排気再循環

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排気再循環(はいきさいじゅんかん、英語:Exhaust Gas Recirculation)とは、自動車用の小型内燃機関において燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、吸気側へ導き再度吸気させる技術(手法あるいは方法)であり、主として排出ガス中の窒素酸化物 (NOx) 低減や部分負荷時の燃費向上を目的として行われる。英語表記の頭文字をとってEGRと通称される。

概要[編集]

内燃機関において、燃焼後の排気ガス中には酸素は含まれていないか、もしくは希薄な状態にある。この排気を吸気と混ぜると吸気中の酸素濃度が低下する。このことにより、

  • 大気より酸素濃度が低い状態での燃焼により、その(ピーク)燃焼温度が低下する。これによりNOxの発生が抑制される。
  • 燃焼温度の低下は、シリンダおよび燃焼室壁面やピストン表面からの熱エネルギー放散を低減し、また、熱解離による損失の低減にも若干ながら寄与する。
  • ガソリンエンジンでは、部分負荷においてシリンダ内に非EGR時と同一の酸素量を供給する(同一軸出力を得る)ために必要なスロットル開度が大きくなり、その結果、吸気時のスロットル損失が少なくなることで燃料消費率が向上する。つまり、ピストン1ストローク当たりの吸入酸素量が減少することで、あたかも小排気量のエンジンのアクセルを踏み込んで走行するのと同等の効果が得られる。

EGRによる還流量は、ガソリン機関の場合 吸気量の最大15%程度であり、アイドリング時及び高負荷時にはストップさせる。車両重量に比してエンジン出力の小さい大型ディーゼル車両では、比較的高負荷においても排出ガス基準をクリアしなければならないため、EGRの適用範囲が広い。

歴史[編集]

EGR技術は、三元触媒が実用化される以前の1970年代に、ガソリン機関において酸化触媒では浄化できないNOxの低減対策として導入された。しかし、還流量や燃料噴射量を精密に制御できない場合には燃焼を安定させるために吸気混合比を高く(ガソリン過剰)設定せざるを得ず、むしろ燃費が悪化する結果を生んだ。その後、制御技術が向上し、また三元触媒が実用化された現在では、排出NOx対策よりも燃費向上目的で用いられている。

原理上スロットルバルブを持たないディーゼル機関においては、スロットル損失に関する効果はないので、1990年代前半より主としてNOx低減目的でのEGRが行われているが、排気中に存在する多量の二酸化炭素(CO2)および水蒸気は大気に比べ比熱容量が高いので、若干の燃料消費率向上にも役立っている。

技術[編集]

実際の排気ガス還流方法には吸気及び排気の両マニフォルドを、中間に制御バルブを挿入したパイプ等で接続し、制御バルブの開度や開弁時間を変化させて流量増減を行う方法とオーバーラップなどを利用し排気ポート側から直接燃焼室へ再導入する方法がある。前者を外部EGR、後者を内部EGRという。

高温の排気還流による吸気充填効率の低下も無視できないので、大型ディーゼル機関のほとんどは熱交換器による冷却機構を持つ(クールドEGR、クールEGR)[1]。多くはエンジン冷却水の一部を分流し、冷却機構で吸収した熱はラジエーターにより排熱するが、これによりラジエーターに必要な放熱量は最大で30%程度増加し、冷却ファンの大型化その他による重量増を招く[2]

また、ターボチャージャー等の過給機を備えた大型ディーゼル機関で高負荷時にEGRを行おうとすると、吸気ポート圧力の方が排気のそれより高くなり、単純なバルブの開閉だけでは還流ができない事態を生ずる。このため、EGR制御バルブに逆止弁機能を設ける[1]、ターボチャージャーの可変ノズルを制御して背圧を高める、吸気行程中に排気バルブを僅かに開放し排気ポート内の他シリンダからの燃焼済みガスを再吸入する等の対策が採られている[2]

内部EGRはオーバーラップ時に排気ポートから戻された排気ガスを利用するものとなる。外部装置ではなく動弁系で対応できるためスペースを抑えられ、構造もシンプルにできるメリットがある。外部EGRに比べHC(炭化水素)低減への効果が大きいとされる。これは内部EGRで再導入される排気工程末期の排ガスには消炎領域で発生する未燃焼ガス(HC)が多く含まれるためで、それを再燃焼する事でHCが低減される。可変バルブタイミング機構ではバルブタイミングを変更することでオーバーラップを増やせ積極的に内部EGRを行える為、可変バルブタイミング機構を採用する理由の一つともなっている。特に吸気側に加え排気側にも可変バルタイを採用した場合はより積極的に内部EGRを導入することが可能となる。一定レベルであれば内部EGRを外部EGRの代替とする事も可能で、外部EGRを省き内部EGRのみを行なっている車両もある。一方で外部EGRに比べ制御面や導入量では劣る為、一定レベル以上のEGR導入を行う場合は可変バルブタイミング機構を採用していても外部EGRを備える事も多い。また内部EGRではガスの温度を下げることは出来ないが外部EGRではクーラーを通すことで温度を下げられるため特にNOxの多いディーゼルエンジンでは非常に大きなメリットとなる。ガソリン車では本格的なクールドEGRを採用することはあまり多くはなかったが国産車ではトヨタのハイブリッド車(ZVW30プリウスレクサス・RXなど)やマツダ デミオ(SKYACTIV-G 1.3)など燃費を重視した車両から採用されはじめ、その後は軽自動車を含め多くの車両に採用されるようになったためガソリン車においてもクールドEGRは珍しいものではなくなりつつある。また外部EGR装置を備えた一般的なガソリン車においてもEGR装置に簡易的な熱交換部位を設けたり、流入経路を工夫する事などクールドEGRとは言えないまでも何らかの形でガス温度の低下を図っているケースも多い。

理論上は、EGR量を変えていけばガソリン機関のスロットルバルブも廃止可能であるが、大量のEGRは点火が困難になるなど燃焼を不安定にしやすく、安定したアイドリングの制御が難しい等の理由により実用化はされていない。

EGRおよび希薄燃焼技術は大いに関連性を持ち、さらには筒(シリンダ)内直接噴射技術も希薄な混合気下でいかに安定した燃焼を得るかを課題としたものである。

関連項目[編集]

参考文献[編集]

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  1. ^ a b 吸気系の制御を行うエアマネジメント技術”. いすゞ自動車. 2007年7月25日閲覧。
  2. ^ a b 日野自動車プレスリリース NO.03-028 2003年9月18日”. 日野自動車. 2007年1月16日閲覧。

外部リンク[編集]