410 軽油代替燃料を用いたディーゼル機関の出力，排気特性
発表者
指導教官
1．緒言
ディーゼル機関は高い熱効率と耐久性を併せ持つため，小型機関から大型機関まで広く利用されている．しかし，断熱圧縮中の燃焼室に軽油や重油などの燃料を噴射しながら不均一な拡散燃焼を行うため，燃料濃度が希薄な領域と過濃な領域で，それぞれ NOx と黒煙・微粒子(PM)が生成排出される．そこでディーゼル機関の排気特性の改善方法といて代替燃料が注目されている．中でもDME(Dimethyl Ether:CH₃OCH₃)は含酸素燃料であり，分子構造中に炭素間の直接結合がなく、燃焼しても PMやすすを発生しない。また、DME のセタン価及び着火温度は軽油と同程度であることから，ディーゼルエンジンの軽油代替燃料として着目されており，各研究機関において，燃焼反応過程や燃料供給方法等の研究が進められている．しかし，それらは直噴ディ－ゼル機関を用いたもので，最も広く一般的に使われている副室式ディ－ゼル機関による DME を用いた運転の研究はあまりなされてこなかった．そこで本研究では予燃焼室式ディ－ゼ
ル機関による DME を用いた運転を行い，そのときの機関・排気性能を測定・検討する．
2. 実験装置及び実験方法
本研究では供試機関は単気筒水冷４サイクルディーゼル機関（形式 ST95Y,ヤンマーディーゼル製）を使用す
る．常用出力は 5.15kw/1400rpm である．シリンダー径×行程が 95×115，排気量 815ml，圧縮比 20，燃焼室形
式は予燃焼室式（予燃焼室容積 43ml）．燃焼ガス成分の測 定 に は 燃 焼 ガ ス ア ナ ラ イ ザ ー （ KANOMAX,CA-CALC）を用いた．

Fig.1 DME Injection Control System
図 1 に示すように供試機関の吸気管内に DME をポ－ト噴射できるように改造し，軽油と DME のハイブリッ
ド運転と予混合圧縮着火(HCCI)での運転を行う．電子制
御によって噴射時期・噴射期間を制御することによって従来の旧式のディ－ゼルエンジンでも改良が簡単で，高い排気特性の向上が期待できる．
実験方法は，暖機運転した後に所定の負荷，回転数に設定し，DME の供給を開始する．その後，機関回転数を安定させ，機関性能，排気の計測を開始する．
３．実験結果･考察
３－１．軽油でのディーゼル運転
図 2 に供試機関の機関・排気特性を示す．
図 2(A)に示すように燃料消費率は BMEP が 0.55MPaで最小値となり，反対に正味熱効率は最大値となっており，ディーゼル機関の特徴的な性能曲線を示している．
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柳川健介 (802.6h)
若井謙介 大見謝恒弘

性能曲線図(A)
性能曲線図(B)Fig.2 供試機関の機関・排気特性
図 2(B)に 示 す よ う に 黒 煙 濃 度 と NOx排 出 量 を み る とBMEPが0.48MPaまでは黒煙濃度は変わらずに，NOxは増加し続けている．これはBMEPが0.48MPaまでは燃料の量に対し吸入空気量が十分にあるため黒煙濃度はあまり変化が無く，NOxは燃料が燃焼することによって排出さ れ る サ ー マ ル NOが 主 成 分 の た め 燃 料 の 量 に 伴 っ て 増加していくためと考えられる．BMEPが0.48MPaを超えると黒煙濃度は増加し，NOxは減少する．これは，黒煙は不完全燃焼したときに発生し，NOxは完全燃焼したときに発生するトレード・オフの関係にあるためで，ディーゼル燃焼の特徴的な排気特性である．
３－２．軽油＋DME でのハイブリッド運転
次に軽油＋DME50%のハイブリッド運転での機関・排気特性を示す．実験条件は回転数を 850rpm，噴射時期を上死点前(BTDC)－305°CA で一定とし，噴射期間を負荷 1kgf で 3.0msec，2.3kgf で 4msec，6.5kgf で 4.6msec，9.5kgf で 6.3msec とした．図 3(A)に示す総合燃料消費量
は軽油運転時に比べ，軽油＋DME 運転では全体的に増加している．これは低位発熱量が DME は 28.8MJ/kg，軽油は 42.7 MJ/kg と軽油に比べ DME は低いため，同じ負荷で，同じ軸トルク，軸出力の場合には DME の噴射量が増えるためである．体積効率は軽油運転より軽油＋DME 運転の時のほうが高い値を示しているが BMEP の大きい領域では差はなくなる．これは軽油＋DME 運転
では DME を吸入空気中に噴射するため DME の気化熱で吸気温度が下がり体積効率は上がるが，BMEP が大きくなると燃焼室壁温が高温となるため，軽油運転時との予混合燃焼を行えるため軽油運転時より燃焼温度が高温になりNO，NO₂発生量が増え，その結果軽油運転時より軽油＋DME運転時の方がNOx発生量が増加していると考えられる．
３－３．DME の予混合気吸入による HCCI 運転
次に DME のみでの HCCI での運転の実験結果を示す．
DME のみの HCCI での運転では負荷をかけると，機関回転数が安定しなかったため，負荷をかけずに，噴射時期を変えたときの機関性能を測定した．噴射期間は4msec とし，噴射時期は図 5 に示すように排気バルブが閉 じ た 直 後 (BTDC － 345 ° CA) か ら 40 ° CA ご と のBTDC－ 345°CA， － 305°CA， － 265°CA， － 225°
CA とした．

