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特集論

文
エンジン本体燃料噴射ポンプ

次世代燃料ジメチルエーテルを利用したディーゼルエンジンのクリーンな燃焼技術
Clean Combustion Technology in Diesel Engines
Operated with Dimethyl Ether小田裕

司長 船 信 之 介

上田裕之藤 村 皓 太 郎

次世代のクリーン燃料として注目されているジメチルエーテル（DME）を燃料としたディーゼルエンジンについて燃焼試験を行った．試験はいわゆるレトロフィットタイプとして実施し，DME の燃料物性に対応するための燃料噴射系の大型化，加圧型への改造，及び DME のクリーン性をいかすための EGR 系統の追設を行い実施した．その結果，
DME を用いたディーゼルエンジンは，全域無排煙でかつ大量 EGR（排気ガス再循環）により大幅な NOx 低減が図れ，北米環境保護局（EPA）の排ガス３次規制にも十分適合できる極めて優れた環境性と高効率性を有することを確認した．

1．はじめ

表１にDME の性状DME

軽油

ディーゼルエンジンは熱効率が本質的に高く，運転性，安分子構造

含酸素炭化水素C）
液密度（kg/m3 ＠ 20 °668840

NOx や PM などの大気汚染物質の排出が比較的多いことか

低位発熱量

ら，CO2 問題と大気汚染問題との間でその位置づけが極めて液粘度微妙な段階となってきており，高効率特性を維持しながら排沸気浄化を図ることが社会的に強く求められている．

体積弾性率

全性も良好であることから，多くの用途に用いられ我々の生活を支えている原動機の一つである．しかしながら，特に一方，ジメチルエーテル（Dimethyl Ether ：以下 DME）は，従来スプレー剤等に用いられてきているが，近年燃料としての利用が注目されており，脱原油のエネルギー源候補としてディーゼル燃料としての特徴
無排煙（kJ/kg）

28 76342 789低出力（kg/msec）

0.15

2〜3

低潤滑性（°C）−25180 〜 360

べーパロックしやすい

1.49×10 9

低噴射圧力点（N/m2 ） 6.37×10 8

セタン価
理論空燃比（kg/kg）

＞＞ 55

〜 60

8.96

14.7

着火補助手段不要燃焼
騒音低減

その導入が計画されている．また DME はその物性的な特徴
から，ディーゼルエンジンにおけるクリーン燃料としての可るが，最も大きく異なる点は，軽油，重油等と同等以上の自能性を有していると考えられる．

己着火性を有することである．したがって，メタノールの場

そこで本研究では，ディーゼルエンジン燃料に DME を用合に必要とされる着火補助装置が DME の場合は不要となるいた際の，出力や燃費率性能と排ガス特性を把握し，高効率と考えられ，ディーゼルエンジンにとっては有利な条件を備低公害ディーゼルエンジンとしてのポテンシャルを調査しえている．

た．

2．ディーゼル燃料としての DME の特徴
実際に DME を用いたディーゼルエンジンの試験を行う前に，DME の基本物性から推定されるディーゼル燃料としての特徴を整理した（１）．

ただし一方で DME が低沸点，低発熱量，低粘度であることなどから，主として燃料噴射系に対して，加圧系統化，大型化，潤滑性向上剤の添加など，DME の燃料としての物性に対応するための工夫が必要となることが予想される（２（）３）．

3．DME ディーゼルエンジン燃焼試験

表１に DME の性状を軽油と比較して示す．DME は，主にDME を燃料に用いたディーゼルエンジンの基本的な燃焼天然ガスなどを原料として生成される合成ガスから合成され特性及び次世代の高効率クリーン原動機としての可能性を把るもので，その化学式（CH 3）
2 O から分かるように，含酸素握するため，小型高速直噴ディーゼルエンジンを用いた燃焼燃料であって，黒煙の出ない燃焼が期待できる．これまでデ試験を実施した．

ィーゼルエンジン用のクリーン燃料として注目されてきたメ

3．1 試験装置と試験条件

タノールなども含酸素燃料であり，これと同様，DME はエ

表２に試験に用いたエンジン諸元を示す．ボア×ストロー

ンジンからのばいじん低減には極めて有効な燃料と推定され

クφ９４×１２０，総行程容積３．
３L の当社製直列４気筒 S４S デ
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S4S-DI（N/A）（mm）

