ディーゼルを虐待死させて京都議定書を守れるか?

(1)

ディーゼルを虐待死させて京都議定書を守れるか?

著者小川英之

雑誌名第7回技術セミナー「燃料・燃焼制御によるディーゼル燃焼の低エミッション化の研究動向」

ページ 1‑50

発行年 2006‑01‑14

権利同志社大学エネルギー変換研究センター

URL http://doi.org/10.14988/re.2017.0000015744

(2)

1 Hokkaido University

同志社大学学術フロンティア推進事業技術セミナー

(2006．1. 14)

燃料・燃焼制御によるディーゼル燃焼の低エミッション化の研究動向

ディーゼルを虐待死させて京都議定書を守れるのか？

北海道大学大学院工学研究科小川英之

(3)

ディーゼルエンジンを取り巻く環境

ー企業戦士の悲哀ー

(4)

ディーゼルエンジンは豚の胃袋を持つ

これは，粗食に耐えてよく働くという最高級の賛辞であるが・・・・・・，

どこかの国の企業戦士が家庭に帰ったときの状況によく似ていませんか？

汚い，臭いとののしられる

ディーゼルエンジンは地上の星！

小さなものから大きなものまで動かす力！

熱効率： 50% に迫る！

(5)

ガソリンエンジンは，草を決して食べない肉食動物というなら・・・

ディーゼルエンジンは，好き嫌いをしない草食動物である．

・・・・・・・でも決して雑食ではない．

そして，燃料電池は，松坂牛のステーキしか食べない肉食動物である．

ガソリン，ディーゼル，そして燃料電池

(6)

ガソリンエンジンが燃料として求めるもの高いオクタン価（火が着きづらい）

高い蒸発性

・・・・これらは絶対必須

ディーゼルエンジンが燃料として求めるものある程度の着火性

液体燃料

・・・・これらがお好み燃料電池は，問答無用！

高純度の水素だけ

燃料として求められる性状

(7)

虐待を受ける子供とディーゼルエンジン

ディーゼルエンジンは虐待を受けている子供のよう親はしつけだと言って子供に虐待を加える

＝

ろくに整備をしないまま，過積載をしてしまう

子供は虐待に耐えかねて粗相をしてしまう

＝

黒い煙を吐いてしまう

子供は叱りつけられる

＝

ディーゼルＮＯ作戦が始まる

親は虐待に気がついていない

＝

過積載の罪悪に気がついていない

＝

実害を考えない厳しい規制は虐待では

?

(8)

ディーゼルエンジンは丈夫で長持ち

トラックの平均寿命：１５０万 km

維持整備に対する意識の低さ

しかし，これが仇になる！

規制浸透の遅れ既販車対策の重要さ

(9)

もう一つ長所が仇になること

熱効率が高い

排気温度が低い

排気後処理における触媒が働きづらい

(10)

1990

年代に何が起きたか？

20 世紀末の選択 ― ディーゼルの悲劇 ―

乗用車用IDIディーゼルエンジンの優位性低下

ディーゼルNO作戦開始（日本）

ディーゼル乗用車の飛躍的増加（欧州）

・直接噴射型ガソリンエンジンの実用化

・ディーゼルに対する本格的排気規制 (短期・長期規制) の開始

・高性能小型高速DIディーゼルエンジンの出現

・ガソリンハイブリッド車の出現

・原油価格の低値安定

ディーゼル乗用車を売らない販売戦略？

燃費意識の欠落

・軽油とガソリンの小売価格差の減少（税制の改正）

(11)

自動車メーカの回答：

日本でなぜディーゼル乗用車が売られなくなったか？

なぜ売らないのか？

なぜ儲からないのか？

ヨーロッパに売っているではないか？

本当に地球に優しいものを作る技術者倫理売らないから，買えない儲からないから，売らない

排気規制への適合に対するコスト増異なる規制モード，規制値がネック

売れないからである詭弁！

儲けよりも，正義感！

(12)

ディーゼルエンジンの明るい現状

ーもはや出力でもガソリンを凌ぐー

(13)

ディーゼル機関とガソリン機関の熱効率の変遷

50 10 20 30 40

正味熱効率

[%]

1900 1925 1950 1975 2000 2025 1875

ディーゼルエンジン

ガソリンエンジン

0

年代

(14)

