ディーゼルエンジン 環境への影響と対策

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ディーゼルエンジン

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/06/03 22:20 UTC 版)

環境への影響と対策

ガソリンエンジンより熱効率の高いディーゼルエンジンは、CO₂の発生量では環境への負荷が少なくて済む。しかしPMやNO_xの発生量はガソリンエンジンより大量で問題を含んでいる。

気体だけを燃やす予混合燃焼と異なり、燃料を液滴のまま燃やす噴霧燃焼の原理上、液滴の燃え残りとして、PMや黒煙を発生しやすいことが欠点である。またディーゼルエンジンはガソリンエンジンよりも高温高圧で、余分に空気を取り込む内燃機関なので、窒素酸化物 (NO_x)の生成量も多くなってしまう。

ディーゼル機関の低負荷時の空燃比は30:1から60:1もの希薄に見えるが、均一予混合燃焼ではないので、低温燃焼によるNOx低下は無い。むしろディーゼル機関は液滴付近の空気だけを消費する不均一な拡散燃焼のため、燃焼温度が高いまま多量の余剰空気を加熱し、行程あたり高負荷時よりも大量のNOxを生成する。

ディーゼル機関は排気も酸素過多となるので、ガソリン機関で多用されている排気浄化用の三元触媒を使えない。三元触媒は理論空燃比で運転する場合に炭化水素 (HC)・窒素酸化物 (NOx)・一酸化炭素 (CO) を同時に浄化できる。

但し新しい解決、そこにそれ以上の開発 水素の内燃機関 車およびトラックのための商業的に。

排気ガスの発がん性

ディーゼルエンジンの排気ガスの発がん性について、WHOの下部機関である国際がん研究機関（IARC）は長らく「グループ2Aの発がん性」＝「人に対する発がん性がおそらく（probably）ある」としてきたが、2012年6月、アメリカ国立がん研究所／国立労働安全衛生研究所の大規模疫学調査から、「グループ1」＝「人に対する発がん性がある」と格上げした。

硫黄とSO_x

ディーゼル燃料に硫黄が残留していると排気に有害な硫黄酸化物 (SO_x) が含まれる。また硫黄は酸化力が大きいので排気浄化用の酸化触媒や還元触媒とも先に反応して無効にしてしまう。そのため自動車用エンジンへの対応はもっぱら燃料の脱硫に頼っている。従来、欧州の軽油が低硫黄分の北海産原油から作られるのに対し、日本の軽油は高硫黄分の中東産原油から作られるため低硫黄化が難しいと言われていた。しかし日本の脱硫に関しても2004年末、自動車排出ガス規制に関連する「自動車燃料品質規制値」の変更が行われ、軽油に含まれる硫黄の許容限界は、従来の0.01 %質量以下から0.005 %質量以下へと改められ、欧州と同じ時期に同じレベルに低減している。硫黄分には燃料ポンプに対して潤滑作用があるため、脱硫後の燃料油には燃料ポンプ保護のため潤滑剤が添加される。

大型舶用エンジンには3 %ほどの硫黄分の多い粗悪な燃料が使われるため海水スクラバー装置（排ガス中に含まれるSOxを海水に吸収させる排煙脱硫装置）などの後処理で排気からSO_xを除去しようとしている。湿式スクラバーの後段でNO_x低減触媒も使えるようになるが、排気温度が低下しすぎているので難しい。2012年現在、欧州で排気温を下げすぎない乾式スクラバーと#SCRの組み合わせが開発中である。

NO_xと黒煙

排ガス中のNO_xと黒煙とは、二律背反の関係にあり、しかも自動車の走行条件は、どちらの状態もあるので2000年代のPM、NO_x対策では2つの後処理装置が必要になる。

高圧噴射で少量の燃料を完全燃焼させ黒煙の発生を防ごうとしても、高温高圧下の窒素と酸素（空気）により、NO_xが生成されてしまう。このため、低負荷時にはEGRを増やし燃焼温度を下げてNO_xを低下させる。

