博 士 学 位 論 文
大 型 自 動 車 用 デ ィー ゼル 機 関 を対 象 とし た
広 域 多 量
EGR による有害排出物低減システム
Pollutant Emission Reduction System with
Wide-range and High EGR for Diesel Engine
of Heavy Duty Vehicle
2 0 1 2 年 8 月
群 馬 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 先 端 生 産 シ ス テ ム 工 学 領 域
学 籍 番 号
0 9 8 0 2 2 0 8
株 式 会 社
新 エ ィ シ ー イ ー 研 究 部
小 林 雅 行
指 導 教 員 新 井 雅 隆 教 授
目次 本 論 文 の 要 旨 国 内 の 経 済 活 動 を 支 え る 物 流 に お け る 大 型 輸 送 車 両 の 大 半 は デ ィ ー ゼ ル 機 関 に よ っ て 動 く 貨 物 自 動 車 で あ り ， そ の 主 要 動 力 源 の デ ィ ー ゼ ル 機 関 は 生 活 に 密 接 し た 重 要 な 熱 機 関 で あ る ． 一 方 ， デ ィ ー ゼ ル 機 関 か ら 排 出 さ れ る N O x や P M な ど の 有 害 物 質 は 大 気 環 境 問 題 や 健 康 被 害 を 引 き 起 こ す と さ れ て い る こ と か ら ， 大 型 自 動 車 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 か ら 排 出 さ れ る N O x と P M を 低 減 す る こ と は 急 務 で あ る ． 機 関 か ら 排 出 さ れ る N O x と P M の 低 減 手 法 と し て H C C I 燃 焼 や P C I 燃 焼 な ど の 新 燃 焼 方 式 が 提 案 さ れ ， 種 々 の 研 究 開 発 が 行 わ れ て い る が 機 関 の 運 転 領 域 全 域 に お い て こ れ ら の 新 燃 焼 方 式 を 採 用 す る こ と は 難 し い ． 本 研 究 で は こ う し た 課 題 の な い 手 法 と し て 過 給 と E G R を 用 い た 希 薄 燃 焼 と 低 温 燃 焼 に 着 目 し ，N O x に 関 し て 従 来 よ り も 広 域 か つ 多 量 の E G R を 用 い る こ と で ， さ ら な る 排 出 ガ ス の 低 減 が 可 能 で あ る と 考 え ， 広 域 多 量 E G R シ ス テ ム を 提 案 す る も の で あ る ． 従 来 仕 様 の 機 関 に お い て 多 量 E G R を 行 う 場 合 ， 新 気 量 の 減 少 か ら 出 力 の 低 下 や S m o k e の 増 加 が 問 題 と な る ． 給 気 を 補 い つ つ 多 量 E G R を 行 う た め に は 給 気 の 圧 力 を 高 め る ， す な わ ち 高 圧 過 給 を 行 う 必 要 が あ る ． そ こ で 高 圧 力 比 の 排 気 タ ー ビ ン 式 の 過 給 機 を 採 用 し て 広 域 多 量 E G R を 可 能 と す る 研 究 用 の ベ ー ス 機 関 を 構 築 し た ． こ の 機 関 で 採 用 し た 過 給 機 と 高 圧 ル ー プ E G R （H P - E G R ） の シ ス テ ム で は ， 定 常 運 転 モ ー ド で は 意 図 す る 排 ガ ス 低 減 が 可 能 で あ る が ， 過 渡 運 転 時 に は 燃 焼 時 の 空 気 過 剰 率 の 制 御 が 難 し く な り ， 過 渡 応 答 が 組 み 込 ま れ た J E 0 5 の 排 ガ ス 試 験 モ ー ド に お い て 意 図 す る 排 ガ ス 低 減 が 行 え な か っ た ． こ の 原 因 を 調 査 し た と こ ろ E G R ガ ス の 流 量 と 過 給 の バ ラ ン ス ， 排 ガ ス 流 量 と 給 気 流 量 の バ ラ ン ス に 左 右 さ れ る 過 給 機 の 特 性 ， 過 給 機 の 応 答 速 度 ， 等 に 排 ガ ス 低 減 を 妨 げ る メ カ ニ ズ ム が 存 在 し て い る こ と を 明 ら か に す る こ と が で き た ． そ こ で ， 過 給 の 促 進 お よ び 過 給 と E G R ガ ス の バ ラ ン ス 向 上 を 目 的 と し た 低 圧 ル ー プ E G R （ L P - E G R ） を 併 用 し た 二 重 E G R シ ス テ ム ， 各 シ リ ン ダ 間 の E G R ガ ス の バ ラ ツ キ を 抑 制 す る 合 流 分 割 方 式 の H P - E G R 経 路 ， 過 渡 応 答 性 能 向 上 を 目 的 と し た 高 速 応 答 型 過 給 機 を 提 案 し た ． 研 究 開 発 用 ベ ー ス 機 関 に こ れ ら の 提 案 要 素 を 組 み 込 ん だ 機 関 を 構 築 し て 評 価 を 行 っ た 結 果 ， ベ ー ス 機 関 に 対 し て 過 給 圧 お よ び E G R 率 を 増 加 さ せ た 上 で 過 渡 応 答 性 能 を 向 上 さ せ る こ と が で き ，J E 0 5 排 出 ガ ス モ ー ド の 機 関 単 体 目 標 を 達 成 す る こ と が で き た ． こ の 機 関 と ，L N T と D P F か ら 構 成 さ れ て い る 後 処 理 装 置 を 組 み 合 わ せ た と こ ろ ， 機 関 総 体 と し て ， 研 究 開 発 の 目 標 値 で あ る 排 出 ガ ス 目 標 値 を 下 回 る 結 果 が 得 ら れ た ． 以 上 の 結 果 よ り 本 研 究 で 提 案 し た 広 域 多 量 E G R シ ス テ ム は 排 出 ガ ス 低 減 対 策 と し て 有 用 で あ る こ と を 明 ら か に す る こ と が で き た ．
目次
目 次
記 号 と 略 称
第
1 章 緒 論
1 . 1 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 役 割 と 社 会 的 課 題
1 . 1 . 1 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 役 割
1 . 1 . 2 エ ネ ル ギ ー 資 源 問 題
1 . 1 . 3 大 気 環 境 問 題
1 . 2 排 出 ガ ス 規 制 お よ び N O x と P M の 低 減 技 術
1 . 2 . 1 排 出 ガ ス 規 制 と 運 転 モ ー ド
1 . 2 . 2 N O x と P M 低 減 技 術
1 . 2 . 3 後 処 理 技 術
1 . 3 デ ィ ー ゼ ル 機 関 に お け る 燃 焼 コ ン セ プ ト
1 . 3 . 1 デ ィ ー ゼ ル 機 関 と デ ィ ー ゼ ル 噴 霧 燃 焼
1 . 3 . 2 大 型 自 動 車 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 仕 様 と 機 関 性 能
1 . 3 . 3 過 給 と 排 出 ガ ス 再 循 環
1 . 3 . 4 過 給 E G R 方 式 の 燃 焼 コ ン セ プ ト
1 . 3 . 5 過 給 E G R デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 機 関 性 能
1 . 3 . 6 過 給 E G R デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 過 渡 応 答 特 性
1 . 3 . 7 過 給 E G R デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 技 術 課 題
1 . 4 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 有 害 排 出 物 低 減 シ ス テ ム の 開 発 研 究
1 . 4 . 1 本 開 発 研 究 の 目 的
1 . 4 . 2 対 象 と す る 技 術 課 題
1 . 4 . 3 本 論 文 の 構 成
第
2 章 開 発 研 究 の た め の デ ィ ー ゼ ル 機 関
2 . 1 開 発 研 究 機 関 の 排 出 ガ ス 低 減 目 標 と 低 減 手 段
2 . 2 機 関 性 能 試 験 装 置 と 計 測 手 法
2 . 2 . 1 機 関 性 能 試 験 装 置
2 . 2 . 2 排 出 ガ ス 計 測 機 器
2 . 2 . 3 排 出 ガ ス 試 験 モ ー ド
2 . 2 . 4 試 験 環 境 と デ ー タ 処 理
2 . 3 開 発 研 究 用 の デ ィ ー ゼ ル 機 関
2 . 3 . 1 オ リ ジ ナ ル 機 関 （ E - Ⅰ 機 関 ）
2 . 3 . 2 開 発 研 究 用 機 関 の 検 討
2 . 4 開 発 研 究 用 ベ ー ス 機 関 の 基 本 シ ス テ ム
2 . 4 . 1 ベ ー ス 機 関 （ E - Ⅱ 機 関 ）
2 . 4 . 2 排 気 タ ー ビ ン と 過 給 機
. . . 1
. . . 3
. . . 3
. . . 3
. . . 4
. . . 6
. . . 9
. . . 9
. . . 1 2
. . . 1 4
. . . 1 6
. . . 1 6
. . 1 8
. . . 2 0
. . . 2 3
. . . 2 6
. . . 3 0
. . . 3 2
. . . . 3 3
. . . 3 3
. . . 3 4
. . . 3 7
. . . 3 9
. . . 3 9
. . . 4 1
. . . 4 1
. . . 4 3
. . . 4 5
. . . 4 6
. . . 4 7
. . . 4 7
. . . 4 8
. . . 5 1
. . . 5 1
. . . 5 3
目次
2 . 4 . 3 E G R シ ス テ ム
2 . 4 . 4 高 過 給 と 多 量 E G R の 組 み 合 わ せ コ ン セ プ ト
2 . 5 開 発 研 究 用 ベ ー ス 機 関 の 基 本 性 能
2 . 5 . 1 ベ ー ス 機 関 （ E - Ⅱ 機 関 ） の 基 本 性 能
2 . 5 . 2 過 渡 応 答 対 応 型 ベ ー ス 機 関 （ E - Ⅱ ’ 機 関 ）
2 . 6 ま と め
第
3 章 E G R シ ス テ ム と 機 関 の 過 渡 応 答 特 性
3 . 1
多 量
E G R シ ス テ ム
3 . 1 . 1 多 量 E G R と 機 関 の 過 渡 応 答
3 . 1 . 2 H P - E G R と L P - E G R
3 . 1 . 3 二 重 E G R 機 関 （ E - Ⅲ 機 関 ）
3 . 2 二 重 E G R 機 関 の 排 出 ガ ス 特 性
3 . 2 . 1 二 重 E G R と E G R 率
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
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
3 . 2 . 4 過 給 圧 を 一 定 と し た 場 合 の
二 重
E G R 機 関 の 特 性
3 . 2 . 5 過 給 圧 を 一 定 と し た 場 合 の
L P - E G R の 効 果
3 . 2 . 6 過 渡 応 答 特 性
3 . 3 E G R の 経 路 の 検 討
3 . 3 . 1 H P - E G R 経 路 と
気 筒 間 の
E G R ガ ス 流 量 の バ ラ ツ キ
3 . 3 . 2 E G R 経 路 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
3 . 3 . 3 H P - E G R 経 路 の 合 流 と 分 割
