三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

18

特集論

文

ディーゼル・ガスエンジンによる高効率化への取組み
Approach on High Efﬁciency Diesel and Gas
Engine高 石 龍 夫＊1

沼中 野 良 治＊3

阪 口 勝 彦＊4

Tatsuo Takaishi

田Akira Numata

Ryouji Nakano

明＊2

Katsuhiko Sakaguchi

地球温暖化防止の点から CO2 排出削減に直接的に寄与するエンジンの熱効率向上に対する社会的ニーズはますます高くなっている．当社はエンジンの総合メーカーとして，排出ガスのクリーン化とともにCO2 削減へ向けて環境・エネルギー問題への強い要求に対応すべく各種の技術開発に取組んでいる．本
論文では人類の貴重な財産である石油及び天然ガスをクリーンに有効利用可能な小型から大型までのディーゼルエンジン及びガスエンジンの高熱効率化に向けた取組みの概要について紹介する．

1．エンジンの開発概要並びに高効率特性

50

当社は，１kW 未満の小型ガソリンエンジンから40
熱効率（％）

68 MW クラスの大型低速ディーゼルエンジンまで世界で最も広い出力範囲のピストンエンジンを開発・生産し，また主要コンポーネントである排気ターボ過給機や燃料噴射装置も製品化しているエンジンの総合用機械，移動する各種産業用機械，コージェネレーショ

その一方で，ピストンエンジンは環境に悪影響を及

原子力発電
ガスタービン

4サイクルガソリン（乗用車用）
2サイクルガソリン

00.001

ン・発電用装置など幅広い各種製品の原動機として，

火力発電

中速舶用ディーゼル
高速ディーゼル（トラック用）ガスエンジン2010

メーカーである．その用途として，車両や船舶等の輸送経済社会の発展を支える重要な役割を果たしている．

30

ガスタービンコンバインド
大型低速舶用ディーゼル

0.01

機関出力端
高位発熱量基準

0.1

1

10

100

1 000

出力（MW）

図１

ぼす成分を含む排出ガスによる大気汚染や化石燃料の各種原動機の熱効率

ディーゼル・ガスエンジンは小型から中型の原動機では最も高い熱効率である．

大量消費ひいては CO2 排出による地球温暖化等の環境・エネルギー問題に直面している．これらの諸問題実現している．の解決へ向けて総合技術力の活用・展開に努め，ます
ます多様化・高度化するお客様のニーズに応えるエン

以下ではディーゼルエンジン及びガスエンジンに関する高熱効率化への取組みの概要を述べる．

ジンの開発に取り組んでいる．

2．ディーゼルエンジンの高熱効率化

ピストンエンジンは CO2 低減に直結する熱効率向上の視点から見れば，本来有利な作動原理・特性であ

2．1

る．すなわち，ピストンエンジンは圧縮・燃焼・膨張

当社では多様なニーズに対応すべく，単機出力で５等のサイクルの各過程をすべて一つのシリンダの中でkW 〜 15 MW までの幅広い４サイクルディーゼルエ行い，高温・高圧サイクルを描き，この間欠非定常燃ンジンをラインアップしている 1 ．その使用燃料とし焼ゆえにシリンダ内作動ガスの最高温度の制約がそれては，軽油，灯油，A 重油，C 重油と広範囲な石油燃ほど厳しくなく，また後述するようにシリンダ内のガ料である．最近の原油高騰の影響もあり，お客様の強ス流動が小さいことにより熱損失を低くでき，高い熱いニーズであるランニングコスト低減を満足する上か効率実現につながっている．この結果，図１に示すよらも燃料消費率低減・熱効率向上は必須な技術課題で

うに小型から中型の原動機分野では最も高い熱効率をある．このような高熱効率化，環境適合化の一層の要

＊1

＊3

＊2

技術本部長崎研究所技監・主幹 工博
汎用機・特車事業本部エンジン技術部主幹

発電用・産業用４サイクルディーゼルエンジン( )＊4横浜製作所原動機技術部次長
神戸造船所舶用ディーゼル事業ユニット次長

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 200819

求に応えるべく，当社では発電用中型ディーゼルエン

す成分を含む排出ガスの大幅な低減及び地球温暖化防ジンの高熱効率化を図っている．

止の点から CO2 排出低減も強く要求される時代・社SU3 機 関 は 2.0 〜 4.0 MW，MARK30B 機 関 は 5.2〜 8.1 MW 及び新たにラインアップした直列６気筒会となっており，これらに対応すべく各種の技術開発を進めている．

