 量 に 対 して, 熱 発 生 量 が 1%から 9%までの 期 間 [ CA]を 燃 焼 期 間 と 定 義 した.また, 点 火 遅 れは 点 火 から 熱 発 生 量 が 最 大 熱 発 生 量 の 1%になるまでの 期 間 [ CA]と 定 義 した. 図 6 より 模 擬 ガスを 供 給 しない 場 合,エタノール 濃 度 の 低 下 に 伴 い 熱 発 生 率 の 最 大 値 が 低 下 し, 燃 焼 が 緩 慢 に なる 傾 向 が 確 認 できる.また,エタノール 濃 度 の 低 下 に 伴 い 燃 焼 期 間 および 点 火 遅 れが 長 期 化 し,MBT が 進 角 化 する( 表 2).これらは 模 擬 ガスを 供 給 した 場 合 でも 同 じ 傾 向 となった. 模 擬 ガスの 供 給 の 有 無 で 比 較 した 場 合, エタノール 濃 度 8 wt%では 熱 発 生 率, 燃 焼 期 間, 点 火 遅 れに 与 える 影 響 は 小 さい. 一 方,エタノール 濃 度 59 wt% 6

7 では, 模 擬 ガスによる 影 響 が 大 きく, 熱 発 生 率 の 最 大 値 が 1.3 倍 に 増 大 し( 図 6), 燃 焼 期 間 および 点 火 遅 れが 大 幅 に 短 縮 する 結 果 となった. 図 7 に 図 6 と 同 条 件 における 燃 焼 効 率, 冷 却 損 失, 発 熱 等 容 度, 熱 効 率 のエタノール 濃 度 依 存 性 の 実 験 結 果 を 示 す. 図 7 より 模 擬 ガスの 供 給 を 行 わない 場 合,エタノール 濃 度 低 下 に 伴 い, 燃 焼 効 率 は 低 下 する 傾 向 にある. 特 にエタノール 濃 度 59 wt%の 条 件 ではエタノール 濃 度 1 wt%,8 wt%に 比 べて 燃 焼 効 率 が 大 幅 に 低 下 した. 模 擬 ガスを 供 給 した 場 合 は, 全 エタノール 濃 度 で 模 擬 ガスを 供 給 しない 場 合 に 比 べて 燃 焼 効 率 が 向 上 した. 特 に, エタノール 濃 度 59 wt%の 時 は 模 擬 ガス 供 給 による 燃 焼 効 率 向 上 効 果 が 大 きい 結 果 となった.これは 水 素 の 可 燃 範 囲 が 広 く 最 小 点 火 エネルギーが 小 さい(White et al.,26)ことから 燃 えやすいという 燃 焼 特 性 に 起 因 している. 冷 却 損 失 は, 模 擬 ガス 供 給 の 有 無 に 関 わらずエタノール 濃 度 の 低 下 に 伴 い 低 減 した.これは, 潜 熱 が 大 きい 水 の 供 給 量 増 加 による, 燃 焼 温 度 の 低 温 化 が 原 因 と 考 えられる.また, 同 じエタノール 濃 度 で 比 べた 場 合, 模 擬 ガ スを 供 給 することで 冷 却 損 失 は 増 大 した.これは 水 素 の 消 炎 距 離 が 小 さいという 燃 焼 特 性 に 起 因 している( 首 藤 他,2). 発 熱 等 容 度 は 1 wt%,8 wt%では 模 擬 ガスの 供 給 の 有 無 に 関 わらず 同 程 度 の 値 となった. 一 方,エタノール 濃 度 59 wt%は 模 擬 ガスの 供 給 により 発 熱 等 容 度 が 向 上 した.これは, 模 擬 ガス 供 給 による 燃 焼 の 急 速 化 ( 図 6, 表 2)により 上 死 点 付 近 での 熱 発 生 が 増 大 したことに 起 因 している. 熱 効 率 は 模 擬 ガス 供 給 によりエタノール 濃 度 59 wt%においては 増 加 し,8 wt% 以 上 においては 減 少 した.この 結 果 は,エタノール 濃 度 59 wt%においては 模 擬 ガスを 供 給 することで 燃 焼 効 率 向 上 および 発 熱 等 容 度 向 上 による 熱 効 率 向 上 が, 冷 却 損 失 増 加 による 熱 効 率 低 減 を 上 回 ったためであると 考 えられる. 以 上 より, 低 濃 度 含 水 エタ ノールをエンジン 燃 料 とした 場 合, 水 素 を 含 む 改 質 ガスの 供 給 は 熱 効 率 向 上 に 効 果 的 であることが 分 かる. Rate of heat release [J / CA] Rate of heat release [J / CA] Rate of heat release [J / CA] Rsi = % Rsi = 2% R et =1 wt% R et =8 wt% -1 6 R 5 et =59 wt% Crank angle[ CA ATDC] Combustion efficiency [%] Thermal efficiency [%] Cooling loss [%] Degree of constant volume [%] Rsi =2% Rsi =% Ethanol concentration in hydrous ethanol Ret [%] Fig. 6 Rate of heat release vs. Crank angle Fig. 7 Effect of simulant gas on thermal efficiency factor 7

