実験およびRSM法を用いた熱分解混合燃料を用いる圧縮着火エンジンに対する水素の影響の調査

ゴミと単純な気体を利用してよりクリーンな動力へ

現代のディーゼルエンジンは輸送や産業の実働馬だが、その排気は大気汚染や気候を温暖化させる温室効果ガスの根強い発生源でもある。本研究は一風変わった発想を探る：標準的なディーゼルエンジンを、通常のディーゼル、廃プラスチックから得た油、そして水素ガスの混合燃料で運転することだ。これらの組み合わせを注意深く試験することで、燃料の一滴一滴からより多くの有用な動力を引き出しつつ、有害な排出を同時に削減する道筋を示している。

なぜ水素をディーゼルとプラスチック油に混ぜるのか？

水素は燃焼が非常に速く、クリーンに燃える：炭素を含まないため、直接的に二酸化炭素やすす（ブラックカーボン）を発生させない。一方で熱分解油は、廃プラスチックを加熱して分解させ、小さな分子の液状燃料として得られるものだ。ゴミを燃料に変えることは埋め立ての削減と原油需要の低下に寄与する可能性があるが、この油は単独では粘性が高く、臭いがあり、エンジンへの負担が大きいことがある。著者らはプラスチック由来油を少量ディーゼルに混ぜ、さらに一定量の水素ガスを供給する。狙いは、始動用の信頼性ある『パイロット』燃料としてのディーゼル、燃焼を速くきれいにする水素、そして化石ディーゼルの一部を代替する低コストのプラスチック由来油を組み合わせることにある。

エンジン試験の実施方法

研究チームは、発電機や小型機械に用いられるものと同様の単気筒ディーゼルエンジンを使用した。一定の回転数で運転し、負荷を無負荷から全負荷まで変化させた。比較した燃料ケースは四つ：純ディーゼル、ディーゼルと水素のエネルギー比が50–50のケース、ディーゼルに10%のプラスチック熱分解油を混合したもの、そして同じ10%プラスチック油混合に固定流量の水素を加えたものだ。高感度の圧力センサーとデータ収集システムでシリンダー内の圧力上昇や燃焼中の熱放出を記録した。同時に、排気ガス分析装置で一酸化炭素、未燃焼炭化水素、二酸化炭素、窒素酸化物など主要な汚染物質を測定した。

少ない燃料でより多くの出力

二つの主要な燃料構成が際立った。ディーゼルの10%を熱分解油で置き換えた場合、エンジンのブレーキ熱効率は約34%に達し、通常のディーゼルに比べておよそ5分の1向上した。端的に言えば、燃料の化学エネルギーのより多くが熱として無駄になるのではなく、軸出力として有効に使われたということだ。全負荷時の燃料消費は約0.35から0.22 kg/kWhへと低下した。このプラスチック油混合に水素を加えると効率はわずかに低下したが、シリンダー内のピーク圧力が上がり、熱放出が非常に鋭く制御されたままであった。これは水素の素早い着火性と空気との良好な混合により、燃焼がより速く、より完全になったことを示している。

排気のクリーン化

汚染測定は混合燃料に明確な利点を示した。ディーゼル、10%プラスチック油、そして水素の混合は、テストした全ケースの中で一酸化炭素、未燃焼炭化水素、二酸化炭素のいずれも最も低い値を示した。純ディーゼルと比べると一酸化炭素は約3分の1減少し、炭化水素排出は10%以上低下した。これは燃料が未燃焼のまま排出される量が減ったことを示す。二酸化炭素も単位出力当たりの化石炭素燃焼量が減った分、低下した。窒素酸化物（光化学スモッグの主要因）は別の挙動を示し、最も低い値はディーゼルと水素が50–50のケースで、純ディーゼルに比べ約14%削減された。統計モデルは、観測された傾向が一貫しており、数式によるフィットが実験データを良く追従していることを確認した。

日常のエンジンにとっての意味

専門外の読者にとって要点は明快だ：水素と適量のプラスチック由来油を慎重にディーゼルに加えることで、従来型エンジンをより燃料効率が高く、よりクリーンにできる可能性がある。水素は燃焼を加速し整えるため、エンジンは燃料の各単位からより多くの仕事を取り出し、プラスチック由来油は化石ディーゼルの一部をリサイクル材料で置き換える。一方で主要な排気汚染物質のいくつかは低下し、窒素酸化物は適切な水素比率で制御できる。実運用には水素の貯蔵、安全性、長期的なエンジン耐久性などの課題が残るが、本研究は単純な気体と廃棄物由来液体を今日のエンジンに混ぜることが、より環境負荷の少ない循環型エネルギーへの現実的な一歩になり得ることを示している。

引用: Kumar, K.S., Surakasi, R., Kareemullah, M. et al. Investigation of hydrogen influence on compression ignition engine fuelled with pyrolysis blends using experimental and RSM methods. Sci Rep 16, 10304 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39172-5

キーワード: 水素二元燃料エンジン, 廃プラスチック熱分解油, ディーゼルエンジン排出物, 代替燃料, グリーントランスポーテーション