2009/01/17

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Presentation title 1 / 60
博士論文研究発表(公聴会)
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
Study on the Control Methods of NOx Component
in Diesel Exhaust by Combustion Control and its Application
高田 圭
Keishi TAKADA
早稲田大学理工学部機械工学科
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Contents
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>研究背景および目的
>従来研究
>論文の構成
>本論文で取り組んだ研究内容
・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
>結論および今後の研究の発展性
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Background and Motivation (1)
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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
NOxとPMの同時低減が困難
PM emission
Combustion improvement
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
Aftertreatment
NOx emission
Fig. Conceptual figure of diesel emission standards
ディーゼルエンジンの排気後処理装置
>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低減率は高くても80‐90%程度
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
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Background and Motivation (2)
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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
長所 高いNOx浄化率，貴金属使用量の低減，
Exhaust
gas
硫黄に対する強い耐性，燃費のロスが無い，etc．
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．
特徴 NOx組成が浄化率に大きく影響する
浄化率を向上させるためのNOx組成を実現する燃焼制御
Ammonia Injection
NH3
NOx
Clean gas
Catalyst
layer
N2 H2O
*Ref. http://www.chuden.co.jp/
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)
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Urea-SCRシステムに関する従来研究
反応メカニズム
の調査
エンジンシステ
ム，あるいは
SCRシステムの
性能評価
その他の研究
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
素反応機構
に関するもの
素反応機構の
構築，修正
数値解析の利用
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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)
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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
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
燃料と空気
の混合促進，
Shimazaki, et al.
燃焼の低温化を (Isuzu Adv. Eng. Center)
Akihama, et al.
伴う燃焼法
EGRによるNOx
低減メカニズム
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
(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
DOC
DPF, CSF
LNT，NSR
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Depres, 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
田中ら
(トヨタ自動車)
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
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
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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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Outline of ‘Urea-SCR System’
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Urea-SCR システムで起こる主要な化学反応
Urea decomposition
(NH2)2CO → HNCO + NH3
- Pyrolysis
HNCO + H2O→ NH3 + CO2
- Hydrolysis
Overall SCR reaction
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
8NH3 + 6NO2
→ 7N2 + 12H2O
2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O
― (1) Standard SCR reaction
― (2) NO2 SCR reaction
― (3) Fast SCR reaction
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．
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．
本章の目的
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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
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Experimental Apparatus 1 - Engine Test Bench -
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実験装置
Air flow meter
Intercooler
Common rail
Measuring method
Fuel tank
Fuel consumption meter
MEXA-9100DEGR
NOx – Chemiluminescence
CO, CO2 – Non-Dispersive Infrared Dynamometer
Detection (NDIR)
THC – Flame Ionization Detection (FID)
MEXA-4000FT
Turbocharger
Radiatorspectrometer (FT-IR)
Fourier Transform Infrared
Rotary encoder
Exhaust gas analyzer
Engine specifications
Engine type : 4-cycle, DOHC, DI
Cylinders
: In-line 6
Bore x Stroke : 115 x 125 mm
Swept volume : 7.8 L
Aspiration
: Turbocharged
Urea-SCR system
MEXA4000FT
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MEXA9100DEGR
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Experimental Apparatus 2 - Urea-SCR System Layout -
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本研究で用いたUrea-SCRシステムのレイアウト
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．
Urea tank
(32.5 wt% urea-solution)
Urea
Injector
Exhaust gas
Valve
Bypass line
2
3
4
5
Base system
Catalyst line
1
Modification
1. Pre-oxidation catalyst
2. Bypass line
3. Two valves
Pre-oxidation catalyst (×2)
6
7
