福田 昌准＊ 三好 慎一郎＊＊
Reduction of Exhaust Pollutants from a Diesel Engine
by Water Inject蓋o皿into the EXhaust Flow and Exhaust Gas Recir℃ulation
Masanori FUKUDA and Shin ichiro rvfiYOSHI
In order to reduce the emissions of nitrogen oxides and particulates from diesel engines， exhaust gas recirculation， EGR， combined with water injection into the exhaust is proposed and has been evaluated using a pre−chamber engine． ln this method， exhaust gas in which particulates were separated by water inj ection is fed into the intake air charge． The results show that exhaust black smoke is decreased remarkably by injecting water into the exhaust strearn， and it is expected that a greater black smoke reduction might be attained with less amount of water with fmer atomization and better disnibution． ln the case of the combination of water injection and EGR， simultaneous reduction of NO and biack smoke can be achieved at low load condition． At higher load， hovvever， black smoke deteriorates with increasing the amount of recirculated gas due to the decreasing of oxygen concentration in the intake gas， so that EGR rate should be kept at low level for the purification of diesel exhaust．
1．はじめに
ディーゼル機関はガソリン機関などの他の熱機関 に比べて高い熱効率を持つため，トラック，バス，
船舶を始め各種の機械装置の動力源として広く利用 されている．また燃料経済性に優れるため二酸化炭 素の排出も少なく，地球温暖化の観点からも有望な 内燃機関である．しかし燃焼に伴って発生する微粒 子と窒素酸化物の排出が多いため，環境の悪化をも たらす原因の一つとして，その浄化は緊急な社会的 要請となっている．このため燃焼改善のみならず様 々な角度から積極的に検討が進められている．
本研究では，ディーゼル機関から排出される微粒 子と窒素酸化物の同時低減を目的に，排気への水噴 射と排気再循環を組み合わせた技術の検討を行っ
た．
2、研究の背景と目的
ディーゼル機関は空気過剰の状態で燃焼が行われ るため，一酸化炭素や未燃炭化水素の排出はガソリ ン機関に比べて比較的少ないものの，拡散燃焼であ るため窒素酸化物と微粒子が多く発生する．特に両 汚染物質は生成傾向が相反するため，窒素酸化物の 低減対策は微粒子の増大を招く場合が多く，対策を
困難にしている，
ディーゼル機関の排気浄化の方法を燃焼改善，燃 料改良および排気の後処理に分類し，将来有望な技 術・対策をまとめて表1に示す．ディーゼル機関の 優れた燃料経済性を生かすには，これらの技術を有 機的に結合する必要がある．
窒素酸化物の生成を抑えるには火炎温度を低下さ せるとともに，その保持時間を短くすればよく，こ の方法の一つに排気の一部を再び吸気から環流させ
る排気再循環（EXhaust Gas Recirculation， EGR．）が
挙げられる。排気再循環はガソリン機関では広く利 用されているが，ディーゼル機関の場合には排気中 の炭素粒子や燃料中の硫黄分による吸気系やピスト ン，シリンダなどの摩耗や腐食の問題があり実用化 を困難にしている．また多量の再循環を行うと吸気 の酸素濃度が低下して燃焼が不安定となり，燃料消 費率や排気煙濃度の排出増大を招くω、
＊機械工学科
＊＊専攻科（機械・制御システム工学専攻）学生 （現，新興工業株式会社）
平成13年8月30日受理