各種動力源の熱効率

ガソリン

舶用ディーゼル

1 10 100 10⁴ 10⁵

出力 [kW]

10 20 30 40 50

熱効率[%]

将来ディーゼル

小型ディーゼル燃料

電池

10³

(15)

ディーゼル機関とガソリン機関の比出力の変遷

1900 1925 1950 1975 2000

年代

10 20 30 40 50

2025 60

0

ガソリンエンジン

ディー

ゼルエンジン

比出力

[kW/L]

(16)

ディーゼルとガソリンの性能比較ーターボの効果ー

2000 4000 6000

トルク

[kN • m]

回転速度 [rpm]

出力

[kW]

ガソリンディーゼ

（タール

ボなし）

ディーゼル(ターボ付）

ディーゼル(VGターボ付)

(17)

日米欧のディーゼル乗用車事情

ー廃絶するのは日本だけー

(18)

世界地域ごとのディーゼル車シェアー

(19)

欧州の乗用車におけるガソリンとディーゼルの棲み分け

高級スポーツ性

ディーゼル高級

スポーツ性

ディーゼル

ガソリン

ガソリンガソリン

小型

ガソリン

小型

現在将来

(20)

欧州におけるディーゼル乗用車生産台数と地球温暖化対策

(21)

ダイムラークライスラーが米国にディーゼル乗用車を投入

(22)

カルロス・ゴーンの決断

平成17年 11月26日朝日新聞より

(23)

ーさりげなく驚愕の新技術ー

(24)

長期（97-02)

新長期（05- ) 新短期（03-04)

DPNR DPF

EGR

インタークーラーターボ

コモンレール 0.25

排ガス規制達成のための新技術

0.18

0.027

PM [g/(kW•h)]

2.0 3.38 4.5

NOx [g/(kW•h)]

後処理なしの限界線

SCR

ポスト新長期

酸化触媒

(25)

驚愕のコモンレール

Q_pilot: 1 mm³/st Q_main: 19 mm³/st

0.5 ms 0

4 8

Solenoid current (A)

0 100

200 Nozzle lift (µm)

10 20

30 Injection rate (mm³/ms)

0

(26)

コモンレールによる多段噴射とその効用

パイロット噴射

（黒煙低減）

プレ噴射 (騒音低減）

初期噴射量制御

(騒音，NOx低減）高圧噴射

（PM低減，燃費改善）

後噴射

（PM低減）ポスト噴射 (後処理制御）

噴射率

圧縮行程上死点膨張行程

クランク角度

(27)

通常ディーゼル燃焼と予混合圧縮着火燃焼の併用

従来ディーゼル燃焼 + 後処理

予混合圧縮着火燃焼

トルク

[kN·m]

回転速度

[rpm]

(28)

HCCIと通常ディーゼル燃焼を併用するための噴霧とピストン位置

40˚BTDC 30˚BTDC 20˚BTDC

125˚

(29)

10 8 6 4

0 2

1800 2600

Equivalence ratio, φ

Temperature ［K］

NOx Soot

1400 2200

Unburned B

低酸素・低温ディーゼル燃焼ー超高 EGR による無煙化ー

・低温化によるスート生成の抑制

・着火遅れ増加による予混合化予混合圧縮着火燃焼

・通常燃焼との併用

上死点近傍噴射

高EGRによる着火遅れの確保とノッキングの回避

Knocking

・ノッキング

A

スートとNOxのφ-Tマップ

低酸素・低温ディーゼル燃焼早期噴射の限界

C

C: スーパークリーン領域要は，いかにスーパークリーン領域を広い運転条件で実現できるか

(30)

ディーゼルこそハイブリッド

•

ディーゼル＋ハイブリッド

究極のパワーソースシステム

•

ターボチャージャーの泣き所，加速時の排出ガス改善が可能

•

後処理が困難な低負荷運転を回避可能

(31)

各種自動車の車両効率と総合効率

50

総合効率

(Well to wheel) [%]

CNG車ガソリン車

0 １0 20 30 40 50 60

１0 20 30 40

従来ディーゼル車 TCIディーゼル車

ガソリンHEV

ディーゼルHEV 当面の目標

将来目標

将来予測

FCV/CHG

FC-HEV/CHG

0

車両効率 (Tank to wheel) [%]

(32)

これからの排気浄化の主役

ー排気後処理ー

(33)

