Loading article…
ディーゼル微粒子フィルター（DPF ）は、ディーゼルエンジンの排気ガスからディーゼル微粒子物質または煤を除去するように設計された装置です。[ 1 ] [ 2 ]
壁流式ディーゼル微粒子フィルターは通常、煤の85%以上を除去し、特定の条件下では煤の除去効率が100%近くに達することもあります。フィルターの中には使い捨てのものもあり、煤が溜まったら廃棄して交換するようになっています。また、触媒を使用して受動的に、あるいは燃料バーナーなどの能動的な手段でフィルターを煤の燃焼温度まで加熱して、蓄積した微粒子を燃焼除去するように設計されたものもあります。これは、排気温度を上昇させるようにエンジンをプログラムし（フィルターが満杯になったとき）、排気流に追加の燃料インジェクターを噴射して触媒要素と反応させ、DPFフィルターに蓄積した煤を燃焼除去する[ 3 ]、あるいは他の方法によって実現されます。これはフィルター再生と呼ばれます。定期メンテナンスの一環として洗浄も必要であり、フィルターを損傷しないように注意深く行う必要があります。燃料インジェクターやターボチャージャーの故障により、フィルターが未処理のディーゼル燃料やエンジンオイルで汚染された場合も洗浄が必要になることがあります。[ 4 ]再生プロセスは、一般的に市街地の道路で達成できる速度よりも高い道路速度で発生します。都市交通で低速のみで走行する車両は、DPF を洗浄するために定期的に高速で走行する必要がある場合があります。[ 5 ]ドライバーが警告灯を無視して、車両を60 km/h (40 mph)以上に運転するまで長く待つと、DPF が適切に再生されない可能性があり、その時点を超えて運転を続けると、DPF が完全に損傷して交換する必要が生じる可能性があります。[ 6 ]新型ディーゼルエンジン、特にコンビネーション車両に搭載されているエンジンの中には、駐車再生と呼ばれる機能を実行するものもあります。これは、駐車中にエンジンの回転数を約 1400 まで上げて排気温度を上げるものです。
ディーゼルエンジンは、燃料/空気混合気の燃焼時に不完全燃焼により様々な粒子を生成します。粒子の組成は、エンジンの種類、製造年、およびエンジンが満たすように設計された排出ガス仕様によって大きく異なります。2ストロークディーゼルエンジンは、燃料と空気の混合気の燃焼がより不完全であるため、4ストロークディーゼルエンジンよりも単位出力あたりの粒子状物質が多くなります。 [ 7 ]
ディーゼル燃料の不完全燃焼によって発生するディーゼル微粒子は、すす（黒色炭素）粒子を生成します。これらの粒子には、1マイクロメートル（1ミクロン）未満の微細なナノ粒子が含まれます。ディーゼルエンジンからのすすやその他の粒子は、大気中の微粒子汚染を悪化させ、健康に有害です。 [ 8 ] 新しい粒子フィルターは、有害なすすの30%から95%以上を捕捉できます。[ 9 ]最適なディーゼル微粒子フィルター（DPF）を使用すると、すすの排出量を削減できます。0.001 g/km以下。[ 10 ]
ディーゼル微粒子フィルターは、吸入微粒子の影響に関する懸念から、1970年代に初めて検討されました。[ 11 ]微粒子フィルターは、1980年から非道路機械で、1985年から自動車で使用されています。[ 12 ] [ 13 ]歴史的に、中型および大型ディーゼルエンジンの排出ガスは、1987年に最初のカリフォルニア州大型トラック規則が導入され、微粒子排出量が0.60 g/BHP Hourに制限されるまで規制されていませんでした。[ 14 ]それ以来、軽・大型道路走行ディーゼル車およびオフロードディーゼルエンジンに対して、段階的に厳しい基準が導入されてきました。同様の規制は、欧州連合および一部の欧州諸国、ほとんどのアジア諸国、および南北アメリカの残りの地域でも採用されています。[ 15 ]
フィルターを明示的に義務付けている管轄区域は少ないものの、エンジンメーカーが満たさなければならない排出ガス規制がますます厳しくなっているため、最終的にはすべての路上ディーゼルエンジンにフィルターが装着されることになるだろう。[ 14 ]欧州連合では、トラックなどの車両のユーロ6大型排出ガス基準を満たすために、フィルターは強く推奨され、事実上必要となっている。 [ 16 ] 2000年、将来のユーロ5規制を見越して、PSAプジョーシトロエンは乗用車にフィルターを標準装備した最初の企業となった。[ 17 ] 2011年1月に完全に施行されたユーロ5規制では、ディーゼル車にはディーゼル微粒子フィルターを装着しなければならないと規定されている。[ 18 ]
