博士（工学）王 建听 学位論文題名
水および水溶液噴射による
デ ィーゼル 燃焼の低エミッション化に関する研究
学位論文内容の要旨
ディーゼル機関はその優れた動力特性のため各種 熱システムの動力源として広範に利用 され てい るが，近年，それから排出されるN．Ox及び微粒子状物質等の エミッションが環 境保 全上 の大 きな 問題 とな り， その 改善 が社 会 的な 急務 とな っている．特にNOxについ ては，交通が過密な大都市圏を中心としてその環境基準が未達成な地域が多いことからも，
NOx排出規制が更に厳し くなっている．
デ ィー ゼル 機関 のNOx低減 手法 とし て， これ まで 燃料 噴射 時期遅延 および排ガス再循 環な どの 手段が挙げられているが，これら のみによってNOxの大幅低滅 を図る場合には，
微粒 子とNOxとの ト レー ドオ フ関 係の 制約 なら びに 熱効 率の 悪化など の問題が懸念され てお り， 機関 出力 性能 と他 の排 気特 性の 悪化 を 伴わ ないNOx低減技術 の確立が十分にさ れているとは言い難い現状である．
本 論文 は， この よう な背 景を 踏ま えて ，NOxレベ ルが 一般 に低い副 室ディーゼル機関 にお いて ，熱 効率 およ び他 の排 気エ ミッ ショ ン など を損 なう ことなくNOxを大幅に低減 することを目標とし，燃焼室内への水あるいは還元 性水溶液の直接導入がディーゼル燃焼 の 低NOx化 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 系 統 的 な 解 明 を 行 う と 同 時に ，そ の際 のNOx低減 機 構 に つ い て も 検 討 を 行 っ た も の で あ り ， 全6章 か ら 構 成 さ れ て い る ． 第1章 は，序 論であって，本研究の目的と得られた結果の概要につい て述べると共に，
ディーゼル機関のエミッション低減に係わる社会的 背景，各種対応技術および研究動向に ついて記述した，
第2章 では， 供試機関，実験に用いた装置ならびに測定方法について 記述した，特に水 およ び各 種水 溶液 噴射 時に おけ る燃 焼特 性お よ びNOx低 滅機 構などを 解明するための，
燃焼可視化法，画像二色法による温度分布測定法， ガスサンプリング法，ならびに金属塩 を含む排気微粒子の分析法などについて言及した．
第3章 にお いて は ，燃 焼室 への 水導入が 低NOx化燃焼に及ぼす影響を 検討すると共に，
NOx低 減 に 対 す る 各 種 燃 焼 関 連 因 子 の 最 適 値 な ら び に 水 導 入に 伴うNOx低減 の 機構 に ついて解明した結果を論述した．
す なわ ち， まず 実験 に先 立ち ，拡 大Zeldovich機構に基づくNOx素反 応計算によって，
燃 焼 場 へ の 水 導 入 に と も な うNOx生 成 の 基 礎 特 性 に つ い て 検討 し， 水導 入に よるNOx
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低減の可能性と度 合を理論上明らかにした．
一方 ，副 室式 ディ ーゼ ル機 関に お いて ，そ の燃 焼室 内へ の直 接水 噴射 によるNOx低滅 効 果に つい て検 討し ，NOxの大 幅な 低減 に対 して は， 主室 内で は なく 副室内への水噴射 が，その場合ガス 温度が高い副室中心部への水噴射が，また，燃料噴射の 直前における水 噴射がそれぞれ著 しく有効であることを実証した．その場合，燃料質量の 半分程度の水を 噴射することによ り，熱効率，排出黒煙および微粒子状物質などの悪化を 伴うことなく，
60％程度ものNOx低減が可能であること，燃料 質量の80％を越える水を噴射したとしても，
燃料噴射の直前に おける水噴射では燃料噴霧の着火・燃焼はほとんど阻害されることなく，
安定した着火燃焼 が可能であること等を併せて明らかにした．
なお，火炎の高 速度撮影，それを基礎とした画像二色法による火炎温度 分布の測定，な ら びに ガス サン プリ ング によ る燃 焼 室内NOx濃度 の推 移測 定等 の 結果 から，水噴射によ って，燃焼室内の 平均ガス温度は殆ど変化しないが，副室内，とくに中央 部ガス温度が大 幅 に低 下す るこ と， それ にと もな っ てNO生成 速度が低下すること，更に水噴射を行った 場合，燃焼室内で とくに燃焼初期での黒煙生成速度は減少するが，燃焼後 期での黒煙酸化 速度が低下するた め，最終的な排出黒煙濃度は大きく変化しないこと等も 明らかにした．
