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ディーゼル車対策技術評価検討会とりまとめ

３．対象とした技術及びその技術的評価結果

３.１ 対象とした技術

　本検討会では、使用過程のディーゼル車からの排出ガスを低減する技術のうち、排気系に装着して、特にＰＭの削減に有効と思われる後処理装置に関するもので、既に実走行試験を行っている等実績のある装置を中心に評価を行った。

　具体的には、ＤＰＦとしては以下のものを評価した。

　なお、[4]については、精密な燃料噴射制御等のエンジン本体での対応が必要であり、使用過程車に適用できないため、最終的な評価対象から除いている。
　 また、ＤＰＦ以外のものとして以下のものを評価した。

３.２ ＤＰＦの試験結果等

(１)メーカーヒアリング結果
　メーカーヒアリングでは、対象技術毎に、概要、排出ガス低減効果、制約条件、適用可能な車種、耐久性、不具合発生状況、価格、供給能力等について調査を行った。（表３－１参照）
(２)実証試験結果
　実証試験は、交互再生式ＤＰＦとしていすゞセラミックス社製、連続再生式ＤＰＦ（ＮＯ２による酸化方式）としてジョンソンマッセイ社製等、連続再生式ＤＰＦ（触媒による酸化方式）としてエンゲルハード社製について、国、地方公共団体、全日本トラック協会、ＪＣＡＰ（Japan Clean Air Program）において実施された。（表３－２参照）
　なお、連続再生式ＤＰＦについては、個々の走行条件を考慮して排出ガス低減効果が得られるよう触媒の量等を設計していることから、走行条件から外れたモードで試験を行った場合、想定した排出ガス低減効果が得られない可能性があることを考慮する必要がある。
[1]交互再生式ＤＰＦ
(ア)排出ガス低減効果
　３台の試験車両について、ディーゼル１３モード（Ｄ13モード）及び３種類の実走行モード（東京都モードNo.２：平均速度8.4km/h、No.５：平均速度18km/h、No.８：平均速度28.5km/h）で排出ガス試験を実施した。（図３―１～図３－４参照）
　その結果、ＰＭの低減率について、Ｄ13モードでは80％前後、実走行モードでも同程度の低減率が得られたが、一部に約40～60％と低減率の低いものがあった。
　なお、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの低減率については、車両やモードによって多少のばらつきはあるが、影響度も小さく、系統的な傾向は見られなかった。
(イ)路上走行試験結果
　平成１２年７月から９月の２か月間、２８台の車両について路上走行した結果、不具合のあった車両は１２台、不具合は延べ２４件であった。主な不具合の内容は、フィルターの入口にある再生・捕集の切り替え時期を判断する圧力センサーの異常や再生時の燃焼に使用する空気の流入量不足による再生異常であった。
　なお、不具合を修理した後には、同様な不具合は発生していない。
(ウ)その他
　いすゞセラミックス社製のＤＰＦの場合、ＤＰＦ本体の取付けの他、発電機の交換が必要である。東京都の試験車の例では、取付け／改造に要した期間は、取付／改造前の検討を含めると、小型トラックで５日、中・大型トラックで５～12日、バスや特種車では３週間を要した。また、ＤＰＦ本体または発電機の取付スペースがないために、取付け困難な車種もあった。
[2](a)連続再生式ＤＰＦ（ＮＯ２による酸化方式）
(ア)排出ガス低減効果
　３台の試験車両について、Ｄ13モード及び２種類の実走行モード（ＪＡＲＩモード：平均速度15.2km/h、45km/h）で排出ガス試験を実施するとともに、３台の試験エンジンについて、Ｄ１３モードで現行軽油及び低硫黄軽油を使用して排出ガス試験を実施した。（図３－５～３－８参照）
　なお、試験車両のうち１台（16ｔ積トラック）については、連続再生式ＤＰＦが効率的に再生できるように、ＮＯｘ／ＰＭ比を40程度と高くするためのエンジン調整を行っている。
