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1 2017 年 3 月 22 日本船主協会 環境規制を見据えた舶用燃料の展望 0. 舶用機関の予備知識 高崎講二 (4 月から ) 九州大学名誉教授海上技術安全研究所 ( フェロー ) takasaki@nmri.go.jp ClassNK( テクニカルアドバイザー ) k-takasaki@classnk.or.jp 1. これまでの舶用燃料はどういうものだったか? 年以降 燃料はどのように変遷しそうか? 3. 環境問題を打開する将来燃料の候補は? 最近 各所で同じ内容を発表しておりますが 初めて聞かれる方 この分野がご専門でない方のために分かりやすくお話します 船の環境規制へ向けて必要な基礎情報として 1

2 予備知識 : 低速 2 スト主機 何万 kw のオーダー ( 回転数は約 100 回転 / 分 ) プロペラ直結ゆえ低速 ( 回転数が低い ) 4 ストでは 1 秒間にする仕事の回数がさらに少ない そこで 2 ストにして出力を 2 倍に (J/s=W ワット ) 2

3 2020 年 SOx に加えて CO2 EEDI 規制 EEDI 2020 年以降の新造船からは基準より -20% 削減へ ( さらに 2022 から -30%?USA 案 ) EEDI CO2 g/ton mile 機関出力 (kw) x 燃料消費率 (g/kwh) x CO2 換算係数 DWT (ton) x 速力 (mile/h) ( 対策 : 少ない馬力で走れる効率的な船形 推進効率 省燃費エンジン ガス燃料化 (CO2 換算係数 ) 最後はバイオ燃料?) 燃料消費率 の改善は大きくは期待できない状況 最低出力ガイドラインはできるものの EEDI を下げるために定格出力の 小さい機関を採用すると 高負荷常用 ( 気象によっては過負荷 ) となり ( これまでの減速運転 = 連続低負荷の問題と全く違って ) 本来の耐久性が 問われることに 燃焼研究は重要 3

4 2 回転に 1 回の吸排気行程で LO を 塗り直せる 4 スト機関に比べ 2 スト機関のピストンリングライナ潤滑は条件が厳しい 高負荷常用となった場合は 燃料の燃焼性の問題は潤滑障害に帰着しやすい グランドパッキン 4

5 1. これまでの舶用燃料はどういうものだったか? C 重油 残渣油 重質油 HFO バンカー油 BFO どれも同じ意味 硫黄分 3.5% まで許容されている 固体のような残渣分( 石油精製の残り物 ) を 粘度調整のためのカッター材 ( 低粘度成分 ) で割ったもの 5

6 キーワード : ライトサイクル油 Light Cycle Oil(LCO) 現在はC 重油のカッター材 グローバルキャップ後にC 重油が売れなくなれば 余ってしまってMGO MDOに多く混入される? 低硫黄 低粘度 しかし高芳香族( 着火性 燃焼性に劣る ) Light Cycle Oil(LCO) 6

7 予備知識 : 重いものも軽いものも 残りものと言えば芳香族 = アロマ = ベンゼン環 ( 粘度が低いから良質とは限らない ) 舶用軽油からの PM (Soot) (Marine Propulsion, April/May 2010) 芳香族も 1-2 環なら軽油なみの粘度であるが 着火 燃焼性は悪い 右 : 芳香族 ( ベンゼン ) 7

8 用語 芳香族 CCAI のご説明 ( 過去のトラブル油の例から ) CCAI( 計算による芳香族性 ) と FCA( 着火試験機 ) 着火遅れ 印 : 機関障害を起こした HFO( トラブルの大半は潤滑障害 ) LCO 芳香族 Aromatics Desulfurized bottom Desulfurized GO 芳香族性を表す CCAI 8

