<研究論文>DME燃料による予混合圧縮自己着火機関の特性

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(1)∞. N o . 4 3 . 29 年.p p . 9 7 1 0 0 R e s e a r c hR e p o r t so ft h eF a c u l t yo fE n g i n e e r i n g . K i n k iU n i v e r s i t yNo . 4 32 0 0 9 .p p . 9 7 1 0 0. 近畿大学工学部研究報告. DME燃料による予混合圧縮自己着火機関の特性. 巌間沢秀孝*. C h a r a c t e r i s t i c so fHCCIEnginef u e l e dw i t hDME HidetakaGAKUMASAWA. Synopsis. I tconverteds othata smallenginecouldbeoperatedbyHomogeneous Charge )combustionwithdimethylether(DME). I ti sd i f f i c u l tt o CompressionI g n i t i o n(HCCI c o n t r o la u t o i g n i t i o n timing i n HCCI combustion. The sound performances and the exhaust temperature ofcompression ignition combustion engine fueled with DME and diesel fuel were investigated. As a result，i t succeeded in continuous smokeless operation ofan efficient internal combustion engine byDME homogeneouscharge system.. KeyWords :CompressionI g n i t i o nEngine，DimethlEther，A l t e r n a t i v eFuel， SoundLevel，HomogeneousChargeCompressionI g n i t i o n. 1 . はじめに 21 世紀は環境の世紀とともにエネルギーの世. 燃料が希薄な領域と過濃な領域でそれぞれ NOx (窒素酸化物)と黒煙微粒子が生成されてしまう。高効率の維持と排気浄化という二律背反的な課題をクリアする一つの手段として、代替燃料ジメチルエーテル(以下 DME) 3) 4)を使用する方. 紀とも言われている o 社会の持続的発展を図るためには、環境負荷を極限まで低減し、化石燃料に頼らない循環型社会を目指すことを目標としている。そのため，内燃機関からの有害排出物質や地. 法がある。これまでに DMEを燃料に用いたディーゼル自動車の研究・開発 5 )6 ) が活発に行われ，. 球温暖化などが社会問題として大きく取り上げられ，低公害物質排出性が求められている.そのた. トラック・パスなどが試作されているが，これらはいずれも DME運転専用の燃料噴射ポンプ，燃. め，超低公害排出ガス性および高効率性を有する HomogeneousC h a r g eC o m p r e s s i o n 予混合圧縮着1<( 燃焼方式 ¥)2)の研究が広く進め I g n i t i o n以下 HCCI). 料噴射弁を使用した DME燃料専用機関を対象としたもので，車両搭載用機関としては比較的大型のものが中心である. これらの背景から，本研究では汎用小型ディーゼル機関を DMEで簡単に運転するする方法を模. られているが，この方式は自着火時期制御が困難で，自動車用エンジンには適さないとされてきた. 一方，高い熱効率と耐久性を併せ持つディーゼ. 索し，吸気系に DMEを直接供給し、 HCCIによる連続無煙運転を行った。 DME と軽油による機関の運転状態を比較し、騒音特性や排気特性を調. ル機関は、大型なものから小型のものまで幅広く利用されている。しかし、断熱圧縮中の燃焼室に燃料を噴射しながら不均一な拡散燃焼を行うため、 *近畿大学工学部知能機械工学科. Departmento fI n t e l l i g e n tMechanicalEngineering， Facultyo fEngineering， KinkiUniversity. 9 7.

