「排気再循環」の版間の差分

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{{出典の明記|date=2021-09}}

'''排気再循環'''（はいきさいじゅんかん、英語：{{lang-en|'''E'''xhaust '''G'''as '''R'''ecirculation）ecirculation}}）とは、自動車用の小型[[内燃機関]]において燃焼後の[[排気ガス]]の一部を取り入れ、再度吸気させる技術（手法あるいは方法）である。主として排気ガス中の[[窒素酸化物|窒素酸化物]]（NO_x）]]低減や部分負荷時の[[燃費]]向上抑制を目的としている。英語表記の頭文字をとって通称'''EGR'''と呼ばれる。

== 概要 ==

内燃機関において、燃焼後の排気ガス中には[[酸素]]は含まれていないか、もしくは希薄な状態にある。この排気を[[吸気]]と混ぜると吸気中の酸素濃度が低下することにより、

* [[大気]]より酸素濃度が低い状態での燃焼によって（ピーク）燃焼温度が低下する。この燃焼温度の低下によりNO_xの発生が抑制される。

* 燃焼温度の低下は、[[シリンダーブロック|シリンダ]]および[[燃焼室]]壁面や[[ピストン]]表面からの[[熱|熱エネルギー]]放散を低減し、[[熱解離]]による損失の低減にも若干ながら寄与する。加えて[[ノッキング]]の抑制にも寄与している。

* [[ガソリン機関]]では部分負荷時にEGRを導入すると、EGRを導入しない場合と比べて[[インテークマニホールド|吸気管]]負圧を小さく出来できるため、[[ポンピングロス|スロットル損失]]の減少により[[燃料消費率]]が向上低減する。あたかも、より小[[排気量]]のエンジンを高負荷で使用するのと同等の効果が得られる。

EGRによる還流量は、ガソリン機関の場合、吸気量の最大15 %程度であり、車両環境や走行条件に応じて常に最適量に制御される。車両重量に比してエンジン出力の小さい大型[[ディーゼルエンジン|ディーゼル]]車両では、比較的高負荷においても[[自動車排出ガス規制|排出ガス基準]]をクリアしなければならないためにEGRの適用範囲が広い{{efn|ただし[[スカニア]]のように、EGRを使用せずに[[尿素SCRシステム]]と燃焼制御のみで排出ガス制御を行うメーカーも存在する<ref>{{Cite web|url=https://fullload.bestcarweb.jp/column/368613|title=自慢のV8エンジンはまだまだ健在!! 日本でも多方面で活躍しているスウェーデンのトラックメーカー「スカニア」を徹底解説!!【世界のトラック】|publisher=[[講談社ビーシー]]（fullload web）|date=2023-04-10|accessdate=2025-09-10}}</ref>。}}。

== 歴史 ==

EGRは、[[三元触媒]]が実用化される以前の[[1970年代]]に、ガソリン機関において[[三元触媒|酸化触媒]]では浄化できないNO_xの低減対策として導入された。しかし、還流量や燃料噴射量を精密に制御できない場合には、燃焼を安定させるために吸気[[空燃比|混合比]]を高く（リッチに）設定せざるを得ず、むしろ[[燃費]]が悪化する結果を生んだ。その後、制御技術が向上し、また三元触媒が実用化された現在では、排出NO_x対策よりも燃費向上抑制目的で用いられている。

原理上[[スロットル]]バルブが不要なディーゼル機関<ref>{{Efn|アイドル時のエンジン振動と吸気騒音を低減する目的や、コンバインド[[調速機|ガバナー]]のための負圧を得る目的でスロットルバルブを設ける場合もがある。</ref>}}においては、スロットル損失の低減効果は無ないので、[[1980年代]]後半より主としてNO_x低減目的でのEGRが行われている。また、排気中に存在する多量の[[二酸化炭素|二酸化炭素]]（CO₂）]]および[[水蒸気]]は大気に比べ[[比熱容量]]が高いので、若干の燃料消費率向上抑制にも役立っている。

== 技術 ==

[[File:EGR Renault Energy dCi 130.JPG|thumb|right|[[:en:Renault R-Type engine|ルノー・R9M型エンジン]]の外部LPL-EGRシステム。下部から順に、EGRクーラ、EGRバルブ、吸気ダクト（コンプレッサ前）]]

