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ジメチルエーテルを利用した

ディーゼルエンジン燃料の燃焼改善

（研究課題番号 18560769）

平成 18～平成 19 年度科学研究費補助金（基盤研究(C)）

研究成果報告書

平成 20 年 3 月

研究代表者段智久

（神戸大学大学院海事科学研究科）

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はしがき ··· 2

第１章試験燃料 ··· 4

１－１ DME（ジメチルエーテル）について ··· 4

１－２ Marine diesel oilについて ··· 4

第２章実験装置および方法 ··· 6 ２－１実験装置 ··· 6 ２－２燃料混合方法 ··· 7 ２－３機関性能試験 ··· 7 ２－４図示平均有効圧力の定義 ··· 8 ２－５熱発生率の定義 ··· 8 第３章実験結果および考察 ··· 10 ３－１噴射圧力 ··· 10 ３－２燃焼圧力 ··· 20 ３－３熱発生率 ··· 26 ３－４ NOx濃度，煙濃度，CO₂濃度，O₂濃度 ··· 32 ３－５燃焼状態の割合について ··· 48 ３－６ PMについて ··· 56 むすび ··· 58

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はしがきディーゼルエンジンは，他の種類のエンジンに比べて熱効率が高く，二酸化炭素排出量も低いといった利点があり，現在の日本の物流では長距離輸送の大型トラックや船舶などの原動機として幅広く使用されている．しかしながら，燃料の燃焼にともなって排出される成分には，人体や自然環境に有害なものが含まれており，国内の一部地域では自動車用ディーゼルエンジンの微粒子状物質（Particulate Matter : PM）や窒素酸化物（NOx）の排出量に関して厳しく規制されている．船舶用ディーゼルエンジンでは，PM・NOx に加えて酸性雨の原因となる硫黄酸化物（SOx）が排気ガスに含まれる．これらの船舶から排出される有害排気成分に関しては，環境保全の観点から国際海事機関（IMO）が中心となって大気汚染物質の放出に関する規制を条約化することが検討されており，NOx については２００５年５月から排出規制が条約として発効している．それらの有害排気成分は，ディーゼルエンジンに特有の燃焼形態や燃料の含有組成に由来するものであり，従来システムのエンジンを使用する限り避けられないものである．また，近年，石油資源の枯渇が懸念されており，エネルギーとして石油に依存しないクリーンエネルギー体制を作らなければならない．原動機としては内燃機関の代替物として燃料電池によるモーター駆動の自動車などが開発されているが，その燃料として水素などが必要であり，社会基盤設備の新設や整備など実用化にはまだ多くの課題があるのが現状である．そこで，現在普及しているエンジン技術をもとに，燃焼時に有害成分の排出を抑えることが可能な代替燃料を使用することでクリーンエネルギー体制の確立の一助になると考えられる．本研究では，従来のディーゼル燃料（軽油・重油）にジメチルエーテル（Dimethyl Ether : DME）を混合することで，ディーゼルエンジンにおける排気ガスの清浄化を試みるものである． DMEは化学式がCH3OCH3で表される最も簡単なエーテルであり，きわめて不活性で低毒性な化合物である．もともとはフロンガスの代替物としてスプレーの噴射剤として主に使用されており，世界で約１５万ton／年，日本で約１万ton ／年の生産量である．DMEは，・軽油に比べて自己着火しやすいこと・含酸素燃料であること・炭素同士が直接結合していない構造のため燃焼時に煤が発生しにくいことなどからディーゼル機関の代替燃料として有用な点がある．その反面，

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・ゴムなどを腐食するといった欠点がある．そこで本研究では，潤滑性を補うために軽油や重油燃料に DME を混合することで使用し，またテフロンなどの素材を燃料配管に使用することで腐食をさけることを検討した．実験では，まず水制動力計と小型ディーゼルエンジンを配置し，DME と従来燃料の混合燃料を使用できるように燃料噴射系統を製作した． DME は大気圧下で沸点は-25℃であり，常温・大気圧場では気体の物質である． DME の混合率を高くするために，従来燃料に対して DME を液化させて混合することを試みた．そのために耐圧容器（5MPa 程度）を燃料タンクとして使用し，混合燃料の圧力を DME の飽和蒸気圧以上に保ったままで送油できるようにした．試験は排気ガス成分の測定を行い，エンジンの負荷条件との相関を明らかにした．また，燃焼室内部の圧力の時間履歴を測定できるようにエンジンを改造し，圧力や熱発生率の履歴を計測・算出して，燃焼形態の変化を明らかにした．以上，本研究課題の背景・目的について，その概略を述べたが，詳細に関しては各章に記載している．研究組織研究代表者段智久（神戸大学大学院海事科学研究科）交付決定額（金額単位：千円）直接経費間接経費合計平成 18 年度 2,200 0 2,200 平成 19 年度 600 180 780 総計 2,800 180 2,980 研究発表（有審査論文）

Tomohisa DAN et.al., Improvement of Exhaust Gas Emission in Marine Diesel Engine by Blending DME, SAE Technical Paper, 2007-01-201

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第１章試験燃料１－１ DME（ジメチルエーテル）について DME は化学式では CH3-O-CH3 で表される，最も簡単なエーテルである．化学式を図 1 に示す．DME は安定で低毒素な化合物で，もともとフロンの代替物としてエアゾール噴射剤として使用されてきた．燃料としてみた場合，常温常圧で気体だが，-25℃または約 6 気圧で液化するため，取り扱いが比較的容易である．また，セタン価が 55~60 と高く，ディーゼルエンジンの燃料として適している．そして，燃焼させた場合も，SOx やすすをまったく発生させないという利点がある．しかし，DME は Marine diesel oil に比べて，単位質量あたりの発熱量が小さい．また，ゴムなどのシール剤を腐食させる可能性があるなどの欠点がある．製造方法は水素と炭素から直接合成する直接合成法と，メタノールの脱水反応により製造する間接合成法（メタノール脱水法）の 2 種類があり，間接合成法では，世界で年間約 15 万トン，日本で約 1 万トンの生産量がある．