　その結果、低硫黄軽油を使用した場合、ＰＭの低減率はＤ13モードでは82～97％であった。ただし、16ｔ積トラックにおいて、約3,500km走行後に測定した結果、低減率が42%に落ちているが、これはフィルターに何らかの不具合が生じた可能性が考えられる。実走行モードでは一部を除き86～98％であった。
　また、現行軽油を使用した場合、新しい規制に適合した車ほどＰＭの低減率が低くなっている。これは、新しい規制の適合車ほどエンジンのＰＭ排出量が少ないのに対して、いずれも酸化触媒の作用によりサルフェート（硫酸塩）が発生しているためと考えられる。
　なお、ＣＯ、ＨＣについても80％以上の高い低減率が得られたが、ＮＯｘについてはほとんど変化はなかった。
(イ)ＮＯ２排出量への影響
　連続再生式ＤＰＦ(a)を装着した場合のＮＯ２排出量への影響を確認した結果、ＤＰＦを装着しない場合に比べて、ＮＯｘの排出量の増加は見られないが、酸化触媒によりＮＯ２の割合が増加するため、ＮＯ２排出量が、現行軽油で約１．５倍、低硫黄軽油では約２倍となっている。（図３―１１参照）
(ウ)再生の確認
　１台の試験車両及び３台のエンジンについて、ＤＰＦ前後の排気圧力の差（差圧）及び排気温度の変化を調べることにより、再生の確認を行った。（図３―９、図３―１０参照）
　この結果によると、排気温度が200℃程度の低速走行時には、差圧が上昇していることから、再生が行われずにフィルタにＰＭが堆積しており、その後、排気温度が300℃弱程度の高速走行時には、ＰＭが燃焼して差圧が下がり、再生が行われていると考えられる。
　エンジン試験においても、排気温度が300℃程度以下では差圧が上昇し、再生が行われていないと考えられる。
(エ)耐久性能
　１台の試験車両について、図３－１２に示す基本走行パターンを繰り返し、耐久走行試験を行った。耐久走行試験前後の排出ガス試験は、２種類の実走行モード（平均車速15km/h、平均車速45km/h）及びＤ１３モードにより、燃料は低硫黄軽油（約40ppm）を使用して行った。なお、総走行距離は約13,000kmとなった。
　この結果、走行前後の排ガス低減率を比較すると、実走行モードでは、ＰＭ及びＮＯｘの低減率が悪化傾向を示した。
　また、Ｄ１３モードでは、走行後のＰＭの低減率は大幅に悪化した。この理由としては、Ｄ１３モードの前に行った実走行モード試験が低温条件のため、フィルターの再生が十分行われず、ＰＭが堆積し続け、その後、Ｄ１３モードの準備のために行った全負荷試験により、フィルター内が高温となり、多量のＰＭが着火・異常燃焼し、フィルターが溶損して、すき間が発生し、捕集効率が悪化したものとと考えられる。（表３－３、図３－１３～図３－１６参照）
　本試験は総走行距離が13,000kmと初期の耐久走行試験であるが、今回のように再生が十分行われず、フィルターが溶損することがあるため、より低温活性を向上させた触媒の開発、より高耐熱性を有する材質のフィルターの採用など、技術的課題が残されている。
[2](b)連続再生式ＤＰＦ（触媒による酸化方式）
(ア)排出ガス低減効果
　各規制年次の車両について、Ｄ13モード及び４種類の実走行モード（東京都モードNo.２：平均速度8.4km/h、No.５：平均速度18km/h、No.８：平均速度28.5km/h、No.12：平均速度53.4km/h）で排出ガス試験を実施した。さらに、現行軽油と低硫黄軽油を用いて、軽油中の硫黄分の影響を確認した。（図３―１７～図３－２２参照）
　これらの結果から、現行軽油を使用した場合、ＰＭの低減率は、Ｄ13モードでは、－15％となった１データ（10ｔ積トラック用エンジン）を除いて、53～93％であった。なお、低減率が－15％と低くなった原因としてはサルフェートの生成が考えられ、サルフェートを生成しやすい貴金属触媒の担持量が多かったことが可能性として挙げられる。また、実走行モードでは、東京都モードNO.2で27％となった１データを除いて、いずれも90％以上の低減率となった。
