小型ディーゼル機関およびガソリン機関の燃料添加 による燃焼生成物低減に関する研究 : 特にBDFおよ びブタノール添加の影響
著者 江頭 勇人
出版者 法政大学大学院理工学研究科
雑誌名 法政大学大学院紀要. 理工学・工学研究科編
巻 61
ページ 1‑4
発行年 2020‑03‑24
URL http://doi.org/10.15002/00022743
法政大学大学院紀要 理工学・工学研究科編 Vol.61(2020年3月） 法政大学
小型ディーゼル機関およびガソリン機関の燃料添加による 燃焼生成物低減に関する研究
―特に BDF およびブタノール添加の影響―
A STUDY OF EMISSION REDUCTION BY USING FUEL ADDITION FOR SMALL GASOLINE AND DIESEL ENGINES
-Especially, Effects of Addition for BDF and Butanol
江頭勇人 Hayato EGASHIRA 指導教員 川上忠重
法政大学大学院理工学研究科機械工学専攻修士課程
In practical gasoline and diesel engines it is necessary to achieve a low emission and low fuel consumption under high load operation conditions. Several techniques were developed for reducing the emission and fuel consumption from both type engines, such as EGR(Exhasut Gas Recirculation) and Homogeneous Charge Compression-Ignition Engines. Nevertheless, there are only few date available for reducing the emissions of small gasoline and diesel engines by using blend fuels.
As the first step of this study, experiments have been carried out to examine the influence of BDF and 1-butanol, addition on the emissions. The addition of fuel ratio are changed by mixing addition fuel in gasoline and light oil from 0 to 20 vol.%. The mail conclusions are as follows: 1) It is possible to reduce the PM emissions by addition of BDF under high engine loads for small diesel engine. 2) It is possible to reduce the
CO emissions by addition of 1-butanol at any engine loads for small gasoline engine. 2
１． 緒論
近年，深刻な環境問題として大気汚染や地球温暖化が 挙げられる．また世界第５位のエネルギー消費大国であ りながら，一次エネルギーの９割を海外から輸入するわ が国でエネルギーの安定供給を続けることは重要な課題 とされてきた．しかし化石燃料は有限なエネルギーであ り，将来的な枯渇も予想される．その対策としてディー ゼルエンジンを用いた再生可能エネルギーであるバイオ マスを燃料として使用することが注目されている．バイ オマスは資源の元となる植物が成長段階の光合成により CO2を吸収しているため，ライフサイクル全体では大気 中のCO2を増加させることにはならない，いわゆるカー ボンニュートラルの性質を持つことから，地球温暖化に 及ぼす影響はカウントされない．ディーゼルエンジンで は特にPMやNOxの抑制が長年問題視されてきたが，そ れも徐々に改善されており，含酸素燃料であるBDF（Bio Diesel Fuel），それに加えて気化潜熱も高いアルコール 混合燃料を用いることで，NOxやPMの同時低減が期待 されている．
これらの観点から，本研究ではBDF と 1-ブタノール を軽油と混合燃料として使用した場合，小型ディーゼル
機関の燃焼特性に及ぼす影響について検討を行い，伴わ せて，ガソリン機関との比較検討を行った．
２． 実験装置および実験方法
本実験で用いた実験装置の概略図を図 1 に，供試機関 として用いたヤンマー社製の TF70V-E 横型水冷４サイ クルディーゼルエンジンの諸元を表 1 に，デンヨー社製
の GA-2605U3 ガソリンエンジン発電機関の諸元を表 2
に示す．本実験では吸排気系，燃料供給系，冷却方式，
潤滑系は標準仕様から変更していない[1][2]．
Fig.1 Experiment Device
本研究ではレボインターナショナル社製のBDF 燃料
（C-Fuel）を用いた.使用した軽油及びBDF 燃料の燃料性 状をそれぞれ表３ ，表４に示す．
Table1 Diesel Engine Specifications Engine Type 4cycle diesel engine Number of Cylinders 1
Valve System OHV
Cooling System Water-cooling Bore×Stroke 78mm×80mm Displacement 0.382L Compression Ratio 21.4 Combustion System Direct injection
Maximum Output 5.5kW/2600rpm Rated Output 4.8kW/2600rpm Injection pressure 11.8MPa
Table2 Gasoline Engine Specifications Engine Type 4cycle gasoline engine
frequency 50Hz
Valve System OHV
