バイオディーゼル燃料によるポスト新長期規制適合 …an engine testing was...

バイオディーゼル燃料によるポスト新長期規制適合

エンジンの排出ガスへの影響

Effect of Biodiesel Fuel on Emissions from PNLT Diesel Engine

北村高明*1

Takaaki KITAMURA 松浦賢*2

Ken MATSUURA

Abstract An engine testing was conducted to investigate the impact of biodiesel on fuel consumption, exhaust emissions and SCR catalyst performance using a PNLT HD diesel engine fitted with a DPF and urea-SCR system. The fuel was a B20 blend of a palm oil methyl ester-based biodiesel (PME) and ultra-low sulfur diesel. Using B20 slightly increases engine-out NOx emission and decreases the NOx reduction of SCR. This results in a 6 to 43% increase in tailpipe NOx emissions, depending on emission test cycles. The SCR performance degradation with B20 is most likely to be caused by the decreased NO2/NO molar feed ratio due to the suppression of in-cylinder NO oxidation by the reduced flame temperatures.

1. はじめに地球温暖化防止やエネルギセキュリティに対す

る施策として再生可能エネルギへの転換の諸施策

が世界的に進められている中，脂肪酸メチルエス

テル（以降，FAME：Fatty Acid Methyl Ester）を利用するバイオディーゼル燃料は自動車用燃料

としての利用が拡大している．一方，FAMEは二重結合を持つ，蒸留性状が重

質，酸素分を含む等の点で軽油と品質が異なって

おり，特にFAMEの高濃度混合利用においては，

NOx等排出ガスの増加やインジェクターデポジ

ット発生等の多くの懸念点がある．本研究は，NOx後処理装置として尿素SCRシス

テムを搭載する最新のポスト新長期規制適合ディ

ーゼルエンジンを用いたエンジン台上試験等によ

り，排出ガス特性の観点から高濃度FAME混合燃

料の課題を明らかにすることを目的とする．

2. 実験方法

2. 1 エンジン台上試験

Table1に供試エンジンの主要諸元を示す．排気

量7.5Lの直列6気筒ディーゼルエンジンであり，

後処理装置の構成はDOC/DPF/SCR/ASCとなっ

ている．本試験では新品触媒を使用し，実車と同

等のレイアウトになるよう，ターボ出口から約

1500mm離れた位置に後処理装置を設置した．エンジン台上試験は，JE05モードおよび東京都

実走行モード（No.5/8/10）の過渡排出ガス試験と

JE05代表点における定常燃焼解析を行った．なお，

JE05試験では調整運転を定格・全負荷条件（F/F）と80kph走行条件の2通りとし，ディーゼル重量車

用車速変換プログラム1)を使用して各試験モード

のエンジン回転数・負荷率条件を求めた．

Table 1 Engine specifications

Displacement

Engine typeFIEAspiration system

Bore/StrokeCompression ratioRated powerMax torqueEmission regulation

7,545 cm3

In-line 6cylinders, DI diesel, 4stroke cycleCommon-rail systemTurbocharger with intercooler

φ118 mm x 115 mm16.0199 kW / 2500 rpm785 Nm / 1100 ~2400rpmPost new long-term (JP09)DOC/DPF/SCR/ASCATS

2. 2 定容燃焼容器試験

定容燃焼容器を用いた単発燃料噴射試験におい

JARI Research Journal 20140501 【研究速報】

＊1 一般財団法人日本自動車研究所エネルギ・環境研究部博士(工学) ＊2 一般財団法人日本自動車研究所エネルギ・環境研究部

－－ JARI Research Journal (2014.5)

1

て画像二色法によるディーゼル火炎温度解析（ナ

ックイメージテクノロジー社のMEMRECAM fx K4，解析ソフトウエアを使用）を行った．本燃焼

容器では，予め，アセチレン／酸素／窒素から構

成される希薄予混合気を所定の密度になるよう充

填し，それを火花点火燃焼させ，圧縮上死点付近

に相当する高温・高圧雰囲気を生成する．試験条件は，過渡排出ガス試験で比較的使用頻

度の高い低速・部分負荷条件を想定し，雰囲気温

度950K，雰囲気密度19.5kg/m3，雰囲気酸素濃度

17%，レール圧100MPa，噴射パルス幅1.058ms（B0使用時75mm3/inj）とした．なお，噴射ノズ

ルはエンジン試験と同等品を用いた．

2. 3 供試燃料

供試燃料はB0とB20の2種類を基本とし，一部

の試験ではB10およびB100も使用した．B0は硫黄

分が4massppmの認証試験用軽油を使用し，B100は飽和脂肪酸メチルエステル（C16:0，C18:0）が

主要構成成分であるPMEを使用した． Table2に主たる燃料性状を示す．B20では，セ

タン価がB0より1程度大きくなる他，エンジン制

御に影響をもたらす単位体積当たりの低位発熱量

がB0よりも1.5%程度低下する．

Table 2 Test fuel

0.8751 g/cm3

5.644 mm2/s

1 massppm

76.2 mass%

11.2 mass%

37,050 J/g

Biodiesel (PME)

