著者川野大輔

(1)

国土交通省によるバイオマス燃料普及への取り組みーバイオマス燃料対応自動車開発促進事業の紹介‑

著者川野大輔

雑誌名第7回技術セミナー「燃料・燃焼制御によるディーゼル燃焼の低エミッション化の研究動向」

ページ 1‑27

発行年 2006‑01‑14

権利同志社大学エネルギー変換研究センター

URL http://doi.org/10.14988/re.2017.0000015746

(2)

国土交通省によるバイオマス燃料普及への取り組み

バイオマス燃料対応自動車開発促進事業の紹介

「燃料・燃焼制御によるディーゼル燃焼の低エミッション化の研究動向」

独立行政法人交通安全環境研究所環境研究領域川野大輔

同志社大学エネルギー変換研究センター技術セミナー

発表内容

背景と事業概要供試エンジンと燃料実験結果

まとめと今後の方向性

定常試験 JE05モード試験

(3)

発表内容

背景と事業概要

供試エンジンと燃料実験結果

まとめと今後の方向性

自動車からの車種別 CO

₂

排出量（平成 12 年度）

G軽乗用車 6.6 %

G, LPG乗用車 46.4 %

G軽貨物車 4.5 % G小型貨物車

3.1 % G普通貨物車

0.04 % G特種車

0.2 % Gバス 0.01 %

D乗用車 5.4 % D小型貨物車

6.5 % D普通貨物車

22.6 %

Dバス 1.6 %

D特種車 3.1 %

自動車からの CO₂排出総量 2.2億トン

環境省により推計 G : ガソリン自動車 D : ディーゼル自動車

ディーゼル車 39 %

ガソリン車 61 %

(4)

カーボンニュートラル

バイオマス燃料プラント

自動車 CO₂

植物

カーボンニュートラル

CO₂の吸収 CO₂の排出

バイオマス燃料の利用バイオマス燃料

の製造

バイオマス燃料対応自動車開発促進事業

「カーボンニュートラル」のバイオマス燃料を100 %で利用既存のディーゼル車をバイオマス燃料専用車に改良環境・安全面で満たすべき車両の対応技術を明確化

•NOx

•PM

•燃費

•出力

新長期規制の1/2(1.0 g/kWh) 新長期規制の1/4(0.007 g/kWh) 既存ディーゼルと同等以上既存ディーゼルと同等以上排出ガスの目標性能（JE05モード）

事業概要

0.0 0.1 0.2 0.3

0.0 2.0 4.0 6.0

NOx排出量[g/kWh]

PM排出量[g/kWh] ₁₉₉₇

JAPAN 2003 JAPAN

2005 JAPAN

2005 EURO4

2000 EURO3

1998 US 2004

US 2008 EURO5 2007

US

バイオディーゼル目標値

研究開発期間：平成16年度〜平成18年度

(5)

研究開発実施体制

茨城大学新エィシーイー

北海道大学

独立行政法人交通安全環境研究所

中核研究機関中核研究機関

政府政府

運輸低公害車普及機構

エンジン・車両の研究開発噴霧特性の実験解析燃料物性等の調査

エンジン基本特性の解析

研究開発業務の委託

発表内容

背景と事業概要供試エンジンと燃料実験結果

まとめと今後の方向性

(6)

エンジン諸元

シリンダー配置直列4気筒

ターボインタークーラー使用燃料低硫黄軽油（S10ppm軽油）

燃料噴射装置コモンレール式排出ガス低減装置クールEGR

DPF + NOx吸蔵還元触媒内径×行程（mm） 104×118

総排気量（L） 4,009

圧縮比 18.0

最高出力＜ネット＞ 110kW (150PS) / 3,000rpm

最高トルク＜ネット＞ 392N･m (40.0kg･m) / 1,600rpm

エンジンシステム概要

サプライポンプ EGRバルブ

吸気絞り弁

インタークーラー

EGRクーラー

EGRクーラー前酸化触媒

燃料添加弁

A/Fセンサーエキゾースト

リターダー

NOx吸蔵還元型三元触媒

差圧センサー排気温センサー酸化触媒 DPNR触媒付フィルターコモンレール圧センサー

インジェクタ−

A/Fセンサー

(7)

