博 士 （ 工 学 ） 金 野 満
学 位 論 文 題 名
デ ィ ー ゼ ル 機 関 に お け る 排 気 微 粒 子 お よ び 窒 素 酸 化 物 の 同 時 低 減 に 関 す る 研 究
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
本論文 は、ディーゼル機関から排出される徽粒子および窒素酸 化物を、熱効率の悪化 を伴わずに 低滅するための指針を得ることを目的として行なった、 一連の研究の成果につ いて論述し たものである。
論文は、8章から構成されている。
第1章 は序 論で あり 、本 研究 の目 的お よび 得ら れ た結 果の 概要 につ いて述べるととも に、研究の 背景、ならびにディーゼル機関から排出される汚染物質 の低減に関連する研究 の 動向 につ いて とり ま とめ た。 また 、熱 効率 の悪 化を 伴う こと なし に、微 粒子とNOxと を同時に低 滅する上でのコンセプトについて論述した。
第2章 では 、供 試エンジンおよび実験に用いた 装置、ならびに測定方法について記述し た 。そ して 、燃 焼過 程を制御する手法として、主室と1ま別に小さな副室と副噴射系を設 け、ここに 燃焼後半の適当な時期に少量の燃料を噴射して、連絡孔 を通って主室ヘ噴出す る 燃 焼 ガ ス に よ り 燃 焼 場 を 撹 乱 す る 、 燃 焼 後 期 撹 乱 方 式 （CCD方 式 ） を 提 示 し た 。 第3章 で は 、CCD方 式 に お け る 排 気 微 粒 子 の 低 減 特 性 に 関 し て 、 熱 力学 的な 解析 を 行った結果 について記述した。すなわち、主燃焼室圧力経過と撹乱 流生成室への投人熱量 と から 、撹 乱流 生成 室 から 噴出 する 燃焼 ガスの 運動量を求め、それが撹乱流生成室の容 積、燃料噴 射割合、燃料噴射時期、あるいは連絡孔径などの設計変 数によって、どのよう に変化する かについて調ぺた。その結果、連絡孔径がガス運動量に 対する重要な設計因子 であり、撹 乱流生成室に投入した熱量が同じであっても、連絡孔径 によってガスの運動量 が大きく変 化することが分かった。そして、孔径が小さくなるに従 ってガス運動量は増大 するが、あ る孔径以下では、とくに軽負荷においてチョーキングを 生じるために、運動量 が滅少する ことを明らかにした。さらに、撹乱室内空気量に当量の 燃料噴射割合を設定し たときにガ スの運動量が最大となること、また高負荷になるほど撹 乱流の運動量が低下す る 傾向 にあ るの で、 高 負荷 運転 条件 に対 応して 各設計変数の最適化を図るぺきであるこ と、などを 明らかにすることができた。
第4章 に お いて は、 実験 によ ってCCD方 式の 機関 性能 およ び排 気特 性を 明ら かに す るとともに 、筒内微粒子の直接サンプリングや高速度写真による燃 焼過程の可視化観察な どを行い、 指圧線図の解析と併せて、燃焼および排気に対する撹乱 流の効果について検討 した。その 結果、本燃焼方式は、広範な機関運転条件において、排 気微粒子の低滅に対し て きわ めて 有効 であ り 、し かも 、熱 効率 およ びNOxに対 して は何 ら悪 影響を与えないの で 、NOx、排 気微 粒子 、お よび 熱効 率の トレ ード オ フ関 係を 改善 でき ることを示した。
そ して、こ のような 微粒子 の低滅は、撹乱流による酸化促進と、主室内への燃料の初期噴 射 量の減少 に伴う生 成量の 低滅のニつの効果によって得られることを明らかにした。さら に 撹乱流生 成室の容 積は、 微粒子の 低滅効果が減少しない範囲内で極力小さくすること が 、熱効率 との兼ね 合い上 好ましい こと、 連絡孔径 に関し て最適値 が存在す ること 、ま た 、撹乱流 生成室へ の燃料 噴射量が 多すぎ る場合に は、撹 乱流生成 室が微粒 子生成 源と な って、か えって排 出畳が 増加する ことな どが明ら かにな り、第3章における計算結果の 妥当性を確認した。