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 ）
3 . 4 . 2 定 常 運 転 時 の 排 出 ガ ス 特 性
3 . 4 . 3 過 渡 運 転 時 の 排 出 ガ ス 特 性
3 . 5 多 量 E G R に よ る 排 出 ガ ス 対 策 の 効 果
3 . 5 ま と め
. . . 5 5
. . . 5 7
. . . 5 8
. . . 5 8
. . . 6 0
. . . 6 1
. . . 6 2
. . . 6 2
. . . 6 2
. . . 6 5
. . . 6 7
. . . 6 9
. . . 6 9
. . . 7 1
. . . 7 4
. . . 8 0
. . . 8 3
. . . 8 9
. . . 9 3
. . . 9 3
. . . 9 6
. . . 1 0 2
. . . 1 0 5
. . . 1 0 5
. . . 1 0 6
. . . 1 0 8
. . . 11 2
. . . 11 3
目次
第
4 章 高 圧 過 給 シ ス テ ム と 機 関 の 過 渡 応 答 特 性
4 . 1 高 圧 過 給 機 と 機 関 の 過 渡 応 答
4 . 2 過 給 機 構 造 と 過 給 機 の 応 答 性 能
4 . 3 高 速 応 答 の 過 給 機 を 採 用 し た
E G R 機 関 の 過 渡 応 答 特 性
4 . 3 . 1 高 速 応 答 の 過 給 機 を 採 用 し た
E G R 機 関 （ E - Ⅴ 機 関 ）
4 . 3 . 2 過 渡 運 転 時 の 機 関 性 能 お よ び 排 出 ガ ス 特 性
4 . 4 ま と め
第
5 章 広 域 多 量 E G R と 機 関 の 最 適 化
5 . 1 広 域 多 量 E G R 機 関
5 . 1 . 1 広 域 多 量 E G R 機 関 の コ ン セ プ ト
5 . 1 . 2 排 出 ガ ス 試 験 モ ー ド と 機 関 パ ラ メ ー タ の 適 合
5 . 2 H P - E G R と L P - E G R の 適 合
5 . 2 . 1 ベ ー ス 機 関 に お け る E G R 率 の 適 合
5 . 2 . 2 二 重 E G R 機 関 に お け る
H P - E G R と L P - E G R の 適 合
5 . 3 燃 料 噴 射 タ イ ミ ン グ の 適 合
5 . 3 . 1 燃 料 噴 射 タ イ ミ ン グ を
遅 延 さ せ た 機 関 （ E - Ⅵ 機 関 ）
5 . 3 . 2 燃 料 噴 射 タ イ ミ ン グ の 適 合
5 . 4 高 圧 広 域 過 給 シ ス テ ム の 適 合
5 . 5 広 域 多 量 E G R と 酸 素 濃 度
5 . 6 E G R の 広 領 域 適 合 と 機 関 の 最 適 化
5 . 7 ま と め
第
6 章 後 処 理 装 置 に よ る 排 出 ガ ス の 低 減
6 . 1 排 出 ガ ス 低 減 の 最 終 目 標 を 達 成 す る 方 策
6 . 2 後 処 理 シ ス テ ム
6 . 3 後 処 理 シ ス テ ム を 搭 載 し た 開 発 研 究 機 関 （ E - Ⅶ 機 関 ）
6 . 4 開 発 し た 広 域 多 量 E G R 機 関 の 総 合 性 能
6 . 5 ま と め
第
7 章 結 論
7 . 1 広 域 多 量 E G R 機 関 の 開 発 研 究 の 意 義
7 . 2 本 研 究 の 成 果
. . . 11 4
. . . 11 4
. . . 11 6
. . . 11 8
. . . 11 8
. . . . 11 9
. . . 1 2 0
. . . 1 2 1
. . . 1 2 1
. . . 1 2 1
. . . 1 2 2
. . . 1 2 3
. . . 1 2 3
. . . 1 2 6
. . . 1 2 9
. . . 1 2 9
. . . 1 2 9
. . . 1 3 2
. . . 1 3 6
. . . 1 3 8
. . . 1 4 0
. . . 1 4 1
. . . 1 4 1
. . . 1 4 2
. . . . 1 4 5
. . . 1 4 8
. . . 1 5 0
. . . 1 5 1
. . . 1 5 1
. . . 1 5 1
目次
7 . 2 . 1 H P - E G R と L P - E G R を 用 い た
二 重
E G R シ ス テ ム
7 . 2 . 2 合 流 分 割 型 H P - E G R
7 . 2 . 3 高 速 応 答 の 過 給 シ ス テ ム
7 . 2 . 4
広 域 多 量 E G R と 機 関 の 最 適 化7 . 2 . 5 後 処 理 装 置
7 . 3 結 言
7 . 4 将 来 展 望
謝 辞
参 考 文 献
関 連 論 文 リ ス ト
. . . 1 5 1
. . . 1 5 2
. . . 1 5 2
. . . 1 5 2
. . . 1 5 3
. . . 1 5 3
. . . 1 5 3
. . . 1 5 5
. . . 1 5 6
. . . 1 6 4
記号と略称 本 論 文 内 で 使 用 す る 記 号 と 略 称 を 記 す ． 記 号 一 覧 ε : C o m p r e s s i o n r a t i o [ - ] ηv : Vo l u m e t r i c e f f i c i e n c y [ % ] λ : L a m b d a ( E x c e s s a i r r a t i o ) [ - ] [ C O2] i n : C O2 c o n c e n t r a t i o n a t i n t a k e m a n i f o l d [ % ] [ C O2] e x h : C O2 c o n c e n t r a t i o n a t e x h a u s t m a n i f o l d [ % ] [ C O2] a t m : C O2 c o n c e n t r a t i o n a t a t m o s p h e r e [ % ] Ga : A i r f l o w r a t e ( F r e s h a i r ) [ k g / m i n ] Gt : Tu r b i n e p a s s a g e g a s [ k g / m i n ] Ne : E n g i n e s p e e d [ r p m ] P 1 : P r e s s u r e o f b e f o r e t h e c o m p r e s s o r [ k P a ] P 2 : P r e s s u r e o f a f t e r t h e c o m p r e s s o r [ k P a ] ( = P b : B o o s t p r e s s u r e ) P 3 : P r e s s u r e o f b e f o r e t h e t u r b i n e [ k P a ] ( E x h a u s t m a n i f o l d p r e s s u r e ) P 4 : P r e s s u r e o f a f t e r t h e t u r b i n e [ k P a ] Pb : B o o s t p r e s s u r e [ k P a ] (特 別 な 明 記 が な い 場 合 は g a g e 圧) P c y l . : C y l i n d e r p r e s s u r e [ M P a ] P e x h . : E x h a u s t m a n i f o l d p r e s s u r e ( = P 4 ) [ k P a ] P i n j . : I n j e c t i o n P r e s s u r e ( P r a i l ) [ M P a ] P r a i l : C o m m o n - r a i l p r e s s u r e [ M P a ] Tc y l . : C y l i n d e r t e m p e r a t u r e [ K ] 略 称 一 覧 Av g . : Av e r a g e B M E P : B r a k e m e a n e f f e c t i v e p r e s s u r e [ M P a ] B P C V : B a c k p r e s s u r e c o n t r o l v a l v e B S F C : B r a k e s p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o n [ g / k W h ] B S U : B o s c h s m o k e u n i t [ % ] C O : C a r b o n m o n o x i d e C O2 : C a r b o n d i o x i d e D I : D i r e c t i n j e c t i o n D O C : D i e s e l o x i d a t i o n c a t a l y s t E G R : E x h a u s t g a s r e c i r c u l a t i o n E G R / C : E G R - c o o l e r E N G : E n g i n e F / B : F e e d b a c k
記号と略称 F S N : F i l t e r s m o k e n u m b e r G V W : G r o s s v e h i c l e w e i g h t H C C I : H o m o g e n e o u s c h a r g e c o m p r e s s i o n i g n i t i o n H P - E G R : H i g h p r e s s u r e l o o p E G R H P I : H i g h p r e s s u r e i n d e x （H P - E G R r a t i o i n t h e t o t a l E G R r a t i o ） I / C : I n t e r - c o o l e r I D I : I n d i r e c t i n j e c t i o n I S F C : I n d i c a t e d s p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o n [ g / k W h ] L N T : L e a n N O x t r a p LT C : L o w t e m p e r a t u r e c o m b u s t i o n L P - E G R : L o w p r e s s u r e l o o p E G R L P I : L o w p r e s s u r e i n d e x （ L P - E G R r a t i o i n t h e t o t a l E G R r a t i o ） M K : M o d u l a t e d k i n e t i c s N2 : N i t r o g e n N LT R : N e w l o n g t e r m r e g u l a t i o n N O x : N i t r o g e n o x i d e s ( N O = N i t r o g e n o x i d e , N O2= N i t r o g e n d i o x i d e s ) O p t . : O p t i m i z a t i o n P C I : P r e m i x e d c o m p r e s s i o n i g n i t i o n P C C I : P r e m i x e d c h a r g e c o m p r e s s i o n i g n i t i o n P M : P a r t i c u l a t e m a t t e r P M E : = B M E P P M E P : P u m p i n g m e a n e f f e c t i v e p r e s s u r e [ k P a ] P R E D I C : P r e m i x e d l e a n d i e s e l c o m b u s t i o n R O H R : R a t e o f h e a t r e l e a s e [ J / d e g . ] S C R : S e l e c t i v e c a t a l y t i c r e d u c t i o n S O C : S t a r t o f c o m b u s t i o n [ d e g . AT D C ] S O F : S o l u b l e o r g a n i c f r a c t i o n S O I : S t a r t o f i n j e c t i o n S P M : S u s p e n d e d p a r t i c u l a t e m a t t e r T D C : To p d e a d c e n t e r T H C : To t a l h y d r o c a r b o n V G T : Va r i a b l e g e o m e t r y t u r b o c h a r g e r V G T / N : V G T n o z z l e p o s i t i o n V VA : Va r i a b l e v a l v e a c t u a t i o n
