ナタネを原料としたバイオディーゼル燃料の 小型ディーゼル機関への適用

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農業機械学会誌 7
1
(
5
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ナタネを原料としたバイオディーゼル燃料の
小型ディーゼル機関への適用
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西野邦彦事1・宮田雄介*
1・櫨谷幸憲*
2・野口 申
要
旨
近年，地球温暖化対策としてバイオマスの利用が注目されている。なかでも，ナタネ油等の植物油や廃
食用油を原料として製造したバイオディーゼル燃料 (
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BDF)は軽油代替燃料として欧米や
圏内の一部で既に実用化されている。本研究では，圏内で生産されたナタネを原料として BDFを製造
し，燃料性状と機関性能，排出ガス特性について明らかにした。その結果， BDFの燃料性状は軽油と異な
るものの，出力性能は十分に発揮でき，高負荷域で正味熱効率が向上することが明らかになった。 ISO計
測標準 8
1
7
8
4に則して排出ガス特性を検討した結果， BDF運転時は CO
，NOx排出量の増加， CO排出
2
量の減少が認められた。
[キーワード]バイオマス.パイオディーゼル燃料，燃料性状，機関性能，排出ガス特性
ー
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ApplicationtoSmall-sizedDieselEngineofBiodieselFuel
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Abstract
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I 緒
言
4
近年，ナタネ油等の植物油や廃食用油を原料として製
造されるバイオディーゼル燃料 (
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，BDF)
が，温室効果ガスの主要因である二酸化炭素の削減や，
ディーゼル車から排出される黒煙などの大気汚染物質の
低減，持続可能な資源循環型社会システムの形成手段と
、¥
して注目されている (Yamane
，2
0
0
6
)。欧州や米国では
1
9
9
0年代前半から休耕地などを利用して，それぞれナタ
ネおよび大豆を栽培し，得られる植物油の新油から
BDFを製造しており，年間製造量 (
2
0
0
4年)はドイツで
1
5万 kL
，米国で約 9
.
5万 kLとなっている。日本で
約1
は，主に廃食用油から年間 0
.
5万 kL(
2
0
0
4年)の BDF
を製造して，市営パスや廃棄物収集車の嬬料として使用
骨盤底航船艇瓢劉部釦器官位粧酬馳
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防
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説 uhp
ぷ 伝
*
1学生会員，北海道大学大学院農学院(〒 0
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9札幌市北区北 9条西 9丁目 TEL0
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8盛岡市下厨川字赤平 4 TEL0
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2会員，東北農業研究センター 寒冷地パイオマス研究チーム(〒0
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*3会員，北海道大学大学院農学研究院
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9
西野・富田・溢谷・野口:ナタネを原料としたバイオディーゼル燃料の小型ディーぜル機関への適用
している。廃食用油を原料とする場合， BDFの品質は，
適切に製造すれば原料廃食用油の劣化(特に油の劣化度
を示す酸価)の影響はそれほど受けないが，劣化が大き
いと燃料の収率が悪くなることが懸念される。また，廃
食用油はさまざまな原料油脂が混合しているため，製造
された BDFの燃料性状が一定せず，場合によっては車
両に悪影響を及ぼすことが起こりうる。
ナタネの新油を原料とした場合，廃食用油の持つ上記
のような問題を回避できる可能性を有する。ナタネは寒
さや雪に対しでも強く，乾燥に対しでも抵抗性があり，
あまり肥沃でない土地でも栽培できて，稲作の裏作とし
，1
9
7
7
)。未利用農地を利用
ても栽培可能であるCIimoto
したナタネ栽培による製造可能量の推定結果によるとナ
9万トン， BDF製造量は年間 1
8万
タネ収穫量は年間 1
トンと，家庭系廃食用油発生量と同等の量が見込まれる
(
I
kegami
，2
0
0
8
)。このようなことから圏内における
BDFの原料が廃食用油からナタネに移行することは十
分に考えられる。そこで圏内で生産されたナタネを原料
として製造した BDFの燃料性状，特に動粘度特性を明
らかにし， BDF運転時のディーゼル機関性能と排出ガ
ス特性について試験を行ったので本報において報告す
る
。
1
1 実験材料および実験方法
1.供試燃料
(
1
) BDFの製造
本研究で供試した BDFは東北農業研究センターにお
いて生産されたナタネを搾油し，アルカリ触媒法で製造
したものである。アルカリ触媒法とは，原料油脂とメタ
ノールを水酸化カリウム (KOH) や水酸化ナトリウム
(NaOH) などのアルカリ触媒下でエステル交換反応さ
せて指肪酸メチルエステルを得る方法である。得られた
脂肪酸メチルエステルは BDFとしてディーゼル機関に
使用できる。
(
2
) BDFの諸性質
BDFの燃料性状は，その脂肪酸メチルエステル組成
に左右される。脂肪酸メチルエステル組成は，原料油脂
の脂肪酸組成そのものである。ガスクロマトグラフで測
定したナタネ油の指肪酸組成を表 1に示す。分析した脂
8
.
