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要旨集●Vol.37 No.3（2002年9月発行）
特集：Challenges in Realizing Clean High-Performance
Diesel Engines
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Review
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P.1
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Recently, the performance and exhaust
emissions of high-speed direct injection (HSDI) diesel
engines for passenger cars have been rapidly improved.
In these engines, the power and torque densities have
reached 50-60 kW/l and 160-170 Nm/l, respectively. In
addition, the noise, vibration and harshness (NVH) and
exhaust emissions have been decreasing toward a level
that is comparable to that of gasoline engines. Furthermore,
the maximum brake thermal efficiency has reached 42-43%
and both city and highway fuel economy is excellent.
Therefore, the percentage of diesel passenger cars in
Europe has been increasing remarkably and is forecasted
to reach 48% in 2007.
The developments of common-rail (CR) injection systems,
high-efficiency aftertreatment devices such as the diesel
particulate filter (DPF) and catalysts, and advanced
electronic control systems are listed as major technical
backgrounds of the progress in HSDI diesel engines.
In the present review, recent trends in research and
development of the above-listed component technologies,
primarily regarding combustion and aftertreatment systems,
are outlined. Finally, critical technical areas that
must be addressed in order to realize an ultra-clean
and high-performance diesel engine are presented.
近年，乗用車用HSDI ( 高速・直噴 ) ディーゼルエンジンは長足の進歩を遂げており，性能面では比出力が50-60kW/l，比トルクは160-170Nm/lに及びスポーツ走行にも対応しうるうえ，振動・騒音や排気もガソリン車と同等レベルに近づきつつある。さらにディーゼルエンジンは，乗用車用の小型においても最高熱効率が42-43%と現有原動機中最高の効率を有し，市街地から高速走行までの全域で燃費が良い。このため，欧州でのディーゼル乗用車のシェアは増加し続けており，2007年には48%に達するとする予測がある。この技術的背景としては，コモンレール噴射システムの出現とこれを活用する燃焼法の開発，DPF
( ディーゼルパティキュレートフィルタ）や各種触媒の開発，ならびに制御技術の進展などがある。本稿では，燃料噴射・燃焼系および排気後処理系を中心に，上記の鍵となった各要素技術における近年の研究・開発動向と現時点での課題を概観する。そのうえで，超低排気で高性能なディーゼルエンジンを実現するうえで重要になる技術項目と，その実現の可能性を展望する。
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Research
Report
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P.9
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The effects of multiple injection on exhaust emissions
and performance in a small HSDI (High Speed Direct
Injection) Diesel engine are investigated. It is possible
to increase the maximum torque, which is limited by
the exhaust smoke number, while decreasing the combustion
noise under low speed, full load conditions by advancing
the timing of the pilot injection. Dividing this early-timed
pilot injection into a series of smaller injections
serves to further decrease the noise while suppressing
the increase of HC emission and fuel consumption.
These effects result from the enhanced heat release
rate of the pilot injection fuel, which is due to
the reduced amount of adhered fuel on the cylinder
wall. At light loads, the amount of pilot injection
fuel must be reduced, and the injection must be timed
just prior to the main injection in order to suppress
a possible increase in smoke and HC. After-injection,
a small amount of fuel injected immediately after
the end of the main injection, reduces smoke, HC and
fuel consumption.
小型HSDIディーゼル機関におけるマルチ噴射の効果とそのメカニズムを排気性能試験と筒内観察により示した。低速・全負荷では，パイロット噴射時期を早めることで，スモーク制限下での最大トルク増加と燃焼騒音の低減が可能である。この早期パイロット噴射を少量複数回に分割することで，HCと燃費の悪化を最小限に抑制しつつ燃焼騒音をさらに低減することが可能である。これは，壁面に付着して失われる燃料が減少して，パイロット噴射された燃料の燃焼率が高まるためである。一方，軽負荷においてはスモークとHCの増加を最小限に抑制するため，パイロット噴射はごく少量としてメイン噴射の直前に行う必要がある。また，メイン噴射の直後に少量の燃料を噴射するアフター噴射では，スモーク・HC・燃費の低減が可能である。
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P.17
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The cause of exhaust smoke from a small DI Diesel
engine having small-orifice-diameter nozzles and a
common-rail F.I.E. under the high-speed and high-load
condition was investigated. In addition, methods by
which to reduce this exhaust smoke were explored.
Exhaust emission tests, in-cylinder observations and
three-dimensional numerical analyses were performed.
The following points were clarified during this study.
