LPI [%]
・・・3-⑦第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
3 . 2 . 2 V G T ノ ズ ル 開 度 を 一 定 と し た 場 合 の 二 重 E G R 機 関 の 特 性 定 常 試 験 を 用 い て H P - E G R と L P - E G R 性 能 の 比 較 を 行 っ た ． 運 転 条 件 は ，V G T ノ ズ ル 開 度 に よ る 影 響 を 排 除 す る た め V G T ノ ズ ル 開 度 を 一 定 に し た 状 態 で E G R 率 を 変 化 さ せ る ． 機 関 速 度 1 2 0 0 r p m ， 4 0 % 負 荷
（B M E P = 0 . 8 3 M P a） ， 着 火 時 期 が T D C と る よ う に 燃 料 噴 射 タ イ ミ ン グ を 調 整 し ， 燃 料 噴 射 圧 力 は 1 6 0 M P a 一 定 ，V G T ノ ズ ル 開 度 は 7 8 % C l o s e 固 定 と し た ． 比 較 条 件 は H P - E G R の み の H P I = 1 0 0 %と H P - E G R の 割 合 を 6 0 %と し た H P I = 6 0 % お よ び 3 0 % と し た H P I = 3 0 % と L P - E G R の み の L P I = 1 0 0 %の 4 種 を 用 い た ．L P - E G R を 利 用 す る 際 ，E G R バ ル ブ を 全 開 に し て も E G R 率 が 増 加 で き な い 場 合 は ， 背 圧 調 整 弁 （B u c k P r e s s u r e C o n t r o l Va l v e：B P C V） を 閉 じ て 背 圧 を 増 加 さ せ る こ と で L P - E G R ガ ス を 増 加 し E G R 率 お よ び E G R 比 率 を 合 わ せ た ．
図 3 - 9 に E G R 率 を 横 軸 と し て N O x，S m o k e， 燃 料 消 費 率 を 示 し ， 図 3 -1 0 に N O x を 横 軸 と し て S m o k e と 燃 料 消 費 率 を 示 す ． な お ， グ ラ フ 中 の 白 抜 き 点 は 背 圧 調 整 弁 を 閉 じ て L P - E G R を 増 加 さ せ た こ と を 示 す ．S m o k e の 傾 向 を 見 る と ， 従 来 の E G R シ ス テ ム で あ る H P - E G R の み の H P I = 1 0 0 %の 場 合 ，E G R 率 が 2 2 %を 超 え る と S m o k e が 急 増 す る ． こ れ に 対 し て L P - E G R 分 を 少 し 増 加 し た H P I = 6 0 %の 場 合 ，H P - E G R の み の 場 合 よ り も 少 し 多 い E G R 率 2 8 %ま で 増 加 さ せ た と こ ろ か ら S m o k e が 上 昇 し た ． さ ら に L P - E G R を 増 加 さ せ た H P I = 3 0 %と L P - E G R の み の L P I = 1 0 0 %の 場 合 は ， さ ら に E G R 率 を 増 加 さ せ る こ と が 可 能 で あ り E G R 率 が 3 0 %を 超 え て も S m o k e は 上 昇 せ ず E G R 率 3 5 %以 上 に な っ て S m o k e が 増 加 す る 傾 向 で あ っ た ．
N O x の 減 少 傾 向 を 見 る と い ず れ の 条 件 で も 減 少 の 傾 き は 同 様 に 見 え る が ， 図 3 - 1 0 の N O x と S m o k e の ト レ ー ド オ フ で 比 較 す る と ，H P I = 1 0 0 %の 場 合 は 高 い N O x 値 か ら S m o k e が 増 加 し て い る が ，L P - E G R 分 を 増 や し た H P I = 6 0 %と 3 0 %の 場 合 と L P - E G R の み の L P I = 0 %の 場 合 で は 低 い N O x 値 ま で S m o k e が 増 加 せ ず H P - E G R の み の 場 合 に 対 し て ト レ ー ド オ フ を 大 幅 に 改 善 す る こ と が 可 能 で あ る ． 本 条 件 で は H P I = 3 0 %の 場 合 に お い て ト レ ー ド オ フ 改 善 率 が 一 番 大 き い ．
燃 料 消 費 率 は ，H P I = 1 0 0 %場 合 か ら 比 較 す る と L P - E G R 分 を 増 加 し た H P I = 6 0 %で は ほ ぼ 同 じ 値 を 継 続 す る が ， さ ら に L P - E G R 分 を 増 加 さ せ て H P I を 低 下 さ せ る と 増 加 傾 向 と な る ． 特 に す べ て の E G R ガ ス を L P - E G R で 行 な う L P I = 1 0 0 %の 場 合 は ， 図 3 - 9 で 示 す よ う に 低 い E G R 率 か ら す で に 高 い 値 を 示 し て お り さ ら に 白 抜 き 印 で あ る 排 圧 調 整 弁 を 使 用 し 始 め る E G R 率 2 5 %以 降 に 大 き く 増 加 す る 傾 向 に あ る ．
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
Fig.3-10 NOx, Smoke and NOx-BSFC tradeoff in1200 rpm at the 40% load with VGT constant position （E-Ⅲ）
Ne BMEP SOC Pinj.