表1ディーゼル機関の排気浄化技術
燃焼改善
1．燃焼室の最適化 Q．噴射系の改良 R．吸排気系の改善 S．排気再循環 T．吸気への水噴射 燃料改良
1，燃料性状の改良 Q．含酸素燃料の利用 R．代替燃料
後処理
1．酸化触媒 Q．脱硝触媒 R．微粒子フィルタ
そこで本研究では，排気に水噴射を行って排気中 のすすなどの微粒子を除去し，吸気系やピストンの 摩耗の懸念をなくした後に水蒸気を含む排気の一部 を吸気から再循環させる方法を提案した．湿式の後 処理法に排気再循環を融合させた技術であり，これ によりディーゼル機関から排出される微粒子と窒素 酸化物の同時低減を達成することを目標としてい る．また本方法の排気再循環はクールドEGRであ る上に，吸気に水蒸気が含まれるため燃焼温度の低 下により，一層の窒素酸化物の低減が期待できる（2｝．
なお，排気からの微粒子の分離に水を利用する研 究としてはスクラバーを用いる大きなシステムが検 討されているのみであり（3》，水噴射とEGRを組み 合わせてディーゼル機関の排気浄化を図る研究に関 する報告はみられない．
3．実験装置と方法 3．1水噴射・排気再循環システム
本研究で製作した排気全量に水噴射してすすを除 去した後，温度の下がった排気の一部を吸気から再 循環させるシステムの概略を図1に示す．通常運転 ではバルブ1のみを開け，エンジン排気はマフラー をへて外気へ排出する．水噴射の際には，バルブ1 を閉めてバルブ2を開け，排気を水噴射管に導く．
このときバルブ3と4の開度を調整すると排気の一 部が吸気に戻り，排気再循環が実現できる．
水噴射には空気圧または水圧を変えて噴射量や噴 霧粒径が調整できる2流体ノズル（いけうち，充円 錐ノズルBIMJ2004）を用いた．水圧Pw一定のも とで空気圧Paを変化させた際の水噴射量wiの測 定結果を図2に示す．水圧一定の場合には，空気圧 が増加すると噴射量は減少し，同じ空気圧では水圧 の低い方が噴射量は少ない．なお噴霧粒径は空気圧 が高いほど小さくなる④．このときの空気流量Air
水タンクポンプ 決量計T山圧力鱒襲弁
ビューレット
安全 水噴射曽
且…縮懸
マフラff
3一 lt
水虞重弁ゴ
P
2
：：6：：，Ca，
サージタレワ
1
翻
P
エンジン
霊魏
層溝流量計
↑マ・メー・
吸気
は図3に示すようにPaの増大とともに増え， Paが 高くなるとPwの影響は少なくなる．
3， 2実験機関と実験方法
実験は水冷単シリンダ四サイクル予燃焼室式ディ ーゼル機関（三菱NM5H，シリンダ内径×行程＝
φ68×80，行程体積290cc，圧縮比23①を用い て，機関回転数n＝2200rpm一定でNOが極大とな る正味平均有効圧力BMEP ＝O．41MPaとスモークの 排出の多い高負荷のBMEP＝＝O．71MPaで，水噴射量 や再循環量を変えて行った．燃料には，密度
836．8kg／m3，90％留出温度336。0℃，硫黄分0，035
％のJIS 2号軽油を用いた．
水噴射量は上述のように2流体ノズルに加わる水 圧または空気圧を変えて調整した，排気再循環量は 図1のバルブ4とサージタンク間に取り付けたルー一一一 ツ式流量計（金門製作所，R50T）および層流流量 計（司測研，LEF−10B）で測定した新気の体積から
算出した。
排気の測定は図1に示す2箇所で行った．これに より排ガス成分の機関から排出される濃度，水噴射 後の濃度および排気再循環した際の濃度が検出でき る，NOとCOICO2濃度の測定には非分散形赤外分 析計NDM（それぞれ堀場， AIA−23およびYanaco，
PSIR−1200）を用いた．未燃炭化水素濃度THCは水 素炎イオン化検出器H−FID（Yanaco， EHF−710H）で，
排気煙濃度はボッシュ式排気煙濃度計（ゼクセル，
DMS−10）で測定した．
O．8
O．6奎
O．4
q
O．2
O O．5 1 1．5 2 2．5
Wi 9／S
図2 2流体ノズルの水噴射特性
so
c oo
雪∬
葦10
5
ドレン
O P讐 二 〇 MPa
△ P冒 ＝ O．05
口P蟹＝0，10
● P貿＝0．15
▲ P冒 ； 0．20
図1水噴射・排気再循環システム
。 O．1 O．2 O．3 O．4 O．5 O．6 O．7
Pa MPa
図3 2流体ノズルの空気流量
排気融Teは機関の排知より約160㎜の排
気管内でK型熱電対を用いて測定した．また再循 環の際には，吸気の相対および絶対湿度を静電容量 式高分子薄膜湿度センサ付の湿度計（島津，
DGT−210）で検出し，これより吸気に含まれる水蒸 気量を算出した，
4．実験結果と考察 4．1排気への水噴射の場合
図4は1E味平均有効圧力BMEP＝0．41MPa一定の もとで燃料消費率BSFC，排気煙濃度SMOKEと