性能曲線図(A)
性能曲線図(B)Fig.3 軽油＋DME 機関・排気特性

CO(PPM)

機関定常回転数に対する回転数比率

Fig.5 開弁期間と噴射時期

Fig.6 DME 噴射時期に対する回転数，CO 排出量の変化
DME のみの HCCI での運転では黒煙，NO，NO₂，NOx は と も に 燃 焼 ガ ス ア ナ ラ イ ザ ー の 測 定 限 界 以 下 で測定されなかった．負荷のかからない運転で，さらにDME が含酸素燃料であることから黒煙は排出されなかったと考えられる．図 6 は横軸にクランク角，縦軸に機関定常回転数に対する回転数，CO 排出量を示す．図 6に 示 す よ う に CO 排 出 量 と 機 関 回 転 数 に は 噴 射 時 期 に対して相関関係があり，回転数が上がるほど CO 排出量は減少している．噴射時期 BTDC－305°CA で機関回転数が最も高く，CO 排出量も最も減少しているので，最適な運転ができていると考えられる．これはピストンが上死点(TDC)になり，その後吸入空気が燃焼室内に流入し 始 め ， BTDC－ 305°CA こ ろ か ら ピ ス ト ン が 下 死 点(BDC)になるまでが吸入空気の流速が最も早くなり，吸入中または燃焼室内での DME の混合，気化が最も効率的になるためと考えられる．
４．結言
本研究により既存の予燃焼室式ディーゼル機関でもDME を 用 い る こ と に よ り ， 軽 油 ＋ DME の 運 転 で はBMEP が 0.4MPa 以上で黒煙が大幅に低減し，DME のみの HCCI での運転では黒煙，NO，NO₂ ， NOx 排出量を 0 にすることが可能であることがわかった．
５．参考文献1．廣安・吉崎，わかる内燃機関，日新出版，2002．

黒煙濃度の変化(A)NOx 排出量の変化(B)Fig.4 燃料別黒煙濃度，NOx 排出量の変化差は小さくなっていると考えられる．図3(B)の総合当量
比，正味熱効率は同じ傾向を示すが，DMEの低位発熱量が低いため軽油＋DME運転では軽油運転時より総合当量比は低く正味熱効率は高い値を示す．図4に燃料別の高負荷，低負荷時における黒煙濃度，NOx排出量の変化を示す．黒煙濃度は図4(A)に示すように負荷が小さいときには軽油と軽油＋DMEでは差は無いが，負荷が大きくなると軽油での黒煙濃度は急増するのに対し，軽油＋DMEでは軽油の1/3ほどである．これは低負荷では軽油運転でも燃料の量に対して十分な空気があるため黒煙の排出量は大きく変わらないが，高負荷ではより多くの燃料が必要となるため含酸素燃料であるDMEの特徴と，あらかじめ空気が燃焼室に入る前に混合気を形成するので比較的いい燃焼が行える予混合燃焼の特徴が顕著に現れていると考えられる．NOx排出量は図4(B)に示すように低負荷では軽油＋DMEのときの方が少ないが，高負荷では差は僅かではあるが軽油＋DMEの方が多くなる．これは燃料が多く必要となる高負荷時には，DME予混合気を吸入している軽油＋DME運転の方が着火，燃焼が有利な
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2．嶽間沢･平野･広安，ジメチルエーテルによる予混合圧縮着火機関の連続運転に関する研究，近畿大学研究報告 No.37，2003，pp.167-171．
3．鈴木･米谷･福谷，DME 副室式圧縮着火エンジンにおける副室容積が燃焼に及ぼす影響，日本機械学会論文集(B 編)71 巻 702 号，2005．

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