水素エンジンの高効率化と NO x 低減技術
1. はじめに
水素エンジンは，燃料電池と同様に 水素燃料を利用したエネルギー変換機 である．研究は古くから行われており，
既存の内燃機関を流用できる点では実 現化に向けたハードルは低く，マツダ では水素ロータリエンジンが開発され ている（1）．しかしながら，着火性が高 いことに起因する異常燃焼，高負荷時 の NOx低減と熱効率の改善が課題で ある．これに対し，直噴化による水素 過濃度混合気塊燃焼などによる効率改 善の可能性が示されている（2）（3）．
2. 高圧水素噴流の混合
図 1に水素噴流の可視化計測結果 を示す．水素は最も軽い物質であり，
その流動状態を計測するために，雰囲 気空気にトレーサとしてシリコン粒子 を浮遊させ，水素噴流を噴射している．
その動きを粒子画像相関法（PIV）に て解析した結果が下段である．噴射圧 力は 10MPa の単噴孔噴流の一例であ る．時間とともに水素噴流が発達し噴 流先端には周囲空気を押しのけるよう な流れが観察でき，噴流上流部では周 囲空気を取り込むような流れが形成さ れる．こうした流れにより噴流が拡散 していく．この噴流先端部に直接点火 することにより，過濃度混合気塊燃焼 を実現できる．
3. 水素ロータリエンジンへの適用
エンジンはマツダより共同研究の一 部として供試いただいたシングルロー タの水素ロータリエンジンである．図 2に示すように水素噴流へ直接点火を 実現するために，ロータリエンジンに 設置してある 2 本の点火プラグの間に 設置した．噴流は圧縮行程後半に噴射 し，ロータに衝突後，ロータ回転方向 に流れ，噴流へ直接点火させた．図 3は，正味平均有効圧力と NOx
排出量に及ぼす噴射タイミングの影響 を示している．パラメータ燃料噴射期間 である．噴射時期を遅角化するにつれ，
平均有効圧力は増加し，同時に NOx排 出量が低下していることがわかる．さら に噴射を遅らせると急激に平均有効圧 力は低下する．燃料噴射期間が長いほ どその影響は大きくなることがわかる．
4. おわりに
直接噴射による過濃度混合気塊燃焼 により，効率改善と低 NOx化を両立 できることがわかった．また，こうし た燃焼室内の一部で限定した燃焼は，
ロータリエンジンの冷却損失の低減に 有効である．本来ロータリエンジンは 構造的に燃焼室が独立しており水素の 異常燃焼に対して有効であるとされて いる（1）．水素のインフラが進めば，コ スト面やコンパクト性を生かした水素 ロータリエンジンの実用化も期待できる．
（原稿受付 2015 年 1 月 28 日）
〔田端道彦 近畿大学〕
（ 1 ）Mazda，水素自動車，環境技術●文 献
http://www2.mazda.com/ja/technology/
env/hre/（2015 年 1 月 28 日）
（ 2 ）高木靖雄，直噴水素エンジンの過濃混合気 塊の拡散燃焼による NOx生成低減，自動車 技術，66-4（2012），92-98．
（ 3 ）田端道彦・Nizar Jaber・香川良二，水素噴 流特性とエンジン燃焼に及ぼす高圧水素噴 射弁の噴孔パターンの影響，第 24 回内燃機 関シンポジウム講演論文集，（2013-11）．
0 20 40 60
（mm）80
30（m ／ s）
噴射圧力＝10 （MPa）
雰囲気圧力＝0.1 （MPa）
水素ガス噴射
Tinj＝0.13（ms） 0.26 0.40 0.53
15 0
図 1 高圧水素噴流の発達過程
T 側点火プラグ
ロータハウジング L 側点火プラグ 高圧水素噴射弁
図 2 高圧水素噴射弁取り付け位置
回転数＝2 500 （rpm）
点火時期＝ATDC 5（deg.）（L＆T）
噴射圧力＝10（MPa）
Ting＝1.27ms 1.61 2.28 2.7
0 0 200 400 600 800 0 100 200 300 400 500
－20
－40
－60
燃料噴射時期（ATDC deg.）
NOx排出量（ppm）正味平均有効圧力（kPa）
－80
－100
0
－20
－40
－60
－80
－100
図 3 正味平均有効圧力と NOx排出量 に及ぼす噴射時期の影響
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日本機械学会誌 2015. 6 Vol. 118 No.1159 367
TOPICS.indb 41 2015/05/27 22:04:37