　さらに、低硫黄軽油を使用した場合、ＰＭの低減率が規制年にかかわらず93～98％を示しているのに対し、現行軽油を使用した場合、新しい規制適合車ほどＰＭの低減率が低くなっている。これは、新しい規制適合車ほどエンジンのＰＭ排出量が少ないのに対して、いずれも酸化触媒の作用によりサルフェートが発生しているためと考えられる。したがって、ＰＭの低減効果をより高く得るためには、低硫黄軽油の使用が有用である。
　なお、ＣＯ、ＨＣについても60～90％程度の低減率が得られた。ＮＯｘについては、ほとんど10％以下の低減率で、大きな変化は見られなかった。
(イ)ＰＭ中の成分の違い
　現行軽油を使用した場合のＤ13モードにおけるＤＰＦの取付けの有無によるＰＭ中の成分の違いを確認した。（図３―２３参照）
　この結果によると、ＤＰＦを装着すると、黒煙は除去されるが、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction:可溶有機成分）は変化がなく、逆にサルフェートは増加した。
(ウ)ＮＯ２排出量への影響
　連続再生式ＤＰＦ(b)を装着した場合のＮＯ２排出量への影響を確認した結果、ＤＰＦを装着しない場合に比べて、ＮＯｘ排出量の増加は見られないが、酸化触媒によりＮＯ２の割合が増加するため、ＮＯ２排出量が、現行軽油、低硫黄軽油のいずれにおいても、約５倍となっている。（図３―２７参照）
　また、ＮＯ２による酸化方式のＤＰＦと比べてＮＯ２排出量が高い結果になっているが、これは酸化触媒中の貴金属の担持量が多かった可能性が考えられる。
(エ)再生の確認
　１台の試験車両について、連続運転した場合の再生の確認を行うとともに、３台のエンジンについて、ＤＰＦ前後の差圧及び排気温度の変化を調べることにより、再生の確認を行った。
　車両の試験は、[1]実走行モード（ＪＡＲＩモード：平均速度26km/h）の９回連続運転、[2]実走行モード（東京都モードNO.2：平均速度8.4km/h）の３時間連続運転により実施した。（図３―２４～図３―２６参照）
　これらの結果から、高速モードを含む平均速度の高いモード（ＪＡＲＩモード：平均速度26km/h）では、再生が行われているが、平均速度の低いモード（東京都モードNO.2：平均速度8.4km/h）では、差圧に若干の増加が見られ、再生が行われているかは明確でない。
　また、エンジン試験においても、排気温度が概ね300℃程度以下では差圧が上昇し、再生が行われていないと考えられる。
(オ)耐久性能
　１台の試験車両について、図３－２８に示す低速型の実走行モード（東京都モードNO.2：平均速度8.4km/h）を繰り返し連続走行し、排出ガス低減効果、再生機能の劣化状況を確認した。なお、総走行距離は1,000kmとし、軽油は現行軽油を使用した。（図３－２９～図３－３６参照）
　これらの結果から、低速の連続走行を行うと走行距離が増えるに従いＤＰＦの背圧が上昇し、モード運転中の最高圧力が当初400mmAq程度であったものが、約800kmで約2000mmAqに達した。ＰＭ排出量も、増加傾向にあり、背圧の上昇が燃焼に悪影響を及ぼした結果と考えられる。
　なお、800km以降、高負荷状態で100km程度走行するとＤＰＦ背圧が減少する傾向が見られる。
　以上のことから、低速連続走行では再生が行われないため、再生を行うためには、少なくともある間隔で高負荷運転が必要であると考えられる。
　また、他の１台の試験車両について、ＤＰＦを車両に取付け実走行試験を行った結果、8,000～9,000km走行した段階で、黒煙濃度が装着前と同じレベルとなった。これは、排気温度が低かったことから、フィルターの再生が十分行われず、ＰＭが蓄積し続け、蓄積したＰＭの異常燃焼により内部溶損したものと考えられる。（図３－３７参照）
