水素エネルギーシステム Vo
1
.36，No.l(
2
0
1
1
)
ツ
ス
トヒ。、
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/
/^
リ
.
// "
/
トピックス
6
広
叫
叫
山
叫
叫
山
叫山
伯
唱
山
叫
伯
山
伯
帥
山
叫山
伯山 伯
山
、五
晴
山
晴
晴
山
晴山柏柏山山
拍
柏
山
晴
前
山
唱
柏
山晴
山
恥
柏
山
柏山
柏
唱
山
柏
柏
山
唱山
柏
唱
山
晴
柏
山
叫
柏
山
柏山柏哨山柏
山
柏山
、
叫恥
山
柏
晴
山
柏
唱
山
柏
唱
山
柏
柏
山
.
.
.
.
、、、
.
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.
. .
.
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ψ
ψ
ψ0
ψ
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.
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.
.
.
_
.
.
.
_
.
.
.
.
.
L、ーL、.'
水素ハイブリッドトラックの開発
伊東明美・岩崎秀之・清水勇毅・白倉寛之
東京都市大学
干1
5
8
・8
5
5
7 東京都世田谷区玉堤 1
・2
8
1
1
. はじめに
材関成分である窒素酸化物排出量の抑制も重要である。
そこで本研究では、予混合火花有次式水素エンジンの窒
地駒田愛化およびつ百油資源の枯渇に対し、二酸化炭素
素酸化物排出量を規制値を満足する水準に抑制した上で、
排出量削減およひ清生可能なエネルギーの活用は急務で、
パックファイヤ等異常燃焼の抑制およびエンジンの出力
ある。 これは自動車をはじめとする運輸廊門においても
向上に取組んだ。
例外ではない。そのため自動車に対しても、二酸化炭素
排出量が少なく再生可能なエネルギー源を活用したパワ
2
. 水素エンジンの開発
ートレインの検討が強く求められている。
近年、エンジンに替わる自動車のパワートレインとし
2
.
1. 水素エンジン諸元
て、側斗電池または蓄雷也とモーターの組み合わせが提
ベースエンジンとして 日野自動車琳式会社製直噴 4気
案され、これらは市街地走行を主とする車両向けに既に
筒過給ディーゼ、ノレエンジン N0
4Cを採用した。これに対
実用化されている。 しかし比較的高負荷域が多用される
し、関~噴射弁の廃止および当該音舵への点火栓の追加、
商用車については、現在、有効な代替機関の提案が乏し
天然ガス用噴射弁とスロットノレバノレブを有する新規に制
いのが実情である。
作した吸気マニホールドの装着、 ピス トンの燃焼室形状
ここで水素は、再生可能であり、また燃焼により二酸
の変更およひ涯縮比の 1
8から 1
2への変更を行った。図
化炭素を一切発生しない燃料である。水素生成方法につ
1にエンジンの構造を、表 1に水素エンジン諸元を示す。
いての検討は必要であるが、水力発電あるいは夜間の余
また、以後本エンジンを N04-H2と税寸る。なお本エン
剰電力による電気分解や、化学プラ ン トや製鉄所で発生
ジンは、排気後処理装置を一切使用していない。
する副生水素の活用等、環境負荷を増加させない水素生
gb
n
v
u
しれ
r
s
a
ンジンの実用化に取組んだ。現在の二酸化炭素排出量の
V
可能なパ ワートレインを開発することを目的に、水素エ
p-
そこで本研究では、水素を利用した、商用車にて利用
nb
島総務偽野酪田
成の可能性が十分考えられる。
P
i
s
t
o
n
現状を鑑み、近い将来に活用可能な代替機関の提案を目
指し、信頼性が高く、低コストで、かっ現在の我が国の
法規の下で、
比較的容易にナンバーが取得可能な、高圧の
気体の水素を燃料とする予混合火花点火式
:
7
)
<
素
エ ンジン
を開発した。
Pre-mixedi
ntakem
a
n
i
f
o
l
d
水素エンジンの研究の歴史は古く、予混合火花点dく
式
水素エンジンの課題は、バックファイヤ等の異常燃焼の
発生およひしくースエンジンに対する出力の低下であるこ
図1. 水素エンジンの構造
とが過去の研究により示されている [
1
]。また排気規制を
満足させるためには水素エンジ ンから唯一排出される
このエンジンを用い、バックファイヤ等異常燃焼の抑
制は点jく系の最適化により、出力の向上は、高回転域は
-6
6-
水素エネルギー システ ム Vo
1
.36，NO.l(2011)
トピックス
高過給により、低回転域はハイブリッドシステムを用い
酸イ凶婦ド出量がポスト新長期規制を満足するよう、台軍
てモーターでアシストすることにより対策することとし
転条件下において排気中の窒素酸化物濃度を 10ppm以
た。
下となるよう、空燃費を調整した。噴射弁に供給される
燃料の圧力は 0.4MPaとした。
表1. 水素エンジン諸元
Enginetype
N04-H2
Displacement[
は
4
BorexStroke[mm]
104x118
Compressionr
a
t
i
o
12
Numbero
fc
y
l
i
n
d
e
r
4
I
n
j
e
c
t
i
o
nsystem
Porti
n
j
e
c
t
i
o
n
Valvet
r
a
i
n
OHV
Valvet
i
m
i
n
g
表2
. 供試した点火系
プラグギャップ
点火方式
点火コイル
(mm)
フルトランジスタ方式
0
.
