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4 排出ガス関連

4.1 自動車の大気環境影響と対策技術III(セッション番号42)

 当セッションでは、実環境における自動車の排出物や燃費の評価手法に関する講演4件が行われた。その中で自動車技術総合機構交通安全環境研究所の鈴木らは、「RDE走行による実燃費評価の可能性検討(第2報)」というタイトルで発表を行った。以下にその概要を紹介する。
 実際に路上を走行しているときの燃費(実燃費)は、シャシダイナモ上にてJC08モードやWLTCモードにより計測された燃費(認証値)から乖離しているのが普通で、実燃費は認証値よりも20~30%低いとされている。鈴木らは、2019年5月の第1報にて、直噴ターボガソリン車を用い、RDE(Real Driving Emissions)ルート走行時【図4-1】に得られる燃費(RDE燃費)が、実燃費を代替えできる可能性について検討した。その結果、RDE走行時の平均車速と燃費の関係は、一般的な実走行時の平均車速と燃費の関係と、高速走行時の一部を除いてよく一致しており、実燃費の相場的なものを十分表しうると報告している。続く本報では、近年国内で普及しているガソリン電気ハイブリット車(ハイブリット車)を用いて、同様の調査が試みられている。

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 ハイブリッド車では、減速時のエネルギー回生や、走行時の発電エネルギーの有効活用により、優れた燃費性能を得ることが可能となっている。ハイブリッド車の認証値と実燃費の乖離は、通常のガソリン車のそれより大きいとされており、本報の試験結果においても30%を超える差がみられた。
 さらに、ハイブリッド車では、さまざまな因子の走行燃費に対する影響度も、通常のガソリン車と大きく異なると予想された。第1報の直噴ターボガソリン車は季節影響をほとんど受けなかったのに対し、本報で調査対象としたハイブリッド車では燃費への季節影響が大きく、データ採取時の走行距離を伸ばしてもその影響は緩和できなかった。この理由として、ハイブリッド車は、走行自体のために消費するエネルギーが従来のガソリン車と比べて少ないため、エアコン使用の影響が相対的に大きくなるとみられること、また、ハイブリッド車に搭載されているエコタイヤでは気温による転がり抵抗差が通常のタイヤより大きいこと、バッテリー温度を一定範囲内に抑える必要があることが考えられるとしている。さらに、ハイブリッド車のRDE燃費は、同一季節(気温が同等の条件)においては実燃費を概ね表しうるものの、一方で平均車速や加速度の違いでは説明できない実燃費との差が見られた【図4-2】。先述のとおり、ハイブリッド車では燃費を変動させる因子が多く、一度の試験で全体を代表する値を得ることは難しい結果となったと報告されている。
 なお、本報のハイブリッド車での燃費評価ではバッテリーの充電状態(SOC)は測定できておらず、得られた燃費値には走行前後のSOC差による誤差があるものの、その影響度は最大4%程度であるとしている。(西川)

4.2 排気触媒システムI(セッション番号29)

 本セッションではGPF(ガソリンパティキュレートフィルタ)、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)に関連する報告が6件なされた。ここではディーゼル車から排出されるアッシュ堆積、移動に着目した取り組みを紹介する。
 松野ら(4-2)はDPFにおけるスート(煤)とアッシュの移動メカニズム解明の検討を行った。本報告では連続燃焼式軽油バーナを使用した粒子発生器にオイル添加装置を取り付け、スートとアッシュをDPFに堆積させた。図4-3に本装置を示す。

 DPFの再生挙動をIn-situ(その場)での観察を行うためフルサイズの炭化ケイ素(SiC)製のDPFをカットし、石英ガラスを取り付けることで観察面を形成した。図4-4にDPFと装置外観を示す。

 DPF上のスートの燃焼時において、観察により酸化挙動の変化が現れる臨界スート量を調査した。DPFへのスート堆積量を0.5g/Lと1g/Lから1gきざみに8g/Lまで調査した。図4-5、図4-6にスート堆積量違いでの再生時の挙動を示す。黒い部分がスート部で白い部分はスートが存在しない部分である。調査の結果、5~6g/Lが臨界スート量であることを示した。