Zeolite SCR catalyst (Cell density : 400 cpsi, Catalyst volume : 22.6 L
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catalyst
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Definition of ‘ NO2/NOx ’
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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．
NO2/NOx =
Exhaust gas
NOx
Load %
NO, NO2, N2O
trace quantity
NO
NO2
NO2
NO + NO2
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
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Effect of NO2/NOx on NOx Reduction
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システムレイアウトの変更によるNOx浄化率改善効果
Conventional SCR system
NOx reduction performance
Catalyst temperature : 450 K
100
NOx reduction
80
60 43.0% 92.6%
100
60.1% 91.8%
40
100
20
13
0
S. P. 4
21
Normalized NOx
emission %
Normalized NOx
emission %
100
3
Modified SCR system
80
4
5
6
NOx reduction performance
Catalyst temperature : 500 K
NOx reduction
60 72.7% 97.4%
90.6% 99.4%
40
20
100
0
10
S. P. 7
NO2/NOx = 0.14 0.42
S. P. 4
S. P. 7
NO2/NOx = 0.35 0.50
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
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7
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100
6
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Summary of ‘Section II’
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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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Outline of Diesel Combustion Modeling
多次元の数値流体解析
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Physical process
>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．
>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
Coupling
詳細な化学反応解析
Chemical process
>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．
>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． 本章の目的
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RH
QOOH
R
OOQOOH
ROO
HOOQ’OOH
HOOQ’O + OH
R: Alkyl radical
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
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Reaction Scheme - Outline
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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
n-heptane reaction scheme*
セタン価が軽油とほぼ同等
N series reactions
Parameter
modification
Extended Zel’dovich mechanism, Prompt NO,
NO via N2O, NO2 formation
Species : 33 Elementary reactions : 66
CPU time: Approximately 54 hours for basic conditions.
Machine spec. : Intel Core 2 Duo processor 2.40 GHz 2GB Memory (single core calculation)
*A. Patel et al., Development and Validation of a Reduced Reaction Mechanism for HCCI Engine Simulations, SAE Paper 2004-01-0558 (2004).
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Engine Specifications and Calculation Grids
Table Engine specifications
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
Calculation grids
The number of cells
Fixed line
5464 at BDC timing
2344 at TDC timing
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Reaction Scheme – Ignition Delay Test
19 / 60
素反応機構の着火遅れ特性
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．
各素反応機構の反応数と化学種数
10
P = 1.3 MPa
φ=1.0
LLNL scheme: 560 species, 2537 reactions
ERC scheme : 29 species, 52 reactions
In this study : 33 species,
1
Peak Pressure timing
±0.1 ms
0.1
0.01
66 reactions
5
LLNL scheme
ERC scheme
Applied scheme
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1000/K
Pressure MPa
ignition delay ms
100
Ignition delay characteristics of each scheme
calculated by 0-D chemical reaction analysis.
Pressure rise
±0.1 ms
4
3
Peak Pressure
±3%
Operating conditions
2
-10
Engine speed : 2000 rpm
Fuel injection timing : TDC
Fuel quantity : 20 mm3/st
EGR ratio: 19.1%
0
10
Exp_pressure
Exp_pressure
ERC
scheme
ERC scheme
Applied
scheme
20
30
Crank angle deg. ATDC
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
20 / 60
Parameter : Fuel Injection Timing
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
EGR ratio %
Intake O2 concentration vol. %
20
0
20.9
Parameter : EGR Ratio (Intake O2 concentration)
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
*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 -
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筒内圧力および熱発生率の計算結果
Parameter : EGR Ratio
(Intake O2 concentration)
6
-5 deg. ATDC
300
-2 deg. ATDC
TDC
2 deg. ATDC
4
200
2
100
0
-2
-20
-10
0
10
20
30
Crank angle deg. ATDC
0
40
8
Cylinder pressure MPa
Exp.
Cal.
400
Fuel injection timing
Heat release J/deg. CA
Cylinder pressure MPa
8
400
EGR ratio
0.4%
27.8%
300
30.2%
32.5%
200
6
4
2
Exp.
Cal.
