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Aug 10, 2023

ディーゼル排出システムの仕組み

Sono passati 56 anni dall'approvazione del Clean Air Act.

大気浄化法が制定されてから 56 年が経過しましたが、この半年はディーゼル エンジンにとって最も忙しい時期でした。 1991 年から、エンジン メーカーに粒子状物質 (PM) の削減を求めるために、より厳しい連邦排出ガス基準が導入されました。 1994 年までに、PM をさらに 60% 削減することが義務付けられました。 その後、1998 年に窒素酸化物 (NOx) に対するより厳しい制限が課され、上限は段階的に強化されました。 次の NOx 排出規制は 2004 年に行われ、フォードは排気ガス再循環 (EGR) を備えた Navistar 製の 6.0L パワー ストロークをデビューさせ、GM は 6.6L デュラマックスに EGR を追加しました。

2007 年 1 月 1 日の時点で、PM 排出制限は再び引き下げられ、今回は 0.01 g/bhp-hr となり、1991 年の基準から 96 パーセント削減されました。 同時に、メーカーは、すぐには発効しなかったものの、2004 年に発効したばかりの基準より 90% 低い NOx レベルを満たす必要がありました。 メーカーは、2007 年から 2010 年までの期間を、新しい非常に厳しい NOx 基準の段階的導入期間として使用することが許可されました。 その結果、フォードとGMはいずれも、選択的触媒還元（SCR）の使用を必要とする基準を満たすのを2010年まで待ち、フォードとGMは新型6.7LパワーストロークとLMLデュラマックス（2011年モデルとして発売）をデビューさせた。 。

上述の増え続ける規制に対応するために、公害対策技術が数多く採用されてきました。 初期（1990 年代）には、ピストン設計の変更、インジェクターのスプレー角度の変更、または電子制御噴射システムへの切り替えにより、多くの排出量を抑制することができましたが、すべてではありませんでした。 その結果、PM 要件を満たすために、より高い噴射圧力、特に高圧コモンレール システムが注目されるようになりました。 その後、前述の EGR システムが登場し、NOx レベルの低下に役立ちました。 さらに、ディーゼル酸化触媒 (DOC)、ディーゼル微粒子フィルター (DPF)、アクティブおよびパッシブ再生、選択触媒還元 (SCR)、ディーゼル排気液 (DEF) などの PM および NOx 対策技術がすぐに続きました。

派手な略語がたくさんあって混乱していませんか? 下にスクロールして、正確に何を意味し、どのように機能するかを確認してください。

EPA のレーダーに映った最初の汚染物質は粒子状物質 (PM) でした。 ディーゼル エンジンでは、PM は燃焼プロセス中に完全に使用されずにシリンダーから排出され、排気バルブを通って排気システムを通ってテール パイプから流出する燃料など、未燃燃料の結果として発生します。黒煙の。 シリンダー内で発生する噴射イベントの精度が低い機械式 (つまり古い) 燃料システムは、PM を生成することで悪名が高いことでした。 PM 自体は、硫酸塩、発がん性化合物、炭素元素、重金属からなる複雑な構成物です。

窒素酸化物 (NOx) は、ディーゼルの高い運転温度の直接的な結果であり、スモッグの主成分です。 燃焼中に窒素が放出され、酸素と結合すると形成されます。 シリンダー内に極度の熱が存在すると、さまざまな窒素酸化物、つまり二酸化窒素と一酸化窒素が生成されます。これは、NOx (シリンダー内温度の低下によって達成される) と PM (完全燃焼/シリンダー内の高温によって達成されます) の間の微妙なバランスを意味します。最新のディーゼル エンジンが両方の汚染物質を適切なレベルに維持するには、温度) が最も重要です。

2000 年代初頭、電子制御噴射システムとより高いシリンダー内噴射圧力の使用により、PM 基準が満たされました。 しかし、PM の制御による燃焼温度の上昇は、NOx の制御に逆効果となります。 シリンダー内の燃焼温度を冷却し、NOx を削減するために、高圧ループ排気ガス再循環が急速に標準になりました。 EGR ガスでは酸素含有量がほぼ完全に枯渇しているため、エンジンには NOx の発生を促進するために必要な酸素原子が供給されません。

吸気流に再び入る排気ガスの流量を制御する役割を担うコンポーネントは EGR バルブです。 EGR バルブにはコールド側とホット側の 2 種類があり、作動の種類は空気圧、油圧、電気 (現在では後者が最も一般的) とさまざまです。 コールド側 EGR バルブは、EGR クーラーを出た後の排気ガスを吸気へと導きます。 ホットサイド EGR バルブは、EGR クーラーの前にその流量の役割を果たします。 ホットサイド EGR バルブの使用は、バルブの故障 (つまり、固着) につながる種類のすすや汚れの蓄積を減らすのに役立つと考えられています。

