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1 研究速報 JARI Research Journal * DPF 再生のためのポスト噴射に起因した オイル希釈メカニズムの研究 Analysis of Oil Dilution Mechanism Due to Post-injection for DPF Regeneration 松岡正紘 *1 Masahiro MATSUOKA 伊藤貴之 *2 Takayuki ITO 北村高明 *2 Takaaki KITAMURA Abstract Diesel engines equipped with a DPF system have a significant problem regarding oil dilution caused by post injection during DPF regeneration. In this paper, first the measurement of the oil dilution rate using a carbon balance (CB) method was established. Then, in order to clarify the detailed mechanism of oil dilution, the effects of injection pattern and fuel properties on oil dilution and fuel evaporation in the crankcase were experimentally investigated. The experimental results show that split injection is effective to reduce the oil dilution, especially at high ambient gas temperatures, although the effect becomes smaller by decreasing the ambient gas temperature. Furthermore, the fuel components strongly affect the fuel evaporation rate in the diluted oil. 1. まえがき 排出ガス規制の強化に伴い, ディーゼル車に対 するディーゼルパティキュレートフィルタ (DPF) の装着が進んでいる.DPF に捕集された PM の燃 焼除去には, 筒内ポスト噴射や排気管噴射によっ て DPF 上流に配した酸化触媒 (DOC) に燃料を供 給し, その発熱を利用する方法が主流である. しかし, 筒内ポスト噴射や排気管噴射による DOC への燃料供給には昇温以外の好ましくない 影響も存在しており, 例えば, 筒内ポスト噴射に よる燃料供給では, 燃料の一部がエンジンオイル に混入し, オイル希釈が起きてしまうことがある. オイル希釈は, 潤滑不足などエンジン性能低下を 生じ, 長期的な使用ではエンジンの損傷など大き な問題を引き起こす原因となり得る. 本研究では, これらのリスク回避のため, 筒内 ポスト噴射時のオイル希釈率推定モデルを構築す ることを目的とし, ポスト噴射の壁面付着, ピス トンリングによるかき落し, クランクケース内の 燃料蒸発等のメカニズム解明に取り組んでいる. *1 一般財団法人日本自動車研究所エネルギ環境研究部 *2 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 ) * 本速報は JSAE 著作権規則に基づく JSAE No の転載である. 本報では, 当該オイル希釈メカニズムを明らか にするため, カーボンバランス法を用いたリアル タイムでのオイル希釈率の計測法を構築し, ポスト噴射パターンや供試燃料をパラメータとして, ポスト噴射によるオイル希釈および通常運転時の オイルからの燃料蒸発メカニズムついて詳細に調 べた. 2. 実験装置および実験方法 2. 1 カーボンバランス法を用いたオイル希釈率 計測法 オイル中に混入した燃料量は, ガスクロマトグ ラフィ ( 以下,GC) 法 1) により, 燃料由来の炭化水 素成分量を分析することで求められるが, この方 法は分析に時間を要するなどの課題もある. そこで, 本研究では,Nanjundaswamy ら 2) の研究を 参考に, リアルタイムでオイル希釈量が測定可能 なカーボンバランス法を用いた計測方法を試みた. 単位時間あたりにオイル中に混入する燃料量は, 燃費計で測定されるエンジン供給燃料流量と排出 ガスの組成および流量から算出されるカーボンバ ランス ( 以下,CB) 法 3) ベースの燃料流量の差とし て求められる. 本研究では, これをオイル希釈速 - 1 -

