技術資料

山口県産業技術センター

研究報告No.29 p15-18 (2017)15

水素及び低カロリーバイオガス対応
ロータリーエンジンコジェネレーションシステムの開発
池田悟至 * ・山田誠治 *2Development of Rotary Engine Cogeneration System for Hydrogen or Low-calorie Biogas
Satoshi Ikeda and Seiji Yamada
１．緒言

新エネルギーをはじめ地域に存在する未利用エネルギー技術を共有することにより，様々な観点から技術革新による事業化を推進することである．の利用と分散型エネルギーの導入が求められている．本県※2 水素ロータリーエンジン：マツダ(株)から水素 RE のにおいては，コンビナート企業群から全国有数の純度の高貸与と，その技術支援を受けている．

い水素が生産 1) され，この水素に着目して液化水素を製造

２．システム構成する企業が 2013 年 6 月に周南地区コンビナートに設立された．山口県には高純度の水素以外にも，電子部品工場，２・１

金属熱処理工場等の生産工程で使用された後に廃棄されて

図 1 にシステム全体の概略図を示す．試作開発する RE コ

システム全体の概要

いる水素や，鍍金工場で生成され排気されている水素など

ジェネは，これまでの液化水素発電システム 4) をベースに，純度の低い水素ガスが存在する．また，豊かな森林資源，新たに混合ガス供給システム，発電制御システム，廃熱回多数の食品加工業からの残渣及び畜産業等のバイオマス資収システムを追加する．

源が存在する．更に，県内にはバイオマス資源の利用に関

混合ガス供給システムは，密度の異なる 2 種類のガスをしては，特徴的な発酵系・木質系バイオガスプラントメー

予め設定した混合比で，効率良く均一に混合し，水素 RE にカが存在している．これらの水素及びバイオガスを有効に供給するシステムである．これにより，低純度水素や模擬活用する方法の一つとして，これらのガスを燃料とするコバイオガスなどの可燃ガスと不燃ガスの混合ガスによる水ジェネレーションシステムがあり，分散型エネルギー源と素 RE での燃焼実験が可能となる．
発電制御システムは，水素 RE の最適運転条件を探索すして注目されている．
山口県産業技術センター（以下，産技センター）では，るための点火タイミング，燃料噴射タイミング及び燃料噴エネルギー関連技術を最重点技術の一つに位置づける 2) と射量が任意に設定できる点火･噴射制御部と，電力需要（負ともに，この分野において県内ものづくり企業と一体とな荷）の変動に対して水素 RE を所定の回転速度に一定に保って取り組むために，「新エネルギー研究会」の中に分科会持したままエンジン出力を制御するための負荷変動制御部を設置し，技術シーズ獲得に向けてオープンイノベーショから構成される．

※13)．産技センターでは，こ廃熱回収システムは，ラジエータ，オイルクーラ及び循れまでに上記分科会の一つである液化水素エネルギー分科

環水冷却装置から構成されており，エンジン保護のために会において，平成 25 年度～平成 26 年度に液化水素をエネ必要な冷却能力を有し，かつ，廃熱を高効率で回収できるルギーとして利用するため，液化水素を気化し，水素ローシステムである．

ンによる開発を推進している

タリーエンジン※2（以後，水素 RE）で発電するシステムの開発に取り組んできた 4)．
本研究では，液化水素に代表される純水素から，更に上記に示す県内産資源である低純度水素及びバイオガスを有効に活用するため，水素 RE を用いて，従来の内燃機関では燃焼できない低純度水素及び低カロリーバイオガスを燃料として発電し，内燃機関からの廃熱を回収する RE コジェネレーションシステム（以下，RE コジェネ）を開発することを目的とする．
※1 オープンイノベーション：ここでのオープンイノベーションとは，設置する分科会に，技術革新による新エネル
ギー関連の新事業創出を目指す様々な機関が，それぞれの保有技術・知識・情報等を持って参画し，可能な限り情報・*

企業支援部設計制御グループ*2 経営管理部経営企画室

図1

システム全体の概略図

16山口県産業技術センター

２・２

混合ガス供給システム

研究報告

No.29 (2017)