バイオマス燃料の製造工程

3CH₃OH

R¹COOCH₃ R²COOCH₃ R³COOCH₃

植物油メタノールメチルエステルグリセリンアルカリ触媒

＋

R¹, R², R³: 炭素数11〜17の炭化水素基（原料により異なる）

CH₂OCOR¹ CHOCOR² CH₂OCOR³

CH₂OH CHOH CH₂OH

エステル交換反応により，植物油をメチルエステル化

＋

セタン価小粘度大

セタン価大粘度小

（軽油に近い性状）

世界の主要なバイオマス燃料

菜種油メチルエステル

（RME）

パーム油メチルエステル

（PME）

大豆油メチルエステル

（SME）

密度(15℃) 粘度(40℃) 目詰まり点セタン価

: 0.884 g/cm³ : 4.310 mm²/s : -5 ℃ : 52.8 EN14214

ASTM D6751

密度(15℃) 粘度(40℃) 目詰まり点セタン価

: 0.888 g/cm³ : 4.234 mm²/s : -5 ℃

: 50.9 密度(15℃)

粘度(40℃) 目詰まり点セタン価

: 0.873 g/cm³ : 4.704 mm²/s : 11 ℃ : 50.0

(8)

燃料物性

2.0 3.0

[ppm]

硫黄分

-5.0 [℃] -9.0

目詰まり点

-5.0 [℃] -5.0

曇り点

-10.0 -27.5

[℃] 流動点

36,980 43,092

[kJ/kg]

発熱量

10.2

<0.1 O

12.0 13.8

H

77.0 86.1

C [wt.%]

CHO比

408.0 353.0

EP

345.0 332.5

90%

341.5 282.5

50%

339.5 204.5

10%

336.5 165.0

IBP

蒸留点 [℃]

52.8 58.3

セタン価 [-]

174.0 [℃] 64.0

引火点

4.310(40 ℃) 3.355(30 ℃)

[mm²/s]

動粘度

0.8835 0.8217

[g/cm³] 密度(15 ℃)

RME 軽油

物性項目

軽油

菜種油メチルエステル

（RME）

バイオマス燃料対応ディーゼルエンジン

NOx低減触媒の採用 NOx排出量の増加

強酸化触媒の採用 SOF排出量の増加

後処理装置

NOx排出量の増加

高EGR，高過給圧含酸素燃料

燃焼特性

シール材等の材質変更燃料配管の腐食・劣化

高噴射圧，小噴孔径化高密度，高粘度，低揮発

燃料噴射系

具体的対策バイオディーゼルの特徴

改善要素

(9)

発表内容

背景と事業概要供試エンジンと燃料実験結果

まとめと今後の方向性

出力性能

(10)

トルク・出力性能

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

軽油 RME

JE05運転ポイント

エンジン回転数[rpm]

トルク[Nm] 出力[kW]トルク

出力

定常運転における燃焼特性

(11)

燃焼特性（低負荷）

0 2 4 6 8 10

0 40 80 120 160

-60 -40 -20 0 20 40 60

0.0 0.2 0.4

筒内圧[MPa] 熱発生率[J/deg.]

