〈一般研究課題〉

ディーゼル微粒子除去フィルターによる環境負荷低減の評価

助 成 研 究 者

名古屋大学

山本和弘

ディーゼル微粒子除去フィルターによる環境負荷低減の評価
山本 和弘（名古屋大学）

Investigation of Emission Control by Diesel Particulate Filter
Kazuhiro Yamamoto(Nagoya University)
Abstract
We have simulated the flow in a wall-flow DPF using the lattice Boltzmann method. Filters ofdifferent length, porosity, and pore size are used. The soot accumulation for PM trap and sootoxidation for filter regeneration process are considered. Especially, the effect of NO2 on the sootoxidation is examined, which is recently proposed as the on-board regeneration system. The reaction
rate has been determined by previous experimental data. The estimated values of Arrhenius factor andactivation energy are A = 146 1/s, E = 79.5 kJ/mol with NO2, and A = 1.20 1/s, E = 64.9 kJ/mol without
NO2. Results show that, the flow along the filter monolith is uniform, and the large pressure drop
across the filter wall is observed, corresponding to the backpressure. The obtained permeability basedon the Darcy's law is close to the reported value of SiC DPF. When the soot is accumulated, the flow
pattern is largely changed due to smaller porosity. In soot oxidation process, the soot oxidation rate
becomes ten times larger when NO2 is added. These are useful information to construct the prediction
model for soot accumulation, and to develop the future regeneration system.

1. はじめに（研究目的）
近年，大気汚染物質対策のため，大都市を中心に自動車排出ガス規制が強化されている．特に，ディーゼル車から排出されるすすなどの粒子状物質(PM)については対策が急務となっており，フィルター（Diesel Particulate Filter，DPF）により，排ガス中の PM を吸着除去することが提案されている．しかし，吸着量が限界を超えるとフィルターが目詰まりを起こすため，捕集した PM を電− 183 −気加熱などにより焼却処理するフィルターの再生過程が必要となる．そこで触媒反応等を利用し，PM を捕集させると同時に酸化処理する連続再生フィルターが検討されている[1,2]．これによりフィルターの再生過程が不要となるが，技術的にはまだ確立されておらず，さまざまな連続再生方式が提案されている．
我々はこれまでに，多孔体内部にすすが吸着・除去される現象を，格子ボルツマン法（LBM）により解析した[3]．またすすの燃焼解析を行うことによりフィルターの再生過程を模擬した[4]．本研
究では，触媒反応を利用し，酸化剤に二酸化窒素（NO2）を用いた連続再生フィルター方式に着目する．まず，模擬的なすすとしてカーボンブラック（CB）を用い，NO2 が共存する場合の酸化速度を実験的に求めた[5]．これにより反応速度式が得られ，燃焼計算が可能となる．解析では DPF の形状を考慮し，フィルター内部の流れと NO2 による反応促進効果を調べた．

2. 計算方法
DPF の形状は文献[6]を参考に，セル数が 300 セル/インチ 2，フィルターの壁厚は 0.3mm とし，交互目封じタイプ DPF の対称性を考慮して１セル分の大きさを解析領域とした．壁内部の構造には解析により作成した空隙率 0.6 の多孔体構造[7]を挿入した．Fig.1 に計算領域を示す．図では左より順に，DPFの入口部，セルの流路部とセル壁，そして出口部となっている．
次に流れと境界条件について説明する．図の左より空気が一様に流入するが，流路出口が目封じされているため多孔体の壁（セル壁）を通過することになり，その後出口から排出される．多孔体内部を通過する際，多孔体内部の壁面ではすべりなしの境界条件を用いているため複雑に流れが変化することになる．２次元計算に用いた Domain １の領域は長さ 140mm ×高さ 2 mm であり，格子数は x 方向（流れ方向）が 4201 点，y 方向 61 点である．またここでは結果を省略するが，Domain2はすす粒子の吸着過程の解析に用いた計算領域である．境界条件は，入口で流入境界，上下の壁はすべり壁とし，出口は自由流出境界とした．入り口での流入速度(Uin )は 10cm/s とした．
またすすの燃焼反応を解析して，フィルターの再生過程を模擬した．後述するが，今回は酸化剤として NO2 と O2 の２種類を考慮した．活性化エネルギーなどの反応定数は CB の酸化実験[5]により見積った．

