團 エタノールを混合した火花点火機関の性能

NDC 533． 43

エタノールを混合した火花点火機関の性能

牧   暢 夫＊

（昭和61年8月29日受付）

1、二

言

 現在，石油資源の温存という観点から代替エネルギー，

あるいは代替燃料の利用技術を開発する必要が要請されて いる。それには次の条件を満たしていることが望ましいω。

（1）生産，輸送および貯蔵が大量にかつ低価格で可能なもの。

②輸送および貯蔵の設備は既存のもの，あるいは既存のも  のに小改良を加えて使える可能性のあるもの。

（3）常温で液体であるもの。

（4）燃料それ自体，および排気成分中に著しく有害成分を含  まないこと。もしくは後処理などによって浄・化できるこ  と。

（5）既存の燃料に比べて爆発の危険性が同等，もしくはそれ  以下であること。

（6）既存のエンジンの小改良で使用できる可能性のあるこ  と。

 メタノー一．ル，エタノールなどのアルコールは，以上の条 件にほぼ合致する有望な将来燃料の一つであるといえる。

 メタノールは天然ガス，石炭，木材，都市および産業廃 棄物などを原料とする合成燃料であり，エタノールは糖お よびでんぷんの成分が多い農産物を利用して発酵法で製造 する燃料である。

 本実験では理論空論比と比重がガソリンに近く，ガソリ ンとの混入が容易で機関運転も可能であることからエタ ノールを用いて実験を行った。

2．実験装置および実験方法

3．1実験装置

 実験は単シリンダ空冷4ストロークガソリン機関（ホン

ダG200S）排気量197 cc内径×行程67×56を用いた。燃

，最大トルクLOkg・m一・2800 rpm，常用出力3．6PS−

3600rpmである。

 実験装置の概略はFig．1に示す。回転数はスロットル と直流電気動力計13と配電盤14を調整し，回転数を3600 rpm，2000 rpmの2通りにし，ディストリビューター9に