噴射弁には，トロコイド曲線をした断面形状のローターハ

図 2 に混合ガス供給システムの概略図を示す．本システ

ウジングの上部に取り付けられている直噴用噴射弁（以後，ムは，密度の異なる可燃ガスと不燃ガスの 2 種類のガスをDI）と，吸気ポートに取り付けられている予混合用噴射弁

予め設定した混合比で，効率良く均一に混合し，水素 RE に（以後，PI）の 2 種類がある．また，点火プラグには，ロ供給するシステムである．負荷の変動等によって必要な燃ーターハウジングの短軸よりも上側に取り付けられている料ガス量（混合ガス流量）が変動する．変動する燃料ガス

T 側プラグと下側に取り付けられている L 側プラグの 2 種量において，まず，マスフローメータ（検出器：東京計装類がある．点火･噴射制御部では，これらの燃料ガス噴射弁㈱製 TF-5340，変換器：東京計装㈱製 TM-2221）で可燃ガスと点火プラグを水素 RE の燃焼条件に合わせて制御する．の流量を測定し，その流量に対してコンバータユニット（東これらの制御においては，ローターハウジング内の三角お京計装㈱製 TM-1421-22）で予め設定した混合比になるようむすび型ローターの位置に対して，点火及び噴射タイミンにマスフローコントローラ（東京計装㈱製 TC-1400）によグを制御し，噴射量については，噴射タイミングを基準にり不燃ガスの流量が制御される．これにより，一定の混合噴射時間により制御する．ローター位置の検出は，クラン比の混合ガスを水素 RE へ安定供給することができる．なク角の検出によって行うため，クランク軸にエンコーダがお，混合ガス供給システムから水素 RE までの配管長は 10m取り付けてある．エンコーダの取り付けに際しては，後述

程度あり，かつ曲管部分が複数あることから，二種類のガする圧縮→爆発工程の中で燃焼室の容積が最小となる位置

スは均一に混合されて供給できると考えて，配管途中にミTDC(Top Dead Center)で Z 相が出力されるように設定されキサーやバッファタンク等を設けていない．混合ガスの組ており，Z 相は 360°毎に出力される．図 5 に水素 RE の燃み合わせは，模擬バイオガスの実験では，可燃ガスにメタ焼工程と点火及び噴射タイミングの関係を示す．水素 RE のンガス，不燃ガスに二酸化炭素を，低純度水素の実験では，燃焼工程は，クランク角 270°毎に排気→吸気→圧縮→爆

可燃ガスに水素，不燃ガスに二酸化炭素を想定している．

発の工程を繰り返す 5) . T 側プラグと L 側プラグの点火タ混合ガス供給システムの仕様を表 1 に示す．可燃ガスの最イミングは，この Z 相を基準に BTDC50°～ATDC20°の範囲

大流量については，メタンガスの場合において，水素 RE 最で設定できる．ここで BTDC(Before Top Dead Center)は，3

大出力 40kW，効率 20％と仮定して 15 Nm /h とした．これ
3燃焼室の容積が最小となるクランク角を基準にそれよりもに対して，不燃ガスの二酸化炭素については，10 Nm /h と前の角度，ATDC(After Top Dead Center)は後の角度を示した．この時，メタンガスの体積濃度は 60%となる．なお，

す．また，燃料噴射タイミングについては，PI による燃料

3メタンガスの体積濃度 40%時には，メタンガス 6.67Nm /h，3二酸化炭素 10Nm /h である．

噴射は主に吸気工程で行い，DI による燃料噴射は主に圧縮工程で行うことから，PI ではクランク軸 1 回転前（360°前の位相），DI ではクランク軸 2 回転前（720°前の位相）の Z 相が基準となり，ともに 0～719°の範囲で設定できる．
PI と DI の燃料噴射時間は，それぞれの噴射タイミング後から 0～32msec の範囲で設定できる．点火・燃料噴射タイ
ミング及び噴射量の設定範囲をまとめて表 2 に示す．

