博 士 論 文 概 要
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(2) 地球温暖化に対する懸念が高まり，温室効果ガスである二酸化炭素排出量の増 加が問題視されている。中でも，主要排出源の 1 つである自動車に対する要求が 厳しさを増している．自動車における二酸化炭素排出量低減の一方策として燃費 の改善が挙げられエンジンとモーターを組み合わせたハイブリッドシステムなど による車両燃費改善技術の開発が進められている．しかしながら，搭載されるエ ンジンにはより高いレベルの熱効率改善が求められているのが現状である．その よ う な エ ン ジ ン 燃 焼 技 術 へ の 要 求 の 中 ， 高 い 熱 効 率 と 低 N O x（ 窒 素 酸 化 物 ） 排 出 特 性 が 得 ら れ る HCCI （ Homogeneous Cha rge Compression Ignition ） 燃 焼 が 注 目 さ れ て い る ． HCCI 燃 焼 の 課 題 は ， 着 火 ・ 燃 焼 過 程 が 燃 料 の 化 学 反 応 過 程 に 大 きく依存するために人為的制御が困難であることと，運転可能領域が限定されて いる こ と であ り ，そ の 2 点 を解 決 す る こと が シ ステ ム と して 成 立 させ る ため の大 きな条件といえる．一方で，石油資源枯渇への不安から再生可能エネルギなど石 油代替燃料の導入推進が加速している．特にブラジルやアメリカ合衆国，欧州の 一部地域ではバイオエタノールの普及が進んでいる．燃料はエンジン性能に直結 す る 要 素 で あ り ， 特 に HCCI 燃 焼 に お い て は ， 性 能 に 最 も 大 き な 影 響 を 与 え る 要 因 と な る ． 本 研 究 で は ， 高 効 率 な HCCI 燃 焼 の 着 火 ・ 燃 焼 制 御 と 運 転 範 囲 の 拡 大 を目的とし，その際に有望な石油代替燃料であるバイオエタノールを有効利用す る こ と に よ る 燃 焼 成 立 の 可 能 性 の 検 討 を お こ な っ た ． HCCI の 燃 焼 過 程 は 燃 料 の 特性に大きく依存するため，1 種類の燃料によるシステムでは，投入する発熱量 に対して着火時期の変化が避けられない．つまり高負荷域になるにつれて，着火 が早期化し急激な燃焼となることで狭い運転可能範囲に限定されてしまうことが 知られている．そこで，本研究では着火性の異なる 2 種類の燃料をエンジンに供 給し，運転負荷条件によりその割合を変化させることで任意の着火時期に制御す るシステムを採用した．しかしながら，2 種類の燃料を給油することはユーザー に 2 種類の燃料の残量の管理を委ねる煩雑なシステムとなるため避けることが望 ましい．このため，1 種類の燃料からオンボードで着火性の異なる 2 種類の燃料 を生成するシステムについても検討をおこなった． 本論文の前半部分では着火性の異なる 2 種類の燃料をオンボードで生成するシ ステ ム の 原理 実 証 と成 立 性 検討 を おこ ない ，後 半 部 分で は 2 種 類 の燃 料 を 用 いた 高 効 率 HCCI 燃 焼 の 着 火 ・ 燃 焼 制 御 性 向 上 と エ ン ジ ン と し て の 運 転 範 囲 拡 大 を 目 的とした試験・解析を実施した． バイオエタノールはガソリンに混合される形で流通している．そこで，まずは この燃料に含まれるエタノールを分離抽出する方法の検討と実証をおこなった． 分離に用いた手段は浸透気化法に基づく分離膜を用いたものである．浸透気化法 は，微細孔を持つ膜表面で分子を蒸発させるとともに通過させる方法で，蒸留な どの一般的な分離方法に比べて必要なエネルギが低いことが利点である．原理と し て は ， 分 子 の 混 合 拡 散 の 基 本 原 理 で あ る Fick の 法 則 に 基 づ く も の で ， 濃 度 勾 No.1.