9
0
.
7
0.
5
0
.
4
0
.
3
0
.
2
0
.
1
購入品
C. D
.1.方式
0
.
9
MP13
MP41
0
IVO=14CABTDC
0
IVC=42CAABDC
0
EVO=53CABBDC
0
EVC二 17CAATDC
2
.
2
. 水素エンジン晶直化のための実験方法
ReducingV
a
l
v
e
手
(
議l
過去の研究により、府次栓の放電電圧波形の異常とノミ
ックファイヤとの関係が指摘されていたため [
1
]、本研究
においてもその測定を行った。図 2に測定系統図を示す。
20MPaH2S
t
o
r
a
g
eTanks
電圧プローブを用いて、プラグコードに印加される電圧
を測定した。
またグローブ。
ラグ型圧力センサーにより筒内圧の測定
を、また吸気管に取り付けた圧力センサーにより過給圧
の測定を行った。
点火系は、フルトランジス夕方式および C
.
D.
I
.
(
C
a
p
a
c
i
t
o
rD
i
s
c
h
a
r
g
eI
g
n
i
t
i
o
n)方式について検討を行っ
た。表 2に供試した点jて系の一覧を示す。
図3
. 実験系統図 [
2
]
2
.
3
. 実験結果
2
.
3
.1
. 対策前の水素エンジン性能
ガソリンエンジンにて一般的に用いられている点dく
方
式で、
あるフルトランジス夕方式を用い、異常燃焼が発生
IV
o
l
t
a
g
eProbe
しない範囲での過給圧の上限を求めた。プラグギャッフ。
はガソリンエンジンで一般的に用いられている 0
.
9m m
とした。このときの水素エンジン N04-H2の出力をもと
図2
. 放電電圧測定系統図 [
2
]
め、ベースエンジン N04C (ディーゼルエンジン)の出
力と比較を行った。その結果を図 4上図に示す。図より
図 3に実験系統図を示す。試験条件はエンジン回転激
N04-H2の出力は N04Cと比較して大幅に減少している
1000rpm"
"
'
3
5
0
0rpm、水温 80 C、吸気温度 45 Cと
ことが分かる。 この原因は過給圧の向上に伴し、パックフ
した。過給圧は可変容量式過給機により任意の値に設定
ァイヤが発生したために、図 4下図に示す値以上に過給
されるが、上限は過給機の位殺にのっとり、ゲージ圧で
圧を上げることができなかったためで、ある。
0
0
150kP
aとした。また、排気後処理装置を用いずに窒素
-67-
水素エネルギー システ ム Vo1
.36，NO.l(
2
0
1
1
)
安~ 0
~~01I
N04C
凸 1
トピ ックス
図 6にプラグギャップと過給圧および放電電圧の関係
・
----
を示す。またこのときバックファイヤが発生した運転条
IN04-H2
80
単
~
件を図中に示す。図より、放電電圧はプラグギャップが
之 60
大きいほど、また過給圧が高いほど、高くなっているこ
ω40
c
・
6
i
l 20
とが分かる。またバックファイヤは放電電圧が 12kV以
J
j 0
25
20
を上限の 150kP
aまで上げるためには、プラグギャップ
は O.3mm以下にする必要があることが分かった。
1
5
10
1
8
1
6
のunv
ヲ
14
」正
∞刊
qurU
e
c
u
e
α
.
n
v
EL
n
1000
nu
o
e
'
n
、
5
0
qLgb
∞
。
制
[
e
a
u
︺どコ ωωωLa ω
上になると発生することがわかった。 このため、過給圧
L
.
.
.
.
.
.
I
1
2
ω
営 10
。8
ま
ま
図4
. 対策前の水素エンジン性能[
2
]
〉
6
“
，
。
ω 甑
ゆ mH
同叩 プ
と
{h。
判
万/
図6
.
