響を受けた履歴となる．このような複合要因を考慮したモデ ルによる着火遅れ予測と，その予測値に基づいたフィードフ ォワード制御によって燃料噴射時期の操作が行わている． 以上の着火時期制御によって，図10 中段の示すように，最 大圧力上昇率のオーバーシュートを防止して，燃焼音の悪化 を効果的に低減できている．また，図示有効圧力IMEP につ いては着火時期制御時にも燃料噴射量に従った特性を得てい る．以上より，着火時期制御によって，ドライバーのアクセ ル操作に応じたトルク特性を燃焼音悪化による違和感無く提 供可能となることを確認した． 5．ま と め クリーンな排気と低燃費を同時に達成させるためのPCI 燃焼コ ンセプトを，低圧縮比を特徴とした新開発エンジンシステムへ適 用した．またPCI 燃焼を実用化するための課題であった筒内 状態の変動に対する EM，燃費および燃焼音の諸性能のロバ スト性の改善に取り組んだ．これにより以下の知見を得た． (1) 低圧縮比 14.0，高圧ループ式のクールド EGR，高効率過 給，およびピエゾ駆動式高性能インジェクターで構成され るエンジンシステム用いて，φ-TマップでのSoot 生成領 域を完全には回避させずに燃焼後期の HC，CO および Soot の酸化促進を狙った混合気分布と，長すぎない予混 合期間での燃料噴射時期の操作によるTDC への着火時期 制御性を確保した，狙いのPCI 燃焼を実現できる．これ によりNOｘ，Smoke，および燃費の同時低減と，HC， CO および燃焼音の悪化抑制を達成できる． (2) 本 PCI 燃焼において，近接多段噴射を用いることで，噴 霧の過分散を防いでオーバーリーン混合気が抑制され，ま た混合気と燃焼室壁面との干渉が低減される．これらによ って未燃損（HC，CO）と壁面冷損を低減できる． (3) 本 PCI 燃焼において，筒内状態の変動に対する諸性能の ロバスト性を改善する手段として，近接多段噴射による混 合気均一性の低下，および着火遅れの変動に応じて燃料噴 射時期を調整して着火時期を変動させない着火時期制御 が有効である． (4) 筒内の平均温度と圧力に加えて，噴霧混合気形成に関わる 諸因子を入力項として拡張した Arrhenius 型の実験式， Livengood-Wu 積分，および実験計画法によるモデル定数 の統計的な最適化を組合せた物理モデルによって，本PCI 燃焼の着火遅れを十分な精度で予測可能である． (5) 上記モデルによる着火遅れ予測に基づいたフィードフォ ワード型の着火時期制御システムをECU に実装すること で，本 PCI 燃焼の過渡運転において，諸性能のロバスト 性改善に有効な，適正な着火時期の制御が可能である． 参 考 文 献 (1) 島崎直基, ほか: 上死点近傍燃料噴射による予混合ディー ゼル燃焼コンセプト，自動車技術会論文集, Vol.36, No.3, p.31-36 (2005) (2) 村田豊, ほか: 可変バルブタイミングによる予混合ディー ゼル燃焼の中速中負荷への適用, 自動車技術会論文集, Vol.31, No.6, p.73-78 (2005) (3) 志茂大輔, ほか: 予混合型ディーゼル燃焼による排気と燃 費の低減（第1 報）―ITIC-PCI 燃焼コンセプトの基本的検証 ―，自動車技術会論文集, Vol.42 No.4 p.867-872, (2011) (4) 志茂大輔, ほか: 予混合型ディーゼル燃焼による排気と燃 費の低減（第2 報）―ITIC-PCI 燃焼コンセプトの実用的検証 ―，自動車技術会論文集, Vol.42 No.4 p.873-878, (2011) (5) Hasegawa, M.,et al. : Study on Ignition Timing Control for Diesel Engines Using In-Cylinder Pressure Sensor,
SAE paper, No. 2006-01-0180
(6) 中山茂樹，ほか: 筒内物理状態に基づくモデルベース燃焼制 御の開発，自動車技術会論文集, Vol.38, No.6, p.65-70 (2007) (7) Guerrier, M., et al.: The Development of Model Based Methodologies for Gasoline IC Engine Calibration, SAE paper, No2004-01-1466
(8) 吉田元則，ほか: 直噴ディーゼルエンジンにおけるモデル ベースキャリブレーションの適用，マツダ技報，No.24， p.165-168 (2006)
(9) Sakono, T., et al.: MAZDA SKYACTIV-D 2.2L Diesel Engine, 20th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, p.943-965, (2011)
(10) 居倉伸次，ほか: 定容燃焼器における燃料噴霧の着火遅 れ，機械学会論文集，No41-345，p.1559-1568, (1975) (11) Livengood, J.C., and Wu, P.C.: Correlation of Autoignition Phenomena in Internal Combustion Engines and Rapid Compression Machines, 5th International Symposium on Combustion, p.347-356, (1955)
(12) Kim S.-K., et al. : A numerical study of the effects of boost pressure and exhaust gas recirculation ratio on the combustion process and exhaust emissions in a diesel engine, Int. Journal of Engine Research, Vol.8, p.147-162, (2007) (13) Kennedy. J., et al. : Particle Swarm Optimization, The1995 IEEE International Conference on Neural Network, vol.Ⅳ, pp.1942-1948, (1995)
Fig. 11 Model-based ignition timing control effect on heat release rate results of in transient operating condition
パーム／ヤシ脂肪酸エチルヘキシルの混合による
軽油の燃料性状および燃焼特性の改善
*
渡邉 勇太1） 河崎 澄2） 山根 浩二3) 近藤 千尋4) 狩野 孝明5)
Improvement of the Combustion Characteristics and Fuel Properties of Gas Oil
by Blending Fatty Acid Ethylhexyls Derived from Palm/Coconut
Yuta Watanabe Kiyoshi Kawasaki Koji Yamane Chihiro Kondo Takaaki Kanoh
This paper describes the combustion characteristics and fuel properties of gas oil blended with fatty acid 2-ethylhexyls derived from palm/coconut oil. In this study, lauric acid 2-ethylhexyl (2H-12) having the cetane number of 66.7 and the pour point of -32.5ºC, and palmitic acid 2-ethylhexyl (2H-16) having the cetane number of 73.1 and the pour point of -2.5ºC are blended into gas oil to improve ignition quality and/or cold flow property. Experimental results of engine bench tests show that by blending 2H-12 or 2H-16 into gas oil, the ignition delay is shortened and premixed-like combustion immediately after the auto-ignition is suppressed. As the result, the thermal efficiency together with nitrogen oxide emissions are improved. However, the short ignition delay obtained at the blend ratio of 20vol% leads to increase in smoke emission.
