低温ディーゼル燃焼のポテンシャルと課題

(1)

低温ディーゼル燃焼のポテンシャルと課題

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 1‑49

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.2017.0000015745

(2)

低温ディーゼル燃焼のポテンシャルと課題

北海道大学大学院工学研究科小川英之

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

(3)

10 8 6 4

0 2

1800 2600

Equivalence ratio, φ

Temperature ［K］

NOx Soot

1400 2200

Unburned A

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

Knocking

・ノッキング

・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

C

C: スーパークリーン領域 B

スートとNOxのφ-Tマップ超高EGR

早期噴射の限界

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

(4)

スーパークリーン領域ー後処理に優しい燃焼ー

酸化触媒のみによる後処理が可能

= できる限り DPNR, SCR は使用しないできれば DPF も

・ NOx および ISF は燃焼側で抑える超低 NOx (< 10 ppm)

無煙 (< 0 % in Bosch)

・ SOF, HC, CO は後処理に依存

(5)

Engine specification

Single cylinder

Four-stroke cycle

Direct-injection diesel engine w/ common rail 110 mm in bore diameter, 106 mm in stroke 1,007 cm

³

in stroke volume

14, 16, 18 of compression ratio

Operating conditions

1,320 rpm

22 〜 32 〜 41 mm

³

/stroke of fuel quantity (0.35 〜 0.54 〜 0.73 MPa of IMEP)

80ºC of cooling water temperature

40 〜 120 MPa of fuel injection pressure

Ignition timing: TDC controlled w/ injection timing

供試機関および運転条件

(6)

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能ー一般的特性ー

燃料噴射量 : 32 mm

³

/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

着火時期 : 上死点

(7)

0.4 0.5 0.6

IMEP [MPa]

8 12 16 20

Intake O 2 [%]

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR Unstable

0 20 40

60

EGR rate [%]

50

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC

EGRによる空気過剰率低下と図示平均有効圧および吸気酸素濃度

(8)

1 2 3 Excess air ratio changed w/ EGR

30 20 10 TDC

Injection timing [ºCA BTDC]

Unstable

0 20 40

60

EGR rate [%]

50

Intake oxygen [%]

20 10

20 14

20 18

16 12

5 10 15

CO 2 [%]

EGRによる空気過剰率低下と燃料噴射時期および排気CO₂濃度

(9)

0

1 2 3

0 10

Smoke [% in Bosch]

Excess air ratio changed w/ EGR

NOx [g/(kW·h)]

5 10

5

0 20 40

60EGR rate [%]50 Unstable

20 10

20 14

20 18

16 12

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC EGRによる空気過剰率低下とNOxおよび黒煙

(10)

0 5 10

0 100 200

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR1 2 3

CO [g/(kW·h)]THC [g/(kW·h)]

0 20 40

60

EGR rate [%]

50

20 10

20 14

20 18

16 12

Unstable

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC EGRによる空気過剰率低下とTHCおよびCO

(11)

0 1 2

Excess air ratio changed w/ EGR1 2 3 H 2[%]

20 10

Intake oxygen [%

20 14

Intake oxygen [%

20 18

16 12

0 20 40

60

EGR rate [%]

50

EGRによる空気過剰率低下と排気水素濃度

(12)

0 40 80

PM [mg/m3 ]

0 100 200

PM [mg/(kW i·h)]

EGR: 0%

λ = 2.7 EGR: 30%

λ = 2.2 EGR：62%

λ = 1.0 300

SOF

ISF SOF

ISF

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC EGRによる空気過剰率低下とPM, SOF, およびISF

(13)

Indicated thermal efficiency

Combustion efficiency

70 80 90 100

35 40 45

η c[%]

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR η i[%]

0 20 40

60

EGR rate [%]

50

20 Intake oxygen [%]

20 14

10

20 18

16 12

EGRによる空気過剰率低下と図示熱効率および燃焼効率

(14)

20 30 40

80 90 100

η glh[%]ϕ w[%]

Unstable

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR 0

20 40

60

EGR rate [%]

50

14 10

18 16

12

Cooling loss

Degree of constant volume heat release

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC EGRによる空気過剰率低下とTHCおよびCO

(15)

dP/dθ max [MPa/ºCA]Noise [dB(A)]

90 95 100

0 0.4 0.8 1.2

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR Unstable

0 20 40

60 EGR rate [%]50

14 10

18 16

12

EGRによる空気過剰率低下と機関騒音および圧力上昇率

(16)

EGR 0%

30%

62%

–20 20 40 60

0 4 8

Crank angle [ºCA ATDC ]

Pressure [MPa] ROHR [MJ/(kmol·ºCA]