2 度と定義し, オイル中に混入した燃料の質量割合 ( オイル希釈率 ) を計測した. オイル希釈速度が正 の値のときはオイル希釈が, 逆に負の値はオイル希釈よりもオイルからの燃料蒸発が支配的である ことを意味する. CB 法による燃料流量の算出にあたっては, 式 (1) を用いた. Qgas,exhaust Qfuel,exhaust 1 A/F ここで,Qfuel,exhaust は排出ガス組成と排出ガス 流量から求まる燃料流量 [g/s],qgas, exhaust は排出 ガス流量 [g/s],a/f は空燃比 [-] を表す. 本研究で用いた実験装置の概略を Fig. 1 に示す. CB 法による燃料流量の算出に必要な排出ガス流 量の測定には超音波式の排出ガス流量計,CO, CO2,THC 濃度計測には排出ガス分析計 (CO, CO2:NDIR,THC:HFID) を用い, エンジンへ (1) の供給燃料流量はコリオリ式燃費計を用いた. Fuel tank Air Air temperature and humidity controller Fuel flow meter (Coriolis flowmeter) U L4 2.L Diesel engine DOC DPF Dynamometer Exhaust gas analyzer Exhaust gas flow meter (Ultrasonic flowmeters) Fig. 1 Schematic of experimental apparatus 供試機関の主要諸元を Table. 1 に示す. 供試機 関は, ボア径 86 mm, ストローク長 86 mm の 4 ストローク直列 4 気筒ディーゼルエンジンであ る. 燃料噴射装置はコモンレール方式である. 供 試燃料は JIS2 号軽油 (JIS#2) とし, エンジンオイ ルには純正の低アッシュオイル (DH-1,SAE W-3) を用いた. また, オイル交換時にはあらかじめ重量を計測したエンジンオイル ( 約 4. L) を 供試した. 後処理装置は DOC+DPF である. なお,CB 法と同時に GC 法によるオイル希釈 率計測も実施し, 両者の比較により CB 法の計測 精度を確認した. Engine type Displacement Table 1 Engine specifications 4-stroke 4-Inline cylinder direct injection diesel engine Bore Stroke (mm) (cm 3 ) 1998 Compression ratio 15.8 Max. Engine output (kw/rpm) 94 /3 Max. Torque (Nm/rpm) 31/16-22 After treatment system DOC + DPF ポスト噴射時のエンジン運転条件は, アイドル (1 rpm-9 Nm),6 km/h 定常運転相当 (16 rpm- Nm), 1 km/h 定常運転相当 (16 rpm-7 Nm) とし, 噴射タイミングや噴射回数の 異なるポスト噴射を実施した. なお, 各条件におけるポスト噴射総量は DOC 後端面の温度が 65 に昇温する量とした. また, オイルパンか らの燃料蒸発の影響を最小化するため, 実験毎に エンジンオイルを新油に交換した ポスト噴射パターンの影響調査 1 km/h 定常運転においてポスト噴射パターン がオイル希釈に及ぼす影響を調査した. 本実験に おけるポスト噴射パターンを Fig. 2 に示す. エン ジン制御は, 排出ガス温度昇温を行わない場合 () と行う場合 (Elevated ) の 2 条件と した.Elevated 条件では, 吸気絞りとメイ ン噴射のリタードを実施しており, 条件と比較すると, 排気温度が 1 K 程度上昇する. また, パターン Ⅱ およびパターン Ⅴ において分割 Elevated Elevated Elevated Pattern Ⅰ. Ⅱ. Ⅲ. Ⅳ. Ⅴ. Ⅵ. Pilot+Main injection Early post injection (5) (5) 5:5 5:5 Late post injection Fig. 2 Post injection patterns for the investigated operation Sum of Q post

