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ガス機関技術の系統化調査
Historical Development of Gas Engine for Industry and Marine Use

岩渕 文雄 Fumio Iwafuchi■ 要旨
ガス機関は原動機の仲間であるが、広く世間に知られているガソリン機関、ディーゼル機関、蒸気機関、ガスタービン（ジェットエンジン）などに比べるとややマイナーな存在であったと言えると思う。しかし外燃機関である蒸気機関を除くと、内燃機関としては最も古い原動機であり、1820 年ころから実用化が始まり、1910 年代には世界で最も活躍した原動機であることも一般には知られていない。
しかし近年の大気汚染防止や温暖化防止など、地球環境保全が強く叫ばれている中でクリーンなエネルギーである天然ガスを燃料とするガス機関は環境に優しい原動機として、再び脚光を浴びている。
最初に実用化された原動機は、1712 年にイギリスで発明された蒸気機関で、炭鉱の水を汲み上げるポンプ用としてこの蒸気機関が重宝され、それまで使われていた馬を炭鉱から追放したとのことである。しかし蒸気を水で冷やす際にシリンダの壁も一緒に冷やされるため、熱効率は 1％程度であった。1760 年代に産業革命が興ると蒸気機関は多用されたが、このころに登場したジェームス・ワット（英）は効率向上に取り組み、復水器を発明して効率を 5％にまで向上させた。
1792 年にイギリスで石炭ガスの生成法が発明されて、ガス機関が考案された。1823 年に作られたガス機関
は、初期の蒸気機関と同様に爆発真空機関であり、熱効率は約 10％と云われているが、信頼性の面でまだ蒸気機関を駆逐するまでには至らなかった。
1860 年、ルノアール（仏）が発明した複動式・電気点火のガス機関は、無圧縮であったため熱効率は約 4％であったが、非常に滑らかに運転できたので評判が良く、多方面で使用された。
1876 年にニコラス・オットー（独）はダイムラーらと、4 サイクル・ガス機関を発明し、実用化した。熱効率は約 14％に向上してガス機関は確固たる地歩を築き、世界中に普及して行った。
こうしてガス機関は全盛期へと向かい、1910 年代には 3000 馬力という巨大ガス機関が生まれたが、第一次世界大戦の終結（1918 年）とともに、移動動力用として取り扱い易い液体燃料を使うガソリン機関やディーゼ
ル機関に原動機としての主要な地位を奪われ、1930 年代にはほとんどその姿を消した。因みにガソリン機関は
1883 年にダイムラーによって実用化され、ディーゼル機関は 1893 年にルドルフ・ディーゼル（独）によって発明され、1897 年に実用化された。
わが国にはガス機関は 1882 年（明治 15 年）に初めて輸入され、吸入ガス発生装置が普及するとまだ電気のない地方の工場や小型船舶の動力用として広く使用され、太平洋戦争前まで多くの小型ガス発動機やガス機関が全国で活躍した。
ガス機関に復活の兆しが見えたのは、1950 年代に入り中東で大油田が発見され、同時に発生する天然ガスを有効に活用するため、1960 年代に液体燃料とガス燃料を併用できるデュアルフューエル（DF）機関が開発されてからである。1959 年には LNG 船が試作され、世界各地で天然ガスが利用できるようになると、ガス機関やDF 機関が再び普及し始めた。
1986 年に電力に関する規制緩和があり、コスト低減を重視する企業にコージェネレーション（熱電併給）シ
ステムのキーハードとして、各種の原動機が採用されたが、ディーゼル機関に比べて熱効率が低いガス機関は、
NOx の規制が厳しい大都市の近辺に限られた。
しかし環境保護政策が強化されると、環境に優しいガス機関が注目されるようになり、2000 年ころからエン
ジンメーカもこの動きに呼応して、精力的に技術開発を続けた。技術開発の命題は環境保護と経済性の追求であり、開発の過程で希薄燃焼方式の実用化、マイクロパイロット着火方式の実現、ミラーサイクルの採用、ノッキ
ング抑制技術の開発、電子制御技術の応用など数々の新技術を生み出してきた。その成果として、ガス機関の熱効率や出力はディーゼル機関とほぼ匹敵するまでに向上し、同時に低 NOx 化も達成してコージェネのキーハードの主役として成長を遂げてきた。
近年では、船舶用機関の分野でも LNG や天然ガスを燃料とするガス機関や DF 機関が開発され、北欧のフェリーや LNG 船の主機関として採用が増えている。
このように社会状況の変化の中で、ガス機関は一度世の中から忘れ去られたが、第 2 次大戦後復活を果たし、近年は地球環境保護運動の活発化に伴って大きな注目を集めて国内外のメーカ各社はこぞって高性能ガス機関の開発に注力してきた。本稿は主に 1980 年（昭和 55 年）以降のわが国のエンジンメーカのガス機関関係の開発
技術について、系統化調査を行った結果についてまとめた。

■ Abstract
Although gas engines are prime movers of one sort, their existence is rarely recognized in comparison with widely known
gasoline engines, diesel engines, steam engines, and gas turbines. However, gas engines are the oldest prime movers asinternal combustion engines if steam engines, which are external combustion engines, are excluded, and it is not well known
by the public that its practical application started around 1820. In fact, it was the prime mover which provided the mostremarkable service throughout the world during the 1910s.
However, amid calls for global environmental protection such as air pollution prevention and global warming prevention,
gas engines have been highlighted again recently as environmentally friendly prime movers that use natural gas, a clean
energy source.
The prime mover put into practical use for the ﬁrst time was a steam engine invented in the UK in 1712. It was greatly
appreciated for use for pumps that pumped water from the coal mines, and it is said that horses that had been used up tothen were set free. Nevertheless, cylinder walls needed to be cooled when steam was condensed by water, the eventual
thermal eﬃciency of the steam engines remained as low as 1%. Although steam engines were used widely after the adventof the Industrial Revolution in the 1760s, improvement of eﬃciency was sought subsequently, and James Watt (UK)appeared on the scene to invent a condenser, which improved eﬃciency up to 5%.
In 1792, a coal gas production method was invented in UK, and then gas engines were devised. The gas engine producedin 1823 was an explosion vacuum engine similar to steam engines at an early stage. Its thermal eﬃciency was about 10%,
but this gas engine was unable to overtake steam engines from the perspective of reliability.
In 1860, Renoir (France) invented a double-acting and electric ignition type gas engine. Its eﬃciency was only about 4%
due to the non-compression system. However, this engine was accepted with good reputation because of its very smooth
operation, and so it was used in various sectors.
In 1876, Nicholas Otto (Germany) invented a four-cycle gas engine jointly with Daimler and others and succeeded inits practical application. The thermal eﬃciency of this engine was improved to about 14%. Gas engines then established adeﬁnite presence and became widely used throughout the world.
As described earlier, gas engines entered their heyday: gas engines as powerful as 3000 horsepower were produced in
the 1910s. When World War I ended (1918), gas enginesʼ position as the principal prime mover was supplanted by gasoline
engines and diesel engines, which are easily handled as portable power and which use liquid fuel. Gas engines almost
disappeared in the 1930s. Incidentally, gasoline engines were put into practical use by Daimler in 1883 and the diesel
engine was invented by Rudolf Diesel (Germany) in 1893. It was put into practical use in 1897 by him.
In Japan, gas engines were imported for the ﬁrst time in 1882 (Meiji 15). After suction gas generators became popular,
gas engines were used extensively in local factories where no electricity was available and were used for propulsion ofsmall vessels. Many small-sized gas movers and gas engines played active roles nationwide until the outbreak of war in the
Paciﬁc.
Revival of the gas engine occurred when large oilﬁelds were discovered in the Middle East in the 1950s and when dual
fuel (DF) engines capable of burning both liquid fuel and gas fuel were invented in the 1960s for eﬀective utilization ofnatural gas emitted from the oilﬁelds. In 1959, an LNG tanker was constructed for trial purposes. Subsequently, natural
gas became available throughout the world, gas engine and DF engines became common again.
In 1986, deregulation of electric power began in earnest. Corporations which placed importance on cost reduction
employed various prime movers as key equipment for cogeneration (combined heat and power). However, adoption of gas
engines, which are inferior to diesel engines in terms of thermal eﬃciency, was limited to large cities and peripheral areas
where NOx regulations are stringent.
When environmental protection measures were strengthened, environmentally friendly gas engines attracted attention.
From around 2000, engine manufacturers continued their technical development, energetically advancing the progressionof this movement. The proposition of technical development is pursuit of environmental protection and economic eﬃciency
engendered many new technologies including the practical application of lean combustion in the development stage,
realization of a micro-pilot ignition method, adoption of the Miller cycle, development of knock-suppression technology, andapplication of electronic control technology. As an indication of this progress, gas enginesʼ thermal eﬃciency and output
are improved to a level compatible with those of diesel engines. NOx reduction is also accomplished. Gas engines haveundergone remarkable growth as key equipment for use in cogeneration.
In recent years, gas engines and DF engines burning LNG and natural gas have been developed even in the marine engine
ﬁeld. They have been employed as the main engines of northern European ferries and LNG tankers.
Because of changes in social circumstances, gas engines were once forgotten by the world. They later made acomeback after World War II, and are currently attracting the attention of people who are actively concerned with theglobal environmental protection movement. All domestic and foreign manufacturers have continued to concentrate on thedevelopment of high-performance gas engines. This paper summarizes the results of systematic survey of gas-enginerelated technical developments promoted by Japanese engine manufacturers since 1980 (Showa 55).

■ Proﬁle岩渕■ Contents

文雄 Fumio Iwafuchi

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員
昭和21年 4月
昭和44年 3月
昭和44年 4月

平成 3年 6月
平成 7年10月
平成10年 5月
平成12年 4月
平成15年 2月
平成18年 7月
平成22年 6月
平成23年 4月

新潟県小千谷市に生れる
東北大学工学部機械工学科卒業
株式会社新潟鐵工所（現新潟原動機）入社
浦和工場設計課に配属 ディーゼルエンジンの設計業務に従事
同社 太田工場設計室長
同社 太田工場品質管理室長
同社 新潟鋳造工場長（理事）
同社 太田工場長（〃）
新潟原動機株式会社 品質保証室長（執行役
員）
同社 技監
同社 退職
国立科学博物館 産業技術史資料情報セン
ター 主任調査員

1. はじめに …………………………………………………… 85
2. 原動機と内燃機関 ……………………………………… 86
3. 原動機とガス機関の歴史 ……………………………… 90
4. ガス機関の構造と燃焼 ………………………………… 98
5. わが国におけるガス機関の歴史 …………………… 107
6. 余剰ガス・バイオマスガスの活用と二元燃料機関（昭和 30 年以降）……………………………………… 111
7. コージェネレーションシステムとガス機関（昭和 55 年以降）……………………………………… 113
8. 大型ガスインジェクション機関（シリンダ内ガス
直接噴射機関）の開発 ………………………………… 130
9. 環境保全とガス機関の高出力化・高熱効率化（平成 10 年以降）……………………………………… 140
10. 舶用ガス機関の開発と実用化 …………………… 162
11. 海外メーカの最新状況 …………………………… 170
12. 系統化調査のまとめと考察 ……………………… 174
登録資料候補 ……………………………………………… 177
13. ガス機関技術の系統化年表および系統化図 … 178

1 はじめに
今回「ガス機関技術の系統化調査」の機会を与えら

この「環境保全」と「経済性」という「復活の必然

れ、肩の荷が重過ぎると思ったが、筆者なりにガス機性」に応えるため、ガス機関技術者は高い目標を定め

関の歴史とその技術的な発展の過程についてまとめよて、これに到達するための課題を抽出し、課題を解決うと考え、系統化の調査を進めた。

するための手順を決めて、それを実行して目標を実

ガス機関は古くて、新しいエンジンである。原動機現してきた。いわば必然性達成のための PDCA（Plan-

としては蒸気機関の次に、1820 年ころから使用が始

Do-Check-Action）を廻してきたわけであるが、勿論

まり、1860 年前後に本格的に実用化され、第一次大PDCA の一巡でこれをクリアできたわけではなく、戦の終わる 1920 年ころまで原動機の主役として活躍

頭を捻り、汗を流して取り組んで、解決してきた。技していたことはあまり知られていない。その後 1930

術者たちが、どのように PDCA を廻してきたのかを

年前後から、主役の座をガソリン機関やディーゼル機解明するとともに、それらの過程から現在のわが国の関に譲り、世の中から消えていたが 1960 年前後から立ち位置や今後のガス機関の進むべき方向を探った。

復活の兆しが現れ、1990 年以降、地球環境保護運動

内燃機関（外燃機関も）は欧州から生まれたものでの活発化に伴い、クリーンなエネルギーである天然あり、彼らはいまだに高い技術力と大きな影響力をガスを燃料とするガス機関が見直され、現在、陸上で持っていることは事実であり、わが国における開発もはコージェネレーション（熱電併給）システムのキー

彼らを抜きにしては考えられない。しかしそのようなハードとして、海上ではフェリーや LNG 船の主機関状況の中でも、わが国のメーカ・技術者も独創的なアとして急速に需要が増えている。

イディアを発揮して多数の特許も取得し、高い技術

従って、まず原動機とは何か、その誕生と発展の過程を明らかにし、その中でガス機関が生まれた理由やをもって世界最高レベルの熱効率と高出力および低NOx を達成している。

位置付けを調査した。次にガス機関は何故盛衰と復活

本稿では、出力 100kW（136PS）以上の産業用、民の道を辿ってきたのか、その理由を筆者なりに考察し

生用および舶用のガス機関や DF 機関について、そのて整理した。

歴史的な生い立ちや構造上・燃焼上の特徴、わが国がガソリン機関やディーゼル機関の利便性や熱効率に果たしてきた技術的な役割や、達成した成果について敗れ、一度は廃れたガス機関が何故復活したのかを解調査を行い、系統化を行った。第 2 章では原動機の生

き明かすことは、現在の社会、経済情勢や地球環境のまれと生い立ち、内燃機関と外燃機関の分類およびガ置かれている状況とリンクさせて考えることが必要でス機関の位置づけについて記述し、第 3 章では主に欧あり、それに対してわが国のエンジンメーカーとそこ州における原動機およびガス機関の発達過程を振り返に働くガス機関関係の技術者がどのように考えて行動る。第 4 章はガス機関の基本的な燃焼室の構造と燃焼してきたのかを取り上げて調査を進めた。

方法等について解説し、第 5 章から第 9 章はわが国に

過去のガス機関敗退の理由は、人類が社会的生活をおける、ガス機関の歴史と技術開発の経緯について掘行う上で、常に利便性とエネルギーの熱効率向上を追り起こした。この中で第 8 章はわが国の特有な技術で求した必然性の結果であり、そして復活の理由はそのあるガスインジェクション機関について取り上げ、第要求が満たされたあとの次のステップとして人類社会

9 章は現在世界トップレベルであるわが国のガス機関の永続性を求める上で、地球の環境問題に対する危機の最新技術について、詳しく報告する。第 10 章では意識から発した環境保護の必然性に依るものであった

舶用ガス機関の開発と実用化について先行している欧と考える。しかし時代の要請として「復活の必然性」

州メーカの状況と、わが国の開発状況について紹介の中には環境保護とあわせて、経済性の追求から生じし、第 11 章では欧米の先進メーカの最新の技術と新る熱効率向上、出力向上と言う命題も含まれていたこ

開発機関について調査した。最後の第 13 章においてとが課題をより高度に、難解にした。

ガス機関技術の系統化の系譜をまとめた。

ガス機関技術の系統化調査85

2 原動機と内燃機関
2.1 原動機とガス機関
原動機とは動力を発生する装置であり、具体的には蒸気機関、蒸気タービン、ガス機関、ガソリン機関、ディーゼル機関、ガスタービン機関などが挙げられる。
人類はかっては牛や馬の力（馬車）、風力（風車や帆船）、水力（水車）等を利用して大きな力を得ていた。しかし動物の力や自然のエネルギーでは力の大き図 2.1

さや持続力に限界があり、また風力や水力は得られる

ワットの蒸気機関 1）

場所の制約があってさらに風力は風まかせで必要な時に得られるエネルギーとは云えなかった。
一方、15 世紀中ごろからの大航海時代を経て海外に広大な植民地を得たヨーロッパ諸国は必要な資源とさらに 1800 年代に入ると蒸気船や蒸気機関車が次々に発明、改良されて移動手段や輸送手段が革命的に進歩した。

それを加工して売りさばく市場を確保した。特にイギ

しかし蒸気機関は起動・停止に時間がかかり過ぎる

リスでは産業興隆による資本の蓄積と食料増産によることや装置全体の大きさ、および熱効率の低さが問題

人口増加（労働力増加）が相まって毛織物産業や綿織視され、さらには蒸気圧を上げることにより蒸気ボイ

物産業を中心に工業化が急速に進み、18 世紀の中ご

ラーの爆発事故が相次いで危険なため、もっと安全

ろからいわゆる産業革命が勃興した。しかし当初は主で効率の高い原動機の開発と実用化が社会的な要請とな動力は水力に頼っていたため工場は川沿いに建てるなった。

しかなかった。

1792 年にマードック（W. Murdock、英）が石炭乾

このような社会状況の中で場所を選ばず、安定的・留法による石炭ガスの生成法を発明して家庭の燃料

継続的に大きな動力を発生する装置の需要が高まって用、暖房用、照明用や街灯用として利用されていたのきたことは当然の帰結といえた。

で、この石炭ガスを爆発・燃焼させて蒸気の代わりに機 械 的 な 動 力 発 生 装 置、 つ ま り 原 動 機 の 嚆 矢 と使う発想・着想からガス機関が生まれた。

して 1712 年にイギリスのトーマス・ニューコメン

従って草創期（1800 年前後）のガス機関は蒸気機（Thomas Newcomen）が発明した蒸気機関が挙げら関とほぼ同じ構造であり、円筒の中で石炭ガスを爆発れるが、これはピストンの上下運動を単純にリンクで的に燃焼させて円筒内の空気を追い出して得られる真つないで炭坑の地下水を汲み上げる揚水ポンプであっ

空や、円筒内に水を注入して急速にガスを冷やして真た。

空減圧でピストンを押し下げる真空減圧方式のガス爆

1785 年にジェームス・ワット（James Watt）は蒸発機関であった。

気機関の復水器を発明して熱効率を向上させ、往復運

このような経緯を経てガス機関が生まれ、1920 年

動を回転運動に換えた。これらの改良により様々な機前後の全盛期には 1 基で 3000PS を超え、重量も 300

械に蒸気機関が応用されるようになり、産業革命の進

トンを超える恐竜的な巨大ガス機関が世界各国で活躍展を加速した（図 2.1）。

した。
しかし第 1 次世界大戦（1914 年〜1918 年）後、より熱効率が高く使い勝手の良いガソリン機関、ディー
ゼル機関が急速な発達を遂げ、さらに第 2 次世界大戦（1939 年〜1945 年）を挟んで航空機や船舶・艦船の原動機として進化したガソリン機関、ディーゼル機関およびガスタービン機関に原動機としての主役の座を
譲った。

86

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August特 に 出力の大きさの面からライバ ル 関 係 に あ る

給システム）用や船舶の推進機関用として再び脚光をディーゼル機関は太平洋戦争後、熱効率向上、出力向

浴び、わが国の産業用のコージェネレーション設備に上に目覚しい進歩を遂げ、さらに燃料の入手性および占める発電容量の比率は 2000 年末の 4.3％から 2009

使い勝手の良さ（ロバスト性）などの理由と相まって年末には 20.1％に飛躍的な進展を示している 4）（図

市場規模で大きく水を開けられた 2）、3）。

2.2）。

一方、近年地球環境保護の観点から窒素酸化物、二酸化炭素および亜硫酸ガス等の削減が世界的な課題となり、このような社会的要請から低 NOx で CO2 排出量が少なく、しかも燃料ガス中に硫黄分を含まないガ
ス機関はクリーンな動力として再び注目を集めることとなった。
メーカ各社もこの動きに呼応して積極的に技術開発を進め、熱効率や出力はディーゼル機関とほぼ同等に
持ち上げられ、また燃焼制御技術の向上によってロバ
図 2.2

スト性も格段に増加した。
こうしてガス機関はコージェネレーション（熱電併

コージェネレーション導入容量の比率
4）（5 年毎の累積容量）

馬力：原動機の出力の大きさは現在の国際単位系（SI）では kW で表示される。しかしかっては「馬力」と呼ばれ、その単位はHP や PS で表示されていた。ただし現在でも顧客の要請に応えて、735.5kW（1000PS）のようにかっこ内で PS 表示しているケースもある。
・HP ＝ HorsePower

英馬力と呼ばれ、1 秒間に 550lb（ポンド）の重量を 1ft 引き上げるときの仕事率（出力）を 1HP とする。
1HP ＝ 550lbf・ft/s ＝ 0.7457kW
・PS ＝ Pferde

Starke（ドイツ語、馬力の意味）

PS はドイツ語であるが、メートル法に基くためフランス（仏）馬力と呼ばれ、1 秒間に 75kg の重量を 1m 引き上げるときの仕事率（出力）を 1PS とする。
1PS ＝ 75kgf・m/s ＝ 0.7355kW
従って両者の換算は1HP ＝ 1.014PS、 1PS ＝ 0.9859HP

英馬力の起源：蒸気機関を完成したジェームス・ワットは炭鉱経営者に馬に代わる蒸気機関を売り込むため、その機械が馬何頭分に相当するかを説明する必要があった。このため実際に馬の持続的な能力を計器を使って計測した。平均的な馬の牽引
力は 180 ポンドで、馬に 1 時間牽引させ進んだ距離が 10852 フィート、従って 1 時間当たりの仕事率は＝ 1,953,360lbf・ft/h、これを 1 秒間にすると542.6 であるがきりのいい数字で550 lbf・ft/s

180 × 10,852とした。裏話として実際の馬の力はもっと低かったが底上げして（蒸気機関の出力に余裕を持たせるために）、実測値の 1.5 倍の 550lbf・ft/s

を1 馬力と定義した。従って 10 馬力の蒸気機関は馬 15 頭分の仕事をして、炭鉱経営者を喜ばすことができた。
これが後に英馬力（HP）として標準化された。
仏馬力はメートル法化する際に、550lbf・ft/s

は約 76.04 kgf・m/s であるが、きりのいい数字として 75 kgf・m/s に決められた。（1lb ＝ 0.4536kg、1ft ＝ 30.48cm）（荒井久治、「エンジン進化の軌跡」（P37-38）山海堂

等）

本書での表示：他の文献から引用する場合は原則として、出典通りの出力表示とした。
例えば「100 馬力」と書かれていれば、そのまま「100 馬力」とし、「100PS」と書かれていれば「100PS」とした。
引用でない場合は「kW」または「kW（PS）」を基本的に使用した。
また、文中で「4 サイクル機関」という表現が出てくる。正確には「4 ストローク機関」と言うべきであるがわが国における慣例に従って、「4 サイクル機関」と表示した。

ガス機関技術の系統化調査

87しかし、熱効率向上のため近年の大型蒸気タービン

2.2 外燃機関と内燃機関発電プラントでは蒸気温度を上げ、さらに高圧・中圧・低圧のタービン段を設けることにより熱効率 40

原動機（動力を発生する装置）には外燃機関と内燃機関があり、いずれも熱機関と云われている。

数％に達している。
一方内燃機関では往復動内燃機関と回転運動内燃機

たとえば蒸気機関車は石炭を燃やしボイラーで水を関でその特質が異なり、往復動内燃機関は断続的な燃沸騰させて高温・高圧の蒸気を発生させ、この蒸気を焼を短時間に完了させるため燃料の着火性や燃焼速度

両側のシリンダに導いてピストンを前後に動かし、主に制約を受けるが、熱効率はガソリン機関で 30％前

連棒を介して動輪を回転させて仕事をしている。つま後、ガス機関とディーゼル機関は 40％を超えている。

り燃焼生成物（石炭の燃焼ガス）は直接シリンダ内の熱機関を機構別・機能別に分類したものが表 2.1 でピストンを動かしているのではなく、作動流体（蒸気）ある。

が間接的にピストンを動かしている。
このように燃焼生成物が間接的に仕事をする熱機関
を外燃機関といい、蒸気タービンも外燃機関である。
図 2.3 に旧国鉄の C62 形蒸気機関車の断面図を示す。
一方、図 2.4 に示すように、自動車のガソリン機関
はシリンダ内でガソリンを短時間に爆発的に燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを発生させ、その圧力でピストンを押し下げて連接棒を介してクランク軸を回転させ、さらに変速機を経て車輪を回して仕事をしてい図 2.4

る。このように燃焼生成物（燃焼ガス）が直接ピスト

内燃機関の作動 6）ンに作用して仕事をする熱機関を内燃機関という。
ガス機関、ディーゼル機関、ガソリン機関、ガス

表 2.1

熱機関の分類

タービン、ジェットエンジンおよびロケットエンジン

ガス機関などが内燃機関である。

往復動（容積型）

ディーゼル機関

回転運動（速度型）

ガスタービン機関

回転運動（容積型）

ロータリーエンジン

外燃機関はボイラー等で連続的に燃焼させるため燃ガソリン機関内燃機関

料の種類や品質の選択に裕度が広く、多種類の燃料を使用できるという利点がある一方、燃焼ガスを蒸気に換える過程で熱伝達を伴うため熱伝達のロスから熱効

熱機関

率上制約があり、蒸気機関車では 10％程度と云われ

蒸気機関
往復動（容積型）ている。

スターリングエンジン

外燃機関
回転運動（速度型）

図 2.3

88

国立科学博物館技術の系統化調査報告

外燃機関の実例（C62 形蒸気機関車）5）Vol.17 2012.August

蒸気タービン参考文献、引用文献
1）「ワットの蒸気機関」、ウィキペディア「蒸気機関」
より
2） 富塚 清、「内燃機関の歴史」三栄書房（昭和 44
年 12 月）P12 − 70
3） 荒井久治、「エンジン進化の軌跡」山海堂（1998年 10 月）P9 − 934）「コジェネレーションシステム白書 2010」（財）
天然ガス導入促進センター

エネルギー高度利用促進本部、P1545） 久保田博、「最新鉄道車両工学」交友社（昭和 43
年 7 月） P35
6） GP 企画センター、「自動車メカ入門・エンジン編」グランプリ出版（2006 年 12 月）P49

ガス機関技術の系統化調査

89

3 原動機とガス機関の歴史
しかしそれまでは動力として牛馬の力や風力、水力

3.1 原動機の歴史といった自然の力しか得ることができなかった世の中
にとっては動力の近代化へ歩み出す、大きな一歩と第 1 章で「原動機とは動力を発生する装置である」と述べたが、ここでは原動機誕生の歴史的な経緯とその盛衰について記述する。

なった 5）。
丁度イギリスでは 1760 年ころから毛織物産業や綿織物産業を中心とした産業革命が興り、動力としての機械の需要が増大してきたが当時の一般的な動力源は

3.1.1

水力であり、そのため河川沿いにしか工場立地ができ

蒸気機関以前イギリスの産業革命の興隆に原動機として蒸気機関なかった。

が大きな寄与をしたことは周知の事実であるが、いきなり蒸気機関が誕生したわけではない。
まだ蒸気の利用を思いつく前には燃料として火薬を使うことを考え出した科学者がいた。
オランダのホイヘンス（Huyghens）は 1680 年に円筒（シリンダ）の中で火薬を燃焼させ、生じた高温ガスでシリンダ内の空気を追い出し、その後放置するとシリンダの冷却によって内部が減圧されてピストンが大気圧によって下降し、その際に動力を発生するという仕組みを考案した。しかしこれはアイディアだけで実用化はされなかった 1）。

図 3.1

ニューコメンの蒸気機関 11）

このアイディアの実用化に向けて取り組んだのはフ
ランスのドニ・パパン（Deni Papin）であった。パパ

こうした中でジェームス・ワット（James Watt、

ンは 1690 年ころまで、ホイヘンスの案に基いて試作英）はニューコメンの蒸気機関の修理を依頼されたこ

し実験を重ねたが火薬を連続的に燃焼させることが技とから蒸気機関に興味を持ち、研究を始めた。彼は術的に難しく、理論通りの運転ができなかった。

ニューコメン式が蒸気を水で冷やす際にシリンダ壁も

ただし、シリンダ内を減圧することはある程度達せ

同時に冷やすため熱損失が大きいことを発見した。こられたので、パパンは火薬の代わりに蒸気を使うことの解決策として 1776 年に復水器（コンデンサー）をに思い至り、蒸気機関の研究に取り組んだ。このため考案し、バルブを用いてシリンダから排出した蒸気をパパンは「ピストン型蒸気機関の始祖」と言われてい熱交換器を通して冷やすことによってシリンダ壁を高る。こののちヨーロッパではパパンの追従者が各地に温のままに維持できるようにした。復水器方式により

1）

熱効率は 5％前後まで大きく向上した。ワットは 2 個

現れて、蒸気機関の研究と実用化の競争が始まった 。

の錘を用いた遠心式調速機（回転速度を一定に保つ装
3.1.2

90

置）も発明した 6）。

蒸気機関の誕生

1712 年 に イ ギ リ ス の ト ー マ ス・ ニ ュ ー コ メ ン

1780 年にフランスのピカードとワズブローは往復（Thomas Newcomen）が図 3.1 のような真空減圧式

運動を回転運動に変えるためのクランク機構の特許の蒸気機関を実用化し、炭鉱の地下水汲み上げ用としを取得したが、この特許が 1794 年に失効した。早速て活用された。この機械はシリンダ内に釜で沸騰させワットも蒸気機関にクランク機構を採用し、回転運動

た蒸気を導いてその圧力でピストンを上昇させ、上端にすることにより蒸気機関は揚水ポンプだけでなく紡まで来たところで蒸気のバルブを閉めてシリンダ内に織機械や織物機械などの幅広い用途に広がり産業革命

冷水を注入して蒸気を冷やすことによって内部を減圧の進展を促すことになった 1）。

して大気圧とピストンの自重によって仕事を行う方式

図 3.2 にワットの蒸気機関を示すが、クランク機構

であり、熱効率は 1％にも達しないものであったといや調速機を備えており、ニューコメンの蒸気機関よりわれている。

もはるかに進歩していることが理解される。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.Augustさらに蒸気船（1807 年フルトン、英）や蒸気機関

また 1820 年にはセシル（Cecil、英）は水素ガスを車（1804 年トレビシック、1825 年スチーブンソン、燃料とするガス機関を作った。これは爆発真空機関の

いずれも英）が発明・改良され、1800 年〜1870 年の一種でニューコメンの蒸気機関と同じ仕組みであった間は蒸気機関は各分野の原動機として大活躍した 1）。

が円滑に運転できたので、「調子よく運転した世界最この背景には安い石炭をどこでも手に入れることがで

古のガス機関」と認められている。しかし当時最強のきるという社会状況もあった。

蒸気機関にはかなわず実用化には至らなかった。水素
ガスは当時どこでも手に入る燃料ではなかったことも要因であると思われる 1）。
このようにいろいろな原動機の研究、試作が行われたが結果的に燃料の入手性や出力の大きさ、さらには故障の頻度などの点で蒸気機関のライバルにはなり得ず、市場に姿を現すこともできなかった。これらの経緯については、富塚清著「内燃機関の歴史」（三栄書房）に詳しく紹介されている。
このような状況の中で 1792 年にマードック（W.
Murdock、英）が石炭乾留法による石炭ガスの生成

図 3.2法を発明し、大量にしかも比較的安価に生産されて街ワットの蒸気機関 12）のガス灯や家庭内の燃料や照明などで使われていた。
3.1.3

従って、世の中の原動機に関心のある人々は、石炭ガ

各種原動機の研究・試作

蒸気機関の活躍に並行して他の原動機の研究も引きスを蒸気の代わりに使うことを思いついた 1）。

続き行われていた。
1794 年、 ロ バ ー ト・ ス ト リ ー ト（Robert Street、

3.1.4

ガス機関の登場

英）はテレピン油をシリンダ底部にある熱片に滴下し

ま ず 1823 年、 サ ミ ュ エ ル・ ブ ラ ウ ン（Samuelて蒸発させ、そのガスの混合気を爆発させて爆発力でBrown、英）は爆発真空方式のガス機関の特許を取得

ピストンを上昇させて動力を得る、という原動機を考し、初めて実用化に成功した。ブラウンのガス機関は案したが試作はされなかった。

蒸気機関の蒸気の代わりにシリンダに石炭ガスを入れ1816 年、 ス コ ッ ト ラ ン ド の ス タ ー リ ン グ 兄 弟て点火・爆発させ、その圧力で中の空気を追い出し、（Stirling）が再生器（Regenerator）を考案して熱空直後に冷水を注入して内部を冷やして減圧する。真空

気機関の特許を取った。これがいわゆるスターリンを作る容器とパイプでつながった手前のエンジン気筒

7）

グ・エンジンで外燃機関の一種である 。スターリン

内も減圧されて内部のピストンを大気圧と自重で押しグはこのエンジンを自分の工場で使ったが大きさの割下げて動力を得るもので、原理的にはニューコメンのには出力が小さく、故障も多かったため、ついにはあ

蒸気機関と全く同じであった。その熱効率は約 10％

きらめて蒸気機関に交換した、と言われている。

とのことであるからワットの蒸気機関の 2 倍で、当時

図 3.3

ブラウンのガス爆発機関 1）

ガス機関技術の系統化調査

91

としては好成績であったといえる（図 3.3 を参照）。

までも 100 年近く生き残った 1）。

ブラウンは、水ポンプ駆動用、陸上車両用および舶

このように 1823 年のブラウンのガス機関以降、何用のガス機関の製作・販売のために会社を興し、事業

人かがガス機関のアイディアを発表したが実用化まで化を進めたが成功したとは言い難く、会社は間もなく到達したものはなかった。いずれも当時としては仕組解散した。当時はまだ蒸気機関の全盛期であったことみが複雑で円滑に運転できるかどうかも不安で、使い1）がその主な要因と考えられる 。

勝手の良さや出力の大きさ的に当時全盛期にあった蒸また 1833 年、ライト（W. L. Wright、英）は複動

気機関に対抗できなかったと考えられる。

式のガス爆発式機関の特許を取得した。これは上下に

しかし 1860 年にルノアール（Lenoir、仏）が作っ各 1 個の燃焼室を持ち、ピストンの上下両方から圧力たガス機関はこのような状況を一変した。ルノアール

を作用させる複動式機関で図面は完璧であったが、実は 2 サイクル（複動式）
・無圧縮・電気点火のガス機

1）

物を作り運転したかどうかは定かではない 。

関の特許を取得し、実用化して市販した。このガス機

1838 年 に は ウ イ リ ア ム・ バ ー ネ ッ ト（William

関は従来技術の集大成で特に目新しい機構はなく、熱Barnett、英）はガス機関の特許を取得した。バーネッ

効率も 4％程度であったが、非常に滑らかに運転されトのエンジンの特徴はピストンで混合気を圧縮するこたため、0.5〜3hp の小型機関が 300〜400 台も販売さとであったが、当時彼の理論は先進的過ぎていて世間れ活躍した、との記録がある。しかし電気式の点火に受け入れられず、この構想は図面だけで終わって試プラグが始めて実用化されたことは特筆すべきであ

作まで進まなかった。バーネットはまた火焔利用の点る 1）。図 3.5 にルノアールのガス機関を示す。

火装置も発明した。図 3.4 にこれを示す。90 度に回転

ルノアールのガス機関の熱効率が低いことは大きなする円筒の外に常に火がついているパイロットバーナ

課題であったが、これは無圧縮であることが要因であ（種火）H と円筒の中心部に中央バーナ F がある。スり、当時はまだ混合気を圧縮することの有利さが認識

リーブ A が回転してスリット G と孔 D が通じるとパされていなかったためである。

イロットバーナの火焔で中央バーナが点火する。さら1862 年、ボー・ド・ロシャ（Beau de Rochas、仏）にスリーブが 90 度回転して、スリット G が孔 E と通は熱効率を上げるために圧縮方式が有効であるというじると中央バーナの火焔によって燃焼室のガス混合気

重要な論文を発表したが、これはまだ理論だけで具体に点火するという仕組みであった。当時としては画期的な構造や仕組みに踏み込んでおらず、実用化される的な発明で、その後電気点火プラグが実用化されるのはまだ先であった 1）。

1900 年前後まで各エンジンに採用された 1）。

また 1859 年にアメリカでドレイク（E. L. Drake）
がペンシルバニア州で原油の機械掘りに始めて成功した。これが石油産業勃興の起点となり、内燃機関にもガスだけでなく、液体燃料を使う試みも始まった。

図 3.4

バーネットの点火装置 1）

図 3.5

ルノアールのガス機関 1）

また 1855 年にニュートン（A. V. Newton、英）はガスに点火する方法として熱管法を考案した。これは

92

3.1.5

オットーとガス機関の発展

鉄片の先端を外からガスの火焔で熱しておいて､ 混合

何度も記述するように 1850 年前後は蒸気機関全盛

気がこの鉄片に触れると点火する仕組みで、いわゆるの世の中であったが、効率向上のため蒸気圧力のアッ「焼玉」の原理であり、この点火方法は第二次大戦後

プに伴い蒸気ボイラーの爆発事故が多発し、死傷者が国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August多数発生した。また蒸気機関は起動や停止に時間がか漕ぎ着けたものであった。

かること、熱効率が低いこと、ボイラーや復水器（コ

再チャレンジの背景には他のエンジン会社との競合

ンデンサー）が嵩張ること、などの理由からもっと安が激しくなり、フリーピストン機関の売れ行きが思わ

全で熱効率の高い原動機の実現が望まれた。

しくなくなったため、新製品の開発に取り組まざるを従って、ルノアールがガス機関の実用化に成功し、販売実績を重ねるとヨーロッパ各国の科学者が内燃機関の研究と実用化に積極的に取り組んだ。

得なくなったという事情もあったようだ。
このエンジンは 4 ストローク・サイクルで定容サイ
クル（いわゆる「オットー・サイクル」）の概念を具1867 年にドイツのニコラス・オットー（Nikolaus

体化したもので、実用機としては初の圧縮型機関であA. Otto）はオイゲン・ランゲン（Eugen Langen）のり、熱効率もフリーピストン機関の約 2 倍の約 14％

資本援助を得て、エンジンの開発に取り組み図 3.6 にと飛躍的にアップした。これによりガス機関の地歩は示すフリーピストン機関を完成した。これは石炭ガス

確固たるものとなり、世界各国に普及して行った 1）。

の爆発力でピストンを持ち上げ、自由落下する際に1880 年にイギリスのクロスレー社（Crossley）がラックとピニオンで回転力を取り出す方式で、1872製作したオットー型機関（図 3.7 および図 3.8）の仕