Cooling System Air-cooling Displacement 0.171L Bore×Stroke 66mm×50mm Maximum Output 3.5kW/3600rpm
Rated Output 3.0kW/3600rpm
Rated Voltage 100V
Rated Current 22A
Table3 Properties of light oil
Cetane number 56
Calorific value 43.12MJ/kg Density at 288K 0.832g/cm3 Viscosity at 293K 4.7mm2/s
Carbon 87.3Wt.%
Hydrogen 12.5Wt.%
Oxygen 0Wt.%
Table4 Properties of BDF
Cetane number 52.4
Calorific value 40.32MJ/kg Density at 288K 0.833g/cm3 Viscosity at 293K 4.369mm2/s
Flash point 453.15K Freezing point 158.65K
Pour point 270.15K
ベース燃料として軽油を用い，BDF，1-ブタノールを 混合し，混合率Wは以下のように定義する．
軽油，BDF，1-ブタノールをマグネチックスターラー
（攪拌機）を用いて 30 分間攪拌を行った.動力計として 東京メータ株式会社製EA10-L空冷渦流電気動力計を用 いて，機関負荷率を 100，110，75， 50，25%とし，それ に対応する動力計制動荷重を加えた．機関性能の測定に は東京メータ株式会社製DWE-8/10R内燃機関性能試験 装置，排気ガス測定装置にはAVL社製Di-Com4000，PM 測定にはヤナコ社製ALTAS-5100Dを使用し，機関を十 分に暖気した後，排気管から排出された排気ガスの一部 を測定装置に導入し計測した．
同様にガソリン機関を用いた実験では，1-ブタノール をマグネチックスターラー（攪拌機）を用いて 30 分間攪 拌を行った.ヒーターを用いて機関負荷を0W，600W，
1200W，1800Wに設定し，AVL社製Di-Com4000により
排気ガスを測定した．
３． 実験結果及び考察
図 2 に小型ディーゼル機関の各機関負荷率に対する BDF燃料のNOx排出量を示す．負荷率の増大に伴って，
NOx 排出濃度は単調に増加している．これは,負荷率の 増大に伴い，筒内に投入される熱量が増大し，それによ り,筒内における燃焼温度が上昇したために，NOx排出量 が増大したと考えられる．また，BDF 添加による NOx 排出量の大きな変化は見られず，BDF添加が NOx生成 に及ぼす影響は少ないと考えられる．
Fig.2 BDF NOx emission(Diesel)
図3に小型ディーゼル機関の各機関負荷率に対する PM排出量をBDF添加率をパラメータとして示す．軽油 と比較して高負荷領域において，PM排出量は低減して いる．これは，混合燃料の含酸素により完全燃焼が促進 された為と考えられる．また，一方，低負荷領域におい ては，BDF燃料においてはどの添加率でも軽油と同程度
の排出量である．
Fig.3 BDF PM emission(Diesel)
図4に比較の為各機関負荷率に対するガソリン機関に
1-ブタノール燃料を添加した場合のNOx排出量を，図5
に各機関負荷率に対するディーゼル機関に，1-ブタノー ル燃料を添加した場合のNOx排出量を示す．ガソリン・
ディーゼル機関とも機関負荷率の増大に伴い，NOx排出 量が増大している．これは燃料供給量の増大により燃焼 温度が増加し，サーマルNOxが増大したためと考えられ る．
Fig.4 1-Butanol NOx emission(Gasoline)
Fig.5 1-Butanol NOx emission(Diesel)
図6，図7に各機関負荷率に対するガソリン機関及び ディーゼル機関の1-ブタノール燃料のCO排出量を示す．
ガソリン機関では負荷率の増大に伴ってCO排出量は単 調に減少している．これは燃焼温度が増加し完全燃焼が
促進されたためと考えられる．一方，ディーゼル機関で は機関負荷率、燃料による著しい差異は発生していない．
これは，ディーゼル機関は圧縮自己着火機関であるため，
燃焼温度増加の影響が発生しなかったためと考えられる．
さらに、ガソリン機関においては, 同一負荷条件にお
いて1-ブタノールの添加率増大に伴って, CO排出量の減
少が確認された．
Fig.6 1-Butanol CO emission(Gasoline)
Fig.7 1-Butanol CO emission(Diesel)
図8，図9に各機関負荷率に対するガソリン機関及び ディーゼル機関の1-ブタノール燃料のCO2排出量を示す.
ガソリン機関に関しては負荷率の増大に伴い高くなって いる。これはCOとは逆に完全燃焼が促進されたため増 大したと考えられる．ディーゼル機関ではブタノールの 混合割合に関わらず軽油とほぼ同程度あることがわかる。
これはブタノールの混合割合の変化に対して，燃料消費 量がほぼ同程度であるためと考えられる．
Fig.8 1-Butanol CO2 emission(Gasoline)
Fig.9 1-Butanol CO2 emission(Diesel)
４． 結論
本研究では,BDFと1-ブタノールを軽油との混合燃料 として使用し，小型ディーゼル機関の燃焼特性に及ぼす 影響について検討を行い，ガソリン機関と比較検討を行 った．得られた結果を以下に示す．
(1) 小型ディーゼル機関では，BDF添加により，高負荷 領域においてPM濃度の低減が可能である．
(2) 小型ガソリン機関では，1-ブタノール添加により機 関負荷によらずCO濃度低減が可能である．
参考文献
1)江頭勇人，寺津喜崚，川上忠重，“バイオディーゼル 燃料を用いた小型ディーゼル機関の燃焼特性に関する 研究”，日本機械学会東北支部第54期総会・講演会論 文集，No.2019-1，pp.52-53(2019年3月)
2)高立琪，川上忠重，“バイオエタノール混合燃料を用 いた小型ディーゼル機関の燃焼特性”，日本機械学会 山 梨 講 演 会 論 文 集 ，No.180-3，YC2018-016， pp.55-56(2018年10月)
