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ディーゼルエンジン - Wikipedia

ディーゼルエンジン

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

ディーゼルエンジン (diesel engine) は、ディーゼル機関(—きかん)ともいい、ドイツの技術者ルドルフ・ディーゼルが発明した内燃機関1892年に発明され1893年2月23日に特許を取得した。ディーゼルは微粉炭を含む様々な燃料の使用を意図していた。1900年パリ万国博覧会ではピーナッツ油での運転を実演した(バイオディーゼルを参照)。

鉄道車両(キハ183系)用のDML30HSI形ディーゼルエンジン水平対向12気筒排気量30リットル (440PS/1600rpm)
鉄道車両(キハ183系)用のDML30HSI形ディーゼルエンジン
水平対向12気筒排気量30リットル (440PS/1600rpm)

目次

[編集] 仕組み

圧縮して高温になった空気にディーゼル燃料(軽油重油、初期には粉炭も用いられた)を吹き込んだ時に起きる、自己着火(正しくは「発火」)をもとにした爆発でピストンを押し出す(拡散燃焼)。理論サイクルとして低速のものはディーゼルサイクル(等圧サイクル)、高速のものはサバテサイクル(複合サイクル)が理論サイクルとして取り扱われる。

  1. 吸入行程: ピストンが下がり、空気のみをシリンダ内に吸い込む行程。
  2. 圧縮行程: ピストンが上死点まで上がり空気を圧縮する行程。
  3. 爆発行程: 高圧のシリンダー内に燃料を噴射・燃焼し、下死点まで押し下げられる行程。
  4. 排気行程: 慣性によりピストンが上がり燃焼ガスをシリンダ外に押し出す行程。

現在の高速エンジンでは4サイクルエンジンが主流であり、航空機にまで使われたクルップユンカース式や、GMのユニフロースカベンジ式など、戦前生まれの2サイクルエンジンは姿を消した。一方、極低速回転の大型船舶用は、2サイクル(ユニフロー スカベンジング ディーゼルエンジン)が主流となっている。

燃料の噴射には高圧ポンプが使用され、燃焼方式の違いで、単室の直接噴射式と副室式(予燃焼室式・渦流室式)に分かれる。

ディーゼルエンジンは空気のみを圧縮するため、高い圧縮比のエンジンでもデトネーションが起こらず、同じ理由で過給器との相性も非常に良く、ターボチャージャースーパーチャージャーを装備するものが多い。特にトラック・バスなどの大型車、プレジャーボート(小・中型船舶)、建設機械、発電機などではほとんどの場合、ターボチャージャーが装備されている。

ディーゼルエンジンの場合、過給圧が上がるほど実圧縮比も上がるため、燃料消費率が向上する。裏を返せば、如何に燃料を燃やすかではなく、如何により多くの空気を使うかにかかっている。高濃度の酸素による金属焼損を無視、あるいは克服できるならば、酸素のみを吸気させることで飛躍的に燃料消費率の改善が図られるだけでなく、NOxの問題も解決される。余談だが、ディーゼルを用いた非原子力潜水艦の中には、ボンベ等に搭載された酸素に非支燃性の気体を混ぜ、それを吸気させることでディーゼルエンジンを動かし、推進しているものもある。

なお、ガソリンエンジンは過給圧をいたずらに高く設定すると、デトネーションの発生が避けられず、出力が得られないばかりか、ピストン融解などのトラブルを引き起こす。

従来、高速走行の頻度が高いバスやカーゴトラックには、古くからターボチャージャーが普及していたが、低ミュー路や、走行抵抗の大きい悪路での微・低速走行の機会の多いダンプトラックでは、レスポンスに優れ、扱いやすい排気量20リッター以上の、V型8気筒自然吸気エンジンが好まれてきた経緯がある。しかし、次第に厳しくなる排ガス規制の前に、各社とも排気量を11 ~ 13リッター程度まで落とし、エミッション低減デバイスとの親和性が高い直列6気筒エンジンに生産を絞り 込んだため、排気量の大きなV8自然吸気エンジンは姿を消した。