KEY WORDS : heat engine, bio-diesel fuel, performance, emission gas, 2-ethylhexyl ester, palm oil(A1) 1．ま え が き
パーム油は単位面積当たりの収穫量が多いエネルギー作物 であり，その高い生産性からバイオディーゼル燃料の原料と して期待されている．また，パーム油には飽和脂肪酸である パルミチン酸が多く含まれているため，パーム油脂肪酸メチ ルエステル（Palm Oil Methyl Ester；PME）は着火性や酸化安 定性に優れている(1)(2)．しかし，飽和脂肪酸エステルを主成分 とするが故に，PME の流動点は約 15ºC であり，使用可能な 地域や季節が限定されるという課題がある． 脂肪酸エステルの低温流動性を改善する方法として，エス テルの合成にメタノールよりも長鎖のアルコールを用いる方 法がある(3-5)．著者らは既報(6)において，パーム／ヤシ由来脂 肪酸と 2-エチルヘキサノールを用いて合成した，高い低温流 動性を有する脂肪酸2 エチルヘキシルの燃料性状とディーゼ ル燃焼特性を調査した．調査した脂肪酸エステルは，カプリ ル酸，ラウリン酸，およびパルミチン酸エチルヘキシル（そ れぞれ2H-08，2H-12，2H-16 と称す）である．表 1 に示すよ うに，それらは脂肪酸メチルエステルに比べて約 40�低い流 動点を有すると共に，ディーゼル燃料油として十分な着火性， 酸化安定性，潤滑性も有していることが明らかとなった．さ らに，高着火性の2H-12 および 2H-16 をディーゼル機関にニ ートで用いた場合には，軽油に比べて高い熱効率と低い燃焼 騒音が実現できるとともに，窒素酸化物，未燃炭化水素およ び一酸化炭素の排出量を低減できることが明らかとなった．
Table 1 Fuel properties of fatty acid ethylhexyls 2H-08 2H-12 2H-16 JIS-2D Density*1 g/cm3 0.87 0.86 0.86 0.81
Kinematic viscosity*2 mm2/s 2.8 5.1 8.2 2.4
Lower Heating Value MJ/kg 35.9 37.6 38.0 42.7 Pour Point oC <-50 -32.5 -2.5 -16 Oxidation stability*3 h >48 >48 >48 -Cetane number 51.9 66.7 73.1 -Distillation T10 ºC 287.0 332.5 344.5 215 T50 ºC 289.0 336.0 350.5 272 T90 ºC 289.5 338.0 365.7 338 100% Carbon Residue mass% 0.02 0.002 0.001 ND Carbon mass% 75.0 76.9 78.3 86.1 Hydrogen mass% 12.5 12.8 13.0 13.7 Oxygen mass% 12.5 10.3 8.7 <0.1 Lubricity*4 μm 433 386 193 -*1 15ºC, *2 40ºC , *3 Induction period evaluated with Rancimat test (EN14112) *4 Size of wear scar after High Frequency Reciprocating Rig (HFRR) test 以上のようなニート使用時の機関性能および排気特性を踏 まえると，表 1 に示した脂肪酸エステルのうち，2H-16（セタ ―――――――――――――――――――――――――――― *2013 年 5 月 7 日受理． 1)･3)･4)滋賀県立大学(522-8533 滋賀県彦根市八坂町 2500) 2)滋賀県立大学大学院（同上） 5)ライオン(株)( 132-0035 東京都江戸川区平井 7-2-1) (E-mail:[email protected])
ン価73.1，流動点-2.5℃）は軽油に混合するとセタン価向上剤 としての効果を示す可能性がある．また，2H-12（セタン価 66.7， 流動点-32.5℃）については，セタン価向上剤と共に流動点降 下剤としての効果も期待できる． そこで本研究では，軽油に比べて着火性の高い2H-16，およ び着火性と低温流動性が共に高い2H-12 を軽油に混合するこ とによる，軽油の燃料性状およびディーゼル燃焼特性改善の 可能性を明らかにすることを目的とした．そのためにまず， 燃料性状に及ぼす2H-12 および 2H-16 混合濃度の影響を調査 した．さらに，種々の混合濃度の燃料を用いてエンジンベン チ試験を行い，混合濃度と機関性能および排気特性の関係を 明らかにした． 2．脂肪酸 2 エチルヘキシルの混合が燃料性状に及ぼす影響 本研究では，ラウリン酸 2 エチルヘキシル（ライオン(株) 製，純度99%），およびパルミチン酸 2-エチルヘキシル（同 社製，純度97%）を，それぞれ JIS2 号軽油に 10 ～ 50vol%混 合した燃料の性状を評価した． 図1 に，2H-12 および 2H-16 の混合濃度に対する流動点の 変化を示す．なお，流動点は自動流動点・曇り点試験器（田 中化学機器製作株式会社製 MPC-102A 形）を用いて，空気加 圧法（ASTM D6749）により測定した．図 1 より，流動点 -32.5℃ の2H-12 を JIS 2 号軽油（流動点 -16℃）に混合すると，混合 濃度の増加に対してほぼ線形に流動点が低下することがわか る．一方，2H-16 の流動点（-2.5℃）は JIS2 号軽油よりも高い ため，これを軽油に混合すると流動点は単調に上昇すると予 想していた．しかし，実際には2H-16 の濃度を高めていくと， 流動点は一旦低下して10vol%において約-20℃の極小値をと り，20vol%を越える濃度では軽油よりも高くなった．このよ うに，軽油よりも流動点の高い2H-16 を少量混合することに より流動点がかえって低下する理由については，側鎖を有す る脂肪酸エステルを軽油中に少量分散させると，それが軽油 中の長鎖パラフィンの凝集と結晶化を阻害するためと考えて いる．
