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最終更新日:2016年5月23日
1.現在の大型トラック用ディーゼルエンジンの排出ガス後処理装置における問題点
わが国では大型トラック・バス(GVW12トン越え)に対し、平成21年(2009年)にポスト新長期排出ガス規制と称さ
れる排出ガス規制の強化が行われた。 ディーゼルトラック・バスのメーカはこのポスト新長期規制に適合するため に競って対策技術の研究開発を推進しているところであるが、現在のところ、画期的な排出ガス低減技術の開発に 成功したとの発表は見当たらない。そのため、ポスト新長期規制とそれに続くNOx規制強化に適合するための技術 は、平成17年(2005年)の新長期排出ガス規制の大型トラックで既に実用化されている尿素SCR触媒とDPF装置の 組合せと考えられる。しかし、現状では尿素SCR触媒とDPF装置の何れの技術にもポスト新長期排出ガス規制適 合の「アイデア」に詳述しているような問題がある。そのため、今後の排出ガス規制強化に適合した機能・性能の優 れた大型トラックを実現するためには、下記に示した尿素SCR触媒とDPF装置の改善・改良を速やかに行う必要が ある。
通常、大型トラックが平坦な道路を走行する場合には、比較的、低速の走行ではエンジンが低負荷で運転される
ため排気ガス温度が低温とならざるを得ない。このような排気ガス温度が低下するエンジンの低負荷運転において は、現行の尿素SCR触媒ではNOxの削減機能が低下し、現行のDPF装置ではDPFの自己再生機能が低下する 不具合が発生する。これらの問題を解決する最も有効な方法は、大型トラックの低速走行時におけるエンジンの低 負荷運転において、排気ガス温度を高温に制御することだ。
因みに、2007年6月1日発行の自動車技術会の「自動車産業技術戦略と技術発展・燃料シナリオ、2030年
自動車はこうなる」と大上段に構えた仰々しいタイトルの出版物の中の[戦略1]ゼロエミッション技術の項には「大型 車用ディーゼルエンジンではNOx触媒の浄化率向上が求められており、そのための制御技術の向上が必 要となる。特に、排気温度の制御、触媒の低温活性向上、触媒保温技術などがキーテクノロジーになる。」 【出典:自動車技術会のオートテクノロジー創立60周年記念特集号 自動車産業技術戦略と技術発展・燃料シナリ オ「2030年 自動車はこうなる」<第1部要約>(2007年6月1日発行)の3.有識者が予測する技術展開と自動 車産業における総合技術戦略 [2]ゼロエミッションの実現 Aベンチマークを達成するための技術戦略 [戦略1] ゼロエミッション技術の項を参照】との記述がある。現時点の大型ディーゼルトラックにおける排出ガス低減の 技術内容を見ると、ポスト新長期に続く今後の排出ガス規制の強化に適合するためには、尿素SCR触媒、 DPF装置およびNOx触媒等の排出ガス後処理装置における排出ガス削減機能の向上を図っていくことが 不可欠であることは明らかだ。これら排出ガス後処理装置の機能向上(排出ガス削減率の増大)を図るためには、 ディーゼルエンジンの低負荷運転での排気ガス温度を高温にできる新たな技術の開発が最重要の課題であ るとする意見には、筆者も大いに賛成するところである。
ところで、自動車技術会の2007年6月1日発行「自動車産業技術戦略と技術発展・燃料シナリオ、2030年 自動
車はこうなる」(第1部要約)の中の【3.有識者が予測する技術展開と自動車産業における総合技術戦略の要約-- -[2]ゼリエミッションの実現---Aベンチマークを達成するための技術戦略---[戦略1]ゼロエミッション技術」】の項 には、「今後の排出ガス規制適合のため大型トラック用ディーゼルディーゼルエンジンの排出ガス後処理装 置の排出ガス低減機能向上のために低負荷運転における排気ガス温度の高温化、触媒温度の低温活性 の向上、触媒保温の技術の開発がキーテクノロジー」として研究開発の課題のみを記載しているが、不思議な ことに肝心のゼロエミッション技術を実現するための「排気ガス温度を向上する手段・方法」、「触媒温度の低温活 性を向上する触媒保温、「触媒保温性を向上する手段・方法」が全く記載されていないのである。このことは、ゼロ エミッションを実現するための技術的に必要とされる機能を記載しているに過ぎず、その必要な機能を発揮する具 体的な技術が何も示されていない。
仮に、大型トラック用ディーゼルディーゼルエンジンの低負荷運転における排気ガス温度の高温化を実現する具