第4章 で は ， 金属 塩水 溶液 導入 によ るNOxの抑 制， っま ルデ ィー ゼル 機関 の 燃焼 室内 火 炎領 域ヘ アル カリ 金属 塩水 溶液 を 導入 する こと によ るNOx低 減 の効 果と機構について 解明した結果を論 述した．
アルカりあるい はアルカリ土族金属塩の中でも，特にナトリウム塩水溶 液を副室内に直 接 噴 射 す る こ と に よ っ て ， 水 の み を 噴 射 し た 際 のNOx低 減 効 果 を 上 回 るNOx低減 と黒 煙 の大 幅な 改善 とが 可能 であ るこ と を実 証し た． この ナト リウ ムに よるNOx低減効果に ついては，水溶液 としてではなく，燃料添加剤としてナトリウムを燃焼系 ヘ導入した場合 で あ っ て も ， 基 本 的 に は 同 様 なNOxと 黒 煙 の 低 減 効 果 が 得 ら れ る こ と も 確 認 し た ． ナトリウム導入 による黒煙の低減は，ナトリウムの触媒作用による黒煙 酸化促進効果に 起 因す るも ので あり ，一 方， ナト リ ウム 導入 にともなうNO低滅については，燃焼室内に お いて ，硝 酸ナ トリ ウム など の硝 酸 化物 質生 成に よるNOxの固 定 化が 行われていないこ と ， ま た こ の 金 属 導 入 に よ っ てNOx生 成 過 程 の 後 期 に お け るNOx抑 制 が著 し いこ と等 の 点か ら， この 場合 のNOx還元 に対 して ナト リウ ムが 何ら かの 触 媒的 作用を及ぼしてい る可能性を示唆し た．
なお，ナトリウ ム塩水溶液の噴射にともなう排出微粒子状物質は，その 大半が水溶性の 硫酸ナトリウムで あることから，水洗などの排気処理によるナトリウムの 回収あるいは除 去が可能であるこ とを提示した．
第5章 にお いて は， アン モニ ア系 還元 剤に よる 酸素 共存 無触 媒 下で のNO還元反応に着 目 し ， そ の デ ィ ー ゼ ル 機 関 に お け る 可 能 性 に つ い て 検 討 し た 結 果 を 論 述 し た ， すな わち ，ア ンモ ニア 系化 合物 水 溶液 の導 入に よるNOx低滅 効 果と その場合の各種最 適条件を解明し， 特に無触媒下で燃焼後期の膨張行程に尿素水溶液を燃焼 室内へ直接噴射 す るこ とに より ，排 気黒煙濃度及び熱効率を悪化させずに最大60％程 度のNOx低減が可能 であることを明ら かにした．
ま た ， デ ィ ーゼ ル 燃焼 室内 にお ける 尿素 導入 時のNO濃 度に つい ては ，尿 素 ．NO反応
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系の素反応モデルによって，その還元過程あるいは低滅特性を記述し得ることも明らかに した．
第 6章 は ， 本 研 究 の 結 諭 で あ っ て ， 得 ら れ た 結 果 を 総 括 し た ．
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学位論文審査の要旨
学 位 論 文 題 名
水および水溶液噴射による
ディ ーゼル 燃焼の低エミッション化に関する研究
ディー ゼル機関 はその優 れた動 力特性のため各種熱システムの動力源として広範に利用 され て い るが ， 近 年， そ れ か ら排出 されるNOx及び 微粒子状 物質等 のエミッ ションが 環 境保全上 の大き な問題、 となり ，その改 善が社 会的な急 務となっ ている．特にNOxについ ては，交通が過密ナょ大都市圏を中心としてその環境基準が未達成な地域が多いことからも，
NOx排出規制が更に厳しくなっている．
本 論 文は ， こ のよ う な 背 景を 踏まえ て，NOxレペル が一般に 低い副 室ディー ゼル機 関 にお い て ，熱 効 率 およ び 他 の 排気エ ミッショ ンなど を損なう ことな くNOxを 大幅に低 滅 すること を目標 とし，燃 焼室内 への水あるいは還元性水溶液の直接導入がディーゼル燃焼 の 低NOx化 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 系統 的 な 解明 を 行 うと 同 時 に， そ の 際のNOx低滅 機 構についても検討を行っている，