9 年以降 燃料はどのように変遷しそうか? 値段 量 質 低硫黄燃料 ( 燃料の多様化 ) 年間 3 億トンの舶用燃料 CONCAWE レポート 9

10 国土交通省 HP: 海事局 燃料油環境規制対応方策検討会議について 資料 3 海運業界要望に係る事項についての現時点での情報について より抜粋 10

11 ECA 燃料の話から ECA (Emission Control Area) 2015~ ( 用意するべき MGO 4000 万トン / 年 ) Global Cap 2020~ ( さらに 2 億トン / 年の低硫黄燃料が必要に ) ここで日本の内航も 11 ( 日内連講演会 (12 月 10 日 ) 三菱化工機発表資料より )

12 ECA 向け燃料の成功例は 2020 以降の前例とはならない ECA 向け低硫黄燃料は量的に少ないから良質 これは前例とならない ご参考 : 上記は ECA 向けハイブリッド燃料と呼ばれているもの これらはむしろ直留系らしく芳香族性を表す CCAI 値は低い (EcoMarine を除いて ) 着火 燃焼性は良 一方 IMOレポートによると 2020から低硫黄残渣油が出て来るにしても もっと芳香族性 (CCAI) の高い ( 着火 燃焼性に劣る ) ものに 12

13 LCO CN:35 CCAI:860 ご参考 :JPEC レポート第 17 回 (2015) IMO の SOx 規制強化による船舶用燃料への影響 (1) P10 の 123 の低硫黄燃料の製法について 上記の石油精製チャートでご説明します *LCO HCO(CLO) FCC 系の高芳香族成分 ( 後述 ) 13

14 以下 SHELL 本社 ( 英 ) などいくつか取材後の筆者個人の所感 IMO 側レポートのキーワード ブレンド油 何をブレンドするのか? 投資が行われている新しい製油所ほど FCC( 流動接触分解 ) 装置 ガソリンの増産装置が付いており その残りものが多く出ることに注意 アジアの製油所に現存する残渣脱硫ラインが2020 以降もうまく機能するか? そこに投資するか? がポイント? アメリカでは舶用燃料はOil Majorが直接出すのでなく バンカーサプライヤーと言う業者が素材を製油所から買って混ぜて売るシステムになっている? 15 年前のUS 西海岸積みトラブル油の話 ( これからお話します ) はよく知られている 多量のLCO:Light Cycle Oil+ 難燃性の残渣? あるいは Gap fuel ( 別名ダンベル燃料 後述 ) だったのか? 予備知識 LCOは上記 FCCの残りもの 低硫黄ながら高芳香族 キーワード 他にFCCの残りもの:FCCスラリー油(Cat-fineを大半除去したものをCLO) などはLCOの兄貴分 CLO(LCOと紛らわしいが こちらは Clarified Oil) も低硫黄ながら高芳香族 14

15 重要テーマ : エンジン燃焼問題は潤滑トラブルに帰着する なぜ? かつてのトラブルバンカー油研究紹介 ( これらは Cat-fine が原因ではない ) 年の話 船から入手したバンカー油の性状 15

16 カッター材主犯説カッター材に LCO が多く使われている場合ほどトラブルは多かった では LCO100% での運転は? 正常油 トラブル油 LCO I II LCO 約 0% 100% ( 海技研 高橋データ ) 2 環芳香族 (LCO 成分 ) 量 16

17 日本の LCO の硫黄 % とセタン価 (Cetane Index) Cetane Index GO MDO MDO LCO S % 硫黄 % Cetane Index LCO Aromatic% Aromatic % 芳香族 % LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO LCO1 HA MDO MDO GO GO 17

18 高芳香族燃料の燃焼観察 by 2 スト可視化ディーゼル ( 低速 2 スト 中速 4 ストとも 実機ベースの LCO 燃焼運転はほとんど行われていない ) Bore /Stroke : 190 mm /350 mm 2-stroke, Super-charged Engine speed:500 rpm 18

19 通常の軽油と LCO の燃焼比較 ( 着火遅れ Soot 後燃え ) 両燃料で噴射条件は同一 噴口径 :0.23 mm x 4 噴口 x 2 セット 噴射期間 :-3 ~12 ATDC 噴射圧力 :70 MPa 通常の軽油 LCO 注意 : この可視化エンジンは実際の低速 2 スト機関より小型で回転数も速く 現象は実機より強調されていることにご注意ください ) 19