100
0
-2
-20
-10
0
10
20
30
Crank angle deg. ATDC
0
40
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．
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Heat release J/deg. CA
Parameter : Fuel Injection Timing
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Calculation Results
- NO2/NOx Prediction
-
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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
Oxygen concentration vol%
20.9
17.2
16.2
15.3
Injection timing deg. ATDC
Black: -5
Red: -2
Blue: 0(TDC)
Green:2
0.4
0.3
0.2
±15%
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
20.9
150
Calculated NO2 emission ppm
Calculated NO2/NOx
0.5
Oxygen concentration vol%
0.5
Measured NO2/NOx
17.2
15.3
Injection timing deg. ATDC
Black: -5
Red: -2
Blue: 0(TDC)
Green:2
100
±15%
50
0
16.2
0
50
100
Measured NO 2 emission ppm
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．
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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150
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Summary of ‘Section III’
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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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24 / 60
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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Outline of Supercharge with EGR
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EGRと過給の併用によるエンジンアウトの排出ガス低減
高過給，高EGR燃焼
EGR line
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
VNT/VGT
turbocharger
Common-rail fuel
injection system
Fig. Diesel engine system
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
>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
>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．
>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．
本章の目的
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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．
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Analysis Method of EGR Mechanism
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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．
O2
Inert O2
“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
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- EGR Mechanism -
Table Calculation conditions (Operating conditions)
Engine speed rpm
2000
Intake pressure kPa
100
Injection timing deg. ATDC
0
Injection quantity mm3/st
Intake temperature K
20
344.7
Table Calculation conditions (In-cylinder gas components)
Case
O2 vol%
A
21.0
B
C
19.3, 17.7, 16.0
N2 vol%
79.0
78.7, 78.3, 78.0
H2O, CO2 vol%
Inert O2 vol%
0.0
0.0
1.0, 2.0, 3.0
0.0
0.0
2.0, 4.0, 6.0
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．
2009/01/17
Kusaka Laboratory
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Calculation Results
28 / 60
- EGR Mechanism -
筒内圧力と熱発生率，およびNOx排出濃度の計算結果
4
300
200
Dilution gas
w/o EGR
2
CO2, H2O
100
Inert_O2
0
400
0
5
10
15
20
25
Crank angle deg. ATDC
1000
NO, NO2 ppm
Dilution gas 0%
2.0%
4.0%
6.0%
NO
2/NOx
NOx
emissions
Heat release J/deg. CA
Cylinder pressure MPa
6
In-cylinder Pressure and HRR
800
0.093 0.12 0.15
821.89
0.22 0.23
NO
NO2
Inert O2
600
EGR(CO2,H2O)
450.21
400
346.94
197.21
130.69
200
0
0
30
0.18 0.20
Inert O2
0.0
Case
A
EGR
2.0
Inert O2
EGR
62.83
Inert O2
4.0
Dilution gas vol%
C B
C B
31.20
EGR
6.0
C
B
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．
2009/01/17
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In-cylinder Behaviour of NO and Gas Temp.
Case A
筒内ガス温度およびNO濃度分布
の変化 (movie)
1 – 90 deg. ATDC
(10 deg. CA/sec)
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%
2009/01/17
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Case B*
29 / 60
Case C*
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NO and Temperature Distribution
30 / 60
各条件におけるNOと筒内ガス温度の分布
Temperature K
(A) w/o EGR
400 – 2500
(B) EGR
NO mass fraction 0.0 – 0.0008
(C) Inert O2
(A) w/o EGR
14 deg. ATDC
14 deg. ATDC
18 deg. ATDC
18 deg. ATDC
26 deg. ATDC
26 deg. ATDC
(B) EGR
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．
2009/01/17
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(C) Inert O2
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Numerical Analysis of Supercharge with EGR
31 / 60
過給とEGRの併用を想定したディーゼル燃焼の数値解析
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．
8
400
6
300
4
2
0
200
-20kPa
+20kPa
+40kPa
+60kPa
+80kPa
+100kPa
-2
-20
-10
2009/01/17
base
0
10
20
30
Crank angle deg. ATDC
100
0
40
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.