第1 章 緒論
第
1 章 緒 論
1 . 1 デ ィ ー ゼル 機 関 の 役 割 と 社 会 的 課 題
1 . 1 . 1 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 役 割
デ ィ ー ゼ ル 機 関 は 熱 効 率 が 高 く ガ ソ リ ン 機 関 と 比 べ て 高 出 力 の 機 関 を 作 り 易 い こ と か ら ， ト ラ ッ ク な ど の 貨 物 用 機 関 や 舶 用 機 関 さ ら に 産 業 用 動 力 機 械 と し て 広 く 利 用 さ れ て い る ． デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 運 輸 部 門 に 占 め る 割 合 は 多 く ， 今 日 の さ ま ざ ま な 物 流 を 支 え て い る ． 1 9 6 0 年 代 の 高 度 経 済 成 長 期 に は そ の 成 長 の 担 い 手 と し て ト ラ ッ ク が 活 躍 し た ． 我 が 国 の 高 度 経 済 成 長 後 期 の 1 9 7 0 年 代 か ら 8 0 年 代 に か け て ト ラ ッ ク の 年 間 生 産 台 数 は 増 加 の 一 途 を た ど り ， 図 1 - 11 )に 示 す よ う に 1 9 8 5 年 に は 2 0 1 0 年 頃 の 3 倍 以 上 と な る お よ そ 3 1 5 万 台 も 生 産 さ れ て い た ． グ ラ フ は 最 大 積 載 重 量 2 ト ン ク ラ ス （ 2 ト ン か ら 3 ト ン ） と 4 ト ン 以 上 の ク ラ ス を 示 し て お り ， 2 0 0 0 年 以 前 は 2 ト ン ク ラ ス の 小 型 ト ラ ッ ク が 半 数 以 上 を 占 め て い た が 2 0 0 0 年 以 降 は 4 ト ン ク ラ ス 以 上 の 普 通 ト ラ ッ ク （ 中 型 ト ラ ッ ク ： 4 ト ン か ら 5 ト ン ， 大 型 ： 5 ト ン 以 上 ） が そ の 半 数 以 上 を 占 め る よ う に な っ た ． 2 0 0 0 年 以 降 に お い て は 最 大 積 載 重 量 4 ト ン 以 上 の 大 型 車 両 が 日 本 の 物 流 を 支 え て い る こ と が わ か る ． ま た ， 折 れ 線 で 示 し た 値 は 4 ト ン 以 上 の 普 通 ト ラ ッ ク に 搭 載 さ れ て い る 機 関 の う ち デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 占 め る 割 合 を 示 し て い て ， 物 流 を 支 え る ト ラ ッ ク の ほ と ん ど を デ ィ ー ゼ ル 機 関 が 担 っ て い る こ と を 示 し て い る ． -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 1970 1980 1990 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Di es el engi ne ratio in more than m edi um cl as s Annual producti on number YearOver medium class (over 4ton)
small class (2ton) [%]
[Number]
[Year]
2t以上合計315万台
Fig.1-1 T rends in new car production of truck s in Japan 1 )
第1 章 緒論
1 . 1 . 2 エ ネ ル ギ ー 資 源 問 題
図 1 - 2 に 世 界 の 原 油 確 認 埋 蔵 量 と 可 採 年 数 を 示 す ． 2 0 1 0 年 に 世 界 で 採 掘 さ れ た 原 油 量 は 1 日 あ た り 7 2 , 11 0 , 0 0 0 バ レ ル で あ り ， こ の 採 掘 量 換 算 を 基 に 計 算 さ れ た 確 認 埋 蔵 量 に 対 す る 可 採 年 数 は お よ そ 5 6 年 と 言 わ れ て い る 2）． 人 口 増 加 や 経 済 発 展 が 急 速 に 進 む 中 国 や イ ン ド な ど B R I C s 諸 国 で は 今 後 も エ ネ ル ギ ー 消 費 量 の 拡 大 が 予 想 さ れ る た め ， こ の 可 採 年 数 5 6 年 と い う 数 字 は 決 し て 大 き い も の で は な く ， エ ネ ル ギ ー の 枯 渇 問 題 は 身 近 な 課 題 で あ る ． 一 方 ， 日 本 に お け る エ ネ ル ギ ー 供 給 量 に 対 す る 原 油 の 占 め る 割 合 は ， 図 1 -3 に 示 す よ う に 1 9 6 0 年 で は -3 0 % 台 と 依 存 度 は 低 か っ た が ， 高 度 経 済 成 長 期 の 1 9 7 0 年 代 に 入 る と そ の 依 存 度 は 7 0 % 以 上 に 増 加 し た ． し か し ， こ の 時 期 に 起 き た オ イ ル シ ョ ッ ク に よ っ て エ ネ ル ギ ー に 対 す る 原 油 依 存 度 を 低 下 さ せ る 動 き が 強 ま っ た ． こ れ に よ り 天 然 ガ ス や 原 子 力 と い っ た 多 様 な エ ネ ル ギ ー 資 源 の 利 用 が 増 加 し ，2 0 0 8 年 以 降 の 依 存 度 は 約 4 0 % ま で 低 下 し た ． こ の こ と か ら も 判Fig.1-2 Amount of crude oil reserves in the world 2）
第1 章 緒論 る よ う に エ ネ ル ギ ー 資 源 の 少 な い 日 本 で は ， 世 界 情 勢 の 変 化 や 異 常 気 象 な ど に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る 原 油 の 高 騰 や 供 給 不 足 は と て も 身 近 な 問 題 で あ る 3 )． 日 本 に お け る エ ネ ル ギ ー 消 費 量 を 図 1 - 4 に 示 す ． G D P で 示 す 経 済 成 長 の 伸 び と と も に 消 費 量 は 増 加 し ， 世 界 的 に 経 済 不 況 と な っ た 2 0 0 9 年 に お い て も 1 9 9 0 年 度 比 で 3 . 6 % 増 加 し て い た ． こ の 消 費 量 を 民 生 部 門 （ 業 務 部 門 ， 家 庭 部 門 ） ， 産 業 部 門 ， 運 輸 部 門 に 部 門 分 け し た 場 合 ， 運 輸 部 門 に よ り 消 費 さ れ た エ ネ ル ギ ー の 割 合 は お よ そ 2 4 % と な っ て お り 全 体 の 約 1 / 4 を 占 め る 4 )． さ ら に ， 運 輸 部 門 の エ ネ ル ギ ー 消 費 量 の う ち 自 動 車 の 占 め る 割 合 は 図 1 - 5 に 示 す よ う に 8 1 . 2 % で あ る こ と か ら ， 日 本 に お け る 全 エ ネ ル ギ ー の う ち 約 1 / 5 を 自 動 車 に よ っ て 消 費 し て い る こ と に な る 5 )． 自 動 車 の う ち ト ラ ッ ク や バ ス は 燃 料 消 費 量 の 多 い 大 出 力 の 機 関 が 使 わ れ ま た 1 台 当 た り の 走 行 距 離 が 乗 用 車 に 比 べ て 長 い た め ，1 台 あ た り の 燃 料 消 費 量 を 低 減 す る こ と に よ る エ ネ ル ギ ー 消 費 の 低 減 効 果 は 高 く ， ト ラ ッ ク や バ ス に 搭 載 さ れ る デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 燃 料 消 費 率 を 低 下 さ せ る 技 術 を 提 案 か つ 開 発 す る こ と が 早 期 に 求 め ら れ る ．
Fig.1-4 Total energy consumption in 2000 in Japan 4 )
Fig.1-5 Energy consumption rate of transportations 5 ) ※資料を元に筆者が作成
第1 章 緒論
1 . 1 . 3 大 気 環 境 問 題
産 業 革 命 に よ り 工 業 化 が 拡 大 す る 以 前 は ， 大 気 環 境 の 汚 染 は 自 然 の 力 に よ っ て 浄 化 さ れ て い た が ， 産 業 革 命 後 の 工 業 化 は 経 済 発 展 と と も に 大 気 汚 染 の 拡 大 を も た ら し 自 然 浄 化 能 力 以 上 の 大 気 汚 染 が 拡 大 す る こ と に な っ た ． 表 1 - 1 に 日 本 に お け る 大 気 汚 染 の 歴 史 を 示 す ． 現 代 ま で に 多 く の 大 気 汚 染 問 題 が 発 生 し 健 康 被 害 や 農 林 水 産 資 源 に 影 響 を 及 ぼ し て き た 6 )． こ の 大 気 汚 染 を 引 き 起 こ す 物 質 の 発 生 源 は ， お も に 工 場 な ど の 固 定 発 生 源 ， 自 動 車 な ど の 移 動 発 生 源 と 自 然 発 生 源 に 大 別 さ れ ， そ れ ら か ら 発 生 さ れ る ば い． ． 煙 や 硫 黄 酸 化 物 （S O x ） ， 窒 素 酸 化 物 （N O x ） ， 炭 化 水 素 （H C ） な ど が 汚 染 原 因 と さ れ て い る ． こ の う ち ， 図 1 - 7 に 示 す よ う に S O x や N O x は 大 気 中 で 化 学 変 化 を 起 こ し て 硫 酸 （H2S O4） や 硝 酸 （H N O3） に 変 化 し 雨 に 含 ま れ て 酸 性 雨 と な る 7 )． 酸 性 雨 は 土 壌 や 河 川 ， 海 な ど を 汚 染 し 樹 木 の 枯 死 な ど 農 林 水 産 資 源 に 影 響 を 与 え る と さ れ る ． た だ し ， 現 時 点 で は た だ ち に 影 響 を 及 ぼ す 状 況 に は な く ， 日 本 に お い て 酸 性 雨 に よ る 被 害 は 明 ら か に な っ て い な第1 章 緒論 い と さ れ る が ， 酸 性 度 の 強 い 雨 は 実 際 に 観 測 さ れ て い る た め ， 長 期 的 に 見 て ， 酸 性 雨 の 影 響 が 顕 在 化 す る 可 能 性 が あ る と さ れ て い る 8）． N O x や H C に つ い て も ， 工 場 や 自 動 車 か ら 排 出 さ れ た の ち ， 大 気 中 で 化 学 反 応 を 起 こ し ， オ ゾ ン や ア ル デ ヒ ド な ど の 光 化 学 オ キ シ ダ ン ト を 生 成 し て 光 化 学 ス モ ッ グ を 発 生 さ せ る ． 光 化 学 ス モ ッ グ は ， 目 の 痛 み や の ど の 痛 み な ど の 健 康 被 害 を 及 ぼ す と さ れ ， 原 因 物 質 と さ れ る N O x の 大 気 中 濃 度 は 図 1 - 8 に 示 す よ う に ピ ー ク で あ っ た 1 9 7 0 年 （ 昭 和 4 5 年 ） 以 降 大 幅 に 減 少 し た が 昭 和 5 5 年 頃 以 降 は 停 滞 し た 状 態 が 続 い て い る 8 )． さ ら に す す． ．な ど の 浮 遊 粒 子 状 物 質 （S P M ） は ， 肺 や 心 臓 な ど に 影 響 を 与 え る 可 能 性 が 高 い と し て ， 特 に デ ィ ー ゼ ル 機 関 か ら 排 出 さ れ る 5 0 n m 以 下 の ナ ノ 粒 子 と の 関 係 性 に つ い て 調 査 や 研 究 が 行 な わ れ て い る 9）1 0 )． こ の 粒 子 が 人 体 に