Under the abovementioned conditions, fuel sprays
are easily conveyed to the squish area by a strong
reverse squish. Therefore, the air in the piston cavity
is not used effectively. Suppressing the airflow in
the piston cavity by using a shallow-dish type combustion
chamber decreases the excessive outflow of the fuel-air
mixture into the squish area and allows full use of
the air in the piston cavity. Hence, the exhaust smoke
is reduced. This results in increased specific power,
which is limited by the amount of exhaust smoke.
小型高速コモンレールディーゼル機関に小噴孔径ノズルを用いた際の，高速高負荷におけるスモーク増加要因を解析し，その低減策を探索した。排気試験，筒内観察，3次元数値シミュレーション手法を用い，以下の結論を得た。上記の運転条件では，燃料噴霧は激しい逆スキッシュ流によりスキッシュエリアに運ばれる。このため，ピストンキャビティ内の空気が十分に利用されない。浅皿型燃焼室によりピストンキャビティ内の気流を抑制することで燃料蒸気がスキッシュエリアに過剰に吹きこぼれなくなり，ピストンキャビティ内の空気が十分に利用されるようになる。これによりスモークが低減され，スモーク排出量によって制限される出力が向上する。
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P.25
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The emission control of NOx in exhaust gases is
one of the greatest engineering challenges to extend
the practical and commercial application of diesel
and lean burn engines. One solution is selective NOx
reduction using hydrocarbons in an oxidizing atmosphere.
We mainly focused on catalytic reactions under temperature
excursion because of the resemblance to conditions
prevailing in real automotive exhaust. Adsorbed hydrocarbon
on zeolite was found to be highly effective in reducing
NOx at elevating temperature. Thus, we proposed a
novel catalyst formulation involving zeolite and CeO2-ZrO2.
Our catalyst concept consists of supported Pt on thermally
stable oxides (such as SiO2), zeolite and
CeO2-ZrO2. Hydrocarbons adsorb
on zeolite at low temperatures and migrate to the
Pt surface at elevating temperature to reduce NOx.
The active oxygen generated from CeO2-ZrO2
suppresses the poisoning effect of hydrocarbons at
low temperature, promoting NOx reduction.
ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンの利用範囲を広げていくためには，エンジン排気中のNOxを削減することが重要な課題の一つである。酸化雰囲気における炭化水素による選択的NOx還元反応はこの課題に対応する技術の一つである。我々はこの反応において、主に温度が時間とともに変化する過渡的な状態での触媒反応特性に注目して研究を行った。このような温度の過渡状態は現実の自動車排気において特に重要である。その結果，ゼオライトに吸着した炭化水素が昇温中において効率よくNOxを還元できることを見出した｡この事実に基づいて，ゼオライトとCeO 2-ZrO 2添加による活性向上という新しいコンセプトの触媒構成を提案した｡この触媒はシリカなどの耐熱性酸化物担体に担持された白金触媒，助触媒としてのゼオライトおよびCeO 2-ZrO 2から構成されている。ゼオライトに吸着した炭化水素は昇温過程において白金上へ移動しNOxを効率よく還元する。またCeO 2-ZrO 2から生成した活性酸素が吸着炭化水素による低温での吸着被毒を緩和する。
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P.32
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A one-dimensional model was used to describe the
transient heat and mass transfer as well as the hydrocarbon
(HC) adsorption-desorption and the heterogeneous reactions
of NOx and HC in diesel engine exhaust. The behavior
of HC and NOx reactions and the HC adsorption-desorption
in diesel exhaust have been simulated successfully
under 10-15 driving cycles. A model for DeNOx catalytic
reaction which takes into consideration HC adsorption
and desorption and is capable of predicting the performance
of DeNOx catalyst using diesel fuel as a supplemental
reductant has been successfully developed.
ディーゼルエンジン用触媒における炭化水素とNOxの反応，炭化水素の吸脱着，物質移動および熱移動をモデル化し，10-15モード下での選択還元型NOx触媒における反応および吸脱着挙動を再現できるモデルを構築した。
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P.40
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A new method that optimizes the control map of hydrocarbon
addition to the diesel exhaust gas for hydrocarbon
selective catalyst reduction has been developed. This
method is comprised of a numerical HC-DeNOx catalyst
model and a new optimization technique using Evolutionary
Programming based on the evolution of living organisms.
The numerical HC-DeNOx catalyst model was also used
to describe HC adsorption-desorption.1)
As a result of this evaluation, the number of calculations
to obtain the optimal control map with this method
was less by one third than that of all maps surveys.