10
4
10
3
10
2
10
1
0.4
10
0
0.2
10
Kusaka Laboratory
NOx
NO2/NOx
0.8
0.6
-1
-20
1
0
20
40
60
80
Intake pressure kPa (gage)
0
100
NO2/NOx
500
NOx emission ppm
In-cylinder Pressure and HRR
Heat release J/deg
Cylinder pressure MPa
10
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Summary of ‘Section IV’
32 / 60
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．
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．
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．
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．
2009/01/17
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33 / 60
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
2009/01/17
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Outline of NOx Composition Control
34 / 60
燃焼制御により，排出NOx中のNO2の割合を上昇させる手段
1
炭化水素の添加によるNOの酸化促進*
CH OH
CH
DME
4
2 4
3
NO+HO2⇔NO2+HO
燃焼制御によるNO-NO2変換のコンセプト
2
NO /NO
x
0.8
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
CH
0.6
0.4
0.2
0
600 700 800 900 1000 1100 1200
Temperature K
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
本章の目的
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．
*Ref. HORI，et al., An experimental and kinetic calculation of the promotion effect of hydrocarbons on the NO-NO2 conversion in a flow reactor
2009/01/17
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Experimental Setup
Table
35 / 60
Test Engine Specifications
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
DOC
Pt/Al2O3
Size mm
Φ130 × 140
Volume L
1.86
Sampling Point
A. DOC Inlet
B. DOC outlet
A
B
2009/01/17
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Experimental Conditions
36 / 60
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
Table Experimental conditions
Load x/8
Engine Speed rpm
Pilot Injection Timing deg. ATDC
Pilot Injection Quantity mm3/st
EGR effect
1, 2
1500
-80 ~ -10
w/o
2.0
Main Injection Timing deg. ATDC
Post Injection Timing deg. ATDC
Post Injection Quantity mm3/st
EGR ratio %
w/o
0
w/o
10 - 80
2.0
40 (1/8 Load), 32 (2/8 Load)
※ 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．
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- 1/8 Load with EGR -
NOx g/h
NOx排出量とNO2/NOｘ
30
Post
Pilot
Single
25
20
15
NO2/NOx
10
NOx
5
0
-80 -60 -40 -20
0
20 40 60
Injection timing deg. ATDC
80
60
40
20
燃料噴射タイミングの影響は小さい
0
80
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．
Post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
CO, THC g/h
BSFC g/kWh
2009/01/17
NO2/NOx
BSFC
BSFCとCO，THC排出量
440
250
Post
Pilot
Single
400
200
360
BSFC baseline
150
320
BSFC
280
100
CO
240
THC
50
CO baseline
200
THC baseline
160
0
-80 -60 -40 -20
0
20 40 60 80
Injection timing deg. ATDC
37 / 60
NOx排出量
100
NO2/NOx
Experimental Results
Kusaka Laboratory
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．
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Calculation Conditions
– Analysis of NO-NO2 Conversion -
38 / 60
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．
Table Calculation conditions
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
In-cylinder Pressure and HRR
Cylinder pressure MPa
Engine speed: 1500 rpm
Load: 1/8, with EGR
Exp
Cal
4
2
0
Pilot(-40)+Main
-10
0
Base
(single)
Main+Post(40)
150
100
50
10
20
0
30
Heat release J/deg. CA
200
6
Crank angle deg. ATDC
2009/01/17
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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.
筒内温度，NO, NO2, HO2濃度の分布
Temperature K NO mass frac.
1500 rpm, 1/8 load
300
2600
0
with EGR, 0 – 120 deg. ATDC
Single injection (TDC)
Double injection
Main + Post (40 deg. ATDC)
2009/01/17
39 / 60
Kusaka Laboratory
0.0005
Max.
NO2 mass frac. HO2 mass frac.
0
0.0002
0
0.0001
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In-cylinder Behaviour
NO, NO2, HO2濃度の分布
- NO, NO2, HO2, Gas temp. Min.