3
%となったが， 残りの1.7%の中
肪酸組成は総量で 9
に未反応のトリグリセリド，反応途上のジグリセリド，
モノグリセリド等が含まれているものと推察できる。パ
ノレミチン酸やステアリン酸などの飽和脂肪酸は低温時に
結品化しやすいが，ナタネ油は大豆油やパーム油と比較
してこれらの含有量が少なく低温特性の点で有利であ
る。ナタネ油のもう一つの特徴としてオレイン酸の割合
が高いことが挙げられる。これは不飽和脂肪酸のなかで
は酸化されにくく酸化安定性が高いという特徴を持つ。
ナタネを原料として得られた BDFのディーゼル機関
用燃料としての適合性を明らかにするため JIS2号軽油
表 l ナタネを原料とした BDFの脂肪酸組成
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1
の燃料性状と比較した。その結果を表 2に示す。密度は
着火性を示すセタン指数に影響する値で BDFのほうが
高い。ただし，セタン指数は石油系燃料のセタン価推定
に用いられるため， BDFには適用すべきではないとさ
，2
0
0
6
)。引火点は BDFの方が高く，
れている (Yamane
軽油よりも取り扱い性が高いといえる。流動点で示され
る低温流動性は同等の値を示した。ナタネを原料とした
BDFは一般に大豆油やパーム油を原料とした場合より
も流動点が低いことが特徴である。発熱量は BDFのほ
うが小さく，これは BDFが酸素を約 11%含む含酸素燃
料であることに起因している。これにより BDF運転時
は出力の低下，燃料消費量の増加が予想される。
(
3
) 動粘度特性
軽油代替燃料として植物油で運転した場合，動粘度が
高いため霧化特性が悪化し，燃焼室内で昇温するのに時
間を要し，着火遅れ期聞が長くなり，機関性能に悪影響
ta
，
.
11
9
6
9
) ことが
を及ぼす可能性がある (Tanazawae
報告されている。そのため，供試したナタネ由来の BDF
が適正な動粘度であるか明らかにする必要がある。そこ
で，さまざまな温度条件下における動粘度特性を明らか
にした。また， BDFは軽油と混合して使用されることが
多いため，その点についても検討した。動粘度の測定は
J
I
SK 2
2
8
3r
原油及び石油製品一動粘度試験方法及び粘
度指数算出方法」に準じて行った。動粘度試験器にはガ
ラス製毛管式動粘度計で，圏内で一般的に使われている
動粘度計の一つであるキャノンーフェンスケ動粘度計
(柴田科学製)を使用した。
2
. 供試機関
供試機関にはヤンマーデ、イーゼル製農用小型ディーゼ
ル機関 NSA40Cを採用した。これは主として揚水ポン
6
9
c
cの単気筒機関で，定
プ，発電機などに使用される 2
農業機械学会誌第 7
1巻 第 5号 (
2
0
0
9
)
9
0
格出力 2
.
5
7kW/
2，
0
0
0rpm，圧縮比 2
4
.
5の渦流室式 4サ
ルトを介し トル クメ ータに伝達し，
イクル機関である。実験を行うにあたって，冷却水外部
からタイミングベルトを介して発電機に接続されてい
トル クメ ータの出力
る。機関への負荷は発電機を介し，負荷抵抗器(山菱製
循環装置の設置，燃料供給管の延長，吸排気管の変更な
ど、を行ったが，機関の燃焼に関わる部分の改造は施して
いなし、。したがって，燃料噴射時期 (BTDC1
0CA)，圧
RZ10
0
4
B
)によって与えた。ロータリエンコーダ，温度
センサ， トノレクメ ー タからの信号は一括して PCに取り
縮比，噴 口面積比などは一般に使用されている形態その
込んで処理し，試験中の冷却水温は 50 ~60 0C になるよ
0
排出ガス成分である CO
，CO
，NOxは
2
ままである 。実験では BDFと軽油を種々の割合で混合
うに設定した。
した ものを燃料として用 いている が，機関への供給は燃
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o製 t
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3
5
0
XL)
ポータフ'ル燃焼排出ガス分析計 (
料タンクに予め任意の混合率で混合した BDF混合軽油
によって測定した。これには風速計測機能も有してお
を入れる方法とした。
り，排気管径を用いた演算により排出ガス量を求めるこ
3
. 測定装置と方法
とができる。排気煙濃度は光透過型煙濃度計(堀場製作
各種デ ー タを取得するためベンチ装置の製作を行っ
1
3
0
S)によって測定した。
所製 MEXA
r
I
SB8
0
1
8 小形陸用ディ ーゼルエンジ
試験方法は， J
た。システムの概略図を図 lに示す。燃料はビュレッ卜
を介して機関に供給し， 5または 1
0cm消費する時間と
ン性能試験方法」に準じ，連続定格回転数 (
2，
0
0
0rpm)
タンク中の燃料温度により，燃料消費量を算定した。吸
における連続定格出力 (
2
.