VGT/N
=1200rpm
=0.83MPa
=TDC
=160MPa
=78% Close
Fig.3-9 NOx, Smoke and BSFC in1200 rpm at the 40% load with VGT constant position （E-Ⅲ）
HPI=100% (LPI= 0%) HPI= 60% (LPI= 40%) HPI= 30% (LPI= 70%) HPI= 0% (LPI=100%)
with BPCV with BPCV with BPCV
Ne BMEP SOC Pinj.
VGT/N
=1200rpm
=0.83MPa
=TDC
=160MPa
=78% Close
HPI=100% (LPI= 0%) HPI= 60% (LPI= 40%) HPI= 30% (LPI= 70%) HPI= 0% (LPI=100%)
with BPCV with BPCV with BPCV
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
こ れ ら を わ か り や す く 比 較 す る た め ， 同 一 条 件 の 代 表 値 と し て S m o k e 濃 度 が 0 . 5 F S N を 基 準 に 比 較 し た 結 果 を 図 3 - 11 に 示 す ．S m o k e 同 一 条 件 の 場 合 ，H P I = 1 0 0 %の E G R 率 は 2 3 %程 度 と な っ た の に 対 し て ，L P - E G R 分 を 増 加 さ せ た H P I = 6 0 %は E G R 率 3 1 %， さ ら に 増 加 さ せ た H P I = 3 0 %と L P I = 1 0 0 %で は E G R 率 3７%ま で 増 加 さ せ る こ と が 可 能 で あ っ た ． 本 運 転 条 件 で は H P I = 3 0 %と L P I = 1 0 0 %に お い て 従 来 の H P - E G R の み の 場 合 に 対
し て E G R 率 を 1 . 6 倍 に 増 や す こ と が で き た ． こ の 時 の ， N O x の 値 は
H P I = 1 0 0 %の 場 合 は お よ そ 1 . 8 g / k W h で あ っ た の に 対 し ，H P I = 6 0 %の 場 合 は 1 . 0 g / k W h で H P I = 3 0 %と L P I = 1 0 0 %で は H P I = 1 0 0 %に 対 し て 5 0 %減 少 と な る お よ そ 0 . 9 g / k W h ま で 低 減 す る こ と が で き た ． こ れ は ，H P -E G R の み の 場 合 よ り も E G R 率 を 高 め ら れ た こ と に よ る と 考 え ら れ ，L P - E G R 分 を 増 加 さ せ る こ と で S m o k e を 悪 化 さ せ る こ と な く ，N O x を 減 少 さ せ ら れ る 効 果 が あ る こ と が 分 か っ た ．
さ ら に ， 燃 料 消 費 率 は H P I = 1 0 0 %か ら 6 0 %の 間 で 最 小 値 と な る 傾 向 で あ る こ と が わ か る ．H P I = 1 0 0 %に 対 し て L P - E G R 分 を 増 加 さ せ る と N O x を 大 幅 に 減 少 さ せ ら れ る が ， 燃 料 消 費 率 に つ い て は あ る 値 ま で は 減 少 傾 向 ま た は 同 等 で あ る が ， そ れ 以 上 増 加 さ せ る と 一 転 し て 悪 化 に 転 じ る こ と が 分 か っ た ． こ の よ う に N O x の 最 小 値 と 燃 料 消 費 率 の 最 小 値 の H P I 値 は 異 な っ て お り ，H P I 値 に 対 す る N O x と 燃 料 消 費 率 の ト レ ー ド オ フ 関 係 が あ る こ と が 分 か っ た ． 本 運 転 条 件 に お い て ，N O x を 最 小 に で き る H P I 値 は H P - E G R 分 が 3 0 %，L P - E G R 分 が 7 0 %の H P I = 3 0 %で あ っ た ． ま た ， 燃 料 消 費 率 を 最 小 に で き る H P I 値 は H P I = 6 0 %か ら 1 0 0 %の 間 に あ る こ と が 分 か っ た ．
Fig.3-11 NOx, EGR ratio and BSFC at Smoke 0.5 FSN （E-Ⅲ）
同 一 S m o k e 条 件 で 整 理 Ne
BMEP SOC Pinj.