Max. Temp．300
NO
NO2
HO2
Single injection
Temp.
NO
NO2
HO2
15 deg. ATDC
0
0
0
2600
0.0005
0.0002
0.0001
Post噴射によるNO-NO2変換反応の促進効果
Single Post
30 deg. ATDC
53 deg. ATDC
NO2
60 deg. ATDC
58 deg. ATDC
90 deg. ATDC
80 deg. ATDC
Post噴射によってシリンダ外周付近にHO2が生成
120 deg. ATDC
し，NO2はシリンダ外周付近で高い濃度を示す．
2009/01/17
40 / 60
Kusaka Laboratory
Single Post
※初期NO2濃度が異なる
HO2
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Summary of ‘Section V’
41 / 60
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．
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，
2009/01/17
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42 / 60
第6章
NOx組成コントロールのUrea-SCRシステムへの適用
2009/01/17
Kusaka Laboratory
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Outline of Diesel Engine System Optimization
43 / 60
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
Emissions reduction
performance
‘Synergy effect’ of combustion and aftertreatment
Combustion
Aftertreatment
Cost
Cost
Exhaust gas temperature
Cost
（超高温域では触媒が劣化）
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
>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．
本章の目的
2009/01/17
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．
Kusaka Laboratory
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Experimental Setup
44 / 60
Aftertreatment device : Urea-SCR
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
Table
Specifications of SCR catalyst
Material
Vanadium
Size mm
Φ150 × 165
Volume L
2.92
(2.92/2.2≒1.32)
Sampling Point
A. DOC inlet
B. DOC outlet
C. SCR inlet
D. SCR outlet
B
A
C
D
※ 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．
2009/01/17
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Experimental Conditions
45 / 60
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．
Table Experimental conditions
Effect of NOx control on NOx conversion
Load x/8
1, 2
Engine Speed rpm
1500
Pilot Injection Timing deg. ATDC
Pilot Injection Quantity mm3/st
-40, -20, -10
w/o
2.0
Main Injection Timing deg. ATDC
Post Injection Timing deg. ATDC
Post Injection Quantity mm3/st
w/o
0
10, 20, 40
w/o
2.0
EGR ratio %
0, or 40(1/8 Load), 32(2/8 Load)
Urea equivalence ratio
1.0
※ 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．
2009/01/17
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Experimental Results
46 / 60
100
400
350
50
0
-50
300
w/o EGR with EGR
NO2/NOx (SCR_inlet)
NOx conversion
SCR temperature
-100
-40 -30 -20 -10
0
10
20
250
200
30
Pilot/Post Timing deg. ATDC
150
40
SCR catalyst temp. deg. C
NOx conversion %
NO2/NOx,
NO2/NOx，NOx浄化率およびSCR触媒温度の関係
Single injection, w/o EGR
NO2/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 EGR
NO2/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 load
NO2/NOx−
62.3%
NOx浄化率− 76.8%
SCR触媒温度−236.1 ℃
BSFC−
275 g/kWh
2009/01/17
Post 20 deg.ATDC,
w/o EGR，2/8 load
NO2/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%)
Kusaka Laboratory
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)
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Combination of Combustion and Aftertreatment
47 / 60
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）
NOx emission g/h
60
Case A
Case B
Case C
Case D
50
56.4%
84.3%
reduction reduction
40
30
93.0%
reduction
10
Single
w/o EGR
46300
Multi
w/o EGR
49600
Case A → B : 56.4%
Case C → D : 21.7% (3.4 point)
87.7%
reduction
91.5%
reduction
20
0
Injection
EGR
GHSV
多段噴射化によるNOx低減効果
100
Single
Multi
with EGR with EGR
25000
26500
EGRの導入によるNOx低減効果
43.6
Case A → C : 84.3%
Case B → D : 71.8% (31.3 point)
15.7
12.3
ガス量低減によるNOx低減効果
7.06
8.50
Case C : 46.0% (7.2 point)
Case D : 42.8% (5.2 point)
NOx reduction %
Urea-SCRシステムによるNOxの低減（
1/8負荷の場合）
