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ディーゼル排気ガスは、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスと、それに含まれる微粒子です。その成分は、燃料の種類、消費量、エンジンの動作速度（アイドリング時、高速走行時、負荷時など）、およびエンジンが路上走行車、農業用車両、機関車、船舶、定置型発電機、またはその他の用途のいずれであるかによって変わります。[1]
ディーゼル排気ガスは肺がんや喘息などの病気、そして多くの早死の原因となっている。[2] [3] [4]排気ガス中の窒素酸化物（NO x）と粒子状物質（PM）を減らす方法は存在する。
いくつかの国ではディーゼル車の販売を停止する日付を設定しており、一部の都市の中心部ではディーゼル車を禁止する予定です。[5]
構成
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空気中での石油燃料の燃焼で生成される主な生成物は二酸化炭素、水、窒素です。その他の成分は主に不完全燃焼と熱合成により生成されます。[1] [6]未処理のディーゼル排気ガス中の個々の成分の分布は負荷やエンジンの種類などの要因によって異なりますが、以下の表は典型的な構成を示しています。
ディーゼルエンジン内部の物理的・化学的条件は、いかなる状況下でも火花点火エンジンとは大きく異なります。なぜなら、ディーゼルエンジンの出力は、従来のガソリンエンジンのように空気と燃料の混合気を制御するのではなく、設計上、燃料供給によって直接制御されるからです。[7]これらの違いの結果として、ディーゼルエンジンは一般に火花点火エンジンとは異なる種類の汚染物質を排出します。その違いは、時には質的なもの（どんな汚染物質があり、何がないのか）ですが、多くの場合は量的なもの（特定の汚染物質または汚染物質クラスがそれぞれにどれだけ存在するか）です。例えば、ディーゼルエンジンは、全負荷でも過剰な空気中で燃料を燃焼させるため、ガソリンエンジンの28分の1の一酸化炭素しか排出しません。[8] [9] [10]
しかし、ディーゼルエンジンの希薄燃焼特性と燃焼プロセスの高温高圧により、NO x（気体窒素酸化物）が大量に生成され、その削減に関して特有の課題となっている大気汚染物質です。 [本文では未検証] 2012年時点で、排気触媒コンバーターの採用によりガソリン車からの総窒素酸化物は約96％減少しましたが、実際のテストでは、ディーゼル車は15年前に購入された車と同程度の窒素酸化物を依然として生成しています。そのため、ディーゼル車はガソリン車の約20倍の窒素酸化物を排出しています。[11] [12] [13]現代の路上ディーゼルエンジンは、通常、選択触媒還元（SCR）システムを使用して排出ガス規制を満たしています。これは、排気ガス再循環（EGR）などの他の方法では、多くの管轄区域で適用される新しい基準を満たすのに NO xを十分に削減できないためです。
さらに、ディーゼル排気ガス中の微粒子（微粒子物質）（例：すす、時には不透明な暗色の煙として見える）は、健康に対するさまざまな懸念を引き起こし、火花点火エンジンによって大量に生成されることはめったにないため、伝統的に大きな懸念事項となっている。これらの特に有害な粒子状汚染物質は、そのようなエンジンが燃料を完全に燃焼させるのに十分な酸素がない状態で稼働しているときにピークに達する。一方、ディーゼルエンジンがアイドリングしているときは、通常、燃料を完全に燃焼させるのに十分な酸素が存在する。[14]粒子排出の観点から、ディーゼル車の排気ガスはガソリン車の排気ガスよりも著しく有害であると報告されている。
