ディーゼル微粒子フィルター

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^{（ブロークンアンカー）}や煤を除去するため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、すすの 85% 以上を除去し、特定の条件下では 100% に近いすす除去効率を達成できます。フィルターの中には、灰が溜まったら廃棄して交換する使い捨てのものがあります。その他のフィルターは、触媒を使用して受動的に、またはフィルターをすす燃焼温度まで加熱する燃料バーナーなどの能動的手段によって、蓄積した微粒子を燃焼させるように設計されています。これは、エンジンが (フィルターがいっぱいのときに) 排気温度を上昇させる方法で作動するようにプログラムし、排気流に追加の燃料インジェクターを取り付けて燃料を噴射し、触媒要素と反応させて DPF フィルターに蓄積したすすを燃焼させるか、または他の方法によって実現されます^{[3] 。これは}フィルター再生として知られています。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慎重に行う必要があります。燃料インジェクターまたはターボチャージャーが故障してフィルターが未精製ディーゼルまたはエンジン 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、市街地で一般的に達することができる速度よりも高い道路速度で発生します。市街地の交通で低速でのみ運転される車両は、DPFを清掃するために定期的に高速で走行する必要があります。^[5]ドライバーが警告灯を無視し、車両を時速60キロ（40マイル）以上で運転するまでに時間がかかりすぎると、DPFが適切に再生されない可能性があり、そのポイントを超えて運転を続けるとDPFが完全に損傷するため、交換する必要があります。^[6]連結車両に搭載されている一部の新しいディーゼルエンジンは、駐車中にエンジンが約1400 RPMまで上昇して排気温度を上げる、駐車再生と呼ばれる機能も実行できます。

ディーゼルエンジンは、不完全燃焼により燃料と空気の混合気の燃焼中にさまざまな粒子を生成します。粒子の組成は、エンジンの種類、年数、エンジンが適合する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が多く生成されます。^[7]

ディーゼル燃料の不完全燃焼から生じるディーゼル粒子状物質は、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）未満の小さなナノ粒子が含まれます。ディーゼルエンジンから出るすすやその他の粒子は、空気中の粒子状物質による汚染を悪化させ、健康に有害です。 ^[8] 新しい粒子状フィルターは、有害なすすの30％から95％以上を捕らえることができます。^[9]最適なディーゼル粒子状フィルター（DPF）を使用すると、すすの排出量を0.001 g/km以下^[10]

燃料の品質もこれらの粒子の形成に影響します。たとえば、硫黄含有量の高いディーゼル燃料はより多くの粒子を生成します。硫黄含有量の低い燃料は粒子の生成が少なく、微粒子フィルターの使用が可能になります。ディーゼル燃料の噴射圧力も微粒子の形成に影響します。

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}非道路機械に使用され、1985年から自動車に使用されています。 ^{[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年にカリフォルニア州の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、小型および大型の道路走行用ディーゼル車両と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ました。同様の規制は、欧州連合、一部のヨーロッパ諸国、ほとんどのアジア諸国、および南北アメリカのその他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が、エンジンメーカーが遵守しなければならない排ガス規制はますます厳しくなり、最終的にはすべてのオンロードディーゼルエンジンにフィルターが装備されることになるだろう。^[14]欧州連合では、現在議論中で2012～2013年に予定されている大型トラックエンジンの排ガス規制Euro.VIを満たすためにフィルターが必要になると予想されている。2000年、将来のEuro 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。^[16]

2008年12月、カリフォルニア大気資源局（CARB）は、2008年カリフォルニア州全域のトラックとバスに関する規則を制定しました。この規則では、車両の種類、サイズ、使用状況に応じて異なりますが、カリフォルニア州の路上を走行する大型ディーゼルトラックとバスは、粒子状物質（PM）の排出量を少なくとも85％削減するために、改造、再動力化、または交換する必要があります。CARB承認のディーゼル微粒子フィルターを使用してエンジンを改造することは、この要件を満たす1つの方法です。^[17] 2009年には、アメリカ復興・再投資法により、所有者が車両のディーゼル改造費用を相殺できるように資金が提供されました。^[18]他の管轄区域でも、次のような改造プログラムが開始されています。

• 2001年 –香港改修プログラム。^[19]
• 2002年 -日本では東京都がフィルターのないトラックの市域への進入を禁止する法律を可決した。^[20]
• 2003年 -メキシコシティはトラックの改造プログラムを開始しました。^[21]
• 2004年 –ニューヨーク市改修プログラム（非道路）^[22]
• 2008年 -ミラノ エコパス地域交通料金- 標準装備または後付けの粒子状物質フィルター付き車両を除くすべてのディーゼル車両に課せられる高額な入場税。^[23]
• 2008年 -ロンドンの低排出ガスゾーンでは、排出基準を満たさない車両に税金を課し、フィルターの取り付けを奨励した。^{[24] [25]}

ディーゼルエンジン搭載車の微粒子フィルターのメンテナンスが不十分だと煤が蓄積しやすく、高い背圧によってエンジンに問題が生じる可能性があります。^[4]