１－２ Marine diesel oil について

Marine diesel oil は JIS の分類では A 重油に相当する燃料である．A 重油は，硫黄分により 1 号及び 2 号に細分される．A 重油の 1 種 1 号は，硫黄分(Sulfer) が 0.5%以下とされ，LSA 重油(Low Sulfer A Fuel Oil)とも呼ばれる．この低硫黄の A 重油の色は半透明の黄色である．また，低硫黄の LSA 重油はメーカによっては SCF または SCFO(Super Clean Fuel Oil)とも称されることがある．同じくＡ重油２号は，硫黄分が 0.5%以上 2.0%以下とされ，HSA 重油(High Sulfer A Fuel Oil)ともよばれている．また，重油は褐色又は黒褐色の重質油で，比重は 0.82~0.95 程度，発熱量は 10,000~11,000kcal /kg 程度である．重油の成分は炭化水素が主なもので，若干(0.1~4%程度)の硫黄分及び微量の無機化合物が含まれている．近

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より残油の脱硫が行われることが一般的となっている．表１に DME 及び Marine diesel oil の性状を示す．

表１各燃料の性状

DME Marine diesel oil

化学式（CH₃）2O ― 沸点（℃） -25 350＜含酸素量（％） 34.8 0 低位発熱量（MJ/kg） 28.9 42.5 セタン価 55～60 40＜動粘度（ｃSt）＜1 7 液密度（ｇ） 0.667 0.842 自着火温度（K） 623 803～884 蒸発潜熱（kJ/kg） 467.13 280

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第２章実験装置および方法２－１実験装置

本実験で使用した実験機関は YANMAR NFD13-M(E)横形水冷４サイクル単気筒直接噴射式ディーゼル機関である．表 1 に機関運転緒元を示す．機関の仕様は，実験で DME と Marine diesel oil の混合燃料を使用するため，燃料系統を変更している．燃料系統以外は大幅な変更は行っていない．具体的には，常温常圧で気体である DME は通常の燃料系統のままでは配管内および燃料噴射ポンプで減圧沸騰を起こし，燃料の不整噴射ならびに機関停止を及ぼすおそれがある．よって，減圧沸騰による燃料の不整噴射を防ぐために，窒素ガスを用いて加圧し，燃料供給圧力を調整した．そのため，従来の燃料タンクでは加圧に耐えることができないので，DME 用の耐圧燃料タンクを製作し，燃料ラインと接続できるようにした．その際，耐圧燃料タンクには，ドレン抜きと窒素ガスの供給ラインを設けた．燃料配管系等については，窒素ガスでの加圧による燃料漏洩を防ぐために，強化テフロンチューブ，銅管，クイックカプラを設置し，配管各所の継ぎ手の機密性を高めた．また，燃料噴射弁からの燃料漏洩を防ぐために，燃料噴射弁からの燃料漏洩を防ぐために，燃料噴射弁からのリターンのラインを燃料タンクに直接接続して対応した．図２に機関系統図を示す．表２機関運転緒元エンジン形式 YANMAR NFD13-ME 横型単気筒 4 サイクルディーゼルエンジンボア×ストローク 92×96ｍｍ排気容量 0.638 ㍑燃焼形式直接噴射式圧縮比 17.7 定格出力 2400rpm：11PS(8.1ｋW) 最高出力 2400rpm：12.5PS(9.2ｋW) 噴射ポンプ Jerk 式噴射ノズル四孔ノズル開弁圧 200kg/㎠（19.61MPａ）

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図２機関系統図

２－２燃料混合方法

計量した Marine diesel oil をエア抜きバルブを開放した状態の耐圧燃料タンクに充填する．エア抜きバルブを閉じて密封状態にした後に，DME の充填されている耐圧タンクを重量計（ディジタル台はかり）に乗せ，耐圧タンクと耐圧燃料タンクとを接続して設定した割合になるまで DME を充填した．その際，よりよい混合状態を得るために，DME はバブリングにて充填した．２－３機関性能試験実験機関の回転数を 2000(rpm)，1850(rpm)，1600(rpm)の３段階に，過給圧力を 18(kpa)一定，制動負荷を１～６(kW)の１(kW)毎に設定した．また，燃料系統への窒素ガスの加圧は 2.3(MPa)とした．測定項目は，回転数(rpm)，制動荷重(kgf)，吸気温度(℃)，排気温度(℃)，潤滑油温度(℃)，気温(℃)，気圧(㎜ Hg)，湿度(%)，吸気圧力(KPa)，HC(volppm)，煙濃度(vol%)，NOx(volppm)，CO2(vol%)，O2(vol%)， CO(vol%)である． ① ② ④ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ _⑪ ⑫ ⑬ ⑭ ⑮ ⑯ ⑤ ③ ①Test engine ②Injection pump ③Injection nozzle ④Nitrogen cylinder ⑤Fuel tank ⑥Dynamometer ⑦Rotary encoder ⑧Amplifier ⑨Combustion analyzer ⑩Pressure transducer ⑪Injection pressure sensor ⑫Air tank