NO， CO2， COの各濃度，排気温度Teおよび水噴 射量と燃料消費量の質量比WIFを2流体ノズルに 加わる空気圧Paと水圧Pwの差圧に対して比較し た結果である．同様にBMEP＝＝0．71MPa一定で性能 と排気特性を比較した結果を図5に示す．
負荷によらず水噴射により大幅にSMOKEが低下 している．そして水圧一定で空気圧を高くすると水 噴射量は少なくなるもののSMOKEは減少してい
1000 800
ほ
匿600 呈400 200
0窒 6
2．4
重 0
≦35・
￡300
＄2500
n ＝ 2200 rpm BMEP ＝ O，41 MPa
MPa
転
15
10 一，
5≧
0 600
ぜ500Φ 400−
G・2bEeL
α18
滋
1§
O．2 O．4 O O．2 O．4 O．6
Pa−Pw MPa
図4 水噴射量の機関性能と排気への影響1 （低負荷BMEI』0．41MPaの場合）
29 Pt≡P2呈・8箔Pa
§輔 呈200 0 8 型 6
霧4
2 蚕 0
こ；300エ
ヒ250 器2000
転
O Pw ＝ e．05 MPa
△ Pり ＝ 0．10 e pw ＝ o．ls A Pw ＝ O．20
一鵠二〇〇864
15
10峯g．
5bo ：．
謬
・・ d
O．2 O．4 O O．2 O．4 O．6 Pa一一Pw MPa
る．空気圧が高いと水噴霧の微粒化は促進されるこ とから，すすの除去には噴射量を増やすよりも噴霧 を微細化する方が有効であることが分かる．しかし，
いずれの条件でもスモーク粒子の排気中からの完全 な除去は達成されていない．排気からの微粒子の完 全な分離には，より一層の水噴射方式や噴射形状の 検討が必要である．このためには水を微細な噴霧に して広く分散させ，微粒子との接触機会の増大を図 るのが効果的と考えられる．また実用化を考えると，
摩擦損失低減のため水圧と空気圧を出来るだけ低く 抑え，少ない：水噴射量ですす除去効率を上げる必要 がある．
NO， CO2， COは水圧一定で空気圧が増すとやや 減少している，これは空気の噴射により排気が希釈
されることと排気成分の水への溶解のためと推察さ れる．排気の希釈による影響を調査するため，排気
に空気のみを噴射して機関性能と排気特性の比較を 行った結果を図6に示す．水噴射をしない場合
（Pw−OMPa）でも，空気噴射に伴う排気流量の増 加によりSMOKE， NO， CO2， COはやや低下して いる。空気圧Pa ・O．49MPaの場合，空気噴射量の排 気全量に対する体積割合は約0．08で，空気噴射の みの場合のSMOKE， NO， CO2， COの低減率とほ ぼ等しい．このことから図6の水噴射（Pw＝0。15MPa）
に伴うNO， CO2， COの低下は，これらガス成分の 水への溶解のためといえる．なおSMOKEは前述の ように水噴射により大幅な減少を示している．
図7は水噴射の未燃炭化水素濃度THCへの影響 を調査した結果である．mcの水噴射に伴う低下 はNO， CO2， COに比べてやや大きく，THCは他 の排気成分に比べて水に溶解しやすいことを示して いる．これら排気成分や燃料中の硫黄分により排気 凝縮水は酸性となる．このため水タンクを車両に搭 載し，噴射後の水を回収して利用する閉じたシステ ムにするには，水中からの微粒子の分離に加えて中 和が必要となる．
1000 E 800 匿600
刈トー●
皇400am
2 ；： 1 8．is MPa
o窒 6 霧4
2 ●＿つ＿
t一 一歪 0 盗300
0 250 ま2・・
o
n ＝ 22eO rpm BMEP＝ o．41圖P亀
「駆一●・噛●・＿●
800 700 6。。て
500ト 400
0．3
まO．2
gO．1
0
8642
図5水噴射量の機関性能と排気への影響2 （高負荷BMEP憲0．71MPaの場合）
O．2 O．4 O O．2 O．4 O．6
Pa−Pw MPa
獣
8個
図6 空気噴射の機関性能と排気特性への影響
60．0
500 2 400 註300
婁2・・
100
：．＝．2S9？，PB2
2二七：8：箔1含
O O．1 O．2 O．3 O．4 O．5 Pa一一Pw MPa
図7水噴射のTHC濃度への影響
15
10 ．L
5≧こ 0 600と 500 2 400
0．1δミ
。 g 8
6 おミ
，g
2
1000 医800k600
望400 200 0望 6
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2 毒 0 ぶ盗350
：3 器250
麟P9．PHh
200
富＝ 8切
O● BHEP罪 O．41 圏P直 AA BMEP＝ O．71 0△冒fnj確G賦 eA STD
800 700 600 ： 500 F−
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0．3
訳
O．2 8
0．1