(3) 配の存在する混合物はより均一な状態に近づくために，濃度が高い部分から低い 部分への分子拡散の動きが生じることによるものである．エタノール混合ガソリ ンからのエタノールを分離抽出することに適用した場合，燃料を供給する側のエ タノール分圧と透過した膜の下流側のエタノール分圧の差によって透過流束が決 定する．この原理を元にエタノールの膜透過流束モデルを作成し，供給燃料の温 度と透過側の圧力をパラメータとした分離実験との比較をおこなった結果，モデ ル と 実 験 値 が 高 い 相 関 を 示 し ，こ れ ら 2 つ の 条 件 が 支 配 的 で あ る こ と を 確 認 し た ． 具 体 的 に は ， E10（ エ タ ノ ー ル 10%含 有 ガ ソ リ ン ） か ら の エ タ ノ ー ル を 抽 出 す る 場 合 ， 容 積 0.7L の 分 離 膜 を 用 い て 供 給 燃 料 温 度 を 70℃ ま で 加 熱 し ， 透 過 側 の 圧 力 を 2 5 kPa (a b s. ) ま で 減 圧 す る こ と で エ ン ジ ン シ ス テ ム に 適 用 す る た め に 充 分 な 透過流束が得られ，ポンプや加熱用熱交換器を含めたシステムサイズとしても車 載可能なものであることを示した． 抽 出 し た エ タ ノ ー ル は 低 着 火 性 燃 料 と し て HCCI 燃 焼 制 御 に 用 い る こ と を 想 定 し て お り ， 分 離 後 に 残 っ た ガ ソ リ ン の 着 火 性 が 充 分 に 高 い 場 合 に は HCCI 燃 焼 が 成 立 す る ． そ の 一 方 で ， E10 の よ う な 低 エ タ ノ ー ル 濃 度 燃 料 の 場 合 ， 残 っ た ガ ソ リン成分の着火性も低いことが想定される．その場合の技術として，エタノール か ら 高 着 火 性 燃 料 で あ る ジ エ チ ル エ ー テ ル (以 後 ， DEE)を オ ン ボ ー ド で 改 質 に よ り 生 成 す る こ と を 検 討 し た ．D E E は エ タ ノ ー ル 2 分 子 か ら 脱 水 反 応 で 容 易 に 生 成 できることが知られており，酸触媒を用いるとともに加熱することでその進行を 促 進 さ せ る こ と が で き る ． た だ し ， 高 温 に す る こ と で DEE へ の 反 応 率 は 向 上 す るものの，過度な加熱は副生成物であるエチレンの生成を促進してしまう課題が ある．そこで，一般的な酸触媒の中から本研究の目的に適応する，より低温での 反 応 率 が 高 く エ チ レ ン 生 成 率 の 低 い 触 媒 の 単 体 選 定 試 験 を お こ な っ た ．そ の 結 果 ， ゼオライト系触媒の性能が高く，その中でもβゼオライトがもっとも優れている こ と が 明 ら か に な り 200℃ 程 度 ま で の 加 熱 で 高 い DEE へ の 転 化 率 が 得 ら れ る こ とが示された．そこで，この触媒を用いてエンジンの排気熱で燃料と触媒を加熱 す る シ ス テ ム に よ る 試 験 を 実 施 し た 結 果 ， 体 積 割 合 で 60%程 度 の DEE が 得 ら れ た．この燃料を用いてエンジンによる着火性確認試験を実施したところ，もっと も 代 表 的 な 高 い 着 火 性 を 持 つ 炭 化 水 素 で あ る n- ヘ プ タ ン と 同 等 の 着 火 性 を 持 つ こ と が 示 さ れ た こ と か ら ， 二 元 燃 料 HCCI 燃 焼 の 高 着 火 性 燃 料 と し て 充 分 適 用 可 能な燃料であると判断した． 次に，燃料分離・改質システムにより得られる着火性の異なる 2 種類の燃料を 前 提 と し た 高 効 率 HCCI 燃 焼 の 検 討 を 実 施 し た ． 2 種 類 の 着 火 性 の 異 な る 燃 料 の 供給割合を制御することで着火時期を制御する手法は従来実施されてきたもので あるが，着火後の燃焼過程が燃料の化学反応に大きく依存し，高負荷域における 過度に急速な燃焼によりエンジンの高負荷域限界が限定されるという課題がある． 本研究ではこの課題を解決するために，一方の燃料を筒内に直接噴射し濃度分布 No.2.
