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超高効率天然ガスエンジン・コンバインド
システム技術開発
平成20年6月22日
社団法人 日本ガス協会
三菱重工業株式会社
６．プロジェクトの詳細説明
（１）超高効率ガスエンジンの開発について
（
JGA
、MHI）
技術開発」（事後評価）分科会配付資料 資料6-1 2効率向上への課題
・ノッキングを抑制する新燃焼技術の実現
・高圧縮比化等を組み合わせた場合のエンジン高耐圧化
効率
Ⅰ. 新型高効率・高剛性エ ンジンの設計（耐高Pmax）点火タイミング
早 遅 低 高 Ⅲ. 高効率コンバイン ドシステム Ⅱ. 新燃焼により ノッキング抑制 圧縮比等 発電効率50% 45% 48% ノックリミット ノッキング ノッキング一例 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果 【事業原簿Ⅲ-7頁】3
効率向上へ向けた取り組み
③ 新エンジンと周辺技術改良 ・高圧燃焼 ・給排気経路圧力損失低減 ・高性能過給機 ②エンジン諸元の最適化 ・主室形状の最適化 ・副室形状の最適化 ①濃度分布制御 ・供給方法最適化 ・供給タイミング制御 燃料と排ガス（EGR）の濃度分布を積極的に制御し ノッキングを抑制する。 希薄混合気 トーチジェットInlet fuel supply
Pre-chamber fuel supply High-pressure fuel injection With EGR Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果 4
効率向上へ向けた取り組み
【事業原簿Ⅲ-68頁】 ③ 新エンジンと周辺技術改良 ・高圧燃焼 ・給排気経路圧力損失低減 ・高性能過給機 ②エンジン諸元の最適化 ・主室形状の最適化 ①濃度分布制御 ・供給方法最適化 ・供給タイミング制御 燃料と排ガス（EGR）の濃度分布を積極的に制御し ノッキングを抑制する。 希薄混合気 トーチジェットInlet fuel supply
Pre-chamber fuel supply High-pressure
fuel injection
With EGR
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単気筒試験設備
MHI長崎研究所にて運転・試験実施 MHI長崎研究所にて運転・試験実施 マイクロパイロット着火 点火方式 副室式ガスエンジン 燃焼方式 2.13 図示平均有効圧 MPa 679 回転数 rpm 420 ストローク mm 300 シリンダ径 mm 単気筒 ４ｍ 【事業原簿Ⅲ-34頁】 -2. 6新燃焼方式コンセプト
中央リッチ
中央リーン
新燃焼方式
→混合気濃度分布を積極的に制御し、ノッキングを回避する方式
→＋EGR
・周辺部希薄化でノック抑制均一
・初期燃焼抑制 ・後期燃焼促進 によるノック抑制 ・燃焼変動抑制 ・燃焼性均一化 【事業原簿Ⅲ-10頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果7
濃度分布制御の検証アプローチ
CFDによる流動・混合解析 各ガス供給方式について設計指針を確立し 試験条件を選定 各方式の特徴的な濃度分布を計測 30ライ ン (D ate:060529) 35000 40000 45000 50000 55000C21 C11 E11 E 21 A21 A11 F11 F21
TH C_ ma x[ pp m C ] 0.33 0.38 0.43 0.48 φ 3.02 2.63 2.33 2.09 λ 0.53 1.89 ＣＴ法による光学（ノック）解析 濃度分布がノック性へ及ぼす影響を可視化 ノック発生位置 性能・燃焼特性を比較 FIDによる筒内濃度分布解析 単気筒性能試験による実証 【事業原簿Ⅲ-8頁】 -2. 8
ガス供給方法の選定
③ 給気流れ利用 ① 副室ガス供給 高圧ガス噴射弁 パイロット 噴射弁 燃料ガスを 一部供給 ② 高圧ガス噴射 燃料ガスを一部 副室へ供給 【事業原簿Ⅲ-37頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果9
副室ガス供給方式
燃料ガスを一部 副室へ供給 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 50 100 150 200 250 NOx (0% O2) ppm T h e rm a l E ff ici ency η th % 副室ガス供給無 副室ガス供給無 現行ベース 副室ガス供給≒9% 副室ガス供給≒13% 現行ベース 副室ガス供給≒7% 副室ガス供給≒11% λ=2.0 2.1 λ=2.0 2.1 ガス 20deg.BTDC φ16mm 副室ガス量：33% 供給時期：給気TDCより100deg.CA 単気筒試験結果 CFD予測結果 【事業原簿Ⅲ-13,38頁】 -2. 10高圧ガス噴射方式
