アルゴン循環型水素エンジンの試み
1. はじめに
往復動内燃機関はコンパクトで比較 的高い熱効率から，さまざまな分野に ひろく用いられており，さらなる高効 率化と低エミッションを目指して研 究・開発が進められている．近年，と りわけ究極の高熱効率を目指してアル ゴン循環型水素エンジンの実現が試み られている．これは，作動流体にアル ゴンのような単原子分子気体を用い て，その比熱比の高さを活用して高効 率化を目指すものである．本稿ではそ の原理と研究例について紹介する．
2. アルゴン循環型水素エンジン のコンセプト
一般的にガソリンエンジンのような 火花点火エンジンの理論サイクルは，
いわゆるオットーサイクルであり，そ のサイクルは図 1に示すように，断 熱圧縮－等積加熱－断熱膨張－等積冷 却で構成される．ここで，圧縮比をε，
作動流体の比熱比をκとすると，その 理論熱効率は以下のようになる．
ηth＝ 1 － 1/εκ-1
すなわち，εが大きいほど，あるい は
κ
が大きいほど熱効率は高くなり，その関係を図 2に示す．ここで，火 花点火エンジンの場合いわゆるノッキ ングと呼ばれる異常燃焼が生じるため にεはあまり大きくできない．また，
κは空気を仮定すると約 1.4 で，空気
－燃料の混合気であれば約 1.3 となり，
これらの値が理論サイクルの熱効率を 制限していることがわかる．ここで，
作動ガスを例えばアルゴンのように単 原子分子とすれば，κが約 1.6 程度と 大きくなるために，通常の空気あるい は空気－燃料混合気を用いた場合に比 べて飛躍的に高効率化が見込める．た だし，作動ガスに希ガスであるアルゴ ンを用いる場合，そのまま排気を大気 中に捨てずに吸気に戻さなければなら ないために，クローズドサイクルにす る必要がある．この際，排気中の燃焼 生成物を取り除かなければならない．
そこで，水素を燃料に用いれば燃焼生 成物が水だけとなるために排気を冷や
すだけで容易に分離することが可能で ある．このようなエンジンシステムの 基本コンセプトは京都大学の Ikegami らが 1982 年に提案している（1）．図 3 はその概略であり，エンジンに吸気す る前に酸素を添加し，筒内に直接水素 を噴射して，圧縮圧力・温度で自着火 燃焼させる．その後，排気は冷却水で 冷やされ，燃焼生成物の水を分離除去 す る． ま た， 同 様 の コ ン セ プ ト は 2010 年 に ト ヨ タ 自 動 車（ 株 ） の Kuroki らによって提案されている（2）． これは，ガソリンエンジンをベースと し，吸気に水素と酸素を加えるととも に，火花点火により燃焼させるもので ある．図 4によると，圧縮比および 燃料供給方法等を最適化することに よって，図示熱効率はベースとなった ガソリンエンジンの 38%から 54%に まで大幅に向上することがわかる．ま た，筒内に水素を直接噴射して自着火 燃焼させれば，ノッキングによる圧縮 比の制限を受けないために，さらに高 効率を目指せる可能性がある．この場 合，高温・高圧のアルゴン－酸素雰囲 気における水素噴流の自着火燃焼を制 御する必要があり，基礎的な実験研究 もなされている（3）．
3. おわりに
作動流体にアルゴンのような単原子 分子気体を用いて，その比熱比の高さ を活用して高効率エンジンの実現を試 みる取り組みについて述べた．クロー ズドシステム等実際上の課題も残るも のの，高効率エンジンの可能性に期待 したい．
（原稿受付 2012 年 10 月 23 日）
〔川那辺 洋 京都大学〕
●文 献
（ 1 ）Ikegami, M., Miwa, K. and Shioji, M., A Study of Hydrogen Fueled Compression Ignition Engines, Int. J. Hydrogen Energy,
7-4（1982）341-353.
（ 2 ）Kuroki, R., ほか , Study of High Efficiency Zero-Emission Argon Circulated Hydrogen Engine, SAE Paper, 2010-01-0581, （2010）.
（ 3 ）Mansor, M. R. A. , Nakao, S. , Nakagami, K.
and Shioji, M., Ignition Characteristics of Hydrogen Jets in an Argon-Oxygen Atmo- sphere, SAE Paper, 2012-01-1312, （2012）.
断熱膨張
断熱圧縮 3
1
2
2
4
1
図１ オットーサイクル
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
01 5 10 15
κ＝1.45 1.4 1.35 1.251.3 1.2
1.4 1.35 1.251.3 1.2
圧縮比ε 理論熱効率ηth
20 25 30
図２ オットーサイクルの熱効率
Argon＋O
2O
2H
2H
2O
Coolant Burned
gas
Condenser- separator
図３ クローズドシステムの概略（1）
Unburned Loss 100 1.2 25.7
35.0
Heal Balance（％）
38.0
Gasoline Air
9.8
12.2 41.5
2 0.30
＊N ηGC.101.325kPa 0.12
0.60
− 1
13.0 Ar＋O2
H2 44.6 48.3 51.0 54.0 30.3 26.0 24.3 24.3 19.8 23.7 23.5 20.6 5.3 2.0 1.2 0.7 80
60 40 20 0 Cooling Loss Exhaust Loss
Fuel Working Gas Compression Ratio
Number of Nozzle Holes IMEP（MPa）
Injection Rate（N cm3/msec）
Indicated Thermal Efficiency η
図４ 熱効率の変化
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日本機械学会誌 2013. 2 Vol. 116 No.1131 111