TDC

Injection duration

62%

EGR = 0%

30%

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC 超高EGRによる低酸素予混合化ディーゼル燃焼の様態

(17)

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能ー燃料噴射量の影響ー

22 〜 32 〜 41 mm

³

/stroke

(0.35 〜 0.54 〜 0.73 MPa of IMEP)

着火時期 : 上死点

(18)

0.3 0.5 0.7

IMEP [MPa]

0.6 0.4

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR

各燃料噴射量における空気過剰率に対する図示平均有効圧

Q_f = 37 mm³/stroke 32 mm³ 27 mm³

Large EGR rate Small

(19)

0 5 10 15

NOx [g/(kW i·h]

Q ^f

[mm³

/stroke]

37 32

27

0 10 20 30 40

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR Large EGR rate Small

Q_f [mm³/stroke]

27 32 37

各燃料噴射量における空気過剰率に対するNOxおよび黒煙

(20)

0 5 10 15 20

0 100 200 300

CO [g /(kW i·h]THC [g/(kW i·h]

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR Q_f [mm³/stroke]

27 32 37

各燃料噴射量における空気過剰率に対するTHCおよびCO

(21)

30 40 50

η i [%]

0 10 20 30 40

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR Q_f [mm³/stroke]

27 32 37

各燃料噴射量における空気過剰率に対する図示熱効率および黒煙

(22)

41mm³/stroke 37 mm³/stroke 0

5 10 15

0 5 10 15

8 12 16 20

0 5 10 15

NOx [g/kW i·h]

Q_f = 21 mm³/stroke

27 mm³/stroke

32 mm³/stroke

41mm³/stroke 37 mm³/stroke

λ < 1

0 2 4

0 5 10

0 10 20

0 20 40

8 12 16 20

0 20 40 60

Smoke [% inBosch]

λ < 1

Q_f = 21 mm³/stroke

27 mm³/stroke

32 mm³/stroke

各燃料噴射量における吸気酸素濃度に対するNOxおよび黒煙

(23)

0 100 200 300

8 12 16 20

0 100 200 300 CO [g/(kW ih)]

37 mm³/stroke

λ < 1

0 10 20

8 12 16 20

0 10 20 THC [g/(kW ih)]

λ < 1

Q_f = 21 mm³/stroke

27 mm³/stroke

32 mm³/stroke

41mm³/stroke

37 mm³/stroke Q_f = 21 mm³/stroke

27 mm³/stroke

32 mm³/stroke

41mm³/stroke

各燃料噴射量における吸気酸素濃度に対するCOおよびTHC

(24)

0.6 0.8

8 12 16 20

0.3 0.4

21 mm³/stroke

27 mm³/stroke 32 mm³/stroke Q_f = 41 mm³/stroke

37 mm³/stroke

IMEP [MPa]

Intake oxygen [%]

各燃料噴射量における吸気酸素濃度に対する図示平均有効圧

(25)

スートと NOxの当量比−温度(φ – T)線図 10

8 6 4

0 2

1800 2600

NOx Soot

1400 2200

Unburned O₂: 21%16%

9%

12%

(26)

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能ー燃料噴射時期の影響ー

燃料噴射量 : 32 mm3/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

(27)

燃料噴射時期に対するNＯxおよび黒煙ー EGR率の影響ー

0 4 8 12

-30 -20 -10 10

0 10 20 30

Smoke [% in Bosch]NOx [g/(kW i·h)]

Injection timing [ºCA ATDC]TDC EGR = 58%

62% 38%

0%

Q_f = 32 mm³/stroke

(28)

燃料噴射時期に対する着火遅れー EGR率の影響ー

0 5 10 15 20 25

-20 -10

Injection timing [ºCA ATDC]

TDC

Ignition lag [ºCA]

58%

EGR = 62%

Injection end –Ignition [ºCA]

0 5 10

-5 -10 0%

Q_f = 32 mm³/stroke

(29)

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能ー燃料噴射圧力の影響ー

燃料噴射量 : 32 mm

³

/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

着火時期 : 上死点

(30)

噴射圧力がNOxおよび黒煙のEGR依存性に及ぼす影響

0 5 10 15

NOx [g/(kW i·h]

0 10 20 30 40 50

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR 20 0

60 40

EGR rate [%]

Intake O16 ₂ [%] 20 9 12

Injection press.:

60 MPa 90 MPa 120 MPa 60 MPa 90 MPa 120 MPa

(31)

噴射圧力が高EGR時のシリンダ内圧力および熱発生率に及ぼす影響

–20 0 20 40 60

0 4 8

TDC

Crank angle [ºCA ATDC ]

Pressure [MPa] ROHR [MJ/(kmol·ºCA]