ほとんどのエンジン用途では排気ガス温度が 1,200 度 F を超えるため、吸気管に戻される排気ガスの部分を冷却する必要があります。 これらの温度を下げる仕事は EGR クーラーによって処理されます。 空気から液体への熱交換器である EGR クーラーは、循環するエンジン冷却水を使用して、そこを通過する排気ガスの温度を下げます。 6.4L パワー ストロークや 6.7L パワー ストロークなどのエンジンでは、2 つの EGR クーラーが作動します。

2007 年に連邦政府が PM 排出に対する締め付けを強化したとき、高圧コモンレール噴射という最大限の努力をしても、新しい基準を満たすのに十分な効率は得られませんでした。 これが、今日私たちが知っている最新の排気後処理システムにつながりました。 後処理システムの中心となるのは、ディーゼル パティキュレート フィルター (DPF) として知られるウォールフロー スタイルの触媒です。 その主な機能は、PM を蓄えてテールパイプから出ないようにすることです。 DPF によって収集されたすすは、再生サイクル (詳細は後述) を定期的にトリガーします。このサイクルでは、ディーゼル酸化触媒 (DOC) 内でディーゼル燃料と排気ガスが結合し、すすが細かい灰に変わります。 DPF は非常に効果的であることが証明されていますが、時折の清掃と最終的な交換が必要になります。

最新のディーゼル排気後処理システムでは、DOC の仕事は、蓄積したすすを DPF 内に閉じ込められた微細な灰に変換するために必要な極度の熱を提供することです。 DOC は、エンジンから供給されるディーゼル燃料を酸化することにより、DPF の温度を上昇させる手段を提供します。これにより、DPF 内に蓄積した煤が効果的に焼却され、煤がより微細な不燃性の粒子 (つまり、灰) に分解されて残ります。

すすの蓄積が所定のレベルに達すると（通常、DPF 間の圧力差によってトリガーされます）、DPF 再生プロセスが開始され、すすが灰に変換されます。 このアクティブな再生サイクル中に、燃料が DOC に導入されます。 ディーゼル燃料は、エンジンの排気行程 (例: '08-'10 6.4L パワー ストローク) または下流の 9 番目の燃料インジェクター (上記の例: '11-'16 LML Duramax) で噴射される余剰燃料によって供給されます。 再生中、DOC に導入される燃料とシリンダー内で発生する噴射タイミングの遅延の組み合わせにより、排気ガス温度が 1,000 °F 以上に上昇します。

EGR システムの能力を超え、SCR は現在の厳しい基準を満たすほど NOx レベルを下げる上で最も効果的な技術となっています。 シリンダー内では解決できない NOx 問題は、尿素ベースのディーゼル排気液 (DEF) を SCR 触媒の上流に噴射することにより、排気後処理システムで処理されます。 このプロセス中に、有害な NOx が無害な窒素に化学変換されます。

慎重に混合する必要がありますが、DEF の化学組成は非常に単純です。32.5 パーセントの高純度尿素と 67.5 パーセントの脱イオン水です。 尿素自体は窒素化合物であり、熱にさらされるとアンモニアに変化します。 アンモニアは、SCR 触媒とともに、NOx を窒素に変換する上で最も重要です。 SCR の利点は、EGR システムに問題が生じたり、EGR システムに過度の負担をかけたりする結果として発生する NOx を発生させることなく、より効率的な燃焼プロセスをシリンダー内で採用できることです。 SCR の欠点は、ディーゼル排気後処理システム内のさらなる複雑さと、ディーゼル燃料が凍結する前に DEF が凍結するという事実です。 後者は、DEF ヒーターを備えたすべての SCR システムと、正確に 32.5 パーセントの尿素 (摂氏 12 度の可能な限り低い凝固点をもたらす比率) という DEF の化学組成の背後にある理由です。

信じられないかもしれませんが、VGT は PM と NOx の両方の排出を抑制するために必要な要素です。 低回転域ではより小型で制限の厳しいターボのように動作するため、その過渡応答は他のタイプのターボの追随を許しません。 この応答性は、エンジンがそのパワーバンドの中心に保たれ、そこで燃料がより効率的に燃焼され、「充電器の下」（煙がテールパイプから出る場所）にあることが排除されることを意味します。 EGR システムに関係するため、VGT は排気マニホールドと吸気マニホールドの間に正圧が存在することを保証し、必要なときに十分な EGR 流が利用できるようにします。

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