【自動車用語辞典:吸排気系「EGR」】排気ガスを吸気ポートに循環させてNOx低減や燃費向上を実現する仕組み

■排ガス低減と燃費向上を実現した立役者

●ディーゼルでは機構が複雑になる点が欠点

EGRほど、排ガス低減と燃費低減に貢献している技術はありません。現在EGRは、ガソリンエンジンでは燃費向上手法として、ディーゼルエンジンではNOx低減手法として活用されています。

ガソリンエンジンとディーゼルエンジンそれぞれのEGRシステムについて、解説していきます。

●EGRとは

EGR(Exhaust Gas Recirculation:排出ガス再循環)は、CO2を主とする不活性の排出ガスを吸気側に戻して、吸入空気とともに燃焼室に導入するシステムです。排出ガスを含む吸気は、酸素濃度が低下するので燃焼温度が下がり、NOxが低減します。

ただし、EGR量の増加とともにシリンダー内の燃焼が不安定になるので、導入するEGR量には限界があります。EGR量は、ステッピングモーターやリニアソレノイドを使ったEGR弁で運転条件に応じて制御します。

●EGRの狙い

EGRによる燃焼温度の低下によって、以下のメリットが得られます。

・NOx低減
NOxは、2000K以上の燃焼時に窒素が酸素と(酸化)反応して生成します。EGRによって、酸素濃度が下がりNOxの生成量が減少します。

・冷却損失低減
燃焼温度が低下すると、燃焼室やシリンダー壁面から冷却水に奪われる冷却損失が低減します。

・ポンピング損失低減
ガソリンエンジンでは、排出ガスが吸気に導入されると、同一出力を得るためのスロットル開度が大きくなり、スロットル弁による吸気通路の絞り抵抗、ポンピング損失が低減します。

冷却損失とポンピング損失の低減によって、燃費が向上します。

●ガソリンエンジンのEGRシステムと効果

ガソリンエンジンでは、EGRの導入レスポンスを良くするために極力エンジン近傍の排気管にEGR通路を設置します。EGRガスは、スロットル下流から導入され、各シリンダーに均等に分配さます。

排出ガスについては、三元触媒でCOとHC、NOxを同時に低減できるため、EGRの狙いはNOx低減というより、冷却損失の低減とポンピング損失の低減による燃費の向上です。

燃費低減に効果的なポンピング損失の低減方法には、アトキンソン(ミラー)サイクルやリーンバーンなどがありますが、EGRは最もシンプルな方法です。

ガソリンエンジンのEGR
ガソリンエンジンのEGRは燃費向上に果たす効果が大きい

●ディーゼルエンジンのEGRシステムと効果

ディーゼルエンジンは通常過給エンジンなので、EGRシステムは複雑です。

過給エンジンでは排気ポートと吸気ポートの差圧が小さいので、EGRの導入位置は極力吸気圧の低い過給機の上流へ導入するのが望ましいです。また、ディーゼルの排ガス中には煤を主成分としたPM成分があるので、EGR系の詰まりを防止するため、EGR通路は触媒の下流に設置します。

また、過給エンジンは過給機の圧縮によって吸気温度が上がるので、EGR経路にもEGRクーラーを装着してEGRガス温度を低減します。

ディーゼルエンジンの場合は、もともとスロットル弁がなくポンピング損失はほとんどないため、EGRの効果はNOx低減です。

EGRを導入するとNOxは低減しますが、一方で酸素不足に起因する煤を主にするPMが増加します。NOxとPMがトレードオフ関係にあるため、ディーゼルエンジンの排出ガス低減はガソリンエンジンに比べると、はるかに難易度が高いです。

したがって、ディーゼルの排出ガス低減は、EGRだけでなく燃焼制御や触媒技術と組み合わせながら高精度かつ複雑な制御を行う必要があります。

ディーゼルエンジンのEGR
ディーゼルエンジンのEGRはNOx低減に効果がある
NOxとPMのトレードオフのグラフ
EGRの量を増やすとNOxは低減するがPMが増える

EGRシステムは古くから採用されている基本技術ですが、規制の強化とともに高度な制御が要求されています。

特にディーゼルエンジンにおいては、EGR制御とともに噴射システムや過給システム、後処理システムなどと連携を取りながら、燃費と排出ガス性能の両立を図っています。

(Mr.ソラン)