φ90 × 120（Litter）

3.3ボア×ストローク
総行程容積
圧縮比

17

燃料噴射ポンプ形式

ND-A

プランジャ径

φ 3.8 × 4 N
φ 2.8 × 4 N

静的燃料噴射時期（BTDC）

12゜（軽油）18゜（DME）

DME ボンベ

N2ボンベ

0.5 〜 1Mpa

排出管

外＊DME は初期熱発生率が低く，後燃えが少ない
N e ＝ 1 800 rpm
L e ＝ 40 kW
燃料弁 φ0.28 × 4N

0.10.08（d）

0.06：DME
：軽油

0.04
0.02
0φ9（mm）

燃料噴射弁噴孔0.12

筒内圧力 P cyl（MPa）

エンジン形式屋

熱発生率 dQ /dθ
（kJ/deg）

試験エンジン仕様

燃料噴射圧力P f（MPa）

表２軽油8DME765 （c）
4321050
軽油403020＊DME は筒内圧力上昇率が低い＊DME は噴射圧力が低い
DME

（b）

10屋

内気液分離器
流量計

燃料噴射弁
針弁リフト

0
＊DME は噴射期間が長い（a）−30 −20 −10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

緊急遮断弁＊昇圧ポンプ手前まで 0.8 MPa 供給

クランク角度 θ（deg）

昇圧ポンプ（最高 4 MPa）

図２ DME ディーゼルの基本燃焼特性＊昇圧ポンプ後 1.6 MPa 供給
フィルタ

DME
は着火が早く初期熱発生量は低い一方，燃焼期間はそれほど長期化していない．

調圧弁
燃料噴射ポンプ

リーク DME

50：DME：軽油

45
S4S-DI エンジン

図１ DME 供給ライン

DME はボンベから窒素加圧してエンジン機側まで導き，さらに昇圧ポンプで加圧して燃料噴射ポンプに供給した．

ィーゼルエンジンで，本来は過給仕様である．ただし，本試
験では DME の基本的な燃焼特性を把握する目的から，過給機を取り外し，無過給仕様とした．また今回の試験では，実熱発生期間 θv（deg）

燃料噴射弁

403530252015燃料噴射時期を軽油と同等とするために，DME では静的燃料噴射時期設定を 6 °クランク角度進めている以外は，本来の軽油ディーゼルエンジンと同一仕様で実施し，DME に適した仕様への改造は行っておらず，いわゆるレトロフィット試験としている．
燃料供給系は，DME の物性に対応して図１に示すような

1051015202530燃料噴射期間 ⊿θinj（deg）

図３ DME ディーゼルの燃料噴射期間と熱発生期間の関係
DME 燃料は燃焼速度が速く，熱効率向上に有利である．

構成としており，DME ボンベから窒素を用いて０．
８MPa に加圧した状態でエンジン機側まで導き，昇圧ポンプで１．
６kW の運転点での DME と軽油の噴射特性と熱発生特性を比MPa に加圧して燃料噴射ポンプに供給するようにした．な較して示す．DME は軽油に比べて体積弾性率が低いことかお，DME には潤滑性向上添加剤として，エチルジャパン製

ら，噴射圧力は軽油よりも低く（図２(b)），かつ同一噴孔面

HITEC ４１４０を１０００ppm 混入して試験を行った．

積の燃料噴射弁を用いて同一熱量を噴射しているため，発熱3．2

燃焼試験結果量の比及び密度の比から，DME の噴射期間は軽油の５０％以

上記の試験装置を用いて，まず DME の基本的なディーゼ上長くなっている（図２(a)）．しかし，熱発生特性を見ると，

ル燃焼特性を調査した．図２に，燃料噴射弁仕様φ０．
２８×

DME は軽油よりも着火が早く初期燃焼量が少ない上に，後４ N，エンジン回転数 Ne ＝１８００rpm，エンジン出力 Le ＝４０

燃えは軽油よりもむしろ少ない結果となっている（図２(d)）．
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DME の初期燃焼が軽油よりも低いのは，着火遅れが短いこる．とと熱の投入率が低いことによると考えられるが，DME の同図より，DME ディーゼルは燃料噴射弁噴孔面積を拡大

