低温下における建設施工の環境負荷低減に関する検討－積雪寒冷地におけるバイオディーゼル燃料の適応性調査－独）土木研究所寒地土木研究所

寒地技術推進室道央支所
寒地機械技術チーム
寒地技術推進室道北支所

○ 平伴斉
国島 英樹
上野 仁士

近年地球温暖化防止対策の一環として、バイオディーゼル燃料が世界的に注目されており、建設機械などへの使用促進が望まれている。
しかし、バイオディーゼル燃料は、軽油と比較した場合、低温下における実用性や使用時における出力特性などについて、まだ未知数な点がある。
そこで、除雪機械などの建設機械などにバイオディーゼル燃料を使用し、低温下における機関始動性や出力測定、排出ガス測定試験を実施した。その結果、低温下における実用性や少なくとも回送、低負荷作業時には、問題無く使用可能であることが確認された。
キーワード：環境 バイオディーゼル リサイクル ＣＯ２

１．まえがき我が国では、京都議定書において２０１２年までに温室効果ガスを１９９０年比６％削減することとしているが、２００８年度の温室効果ガス国内総排出量(環境省発表速報値)は、対前年比で６．２％減少しているものの、いまだに基準年比を１．９％上回っている現状にあり、排出量削減はより一層の取り組みを求められている。
ＣＯ２削減のために、化石燃料の使用量削減は必須であり、化石燃料の代替燃料としてバイオディーゼル燃料は極めて有効であるため、トラックや重機械系車両への適用が期待されているが、理論上軽油よりも出力が低下することから、高負荷運転を行う建設施工での使用の際にどう影響するのかはまだ未知な部分である。
燃料自体も新しい製法等で性状等が改良されていく傾向が見られるが、ここでは、重機械系車両などへの適用性を検証するため、現在のバイオディーゼル燃料における出力特性調査を重点に検討を行った。

図-１ カーボンニュートラル
(1) バイオディーゼル燃料の種類
バイオディーゼル燃料は、第１世代のＦＡＭＥ(脂肪酸メチルエステル）が現在の主流であり、第２世代のＢＨＤ（水素化処理バイオディーゼル）、第３世代のＦＴ合成ＢＴＬの研究が進められている。将来の推移予測を
図-２に示す。

２．バイオディーゼル燃料について
バイオディーゼル燃料は、植物油を原料として製造されたディーゼル機関用燃料であり、カーボンニュート
ラルの概念により温室効果ガス（ＣＯ２)排出量がゼロカウントであることから地球温暖化防止対策として極めて有効な燃料である。イメージを図-1 に示す。
現在、バイオディーゼル燃料は、さまざまな研究開発や取り組みが行われている。
Tomonari Taira Hideki Kunishima Hitoshi Ueno