100
Case Aと同じSVで排出された場合
80
60
40
20
0
NO2/NOx
0.299
0.653
0.467
0.710
SCR temp. (deg. C) 174
191
179
196
Total NOx reduction 39.7%
86.5%
95.9%
97.2%
2009/01/17
68.9%
60.8%
51.5%
39.7%
Kusaka Laboratory
Urea-SCRの浄化性能の変化
Case A → B : 29.2 point
触媒温度上昇，NO2割合の改善
Case A → C : 11.8 point
NO2割合の改善
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
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Summary of ‘Section VI’
48 / 60
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．
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．
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
Kusaka Laboratory
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49 / 60
第7章
結 論
2009/01/17
Kusaka Laboratory
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Concluding Remarks
50 / 60
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)
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．
EGRにより動作ガス流量が低下し，吸気温度が上昇
>多段噴射/後期噴射 (第3章，第5章において検討)
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．
>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．
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
本研究により得られた成果
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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Future Work
- Numerical analysis -
51 / 60
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
Table Calculation and experimental conditions
Engine speed rpm
Engine load
1st pilot injection timing deg. ATDC
1st pilot injection quantity mm3/st
2nd pilot injection timing deg. ATDC
2nd pilot injection quantity mm3/st
Main injection timing deg. ATDC
Main injection timing mm3/st
Intake pressure kPa(abs)
Intake temperature K
EGR ratio %
2/8
-22.8
1.80
-3.2
1.80
10.8
26.4
142.4
367.55
30.4
2000
3/8
-24.4
1.87
-4.8
1.87
8.8
35.9
164.5
336.25
14.4
6/8
-19.1
2.17
0.4
66.0
205.4
312.05*
0.0
*Heat transfer (+15 K) between intake gas and cylinder wall is assumed in calculation
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．
2009/01/17
Kusaka Laboratory
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Future Work
- Numerical analysis -
52 / 60
Experimental and numerical results
In-cylinder Pressure and HRR
400
Load
6/8
10
300
3/8
8
6
2/8
200
4
2
100
0
-2
-20
0
20
40
1200
1000
NO, NO2 ppm
Exp.
Cal.
12
Heat release J/deg. CA
Cylinder pressure MPa
14
NOx emission
800
1119
NO
NO2
841
600
400
200
0
60
Crank angle deg. ATDC
0
77.0 36.4 *
197
*
127
Exp. Cal.
Exp. Cal.
Exp. Cal.
2/8 load
3/8 load
6/8 load
*NOx in EGR gas is considered
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．
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
2009/01/17
Kusaka Laboratory
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Future Work
- NOx component control -
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DOC上におけるNO2の消費抑制方法の検討
Engine speed : 1500 rpm, 1/8 load, with EGR
Before DOC
After DOC
>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．
75
50
25
2
NO /NOx ratio %
100
0
-80
-40
0
40
80
Injection Timing deg. ATDC
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
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Future Work
- NOx component control -
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Post噴射量を低減させた場合のNO-NO2変換特性
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
NO, NO2, HO2
Exp.
Cal. post 2.0
Cal. post 1.0
4
2
0
150
100
50
-20
0
20
40
0
60
6
2
post 2.0
post 1.0
4
NO2
1
2
HO2
NO
0
Crank angle deg. ATDC
-40
0
40
Crank angle
80
0
120
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．
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HO2 mass μg
200
Engine speed: 1500 rpm
Load: 1/8, with EGR, Main + Post Inj.