0
50
100
Blend ratio vol%
-30
-20
-10
0
P
ou
r p
oi
nt
º
C
-40
2H-16
2H-12
Fig.1 Effect of 2H-16, 2H-12 blend on pour point
図2 は，2H-12 および 2H-16 の混合による，着火性の変化 を示す．着火性はFIA セタン価 CNFIAにより評価した．ここ で，FIA セタン価は，定容燃焼装置（Fueltech 製 FIA-100）を 用いて測定した試料の着火遅れ時間を，セタン価標準燃料の それと比較することにより算出したセタン価である．図2 よ り，2H-12，2H-16 のいずれを混合しても着火性は単調に増加 すること，および2H-16 を混合した方がセタン価は大きく向 上することがわかる． 以上の結果より，2H-12 を軽油に混合すると低温流動性と着 火性が共に向上すること，2H-16 については，20vol%程度ま での混合濃度であれば，低温流動性を損ねることなく着火性 が向上することが明らかとなった．
40
100
C
N
FI A80
60
0
50
100
Blend ratio vol%
2H-16
2H-12
Fig.2 Effect of 2H-16, 2H-12 blend on CNFIA
3．脂肪酸エチルヘキシル混合軽油のディーゼル燃焼特性 3.1 �試機関および実験�� エンジンベンチ試験には，コモンレール噴射装置（デンソ ー製 ECD-U2）を備えた水冷単気筒 4 サイクル直噴式ディー ゼル機関（日産ディーゼル製FD-1）を用いた．表 2 に，試験 機関の主要諸元を示す． 実験中は，燃焼室内圧力をピエゾ式圧力センサー（KISTLER 6053C）により，燃料噴射弁ニードルリフト量をホール素子式 ギャップセンサーによりそれぞれ検出し，それらの信号を燃 焼解析装置（横河電機DL750）に取り込み，指圧線図解析を 行った．また，排気中の一酸化炭素濃度CO を ND-IR 式分析
Table 2 Engine specifications
Engine type Direct-injection diesel engine Single cylinder，Water cooled Bore×Stroke 108mm×115mm
Displacement 1053cm3 Compression ratio 18.1：1
Combustion chamber Re-entrant type (d/D=0.49) Fuel injection Common-rail injection Injection nozzle 0.18mm×5holes, =150º
計（ベスト測器BCC-661AS）により，全未燃炭化水素濃度 THC をH-FID 計（ファームテック EXLⅡ-311）により，窒素酸化 物濃度NOx を化学発光分析計（ヤナコ ECL-88AO）によりそ れぞれ測定した．排気黒煙濃度Smoke はボッシュ式スモーク メータ（ZEXEL DSM-10）により測定した．さらに，排気微 粒子 PM を，マイクロダイリューショントンネル（エフテク ノMIT-2000）を用いて捕集し秤量するとともに，ジクロロメ タン溶媒を用いたフィルターソーク法により，全微粒子 PM を可溶有機成分SOF と不可溶成分 ISF に分離して秤量した． 供試燃料には，JIS2 号軽油に 2H-12，2H-16 をそれぞれ 10， 20，50vol% 混合したものを用いた．実験中は，冷却水温度を 80℃に保ち，機関回転数を 1800rpm 一定，燃料噴射圧力を 100MPa一定とした．燃料噴射時期 jは-6°ATDCから3°ATDC の間で変化させた．また，供試機関の定格トルク付近での性 能・排気特性を把握するために，正味平均有効圧力BMEP を 0.6MPa 一定とした． 3.2 実験��および考� 3.2.1 脂肪酸 2 エチル��シルの混合濃度の変化が性能およ び排気特性に及ぼす影響 2H-12 および 2H-16 混合軽油を用いてエンジンベンチ試験 を行い，混合濃度の変化が燃焼特性に及ぼす影響を調べた． 図3 は，(a) 2H-12 および (b) 2H-16 を種々の濃度で混合した軽 油を用いた場合の，筒内圧力p，熱発生率 ROHR，ニードルリ フトhzのクランク角経過を示す．正味平均有効圧力はBMEP = 0.6MPa で一定，燃料噴射時期はj = -3ºATDC 一定とした．熱 発生率のクランク角経過を見ると，2H-12 および 2H-16 の混 合濃度が増加するにつれて，実機関においても熱発生開始時 期が早くなることが分かる．図4 は，図 3 の熱発生率から求 めた混合濃度と着火遅れの関係を示す．2H-12 および 2H-16 のいずれを混合した場合も，混合濃度が0%から 50vol%まで 上昇する間で着火遅れは約 1ºCA 度減少し，50vol%以上では 着火遅れはほとんど変化しないことがわかる． さらに，図3 によると 2H-12 および 2H-16 の混合濃度の増 加とともに，熱発生開始直後の予混合的燃焼に伴う急峻な熱 発生率ピークが抑制される．これは，着火遅れの減少によっ て予混合気形成に許される時間が短くなることにくわえて， 高沸点の脂肪酸エステルの混合によって燃料の気化性が低下 するために，熱発生開始までに形成される予混合気量が減少 することが原因と考えられる．このように，予混合的燃焼が 抑制されたことにより，着火直後の圧力上昇が穏やかになり， 筒内最高圧力も低く抑えられる． 以上のような燃料混合による燃焼特性の変化が，機関の熱
0
1
2
2
4
6
8
Crank angle ºATDC
30
-10
TDC
10
20
50
25
75
0
h
za.
u.
R
O
H
R
J
/d
eg
.
p
M
Pa
100
125
BMEP=0.6MPa
j=-3 ºATDC
20vol% 50vol% 2H-12 100vol% 0vol%(a) 2H-12
0
1
2
2
4
6
8
Crank angle ºATDC
30
-10
TDC
10
20
50
25
75
0
h
za.
u.