 ウォールアッシュが形成されると臨界スート量以下でもスート輸送現象が生じ、スート4g/Lの条件でのスート輸送現象を図4-7に示す。図中に示したスートの塊が下流にあるアッシュを巻き込んで下流への移動を、観察することができた。これによりプラグアッシュが形成される。
 現象を理解し、メカニズムを推定するために観察は重要である。実際にスートとアッシュが移動することを観察できたことは非常に貴重であるものと考える。
 今後は市場実態との比較・検証を行い、DPFのアッシュ堆積分布を予測し、制御することにより排気の圧力損失上昇を抑え、またアッシュクリーニングのタイミングを明確にすることで、DPF搭載排気システムの更なる信頼性向上に繋がることを期待したい。(細谷)

4.3 排気触媒システムII(セッション番号30)

 本セッションでは排気触媒に関連する報告が6件なされた。ここでは尿素SCR触媒の高温性能改善に向けた取り組みについて取り上げる。
 国須ら(4-3)はディーゼルエンジンから排出されるNOx低減のため、近年有望とされるアンモニア(NH3)を用いた選択還元(SCR:Selective Catalytic Reduction)の反応メカニズムについて特にCu/ゼオライト触媒に着目して検討を行った。
 触媒として広く使われているZSM-5を担体とした銅/ZSM-5を使用した。NOx低減性能とアンモニア転化率を図4-8に示す。NOx低減率とアンモニアの転化率は150℃付近より立ち上り、300℃以上でアンモニア転化率は維持されるがNOx低減率は低下の傾向を示す。この挙動について反応メカニズムに着目して研究を行ったものである。

 本研究においてCu/ZSM-5触媒をX線吸収分光(XAFS:X-ray adsorption fine structure)による解析を中心に示す。XAFSは物質にX線を照射し、X線を吸収した原子の電子状態やその周りの構造(隣接原子)について多くの情報が得られるものである。
 図4-9に250℃で反応ガスを順次流通した時のXAFSの結果を示す。上の図はCu-ZSM5にアンモニア(NH3)→NO→O2→NO+O2を順次導入したときの、エネルギーに対する吸収を示している。CuのイオンはNO導入により8982eVでピーク大となり、Cu2+からCuへの還元が示唆された。下の図は原子間距離に対するフーリエ変換値を示しており、NH3~O2までの導入時において2~3オングストローム(Å:10-10m)に検出されるCu-O-Metalのピークが無いことを示した。これはNH3やNH3+が銅に配位しCu-O-Metalが存在しないことを示している。

 図4-10に400℃のX線吸収分光法の結果を示す。上の図はNH3→NO→O2→NO+O2を順次導入したときのエネルギーに対する吸収を示している。Cu+のイオンはNH3導入により8982eVでピーク大となり、NOやNO+O2の導入以降で消失しており、Cuの酸化、NH3の酸化が示唆された。下の図は原子間距離に対するフーリエ変換値を示しており、2~3オングストローム(Å:10-10m)のCu-O-Metalの結合を検出するピークはNH3~NO+O2までの導入において存在することを示した。これは銅がゼオライトに配位し、Cu-O-Metalが存在することを示している。
 これらの結果は、銅ゼオライト上での銅イオンの酸化状態、銅のゼオライトへの配位の状態を明らかにしたものであり、メカニズムを明確にするうえで重要な知見が得られたと考える。今後、得られた知見により銅ゼオライトにおける高温でのNOx低減性能改善につながる提案を期待したい。(細谷)

【参考文献】
(4-2) 松野真由美,北村高明,森本渓,草鹿仁,福間隆雄,木下幸一:ディーゼルパティキュレートフィルタ内のアッシュ堆積・輸送に関する研究(第4報),2019年春季大会学術講演会講演予稿集,No. 20195141,2019
(4-3) 国須正洋,沢井隆利,山口陽司,小倉賢:in situ XAFS and ESRにより評価したCu/ゼオライト触媒におけるCuイオンの動的挙動評価,2019年春季大会学術講演会講演予稿集,No. 20195146,2019