体的な技術が記載されていない場合には、表題は「ゼロエミッションの戦略」では無く、ゼロエミッションを実現する ための解決すべき課題」とすべきである。表題に「ゼロエミッションの戦略」と記載しているにもかかわらず、その中 味が「ゼロエミッションを実現する解決すべき課題」しか記述していないような不完全な出版物を編集委員会が認可 し、自動車技術会の会員に配布されたのは何故だろうか。大型トラック用ディーゼルディーゼルエンジンの低負荷 運転において排気ガス温度を高温に制御できる具体的な技術の情報が自動車技術会では未だに収集や捕捉がで きていない事実を判り難くするための処置なのかと疑って見たくなるところである。このような記載はこれまで築き上 げられてきた自動車技術会の信頼を損なうことにもなりかねない。自動車技術会が会員に配布する情報誌には粉 飾した記述は避け、「ゼロエミッションの戦略」の項に「ゼロエミッションの実現に不可欠な排気ガス温度を高温に制 御できる技術は、未だに見出されていない」と正確に記述すべきである。表題には「戦略」の文字が踊っているが中 味には課題を解決する技術について何も記載されていないような、お粗末な出版物の発行は、自動車技術会がこ れまで築いてきた信頼を損なうことになると考えられるが、如何なものだろうか。
なお、著者は、「2030年 自動車はこうなる」の第1部の<第1部要約>しか見ていないが、<第1部本文>に
は、ゼロエミッションを実現できる具体的な手段・方法(戦略)が記載されているのであろうか。実際に<第1部本文 >をお読みの方が居られれば、その中に記載されたゼロエミッションを実現する大型トラック用ディーゼルディーゼ ルエンジンの低負荷運転における排気ガス温度の高温化を実現するための具体的な技術が記載されているかどう かをお教えいただければ幸いである。著書「2030年 自動車はこうなる」に、万が一、排気ガス温度を高温化する 具体的な技術が提案されている場合には、このホ-ムページの内容の一部を変更しなければならないためである。
以上のようにな状況を踏まえ、筆者は、大型ディーゼルトラックの排出ガス削減に少しでも貢献できることを願い、
大型トラック用ディーゼルエンジンの低負荷運転の排気ガス温度を高温化して排出ガス後処理装置(尿素SCR触 媒、DPF装置およびNOx触媒等)の排出ガス削減機能を向上する技術として、特許公開2005-54771「気筒群個別 制御エンジン」を考案したので、その概要を以下に説明する。
2.特許公開2005-54771「気筒群個別制御エンジン」の概要
この「気筒群個別制御エンジン」の特許出願では、多気筒ディーゼルエンジンを第1気筒群と第2気筒群に分け、
気筒群毎に独立した吸気通路、排気通路、EGRガス通路の各通路を設け、それら通路毎にEGR弁、EGRクーラ、 EGR通路、過給装置、給気インタークーラ、排気絞り弁、DPF装置、酸化触媒装置、NOx吸蔵還元装置、尿素SC R装置等の吸排気関連制御装置を配置し、気筒群毎の吸入空気、EGRガスおよび排気ガスの流れが互いに混合 しない流れ通路の回路とする。そして第1気筒群と第2気筒群への燃料供給、過給装置および排気後処理装置は 気筒群毎に独立して制御するものである。これにより、エンジンの部分負荷運転では、何れか一方の気筒群に燃料 を供給してエンジン出力を発生させる稼動気筒群として運転し、他の気筒群には燃料供給を中止する休止気筒群 として運転し、過給装置および排気後処理装置は、それぞれの気筒群に適した制御を行う。なお、部分負荷時の稼 動気筒群は一定時間毎に第1気筒群と第2気筒群とを切り替えるようにする。 ![]()
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3.特許公開2005-54771「気筒群個別制御エンジン」の特徴
特許公開2005-54771「気筒群個別制御エンジン」の技術には、大型トラック用ディーゼルディーゼルエンジンの部
分負荷時において、排出ガス後処理装置の機能向上と燃費低減、および可変バルブ機構の不要な気筒休止エン
ジンの実現を可能にする三つの特徴がある。
(特に、尿素SCR触媒の活性促進によるNOxの大幅な削減が可能)
A エンジンの部分負荷運転において、冷却損失の削減とサイクル効率の向上による燃費低減
B 休止運転の気筒群の給排気バルブを全閉するための可変バルブ機構が不要
3−1.部分負荷運転時の排気ガス温度の高温化による後処理装置の機能向上
特許公開2005-54771「気筒群個別制御エンジン」の技術では、多気筒過給ディーゼルエンジンを第1気筒群と第
2気筒群に分割し、これら第1気筒群と第2気筒群を独立して制御することが特徴である。6気筒エンジンにおいて の場合、仮に第1気筒群を優先的に稼動し、第2気筒群を補助的に稼動した場合の各気筒群のエンジントルクは 下図のように出力を制御することが可能である。 ![]()
この図の場合には、第1気筒群がエンジンを運転する全ての負荷領域の3/4の領域を占め、、第2気筒群が負
荷領域の3/4の領域を占めることになる。したがって、4/4負荷を除いたエンジンの運転では、第1気筒群の排気 ガス温度は、第2気筒群の排気ガス温度よりも常に高温の状態で運転することが可能となる。このような制御が可 能な特許公開2005-54771「気筒群個別制御エンジン」のでは、優先的に稼動する気筒群の排気ガス温度は全気筒 を同一の出力でのみ運転する従来のエンジンの排気ガス温度よりも常に高温で運転することが可能となる。