[[File:EGR Volkswagen 2.0 TDI.JPG|thumb|right|[[:en:List of Volkswagen Group diesel engines|フォルクスワーゲン]]・[[TDI (自動車)|2.0TDIエンジン]]の外部LPL-EGRシステム。下部がEGRバルブ・クーラ。上部が吸気ダクト（コンプレッサ前）]]

実用化されているEGR手法には、大きく分けて「内部EGR」と「外部EGR」の2つに分類される。前者は、[[バルブオーバーラップ]]や吸排気バルブの開閉時期を調整する事ことなど何らかの手法で排気ガスを再循環させる手法である。後者は、[[インテークマニホールド|吸気マニホールド]]および[[エキゾーストマニホールド|排気マニホールド]]をパイプ等で接続し、中間に設けた制御[[バルブ]]の開度や開弁時間を変化させて開閉および流量調整を行う。

理論上、EGR量を変えて行いけばガソリン機関のスロットル廃止もが可能であるが、EGR導入時は燃焼が緩慢となり、[[アイドリング]]等の超低負荷時や[[冷間始動]]時は[[失火]]を起こす等の理由により実用化されていない。EGRと[[リーンバーン|希薄燃焼]]技術は大いに関連性を持ち、さらには[[ガソリン直噴エンジン|ガソリン直噴]]技術もは希薄な混合気下でいかに安定した燃焼を得るかを課題としたものである。

=== 内部EGR ===

{{seealso|バルブオーバーラップ}}

内部EGRは、バルブオーバーラップの利用や排気バルブの閉時期を調整することで排気ガスを再循環させる手法である。

内部EGRは、バルブオーバーラップの利用や排気バルブの閉時期を調整する事で排気ガスを再循環させる手法である。もっとも多く用いられるのはバルブオーバーラップの利用で吸排気ポートの圧力差により排気ガスを再循環する方法である。しかし圧力差が不安定であるためEGRの制御には限度がある。オーバーラップ以外の手法としては、排気バルブの閉弁を吸気工程途中まで遅らせる事で排気ポートからの再導入（排気遅閉じ・吸気遅開き）、排気工程で吸気バルブを早期に開弁する事で吸気ポートに排ガスを逆流させての再吸気、吸気工程で排気バルブの一時開弁、排気バルブを排気工程途中で閉弁し排気ガスを残留させる、など多岐にわたる。この中で多く用いられているのは排気遅閉じ・吸気遅開きである（後述）。

外部装置ではなく動弁系で対応できるためスペースを抑えられ、構造も単純にできる利点がある。運用上においても高温の排気ガスに晒されたりカーボン等の堆積により動作不良を起こす可能性がある外部EGR装置と比べてロバスト性に長けるというメリットもある。

排ガス清浄性ではNOx低減もあるが外部EGRに比べると[[炭化水素|炭化水素（HC）]]低減への効果が大きいとされる。これは内部EGRで再導入される排気工程末期の排気ガスには、消炎領域で発生する未燃焼ガス（HC）が多く含まれる為で、それを再燃焼させることでHCが低減されるためである。

古くよりバルブオーバーラップを広くとった場合に一定負荷領域での省燃費性（主にポンピングロス低減から）や排ガス清浄性が良好となる事は知られておりEGRとしての利用は考えられていたが、固定バルブタイミングでは変動する負荷や回転数に対応出来ず限定的な利用に留まっていた。しかし[[可変バルブタイミング機構|可変バルブ機構]]の登場により[[バルブタイミング]]を可変する事でオーバーラップ量や排気の閉弁時期を変化させる事が可能となり、内部EGRを状況に合わせて利用出来るようになった。これが可変バルブタイミング機構を採用する理由の一つともなっている。特に吸気側に加え排気側にも可変バルブタイミングを採用した場合に於いては、より積極的な排気の導入が可能となる。例えば排気カムを遅角する事で吸気工程の途中まで排気バルブを開いておく事も可能であり、更に吸気カムも遅角し遅開きとする事でオーバーラップを最小限にしつつEGRを行う事も可能である。この手法はカム位相が吸排気同時に変化してしまうOHVやSOHCでも利用できる。内部EGRに対しては吸気側より排気側の制御が有効なため一部ではあるが排気側のみを可変バルブタイミングとするケースもあり、排気側を可変バルブタイミングとする事で外部EGR装置を省くケースもある。