R
O
H
R
J
/d
eg
.
p
M
P
a
100
125
BMEP=0.6MPa
j= -3 ºATDC
20vol% 50vol% 2H-16 100vol% 0vol%(b) 2H-16
Fig.3 In-cylinder pressure p, rate of heat release ROHR, and nozzle needle-lift h
z0
50
100
blend ratio vol%
2
3
4
2H-16
2H-12
ン価73.1，流動点-2.5℃）は軽油に混合するとセタン価向上剤 としての効果を示す可能性がある．また，2H-12（セタン価 66.7， 流動点-32.5℃）については，セタン価向上剤と共に流動点降 下剤としての効果も期待できる． そこで本研究では，軽油に比べて着火性の高い2H-16，およ び着火性と低温流動性が共に高い2H-12 を軽油に混合するこ とによる，軽油の燃料性状およびディーゼル燃焼特性改善の 可能性を明らかにすることを目的とした．そのためにまず， 燃料性状に及ぼす2H-12 および 2H-16 混合濃度の影響を調査 した．さらに，種々の混合濃度の燃料を用いてエンジンベン チ試験を行い，混合濃度と機関性能および排気特性の関係を 明らかにした． 2．脂肪酸 2 エチルヘキシルの混合が燃料性状に及ぼす影響 本研究では，ラウリン酸 2 エチルヘキシル（ライオン(株) 製，純度99%），およびパルミチン酸 2-エチルヘキシル（同 社製，純度97%）を，それぞれ JIS2 号軽油に 10 ～ 50vol%混 合した燃料の性状を評価した． 図1 に，2H-12 および 2H-16 の混合濃度に対する流動点の 変化を示す．なお，流動点は自動流動点・曇り点試験器（田 中化学機器製作株式会社製 MPC-102A 形）を用いて，空気加 圧法（ASTM D6749）により測定した．図 1 より，流動点 -32.5℃ の2H-12 を JIS 2 号軽油（流動点 -16℃）に混合すると，混合 濃度の増加に対してほぼ線形に流動点が低下することがわか る．一方，2H-16 の流動点（-2.5℃）は JIS2 号軽油よりも高い ため，これを軽油に混合すると流動点は単調に上昇すると予 想していた．しかし，実際には2H-16 の濃度を高めていくと， 流動点は一旦低下して10vol%において約-20℃の極小値をと り，20vol%を越える濃度では軽油よりも高くなった．このよ うに，軽油よりも流動点の高い2H-16 を少量混合することに より流動点がかえって低下する理由については，側鎖を有す る脂肪酸エステルを軽油中に少量分散させると，それが軽油 中の長鎖パラフィンの凝集と結晶化を阻害するためと考えて いる．
0
50
100
Blend ratio vol%
-30
-20
-10
0
P
ou
r p
oi
nt
º
C
-40
2H-16
2H-12
Fig.1 Effect of 2H-16, 2H-12 blend on pour point
図2 は，2H-12 および 2H-16 の混合による，着火性の変化 を示す．着火性はFIA セタン価 CNFIAにより評価した．ここ で，FIA セタン価は，定容燃焼装置（Fueltech 製 FIA-100）を 用いて測定した試料の着火遅れ時間を，セタン価標準燃料の それと比較することにより算出したセタン価である．図2 よ り，2H-12，2H-16 のいずれを混合しても着火性は単調に増加 すること，および2H-16 を混合した方がセタン価は大きく向 上することがわかる． 以上の結果より，2H-12 を軽油に混合すると低温流動性と着 火性が共に向上すること，2H-16 については，20vol%程度ま での混合濃度であれば，低温流動性を損ねることなく着火性 が向上することが明らかとなった．
40
100
C
N
FI A80
60
0
50
100
Blend ratio vol%
2H-16
2H-12
Fig.2 Effect of 2H-16, 2H-12 blend on CNFIA
3．脂肪酸エチルヘキシル混合軽油のディーゼル燃焼特性 3.1 �試機関および実験�� エンジンベンチ試験には，コモンレール噴射装置（デンソ ー製 ECD-U2）を備えた水冷単気筒 4 サイクル直噴式ディー ゼル機関（日産ディーゼル製FD-1）を用いた．表 2 に，試験 機関の主要諸元を示す． 実験中は，燃焼室内圧力をピエゾ式圧力センサー（KISTLER 6053C）により，燃料噴射弁ニードルリフト量をホール素子式 ギャップセンサーによりそれぞれ検出し，それらの信号を燃 焼解析装置（横河電機DL750）に取り込み，指圧線図解析を 行った．また，排気中の一酸化炭素濃度CO を ND-IR 式分析
Table 2 Engine specifications
Engine type Direct-injection diesel engine Single cylinder，Water cooled Bore×Stroke 108mm×115mm
Displacement 1053cm3 Compression ratio 18.1：1
Combustion chamber Re-entrant type (d/D=0.49) Fuel injection Common-rail injection Injection nozzle 0.18mm×5holes, =150º
計（ベスト測器BCC-661AS）により，全未燃炭化水素濃度 THC をH-FID 計（ファームテック EXLⅡ-311）により，窒素酸化 物濃度NOx を化学発光分析計（ヤナコ ECL-88AO）によりそ れぞれ測定した．排気黒煙濃度Smoke はボッシュ式スモーク メータ（ZEXEL DSM-10）により測定した．さらに，排気微 粒子PM を，マイクロダイリューショントンネル（エフテク ノMIT-2000）を用いて捕集し秤量するとともに，ジクロロメ タン溶媒を用いたフィルターソーク法により，全微粒子 PM を可溶有機成分SOF と不可溶成分 ISF に分離して秤量した． 供試燃料には，JIS2 号軽油に 2H-12，2H-16 をそれぞれ 10， 20，50vol% 混合したものを用いた．実験中は，冷却水温度を 80℃に保ち，機関回転数を 1800rpm 一定，燃料噴射圧力を 100MPa一定とした．燃料噴射時期 jは-6°ATDCから3°ATDC の間で変化させた．また，供試機関の定格トルク付近での性 能・排気特性を把握するために，正味平均有効圧力BMEP を 0.6MPa 一定とした． 3.2 実験��および考� 3.2.1 脂肪酸 2 エチル��シルの混合濃度の変化が性能およ び排気特性に及ぼす影響 2H-12 および 2H-16 混合軽油を用いてエンジンベンチ試験 を行い，混合濃度の変化が燃焼特性に及ぼす影響を調べた． 図3 は，(a) 2H-12 および (b) 2H-16 を種々の濃度で混合した軽 油を用いた場合の，筒内圧力p，熱発生率 ROHR，ニードルリ フトhzのクランク角経過を示す．正味平均有効圧力はBMEP = 0.6MPa で一定，燃料噴射時期はj = -3ºATDC 一定とした．熱 発生率のクランク角経過を見ると，2H-12 および 2H-16 の混 合濃度が増加するにつれて，実機関においても熱発生開始時 期が早くなることが分かる．図4 は，図 3 の熱発生率から求 めた混合濃度と着火遅れの関係を示す．2H-12 および 2H-16 のいずれを混合した場合も，混合濃度が0%から 50vol%まで 上昇する間で着火遅れは約1ºCA 度減少し，50vol%以上では 着火遅れはほとんど変化しないことがわかる． さらに，図3 によると 2H-12 および 2H-16 の混合濃度の増 加とともに，熱発生開始直後の予混合的燃焼に伴う急峻な熱 発生率ピークが抑制される．これは，着火遅れの減少によっ て予混合気形成に許される時間が短くなることにくわえて， 高沸点の脂肪酸エステルの混合によって燃料の気化性が低下 するために，熱発生開始までに形成される予混合気量が減少 することが原因と考えられる．このように，予混合的燃焼が 抑制されたことにより，着火直後の圧力上昇が穏やかになり， 筒内最高圧力も低く抑えられる． 以上のような燃料混合による燃焼特性の変化が，機関の熱
0
1
2
2
4
6
8
Crank angle ºATDC
30
-10
TDC
10
20
50
25
75
0
h
za.