図-２ バイオディーゼル燃料推移予測１）
ＦＡＭＥは植物油を軽油に近い性状のメチルエステルに化学変化させて精製されるもので、表-１に示すように分子構造が軽油と違うため酸化安定性や低温特性などが軽油と異なる。
３．積雪寒冷地における適応性調査
表-１ 分子式
バイオディーゼル燃料は、様々な長所がある反面、軽油と比較して劣る点もある。
一つは、バイオディーゼル燃料は、軽油と比較すると流動性が悪く、機関始動性が劣る点である。
特に低温になると流動性の低下が顕著となるため、低温下での使用に当たっては問題の発生が考えられる。
また、表-２に示すように燃料固有の発熱量が軽油よ
しかし、ＦＡＭＥは軽油と混合して使用されることがり低い、という点も重機械系での使用に当たっては問題あり、ＦＡＭＥの混合率により「Ｂｘ(ｘはＦＡＭＥのとなる可能性がある。これは、式（１）に示すとおり、質量％数値。Ｂ５、Ｂ２０、Ｂ１００等)」と呼ばれる。 燃料発熱量と正味馬力は正比例しており、理論上では機また、平成２１年に「揮発油等の品質の確保等に関す関出力が低下するためで、通常の走行よりも高出力を要る法律」が改正され、公道を走行する自動車に混合して求される重機械系の作業には支障を来す恐れがある。
使用する場合は、「Ｂ５」での使用のみになっている。
また、５％を超えて混合された燃料は、研究目的のみ
表-２ 燃料発熱量３）で申請により使用が認められることとなった。軽油を混合しない「Ｂ１００」で使用する場合は、法的な拘束はないが、機械的不具合が懸念されるため適切な機械管理をするよう国土交通省で指導している。２）
Ｎｅ＝Ｈｕ・Ｂ・ηｅ／６３２（１）４）
なお、販売又は、自己使用目的にて継続的に軽油と混合する場合は、経済産業局に「特定加工業者」として登録する必要がある。現段階では、北海道内ではＢ５等軽Ｎｅ：正味馬力（ＨＰ）
油混合燃料の販売業者はまだ無く、一般では事実上Ｂ１
Ｈｕ：燃料の発熱量（ｋｃａｌ）００のみが購入可能である。
Ｂ ：燃料消費量（ｋｇ／ｈ）
第２世代のＢＨＤは、石油精製の水素化脱硫技術によηｅ：熱効率り精製されるもので、軽油と同様の分子構造・性状とな
また、上記式から、燃料消費量と正味馬力も正比例しる。ていることがわかる。よって、出力を得るために燃料供現在は、大手石油業者と自動車メーカーで研究されて給を多くする操作が行われ、結果として燃料消費量が悪おり、平成２０年には東京都のバスで実証実験が行われ化することも懸念される。
た。
そこで、これらについて検討するため、製造会社が異精製時には、水素を多く消費するため、低コストかつなる３社のバイオディーゼル燃料により、各種調査試験大量に確保することが今後の課題となる。
を行った。その項目を下記に示す。
第３世代のＦＴ合成ＢＴＬは、バイオマスをガス化し、一酸化炭素と水素から触媒を用いて軽油に相当する液体●機関始動性及び燃料温度計測試験
炭化水素を合成する技術で、現在は実用化に向けて研究①除雪トラック、ドーザによる計測が進められている。
●出力特性調査試験
なお、本論文において特に断りがない場合、「バイオ①使用者に対するヒアリング調査
ディーゼル燃料」はＦＡＭＥ・Ｂ１００を指すものとす②除雪トラック、ドーザによる加速試験
る。
③乗用車クラス車両による馬力・トルク計測試験④除雪ドーザによる牽引力試験(2) バイオディーゼル燃料における原材料●燃料消費量調査試験
海外諸国におけるバイオディーゼル燃料の原材料は、①除雪トラック、ドーザによる計測
パーム油や菜種油などの食用植物油や食用に適さない植●排気ガス計測試験物から採取される非食用植物油が主流である。
①除雪トラック、ドーザ、乗用車クラス車両によしかし、植物油脂原料の大多数を輸入に頼る日本では、る計測これらを用いるとコスト高となるため、廃食油を原料としているものが主流である。
また、各試験に用いた試験車両及び各諸元を表-３に示す。
Tomonari Taira Hideki Kunishima Hitoshi Ueno

表-３ 各試験車両・諸元

５．出力特性調査試験(1) 使用者に対するヒアリング調査
バイオディーゼル燃料は、すでに建設機械や路線バス等で利用されている事例があり、その使用者に対して、バイオディーゼル燃料に対する出力特性の変化に関する聞き取り調査を行った。その結果を図-４に示す。