ディーゼル排気ガスは、その独特の臭いで長い間知られていましたが、ディーゼル燃料の硫黄含有量の減少と、排気システムに触媒コンバーターが導入されたことで、大きく変化しました。 [本文では未検証]それでも、ディーゼル排気ガスには、燃料の組成とエンジンの運転条件に応じて、さまざまなクラスとさまざまな濃度 (以下を参照) の一連の無機および有機汚染物質が引き続き含まれています。
化学クラス
以下はディーゼル排気ガス中に発見された化学物質の種類である。[22]
特定の化学物質
以下はディーゼル排気ガス中に検出された特定の化学物質のクラスです。[24] [検証が必要] [更新が必要] [1] [ページが必要]
§この芳香族化合物のすべての位置異性体を含みます。各化合物の記事で オルト、メタ、パラ異性体の説明を参照してください。
規制
アメリカ合衆国
カリフォルニア州の大型ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を急速に削減するため、カリフォルニア大気資源局はカール・モイヤー記念大気質基準達成プログラムを創設し、排出規制に先立ってエンジンのアップグレードに資金を提供した。[38] 2008年には、カリフォルニア大気資源局は2008年カリフォルニア州全域のトラックとバス規則も施行し、カリフォルニアで運行されるすべての大型ディーゼルトラックとバス（いくつかの例外を除く）は、ディーゼル粒子状物質を削減するためにエンジンを改造または交換する必要があると規定した。[要出典]
欧州連合
国際海運では、2020 年まで ECA 外で 3.5% 質量/質量の硫黄制限があり、ECA 外で 0.5% に引き下げられましたが、これとは異なり、オンロード用およびオフロード用 (重機用) のディーゼルは 2009 年以降、EU 全体で制限されています。
ディーゼルとガソリンは、2009年（オンロード車両）と2011年（非ロード車両）から硫黄含有量が10ppmに制限されています。また、12を超える燃料パラメータにも強制仕様が適用されます。[39]
健康被害
公衆衛生への被害
ディーゼル車からの排出物は、ガソリン車よりも有害である。[40] [41] [42]ディーゼル燃焼排気ガスは大気中の煤や微粒子の発生源であり、人間のがん、[43] [44]心臓や肺の損傷、[45]精神機能に関係する大気汚染の要素である。[46]さらに、ディーゼル排気ガスには、 IARC （国連世界保健機関の一部門）によって人間に対して発がん性があるとされている汚染物質が含まれており、 IARCグループ1発がん物質リストに記載されている。[47] 2014年には、ディーゼル排気ガスによる汚染が大気汚染の約4分の1を占め、自動車汚染が原因の病気の大部分を占めた。[48] [より良い情報源が必要]
ディーゼル排気ガスはグループ1の発がん物質であり、肺がんを引き起こし、膀胱がんとの関連が強い。[49] [50] [51] [52] [53]ディーゼル排気ガスには、 IARCによってヒトに対する発がん物質として個別にリストされている物質がいくつか含まれている。[47]
職業上の健康への影響
ディーゼル排気ガスとディーゼル粒子状物質（DPM）への曝露は、トラック運転手、鉄道作業員、操車場付近の住宅居住者、地下鉱山でディーゼル動力機器を使用する鉱夫にとって職業上の危険です。職場環境の濃度よりはるかに低い大気粒子濃度でも、一般住民に有害な健康影響が観察されています。
2012年3月、米国政府の科学者らは、高レベルのディーゼル排気ガスにさらされた地下鉱山労働者は、低レベルのディーゼル排気ガスにさらされた労働者に比べて肺がんを発症するリスクが3倍高いことを明らかにした。1150万ドルを投じた鉱山労働者のディーゼル排気ガス研究（DEMS）では、12,315人の鉱山労働者を追跡調査し、タバコの煙、ラドン、アスベストなどの主要な発がん物質を除外した。これにより、科学者らはディーゼル排気ガスの影響を分離することができた。[54] [55]
米国では10年以上にわたり、ディーゼルエンジンのスクールバスに乗って通学する子供たちのDPMへの曝露について懸念が高まっている。[56] 2013年、環境保護庁（EPA）は、民間および公共団体を結集して学生の曝露を抑制する取り組みとして、クリーン・スクールバスUSAイニシアチブを設立した。[57]
