Microsoft Word - P.4.1.2研究発表会要旨（東燃ゼネラル） v6.doc

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えつとにいだ
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1 [P4.1.2] ディーゼル燃費に及ぼす軽油燃料性状の影響評価に関する研究開発 ( ディーゼル燃費グループ ) 大井第 52 研究室河野尚毅川口浩司青柳良和中村修 1. 研究開発の目的黒煙をはじめとするディーゼル車からの排出ガスに対する懸念等によって日本ではディーゼル車両の比率が低下してきたが近年の排出ガス対策技術の進展によりディーゼルエンジンからの排出ガスは大幅に清浄化されているこうした中輸送分野における CO 2 排出量削減の観点でガソリンエンジンに比較して熱効率に優れるディーゼルエンジンが注目されている燃料製造面でもガソリンから軽油に需要構造がある程度シフトすると製油所からの CO 2 総排出量が削減されると言われているこうした状況に鑑み日本においてディーゼル車両を拡充させた場合 ( いわゆるディーゼルシフト ) の効果影響を検証するための重要技術としてディーゼル車の燃費を高精度に評価する技術を開発するさらに当該開発技術を基にディーゼル燃費に及ぼす軽油燃料性状の影響についても考察する 2. 研究開発の内容本研究ではディーゼル車両を対象としてガソリン車両向けに確立された高精度燃費評価技術と同程度 ( 繰返し精度 1.%) 以上の高精度燃費評価技術を開発することおよび当該技術の有効性を具体的に実証することを目標に設定している研究開発年度としては表 2-1 に示されるように平成 19 年度から平成 23 年度までの 5 ヵ年を予定している主としてその前半期間において高精度燃費計測に係わる基礎技術要素技術開発を行い評価手順の確立を図る計画である平成 22 年頃には平成 21 年 (29 年 ) 施行のポスト新長期規制に適合する国産ディーゼル乗用車が複数の自動車メーカーから市場投入される見込みであることよりその後半期間において高精度燃費計測技術をこれらのディーゼル乗用車に適用しその有効性を確認する計画である表 2-1 研究開発計画項目最新技術搭載ディーゼルエンジン車両の制御機構の把握燃費熱効率に及ぼすエンジン制御因子燃料性状因子の影響解析燃費熱効率の評価において必要となる燃料品質評価技術の検討燃費熱効率評価における適切な試験手順の検討提案ディーゼルエンジン車両の高精度燃費評価法の妥当性を示す試験例の提示最新ディーゼルエンジン車両技術およびその性能評価技術に関する調査計画年度 H19 H2 H21 H22 H23

2 平成 19 年度は最新技術搭載ディーゼルエンジン車両の制御機構の把握と最新ディーゼルエンジン車両技術およびその性能評価技術に関する調査を実施した以下にそれぞれの研究開発の内容を述べる 2.1. 最新技術搭載ディーゼルエンジン車両の制御機構の把握ディーゼル車両の燃費熱効率に及ぼす各種変動因子の定量的影響検討を平成 2 年度から開始するに先立ち平成 19 年度は予備的検討として最新技術搭載ディーゼル車両を用いて燃費計測を行う中でエンジン制御機構を理解把握する取り組みを行った 2.2. 最新ディーゼルエンジン車両技術およびその性能評価技術に関する調査排出ガス規制強化や新たな省燃費目標の設定に対応して低排出ガスかつ省燃費の車両技術の開発が進んでおりエンジン制御パワートレイン制御が高度化しているそれらの車両に対して広く適用しうる高精度燃費計測技術を開発する観点で最新のディーゼルエンジン車両の制御技術動向を調査検討した 3. 研究開発の成果 3.1. 最新技術搭載ディーゼルエンジン車両の制御機構の把握新長期規制適合のディーゼル車両を用い燃費の繰返し再現性を評価したその際 ECU モニタを用いてパワートレインの制御状態を計測することにより高精度燃費計測技術確立に向けての今後の課題を把握した供試車両の選定平成 19 年度時点では国産自動車メーカーはディーゼル乗用車を販売していないそのため供試車両選定にあたっては今後市販されることが想定されるディーゼル乗用車においても採用が見込まれるパワートレイン技術機構が盛り込まれているディーゼル商用車 (2t トラック ) を選定した供試車両の主要諸元を表に示す Vehicle configuration Engine configuration 表供試車両の主要諸元 Vehicle category Chassis configuration Chassis dimensions Cylinders layout Compression ratio Aspiration Displacement vol [L] Max. power Max. torque [NM Transmission configuration Fuel injection system Fuel system configuration Emission regulation Fuel specification Technologies for reduced emissions and improved fuel economy Vehicle A 2 ton cargo truck Cabin over engine 468 (L), 169 (W), 196 (H) L4, Direct Injection (DI) 17.5 Durbo-charged with intercooler 3. rpm rpm AT Common rail Diesel Fuel (5 mass ppm S or less required, 1 mass ppm S or less recommended) J-25 regulation (New long-term regulation) High-press. fuel injection DOC + DPF (Diesel Particulate Filter) Cooled EGR Variable geometry turbo-charger 4 valves/cylinder layout Electronic controlled fuel injection system Idling stop system

