陸用、舶用を問わず、現在、エンジンに要求される特性は低燃費、低エミッションである。また、燃料では石油、原子力に代わって天然ガスを燃料とした燃料電池、エンジンが多く研究されるようになった。燃料電池はその効率の向上と共に装置の巨大化、設備費用が高い事が問題であり、当分の間主要動力源になり得ないと考えられる。

　（財）シップ・アンド・オーシャン財団では通常のエンジンでは燃費のドラスチックな改善が困難であるとの見通しから廃棄熱である排気ガスのエネルギーを用いて燃料を改質させ、燃料の発熱量を増加させる方法が燃費改善に最も有力であると判断し、本エンジンの開発に着手した。

　本技術の開発では通常のエンジンで冷却水、排気ガスに分散される熱量を極力排気ガス側に集めるため、エンジンの燃焼室を遮熱構造とした。遮熱構造を持つエンジンに着火点の高い天然ガスを燃料とし、正常なディーゼル燃焼をさせることは極めて困難であるが平成12〜13年度には独特の構造を持つ副燃焼室式エンジンを（株）アペックス、フジセラテック（株）の協力を得て試作した。

　天然ガスを燃料とするエンジンでは空気と燃料を予め混合させ、火花点火などによって燃焼させる方法、20MPa以上に圧縮した天然ガスを圧縮空気中に噴射させる、などがある。前者は圧縮比を大きくできないので燃費が悪く、後者は燃料と空気の混合が悪いので窒素酸化物が多量に排出され、燃料の圧縮に多くの仕事を要する。そこで圧縮比を大きくし、予混合燃料を用い、着火燃料を低圧で供給する副燃焼室方式を採用することとし、その試作エンジンの試験を開始した。平成14 年度はフジセラテック（株）、三菱重工（株）、九州大学、慶応大学の産学協同事業として、研究開発を分担した。

　先ずエンジン研究では、天然ガスの着火点が1100kと高く、起動時の着火が困難だったので、吸気ヒーターとコンプレッサーを用い吸気温度を上昇させた。着火が始まり徐々に燃焼室壁温が上昇すると天然ガスの特徴としてノッキングが発生した。このノッキングを抑制し、十分な性能を発揮させるためには燃焼速度を抑制させる必要があった。EGRは燃焼ガス中に含まれるCO₂、N₂が、酸素濃度を希釈させ、燃焼速度を抑制させる効果があるので徐々にEGR量を増加させたところ、30％以上のEGRで熱発生率が抑制され、ノッキングを抑える事が出来た。

　試作した単気筒エンジンはNAエンジン（Natural Aspiration：自然吸気式）なので、EGR量を増加させると空気量が減少し、負荷が上昇しない。そこで、別置きのコンプレッサーエンジンを用いてターボチャージャーを駆動し、EGRと空気、燃料の混合ガスを十分に供給できる装置を作製し、試験を続けた。その結果、平均有効圧1.53MPaとなり、6気筒エンジン換算で熱効率37％が得られた。また、排気温度は吸気温度403Kとした時、1070K（800℃）であり、目標値1170Kに対し、やや低かった。これは副燃焼室の外壁温度を350℃に抑制するためオイル冷却を行い、熱が奪われたためと考えられる。

　一方、天然ガス、CO、H₂を添加した燃料、EGRを用いたエンジンの燃焼速度についてシミュレーション計算により算出し、その結果、EGRの燃焼抑制、H₂の燃焼促進、COの燃焼抑制、などの効果について明らかにした。

　エンジンシステムの全体効率を評価するために全体の熱流計算、改質装置の熱流計算を実施した。計算ではエンジン性能については熱効率、排気損、冷却損等を従来の遮熱エンジンの実績、遮熱構造から推算し、排気ガス温度を求めたところ980℃となった。この排気ガスエネルギーから燃料改質、排気タービン、蒸気タービンを用いて多くのエネルギーを回収させるため、エンジン直後に排気タービン、又は改質装置を置く場合、その妥当性を検討した。その結果、改質装置を上流に置く場合、ターボチャージャー用高圧力が装置に負荷され、構造上成立し難い、又、触媒反応が高圧下では活性化し難いことが判り、触媒装置を下流に置く方が適切であると判断した。しかし、この場合、改質装置入り口の温度が750度まで低下するのでこの温度で十分な改質量が得られるかが今後の課題である。