EGRを増やすと完全燃焼しにくくなり黒煙が増えるため、高負荷時にEGRは使えない。またEGRをなくしても高温高圧下で燃料噴射量が増えると、不均一な燃料が早期に発火して、PMが発生する。1990年代にコモンレール方式で多段噴射が使えるようになると、欧州自動車メーカーは発生したPMを多段噴射による後燃焼で完全燃焼しようとした。しかしNOxには無効だった。結局、PM対策とNO_x対策のために、別々の後処理装置が使われた。

2012年に発売されたマツダSKYACTIV-Dの低圧縮比ディーゼルによって初めて高負荷時のNO_xが低減され、NO_xの後処理装置が不用になった。

大型舶用エンジンには硫黄分の多いC重油が使われるため、NO_x浄化触媒は容易に使えない。また粗悪な重油を着火するため圧縮比も低下できない。派生型の内燃発電では水添加燃焼により燃焼温度を下げてNO_xを低減している。水の気化熱で燃焼ガス温度は低下し、水蒸気は作用気体となる。熱効率は2–3 %低下するだけでNO_xを50 %低下する。さらに多層水添加という高度な技を使えば熱効率を維持して60 %のNO_x低減が可能とされる。

関連する法規制

日米欧の各地では、ディーゼル自動車に対する環境規制が行われている。

国際海事機関（IMO）は海洋汚染防止条約付属書VI（MARPOL73/78 ANNEX VI）を1997年に採択し、批准国が定数に達すると発効するという手順で、2000年からSO_xの規制を発効し始め、定期的に規制を強化する方針である。NO_xについては全海域に適用される2005年に発効した第一次規制、2011年に発効した第二次規制に続き、2016年にはECA（排出規制海域）だけに極端に厳しい第三次規制が掛けられる予定である。

排気ガス処理

排気ガス処理技術は、できるだけ低温・低圧で燃焼させることでNO_xの発生を少なく抑え、酸化触媒やDPFによりPM、CO、HCを処理する方法と、できるだけ高温で完全燃焼させることでCO、HCの生成を抑え、その結果増加するNO_xを窒素に還元するNO_x還元触媒の2つを併用する方法が主流。

NO_x還元触媒に従来型の三元触媒から派生したものと、SCRと呼ばれるものの2つがある。また常時同じようにNO_xを浄化する「尿素SCRシステム」と、リーン燃焼中にNO_xを吸蔵し、リッチ燃焼以降に浄化作用を進める「吸蔵触媒」の2つがあり、それぞれ組み合わせられる。

そのほか、燃料の改質によりNO_xを減らす構想があり、ジメチルエーテル混入、水エマルジョン燃料などの研究が舶用エンジンの分野を中心に進んでいるが、供給体制の整備や、使用者が補給を怠った場合の対策などの問題があり、実用化は進んでいない。

なお、NO_xとPMの排出量は前述の通り二律背反であり、基本的に燃焼のセッティングによって多く排出される物質の処理に適した処理装置を搭載する方式が基本なのだが、使用状況などによってはメーカーの意図した通りの作用をしなくなってしまうこともある（たとえば、尿素SCRシステムを採用した車両において、何らかの理由で燃焼が低温もしくは低圧になってしまい黒煙を多く排出することがある。逆に、DPFを装備した車種において、メーカーの想定以上の低温・低圧などによりPMがDPFの処理能力以上に排出され燃料が原因ではないフィルターの目詰まりを引き起こすことがある）。また、後述のようにDPFの強制再生は燃料の消費が多く（＝燃費が悪い）、尿素SCRシステムでも構造上燃費の悪化は無視できるほどに小さくとも一方で尿素水の消費量はそのシステムを搭載することの多いトラック・バスにおいては莫大なものとなる。これらの事態を軽減するために2010年代に入りDPFと尿素SCRシステムを併用した浄化システムが普及しはじめた（例：ダイムラーグループが採用するBlueTec等）。併用する場合燃焼のセッティングを低温低圧または高温高圧の一方に振る必要がなく、またそれによりPMの発生量がDPFのみの車種のものより減ることで強制再生の機会が減り燃費が改善される。一方NO_xの発生量も尿素SCRシステムのみの車種の場合よりは少ないため尿素水の消費も抑えることができる。

