F-3cyl. R-3cyl.
EGR-F EGR-R Air
from #5 Exhaust pulse
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
3 . 3 . 3 H P - E G R 経 路 の 合 流 と 分 割
E - Ⅲ機 関 の H P - E G R 経 路 を 変 更 し E G R ガ ス の 偏 り を 改 善 す る こ と で ， こ れ ま で 以 上 に 多 量 E G R に よ る 排 出 ガ ス の 低 減 と 過 渡 動 作 時 に お け る 性 能 の 向 上 が 期 待 で き る こ と が わ か っ た ． 改 良 の 一 方 策 と し て E G R ガ ス の 合 流 と 分 割 を 考 え ， そ の 効 果 を あ ら か じ め 1 次 元 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 用 い て 確 認 し ， 本 シ ス テ ム に 組 み 込 む た め の 検 討 を 行 な っ た ． な お ， 本 論 文 で は 検 討 し た い く つ か の 仕 様 の う ち 性 能 お よ び 変 更 規 模 も 含 め て 最 良 と し た 仕 様 に つ い て 記 す ．
E - Ⅲ機 関 は 2 経 路 あ る 吸 気 経 路 に 分 割 さ れ た E G R 経 路 が 1 本 ず つ 接 続 さ れ て い た ． こ の 接 続 方 法 が E G R ガ ス の バ ラ ツ キ を 発 生 さ せ て い た こ と か ら ，2 経 路 に 分 割 さ れ て い る H P - E G R 経 路 を 一 旦 合 流 さ せ て か ら 吸 気 経 路 が 分 割 さ れ る 位 置 よ り も 上 流 で 接 続 し そ の 後 そ れ ぞ れ の 吸 気 経 路 へ 分 割 さ れ て い く 流 れ と す る こ と で バ ラ ツ キ の 抑 制 を 狙 っ た ． 新 た に 提 案 す る レ イ ア ウ ト を 図 3 - 3 5 に 示 す ． こ の 図 も 変 更 前 の 図 同 様 に ， 実 際 の レ イ ア ウ ト を 想 定 し た 位 置 関 係 で 表 し て い る ． こ れ ま で の H P - E G R 経 路 は E G R バ ル ブ の 後 に ， リ ー ド バ ル ブ を 通 る 経 路 と リ ー ド バ ル ブ が な い 経 路 に 切 り 替 え が で き る 切 り 替 え 経 路 を 使 用 し て い た が ， 新 た に 提 案 す る 経 路 で は 吸 排 気 脈 動 の 効 果 が 得 ら れ る リ ー ド バ ル ブ を
Fig.3-35 Improved layout model Intake Manifold
I N
o u t
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
設 置 し た 経 路 の み と し た ． 個 々 の H P - E G R ガ ス は リ ー ド バ ル ブ を 経 由 し た 後 に 合 流 し ， そ の 後 吸 気 経 路 へ 合 流 す る ． こ の レ イ ア ウ ト の 変 更 に よ り ， 前 3 気 筒 と 後 3 気 筒 間 の E G R 率 差 が 5 %以 内 に な る こ と を 目 標 と し た ．
計 算 条 件 は 機 関 速 度 6 0 0 r p m か ら 2 0 0 0 r p m 間 の 2 0 0 r p m ご と の 各 4 0 %負 荷 を 代 表 点 と し て ，H P - E G R バ ル ブ 開 度 は 実 機 試 験 に よ り 得 ら れ た 値 を 用 い た ． 図 3 - 3 6 と 図 3 - 3 7 に E - Ⅲ仕 様 と 新 た な レ イ ア ウ ト の 各 シ リ ン ダ に お け る E G R 率 を 示 す ． こ れ ま で の E - Ⅲ仕 様 の レ イ ア ウ ト は 前 項 で も 示 し た よ う に ， 前 3 気 筒 と 後 3 気 筒 に 大 き な E G R 率 の 差 が 生 じ て い る ． 特 に 1 0 0 0 r p m と 1 2 0 0 r p m は そ の 差 が 大 き く ， こ の 運 転 ポ イ ン ト は 実 車 両 に お い て 多 用 さ れ る 領 域 で あ る た め ，J E 0 5 モ ー ド 評 価 に お い て も 排 出 ガ ス 特 性 の 悪 化 が 懸 念 さ れ る ． こ れ に 対 し て ， 新 た な レ イ ア ウ ト は ， 機 関 速 度 全 域 に お い て E G R 率 の 差 を
0 10 20 30 40 50 60
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
