コールスラリー燃料による予燃焼室式ディーゼル機関の運転

コールスラリー燃料による予燃焼室式ディーゼル機関の運転

福 田 昌 准＊

（昭和57年4月30日受理）

Coal Slurry Fueled Precombustion Diesel Engine

Masanori FuKuDA

（Received April 30， 1982）

 A single cylinder precombustion diesel engine was operated on coal−diesel fuel slurries． Experiments were

conducted fo r various coal concentrations at different degree of pulverization． The engine run was quite p6ssible at the slurry of 20％ coal by weight， without large sacrifice ip engine perforrnance． However， abnormal wear was observed on the piston rings and the cylinder iiner， which finally disabled running． Another obstacle was the c］，ogging of the fuel injection nozzle．

 From these results， it was concluded that some solutions to these obstacles are  in urgent need for utilizing the coal−oil slurries in diesel engines．

1．ま え が き

 石油危機以来，石油資源の温存という観点から，石油に 比べておよそ5倍の6600億t1）の可採埋蔵量を有する豊富 な石炭の利用が見直され，発電所のボイラなどに，微粉炭

われはじめている1）。石炭をディーゼル機関用燃料として 使用する試みは，第2次世界大戦中の長尾らの研究2）があ

り，微粉炭内燃機関をめざし微粉炭を直接シリンダ内に吸 い込み，運転に成功している。その後Marshallら3）は，微 粉炭を軽油に15％混合した燃料（コールスラリー燃料）で ディーゼル機関を運転し，出力，燃料消費率は軽油とほと んど差はないが，噴射系のノズルピンおよびポンププラン ジャのクリアランスがコールスラリー燃料に対しては小さ すぎ，スティックを起こして長時間の運転は出来ないの で，新しい噴射系でこの問題が解決されれば，長時間の連 続運転が可能であろうとしている。また，KTataiahら4）

は，噴射ノズルし中．う動部のクリアランスを大きくしてデ ィーゼル機関を運転し，軽油に微粉炭を混入することによ り，排気温度，排気黒煙濃度は上昇し，ブローバイガス量 が増加することを報告している。しかし，噴射系以外の摩

耗については調査されておらず，コールスラリー燃料でデ ィーゼル機関を運転する際の問題点が十分検討されている

 そこで，本実験では予燃焼室式ディーゼル機関をコール スラリー燃料で運転した際の性能を調査するとともに，ピ ストン，ピストンリングなどの摩耗状況を調べることにし た。また，噴射ノズルのしゅう動部へ微粉炭の流入を防ぐ 特殊噴射ノズルを試作したので，その評価についても述べ

る。

＊機械工学科

2．実

験

 2．1：コールスラリー燃料

 固体の微粒子が液体中に浮遊している一種のコロイド溶 液をスラリーといい，本実験で使用したコールスラリー燃 料は，2号軽油と微粉炭を混合したものである。微粉炭は 北海道幌内炭と九州三池炭の50％ずつの混合品で主な性質 をTable 1に示す。この微粉炭を200，300，350メッシュ のふるいで選別し，実験直前に軽油と混合し，コールスラ

リー燃料を作成した。燃料の比重は200メッシュの微粉炭 で，10，20，30％（重量）の順に0．833，0．90，0．94と微 粉炭の重量割合に比例している。なお，軽油の比重は、

0，826である。

 また，固体と液体の混合燃料のため，その安定性を調べ

一19一

Table 1 Properties of pulverized coal

Coal

Proximate   Analysis

Higher

Hokkaido Horonai Coal

50％

50

Fixed Garbon

Ash

Moisture

42． 0％

39．0

15． 2 3． 8

6700 kcal／kg

たのがFig．1である。これは内径約21mmの試験管の中に 作成したコールスラリー燃料を入れ，十分混合した後の時 間ごとの安定性をみたものである。Fig．1でそれぞれaは 混合した時，bはある時間経過した後， bLは完全に分離し

た時のコールスラリー燃料の位置を示す。b／bL・＝ Oは分 散した状態，b／bL＝1は完全に分離したことを表わす。

Fig．1より，微粉炭の割合の多いほど分離はゆるやかであ ることがわかる。しかし，いずれの場合も分離は非常に早 く，静置した燃料タンクより機関に供給することは不可能 であり，本実験では絶えず燃料をかくはんしながら試験を

   odispersed

だ︑Ω

0

5

＞＝＝﹄而↑の

 Time hours

2  4  6  8 10

   1

separated

  Fig．1 Stability of coal slurry fuels

 2．2実験装置および方法

 実験は無過給単シリンダ水冷4サイクル予燃焼室式ディ ーゼル機関（三菱iM18型，排気量863cc，シリンダ径×行 程＝φ100×110mm，圧縮比20）を用いて行った。燃料は ボッシュ型燃料噴射ポンプにより，ピントルノズル （DN