3 Fuel flow rate [g/hr] Oil dilution [g] ポスト噴射をする際は燃料噴射量を 5:5 とし, パターン Ⅲ およびパターン Ⅵ での上死点後 CA における Early ポスト噴射量は 5 で固定とした クランクケースからの燃料蒸発現象の把握 1) 燃料蒸発速度の計測 オイル中に混入した軽油成分のうち, 軽質分に ついてはエンジン運転条件によっては, オイル中 から選択的に蒸発することが考えられる. 本研究 では, 単位時間あたりのオイル中の燃料重量減少 量を燃料蒸発速度と定義し, エンジン運転条件お よびオイル希釈率が燃料蒸発速度に及ぼす影響を 調べた. 燃料蒸発速度の計測を行う際は, 上死点後 12 CA の Late ポスト噴射によりオイル希釈を行 い, 希釈率が 5,1,15 wt% となるようにポスト 噴射運転時間を調整した. 蒸発速度を評価するエ ンジン運転条件は, 低速 低負荷から高速 高負 荷の最大 9 条件とした. 蒸発速度は, 蒸発運転開 始前および運転開始 9 分後のオイル希釈率を GC 法によって測定することで,9 分間の平均速度と して求めた. なお, 燃料蒸発速度に影響を及ぼす 因子を調べるため, オイルパン温度やブローバイ ガス質量流量の計測も行った. 2) 蒸発燃料成分の分析燃料蒸発に及ぼす燃料成分の影響を調べるため, JIS#2, 軽質軽油 (LC), および重質軽油 (HC) をあ らかじめエンジンオイル中に 1 wt% 混合した希 釈オイルを用いて, 燃料蒸発速度を計測した. 供試燃料の燃料性状を Table. 2 に示す. これら の燃料は蒸留特性が大きく異なる特徴を有する. LC は灯油留分が混合されているため低沸点成分 が多く, 一方,HC は重油留分が混合されている ため高沸点成分が多い. なお, 燃料蒸発成分を評 価する際のエンジン運転条件はクランクシャフト のかき乱し等により比較的顕著な燃料蒸発が期待 できる高速条件 (28 rpm-7 Nm および 28 rpm-25 Nm) とした. また, 軽油中の各成分の蒸発挙動を明らかにす るため, 蒸発運転前後のオイルに含まれる C9 か ら C19 の軽油ノルマルパラフィン濃度測定を GC MS 分析により定量分析した. Table 2 Fuel properties for evaporation test JIS#2 LC HC Test method Density@15 g/cm JIS K2249 Kinematic viscosity@ mm 2 /s JIS K2283 Cetane number JIS K228 Distillation Hydrocarbon composition Test fuel IBP % % % EP Mono-Arom Di-Arom Tri-Arom. vol% Olef Sat JIS K2254 JPI-5S Sulfur mass ppm JIS K 結果および考察 3. 1 カーボンバランス法を用いたオイル希釈率 計測法 Fig. 3 に,1 km/h 定常運転において, 上死点 後 9 CA で Late ポスト噴射を行った際のエンジ ン供給燃料流量,CB 法より算出される燃料流量 およびオイル希釈量の時間変化を示す. エンジン へ供給される燃料流量と CB 法より算出される燃 料流量の差がオイル希釈速度であり, その累積で あるオイル希釈量はポスト噴射中にほぼ一定の傾 きで増加する km/h, Post inj. at 9 CA ATDC Fuel flow meter CB Oil dilution Time after start of post injection [s] Fig. 3 Temporal change in fuel mass in crankcase Fig. 4 に, エンジン運転条件およびポスト噴射 タイミング, 噴射回数を変化させ, オイル希釈速 度を ~15 wt%/hr の範囲で振った際の CB 法および GC 法によるオイル希釈測定結果の比較を示 す.CB 法と GC 法で高い相関が得られており, CB 法を用いることでオイル希釈量のリアルタイ ム計測が可能となった

4 Dilution rate [g/hr] Dilution rate [g/s] [g/hr] CB method [wt%/hr] GC method [wt%/hr] Fig. 4 Correlation of oil dilution rate between GC 3.2 ポスト噴射パターンの影響調査 Fig. 5 に,1 km/h 定常運転において,Fig. 2 に示したポスト噴射パターンがオイル希釈速度に 及ぼす影響を調べた結果を示す. これから, 噴射 パターンおよびエンジン制御によってオイル希釈 速度が大きく変化し,Elevated 条件にて Late ポストを分割するパターン Ⅴ が最もオイル 希釈が少ない結果であった Late single 16rpm-7Nm(1km cruise) Double +Early Late single Elevated Double +Early Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Post injection pattern Fig. 5 Oil dilution for each post injection patterns Fig. 6 に, 各条件における Late ポスト噴射時の 筒内平均温度 ( 分割噴射の場合は上死点後 11 CA) とオイル希釈速度の関係を示す. 