技術報告

山口県産業技術センター

研究報告No.32 p9-13 (2020)

9ロータリーエンジンコジェネレーションシステムの開発－低カロリーバイオガスでの特性について－
池田悟至 ＊ ・山田誠治 ＊ 2

Development of Rotary Engine Cogeneration System－Property for using Low-calorie Biogas－
Satoshi Ikeda and Seiji Yamada
県内産資源であるバイオガスを有効に活用するため，水素ロータリーエンジンを用いて，従来の内燃機関では燃焼できない低カロリーバイオガスを燃料として発電するとともに廃熱を回収するコジェネレーションシステムを開発し，燃料ガスの濃度や供給圧力を変化させたときの，燃焼条件およびエンジン特性，廃熱回収可能性を実験的に調査した．
１．緒言

援を受けている．

再生可能エネルギーをはじめ地域に存在する未利用エネ

２．実験装置および方法

ルギーの利用と分散型エネルギーの導入が求められている．
本県においては，コンビナート企業群から全国有数の純度
1)

２・１

実験装置

され，この水素に着目して液化水素を実験装置は図 1 に概略図を示すとおり，水素 RE，発電シ製造する企業が 2013 年 6 月に周南地区コンビナートに設ステム，ガス供給システムおよび廃熱回収システムで構成立された．山口県には高純度の水素以外にも，電子部品工されている．の高い水素が生産場，金属熱処理工場等の生産工程で使用された後に廃棄さ発電システムにおいては，負荷変動に追従するために，れている水素や，鍍金工場で生成され排気されている水素負荷に応じて吸入空気量をスロットルバルブ開度で制御すなど純度の低い水素ガスが存在する．また，豊かな森林資る方式を採用した．また，成分の異なるバイオガスに対す源，多数の食品加工業からの残渣及び畜産業等のバイオマる RE の最適燃焼条件を探索するために点火･噴射コントロス資源が存在する．更に，県内にはバイオマス資源の利用ーラを設置した．このコントローラは点火タイミング，噴に関しては，特徴的な発酵系バイオガスプラントメーカが射タイミングおよび噴射量が任意に設定できる．発電機の存在している．これらの水素及びバイオガスを有効に活用

出力が消費される負荷装置には，電気抵抗が可変できる可する方法の一つとして，これらのガスを燃料とするコジェ搬型乾式負荷装置（株式会社辰巳菱機製 L-5）を用いた．

ネレーションシステムがあり，分散型エネルギー源として注目されている．

ガス供給システムには水素供給装置および混合ガス供給装置が設置されているが，本実験では混合ガス供給装置をこうした中，山口県産業技術センター（以下，産技セン使用した．混合ガス供給装置では，主となる可燃性ガス流ター）では，液化水素に代表される純水素をはじめ，上記量に対して，もう一方の不燃性ガス流量を制御することにに示す低純度水素及びバイオガスを有効に活用するため，より，目的とする可燃性ガス濃度の混合ガスを作ることが水素ロータリーエンジン ※ （以下，水素 RE）を用いて，従できるため，主となる可燃性ガス流量が変動しても，その来の内燃機関では燃焼が困難な低純度水素及び低カロリーバイオガスを燃料として発電するとともに廃熱を回収する
ロータリーエンジンコジェネレーションシステム（以下，RE コジェネ）の開発に取り組んできた 2)．
本研究では，発酵系バイオガス（CH 4 ，CO 2 ）を対象に，模擬バイオガスとして圧縮天然ガス（以下，CNG）と二酸化炭素（以下，CO 2 ガス）の混合ガスを燃料ガスに用いて，燃料ガス供給圧力が RE コジェネの特性に及ぼす影響を実験的に調査することを目的とする．
具体的には，種々の CNG 濃度条件に対して，燃料ガス供給圧力を変化させたときの，RE 燃焼条件およびエンジン特性，廃熱回収可能性を実験的に調査した．
※ 水素ロータリーエンジン：マツダ(株)から貸与と技術支*

企業支援部設計制御グループ*2 企業支援部産学公連携室

図1

実験装置の概略図

山口県産業技術センター

10

研究報告

No.32 (2020)

