Presentation title 燃焼制御によるディーゼル排出ガ …2009/01/17 Presentation slides of Doctor thesis Kusaka Laboratory Background and Motivation (2) 4 / 60 排気後処理装置の浄化性能向上を実現する燃焼制御

2009/01/17

Presentation slides of Doctor thesis

Kusaka Laboratory

Presentation title　

燃焼制御によるディーゼル排出ガス中のNOｘ組成の制御法とその活用に関する研究

高田　圭

早稲田大学理工学部機械工学科

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Study on the Control Methods of NOx Component in Diesel Exhaust by Combustion Control and its Application

博士論文研究発表(公聴会)

Keishi TAKADA

2009/01/17


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Contents 2 / 60

>論文の構成

>本論文で取り組んだ研究内容

>研究背景および目的

>結論および今後の研究の発展性

・NOx組成がUrea-SCRシステムのNOx浄化特性に与える影響

・汎用数値流体解析コードによるディーゼル燃焼解析の妥当性に関する検討

・燃焼制御による燃焼特性およびNOx排出特性の変化に関する数値解析

・多段噴射によるNOx組成コントロールの可能性に関する検討

・NOx組成コントロールのUrea-SCRシステムへの適用

>従来研究

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Background and Motivation (1) 3 / 60

ディーゼルエンジンからのNOx排出量低減に対する要求ディーゼルエンジンの排出ガス

PM e

mis

sion

NOx emission

Combustion improvement

Aftertreatment

Fig. Conceptual figure of diesel emission standards

後処理装置の浄化効率を最大限高めるための燃焼制御が求められる

特に低減が困難なNOxを対象とし,詳細な燃焼解析を実施して燃焼制御によるNOx排出量、NOx組成の変化を把握し,後処理装置の性能向上を狙った燃焼制御について検討

>浄化効率は排気温度，組成によって変化>DPFによる重量ベースのPM低減率は約100%．

NOxとPMの同時低減が困難

ディーゼルエンジンの排気後処理装置

>NOx低減率は高くても80‐90%程度

燃焼制御技術と排気後処理技術を組み合わせた低公害化が進められる

大幅な低公害化が達成されているが，更なる改善が依然として求められている

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Background and Motivation (2) 4 / 60

排気後処理装置の浄化性能向上を実現する燃焼制御検討対象　-　‘Urea-SCRシステム’

排出ガス中に尿素水を添加し，生成したアンモニア(NH3)を触媒上に吸着させ，排気中のNOxをNH3との間で生ずる還元反応により，窒素と水にして無害化する触媒システム

Urea-SCR システムの長所と短所高いNOx浄化率，貴金属使用量の低減，硫黄に対する強い耐性，燃費のロスが無い，etc．

長所

短所尿素タンク，噴射装置による装置の大型化，インフラの整備，NH3スリップ発生の懸念，触媒低温時の浄化率の低下，etc．

Exhaust gas

NH3NOx

N2 H2O

Ammonia Injection

Catalyst layer

Clean gas

*Ref. http://www.chuden.co.jp/

NOx組成が浄化率に大きく影響する特徴

浄化率を向上させるためのNOx組成を実現する燃焼制御

燃焼制御によるNOx生成過程の変化に関する数値解析検討手法　–　詳細な化学反応計算と多次元の数値流体解析のカップリング

近年のディーゼルエンジンの燃焼過程を表現する，さらには排出ガス生成過程を詳しく解析するためには，素反応過程を考慮することが重要だと考えられている．

汎用数値流体コードを用いて，精度よくディーゼル燃焼解析を実施する手法を確立し，燃焼制御によるNOx生成過程の変化について数値解析による詳細な検討を実施

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Previous Studies (1) 5 / 60

Urea-SCRシステムに関する従来研究

その他の研究

エンジンシステム，あるいはSCRシステムの性能評価

反応メカニズムの調査

Koebel, et al.(Paul Scherrer Institute)

低温におけるNOx還元反応機構，HNCOの加水分解特性とNO2による反応の阻害，Fe-ZSM触媒における反応，NO2割合と浄化特性など

　　　Tronconi, et al.(Politecnico di Mirano)

Standard SCRとFast SCRの反応メカニズム，反応モデリング，NO2割合の変化に対するNOx浄化率[バナジウム系触媒，ゼオライト系触媒]など

　　　York, et al.(Johnson Matthey)

2種類の触媒を用いた過渡モード試験，ドーナツ状触媒システムの使用，3種類のDOCを用いた際の浄化率調査，システム耐久性評価など

Tenisson, et al.　　　(Ford)

乗用車用SCRシステムを用いた過渡試験モード(US FTPモードなど)走行時の性能評価など

　　　　　鈴木ら(交通安全環境研究所)

Urea-SCR使用車両からのNO2の排出特性，N2Oの排出特性など

ディーゼル燃焼の数値解析に関する従来研究

数値解析の利用

素反応機構の

構築，修正

素反応機構

に関するもの

Curran, et al.(LLNL)

n-heptaneの詳細化学反応機構(化学種数560，素反応数2537)を構築し

着火特性の評価の検証等を実施

Patel, et al.(ERC)

n-heptaneの簡略素反応機構(化学種数29，素反応数52)を構築し，

パラメータの修正等を行って予測精度向上を実現

三好(東京大学)

素反応機構の自動生成プログラムKUCRSを開発し，複数の化学種に

対する素反応機構の着火特性を検証

Yamauchi, et al.(Osaka City Univ.)

化学種の濃度履歴などを考慮した素反応機構の自動簡略化プログラムASRTを開発

Opat, et al.(ERC)

低温燃焼(LTC)時のCO，HC排出量の増加について，解析結果と筒内

可視化試験の結果を比較して考察を実施

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Previous Studies (2) 6 / 60

燃焼制御によるディーゼル排出ガスの低公害化に関する従来研究

上死点近傍噴射と多量EGRにより燃料と空気の混合を促進するPCI燃焼法について検討，従来燃焼との切替方法について検討

Shimazaki, et al.(Isuzu Adv. Eng. Center)

EGRによるNOx低減メカニズム

燃料と空気

の混合促進，

燃焼の低温化を

伴う燃焼法

過給とEGR青柳ら

(新エィシーイー)500ｋPa(abs)の吸気圧力を実現可能なシステムで，全負荷条件においても30%以上の高EGR燃焼を実現し，NOxとPMの同時低減を達成

Kimura, et al.(NISSAN)

膨張行程時の燃料噴射により着火遅れを長期化し低公害化を実現するMK燃焼コンセプトを提案

Akihama, et al.(Toyota Central R&D)

EGR割合を高めていくにつれ，Smoke濃度が増加した後に再び低下し

無煙となる無煙低温燃焼の運転領域があることを示す

Ladommatos, et al.(Brunel Univ.)

