法政大学大学院工学研究科紀要 Vol.55(2014 年 3 月) 法政大学 小型ディーゼル機関の廃油系混合燃料を用いた 燃焼制御 THE COMBUSTION CONTROL BY USING BLENDED FUEL WITH A KIND OF WASTE OIL FOR SMALL DIESEL ENGINE 本宮 悠佑 Yusuke MOTOMIYA 指導教員 川上 忠重 法政大学大学院工学研究科機械工学専攻修士課程 Nowadays, the global environmental problems become very serious. Therefore it is necessary to reduce the exhaust gas of internal combustion engines. It is well known that the biofuel can possible to reduce the HC, CO, and CO2 because it includes oxygen in the fuel. Experiments have been carried out to determine the influence on combustion characteristics for small diesel engine by using blend fuel with a kind of waste oil. The main conclusions in this study are as follows; 1)The CO emission by using blended fuel with BDF is smaller than that of light oil. 2)The CO2 emission by using blended fuel are almost same than that of light oil at any blended rate. 3)The O2 emission is the almost constant for all the blended fuel and light oil. 4)The HC emission by using blended fuel can be possible to reduce by using BDF addition fuels. 5)By using the blended fuel with ethanol, the NOx emission decreases than that of light oil. Key Words : BDF, Ethanol, Diesel engine, Exhaust gas １ ． 緒論 近 年， 深刻 な環境 問題 として 大気 汚染 や地球 温暖 化， 石油資源枯渇等が挙げられる．ディーゼル機関はガソリ ン機関よりも熱効率に優れ，燃料のコスト性や CO２ の排 出抑制という観点から，これら問題の改善策として注目 されている．その一方，ディーゼルへの排出規制は年々 厳しくなっている．これらの観点から，軽油の持続的な 代替燃料として着目されている廃油系燃料が小型発電 用として普及しつつある．本研究では，主成分であるバ イオディーゼル燃料(BDF)及びエタノールに着目した． これらの燃料はバイオマス製造が可能なことから石 油代替燃料とされている．バイオディーゼルは動・植物 油を原料とするため，毒性が低く，成分分解がよく，硫 黄 分をほ とん ど含ま ない再生 可能な 含酸 素燃料 で有り， HC，CO 等の低減が可能である．しかし，軽油に比べ動 粘度が高く，蒸発性に乏しいため噴霧の微粒化が抑制さ れてしまう．その欠点を補うために，低沸点燃料である エタノール混合が効果的と考えられる．また，バイオデ ィーゼルは動・植物油とメタノールからエステル反応に より脂肪酸メチルエステルが得られるため，エタノール との相溶性が高く任意の割合での混合が可能である． [1],[2] 本研究では，小型ディーゼル機関を用いて BDF・軽油 及び BDF・軽油・エタノールの混合燃料を使用し，燃焼 生成物低減及び，これら混合燃料の有用性を検討するた め，CO，CO２ ，NO X，HC などの燃焼生成物を測定し， 混合燃料における燃焼生成物の排出に及ぼす影響につ いて検討を行った． ２．実験装置及び実験方法 本 研 究に 用い られ る供 試機関 は ，縦 型空 冷 4 サイ ク ル 単 気筒 ディ ーゼ ルエ ンジン（ヤ ンマ ー社製 L48A，ボ ア ×ス ト ロ ー ク： 70mm×57mm， 圧 縮 比 20.6） で あ る． 本 供 試機 関の 諸元 表を Table1 に 示す ． Table1 Engine specifications なお，本実験では，燃料供給系，吸排気系，冷却方 式 ， 潤滑 系な どは 標準 仕様か ら 変更 して いな い ． 