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アブストラクト

　アンモニア（NH₃）は燃焼速度が小さく、火花点火エンジンの多様な運転条件において安定燃焼を実現するためには補助燃料が必要である。水素（H₂）は炭素を含まず、燃焼速度の大きい優れた補助燃料であり、NH₃分解により必要な量のH₂をオンボードで生成することも可能である。NH₃は自着火温度が高いため、高圧縮比化が可能であり、過給条件下でも最適点火時期（MBT）で運転することができる。燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物（NO_x）はNH₃の酸化過程で生成するフューエルNO_xであり、点火遅角や希釈等の燃焼温度低減によるNO_x抑制効果は期待できないため、量論混合気と三元触媒を組み合わせた排気浄化システムが適している。

はじめに

　液化NH₃は体積当たりのH₂密度が高く、H₂のエネルギーキャリアとして注目されている。NH₃はH₂に戻さずとも脱炭素燃料として利用できる利点があり、火力発電所や船舶では既に具体的な検討が始まっている。表1はレシプロエンジンに関係する諸特性を示す。NH₃は燃焼速度が小さく、自着火温度が高い特徴がある。高圧縮比化が可能であり、燃焼生成物の1/4が窒素（N₂）で火炎温度が低いために比熱比が大きい。さらに燃焼前後でモル数が増加するなど熱効率に対して有利な特性を持つ。一方、過去のエンジン試験から、NH₃単独による圧縮着火燃焼は極めて困難なこと、火花点火燃焼は安定燃焼可能な運転範囲が限られることが分かっており、補助燃料が必須と考えられている。

Table1 各種燃料の特性

補助燃料による燃焼特性の変化

　図1はほかの燃料種と混焼した時の最適点火時期（MBT）と燃焼時期および図示平均有効圧力（IMEP）の変動率を示す。補助燃料の影響は点火時期に最も強く現れ、補助燃料を増やすほどMBTが遅角化する。H₂は少ない補助燃料で安定燃焼が得られる利点があり、H₂の発熱量割合を40%（体積割合47%）まで高めると、点火時期と燃焼時期はガソリンとほぼ同等になる。H₂はNH₃分解によって生成できるので、オンボード改質器を搭載すれば補助燃料を別途用意する必要はなくなる。NH₃分解は吸熱反応のため、排熱利用によるNH₃直接分解と自己熱改質式が検討されている^(1),(2)。直接分解は排熱回収にもなるが、成立する運転条件が限定される課題がある。

Fig. 1　混焼時のMBTおよび燃焼時期とIMEP

ノッキングへの影響

　表1に示したようにNH₃はほかの燃料に比べて自着火温度が高いため、高負荷では補助燃料を減らしてNH₃割合を高くする方がノッキングに対して有利である。NH₃混焼では負荷が高くなるほど燃焼安定化に必要な補助燃料の割合が小さくなる特徴があり、低中回転域の中負荷以上では補助燃料を供給しなくてもIMEPの変動率を小さく抑えられる。図2は加圧空気を用いた過給模擬試験によりNH₃燃焼のノッキング抑制効果を調べた結果を示す。すべての条件でノッキング発生がなく、点火時期をMBTまで進角できるため、吸気圧力にかかわらず同じタイミングで熱発生と最大筒内圧力が得られていることがわかる。このときの最大IMEPは2MPaを超えており、過給による高トルク化に対して有利な燃料であると考えられる。

Fig. 2　低速高負荷条件における熱発生率と筒内圧力（補助燃料なし）

窒素酸化物の生成特性

　分子に窒素Nが含まれるNH₃は燃焼過程で燃料からNOが生成される(フューエルNO_x)。詳細反応モデルと2領域エンジンモデルを組み合わせて計算したエンジン筒内のNO反応過程は、火炎伝播過程で燃料から高濃度のNOが生成され、既燃ガス中で減少することを示している⁽³⁾。図3は既燃ガス中のNO変化を示したものであり、炭化水素燃焼とはNOの履歴に明らかな違いが見られる。NH₃燃焼における既燃ガス中のNO減少はZeldovich反応が律速することから、点火時期に対しては進角側で排気NO濃度が下がる傾向がある。Fuel-NOの場合は希釈によるNO低減効果も多くは期待できないため、量論比と三元触媒による排気浄化が適していると考えられる。

Fig. 3　筒内条件と既燃ガス中のNO濃度の変化

まとめ

　本記事では火花点火エンジンにNH₃を適用した時の特徴的な燃焼特性について概説した。NH₃は補助燃料を必要とする点が最大の特徴であり、CO₂排出ゼロ化にはH₂との2燃料供給システムまたはNH₃分解が可能な改質システムが必須と考えられる。一方、NH₃燃焼には熱効率が向上できるポテンシャルがあり、量論混合気でノッキングの無い高圧縮比エンジンを実現できる可能性がある。排気ガスについては、NO_xの大部分が燃料起因である点が従来と異なる。また本文では触れていないがNH₃は低濃度でも刺激臭が強いため、NO_xに加えてNH₃を外部に放出させないシステムの構築が求められる。
　なお、本記事の一部は内閣府，総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）の支援によるものである。ここに記し謝意を表する。

【参考文献】