5
7kW)を 100%負荷 (BMEP
入空気量は吸気管にサ ー ジタンクを取り付け，内外の差
3，1
05
，7
0，5
6，4
4，21%負荷及び無
0
.
5
7MPa) とし， 9
，BDF混合
負荷について行った。この一連の試験を BDF
B
5，B
2
0， B50，B
7
5)
，軽油について実施した。
軽油 (
3
圧により求めた。機関回転数の計測はロータリエンコー
6C2-CWZ3E)を 7ライホイ ールに取り
ダ(オム ロン製 E
付けて行った。温度センサは吸気管と冷却水管に取り付
けた。機関の動力は， フライホイールからタイミングベ
I
I
I 実験結果および考察
1.動粘度試験
図 2に燃料温度と BDF混合率が動粘度に与える 影響
について示す。全ての試験温度において BDFの動粘度
，軽油いずれも温度の上
は軽油よりも高くなった。 BDF
昇にともない動粘度は低下する傾向を示し， BDFの動
粘度は温度の 上昇にともない 軽油に近づいていった。
BDFは低温条件下で急激に動粘度が高くなるという点
Rushange
ta
，
.
l2
0
0
7
)，それ
は他の文献でも確認でき (
0
と同様の傾向を示した。 BDF混合軽油の 4
0Cにおける/
ι
動粘度特性については，混合による急激な変化はなく
BDFと軽油の動粘度を按分する結果となった。 4
00
Cに
2
1
0
0の動粘度は 5
.
3
7m m/
sであり，米国におけ
おける B
TMD6751-02) の範囲(1. 9~6.0
る BDF性状規格 (AS
mm2/
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) 内であった。 しかし， EUや日本の規格 (
EN
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4，揮発油等の品質の確保等に関する法律)では動粘
且
ルlanometer
図 l システム概略図
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図 3 軽油と BDFの正味燃料消費率と正味熱効率の比較
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度は 3
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5
5
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sとされており，供試した BDFは規
格よりもわずかに上回ることも明らかとなった。
2
. BDF運転による機関性能
BDF運転時の最大出力は 2.68kW
，最大トルクは 1
2
.
7
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，1
2
.
8
0
N.m) と同等
N.mであり，軽油運転時 (2.68kW
であった。軽油と BDFの正味燃料消費率と正味熱効率
の比較を図 3に示す。 BDFの正味燃料消費率は軽油と
比較して 6
.
4
.
;
1
4
.
1
% (平均 1
1
.
5%)増加している。これ
は，燃料の単位質量当たりの発熱量が軽油より約 12%
低いため，同一出力を得るには燃料消費量を増す必要が
あることを示している。つまり燃費が軽油より悪いこと
を意味する。一方， BDF運転時の正味熱効率は無負荷か
.
4
0MPa) までは軽油運転時と差
ら 70%負荷 (BMEP0
.
6
0MPa) においては
がなく， 70-105%負荷 (BMEP0
高くなっている。林ら (
Hayashie
ta
，
.
l1
9
9
2
) は，ナタ
ネ精製油で運転したときの正味燃料消費率は軽油より大
きいが，負荷率が増加するにつれてその差は縮小され，
正味熱効率は 50%負荷で軽油の方が上回り， 100%負荷
では逆にナタネ精製油の方が上回ることを報告してい
る。その理由を，含酸素燃料であるナタネ油は高温・高
圧の条件下では早く分解燃焼するため，燃焼速度が速
く，可燃範囲も広くなるため正味熱効率が高くなり，逆
に低温・低圧では着火遅れ期聞が長く予混合燃焼割合を
高め，空気利用度も低くなるため，冷却損失などの影響
の度合いが大きくなり正味熱効率が低くなると報告して
いる。しかし，本研究の結果によると低温・低圧である
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図 4 BDF混合率が正味燃料消費率と正味熱効率に与え
る影響
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低負荷域において BDF運転による正味熱効率の低下は
4
.