[編集] ガソリンエンジンとの比較

メリットとして

  • オットーサイクルガソリンエンジンと比較して、圧縮時の筒内が空気のみであるため、プレイグニッション・ノッキングなどの危険がないことから圧縮比を18~22程度と高くできる(ガソリンエンジンは8–12程度)。同じ理由でデトネーションの心配が無く、また、全域で排気圧が高いためターボチャージャーとの相性が良い。
  • 空気過剰率が大きいため作動ガスの比熱比が高く図示熱効率が高い(炎の周りの空気も熱で膨張して仕事をする)。
  • 出力制御を燃料噴射のみで行えるため、出力制御のためにスロットルバルブが必要ない(自動車用はガバナー制御や吸気騒音低減のためスロットルバルブを持つ)。そのため絞り損失(吸気損失・ポンピングロス)が小さい。
  • 部分負荷時の燃料消費率が低く、同じ仕事に対する二酸化炭素の排出量が少ない。要するに燃費が良い。これがヨーロッパでのディーゼルシフトの最大の要因であり、世界初となった3リッターカーの実用化もディーゼルエンジンなしでは困難であったと思われる。
  • 高回転運転が苦手(2.0l 4気筒の実用上限回転は4,800rpm程度)なため、同排気量あたりのガソリンエンジンと比較してカタログの上の最大出力の表示は低くなるが、低、中回転でのトルク特性に優れており、同じ力を出すための必要回転数が低くすむために機械部分の損耗は少なく、また、ピックアップも良いためアクセル開度も小さくてすみ、乗員のストレスも少なくなる(同じ回転数の場合、より酸素を多く取り込めるディーゼルエンジンのほうが力を出しやすく、シフトダウン無しの加速が楽)。

デメリットとしては

  • 機関自体に高い強度と剛性が必要で、タービンなどの補機も加わるために質量が大きくなりやすい。
  • 燃料噴射システムに高い精度、高い耐久性が要求されるためにコストがかさむ。
  • 自己着火に必要な高温を高圧縮で作るため、小型エンジンだとエネルギー損失が多い(超大型では圧縮比が11~13程度で済むので効率が良い)。
  • 高圧縮のため、エンジン本体の騒音振動が大きくなりがちである。
  • 脈動が大きく、吸排気系の振動や騒音が大きい。
  • 吸気管負圧を得にくいため、自動車において、それを動力源とするブレーキブースター装置などをガソリンエンジン搭載車から流用する場合、別途バキュームポンプが必要。
  • 燃料噴射系のノイズが大きい。
  • 燃焼室内が空気過剰(窒素過多)でNOxが発生しやすい。
  • 高地など気圧の低いところでは不完全燃焼による黒煙が多くなる。
  • 均一燃焼が難しく、黒煙や粒状物質(PM, パティキュレート・マター)が発生しやすい(最近では技術の進歩により、数年前のガソリンエンジンとあまり変わらない程度まで改善されている)。
  • 希薄燃焼域(軽負荷時は 30:1 から 60:1)での運転が多いために排気中の残留酸素が多く、三元触媒が使えない。
  • 自動車の場合、現在の日本の法制度では、規制のために新しいディーゼル車でも製造や輸入をするのが難しい。

などが挙げられる。

同メーカー 同モデル Cセグメント 5ドアハッチバックでの比較データ/欧州自動車誌2004年版イヤーブックより
エンジン T/M 最高速 (km/h) 0→100km/h 秒 0→1,000m 秒 80→120km/h 秒 高速燃費 km/L 市街地燃費 km/L
1.6ガソリン 5M/T 184.7 10"68 32"48 14"90 @5速 10.0 11.1
1.9Dターボ 5M/T 192.3 10"68 32"40 12"45 @5速 15.2 16.4
1.8ガソリンターボ 6M/T 204.5 8"32 29"85 11"80 @6速 11.6 10.6
1.9Dターボ 高出力 6M/T 215.9 8"61 29"82 11"32 @6速 14.2 12.6

