メタン希薄予混合気の着火制御に関する研究
環境システムコース

環境安全システム工学
16653 宮森可奈子

緒言
省エネルギー化や環境負荷低減に対する要求が一層強まる中、発電やコジェネレーション用の定置式エンジンに対しても効率の向上と NOx を代表とする有害物質の排出量削減が求められている。メタンを主成分とする天然ガスを燃料とした定置式エンジンには火花点火希薄燃焼エンジンが用いられている。しかしながら、火花点火希薄燃焼エンジンの燃料希薄化は燃焼限界によって制限され、圧縮比はノッキングにより制限されるため、効率向上には限界がある。また、火花点火希薄燃焼エンジンにより生成する NOx は三元触媒のよって除去できないという問題がある。
このような、天然ガス燃料定置式エンジンの問題点を解決するため、予混合圧縮着火エンジンの研究開発が進められている。予混合圧縮着火エンジンとは、空気と燃料を混合し、均一な混合気を形成させ、その混合気を圧縮することにより自然発火させ燃焼させるエンジンである。予混合圧縮着火エンジンの長所は、超低 NOx 排出、高効率であることである。
予混合圧縮着火エンジンの場合、均一に希薄な混合気であり、燃焼温度が高温にならないため、排気ガス中の NOx 濃度が数 ppm 程度に抑えられる。また、予混合圧縮着火エンジンは、燃焼速度が大きいため理想サイクルに近いことと高圧縮比で運転できることから高効率である。一方、予混合圧縮着火エンジンには、着火時期が運転条件により固定される
ため回転数や出力の急激な変更が難しい、高負荷運転が難しいなどの特徴もあるが、定置式エンジンでは、回転数や負荷を固定して運転するため、通常運転時はこれらの欠点は大きな問題とはならない。しかしながら、天然ガス燃料定置式予混合圧縮着火エンジンにおいて、始動時は燃料が着火しないため、着火を制御する必要がある。
天然ガス燃料予混合圧縮着火エンジンの始動時の着火制御方法の一つとして、小量の液体副燃料を燃焼室中の希薄天然ガス予混合気に噴射して着火させることによる方法が考えられる。希薄天然ガス予混合気の液体燃料による着火制御方法を確立するためには、定容燃焼器を用い、温度、圧力、混合気濃度等を制御した条件での基礎的研究が重要となる。
また、天然ガスの主成分であるメタンは、自然発火しにくく、自然発火温度が 550℃との報告もなされているが、メタンの高圧下での酸化特性について系統的に研究がなされた例がない。メタンの酸化に関するの基礎的知見は、予混合圧縮着火エンジンの着火制御やメタンの安全な取り扱いに関する基礎的知見につながる。
2. 目的および方針
本研究では、メタンの自然発火特性に関する知見を得ることと、メタン希薄予混合気中の液体副燃料の噴射による着火制御に関する基礎的知見を得ることを目的とした。本研究では、まず、希薄メタン混合気を着火試験装置に導入し、混合気中に液体副燃料を噴射することにより着火燃焼させる実験システムを構築した。次に、メタン希薄混合気の温度、圧力を系統的に変化させ、メタンの高圧下での酸化特性を評価した。さらに、メタン希薄混合気中への液体副燃料の噴射燃焼実験を行い、混合気中のメタンが液体副燃料の着火に及ぼす影響や液体副燃料の噴射によるメタン燃焼について系統的に評価した。
3. 実験
3.1 実験装置
3.1.1 高圧メタン/空気希薄混合気調製システム
本研究では、着火試験装置 FIA-100 の燃焼室内に高圧で混合気を導入する必要がある。
また、酸素とメタンを混合するため、安全性は十分確保しなくてはならない。そこで、安1.