実 験 装置を Fig.1 に 示す ．ま た，以下 に本 実験 で使 用 し た 燃料 及び 実験 装置 を示す ． (2) 設 定負 荷 グ リ ー ン ウ ッ ド 社 製 GEH-K100N の 遠 赤 外 線 ヒ ー タ ー を 用い て，設 定負 荷を 0，350，700，1050W と 調 整可 能 と なっ てい る． (3) 機関 回転 数 機 関回 転数は 5500rpm 一 定 と した ． (4) 燃焼 生成 物の 測定 燃 焼 生成 物の 測定 装置 として AVL 社 製 DiCom-4000 を使用した．機関を十分暖機運転した後，排気管から 排出された燃焼生成物の一部を測定装置に導入し計測 した． ３．実験結果及び考察 Fig.2 に 軽油 をベ ー ス燃 料と し た， BDF・ エ タノ ール 混 合 燃料 使用 条件 下に おいて ，機 関負 荷に 対する CO 排 出量を，燃料性状をパラメータとして示す．この図か ら ， B25・ E5， B20・ E10 の 範 囲で は全 負荷 条件 におい Fig.1 Experimental device て ，軽 油単 体と ほぼ 同様の CO 排 出 量を 示し てい るのが わかる．これは，エタノールを添加したことによる， (1) BDF・ エ タノ ール 混合燃 料 ベ ー ス燃 料と して 軽油 を用い ，BDF，エ タ ノー ル混 合 燃 料の BDF 添 加率𝑊B ，エ タ ノー ル 添加 率 𝑊E は それ ぞれ 以 下 の式 のよ うに 定義 する． 発熱量の低下及び気化潜熱に伴う燃焼温度の減少によ っ て ，CO 排 出量 は増 加す ると 考 えら れる が，その 一方， 含 酸 素で あ る BDF を エ タノ ー ル添 加率 より も多 くした 𝑊B (%) = Volume of BDF × 100 Volume of base fuel ことで燃焼促進効果が得られたためと考えられる．ま 𝑊E (%) = Volume of Ethanol × 100 Volume of base fuel で は 軽油 単体 より も大 幅に CO 排 出 量は 増加 して いる ． た ， エ タ ノ ー ル 添 加 率 の 増 大 に 伴 っ て ， 特 に B5・ E25 これは上記に示したようにエタノール添加率を増加し た こ とに より，燃焼 温度 が減 少し CO 排 出 量が 増加 した ま ず，マグ ネ チッ クス ターラ ー（ 攪 拌機）を 1400rpm で 攪 拌し てい ると ころ に各添 加 率に 相当 す る BDF と エ タ ノ ール を混 合さ せ， 30 分 間 攪拌 を行 った ．燃 料性状 と し て， 軽油 単体 ， BDF と エ タ ノー ルの 混合 割合 を 5， 10， 15， 20， 25 vol%と 合 わせ て 30%と な るよ うに それ ぞ れ 変化 させ た燃 料と，BDF 混 合 燃料の BDF 混 合 割合 を 5%ず つ増 加さ せた 5～ 40%と ， BDF・ エタ ノー ル混 合 燃 料の BDF・ エタ ノー ル混 合 割合を BDF35%エ タノ ー ル 5%，BDF30%エ タ ノ ール 10%と した ，全 16 種類 の 燃料を用いて測定が行われた．なお，それぞれの混合 割 合 に対 し， E5（ エタ ノール 5%），B5（ BDF5%）な ど と表記する．また，本実験範囲内において，混合燃料 の 短 時間 での 分離 は観 察され て いな い． Table2 に は 軽油 ，BDF，エタ ノ ール の燃 料性 状を それ ぞ れ 示す ． た め と考 えら れる．よっ て，CO 排 出 量は エ タノ ール添 加 率 に依 存す ると 考え られる ． Table2 Fuel Property Fig.2 CO emission Fig.3 に 軽油 をベ ース 燃料 とし ，BDF・エ タノ ール 混合 燃 料 使用 条件 下に おい て，機 関 負荷 に対 する CO ２ 排 出 量を，燃料性状をパラメータとして示す．この図から , 軽油と混合燃料を比較してみると，どの混合率でも大 きな違いは見られなかった．ここで，エタノール添加 からセタン価低下による着火遅れの増大，含酸素燃料 の噴霧による混合気中の酸素濃度の増加，一方で総発 熱 量 低下 によ り CO ２ 低 下も 考 えら れた が， 同時 測定し た O２ 濃 度 の 最 大 負 荷 時 に お け る 排 出 量 の 減 少 結 果 よ り ，良 好な 燃焼 が行 われ た為 で はな いか と考 えら れる． これは，高負荷では燃料噴射量が増加するため燃焼温 度 が 増大 した ため と考 えられ る ． Fig.3 CO2 emission ベ ー ス燃 料を 軽油 とし た，BDF・エ タノ ール 混合 燃料 を 用 い た 場 合 の ， 機 関 負 荷 に 対 す る 排 ガ ス 中 の O2 濃 度 Fig.5 HC emission を ，燃 料性 状を パラ メー タと して Fig.4 に 示 す．