Readout No.40_19_新製品紹介
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- たけなり みょうだに
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1 Development of Transient EGR Ratio Analyzer Utilizing Heated NDIR 吉村友志 Tomoshi YOSHIMURA ディーゼルエンジンは高効率 高耐久性という特性に加えて燃料の適用範囲が広いことから, 地球環境問題やエネルギー問題の対策として有効である しかし, ガソリンエンジンと比較して, 規制対象物質である PMやNOxの低減が課題である NOxの低減技術として, 燃焼室からの発生量自体を抑える EGR ( 排気再循環 ) 技術がある 近年のエンジンの精密な制御に伴って,EGR 率の制御も複雑化してきている それに伴い,EGR 率計測装置にはエンジンが過渡運転状態の場合にも対応できる性能が必要とされている つまり, 高速応答, また水分含有ガスでも精度よく測定できる性能が必要となる そこで過渡運転状態時に EGR 率が計測できる装置の開発を行い従来装置との比較試験を行った結果,EGR 率を応答良く, かつ高精度で測定することができたので報告する Most of the recent clean diesel engines are generally equipped with exhaust gas recirculation (EGR) technology in order to meet the strict criteria of NOx emission regulations. In the field of emission control, accurate and fast transient EGR ratio operation is becoming very critical. In this study, a transient EGR analyzer has been developed and evaluated to confirm the advantage of the transient EGR analyzer by comparing it to a conventional exhaust gas analyzer system. A faster response has been observed from the transient EGR analyzer without significant transient error during transient test cycles. Furthermore, there was a high correlation between the EGR valve behavior and the EGR ratio measured by the transient EGR analyzer. These results show the advantages of the transient EGR analyzer when measuring the EGR ratio during the transient cycle. はじめに ディーゼルエンジンは, 高効率 高耐久性という特性に加えて燃料の適用範囲が広いことから, 環境問題やエネルギー問題の対策として有効である その一方, 課題としてガソリンエンジンよりも高い NOxやPMの排出レベルの低減を求められている NOxの低減には, エンジン燃焼室からの発生量自体を制御する方法と発生した NOxを後処理で除去する方法がある ただ, 後処理を用いる場合でも, エンジン燃焼室内でのNOx 発生量を可能な限り減らしておくことが望まし い そのような燃焼過程での NOx 低減法のひとつに, 排気再循環 (Exhaust Gas Recirculation:EGR) 技術がある EGR 用のバルブの制御により燃焼後のガスを吸気側に戻し, 燃焼室内温度の低減やポンピングロスの低減を実現する EGRはすでに実用化されている技術であるが, 近年のエンジン制御の複雑化に伴い, エンジン過渡運転状態における精密な制御が重要になってきている 一方, 過渡状態の EGR 率計測ができる装置は一般的ではない 本稿では, 過渡 EGR 率計測を目的として著者らが新たに開発した EGR 率計測装置 (Figure 1) について, 従来装置と比較した性能検証結果を報告する 81
2 高い そのため, 広く用いられているが基本的に定常状態での測定を目的している また, 水分干渉影響を避けるために除湿機を備えたものが多く, 水分分圧補正などのデータ処理が必要となる 装置構成 Figure 1 Transient EGR Analyzer EGR 率の演算式 EGR 率は, 吸気側流量に対する EGR 流路のガス流量の比で定義される EGR 率は, エンジンの吸気側と排気側のガスを採取し, それぞれのCO 2 濃度測定値から以下の式を用いて算出することができる (1) ここで, EGR:EGR 率 (%) [CO 2 ] int : 吸気側のCO 2 濃度 (vol%) [CO 2 ] exh : 排気側のCO 2 濃度 (vol%) [CO 2 ] amb : 大気中の CO 2 濃度 (vol%) CO 2 をトレーサとして利用する EGR 率計測法は, 簡便であるのに加え, 計測技術が確立しているために信頼性が Figure 2に, 性能試験で比較対象とした従来型のエンジン排ガス測定装置 (MEXA-7100DEGR) の構成を示す この従来装置は, エンジンから排出される主要ガス成分 (CO 2,CO,O 2,THC,NOx) の濃度を同時に計測する さらに,EGR 率算出のため, 吸気側のガス測定用の CO 2 分析計を備えている CO 2 分析計へのサンプルガスは, 水分干渉影響を低減するために除湿機を通した後, 分析計に導入される 装置は, 分析計に対するエンジンの振動や熱の影響を避け, 操作者の安全性を確保するために, 測定対象エンジンから離れた制御室内に設置するのが一般的である そのため, 応答時間に大きく影響するサンプルライン長は 20 m 程度になることが多い Figure 3に, 新たに開発した EGR 率計測装置の構成を示す エンジンの吸気, 排気ライン内のガス測定用に加熱 NDIR 分析計を2 式備えており, サンプルラインは水分凝結が発生しない加熱ラインとしてある これにより, 除湿機を省略してサンプルラインおよび分析部の構成を簡素化できる さらに, 振動影響を受けにくい焦電素子を検出器として用い, 装置架台もコンパクトな設計とした そのため, 振動が発生しやすく装置の混み合うエンジン近傍にも設置することが容易で, 分析計までのサンプルラインは従来装置よりも短くできる また, 吸気側と排気側のサンプルラインを同じ構造とし, ライン間の応答時間差が発生しないように考慮している 水分干渉については, Figure 2 Schematic diagram and general installation of conventional system Figure 3 Schematic diagram of new EGR analyzer 82
3 Technical Reports 水分測定用の検出器を搭載し常時補正を有効にしているため, 測定対象ガス内の水分濃度が変化しても CO 2 濃度への影響は最小限にとどまる これらの装置を用いた実排ガス比較試験には, シリンダ容量 2.0 L, ターボチャージャ付き, コモンレール噴射式のディーゼルエンジンを用いた 排気管は直径 150 mmの配管で, 後処理装置はないため, 排気側での圧力損失はない エンジンはダイナモメータと接続されており, 回転数とトルクは任意に制御できる EGRバルブの開度とスロットル開度も, エンジンコントロールユニットから任意に制御が可能である Figure 4 Analyzer response comparison スパンガスによる応答時間評価結果 Figure 4に, 従来装置, 新 EGR 率計測装置の吸気, 排気ラインそれぞれの応答波形を示す この試験では, サンプルライン入口において, サンプルガスをゼロガスからスパンガスに切り替えて濃度指示値を測定している 新 EGR 率計測装置では, 吸気, 排気ラインの応答波形はよく一致しており, 遅延時間の差もない 一方, 従来装置では, ライン間での応答時間の差が大きい また新 EGR 率計測装置と比較して応答時間が長い Table 1に, ガス切り替え時点を T 0 としたときの応答時間を示す 新 EGR 率計測装置のT 0 -T 99 は8 秒前後で, 従来装置 (24 秒以上 ) の約 1/3に短縮されていることがわかる このように, 新 EGR 率計測装置は従来装置よりも応答が速くライン間の差も少ない 従来装置の場合, ライン間の応答差を補正するため, ソフトウェア上で, 応答の速いデータを遅いデータに合わせるように遅れ時間を補正する処理を行わなければならない 新 EGR 率計測装置ではこの処理が不要になり, 信号処理も簡素化できるメリットがある 実排ガス試験結果 (EGR バルブのステップ変化時 ) Figure 5 Comparison under step change of EGR valve エンジンベンチで,EGR 率計測を行った 運転条件は, ア Table 1 Response time of each line Analyzer New EGR Analyzer Conventional System Line Intake Exhaust Intake Exhaust T 0 -T T 10 -T T 0 -T T 0 -T Unit:seconds 83
4 クセル開度 38%, エンジン回転数 2000 rpm, 正味トルク 140 Nm, 正味平均有効圧力は 0.88 MPaであった 試験時, ターボチャージャが有効になっており, 吸気マニホールドの内圧は約 70 kpaまで上昇していた EGRバルブの開度は,Figure 5(a) に示すように 5% ずつステップ状に変化させた Figure 5(b) に, このときの CO 2 濃度,Figure 5(c) にEGR 率を示す 新 EGR 率計測装置はサンプルガスを除湿せずに測定しているのに対し, 従来装置のCO 2 濃度は除湿した状態で測定している 従来装置では除湿により減少した水分分圧に応じて見かけの CO 2 濃度が変化するため, その分の補正を行っている さらに, 従来装置は, 吸気と排気のライン応答時間差について, スパンガスによる応答試験のデータを元に補正している Figure 5(b) のCO 2 濃度の測定結果では, ライン応答差補正を行っているにもかかわらず, 従来装置の吸気側の CO 2 が排気側より約 4 秒遅くなっている この遅れは, 吸気側のマニホールドの内圧が上昇していたことが影響していると推測できる サンプルガス採取部の内圧が上がると, 計測装置のサンプルライン内のガス密度も高くなり, ライン内のガスの置換に時間がかかる