　さらに、他の３台の試験車両について、ＤＰＦを車両に取付け実走行試験を行い、そのうち１台について装着後２万３千km走行後に排出ガス試験を実施した。このうち排出ガス試験結果からは、ＰＭ低減率が当初の９割程度から２割程度に悪化していることが分かった。なお、約８万４千km走行している高速道路走行を主とする車両では、特に不具合は見られていない。（表３－４参照）
　 以上のとおり、本検討会では国、自治体等において、可能な範囲で再生性能、耐久性の確認を行った。しかし、時間的制約もあり、限られた温度範囲の走行条件の調査しかできず、また初期耐久走行試験しか実施できなかったことから、広範囲な温度範囲の多種多様な運転条件がある一般走行での使用について、十分な確認ができたとは言えない。さらに、ＤＰＦのメーカーで行われている確認も限定的な条件であることを踏まえると、今後も耐久性等の確認が必要であると考えられる。
(３)ＤＰＦの評価
[1]交互再生式ＤＰＦ
  • 従来はコーディエライト製ウォールフロー型フィルターで開発が進められてきたが、再生時に高温になり、その結果、溶損や温度勾配による割れ等の問題があった。最近開発されたセラミック繊維不織布型フィルターはこの問題を解決したものである。ＰＭ低減率は約８割程度であり、コーディエライト製ウォールフロー型のフィルターに比べＰＭ低減率が若干低く、一部にはさらに低いものもみられる。
  • ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの低減効果はない。
  • フィルターの再生は電熱線により行うことから、排気温度に影響を及ぼす走行条件の制約を受けない。但し、ＰＭが大量に発生した後に再生が重なり温度の急上昇によりフィルターの溶損につながるといった希なケースがみられる。
  • 触媒を使用していないことから、燃料中の硫黄分の影響を受けないため、現行軽油の使用が可能である。
  • 高温に曝されるため、３年程度でフィルターの交換、また、１年程度でセンサー類の交換が必要であるとしている。
  • 交互再生式ＤＰＦについては、フィルターを２つ必要とし、取付けに際しては、マフラーとの交換、大型発電機への交換作業を伴うため、取付けスペースに余裕があることが必要等、物理的な理由から装着できる車種が限定される。なお、他のメーカーが作成した交互再生式ＤＰＦ（ハニカム型）についても、同様の状況である。
  • 原理的には車種を選ばないが、現在のところ、２ｔ及び４ｔ積トラック並びに路線バス以外の車種について適用可能性は十分に明らかになっていない。
[2](a)連続再生式ＤＰＦ（ＮＯ２による酸化方式）
  • フィルター本体はコーディエライト製等のウォールフロー型のため、ＰＭの低減率は概ね９割を超え比較的高い。
    ・　酸化触媒の作用によりＣＯ、ＨＣにも低減効果がある。
  • 限られたモードにおける結果のため一般的な傾向とはいえないが、ＮＯｘの排出量の増加はほとんど見られないが、触媒により生成したＮＯ２が場合により未反応のまま排出され、ＮＯ２の排出が増加することがある。
  • フィルターの再生は触媒を利用して行うことから、排気温度が３００℃弱程度以上となる走行が一定比率以上必要である。このため、排気温度が低温となる低速で長時間走行する車両や乗用車には適用が困難である。
  • ＮＯ２による酸化のため、エンジンのＮＯｘ／ＰＭ比が８以上である必要がある（理想は２０）。このため、平成元年及び短期規制適合車については、ＮＯｘ／ＰＭ比が規制値レベルで８程度であることから、一般的には適用が困難であると考えられる。
  • 再生に必要となるＮＯ２生成のためフィルターの前に酸化触媒を配置している。燃料中の硫黄分が高い場合、サルフェートの生成により触媒が被毒され、ＮＯ２の生成が不十分となる。このため、現行軽油での使用は困難であり、低硫黄軽油の使用が必要である。
