97PS-10

アンモニア混焼ディーゼル機関に関する研究開発の現状
環境・動力系＊仁木洋一、市川泰久、新田好古、平田宏一

1．はじめに地球温暖化を防ぐために，船舶においても温室効果ガス(GHG)削減が強く求められている 1)．船舶の動力システムにおいては，代替燃料による GHG 削減技術の検討が行われており，その一つとしてアンモニア(NH3)が挙げられる．NH3 は，大気圧下において容易に液化させることが可能であり，大量輸送がすでに行われている．また，その燃焼は，二酸化炭素(CO2)を排出しない．この様な NH3 の性質に着目し，燃料として利用する研究・開発が実施されている．しかし，NH3 は，軽油と比較して反応性が悪いため，現状のディーゼル機関におい

図-1 小型単気筒ディーゼル機関を用いた実験装置概要図て，NH3 単体での圧縮着火燃焼は困難である．NH3 を着火燃焼させるためには，パイロット燃料による着火など，エネルギの高い着火方式が必要であると考えられる．また，NH3 は，燃焼生成物として GHG である亜酸化窒素（N2O）を生成することが知られている．著者らは，CO2 排出量削減を目的に，舶用機関への NH3 利用に関する研究を行ってきた 2,3)．
本報告では，小型単気筒ディーゼル機関および舶用中速ディーゼル機関を用いて NH3 混焼試験を実施した結果を報告す
る．
2．小型単気筒ディーゼル機関による NH3 混焼実験
小型単気筒ディーゼル機関（4 ストローク, 7.7 kW, 1500min-1）を用いた実験では，排出される N2O を燃焼の改善によって削減する方法を検討した．本実験では，軽油を用いたディーゼル機関の吸気に，NH3 ガスを混合する方法について検討した．本方法を用いることにより，機関の大きな改造が必要
図-2 小型単気筒ディーゼル機関を用いた NH3 混焼の結果なく，既存のエンジン技術を活用できる．
図 1 に実験に用いた小型単気筒ディーゼル機関を含む実験装置の概要を示す．機関の諸元，NH3 の供給方法及び軽油噴射システムの詳細については，既報をご参照頂きたい 2,3)．

Brake specific GHG emissions�

図 2 に小型単気筒ディーゼル機関を用いた NH3 混焼の結果を示す．図には，下記の 3 つの条件における NH3 混焼率に対���� ���� ��������� ��������������������𝑀𝑀𝑀𝑀�����

(1)

ここで，CCO2 及び CN2O は，それぞれ CO2 濃度[%]，N2O 濃度[ppm]．

する NH3 及び N2O，GHG 排出率が示されている．

GWPN2O は，N2O の温室効果係数(本研究では 265 とした)4).Qexh(1)通常の軽油噴射時期(SoI)において，出力を一定とし は排ガス流量[m3/h].MVCO2 及び MWCO2 は，それぞれ CO2 のモル体て，NH3 供給量を増加させた結果
積[m3/mol]，モル質量[g/mol]．P は，機関の軸出力[kW]であ(2)軽油噴射時期を通常より進角させた状態において，軽る．

油噴射量を一定として，NH3 供給量を増加させた結果

条件(1)は，軽油を用いて運転されるディーゼル機関の給(3)上記(2)の運転条件を調整し，NH3 供給量をさらに増加気に NH3 を混合した運転である．NH3 の供給量の増加と共に軽させた結果
ここで，NH3 混焼率とは，軽油と NH3 の合計の供給熱量に対す油の噴射量を低減させることで出力を一定に保った．条件(1)の結果が示すように，NH3 混焼率の増加が 30％程度までる NH3 の発熱量の割合を示している．また，GHG 排出率は，式は，NH3 混焼率と共に N2O 排出率が増加しているため，軽油消(1)を用いて算出した値である．式(1)は，CO2 排出率を算出す

費量の削減によって，CO2 が減少しているにもかかわらず，る式中の CO2 濃度に，N2O の温室効果を考慮して CO2 相当濃度

GHG 排出率は，図中破線として示される NH3 混焼をしない場にしたものを加算したものである．

合と比較して，低減されていない．NH3 混焼率が 30％よりも(97)98
大きい条件では，N2O 排出率がほぼ一定となるため，GHG 削減75%の負荷率で運転した．A 重油の噴射量は，調速機によって効果が得られている．

自動で調整されるため，NH3 の供給量の増加と共にに，減少す条件(2)は NH3 の反応を促進するために，軽油噴射時期を進ることとなる．NH3 は，液化 NH3 ボンベから気化したガスを，角し，燃焼室内に軽油を広く分布する試験を行った．軽油噴機関の空気冷却器出口に混合し，すべての気筒に NH3 を供給