全に高圧で流量を制御して混合気を調製するシステムの構築を試みた。
図 1 に高圧メタン/空気希薄混合気調製システムの概要を示す。窒素ガスおよびメタン 9.7%/窒素 90％混合ガスの高圧での流量制御は高圧マスフローコントローラ（東京計装、TC2100）を用いた。また、
酸素 40％/窒素 60％混合ガスの流量測定は高圧マスフローメータ（東京計装、TF3610）
図 1 高圧メタン/空気希薄混合気調製システムを用いた。この三種のガスを高圧レギュレーターにより高圧マスフローコントローラまたは高圧マスフローメータを介して 3.2L 耐圧ボンベに導入することにより混合し、混合したガスを着火試験装置 FIA-100 に導入できるようにした。
3.1.2 着火試験装置 FIA-100
着火試験装置としては、船舶燃料である重油の着火性の評価に用いられている、FUEL TECH 社製FIA-100 を用いた。図 2 に着火試験装置 FIA-100 の概略を示す。FIA-100 は、0.65L の定容燃焼室内に直径 0.35mm の一穴ノズルが設置されている。ノズル周辺には燃料の蒸発を防ぐため冷却媒が流れている。
吸気により高圧の燃料ガスを燃焼室内に導入し、燃焼室内温度が設定値になるとノズルから自動的に液体副燃料を噴射する。噴射圧は約 200kg/cm2、噴射期間は約 2ms である。噴霧角は 15 度で、噴射した燃料は燃焼室内の壁面に到達しない。燃焼室内の下
図 2 着火試験装置 FIA-100部には圧力センサーがついており燃焼室内の圧力変化を、噴射後 100ms まで測定できる。
3.1.3 ガスクロマトグラフィー
濃度測定はガスクロマトグラフィー（島津 GC-8A TCD）を用いて行った。混合気 1ml
中のメタン、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素の各ピーク面積より、それぞれの検量線から濃度を算出した。
3.2 実験方法
3.2.1 メタン希薄予混合気の高圧下での酸化特性評価
メタン希薄予混合気の高圧下での酸化特性を評価するため、メタン 3%、酸素 20%、窒素 77%の混合気を調製し、着火試験装置の燃焼室内に導入する実験を行った。メタン濃度
は火花点火における希薄燃焼限界以下の濃度であり、予混合圧縮着火エンジンにおける実験で用いられる濃度領域である。着火試験装置による着火試験では、燃焼室内の気体を設定温度の 30℃以下から加熱して、設定温度に到達した瞬間に燃料噴射する方式をとり、加熱時間は約 3 分間を要する。そこで、温度、圧力を 350〜550℃、1〜3MPa にそれぞれ設定し、温度が設定温度に到達する直前の燃焼室内のメタン濃度をガスクロマトグラフィーにより測定し、燃焼室内導入前のメタン濃度と比較することによりメタンの酸化特性を評価

残存割合(%)

した。
本実験に先立ち、着火試験装置に導入するメタン希薄混合気の調製が確実に行われているかの確認実験を行った。メタン 3％、酸素 20％、窒素 77%の混合ガスが調製されるようにマスフローコントローラの設定を行い、調製した混合気をサンプリングし、濃度を測定した結果、設定濃度に近い値で調整可能であることを確認した。
3.2.2 液体副燃料噴射がメタン希薄予混合気の着火に及ぼす影響評価
液体副燃料噴射がメタン希薄予混合気の着火に及ぼす影響を評価するため、メタン 3%、酸素 20%、窒素 77%の混合気を着火試験装置 FIA-100 の燃焼室内に導入し、市販軽油を噴射し燃焼させる実験を行った。軽油噴射時の燃焼室内の温度は 350℃および 400℃、圧力は1〜3MPa にそれぞれ設定した。液体副燃料を噴射した時点から 100ms 経過時点までの圧力信号を PC に取り込み、データの解析を行った。燃料を噴射してから、圧力が 0.12MPa 上昇するまでの時間を着火遅れ時間、最大圧力と燃料噴射直前の圧力差を最大圧力上昇と定義した。また、メタン希薄予混合気を用いた実験に先立ち、燃焼室内に空気を導入し軽油を噴射し燃焼させる実験を行い、メタン希薄予混合気を用いた場合の結果との比較を行った。さらに、メタン希薄予混合気中に軽油を噴射し燃焼させた後のガスは、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した。
4. 結果と考察
4.1 メタン希薄予混合気の高圧下での酸化特性評価
100
液体副燃料噴射直前でのメタンの残存割合に1MPa
90ついての結果を図 3 に示す。設定温度 400℃ま2MPa
803MPaでは、メタンはほとんど消費されずに残存して70いるが、400℃を超えると、メタンの残存割合は6050減少している。これにより、設定温度が 400℃40を超える条件でメタンの酸化反応が開始するこ30とがわかる。したがって設定温度は 400℃以下20とすべきである。また、いずれの圧力条件にお100
いても 400℃を超えた条件で酸化が開始してい350
400450500550
ることから、圧力はメタンの酸化の開始には影温度(℃)
響を及ぼさないと考えられる。一方、圧力上昇
図 3 液体副燃料噴射直前でに伴い、メタンの残存濃度の減少が確認されるのメタンの残存割合ことから、圧力のメタン酸化速度への寄与が示唆される。
着火試験装置の燃焼室は外部からヒーターで加熱するため、燃焼室壁面は燃焼室中心部より約 50℃温度が高くなっている。また、燃焼室はステンレスで構成されている。このため、本条件においては、メタンの酸化反応は、高温の壁面のステンレスによる触媒作用によって開始していると考えられる。
メタンは自然発火しにくい物質として知られている。しかし、本研究により、高圧下においては、ステンレスの壁面温度 450℃以上で酸化反応が進行することがわかった。今後のメタンの燃焼や安全な取り扱いを考える上で、このことを考慮する必要がある。
4.2 液体副燃料噴射がメタン希薄予混合気の着火に及ぼす影響評価
まず、空気雰囲気下での市販軽油の着火試験を、燃焼室温度 300℃〜500℃、燃焼室圧力1MPa〜3MPa の条件で行った。図 4 に市販軽油の着火遅れ時間を示す。いずれの圧力条件においても、設定温度 300℃の条件では、着火が確認できる圧力上昇が見られなかった。
この結果と、4.1 での実験で、450℃以上の設定温度では混合気中のメタンが燃焼室内で酸化することを考慮し、メタン希薄予混合気中に軽油を噴射させる実験は、設定温度 350℃、着火遅れ時間(ms)400℃の条件で行った。
図 5 に、メタン 3%の混合気中に軽油を噴射して着火させた時の着火遅れ時間を示す。メタン混合気中に噴射した場合、空気中に噴射した場合と比較して着火遅れ時間が長くなっている。本実験より、メタンが、ディーゼル燃料の前着火段階のラジカル連鎖反応を抑制していることが示された。既往の研究より、天然ガ