条件の上死点後 11 CA でのシングルポスト噴射 時 ( パターン Ⅰ,9 K) を基準として,Early ポスト噴射を追加したパターン Ⅲ では筒内温度が 1 K 程度に上昇し, オイル希釈速度が低下す る. さらに,Elevated 条件のパターン Ⅳ で は,13 K にまで筒内温度が上昇し, オイル希 釈速度が顕著に低下する. これらのオイル希釈低 減は,Late ポスト噴射時の噴霧周囲のガス温度が 上昇することにより噴霧の気化が促進され, 液相 状態で壁面に到達する燃料量が低下することに起因すると考えられる. また, 分割噴射を行ったパ ターン Ⅱ, パターン Ⅴ については,1 噴射あたり の燃料量が減少することで, シングル噴射よりも 噴霧の貫徹力が低下し, 燃料の壁面付着量が低減 することで, オイル希釈速度が低下すると考えら れる 4) Ⅰ. Double late post (11+13) Ⅱ. Ⅲ. Late post (11) Early+Late post (+11) 5 Elevated Ⅳ. Late post (11) Ⅴ. Elevated Double late post Tcyl [K] [K] (11+13) Ⅵ. Elevated Early+Late post (+9) Fig. 6 Effect of post injection pattern on oil dilution 一方,Elevated 条件で,Early ポスト噴 射も併用したパターン Ⅵ では他のパターンと比較 して, 筒内平均温度の上昇に対するオイル希釈量 の低減代が小さい.Fig. 2 に示す各パターンでの 総ポスト噴射量に着目すると, パターン Ⅵ では Early ポスト噴射の 5 を差し引いた Late ポスト噴射量が他のパターンに比べて多い. この ため, ポスト噴射期間が長く, 壁面付着量が増加 するため, 筒内温度が上昇するにも関わらず, オ イル希釈速度の低下は少ないものと考えられる. 各ポスト噴射パターンにおける熱発生率履歴を Fig. 7 に示す. オイル希釈率の低減代が少なかっ たパターン Ⅵ では, 上死点後 9 CA の Late ポス ト噴射後に明確な熱発生が見られていることが分 かる. 筒内で燃焼した場合,DOC までに熱損失 による温度低下が生じるため,DPF を 65 まで 昇温するためのポスト噴射燃料量が増加したもの と考えられる. Fig. 8 に各ポスト噴射パターンにおける DPF 再生時の正味燃料消費率とオイル希釈速度の関係 を示す. メイン噴射リタードを行っている Elevated 条件では, メイン燃焼の燃料消費 率は増加するものの, ポスト噴射量は少量となる - 4 -

5 Dilution [g/hr] Dilution rate [g/hr] Ratio of oil dilution Ratio of Oil dilution (Double post / Single post) more effective ため, サイクルあたりの燃料消費率が低く, オイ ル希釈速度も小さい. ただし, パターン Ⅵ のよう に Late ポスト噴射燃料が燃焼する場合には燃料消費率が極端に悪化する. 定常運転において, オイル希釈と燃料消費率の 同時低減を可能とするポスト噴射ストラテジーと して,1 排出ガス温度昇温運転 ( 吸気絞り, メイン 噴射リタード ) を行い,2 ポスト噴射燃料が燃えな いタイミングで,3 分割噴射することが効果的で あることが明らかとなった. ただし, 低車速を含 む過渡運転では,DOC の失活を防ぐために Early ポスト噴射で排気温度を昇温する必要があり, 上 述のストラテジーの適用は一定速の運転に制限さ れる. Ⅰ. Ⅱ. Ⅲ. Ⅳ. Ⅴ. Ⅵ. Early Early Fig. 7 Effect of post injection patterns on ROHR 一方, 低負荷運転時など筒内平均温度が低い場 合には, 燃料蒸発が進まず, 分割ポスト噴射によ るオイル希釈低減効果が得にくい可能性が懸念される. そこで, 分割噴射によるオイル希釈低減効 果と筒内温度の関係を把握するため, エンジン回 転数 16 rpm 条件下で負荷調整により筒内温度 をスイープしながら, ポスト噴射の分割によるオ イル希釈低減効果を調べた. Fig. 9 にポスト噴射時の筒内平均温度と分割噴 射によるオイル希釈低減効果の関係を示す. ポス ト噴射量は 5,1 の 2 通りとした. ポスト噴射時期はシングル噴射の場合は上死点後 1 CA, ダブル噴射の場合は上死点後 1 CA と 115 CA とし, ダブル噴射の噴射量比は 5:5 とした. 分割噴射によるオイル希釈低減効果は, シングル噴射時とダブル噴射時のオイル希釈率の 比を用いて評価した. 