カーボンニュートラル実現に向けた水素・新燃料の利活用（続報）

カーボンニュートラル実現に向けた水素利活用課題へのCONVERGE適用 ～基礎検証編～（その1）

カーボンニュートラル実現に向けた水素利活用課題へのCONVERGE適用 ～基礎検証編～（その2）

カーボンニュートラル実現に向けた水素利活用課題へのCONVERGE適用 ～実機適用に向けて～（その1）

カーボンニュートラル実現に向けた水素利活用課題へのCONVERGE適用 ～実機適用に向けて～（その2）

カーボンニュートラル実現に向けたバーナー燃焼解析（その1）

カーボンニュートラル実現に向けたバーナー燃焼解析（その2）

IDAJ news vol.120（2025年6月）

国際海事機関（IMO）のGHG排出削減戦略の採択に伴い、舶用エンジンでも脱炭素化に向けた技術開発が進んでおり、三井E&S様は、アンモニアや水素といった脱炭素燃料を用いた二元燃料エンジンの開発に取り組まれている。同社は、ライセンサーであるMAN Energy Solutionsと共同で、同社所有のテストエンジン（4シリンダ、ボア径500mm、ストローク2214mm、定格出力7120kW）の1シリンダを水素燃焼シリンダへ改造し、ボア径500mm以上の大型舶用2ストローク機関での水素燃焼試験を世界で初めて成功させている。

この大型型舶用エンジンの試験機による実験結果とCONVERGEを利用した水素燃焼解析の結果との合わせ込みによって、高い予測精度を達成。また、ガスパーセル法を導入することで、燃料噴射から計算終了までの計算時間を約50％、燃料噴射機関では約30％の短縮に成功した。

IDAJ news vol.119（2025年3月）

四輪乗用車では、2014年にトヨタ自動車が燃料として水素を用いた燃料電池自動車MIRAIの販売を開始したが、小型エンジンの領域では運転レンジや排気量が四輪車とは異なるため技術展開が難しく、また車体が概して小型であるため、燃料を搭載するためのスペースが狭いという技術課題がある。一方で、全世界では、まだまだ小型エンジンに対するニーズが高いため、この領域における技術開発は喫緊の課題であると考えられる。そこで、共同研究によるスピード感をもった基礎的技術の獲得をHySE様のゴールとして掲げている。
（なお、HySE様ではMBDモデル構築のためにエンジン筒内流動・燃焼解析のためのCONVERGE、吸排気系の1次元解析向けのGT-SUITEをご利用いただいている。）

IDAJ SYMPOSIUM 2025（2025年11月）

【発表概要】三菱重工グループでは、分散電源のカーボンニュートラル化に向けて、水素を燃料とした発電用エンジンの開発を進めている。水素は、分子拡散係数が炭化水素系燃料に比べて大きいため、層流火炎伝播速度が大きく、また火炎帯厚さ・消炎距離が短い性質を持つ。そこで、水素火炎の消炎時における熱損失を予測するモデルを開発し、CONVERGEに利用できるようUDF化した。そして、開発したUDFと、固体との連成解析手法であるCHT解析（Conjugate Heat Transfer、共役熱伝達）を用いて、水素エンジンのノッキング発生要因を分析した。

IDAJ SYMPOSIUM 2025（2025年11月）

【発表概要】燃料の組成および留分に着目し、エンジンとの組み合わせにより最適な燃焼条件を探索した。
対象としたのは、外部駆動方式スーパーチャージャーを備えた2.0 L単気筒ディーゼルエンジンであり、CONVERGE により数値解析を実施した。計算に用いた反応スキームは、ローレンス・リバモア国立研究所が公開している炭素数8～16のアルカン反応機構を基にリダクションを施し、さらに現象論的 soot モデルを組み込んだものである。機関回転数1400rpm、IMEP 2.0MPa、噴射圧 200MPaの条件におけるエンジン試験結果を基に数値解析を実施した、実験に使用した燃料はn-paraffin系単成分燃料であり、数値計算上では n-tridecane（nC13H28）により模擬した。仮想燃料として、n-tridecane（nC13H28）と n-tetradecane（nC14H30）を 1:1 の割合で混合した燃料とした。
数値計算上で燃料の組成・留分を変化させた各種仮想燃料を設定し、動粘度や沸点といった燃料性状が燃焼、熱効率、および排気特性に与える影響を明らかにした。