表1

濃度を維持することが可能である．実際には，所定の回転

各 CNG 濃度に対する燃料ガス供給圧力の範囲

速度，負荷に対して RE が必要とする可燃性ガス流量が供CNG 濃度

燃料ガス供給圧力給され，これに対して，所定の可燃性ガス濃度となるよう

100%

0.080～0.600MPaにもう一方の不燃性ガス流量が制御される．本研究では，

60%

0.200～0.600MPa

可燃性ガスに CH 4 の代用として CNG，不燃性ガスに CO 2 ガス

50%0.280～0.600MPa

を用いた．

45%

0.325～0.600MPa

廃熱回収システムは，冷却水が循環するラジエータと潤滑油が循環するオイルクーラ（一次側）およびそれらを冷３．実験結果

却水が循環する循環水冷却装置（二次側）とから構成される．これらはエンジン保護のために冷却機能を担うと共に，

３・１

ラジエータ及びオイルクーラの循環水冷却装置側を循環す

３・１・１

る冷却水により廃熱を回収する．

影響

２・２

実験方法

燃料条件調査燃料噴射時間に及ぼす燃料ガス供給圧力の4 種類の CNG 濃度（100%，60%，50%，45%）について，燃各種濃度の CNG について，燃料ガス供給圧力を変化させ料ガス供給圧力を変化させて，２・２実験方法に示す RE 運て RE の燃焼条件を探索するとともに，燃料ガス供給圧力転条件（λ=1.00，N=2000rpm，RE 出力 20kW）を満足する燃が RE コジェネの特性に及ぼす影響を実験的に調査した．

料噴射時間を調査した．実際の RE 運転条件は，回転速度RE コジェネの特性を評価するため，消費した CNG の熱量にN=2029～2061rpm，RE 出力 P RE=20.3～20.7kW であった．図

対する RE 出力や発電量，廃熱回収量の割合を求め，それぞ

3 に各 CNG 濃度について，燃料ガス供給圧力に対する燃料れ RE 効率，発電効率，廃熱回収効率とした．なお，廃熱回収量は，ラジエータおよびオイルクーラの二次側冷却水の入口と出口の温度差，流量，比熱から求めた．

噴射時間を示す．図に示す全ての CNG 濃度において，燃料ガス供給圧力が低下するにつれて急激に燃料噴射時間が長く な る ． RE 回 転 速 度 N=2000rpm 時 の 最 大 噴 射 時 間

RE 運転条件として，1 ローター当たり 2 本ある点火プラ

ΔT i_max =30msec で RE 出力 20kW を維持できる燃料ガス供給

グ（ローターハウジング短軸よりも上側に位置するものを圧力の下限値は，CNG 濃度 60%，50%，45%において，それぞ「T プラグ」，下側に位置するものを「L プラグ」）の点火タ

れ P S =0.200MPa，0.280MPa，0.325MPa であった．

イミングは，BTDC(L)=20°，BTDC(T)=15°（BTDC：Before35を示す）とした．また，燃料ガス噴射は吸気管に設置され30ている予混合用の噴射弁（以下，PI（Port Injection））を用い，噴射タイミングは BTDC=540°とし，燃料噴射量は，燃料噴射時間によって調整した．燃料ガス供給圧力は，0.6MPa から，空気過剰率 λ=1.00 の条件下で，所定の回転速度 2000rpm と RE 出力 20kW が一定に維持できる圧力まで低下させた．このとき RE 燃焼条件は燃料ガス噴射量によ

燃料噴射時間[msec]

Top Dead Center，( )内の T/L は「T プラグ」/「L プラグ」

CNG60%
CNG50%

25

CNG45%

20

y = 9.3389x-1.007
R² = 0.9842

15

y = 7.8805 x-0.9968
R² = 0.9791

10って調整した．なお，RE 回転速度 N=2000rpm 時の最大噴射5時間 ΔT i_max は，ΔT i_max =60/N より，30msec である（図 2）．

0

CNG 濃度は，100%，60%，50%，45%の 4 種類とした．表 1 に

CNG100%y = 7.1194 x-0.8188
R² = 0.9888
y = 4.8911 x-0.5894
R² = 0.9946

00.2

各 CNG 濃度に対する燃料ガス供給圧力の範囲を示す．
図30.40.6
燃料ガス供給圧力[MPa]0.81

燃料ガス供給圧力に対する燃料噴射時間100

最大噴射時間[msec]

３・１・２80

燃料噴射時間の予測

図 3 より，各 CNG 濃度について，燃料ガス供給圧力 P S に対する燃料噴射時間 ΔT i は次式で近似できる．

60𝛥𝑇𝑎∙𝑃(1)

図中の近似式において，x=P S ，y=ΔT i である．係数 a お40

よび指数 b は CNG 濃度毎に異なる値をとる．各 CNG 濃度に20対する a および b の変化を図 4 に示す．a および b の近似式は次式で表すことができる．

00
図220004000
回転速度[rpm]

6000

回転速度に対する最大噴射時間

𝑎𝑎 ∙𝑐𝑏𝑏 ∙𝑐(2)𝑏(3)図中の近似式において，(a)では x=c（CNG 濃度），y=a，(b)では x=c，y=b である．ここで，a 1 =164.888，a 2 =-0.766，