このように、部分負荷運転時の気筒群個別制御エンジンでは、従来の全気筒を稼動させるエンジンに比較して相
対的に負荷が高くなる稼動気筒群はエンジン熱効率が向上でき、排気温度も高くできることになる。この部分負荷 時の優先的に高負荷で運転させる稼動気筒群の排気ガスは高温化できるため、当該稼動気筒群のDPFの自己再 生を促進し、尿素SCR触媒システムのNOx低減機能を向上することが可能になる。
したがって、燃費悪化のポスト噴射を止め、気筒休止でDPFを再生する新技術に詳述しているように、気筒群個
別制御エンジンは、従来の全気筒を稼動させるエンジンのよりも部分負荷時の排気ガス温度が大幅に高温となる ため、ポスト噴射再生式DPF装置のフィルターの自己再生運転領域が拡大されてポスト噴射によるフィルターの強 制再生の回数減少による燃料浪費が軽減できるメリットがある。また、DPFと同様に第1気筒群と第2気筒群の各 排気通路のそれぞれに独立して尿素SCR触媒を配置する気筒群個別制御エンジンは従来の全気筒を稼動させる エンジンより、エンジン部分負荷運転時に大幅にNOxを低減することが可能となる。
この気筒群個別制御エンジン(特許公開2005-54771)に後処理制御システム(特許公開2005-69238)を組み合わ
せた場合には、排気ガス流れの切替弁を制御して第1気筒群と第2気筒群の排気ガス流れを変えることにより、片 一方のフィルタを高温化制御した場合には、従来エンジンの場合に比べ、DPFの自己再生が可能なエンジン運転 領域の大幅な拡大が可能となり、都市内走行でも更なるDPFの自己再生が可能となる。また、同様に、排気ガス流 れの切替弁を制御して第1気筒群と第2気筒群の排気ガス流れを変えることにより、片一方の尿素SCR触媒を高 温化制御した場合には、従来エンジンの場合に比べ、高温化制御した尿素SCR触媒のエンジン部分負荷時の更な るNOx低減機能を発揮させることが可能となる。
3−2.部分負荷運転時の冷却損失削減およびサイクル効率向上等による燃費低減
これにより気筒群個別制御エンジンは、部分負荷時においては従来の全気筒を稼動させる場合に比べて稼動気
筒群では、稼動気筒の燃焼圧力と燃焼温度が高くなるためにエンジンサイクル効率が高くなって燃費が改善できる と共に、稼動気筒群の排気ガス温度を高温化することが可能となる。この気筒群個別制御エンジンの稼動気筒群 は、全気筒が同一の出力で稼動する場合に比較して冷却面積が半分となっているために冷却損失が半減できるこ とによっても燃費が良化する効果が得られる。この気筒群個別制御エンジンによる大型トラックにおける燃費低減 については、気筒休止エンジンによる大型トラックの低燃費化に詳述し、NOx低減については気筒休止は、燃費削 減と尿素SCRのNOx削減率の向上に有効だ!に述べているのでご覧いただきたい。
特許公開2005-54771「気筒群個別制御エンジン」の技術では、エンジン部分負荷時においては、気筒休止エンジ
ンでは半数の気筒での燃焼を停止する時には冷却損失が半減されると共に、従来の全気筒燃焼の場合に比較し て気筒休止エンジンの稼動する気筒内の温度と圧力が高くなってサイクル効率(熱効率)も上昇するため、エンジン 燃費が大幅に改善できる効果がある。その結果、気筒群個別制御エンジンの特許技術の採用により、フィルターの 強制再生の回数減少による再生のための燃料浪費の削減と部分負荷時のエンジン熱効率の向上により、トラック・ バスの走行燃費は大幅に改善できる効果が得られる。
また、さて、可変バルブタイミング方式を採用した大型トラック用ターボ過給ディーゼルの気筒休止エンジンの場合
には、当然、従来のエンジンと同様に1台のエンジンに1台の大型ターボ過給機を搭載したエンジンである。この大 型トラック用ターボ過給ディーゼルの気筒休止エンジンの部分負荷時においても常に大型のターボ過給機が作動す る構造のためにターボ過給機の効率が低くなり、気筒休止エンジの特徴である部分負荷時の大幅な燃費改善がで きないことも大きな欠点である。これに対し、筆者が提案する2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公 開2005-54771)では気筒群毎に小型のターボ過給機を搭載していることから、エンジンの部分負荷運転時 には小型のターボ過給機が高い効率で運転できる構造となっているためにポンピング損失の削減(正のポ ンピング仕事の獲得)ができ、大幅な燃費改善が得られることも大きな特徴である。
3−3.休止運転の気筒群の給排気バルブを全閉するための可変バルブ機構が不要
乗用車におけるMPI(マルチポイントインジェクション)のガソリンエンジンを気筒休止する場合には、可変バルブ機