酸化触媒（ＰＭキャタコンバーター）

(34)

酸化触媒付きＤＰＦ

2NO + O₂ → 2NO₂

2NO₂ + C →

CO₂ + 2NO

(35)

画期的な

NOx•PM

同時浄化システム ―

DPNR

Exhaust Gas Flow

NOx storage reduction catalyst

Diesel Particulate Filter

Enlarged View

NOx Storage Reduction Catalyst

Diesel Particulate Filter Exhaust

Gas

(36)

DPNR

による

NOx•PM

同時浄化のメカニズム

NOx

Lean Rich

PM

Reduction of NOx HC

CO

H²O N²

NO＋O*

Pt

CO²

Filter substrate

O* O*

CO2

Pt PM

Filter substrate Storage of NOx

NO O²

NO²+O*

Filter substrate Pt

NO+O² CO2

Pt O*

PM NO2

Filter substrate

NOx Storage Catalyst

Continuous oxidation Continuous oxidation

NOx Storage Catalyst

(37)

スーパークリーンディーゼルのシステム構成

Intake air

EGR cooler

Exhaust gas Exhaust port injector

EGR valve

Air fuel ratio sensor

Diesel throttle

Pressure difference sensor

Gas temperature sensor

New common rail system

DPNR catalytic converter

Oxidation catalytic converter

(38)

これからのＪＥ05モード（重量車: 3.5 ｔ以上)

(39)

実害を考えたＮＯｘ規制を！

•

大切なことは環境基準を満たすことではなく，実害を出さないことである

•

実害＝

NO

₂直接

(

沿道

)

・・・・実害小？

光化学スモッグ

(

広域

)

酸性雨

(

地球的規模

) ^・・・・

寄与度小

•

沿道対策には渋滞緩和，道路構造の改善などが重要

•

光化学スモッグには，非メタンＨＣ対策も不可欠

•

ＮＯｘ対策は常にコストアップとＣＯ₂増加に直結

(40)

新たなる試練

― ナノ微粒子 ―

(41)

ナノ微粒子の特性と健康影響

呼吸器系

・健康影響

― ナノ微粒子（50 nm以下）：肺胞部への吸入による沈着率が高い

ディーゼル排気微粒子の粒径分布と沈着率

JCAPⅡホームページより

(42)

解明されつつあるナノ微粒子の正体

•

大部分が揮発成分である

新長期規制対応エンジンでは微量？

寿命が短い？

•

主成分は燃料または潤滑油に近い炭化水素発がん性・有害性は低い

?

•

酸化触媒により激減する

＊今後の検討結果を待つべき

(43)

21 世紀初頭は，

まだまだ石油が中心

(44)

エネルギー供給見通し

2000

生産量（石油換算百万トン）

1000 2000 3000

0

風力

2100 2080

2060 2040

2020

天然ガス石油

石炭水力

光電池

原子力バイオマス

新開発

年代

(45)

エネルギー供給見通し−21世紀の燃料は?

少なくとも 2030 年までは石油の時代は続く

可採埋蔵量の増加＞需要の増加

(46)

ディーゼルエンジンと燃料

ー適材適所の重要性ー

(47)

燃料の製造と

CO

₂

製油所で燃料１

L

を製造する際の

CO

₂発生量

277 g : 150 g

ガソリン軽油

＊ガソリンを

400

万

KL

減らし，軽油を

400

万

KL (

軽油需要量の約

10%)

増やすと製油所からの

CO

₂排出量は最小となる．

現状より

170

万トンの

CO

₂削減可能

(48)

軽油の性状改善

現状軽油に求められる性状

微粒子低減

• 芳香族分，いおう分の低減

• 蒸留温度の低減（軽質化）

後処理（酸化触媒， NOx 吸蔵還元）

• いおう濃度＜

10 ppm (Sulfur free)

(49)

燃料の適材適所利用

• 直留灯油留分をディーゼル用に

• 軽油の重質留分を重油の品質改善に

• 重油から分解灯油（暖房用）の生産

• 天然ガスの暖房への利用

(50)

今後の課題とまとめ

ーさりげなさの重要性ー

(51)

エンジン燃焼技術

排気浄化技術燃料製造技術

三本の矢

制御技術

・自動車会社，石油会社，化学会社の相互協力

・適切な行政指導

・国民の正しい理解

ディーゼルを虐待死させて京都議定書を守れるか?

