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ディーゼル後処理装置各論 スス(Soot)対策 <DPF>

   粒子状物質(PM)を低減するための後処理システムとして、粒子をフィルタで物理的に捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)は有効性が高く関心を集めています。粒子状物質(PM)の中で、可溶有機分(SOF)は酸化触媒でも低減することができるので、DPFでは特にスス(Soot)の低減技術について注目を集めています。

  車載用DPFシステム実用化の大きな技術的課題は、DPFに捕集したPMの燃焼除去方法の確立にあります。DPFは、排気過程にフィルタを設ける仕組みですから、PMを捕集していくと、DPFの圧力損失は捕集量とともに増加し、最終的には車両の運転に支障をきたしてしまいます。DPFに捕集したPMを除去する方法の一つとして、これを酸素によって燃焼(=酸化)させる方法がありますが、空気中でススを燃焼させるためには約600℃の温度が必要とされます。実際、これまでに検討されてきた車載用DPFの多くは電気ヒーターや軽油バーナーなどを用いるなど、外部から二次エネルギーを供給してDPFを600℃程度にまで加熱し、PMを燃焼除去する方法が主流でした。酸素によってPMを強制的に燃焼させるシステムでは、PM燃焼時に発生する熱衝撃や過度の発熱によるDPFの損傷が大きな課題となります。

  一口にDPFといいましても、実はさまざまなタイプがあります。ここでは、フィルタに捕集・堆積したPMを除去してフィルタを再生する方式の違いに着目して分類していくことにします。再生方式により手動再生式、自動再生式、連続再生式に分けることができます。

  (1) 手動再生式DPFシステム

  環境 手動再生式DPFシステムとは、フィルターでPMを捕集し、自動車が稼働していないときに外部電源等を使用してフィルターを再生する方式のDPFです。間欠再生式DPFやバッチ再生式DPFと呼ばれることもあります。

  手動再生式DPFシステムは、再生時に外部電源等を使用する方式で、自動再生式と比較してエンジンや車両に大きな改造を必要としないで済みます。走行中はPMの捕集のみを行います。再生に手間を要しますが、システム自体はシンプルで価格も比較的安価に済み、車種や年式の制限がなく、改造に要する手間が少ない等のメリットがあります。また、フィルタの信頼性が高く消耗部品はありますがフィルターは衝撃等を加えなければ簡単なメンテナンスで非常に長く使用できます。さらに、触媒を使用していないことから、燃料中の硫黄分の影響を受けないため、必ずしも低硫黄軽油を必要とせず、現行軽油で適用可能です。

  しかし、フィルタに捕集できるPM量には限界があり、走行距離が制限されてしまい、エンジン整備状況、積載量、登坂走行の頻度、発進・停止頻度、ドライバの運転特性等により走行距離も大きく変化してしまいます。酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)の低減効果はありません。

  手動再生式DPFシステムは、さらに、運用後に車庫等に停止して、車両上でフィルタを再生するシステム(外部電源式)と、フィルタを取り外して交換するシステム(カセット式)とがあります。

  外部電源再生式DPFは、電気ヒーターと助燃エア供給装置を車両に搭載し、車庫に配置するコントローラーの電源コードを接続して再生を行うシステムです。

  カセット式DPFは、フィルタを車両から容易に取り外せる構造にして、適宜予備フィルタと交換し運用できることを特徴とします。外部電源再生式DPFよりも、柔軟な運用ができます。

  (2) 自動再生式DPFシステム

  環境 自動再生式DPFシステムとは、複数(通常二つ)のフィルタを用いて、PMの捕集とフィルタ再生を交互に繰り返す自動DPFシステムです。交互再生式DPFシステムと呼ばれることもあります。

  自動再生式DPFシステムは、自動で再生を行うため手間がかからず、走行距離等の制限を受けません。また、フィルターの再生は電熱線により行うことから、排気温度に影響を及ぼす走行条件の制約を受けません。さらに触媒を使用していないことから、燃料中の硫黄分の影響を受けないため、必ずしも低硫黄軽油を必要とせず、現行軽油で適用可能です。

  しかし、フィルターを複数(二つ)必要とし、取付けに際しては、マフラーの交換、大型発電機への交換作業を伴うため、取付けスペースに余裕があることが必要等、物理的な理由から装着できる車種が限定される。車両のオルタネータやバッテリーの容量増加が必要となり、フィルタも複数となることから取り付けには手間を要するとともに価格的にも手動再生式に比べるとかなり割高となります。

  酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)の低減効果はありません。

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(3) 連続再生式DPFシステム

   手動再生式DPFや自動再生式DPFは、文字通りのDPFで、基本的にはフィルタでPMを捕集し、フィルタを高温にしてPMを焼却する再生方式をとっています。フィルタによるPMの捕集、再生という考え方はとてもシンプルです。

  しかし、一般的なDPFである手動再生式や自動再生式ではPMの低減には効果はあっても、窒素酸化物(NOx)、炭素酸化物(CO)、炭化水素(HC)等の低減効果はほとんどありません。

  そこで、DPFと触媒等の技術を組み合わせて排出ガスをトータルで低減するとともにフィルタを連続的に再生するDPFシステムが研究開発されています。



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