20 通常の軽油と LCO の燃焼比較 ( 着火遅れ Soot 後燃え ) 両燃料で噴射条件は同一 噴口径 :0.23 mm x 4 噴口 x 2 セット 噴射期間 :-3 ~12 ATDC 噴射圧力 :70 MPa 通常の軽油 LCO 燃料噴射終了後 10 の後燃えの比較 ( 左 ) 軽油噴霧はほぼ燃え切っているが ( 右 )LCOでは後燃えが続いている 着火遅れの差については動画でご説明します 注意 : この可視化エンジンは実際の低速 2スト機関より小型で回転数も速く 現象は実機より強調されていることにご注意ください ) 20

21 低速 2 スト機関による LCO 燃焼実験例 ( 日立造船有明単気筒実験機 Bore/Stroke : 400/1350, 985 kw/178 rpm) Point MDO LCO P (+14) P (+17) P (+19) P (+13) C (+11) C (+11) C (+14) LCOによる燃焼室壁温の上昇 ( ) (at 50% load) Aromatic%of tested LCO(65%) Aromatic % 21

22 低速 2 スト実験機関による LCO 燃焼試験 (MDO: A 重油との比較 ) SFC converted to Hu of MDO(42.4kJ) [g/kwh] 燃費率 LCO2 MDO Engine Load [%] FSN (Filter Smoke No.) Engine Load [%] LCO2 MDO 排気煙濃度 THC [ppm 13%O2] Engine Load [%] LCO2 MDO Total HC NOx [ppm 13%O2] NOx Engine Load [%] LCO2 MDO LCO 低速機関では難着火性の影響 25% 負荷 15% 負荷 は小 さらに長時間の運転実験が必要 22

23 P15 の過去のトラブル油の表に戻って Sample Density kg/m C Viscosity mm 2 C MCR Sulfur Vanadium Al+Si CCAI Asphaltene 残炭 % 硫黄 % ppm ppm - アスファルテン % BFO-S < BFO-A < Sample Bunkering Port Comment BFO-S Singapore non-trouble BFO-A Los Angeles scuffing for (2-stroke) container ships 同じコンテナ船主機で問題なかったBFO-Sと 燃焼起因の潤滑トラブルを発生させたBFO-Aの性状だけでは トラブルは予測できない 23

24 1-3 Rings Aromatic Hydrocarbons in BFO BFO-S R R R R R R R BFO-A wt % BFO-S と BFO-A の芳香族成分分析結果 (BFO-A に 1 環 2 環の芳香族 (LCO 成分 ) が多い ) 24

25 定容燃焼装置で噴霧火炎の観察 Air pressure and temperature: (2.5 MPa, 670 ), Fuel injection pressure: 60 MPa Injection hole diameter: Φ 0.16 mm 25

26 定容燃焼装置での観察では BFO-A( トラブル油 ) の噴霧火炎は空間的にも時間的にも長い ( この実験では現象の差はある程度誇張されているとは思われるものの ) (a) BFO-S (b) BFO-A (fuel injection end at 25 ms) [ms] after injection start 26

27 トラブル? 未燃分 上は極端なイメージですが 空間的 時間的に長い火炎 火炎の接近によるライナ温度上昇 C 重油であっても 未燃分は噴射された燃料のわずか千分の幾つ程度 しかし 厚み数十ミクロンのシリンダ潤滑油膜に混入するとその劣化を?? ( 後述 ) 27

28 ダンベル燃料 = Gap Fuel: 今に至って考えられるのは 当時のトラブル燃料はダンベル燃料 = Gap Fuel だったのではないか? Gap Fuel CIMAC 07, Paper No.198 The effects of a changing oil industry on marine fuel quality and how new and old analytical technique can be used to ensure predictable performance in marine diesel engines 留分が連続していればスムースに燃える 海技研 高橋の研究 Normal Fuel Koen Steernberg, Shell Global Solutions International B.V., The Netherlands Seymour Forget, Shell Marine Products Ltd., UK Gap-fuels can seriously hamper smooth engine operation, as they tend to give poor ignition and slow and incomplete combustion. Incomplete combustion affects particulate emission and possibly leads to engine fouling, e.g. on the piston top-lands resulting in liner scuffing, or on the turbo-charger. 28