  • 従って、軽油が低硫黄化されるまでの間は適用が困難であり、低硫黄化後も元年規制適合車及び短期規制適合車への適用は困難である。
  • フィルターについては、アッシュの除去のため、１年又は１０万km毎のフィルターの逆洗及び反転が必要であるとしている。再生が不十分な状態で連続使用した場合、背圧の上昇により加速性能が悪化するとともに、蓄積したＰＭが一気に燃焼することによりフィルターが溶損するおそれがある。耐久性能の確認結果でも溶損したケースがあり、比較的短い期間に交換が必要となる可能性がある。
  • フィルターの再生は触媒を利用して行うことから、一定以上の排気温度が一定比率以上確保できる走行条件を満たす一部の自動車に適用できると考えられる。再生の可否が温度に依存するため、適用可能な車種を明確にするには、温度に影響を及ぼす車両の走行条件を明確にする必要がある。しかしながら、走行条件は、ユーザーや走行時期・時間によって異なるため、明確化は困難である。
[2](b) 連続再生式ＤＰＦ（触媒による酸化方式）
  • フィルター本体はコーディエライト製等のウォールフロー型のため、ＰＭの低減率は概ね９割を超え比較的高いが、現行軽油で高負荷の場合、一部に低いものがみられた。
  • 酸化触媒の作用によりＣＯ、ＨＣにも低減効果がある。
  • フィルターの再生は触媒を利用して行うことから、排気温度が３００℃程度以上となる走行が一定比率以上必要である。このため、排気温度が低温となる低速走行で長時間走行する車両や乗用車には適用が困難である。
  • 燃料中の硫黄分の作用を受けにくいため現行軽油でも使用可能であるが、高負荷時にサルフェートが生成されてＰＭの低減率が低くなるため、低硫黄軽油の使用が望ましい。
  • フィルターについては、アッシュの除去のため、１年又は１０万km毎のフィルターの逆洗及び反転が必要であるとしている。再生が不十分な状態で連続使用した場合、背圧の上昇により加速性能が悪化するとともに、蓄積したＰＭが一気に燃焼することによりフィルターが溶損するおそれがある。耐久性能の確認結果でも溶損したケースが見られ、比較的短い期間に交換が必要となる可能性がある。
  • フィルターの再生は触媒を利用して行うことから、一定以上の排気温度が一定比率以上確保できる走行条件を満たす一部の自動車に適用できると考えられる。再生の可否が温度に依存するため、適用可能な車種を明確にするには、温度に影響を及ぼす車両の走行条件を明確にする必要がある。しかしながら、走行条件は、ユーザーや走行時期・時間によって異なるため、明確化は困難である。
[3]バッチ式ＤＰＦ
  • フィルター本体は炭化ケイ素製等のウォールフロー型のため、ＰＭの低減率は比較的高い。
  • ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの低減効果はない。
  • 原理的には車種を選ばないが、現在のところ、フォークリフトや建設機械のほか、２ｔ積トラック及び中型バスについてのみ実績がある。
  • フィルター本体は、高温に曝されるため、３年程度で交換が必要である。
  • 一回の捕集量に限界があるため（元年規制適合車で１００km程度）、１度に長距離を走行する自動車には適用が困難である。また、フィルタに堆積したＰＭを加熱燃焼して再生するための外部電力を必要とし、そのための電源設備が必要である。
  • 触媒を使用していないことから、燃料中の硫黄分の影響を受けないため、現行軽油で適用可能である。
  • 従って、一回の走行距離の短い一部の自動車に適用できるが、使用者による再生等の管理を十分に担保でき、かつ、再生用の電源設備を準備できることが条件となる。
  • 使用者による再生等の管理が必要なことから、不正使用の防止を担保する手段が必要である。
  • 一回の捕集量に限界があることから、一度に走行できる距離に限りがあるため、再生を確実に行う管理が十分可能な使用形態に限られる。

