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尿素レス小中型ディーゼル車用のメンテナンスフリーNOx,PM同時低減後処理システムの開発

開発した後処理システムの構成

図1 開発した後処理システムの構成

NOx,PM同時低減触媒の反応メカニズム

図2 NOx,PM同時低減触媒の反応メカニズム

都市内走行モードの排出ガス低減効果

図3 都市内走行モードの排出ガス低減効果

1.概要

 ディーゼルエンジンは熱効率に優れ,低燃費であるため商用車用のエンジンとして広く利用されている.一方,排出ガス中のNOx,PM(Particulate Matter:粒子状物質)の低減が求められている.日本および欧米先進国において大型ディーゼル商用車の後処理装置として尿素SCR(Selective Catalytic Reduction:選択的触媒還元)+フィルターシステムが実用化されているが,尿素水のインフラ整備は十分ではない.特に小型・中型ディーゼル商用車は都市内,郊外,地方など狭いエリア内での走行が多く,尿素水インフラが整っていない地域では適用が難しい.この問題を解決するために,世界で初めて軽油を還元剤としたHC-SCR反応により,尿素レスでNOx低減する後処理システムを実用化した.更に触媒には,活性酸素を多く持つセリア(酸化セリウム:CeO2)により,NOx,PMの同時低減を実現した.

2.技術の内容

 新開発のNOx,PM同時低減システムにおける最大の特徴は,尿素水を用いることなく,同一触媒コンバータ上でNOxとPMの同時低減することにある.本システムでは,排出ガス中のNOx低減とフィルター上に捕集した煤の再生には軽油を使用するため,定期的な尿素水の供給が一切不要であり,従来の車両と同様に軽油のみの供給で走行可能である.図1に開発したNOx,PM同時低減後処理システムの構成を示す.排気後処理装置はATC(After Turbo Catalyst:小型酸化触媒),燃料添加弁,前段酸化触媒,フィルター,HC-SCR触媒から構成される.触媒を搭載したコンバータにはNOxの還元剤として軽油を燃料添加弁で供給する.エンジン制御用ECUが触媒コンバータに装着した温度センサー,NOxセンサーにより触媒の使用環境を精度よく推定し,最適な燃料を添加することによりNOx低減性能を最大限引き出すように制御している.更に,フィルターの再生時間を短縮させるためには,昇温モード運転時に酸化触媒の温度を急速に昇温する必要がある.そこで,エンジンターボ出口直下に新たにATCを搭載しATCの早期活性化を行い,排気菅への燃料添加によるフィルターの再生を併用することでフィルター再生時間の大幅な短縮を実現した.

 図2にNOx,PM同時低減触媒の反応メカニズムを示す.PMの酸化反応では,セリアの活性酸素により煤の酸化開始温度を低温化させ,PM酸化燃焼の促進を図った.更に,NOx低減反応では,セリアからの活性酸素の供給を行うことで中間体である含酸素化合物の生成を促進しNOx低減性能向上を図った.

 本後処理システムを使用し,都市内走行モード運転時における排出ガス低減効果を図3に示す.本システムは,同一触媒コンバータ上で,NOx,PM低減だけでなくNMHC(Non-Methane Hydro-Carbon),COの低減についても大幅低減を可能にした.

3.まとめ

 NOx,PM同時低減システムを搭載した車両は尿素SCRシステムを採用した車両に対し,SCR触媒,尿素タンク等が不要である.そのため,後処理システムがコンパクトで,架装性,搭載性に優れており,ユーザーからの架装の要望に応えることが可能である.

 2010年から国内,中小型車において販売を開始し10.7万台の生産実績を有する.

 今回,本後処理システムは日本国内のポスト新長期規制への対応で適用したが,今後,新興国で導入される排出ガス規制に適応可能な後処理技術であり,尿素水のインフラ整備がされていないアジア諸国をはじめ,新興国に展開が期待される.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2014年、細谷満(日野自動車(株))、木村昌裕(同左)、平林浩(同左)、小泉亘(同左)、吉田雄一(同左)に日本機械学会賞(技術)を贈った。

文献

[1] 平林浩、古川卓俊、小泉亘、田中智史、小柳善武、齋藤安彦、「新DPRの開発」、自動車技術会2010年秋季大会、20105682(2010).
[2] 林崎圭一、中村洋一朗、本田日出喜、平林浩、漆原浩、「小・中型ディーゼルエンジン用NOx、PM同時低減後処理システムの排出ガス特性について」、自動車技術会2013年春季大会、20135337(2013).

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キーワード

ディーゼルエンジン、後処理、NOx,PM同時低減、尿素レス、HC-SCR
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