VGT/N
=1200rpm
=0.83MPa
=TDC
=160MPa
=78%Close Smoke =0.5FSN
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
3 . 2 . 3 V G T ノ ズ ル 開 度 を 一 定 と し た 場 合 の L P - E G R の 効 果
前 項 に て 得 ら れ た 効 果 に つ い て ， 各 種 デ ー タ の 考 察 に よ り そ の 効 果 の メ カ ニ ズ ム を 解 析 し た ．
図 3 - 1 2 に E G R 率 の 変 化 に 対 す る 各 種 デ ー タ を 示 す ．H P I = 1 0 0 %の 場 合 に 低 い E G R 率 で S m o k e が 上 昇 し ，H P I が 低 い ほ ど す な わ ち L P - E G R 分 が 多 い ほ ど E G R 率 を 増 加 さ せ ら れ た メ カ ニ ズ ム を 以 下 の 順 に 考 え た ． H P I = 1 0 0 %の H P - E G R の み で E G R 率 を 増 加 さ せ て い く と ， エ キ ゾ ー ス ト マ ニ ホ ー ル ド か ら E G R ガ ス を 取 り だ す た め ， タ ー ビ ン 通 過 ガ ス G t が 急 激 に 減 少 し て い る ． こ の G t が 減 少 す る と 過 給 機 仕 事 が 減 少 す る た め タ ー ビ ン 速 度 T / C S p e e d が G t の 減 少 と 同 じ 傾 向 で 減 少 し て い る ． こ の T / C S p e e d が 減 少 す る と 過 給 圧 P b が 減 少 し て 新 気 流 量 G a が 減 少 し ， 空 気 過 剰 率 （E x c e s s A i r R a t i o） が 大 き く 低 下 し て い る ． こ の 結 果 ，H P - E G R の み で E G R を 行 な う 場 合 は 低 い E G R 率 か ら S m o k e が 増 加 し た と 考 え る ．
一 方 ， L P - E G R 分 を 増 や す と い う こ と は 全 量 を H P - E G R と す る H P I = 1 0 0 %と 比 べ る と タ ー ビ ン 前 か ら E G R ガ ス を 取 り 出 す 量 が 減 る た め ， L P - E G R 分 を 増 加 さ せ る に つ れ G t が 多 く 維 持 さ れ て い る こ と が わ か る ． 特 に 全 量 を L P - E G R で 行 な う L P I = 1 0 0 %で は ほ と ん ど 減 少 が な い ． こ の た め ， T / C S p e e d も L P - E G R 分 が 多 い 順 に 高 く 維 持 さ れ る こ と に よ っ て P b や G a お よ び 空 気 過 剰 率 を 高 め ら れ る ． こ の よ う に ，L P - E G R に は 過 給 促 進 効 果 が あ る と 言 え る ．
こ の L P - E G R 分 を 増 加 さ せ た こ と に よ る 過 給 促 進 効 果 で ， 空 気 過 剰 率 を 高 い 状 態 に 維 持 さ せ ら れ る た め S m o k e の 発 生 が 抑 制 さ れ る ．S m o k e が 抑 制 で き る 分 E G R 率 を 増 加 さ せ ら れ る の で 吸 気 酸 素 濃 度 （I n t a k e O2） が 低 下 し て N O x を 低 減 さ せ る こ と が で き た と 考 え る ．L P - E G R 分 を 増 加 さ せ る と G a の 減 少 傾 向 が H P I = 1 0 0 %に 対 し て 遅 い の に 対 し て ，I n t a k e O2 濃 度 の 減 少 傾 向 は H P I = 1 0 0 %の 場 合 に 近 い 傾 向 に あ る こ と が わ か る ． し た が っ て L P - E G R を 利 用 す る こ と で 高 過 給 と 多 量 E G R が 高 め ら れ ，N O x と S m o k e の ト レ ー ド オ フ が 改 善 す る こ と が 可 能 で あ る こ と が わ か る ．
