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1日本機械学会エンジンシステム部門A-TS07-44「持続可能な社会のためのエンジン技術研究会」第8回研究会議事録日時：2008年2月2日（土）13:30–16:50場所：名古屋国際センター第1研修室出席者：39名藤川武敏(主査,豊田中央研究所)，花村克悟(講師，東京工業大学)，都竹広幸(講師，ヤマハ発動機)，塚原映(講師，ヤマハ発動機)，青木茂(豊田自動織機)，井原禎貴(岐阜大学)，植田隆広[追：中村圭介](いすゞ中央研究所)，内田登(日野自動車)，太田安彦(元名古屋工業大学)，加藤隆輔(ヤマハ発動機)，久保賢明(日産自動車)，金子誠(富士重工)，鬼頭俊介(豊田工業高等専門学校)，桑原一成(大阪工業大学)，斎藤昭則，小池誠[追：白木睦生，大久保陽一郎，木下雅夫](豊田中央研究所),串田丈夫[追：小掠靖久](ボッシュ)，柴田元(新日本石油)，調尚孝[追：大道重樹，工藤俊治，中島邦彦(ユニバンス)](日本自動車部品総合研究所)，園比呂志(本田技術研究所)，高野孝義(豊田工業大学)，高橋周平(岐阜大学)，田村守淑(東邦ガス)，野田進(豊橋技術科学大学)，長谷川国生(ダイハツ工業)，若井和憲(岐阜大学)，鷲尾修司[代：中井俊作]，山本茂雄(三菱自動車工業)，古谷正広[追：佐々江宏一，加藤裕一](幹事，名古屋工業大学)［代：代理出席者］［追：追加出席者］議事：１.連絡事項(13:30-13:40)藤川主査より，以下の連絡事項があった．(1)次期研究会について改めて報告があり，野田先生からご挨拶があった．名称は継続．主査は野田進先生(豊橋技術科学大学)，幹事は大平哲也様(スズキ)が新任，古谷正広先生(名古屋工業大学)が継続．(2)研究会として2008年年次大会での先端技術フォーラムを開催する旨の報告があった．２．話題提供(1)東京工業大学炭素循環エネルギー研究センター花村克悟教授（13:40-15:10）「次世代のディーゼル後処理に向けて–DPFの可視化-」要約：まず炭素循環エネルギー研究センターの紹介があった．このセンターではCO2排出量低減を目的に・太陽光利用・バイオマス・化石燃料の高効率エネルギー変換・燃料電池・CO2隔離等の研究を実施している．この中で，水素をはじめとした次のパワーソースにつなぐまでの技術として，高効率な内燃機関であるディーゼルエンジンは極めて重要なエネルギー変換機器と言える．しかし問題はPMやNOx等の有害物質の排出量が多いことである．この解決のためにPMを捕集して再燃焼させるDPFが実用化されている．しかしその捕集や再生のメカニズムはほとんど明らかになっていない．今回，可視化装置を用いて実施したDPF内のPM挙動の解析結果を紹介する．DPFの材質は大きく分けて酸化物系のコージェライト．非酸化物系のSiC，焼結金属の3種類があるが，現在一般に使われているのは前2者で，いずれもハニカム構造である．コージェライト製DPFは表面に100～200μm程度の大小不均一なクレーターが存在するが，内部ではこれらが大きさを変えながら蟻の巣状にネットワークを形成している．これに対してSiC製DPFは数十μmオーダーの粒子が焼結されているが，巨視的にはほぼ均質な構造となっている．可視化実験では円柱形状のDPFを二つ割にし，流路壁を研磨で仕上げた後石英ガラスで蓋をした．ここに汎用ディーゼルエンジンの排気ガスを導きPMを堆積させた．次にバーナーの高温ガスをDPFに導き再生させ，これらの状況を種々のカメラで観察した．まず堆積状況を観察すると，排気ガス流入側に開いている流路に微粒子が堆積し，その隣の下流側に開いている流路にはほとんど堆積していないことが分かった．更に詳細に観察すると，通常使われている条件では微粒子はほとんど表面のクレーター部に堆積している．このようにクレーター部を微粒子が覆ってしまうため，DPFの圧力損失は堆積量に比例して比較的急に立ち上がる．