排気ガス再循環

1987年式サーブ90のサーブHエンジンの吸気マニホールド上部のボックス上部にあるEGRバルブ

内燃機関において、排気ガス再循環（EGR ）は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、および一部の水素エンジンで使用される窒素酸化物（NO x ）排出量削減技術です。[ 1 ] EGRは、エンジンの排気ガスの一部をエンジンシリンダーに再循環させることで機能します。排気ガスは大気中の空気を排除し、燃焼室内の酸素濃度を低下させます。酸素量が減少すると、シリンダー内で燃焼できる燃料の量が減少し、シリンダー内のピーク温度が低下します。実際の再循環排気ガス量は、エンジンの動作パラメータによって異なります。

燃焼シリンダー内では、大気中の窒素と酸素の高温混合物によってNOxが生成され、これは通常、シリンダーのピーク圧力で発生します。火花点火エンジンでは、外部EGRバルブを介して排気ガスを再循環させることで、充填希釈によってスロットル開度を大きくすることができ、関連するポンピング損失が低減するため、効率が向上します。マツダのターボチャージャー付きSkyActivガソリン直噴エンジンは、再循環・冷却された排気ガスを使用することで燃焼室の温度を下げ、ノッキングを防止するために混合気を濃くする必要が生じる前に、エンジンをより高いブーストレベルで運転することができます。[ 2 ]

ガソリンエンジンでは、この不活性排気ガスがシリンダー内の可燃性ガスの一部を押しのけ、空燃比に影響を与えずに燃焼に利用できるガス量を減らす。ディーゼルエンジンでは、排気ガスが燃焼前混合物中の過剰な酸素の一部を置換する。 [ 3 ] NO xは主に窒素と酸素の混合物が高温にさらされたときに生成されるため、EGRによって燃焼室の温度が低下すると、燃焼プロセスで生成されるNO xの量が減少する。EGRシステムから再導入されるガスには、ほぼ平衡濃度のNO xとCOが含まれる。燃焼室内に最初に存在する少量のガスは、時間平均でサンプリングした場合、これらの汚染物質およびその他の汚染物質の総正味生成量を抑制します。異なる燃料の化学的性質によって、EGRの使用量に制限があります。例えば、メタノールはガソリンよりもEGRに対して耐性があります。[ 4 ]

歴史

最初のEGRシステムは粗雑で、排気管と吸気管の間にオリフィスジェットを設け、エンジンの回転中は常に排気ガスを吸気管に取り込むという単純なものもあった。その結果、始動困難、アイドリングの不安定さ、性能低下、燃費の低下が避けられなかった。[ 5 ] 1973年までに、マニホールドの真空で制御されるEGRバルブが開閉し、特定の条件下でのみ排気ガスを吸気管に取り込むようになった。自動車メーカーが経験を積むにつれて、制御システムはより洗練されていった。フォルクスワーゲンが1973年に発表した「冷却水制御排気ガス再循環」システムは、この進化を象徴するものである。冷却水温度センサーが、エンジンが通常の動作温度に達するまでEGRバルブへの真空を遮断する。[ 5 ]これにより、不要な排気ガスの導入による運転性の問題が防止される。NOxは高温下で生成されるが、これは冷えたエンジンでは通常発生しない。さらに、EGRバルブはキャブレターのベンチュリーから引き出される真空によって部分的に制御され、 NOxが発生しやすいエンジン負荷条件のみにEGR流量をより正確に制限することが可能になった。 [ 6 ]その後、背圧トランスデューサーがEGRバルブ制御に追加され、エンジン負荷条件に合わせてEGR流量をさらに調整できるようになった。現在、ほとんどの最新エンジンはNOx排出基準を満たすために排気ガス再循環を必要としている。しかし、近年の技術革新により、EGRを必要としないエンジンが開発されている。3.6リッタークライスラー・ペンタスターエンジンはEGRを必要としないエンジンの一例である。[ 7 ]

EGR

排気ガスには水蒸気と二酸化炭素が含まれており、どちらも空気よりも熱容量比が低い。そのため、排気ガスを追加すると、シリンダー内の等エントロピー圧縮時に圧力と温度が低下し、断熱炎の温度も低下する。

一般的な自動車用火花点火（SI）エンジンでは、排気ガスの5%～15%がEGRとして吸気口に戻されます。最大量は、燃焼中に混合気が連続的な火炎面を維持する必要性によって制限されます。不適切な設定で過剰なEGRを行うと、失火や部分燃焼を引き起こす可能性があります。EGRは燃焼をある程度遅くしますが、点火時期を早めることで、この影響はほぼ補うことができます。EGRがエンジン効率に与える影響は、エンジンの設計に大きく依存し、効率とNOx排出量の間で妥協が生じる場合もあります。特定の状況では、適切に機能するEGRは、理論上、いくつかのメカニズムを通じてガソリンエンジンの効率を向上させることができます。