OS34）を用いて関高圧120 kg／cm2で噴射した。排気温

管内で測定した。排気ガスは，排気出口より約200㎜の 排気管内から直接採取し，CO， NOとも非分散赤外線分析

計（CO；堀場MEXA200形， NO；堀場AIA23〈AS＞形）

により，また，排気黒煙濃度はボッシュ式スモークメータ

（ディーゼル機器DSM−10B型）により測定した。

 予備実験を行ったところ，微粉炭の割合が増えると噴射 ノズルしゅう動部へ流入した微粉炭によって噴射ノズルが 作動不能となることがわかった。そこで，その場合にはノ ズルピンにFig．2に示すように，しゅう動部への微粉炭の 流入を防ぐため0リング牽取り付けた特殊噴射ノズルを作 成し，これを用いて運転を行った。この特殊噴射ノズルは

しゅう動部の油だめ側へOリングを取り付けたもので，ノ ズルの特性に変化はなく，機関の性能には全く影響を及ぼ

さないものである。．

34 v

s ⑩

O−Ring

Fig．2 D iesel injection nozzle （upper is standard and    lower is designed for these tests）

実験は微粉炭の割合，粒子の大きさの違うコールスラリ

・一

高＠ｿで，燃料噴射時期150btdc，回転数2000rpm一定の もとで機関を運転し，性能を調べるとともにピストン，ピ ストンリングなどの摩耗状況について調査した。なお，コ ールスラリー燃料で機関を運転した後は，燃料タンク，配 管および燃料噴射ポンプ，ノズルは分解，洗浄して，後の 試験に微粉炭の影響が残らないように配慮した。

3．実験結果および考察

 3．1コールスラリー燃料運転

 Fig・3は機関回転数2000rpm一定のもとで負荷を変え，

種々のコールスラリー燃料で約8時間運転した前後の軽油 での機関性能を比較したものである。横軸に軸平均有効堅

一20一

力（P解∂をとって整理してある。コールスラリー燃料で運 転後はブローバイガス量が増大した。このため，空気不足

となり機関性能が低下している。つまり，燃料消費率（be）

および撲気黒煙濃度（SB）は悪化し，排気温度（Te）は 上昇している。さらに，排気ガスについては，一酸化窒素

（NO）は最高値が，一酸化炭素（CO）は悪化はじめがそれ ぞれ低負荷側へ移動している。

am

9 600

S z ）o

200

O Before e After

       0

   2ww O

   O H）一〇一e−b4KHH一 8

       6        4        2 ＄

  500−O

_a 300

8

  100

    0  2  4  6 89

        Pme  kg／cm2

Fig．3 Comparison of engine performance between    before and after coal slurry operations

400

  ＆ 200

 次にコールスラリー燃料で運転した際の機関性能を軽油 の場合と比較したのがFig．4である。軽油での性能値はコ ールスラリー燃料で運転後のものを示してある。これは，

コールスラリー燃料で運転後は性能の低下がみられるた め，より近いデータで比較するためである。微粉炭の割合 が重量で30％まで運転を行ったが，20％（350メッシュ）

では排気黒煙濃度（SB）は悪化するものの，その他の性能 は軽油との差が少なく，微粉炭の粒子をより小さくするこ とにより性能的には，軽油とほぼ同等のものが得られると 考えられる。しかし，微扮炭の粒子が大きくなり，さらに 割合が増えると（300メッシュ，30％）微粉炭の粒子が，機 関の燃焼室内で完全に燃えることが出来ず，排気管内でも 継続して燃焼が起こり，大きな性能低下をきたしている。