(2) 9 8. 近畿大学工学部研究報告. No. 4 3. 表 1 DMEと他の燃料の物性値燃料 DME 化学式 CH30CH3 沸点("C) -25.0 液密度 (g/cm320" C ) 0 . 6 7 ガス比重(対空気比) 1 .59 蒸発圧 (MPa[atm]25" C ) 0 . 6 2 [ 6 . 1 ] 自然発火温度("C) 350 3. 4-27.0 爆発範囲(%) セタン価 55-60 (kJ/Nm3) 低位発熱量 59， 400 2 0 0 ] [kcallNm3 ] [ 1 4， ( k J / k g ) 28， 900 [ k c a l l k g ] 9 0 0 ] [ 6，性状溶媒作用. プロパン C3H8 4 2 . 0 0. 49 1 .52 0 . 9 4 [ 9 . 3 ] 470 2.1-9.5 5 300 91， [ 21 .8 0 0 ] 46， 500 [n， 1 0 0 ]. メタン CH4 -161 .5. 0 . 5 5 2 4 . 9 [ 2 4 6 ] 650 5.0-15.0. 。. メタノーノレ CH30H 6 4 . 6 0 . 7 9. 180-370 0 . 8 4. 450 5.5-36.0 5. 250 0.6-6.5 40-55. 20， 100 [ 4， 8 0 0 ]. 41， 900 [ 1 0， 0 0 0 ] 溶媒作用. 000 36， 6 0 0 ] [ 8， 50， 200 [ 1 2， 0 0 0 ]. 査した。. 軽油. 表 2 エンジン仕様. 2. 代替軽油燃料特性としての DME 表 1に DMEと代表的な炭化水素燃料の物性値を示す .DMEはセタン価(圧縮着火性)が軽油より大きいため，圧縮着火機関のディーゼルエンジンの代替軽油燃料として普及しつつある.また，含酸素燃料 (CH3-0-CH3) で，炭素聞の直接結合がないため，高当量比で燃焼しでも P M ( 粒子状物質)とすすを発生しないという利点を持っている . DME は常温・常圧では気体であるが 6気圧以上の加圧，あるいはー 26C以下の冷却のいずれかによって，容易に液化するため，天然ガスや LPガスと同様に貯蔵，運搬が可能であり，それらのインフラも利用できる. D M Eの燃焼速度はメタンの1.5倍速く，自然発火温度はメタンより 280"C低く，非常に燃焼しやすい.このため，従来の天然ガスや軽油を燃料とする各種燃焼装置を D M E用に改造する場合，白着火時期制御が難しいとされている.また D M Eはエーテルで、あり，有機化合物に対する溶解性が高いため，エンジン等で使われる樹脂やゴムのシール等への侵食性に留意する必要があるが，本実験の駆動方法を採ることで，それらの問題が回避できると考えられる. 0. 3. 実験装置と運転方法本実験に使用したエンジンの仕様を表 2に，装置の概略を図 1に示す.このエンジンは 4サイクル単気筒水冷 6 3 8 c cの汎用小型ディーゼルエンジンで，主に農作業用の機械の動力として使われるものである. DME ボンベはサイフォン管構造になっており，. 績型水冷 4サイクルディーゼルエンジン. 形式. 直後噴射式. 燃焼室形式シリンダー数シリンダー肉径 X行程 [mm]. 92X96 0 . 6 3 8. 総行程容積[1]. 1 2 . 5 / 2 4 0 0. 最大出力 [PS/rpm]. 冷却方式. ラジエータ式. 潤滑油容量凹. 2 . 8. 燃料タンク容量[1]. 1 1 .0. 冷却水容量凹. 2 . 3. k g ] 機関重量 [. 1 0 3 . 0. ノ官"I8m¥OC"4)l e. 巴孟~~. _ 0 V蜘. → 円 ow M酬. 図1. 、. 実験装置の概略.

(3) DME燃料による予混合圧縮自己着火機関の特性. 99. ボンベ排出口から液体状態で DMEを取り出すことができる. DME で運転する際には，ボンべから出た DME を，比重補正した浮き子式流量計で流量を測定し，流量調節パルプ、を経て，噴射ノズノレよりエンジン吸気中に直接噴出した.これにより燃焼室に吸入される前に，気化した DMEは空気と均一に混じり擬似 HCCI燃焼を行う.軽油運 IS2号軽油を用い，無改造の転時には，燃料に J ディーゼルエンジンで拡散燃焼する. エンジンの出力部にベルトで連結した交流発 00 定格出力 7. 5kW) 電機(津藤電機製 SG-75 を取り付け，その電気出力を水冷される電気ヒー 3000WX2)に与えて，エンジンの負荷とした. ター ( クランク軸から排気管方向に，エンジンから 1 m 離れた位置で騒音特性を測定した.測定には L-1320を使用した.また，排気管出カスタム製 S 0m m上流にガステック製気体採取器に口から 5. 図 2 大気中に連続噴射される DME. 1 1 0. ホットプロープを取り付けて，へプタン補正のガソリン濃度を測定した.. て ∞. 4 . 結果と考察. 3 〉 @ 95. 1 0 5. コ. 4. 1 D ME蒸発状態. 1 0 0. て3. 5 0 90. 本実験に使用したノズ、/レ(内径 0. 5m m)を用いて， 23Cの大気中に D M Eを連続噴射した場合の噴霧の写真を図 2に示す.噴干しから噴射後 DME は，直ちに激しく蒸発し，噴干しから約 1 00mm下流. 8 0 1 0. Di e se lF u e l. 一・ ← DME. 8 5. の位置では，白く見える霧が消えほぽ完全に気化している.このとき， DME は周囲から気化熱を. 1 2. 1 4 1 6 1 8 r pm (x100). 2 0. 2 2. 図 3 騒音 A 特性におよぽす燃料の影響. 奪うため噴孔付近は温度が低下し，空気中の水分が凍結し，白く膨らんでいる.凍結部分は時間とともに拡大するが，エンジンに装着した場合は，エンジンからの熱伝導により，凍結は防げると考えられる.. 一昔「ー. c n. 0. 1 1 0. ∞105 て3. 4. 2 DME運転の機関の騒音特性図 3に DME運転時の騒音 A特性を軽油運転時と比較して示す. DME運転時の騒音 A 特性は，回転数上昇とともに増加する .1 500r pm以下の低回転数域では，軽油運転時の値と大きな 600rpm以上の回転数域では DME 差はない. 1 のほうが大きくなる.この回転数域では， D M E 燃料の HCC I機関の騒音は，軽油運転時より「カーンカーン」という高音域の騒音が耳につくようになる.騒音 A 特性は人間の耳の感覚に合わせたもので，図 3の高回転数域で DMEと軽 E 運転時の油の特性値に差が生じたのは， D M 高音域の騒音 A特性が減衰しないためと両燃料運転時の差が生じたと考えられる. 同様に図 4に DME運転時の騒音 C特性を軽油運転時と比較して示す.両燃料とも騒音 C特性は，. ∞. ~ 1 ω. 」. g95 コ。. ω. ω. 一合 -D ie s e lF u e l. ・一日慌. 8 5 1 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 3 市 n (Xl∞). 図 4 騒音 C特性におよぽす燃料の影響. 回転数上昇とともに増加する. DM E と軽油の C 特性値はほぼ一致している . 特性は低音域の減衰がほとんどない実際の機械類の騒音レベル表わ. c. しているため，両燃料運転時の騒音 C 特性はほぼ一致したと考えられる ..