5と高圧縮
認められない。これは供試機関の圧縮比が 2
比機関であるため， BDF運転時の低温・低圧の条件下
でも圧縮圧力や燃焼室内温度が高く，着火遅れ期聞が短
くなり正味熱効率に影響を与えなかったと推察できる。
BDF混合率が正味燃料消費率と正味熱効率に与える
影響について図 4に示す。 BDF混合軽油の発熱量は BDF
と軽油の混合率に応じて按分した値として計算した。正
.
2
5MPa)，93% (BMEP
味燃料消費率は 44% (BMEP0
0
.
5
3MPa) のいずれの負荷域でも BDF混合率の増加に
I00でそれぞれ 1
3
.
2
，1
0
.
3
%
より増加し，その増加率は B
であった。正味熱効率は中負荷域である 44%負荷では，
BDF混合率が増加しでも変化しなかった。一方，高負荷
域である 93%負荷では BDF混合率の増加にともない
正味熱効率は漸増し，軽油運転で 2
3
.
1
%
， B
I00で 2
3
.
7
%
となった。上述したように BDF運転時，無負荷から中
負荷域では正味熱効率に差がないのに対し，高負荷域か
ら過負荷域で BDFの正味熱効率が高まったという結果
は
， BDF混合率に応じてそのまま適用できると判断され
る
。 BDF混合軽油は総じて BDF混合率に線形的な変化
を示すといえる。
3
. BDF運転による排出ガス特性
図 5に BDF運転時の排出ガス特性を示す。一般に，
ディーゼル機関は，高負荷時には黒煙を主に排出し，低
負荷時には青・白煙を排出する。本研究で用いた排気煙
農業機械学会誌第 7
1巻 第 5 号 (
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図 6 空気過剰率と正味平均有効圧の関係
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図 5 BDF運転時の排出ガス特性
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5 Exhauste
濃度計ではこれらを総合した値を出力するので，排気煙
濃度と一括して扱う。 BDF運転時の排気煙濃度は常に
軽油よりも低くなった。また，負荷が増加するほどその
差は顕著に現れた。 BDF運転による排気煙濃度の減少
率は 70%負荷時に 50%，93%負荷時に 54%であった。
105%過負荷時にはいずれの燃料も排気煙濃度は急増し
た。過負荷域では空気過剰率が低くなることで酸素供給
量が不足し，不完全燃焼を起こしたためである。空気過
剰率について図 6に示す。軽油と BDFの理論空燃比は
元素分析結果よりそれぞれ 1
4
.
7，1
2
.
8とした。 BDFの理
論空燃比が軽油よりも小さいことから，空気過剰率は高
くなると考えられたが，そのような相違は確認されな
かった。このことから排気煙濃度が減少したのは，空気
過剰率によるものでなく， BDF自体が酸素を含むこと
で空気利用度が高まり，生成したすすの再燃焼が促進さ
れたことによると判断した。
CO2は有機化合物の燃焼によって発生するもので，地
球温暖化の原因であるとされているが，BDF運転によっ
て発生する CO2はカーボンニュートラルとされる。無負
荷を除く全ての負荷域において BDF運転時の CO
2排出
濃度は軽油運転時より高くなった。特に 93%負荷時に
は軽油比 7.6%増となった。つまり無負荷以外の負荷域
において BDF運転時の燃焼状態は軽油運転時よりも良
好であるといえる。このことかちも，上述した正味熱効
率の向上や排気煙濃度の低減が裏付けられる。一方，不
完全燃焼によって排出される BDF運転時の CO濃度は
.
1
2MPa) 負荷で軽油より僅
無負荷から 21% (BMEP0
かに上回った。この原因として燃料の動粘度の増加によ
る霧化特性の悪化や局所的な酸素不足があるが，正味熱
効率や排気煙濃度， CO2排出濃度の面から考えると燃焼
の悪化によるものとは考えにくい。これについては今後
詳細な検討が必要である。中負荷域以上では BDF運転
時の CO排出濃度は軽油運転時を下回った。特に 7093%負荷にかけて軽油運転時は増加に転じているのに
対し， BDF運転時は減少を続けている。つまり空気過剰
率の小さくなる最大出力付近において BDF運転時は良
好な燃焼状態を保つことができるといえる。 105%過負
荷では不完全燃焼により CO排出濃度は急増した。これ
は排気煙濃度と同様の傾向を示している。
NOxは通常の燃焼では徴量しか発生しないが，高
温・高圧状態になる燃焼室では窒素が酸化しやすくなる
ため発生する量が増加する。したがって，負荷率が増加
するほど NOx排出濃度が高くなる。 BDF運転時の NOx
排出濃度は無負荷から 44%負荷までは軽油運転時と同
等の値を示した。しかし，中負荷域から高負荷域である
44-93%負荷で NOx排出濃度は増加した。 70%負荷で
その差は最大となり，軽油比 11
.