微粒子による
ディーゼル粒子状物質(DPM) は、ディーゼル排気粒子(DEP)とも呼ばれ、ディーゼル排気ガスの粒子状成分で、ディーゼルの煤やエアロゾル(灰の粒子、金属摩耗粒子、硫酸塩、ケイ酸塩など) が含まれます。大気中に放出されると、DPM は個々の粒子または鎖状凝集体の形をとり、そのほとんどは目に見えない 100ナノメートル未満のサブマイクロメートル範囲にあり、超微粒子(UFP) または PM0.1 とも呼ばれます。
ディーゼル排気ガスの主な粒子状物質は微粒子である。粒子は小さいため、吸入すると肺の奥深くまで容易に浸透する可能性がある。[1]排気ガス中の多環芳香族炭化水素（PAH）は肺の神経を刺激し、反射的な咳、喘鳴、息切れを引き起こす。[58]これらの粒子の表面は粗いため、環境中の他の毒素と結合しやすく、粒子吸入の危険性が増す。[14] [検証が必要] [1]
Omidvarborna 氏と同僚らは、ULSDおよびバイオディーゼルと従来のディーゼル (B20)の混合燃料で走行する路線バスからの粒子状物質 (PM) 排出量に関する研究を報告しました。この研究では、ディーゼルとバイオディーゼルの混合使用の場合、PM 排出量が低くなる傾向があり、その値はエンジンモデル、コールド アイドリング モードとホットアイドリングモード、および燃料の種類に依存し、ホット アイドリング中に排出される PM 中の重金属はコールド アイドリングよりも多かったという結論に達しました。バイオディーゼル排出量の PM が減少する理由は、バイオディーゼル燃料の酸素化構造によるものと、技術の変化 (このテスト システムでの触媒コンバーターの使用を含む) によるものと示唆されました。[59]他の研究では、特定のケース（低負荷、より飽和した原料など）ではNOx排出量がディーゼル燃料よりも低くなる可能性があるが、ほとんどの場合NOx排出量は高く、バイオ燃料が混合されるほどNOx排出量が増加すると結論付けられています。純粋なバイオディーゼル（B100）は、通常のディーゼル燃料と比較してNOx排出量が10〜30％多くなります。[60]
特定の効果
曝露は、頭痛、めまい、ふらつき、吐き気、咳、呼吸困難または呼吸困難、胸の圧迫感、目、鼻、喉の炎症などの急性の短期症状に関連しています。[61]長期曝露は、心血管疾患、心肺疾患、肺がんなどの慢性でより深刻な健康問題につながる可能性があります。[43] [44] [62]交通に起因する 元素炭素は、シンシナティ小児アレルギーおよび大気汚染研究出生コホート研究で、1歳時の喘鳴と3歳時の持続性喘鳴と有意に関連していました。 [63]交通関連の大気汚染は、高齢男性の認知機能の低下と関連しています。[46]
ナノ粒子とナノ毒性学の研究はまだ初期段階にあり、あらゆる種類のディーゼルエンジンによって生成されるナノ粒子による健康への影響はまだ解明されていない。ディーゼルの微粒子排出による健康被害が深刻かつ広範囲に及ぶことは明らかである。ある研究では、ディーゼル排気ガスへの短期曝露が心血管疾患の増加と相関する肺外悪影響をもたらすという有意な証拠は見つからなかったが、[64] 2011 年のLancet 誌の研究では、交通曝露が一般市民の心臓発作の最も深刻な予防可能な誘因であり、すべての発作の 7.4% の原因であると結論付けている。[45]この影響のどれだけが交通のストレスによるもので、どれだけが排気ガスへの曝露によるものかを判断することは不可能である。[要出典]
ナノ粒子の健康への有害な影響（ナノ毒性学）の研究はまだ初期段階にあり、ディーゼル排気ガスによる健康への悪影響の性質と範囲は引き続き発見されているため、ディーゼル車の公衆衛生への影響がガソリン車よりも高いかどうかは依然として議論の余地がある。[65]
エンジンの状態による変化