年ケルンに設立した「ドイツガス機関製作所」で事業様は次の通りである。

化した。このエンジンはラックとピニオンが噛み合う

ピストン直径×行程

音がうるさいという宿命はあったが熱効率は 7〜8％

行程容積7883cc、圧縮比と当時としては他の機関よりも優れていたため、10回転速度

156.7rpm、正味馬力

1）

年間に数千台が売れたという 。

正味熱効率

171.9mm × 340mm
2.66
4.4hp

14％

オットーはこの後「オットー・サイクル」の発表で内燃機関学の先駆者となる人である。

図 3.7

図 3.6

オットー型のガス機関（クロスレー社製）1）

オットーとランゲンのフリーピストン・ガス機
関 1）

オットーはさらに 1876 年にゴットリープ・ダイム
ラー（Gottlieb Daimler）、ヴィルヘルム・マイバッ
ハ（W. Maybach）らとともに 4 サイクル・ガス機関を完成し、実用化に成功した。しかし一朝一夕に出来上がったものではなく、オットーは研究・実験を重ね、エンジンの出力アップには吸入した混合気を圧縮することが必要である、との結論を導き出して、「吸入→圧縮→爆発（膨張）→排気」という「4 サイクル
エンジンの原理」を 1861 年に発明し、アイディアを

図 3.8

オットー型ガス機関の断面図 1）

固めて数々の実験を行った。だが当時は設計的な強度や材料開発が不十分なため、高い爆発圧力に耐えるこ

図 3.8 に示すように吸気弁はスライド式、排気弁はとができず、各部品の破損からいったん開発を断念しカムでリフトする茸弁であり、点火装置は前述のバーたものを再びチャレンジして、15 年目にして実用に

ネット方式を用いている。

ガス機関技術の系統化調査93熱力学的考察と内燃機関：1824 年にフランスのカルノーは「火の動力についての考察」を発表し、「カルノーサイクル」の研究を行い本格的な熱力学の研究が始まった。
（この研究が発展して後にクラウジウスらによって熱力学の第 2 法則が明らかにされた）さらに先述のボー・ド・ロシャは 1862 年に「熱と原動力を効果的に利用するための効率に関する新しい研究」の論文を出して混合気を圧縮することが効率アップに有効であることや 4 サイクルの概念を記述していたが、これは理論だけで具体案には触れていなかった。一方、オットーはこれらの理論の存在を知らずに数々の実験と考察を重ねて 1861 年に 4サイクルの理論を創出した。途中の中断はあったが、15 年後にこの理論を具体化したエンジンを完成し、実用化した。しかし結果として、オットーの 4 サイクルエンジンの研究（オットーサイクル）はカルノーサイクルに近似し、圧縮行程の有効性はボー・ド・ロシャの論文の妥当性を裏付けることになった。その後熱力学的な考察に基く熱効率向上の研究が進み、後述するルドルフ・ディーゼルはカルノーサイクルの具体化を目指して、その結果ディーゼル機関が発明された。
（荒井久治、「陸用内燃機関の歴史的発達と未来 7）、8）」日本陸用内燃機関協会発行

3.1.6

LEMA468、469 等）

石炭ガス製造装置の発達

このようにガス機関が普及してくると、今までの石炭乾留法による石炭ガスの製造では生産量が不足し大馬力のエンジン運転には適さなくなり、コストも割高になるため、安価で大量に製造できる方法が求められた。
このような背景から 1878 年、ドーソン（J. Emerson
Dorson、英）は圧力型のガス発生装置を開発した。
この方法により従来の石炭乾留法に比べてガスの生産コストが大幅に安くなったため、大型・大馬力のガス機関が作られるようになり、ガス機関の普及を後押し

図 3.10した。

吸入型ガス発生装置 1）

さらに 1893 年にはブニエ（Bunier、仏）が吸入型
ガス発生装置を開発、以降ドーソンらが 10 年かけてこれを改良し一般化した。吸入型のガス発生量は圧力型に比べて少なく小型機関用であったが、機器が少な
1）

3.1.7

2 サイクル・ガス機関およびその他の原動機の進歩

4 サイクル・ガス機関の技術はオットーらによっていためコンパクトで設置が容易で各地に普及した 。

確立されたが、2 回転に 1 回の爆発ではもの足りずに吸入型ガス発生装置はさらに小型化され、後に船舶出力を大きくするために、もともとの 2 サイクル方式に積まれて舶用ガス機関に使われたり、第二次世界大
戦時に石油類が不足した際には、バスの後部に積まれ8）て木炭バスとして後年も活用された 。
図 3.9 にドーソンの圧力型ガス発生装置を、図 3.10にブニエの吸入型ガス発生装置を示す。

を確立しようとする研究が引き続き行われた。
イギリスのデュガルド・クラーク（Dugald Clerk）
は 1878 年から 1890 年の間に第 1 号から第 4 号まで 4
種類の 2 サイクル・ガス機関を製作した。このうち第2 号機関は実馬力 23 馬力、132rpm、圧縮比約 3、図
示熱効率 16％であり、当時数千台が売れたヒット商品となってオットー型 4 サイクル機関と競合した。
オットーが実験肌とすれば、クラークは理論肌で、クラークが著した

The Gas, Petrol and Oil Engineʼ

は長い間内燃機関学の参考書として世界中の研究者の必読書となった 1）。
一方 1860 年ころから液体燃料、特にガソリンを燃料とするエンジンの研究・開発も始まり、ルノアール
図 3.9

圧力型ガス発生装置 1）やオットーも自作のガス機関をガソリンで運転するな
ど試験を進めていたがガソリンを継続的に蒸発気化す
るための気化器がネックとなり、本格的なエンジンとは言えなかった。

94

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.Augustしかしダイムラーは霧吹き型の気化器を考案してイクルである」ことを教わり、カルノーサイクルの具

この問題解決し、1883 年に 4 サイクル・ガソリン機体的実現の研究に取り組んで 1893 年に圧縮着火機関関を発明した。このエンジンは図 3.11 に示すようにの特許を取得した。しかしディーゼルはこれを実現す

縦型で非常に軽量・コンパクトに設計され、800rpm

るために燃料油の選択、燃料油の噴射機構、高圧縮にで回った。従来のガス機関は小型・高速タイプでも耐える気密構造などの開発・考案に手間取り種々の実

200rpm 程度であったから、当時としては常識を超え験を重ねて 1897 年にようやく商品化することができ

1）たエンジンであった 。

た。これがその後原動機の各分野で活躍する「ディー1887 年、ダイムラーはこのガソリン機関を四輪車ゼル機関」の原型となった 9）。

に搭載して世界初のガソリン自動車を製作し、ガソリ

1905 年 に は ア ル フ レ ッ ド・ ビ ュ ッ ヒ（Alfred

ン機関が軽量・コンパクトで蒸気ボイラーやガスパイ

Büchi、スイス）が排気タービン式過給機の特許を取プラインも不要で機動性に富むことを証明した。

得した。これは大気中に捨てられていた「高温・高圧

ダ イ ム ラ ー と 同 時 期 に カ ー ル・ ベ ン ツ（Karlの排気ガスエネルギー」を排気ガスタービンで回収しBenz、独）は 4 サイクル・ガソリン機関付きの三輪て同軸上のコンプレッサーを駆動し、大気を圧縮して車を発明し、1890 年代には四輪車を発売してダイム

大量の空気を燃焼室に送り込むという方式で、これにラーの四輪車と競合したが、両社は 1926 年に合併しよってより多くの燃料油を燃焼させることが可能になてダイムラー・ベンツ社となり、その後ダイムラーグ

り、出力を大幅にアップすることが可能になった 3）。

ループのメルセデス・ベンツ社となって繁栄を続けて以降実用化に向けての研究開発は行われたが、当時はいる。

排気ガスの高温に耐え得る耐熱合金がなかったことなどの背景があり実用化は遅れたが、1928 年ころスイスのブラウン・ボベリー社（Brown Boveri）が潜
水艦主機用として排気タービン式過給機を実用化した 10）。
この時代には蒸気タービンやガスタービンも研究開発されて、熱機関は大いに進歩した。
このように 1905 年ころまでに 4 サイクル・ガス機関、2 サイクル・ガス機関、4 サイクル・ガソリン機
関、4 サイクル・ディーゼル機関、蒸気タービン、ガスタービンなど原動機としての原型はほぼ出揃うことになった。
図 3.11

3.2 ガス機関の興亡

ダイムラーのガソリン機関 1）

同 じ 1887 年 に は ロ バ ー ト・ ボ ッ シ ュ（Robert

3.2.1

ガス機関の全盛期

Bosch、独）はそれまでに開発された技術を集大成し1900 年初頭〜1920 年代にイギリス、ドイツで有力て永久磁石発電機を使った低圧の断続火花点火装置を

ガス機関メーカが台頭し、1910 年前後には 3000PS を実用化し、さらに 1897 年に高圧磁石発電機（マグネッ超える超大型機関も実用化され、欧米で多くの大型機ト）を使った電気火花方式を実用化した。ボッシュの関が活躍した。わが国にも 300PS から 1500PS 程度の設立した会社は現在も電装機器、ディーゼル噴射機器

ガス機関が多数輸入され、工場動力用、製鉄所の送風2）などを製造する世界有数の会社に成長している 。
ダイムラーのガソリン機関も当初熱管型（焼き玉型）の点火装置を使っていたが、1900 年からは電気点火方式に改められ、基本的な構造は現代の自動車のエンジンと変わらぬものとなった。
ま た こ れ と 同 じ 時 代 の ル ド ル フ・ デ ィ ー ゼ ル

機用や都市の発電用として使用された。まさにこの時期はガス機関の全盛期と言えた。当時の有力なガス機
関メーカは次の会社が挙げられる。
イギリス：クロスレー（Crossley Brothers）
ナショナル

ガス

エンジン

（National Gas Engine Co.）

（Rudolf Diesel、独）は学生時代に「熱機関の理論的

プレミヤ

ガス

エンジン

に最も効率良く仕事に換える熱サイクルはカルノーサ（Premier Gas Engine Co.）

ガス機関技術の系統化調査

95

・蒸気タービンの進歩（発電機や送風機の駆動には

ドイツ：マン（MAN：Maschinenfabrik AugsburgNürunberg

蒸気タービンのような高速回転の方が有利）

AG）・ディーゼル機関の台頭（熱効率が高く、しかも液MAN 社は現在では MAN Diesel & Turbo 社とし体燃料の方が運搬や貯蔵に便利）て世界で 1、2 を競う有力メーカであり、Crossley 社

・水力発電所の開発（遠距離送電技術の発達による）は 1988 年に Rolls Royce 社に買収され同社の一部門4）等が上げられ、1930 年ころには大型ガス機関はほとなっている 。

とんどその姿を消した 4）。

当時の大型ガス機関の一例を図 3.12 に示す。立っている人間と比較するとその大きさが良くわかる 4）。
製造会社

さらに 1930 年以降には石油系燃料の普及により、小型機関は石油発動機やガソリン機関に、中・大型機

コッケリル社（ベルギー）

ピストン径1300mm、行程

関はディーゼル機関にとって代わられ、ガス機関はガ

1400mmスの入手し易い地域を除いてほとんど使われなくなっ出力 725PS、回転数 90rpm、重量 100kg/PS
平均有効圧力2

3.9kgf/cm 、熱効率

た。

約 31％

用途：発電用、製鉄所の高炉の送風機用
3.2.3
3.2.2

再興

ガス機関の衰退の始まり

20 世紀初頭の大きな事件として、第 1 次世界大戦

1939 年ヨーロッパで第 2 次世界大戦が始まると、が 1914 年に始まり、1918 年に終わったが、これをひ

非産油国で海外資源を持たない国は液体燃料が入手困

とつの契機として原動機の世界に大きな変革が起き難になり、鉄道車両やバスのガソリン機関をガス機関た。

に改造して使用し、燃料としては天然ガスや木炭ガスが使用された。

まず 1920 年以降、次のような動きがあった。

図 3.12巨大ガス機関 4）

木炭バスのガス発生炉：木炭または薪をガス発生炉に上方から投入し、下方から空気と水蒸気を送って燃焼させる。下部の酸化層（燃焼層）
で発生させた CO2 を上部の還元層で CO に返還する。また空気といっ
しょに送られた水蒸気は酸化層で温度が上がり、活性化して還元層でH2 になる。その一部はさらに炭素と結合して CH4（メタン）になる。
一方水蒸気の酸素を還元した炭素は CO（一酸化炭素）になる。このよ
うにしてエンジンに必要な可燃ガス（CO、H2、CH4）を作り出す。
（荒井久治、「エンジン進化の軌跡」P132-135（山海堂））

96

第 2 次世界大戦以降の原動機とガス機関の

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.Augustわが国でも戦時中の写真で見られるようにバスの後バルト海やカリフォルニア州沿岸などの特定海域では部に吸入式ガス発生装置を積んだ木炭バスが稼動して硫黄酸化物の排出規制の観点から燃料油に含まれる硫いた。ただ木炭などから生成する可燃ガスはガソリン

黄分も厳しい規制が施行された。これらの規制に対応に比べて発熱量が低いため、エンジン出力はガソリンするため、および LNG 船から発生する BOG（ボイル機関に比べて 60〜70％であった。

オフガス）を活用するため船舶の主機関や補機関用と第 2 次世界大戦が終わり 1950 年前後になると、中東で大油田が発見され、原動機は一気に液体燃料を使してガス機関や二元燃料機関が開発され実用化されている。

用する内燃機関の時代に突入した。戦中・戦後の技術革新と歩調を合せるように自動車用としてガソリン機

参考文献、引用文献

関が、船舶推進用や発電用としてディーゼル機関が、

1） 富塚 清、「内燃機関の歴史」三栄書房（昭和 44

航空機用としてガスタービン機関（ジェットエンジ

年 12 月）P3 − 472） 同上

P52 − 55

また一方、1960 年前後、油田や海洋リグから発生

3） 同上

P194 − 198

し、それまでフレアガスとして無駄に燃やしていた随4） 同上

P64 − 65、P70

伴ガスを有効利用する動きが活発となり、ガスと液体

5） 荒井久治、「エンジン進化の軌跡」山海堂（1998

ン）が大発展を遂げた。

燃料を併用できる二元燃料機関（デュアルフューエル

年 10 月）P9 − 12機関）が欧米のエンジンメーカで開発・実用化され、

6） 同上

P24 − 36

再びガス機関の需要が起きてきた。

7） 同上

P94 − 105

さらに 1980 年前後、石炭や液体燃料の使用によっ

8） 同上

P130 − 135て生じる硫黄酸化物、窒素酸化物および二酸化炭素な

9） 同上

P82 − 90

どによる環境破壊から地球を守るため、クリーンなエ10）稲葉興作、「過給機の知識」成山堂（昭和 43 年 3

ネルギーとして天然ガスが注目され、LNG を燃料とするガス機関やガスタービンがディーゼル機関に代わるコージェネレーション（熱電併給システム）用の原動機として再び脚光を浴びて現在に至っている。
海上交通においても 2000 年前後になると大気汚染

月）P211）「ニューコメンの蒸気機関」、ウィキペディア「蒸気機関」より12）「ワットの蒸気機関」、ウィキペディア「ジェームズ・ワット」より防止の観点から窒素酸化物の排出が規制され、さらにガス機関技術の系統化調査

97

4 ガス機関の構造と燃焼4.1 ガス機関の作動原理とガスの燃焼

料ガス」を指すものとする。
）すなわちガスは可燃限界の幅が狭く、ガス濃度が濃過ぎても薄過ぎても燃えないし、着火温度も天然ガス（メタン 90〜95％）のガス機関は燃料としてガスすなわち気体燃料を使用場合 600〜650℃で重油のそれ（350℃前後）よりも高する原動機であり、液体燃料を用いるディーゼル機関

い。このためガスは重油のように圧縮着火させること

やガソリン機関とは燃料供給系統の機器や構成およびが困難であり、エンジン内で燃焼させるためには補助

燃焼室の構造が異なる。

的な点火装置が必要になる。

ガス機関の作動原理は他の往復動内燃機関と同じで従ってガス機関とディーゼル機関との大きな相違点あり、エンジンの燃焼室内で発生させた燃焼ガスの圧はガスの供給方式、点火（着火）方式、燃焼方式の 3

力でピストンを押し下げて連接棒を介してクランク軸点が挙げられるが、これに燃焼室の構造の特徴を加えを回転させる原動機である。

てまとめると表 4.1 のようになる。

しかしガスそのものは燃やすことが難しい燃料であ

以下に詳細について解説する。

る。
（以降「ガス」という場合は特に断らない限り「燃表 4.1

ガス機関の点火・燃焼方式とディーゼル機関との対比

ガス機関
ガスミキシング（キャブレター等）①

燃料ガス供給方式

給気ポート内低圧噴射

ディーゼル機関
液体燃料を副室または主室内に高圧噴射

主室内高圧噴射電気火花点火②

点火（着火）方式

グロープラグによるグロー点火
パイロット燃料油圧縮着火

液体燃料油圧縮着火（始動時のみグロープラグの使用例有り）

パイロット油着火と電気火花点火の併用

予混合燃焼方式③ 燃焼方式

理論混合比（ストイキ）燃焼

拡散燃焼方式

希薄混合気燃焼

拡散燃焼方式…………ガスジェット拡散燃焼

副室式④ 燃焼室構造

予燃焼室式
渦流室式

主室式（単一燃焼室式）

98

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

副室式

予燃焼室式
渦流室式

主室式（単一燃焼室式）

ガスバルブ（電磁弁）の採用は出力アップと熱効率

4.2 燃料ガスの燃焼室への供給方法

アップに大きく貢献したが、反面シリンダー毎に取り付けるためコストアップは避けられない。

燃料ガスの燃焼室への供給方法には、主に次の三種類がある。
（1）ガスミキシング
自動車用ガソリン機関と同じように、いわゆるキャ
ブレター等を用いて吸入空気の負圧を利用して給気管内にガスを吸い込む方式である。構造が簡単であるが複数シリンダの場合シリンダ間でガス濃度のバラツキが生じることが避けられない。また給排気弁のオー
図 4.1

バーラップ期間中に混合気の一部が排気弁から排気管

ガスバルブによる供給方式 1）

へ抜けてしまうため効率上のロスがあり、小型機関を除いては採用されていない。
（ただし現在の自動車用

上記のガスミキシング方式とガスバルブ方式は燃焼

ガソリン機関はほとんどガソリン噴射式に切り替えら室の手前でガスと空気を混合させるため予混合燃焼方

れている。
）

式と呼ばれる。

（2）給気ポート内低圧噴射方式（3）主室内高圧噴射方式
2

ガスバルブ（電磁弁）を用いて 2〜3kgf/cm の圧

4.4 項で説明するガスジェット拡散燃焼では圧縮行

力で給気管内に噴射する。図 4.1 にその一例を示す。

程の終わりの時期にガス噴射弁を用いて 200〜300kgf/

ガスバルブによる供給方式は電磁弁でガスの噴射期

cm2 の高圧で燃焼室内にガスを噴射し、短時間の間に間とタイミングを制御するため、給排気弁のオーバー

ガスと空気を拡散させて燃焼させる。点火（着火）にラップ期間中に排気管へ抜ける混合気の量を大幅に減

はパイロット油圧縮着火またはグロープラグによる点

らすことができる。

火を行う。

またガスバルブをシリンダ毎に取り付けるため、シ

この方式はディーゼル機関と同様に圧縮比を大きく

リンダ間のガス量のバラツキを抑えることができる

とれるため、熱効率は前述の予混合方式より高くなる

が、この特徴を逆に利用してシリンダ毎のガス噴射が、付随して高濃度（2000ppm 前後、O2 ＝ 0％換算）

量（噴射期間）を変えることにより、異常燃焼（ノッの窒素酸化物が発生するため脱硝装置が不可欠であキング）の徴候のあるシリンダを検知してガス噴射量る。

を減らすことによって異常燃焼を抑制することができる。

ノッキング：一般に燃焼はシリンダの中央部から始まるがその圧力波により、燃焼期間の終わりころにピストンやシリンダラ
イナー壁面に押し付けられた混合気が一気に自己着火し、その際に金属的な音を伴う衝撃波となって異常な高圧を発生する。
これをノッキングといい、この衝撃波はエンジン部品を損傷させることがある。

ガス機関技術の系統化調査

99

ト燃料油圧縮着火に比べて低いため安定的な燃焼には

4.3 点火（着火）方式
4.3.1

配置等を含めた工夫が要求される 2）。

電気火花点火ガス機関の点火（着火）方法は一般的にはガソリン機関と同じように点火プラグによる電気火花点火を用いることが多い。
電気火花点火方式はイグニッションコイルで直流の高圧（15〜35kV）を発生させ、設定されたタイミン
グでこれを点火プラグに流して電極間でスパーク（火花）を生じさせてこれを火種としてガスに点火する。
点火プラグ方式はシステムとして完成されシンプルで使い勝手の良い方式であるが、デメリットとして連続

図 4.3

主室内高圧ガス噴射および点火用グロープラグの取付け例 3）4.3.3

パイロット燃料油圧縮着火

常用運転の場合電極の摩耗が進み 1,000 時間程度しか耐久性がないことである。
（現在は約 2,000 時間に改良されている。
）
また点火プラグでは点火エネルギーが不足してガス

希薄混合気燃焼方式で大きな点火エネルギーを必要が着火しないケースもあり、改善策として液体燃料をとされる場合は微量（全発熱量の 1％前後）の液体燃

圧縮着火させこれを火種とする方法が開発されてい料（軽油または重油）を燃焼室内に噴射してまずこれる。
（4.3.3 項を参照）

を燃焼させ、これを火種としてガスに点火する方法が

図 4.2 に点火プラグの取付け例を示す。この図の例ある。この方式をパイロット燃料油圧縮着火方式（までは予燃焼室には別に濃いガスを供給して点火プラグ

たはマイクロパイロット油着火方式）という。
（以降

による火付きを助けている。

パイロット着火と呼ぶことにする。
）パイロット着火のエネルギーは点火プラグの 5000〜10000 倍と云われ、4.4.2 項で記述する希薄燃焼方式には不可欠の技術となっている 4）。
またパイロット着火はディーゼル機関と同様に燃料噴射ポンプと燃料噴射弁を装備する必要があるが、燃料噴射弁の交換寿命は 4,000 時間前後であり点火プラ
グに比べて格段に使用時間が伸びる。メリットの反面、顧客としてはガスに加えて液体燃料を用意しなけ
ればならないという煩わしさが生まれる。
図 4.4 にパイロット着火の一例を示す。

図 4.2

4.3.2

点火プラグの取付け例 2）

グロープラグによるグロー点火

点火プラグは電極間に高圧を流して瞬時にスパー
クを発生させる方式であるが、グロープラグは低圧（12V〜24V）をコイルに流して常時赤熱させておき、ここに高圧で噴射したガスを当てて点火する方法である。
図 4.3 にその取付け例を示すが、これは 1 シリンダに複数（2 個）取り付けた例である。グロープラグはイグニッションコイル等他の機器が不要なため簡便で確実な方法であるが点火エネルギーは次項のパイロッ

100

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

図 4.4

パイロット燃料噴射弁の取付け例 5）

4.3.4パイロット着火と電気火花点火の併用

で安定的に燃焼するというメリットの反面、排気ガス

パイロット着火方式ではエンジン始動時に燃焼室内温度が高く、しかも窒素酸化物（NOx）の濃度が高の圧縮温度が十分に上がらないため液体燃料を噴射しい（2000〜3000ppm、O2＝0％換算）というデメリッても液体燃料自体が着火しない懸念があり、これを解トがある。

消するため始動時のみ点火プラグを併用する手法もある。

このため NOx の低減対策として触媒を用いた脱硝装置を採用する例が多い。この脱硝装置は白金、ロジ

図 4.5 にパイロット着火と点火プラグの併用例を示す。

ウムおよびパラジウムの微粒子を触媒として用い、窒素酸化物、炭化水素および一酸化炭素の 3 種類（三元）の有害物質を同時に浄化することができるため三元触媒と呼ばれており、それぞれ酸化または還元させて無害化することができる。
但しこの触媒が有効に働くためには排気ガス中の酸素濃度が大きく影響し、図 4.6 のように空気過剰率が1 近辺のいわゆるウィンドーと呼ばれる狭い範囲内に維持することが必要である。

図 4.5

点火プラグとパイロット燃料噴射弁の併用例 6）

4.4 ガス機関の燃焼方式
ガス機関の燃焼方式は空気過剰率（＝実際の空気供給量 / 理論空気量）によって理論混合比燃焼（ストイ

図 4.6

キ燃焼）方式と希薄混合気燃焼（リーンバーン）方式

空気過剰率と浄化率 11）に分けられる。
また混合気形成の手法により予混合燃焼方式と拡散

空気過剰率の制御は排気ガス中の酸素濃度により制燃焼方式にも分類される。ガスが燃焼室に入る前に空御しているが、制御範囲が狭いためかなり困難であ

気との混合気を形成するシステムを予混合燃焼といり、また触媒は定期交換が必要であるが貴金属を含む

い、燃焼の直前に燃焼室の中にガスを供給（噴射）しため高価である。

て拡散により混合気を形成するシステムを拡散燃焼とまた排気ガス温度が高いため給排気弁等の燃焼室周りの部品耐久性に悪影響を与える問題があり、さらいう。
予混合燃焼方式には次項で説明する理論混合比燃焼に出力を上げようとしてガス量を増やすと異常燃焼方式（ストイキ燃焼）と希薄混合気燃焼（リーンバー（ノッキング）を発生し易いという欠点がある。このン）方式があるが、拡散燃焼方式は希薄混合気燃焼方

ため中型・大型ガス機関では次項に述べる希薄混合気式のみが実用化されている。

燃焼方式を採用するケースがほとんどである。

注：ストイキとは

stoiciometry の略で理論混合比（理論空燃比）の意味。

4.4.2

希薄混合気燃焼（リーンバーン）方式

ガスを燃焼させるために理論的に必要な空気量の理論混合比燃焼（ストイキ燃焼）方式

2〜3 倍の空気を燃焼室に送り込んでガスを薄い状態

ガスを理論上必要な空気量で燃焼させる方式を理（希薄）で燃焼させる方法を希薄混合気燃焼（リーン4.4.1

論混合比燃焼（ストイキ燃焼）方式という。
（メタンバーン）方式という。

3

内燃機関から発生する NOx は燃焼室内で空気中の3

窒素と酸素が化学的に結合して生成されものであり、90％の天然ガス 1Nm を燃焼させるために必要な理論
空気量は約 10.5 Nm ）ストイキ燃焼では着火が容易

ガス機関技術の系統化調査

101

燃焼室内の燃焼温度と滞留時間の関数で、温度が高いほどおよび滞留時間が長いほど NOx の発生量は多くなる。
空気過剰率の大きな領域では緩慢な燃焼と余剰の空気によって燃焼温度が低下し、NOx の発生量が低下する。
（NOx 濃度200〜500ppm、O2 ＝ 0％換算）

さらに燃焼温度が低いためノッキング領域から離れており、部品に与える熱的な影響の度合いも低いため、近年の正味平均有効圧力を増大した機関は全て希

図 4.7

空燃比とガス機関の運転領域 7）薄燃焼方式を採用している。
一方デメリットとしては、ガスを極めて薄い状態で

4.4.3

ガスジェット拡散燃焼方式（主室内高圧噴射方式）

燃やすため燃焼が不安定で回転変動や失火（この場合の失火とは燃焼室内に供給されたガスが燃えないで、

ガスジェット拡散燃焼は 4.2 項で記述した主室内高

そのまま排気弁から排出されることを言う。
）が起こ

圧噴射方式に相当し、ディーゼル機関並の出力と熱効り易いことであり、この問題をクリアすることが希薄率を得られるという利点がある。しかしガスを高圧に燃焼方式採用の鍵を握っていた。対策としてエンジン圧縮するために大きな動力（エンジン出力の 3〜5％）

各社はいろいろな工夫をしているが、一例として副室を要するため、前述の希薄燃焼方式が現れると熱効率式を採用してこの中に主燃焼室よりも濃いガスを圧送上の有意差がほとんど無くなった（図 4.3 を参照）。

し、副室内の混合気を着火し易い状態（ほぼ理論混合比）にしておき、これを点火プラグで点火してその燃

4.5 燃焼室の構造

焼ガスを主燃焼室に噴出させその火炎ジェットで主燃
焼室内の希薄なガスに点火する方法がある（図 4.2 を燃焼室とは文字通りエンジンの燃焼が行われる部屋であるが、その形状および形状から決まる圧縮比は燃参照）。
しかしさらに点火エネルギーを大きくするため、点焼性能を左右する重要な役割を担っている。

火プラグに替えてディーゼル機関と同じ燃料噴射弁を往復動内燃機関においては理論的に圧縮比が高いほ用いて微量の液体燃料を噴射して圧縮着火させ、このど熱効率は高くなるが、そのぶんシリンダ内最高圧力

燃焼ガスを主燃焼室に噴出させてその火炎ジェットが高くなり、エンジンとしてそれに耐える高い剛性がで希薄なガスに点火させる方式が生まれてきた（4.3.3要求される。またガス機関の場合ノッキングの領域に項近づくことになるため、圧縮比として適切な選定が必パイロット着火方式を参照）。
空気過剰率（空燃比）を横軸に、ストイキ燃焼と希要になる。

薄燃焼の領域を図に表すと、図 4.7 のようになる。ス

主燃焼室の形状はガスの燃焼良否を左右する重要な

トイキ燃焼方式は空気過剰率が 1 付近の狭い領域で運要素であるが、ほとんどピストン上面の形状で決定さ転され、一方希薄燃焼方式は空気過剰率が 2〜3 の間れるので、圧縮比の大きさと合せてピストン形状の決で使われるが、ノッキングと失火に制約された領域で定は大きな意味を持っている。
燃焼室は構造的に主室（主燃焼室）のみの単室構造運転されている。

と、燃焼を補完する役割を持つ副室を有する副室式に分類される。
4.5.1

副室式

副室式はその機能により、予燃焼室式と渦流室式に

正味平均有効圧力（Brake Mean Eﬀective Pressure ＝ BMEP）：4 サイクル機関では吸入−圧縮−爆発（膨張）−排気の 4 行
程を通したシリンダ内の平均圧力を図示平均有効圧力（Indicated MEP ＝ IMEP）といい、IMEP から摺動摩擦による損失分を引いたものが BMEP である。エンジンの出力は BMEP に比例し、出力＝ BMEP を大きくするためにはより多くの燃料をシリンダ内で燃やさなければならないが、そのためには過給機等を付けて、より多くの空気をシリンダ内に送らなければな
らない。

102

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August分類される。

4.5.2

主室式（単一燃焼室式）

副室の役割は主室の燃焼を補完するためであり、基図 4.3 に示されるように主室（主燃焼室）のみで構

本的には副室で事前に燃焼させたガスを先端の噴口穴

成される単一燃焼室式である。副室式と比較すると構から主室内に噴出させ、その火炎ジェットで主室内の造が簡略化され部品点数が少ないこと、および副室のガスを点火することである。

絞り損出がないというメリットを持つ。その反面希薄

一般的に予燃焼室はシリンダヘッドの中心に位置し混合気をどのように着火させるかという点に関してはて垂直に取り付けられ、その先端の噴口穴も 360 度

エンジン各社がそれぞれの技術を生かしている。図均等に配置されている。
（図 4.4 および図 4.5 を参照）

4.3 の例では複数のグロープラグにより混合気に点火

一方渦流室式はシリンダヘッドの片側に位置して斜めしているが、直噴マイクロパイロット着火方式によりに取り付けられ、主室内の燃料に点火することに加え始動用点火装置は使用せずに着火させる手法もある。

てその噴流で主室内の混合気を攪拌して火炎の伝播が

図 4.9 にガス機関の燃焼室構成と着火方式の組合せ

スムーズに行えるようにしている。
（図 4.8 を参照）

例を示すが、（b）図は始動時にはガスを供給しない

副室式は前述のように主室内の燃焼を補完するといでパイロット油（液体燃料）だけを多めに噴射して圧う重要な役割を持ち、その容積割合（全燃焼室容積に縮着火し始動立ち上げを行い、その後にガスを供給し対する副室の容積）が熱効率や NOx の生成に大きなている。

影響を与えることが判明している。
またデメリットとしては副室内に混合気（または空気）が出入りする際に絞られるため、若干の熱効率上のロスが発生することは避けられない。

二元燃料機関（デュアルフューエル機

4.6 関、Dual Fuel）（以降 DF 機関と記述する）
4.6.1

DF 機関とはDF 機関とは液体燃料とガス燃料の 2 種類の燃料で運転できる機関をいう。
液体燃料（軽油または重油）で運転する場合は通常のディーゼル機関と同じであり、圧縮着火で運転される（これを「ディーゼルモードという）。ガスで運転する場合（これを「ガスモード」という）は液体燃料
を着火剤として用い、総熱量の 5〜10％の液体燃料を
主燃焼室内に噴射して圧縮着火させ、この火炎によっ
図 4.8てガスに点火する。従って DF 機関はディーゼル機関

渦流室の一例 8）

図 4.9ガス機関の燃焼室構成と着火方式の組合せ 9）

デュアルフューエル機関とガスディーゼル機関：エンジンメーカ各社の技術論文を読み進めるとデュアルフューエル機関（DF機関）とガスディーゼル機関という言葉が出てくる。
この両者の違いの定義は特にないようであるが、強いて分類すれば、DF 機関は燃料の事情によりガス燃料での運転（着火のため総発熱量の約 10％の液体燃料を噴射する必要があるが）と液体燃料での運転の切り替えができるタイプを云い、ガスディーゼル機関とはガス燃料の運転が主体（この場合でも着火のため約 10％の液体燃料を噴射する必要があるが）で液体燃料のみでの運転を想定していないエンジンを云うようである。あえて付け加えれば、ガス燃料であるが着火剤の液体燃料はディーゼル機関と同様に圧縮着火させるのでガス・ディーゼル機関と呼んでいる。本稿では文献を引用する場合は基本的には原文を尊重してそのまま転記するが、混乱を招かないように書き直すこともある。
なおバルチラ社（フィンランド）では 1980 年代の後半に開発した主室内高圧ガス噴射タイプを「ガスディーゼル」と呼んでいる。

ガス機関技術の系統化調査

103

とガス機関の両方の装置・機器を備えている。
一般的にエンジンの始動時はディーゼルモードで液体燃料のみで始動し、暖機して負荷が 15％〜30％になったところでガスモードに切り替える。切り替え時の負荷はメーカやエンジン型式によって異なるが、停止時もディーゼルモードに切り替えてから停止する。
4.6.2

DF 機関の歴史

第 2 次世界大戦後、中東で大規模な油田が開発されたが、その副生物として噴出する石油系ガスは揮発性で危険なため大気中で焼却処理を行っていた。
（この炎をガスフレアという）しかし世界的なエネルギー消費の増大を補うため、1955 年ころからこの油田随伴

図 4.10ガスを有効に活用すべきという議論が沸き起こり、まPA5L-DF 形機関
図 10）

給気および燃料ガス制御系統

ず天然ガスを液化して LNG 船で欧州に運搬し従来の石炭ガスの補充や代替燃料として活用が始まった。この有効活用の一環として DF 機関が開発された。
開発当時は排気ガスの排出規制はなかったため、特にこの面での制約はなく着火剤として軽油または重油を用いてストイキ燃焼で運転された。

またストイキ燃焼方式は排気ガス温度も高いためこの面でも制約を受け、ストイキ燃焼方式の DF 機関の最大出力はディーゼル機関単独タイプの 70〜80％に抑えているケースがほとんどである。
しかし最近の DF 機関は希薄燃焼方式を採用しノッ

DF 機関は産業用や民生用に使用され、後年下水汚キング抑制装置との組合せで、最大出力はディーゼル

泥処理施設や生ゴミ処理施設から発生する消化ガスを機関単独タイプと同等レベルに持ち上げられてきてい燃料とする DF 機関としても活用されている。また海る。

洋掘削リグにおいても重宝されて、随伴ガスを使ったリグの電力供給用として多用されている。

4.7 燃料ガスについて

また近年では LNG 船から発生するボイルオフガス（Boil Oﬀ Gas、LNG タンク内で蒸発気化して発生しガス機関の燃料ガスは過去には石炭ガスが主体でたガス）を燃料とした船舶用の DF 機関も開発され、あったが、第 2 次世界大戦後は天然ガスが主体となっ欧州では実用化が始まっている。舶用の DF 機関につて今日まで続いている。その後、世間のエコロジーのいては第 10 章で記述する。

流れの中で、下水汚泥処理施設や生ゴミ処理施設から発生する消化ガス、および間伐材や剪定材から生産す

4.6.3

る木質ガスなどのバイオガスが加わってきた。また石DF 機関の構造と性能

図 4.10 に DF 機関の一般的な構造を示す。基本的にディーゼル機関の本体を使用しており、図のように炭の採掘時に発生する炭鉱メタンガスを有効利用するための新しい用途も開発されている。

主燃焼室のみの単一燃焼室方式で、これにガス供給系
統、給気量制限装置、ガスモードとディーゼルモードの切り替え装置などが追加されている。

104

4.7.1

燃料ガスの分類

表 4.2 にガス機関に使用されている燃料ガスの分類

DF 機関の性能として最大出力はディーゼル機関単を示す。バイオガスや炭鉱メタンガスのように発熱量

独タイプよりも低く抑えられているケースが多い。こが低い場合は、それに見合う分だけガス供給量を増やの理由として、エンジンの最大出力を決めるパラメー

さなければなければならないためガス機器も容量の大タの一つにシリンダ内の最高燃焼圧力（Pmax）があ

きいものを選定する必要がある。しかし木質ガスは量るが、ガスモードの場合燃焼変動が大きいため Pmax

でもカバーできないため出力を下げて対応している。

の変動も大きく、Pmax の上限をディーゼル機関単独

一方 LPG（プロパンガス）は次項で説明するようタイプと同等に抑えるとガスモードの最大出力は下げに可燃限界の下限濃度が小さいため、ノッキングに入ざるを得なくなる。

り易く出力が制限される。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August表 4.2主成分の一例