12.4 mass%

237.5 °C323.0 °C327.0 °C334.5 °C340.5 °C

Density at 15°CKinematic viscosity @ 30°C

Sulfur content

Carbon content

0.8287 g/cm3

3.367 mm2/s

4 massppm

86.1 mass%

Test fuel Diesel (B0)

Hydrogen content 13.8 mass%Oxygen content <0.1 mass%

Lower heating value42,940 J/g

IBP 174.5 °CT10 215.5 °CT50 269.0 °CT90 329.5 °CEP 352.5 °C

Distillation

0.8373 g/cm3

3.668 mm2/s

3 massppm

84.0 mass%

2.3 mass%

41,850 J/g

Biodiesel (B20)

13.6 mass%

183.0 °C227.5 °C283.5 °C329.5 °C344.5 °C

64.7Cetane number 54.4 55.5

32,422 J/cm335,584 J/cm3 35,041 J/cm3

3. 実験結果

3. 1 高濃度バイオ燃料の燃費・排出ガス特性

Fig.1に，CANalyzerを用いて取得したJE05モード試験時のECU情報（エンジン回転数，アクセ

ル開度，指示燃料噴射量）を示す．B0とB20でエ

ンジン制御値は概ね同じであり，本試験では燃料

の違いによるエンジン制御状態の変化は見られな

かった．

020406080

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Acce

lera

tor

[%]

B0B20

5001000150020002500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Ne

[rpm

] B0B20

020406080

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Qf/Q

f_m

ax[%

]

Time after start of JE05 test cycle [s]

B0B20

Fig. 1 Engine control values during JE05 test cycle

Fig.2に，各試験サイクルにおけるエンジンアウ

トエミッションおよび燃費をB0に対する相対値

として示す．高濃度バイオ燃料使用時にはエンジ

ンアウトNOxが数%オーダーで増加し，エンジン

アウトCOおよびSootは顕著に減少した．また，

低位発熱量の低下に起因してBSFC(g/kWh)はB20で2～3%増加するが，投入熱量ベースに換算

したBSEC(J/kWh)では各燃料とも同等の数値と

なり，燃料によって熱効率に違いはなかった．

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

BSE

C [-

]

B20/B0

1.03 1.04 1.05 1.04 1.04

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

Eng-

out N

Ox

[-]

B20/B0

0.81 0.86 0.83 0.83 0.81

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

Eng-

out C

O [-

] B20/B0

0.88

0.97 1.02

0.98 1.01

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

Eng-

out T

HC

[-] B20/B0

0.81 0.82 0.87

0.77 0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

Eng-

out S

oot [

-]

B20/B0

no data

1.03 1.02 1.02 1.03 1.02

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

BSF

C [-

]

B20/B0

Fig. 2 Engine-out emissions, BSFC and BSEC

Fig.3に，各試験サイクルにおけるテールパイプ

NOx，N2O，NH3およびSCR触媒のNOx浄化率


2

（B0との差）を示す．B0と比較すると，B20では

SCR触媒のNOx浄化率が2pt前後低下する傾向を

示し，エンジンアウトNOxの増加との相乗効果に

より，テールパイプNOxは6～43%増加する結果

となった．

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

N2O

[g/k

Wh]

B0B20

0.00

0.03

0.06

0.09

0.12

0.15

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

NH

3[g

/kW

h]

B0B20

-0.5

-1.9 -2.2 -2.1 -1.5

-5

-4

-3

-2

-1

0

JE05(F/F)

JE05(80kph) TK5 TK8 TK10

NO

x re

duct

ion

[pt]

B20-B00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

NO

x [g

/kW

h]

B0B20

B20/B0=1.06

1.201.33

1.43 1.29

Fig. 3 Tailpipe emissions and NOx removal efficiency

Fig.4に，SCRのNOx浄化性能に影響を及ぼす

NO2/NOx比について，エンジンアウトおよびSCR入口で測定した結果を示す．これまでの報告2)と

同様に，高濃度FAME混合燃料では，エンジンア

ウトの時点でNO2/NOx比が低下し，それに伴い

DOC通過後のSCR入口NO2/NOx比も低下傾向を

示す．すなわち，B20使用時のNOx浄化率低下の

一要因として，SCR触媒へのNOとNO2のモル供

給バランスの変化が考えられる．

61

50

45

51

60 58

49

44

50

59

40

45

50

55

60

65

70

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

SCR

-in N

O2/N

Ox

[%] B0

B20

19 21

18

15 17 18

15 13

0

5

10

15

20

25

30

JE05(F/F)

JE05(80kph)

TK5 TK8 TK10

Eng-

out N

O2/N

Ox

[%] B0

B20

no data

Fig. 4 NO2/NOx ratio at engine-out and SCR inlet

Fig.5に，JE05(80kph)試験における瞬時NOx排出量等の時系列変化を示す．上から3段目の

SCR触媒へのNOとNO2のモル供給バランスに着

目すると，燃料に関わらず各ショートトリップの

加速走行時に当該バランスが崩れてNO2不足状態

となり（最後の高速トリップ走行時はNO不足状

態にもなる），そこでNOxが多く排出されている．

B20使用時はNO2不足時のピークNOx量が増加し

ていることから，B20で起こるSCR性能低下は

NO2/NOx比の低下に起因すると考えられる．一方，

本試験ではSCR入口温度がB0とB20で大きく変

わらず，尿素噴射量は両燃料間で同等であった．

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

150

170

190

210

2300

50

100-3036912150

1

2

3

4 0.000.020.040.060.080.10

B20B0

10g

JE05 (80kph)

