329

view

過給機の第一目的は排ガスのPM低減のためです。以下に詳しく説明いたします。

●ディーゼルエンジンの20年間の進歩とは？
排ガス規制への対応の20年間でした。

20年前と比較すると，現在のポスト新長期規制（2009年）は

PM（細かいスス）＝ 2.5%
NOx（窒素酸化物）＝ 5%

つまり非常に排ガス規制が厳しくなり，現在の規制値は，ほぼ直噴ガソリン並です。

直噴ガソリン：PM＝0.005g/km，NOx＝0.05g/km
ディーゼル：PM＝0.005g/km（同じ），NOx＝0.08g/km（少し高い）

●規制対応のために何をやっているのか？
PM低減 ＝ より完全な燃焼 → 燃料の微細化＋予混合化
NOx低減 ＝ より低温の燃焼 → EGR増加＋大量過給

●完全な燃焼とは？
以前のディーゼルエンジンは副室式でした。これは燃焼室の表面積が大きく冷却損失が多いため，燃費がよくありませんでした。ただ副室から主室へ燃焼がゆっくり移行するため，筒内圧力ピークが低くなり，騒音・振動では有利でした。
燃費改善のため直噴が選択されました。問題は直噴後の短時間で十分，燃焼できるかどうかです。

★燃料粒径の微細化 … 酸素分子との接触確率を増やすことと → PMは，大きな燃料粒径の中心部にある燃料が酸素と接触しないため，未燃の炭化物として発生。コモンレールにより燃料圧力を高圧にできれば，より微細な燃料粒径になります

★予混合化 … ガソリンエンジンのように空気と燃料を十分混合できれば，酸素との接触確率を改善できます。このためには燃焼時間を長くとる必要があります

→ 課題：燃焼時間を長くすること

●NOx低減とは？
NOxは，高温と十分な酸素濃度がある条件で生成されます。このため酸素濃度を下げれば，NOx量は低減できます。しかしこの方法ではPMが増えます。このため燃焼温度を下げる方法を選択します。

★高EGR … 排ガスを再度，燃焼室に戻すことをEGR（=Exhaust Gas Recirculation）といいます。EGRには，CO2（二酸化炭素）が多く含まれます。CO2は，三原子分子のため，二原子分子の酸素や窒素より比熱が28%くらい大きくなります。比熱が大きいほど，同じ熱量に対して温度上昇は小さくなりますので，EGRが多いほど，燃焼温度が低下します。これにより2000K（ケルビン）以下になるようにEGRをたくさんいれます（30%くらい）。ところがCO2は消炎作用があり，燃焼を妨害しPMを増やします。

★高過給 … ターボ・チャージャのような過給機を使い，無理矢理，燃焼室に空気（新気＝外気：酸素を21%含む）を入れます。すると燃焼室内の酸素濃度が高くなり，酸素との接触確率が増えて，PMが減ります。このため最近のディーゼルエンジンはどんどん過給量が増えています。
つまり過給はダウンサイジングのためではなく，PM低減のためであり，そのオマケとして，高出力化によるダウンサイジングが可能になっています。というのは，出力アップなら，ダウンサイジングするより，排気量を上げた方が，はるかにコストが安いからです。

以上のようないろいろな取り組みにより，現在のディーゼルエンジンは，クリーンな排ガスと高い出力特性，そして優れた燃費を達成しています。たとえば

トルク ＝ 同排気量のガソリンエンジンの1.5～2倍 （最大トルク発生回転数が1200～1800rpmと低いので，実用域で運転しやすい）
燃費 ＝ ガソリンエンジンより25～30%改善 （上記 高トルクを達成した上で）

★過給レスポンス … ガソリンエンジンは吸入空気量で出力調整をしますが，ディーゼルでは燃料噴射量で調整します。このため加速時，増量された燃料に見合う空気量が必要になります。

→ 課題：高レスポンス過給

●残る課題は？
燃焼時間の確保と高レスポンス過給です。これを解が，マツダのSKYACTIV-Dです

●どうやって燃焼時間を長くするのか？
一般のディーゼルは上死点の直後に燃料を噴く（コモンレールのメイン噴射）と急激な筒内圧力上昇のため振動・騒音が悪くなります。このためやや遅らせて燃料を噴きます（その典型は日産のMK燃焼）。MK燃焼では，振動・騒音は改善できますが，時間損失（＝筒内圧力をトルクへ変換する効率で，上死点後，15度くらいに圧力ピークが来ると良い）が悪くなり，燃費が悪化します。
圧縮比を下げると，上死点直後に燃料噴射しても急激な圧力上昇がないので，ゆっくり燃えます。こうして燃焼時間を長くできました。

●圧縮比をどうして下げられないのか？
始動時の自発火ができないからです。先日（11月21日）のディーゼル・セミナーでのマツダの寺沢様の説明によると，「SKY-Dの開発＝確実な始動」だったそうです。このためにグロープラグの改善＋内部EGR（排気弁の可変動弁）＋2ステージターボ（再始動時）＋リッチ混合気＋プリ燃焼（＝メイン燃焼の前の小燃焼）で対応したそうです。

●高レスポンス過給は？
ターボを2段階にし，低回転域から過給しました。今後は，LPL-EGR（低圧EGR＝過給量を維持）にするそうです。

ご参考になれば幸いです。