燃 料 消 費 率 に つ い て は P M E P す な わ ち ポ ン ピ ン グ ロ ス の 影 響 が 大 き か っ た と 考 え ら れ る ． こ れ は E G R 率 を 増 加 さ せ た 時 に H P - E G R 分 が 多 い ほ ど タ ー ビ ン 前 か ら E G R ガ ス を 取 り 出 す 量 が 多 い の で ， エ キ ゾ ー ス ト マ ニ ホ ー ル ド 圧 P 3 が 減 少 し P M E P が 減 少 す る ． 一 方 ，L P - E G R 分 を 増 加 さ せ る と ， 先 ほ ど と は 逆 に G t が 増 加 す る た め P 3 が 増 加 し P M E P が 増 え て い る こ と が わ か る ． こ の た め L P - E G R 分 が 少 な い H P I = 1 0 0 %と H P I = 6 0 %の 場 合 に P M E P が 低 い た め 燃 料 消 費 率 を 低 く 抑 え ら れ た と 考 え る ．L P - E G R 分 を 増 や し す ぎ る と ， 排 出 ガ ス へ の 効 果 と は 逆 に ポ ン ピ ン グ ロ ス の 増 加 に よ り 燃 料 消 費 率 に は 逆 効 果 と な る こ と が 分 か っ た ．
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
Fig.3-12 PMEP and etc. in 1200 rpm at the 40% load with VGT constant position （E-Ⅲ）
Ne BMEP SOCPinj.
VGT/N
=1200rpm
=0.83MPa
=TDC=160MPa
=78% Close
HPI=100% (LPI= 0%) HPI= 60% (LPI= 40%) HPI= 30% (LPI= 70%) HPI= 0% (LPI=100%)
with BPCV with BPCV with BPCV
第3章 EGRシステムと機関の過渡応答特性
さ ら に ， 一 定 の S m o k e 値 に お い て 各 種 条 件 を 比 較 し ，H P I ま た は L P I に 対 す る 過 給 促 進 効 果 と ト レ ー ド オ フ 改 善 効 果 と 燃 料 消 費 率 へ の 影 響 に つ い て 考 察 を 深 め た ． 図 3 - 1 3 に S m o k e 濃 度 が 0 . 5 F S N 付 近 の デ ー タ を 示 す ．L P -E G R 分 が 多 い 高 L P I ほ ど タ ー ビ ン 通 過 ガ ス G t が 多 く 空 気 過 剰 率 を 高 め る こ と が 可 能 で あ り 過 給 促 進 効 果 が 高 ま る と い え る ． こ の 空 気 過 剰 率 が 高 い ほ ど S m o k e を 抑 制 す る こ と が 可 能 で あ る た め ， 空 気 過 剰 率 が 高 い 条 件 で は 同 一 S m o k e と な る ま で E G R 率 を 増 加 す る こ と が 可 能 で あ り ， 高 L P I 側 で E G R 率 を 高 め る こ と が 可 能 で あ る ． こ の 結 果 ， 高 L P I 側 で I n t a k e O2 濃 度 を 低 下 さ せ る こ と が 可 能 と な り N O x が 抑 制 さ れ ト レ ー ド オ フ が 改 善 し た ． 本 運 転 条 件 で は L P - E G R 分 が 高 い H P I = 3 0 %（L P I = 7 0 %） と L P I＝1 0 0 %に お い て N O x を 大 幅 に 低 減 す る こ と が 可 能 で あ っ た ．