(4) 1 0 0. 近畿大学工学部研究報告. 4. 3 DME 運転の機関の排気のガソリン濃. 1 4 0一一. 度. 図 5に DME運転時の排気のガソリン濃度を，軽油運転時と比較して示す.ガソリン濃度はガステック製気体採取器にガソリン検知管 NO.101L(有効測定範囲 30~2000ppm) を取り付けて調べた.この検知管の主な干渉ガスは，芳香族炭化水素，アルコール，エーテル，エステル類である. 軽油運転時の濃度は， 1800rpm以下の回転数域で， 20~ 30ppm であまり変化しない . 1800rpm以上の回転数範囲では，濃度は回転数とともに上昇している.この高回転数域では，未燃焼の燃料が排出されることが影響しているものと考えられる. DME運転時のガソリン濃度は，軽油運転時. N O . 4 3. 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一. 1 2 0. E100. s さ 80 ~. 6 0. s g 4 0. ・ I -DDiMesEelFuel 一色ー. 2 0. 。 1 0. 1 2. 1 4. 1 6. 1 8. 2 0. 2 2. rpmX1 0 0. 図 5 排気のガソリン濃度. の濃度より 2~3 倍の値になっている.未燃焼. の DMEがエーテル類のガスとして検知されているものと思われる .1600rpmで濃度が最小となるのは，この回転数で未燃焼の DMEの排出が最低となるためと考えられる. 1600rpm以上の高回転数にするとカーンカーン」という高音域の騒音が発生し，運転状態が不安定になり未燃焼の DMEの排出がおおくなっている.. 5. 結言 DMEによる HCCI燃焼と軽油の拡散燃焼を比較して以下の結果を得た. (1) DMEの騒音 A特性は， 1600rpm以上の高回転数域で軽油より大きい値となる.この回転数域では高音域の騒音が発生する. (2)騒音 C特性は， DMEと軽油運転時でほぼ閉じ値となる. (3) DME 運転時のガソリン濃度は，軽油運転時の濃度より 2~3 倍の値になる.. 参考文献 1)小川英之，“予混合圧縮燃焼が求める燃料性状自動車技術， Vo1.58，No.11，pp.77-82，2004. 2)Chen， Z .，Konno，M .，Oguma，M .， Yanai， T .， “Experimenta1 Study of C1 Natura1-Gas/DME HomogeneousChargeEngine"，SAESP-1530，pp.27 0 0 0 . -36，2 3 ) 池本雅里，小島雄一郎，飯田訪1正，“ DME を燃料とする HCCI機関の EGRによる制御手法の検討'¥ 機論 ( B )，71-709，pp.2331-2338，2 0 0 5 . 4 )河原伸幸，冨田栄二，加賀城央，“ジメチルエー. テルを用いた予混合圧縮着火機関第 17回内燃機関シンポジウム講演論文集， pp.59・64，2002. 5 )瀬戸雄史，徳丸武志，高瀬繁寿，“小型中型 DME トラックの開発自動車技術， vo1.61，N o .1 1，p p .74-80， 2 0 0 7 . 6 )佐藤由雄，中村明，“大型 DME自動車の開発自動車技術， vo1.61，No.11，pp.81-86，2007..

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