⑬Flow meter ⑭Smoke meter

⑮Exhaust gas analyzer ⑯Exhaust

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２－４図示平均有効圧力の定義今回の実験では負荷だけではなく回転数変化させて行う．比較の尺度として pi（図示平均有効圧力）を使用した．ここで，図示平均有効圧力の求め方は， S：ピストン行程(m) D：シリンダ直径(m) ne：機関回転数(rpm) u：１サイクルの行程数 Vt：シリンダ全容積(m3) Vc：すきま容積(m3) Wth：理論仕事量(J) Wt：図示仕事量(J) Pth：理論平均有効圧力(Pa) とすれば，Vt Vc D S 2 ) 4 / (π = − _{であるから} S D Wth Vc Vt Wth Pth 2 ) 4 / (π = − = 同様に実際の p-v 線図から Wi および pi が求められる．実際の p-v 線図は理論的 p-v 線図の角に丸味がついたものであるから，その面積は小さくなり，したがって，図示仕事量 Wi は理論仕事量 Wth よりも小さく，この両者の比， th i th i th i p p W W f η η = = = f を線図係数，pi を図示平均有効圧力という． 実際の図示平均有効圧力の算出は，燃焼圧力のグラフを上死点で折り返し，2 本の線によって囲まれた面積を利用した．２－５熱発生率の定義ディーゼル機関でのシリンダ内での燃焼状態を把握しようとした場合，燃焼に関する因子は非常に数多くあり，その一つ一つの関係も複雑である．そこで，燃料より得た熱量がクランク角度毎にどのように変化しているのかを調べることによって，燃焼状態を知るということが熱発生率を求める意義である．熱発生率を求める式は一般に dQ=dU + pdV (熱力学の第一法則) ・・・式① GRT PV = _{を微分して，} PdV +VdP=GRdT _{・・・式②} cv= G 1 ・ dT dU から， dU =cvGdT_{・・・式③} Rk

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① 式に，②，③，④式を代入すると， ) ( 1 1 VdP kPdV k dQ + − = ここで， Q ＝燃焼により発生した熱量 θ＝クランク角度とすると任意のクランク角度θにおける熱発生率dQ dθ は， ) ( 1 1 / θ θ θ d dP V d dV kP k d dQ + − = ・・・式⑤ この式⑤を熱発生率という．ここで，ｋ：比熱比 v p c c k = (c ：定圧比熱 p c ：定容比熱) P：燃焼室圧力 v V：シリンダ容積となっている．燃焼過程は「予混合燃焼」と「拡散燃焼」に分けて評価したが，これはピーク後の熱発生率曲線の変曲点で分けて考えたものである．実際の熱発生率の算出は，機関の燃焼室壁にピエゾ式圧力センサを取り付けてシリンダ内圧力を測定，また，ロータリーエンコーダー等でクランク角度をモニターしながら燃焼解析装置で P―θ線図を描かせ，上式により導いた．シリンダ容積のクランク角度毎の変化はモータリングにより機関を運転し，燃料無噴射状態での圧力波形を得ることでわかる．比熱比ｋについては，燃焼履歴により若干変化するであろうが，一般には定数として用いる．燃焼圧力線図は燃焼解析装置 CB466 によりクランク角度 0.25(deg.)毎に 1440 個のデータを 50 サイクル平均で測定した．

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第３章実験結果および考察３－１噴射圧力通常噴射圧力の場合図 3～5 に，2000rpm 時の MDO100％，MDO70％＋ DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃料噴射圧力を示す．負荷は Pi（図示平均有効圧力）にて 6 段階設定し，縦軸を燃料噴射圧力，横軸をクランク角としている． DME 混合燃料では燃料噴射期間が長くなっていることが分かる．この理由として，DME は低位発熱量が軽油や A 重油に比較して約 7 割と低いことが挙げられる．発熱量が低いため，DME を混合した分だけ，同出力を維持するためには多くの燃料が必要となる．結果として噴射される燃料の量が増加し，噴射期間が延長されたと考えられる．この傾向は，高い出力が必要となる高負荷域で顕著に見られた．図 6～8 に，1850rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 9～11 に，1600rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 12 に，2000rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力を示す．比較し易いように最小負荷（Pi:0.3MPa）と最大負荷（Pi:0.8MPa）の数値を示した．低負荷域では，燃料噴射までの圧力勾配に大きな違いは見られない．だが，高負荷域において，燃料噴射の際の圧力上昇が A 重油 100％に比べて緩やかになっていることが分かる．これはＤＭＥの弾性係数がほかの燃料に比べて低いので他の燃料に比べて圧縮されやすいためであると考えられる．この結果，若干ではあるが噴射タイミングが遅延する傾向にある．図 13 に，1850rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 14 に，1600rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．

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図 3 2000rpm 時の Marine diesel oil 100％における燃料噴射管圧力

図 4 2000rpm 時の Marine diesel oil 70％＋DME30％における燃料噴射管圧力

0 10 20

Crank Angle (deg.)

Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 10 20

Crank Angle (deg.)

In ject io n P res su re ( M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 10 20

Crank Angle (deg.)

Inj e c ti o n P re ss ure (M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 10 20

Crank Angle (deg.)

In jectio n P res su re ( M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 10 20

Crank Angle (deg.)

In jectio n P res su re ( M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa

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図 11 1600rpm 時の Marine diesel oil 60％＋DME40％における燃料噴射管図 12 2000rpm 時における燃料別の燃料噴射管圧力の比較図 13 1850rpm 時における燃料別の燃料噴射管圧力の比較図 14 1600rpm 時における燃料別の燃料噴射管圧力の比較 0 10 20

Crank Angle (deg.)

Crank Angle (deg.)T.D.C

-30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa In jectio n P res su re ( M P a ) 0 10 20

Crank Angle (deg.)

Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) T.D.C -30° + 50°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa

Marine diesel oil Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa

0 10 20

Crank Angle (deg.)

Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) T.D.C -30° + 50°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa

Marine diesel oil Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 10 20 C ra nk A ngle (de g.) Inj e c ti on P re ss u re (M P a ) T.D .C -30° + 50°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil

Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 10 20 C ra nk A ngle (de g.) Inj e c ti on P re ss u re (M P a ) T.D .C -30° + 50°

Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil

Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 1 0 2 0 C ra n k A n gle (d e g.) In je c ti o n P re ss u re (M P a ) T .D .C -3 0 ° + 5 0 °

Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa

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燃料噴射圧力が高い場合図 14～16 に，2000rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃料噴射圧力を示す．負荷上昇に伴い，燃料消費量が増加することから，噴射期間が増大することが見られる．MDO100%においては，負荷が上昇するにつれ，噴射のタイミングが早くなるが，混合燃料（MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％）では，徐々に遅延していることがわかる．図 17～19 に，1850rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 20～22 に，1600rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 23 に，2000rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力を示す．比較し易いように最小負荷（Pi:0.3MPa）と最大負荷（Pi:0.8MPa）の数値を示した．最小負荷においては燃料別の噴射タイミングの差は大きく見られないが， DME の混合比率が増加するに伴い，噴射期間が増大していることがわかる．これは，DME の発熱量が MDO のそれより小さいことから，燃料をより多く必要とするためだと考えられる．さらに，最大負荷においては，DME の混合比率が増加するに伴い，噴射タイミングは遅延した．これは，DME の高い圧縮性から，昇圧するまでの時間を余分に要したためだと推測される．図 24 に，1850rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 25 に，1600rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．

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図 14 2000rpm 時の MDO100%における燃料噴射圧力図 15 2000rpm 時の MDO 70%+DME 30%における燃料噴射圧力図 16 2000rpm 時の MDO 60%+DME 40%における燃料噴射圧力図 17 1850rpm 時の MDO100%における燃料噴射圧力図 18 1850rpm 時の MDO 70%+DME 30%における燃料噴射圧力図 19 1850rpm 時の MDO 60%+DME 40%における燃料噴射圧力 0 10 20 30 In je c ti o n P re ss u re (M P a )

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C -30° Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 10 20 30 +50° Crank Angle (deg.)

In je c ti on P re ss u re (M P a ) -30° T.D.C Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 10 20 30

Crank Angle (deg.)

In je c ti o n P re ss u re ( M P a ) +50° -30° T.D.C Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 10 20 30 Inj e c ti on P re ss u re ( M P a )

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C -30° Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 10 20 30 Inj e c ti on P re ss u re ( M P a )

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C

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図 20 1600rpm 時の MDO100%における燃料噴射圧力図 21 1600rpm 時の MDO 70%+DME 30%における燃料噴射圧力図 22 1600rpm 時の MDO 60%+DME 40%における燃料噴射圧力図 23 2000rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力の比較図 24 1850rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力の比較図 25 1600rpm 時の燃料別における各燃料噴射圧力の比較 Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 10 20 30 Inj e c ti on P re ss u re ( M P a )

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C

-30°

Marine diesel oil +DME(60:40)%@Pi0.3MPa +DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 10 20 30

Crank Angle (deg.) T.D.C -20° +50° Inj e c ti on P re ss u re (M P a ) 0 10 20 30

C rank Angle (deg.) T.D.C -20° + 50° In je ct io n P re ss u re ( M P a

) Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil +DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil

0 10 20

Crank Angle (deg.)

In ject io n P res su re ( M P a ) T.D.C -30° +50°

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噴射圧力の比較図 26～43 に年度別の噴射圧力を示す．すべてのグラフにおいて点線（2007 年度実施の高圧燃料噴射）の噴射管圧力の方が高くなっている．これは，燃料噴射弁内にシムを使用してノズル開弁圧を上げているためである．図 26 2000rpm，Pi0.3MPa 時の噴射圧力の比較図 27 2000rpm，Pi0.4MPa 時の噴射圧図 28 2000rpm，Pi0.5MPa 時の噴射圧力の比較図 29 2000rpm，Pi0.6MPa 時の噴射圧 0 10 20 30 +50° Inj e c ti on P re ss u re (M P a ) -20°

Crank Angle (deg.) T.D.C MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30 T.D.C In jectio n P res su re ( M P a )

Crank Angle (deg.)

+50° -20° MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30 In je c ti on P re ss u re (M P a ) T.D.C -20° +50°

Crank Angle (deg.)

MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30 Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007

(18)

図 30 2000rpm，Pi0.7MPa 時の噴射圧力の比較図 31 2000rpm，Pi0.8MPa 時の噴射圧力の比較図 32 1850rpm，Pi0.3MPa 時の噴射圧力の比較図 33 1850rpm，Pi0.4MPa 時の噴射圧力の比較図 34 1850rpm，Pi0.5MPa 時の噴射圧力の比較図 35 1850rpm，Pi0.6MPa 時の噴射圧力の比較 0 10 20 30 In jectio n P res su re ( M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30

Crank Angle (deg.)

-20° T.D.C +50° MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) 0 10 20 30 In jectio n P res su re ( M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

-20° T.D.C +50° In jec tio n P res su re ( M P a ) MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30 In jectio n P res su re ( M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

-20° T.D.C +50° In jectio n P res su re ( M P a ) MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007

(19)

図 36 1850rpm，Pi0.7MPa 時の噴射圧力の比較図 37 1850rpm，Pi0.8MPa 時の噴射圧力の比較図 38 1600rpm，Pi0.3MPa 時の噴射圧図 39 1600rpm，Pi0.4MPa 時の噴射圧力の比較図 40 1600rpm，Pi0.5MPa 時の噴射圧力の比較図 41 1600rpm，Pi0.6MPa 時の噴射圧 0 10 20 30 In jectio n P res su re ( M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C -20° In jectio n P res su re ( M P a ) MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30 In je c ti on P re ss u re (M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

-20° T.D.C +50° Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007 0 10 20 30 In je c ti on P re ss u re (M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C -20° In jectio n P res su re ( M P a ) MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007

(20)

図 42 1600rpm，Pi0.7MPa 時の噴射圧力の比較図 43 1600rpm，Pi0.8MPa 時の噴射圧力の比較 0 10 20 30 In jectio n P res su re ( M P a ) -20° T.D.C +50°

Crank Angle (deg.)