吸気酸素濃度低減の影響と比熱の変化の影響を分離するため，HeとArの混合ガスで吸気を希釈した燃焼を実施

NOx組成と排気後処理装置の浄化率に関する従来研究

貴金属の担持されていない触媒に対するNO，NO2の吸蔵特性を調査し，NO2の吸蔵(吸着含む)特性の高さを報告

田中ら(トヨタ自動車)

LNT，NSR

DPF, CSF

DOCDepres, et al.

(Paul Scherrer Institute)Pt系DOCによるNOからNO2への酸化特性をO2濃度，NO濃度をパラメータとした実験により調査

Cooper, et al.(Johnson Matthey)

排気中のNO2により，O2と比べて大幅に低い温度からPMを連続的に

酸化する作用があることを報告

Messerer, et al.(Tech. Univ. of Munich)

O2濃度，NO2濃度をパラメータとした試験によりこれらがSoot酸化速度に

与える影響を調査

Mahzoul, et al.(Univ. de Haute-Alsace)

Pt量，Ba量の違い，O2共存の有無によるNOとNO2の吸蔵特性を調査，NO2の吸蔵特性の高さを報告

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Outline of Doctor Thesis 7 / 60

第1章　序　論

第2章　NOx組成がUrea-SCRシステムの

NOx浄化特性に与える影響

第3章　汎用数値流体解析コードによる

ディーゼル燃焼解析の妥当性に関する検討

第4章　燃焼制御による燃焼特性および

NOx排出特性の変化に関する数値解析

第5章　多段噴射化によるNOx組成コントロール

の可能性に関する検討

第6章　NOx組成コントロールの

Urea-SCRシステムへの適用

第7章　結　論

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第2章

NOx組成がUrea-SCRシステムのNOx浄化特性に与える影響

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9 / 60Outline of ‘Urea-SCR System’

Overall SCR reaction4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O

―　(1)　Standard SCR reaction― (2)　NO2 SCR reaction

―　(3)　Fast SCR reaction2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O

Urea decomposition(NH2)2CO → HNCO + NH3 HNCO + H2O→ NH3 + CO2- Pyrolysis - Hydrolysis

Urea-SCR システムで起こる主要な化学反応

Fast SCR reactionが他の反応式と比較して速く進むため，NOx組成により浄化率が変化する．

NOx組成の変化によるUrea-SCRシステムのNOx浄化特性の変化について詳細な調査を実施し，NOx組成コントロールの重要性を明確にする

本章の目的

Urea-SCR システムの浄化率改善手法

尿素の分解促進や低温活性の向上といった方法以外に，上記の特性を利用するためSCR触媒前方の酸化触媒の容量，貴金属担持量の最適化が複数例，報告されている．

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Experimental Apparatus 1 - Engine Test Bench - 10 / 60

Air flow meterFuel tank

Fuel consumption meter

Dynamometer

RadiatorTurbocharger

Intercooler

MEXA4000FT MEXA9100DEGR

Rotary encoder

Common rail

Exhaust gas analyzer

Urea-SCR system

Engine specificationsEngine type : 4-cycle, DOHC, DICylinders : In-line 6Bore x Stroke : 115 x 125 mmSwept volume : 7.8 LAspiration : Turbocharged

MEXA-9100DEGR

MEXA-4000FT

Fourier Transform Infrared spectrometer (FT-IR)

NOx – Chemiluminescence CO, CO2 – Non-Dispersive Infrared Detection (NDIR)THC – Flame Ionization Detection (FID)

Measuring method

実験装置

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Experimental Apparatus 2 - Urea-SCR System Layout -

Pre-oxidation catalyst (×2)

Exhaust gas

Bypass line

Catalyst line

Valve

Modification

2. Bypass line1. Pre-oxidation catalyst

3. Two valves

3 4 5 6 7

2 1

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Urea Injector

Urea tank(32.5 wt% urea-solution)

本研究で用いたUrea-SCRシステムのレイアウト

(Cell density : 400 cpsi, Catalyst volume : 22.6 LZeolite SCR catalyst

Base system酸化触媒を通過するガスの流量をコントロールして,NOx組成を制御可能としたレイアウトを採用した．

catalyst

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Definition of ‘ NO2/NOx ’

Exhaust gas

NO, NO2, N2O

NOx

trace quantity

NO2/NOx = NO2

NO + NO2

Load %NO2/NOx

with Pre-Oxi. cat. w/o Pre-Oxi. cat.

20 0.143 0.131

40 0.536 0.071

60 0.574 0.023

80 0.374 0.020

NO 100% NO2 0% - NO2/NOx = 0.0

NO 50% NO2 50% - NO2/NOx = 0.5

NO 0% NO2 100% - NO2/NOx = 1.0

NO NO2

NOx組成を表現するパラメータNO2/NOxの定義

NOx組成を示すパラメータNO2/NOxを定義し，以降この値を用いてデータを整理する．

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Effect of NO2/NOx on NOx Reduction

触媒温度が低い条件，および触媒容量が小さなシステムにおいてNOx組成のコントロールが特に有効に作用し，未還元のNOxは6 – 21 %まで大幅に削減することが可能

13 / 60

0

20

40

60

80

100

NOx reduction performanceCatalyst temperature : 450 K

S. P. 4 S. P. 7

43.0% 92.6% 60.1% 91.8%

NOx reduction

100

13

100

21Nor

mal

ized

NO

xem

issi

on %

0

20

40

60

80

100

NOx reduction performanceCatalyst temperature : 500 K

S. P. 4 S. P. 7

72.7% 97.4% 90.6% 99.4%

NOx reduction

100

10100

6N

orm

aliz

ed N

Ox

emis

sion

%

Conventional SCR system Modified SCR system

システムレイアウトの変更によるNOx浄化率改善効果

NO2/NOx = 0.14　　　0.42 NO2/NOx = 0.35　　　0.50

73 4 5 64 7

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Summary of ‘Section II’

コモンレール式燃料噴射装置を採用した直列6気筒7.8Lインタークーラ付ターボ過給ディーゼルエンジンを供試機関として，NOx低減型の排気後処理装置としてUrea-SCRシステムを採用し，特にNOx組成の変化に対する触媒上におけるNOx還元反応の挙動の変化に着目して試験を実施した．実験結果は以下のようにまとめられる．

Urea-SCRシステムにおけるNOx還元反応の中では，NOとNO2が等モルで反応するFast SCR reactionが触媒温度200℃以下の温度域から十分に速い速度で進行する主要な反応であるため，NO2/NOxを0.5に保つことにより高いNOx浄化率が達成される．

酸化力の大きい触媒を採用し，中・高負荷域における過剰なNO2の生成を抑制するバイパスラインを設けるレイアウトを採用したシステムは，幅広い運転条件に対してFast SCR reactionを促進し触媒温度450K(177℃)の条件においてNOx排出量を従来の約1/5にまで低減し，さらに他の温度域においても浄化率を向上させることが可能である．