真発熱量の一例（約）kcal/Nm3

メタン価

エンジン出力13A

メタン 88.5％エタン
4.6％
プロパン 5.4％

9900

80〜90

100％

12A

メタン 98.9％
プロパン 0.3％
0.7％
CO2

8600

95〜100100〜80％

純プロパン

プロパン

98％

22500

30

約 80％

消化ガス（下水
汚泥処理、生ゴ
ミ処理）

メタン 約 60％
約 40％
CO2

5150

120〜130100％

木質ガス（間伐
材、剪定材）

H2
CO
メタン
CO2
N2

1700

―

約 60％

メタン

メタン 30〜50％
残りは空気

2600〜4400―

約 100％

分類

種類

都市ガス（日本
国内）

LP ガ ス（ 液 化
石油ガス）

バイオガス

炭鉱メタンガス

燃料ガスの分類（ガス機関用）

約 20％
約 25％
約 5％
約 10％
約 40％

（注）メタン価：アンチノック性を示す指標でメタン価が小さいほどノッキングを発生し易い。

4.7.2

燃料ガスの性質

ガス機関や DF 機関に使用される燃料ガスの可燃限
界（爆発限界）を図 4.11 に示す。
空気中で燃焼・爆発する限界の濃度を可燃限界（爆発限界）と言い、この濃度より薄くても濃くてもガスは燃えない。プロパンガスは約 2％で可燃限界に入るが、13A（メタンガス）は 5％まで爆発の危険がない。
従ってメタンガスの方がプロパンガスに比べ燃えにく
い半面、ノッキングに対しては有利であることが理解できる。

図 4.11

燃料ガスの可燃限界 11）

天然ガスと LNG：天然ガスはメタンを主成分とする可燃性ガスであり、LNG（Liqueﬁed Natural Gas）は天然ガスを液化したものをいう。LNG はエネルギーとしては天然ガスそのものより優れているが、その理由は産出した天然ガスを液化する際に、まずちりを除き、さらに脱硫、脱炭酸、脱水、脱湿などの前処理を行うため不純物のないクリーンなエネルギーになるからである。天然ガスの主成分であるメタンは 0℃、1 気圧のもとではガス状態にあり、1m3 のメタンを 1 気圧のもとで、− 162℃まで冷却すると液体となり、その体積は 0.0017m3 と、もとの体積の 1/600 という小容量になるので、パイプラインで輸送することができない海外でも LNG 船で輸送することが可能になった。
天然ガスの主な埋蔵地域は中近東、アジア・オセアニア（インドネシア、マレーシア、ブルネイ、オーストラリア等）、北ア
フリカ（アルジェリア、リビア等）、北米（アラスカ、合衆国、カナダ、メキシコ等）、南米（ベネズエラ等）、ヨーロッパ、
旧ソ連（ウクライナ、サハリン等）など世界各地に広く分散していることが特徴であり、その可採年数は 2009 年 1 月時点
で 63 年と予測されている。
（これに対して原油の埋蔵地域は中近東に偏っており、その可採年数は約 50 年と予測されている。
）
一方最近聞く言葉で「CNG 自動車」という言葉がある。CNG は圧縮天然ガス（Compressed

Natural Gas）の意味で、天然ガスを気体のままで 20〜25MPa に圧縮して体積を 1/200〜1/250 にしたもの。これを容器に詰めてバスの屋根上などに積んでクリーンなエネルギーとして活用している。
（鳴島正、「天然ガスとは」内燃機関誌 32 巻 1 号（平成 5 年 1 月）等）

ガス機関技術の系統化調査

105月）P203

参考文献、引用文献
1）「22AG

シリンダヘッド構造図」新潟原動機技術資料2）「26HX-G

シリンダヘッド構造図」新潟原動機
他「 三 井 ガ ス・ イ ン ジ ェ ク シ ョ ン・ディーゼル機関の運転実績」三井造船・技報第167 号（平成 11 年 6 月）P13 − 184） 後藤 悟、「マイクロパイロットガスエンジン」日

技術資料

7） 近藤守男

他、「高効率大型ガスエンジンを開発」

三井造船・技報第 191 号（平成 19 年 6 月）P22
40 年史」日本内燃機連合会（1994 年

10 月）P143
9） 古谷博秀

他、「レーザによる燃焼制御技術の開発−ガスエンジンの新しい着火方式の試み−」三
井造船・技報 199 号（平成 22 年 2 月）P19

本陸用内燃機関協会誌 LEMA 第 492 号（平成 2010）「PA5L-DF

取扱説明書」新潟原動機

技術資料

年 7 月）P51 − 58

11）後藤 悟、「ガスエンジン」新潟原動機

技術資料5） 中野良治

他、「高出力ガス機関 KU30GA の開発」三菱重工業・技報害 38 巻 4 号（平成 13 年 7106

取扱説明書」新潟原動機

8）「日内連技術資料
3） 別 府 治

6）「L22AG

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August（平成 11 年 5 月）

5 わが国におけるガス機関の歴史
5.1

草創期のガス機関（明治、大正、および昭和初期まで）

わが国で初めて石油発動機を製作したような状況であり、一方第 3 章で述べたように、1900 年ころからヨー
ロッパでは有力ガス機関メーカが次々に台頭していわが国においては明治維新（明治元年、1868 年）た。従ってこの時代は小型の発動機は欧米から輸入しとともに文明開化の波が押し寄せてきたが機械工業のたものを模倣して生産し、中型・大型機関は欧米の先興隆はまだまだ先のことであり、一方、オットーがフ進的なエンジンメーカーからの輸入や技術提携によるリーピストン機関を完成したのが 1867 年、4 サイク生産に頼らざるを得ないという状況であった。

ル・ガス機関を発明したのは 1876 年で、工業力は欧米と大きな差があった。

この時期のわが国の内燃機関メーカ等の動きを中心に、操業開始順に記述する。

それでも明治中期からは小・中の工場が立ち上がり、その動力として蒸気機関、ガス発動機および石油

5.1.1

池貝鉄工所

発動機等が盛んに使われ出した。勿論当初は欧米から

池貝は 1889 年（明治 22 年）に操業を始め、国産旋の輸入品であり、ガス機関は 1882 年（明治 15 年）前

盤の 1 号機を完成し、その後内燃機関の生産にも進出

後に工部大学校（のちの東京大学工学部）によって、して 1896 年（明治 29 年）に国産 1 号機の石油発動機

また石油発動機は 1884 年（明治 17 年）前後に東京職を製作した。さらに大正中期以降わが国で最初の空気工学校（のちの東京工業大学）によって初めて輸入さ噴射ディーゼル機関や無気噴射ディーゼル機関を製作れた。さらにガス発生装置を持った吸入ガス機関はして原動機分野での先駆者となった 3）。

1906 年（明治 39 年）前後に輸入された 1）。
記録によれば全国の内燃動力の使用台数は、1909

5.1.2

横浜船渠（現三菱重工業

横浜製作所）

年（明治 42）に石油発動機 1394 台、ガス機関 838 台、

横浜船渠は 1891 年（明治 24 年）に創業し、明治合計 2232 台が 5 年後の 1914 年（大正 3 年）には石油

30 年代には石油発動機を製作していたが、明治 40 年

発動機 1132 台、ガス機関 2062 台、合計 3194 台で 1.4

代から大正中期にはクロスレー社（英）との技術提携

倍強に増えている。おおよそ石油発動機の出力は 3〜

によるガス機関を製作した。都市ガス用と吸入ガス機

10 馬力、ガス機関は 5〜100 馬力で、ガス機関が大幅関があり、都市ガス用は数馬力から数十馬力、吸入式に増え、石油発動機が減ったことは製造業の規模が大は最大 200 馬力程度まで製作して秋田県や愛知県の製きくなったことを示している。さらにこれより大きな材所に納入した。その後ディーゼル機関分野に進出し動力が必要な場合は蒸気機関（15〜250 馬力）が使用て、1929 年（昭和 4 年）MAN 社（ドイツ）と技術された。電気モータも使われていたが送電技術・送電提携を行い、主に 2 サイクルの船舶用主機関を製作し網が未発達で電気料金もかなり高かったようだ。

た 4）。

参考までに 1911 年（明治 44 年）の試算では 10 馬力の原動機を 1 年間運転するための費用（燃料費＋保守費＋人件費＋購入費の減価償却費）は蒸気機関を 1
とすると、

5.1.3

新潟鐵工所（現新潟原動機）

日本石油は 1895 年（明治 28 年）ころアメリカから輸入した石油発動機を新潟地区の油田で使用してい

蒸気機関

1.0

た。これを参考にして日本石油・新潟鐵工所の長岡工

石油発動機

0.65

場で 1901 年（明治 34 年）ころから石油発動機を製

ガス機関

0.43

造して油田の汲み上げ用に使用した。さらに 1903 年

電気モータ

0.44

（明治 36 年）日本石油は油田掘削の動力用としてアメであり、ガス機関が健闘しているが、蒸気機関に比リカからミーツ・アンド・ワイズ式 2 サイクル 15 馬

べて熱効率が高いこと、石油発動機に比べて燃料費が力の石油発動機を輸入したが、長岡工場はこれも国産安いことが有利であったと思われる 2）。

化して 1905 年（明治 38 年）ころから 1.5 馬力から 25

このような機運を受けて、わが国にも内燃機関を製造するメーカが出現してきたが、池貝鉄工所（現池貝、後の富士ディーゼル）が 1896 年（明治 29 年）に、馬力までの 10 種の 2 サイクル石油発動機の製造販売を行った。
一方長岡工場では油田の随伴ガスを活用する目的でガス機関技術の系統化調査

107

石油発動機：燃料は石油（灯油）を使用し、これをキャブレターで霧化して作った混合気を圧縮して（圧縮比は低い）点火プラ
グで点火する。低出力で簡易な単気筒、横型がほとんどである。取り扱いが簡便であったため農業や林業はじめ各産業分野で使われ、国内メーカも多数あった。
また石油発動機はキャブレターによる混合気形成、点火プラグによる点火および低圧縮などガス機関の方式とほぼ一致していたためガス機関への転用は技術的に比較的容易に可能であったと考えられる。

この発動機を改造して石油またはガスを単独に、あるの写真を示す。

いは併用で運転できるようにした。さらにこれを参考

また図 5.2 に明治 41 年に作成された同社の「吸入にしてガス機関の生産を行い、1925 年（大正 14 年）

瓦斯発動機取扱書」に掲載されているガス発生装置とまでに 15 馬力から 125 馬力まで計約 80 台を製造、納ガス発動機の外形図を示す。
同社は船舶用の吸入式ガス発動機にも取り組み、入した。
1931 年（昭和 5 年）には新潟鐵工所（明治 43 年に1908 年（明治 41 年）長崎県の客船（フェリー）2 隻

日本石油から独立）が立型 4 シリンダ天然ガス機関に納入したが、ガス発動機は灯油発動機に比べて 1 時（345PS間当たりの燃料費が約 1/3 で済んだことから、その信2 台）を新潟県刈羽郡の発電所に納入したと頼性と経済性が大評判になった。

いう記録がある。
これらの経験をもとに、その後新潟鐵工所は焼玉機
関を製作し、さらにディーゼル機関の製造へと移っていった 5）。
5.1.4

発動機製造（現ダイハツディーゼル）1907 年（明治 40 年）に設立された発動機製造は当初石油発動機を製造していたが、自社設備としてイギ
リスから輸入したラストン・プロックター社製のガス機関を参考に国産化を図り 6 馬力の吸入式ガス発動機
を設計、製造した。その後同社はガス発動機を主力製品に据えて、まず 8 馬力〜30 馬力までシリーズ化し、その後さらに 40 馬力、50 馬力のガス発動機を完成した。
図 5.1 に明治 42 年に作成された同社のカタログに掲載されている 50 馬力吸入ガス機関のガス発生装置

図 5.2

108

国立科学博物館技術の系統化調査報告

図 5.1 50 馬力用ガス発生装置（ダイハツディーゼル提供）

ガス発生装置とガス発動機（ダイハツディーゼル提供）

Vol.17 2012.August

発動機製造はその後もガス機関の設計・製造に注
力 し て、1915 年（ 大 正 4 年 ） に 400PS

3 台を久原に発注して苦心と工夫を重ねて 1919 年（大正 8 年）に国産化 1 号機が完成した。これらのエンジンは順調

鉱業㈱・日立鉱山に納入し、1919 年（大正 8 年）にに稼動したが、太平洋戦争において 1945 年（昭和 20は 500PS

1 台を津電灯会社に納入した。1919 年に年）に空爆で被害を受けて運転不能に陥り、戦後間もは 125 馬力の天然ガス発動機 12 台を日本石油に納入、なく解体されたが、実に 30 年〜40 年間三池の石炭化

さらに石炭ガスからタール分の除去に成功してこれを学コンビナートの電力を賄ってきた。技術も製造設備商品化し、有煙炭だけでなくあらゆる有煙燃料の使用も貧弱な時代に、国産化に邁進した当時の技術者の心も可能にして、吸入式ガス発動機の使用分野を広げ意気を思うと感慨深いものがある 8）。

た。

以上のメーカのほかに川崎重工業が 1878 年（明治昭和に入ると同社はディーゼル機関の製造に進出

11 年）に川崎築地造船所として創業し、三井造船はし、1934 年（昭和 9 年）に「ダイハツディーゼル機

1917 年（大正 6 年）に三井物産・造船部として現・関」を発売。1942 年（昭和 17 年）には重油節減のた岡山県玉野市で創業したが主に中型・大型船舶用主機

め天然ガスを燃料とし、重油で点火する「天然ガス燃

関として技術提携による 2 サイクルおよび 4 サイク

料ディーゼル機関」を開発した 6）。

ル・ディーゼル機関を製造して、太平洋戦争前はガス機関については特に関与していなかった 9）、10）。

5.1.5

山岡発動機工作所（現ヤンマー）

山岡発動機工作所は 1912 年（明治 45 年）に創業し、
当時電化で不要になったガス機関を購入して吸入ガス

このあと第 2 次世界大戦（1939 年〜1944 年）、 太
平洋戦争（1941 年〜1945 年）に入るまでガス機関としては特に大きな動きはなかった。

発生装置を取り付け、吸入ガス機関として非電化地

太平洋戦争中および戦後は液体燃料が逼迫したた

域に販売した。その後大正時代に入って石油発動機のめ、第 3 章で記述したように、鉄道車両やバスはガソ

製造・販売をおこなっていたが、1920 年（大正 9 年）

リン機関をガス機関に改造して運転された。

には自社開発の「立型石油発動機」を、その翌年には「横型石油発動機」を製造・販売した。1925 年（昭和5.2 太平洋戦争後元年）には「ヤンマーオフセット式石油機関」（ピストンの側圧を減らすため、シリンダ中心とピストン中
心をずらして異心としたもの）を製造・販売し、これがヒット商品となり経営拡大の基盤を築いた。

太平洋戦争後、いわゆる戦後のガス機関は大きく 3
つの時期に分けられる。
第 1 期は戦後復興期を過ぎて国内が高度成長期に移昭和に入るとディーゼル機関の将来性、発展性に着る昭和 30 年（1955 年）以降であり、この時代は国内

目してディーゼル機関の開発・生産へと進み、1933

外で石油随伴ガスやバイオマスガスを有効に活用しよ

年（昭和 8 年）に世界最小の横型 4 サイクル・ディー

うという目的から二元燃料機関（デュアルフューエル

ゼル機関を完成した。

機関）が開発された。基本的には余剰なガスを燃料とこの開発には燃料噴射ポンプや燃料弁の小型化のたして発電することが目的であって、理論混合比燃焼

め非常に苦労を重ねた末に開発に成功したことが記録（ストイキ燃焼）が主体であり、エンジンおよび発電に残されている 7）。

設備としての信頼性や耐久性の確保に重点がおかれ、熱効率や正味平均有効圧力（出力）は二義的に設定せ

5.1.6

三井鉱山・三池製作所

ざるを得なかった。

三井鉱山・三池鉱業所は 1910 年（明治 43 年）に

第 2 期は経済が継続的な成長を続けていた昭和 55

MAN 社（独）から DTZ 型ガス機関（3000PS/100rpm）

年代（1980 年〜）であり、1986 年（昭和 61 年）8 月という大型ガス機関を 2 台購入し、三池焦煤（コークに通商産業省（当時）によって「コージェネレーショス）工場に設置した。その後大正時代に入ると同機関

ン等の系統連系に関する技術要件ガイドライン」がを参考に国産化して 3 台製作し、2 台を自工場の増設制定された。これは自家用発電設備を高圧（6600V）に当て、残る 1 台は八幡製鉄所に納入した。国産化は以上の商用電力系統に連系する場合のガイドライン

三井鉱山・三池製作所が中心となって行ったが、大きで、効率の高い分散型発電方式を促進することによっな部品は 40 トンもあったため三池製作所で製造できて、エネルギーの有効利用を図ることを目的にしていない大物鋳鍛鋼部品は三井系列の日本製鋼所に発注た。このガイドラインが動機付けとなり、コスト競争

し、発電機も同じく三井系列の芝浦製作所（現東芝）

力を強く意識していた企業は電気と蒸気のコストを下

ガス機関技術の系統化調査

109

げるため、ディーゼル機関やガスタービンを原動機とよってディーゼル機関と同等に持ち上げられた。

したコージェネレーション（熱電併給システム）を

これらの改良と技術開発のためわが国のメーカは独競って採用した。この中でも大都市近郊で窒素酸化物

自に、あるいは他社と共同で必死に技術開発に取り組（NOx）の排出規制が厳しく、電気や蒸気の需要が中んできた。

規模（ほぼ 100〜5000kW）の企業はガス機関によるコージェネレーションを選択した。

第 6 章以降は、太平洋戦争後のわが国におけるガス機関の技術開発史について詳しく記述していく。

従ってこの時代は NOx の低減に主力が注がれて希薄燃焼方式が主体となっていたが、ノッキング等の制参考文献、引用文献

約のため、出力は同サイズのディーゼル機関に比べて

1） 荒井久治、「陸用内燃機関の歴史的発達と未来

7 割〜8 割程度であり、熱効率はディーゼル機関の 9（15）」 日 本 陸 用 内 燃 機 関 協 会 誌

割前後であった。

（平成 16 年 10 月）P55 − 56

第 3 期は環境保全意識が高まった H10 年（1998 年）（16）」 日 本 陸 用 内 燃 機 関 協 会 誌

さらに地球温暖化の大きな要因とされる温室効果ガス（平成 18 年 4 月）P93 − 94

（CO2、メタン、フロン類のようなグリーンハウスガ3）「富士ディーゼルス＝ GHG）の排出抑制が強く叫ばれ、1997 年（H9 年）

4）「三菱重工業・横浜製作所

環境保全に対する意識がさらに高まったが、この状況の中で NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）によって 2003 年（H15 年）に設定された補助金制度がインセンティブともなって、ガス機関を使った
コージェネレーションシステムが再び注目を集めるようになった。ガス機関は天然ガス（または LNG）を

業

LEMA483 号

30 年の歩み」（昭和 54 年 6 月）
100 年史」三菱重工

横浜製作所（平成 4 年 2 月）P507 − 5095）「新潟鐵工所

100 年史」新潟鐵工所（平成 8 年 3月）P54 − 55、P82 − 836）「ダイハツディーゼル30 年史」ダイハツディー

ゼル（平成 8 年 12 月）P4 − 6、P9 − 10、P27
7）「ヤンマー

70 年史」ヤンマー（昭和 58 年 6 月）

P3 − 8、P13 − 16

燃料とするため、CO2 の排出量は軽油や重油を燃料と

8） 山岡茂樹、「三池のマンモスガスエンジン」内燃するディーゼル機関に比べて 20％強も少なく、燃料機関誌第 32 巻 7 号（平成 5 年 7 月）P73 − 80

中に硫黄分をほとんど含まないため SOx も排出しな

9）「原動機事業 100 年のあゆみ」川崎重工業（平成い。また希薄燃焼方式を採用して NOx を大幅に減ら

20 年 3 月）P334

した。さらに重要なことは低成長経済の時代の要求に

10）「三井造船

合せて熱効率はディーゼル機関並みに向上し、また出P5 − 8

力も製造メーカのコスト競争力を高めるための努力に

1102） 荒井久治、「陸用内燃機関の歴史的発達と未来

以降で、この時期は NOx や SOx の排出規制に加え、に京都議定書が採択された。これによって各企業のLEMA477 号

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

75 年史」三井造船（平成 5 年 3 月）

6 余剰ガス・バイオマスガスの活用と二元燃料機関（1955 年（昭和 30 年）以降）

程度の時代であったので妥当な出力設定であったと考6.1 この時代の動きえられる。なお本機関は改良を重ねて 1983 年（昭和58 年）には BMEP は 13.5kgf/cm2 と 2 倍近くに増大

第二次世界大戦から 10 年が経過し、昭和 31 年 7 月された。

通商産業省がまとめた「経済白書」に「もはや戦後ではない」と述べたように、わが国も戦後の復興期を終

表 6.1

12VMG27.5X 形ガスディーゼル機関

えて昭和 30 年代からは高度成長期に移って行く。

開発年次

この時期は戦争で輸送船や漁船などの多くの船舶を失ったことに加えて、輸出入の急増に伴う船舶の不足から造船業が復興し、これに供給するためディーゼル機関の生産が活発になった。大手造船会社は海外の有

シリンダ数

主要諸元

開発時
（昭和 35 年）

昭和 58 年

12同左

シリンダ径（mm）
×行程（mm） 275 × 320

同左

出力（PS）／回転数（rpm）

2560／750

1100／600

正味平均有効圧力（kgf/cm2） 7.24

13.5

力メーカと技術提携を行い、主に 2 サイクルの大型
ディーゼル機関を生産し、エンジンの専業メーカは内航輸送船や漁船向けの中・小型 4 サイクルディーゼル

同社はその後も DF 機関（ガスディーゼル機関）

機関（主機関および発電用機関）の増産に追われた。

（用語の解説は第 4 章を参照）の開発、ラインアップ

海外では 1950 年前後に中東で大油田が発見され、を積極的に進め、1974 年（昭和 49 年）にはフラン

これに刺激されて世界各地で油田やガス田の開発が行スの S.E.M.T. Pielstick 社（現 MAN Diesel & Turbo

われた。ガス田から生産される天然ガスや、油田や海France 社）との技術提携による、10PC2-3DF 形機関

洋リグから発生する随伴ガスを活用するためガス機関を製作しマレーシア電力局に輸出、常用発電機としの需要が生まれてきた。

て長時間の運転実績を持っていた。
（この機関の主要

一方、米国では既に自国で産出する安価な天然ガス

諸元は、シリンダ径 400mm、行程 460mm、回転数が入手できており、これを燃料とするガス機関が発達

500rpm、出力 500PS/ シリンダ、BMEP15.6kgf/cm2）していた。

さ ら に こ れ ら の 実 績 を も と に、1978 年（ 昭 和 53

しかし当時はまだ天然ガスを液化して海外に運ぶ技

年 ） に 高 性 能 の ガ ス デ ィ ー ゼ ル 機 関 6LG32X 形
13.1kgf/cm2） を 開 発 し、術が確立されていなかったためガス機関の使用はガス1600PS、600rpm（BMEP

田の近辺か、パイプラインで供給可能な地域に限ら

ボリビア電力局の常用発電用として 2 台納入した。

れていた。因みに LNG 運搬船が開発されたのは 1959
年（昭和 34 年）の実験船が最初であった。

また下水処理場で発生する消化ガスの利用についても研究を進め、消化ガスを主燃料とするガスディーゼル機関

6.2 富士ディーゼル

3HG19D 形（100kW/1200rpm）を開発して下水処理場に納入した。
この時代は富士ディーゼルがわが国の最先端でガス

戦後わが国のトップバッターとして産業用のガス機関を開発したのは富士ディーゼル（1949 年に㈱池貝館山製作所として池貝鉄工所から独立、1956 年に富士ディーゼル㈱に社名を変更、1990 年に解散）で機関（ガスディーゼル機関）の技術開発に取り組んでいたと云える 1）。

6.3 神戸製鋼所あり、同社は 1960 年（昭和 35 年）にディーゼル機
関 を ベ ー スに、これに独自の設計で 改 良 を 加 え て
12VMG27.5E 形ガスディーゼル機関を開発した。

神戸製鋼所は 1963 年（昭和 38 年）米国のクーパー
ベ ッ セ マ ー 社（Cooper

Bessemer） と LSV 形 ト ラ

このガスディーゼル機関は V 型 12 シリンダ、過イヒューエルエンジン（Tri Fuel Engine）の技術提

給 機 付 き で 東 パ キ ス タ ン（ 現・ バ ン グ ラ デ ィ ッ携を行った。TF エンジンとはガス機関、ガスディー

シュ）の火力発電所に納入された。正味平均有効圧

ゼル機関、ディーゼル機関という三様の運転が可能な

2

力（BMEP）は 7.24kgf/cm で、現在からみれば低いエンジンであり、米国の安い天然ガスを燃料とし、ガ2

ス供給の停止時にはディーゼル機関として運転するもようであるが、当時はディーゼル機関でも 10kgf/cm

ガス機関技術の系統化調査

111

ので小都市の電気事業用を主体に開発された。

（ヘリカルギア）になっているので、タイミング歯ガス機関としては電気式の点火プラグで点火し、ガ車の軸が前後に動くことによってレバー軸を押し上

スディーゼル機関およびディーゼル機関として運転すげる動作開始を負荷や回転数によって調節することる場合は一度エンジンを停止して点火プラグを燃料噴ができる。今日の技術では噴射弁の頭部に電磁弁を射弁に交換してから再起動するという、かなり割り取り付け、電子ガバナーから負荷や回転数による信切った発想を持つエンジンであったが、別の見方をす

号を受けて噴射弁の開弁タイミングや開弁期間をコれば燃料に対する柔軟性の高いエンジンであった。

ントロールしているが、これらの機能を分配弁で機械的に行っていることは見事と言わざるを得ない。

表 6.2

LSV-16-GDT-SG 形機関主要諸元・ガスディーゼル機関モード

ディーゼル機関モードの切り替えは制御空気と電磁弁やリンク機構を駆

シリンダ数

16

シリンダ径（mm）
×行程（mm）

393.7（15.5 インチ）×558.8（22 インチ）

出力（PS）／回転数（rpm）

4610／333

使したシステムであり、これも電子制御技術が未発達な時代としてはかなり高度な技術であった。

正味平均有効圧力（kgf/cm2） 11.6
熱効率（ガス機関モード）（％） 42.0

BMEP は 11.6kgf/cm2 でそこそこであるが、熱効率は 42％という当時としてはかなり高い効率であった。
（文献に依ると、BMEP16kgf/cm2 で数千時間の耐久試験を完了しているが、産業用エンジンとして信頼性、耐久性を確保するため、あえて出力を下げた設定とした、と記述されている。
）
このエンジンには多くの新規の技術が盛り込まれているが、一例を紹介すると、・ガス機関モードでは、大きなシリンダ径に対して点図 6.1 蓄圧式燃料油系統（C-B 方式）原理図 3）

火プラグで点火するため点火プラグは 2 ケ装着して、しかも時間差を設けて 2 段点火させた。

これを国産化した神戸製鋼所も所定の性能を引き出・ガスディーゼル機関モード、ディーゼル機関モード

すためにかなり苦労した様子が文献から読み取れるで幅の広い液体燃料噴射量を精確に制御するため蓄が、排気管内の合流部の形状にしても排気干渉を避け

圧器を使った蓄圧式燃料系統（C-B 燃料システム）るため各種の実験をした後に図面通り作ることの重要を採用した。

性に納得している 2）、3）。

これは今日の新鋭技術であるコモンレールシステム

そのほかの国内のメーカはこの時期はガス機関およの奔りであり、現在のように電子制御機器が発達しびデュアルフューエル機関については特に動きはなていなかった 1960 年代としては画期的なシステム

かったようだ。

と云える。この仕組みを図 6.1 に示す。
燃料ポンプから吐出された高圧油は蓄圧器に入っ

参考文献、引用文献て、いったんここで蓄えられる。蓄圧器は分配弁と1） 川崎昭久、「富士ガスディーゼル機関」内燃機関

つながっており、分配弁は下からカムとレバーで突誌第 22 巻 11 号（昭和 58 年 9 月）P29 − 37

き上げられて上昇し、分配弁の上部の油溜まりか他、「LSV トライヒューエルエンジ

ら分配弁の外周を通って高圧の燃料油が噴射弁に供ン（1）」内燃機関誌第 6 巻 8 号（昭和 42 年 8 月）給される。レバー軸は偏芯しているのでカムのリフ

P47 − 56

トが一定でも、調速機とつながったレバー軸の支点

3） 川上茂三

他、「LSV トライヒューエルエンジが移動することにより分配弁の上昇期間が変化してン（2）」内燃機関誌第 6 巻 9 号（昭和 42 年 9 月）

負荷に応じて噴射弁への供給量をコントロールしてP47 − 53いる。またカムを駆動するタイミング歯車はハス歯

1122） 川上茂三

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

7 コージェネレーションシステムとガス機関（1980 年（昭和 55 年）以降）

7.1 この時代の動き

ポイントほど低かったため、ディーゼル機関に比べて劣勢であったが、窒素酸化物の排出濃度の点では有利であったので、窒素酸化物の排出規制が厳しい大都市

昭和 30 年代〜40 年代に経済の高度成長が続いた周辺ではガス機関を使ったコージェネレーションが採が、そのマイナス面として公害問題が発生し、公害用された。
（窒素酸化物の排出上限は都道府県条例にに対する政府・企業の取り組み姿勢が厳しく問われよって個々に決められた。）

た。対策として、まず 1968 年（昭和 43 年）に大気汚染防止法（大防法）が制定され、硫黄酸化物の排出規制が実施された。その後大防法は順次見直し改正が行われ、1988 年（昭和 63 年）にはディーゼル機関とガ

S.E.M.T

Pielstick 社（仏）と国内ラ

7.2 イセンシー

フ ラ ン ス の 中 速・ 高 速 4 サ イ ク ル エ ン ジ ン メ ー

スタービンの窒素酸化物の排出規制、1991 年（平成 3カーである S.E.M.T

年）には図 7.1 に示すようにガス機関の規制が追加さ

Turbo France）は 1960 年代から積極的に PC2 シリー

れ、その後強化された。

ズ（シリンダ径 400mm、行程 460mm）のデュアルPielstick 社（現 MAN Diesel &フューエル化を進めてきた。
1974 年（昭和 49 年）に米国のライセンシーである COLT Fairbanks Morse 社が 12PC2-3DF 形をイリ
ノイ州の発電所に納入し稼動を開始、15 年経過した
1989 年の時点で総運転時間 61,930 時間をカウントしていた（年間平均

4,130 時間）1）。

わ が 国 で も 石 川 島 播 磨 重 工 業（ 現 IHI、 そ の 後
ディーゼルユナイテッド社が引き継ぐ）、日本鋼管（現JFE スチール、その後 JFE

エンジニアリング社が引き継ぐ）および富士ディーゼル（1973 年から新潟鐵工所が引き継ぐ）が S.E.M.T 社のライセンシーとなったがディーゼル機関に加えて、デュアルフューエ
ル機関についてもライセンス生産を行い、国内外に納入した。
新潟鐵工所（現新潟原動機）の例では PA5-DF 形
図 7.1

ガス機関の排出ガス規制の推移９）

機関を 1984 年（昭和 59 年）〜2003 年（平成 15 年）の間に 35 台（国内 6 台、海外 29 台）を納入し、PC2-

一方では製造業各社は円高に対応してコスト競争力

5DF 形機関を 1988 年（昭和 63 年）〜1996 年（H8 年）を高めるためコスト低減活動を行っていて、その一環の間に 8 台（全て海外）を納入した。国内より海外向として世界的に割高とされた電気代の低減に眼を向けが多いことが注目されるが、海外の納入先は中国、け、政府は 1986 年（昭和 61 年）に効率の高い分散型

韓国、台湾、インドネシア、バングラデシュであり、発電方式の採用を促すため、「コージェネレーション

中国向けは海洋掘削リグで随伴ガスを使った発電用で等の系統連系に関する技術要件ガイドライン」を制定

あった。

した。
採用を検討した企業は発電だけでは採算が難しいの

7.3 富士ディーゼル

で、原動機の排気ガスから蒸気や温水を発生させる
コージェネレーション（熱電併給システム）の導入

第 6 章でも述べたように 1960 年（昭和 35 年）ころに動き、大別して単機 1 万 kW 以上はガスタービン

から、富士ディーゼルは積極的にガスディーゼル機関を、それ以下はディーゼル機関を採用した。この時代（DF 機関）の開発を行ってきて、国内メーカーの先はまだガス機関の熱効率はディーゼル機関より 2〜5

駆者的な役割を果たしてきた。

ガス機関技術の系統化調査113

表 7.1

富士ディーゼルの主なデュアルフューエル機関の主要諸元

機関名称

出力（PS）

回転数
（rpm）

シリンダ数

シリンダ径×
行程（mm）

正味平均有効圧力（kgf/cm2）

着火方式

6HG19

580

1200

6

190 × 225

11.4

DF

6MG23C

975

1000

6

230 × 260

13.5

SG

18PA4V-185

2250

1500

18

185 × 210

13.3

SG

6LG27.5X

1280

750

6

275 × 320

13.5

DF

16VG27.5X

3400

750

16

275 × 320

13.4

DF

6LG32X

1650

600

6

320 × 380

13.5

DF

18VG32X

4950

600

18

320 × 380

13.5

DF

（注）DF ＝デュアルフューエル機関、SG ＝スパークガス機関

1960 年に開発した 12VMG27.5E 形を出力アップしてシリーズ化するとともに、継続的に HG19 シリー
ズ（145PS 〜 580PS）、MG23C シ リ ー ズ（975PS 〜
1300PS）、PA4V シリーズ（1000PS〜2250PS）、G32X

し、負荷に応じた空燃比が一定に制御されるようにした。このシステムを図 7.2 に示す。
・燃料噴射弁は噴射量が少なく自己冷却作用が期待できないため、水冷式を採用した。

シリーズ（1650PS〜4950PS）を開発して、1983 年（昭・潤滑油の上がりを極力少なくするため、ライナ、

和 58 年 ） ま で に 5 機 種・18 形 式 で 145PS〜4950PS

ピストンおよびピストンリングの組合せに配慮しまでをカバーするラインアップを揃えた。

た。また潤滑油は添加剤を吟味し、灰分の少ない

富士ディーゼルはこれらの開発にあたり留意した点（低アルカリ価）タイプを採用した。
・ガス運転中に異常が発生し機関を停止する場合、として、・空気過剰率（空燃比）を一定に保つこと。

自動的にガスモードからディーゼルモードに切り・サイクル毎の燃焼変動を極力小さくすること。

替えられた後に停止するが、この動作をスピー・ディーゼル機関に比べて空燃比が小さいので、排ディー、かつ安全に行うためこれらの制御機構

気温度が高くなるため、燃焼室周りの部品の耐熱は、制御空気系と電気系の両方で二重に保護され性に注意を払うこと。

ている。切り替え機構の概念図を図 7.3 に示す。

・潤滑油の上がりを極力減らして高温の熱源に成り得る堆積物の生成を防ぎ、ノッキングの発生防止を図ること。そのため潤滑油の性状選定に注意を払うこと。
・ガスモードとディーゼルモードの切り替えを適切に行うこと。
などを上げているが、現在から振り返っても技術上のポイントを衝いていたと思う。
また上記の課題を解決するための一例として次のよ
うな開発または技術対応を行った。
・ガス供給量を正確に制御するため、油圧駆動式のガス弁を開発した。
・空気過剰率をほぼ一定に制御するため排気温度を一定に保つ調節方法として、過給機出口の排気ガ
ス温度を検出して空気圧力信号とし、一方負荷に応じたガバナ出力によって制御されるガス弁の開口期間を調節する空気制御弁の空気圧力信号（負荷に比例）との二つの信号を空気圧制御リレーに入れて出力空気圧力を決定。これに基き過給機ブ
ロア出口に設けられたバイパス弁の開度を決定

114

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Vol.17 2012.August

図 7.2

空燃比制御システム図 2）

図 7.3

ガスモードとディーゼルモードの切り替え概念図 2）6LG32X 形（1650PS/600rpm） の ガ ス モ ー ド と

和 57 年）には船舶の主機関用としてオーストラリア

ディーゼルモードの性能比較を図 7.4 に示す。100％に輸出したという実績がある。船舶用ガス機関につい時では熱効率はほぼ同じで、37％〜38％を達成していては第 10 章で詳述するのでここでは記述を省くことる。また過給機出口の排気ガス温度は全負荷域においにする。

て 400℃前後に一定に保たれて、熱回収上有利なことがわかる。

以上のように 1960 年（昭和 35 年）から 1985 年（昭和 60 年）の間、富士ディーゼルはデュアルフューエ
ル機関の技術開発において国内同業他社の先陣を切っていた 2）。

7.4 新潟鐵工所（現新潟原動機）
7.4.1

小型ストイキ燃焼ガス機関の開発と提携 DF
機関

7.2 項で記述したように新潟鐵工所は 1984 年（昭和 59 年）から S.E.M.T Pielstick 社（現 MAN Diesel& Turbo France）と技術提携した PA5-DF 形機関やPC2-5V-DF 形機関を生産したが、それ以前に 500kW前後の小型ガス機関についての需要に応えるため自社開発を進めた。
ま ず 1982 年（ 昭 和 57 年 ） に 6L13AHS 形 デ ィ ー
ゼル機関（6 シリンダ、シリンダ径 130mmm、行程160mm、350PS/1900rpm、BMEP13.0kgf/cm 2）を母体にして、同社として最初の電気火花点火式のガス機関である 6L13AHS-SG 形（ストイキ燃焼方式、
図 7.4

6LG32X 形

性能曲線 2）250PS/1800rpm、BMEP9.82kgf/cm2）を開発した。1号機はバングラディシュの国営放送局の非常用発電用

同社の DF 機関の主な用途は油田から発生する随伴として納入された。これは日本国政府の ODA としてガスを燃料とする発電用機関であったが、1982 年（昭清水建設が放送局を建設し、その非常用電源として納ガス機関技術の系統化調査

115

次に S.E.M.T 社との技術提携機関である PA5 形機入したものであるが、バングラディシュは天然ガスの関のデュアルフューエル化に当たり、開発設計はすべ豊富な国であるためガス機関が選定された。
次 い で 1986 年（ 昭 和 61 年 ） に 16NSAK-SG 形て新潟鐵工所が実施し、S.E.M.T 社からは PC2-5DF（16 シ リ ン ダ、 シ リ ン ダ 径 133mm、 行 程 160mm、形の経験に基くアドバイスをもらっただけであった。