第1章 は序論 であって ，本研 究の目的 ，得ら れた結果 の概要， ディーゼルエミッション 低 減 に 係 わ る 社 会 的 背 景 と 対 応 技 術 研 究 の 動 向 等 に つ い て 記 述 し て い る ． 第2章で は ， 供試 機 関 ， 実験 に用 いた装置 ならび に測定方 法につ いて記述 している ． 第3章に お い ては ， 燃 焼 室へ の 水 導入 が 低NOx化 燃焼 に 及ぼす 影響に ついて検 討する と 共 に ，NOx低 減 に 対 す る 各 種 燃 焼関 連 因 子の 最 適 値な ら び に水 導 入 に伴 うNOx低 減 の機構について解明した結果を論述している．
す なわち ，まず拡 大Zeldovich機構に基 づくNOx素反応 計算に よって， 燃焼場へ の水導 入 に と も な うNOx生 成 の 基 礎 特 性 につ い て 検討 し ， 水導 入 に よるNOx低 減 の 可 能性 と 度合を理論上明らかにしている．
一 方 ，副 室 式 ディ ー ゼ ル 機関 におい て，その 燃焼室 内への直 接水噴 射によるNOx低 減 効果 に つ いて 検 討 し，NOxの大 幅な 低減に対 しては ，主室内 ではな く副室内 への水噴 射 が，その 場合ガ ス温度が 高い副 室中心部への水噴射が，また，燃料噴射の直前における水 噴射がそ れぞれ 著しく有 効であ ることを実証している．その場合，燃料質量の半分程度の
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登 正
一 和
獻 正
本 山
藤 本
宮 村
伊 岩
授 授
授 授
教 教
教 教
査 査
査 査
主 副
副 副
水を噴射することにより，熱効率，排出黒煙および微粒子状物質などの悪化を伴うことな く，60％程度ものNOx低減が可能であること，燃料質量の80sを越える水を噴射したとし ても，燃料噴射の直前における水噴射では燃料噴霧の着火・燃焼はほとんど阻害されるこ と な く ， 安 定 し た 着 火 燃 焼 が 可 能 で ある こ と等 を 併 せて 明 ら かに し てい る ． 第4章では，金属塩水溶液導入によるNOxの抑制，っまルディーゼル機関の燃焼室内 火炎領域ヘアルカリ金属塩水溶液を導入することによるNOx低減の効果と機構について 解明した結果を論述している．
すなわち，アルカりあるいはアルカリ土族金属塩の中でも，特にナトリウ厶塩水溶液を 副室内に直接噴射することによって，水のみを噴射した際のNOx低減効果を上回るNO x低 滅 と 黒 煙 の 大 幅 な 改 善 と が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し て い る ． ナトリウム導入による黒煙の低滅は，ナ卜リウムの触媒作用による黒煙酸化促進効果に 起因するものであり，一方，ナトリウム導入にともなうNO低減については，燃焼室内に おいて，硝酸ナトリウムなどの硝酸化物質生成によるNOxの固定化が行われていないこ と，また この金属 導入によってNOx生成過程の後期におけるNOx抑制が著しいこと等 の点から，ナトリウムがNOx還元に対して何らかの触媒作用を及ぼしている可能性を示 唆している．
第5章においては，アンモニア系還元剤による酸素共存無触媒下でのNO還元反応に着 目し，そ のディー ゼル機関における可能性について検討した結果を論述している．
アンモニア系化合物水溶液の導入によるNOx低滅効果とその場合の各種最適条件を解 明し，特に無触媒下で燃焼後期の膨張行程に尿素水溶液を燃焼室内ヘ直接噴射することに より，排気黒煙濃度及び熱効率を悪化させずに最大6096程度のNOx低減が可能であること を明らかにしている．
また，ディーゼル燃焼室内における尿素導入時のNO濃度については，尿素．NO反応 系の素反応モデルによって，その還元過程あるいは低減特性を記述し得ることも明らかに している．
第 6章 は ， 本 研 究 の 結 諭 で あ っ て ， 得 ら れ た 結 果 を 総 括 し て い る ．
これを要すると，著者は，燃焼室への水および水溶液導入によるディーゼル燃焼の低N Ox化とその機構について系統的な新知見を得ており，内燃機関工学および燃焼工学の進 歩に寄与するところ大なるものがある．
よって著者は，北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格ある者と認める．
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