• 2018/08/14
  • AnimeandManga illustrated編集部

ディーゼルエンジンは超精密機器。その排出物と処理方法を考えてみる

NOxとPM。それをどのように処理するのか

ディーゼルエンジンは、燃焼室で断熱圧縮された空気に向かってインジェクターから噴射した燃料を噴いたそばから燃やすことで膨張エネルギーを得る。後混合圧縮自己着火運転である。ガソリンエンジンは予混合圧縮火花点火運転。(FIGURE:ROLLS-ROYCE)

ディーゼルエンジンは超精密機器である。 燃料噴射と後処理装置だけで、ガソリンエンジンが買えるともいわれる。なぜそれほどの精密さが必要なのか。 高額になってしまう理由とは。 排出物発生のメカニズムから考えてみる。

 燃料を空気とともに燃やし、膨張エネルギーを出力として得るディーゼルエンジン。燃焼という化学反応によってさまざまな物質が生成するなかで、排出量を抑制されているのは窒素酸化物(NOx)および粒子状物質(PM)である。ほかにも一酸化炭素および炭化水素も有害排出物として規制されているが、これらは確実な低減技術が確立されているため、ディーゼルエンジンの排ガス規制としてはNOxおよびPMが目下の課題である。前者は気体、後者は固体で、厄介なのは発生の仕組みがトレードオフの関係にあることだ。

 ディーゼルエンジンは筒内で圧縮した高温の圧縮空気に燃料を噴射し、自着火させることで膨張エネルギーを得る仕組みである。出力の多寡は燃料噴射量で決まり、吸入する空気量は筒内の負圧に任せるため、ガソリンエンジンのように吸気量を制御する絞り弁は基本的に備えない。燃料を燃やすには理論空燃比があり、燃料1グラムに対して空気15グラム弱というのがその比率なのだが、かような仕組みを持つエンジンのため、大半はリーン燃焼(空気過剰状態)で運転されている。

 リーンで燃やすと燃料に対して酸素分子が多く、反応温度は高温になる。膨張エネルギーとしては多く取れる──つまり燃費に優れることになるものの、そのいっぽうで燃焼に寄与しない窒素分が酸化反応を起こして窒素酸化物が生成されてしまう。したがって、出力を追求すればするほど、ディーゼルエンジンは窒素酸化物排出に悩まされるわけだ。NOxの無害化にはガソリンエンジンでは三元触媒が用いられるのはよく知られるとおりで、しかしこれは理論空燃比で燃焼したガスにしか用いることができないという短所があり、そのためディーゼルエンジンでは機能しない。では酸素を減らした状態、いわゆるリッチ燃焼の状態ではどうかといえば、今度は燃料を燃やしきれなくなる。燃えなかった燃料はすすとなって固形物となり、粒子状物質として排出されてしまう。先に述べたようなトレードオフの関係である。


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