EGR

排ガスの一部を吸気系へ導入する排気再循環（Exhaust Gas Recirculation, EGR）によって、吸気中の酸素量を減らしてピークの燃焼温度を下げ、NO_xの発生を抑制する。ディーゼルエンジンにはスロットルバルブはないため、低負荷時に極端な空気過多の希薄燃焼になるところにEGRを導入し、NO_x低下に利用する。乗用車の場合は高負荷時にEGRは行われないが、トラックなどは高負荷時にもEGRを利用しているケースがある。また、EGRには燃焼時の騒音を低下させるメリットもある（酸素濃度を低減でき、急激な燃焼を抑えることができる）。

微粒子除去装置

ディーゼル排気に含まれる粒子状物質 （ Particulate matter, PM）は、多くの場合「DPF」（Diesel Particulate Filter、ディーゼル微粒子フィルター）と呼ばれるセラミック製のフィルターで捕らえて燃焼処分されるようになっている。

DPFは排気管の途中に挿入され、内部に詰められた多孔質セラミックの微細な間隙に排気を通過させスス状のPMを捕集する。 多孔質の表面には白金などの金属触媒が塗布してあり、300 ℃以上の雰囲気中でPMが触媒によって排気と化学反応を起こし、H₂OとCO₂の無害な気体に酸化され排出される。 エンジンからの排気温度が低い状態が続く場合には、「強制再生」といって、手動で燃料過多の排気を作り出し、定期的に高温状態を作り出してDPFに溜まったPMを無害化して取り除く。

触媒の多くは硫黄に弱く、フィルターの目詰まりの原因となるため、低硫黄化された軽油以外（不正軽油など）の使用はできないが、フィルターにセラミックを使わず、金網と炭化珪素繊維を用いた製品もあり、こちらは低硫黄軽油以外も使用可能である。

SCR

SCR（Selective Catalytic Reduction, 選択的触媒反応）とは選択的な触媒による還元作用のことで、排ガス対策の場合はNO_xだけを選択して還元剤のアンモニアと反応させ窒素と水に還元する浄化触媒作用である。アンモニア還元剤を用いるため従来のNO_x還元触媒よりも高性能である。アンモニアを得る方法で2つに分かれる。

尿素SCRシステム

あらかじめ高純度の尿素を精製水に溶かし込んだ尿素水を独立したタンクに積載しておき、走行中にNOx還元触媒の手前に尿素水を噴霧し、高温の排気中で加水分解反応によりアンモニアを得る。幅広い排ガス温度領域でNO_x還元性能が高い（実際のシステムでは、HC分低減のため排ガスはSCRに先立ち二次空気と酸化触媒とで燃焼させておき、またSCR処理後には残ったアンモニアを分解するための酸化触媒も必要である）。尿素水の補給とシステム全体の取り付け場所の確保できるトラック・バス等において実用化されている。

NO_xアンモニア吸蔵SCR

SCRにNOx吸蔵層とアンモニア吸蔵層を付加した、新しいコンバインドタイプのNO_x吸蔵還元触媒。まず、リーン燃焼中にNO_xを吸蔵層に取り込んでおき、制御装置が適宜リッチ燃焼を開始する。リッチ燃焼中に白金触媒によりCOとH₂OとNO_xからアンモニアを生成し吸蔵する。次にリーン燃焼するときにSCRが働いて、新規のNO_xを窒素と水に還元する。米国排ガス規制をクリアしたホンダの触媒に使われている。またベンツも尿素噴射を行わないSCRにNO_x吸蔵機能を組み合わせている。日産も似た新型触媒を開発、2008年に国内販売する車両に搭載すると発表した（2009年4月時点で、エクストレイルのみが日本国内で販売されている）。

NO_x吸蔵還元触媒

排ガス中のNO_xをリーン燃焼時に取り込み、その後にリッチ燃焼で還元させる触媒のことである。NO_x還元に上記のSCRを使わないもので、還元剤はHCとCOとH₂になり、三元触媒にNO_x吸蔵層を追加したものと言える。ガソリン直噴エンジンで使われてきたものであり、ディーゼルには一部で使われている。

乗用ディーゼルエンジン用としては、欧州仕様アベンシスで採用されているDPFと一体化しPMとNO_xを同時に還元するトヨタのDPNRがある。

NO_xを還元するのに燃料分の多いリッチ燃焼が必要であり、軽油内の硫黄分が触媒の機能を奪うのが欠点である。