４．除雪トラック、ドーザによる機関始動性及び燃料温度計測試験(1) 機関始動性試験
低温時における始動性を確認するため、ストップウォッチ手動計測による始動性試験を行った。結果を表-４
図-４ バイオディーゼル出力聞き取り結果に示す。
除雪ドーザでは、ほぼ同程度の結果であったが、除雪この結果、半数が「軽油と変わらない」との意見であトラックでは、気温条件が違うものの、バイオディーゼ
ル燃料の方が軽油に比較して４秒程度遅い結果となった。 り、「良い」を含めると８０％が出力特性について軽油に劣っていないと感じていることが解った。
表-４ 始動性試験(2) 除雪トラック･ドーザによる加速試験除雪ドーザ
除雪トラック
走行時における出力特性調査として、軽油とバイオ軽油 バイオディーゼル燃料 軽油 バイオディーゼル燃料
外気温(℃)-1.3-1.60.5-1.6 ディーゼル燃料を用いて追い越し加速試験を実施した。
始動時間(SEC)
1.61.52.86.9
スタート地点より加速を開始した車両が、設定速度に達した基点より、そこから７０ｍ走行した地点までの速(2) 燃料温度計測試験
度を計測し比較検証した。
除雪車両は低温下で作業を行うため、外気の影響で燃試験方法を図-５に、除雪トラック及び除雪ドーザの料温度が下がり、最悪はフィルターなどの目詰まりでエ試験結果をそれぞれ図-６と図-７を示す。
ンジンストールを起こす可能性がある。
エンジン始動後の燃料温度の変化を調査するため、除雪トラックを用いた３０分間走行時における燃料温度計測試験を行った。その結果を図-３に示す。
図-３より、気温がほぼ一定なのに対して、時間経過と共に燃料温度が上昇していることが確認された。

図-５ 加速試験方法７０ｍ地点速度について、除雪ドーザでは、軽油使用時約２１．４ｋｍ／ｈに対しバイオディーゼル燃料３種の平均値が約２３．７ｋｍ／ｈと１０％上昇していることが確認された。
一方、除雪トラックでは、軽油使用時４８．２ｋｍ／ｈに対し、バイオディーゼル燃料は、３種とも軽油使用時とほぼ同等であった。
図-３ 燃料温度比較
Tomonari Taira Hideki Kunishima Hitoshi Ueno

図-８ 馬力・トルク曲線

図-６ 除雪ドーザ加速試験結果

図-７ 除雪トラック加速試験結果(3) 乗用車クラス車両による馬力･トルク計測試験
実際の機関出力の数値比較のため、軽油と２種類のバイオディーゼル燃料を用いた馬力・トルク計測試験を行った。
試験では、道内に民間保有の大型車用シャシーダイナモメータが無かったため、乗用車クラス車両による機関出力を計測した。
計測状況を写真-１、馬力・トルク曲線を図-８に示す。

この結果、３０ｋｍ／ｈ時における最大出力は、軽油１６．１ｐｓ（１１．８４ｋｗ）に対し、バイオディー
ゼル燃料は、２６．５ｐｓ（１９．５ｋｗ）と６割程度高くなったことが確認された。
５０ｋｍ／ｈ台後半までは、バイオディーゼル燃料が軽油よりも高い値を示すが、その後の最大馬力はバイオディーゼル燃料が８２．９ｐｓ（６１．０ｋｗ）に対し、軽油が８４．９ｐｓ（６２．４ｋｗ）と２．４％軽油が上回る結果となった。
(4) 除雪ドーザによる牽引力試験
除雪作業等の高負荷作業時を想定し、軽油と２種類のバイオディーゼル燃料を用いて牽引力試験を行った。
計測方法は、地面に固定されたアンカーにワイヤーロープを掛け、ロードセルを挟み、除雪ドーザにて牽引力計測を行った。
試験概要図を図-９に、結果を表-５に示す。

図-９ 牽引力試験概要図
表-５ 牽引力試験結果

試験条件：エンジン回転数2300rpm ２速ホールド

写真-１ シャシーダイナモメータによる
馬 力 ･ トル ク 計 測 状 況Tomonari Taira Hideki Kunishima Hitoshi Ueno

この結果、バイオディーゼル燃料使用のいずれも、軽油に対して、牽引力が１％程度向上していることが確認された。

６．燃料消費量調査試験(1) 除雪トラック、除雪ドーザによる構内走行試験
軽油及び３種類のバイオディーゼル燃料使用時の燃料消費量について調査を行った。
試験では、除雪ドーザ及び除雪トラックにて試験コー
スを３０分程度走行させた後に燃料の差分を計測した。
試験結果を表-６に示す。

