排気ガス再循環

内燃機関において、排気ガス再循環（EGR）は、ガソリン、ディーゼルエンジン、一部の水素エンジンで使用される窒素酸化物（ NO _x）排出削減技術です。^{[1] EGRは、エンジンの}排気ガスの一部をエンジンシリンダーに再循環させることで機能します。排気ガスは大気中の空気を排除し、燃焼室内のO _{2 を}減らします。酸素の量が減ると、シリンダー内で燃焼できる燃料の量が減り、シリンダー内のピーク温度が下がります。再循環される排気ガスの実際の量は、エンジンの動作パラメータによって異なります。

燃焼シリンダー内では、大気中の窒素と酸素の高温混合物によってNOx_が生成され、これは通常シリンダーのピーク圧力で発生します。火花点火エンジンでは、外部EGRバルブを介して排気ガスを再循環させることの副次的な利点は、充填希釈によりスロットル位置を大きくでき、関連するポンピング損失が減少するため、効率が向上することです。マツダのターボチャージャー付きSkyActivガソリン直噴エンジンは、再循環および冷却された排気ガスを使用して燃焼室の温度を下げ、エンジンをより高いブーストレベルで稼働させ、空気燃料混合物を濃縮してエンジンノッキングを防止する必要があります。^[2]

ガソリンエンジンでは、この不活性排気ガスがシリンダー内の可燃性充填物の一部を置き換え、空燃比に影響を与えずに燃焼に利用できる充填量を効果的に減らします。ディーゼルエンジンでは、排気ガスが燃焼前混合物の過剰酸素の一部を置き換えます。 ^[3] NO _{x は}主に窒素と酸素の混合物が高温にさらされたときに形成されるため、EGR によって燃焼室の温度が低下すると、燃焼プロセスで生成されるNO _xの量が減ります。EGR システムから再導入されるガスには、ほぼ平衡濃度のNO _xと COも含まれています。燃焼室内に最初に含まれる少量のガスは、時間平均でサンプリングした場合、これらの汚染物質やその他の汚染物質の総純生成量を抑制します。さまざまな燃料の化学的特性によって、EGR の使用量が制限されます。たとえば、メタノールはガソリンよりも EGR に対して耐性があります。^[4]

最初のEGRシステムは粗雑で、排気管と吸気管の間にオリフィスジェットを設置し、エンジンが作動しているときはいつでも排気を吸気管に取り込むという単純なものもあった。始動困難、アイドリング不調、性能低下、燃費低下が必然的に生じた。^{[5] 1973年までに、}マニホールドの真空によって制御されるEGRバルブが開閉し、特定の条件下でのみ排気を吸気管に取り込むようになった。自動車メーカーが経験を積むにつれて、制御システムはより高度化した。フォルクスワーゲンが1973年に発表した「冷却液制御排気ガス再循環」システムは、この進化を象徴するものである。冷却液温度センサーが、エンジンが通常の動作温度に達するまで_EGRバルブへの真空を遮断した。^[5]これにより、不要な排気ガスの導入による運転性の問題が防止された。NOxは高温条件下では形成され、冷えたエンジンでは通常発生しない。さらに、EGR バルブは、キャブレターのベンチュリーから引き出された真空によって部分的に制御され、 NO _xが形成されそうなエンジン負荷条件のみに EGR フローをより正確に制限できるようになりました。 ^[6]その後、背圧トランスデューサーが EGR バルブ制御に追加され、エンジン負荷条件に合わせて EGR フローをさらに調整できるようになりました。現在、ほとんどの最新エンジンは、NO _x排出基準を満たすために排気ガス再循環を必要としています。しかし、最近の技術革新により、それらを必要としないエンジンが開発されました。3.6クライスラー ペンタスター エンジンは、 EGR を必要としないエンジンの一例です。^[7]