[編集] 主な用途

高い耐久性と省燃費性を生かして大型自動車トラックバス)や、鉄道車両ディーゼル機関車気動車)、建設機械農業用機械、潜水艦を含む船舶内燃力発電などのエンジンに利用される。また加えてガソリンに比べて引火爆発の危険が少ない燃料を用いる事から、戦車軍用車両に多く用いられている。

日本では、ディーゼル燃料がガソリンに比べて税制上安価(おおむね70%程度の価格)であることから、上記大型自動車などの他には、主に経済性を優先する商用車トラックバス※1※2ライトバン)や重量のあるSUVなどに多く使われている。

ヨーロッパではその省燃費性から「環境に優しい車」の代表格として一般乗用車においても広く普及しており、ディーゼル車の普及率は2001年の資料で、西ヨーロッパ全体で約40%、フランスオーストリアで62%、ベルギーで57%、スペインで54%と過半数を占める。割合の低いドイツでも30%となっている。ちなみに同年の日本の普及率は6%と1割にも満たない。

特にヨーロッパでは2段過給等の新型高過給装置と尿素触媒などと組み合わせによる極低公害のプレミアムスポーツディーゼルが好評を博している。またヨーロッパの自動車メーカーであるアウディは、2006年から5.5LのV型12気筒ディーゼルエンジンを搭載したR10ル・マン24時間レースに出場し、デビュー戦で優勝を収めた。

[編集] 環境への影響と対策

あらかじめ空気とガソリンを混合して圧縮するガソリンエンジンと異なり、温度の上がった空気の中に燃料のみを噴射する拡散燃焼の原理上、着火から燃焼が均一にならないため、PM黒煙窒素酸化物 (NOx) などが発生しやすいが、空燃比が高いためにCO(一酸化炭素)とHC(炭化水素)の発生はガソリンエンジンより遙かに少ない。

しかし、ディーゼルエンジンの場合、部分負荷域(パーシャルスロットル)での空燃比は30:1から60:1と希薄となるため、排気ガスは酸素過多の状態となり、三元触媒が有効に働かないという点が排ガス浄化における課題である(ガソリンエンジンでは理論空燃比で燃焼させた場合、三元触媒により炭化水素 (HC)・窒素酸化物 (NOx)・一酸化炭素 (CO) を同時に浄化できる)。

また、NOxと黒煙は二律背反の関係にある。高圧噴射で少量の燃料を完全燃焼させ黒煙を防ぐことは容易であるが、その際、高温・高圧下で筒内の窒素(空気)よりNOxが生成される。したがって、ガソリンエンジンと比べてより多くの空気(窒素)を吸い込むディーゼルエンジンは不利となる。

燃焼時間を伸ばしピークの温度と圧力を低くするとNOxの生成は減らせることは分かっていたが、従来の一回吹きでは燃料過多となり燃え残りが増え、黒煙がきわめて多くなる。当然燃費も悪化し、本来排出が少ないはずのCO2のみならず、COとHCも格段に増えてしまうため本末転倒となってしまう。このため、高圧で少量の燃料を数回に分けて噴射する、コモンレール方式が考案された。

ディーゼル燃料に残留する硫黄は、それに由来する硫黄酸化物 (SOx) の排出と、同時に触媒表面に付着することでその機能を奪うことが長い間問題となっていた。 低硫黄分の北海産原油を原料とする欧州に比べ、中東産の高硫黄原油を原料とする日本では、産業用としての需要がほとんどである軽油と重油はコストアップに対する産業界からの抵抗も大きく、高レベル脱硫がなかなか進まず、酸化触媒の普及は欧州に比べかなり遅れていた。このことは大気汚染拡大の原因の一つとして問題視された。

近年の環境志向の高まりに伴う自動車NOx・PM法による使用過程車の運行禁止措置、石油会社による燃料の高レベル脱硫や、自動車メーカーによるコモンレール式(後述)への移行、ディーゼル触媒の開発、電動機とのハイブリッド化などによってこれらの大気汚染は改善しつつある。