504540353025201510501MPa
2MPa
3MPa

350400450500

温度(℃)

図4

市販軽油の着火遅れ時間

最大圧力上昇(MPa)

着火遅れ時間(ms)スと軽油のデュアル燃料のディーゼルエンジンの燃焼
601MPa(空気雰囲気)
では、着火遅れ時間が長くなるという現象が報告され501MPa(メタン3%)ており、その原因は天然ガス導入による混合気中の酸
2MPa(空気雰囲気)
2MPa(メタン3%)40素濃度低減が原因ではないかと考えられていた。しか3MPa(空気雰囲気)
3MPa(メタン3%)
し本研究では、酸素濃度一定のもとで実験を行ってい30
るため、天然ガス中のメタンが軽油の着火反応を抑制20していることが示唆される。
10
図 6 にメタン 3%の混合気中に軽油を噴射して着火0させた時の最大圧力上昇を示す。メタン 3%の混合気300
350400450
中に市販軽油を噴射して着火させた場合、空気中の場温度(℃)
合と比較して最大圧力上昇が大きくなり希薄メタン混
図 5 メタンの着火遅れ時間合気が燃焼したことが確認された。メタン濃度は火花
1.80
点火における希薄燃焼限界以下の濃度であることから、
1MPa(空気雰囲気)
1.60
火炎伝播により燃焼したのではなく、軽油の着火によ1MPa(メタン3%)
1.40
2MPa(空気雰囲気)
る温度上昇によって、メタン予混合気の前着火段階の1.20
2MPa(メタン3%)反応が促進され、メタンが着火に至ったと考えられる。
1.003MPa(空気雰囲気)
0.80
このことから、メタン希薄予混合気に液体副燃料を噴3MPa(メタン3%)0.60
射することによる、メタン着火制御の可能性が示され0.40た。
0.20
燃焼後のガス分析より求めたメタンの燃焼割合につ0.00
300
350400450
いての結果を表 1 に示す。いずれの場合も燃焼割合は温度(℃)
50%以下となっている。この原因としては、着火試験
図 6 メタンの最大圧力上昇装置の燃焼室内下部に、低温部が存在しているためと考えている。
表 1 メタンの燃焼割合
単位(%)
5. まとめ
1MPa
2MPa
3MPa
本研究では、メタンの自然発火特性に関する知見
350℃
384442400℃
433047を得ることと、メタン希薄予混合気中の液体副燃料の噴射による着火制御に関する基礎的知見を得ることを目的とし、まず、高圧メタン/空気希薄混合気調製システムを構築し、メタン希薄混合気の温度、圧力を系統的に変化させ、メタンの高圧下での酸化特性を評価した。その結果、1MPa 以上の圧力下においては、設定温度 400℃(壁面温度 450℃)以上でステンレスの壁面効果により酸化反応が進行することが確認された。次に、メタン希薄予混合気中への軽油の噴射燃焼実験を行った。その結果、メタン 3%混合気中に軽油を噴射して着火させた場合、空気中に軽油を噴射した場合と比較して最大圧力上昇が大きくなり希薄メタン混合気が燃焼したことが確認された。このことから、メタン希薄予混合気の液体燃料噴射による着火制御の可能性が示された。軽油の着火遅れ時間は、空気雰囲気中への噴射と比較して増大し、メタンによる軽油の前着火段階のラジカル連鎖反応の抑制が示唆された。