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ディーゼル後処理装置各論 窒素酸化物(NOx)対策 <NOx触媒>

  コモンレール式電子制御噴射装置による燃焼改善や排気ガス再循環EGR等のエンジン自体の開発・改良だけでは、排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)や粒子状物質(PM)の大きな低減は難しいといえます。NOxはいわば燃焼により生成されるものであり、PMはいわば未燃焼により生成されるものですから、NOxの低減とPMの低減とはトレードオフの関係(簡単にいえば、あちらを立てれば、こちらが立たず、という関係です。)にあります。したがって、後処理技術の開発が必要不可欠となっているのです。

  ■窒素酸化物(NOx)対策 <NOx触媒>

  窒素酸化物(NOx)を、排気系で効果的に低減する目的で、NOx触媒の研究・開発が進められています。

  触媒とは、簡単にいえば、排気ガス中の物質(ここではNOx)を還元剤と呼ばれる物質で酸化させて(つまり化学反応=燃焼を起こさせて)、有害な物質から無害な物質へと還元しようというシステムです。

  しかしながら、ディーゼルエンジンの排気組成は常に酸素過剰領域にあり、しかも還元剤となる成分が極めて少なく、温度領域も広範囲にわたるため、触媒にとっては非常に困難な環境にあります。

  NOx触媒の種類としては、還元剤を必要としない直接分解型触媒、炭化水素(HC)を還元剤とする選択還元触媒(リーンNOx触媒)、アンモニア・尿素等を還元剤とする選択還元触媒(SCR:Selective Catalytic Reduction)、NOx吸蔵還元触媒に大別されます。

  (1) 直接分解型触媒

  直接分解型触媒は、活性温度領域が高いことと、酸素共存下では著しく活性が低下するのが現状で、まだ実用化の検討レベルではありません。

  (2) 選択還元触媒(SCR)

  選択還元触媒(SCR)は、直接分解型触媒に比して活性が高く、最近の研究開発はほとんどが選択還元触媒に関するものです。

  ディーゼルエンジンの排ガス中には還元剤となる炭化水素(HC)が微量しか含まれておらず、還元剤の添加が不可欠となります。還元剤としては、実用性を考慮するとディーゼル燃料である軽油が最適です。また、ディーゼル車の排気温度は、大型車用のD13モードで焼く100~550℃、小型車用の10.15モードで約100~350℃の範囲にあります。これに対して選択還元触媒の対応温度は一般的に狭く、排気温度範囲の一部でしかNOxを浄化できないのが現状です。

  尿素を還元剤として用いる尿素還元型選択触媒は、還元剤としてNH3を用いた選択還元反応によるもので、現在、尿素水溶液を排気管路中の選択触媒上流に噴射することでNH3を得る方法が提案されています。これはディーゼルエンジンの排気ガス中のような酸素濃度が高い排気ガス条件下でも定量的にNOxと反応することから高い浄化率が期待されています。もっとも、低負荷時の浄化率が低いこととや、尿素水溶液の供給方法等の問題など解決されるべき課題も残されています。

  (3) NOx吸蔵還元触媒

  NOx吸蔵還元触媒は、通常運転時はNOxを硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し、間歇的に還元雰囲気中でNOxを浄化する方式の触媒です。ガソリンバーン用触媒として既に実用化されていますが、エンジンの状態を吸蔵(リーン)と還元(リッチ)を交互に繰り返す必要があり、ディーゼルエンジンへの応用は燃焼の面からも、また燃料中の硫黄の面からも今後の研究に待たれるところが大きいといえます。

  浄化率は、新品時最大90%以上であり、実用運転でも50~70%程度が期待できます。30秒から1分程度の周期で数秒間還元雰囲気にする運転制御が必要であり、この際の黒煙増加、燃費悪化、還元雰囲気切替時のトルク変動などが問題となります。

  NOx吸蔵触媒の最大の問題は、硫黄分による吸蔵性能の低下=被毒劣化です。燃料や潤滑油中の硫黄分に起因するSOxは、NOxよりも触媒に吸蔵されやすい。このSOxの脱離=被毒再生には触媒を600℃程度で数分間保持する必要があります。超低硫黄軽油でも被毒劣化するので、NOx吸蔵触媒の実用化には、燃料、触媒、制御の各方面からの課題解決が必要といえます。さらに、エンジン側(燃料噴射)の精密な制御が必要であることから、新車対応の技術であり、使用過程車への適用は困難といえます。

  なお、NOx触媒はNOxの低減を目的とした触媒であるため、黒煙の元となっているスス(Soot)については低減効果はありません。



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