第 7 章
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Concluding Remarks
ディーゼル機関における燃焼制御と排気後処理装置を組み合わせた NOx低減
>高過給・高EGR燃焼 (第3章，第4章において検討)
>多段噴射/後期噴射 (第3章，第5章において検討)
低酸素濃度条件下における燃焼によりサーマルNOの生成を抑制．
NO2生成量はサーマルNOの低減と比べて少なくNO2/NOxが高まる．
膨張行程における燃焼によりサーマルNOの生成を抑制．排気温度が上昇．
Pilot/Post噴射によりNO-NO2変換反応が促進されNO2/NOxが高まる．
EGRにより動作ガス流量が低下し，吸気温度が上昇
>Urea-SCR(第2章，第6章において検討)，LNT/NSR触媒システム NOx浄化率は，触媒温度，NOx組成，排気の空間速度に依存．
本研究により得られた成果
燃焼制御に伴う排気温度，組成，流量の変化は後処理装置の性能改善に寄与している
着火遅れの長い燃焼を概ね再現可能なディーゼル燃焼解析を汎用数値流体コードで実現した．
NOx組成の制御を目的とした燃料噴射制御による，更なる低公害化の可能性を示した．
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Future Work Numerical analysis
-Engine speed rpm 2000
Engine load 2/8 3/8 6/8
1st pilot injection timing deg. ATDC -22.8 -24.4 -1st pilot injection quantity mm3/st 1.80 1.87 -2nd pilot injection timing deg. ATDC -3.2 -4.8 -19.1
2nd pilot injection quantity mm3/st 1.80 1.87 2.17
Main injection timing deg. ATDC 10.8 8.8 0.4
Main injection timing mm3/st 26.4 35.9 66.0
Intake pressure kPa(abs) 142.4 164.5 205.4
Intake temperature K 367.55 336.25 312.05*
EGR ratio % 30.4 14.4 0.0
Table Calculation and experimental conditions
近年のディーゼル燃焼は，多段噴射，後期噴射，高EGR，高過給といった燃焼制御が適 用される．これら実際の運転条件に対する現モデルの予測精度について検討した．
*Heat transfer (+15 K) between intake gas and cylinder wall is assumed in calculation
ディーゼル燃焼解析の一層の予測精度向上を狙ったモデル開発
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Future Work Numerical analysis
-多段噴射時においてPilot噴射された燃料の燃焼を再現することが難しいため，
主燃焼時における緩やかな熱発生率の立ち上がりが再現できない．
高過給条件では，EGRを伴わない条件においてもNOx排出量の予測値が実測値を下回る．
Experimental and numerical results
-2 0 2 4 6 8 10 12 14
0 100 200 300 400
-20 0 20 40 60
Crank angle deg. ATDC Exp.
Cal. 6/8
3/8
Cylinder pressure MPa Heat release J/deg. CA
Load
2/8
In-cylinder Pressure and HRR NOx emission
*NOx in EGR gas is considered
* *
少量の燃料噴射，高圧噴射，高過給条件での予測精度を向上させるための検討が必要
0 200 400 600 800 1000 1200
NO, NO 2 ppm
2/8 load 3/8 load 6/8 load Exp. Cal. Exp. Cal. Exp. Cal.
77.0 36.4 197 127
1119 NO 841
NO2
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Future Work NOx component control
-0 25 50 75 100
-80 -40 0 40 80
NO
2/NOx ratio %
Injection Timing deg. ATDC
Before DOC After DOC
DOC上における NO
2の消費抑制方法の検討
>Pilot/Post噴射の適用によるNO2/NOxコントロー ルの効果はエンジンアウトにおいて確認された が，左図に示されるように，エンジンアウトの NO2が高い条件では，DOC後のNO2/NOxの低 下が確認される．
Engine speed : 1500 rpm, 1/8 load, with EGR
Pilot/Post噴射時にNO2割合上昇の副産物とし て生成するCO，THCがDOC上で酸化する際に，
NO2をNOに還元している．
CO，THCの生成を伴わないようなNO-NO2変換反応の促進方法を検討することが必要
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Future Work NOx component control -Post噴射量を低減させた場合のNO-NO
2変換特性
0 2 4 6
0 50 100 150 200
-20 0 20 40 60
Crank angle deg. ATDC
Cylinder pressure MPa Heat release J/deg. CA
Engine speed: 1500 rpm
Load: 1/8, with EGR, Main + Post Inj.
Exp.