高圧ガス噴射弁 パイロット 噴射弁 燃料ガスを 一部供給 15deg.BTDC 55deg.BTDC 75deg.BTDC 125deg.BTDC 155deg.BTDC 185deg.BTDC 当量比 噴射弁 ガス圧：0.5MPa 供給時期：給気BDCより100deg.CA CFD予測結果 単気筒試験結果 【事業原簿Ⅲ-15,39頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果 30.0 32.0 34.0 36.0 38.0 40.0 0 200 400 600 800 1000 NOｘ（O2=0%換算） ppm 正味熱効率 η e % 副室式（ベース） 単室MP 単室MP＋高圧ガス噴射 ノック限界 ne=679rpm Pmi=2.13MPa11
給気流れ利用方式
ガスを流入 前 後 ガスを流入 前 後 90aTDCi 20bTDC λ2.9 λ1.8 λ3.4 B A 供給時期：50deg.BTDCより115deg.CA CFD予測結果（中央リーン） Ne=679rpm, λ=2, Pmi=2.13MPa, ノック限界 単気筒試験結果 50 100 150 200 250 300 350 400 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 噴射時期 θinj 噴射時期 θinj 正味 熱効 率 η e % NOx （O2 = 0 % 換算 ） pp m 高SWでの効果 低SWでの効果 1deg 1deg 50 100 150 200 250 300 350 400 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 噴射時期 θinj 噴射時期 θinj 正味 熱効 率 η e % NOx （O2 = 0 % 換算 ） pp m 高SWでの効果 低SWでの効果 1deg 1deg 1deg 1deg 高SW ガスパイプ均一 高SW 中央リーン 高SW 中央リッチ 低SW ガスパイプ均一 低SW 中央リーン 低SW 中央リッチ 90aTDCi 90aTDCi IHH31 8穴 【事業原簿Ⅲ-19,42頁】 -2. 12給気流れ利用方式（濃度分布の影響）
-2 0 2 4 6 8 10 -10 0 10 20 30 40 50 R O H R [k J /d eg ] ne=679rpm, λ=2.0, Pmi=2.13MPa, ノック限界 低スワール 高スワール 10deg -2 0 2 4 6 8 10 -10 0 10 20 30 40 50 RO H R [k J / de g] 中央リーン GP均一 中央リッチ 10degCrank Angle deg.CA Crank Angle deg.CA
【事業原簿Ⅲ-43頁】
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効率向上へ向けた取り組み
③ 新エンジンと周辺技術改良 ・高圧燃焼 ・給排気経路圧力損失低減 ・高性能過給機 ②エンジン諸元の最適化 ・主室形状の最適化 ・副室形状の最適化 ①濃度分布制御 ・供給方法最適化 ・供給タイミング制御 燃料と排ガス（EGR）の濃度分布を積極的に制御し ノッキングを抑制する。 希薄混合気 トーチジェットInlet fuel supply
Pre-chamber fuel supply High-pressure fuel injection With EGR Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果 14
エンジン諸元最適化
主室（ピストン）形状の最適化 副室形状の最適化 ・副室容積 ・副室噴孔径および噴孔角度 ポート最適化 ・流量係数 ・スワール比 特殊経路による完全均一を採用し、濃度分布 の影響を排除して評価 高SWポート 中SWポート 低SWポート 【事業原簿Ⅲ-69頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果15 正 味熱効 率 η e % 1. 0p t% パイロット噴射時期 θinj deg_BT DC 2deg_CA early late
最適化した仕様
1.005 1.0 充填効率相対比 （CFD相対比較） 0.40 1.0 スワール相対比 （CFD相対比較） 2.1 2.0 λ スキッシュ強 化ボウル型 中浅皿型 主室形状 ジェット強度比＊ ヘッド 0.78 1.0 中SW ベース 最適仕様 ベース ne=679rpm ε=12 Pmi=2.13MPa Knock Limit ＊副室容積と副室噴孔総面積 から算出した火炎ジェットの指標 熱効率の比較 エンジン諸元の比較 【事業原簿Ⅲ-69,70頁】 -2. ベース 最適仕様（λ=2.0） 最適仕様（λ=2.1） 16給気流れ方式による濃度分布制御指針
