バイオディーゼル燃料によるポスト新長期規制適合
エンジンの排出ガスへの影響
Effect of Biodiesel Fuel on Emissions from PNLT Diesel Engine
北村 高明*1
Takaaki KITAMURA
松浦 賢*2
Ken MATSUURA
Abstract
An engine testing was conducted to investigate the impact of biodiesel on fuel
consumption, exhaust emissions and SCR catalyst performance using a PNLT HD diesel engine fitted with a DPF and urea-SCR system. The fuel was a B20 blend of a palm oil methyl ester-based biodiesel (PME) and ultra-low sulfur diesel. Using B20 slightly increases engine-out NOx emission and decreases the NOx reduction of SCR. This results in a 6 to 43% increase in tailpipe NOx emissions, depending on emission test cycles. The SCR performance
degradation with B20 is most likely to be caused by the decreased NO2/NO molar feed ratio
due to the suppression of in-cylinder NO oxidation by the reduced flame temperatures.
1. はじめに
地球温暖化防止やエネルギセキュリティに対す る施策として再生可能エネルギへの転換の諸施策 が世界的に進められている中，脂肪酸メチルエス テル（以降，FAME：Fatty Acid Methyl Ester） を利用するバイオディーゼル燃料は自動車用燃料 としての利用が拡大している． 一方，FAMEは二重結合を持つ，蒸留性状が重 質，酸素分を含む等の点で軽油と品質が異なって おり，特にFAMEの高濃度混合利用においては， NOx等排出ガスの増加やインジェクターデポジ ット発生等の多くの懸念点がある． 本研究は，NOx後処理装置として尿素SCRシス テムを搭載する最新のポスト新長期規制適合ディ ーゼルエンジンを用いたエンジン台上試験等によ り，排出ガス特性の観点から高濃度FAME混合燃 料の課題を明らかにすることを目的とする． 2. 実験方法 2. 1 エンジン台上試験 Table1に供試エンジンの主要諸元を示す．排気 量7.5Lの直列6気筒ディーゼルエンジンであり， 後処理装置の構成はDOC/DPF/SCR/ASCとなっ ている．本試験では新品触媒を使用し，実車と同 等のレイアウトになるよう，ターボ出口から約 1500mm離れた位置に後処理装置を設置した． エンジン台上試験は，JE05モードおよび東京都 実走行モード（No.5/8/10）の過渡排出ガス試験と JE05代表点における定常燃焼解析を行った．なお， JE05試験では調整運転を定格・全負荷条件（F/F） と80kph走行条件の2通りとし，ディーゼル重量車 用車速変換プログラム1)を使用して各試験モード のエンジン回転数・負荷率条件を求めた．
Table 1 Engine specifications
Displacement Engine type FIE Aspiration system Bore/Stroke Compression ratio Rated power Max torque Emission regulation 7,545 cm3
In-line 6cylinders, DI diesel, 4stroke cycle Common-rail system
Turbocharger with intercooler φ118 mm x 115 mm 16.0
199 kW / 2500 rpm 785 Nm / 1100 ~2400rpm Post new long-term (JP09) DOC/DPF/SCR/ASC ATS
2. 2 定容燃焼容器試験
定容燃焼容器を用いた単発燃料噴射試験におい JARI Research Journal 20140501 【研究速報】
＊1 一般財団法人日本自動車研究所 エネルギ・環境研究部 博士(工学)
て画像二色法によるディーゼル火炎温度解析（ナ ックイメージテクノロジー社のMEMRECAM fx K4，解析ソフトウエアを使用）を行った．本燃焼 容器では，予め，アセチレン／酸素／窒素から構 成される希薄予混合気を所定の密度になるよう充 填し，それを火花点火燃焼させ，圧縮上死点付近 に相当する高温・高圧雰囲気を生成する． 試験条件は，過渡排出ガス試験で比較的使用頻 度の高い低速・部分負荷条件を想定し，雰囲気温 度950K，雰囲気密度19.5kg/m3，雰囲気酸素濃度 17%，レール圧100MPa，噴射パルス幅1.058ms （B0使用時75mm3/inj）とした．なお，噴射ノズ ルはエンジン試験と同等品を用いた． 2. 3 供試燃料 供試燃料はB0とB20の2種類を基本とし，一部 の試験ではB10およびB100も使用した．B0は硫黄 分が4massppmの認証試験用軽油を使用し，B100 は飽和脂肪酸メチルエステル（C16:0，C18:0）が 主要構成成分であるPMEを使用した． Table2に主たる燃料性状を示す．B20では，セ タン価がB0より1程度大きくなる他，エンジン制 御に影響をもたらす単位体積当たりの低位発熱量 がB0よりも1.5%程度低下する．
Table 2 Test fuel
0.8751 g/cm3 5.644 mm2/s 1 massppm 76.2 mass% 11.2 mass% 37,050 J/g Biodiesel (PME) 12.4 mass% 237.5 °C 323.0 °C 327.0 °C 334.5 °C 340.5 °C Density at 15°C Kinematic viscosity @ 30°C Sulfur content Carbon content 0.8287 g/cm3 3.367 mm2/s 4 massppm 86.1 mass%
Test fuel Diesel (B0)
Hydrogen content 13.8 mass% Oxygen content <0.1 mass%
