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、再度吸気させる技術(手法あるいは方法)である。主として排気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いる。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する。熱解離による損失の低減にも若干ながら寄与する。
  • ガソリン機関では部分負荷時にEGRを導入すると、EGRを導入しない場合に比べて吸気管負圧を小さく出来るため、スロットル損失の減少により燃料消費率が向上する。あたかもより小排気量のエンジンを高負荷で使用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、車両環境や走行条件に応じて常に最適量に制御される。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(リッチ)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、スロットル損失の低減効果は無いので、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。また、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]

ルノー・R9M型エンジンの外部LPL-EGRシステム。下部から順に、EGRクーラ、EGRバルブ、吸気ダクト(コンプレッサ前)
フォルクスワーゲン・2.0TDIエンジンの外部LPL-EGRシステム。下部がEGRバルブ・クーラ。上部が吸気ダクト(コンプレッサ前)

実用化されているEGR手法には、大きく分けて内部EGR、外部EGRの2つに分類される。前者は、バルブオーバーラップなどを利用し、排気ポートから排気ガスを直接引き戻す手法である。後者は、吸気マニフォルドおよび排気マニフォルドをパイプ等で接続し、中間に設けた制御バルブの開度や開弁時間を変化させて流量調整を行う。理論上、EGR量を変えて行けばガソリン機関のスロットル廃止も可能であるが、EGR導入時は燃焼が緩慢となり、アイドリング等の無負荷時や冷間始動時は失火を起こす等の理由により実用化されていない。EGRと希薄燃焼技術は大いに関連性を持ち、さらには筒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。

内部EGR[編集]

内部EGRは、バルブオーバーラップにより排気ポートから引き戻された排気ガスを直接利用する。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に比べ炭化水素(HC)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気ガスには、消炎領域で発生する未燃焼ガス(HC)が多く含まれる為で、それを再燃焼させることでHCが低減される。可変バルブ機構によってバルブタイミングを変更することでオーバーラップを積極的に増やし、内部EGRを促進できる為、可変バルブ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ブ機構を採用した場合は、より積極的な導入が可能となる。外部EGRに比べ、ガス量の制御性や導入量では劣る。

外部EGR[編集]

高温のEGR導入による吸気充填効率の低下が無視出来ないため、今日の外部EGRを採用する殆どの機関は熱交換器によるEGR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を冷却材として用い、熱交換器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%程度増加する。これは冷却ファンの大型化その他による重量増を招く[2]

ガソリン機関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、日本車ではトヨタ・プリウス(ZVW30)2ZR-FXE型レクサス・RX(GYL1#)2GR-FXE型マツダ・デミオ(DE)P3-VPS型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機種に採用されるようになった。また、外部EGR装置を備えた一般的なガソリン機関においても、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場合も多い。クールドEGRはノッキング対策にも有効であり、従来は点火時期を遅角(熱効率悪化)させることでノッキングを回避していた領域においても点火時期を維持する事ができ、省燃費性の向上には欠かせない技術となっている。

また、ターボチャージャー等の過給機を備えた機関で高負荷時にEGR導入を行おうとすると、吸気管圧力の方が排気管のそれより高くなり、単純なバルブの開閉だけでは導入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ガスを再吸入する等の対策が採られている[2]。更に近年では、低圧EGR(LPL-EGR、Low Pressure Loop-EGR)という対策も存在する。これは、従来のEGR(高圧EGR)は排気タービン手前から吸気コンプレッサ後に排気ガスを還す形であるが、低圧EGRでは排気タービン後から吸気コンプレッサ手前に還すものであり、過給圧の影響を受けずにEGRの導入を可能とするものである。EGRクーラでの冷却によって生ずる凝縮水がコンプレッサを損傷させる等、主に信頼性の面での課題が存在したが、近年になって実用化された。ガソリン機関における低圧EGRの初採用例は、2014年7月にマイナーチェンジを行った日産・ジュークMR16DDT型である。

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]