Fig.1-7 The relationship between air pollution and acid rain 7 )
Fig.1-8 Trends in annual average value of the NOx 8 )
第1 章 緒論 吸 入 さ れ た 時 の 呼 吸 器 内 に お け る 補 足 （ 沈 着 ） の 様 子 を 図 1 - 9 に 模 式 的 に 示 す ． 花 粉 な ど の 大 き な 粒 子 は 粘 膜 に 「 衝 突 」 し て 鼻 や 喉 に 付 着 す る こ と で 体 外 へ 排 出 す る こ と が 可 能 で あ る が ， 小 さ な 粒 子 は 「 沈 降 」 作 用 に よ っ て 小 さ な 気 管 支 に 入 り 込 み ， さ ら に ナ ノ 粒 子 レ ベ ル の も の は ガ ス 「 拡 散 」 作 用 に よ っ て 肺 胞 ま で 達 す る ． こ の 肺 の 深 部 ま で 到 達 し た 粒 子 は ， 肺 の 細 胞 壁 の 間 を 通 過 し て 血 管 内 に 入 り 込 み 心 臓 や 血 管 を 通 し て 全 身 に 回 っ て 心 障 害 や 循 環 器 障 害 な ど 中 枢 神 経 に 影 響 を 与 え る と 推 測 さ れ て い る 1 1）． こ れ ま で に 示 し た 大 気 汚 染 や 健 康 影 響 を 引 き 起 こ す と 推 測 さ れ た N O x や す． す．の 排 出 源 別 に み た 排 出 量 と 排 出 濃 度 割 合 は ， 図 1 - 1 0 に 示 す よ う に 自 動 車 が お よ そ 半 分 を 占 め て い る ． こ の 自 動 車 の な か で も 特 に ト ラ ッ ク か ら の 排 出 す な わ ち デ ィ ー ゼ ル 機 関 か ら の 排 出 が そ の 大 半 を 占 め て い る 1 2 )． こ の こ と か ら 酸 性 雨 や 光 化 学 ス モ ッ グ の ほ か す す． ．な ど に よ る 健 康 影 響 や 農 林 水 産 資 源 へ の 影 響 を 低 減 す る た め に ， こ れ ら の 排 出 寄 与 度 の 高 い デ ィ ー ゼ ル 機 関 か ら の 排 出 を 低 減 す る こ と が 環 境 問 題 へ の 対 応 と し て 有 効 な 手 段 で あ る と 考 え ら れ る ．
Fig.1-9 Behavior of nano-particles in the respiratory 1 1 )
第1 章 緒論
1 . 2 排 出 ガ ス 規 制 お よ び N O x と P M の 排 出 低 減 技 術
1 . 2 . 1 排 出 ガ ス 規 制 と 運 転 モ ー ド
環 境 問 題 や 健 康 課 題 に 対 応 す べ く ，1 9 6 8 年 に 大 気 汚 染 防 止 法 が 成 立 し ， 工 場 や 事 業 所 な ど の 固 定 発 生 源 や 自 動 車 な ど の 移 動 発 生 源 に 対 す る 窒 素 酸 化 物 （N O x ） と 粒 子 状 物 質 （ P M ） な ど の 排 出 規 制 が 行 な わ れ る よ う に な っ た 1 3 )． 車 両 総 重 量 3 . 5 t 超 の 大 型 車 両 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 排 出 ガ ス 規 制 動 向 を 図 1 -1 3 に 示 す ． 大 型 車 両 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 排 出 ガ ス 規 制 は 年 々 強 化 さ れ ， 濃 度 （p p m ） に よ る 規 制 か ら 出 力 に 対 す る 排 出 量 （ g / k W h ） 規 制 に な っ た 短 期 規 制 と ， ポ ス ト 新 長 期 規 制 の 規 制 値 を 比 較 す る と ，N O x は お よ そ 1 / 9 ， P M は 1 / 7 0 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0 1 2 3 4 5 PM g/k W h NOx g/kWh JP'03 JP'05 JP'09 EU'00 EU'05 EU'08 US'04 US'07 US'10 JP EU US 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 1 2 3 4 5 6 7 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 PM:g/kWh NOx:g/kWh (year)NOx
PM
0.7 6.0 4.5 3.38 2.0 0.7 0.01 0.027 0.18 0.7 0.25 ［長期］ ［新短期］ ［新長期］ ［ﾎﾟｽﾄ新長期］ ［短期］Fig.1-14 Vehicle emission regulation in Japan, US and Europe (More than GVW 3.5 ton)
第1 章 緒論 と い う 低 排 出 水 準 と な っ て い る ． 図 1 - 1 4 に 日 本 を 含 め た 米 国 お よ び 欧 州 の 排 出 ガ ス 規 制 値 の 推 移 を 示 す ． 日 本 だ け で は な く 世 界 的 に 排 出 ガ ス 規 制 は 年 々 厳 し く な っ て お り ， 特 に 2 0 0 4 年 以 降 の 規 制 へ 移 る 際 に そ の 許 容 値 が 大 幅 に 引 き 下 げ ら れ て い る ． ま た ， 自 動 車 の 特 に 大 型 車 両 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 に つ い て 1 9 9 9 年 に 東 京 都 が 行 っ た 「 デ ィ ー ゼ ル 車 N O 作 戦 」1 4）な ど の 行 政 側 の 活 動 や 規 制 ま た 社 会 的 要 望 が ， 排 出 ガ ス 低 減 の た め の 研 究 の 原 動 力 と な り ， 自 動 車 メ ー カ ー や 大 学 そ し て 研 究 機 関 な ど で 盛 ん に 研 究 が 進 め ら れ る こ と に な っ た ． 2 0 0 5 年 ま で の 新 短 期 規 制 の 排 出 ガ ス 測 定 方 法 は ， 定 常 試 験 を 用 い た D 1 3 モ ー ド 法 を 用 い て い た ． こ れ は エ ン ジ ン 運 転 領 域 の 各 運 転 ポ イ ン ト に お け る 排 出 ガ ス 値 に そ の 運 転 ポ イ ン ト が 使 用 さ れ る 頻 度 に 応 じ た 重 み づ け を し て ト ー タ ル 値 の 算 出 を 行 う も の で あ る ． ま た ， 規 制 が 強 化 さ れ る に つ れ 定 常 試 験 に よ る 評 価 で は 市 場 実 態 を 必 ず し も 反 映 し き れ て い な い と し て ， 自 動 車 工 業 会 ， 国 土 交 通 省 ， 交 通 安 全 環 境 研 究 所 ， 日 本 自 動 車 研 究 所 が 連 携 し て 実 際 に 市 場 で 運 転 さ れ て い る よ う な 機 関 速 度 と 加 速 度 を 再 現 し た J E 0 5 モ ー ド が 開 発 さ れ た 1 5 )． こ れ は 車 速 を ベ ー ス に 負 荷 が 設 定 さ れ て お り ， 加 速 や 減 速 な ど 車 両 の 走 行 状 態 を 模 擬 し た 運 転 パ タ ー ン が 盛 り 込 ま れ て い る 評 価 モ ー ド で あ る ． さ ら に ， モ ー ド 後 半 に は 高 速 走 行 を 模 擬 し た パ タ ー ン も 設 定 さ れ て お り ， 低 速 か ら 高 速 ま で 都 市 内 外 の 走 行 状 態 が 組 み 合 わ さ れ て い る ．D 1 3 モ ー ド の 運 転 ポ イ ン ト を 図 1 1 5 に 示 し ， J E 0 5 モ ー ド の 過 渡 運 転 走 行 パ タ ー ン を 図 1 1 6 に 示 す ． 図 1 -1 5 の グ ラ フ 中 の 数 字 は D -1 3 モ ー ド の 運 転 ポ イ ン ト を 示 し て お り ， ア イ ド ル 運 転
Fig.1-15 D13 mode driving point
0
20
40
60
80
100
120
0
20 40 60 80 100 120
L o a d % ENG Speed % 1.4 2 3 13 5 6 9 10 11 12 8 7第1 章 緒論 で あ る モ ー ド 1 と 4 を 含 む 1 3 の モ ー ド で 構 成 さ れ て い る ． 一 方 ， 図 1 - 1 6 の J E 0 5 モ ー ド は 加 減 速 や ア イ ド ル 状 態 な ど 実 際 の 走 行 状 態 を 模 擬 し て 運 転 さ れ る の が わ か る ． こ の ほ か ， 図 1 - 1 7 に 日 本 ， 米 国 ， 欧 州 の 各 排 ガ ス 測 定 モ ー ド の 機 関 速 度 と ， 運 転 負 荷 の 運 転 履 歴 点 と 頻 度 が 高 い 領 域 の 関 係 を 示 す ． 日 本 の J E 0 5 モ ー ド は 米 国 の F T P モ ー ド ， 欧 州 の E T C モ ー ド と 比 べ る と ， 運 転 頻 度 が 低 回 転 か つ 低 負 荷 側 に 集 中 し て い る こ と が 判 る ． こ の た め 試 験 モ ー ド 中 の 排 気 温 度 が 低 く な る 傾 向 に あ る の で ， 後 述 す る 排 気 後 処 理 装 置 に よ る エ ミ ッ シ ョ ン の 低 温 浄 化 能 力 は 他 の モ ー ド よ り も 強 化 す る 必 要 が あ る 1 6 ) ．
Fig.1-17 Operation area of emission mode in Japan Europe and America 1 6 )
100
80
60
40
20
0
V ih e c le S p e e d k m /h Time s200
0
400 600 800 1000 12001400 16001800
Ve
h
icl
e
sp
ee
d
第1 章 緒論
1 . 2 . 2 N O x と P M 低 減 技 術