EGR ratio %
Engine Speed rpm
＃１
＃２
＃３
＃４
＃５
＃６ 0
10 20 30 40 50 60
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
EGR ratio %
Engine Speed rpm
＃１
＃２
＃３
＃４
＃５
＃６
Fig.3-36 Difference of EGR ratio at individual cylinders on E-Ⅲ layout E - Ⅲ l a y o u t
N e w l a y o u t
Fig.3-37 Difference of EGR ratio at individual cylinders on new layout 4 0 % L o a d
4 0 % L o a d
# : c ylin der
# : c ylin der
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
減 少 さ せ る こ と が で き ， 最 大 で 5 ポ イ ン ト 差 と な り 目 標 と し た E G R 率 差 5 %以 内 を 満 足 で き る こ と が 確 認 さ れ た ．
こ の ほ か ， 各 シ リ ン ダ に お け る 新 気 流 量 と E G R ガ ス の ト ー タ ル ガ ス 体 積 効 率 を 図 3 - 3 8 と 図 3 - 3 9 に 示 す ． 体 積 効 率 は E - Ⅲレ イ ア ウ ト と 新 た な レ イ ア ウ ト で 大 き な 差 は 見 ら れ ず ， お お む ね ど の シ リ ン ダ に も 同 等 の ガ ス 流 量 が 吸 入 さ れ る こ と が 分 か っ た ． こ の こ と か ら ，E G R 率 の 偏 り が 大 き い E - Ⅲ仕 様 で は E G R 率 が 高 い シ リ ン ダ で は 空 気 過 剰 率 が 低 下 し て S m o k e が 多 く 排 出 さ れ る 条 件 と な る こ と が わ か る ． 一 方 ，E G R 率 の 偏 り が 少 な い 新 た な レ イ ア ウ ト で は ど の シ リ ン ダ に お い て も 空 気 過 剰 率 の 偏 り も 小 さ く な る た め ， こ れ ま で 以 上 の 多 量 E G R 化 に よ る 排 出 ガ ス の 低 減 が 可 能 で あ る と 推 測 さ れ る ． こ の 新 し い H P - E G R 経 路 が E G R ガ ス の バ ラ ツ キ の 抑 制 に 効 果 的 で あ る こ と を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 確 認 し た ．
Fig.3-39 Difference of ηv at individual cylinders on new layout 70
75 80 85 90 95 100
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Volumetric Efficiency %
Engine Speed rpm
＃１
＃２
＃３
＃４
＃５
＃６ N e w l a y o u t
Fig.3-38 Difference of ηv at individual cylinders on E-Ⅲ layout 70
75 80 85 90 95 100
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Volumetric Efficiency %
Engine Speed rpm
＃１
＃２
＃３
＃４
＃５
＃６ E -Ⅲ l a y o u t
4 0 % L o a d 4 0 % L o a d
# : c ylin der
# : c ylin der
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
3 . 4 合 流 分 割 型 H P - E G R 経 路 を 採 用 し た 多 量 E G R 機 関 の 特 性
3 . 4 . 1 合 流 分 割 型 H P - E G R を 採 用 し た E G R 機 関 （E - Ⅳ機 関 ）
前 述 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を も と に 開 発 研 究 の 第 2 ス テ ッ プ と し て H P -E G R 経 路 の 変 更 を 行 い 合 流 分 割 型 H P - E G R 経 路 仕 様 の E - Ⅳ機 関 を 構 築 し た ．
