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ガソリンエンジンのリーン限界へ及ぼす燃料化学種の影響〈青木報剛・小畠健・渡邊学・横尾望・宮元敬範・中田浩一〉

文1

ガソリンエンジンのリーン限界へ及ぼす燃料化学種の影響
中央技術研究所
燃料研究所

中央技術研究所

燃料技術グループ
あおき

燃料研究所

燃料技術グループごう

青木おばた剛けん

小畠健

中央技術研究所
技術戦略室

エネルギー技術グループ
わたなべ

渡邊

トヨタ自動車株式会社

まなぶ

よこお学

トヨタ自動車株式会社
みやもと

宮元のぞみ

横尾望

トヨタ自動車株式会社

よしのり

なかた敬範

中田

1. はじめにこういち

浩一

ベルで実現することは、低炭素社会実現に貢献するとともに、運輸部門の持続可能性に資すると考えられる。特に地球温暖 化にグローバルに対処するため、2015 年 12月に催された国連気候変動枠組条約「第 21 回締約国会議

本報ではガソリンエンジンの熱効率向上に関する取り組みを紹介する。

（COP21）」において、温室効果ガス削減に関する国際的ガソリンエンジンの理論サイクルであるオットーサイクルな枠組みが合意された（パリ協定）。我が国においては、の熱効率ηは、圧縮比εと比熱比κの関数として、η =1-（1/中期目標として、2013 年比 26% の温室効果ガス削減目標ε）κ -1 で記述されることが知られている。つまり、熱効率1）が定められた 。

を向上させるためには、圧縮比・比熱比を上げる必要があ

当社の主力製品であるガソリンや軽油は、運輸部門にる。従来のエンジンでは、理論空燃比で燃焼させることおける温室効果ガスである CO2 の排出に密接にかかわる。

が一般的であったが、混合気の希薄化や低温燃焼等によ国立環境研究所温室効果ガスインベントリオフィスが公開

る比熱比向上と冷却損失低減を目的とした、超希薄燃焼

2）

している運輸部門における CO2 排出量の推移 によると、（スーパーリーンバーン）が注目されている。

自動車の燃費改善等によって 2001 年以降減少傾向にあ内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）4）でる。しかしながら、運輸部門の CO2 排出量・割合は、依は、熱効率 50% を目指してスーパーリーンバーンを実現す

然として高いレベル 2）であり、一層の CO2 の排出抑制がるための研究が進められており、強タンブル流や強力点火求められる。

装置の導入により燃焼を安定・促進させることで、リーン運 輸部門の CO2 排出抑制対策の一つに将来的な EV限界を拡大させる方法が検討されている。

（Electric Vehicle）の導入が検討されている。しかしな

一方、燃焼を安定・促進させるためには、燃料化学種

がら、EV の電源としてどのような 1 次エネルギーを用いるの層流燃焼速度も重要な因子であると考えられるが、エンかにより CO2 排出量が変わるため、Well to Wheel でのジンのリーン限界に与える燃料化学種の効果や強タンブルCO2 排出量を考えていくことが重要である。

流と組み合わせた際の効果は良くわかっていない。
3）

でみ

そこで、本報告では燃料化学種の層流燃焼速度に着目られるように、2050 年時点でも乗用車においてはハイブし、リーン限界に与える影響に関して表 1 に示す諸元のエリット自動車等を含む内燃機関搭載車の販売台数が過半

ンジンを用いて検討した。

また、国際エネルギー機関（IEA）の報告書等を占めることが予測されており、内燃機関の熱効率の向上は今後も重要な課題である。
内燃機関の熱効率の向上を燃料と組み合わせて高いレ− 19 −JXTG Technical Review・第60巻第1号（2018年3月）

ガソリンエンジンのリーン限界へ及ぼす燃料化学種の影響〈青木表1

剛・小畠健・渡邊

エンジン諸元学・横尾望・宮元敬範・中田浩一〉

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図 1 に示す物質の中で、アニソール（メトキシベンゼEngine AEngine B