2462PS/1500rpm、BMEP7.81kgf/cm ） を 開 発 し た。

初 号 機 は 正 味 平 均 有 効 圧 力（BMEP）10kgf/cm2 程

これは 3 台しか作られなかったが東京都清掃局のゴミ度で納入されたが、これは海洋石油掘削リグの要求

埋立処理場に納入され、生ゴミから発生するランド

電力にあわせて設定されたものであり、開発自体はフィルガス（消化ガス）を燃料として発電を行いゴミBMEP12.5kgf/cm2 で実施された。その後出力アップ

処理場内の電力をまかなった。ランドフィルガスは成が図られ、最終的には BMEP13.05kgf/cm2 まで増大

分がばらつくため発熱量も 4000〜7000kcal/m3 のよされた。また各種ガス対応として、消化ガス仕様もうに大きく変化し、供給する空気量もこれに対応させ開発し韓国や国内の下水処理場に納入した。表 7.2 になければならない。また発熱量自体も低いためガスミ

DF 機関とディーゼル機関の主要目と性能比較を示

キシング方式（キャブレター方式）では燃料ガスのシす。

リンダ内供給量の制約からエンジン出力も低く設定せ

表 7.2 の比較からわかるように DF 機関はディーゼ

ざるを得なかった。このエンジンも電気火花点火式、

ル機関に比べ、出力（正味平均有効圧力）は 7〜9 割

ストイキ燃焼方式であり、NOx 低減のため初めて三に設定され、熱効率は 3〜5 ポイント低かった。出

元触媒装置を採用した。

力が低い理由は空気過剰率が約 1.5 と低かったので納入当初は排気ガス温度が高いため排気弁の損傷や排気温度が高くなり、その制約を受けたためである。

排気管のトラブルおよび三元触媒表面に二酸化ケイ素（ディーゼル機関の空気過剰率は約 2）DF 機関ではガ（SiO2）が付着することによる脱硝効率の低減問題にス運転モードでガスの点火をスムーズに、燃焼を安定直面した。排気弁は特殊耐熱材料（トリバロイ）に変的に行うため、ガス濃度をある程度濃い目にしておく

更、排気管は空冷タイプから水冷タイプに変更して解必要があり、空気過剰率はディーゼル機関より低く設決したが、三元触媒劣化対策にはかなり悩まされた。

定した。図 7.5 に PA5L-DF 形の断面図を示す。

ランドフィルガス中に含まれるシロキサン（酸素、ケ

同社は 6L13AHS-SG、PA5-DF および PC2-5-DF 形

イ素、アルカン基の有機化合物）がエンジンの燃焼室

機関を用いて研究と実験を重ねて多くの技術的知見をで酸化して二酸化ケイ素となって三元触媒の表面を覆得ることができた。このあと先行フィールド機関にようように付着するもので、表面積が減るために当然脱る技術経験とこれらの知見をベースに、本格的なガス

硝効率が低減する。最終的にはガス配管のエンジン入機関コージェネレーションに参入するため、高効率で口にシロキサンを捕捉するためのフィルターを追設し

低 NOx の希薄燃焼ガス機関 26HX-G 形と 33CX-G 形て解決した。

の開発に取り組んだ。

表 7.2

116

6PA5L-DF 形機関、14PC2-5V-DF 形機関の主要目と性能

機関名称

6PA5L-DF 形（天然ガス使用時）

6PA5L 形
（ディーゼル機関）14PC2-5V-DF 形（天然ガス使用時）

14PC2-5V 形（ディーゼル機関）

燃焼方式

単室式

単室式（直接噴射式）

単室式

単室式（直接噴射式）

シリンダ数

6

同左

14

同左

シリンダ径（mm）×行程（mm）

255 × 270

同左

400 × 460

同左

出力（PS）／
回転数（rpm）

1200／1000

1710／1000

7560／514

8200／514

正味平均有効圧力（kgf/cm2）

13.05

18.60

16.36

17.74

熱効率（％）

37

42

40

43.5

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

力が開発目標とされ、この両者を達成できるのは空気
過剰率が 2 を越える超希薄燃焼方式を実現するしかな
い、という方針で取り組んだ。
1990 年（平成 2 年）に初号機の 8L26HX-G 形機関を自動車関連部品工場に納入し、1991 年（平成 3 年）には 33CX-G 形の初号機 18V33CX-G 形を自動車工場に納入した。
超希薄燃焼を実現するためには希薄混合気における燃焼変動とミスファイヤ（失火）を克服しなければならないが、燃焼方式・空気過剰率・点火時期・圧縮
比・予燃焼室などの設計要素を最適化することにより可能にした。この開発過程で得られた燃焼変動の改善と低 NOx 化のための設計要素の最適化に関する技術
知見の要点を紹介する。
（1）燃焼変動と燃焼方式
NOx の生成はエンジンの燃焼室内が高温であるほ
図 7.5

ど生成が進み、排出濃度が高くなる。また燃焼ガスのPA5L-DF 形機関断面図３）

高温度下での滞留時間の長短も影響し、時間が長いほど生成が進む。従って NOx の生成を抑制するために

7.4.2

は希薄燃焼方式によって燃焼温度を下げることが有効

希薄燃焼ガス機関の研究開発

既述のように 1991 年（平成 3 年）にはガス機関のである（図 7.6 参照）。その反面ガス濃度が薄いため

NOx 規制が始まったが、同社はガス機関の規制開始

着火がし難く燃焼が不安定となり（燃焼変動）、失火に先行して 1987 年（昭和 62 年）に 26HX-G 形ガス機を起こすこともある。

関の開発に着手し、引き続き 1989 年（平成元年）に第 4 章で記述したように、燃焼方式には単一燃焼室

33CX-G 形ガス機関の開発に着手した。26HX-G 形お式と予燃焼室式があるが、Pmax 変動率（COV-Pmax

よび 33CX-G 形の主要諸元を表 7.3 に示す。

＝ 200 サイクルのシリンダ内最高圧力の標準偏差 / 平

開発に当たり、排気ガス排出規制に対応するため低均値）は単一燃焼室方式（△印）の 20％に対して、NOx 化を図ることと、他社を凌駕する高効率・高出

予燃焼室方式（○印）は 3％程度と小さく、点火エネ

表 7.3

26HX-G 形機関、33CX-G 形機関

主要諸元

機関名称

26HX-G（開発時）

26HX-G（出力増大時）

33CX-G（開発時）33CX-G（出力増大時）

シリンダ数

6、8、12、16、18

同左

12、14、16、18

同左

シリンダ径×行程（mm）

260 × 275

同左

330 × 360

同左

シリンダ当り出力（PS/cyl.）

180／200

216／240316／329379／395

回転数（rpm）

900／1000

同左

720／750

同左

正味平均有効圧力（kgf/cm2）

12.5

15.0

12.5

15.0

熱効率（％）

40（18 シリンダ）42（同左）

40（18 シリンダ）42（同左）

燃焼方式

予燃焼室式、電気点
火、ガス制御弁方式

予燃焼室式、電気点
火、 ガ ス 制 御 弁 方式、後に SOGAV 方式に変更

予燃焼室式、電気点
火、ガス制御弁方式

同左

開発年

1990 年（H2）1993 年（H5）1990 年（H2）1993 年（H5）（注）SOGAVSolenoid Operated Gas Admission Valve（ガス導入電磁弁）

ガス機関技術の系統化調査

117

図 7.6

空気過剰率と NOx 濃度、Pmax 変動率 4）

ルギーの大きさにより中型以上のエンジンにおいては度の影響も大きい。

単一燃焼室式では希薄化することが燃焼変動の観点か（4）給気温度

ら限界があるため、予燃焼室方式が有利である。

空気過剰率が大きな超希薄混合気においては給気温

注：COV ＝ Coeﬃcient of Variation、変動係数
参考までに電気点火プラグによる点火エネルギーは

度の上昇は燃焼を促進させることとなり燃焼変動が改

0.1〜1.0 ジュール、予燃焼室式の点火エネルギーは予善される。しかし燃焼温度上昇はほとんどないため

2

燃焼室の容積が全燃焼室容積の数％の場合 5 × 10 〜

NOx 濃度の上昇率は小さい。

41 × 10 ジュールである。
（5）パイロットガス量
予燃焼室に供給されるガス量（パイロットガス量）（2）点火時期
点火時期を進めると上死点前の燃焼割合が多くなりを変化させて主燃焼室の燃焼変動について計測した結燃焼温度が上がるため NOx 生成反応は加速されるが、果、予燃焼室容積比が大きいほど燃焼変動が小さく、希薄にするほど燃焼温度の上昇が小さくなるので NOx

また予燃焼室内燃料ガス量比が 9％前後に燃焼変動の濃度はほとんど増加しなくなるものと考えられる。

最小値があることがわかった。
図 7.7 は予燃焼室容積比をパラメータとして横軸に空気過剰率を、縦軸に Pmax 変動率の関係を表した（3）圧縮比
圧縮比が同じで予燃焼室容積が大きくなると燃焼変動は改善されるが、同じ空気過剰率でも NOx 濃度は上昇する。また最低 NOx 濃度レベルも高くなる。
予燃焼室方式の希薄燃焼ガス機関の NOx 排出量は、理論混合比に近い予燃焼室内で発生する NOx 濃図である。
Pmax 変動率はパイロットガス量を変化させて主燃
焼室内の燃焼変動を計測した結果、予燃焼室容積比に関わらず、予燃焼室内の空気過剰率が 1.0 前後で燃焼変動率が最小になることがわかった。

予燃焼室内燃料ガス量比：予燃焼室内の燃料ガスは、パイロットガス量と主燃焼室に供給されたガスの予燃焼室容積比分が主燃焼室から予燃焼室に流入する分とからなる。従い予燃焼室内燃料ガス量比は次の計算式となる。
予燃焼室内ガス量比＝（パイロットガス量＋主燃焼室から予燃焼室に流入分）/（パイロットガス量＋主燃焼室ガス量）

118

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

矢印 A：燃焼変動と燃料消費率を最良とするためには予燃焼室容積を大きくし空気過剰率を小さくする。しかし NOx 濃度が高くなり、ノッキングも発生しやすくなる。
矢印 B：空気過剰率を小さくすると NOx 濃度が上昇するが、予燃焼室容積を小さくすれば
NOx 濃度が抑制できる。しかし燃焼変動が犠牲になる。
矢印 C：超低 NOx を濃度を追求するためには予燃
焼室容積を小さくし、空気過剰率を大きくする。この場合は燃焼変動と燃料消費率を犠牲にすることになる。
矢印 D：NOx 濃度の上昇率を抑制し、同時に燃焼変動を改善するためには予燃焼室容積を大きくし、空気過剰率を大きくする。この場
合燃料消費率は犠牲になるが、空気過剰率
図 7.7

予燃焼室内の空気過剰率と COV-Pmax/Pcom の関係 5）が大きくなるほど少ない犠牲ですむ。
矢印 E：NOx 濃度は排気ガス中の空気過剰率が同一であっても予燃焼室容積が大きくなるにつれて高くなる。またパイロットガス量の（6）予燃焼室容積比
予燃焼室容積比は、予燃焼室での最大発生エネル

適正化は NOx 上昇率を抑制しつつ、燃焼ギーを決定付ける大きな要素であり、さらに予燃焼室変動を改善することになり、燃料消費率のからの噴出火炎が主燃焼室内の希薄混合気の着火源で改善もできる。

あるため、予燃焼室内の発生エネルギーの大きさにより主燃焼室内の燃焼状態や NOx の発生量が変化する。

7.4.3

効率アップと出力アップの達成

一方、NOx 濃度は予燃焼室内燃料ガス量比に対し以上のような研究開発と解析を行い、ノッキングのてはほとんど影響がなく、予燃焼室容積比が大きくな

定量化とこれを抑制するための設計要素の最適化をるにつれて増加する。

行った。あわせてノッキングの兆候を事前に察知する以上の実験研究結果により、予燃焼室方式における

ため、および機関に損傷を与えない程度の軽微のノッ

空気過剰率と予燃焼室容積の最適化方向性が把握されキングを早期に検出するためノッキングセンサーを

た

4）
、5）

。これを図 7.8 に示す。

設置し、26HX-G 形と 33CX-G 形の開発から約 3 年後に 20％の出力アップと 5％の効率アップに成功した 5）（表 7.3 を参照）。その後 26HX-G はエンジン全体のガス量を制御するガス制御弁とシリンダ毎のガス量を微調整するバランシングバルブに替えて、シリンダ毎にガス量を自動的に調整するガス供給電磁弁を採用して、よりノッキングに対する耐性を高くした。
ノッキングセンサーはシリンダ毎にシリンダヘッドの取り付け用スタッドボルト頭部に振動加速度センサーを取り付けたもので、ガス供給電磁弁採用後は事前にコントローラにインプットされた閾値（しきいち）とセンサーからの振動値を比較して閾値をオー
バーしそうな場合は該当するシリンダのガス供給電磁弁に指令を出して燃料ガスの噴射期間を短くし、ガス

図 7.8

空気過剰率と予燃焼室容積の最適化 4）

供給量を減らしてノッキングを回避するシステムとした。

ガス機関技術の系統化調査

119ガス供給電磁弁は 4.2（2）項でガスバルブ（電磁弁）と称して紹介しているもので、ガス機関の出力制御のため重要な機器であり、次にその概要を紹介する。
また図 7.9 に 16V26HX-G の機関写真を示す。

図 7.9

16V26HX-G 形ガス機関（新潟原動機提供）

ガス供給電磁弁：ガス供給電磁弁は米国に本社がある Woodward, Inc.（以後ウッドワード社と記述）の製品であり、商品名をSOGAV と呼んでいる。正式名称は「Solenoid Operated Gas Admission Valve」で、日本語では「ガス導入電磁弁」や「ガス供給電磁弁」と訳されている。
①

SOGAV 開発の歴史

SOGAV はウッドワード社が 1990 年ころ、欧州のエンジンメーカから要請を受けてガス機関の燃料ガス供給用として開発した。1990 年代の中ごろから欧州の主要ガス機関メーカで使われ始め、わが国でも 1990 年代の中ごろから後半にかけて採用が始まった。現在では世界の主要ガス機関メーカのほとんどがガス供給用として SOGAV を使用している。
SOGAV には 4 種類のサイズがあり、供給量の小さい方から
SOGAV2.2 形、SOGAV43 形、SOGAV105 形、SOGAV250 形があって、これをエンジンメーカは単シリンダ当たりの出力によって、使い分けている。
同じ型式のエンジンでも発熱量が低い木質バイオガス等を使用する場合はガス供給量を増やすため、サイズを 1 段あるいは
2 段上げて対応している。（SOGAV2.2 形は小容量でおもにパイロットガス用として用いられている。）②

SOGAV の構造・機能

多シリンダの中型、大型のガス機関にはシリンダ間の燃焼バラツキ（排気ガス温度や Pmax のバラツキ）を抑えるため、シリンダ毎に燃料ガスの供給量を微調整する装置が必要になる。
1990 年当時はこれを手動で行っていたケースが多いが、24 時間担当者がついているわけではないのでタイムリーの調整ができないし、そもそも省人化の流れに反していたのでこの機能を自動的に行わせたのが SOGAV である。
下図のように SOGAV は各シリンダ毎に燃料ガス配管とシリンダヘッドの間に取り付けられ、シリンダヘッドの給気ポートに燃料ガスを導入して（送り込んで）いる。このためガス圧力を給気圧力よりも高くしておく必要があり、ガス昇圧用のコンプレッサーが必要になる。（ガスの元圧が 5kgf/cm2 以上あれば不要である。）

SOGAV は電磁弁であり、DC 電源により電磁石を ON-OFF させてバルブを開閉させる。従ってバルブのリフトは一定である
ので、ガス供給量の増減は通電時間の長短によって制御される。SOGAV は In-Pulse（インパルス）という機器がつながっており、In-Pulse からの信号によって ON-OFF している。In-Pulse 制御の一例を上げると、In-Pulse にはガバナからのガス量調整信号やノッキング検出装置からのガス量補正信号、および排気温度センサーからの排気ガス温度等が入力される。最終的に、ガバナからのガス量調整信号に比例した電磁弁の通電時間に、ノッキング検出装置からの補正値も加えて In-Pulse から SOGAV に指示を出している。
SOGAV の断面構造図を次に示す。

120

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.Augustソレノイドが励磁されるとムービングメータリングプレート（MMP）が持ち上がる。
リフト量はアッパープレート（UP）と MMP とのわずかなスキマの分だけである。
MMP がリフトすると MMP とロアーストップ & メータリングプレート（LSMP）との間にスキマができて、このスキマからガスが給気側に送り込まれ、給気といっしょにエンジンの燃焼室へ流れて行く。
このように SOGAV と In-Pulse を採用してノッキング検出装置や排気温度センサーからの信号を取り込むことにより、シリンダ毎のガス量制御が自動的に可能になったため、エンジンメーカはノッキングと対峙する上で非常に有力な手段を得ることになった。すなわち SOGAV が以後のガス機関の出力アップにとって必要欠くことのできない機器になった。
SOGAV の断面構造図からわかるように、
給気圧力＋ソレノイドの吸引力 > 燃料ガス圧力の時に SOGAV が開いてガスが供給される。従って、仮に給気圧力が突然大きく下がったり、逆にガス圧力が急に上昇した
場合、上記の不等式が < になることが有り得る。するとソレノイドが励磁しても MMP は開かないことになり、ガスの供給が絶たれてエンスト発生につながってしまう。
近年この対策として圧力バランス型（PB 型）が開発された。

7.5.1

7.5 ヤンマー

LPG 機関の開発

同社もガス機関に対する取り組みはかなり早く、
1967 年（昭和 42 年）に小型ディーゼル機関を改造し山岡内燃機は 1952 年（昭和 27 年）に社名をヤンマーディーゼル株式会社に変更し、主に小型ディーゼて A 重油と LPG（液化石油ガス）のデュアルフュー
エル機関（DF 機関）の開発に取り組んだ。

ル機関の分野で漁船用や農業用として急速に業容を拡1964 年（昭和 39 年）ころ、科学技術庁（現文部科大していた。余談であるが社名の由来は、1923 年（大学省）は新鮮な野菜、牛乳、魚類を産地から市場まで

正 12 年）にエンジンにつける商標を決めるにあたり、経済的に保冷運搬するため、LPG の気化熱を利用し五穀豊穣の象徴である「トンボ」に決めようとしたがた冷蔵運搬車および冷蔵漁船の開発を計画した。LPG「トンボ」は既に商標登録されていて使うことができ

冷蔵漁船の主機関には A 重油と LPG を任意の割合ないことがわかった。代案としてトンボの中でも一番で混焼できる DF 機関が必要になり、同社が LPG を

大きな「オニヤンマ」と創業者の「山岡」を兼ね合わ使った小型 DF 主機関の開発を担当した。

せて「ヤンマー」にしたとのことである。
その後商標が世間に広く知られたため、そのまま社
6）

名に使うことになった 。

開発試験は単気筒エンジン（シリンダ径 140mm、
行程 200mm、出力 15PS、回転数 850rpm、予燃焼室式、無過給、BMEP5.15kgf/cm2）を使って実施され、LPG の添加割合を増やしつつ、ノッキングの運転限

ガス機関技術の系統化調査

121

界を探りながら行われた。
研究開発の成果として小型ディーゼル機関においても、予燃焼室の形状最適化、圧縮比の変更（低く）、
燃料噴射時期の遅延等によって LPG 添加割合 85％まで運転できることが確認された。しかしこの開発は試験だけに終わり、実用化には至らなかった 7）。
7.5.2

希薄燃焼ガス機関の研究開発

1985 年（昭和 60 年）以降、同社は 8〜20kW クラ
スの GHP（ガスヒートポンプ）用のガス機関を開発し、生産していた。さらに 50〜660kW の三元触媒付
きガス機関を販売していたが、三元触媒付きガス機関
は NOx の浄化率が高いという反面、熱効率が低い、浄化性能の経時的な劣化、熱負荷的な制約から出力限

図 7.10280mm

試験機関のシリンダヘッド断面 8）

図 7.11280mm

試験機関の各バルブタイミング 8）

界が低いなどの課題があった。これらの課題を解決するため、1982 年（昭和 57 年）ころから希薄燃焼方式の研究を重ね、主室式、副室式について比較検討を進めてきたが、最終的に低 NOx 化と高効率化を並立させるためには空気過剰率を 2 前後の超希薄燃焼を実現させる必要があり、そのためには失火限界を希薄側に延ばすことが可能な副室式が有利であるとの結論に至った。
その過程としてまず 1986 年（昭和 61 年）にシリン
ダ径 280mm、行程 360mm、720rpm の単気筒試験機関を用いて研究を行った。
この試験機関は図 7.10 に示すように給排気弁とは別にガス弁を設けて、主室へのガス供給は吸気行程中のみガス弁が開くようにタイミングを設定した。この目的は燃焼室内の冷却のため、燃料ガスの素通りを防止しつつ給排気弁のオーバーラップ期間を十分にとるためであった。
主室ガス弁と給排気弁のタイミングを図 7.11 に示す。
次に副室式希薄燃焼機関の作動原理を図 7.12 に示す。吸気行程で主室内にはガス弁から混合気を入れ、副室内には専用のガス弁（自動弁）からガスのみが供給される（図①）。この時点では副室内のガス濃度はかなり濃い状態である。しかし次の圧縮行程で主室内の薄い混合気が副室先端の噴口穴から副室に押し込ま

図 7.12副室式希薄燃焼方式の作動概念図 8）れ、副室内で適正混合気が形成される（図②）。
副室内の混合気は圧縮行程の直前で点火プラグによこの試験機関を使って、希薄燃焼の運転限界を調査

り点火されると、急速に燃焼を始め混合気を主室内にした結果を図 7.13 に示すが、主室式では空気過剰率

押し出す（図③、④）。この火炎は押し出された噴流

1.8 弱が限界であり、低 NOx 化を狙うには副室式が有に乗って主室内に伝播し、主室の希薄混合気は急速に利なことが確認された。

燃焼する（図⑤）。

122

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August図 7.15 は点火時期をパラメータとして空気過剰率と性能の関係を調査したものであるが、高速回転にもかかわらず、最適点火時期は上死点前 10 度付近で燃焼速度が非常に速いことがわかった。
また圧縮比は希薄域の NOx 生成レベルに大きく影響するので、低 NOx とするためには圧縮比を下げる必要があるが、一方で熱効率が犠牲になる。
以上の結果をもとに小型高速希薄燃焼ガス機関で低NOx 化と高効率化を達成させるため副室を含む燃焼
図 7.13

空気過剰率と希薄限界 8）

室周りの設計技術を確立した 8）9）（図 7.16 参照）。

これらの知見をもとに、次にシリンダ径 150mm、
行程 165mm、回転数 1500/1800rpm、の単気筒試験機関を用いて、小型高速機関における希薄燃焼方式を適用するため研究開発を行い、あわせて高出力化、高効率化の可能性も重点的に研究した。
副室式希薄燃焼方式は、高速回転でも希薄混合気の急速燃焼が可能であることを把握した（図 7.14 参照）。

図 7.167.5.3

副室式燃焼室の構成図 9）

NHLG 形希薄燃焼ガス機関の開発

こうした希薄燃焼技術を核とした研究成果を踏ま
え て 1992 年（ 平 成 4 年 ） に NHLG 形 ガ ス 機 関 を 開発した。NOx の排出濃度は地方自治体の排出規制（200ppm、O2 ＝ 0％）をクリアして、熱効率はこのクラスの世界最高水準

37.3％を達成した 8）9）。

給気と燃料ガスの系統図を図 7.17 に示す。NHLG図 7.14

小型高速副室式希薄燃焼機関の燃焼特性 8）

図 7.15点火時期と性能 8）ST 形 に は 6、8、12、16 気 筒 の シ リ ー ズ が あ る が、
このうち 6、16 気筒の主要諸元を表 7.4 に示す。

図 7.17

給気と燃料ガスの系統図 9）

ガス機関技術の系統化調査

123表 7.4NHLG-ST 形ガス機関

主要諸元

機関名称

6NHLG-ST

16NHLG-ST

燃焼方式

火花点火式（副室式希薄燃焼）

同左

シリンダ径（mm）×行程（mm）

165 × 185

同左

出力（PS）

440／5201180／1350

1500／1800

同左

11.1／11.0

11.2／10.7

37.3―

回転数（rpm）
2

正味平均有効圧力（kgf/cm ）熱効率（％）（注）スラッシは50Hz／60Hz 用を表わす。

7.6 三菱重工業
現在、同社は内燃機関の製造を、相模原製作所（神奈川県相模原市、小型・中型・高速・4 サイクル機関）、横浜製作所（神奈川県横浜市金沢区、中型・中速・4 サイクル機関）、神戸造船所（大型・中型・低速・2 サ イ ク ル 機 関（UEC シ リ ー ズ お よ び RTA シ
リーズ））の 3ヶ所で行っている。従って本稿も上記の 3 タイプの分類に従い記述を進める。
7.6.1

小型・高速・4 サイクル・ガス機関の開発（1）開発の目的
小型・高速・4 サイクル・ディーゼル機関の市場で、同社は多くの販売実績を有するが、これをベース

図 7.18

GS6A2-PTK 形
機関断面図 10）として、1987 年（昭和 62 年）ころからガス機関の開発に取り組んだ。
開発の目的は、その当時から熱電併給システムとしてディーゼル機関やガスタービンをキーハードとした
コージェネレーションの導入が始まったが、大気汚染（3）排出ガス浄化
ガス機関では排気ガス中に含まれる NOx を低減させる方法として、次の三方法がある。

防止法に新たに NOx の排出規制が追加されるなどの①

排気ガス再循環法（EGR）

動きもあり、大気汚染防止の観点から天然ガスや都市

②

希薄燃焼法

ガス（13A）を燃料として排出ガスがクリーンなガス

③

三元触媒法

機関に着目し、開発を進めた。またこの開発は東京ガ①と②は NOx の発生が少ない燃焼方法であり、③ス㈱と協力して行われた。

は 触 媒 に よ り 後 処 理 す る 方 法 で あ る。 本 機 関 で はNOx 濃度を最も低いレベルに下げることができる等（2）開発の内容の理由で三元触媒法を採用した。

開発のベースとなるディーゼル機関は S6A2 形を使

三元触媒が有効に機能するためには、空気過剰率を用し、これをガス化して GS6A2 形ガス機関とした。

1 前後に保つ必要があり、本機関では負荷による燃料

その主要諸元を表 7.5 に、機関断面図を図 7.18 に示す。

ガスの増減に合せて空気量を調整するため、過給機かガス供給系統は、都市ガス配管からの低圧供給ガス

ら吐出された空気を再度過給機の手前（吸い込み側）（100〜250mmAq）をそのまま昇圧せずに使うため、に戻す給気バイパス方式を採用した。

過給機の前流にガスミキサーを設置し、燃料ガスと空気をいっしょに吸い込んで混合気を形成して燃焼室に送る構造とした。

124

国立科学博物館技術の系統化調査報告（4）システム系統と性能
ディーゼル機関（S6A2 形）は回転数 2100rpm でVol.17 2012.August表 7.5

GS6A2 形機関

主要諸元

GS6A2-PTK、水冷、4 サイクル、電気点火式、理論混合比（ストイキ）燃焼式、過給機、空気冷却器付き

形式
シリンダ数×シリンダ径（mm）×行程（mm）

6 × 150 × 160

圧縮比

10

出力（PS）
回転数（rpm）

200

240

1000（50Hz 向け）

1200（60Hz 向け）2

正味平均有効圧力（kgf/cm ）10.6

ピストンスピード（m/s）

5.3

6.4

空燃比制御方式

給気バイパス420PS 以上発揮する性能であるが、ガス機関では回転数を抑え、出力もノッキングの発生限度以下に制限して 200PS（50Hz）、240PS（60Hz）に設定した。
圧縮比（ε）を変えたときの性能比較を図 7.19 に示す。圧縮比 12 の方が 10 の場合より、燃費が勝っているが、本機関は熱回収も考慮して圧縮比は 10 を採用した。総合的なヒートバランスを図 7.20 に示すが、排出ガス温度が高く、安定しているため排熱回収に適しており、図のように発電効率 27〜32％、熱回収 45〜50％で、総合効率 72〜82％となり、高い経済性を示している 10）。

図 7.20

ヒートバランス 10）（5）103kW ガス機関を用いたコージェネレーショ
ンテストプラント
同社はまたストイキ燃焼方式の 103kW 小型ガス機
関を用いて、コージェネレーションのテストプラント
を東北電力・応用技術研究所内に作り、1988 年（昭和 63 年）1 月から 2 年間の実証試験研究を、東北電力㈱と共同で実施した。
試験の目的は、システムの諸特性の確認、運用性・信頼性の検討、経済性の検討、さらには東北地方の気候風土に適したシステム構成のための排熱有効利用技術の開発等であった。
①

設備の概要

図 7.21 に実証試験設備の系統図を示す。発電した電力は系統連系により、研究所の電力の一部に供され、回収した熱は研究所本館の冷暖房と研修所の給湯図 7.19

GS6A2 − PTK 形

性能曲線

10）

に利用される。

ガス機関技術の系統化調査

125

③

蓄熱技術の開発

暖房熱負荷は早朝の立ち上り時に大きなピークがあるため、コージェネシステムからの熱供給は不足する。これをカバーするため起動時には温水ボイラーを用いる等の対応が必要になるが、コージェネの主旨に反するため、これを解決する方法として、排気ガスの熱を高温固体顕熱として蓄える蓄熱装置を開発した。
この結果、システム効率が 73.3％から 76.7％と 3 ポイ
ント強向上した 11）。
7.6.2

低 NOx

希薄燃焼ガス機関の開発（1）開発の狙い
図 7.21

実証試験設備系統図 11）

先に開発した GS6A2 形は理論混合比（ストイキ）
燃焼方式であり、NOx の排出濃度が高く、脱硝装置②

による後処理が必要であったので、1989 年（平成元実証試験結果年）ころから、エンジン単独での低 NOx 化と高効率・発電端効率
定格出力103kW 時化を達成するため、小型・高速機関（6 シリンダ、シ

27.4％

リンダ径 150mm、行程 175mm）を用いて希薄燃焼方・排熱回収特性回収熱量は主温水系の戻り温度を低くする方が式の開発に取り組んだ。

増加し、戻り温度 85℃と 55℃では、55℃の方が約 10％増加する。

（2）確実な着火と安定的な燃焼の確保

・熱負荷追従性

高効率化と低 NOx 化を同時に達成するためには、

コージェネシステムを経済的に運用するには、

空気過剰率 1.8 以上の希薄な混合気を安定して着火さ発電機を極力高い負荷で運転するため、発生熱量

せ、火炎伝播速度を維持することが必要であり、同社と使用熱量のバランスをいかにして取るかというはこれを解決するため、副室式トーチ点火方式と独自ことが問題になる。解決方法の一つには給湯の蓄の主燃焼室形状を採用した。
（注、「副室式トーチ点火

熱槽を設けるやり方があるが、給湯需要の少ない方式」とは本稿で今まで、「副室式燃焼方式」あるい

事務所や店舗には不向きである。そこで主温水ラは「予燃焼室式燃焼方式」と記述してきたものとほぼインに適切なボリュームキャパシティーを与え、同じ構造である。）

系内の温度変動を許容することによる主温水系の図 7.23 に副室式トーチ点火希薄燃焼ガスエンジン

蓄放熱で、東北地方の暖房熱負荷変動に追従できの燃焼室構造、図 7.24 に燃焼室形状による、混合気

る見通しがついた。

の乱れエネルギー分布の差異を示す。

図 7.22 は熱負荷追従運転の実施例で、系内主図 7.23 に示すように燃焼室の構造は、シリンダヘッ

温水温度の変動により蓄熱・放熱を繰り返して熱ド内に主燃焼室容積の 3〜5％の副室を設け、この中バランスを取っている様子がわかる。

に燃料ガス供給弁と点火栓が設置されている。副室にはガス供給弁から燃料ガスのみが供給されるが、圧縮行程で副室先端の口金から希薄混合気が流入するので、最終的に空気過剰率が 0.5〜0.7 の非常に点火しやすい混合気となる。この混合気を電気火花点火することにより、副室先端の噴孔口金から噴出する強力な火炎ジェットで、主燃焼室の希薄混合気に点火する。
この副室は偏芯しており、口金の穴の方向にも角度をつけて、点火された混合気が主燃焼室へ噴出しやす
いように渦流を生じるようにしている。
図 7.24 はピストン頭部の主燃焼室の形状で、一般

図 7.22126

熱負荷追従運転

国立科学博物館技術の系統化調査報告

11）Vol.17 2012.August

的な「丸型」と特有の「四角型」（非円形）とで、圧縮の最終工程で発生する混合気の乱れの大きさ（乱れ図 7.27 は副室容積を変化させるとともにシリンダの運動エネルギーの大きさ）を計算した結果である。

内最高圧力をほぼ一定になるように点火時期を調整し数値からわかるように非円形の方が混合気の流れの渦て、性能を比較したものである。点火用の副室容積はや乱れが強く、希薄混合気の安定燃焼に寄与してい主燃焼室の希薄な混合気を点火するトーチジェットる

12）の総エネルギーを決定する。また副室内の NOx 生成。

濃度が一定でも容積が大きいと NOx 生成量は多くなる。従って、NOx 生成抑制の面からは副室容積の選定は非常に重要になる 12）。

図 7.23

副室式トーチ点火希薄燃焼ガスエンジンの燃焼室構造 12）

図 7.25

図 7.24

燃焼性能に及ぼす空気過剰率の影響 12）燃焼室形状による混合気の乱れエネルギー分布の差異 12）（3）エンジン燃焼試験結果
図 7.25 から、空気過剰率 2 未満では NOx の排出が急激に増大し、このとき燃焼が急激になって、ノッキングが生じやすい状況になる。
図 7.26 から、空気過剰率一定で点火時期を進めると、シリンダ内最高圧力が上昇し、熱効率が向上する。通常は NOx 排出量も増えるはずであるが、この場合は点火時期を進めると、その時期における副室内の空気過剰率が 1 よりも濃混合気側にずれるためと推定される。また圧縮比が高いと熱効率は上昇するが、NOx が増大し、Pmax も上昇してノッキングの抑制の面からも不利になることがわかる。

図 7.26 燃焼性能に及ぼす点火時期および圧縮比の影響 12）

ガス機関技術の系統化調査

127

図 7.28

KU30G 形ガス機関の燃焼室 12）

図 7.28 に KU30G 形の燃焼室の構造を示す。給気弁の上部に設置されたガス供給弁によって、給気弁の開弁時に空気と燃料ガスを同時に主燃焼室に供給している。
図 7.27

燃焼性能に及ぼす副室容積の影響 12）

副室へは専用の圧力調整弁で制御された燃料ガスのみを供給している。燃焼室は非円形の新形状の燃焼室を採用するとともに、無駄容積を少なくするため、トップリングの位置をできるだけ高い位置とし（4）実用機開発への展開（1）…GSA、GSR シリーズ（200〜1000kW）ている。これらの新規技術の採用により、KU30G 形

GSA、GSR シリーズは過給機・空気冷却器付きエ

ガス機関は、排気 NOx 濃度 200ppm 以下で、熱効率ンジンで、過給機の前にガスミキサーおよびスロット

40.5％（発電端効率 39.5％）を達成した 12）、13）、14）。

ルを配して燃料ガスを空気と混合するとともに、出力に合せて混合気量を制御する。一方、副室へは過給圧

表 7.7 に KU30G シリーズの代表として 18 シリンダの主要諸元を示す。

よりもやや高い圧力にて燃料ガスだけが供給されるの表 7.7で、このため小型の圧縮機を使用している。

18KU30G 形

表 7.6 に代表的機種である GS6A3 形の主要諸元を
形式

示す。
表 7.6

GS6A3 形

形式

主要諸元

GS6A3、 水 冷、4 サ イ ク ル、
電気点火式、希薄燃焼式、過給機、空気冷却器付き

シリンダ数×シリンダ径（mm）×行程（mm）

6 × 150 × 175

出力（kW）

243

回転数（min-1）

1500（50Hz）

発電端効率（％）
NOx 値（ppm、O2 ＝ 0％）
開発年度

周波数
シリンダ数×シリンダ径（mm）×行程（mm）

主要諸元

18KU30G、水冷、4 サイクル、電気点火式、希薄燃焼式、過給機、空気冷却器付き
50Hz

60Hz

18 × 300 × 380

機関出力（PS）

4820

4680

回転数（rpm）

750

720

正味平均有効圧力（kgf/cm2）

12.0

12.1

平均ピストン速度（m/s）

9.5

9.12

発電端効率（％）

39.5

37.6

NOx 値（ppm、O2 ＝0％）

200

80

開発年度

1990 年（平成 2 年）

1993 年（平成 5 年）

（5）実用機開発への展開（2）7.7 ダイハツディーゼル…KU30G 形（2300〜3400kW）

128

1990 年（ 平 成 2 年 ）、 同 社 は 中 速・4 サ イ ク ル・

同社は 1983 年（昭和 58 年）からガス機関の開発

ディーゼル機関として多数の納入実績がある KU30に 取 り 組 み、 シ リ ン ダ 径 160mm と 220mm で 出 力形をベースに、希薄燃焼方式の KU30G 形ガス機関を150PS〜1900PS のガス機関「G −シリーズ」を商品

開発した。

化した。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August詳細なデータはないが、火花点火、ストイキ燃焼方式で、無過給タイプと高過給タイプ（過給機、空気冷

月）P5 − 67） 横井元昭

他、「小形ディーゼル機関における却器付き）があり、高過給タイプで正味平均有効圧力

LPG の使用」内燃機関誌第 6 巻 9 号（昭和 42 年

7〜9.5kgf/cm2、出力率 65〜84、発電端熱効率 32％の9 月）P11 − 168） 夏目祥宏、「高効率小形希薄燃焼ガス機関の研究レベルであった。
燃料ガスは天然ガスに加えて、消化ガスやゴミ乾留

開 発 」 陸 用 内 燃 機 関 誌 423 号（ 平 成 3 年 4 月 ）ガス等幅広い用途に対応することができ、札幌市ス

P13 − 23

ポーツセンターや新梅田シティのビル用などに納入し

9） 卜蔵伝一郎

た

15）

他、
「ヤンマーNHLG 形希薄燃焼ガ

スエンジンの研究と開発」内燃機関誌第 31 巻 1。

号（平成 4 年 1 月）P87 − 9310）今井利幸

参考文献、引用文献
1） J. F. シャピー、栄家達也「天然ガス焚き機関の
長期無開放運転とその結果」内燃機関誌第 29 巻
2） 川崎昭久、「富士ガスディーゼル機関」内燃機関
誌第 22 巻 11 号（昭和 58 年 9 月）P29 − 373）「PA5L − DF