３.３ ＤＰＦ以外の排出ガス低減装置の試験結果等

(１)メーカーヒアリング結果
　メーカーヒアリングについては、対象技術毎に、概要、排出ガス低減効果、制約条件、適用可能な車種、耐久性、価格等について調査を行った。（表３－５参照）
(２)実証試験結果
[3]ＤＰＦ付き水エマルジョン燃料システム
(ア)排出ガス低減効果
２台の試験車両（短期規制／小型貨物・乗用）について、 Ｄ13モード、実走行モード２種類（平均速度14.7km/h、平均速度43.1km/h）のモードで排出ガス試験を実施した。
　その結果によると、小型貨物車について、ＮＯｘは減少したが、ＰＭ、ＨＣ及びＣＯは大幅に増加した。また、小型乗用車については、ＮＯｘ、ＰＭ、ＨＣ及びＣＯともに低減効果は見られなかった。なお、これらの結果は、試験モードにより幅はあるものの、同様な傾向を示した。
（図３－３８～図３－４０参照）
(３)対象技術毎の評価
[1]高酸化力触媒
  • ＰＭのうちＳＯＦを低減するが黒煙を低減しないため、ＰＭ低減率はＤＰＦに比べ低く、２～３割程度であるが、実走行モードでは約５割の低減効果があるとの報告もあった。
  • ＣＯ、ＨＣにも低減効果があるが、ＮＯｘは低減しない。
  • 原理的には車種を選ばないが、現在のところ、２ｔ積トラックや大型バス等についてを中心に開発中又は試験運転中である。ただし、ＥＧＲ付きの自動車に装着した場合には、背圧の上昇によりＥＧＲ量が増大し、燃焼が悪化してＰＭが増加する。このため、装着する場合には、ＥＧＲの再調整が必要となるので、使用過程車への適用は困難である。
  • 現行軽油ではサルフェートが生成されるため、低硫黄軽油の使用が必要である。
[2]吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を利用した技術
  • エンジン側（燃料噴射）の精密な制御が必要であることから、新車対応の技術であり、使用過程車への適用は困難である。
  • 低硫黄軽油の使用が必要である。
[3]ＤＰＦ付き水エマルジョン燃料システム
  • 水エマルジョン燃料システムは一般的にＮＯｘ及び黒煙に対して低減効果があるとされているが、今後は、ＰＭ及びＨＣについて低減を図る必要がある。
  • 走行状態に応じて、水と軽油を適正に混合した燃料を適時エンジン内に供給するためには技術的な課題が残されている。

（参考）
　東京都より、本検討会に関連して、以下の報告があった。

　再生方式は[2](a)連続再生式ＤＰＦ（ＮＯ２による酸化方式）と同様で、フィルター部の材質を金属製（ワイヤーメッシュ、メタルフォーム）に変更したＤＰＦについて、排出ガス試験、路上試験等を実施中である。

(ア)排出ガス低減効果
　元年規制適合の車両を用いて、ワイヤーメッシュ、メタルフォームのフィルターそれぞれについて、Ｄ１３及び実走行モード（東京都NO.5：平均車速18.4km/h）で、排出ガス試験を実施した。
　その結果、ＰＭの低減率については、Ｄ１３モードで６０％～７０％、実走行モードで５０％～５５％であった。また、ＣＯ、ＨＣについては、８０％～１００％の低減率が得られ、ＮＯｘについては、ほとんど低減率が得られなかった。
(イ)路上走行試験結果
　平成１３年３月からワイヤーメッシュ、メタルフォームのフィルターについて、元年及び短期規制の都バス（計８台）を用いて、路上走行試験を実施している（コース：品川駅～レインボーブリッジ～東京テレポート駅）。
　４月末の時点で3,000～6,000km走行した結果においてフィルターの破損、目詰まり等の不具合は発生していない。
(ウ)その他
　ＤＰＦ本体はマフラーサイズに合わせて作製されているため、ＤＰＦの装着に要する時間は２時間程度である。また、車両又は走行状態によっては、ＤＰＦ入口の排気温度を高い状態に維持するために、マフラー部までの排気管を中空二重構造管に交換する必要がある。

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