Injection period

120 MPa 80 MPa 40 MPa 6

2

(32)

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能ー圧縮比の影響ー

燃料噴射量 : 32 mm

³

/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

着火時期 : 上死点

(33)

上死点着火のための燃料噴射時期と圧縮比

24 18 12 6

Injection timing [˚CA BTDC]

1 2 3

60 40

EGR rate [%]

Intake O16 ₂ [%] 20 9 12

ε 18 16 14 Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC

(34)

10 5 0

0

圧縮比がNOxおよび黒煙のEGR依存性に及ぼす影響

10 20 30

EGR rate [%]

20 40

60

16 9 12

1 2 3

Excess air ratio changed w/ EGR 0

Intake O₂ [%]

20 NOx [g/(kW i·h]Smoke [% in Bosch]

ε 18 16 14

ε= 18 16

14

(35)

高EGR運転時の図示平均有効圧に対する図示熱効率および黒煙

35 40 45 50 η i[%]

ε = 16 ε = 18

ε = 14

0.4 0.6 0.7 0

10 20

IMEP [MPa]

ε= 18

ε= 16 ε= 14 0.5

0.3

EGR = 55％〜 65％ Ignition timing: TDC

(36)

10 8 6 4

0 2

1800 2600

NOx Soot

1400 2200

Unburned

C

C: スーパークリーン領域スートとNOxのφ-Tマップ

Knocking

今後の予定

以下の各因子の影響

・セタン価

・燃料蒸留特性

・ ETBE混合軽油

・不活性ガスの組成低酸素ディーゼル燃焼

(37)

1. 大量コールドEGR：排気特性は吸気酸素濃度に強く依存 NOx: 15%以下: ゼロレベル

黒煙: 16％以下: 増加が顕著 12%以下: 減少に転ずる

9%以下: ゼロレベル

COおよびTHC: 12%以下: 増加が顕著燃焼効率の低下

まとめ 1

2. 二分の一負荷(図示平均有効圧： 0.54 MPa)以上：

吸気酸素濃度：9% λ < 1 COおよびTHCの大幅悪化均一予混合化促進が重要

4. 燃焼効率低下と冷却損失減少が相殺図示熱効率悪化小 3. SOFはかなり排出

5. 機関騒音: 低減する

(38)

6. 排気特性の吸気酸素濃度の依存性基本的に噴射時期によらない

まとめ 2

7. 無煙となる多くの場合着火：燃料噴射終了後

低温酸化反応をともなう予混合圧縮着火の様態無煙化には予混合化が不可欠

8. 高EGR時の黒煙と燃焼効率のトレードオフ: 広い噴射時期範囲 9. 排気特性の吸気酸素濃度の依存性

基本的に噴射圧力によらない無煙となるEGR率: 10%

ただし，噴射圧力が高いほど黒煙濃度は低くなる

10. 低圧縮比化高EGR率時の黒煙減少，無煙となる範囲拡大着火遅れの増加による予混合化＋温度レベル低下

ただし，燃焼効率が低下する

(39)

燃料噴射時期に対するTHCおよびCO ー EGR率の影響ー

0 2 4 6 8 10

0 50 100 150

-30 -20 -10 10

CO [g/(kW i·h)]THC [g/(kW i·h)]

Injection timing [ºCA ATDC]TDC 58% 38%

0%

EGR = 62%

Q_f = 32 mm³/stroke

(40)

噴射時期に対する図示熱効率および燃焼効率ー EGR率の影響ー

80 90 100

-30 -20 -10 10

35 40 45 50

η c[%]η i[%]

TDC EGR = 62%

58% 38%

0%

EGR = 62%

58%

38%

0%

Q_f = 32 mm³/stroke

Combustion efficiency

(41)

噴射時期に対する冷却損失および等容度ー EGR率の影響ー

20 30 40

-30 -20 -10 10

80 90 100 ϕ w[%]

TDC η glh[%]

58%

38%

0%

EGR = 62%

Q_f = 32 mm³/stroke

(42)

噴射圧力が高EGR時のNOxおよび黒煙に及ぼす影響

0 5 10

20 40 60 80 100 120 0

5 10 15

Injection Pressure [MPa]

Smoke [% in Bosch]NOx [g/(kW i·h]

(43)

噴射圧力が高EGR時のTHCおよびCOに及ぼす影響

0 10 15

0 100 200

20 40 60 80 100 120 Injection Pressure [MPa]

CO [g/(kW i·h]THC [g/(kW i·h]

5

(44)

噴射圧力がTHCおよびCOのEGR依存性に及ぼす影響

0 10 20

0 100 200 300

1 2 3

60 40

EGR rate [%]