+50° T.D.C -20° Inj e c ti o n P re ss u re (M P a ) _MDO100%-2006 MDO70%+DME30%-2006 MDO60%+DME40%-2006 MDO100%-2007 MDO70%+DME30%-2007 MDO60%+DME40%-2007

(21)

３－２燃焼圧力通常噴射圧力の場合図 44～46 に，2000rpm 時の MDO100％，MDO70％＋ DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃焼圧力を示す．負荷は Pi（図示平均有効圧力）にて 6 段階設定し，縦軸を燃焼圧力，横軸をクランク角としている．負荷の増大に伴い，燃焼圧力の立ち上がりが早くなることがわかる．また，負荷が最大のとき燃焼圧力も最大になることが見られる．図 47～49 に，1850rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃焼圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 50～52 に，1600rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃焼圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 53 に，2000rpm 時の燃料別における各燃焼圧力を示す．比較し易いように最小負荷（Pi:0.3MPa）と最大負荷（Pi:0.8MPa）の数値を示した．最小負荷において MDO60%+DME40%では，MDO100%に比べ，燃焼圧力の立ち上がりが早くなっていることがわかる．これは DME のセタン価が MDO のそれよりも高く，火炎伝播速度が速いことが影響したと考えられる．最大負荷においては，燃焼圧力の立ち上がりに大きな差は見られなかった．また，DME の混合率の増加に伴い，燃焼圧力の最大値が減少することがわかる．これは，DME の発熱量が MDO のそれよりも低いことが影響したと考えられる．図 54 に，1850rpm 時の燃料別における各燃焼圧力を示す．最小負荷，最大負荷共に，2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 55 に，1600rpm 時の燃料別における各燃焼圧力を示す．最小負荷において，MDO100%に比べ，MDO60％+DME 40％では燃焼圧力の立ち上がりが早くなっていることがわかる．これは，DME のセタン価が MDO のそれよりも高く，火炎伝播速度が速いことが影響したと考えられる．また， MDO70％＋DME30％ではの燃焼圧力の立ち上がりが若干遅れている．これは DME 混合による，噴射タイミングの遅延が影響したためだと考えられる．最大負荷では，MDO100%と混合燃料とを比較すると，混合燃料のほうが，燃焼圧力の立ち上がりが緩慢になっていることが見てとれる．これは，DME の噴

(22)

図 44 2000rpm 時の Marine diesel oil 100％燃焼圧力

図 45 2000rpm 時の Marine diesel oil 70％＋DME30％における燃焼圧力

図 49 1850rpm 時の Marine diesel oil 60％＋DME40％における燃焼圧力 0

2 4 6

Crank Angle (deg.)

C o m b u st io n Pr e ssu re ( M Pa ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 2 4 6

Crank Angle (deg.)

Co m bus ti o n P re ss u re (M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 2 4 6

Crank Angle (deg.)

C o m b us ti o n P re ss u re (M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 2 4 6

Crank Angle (deg.)

C o m b u st io n Pr e ss u re ( M Pa ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 2 4 6

Crank Angle (deg.)

Co m b u st io n P re ss u re (M P a ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa

(23)

図 52 1600rpm 時の Marine diesel oil 60％＋DME40％における燃焼圧力図 53 2000rpm 時における燃料別の燃焼圧力の比較図 54 1850rpm 時における燃料別の燃焼圧力の比較図 55 1600rpm 時における燃料別の燃焼圧力の比較 0 2 4 6

Crank Angle (deg.)

C o m b u st io n Pr e ssu re ( M Pa ) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 2 4 6 C ra n k A ngle (d e g.) Com b us ti on P re ss u re (M P a ) T. D .C -3 0 ° + 5 0°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected]

Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 2 4 6 C ra n k A ngle (d e g.) Com b us ti on P re ss u re (M P a ) T. D .C -3 0 ° + 5 0°

Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.8MPa Marine diesel [email protected]

Marine diesel [email protected]

Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.8MPa

0 2 4 6 C ra n k A n gle (d e g.) Com bus ti on P re ss u re (M P a ) T. D .C -3 0 ° + 5 0°

Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 2 4 6 C ra n k A n gle (d e g.) Com bus ti on P re ss u re (M P a ) T. D .C -3 0 ° + 5 0°

0 2 4 6 C ra n k A n gle (d e g.) Com bus ti on P re ss u re (M P a ) T. D .C -3 0 ° + 5 0°

Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 2 4 6 C ra n k A n gle (d e g.) Com bus ti on P re ss u re (M P a ) T. D .C -3 0 ° + 5 0°

(24)