新 し い エ ン ジ ン シ ス テ ム を 図 3 - 4 0 に 示 す ．H P - E G R 経 路 は ，6 気 筒 の う ち 3 気 筒 ず つ に 分 割 さ れ て い る エ キ ゾ ー ス ト マ ニ ホ ー ル ド の 前 側 お よ び 後 側 か ら 1 本 ず つ 取 り 出 し て い た 方 式 を 踏 襲 し て 2 本 の 経 路 と す る ． こ の 2 本 の 経 路 は エ ン ジ ン の 後 ろ 側 （ 図 中 の 右 側 ） を 経 由 さ せ て そ れ ぞ れ の E G R ク ー ラ と E G R バ ル ブ そ し て リ ー ド バ ル ブ を 経 て 一 旦 合 流 さ せ る ． 一 旦 合 流 し た の ち ， 吸 気 経 路 が 前 側 3 気 筒 と 後 側 3 気 筒 の イ ン テ ー ク マ ニ ホ ー ル ド に 2 分 割 さ れ る 位 置 よ り も 上 流 で 接 続 し て 前 後 の イ ン テ ー ク マ ニ ホ ー ル ド に 分 割 さ れ る ． 本 開 発 研 究
② の 位 置 づ け お よ び 進 捗 確 認 と し て 研 究 履 歴 一 覧 を 表 3 - 3 に 示 す ．
Out
EGR valve
Reed valve EGR cooler O2sensor
Boost sensor
Inter cooler
In
VGT
LP-EGR cooler DOC＋DPF
BPCV LP-EGR valve
Fig.3-40 Schematic of new engine E-Ⅳ system Table 3-3 Research stage on this study
Engine Type 仕様および効果
E-Ⅰ メーカーオリジナル機関 HINO P11C 長期規制仕様 E-Ⅱ 研究用ベース機関
高過給広域多量EGR仕様 D13モードにおいて目標達成 JE05モードは未達
E-Ⅱ’ VGTとEGR制御値の変更 過渡応答性対応 E-Ⅲ 開発研究①LP-EGR導入 過渡応答性向上
E-Ⅳ 開発研究②HP-EGR経路変更 気筒間EGRガス分配性向上
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
3 . 4 . 2 定 常 運 転 時 の 排 出 ガ ス 特 性
構 築 し た E - Ⅳ機 関 に つ い て 定 常 性 能 の 評 価 を 行 な い 合 流 分 割 型 E G R 経 路 の 効 果 を 確 認 し た ． 経 路 の 再 確 認 と し て ， 比 較 に 用 い た 分 割 型 H P - E G R 経 路 の E - Ⅲ機 関 と 改 良 を 施 し た E - Ⅳ機 関 の レ イ ア ウ ト を 図 3 - 4 1 に 示 す ．
定 常 性 能 を 評 価 す る 運 転 条 件 は ， 機 関 速 度 1 2 0 0 r p m の 8 0 %負 荷
（ B M E P = 1 . 6 6 M P a ） ， 燃 料 噴 射 圧 は 2 0 0 M P a ， V G T ノ ズ ル 開 度 は 7 7 % C l o s e 位 置 ，T D C 着 火 と な る よ う に 燃 料 噴 射 タ イ ミ ン グ を 調 整 し た ．E G R 率 を 変 化 さ せ た 時 の 前 側 3 気 筒 と 後 側 3 気 筒 の C O2 濃 度 お よ び 排 気 管 の S m o k e を 測 定 し て E G R ガ ス の バ ラ ツ キ に つ い て 確 認 し た ． な お ， ト ー タ ル の E G R 率 は イ ン テ ー ク マ ニ ホ ー ル ド の 前 後 3 気 筒 で 計 測 し た C O2 濃 度 と 排 気 C O2 濃 度 か ら 算 出 さ れ る そ れ ぞ れ の E G R 率 を 単 純 平 均 し た 値 を 用 い た ． 本 評 価 で は H P - E G R の 影 響 確 認 の た め L P - E G R は 使 用 し な い ．
E G R 率 を 変 化 さ せ た と き の N O x 排 出 率 に 対 す る I n t a k e C O2濃 度 お よ び ト ー タ ル E G R 率 と S m o k e の 結 果 を 図 3 - 4 2 に 示 す ．E - Ⅲ機 関 の レ イ ア ウ ト で は ト ー タ ル の E G R 率 が 約 1 4 %を 超 え る と 前 3 気 筒 と 後 3 気 筒 の C O2 濃 度 差 が 大 き く な る 傾 向 で あ っ た が ，E - Ⅳ機 関 の レ イ ア ウ ト で は E G R 率 が 2 0 %付 近 ま で は ほ と ん ど 差 は 見 ら れ ず ，E G R 率 が 2 0 %を 超 え た 後 も そ の 差 は 小 さ い ． こ の 結 果 ， グ ラ フ 中 の 破 線 矢 印 で 示 す N O x = 1 . 5 g / k W h 付 近 に お け る S m o k e の 値 を 比 較 す る と E - Ⅲ機 関 は F S N 値 で お よ そ 1 . 2 で あ っ た が E - Ⅳ 機 関 の レ イ ア ウ ト で は 0 . 3 ま で 減 少 さ せ る こ と が 出 来 た ． こ の と き の S m o k e の 低 減 率 は お よ そ 7 5 %で あ る ．