構によってロッカーアームを休止させるか、または直押し式の油圧切り替えバルブリフターを利用し、吸気バルブを 全閉密着することで、吸気及び排気を停止させ、燃料供給を停止させることが必要となる。そのため、ホンダのガソ リンエンジンの気筒休止エンジンは、可変バルブタイミング機構が採用されており、従来の気筒休止しないエンジン に比べてコスト高であると考えられる。
大型トラック用ターボ過給ディーゼルエンジンに可変バルブタイミング機構を搭載して気筒休止エンジン化すること
は、一応、可能である。それは、従来の大型トラック用ターボ過給ディーゼルエンジンにホンダのガソリンエンジンと 同様の吸排気系のメカニズムを採用して気筒休止エンジン化すれば良いのである。この大型トラック用の可変バル ブタイミング方式の気筒休止エンジンでは、稼動気筒の排気ガスエネルギーを有効に利用してターボ過給機を作動 させるため、大型ターボ過給ディーゼルエンジンに可変バルブタイミングシステムを採用して休止する気筒の吸気 弁を全閉密着させることが必須となる。そのため大型トラック用ターボ過給ディーゼルエンジン用の可変バルブタイ ミングシステムとして、船舶用の大型ディーゼルエンジンで実用化されている吸気弁及び排気弁を油圧または電磁 力で作動させるカムレスシステムやガソリンエンジンで実用化されている可変バルブタイミング機構を新たに開発す ることが必要となる。仮に大型ターボ過給ディーゼルエンジン用の可変バルブタイミング機構を開発して大型ターボ 過給ディーゼルエンジンの気筒休止運転が実現できたとしても、高価な可変バルブタイミング機構を採用しているた めに大型トラック用の気筒休止エンジンは大幅なコスト増加を招き、商品として市場に受け入れられるかどうかは大 いに疑問である。
これに対し、筆者が提案する2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公開2005-54771)の技術では、
可変バルブタイミング機構が不要な低コストの大型トラック用の気筒休止エンジンが実用化できるのである。 そして、従来のシングル過給機方式のディーゼルエンジンを単純に気筒休止運転する可変バルブタイミング 方式の気筒休止エンジン技術に比べ、2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公開2005-54771)の 技術は、格段に燃費が削減できる機能を備えていることが特長である。したがって、大型トラック用のターボ 過給ディーゼルエンジンにおける気筒休止のエンジンには、2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許 公開2005-54771)を採用すべきであると考えている。
4.2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公開2005-54771)の利点のまとめ
大型トラック・トラクタのディーゼルエンジンやDDFエンジン(ディーゼルに比べ15%のCO2削減が可能なDDFエ
ンジン参照)に2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公開2005-54771)の技術を適用した場合の利点を以 下の表にまとめた。
筆者が提案している2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公開2005-54771)の特許技術は、気筒
休止エンジンは、JE05モード排出ガス試験においてエンジンでの運転頻度の高いアクセルペダル踏込み 量Accelが50%近傍やそれ以下のエンジン運転領域では、尿素SCR触媒の活性化による大幅なNOx削 減の機能があり、また、都市内走行モード(JE05モード)と都市間走行モード(縦断勾配付80km/h定速 モード)の燃費が従来のエンジンに比べて大幅に改善できるために重量車モード燃費値が従来のエンジンを 搭載した場合に比べて5〜10%も削減できる特長がある。そのため、この気筒休止エンジン(特許公開 2005-54771)は、大幅な燃費改善とNOx削減を両方を可能にする一挙両得の優れた技術だ。
その上、この2ターボ過給機方式の気筒休止エンジン(特許公開2005-54771)の特許は、最近の大型船舶
で広く実施されている減速運航時の更なる燃費向上にも優れた効果・効能を発揮できる技術である。これに ついては、エンジンの気筒休止は、減速運航時の更なる燃費向上が可能のページに詳述しているので、興 味のある諸氏は御覧いただきたい。
最後に、上記本文中で誤り等がございましたら、メール等にてご指摘下さいませ。また、疑問点、ご質問、御感想
等、どのような事柄でも結構です。閑居人宛てにメールをお送りいただければ、出来る範囲で対応させていただきま す。
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