取扱説明書」新潟鐵工所

技術資

第 26 巻 4 号（平成元年 7 月）P306 − 310
他、「東北電力㈱応用技術研究所向け 103kW ガスエンジン」三菱重工業・技報第 26
巻 4 号（平成元年 7 月）P301 − 305
12）中川 洋他、「高性能希薄燃焼ガスエンジンの研究開発」三菱重工業・技報第 34 巻 4 号（平成 9料4） 後藤 悟ジェネレーションパッケージ」三菱重工業・技報
11）石原崇夫

5 号（平成 2 年 5 月）P64 − 68

他、
「三菱 160kW 級ガスエンジンコー

他、「中型中速希薄燃焼ガスエンジンの開発」第 9 回内燃機関合同シンポジウム講演論文集（平成 3 年 7 月）P325 − 330
5） 後藤 悟、「希薄燃焼ガスエンジンの燃焼変動の改善と低 NOx 化およびノッキングに関する考察」
燃焼研究誌 110 号（平成 9 年）P27 − 37
6）「ヤンマー

70 年の歩み」ヤンマー（昭和 58 年 6

年 7 月）P276 − 279
13）宮野、「三菱 KU30G 形ガス機関」三菱重工業・
技報第 28 巻 1 号（平成 3 年 1 月）P77
14）水田、「低 NOx 希薄燃焼ガスエンジン」三菱重工業・技報第 30 巻 5 号（平成 5 年 9 月）P471
15）「ダイハツディーゼル30 年史」ダイハツディー

ゼル（平成 8 年 12 月）P130 − 131、P180 − 182

ガス機関技術の系統化調査

129

8 大型ガスインジェクション機関（シリンダ内ガス直接噴射機関）の開発
ガス機関は一般的に予混合燃焼方式が採用されてい発行「流体の熱物性値集」による。）

る。これは給気ポート内に燃料ガスを噴射するか、も

同社は実機試験に先立ち、燃料ガスを短時間で拡散

しくはベンチュリー式の装置で過給機の前流でガスを燃焼をさせるため、シリンダ内の圧縮空気中に燃料ガ吸わせる方法で、主燃焼室に入る前にガスと空気の混スを高圧で噴射した場合のガス噴流の挙動について研合気を生成する。この方式は均一な混合気を生成する究を行った。この研究の目的は、ディーゼル機関同様上では有効であるが、一方ガスの異常燃焼（ノッキンに拡散燃焼方式を目指すガス機関においても燃料ガスグ）や過早着火の懸念から圧縮比の大きさに制約があ

噴霧の特性を把握することは燃料噴射系の仕様決定にる。往復動ピストン型内燃機関にとって大きな圧縮比とって重要であり、ここでは燃料ガスの噴流におけるを採用できないということは、出力率の向上や熱効率

噴流先端到達距離と時間の関係、噴流中の燃料ガス濃の改善に限界があるということになる。
（出力率の解度分布および温度分布やガス噴流と液体噴霧の等価性

説は 8.1.5 項を参照）

について研究・調査を行った。

わが国の主機関メーカも兼ねる大手造船所は LNG

ガス噴流の挙動について、ディーゼル機関で行われ船の BOG を活用することを含め、これらの課題を解ている研究を参考に理論式を立てて計算を行い、同時決するため、天然ガスを燃料としてディーゼル機関とにシュリーレン装置と高速度カメラによる観察によっ同じように大きな圧縮比を採用できるガスインジェクて整合性を確認した。

ション方式（シリンダ内ガス直接噴射方式）による、
拡散燃焼方式のガス機関の開発に取り組んだ。

のモデル図を示し、図 8.2 にガス噴流の発達過程の高速度写真の一例を示す。

8.1 三井造船
8.1.1

図 8.1 に計算で用いた円錐と半球からなるガス噴流

ガスインジェクション方式の基礎研究

同社は世界の先陣を切って、1978 年（昭和 53 年）
からガスインジェクションの基礎研究に着手した。
ガスインジェクション方式とはディーゼル機関の直接噴射式（直噴式）と同じ構造で、圧縮された高温・高圧の空気中に、燃料噴射弁の代わりにガス噴射弁
から燃料ガスを高圧で噴射して短時間に拡散燃焼さ
図 8.1

せる方法である。ただ天然ガスの自着火温度は 600〜

ガス噴流のモデル 1）

650℃と高く、圧縮空気の温度では着火しないため、DF 機関と同様にパイロット油を噴射して、これを火これらの写真から噴射開始後の噴流先端到達距離を種としてガスに点火する等の点火の補助手段が必要に読み取り、計算値と実測がよく合致していることを確なる。

認した 1）。

（注：メタンの自着火温度は 632℃、日本機械学会

図 8.2

130

国立科学博物館技術の系統化調査報告

ガス噴流の発達過程（高速度写真、三井造船提供）

Vol.17 2012.August8.1.2

試験機関による燃焼試験

ガス噴流の挙動に関する基礎調査の結果、適切な噴
口径・噴射圧等を選択すれば、ガス燃料にとっても、従来の液体燃料噴霧と同様な燃焼を行わせる可能性があることが判明したので、次に試験機関を使って燃焼試験を行った。
試験機関

1L42M-G 形の主要諸元を表 8.1 に示す。
表 8.1

図 8.4

試験機関の主要諸元
4 サ イ ク ル、 単 動、ディーゼル機関形式
シリンダ数×シリンダ径（mm）
×行程（mm）

１× 420 × 450

軸出力（kW）／回転数（rpm）

520／500

2

正味平均有効圧力（kgf/cm ）（MPa）

20.4 （2.0）②混合燃料噴射方式 1）

着火性能を判定する着目点として、次の 4 項目を確認した。
・安定的な着火を得るために最小限必要なパイロッ
ト燃料の量
・サイクル変動、主にシリンダ内最高圧の変動割合

先に述べたようにメタンの着火温度は約 630℃であり、ガスの自己着火は困難であるので、パイロット燃料による着火方式を採用した。パイロット燃料による・パイロット燃料の量による性能（燃料消費率）の変化割合
・着火遅れと熱発生パターン

着火の良し悪しは、以後の燃焼に大きな影響を与える
ので、以下に述べるような種々の着火方式を試み、それぞれの着火方法の特徴・性能を比較した。
①

パイロット燃料噴射方式（図 8.3）

ガスとパイロット油を個別の噴射弁から噴射するが、燃焼室内の温度分布の影響を調べるため、パイ性能比較の結果、パイロット燃料の最小必要量および燃料消費率の点で①− 2 パイロット局部加熱方式が優れ、サイクル変動およびパイロット燃料噴射量の増減に対する燃料消費率の変化の面では、②− 2 部分混合燃料噴射方式が優れていた。

ロット油の噴射タイミングを変えてテストした。パイ

そこで両者の長所を生かすため、ガスとパイロット

ロット油をガスよりかなり早いタイミングで噴射する

燃料を同位相、同角度で噴射できるように、図 8.5 に場合（パイロット均一加熱方式、①− 1）とガス噴射示すような改良型ガス燃料噴射弁を試作した。この燃の直前にパイロット油を噴射する場合（パイロット局

料噴射弁はパイロット燃料も燃焼室中心部から独立に部加熱方式、①− 2）で比較した。

噴射できるよう、ガス弁スピンドルの中にパイロット②

混合燃料噴射方式（図 8.4）

弁スピンドルを組み込んでいる。

ガスとパイロット油を噴射の事前に混合してから 1個の噴射弁から噴射するが、混合燃料の均一性の影響を調べるため、燃料噴射弁の手前で混合する方法（均一混合燃料噴射方式、②− 1）と噴射弁の先端部分で混合する方法（部分混合燃料噴射方式、②− 2）をテ
ストした。

図 8.5

図 8.3

改良型燃料噴射弁 1）①パイロット燃料噴射方式 1）

ガス機関技術の系統化調査

131またガス噴射圧はある範囲までは圧力上昇に伴って噴射率が向上し、その結果シリンダ内最高圧も上昇して熱効率が改善される。これはガス噴射圧の上昇によりガス噴流の持つ運動量が上昇し、その結果噴流の中に取り込む空気量が増えて、後燃え期の燃焼速度が増大するためと考えられる。しかし燃焼室内の圧力がガス噴射圧の臨界圧力以下になる場合は、ガス噴射圧をいたずらに上昇させても噴射率が向上するだけで、噴流自体の運動量は増加しない。またガス噴射圧の増大
は燃料噴射系部品の強度および燃料ガスの圧縮仕事の面でマイナスに作用する。従って実用的見地からすればガス噴射圧は 250〜280kgf/cm2 が最適と判断された 1）、2）。
8.1.3

低速 2 サイクル試験機関での実験研究

以上のようなガスインジェクションに関する基礎研
究と中速・4 サイクル・単気筒試験機関での燃焼試験

図 8.6

複合燃料弁（80MC-GI 用）3）を踏まえ、次のステップとして 1984 年（昭和 59 年）
から低速・2 サイクル・ディーゼル機関においてガス
インジェクション化の実現に取り組んだ。
試験機関として、三井− MAN B&W

6L35MCE 形

ディーゼル機関をガスインジェクション化して用いたが、この機関の主要諸元を表 8.2 に示す。
表 8.2

6L35MCE 形ディーゼル機関

形式
シリンダ数×シリンダ径（mm）
×行程（mm）
出力（PS）／回転数（rpm）

主要諸元

2 サイクル、低速、クロス
ヘッドタイプ
6 × 350 × 1050
3660／200（1）燃料噴射弁の構造と配置

図 8.7

先の燃焼実験から、燃料噴射弁は図 8.5 のようなガ

2 サイクル機関における
ガス / パイロットの噴霧概念図 2）ス燃料とパイロット燃料を同位相、同角度に噴射することが安定着火と燃費改善に有効であるとの結果で（2）6L35MCE-GI 改造形（GI、ガスインジェクショあった。しかし本機関の燃料噴射弁は図 8.5 のような同芯構造ではなく、図 8.6 のようにガス燃料弁のスピ①

ンドルとパイロット燃料弁のスピンドルを並立構造と実機での燃焼性能試験はガス燃料供給量の制約上、した。またこの機関は 2 サイクル・ユニフロータイプ

6 シリンダ中、1 シリンダのみ GI 化し、残りの 5 シ

でシリンダヘッドの中央部に排気弁がある構造のため、リンダはディーゼル機関のままで行われた。

図 8.7 のように 2 ケ斜めに対向するように配置した。
パイロット弁はディーゼル機関と同じ構造の自動弁

機関性能

GI・ディーゼル機関の機関性能を図 8.8 に、ディー
ゼル機関と比較して示す。

であるが、圧縮性の気体を扱うガス弁は自力で開弁す

これらのテスト結果から 2 サイクル機関においてることができないのでコントロール油の油圧により、も、シリンダ内最高圧力や掃気圧力等のサイクル諸元

スピンドルの開閉を制御している。このためコントを、通常のディーゼル機関と同じにすれば、ほぼ同等

ロール・オイル・ポンプを新たに装備した。
（8.1.4 章の機関性能を得ることが可能であることを把握した。

参照）

132

ン）による燃焼試験結果

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

①

二重管構造のガス供給管（図 8.9）

万一供給管からガスが洩れても外部への漏洩を防ぐ
ため、高圧部は二重管構造とし、その空間部には窒素ガスを封入して、万一洩れても空気と交じり合って、燃えることがないように配慮した。またこの空間部の容積は万一内管が破損しても、空間内の圧力上昇が安全な範囲内に収まるように配慮した。（特許出願）

図 8.8

②

機関性能の比較 3）

ガス / パイロット燃料比率変更時の機関性能

図 8.9二重管式のガス供給管 2）

パイロット燃料の比率を高めると燃料噴射時期の初期における燃焼室内への投入熱量が増加するため、②

Pmax が上がることが予想される。テスト結果、パイ

ガスの検知は応答性の速いものを選び、必要と考え

ロット燃料比が 50％になった場合、パイロット燃料

られる各部にガス検知器、圧力センサー、温度セン

2専焼の場合に比べて Pmax が 16kgf/cm 上昇し、一ガス漏洩検知システム

サーや安全装置（逆止弁、遮断弁等）を設置した。

方燃料消費率は 4.5g/kW・h 向上することがわかっ③た。

燃料噴射弁のガス用スピンドルが固渋した場合、高しかし機関保護のため、燃費をディーゼル機関と同ガス弁内緊急遮断システム（図 8.10）圧のガスが燃焼室内に連続的に流入する危険がある。

等に保ちながら、Pmax もディーゼル機関並みにする
ため、噴射時期を自動的に調整する機構を持たせた。
（特許出願）③

ガス供給圧力の影響

ガス供給圧力は、4 サイクル機関でのテスト結果より、250kgf/cm2 に設定した。しかし、回転数の低い
低速・2 サイクル機関においても、このレベルのガス圧が必要か否かについて再調査した結果、ガス圧力を低下させた場合、Pmax を調整した後も、若干燃費が悪化することがわかり、250kgf/cm2 のままとした。
（3）安全対策
同社はガスインジェクション・ディーゼル機関の開発に当って、250kgf/cm2 という高圧ガスシステムを採用するため、安全対策技術の開発にも力を入れ、多くの特許を取得した。
図 8.10

ガス緊急遮断システム 2）

ガス機関技術の系統化調査

133

対策として、万一スピンドルが固渋して大量のガス

また図 8.12 は MC-GI 機関の燃料およびコントロー

が燃焼室内に流れ出した場合は、ガス供給枝管に設置

ル系を模式的に表したものである。ガス燃料はガス圧してあるオリフィスより下流側に大きな圧力降下が生縮機より、ガス供給主管、各筒の枝管を通ってシリンじることを利用し、緊急遮断弁を作動させてガスの供

ダカバー付近に付設されたアキュムレータに貯えら給を停止させるようにした。
（特許出願）

れ、さらに緊急時にガスの供給を制御するための弁類

こ う し て 開 発 し た、6L35MCE-GI 機 関 は 1985 年

をまとめているガスディストリビュータブロック（図（昭和 60 年）6 月、デモンストレーションを行い、成8.12 の Valve block）を経て、ガス噴射弁に導かれて功を収めた。

いる。

本研究開発では空気過剰率や NOx の排出レベルについては特に触れていないが、NOx 濃度は液体燃料専焼の場合とほぼ同一レベルのようである。
ガスインジェクション・ディーゼル機関の開発はライセンサーである、MAN B&W 社（現 MAN Diesel& Turbo 社）からも高く評価され、この方式を MAN
B&W 低速 2 サイクル・クロスヘッド形機関に適用することが合意され、初の技術輸出となった 2）3）。
8.1.4

MC-GI シリーズの共同開発

同社はガスインジェクション・ディーゼル機関にGIDE（Gas Injection Diesel Engine）という名称を

図 8.11

ポンプ類

取付け詳細図 4）

付け、ライセンサーである MAN B&W 社と共同で低速・2 サイクル・クロスヘッド型機関である MC シ
リーズの GI 化に取り組んだ。
（1）主要目
表 8.3 に MC-GI シリーズの主要諸元を示す。
（2）コントロール・オイル・ポンプとガスディスト
リビュータブロック
コントロール・オイル・ポンプとパイロット燃料ポンプ等を集中して取り付けられている個所の詳細図を
図 8.11 に示す。コントロール・オイル・ポンプはガ
ススピンドルの開閉を制御するコントロール油圧を発生させるポンプであり、カム軸から専用のカムで駆動されている。

図 8.12

表 8.3

MC-G I シリーズの主要諸元（K シリーズのみ抜粋）（1986 年度）

シリンダ数

シリンダ径
（mm）

行程
（mm）

シリンダ当たり
出力（kW/cyl.）
50Hz/60Hz

回転数（rpm）
50Hz/60Hz

燃料消費率（出力最適バージョン）（kJ/kWh）

K50MC-G I-S

4-12

500

1370

1210/1190

166.7/163.6

7470

K60MC-G I-S

4-12

600

1650

1720/1740

136.4/138.5

7430

K70MC-G I-S

4-12

700

1960

2350/2360

115.4/116.1

7390

K80MC-G I-S

4-12

800

2300

3120/3120

100/100

7390

K90MC-2-G I-S

4-12

900

2300

3940/3940

100/100

7390

機関名称

134

燃料およびコントロール系の模式図 4）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August図 8.13 にガスディストリビュータブロックの断面

ントロール油圧およびガス燃料がコントロール油へ洩図を示す。ガス燃料機関を船舶用に用いる場合、万一れることを防止するためのシール油を使用している。

のガス供給系統の事故による危険を回避するため、逆さらに 2 段構造のスピンドルを採用し、コントロール

止弁、遮断弁、パージ弁等の多くの弁の設置が、船級油圧に応じてリフト量を変更することで、図 8.15 に協会等のルール上必要である。ガスディストリビュー示すように、負荷の大きさによってガス噴射量を微量

タブロックはこれらの弁類を一つのブロックに収め、噴射から最大噴射まで対応できるようにした。

かつガスアキュムレータと一体化してガスの供給、停止、パージの機能を効果的に集中させている 4）。

図 8.13

ガスディストリビュータブロックの断面図 4）8.1.5 中速・4 サイクル・ガスインジェクション・

図 8.14

ガス噴射弁 5）ディーゼル機関の開発
1992 年（平成 4 年）
、同社は東京ガス、大阪ガス、東邦ガスと共同で中速・4 サイクル・ガスインジェク
ション・ディーゼル機関

8L42MB-G 形の開発を行った。
（1）開発の経緯
同社が独自の技術で開発した、中速・4 サイクル・
ディーゼル機関

L、V42M 形 を ベ ー ス に、1978 年（昭和 53 年）に行った 4 サイクル・ガスインジェク
ション機関の研究開発で培った技術を生かして、可能な限り高出力化することを目標に開発を進めた。その結 果、 行 程 を 450mm か ら 500mm に 伸 ば し、Pmax

図 8.15

ガス噴射量特性 5）を 130bar から 160bar にアップ、正味平均有効圧力を20bar から 23bar にアップして、単筒当たりの出力を625kW から 800kW に 28％の出力アップを達成する②

ことができた。

本機関ではパイロット燃料を使わずにガスに点火す

グロープラグる方法として、グロープラグによる熱面着火を採用し（2）主要部品の開発①

ガス噴射弁（図 8.14）

た。確実に着火させるため、図 4.3（4.3.2 項）に示す
ように 1 シリンダ当たり 2 本の常時高温に熱せられた

ガス噴射弁は基本的にディーゼル機関と同様にス

グロープラグを配置した。その表面温度と保護筒形状

ピンドル開閉型であるが、8.1.3 項でも述べたように、はシリンダ内燃焼圧力の安定度、つまり着火安定性を

圧縮性気体のガスを扱うガス噴射弁は自力で開弁する

ベースに決定した。

ことができないので、スピンドルを開閉するためのコ

ガス機関技術の系統化調査

135

（3）機関性能

8.1.6機関の仕様は表 8.4 に示すように、高熱効率型と高ガスインジェクション・ディーゼル発電プラ

出力型の 2 種類がある。

ント
GI 機関の性能上の優位性や運転上の安全性・信頼性をユーザに強くアピールするため、実証プラントを

表 8.4

8L42MB-G 形機関

機関仕様

主要諸元

高熱効率型

シリンダ数×シリンダ径（mm）×行程（mm）

設置して、1994 年（平成 6 年）7 月から長期の検証試

高出力型

験を行った。
特に 2 サイクル機関の実証試験に当っては、同社の8 × 420 × 500

千葉事業所構内に「三井造船ガスインジェクション

回転数（rpm）

500/514600

正味平均有効圧力（bar）

21.9/21.3

23

出力率（kgf/cm2 × m/s）

182

230

発電端出力（kW）

5090

6500

陸上実証プラントとして環境にやさしい発電プラント

発電端熱効率（％）

45

43

および将来の舶用の主機関としての GI 機関（GIDE）（注）スラッシは 50Hz 用／60Hz 用を表す。

ディーゼル研究所」（略称

千葉 GIDE）を設立した。

この狙いは内燃力発電所として発電を行うとともに、を育てることにあった。以下にこれらの実証プラントを紹介する。
（1）40MW ガスインジェクション・ディーゼル発電
プラント（図 8.17 を参照）
①

主要目

・使用機関

12K80MC-GI-S

・軸端出力 / 回転数

40680kW/103.4rpm

・エンジン全長×全高（約）21.2m × 12.1m
・エンジン重量（約）1370 トン
・軸端熱効率
・燃料
料

48％

主燃料

都市ガス（13A）、パイロット燃

A 重油

・脱硝設備

アンモニア接触還元型

・建 設 開 始1992 年（ 平 成 4 年 ） 末、 運 用 開 始1994 年（平成 6 年）7 月

図 8.16

機関性能曲線 5）

図 8.16 に高出力型の性能曲線を示す。ディーゼル
機関（A 重油使用）と比較すると燃費は若干悪化す
るが、NOx 排出量は低下している 5）。

図 8.17 40MW ガスインジェクション・ディーゼル発電
プラント（右手前は発電機）（三井造船提供）

出力率：正味平均有効圧力 BMEP（kgf/cm2）と平均ピストン速度 Cm（m/s）を掛けたもので、エンジンが発揮する出力の大きさの指標となる。（裏返せば、エンジンが受ける熱負荷の大きさ、および爆発力や慣性力および摺動速度に対する機械的な厳しさの目安となる）昭和初期には出力率は 30 程度であったが、過給機や空気冷却器の開発で正味平均有効圧
力が 5 → 20kgf/cm2 を超えるようになったことや、耐摩耗性材料の開発や潤滑油性状の改良などで平均ピストン速度が6 → 10m/s を超えるようになり、その結果近年では出力率は 200 を超えるようになった。言い換えれば、同じ排気量のエンジンでも出力を 200/30 ＝約 7 倍にすることができた、ということである。

136

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

②

運転実績

本発電プラントの運転は、週日の 8 時間運転で所内8.2 三菱重工業

消費の約 21kWh を除く、残り約 300kWh は東京電力
同社は 1989 年（平成元年）ころ、低速・2 サイクに売電された。
2001 年（平成 13 年）3 月末時点で 7 年目を迎え、ル単筒試験機関を用いてシリンダ内噴射ガス機関の燃

これまでの総運転時間は 16,688 時間、設備の信頼性

焼システムの研究を進めた。特にガス燃料および点火（時間稼働率）は 97.2％で所定の目的を充分に果たし用のパイロット燃料油のエンジン供給システム、ガス

6）

ジェットの着火と燃焼システムについて、燃焼状況のている 。
本発電プラントは 2001 年（平成 13 年）末で休止し、観察と試験機関による性能試験を実施した。

その後灯油燃料使用に切り替えられたが、ガス燃料での運転時間は合計 20,000 時間をカウントした。

（1）シリンダ内噴射ガスエンジンの燃焼システムと着火、燃焼の観察（2）6.5MW

ガスインジェクション・ディーゼル発①

表 8.5 に試験機関の主要諸元を示す。またこのエン
ジンの燃焼室の構造と機器配置を図 8.18 に示す。

電プラント
主要目

・使用機関

表 8.5

8L42MB-G・シリンダ数×シリンダ径×行程

8 × 420mm ×

500mm

NDT19/30C 形

機関名称

NDT19/30C
２サイクル、クロスヘッド形、
ユニフロー掃気方式

形式

・発電機出力 / 回転数 6500kW/600rpm（ 高 出 力
シリンダ数×シリンダ径（mm）×行程（mm）

形）
・発電端熱効率

43％・燃料

都市ガス（13A）

・NOx 排 出 量（ エ ン ジ ン 出 口 ）1618ppm（02 ＝エンジン主要諸元

1 × 190 × 300

圧縮比

13.3

定格出力（PS）／回転数（rpm）

90／500

定格時掃気圧力（bar）

2.5

0％）
、
（脱硝装置出口）40ppm（02 ＝ 0％）
・設置場所

大阪市内

・運用開始

1994 年（平成 6 年）7 月

②

某製鉄会社

運転実績

本発電プラントは 1 日当たり約 14 時間運転で、週末を除く毎日発停を繰り返し、2006 年（平成 18 年）
3 月まで運転された。運転時間は合計 47,500 時間に及んだ 5）。
以上のように同社は総力を上げて世界初となる高効率の GI 機関を開発し、実用化に成功した。しかし実際に世の中に出たエンジン数は限られ、商業ベースに

図 8.18シリンダ内噴射ガスエンジンの燃焼室構造 7）

乗せることはできなかった。陸用発電用についてこの理由を考えてみると、まず GI 機関の出力の範囲が同社の UEC 形 2 サイクル・ディーゼル機関はユニ

5000kW 以上の大型が主体であったのに対して、国内

フロー掃気方式を採用しており、燃焼室の中央部にの発電用マーケットは 300〜3000kW が主体であって排気弁があるので、燃料噴射弁は燃焼室のサイドにマッチしていなかったこと、およびガスを高圧に圧縮

2 ケ対称に配置されている。（この構造は三井 -MANするためエンジン出力の 3〜5％（供給元圧の高低に

B&W MC 形とほぼ同じである。）

依って差が生じる）を消費してしまい、実質の熱効率同様にシリンダ内噴射ガスエンジンも 2 ケのガス

は 2〜3％低下してしまう。このため同じころ開発さ

燃料噴射弁と 2 ケのパイロット燃料油噴射弁を図 8.18

れた他社の希薄燃焼ガス機関に有意差をつけることがのように配置した。すなわち圧縮自己着火したパイ

できなかったこと、などが挙げられる。舶用主機関のロット燃料油により点火されたガスジェット火炎がサ

理由については、第 10 章で記述する。

イドインジェクションディーゼルの噴霧火炎の燃焼室内への広がりと同等になるようにした。

ガス機関技術の系統化調査

137

両噴射弁の配置について図 8.19 に示すように、（1）はパイロット弁がスワール（圧縮された空気の気流の流側の方が、スワールに沿って火炎が発達していることがわかる。

流れ）の下流側にあり、（2）は上流側にあるように配置した。
（本試験ではガス弁、パイロット弁各々各 1個で行った。
）

図 8.21 ガス燃料噴射弁の配置による着火燃焼状況の差異 7）

図 8.22 は パ イ ロ ッ ト 弁 の 位 置 に よ る ガ ス 燃 料
ジェットとパイロット燃料油噴霧の干渉状況について、運動量理論に基き計算検討した結果を示す。
図 8.19 ガス燃料噴射弁とパイロット燃料油噴射弁の配置

7）

図 8.20 は両者の燃焼状況を示すシリンダ内圧力線
図である。

図 8.22

ガス燃料噴射弁の配置による燃料噴霧分散計算
結果 7）（2）単筒実験エンジンによる燃焼性能試験
表 8.5 に示す 2 サイクル・クロスヘッド型の単筒実験エンジンを用いて、種々の運転条件によるガス燃料の燃焼状況の変化を把握するため試験を行った。燃焼室の概形を図 8.23 に示す。
図 8.20

ガス燃料噴射弁の配置による燃焼観察時の筒内圧（シリンダ内圧）の差異 7）

ガス供給圧力は最高 250kgf/cm2 まで可変で、蓄圧器（アキュムレータ）を経て、エンジンに供給される。

パイロット弁がスワールの上流側（図 8.19 の（2））の実線の方が、下流側の点線よりも頂部がなだらかでスムーズな着火燃焼状況となることを示している。この理由は燃焼室内に発達したガスジェットに、着火したパイロット燃料油噴霧火炎が飛び込むようになり、ガス燃料への安定した点火源の供給を行うことによる。図 8.21 はガス燃焼状況について可視化燃焼観察
エンジンを用い、高速度撮影により比較した結果である。この写真からも（2）のパイロット弁スワール上138

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

図 8.23

NDT19/30C

単筒試験エンジンの燃焼室 7）

（3）燃焼性能試験結果にあり、この目的を達成するため、要素試験・燃焼試

シリンダ内ガス噴射試験時の典型的な指圧線図と熱験等の基礎研究、試験機関の設計・製作およびその試発生率を図 8.24 に示す。着火初期の熱発生は、パイ験運転を行い、実機製作に必要なガス / 重油噴射シス

ロット油自体の着火燃焼状況を示し、その後の主熱発テム、保護・検知システムおよび運転方法などの技

生状況がガス燃料の燃焼を示している。

術、ノウハウを世界に先駆けて確立した、との記録がさらにパイロット油の燃料比率を増大させた場合の熱発生特性や性能変化等を把握した。

ある。
しかし公表された論文、報告書類は残されておらず、開発技術の詳細を知ることはできなかったが、国立科学博物館のホームページに「産業技術史資料情報センター」の活動紹介があり、その中の「産業技術史
資料データベース」の「内燃機関技術」欄に「高圧噴射式ガス / 重油混焼 2 サイクルユニフロー型機関（KDF）川崎 1L40/45 型機関」として、本開発が紹介されている。
参考文献、引用文献
1） 薦田哲男

他、「ガス燃料利用高効率ディーゼル

機関に関する研究」三井造船・技報 121 号（昭和59 年 2 月）P46 − 552）「三井・ガス・インジェクション・ディーゼル
機関」三井造船・技報 128 号（昭和 61 年 6 月）
P25 − 35
図 8.24

ガス燃焼時の熱発生特性

7）3） 三宅幹彦

他「ガスインジェクションディーゼル

機関における最近の研究」内燃機関誌第 26 巻 11
同社は以上のような燃焼観察試験と単筒実験エンジンによる燃焼性能試験を経て、シリンダ内噴射ガスエ号（昭和 62 年 10 月）P44 − 464） 三宅幹彦

他「三井− B&W ガスインジェクショ

ンジンに関する実用化技術を確立し、三菱 - スルザー

ンディーゼル機関における最近の開発」日本舶用

RTA84M-GF 形 LNG 焚きディーゼルエンジンを開発

機関学会誌第 23 巻 12 号（昭和 63 年 12 月）P11した。また高速 4 サイクル機関への適用研究も実施済− 19

みで、本燃焼システムの広範囲なエンジンへの適用を

5） 別 府 治7）他「 三 井 ガ ス・ イ ン ジ ェ ク シ ョ ン

ディーゼル機関の運転実績」三井造船・技報 167可能にした 。

8.3 川崎重工業

号（平成 11 年 6 月）P13 − 186）「40MW ガスインジェクションディーゼル発電プ
ラント」三井造船・技報 155 号（平成 7 年 6 月）

同社は 1984 年（昭和 59 年）に低速・2 サイクル機

P34 − 43

関において、高圧噴射式ガス / 重油混焼方式の技術開7） 中川 洋8）

発に取り組んだ 。
開発の目的は LNG 船の主機関として、高効率・低NOx・高信頼性かつ安全な「高圧噴射式ガス / 重油混焼 2 サイクルユニフロー型機関」を実用化すること

他、「シリンダ内噴射ガスエンジンの燃焼研究」三菱重工業・技報第 26 巻 4 号（平成元年 7 月）P326 − 3308）「原動機事業 100 年のあゆみ」川崎重工業（平成20 年 3 月）P356

ガス機関技術の系統化調査

139

9 環境保全とガス機関の高出力化・高熱効率化（平成 10 年以降）

イロット着火とミラーサイクルについて、あらかじめ

9.1 この時代の動き記述する。

この時代は以前にも増して環境保全に対する世界的

9.2 マイクロパイロット着火な意識の高まりがあり、それに対する取り組みが強化されることに伴い、新たな規制も生まれてきた。

140

昭和 60 年代に開発されたリーンバーン方式のガス

窒素酸化物（NOx）の排出規制は陸上では 1988 年

機関は低 NOx 化を達成できたが、出力率の観点から（昭和 63 年）からディーゼル機関とガスタービンに、はまだディーゼル機関に比べて見劣りがしていた。そ1991 年（平成 3 年）からガス機関に適用され、海上の主な理由は希薄混合気に対して電気火花点火では発を運航する船舶にも 2005 年（平成 17 年）から規制が生する熱エネルギーが充分でないため、混合気の燃焼開始され、段階的に厳しい規制値が適用されつつあが不安定なことが原因であった。また点火プラグは高る。

出力化に伴う高圧縮圧力下では、所要放電電圧が上がさらに地球温暖化防止のため、温室効果ガスいわるために交換寿命が短くなる、という制約もあった。

ゆる GHG（Green House Gas）に対する排出規制がこれをカバーするために考案されたのがマイクロパ

世界的に求められて 1997 年（平成 9 年）に CO2 の削

イロット着火方式である。マイクロパイロット着火方

減目標が京都議定書で採択され、わが国においても式は基本的なシステムは前に述べたデュアルフューエ2002 年（平成 14 年）に批准された。その後 2005 年

ル機関と同じように、燃料噴射弁から噴射された液体（平成 17 年）に要件を満たして発効した。国内企業、

燃料を圧縮着火させ、この火炎を火種としてガス燃

特に製造業は個々に削減目標を定めて、これに対する料に点火させる、という方法である。しかしデュアル取り組みを始めたが、この一環として LNG または都フューエル機関は一般的に直接噴射式で、主燃焼室に

市ガス 13A を燃料として CO2 排出量が、液体燃料を

熱量比で 10％前後の液体燃料を噴射するので、点火燃やすディーゼル機関より 20％強少ないガス機関をの熱エネルギーは充分にあるが、NOx 排出量が多い

キーハードにしたコージェネレーションの導入が進めという問題が残る。マイクロパイロット着火方式は、られた。

希薄燃焼で低 NOx 化をキープしながら、混合気の点

コージェネレーションの導入に当っては、当然なが火に必要な最小限の量（熱量比で 1％前後の量）を副らコストパフォーマンスが重視され、エンジンメーカ

室（予燃焼室）に噴射して圧縮着火させる。次にそのに対して kWh 当たりの発電単価の安さや総合熱効率

火炎を予燃焼室の噴口から主燃焼室へ噴出させ、火炎の高さが要求された。

ジェットの熱エネルギーで希薄混合気に点火する。ここれに対して第 7 章で報告した技術では、希薄燃焼のようなプロセスで希薄な混合気を安定的に燃焼さ方式の実現で NOx は後処理無しで地方自治体の条例せる方法がマイクロパイロット着火方式である。因による規制値 200ppm（O2 ＝ 0％）をクリアすること

みに点火プラグが発生する点火エネルギーは 0.1〜1.0ができたが、熱効率は 1000kW〜2000kW クラスで 38

ジュールであり、これに対してマイクロパイロット着〜40％、3000kW〜5000kW クラスで 40〜43％にとど火の点火エネルギーは 5000〜10000 倍といわれていまり、出力の大きさの指標である出力率（正味平均有る。

効圧力×平均ピストン速度）は 120〜140 程度でしか次に解決しなければならない課題は、微小量の液体なく、同クラスのディーゼル機関の 180〜200 には遠燃料自身の着火である。6 シリンダで 1500kW（18 シ

く及ばないレベルであった。

リンダでは 3 倍の 4500kW）、熱効率 40％のエンジン

この劣勢を克服してディーゼル機関並みの熱効率とでは、1％の噴射量は 1 シリンダ・1 回当たり、わず

出力（正味平均有効圧力）に追いつくため、エンジン

か 0.03CC 程度にしかならない。またエンジンの回転メーカは競って新規技術開発に取り組んだが、この数が低い始動時には往復動ピストン式の燃料噴射ポン

キーテクノロジーとなったのがマイクロパイロット着

プではプランジャーの速度が低いので、噴射圧が上が火、ミラーサイクルおよびノッキング制御を含むエン

らずに微細な噴霧が得られない。しかも圧縮温度も低ジンの電子制御技術であった。このうち、マイクロパ

いので液体燃料噴霧の圧縮着火が期待できない。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August従い、始動時のみ混合気に点火する別の補助手段が必要になる。この補助手段にエンジンメーカは個々に工夫を凝らして、マイクロパイロット着火方式を実用化した。図 4.5（4.3.4 項）に点火補助装置として、点火プラグを用いた例を示す 1）。

9.3 ミラーサイクル
往復運動内燃機関では理論的に圧縮比が大きくなるほど熱効率は向上するが、ガス機関ではノッキン
グ（異常燃焼）が発生するため、圧縮比の大きさに制

図 9.1

ミラーサイクルの概念図 2）約がある。熱効率向上のもうひとつの手法は、燃焼室で発生させた熱エネルギーを有効に利用することである。爆発燃焼後の膨張行程を長くして、つまり燃焼開始時の燃焼ガスの体積（＝上死点における燃焼室の容積）と排気開始時の体積（下死点における容積）の比（＝膨張比）を大きくして、高温・高圧のエネルギーを極力有効に利用することにある（図 9.1 および図 9.2
参照）。
通常のオットーサイクル（燃料ガスと空気の予混合
気を電気火花または他の手段を使って燃焼させる熱サイクル）では給気弁が下死点で閉じ、排気弁は下死点で開くと仮定すると、圧縮比＝膨張比になる。
ここで給気弁を閉じるタイミングを変えることにより、実質的な圧縮比を低減することができ、すなわち
図 9.2

高膨張比と低圧縮比を両立させることが可能となる。

ミラーサイクルによる効率向上 4）

これがミラーサイクルであり、ガス機関の場合には、ノッキングを抑制しつつ、熱効率を向上させることができる。

9.4 ヤンマー

給気弁を閉じるタイミングの変更は下死点の手前で閉じる「早閉じ」と、下死点後に閉じる「遅閉じ」の9.4.1

ストイキ燃焼方式にミラーサイクルを採用

二つの手法があるが、遅閉じの場合は、いったん燃焼

第 7 章に記述したように、同社は 100〜500kW ク

室に充填された混合気が給気ポートに逆流するというラスのストイキ燃焼方式のガス機関を製造していた。

デメリットがあるので一般的には早閉じが用いられストイキ方式は排気ガス温度が高いため、排熱回収効る。しかし早閉じは実質的な吸気行程も短くなると言率が高く、また燃焼変動に強いことから負荷投入特性

うデメリットがあるので、これをカバーして高出力をが高い、というメリットがある反面、ノッキングとい維持するためには、高圧力比タイプの過給機を採用すう制約からクランク軸端効率（熱効率）や出力レベルることが必要になる