Fig.3-41 Schematics of E-Ⅲ and E-Ⅳ engine layout
E-Ⅲlayout E-Ⅳlayout
Switching valve
Out
Throttle valve
EGR valve
Reed valve
EGR cooler
Reed
valve O2sensor Boost sensor
EGR cooler
Inter cooler
EGR valve Switching valve
In
VGT LP-EGR cooler DPF+DOC
BPCV
Out
EGR valve
Reed valve EGR cooler O2sensor
Boost sensor
Inter cooler
In
VGT LP-EGR cooler DPF+DOC
BPCV LP-EGR valve
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
こ の よ う に ， 機 関 速 度 1 2 0 0 r p m 8 0 %負 荷 を 代 表 と し た 定 常 試 験 に お い て ， 新 た に 構 築 し た 合 流 分 割 型 H P - E G R 経 路 は 気 筒 間 の C O2 濃 度 の バ ラ ツ キ を 低 減 さ せ 排 出 ガ ス 特 性 を 向 上 さ せ る こ と が 開 発 研 究 機 関 を 用 い た 実 験 に よ り 明 ら か に な っ た ． 本 運 転 条 件 の 同 一 N O x レ ベ ル （1 . 5 g / k W h） に お け る S m o k e 改 善 率 は 約 7 5 %で あ っ た ．
こ の 評 価 は 定 常 状 態 の 条 件 で あ る た め 実 車 両 の 走 行 状 態 で あ る J E 0 5 モ ー ド 試 験 に お い て 良 い 排 出 ガ ス 特 性 が 出 せ る よ う ， 過 渡 状 態 に お い て も 特 性 が 向 上 し て い る か を 引 き 続 き 過 渡 試 験 に よ り 評 価 を 進 め る ．
Fig.3-42 Differences of front and rear Intake CO2 on E-Ⅲ and E-Ⅳ layout E-Ⅲ layout
E-Ⅳ layout
Ne BMEP SOC Pinj.
VGT/N
=1200rpm
=1.66MPa
=TDC
=200MPa
=77%Close HPI =100%
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
3 . 4 . 3 過 渡 運 転 時 の 排 出 ガ ス 特 性
E - Ⅳ機 関 の レ イ ア ウ ト に よ る 定 常 評 価 の 結 果 は ， 吸 気 C O2 濃 度 す な わ ち E G R ガ ス の 偏 り が 低 減 し 排 出 ガ ス 特 性 が 向 上 し た ． 過 渡 動 作 に お い て も こ の 特 性 が 維 持 さ れ る か ス テ ッ プ 応 答 試 験 を 用 い て 過 渡 性 能 を 評 価 し そ の 効 果 を 確 認 し た ．
前 項 の 定 常 試 験 で は イ ン テ ー ク マ ニ ホ ー ル ド の 前 3 気 筒 ， 後 3 気 筒 を ひ と ま と め と し て こ れ ら 前 後 の E G R ガ ス の バ ラ ツ キ 比 較 を 行 な っ た が ， 過 渡 応 答 評 価 で は 定 常 試 験 評 価 よ り も E G R ガ ス の 分 布 が 詳 細 に 確 認 で き る よ う に 各 シ リ ン ダ の 吸 入 ガ ス を 測 定 し た ． 図 3 - 4 3 に ガ ス を 採 取 す る サ ン プ リ ン グ 経 路 を 示 す ． サ ン プ リ ン グ は 各 シ リ ン ダ か ら ガ ス を 直 接 取 り 出 す こ と が 出 来 な い た め ， 図 に 示 す よ う に イ ン テ ー ク マ ニ ホ ー ル ド の 各 シ リ ン ダ 入 り 口 上 部 か ら ガ ス を サ ン プ リ ン グ し 各 シ リ ン ダ 相 当 の ガ ス と し て 組 成 を 調 べ た ．S m o k e は 排 気 管 の O p a c i t y 濃 度 を 測 定 し て 比 較 を 行 な っ た ．
Out
Reed valve In
Rear
Gas Analyzer Exhaust
Front
1 2 3 4 5 6
Fig.3-43 E-Ⅳ engine layout and gas sampling position（E - Ⅳ ） Front-3cyl.