IDAJ SYMPOSIUM 2025（2025年11月）

【発表概要】火花点火エンジン向け混合燃料に対応した三次元燃焼モデルを開発し、その予測精度を検証した。燃焼計算には CONVERGE v3.0.24を用い、CN 燃料として水素/メタン、オクタン/メタノール、オクタン/エタノールの各混合燃料を対象とした。層流燃焼速度モデルの構築にあたり、各混合燃料に対して一次元の層流燃焼速度解析を実施し、得られた結果を機械学習により補間・外挿してマップ化し、CONVERGE に実装した。未燃 HCの予測には消炎モデルを導入し、NOx 排出量の予測には拡張 Zel’dovich 機構を用いた。モデルの妥当性評価として、茨城大学における CN 燃料を用いたエンジン試験結果と比較した。その結果、筒内圧および熱発生率の時間履歴は実験と良好に一致し、乱流燃焼モデルの主要パラメータを大幅に調整する必要はなかった。排気特性についても、未燃 HC（THC）および NOx の傾向と水準を概ね再現した。

IDAJ SYMPOSIUM 2024（2024年11月）

【発表概要】マツダのパワートレイン開発では、SKYACTIVテクノロジの市場導入に向け、提供価値である“走る歓び”と地球・社会・人との共存に向けた“CO2 低減・排気規制適合”を両立する新技術を、モデルベース開発を通じて創出してきた。近年は、その技術創出のレベルがより一層高まっており、例えば弊社が創出した新燃焼SPCCI のように、流れ・熱に加えて化学反応制御を利用した技術創出を進めている。
内燃機関の領域では、ガソリンエンジンの燃焼に焦点を当て、燃焼終了後に残る未燃炭化水素の排出特性の解明、触媒の浄化特性を踏まえた触媒に優しい燃焼排出物制御の可能性、今後導入されるカーボンニュートラル燃料への備え、について報告する。
電気駆動の領域では、リチウムイオンバッテリの安全性に焦点を当て、CX-60 PHEV の耐火・熱暴走評価のモデルベース開発の可能性、熱暴走抑制の難しさに立ち向かうための基礎的燃焼研究からのアプローチ、について報告する。

IDAJ SYMPOSIUM 2024（2024年11月）

【発表概要】近年で海運業界においても、CO2をはじめとした温室効果ガスの排出規制が強化されており、カーボンニュートラルとなる新燃料の使用が検討されている。メタノールは新燃料の一つとして有力視されていることから、舶用低速4ストロークエンジンでのメタノール燃料適用を進めている。メタノール燃焼の検討・評価の手段として、CONVERGEによる筒内燃焼解析を実施するため、解析の基礎構築を実施した。
メタノール噴霧・燃焼に関する論文の実験をCONVERGEにて再現し、メタノールの噴霧パラメータと燃焼反応メカニズムを最適化した。また、従来燃料であるA重油による弊社の実機スケールの解析をCONVERGEにて実施し、実測データと解析結果を比較することで、熱伝達条件などの調整を行い、実機関同等の燃焼状態を計算で評価できることを確認した。調整後の実機スケールの解析モデルへメタノールの噴霧・燃焼パラメータを適用することで、実機でのメタノール燃焼検討のための基礎モデルとした。
本発表では、メタノール噴霧の合せ込みから実機スケールモデルへのメタノール燃焼適用までの一連の流れを紹介する。