u.
R
O
H
R
J
/d
eg
.
p
M
Pa
100
125
BMEP=0.6MPa
j=-3 ºATDC
20vol% 50vol% 2H-12 100vol% 0vol%(a) 2H-12
0
1
2
2
4
6
8
Crank angle ºATDC
30
-10
TDC
10
20
50
25
75
0
h
za.
u.
R
O
H
R
J
/d
eg
.
p
M
P
a
100
125
BMEP=0.6MPa
j= -3 ºATDC
20vol% 50vol% 2H-16 100vol% 0vol%(b) 2H-16
Fig.3 In-cylinder pressure p, rate of heat release ROHR, and nozzle needle-lift h
z0
50
100
blend ratio vol%
2
3
4
2H-16
2H-12
効率および各種エミッションに及ぼす影響を調べた．図5 は， 軽油に対する2H-12 および 2H-16 の混合濃度と，正味熱効率 および各種排気濃度の関係を示す．実験条件は図3 と等しく， j = -3ºATDC，BMEP = 0.6MPa である．まず，2H-16 混合燃料 の正味熱効率 eについて見ると，混合濃度が増加するにつれ てeは徐々に向上する．ここで，混合濃度0～20vol% の間で eが向上する理由は，図4 で述べたように，この濃度範囲で 着火時期が早くなり，発熱等容度が増加するためである．一 方，着火時期がほとんど変化しない20vol%よりも高濃度側に おいてeが徐々に向上する理由は，上死点付近での予混合的 燃焼が抑制されることにより，壁面熱損失が減少するためと 考えられる(5)．一方，2H-12 を混合した場合も，図 4 が示すよ うに着火時期が早くなるため，20vol%付近まではeが向上す るが，混合濃度を20vol%以上に高めるとeはやや低下する結 果となった．これは，図3 に示すように，2H-12 を 20vol%以 上混合した場合の着火直後の予混合的燃焼に伴う熱発生率の ピーク値は，2H-16 を混合した場合に比べて高いことから，高 濃度混合時の壁面熱損失の低減量が小さいためと考えられる． ただし，20vol%付近での 2H-12 混合燃料の熱効率は，2H-16 混合燃料よりも高い．これは，20vol%付近における 2H-12 混 合燃料排気中の一酸化炭素CO，排気黒煙濃度 Smoke が，2H-16 のそれらに比べて低いことから，この条件では2H-12 混合燃 料の方が，燃焼効率が高いためと考えられる． 窒素酸化物NOx の排出量は，2H-12 および 2H-16 のいずれ を混合した場合も，混合濃度に対してほぼ単調に減少する． これは，図3 に示したように，2H-12 および 2H-16 の混合に よって予混合的燃焼が抑制され，上死点付近での筒内ガス温 度の上昇が抑制されたためである． 全未燃炭化水素THC について見ると，2H-12 および 2H-16 のいずれを混合した場合も，混合濃度を20％とすると，THC は混合濃度0%（軽油）の場合に比べて約 45%減少する．この ように，混合濃度0～20%の間でTHC が減少する主な理由は， 混合により着火遅れが短くなるため，過度に希薄な軽油－空 気混合気の形成が抑制されたためと考えている．なお，排気 黒煙濃度に関する考察において後述するように，混合濃度 20%付近では過濃混合気が燃焼に関与したと推察されるが，そ れらはガス状未燃炭化水素とはならず，高温を経てススを形 成したと推察している．一方，混合濃度を20％以上に高めて も，THC 排出量はほぼ一定値を示す．これは，気化性の低い 脂肪酸エチルヘキシルの割合が増加して，混合気形成が抑制 されるものの，燃料中の含酸素率が混合濃度に比例して高く なるので，未燃炭化水素の排出につながる過濃混合気の量が 一定に保たれた結果と考えている． 微粒子PM は，2H-12 および 2H-16 のいずれを混合しても一 旦低下し，混合濃度が約20vol%のときに極小となるが，混合 濃度を 50vol%以上に高めると再び増加して，100vol%では軽 油運転時よりも高くなる．このようなPM の変化は，PM 中の 可溶有機成分SOF の増減によるものであり，混合濃度に対し
N
O
x
g/
kW
h
e%
40
35
30
0
50
100
blend ratio vol%
1
0.5
TH
C
g
/kW
h
0
6
4
8
C
O
g
/kW
h
2
1
0
2H-12 2H-16P
M
g
/k
W
h
S
O
F
g/
kW
h
S
m
ok
e
B
S
U
2
1
0
1
0
0
2
IS
F
g/
kW
h
2
3
1
4
1
0
2
0
50
100
blend ratio vol%
2H-12 2H-16
Fig.5 Effect of blend ratio on the thermal efficiency and exhaust emissions
てSOF が増減する理由は以下のように考えている．すなわち， 2H-12 または 2H-16 の混合濃度を 20vol%程度とすると，着火 遅れが短くなることによって燃焼室壁面に付着して未燃のま ま排出される燃料液滴の量が減少し，SOF は一旦減少する． しかし，混合濃度がさらに高くなると，2H-12 および 2H-16 はいずれも軽油に比べて気化性が低いために，それらが燃焼 室壁面に付着するようになりSOF は再び増加したと考えられ る． 一方，排気黒煙濃度Smoke は，2H-12 および 2H-16 のいず れを混合した場合も，混合濃度が20vol%程度のときに高い値 を示した．これは，図4 に示したように，約 20vol%の混合に よって着火遅れが短くなった結果，燃料と空気の混合が不十 分な状態で燃焼が開始してしまうためである．しかし，混合 濃度を50vol% よりも高くすると，着火遅れはほとんど変化し ないが，燃料中の酸素含有率が増加するために，Smoke は再 び減少し，100vol%では再びほぼ 0BSU となる． 3.2.2 混合燃料の排気特性に�ぼす噴射時期の�� 前項で述べたように，高着火性の2H-12 または 2H-16 を軽 油に混合することによって，熱効率，NOx，THC および PM 排出量を改善できるが，混合濃度が20vol%付近では燃料中の 含酸素率が低い状態で着火遅れが短くなるため，排気黒煙が 著しく悪化することが明らかとなった．