エンジンタイプ

1.8L Inline4←

ボア, mm

80.5←

ストローク, mm

88.3

←

圧縮比

13←

燃料噴射方式

PFI←

吸気バルブオープン, deg.BTDC− 12 ～ 29− 22 ～ 23

吸気バルブクローズ , deg.ABDC

102 ～ 61

102 ～ 57

排気バルブオープン, deg.BBDC

3135

排気バルブクローズ , deg.ATDC−39タンブル比0.82.8ン）、エタノールが高い層流燃焼速度と RON を両立していることが示された。また、フランも層流燃焼速度が高く、RON が高いことが示唆された 7）8）ため選定した。層流燃焼速度が遅い燃料化学種としてトルエン、ETBE、イソオクタンを選定し、計 6 種の燃料化学種をベースに検討することとした。
さらに、燃焼促進効果の見込まれるニトロメタン、オクタン価向上剤として知られるアニリン、および共役による安定化でオクタン価向上効果が見込まれる共役ジエンを少量混合し、それぞれの効果を検討した。
評価燃料の組成及び性状を表 2 に示す。表中の RONについては、Fuel 13,14 を除き評価燃料をノルマルヘプタンで希釈し計測した値から算出した。Fuel 14 の RON は2. エンジン諸元無水エタノールの文献値 6）を示した。

筒内のタンブル流の影響を確認するため、タンブル比が異なる 2 種の市販エンジンを用いた。
（表 1）3. 試験燃料
本検討では、燃料化学種の燃焼促進の指標として層流燃焼速度に着目した。層流燃焼速度がリーン限界に及ぼす効果を明確化するため、高オクタン価を維持しつつ層流燃焼速度を高めることを目標として燃料 化学種を選定した。図 1 に、ガソリン等に含まれる主要な炭化水素の層流燃焼速度 5）とオクタン価 RON 6）との関係を示す。
図1

表2

JXTG Technical Review・第 60巻第1号（ 2018年3月）

試験燃料性状− 20 −

層流燃焼速度 5）と RON 6）

21

ガソリンエンジンのリーン限界へ及ぼす燃料化学種の影響〈青木剛・小畠健・渡邊学・横尾望・宮元敬範・中田浩一〉

結果を図 3 に示す。筒内燃焼速度は、エンジン筒内にお4. 実験結果

ける燃焼速度の指標として用いられる 9） 、ボア径を点火
図 2 にエンジン回転数 2000rpm、正味平均有効圧力～燃焼質量割合 90% までの期間で除した速度の次元 [m/0.4MPa における、各試験燃料のリーン限界と熱効率向上

sec] を持つ値で代表させた。この値が高いほどエンジン率を示す。ここで、リーン限界は図示平均有効圧力の変筒内の燃焼速度が大きいことを示している。

動率が 3% となる空気過剰率λとした。熱効率向上率は、エンジン A とエンジン B の結果を比べると、プロットが各試験燃料のリーン限界における熱効率を、各エンジンの総じて右上に移動し、同じ試験燃料であっても筒内燃焼

λ =1 における Fuel 13（イソオクタン）の熱効率で除して速度が向上し、リーン限界が拡大している。これはタンブ算出した。

ル流の強化による効果と考えられる。また、どちらのエン

Fuel 1 ～ 5 を比較すると、イソオクタン、トルエン、エタジンにおいても各試験燃料の筒内燃焼速度とリーン限界

ノール、ETBE、アニソール、フランのうち、フランが最もとの決定係数が 0.8 を超えており、試験燃料の効果によりリーン限界を拡大させる効果が高いことが分かった。また、筒内燃焼速度を向上させることでリーン限界が拡大するこFuel 1 ～ 5 と Fuel 6 ～ 10 を比較することにより、燃焼促とが分かった。

進化学種であるニトロメタンを混合するとリーン限界が拡大試験燃料のリーン限界拡大効果に及ぼすタンブル流のすることが示された。一方、Fuel 1, 11, 12 の比較から、オ影響を調べるため、図 4 にエンジン A とエンジン B におクタン価向上化学種であるアニリン、2,5 -ジメチル- 2 ,4- ヘ

ける各試験燃料のリーン限界の相関関係を整理し、図中キサジエンはリーン限界拡大に寄与しないことが分かった。に線形近似直線式を示した。

リーン限界の値が最も小さい Fuel 13 と最も大きい Fuel

線形近似直線 式の切片に着目すると、0 より大きな値10 を比較すると、エンジン A においては 0.28 ポイント、であった。これは、エンジン B の方がタンブル流が強く、エンジン B では 0.27 ポイント、それぞれリーン限界が拡筒内燃焼速度が大きいことを示している。次に、線形近大した。

似直線式の傾きの値がほぼ 1 であったことから考えると、

熱効率向上率については、Fuel 13 が最も低く、Fuel今回試験したタンブル流の範囲においては、ほぼ独立して10 が最も高い値を示しており、概ねリーン限界と対応して試験燃料の筒内燃焼速度の向上がリーン限界を拡大するいることが分かった。Fuel 10 においては、λ =1 におけことが分かった。