Cal. post 2.0 Cal. post 1.0
Post噴射量を2.0mm3/stから1.0mm3/stまで半減させた場合を想定した数値解析を実施 Pressure and Heat Release NO, NO2, HO2
-40 0 40 80 120
0 2 4 6
0 1 2
NO, NO 2 mass μg HO 2 mass μg
Crank angle NO2
NO HO2
post 2.0 post 1.0
Post噴射量を半減させても、筒内圧力と熱発生率には影響がない．
HO2生成量はほぼ半減するにも関わらず，NOとNO2の生成量はほぼ変わらない
噴射量を低減した燃料添加が実現できれば，燃費の悪化を伴わずにNO2生成量を 増加させられる可能性がある．DOCによるNO2の還元も抑制されると考えられる．
Future Work – Fuel Injection for Aftertreatment Device
-NO NO
2不均一性の高い燃焼（高い燃焼温度, 急峻な燃焼）によって生成
均一性の高い燃焼（低い燃焼温度，緩慢な燃焼）によって生成
ディーゼル燃焼による NOx 生成
Pilot/Post 噴射により後処理装置に供給された燃料の挙動
THC排出量の増加（燃費悪化）
NO2をNOに還元 NO-NO2変換の促進
DOCで酸化され排気温度上昇
（触媒活性の向上）
従来型のディーゼル燃焼において多量に生成していた
近年のディーゼル燃焼において生成量が増加
Present
燃料添加量
Future
燃料噴射の高度化がNOx組成コントロールの自由度を増大させ，NOx組成コントロールに よる後処理性能の向上が，更なる触媒の低コスト化やエンジンの燃費改善効果をもたらす
微少量燃料添加, 噴射部位の 制御，高機能触媒の実現
状況に応じて可変
従来システムに対する 燃費向上幅
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Future Work Simplified Heat Release Prediction Model
-吸気パラメータの感度解析と簡易型熱発生率予測モデル
3次元の数値解析をエンジン開発に役立てる方法の一つとして，各パラメータの感度解析を数 値計算で実施して簡易的な式を導出し，エンジン制御に用いる方法を提案する．
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熱発生率線図の形状に着目
Typical heat release rate curve
7.0 J/deg. CA SOI
C B
A D
E
A:Ignition delay (Cool flame) B:Ignition delay (Hot flame) C:Max. heat release
D:Max. heat release timing E:Combustion duration
Crank angle
Heat release
>熱発生率はエンジン性能を代表する．
感度解析の手法
>単段噴射，かつ燃料と空気の混合が十分 進んでから着火する燃焼においては，
熱発生率の形状が右図のような形状となる．
各パラメータの変化量と熱発生率線図を代表する上記5つの値の変化の相関を調査
燃費 – 熱発生率の重心と相関が強い(B, C, D, E) 騒音 – 圧力上昇率と相関が強い(B, C, D)
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Future Work Simplified Heat Release Prediction Model
-2 3 4 5 6
-20 0 20 40 60 80 100 Cool flame deg. ATDC
Cool flame deg. CA
Initial pressure kPa (v.s. base) base
6 8 10 12 14
-20 0 20 40 60 80 100 Hot flame deg. ATDC
Hot flame deg. CA
Initial pressure kPa (v.s. base) base
6 8 10 12 14 16
-20 0 20 40 60 80 100 Combustion duration deg. CA
Combustion duration deg. CA Initial pressure kPa (v.s. base)
base 0
50 100 150 200
-20 0 20 40 60 80 100 HRR max J/deg
Max. HRR J/deg
Initial pressure kPa (v.s. base) base
10 12 14 16 18 20
-20 0 20 40 60 80 100 HRR max timing deg. ATDC
HRR max. timing deg. CA Initial pressure kPa (v.s. base)
base
base
Sensitivity analysis
A B C D E
Simple equations
A = f(p,T,…) B = g(p,T,…) C = h(p,T,…)
D = i(p,T,…) E = j(p,T,…) SOI
Heat release J/deg
Crank angle deg. ATDC AB
E D
C
Heat release J/deg
Crank angle deg. ATDC SOI
AB
E D
C
ベース条件からの変化量を解析対象パラメータの一次関数に近似．各パラメータに対して同様の処理を行う．
詳細な数値解析の結果を利用した簡易型熱発生率予測モデルの検討
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Future Work Simplified Heat Release Prediction Model
-熱発生率線図の形状とエンジン性能 (NOx 排出特性の例 )
熱発生率の最大値とNOx排出量，空気過剰率とNO2/NOxの間に強い相関関係が確認できる．
Max. heat release rate and Air Excess Ratio
吸気圧力をパラメータとした際のNOx排出特性の感度解析結果(O2濃度：18.2 vol.%)
NOx emission and NO2/NOx
0 50 100 150 200
0 0.5 1 1.5 2
-20 0 20 40 60 80 100
NOx emission ppm NO 2/NOx
Intake pressure kPa (gage)
NOx emission NO2/NOx
100 101 102 103 104
0 0.5 1
Oxygen concentration vol.%
NOx emission ppm NO 2/NOx
23 22 21 20 19 18 17 16 15
NOx 排出量と NOx 組成の予測，制御方法
NOx emission and NO2/NOx (parameter: O2 conc.) NOx排出量とNOx組成に影響を及ぼす因子 1．吸気酸素濃度 (NOx: 10 - 1000 ppm)
2．熱発生率のピーク値 (NOx：90 - 180 ppm)
3．空気過剰率 (NO2/NOx：0.14 - 0.40)
燃焼前の筒内状態量の予測，熱発生率予測モデルの 併用によりNOx排出量，組成が予測可能と考えられる
0 50 100 150
0 3 6 9 12
-20 0 20 40 60 80 100
Max. H.R.R. J/deg Excess Air Ratio
Intake pressure kPa (gage)
Max. Heat release Excess air ratio
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ECU
Intake temp., Intake pres., Intake air mass., etc.
Engine information
Performance evaluation
Optimized injection
Good!!
Injection pattern modification
Number of inj., Inj. Q, timing, etc…
NG
Base control
Injection pattern EGR ratio, etc…
Intake throttle Input (Accel pedal)
Simple H.R.R. prediction model
Torque, Ex. Temp.
(Soot, NOx, NO2/NOx) Emission
In-cylinder state quantity prediction model Pres., Temp., O2 conc., etc.
Bed temp., Soot loading, NH3 or NOx adsorption, etc.
Catalyst information
排気後処理装置を備えたディーゼルエンジンシステムの燃料噴射制御
単なる燃焼制御と後処理装置の最適化でなく，過渡的に変化し続ける 運転条件に応じた最適化を可能とするモデルベース制御システムと して，従来実現不可能であった低公害化，燃費改善効果が期待される．