排気ガスには、空気よりも熱容量比が低い水蒸気と二酸化炭素が含まれています。そのため、排気ガスを追加すると、シリンダー内の等エントロピー圧縮中に圧力と温度が低下し、断熱炎の温度が低下します。

一般的な自動車用火花点火式(SI) エンジンでは、排気ガスの 5% ～ 15% が EGR として吸気口に戻されます。最大量は、燃焼中に混合気が連続した炎面を維持する必要性によって制限されます。不適切な設定で過剰な EGR を行うと、失火や部分燃焼が発生する可能性があります。EGR によって燃焼がかなり遅くなりますが、これは点火時期を早めることでほぼ補うことができます。EGR がエンジン効率に与える影響は、特定のエンジン設計に大きく依存し、効率とNO _x排出量の間で妥協が生じることがあります。特定の状況では、適切に動作する EGR によって、理論的にはいくつかのメカニズムを通じてガソリン エンジンの効率を高めることができます。

• スロットル損失の低減。不活性排気ガスを吸気システムに追加すると、一定の出力を得るためにスロットルプレートをさらに開く必要があり、その結果、吸気マニホールド圧力が上昇し、スロットル損失が低減します。^[8]
• 熱放出の低減。ピーク燃焼温度の低下は、NOx生成を減らすだけでなく、燃焼室表面への熱エネルギーの損失も減らし、膨張行程中に機械的作業に変換できる熱エネルギーを増やします_。
• 化学分解の減少。ピーク温度が低いため、放出されたエネルギーの多くは、燃焼生成物の分解（膨張行程の初期）に拘束されるのではなく、上死点（TDC）付近で顕在エネルギーとして残ります。この効果は、最初の 2 つに比べると小さいものです。

EGR は通常、高負荷時には使用されません。ピーク出力が低下するためです。これは、吸入充填密度が低下するためです。また、EGR はアイドリング (低速、無負荷) 時には燃焼が不安定になり、アイドリングが不安定になるため省略されます。

EGR システムは排気ガスの一部を再循環させるため、時間が経つとバルブがカーボン堆積物で詰まり、正常に動作しなくなる可能性があります。詰まった EGR バルブは洗浄できる場合もありますが、バルブに欠陥がある場合は交換が必要です。

ディーゼル エンジンは圧縮熱を利用して燃料を点火するため、火花点火エンジンとは根本的に異なります。ディーゼル燃料の燃焼の物理的プロセスでは、最も完全な燃焼は最高温度で発生します。残念ながら、高温では窒素酸化物 ( NO _x ) の生成が増加します。したがって、EGR の目的は、燃焼温度を下げることで NO _{x の}生成を減らすことです。

現代のディーゼルエンジンでは、EGRガスは通常、熱交換器で冷却され、より多くの再循環ガスを導入することができます。しかし、冷却されていないEGR設計も存在し、これらはしばしばホットガス再循環（HGR）と呼ばれます。冷却されたEGRコンポーネントは、繰り返し急激な温度変化にさらされ、冷却剤の漏れやエンジンの壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。^{[9] [10]}

火花点火エンジンとは異なり、ディーゼル エンジンは連続した火炎面を必要とするという制限がありません。さらに、ディーゼルは常に過剰空気で作動するため、50% という高い EGR 率から恩恵を受けます ( NO _x排出量の削減という点において)。ただし、50% の EGR 率はディーゼル エンジンがアイドル状態のときのみ適しています。これは、このとき空気が過剰になるからです。

現代のディーゼル エンジンにはスロットルが付いていることが多いため、EGR によってスロットルの必要性が減り、火花点火エンジンの場合と同じようにこのタイプの損失がなくなります。自然吸気 (つまりターボチャージャーなし) エンジンでは、スロットルのこのような減少により、エンジン オイルがピストン リングを通過してシリンダーに吸い込まれ、オイル由来のカーボン堆積物が発生するという問題も軽減されます (この利点はターボチャージャーなしのエンジンにのみ適用されます)。