分割噴射によるオイル希釈 低減効果は筒内平均温度が高くなるにつれて大き くなり, 筒内平均温度が低い場合には分割噴射に よるオイル希釈低減効果は小さい. また, ポスト 噴射量が少ない 5 条件の方が, 分割によ るオイル希釈低減効果が大きい. このように, ポスト噴射の分割によるオイル希 釈低減効果は, 噴射時の温度の影響を強く受け, 筒内温度の低い低負荷や減速での燃料カット時に は効果が小さいと考えられる rpm-Load sweep 1mm3/st 5mm3/st Elevated 5 late post Ⅳ. (11) double late post (11+13) Ⅰ. Ⅱ. late post (11) Ⅲ. early+late post (+11) Elevated early+late post (+9) Ⅴ. Elevated 3 double late 35 PI 45 (11+13) BSFC BSFC [g/kwh] [g/kwh] Ⅵ. Fig. 8 Effect of post injection patterns on BSFC and oil dilution Tcyl [K] Fig. 9 Effect of double post injection on oil dilution 3. 3 クランクケース内の燃料蒸発現象の把握 1) 燃料蒸発速度の計測エンジン負荷, 回転速度を変化させた際の燃料蒸発速度を Fig. 1 に示す. 燃料蒸発速度はエンジン運転条件によって大きく変化し, 高速 高負

6 Evaporation rate rate [g/hr] [g/h] Torque [Nm] Evaporation rate rate [g/hr] [g/h] 荷運転で大きく, 低速 低負荷運転で小さくなる傾向がみられる. また, 高オイル希釈率ほど燃料蒸発速度も大きい結果となった. Oil dilution1wt% 3 2 R 2 =.73 (1wt%) 15wt% 1wt% 1 5wt% Blowby flow rate [g/min] Fig.12 Correlation between evaporation rate and blowby flow rate Evaporation rate [g/h] Engine speed [rpm] Fig. 1 Effect of engine operating condition on fuel evaporation rate Fig. 11 および Fig. 12 に, オイルパン温度, ブ ローバイガス質量流量およびオイル希釈率が燃料 蒸発速度に及ぼす影響を示す. これから, 燃料蒸 発速度は特にオイルパン温度とオイル希釈率の影 響を強く受けることが明らかとなった. ただし, 本実験は, エンジン回転数や負荷などの各種パラ メータと, オイルパン温度を独立して制御できて おらず, クランクケース内のオイルミスト飛散量など, 燃料蒸発に寄与すると考えられる影響因子 を十分に捉えきれていない可能性がある. 希釈オ イルからの燃料蒸発メカニズムを明らかにするた めには, 今後, オイルパン温度の制御を独立して 行い, 燃料蒸発に及ぼす各種因子について詳細に 調査を行う必要がある R 2 =.91 (1wt%) 15wt% 1wt% 5wt% Oil sump [ ] Fig.11 Correlation between evaporation rate and oil sump temperature 2) 蒸発燃料成分の分析 蒸発する燃料成分を把握するため,JIS#2 をあ らかじめ 1 wt% 混合した希釈オイルを用いて蒸発運転を行い, 運転前後におけるオイル中の軽油 ノルマルパラフィン量を分析した. 分析結果を Fig. 13 に示す. 蒸発運転により消失した炭化水素 成分は C9 から C12 の軽質成分が主体である様子 が確認できる. Before C9 C1 C11 After (28rpm 25Nm) C9-C12 C12 C15 C16 C17 C14 C13 Fig. 13 Chromatogram of fuel component in oil before and after evaporation operation (JIS#2, 1wt%) 次に, 燃料蒸発現象における燃料の蒸留特性の 影響を明らかにするため, オイルに予め混合する 供試燃料を LC および HC とした場合についての 燃料蒸発速度およびオイル中の燃料成分量の変化 を調べた. Fig. 14 に各供試燃料の 1% 留出温度と燃料蒸 発速度の関係を示す. なお,Fig. 14 には,JIS#2 を用いてポスト噴射によってオイル希釈を行った 場合の燃料蒸発速度も併記した. 燃料蒸発速度は, 1% 留出温度が低く, 燃料中の軽質成分の比率が 高い燃料ほど大となる傾向を示す. また, 同じ JIS#2 でも, 燃料をあらかじめエンジンオイル中 - 6 -

