216

特集論

温室効果ガス削減のための高効率ガス機関の開発

文

Development of High Efficiency Gas Enginefor Green House Gas Reduction
新 井武＊1

山 本 高 之＊2

安 藤 純 之 介＊2

石 田 裕 幸＊3

Takeshi Arai

Junnosuke Ando

Takayuki Yamamoto
Hiroyuki Ishida

炭鉱での石炭採掘時に発生する炭鉱メタンガスは，その大部分が未利用のまま大気放出され，地球温暖化の一因となっている．炭鉱メタンガスは低メタン濃度かつ濃度変動が大きいため，これまで有効利用は困難であった．本技術開発では，マイクロパイロット着火技術を利用した希薄燃焼ガスエンジンをベースに，炭鉱メタンガスを燃料として高効率発電が可能なガスエンジンを開発し，温室効果ガス排出量の低減を図る．これまでに，試験装置を用いて炭鉱メタンガスの燃焼特性を把握したほか，炭鉱メタンガスに適したガス供給方式の検討を行った．

1．はじめ

大気放出
メタン濃度：30 〜 50 ％
（ガス抜き過程で空気混入）に（通気ファン）

全世界規模での地球温暖化防止が求められる中，炭鉱における石炭採掘時に発生するメタンガスの大気放通気
立坑

出量低減とエネルギー源としての有効利用が注目されている．
現在，炭鉱メタンガスは全発生量のうち約 90 ％が炭層未利用のまま大気放出されている．メタンガスは温室ガス抜き孔効果が大きく，全世界の温室効果ガスとしての放出量
は CO2 換算で年間約５億 t に上る．これは日本全体のCO2 年間排出量の約 40 ％近くにも上る．

メタンガス放出

メタンガスは本来クリーンなエネルギー源であるが，炭鉱メタンガスは低濃度かつ濃度変動が大きいた
め，これまでボイラやガスタービン等の燃料として利

図１ 炭鉱メタンガスの概要

ガス回収過程での空気混入により，ガス濃度は低く，大部分が大気放出されている．

用されていない．
そこで，本技術開発ではこれらの課題を解決するため，マイクロパイロット着火技術を利用した希薄燃焼
MACH-30G

り，メタン濃度は 30 〜 50 ％程度である．また，ガスをベースとし，炭鉱メ中のメタン濃度の変動が大きいため，エネルギー源とタンガスを燃料として利用できる高効率･高出力ガスしての安定的な利用は困難とされてきており，現在はエンジンの開発を行っている．

ごく一部で熱源等に利用されているにすぎない．

ガスエンジン

2．炭鉱メタンガスの概要

メタンガスは地球温暖化係数が CO 2 の 21 倍と評価されるため，現在大気放出されている分を燃焼させる

炭鉱メタンガスの概要 を図１に示す．炭層中に存だけでも温室効果ガス排出量削減の有効な手段とな在するメタンガスは通常 90 ％程度の高濃度であるが，る．さらに，これを燃料として発電に用いることがで坑道内爆発事故防止の観点からポンプによって回収，きれば，他の化石燃料の消費量低減により CO2 排出量もしくは空気で希釈されて大気放出されている．回収を低減させることができる（図２）．このことから，されたガスの濃度は炭鉱や回収方式により異なるが，近年世界的に炭鉱メタンガスを用いた発電が注目され現状の技術ではガス回収過程での空気混入などによている．

(1)