Fig. 5 Temporal change in tailpipe NOx, SCR inlet

NO2/NOx ratio, SCR inlet temperature and urea quantity

次に， JE05(F/F)試験においてFAME混合濃度

が排気温度および未規制物質排出量に及ぼす影響

を調べた．Fig.6に示す通り，B20まで混合濃度を

高めると，排気温度の低下やPN，アルデヒド類等

の未規制物質排出量の増加が見られた．

5.E+09

6.E+09

7.E+09

8.E+09

9.E+09

1.E+10

0 5 10 15 20 25

PN [#

/kW

h]

FAME content [mass %]

JE05 (F/F)

180

190

200

210

220

0 5 10 15 20 25

Exha

ust t

emp.

[°C

]


JE05 (F/F)DPF inlet

SCR inlet

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 5 10 15 20 25

Alde

hyde

s [m

g/kW

h]


JE05 (F/F)

HCHO

CH3CHO

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 5 10 15 20 25

PAH

s [n

g/kW

h]


JE05 (F/F)

Pyrene

Fluoranthene

Fig. 6 Effect of FAME content on unregulated emissions


3

3. 2 高濃度バイオ燃料の燃焼特性

B20使用時の排気温度およびエンジンアウト

NO2/NOx比の低下要因を明らかにするため，B0とB20の燃焼特性を調べた．Fig.7に，JE05代表

点（低負荷と中負荷の2条件）のエンジン筒内圧

力および熱発生率の時間履歴を示す．エンジン負

荷条件に関わらず，B20使用時に燃焼ガス温度に

影響を及ぼす程の熱発生率形状や燃焼位相の変化

は起こっていない．ただし，燃焼質量割合が50%（MFB50）および90%（MFB90）になる位置を

比較（Fig.8参照）すると，B20では低位発熱量の

低下に伴い燃焼が若干早く終わる特徴を有してお

り，B0よりもMFB90が少し進角する結果（排気

温度低下要因）が得られた．

-20 -10 0 10 20 30

Ne=1250rpm, Qf=34mm3/st

B0B20

-20 -10 0 10 20 30

Ne=1250rpm, Qf=72mm3/st

B0B20

Fig. 7 Temporal change in in-cylinder pressure and ROHR

B0B20

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

0

5

10

15

20

Fig. 8 Combustion phasing

次に，燃料の違いが火炎温度に及ぼす影響を調

べた．Fig.9およびFig.10は，容器試験において画

像二色法により得られた火炎温度等の時系列変化

である．B100で顕著に見られる様に，FAME混合

濃度を高めた場合には火炎温度およびKL値がB0よりも低下傾向を示す（排気温度低下要因＋NO酸化速度低下要因）．

TASI[ms] 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.5 3.0

B0

B20

B100

Pinj=100MPa, τinj=1.058ms (75mm3@B0),Xo2=17%, Ta=950K, ρa=19.5kg/m3

NL

Temp

NL

Temp

NL

Temp

Fig.9 Images of natural luminosity and flame

temperature distribution for B0, B20 and B100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

KL

TASI [ms]

B0B20B100

Pinj=100MPa, Xo2=17%

2200

2250

2300

2350

2400

2450

2500

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Flam

e te

mp.

[K]

TASI [ms]

B0B20B100

Pinj=100MPa, Xo2=17%

B0

B100B20

B0

B100

B20

Fig. 10 Temporal change in flame temperature and KL

4. まとめ

尿素 SCR システムを搭載するポスト新長期規

制適合ディーゼルエンジンを用いたエンジン台上

試験等により，排出ガス特性の観点から高濃度バ

イオディーゼル燃料の課題を検討した． (1) B20 使用時はエンジンアウト NO2/NOx 比の

低下に起因して，SCR 触媒の NOx 浄化率が

2pt 前後低下し，エンジンアウト NOx の増加

との相乗効果により，テールパイプ NOx 排出

量は B0 比で最大 43%増加した． (2) B20 まで FAME 濃度を高めると，排気温度の

低下および PN，アルデヒド類等の未規制物質

排出量の増加が生じる． (3) B20 使用時の排気温度低下の要因は，燃焼終

了時期の進角と火炎温度の低下が考えられる． (4) B20使用時のエンジンアウトNO2/NOx比の低

下要因は，火炎温度低下による筒内でのNO酸

化抑制が考えられる．

参考文献

1) 国土交通省：http://www.mlit.go.jp/ jidosha/ sesaku/ environment /osen/2_osenj.htm

2) Mizushima, N. et al.：Effect of Biodiesel on NOx Reduction Performance of Urea-SCR system，SAE Paper 2010-01-2278 (2010)


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