ロータリーエンジンコジェネレーションシステムの開発 ロ低カロリーバイオガスでの特性についてロ

11-3

b 1 =7.6479×10 および b 2 =-1.3406 である．CNG 濃度低下に10伴い a は急激に大きく，また負の値をとる b の絶対値も大きくなっており，ともに CNG 濃度低下に伴う燃料噴射時間8の増加が著しくなる傾向を示している．式(1)～(3)により予測された燃料噴射時間と実測値の関係を図 5 に示す．図

係数a[-]

6より，予測値は実測値と比較的よく一致しており，他の CNG

y = 164.888 x-0.766
R² = 0.9824濃度に対しても，式(1)～(3)を用いることにより，燃料ガス供給圧力に対する燃料噴射時間を大まかに予測することができる．

2３・２

燃料ガス供給圧力の RE 特性に及ぼす影響

燃料ガス供給圧力が RE 特性に及ぼす影響について調査

0050
CNG濃度[%](a)する．図 6 に各 CNG 濃度における燃料ガス供給圧力に対す100

る RE 効率を示す．CNG 濃度によらず，燃料ガス供給圧力して RE 効率は 22.5%のほぼ一定の値を示している．これより，

係数 aRE 効率は CNG 濃度および燃料ガス供給圧力によってほとんど影響を受けないことが分かる．

0.0

図 7 に各 CNG 濃度における燃料ガス供給圧力に対する REの排ガス温度を示す．各 CNG 濃度において，燃料ガス供給-0.230

指数b[-]-0.4

y = 7.6479E-03x - 1.3406E+00
R² = 9.5006E-01

25
RE効率[%]-0.6-0.8-1.0-1.2050
CNG濃度[%](b)

図41002015
CNG100%10

CNG60%
CNG50%

5

CNG45%

0

指数 b00.20.40.6
燃料ガス供給圧力[MPa]

各 CNG 濃度に対する係数 a および指数 b の変化
図60.8

各 CNG 濃度における燃料ガス供給圧力に対する RE
効率40600

排ガス温度[℃]

実測値[msec]

3020
CNG100%
CNG60%

10

CNG50%

550500
CNG100%
CNG60%

450

CNG50%CNG45%CNG45%

400
0001020
予測値[msec]

3040
図7図5

燃料噴射時間の予測値と実測値の関係

0.20.40.6
燃料ガス供給圧力[MPa]0.8

各 CNG 濃度における燃料ガス供給圧力に対する REの排ガス温度

山口県産業技術センター

12研究報告No.32 (2020)

圧力に対して排ガス温度はほぼ一定である．一方，CNG 濃実験では RE 出力一定となるように調整されているが，図 6度が低くなるに従って，排ガス温度が高くなる傾向を示し

より，RE 効率は CNG 濃度および燃料ガス供給圧力に関わらている．参考までに図 8 に本実験における全ての燃料ガずほぼ一定であることから，廃熱量は CNG 濃度および燃料ス供給圧力に対して，CNG 濃度が排ガス温度に及ぼす影響ガス供給圧力に関わらずほぼ一定と推測される．CNG 濃度を示す．これより，各 CNG 濃度での平均排ガス温度は，CNGが低いほど，ラジエータおよびオイルクーラからの廃熱回濃度 100%で 534℃，60%で 549℃，50%で 554℃，45%で 556℃

40と 100%から 45%まで 22℃上昇している．

30

廃熱回収効率[%]

排ガス温度[℃]

600
550
500

20
CNG100%
CNG60%

10CNG50%
CNG45%

450

000.20.40.6
燃料ガス供給圧力[MPa]400

図8３・３204060
CNG濃度[%]

80100(a)ラジエータ（二次側）

20

CNG 濃度が排ガス温度に及ぼす影響

CNG100%

廃熱回収効率[%]00.8

燃料ガス供給圧力の廃熱回収特性に及ぼす影響

図 9 に各 CNG 濃度における燃料ガス供給圧力に対する廃熱回収効率を示す．(a)はラジエータ（二次側），(b)はオイルクーラ（二次側）および(c)はそれらの合計の廃熱回収効率を示す．図 9(a)より，各 CNG 濃度において，ラジエータ（二次側）の廃熱回収効率は，燃料ガス供給圧力に依存せCNG60%

15CNG50%
CNG45%

105ず，CNG 濃度 100%で 29.4%，CNG 濃度 60%で 26.1%，50%で024.8%，45%で 23.7%のほぼ一定の値をとっている．また，0

図 9(b)より，オイルクーラ（二次側）においても，ラジエ0.20.40.6
燃料ガス供給圧力[MPa]ータ（二次側）と同様に，廃熱回収効率は，燃料ガス供給圧力に依存せず，CNG 濃度 100%で 8.1%，CNG 濃度 60%で 7.6%，(b)50%で 7.1%，45%で 6.6%のほぼ一定の値をとっている．図あり，(a)および(b)と同様の傾向を示している．ところで，に，図 10 に CNG 濃度が廃熱回収効率に及ぼす影響を示す．
これより，前述の CNG 濃度による廃熱回収効率への影響が明確に分かる．表 2 に各 CNG 濃度の RE コジェネの平均特性をまとめて示す．