第5章 で は 、 低NOx燃焼 の 実 現に 重 点 を おい て 、 微粒 子 の 低滅 に 対 して 効 果 的なCC D方 式 と、NOx低 滅 の ため の 排 気再 循 環 およ び 水 噴射 と の 併 用を 試 み た。 そ の 結果、C CD方 式の微粒 子低滅 効果は、 排気再循 環や水 噴射を併 用して も損なわ れない ことが明ら か になった 。ただし 、排気 再循環によれぱ、中・低負荷域において他の性能を犠牲にする こ と な しにNOxを 低 滅 でき るが、高 負荷域 では、体 積効率 の低下に よって 、燃費、 出カ お よ び 微粒 子 が 悪化 し 、CCD方式と 組み合 わせたと しても 、それら の回復 を図るこ とは 困 難 な こ と 、 ま た 水 噴 射 は 、NOx低滅 に 対 し てき わ め て有 効 で あり 、CCD方 式 と併 用 す ることに よって燃 費の悪 化を伴わ ずに排 気徽粒子 およびNOxをべ ース機関 の約1/2に低 滅 できるが 、機関の 耐久性 への影響を考慮すると高負荷域以外の使用は避けるべきである こ と な どを 示 し た。 す な わち 、CCD方 式 に対 し て 、低 ・ 中 負 荷域 で 排 気再 循 環を 、ま た 、 高 負荷 で は 水噴 射 を併 用するこ とが、NOxと黒 煙の大 幅な同時 低滅に 対して効 果的 であることを明らかにした。
第6章 で は こ燃 料 噴 射系 お よ び燃 焼 室 形状 の 変 更に よる混合 気の当量 比制御 と、CCD 方 式の優れ た燃焼促 進特性 とを併用することによって、ディーゼル機関に対する二段燃焼 の 適用を試 みた。ま た、NOに 関する反 応動力 学的計算 を行っ て、当量 比制御 と撹乱によ る 効果的なNO低滅の 条件につ いても検 討を加 えた。そ の結果 、燃焼初 期にお いて過濃混 合 気 が 形 成 さ れ る 場 合 に は 、初 期 燃 焼割 合 が 大 きく て もNOxが 大幅 に 低 滅し 、CCD方 式 と 組 み合 わ せ るこ と によ って、高 い等容 度と低吐 煙を保 ったまま 、NOxを低滅し 得る こ とを明ら かにした 。また 、撹乱による燃焼促進効果は、小噴孔径ノズルを用いた場合に 著 しいこと 明らかに した。 さらにNOに 関する 計算結果 から、 燃焼初期 を過濃 とする二段 燃 焼では、 希釈過程 におい て量諭空 気過剰 率を通過 する際 にNOの生成 が活発 となるが、
撹 乱などに よって混 合時間 を短縮し た場合 には、NO生 成量を 低滅し得 ること を示した。
第7章 で は 、銅 ゼ オ ライ ト 系 触媒 を 実 際の デ ィ ーゼ ル排気に 適用レて 、NOx浄化率の 温 度ならび に空間速 度依存 性、各種共存成分の影響、あるいは還元荊としての排気中の炭 化 水素の影 響などに ついて 実験的に調べ、同触媒実用化の可能性と問題点について検討し た 。その結 果、銅ゼ オライ ト触媒は 、ディ 一．ゼル 排気中 のNOx低減に対して有効であっ て、少なくとも空間速度20，OOOh.iまで活性が低下しないこと、400°Cの最大活性温度におい て 、 排 気中 の 未 燃炭 化 水 素の み で 約25%のNOx低滅 を 期待する ことがで き、さ らに外部 か ら 炭 化水 素 を 供給 す るか 、あるい はCCDの制御に よって 未燃炭化 水素濃 度を増加 させ た 場合には 、約80%まで浄 化率を向 上させ 得ること を明ら かにした。また、共存成分の影 響 に関して は、酸素 濃度の 影響は小さいが、水分は触媒活性を低下させることが明らかと な り 、 耐 水 性 の 向 上 が 実 用 化 に 向 け て の 大 き な 課 題 で あ る こ と を 示 し た 。 第 8章 は 、 本 研 究 の 結 諭 で あ り 、 得 ら れ た 成 果 の 概 要 を 記 述 し た 。
学 位論 文 審査 の要旨 主 査 教 授 村 山 正 副 査 教 授 宮 本 登 副 査 教 授 伊 藤献一 副 査 教 授 岩 本正和
学位論文題名
ディーゼル機関における排気微粒子および 窒 素 酸 化 物 の 同 時 低 減 に関 す る 研究
本論 文は、 ディーゼル機関から排出される微粒子およびNOxを、熱効率の悪化を伴わ ずに低滅するための指針を得ることを目的として行った、一連の研究成果について論述し たものである。論文は、燃焼制御による排出物の生成抑制に関するものと、触媒による後 処理に関するものとから構成されている。
はじめに、ディーゼルエンジンにおける微粒子およびNOxの生成過程について考察し、
