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ディーゼル後処理装置各論 連続再生式DPFシステム

  連続再生式DPFシステムとは、フィルターで粒子状物質(PM)を捕集し、触媒の作用で比較的低温で連続的にフィルターを再生するシステムです。連続再生式は、触媒を用いたPMの燃焼反応機能をもったシステムであり、条件が整えば外部からの二次エネルギーを供給することなく長期間使用できます。

  連続再生式DPFシステムの代表的なものには、NO2による酸化方式と酸化触媒方式とがあります。

  (1) 連続再生式DPF(NO2による酸化方式)

  フィルタの前に配置した酸化触媒により生成させたNO2を用いて、フィルタで捕集したPMを比較的低温で連続的に酸化除去し、フィルタを再生する方式です。 環境 このタイプのDPFとしては、ジョンソン・マッセイ・ジャパン社のCRT(Continuously

  Regenerating Trap)があります。CRTは、NO2を用いてPMを燃焼させることを特徴としており、上流側に酸化触媒が設置され、その下流にDPFが配置された構成となっています。CRTにおけるPMの酸化反応は、酸化触媒上で排ガス中のNOから生成するNO2によって行われます。酸素雰囲気では450~500℃でPMの燃焼が始まるのに対して、NO2との反応は200℃近傍から始まり、より低温でPMを燃焼させることができます。

  CRTは化学反応を利用したPMの燃焼機能を持つシステムですから、システムが機能するための適切な操作条件が存在します。

  CRTのPM燃焼特性は燃料中の硫黄分濃度の影響を受け、燃料中の硫黄分濃度が低いほどPMの燃焼特性が向上します。燃料中の硫黄分濃度が低くなるにつれてNO2への転化率は向上し、かつピーク温度も低温側にシフトします。また燃料中の硫黄分濃度が高い場合には、排ガス中のSO2が酸化されてサルフェートを生成し、これがPM増加の原因となってしまいます。CRT操作条件として、燃料中の硫黄分濃度が低い低硫黄軽油を使用することが必要となります。

  CRTはPMだけでなくCOおよびHCも除去します。

 □酸化触媒上での反応
環境 ・1/2NO+O2→NO2
 ・HC+O2→CO2+H2O
 ・CO+1/2O2→CO2
 ・SO2+1/2O2→SO3
 □DPF上での反応
 ・2NO2+C→2NO+CO2
 ・NO2+C→NO+CO


  上記の式・、・から明らかなようにC(スス)の燃焼に必要なNO2の量は重量比で8~4となり、これはCRTの操作条件となります。PMを完全に燃焼させるためには化学両論比で8以上のNOx/PM比の排出条件が必要となります。

  CRTは、簡便なシステムでありながら、理論的には非常に高いCO、HCおよびPM除去効率を維持しつつ長期間使用可能なシステムといえます。

  しかし、低硫黄軽油を使用しなければならないこと、NO2生成に必要な温度に達しなければならないこと、PMを燃焼させるために必要なNO2量の指標となるNOx/PM比となること、などのさまざまな操作条件があり、実際上これらの条件をクリアすることが難しく、逆にPMが増加したり、再生が不十分な状態で連続使用した場合、背圧の上昇により加速性能が悪化するとともに、蓄積したPMが一気に燃焼することによりフィルターが溶損するおそれが指摘されています。

  (2) 連続再生式DPF(酸化触媒添加型)

  フィルタに担持した触媒の作用で、フィルタで捕集したPMを比較的低温で連続的に酸化除去し、フィルタを再生する方式です。

  酸化触媒を担持することにより、触媒の作用でPMの燃焼温度を4~5割程度低温化することができます。また、PMだけでなくCOやHCにも低減効果があります。

  燃料中の硫黄分の作用を受けにくいため、CRTほどには燃料中の硫黄分濃度は大きく影響しないので現行軽油でも使用可能です。しかし、やはり高負荷時にサルフェートが生成されてPMの低減率が低くなるため、低硫黄軽油の使用が望ましいとされています。

  酸化触媒添加型DPFは、フィルターの再生に触媒を利用して行うことから、酸化触媒と同様の問題点があります。つまり、排気温度が300℃程度以上となる走行が一定比率以上必要となります。このため、排気温度が低温となる低速走行で長時間走行する車両や乗用車には適用が困難です。また、NOxについて低減効果はほとんど期待できません。さらに再生が不十分な状態で連続使用した場合、CRTと同様、背圧の上昇により加速性能が悪化するとともに、蓄積したPMが一気に燃焼することによりフィルターが溶損するおそれも指摘されています。

  (3) 連続再生式DPF(強制再生型)

  酸化触媒添加型連続再生式DPFシステムと基本的な排ガス低減の考え方は同じですが、フィルタの強制的な再生を行うシステムも研究・開発されています。

  酸化触媒添加型DPFの場合、排気温度が触媒が必要とする燃焼温度よりも高ければ連続的な再生が可能となりますが、排気温度が低い場合にはPMは燃焼せず、フィルタに蓄積されていくことになってしまいます。そこで、排気温度の低いエンジン条件が継続する状況では強制的な再生を行なう手段が考えられています。

  現時点では、未だ研究開発途上であり確立されたシステムが存在するわけではありません。

  強制再生の手段としては、燃料にセリウム(CeO2)を添加してススの酸化温度を下げる方法やエンジン燃焼後期に少量の燃料を燃焼室内に噴射して、この燃料を酸化触媒で燃焼させることにより排気ガス温度を高めるような方法が考えられています。

  もっとも、強制再生型DPFは、精密な燃料噴射制御等のエンジン本体での対応が必要ですから、使用過程車に適用することはできません。



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