クランク角[deg.CA ATDC]

ニードルリフト[mm]

エンジン回転数: 1600 rpm 正味平均有効圧: 0.13 MPa

軽油 RME モータリング

燃焼特性（中負荷）

0 2 4 6 8 10

0 40 80 120 160

-60 -40 -20 0 20 40 60

0.0 0.2 0.4

(12)

燃焼特性（高負荷）

0 2 4 6 8 10

0 40 80 120 160

-60 -40 -20 0 20 40 60

0.0 0.2 0.4

定常運転におけるNOx排出特性

(13)

NOx 排出特性

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 2 4 6 8

正味平均有効圧[MPa]

NOx排出量[g/kWh]

軽油（触媒後）

RME（触媒後）

軽油（触媒前）

RME（触媒前）

エンジン回転数: 1600 rpm

NOx 低減率

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 25 50 75 100

NOx低減率[%]

軽油 RME

(14)

軽油

RME

蒸留範囲

排気温度と蒸留温度

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 100 200 300 400 500

排気温度[℃]

軽油 RME

定常運転におけるPM排出特性

(15)

PM 排出特性

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08

PM排出量[g/kWh]

RME（触媒後）

RME（触媒前）

触媒前における粒子径分布（低負荷）

10 100 1000

0.0E5 5.0E5 1.0E6 1.5E6 2.0E6

粒子径[nm]

粒子数濃度[1/cm3]

軽油 RME

(16)

触媒前における粒子径分布（中負荷）

10 100 1000

粒子径[nm]

軽油 RME

0.0E5 5.0E5 1.0E6 1.5E6 2.0E6

触媒前における粒子径分布（高負荷）

10 100 1000

粒子径[nm]

軽油 RME

0.0E5 5.0E5 1.0E6 1.5E6 2.0E6

(17)

リッチスパイク噴射量の効果

0 50 100 150 200 250

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0

PM排出量[g/kWh]

リッチスパイク噴射期間[ms]

NOx排出量[g/kWh] _燃料：RME

エンジン回転数：1600 rpm BMEP：0.64 MPa 噴射間隔：8 s

定常運転におけるHC，CO排出特性

(18)

HC 排出特性

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

HC排出量[g/kWh]

RME（触媒後）

RME（触媒前）

CO 排出特性

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 1 2 3 4 5

CO排出量[g/kWh]

RME（触媒後）

RME（触媒前）

(19)

CO（触媒後）

HC（触媒後）

米国環境保護省による排出ガス測定結果

EPA420-P-02-001, (2002)

0 20 40 60 80 100

-80%

-70%

-60%

-50%

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

バイオマス燃料の混合割合[vol.%]

排出ガス低減率[%]

PM（触媒前）

CO（触媒前）

HC（触媒前）

PM (触媒後）

NOx（触媒後）

NOx（触媒前）

発表内容

背景と事業概要供試エンジンと燃料実験結果

まとめと今後の方向性

(20)

JE05 モード試験における排出ガス特性

軽油 RME

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.00 2.5

0.05 0.10 0.15

0.20 0.00

0.01 0.02 0.0 0.03

1.0 2.0 3.0

CO排出量[g/kWh]

HC排出量[g/kWh] PM排出量[g/kWh]

NOx排出量[g/kWh]

新長期規制値

(NMHC)

目標値

発表内容

背景と事業概要供試エンジンと燃料実験結果

まとめと今後の方向性

(21)

実験結果のまとめ

軽油，RME双方の着火遅れに相違はないが，筒内圧および熱発生率のピーク値は，RMEの方が軽油に比べて若干増加する．

RMEのNOx排出量は，触媒前で軽油と比べて増加することに加え，

RMEを用いた場合には触媒による浄化率が低下する．PM排出量に関しては，触媒前ではRMEの方が軽油と比べて排出量が少ないのに対して，触媒後では逆に増加する．HCおよびCO排出量は触媒の効果によりどちらの燃料も十分低い値を示す．

定常試験

HC，CO排出量は両燃料ともに極めて低いが，RMEでのNOx，PM排出量は軽油と比べて増加し，特にNOxに関しては両燃料とも新長期規制値をも上回った．なお，このJE05モード試験の結果は，定常試験の排出ガス試験結果と傾向が概ね一致する．

JE05 モード試験

低公害バイオディーゼルのための改良

高EGR

（NOxの低減）

高過給圧

（PMの低減）

高噴射圧，小噴孔径化

（良好な噴霧特性）

シール材等の材質変更

（耐久性の向上）

強酸化触媒

（SOFの低減）

リッチスパイクの最適化

（NOxの低減）

NOx吸蔵還元触媒

（NOxの低減）

(22)

