よしまさ4403のブログ一覧

80.4
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休日。次のビデオの原稿書いてた。

以下、下書き。これに合わせてKeynoteでスライド作る。これ読んだ方にお願い。間違い見つけたら教えてください。


SkyActiv-Dエンジンの環境対策　4403解説

＜＜＜ ディーゼルエンジンと環境問題 ＞＞＞

ディーゼルエンジンはその構造上、有害物質をガソリンエンジンよりも多く排出していました。それは環境問題となりました。そのために時代と共に各種の規制がかけられ、それはどんどん厳しくなっています。

☆ディーゼルエンジンが排出する公害物質

NOXは窒素酸化物の総称です。NOXは酸性雨の発生源となります。また温室効果は二酸化炭素より高くオゾン層の破壊効果も高いとされています。

DPMはDiesel Particulate Matter（ディーゼル微粒子成分）の略語です。ディーゼルが不完全燃焼した時に発生する煤（=カーボン=炭素）が主な成分です。

ごく小さな微粒子で空気中を漂います。人間の肺に入り肺がんの原因になるとも言われ、環境を汚染します。

他にも一酸化炭素（CO）や炭化水素（HC）も不完全燃焼により発生します。

そのためこれらの物質は排気ガスから減少させる必要があります。

これからどのようにしてSkyActiv-Dエンジンが環境対策を取っているのかを説明しようと思います。

☆SkyActiv-Dの環境対策装置

今回紹介するのは以下の物です。

コモンレールとインジェクタ
EGR(Exhaust Gas Recirculation)システム
DPF（Diesel Particulate Filter）
最適形状燃焼室

先のビデオでご紹介したコモンレールディーゼルは精密な噴射を行う事でNOXやDPMを減らす事にかなり貢献しています。

そしてさらに色々な対策が施されています。それがEGRシステムであり、DPFであり、ディーゼル燃焼に最適形状なエッグシェイプ型燃焼室です。

＜＜＜ EGRシステム ＞＞＞

☆EGRシステムの目的

これの目的は第一にNOXの低減です。

高温高圧で酸素が濃い状態でディーゼルが爆発するとNOXが大量発生します。逆に燃焼温度を下げ、圧力を下げ、酸素濃度を下げるとNOXの生成を抑える事ができます。

そこでEGRシステムは排気ガスを冷やして再循環させます。また排気ガスの酸素濃度は爆発で酸素が消費されて低くなっているので燃焼前の吸気全体の酸素濃度も下げることができます。これによりNOXの生成を抑えられます。

また再循環によって燃焼しきれなかった残留物をもう一度燃焼し尽くす意味もあります。

☆EGRシステム構成部品

EGRバイパスバルブ
EGRクーラー
EGRバルブ

EGRバイパスバルブ
状況により開閉して排気ガスをEGRクーラーへ流したりそのまま再循環させたりしています。

EGRクーラー
排気ガスが流れる通路の中にラジエターのように冷却水が流れ、排気ガスを冷やす装置です。

EGRバルブ
PCMによりコントロールされていて、EGRクーラーから流れてくる排気ガスを再循環させたり止めたりします。

☆排気ガスの流れ

排気ガスの一部は排気管へ行かずEGRバイパスバルブへ分岐して再循環します。

排気ガスが低温時はEGRバイパスバルブはEGRクーラーへの排気ガスを停止させ、そのままインテークマニホールドへ流します。

この時はEGRシステムはエンジン燃焼室での不完全燃焼で発生した一酸化炭素や炭化水素をコントロールして再燃焼させようとしています。

排気ガスが高温になるとEGRバイパスバルブは排気ガスをEGRクーラーへ導きます。これにより排気ガスは冷やされて低温小体積となり、より多く再循環させる事も可能になります。

EGRバイパスバルブとEGRバルブをコントロールする事によりPCMは緻密なEGRシステムの制御を行なっています。実はこの事は理想的な燃焼を行う上でとても重要です。

＜＜＜ DPF ＞＞＞

DPFは排気ガス中のDPMを回収します。排気管の触媒のすぐ後ろに置かれています。

フィルタそのものは炭化ケイ素（黒色のセラミック）です。ハニカム構造になっているそうです。

どうやらCX-5などに搭載されたDPFはエンジンの改良によりマツダの前世代のディーゼルエンジンの物より小型化できたそうです。

それだけSkyActiv-Dエンジンが環境問題について進化したとも言えるでしょう。


＜＜＜ 最適形状燃焼室 ＞＞＞

ピストンの断面図がたまごの形に似ているのでエッグシェイプ燃焼室と呼ばれているようです。ピストンの一番上が全体的に凹んでいて中央だけ盛り上がっていおり、その形で空気の流れを作っています。