2.7 MW の出力レンジをカバーしており，従来型に比元々，船舶用の大型低速 2 サイクルディーゼルエン

べ出力，熱効率が向上している．SU3 機関では発電

ジンは熱効率 50 ％（低位発熱量基準）を超えるレベ

端効率は 44.1 ％，MARK30B 機関では 46.8 ％を達成

ルであり，単体原動機としては最高の熱効率を有してし，このクラスのディーゼルとしては世界トップレベいる．この熱効率の高さは大シリンダ径，ロングストルの高効率を実現している．高熱効率化のため，両エローク，高空気過剰率，低速回転数などの要因に支え

ンジンとも図２に示すとおり従来エンジンに対し，筒られ，各種損失の減少が得られ熱力学的にもより理想

内最高圧力，燃料噴射圧力の上昇，ロングストロークに近いサイクルの実現が図られているためと考えられ化，高圧力比過給機など共通した設計思想により熱効る．これを燃焼面から改めて見れば，ピストンエンジ率と出力の向上を同時に達成している．また，燃料噴

ンでは静圧的な圧縮・膨張が可能なためにシリンダ内射系を中心に電子制御技術を導入し，高熱効率化や高でのガス流動が小さいことにより，作動ガスそのもの出力化といった経済性のニーズのみならず，同時には高温・高圧であるものの，熱損失を低くできる特性

NOx，煤塵低減等の環境適合にも配慮したディーゼを有している．特に低速２サイクルディーゼルエンジルを目指している．

ンでは，非定常燃焼の時間的制約が小型高速ディーゼ

今後更なる CO2 削減・熱効率向上を図るためには，ルエンジンに比べて少なく，シリンダ内でのガス流動機関単体の燃焼性能向上のみならず，① ピストンリ速度を相対的に小さくでき，熱損失低減の面で有利でング等の摩擦損失低減，② サイクル効率改善，③ 排あり，高い熱効率を実現している．

気エネルギー損失回収などのブレークスルー技術を追究することも必要である．
2．2

このような背景・経緯を踏まえて，船舶用の大型低速ディーゼルエンジンへの各種ニーズに対応するた船舶用低速２サイクルディーゼルエンジン

め，新たに電子制御技術を導入し UEC Eco-Engine( )船舶用低速２サイクルディーゼルエンジンでは，こを開発した 2 ．本エンジンは，燃料噴射系，排気動弁れまでの船舶運航の経済性の重視（燃料消費率低減並系，始動系，シリンダ注油系を中心に従来の機械式かびに相対的に安価な重質燃料利用）とともに，地球環ら電子制御式への変更を行い，機関負荷や周囲条件，境保全・海洋汚染防止の点からこれらに悪影響を及ぼ

燃料性状に応じた作動タイミング，燃料噴射率の自由

MARK-30 B
SU 3KU 30 A

2.6

11.0
10.0
9.0
平均ピストン速度（m/s）

38

SU 3KU 30 A
SU

1 800

1 400

1 000

燃料噴射圧力（bar）

図２MARK-30 B

1.8

幅に改善できる．すなわち，本エンジンで ① NOx 優
先モード選択の場合には従来カム方式に比べ燃費率一定のまま NOx 排出量を 10 〜 15 ％低減でき，② 一方

2.22.0

MARK-30 B

SU 32.4SU
1 000 rpm

平均有効圧力（MPa）

SU
1 200 rpm

り NOx 排出量と燃料消費率のトレードオフ関係を大2.8

燃費率優先モード選択の場合 NOx 排出量一定のまま
SU

KU 30 A

燃費率を１〜２％改善することが可能となる．このよ40 42 44 46 48
発電効率（％）

従来のカム式機関2.8（数値は常用負荷域のもの）

UEC Eco−Engine

MARK-30 B

2.6

現状実運航点
（想定）

SU 3

2.4
2.2
KU 30 A2.0
SU1.8

燃費平均有効圧力（MPa）な設定変更が可能となる．この結果，図３に示すとおSU3 及び MARK-30B の代表性能値

従来型と最新型の熱効率，平均有効圧力，噴射圧力，筒内最高圧力など代表性能値を比較している．

△1〜2 ％

NOx 優先モード
燃費優先モード

140 160 180 200 220 240 260
筒内最高圧力（bar）△10〜15 ％NOx 排出量

図３

燃費率と NOx 排出量の関係

従来カム式と電子制御式での燃費率と NOx 排出量のトレードオフ関係を比較し電子制御式の優位性を示している．

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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うに，地球環境問題に配慮しながらお客様の強いニー