2008年12月現在、カリフォルニア州大気資源局（CARB）は、車両の種類、サイズ、用途に応じて異なるものの、カリフォルニア州の道路を走行するディーゼル大型トラックおよびバスは、粒子状物質（PM）排出量を少なくとも85%削減するために、改造、エンジン換装、または交換する必要があるとする2008年カリフォルニア州全域トラック・バス規則を制定しました。CARB承認のディーゼル微粒子フィルターをエンジンに取り付けることは、この要件を満たす方法の1つです。[ 19 ] 2009年には、米国復興・再投資法により、車両のディーゼル改造費用を相殺するための資金が所有者に提供されました。[ 20 ]他の管轄区域でも、以下のような改造プログラムが開始されています。
ディーゼルエンジン搭載車の粒子状物質フィルターのメンテナンスが不十分だと、すすが蓄積しやすく、背圧が高くなるためエンジンに問題が生じる可能性があります。[ 4 ]
2018年、英国はMOT検査の要件を変更し[ 28 ]、ディーゼル車の検査を強化した。要件の1つは、適切に取り付けられ、正常に機能するDPFを備えていることだった。DPFなしで運転すると1000ポンドの罰金が科せられる可能性がある。[ 29 ] [ 30 ]
触媒コンバーターは通過型装置であるのに対し、DPFは排気ガスをフィルター材に通してから排出することで、より大きな排気ガス粒子を捕捉します。 [ 2 ] [ 31 ]ただし、DPFは小さな粒子を捕捉しません。メンテナンスフリーのDPFは、大きな粒子を酸化または燃焼させてフィルターを通過できるほど小さくしますが、多くの場合、粒子はDPF内で「凝集」し、粒子の総数と総質量が減少します。[ 32 ] [ 33 ]市場にはさまざまなディーゼル微粒子フィルター技術があります。それぞれが同様の要件に基づいて設計されています。
最も一般的なフィルターは、コーディエライト（触媒コンバーターの支持体（コア）としても使用されるセラミック材料）でできています。コーディエライトフィルターは優れたろ過効率を提供し、比較的安価で、熱特性により車両への取り付け用にパッケージ化が容易です。主な欠点は、コーディエライトの融点が比較的低い（約1200 ℃）ため、フィルター再生中にコーディエライト基材が溶けることが知られていることです。これは主にフィルターが通常よりも重く負荷されている場合に問題となり、システムが故障しない限り、アクティブシステムよりもパッシブシステムでより大きな問題となります。[ 2 ] [ 34 ]
コーディエライトフィルターコアは、代替チャネルが塞がれた触媒コンバーターコアのように見える。プラグによって排気ガスの流れが壁を通過するようになり、微粒子が入口面に集まる。[ 35 ]
2番目に人気のあるフィルター材料は炭化ケイ素、またはSiCです。これはコーディエライトよりも高い 融点（2700℃）を持ちますが、熱的にそれほど安定していないため、パッケージングが問題になります。小型のSiCコアは1つのピースで作られていますが、大型のコアはセグメントで作られ、特殊なセメントで分離されているため、コアの熱膨張はパッケージではなくセメントによって吸収されます。SiCコアは通常、コーディエライトコアよりも高価ですが、同様のサイズで製造されており、一方を他方の代わりに使用できることがよくあります。炭化ケイ素フィルターコアは、代替チャネルが塞がれた触媒コンバーターコアにも似ています。ここでも、プラグによって排気ガスの流れが壁を通過するように強制され、粒子が入口面に集まります。[ 2 ] [ 36 ]
壁流式ディーゼル微粒子フィルター基材の特性は以下のとおりです。
繊維セラミックフィルターは、複数の異なる種類のセラミック繊維を混合して多孔質媒体を形成して作られています。この媒体はほぼあらゆる形状に成形でき、さまざまな用途に合わせてカスタマイズできます。多孔性を制御することで、高流量、低効率、または高効率低容量のろ過を実現できます。繊維フィルターは、壁流設計に比べて背圧が低いという利点があります。繊維セラミックフィルターは、幅広いエンジン運転条件において、質量で95%以上、粒子数で99%以上の効率で、直径100ナノメートル（nm）未満の微粒子を含む炭素粒子をほぼ完全に除去します。フィルターへの煤の継続的な流入は最終的にフィルターを詰まらせるため、定期的に収集された粒子を燃焼させることでフィルターのろ過特性を「再生」する必要があります。煤粒子の燃焼により、エンジンから排出されるCO2の0.05%未満の少量の水とCO2が生成されます。 [ 2 ]
コアの中には金属繊維でできているものもあり、一般的には繊維がモノリス状に「織り込まれて」います。このようなコアには、再生のためにモノリスに電流を流してコアを加熱できるという利点があり、排気温度や排気流量が低い場合でもフィルターを再生できます。金属繊維コアは、コーディエライトや炭化ケイ素のコアよりも高価になる傾向があり、電気的な要件があるため、一般的にはそれらと互換性がありません。[ 2 ] [ 37 ]