29 自作燃料による実験 材料の性状 (GO は車用軽油 SA: 残渣分 ) GO と LCO は 軽質 分 軽質 は留点が低いことを指す 粘度からも GO と LCO は同等に軽質 しかし密度は 芳香族である LCO は GO より高い ( 重い ) Property Unit SA GO LCO Density kg/m Kinematic Viscosity mm 2 /s (50 C) 238* (*150 C) Cetane Index Lower Heating Value Aromatics (total) 1-ring aromatics 2-ring aromatics 3-ring aromatics MJ/kg vol. % vol. % vol. % vol. %

30 自作のサンプル燃料 GO40 カッター材として良質軽油 40% LCO40 カッター材として LCO 40% ( カッター材によって密度や ECN に極端な差が ) LCO70 カッター材として LCO 70% ( 残渣分基材はどれも SA : Straight Asphalt 共通 ) Properties of the prepared self-made test fuels Property Unit GO40 LCO40 LCO70 Density kg/m Kinematic Viscosity ECN (Estimated Cetane No.) mm 2 /s (50 C)

31 ご参考 : 当時 NK 黒澤氏 日本油化竹田氏などが使った燃料検査装置 FIA Pmax Ceramic insulator Stop valve Φ65mm Fuel tank Injector Manually actuated piston rod Cylindrical heater unit Pressure pick-up Inner metal liner [Bar/ms] [Bar] ms Ignition delay ROHRmax Combustion duration FIA (Fuel ignition analyzer) ms Definitions of ignition and combustion factor FIA (Fuel Ignition Analyzer) 31

32 定容燃焼装置 (FIA) による燃焼性テスト結果研究室で試作したC 重油 基材としてストレートアスファルト( ほとんど固体 ) カッター材( 希釈材 ) として軽油 (GO) や LCO 基材 Straight Asphalt (SA) 60% + GO 40% Kerosine 40% Reference: BFO (Middle East) LCO 40% (+ SA 60%) LCO 70% (+ SA 30%) LCO 100% [msec] 32

33 GO40% + SA60% LCO70% + SA30% deg.atdc 高芳香族のカッター材である LCO を多く混ぜると 噴霧火炎の 燃え切り長さが長くなる (4 噴口から噴霧火炎 噴射圧力 1500 気圧 ) 33

34 Relation between micro carbon residue and density (MHI s service experience) 三菱重工サービス通報 2008 年 1 月 18 日 トラブル油における密度と残炭分の例 当時 コンテナ船などでかえって超高粘度 ( cst など?) の燃料が好まれたこととも符合する 変なカッター材が少ないから? 34

35 Thermocouple Aluminum Block Furnace Glass Tube Inner dia : 2 mm Tube length : 300 mm Sample Lub. Oil (+BFO) 10 cc/min 4.8 ml / 16 hours (Normal) 4.8 ml / 8 hours (This test) シリンダ潤滑油 (LO) にバンカー油を混入させてホットチューブテスト ( 潤滑油の耐熱性テスト ) を応用 (CIMAC 2004 Kyoto) 35

36 (A) (B) シリンダ潤滑油 (LO) にバンカー油を混入させてホットチューブテスト トラブル燃料を混入させたLOは( シリンダ温度に相当する )180~200 でもコーキング ( 炭化 ) を見せる 燃料成分にそう言う前駆物質があったと言うこと? 36

37 結局 この時の問題解決は 日舶工 +NK+ 日内連などの研究に世界が注目した ( 燃料性状は watch されていると ) 例えば 舶用燃料重油の低質化対策指針 ver.2 (2008) LO 側 ( シリンダ潤滑油 ) の性能向上 最近は減速運航( 低負荷 ) が主流であったこと 高負荷常用となった場合は再度注意を要する 37