デ ィ ー ゼ ル 機 関 か ら 排 出 さ れ る N O x は ， 燃 焼 温 度 場 が 高 温 で あ る 時 に 吸 入 空 気 中 の 窒 素 （N2） が 酸 素 （O2） と 結 合 し て 生 成 さ れ る ．P M は ， お も に S o o t や S O F （ S o l u b l e O r g a n i c F r a c t i o n ： 可 溶 性 有 機 成 分 ） と S u l f a t e ( サ ル フ ェ ー ト) に よ り 構 成 さ れ て い る ． S o o t は 炭 素 を 主 成 分 と し た 固 体 物 質 で あ り ， こ れ を 核 と し て 燃 料 や 潤 滑 油 な ど の 未 燃 成 分 か ら な る S O F や 硫 黄 分 か ら な る 硫 黄 化 合 物 で あ る サ ル フ ェ ー ト が 付 着 し て P M 粒 子 へ と 成 長 す る ． S o o t は 燃 料 中 の 炭 素 成 分 が 完 全 に 燃 焼 さ れ な い こ と に よ り 発 生 す る た め ， こ の S o o t を 抑 制 す る た め に 燃 焼 を 活 発 に す る と ， 今 度 は 燃 焼 ガ ス 温 度 が 上 昇 し て N O x が 増 加 し て し ま う ． し た が っ て N O x と S o o t は ト レ ー ド オ フ の 関 係 に あ り 同 時 低 減 は 難 し い と さ れ て き た ． 図 1 - 1 8 は ， 局 所 に お け る 当 量 比 と 火 炎 温 度 に 対 す る N O x お よ び S o o t の 生 成 領 域 を 示 し たφ- T マ ッ プ 1 7 )の 模 式 図 で あ る ． こ れ は ， 今 日 の 排 気 エ ミ ッ シ ョ ン 対 策 方 法 を 考 え る 上 で 重 要 な 指 標 図 （ チ ャ ー ト ） と な っ て お り ， 当 量 比 が 低 く 一 定 の 温 度 以 上 に お い て N O x が 生 成 さ れ ， 当 量 比 が 高 く あ る 温 度 域 で S o o t が 生 成 さ れ る と い う こ と を 示 し て い る ． 言 い 換 え る と ， 燃 焼 温 度 を 低 下 さ せ る こ と で N O x の 生 成 を 抑 制 で き ， 当 量 比 を 低 下 さ せ る こ と で S o o t の 生 成 を 抑 制 す る こ と が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る ． こ の 考 え 方 が 論 文 報 告 さ れ て 以 来 ， こ れ を 基 に し た N O x や S o o t を 低 減 さ せ る 燃 焼 の 研 究 が 広 く 進 め ら れ て き た ． 図 1 - 1 8 中 の 領 域 A は E G R な ど に よ っ て 燃 焼 火 炎 温 度 を 低 温 化 さ せ る 低 温 無 煙 燃 焼 （ L o w Te m p e r a t u r e C o m b u s t i o n : LT C ） 1 8 ) 1 9 ) 2 0 ) や M K （M o d u l a t e d K i n e t i c s ） 燃 焼 2 1 ) 2 2 )で あ る ， 領 域 B は 希 薄 予 混 合 気 の 燃 焼 に よ り 燃 焼 温 度 を 低 下 さ せ る H C C I （ H o m o g e n e o u s C h a r g e C o m p r e s s i o n I g n i t i o n ） 燃 焼 2 3 ) 2 4 ) 2 5 ) 2 6 ) 2 7 ) 2 8 )で あ る ， 領 域 C は 燃 焼 温 度 の 低 温 化 に 加 え 局 所 的 な 高 当 量 比 領 域 を 低 減 さ せ る 燃 焼 方 式 で あ る P C I （ P r e m i x e d C o m p r e s s i o n I g n i t i o n ） ， P C C I （ P r e m i x e d C h a r g e 1000 1500 2000 2500 3000 0 2 4 6 8Equiv
alenc
e
rat
io
Φ
Temperature K
Soot
NO
［A］ LTC MK ［C］ PCI ［B］ HCCI第1 章 緒論 C o m p r e s s i o n I g n i t i o n ） 燃 焼 2 9 ) 3 0 ) 3 1 ) 3 2 )，P R E D I C （ P R E m i x e d l e a n D I e s e l C o m b u s t i o n ）3 3 ) 3 4 ) 3 5 ) 3 6 )な ど で あ る ． こ の よ う に ，N O x 生 成 領 域 と S o o t 生 成 領 域 を 回 避 す る よ う に 燃 焼 さ せ ， こ れ ら の 同 時 低 減 を 狙 っ た 燃 焼 方 式 が 多 数 提 案 さ れ て い る ． N O x と S o o t を 低 減 さ せ る た め の 燃 焼 方 式 が 種 々 研 究 さ れ て い る が ， こ の 燃 焼 を 実 現 さ せ る た め の 具 体 的 な 方 法 と し て ， 図 1 - 1 9 と 図 1 - 2 0 の よ う に S w i r l や C o m b u s t i o n C h a m b e r を 用 い て 筒 内 ガ ス 流 動 を 強 め 燃 料 と 空 気 の 混 合 を 促 進 さ せ る 方 法 3 7 ) 3 8 ) 3 9 )， 燃 料 噴 射 圧 を 上 昇 さ せ 噴 霧 の 微 粒 化 に よ り 局 所 当 量 比 を 低 下 さ せ る 方 法 4 0 ) 4 1 ) 4 2 )， 図 1 - 2 1 に 示 す よ う な 手 法 で 燃 料 噴 射 率 や 噴 霧 形 状 を 変 化 さ せ て 噴 射 始 め か ら 着 火 ， 燃 焼 過 程 を 変 化 さ せ る 方 法 4 3 ) 4 4 ) 4 5 ) 4 6 ) 4 7 )や 多 段 噴 射 に よ り 混 合 ガ ス や 燃 焼 ガ ス 雰 囲 気 を 変 化 さ せ る 方 法 4 8 ) 4 9 ) 5 0 ) 5 1 )が あ る ． ま た ， 噴 射 タ イ ミ ン グ ， 過 給 圧 ，E G R （ E x h a u s t G a s R e c i r c u l a t i o n ） や こ れ ら を 組 み 合 わ せ た 手 法 が 提 案 さ れ ， そ れ ら を 使 っ た 機 関 の 開 発 が 盛 ん に 行 な わ れ て い る ． 現 在 に お い て は ，S o o t の 抑 制 に は 低 当 量 比 化 を 目 的 に 筒 内 の 空 気 密 度 を 高 め る 過 給 圧 の 増 加 や 燃 料 の 微 粒 化 を 改 善 す る 燃 料 噴 射 圧 の さ ら な る 検 討 さ れ ， ま た N O x の 抑 制 に は 燃 焼 温 度 を 低 下 さ せ る 目 的 に 吸 気 酸 素 濃 度 の 低 下 や 筒 内 ガ ス の 比 熱 を 高 め る た め の 多 量 の E G R が N O x 低 減 の 中 心 技 術 と し て さ ら に 検 討 さ れ て い る ．
Fig.1-21 Intensif ier injection and boots sh ape injection 4 7 )
第1 章 緒論
1 . 2 . 3 後 処 理 技 術
筒 内 の 燃 焼 に よ っ て 生 成 さ れ る N O x と S o o t を 様 々 な 手 法 に よ っ て 減 少 ま た は 抑 制 さ せ る 研 究 が 行 な わ れ て い る の と 同 時 に ， 排 出 さ れ た N O x や S o o t を エ ン ジ ン 後 段 に 設 置 し た 後 処 理 装 置 に よ っ て 浄 化 さ せ る 研 究 も 盛 ん に 行 わ れ て い る ． 後 処 理 装 置 を 搭 載 し た エ ン ジ ン シ ス テ ム を 図 1 - 2 2 と 1 - 2 3 に 示 す 5 2 ) 5 3 )． 主 な 方 法 と し て ，P M の 浄 化 に は 捕 集 フ ィ ル タ を 用 い ， N O x の 浄 化 に は D e N O x 触 媒 を 用 い た 手 法 が 使 用 さ れ て い る ． こ れ ら の 後 処 理 装 置 は 排 出 ガ ス 規 制 が 強 化 さ れ る に つ れ 車 両 に 搭 載 さ れ る よ う に な り ， 大 型 車 両 用 の ト ラ ッ ク な ど は 両 方 の シ ス テ ム が 搭 載 さ れ て い る 機 種 も 多 い ． P M を 浄 化 す る デ ィ ー ゼ ル パ テ ィ キ ュ レ ー ト フ ィ ル タ （ D P F ） は ， セ ラ ッ ミ ク ス 製 や S i C 製 や ス チ ー ル 製 な ど の 粒 子 を 捕 集 す る の に 適 し た 目 の 細 か い 多 孔 質 の フ ィ ル タ で あ る ． こ の フ ィ ル タ に 捕 集 さ れ た P M は エ ン ジ ン の 排 気 熱 や D P F 前 段 に 取 り 付 け た 噴 射 弁 か ら 供 給 さ れ る 補 助 燃 料 の 燃 焼 に よ り 昇 温 さ れ た ガ ス を 用 い て 定 期 的 に 燃 焼 さ れ 浄 化 さ れ る 5 4 ) 5 5 ) 5 6 ) 5 7 ) 5 8 )，D P F の 種 類 は そ れ ぞ れ の 特 徴 に よ り ， 製 造 方 法 や 形 状 ま た は 浄 化 特 性 が 異 な る た め ， 車 両 の 大 き さ や 使 用 目 的 に よ っ て 容 量 や 種 類 が 決 定 さ れ る ． ま た ， 定 期 的 に 燃 焼 を 行 な う 方 法 で は な く ， 通 常 の 運 転 中 に 連 続 し て 再 生 （ 燃 焼 ） を 行 な う 方 式 も 研 究 開 発 が 進 め ら れ ， 図 1 2 4 の よ う な C R D P F （ C o n t i n u o u s R e g e n e r a t i o n -D P F ）5 9 )や 図 1 - 2 5 の よ う な N O x 浄 化 機 能 が 付 加 さ れ た D P N R （ D i e s e l P a r t i c u l a t e - N O x R e d u c t i o n ）6 0 )な ど が 商 品 化 さ れ て い る ． Fig.1-24 CR-DPF (Continuous Regeneration-DPF) 5 9 )Fig.125 DPNR (Diesel Particulate -NOx Reduction 6 0 )
