研究速報 JARI Research Journal バイオディーゼル燃料によるポスト新長期規制適合エンジンの排出ガスへの影響 Effect of Biodiesel Fuel on Emissions from PNLT Diesel Engine 北村高明 1 松浦賢 2

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なごみあかさか
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1 研究速報 1 バイオディーゼル燃料によるポスト新長期規制適合エンジンの排出ガスへの影響 Effect of Biodiesel Fuel on Emissions from PT Diesel Engine 北村高明 *1 松浦賢 *2 Takaaki KITAMURA Ken MATSUURA Abstract An engine testing was conducted to investigate the impact of biodiesel on fuel consumption, exhaust emissions and SCR catalyst performance using a PT HD diesel engine fitted with a DPF and ureascr system. The fuel was a blend of a palm oil methyl esterbased biodiesel (PME) and ultralow sulfur diesel. Using slightly increases engineout NOx emission and decreases the NOx reduction of SCR. This results in a 6 to 4% increase in tailpipe NOx emissions, depending on emission test cycles. The SCR performance degradation with is most likely to be caused by the decreased NO2/NO molar feed ratio due to the suppression of incylinder NO oxidation by the reduced flame temperatures. 1. はじめに地球温暖化防止やエネルギセキュリティに対する施策として再生可能エネルギへの転換の諸施策が世界的に進められている中, 脂肪酸メチルエステル ( 以降,FAME:Fatty Acid Methyl Ester) を利用するバイオディーゼル燃料は自動車用燃料としての利用が拡大している. 一方,FAMEは二重結合を持つ, 蒸留性状が重質, 酸素分を含む等の点で軽油と品質が異なっており, 特にFAMEの高濃度混合利用においては, NOx 等排出ガスの増加やインジェクターデポジット発生等の多くの懸念点がある. 本研究は,NOx 後処理装置として尿素 SCRシステムを搭載する最新のポスト新長期規制適合ディーゼルエンジンを用いたエンジン台上試験等により, 排出ガス特性の観点から高濃度 FAME 混合燃料の課題を明らかにすることを目的とする. 2. 実験方法 2. 1 エンジン台上試験 Table1に供試エンジンの主要諸元を示す. 排気 *1 一般財団法人日本自動車研究所エネルギ環境研究部博士 ( 工学 ) *2 一般財団法人日本自動車研究所エネルギ環境研究部量 7.5Lの直列 6 気筒ディーゼルエンジンであり, 後処理装置の構成はDOC/DPF/SCR/ASCとなっている. 本試験では新品触媒を使用し, 実車と同等のレイアウトになるよう, ターボ出口から約 mm 離れた位置に後処理装置を設置した. エンジン台上試験は,JE5モードおよび東京都実走行モード (No.5/8/1) の過渡排出ガス試験と JE5 代表点における定常燃焼解析を行った. なお, JE5 試験では調整運転を定格全負荷条件 (F/F) とkph 走行条件の2 通りとし, ディーゼル重量車用車速変換プログラム 1) を使用して各試験モードのエンジン回転数負荷率条件を求めた. Engine type FIE Aspiration system Displacement Bore/Stroke Compression ratio Rated power Max torque Emission regulation ATS Table 1 Engine specifications Inline 6cylinders, DI diesel, 4stroke cycle Commonrail system Turbocharger with intercooler 7,545 cm φ118 mm x 1 mm kw / 25 rpm 785 Nm / 1 ~rpm Post new longterm (JP9) DOC/DPF/SCR/ASC 2. 2 定容燃焼容器試験定容燃焼容器を用いた単発燃料噴射試験におい 1