高着火性の影響が現れており，ディーゼルエンジンの一つのすることにより，燃費率は軽油ディーゼルと同等でかつ出力弱点である騒音の低減に有利な燃焼特性であることが分かは軽油ディーゼル以上を確保できている．排ガス特性上特筆る．また DME の場合，噴射期間が軽油の約１．
５倍と長いにもすべきは，高負荷においても全く黒煙が排出されないことでかかわらず，熱発生期間はそれほど長期化しておらず，あり，また CO，HC などの未燃成分の排出が少ないことか

DME が含酸素燃料であることや，理論空気量が少ない影響

ら，DME は良好な燃焼特性を有していることが分かり，デが現れていると考えられる．

ィーゼル燃焼に極めて適した燃料であるといえる．一方，

図３にこの燃料噴射期間と熱発生期間の関係を比較したもNOx は軽油と同等あるいはやや多めの排出となっているが，のを示しているが，同一の燃料噴射期間に対する DME の熱無排煙であることから，通常の軽油を用いたディーゼルエン発生期間は，軽油の場合のおよそ８０％と短く，エンジンのジンの場合は排煙の増大から適用できない EGR が，高負荷熱効率を維持あるいは向上するのに有利な速い燃焼速度を有域でも大量に可能であり，大幅低減の可能性がある．
以上から，ディーゼルエンジンにおける DME の基本的なしているといえる．
図４に，エンジン回転数 Ne ＝１８００rpm における負荷変化

燃焼特性として，黒煙は全く排出されず，燃焼速度及び燃焼時の，燃料噴射弁仕様φ０．
２８×４ N での軽油運転時（ ▲ 印）効率が高いことを確認し，DME は高効率低公害ディーゼル及び燃料噴射弁仕様φ０．
２８×４ N とφ０．
３８×４ N での DME 運エンジンの燃料として高いポテンシャルがあることが明らか

転時（それぞれ●印，○印）の燃費率，出力と排ガスの比較となった．

を示す．横軸には空気過剰率をとっているが，無過給仕様

そこで，さらに排ガス低減の可能性を調査するため，EGRであるため空気過剰率がほぼ一意にエンジン負荷と対応すの適用試験を実施した．図５は Ne ＝１８００rpm での１００％負た時の燃焼特性と熱効率及び排ガスの変化を示したものであ同一λまで出力向上可能

40

軽油と同等以上の出力確保

3020

1 000

：軽油（燃料弁：φ0.28×4N）：DME（燃料弁：φ0.28×4N）：DME（燃料弁：φ0.38×4N）

400

N e ＝ 1 800 rpm
L e ＝ 40 kW

600
4002000806040200

良好な燃焼※軽油換算燃費率

300
200
100
1.0DME ディーゼル

800

250

1 200
1 000800
600
400
2000500

排煙濃度（％）

1 200
1 000
800
600
400
2000600
500
400
300
200
1000N e ＝ 1 800 rpm

全域排煙ゼロHC（ppm）

035302520151050NOx（ppm）

10熱発生期間θv（deg）熱効率変化 ⊿ηth（％）

燃費率 be（g/kWh）NOx（ppm）

HC（ppm）

CO（ppm）

排煙濃度（％）

出力 Le（kW）

荷に近い Le ＝４０kW の運転点において，EGR 量を変化させ502.03.04.05.06.0

空気過剰率 λ図４ DME ディーゼルの性能と排ガス

DME ディーゼ
ルは全域無排煙であり，また CO，HC 排出も少なく，極めて良好な燃焼性能を有する．

200
1505001.00.0−1.0−2.0−3.0−4.0−5.05452504846024681012141618

EGR 率（％）

図５ EGR 時の排ガスと性能変化

DME ディーゼル
では，EGR を付加しても無排煙であり，大量 EGRによる大幅な NOx 低減が可能．
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る．EGR 率を増していくと，燃焼速度がやや低下する傾向