特にディーゼルエンジンでは、EGR システムには重大な欠点があり、その 1 つはエンジン寿命の短縮です。たとえば、EGR システムは排気ガスをフィルターなしで直接シリンダー吸気口に戻すため、この排気ガスには炭素粒子が含まれます。また、これらの微粒子は研磨性があるため、この物質がシリンダー内に戻るとエンジンの摩耗が増加します。これは、これらの炭素粒子がピストンリングを吹き飛ばされ(その過程でピストンとシリンダーの接触面の摩耗を引き起こす)、クランクケース オイルに入り込むためです。炭素粒子はサイズが小さいため一般的なオイル フィルターを通過するため、エンジン全体の摩耗がさらに進みます。これにより、炭素粒子は無期限に (次のオイル交換が行われるまで) 循環します。^[11]

排気ガスは主に窒素、二酸化炭素、水蒸気で構成されており、空気よりも比熱が高いため、ピーク燃焼温度を下げるのに役立ちます。ただし、ディーゼルに EGR を追加すると、パワーストロークでの燃焼ガスの比熱比が低下します。これにより、ピストンによって抽出できる電力の量が減少し、熱力学的効率が低下します。

EGRは、動力行程中の燃料燃焼の完全性を低下させる傾向もある。これは、EGRの増加に対応する粒子状物質の排出量の増加によって明白に明らかである。^{[12] [13]}

動力行程で燃焼されない粒子状物質 (主に炭素で、すすとも呼ばれる) は、エネルギーの無駄になります。粒子状物質 (PM) に関する規制が厳しくなったため、EGR によるすす増加の影響により、PM 排出量の増加を補うために、さらなる排出規制を導入する必要がありました。最も一般的なすす制御装置は、排気システム内のエンジン下流に設置されるディーゼル微粒子フィルター(DPF) です。これはすすを捕らえますが、背圧が発生するため、 燃費が低下します。

ディーゼル微粒子フィルターには、非常に特殊な操作およびメンテナンス要件が伴います。まず、DPF が煤粒子 (EGR の使用により大幅に増加) を捕捉すると、DPF 自体に煤が徐々に蓄積されます。この煤は、能動的または受動的に燃焼させる必要があります。

温度が十分に高い場合、 NO _x排出物の二酸化窒素成分は、通常の動作温度で DPF に捕捉された煤の主な酸化剤です。このプロセスはパッシブ再生と呼ばれ、捕捉された煤を燃焼させる効果は部分的にしかありません。また、特に EGR 率が高い場合、パッシブ再生の効果はさらに低下します。このため、DPF を通過する排気ガス温度を大幅に上昇させ、PM が排気中の残留酸素によって燃焼されるようにするために、ディーゼル燃料を酸化触媒で直接燃焼させることによって、DPF を定期的にアクティブに再生する必要があります。

ディーゼル燃料とエンジン オイルはどちらも不燃性不純物 (金属や鉱物) を含んでいるため、DPF で煤 (PM) を焼却すると灰と呼ばれる残留物が残ります。このため、再生を繰り返すと、最終的には DPF を物理的に取り外して特別な外部プロセスで洗浄するか、交換する必要があります。

前述のように、低酸素排気ガスをディーゼルエンジンの空気取り入れ口に送り込むと燃焼温度が低下し、NO _xの排出量が削減されます。また、新鮮な空気取り入れ口の一部を不活性ガスに置き換えることで、EGR により理想的な空燃比を損なうことなくエンジンの噴射燃料量を減らすことができ、低エンジン負荷状況 (たとえば、車両が惰性走行または巡航しているとき) での燃料消費を削減できます。EGR は高負荷エンジン状況では使用されないため、EGR によって出力が低下することはありません。これにより、部分負荷で車両とドライバーのパワー ニーズを満たすことができる場合、エンジンは必要なときに最大パワーを発揮しながら、大きなシリンダー容量にもかかわらず燃料消費を抑えることができます。

