Emission Characteristics of a GDI Vehicle Fueled with Gasoline and E10 under Different Acceleration Rates

あなたの車のエンジンを、燃料が主原料である超高速・高圧の「賑やかなキッチン」だと想像してみてください。通常、このキッチンは純粋なガソリンで動いていますが、科学者たちは、もし「スパイシー」なミックスであるE10（ガソリン90%と、飲み物に含まれるアルコールの一種であるエタノール10%の混合物）に入れ替えたらどうなるかを調べたいと考えました。

大きな疑問は、単に「E10は機能するか？」ということではなく、「アクセルを踏み込んだ時にどのように振る舞うか？」ということでした。研究者のオマール・I・アワドとモハメド・カミルは、3種類の異なる「加速レシピ」を備えたテストコースを用意しました。それは、緩やかな押し（1.2 km/h毎秒）、中程度の押し（3.6）、そして激しく速い突き（6.0）です。彼らは、中国の厳しい排出ガス規制を満たしているものの、煙を捕まえるための粒子フィルターを備えていない、特別な1.5リッターターボチャージャー付きの車を使用しました。

ここで、彼らが発見したひねりがあります。E1лоは、常に空気を綺麗にする魔法の弾丸ではないということです。その振る舞いは、あなたがどれほど激しく運転しているかに完全に依存します。

「ゆっくり、着実に」という罠 (ACR 1.2)

ドライバーが緩やかに加速しているとき、E10は実際には状況を悪化させていました。研究では、この低速加速中に、E10の車は純粋なガソリンの車よりも多い粒子数と多い粒子質量を排出することが測定されました。

なぜでしょうか？エタノールを、非常に冷たくて重い飲み物だと考えてみてください。それは高い「蒸発エンタルピー」を持っています。これは、液体から気体に変わるために多くの熱を必要とする、という専門的な言い方です。アクセルを緩やかに踏むとき、エンジンは、この冷たいエタノールを素早く蒸発させるほど熱くなりません。その結果、液体状のエタノールが、冷たい窓ガラスにつく水滴のように、エンジンの燃焼室の壁に粘りつくように張り付いてしまいます。これが空気と燃料の混合を乱し、「リッチ（燃料過多）」な混合状態を作り出し、不完全燃焼とより多くのすす（スート）を生み出すのです。研究者たちは、速度が46 km/h未満の場合、E10の排出量はガソリンよりも有意に高かったと指摘しています。

「ファスト・アンド・フューリアス」の勝利 (ACR 6.0)

さて、アクセルを床まで踏み込んだ場面（加速率6.0）を想像してください。突然、物語は一変します！この激しい加速の下では、E10の車はガソリンの車よりもはるかに少ない粒子数と質量を生成しました。

このシナリオでは、エンジンは高温かつ高速で作動しています。熱がついに、あの頑固なエタノールを蒸発させるのに十分な量になります。そして、エンジンの高速回転が燃料と空気を完璧に混合させます。エタノールが完全に蒸発すると、その化学的なスーパーパワーが発揮されます。エタノールは燃料をよりクリーンに燃焼させるのを助け、すすの形成を抑制します。研究では、この高速加速サイクルにおいて、E10はあらゆる指標においてガソリンに打ち勝ち、明確な勝者であることが示されました。

「中間地点」 (ACR 3.6)

中程度の加速率では、結果は五分五分でした。E10とガソリンの差は、他の2つの極端なケースほど劇的ではなく、走行の瞬間によってはE10の方が高い排出量を示すこともあれば、低い排出量を示すこともありました。

「すす」の探偵作業

科学者たちは単に煙を数えただけではありません。高倍率電子顕微鏡（HRTEM）を使用して、その煙が何でできているのかを調べました。彼らは、すす粒子の「骨格」について興味深いことを見つけました。

車の速度がどれほどであっても、E10のすすはガソリンのすすよりも層間隔（interlayer spacing）が小さいことが分かりました。すすの粒子を紙の束だと想像してください。E10の「紙」は、ガソリンの「紙」よりも、より密に、より整然と積み重なっていました。これは、E10のすすがより「炭化（カーボン化）」しており（より純粋な炭素に近い）、容易に分解されにくいことを意味します。E10が生成する総量は高速走行時には少なかったとしても、その生成されたすすは、より密度が高く、秩序だったものでした。

彼らはまた、「有機炭素（OC）」と「元素炭素（EC）」の比率も測定しました。その結果、E10は常にガソリンよりも低いOC/EC比を持つことが分かりました。これは、E10が総量としての汚れ（gunk）を減らす可能性がある一方で、それが生成する汚れは、より「すすらしく」、より「有機物的」ではないことを示唆しています。

結論

論文は、「エタノールは良い」あるいは「エタノールは悪い」と単純に断定することはできないと結論付けています。それは、運転スタイルによります。

• 穏やかな運転： 冷たい液体燃料がエンジンの壁に張り付き、燃焼が悪くなるため、E10はより多くの汚染を引き起こします。
• 激しい加速： 熱がクリーンな燃焼を助けるため、E10はより少ない汚染を生みます。

研究者たちは、実際の走行サイクルを用いた実車を用いてこれらの結果を測定しており、これらは単なるコンピュータ上の推測ではありません。彼らは、エタノールの「コールドスタート」効果（蒸発がうまくいかない現象）が、低速走行中の排出ガスを実際に悪化させる可能性がある一方で、その化学的な利点はエンジンがフル稼働している時にのみ輝くということを示しました。したがって、もしあなたが街中のゆっくりとしたドライブで渋滞に巻き込まれているなら、その10%のエタノールは、純粋なガソリンよりも車を少し汚している可能性がありますが、高速道路に合流しようとしているのであれば、それはより良い働きをしています。