横浜製作所原動機技術部ディーゼル設計課主席
技術本部横浜研究所機械研究室＊3
技術本部長崎研究所内燃機･油機研究推進室
＊1
＊2

217
世界で放出される炭鉱メタンガス
2 240 万 t／年
このうちの 35 ％ を回収し全て発電に利用するとメタン使用量 800 万 t／年

発電による排出メタンの温室効果は
CO2 の 21倍

−0.2

0.4

1.7 億 t

省エネ効果
（資源有効活用）

温暖効果ガスの直接削減効果
約 2 億 t／年の CO2 削減

図２ 炭鉱メタンガス発電による温暖化ガス放出量低減の効果

直接の低減だけでなく，他の化石燃料消費量低減による排出量低減も期待される．

3．目

表１標

出

従来の火花点火式ガスエンジンでは，炭鉱メタンガスを用いた場合の平均有効圧力は 0.6 〜 0.8 MPa 程度

性能目標値
5 000 kW 級力

発電端効率

38 ％ 以上

メタン濃度変動

35 〜 50 ％であり，同程度の体格を持つディーゼルエンジンや都市ガスエンジンに比べて出力が低い．また，炭鉱メタて，MACH-30G ガスエンジンと同様のパイロット着ンガス中のメタン濃度が低くなると着火が不安定とな火方式(2)を採用した．
従来の火花点火式ガスエンジンでは，副室内に理論り，連続運転に課題があった．
本研究では，世界最高レベルの効率である MACH-空燃比付近の混合気を供給するため，燃料ガスの濃度30G ガスエンジンをベースとして高出力･高効率かつ変動に伴って副室に供給する混合気の空燃比が変動

ガス濃度変動に対応した炭鉱メタンガスエンジンを開し，着火が不安定となっていた．また，点火プラグの発することを目標としている．本論文ではその第一段寿命を確保するために出力が制限されていた．

階として，その要素技術開発のために小型のガスエン

これに対し，副室内に少量の液体燃料を噴射して自ジン試験装置を用いた基礎燃焼試験及び実用性の検証

己着火させるマイクロパイロット着火方式では，着火試験を紹介する．小型試験装置での開発目標を表１にエネルギーが大きいため希薄混合気への安定着火が可示す．

能である．すなわち，理論空燃比付近の混合気供給が不要となるため，炭鉱メタンガスのように燃料ガス濃4．技術課題と対策
4．1

度が変動する場合でも安定した着火が可能となる．

着 火 方 式パイロット着火方式と火花点火方式の比較を図３に炭鉱メタンガス対応ガスエンジンの着火方式とし火花点火の特性着火エネルギーが小さい（約 0.1 J ）ため限られた副室内混合気濃度でしか安定着火できない

示す．
個別に副室
ガス供給
点火プラグ

希薄混合気

炭鉱ガス使用時
火花点火

燃料ガス濃度変動により着火不安定
パイロット着火の特性着火エネルギーが大きい（約 800 J ）ため広範囲の混合気濃度で安定着火

パイロット油噴射弁
希薄混合気

炭鉱ガス使用時
燃料ガスが変動しても安定着火

図３ 着火方式の比較

パイロット着火パイロット着火方式の採用によりガス濃度変動に対応できる．
三菱重工技報 Vol.41 No.4（2004-7）

218

4．2

ガス供給方式

自の燃焼制御技術を有している(3)．これは各シリンダ

炭鉱メタンガスの発熱量は都市ガスの 1/2 〜 1/3 程の燃焼圧力データから燃焼状態をリアルタイムで診断度であり，ガスエンジンで同程度の出力を得る場合にし，異常燃焼を回避しながら高効率での運転を可能とは都市ガスの２〜３倍のガス量を供給する必要があするシステムである（図５）．
炭鉱メタンガスを燃料とした場合でも，この M-る．
MACH-30G ガスエンジンは各シリンダ直前でガスRICS を用いることにより，図６に示す通り燃料ガス供給を行っているため，燃料ガスの供給圧力を給気圧の濃度変動に瞬時に対応でき，高効率かつ安定した運力より高くする必要があり，流量の多い炭鉱メタンガ転が可能となる．

スの場合は燃料ガスの昇圧に要する動力の増大に伴う効率低下の可能性がある．
他方，中小型ガスエンジンで多く採用されている過5．基 礎 燃 焼 試 験5．1 試 験 装 置

給機前での混合気形成の場合，燃料ガスの昇圧動力は炭鉱メタンガスの基礎燃焼試験装置として，当社汎不要となる．ただし，給気マニホールド内への逆火や，用機･特車事業本部で製作している S6R エンジンをパ混合気の吹き抜けに対する配慮が必要である．

イロット着火式ガスエンジンに改造して試験装置を製シリンダ前ガス供給と過給機前予混合方式の比較を図４に示す．今回の試験装置には後者を採用し，模擬作し，模擬ガスによる燃焼試験を行った．試験装置の諸元を表２に示す．