供給位置
供給時期
スワール
高スワール 低スワール ガスパイプ（GP）形状濃度分布
給気損失低減 流動確保 ↓ 中スワールを 選定 EX IN バルブリフト TDC BDC 基準条件（10deg.BTDC） 10 進角条件（２0deg.BTDC） 進角条件（５0deg.BTDC） 進角条件（７0deg.BTDC） 遅角条件（-30deg.BTDC） 進角条件（20deg.BTDC） 進角条件（50deg.BTDC） 進角条件（70deg.BTDC） EX IN バルブリフト TDC BDC 基準条件（10deg.BTDC） 10 進角条件（２0deg.BTDC） 進角条件（５0deg.BTDC） 進角条件（７0deg.BTDC） 遅角条件（-30deg.BTDC） 進角条件（20deg.BTDC） 進角条件（50deg.BTDC） 進角条件（70deg.BTDC） 【事業原簿Ⅲ-41,44頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果17
CFD
解析例：パーティクル・トラッキング
個数 上 下 個数 上 下 パーティクルの初期着色 ライナ近傍に到達するﾊﾟｰﾃｨｸﾙ数 【事業原簿Ⅲ-25頁】 -2. 中央リーン狙い 18抽出したガス供給条件
8穴×2ポート 1穴、下穴37.5° GP形状 マイルド中央リーン大 マイルド中央リーン 中央リーン大 30 50 30 CFD ガス供給時期 deg.BTDC GP名 均一 -10 GP-M 中央リーン -10 GP-S ＣＦＤを活用して以下のガス供給条件（GP形状とガス供給時期）を候補として抽出 進角 進角 【事業原簿Ⅲ-32頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果19 光学センサ 単筒機へ取り付け 拡大 壁面部用 視野4°（立体角） 中心部用
試験装置概要
【事業原簿Ⅲ-48,61頁】 -2. 高速FID①分析部 高速FID②分析部 【プローブ付きヘッド】 【FFID概要】 【全体】 【CT法概要】 20濃度分布形態（
CFD
＆
FID
）
CF31CA31 C22 C21 C12 C11 E11 E12 E21 E22 E31
2.63 2.33 2.09 1.89 0.38 0.43 0.48 0.53 λ φ 3.02 0.33 35000 40000 45000 50000 55000
CF31CA31 C22 C21 C12 C11 E11 E12 E21 E22 E31
T H C_ m a x[ppm C] 35000 40000 45000 50000 55000
CF31CA31 C22 C21 C12 C11 E11 E12 E21 E22 E31
T H C_ m a x[ ppm C ]
CF31CA31 C22 C21 C12 C11 E11 E12 E21 E22 E31
2.63 2.33 2.09 1.89 0.38 0.43 0.48 0.53 λ φ 3.02 0.33 GP-M GP-S ガス供給時期-10deg.BTDC 30deg.BTDC 早期供給 早期供給 GP形状 GP形状 均一 マイルド中央リーン 中央リーン 中央リーン大 FID計測結果 CFD結果 【事業原簿Ⅲ-57頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果
21
CT
法解析結果と
FFID
計測結果との比較
35000 40000 45000 50000 55000CF31CA31 C22 C21 C12 C11 E11 E12 E21 E22 E31
T H C _ma x [p p mC ] 2.63 2.33 2.09 1.89 0.38 0.43 0.48 0.53 λ φ 3.02 0.33 35000 40000 45000 50000 55000
F31F22F21F12F11A11A12A21A22A31
T H C _ma x[ p p mC ] 2.63 2.33 2.09 1.89 0.38 0.43 0.48 0.53 λ φ 3.02 0.33 燃料濃度大 燃料濃度大
燃料濃度大の部分で
ノック発生多
FFID計測結果 CT法解析結果 【事業原簿Ⅲ-65頁】 -2. 22EGR
試験時のガス供給条件
8穴×2ポート 1穴、下穴37.5° GP形状 マイルド中央リーン大 マイルド中央リーン 中央リーン大 30 50 30 CFD ガス供給時期 deg.BTDC GP名 均一 -10 GP-M 中央リーン -10 GP-S 最終的にはGP-Mでガス供給時期を変更してEGR試験を実施 進角 進角 【事業原簿Ⅲ-75頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果23 37 38 39 40 正味 熱効 率 ηe % EGR=40.2% 29% 20.2% 0% EGR=40% 0% 28.3% 0% 28.9% EGR=41.7% 37 38 39 40 正味 熱効 率 ηe % EGR=40.2% 29% 20.2% 0% EGR=40% 0% 28.3% 0% 28.9% EGR=41.7% EGR=40.2% 29% 20.2% 0% EGR=40% 0% 28.3% 0% 28.9% EGR=41.7%