3 当該パワートレインにはコモンレールシステム高圧燃料噴射システムと Cooled EGR (Exhaust Gas Recirculation) システムが採用されている高圧噴射により燃料の微粒化と空気との混合を促進させ完全燃焼を図ることにより PM(Particulate Matter) の低減を図りまた Cooled EGR に加えて複数回の分割燃料噴射により燃焼の高温化を防ぎ NOx を低減させるアプローチで新長期排出ガス規制に適合している燃費試験方法今回の供試車両は総重量 3.5t 超の重量車であるため公定の燃費排出ガス測定モードはエンジンベンチベースの JE5 モードであるが今回は将来のディーゼル乗用車評価を念頭にシャシベースでの試験法である JIS D 112:25 自動車- 燃料消費率試験方法に定められる 1-15 モード燃費評価法を適用した JIS D 112 はシャシダイナモメータを用いた燃料消費率試験方法である使用した燃費計測システムの構成を図に示す Exhaust gas Exhaust gas analyzer CVS (Constant Volume Sampler) Dilution air F F F B PM sampling unit 図本研究で用いた燃費評価システムの構成概念図 JIS D 112 では燃料流量測定法とカーボンバランス法との2つ燃費計測法が定義されている燃料流量測定法とは燃料ライン中にフローメータを設置しそこを通過する燃料量を計測することにより燃費試験中に消費された燃料量をダイレクトに測定するものである一方カーボンバランス法では排出ガスの全量を Constant Volume Sampler (CVS) に導入しその一部を一定流量でバッグに採取する燃費試験走行中にバッグに採取された排出ガスを走行後に分析しその中に含まれる Total Hydrocarbon (THC) Carbon Monoxide (CO) Carbon Dioxide (CO 2 ) を定量することによってカーボンバランスにより燃料消費量を算出するものである本検討では小これまでの検討で繰返し再現性がより良好であったカーボンバランス法を基本として解析考察を行うことにしたなお日本における公的な車両燃費測定基準としては JIS D 112 の他に新型自動車審査関係基準集に示される新型自動車の試験方法 (TRIAS:Traffic Safety and Nuisance Research Institute s Automobile Type Approval Test Standard) が存在