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第3章

汎用数値流体解析コードによる

ディーゼル燃焼解析の妥当性に関する検討

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多次元の数値流体解析

>筒内の不均一性は燃焼過程に影響し，NOxやPMの排出特性　にも多大な影響を及ぼす

詳細な化学反応解析RH

R

ROO

QOOH

OOQOOH

HOOQ’OOH

HOOQ’O + OHR: Alkyl radical

>着火，燃焼過程を正確に表現することは，その後の筒内温度，　　　圧力の履歴を再現するために不可欠である．　　

>近年のディーゼルエンジンは着火遅れの長い燃焼法を採用する　ため，詳細な化学反応過程を考慮することが重要．

Coupling

>燃料噴射，液滴の分裂，蒸発，燃料と空気の混合などの複数　の現象がエンジン筒内で生じ，不均一な分布を形成している．

Chemical process

Physical process

Outline of Diesel Combustion Modeling

詳細な化学反応過程を考慮したディーゼル燃焼の数値解析について検討し，燃焼およびNOx排出特性の解析に必要な精度を有するモデルを構築する

本章の目的

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Reaction Scheme - Outline

Species : 33　Elementary reactions : 66

N series reactions

Extended Zel’dovich mechanism, Prompt NO, NO via N2O, NO2 formation

n-heptane reaction scheme*

*A. Patel et al., Development and Validation of a Reduced Reaction Mechanism for HCCI Engine Simulations, SAE Paper 2004-01-0558 (2004).

本研究で使用したCFDコード

STAR-CD v3.26 Complex Chemistry Module

素反応スキーム

CPU time: Approximately 54 hours for basic conditions.

Parameter modification

Machine spec. : Intel Core 2 Duo processor 2.40 GHz 2GB Memory (single core calculation)

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セタン価が軽油とほぼ同等

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Engine Specifications and Calculation Grids

Engine type 4-cycle, 2.2L, DOHC, In-line 4 cylinders, DI

Bore × Stroke 86 mm × 96 mm

Top clearance 0.98 mm

Con-rod length 147.5 mm

Compression ratio 15.8

Table Engine specifications

Calculation grids

Fixed lineThe number of cells

5464 at BDC timing

2344 at TDC timing

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Reaction Scheme – Ignition Delay Test

素反応機構の着火遅れ特性

Ignition delay characteristics of each scheme calculated by 0-D chemical reaction analysis.

LLNL scheme: 560 species, 2537 reactionsERC scheme : 29 species, 52 reactions

In this study : 33 species, 66 reactions

LLNL schemeERC schemeApplied scheme

0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.70.01

0.1

1

10

100

1000/K

igni

tion

dela

y m

s

P = 1.3 MPaφ=1.0

各素反応機構の反応数と化学種数

2

3

4

5

-10 0 10 20 30

Exp_pressureERC scheme

Crank angle deg. ATDC

Pres

sure

MPa

Engine speed : 2000 rpmFuel injection timing : TDCFuel quantity : 20 mm3/stEGR ratio: 19.1%

Operating conditions

2

3

4

5

-10 0 10 20 30

Exp_pressureERC schemeApplied scheme


Pres

sure

MPa

±3%

±0.1 msPressure rise

±0.1 msPeak Pressure timing

Peak Pressure

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本研究においては着火遅れ特性ではなく，エンジンの筒内圧力を再現することを優先し，一部の素反応パラメータを修正した．

燃焼過程における筒内温度や化学種の濃度を数値解析が再現していると考えられる．

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Calculation Conditions for Validation

Engine speed rpm 2000

Intake pressure kPa 103 (±1 in Exp.)

Intake temperature K 303.15* (± 1.5 in Exp.)

Injection timing deg. ATDC -5, -2, 0, 2

Injection quantity mm3/st 20EGR ratio % 0

Intake O2 concentration vol. % 20.9

Parameter : Fuel Injection Timing

Engine speed rpm 2000

Injection timing deg. ATDC 0

Injection quantity mm3/st 20

Intake pressure kPa 103 103 101 97

Intake temperature K 303.4* 327.5 336.2 343.7

EGR ratio % 0 27.8 30.2 32.5

Intake O2 concentration vol. % 20.9 17.2 16.2 15.3

Parameter : EGR Ratio (Intake O2 concentration)

*Heat transfer (+10 - 15 K) between intake gas and cylinder wall is assumed in calculation

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Calculation Results - Pressure and Heat Release -

Parameter : Fuel Injection Timing Parameter : EGR Ratio (Intake O2 concentration)

修正した素反応パラメータを適用することにより，計算対称とした8条件すべてにおいて，先に述べた基準を満たす高い精度で筒内圧力を再現することができた．

-2

0

2

4

6

8

0

100

200

300

400

-20 -10 0 10 20 30 40Crank angle deg. ATDC

Exp.Cal.

0.4%27.8%

30.2%

Cyl

inde

r pr

essu

re M

Pa

Hea

t re

leas

e J/

deg.

CA

EGR ratio

32.5%

21 / 60

筒内圧力および熱発生率の計算結果

-2

0

2

4

6

8

0

100

200

300

400

-20 -10 0 10 20 30 40

Cyl

inde

r pr

essu

re M

Pa

Hea

t re

leas

e J/

deg.

CA


Exp.Cal.

Fuel injection timing-5 deg. ATDC

-2 deg. ATDCTDC

2 deg. ATDC

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Calculation Results - NO2/NOx Prediction - 22 / 60

NO2/NOxおよびNO2排出濃度の予測値と実測値の比較NO2/NOｘ NO2 emission

数値解析は噴射時期の遅角化に伴ってNO2/NOxの値を低く見積もる傾向にある．

吸気酸素濃度が低い条件においてNO2生成量を低く見積もる傾向にある．

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Calc

ulat

ed N

O2/

NO

x

Measured NO2/NOx

Oxygen concentration vol%20.9 17.2 16.2 15.3

Injection timing deg. ATDCBlack: -5Red: -2Blue: 0(TDC)Green:2

0

50

100

150

0 50 100 150

Calc

ulat

ed N

O2

emis

sion

ppm

Measured NO2 emission ppm

Oxygen concentration vol%20.9 17.2 16.2 15.3

Injection timing deg. ATDCBlack: -5Red: -2Blue: 0(TDC)Green:2

±15% ±15%

上死点噴射の条件におけるNO2/NOxの予測精度は高い(±15%)

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Summary of ‘Section III’

ディーゼルエンジンの燃焼制御によるNOx生成挙動の変化について検証することを最終的な目的として，本章においては汎用の数値流体解析コードと詳細な化学反応解析のカップリングコードを用いた燃焼解析を実施した．基礎的な運転条件の違いをパラメータとした解析結果を実験結果と比較して，解析の妥当性について検討した結果は以下のようにまとめられる．