38 機関モニタリングのお勧めの 1 例 CIMAC 2016 Helsinki Paper No.74 Support Scheme in Collaboration with Manufacturers making use of the diagnostic platform based on big data analysis(t. Fujii, DIESEL UNITED LTD.) 機関状態診断システムであるLC-A(Life Cycle Administrator) は 主機だけでなく補機も含め機関室全体を対象として開発された NKが研究開発スキームを活用し IBMアルゴリズムのAnacondaを組み込むなどシステムを高度化させ ClassNK CMAXS LC-Aをリリースした 船社でのトライアル利用で浮き彫りにされた事例などが盛り込まれた論文 38

39 3. 環境問題を打開する将来燃料の候補は? 燃焼性を確かめた低硫黄燃料 メタノールエンジン 商船三井三井造船 Methanol Gas Oil LCO CLO (Zero sulfur) (Low sulfur) (Zero aroma) (High aroma) 下図 : メタノール (CH3OH) の噴霧燃焼 メタノール LPG 天然ガスとも 着火性は低いが燃焼 は良好 (LCOと違って着火性は燃焼性を代表しない) パイロット燃料による着火後は不輝炎燃焼して黒煙の発生 もなく 軽油以上に速やかな燃焼となる 200 mm (CIMAC 2016) 39

40 LPG の燃焼動画 10 GO (No.19) Inj. Hole Dia. 0.5 [mm] Inj. Press. 110 [MPa] Total Q 19.9 [kj] 200 mm LPG + Pilot (No.56) Inj. Hole Dia. 0.6 [mm] Inj. Press. 100 [MPa] Total Q 19.9 [kj] GO No.19 LPG + Pilot No.56 直接撮影シャドウグラフ撮影 プロパンは( 天然ガスと違って ) 液体で噴射できる この実験では 燃料噴射ポンプ前で 3 MPaの与圧を掛けて常温で液相をキープ 通常のディーゼル噴射システムを使って噴射している 噴射後の気化が速く 軽油噴霧と比べても遜色ない良好な燃焼 40

41 LPG の燃焼動画 10 GO (No.19) Inj. Hole Dia. 0.5 [mm] Inj. Press. 110 [MPa] Total Q 19.9 [kj] 200 mm LPG + Pilot (No.56) Inj. Hole Dia. 0.6 [mm] Inj. Press. 100 [MPa] Total Q 19.9 [kj] No.19 GO No.56 LPG + Pilot 直接撮影シャドウグラフ撮影 プロパンは( 天然ガスと違って ) 液体で噴射できる この実験では 燃料噴射ポンプ前で 3 MPaの与圧を掛けて常温で液相をキープ 通常のディーゼル噴射システムを使って噴射している 噴射後の気化が速く 軽油噴霧と比べても遜色ない良好な燃焼 41

42 将来燃料検討には以下の 3 要素が必要 燃焼面からの実用性 コスト面からの実用性 市場への流通性 参考 : 低硫黄燃料 ガス燃料の運航コスト面からの実用性検討 (CIMAC 2016 No.132) Payback 年数 諸燃料の値段設定でどう言う答も 42

43 天然ガス燃料船の導入実績 出典 : 各社 HP 資料等より 2020 年以降 バルト海内航では LNG 燃料船が急速に普及するであろう 最近は オランダ等の北欧以外の欧州の国や韓国 中国においても導入開始 現在約 50 隻が就航し 船種も広がってきているところ (2012) 今は 70 隻 Argonon/ Deen Shipping (110m x 16m, LR) Bergensfjord/ Fjord 1 (130m x 20m, DNV) Viking Energy/ Eidesvik (95m x 20m, DNV) Bit Viking/ Tarbit Shipping (177m x 26m, GL) オランダ ロッテルダム港 EcoNuri/ Incheon Port Authority (36m x 8m, KR) Viking Grace/ Viking Line (218m x 32m, LR) Høydal/ Nordnorsk Shipping (70m x 16m, DNV) 貨物船 ( 水産飼料運搬 ) 韓国 仁川港 Francisco/ Buquebus (99m x 26m, DNV) Seagas/ Sirius Shipping (50m x 11m, DNV) Barentshav/ Norwegian Coast Guard (93m x 17m, DNV) 沿岸警備船 クルーズフェリー及び世界唯一の LNG スウェーデン ストックホルム港 豪州にて海上公試 ( アルゼンチン ウルグアイ航路に投入予定 ) 43