今後更なる CO2 削減を図るためには，機関単体の熱効率向上のみならず，排気損失の回収や排出ガス・冷却水からの廃熱回収なども検討する必要があり，当社では排気ターボ過給機を生産しているメリットをいかしてハイブリッド過給機開発にも取組んでいる．

3．ガスエンジンの高効率化

発電効率（％）

舶用ディーゼルエンジンを提供できる．

リーンバーン
ミラーサイクル
ガスエンジン

45ズである経済性確保も同時に満足することが可能な船403530リーンバーン
ガスエンジン

二流体ガスエンジン

三元触媒ガスエンジン

25100200500

シンプルサイクル
ガスタービン

1 000

2 000

5 000 10 000

出力（kW）

天然ガスや都市ガスを燃料とするガスエンジンは，地球温暖化の原因とされる CO2 や環境に悪影響を及
ぼす成分を含む排出ガス（NOx，SOx，煤塵，PM）

図４

ガスエンジンの効率向上

ガスタービンなどに比べて効率が高いリーンバーンガ
スエンジンをミラーサイクル化することで発電効率40 ％を達成．の排出量が少なく環境適合型のエンジンである．
当社では小出力の GSA 機関から大出力の MACH30 G 機関までの広い出力範囲の低 NOx リーンバーン(3)方式のガスエンジンを製品化している ．
GSR 機関は 280 〜 845 kW をカバーし，ミラーサイプラントへの展開も検討しながら地球温暖化防止への寄与を目指していく．

4．まとめ

クルを適用し，このクラスでは世界最高レベルの発電以上のように，地球温暖化防止のため CO2 排出削端効率 41.5 ％を達成している．一方，MACH-30G 機減に直接的に寄与するディーゼル・ガスエンジンの関は 3 650 〜 5 750 kW をカバーし，点火プラグ方式高熱効率化へ向けた技術開発を述べてきたが，今後に代わりパイロット着火方式を採用し，さらにミラーの世界のエネルギー需要の伸び，経済発展を想定すれサイクルを適用し，発電端効率 44.5 ％を達成している．

ば CO2 排出量低減に向けての取り組みをより一層強

3．1

高速ガスエンジン GSR化・加速することが重要である．今後ともエンジン総発電出力 1 000 kW 以下のガスエンジンに世界で初合メーカーとしての長い間の技術蓄積を活かすとともめてリーンバーン（希薄燃焼）方式とミラーサイクに，先端技術の導入や総合技術の高度化により社会・ル機構を適用し，図４に示すとおり当社従来機種比時代の要請にこたえる製品を提供し，地球環境と豊かで 12 ％の CO2 排出低減を図り，ディーゼルエンジンな社会との調和を目指して，お客様の信頼にこたえるに比較しても CO2 排出量は更に 3/4 になる．ガスエ

べく確かなエンジン技術開発に注力していく．

ンジン発電では，コージェネレーションシステムを取り入れて温水や蒸気の需要が多いお客様及び発電効率向上により発電主体のお客様にも満足していただけ，CO2 削減のニーズに応えることができる．
今後とも更なる改良を加えて高熱効率化と高信頼性の両立を一層確保し，地球温暖化防止と経済性向上への寄与を目指していく．
3．2

参 考 文 献（1）角田明ほか，新開発定置発電用ディーゼルエン
ジン，三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003）（2）阪口勝彦ほか，環境対応ディーゼル機関 UEC
Eco-Engine ，
三菱重工技報 Vol.41 No.1（2004）（3）角田明ほか，世界最高効率三菱リーンバーンガ
スエンジン，三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003）

中速ガスエンジン MACH-30G

発電出力 1 000 kW 以上の大型クラスでも高熱効率化と低 NOx 化を達成できるリーンバーン方式のガスエンジンのニーズは高い．本エンジンでは，電子制御コモンレール噴射装置を採用したパイロット着火方式により希薄混合気に対しても安定な燃焼を実現している．

高石龍夫

発電効率の向上に加えて，高／低温水回収を含めた総合効率では 80 ％以上を達成し，お客様のニーズに応えている．
今後，更なる発電効率向上を進めるとともに，多様なガス（バイオガス，廃棄物ガス等）に対応した発電

阪口勝彦

沼田明

中野良治