Gas.
Analyzer
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
ス テ ッ プ 応 答 の 運 転 条 件 は ， 機 関 速 度 1 2 0 0 r p m 一 定 の 状 態 で 負 荷 を 0 % か ら 8 0 %（B M E P = 1 . 6 6 M P a） へ ス テ ッ プ 的 に 変 化 さ る ． こ の 負 荷 の 変 化 は ア ク セ ル 開 度 を 用 い る ．V G T ノ ズ ル 開 度 は 6 5 % C l o s e 位 置 ， 燃 料 噴 射 タ イ ミ ン グ は T D C 位 置 ， コ モ ン レ ー ル 圧 は 2 0 0 M P a 一 定 と し ，E G R バ ル ブ は 全 閉 状 態 か ら ， ス テ ッ プ 入 力 と 同 時 に 所 定 の 開 度 へ 開 く ． 所 定 の E G R バ ル ブ 開 度 は ， ス テ ッ プ 入 力 後 の 負 荷 と 同 じ 1 2 0 0 r p m，8 0 %負 荷 の 定 常 試 験 に お い て N O x 排 出 率 が 1 . 5 g / k W h と な る 開 度 を そ れ ぞ れ の レ イ ア ウ ト で 事 前 に 調 査 し て 得 ら れ た 値 を 用 い る ． こ の と き の ト ル ク ，V G T タ ー ビ ン 速 度 ， 過 給 圧 の 推 移 と 各 シ リ ン ダ に 吸 入 さ れ る ガ ス の C O2 濃 度 を 計 測 し て E G R ガ ス の 偏 り に つ い て 評 価 す る ． な お ，E - Ⅲ仕 様 の レ イ ア ウ ト で は ， 前 3 気 筒 側 と 後 3 気 筒 側 の E G R バ ル ブ を 個 々 に 調 整 す る こ と で 性 能 が 得 ら れ て い た た め ， 本 評 価 に お い て も 個 々 の 開 度 を 与 え る ．E - Ⅳ仕 様 の E G R バ ル ブ 開 度 は 2 経 路 と も 同 一 開 度 で 評 価 を 行 な っ た ． 図 3 - 4 4 に ス テ ッ プ 応 答 試 験 運 転 パ タ ー ン の 模 式 図 を 示 す ． な お ， 図 中 の E G R バ ル ブ 開 度 値 の o p t *は 各 レ イ ア ウ ト で 得 ら れ た 最 適 開 度 で あ り ， E - Ⅲ機 関 で は 2 つ の バ ル ブ を 個 別 に 設 定 し て 極 力 E G R ガ ス の 偏 り を 低 減 さ せ た 位 置 と し ，E - Ⅳ機 関 で は 2 つ の バ ル ブ は 同 一 開 度 と し た ． な お ，H P -E G R の 影 響 評 価 の た め L P - E G R は 全 閉 と し た ．
図 3 - 4 5 に 各 シ リ ン ダ 内 相 当 の I n t a k e O2 濃 度 と I n t a k e C O2 濃 度 お よ び 排 気 経 路 側 の N O x 濃 度 と O p a c i t y 濃 度 の 結 果 を 示 す ．E - Ⅲ機 関 の レ イ ア ウ ト の 場 合 ， ス テ ッ プ 入 力 と と も に 前 側 3 気 筒 内 で は 偏 り は ほ と ん ど 発 生 し て い な い が 後 側 3 気 筒 側 内 の 4，5，6 番 シ リ ン ダ に お い て C O2濃 度 の 偏 り が 確 認 さ れ る ． こ の 前 側 3 気 筒 と 後 側 3 気 筒 と の C O2濃 度 の ピ ー ク 値 は 最 大 で 5 7 %も の 差 が 見 ら れ た ． ま た ，C O2 濃 度 の 偏 り が ほ と ん ど な か っ た 前 側 3 気 筒 と 比 較 し て 後 側 3 気 筒 は O2濃 度 が 2 %（O2濃 度 ） 程 度 減 少 し て い る こ と か ら も E G R
Fig.3-44 Step-responses mode
Engine Speed rpmEngine Load %
80 0
1200
Time s
0 60
-10
HP-EGR Valve Position %
0
40 20
HP-EGR valve1 HP-EGR valve2
opt. *
＊opt. : optimization opt. *