内部EGRは、バルブオーバーラップの利用や排気バルブの閉時期を調整する事で排気ガスを再循環させる手法である。もっとも多く用いられるのはバルブオーバーラップの利用で、吸排気ポートの圧力差により排気ガスを再循環する方法である。しかし圧力差が不安定であるため、EGRの制御には限度がある。オーバーラップそれ以外の手法としては、排気バルブの閉弁を吸気工程途中まで遅らせる事ことで排気ポートからの再導入（排気遅閉じ・吸気遅開き）、排気工程で吸気バルブを早期に開弁する事ことで吸気ポートに排ガスを逆流させての再吸気、吸気工程で排気バルブの一時開弁、排気バルブを排気工程途中で閉弁し排気ガスを残留させる、など多岐にわたる。この中で多く用いられているのは排気遅閉じ・吸気遅開きである（後述）。これらは外部装置ではなく動弁系で対応できるため、スペースを抑えられ、構造も単純化できる利点がある。運用上においても、高温の排気ガスに晒されたりカーボン等の堆積により動作不良を起こす可能性がある外部EGR装置と比べ、ロバスト性に長けるというメリットがある。

一方で、外部EGRに比べ、ガス量の制御性や導入量では劣り、導入ガスの温度も高いというデメリットが存在する。この温度が高いというのは外部EGRとの比較した場合の導入ガスの温度であり燃焼温度はEGR未導入時と比較すると低い。これにより[[6ストローク機関]]の競技用エンジンでは、これでエンジン温度の低下を防いでいる。

排ガス清浄性ではNOxNO_x低減もがあるが、外部EGRに比べると[[炭化水素|炭化水素（HC）]]（HC）低減への効果が大きいとされる。これは内部EGRで再導入される排気工程末期の排気ガスには、消炎領域で発生する未燃焼ガス（HC）が多く含まれる為ためで、それを再燃焼させることでHCが低減されるためである。

古くよりからバルブオーバーラップを広くとった場合に一定負荷領域での省燃費性（主にポンピングロス低減から）や排ガス清浄性が良好となる事ことは知られており、EGRとしての利用は考えられていたが、固定バルブタイミングでは変動する負荷や回転数に対応出来できず限定的な利用に留まっていた。しかし[[可変バルブタイミング機構|可変バルブ機構]]の登場により、[[バルブタイミング]]を可変す化させる事ことでオーバーラップ量や排気の閉弁時期を変化させる事ことが可能となり、内部EGRを状況に合わせて利用出来できるようになった。これが可変バルブタイミング機構を採用する理由の一つともなっている。特に吸気側に加え排気側にも可変バルブタイミングを採用した場合に於いては、より積極的な排気の導入が可能となる。例えば排気カムを遅角する事ことで吸気工程の途中まで排気バルブを開いておく事もことが可能であり、更に吸気カムも遅角し遅開きとする事ことでオーバーラップを最小限にしつつEGRを行う事もことが可能である。この手法はカム位相が吸排気同時に変化してしまう[[OHV]]や[[SOHC]]でも利用できる。内部EGRに対しては吸気側より排気側の制御が有効なであるため、一部ではあるが排気側のみを可変バルブタイミングとするケースもありや、排気側を可変バルブタイミングとする事ことで外部EGR装置を省くケースもがある。

一方で、外部EGRに比べ、ガス量の制御性や導入量では劣り、導入ガスの温度もが高いというデメリットが存在する。この温度が高いというのは外部EGRとの比較した場合の導入ガスの温度比較であり、燃焼温度はEGR未導入時と比較すると低い。これにより[[6ストローク機関]]の競技用エンジンでは、これでエンジン温度の低下を防いでいる。

=== 外部EGR ===

排気バルブからのガスの引き戻しではなく、排気経路と吸気経路を配管等で接続する事ことでガスの再循環を行い、中間に設けた制御[[バルブ]]の開度や開弁時間を変化させて開閉および流量調整を行う。また経路中に熱交換部位を設ける事ことでガスの冷却もが可能となる。一方で流入経路は常に排ガスに晒されるため、カーボン等が堆積しやすく、制御バルブなどの可動部の固着で動作不良が生じる場合がある。