(2006．1. 14)

ディーゼルを虐待死させて 京都議定書を守れるのか？

ディーゼルエンジンを取り巻く環境

ー 企業戦士の悲哀 ー

これは，粗食に耐えてよく働くという 最高級の賛辞であるが・・・・・・，

どこかの国の企業戦士が家庭に帰っ たときの状況によく似ていませんか？

汚い，臭いとののしられる

ディーゼルエンジンは地上の星！

小さなものから大きなものまで動かす力！

熱効率： 50% に迫る！

ガソリンエンジンは，草を決して食べない 肉食動物というなら・・・

ディーゼルエンジンは，好き嫌いをしない 草食動物である．

・・・・・・・でも決して雑食ではない．

そして，燃料電池は，松坂牛のステーキ しか食べない肉食動物である．

ガソリンエンジンが燃料として求めるもの 高いオクタン価（火が着きづらい）

高い蒸発性

・・・・これらは絶対必須

ディーゼルエンジンが燃料として求めるもの ある程度の着火性

液体燃料

・・・・これらがお好み 燃料電池は，問答無用！

高純度の水素だけ

ディーゼルエンジンは虐待を受けている子供のよう 親はしつけだと言って子供に虐待を加える

＝

子供は虐待に耐えかねて粗相をしてしまう

＝

子供は叱りつけられる

＝

親は虐待に気がついていない

＝

＝

?

トラックの平均寿命：１５０万 km

維持整備に対する意識の低さ

しかし，これが仇になる！

規制浸透の遅れ 既販車対策の重要さ

熱効率が高い

排気温度が低い

排気後処理における触媒が働きづらい

1990

20 世紀末の選択 ― ディーゼルの悲劇 ―

日本でなぜディーゼル乗用車が売られなくなったか？

ディーゼルエンジンの明るい現状

ー もはや出力でもガソリンを凌ぐ ー

50

10 20 30 40

[%]

1900 1925 1950 1975 2000 2025 1875

0

1900 1925 1950 1975 2000

10 20 30 40 50

2025 60

0

[kW/L]

2000 4000 6000

[kN • m]

回転速度 [rpm]

[kW]

日米欧のディーゼル乗用車事情

ー 廃絶するのは日本だけ ー

欧州の乗用車におけるガソリンとディーゼルの棲み分け

欧州におけるディーゼル乗用車生産台数と地球温暖化対策

ダイムラークライスラーが米国にディーゼル乗用車を投入

最新ディーゼルエンジン

ー さりげなく驚愕の新技術 ー

PM [g/(kW•h)]

NOx [g/(kW•h)]

コモンレールによる多段噴射とその効用

クランク角度

通常ディーゼル燃焼と予混合圧縮着火燃焼の併用

従来ディーゼル燃焼 + 後処理

予混合圧縮着火燃焼

[kN·m]

[rpm]

低酸素・低温ディーゼル燃焼 ー 超高 EGR による無煙化 ー

•

•

•

(Well to wheel) [%]

車両効率 (Tank to wheel) [%]

ディーゼルを虐待死させて京都議定書を守れるのか？

ー企業戦士の悲哀ー

これは，粗食に耐えてよく働くという最高級の賛辞であるが・・・・・・，

どこかの国の企業戦士が家庭に帰ったときの状況によく似ていませんか？

ガソリンエンジンは，草を決して食べない肉食動物というなら・・・

ディーゼルエンジンは，好き嫌いをしない草食動物である．

そして，燃料電池は，松坂牛のステーキしか食べない肉食動物である．

ガソリンエンジンが燃料として求めるもの高いオクタン価（火が着きづらい）

ディーゼルエンジンが燃料として求めるものある程度の着火性

・・・・これらがお好み燃料電池は，問答無用！

ディーゼルエンジンは虐待を受けている子供のよう親はしつけだと言って子供に虐待を加える

規制浸透の遅れ既販車対策の重要さ

ーもはや出力でもガソリンを凌ぐー

ー廃絶するのは日本だけー

ーさりげなく驚愕の新技術ー

低酸素・低温ディーゼル燃焼ー超高 EGR による無煙化ー

ー排気後処理ー

) ^・・・・

可採埋蔵量の増加＞需要の増加

ー適材適所の重要性ー

ーさりげなさの重要性ー

排気浄化技術燃料製造技術