8 Table 2 Effect of simulant gas on Ignition timing, combustion period and ignition delay Rsi [%] 2 Ret [wt%] Ignition timing [ CA ATDC] Combustion period [ CA] Ignition delay [ CA] エタノール 濃 度 および 模 擬 ガスが 希 薄 限 界 及 びNOx 排 出 量 に 与 える 影 響 本 節 では 更 に 熱 効 率 を 向 上 させるため, 模 擬 ガスを 用 いて 希 薄 燃 焼 を 行 った 実 験 結 果 を 示 す.エンジンに 供 給 する 熱 量 のうち 模 擬 ガスの 熱 量 割 合 (R si )は %,%とした.スロットルの 調 整 により 空 気 過 剰 率 を 大 きくし, 失 火 サイクルが 発 生 しない 最 大 の 空 気 過 剰 率 まで 運 転 を 行 った.1 サイクル 中 に 失 火 サイクルが 発 生 しない 最 大 の 空 気 過 剰 率 を 希 薄 限 界 と 定 義 する. 図 8 に 熱 効 率 と NOx 排 出 濃 度 の 空 気 過 剰 率 依 存 性 を 示 す. 模 擬 ガスを 供 給 しない 場 合,エタノール 濃 度 59 wt% は 1 wt%に 比 べ 希 薄 限 界 の 空 気 過 剰 率 が 小 さくなった.これは 筒 内 ガス 中 の 水 蒸 気 濃 度 の 増 大 が 燃 焼 の 妨 げに なっていることが 原 因 と 考 えられる.しかし,エタノール 濃 度 59 wt%に 模 擬 ガスを 供 給 することで 希 薄 限 界 は 拡 大 し, 空 気 過 剰 率 λ=1.89(wot, 過 給 圧.27MPaG)まで 運 転 可 能 となる.これは, 可 燃 範 囲 が 広 い 水 素 の 燃 焼 特 性 に 起 因 している.エタノール 濃 度 59 wt%に 模 擬 ガスを 供 給 することで,4.1 で 確 認 された 燃 焼 効 率 向 上 お よび 発 熱 等 容 度 向 上 による 熱 効 率 向 上 効 果 と 希 薄 燃 焼 による 高 比 熱 比 化 より, 模 擬 ガスを 供 給 しない 場 合 に 比 べ て 熱 効 率 が 向 上 した(.7% 34.4 %). NOx 排 出 量 は 空 気 過 剰 率 の 増 加 に 伴 い 減 少 する 傾 向 となった. 等 しい 空 気 過 剰 率 で 比 較 した 場 合,エタノール 濃 度 が 低 いほど NOx の 排 出 量 が 減 少 する.これは, 希 薄 燃 焼 および, 潜 熱 による 燃 焼 温 度 の 低 下 により NOx 排 出 量 が 減 少 したと 考 えられる. 筒 内 圧 力 から 求 めた 筒 内 ガス 平 均 温 度 を 図 9 に 示 す. 空 気 過 剰 率 が 同 程 度 のλ=1.7 程 度 で 比 較 すると,エタノール 濃 度 59 wt%に 模 擬 ガスを 供 給 した 場 合 は,エタノール 濃 度 1 wt%を 供 給 した 場 合 と 比 べて, 筒 内 ガス 平 均 温 度 は 低 い 値 を 示 した.これより,エタノール 1 wt%を 用 いた 運 転 時 に 比 べてエタ ノール 59 wt%に 模 擬 ガスを 供 給 した 場 合 は, 局 所 的 な 燃 焼 ガス 温 度 も 低 下 すると 考 えられる よって,サーマル NOx の 排 出 量 が 低 減 したと 考 えられる. 以 上 より, 低 濃 度 含 水 エタノールをエンジン 燃 料 とした 場 合, 水 素 を 含 む 模 擬 ガスの 供 給 は 希 薄 限 界 を 拡 大 し 熱 効 率 を 向 上 させること,またエタノール 濃 度 1 wt%を 用 いる 場 合 に 比 べ NOx 排 出 量 が 低 減 する 事 を 確 認 でき た. 8

9 Ret 59 wt% + Rsi % Ret 59 wt% + Rsi % Ret 1 wt% + Rsi % NO X emissions [ppm] Thermal efficiency [%] Air excess ratio λ [-] Average gas temperature [K] Fig. 9 Ret 59 wt% + Rsi % Ret 1 wt% + Rsi % λ = Crank angle [ CA ATDC] Combustion temperature vs. crank angle Fig. 8 Effect of air excess ratio on thermal efficiency and NOx emissions 4 3 反 応 器 実 装 試 験 による 熱 効 率 向 上 とNOx 排 出 量 の 低 減 本 節 では 反 応 器 を 排 気 管 へ 搭 載 し, 全 体 システムの 効 果 を 検 証 した 結 果 を 示 す.システムへ 供 給 する 全 熱 量 中 の 7 %をエンジンへ 直 接 供 給 し, %を 反 応 器 へ 供 給 し, 実 験 を 行 った. 