Lower heating value 42,940 J/g IBP 174.5 °C T10 215.5 °C T50 269.0 °C T90 329.5 °C EP 352.5 °C Distillation 0.8373 g/cm3 3.668 mm2/s 3 massppm 84.0 mass% 2.3 mass% 41,850 J/g Biodiesel (B20) 13.6 mass% 183.0 °C 227.5 °C 283.5 °C 329.5 °C 344.5 °C 64.7 Cetane number 54.4 55.5 32,422 J/cm3 35,584 J/cm3 35,041 J/cm3 3. 実験結果 3. 1 高濃度バイオ燃料の燃費・排出ガス特性 Fig.1に，CANalyzerを用いて取得したJE05モ ード試験時のECU情報（エンジン回転数，アクセ ル開度，指示燃料噴射量）を示す．B0とB20でエ ンジン制御値は概ね同じであり，本試験では燃料 の違いによるエンジン制御状態の変化は見られな かった． 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 A c c el er at or [ % ] B0 B20 500 1000 1500 2000 2500 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 N e [ rpm ] B0 B20 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Qf /Q f_m ax [%]
Time after start of JE05 test cycle [s]
B0 B20
Fig. 1 Engine control values during JE05 test cycle
Fig.2に，各試験サイクルにおけるエンジンアウ トエミッションおよび燃費をB0に対する相対値 として示す．高濃度バイオ燃料使用時にはエンジ ンアウトNOxが数%オーダーで増加し，エンジン アウトCOおよびSootは顕著に減少した．また， 低 位 発 熱 量 の 低 下 に 起 因 し てBSFC(g/kWh)は B20で2～3%増加するが，投入熱量ベースに換算 したBSEC(J/kWh)では各燃料とも同等の数値と なり，燃料によって熱効率に違いはなかった． 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 B S E C [ -] B20/B0 1.03 1.04 1.05 1.04 1.04 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 E ng -out N O x [ -] B20/B0 0.81 0.86 0.83 0.83 0.81 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 E ng -out C O [ -] B20/B0 0.88 0.97 1.02 0.98 1.01 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 E ng -out T H C [ -] B20/B0 0.81 0.82 0.87 0.77 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 E ng -out S oot [ -] B20/B0 no data 1.03 1.02 1.02 1.03 1.02 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 BS F C [-] B20/B0
Fig. 2 Engine-out emissions, BSFC and BSEC
Fig.3に，各試験サイクルにおけるテールパイプ
（B0との差）を示す．B0と比較すると，B20では SCR触媒のNOx浄化率が2pt前後低下する傾向を 示し，エンジンアウトNOxの増加との相乗効果に より，テールパイプNOxは6～43%増加する結果 となった． 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 N2 O [g /k W h ] B0 B20 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 NH 3 [g/ k W h] B0 B20 -0.5 -1.9 -2.2 -2.1 -1.5 -5 -4 -3 -2 -1 0 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 N O x r e duc ti on [pt ] B20-B0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 N Ox [ g /k W h ] B0 B20 B20/B0 =1.06 1.20 1.33 1.43 1.29
Fig. 3 Tailpipe emissions and NOx removal efficiency
Fig.4に，SCRのNOx浄化性能に影響を及ぼす NO2/NOx比について，エンジンアウトおよびSCR 入口で測定した結果を示す．これまでの報告2)と 同様に，高濃度FAME混合燃料では，エンジンア ウトの時点でNO2/NOx比が低下し，それに伴い DOC通過後のSCR入口NO2/NOx比も低下傾向を 示す．すなわち，B20使用時のNOx浄化率低下の 一要因として，SCR触媒へのNOとNO2のモル供 給バランスの変化が考えられる． 61 50 45 51 60 58 49 44 50 59 40 45 50 55 60 65 70 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 S C R -in N O2 /N Ox [ % ] B0 B20 19 21 18 15 17 18 15 13 0 5 10 15 20 25 30 JE05 (F/F) JE05 (80kph) TK5 TK8 TK10 E ng -out N O2 /N Ox [ % ] B0 B20 no data
Fig. 4 NO2/NOx ratio at engine-out and SCR inlet