使い捨ての紙製コアは、再生戦略なしで特定の特殊用途で使用されます。炭鉱は一般的な使用者であり、排気ガスは通常、最初に冷却するためにウォータートラップを通過し、次にフィルターを通過します。[ 38 ]紙製フィルターは、店舗内で機器を設置するために使用されるフォークリフトなど、ディーゼル機械を短時間屋内で使用する必要がある場合にも使用されます。[ 2 ] [ 39 ]
50%以上の粒子状物質ろ過率を持ち、85%未満のろ過率を持つ装置は多種多様である。部分フィルターには様々な材質のものがある。共通点は、触媒コンバーターよりも背圧が高く、ディーゼル微粒子フィルターよりも背圧が低いことである。部分フィルター技術は後付けでよく用いられる。[ 40 ]
フィルターは触媒コンバーターよりもメンテナンスが必要です。通常のエンジン運転によるオイル消費の副産物である灰は、ガスに変換されてフィルターの壁を通過できないため、フィルター内に蓄積されます。[ 41 ]これにより、フィルター手前の圧力が上昇します。[ 4 ]
DPFフィルターは再生プロセスを経て、煤を除去し、フィルター内の圧力を下げます。再生には、パッシブ再生、アクティブ再生、強制再生の3種類があります。
受動再生は通常、走行中にエンジン負荷と車両の走行サイクルによって、DPF壁面に堆積した煤を再生するのに十分な高温が発生する際に行われます。
アクティブ再生は、エンジン負荷が低く排気ガス温度が低い場合に、自然発生的なパッシブ再生が阻害される車両使用中に行われます。DPFの上流と下流にあるセンサー（または差圧センサー）が読み取り値を提供し、排気流への燃料の定量的な添加を開始します。燃料の噴射方法は2つあり、ターボチャージャーの下流で排気流に直接噴射する方法と、排気行程でエンジンシリンダーに燃料を噴射する方法があります。この燃料と排気ガスの混合物はディーゼル酸化触媒（DOC）を通過し、蓄積した煤を燃焼させるのに十分な高温になります。DPFの圧力降下が計算値まで低下すると、煤の蓄積が再び起こるまでプロセスは終了します。この方法は、発進と停止を繰り返す短距離走行車両よりも、停車回数が少なく長距離走行する車両に適しています。
フィルター内の圧力が過剰になった場合は、最後の再生方法である強制再生を使用する必要があります。これは2つの方法で実行できます。車両の運転者は、ダッシュボードに取り付けられたスイッチを使用して再生を開始できます。このプロセスを開始するには、パーキングブレーキがかかっている、トランスミッションがニュートラルである、エンジン冷却水温度、エンジン関連の故障コードがないなど、さまざまな信号インターロックが必要です（OEMと用途によって異なります）。煤の蓄積がエンジンまたは排気システムに損傷を与える可能性のあるレベルに達した場合、解決策は、診断スキャンツールを使用してコンピュータープログラムでDPFの再生を手動で実行する整備工場を使用することです。
再生処理が行われると、煤はガスと灰に変化しますが、その一部がフィルター内に残ります。これによりフィルターの抵抗が増加し、詰まりの原因となる可能性があります。フィルターの抵抗によって走行性能に問題が生じたり、エンジンやフィルターに損傷が生じたりする前に、ドライバーに警告が表示されます。灰の蓄積を除去するためには、フィルターの洗浄または交換による定期的なフィルターメンテナンスが不可欠です。
再生には通常、数百マイル/キロメートルの市街地走行ごとに、車両を 50～60 mph (80～100 km/h) で 30～45 分間連続して走行する必要があります。[ 42 ]大型ピックアップトラックは、3 つのパラメータすべてについて要件が緩く、クラス 8 トラックではさらに大幅に緩くなっています。[ 43 ] [ 44 ]車両が頻繁に市街地を走行すると、DPF が詰まり、排気圧の上昇による受動的な低下、またはエンジンとターボの損傷を防ぐために車両が「リンプ/タートル モード」に入る能動的な低下により、出力と加速が低下する可能性があります。[ 45 ] [ 46 ]一度詰まると、受動再生と能動再生の両方が無効になる可能性があります。DPF は、高温高圧洗浄(公式には推奨されていません) および/または焼却炉で詰まりを解消できます。[ 47 ] [ 48 ]