り、除雪ドーザは減少傾向となっている。
また、酸性雨や光化学スモッグの原因となる粒子状物質（ＰＭ）について、どの程度の影響が出るのかを調査するためにオパシメータを用いて測定した。
表-８より、軽油の測定値が２．６２０m-1に対し、バイオディーゼル燃料の測定値は１．７７７と３３．７％減少しており、バイオディーゼル燃料を使用した方がクリーンな値が出ることが確認された。
表-８ 粒子状物質測定結果（光吸収係数：m-1）

表-６ 燃料消費量試験結果

軽油
バイオディーゼル燃料

１回目
2.401

２回目
2.839

平均
2.620

1.790

1.7651.777

平均増減率33.7%減

以上のように、除雪ドーザではバイオディーゼル燃料が軽油に比べ２０％、除雪トラックでは１０％程度多く消費した結果となった。
７． 排出ガス計測試験(1) 除雪トラック、ドーザ、乗用車クラス車両による計測
写真-２ ＰＭ測定状況
機関内の燃焼状況を確認するため、先に記した除雪トラック、ドーザによる加速試験と同日に、軽油とバイオディーゼル燃料それぞれの排出ガス成分分析を行った。 ８．考察
測定結果を表-７に示す。
低温下での機関始動性は、除雪トラックにおいて若干また、乗用車クラスにおける粒子状物質（ＰＭ）につの低下が確認されたが、除雪ドーザでは、差異が無いこいてバイオディーゼル燃料と軽油の計測試験を行った。とから、今後より多くのデータによる検証が必要と思わ測定結果を表-８に、測定状況を写真-２に示す。
れる。
機関始動後の燃料温度については、燃料タンクより供表-７ 除雪車両排出ガス測定結果
給され燃焼に使用されなかった燃料が、機関の熱により除雪ドーザ排出ガス測定結果（３０分走行後）加温されて再び燃料タンクに戻るため、全体的に上昇す
バイオディーゼル燃料
軽油増 減る。また、試験結果より走行中であっても外気によるタCO (Vol%)
0.02
0.01-0.01
CO 2 (Vol%)
ンク内燃料温度低下は見られなかったことから、低温下
5.59
5.68
0.09
O2 (Vol%)
13.96
13.9-0.06の使用に関しては問題が無いと考える。
NO (ppm)
727.83707.75-20.08出力特性では、バイオディーゼル燃料を使用した車両
除雪トラック排出ガス測定結果（３０分走行後）について、ピークパワーを必要としない一般的走行や除バイオディーゼル燃料
増 減
軽油
雪車の回送時に必要な低中速域（回転）まで軽油と同程
CO (Vol%)
0.06
0.01
-0.05
度以上の出力が得られることが確認された。
CO 2 (Vol%)
44.28
0.28
O2 (Vol%)
15.89
15.87-0.02
しかし、馬力・トルク計測結果の高回転域時のピーク
NO (ppm)
290.92317.2
26.28
パワーでは軽油に劣るが、除雪ドーザによる牽引力試験
では軽油に勝るなど、相反する結果も確認された。乗用車クラス車両では、高回転域では軽油の出力が上回って除雪ドーザ及び除雪トラックともに酸素（Ｏ２）はほいるが僅差であり、ほぼ同等とみることができる。
ぼ同程度で、一酸化炭素（ＣＯ）は減少し、二酸化炭素
使用者に対するヒアリング結果でも良い・変わらな（ＣＯ２）は各車両ともに増加した。
い・悪いと三様の意見が挙げられている。
窒素化合物（ＮＯ）は除雪トラックでは増加傾向にあTomonari Taira Hideki Kunishima Hitoshi Ueno

馬力・トルク計測結果のピークパワーが低下する原因
は、燃料の発熱量の低さがそのまま反映されたものと判断できる。
高負荷運転にもかかわらず、出力が向上または同等であった理由としては、下記の２点が考えられる。

消費量結果から杉の木年間吸収量を試算したところ、下記の結果が得られた。
３３．６ℓ ×２．６４４４kg /ℓ ＝８８．８５ｋｇ
杉の木５０年生年間ＣＯ２吸収量 １４ｋｇ
８８．８５÷１４≒６．３本分
試験期間が、わずか２日間であっても、杉の木の年間吸収量６．３本分に相当するため、今後除雪車両や工事等に導入が拡大されていけば、更にＣＯ２削減に貢献するものと考えられる。