EGR は、ポジティブクランクケース ベンチレーション システム(PCV) システムからのオイル蒸気の再ルーティングとは無関係です。後者はオイル蒸気の排出を減らすためだけにあり、EGR システムの有無にかかわらずエンジンに存在する可能性があります。ただし、エンジンで EGR と PCV の両方を使用することで生じる 3 者混合物 (つまり、排気ガス、外気、オイル蒸気) により、吸気マニホールドとバルブに粘着性のあるタールが蓄積する可能性があります。この混合物は、取り付けられている場合、スワール フラップなどのコンポーネントに問題を引き起こす可能性もあります。(これらの問題は、望ましくない正のフィードバック ループの形を効果的に取り、エンジンが古くなるにつれて悪化します。たとえば、ピストン リングが徐々に摩耗すると、より多くのクランクケース オイルが排気流に入り込みます。同時に、より多くの燃料、すす、燃焼副産物がエンジン オイルにアクセスします。)

排気ガスとクランクケースオイル蒸気の両方を再循環させることで、最終的には煤の発生が増加するが、DPFによって効果的に抑制され、DPFは煤を集め、最終的には再生中に未燃焼の粒子を燃焼させて、NOxガスとは異なり健康に悪影響を与えないCO2と水蒸気の排出物に変換する。^[14]

最新の冷却式EGRシステムは、再循環ガスから回収した廃熱を利用して冷却剤を温め、エンジンブロックを動作温度まで早く到達させることで、エンジンの摩耗を軽減します。また、冷間始動後にエンジンコントローラーがシリンダー壁に燃料蒸気が凝縮する影響と、エンジンブロックがまだ理想的な動作温度を下回っているために燃焼効率が低下するのを防ぐためにシリンダーに多めの燃料を噴射しなければならない時間を短縮することで、燃料消費量も削減します。燃焼温度を下げると、エンジンオイルの酸化も軽減されます。これに影響を及ぼす最も重要な要因は、オイルが高温にさらされることです。^[15]

エンジンメーカーはEGRが燃費に与える影響の詳細を公表することを拒否しているが、冷却EGRの導入につながった2002年のEPA規制はエンジン効率の3%の低下と関連付けられており、年間0.5%の増加傾向に逆行している。^[16]

• ディーゼル排気ガス
• 二次空気噴射

• ヘイウッド、ジョン B.、「内燃機関の基礎」、マグロウヒル、1988 年。
• van Basshuysen, Richard、および Schäfer, Fred、「内燃エンジン ハンドブック」、SAE International、2004 年。
• 『Bosch Automotive Handbook』、第 3 版、Robert Bosch GmbH、1993 年。
• アルジャー、テリー (2010)。「クリーンでクール」(PDF)。テクノロジートゥデイ。31 ( 2)。テキサス州サンアントニオ：サウスウェストリサーチインスティテュート：10～13。ISSN  1528-431X 。2017年4月8日閲覧。
• ルイ・シレゲム。ヴァン・デ・ジンステ、マールテン。シーレンス、ロジャー。フェルヘルスト、セバスチャン。ジェローン・ヴァンコイリー (2011)。 「最新の火花点火エンジンの燃料としてのメタノール: 効率の研究」。流れ、熱、燃焼力学の学科。ベルギー、ゲント：ゲント大学。2019 年3 月 19 日に取得– Research Gate 経由。

ウィキメディア・コモンズには、排気ガス再循環に関連するメディアがあります。

• 比熱比の影響について論じた燃費向上に関する講義ノート、ワシントン大学
• 比熱比の影響を示すために使用できるディーゼルサイクル計算機、ジョージア州立大学HyperPhysics
• クライスラー インペリアルのファンクラブがさまざまなEGR制御メカニズムを解説 2019年11月14日アーカイブ、Wayback Machineで公開
• EGRバルブを塞いだり取り外したりしないでください。お金の節約になります
• EGRバルブの不良の症状は何ですか？