単気筒試験結果（ガス供給時期）
ne=679rpm、Pmi=2.13MPa、ε=13 Knock Limit、GP-M マイルド中央リーン（赤）で最良となる 正味熱効率39.6%を確認 最良点においてNOx（O2=0%換算）で 100ppm以下を確認 ガス供給時期 -10deg_BTDC 30deg_BTDC 50deg_BTDC early late パイロット噴射時期 θinj 2deg.CA パイロット噴射時期 θinj 0 50 100 150 200 250 NO x （O2 = 0 % 換算 ） ppm 0% 20.2% 29% EGR=40.2% 0% EGR=40% 28.3% 0% 28.9% EGR=41.7% 0% 20.2% 29% EGR=40.2% 0% EGR=40% 28.3% 0% 28.9% EGR=41.7% early late 2deg.CA 【事業原簿Ⅲ-76頁】 -2. 24まとめ①
中央リーン 濃度分布形態 2.0以上 λ GP-M ガスパイプ形状 30%以上 EGR率 スキッシュ強化ボウル型 ピストン形状 0.78 ジェット強度比（対ベース） 0.40 スワール相対比（対ベース） 中SW シリンダヘッド 13以上 圧縮比 750 回転数 rpm 380 ストローク mm 300 シリンダ径 mm 6MW級実証機（V18型） 諸元 単気筒を用いて以下のエンジン諸元・新燃焼技術を選定し、実証機へ反映した 【事業原簿Ⅲ-74,78頁】 Ⅲ-2. 研究開発項目毎の成果25
まとめ②
ベースエンジン エンジン単体 最終目標 コンバインドシステム 最終目標 エンジン諸元最適化と周辺技術改良 エンジン諸元最適化 （スワール） （燃焼室形状） 新燃焼技術の最適化 （濃度分布制御＋EGR＋高圧縮比化） 新燃焼技術の最適化 （給排気系チューニング） （高効率過給機） （高耐圧エンジン） （46.6） （48.3） ハイブリット過給機適用 （+1.5pt） （共同事業目標） 換算 【事業原簿Ⅲ-3頁】 -2. 26超高効率天然ガスエンジン・コンバインド
システム技術開発
平成20年6月22日
社団法人 日本ガス協会
三菱重工業株式会社
６．プロジェクトの詳細説明
（１）超高効率ガスエンジンの開発について
（JGA、
MHI
）
「超高効率天然ガスエンジン・コンバインドシステム 技術開発」（事後評価）分科会配付資料 資料6-127
２．１．２ エンジンコンパクト化技術開発
ピストン 高Pmax対応 連接棒 高Pmax対応 シリンダカバー 高Pmax、高出力対応 フレーム 高Pmax対応 各種締付ボルト 締付け力増対応 シリンダライナ 高Pmax、高出力対応 クランク軸 高Pmax対応 給排気カム ｶﾞｽｴﾝｼﾞﾝに特化して軽量化 コンパクト化のための検討項目 28２．１．２ エンジンコンパクト化技術開発
シリンダライナー 1.3 実証機 1.3 現行機 安全率 機種 1.2 実証機 1.2 現行機 安全率 機種 【事業原簿Ⅲ-79 ページ】29
２．１．２ エンジンコンパクト化技術開発
フレーム2.5気筒分の３次元ソリッド
モデルに当該シリンダの
ガス圧荷重を作用させて
各部の疲労強度を検討
フレームモデル(2.5シリンダ分）
応力計算結果(1シリンダ抜出）
カム棚、隔壁など安全率5.0以上の 部位に関し重量低減可能 30２．１．２ エンジンコンパクト化技術開発
カム軸 軸受 ﾘﾝｸﾞ 排気 ｶﾑ 給気 ｶﾑ 軸受 ﾘﾝｸﾞ 図.カム軸の構成 軸のたわみ ねじり振動 軸の固有振動数 捩 り 振動 レベル 開発機種 共振を回避 軸た わみ量 従来実績 現行ｶﾞｽｴﾝｼﾞﾝ 開発機種[ガスエンジンに特化した専用設計]
・カム軸径を最小化（２０％減） ・軸受リング、給排気カムを最小化 ⇒１シリンダあたり重量を３５％減 【事業原簿Ⅲ-80ページ】31
２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
エンジン諸元最適化と周辺技術改良