その後はクレーター部に堆積した微粒子の周辺に堆積が広がってゆくが，それに対応して圧力損失増加の傾斜が緩やかになっている．一方再生は，一般にDPFの入口側から着火し下流側に伝播して行くと思われていたが，実際には入口からある程度入った場所から着火し，それが上流側，下流側に伝播して行っていることが分かった．特に入口ガス温度が低い程着火点の位置が入口から離れる傾向にあった．これは高温ガスにより入口側の微粒子の反応が始まるものの，温度が低いとその反応は緩やかで少しずつガスの温度を上げることになる．このガス温度が微粒子の反応を活発にさせる閾値を超えた場所で急激な燃焼が始まり，それが起点となって上，下流に燃焼が伝播して行っていると考えられる．赤外線サーモビュアーを用いた局所的な壁面温度履歴でも，ゆっくりと上昇してきた温度がある時刻で急激に上昇していることからも裏付けられている．再生状態を拡大撮影してみると，再生も微粒子が堆積し易いクレーター部から始ま2り，それが周辺に広がって行くことが分かった．これはこのクレーター部が周囲に比べ流路抵抗が少ないため，高温ガスが通過し易く再生の起点になったと考えられる．再生が進むとその部分の流路抵抗は更に下がるため，ガス流は更にそこを通過し易くなる．逆に再生が始まらなかった部分は，周囲からの燃焼の伝播，或いは母材の温度上昇を待って再生が始まるが，十分な温度に達しない場合これが再生不良として残ることになる．一方，ある程度再生が進んだ部分では，島状に残った未再生の微粒子がガス流に流され，はがれて飛んでゆく状況も確認できた．この塊は下流のどこかでまたトラップされ再生されると考えられる．DPFの理想としては・通り抜けが少ない・表面ろ過への早い移行・圧力損失が少ない・一様で速い再生，等が挙げられる．コージェライトは圧損が少ないが捕集率が低い欠点がある．しかしここに微粒子が少しでも堆積すると，それによるフィルタレーションが起こり，通り抜けを阻止できる．この状態を最初から実現する手段として，DPF壁面のクレーター部にのみすすと同程度の粒径の粒子を付けることを考えた．同様なアイデアの物を実際に試作し，試験したという発表もあったが，このコンセプトを実証しており，今後のPM数規制にも対応できる有効な手法ではないかと考えられる．可視化技術は定量的なデータは得られにくい．しかし観察することによって現象を理解し，それを基に次のDPFの構造や手法へと繋げることができる有効な手段と考える．質疑Q1.最後に理想のDPFの形態が示されたが，SiC製DPFはそのような構造を初めから持っているのではないか．A1.クレーター部に付けたい粒子の大きさが数10nmオーダーに対し，SiCの気孔は30-40μmであり大きすぎる．Q2.その場合，圧力損失が大きくならないか．A2.コージェライトに比べれば確かに圧力損失は大きくなるがSiCよりは小さく，低圧損と高捕集率を両立している．これは表面にのみ薄く付けるためである．Q3.再生過程を見ると外部から母材を加熱して，その母材の温度を上げることによって再生が行われている，つまり母材温度が支配的なようだが，すすそのものが直接加熱されて再生し，それが拡がるというようなことは無いのか？A3.確かにDPFの壁面にふんわりと付いているようなすすは，高温の空気で加熱されて再生することもあるかもしれない．しかしすすの発熱量は小さいため，壁面に完全にトラップされているすすは，やはり母材の温度が上がらない限り再生は始まらない．Q4.今回使用したDPFに触媒は付いているのか．触媒の有無で再生過程が変わることはないか．A4.触媒はついていない．確かに触媒の有無で酸化の状況が変わることは予想される．触媒の付いている部分は低温で酸化が始まると考えられる．ただし，触媒もDPFの全面に塗布されているわけではないので，触媒の付いていない部分まで低温で酸化するとは思われない．