ナノ粒子の種類と量は、作動温度と圧力、裸火の有無、基本的な燃料の種類と燃料混合物、さらには大気の混合物によっても異なります。そのため、異なるエンジン技術や異なる燃料から生じるナノ粒子の種類は、必ずしも比較できるわけではありません。ある研究では、ディーゼルナノ粒子の揮発性成分の95％は未燃焼の潤滑油であることが示されています。[66]長期的な影響や、心肺疾患の感受性の高いグループへの影響については、さらに明らかにする必要があります。
ディーゼルエンジンは、排気ガスから黒い煤（より正確にはディーゼル粒子状物質）を発生することがあります。黒い煙は、燃料が完全に霧化されていない局所的な低温のために燃焼しなかった炭素化合物で構成されています。これらの局所的な低温は、シリンダー壁と大きな燃料滴の表面で発生します。比較的低温のこれらの領域では、混合気が濃くなります（全体的な混合気が薄くなるのとは対照的です）。濃い混合気では燃焼する空気が少なくなり、燃料の一部が炭素堆積物になります。現代の自動車エンジンは、ディーゼル粒子フィルター（DPF）を使用して炭素粒子を捕捉し、フィルターに直接噴射される追加の燃料を使用して断続的に燃焼させます。これにより、少量の燃料を無駄にすることで炭素の蓄積を防ぎます。 [引用が必要]
冷間始動時には、圧縮行程で冷えたエンジンブロックがシリンダーから熱を奪うため、エンジンの燃焼効率が低下します。[67]その結果、燃料が完全に燃焼せず、エンジンが温まるまで青煙や白煙が発生し、出力が低下します。これは、熱効率の低い間接噴射エンジンで特に顕著です。電子噴射では、噴射シーケンスのタイミングと長さを変更してこれを補うことができます。機械式噴射の古いエンジンには、タイミングを変更するための機械式および油圧式の調速機制御と、クリーンな燃焼を確保するために始動後一定時間オンのままになる多相電気制御グロープラグがあります。プラグは、焼損を防ぐために自動的に低出力に切り替わります。[要出典]
ヴァルチラ社は、大型ディーゼルエンジンで煙が発生する原因は 2 つあると述べています。1 つは燃料が金属に当たって燃え尽きる時間がないことです。もう 1 つは燃焼室内の燃料が多すぎる場合です。
ヴァルチラはエンジンをテストし、従来の燃料システムとコモンレール燃料システムを使用した場合の煙の排出量を比較しました。その結果、コモンレールシステムを使用した場合、すべての動作条件で改善が見られました。[68]
生態学的影響
2013年の実験では、ディーゼル排気ガスがミツバチの菜の花の香りを感知する能力を低下させることが示された。[69]
ディーゼルエンジンからの排出物は地上オゾンの生成に寄与し、作物、樹木、その他の植物にダメージを与える可能性があります。ディーゼル排気ガスは酸性雨の形成にも寄与し、土壌、湖、川に影響を与え、水、農産物、肉、魚を介して人間の食物連鎖に入り込む可能性があります。[70]
ディーゼル排気ガスは気候変動に影響を与えている。燃費向上やアイドリングストップ戦略を通じてディーゼルエンジンからの温室効果ガス（GHG）排出量を削減することは、気候変動への対応、エネルギー安全保障の向上、各国の経済強化に役立つ。[70]ディーゼル燃料にはガソリン（2.31 kg CO 2 /リットル）よりもわずかに多くの炭素（2.68 kg CO 2 /リットル）が含まれているが、全体的に見るとディーゼル車のCO 2排出量は効率が高いため低くなる傾向がある。使用中の平均では、ガソリンでは約200 g CO 2 /km、ディーゼルでは120 g CO 2 /kmに相当する。
救済策
一般的な