2011年、フォードはディーゼルエンジン搭載のFシリーズトラック37,400台をリコールした。燃料とオイルの漏れにより、トラックのディーゼル微粒子フィルターで火災が発生したためである。リコール前に負傷者は出なかったが、草火災が1件発生した。[ 49 ] 2005年から2007年のジャガーSタイプとXJディーゼルでも同様のリコールが発行された。大量の煤がDPFに捕捉されたためである。対象車両では、排気管の後部から炎とともに、車両の下部から煙と火が噴出した。火災の熱により、トランスミッショントンネルを通じて車内が加熱され、車内部品が溶け、車内火災が発生する可能性があった。[ 50 ]
再生とは、フィルターに蓄積されたすすを燃焼（酸化）させるプロセスです。これは、受動的（通常の運転ではエンジンの排気熱を利用するか、フィルターに触媒を追加する）か、排気システムに非常に高い熱を能動的に導入することによって行われます。車載の能動フィルター管理では、さまざまな戦略を使用できます。[ 9 ]
車載のアクティブシステムはすべて、DPFを加熱するための燃焼やDPFの電気系統への追加電力供給などにより、余分な燃料を使用しますが、燃料式触媒を使用すると必要なエネルギーが大幅に削減されます。通常、コンピューターは背圧や温度を測定する1つ以上のセンサーを監視し、事前にプログラムされた設定値に基づいて、再生サイクルをいつ起動するかを決定します。追加の燃料は計量ポンプによって供給されます。排気システムの背圧を低く保ちながらサイクルを頻繁に実行すると、燃料消費量が増加します。再生サイクルを十分なタイミングで実行しないと、エンジンの損傷や制御不能な再生（熱暴走）のリスクが高まり、DPFの故障につながる可能性があります。
ディーゼル微粒子は、600 °C を超える温度に達すると燃焼します。この温度は、燃料に添加した触媒を使用することで 350 ～ 450 °C の範囲まで下げることができます。煤の実際の燃焼温度は、使用する化学反応によって異なります。2010 年代半ば、3Mの科学者は、従来の鉄系触媒にマグネシウムを添加したバージョンを開発し、微粒子の酸化に必要な温度を 200 °C をわずかに超えるまで下げました。この低い反応温度は、ドーパントによって Fe 格子がより多くの酸素を保持できるようになることで可能になります。[ 53 ]この進歩は、ほとんどのディーゼルエンジンの標準運転温度で洗浄反応を行うことができるため、余分な燃料を燃焼させたり、エンジンを人工的に加熱したりする必要がなくなるため、重要です。マグネシウムをドープした触媒のファミリーは、研究を始めた化学者にちなんでグラインドスタッフ触媒と名付けられ、世界中で粒子状物質の排出規制が強化されるにつれて、産業界と学術界で多くの研究の対象となっている。[ 54 ] [ 53 ]
燃料に付着した触媒がない場合、粒子状物質の燃焼によって温度が非常に高くなり、フィルター材料の構造的完全性の閾値を超え、基材の壊滅的な破損を引き起こす可能性があります。この可能性を制限するために、さまざまな戦略が開発されています。通常、排気ガス制御装置の手前で排気ガス流中の酸素が0.5%未満である火花点火エンジンとは異なり、ディーゼルエンジンでは利用可能な酸素の割合が非常に高いことに注意してください。利用可能な酸素の量が多いとフィルターの再生が速くなりますが、再生が暴走する問題にもつながります。
一部の用途では、オフボード再生が使用されます。オフボード再生にはオペレーターの介入が必要です（つまり、機械を壁または床に取り付けられた再生ステーションに接続するか、フィルターを機械から取り外して再生ステーションに置く必要があります）。オフボード再生は、車両が使用されていないときに中央の車庫に駐車されている場合を除き、路上走行車両には適していません。オフボード再生は主に産業および鉱業用途で使用されます。炭鉱（石炭の湿気による爆発の危険性を伴う）では、使い捨てではないフィルターが設置されている場合、オフボード再生が使用されます。再生ステーションは、許可されていない機械の使用が許可されているエリアに設置されます。
多くのフォークリフトはオフボード再生も使用しており、通常は鉱山機械や、稼働寿命を1か所で過ごすその他の機械で、固定再生ステーションを設置することが実用的です。フィルターを機械から物理的に取り外して再生する場合、フィルターコアを毎日点検できるという利点もあります（非道路用途のDPFコアは通常1シフトで使用できるサイズになっているため、再生は毎日行われます）。[ 55 ]
DPFを意図的に取り外したり、改ざんしたりすることはEPAによって禁止されています。[ 56 ] DPFなどの排出ガス制御装置を取り外す行為は、一般的に「削除」と呼ばれています。ディーゼル排出ガス不正装置の製造業者や販売業者数社が、最大100万ドルの罰金を科されています。[ 57 ]
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)