大型トラック輸送における高効率フレキシブル燃料エンジンの利点

大型トラック輸送における高効率フレキシブル燃料エンジンの利点テクノロジー

※アメリカはレギュラーガソリンより軽油の方が高いです。

MIT(マサチューセッツ工科大学)の研究者は、自動車の排出ガス削減目標を達成するために、既存のディーゼルエンジン技術よりもクリーンでコスト効率の高いガソリン・エタノールエンジンを提案しています。

カリフォルニア州大気資源委員会は、トラックおよびエンジンメーカーに対し、2027年から新型の大型トラックから排出される窒素酸化物(NOx)を90%削減することを義務付ける規制を採択しました。大型トラックから排出されるNOxは、スモッグを発生させ、呼吸器系の健康を脅かす大気汚染の主な原因のひとつとなっています。この規制は、カリフォルニア州において過去10年以上で最大の大気汚染削減を要求するものです。この積極的な目標を、メーカーが効率的かつ低コストで達成するにはどうすればよいのでしょうか。

MITエネルギー・イニシアチブの研究員であるDaniel Cohn氏と、MITプラズマ科学・核融合センターの主任研究員であるLeslie Bromberg氏は、既存のディーゼルエンジン技術よりもクリーンでコスト効率の高い、高効率のガソリン・エタノールエンジンの開発に取り組んでいます。ここでは、Cohn氏が、フレキシブル燃料エンジンのアプローチについて、また、カリフォルニア州が厳しい自動車排出量削減目標を達成するために、近い将来、最も現実的な解決策となるかもしれない理由について説明します。この研究は、アーサー・サムバーグMITエネルギー・イノベーション・ファンドの支援を受けて行われました。

Q. この高効率フレキシブル燃料ガソリンエンジン技術はどのように機能するのですか?

A. 私達の目標は、カリフォルニア州のNOx規制を満たす低レベルの窒素酸化物(NOx)を排出する大型車(HDV)用エンジンに、手頃なソリューションを提供すると同時に、かなりの割合のHDV車両でガソリン消費量の削減を迅速に開始することです。

現在、大型トラックをはじめとするHDVには、一般的にディーゼルエンジンが使用されています。その主な理由は、高効率であるため、燃料費を削減できるからです。これは、走行距離が多い商用トラック(特に長距離トラック)にとって重要な要素です。しかし、このディーゼルエンジン車のNOx排出量は、ガソリンやエタノールを燃料とする火花点火エンジン車の約10倍にもなります。

火花点火式ガソリンエンジンは、主に自動車や小型トラック(ライトトラック)に使用されており、三元触媒の排気処理装置(一般的には触媒コンバーターと呼ばれる)を採用することで、車両のNOx排出量を98%以上削減し、しかも安価に実現しています。このような効果的な排気処理システムを採用することができるのは、火花点火エンジンが化学量論的な空燃比(燃料の完全燃焼に必要な空気の量)で運転できるからです。

一方、ディーゼルエンジンは理論空燃比で運転できないため、NOxの排出量を削減することが非常に困難です。ディーゼルエンジンの最新の排気処理システムは、触媒コンバーターに比べてはるかに複雑で高価であり、それを使用しても、NOxの排出量は火花点火エンジン車の約10倍にもなります。そのため、カリフォルニア州の新規制に対応するために、ディーゼルエンジンのNOx排出量をさらに削減することは非常に困難です。

私たちのアプローチは、HDVのディーゼルエンジンの代替として、ガソリン、エタノール、またはガソリンとエタノールの混合物を燃料とする火花点火エンジンを使用します。ガソリンは、広く普及しており、ディーゼル燃料と同等かそれ以下の価格で入手できるという魅力的な特徴があります。また、現在米国で販売されているエタノールは、ディーゼル燃料やガソリンに比べて温室効果ガスの排出量が最大で40%少なく、流通も広く行われています。

ガソリンやエタノールを燃料とする火花点火エンジンを搭載したHDVを広く普及させるために、私たちは火花点火エンジンの効率を高め、大型トラックのオーナーが燃料費を負担できるような方法を開発しました。火花点火式ガソリンエンジンのエンジンノック(エンジンにダメージを与える不要な自己発火)をさまざまな方法で防止することで、ディーゼル並みの高効率と高出力を両立させました。これにより、ターボチャージャーの増強やエンジンの高圧縮比化が可能となります。これにより、ディーゼルエンジンに匹敵する高効率を実現しています。また、エタノールを使用したエンジンでは、燃料自体が持つ高い耐ノック性により、必要な耐ノック性を確保することができます。