44 ガスエンジン紹介でいつも使う例 中速 4 スト リーンバーンエンジン A 重油 C16H34 16CO2 +17H2O + Q 天然ガス 12CH4 12CO2 +24H2O + Q (EEDI CO2 低減 -20~25%) Diesel Gas CO2 NOx PM SOx 天然ガス燃料船のオールマイティ効果 44

45 LNG 燃料船普及のためのサポート (2012) 天然ガス燃料船の普及促進に向けた総合対策検討委員会事務局 : 日本船舶技術研究協会 座長 九州大学 高崎 講二教授 委員 東京海洋大学今津名誉教授 東京大学藤野名誉教授 海上技術安全研究所田村研究統括主幹 日本海事協会 日本ガス協会 日本船主協会 日本造船工業会 日本中小型造船工業会 日本舶用工業会 技術協力 船級としての豊富な知見 ( 船級規則検討 検査等 ) 燃料移送等検討委員会 事務局 : 日本船舶技術研究協会 座長 : 海上技術安全研究所田村兼吉研究統括主幹 航行安全検討委員会 事務局 : 日本海難防止協会 座長 : 東京海洋大学今津隼馬名誉教授 海上防災検討委員会 事務局 : 海上災害防止センター 座長 : 東京大学藤野正隆名誉教授 各分野の有識者 関連業界団体 経済産業省 海上保安庁等の関係省庁の協力を得て 調査方針の指示 調査結果の審議 取りまとめ等 調査 検討コンソーシアムによる調査 検討事業の実施 ( 調査実施主体 : 株式会社日本海洋科学 三菱重工株式会社 ) 連携 日本船舶技術研究協会 IMO 対応 ISO 対応に関連するプロジェクトを取りまとめ 45

46 検討の主な成果 1 高圧ガスサプライシステムの安全要件 高圧ガスサプライシステムの設計における安全要件 高圧配管 ( 二重管 ) の設計における安全要件 2 燃料供給を受けない天然ガス燃料船の航行 入出港時の安全要件 留意すべき事項の洗い出し 主機の負荷特性の調査 検討 3 LNG 燃料移送ガイドライン オペレーションマニュアル LNG 燃料移送作業手順 安全対策 LNG 燃料移送に用いる機器等ガス危険区域の設定 Ship to Ship(StS) 方式 安全管理体制 ( 海上防災組織との連携等 ) 運用条件 ( 限界気象 海象条件等 ) 離接舷操船 係留に係る留意事項取り入れ 4 StS 方式 LNG 燃料移送に係る航行安全対策 5 StS 方式 LNG 燃料移送に係る海上防災対策 夜間におけるLNG 燃料移送に係る留意事項荷役中 旅客乗降中の留意事項異種 LNG 混合時の燃料タンクの圧力管理に係る留意事項 Shore to Ship 方式 安全管理体制 ( 船陸間責任体制 ) 緊急離脱装置の要件 Truck to Ship 方式 安全管理体制 ( 船陸間責任体制 ) 緊急離脱装置の要件 6 天然ガス燃料船の入渠に係る要件 ガスフリー等の入渠時に必要となる措置の整理 真空防熱型 Type C タンクの取り扱い 46

47 LNG 移送に用いる機器等 (3LNG 燃料移送ガイドライン オペレーションマニュアル ) SPT Inc. ホースサドルドリップトレイ LNG 移送アーム TTS Gutteling BV LNG 移送ホース ウォーターカーテン フェンダー ( 空気式防舷材 ) 緊急遮断システム (ESDS), 緊急離脱装置等 (ERS, DBC) ERS を構成する装置である緊急切離しカップリング (ERC) 漏洩対策機能をもつカップリング (DBC) 小径のホースに利用 横浜ゴム Klaw Product Ltd. Mann Tek AB 47