燃料噴射圧力が高い場合図 56～58 に 2000rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃焼圧力を示す．負荷の増大に伴い，燃焼圧力の立ち上がりが早くなることがわかる．また，負荷が最大のとき燃焼圧力も最大になることが見られる．図 59～61 に，1850rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃焼圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 62～64 に，1600rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各燃焼圧力を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 65 に，2000rpm 時の燃料別における各燃焼圧力を示す．比較し易いように最小負荷（Pi:0.3MPa）と最大負荷（Pi:0.8MPa）の数値を示した．最小負荷において MDO60%+DME40%では，MDO100%に比べ，燃焼圧力の立ち上がりが早くなっていることがわかる．これは DME のセタン価が MDO のそれよりも高く，火炎伝播速度が速いことが影響したと考えられる．それに対し， MDO70%+DME30%では，MDO100%に比べ，若干立ち上がりが遅れている．これは燃料供給系統の高温部にて DME が気化し，ベーパーロック現象を起こすことによって噴射タイミングが遅延したと推測される．最大負荷においては，燃焼圧力の立ち上がりに大きな差は見られない．また， DME の混合率の増加に伴い，燃焼圧力の最大値が減少することがわかる．これは，DME の発熱量が MDO のそれよりも低いことが影響したと考えられる．図 66 に，1850rpm 時の燃料別における各燃焼圧力を示す．最小負荷では，MDO100%に比べ，混合燃料（MDO70％＋DME30％，MDO60％ +DME 40％）の燃焼圧力の立ち上がりが，若干早いことがわかる．この場合も DME のセタン価が MDO のそれよりも高いことが影響したと考えられる．最大負荷においては，2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 67 に，1600rpm 時の燃料別における各燃焼圧力を示す．最小負荷においては 1850rpm 時と同様の結果が得られた．最大負荷においては，MDO100%に比べ，混合燃料（MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％）の燃焼圧力の立ち上がりが若干遅れている．これは DME 混合による，噴射タイミングの遅延が影響したためだと考えられる．また，DME の混合率の増加に伴い，燃焼圧力の最大値が減少することがわかる．

(25)

図 56 2000rpm 時の MDO100%における燃焼圧力図 57 2000rpm 時の MDO 70%+DME 30%における燃焼圧力図 58 2000rpm 時の MDO 60%+DME 40%における燃焼圧力図 59 1850rpm 時の MDO100%における燃焼圧力図 60 1850rpm 時の MDO 70%+DME 30%における燃焼圧力図 61 1850rpm 時の MDO 60%+DME 40%における燃焼圧力 Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.) T.D.C -10° +30° Co m b us ti o n P re ss u re ( M P a ) 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.)

T.D.C +30° -10° Co m b us ti o n P re ss u re ( M P a ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.)

+30° T.D.C -10° Co m b us ti o n P re ss u re ( M P a ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.) T.D.C -10° +30° C o m b u st io n Pr e ss u re ( M Pa ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.) T.D.C -10° +30° Com bus ti on P re ss u re ( M P a ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.) T.D.C -10° +30° Co m b us ti o n P re ss u re ( M P a ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa

(26)

図 62 1600rpm 時の MDO100%における燃焼圧力図 63 1600rpm 時の MDO 70%+DME 30%における燃焼圧力図 64 1600rpm 時の MDO 60%+DME 40%における燃焼圧力図 65 2000rpm 時の燃料別における各燃焼圧力の比較図 66 1850rpm 時の燃料別における各燃焼圧力の比較図 67 1600rpm 時の燃料別における各燃焼圧力の比較 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.) T.D.C -10° +30° C o m b u st io n Pr e ss u re ( M Pa ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 2 3 4 5 6 7

Crank Angle (deg.) T.D.C -10° +30° Co m b us ti o n P re ss u re ( M P a ) Pi:0.3MPa Pi:0.4MPa Pi:0.5MPa Pi:0.6MPa Pi:0.7MPa Pi:0.8MPa 0 2 4 6

C rank A ngle (deg.)

Com b us ti on P re ss u re (M P a ) T.D .C + 50° -30°

Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.8MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.3MPa Marine diesel oil + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0

2 4 6

Co m bus ti o n P re ss u re (M P a ) T.D .C -30° + 50° 0 2 4 6

Co m bus ti o n P re ss u re (M P a ) T.D .C + 50° -30°

(27)

３－３熱発生率通常噴射圧力の場合図 68～70 に，2000rpm 時の MDO100％，MDO70％＋ DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各熱発生率を示す．負荷は Pi（図示平均有効圧力）にて 6 段階設定し，縦軸を熱発生率，横軸をクランク角としている．負荷の上昇に伴い，立ち上がりが早くなり，燃焼期間が増大していることがわかる．さらに，熱発生率の最大値も徐々に減少し，その後の拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間における値が大きくなっている．これにより，負荷の上昇に伴い，予混合燃焼期間が短縮し，拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間が延長したことがわかる．また，混合燃料（MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％）では，DME の特性である高セタン価，着火性が良いことから拡散燃焼期，後燃え燃焼期においても良好な燃焼が行われていることがグラフの脈動からわかる．図 71～73 に，1850rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各熱発生率を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 74～76 に，1600rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各熱発生率を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 77 に，2000rpm 時の燃料別における各熱発生率を示す．比較し易いように最小負荷（Pi:0.3MPa）と最大負荷（Pi:0.8MPa）の数値を示した．低負荷域では予混合燃焼期間の熱発生率の最大値が大きいのに対し，高負荷域ではそれが小さくなっており，熱発生率の立ち上がりに大きな差がないため，高負荷域では予混合燃焼期間が短縮し，拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間が延長したことがわかる．図 78 に，1850rpm 時の燃料別における各熱発生率を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 79 に，1600rpm 時の燃料別における各熱発生率を示す．この場合も 1850rpm 時と同様の結果が得られた．

(28)

図 68 2000rpm 時の Marine diesel oil 100％における熱発生率

図 69 2000rpm 時の Marine diesel oil 70％＋DME30％における熱発生率

図 73 1850rpm 時の Marine diesel oil 60％＋DME40％における熱発生率 0

20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t r e le a se (kJ /de g.) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g.) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g.) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

R a te o f h eat re leas e ( k J/ d e g .) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

R a te o f h e at r e leas e ( k J/ d e g .) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

R a te o f h eat re leas e (k J/ d e g .) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa

(29)

図 76 1600rpm 時の Marine diesel oil 60％＋DME40％における熱発生率図 77 2000rpm 時における燃料別の熱発生率の比較図 78 1850rpm 時における燃料別の熱発生率の比較図 79 1600rpm 時における燃料別の熱発生率の比較 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

R a te o f h e at r e leas e ( k J/ d e g .) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

R a te o f h eat r e leas e ( k J/ d e g .) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

R a te o f h eat r e le as e ( k J/ d e g .) T.D.C -30° +50° Pi0.3MPa Pi0.4MPa Pi0.5MPa Pi0.6MPa Pi0.7MPa Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g.) T.D.C -30° +50°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil

Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g.) T.D.C -30° +50°

Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil

Crank Angle (deg.)

