成果報告書詳細
管理番号20090000000047
タイトル平成16年度-平成20年度成果報告書 革新的次世代低公害車総合技術開発 新燃焼方式の研究開発及び燃料の最適化/革新的後処理システムの研究開発 「超低エミッション高効率乗用ディーゼルエンジンの研究開発/ナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化用触媒の研究開発」
公開日2009/7/9
報告書年度2004 - 2008
委託先名マツダ株式会社 国立大学法人広島大学 戸田工業株式会社 国立大学法人大分大学
プロジェクト番号P04013
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約本プロジェクトの目標は、ディーゼルエンジンの高い熱効率を維持した新燃焼技術とNOx浄化性能を飛躍的に高める革新的触媒技術を開発し、既存のDPF技術と組み合わせて、NOx:0.05g/km、PM:0.005g/km、燃費2015年ガソリン乗用車基準比20%改善(乗用中型車 重量GVW1530kg、JC08モード)を達成することである。
超低エミッション高効率乗用ディーゼルエンジンの研究開発では、低温予混合燃焼(ITIC-PCI)およびその実現手段であるEGRシステム、そして諸元を最適化した群噴孔ノズルの適合開発を実車にて行い、これら新燃焼方式の効果を確認した。加えて、後処理制御(理論空燃比燃焼技術)と新NOx吸蔵触媒を組み合せた評価を行い、統合システムでの車両燃費・排気エミッション性能目標に対する達成度を明らかにした。具体的には、排気エミッション悪化・トルクショックを抑制する燃焼切替制御と、吸気酸素濃度・温度を任意に制御するHP/LP併用EGRシステム制御の適合開発を実車にて行い、ITIC-PCIの適用運転領域を拡大した。また、噴霧・燃焼シミュレーションとリグ・台上性能評価により群噴孔ノズルのキーパラメーターを最適化したノズルにて低エミッション化の効果を確認した。また、ITIC-PCIをベースにした理論空燃比燃焼の開発を行い、従来燃焼をベースにしたものと比較して燃費悪化・すす排出増加を抑制できていることを確認した。
シングルナノNOx触媒開発では、噴霧熱分解ナノ粒子合成技術を応用展開し、所望の特性を有するシングルナノ触媒セラミックスサポート材料を開発した。同粒子の中空三次元構造体化に成功する事でシングルナノ粒子の熱凝集挙動を制御し、排気ガスとの接触効率を著しく高める事に成功した。触媒性能評価を基に触媒サポート材の更なる最適化と生産性向上の検討を継続して行い、生産性を開発当初対比10倍に引き上げた触媒サポート材料を得ることに成功した。
上記の中空三次元構造シングルナノ粒子を用い、活性種とNOx吸蔵材を担持してNOx触媒化を行った。この触媒パウダーを、コアサイズのモノリスハニカム担体にコーティングを行った後、NOx浄化性能を評価し、ラボ開発目標を達成した。また、生産性を向上したシングルナノパウダーを用いて、フルサイズモノリスハニカムNOx触媒の製造を行ない、台上エンジンベンチで開発触媒の実排出ガス条件でのNOx浄化性能を評価した。その結果、代表条件においてラボ開発目標を達成していることを確認できた。
開発触媒の性能向上のメカニズム解析のため、中空三次元構造を有するシングルナノサイズ粒子(中空シングルナノ粒子)のサポート材についてキャラクタリゼーションを行った。
中空シングルナノ粒子は、サポート材料が均一に固溶したシングルナノサイズの結晶粒子が集合し、直径がミクロンオーダーの中空三次元構造を形成しており、その特徴的な構造のため、従来構造の通常サイズ粒子(従来粒子)に比べて、(1)エージング時の粒成長が平面的にしか進まず凝集しにくいため、比表面積の低下が小さく、活性サイトの減少が抑えられる(耐久性向上)、(2)ガスの拡散性に優れるため、触媒成分と反応ガスとの接触面積が増大し、浄化反応が促進される(低温NOx浄化率の向上)、 等を明らかにした。
最終的に、上記の新燃焼技術を実車に適用し、シングルナノサイズNOx触媒と既存DPF技術を組み合わせ、燃費・排気エミッションのプロジェクト開発目標達成を確認した。
英文要約The target of this project is to develop the new combustion technology that maintains thermal efficiency with a high diesel engine and the new reformative catalyst technology that rapidly improves and the NOx purification performance with an existing DPF technology, and to achieve 20% improvement of 2015 fuel consumption compared with the gasoline passenger car standard and tail-out emission of NOx:0.05g/km, PM:0.005g/km (GVW1530kg of a use medium-size passenger car, JC08 mode).
In the development of high efficiency super clean diesel engine, the following was examined. The premixed combustion “ITIC-PCI” applicable operating range was expanded, by the calibrating development of the combustion mode changing control that restrain the exhaust emission deterioration and the torque shock and the intake oxygen concentration and the intake temperature control by HP/LP combined EGR system. The key parameter of the group-hole nozzle was optimized based on spray and combustion simulation, rig test and engine performance evaluation on the bench, and the effect of emission improvement by the optimized group-hole nozzle was confirmed. The theoretical air/fuel ratio combustion method for NOx catalyst , which is developed based on ITIC-PCI.
For new NOx catalyst, single-nano size ceramic material with necessary characteristic was developed with our own nano particle synthesis technology of Spray Pyrolysis method. The improvement of contact efficiency with exhaust gas by way of controlling heat aggregation of single-nano size particles as a result of our development of new “hollow” structure was done. A level of productivity 10 times higher than the level of starting this project was achieved after considering the productivity and quality.
The monolith honeycomb NOx catalyst with the active material and the NOx trap material was achieved the target in lab test. The NOx conversions of full brick NOx catalyst were investigated using the dyno engine bench and it met the targets.
To clarify the mechanism of improvement for developed catalyst, the characterization of the single nano size particle (hollow structure particle) were done. The hollow structure particle is composed of the single nano size particle in a uniform component and the micro order diameter of the hollow structure particle. These features lead the following; (1)The particle growth of the hollow structure particle in aging condition progresses flatly. Therefore, the amount of decrease of the specific surface area is small, and it inhibits the decrease in the activity site (Improvement of durability) compared with the conventional particle. (2)The contact area of the catalyst element and the reactive gas increases with high gas diffusion. Therefore, the purification reaction is promoted at the low temperature.
Finally, the developed NOx catalyst and new combustion technology were applied to the test vehicle with the existing DPF technology, and was evaluated. It was achieved the target of this project.
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