4%増となった。 NOx
生成に影響する要因である燃焼温度の相違を確認するた
め，排出ガス温度の比較を行った。その結果を図 7に示
す。排出ガス温度は全ての負荷域で BDFのほうがわず
西野・宮田・溢谷・野口:ナタネを原料としたバイオテoイーゼル燃料の小型ディーゼル機関への適用
4
刊
BMEP[
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図 7 排気ガス温度と正味平均有効庄の関係
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表 3 BDF混合率の変化による排出ガス特性
Table3 Exhauste
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図 8 BDF混合による排出ガスの増減率
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5，50%の
ときの出力 (kW) である。 D1Efを求めることで，負荷
HP100%，HP15%，HP50%は，それぞれ負荷
条件で異なる排出量を平均化し，供試機関の BDFおよ
び BDF混合軽油の排出ガス特性を明らかにした。評価
.
2
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.
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5.
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.
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.0 11
3，7
0，56%時の値を採用
には評価基準に最も近い負荷 9
した。その結果を表 3に示す。また，それぞれの排出ガ
スの増減率を図 8に示す。 BDF混合率の増加にともな
かに高くなった。これは，一般に BDFの方が，軽油に比
い
， CO2排出量， NOx排出量は増加し， CO排出量は減
少した。その増減率は， B100と軽油を比較した場合， CO
2
べて体積弾性率が大きい(圧縮率が小さしすためジャー
， NOxは 9
.4%増， COは 31
.9%減であった。
は 5.6%増
ク式噴射ポンプと自動噴射弁から構成される噴射系で
これは米国再生可能エネルギー研究所 C
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は，動的噴射時期が軽油より早まることと軽油に比べて
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b
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eEnergyLaboratory:NREL) の結果と同様の傾向
自着火性が高く着火時期が早まることによって等容的に
を示した。
燃焼が生じるためである。また，粘度，密度の増加によ
り軽油運転時と比較して着火遅れ期間が長引いたことも
I
V摘
要
要因であると考えられる。以上のように BDF運転時の
ナタネの新油を原料として製造した BDFの燃料性状
燃焼温度の上昇と燃料中の酸素が大気中の窒素と結合し
と機関性能，排出ガス特性を調査した。排出ガス特性に
やすいことにより NOx排 出 濃 度 は 軽 油 運 転 時 よ り 高
ついては負荷と排出ガス濃度の関係を明らかにするとと
まったと判断される。また， NOxは COとはトレードオ
もに，客観的な評価として， ISO計測標準に従った評価
フの関係があるため上述のように中負荷域から高負荷域
を行い，以下の知見を得た。
で COが減少していることからもこの結果は妥当といえ
178-4 往
められており， BDFの排出ガス特性を ISO8
1
) BDFは含酸素燃料であるため発熱量が軽油と比較し
て約 12%低かった。流動点で示される低温流動性は JIS
2号軽油並であった。
2
)動粘度は軽油よりも常に高く，低温になるにつれその
差は漸増した。また， BDF混合軽油の動粘度は BDFと
復動内燃機関ー排気排出物測定一第 4部:各種機関用途
軽油の動粘度を按分した特性を示した。
ISO，1
9
9
6
) に則して評価した。
に対する試験サイク JレJ(
3
) BDF運転時，正味燃料消費率は増加したが，正味熱
供試機関は，サイクルD1 定速回転の発電用小型機関」
効率は高負荷域で BDFのほうが高くなった。
に分類され，この条件の性能評価を以下のように求め
4
) ISO計測標準で排出ガス特性を評価すると， BDF運
円
転時の CO2，NOx排出量は増加し， CO排出量は減少し
る
。
4
. 150計測標準による排出ガス特性評価
内燃機関の排出ガス特性の評価は，国際評価基準が定
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慨)+0.2(PM
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.
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的 10腕)+0.5C
均 慨)+0.2ゆ 50%)
ただし ，D1Efは ISO8
178-4による排出ガス特性の評
価 値 (g/kW.h)，P M
1
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0%，P M
1
5%，P M
5
0% はそれぞれ負
0
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5，50%のときの排出量 (g/h)である。同様に，
荷1
た。また，排気煙濃度は全ての負荷域で低下した。
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(原稿受理:2
0
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9年 1月 2
2日・質問期限:2
0
0
9年 1
1月 3
0日)
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