給排気タイミング最適化によるオーバーラップ適正 化で有効ポンピング仕事増大 給排気系タイミング 最適化 ピストンリング３→２本化とリングプロフィルの適正 化により摩擦損失の低減 機械損失の低減 内 容 項 目 常用域で効率を～3pt%アップしたMET-MA過給機 の採用により有効ポンピング仕事の増大 高効率過給機の採用 始動弁の廃止（エアモータの採用）他により無駄容 積を～15%低減 未燃分低減 （無駄容積の低減） ブローバイガス中のオイルミストを分離し 過給機より再吸入 クランク室ブローバイガ スの回収 給排気系形状の適正化により圧損を低減し有効ポ ンピング仕事の増大 給排気系の圧力損失 低減 目標効率向上 ：Δ 0.8pt% 給排気タイミング最適化によるオーバーラップ適正 化で有効ポンピング仕事増大 給排気系タイミング 最適化 ピストンリング３→２本化とリングプロフィルの適正 化により摩擦損失の低減 機械損失の低減 内 容 項 目 常用域で効率を～3pt%アップしたMET-MA過給機 の採用により有効ポンピング仕事の増大 高効率過給機の採用 始動弁の廃止（エアモータの採用）他により無駄容 積を～15%低減 未燃分低減 （無駄容積の低減） ブローバイガス中のオイルミストを分離し 過給機より再吸入 クランク室ブローバイガ スの回収 給排気系形状の適正化により圧損を低減し有効ポ ンピング仕事の増大 給排気系の圧力損失 低減 目標効率向上 ：Δ 0.8pt% 32２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
（a)高効率過給機 99.6 99.8 100.0 100.2 100.4 100.6 97 98 99 100 101 102 103 104 105 過給機効率比 (%) 機関 熱効率 比 (% ) 常用域πc＝3.5～3.6で従 来型に比し3～4%アップ 過給機効率 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 圧力比 効率 比 MET－MA MET－SD 過給機効率3%アップ →熱効率0.3% Turbine blades of new design concept Flow optimized gas outlet guideLow noi se silencer
New two piece gas inlet casing Improved oil seals
Partition wall
性能計算結果
33
２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
（ｃ) クランク室ブローバイガスの回収 ﾌﾚｷB ﾌﾚｷA ﾌﾚｷ P0 P1 P2 ﾌ ｨﾙﾀA （MOTOR TECH 潤滑油ｻﾝﾌﾟﾀﾝｸ （防振ﾍﾞｯﾄﾞの場合含） T/Cﾗﾋﾞﾘﾝｽ KU30GA 大気 P3 ｸﾗﾝｸ室 実証機クランク室の未燃ガスを回収
により0.1～0.2pt％の効率向
上が期待できる。
34２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
摩擦損失を低減により0.1pt％の効率向上が期待できる。
ﾘﾝｸﾞによる摩擦損失の比較 3本ﾘﾝｸﾞ(従来ﾀｲﾌﾟ) 2本ﾘﾝｸﾞ 【事業原簿Ⅲ-85ページ】35
２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
ガス供給管 （ガス供給法改善） 低圧損エアクーラ 高効率過給機 エアスタータ （無駄容積低減）６MW級実証機
36２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
（ｂ) 新燃焼技術の最適化 EGR用 排ガス冷却器 EGR用排ガスフィルタ V18実証機 過給機 空気冷却器 排気 バイパス弁 ミキサー サイレンサ EGRガス量 調整弁 排ガス フィルタ EGR用 排ガス冷却器 EGRガス 温度調節弁ポンプ 背圧調整ダンパ EGRガスライン 煙突 新気新燃焼試験 EGR設備
【事業原簿Ⅲ-88ページ】37
２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
（ｂ) 新燃焼技術の最適化 0 50 100 150 200 250 300 N O x ( O 2= 0% 換算 ) p p m 46.0 46.2 46.4 46.6 46.8 47.0 47.2 47.4 47.6 発電効率 ％ ガス供給時期 -10 deg BTDC 30 deg BTDC 50 deg BTDC ガスパイプ ： GP-M 圧縮比 ： 14.0 ※ 添字はEGR率を示す 42% 35% 35% 36% 25% 42% 35% 35% 36% 25% EGR無し 圧縮比 10.9 EGR+高圧縮比化 ε10.9 → 14.0 0% 0% 噴射時期 θinj 2deg.CA 噴射時期 θinj 2deg.CA 38２．１．３．最適燃焼制御技術の開発
【事業原簿Ⅲ-3ページ】 ベースエンジン エンジン単体 最終目標 コンバインドシステム 最終目標 エンジン諸元最適化と周辺技術改良 エンジン諸元最適化 （スワール） （燃焼室形状） 新燃焼技術の最適化 （濃度分布制御＋EGR＋高圧縮比化） 新燃焼技術の最適化 （給排気系チューニング） （高効率過給機） （高耐圧エンジン） （46.6） （48.3） ハイブリット過給機適用 （+1.5pt） （共同事業目標） 換算39