軽油とセタン価がほぼ等しいn-heptaneの素反応機構を適用した本計算において，アレニウスパラメータの修正により，反応スキームの着火遅れ特性を変化させることで精度良く（圧力上昇±0.1ms，筒内圧力のピーク値±3%，ピーク値を示す時期±0.1ms）ディーゼル燃焼による筒内圧力履歴を再現することが可能である．

アレニウスパラメータの修正を施した素反応スキームを適用することにより，燃料噴射時期およびEGR率をパラメータとした際の筒内圧力，および熱発生率履歴の変化を非常に高い精度で再現することが可能である．

詳細な素反応過程を考慮した解析を実施することにより，運転条件の変化に対するNOx排出量およびNO2排出量の定性的な傾向を十分に表現することが可能である．特に，上死点噴射の条件においては，NO2/NOxを±15%以内の精度で予測することが可能である．

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第4章

燃焼制御による燃焼特性およびNOx排出特性の変化

に関する数値解析

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25 / 60Outline of Supercharge with EGR

EGRと過給の併用によるエンジンアウトの排出ガス低減

EGR line

Common-rail fuel injection system

>高過給，高EGR燃焼によるPMとNOxの低減に関する検討は，主にエンジンアウトの排気　性能に重点が置かれ，排気温度や組成に関して十分に議論されることがない．

前章で妥当性を確認した燃焼解析手法を適用し，燃焼制御が燃焼特性やNOx排出特性，NO2/NOxの値に及ぼす影響について詳細に調査する．

本章の目的

Fig. Diesel engine system

EGR率を高くすることによって，エンジンアウトNOxを大幅に低減

空気過剰率が低下し，PM排出量が増加

過給により多量の空気を筒内へ吸入する

高過給，高EGR燃焼

VNT/VGT turbocharger

>過給による圧力変化，EGRによる酸素濃度変化はNOxの組成に大きな影響を与える．

>過給とEGRの併用は低公害化だけでなく，高出力化，低燃費化のためにも重要

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Analysis Method of EGR Mechanism

EGRによるNOx低減メカニズムの解析

主要な要素として，以下の2つの要素がNOx低減に作用していると考えられている．

吸気酸素濃度の低減不活性ガスの還流に伴う筒内ガスの比熱の増大

両者の影響を数値解析により分離して評価する

分析方法

架空の化学種 “Inert O2” を定義し，通常のEGRと比較する．

Inert O2O2 “Inert O2”の性質

>酸素と同一の熱物性値を有する．

>他の化学種と反応しない

“Inert O2”で筒内ガスを希釈すれば，比熱を変化させることなく，吸気酸素濃度のみを低減させることが可能となり，上記の2つの影響を分離することができる．

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Calculation Conditions - EGR Mechanism -

Table 　Calculation conditions (Operating conditions)Engine speed rpm 2000

Intake pressure kPa 100

Injection timing deg. ATDC 0

Injection quantity mm3/st 20Intake temperature K 344.7

Case A B C O2 vol% 21.0 19.3, 17.7, 16.0

N2 vol% 79.0 78.7, 78.3, 78.0

H2O, CO2 vol% 0.0 1.0, 2.0, 3.0 0.0Inert O2 vol% 0.0 0.0 2.0, 4.0, 6.0

Table 　Calculation conditions (In-cylinder gas components)

EGRを行わないCase A，通常のEGRを模擬してCO2とH2Oで筒内ガスを希釈する

Case B，Inert O2で筒内ガスを希釈するCase Cを比較する．

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0

200

400

600

800

1000

NO

, N

O2

ppm

Inert O2 EGR Inert O2 EGR Inert O2 EGR

Dilution gas vol%0.0 2.0 4.0 6.0

821.89

450.21

346.94

197.21130.69

62.8331.20

NONO

2

Calculation Results - EGR Mechanism -

0

2

4

6

0

100

200

300

400

0 5 10 15 20 25 30Crank angle deg. ATDC

w/o EGR

Cyl

inde

r pr

essu

re M

Pa

Hea

t re

leas

e J/

deg.

CA

Dilution gas

CO2, H2O

Inert_O2

0%Dilution gas

4.0%6.0%

2.0%

筒内圧力と熱発生率，およびNOx排出濃度の計算結果

A B B BCCC

In-cylinder Pressure and HRR NOx emissions

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筒内圧力と熱発生率は，筒内の酸素濃度によってほぼ決定されている．

Case AとCの差(酸素濃度の違い)がCase BとCの差(比熱の違い)よりも大きいことからEGRによるNOx低減の主要なメカニズムが吸気酸素濃度の低減であると示唆される．

EGRガス量の増加によるNOxの低減に伴ってNO2/NOxは上昇する．

NO2/NOx

0.093 0.12 0.15 0.18 0.20 0.22 0.23

Case

Inert O2

EGR(CO2,H2O)

2009/01/17


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In-cylinder Behaviour of NO and Gas Temp.

筒内ガス温度およびNO濃度分布の変化 (movie)

Case A Case B* Case C*

Temperature K

Min. 400 – Max. 2500

NO mass fraction

Min. 0.0 – Max. 0.0008

*Dilution gas amount of Case B and C is 4.0%

1 – 90 deg. ATDC (10 deg. CA/sec)

29 / 60

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Kusaka Laboratory

NO and Temperature Distribution

各条件におけるNOと筒内ガス温度の分布

Temperature K 400 – 2500 NO mass fraction 0.0 – 0.0008

吸気酸素濃度によって，NOを生成する領域の大きさが決定される．

比熱の違いは，NO生成領域の内部におけるNO濃度の差を形成する．

14 deg. ATDC

18 deg. ATDC

26 deg. ATDC

14 deg. ATDC

18 deg. ATDC

26 deg. ATDC

(A) w/o EGR (B) EGR (C) Inert O2 (A) w/o EGR (B) EGR (C) Inert O2

30 / 60

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Kusaka Laboratory

Numerical Analysis of Supercharge with EGR

-2

0

2

4

6

8

10

0

100

200

300

400

500

-20 -10 0 10 20 30 40Crank angle deg. ATDC

Cylin

der

pres

sure

MPa

Hea

t re

leas

e J/

deg

base+20kPa

+40kPa+60kPa

+100kPa

-20kPa

+80kPa

In-cylinder Pressure and HRR

Intake pressure / O2 vol% : base 100 kPa / 18.5%

base –20kPa / 23.4%, +20kPa / 15.3%, +40kPa / 13.0%, +60kPa / 11.4%, +80kPa / 10.1%, +100 kPa / 9.0%

EGRによる酸素濃度の低減分を過給圧の増加で補い，筒内の酸素の空間密度を一定とした．

解析結果は，長い着火遅れを伴うディーゼル燃焼の着火時期が酸素の空間密度によって決定されることを示唆している.