点 火 時 期 は MBT に 設 定 した. 図 1 に 4.1 の 模 擬 ガス 実 験 と 反 応 器 実 装 試 験 の 熱 効 率 の 空 気 過 剰 率 依 存 性 を 示 す. 図 11 に 模 擬 ガス 実 験 と 反 応 器 実 装 実 験 の NOx 排 出 量 の 空 気 過 剰 率 依 存 性 を 示 す. 図 1 より 反 応 器 実 装 試 験 おいて 熱 効 率 は 模 擬 ガス 実 験 の 結 果 に 比 べて 向 上 した. 反 応 器 実 装 試 験 の 最 高 熱 効 率 はエタノール 濃 度 1 wt%を 燃 料 とした 場 合 の 36.8 %と 同 等 の 36.7 %まで 向 上 した.また, 反 応 器 実 装 試 験 の 空 気 過 剰 率 λ=1.63 は WOT( 過 給 圧.26MPaG)であり, 模 擬 ガス 実 験 の 結 果 に 比 べて,WOT 時 に 空 気 過 剰 率 が 小 さくなった.これは, 改 質 ガス 中 に 未 反 応 の 水 蒸 気 が 含 まれるため, 吸 入 空 気 量 が 低 減 することが 原 因 である. 図 11 より NOx 排 出 量 は 反 応 器 実 装 実 験 で 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 場 合,エタノール 濃 度 1 wt%に 比 べて 低 下 した. 最 高 熱 効 率 の 空 気 過 剰 率 λ=1.6 程 度 で 比 較 した 場 合,1wt%を 用 いた 場 合 の 115ppm に 対 し, 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 反 応 器 実 装 実 験 の 結 果 は 65ppm まで 減 少 した.これは, 燃 料 中 の 水 の 潜 熱 が 大 きいことから 燃 焼 温 度 の 低 下 に 起 因 している(2 章, 効 果 3). 図 12 にエタノール 濃 度 59%を 燃 料 として 利 用 した 時 のシステムへの 供 給 熱 量 (6 kw) 中 の 仕 事 および 各 種 損 失 を 割 合 で 示 し, 本 システムの 熱 効 率 向 上 効 果 の 考 察 を 行 う. 排 気 損 失 は 排 気 と 吸 気 のエネルギー 差 により 算 出 し, 回 収 熱 は 反 応 器 前 後 における 排 ガスのエネルギー 差 より 算 出 した. 回 収 熱 は, 含 水 エタノールの 昇 温 と 燃 料 改 質 ( 吸 熱 反 応 )により 回 収 された 熱 量 であり 反 応 器 実 装 試 験 のみ 値 が 示 される.システムへ 供 給 熱 量 から 熱 効 率, 冷 却 損 失, 未 燃 焼 損 失, 排 気 損 失 を 引 いた 値 をその 他 損 失 と 定 義 した.これは 機 械 損 失,ポンプ 損 失, 冷 却 水 以 外 への 放 熱 による 損 失 などを 含 む 損 失 を 意 味 している. 図 12 より 模 擬 ガスを 供 給 による 熱 効 率 向 上 は,4.1 で 確 認 した 水 素 を 含 む 改 質 ガスの 供 給 による 燃 焼 効 率 と 発 熱 等 容 度 の 向 上 と 4.2 で 確 認 した 希 薄 燃 焼 による 効 果 (2 章, 効 果 2)の 相 乗 効 果 により 未 燃 焼 損 失 および 排 気 損 失 が 低 減 したためである. 反 応 器 実 装 試 験 では 模 擬 ガ ス 実 験 に 比 べさらに 熱 効 率 が 向 上 した.また, 反 応 器 により 排 気 熱 の 約 7%を 回 収 した 結 果 となった.この 回 収 9

10 Thermal efficiency [%] NOx emissions [ppm] Shirakawa, Shimada and Ishikawa, Transactions of the JSME (in Japanese), Vol.82, No.84 (216) 熱 の 一 部 は 燃 料 改 質 の 吸 熱 反 応 により 回 収 されているため,エンジン 排 熱 の 一 部 を 燃 料 熱 量 として 回 収 している ことを 示 している.この 排 熱 回 収 の 効 果 から 熱 効 率 が 向 上 した(2 章, 効 果 1). 以 上 より, 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 燃 料 改 質 システムは 2 章 にまとめた 効 果 1,2,3 の 相 乗 的 な 効 果 に より, 高 濃 度 含 水 エタノールでは 実 現 が 難 しい 高 熱 効 率 と 低 NOx 排 出 の 両 立 を 実 現 した. Real system Ret 59 wt% + Rsi % 38 Ret 59 wt% + Rsi % Ret 1 wt% + Rsi % Effect Effect Effect Air excess ratio [-] Air excess ratio λ [-] Fig. 1 Effect of air excess ratio on thermal efficiency Fig. 11 NOx emissions vs. air excess ratio Ret= 59%,Real system, λ = 1.63 Ret= 59%,Rsi = %, λ = 1.75 Ret= 59%,Rsi = %, λ = 1.2 Work Cooling loss Un burned loss Heat recovery Exshaust loss Other loss % 2% 4% 6% 8% 1% Energy / Fuel energy Fig. 12 Energy balance of R et = 59% 5. 