単原子作動ガス循環型水素ディーゼルシステムの基本特性検討
＜Fundamental Study on the Inert Gas Circulating Hydrogen Diesel System＞

○正　石田裕幸（三菱重工） 正　土佐陽三（三菱重工）

abstract

Hydrogen, which doesn't produce CO2 ,is expected to be one of the most promising substitute fuels for petroleum. The authors propose the Inert Gas Circulating Hydrogen Diesel System. In this system ,oxygen is supplied to the circulating Ar gas and charged into the cylinder. Hydrogen is burned by turbulent diffused combustion. Produced H2O is condensed and removed from the system. This system has good features of high thermal efficiency and extra-low NOx level, thanks to the high specific heat ratio of inert gas. This paper shows the merit of this system to the ordinary diesel system ,using the results of cycle simulation ,in which thermophysical properties of fuel and working gas, heat release rate, heat loss are considered. The demerit of the intruded nitrogen to thermal efficiency is also shown.

１．はじめに

地球規模の環境問題に対応する技術として、従来の石油系燃料に替えて水素を用いる内燃機関が挙げられる。その作動ガスとして単原子ガスを循環させ、燃焼に必要なO2を供給し、燃焼によって生成される水を凝縮して系外に排出する単原子ガス循環型水素ディーゼルシステムが考えられる。これは比熱比が高い単原子ガスを用いることによって熱効率が高く、理想的にはNOx、CO2の排出を無くすことができるコージェネレーション用原動機として有望なシステムである。 本報では、燃料、作動ガス、燃焼生成ガスの物性値、受熱モード、熱損失を考慮した計算法（１）を用いて熱効率を算出し、石油燃料と空気を用いる従来型ディーゼルとの比較を行うとともに、燃焼用に供給されるO2の純度が熱効率に及ぼす影響について検討した。

２．単原子ガス循環型水素ディーゼルシステムの概要

図１に単原子ガス循環型水素ディーゼルシステムの概念図を示す。燃焼室に高圧水素ガスを噴射し、拡散燃焼させる水素ディーゼルエンジンを核とし、アルゴン（Ar）を作動ガスとして循環させ、燃焼に必要なO2をエンジンの吸気系統に供給する。燃焼ガスの排気系統には、燃焼で生成する水蒸気を凝縮、液化して系外に排出する排ガス凝縮器を設ける。排気熱の有効利用と排ガス凝縮器の小型化のため、発電機を駆動する膨張タービンを組み込んだターボコンパウンドシステムとする。 ここで、燃料として供給される水素の冷熱を利用した深冷分離法で空気を原料にO2を製造した場合、実用的には純O2の供給は不可能で、不純ガスとして主にAr、N2がO2と伴に系内に混入する。このため、燃焼に関与しないAr、N2、過剰なO2は系内を循環するが、その一部は余剰ガスとして系外に連続的に排出される。 これにより、本システムは起動時のみは空気を作動ガスとして用いるが、後述するように各成分ガスは定常運転中にはモルバランスを保つため、Ar供給設備を必要としないという大きな特徴がある。

３．ディーゼルサイクル熱効率計算結果

コージェネレーション用過給ディーゼル機関（ボア×ストローク＝170×180mm,圧縮比13）を対象に、純O2供給の場合の熱効率を算出し、従来の石油燃料と空気を用いる従来型ディーゼルと比較した。 表１は計算条件と計算結果を比較したものである。 Table.1 Condition and Result of Calculation

　 　

Aoil/Air

Diesel

H2-O2/Ar

Diesel

Indicated Mean Effective Pressure

MPa

1.87

1.96

Engine Revolution

1/s

30

←

O 2 Concentration

％mol

21

←

Charge Pressure

MPa

0.294

0.281

Charge Temperature

K

354

←

Max. Pressure

MPa

13.6

14.0

Max. Temperature

K

1632

2120

02 Excess Ratio

−

2.25

2.00

(Heat Balance)

 　 　 　

Fuel

kJ/cycle

3.906 (1.0)

3.559 (1.0)

Indicated Output

kJ/cycle

1.828 (0.468)

2.000 (0.562)

Heat Loss

kJ/cycle

0.457 (0.117)

0.686 (0.193)

Exhaust Energy

kJ/cycle

1.621 (0.415)

0.873 (0.245)

作動ガスの比熱比が高いため、最高温度は高くなり、熱損失は増大する。ディーゼルの図示熱効率を比較すると、従来ディーゼルでは0.468、単原子ガス循環型水素ディーゼルは0.562で、相対的に約20％の向上が得られる。 図2はシステムのヒートフローを示したものである。エンジン、および、タービンでの発電出力0.490、熱回収0.409が得られることがわかる。図２

４．O2純度が熱効率に与える影響

O2と伴に系内に入る不純ガスがAr、N2のみで、かつ、簡単のために水素は完全燃焼し、燃焼で生じたH2Oは全て凝縮して系外に排出されると仮定した場合の各成分ガスのモルバランス(2)を算出した。 図３は、O2過剰率2.25、図１の０点におけるO2濃度0.21の場合で、供給O2の純度と０点における作動ガス中のN2濃度の関係を示したもので、O2、N2の他はAr濃度を示している。不純ガス中のN2割合が低ければ、作動ガス中のAr濃度を高く保つことができ、特別なAr供給設備は必要ない。 図中、波線で示したのは燃料として供給される水素の冷熱を利用する深冷分離法によって製造された場合である。O2、Ar、N2の沸点は順に90.0K、87.5K、77.35Kで、ArとO2の沸点が近いため、O2濃度を高めるほど不純ガス中のAr割合が高くなり、系内でバランスするN2濃度は低下する。 図４は系内でバランスする作動ガスのN2濃度とサイクルの図示熱効率の関係を示したものである。作動ガスのN2濃度が高くなるほど熱効率は低下する。また、NOxの排出も無視できなくなってくる。 本システムの高い熱効率と、NOx排出を理想的には無くすことができるという特徴を生かすため、供給O2純度が高く、不純ガス中のN2濃度が低いことが望ましい。

５、まとめ

（１）作動ガス、燃焼ガスの比熱比が比べて高くなることから、システム全体の熱効率は従来ディーゼルに対して相対的に約２０％向上する可能性がある。
（２）供給O2の不純ガス中のN2割合が低ければ、作動ガス中のAr濃度を高く保つことができ、特別なAr供給設備は必要ない。
（３）高い熱効率とNOx排出抑制のためには、供給O2純度は高く、不純ガス中のN2濃度は低い方がよい。
　なお、本研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構 （NEDO）からの委託により（財）エンジニアリング振興協会が実施している水素利用技術に関する調査検討に関連して行ったものである。

aa 文献
(1)石田,土佐,"各種燃料作動ガスに対応可能な筒内サイクル解析手法の開発", 日本機械学会講演論文集,No.920-17,p429-431,1992
(2)石田,土佐,"単原子作動ガス水素ディーゼルシステムの検討",日本機械学会講演論文集,No.978-1,p144-146,1997