熱効 率の悪 化を伴うことなしに、微粒子とNOxとを同時に低減するためには、燃焼初期 をできるだけ穏やかに反応を進行させ、後期に撹乱を利用して急速に燃焼を促進するのが 有効であることを示している。そして、このような燃焼過程を実現する手法として、主燃 焼室とは別に撹乱流を生成するための小さな副室（撹乱流生成室）と副噴射系とを備える 燃焼後期撹乱方式(CCD方式）を提示している。
．実験に先立ち、熱力学的手法によりCCD方式の微粒子低滅特性に関する解析を行って、
主室と副室との連絡孔の直径が噴f｜，：ガス運動量に対する重要な設計因子であること、撹乱 流生成室内の空気量に当量の燃料噴射割合を設定したときにガスの運動量が最大となるこ と、また高負荷になるほど噴出ガスの運動量が低下する傾向にあるので、高負荷運転条件 に対応して各設計変数の最適化を図るべきであること、などを明らかにしている。
っぎ に、実 験によってCCD方式の機関性能および排気特性を明らかにするとともに、
筒内微粒子の直接サンプリングや高速度写真による燃焼過程の可視化観察などを行い、指 圧線図の解析と併せて、燃焼改善の要因にっいて検討を行っている。すなわち、本燃焼方 式は、広範な機関運転条件において、排気微粒子の低滅に対してきわめて有効であり、し
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か も、熱効 率およ びNOxに 対して は何ら悪 影響を 与えない ので、NOx、排 気微粒子、
および熱効率のトレードオフ関係を改善できることを示レている。そして、このような微 粒子の低減は、撹乱流による酸化促進と、主室内への燃料の初期噴射量の減少に伴う生成 量 の 低 滅 の ニ つ の 要 因 に よ っ て 得 ら れ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 NOxの低減に関しては、排気再循環や吸気管内水噴射などの不活性物質の投入、およ び混合気濃度の時間位相制御を試みている。その結果、CCD方式に対して、低・中負荷 域で排気再循環を、一方、高負荷では水噴射を併用することが、NOxと黒煙の大幅な同 時低減に対して効果的であることを示している。また、燃料噴射系および燃焼室形状の変 更などにより、燃焼初期において高濃度混合気を形成した場合には、初期燃焼割合が大き く てもNOxが大幅 に低減し 、CCD方式の優れた燃焼促進特性と併用することによって、
高い等容度と低吐煙を保ったまま、NOxを低減し得ることを明らかにしている。その際、
NOに関する反応動力学的計算を行って、燃焼初期を高濃度とする二段燃焼では、希釈過 程において量論空気過剰率を通過する際にNOの生成が活発となるが、撹乱などによって 混 合 時 間 を 短 縮 し た 場 合 に は 、NO生 成 量 を 低 滅 し 得 る こ と を 示 し て い る 。 後処理による排気改善法に関しては、酸素共存下でNOxの還元が可能な銅ゼオライト 触媒を実際のエンジン排気に適用して、同触媒実用化の可能性と問題点について検討して いる。その結果、銅ゼオライト触媒は、酸素濃度の高いディーゼル排気中のNOx低減に 対しても有効であって、少なくとも空間速度20，OOOh、￣まで活性が低下しないことを明らか にしている。また、ガスク口マトグラフィによルディーゼル排気中の炭化水素組成の分析 を行い、NOx還元に有効なエチレンなどの炭化水素種が比較的多量に含まれていること を確認している。さらに、400゜Cの最大活性温度において、排気中の未燃炭化水素のみで 約25%のNOx低滅 が得られ ること 、さらに 外部か ら炭化水素を供給するか、あるいはC CDの制御によって未燃炭化水素濃度を増加させた場合には、約80%まで浄化率を向上さ せ得ることを示している。共存成分の影響に関しては、酸素濃度の影響は小さいが、水分 は触媒活性を低下させることが明らかとなり、耐水性の向上が実用化に向けての大きな課 題であることを指摘している。
これを要するに、著者は、ディーゼル機関における排気清浄化に関して、有益な新知見 を得たものであり、内燃機関工学および燃焼工学の進歩に寄与するところが大きい。よっ て 著 者 は、 北 海 道大 学 博 士（ 工 学 ） の学 位 を 授与 される資 格ある ものと認 める。
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