(4) のある成層給気を生成することにより，筒内で時間差を持った着火と燃焼過程を 引 き 起 こ す こ と を 試 み た ． 様 々 な 組 み 合 わ せ の 燃 料 で 成 層 給 気 に よ る HCCI 試 験 を実施し，エタノールを筒内で成層化することにより，もっとも有効な燃焼過程 の制御が可能であることが明らかになった．また、詳細な化学反応過程を考慮し た筒内数値流体計算による筒内解析を実施したところ，エタノールの持つ低温酸 化反応の抑制効果により，着火直前に大きな温度分布が生成されることが確認で きた．また，筒内に直接噴射されたエタノールが到達していない当量比の低い部 分が先に着火を起こし当量比が高い部分が後に着火することから，燃焼が緩慢に な る こ と で N O x 生 成 の 観 点 で も 優 位 性 が あ る こ と が 示 さ れ た ．こ の 手 法 に よ り 高 負 荷 域 ま で の HCCI 燃 焼 が 可 能 と な り ， 過 給 と 組 み 合 わ せ る こ と で IMEP（ 図 示 平 均 有 効 圧 ） 1000kPa 程 度 ま で の 広 い 運 転 負 荷 範 囲 が 確 認 さ れ た ． オンボードで着火性の異なる 2 種類の燃料を生成することがもっとも望ましい ものの，そのために必要なエタノールが普及している地域は限定的であり， より 汎 用 的 に 高 効 率 HCCI 燃 焼 を 成 立 さ せ る た め に ， 軽 油 ・ ガ ソ リ ン に よ る 燃 焼 の 検 討を実施した．この燃料の組み合わせによる燃焼の課題は軽油の揮発性の低さに 起 因 す る 低 負 荷 域 の 熱 効 率 の 低 さ と NO x 排 出 量 増 加 の ト レ ー ド オ フ 関 係 で あ る ． こ れ を 解 決 す る た め に ， 排 気 バ ル ブ の 閉 じ る 時 期 か ら 125 deg.CA 後 に 吸 気 バ ル ブが開く，いわゆる負のバルブオーバーラップを用いることとした．筒内で前サ イクルの排気が若干の圧縮を受けて温度と圧力が上昇している負のオーバーラッ プ期間中に軽油を噴射することで，蒸発が促進されるとともに残存した酸素と反 応 を 起 こ す こ と が 狙 い で あ る ．こ の 反 応 に よ り 生 成 し た H C H O や H 2 O 2 な ど の 中 間生成物の影響により次の圧縮膨張行程で着火の反応抑制と上死点後の速い燃焼 が得られることから低負荷域においても高い熱効率が得られることを実験結果と 0 次元の化学反応解析結果から明らかにした．この燃料の組み合わせによる燃焼 では高負荷域の運転が困難であることから，微量噴射した軽油の着火を起源とし て予混合したガソリンの火炎伝播を誘発する燃焼に切り換える検討をおこなった． なお，混合気濃度は量論比に設定することで三元触媒による排出ガスの浄化が可 能である．噴射した軽油が多点で着火することを燃焼の起源としているため，一 般的な火花点火エンジンに対してより高速な燃焼が得られることで耐ノック性が 高 く I MEP 140 0 kP a 程 度 ま で の 広 い 負 荷 範 囲 が 得 ら れ る こ と を 確 認 し た ． 以 上 の よ う に ，本 研 究 で は 2 種 類 の 燃 料 を 用 い る こ と で 高 効 率 HCCI 燃 焼 を 広 い 負 荷 範 囲 で 成 立 さ せ ら れ る こ と を 示 し ， ま た HCCI 燃 焼 に は 適 し た 燃 料 の 着 火 特性が前提となることから燃料普及の地域性に合わせた対応が重要であり，オン ボードでの燃料前処理を含めたシステム検討により，燃焼成立の可能性が広がる ことを示した．. No.3.
(5) Ｎｏ.1. 早稲田大学 氏 名. 葛岡 浩平. 博士（工学）. 学位申請. 研究業績書. 印 （2018 年. 種 類 別 論文. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 12 月. 現在）. 連名者（申請者含む）. ○ Kohei Kuzuoka, Junichi Kamio, and Kohtaro Hashimoto, "Effect of Mixture Stratification and Fuel Reactivity on Dual-Fuel Compression Ignition Combustion Process for SI-Based Engine", SAE Technical Paper SAE 2016-01-2304, Oct. 2016 ○ Kohei Kuzuoka, Takashi Kondo, Hirotsugu Kudo, Hiroyoshi Taniguchi, Hiroshi Chishima and Kohtaro Hashimoto, "Controlling combustion with negative valve overlap in a gasoline-diesel dual-fuel compression ignition engine" International Journal of Engine Research March 2016 vol.17 no.3 pp.354-365 , Mar. 2016 ○ Hiroshi Chishima, Kohei Kuzuoka, Tadashi Kurotani, Hirotsugu Kudo, “Study of Ethanol-Gasoline Onboard Separation System for Knocking Suppression”, SAE Technical Paper 2015-01-1954, Sep. 2015 ○ Kohei Kuzuoka, Tadashi Kurotani, Hiroshi Chishima, and Hirotsugu Kudo, "Study of High-Compression-Ratio Engine Combined with an Ethanol-Gasoline Fuel Separation System", SAE International Journal of Engines 7(4) 2014, pp1773-1780, SAE 2014-01-2614, Oct. 2014 Junichi Kamio, Tadashi Kurotani, Kohei Kuzuoka, Yasuyuki Kubo, Hiroyoshi Taniguchi, Kohtaro Hashimoto, “Study on HCCI-SI Combustion Using Fuels Ethanol Containing”, SAE Technical Paper 2007-01-4051, SAE Transactions Vol. 116, Section 3: JOURNAL OF ENGINES (2007), pp. 1388-1397, Oct. 2007. 