メタリングオイルポンプ
コントローラメタリングオイルポンプ

点火･噴射制御部

図2

混合ガス供給システムの概略図

噴射タイミング･噴射時間 DI

ガス噴射ドライバ
噴射タイミング･噴射時間 DI

噴射タイミング･噴射時間 PI

噴射タイミング･噴射時間 PI

点火タイミング L
点火タイミング T

表1

圧力センサ

混合ガス供給システムの仕様

可燃ガス流量範囲

0～15 Nm 3 /h

不燃ガス流量範囲

0～10 Nm 3 /h

可燃ガス濃度範囲

60～100 % ※3

ブースト圧

エンジン
コントロールユニット

負荷変動制御部スロットルコントローラ

電子スロットル

モータ信号
エンコーダ
クランク角回転速度計※3 可燃ガス流量 15Nm 3 /h 時回転速度空燃比計
電源

２・３発電制御システム

図 3 に発電制御システムの概略図を示す．発電制御シス
テムは点火･噴射制御部と負荷変動制御部から構成される．
２・３・１

点火･噴射制御部

図 4 に水素 RE の断面概略図を示す．水素 RE のガス燃料

図3

データロガー

空気過剰率

発電制御システムの概略図

水素RE

水素及び低カロリーバイオガス対応ロータリーエンジンコジェネレーションシステムの開発

17を高めるためにはλ>1（リーン燃焼）となる条件で運転することや，高トルクが必要な場合などはλ<1（ リッチ燃焼）の条件で運転することがある．そのため，空気過剰率を測定するために空燃比計（Innovate Motorsports 製 LM-2）が排気管に取り付けられている．
２・４

廃熱回収システム

図 6 に廃熱回収システムの概略図を示す．本開発の廃熱回収システムは，冷却水が循環するラジエータと潤滑油が循環するオイルクーラ及びそれらを冷却水が循環する循環
図4

水素 RE の断面概略図

水冷却装置とから構成される．これらはエンジン保護のために冷却機能を担うと共に，ラジエータ及びオイルクーラ

Ｚ相

Ｚ相の循環水冷却装置側（以下，二次側）を循環する冷却水にＺ相

360deg360degより廃熱を回収する．本開発では，熱利用せずに，大気中（※2,000rpmの場合30msec）
BDC

270deg

TDC

排気BDC

270deg
吸気TDC

270deg
圧縮270deg

BDC

爆発
点火ﾀｲﾐﾝｸﾞ（T）

T
BTDC50deg～ATDC20deg
L
点火ﾀｲﾐﾝｸﾞ（L）
燃料噴射ﾀｲﾐﾝｸﾞ（DI）
DＩ
燃料噴射ﾀｲﾐﾝｸﾞ（PI）
ＰＩ

0～719deg

0～719deg

燃料噴射時間（DI）

0～32msecに放出するため循環水冷却装置として空冷式ラジエータが取り付けられている．ラジエータ及びオイルクーラには，将来的なコジェネレーションシステムのパッケージ化を考慮し，小型化が可能なプレート式熱交換器（ラジエータ：㈱日阪製作所製 BXC-214-PO-60，オイルクーラ：㈱日阪製
作所製 BXC-314-PI-20）を採用している．ラジエータ及びオイルクーラは，自動車用のラジエータ及びオイルクーラの仕様を参考に選定した．具体的には，ラジエータについては，エンジン側（以下，一次側）の流量 2.52m 3 /h，入口燃料噴射時間（PI）

温度 90℃，出口温度 60℃，放熱量 68kW を，オイルクーラ

0～32msecについては一次側の流量 1.19m 3 /h，入口温度 100℃，出口
図5

水素 RE 燃焼工程と点火及び噴射タイミングの関係

温度 72℃，放熱量 8.5kW を参考に，それぞれ余裕を見込ん
で，87kW 及び 15kW となるものを選定した．また，循環水

表2

点火・燃料噴射タイミング及び噴射量の設定範囲

冷却装置については，89kW>76.5kW（68kW+8.5kW）となる空点火タイミング(T,L)

BTDC50°～ATDC20°

冷式ラジエータ（江洋ラヂエーター㈱製）を選定した．表

燃料噴射タイミング(DI,PI)

0°～719°3，4 及び 5 にそれぞれラジエータ，オイルクーラ及び循環燃料噴射時間(DI,PI)

0～32 msec

水冷却装置の概略仕様を示す．
また，エンジン冷却能力及び廃熱回収能力を評価するため，ラジエータ及びオイルクーラにおいて，一次側と二次２・３・２

負荷変動制御部側のそれぞれ入口と出口に，循環水冷却装置の冷却水入口

負荷変動制御部は，負荷の変動に対して，水素 RE の回転と出口に温度計が，ラジエータ及びオイルクーラの二次側速度を一定に保つため，吸入空気量を調整する電子スロッに循環水流量を計測するための流量計が設置されている．