排気ガス処理技術は、できるだけ低温・低圧で燃焼させることでNOxの発生を少なく抑え、酸化触媒やDPFによりPM、CO、HCを処理する方法と、できるだけ高温で完全燃焼させることでCO、HCの生成を抑え、その結果増加するNOxは尿素により還元処理する尿素SCR還元システムの二つに落ち着きつつある。

前者は乗用車用の小型のものから大型のディーゼルエンジンにいたるまで、現在の主流となっている。後者は大型トラック用ディーゼルエンジン用として日産ディーゼルが開発を進めたもので、三菱自動車も一部の車種に採用した。

トラックで採用された尿素SCR還元システムだが、ベンツを中心としたドイツ勢が大型乗用車に採用を決めており、日本勢はNOx吸蔵還元触媒を乗用車に使用するようである(欧州勢も小型車は採用を検討している)。そのほか、主流ではないが燃料の改質によりNOxを減らす方法があり、ジメチルエーテル混入、水エマルジョン燃料など、現在でも様々な研究が続けられ考えられてはいるが、供給体制の整備や、使用者が補給を怠った場合の対策などの問題が出てくるため、大規模な実用化は進んでいない。

[編集] コモンレール方式

従来のディーゼルエンジンは燃料の“加圧”と“制御”の両方を燃料ポンプで行っていた。このようなポンプを「ジャーク式」といい、燃料噴射量・タイミングなどがすでに制御された状態で加圧を行うタイプである。通常はポンプ本体のほか、ガバナー(噴射量を制御する機構)やタイマー(噴射タイミングを制御する機構)が取り付けられ、ポンプの加圧能力と並んでエンジンの性能を決定する要素となっている。制御の機構は回転の遠心力やばねを利用した機械制御が中心で、一部電子制御が採り入れられているものもあるが、加圧能力がカムのリフト量のみで決まるため自ずと限界があり、加圧行為そのものを制御するという構造上その制御にも限界があった。

一方、「蓄圧式」といわれるコモンレールシステムでは、燃料の“加圧”はポンプ(サプライポンプ)に、“制御”はインジェクタ(噴射装置)に分担させている。金属製の頑丈なパイプ(レール)に高圧燃料を蓄えてから、各インジェクタで噴射を行うため、ポンプ側は無理なカムリフトや噴射制御から開放された。また電気式インジェクターは開弁行為のみを受け持ち、多段噴射(パイロット噴射)などの完全燃焼させるための理想的な噴射に近づく自由な制御が可能になった。高い圧力で燃料を噴射することができ、燃料をシリンダ内に勢いよく送り込めるため、燃料がシリンダ内にくまなく行き渡る。そしてコンピュータ制御のインジェクタが、燃料噴射のタイミング・量・勢いなどを細かく制御することができ、より完全燃焼に近づけることでPMを大幅に減らす装置である。

なお、硫黄分や灯油(炭素)分の多い不正軽油を使用すると燃料噴射装置などの故障を招きやすい。

世界で初めてコモンレール方式を実用化したのは日本のデンソーで、伊藤昇平、宮木正彦を中心としてECD-U2という名称で開発された。これは、1995年末に日野ライジングレンジャーに搭載された。1997年末にはドイツのボッシュ社で乗用車用が実用化された。コモンレールは、1960年代後半にスイスのRobert Huberがその原型を開発、スイス工科大学が中心となり研究が進んだ[1][2]

当時の開弁圧は90bar程度と低く、インジェクターの開弁も圧縮空気によるもので、そのためのエアーコンプレッサーを必要とした。1,400barを超える開弁圧と電子制御によるソレノイドピエゾ素子を用いたインジェクターを備えた現在のコモンレールとは文字通り隔世の感があるが、基本的な原理は同じである。