る Fuel 13 の熱効率から、エンジン A で 10% 程度、エンジン B で 15% 程度向上した。

図3

図2

筒内燃焼速度とリーン限界の関係

各試験燃料のリーン限界と熱効率向上率

5. 考察
5. 1 リーン限界と筒内燃焼速度リーン限界について、筒内燃焼速度との相関を確認した− 21 −

図 4 試験燃料がリーン限界拡大効果に及ぼすタンブル流の影響
JXTG Technical Review・第60巻第1号（2018年3月）

ガソリンエンジンのリーン限界へ及ぼす燃料化学種の影響〈青木剛・小畠健・渡邊学・横尾望・宮元敬範・中田浩一〉

22− 参考文献 −5. 2 層流燃焼速度（計算値）との比較
図 5 に、 リーン限 界と層 流 燃 焼 速 度との 関 係 について示 す。 ここで、 層 流 燃 焼 速 度 は 燃 焼 解 析ソフト

1）首 相官邸 地球温暖化対策推進本部 日本の約束草案「CHEMKIN-PRO」を用いた計算値である。反応機構にhttp://www.kantei.go.jp/jp/singi/ondanka/kaisai/

10）
は SIP「ガソリンサロゲート詳細反応機構 ver1.0」 を用

dai30/yakusoku_souan.pdf

いた。また、反応条件はリーン限界における点火時の筒

2）国立環境研究所温室効果ガスインベントリオフィス

内雰囲気を模擬した【φ =0.6、T=650K、P=700kPa】に

http://www-gio.nies.go.jp/aboutghg/nir/nir-j.htmlて計算を行った。

3）I nternational Energy Agency, Energy Technology

リーン限界は層流燃焼速度と良い相関にあることが分Perspectives（2012）

かった。つまり、高い層流燃焼速度を示す燃料化学種を

4）S IP（戦略的イノベーション創造プログラム）、革新的探索するとともに、その反応機構を解明していくことで、燃焼技術リーンバーンエンジンに適した燃料を設計できると考えら

http://www.jst.go.jp/sip/k01_team1.html

ガソリン燃焼チームれる。なお、今回は詳細反応機構が判明している燃料化

5）J . T. Farrell, R. J. Johnston, I. P. Androulakis；

学種について検討を行ったが、今後は他の燃料化学種にMolecular Structure Effects On Laminar Burning

ついても検討を進め、キーとなる分子構造や反応機構をVelocities At Elevated Temperature And Pressure,探索する予定である。

SAE Technical Paper, 2004-01-2936（2004）
6）A m e r i c a n S o c i et y f o r Te s t i n g M a t e r i a l s；
Knocking characteristics of pure hydrocarbons，
developed under American Petroleum InstituteResearch Project 45., Philadelphia（1958）
7）G . J. Gibbs, H. F. Calcote； Effect of MolecularStructure on Burning Velocity, J. Chem. Eng. Data
4（1959）226-237
8）M . A. Eldeeb, B. Akih-Kumgeh； Reactivity Trends
in Furan and Alkyl Furan Combustion, Energy
Fuels 28（2014）6618-6626
9）D. Takahashi, Y. Yoshihara, T. Omura, K. Nakata；
Combustion Development to Realize High Thermal

図5

Efficiency Engines, SAE Technical Paper, 16PFL-

層流燃焼速度とリーン限界の関係

0709/SAE 2016-01-0693
10）三 好 明・酒井 康行； ガソリンサロゲート詳細反応機

6. まとめ

構の構築 , 自動車技術会 2017 年春季大会学 術講演会講演予稿集 , 2017 年 5 月 24 日～ 5 月 26 日 , 横浜 .

エンジン技術と燃料技術の組み合わせによる燃焼促進を目的とし、リーン限界に対し燃料化学種が与える影響について、以下の知見を得た。
・ タンブル比の異なる 2 つのエンジンを用い、それぞれのエンジンで燃料化学種の変更により、筒内燃焼速度を向上させたところ、リーン限界と筒内燃焼速度は良く相関した。また、リーン限界の向上幅は同等であった。
・ 従って、タンブル強化によるリーン限界拡大効果と燃料化学種の変更によるリーン限界拡大効果は独立していることが示唆された。
・ 燃 料化学種の変更により、イソオクタン対比でリーン限界が最大 0.28 ポイント拡大し、これに従い、熱効率はイソオクタンの理論空燃比対比で最大 15% 程度向上した。
・ 今後、分子構造と燃焼速度、リーン限界の関係について、実験・計算の両面から検討を進めていく。

JXTG Technical Review・第 60巻

第1号（ 2018年3月）− 22 −