Fig.1 Numerical domain and boundary conditions− 184 −

3. 計算結果
3.1 カーボンブラック（CB）の酸化実験
CB の酸化反応はプログラム昇温反応法（TPR）により評価した．白金を担持したシリカまたはシリカ単味 0.5g に CB を 0.005g 混合し，内径 10mm の石英製反応管につめた．窒素ガスに 10 ％の酸素，7 ％の水蒸気，1000ppm の NO2 を添加した混合ガスをこの反応管に 0.5L/min（0 ℃, 1atm換算）の流速で流しつつ，80 ℃から 750 ℃まで 10 ℃/分で昇温した．触媒層の温度は熱電対で測定した．CB が燃焼することにより発生する CO や CO2 の濃度は，ガスセルを備えた FT-IR（BioRad,FTS-135）により測定した．また，NO2 を添加しない場合の実験も行い，比較することにより NO2 による反応促進効果を調べた．
一例として NO2 を添加した場合に得られた NO, CO, CO2 濃度の時間変化を Fig.2 に示す．反応開始前には 1000ppm の NO2 が存在していたが，NO2 により CB が酸化された結果，NO が生成されていることがわかる．同時に，CB は CO や CO2 となる．反応の開始温度は約 450 ℃，酸化反応のピーク温度は 580 ℃であった．一方 NO2 を添加しない場合は，反応開始温度が約 490 ℃，酸化反応のピーク温度は 665 ℃であった．以上により，NO2 が共存する場合は CB の酸化が促進されることがわかる．

Fig.2 Concentration of CO, CO2, NO2 in oxidation of CB

次に，このカーボンブラック（CB）の酸化実験の結果をもとに，アレニウス型の反応速度式の反応定数を見積ることにした．１次式を仮定した場合，CB の反応速度は以下のようになる．
dC/dt = -kC (1)k = A exp(-E/RT ) (2)
ここで C は CB の濃度である．この２つの式から以下の式(3)が得られるが，反応定数 k の自然対数を実験により測定し，絶対温度の逆数に対してプロットすることにより，頻度因子 A と活性化エネルギー E を求めることができる．
ln(k) = ln((-dC/dt)/C) = ln(A)-E/RT (3)CB の時間変化は，CO と CO2 の濃度の時間変化から算出した．ただし，反応が進むにつれ酸化剤である O2 や NO2 の濃度が一定ではなくなり，CB の１次反応の仮定が成り立たなくなる可能性もある．そこで，アレニウスプロットをした際によい直線関係が得られた 400 ℃から 500 ℃の範− 185 −囲で，反応定数を決定した．その結果，NO2 が共存しているとき

A = 146 [1/s], E = 79.5 [kJ/mol]

NO2 が共存していないとき A = 1.20 [1/s], E = 64.9 [kJ/mol]が得られ，NO2 が共存すると CBの反応速度定数が大きく変化することがわかった．
3.2 DPF 内部における流れ解析
まず DPF の内部の流れがどのようになっているかを調べた．特に交互目封じ型のフィルターにおいては，非常に微細な流路内の速度を実験的に測定することができないため，このような解析により流れを定量的に調べる必要がある．本解析により得られた速度場，質量流束，圧力分布をFig.3 に示す．流れをより明確に示すため，上下方向に２倍に引き伸ばした図にしてある．また黒くなった部分が DPF の壁に相当する．流れは左よりくるが，入口上部が目封じされているので下半分からフィルター内部に入る．ただし，その先も目封じされているためそのまま流れ出ることができず，上向きに方向転換してセル壁を通過し，右上部の出口より流れ出る様子が観察された．ただし，セル壁のどの部分を主に通過するのかについては，この図では不明である．また，多孔体の内部は均一ではないので，セル壁の内部では流れも非常に複雑となる．

Fig. 3 Velocity field in DPF for e = 0.6, L = 13mm, d = 33 µm, U0 = 10 cm/s; velocity vector, mass flux in x-direction, andpressure distributions are shown.