  • スロットル損失の低減。吸気システムに不活性排気ガスを追加すると、一定の出力を得るためにスロットルプレートをさらに開く必要があり、その結果、吸気マニホールド圧力が上昇し、スロットル損失が低減します。[ 8 ]
  • 熱損失の低減。燃焼ピーク温度の低下は、 NOxの生成を減らすだけでなく、燃焼室表面への熱エネルギーの損失も減らし、膨張行程中の機械的な仕事への変換に利用できる熱エネルギーを増やします。
  • 化学分解の低減。ピーク温度が低いため、放出されたエネルギーの多くは、膨張行程の初期段階で燃焼生成物の分解に利用されるのではなく、上死点（TDC）付近で顕熱エネルギーとして残存します。この効果は最初の2つに比べると小さいものです。

EGRは通常、高負荷時には使用されません。これは、吸気充填密度が低下するため、ピーク出力が低下するためです。また、アイドリング（低速、無負荷）時にはEGRは使用されません。これは、燃焼が不安定になり、アイドリングが不安定になる可能性があるためです。

EGRシステムは排気ガスの一部を再循環させるため、時間の経過とともにバルブがカーボン堆積物で詰まり、正常に動作しなくなる可能性があります。詰まったEGRバルブは洗浄できる場合もありますが、バルブに不具合がある場合は交換が必要です。

ディーゼルエンジン

VW BMNエンジン用電子作動EGRバルブ

ディーゼルエンジンは燃料の点火に圧縮熱を利用するため、火花点火エンジンとは根本的に異なります。ディーゼル燃料の燃焼プロセスは、最も完全燃焼が高温で起こるという物理的な特性を持っています。しかし、高温になると窒素酸化物（ NOx）の生成量が増加します。したがって、EGRの目的は、燃焼温度を下げることでNOxの生成量を削減すること です。

現代のディーゼルエンジンでは、より多くの再循環ガスを導入するために、EGRガスは通常、熱交換器で冷却されます。しかし、冷却しないEGR設計も存在し、これらはしばしばホットガス再循環（HGR）と呼ばれます。冷却されたEGR部品は、繰り返しの急激な温度変化にさらされるため、冷却液漏れやエンジンの壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。[ 9 ] [ 10 ]

火花点火エンジンとは異なり、ディーゼルエンジンは連続した火炎面を必要としません。さらに、ディーゼルエンジンは常に過剰空気で運転するため、最大50%のEGR率（NOx排出量の低減という点において）のメリットがあります。ただし、50%のEGR率は、ディーゼルエンジンがアイドル状態の場合にのみ適しています。アイドル状態の時は、過剰な空気が大量に存在するためです。

現代のディーゼルエンジンはスロットルを備えていることが多いため、EGRはスロットル操作の必要性を低減し、火花点火エンジンと同様にこの種の損失を排除することができます。自然吸気エンジン（ターボチャージャーなし）では、スロットル操作の低減により、エンジンオイルがピストンリングを通過してシリンダー内に吸い込まれ、オイル由来のカーボン堆積を引き起こすという問題も軽減されます。

特にディーゼルエンジンでは、EGRシステムには重大な欠点があり、その1つはエンジン寿命の短縮です。例えば、EGRシステムは排気ガスを濾過せずに直接シリンダーの吸気口に戻すため、この排気ガスには炭素粒子が含まれます。これらの微粒子は研磨性があるため、この物質がシリンダー内に戻ることでエンジンの摩耗が増加します。これは、これらの炭素粒子がピストンリングを吹き抜け（その過程でピストンとシリンダーの接触面の摩耗を引き起こす）、最終的にクランクケースオイルに入り込み、その小さなサイズが一般的なオイルフィルターを通過するため、エンジン全体にさらなる摩耗を引き起こすためです。これにより、炭素粒子は無期限に（次のオイル交換が行われるまで）循環することができます。[ 11 ]

排気ガスは主に窒素、二酸化炭素、水蒸気で構成されており、空気よりも比熱が高いため、依然として燃焼ピーク温度を下げる役割を果たします。しかし、ディーゼルエンジンにEGRを追加すると、爆発行程における燃焼ガスの比熱比が低下します。これにより、ピストンから抽出できる出力が減少し、熱力学的効率が低下します。