高温のままでのEGR導入では吸気密度[[充填効率]]の低下を無視出来できないため、今日の外部EGRを採用する殆ほとんどの機関は[[熱交換器]]によるEGR冷却機構を持つ（EGRクーラーを用いるクールドEGRやクールEGR。）EGR）<ref name=Isuzu_tech> {{citeCite web|和書|url=http://www.isuzu.co.jp/technology/d_databook/tech/tech_03.html|title=吸気系の制御を行うエアマネジメント技術|publisher=[[いすゞ自動車]] |accessdate=2007年7月-07-25日 |archive-url=https://web.archive.org/web/20070525055121/http://www.isuzu.co.jp:80/technology/d_databook/tech/tech_03.html |archive-date=2007-05-25 |url-status=dead |url-status-date=2024-09-26}}</ref>。多くはエンジン冷却水を冷却材として用い、熱交換器で吸収した熱は[[ラジエーター]]により排熱するが、これによりラジエーターに必要な放熱量は最大で30 %程度増加する。これは冷却ファンの大型化その他による重量増を招く<ref name=Hino_PR>{{citeCite web|和書|url=http://www.hino.co.jp/j/corporate/newsrelease/pressrelease/backnumber/2003/hnt_release20030918.html|title=日野自動車プレスリリース NO.03-028 2003年9月18日|publisher=[[日野自動車]] |accessdate=2007年1月-01-16日 |archive-url=https://web.archive.org/web/20051124060132/http://www.hino.co.jp:80/j/corporate/newsrelease/pressrelease/backnumber/2003/hnt_release20030918.html |archive-date=2005-11-24 |url-status=dead |url-status-date=2024-09-26}}</ref>。

ガソリン機関では本格的なクールドEGRを採用することはあまり多くはなかったが、[[日本車]]では[[トヨタ・プリウス|トヨタ・プリウス（ZVW30）]]の[[トヨタ・ZRエンジン|2ZR-FXE型]]、[[レクサス・RX|レクサス・RX（GYL1#）]]の[[トヨタ・GRエンジン|2GR-FXE型]]、[[マツダ・デミオ|マツダ・デミオ（DE）]]の[[マツダ・SKYACTIV-G|P3-VPS型]]など燃費を重視した車両から採用されはじめ、後には軽自動車を含め多くの機種に採用されるようになった。また、クールドEGRではない外部EGRにおいても本格的な熱交換部位は器がなくとも、EGR装置に簡易的な熱交換部位の配管を設けたエンジン内の冷却水と接するように取りまわることや、流入経路を工夫するなど、クールドEGRとは言いえないまでも何らかの形でガス温度の低下を図っている場合もが多い。クールドEGRは[[ノッキング]]対策にも有効であり、従来は[[点火時期]]を遅角（[[熱効率]]悪化)）させることでてノッキングを回避していた領域においても点火時期を維持する事がことでき、出力と省燃費性のを向上させるのには欠かせない技術となっている。

また、[[ターボチャージャー]]等の[[過給機]]を備えた機関で高負荷時にEGR導入を行おうとすると、吸気管内圧力が排気管内圧力よりも高くなり、単純なバルブの開閉だけでは導入できない事態が発生する。このため、EGR制御バルブに[[チェックバルブ|逆止弁]]機能を設ける<ref name=Isuzu_tech />、ターボチャージャーの[[可変ノズルターボ|可変ノズル]]を制御して背圧を高める、吸気行程中に排気バルブを僅わずかに開放し、排気ポート内の他シリンダからの燃焼済ガスを再吸入する等の対策が採られている<ref name=Hino_PR />。更に近年では、低圧EGR（LPL-EGR、'''L'''ow '''P'''ressure '''L'''oop-EGR）という対策も存在する。これは、従来のEGR（高圧EGR）は排気タービン手前から吸気コンプレッサ後に排気ガスを還す形であるが、低圧EGRでは排気タービン後から吸気コンプレッサ手前に還すものであり、過給圧の影響を受けずにEGRの導入を可能とするものである。EGRクーラーでの冷却によって生ずる凝縮水がコンプレッサを損傷させる等、主に信頼性の面での課題が存在したが、近年になって実用化された。ガソリン機関における低圧EGRの初採用例は、2014年7月に[[モデルチェンジ|マイナーチェンジ]]を行った[[日産・ジューク]]の[[日産・MRエンジン|MR16DDT型]]である。