2018年に英国はMOT検査の要件を変更し、^[26]ディーゼル車に対するより厳しい検査も含めました。要件の1つは、適切に取り付けられ、機能するDPFを備えていることです。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ります。^{[27] [28]}

フロースルー装置である触媒コンバータとは異なり、DPFはガスを排出前にフィルター材料に流すことで、より大きな排気ガス粒子を保持します。 ^{[2] [29]}しかし、DPFは小さな粒子を保持しません。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、粒子はDPF内で「凝集」することが多く、全体の粒子数と質量が減少します。^{[30] [31]}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。それぞれは同様の要件に基づいて設計されています。

1. 微細ろ過
2. 最小圧力降下
3. 低コスト
4. 量産適性
5. 製品の耐久性

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）で作られています。コーディエライトフィルターは優れた濾過効率を提供し、比較的安価で、車両への取り付けのための梱包が簡単な熱特性を備えています。主な欠点は、コーディエライトの融点が比較的低く（約1200°C）、コーディエライトの基質がフィルター再生中に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い負荷をかけられた場合に問題となり、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問題になります。^{[2] [32]}

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ます。プラグは排気ガスを壁を通して流し、粒子は入口面に集まります。^[33]

2番目に人気のあるフィルター素材はシリコンカーバイド（SiC ）です。SiCはコーディエライトよりも融点が高く（2700 °C）、熱的に安定していないため、パッケージングに問題があります。小さなSiCコアは単一のピースで作られていますが、大きなコアはセグメントで作られ、特別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、一方を他方と交換できることがよくあります。シリコンカーバイドフィルターコアは、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。この場合も、プラグにより​​排気ガスが壁を通り抜け、粒子が入口面に集まります。^{[2] [34]}

ウォールフロー型ディーゼル微粒子フィルター基板の特性は次のとおりです。

• 広帯域濾過（濾過粒子の直径は0.2～150μm）
• 高い濾過効率（最大95%）
• 耐火性の高い
• 高い機械的特性
• 沸点が高い。^[34]

繊維セラミック フィルターは、数種類の異なるセラミック ファイバー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形成でき、さまざまな用途に合わせてカスタマイズできます。多孔度を制御することで、高流量、低効率、または高効率で低容量のろ過を実現できます。繊維フィルターは、壁流設計よりも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、幅広いエンジン動作条件で質量で 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。フィルターに煤が継続的に流入すると、最終的にはフィルターが詰まるため、定期的に収集された粒子を燃焼させてフィルターのろ過特性を「再生」する必要があります。燃焼した煤粒子は、エンジンから排出されるCO ₂の 0.05% 未満の少量の水と CO _{2 を形成します。} ^[2]

一部のコアは金属繊維で作られており、一般的に繊維はモノリスに「織り込まれ」ている。このようなコアの利点は、電流をモノリスに流してコアを加熱し、再生を行うことができるため、低い排気温度や低い排気流量でもフィルターを再生できる。金属繊維コアはコーディエライトやシリコンカーバイドコアよりも高価になる傾向があり、電気要件のため、一般的にはそれらと互換性がない。^{[2] [35]}

使い捨ての紙管は、再生戦略なしで、特定の特殊用途で使用されます。石炭鉱山は一般的な使用者であり、排気ガスは通常、最初にウォータートラップを通過して冷却され、次にフィルターを通過します。^[36]紙フィルターは、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、ディーゼル機械を屋内で短時間使用する必要がある場合にも使用されます。^{[2] [37]}

粒子状物質のろ過率が50%以上85%未満の装置が多数あります。部分フィルターはさまざまな素材で作られています。唯一の共通点は、触媒コンバータよりも高い背圧を生成し、ディーゼル微粒子フィルターよりも低い背圧を生成することです。部分フィルター技術は改造に人気があります。^[38]

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煤は、ガスに変換できず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します。^[39]これにより、フィルター前の圧力が上昇します。^[4]

DPF フィルターは、この煤を除去してフィルター圧力を下げる再生プロセスを実行します。再生には、パッシブ、アクティブ、強制の 3 種類があります。パッシブ再生は通常、エンジン負荷と車両の運転サイクルによって DPF 壁に蓄積した煤を再生するのに十分な温度になったときに、運転中に行われます。アクティブ再生は、車両の使用中に、エンジン負荷が低く、排気ガス温度が低いために自然に発生するパッシブ再生が抑制されるときに発生します。DPF の上流と下流のセンサー (または差圧センサー) は、排気流に計量された燃料の追加を開始する読み取り値を提供します。燃料を噴射する方法は 2 つあります。ターボの下流で排気流に直接下流噴射するか、排気行程でエンジン シリンダーに燃料を噴射します。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、蓄積した煤を燃やすのに十分な温度になります。DPF 全体の圧力降下が計算値まで下がると、プロセスは終了し、煤が再び蓄積するまで続きます。これは、短い距離を何度も発進・停止しながら走行する車両よりも、停止回数が少なく長距離を走行する車両に適しています。フィルターの圧力が高くなりすぎる場合は、最後のタイプの再生、つまり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。車両のオペレーターは、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 ブレーキが作動している、トランスミッションがニュートラルである、エンジン冷却水の温度が高い、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 およびアプリケーション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、解決策としては、ガレージでコンピューター プログラムを使用して DPF の再生を手動で実行します。