ご静聴ありがとうございました

独立行政法人交通安全環境研究所独立行政法人交通安全環境研究所

http://www.ntsel.go.jp/

National Traffic Safety and Environment Laboratory National Traffic Safety and Environment Laboratory

Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS)

エンジンより排出される粒子

（ 5.6 〜 560nm ）の個数濃度および粒径分布を最大32ch で計測可能

リアルタイム（0.1秒毎）に計測でき，トランジェントモード時の粒子計測が可能

TSI社製 Model 3090

(23)

エンジンから排出される PM の構成

粒子径[nm]

1 10 100 1000

Nuclei mode Accumulation mode すす

SOF（可溶成分）

サルフェート

すすに吸着したSOF

HC 低減率

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 25 50 75 100

HC低減率[%]

軽油 RME

(24)

CO 低減率

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 25 50 75 100

CO低減率[%]

軽油 RME

NOx 排出量マップ ( 軽油 )

1200 1600 2000 2400 2800 3200

40 80 120 160 200 240 280 320

1.5

0.5 1.0

0.5 1.0 2.6

トルク[Nm]

0 1.0 2.0 3.1 4.1 5.1 6.2 7.2 8.2 [g/kWh]

(25)

NOx 排出量マップ (RME)

1200 1600 2000 2400 2800 3200

40 80 120 160 200 240 280 320

2.0

1.5 2.0 2.6 3.1 3.6

2.0 2.6 4.1

3.1 5.1

5.1

2.6 5.6

1.0 0

1.0 2.0 3.1 4.1 5.1 6.2 7.2 8.2 [g/kWh]

トルク[Nm]

バイオマス燃料対応ディーゼルエンジン

NOx低減触媒の採用 NOx排出量の増加

強酸化触媒の採用 SOF排出量の増加

後処理装置

NOx排出量の増加

高EGR，高過給圧含酸素燃料

燃焼特性

シール材等の材質変更燃料配管の腐食・劣化

高噴射圧，小噴孔径化高密度，高粘度，低揮発

燃料噴射系

具体的対策バイオディーゼルの特徴

改善要素

(26)

NOx 排出濃度の時間変化

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

経過時間[sec.]

0 1000 2000 3000

エンジン回転数 [rpm]

-200 -1000 100 200 300

トルク [Nm]

0 100 200 300 400

排気温度 [℃]

0 200 400 600 800

NOx濃度 [ppm]

軽油 RME

HC 排出濃度の時間変化

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0 1000 2000 3000

-200 -100 0 100 200 300

トルク [Nm]

0 100 200 300 400

排気温度 [℃]

軽油 RME

0 50 100 150

THC濃度 [ppm]

経過時間[sec.]

(27)

CO 排出濃度の時間変化

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0 1000 2000 3000

-200 -1000 100 200 300

トルク [Nm]

0 100 200 300 400

排気温度 [℃]

軽油 RME

0 25 50 75 100

CO濃度 [ppm]

経過時間[sec.]

PM 排出濃度の時間変化（軽油）

0 200

400 600

800 10001200140016001800 2000 0.0E5

2.0E5 4.0E5 6.0E5 8.0E5 1.0E6 1.2E6 1.4E6

0 100 200 300 400 500 粒子濃度[1/cm3]

経過時間[sec.] 粒子径[nm]

(28)

PM 排出濃度の時間変化（ RME ）

0 200

400 600

800 10001200140016001800 2000 0.0E5

2.0E5 4.0E5 6.0E5 8.0E5 1.0E6 1.2E6 1.4E6

0 100 200 300 400 500 粒子濃度[1/cm3]

経過時間[sec.] 粒子径[nm]

著者 川野 大輔

国土交通省によるバイオマス燃料普及への取り組み ーバイオマス燃料対応自動車開発促進事業の紹介‑