2 て画像二色法によるディーゼル火炎温度解析 ( ナックイメージテクノロジー社のMEMRECAM fx K4, 解析ソフトウエアを使用 ) を行った. 本燃焼容器では, 予め, アセチレン / 酸素 / 窒素から構成される希薄予混合気を所定の密度になるよう充填し, それを火花点火燃焼させ, 圧縮上死点付近に相当する高温高圧雰囲気を生成する. 試験条件は, 過渡排出ガス試験で比較的使用頻度の高い低速部分負荷条件を想定し, 雰囲気温度 95K, 雰囲気密度 19.5kg/m, 雰囲気酸素濃度 17%, レール圧 MPa, 噴射パルス幅 1.58ms ( 使用時 75mm /inj) とした. なお, 噴射ノズルはエンジン試験と同等品を用いた. 2. 供試燃料供試燃料はとの2 種類を基本とし, 一部の試験ではB1およびBも使用した.は硫黄分が4massppmの認証試験用軽油を使用し,B は飽和脂肪酸メチルエステル (C16:,C18:) が主要構成成分であるPMEを使用した. Table2に主たる燃料性状を示す.では, セタン価がより1 程度大きくなる他, エンジン制御に影響をもたらす単位体積当たりの低位発熱量がよりも1.5% 程度低下する. Test fuel Density at C Table 2 Test fuel Diesel ().8287 g/cm Kinematic C Cetane number.67 mm 2 /s mm 2 /s 55.5 Carbon content 86.1 mass% 84. mass% Hydrogen content 1.8 mass% 1.6 mass% Oxygen content <.1 mass% 2. mass% Sulfur content 4 massppm massppm Lower heating value 42,9 J/g 41,85 J/g 5,584 J/cm 5,41 J/cm Distillation IBP C T1 C T C T C EP 5 C Biodiesel ().87 g/cm 18. C C 28.5 C 29.5 C 44.5 C Biodiesel (PME).8751 g/cm mm 2 /s mass% 12.4 mass% 1 mass% 1 massppm 7,5 J/g 2,422 J/cm 27.5 C 2. C 27. C 4.5 C.5 C. 実験結果. 1 高濃度バイオ燃料の燃費排出ガス特性 Fig.1に,CANalyzerを用いて取得したJE5モード試験時のECU 情報 ( エンジン回転数, アクセル開度, 指示燃料噴射量 ) を示す.とでエンジン制御値は概ね同じであり, 本試験では燃料の違いによるエンジン制御状態の変化は見られなかった. Ne [rpm] 25 5 Accelerator [%] Q f /Q f_max [%] Time after start of JE5 test cycle [s] Fig. 1 Engine control values during JE5 test cycle Fig.2に, 各試験サイクルにおけるエンジンアウトエミッションおよび燃費をに対する相対値として示す. 高濃度バイオ燃料使用時にはエンジンアウトNOxが数 % オーダーで増加し, エンジンアウトCOおよびSootは顕著に減少した. また, 低位発熱量の低下に起因してBSFC(g/kWh) はで2~% 増加するが, 投入熱量ベースに換算したBSEC(J/kWh) では各燃料とも同等の数値となり, 燃料によって熱効率に違いはなかった. Engout NOx [] Engout CO [] BSFC [] JE5 JE5 (F/F) (kph) JE5 JE5 (F/F) (kph) / TK5 TK8 TK1.8.8 /.81 TK5 TK8 TK1 JE5 JE5 (F/F) (kph) / TK5 TK8 TK1 Engout THC [] Engout Soot [] BSEC [] JE5 JE5 (F/F) (kph) JE5 JE5 (F/F) (kph).98 / TK5 TK8 TK1 /.87 no data JE5 JE5 TK5 TK8 TK1 (F/F) (kph) / TK5 TK8 TK1 Fig. 2 Engineout emissions, BSFC and BSEC Fig.に, 各試験サイクルにおけるテールパイプ NOx,N2O,NHおよびSCR 触媒のNOx 浄化率 2

3 ( との差 ) を示す. と比較すると, では SCR 触媒の NOx 浄化率が 2pt 前後低下する傾向を示し, エンジンアウト NOx の増加との相乗効果により, テールパイプ NOx は 6~4% 増加する結果となった. NOx [g/kwh] N 2 O [g/kwh] / =1.6 JE5 JE5 (F/F) (kph) 1. JE5 JE5 (F/F) (kph) TK5 TK8 TK1 TK5 TK8 TK1 NH [g/kwh] NOx reduction [pt] JE5 JE5 (F/F) (kph) TK5 TK8 TK JE5 JE5 (F/F) (kph) TK5 TK8 TK1 Fig. Tailpipe emissions and NOx removal efficiency Fig.4に,SCRのNOx 浄化性能に影響を及ぼす NO2/NOx 比について, エンジンアウトおよびSCR 入口で測定した結果を示す. これまでの報告 2) と同様に, 高濃度 FAME 混合燃料では, エンジンアウトの時点でNO2/NOx 比が低下し, それに伴い DOC 通過後のSCR 入口 NO2/NOx 比も低下傾向を示す. すなわち, 使用時のNOx 浄化率低下の一要因として,SCR 触媒へのNOとNO2のモル供給バランスの変化が考えられる. Engout NO 2 /NOx [%] no data JE5 JE5 (F/F) (kph) TK5 TK8 TK1 SCRin NO 2 /NOx [%] JE5 JE5 (F/F) (kph) TK5 TK8 TK1 Fig. 4 NO 2/NOx ratio at engineout and SCR inlet Fig.5に,JE5(kph) 試験における瞬時 NOx 排出量等の時系列変化を示す. 上から段目の SCR 触媒へのNOとNO2のモル供給バランスに着目すると, 燃料に関わらず各ショートトリップの加速走行時に当該バランスが崩れてNO2 不足状態となり ( 最後の高速トリップ走行時はNO 不足状態にもなる ), そこでNOxが多く排出されている. 使用時はNO2 不足時のピークNOx 量が増加していることから,で起こるSCR 性能低下は NO2/NOx 比の低下に起因すると考えられる. 一方, 本試験ではSCR 入口温度がとで大きく変わらず, 尿素噴射量は両燃料間で同等であった..1 JE5 (kph) g Fig. 5 oral change in tailpipe NOx, SCR inlet NO 2/NOx ratio, SCR inlet temperature and urea quantity 次に, JE5(F/F) 試験においてFAME 混合濃度が排気温度および未規制物質排出量に及ぼす影響を調べた.Fig.6に示す通り,まで混合濃度を高めると, 排気温度の低下やPN, アルデヒド類等の未規制物質排出量の増加が見られた. PN [#/kwh] Exhaust temp. [ C] E+1 JE5 (F/F) 9.E+9 8.E+9 7.E+9 6.E+9 JE5 (F/F) DPF inlet SCR inlet 5.E Aldehydes [mg/kwh] PAHs [ng/kwh] JE5 (F/F) HCHO.2 CH CHO JE5 (F/F) Fluoranthene.2 Pyrene Fig. 6 Effect of FAME content on unregulated emissions

