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ディーゼルPMの低減 PM低減のための技術概観

  (1) 高圧燃料噴射システム

  ディーゼルエンジンの黒煙を減らすには、短い時間内に燃料を微細な液滴にして燃料と空気との混合気形成を図り、着火遅れ期間や初期燃焼期間に局所的な可濃領域の発生を抑えることと、拡散燃焼期では空気利用率を高めて、初期燃焼で生成されたスス粒子の酸化(=燃焼)を促進することが重要です。

  噴霧の混合気形成に関しては、従来の噴射装置では、機械駆動ジャーク式燃料ポンプが採用されてきましたが、噴射特性がエンジン回転数の影響を受け、特に低速回転高負荷域や噴射終了時に、高い噴射圧力が維持できないため、噴霧の微量化が悪くなって不均質な状態で燃焼が進行して、黒煙の発生が見られました。これを防ぐには、小噴口ノズルで噴射圧力を高くして微粒化を促進することが有効です。

  そこで、各種の高圧噴射システムが研究・開発されてきました。現在代表的なものは、コモンレール式電子制御燃料噴射システムです。

  コモンレール式電子制御燃料噴射システムとは、インジェクターへの燃料経路をコモンレールとして燃料を全気筒分まとめて100MPa以上の高圧にして蓄圧し、ノズル本体に内蔵した電磁弁でノズルのニードルリフトを直接制御するシステムです。コンピューターと各種センサーからなる制御系ユニット、燃料圧送ポンプ、コモンレール、電子制御式噴射ノズルで構成され、コモンレール内に蓄圧された燃料の圧力とノズルから噴射される燃料噴射パターンを低速域から高速域まで全負荷域で、負荷に応じて高い噴射圧力をコントロールすることができます。

  燃料の噴射圧力を高めると燃焼が活発になり窒素酸化物(NOx)は増加するけれども、スス(Soot)などの排気煙(黒煙)の低減には大きな効果があります。

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  (2) 排気ガス再循環システム

  燃料噴射圧力の高圧化によって増加した窒素酸化物(NOx)を低減するには、燃焼温度と酸素濃度を下げることが有効です。そこで、排気ガスの一部を再び吸気に戻す排気ガス再循環EGRが採用されています。ただし、EGRはNOxの低減には効果がありますが、EGR量が増加すると排気煙濃度が増加してしまいます。これは不活性ガスの増加による燃焼の悪化と再循環ガスによる吸気温度の上昇によって吸入空気量が低下することが原因で、これを改善するため、再循環ガスをインタークーラーで冷却するクールEGR方式も採用されています。

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  (3) 予混合化圧縮着火燃焼方式

  予混合化圧縮着火燃焼方式とは、燃料噴射時期を極端に早めた上死点前60度付近で噴射することにより、燃料の拡散を促進して均質な混合気を形成し、着火時の熱炎反応を抑制しようとするものです。この燃焼では、熱炎発生に先立つ冷炎期間では、急激な熱炎反応が抑制されて、低NOxでススの発生しない不輝炎燃焼が実現できます。噴射時期を遅らせるとNOxと排気煙は増加するのに対して、早期噴射では、NOx、排気煙ともに低濃度となります。もっとも、この燃焼方式では、高負荷時のNO生成量は従来のディーゼル燃焼の場合と変わらなくなり、逆に高濃度の炭化水素(HC)の排出傾向の問題点が指摘されています。まだ研究・開発の途上にある技術といえます。

  (4) 排気ガス後処理システム

  コモンレール式電子制御燃料噴射システムや排気ガス再循環EGR、予混合圧縮着火燃焼方式等は、エンジン本体で粒子状物質(PM)や窒素酸化物(NOx)を低減しようとする技術ですが、エンジン本体の工夫だけではまだまだディーゼル排気ガスは十分には浄化されません。そこで、排気系での後処理技術が不可欠となっています。

  窒素酸化物(NOx)対策としては、NOx吸蔵還元触媒や炭化水素(HC)等を還元剤とする選択還元触媒SCR(Selective Catalytic Reduction)が開発されています。

  可溶有機分(SOF)や炭化水素(HC)対策としては、酸化触媒が開発されています。

  黒煙(スス)対策としては、粒子をフィルタで物理的に捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)やフィルタ内で触媒を利用して連続的にススを燃焼(=酸化)する連続再生トラップCRTが開発されています。



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