そこで，Smoke の悪 化が比較的小さい混合濃度50vol% の条件について，燃料噴射 時期の調整によって排気黒煙の改善を試みた． 図6 は，2H-12 および 2H-16 の混合濃度を 50vol%一定のも とで，燃料噴射時期をj = - 6 ～ 3 ºATDC の間で変化させたと きのNOx と正味燃料消費率 BSFC，着火遅れ，Smoke， PM， THC，CO のトレードオフ関係を示す．正味平均有効圧力は図 5 の条件と等しく BMEP = 0.6MPa 一定である．図より，2H-16 混合燃料に関しては，j = - 3 ºATDC のときに Smoke，CO は ともに最低となり，それよりもj を早めると NOx が増加する とともに，着火遅れがさらに短くなってSmoke，CO も増加し た． 一方，2H-12 混合燃料に関しては，燃料噴射時期を -3 ºATDC よりも遅い 0 ºATDC とし，着火遅れを長くすることにより， BSFC の増加は招くものの，THC を増加させることなく，NOx， Smoke および CO を同時に低減できることが明らかとなった． �．ま と め 本研究では，着火性と低温流動性にすぐれたパーム／ヤシ 由来脂肪酸エチルヘキシルを軽油に混合することによる，燃 料性状および燃焼特性改善の可能性について検討を行った． 以下に得られた結果を要約して示す． (1) 2H-12 を軽油に混合すると，低温流動性および着火性がと もに向上する．2H-16 を軽油に混合する場合，約 20vol%まで の混合濃度であれば低温流動性を悪化させることなく，着火 性が向上する． (2) 2H-12 または 2H-16 を軽油に混合することによって，同一 燃料噴射時期のもとでの着火遅れが短くなり予混合的燃焼が 抑制されるために，熱効率が向上し，窒素酸化物排出量が減 少する．さらに，混合濃度が約20vol%のときには微粒子中の 可溶有機成分の排出量も減少する． (3) 2H-12 または 2H-16 を軽油に混合すると，未燃炭化水素排 出量が減少する．この原因は，燃料の気化性が低下して過度
6
2
3
1
0
230
240
8
NOx g/kWh
4
5
6
7
3
5
4
3
2
270
260
250
j=3ﾟATDC 0ﾟ -3ﾟ -6ﾟ 2H-16 50vol% 2H-12 50vol%2
1
0
1
0.5
0
0
2
1
8
NOx g/kWh
4
5
6
7
3
j=3ﾟATDC 0ﾟ -3ﾟ -6ﾟ効率および各種エミッションに及ぼす影響を調べた．図5 は， 軽油に対する2H-12 および 2H-16 の混合濃度と，正味熱効率 および各種排気濃度の関係を示す．実験条件は図3 と等しく， j = -3ºATDC，BMEP = 0.6MPa である．まず，2H-16 混合燃料 の正味熱効率 eについて見ると，混合濃度が増加するにつれ てeは徐々に向上する．ここで，混合濃度0～20vol% の間で eが向上する理由は，図4 で述べたように，この濃度範囲で 着火時期が早くなり，発熱等容度が増加するためである．一 方，着火時期がほとんど変化しない20vol%よりも高濃度側に おいてeが徐々に向上する理由は，上死点付近での予混合的 燃焼が抑制されることにより，壁面熱損失が減少するためと 考えられる(5)．一方，2H-12 を混合した場合も，図 4 が示すよ うに着火時期が早くなるため，20vol%付近まではeが向上す るが，混合濃度を20vol%以上に高めるとeはやや低下する結 果となった．これは，図3 に示すように，2H-12 を 20vol%以 上混合した場合の着火直後の予混合的燃焼に伴う熱発生率の ピーク値は，2H-16 を混合した場合に比べて高いことから，高 濃度混合時の壁面熱損失の低減量が小さいためと考えられる． ただし，20vol%付近での 2H-12 混合燃料の熱効率は，2H-16 混合燃料よりも高い．これは，20vol%付近における 2H-12 混 合燃料排気中の一酸化炭素CO，排気黒煙濃度 Smoke が，2H-16 のそれらに比べて低いことから，この条件では2H-12 混合燃 料の方が，燃焼効率が高いためと考えられる． 窒素酸化物NOx の排出量は，2H-12 および 2H-16 のいずれ を混合した場合も，混合濃度に対してほぼ単調に減少する． これは，図3 に示したように，2H-12 および 2H-16 の混合に よって予混合的燃焼が抑制され，上死点付近での筒内ガス温 度の上昇が抑制されたためである． 全未燃炭化水素THC について見ると，2H-12 および 2H-16 のいずれを混合した場合も，混合濃度を20％とすると，THC は混合濃度0%（軽油）の場合に比べて約 45%減少する．この ように，混合濃度0～20%の間でTHC が減少する主な理由は， 混合により着火遅れが短くなるため，過度に希薄な軽油－空 気混合気の形成が抑制されたためと考えている．なお，排気 黒煙濃度に関する考察において後述するように，混合濃度 20%付近では過濃混合気が燃焼に関与したと推察されるが，そ れらはガス状未燃炭化水素とはならず，高温を経てススを形 成したと推察している．一方，混合濃度を20％以上に高めて も，THC 排出量はほぼ一定値を示す．これは，気化性の低い 脂肪酸エチルヘキシルの割合が増加して，混合気形成が抑制 されるものの，燃料中の含酸素率が混合濃度に比例して高く なるので，未燃炭化水素の排出につながる過濃混合気の量が 一定に保たれた結果と考えている． 微粒子PM は，2H-12 および 2H-16 のいずれを混合しても一 旦低下し，混合濃度が約20vol%のときに極小となるが，混合 濃度を50vol%以上に高めると再び増加して，100vol%では軽 油運転時よりも高くなる．このようなPM の変化は，PM 中の 可溶有機成分SOF の増減によるものであり，混合濃度に対し
N
O
x
g/
kW
h
e%
40
35
30
0
50
100
blend ratio vol%
1
0.5
TH
C
g
/kW
h
0
6
4
8
C
O
g
/kW
h
2
1
0
2H-12 2H-16P
M
g
/k
W
h
S
O
F
g/
kW
h
S
m
ok
e
B
S
U
2
1
0
1
0
0
2
IS
F
g/
kW
h
2
3
1
4
1
0
2
0
50
100
blend ratio vol%
2H-12 2H-16