排出基準が厳しくなるにつれ、ディーゼルエンジンはより効率的になり、排気ガス中の汚染物質を減らす必要が出てきています。[要出典]さらに、近年、米国、欧州、日本は、排出ガス制御規制を道路走行車から農業用車両や機関車、船舶、定置型発電機にまで拡大しました。[71] 別の燃料（ジメチルエーテル、ジエチルエーテルなどの他のバイオエーテル）への変更[72]は、NOxやCOなどの汚染物質を削減する非常に効果的な手段となる傾向があります。たとえば、ジメチルエーテル（DME）で走行する場合、粒子状物質の排出はほぼゼロであり、ディーゼル微粒子フィルターの使用を省略することさえできます。[73]また、DMEは動物、食品、農業廃棄物から製造できるため、通常のディーゼルとは異なりカーボンニュートラルにすることもできます。バイオエーテル（または水素などの他の燃料）[74] [75]を従来のディーゼルに混ぜることも、排出される汚染物質に良い影響を与える傾向があります。燃料の変更に加えて、米国のエンジニアは、米国の2010年排出基準を満たすすべての市販製品に、選択的非触媒還元（SNCR ）と排気ガス再循環（EGR ）という2つの原理と独自のシステムを考案しました。どちらもディーゼルエンジンの排気システムにあり、効率をさらに高めるように設計されています。[引用が必要]
選択的触媒還元
選択触媒還元（SCR）は、アンモニアや尿素（後者は水性で、ディーゼル排気液（DEF）として知られている）などの還元剤をディーゼルエンジンの排気中に注入し、窒素酸化物（NO x ）を気体窒素と水に変換します。排気システム内のNO xを90％削減するSNCRシステムのプロトタイプが開発されており、市販のシステムではこれよりいくらか低い値になっています。 [引用が必要] SCRシステムは、必ずしも粒子状物質（PM）フィルターを必要としません。SNCRフィルターとPMフィルターを組み合わせると、一部のエンジンでは燃料効率が3～5％向上することが示されています。[引用が必要] SCRシステムの欠点は、追加の先行開発コスト（コンプライアンスとパフォーマンスの向上によって相殺できます）に加えて、[引用が必要]還元剤を補充する必要があることです。その周期は、走行距離、負荷率、使用時間によって異なります。[76] [全文引用が必要] [より良い情報源が必要] [第三者の情報源が必要] SNCRシステムは、毎分回転数（rpm）が高いほど効率が低下します。[引用が必要] SCRは、より広い温度範囲でより高い効率を実現し、耐久性を高め、その他の商業的ニーズを満たすように最適化されています。[71]
排気ガス再循環
ディーゼル エンジンの排気ガス再循環 (EGR) を使用すると、燃料と空気の混合比を濃くし、燃焼ピーク温度を低くすることができます。どちらの効果もNO x排出量を削減しますが、効率と煤粒子の生成に悪影響を与える可能性があります。混合比を濃くするには、吸入空気の一部を移動させますが、理論空燃比に近いガソリン エンジンと比較すると、依然として希薄です。ピーク温度を低くするには、エンジンに再流入する前に熱を除去する熱交換器を使用します。これは、排気ガスの比熱容量が空気よりも高いために機能します。煤の生成量が多いため、EGR は排気中の粒子状物質 (PM) フィルターと組み合わせられることがよくあります。[77] [要出典]ターボチャージャー付きエンジンでは、EGRには排気マニホールドと吸気マニホールド間の圧力差を制御する必要があるが、これは可変ジオメトリターボチャージャーの使用などのエンジニアリングによって満たすことができる。 [要出典]可変ジオメトリターボチャージャーはタービンに入口ガイドベーンを備えており、排気マニホールド内の排気背圧を高めて排気ガスを吸気マニホールドに導く。[77]また、追加の外部配管とバルブも必要になるため、追加のメンテナンスが必要になる。[要出典] [78]
複合システム
農業機械メーカーのジョンディアは、9リッター直列6気筒ディーゼルエンジンに、SCR-EGR複合設計を実装しています。このエンジンには、PMフィルターと追加の酸化触媒技術の両方のシステムタイプが含まれています。 [79] [より良い情報源が必要] [サードパーティの情報源が必要]この複合システムには、2つのターボチャージャーが組み込まれています。1つは排気マニホールドにあり、可変ジオメトリでEGRシステムを含み、もう1つは固定ジオメトリターボチャージャーです。再循環排気ガスとターボチャージャーからの圧縮空気には別々のクーラーがあり、空気は吸気マニホールドに入る前に合流し、すべてのサブシステムは、排気ガス中に放出される汚染物質を最小限に抑えるよう最適化された中央エンジン制御ユニットによって制御されます。[79]