48 本委員会でハード面の開発も支援した一例をご紹介 高圧ガスサプライシステム * の安全要件 (*FGSS(Fuel Gas Supply System) LNGを液体のまま300 気圧までポンピング後 高圧下で気化させ 300 気圧のガス ( 気体 ) にしてエンジンに供給する装置 各船に装備 LNG 燃料船にこのシステムがなぜ必要か? 後でご説明します ) GI(Gas Injection) 方式の ( 低速 2スト ) 主機には 高圧 (300 気圧 ) でのガス供給が必要 空間の限られた船内において 極低温のLNGと高圧の天然ガスを扱うための安全対策が必要 [ 目的 ] 高圧ガスサプライシステムの安全要件 ( 設計上の留意点 ) を策定 実証実験に用いた模擬プラント 48

49 天然ガス燃料船の今後の導入動向 出典 : 各社 HP 資料等より 日本内航初の LNG 燃料船としてタグ (NYK グループによる ) が完成 (2015) Development of LNG-fuelled tug-boat by NYK Group 2013~ (MLIT and ClassNK is supporting development of not only vessel itself but also medium-speed DF engine) 負荷変動の激しいタグボートを LNG 燃料化 (NYK グループ )( 政府と日本海事協会の支援 ) 49

50 現在 中速 4 スト ガスエンジンは全てリーンバーン方式 5~6 気圧ガス 予混合 混合気圧縮 パイロット噴射で着火 ガスエンジンの( ガソリンエンジンと同じ ) 予混合燃焼タイプ それはリーンバーン方式(NOxはディーゼルより1 桁少ない ) ノッキングが起こり得る( 例えば荒天でプロペラ側からの負荷変動で ) ノッキングは天然ガスのメタン価(MN) に影響される 50

51 ( 普段はガスエンジンとして使用するが ) Dual Fuel (DF) 機関のメリット (Platform supply 北海 ) 中速 4 スト ガス (DF) 機関 + 電気推進 電気推進でも 荒天では プロペラ側から の負荷変動でノッキング誘発の可能性 ノッキングを感知したら DF 機関では 自動的に重油モードへ切替えられる ( 再度ガスへ戻すときはマニュアル ) 51

52 低速 2 スト主機に天然ガスエンジン の時代に 今後も欧州等において天然ガス燃料船の導入が拡大する見込み 低速エンジンを用いた天然ガス燃料船 ( コンテナ船 PCC ) が就航予定 United European Car Carriers (UECC) jointly owned by NYK and Wallenius Lines has ordered KHI two PCCs propelled by MAN low-speed ME-GI gas (DF) engine. (for voyage in European ECA) NYK と Wallenius 共同出資の UECC 社が MAN の低速 2 スト GI(DF) エンジンを搭載した自動車運搬船を川崎重工に発注 ( 欧州内 ECA に投入予定 ) TOTE Line has ordered 3,100TEU container ships propelled by MAN low-speed ME-GI gas (DF) engine. (Route: Florida Puerto Rico) 米国内航船社 TOTE 社が MAN の低速 2 スト GI(DF) エンジンを搭載した 3,100TEU のコンテナ船を発注 ( フロリダ プエトリコ航路に投入予定 ) 低速 2 ストガスエンジンのオーダー状況 (2016) ME-GI LGI:165 台 X-DF:43 台 52