Fig.5 Effect of blend ratio on the thermal efficiency and exhaust emissions
てSOF が増減する理由は以下のように考えている．すなわち， 2H-12 または 2H-16 の混合濃度を 20vol%程度とすると，着火 遅れが短くなることによって燃焼室壁面に付着して未燃のま ま排出される燃料液滴の量が減少し，SOF は一旦減少する． しかし，混合濃度がさらに高くなると，2H-12 および 2H-16 はいずれも軽油に比べて気化性が低いために，それらが燃焼 室壁面に付着するようになりSOF は再び増加したと考えられ る． 一方，排気黒煙濃度Smoke は，2H-12 および 2H-16 のいず れを混合した場合も，混合濃度が20vol%程度のときに高い値 を示した．これは，図4 に示したように，約 20vol%の混合に よって着火遅れが短くなった結果，燃料と空気の混合が不十 分な状態で燃焼が開始してしまうためである．しかし，混合 濃度を50vol% よりも高くすると，着火遅れはほとんど変化し ないが，燃料中の酸素含有率が増加するために，Smoke は再 び減少し，100vol%では再びほぼ 0BSU となる． 3.2.2 混合燃料の排気特性に�ぼす噴射時期の�� 前項で述べたように，高着火性の2H-12 または 2H-16 を軽 油に混合することによって，熱効率，NOx，THC および PM 排出量を改善できるが，混合濃度が20vol%付近では燃料中の 含酸素率が低い状態で着火遅れが短くなるため，排気黒煙が 著しく悪化することが明らかとなった．そこで，Smoke の悪 化が比較的小さい混合濃度50vol% の条件について，燃料噴射 時期の調整によって排気黒煙の改善を試みた． 図6 は，2H-12 および 2H-16 の混合濃度を 50vol%一定のも とで，燃料噴射時期をj = - 6 ～ 3 ºATDC の間で変化させたと きのNOx と正味燃料消費率 BSFC，着火遅れ，Smoke， PM， THC，CO のトレードオフ関係を示す．正味平均有効圧力は図 5 の条件と等しく BMEP = 0.6MPa 一定である．図より，2H-16 混合燃料に関しては，j = - 3 ºATDC のときに Smoke，CO は ともに最低となり，それよりもj を早めると NOx が増加する とともに，着火遅れがさらに短くなってSmoke，CO も増加し た． 一方，2H-12 混合燃料に関しては，燃料噴射時期を -3 ºATDC よりも遅い 0 ºATDC とし，着火遅れを長くすることにより， BSFC の増加は招くものの，THC を増加させることなく，NOx， Smoke および CO を同時に低減できることが明らかとなった． �．ま と め 本研究では，着火性と低温流動性にすぐれたパーム／ヤシ 由来脂肪酸エチルヘキシルを軽油に混合することによる，燃 料性状および燃焼特性改善の可能性について検討を行った． 以下に得られた結果を要約して示す． (1) 2H-12 を軽油に混合すると，低温流動性および着火性がと もに向上する．2H-16 を軽油に混合する場合，約 20vol%まで の混合濃度であれば低温流動性を悪化させることなく，着火 性が向上する． (2) 2H-12 または 2H-16 を軽油に混合することによって，同一 燃料噴射時期のもとでの着火遅れが短くなり予混合的燃焼が 抑制されるために，熱効率が向上し，窒素酸化物排出量が減 少する．さらに，混合濃度が約20vol%のときには微粒子中の 可溶有機成分の排出量も減少する． (3) 2H-12 または 2H-16 を軽油に混合すると，未燃炭化水素排 出量が減少する．この原因は，燃料の気化性が低下して過度
6
2
3
1
0
230
240
8
NOx g/kWh
4
5
6
7
3
5
4
3
2
270
260
250
j=3ﾟATDC 0ﾟ -3ﾟ -6ﾟ 2H-16 50vol% 2H-12 50vol%2
1
0
1
0.5
0
0
2
1
8
NOx g/kWh
4
5
6
7
3
j=3ﾟATDC 0ﾟ -3ﾟ -6ﾟの希薄な混合気の形成が抑制されるとともに，燃料の含酸素 率が増加して過濃な混合気塊が減少するためと推察した． (4) 2H-12 または 2H-16 を軽油に約 20vol%混合すると，排気黒 煙濃度が増加するが，20vol%よりも高めると排気黒煙濃度は 再び減少する．20vol%混合により排気黒煙が増加するのは， 着火遅れの短縮により燃料と空気の混合が不十分な状態のま ま燃焼が開始するためであり，20vol%以上の混合により減少 するのは，燃料中の酸素含有率が増加するためであるとそれ ぞれ推察した． 本研究の遂行に際し，滋賀県立大学大学院生 畑中亮二氏， 犬飼祐輔氏より多大の協力を得たことをここに記し謝意を表 す． � � 文 � (1)塩谷仁，後藤新一：パーム油メチルエステルの燃料性状に 関する研究，自動車技術会論文集，Vol.39, No.4, pp103-108 (2008) (2)河崎澄，井川達朗，山根浩二：バイオディーゼル燃料の燃 料組成および特性をもとにしたセタン価推定式, 自動車技術 会論文集, Vo.41, No.5, pp1167-1172 (2010) (3)木下英二, 植田裕, 高田聖士：パーム油イソブチルエステル のディーゼル燃焼特性, 自動車技術会論文集, Vol.40, No.5, pp1357-1362 (2009) (4)木下英二, 高田聖士, 笹川裕樹：パーム油バイオディーゼル の流動点改善とディーゼル燃焼,自動車技術会論文集, Vol.42, No.1, pp225-230 (2011) (5)鈴木貴志，狩野孝明，小出英延，彦坂知行：新規植物系変 圧器用電気絶縁油パームヤシ脂肪酸エステル（PFAE）の特性， 電気学会論文集B, Vol.129, No.8, pp975-979, (2009) (6)河崎澄, 渡邉勇太, 山根浩二, 近藤千尋, 狩野孝明：高い低 温流動性を有するパーム／ヤシ由来脂肪酸エチルヘキシルの ディーゼル燃焼特性, 自動車技術会論文集, Vol.43, No.5, pp1003-1008 (2012)
着火ロバスト性を考慮した圧縮着火機関の燃料設計
*
田中 大樹1) 染澤 俊介2) 佐古 孝弘3) 酒井 康行4) 安東 弘光5) 多田 卓矢6) 桑原 一成7)Fuel Design Concept for Robust Ignition Process in Compression Ignition Engines