その他の治療法
2016年にテストされている新技術は、エアインク社によって開発されたもので、車両の排気システムに後付けされた円筒形の装置「カアリンク」を使用して炭素粒子を収集し、重金属や発がん物質を除去する処理を行った後、その炭素を使ってインクを作ることを計画している。[80]
インドでは、チャクルデュアル燃料キットがディーゼル発電機セットを改造して、天然ガス70％と化石燃料30％のガスとディーゼルの混合物で稼働するようにしています。[81]
水の回収
砂漠にいる軍隊が車両の排気ガスから飲料水を回収する方法が研究されている。[82] [83] [84] [85] [86]
参照
- カール・モイヤー記念大気質基準達成プログラム
- IARCグループ1発がん物質リスト
- IARCグループ2A発がん物質リスト
- IARCグループ2B発がん物質リスト
- IARCグループ3の発がん性物質のリスト
- 有害大気汚染物質の国家排出基準
- ローリングコール- 目立つ過剰なディーゼル排気ガスを意図的に発生させる
- 車両排出ガス規制
- フォルクスワーゲンの排出ガス不正
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組成は、燃料の組成、エンジンの種類、運転条件によって大きく異なります...石油燃料の燃焼では、主に二酸化炭素、水、窒素が生成されます...健康リスクは、目に見えない、または見えにくい小さな粒子にあります...ディーゼル煤の炭素 (EC) コア...未燃焼または不完全燃焼した燃料からの有機化合物の凝縮の核として機能します...硝化 PAH が依然として最も優勢な細菌変異原であるようです
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さらに読む
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外部リンク
- ディーゼル情報ハブ 2020-02-24ウェイバックマシンにアーカイブ、AECC
- ディーゼルエンジンからのさまざまな汚染物質の排出、EnggStudy
- NIOSH 鉱山安全衛生トピック: ディーゼル排気ガス
- ディーゼル粒子状物質、 www.defendingscience.orgのケーススタディ
- クリーンスクールバスUSA、EPAイニシアチブ
- 証拠の重みか、証拠を待つか? 地下鉱山労働者をディーゼル粒子状物質から守る Celeste Monforton による記事。American Journal of Public Health、2006 年 2 月。
- ディーゼル排気ガス – 健康影響研究所による査読済み研究
- 安全と健康に関するトピック: ディーゼル排気ガス、米国労働省労働安全衛生局
- 安全と健康に関するトピック: ディーゼル排気ガス - ディーゼル排気ガスに関連する化学物質の一部リスト、米国労働省労働安全衛生局
- ディーゼル排気粒子：人体に対する発がん性がある可能性が十分にある
- 燃料金属不純物が小型ディーゼルエンジン後処理システムの耐久性に与える影響国立再生可能エネルギー研究所
- 健康な被験者におけるディーゼル排気ガスへの短期曝露後の気道および末梢血における急性炎症反応、米国呼吸器・集中治療医学ジャーナル
- ディーゼル排気ガス：知っておくべきこと
- ディーゼル排気ガスの健康への影響は、2019年12月9日にWayback Machineにアーカイブされました- Cal/EPAと米国肺協会によるファクトシート