4 する TRIAS においてはガソリン用試験法 ( ) とディーゼル用試験法 ( ) が定められているが両方共に燃費換算において供試燃料性状は考慮されていないこれに対して JIS D 112 においては 1997 年の改正時に従来から対象とされていたガソリンエンジン搭載車両に加えてディーゼルエンジン搭載車両および LPG ガスエンジン搭載車両も対象となったその際燃料性状 ( 密度 H/C O/C 元素比率 ) を考慮して異なる燃料に対しても精度よくカーボンバランス法による燃費計測が行えるよう改善が図られているまた JIS 法は欧米の燃費測定法と比較しても燃料性状の考慮の点で最も進んだ試験法となっているすなわち米国 FTP 法 (CFR ) ではガソリンについては密度 H/C のみを考慮しているもののディーゼルでは燃料性状は考慮していない EU 法 (8/1268/EEC) ではガソリンディーゼルともに燃料密度のみが考慮されている 1-15 モード燃費試験における運転サイクルの速度パターンを図に示すここで図中点線で示された最初の 15 モード区間はプレコンディショニングサイクルでありこの区間が終了した後の 1 モード 3 回と 15 モード 1 回の走行時における燃料消費率が 1-15 モード燃費として測定される Velocity [km/h] No emission sample corrected Emission sample corrected in bag J1-15 mode driving cycle Time: 11. (14.9) min, Distance: (6.339) km, Ave. speed: 22.8 (25.6) km/h Time [min] 図運転サイクルの速度パターン最新ディーゼル車両では排出ガス対策ならびに燃費向上対策としてエンジンシステムを統合制御するエンジン制御ユニット (ECU) が高度化しているこのため同一の運転パターンを走行しても必ずしも車両として同じ制御がなされるとは限らず結果として試験毎に燃費排出物質に大きな差が出ることがあり得ると考えられるそのため NMHC, CH 4, CO, CO 2, PM などの基礎データの計測を行う際には排出ガス測定モード全体を通算してのバッグサンプリング法のみならず排出ガスのリアルタイム計測を行い時々刻々の排出ガス変化をモニタすることが重要である同様にエンジンシステムの制御因子についてもリアルタイムで計測することが重要である燃費測定時にリアルタイムで計測された時々刻々のデータを解析することにより燃費熱効率に変動を及ぼしうるエンジン因子についてその影響度を定量的に把握することが可能となることが期待される燃費に及ぼす各エンジン因子の影響度をモデル化数式化し実測された燃費データ熱効率を補正するなどの規格化アプローチ

が高精度燃費計測の観点で有効であると考えられるためである ECU モニタの構成概念図を図 3.1-3 に ECU モニタユニットのエンジンルーム内設置状況を図 3.1-3 に収録データ仕様例を表 3.

5 が高精度燃費計測の観点で有効であると考えられるためである ECU モニタの構成概念図を図に ECU モニタユニットのエンジンルーム内設置状況を図に収録データ仕様例を表にそれぞれ示す車載各種センサーエンジン制御部へ ( 燃料噴射等 ) 信号中継 BOX 車載 ECU ECU 制御計測ユニット操作表示記録車両オリジナル ECU ユニット ECU モニタユニット図 ECU モニタの構成概念図図 ECU モニタ装置の設置状況表ディーゼル ECU モニタの収録データ仕様 No 名称入力信号出力信号 1 噴射開始角度 1 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 2 噴射開始角度 2 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 3 噴射開始角度 3 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 4 噴射開始角度 4 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 5 噴射開始角度 5 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 6 噴射終了角度 1 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 7 噴射終了角度 2 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 8 噴射終了角度 3 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 9 噴射終了角度 4 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 1 噴射終了角度 5 段 -36 CA ~ +36 CA -3.6V ~ +3.6V 11 噴射時間 1 段 msec ~ 1msec V ~ +1V 12 噴射時間 2 段 msec ~ 1msec V ~ +1V 13 噴射時間 3 段 msec ~ 1msec V ~ +1V 14 噴射時間 4 段 msec ~ 1msec V ~ +1V 15 噴射時間 5 段 msec ~ 1msec V ~ +1V 16 噴射時間使用段トータル msec ~ 1msec V ~ +1V 17 噴射時間パイロット+メイン msec ~ 1msec V ~ +1V 18 噴射回数 or 1 or 2 or 3 or 4 or 5 回 or 1 or 2 or 3 or 4 or 5V 19 EGRバルブ開度全閉 ~ 全開約.8V ~ 約 4.V 2 スロットル開度全閉 ~ 全開約.8V ~ 約 4.V 21 アクセル開度全閉 ~ 全開約.8V ~ 約 4.V 22 燃料噴射圧力 MPa ~ 2MPa 約 1.V ~ 約 5.V 23 マニホールド圧力 KPa ~ 2KPa 約.8V ~ 約 4.V 24 タービン可変度 ( アクチュエータ負圧 ) KPa ~ -1KPa 約.8V ~ 約 4.V 25 DPF 差圧 KPa ~ 2KPa 約.8V ~ 約 4.V 26 エンジン回転数 rpm ~ 5rpm Hz ~ 3Hz