そこで，フィルター内を流れが主にどのように通過するかについて検討した．ただし，フィルター壁の構造は場所によって大きく異なるため，多孔体の構造により得られた結果が変わることも考えられる．そこで，Fig.1 で示した Domain1 の多孔体構造 Porous 1，また同じ空隙率 0.6 で別の内部構造を持つ多孔体構造を Porous 2 とし，２種類の多孔体を用いてセル壁を通過する流れを調べた．
セル壁は上方向に通過する流れになっているため，セル壁内の y 方向速度の平均値を求めた．入り口の速度 U 0 で無次元化した平均速度を Fig.4 に示す．セル壁が存在する x 座標は，2.5mm から12.5mmの範囲である．

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Fig.4 Profile of velocity passing through porous wall

これによると，セル壁内部では多孔体の構造上流れがない部分や粘性壁の影響で流速が極端に小さな領域も存在している．フィルター出口が目封じされた x = 12.5mm に近づくとわずかに速度が大きくなるものの，全体的には比較的均一に流れ出ていることがわかる．またフィルター内の平均速度は流入速度の半分程度であることがわかった．また，多孔体の空隙率などを変化させると，フィルターにより除去されるすす（微粒子）の量が変化することがわかった．
3.3 すすの燃焼解析
最後に，DPF 内部に堆積したすすの燃焼解析を行った．すすは DPF 内部のセル壁内部に均一に堆積しているものとし，１格子点のすす質量は 3 × 10-10 g とした．すすは，900K の排気ガス中にあるとし，壁面も計算初期に 900K と高温にすることにより燃焼させる．また DPF を流れるガスは既に行った実験を参考に，体積比で酸素 10 ％と窒素 90 ％の混合気とし，1000ppm の NO2 を添加した場合としない場合を比較することにより，NO2 によるすすの酸化促進効果を調べた．最高温度の時間変化と DPF 内部に残っているすすの全質量の時間変化を求めた結果を Fig.5 に示す．
ここで，残存すす量は DPFの単位体積あたりの量を算出して示している．
まず流れ場と反応について説明する．酸化剤である O2 と NO2 は，流れによりフィルター内部に輸送され，高温となったすすと反応する．この結果によると，NO2 が存在しない場合は内部に堆積したすすの反応が非常に遅く，すすの全質量もほとんど減少していないが，NO2 を添加した場合は明らかにすすの酸化反応が促進されていることがわかった．
以上により，DPF の内部で起こる反応を直接検討することができ，特に現在検討されている
NO2 によるすすの酸化促進効果を本解析により定量的に評価することができた．

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Fig. 5 Maximum temperature and mass of remained soot in DPF for e = 0.6, L = 13mm, d = 33 µm, U0 = 10 cm/s to observe
effect of NO2 on soot oxidation

4. まとめ本研究では，次世代の連続再生フィルターとして期待されている NO2 による酸化反応方式を検討した．まず，NO2 が共存している雰囲気におけるカーボンブラックの酸化実験を行い，頻度因子と活性化エネルギーを決定した．これらの値を用いて，DPF の内部構造を考慮した数値解析を行った．
その結果，以下のような研究成果が得られた．
①DPF をモデル化し，微粒子を含む内部の流れを可視化できた．これにより微粒子の吸着過程を定量的に評価することが可能となった．
②多孔体の空隙率などを変化させると，フィルターにより除去されるすす（微粒子）の量が変化する．
③触媒反応をプログラムに組み込み，触媒の影響を評価した．その結果，NO2 を添加すると PMの反応速度と反応量が増加することがわかった．
本研究で得られたこれらの知見は、今後のディーゼルフィルターの開発と改善に有効となると思われる。

参考文献[1] 三好他，東京都環境科学研究所年報 2003．
[2] 環境省環境管理局ディーゼル車対策技術評価検討会（http://www.env.go.jp/air/car/diesel/index.html）．
[3] Yamamoto, K. and Ochi, F., 4th Int. Conference of Computational Heat and Mass Transfer (2005),
566-571.
[4] Yamamoto, K., Takada, N., and M. Misawa, Proc. Comb. Inst., Vol.30 (2005), 1509-1515.

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[5] Uchisawa, J., Obuchi, A., Ogata, A., Enomoto, R., and Kushiyama, R., Applied Catalysis B, 21 (1999)
9-17.
[6] 樋口，中村，工業材料，第 31巻 12号別冊（1983），107-112.
[7] Yamamoto, K., and Takada, N., Special Volume in Physica A 362 (2006), 111-117.

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