R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) T.D.C -30° +50°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa

(30)

燃料噴射圧が高い場合図 80～82 に，2000rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各熱発生率を示す．負荷の上昇に伴い，立ち上がりが早くなり，燃焼期間が増大していることがわかる．さらに，熱発生率の最大値も徐々に減少し，その後の拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間における値が大きくなっている．これにより，負荷の上昇に伴い，予混合燃焼期間が短縮し，拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間が延長したことがわかる．また，混合燃料（MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％）では，DME の特性である高セタン価，着火性が良いことから拡散燃焼期，後燃え燃焼期においても良好な燃焼が行われていることがグラフの脈動からわかる．図 83～85 に，1850rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各熱発生率を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 86～88 に，1600rpm 時の MDO100％，MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％における負荷ごとの各熱発生率を示す．この場合も 2000rpm 時と同様の結果が得られた．図 89 に，2000rpm 時の燃料別における各熱発生率を示す．比較し易いように最小負荷（Pi:0.3MPa）と最大負荷（Pi:0.8MPa）の数値を示した．低負荷域では予混合燃焼期間の熱発生率の最大値が大きいのに対し，高負荷域ではそれが小さくなっており，熱発生率の立ち上がりに大きな差がないため，高負荷域では予混合燃焼期間が短縮し，拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間が延長したことがわかる．図 90 に，1850rpm 時の燃料別における各熱発生率を示す．低負荷においては，MDO と混合燃料（MDO70％＋DME30％，MDO60％+DME 40％）とで大きな差は見られない．この場合も同様に，高負荷域では予混合燃焼期間が短縮し，拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間が延長したことがわかる．また，高負荷においては DME の混合率が増加するに伴い，予混合燃焼期間における熱発生率の最大値が若干小さくなっており，予混合燃焼期間が短縮したと考えられる．さらに，DME の特性である，高セタン価，着火性が良いことから，拡散燃焼期間及び後燃え燃焼期間においても，より良好な燃焼が行われていることがわかる．図 91 に，1600rpm 時の燃料別における各熱発生率を示す．この場合も同様に，1850rpm 時と同様の結果が得られた．

(31)

図 80 2000r pm 時の MDO100%における熱発生率図 81 2000rpm 時の MDO 70%+DME 30%における熱発生率図 82 2000rpm 時の MDO 60%+DME 40%における熱発生率図 83 1850rpm 時の MDO100%における熱発生率図 84 1850rpm 時の MDO 70%+DME 30%における熱発生率図 85 1850rpm 時の MDO 60%+DME 40%における熱発生率 Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) -20° T.D.C +60°

Crank Angle (deg.)

Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° Ra te of h e a t re le a se (kJ /de g.) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP

(32)

図 86 1600rpm 時の MDO100%における熱発生率図 87 1600rpm 時の MDO 70%+DME 30%における熱発生率図 88 1600rpm 時の MDO 60%+DME 40%における熱発生率図 89 2000rpm 時の燃料別における各熱発生率の比較図 90 1850rpm 時の燃料別における各熱発生率の比較図 91 1600rpm 時の燃料別における各熱発生率の比較 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° Ra te of h e a t re le a se (kJ /de g.) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° R a te o f h e at r e le as e ( k J/ d e g .) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60 80

Crank Angle (deg.)

+60° T.D.C -20° Ra te of h e a t re le a se (kJ /de g.) Pi:0.3MP Pi:0.4MP Pi:0.5MP Pi:0.6MP Pi:0.7MP Pi:0.8MP 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g .) T.D.C -20° + 60°

Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g. ) T.D.C +60° -20°

Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel [email protected] Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil Marine diesel oil + DME(70:30)%@Pi0.3MPa + DME(70:30)%@Pi0.8MPa + DME(60:40)%@Pi0.3MPa + DME(60:40)%@Pi0.8MPa 0 20 40 60

Crank Angle (deg.)

Ra te of he a t re le a se (kJ /de g. ) T.D.C -20° +60°

(33)

３－４ NO_X濃度，煙濃度，CO₂濃度，O₂濃度通常噴射圧力の場合図 92～94 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における NOX濃度を示す． DME の混合率の増加に伴い，特に高負荷域において，NOX濃度が減少することがわかる．これは DME の特性である大きな蒸発潜熱によって周囲の温度が低下して，生成の抑制につながったと考えられる．図 92 2000rpm 時における NOx 濃度 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

NOx (ppm)

Marine Diesel oil 100%

Marine diesel oil + DME(70:30) Marine Diesel oil + DME(60:40)

(34)

図 93 1850rpm 時における NOx 濃度図 94 1600rpm 時における NOx 濃度 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

NO

x (

p

pm

)

Marine diesel oil 100%

Marine diesel oil + DME(70:30) Marine diesel oil + DME(60:40)

1600rpm

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

NOx (ppm

)

(35)