IDAJ SYMPOSIUM 2024（2024年11月）

【発表概要】カーボンニュートラル実現に向けて、燃焼時のCO2排出を抑制できる水素をベースとした舶用エンジンの研究開発が進められている。水素を燃料とするエンジンはプレイグニッション等の異常燃焼、燃焼温度上昇によるNOx増大が課題として挙げられ、課題解決のために水素エンジン筒内の現象を解明することが重要となる。
本講演では、パイロット着火方式水素・ディーゼル混焼エンジンの燃焼形態の分析をCONVERGEにより実施した事例について紹介する。

IDAJ SYMPOSIUM 2024（2024年11月）

【発表概要】カーボンニュートラル達成に向けた取り組みの一つとして脱炭素燃料の1つであるアンモニアを用いたアンモニア水素SIエンジンを開発している。アンモニア水素SIエンジンでは燃焼安定化が課題であり、燃えやすい水素の濃度分布が重要となる。
そこで本研究では、ガスパーセル法を用いて水素噴流挙動と濃度分布を予測可能な水素噴流モデルを構築した。構築したモデルにより、着火および火炎伝播に有利な水素濃度分布を形成する燃焼室形状を検討し実機の燃焼安定化に必要な水素添加率の低減が可能となったので、その内容について報告する。

IDAJ SYMPOSIUM 2024（2024年11月）

【発表概要】水素は多様な再生可能エネルギから製造可能であり、水素エンジンはCN実現の選択肢の一つとして検討が世界的に広まっている。異常燃焼抑制や高効率化には、直噴での圧縮行程噴射が有効だが、一方で混合時間が短くなるため、混合気が不均質となりやすく、低NOxとの両立が課題である。本研究では可視化に基づいたガス噴流MBD手法を構築し、均質な混合気形成を実現する指針を検討した。

IDAJ SYMPOSIUM 2023（2023年11月）

【発表概要】昨今の石油枯渇ならびに地球温暖化等の世界的エネルギー・環境問題に対し、世界的にCO2排出削減とカーボンニュートラル化（CN化）をスローガンとして、各種動力源は石油を燃料とする内燃機関からモーターへと電動化の方向に進んでいる。しかし、巡行領域が長くエネルギー回生など電動化の利点を活かせない領域（流通経済を支える大型トラックや船舶）に対しては、CN化推進に適した動力源を使い分ける必要がある。世界のエネルギー事情およびその利用形態の多様化によって、電動化を含めたマルチソリューション、つまり動力源の選択肢を増やすことが注目されている。その選択肢の一つとして、バイオマス利用のエネルギー資源循環システムの開発を目指し、植物バイオマス由来のアルコールを燃料とするディーゼル型の高効率エンジンシステムの確立を目的としている。理論熱効率の観点から、エンジンとしてはディーゼル型、石油代替燃料としてはエタノールが第１候補と考えられるが、エタノールはガソリンに近い高オクタン価燃料（エタノールをはじめとしたアルコール燃料の自着火性の悪さは周知の事実）であり、最もディーゼルには不適格な燃料である。したがって高効率アルコールディーゼル実現に向けたキー技術は着火制御技術である。自着火はサイクル変動が極めて小さく、着火方法としては最も理想的と言える。つまり、着火という燃焼現象の起点が燃料噴射によって、自然と制御されていると考えられる。したがって着火法式としては自着火を目指している。これまでの理論計算、実機関を用いた着火燃焼特性試験ならびに定容燃焼炉を用いた噴霧可視化実験を通して、アルコール燃料の自着火性の悪さの原因を明らかにした。それは「軽油等のディーゼル燃料と比べ、アルコールは理論空燃比が小さく蒸発潜熱が大きいが故に早すぎる希薄化と遅すぎる高温化をもたらし、噴霧混合気形成過程において、自着火適性濃度・温度の同時達成が困難であるため」というものである。この知見を基に定容燃焼炉によるエタノール・ジエチルエーテル混合燃料（混合比変化）の噴霧可視化実験を行うとともに、噴霧形成から自着火→乱流拡散燃焼という極めて複雑で高速の非定常物理化学現象に対して、CONVERGEによる数値解析を試み、エタノール噴霧の内部構造の解明と自着火成立条件の物理要件を明らかにした。講演では、公開されているエタノールの素反応モデルを外部から取り込んでカスタマイズし、微粒化・相変化を伴う・詳細化学反応をCONVERGEによって解析した結果を示し、現在までに得られた知見を紹介するとともに、最新のデータとして、実機関に近い流動場を実現できる急速圧縮膨張装置を対象として、エタノール噴霧の自着火および等容度の高い拡散燃焼を実現するための吸気条件と燃料噴射タイミングの最適化を目指した数値解析結果を示す。