NO, NO2 mass μg
6
Heat release J/deg. CA
Cylinder pressure MPa
Pressure and Heat Release
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Future Work
– Fuel Injection for Aftertreatment Device -
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ディーゼル燃焼によるNOx生成
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
NO
従来型のディーゼル燃焼において多量に生成していた
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
NO2
近年のディーゼル燃焼において生成量が増加
Pilot/Post噴射により後処理装置に供給された燃料の挙動
燃料添加量
Present
Future
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）
従来システムに対する
燃費向上幅
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
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
2009/01/17
Kusaka Laboratory
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Future Work
- Simplified Heat Release Prediction Model -
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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．
Typical heat release rate curve
感度解析の手法
熱発生率線図の形状に着目
D
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)
>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．
A:Ignition delay (Cool flame)
Heat release
>熱発生率はエンジン性能を代表する．
B:Ignition delay (Hot flame)
C
C:Max. heat release
D:Max. heat release timing
B
E:Combustion duration
A
7.0 J/deg. CA
SOI
E
Crank angle
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
2009/01/17
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Future Work
- Simplified Heat Release Prediction Model -
57 / 60
D
A
B
C
E
SOI
D
Heat release J/deg
Heat release J/deg
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
A
B
C
E
SOI
Crank angle deg. ATDC
Crank angle deg. ATDC
4
base
3
2
-20
0
20
40
60
80 100
Initial pressure kPa (v.s. base)
12
HRR max J/deg
150
10
base
100
base
8
6
-20
C
200
Hot flame deg. ATDC
0
20
40
60
80 100
Initial pressure kPa (v.s. base)
50
0
-20
0
20
40
60
80 100
Initial pressure kPa (v.s. base)
20
18
16
D
HRR max timing deg. ATDC
base
14
12
10
-20 base
0 20
40
60
80 100
Initial pressure kPa (v.s. base)
Combustion duration deg. CA
5
B
14
HRR max. timing deg. CA
Cool flame deg. ATDC
Max. HRR J/deg
A
6
Hot flame deg. CA
Cool flame deg. CA
Sensitivity analysis
E
16
14
12
10
base
8
6
-20
Combustion duration deg. CA
0
20
40
60
80 100
Initial pressure kPa (v.s. base)
Simple equations
A = f(p,T,…) D = i(p,T,…)
B = g(p,T,…) E = j(p,T,…)
C = h(p,T,…)
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．
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Future Work
- Simplified Heat Release Prediction Model -
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熱発生率線図の形状とエンジン性能 (NOx排出特性の例)
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.%)
2
150
1.5
100
1
NOx emission
NO2/NOx
50
0
-20
0
20
40
60
0.5
80
Intake pressure kPa (gage)
0
100
150
12
9
100
50
0
-20
6
Max. Heat release
Excess air ratio
0
20
40
60
3
80
Intake pressure kPa (gage)
0
100
Excess Air Ratio
200
Max. H.R.R. J/deg
Max. heat release rate and Air Excess Ratio
NO2/NOx
NOx emission ppm
NOx emission and NO2/NOx
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．
NOx排出量とNOx組成の予測，制御方法
4
10
1
3
10
2
10
0.5
1
10
0
10
0
23 22 21 20 19 18 17 16 15
NO2/NOx
NOx emission ppm
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
Oxygen concentration vol.%
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Future Control System for Diesel Engine
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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
Engine information
Input
(Accel pedal)
Base control
Intake temp., Intake pres.,
Intake air mass., etc.
In-cylinder state quantity
prediction model
Pres., Temp., O2 conc., etc.
Injection pattern
Intake throttle
EGR ratio, etc…
Catalyst information
Bed temp., Soot loading,
NH3 or NOx adsorption, etc.
Simple H.R.R. prediction model
Torque, Ex. Temp.
Emission (Soot, NOx, NO2/NOx)
Injection pattern modification
NG
ECU
Number of inj., Inj. Q, timing, etc…
Performance
evaluation
Good!!
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．
2009/01/17
Kusaka Laboratory
Optimized injection
Presentation slides of Doctor thesis
End of the Presentation
60 / 60
End
Thank you for your attention!!
2009/01/17
Kusaka Laboratory