図 95～97 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における煙濃度を示す．低負荷域ではあまり差は見られないが，高負荷域になるにつれ，DME の混合率の増加に伴い減少することがわかる．これは DME が分子構造上，炭素の直接結合をもたないためと考えられる．図 95 2000rpm 時における煙濃度 0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

S

m

oke (%)

2000rpm

(36)

図 96 1850rpm 時における煙濃度図 97 1600rpm 時における煙濃度 0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

Smoke

(%

)

1600rpm

0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

Smoke

(%)

(37)

図 98～100 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における CO_２濃度を示す． DME を混合した場合に，CO２濃度は若干現象していることが見て取れる．なので，CO_２濃度が少ないと言うディーゼルエンジンの利点を失っていないと言える．図 98 2000rpm 時における CO2濃度 0 2 4 6 8 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

CO

2

(%)

Marine diesel oil + DME(70:30) Marine diesel oil +DME(60:40)

(38)

図 99 1850rpm 時における CO2濃度図 100 1600rpm 時における CO2濃度 0 2 4 6 8 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

CO

2

(%

)

Marine Diesel oil 100%

Marine Diesel oil + DME(70:30) Marine Diesel oil + DME(60:40)

1600rpm

0 2 4 6 8 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

CO

2

(%

)

Marine Diesel oil + DME(70:30) Marine diesel oil + DME(60:40)

(39)

図 101～103 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における O_２濃度を示す．各回転数ともに DME 混合燃料使用時の方が若干上昇している．これは DME が含酸素燃料であり，空気中の酸素使用量が減少したためと考えられる．図 101 2000rpm 時における O2濃度 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) O2 (%)

1850rpm

4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

O

2

(%

)

(40)

図 103 1600rpm 時における O2濃度 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Pi (MPa)

O

2

(%)

(41)

燃料噴射圧力が高い場合図 104～106 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における NOX濃度を示す． DME の混合率の増加に伴い，特に高負荷域において，NOX濃度が減少することがわかる．2000rpm 時には，MDO100％と MDO60％＋DME40％を比較すると，最大で約 40％近く減少した．これは DME の特性である大きな蒸発潜熱によって周囲の温度が低下して，生成の抑制につながったと考えられる． 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) NOx (ppm) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

2000rpm

図 104 2000rpm 時の各燃料における NOX濃度 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) NOx (p pm) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1850rpm

(42)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) NOx ( p p m ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1600rpm

図 106 1600rpm 時の各燃料における NOX濃度

(43)

図 107～109 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における煙濃度を示す．低負荷域ではあまり差は見られないが，高負荷域になるにつれ，DME の混合率の増加に伴い減少することがわかる． MDO100％と MDO60％＋DME40％を比較すると最大で約 7５％低減されたことがわかる． 0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Pi (MPa) Sm o k e (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

2000rpm

図 107 2000rpm 時の各燃料における煙濃度

(44)

0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Pi (MPa) Smok e (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1850rpm

図 108 1850rpm 時の各燃料における煙濃度 0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Pi (MPa) Sm o k e (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1600rpm

図 109 1600rpm 時の各燃料における煙濃度

(45)

図 110～112 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における CO2濃度を示す． MDO100％に比べて MDO60％＋DME40％では CO2 濃度がわずかながら減少しているが，ほぼ，同様の傾向を示している．このことにより，ディーゼルエンジンの本来の性能，長所を失っていないといえる． 0 2 4 6 8 10 12 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) CO 2 (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

2000rpm

図 110 2000rpm 時の各燃料における CO2濃度

(46)

0 2 4 6 8 10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) CO 2 (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1850rpm

図 111 1850rpm 時の各燃料における CO2濃度 0 2 4 6 8 10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) CO 2 (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1600rpm

図 112 1600rpm 時の各燃料における CO2濃度

(47)

図 113～115 に 2000rpm 時，1850rpm 時，1600rpm 時の各燃料における O2濃度を示す．各回転数において，負荷の増大に伴い O2 濃度が減少することがわかる．MDO 100％と比べると MDO60％＋DME40％では増大が見られた．1600rpm 時では最大で約２％の増大が見られた．これは DME が含酸素燃料なので空気中の酸素使用量が減少するためだと考えられる． 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) O2 (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

2000rpm

図 113 2000rpm 時の各燃料における O２濃度

(48)

8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) O2 (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1850rpm

図 114 1850rpm 時の各燃料における O_２濃度 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pi (MPa) O2 (% ) MDO 100% MDO 70% + DME 30% MDO 60% + DME 40%

1600rpm

図 115 1600rpm 時の各燃料における O_２濃度

Microsoft Word - 科研DME報告書.doc

ジメチルエーテルを利用した

ディーゼルエンジン燃料の燃焼改善

（研究課題番号 18560769）

平成 18～平成 19 年度科学研究費補助金（基盤研究(C)）

研究成果 報告書

平成 20 年 3 月

研究代表者 段 智 久

（神戸大学大学院 海事科学研究科）

Pi (MPa)

NOx (ppm)

Pi (MPa)

NO

x (

p

pm

)

1600rpm

Pi (MPa)

NOx (ppm

)

Pi (MPa)

S

m

oke (%)

2000rpm

Pi (MPa)

Smoke

(%

)

1600rpm

Pi (MPa)

Smoke

(%)

Pi (MPa)

CO

(%)

Pi (MPa)

CO

(%

)

1600rpm

Pi (MPa)

CO

(%

)

1850rpm

Pi (MPa)

O

(%

)

Pi (MPa)

O

(%)

2000rpm

1850rpm

1600rpm

2000rpm

1850rpm

1600rpm

2000rpm

1850rpm

1600rpm

2000rpm

1850rpm

1600rpm

研究成果報告書

研究代表者段智久

（神戸大学大学院海事科学研究科）