結 言 本 研 究 では, 低 濃 度 含 水 エタノール(エタノール 濃 度 59 wt%)を 用 いた 燃 料 改 質 エンジンの 高 効 率 化 を 目 的 に 改 質 ガスを 模 擬 した 模 擬 ガス 実 験 および 反 応 器 実 装 実 験 を 行 い, 以 下 の 結 論 が 得 られた. (1) エンジンに 供 給 する 含 水 エタノールの 濃 度 低 下 に 伴 い, 燃 焼 効 率, 冷 却 損 失 が 低 減 し, 燃 焼 期 間 および 点 火 遅 れが 増 大 する.また, 希 薄 限 界 が 縮 小 する. (2) 低 濃 度 含 水 エタノールをエンジン 燃 料 とした 際 に, 水 素 を 含 む 模 擬 ガスの 供 給 で 燃 焼 効 率 および 発 熱 等 容 度 が 向 上 し, 燃 焼 期 間 および 点 火 遅 れが 短 縮 した. また, 希 薄 限 界 が 拡 大 する. (3) 低 濃 度 含 水 エタノールをエンジン 燃 料 とした 際 に, 水 素 を 含 む 模 擬 ガスを 供 給 した 場 合, 模 擬 ガスを 供 給 しない 場 合 に 比 べて, 燃 焼 効 率, 発 熱 等 容 度 の 向 上 と 希 薄 燃 焼 による 効 果 より, 熱 効 率 が 向 上 する. 供 給 熱 量 中 の %を 模 擬 ガスにより 供 給 することで, 熱 効 率 が 3.7%(.7% 34.4 %) 向 上 することを 確 認 した. (4) 低 濃 度 含 水 エタノールをエンジン 燃 料 とした 場 合,エタノール 濃 度 1 wt%を 燃 料 とする 場 合 に 比 べて 燃 料 中 の 水 による 影 響 で 燃 焼 温 度 が 低 下 することから NOx の 排 出 量 が 低 減 する. 1

11 (5) 反 応 器 を 排 気 管 に 搭 載 したエンジン 実 験 より, 低 濃 度 含 水 エタノールを 用 いた 燃 料 改 質 エンジンは 排 熱 回 収 と 改 質 ガス 中 の 水 素 の 効 果 により 熱 効 率 が 向 上 (.7% 36.7 %),エンジンに 直 接 供 給 する 低 濃 度 含 水 エタノールの 効 果 によりエタノール 濃 度 1 wt%を 燃 料 として 用 いた 場 合 に 比 べて NOx 排 出 量 が 低 減 (115ppm 65ppm)した.よって, 本 システムは 高 効 率 と 低 NOx 排 出 の 両 立 を 実 現 した. 文 献 朝 野 賢 司, 美 濃 輪 智 朗, 日 本 におけるバイオエタノールの 生 産 コストと CO 2 削 減 コスト 分 析, 日 本 エネルギー 学 会 誌,Vol.86,No.12(27),pp Bromberg, L. and Blumberg, P., Estimates of DI Hydrous Ethanol Utilization for Knock Avoidance and Comparison to a Measured and Simulated DI E85 Baseline, PSFC/JA-9-33 (29). Bromberg, L. and Cohn, D.R., Heavy Duty Vehicles Using Clean, High Efficiency Alcohol Engines, PSFC/JA-1-43 (21). 森 棟 隆 昭, 是 松 孝 治, 往 復 動 内 燃 機 関 におけるバイオ 燃 料 の 高 度 利 用, 日 本 燃 焼 学 会 誌,Vol.52,No.159(21), pp Nakata, K., Uchida, D., Ota, A., Utsumi, S. and Kawatake, K., The impact of RON on SI Engine Thermal Efficiency, SAE paper (27). ハリ セティアプラジャ, 小 澤 琢 磨, 原 考 佑, 山 崎 賢 治, 小 川 英 之, 含 水 エタノール- 軽 油 エマルジョン 燃 料 によ るディーゼル 燃 焼 の 改 善, 日 本 機 械 学 会 論 文 集 B 編,Vol.78,No.785 (212),pp Shimada, A. and Ishikawa, T., Improved thermal efficiency using hydrous ethanol reforming in SI engines, SAE Paper (213). 