{G ツ
4暗ヤ
0.
2
プ
フ
一
図 5~こバックファイヤ発生時の放電電圧波形と筒内圧
0.
1
。問ギ
2
.
3
.
2
. バックファイヤ原因の解析
3
a
4
0.
8
0.
9
を示す。図中 Aで示すように、一回目の放電後にも、点
火系には電圧が残存していることが分かる。 これにより
図 7に
、 C
.D.I.方式にて、 2種類の点火コイルを用い
筒内圧が低下し、再放電しやすし、条件が整った吸気行程
てエンジン出力を測定した結果を示す。C
.D.
I.方式にて
において再放電が発生していることがわかる。このとき
点火コイノレl¥1P
41を用いることで、エンジン出力を大幅
吸気弁が開き、混合気が燃焼室内に導かれているために
に向上させることができた。図 8に点jくコイノレl¥1P1
3お
火炎が吸気管に戻り、いわゆるバックファイヤが発生し
よびl¥1P
41の放電電圧波形を示す。乱
t
l
P1
3の放電時間は
ていることがわかる。
l
¥
1
P
41より短いことがわかる。次に図 9にそれぞれの点
q残存した電圧を逃がすために接地
火コイルを用いた場合の過給圧を示す。l
¥
1
P1
3では高過
する対策ケーブルのイ吏用 [
1
]、②プラグギャップを低減し
給域で失火が発生したために、過給圧を十分上げること
放電電圧を下げる、およひ⑤点次系に雷苛を蓄積しにく
ができなかった。
この対策のため、
いC
.D.I.方式の採用が考えられた。 ここで、車両に搭載
車両に搭載する点火系を決定するにあたり、プラグギ
することを考慮し、耐久性に課題を有する対策ケーブル
ャップの低減は、点火栓の電極摩耗時に、バックファイ
については検討を行わなかった。そこで②およひ⑤につ
ヤが発生しやすし、方向にあるためロバスト性が低いと判
いて、以下にそれぞれの効果を示す。
断し、 C
.
D
.I.方式を採用した。
aURusa寸 内 d n 4 4 1 -
一
一
﹄
LコωωωLa ω唱C KAO
[F比三︺ω
〉
]
o
f
b
.
O
1
5.
:
e
0
〉
司、u
nu
a
u
同
180
0
180
CrankAngle[
d
e
g
]
ー1
80
0
180
CrankAngle[
d
e
g
]
図5
. ノミックファイヤ発生時の放電電圧波形と筒内圧 [
2
]
-6
8
360
水素エネルギーシステム Vo
1
.36，No.l(
2
0
1
1
)
トピックス
能を、ベースエンジン N04Cと比較して示す。出力、ト
100
IMP41
~・MP13 寸 k
冨 801初 期 性 能 骨
ルクとも、ベースエンジンと比較して、高回転域では遜
色ない値を示していることがわかる。
よ
￡
ω
主
3
. 水素ハイブリッドトラックの開発
o
a
. 40
4
>
C
2
2
0
水素ハイブリッドトラックの構造を図 1
1に示す。エ
。
島
ンジン劉請時のキャブチルトを考慮し、キャブバックに
1
0
0
0
2000
3000
4000
水素タンクを搭載した。水素タンクは耐圧 35MPaのも
EngineSpeed[rpm]
のを 4本搭載した。このときの一充填あたり航炉d鴎佐は
図7
. C.D.I.方式を用いた場合のエンジン性能[
2
]
1
5
0kmである。市悌世における配送業務等では一日あ
たり走行距離は 100km前後であるため、このような用
途には十分な耐難離である。 さらに長し蛸擢捕が要
E
n
g
i
n
eSpeed1000rpm
100μsec
求される場合には、荷室容積はそのままで最大 8本まで
水素タンクの増設が可能である。
法規に従い、水素漏j
曳時には水素が速やかに車外に排
出されるよう、水素漏洩の可能性のある箇所はすべて最
上部に水素排出のための孔を設けてある。
図8
. MP13および MP41の放電電圧[
2
]
1
6
0
帽
a
.
品
1
2
0
U
.
.
.
3
叫
帥
芝 8
0
a
+'
的
O
4
0
~
。1000
2
0
0
0
∞
3
0
4
0
0
0 1
0
0
0
E
n
g
i
n
eSpeed[
r
p
m
]
∞
2
0
3
0
0
0
4
0
0
0
E
n
g
i
n
eSpeed[
rpm]
図9
. MP13および MP41使用時の過給圧 [
2
]
N04C
<
・
-
1
2
0
1
0
0霊
』
.