こ のグ ラフから，全ての混合割合で軽油と近い値を示してい Fig.6 に 燃料 性状 を パラ メー タ とし て， BDF・ エ タノ る．また，負荷の増大に伴い，酸素濃度は低下してい ール混合燃料使用条件下における，機関負荷に対する る．これは，負荷の増大とともに吸入空気量が増加す NO x 排 出 量 を示 す． こ の図か ら B25・ E5， B20・ E10 の るが投入燃料量も増大するため，燃焼に関与する雰囲 範 囲 で は 全 負 荷 条 件 に お い て ， CO， HC 同 様 軽 油 単 体 気酸素量が増大したことに起因すると考えられる．ま と比べ大きな差異は見られなかった．また，エタノー た，噴霧量増加による着火遅れ期間の遅延も考えられ ル 添 加率 の増 大に 伴い ，軽油 単 体に 比べ NO x 排 出 量は る が ，今 後の 課題 の一 つであ る ． 減少しているのがわかる．これは，エタノール添加の 増大に伴い総発熱量が低下したことにより，サーマル NO x の 排 出 量が 減少 し たため と 考え られ る ．また ，高負 荷時と低負荷時を比較すると，高負荷では排出量が増 加している．これは，高負荷時の燃料噴射量の増加に 伴 う ，燃 焼温 度の 上昇 による も の と 考え られ る． Fig.4 O2 emission BDF・エ タノ ール 混合 燃料使 用 条件 下で の，機関 負荷 に 対 す る HC 排 出 量 を ， 燃料 性 状 を パ ラ メ ー タ と して Fig.5 に 示す ．こ の図 から ，B25・E5，B20・E10 の 範囲 で は 全 負 荷 条件 に お い て， HC 排 出 量 は 軽 油 単 体に比 Fig.6 NO x emission べ 大 き な 差 異 は 見 ら れな いこ と が わ か る ． こ れは ， CO の場合と同様，エタノール添加によって燃焼温度は減 ベ ー ス燃 料を 軽油 とし た， BDF 単 添 加 と BDF・ エ タ 少 す る が， BDF 添 加 率 をエ タ ノ ール 添 加率 よ りも 多く ノール混合燃料を用いた場合の，各設定負荷に対する したことで燃焼促進効果が得られたためと考えられる． 排 ガ ス 中 の CO 濃 度 を ， 燃料 性 状 を パ ラ メ ー タ と して ま た ， エ タ ノ ー ル 添 加 率 の 増 大 に 伴 い ， 特 に B5・ E25 Fig.7 に 示す．この 図か ら，高 BDF 添 加に 伴い 軽油 単体 で は 低 負 荷 時 に お い て， HC 排 出 量 が 著 し く 増 大 し た． よ りも CO 排 出 量が 減少 して い るこ とが わか る．こ れは ， これは，エタノール添加率増大による，燃料の総発熱 含 酸 素 燃 料 で あ る BDF を 添 加 す る こ と で 混 合 気 中 の 量の減少に伴う火炎温度の低下によって，未燃分が増 酸素濃度が増加し，燃焼促進効果が得られたためと考 大したためと考えられる．また，高負荷時と低負荷時 え ら れ る ． ま た ， B35・ E5 で は 軽 油 と ほ ぼ 同 程 度 の 排 を 比 べる と，高 負荷 では 排出 量 の減 少傾 向が 見ら れた． 出量が確認された．これは，エタノール添加による， 発熱量の低下及び気化潜熱に伴う燃焼温度の減少によ 含酸素燃料の混合気中の酸素が十分に燃焼したためと っ て，CO 排 出 量 は増 加する と 考え られ るが，エタ ノー 考えられる．また，どの混合においても軽油と比べ大 ル 添 加率 が 5%と 少 なく ，含 酸 素で ある BDF の 添加率 き な 差異 は見 られ なか った． の方が大幅に多いことから筒内温度が上昇したためと Fig.4 と Fig.9 の O 2 排 出量の グ ラフ を比 較す ると，Fig.9 考 え られ る． また ， B30・ E10 で は 軽油 単体 より も CO のグラフでは全体的に排出量が減少していることがわ 排出量は増加している．これは上記に示したように ， か る ． これ は ， BDF を 高 割 合 で 添加 し たこ と によ り， エタノール添加率を増加したことにより，燃焼温度が 燃焼率が増大し，消費する酸素量が増大したためと考 減 少し CO 排 出 量が 増加 した も のと 考え られ る． え ら れる ． Fig.7 CO emission Fig.9 O2 emission ベ ース 燃料 を軽 油と した， BDF 単 添 加と BDF・ エタ Fig.10 に BDF 単 添 加と BDF・ エ タノ ール 混 合燃 料 使 ノール混合燃料での，各設定負荷に対する排ガス中の 用 条 件下 での ，各 設定 負荷に 対 する HC 濃 度を ，燃料性 CO ２ 濃 度 を，燃 料性 状を パラ メ ータ として Fig.8 に 示す ． 