40廃熱回収効率[%]

その傾向はラジエータ（二次側）で顕著である．参考まで

3020

CNG100%
CNG60%
CNG50%

10

ここで，廃熱回収効率についてまとめる．ラジエータおCNG45%

よびオイルクーラからの廃熱回収効率は，図 9 および図 100が示すとおり，燃料ガス供給圧力に依存せずほぼ一定の値0をとるが，CNG 濃度に依存し，CNG 濃度が低いほど廃熱回収効率は低下する．一方，RE 排ガス温度は，図 7 および図 8度は高くなっている．これらのことについて考察する．本0.20.40.6
燃料ガス供給圧力[MPa](c)が示すとおり，燃料ガス供給圧力に依存せずほぼ一定の値をとるが，CNG 濃度に依存し，CNG 濃度が低いほど排ガス温オイルクーラ（二次側）

509(c)はラジエータとオイルクーラの合計の廃熱回収効率で
CNG 濃度が低いほど廃熱回収効率は低下する傾向を示し，

0.8

図90.8

合計

各 CNG 濃度における燃料ガス供給圧力に対する廃熱回収効率

ロータリーエンジンコジェネレーションシステムの開発 ロ低カロリーバイオガスでの特性についてロ
表2

各 CNG 濃度における RE コジェネの平均特性

目

CNG100%

CNG60%

CNG50%CNG45%

回転速度[rpm]

20712062

20592037

RE 効率[%]

22.6

22.7

22.6

22.2

発電効率[%]

21.3

21.5

21.4

21.1

項

廃熱回収効率ラジエータ(二次側) [%]

29.4

26.1

24.8

23.7

オイルクーラ(二次側) [%]

8.1

7.6

7.1

6.6

合計 [%]

37.5

33.6

31.9

30.3

50

この係数および指数の CNG 濃度依存性を考慮して近似
熱合計式を求めることにより，種々の CNG 濃度に対して，燃ラジエータ（二次側）

40
廃熱回収効率[%]13

料 ガ ス 供 給 圧 力 に 対 す る 燃 料 噴 射 時 間 が 概 ね予 測 でオイルクーラ（二次側）きる．

30(3) RE 効率は，CNG 濃度および燃料ガス供給圧力によってほとんど影響を受けない．一方，排ガス温度は，燃料20ガ ス 供 給 圧 力 に よ っ て ほ と ん ど 影 響 を 受 け ない が ，CNG 濃度の低下とともに高くなる傾向を示す．

10(4) ラ ジ エ ー タ お よ び オ イ ル ク ー ラ か ら の 廃 熱 回収 効 率
は，燃料ガス供給圧力によってほとんど影響を受けない．一方，CNG 濃度が低下するにつれてそれらからの00
図 10204060
CNG濃度[%]

80100

CNG 濃度が廃熱回収効率に及ぼす影響廃熱回収効率は低下する．
(5) (3)および(4)の結果から，低 CNG 濃度のガスを燃料とする場合に，コジェネレーションの廃熱回収効率を高めるためには，排ガスからの廃熱回収がより重要とな収効率が低くなることは，RE 内での燃焼による熱量が，CNGる．

濃度が低い場合，燃料ガスに予め混合された CO 2 に与えられ，排ガスとして排出されるためと考えられる．このこと

本システムの開発の取組に際しては，マツダ(株)様にはは，図 8 における CNG 濃度が低いほど，排ガス温度が高く水素ロータリーエンジンを無償で貸与して頂くと共に，大なることとも対応する．このことから，低 CNG 濃度のガス変丁寧な技術指導を頂きました．ここに併せて深く感謝のを燃料とする場合に，コジェネレーションの廃熱回収効率意を表します．

を高めるためには，排ガスからの廃熱回収がより重要とな参考文献ると考えられる．
４．結言

本実験の範囲において以下のことが分かった．
(1) 種々の CNG 濃度に対して，燃料ガス供給圧力が低下すると，急激に燃料噴射時間は長くなる．
(2) 燃 料 ガ ス 供 給 圧 力と 燃 料 噴 射 時間 の 関 係 は 累 乗 関 数で近似でき，その係数と指数は CNG 濃度に依存する．

1) 経済産業省中国経済産業局：中国地域におけるコンビナートのポテンシャルを活用した水素インフラ整備と機能性素材活用方策調査報告書 (2008.3).
2) 池田悟至，山田誠治：水素及び低カロリーバイオガス対
応ロータリーエンジンコジェネレーションシステムの開 発 ， 山 口 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， 29， p.1518(2017).