ディーゼル機関における燃焼生成物及び燃料消費率低減に 関する研究

法政大学大学院理工学・工学研究科紀要 Vol.56(2015年3月） 法政大学

ディーゼル機関における燃焼生成物及び燃料消費率低減に 関する研究

―特にアルコール添加の影響―

A STUDY OF COMBUSTION PRODUCT AND FUEL CONSUMPTION RATE REDUCTION FOR DIESEL ENGINE

―ESPECIALLY EFFECTS OF THE ALCOHOL ADDITION―

折笠 聡一 Soichi ORIKASA 指導教員 川上忠重

法政大学大学院理工学研究科機械工学専攻修士課程

In late years, the global environmental problems and the energy efficiency problems become very serious. It is well known that for automotive diesel engines, low-particulate and low-NOx emissions are very much needed by using alcohol blend fuels and emulsified hydrocarbon fuels. It is due to control the flame temperature caused by oxygen and the calorific value in the alcohol blend fuels.

As the first step in this study, experiments have been carried out to determine the influence on fuel consumption rate and soot emissions for diesel engines by using the alcohol blended fuels.

The main conclusions are as follows;

1) The fuel consumption rate of alcohol blend fuel is almost the same value that of the light oil under high engine load.

2) Soot emission of the alcohol blend fuel is much lower than that of light oil at any load conditions.

3) It is possible to reduce the NOx emission by using alcohol blended fuels than that of light oil.

Key Words : Diesel Engine, Fuel Consumption Rate, Soot, Alcohol Fuel

１． 緒論

近年，CO₂をはじめとする温室効果ガスによる地球温 暖化が深刻化しているため，ディーゼルエンジンへの 注目が世界的に集まっているが，煤やNOxが高濃度に 排出されることが知られている．また，石油枯渇危機 のために使用燃料削減も重要な課題であり，ブラジル では燃料にエタノールを添加させ，燃料消費量を抑制 させている ¹⁾．一方，アルコールは酸素を含有してい るため，完全燃焼が促進され煤排出低減が可能になる．

本研究では，これらの観点から燃料改善による煤を はじめとする燃焼生成物及びそれに伴う燃料消費率増 加の抑制に着目した．軽油にアルコールを添加した混 合燃料を用いて，その混合割合が煤排出及び燃料消費 率に及ぼす影響について，検討を行った．

２． 実験装置

本 研 究 に 用 い ら れ る 供 試 機 関 は ， ヤ ン マ ー 社 製 TF70V-E 横型水冷 4 サイクルディーゼルエンジンであ る.Table.1 に本供試機関の諸元表，Fig.1 に実験装置

をそれぞれ示す．また，以下に本実験で使用した燃料 及び実験装置を示す．本実験では，吸排気系，燃料供 給系，冷却方式及び潤滑系などは標準仕様から変更し ていない．

（１）アルコール混合燃料

ベース燃料は軽油を用いた．使用するアルコールは ブタノールおよびプロパノールである．また，アルコ ール混合燃料の添加率𝑊は以下の式のように定義する．

W =

Volume of fuel

×100 (1.1)

まず，マグネチックスターラー（攪拌機）を 1500rpm で回転，攪拌しているところに各添加率に相当するブ タノールもしくはプロパノ－ルを混合させ，30 分間攪 拌を行った．燃料性状として，軽油のみ，ブタノール またはプロパノールの混合割合を 5，10，20vol%ずつ混 合させた燃料の全 7 種類の燃料を用いて測定が行われ た．界面活性剤としてオクタノールを 2vol%添加した．

なお本実験範囲内では，混合燃料の短時間での分離は 観察されていない．

（２）内燃機関性能総合試験装置

本実験では，東京メータ株式会社製 DWE-8/10R 内燃 機関性能総合試験装置を用い，吸入空気温度，吸入空 気圧力，吸入空気量，燃料消費時間，排気ガス圧力，

排気ガス温度，冷却水流量，冷却水入口温度，冷却水 出口温度，潤滑油温度，動力計回転速度を測定した．

（３）設定負荷率

東京メータ株式会社製 EA-10-L 空冷渦電流電気動力 計を用いて，設定負荷率を 100，110，75，50，25%とし，

それに対応する動力計制動荷重を加えた．

（４）排気ガス・煤の測定

排気ガスの測定には AVL 社製 DiCom-4000 を，煤の測 定には,Yanaco 社製のオパシメータ ALTAS-5100D をそ れぞれ使用した．機関を十分暖機運転した後，排気管 から排出された排気ガス・煤の一部を測定装置に導入 し計測する．

Table.1 Engine specifications

Engine type TF70V-E 4stroke cycle diesel engine Combustion system Direct injection