①バイオディーゼル燃料は含酸素燃料であり、軽油よりも不完全燃焼の発生が少ない。
②バイオディーゼル燃料の潤滑性能及び黒煙発生の抑制効果によりエネルギー変換効率が高い。５）①については、先の表－１に示したとおり、バイオディーゼル燃料には分子構造上軽油にはない酸素原子が存
９．あとがき在するため燃焼しやすい点から推測される。そして、出力試験と同時に行った排出ガス成分分析の結果において、本研究により、バイオディーゼル燃料による除雪車へ軽油の方が一酸化炭素が多く二酸化炭素が少ないことかの適応性について、少なくとも回送や低負荷作業時にはら、バイオディーゼル燃料の方が完全燃焼の度合いが高問題なく使用できるものと確認された。
いと判断できる。
重機械系での高負荷作業に使用する際は、実使用前になお、バイオディーゼル燃料の方が二酸化炭素が多い
事前に給油対象機械で試用し出力変化を確認することが結果となっているが、カーボンニュートラルのため、先望ましい。に記したようにＣＯ２排出量には影響しないことを付記
なお、今回の調査結果はいずれも数台での検証や短期する。
間の試験結果であり、また車両の個体差による影響も考②については、燃料消費量調査試験では燃料消費量がえられるため、今後より多くの車両についても調査を行増加しており、その際のオペレータからの「加速は軽油う必要がある。と比べ変わらないか、むしろ良い」という所見から、噴また、建設機械へのバイオディーゼル燃料の使用は、射ポンプの潤滑性能向上により燃料供給がスムーズにな燃料消費量が増加する場合があることから、軽油価格のり、結果として出力が向上したことが伺える。
動向によっては、施工コストの増大が懸念される。よっ
ただし、オペレータの所見については、高出力を得よて、環境配慮に対する投資として許容される社会情勢も、うとアクセル開度を大きくするなど燃料供給を多くする
バイオディーゼル燃料利用促進の鍵となるものと考える。
運転を行った可能性もあり、定量的に明らかにするにはより多くの事例について調査する必要がある。
謝辞：調査・試験に当たって、滋賀県立大学山根教授、乗用車クラス車両でのＰＭ測定結果では、バイオディ
札幌建設運送株式会社ならびにバイオディーゼル製造各
ーゼル燃料は軽油より３３．７％低減されていることか社の多大なるご協力をいただきました。改めて感謝の意
ら、黒煙発生抑制効果が実証され、このことからエネルを表します。
ギー変換効率が高い燃料であることが裏付けられる。
これらのことから、車両にバイオディーゼル燃料を使参考文献
用した場合の出力については、向上する場合と低下する
1) バイオディーゼル燃料の現状と課題場合があるが、どのような場合に向上あるいは低下する
滋賀県立大学工学部 山根浩二
かは機関内の燃焼状況が影響し、それは機関形式の違い（平成２０年９月７日 秋田／菜の花フォーラム２０や個体差使用状況等に依存するものなので、一概に断定
０８講演資料）できるものではない。
2) 「高濃度バイオディーゼル燃料等の使用による車両以上より、高負荷の作業を要求される重機械系に「バ不具合等防止のためのガイドライン」
イオディーゼル燃料を使用する場合」は、事前に試験的国土交通省に給油し、その機械及び各々の使用状況では出力がどう
3) 改訂版 バイオディーゼル・ハンドブック
変化するのかを確認してから判断すべきと考える。
～地球温暖化の防止と循環型社会の形成に向けて～
また、試験結果より建設機械等にバイオディーゼル燃
編纂：池上 詢料を使った場合、燃料消費量が増加することが分ったが、 4) 第２次改著 内燃機関講義
燃料の低位発熱量は分子構造に起因するため、現状では長尾不二夫
改善の余地がない。
5) バイオディーゼルのすべて
環境への配慮の一例として、燃料消費量試験時の燃料
編著者：坂 志朗（（株）アイピーシー）

Tomonari Taira Hideki Kunishima Hitoshi Ueno