53 ガスエンジンの燃焼上の分類 リーンバーン GI(Gas Injection) ( 低圧ガス供給 予混合 ) ( 高圧ガス噴射 ) 中速 4 スト機関 今のところ全て * 今はないが可能 ( 陸用であり ) 低速 2スト機関 あり ありオットーサイクル型 X-DF ディーゼルサイクル型 ME-GI パイロット火炎 低圧ガス供給 (16 気圧 ) で予混合気を作り ピストンで圧縮 パイロット A 重油で着火 ガソリンエンジンと基本的に同じ燃焼なので オットーサイクル型とも呼ばれる Lean burn とは ガス + 空気の予混合気中の火炎伝播 理論より空気が多めの予混合気の燃焼の意味 長所 均一燃焼で燃焼温度低く低 NOx 短所 ノッキングや過早着火で出力制限 ( 高メタン価の天然ガスが望ましい ) 圧縮空気中の高圧ガス Jet の燃焼 空気のみをピストンで圧縮後 高圧 (300 気圧 ) ガス噴射 ディーゼルエンジンに近い燃焼なので ディーゼルサイクル型とも呼ばれる 長所 ノッキングや過早着火は起こらず ガスのメタン価も無関係 高出力 高効率 メタンスリップ極小 短所 リーンバーンより高 NOx 300 気圧のシステムが必要 53

54 X-DF : 低速 2 ストの予混合リーンバーン型 燃焼としては中速 4 ストガスエンジンと同 ディーゼルユナイテッド社のテストエンジン (DF) 6 cylinders Bore x Stroke: 720 x 3086 mm MCR: kw@89 rpm BMEP: 17.3 bar 54

55 X-DF におけるガス混合について Scavenging Compression/ gas admission Ignition expansion 2-stroke gas concepts Low pressure DF (16 bar at this moment) 左の図は概念図 実際は右図のように ( ガス弁は左右 2 弁 ) 燃料ガスは空気 ( この時点で排気弁 はまだ閉じてなくて 筒内は掃気圧力程度 ) 中に 10 気圧以上で入るため 対向するライナ壁に 到達した後は自らの運動量で上昇 拡散し シリンダ軸方向の十分な混合が得られる と CIMAC 2016 Paper No.207 Study on Mixture Formation Process in Two Stroke Low Speed Premixed Gas Fueled Engine Takahiro Kuge (IHI Corporation, Japan) より抜粋 55

56 GI 燃焼について ( 基礎研究 : ガスエンジンの燃焼可視化研究のご紹介 ) ノッキングや Pre-ignition とは無縁 ( メタン価も無関係 ) GI (Gas Injection) タイプ ディーゼルサイクル ガスエンジン ピストンで圧縮後の筒内空気 (100 気圧以上 ) にガス噴射するため 300 気圧のガス圧が必要 基本的にディーゼルと同じ燃焼 重油混焼も自在に Pilot Fuel A low-speed marine two-stroke-cycle GI engine 56

57 Crank angle deg. ATDC 天然ガスの GI 燃焼基礎研究 240 mm Diesel Std. GI EGR GI 17%O Diesel Std. GI EGR GI 17%O2 GI Rate of heat release (kj/deg.) 天然ガスの GI 燃焼に SCR あるいは EGR を組み合わせて US ECA の NOx TierⅢ 規制 (TierⅡ から -75%) も達成できる 57

58 1. これまでの舶用燃料はどういうものだったか? 年以降 燃料はどのように変遷しそうか? 3. 環境問題を打開する将来燃料の候補は? についてご紹介させて頂きました ご静聴ありがとうございました エンジン燃焼可視化装置 58

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2014 年規制で改正となる点と 中央環境審議会答申 との関係について 1. ディーゼル特殊自動車の排出ガス規制値強化 ( 中環審第 9 次答申及び第 11 次答申に基づくもの ) 定格出力 自動車の種別 ( 軽油を燃料とする特殊自動車 ) 19kW 以上 37kW 未満のもの 37kW 以上 56 オフロード法 ( 特定特殊自動車排出ガスの規制等に関する法律 ) の規制適用開始時期について 排出ガス基準ごとの規制開始時期 種別 ( 出力帯別 ) H18 年度 H19 年度 H20 年度 H21 年度 H22 年度 H23 年度 H24 年度 H25 年度 H26 年度 H27 年度 H28 年度 H29 年度 2006 年度 2007 年度 2008 年度 2009 年度 2010 年度 2011

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