以上のことより，コールスラリー燃料でディーゼル機関を 運壕することは可能であり，微努炭の粒子を小さくするこ

800

oe一

@600

o 400

200

ら﹂210

詳Oり

ロC◎al 20％（350mesh）

｣C◎al 300ノ。（300mesh）

怩ciesel fuei

400

  E

  0

   600

 息

 8

   200

     0  2  4 6． 8

      2

        Pme kglcm

Fig．4 Eng ine performance of coal slurry fuels and    diesel fue1

10 8 6

4＄

2

とにより軽油に劣らない性能が得られるものと思われる。

しかし，長時間運転するには，以下に述べるような問題点 があり，その対策が必要である。

 3．2摩  耗

 3．2．1ピストンおよびピストンリング

 ブローバイガス量の著しい増大のため機関潤滑油が外部 へ飛散し，さらに．機関冷間時の始動が困難となったため 約8時間で試験を中止し，ピストン，ピストンリング，シ

Fig．5 Top piston rings （left isnew and right is after    slurry operations）

一21一

リンダライナの状況を詳しく調査した。

 Fig．5は新品とコールスラリー燃料で約8 時間運転した後の第1ピストンリングを比較 したものである。明らかに，運転後のピス トンリングは大幅に摩耗している。そこで，

Fig．6に示す5点でピストンリングの寸法を 測定し，元の寸法（規格）に対する．摩耗量を 割合（摩耗率）で表わしたのがFig．7であ る。さらに，Fig．7を最大，最小摩耗率がわ かるように棒グラフにしたのがFig・8であ り，重量減少率も同時に示してある。なお，

実験機関に組み込んだピストンリングは3本 の圧力リングと1本の油かきリングとでな

4

丁

3

︐

5

巳

1

2

Fig．6 Measuring points of piston ring

70

60

ざ 50

 40e

_歪

  20

10

100

）80

0

Φ苛﹂

6

0  0

﹂而Φ≧

B

o

T

  Max．

ff

  Min．

  0     1 2 3 4 5

       Measdring points

Fig．7 Wear rate of piston rings at each measuring

   point

B

i一一一一一一

1 230it 1 230it

   Piston rings

O O

1

0   0   0   08   6   ム．  2

Φ詔﹂〇三り暑Φ﹂芸9Φ≧

0

 1 2 30it Piston rings

Fig．8 Wear rate and we ight reducing rate of piston rings

   り，圧力リングのT寸．は4．3mm， B寸は2．5㎜である。第    1リングは表面にクロムめっきを施したテーパリングであ    り，第2，第3リングは平リングで第3リングにはアンダ    ーカットが施してある。油かきリングはコイルエキスパン    ダ付でT寸が4．3mm，』B寸が4．Ommである。

    Fig．8の摩耗率をみればわかるようにT寸および第1リ    ングのB寸の摩耗量は非常に多く，T寸の最大摩耗率は第    1リングで64％であり，順に第2リングで33％，第3リン    グで28％，そして油かきリングで16％となっている。この    ことは重量減少率でみても同様で，特に第1リングでは重    量が約1／2になっている。これはコールスラリー燃料中の微    粉炭による異常摩耗であることは明らかであり，燃焼室つ    まりコールスラリー燃料に近いほど摩耗が大きくなってい    る。また，B寸の摩耗量は第1リングが最も多く最大摩耗    率で12％，他のリングでは1．6％以下となっている。この    ようにB寸の摩耗量がT寸に比べて少ないのは，機関運転    中ピストンリングのフラッタリングがなく，また，微粉炭    のピストン溝への流入が少なく，ほとんどすべてシリンダ    ライナとの接触面へ流れたためと思われる。このことは．ピ    ストン溝に微粉炭の堆積もなく，摩耗が半径方向，軸方向    ともないことからも想像される。また，ピストン第1ラン    ドに第1リング溝にいたる旧きずが1〜2箇所生じたが，

   コールスラリー燃料に起因するものかどうかの判別は困難    であった。この他には，ピストンには大きな障害はなく，

   コールスラリー燃料による特別の異常は認められなかっ

    次にFig・7の各回定点での摩i耗率をみると各リングとも    T寸の変動量が多く，特に第1リングでは，その差が約30    ％も生じている。B寸についても同じ傾向を示している。

   これは、機関運転中ピストンリングの回転がなくなり，機    関が横置のためシリンダ下部へ微粉炭が多く流れ，ピスト    ンリングを摩耗させたものと考えられる。次に，ピストン    リング装着時の合い口すぎ．間を調べたのがTable 2であ

一za一

る。最も醗の多い第1リングで，0．53㎜が12．0㎜と 約23倍に拡大している。これは，ピストンリングの外周面

（シリンダライナとの接触面）が内側（ピストン溝側）に 比べて多く摩耗していることを示している。このことは，

ピストン溝が摩耗していないこととも一致する。

Table 2 Piston ring end gap installed in engine      （Before and After coal slurry operations）