第1 章 緒論 P M は こ の よ う な フ ィ ル タ を 用 い て 浄 化 が 行 わ れ ， 図 1 - 2 5 で 示 し た 捕 集 メ カ ニ ズ ム に よ り 機 関 か ら 排 出 さ れ る P M を 1 / 1 0 以 下 に 減 少 さ せ る 性 能 を 有 し て い る 6 0 )． さ ら に ， コ ス ト や 搭 載 要 件 を 無 視 し た 場 合 ， た と え ば こ の 装 置 を 倍 に す る こ と で P M は そ の 値 を さ ら に 1 / 1 0 程 度 に 減 少 さ せ る こ と が 可 能 で あ る ． 一 方 で ，N O x は P M の よ う に 単 純 に 再 燃 焼 さ せ る こ と で は 浄 化 で き な い た め D e N O x 触 媒 を 用 い て 還 元 す る 方 式 が 用 い ら れ る ． 図 1 - 2 6 に 示 す よ う な 尿 素 （U r e a ） を 用 い て 触 媒 上 で N O x を N2 へ 還 元 す る 方 式 で あ る S C R （S e l e c t i v e C a t a l y t i c R e d u c t i o n ）1 6 ) 6 1 ) 6 2 ) 6 3 ) 6 4 ) 6 5 )や ， 触 媒 上 に 吸 蔵 し た N O x を リ ー ン な 還 元 雰 囲 気 中 で 排 気 中 の H C や 専 用 に 添 加 さ れ た 燃 料 の H C を 用 い て N2 へ 還 元 す る 方 式 で あ る L N T （ L e a n N O x Tr a p ） 6 6 ) 6 7 ) 6 8 ) 6 9 )を 用 い た 還 元 方 法 が 開 発 さ れ て い る ． N O x は こ の よ う な 触 媒 を 用 い る こ と で 還 元 を 行 う こ と が 可 能 と な っ た が ， P M の 浄 化 に 用 い る D P F と 比 べ る と シ ス テ ム が 複 雑 で 排 出 ガ ス 温 度 条 件 が 低 い 場 合 に は そ の 還 元 能 力 が 低 下 す る な ど N O x の 浄 化 率 は D P F に よ る P M の 浄 化 率 ほ ど 高 く な い ． 上 記 の よ う に 後 処 理 装 置 に よ り N O x と P M を 浄 化 す る こ と が 可 能 で あ る ． 技 術 的 な 見 地 か ら す れ ば N O x の 後 処 理 除 去 が P M の 後 処 理 除 去 よ り シ ス テ ム と し て の 完 成 度 が 高 い ． し か し ， 低 減 率 の 見 地 か ら す れ ば D P F は D e N O ｘ 装 置 よ り 格 段 優 れ て い る ． し た が っ て D P F の 完 成 度 を 高 め る こ と で P M の 排 出 量 の さ ら な る 低 減 が 行 え る と み ら れ ， 今 後 は D P F の コ ス ト や 耐 久 性 な ど の 二 次 的 な 技 術 開 発 で 十 分 対 処 可 能 と み ら れ る ． 一 方 ． シ ス テ ム と し て 完 成 度 の 高 い D e N O x 後 処 理 装 置 に つ い て は ， 完 成 度 が 高 く ， ま た 触 媒 に よ る 還 元 反 応 に 立 脚 し て い る た め ， 現 状 以 上 の N O x 低 減 率 を 後 処 理 に 求 め る こ と は 技 術 的 に 相 当 厳 し い 状 態 で あ る ． そ こ で 後 処 理 を 含 め た 機 関 全 体 を 考 え た 場 合 ， 燃 料 消 費 率 と の ト レ ー ド オ フ 関 係 に あ る N O x を ， 燃 料 消 費 率 の 悪 化 を 防 ぎ つ つ 機 関 本 体 で 低 減 す る こ と が 必 要 に な る ． 言 い 換 え る と ， 技 術 開 発 と し て の 機 関 に お け る N O x 低 減 対 策 は P M の 低 減 以 上 に 重 要 と 考 え ら れ る ．
第1 章 緒論
1 . 3 デ ィ ー ゼル 機 関 に お け る 燃 焼 コ ン セ プ ト
1 . 3 . 1 デ ィ ー ゼ ル 機 関 と デ ィ ー ゼ ル 噴 霧 燃 焼
デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 燃 焼 は 主 に 拡 散 燃 焼 で あ り ， 拡 散 燃 焼 は 燃 料 噴 射 と 燃 焼 が 同 時 進 行 す る こ と が 特 徴 で あ る ． デ ィ ー ゼ ル 噴 霧 と そ の 燃 焼 の 模 式 図 を 図 1 -2 7 に 示 す 7 0 )． 噴 射 始 め は 全 量 が 液 体 と し て の 液 柱 で あ り ， そ の 後 ， 気 液 混 合 状 態 と な り 噴 霧 外 周 の 可 燃 状 態 と な っ た 領 域 か ら 自 着 火 す る ． 噴 霧 燃 焼 で は ， 噴 霧 の 周 り か ら 空 気 を 取 り 込 む A i r e n t r a i n や 筒 内 の ガ ス 密 度 ， 当 量 比 ， ガ ス 流 動 の 大 き さ に よ っ て 図 中 の S o o t o x i d a t i o n r e g i o n や S o o t g r o w t h r e g i o n に 与 え る 影 響 が 変 化 す る ． た と え ば 燃 焼 が 進 む 領 域 の 局 所 当 量 比 が 高 い 場 合 に は S o o t 生 成 割 合 が 増 加 す る ． こ の ほ か 燃 料 噴 霧 の 微 粒 化 特 性 や ， 機 関 の 過 給 特 性 ， ス ワ ー ル 特 性 ， ピ ス ト ン 形 状 ， ス キ ッ シ ュ 流 な ど 噴 霧 燃 焼 に 与 え る 影 響 因 子 は 数 多 く あ る た め ， 意 図 す る 燃 焼 形 態 目 的 に 合 わ せ た 噴 霧 形 成 の 設 定 が 重 要 と な る ． 図 1 - 2 8 に デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 拡 散 燃 焼 の 様 子 を 模 式 的 に 示 す ． 図 中 の N e e d l e L i f t は イ ン ジ ェ ク タ ニ ー ド ル の リ フ ト 量 （ m m ） を 示 し ， R O H R は 熱 発 生 率 （J / d e g . ） を ， P c y l . は 筒 内 圧 （ M P a ） を 示 す ． ま た ， 参 考 図 と し て ク ラ ン ク ア ン グ ル に お け る 筒 内 の 燃 焼 の 様 子 を 示 す 7 1 )． 燃 料 が 噴 射 さ れ る と す ぐ さ ま 燃 焼 が 開 始 さ れ る の で は な く ， 燃 料 が 空 気 と 混 合 し て 混 合 気 と な り 着 火 可 能 な 状 態 と な る ま で の 着 火 遅 れ （I g n i t i o n D e l a y ） 期 間 を 経 て 着 火 へ 移 行 す る ． 着 火 遅 れ 期 間 に す べ て の 燃 料 が 噴 射 さ れ ， そ の 後 に こ の （ 予 ） 混 合 気 が 燃 焼 す る 場 合 は H C C I 燃 焼 な ど の 予 混 合 燃 焼 と な る ． ま た ， 図 の よ う に 着 火 後 も 燃 料 噴 射 が 継 続 し て い る 場 合 は 予 混 合 的 な 燃 焼 （P r e m i x e d - l i k e B u r n i n g ） に 続Soot formation and oxidation processes
(b) Quasi-steady combustion phase (a) Early stage of diesel combustion
Ea rly stage of soot formation
第1 章 緒論 い て 拡 散 燃 焼 （D i f f u s i v e B u r n i n g ） が 継 続 し ， 燃 料 噴 射 終 了 後 は 後 燃 え （A f t e r B u r n i n g ） 期 間 を 経 て 燃 焼 が 終 了 す る ． 着 火 遅 れ 期 間 が 長 い と き の 予 混 合 気 が 燃 焼 す る 場 合 は ， 短 期 間 に 燃 焼 す る 可 燃 混 合 気 量 が 増 加 す る た め 爆 発 的 な 燃 焼 と な り 熱 発 生 率 は よ り 急 峻 な 形 状 と な る ． こ の 急 峻 な 熱 発 生 が 大 き く な る と 燃 焼 騒 音 や 振 動 と し て 現 れ ， さ ら に 強 ま る と 機 器 の 破 損 に 至 る 可 能 性 が あ る ． ま た ， 拡 散 燃 焼 は ， 燃 料 噴 射 と 燃 焼 が 同 時 に 進 行 す る こ と か ら 燃 焼 が 行 わ れ る 局 所 的 な 領 域 で 当 量 比 が 大 き く な る 場 合 は S o o t が 生 成 さ れ る ． 一 方 ， 当 量 比 が 低 い 希 薄 な 状 態 で は 燃 焼 が 活 発 に な り 燃 焼 温 度 の 上 昇 と 供 に N O x が 生 成 さ れ る こ と か ら ， N O x と S o o t は ト レ ー ド オ フ の 関 係 に あ る ． 拡 散 燃 焼 に お け る 燃 焼 と 排 出 ガ ス の 関 係 を 図 1 - 2 9 に 示 す ． 拡 散 燃 焼 で はφ- T マ ッ プ 上 の 破 線 領 域 で 示 す よ う に ， 燃 料 噴 射 開 始 か ら 燃 焼 が 完 了 す る ま で の 間 に 高 い 当 量 比 か ら 低 い 当 量 比 に 局 所 の 燃 焼 形 態 が 推 移 し て ゆ く ． そ し て ， こ の 間 に S o o t 生 成 領 域 と N O x 生 成 領 域 を 通 過 す る こ と で S o o t お よ び N O x が 生 成 さ れ る ． こ の た め ， 従 来 燃 焼 で あ る 拡 散 燃 焼 で は こ れ ら の 領 域 を 回 避 す る 技 術 を 用 い て 排 出 ガ ス の 低 減 が 行 わ れ て い る ．
Fig.1-29 Conventional combustion region on φ- T map. 1000 1500 2000 2500 3000 0 2 4 6 8 Equiv alenc e rat io Φ Temperature K Soot NO
Fig.1-28 Schematic of conventional diesel combustion 7 1 )※ 資 料 を 基 に 筆 者 が 作 成 TDC Needl Li ft R OHR Pcy l. Diffusive Burning After Burning Premixed-like Burning Ignition Delay
第1 章 緒論
1 . 3 . 2 大 型 自 動 車 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 仕 様 と 機 関 性 能
自 動 車 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 構 造 は 単 室 式 と 副 室 式 に 大 別 さ れ る ． 図 1 - 3 0 に 単 室 式 構 造 を 示 す 7 2 )． 単 室 式 （ 直 接 噴 射 式 ） は O p e n C h a m b e r 式 と も 呼 ば れ( 1 ) 浅 皿 形 ， ( 2 ) 深 皿 型 ， ( 3 ) M 型 な ど の 燃 焼 室 を 兼 ね た キ ャ ビ テ ィ を 持 つ ピ ス ト ン を 搭 載 し ， 圧 縮 工 程 中 に 燃 料 を こ の キ ャ ビ テ ィ 内 に 直 接 噴 射 し て 圧 縮 空 気 と 混 合 さ せ て 燃 焼 を 行 な う D i r e c t I n j e c t i o n （ D I ） 構 造 で あ る ． 図 1 - 3 1 に 示 す 7 2 )副 室 式 は D i v i d e d C h a m b e r 式 と も 呼 ば れ ， I n d i r e c t I n j e c t i o n （I D I ） の 構 造 を も つ ． 副 室 構 造 が 作 ら れ た 背 景 に は ， こ れ ら が 製 作 さ れ た 時 代 の 機 関 が 無 過 給 式 で あ っ た こ と や 燃 料 噴 射 圧 が 低 い こ と か ら ， 燃 料 と 空 気 の 混 合 を 促 進 さ せ て 燃 焼 を 活 発 化 さ せ る こ と を 主 要 技 術 課 題 と し て 検 討 し た 結 果 ， そ の 解 決 策 と し て 考 案 さ れ た ． 過 給 機 関 の 増 加 や コ モ ン レ ー ル 式 燃 料 噴 射 装 置 の 開 発 に よ り 現 在 の 自 動 車 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 で は 複 雑 な 構 造 を 持 つ 副 室 式 は ほ と ん ど な く 直 接 噴 射 式 が 主 流 と な っ て い る ．Fig.1-31 Structure of IDI diesel engines 7 2 ) 副 室 式※ 色 つ き 部 は 副 室