Hiroki Tanaka Shunsuke Somezawa Takahiro Sako Yasuyuki Sakai Hiromitsu Ando Takuya Tada Kazunari Kuwahara
A fuel design concept for an HCCI engine to optimize a profile of heat release and achieve a robust ignition process has been proposed and applied to design the optimal methane-based blend. According to results from detailed chemical kinetic computations where ignition process chemistry of each component of the natural gas was analyzed, ethane indicates a low ignitability close to that of methane with an initial temperature below 800 K, but a higher ignitability close to those of propane, n-butane and isobutane with an initial temperature above 1100 K. And ethane indicates a higher heat release rate than those of the other components in a late stage of an ignition process. According to results from engine operating tests with a compression ratio of 28.0 : 1, a dual-component fuel of the main component of methane and the sub component of ethane demonstrates a lower COV of IMEP than those of the other dual-component fuels with the sub components of propane, n-butane and isobutane, when the timing of 10 % heat release is set at the same crank angle in the expansion stroke.
KEY WORDS: Heat Engine, Compression Ignition Engine, Homogeneous Charge Compression Ignition, Liquefied Petroleum Gas/Natural Gas/Hydrogen, Fuel Design, Chemical Kinetics, Engine Operating Test (A1)
1. ま え が き さまざまな燃料を用いた予混合圧縮着火機関の可能性が検 討されてきた．佐古らは，天然ガスという着火性が極めて低 い燃料を用いた予混合圧縮着火機関の成立要件について検討 を行った(1), (2)． 桑原らは，詳細化学反応モデルが記述する反応経路を解析 することによって，炭化水素の着火過程を以下の五つの過程 と七つの反応系に分割する考え方を提案した(3)．熱着火準備期 間は，H2O2ループ反応と燃料フラグメント反応による比較的 緩やかな熱発生が雰囲気温度を，水素・酸素系の連鎖分岐反 応が支配的となる熱着火点まで上昇させる過程である． LTO 準備期間／LTO（Low-Temperature Oxidation）期間／
NTC（Negative Temperature Coefficient）期間／熱着火準備期 間／熱着火期間 燃料系反応，燃料系フラグメント反応，H2O2ループ反応， 水素・酸素系反応，CO2反応など 予混合圧縮着火機関では，バルク燃焼による急激な熱発生 に加え，膨張行程で着火ロバスト性が低く，容易に燃焼変動 が生じることが問題である．これは，熱着火準備期間の緩や かな熱発生が膨張による内部エネルギーの低下に競い負ける ことに起因する． 本研究では，予混合圧縮着火機関の燃焼変動を抑止するこ とを意図した燃料設計コンセプトを提案し，天然ガス予混合 圧縮着火機関への適用を試みる．詳細化学反応計算によって， メタンCH4を主成分，エタンC2H6，プロパンC3H8，ノルマル ブタンn-C4H10，イソブタンi-C4H10のいずれかを副成分とする 二成分天然ガス模擬燃料の膨張行程における着火ロバスト性 を推測し，低機関回転速度・中負荷条件の実機試験によって コンセプトの妥当性を検証する． 2. 密閉定容系における化学反応計算 2.1. 計算方法 三好が開発した詳細化学反応モデル自動生成ソフトウェア KUCRS （ Knowledge-basing Utilities for Complex Reaction System）(4)-(6)によってCH4／C2H6／C3H8／n-C4H10／i-C4H10混 合燃料のモデルを作成した．このモデルは145 個の化学種と 658 個の素反応から構成される．化学反応計算ソフトウェア CHEMKIN-PRO を用い，CH4，C2H6，C3H8，n-C4H10，i-C4H10 のいずれかの単一成分燃料と空気（O2：21 vol. %，N2：79 vol. %） の混合気の着火について密閉定容系で0 次元計算を行った． 各単一成分燃料／空気混合気の初期燃料濃度を発熱量 32.20 MJ/m3相当，初期O2濃度を160.5 mol/m3，N2濃度を603.7 mol/m3 に設定した．これらの値は，当量比0.5，初期温度 1000 K，初 * 2013 年 5 月 24 日受理．2013 年 5 月 24 日自動車技術会春季学 術講演会において発表． 1)・2)・3) 大阪ガス（株）（554-0051 大阪市此花区酉島 6-19-9） 4)・5) 福井大学（910-8507 福井市文京 3-9-1） 6)・7) 大阪工業大学（535-8585 大阪市旭区大宮 5-16-1）
