成果報告書詳細
管理番号20100000001739
タイトル平成19年度-平成21年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発事業 低燃費、超低エミッションディーゼル燃焼システムの研究開発
公開日2010/10/26
報告書年度2007 - 2009
委託先名財団法人日本自動車研究所
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部
和文要約本研究では,次世代の乗用車用高効率クリーンディーゼル技術を開発するため,NOx触媒を不要とする低温ディーゼル燃焼コンセプトを提案し,高効率・超低NOx燃焼技術の開発を行った.NOxとSootの同時低減技術として燃料の予混合化を促進した低温燃焼が検討されているが,中・高負荷域ではSoot-燃焼騒音,軽負荷域では燃費-NOxのトレードオフが課題である.中・高負荷においては,低圧パイロット噴射と高圧メイン噴射を組み合わせた可変噴射圧制御を行うことにより,燃焼過程中にリッチからリーンへのダイナミックな混合気濃度変化を実現し,高負荷条件におけるSoot と燃焼騒音のトレードオフを改善することができた.また,軽負荷域では吸気工程中に排気弁を再度開閉制御することにより,ポンピングロスを悪化させずにEGR量を増加することが可能となり,燃費-NOxトレードオフを改善することができた.このような斬新な噴射ストラテジーに基づく混合気濃度分布制御や可変動弁系による筒内温度・酸素濃度制御によって,低温燃焼におけるトレードオフを改善し,広いエンジン負荷・回転領域で高効率・超低NOx 運転を可能とした.以下に,当該燃焼技術開発で得られた知見を示す.
【高負荷側でのSoot-燃焼音の背反関係改善に関して】
1) 低圧パイロット噴射の既燃ガス隗をスワール流によって旋回させ,隣合う噴孔から噴射された高圧メイン噴霧と空間的に重畳させることで,上死点近傍のLTCであっても0.5MPa/°CA以下の最大圧力上昇率(以下、PRR)が実現される.
2) 高過給を適用した高負荷条件では,ダブルパイロット噴射とし,パイロット燃焼とメイン燃焼双方の圧力上昇率の低減を図る必要がある.ここで,1stパイロット-2ndパイロット-メインの噴射間隔をそれぞれ前噴射の既燃ガスと噴霧が重畳するよう決定することで,IMEP=1.37MPaの高負荷条件であっても,高い熱効率を維持しつつ,低Soot化と低PRR化を両立した低温燃焼が実現可能になる.
3) 本低温燃焼方式では,量論混合比の発生頻度が抑制された幅広い濃度分布の混合気を着火・燃焼させ,燃焼の進行とともに急速に混合気を希薄化することにより,大量EGR条件下でのPRRとSootの同時低減を実現している.
【軽負荷側での燃費-NOxの背反関係改善に関して】
4) 軽負荷でのPCCI運転において,吸気行程中に排気弁を再度開け,排気ガスを筒内に再吸入する内部EGR方式を適用した場合,ポンピングロスの悪化なく内部EGR量の増加が可能となり,NOx-HCのトレードオフ関係および燃費-NOxのトレードオフ関係が改善される.外部EGRのみの条件と比較すると,約8%の燃費改善効果が得られた.
【JC08モードの燃費・排出ガス性能に関して】
5) 単気筒エンジン試験で得られた排気性能マップをベースに,JC08モードの簡易車両走行シミュレーションを行なった結果,燃費 17.1km/L,エンジンアウトNOx 0.039g/km,エンジンアウトPM 0.007g/kmとなり,低温燃焼をコンセプトとするディーゼル噴霧燃焼がエンジンアウトNOxの大幅な低減ポテンシャルを有し,NOx後処理を使わずに低燃費・超低エミッションが要求される次世代の乗用車用ディーゼル機関の可能性が示された.
英文要約Title : Research and Development of High Efficiency, Ultra-Clean Diesel Combustion System (FY2007-FY2009) Final Report
(1) This study proposes a new mixing-controlled, low temperature combustion (LTC) approach for high-speed direct injection (HSDI) diesel engines. The purpose of this approach is to avoid the excessively high pressure-rise rate (PRR) of premixed, kinetics-controlled LTC and to enable the low nitrogen oxides (NOx) combustion to operate over the wide speed and load range of the engine. To address the soot/noise trade-off at high load LTC operating conditions, the pressure modulated multiple-injection coupled with swirl control was applied. This injection strategy enables the injection of high pressure (HP) main spray into the local high temperature region of the already burning low pressure (LP) pilot spray injected from the neighboring injection hole. By employing this injection strategy, the equivalence ratio (phi) distribution of mixture is drastically varied during main combustion process. The experimental results showed that by combining LP close-pilot injection, HP main injection near top dead center (TDC), and moderate swirl, the mixing-controlled LTC successfully achieve low engine-out NOx and soot emissions even at 13.7 bar IMEP while retaining high efficiency and low PRR. The 3D-CFD analysis clarified that the rich mixture of broadband phi distribution is formed at the beginning of main combustion followed by rapid homogenization of the mixture occurring as combustion progresses.
(2) NOx/fuel economy trade-off in light-load PCCI operation is improved by internal-EGR with exhaust re-breathing strategy, where the hot exhaust gas is reintroduced into the cylinder by reopening the exhaust valve during the intake stroke. The experimental results showed that the EGR method with exhaust re-breathing strategy has a potential to reduce engine pumping losses under highly EGR conditions in comparison with external-EGR method.
(3) The engine boosting systems for diesel passenger cars were investigated by 1D engine cycle simulation. The 1D-CFD analysis showed that two-stage sequential turbo technology and LP EGR system are essential to widen the mixing-controlled LTC concept operating range.
(4) The vehicle simulation in JC08 mode on the basis of fuel economy/exhaust emissions maps obtained from single-cylinder engine testing showed that diesel passenger cars with the mixing-controlled LTC concept can achieve 17.1km/L (fuel economy), 0.039g/km (engine-out NOx), 0.007g/km (engine-out soot).
(5) Also, as a low-energy PM aftertreatment system, a DPF system with microwave regeneration concept has been investigated. However, the microwave regeneration is hardly able to reduce the regeneration energy compared to post-injection strategy.
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