再生が行われると、すすはガスと灰に変わり、その一部はフィルター内に残ります。これによりフィルターの制限が大きくなり、詰まりの原因となる場合があります。フィルターの制限によって運転性に問題が生じたり、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出されます。フィルターのクリーニングまたは交換による定期的なフィルター メンテナンスは、蓄積した灰を取り除くために不可欠です。

再生には通常、市街地走行で数百マイル/キロメートルごとに、車両を時速 50～60 マイル (80～100 km/h) で 30～45 分間連続運転する必要があります。^[40] 大型ピックアップトラックでは、 3 つのパラメーターすべてについてそれほど厳しくなく、クラス 8 トラックではさらに厳しくありません。^{[41] [42]車両が市街地で頻繁に運転される場合、DPF が詰まる可能性があり、排気圧の上昇により受動的に、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」に入ることにより、パワーと加速が低下します。^{[43] [44]}詰まると、受動的再生と能動的再生の両方が無効になることがあります。DPF は、高温高圧洗浄(公式には推奨されていません) やバーンオフオーブンで目詰まりを解消できます。^{[45] [46]}

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ていなかったが、1件の草地火災が発生した。^[47] 2005～2007年型ジャガーSタイプおよびXJディーゼルについても同様のリコールが出された。大量の煤がDPFに閉じ込められたためである。影響を受けた車両では、車両の下側から煙と火が発生し、排気口の後ろから炎が上がった。火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、車内の部品が溶けて車内火災を引き起こす可能性がある。^[48]

再生とは、フィルターに蓄積された煤を燃焼（酸化）させるプロセスです。これは、受動的に（通常の運転中のエンジンの排気熱から、またはフィルターに触媒を追加することによって）行われるか、または排気システムに非常に高い熱を積極的に導入することによって行われます。車載アクティブフィルター管理では、さまざまな戦略を使用できます。^[9]

1. 遅い燃料噴射または排気行程中の噴射により排気温度を上げるエンジン管理
2. 燃料系触媒の使用による煤燃焼温度の低減
3. 排気温度を上げるためのターボ後の燃料バーナー
4. 排気温度を上げる触媒酸化装置とアフターインジェクション（HCドーザー）
5. 排気温度を上げるための抵抗加熱コイル
6. 微粒子の温度を上げるマイクロ波エネルギー

すべてのオンボードアクティブシステムは、DPFを加熱するための燃焼やDPFの電気システムへの追加電力供給など、余分な燃料を使用しますが、燃料媒介触媒を使用すると、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、再生サイクルをアクティブにするタイミングを決定します。追加の燃料は、定量ポンプによって供給できます。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、燃料消費量が多くなります。再生サイクルを早めに実行しないと、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が故障する可能性があります。

ディーゼル粒子状物質は、600℃以上の温度に達すると燃焼します。この温度は、燃料系触媒の使用により、350～450℃の範囲に下げることができます。実際のすす燃焼温度は、使用する化学物質によって異なります。2010年代半ばに、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、粒子状物質の酸化に必要な温度を200℃強に下げました。反応温度を低く抑えることができたのは、ドーパントによりFe格子がより多くの酸素を保持できるようになったためです。^[51]この進歩は、ほとんどのディーゼルエンジンの標準動作温度で洗浄反応を起こせるようになり、余分な燃料を燃やしたり、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。研究を始めた化学者にちなんでグリンドスタッフ触媒と名付けられたマグネシウム添加触媒群は、粒子状物質の排出規制が世界中で強化される中、産業界や学界で多くの研究の対象となっている。^{[52] [51]}

場合によっては、燃料媒介触媒がない場合、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閾値を超え、基質の壊滅的な破損を引き起こす可能性があります。この可能性を抑えるために、さまざまな戦略が開発されています。通常、排出ガス制御装置の前の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比率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迅速な再生が可能になりますが、同時に再生の暴走の問題にもつながります。

一部のアプリケーションでは、オフボード再生を使用します。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、マシンを壁/床に取り付けられた再生ステーションに接続するか、フィルターをマシンから取り外して再生ステーションに配置します)。オフボード再生は、使用していないときに車両が中央の車両基地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、主に産業および採掘アプリケーションで使用されます。石炭鉱山 (石炭の湿気による爆発の危険を伴う) では、使い捨てではないフィルターが取り付けられている場合にオフボード再生を使用し、再生ステーションは許可されていない機械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います。鉱山機械や、稼働寿命が1か所で終わるその他の機械では、固定式の再生ステーションが実用的です。再生のためにフィルターを物理的に機械から取り外す場合、フィルターコアを毎日検査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）。^[53]

DPF装置を故意に取り外したり改ざんしたりすることは、「削除」、「無効化」、「調整」などと呼ばれ、EPAによって禁止されています。ディーゼル排出ガス無効化装置の製造業者や小売業者数社は、最高100万ドルの罰金を科せられています。^[54]

• 大気汚染
• 選択的触媒還元
• スモッグ
• 超低硫黄ディーゼル

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