首 藤 登 志 夫, 藤 井 辰 哉,HCCI 燃 焼 システムのためのオンボードエタノール 改 質 による 自 己 着 火 制 御 および 排 熱 回 収 に 関 する 研 究, 日 本 機 械 学 会, 第 14 回 動 力 エネルギー 技 術 シンポジウム 講 演 論 文 集 (29),pp 首 藤 登 志 夫, 二 口 貴 之, 中 島 泰 夫, 水 素 予 混 合 燃 焼 機 関 の 熱 効 率 に 関 する 解 析, 日 本 機 械 学 会 論 文 集 B 編,Vol.66, No.644 (2), pp White, C. M., Steeper, R.R. and Lutz, A.E., The hydrogen-fueled internal combustion engine: a technical review, International Journal of Hydrogen Energy, 31 (26), pp References Asano, K. and Minowa, T., An Analysis of Bioethanol Production Costs and CO 2 Reduction Costs in Japan, Journal of the Japan Institute of Energy, Vol.86,No.12(27),pp (in Japanese). Bromberg, L. and Blumberg, P., Estimates of DI Hydrous Ethanol Utilization for Knock Avoidance and Comparison to a Measured and Simulated DI E85 Baseline, PSFC/JA-9-33 (29). Bromberg, L. and Cohn, D.R., Heavy Duty Vehicles Using Clean, High Efficiency Alcohol Engines, PSFC/JA-1-43 (21). Morimune, T. and Korematsu, K., Advanced Technologies of Bio Fuels for Reciprocating Internal Combustion Engines, Journal of the Combustion Society of Japan, Vol.52, No.159 (21),pp (in Japanese). Nakata, K., Uchida, D., Ota, A., Utsumi, S. and Kawatake, K., The impact of RON on SI Engine Thermal Efficiency, SAE paper (27). Setiapraja, H., Ozawa, T., Hara, K., Yamazaki, K. and Ogawa, H., Improvement in Diesel Combustion with Emulsified Blend of Aqueous Ethanol and Diesel Fuel, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.78, No.785 (212), pp (in Japanese). Shimada, A. and Ishikawa, T., Improved thermal efficiency using hydrous ethanol reforming in SI engines, SAE Paper (213). Shudo, T. and Fujii, T., Control of fuel reactivity and waste heat recovery by onboard ethanol reforming for HCCI combustion systems, The Japan Society of Mechanical Engineers, Proceedings of the 14th National Symposium on Power and Energy Systems (29), pp (in Japanese). 11

12 Shudo, T., Futakuchi, T. and Nakajima, Y., Thermal Efficiency Analysis in a Hydrogen Premixed Spark Ignition Engine, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.66, No.644 (2), pp (in Japanese). White, C. M., Steeper, R.R. and Lutz, A.E., The hydrogen-fueled internal combustion engine: a technical review, International Journal of Hydrogen Energy, 31 (26), pp