過給とEGRの併用を想定したディーゼル燃焼の数値解析

10-1

100

101

102

103

104

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-20 0 20 40 60 80 100

NO

x em

issi

on p

pm

NO

2/N

Ox

Intake pressure kPa (gage)

NOxNO

2/NOx

31 / 60

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Summary of ‘Section IV’

前章において妥当性が確認された数値解析コードを用いて，燃焼制御を行った際の燃焼特性，およびNOx生成挙動の変化を調査した．代表的な燃焼制御である過給とEGRを対象として，NOx低減メカニズム，およびNOx組成の変化に及ぼす影響を調査した．本章で得られた知見は以下のようにまとめられる．

過給とEGRを併用したディーゼル燃焼は，EGRによる吸気酸素濃度の低減がNOx低減を可能としたうえで，過給による酸素の空間密度の上昇が着火遅れを抑制するため，NOx排出量を抑制したまま燃費が改善されるというメカニズムであることが示唆された．

EGRによるNOx低減の主要なメカニズムが吸気酸素濃度の低減によるものであることを数値解析により明らかにした．筒内圧力と熱発生率も，吸気酸素濃度によってほぼ決定される．

32 / 60

NOx生成挙動に関する解析から，吸気酸素濃度の低減によりNOの生成領域の大きさが決定され，EGRガスの還流に伴う動作ガスの比熱の変化は，NOx生成領域内におけるNO濃度に差を与える副次的な要素であることが明らかとなった．

EGRによりNOx中のNOが主に減少するため，排出NOx中のNO2/NOxの値が上昇する．

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第5章

多段噴射化によるNOx組成コントロールの可能性に関する検討

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Outline of NOx Composition Control

燃焼制御により，排出NOx中のNO2の割合を上昇させる手段

炭化水素の添加によるNOの酸化促進*

NO+HO2⇔NO2+HO

*Ref. HORI，et al., An experimental and kinetic calculation of the promotion effect of hydrocarbons on the NO-NO2 conversion in a flow reactor

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

600 700 800 900 1000 1100 1200

CH4

C2H

4

CH3OH

DME

NO

2/NO

x

Temperature K

燃焼制御によるNO-NO2変換のコンセプト早期Pilot噴射による未燃HCが

残存し，HO2とNOが反応

Post噴射により生成したHO2とNOが反応

34 / 60

流動反応器を用いた試験により，NOを含むガス中に炭化水素を添加することで下記の反応によりNOからNO2への酸化反応が促進されることを示した例がある．

NO-NO2変換の反応機構

排気後処理装置の浄化性能を左右すると考えられる‘NO2割合’を燃焼制御によりコントロールする手法について，実験と計算の両面から検討する．

本章の目的

2009/01/17


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Experimental Setup 35 / 60

Number of cylinders Inline 4

Bore × Stroke mm 86×96

Swept volume　cc 2231

Max power　kW / rpm 130 / 3600

Max torque Nm / rpm 400 / 2000～2600

Pt/Al2O3

Size mm Φ130 × 140

Volume L 1.86

Table Test Engine Specifications

DOC

Sampling PointA

B

A. DOC InletB. DOC outlet

2009/01/17


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Experimental Conditions

Table 　Experimental conditionsEGR effect

Load x/8 1, 2Engine Speed rpm 1500

Pilot Injection Timing deg. ATDCw/o

-80 ~ -10w/o

Pilot Injection Quantity mm3/st 2.0

Main Injection Timing deg. ATDC 0

Post Injection Timing deg. ATDCw/o

10 - 80

Post Injection Quantity mm3/st 2.0

EGR ratio % 40 (1/8 Load), 32 (2/8 Load)

実際の運転条件に近い条件（EGR率40%）におけるPost/Pilot噴射の影響を調査するために下記の条件に対して実験を実施した

※ 1/8負荷における結果のみを紹介する．トルクを一定として実験を　　　実施したため，Main噴射量が各条件によって異なっている．

36 / 60

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Experimental Results - 1/8 Load with EGR -

05

1015202530

0

20

40

60

80

100

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

NO

x g/

h

NO

2/N

Ox

Injection timing deg. ATDC

Pilot PostSingle

NO2/NOx

NOx

160200240280320360400440

0

50

100

150

200

250

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

BSFC

g/k

Wh

CO

, TH

C g

/h

Injection timing deg. ATDC

BSFC baseline

CO baseline THC baseline

BSFC

COTHC

Pilot PostSingle

NOx排出量とNO2/NOｘ

BSFCとCO，THC排出量

NOx排出量燃料噴射タイミングの影響は小さい

NO2/NOx燃料噴射タイミングによる影響を受け，最大で84.6%，最低で37.3%を示した．

BSFCPost噴射時期30 deg. ATDCを超えると大幅な悪化．TDC近傍では，ベース条件よりも良好．

CO排出量TDCから離れた条件で排出量が増加．NO2/NOxの変化と同様の傾向

THC排出量Post噴射時期30deg．ATDC以降において排出量が急増．

37 / 60

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Calculation Conditions – Analysis of NO-NO2 Conversion -

NO-NO2変換反応に関する数値解析Pilot/Post噴射によるNO2生成の促進が，筒内のどの部分において生じているのか，これまでに検討を実施してきた数値解析を適用して検討する．

Engine speed 1500 rpm

Engine load 1/8

Injection timing deg. ATDC Single(TDC)，Pilot(-40)+Main, Main+Post(40)

EGR w/o EGR, with EGR

Table Calculation conditions

38 / 60

0

2

4

6

0

50

100

150

200

-10 0 10 20 30Crank angle deg. ATDC

Cyl

inde

r pr

essu

re M

Pa

Hea

t re

leas

e J/

deg.

CAEngine speed: 1500 rpm

Load: 1/8, with EGRExp

Cal

Pilot(-40)+Main

Main+Post(40) Base(single)

In-cylinder Pressure and HRR

1500 rpmの条件においても筒内圧力の予測精度はほぼ同等であるため，NOxの生成過程について解析を行う

ことが十分に妥当であると判断．

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In-cylinder Behaviour (movie) - NO, NO2, HO2, Gas temp. -

Min. Max.

0 0.0005

NO mass frac.

0 0.0002

NO2 mass frac.

0 0.0001

HO2 mass frac.

300 2600

Temperature K

1500 rpm, 1/8 load

with EGR,　0 – 120 deg. ATDC

Single injection (TDC)

Double injection

Main + Post (40 deg. ATDC)

筒内温度，NO, NO2, HO2濃度の分布

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NO2 HO2

53 deg. ATDC

58 deg. ATDC

80 deg. ATDC

※初期NO2濃度が異なる

In-cylinder Behaviour - NO, NO2, HO2, Gas temp. -

NO, NO2, HO2濃度の分布Min. Max.