( 1 ) 予 燃 焼 室 型 ( 2 ) 渦 流 室 式 釣 鐘 型 ( 3 ) 渦 流 室 式 平 底 型 単 室 式 （ 直 接 噴 射 式 ）※ 色 つ き 部 は キ ャ ビ テ ィ ( 1 ) 浅 皿 型 ( 2 ) 深 皿 型 ( 3 ) M 型
第1 章 緒論 大 型 自 動 車 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の ト レ ン ド を 図 1 - 3 2 に 示 す 7 3 )． 上 述 し た よ う に 1 9 8 0 頃 ま で に 副 室 式 燃 焼 室 に 代 わ っ て 直 接 噴 射 式 燃 焼 室 が 多 く を 占 め る よ う に な り ，1 9 9 0 年 代 中 ご ろ ま で は 排 気 量 が 大 き い 自 然 吸 気 機 関 が 主 流 で あ っ た ． 排 出 ガ ス 規 制 が 強 化 さ れ る に つ れ ， 排 出 ガ ス 低 減 を 目 的 と し た シ リ ン ダ 内 ガ ス 流 動 の 改 善 と 機 関 性 能 の 向 上 を 目 的 と し ， 吸 排 気 の 効 率 化 と 体 積 効 率 向 上 の た め に 2 バ ル ブ 仕 様 か ら 4 バ ル ブ 仕 様 化 さ れ る よ う に な り ， 1 9 9 0 年 後 半 以 降 は 排 気 量 を 下 げ 排 気 タ ー ビ ン 型 過 給 機 を 搭 載 し た 過 給 機 関 が 主 流 と な る ． 大 型 自 動 車 に お け る 機 関 排 気 量 に 対 す る 最 大 出 力 お よ び 最 大 ト ル ク 点 の B M E P （ B r a k e m e a n e f f e c t i v e p r e s s u r e ） と の 関 係 を 図 1 - 3 3 に 示 す ． こ れ ら は 2 0 0 0 年 頃 の 日 本 の 大 型 デ ィ ー ゼ ル メ ー カ ー の デ ー タ で あ る ． こ の 頃 は ま だ 無 過 給 機 関 が 生 産 さ れ て い た が ，2 0 0 5 年 か ら 開 始 さ れ た 排 出 ガ ス 規 制 の 新 長 期 規 制 が 施 行 さ れ る 頃 に は ， 排 気 量 を 下 げ な が ら も 過 給 機 に よ っ て 出 力 お よ び 最 大 ト ル ク を 増 加 さ せ た 過 給 機 関 が ほ と ん ど を 占 め る よ う に な っ た ． な お ， 道 路 交 通 法 に よ る 車 両 区 分 と し て 大 型 自 動 車 と は 車 両 総 重 量 11 t ま た は 積 載 重 量 6 . 5 t 以 上 も し く は 乗 車 定 員 3 0 人 以 上 の 自 動 車 を 示 す ．
Fig.1-32 Trend of diesel engine in heavy duty vehicle 7 6 )
Fig.1-33 Relations of rated point and BMEP for the engine displacement in japan around 2000
100 150 200 250 300 350 400 450 0 5 10 15 20 25 30 R at ed pow er k W Displacement L Turbocharged engine Naturally aspirated engine
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 5 10 15 20 25 30 BM EP at M ax T orque M Pa Displacement L Turbocharged engine Naturally aspirated engine
第1 章 緒論
1 . 3 . 3 過 給 と 排 出 ガ ス 再 循 環
前 項 の よ う に 車 両 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 多 く は 自 然 吸 気 機 関 か ら 過 給 機 を 搭 載 し た 過 給 機 関 と な っ て い る ． 図 1 - 3 4 に 1 9 9 0 年 後 半 の 排 気 量 1 3 L 大 型 デ ィ ー ゼ ル 機 関 に 搭 載 さ れ て い る 過 給 機 の コ ン プ レ ッ サ マ ッ プ を 示 す 7 4 )． グ ラ フ は コ ン プ レ ッ サ に よ っ て 断 熱 圧 縮 さ れ た と 仮 定 し た 場 合 の 空 気 流 量 （2 5 ℃ ， 1 気 圧 標 準 状 態 ） と コ ン プ レ ッ サ 出 入 り 口 の 圧 力 比 で あ る ． 圧 縮 お よ び 吐 出 す る 際 の 効 率 を 楕 円 状 の 等 効 率 線 で 表 し ， コ ン プ レ ッ サ 外 周 速 度 を 扇 状 の 等 速 度 線 で 示 す ． 破 線 部 は サ ー ジ ラ イ ン で あ る ． グ ラ フ 中 に は こ の 過 給 機 を 搭 載 し た 機 関 の 各 機 関 速 度 の 最 大 負 荷 に お け る 吸 入 空 気 流 量 と 圧 力 比 を 結 ん だ ラ イ ン を 示 し て い る ． こ こ で 見 ら れ る よ う に 1 9 9 0 年 代 の 排 気 量 1 3 L 定 格 出 力 2 6 5 k W お よ び 2 9 4 k W ク ラ ス の 大 型 車 両 用 デ ィ ー ゼ ル 機 関 は 過 給 圧 1 6 0 k P a レ ベ ル （ 圧 力 比 2 . 6 = （ 1 6 0 k P a + 1 0 0 k P a ( 大 気 圧 ) ） / 1 0 0 k P a ( 大 気 圧) ） が 出 力 性 能 と S m o k e 排 出 特 性 を 決 定 し て い る 市 場 レ ベ ル で あ る こ と が わ か る ． 過 給 圧 の 増 加 に よ る S m o k e の 抑 制 と 同 様 に N O x の 抑 制 を 行 う 排 出 ガ ス 再 循 環 の E G R （ E x h a u s t G a s R e c i r c u l a t i o n ） は ， 大 き く 分 け て 3 つ の 方 式 が あ る ． 外 部 E G R と し て の 高 圧 ル ー プ E G R （ H P - E G R ） と 低 圧 ル ー プ E G R （L P - E G R ） お よ び 内 部 E G R で あ る ． 内 部 E G R は そ の 手 法 に よ り さ ら に 3 種 類 に 分 か れ る ． シ リ ン ダ の 吸 気 行 程 中 に 排 気 バ ル ブ を 開 き エ キ ゾ ー ス ト マ ニ ホ ー ル ド か ら 排 気 を 再 導 入 す る 方 法 ．第1 章 緒論 シ リ ン ダ の 排 気 行 程 中 に 吸 気 バ ル ブ を 開 き 排 気 を 吸 気 経 路 へ 吐 出 し 吸 気 行 程 で 新 気 と 共 に 導 入 す る 方 法 ． シ リ ン ダ の 排 気 行 程 中 に 排 気 が 終 了 す る 前 に 排 気 バ ル ブ を 閉 じ シ リ ン ダ 内 に 排 気 を 残 留 さ せ る 方 法 で あ る ． 内 部 E G R は そ の 方 法 上 ガ ス を 冷 却 す る こ と が で き な い た め 残 留 ガ ス の 体 積 が 大 き く ， 冷 却 が 可 能 な 外 部 E G R と 比 べ て 新 気 量 が 減 少 し て し ま う こ と や ， 高 温 ガ ス を 導 入 す る た め 着 火 遅 れ 期 間 が 減 少 し S m o k e 抑 制 に マ イ ナ ス の 効 果 が あ る な ど 利 用 で き る 運 転 領 域 が 限 ら れ る ． ま た ， シ ス テ ム が 複 雑 化 す る な ど に よ っ て あ ま り 利 用 さ れ て い な い ． 一 方 ， 過 給 と 供 に 利 用 さ れ る 外 部 E G R の う ち H P - E G R は 多 く 利 用 さ れ て い る シ ス テ ム で ， 図 1 - 3 5 （ 左 ） に 示 す よ う に 過 給 機 タ ー ビ ン 前 か ら 排 気 を 取 り 出 し 過 給 機 コ ン プ レ ッ サ 後 の 過 給 さ れ て い る 経 路 に 還 流 す る 高 圧 経 路 の 構 造 で あ
Fig.1-35 Schematics of HP-EGR and LP-EGR system 7 5 ）
HP-EGR system LP-EGR system
Fig.1-36 Characteristics of LH-EGR and LP-EGR system 7 5）
LP-EGR with conventional turbo HP-EGR with conventional turbo
第1 章 緒論 る ．H P - E G R は 過 給 機 と の 組 み 合 わ せ に よ り そ の 利 用 で き る E G R 量 が 決 ま る た め 過 給 機 は 機 関 の 出 力 性 能 と 排 出 ガ ス 特 性 を 決 め る 重 要 な パ ラ メ ー タ と な る ． さ ら に ， 外 部 E G R の う ち 過 給 機 タ ー ビ ン 後 ろ か ら ガ ス を 取 り 出 し コ ン プ レ ッ サ 前 の 過 給 さ れ て い な い 低 圧 経 路 に 還 流 す る 構 造 で あ る L P - E G R を 図 1 - 3 5 （ 右 ） に 示 す ．L P - E G R は E G R 率 を 増 加 さ せ て も タ ー ビ ン を 通 過 す る ガ ス 量 が 減 少 せ ず ，H P - E G R よ り も E G R 率 を 増 加 さ せ や す い ． こ の た め ， 図 1 - 3 6 の 比 較 の よ う に E G R 率 約 1 2 % の ほ ぼ 同 じ N O x 値 に お い て S m o k e お よ び 燃 料 消 費 率 を H P - E G R よ り も 低 く す る こ と が 可 能 で あ り ， 排 出 ガ ス 抑 制 に は 有 効 な 手 段 で あ る こ と が わ か る ． 一 方 で L P - E G R は タ ー ビ ン 後 の 低 圧 領 域 か ら ガ ス を 取 り 出 す 構 造 で あ る た め E G R 率 の 増 加 に は 排 気 絞 り 弁 や 吸 気 絞 り 弁 な ど を 併 用 す る 必 要 が あ る ． ま た ，E G R 率 を 過 剰 に 増 加 す る 場 合 に は タ ー ビ ン を 通 過 す る ガ ス 量 が 増 加 す る こ と で ポ ン ピ ン グ ロ ス 増 加 に よ る 燃 料 消 費 率 の 悪 化 が 伴 う ． こ の ほ か ，L P - E G R で は E G R ガ ス 温 度 が 低 く な っ て い る た め ， 排 出 ガ ス 中 の 窒 素 酸 化 物 や 硫 黄 酸 化 物 な ど の 腐 食 性 ガ ス が コ ン プ レ ッ サ を 浸 食 す る こ と や す す． ．が イ ン タ ク ー ラ に 堆 積 し て 圧 力 損 失 の 増 加 や 冷 却 性 能 を 低 下 さ せ る な ど の 問 題 が あ り ， 大 型 の デ ィ ー ゼ ル 機 関 で は L P - E G R は 採 用 さ れ て い な い 7 5）． こ の よ う に 過 給 機 関 に E G R 機 構 を 搭 載 し た 過 給 E G R 機 関 で は ， こ れ ら 過 給 と E G R は 上 述 し た よ う に そ れ ぞ れ が 別 々 の 役 割 を 持 っ て い る ． す な わ ち 過 給 機 関 に お い て E G R の 役 割 は N O x 対 策 で あ る と 言 え る ． 一 方 過 給 機 の 役 割 は ， 過 給 に よ り 当 量 比 を 減 少 さ せ る P M 対 策 と E G R を 行 う 際 の 出 力 低 下 の 抑 制 対 策 で あ る ．