このあたりは今後実験してゆく予定である．ただ問題は，触媒つきのDPFを実験した場合，それを供給していただいた企業との関係で，結果をオープンにできないことである．Q5.再生の途中で脱離したすすが再度トラップされて再生してゆくという現象は捉えられているか．A5.観察視野が限られているので実際にそこまでは観察されていない．しかし実機では後部にたまりすぎたすすが燃えて温度が上がり，DPFを溶損してしまうこともある．Q6.クレーター部が起点になってすすのトラップが行われているようだが，人為的にクレーターを作りそこにだけ触媒を塗って効率的に再生するという考えはどうか．A6.アメリカのメーカーでコージェライトでは無くアルミナチタニアでそのような物が出来たという話も聞く．しかしそれを狙ってやっているのかどうかは定かではない．Q7.コージェライトもSiCもすすの捕集は主に表面で行われているとのことであるが，壁の中で捕集することは難しいのか．そうだとすると400μmという壁厚さは必要ないのではないか．A7.現状のコージェライトやSiCでは壁の中で捕集するのは難しく，気孔率の制御等の技術が必要と思われる．400μmの壁厚はトラップの点からでは無く，構造体として成り立つために必要かもしれない．また，ナノパーティクルが移動中に壁面と１回はコンタクトするために，400μmの行程が必要という意見もある．Q8.今回見せて頂いたのはドライスートの挙動のようだが，SOFを多く含むスートとの違いはあるか．A8.きちんとした比較は行っていないが，エンジンを低負荷で回すとドライスートではなく燃料や潤滑油が主体のものがDPFに付着し，再生時も低い温度でそれが消えてゆく．このことから考えるとSOFを含んだPMの場合，300℃程度でまずSOF分が反応し，その後600℃位でスートが反応するという2段階の反応になることが予想される．Q9.すすサイズの影響は見ているか．A9.現在計画中であるがまだ見ていない．一般にすす粒子の平均粒径は100nm程度と言われている．非常に大きな粒径のすすがあれば，まずそれがトラップされそれが起点になって表層ろ過で捕集効率が高まると予想される．逆に小さい粒径のすすの場合ブラウン運動でトラップされやすくなる．ちょうど平均粒径程度のすすが来た場合，それらの作用が働きにくくすり抜けが多くなると考えられる．Q10.今回は軸方向の挙動がメインだったが，半径方向の分布はどうか．A10.半径方向で最も問題になるのは温度分布である．中心付近は温度が高いが周辺部分は熱損失で温度が低くなる．3軸方向に温度分布が生じても流れによって上流の高温領域が下流に伝わって行くが，半径方向ではその効果も期待できない．そのため周辺部分の再生は遅れる傾向があり，中心部だけの圧力損失から再生を止めてしまうと周辺部に再生されないすすが残ることになる．(2)ヤマハ発動機都竹広幸氏（15:30-16:10）「小型エンジンへのFi応用による燃費改善技術」要約：最近の大型モータサイクル今年度のモデルでは180馬力，パワーウェイトレシオは1kgを切る程の高出力ユニットを搭載しており，その出力を得るためのデバイスを数多く搭載している．例えば電子制御インテーク(YCC-I)，電子制御スロットル(YCC-T)，排気制御(EXUP)などである．EXUPは排気管長可変装置であり，1980年代から搭載している．二輪生産と各国での概要2006年度の全世界での二輪車生産台数は3900万台で，その3分の4は100-150ccの小型コミュータであり，大型は数%程度である．小型コミュータに対しての環境対応が急がれる．世界の二輪市場はこの10年で2倍以上増加しており，特にＡＳＥＡＮ(特にインドネシア，ベトナム)とインドでの増加が著しい．これらの地域では小型コミュータが多い．二輪排出ガス規制とその対応二輪車排出ガス規制は1990年後半から導入され始め，この10年で3回の規制強化が行われた．現状はEU3であり，NOx