。
80CE
L
b
E
6
0
40u2
雪
』
2
0
図1
1
. 水素ハイブリッドトラックの構造
。
4
0
0
~ 300
2
図1
2に、モーターにて{底漣トルクのアシストを行っ
ω200
コ
た場合の車両性能を示す。図より、ベースエンジン N04C
芝 1
0
0
0
←
1
0
0
0
2
0
0
0
3000
EngineSpeed[
r
p
m
]
と比較して、ほぼ遜色ない出力およびトルクを得ること
4000
ができた。
図1
0
. 水素エンジン最終性能[
2
]
表 3に JE05モード下での排ガス性能を示す。触媒を
用いることなく、ポスト新長期規制を満足していること
図1
0に最終的に得られた水素エンジン N04-H2の性
がわかる。また二酸化炭素排出量もあわせて示す。水素
-69-
水素エネルギー システム Vo
1
.36，NO.
1(
2
0
1
1
)
トピ ックス
は燃焼によって二酸化炭素を排出しないが、エンジンの
行うことで、高過系金甘寺にも異常燃焼を起こさずに運転が
潤滑に使用される潤滑油が燃焼室内にわずかに入り込み
可能な水素エンジンの開発に成功した。 これにより、高
燃焼するため、ごく微量の二酸化炭素は検出される。 し
回転域では高過給が可能となり、出力およびトルクを向
かしベースエンジンと比較して極めて低いレベルで、ある
上させることができた。
ことが分かる。
新たに開発した水素エンジンを搭載し、俄墓トルク不
足を補うためにハイブリッドシステムを採用した水素ノ¥
2
0
0
600
1
8
0
5
イブリッドトラックを開発した。当該車両はベース車両
∞r
E
と比較して遜色ない性能を示した。
Z
4
0
0I.--J
1
6
0
ω
水素ハイブリッドトラックは 3
5l
¥
1
P
a水素タンクを 4
芝140
3∞き
本搭載した状態で、 一充 填 あ た り 航 線 離 は 150kmで
」岨岨S
2∞
戸
あった。市街地の配送業務等の使途で、あれば十分な航炉し
∞
距離である。また現在と同等の荷室容積を確保したまま
l
o
.
.
@
~
い
1
2
0
1
0
0
a
1
Motora
s
s
i
s
ta
r
e
r
8
0
で水素タンクは 8本まで時鍛できるため、さらなる航続
¥
問佐の延長も可能である。
60
謝辞
4
0
- D
i
e
s
e
l
- Hydrogen
2
0
。
。
1
0
0
0
aoo
3000
水素ハイブリッドトラックの開発にあたり、日野自動
車株式会社、東洋電謝朱式会社、株式会社イワモト、株
式会社フラットフィールド、横浜ゴム株式会社、株式会
~OO
EngineSpeed [rpm]
担:原田精工の方々より多大なご支援を賜りました。 ここ
図1
2
. 車両性能曲線
に感謝の意を表します。
また本開発に携わった東京都市大学内燃機関工学研究
表3
. 水素ノ¥イブリッドトラック排ガス性能
NOx
CO
HC
(
g/kWh)
(
g/kWh)
(
g/kWh)
規制値
(ポスト新長期規制)
O.70
2.22
O.170
ベース車両
1.82
O.3
1
0.145
水素ハイブリッド
トラック
O
.18
O
.029 O
.002
室および自動車エンジン研究室の学生諸君のご協力に対
し、心より御礼申し上げます。
C02
参考文献
8
3
5
.2
[
1
] 近藤卓，他， i
水素エンジンの異常燃焼に関する研究J
，第
13囲内燃シンポジウム講演論文集，p
p
.
1
3
3
1
3
8
，1996
3
.2
[泊白倉寛之，他， i
予混合水素エンジンのバックファイヤ抑制
に関する研究J
，自動車技制強前局l
燥
，N
O
.
2
9
1
0，
20105409，
4
. 実証試験
p
p
.
2
3
2
8
， 2010
開発した水素ハイブリッドトラックを用いて、室蘭市
にて配送業務を行う実証言鵡食を実施した。実証ま鵡食では
坂道を含む市街地を主に走行している 。総走行距離
617kmをなんら不具合無く走破することができた。また
運転者からは、通常のディーゼ、ルエンジン搭載車両と遜
色ないドライバビリティであるとの評価をうけた。
5
. まとめ
点火系に C
.
D.I.方式を使用し、点dくコイルの最適化を
- 70-
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