株式会社ジャパンイノベーションズ｜ボイラー機能環境水生成装置「LSFTC」の取扱・販売会社

新たに開発されたDPF 用燃料添加剤の燃費改善とCO2 削減効果

日本油化工業（株）は、国立研究開発法人水産大学校との共同研究により、バスやトラックなどに設置されているDPF（ディーゼル微粒子捕集フィルタ－）に堆積したPM の酸化除去を促進することによりDPF の性能を改善する”添加剤”を開発しました。

自動車技術会においてその成果を発表するとともに、その性能を実車で検証するために、12 月～４月中旬までの４.5 ヶ月間、約25,000km（最初の約6,000km は軽油のみ、次の約5,000km は軽油に添加剤を混合し、その後約7,000km は軽油のみ,約8,000km は軽油に添加剤を混合して走行）に渡り、大型トラックを用いた実証試験を実施しました。

左図に試験に用いた車両の写真を示します。

図１ 排気管内圧力と燃費の関係

1.　マフラー（DOC＋DPF）の役割

図１は、エンジンの排気系統に設置されたDOC（酸化触媒）とDPF（ディーゼル微粒子捕集フィルター）から構成されるマフラーの役割を示したものです。エンジンにおける燃料の燃焼によってCO,NO, HC 及びPM が生成されます。CO, NO,HC はDOC において触媒の働きにより酸化除去されます。PM はDPF において捕集されますが、酸化セリウム（CeO2）などの触媒の働きによって酸化除去される（DPF の再生）ことにより、マフラーの性能が保持されます。

図２ 排気管内圧力の増加による燃費の悪化

2.　DPF の詰まりによる燃費の悪化

図２は、排気管内圧力と燃費の関係を示したものです。排気管内圧力の上昇に伴い燃費が悪化し、排気管内圧力が約30kPa になると燃費は約9%悪化しています。これは 、

1. DPF にPM が堆積すると排ガスの流路が狭められるため排ガスの流量が減少
2. 排ガスの流量が減少すると、過給機の性能が低下して燃焼に必要な空気量が不足
3. 燃焼に必要な空気量が不足すると、燃焼室内において不完全燃焼が発生し、燃費が悪化するとともに、PM の生成量も増加
4. これを繰り返すことにより、DPF の詰まりが加速度的に増加して燃費も悪化したためと考えられます。

図３ 燃料に添加剤を混合したときの効果

図３に、触媒が機能するための温度と燃料に添加剤を混合したときの効果を示します。
この図から次のことが分かります。

1. 排ガス温度が300℃以上にならないと触媒が機能しないため、DPF にPM が堆積し続けて、排気管内圧力が上昇し続けます。
2. 燃料に触媒を添加すると、排ガス温度約320℃から触媒の働きによりPM が酸化除去され、排気管内圧力が上昇しなくなります。
3. PM が堆積した状態（排気管内圧力が上昇した状態）でも、燃料に触媒を添加することにより排気管内圧力が上昇しなくなります（PM が堆積しなくなります）。

図４ DPF に詰まりがある時の負荷率とDPF入口圧力及び酸素濃度の関係

3.　DPF の詰まりによる出力の制限

図４に、DPF に詰まりがある状態で負荷率を上昇とさせた時のDPF 入口圧力と酸素濃度の変化を示します。
図の赤□（DPF 入口圧力）と緑〇（酸素濃度）で示しますように、DPF に詰まりがある状態で負荷率（出力）を上昇させた場合、負荷率（出力）の上昇とともにDPF 入口圧力が上昇するとともに、酸素濃度が低下します。
負荷率が59%になると排気管内圧力が30kPa付近まで上昇するとともに、酸素濃度が7%以下（酸素不足の状態）になり、CO 濃度も1000ppm 以上になったため（燃焼が極端に悪化したため）実験を中止しました。
この実験から、DPF にPMが堆積した状態で負荷率を上昇させた場合、燃焼が悪化して出力が制限されることが分かりました。

図５ エンジンに吸入される空気と、エンジンから排出される排ガスの流れ及びこれに関連する機器のモデル図

4.　DPF が詰まるとエンジン性能が低下する（燃費が悪化して出力が制限される）理由

図５に、エンジンに吸入される空気と、エンジンから排出される排ガスの流れ及びこれに関連する機器のモデル図を示します。
図において、PM の堆積によりDPF 内における排ガスの流路が狭められると、排気系統の圧力が上昇するとともに、排ガス量が減少します。
過給機に設置されたタービンは排気エネルギーによって駆動されるため、排ガスの流量が減少すると過給機の回転数が低下し、タービンによって駆動される圧縮機の能力が低下して、エンジンに供給される空気の量（酸素量）が減少します。

図６ DPF の詰まりによる過給機回転数、給気圧力、排ガス中の酸素濃度及び燃料消費量の変化

図６に、DPF が詰まった状態（DPF 入口圧力が9kPa と14.3 kPa の状態）を、DPF に詰まりが無い状態（DPF 入口圧力は0kPa）と比較した時の、過給機回転数、給気圧力、排ガス中の酸素濃度及び燃料消費量の変化を示します。
図に示しますように、DPF 入口圧力の上昇とともに図５のモデル図で説明いたしました理由により、過給機回転数が低下して給気圧力が低下します。
これにより、燃焼室に流入する空気量（酸素量）が減少して不完全燃焼が発生することにより、燃費が悪化し、これが続くと出力が制限されることになります。