0 0.0005NO0 0.0002NO2

0 0.0001HO2

300 2600Temp．

15 deg. ATDC

30 deg. ATDC

60 deg. ATDC

90 deg. ATDC

120 deg. ATDC

Single injection

Temp. NO NO2 HO2

Single　　　Post

Post噴射によるNO-NO2変換反応の促進効果

Single　　　Post

Post噴射によってシリンダ外周付近にHO2が生成し，NO2はシリンダ外周付近で高い濃度を示す．

40 / 60

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Summary of ‘Section V’

Post噴射および早期Pilot噴射を実施することにより，排出NOx中のNO2の量，および割合を増加させることが可能である．NO2/NOxの値は，機関回転数1500 rpm，1/8負荷の条件において，37.3 – 84.6%の範囲で変化した．

Post噴射された燃料はシリンダライナ近く，かつシリンダヘッド近傍においてHO2ラジカルを生成し，燃焼で生じたNOと反応してNO2への転化が促進され，NOx中のNO2割合が高まることが，数値解析の結果から示唆された．

NOx組成のコントロールのためにPilot/Post噴射を適用すると，特にMain噴射から離れた時期に噴射を行う場合，燃料消費率，CO，HC排出の大幅な悪化を伴う，

燃焼制御によって排気中のNOx組成をコントロールする方法として，炭化水素によるNOからNO2への酸化反応の促進効果に着目し，Pilot噴射およびPost噴射がNOx組成へ及ぼす影響について調査した．乗用車用ディーゼル機関を用いた実機試験，およびこれまでに用いてきた数値解析コードによる検討を行った結果得られた知見は以下のようにまとめられる．

41 / 60

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第6章

NOx組成コントロールのUrea-SCRシステムへの適用

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Exhaust gas temperature

Emis

sion

s re

duct

ion

perf

orm

ance

Cost Cost

Combustion Aftertreatment‘Synergy effect’ of combustion and aftertreatment

Outline of Diesel Engine System Optimization燃焼および排出ガス浄化技術の最適化制御に関するイメージ図

>燃焼技術，排気後処理技術による低公害化が期待できるエンジン負荷の範囲は異なる．>中間領域では，双方の技術を効果的に組み合わせることが重要．

Cost 補機類の搭載，特殊な燃料の使用，大型の触媒，多量の貴金属の使用　など

（超高温域では触媒が劣化）

43 / 60

前章で検討したNOx組成コントロールをUrea-SCRシステムに適用した際の浄化性能を調査し，燃焼制御と後処理装置の最適化について考察する．

本章の目的

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Experimental Setup

Material Vanadium

Size mm Φ150 × 165

Volume L2.92

(2.92/2.2≒1.32)

Table Specifications of SCR catalyst

Sampling Point

A. DOC inletB. DOC outletC. SCR inletD. SCR outlet

AB

CD

Aftertreatment device : Urea-SCR

※ 検討のためバイパスラインを設けたが，バイパスを用いないことを前提に試験を実施した．

これまで検討したものと同じエンジンの後処理装置にUrea-SCRシステムを適用

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1.0 Urea equivalence ratio

Experimental Conditions

Table Experimental conditions

Effect of NOx control on NOx conversion

Load x/8 1, 2

Engine Speed rpm 1500

Pilot Injection Timing deg. ATDCw/o

-40, -20, -10w/o

Pilot Injection Quantity mm3/st 2.0Main Injection Timing deg. ATDC 0

Post Injection Timing deg. ATDCw/o

10, 20, 40

Post Injection Quantity mm3/st 2.0EGR ratio % 0, or 40(1/8 Load), 32(2/8 Load)

前章で検討した条件のうち，NOx組成等の変化が少ないPilot噴射時期-50 deg. ATDC以前の条件，Post噴射時期50 deg．ATDC以降の条件などを除外した下記条件を対象とした．

※ トルクを一定として実験を実施したため，Main噴射量が各条件に　　　よって異なっている．

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Experimental ResultsNO2/NOx，NOx浄化率およびSCR触媒温度の関係

Single injection, w/o EGRNO2/NOx－ 29.9%NOx浄化率－ 33.3%SCR触媒温度－ 174.0 ℃BSFC－ 361 g/kWh

Post 20 deg. ATDC, w/o EGRNO2/NOx－ 44.0% (↑14.1%(point))NOx浄化率－ 48.1% (↑14.8%(point))SCR触媒温度－194.7 ℃ (↑20.7℃)BSFC－ 363 g/kWh (↓0.55%)

NO2/NOx, SCR触媒温度の変化によるNOx浄化率の改善効果が確認できる．

NOx組成コントロールによるNOx浄化率の改善効果Pilot –10 deg.ATDC, w/o EGR，2/8 loadNO2/NOx－ 62.3%NOx浄化率－ 76.8%SCR触媒温度－236.1 ℃BSFC－ 275 g/kWh

Post 20 deg.ATDC, w/o EGR，2/8 loadNO2/NOx－ 49.6% (↓12.7%(point))NOx浄化率－ 80.2% (↑3.4%(point))SCR触媒温度－236.2 ℃(↑0.1℃)BSFC－ 272 g/kWh (↑1.09%)

NO2/NOx値が0.5に近づくことによるNOx浄化率の改善効果が確認される．

(残存NOx量を約1割低減可能)

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

NO

2/N

Ox,

NO

x co

nver

sion

%

SCR c

atal

yst

tem

p. d

eg. C

Pilot/Post Timing deg. ATDC

NOx conversionNO

2/NOx (SCR_inlet)

SCR temperature

w/o EGR with EGR

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Combination of Combustion and Aftertreatment 47 / 60

0

10

20

30

40

50

60

NO

x em

issi

on g

/h

Single SingleMulti MultiInjectionw/o EGR with EGREGR w/o EGR with EGR

GHSV 46300 49600 25000 26500

Case A Case B Case C Case D100

43.6

15.712.3

56.4% reduction

84.3% reduction

87.7% reduction

91.5%reduction

93.0%reduction

多段噴射化によるNOx低減効果

Case A → B : 56.4%Case C → D : 21.7% (3.4 point)

Case A → C : 84.3%Case B → D : 71.8% (31.3 point)

EGRの導入によるNOx低減効果

燃焼制御によるエンジンアウトNOxの低減（1/8負荷の場合）

Urea-SCRシステムによるNOxの低減（1/8負荷の場合）

触媒温度上昇，NO2割合の改善Case A → B : 29.2 point

NO2割合の改善Case A → C : 11.8 point

ガス量低減によるNOx低減効果

8.507.06

Case C : 46.0% (7.2 point)Case D : 42.8% (5.2 point)