　燃料改質が終わった後、排気ガスエネルギーを動力に変換させるには蒸気エネルギーを作る以外に無いので、熱交換器を用いて1MPaの乾き蒸気を作製することとし、熱計算を実施したところ、潤滑油の熱を利用しないと目標に達しない事が判った。

　エンジンの冷却損とフリクションが潤滑油に熱を与え、その熱により湿り蒸気を作製し、排気ガスとの熱交換により乾き蒸気を作製し、蒸気タービンを駆動させた時、回収できる動力は15KWと小さい。この装置には大量の冷却水により、蒸気を液体に変える復水器が必要である。この装置が十分な機能を発揮した場合、このシステムの総合効率は57.5％となった。

　この燃料改質装置、蒸気作製装置には高効率熱交換器の開発が必須である。排気ガスの熱を有効に伝達し、燃料改質に必要な熱を十分に供給すること、高温度の蒸気を多量に作ること、等が効率良く行われる必要がある。そのため、熱交換器の伝熱機構を計算により求め、熱伝達面で気体の熱伝達の小ささを受け、放熱面積を大きくすることにより補填し、伝熱経路の熱流抵抗を最小にする構造が最適と考え、金属多孔質材を隔壁を挟んで両側に溶着させた構造を持つ熱交換器を作製した。この熱交換器を排気ガスと水を用いてその熱交換器の熱通過率を測定したところ、高効率コンパクト熱交換器の基準値である200w／m²・kを上回る211w／m²・kを得て、目標値をほぼ達成できた。

　次いで改質装置の熱流について計算した。改質装置は高温排気ガスが流れる通路と触媒改質層が隔壁で仕切られ、両面には金属多孔質材が溶着され、熱交換される。排気ガスの熱エネルギーはタービンの出口で750℃、775kg／Hであり、この熱量がCO₂改質装置に流入し、触媒作用により吸熱反応し、50％の燃料を改質し、次いでH₂O改質器に流入する。H₂O改質装置では排気ガスの温度が480℃に低下しているが改質率は65％程度見込めるので総合改質率は82.5％となった。

　改質装置では10 種類の改質触媒、その温度とSV値（通過面積×流速／触媒体積）を変えて、CO₂、H₂Oについて調査した。試験はφ20×10mmの試験片に触媒を担持し、試験片を加熱後、CH₄ とCO₂、H₂Oを流入させ、メタン変換率を測定した。その結果、CO₂改質ではNi、Ru、CeO₂、MgOをそれぞれ1,3,10,3wt％含んだ触媒が最適で、700℃、CO₂：CH₄＝70：30、でのCH₄の改質率はSV値5000h^-1 で58％であった。

　また、H₂Oの改質ではRu、CeO₂、MgOをそれぞれ5,10,3wt％含んだ触媒を用いて試験した所、600℃、H₂O：CH₄＝85：15、SV値5000h^-1の条件で55％の改質率を得た。何れもその温度における平衡値には達しなかったが、SV値を下げ、平衡点に達成させる事により目標値に達成できると推算した。

　

　改質装置では改質に必要なCO₂と水蒸気の供給が必要なのでCO₂吸着、脱離装置について検討した。CO₂吸着、脱離装置では高温排ガスが通過する金属多孔質通路と吸着材が金属多孔質材に付着した吸着層が隔壁を挟んで配置され、吸着とCO₂ 脱離を分離するため、二槽設けた。先ず、改質装置出口から出た排気ガス（温度350℃）がCO₂ 吸着装置の一方に流入し、吸着する。吸着の終わった排気ガスは外部に放出され、CO₂吸着器にはCO₂のみが残る。ジルコニウム酸リチウム等に吸着されたCO₂は、隔壁を挟んで配置した受熱側に高温排気ガスを流し、脱離させる。CO₂の脱離は吸着層の温度が700℃以上にて容易に脱離する。以上の検討を踏まえてジルコニウム酸リチウムの粉末を作製し、変化する温度場でCO₂ガスを流し、熱重量測定により、CO₂の吸着、脱離を調査した。その結果、550℃で吸着が始まり、700℃で脱離し、吸着率は目標値10％に対し、3％程度であった。効率向上のためには吸着材であるジルコニウム酸リチウムの粉体構造を表面積が大きく、多孔質構造とし、K₂CO₃ を添加し、収率を向上させる工夫が必要である。

　

　以上を纏めると、次のようになる。