1

2 3

1 1

10 9

7 4

161 1 17

6 12

15

回

1． orifice

2， manometer 3， surge−tank 4． lntake−pipe

5． burette

團1Q tacho rneter

11． digita［ counter 1 Z coupting

15， exhaust−pipe 16．thermo meter 17gas tester

Fig． 1 Schematic illustration of test apparatus．

＊機械工学科

り確認した。点火時期はディストリビューター9とフライ ホイール7にあるタイミングマークにタイミングライトの 光をあてて調整，確認を行った。荷重はフライホイールの

反対側にカップリング12で機関と直流電気動力計13を継

／ガソリンの割合を0／4，1／3，1／1，3／1，4／0に

ccを消費する時間を測定した。吸入空気量はオリフィス 1の前後の差圧をゲツチンゲンマノメーター2で測定し

潤滑油温度，シリンダ表面の温度は熱電対を用い温度計16 で測定した。排気ガスのCOとNOの測定は排気管15か

ら排気をとり，非分散型赤外線分析器17（NOについては AIA−23（AS＞型， COについてはMEXA＿200）によっ』

て分析した。

3．2実験方法

 実験方法はJISB 8013（小型陸用内燃機関性能試験方法）

によった。実験はアルコール濃度0，25，50，75，100％

に対しそれぞれ点火時期を5，10，20。BTDC，回転数を

一89一

津山高専紀要第24号（1986）

 一つの実験においては全負荷に対し1／4，2／4，3／4，4／4 負荷時の吸入空気差圧，燃料消費時間，燃焼室壁面の温度，

排気バルブ壁面の温度，潤滑油温度，．排気温度，シリンダ

表面の温度，排ガスのCOとNOの割合を測定した。

3．実験 結果

3．1性能特性

 3．1．1アルコール濃度と点火時期の関係

 最初にアルコールの濃度と点火時期を変えて機関性能の

測牢が可能だった範囲をFig．2に示す。このようにアル

コール濃度をふやせば，点火時期を遅らせることが必要に なってくることがわかる。

＋Gasoline：Ethand＝4：0 1．T．200 3600r．p．m．

一一一一 GasoLine T Ethano［＝ O：4 1．T． 5 3600 r， p．rn．

@ 

︵雫aαδ︶on

珈

㎜

．ケ

辱もr

N三／n〆

隔蕊一一 一〇．一一一一一

−「

P4

01 ︵㎝εoZム﹁   3

2

−O

100

 ε

．975花 L_豊

ヨ

．峯

E50 歪

3600 r．p．m．

♂200

10 5 1gnition timing （deg）

Fig． 2 Active region of Engine．

 本論文ではアルコールの濃度をふやした場合のエンジン 性能を知ることが目的であるため，両極端であるアルコー

ル100％の場合とガソリン100％の場合のエンジン性能の比 較を行ってみた。

 3．1．2負荷割合による各種性能の比較

 結果をFig．3に示す。ガソリン100％の場合とアルコー ル100％の場合をそれぞれ比較すると，出力ではガソリン

214

Fig． 3 Effect of Load．

6亀d

の方がアルコールに比べて優位であることがわかる。また 燃費率もガソリン100％の方が良い。しかしこの図の横軸 は負荷の割合でとってあるため，ガソリン100％の．場合と アルコール100％の場合の全負荷の値にはかなりの差があ り，同等の条件での比較にはならない。そこで次のような 比較を行った。

 3．1．3軸平均有効圧によ，る各種性能の比較

 結果をFig、4に示す。この図は横軸に軸平均有効圧を

これはアルコールの発熱量がガソリンに比べて小さいため と考えられる。そこでこれを使用エネルギーで比較したの がEで示す部分である。軸平均有効圧が小さいところでは，

アルコールの使用エネルギーはガソリンの使用エネルギー

 20 欝15

XIO

tr 5

 0

2^豊

S2000

U looo

D O

十 Gasotine IOOelo

一一一一

?鼈鼈鼈黶@Ethanot 100ei．

鴻一 ）ヒ

x

 一一一x．．． E

c，一一一：Bsc＝＝：K−o−e

夙

︵＝のαこ3荏︶山

   ㎡    X

O  l  2  3  4  5

      BME．R （kg／c m ）

 Fig．4 Effect of B． M． E． P．

一90一

エタノールを混合した火花点火機関の性能  牧

と比べてかなりの差がみられるが，中出力になってくると その差がぐっと少なくなっていることがわかる。これはエ ンジンを中出力で使用する限りではエネルギーに差のない ことを示している。さらに燃効率η．を見ると，低出力で はアルコールの方がかなり悪いと言えるが，中出力になる とガソリンとアルコールはかなり接近している。

 したがって，このエンジンの中出力使用時，アルコール 使用での最高限度域の運転では，ガソリン使用時と同程度 の性能が得られることがわかった。

 3．1．4エタノール100％試験

 全負荷においても，部分負荷においても今回の実験では エタノール100％でも運転することができた。これは実験 するにあたりオリフィスの径を小さくして流入空気量を減 らし，口曳比をエタノールの理論空燃比9に近づけたため に運転可能になったのだと思われる。しかしオリフィスで 流入空気量を調整するということは，この実験を可能にし たということだけである。実用的にするにはエタノールの 理論空燃比9の得られるキャブレターを使用せねばならな い。また点火時期もガソリンの場合よりも遅らし，最：も出 力の得られる時期に調整する必要がある。また発熱量がガ