020406080

100

NO

x re

duct

ion

%

NO2/NOx 0.299 0.653 0.467 0.710

SCR temp. (deg. C) 174 191 179 196Total NOx reduction 39.7% 86.5% 95.9% 97.2%

39.7%

51.5%

60.8%

68.9%Urea-SCRの浄化性能の変化Case Aと同じSVで排出された場合

燃焼制御の適用が後処理装置の浄化率向上にも大きく寄与している

2009/01/17


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Summary of ‘Section VI’

燃料噴射制御によるNOx組成のコントロールを行って，Urea-SCRシステムのNOx浄化特性の向上を図り，機関回転数1500rpm，1/8負荷でEGRを適用しない条件においてPost噴射の適用による触媒温度上昇の効果と併せて14.8%(point)，触媒温度が同等となる条件においてもNOx組成の違いのみによって3.4%(point)の浄化率改善効果が確認できた．

本研究におけるまとめとして，初めに調査したUrea-SCRシステムのNOx浄化率がNOx組成に対して敏感に変化する特性を活かすため，前章で検討したNOx組成コントロールをUrea-SCR　システムに適用した際の浄化性能の変化を調査した．Pilot噴射，およびPost噴射の実施，およびEGRの適用の有無による浄化特性への影響を調べた結果は以下のようにまとめられる．

48 / 60

エンジンアウトのNOxを低減させるためのEGRと多段噴射の適用が後処理装置の浄化率に与える影響についてまとめた．燃焼制御による排気温度上昇，NO2/NOx値の増加，そして触媒通過ガスのGHSV低下は，後処理装置の浄化率を向上させる作用を併せ持つ．実験対象とした1/8負荷の条件においては，Urea-SCRシステムの浄化率が39.7%から最大で68.9%まで向上しており，NOx排出量の低減にはエンジンアウトにおける排出量の低減だけでなく，後処理装置の浄化率向上の効果も無視できないことを確認した．

2009/01/17


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第7章

結　論

49 / 60

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50 / 60Concluding Remarks

ディーゼル機関における燃焼制御と排気後処理装置を組み合わせたNOx低減

>高過給・高EGR燃焼　(第3章，第4章において検討)

>多段噴射/後期噴射　(第3章，第5章において検討)

低酸素濃度条件下における燃焼によりサーマルNOの生成を抑制．NO2生成量はサーマルNOの低減と比べて少なくNO2/NOxが高まる．

膨張行程における燃焼によりサーマルNOの生成を抑制．排気温度が上昇．Pilot/Post噴射によりNO-NO2変換反応が促進されNO2/NOxが高まる．

EGRにより動作ガス流量が低下し，吸気温度が上昇

>Urea-SCR(第2章，第6章において検討)，LNT/NSR触媒システム

NOx浄化率は，触媒温度，NOx組成，排気の空間速度に依存．

本研究により得られた成果

燃焼制御に伴う排気温度，組成，流量の変化は後処理装置の性能改善に寄与している

着火遅れの長い燃焼を概ね再現可能なディーゼル燃焼解析を汎用数値流体コードで実現した．

NOx組成の制御を目的とした燃料噴射制御による，更なる低公害化の可能性を示した．

2009/01/17


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51 / 60Future Work - Numerical analysis -

Engine speed rpm 2000Engine load 2/8 3/8 6/8

1st pilot injection timing deg. ATDC -22.8 -24.4 -1st pilot injection quantity mm3/st 1.80 1.87 -

2nd pilot injection timing deg. ATDC -3.2 -4.8 -19.12nd pilot injection quantity mm3/st 1.80 1.87 2.17Main injection timing deg. ATDC 10.8 8.8 0.4

Main injection timing mm3/st 26.4 35.9 66.0Intake pressure kPa(abs) 142.4 164.5 205.4

Intake temperature K 367.55 336.25 312.05*EGR ratio % 30.4 14.4 0.0

Table Calculation and experimental conditions

近年のディーゼル燃焼は，多段噴射，後期噴射，高EGR，高過給といった燃焼制御が適用される．これら実際の運転条件に対する現モデルの予測精度について検討した．

*Heat transfer (+15 K) between intake gas and cylinder wall is assumed in calculation

ディーゼル燃焼解析の一層の予測精度向上を狙ったモデル開発

2009/01/17


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52 / 60Future Work - Numerical analysis -

多段噴射時においてPilot噴射された燃料の燃焼を再現することが難しいため，主燃焼時における緩やかな熱発生率の立ち上がりが再現できない．

高過給条件では，EGRを伴わない条件においてもNOx排出量の予測値が実測値を下回る．

Experimental and numerical results

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0

100

200

300

400


Exp.Cal.

6/8

3/8

Cyl

inde

r pr

essu

re M

Pa

Hea

t re

leas

e J/

deg.

CALoad

2/8

In-cylinder Pressure and HRR NOx emission

*NOx in EGR gas is considered

**

少量の燃料噴射，高圧噴射，高過給条件での予測精度を向上させるための検討が必要

0

200

400

600

800

1000

1200

NO

, N

O2

ppm

2/8 load 3/8 load 6/8 load

Exp. Cal. Exp. Cal. Exp. Cal.

77.0 36.4197 127

1119

841NONO

2

2009/01/17


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53 / 60Future Work - NOx component control -

0

25

50

75

100

-80 -40 0 40 80

NO

2/NO

x ra

tio %

Injection Timing deg. ATDC

Before DOC After DOC

DOC上におけるNO2の消費抑制方法の検討

>Pilot/Post噴射の適用によるNO2/NOxコントロー　ルの効果はエンジンアウトにおいて確認された　　が，左図に示されるように，エンジンアウトの　　　NO2が高い条件では，DOC後のNO2/NOxの低　　下が確認される．

Engine speed : 1500 rpm, 1/8 load, with EGR

Pilot/Post噴射時にNO2割合上昇の副産物として生成するCO，THCがDOC上で酸化する際に，NO2をNOに還元している．

CO，THCの生成を伴わないようなNO-NO2変換反応の促進方法を検討することが必要

2009/01/17


Kusaka Laboratory

54 / 60Future Work - NOx component control -

Post噴射量を低減させた場合のNO-NO2変換特性

0

2

4

6

0

50

100

150

200


Cyl

inde

r pr

essu

re M

Pa

Hea

t re

leas

e J/

deg.

CAEngine speed: 1500 rpm

Load: 1/8, with EGR, Main + Post Inj.