EGRは、爆発行程中の燃料燃焼の完全性を低下させる傾向があります。これは、EGRの増加に伴って粒子状物質の排出量が増加することで明らかです。[ 12 ] [ 13 ]

動力行程で燃焼されない粒子状物質（主に炭素、別名スス）は、エネルギーの無駄となります。粒子状物質（PM）に関する規制が厳しくなったため、EGRによるスス増加の影響により、PM排出量の増加を補うための更なる排出ガス規制の導入が必要となりました。最も一般的なスス抑制装置は、エンジン下流の排気システムに設置されるディーゼル微粒子捕集フィルター（DPF）です。DPFはススを捕集しますが、発生する背圧によって 燃費を低下させます。

ディーゼル微粒子フィルター（DPF）には、非常に特殊な運用およびメンテナンス要件が定められています。まず、DPFが煤粒子（EGRの使用により大幅に増加）を捕捉するにつれて、DPF自体が徐々に煤で汚染されていきます。この煤は、能動的または受動的に燃焼除去する必要があります。

十分に高い温度では、NOx排出ガス中の二酸化窒素成分が、通常の運転温度でDPFに捕捉された煤の主な酸化剤となります。このプロセスはパッシブ再生と呼ばれ、捕捉された煤の燃焼には部分的にしか効果がありません。EGR率が高い場合、パッシブ再生の効果はさらに低下します。そのため、DPFを通過する排気ガス温度を大幅に上昇させ、排気中の残留酸素によってPMが燃焼するまで、DPFを定期的にアクティブ再生する必要があります。

ディーゼル燃料とエンジンオイルはどちらも不燃性不純物（金属や鉱物など）を含んでいるため、DPF内で煤（PM）を燃焼させると灰と呼ばれる残留物が残ります。そのため、再生を繰り返すと、最終的にはDPFを物理的に取り外して特殊な外部プロセスで洗浄するか、交換する必要があります。

前述のように、低酸素の排気ガスをディーゼルエンジンの吸気口に取り込むと、燃焼温度が低下し、NO xの排出量が削減されます。また、EGR では、吸入される新鮮な空気の一部を不活性ガスで置き換えることで、理想的な空燃比を損なうことなくエンジンの噴射燃料量を減らすことができるため、低エンジン負荷状況 (たとえば、車両が惰性走行または巡航しているとき) での燃料消費量が削減されます。EGR は高負荷エンジン状況では使用されないため、EGR によって出力が低下することはありません。これにより、エンジンは必要なときに最大出力を発揮できますが、部分負荷で車両とドライバーのパワー ニーズを満たすことができる場合は、シリンダー容量が大きいにもかかわらず、燃料消費量が少なくなります。

EGR は、ポジティブクランクケース ベンチレーション システム(PCV) システムからのオイル蒸気の再ルーティングとは何の関係もありません。後者はオイル蒸気の放出を減らすためだけにあり、EGR システムの有無にかかわらずエンジンに存在する可能性があります。ただし、エンジンで EGR と PCV の両方を使用すると、3 者間の混合物 (つまり、排気ガス、新鮮な空気、オイル蒸気) が生成され、吸気マニホールドとバルブに粘着性のあるタールが蓄積する可能性があります。この混合物は、取り付けられている場合、スワール フラップなどのコンポーネントに問題を引き起こす可能性もあります。これらの問題は、望ましくない正のフィードバック ループの形をとっており、エンジンが古くなるにつれて悪化します。たとえば、ピストン リングが徐々に摩耗すると、より多くのクランクケース オイルが排気流に入り込みます。同時に、より多くの燃料、すす、燃焼副産物がエンジン オイルに侵入します。

排気ガスとクランクケースオイル蒸気の両方を再循環させることで、最終的には煤の発生量が再び増加するが、DPFによって効果的に抑制される。DPFは煤を集め、最終的には再生中に未燃焼の粒子を燃焼させ、CO2と水蒸気の排出物に変換する。NOxガスとは異なり、これらは健康に悪影響を及ぼさない。[ 14 ]

最新の冷却式EGRシステムは、再循環ガスから回収された廃熱を利用して冷却剤を温め、エンジンブロックを動作温度まで素早く到達させることで、エンジンの摩耗を軽減します。また、冷間始動後の燃料消費量を削減することで、燃料消費量を削減します。冷間始動後、エンジンブロックが理想的な動作温度を下回っているために燃焼効率が低下し、シリンダー壁への燃料蒸気の凝縮の影響を抑えるために、エンジンコントローラーがシリンダー内に多めの燃料を噴射する必要がある時間を短縮します。燃焼温度の低下は、エンジンオイルの酸化を抑制するのにも役立ちます。エンジンオイルの酸化に最も影響を与える要因は、オイルが高温にさらされることです。[ 15 ]