講演. ○葛岡 浩平，相本 康次郎，神尾 純一，橋本 公太郎， “燃料改質による圧縮着火燃焼の 着火時期制御” ，第 26 回内燃機関シンポジウム（講演番号 60） ，2015 年 12 月 葛岡 浩平，近藤 卓，工藤 洋嗣，千嶋 啓之，谷口 弘芳，橋本 公太郎， “軽油・ガソリ ンの 2 燃料による高効率機関の研究”，第 24 回内燃機関シンポジウム（講演番号 21），2013 年 11 月 工藤 洋嗣，葛岡 浩平，久保 康之，千嶋 啓之，黒谷 忠司， “バイオエタノール含有燃 料の有効利用によるエンジンシステムの研究”，自動車技術会 2013 年春季大会学術講演 会（JSAE20135048）2013 年 5 月 葛岡 浩平，久保 康之，黒谷 忠司，神尾 純一，工藤 洋嗣，”バイオエタノール含有燃 料の有効利用による高圧縮比エンジンの研究”，第 23 回内燃機関シンポジウム（講演番 号 0049），2012 年 10 月 相本 康次郎，橋本 公太郎，葛岡 浩平“予混合圧縮着火（HCCI）機関の着火制御を目 的としたエタノールのジエチルエーテルへの改質反応” ，石油学会第 57 回研究発表会（講 演番号 B10），2008 年 5 月 Kuzuoka Kohei, Kubo Yasuyuki, Sato Takuya, Kamio Junichi, "Effect of Ethanol Stratification on the HCCI Combustion", FISITA 2008 World Automotive Congress, F2008-06-121.
(6) Ｎｏ.2. 早稲田大学 種 類 別. 題名、. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. その他. 黒谷 忠司，葛岡 浩平，工藤 洋嗣， “バイオエタノール含有燃料を有効利用するエンジ ン制御の研究”，Honda R&D Technical Review Vol.26 No.1 102-109，2014 年 3 月. 特許. 黒谷 忠司，葛岡 浩平，久保 康之， “内燃機関の制御装置” ，日本国特許庁(JP)，特許第 6109628 号(P6109628)，2017 年 4 月発行 黒谷 忠司，葛岡 浩平，工藤 洋嗣， “車両の制御装置” ，日本国特許庁(JP)，特許第 6029602 号(P6029602)，2016 年 11 月発行 葛岡 浩平，久保 康之，黒谷 忠司， “内燃機関の制御装置” ，日本国特許庁(JP)，特許第 5925099 号(P5925099)，2016 年 5 月発行 黒谷 忠司，堤 大昂，葛岡 浩平， “内燃機関の始動制御装置” ，日本国特許庁(JP)，特許 第 5658205 号(P5658205)，2015 年 1 月発行 葛岡 浩平，黒谷 忠司，久保 康之， “車載内燃機関の制御装置” ，日本国特許庁(JP)，特 許第 5658204 号(P5658204)，2015 年 1 月発行 葛岡 浩平，黒谷 忠司，久保 康之， “内燃機関の制御装置” ，日本国特許庁(JP)，特許第 5658203 号(P5658203)，2015 年 1 月発行 葛岡 浩平， “圧縮着火内燃機関” ，日本国特許庁(JP)，特許第 5313185 号(P5313185)，2013 年 10 月発行 葛岡 浩平，神尾 純一， “内燃機関用エタノール燃料改質システム” ，日本国特許庁(JP)， 特許第 4789116 号(P4789116)，2011 年 11 月発行 神尾 純一，葛岡 浩平，“内燃機関システム” ，日本国特許庁(JP)，特許第 4382722 号 (P4382722)，2009 年 12 月発行 Kuzuoka Kohei, Kurotani Tadashi, Shigetoyo Kenji, “Method and apparatus for controlling internal-combustion engine”, US Patent 9784205, Oct. 2017 Kamio Junichi, Kuzuoka Kohei, Kurotani Tadashi “Controller for internal combustion engine”, US Patent 9217378, Dec. 2014 Kuzuoka Kohei, Kamio Junichi, “Ethanol fuel reforming system for internal combustion engines”, US Patent 7856950, Dec. 2010 Kamio Junichi, Sato Takuya, Kiyohiro Yukihiko, Kuzuoka Kohei, “Homogeneous charge compression ignition”, US Patent 7484495, Feb. 2009 Kamio Junichi, Kuzuoka Kohei, “Internal combustion engine system”, US Patent 7290505, Nov. 2007.
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