Exp.Cal. post 2.0 Cal. post 1.0

Post噴射量を2.0mm3/stから1.0mm3/stまで半減させた場合を想定した数値解析を実施

Pressure and Heat Release NO, NO2, HO2

-40 0 40 80 1200

2

4

6

0

1

2

NO

, N

O2

mas

s μ

g

HO

2 m

ass μ

g

Crank angle

NO2

NOHO

2

post 2.0post 1.0

Post噴射量を半減させても、筒内圧力と熱発生率には影響がない．

HO2生成量はほぼ半減するにも関わらず，NOとNO2の生成量はほぼ変わらない

噴射量を低減した燃料添加が実現できれば，燃費の悪化を伴わずにNO2生成量を　増加させられる可能性がある．DOCによるNO2の還元も抑制されると考えられる．

2009/01/17


Kusaka Laboratory

Future Work – Fuel Injection for Aftertreatment Device -

NO

NO2

不均一性の高い燃焼（高い燃焼温度, 急峻な燃焼）によって生成

均一性の高い燃焼（低い燃焼温度，緩慢な燃焼）によって生成

ディーゼル燃焼によるNOx生成

Pilot/Post噴射により後処理装置に供給された燃料の挙動

THC排出量の増加（燃費悪化）NO2をNOに還元

NO-NO2変換の促進

DOCで酸化され排気温度上昇（触媒活性の向上）

従来型のディーゼル燃焼において多量に生成していた

近年のディーゼル燃焼において生成量が増加

Present

燃料

添加

量

Future

燃料噴射の高度化がNOx組成コントロールの自由度を増大させ，NOx組成コントロールによる後処理性能の向上が，更なる触媒の低コスト化やエンジンの燃費改善効果をもたらす

微少量燃料添加,　噴射部位の制御，高機能触媒の実現

状況に応じて可変

従来システムに対する燃費向上幅

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2009/01/17


Kusaka Laboratory

Future Work - Simplified Heat Release Prediction Model -

吸気パラメータの感度解析と簡易型熱発生率予測モデル3次元の数値解析をエンジン開発に役立てる方法の一つとして，各パラメータの感度解析を数値計算で実施して簡易的な式を導出し，エンジン制御に用いる方法を提案する．

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熱発生率線図の形状に着目

Typical heat release rate curve

7.0 J/deg. CASOI

C B

A

D

E

A:Ignition delay (Cool flame)

B:Ignition delay (Hot flame)

C:Max. heat releaseD:Max. heat release timing

E:Combustion duration

Crank angle

Hea

t re

leas

e>熱発生率はエンジン性能を代表する．

感度解析の手法

>単段噴射，かつ燃料と空気の混合が十分　　進んでから着火する燃焼においては，　熱発生率の形状が右図のような形状となる．

各パラメータの変化量と熱発生率線図を代表する上記5つの値の変化の相関を調査

燃費　–　熱発生率の重心と相関が強い(B, C, D, E)騒音　–　圧力上昇率と相関が強い(B, C, D)

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Kusaka Laboratory

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2

3

4

5

6

-20 0 20 40 60 80 100

Cool flame deg. ATDC

Cool

fla

me

deg.

CA

Initial pressure kPa (v.s. base)

base

6

8

10

12

14

-20 0 20 40 60 80 100

Hot flame deg. ATDC

Hot

fla

me

deg.

CA


base

6

8

10

12

14

16

-20 0 20 40 60 80 100

Combustion duration deg. CA

Com

bust

ion

dura

tion

deg.

CA


base

0

50

100

150

200

-20 0 20 40 60 80 100

HRR max J/deg

Max

. H

RR J

/deg


base

10

12

14

16

18

20

-20 0 20 40 60 80 100

HRR max timing deg. ATDC

HRR m

ax.

timin

g de

g. C

A


base

base

Sensitivity analysisA B C D E

Simple equationsA = f(p,T,…)B = g(p,T,…)C = h(p,T,…)

D = i(p,T,…)E = j(p,T,…)

SOI

Hea

t re

leas

e J/

deg


AB

E

D

C

Hea

t re

leas

e J/

deg


SOI

AB

E

D

C

ベース条件からの変化量を解析対象パラメータの一次関数に近似．各パラメータに対して同様の処理を行う．

詳細な数値解析の結果を利用した簡易型熱発生率予測モデルの検討

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58 / 60Future Work - Simplified Heat Release Prediction Model -

熱発生率線図の形状とエンジン性能　(NOx排出特性の例)

熱発生率の最大値とNOx排出量，空気過剰率とNO2/NOxの間に強い相関関係が確認できる．

Max. heat release rate and Air Excess Ratio

吸気圧力をパラメータとした際のNOx排出特性の感度解析結果(O2濃度：18.2 vol.%)NOx emission and NO2/NOx

0

50

100

150

200

0

0.5

1

1.5

2

-20 0 20 40 60 80 100NO

x em

issi

on p

pm

NO

2/N

Ox


NOx emissionNO

2/NOx

100

101

102

103

104

0

0.5

1

Oxygen concentration vol.%

NO

x em

issi

on p

pm

NO

2/N

Ox

23 22 21 20 19 18 17 16 15

NOx排出量とNOx組成の予測，制御方法NOx emission and NO2/NOx　(parameter: O2 conc.) NOx排出量とNOx組成に影響を及ぼす因子

1．吸気酸素濃度　(NOx: 10 - 1000 ppm)2．熱発生率のピーク値　(NOx：90 - 180 ppm)3．空気過剰率　(NO2/NOx：0.14 - 0.40)

燃焼前の筒内状態量の予測，熱発生率予測モデルの併用によりNOx排出量，組成が予測可能と考えられる

0

50

100

150

0

3

6

9

12

-20 0 20 40 60 80 100Max

. H

.R.R

. J/

deg

Exce

ss A

ir Rat

io


Max. Heat releaseExcess air ratio

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ECU

Intake temp., Intake pres.,Intake air mass., etc.

Engine information

Performance evaluation

Optimized injection

Good!!

Injection pattern modification

Number of inj., Inj. Q, timing, etc…

NG

Base control

Injection pattern

EGR ratio, etc…Intake throttle

Input (Accel pedal)

Simple H.R.R. prediction model

Torque, Ex. Temp.(Soot, NOx, NO2/NOx)Emission

In-cylinder state quantity prediction model

Pres., Temp., O2 conc., etc.

Bed temp., Soot loading,NH3 or NOx adsorption, etc.

Catalyst information

排気後処理装置を備えたディーゼルエンジンシステムの燃料噴射制御

単なる燃焼制御と後処理装置の最適化でなく，過渡的に変化し続ける運転条件に応じた最適化を可能とするモデルベース制御システムと

して，従来実現不可能であった低公害化，燃費改善効果が期待される．

Future Control System for Diesel Engine

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End of the Presentation

End

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Presentation title 燃焼制御によるディーゼル排出ガ …2009/01/17 Presentation slides of Doctor thesis Kusaka Laboratory Background and Motivation (2) 4 / 60 排気後処理装置の浄化性能向上を実現する燃焼制御