6 3.1.4 供試燃料平成 19 年度試験では供試燃料として市販の JIS2 号軽油を用いた供試燃料の主要燃料性状を表に示す表供試燃料の主要燃料性状試験項目ベース軽油試験法密度 (15 ) Density g/cm3 JIS K 硫黄分 Sulfur mass ppm JIS K セタン指数 Cetane index JIS K 蒸留 IBP % % % % % % JIS K % 3. 7% % % % % 37. FBP 37.5 Saturate (vol %) 8.4 Olefin (vol %) ND Total-Aroma (vol %) JPI-5S R-Aroma (vol %) R-Aroma (vol %) 1.8 3R+Aroma (vol %).2 水分 (mass %) JIS K 灰分 (mass %) JIS K 計算総発熱量 (J/g) 4588 計算真発熱量 (J/g) JIS K 実測総発熱量 (J/g) 462 脂肪酸メチルエステル (mass%) 平成 19 年度.1 以下トリグリセリド (mass%) 経産省告示法第 78 号.1 以下

7 3.1.5 燃費測定精度 ( 繰返し再現性 ) 試験結果 1-15 モード燃費測定における再現性を評価する目的で 43 回の繰返し測定を行った運転パターンの再現性確保の観点で今回は全て自動運転ロボットによって運転した燃費のトレンドグラフを図にその頻度分布を図にそれぞれ示す Fuel economy [km/l] Driving mode: J1-15 mode Vechile: Vehicle-A Fuel: JIS No.2 standard fuel Measurment times 図モード 43 回の燃費測定データ ( トレンドグラフ ) Histogram Frequency Bin 図モード 43 回の燃費測定データ ( ヒストグラム ) 43 回の繰返し燃費測定において第 36 回目と第 43 回目の試験が非常に低い燃費値を示した 3.1.6で後述するように ECU モニタを用いた計測解析の結果これら 2 回の試験においては排出ガス後処理装置 (Diesel Particulate Filter: DPF) の再生運転が行われていたことがわかった全 43 回 DPF 再生運転運転が行われなかった通常運転時 41 回 DPF 再生運転時 2 回のそれぞれについて燃費測定結果 ( 平均燃費標準偏差繰返し測定精度 ) を整理した結果を表に示す表燃費測定結果全平均通常運転時 DPF 再生時平均燃費 Ave [km/l] 標準偏差 σ [km/l] 繰返精度 2*σ/Ave. [%]