サンプルラインが長いほどライン内の容積が増え, この影響は大きくなる 従来装置ではサンプルラインが 20 mと長い そのため, サンプル入口部の内圧上昇の影響も大きく, ライン応答時間差が発生し,Figure 5(c) に示すEGR 率にもそれによる誤差 ( トランジェントエラー ) が発生している 一方, 新 EGR 率計測装置では, この試験条件下ではほとんど影響が見られない これは, サンプルライン長が 3 mと短く, サンプルラインの容積が小さいことで, 内圧上昇時の影響も小さく抑えられているためと考えられる これにより, サンプルラインの体積の小さい新 EGR 率計測装置の方が, 従来装置と比較して, トランジェントエ ラーが発生しにくくなることが実際の試験で確認できた 実排ガス試験結果 ( 過渡状態下 ) European Transient Cycle(ETC) でのEGR 率計測の比較試験を行った ETCのエンジン回転数を Figure 6に示す 180 秒から 330 秒の区間で大きく EGRバルブ開度が変わるため, 解析時はその区間に注目した Figure 7(a),(b),(c) に, 新 EGR 率計測装置と従来装置について,EGR バルブの開度,CO 2 濃度とEGR 率の結果 Figure 6 Engine speed of ETC test Figure 7 EGR measurement comparison under ETC test 84
5 Technical Reports をそれぞれ示す Figure 7(b) のCO 2 濃度は, 従来装置では立ち下がり時に遅れが見られるものの, 全体の傾向はおおむね一致している ところが,Figure 7(c) のEGR 率では,250 秒,255 秒,275~285 秒の付近で結果に大きな差が出ていることがわかる CO 2 濃度やEGRバルブの動きから判断して, 該当区間は燃料カットの状態でEGRバルブも閉じているため, 従来装置では正しい EGR 率の値が得られていないことがわかる このような結果となった要因として,EGR 率の計算法の問題があげられる 燃料カットの状態では, 排気側のCO 2 濃度は大気レベル近くまで減少する そのため, 式 (1) の分母がゼロに近づき, ライン間の応答時間差や応答遅れによる CO 2 濃度値の少しの誤差が,EGR 率としては大きく影響する この影響を極力排除するため, 排気側 CO 2 濃度が下限値を下回った場合, 燃料カットの状態として判断して EGR 率をゼロとみなすアルゴリズムを導入した 本試験においては, CO 2 濃度の下限は700 ppmに設定した これにより, 新 EGR 率計測装置で計測される EGR 率は,250~290 秒の間で正しくゼロとなっている 一方, 従来装置では, 同じアルゴリズムを適用したにもかかわらず, 上述のようにゼロではない不正確な計算結果を示している これは従来装置のCO 2 応答が新 EGR 率計測装置ほど速くないため, EGRバルブが閉じてもサンプルラインにガスが残留しており,700 ppmよりも高い CO 2 濃度を示していたためであ 小さくなっているため, 同条件においてもこの影響はほとんど見られなかった (3) 新 EGR 率計測装置では, 排気側 CO 2 濃度に下限値として700 ppmを設定することにより, 燃料カット時に発生する不正確な EGR 率演算結果を排除することができた おわりに 本装置によって, 本社が所有する特許技術を活かした上で新しいアプリケーションをお客様に提案することができた 本稿で述べたエンジン過渡運転状態での EGR 率計測のみならず, 近年用いられている多段 EGR 技術の評価計測にも適用可能である また,CO 2 トレーサ流量計としての適用も可能である さらなるアプリケーションをお客様に提案できる装置として育てていきたい る このように, 応答の速い新 EGR 率計測装置では,CO 2 濃度に下限を設けるアルゴリズムとの組み合わせで, 燃料カットを伴う過渡状態の EGR 率もより正確に測定できることが確認できた まとめ 以上, 本稿では, 過渡状態でのEGR 率計測を目的として開発した EGR 率計測装置について報告した スパンガスおよび実排ガスを用いた従来装置との比較評価より, 以下の結果が得られた (1) サンプルライン入口でゼロガス, スパンガスを切り替えたときの応答時間 T 0 -T 99 について, 従来装置では 24 秒であったが, 新 EGR 率計測装置では 8 秒と,1/3 の応答時間であった (2) 従来装置では, 吸気ラインの内圧上昇時に発生したライン応答時間差により, 過渡状態においてトランジェントエラーが発生した これに対し, 新 EGR 率計測装置では, 従来装置と比較してサンプルラインの容積が 吉村友志 Tomoshi YOSHIMURA 株式会社堀場製作所開発本部アプリケーション開発センターエナジーシステム計測開発部 85
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80 ( ) 70 1 5% 20 12 21 1 6 2 11 21 2 16 23 19 1,000mm 64mm O2 200KW 54kg/h 80% 317kg/ ( 263kg/h) 20 m 21 50% 22 ON-OFF ON ON-FF OFF) O2 O2 23 5.事業実施の成果 ア 工場試験の方法 経過 及び結果 １ 試験方法 ボイラ入力 250KW 及び 125KW ターンダウン比率
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