By using the obtained optimal control map, the NOx
conversion under the Japanese 10-15 mode of the inlet-side
heavily Platinum-loaded catalyst was higher by 13%
than that of the uniformly Platinum-loaded catalyst
in spite of the same amount of the loaded platinum.
This was because the heavily platinum-loaded catalyst
could start the NOx reduction at a lower temperature,
enabling the optimal control map to keep the catalyst
temperature within the temperature window of the catalyst
for a longer time.
選択還元型NOx触媒 (DeNOx catalyst) を用いる場合必要となる還元剤の添加量，添加タイミングを制御するマップを，効率良く最適化する手法を考案した。この手法には，触媒反応モデルと最適化手法として進化的プログラミングを応用した。触媒反応モデルは炭化水素
(HC) を還元剤とし，触媒へのHC吸着脱離現象を表現できるモデルを採用した 1)。最適化手法として用いた進化的プログラミングは，生物の進化過程を模倣した手法で，他変数問題や数式化不能な問題などの最適解探索に有効な手法である。簡略化した添加制御マップにより本手法を評価したところ，全マップ検索に比べて約1/3の計算回数で最適値を得ることができた。本手法を用い，上流側が高白金
(Pt) 担持な触媒と均一Pt担持触媒 ( いずれもPt量は同じ ) で，10-15モードにおけるNOx浄化率を比較したところ，上流側を高Pt担持にした場合，NOx浄化率を約13%向上できることが分かった。これは，高Pt担持により低温から触媒活性が現れたことと，最適化したHC添加制御により触媒温度を長時間温度ウインド内に保持できたことによるものであった。
1) Watanabe, Y., et al. : "Development of a
Model for the Lean NOx Catalytic Reaction with
Hydrocarbon Adsorption and Desorption", Appl. Catal.
B, Environm., 31-3(2001) 221-228
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P.46
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In order to determine diesel fuel characteristics
that might influence particulate matter (PM) emission,
we have conducted a detailed investigation that combines
combustion/exhaust emission measurements, in-cylinder
observations, fuel analyses and chemical reactor experiments.
A comparison between three representative diesel fuels,
viz., "Base" (Japanese market fuel), "Improved"(lighter
fuel with lower aromatics) and Swedish "Class-1" yielded
the following results: (1) The amount of PM emission
decreases in the order of "Base" >"Class-1" >
"Improved". Unexpectedly enough, "Class-1" produces
more PM than "Improved" despite its significantly
lower distillation temperature, and lower aromatics
and sulfur content. (2) There is little difference
in the combustion characteristics of the three fuels.
(3) Only "Class-1" contains significant quantities
of iso and naphthenic structures. (4) Flow reactor
pyrolysis shows that "Class-1" produces the largest
amount of PM precursors, such as benzene and toluene.
These results suggest that the presence of branched
and ring structures can increase exhaust PM emissions.
This finding was confirmed by flow-reactor and shock
tube experiments using hexanes, which revealed that
iso- and cyclo-paraffins produce more benzene and
soot than n-paraffins do. The results obtained in
this study indicate that the specific molecular structure
of the paraffinic components needs to be considered
as one of the diesel fuel properties closely related
to PM formation.
粒子状物質 ( PM ) 排出に関与する軽油性状因子を明らかにすることを目的に，エンジン排気･燃焼解析，筒内観察，軽油の精密分析および基礎反応実験による検討を行った。代表的3燃料−Base
( 市販軽油 )，Improved ( 若干の低沸点・低アロマ化 )，Class-1 ( 大幅な低沸点・低アロマ・低硫黄化
) −について比較検討した結果，一部で予想に反する興味深い事実を得た。(1)単筒ディーゼルからのPM排出量はBase
> Class-1 > Improvedとなり，大幅な低沸点・低アロマ化を図ったClass-1の方がImprovedよりむしろPM排出量が多い。(2)
燃料間で筒内燃焼特性にはほとんど差は無い。(3) Class-1のみが多量のイソおよびナフテン構造を含む。
(4) 流動反応管による3軽油の熱分解の結果，Class-1が最も多くPM生成の前駆物質を生成する。これらの結果から，軽油中のイソおよびナフテン構造の増加がPMの増加を引き起こしたと推察した。また，ヘキサンを用いた基礎反応実験からも，イソおよびシクロ体がノルマル体に比べ，ベンゼンおよびすすを多く生成することが確かめられた。以上の事実から，PM低減のためには軽油中のパラフィン分子構造にも注意を払う必要があることを示した。
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