ガス試験にて MACH-30G への適用可能性を検証す

5．2 燃焼試験結果

る．

主要試験結果を図７に示す．本試験の結果，マイク

4．3

制 御 方 式

ロパイロット着火技術の採用により炭鉱メタンガスでMACH-30G ガスエンジンは M-RICS（Mitsubishi

も都市ガスと同程度の高出力かつ高効率で安定的な運Real-time Intelligent Control System）と呼ばれる独転ができる見通しが得られた．また，ガス濃度毎の最燃料ガス

ガス供給電磁弁

電子制御パイロット
噴射系（コモンレール）

過給器

過給器

過給機
燃焼圧センサ

空気

燃料ガス

空気発電機

電子ガバナ

燃焼室

M-RICS（燃焼診断ユニット）

パイロットコントローラ

・各シリンダの最適燃焼制御
・異常時には自動的に回避制御
空燃比 制御メインコントローラ DIASYS
給気温度制御燃焼室

過給機前予混合MACH-30G

従来 MACH−30 G

図４ ガス供給方式の比較

図５ M-RICS の概要

従来 MACH-30G に採用の方式と過給機前予混合方式の比較．

燃焼圧力検知により各筒を制御し，高効率と安定性を両立．

M-RICS 異常燃焼制御
当該シリンダカットし運転継続

M-RICS 異常燃焼制御
自動的にノッキング回避
M-RICS 最適燃焼制御
常時適正な燃焼に調整

表２
項

ノッキング

燃焼圧

高適正

燃焼圧

低

メタン濃度の変動に伴い燃焼が変動

ノッキング域
濃ガスのメタン濃度（混合気濃度）

失火
不安定燃焼域

薄た制御が可能．

M-RICS によりメタンガス濃度変動に対応し諸元

定格出力400 kW

回 転 数

1 500 rpm

気 筒 数
Bore×Stroke
圧 縮 比
燃焼方式

図６ M-RICS による燃焼制御

目

試験装置諸元

燃料

6170 mm×180 mm
10.0
副室式
ガス，軽油

2192550.048.0
46.0：13A ガス：炭鉱メタン模擬ガス

44.0
平均有効圧力（MPa）

空燃比（空気量/燃料ガス量）

熱効率（ηi ％）52.0

1.701.60
1.501.4020151051.30
1.20020406080

1000

燃料ガス中 CH 4（％）

20406080100

燃料ガス中 CH 4（％）

図７ 基礎燃焼試験結果

燃料中メタン濃度と熱効率，出力，空燃比の比較を示す．炭鉱メタンガスでも空燃比の最適化により都市ガスと同等の燃焼性能となる見通しが得られた．

適空燃比を把握した．

業技術開発促進事業の一環として行っているものであり，関係各位のご協力に対し深く感謝の意を表しま

6．実 機 へ の 展 開す．

ここまでの検討及び燃焼試験の結果を踏まえ，炭鉱メタンガスを燃料とする MACH-30G の商品化を推進中である．
現在，MACH-30G 適用時の制御系統の検証を行うべく，模擬ガスにて検証を実施中である．

7．まとめ

参 考 文 献（1）平澤，中国における炭鉱メタンガス回収･利用モ
デル事業，動力 Vol.259（2002）p.52（2）中野良治ほか，高出力ガス機関 KU30GA の開発，
三菱重工技報 Vol.38 No.4（2001）p.202（3）中野良治ほか，次世代 MACH-30G ガスエンジンの開発，三菱重工技報 Vol.41 No.1（2004）p.22

温室効果ガス放出量の低減を目的とし，これまで大気放出されていた炭鉱メタンガスを燃料として高効率発電が可能なガスエンジンを開発中である．これまでの燃焼試験及び検討から，パイロット着火方式の採用により都市ガスと同程度の高効率で発電が可能となる
新井武

見通しが得られた．

山本高之

安藤純之介

今後は更にシステムの検証を行い，炭鉱メタンガス対応 MACH-30G 機関の実用化を図る．
本研究は，(財)地球環境産業技術研究機構（RITE）の平成 14 年度

地球環境保全関係産業技術開発促進事業 ，及び平成 15，16 年度

京都議定書目標達成産石田裕幸

三菱重工技報 Vol.41 No.4（2004-7）