現在、コモンレールシステムの開発競争は激しくなっている。

省燃費と排ガス中のNOx低減のため、噴射時期と噴射量を個別に、しかも気筒別に制御することができる、コモンレール式に再び光があたることとなった。

[編集] ユニットインジェクション

メインポンプから送られた燃料の圧力を使い、インジェクター内で再度加圧する仕組み。パスカルの原理の応用。インジェクターごとに加圧機構を持ち、従来型のポンプでは不可能な高圧が簡単に得られることから、完全燃焼させやすく、燃費の改善に効果がある。フォルクスワーゲンアウディグループが燃費最優先の考えでこの方式を選んだ。電子制御コモンレール式の前段階の技術といわれたが日産ディーゼルでは現在も開発が進められている。

[編集] ディーゼル微粒子除去装置

(DPF・酸化触媒) 「DPF(Diesel Particulate Filter)」は、ディーゼルの排気ガスに含まれる粒子状物質(PM)を捕らえるセラミック製のフィルターのこと。 微細な穴により粒子状物質を捕らえる。 白金など貴金属を含む触媒物質を塗布してあり、排気ガスが300度以上の高温の場合、触媒が粒子状物質に対し即座に化学反応が起こり、粒子状物質は無色無臭の気体に変化し排出される。

DPF内の粒子状物質堆積による強制再生等も必要であるが、これは運転状況によって異なる。

なお、触媒の多くは硫黄に弱く、フィルターの目詰まりの原因となるため、低硫黄化された軽油以外(不正軽油)の使用はできないが、フィルターにセラミックを使わず、金網と炭化珪素繊維を用いた製品もあり、こちらは低硫黄軽油以外も使用可能である。

[編集] 尿素SCR還元システム

排ガス中のNOxをアンモニアと反応させて、窒素と水に還元する浄化触媒、大型トラックで既に導入されていて耐久性もあり、ベンツやVWが大型乗用車に採用する予定である。

尿素水の補給とシステム全体の取り付け場所に問題あるが、幅広い排ガス温度領域でNOx還元性能が高い。

[編集] NOx吸蔵還元触媒

排ガス中のNOxをリーン燃焼時に取り込み、その後にリッチ燃焼で還元させる触媒、筒内直噴ガソリンエンジンで採用されていた。

一般的に直噴ガソリンエンジンでは3元触媒、ディーゼルエンジンではDPFと組み合わせて使用される。

乗用ディーゼルエンジン用としては、欧州仕様アベンシスで採用されているPMとNOxを同時に還元するトヨタのDPNR、米国排ガス規制をクリアしたホンダの触媒内でアンモニアを生成してNOxを還元する2層式NOx吸蔵還元触媒、またベンツは尿素噴射を行わない尿素SCR還元システムにNOx吸蔵還元触媒を組み合わせている。

NOxを還元するのにリッチ燃焼が必要な事と、軽油内の硫黄分が触媒の機能を奪うのが欠点である。

[編集] 次世代燃料

エミッション低減の足かせとなる鉱物油由来の燃料に代わり、次世代のディーゼル燃料として注目されているのが、FT(Fischer Tropsch, フィッシャー・トロプシュ)合成油である、GTL(Gas To Liquid, ガス・トゥー・リキッド)燃料、BTL(Biomass To Liquid, バイオマス・トゥー・リキッド)燃料、CTL(Coal To Liquid, コール・トゥー・リキッド)燃料である。これらの燃料は、単体で、あるいは軽油に混合してディーゼルエンジンに使用することで、エミッションの低減が期待できる。

GTL燃料の原料は天然ガス、CTL燃料は石炭であり、軽油に比べセタン価が高く、SOxの原因となる硫黄分やPMを発生させるベンゼンキシレンなどの芳香族炭化水素をほとんど含まない。常温でも液体のため、CNG水素とは異なり、従来のインフラがそのまま生かせる点も大きなメリットとなる。ただし、硫黄が含まれないことから、潤滑作用の点で軽油に劣るため、添加剤で対応する必要がある。

