水素添加による小排気量空冷ガソリン直噴エンジンのリーン運転限界の拡大:燃焼安定性、効率最適化、排出ガス
Hydrogen-Assisted Extension of the Lean Operating Limit of a Small-Bore Air-Cooled Gasoline Direct-Injection Engine: Combustion Stability, Efficiency Optimization, and Emissions
本研究では、小排気量ガソリン直噴(GDI)エンジンのリーン運転限界を拡大するため、水素添加の効果を実験的に検証した。390cm3の単気筒空冷GDIエンジンを用い、空燃比(λ)1.15および1.22、水素エネルギー比率0~5.8%の条件下で、3000rpm、全開スロットル、最大ブレーキトルク点火時期で試験を行った。λ=1.22の純ガソリン運転では、指示平均有効圧力の変動係数が5.23%に達し安定燃焼の限界を超えたが、水素を1.5%添加するだけで安定運転に戻った。水素添加率を5.8%に上げると、筒内圧ピークは15%上昇し、燃焼相関は目標範囲内に戻った。また、ブレーキ熱効率は26.55%から29.25%に向上した。排出ガスでは、COとHCはそれぞれ53.6%、21.4%減少したが、NOxは8.3%増加した。しかし、ブレーキ単位CO、HC、NOxはそれぞれ65.4%、41.4%、19.3%減少し、NOxの減少は測定濃度のわずかな上昇にもかかわらず達成された。したがって、λ=1.22で5.8%の水素添加が最も良好な運転条件であり、水素が燃焼品質を回復させ、リーン化が熱的・排出ガス上のペナルティを抑制する、水素添加リーンバーン燃焼のバランスの取れた性質を示している。
- 390cm3単気筒空冷GDIエンジンを用い、空燃比λ=1.15/1.22、水素エネルギー比率0~5.8%で実験を実施。λ=1.22の純ガソリン運転では指示平均有効圧力の変動係数が5.23%と安定燃焼限界を超えたが、水素1.5%添加で安定運転に復帰した。
- 水素添加率5.8%で筒内圧ピークが15%上昇し、ブレーキ熱効率は26.55%から29.25%へ改善。λ=1.22・水素5.8%が最良の運転条件と結論。
- 排出ガスはCOとHCがそれぞれ53.6%、21.4%減少した一方でNOxは8.3%増加。ただしブレーキ単位ではCO 65.4%、HC 41.4%、NOx 19.3%減少した。
水素添加がGDIエンジンのリーン運転限界を拡大し、ブレーキ熱効率を26.55%→29.25%に改善、単位出力あたりのCO/HC/NOxを大幅削減したとする実験結果。水素を燃焼改善材として既存内燃機関に少量添加する用途は、燃料電池・大型水素供給インフラとは別の「水素需要の裾野」を形成しうる。ただし単気筒390cm3の実験室レベルであり、量産エンジン・車両での再現性や水素供給コスト、NOx濃度の増加(8.3%)の後処理対応が実用化の鍵。水素関連スタートアップや内燃機関サプライヤーへの投資判断では、研究段階か商用化段階かを見極める材料として注目。