第1 章 緒論
1 . 3 . 4 過 給 E G R 方 式 の 燃 焼 コ ン セ プ ト
排 出 ガ ス の 低 減 を 目 的 と し た 燃 焼 方 式 に 1 . 2 . 2 項 に て 記 し た H C C I ， P C I ， P C C I ， M K ， P R E D I C な ど の 燃 焼 方 式 が 提 案 さ れ て い る が ， こ れ ら の 燃 焼 方 式 は 低 温 域 を 多 用 す る た め に 未 燃 成 分 で あ る 炭 化 水 素 （H C ） や 一 酸 化 炭 素 （C O ） の 排 出 が 多 い こ と や ， 負 荷 や 機 関 速 度 が 増 加 す る と 予 混 合 期 間 が 安 定 し て 得 ら れ ず 目 的 と し た 燃 焼 が 成 立 し な い こ と か ら 運 転 領 域 が 限 定 さ れ る こ と が 多 い な ど 課 題 が あ る ． 一 方 ， 従 来 の デ ィ ー ゼ ル 燃 焼 （ 拡 散 燃 焼 ） で は こ う し た 課 題 が な い た め 広 い 領 域 に お い て E G R を 用 い た 排 出 ガ ス の 低 減 方 策 が 用 い ら れ る ． こ の デ ィ ー ゼ ル 燃 焼 場 に お け る 過 給 と E G R の 効 果 に つ い て ， 排 気 量 2 L 大 型 単 気 筒 試 験 機 関 を 用 い て 排 出 ガ ス へ の 影 響 を 調 査 し た 結 果 を 図 1 - 3 7 に 示 す ． 試 験 条 件 は 機 関 速 度 1 2 0 0 r p m ， 燃 料 噴 射 量 2 5 0 m m 3 / s t ， 燃 料 噴 射 圧 1 5 0 M P a ， 着 火 タ イ ミ ン グ T D C 一 定 と し ， 過 給 圧 P b = 1 0 0 k P a , 2 0 0 k P a , 3 0 0 k P a の 場 合 に お い て E G R 率 を 変 化 さ せ た ． 過 給 圧 が 1 0 0 k P a の 場 合 ， E G R 率 を 増 加 さ せ る と S m o k e の 増 加 無 し に N O x を 4 g / k W h 付 近 ま で 減 少 さ せ ら れ る が E G R 率 が 1 0 % 以 上 に な る と S m o k e が 急 増 す る ． 過 給 圧 を 増 加 さ せ た 2 0 0 k P a の 場 合 ， 1 0 0 k P a の 場 合 よ り も E G R 率 を 増 加 さ せ て もFig.1-37 NOx and Smoke under the each boost pressure on 1200rpm at 250mm3/st
第1 章 緒論 S m o k e は す ぐ に 上 昇 せ ず E G R 率 が 2 0 % を 超 え て か ら 増 加 す る ． さ ら に 過 給 圧 を 増 加 さ せ た 3 0 0 k P a の 場 合 は ， E G R 率 を 3 0 % 以 上 に す る ま で S m o k e は 増 加 せ ず 1 0 0 k P a の 場 合 よ り も 大 幅 に E G R 率 を 増 や す こ と が 可 能 で あ る ． こ の 結 果 ， 過 給 圧 3 0 0 k P a の 場 合 で は E G R を 行 わ な い 場 合 の N O x 値 が お よ そ 1 5 g / k W h で あ っ た も の が E G R の 導 入 に よ っ て S m o k e の 増 加 を 伴 わ ず に 1 g / k W h 以 下 へ 減 少 さ せ る こ と が で き る ． グ ラ フ 上 の S m o k e 0 % の 位 置 に お い て N O x の 値 を 比 較 す る と ， 図 中 の 矢 印 の よ う に 過 給 圧 を 高 め る こ と で N O x を よ り 多 く 低 下 さ せ る こ と が で き る こ と が わ か る ． 過 給 圧 を 増 加 さ せ る こ と で 空 気 過 剰 率 を 高 い レ ベ ル を 維 持 す る こ と が 可 能 で あ り ，E G R 率 が 高 く て も 筒 内 の 酸 素 量 が 多 い た め 希 薄 化 の 効 果 に よ っ て S m o k e が 抑 制 さ れ る ． そ し て ， 過 給 圧 が 高 い ほ ど 上 述 の S m o k e 抑 制 効 果 が 高 ま る こ と か ら E G R 率 を 増 や す こ と が で き る た め ， 吸 気 酸 素 濃 度 を 低 下 さ せ ら れ る こ と に よ っ て N O x が 抑 制 さ れ る ． こ れ ら の 効 果 に つ い て ， 筒 内 圧 （P c y l . ） か ら 得 ら れ る 熱 発 生 率 （ R O H R ： R a t e O f H e a t R e l e a s e ） お よ び 筒 内 ガ ス 平 均 温 度 （ Tc y l . ） を 用 い て 考 察 し た ． 図 1 - 3 8 に 過 給 圧 1 0 0 k P a と 2 0 0 k P a の 時 の S m o k e 濃 度 0 % 付 近 の デ ー タ を 示 す （ 図 1 - 3 7 中 の 楕 円 で 記 し た 2 点 ） ． 過 給 圧 を 増 加 さ せ た
Fig.1-38 Comparison of Pcyl, ROHR and Tcyl on boost pressure of 100 and 200 kPa
第1 章 緒論 2 0 0 k P a の 条 件 で は ， 1 0 0 k P a の 条 件 よ り も 過 給 圧 増 加 に よ り 筒 内 圧 が 増 加 し て い る ． さ ら に 2 0 0 k P a の 場 合 ， E G R 率 増 加 に よ り 吸 気 酸 素 濃 度 が 低 下 し た こ と で 燃 焼 が 緩 慢 化 し て 燃 焼 期 間 が 長 期 化 し て い る ． ま た ， 筒 内 ガ ス 平 均 温 度 も 大 幅 に 低 下 し て お り 過 給 圧 を 高 め る こ と で E G R 率 を 高 め る こ と が 可 能 と な り N O x 低 減 の 効 果 が 現 れ て い る と 考 え る ． こ れ ら を 1 . 3 . 1 項 で 示 し たφ- T マ ッ プ で 表 す と 図 1 - 3 9 内 の 破 線 領 域 が 過 給 圧 お よ び E G R 率 が 低 い 場 合 で あ り ， 過 給 圧 の 増 加 と E G R 率 の 増 加 に よ り 斜 線 部 の 領 域 へ 遷 移 し た と 考 え る ． デ ィ ー ゼ ル 燃 焼 の 場 合 ， 燃 料 噴 射 と 燃 焼 が 同 時 に 進 行 す る た め 当 量 比 の 高 い 領 域 を 避 け て 通 る こ と が 出 来 な い が こ の 場 合 ， シ リ ン ダ 内 に 充 填 す る 空 気 量 を 増 や し 空 気 過 剰 率 を 増 加 さ せ ， シ リ ン ダ 内 の す べ て の 領 域 で 局 所 当 量 比 を S m o k e が 発 生 し な い 低 当 量 比 の 状 態 と す る こ と が 効 果 的 で あ り 高 過 給 化 が 有 効 で あ る ． 一 方 ，N O x の 抑 制 に は E G R を 用 い た 比 熱 の 増 加 と 吸 気 酸 素 濃 度 の 低 下 に よ る 燃 焼 の 緩 慢 化 お よ び 燃 焼 温 度 の 低 下 が 効 果 的 で あ り 多 量 E G R が 有 効 で あ る ． こ れ ま で 示 し て き た 中 で ，E G R 率 を 増 加 さ せ る こ と で N O x を 低 減 さ せ る こ と は 比 較 的 容 易 で あ る が ， 単 な る E G R ガ ス 量 の 増 加 は 新 気 と の 入 れ 替 わ り に よ っ て 当 量 比 が 増 加 す る ． さ ら に ， 過 給 仕 事 減 少 か ら も 当 量 比 が 増 加 す る こ と に な り S o o t の 増 加 お よ び 出 力 の 低 下 を 伴 う ． し た が っ て ， よ り 一 層 の 排 出 ガ ス 低 減 の た め 広 い 運 転 領 域 で E G R 率 を 増 加 さ せ る た め に は ， 広 い 運 転 領 域 に お い て S m o k e お よ び 出 力 を 維 持 さ せ る 過 給 圧 の 増 加 が 必 要 で あ る こ と が わ か る ． す な わ ち ，E G R は 過 給 と 組 み 合 わ せ る こ と で は じ め て N O x お よ び S m o k e の 同 時 低 減 効 果 を 高 め る こ と が 可 能 な 手 段 に な り 得 る こ と が わ か る ．
Fig.1-39 Method of NO and Soot reduction
1000 1500 2000 2500 3000 0 2 4 6 8
Equiv
alenc
e
rat
io
Φ
Temperature K
Soot
NO
第1 章 緒論
1 . 3 . 5 過 給 E G R デ ィ ー ゼ ル 機 関 の 機 関 性 能
前 項 で 記 し た よ う に ，S m o k e と N O x の 抑 制 を 高 め る た め に は 過 給 圧 と E G R 率 を 高 め る こ と が 重 要 で あ る こ と が わ か っ た ． 図 1 - 4 0 と 図 1 - 4 1 に 1 9 9 0 年 後 半 （ 右 ） と 改 良 を 行 っ た 2 0 0 0 年 初 頭 （ 左 ） の 排 気 量 1 3 L 大 型 デ ィ ー ゼ ル 機 関 に 搭 載 さ れ て い る 過 給 機 の コ ン プ レ ッ サ マ ッ プ と 運 転 領 域 に 対 す る E G R マ ッ プ を 示 す 7 6 )． 改 良 し た 機 関 で は 各 機 関 速 度 に お け る 最 大 負 荷 に お け る 過 給 圧 の 最 大 値 を 1 4 0 k P a レ ベ ル か ら 2 2 0 k P a レ ベ ル へ 増 圧 し て い る ． 圧 力 比 で は お よ そ 2 . 4 か ら 3 . 2 で あ る ． E G R に は H P - E G R と 内 部 E G R を 単 独 お よ び 部 分 的 に 併 用 し て い る ．H P - E G R に は E G R ク ー ラ が 設 置 さ れ て お り E G R ガ ス 密 度 を 増 加 さ せ シ リ ン ダ に 導 入 す る ガ ス 量 を 増 加 さ せ る な ど の 工 夫 を 行 っ て 2 0 0 3 年 の 新 短 期 規 制 の 排 出 ガ ス 値 を ク リ ア し て い る ． H P - E G R は 中 負 荷 領 域 ま で 使 用 さ れ 高 負 荷 域 で は 使 用 し て い な い ． 過 給 機 と し て は 高 圧 化 さ れ て い る が 高 負 荷 域 で H P - E G R を 導 入 し て い な い こ と か ら ， こ れ ら の 領 域 Impeller speed Compressor efficiencyFig.1-40 Compressor map for heavy duty diesel engine in recent year7 6 ) ※Turbine speed, Compressor efficiency は公開されていない