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soo122 ；：一：一g：ls Kpa
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am
Ofn ＝ 1200 rpm k；6。会9MEB茸1：1♀岡Pa
霧4 2妻 O g 3so
2am
雷2500
奪
O．2 O．4 O O．2 O．4 O．6 Pa−Pw MPa
図8 回転ta 1200rpmでの水噴射の効果
次に回転数を変えて2種類の水噴射圧力Pwで排 気への水噴射の効果を比較した結果を図8に示す．
回転数を変えても同様に水噴射によりSMOKEの低 減が認められる．また回転数1200rpmの方が 22001pmの場合に比べて， NOとCO2の減少が大き
い．これは空気および水の噴射量が同一であると，
回転数が低い方が排気の希釈率が高くなることと排 気に対する水噴射量の割合が増加して，排気成分の 水への溶解量が多くなるためと推察される．
4．2水噴射と排気再循環を組み合わせた場合 図9は排気への水噴射と排気再循環を組み合わせ
た場合の機関性能と排気特性をEGR率に対して，
2種類の負荷で比較した結果である。通常運転での 結果STDも比較のために同時に示してある． EGR．
率は全吸入ガスに対する再循環ガスの体積割合で定 義している．2流体ノズルの水圧と空気圧は，水噴 射量が少なくてSMOKEの大幅な低減が得られた
Pvv・・O．15MPa， Pa＝0．49MPaとした．なお水噴射量の
燃料消費量に対する質量比W／Fは，EGRを行って いない場合にW／F・＝2．88（BMEP＝0．41MPa）および
1．89（O．71MPa）である．
排気再循環を行うと吸気に不活性ガスが添加され て熱容量が増大することと酸素濃度の減少により，
燃焼温度が低下するためNOは再循環量に比例して 大幅に減少している．またEGR率が高くなると吸
O 10 20 30 40 O 10 20 30 40 50
EGR O／．
図9水噴射と排気再循環の組み合わせの 機関性能と排気特性への影響
12 10
co 8
gg
エ4 2
21聯：3：斜HPa 100 80
歪00 40 20 0
O 10 20 30 40 50
EGR O／o 図10 吸気管内の湿度
気に混入されるCO2が増えるため排気中のCO2は 増加し，SMOKEとCOは酸素不足により増大して いる．特にSMOKEの高負荷での増加は著しく，EGR 率が20％を越えると水噴射しない場合に比べて高
くなっている．これに対し低：負荷でのSMOKEは，
水噴射しない場合よりEGR率40％でも低く，NO とSMOKEの同時低減の可能性が示唆される．
図10に吸気管内で測定した絶対湿度Hと相対湿 度RHをEGR率に対して示す。高いEGR率では吸 気の相対湿度はほぼ100％に達している．低負荷の EGR率が約40％の場合に絶対湿度は最も高く、こ のときの絶対湿度の増加は7．89／m3で燃料消i費量に 対する水蒸気の質量割合は約20％となる．この湿 度の増加によるNOへの影響は，別エンジンでの結 果（2）を参考に推察すると数％以内である。つまり吸 気の湿度の増加に伴うNOの低減は，吸気に不活性 ガスが混入されて燃焼温度が低下する効果に比べて はるかに小さい．
5．おわりに
湿式の後処理技術である排気への水噴射に排気再
循環を組み合わせてディーゼル機関の排気浄化を図 る方法を提案し，その有効性を実験により検討した．
結果をまとめると以下のようになる．
排気中に微細な噴霧にして水噴射を行うと少ない 水噴射量でも排気煙濃度は大幅に低減できる．しか し，排気中のすすの完全な除去には，水噴射方式に 一層の検討が必要である。また，水噴射と排気再循 環を組み合わせると低負荷ではNOと排気煙濃度の 同時低減が可能であるが，高負荷では酸素濃度の低 下に伴う排気煙濃度の増大により再循環率が制限さ
れる．
なお本研究は，財団法人八雲環境科学振興財団の 研究助成を得て行われたことを記して謝意を表す．
長年に亘り，研究のご指導を頂いている京都大学
・名誉教授（福井工業大学教授）池上詞先生に心からお
礼を申し上げる．また実験に多大の協力を得た本校 機械工学科平成ll年度および12年度卒業生の杉本 興平・福井耕平・大島孝之・宗元雄輔氏に深く感謝
する．
参考文献
（D塩崎・鈴木・大谷，ディーゼルエンジンにおけるEGRと その問題点について，日野技報，38（1989），3．
（2）福田・山根・根市・池上，水選択排気再循環によるディ ーゼル機関の窒素酸化物の低減，機論61−586，B（1995），
2320．
（3）加藤・小島・武枝・藤川・是松，スクラバーによるディ ーゼルパーティキュレー・一・トの除去（第3報），機構論，968−3 （1996）， 111．
（4）2流体微霧スプレーノズルカタログ，株式会社いけうち．