8 DPF 再生運転が行われなかったいわゆる通常運転時においては 41 回の繰返し精度は.78% と良好であるが DPF 再生運転を含む全ての運転を対象とすると 43 回の繰返し精度は 16.29% と大幅に低下した本研究開発の目標値である繰返し測定精度 1.% 以下を実現するためには DPF 再生運転などの特殊運転モードの影響を包括的に考慮して車両燃費を定義計測することが必要であることが示されたなお今回の 43 回の繰返し測定において DPF 再生運転が行われた試験は 2 回のみでありかつそれらが比較的後半部分に集中しているように見られるが実際の DPF 再生運転は 43 回に 2 回の頻度ではなくより高頻度にかつコンスタントに行われていたすなわちこの車両の DPF 再生間隔は約 15km 毎であり一日の試験走行距離も約 15km であったため毎朝の車両暖機運転中に DPF 再生が実施される状況が繰り返されていた言い換えると燃費計測時には DPF 再生運転が入らない状況であった試験の最後の期間において DPF 再生時の燃費も評価するべく試験パターン ( 一日あたりの走行距離 ) を変更し DPF 再生運転時の燃費データを計測したものである燃費に及ぼすエンジンシステム制御状態の影響把握近年ではほとんどのディーゼル車両に Particulate Matter (PM) 低減のための DPF が装着されている DPF としては連続再生式と呼ばれるタイプのものが主流となっているその基本的メカニズムはすすを捕捉しながらその場で連続的に酸化し CO 2 に転換浄化するものであるしかし走行条件等によってはこの連続再生メカニズムが充分に機能せず特殊な再生運転を適宜追加して強制的にすすを除去する必要が生じる通常の運転条件ではディーゼルエンジンの排出ガス温度はそれほど高くないため DPF に蓄積されたすすを強制的に燃焼させるために燃料噴射量の増量ならびに多段噴射等の特殊制御運転を行って排出ガス温度を上昇させることが行われる今回の供試車両における 1-15 モード運転時の排出ガス温度の推移を図に示す通常運転時には約 2 程度の排出ガス温度であるが DPF 再生運転時には最高 6 程度まで昇温されていることがわかる排出ガス温度の昇温のために車両が行う仕事量以上に燃料が消費されるため DPF 再生運転中は燃費が悪化する今回の供試車両では表に示されたように通常運転時の燃費 9.39km/L に対して DPF 再生時の燃費は 5.88km/L と約 38% の燃費悪化を示した Ex. gas temp of Regen. mode Ex. gas temp of Norm. mode Vehicle speed km/hr Ex. gas temp. [deg C] Time [sec] Vehicle speed [km/hr] 図 DPF 再生運転時の排出ガス温度推移

9 図に示されるように排出ガス温度をモニタすることによって比較的簡便に DPF 再生運転の有無を把握することが可能であるしかしながら DPF 再生が燃費悪化に及ぼす影響は上述のように非常に大きいため DPF 再生運転の開始及び終了のタイミングを正確に把握する必要があるこの観点では ECU 制御モニタの燃料噴射回数の計数機能が非常に効果的であった図および図に 2 回の DPF 再生運転時の燃料噴射回数の推移を示す図では最初の 15 モード運転の最後の区間から燃料噴射回数がそれまでの 1~2 回から 3~4 回へと増加し DPF 再生運転の第 1 段階が始まっているその後の 1 モード運転 (1 回目 ) の最後の区間から燃料噴射回数が 4~5 回へと更に増加し第 2 段階の DPF 再生運転制御が行われていることがわかる図では DPF 再生開始のタイミングが図よりも数十秒早く開始されておりより多量の燃料を消費する第 2 段階の DPF 再生運転期間がより長くなっている図の燃費が 5.83km/L であり図の 5.91km/L よりも若干悪い理由として前者の方が燃費計測中における再生運転の比重が相対的に高かったことが考えられる Fuel injection times 1 5 Inj. times (Regen. mode) Inj. times (Norm. mode) Vehicle speed km/hr Early stage of regeneration mode Later stage of regeneration mode Time [sec] Vehicle speed [km/hr] 図 DPF 再生運転時の燃料噴射回数推移 ( その 1: 燃費 5.91km/L) Fuel injection times 1 5 Inj. times (Regen. mode) Inj. times (Norm. mode) Vehicle speed km/hr Early stage of regeneration mode Later stage of regeneration mode Time [sec] Vehicle speed [km/hr] 図 DPF 再生運転時の燃料噴射回数推移 ( その2: 燃費 5.83km/L) なお DPF の再生中には蓄積されたカーボンが CO 2 として排出されるためカーボンバランス法では見かけ上燃費が悪化して観測される懸念があるそのため次年度の詳細評価においてカーボンバランス法と体積流量測定法とを比較し DPF 再生時のすす燃焼に伴うカーボン排出の影響度を定量的に検証する予定である

