ヤンマーテクニカルレビュー

高信頼性と環境適合性を両立させた機械制御式業務用舶用主機関6CXB-GT形の紹介

Abstract

The development concept of the 6CXB-GT marine propulsion engine was to create an “Earth-friendly engine,” with the key objectives being “low fuel consumption,” “low emissions,” “high power,” and “high reliability.” While use of electronic control could be expected to facilitate fuel-efficiency and low emissions, Yanmar instead made use of robust mechanical control to achieve its top priority of reliability. The development took three years and succeeded in achieving all four objectives. Fuel consumption was reduced by 8 to 10%, emissions achieved compliance with IMO Tier 2 and CCNR (Central Commision for the Navigation of the Rhine) regulations, and the engine output power is the highest in Japan’s class A category for fishing boats. High reliability, meanwhile, was achieved through exclusive use of mechanical control for combustion matching.

機器の概要

これまでの国内漁船市場では、漁場への往復にかかる時間が、漁獲高・魚価に大きく影響を与えるとして、船速を強く求められた結果、軽量高出力を最重視し開発・商品化がおこなわれてきた。しかし、2008年の燃油価格高騰以降、顧客の要望も変化し、高出力だけでなく、低燃費要求が非常に強くなっていた。また、漁船市場だけでなく、旅客船及び運搬船市場においても低燃費思考が強く、同じ出力要求でもエンジンのダウンサイジング化による低燃費およびコストダウンが望まれていた。

6CXB-GT形外観
図1 6CXB-GT形外観

一方、2011年よりIMO(国際海事局)が規定する窒素酸化物の排出量の規制が強化された。また、本機関は、欧州への新規市場開拓をするため、前出のIMO規制より、さらに厳しい欧州の環境規制の一つである欧州ライン川規制(CCNR)に対応する必要があった。さらには、地球温暖化対策として二酸化炭素の排出量低減に対しての市場のニーズが高まっていた。しかしながら、これらの低燃費、低エミッション、高出力化は、通常、お互いにトレードオフの関係にあり、同時に達成することは非常に困難である。また、船舶用主機関として信頼性の確保は、海の上での安全・人命を守るうえで必須であり、高信頼性が求められていた。

そこで、我々は本機関の開発コンセプトを「地球にやさしい機関の開発」とし、上記に挙げた4大テーマ「低燃費」「低エミッション」「高出力」「高信頼性」を達成すべく開発に着手した。電子制御を取り入れることで、「低燃費」「低エミッション」は達成できるであろう。しかし、業務用船舶用主機関として実績の低い電子制御を採用せず、「高信頼性」を第一に考え、あえて機械制御式にこだわった。これまで、船舶用主機関メーカーとして先陣を切ってきたヤンマーの最大限の技術投入を行い、3年間の開発期間を費やし、これらの4大テーマを克服した。「低燃費」においては、従来機の8~10%低減し、環境高度対応機関合格書を取得した。「低エミッション」においては、大気汚染防止鑑定書(IMO2次)の取得、欧州ライン川規制(CCNR)の適合を達成した。「高出力」においては、国内漁船法A階層での最高出力を達成した。「高信頼性」においては機械制御式による燃焼マッチングを実現した。

機器の技術的特徴および効果

表1 6CXB-GTと従来機の機関要目表

6CXB-GTと従来機の機関要目表

1.技術的特徴

(1)機械制御式の採用

エンジンの燃焼性能の根幹となる燃料噴射系に電子制御を採用せず、すべてに機械制御式を採用した。そのため、動的噴射時期を決定する新規の噴射時期タイマー(図2)の採用および燃料の微粒化による燃焼効率化を図るため、高圧噴射ポンプを採用した。

噴射時期タイマーの特性
図2 噴射時期タイマーの特性
(2)低λ※1燃焼の採用

過去の燃焼方式では空気量の低下により、出力の低下、スモークの悪化を招く。しかし本機関においては、ピストンの燃焼室にスキッシュリップ(図3)と呼ばれる特殊形状を採用し燃焼効率をあげることで、低λ燃焼を実現した。

低λ燃焼を実現したことにより給排気バルブタイミング及びバルブリフト(図4)を見直し、ポンピングロスを低減し低燃費・低エミッションを実現した。

※1 空気過剰率を意味し、λ=実空燃比/理論空燃比のこと

スキッシュリップ 燃焼室
図3 スキッシュリップ 燃焼室
給排気バルブタイミング
図4 給排気バルブタイミング
(3)多変量解析の実施

燃焼スペックの設定に関しては、上記だけでなく多くの項目があり、マトリックスでは莫大な量となる。本機関の開発では約140ある説明変数(性能に影響を及ぼす可能性のあるパラメータ)から、多変量解析を実施し(図5)、NOx、燃費などを定量的に数式化した。この式から影響を及ぼす因子とその影響度合いに着目し、最適化試験を実施した。

多変量解析
図5 多変量解析

2.効果

(1) 低燃費・低エミッションの達成

IMO(国際海事局)が規定するNOx排出量規制値を大きく下回る排出量を達成し、従来機の排出量の20%以上の低減に成功した。また、トレードオフの関係にある燃費に関しても従来機と比較し、燃料消費率で10%以上の低減に成功した。(図6)

NOxと燃費の関係
図6 NOxと燃費の関係
(2) 高出力の達成

漁船法A階層排気量10L未満にて、排気量あたりの出力において最高出力を達成し、同階層にてNO.1のコンパクト・高出力を達成した。(図7)

排気量あたりの出力比較
図7 排気量あたりの出力比較

実績

2009年6月より生産を開始し、船舶用主機関として、漁船、旅客船、運搬船、警備艇等へ搭載され、国内では該当する馬力ゾーンにおいて50%以上の高いシェアを確保・維持している。また2009年12月より、海外向けにも生産を開始した。2014年には、年間300台以上出荷され、総計1000台以上の出荷実績がある。10000時間以上稼働している機関もあり、顧客より十分な信頼性を得ている。また、2014年2月には一般社団法人日本機械工業連合会が主催する「優秀省エネルギー機器」表彰にて、資源エネルギー庁長官賞を受賞した。

6CXB-GT形年別生産台数
図8 6CXB-GT形年別生産台数

著者

特機エンジン事業本部 開発部

西野 正人