射量を一定にして，軽油の噴射時期を上死点前(bTDC)45° にした．また，NH3 ガスの供給量の上限が約 900 L/min であった進角した．条件(1)の噴射時期 10° bTDC の結果と比較して N2O

ため，NH3 混焼率の最大値は，負荷率の増加と共に小さくなっ排出率が低減されていることが分かる．N2O 排出率の低減にている．

より，NH3 混焼率が 58％の場合には，図中左端に示される条各負荷率における NH3 混焼率に対する GHG 排出率を図 3 に件(1)の NH3 混焼をしない場合と比較して，約 46％の GHG の示す．すべての負荷率において，NH3 混焼率の増加と共に，CO2削減効果が得られている．なお，NH3 混焼率が低い場合は，NH3排出率が減少している．ただし，NH3 混焼率が 20%より低い場の供給量が少ないことや，着火時期の進角などによって，軸合，いずれの負荷率においても，GHG 排出率は NH3 混焼率の上出力が 3.7kW と低くなるため，GHG 排出率が増加している．

昇に伴い増加している．これは，N2O 排出率が増加していたた

条件(3)は，条件(2)から，さらに GHG 削減を達成するためめである．25%負荷率においては，NH3 混焼率が 20%より大きに，NH3 供給量の増加及び軽油噴射時期の調整を行った条件でくなると，N2O 排出量の増加が抑えられたため，NH3 混焼率とある．この場合，NH3 混焼率 69％の場合に，条件(1)の NH3 混共に増加していた GHG 排出率は減少している．NH3 混焼率 32%焼をしない場合と比較して，GHG を 68％低減している．条件の場合，NH3 混焼しない場合（図中左端）と比較して，GHG 排(3)においても，機関の運転状態は安定していた．

出率がわずかに低減している．

本実験において，軽油の噴射時期の進角により N2O 排出率

また，本実験時には，少量であるがブローバイガスに NH3の低減効果が得られた。本報告には示していないが，N2O 排出が混合することが確認された．ディーゼル機関を用いた NH3率の低減と同時に，未燃のまま排出される NH3 の低減効果も燃料利用において，対策が必要な項目であると考えられる．

確認した。ただし、窒素酸化物，一酸化炭素，未燃炭化水素の増加も確認されたため，燃焼方式のさらなる改善が必要である．

4．まとめ
報告した研究成果から，NH3 を混焼した場合，N2O が生成され，N2O による温室効果は，CO2 削減分を相殺することがある．

3．舶用中速ディーゼル機関による NH3 混焼実験ディーゼル機関への NH3 混焼による GHG 削減には，N2O の低減

本実験に用いた舶用中速ディーゼル機関の諸元を，表 1 にが重要である．しかしながら，N2O の低減に対して，小型単気示す．本実験では，A 重油によって運転される機関の給気に筒ディーゼル機関の実験において，軽油噴射時期の進角が有NH3 ガスを混合することで NH3 混焼を行った．機関は，750 kW， 効である事が確認された．中速舶用ディーゼル機関を用いた
1000 min-1 を 100％とした舶用負荷特性において，25，50，
表-1 舶用中速ディーゼル機関主要目

Engine type
Cylinder arrangement
Bore / Stroke
Rated power

4-stroke, turbocharged withintercoolerInline 6190 / 260 mm
750 kw at 1000 min-1

実験において，NH3 混焼率に対する GHG 排出率の変化は，小型単気筒ディーゼル機関の実験における条件(1)の結果と同じ傾向を示しており，N2O の低減においても，小型単気筒ディーゼル機関に用いた同様の方法が有効であることが予測される．
本報告では，NH3 混焼時の GHG の排出について主に報告したが，本研究により，NH3 の燃料利用における NH3 供給方法や安全対策，NH3 燃焼に関する知見が得られている．本知見を活かして，今後も NH3 燃料利用に関する研究開発を実施する．
謝辞
本研究の一部は，2020 年度国土交通省からの請負研究「アンモニア燃焼による排気ガス中の温室効果ガスに関する調査」の一環として実施されたものである．ここに謝意を表します．
参考文献
1) https://www.mlit.go.jp/common/001231681.pdf（2020/4）
2) Y.Niki et al.:J Eng Gas Turbin Power ,(2019),061020.
3) 仁木ら:第 90 回 JIME 学術講演会,(2020),pp.105-110.
4) Core Writing Team:Climate Change 2014 Synthesis

図-3 中速舶用ディーゼル機関を用いた NH3 混焼の結果(98)

Report,(2014).