4 Ne=125rpm, Qf =4mm/st Ne=125rpm, Qf =72mm/st B TASI [ms] Fig. 8 Combustion phasing 次に燃料の違いが火炎温度に及ぼす影響を調べた Fig.9およびFig.1は容器試験において画像二色法により得られた火炎温度等の時系列変化である Bで顕著に見られる様に FAME混合濃度を高めた場合には火炎温度およびKL値がよりも低下傾向を示す排気温度低下要因 NO 酸化速度低下要因 1.4 of natural luminosity 2.. and flame.8 Pinj=MPa, Xo2=17% B 25 Pinj=MPa, Xo2=17% B.6 KL B B TASI [ms] Fig. 7 oral change in incylinder pressure and ROHR 25.8 temperature distribution for, and B.6 Fig.9 Images Fig. 1.4 Pinj=MPa, τinj=1.58ms (75mm@), Xo2=17%, Ta=95K, ρa=19.5kg/m Flame temp. [K]. 2 高濃度バイオ燃料の燃焼特性使用時の排気温度およびエンジンアウト NO2/NOx比の低下要因を明らかにするためとの燃焼特性を調べた Fig.7に JE5代表点低負荷と中負荷の2条件のエンジン筒内圧力および熱発生率の時間履歴を示すエンジン負荷条件に関わらず使用時に燃焼ガス温度に影響を及ぼす程の熱発生率形状や燃焼位相の変化は起こっていないただし燃焼質量割合が5% MFB5 および9% MFB9 になる位置を比較 Fig.8参照するとでは低位発熱量の低下に伴い燃焼が若干早く終わる特徴を有しておりよりもMFB9が少し進角する結果排気温度低下要因が得られた TASI [ms] oral change in flame temperature and KL 4. まとめ尿素 SCR システムを搭載するポスト新長期規制適合ディーゼルエンジンを用いたエンジン台上試験等により排出ガス特性の観点から高濃度バイオディーゼル燃料の課題を検討した (1) 使用時はエンジンアウト NO2/NOx 比の低下に起因して SCR 触媒の NOx 浄化率が 2pt 前後低下しエンジンアウト NOx の増加との相乗効果によりテールパイプ NOx 排出量は比で最大 4%増加した (2) まで FAME 濃度を高めると排気温度の低下および PN アルデヒド類等の未規制物質排出量の増加が生じる () 使用時の排気温度低下の要因は燃焼終了時期の進角と火炎温度の低下が考えられる (4) 使用時のエンジンアウトNO2/NOx比の低下要因は火炎温度低下による筒内でのNO酸化抑制が考えられる参考文献 1) 国土交通省 jidosha/ sesaku/ environment /osen/2_osenj.htm 2) Mizushima, N. et al. Effect of Biodiesel on NOx Reduction Performance of UreaSCR system SAE Paper (1) 4

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ステップ Ⅱ 計画概要目的 : 将来排出ガス対策技術 ( 後処理燃焼制御等の先端技術 ) を搭載した車両エンジンと各種燃料の組み合わせを用いて排出ガスおよび信頼性の評価を実施することにより自動車技術燃料技術の将来の方向性を探るマトリックス試験 ( 排出ガス低減技術のポテンシャルおよび

ステップ Ⅱ 計画概要目的 : 将来排出ガス対策技術 ( 後処理燃焼制御等の先端技術 ) を搭載した車両エンジンと各種燃料の組み合わせを用いて排出ガスおよび信頼性の評価を実施することにより自動車技術燃料技術の将来の方向性を探るマトリックス試験 ( 排出ガス低減技術のポテンシャルおよび中央環境審議会大気環境部会自動車排出ガス専門委員会ヒアリング資料資料 3-2-3 JCAP ディーゼル車 WG 報告平成 13 年 9 月 6 日ディーゼル車 WG 1 ステップ Ⅱ 計画概要目的 : 将来排出ガス対策技術 ( 後処理燃焼制御等の先端技術 ) を搭載した車両エンジンと各種燃料の組み合わせを用いて排出ガスおよび信頼性の評価を実施することにより自動車技術燃料技術の将来の方向性を探る

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