2）
、3）
、4）
、6）

。

では希薄燃焼方式に劣っていた。
そこで同社は 1999 年（平成 11 年）から東京ガス㈱と共同で、300kW クラスのストイキ燃焼ガス機関に
ミラーサイクルを採用することにより、熱効率と出力

ミラーサイクル：1882 年にイギリスのジエームス アトキンソンが「アトキンソンサイクル」を発表した。これは圧縮比よりも膨張比を大きく取って内燃機関の熱効率を改善する、という理論であったがそれを実現する機構が複雑過ぎたため実用化には適さなかった。1947 年アメリカの Ralph H.Miller はこれを改良して「ミラーサイクル」を発表した。これは吸気弁を下死点よりも早閉じまたは遅閉じすることにより、アトキンソンサイクルを実現したものであった。

ガス機関技術の系統化調査

141

の向上を目指して研究開発を行った。

図 9.4 に副室噴口径を変化させ、燃焼を解析した一

同社は遅閉じ方式のミラーサイクルを採用したが、例を示す。図中のノッキングナンバーが大きければ大実質的な吸気行程も短くなるため、出力を維持するにきいほどノッキングに入り易いので、ノッキングナン

はより高過給が要求される、しかし極端な高過給は過バーの履歴が低く推移し、しかも高い熱効率を得られ給機効率を低下させ、排気圧力の上昇をもたらし、エる燃焼形態（図中の点線φ（A ＋ 0.4））が最も良い燃

ンジン性能に悪影響を及ぼす。そのため、膨張比、給焼形態ということになる。つまり初期燃焼を抑制し、気弁の閉じ時期、過給圧力のベストバランスを目指し

後期燃焼を急速化することで、熱効率とノッキング抑た。

制を両立できた。

このため同社は実験とシミュレーションにより、ミ

さらに同エンジンにはミラーサイクルを採用した。

ラーサイクル技術の基礎研究を行い、コージェネレー

ミラーサイクルは膨張比を大きく取って、熱効率を向ションに最適な方式を確立し、6NHLM-ST 形を開発上させる手法であるが、あわせて燃焼前の未燃混合気した。この成果として発電効率は 3 ポイントアップしの温度、圧力を低減することによってノッキング限界て、34.2％を達成し、排熱回収効率 46.8％、総合 81％を向上させることもできる。しかし高過給にすることの高効率システムを実現することができた。これを具によって過給機ノズルが絞られるため排気ガスの抜け体化したコージェネレーション・パッケージ「ジェネが悪くなり、シリンダ内に燃焼ガスが残留し、未燃混

まるミラクル AiO」は（財）省エネルギーセンター

合気の温度が上がってノッキングを発生させ易くするが選定する平成 11 年度の「省エネ大賞」を受賞しと考えられる。この対策として一次元流動解析により

2）

た 。
9.4.2

過給システムを適正化した。
350kW 級

希薄燃焼・ミラーサイクルガス

機関の開発
同社はガス機関に対する NOx 排出規制に脱硝装置などの後処理なしでクリアし、さらに高効率・高出力を達成するため、東京ガス㈱との共同で 2003 年（平成 15 年）希薄燃焼方式＋ミラーサイクル・ガス機関
AYG20L を開発した。
希薄燃焼に対しては燃焼を早期に完了させ、有効な膨張行程を確保し、熱効率を維持するためには大きな着火エネルギーが必要との判断から副室式燃焼法を採図 9.4

副室噴口径がノッキングし易さに与える影響 5）用した（図 9.3 を参照）。
副室には燃料ガスのみが供給され、圧縮行程中に主

こ の よ う な 研 究 開 発 の 結 果、 同 社 の ガ ス 機 関 は室内の希薄混合気と混合して、副室内の空気過剰率

BMEP を 1.1MPa から 1.5MPa まで 36％引き上げるこが 1 付近になるようにコントロールされている。ことができ、熱効率は 38％から 43％まで 13％向上させのリッチな混合気を点火プラグで点火し、その火炎ることが可能になった。これはシリンダ径 155mm、ジェットを主燃焼室に噴出させている。

1500rpm の小型・高速ガス機関としては世界トップ
クラスであった 5）。
表 9.1 に 6NHLM-ST 形 お よ び AYG 形 の 主 要 諸 元を、図 9.5 に AYG20L-ST 形の機関写真を示す。

図 9.3

142

副室燃焼システムの概略図 5）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August表 9.1

６ NHLM-ST 形および AYG 形の主要諸元

機関名称

6NHLM-ST

AYG20L-ST

AYG40L-SE

燃焼室・燃焼方式

ストイキ
ミラーサイクル

副室、希薄燃焼
ミラーサイクル

同左

点火方式

電気火花点火同左

同左

165 × 185

155 × 180

同左

6

6

12

回転数（min ）（50Hz 用）

1500

同左

同左

発電端出力（kW）

300

350

700

正味平均有効圧力（bar）

10.9

15.0

14.2

平均ピストン速度（m/s）

シリンダ径（mm）×行程（mm）
シリンダ数
-1

9.25

9.00

9.00

2

出力率（kgf/cm × m/sec）

102.8

137.7

130.3

発電端効率（％）

34.2

40.5

41.8

NOx 排出濃度（ppm）（O2 ＝ 0％）

≦ 40

≦ 200

≦ 200

1999 年（H11 年）

2003 年（H15 年）

2008 年（H20 年）

開発年度

めの主な取り組みは次のような点であった。
①

膨張比・圧縮比の選定

最大熱効率を達成可能な膨張比を計算から導いて15 とした。また圧縮比は試験機関による実験結果に基き、ノッキングを避け、かつ過給機に要求される圧力比が高くなり過ぎないことを考慮して 11 を選択した。
②

燃焼性能向上ミラーサイクルでは高膨張比するため、圧縮上死点での燃焼室容積を小さくしている。このため燃焼効率の低下が起こり高膨張比の効果を相殺する懸念がある
ので、単筒試験機関を用いて試験を行い次のように仕様を決定した。
図 9.5

AYG20L-ST 形ガス機関（ヤンマー提供）

・主燃焼室の形状は燃焼室内の乱流速度を上げることで燃焼速度向上を狙った高乱流型と、トップク
リアランス部を少なくすることで未燃分を減らす

9.5 三菱重工業

こと狙った低未燃分型について比較テストを行った。その結果、低未燃分型の方がノッキングを発生しにくいため、点火時期を早めて熱効率が高く

9.5.1

リ ー ン バ ー ン・ ミ ラ ー サ イ ク ル ガ ス 機 関「GS-R 形」
（GSR ミラー）の開発

できることがわかった。
・スワール比を強くすると熱発生率の最大値が大き

同社はガス機関をキーハードとしたコージェネレー

くなり、熱発生期間も小さくなってノッキングをションシステムの拡販に精力的に取組み、ガス機関の発生し易くなる。さらにシリンダライナへの熱伝熱効率向上と出力アップに注力した。

達率が高くなって熱損失も大きくなる。これら

まず 2000 年（平成 12 年）にリーンバーン方式の通常サイクルでエンジン軸端において 37％と高い効率の結果からスワール比は弱めに設定した。
（図 9.6を参照）を持つ小型ガス機関 GS-R 形（シリンダ径×行程 170

・副室からのトーチ火炎が主室の燃焼に大きな影響× 180mm）をベースに、ミラーサイクルを適用し、を及ぼし燃焼効率や熱発生期間に大きく関与する

このクラスでは世界最高の熱効率を目標として大阪ガので、三次元 CAD や可視化試験により最適な副ス㈱と共同で開発を行った。目標を達成・実現するた室仕様（容積、噴孔）を開発した。

ガス機関技術の系統化調査

143

さらにタービン、コンプレッサなど各構成要素の最9.5.2 「GSR アドバンストミラー」および「GSR2

適化・高効率化を図って、ミラーサイクル用に合致しミラー」の開発た低流量・高圧力比で総合効率 62％の高性能過給機

同社は継続的に同機関のブラッシュアップに注力しの開発、空燃比を最適に制御するため電子制御空燃比て、GSR ミラーを高効率・高出力化した「GSR アド

コントロールシステムを開発、および点火プラグは

バンストミラー」を 2002 年（平成 14 年）に開発し2,000 時間以上の寿命を確保するため、従来の白金点

た 7）。

火プラグに替えてイリジウムプラグを開発した。

さらに 2004 年（平成 16 年）には、行程を 180mm

以上の要素技術を組み合わせることによって、エンから 220mm に増して出力アップと効率アップを図っ

ジン軸端効率 42.2％（発電端効率 40％）を達成する

た「GSR2 ミラー」を完成した。ロングストローク化ことができた。この効率はこのクラス（サイズ）のガに当たり、燃焼試験により燃焼室形状の最適化を行6）ス機関としては世界最高であった 。

い、行程容積の増加に伴う給気量アップのため給気弁リフトを増大し、給気弁閉じタイミングの最適化、および高性能過給機の開発を行って目的を達成することができた。また発電端効率は 41.5％を達成し、世界最高効率を更新した 7）。
これらの主要諸元の比較を表 9.2 に、GS6R2 形の試験機の写真を図 9.7 に示す。またこれらの進化の過程を図 9.8 に示すが、2000 年以降の発電端効率の向上に
は眼を見張るものがある。

図 9.6

スワール比の熱発生率及び諸性能への影響 6）

表 9.2

GSR ミラー

GS6R2 形ガス機関（三菱重工業提供）

主要諸元の比較

機関名称

GSR ミラー

GSR アドバンストミラー

GSR2 ミラー

シリンダ配列直列 6 気筒

同左

同左

シリンダ径（mm）×行程（mm）

170 × 180

同左

170 × 220

1200

同左

同左

副室火花

同左

同左

回転数（min-1）
着火方式
正味平均有効圧力（MPa）

1.20

1.32

同左

2

出力率（kgf/cm × m/sec）

84.7

93.2

113.9

発電出力（kW）

280

305

380

発電端効率（％）

40.0

40.4

41.5

総合効率（％）

74.4

73.8

77.6

2000 年（H12）2002 年（H14）2004 年（H16）

開発年度

144

図 9.7

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

火プラグを使用しないため、メンテナンス間隔の延長に寄与した。両者の比較を図 9.9 に示す。

図 9.8

9.5.3

GSR ミラーの効率向上の推移 7）

KU30G 型の進化

（1）KU30GA 形（愛称 MACH-30G）の開発
注：MACH ＝ Mitsubishi Advanced Engine Clean

図 9.9

火花点火方式とパイロット着火方式の比較 8）& High Eﬃciency
2002 年（平成 14 年）、火花点火方式の KU30G 形を②

パイロット燃料噴射システム

高出力化・高効率化するためパイロット着火方式に変

また KU30GA 形のパイロット燃料噴射システムと更した KU30GA 形を開発した。希薄燃焼ガス機関はして、コモンレール方式を採用した。これによって各環境にやさしい原動機として需要を伸ばしてきたが、シリンダのパイロット燃料の噴射量、噴射タイミン

しかし同サイズのディーゼル機関に比べて出力が低い

グ、噴射圧を自由にコントロールすることができるよ

ため、経済性の面でディーゼル機関よりも劣っていうになった。従って全シリンダとも一定した燃焼が実た。そこで次世代のエンジンとして優れた環境面に加現できて、ノッキング等の異常燃焼を未然に防止する

えて、経済性にも優れた高出力・高効率のガス機関を上で有効な手段となった。

開発することを目標にした。この開発に当たって次の③

ような要素技術の開発を行った。

KU30G 形では空燃比の制御は過給機から吐出され①

パイロット着火方式

空燃比制御システムた余剰分の空気を外部に放出することにより行ってい従来の KU30G 形は電気点火方式であったが、点火たが、この方法では過給空気を捨てることによるポン

プラグは高出力化に伴う高圧縮圧力下では、所要放電

ピング仕事の低下のため、熱効率低下や排気温度の低電圧が上がるために交換寿命が短くなるという問題が下があった。これに対して KU30GA 形では排気ガスあり、また燃焼変動が抑えきれないため熱効率アップ

をバイパスさせる（ウェストゲート方式）方法で改善にも限界があった。これらの課題を解決するため、点した。

火プラグによる点火に代えて、パイロット着火方式を

④

採用した。

シリンダ内の燃焼状況を正確に把握するため、従来ノッキング制御システム

パイロット着火方式は、総熱量の 1％ほどの液体燃の振動計型ノックセンサに代えて、直接シリンダ内の料を副室内に噴射して、まずこれを圧縮着火させ、副圧力を計測する筒内圧力センサを用い、燃焼状況を直室先端の噴孔から噴出するトーチ火炎で主室内の希薄接把握した。この情報に基きコモンレールによる電磁混合気に点火する。

弁式パイロット燃料弁と電磁弁式ガス弁により高い応点火プラグの発生する点火エネルギーは 0.1 ジュー

答性を持って毎サイクルの制御が可能となった。こル程度であるが、パイロット油による点火エネルギーのように筒内圧力を直接計測してリアルタイムでノッ

はこの 8000 倍となり、高出力下での信頼性の高い点

キングを制御する手法は世界初であり、特許を取得し火が可能になった。また、空気過剰率の大きい領域でた。

の安定燃焼が可能になり、従来より大幅な低 NOx 化⑤（100ppm、O2 ＝ 0％換算）を実現するとともに、点KU30GA 形ではガス供給電磁弁を採用した。ガス

ガス供給システム

ガス機関技術の系統化調査145

供給電磁弁は各シリンダの給気ポートに取り付け、コ（2）新 MACH-30G の開発

ントローラで供給時期と供給量を制御するのでシリン

同社は KU30GA 形（MACH-30G）のさらなる高効

ダ間の空燃比のばらつきを抑制することができる。こ

率化を狙い、ミラーサイクル（早閉じ）を採用して、のため全シリンダをより均等にノッキング限界に近づ

2004 年（ 平 成 16 年 ） に 新 MACH-30G を 開 発 し た。

けることが可能となり、熱効率向上をもたらし、ここの開発には先に開発した GSR ミラーの技術が活用

れらの成果として、BMEP13 → 20bar、発電端効率され、発電端効率 45.5％を達成した 3）。

39.3 → 44.0％を達成することができた 8）、9）。
図 9.10 に KU30GA 形の横断面を示す。

（3）KU30GSI 形（愛称 MACH Ⅱ -SI）の開発
2008 年（ 平 成 20 年 ）、 同 社 は 着 火 材 と し て 液 体
燃 料 を 使 用 し な い、 火 花 点 火 方 式 の KU30GSI 形（MACH Ⅱ -SI）も商品ラインアップに加えた。これ
は液体燃料が入手しにくい地域、あるいは燃料タンクの設置スペースがない等の理由によりパイロット油を使用しないガス機関の要望に応えるためであった。
（注：SI ＝ Spark Ignition、火花点火方式）
また同社は MACH-30G を対象に、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）および（社）
日本ガス協会との共同研究を平成 17 年から 3 年間にわたり実施して、発電端効率 47.4％、さらにターボコ
ンパウンド方式の採用した場合 48.8％を達成する成果を得た。この共同研究では、異常燃焼の発生を抑制し燃焼効率を高めることを目的に、CFD 解析や単筒試

図 9.10三菱

KU30GA 形ガス機関横断面図 8）験機を用いて、スワールとシリンダ内混合気の濃度分
布の適正化およびピストン形状や副室などの燃焼室形状の最適化などの要素技術を徹底的に検証した 10）。

コモンレールシステム：液体燃料の噴射システムで、高圧ポンプ（1300〜1600kgf/cm2）から吐出された高圧の液体燃料を
common rail と呼ばれる一種の蓄圧室に貯蔵する。（ただしガス機関のパイロット燃料噴射用としては、噴射量が微小なため
500〜800kgf/cm2 程度にするケースもある。
）コモンレールと各シリンダの噴射弁は個々に燃料高圧管で接続されており、噴射弁の上部には電磁弁が取り付けられている。電磁弁は電子燃料制御装置（または電子ガバナ）からの信号で ON、OFF
して、燃料油をシリンダ内に噴射する。従来のプランジャーポンプを使った機械式の噴射システム（圧力は 800〜1200kgf/cm2）に比べて、高圧で噴射するため燃料をより微粒化できるので、燃料の完全燃焼に寄与する。さらに制御装置からの信号
でシリンダ毎に噴射タイミングや噴射期間（噴射量）を自由に制御できるので、機械式の噴射システムにはできない、シリンダ毎や 1 サイクル毎の微妙な出力制御や燃焼状態の制御が可能になる。

図はデンソーのコモンレールシステム（同社のホームページより）

146

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.AugustKU30GSI 形機関にはこれらの高効率技術の一部もこうして開発した KU30GSI 形は、その優れた環境適用され、さらに KU30GSI 形の開発に当たり、特に適合性、総合効率を含めた性能および工事に関わるプ

次のような点に配慮した。

ラントエンジニアリング力を高く評価されて米国にお①

副室ガス供給方式

いて初号機を受注し、2012 年（平成 24 年）の初頭か

火花点火方式では副室への独立したガス供給が必要

らの運転開始に向けてエンジン製作と工事を進行中である 12）。

となるが、本機関では副室用にもガス供給電磁弁を用い、副室内混合気濃度制御のフレキシビリティを確保

KU30G シリーズの主要諸元の比較を表 9.3 に示す。

した。
②点火プラグの長寿命化
一般に高出力希薄燃焼ガス機関の点火プラグの交換
寿命時間は 1,000〜1,500 時間で、これが長時間連続運
転のネックになっている。KU30GSI 形の開発に当た
り、2,000 時間を目標に設定し、この対策として点火
プラグ周りの冷却構造と配置を工夫し、電極の形状を改善した電極温度改善型点火プラグを採用して電極磨耗を低減した。この点火プラグを使った実際の運転においても目標とした 2,000 時間を超える耐久性があることを実証している

図 9.11

KU30GSI 形

副室周りの構成 11）

11）。

上記①および②の構造を図 9.11 に示す。

表 9.3

KU30G シリーズの主要諸元比較

KU30G

KU30GA（MACH-30G）

KU30GA（新 MACH-30G）

KU30GSI（MACH Ⅱ -SI）

副室、希薄燃焼

同左

副室、希薄燃焼
ミラーサイクル

同左

電気火花点火マイクロパイロット
着火、コモンレール
方式、グロープラグ
（起動時）

同左

電気火花点火シリンダ径（mm）×行程（mm）

300 × 380

同左

同左

同左

回転速度（rpm）

750（50Hz）

同左

同左

同左

正味平均有効圧力（bar）

13

20

同左

同左

平均ピストン速度（m/s）

9.5

同左

同左

同左

出力率（kgf/cm × m/sec）

121

186

同左

同左

発電端効率（％）

39.3

44.0

45.5

47.0

NOx 排出濃度（ppm）（O2 ＝ 0％）

200

200

270

320

1990 年（H2）2002 年（H14）2004 年（H16）2008 年（H20）

機関名称
燃焼室・燃焼方式

点火方式

2

開発年度

ガス機関技術の系統化調査

147

ターボコンパウンドシステム（TCS）：希薄燃焼方式では空燃比を一定に制御する必要があるが、そのため給気圧力をきめ細かく制御することが要求される。しかし、給気圧力は季節によって変動するため、通常、圧力の低下する夏場に合せて過給機の仕様を設定する。このため給気圧力が上昇する冬季は給気または排気の一部をバイパスさせて空燃比を制御している。また近年の過給機は総合効率が向上しているので、排気ガスのエネルギーはエンジンが必要とする空気量の圧縮に必要なエネ
ルギーよりも過剰になっている。このような状況を改善するため、過給機のロータ軸に高速回転の発電機を直結して発電し、主発電機の電力と合せてユーザサイドに供給するシステムをターボコンパウンドシステムまたはハイブリッドターボコンパ
ウンドシステムという。発電機は回転数が変化するため、交流発電→コンバータで直流に変換→インバータで 50Hz または60Hz の交流に変換する必要がある。また TCS をフルに発電させると過給機出口の排気ガス温度が低下するため、排気ガス
ボイラー等の熱回収が低下するので、顧客の需要に合せた熱と電気の発生量のバランスを制御することが必要になる。
6000kW クラスのガス機関に TCS を採用したある試験では、排気抵抗が増えることによって、ポンピングロスが増加して機関単体の効率は低下するが、高速発電機の発電量分効率が回復して最終的に 1.4 ポイント（3.0％）の効率アップになったとのデータがある。
過給機と発電機をカップルさせた例を図に示すが、左図のように吸気フィルター内に内蔵するタイプと右図のように吸気フィ
ルターの外側に取り付ける構造がある。
（（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）、（社）日本ガス協会、三菱重工業「超高効率天然ガスエンジン・コ
ンバインドシステム技術開発」成果報告書および三井造船技報 191 号「小型ガスエンジン MD20G の稼動実績」から引用）

三菱重工業ハイブリッド過給機

三井造船ターボコンパウントシステム（2）マイクロパイロット燃焼基礎試験

9.6 新潟原動機

単筒試験機関を用いて、次の 3 方式について、エンジン性能の比較計測を行った。

9.6.1

マイクロパイロット着火・希薄燃焼ガス機関

A．ディーゼル燃焼方式（直噴式）の開発

B．火花点火・ガス希薄燃焼方式（副室式）
C．パイロット着火・ガス希薄燃焼方式（副室式）（1）開発の目的
同社の 1MW クラスの既存機種である 26HX-G 形

条件を揃えるため、3 方式とも圧縮比は 12 とし、は発電端効率が約 37％、正味平均有効圧力（BMEP）

BMEP は 1.47MPa として運転した。3 方式の構造比

2は 1.47MPa（15kgf/cm ）であったが、これを大幅に較を図 9.12 に示す。

向上させることを目指して 1996 年（平成 8 年）から
計測項目は次の通り。

新技術開発に取り組んだ。
開発目標は発電端効率 40％以上、BMEP2MPa、おBMEP、熱効率、NOx 濃度、O2 濃度、シリンダ内

よび最小メンテナンス間隔を 4,000 時間とし、さらに最 高 圧 力（Pmax）、Pmax 変 動 率（COV-Pmax、200

熱分解ガスやバイオガスなど、従来有効利用されていサイクルの Pmax の標準偏差 / 平均値）、シリンダ出なかった特殊ガスにも対応できること、とした。この

口排気温度、スモーク度（排気色濃度、Bosch1 回引ためには、過去の希薄燃焼に関する研究経験から、点き）

火プラグよりも確実な火種形成と、強力で寿命の長い点火源を持つ燃焼技術を確立することが必須条件で
あった。

148

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August図 9.12

各燃焼方式の構造比較図 13）（3）結果と考察
各燃焼方式のエンジン性能比較を図 9.13 に示す。

能比較を図 9.14 に示す。火花点火方式の圧縮比は 10と設定し（パイロット着火方式は 12）、両燃焼方式のチューニングが適切に実施できる条件のもとに比較試験を行った。マイクロパイロット方式では BMEP が
2MPa の運転を行っても、Pmax は火花点火方式よりも低い。
次に、パイロット噴射量（熱量比）を変更した場合の性能を図 9.15 に示す。パイロット噴射量を増加させると、燃焼変動率は小さくなるが、Pmax と NOxが上昇する 13）。

図 9.13各燃焼方式のエンジン性能比較 13）

性能比較の結果、ほとんど全ての計測項目で C（パイロット着火・希薄燃焼方式）が優れており、特に燃焼変動（COV-Pmax）は B（火花点火・希薄燃焼方式）
よりも格段に優っていて、希薄燃焼方式に有効である
ことを裏付けている。
（4）パイロット着火ガス機関と火花点火ガス機関の性能比較
パイロット着火方式はその火種となる熱量が、火花点火の熱量より 5000〜10000 倍であるので、パイロッ
ト噴射時期が遅くても、主燃焼室内の混合気を十分に燃焼させることができる。噴射時期が遅いことから、燃焼最高圧力が低下してノックマージンが大きくなる。従って、圧縮比が高くできて熱効率が高くなる。
また BMEP も高くすることができる。
パイロット着火ガス機関と火花点火ガス機関の性

図 9.14

火花点火方式とマイクロパイロット方式の性能
比較 13）

ガス機関技術の系統化調査

149

しかも高出力化や高効率化に寄与できるマイクロパイ
ロット着火方式を採用した。
あわせてエンジン起動時から定格回転数域までの補助手段として、点火プラグも併用して起動時の確実性を持たせた。このシステムはマイクロパイロット着火方式の起動方式としては、最も適しているもので、国内外で特許を取得した。（4.3.4 項図 4.5 を参照）
（2）エンジン制御システムと電子燃料噴射装置（EFIシステム）について
燃料ガスは、エンジン・コントローラ、ガバナドラ
イバおよび各シリンダに備えたガス供給電磁弁からなる EFI（Electric Fuel Injection）システムによってエンジンに供給される。図 9.16 にエンジン制御ブ
ロックダイヤグラムを示す。
エンジン・コントローラは最良の性能を維持するた
めに、燃料ガスの供給タイミングと供給量（開弁時間）を最適に制御する。
またガス機関で高出力・高効率を追及するためには、ノッキングの検知や回避が必須となるが、本機関には各シリンダにノックセンサが取り付けられてお図 9.15

パイロット油量のエンジン性能に与える影響

13）

り、あるシリンダにノッキングが発生した場合、当該シリンダへの燃料ガス供給量を自動的に減少させて

9.6.2

高効率・高出力ガス機関 22AG の開発

このような研究結果をもとに、2001 年（H13 年）、ノッキングを回避し、安定した連続運転を維持することができる。

同社の 22HLX 形ディーゼル機関をガス機関化した L（3）22AG 形ガス機関の熱効率および出力型および V 型の 22AG 形を開発した。

図 9.17 に従来の火花点火方式のガス機関に対する
22AG 形の熱効率と出力の向上度合を示した。マイク（1）マイクロパイロット着火方式の採用
前述のような基礎研究により、着火エネルギーが大ロパイロット着火方式による強い着火エネルギーによきく、希薄混合気の燃焼変動の安定性確保に有効で、り、火花点火方式に比べ 10〜20％の効率アップと 30

図 9.16150

国立科学博物館技術の系統化調査報告

22AG の制御ブロックダイヤグラム 13）

Vol.17 2012.August

〜35％の出力アップが得られた 1）。
8L22AG 型の外観写真を図 9.18 に示す。

図 9.199.6.3
図 9.17

熱効率と出力の向上度合 1）

消化ガス発電設備の概要 14）高出力・高効率の大型機関 28AG 形の開発

同社は 22AG 形の成功をもとに、さらに上の出力の領域をカバーするため、2006 年（平成 18 年）に28HLX 形ディーゼル機関をベースに、これをガス機関化して 28AG 形を開発した。この開発は㈱ IHI との共同で行われ、IHI が主として CFD による混合気形
成の解析を担当し、同社（新潟）は試験機関の設計および燃焼パラメータの組合せ試験を担当した。その成果として、世界最高効率の 47.6％を達成することができた。
世界最高効率達成のキーポイントは、独自のマイク
ロパイロット着火方式に加え、ミラーサイクルの採用、予燃焼室形状や混合気形成過程の最適化などが上

図 9.18

8L22AG 形

ガス機関（新潟原動機提供）げられる。その詳細を次に記述する。
（1）ミラーサイクルの採用（4）特殊ガス（低カロリーガス）への対応

ミラーサイクルは、膨張比を圧縮比よりも大きくす

22AG 形はマイクロパイロット着火方式の燃焼基礎ることで、より多くのエネルギーが取り出せて熱効率試験で、水素、CO、CO2、窒素ガスなどを含んだ低向上が可能になる。また有効圧縮比が低下することにカロリーガスでも商用運転可能との結論を得て、大都なるため、ノッキングに対する裕度が拡大され、この市の下水処理場に納入され、汚泥から発生する消化ガ

裕度を効率改善のための運転調整に生かすことによっスを燃料としたコージェネレーションシステムのキーて、さらに熱効率向上が可能になった。

ハードとして順調に運転されている。また木質バイオガスを燃料とする発電システムにも納入されている。

（2）予燃焼室要目と主燃焼室形状の最適化

消化ガス発電設備の概要を図 9.19 に示す。各家庭

28AG 形開発のポイントは、22AG 形のマイクロパから排出された下水を水処理施設で浄化し、浄化の際イロット着火方式の燃焼技術を、より大きなシリンダに発生した汚泥は汚泥消化槽で微生物を利用した有機径のエンジンに適合させることにあった。これを実現

分解を行う。このときに発生するのが消化ガスであさせるためには予燃焼室形状の最適化が大きく貢献しる。発生した消化ガスはガス機関の燃料として使わた。点火源である予燃焼室から噴出するジェット火炎

れ、発電した電力は水処理施設に使われる。またエンの改善によって消炎領域の減少と短期燃焼化を図り、ジンから取った温水は汚泥消化層の加温に使われ、消燃焼効率の向上を行った。また主燃焼室形状に対して化の日数を短縮することができる。温水は水処理施設

適したジェット火炎を形成させることによって、最適によって処理した水の一部を利用している。このよう燃焼を実現させ高効率を得ることができた。この検討に再生された資源を有効に利用することによって、水には予燃焼室火炎ジェットの燃焼流体シミュレーショ

処理コストの削減を可能にしている

14）。

ン計算が活用された。

ガス機関技術の系統化調査

151

表 9.422AG 形および 28AG 形

機関名称

主要諸元

8L22AG

18V22AG

18V28AG

燃焼室・燃焼方式

副室、希薄燃焼

同左

副室、希薄燃焼、
ミラーサイクル

点火方式

パイロット着火

同左

パイロット着火220 × 300

同左

295 × 400

1000／900

同左

750／720818

18

1400／1260

3200／2880

5800／5500

正味平均有効圧力（MPa）

1.96

同左

1.96

平均ピストン速度（m/s）

10／9

同左

10／9.6200／180

同左

200／192

発電端効率（％）

41.8

43.6

46.2

NOx 排出濃度（ppm）（O2 ＝ 0％）（高効率仕様）

600

同左

600

2001 年（H13）2003 年（H15）2006 年（H18）

シリンダ径（mm）×行程（mm）-1

回転数（min ）
シリンダ数
発電出力（kW）

2

出力率（kgf/cm × m/sec）

開発年度（注）スラッシは50Hz 用／60Hz 用を表わす。

（3）混合気形成過程の最適化た開発を、効率的に進めることができると考えたよう

主燃焼室内の混合気濃度に不均一性が生じている場である。

合、燃料リッチの部分は、NOx 発生、ノッキング発
生の要因部分となり効率改善の調整代を減少させるこ

9.7.1

MD20G 形の開発とになる。一方、希薄部では消炎が生じ、排気ガス中

2004 年（平成 16 年）、同社は（独）新エネルギー・の未燃ガスを増加させる要因となる。つまり、効率改

産 業 技 術 総 合 開 発 機 構（NEDO） と の 共 同 研 究 で善には希薄混合気の混合促進による濃度の均一化が不MD20G 形を開発した。この開発はダイハツディーゼ

可欠である。

ルが量産している DK-20 形ディーゼル機関をベース

本開発では、燃料混合状況の把握は、3 次元数値流にガス機関化し、このクラスで世界最高レベルの高出体解析で実施した。計算結果から、燃料ガス噴射ノズ

力と高効率を目標とした。システム技術としての開発

ルの形状や位置の相違によって、主燃焼室内の希薄混のテーマは「熱電独立可変ガス機関コージェネレー

合気濃度の均一性が変わることを確認した

15）。

表 9.4 に 22AG 形と 28AG 形の主要諸元を示す。

ションシステム」であり、次の三つの開発要素からなっていた。
・高出力・高効率リーンバーンガス機関システム

9.7 三井造船

・排 気 エ ネ ル ギ ー 動 力 回 収 シ ス テ ム（TCS ＝
Turbo Compound System）

同社は 1978 年（昭和 53 年）ころから、2 サイクル

・排気再燃ボイラシステム

および 4 サイクルの大型ガスインジェクション機関の開発に取り組んできた。
（第 8 章参照）一方 2000 年過ぎから小型・中型分野の産業用や船舶の補機関をター①

ゲットにしたガス機関の開発に着手したが、このころ高出力化、高効率化と低 NOx を同時に達成するたには希薄燃焼方式で高効率を発揮する技術が確立されめ、希薄燃焼方式と早閉じのミラーサイクルおよびコてきたので、同社も希薄燃焼方式を用いた開発を行っモンレール方式を採用した。

直接噴射式マイクロパイロット着火方式の採用

このエンジンの開発のポイントは、世界でも 1 社し

た。

152

（1）開発の概要

しかし他社が採用する副室式（予燃焼室式）を採用

か実用化していなくて、わが国では初めてとなる直接せずに、独自の直接噴射式で開発を進めた。直噴式を噴射式マイクロパイロット着火方式を採用したことで選択した理由はディーゼル機関で豊富な経験がある直ある。この目的はシンプルな構造で確実・安定な着火噴式の方が、経験のない副室式よりも目標達成に向けを行うことで、図 9.20 および 9.21 にその構造を示す

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August図 9.20

燃焼室と点火（着火）方式の比較 16）（図 4.9 の再掲）

が、図のようにシリンダヘッドの内部に副室がない

Turbo Compound

System）の開発

ため、構造がシンプルにできる。またコモンレールに前項で記述したように排気ガスエネルギーを有効によるマイクロパイロット噴射と組み合わせることによ利用するため TCS が考案されたが、本機関も高効率

り、エンジン起動時はガスを供給せずに、パイロット化の手段のひとつとして、過給機に直結した高速発油の噴射量を適量に制御を行い、点火プラグやグロー電機による電力回収システムを開発した。図 9.22 にプラグといった補助手段無しに起動できるという特徴

その外観を示すが、発電機は回転数 55000rpm、出力がある。デュアルフューエル化や低カロリーガスへの30kW を採用した。

対応も容易である。
またコモンレールを採用することにより、シリンダ毎の燃焼状態に応じて個別にパイロット噴射量を微調
整して、ガス燃料への着火性を確保できること、およびノッキング抑制の手段として各シリンダのノッキン
グ強度データによって各サイクル、シリンダごとにパイロット燃料噴射時期をリアルタイムで制御ができるなどの利点がある。
さらにこれらの制御を可能にするため、独自のエンジン制御装置（ECP）を開発して負荷運転時のガス燃料量およびパイロット燃料量制御、ノッキング制御などを行った。
図 9.22 TCS、過給機と発電機の結合写真（三井造船提供）③

排気再燃ボイラシステムの開発「熱電独立可変ガス機関コージェネレーションシス
テム」を目標として、排気再燃ボイラシステムを開発した。これは過給機から出た排気ガス中に燃料ガスと少量の空気を吹き込んで燃焼させ（追い焚き）、ガス
温度を 350℃程度から最高 800℃程度まで上昇させて、排気ガスボイラでの蒸気発生量を大幅に増やすシステ
ムである。
④

開発性能

このような新規技術を盛り込んで開発された
MD20G 形の性能は、発電出力
図 9.21

MD20G 形ンダ）、BMEP

燃焼室断面図 16）

発電端効率
②

排 気 エ ネ ル ギ ー 動 力 回 収 シ ス テ ム（TCS ＝800（6 シリンダ）〜1100kW（8 シリ2.0MPa、出力率 176

41％、発電端効率（TCS 付き）42.5％

以上のように、このクラスとしては最高レベルの熱ガス機関技術の系統化調査

153

効率を達成することができた 16）。

9.7.2

MD36G 形の開発

引き続き同社は 2007 年（平成 19 年）に 3〜8MWの範囲をカバーする MD36G 形ガス機関の開発を進め（2）MD20G 形の稼動実績
MD20G 形は 2005 年（平成 17 年）から実稼動中でた。この開発はダイハツディーゼルが量産していたあるが、本機関の特徴である、直噴マイクロパイロッ

DK-36 形ディーゼル機関をベースにガス機関化した

ト方式＋コモンレール＋電子制御式ガス噴射弁を採用もので、ダイハツと共同で行った。

した成果として、・大気温度、2 次冷却水温度がともに 10℃以下でも特別な予熱なしで起動が可能。

（1）MD36G 形の開発のポイント①

異常燃焼検出と制御

・短時間での起動ができるので、防災兼用ガス機関

シリンダヘッドの取り付けボルトに加速度センサをとしても使用が可能。図 9.23 に 6MD20G 型機関取り付け、その出力信号を異常燃焼検出装置に入力を使った短時間起動試験の結果を示す。非常用発し、ノッキングの度合いに応じて数値化してこれを電電機のブラックアウト後 40 秒以内に電圧確立お圧変換し、エンジン制御装置（ECP）に入力している。

よび負荷投入が可能であること、という規定に対ECP はノッキング強度に応じて、シリンダごとにパし、本試験ではスタンバイ状態から定格回転数整

イロット燃料噴射時期やガス供給量を調整して安定運

定まで約 27 秒という満足すべき結果が得られた。

転を継続させている。

従って非常用発電兼用機としての需要にも対応できることが立証できた。

図 9.23

6MD20G 形

図 9.25 にエンジンの制御系統図を示すが、これはMD20G、36G に共通のシステムである。

短時間起動試験結果 19）

・瞬時負荷投入率が高く（起動 5 分後 40％が可能）、

図 9.25エンジン制御系統図 18）

負荷変動にも十分な追従性がある。
等のメリットが確認された 17）。
図 9.24 に TCS 付 き の 6MD20G 形 の 外 観 写 真 を 示②

シリンダ内流動の最適化

シリンダ内のガス流動は、燃料ガスと空気の混合おす。

よびその混合気の燃焼に多大な影響を及ぼす。従って良好な燃焼を得るためには、これらの最適化を行う必要がある。このため CFD 解析や空気流動のシミュ
レーションにより、燃焼室形状や吸気通路形状の最適化を行った。
③

単気筒試験機による性能試験

単気筒試験機 1MD36GX を製作し、ガス噴射弁ノズル仕様、給気スワール、ピストン燃焼室形状などの条件を変更して機関性能検証試験を実施した 18）。図
9.26 に単気筒試験機の写真を示す。
図 9.24 6MD20G 形 ガス機関（TCS 付）（三井造船提供）

154

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

さが実証された。
本開発の結果として MD36G 形の発電端効率は、V型機関では 46％、L 型機関では 45％という世界トッ
プレベルを達成することができた 19）。
表 9.5 に MD-G シリーズ（全 7 機種）のうち、代表的な 3 機種の主要諸元を示す。
9.7.3

レーザによる新しい着火方式の試み（1）レーザ着火方式開発の目的
ガス機関の点火方法は、電気点火プラグによる火花
放電点火と、微量の液体燃料を圧縮着火させるマイク
ロパイロット着火方式の二つの方法が実用化されている。
図 9.26