Cooling system Water-cooling Number of cylinder 1

Bore×Stroke 78mm×80mm

Displacement 0.382L

Valve system OHV

Injection pressure 11.8MPa Compression ratio 21.4

Rated output 4.8kW/2600rpm Maximum output 5.5kW/2600rpm

Fig.1 Experimental device

３． 実験結果及び考察

Fig.2に機関負荷条件に対する燃料消費率を，燃料性状

をパラメータとして示す．この図から明らかなように，

どの燃料性状においても機関負荷割合の増大に伴って，

燃料消費率は減少している．これは，高負荷においてエ ンジン出力が高くなることに起因して，燃料消費率が抑 制されたと思われる．また，本実験範囲内では，高負荷 領域において，アルコール単体の添加による著しい燃料 消費率の低減もしくは増加は観察されなかったが，低・

中負荷においては若干ではあるが，増加した．これは，

アルコール添加による発熱量低下によるものと考えられ る．

Fig2. Fuel Consumption Rate

Fig.3に機関負荷条件に対する排気温度を，燃料性状

をパラメータとして示す．この図から明らかなように，

どの燃料性状においても機関負荷割合の増大に伴って，

排気温度は増加している．これは，高負荷になるにつ れて燃料噴射量が増加していったためであると思われ る．ここで燃料性状に着目すると，アルコール添加燃 料を用いた場合においても，低・中負荷領域では軽油 とほぼ同程度の排気温度であるが，高負荷領域におい て，アルコール添加燃料の排気温度が若干ではあるが，

低下している．これは，アルコール添加による総発熱 量低下によるものと考えられる．

Fig.3 Exhaust Gas Temperature

Fig.4に機関負荷条件に対する煤排出濃度を，燃料性状

をパラメータとして示す．この図から明らかなように，

全ての燃料で，機関負荷率の増大に伴って煤濃度は増加

している．これは機関負荷の増加に伴う燃料噴射量の増 大により，余剰未燃部分が多く残留したことが要因であ ると推測される．また，燃料性状に注目すると，特にブ タノール添加燃料において，煤排出は全負荷領域で著し く低下している．これはアルコールに含まれる酸素の燃 焼促進効果に起因して，シリンダ内での完全燃焼が促進 されたことにより，煤排出が抑制されたためと考えられ る．

Fig.4 Soot Emission

Fig.5に機関負荷条件に対するNOx排出濃度を，燃料性

状をパラメータとして示す．この図から明らかなように，

負荷率の増大に伴ってNOx濃度が増加している．これは，

高負荷条件になるにつれ，燃料噴射量が増加したため，

その増加分に伴いシリンダ内の温度が上昇したことが原 因と思われる．また，アルコール添加燃料に注目すると，

特にブタノール10%及びプロパノール20%添加燃料にお いて，排出濃度が軽油と比較して減少している．これは，

アルコール添加による総発熱量低下により，NOx の排出 が抑制されたためと考えられる．

Fig.5 NOx Emission

Fig.6に機関負荷条件に対するHC排出濃度を，燃料性

状をパラメータとして示す．また，機関負荷率 25%以下 では，プロパノール 20%添加燃料のHC排出濃度増大が 確認されていることを明記しておく．この図から明らか なように，負荷率の増大に伴って HC 濃度が若干ではあ

るが増加している．これは，高負荷条件になるにつれ，

燃料噴射量が増加したため，その増加分に伴い未燃炭化 水素が多く残留したことが原因と思われる．また，アル コール添加燃料について注目すると，今回は軽油との大 きな差は観察されなかった．これは，アルコールに含ま れるO₂の燃焼促進効果と，アルコール添加による総発熱 量低下が同程度であったためと考えられる²⁾．

Fig.6 HC Emission

本実験範囲内において，前述のように煤及びNOx排出 の著しい低下が確認された．しかし、燃料消費率におい て，特に高負荷領域で大きな変化は確認されなかった．

今後は，煤と燃料消費量の同時低減を実現させるために 他のアルコール類添加についても検討していく予定であ る．

４． 結論

本研究では，ディーゼル機関におけるアルコール添加 燃料を用いた場合の煤及び燃料消費率に関する検討を行 った．以下に結果を示す．

1) アルコール添加燃料を用いた燃料消費率は，高負荷領 域において，ほぼ軽油と同程度である．

2) アルコール添加燃料において，煤排出濃度は，全負 荷領域において著しく減少する．

3) アルコール添加によりNOx排出濃度は，全負荷領域 において軽油と比較して低下する．

謝辞：本研究を行うに当たり終始ご指導いただきまし た川上忠重教授に深く感謝しお礼を申し上げま す．また実験装置に関して多くのご協力と助言 をいただきましたワークショップの田中康仁氏，

東京メータ(株)の田中智氏にも深く感謝いたし ます．

５． 参考文献

1) 横山伸也・芋生憲司，バイオマスエネルギー，

森北出版株式会社，(2009)，P90

2) 荒瀬 剛士，2012年度法政大学大学院修士論文，p92