なので空気と燃料がよく混ざります。それに加えてインジェクターが多段噴射をすることでも空気と燃料の混合を最適化しています。

これにより燃焼室内で均一な爆発が起きます。DPMは一部の混合気が燃焼し切らない事により発生するので結果、DPMの量を低減できます。

＜＜＜ 全ての公害物質を同時に低減する仕組み ＞＞＞

☆燃焼温度と酸素濃度と排気ガス成分

これは燃焼室での爆発の際の燃焼温度と酸素濃度の関係を示したグラフです。

エンジンの燃焼室で爆発が起きる時、その燃焼温度が低いと不完全燃焼が起き、CO（一酸化炭素）やHC（炭化水素）が発生しやすくなります。

また燃焼温度が高くなり酸素濃度が高いとNOXが多く発生します。

燃焼温度が高く酸素濃度が低いとNOXは減る代わりにDPM（煤）が多く発生します。

なので燃焼温度を上げても下げても酸素濃度を上げても下げてもなんらかの有害物質が排気されてしまうかのように思えます。

駄菓子菓子！マツダはこれをクリアしたのです。

でも実は燃料温度がそれほど低くなく、酸素濃度が低い状態ならそれら全てを低減できるゾーンがあるのです。その状態を理想酸化といいます。この状態ならNOXもDPMもCOもHCも発生量を抑えて完全燃焼させる事ができます。

☆理想酸化

これは

1.EGRの大量化と低圧縮比
2.短期の事前噴射と混合
3.最適化された温度と酸素濃度の調整

により実現しています。

1.EGRをたくさん入れると酸素濃度が低下して温度も下がります。なのでNOXは減らせます。しかし酸素濃度が下がるのでDPMは増えます。

2.そこでエッグシェイプ燃焼室やインジェクターの改良であらかじめ燃料を噴射して燃焼室の混合具合をなるべく均等にします。すると全体的に満遍なく爆発させることでDPMが減ります。

3.さらに燃焼温度と酸素濃度を緻密にコントロールする事によりCOとHCの発生も抑制できているのです。

こうしてSkyActiv-Dエンジンはさまざまなシステムの複合技で低公害かつ高性能ディーゼルエンジンを実現しているのです。

＜＜＜ カーボン堆積 ＞＞＞

☆カーボンが堆積する仕組み

1.EGRによってDPMを含んだ排気が吸気側へ再循環します。
2.排気ガスが冷却されるとその中に含まれていた水蒸気も結露して液体の水が発生します。
3.DPMと水が混ざって粘土質のカーボンになります。
4.カーボンがEGRクーラー、EGRバルブ、スロットル、インテークマニホールドに付着します。
5.それが繰り返されてカーボンが堆積します。

これはSkyActiv-DエンジンだけではなくEGRシステムを搭載した（つまり現代の全ての）ディーゼルエンジンに起こっている現象です。マツダでもトヨタでもメルセデスでもBMWでもVAGでも同じです。


☆カーボン除去の是非

大切な自分の車のエンジンにカーボンが蓄積されているのはなんとも嫌な感じです。如何にも吸気効率が低下してエンジンが充分な性能を発揮できなくなりそうです。

ですが…例えばカーボンが固着して、センサーが誤作動を起こしエンジンチェックランプが点灯したケースはあるでしょうか？

カーボンは堆積するのですが完全に詰まる事は決してないのだそうです。

実は堆積したカーボンは空気の流れで乾燥し、少しずつ剥離します。剥離したカーボンは最終的に燃焼室へ入り燃えてしまいます。なのでカーボンの堆積は一定の量で止まります。

カーボンの堆積で空気の流れる道が狭くなりますが、空気の流れの速さが上がり結局、流れる総量は変化しないといいます。

現実、エラーが出ないのがその証拠です。

カーボンを除去するにはかなり手間暇がかかります。つまりお金がかかります。私はDIYで行いましたがそれでもガスケットなど必要な消耗品の代金が発生しました。

なのでカーボンを除去する必要ってあるの？という話になるんです。私はすでにやっちゃった人なので気楽にいう事ができるのかもしれませんが。気分的なものはかなり違いますよね。

それから原因は別としてEGRシステムの何かやスロットルなどが壊れてしまった場合にはやる意味は大いにあるかもしれません。