未来を創ろう！地球を救う科学技術を学ぼう！　国立大学55工学系学部ホームページ

　地球環境保全の観点より、船舶から海洋環境に放出される物質を規制することが必要となっています。船舶は自国内の海域のみならず、公海上を航行して国相互の物流を担っているため、放出の規制は国際的な条約によって行う必要があります。そこで、国際連合の専門組織である国際海事機関（IMO : International Maritime Organization）が主体となって各種委員会を設置し、委員会やその作業部会が開催する会議において排出規制の対象となる物質やその量が検討されています。その中で大気環境の汚染を防止する目的で、船舶で多用されるディーゼルエンジンが排出する物質、いわゆる排ガスを規制することが議論され、酸性雨など環境破壊の要因となる物質として窒素酸化物（NOx）、燃料油中の硫黄含有量を規制することが決定しています。

　このような社会背景を基に、ディーゼルエンジンが環境に与える負荷を低減させるための研究を行っています。特に、次世代の石油に替わる燃料によって有害な排気成分を低減しつつ十分にエンジン出力を得るために、種々の燃料について最適な燃焼状況を形成するための基礎的・応用的な研究を実施しています。ここでは、ジメチルエーテルに関する研究例を紹介します。

　ジメチルエーテル（DME : Dimethyl Ether）はCH3OCH3で表されるエーテルで、酸素原子に2つのメチル基が結合した物質です。常温常圧では気体の物質で数気圧の加圧で液化し、LPガスに似た性質を持っているため、従来からフロンに替わるスプレー噴射剤として利用されてきました。このDMEを燃料として見た場合、炭素同士の直接結合がなく、また分子中に酸素を含有することから燃焼時にススを発生しにくいという特性があります。また、軽油よりも自発点火しやすいという性質もあります。そこでディーゼルエンジンの代替燃料としてDMEを利用する研究が1990年代頃から始まりました。

　本研究では、舶用燃料に液化させたDMEを混合し、ディーゼルエンジンにおける燃料噴霧の微粒化と燃焼状況を改善できないかと試行しています。図1は燃料にDMEを液化状態で混入した後、大気圧雰囲気場に混合燃料を解放した様子です。燃料からDMEが気化して多数の気泡となり表面から蒸発している様子が分かります。

図1 液化DMEを混合した燃料を大気解放した様子

　ディーゼルエンジンでは、高温高圧に圧縮された高密度空気中に燃料を噴射し、噴射された燃料が微粒化・蒸発して自発点火に至り、その後に爆発的に燃焼することで熱エネルギーを得ています。この燃料の燃焼プロセスは、燃料の性状や微粒化過程に大きく影響を受けることから、従来から噴霧に関する多くの研究が行われてきました。液化DMEが蒸発しやすいという性質を利用して燃料噴霧の微粒化が改善できると考え、A重油（MDO : Marine Diesel Oil）に液化DMEを混合させる専用の燃料タンクを作製して実験を行いました。

　図2は高速度ビデオカメラを用いて1秒間あたり10,000コマの撮影速度（0.1ミリ秒毎の現象を撮影）によって把握した燃料の拡散過程です。上側がA重油のみの噴霧で、下側が液化DMEを混合した燃料の噴霧です。液化DMEを混合した場合には、燃料噴射開始0.2ミリ秒後から噴霧の先端が水平方向に拡大し、その後も水平方向へと燃料が拡散している様相がうかがえます。写真の一番右側の噴霧を比較しても、A重油の噴霧に比較して混合燃料の噴霧の方が水平方向に大きく膨らんだ形状になっていることが確認できます。この噴霧の体積変化を解析すると、混合燃料の場合にはA重油のみの噴霧に比較して3～5倍の体積になることが分かります。つまり、同程度の燃料量に対して、より多くの空気を取り込んで燃焼を行うことができることを示しています。

図2 大気雰囲気場におけるディーゼル燃料噴霧の拡散状況

　この混合燃料をディーゼルエンジンで燃焼させると、ススの排出量を大幅に低減できる結果を得ました。これはDMEが燃焼する際にススを発生しにくいという特徴によりますが、その削減率はDME混合割合以上になることが分かりました。すなわち、上記に示した噴霧の微粒化過程の変化によっても燃焼状況が改善されていることが推測されます。また運転条件にもよりますが、二酸化炭素の排出量も15～20%程度低減できることが分かりました。これは燃料中の炭素含有量の違いに由来すると考えられ、DMEを利用することでエンジンから排出するGHG（Greenhouse Gas）を抑制できる可能性を示唆するものです。