一 方 ，G t が 多 い 場 合 に 過 給 圧 お よ び エ キ ゾ ー ス ト マ ニ ホ ー ル ド 圧 P 3 が 高 く な る た め ，L P - E G R 分 の 多 い 高 L P I 側 に か け て P M E P が 高 ま り 燃 料 消 費 率 に 影 響 を 及 ぼ す ．P M E P の 低 い 高 H P I 側 で 燃 料 消 費 率 が 低 く な っ て い る が ， H P I = 1 0 0 %の 場 合 に 比 べ わ ず か に P M E P が 高 い H P I = 6 0 %に お い て も 燃 料 消 費 率 が 低 く な っ て い る の は ，L P - E G R に よ り 過 給 圧 が 高 め ら れ 燃 焼 が 活 発 化 し た こ と に よ り 図 示 熱 効 率 が 向 上 し て 図 示 燃 費 率 （I S F C） が 低 下 し ， ポ ン ピ ン グ ロ ス の 増 加 と 相 殺 し て H P I = 1 0 0 %と 似 た 結 果 に な っ た と 推 測 す る ．
さ ら に こ れ ら の 効 果 確 認 と し て S m o k e 濃 度 が 0 . 5 F S N に お け る H P I = 1 0 0 %と H P I = 6 0 %と L P I = 1 0 0 %の 燃 焼 状 態 に つ い て 指 圧 線 図 を 用 い て 考 察 を 行 な っ た ． 図 3 - 1 4 に 熱 発 生 率 ， 筒 内 平 均 圧 力 ， 筒 内 平 均 温 度 ， イ ン ジ ェ ク タ ニ ー ド ル リ フ ト を 示 し ， 図 3 - 1 5 に P - V 線 図 を 示 す ．L P - E G R の み の L P I = 1 0 0％ は ， 熱 発 生 率 の 初 期 燃 焼 が 低 く そ の 後 の 主 燃 焼 が 緩 慢 化 し て お り 筒 内 平 均 温 度 も 低 く 推 移 し て い る こ と か ら 他 の 条 件 に 比 べ て E G R 率 が 高 く N O x が 低 い こ と が 想 像 さ れ る ． こ の 多 量 E G R に よ っ て 着 火 遅 れ 期 間 の 長 期 化 が 予 想 さ れ る が ， 筒 内 圧 が 高 い た め 着 火 遅 れ 期 間 が 短 縮 し E G R に よ る 着 火 遅 れ と 相 殺 さ れ た こ と が わ か り ， 他 の 条 件 よ り も 過 給 圧 が 高 い こ と が 読 み 取 れ る ． さ ら に P - V 線 図 か ら L P - E G R の み の 場 合 は P M E P が 他 の 条 件 よ り も 大 き い こ と が 読 み 取 れ ， 燃 料 消 費 率 へ の 影 響 が 現 れ て い る ．
H P I = 1 0 0 %の 場 合 は ， 筒 内 圧 が 低 く 筒 内 平 均 温 度 が 高 い こ と か ら ， 過 給 圧 が 低 く N O x が 高 く な る こ と が 予 想 さ れ る ． 一 方 ，H P I = 6 0 %で は ，H P I = 1 0 0 % に 比 べ て 筒 内 圧 が 高 く ， 筒 内 平 均 温 度 が 低 い た め N O x が 低 い こ と が 想 像 さ れ る ． ま た ， わ ず か で あ る が 着 火 遅 れ 期 間 が 長 期 化 し ， 燃 料 の 予 混 合 化 が 促 進 し て 初 期 燃 焼 が 活 発 化 し て い る こ と か ら I S F C が 向 上 し た と 考 え る ． こ の H P I = 6 0 %の H P - E G R と L P - E G R の 混 合 率 は ， 過 給 圧 お よ び G t 量 も 過 剰 に な ら ず に P M E P が あ ま り 増 加 せ ず ，I S F C の 低 減 と P M E P の 増 加 の 相 殺 の 結 果 ， 燃 料 消 費 率 が 一 番 低 く な っ た と 考 え ら れ る ．