一方BTL燃料は、植物を原料とし液体燃料として合成したもので、GTL・CTL燃料の性質に加え、燃焼時に排出されるCO2は植物が生長する際に吸収したCO2量と等しいとされることから、ほぼCO2イコールとなり、京都議定書の目標達成には非常に有効となる。植物全体を原材料とするBTL燃料は、植物の種子から得られる植物油燃料(BDF/バイオ ディーゼル フューエル、SVO/ストレート ヴェジタブル オイル)に比べ、同じ耕地面積から得られるエネルギーは倍以上と言われる。

これらの燃料は、生産量の増加に伴い価格も下がっていくと見られており、今後のディーゼル燃料の主流として期待されている。 高セタン価燃料であるため、単体専用ディーゼルエンジンとしてなら圧縮比を13–15へと低圧縮比化でき、エネルギー効率を上げ低燃費化できるのも利点である。

[編集] ディーゼル排出ガス規制

排出ガス規制に関しては、短期規制(1993年)→長期規制(1997年)→新短期規制(2002年)→新長期規制(2005年)→重量車燃費基準(2015年度)のように段階的に実施されている。

また、2002年施行の新短期規制を達成していないディーゼルエンジンを搭載した、用途が貨物かつ初度登録から7年を経過した車両は首都圏や兵庫県の一部に設定された特定地域に乗り入れができない(地域によって規制値は異なる)。 さらに、首都圏・中京圏・関西圏に指定された地域を使用の本拠とする車両は、上記の新短期規制と同程度の基準(車両総重量2.5t以下の貨物自動車および乗用車の場合、ただしPMは規制値の2分の1)を達成していなければ、新規登録および初度登録から8–12年目(車種よって異なる)以降継続車検が受けれなくなる自動車NOx・PM法による規制など、厳しい措置がとられている。

それでも、新短期規制値は規制物質によってはガソリン車のおよそ3倍であり、燃費がガソリン車より3割程度良くても規制物質の排出ガスが3倍では、環境にやさしいとは言えないとの批判もある[要出典]

国の新車排出ガス規制 型式
短期規制以前
1993年以前
記号がない1979年頃までに製造された車
K-, N-, P-, S-, U-, W-, KA-, KB-, KC-
長期規制
1997年
KE-, KF-, KG-, KJ-, KK-, KL-
(ハイブリッド)HA-, HB-, HC-, HE-, HF-, HM-
新短期規制
2002年
KP-, KQ-, KR-, KS-
(超低PM排出車)PA-, PB-, PC-, PD-, PE-, PF-, PG-, PH-, PJ-, PK-, PL-, PM-, PN-, PP-, PQ-, PR-
(ハイブリッド)HW-, HX-, HY-, HZ-
(ハイブリッド・超低PM排出車)VA-, VB-, VC-, VD-, VE-, VF-, VG-, VH-, VJ-, VK-, VL-, VM-, VN-, VP-, VQ-, VR-
新長期規制
2005年
ADE-, ADF-, ADG-, BDE-, BDF-, BDG-, CDE-, CDF-, CDG-, DDE-, DDF-, DDG-
(ハイブリッド)ACE-, ACF-, ACG-, BCE-, BCF-, BCG-, CCE-, CCF-, CCG-, DCE-, DCF-, DCG-
平成17年排出ガス規制参照のこと。
重量車燃費基準
2015年
重量車燃費基準参照のこと。

[編集] 主要メーカーリスト

[編集] 国内メーカー


[編集] 海外メーカー

[編集] 基幹部品メーカー

[編集] 関連項目

[編集] 参考文献

  • Diesel, Rudolf: Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung. Moers: Steiger Verlag, 1984.
  • ルドルフ・ディーゼル著 / 山岡茂樹訳・解説: ディーゼルエンジンはいかにして生み出されたか.東京: 山海堂 1993.8
  • Rauck, Max J.: 50 Jahre Dieselmotor : zur Sonderschau im Deutschen Museum. München: Leibniz-Verlag 1949.
  1. ^ ECD-U2 - 日本の自動車技術180選
  2. ^ デンソーテクニカルレビュー Vol.7 No.1 2002 (PDF)

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