10 3.2. 最新ディーゼルエンジン車両技術およびその性能評価技術に関する調査燃料性状が燃費に及ぼす影響を正確に評価するためには高精度燃費評価技術の確立が必要であると考えられるため研究目標として繰返し再現精度 1.% 以内の測定手法開発を設定している当該目標の達成には燃費計測にかかわる技術開発ノウハウの蓄積が必要であるが効率的に研究を進める観点では内外の研究機関の知見ノウハウを積極的に吸収採用することが重要である今回米国の代表的自動車評価機関を訪問しまた米国自動車技術会主催の国際会議 27 Powertrain and Fluid Systems Conference に参加しパワートレインの燃費向上技術の動向ならびに自動車燃料評価技術の動向について調査した燃費排出ガス等にかかわる自動車評価技術に関する意見交換を Southwest Research Institute (SwRI), Ricardo, FEV の三研究機関とそれぞれ行い省燃費低排出ガスの最新車両の高精度燃費評価技術に関して以下のコメント知見を得た車両の燃費計測は各種センサー等からの信号を受けて変動する場合が多くそのため一般に車両ベースでの燃費計測はエンジン単体での燃費計測よりも測定精度 ( 繰返し再現性 ) が劣るこれに対しガソリンエンジン搭載車両の高精度燃費評価技術として本研究に先立つ大井 51 研究室で開発した手法はエンジン単体での燃費計測に匹敵あるいはそれを上回る測定精度であり注目に値する技術であるとのコメントを得た一般にディーゼルエンジンはガソリンエンジンよりも制御因子が多いため高精度の燃費計測技術を確立することが難しいことが予想されるが大井 51 研究室においてガソリンエンジン車両向けに開発された高精度燃費評価技術をディーゼルエンジンに適用するアプローチは有効と考えられる 4. まとめディーゼル車両の燃費熱効率に及ぼす各種変動因子の定量的影響検討を平成 2 年度から開始するに先立ち平成 19 年度は予備的検討として最新技術搭載ディーゼル車両を用いて燃費計測を行う中でエンジン制御機構を理解把握する取り組みを行ったまず 1-15 モード燃費の繰返し再現性を評価した供試燃料には市販の JIS2 号軽油を用いた運転パターンの再現性を確保する観点で車両の運転はドライバーではなく自動運転ロボットで行った 43 回の繰り返し燃費測定を行った結果再現性の指標としている 2σ/Average は 16.29% と目標値 (1% 以下 ) に対して大幅に再現性が劣っていることが判明した排出ガス後処理装置として搭載されている Diesel Particulate Filter (DPF) の強制再生運転が行われたサイクルでの大幅な燃費悪化が繰返し再現性低下の要因であることがディーゼル ECU モニタを用いた解析により明らかとなった今回の試験では仮に DPF の強制再生運転が発生しなかった場合を仮定すると計算上は繰返し再現性指標 2σ/Average は.78% となり通常運転における繰返し再現性は良好であることがわかった今後の課題としては後処理装置再生運転等の特殊運転モードを含めた総合燃費特性に関して高精度評価手法を検討することが挙げられるまた DPF の再生中には蓄積されたカーボンが CO 2 として排出されるためカーボンバランス法では見かけ上燃費が悪化して観測される可能性があり定量的な検証が必要である

新世代環境改善ディーゼル燃料技術に関する研究開発

新世代環境改善ディーゼル燃料技術に関する研究開発 1 排気量 2.2L 圧縮比 18. 最高出力 98kW/4rpm 最大トルク 314Nm/2rpm 燃料噴射方式コモンレール高圧噴射給気方式ターボインタークーラ酸化触媒有 EGR 有排出ガスレベル EuroⅢ 規制適合 2 項目燃料 A 排出ガス試験密度 @15,g/cm 3.8312 動粘度 @3,mm 2 /s 3.922 硫黄分 ppm