ソリンに比べて低いのでガソリンと同出力を得るには多量 の燃料を必要とし，燃費率には大きな問題がある。

 このようにエタノール100％でも運転は可能であるが，

性能的にもコスト面でも多くの課題を解決する必要があ

る。

3． 2排気特性 3．2．1COについて

 軸平均有効圧と，ガソリンおよびアルコールのCO濃

（1）軸平均有効圧との関係

 （a）ガソリンの場合 Fig．5より低出力時は。％に近 くなっているが，中出日時になると大きく増加している。

さらに高出力になるにつれて再び減少している。

 CO発生の原因は空気（酸素）不足によるものである。

そこで空気過剰率λとの関係をみてみると，低出力時はλ

がλz＝1．00のためCOはほとんど発生しなかったと思わ れる。中出力詠はλが小さくなるためCOの発生が増加

し，高出力時になるといくぶんλが大きくなるためCO

 （b）アルコールの場合 Fig．5より低出力時から中出力

時にかけてあまり変化はなく，ほぼ一定のCO濃度であっ

② ガソリンとアルコールとの比較

 低出力時はCOの量はガソリンの方がはるかに少ない

3600np．m．

600

で

ロ

α300^δ Z

o

一〇s Gasotine 100010

一一一

?鼈鼈黶@Ethanot l o oe／．

        O．67     0．67

、為誘一ZeT135一唱騰，

x＝1．eo

co

O．72

鍛／御

   λ

（。ﾃOり

o

^{1 2}

 B．M．E．P（kg／cmi）

Fig． 5 Effect of B． M． E． P．

る。これは低出力時はガソリンの空気過剰率λの方がアル コールのλに比べて大きくなっている。反対に中出力時に なると，アルコールのλの方がガソリンのλに比べて大き

くなっているからだと屈われる。

 3．2．2NOについて

 COと同様，軸平均有効圧とガソリンとアルコールの

（1）軸平均有効圧との関係

 （・）ガソリンの場合 Fig． 5より低出力時はいくぶん多 く，中出力時になると減小している。そして高出力時にな ると再び多くなっている。

 NOの発生原因は高温で酸素が充分，燃焼時間が長いこ

は空気過剰率λがλ＝1．OG付近でNOが最高になるはず である）中出力時は酸素が不充分のためNOの発生は少

なっているためにNOの発生量が最高になっていると思

われる。

 （b）アルコールの場合 Fig．5より低出力時から中出力 になるにつれていくぶん増加している。これはλはほぼ一

一91一

津山高専紀要第24号（1986）

定であるが，出力が増加するにしたがって燃焼室温度が高 くなっているためと思われる。

（2）ガソリンとアルコールとの比較

 全出力時においてアルコールの方がNOの発生量は少

ガソリンのλがほぼ同じになっているため，NOの発生量

らかNOの発生量が少ないのは，アルコールの燃焼速度

度は同出力ではアルコールもガソリンもほぼ同じであっ

た。

        4．結    言

 代替燃料としてエタノールに注目し，ガソリンへの混合

割合を0，25，50，75，100％としてそれぞれについて点 火時期，回転数を20。，10。，50，BTDC，3600 rpm，

2000 rpm 一定とし，実験を行った。その結果次のような ことが判明した。

（1）アルコール濃度がふえるにつれ，燃焼速度が速くなる

ので，ガソリンの場合は200BTDCだったのが，アルコー ルの場合は5。BTDCと点火時期を遅らせなければならな

い。

（2）最大出力はガソリンの場合3．84PSだったが，アル

特に低出力時ではアルコールの方がガソリンに比べ4倍近 い値になっている。また中出力時でも2倍近い値になって いる。その他性能面においてアルコールはガソリンに比べ 多少劣っている。

（3）アルコールの場合，最大出力がガソリンの場合の中出 力状態になった。その状態でのアルコールとガソリンの排

気性能を比較すると，cq， NO共にアルコールの方が少

アルコールの方が少なかった。

 以上のことから，エタノールを燃料として使用する時は，

点火時期を遅らせ，中負荷で使用すればガソリンと比べて

あまり見劣りするものではないことがわかった。NOの割 合がガソリンに比べ少ないということだけがメリットで

 最：後に本実験に協力下さった本校講師福田昌准氏，技官 仲井正明氏，および本校卒業生伊藤填一，藤田浩，村上隆 志の諸君に感謝いたします。

文 献

1）古浜庄一監修，自動車工学全書8巻（山海堂，昭55）

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