トルのバルブ開度を制御する．具体的にはエンコーダからまた，これらの流量計は流量調整ができる．の信号により，実際の回転速度を算出し，これが所定の回転速度となるように電子スロットルのバルブ開度を制御す
る．
ここで，水素 RE の燃焼制御は，予め設定された条件表（以下，マップ）に基づいて行われる．このマップは，各回転速度について，吸入空気圧（以下，ブースト圧）に対する燃料噴射時間の関係を表している．したがって，水素RE をある負荷に対して所定の回転速度に制御するために，電子スロットルのバルブ開度を調整し，その時のブースト圧を圧力計により検出し，マップに基づいて，そのブースト圧に対する燃料ガスの噴射量が決定される．
更に，水素 RE の燃焼制御を考える場合，供給燃料に対する吸入空気過剰率λが重要なパラメータの一つとなる．λ=1 のとき供給燃料を完全燃焼するために必要な空気が供給されることになる．水素 RE の燃焼制御においては，効率

図6

廃熱回収システムの概略図

18山口県産業技術センター
表3

研究報告

No.29 (2017)

ラジエータの概略仕様

伝熱面積

３．結

水素 RE を用いて，従来の内燃機関では燃焼できない低冷却水

純度水素及び低カロリーバイオガスを燃料として発電し，31.45 m

流体名

言

2

流量

2.52 m /h

内燃機関からの廃熱を回収する RE コジェネレーションシ

使用温度(入口)90℃ → (出口)60℃

ステムを開発した．今後は本開発システムを使って，可燃

流体名

水性ガスと不燃性ガスの混合ガスを用いて，種々のガス組成

流量2.70 m3 /hによるエンジン特性調査や廃熱回収可能性調査を行ってい

使用温度(入口)35℃ → (出口)60.62℃

一次側

二次側交換熱量

く予定である．

87 kW
本システムの開発の取組に際しては，プロポーザル公募

表4

オイルクーラの概略仕様

伝熱面積1.13 m2

流体名

潤滑油

流量

1.19 m3 /h

使用温度(入口)100℃ → (出口)72℃

流体名

水流量

0.50 m3 /h

使用温度(入口)35℃ → (出口)60.58℃

一次側

二次側

交換熱量

15 kW

表5

循環水冷却装置の概略仕様

冷却水側認において，多大なる協力を頂いた帝人エンジニアリング(株)様，ユーディーエンジニアリング(株)様及び(株)特殊ガス商会様に深く感謝します．試作開発委託先以外の FC デザイン(株)及び(有)三木鉄工様におかれましても試作開発，設置，調整に多くの協力を頂きました．また，マツダ(株)様におかれましては，水素ロータリーエンジンを無償で貸与して頂くと共に，水素ロータリーエンジンの設置及び運転等に関して大変丁寧な技術指導を頂きました．ここに併せて深く感謝の意を表します．
参考文献

流量

3.20 m3 /h1) 経済産業省中国経済産業局，中国地域におけるコンビ

通過面積5564 mm2

ナートのポテンシャルを活用した水素インフラ整備と使用温度(入口)59.2℃ → (出口)35℃

風量
空気側に参加し，試作開発から産技センターへの設置及び動作確

3250 m /h2

放熱面積173 m

使用温度(入口)20℃ → (出口)37.5℃

放熱量

89 kW

機能性素材活用方策調査報告書 (2008.3)．

2) 山口県産業技術センター：技術戦略＜第 2 期＞[ロードマップ] (2015)．
3) 磯部佳成，藤本正克，山田誠治，“山口県産業技術セン
ターの新エネルギー利活用プロジェクト”，日本風力エ
ネルギー学会誌，Vol.37，No.3，通巻.107，p.413-416(2013).
4) 磯部佳成，村川収，山田誠治：液化水素発電システムの開発，山口県産業技術センター研究報告，27，p.30-35(2015)．
5) マツダ株式会社，Rotary Engine，The 33rd Tokyo Motor
Show 1999，Press Information，p.30 (1999)．