0.80となり，熱効率も若干低下するが，黒煙の排出なしでの0.70

出力範囲 37〜75 kW：軽油（現状）NOx 低減が可能であり，例えば EGR １２％程度で NOx 排出をを１０％以上付加することは通常の軽油ディーゼルでは困難であり，DME 燃料においては極めて大きな排ガス低減が期待できる．なお，EGR 付加時の燃焼速度の低下は，高圧噴射や燃焼室形状，スワール仕様などの燃焼系の適正化によって改善可能と考えられる．
このような結果から，DME ディーゼルエンジンの排ガス性能を，本ベースエンジンが対象となるオフロードエンジン
８モード評価法にて評価した．８点の運転点それぞれにて適PM（g/kWh）

ほぼ半減できることが分かる．このような高負荷で EGR 率

0.60：DME（W/O EGR）
：DME（W/EGR）

0.50
0.40
EPA 3 次規制

0.20
0.100.002.03.0

正な EGR を調査，設定し，その時の排ガス値を求めた結果を図６に示す．図中，▲印は現状の軽油ディーゼルの排ガスであり，米国 EPA ２次規制をクリアするレベルにある．これに対して，そのまま燃料を DME にすると黒煙が排出されEPA 2 次規制

0.30

4.05.06.07.08.09.0

NOx ＋ HC（g/kWh）

図６

DME ディーゼルの８モード排ガス値
DME ディーゼルは極めてクリーンな排ガス特性を示しており，北米 EPA ３次規制に十分適合できる．

ないことと HC が低減することから PM が減少し，●印となり，EPA ３次規制レベルに近い点となる．さらにこれに効率低公害ディーゼルエンジンのポテンシャルがあること

EGR を上記のように適正に付加することで○印となり，EPAが確認できた．

３次規制を十分クリアできるレベルとなる．
以上のように，ディーゼルエンジンに次世代燃料として期待されている DME を用いた場合，現状の軽油を用いたディーゼルエンジンの環境対策に必要な高度な燃料噴射装置や排（3）現在，DME ディーゼルエンジンの実用化に向けた取組みを推進中である．
なお，本研究は平成１３〜１４年度の石油公団公募事業にて実施したものである．ここに記して謝意を表す．

気後処理装置などを用いず，レトロフィットでもこのようにEPA ３次規制に十分適合でき，かつ出力，燃費率性能は軽油ディーゼルと同等以上の性能を有することが確認でき，
DME はディーゼルエンジンの高効率クリーン燃焼にとって，優れた燃料であることが明らかとなった．現在，さらにDME ディーゼルエンジンの実用化に向けた取組みを推進している．

4．まとめ

小型高速直噴ディーゼルエンジンを用いた燃焼試験によ

参 考 文 献（1）三菱ガス化学技術資料（2001）（2）陳ほか，ジメチルエーテル（DME）を燃料とした圧縮点火直接噴射機関の性能と排気特性，第 14 回内燃機関
シンポジウム前刷集，9737239（1997）p.235（3）梶谷ほか，ジメチルエーテル（DME）圧縮点火機関の研究，2002 年自動車技術会春季大会学術講演会前刷集
No.48-02，20025032，2002，p.5

り，DME を燃料としたディーゼルエンジンの燃焼，性能特性に関して以下の結果が得られた．

小田裕司

長船信之介

（1）DME はその性状から，高効率低公害ディーゼルエンジ

技術本部
長崎研究所
内燃機・油機研究推
進室主席

技術本部
長崎研究所
内燃機・油機研究推
進室

上田裕之

藤村皓太郎

技術本部
長崎研究所
第三実験課

技術本部
技術企画部
技術戦略グループンに適した燃料であるといえるが，一方で燃料噴射系統の加圧化，大型化，及び潤滑性向上対策が必要である．
（2）上記の対策を施した今回の燃焼試験によって，DME ディーゼルエンジンは，軽油と同等の出力，熱効率を確保でき，また全域排煙のない良好な燃焼特性を有していること，さらに燃焼系設定の適正化と大量 EGR により，大幅なNOx 低減が可能で，EPA ３次排ガス規制に適合できる高三菱重工技報 Vol.40 No.6（2003_11）