Q. この技術をカリフォルニアで実現するための大きな課題は何でしょうか?

A. カリフォルニア州は、ワシントン州、オレゴン州、ニューヨーク州などに続いて、常に大気汚染物質対策の先駆者であり続けています。最も人口の多い州であるカリフォルニア州は、トレンドセッター1流行する前にいち早く取り入れる人として大きな影響力を持っています。カリフォルニア州で起こることは、米国の他の地域にも影響を与えます。

私たちの技術を導入する上での最大の課題は、バッテリー駆動のHDV、特に長距離トラックは、2035年までにNOxとGHG2温室効果ガスの排出量を削減するために必要な役割を果たすことができるので、より優れた内燃機関技術は必要ないという主張です。私たちは、この車両部門におけるバッテリー電気自動車(BEV)の実質的な市場浸透には、かなり長い時間がかかると考えています。小型車とは対照的に、HDV、特にディーゼル燃料の最大の使用者である長距離トラックへの電池の普及はほとんど見られません。その理由の一つは、バッテリーを搭載した長距離トラックでは、バッテリーの重量が大きいために貨物の積載量が減るという課題があるからです。また、BEVの充電時間は、現在のHDVに比べて大幅に長いという課題もあります。

また、BEVに代わるものとして、燃料電池を用いた水素駆動トラックも提案されており、内燃機関の改良型を採用するには限界があるかもしれません。しかし、水素駆動トラックには、GHGゼロの水素を手頃なコストで製造することや、水素の貯蔵や輸送にかかるコストなど、難しい課題があります。現在、燃料電池に必要な高純度の水素は一般的に非常に高価です。

ダニエル・コーン(左)とレスリー・ブロンバーグは、大型トラック部門での温室効果ガスの排出量を迅速かつ効果的に削減するために、高効率のガソリン・エタノールエンジンの開発を進めている。

Daniel Cohn氏(左)とLeslie Bromberg氏は、大型トラック部門での温室効果ガスの排出量を迅速かつ効果的に削減するために、高効率のガソリン・エタノールエンジンの開発を進めている。©Stuart Darsch

Q. 電池駆動のHDVや水素駆動のHDVと比較して、どのような印象を受けましたか?また、このアイデアが魅力的な道筋であることを、人々にどのように説得するのでしょうか?

A. 私たちのデザインは、既存の推進システムを使用し、既存の液体燃料で動作することができます。これらの理由から、近い将来、長距離トラックのオペレーターにとって経済的に魅力的なものとなるでしょう。実際、同じ出力とトルクであれば、排気処理のコストが大幅に削減され、エンジンサイズも小さくなるため、ディーゼルエンジンよりも低コストの選択肢となり得ます。このような経済的な魅力があれば、大気汚染防止に大きな効果をもたらすために必要な大規模な市場への浸透が可能になるでしょう。一方で、BEVや水素自動車が同じレベルで市場に浸透するには、少なくとも20年以上かかると考えています。

また、私達のアプローチでは、既存のトウモロコシ由来のエタノールを使用しているため、バッテリーや水素を搭載した長距離トラックよりも短期的なGHG削減効果が大きいです。既存のエタノールを使用することによるGHG削減効果は、当初は20%から40%の範囲となりますが、近い将来に市場に浸透する規模は、BEVや水素自動車技術よりもはるかに大きくなる可能性があります。温室効果ガス削減のための全体的なインパクトは、かなり大きくなる可能性があります。

さらに、2030年以降は、エタノール生産時に発生する二酸化炭素(CO2)を炭素回収・隔離することで、トウモロコシエタノールからのGHG排出量をさらに削減できる可能性があると考えています。この場合、全体のCO2削減量は80%以上になる可能性があります。廃棄物からエタノール(およびもう一つのアルコール燃料であるメタノール)を魅力的なコストで生産する技術が登場しており、GHG排出量がゼロまたはマイナスの燃料を提供することができます。GHG排出量をマイナスにする方法としては、廃棄物を埋め立ててしまうと、メタンガスが大量に排出されてしまうため、埋め立てに代わる方法を見つけることが挙げられます。また、バイオマス廃棄物をクリーン燃料に変換することでも、GHG排出量をマイナスにすることができます。バイオマス廃棄物はカーボンニュートラルであり、クリーン燃料を製造する際に発生するCO2を回収・固定することができるからです。

さらに、私達のフレックス燃料エンジン技術は、限られたバッテリー容量を使用するプラグインハイブリッドHDVのレンジエクステンダーとして相乗的に使用される可能性があり、バッテリーのみで駆動する長距離トラックの荷役能力低下や燃料補給のデメリットを回避することができます。

大気汚染や地球温暖化への脅威が高まる中、私達のHDVソリューションは、大気汚染を短期的に削減するための重要な選択肢であり、大型トラックのGHG排出量削減をより早く開始することができます。また、HDV部門による長期的かつ大規模なGHG削減に向けた魅力的な移行経路を提供します。

Published by Massachusetts Institute of Technology

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