状 を パ ラメ ー タと し て示 す． こ の 図か ら ， BDF を 添 加 この図から明らかなように，軽油と比較してどの混合 す る こ と で HC 排 出 量 は 軽油 単 体 に 比 べ 減 少 し て いる 割合でも大きな差異は本実験では観察されなかった． こ と がわ かる．これ は，含酸 素 燃料 である BDF を 高添 ま た ，負 荷の 増大 に伴 い CO ２ 排 出 量も 増加 して いる の 加することで燃焼温度が上昇したためと考えられる． が わ か る ． 同 時 測 定 し た O２ 排 出 量 の グ ラ フ か ら ， O２ ま た ， B35・ E5 で は 軽 油 と ほ ぼ 変 わ ら な い 値 を 示 し て 排出量は負荷の増大に伴い減少しており，この事から いる．これは，エタノール添加により燃焼温度は減少 高 負 荷 領 域 で は 燃 焼 が 良 好 と な り ， CO ２ 排 出 量 が 増 加 す る が，エ タノ ール 添加 率が 5%と 少な いこ と から，BDF し た もの と考 えら れる ． 添加による効果が顕著に得られたためと考えられる． ま た ，B30・E10 で は ，HC 排 出 量が 増大 した ．これ は， 総発熱量が低いエタノールの添加率を増大させたこと に よ るも のと 考え られ る． Fig.8 CO2 emission Fig. 9 に BDF 単 添加 と BDF・ エ タノ ール 混合 燃料 使 用 条 件下 での ，各 設定 負荷に 対 する O 2 濃 度を ，燃 料性 Fig.10 HC emission 状をパラメータとして示す．この図から，機関負荷の 増大に伴い，排出量は低下しているのがわかる．これ は ，先 と同 様に 負荷 の増 大に 伴 った 着火 遅れ の増 大と， Fig.11 に BDF 単 添 加と BDF・ エ タノ ール 混 合燃 料 を 使 用 した 際の ，各 設定 負荷に 対 する NO x 濃 度 を示 す． こ の 図か ら，高 BDF 添 加 に伴 い 軽油 単体 よりも NO x 排 4．結論 出 量 が増 加し てい るの がわか る ．こ れは ， 高 BDF 添 加 本 研 究で は，小 型デ ィー ゼル 機 関に おけ る軽 油単 体を により酸素濃度が増加し燃焼温度が高くなったためと ベ ー ス 燃料 と し， BDF 及 び エ タ ノー ル を添 加 した 混合 考えられる．また，軽油単体とエタノールを添加した 燃料を用いた場合の燃焼生成物に及ぼす影響について 際 の 値 を 比 べ る と ， エ タ ノ ー ル 添 加 率 増 加 に 伴 い NO x 検 討 を行 った ．以 下に 結果を 示 す． 排出量は減少しているのがわかる．これは，総発熱量 1) BDF 混 合燃 料 使用 時の CO 排 出 量は ，軽 油に 比べ 減 が 著 し く 低 い エ タ ノ ー ル を 添 加 し た こ と に よ り ， NO x の 排 出量 が減 少し たた めと考 え られ る． 少 す る． 2) 軽 油 -BDF-エ タノ ール 混合燃 料 を用 いた 場合 の CO ２ 排 出 量は ，ど の 混合 割合 にお い ても 軽油 と ほぼ 同程 度 で ある ． 3) O ２ 排 出 量は ，全て の混 合燃料 と 軽油 を比 較し て ，ほ ぼ 同 程度 の排 出量 であ る． 4) 軽 油 -BDF-エ タ ノ ー ル 混 合 燃 料 を 用 い た 場 合 の HC 排 出 量は ， BDF 添 加 によ り， 低 減が 可能 であ る． 5) エ タ ノー ル混 合燃 料に より， NO x 排 出 量 は軽 油と 比 較 し 減少 する ． 謝辞 本研究を行うにあたり，御指導，御鞭撻頂きました 川上忠重教授に深く御礼申し上げます．また，様々な Fig.11 NO x emission 御 協 力を して 下さ った 同研究 室 の皆 様，Work shop の 皆 様にも深く御礼申し上げます．並びに，日本自動車工 参考文献 1)首 藤・ 他 2 名 ，機 論， 73-735， pp190~195， 2007 2)木 下・ 他 3 名 ，機 論， 76-761， pp149~154， 2010 業 (株 )様 の 御協 力に 心 から感 謝 致し ます ． 最後に，同研究を行ってきました学部四年生の塩川 真 丈 氏に も心 から 感謝 申し上 げ ます ．
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