IDAJ SYMPOSIUM 2023（2023年11月）

【発表概要】舶用エンジンにおけるカーボンニュートラル燃料としてアンモニアが注目されている。外航船におけるガス燃料利用は燃料冗長性の観点より二元燃料（デュアルフュエル）方式が採用されており、アンモニアにおいても同方式の採用が有望視されている。一方で、アンモニアは燃焼速度が低く最小点火エネルギが大きいことから、難燃性燃料として知られており、燃焼効率の低下が課題と考えられている。さらに、エミッションとして環境汚染物質のNO、NO2および高い温暖化効果を持つN2O等の排出も課題であり、これら課題の解決に向けて、エンジン試験だけでなく数値シミュレーションを活用した現象把握が重要となる。本講演では、アンモニア・ディーゼル二元燃料エンジンの燃焼プロセスやエミッション生成特性について、CONVERGEを用いて検討した事例を紹介する。

水素エンジン設計用1Dツール（GT-SUITE）のモデル構築において、3次元CFD（CONVERGE）結果を活用した事例です。燃焼モデルにはSAGEを採用し、反応メカニズムにNOxメカニズムを組み込むことで、NOx量によって水素の自着火時間が短縮される現象を考慮しています。その中でPFI（Port Fuel Injection、ポート噴射）、DI(Direct Injection、直噴)、TJI（Turbulent Jet Ignition、副室燃焼）の噴射方式を比較検討し、ピストン冠面形状を最適化したDIが熱効率や燃費の面で最も優れていることがわかりました。
出典：POWERTECH Engineering、2021年CONVERGEユーザー会

CONVERGEを用いてCNG（Compressed Natural Gas）への水素混合の影響を検証しています。水素割合を変化させた際の燃焼圧力・燃焼期間・ばらつき（COV）を実測と比較しました。 EGR率を変化させた計算を実施し、燃焼期間・COVの変化や、乱流燃焼ダイアグラム上における燃焼状態の推移を確認しています。水素を添加することによって、失火限界のEGR率が向上することが示されています。
出典：トリノ工科大学、2019年CONVERGE欧州ユーザー会

産業技術総合研究所様では、アンモニアを燃料とした内燃機関の燃焼技術を開発されています。CONVERGEを用いて、エンジン燃焼室内の乱れ、メタンやアンモニアの燃焼の様子を計算し、アンモニアを燃料とした場合でも十分に燃焼が進行することを予測しました。
出典：SIP (戦略的イノベーション創造プログラム) エネルギーキャリア アンモニア直接燃焼「アンモニア内燃機関の技術開発」終了報告書 (2019)（PDF）

メタン＋軽油マイクロパイロット噴射というデュアルフュエルエンジンを題材に、壁面における消炎によって生じる未燃成分を考慮して燃焼進行度を制御する機能をUDFで組み込み、点火時期違い、マイクロパイロット燃料ノズル噴孔数違いによる筒内燃焼解析を実施しました。
各種隙間・クレビスで生じる未燃燃料が残存する様子や、噴射開始時期（SOI：Start of Injection）の遅角化に伴って燃焼が緩慢になり、未燃燃料が増大する傾向を捉えています。
IDAJ-BLOG「CONVERGE筒内燃焼解析：メタンスリップ計算事例」