Piston Ring 1 Before（B） _{After （A）}

A／B

Top

（lst）

2nd

3rd

Oil

O． 53mm

O． 49

O． 48

O． 49

12． ernm

8． 3

8．1

2．9

23

17

17

6

 3．2．2シリンダライナ

 シリンダライナの摩耗量をピストン上死点における第1 ランド位置，第1リング位置，行程中心，ピストン下死点 におけるピストンスカート位置など7か所各々クランク 軸およびそれと直角方向について測定を行ったところ，第 1リング上死点位置が最櫛饗し，径でO．2mmの減少を 示している。第1リングしゅ底部ではO． 11〜0．2㎜摩 耗し，ピストンリングの当たらない所での摩耗量0．01〜

O． 03 mmの約4〜20倍の摩耗にいたっている。ピストンし ゅう動部の摩耗量は短時間の運転としては非常に多く，通 常運転時の1000時闇程度に相当するものである。また，測 定箇所の測定方向の差をみると，横置機関の上下方向にあ たるクランク軸と直角方向の摩耗量が多くなっている。こ れは，ピストンリングのところで述べたように，シリンダ 下部へ多くの微粉炭が流れたためであろう。さらに，後で 述べるように，0リング付特殊噴射ノズルを用いることに より，ノズルが絶えず国分状態となり，噴霧の不十分な燃 料が燃焼室内に流れ込み，ピストンリング，シリンダライ ナの摩耗を促進したことも考えられる。

 3，3燃料噴射ノズル

 最後に、今回試作した0リング付特殊噴射ノズルについ て述べる。一般にノズルしゅう動部のクリアランスは径で 2〜4．5μであり，このすき間へ微粉炭が流入すると，当 然作動不能となることは考えられる。今回の実験でも，コ ールスラリー燃料中の微粉炭の割合が30％となると，短時 間（約10分）でしゅう動部のスティックのため，Marsha11 らの結果3）と同じように作動不可能となった。そこで，本 実験ではノズルしゅう動部の油だめ側へFig．2に示すよう に0リングを取り付けることにより，微粉炭の流入を防ぐ

特殊噴射ノズルを作成して運転を試みた。しかし，この特 殊噴射ノズルを用いても，約1時間の連続運転しか不可能 であった。これは，このノズルによりしゅう動部への微粉 炭の流入は生じなくなった反面，ノズルの油だめ部へ微粉 炭が多く集まり，その結果ノズル座面へ微粉炭粒子がかみ 込み，ノズルが絶えず開巻状態となつで運転不可能とな

ることがわかった。つまり、今回の小改良では，コールス ラリー燃料にはまだ不適格であり，長時間の運転を行うに は．特別の対策が必要である。

4．ま

と  め

 コールスラリー燃料で予燃焼室式ディーゼル機関の運転 を試みた結果，次のことがわかった。

 1）コールスラリー燃料でディーゼル機関を運転するこ とは可能であり，燃料中の微粉炭の粒子を微細化すること により，軽油に劣らない性能を得ることが可能である。

 2）しかし，燃料中の微粉炭のため，ピストンリング，

シリンダライナが著しく摩耗し，ブローバイガス量が増加

 3）さらに，現状の燃料噴射ノズルは，しゅう動部，座 面のスティックなどのため，コールスラリー燃料には不適

 以上，ピストンリング，シリンダライナの摩耗および燃 料噴射ノズルに対策を施せば，コールスラリー燃料のディ ーゼル機関用燃料としての実用性は，十分期待でき．ると思 われる。また，今回の結果が，今後使用可能性が増える燃 料中にスラッジを含むような，より一層低質な燃料でディ

ーゼル機関を運転する際の参考となると考える。

 終わりに臨み，特殊噴射ノズル作成に御便宜をはかって いただいた日本電装株式会社，ポンプ技術一部，明石部長 殿，岩本課長殿に感謝いたします。また，常日頃から，研 究の御指導，御助言をいただいている京都大学教授（工学 部）池上訥先生にお礼申し上げます。さらに，常に暖かい 御助言，御支援をいただいている本校助教授三森太郎先 生，牧暢夫先生，並びに，実験および装置製作に御協力い ただいた本校仲井正明技官，実習工場の皆様および本校昭 和56年度卒業生の諸君に感謝いたしますb

参 考 文 献

1）太田・味岡，日経メカニカル，（1980−9−15），32．

2）三雲・長尾・舟木，日本機械学会論文集，11−41・一2

3） H． P． Marshall， D． C． Walters， Jr，， SAE PaPer No．

  770795 （1977）．

4） K． Tataiah， C． D． Wood SAE PaPer， No． 800329   （1980） ．

一一@23 一