Fig.5に，JE05(80kph)試験における瞬時NOx 排出量等の時系列変化を示す．上から3段目の SCR触媒へのNOとNO2のモル供給バランスに着 目すると，燃料に関わらず各ショートトリップの 加速走行時に当該バランスが崩れてNO2不足状態 となり（最後の高速トリップ走行時はNO不足状 態にもなる），そこでNOxが多く排出されている． B20使用時はNO2不足時のピークNOx量が増加し ていることから，B20で起こるSCR性能低下は NO2/NOx比の低下に起因すると考えられる．一方， 本試験ではSCR入口温度がB0とB20で大きく変 わらず，尿素噴射量は両燃料間で同等であった． 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 150 170 190 210 230 0 50 100 -3 0 3 6 9 12 15 0 1 2 3 4 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 B20 B0 10g JE05 (80kph)
Fig. 5 Temporal change in tailpipe NOx, SCR inlet
NO2/NOx ratio, SCR inlet temperature and urea quantity
次に， JE05(F/F)試験においてFAME混合濃度 が排気温度および未規制物質排出量に及ぼす影響 を調べた．Fig.6に示す通り，B20まで混合濃度を 高めると，排気温度の低下やPN，アルデヒド類等 の未規制物質排出量の増加が見られた． 5.E+09 6.E+09 7.E+09 8.E+09 9.E+09 1.E+10 0 5 10 15 20 25 P N [ #/ kW h ]
FAME content [mass %]
JE05 (F/F) 180 190 200 210 220 0 5 10 15 20 25 E xh au st t em p . [° C]
FAME content [mass %]
JE05 (F/F) DPF inlet SCR inlet 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 A ld eh yd es [m g /kW h ]
FAME content [mass %]
JE05 (F/F) HCHO CH3CHO 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 P A H s [ ng/ k W h]
FAME content [mass %]
JE05 (F/F)
Pyrene Fluoranthene
3. 2 高濃度バイオ燃料の燃焼特性 B20使用時の排気温度およびエンジンアウト NO2/NOx比の低下要因を明らかにするため，B0 とB20の燃焼特性を調べた．Fig.7に，JE05代表 点（低負荷と中負荷の2条件）のエンジン筒内圧 力および熱発生率の時間履歴を示す．エンジン負 荷条件に関わらず，B20使用時に燃焼ガス温度に 影響を及ぼす程の熱発生率形状や燃焼位相の変化 は起こっていない．ただし，燃焼質量割合が50% （MFB50）および90%（MFB90）になる位置を 比較（Fig.8参照）すると，B20では低位発熱量の 低下に伴い燃焼が若干早く終わる特徴を有してお り，B0よりもMFB90が少し進角する結果（排気 温度低下要因）が得られた． -20 -10 0 10 20 30 Ne=1250rpm, Qf=34mm3/st B0 B20 -20 -10 0 10 20 30 Ne=1250rpm, Qf=72mm3/st B0 B20
Fig. 7 Temporal change in in-cylinder pressure and ROHR
B0 B20 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20
Fig. 8 Combustion phasing
次に，燃料の違いが火炎温度に及ぼす影響を調 べた．Fig.9およびFig.10は，容器試験において画 像二色法により得られた火炎温度等の時系列変化 である．B100で顕著に見られる様に，FAME混合 濃度を高めた場合には火炎温度およびKL値がB0 よりも低下傾向を示す（排気温度低下要因＋NO 酸化速度低下要因）． TASI [ms] 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.5 3.0 B0 B20 B100
Pinj=100MPa, τinj=1.058ms (75mm3@B0),
Xo2=17%, Ta=950K, ρa=19.5kg/m3 NL Temp NL Temp NL Temp
Fig.9 Images of natural luminosity and flame temperature distribution for B0, B20 and B100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 KL TASI [ms] B0 B20 B100 Pinj=100MPa, Xo2=17% 2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 F lam e t em p . [K ] TASI [ms] B0 B20 B100 Pinj=100MPa, Xo2=17% B0 B100 B20 B0 B100 B20
Fig. 10 Temporal change in flame temperature and KL
4. まとめ 尿素 SCR システムを搭載するポスト新長期規 制適合ディーゼルエンジンを用いたエンジン台上 試験等により，排出ガス特性の観点から高濃度バ イオディーゼル燃料の課題を検討した． (1) B20 使用時はエンジンアウト NO2/NOx 比の 低下に起因して，SCR 触媒の NOx 浄化率が 2pt 前後低下し，エンジンアウト NOx の増加 との相乗効果により，テールパイプNOx 排出 量はB0 比で最大 43%増加した． (2) B20 まで FAME 濃度を高めると，排気温度の 低下およびPN，アルデヒド類等の未規制物質 排出量の増加が生じる． (3) B20 使用時の排気温度低下の要因は，燃焼終 了時期の進角と火炎温度の低下が考えられる． (4) B20使用時のエンジンアウトNO2/NOx比の低 下要因は，火炎温度低下による筒内でのNO酸 化抑制が考えられる． 参考文献
1) 国土交通省：http://www.mlit.go.jp/ jidosha/ sesaku/ environment /osen/2_osenj.htm
2) Mizushima, N. et al.：Effect of Biodiesel on NOx Reduction Performance of Urea-SCR system，SAE Paper 2010-01-2278 (2010)