しかし、点火プラグはその点火エネルギーと使用時

1MD36GX 単気筒試験機関（三井造船提供）

間に制約があり、また直噴マイクロパイロット着火は拡散型の燃焼形態になるため、そこからの NOx 排出④低減の課題や、2 種類の燃料を入手・管理しなければ実機実証試験

ならないという煩わしさがある。

上 記 の 検 討 を も と に、6 気 筒 の 実 証 試 験 機（6MD36G 形、発電出力 2800kW）を製作し、同社のこのような課題を解決する新しい点火方法として

玉野事業所内に発電所を建設して、2006 年（平成 18

レーザ着火が注目され、すでに自動車エンジン用とし年）11 月から自家発電設備として電力供給を行った。

て開発が行われているが、同社も 2009 年（平成 21 年）に産業技術総合研究所・新燃料自動車技術研究センターとの協力で、この新技術開発に取り組んだ。

（2）直噴式マイクロパイロット着火方式の起動性における利点
2006 年（平成 18 年）11 月から開始した玉野事業所（2）レーザ着火の原理と試験装置と試験結果の概要

における実証試験は、2008 年 6 月末時点で総運転時高強度パルスレーザをレンズで集光して混合気に照間は約 3,000 時間に達した。運用は DSS（Daily Start

射することで高温のプラズマを生成し、その熱エネル

and Stop）であるが、冬季を含めて起動失敗は皆無でギーにより着火させる。試験には単気筒試験機関を改あり、直噴マイクロパイロット着火方式の起動性の良造した急速圧縮膨張装置を用い、シリンダヘッドに相

表 9.5
機関名称

MD-G シリーズ

主要諸元

6MD20G

6MD36G

18MD36G

直噴・希薄燃焼・
ミラーサイクル

同左

同左

点火方式

マイクロパイロット着火、コモンレール方式

同左

同左

シリンダ数

6

6

18

200 × 300

360 × 480

360 × 460

回転数（min ）900（60Hz）600（50、60Hz）

同左

発電出力（kW）

815

2800

8100

正味平均有効圧力（MPa）

2.0

同左

同左

平均ピストン速度（m/s）

9

9.6

9.2

184

196

188

41（TCS 付は 42.5）

45

462005 年（H17）2008 年（H20）

同左

燃焼室・燃焼方式

シリンダ径（mm）×行程（mm）-12

出力率（kgf/cm × m/s）
発電端効率（％）
開発年度

ガス機関技術の系統化調査

155当する部分を石英ガラスにして着火状態を観測するこ

次 に 小 型 単 気 筒 試 験 用 ガ ス 機 関（ シ リ ン ダ 径とを可能にしている。図 9.27 に急速圧縮膨張装置と102mm、行程 105mm、圧縮比 12、直噴式、回転数

組み合わせた試験装置を、図 9.28 にその燃焼室の部

2400rpm）を用いた試験を行った。レーザ着火による分の概略図を示す。

着火特性を比較するため、点火プラグでの運転も行っ

図 9.27 の試験装置を使い、当量比、予混合気温度、た。

予混合気圧力をパラメータとして着火状況の計測を

100 サイクル分を平均した圧力線図から、同じ当量行った。その一例を図 9.29 に示すが、圧縮前圧力の比、同じ着火タイミングではレーザの方が圧力の立ち上昇とともに最小着火エネルギーが減少していること

上がりが良く、迅速な燃焼が得られることが示されが確認された。
（注、当量比は空気過剰率の逆数）た。この理由はプラグ着火では燃焼室の壁面で着火しているのに対し、レーザ着火は燃焼室の中心部で着火していることが影響していると考えられる。
次に、燃焼安定性を評価するためにシリンダ圧力のサイクル変動を計測した結果を図 9.30 に示す。この
図から、レーザ着火では上死点付近で速やかに圧力上昇が見られるが、プラグ点火の場合は上死点付近の圧力上昇に変動が大きいことが認められた。
レーザ着火の実用化に当ってはまだ課題も多いが、熱効率の向上と低 NOx 化を同時に実現できる可能性を有している 20）。

図 9.27

レーザ着火観察用試験装置 20）

図 9.28試験装置の燃焼室部分 20）

図 9.30シリンダ圧力のサイクル変動の比較 20）

9.8 ダイハツディーゼル（1）GK28G シリーズの開発
図 9.29最小着火エネルギーに及ぼす当量比の影響

20）

同 社 は 2005 年（ 平 成 17 年 ） 以 降 MD20G シ リ ーズ（800 〜 1100kW） と MD36G シ リ ー ズ（2800 〜

156

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

8100kW）のガス機関を市場に送り出してきたが（前述のように MD36G 形は三井造船と共同開発）、中間の 1500〜2000kW の領域をカバーするための開発を進めた。こうして生まれたのが DK-28 形ディーゼル
機関をベースに、ガス化した GK28G シリーズであり、同社が独自に開発した。6GK28G 形の主要諸元を表9.6 に示す。
表 9.6

6GK28G 形の主要諸元

機関名称

6GK28G
副室式・希薄燃焼・
ミラーサイクル

燃焼室・燃焼方式

マイクロパイロット着火、コ
モンレール方式、グロープラ
グ点火（起動時）

点火方式
シリンダ数×シリンダ径（mm）×行程（mm）

6 × 280 × 390

回転数（min-1）

750／720発電出力（kWe）

1500

エンジン端出力（kWm）

1575

正味平均有効圧力（MPa）

1.75／1.82

平均ピストン速度（m/s）

9.75／9.36

出力率（kgf/cm2 × m/s）

174

発電端効率（％）

43％

開発年度（注）スラッシは

図 9.31

副室容積と熱発生率 21）

図 9.32副室の容積と熱効率 21）

2007 年（H19）50Hz 用／60Hz 用を表す。

（2）GK28G 形の特徴
三井造船との共同販売機種である MD20G、MD36G
形は三井造船主導による直噴式・マイクロパイロット
着火方式であるが、GK28G 形はガス機関として一般的に用いられている、副室式・マイクロパイロット着

その他の構造上の特徴は以下の通りである。

火方式を採用した。

①

ミラーサイクルの採用

副室の形状は、副室内のマイクロパイロット燃料の熱効率向上のため、膨張比を大きく取れるミラーサ

燃焼、および主燃焼室の混合気の燃焼に大きな影響がイクルを採用したが、給気弁閉じ後の膨張で給気温度あるので、最適な形状を選択することが必要である。

が下がり、ノッキングマージンが大きく取れる早閉じ

そのために副室の容積比率をパラメータとして試験を方式を採用した。

行い、熱発生率や熱効率により最適形状を決めた。ま②たマイクロパイロット噴射量も熱効率や燃焼安定性にパイロット燃料噴射にはコモンレールシステムを採大きな影響を及ぼすので、噴射量を変えた試験を行っコモンレールシステムの採用用し、噴射圧力は 800bar に設定した。

て最適噴射量を決定した。図 9.31 に副室容積と熱発③生率の関係を、図 9.32 に副室容積と熱効率の関係を副室内にグロープラグを装着して、冷態時の起動を示す。

燃料噴射弁とグロープラグ

アシストしている。また副室内にはパイロット燃料の噴射弁も装備されているが、噴射弁を効率良く冷却し、合せてノズルチップ内にグロープラグをいっしょに装着するというコンパクトな構造を開発した。この構造で特許を取得した。図 9.33 にシリンダヘッドの構造図を示す。

ガス機関技術の系統化調査

157

9.9 川崎重工業
クリーンな天然ガスを使用する環境に優しいガス機
関市場が拡大している中で、同社は 2003 年（平成 15年）から独自技術による世界最高効率を目指し、希薄燃焼・高効率ガス機関の開発を開始した。このガス機
関には母体になったディーゼル機関はなく、全く新規に開発・設計した機関であった。なお、同社はすでに環境性能に優れた産業用・民生用のガスタービンを「グリーンガスタービン」と呼んでいるので、今回開図 9.33

GK28G 形

シリンダヘッド構造図 21）

発するガス機関も、「グリーンガスエンジン」と呼称することにした。

（3）電子エンジン制御システム（ECS）について
希薄燃焼方式ではノッキングと失火を避けて、最高効率を発揮するためにはシリンダ毎の微細な空燃9.9.1 「カワサキグリーンガスエンジン」の開発（1）単気筒試験機関による性能開発試験

比調整が要求されるため電子エンジン制御システム

希薄燃焼方式の課題であるノッキングと失火を回避（ECS）を採用した。この ECS は次のような機能を持し、高出力・高効率・低 NOx のガス機関を開発するつ。

ため、2004 年（平成 16 年）に単気筒の試験機関を作・エンジン回転数を安定させ、応答性を確保するたり、翌年から仕様の確立および性能改善、基本性能のめ、敏感で応答性の速いコントローラを採用。

確認を進めた。開発のポイントとその特徴を列記する

・NOx 濃度を規定値以下にキープするため、空気と、量をコントロールすることにより空燃比を調整。

①

ガス供給および点火システム

・シリンダ内の燃焼圧力を計測し、ノッキング強度

主燃焼室用と副室用にガス供給電磁弁を独立に配置がしきい値を超えるとパイロット燃料の噴射燃焼

し、主燃焼室、副室のそれぞれ空燃比が最適になるよ

モニタリング時期を一時的に遅角させてノッキン

うにガス噴射タイミング、ガス噴射量を独立に制御しグを回避する、燃焼モニタリングを採用。

た。

・最高効率を発揮して低 NOx を達成しエンジンの着火方式は電気着火方式を採用した。点火プラグ

振動を低減するためには、各シリンダの燃焼状態の寿命対策について詳細は明らかにされていないが、を揃えることが必要であり、このため排気温度と2,000 時間の耐久性は確保されている。電気着火方式

燃焼圧力を監視し、ガス供給電磁弁でシリンダ毎

は、パイロット着火方式に比べ、燃料噴射装置などのにガスの噴射量を制御している。このオートバラ

機器が不要であることや、液体燃料の入手が困難な海

ンスシステムで特許を取得した 21）。

外向けに適している等のメリットがある。

図 9.34 に GK28G 形の外観写真を示す。

②

制御システム同社が独自に開発した制御システムの全体を図 9.35に示す。主制御装置はガス噴射量およびガス噴射タイ
ミング、点火タイミング、空燃比等の制御を一括して行っている。

図 9.34

158

GK28G 形ガス機関（ダイハツディーゼル提供）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.Augustできた。

図 9.35

図 9.37KG 形の制御システム 22）

・点火タイミングは、ノッキング検知装置による判④

ロングストーローク化による効果 22）

副室および主燃焼室の形状最適化

定結果に基づき、点火タイミング制御装置を介し副室および主燃焼室の形状は、それぞれのガス濃度て制御する。点火タイミング制御の詳細を図 9.36

分布に大きく影響し、エンジン性能に与える影響が非に示す。全シリンダのシリンダ内圧の波形から常に大きい。それらのガス濃度分布を把握するため

ノッキングに関係する高周波成分を抽出し、ノッに CFD 解析を行い、点火直前のガス濃度分布がよりキングの判定を行うノッキング検知装置を装備し均一になるように、副室および主燃焼室の形状を決めている。その判定結果に基づき、全シリンダが最た。

適の状態になるように点火タイミングを個別に制⑤御している。

図 9.38 に「グリーンガスエンジン（KG 形）」の断主要構造部品の信頼性検討

面図および主要構造部品を示す。図に示す主要構造部品について、強度解析、摺動解析、振動解析などの詳細な検討を行った。

図 9.36KG 形の点火タイミング制御 22）・空燃比制御は、必要に応じて排気バイパス弁により排気ガスを、過給機をバイパスさせることによって、給気量をコントロールしている。また、
このシステムは空気密度により給気量が余剰になり、バイパス量が増える冬季における排気エネル
ギーの有効活用を図る上でもメリットとなる。
③

ロングストローク化

エンジン構造上の特徴は「ストローク（行程）/ シ

図 9.38

KG 形

信頼性検討主要構造部品 22）

リンダ径＝ S/D」の比を他社機関よりも大きくした点にある。S/D 比はこのクラスの機関では、一般的（2）実証機における性能確認結果についてに 1.25〜1.49 の範囲にあるが、KG 形は 1.6 と飛び抜

続いて 2007 年（平成 19 年）に 18 シリンダの実証

けて大きく設定された。ロングストローク化すること機（KG-18 形）を製作し、性能試験を実施した。性能

により、主燃焼室の形状の最適化を容易にし、あわせ確認結果を図 9.39 に示す。発電端効率に関しては従て図 9.37 に示すような多くの効果を生み出すことが来より 2 ポイント以上高い、世界最高効率の 48.5％をガス機関技術の系統化調査

159

達成することができた。同時に NOx 排出値は大幅に低減することができた 22）。

図 9.40

図 9.39KG-12-V 形

参考文献、引用文献

ガスエンジンの性能比較 22）1） 後 藤 悟
9.9.2

他、「 高 効 率・ 高 出 力 ガ ス エ ン ジ ン

22AG の 開 発 」 石 川 島 播 磨・ 技 報 第 43 巻 6 号

効率向上への取組み（2003 年 11 月）P216 − 219

2010 年（平成 22 年）、同社は KG 形ガス機関の更なる効率アップを図って、可変ノズルタービン式過給2） 岡本和久他、「ミラーサイクルコジェネレー機（VTA、Variable Turbine Area 型 過 給 機 ） を 採

ションシステムの開発」省エネルギー誌第 52 巻

用した。今まで空燃比調整のため、一部過給機をバイ

6 号（2000 年 5 月）P43

パスさせていた排気ガスを、全量過給機を通すことに

3） 中野良治

これは型式名を区別して KG-V 形と呼んでいる

23）

4） 菱沼祐一、「ミラーサイクルによって高効率化されたガスエンジン」省エネルギー誌第 56 巻 4 号

KG-V 形の主要諸元を示す。

（平成 16 年）P36 − 38

また図 9.40 に KG-12-V 形の写真を示す。

5） 武本 徹

表 9.7
機関名称

KG 形および KG-V 形

KG-12

他、「YANMAR

350kW 級ガスエンジ

主要諸元

KG-18

KG-12-V

KG-18-V

副室、希薄燃焼、
ミラーサイクル

同左

副室、希薄燃焼、
ミラーサイクル、
VTA 型過給機

同左

電気火花点火

同左

同左

同左

シリンダ径（mm）×行程（mm）

300 × 480

同左

同左

同左

回転数（min-1）

750／720

同左

同左

同左

12

18

12

18

5200／5000

7800／7500

5200／5000

7800／7500

21

同左

同左

同左

燃焼室・燃焼方式
点火方式

シリンダ数
発電出力（kW）
正味平均有効圧力（bar）
平均ピストン速度（m/s）

12／11.5

同左

同左

同左

出力率（kgf/cm2 × m/sec）

258／248

同左

同左

同左

発電端効率（％）

48.5

同左

49.0

同左

NOx 排出濃度（ppm）（O2 ＝ 0％）

200

同左

同左

同左

2007 年（H19）

同左

2010 年（H22）

同左

開発年度
（注）スラッシは50Hz 用／60Hz 用

国立科学博物館技術の系統化調査報告

ガスエンジ

16 年 1 月）P22 − 23。

表 9.7 に 12 シリンダおよび 18 シリンダの KG 形と他、「次世代 MACH-30Gンの開発」三菱重工業・技報第 41 巻 1 号（平成よって効率のロスを防ぎ、発電効率 49％を達成した。

160

ガス機関（川崎重工業提供）を表す。

Vol.17 2012.August

ン」エンジンテクノロジーレビュー誌第 1 巻 2 号

発酵メタンガス発電設備」IHI・技報第 49 巻 4 号（2009 年 6 月）P20 − 24

（平成 21 年）P200 − 203

6） 福澤順博

他、「高効率ミラーサイクルガスエン

15）後藤 悟他、「高効率ガスエンジン 28AG の開ジンの開発」三菱重工業・技報第 38 巻 4 号（平発」石川島播磨・技報第 46 巻 1 号（平成 18 年 3

成 13 年 7 月）P206 − 209月）P1 − 57） 野 口 知 宏

他、「更に進化した世界最高効率

16）坂根 篤他、「熱電独立可変ガスエンジンシステ

41.5％のガスエンジンコージェネレーション発電

ムを開発」三井造船・技報第 184 号（平成 17 年システム」三菱重工業・技報第 42 巻 3 号（平成2 月）P1 − 817）田中一郎

17 年 10 月）P142 − 145
8） 中野良治

他、「高出力ガス機関

KU30GA の開発」三菱重工業・技報第 38 巻 4 号（平成 13 年 79） 角田 明他、「世界最高効率三菱リーンバーンガ

スエンジン」三菱重工業・技報第 40 巻 4 号（平成 15 年 7 月）P246 − 24910）「超高効率天然ガスエンジン・コンバインドシス
テム技術開発」平成 17 年度〜平成 19 年度成果報
告書、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機

MD20G の稼動実績」三井造船・技報第 191 号（平成 19 年
6 月）P10 − 1818）近藤守男月）P202 − 205

他、「小型ガスエンジン

他、「高効率大型ガスエンジンを開発」

三井造船・技報第 191 号（平成 19 年 6 月）P19− 2519）坂根 篤他、
「高効率大型ガスエンジンを開発（第 2 報）」三井造船・技報第 195 号（平成 20 年
10 月）P35 − 40
20）古谷博秀

他、「レーザによる燃焼制御技術の開構（NEDO）、（社）日本ガス協会、三菱重工業（平発−ガスエンジンの新しい着火方式の試み−」三成 20 年 3 月）P5 − 100

井 造 船・ 技 報11）高橋良長他、「世界トップクラスの総合効率

66 ％ を 達 成 し た MACH Ⅱ − SI ガ ス エ ン ジ ン 」

第 199 号（ 平 成 22 年 2 月 ）P18

− 2421）山 田 徹 次

他 、「 D e v e l o p m e n t o f N e w

三菱重工業・技報第 46 巻 2 号（平成 21 年）P25

DAIHATSU 2MW Class Gas Engine」CIMAC

− 29

2007

12）大崎龍介

他、「MACH Ⅱ− SI ガスエンジンにPaper22）桜井秀明

No.248

他、「世界最高の発電効率と環境性能よる米国 University of Central Florida 向け環境を達成−カワサキグリーンガスエンジン−」川対応型・高効率熱併給発電プラント」三菱重工

崎重工業・技報第 167 号（平成 20 年 5 月）P6 −業・技報第 48 巻 1 号（平成 23 年）P11 − 151113）後藤 悟、「マイクロパイロットガスエンジン」日
本陸用内燃機関協会誌

LEMA 第 492 号（平成20 年 7 月）P51 − 58
14）橋本 徹

23）桜井秀明、「川崎重工業製の 8MW 級大型ガスエ
ンジン」クリーンエネルギー誌（平成 19 年 11 月）
P45 − 48

他、
「22AG 型ガスエンジンによる汚泥

ガス機関技術の系統化調査

161

10 舶用ガス機関の開発と実用化
10.1 船舶からの排気ガス規制の動向が要求され、当該基準は段階的に強化されることが決定した。この規制に対応するため造船所および関連工業各社は積極的な取り組みを始めた。

1990 年（平成 2 年）以降世界的に地球環境保護運以上のように、NOx、SOx、CO2 の排出削減のた動が活発になり、陸上、海上ともエンジンの排出ガ

め、各エンジンメーカは船舶の推進用機関や発電用スに対する規制が強化されてきた。船舶用機関から機関のほとんどを占める、2 サイクルおよび 4 サイクの排出ガスについては国際海事機関（International

ル・ディーゼル機関の熱効率アップや機関性能向上に

Maritime Organization ＝ IMO）が取りまとめ役とし努力を続けている。一方でこれらの問題の解決に大きて、各種の規制案を作成し、実行に移されている。

く寄与することができるのが、クリーンなエネルギー

具体的には人体への悪影響、および酸性雨に対するである天然ガスを燃料とするガス機関およびデュアル対策として、窒素酸化物（NOx）と硫黄酸化物（SOx）

フューエル機関（DF 機関）である。近年、船舶用のの排出規制が以下のように実施されている。また二酸ガス機関や DF 機関の開発とその実用化が急速に進み化炭素（CO2）についても地球温暖化防止のため、船つつある 2）。

舶からの温室効果ガス（GHG）の排出量も 2013 年（平成 25 年）1 月以降建造契約が結ばれる新造船から規制が適用されることが決定している 1）。
（1）NOx 排出規制
現状の窒素酸化物（NOx）排出規制は、1997 年（平成 9 年）IMO の委員会において議定書が採択され、2005 年（平成 17 年）MARPOL 条約付属書Ⅵとして
発 効 後、1 次 規 制 と し て 2000 年（ 平 成 12 年 ） か ら
遡及適用されている。
（但し、国際航路に就航する船
舶以外は 2005 年から適用）その後、付属書Ⅵが改正され、図 10.1 に示すように、2011 年から 2 次規制、

図 10.12016 年から 3 次規制と段階的に強化されている。

IMO

NOx 規制の動向

なお 3 次規制では、ECA（Emission Control Area）に設定された特定海域では、1 次規制値の 80％減となる。ECA としては、北海、バルト海、北米沿岸が議論されているが、さらに拡大するものと予想される。
（2）SOx 排出規制
SOx の排出についても IMO により、今後段階的に規制が強化される。具体的には図 10.2 に示すように、
燃料油中の硫黄分の濃度が規制されるが、硫黄分は潤

図 10.2

IMO

燃料の硫黄含有率の年次規制値 1）

滑材としての機能もあり、燃料の入手性に加えて、エンジンとして、燃料噴射ポンプ等の摺動部の摩耗対策

162が必要となる。

10.2 わが国における舶用ガス機関の歴史（3）CO2 排出低減

わが国における舶用ガス機関の歴史として記録に2011 年 7 月の IMO 海洋環境保護委員会において、残っている最も古いものは、発動機製造（現ダイハツ2013 年 1 月以降に建造契約が結ばれる新造船についディーゼル）が 1908 年（明治 41 年）に製造し、長崎て、船種毎に設定された CO2 排出基準を満たすこと

県の 2 隻の客船（フェリー）に納入した吸入式ガス発

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August動機である。同社は前年から工業用や林業・農業用の船舶の安全性を評価し、認定するため主な海洋国に吸入式ガス発動機を主力製品として製造していたが、は「船級協会」が存在し、船級協会は船体およびそれ

船舶用の吸入式ガス発動機にも取り組み、製造を開に搭載される各機器について、海洋を安全に航行でき始した。これは 15 馬力程度の小さな発動機であったることを担保するための技術上の基準を設けている。

が、造船所のあった大阪地区から長崎まで無事に回航

船級協会は基準に基づいて検査を行い、合格すれば証して、その優秀性が注目を集めた。さらに当時主流で書を発行する。これが船級制度と呼ばれているもの

あった灯油発動機に比べて、1 時間当たりの燃料費がであり、船級を取得しているかどうか、あるいはどの

約 1/3 で済んだことから、その経済性が大きな評価を船級を取得しているかは、損害保険会社が船舶および3）得て、漁船用を含めて相当数が納入された 。これは積荷の保険を引き受ける際の保険料率算定の基準とな

燃料消費量の差ではなく、当時は灯油より、石炭や木る。しかし同社としては初めての舶用 DF 機関であっ炭の方が発熱量当たりの単価が大幅に安かったことがたため、Lloyd（ロイド）船級協会（イギリス）と構要因であったと思われる。

造上の安全性確保について協議しながら、ガス機器やその後、記録に現れるのは昭和も後期になってからである。富士ディーゼル（1990 年に会社解散）は1960 年（昭和 35 年）から、同社のディーゼル機関を改造して、ガスディーゼル機関（デュアルフュー

ガス配管の仕様を固めたとのことである。

LNG 船の主機関選定と大型デュアル10.3 フューエル機関の開発

エ ル 機 関 ） を 製 造 し て 実 績 を 積 み 上 げ て き た が、

第 6 章で述べたように、1950 年ころ中東で大油田

1982 年（昭和 57 年）に世界で初めての天然ガスをが次々に発見されたが、付随して産出する天然ガスは燃料とした船舶推進用 DF 機関として、6LG32X 形

ガスフレアと称して、ただ空中で燃やしているだけで（1650PS/600rpm）2 台をオーストラリアの石灰石運あった。この天然ガスを有効に活用するため、天然搬船に納入した。船舶用機関は安全性重視の観点か

ガスを液化して海外に運ぶ LNG 船が開発されたのは

ら、どちらかと言えば保守的で、船舶用主機関として1959 年（昭和 34 年）であった。当時は他の大型船の実績のない DF 機関を始めて採用した船主は相当に開主機関が蒸気タービンから熱効率の高い 2 サイクル・明的であったということができるが、DF 機関採用に低速ディーゼル機関に次第に切り替えられる趨勢にはシドニーのコンサルタントの見識が強く働いた。つ

あったが、LNG 船だけは近年までほぼ 100％蒸気ター

まりオーストラリアは天然ガスが豊富に産出され安価ビンが使用され続けてきた。その理由は LNG タンクであったため、これを活用すべきという発想から経から 0.1〜0.3％ / 日の割合で蒸発・発生するボイルオ

済計算を行い、圧縮機購入や船価アップのコストはフ ガ ス（Boil Oﬀ Gas ＝ BOG、 蒸 発 率 は LNG タ ン

約 3 年で償却できるとの結論を得て、DF 機関採用にクの断熱度や船体の動揺によっても異なる。
）をボイ踏み切った。岸壁に圧縮機を設置して、天然ガスをラーで燃焼させて、蒸気タービンを運転するという非160bar まで昇圧し、夜間に本船の燃料ガスタンク（ガ常にスマートなシステムが実用化されていたからであ

スボンベ

る。

21 本）に注入した。

図 10.3 に 世 界 初 の 4 サ イ ク ル DF 機 関 搭 載

しかし蒸気タービンシステムの弱点は 30％弱とい船「ACCOLADE Ⅱ 」 の 船 体 図 を 示 す。（Gas

う低い熱効率であり、一方の 2 サイクル・低速ディー

4）compartment にガスボンベが設置されている） 。

ゼル機関は 45％を超えていた。
造船所や主機関メーカも手を拱いていたわけではな
く、BOG でより効率の高い往復動内燃機関を運転する開発が進められた。天然ガスを燃料とした船舶用の最初の 4 サイクルエンジンは、先に述べたオースト
ラリアに輸出した富士ディーゼルの DF 機関であったが、出力が最大でも 1 基 5000 馬力であり、一方、小型に属する 15 万 m3 積み LNG 船でも主機関出力は約 40000〜50000 馬力必要で（一部の補機負荷を含む）
大型船には馬力不足であった。

図 10.3 世界初の 4 サイクル DF 機関搭載船「ACCOLADE Ⅱ」の船体図 4）

大型デュアルフューエル機関の開発に世界で最初に挑戦したのは、Sulzer 社（スイス）であった。同社

ガス機関技術の系統化調査

163

は 1968 年（昭和 43 年）から 2 サイクル ･ 低速機関

圧縮空気中に噴射する、世界初の GI 機関の研究を進の DF 化に取り組み、まずシリンダ径 760mm、行程

めて 1984 年（昭和 59 年）に開発に成功した。さらに1550mm、119rpm の単気筒機関で試験を進めた。エ

1994 年（平成 6 年）には、実証プラントを兼ねた発ンジンの断面を図 10.4 に示すが、ループフロータイ

電所を千葉県に作って積極的な展開を図った。その後

プのエンジンで、シリンダヘッドに燃料噴射弁とガ

川崎重工業や三菱重工業も、その呼称は違うが、同じ

2ス噴射弁を設け、ガス圧は 3 kg/cm で供給された。

く高圧ガス噴射方式のデュアルフューエル機関を開発

この試験機関で正味平均有効圧力（BMEP）8.5kg/

した。しかしそれらの努力の甲斐なく、実船に採用さ22cm を達成した。（注：2 サイクルの 8.5kg/cm は、42

れることはなかった。（三井− MAN B&W の GI 機関

サイクルでは 2 倍の 17kg/cm に相当する。）次のスの技術は、北欧で海洋リグから原油を陸上タンクに輸テップとして、6 気筒の RND76 形ディーゼル機関を送するディーゼル機関を主機関としていたシャトルタ

DF 機関に改造することが決定され、公称 9000 馬力、ンカーに適用され、機関の換装まで行われたが最終的

2

5）119rpm、BMEP 8kg/cm を達成した 。

には運航までには至らなかった。）

引 き 続 き 同 社 は 1972 年（ 昭 和 47 年 ）、 シ リ ン ダ

GI 機関が LNG 船に受け入れられなかった理由は、

径 900mm、 行 程 1550mm の 7RNMD90 形 DF 機 関

二つ考えられる。ひとつは信頼性に対する懸念、つま（ディーゼルモードでは 20300bhp/122rpm、ガスモー

り LNG 船の主機関としては初物となるが、GI 機関を

ドでは 14000bhp/122rpm）を開発して、1973 年にノ含めたシステム全体に対して船主が不安を払拭でき

ルウェーの LNG 船「VENATOR」に搭載されたが、ずに一番船を作ることを避けたためである。もう一

これが BOG を燃料とする DF 機関を搭載した世界初

つの理由は、船主があえて信頼性のリスクをとって6）の LNG 船であった 。その後同社は、1997 年（平成まで燃料費を下げる必要がなかったことが考えられ9 年）に Wärtsilä（バルチラ）社（フィンランド）にる。LNG 船の場合、燃料費を含む運航経費は荷主の買収されて Wärtsilä NSD 社（NSD は買収される直負担であるので、船主としては実績のある蒸気ター

前の社名、New Sulzer Diesel の頭文字）となり、さビン方式を好んだこと、等が理由として考えられる。

らに 2000 年に社名は Wärtsilä に変更された。

（熱効率の比較で言えば、GI 機関はガス圧縮のための動力を差し引いても実質的熱効率は 45％以上であり、30％未満の蒸気タービンに比べれば問題なく有利であった。）
このあと、2000 年（平成 12 年）前後から、舶用ガス機関は中型・大型 4 サイクル機関のガス機関化やDF 機関化へと流れが加速していった。

10.4 客船（フェリー）用 LNG 燃料主機関（1）北欧のフェリー
欧州では早くから環境問題が提起されていた。ひとつは酸性雨による森林枯渇の問題で、その発生要因は石炭や重油に含まれる硫黄分が燃焼によって亜硫酸ガスとなって空気中に浮遊し、窒素酸化物とともに降雨
図 10.4

Sulzer 2 サイクル単気筒 DF 試験機関
（ループフロータイプ）5）に伴い酸性雨となって森林を枯らしてしまうこととされていた。また街なかの青銅製の銅像が酸性雨によって、溶け出すという問題も指摘された。

わが国では、第 8 章で記述したように、三井造船

もうひとつの問題は、北欧ではフィヨルドの先端部が 1978 年（昭和 53 年）から大型 2 サイクル・ガスイ

を橋渡しするフェリーが高速道路の一部として頻繁にンジェクション（GI）機関の開発を進めた。同社は 2運航されているが、ディーゼル機関による排煙（粒子サイクル・低速ディーゼル機関の高効率を維持しなが状物質で主成分は煤と硫黄酸化物）が霧の発生を促進

らガス燃料を使うためには拡散燃焼方式の選択が必須

させ、フェリー運航に支障をきたしていた。

2と判断し、250kgf/cm に昇圧したガスを主燃焼室の164

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

（2）フェリー主機として日本製ガス機関を採用たようにフィヨルド内を航行するフェリーが多く、環ノルウェーではこれらの問題を解決するため、液境対策・排煙対策としてガス機関採用の方向性が出

体燃料を使うディーゼル機関より低 NOx で排煙がされて、2000 年から LNG を燃料とするフェリーの運

出ない LNG を燃料とするガス機関が、フェリーの航が始まった。地元の同社もガス機関の開発を進め、

主 機 関 と して選ばれた。フェリーに 要 す る 出 力 はディーゼル機関をガス機関に変更して、KVGS-12G4

1500kW（2000PS）程度で大きくなかったため、小形（2650kW） と KVGS-16G4 形（3535kW） を 2002

型・軽量でこの出力に該当する三菱重工業の GS12R

年に開発した。KVGS-G4 形（221kW/cyl.）は希薄燃形（675kW/1500rpm）× 4 台が選定され、発電機と焼方式で電気点火式であり、熱効率は 44.7〜45.0％とカップルしてプロペラをモータで回した。

かなり高性能であり、LNG を燃料とするノルウェー

このフェリーは 2000 年（平成 12 年）2 月に就航を

国内のカーフェリー3 隻に採用された。一船当たり 4開始した。また 4 台のうち常時運航に使用するのは 2台搭載で、発電機を駆動する電気推進方式である。最台で、残る 2 台は予備と運行中の整備に当てられた。

初の就航は 2007 年 1 月で、その後ほぼ同型船 5 隻に（GSR 形機関については第 7 章と第 9 章で紹介していも搭載が決定した。これらいずれも電気推進方式でる。
）

あるが、同社は 2006 年にプロペラ直結の方式も開発

このフェリーは LNG 燃料の客船として世界初でし、推進方式の選択に幅を広げた。さらに 2010 年〜

あったため、DNV（Det Norske Veritas、ノルウェー

2011 年には、KVGS-G4 形を出力アップした C26：33の船級協会）は新たにガス機関用の規則を創る必要が形（270kW/cyl.）、および大きなサイズの B35：40 形あった。

（440kW/cyl.）を開発した。いずれも希薄燃焼・副図 10.5 に世界初の LNG 燃料主機関を搭載したフェリー「GLUTRA」の配置図を示す。
さらにこのフェリーの成功を契機として、LNG 燃

室・電気点火方式であり、クランク軸端効率は 48〜
49％と世界トップレベルにある 9）10）。
表 10.1 に主要諸元を示す。

料ガス機関を主機関とした小型 LNG 運搬船が 2003
年（平成 15 年）12 月にノルウェーで完成した。この主機関にも、三菱重工業製の GS16R リーンバーン

表 10.1

BergenC26:33 形、B35:40 形主要諸元

機関名称

C26:33

B35:40希薄燃焼、予燃
焼 室・ 電 気 点
火、VTG 過給機

同左

260 × 330

350 × 400

シリンダ当り出力（kW/cyl.）

270

440

-1

回転数（min ）

1000

750

正味平均有効圧力（bar）

18.5

18.3

平均ピストン速度（m/sec）1110

出力率（kgf/cm × m/sec）

207

187

エンジン端熱効率（%）

48

49

2011 年

2010 年

ガ ス 機 関（900kW/1500rpm） × 2 台 が 採 用 さ れ た。
LNG 運搬船であるので、燃料は勿論 BOG を使用した
が、空荷時のため同じく三菱製の小型ディーゼル機関× 2 台も搭載されている 7）8）。

形式
シリンダ径（mm）×行程（mm）

2

開発年

デュアルフューエル機関の LNG 船へ

10.5 の本格的な採用
図 10.5

世界初の LNG 燃料主機関を搭載したフェリー「GLUTRA」の配置図 7）10.5.1

海外の 4 サイクル・デュアルフューエル機関

欧州には世界的な中型・大型機関メーカとして、
MAN Diesel & Turbo 社（以降 MAN、ドイツ）と（3）Rolls-Royce（Bergen）のガス機関

Wärtsilä 社（フィンランド）などがあり、2000 年（平ベルゲン社（Bergen）はもともとノルウェーのエ

成 12 年）前後から 4 サイクル・ディーゼル機関を

ンジンメーカであったが、1999 年にイギリスの Rolls-

べースにガス機関の開発を進めて、近年では船舶用、Royce 社の傘下に入った。ノルウェーは先に記述し

特に LNG 船の主機関として多くの納入および受注実

ガス機関技術の系統化調査

165績を持っている。これらの有力な海外メーカの開発状
況について記述する。
LNG 船の主機関として BOG を使用する内燃機関を採用する場合は、燃料は基本的には自然発生の BOG（NBO）を使い、不足の場合は積荷の LNG を加熱して人為的に気化した FBO を加えるが、空荷の場合は重油でも運転できるように DF 機関を選択するケースがほとんどである。
またプロペラをモータで駆動する電気推進方式と、エンジン直結で（場合によっては減速機とクラッチを介するが）駆動する方式があるが、4 サイクル機関を使う場合は 1 台当たりの出力が 2 サイクル機関より小さいため、また LNG 船として冗長性を確保するた
め 3〜4 台の機関を並べることになるので、機関室ス

図 10.74 サイクル・デュアルフューエル機関を搭載した電気推進船の機関部 11）

ペースを立体的に有効に使うため、4 サイクル・DF
機関と発電機をカップルし船底とは別室に置く、電気（1）Wärtsilä

推進方式を採用している。一方 2 サイクル・低速機関

同社は 32 形および 46 形 4 サイクル・ディーゼル機（DF 機関やディーゼル機関）を採用する場合は従来関を主体に、世界各国に陸上発電用または船舶の主機

通り、エンジン直結方式としている。

関用として多数の実績があるが、これらをベースにガ

近年、LNG 船の主機関として、4 サイクル・DF 機関を使った電気推進方式は増えており、2 サイクル・

スインジェクション（GI）機関や DF 機関を開発して送り出してきた。

低速ディーゼル主機関（この場合、BOG は船内の再

ま ず 1987 年（ 昭 和 62 年 ） に 32GD 形（410kW/

液化装置で LNG に戻す）および蒸気タービン船と受cyl.）、1991 年（平成 3 年）に 46GD 形（975kW/cyl.）

注を分け合い、2006 年末のデータでは三すくみの様を開発した。いずれも GI 方式で、圧縮されたシリン相となっている。

ダ内に 350bar という高圧で燃料ガスを噴射するもの

図 10.6 に蒸気タービン主機と図 10.7 に DF 機関＋電気推進の機関部を示す。

で、ディーゼル機関とほぼ同じ出力と熱効率を発揮
したが、日本で開発した 2 サイクル・GI 機関同様に、保守的な顧客に受け入れらなかった。
引き続き DF 機関の開発を進め、1996 年（平成 8年）に 32DF 形（350kW/cyl.）を、そして 1998 年（平成 10 年）に 46 形ディーゼル機関を DF 化した 50DF形（950kW/cyl.）を開発した。
50DF 形はパイロット油用にはコモンレールを採用したことによって高圧化され、着火エネルギーが増大
しガスの燃焼が安定したため、副室を廃止することができた。このためディーゼルモード用の主噴射弁とガスモード用のパイロット噴射弁一体構造にして中央部に取りつけることができて、両モードとも安定した燃焼が可能になった。この噴射弁の構造を図 10.8 に示す。開発の成果として、W18V32DF 形は 1997 年に実図 10.6蒸気タービン船の機関部 11）用化され、1999 年に 6L50DF 形のプロトタイプが完成してテストに入った。テストデータでは BMEP は
20bar、軸端効率は 48.6％で、高出力・高効率を発揮することができた。

