産総研ら、高出力/高熱効率/低NOx水素エンジンの燃焼技術を開発――年間500万トンのCO2削減が可能

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高圧直噴火花点火水素エンジンシステムの構成と研究・開発の分担および目標性能

産業技術総合研究所(産総研)は2018年5月18日、岡山大学、東京都市大学、早稲田大学などと共同で、水素燃料の新しい燃焼方式を確立し、世界初となる高熱効率・低NOxを実現できる火花点火水素エンジンの開発に成功したと発表した。

化石燃料への依存を低減しCO2を削減するためには、すでに製品化されている自動車用や定置発電用の水素燃料電池の拡販に加えて、水素の用途を幅広く拡大することも重要だ。しかし、その候補である水素エンジンは、水素燃料の燃焼特性が優れているにもかかわらず熱効率が低く、高負荷運転時にNOxの生成が多いことが問題だった。

そこで研究グループは、燃焼室に噴射した水素燃料噴流が分散する前の塊の状態で燃焼させる過濃混合気点火燃焼方式(PCC燃焼)を採用し、燃焼室壁面近傍での燃焼を減らすことに成功。水素濃度を制御し、噴流の形状と点火までの時間を最適化することでNOxの生成を減らすことにも成功した。また、排気再循環(EGR)でNOxの生成を抑制する方法を組み合わせ、試験用小型単気筒エンジンを用いて、熱効率は54%と、天然ガスを燃料とする発電用大型エンジンを凌駕する性能を達成。NOxの排出量も、大都市圏の自治体条例の規制値の10分の1以下に抑えることに成功した。さらに、エンジンの仕事量の指標である図示平均有効圧力において、これまでの水素エンジンでは類を見ない1.46MPaという高出力を実現した。

(左)過濃混合気点火燃焼の噴流塊のイメージ、(右)制御された伝ぱ火炎

また、高性能化には水素燃料噴流の分散状態が重要であるという視点から、点火時の放電火花に含まれる水素濃度を光学的に計測診断するSIBS法、噴射した噴流塊の空間的な濃度分布を可視化する高空間解像型CFD数値計算法を開発。試験用小型エンジンで得られた燃焼/排気性能の論理的な裏付けも得られた。

研究グループは、同技術で天然ガスなどを水素に置き換えた場合、国内の年間500万トンのCO2が削減できるとしている。また今後は、液化水素を圧縮して高圧水素にする高圧液化水素ポンプと、高圧水素をエンジンに噴射する高圧水素噴射弁の開発も組み合わせ、大型機関への適用に向けた展開を進めるとしている。

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