エンジンメーカーはEGRの燃費への影響についての詳細を公表することを拒否しているが、冷却EGRの導入につながった2002年のEPA規制はエンジン効率の3%の低下を伴い、年間0.5%の増加傾向に反することになった。[ 16 ]

参照

出典

  • ヘイウッド、ジョン B.、「内燃機関の基礎」、マグロウヒル、1988 年。
  • van Basshuysen、Richard、Schäfer、Fred、「内燃機関ハンドブック」、SAE International、2004 年。
  • 『Bosch Automotive Handbook』、第 3 版、Robert Bosch GmbH、1993 年。
  • アルジャー、テリー (2010). 「クリーン＆クール」(PDF) .テクノロジー・トゥデイ. 31 (2). サンアントニオ、テキサス州: サウスウエスト・リサーチ・インスティテュート: 10–13 . ISSN  1528-431X . 2017年4月8日閲覧.
  • ルイ・シレゲム。ヴァン・デ・ジンステ、マールテン。シーレンス、ロジャー。フェルヘルスト、セバスチャン。ジェローン・ヴァンコイリー (2011)。「最新の火花点火エンジンの燃料としてのメタノール: 効率の研究」。流れ、熱、燃焼力学の学科。ベルギー、ゲント：ゲント大学。2019 年3 月 19 日に取得– Research Gate 経由。

参考文献

  1. ^ 「マツダの水素ロータリーエンジンに関する説明」 。 2021年6月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年6月4日閲覧。
  2. ^マツダの革新的な4気筒エンジンは大型V6エンジン並みのパワーを発揮。Ward 's、2017年11月9日
  3. ^ 「排気ガスと運転性 – クライスラー社、1973年」。2014年7月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年2月24日閲覧。
  4. ^ Sileghem & Van De Giste, 2011. 引用：「アウディエンジンの結果は、メタノールは火炎速度が高いため、ガソリンよりもEGR耐性が高いことを示しています。メタノール使用時のEGR耐性は27%でした。EGRを使用したメタノール燃料エンジンの効率は、スロットルストイキオメトリー運転の場合よりも高くなります。」
  5. ^ a bローゼン、アーウィン・M.編 (1975).ピーターソン自動車トラブルシューティング＆修理マニュアル. グロセット＆ダンラップ社. ISBN 978-0-448-11946-5。
  6. ^「1973年クリーンエアシステムのハイライト」クライスラー社、Wayback Machineで2015年9月24日にアーカイブ、imperialclub.com
  7. ^ 「2011年型ダッジ・チャレンジャー、305馬力ペンタスターV6搭載で正式発表」 autoguide.com 2010年10月22日. 2011年9月26日閲覧。
  8. ^ Alger, 2010. 引用：「サウスウェスト研究所（SwRI）のエンジニアによる最近の研究では、排気ガス再循環（EGR）がガソリンエンジンの非効率性の原因となるこれらの要因を軽減、あるいは排除する上で果たす役割が検証されました。内部資金によるこの研究では、EGRはポンピングロスの低減、ノッキングの緩和、排気ガスの冷却、燃料濃縮の必要性の排除によって、直噴式およびポート噴射式ガソリンエンジンの両方の燃費を向上させることができることが判明しました。」
  9. ^ Digital360編集者（2024年4月2日）。「EGRクーラーの故障はどうすればわかるのでしょうか？ | Natrad」 Natrad Radiators & Auto Air . 2024年4月11日閲覧。{{cite web}}:|last=一般的な名前があります（ヘルプ）CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  10. ^ 「EGRバルブの欠陥が冷却水の損失を引き起こす可能性はあるか？」オートエキスパート、ジョン・カドガン。2021年12月10日。 2024年4月11日閲覧。
  11. ^ Dennis A., Garner C., Taylor D. (1999). EGRのディーゼルエンジン摩耗への影響, SAE 1999-01-0839, シリンダー内ディーゼル粒子状物質およびNOx制御1999
  12. ^ナゲル、ジョン（2002年）『ディーゼルエンジンと燃料システムの修理』 ISBN 0130929816。
  13. ^ベネット、ショーン（2004年）『中型/大型トラックのエンジン、燃料、コンピュータ管理システム』第2版、 ISBN 1401814999。
  14. ^ SCR か EGR か? - FleetOwner マガジン。
  15. ^エンジンオイルの酸化の原因は何ですか？、2021年3月18日
  16. ^ 21世紀トラックパートナーシップのレビュー、全米科学アカデミー出版、2008年、98ページ、ISBN 9780309178266
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