4. タスク４ 動力発生技術の開発 4.1 研究開発目標 (1) 環境影響物質無排出、送電端効率45％程度および総合効率85％以上（高位発熱量基準、600kW級実機換算）を達成しうる単筒機で、コージェネレーション用の100kW級水素デイーゼルエンジンを開発する。 (2) 100kW級水素ディーゼル単筒機の開発・連続運転試験を実施し、実用化のための研究開発課題を抽出する。 平成11年度は、上記技術開発目標の達成に必要な要素技術開発、基礎試験および単筒実験機システムの開発を行う。 4.2 平成11年度の研究開発成果 4.2.1 要素技術開発 4.2.1.1 水素噴射装置の開発 (1) 水素噴射弁の検討 100kW級アルゴン循環型水素ディーゼル単筒実験機用の水素噴射装置を開発するため、燃料弁噴孔部でのガス流速、燃焼室内における水素噴流到達距離、噴流内空気過剰率等を計算し、燃料弁噴孔部の仕様を検討した。その結果、従来ディーゼルと同じ噴孔数の場合、噴孔径を従来ディーゼルの３倍程度とすることにより燃焼室内の燃料の到達距離を従来ディーゼル並にできることがわかった。 (2) 水素噴射量制御方法の検討 単筒実験機用水素噴射装置を開発するための予備検討として、急速圧縮・膨張装置用に開発した電子制御油圧駆動方式の水素噴射装置の電磁弁から作動ピストン室までの作動油通路容積削減による少量噴射メータリング特性改善につき検討し、実験的に評価した。その結果、定格噴射量の３分の１程度まで噴射量の制御が可能であることが明らかになった。 4.2.1.2 排ガス凝縮器・気液分離装置の開発 4.2.1.3 過給機・膨張タービンの開発 さらに、システムとしての高性能化をはかるため、高性能化手法を織り込んだコンプレッサ羽根車、ディフューザ、タービン動翼およびノズルのプロトタイプを計画し、アルゴン、酸素、およびタービンでは水蒸気も含む実ガス物性値にてそれぞれ流動解析を実施し良好な結果を得た。 4.2.2 基礎試験 4.2.2.1 水素燃焼試験 (1) 自着火燃焼試験 <1>方法 <2>給気および燃焼室温度の影響 <3>作動ガスアルゴン濃度の影響 <4>燃料弁噴孔径および燃料噴射時期の影響 <5>正味熱効率の推定 (2)レーザ着火による燃焼制御試験 アルゴン・酸素を作動ガスとして燃料の着火遅れ期間中にレーザを照射し、予混合燃焼量を低減した燃焼モード実現の可能性と、空気を作動ガスとした時に確実に着火するための条件を調べた。燃焼室形状は自着火燃焼試験と同じであるが、レーザのターゲットを２噴孔燃料弁の１つの噴孔方向のピストン上に設けた。 レーザ着火による燃焼試験では、実機条件に近い燃焼室温度および圧縮比が高い条件では、着火遅れが短縮されてレーザによる燃焼制御の効果は無いことが明らかになった。 始動時を想定して空気を作動ガスとした場合、試験した全ての条件で自着火せず、レーザ照射により確実に着火できることを確認した。 4.2.2.2 ピストンリング・シリンダライナ潤滑試験 4.2.2.3 水素ディーゼル機関における筒内現象の解析 (1) 数値解析 急速圧縮・膨張試験機の燃焼室モデルを作製し、非燃焼条件において噴射圧20MPaの場合について水素ガス噴射の解析を実施した。この解析結果がほぼ実験結果と一致することを確認した後、燃焼条件のもとで素反応モデルによる水素燃焼解析を実施した結果、以下の知見が得られた。 ・素反応モデルによる筒内圧力解析結果と実験結果を比較すると、定量的には一致していないが、水素燃焼実験でよく見られる２山のピーク、着火後の急激な圧力上昇、その後の緩慢な圧力上昇等、いくつかの特徴が実験結果と定性的に一致した。 ・本モデルによる解析結果から、水素噴射後、直ちに水素噴流の外周にＯＨが生じ、このＯＨの急激な発生により燃焼が生じることや、自着火は噴流上流で生じること等がわかった。 (2) 要素試験 急速圧縮・膨張試験機により水素ガス噴流（非燃焼及び燃焼）のシャドウグラフ撮影及び燃焼過程のデータとしてOHラジカルの濃度を計測し、筒内圧力上昇より前にOH自発光のあることがわかった。また、これらの実験結果を上記数値解析の入力データとして使用すると共に、解析結果と比較することにより、ガス噴流解析モデル及び燃焼解析モデルの妥当性について検討した。 4.2.3 単筒実験機システム開発 4.2.3.1 試験設備の基本計画 (1) 燃料と作動ガス供給装置の基本計画 アルゴン循環型水素ディーゼル単筒実験機を中心とする試験用クローズドサイクルシステムに使用する各機器の基本仕様と設置する試験室の検討を実施した。その結果、燃料・作動ガス供給装置はカードルを常時、設置しておき、週に１～２回、交換する方法で対応可能であることがわかった。 (2) ガス循環ラインの基本計画 水素圧縮機は、電動モータ駆動式と加圧空気を駆動源とするブースター方式の２種類から平成12年度に選択することとした。ガス循環ラインはクローズドの循環ラインとしてアルゴンと酸素が高価なため無駄なく回収して使用し、給気圧縮仕事が大きいため単筒実験機であるにもかかわらず排気タービン過給機を使用して排気エネルギーで給気圧縮仕事の大部分をまかなうこととした。 (3) 実験室建家、装置配置計画 高圧ガス製造装置を設置するため、安全という観点を考慮して実験室の基本計画を行った。その結果、水素ディーゼル単筒機システム構成機器および補機を約150m2の実験室に配置できることがわかった。 4.2.3.2 単筒実験機の設計検討 4.3 今後の進め方および課題 4.3.1 要素技術開発 (1) 水素噴射装置の開発 100kW級アルゴン循環型水素ディーゼル単筒実験機用の水素噴射装置として、急速圧縮・膨張装置用に開発した噴射装置と同じ電子制御油圧駆動方式と他の制御方式の可能性につき検討し、平成12年度に設計・製作、平成13年度以降に試験の予定である。 (2) 排ガス凝縮器・気液分離装置の開発 100kW級アルゴン循環型水素ディーゼル単筒実験機システムの排ガス凝縮器として、今年度検討した３形式の中から選定しコストも考慮して平成12年度に設計・製作する。気液分離装置は今年度検討結果の仕様品を平成12年度以降に購入する予定である。 (3) 過給機・膨張タービンの開発 過給機については今年度検討結果に基づき将来の600kW級システム用の機械的な設計を平成12年度に行う予定である。膨張タービンについては平成12年度に発電機仕様を明らかにするとともに、プロトタイプの計画と解析を行う予定である。 4.3.2 基礎試験 (1) 自着火燃焼試験 急速圧縮・膨張装置による基礎燃焼試験結果では熱損失の図示熱効率に及ぼす影響が大きいことが示唆された。平成12年度は急速圧縮・膨張装置により熱損失の直接計測を実施する予定である。 (2) レーザ着火による燃焼制御試験 単筒実験機システムでアルゴン・酸素を作動ガスとした場合に確実に自着火することを確認するとともに、レーザ装置の低コスト化のため着火エネルギー低減の可能性を追求する。 (3) ピストンリング・シリンダライナ潤滑試験 実機条件を想定し、今後、劣化油による試験及び供給油量の少ない場合の試験を実施し、より過酷な条件下での評価を行う。 (4) 水素ディーゼル機関における筒内現象の解析 燃焼モデルの改良等により、水素エンジン性能解析に寄与できる高精度な燃焼解析を行う。 4.3.2 単筒実験機システム開発 (1) 試験設備 今年度の基本計画に基づきアルゴン循環型水素ディーゼル単筒実験機システムの詳細設計を平成12年度に実施の予定である。 (2) 単筒実験機 ジルコニア溶射等の対策を折り込み平成12年度に燃焼室の詳細設計を行う。
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