166

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.AugustMAN Diesel & Turbo 社に社名を変更した。
同社は 2007 年に 48/60B 形ディーゼル機関をデュ
アルフューエル化して、51/60DF 形機関を開発した。
商用機としては、L 型機関は 2009 年に LNG 船に初めて採用され、V 型は 2008 年に陸上の発電用として初めて採用された。DF 機関の開発に当って市場からの要求として、高い熱効率、排気ガスのクリーン化、および使用燃料の多様化の 3 点を確認し、これらの要求
図 10.8

デュアルフューエル機関用の主噴射弁とパイロット噴射弁を一体化した噴射弁 12）

32DF 形と 50DF 形は環境保護政策に後押しされて、各分野で販売が加速され、特に LNG 船の主機
関 と し て 受 注 を 増 や し て い る。32DF 形 は 開 発 後、を満たすために次に示すような開発と技術対応を行った。
・低 NOx 化のため希薄燃焼方式を採用。
・燃料噴射弁は主燃料噴射弁とパイロット燃料噴射
弁の 2 種類を装備。

天然ガスを燃料とする海洋リグや FPSO（Floating・パイロット燃料噴射弁はコモンレール式を採用

Production Storage and Oﬄoading、 浮 体 式 海 洋 石

し、 総 発 熱 量 の 1 ％ に 相 当 す る MDO（Marine

油・ガス貯蔵積み出し設備）の発電用として採用さDiesel Oil）を噴射する。パイロット燃料噴射は、れ、船舶の主機関としては 2002 年に LNG 燃料のデュディーゼルモードにも同様に噴射する。

アルフューエル・電気推進システムを採用した世界で・ディーゼルモードは主燃料弁から 99％に相当す最初の船であるノルウェーのサプライボート（物資運る MDO を噴射し、仕様によっては HFO（Heavy

搬船）に 4 台が搭載された。

Fuel Oil）も使用可能。（残り 1％はパイロット燃50DF 形は世界初のデュアルフューエル電気推進方式の LNG 船の主機として採用され、2005 年（平成17 年）から就航している 11）12）13）14）。

料が該当）
・排気ガス中の THC（Total Hydro Carbon）を減らすため、ディーゼル機関仕様のツーピースライ

その後 32DF 形はサイズアップ、出力アップしてナ（図 10.9 の Combustion chamber 1）から、ワ
ンピースライナ（同図の 2）に変更し、ピストン

34DF 形になった。

リングの位置を上げて、デッドボリュームを小さ

これらの機関の主要諸元を表 10.2 に示す。

くして対応した。
表 10.2

Wärtsilä

34DF 形、50DF 形主要諸元

機関名称

34DF

50DF

４サイクル、希薄
燃 焼、 デ ュ ア ル
フューエル機関同左

シリンダ径（mm）×行程（mm）

340 × 400

500 × 580

シリンダ当り出力（kW/cyl.）450/435950

回転数（rpm）

750/720500/514

正味平均有効圧力（bar）

19.8/20

20/19.5

形式

平均ピストン速度（m/sec）

10/9.69.7/9.9

出力率（kgf/cm2 × m/sec）

202/196

198/197

エンジン端熱効率（%）

44〜46

48

開発年

2007 年

1999 年（注）スラッシは50Hz 用／60Hz 用

図 10.9燃焼室の設計形状の変更 15）を表わす。

・デ ィ ー ゼ ル モ ー ド か ら ガ ス モ ー ド の 切 り 替 え（2）MAN Diesel & Turbo1840 年、 ド イ ツ で 創 業 し た MAN 社 は、1979 年にデンマークの 2 サイクル・低速機関メーカであるは 100％負荷時でも 2 分で完了し、回転変動は1rpm で収まっている。逆の場合は緊急時を想定し、瞬時に移行を可能にしている。

B&W 社（Burmeister & Wain） を 買 収 し て MAN

・ま た 運 転 モ ー ド の 移 行 を ス ピ ー デ ィ か つ 安 定

B&W Diesel 社 と な っ た。 同 社 は さ ら に 2010 年 に的に行うため、独自のエンジン制御システム、

ガス機関技術の系統化調査

167

SaCoSone（Safety & Control System on engine）

おける予測では、現在発注されている 55 隻に加えて、を開発した。

2020 年までにはさらに 100 隻強が必要になるとされ・VTA（Variable Turbine Area 、可変翼過給機）を用いて、通常の給気バイパス方式と比較テストている。
新規の LNG 船主機関の選択肢には、前述のようにを行い、VTA を使用することで低中負荷域の効

従来からの率が 0.5 ポイント改善することを確認した。

て、 4 サイクル・DF 機関を使った電気推進方式 や、な ど の 新 技 術 を 採 用 し て い る。 図 10.10 に

2 サイクル・低速ディーゼル機関＋ BOG 再液化装置

V51/60DF 形の断面を示す。また表 10.3 に 32/40DFなどがあり、燃料費や環境保全対応等を考慮して選択形と 51/60DF 形の主要諸元を示す

15）16）17）。

BOG ボイラー＋蒸気タービンに加えされている。DF 機関を使った LNG 船の電気推進方式では、Wärtsilä の 50DF 形が大きなシェアを持っている。
また欧州、特にノルウェーでは、LNG を燃料としたフェリーやサプライボートが約 20 隻運航中である。
一 方、 わ が 国 の エ ン ジ ン メ ー カ は シ リ ン ダ 径500mm 前後の大型・4 サイクル・ディーゼル機関を製造していないこともあって、大型・DF 機関の分野では実績が極めて少ない。しかし船全体としての省エ
ネルギーや環境規制対応を追及する中で、大手造船所（主機メーカも兼ねる）は船主に対して魅力のある提案を始めている。例えば、・三井造船は 1980 年代に大型・2 サイクル・低速

図 10.10MAN

51/60DF 形

断面図 15）

ガスインジェクション機関（MC-GI シリーズ、第 8 章で紹介）を開発したが、この技術をベースに MAN が「ME-GI エンジン」を開発した。こ表 10.3

MAN 32/40DF 形、51/60DF 形主要諸元

れは MC-GI エンジンのガス噴射弁とパイロット

32/40DF

油噴射弁の噴射タイミングや排気弁の開閉タイ

機関名称

51/60DF

４ サ イ ク ル、 ４ サ イ ク ル、
デュアルフュー デュアルフュー
エル機関
エル機関

形式
シリンダ径（mm）×行程（mm）

320 × 400510 × 600

シリンダ当り出力（kW/cyl.）

400/373975/1000

回転数（min-1）

750/720500/514

正味平均有効圧力（bar）

19.9/19.4

19.0/19.0

ミングを電子化し、また BOG を圧縮機で高圧化するのではなく、LNG を直接ポンプで加圧して高圧ガス化してエンジンに供給する方式を採用
してさらに熱効率と環境性能をアップしている。
三井造船は「ME-GI エンジン」を採用して、燃料費と CO2 の排出量を 30％削減した新 LNG 船「Double Eco MAX」を顧客に提案している。

平均ピストン速度（m/sec）

10/9.6

10/10.3

出力率（kgf/cm2 × m/sec）

203/190194/200

エンジン端熱効率（%）

43〜44

46〜49

「カワサキグリーンエンジン」（第 9 章で紹介）を開発年

1997 年

2007 年

搭載し、プロペラ直結方式の LNG 燃料・自動車（注）スラッシは50Hz 用／60Hz 用を表わす。

・川崎重工業は 2007 年に開発した希薄燃焼方式の運搬船を提案している。
また海運業界の環境問題の議論において、NOx 低

10.5.2LNG 船の需要と主機関

近年、中国を筆頭とする新興国の経済発展に伴い、交通省は国際海運分野における CO2 削減対策推進のエネルギー源として LNG の需要は増加している。さため、平成 21 年度から 4ヶ年計画で、在来船に対しらに世界的な原子力発電の見直し気運も需要増に拍車て CO2 30％削減を可能とする技術の確立を目指したを か け て い る。LNG 船 は 2008 年（ 平 成 20 年 ）2 月

技術開発を推進している。これは、造船企業や舶用機の時点で世界で約 180 隻稼動していると言われている器メーカだけでなく、海運企業からの技術開発提案をが、このような状況から LNG 船の絶対数が不足して国家レベルで推進するものである。

おり、ある商船会社の 2011 年（平成 23 年）10 月に168減および CO2 低減が重要な課題となっており、国土

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

技術開発の対象分野は、①推進効率の高い船体設

計、②船体の摩擦抵抗低減、③プロペラ効率の向上、④ディーゼル機関の熱効率向上、⑤運航・操船の効率

Ship（1973 年 12 月）P423 − 4287） 角濱義隆、「LNG を燃料とするガスエンジンを搭化、と広範囲にわたるプロジェクトである。その中で載した欧州フェリー」日本造船学会誌第 856 号

新潟原動機は 2MW クラスの舶用 DF 機関の開発を担（平成 12 年 10 月）P68 − 71

当し、取り組んでいる 18）。電気推進方式は機器が増

8） 角濱義隆、「LNG ガスエンジン搭載電機推進船」

えるためコストが割高となり、また発電機とモータのエンジンテクノロジー誌第 8 巻 3 号（平成 18 年

効率ロスが生じるため、新潟は減速逆転機を介したプ

6 月）P31 − 36

ロペラ直結方式の開発を目指しているが、舶用の場
合、海象状況による急激な負荷変動に追従させる技術が開発要件のポイントと考えられる。

9）「LNG Fueled Ferries Use Rolls-Royce Power」
Maritime journal（2007 年 6 月）
10）Rolls-Royce 社ホームページ 、Rolls-Royce 技術
資料11）真鍋 稔、「新時代の LNG 船

参考文献、引用文献
1） 国土交通省・海事局、「国際海運における世界初の CO2 排出規制の導入について」（平成 23 年 7ル機関電気推進」日本マリンエンジニアリング学会誌第 40 巻 3 号（平成 17 年）P16 − 2412）Wärtsilä、「A REVIEW OF GAS ENGINE

月）2） 田中一郎、「ディーゼルエンジン−環境対応関連の技術開発」三井造船・技報 200 号（平成 22 年
3）「ダイハツディーゼル30 年史」（平成 8 年 12 月）（CIMAC2001）（2006 年）
14）Wärtsilä 社ホームページ、Wärtsilä

P5、6、94） 川崎昭久、「富士ガスディーゼル機関」内燃機関
誌第 22 巻 11 号（昭和 58 年 9 月）P29 − 37
Brothers

DEVELOPMENT AT WÄRTSILÄ」
13）Wärtsilä 社、「Wärtsilä 50DF Technical review」

6 月）P35 − 40

5） Sulzer

デュアルフューエ

Ltd.、「最近の大形ディーゼ

ル機関とデュアルフューエル機関について（1）」
内燃機関誌第 11 巻 10 号（昭和 47 年 10 月）P46− 55
6）「First Sulzer RNMD type duel-fuel diesel
engine service in LNG ship Venatorʼ」Motor

技術資料

15）MAN、「Operational experience of the 51/60DF
from MAN Diesel SE」（CIMAC2010 Paper
No.37）
16）MAN、「51/60DF Engine The New Prime
Mover for LNG Carriers」 2007 年17）MAN 社ホームページ、MAN

DF 機関技術資料

18）国土交通省・海事局、「船舶からの CO2 削減技術
開発支援事業」（平成 21 年 5 月）

ガス機関技術の系統化調査

169

11 海外メーカの最新状況
第 10 章「舶用ガス機関の開発と実用化」において、Rolls Royce Marine 社（旧 Bergen）のガス機関、

11.2 MWM 社（ドイツ）

MAN Diesel & Turbo 社（ 以 降 MAN） や Wärtsilä
社の DF 機関等の開発状況について述べてきた。ここ

同 社 は 1871 年 カ ー ル・ ベ ン ツ が 創 業 し た、では MAN および Wärtsilä のガス機関や、他の海外

Mechanische Werkstätte Mannheim 社 が 起 源 で あメーカのガス機関・DF 機関の開発状況および新技術

り、中型サイズのエンジンメーカであったが、2011を報告する。

年にキャタピラー社（Caterpillar、米国）の傘下に

11.1

GE イェンバッハ社（GE Jenbacher、オーストリア）

入った。独自の開発を行い、シリンダ径で 132mm、170mm、260mm のシリーズを生産している。
同社は TCG2020 形（シリンダ径×行程 170mm ×

オーストリアのイェンバッハ社はガスエンジンの195mm） の 性 能 を、1988 年 の BMEP7bar、 ク ラ ン

製造で 50 年以上の歴史があるが、2003 年に米国の

ク軸端効率 35％から、2009 年にはそれぞれ 18bar、General Electric 社 の 傘 下 に 入 っ て、GE Jenbacher

44.5％と大幅に向上させた。主な改良項目は、
ストイキ燃焼→希薄燃焼、無過給→過給方式、ミとなった。
同社は小型・高速のガス機関専門メーカとして特徴ある製品を送り出しており、わが国にも相当数が輸入されている。製品は次の 3 シリーズがある。
・Type3シリンダ径×行程 135mm × 170mm

ラーサイクルの採用、副室の採用、燃焼室形状や吸気
ポート・排気ポート形状の最適化等である 4）。

11.3 現代重工業（HHI、韓国）

V 型 12、16、20 シリンダ、
発電出力 550〜1000kW
・Type4

HHI は 2007 年前後から、欧州の内燃機関関連の研シリンダ径×行程 145mm × 185mm

V 型 12、16、20 シリンダ、関の開発を進め、既に 2 機種を発表した 5）、6）。

発電出力 850〜1490kW

・H17/24G 形・Type6シリンダ径×行程 190mm × 220mm

シリンダ径×行程170mm × 240mm、1200-1

V 型 12、16、20、24 シリンダ、min 、新開発のプレチャンバー・スパーク・プ

発電出力 1980〜4030kW

ラ グ 方 式 を 採 用、 性 能 は BMEP20bar、 熱 効 率

同社はシリンダ数を増加することによって出力範
囲を広くカバーしており、性能的には BMEP 1.8MPa

42％が目標。
・H35/40G 形

クランク軸端効率 43％前後で、小型・高速の分野でシリンダ径×行程

は世界トップクラスの性能を誇っている。

min-1、480kW/cyl. 性能は BMEP20.8bar 熱効率

基 本 構 造 は、 副 室 式、 ミ ラ ー サ イ ク ル、 リ ー ン
バーン、電気火花点火方式であるが、2010 年に J624
形（Type6 の 24 シリンダ）に 2 段過給を採用して、BMEP 約 2MPa、発電効率 46.5％にアップしたことを発表した。
（いずれも従来比 10％アップ）さらにBMEP 2.4MPa、効率 47％を達成し、最大の目標である 50％を目指して研究開発を進めている 1）2）3）。
また大型化も志向し、直近では J920 形（9.5MW、発電効率 48.7％）を開発し、販売を始めた。

170

究所（コンサルタント業務を兼ねる）と共同でガス機

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

350mm × 400mm、720

47.2％が目標。2010 年初頭に試作エンジンが出来
上がり、その後各種テストを進める計画。

プレチャンバー・スパーク・プラグ方式：ガス機関の新しい点火方式で、図に示すように点火プラグの中に副室を備え付けた構造であり、その副室燃焼からの火炎で主燃焼室の希薄混合気を着火させる。比較的小型で、オープンチャンバータイプの燃焼室を持つガス機関において、希薄混合気により大きな着火エネルギーを与える目的で開発された。従来の副室式と比べてシリンダヘッドの構造が簡略化され、あわせて副室式並みの着火エネルギーを有するとされている。下図はデンソーのプ
レチャンバースパークプラグ 7）。

11.4 キャタピラー社（Caterpillar、米国）
同社は 1948 年からガス機関の生産を開始し、1985
年（昭和 60 年）に G3400 シリーズ（シリンダ径×行
程

137.2mm × 152.4mm、125 〜 425kW） と G3500

シ リ ー ズ（ シ リ ン ダ 径 × 行 程

170mm × 190mm、

210〜1030kW）の販売を始めた。その後 1990 年までの間に希薄燃焼方式のシリーズ化やミラーサイクルの採用、ノッキングセンサーの採用などの改良を重ねた。
また 1991 年には中型の G3600 シリーズ（シリンダ径×行程

図 11.1CAT

G16CM34 形ガス機関 8）300mm × 300mm、1〜3MW 級 ） の 販 売

米国では 2001 年からエネルギー省が主導し、産を開始した。その後も独自の電子式点火装置や電子官学が協力してレシプロガスエンジン技術をさら

式空燃比制御システムの開発を行い、継続的に性能に 高 め る ARES プ ロ グ ラ ム（ARES ＝ Advanced向上に努めてきたが、2000 年にこれらの集大成としReciprocating Engine System）をスタートして同社て CM32 形ディーゼル機関をベースに、G16CM34 形もこれに参加した。このプログラムの最終的な目標

ガス機関（シリンダ径×行程は、クランク軸端効率 50％、NOx 32ppm（O2 ＝ 0％）340mm × 420mm、16

シリンダ、6100kW/750rpm）を開発した。

としている。

図 11.1 に示す G16CM34 形は希薄燃焼、副室式、火2003 年、同社は ARES プログラム技術を用いて、花点火方式、主燃焼室用はガス供給電磁弁を採用。

フェーズ 1 の目標達成に近づく希薄燃焼方式、ミラー

副室用はチェックバルブを装備し、副室のガス濃度

サイクルの G3520C 形（シリンダ径×行程

は リ ッ チな状態にコントロールして い る。 性 能 は× 190mm、20 シリンダ、2000kW/1500rpm）を商品

BMEP 16bar、クランク軸端効率 44.5％（裕度なし、化した。開発時点での性能は、BMEP 18.5bar、発電

一般的に 5％の裕度をつけると 46.7％に相当する）で、

効率 41.2％であるが、フェーズ 2 以降ではさらに熱効

この時代としては世界トップクラスの熱効率であっ率の向上を図るためレーザー点火や高温に耐える新潤た。

滑油の開発等に取り組んでいる。

170mm

またフェーズ 3 では高効率と超低 NOx を達成す
る た め、HCCI（Homogeneous Charge Compression

ガス機関技術の系統化調査

171

Ignition、圧縮着火ガス機関）の研究を進める予定にしている 9）。

11.5 MAN Diesel & Turbo 社（ドイツ）
同 社 は 1998 年（ 平 成 10 年 ） 前 後 に 28/32SI 形 ガ
ス 機 関 を 開 発 し た。 シ リ ン ダ 径 × 行 程

280mm ×320mm、 出 力 200kW/cyl. 火 花 点 火 方 式 で BMEP
1.63MPa であった 10）。
しかし点火プラグは使用時間に限界があるため、運転時間延長の対策として新燃焼コンセプト（PGI ＝Performance Gas Injection）に基く、32/40PGI 形ガス機関（シリンダ径×行程320mm × 400mm）を開発した。PGI とは図 11.2 に示すように、予燃焼室内図 11.3

V32/40PGI 形断面図 11）に 230bar に昇圧した燃料ガスを噴射し、起動時はグ
ロープラグで着火させる。負荷が上がり、予燃焼室内の温度が高くなってからは高圧噴射ガスの圧縮自着火
で運転を行うシステムであり、また予燃焼室内に噴射

バルチラ社

11.6 （Wärtsilä、フィンランド）

するガス量は少ないので、ガス圧縮機に要する動力は

同 社 の ガ ス 機 関 系 列 に は、MAN と 同 様 に ガ ス

無視できるレベルである。出力 450kW/cyl.（BMEP

ディーゼル機関（高圧ガスインジェクション方式）、

2.24MPa）、熱効率 46％以上の高出力・高性能を目

デュアルフューエル機関、ガス機関の 3 系列がある。

標に、12V32/40PGI 形でフィールドテストを開始し、2005 年に初号機を納入した。

まず 1980 年代後半からガスディーゼル機関を開発したが、これは 350bar に昇圧したガスとその着火剤

図 11.3 に V32/40PGI 形の断面図を示す 11）。

として 5％の液体燃料を噴射する方式であった。そまた 2009 年（平成 21 年）には、ガス機関としてはの後 1990 年代の前半から電気点火方式のガス機関最大クラスの 51/60G 形（シリンダ径×行程510mmの開発を進め、2000 年に W34SG 形（シリンダ径×× 600mm） を 販 売 開 始 し た。 希 薄 燃 焼、 オ ー プ ン

行程340mm × 400mm）を開発した。
（注、初期のチャンバー、パイロット着火（噴射量は総供給熱量

18V34SG 形は 1995 年に完成している。）W34SG 形はの 0.8％、コモンレールを採用）、VTA 過給機やガリーンバーン、ミラーサイクル、予燃焼室式、主ガス供給電磁弁を装備し、出力はシリンダ当り 975kW

スはガス供給電磁弁式、副室ガスはチェックバルブ（500rpm、50Hz） ま た は 1000kW（514rpm、60Hz）、式。従来のガス機関は燃焼バランスの制御をしていな

性能は BMEP19.0bar、エンジン端熱効率は高効率仕かったため BMEP は 14〜16bar、熱効率は 36〜40％

様で 49.8％である 12）。

レ ベ ル で あ っ た が、W34SG 形 は WECS（Wärtsilä
Electronic Control System）の採用により燃焼を制御した結果、BMEP は 17.7bar、軸端効率は 45.5％にアップした。引き続き 50SG 形（シリンダ径×行程500mm × 580mm）を開発した。
そ の 後 2010 年 前 後 に 新 し い 制 御 方 式 の UNIC
（Uniﬁed Control）方式を開発して、燃焼コントロー
ルをより正確にした。
同社は継続的に性能改善やロバスト性の向上につとめ、W34SG 形では次のような改良を行った。
・メンテナンスインターバルを伸ばすため、副室ガス逆止弁に換えてカムとプッシュロッドを使った

図 11.2172

MAN

PGI 燃焼方式 11）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

機械的なガス弁に変更した（図 11.4 を参照）。

参考文献、引用文献
1） Jenbacher、「New high efficiency high speed
gas engine in the 3MW class」（CIMAC

1998）

2） Jenbacher、「Miller Cycle-Efficiency Potentials
for Gas Engines」（CIMAC 2004 Paper No.197）
3） Jenbacher、「The gas engine of the futureinnovative combustion and high compression
ratios for highest efficiencies」（CIMAC 2010
Paper No.312）
図 11.4

W34SG 形シリンダヘッド構造図 13）4） MWM、「Thermodynamic Optimization of threeGas Engine Families for Higher Efficiency」

・スキップファイヤリング（Skip ﬁring ）と称し（CIMAC 2010 Paper No.126）て、低負荷時には減筒運転（一部のシリンダだけ

5） Hyundai Heavy Industries、「The ﬁrst new gas

を燃焼させる）をして BMEP を上げ、燃焼、性

engine to come from Korea」（CIMAC 2007

能を改善させるシステムを開発。

Paper No.278）

・副室形状の最適化等の結果、熱効率は 45.7％（裕6） Hyundai Heavy Industries、「Development of

度なし）に向上し、2003 年からは出力を 8MW

High Efficient Gas Engine H35/40G」（CIMAC

から 9MW（BMEP19.9bar）にアップさせた

13）。

2010 Paper No.241）

またメタンは CO2 等とともに温室効果ガスである

7） DENSO、「Development of Pre-chamber Spark

ので、ガス機関から排出される未燃ガスを極力少なく

Plug for Gas Engine」（CIMAC 2010 Paper

することが重要である。同社はこのメタンスリップ

No.182）（未燃ガス中のメタンの流出）低減のための燃焼改善

8） Caterpillar 社ホームページに取り組み、W34DF（デュアルフューエル、直噴パ

9） 吉野勝久、「キャタピラー社

高効率

中・大型

イロット着火）と W18V34SG（副室内火花点火）を

ガスエンジン」クリーンエネルギー誌（2003 年

用いて研究を進めている。エンジン側としては不完全

10 月）P4 − 13

燃焼を抑制することが必要であるが、構造的にはピストン上部、シリンダライナ、シリンダヘッドで構成される燃焼室のデッドボリュームを減らすこと、運転面では低負荷の場合にスキップファイヤリングを行うことが有効である、と報告している

14）。

10）MAN、「Low NOx-gas engines from MAN
B&W」（CIMAC 1998）
11）MAN、「New Gas Engine from MAN DieselSE」（CIMAC 2007 Paper No.167）
12）MAN Diesel & Turbo 社ホームページ
13）Wärtsilä、「Status and potentials of the gas
engines」（CIMAC 2004 Paper No.163）
14）Wärtsilä、「Methane slip reduction in Wärtsilä
lean burn gas engines」（CIMAC 2010

Paper

No.106）

ガス機関技術の系統化調査

173

12 系統化調査のまとめと考察
れ、出力では 300〜5000kW クラスの需要が多かった

12.1 まとめため、これらの条件をクリアできる希薄燃焼方式のガス機関が開発された。

わが国におけるガス機関（ガス発動機とデュアル

第 7 章において記述したように、希薄燃焼方式は空フューエル機関を含む）の歴史は、1882 年（明治 15

気過剰率 2 前後、つまりストイキ方式の約 2 倍の空気

年）にガス発動機を輸入したことから始まった。初期

量でガスを燃焼させるシステムであり、そのため燃焼は輸入品のコピーを作ることからスタートしたが次第

温度も下がって NOx の生成量が大幅に減ることは知に技術力をつけ、1910 年ころには自力で小型・中型られていた。しかしガスは希薄になるほど大きな点火ガス発動機を開発・製造する会社が現れてきた。

エネルギーが必要で、このため希薄燃焼の問題点は第 1 次世界大戦を挟んで技術革新が起こり、移動に

サイクル毎の着火・燃焼が大きく変動することであっ便利な液体燃料を使う、ガソリン機関やディーゼル機た。これを解決した大きなポイントが副室（予燃焼

関が急速に進歩して、戦争終結（1918 年）のころに室）の採用であった。まず副室内で濃い混合気を燃焼

はガス機関は取り残され、一時的にほぼ消滅した。

させ、この火炎ジェットを副室先端の噴孔から主燃焼室に噴射して、主燃焼室内の希薄混合気に点火する。

第一の転機とわが国技術の芽生え

この火炎ジェットの持つ点火エネルギーは、点火プラ

ガス機関復活の第一の転機は、第 2 次大戦後、油田

グのそれの数千倍で、希薄なガスの確実な着火およびから発生する随伴ガスを有効に活用するため、液体燃

燃焼変動を抑制する上で大きな効果をもたらし、希薄料と併用で運転できるデュアルフューエル（DF）機燃焼方式の実現に大きな役割を果たした。

12.1.1関が登場した 1960 年ころであった。初期の DF 機関

こ の 結 果 1000 〜 5000kW ク ラ ス の ガ ス 機 関 はは海外メーカとの技術提携が主体であったが、次第にBMEP12〜15 kgf/cm2、熱効率 38〜43％、NOx 排出技術力をつけて独自の開発ができるようになってき

濃度 200〜500ppm を達成した。

た。その後、天然ガス田が世界各地で発見されると、

しかし、BMEP や熱効率ではまだ同クラスのディー

わが国でもガス専焼機関が開発されたが、天然ガスはゼル機関（BMEP18〜20 kgf/cm2、熱効率 40〜45％）

自着火温度が高く、可燃限界が狭いため、予混合・理の後塵を拝していた。

論混合気（ストイキ）燃焼・電気着火方式が多く採用された。しかしストイキ方式は理論混合比であるが故12.1.3

第三の転機とマイクロパイロット着火方式に、燃焼温度が高いため NOx 排出濃度が高く、またの実現および燃焼制御技術の確立

ノッキングに入り易いため圧縮比が低く抑えられて、第三の転機は、2000 年前後の環境規制の強化にあっ高効率や高出力の達成が困難であった。

た。陸上では 2002 年（平成 14 年）に京都議定書が批

この時代のストイキ燃焼方式の性能は NOx 濃度

准され、2005 年に発効されて CO2 の排出削減目標が2000ppm 前後（従って排気ガス出口に脱硝装置が必示されると、天然ガスを燃料として排気ガスがクリー

2

須）、正味平均有効圧力（BMEP）8〜10kgf/cm 、発ンなガス機関が、ディーゼル機関に代わるコージェネ

電端効率 30％前後であり、同クラスのディーゼル機のキーハードとして浮上した。ガス機関は副室式を採関に比べると、全く競争力がなかった。

用することにより希薄燃焼方式が実用化されたが、燃焼変動率はディーゼル機関に比べると未だ大きく、性第二の転機と希薄燃焼方式の実現

能（BMEP と熱効率）をディーゼル機関に近づける

第二の転機は、1986 年（昭和 61 年）に制定された

ためには、燃焼変動率を改善することが必要であっ「コージェネレーション等の系統連系に関する技術要た。これを解決したのが点火プラグに代わるマイクロ

件ガイドライン」による分散型発電方式の採用促進でパイロット着火方式の開発であり、さらに熱効率アッあった。熱電併給のコージェネレーションシステムのプに貢献したのがミラーサイクルの採用であった。まキーハードとして各種原動機が採用されたが、大都市

た高性能過給機の開発がミラーサイクルの実用化を可

近辺は県や市の条例で NOx の排出量が厳しく制限さ能にした。

12.1.2れた。また連続常用で運転されるため熱効率が重視さ

174

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

こ う し て 1000 〜 5000kW ク ラ ス の ガ ス 機 関 は

BMEP20〜22 kgf/cm2（1.96〜2.16MPa）、 熱 効 率 40

2 年）前後から、制度上の規制緩和と、環境保護上の〜48％を達成し、ほぼディーゼル機関と同等になり、規制強化という人間社会を取り巻く環境の中で「緩NOx の排出濃度は 200ppm 前後とディーゼル機関の和」や「規制」をビジネスチャンスとして、あるいは

1/5〜1/10 になった。さらに可変タービンノズル式過これを克服するバネとして新技術の開発に取り組み、給機が採用されて、熱効率は 50％に届こうとしている。

著しい成長を遂げてきた。近年の高出力化、高効率化

あわせて、このような高出力と高効率を発揮するは目を瞠るものがあり、この中でわが国のガス機関関上で欠かすことができないのが電子制御技術であり、ノッキング検知や空燃比制御、燃料ガス量制御など高性能ガス機関に必要不可欠な技術となっている。

係者が果たしてきた役割は大きい。
短期間に世界トップレベルにまで上り詰めることができた背景には、ディーゼル機関の開発で培われた優また開発技術においては、短期間に効率的に開発をれた技術力、およびそれを生み出す機械技術者・材料

進める手段として、コンピュータを使った各種のシ技術者・電気電子技術者を結集した高い総合力と、エミュレーションや CFD 計算も欠くことのできない技

ンジンを構成する主要な機器・部品を供給する高い技

術として取り込まれている。

術を有する優秀な材料メーカ、部品メーカの存在があ

こうして今やわが国のガス機関の性能は、世界最高レベルに到達している。

る。さらには、そのディーゼル機関を育てた海運業や漁業の盛んな海洋国としての日本がある。

また、わが国特有の技術開発として 1980 年前後か

わが国における、このような技術開発のダイナミズ

らガスインジェクション機関（シリンダー内ガス噴射

ムの要因はメーカ間の高い競争意識が源泉にあり、そ機関）が生み出された。技術陣の熱意に反して当時はの先には顧客からの性能・品質に対する厳しい要求が商業化は成功しなかったが、この技術は最新の省エネ存在する。そしてこれを支えてきたのは技術者のプラ

LNG 船の主機関として生かされている。

イドとモラールの高さであると考える。このダイナミ

一方、海上の分野では IMO（国際海事機関）の決

ズムをこれからも生かし続けて、わが国の機械製造産

定により NOx 規制が 2005 年から（但し国際航路に業の活力を維持するとともに、地球環境保全の重要な従事する船舶は 2000 年から）、SOx の規制は 2008 年

役割を果たして欲しい。しかし国内の市場では大きなから始まり、いずれも段階的に強化されつつある。さ伸びは期待できないと思うので、これからの開発はロらに CO2 については 2013 年 1 月以降に建造契約が結

バスト性や通信手段、およびコストパフォーマンス

ばれる船舶から排出基準が設定された。このようなをさらに高めて世界のマーケットを狙っていって欲し

規制の開始に先立ち欧州のメーカでガス機関や DF 機い。

関が北欧のフェリーや LNG 船の主機関として開発さ12.1 項で述べたように、わが国のガス機関の性能

れ、1995 年ころから採用が始まっているが、わが国（熱効率、BMEP、NOx 排出値）は世界のトップレベ

では若干立ち遅れ、開発が完了あるいは進行中でこれルにあり、欧米列強と肩を並べている。しかしながらから採用を働きかけていこうという段階である。

あえて言えば、今回の系統化調査で、わが国における以上のような新技術開発のステップと出力向上、熱効率向上の相関を第 13 章にまとめた。

技術開発の問題点が浮かび上がってきたような気がする。近年の開発は狭い国内で競合する数社が同じよう

参 考 ま で に、 世 界 の ガ ス 機 関 お よ び デ ュ ア ル

な開発を行って数値を競っているが、何か時間と費用

フューエル機関に対する関心の高さを測る尺度としを空費している感じがしてならない。このため将来をて、CIMAC（Conseil International des Machines a

見据えた画期的・独創的な技術開発が脇に置かれていCombustion、国際燃焼機関会議、3 年毎に開催）におるのではないか。

けるガス機関関係の発表論文数をカウントしてみる

一方、欧米の競合メーカは M&A により規模を拡と、1998 年 8 篇（内、わが国 2 篇）
、2001 年 9 篇（同、大してグループ内で開発した技術を有機的に使い回し

4 篇）、2004 年 11 篇（ 同、4 篇 ）、2007 年 15 篇（ 同、て総合力を高め、生じた余力を新たな技術開発に向け4 篇）、2010 年 20 篇（同、6 篇）と右肩上りに増えてているように思える。

おり、わが国からの発表も着実に増加している。

12.2 考察と提言

性能面で世界のトップレベルにある現在、海外勢に対抗するわが国のメーカは全ての面で競合するのではなく、例えばエンジン本体部分は聖域としても、協業化によりシステム制御設計、補機ユニット設計、据付

以上述べてきたように、ガス機関は 1990 年（平成

工事設計等の標準化・共通化を図り、開発コストや製

ガス機関技術の系統化調査

175

作コストをミニマムにすることができないか。そして

三井造船株式会社

近藤守男氏、薦田哲男氏

これによって生み出した時間と費用を将来に向けた真三菱重工業株式会社

石田道靖氏の技術開発に当てる方策を検討するなど、次のステッヤンマー株式会社

大橋一生氏、西田和生氏

プへ踏み出すことが必要な時期に来ていると考える。
また資料や情報のご提供等でご協力を頂いた日本陸用内燃機関協会

謝辞
本稿を執筆するに当たり、技術上のご教示や資料の八木国夫氏、東京ガス株式会社

本智史氏、日本ウッドワードガバナー株式会社

ご提供など多大なご協力を頂いた、国内エンジンメー

健幸氏、マン・ジャパン株式会社

カの次の方々に、この場を借りて深く御礼申し上げま

チラジャパン株式会社す。

に深く感謝致します。

森坂上

後藤 博氏、バル

吉原定男氏および熊倉祐之氏最後になりましたが、「技術の系統化調査」の先輩
川崎重工業株式会社

堀江 尚氏

ダイハツディーゼル株式会社
新潟原動機株式会社

176

として、今回数々の助言と資料のご提供を頂いた、
田山経二郎氏（日本内燃機関連合会）と佐藤一也氏

武本秀彦氏、徳永啓純氏（元・新潟鐵工所）のお二人に深く感謝の意を表しま

後藤 悟氏

す。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August登録資料候補
番
号

資料名

1

吸入瓦斯発動機関連資料一式
製作命令簿（37 冊）
吸入瓦斯発動機取扱書
吸入瓦斯発動機営業目録
吸入瓦斯発動機カタログ

2200 馬力ヘッセルマン機関取
扱説明書（6EKH-A）

資料形態

展示中

展示中

パイロット燃料／ガス燃料
3 一 体 噴 射 型 燃 料 弁 組 立 図 倉庫保管中（42X 用）

4

二元燃料噴射用ポンプおよび噴射弁組立図（16V28/32GI 用）

5

6

所在地

製作者

製作年

選定理由

ダイハツディー
発動機製
ゼル㈱守山事業造㈱所史料館1907 年〜 1968年

明 治 40 年 前 後 の 受
注・製造の状況や吸入瓦斯発動機の構造・特性がよくわかる一級品の史料1942 年ころ

ヘッセルマン機関は圧
縮空気中に燃料を噴射
し点火プラグで点火する。セタン価の低い燃料やガスでも運転できる戦前の貴重な史料

1982 年

同社が開発に力を入れたガスインジェクショ
ン機関の特殊な構造の燃料弁1988 年

同社が MAN 社と共同でデンマークに納入した世界に 1 台しかない
ガスインジェクション
機関の特殊な構造の燃料噴射ポンプと燃料噴
射弁1999 年

小型・高速エンジンで希薄燃焼・ミラーサイクルを採用して世界最高の熱効率を達成した

2002 年

同社独自の技術である
直噴マイクロパイロッ
ト着火方式を採用した試験用エンジン

ダイハツディー
発動機製
ゼル㈱守山事業造㈱
所史料館

三井造船㈱玉野 三井造船
事業所実験工場 ㈱倉庫保管中

三井造船㈱玉野 三井造船
事業所実験工場 ㈱国内常用発電用ガスエンジ
ン研究機（AYG20L-ST）

保管中

東京ガス㈱技術 ヤンマー研究所㈱

単気筒試験用ガスエンジン（1MD20GX）

使用中（性三井造船㈱玉野 三井造船
能向上試験
事業所実験工場 ㈱用）

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国立科学博物館技術の系統化調査報告

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国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.17 2012.August

ガス機関技術の系統化調査

181国立科学博物館
技術の系統化調査報告 第 17 集
平成24（2012）
年8月20日■編集

独立行政法人

国立科学博物館

産業技術史資料情報センター（担当：コーディネイト・エディット 永田 宇征、エディット 大倉 敏彦）■発行

独立行政法人

国立科学博物館〒 110-8718

東京都台東区上野公園 7-20

TEL：03-3822-0111■印刷

新高速印刷株式会社