さらに近年では、低圧EGR（{{En|LPL-EGR、'''L'''ow '''P'''ressure '''L'''oop-EGR}}）という対策が存在する。これは、従来のEGR（高圧EGR）は排気タービン手前から吸気コンプレッサ後に排気ガスを還す形であるが、低圧EGRでは排気タービン後から吸気コンプレッサ手前に還すものであり、過給圧の影響を受けずにEGRの導入を可能とするものである。EGRクーラーでの冷却によって生ずる凝縮水がコンプレッサを損傷させる等、主に信頼性の面での課題が存在したが、近年になって実用化された。ガソリン機関における低圧EGRの初採用例は、2014年7月に[[モデルチェンジ|マイナーチェンジ]]を行った[[日産・ジューク]]の[[日産・MRエンジン|MR16DDT型]]である。

EGR経路上に「改質器」を置き、排気ガスと燃料を[[触媒]]に反応させて[[水素]]を生成し、これを吸気側に戻して筒内燃焼を促進させる「燃料改質エンジン」の研究が進められている。2025年の実用化を目指す日産は、改質器内部の触媒に[[ロジウム]]を主成分としたものを採用。2019年に試作した直列4気筒ガソリンエンジンでは3.6パーセントの燃費向上効果が確認された<ref>{{Cite news |url=https://tech.nikkeibp.co.jp/dm/atcl/column/15/198610/041200095/ |title=注目集まる「燃料改質エンジン」とは何か |author=清水直茂 |newspaper=日経 xTECH |publisher=[[日経BP]] |date=2016-04-13 |accessdate=2019-11-30 }}</ref><ref>{{Cite news |url=https://tech.nikkeibp.co.jp/atcl/nxt/column/18/00001/03243/ |title=日産が燃料改質エンジン量産に前進、世界最高効率への切り札　直列4気筒に |author=清水直茂 |newspaper=日経 xTECH |publisher=日経BP |date=2019-11-26 |accessdate=2019-11-30 }}</ref>。

EGR経路上に「改質器」を置き、排気ガスと燃料を[[触媒]]に反応させて[[水素]]を生成し、これを吸気側に戻して筒内燃焼を促進させる「燃料改質エンジン」の研究が進められている。2025年の実用化を目指す[[日産自動車]]は、改質器内部の触媒に[[ロジウム]]を主成分としたものを採用。2019年に試作した直列4気筒ガソリンエンジンでは3.6パーセントの燃費向上抑制効果が確認された<ref>{{Cite news |url=https://techxtech.nikkeibpnikkei.co.jpcom/dm/atcl/column/15/198610/041200095/ |title=注目集まる「燃料改質エンジン」とは何か |author=清水直茂 |newspaper=日経 xTECH |publisher=[[日経BP]] |date=2016-04-13 |accessdate=2019-11-30 }}</ref><ref>{{Cite news |url=https://tech.nikkeibpxtech.conikkei.jpcom/atcl/nxt/column/18/00001/03243/ |title=日産が燃料改質エンジン量産に前進、世界最高効率への切り札　直列4気筒に |author=清水直茂 |newspaper=日経 xTECH |publisher=日経BP |date=2019-11-26 |accessdate=2019-11-30 }}</ref>。

== 脚注 ==

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=== 注釈 ===

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=== 出典 ===

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== 関連項目 ==

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* [[バルブオーバーラップ]]

* [[ポンピングロス]]

== 参考文献 ==

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<references/>

== 外部リンク ==

*[httphttps://www.honda.co.jp/factbook/auto/fit/200106/09.html EGR使用例（Honda Fit Fact Book）]

{{自動車部品}}

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[[Category:エンジン内燃機関]]

[[Category:自動車エンジン技術]]

[[Category:自動車環境技術]]