Intake O16 ₂ [%] 20 9 12

60 MPa 90 MPa 120 MPa 60 MPa 90 MPa 120 MPa

(45)

–20 20 40 60 0

4 8

0 4 8

TDC

Pressure [MPa]

Crank angle [ºCA ATDC]

ROHR [MJ/(kmol•ºCA]

Q_f [mm³/stroke] (O₂) 32 ( 9.5%) 37 (10.0%) 41 (11.2%)

6

2

Injection duration

Q_f = 32 37

41

各燃料噴射量における量論比近傍低酸素ディーゼル燃焼

(46)

噴射時期が高EGR時のシリンダ内圧力および熱発生率に及ぼす影響

–20 0 20 40 60

0 4 8

Pressure [MPa]

TDC ROHR [MJ/(kmol·ºCA]

Injection timing 28ºCA BTDC 18ºCA BTDC 10ºCA BTDC Injection period

6

2

EGR = 62%, Q_f = 32 mm³/stroke

(47)

圧縮比がTHCおよびCOのEGR依存性に及ぼす影響

0 5 10 15

0 50 100 150 200

1 3

Excess air ratio changed w/ EGR2

EGR rate [%]

20 40

60

16 9 12

0

Intake O₂ [%]

20

ε 18 16 14

(48)

圧縮比が図示熱効率および燃焼効率のEGR依存性に及ぼす影響

35 40 45 50

70 80 90 100 η c[%]η i[%]

1 3

Excess air ratio changed w/ EGR2 EGR rate [%]

20 40

60

16 9 12

0

Intake O₂ [%]

20

Q_f = 32 mm³/stroke Ignition timing: TDC Indicated thermal efficiencyCombustion efficiency

ε 18 16 14

(49)

圧縮比が冷却損失および発熱の等容度のEGR依存性に及ぼす影響

20 30 40

80 90 100 η glh[%]ϕ w[%]

1 3

Excess air ratio changed w/ EGR2 EGR rate [%]

20 40

60

16 9 12

0

Intake O₂ [%]

20

18 16 14

(50)

圧縮比が高EGR時のシリンダ内圧力および熱発生率に及ぼす影響

–20 0 20 40 60

0 4 8

Pressure [MPa] ROHR [MJ/(kmol·ºCA)]

TDC ε= 16

ε = 14 ε= 18

6

2

低温ディーゼル燃焼のポテンシャルと課題

低温ディーゼル燃焼のポテンシャルと課題

北海道大学大学院工学研究科 小 川 英 之

酸化触媒のみによる後処理が可能

= できる限り DPNR, SCR は使用しない できれば DPF も

・ NOx および ISF は燃焼側で抑える 超低 NOx (< 10 ppm)

無煙 (< 0 % in Bosch)

・ SOF, HC, CO は後処理に依存

Engine specification

Single cylinder

Four-stroke cycle

Direct-injection diesel engine w/ common rail 110 mm in bore diameter, 106 mm in stroke 1,007 cm

in stroke volume

14, 16, 18 of compression ratio

Operating conditions

1,320 rpm

22 〜 32 〜 41 mm

/stroke of fuel quantity (0.35 〜 0.54 〜 0.73 MPa of IMEP)

80ºC of cooling water temperature

40 〜 120 MPa of fuel injection pressure

Ignition timing: TDC controlled w/ injection timing

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能 ー 一般的特性 ー

燃料噴射量 : 32 mm

/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

着火時期 : 上死点

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能 ー 燃料噴射量の影響 ー

22 〜 32 〜 41 mm

/stroke

(0.35 〜 0.54 〜 0.73 MPa of IMEP)

着火時期 : 上死点

0.6 0.8

8 12 16 20

0.3 0.4

IMEP [MPa]

Intake oxygen [%]

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能 ー 燃料噴射時期の影響 ー

燃料噴射量 : 32 mm3/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能 ー 燃料噴射圧力の影響 ー

燃料噴射量 : 32 mm

/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

着火時期 : 上死点

EGR による空気過剰率（吸気酸素濃度）

低下時の排気特性および機関性能 ー 圧縮比の影響 ー

燃料噴射量 : 32 mm

/stroke

(IMEP: 0.54 MPa)

着火時期 : 上死点

北海道大学大学院工学研究科小川英之

= できる限り DPNR, SCR は使用しないできれば DPF も

・ NOx および ISF は燃焼側で抑える超低 NOx (< 10 ppm)

低下時の排気特性および機関性能ー一般的特性ー

低下時の排気特性および機関性能ー燃料噴射量の影響ー

低下時の排気特性および機関性能ー燃料噴射時期の影響ー

低下時の排気特性および機関性能ー燃料噴射圧力の影響ー

低下時の排気特性および機関性能ー圧縮比の影響ー