7 Abundance [%] Abundance [%] Abundance [%] Evaporation rate [g/hr] [g/h] Abundance [%] に混合した場合とポスト噴射によりオイル希釈し た場合では, 後者の方が燃料蒸発速度が小さい LC 28rpm 25Nm 28rpm 7Nm 6 6 JIS#2 3 HC 3 ( ) post inj. ( ) % 1% distillation distillation [ ] [ ] Fig. 14 Relationship between T1 and fuel evaporation rate Fig. 15 にポスト噴射により希釈されたオイル 中の燃料成分 ( 燃料を 1% とする ) における各ノ ルマルパラフィンの残存率の分布を示す. ポスト 噴射燃料は, 筒内において高温雰囲気にさらされ, 軽質成分の一部が蒸発するため, オイルに混入す る時点で軽質成分の割合が少なくなる. そのため, 予め燃料をオイルに混合した場合よりも燃料蒸発 速度が低下したものと考えられる. また, エンジ ン負荷によりオイルに混入する燃料成分の分布が 異なり, 低負荷の方が低沸点成分が多い様子が分 かる rpm 7Nm (post inj.12 CA) 16rpm 25Nm (post inj.12 CA) JIS# Carbon number of n-paraffins [-] Fig. 15 Abundance of diesel fuel (n-paraffins) in crankcase after oil dilution operation 分が選択的に蒸発し,C19 程度の重質成分の蒸発 はほとんどみられない. そのため, 蒸発運転を続 けると, オイル中に C19 程度の重質成分の割合が増加していくことが推察される C17-C19 C16 C15 C14 C13 C12 C11 2 C1 JIS#2-1wt% C Time 1 after start of evaporation operation [min] C17-C19 C16 C15 8 C14 6 C13 C12 C11 2 LC-1wt% C1 C Time 1 after start of evaporation operation [min] C17-C19 C16 C15 8 C14 6 C13 C12 C11 C1 C9 2 HC-1wt% 28rpm-25Nm Time after start of evaporation operation [min] Fig. 16 Temporal change in abundance of diesel fuel (n-paraffins) in crankcase during fuel evaporation 4. まとめ operation 本研究により, ポスト噴射によるオイル希釈メ カニズムおよび燃料蒸発メカニズムに関して以下 の新たな知見を得た. Fig. 16 に, 各供試燃料における蒸発運転中のオイル中燃料成分の残存率 ( 蒸発前を 1% とする ) の時間変化を示す. 供試燃料によらず, 蒸発運転開始後の早い段階から C9 から C12 程度の軽質成 オイル希釈計測法について 1) オイル希釈率の計測方法として, カーボンバランス法を用いたリアルタイム計測法を確立した

8 オイル希釈メカニズムについて 2) ポスト噴射によるオイル希釈と燃料消費率の 同時低減には, 排出ガス温度昇温運転を行い, ポスト噴射燃料が燃焼しないタイミングで 分割噴射することが有効である. 3) 筒内温度が低い条件においては, ポスト噴射 燃料の蒸発が緩慢となるため, ポスト噴射の 分割によるオイル希釈低減効果は小さい. 4) ポスト噴射によりオイルに混入する燃料は, 軽質成分が一部蒸発した燃料であり, エンジ ン負荷により混入する燃料成分が異なる. 燃料蒸発について 5) 燃料蒸発速度は, オイルパン温度とオイル希 釈率の影響を強く受ける. 6) 燃料蒸発時は C9 から C12 程度の軽質成分が 選択的に蒸発し,C19 程度の重質成分はほと んど蒸発しない. 参考文献 1) 公益社団法人石油学会 : 石油学会規格 -エンジン油の軽油希釈率試験方法 - JPI-5S (211) 2) H.Nanjundaswamy et al., : A Novel Approach in Determining Oil Dilution Level on a DPF Equipped Vehicle as a Result of Regeneration, 29 DEER Conference (29) 3) 細井賢三,: 排気組成から得られる情報 - 空気過剰率, 重量排出率及び燃料消費率の算出 -, 日本自動車研究所研究資料第 1 号 (1991) 4) Matthias Budde, et al, : Simulation and Optical Analysis of Oil Dilution in Diesel, SAE (211) - 8 -

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