排ガス規制の強化に伴い、後処理システムはエンジンの重要なコンポーネントとなっています。 ドナルドソンのヨーロッパ担当開発マネージャーKorneel De Rudder博士は「この10年間で、世界中のOEM顧客が使用する後処理システムはますます複雑になり、より高密度にパッケージ化されるようになりました」と 話します。
アメリカやヨーロッパをはじめ、世界各地で強化され続ける排ガス規制をクリアするためには、このような複雑化が必要だと言います。 「その結果、同じサイズのパッケージに、より多くの触媒やセンサーを組み込むことができるのです」と同氏は説明します。 「多くのオフロード機械では、ボンネットのスペースが限られているため、新しいコンポーネントを搭載する際は工夫が必要となり、コンポーネントを高密度に実装する必要があります。」
そこで、ドナルドソンは、後処理システム内の「デッドボリューム」を減らすコンポーネントやシステムの開発に注力しました。 「初期のシステムでは、『デッド』ボリュームを利用して、DEF（ディーゼル排ガス液、AdBlueとも呼ばれる）の滞留時間を延ばし、排ガス中での分解と混合を促進していました」と話します。 「最新のシステムでは、『デッド』ボリュームのスペースが減っているため、滞留時間が短くなり、その結果として、ミキサーの性能向上が求められています。 ドナルドソンでは、コンパクトで先進的なDEF/AdBlue混合システムを総合的に開発し、特に小さなスペースで効果的な混合を達成できるように設計されています」と述べています。
ドナルドソンの北米エンジニアリングディレクター、Gary Simonsは、「SCRとDPFの機能を1つのSCR-on-Filter Substrate（SCRoF）に統合することは、システムパッケージングの課題を解決する手段として、業界でより一般的になってきています。 というのも、SCRoF基材はDPFやSCRに比べ空隙率が高いため、壊れやすいからです。 キャニングするには、取り付け力と基材マットの保持圧を慎重に管理する必要があります」と話します。
後処理システムのパッケージが大きく複雑になるにつれて、表面積が大きくなる傾向があることも博士は指摘しています。 このように外表面が大きくなると、排熱の問題が出てきます。 今後、適切な断熱設計が重要性を増し、すでに実装されている設計もさらに改良する必要があります。
DEFとAdBlueの混合は、後処理システムにおいても重要な要素であるとDe Rudder博士は述べています。 「アンモニア（NH3）の均一性要件は、排出基準を満たすために0.990を超える必要があると一般的に考えられていますが、 DEF/AdBlueの結晶化はほとんどないため、このレベルの性能が期待できます。」
この結晶化は、多くの後処理システムで繰り返される課題であると言います。 結晶化が起こる可能性はありますが、その発生と影響を最小限に抑えることは、すべての機器メーカーの目標です。 同氏によると、業界では現在、結晶化に関する一貫した試験の仕様を定義しようと取り組んでいるということですが、 ドナルドソンでは、結晶化を測定する独自の試験サイクルを開発し、結晶化の発生を最小限に抑えるために適切なミキサーソリューションを適用しています。
「このような場合、最適化されていないミキサーでは結晶化や堆積物を形成させる可能性が高く、むしろミキサーを効果的に機能させるように設計することをお勧めします」と話します。
新しい規制がもたらす新しい設計ニーズ
現在、欧米ではオフロード車両に対する新たな排ガス規制はありませんが、カリフォルニア大気資源局（CARB）はTier5規制の可能性を提案しています。 また、多くの国があらゆる産業の排出量削減を目指しており、将来的にはより厳しい規制が実施される可能性があります。
CARBの Tier 5排ガス規制案はまだ正式に受理されていませんが、ドナルドソンのDe RudderとSimonsは、最終規則に含まれる可能性のある変更は、後処理システムの設計に影響を与える可能性が高いと述べています。 NOx、粒子状物質（PM）、二酸化炭素（CO2）の削減、耐用年数・保証期間の延長、低温負荷試験などが規制の対象になると予想されています。 「基準汚染物質とCO2の削減は、排出権戦略の変更を促進します」と彼らは言います。 「DEF/AdBlueのデュアル注入システムが可能で、後処理システムとエンジンをより密接に結合します。」
さらに、De RudderとSimonsは、次世代の排ガス規制を満たすためにEGRの使用が必要であるという合意が業界内で高まっていると述べています。 「つまり、非常に高いエンジン排出NOxと低いPM用に調整されたエンジンは、今後あまり普及しなくなるということです」と彼らは説明します。 「これは、DEF/Adblueミキサーの負担軽減につながりますが、DPFの再生回数を増やす必要があるなど、他のトレードオフや課題も出てくるでしょう。」
「今日のオフロードエンジンは、受動的なDPF再生と必要に応じてオフラインの能動的な再生に頼る傾向がありますが、多くのオンハイウェイエンジンは通常の運転中に能動的な再生を行うことができ、ユーザーへの影響を最小限に抑えることができます」と両氏は付け加えます。
さらに、EGRの再導入によりエンジンより排出されるPMが増加するため、より頻繁なアクティブ再生の必要性が高まると述べています。 このため、OEMはオンハイウェイエンジンに使用されているのと同様の再生戦略を開発する必要がありそうです。
欧州開発マネージャー、Korneel De Rudder博士
さらなる技術開発が必要
「この15年間で、世界の排ガス規制は急速に進化しました」とDe Rudderは言います。 「業界は次から次へと法案を急いだため、コストや製品の最適化にあまり時間を割かず、オーバーエンジニアリングを行った可能性があります。」
しかし、現在では排ガス規制の改定時に時間が与えられるようになり、業界は後処理システムを最適化し、異なるプラットフォーム間で調和させることができるようになった、と彼は話します。 OEMもまた、厳しい排ガス規制の期限を守る代わりに、最適な製品と機能に設計の労力を集中させることができるようになり、これは業界にとって有益であり、今後もこうした傾向が続いていくことが予想されます。
さらに、業界では、乗用車と大型オンハイウェイの規格がEURO 7/VIIレベルで統合されるという意見が大半を占めています。 「もしそうなった場合、次のステージ/ティアのオフロード基準をどのようにオンハイウェイのEURO VII制限値と調和させることができるのかという疑問が出てくるでしょう」とDe RudderとSimonsは話します。
一般に、後処理システムの設計には、顧客の要求や将来の排ガス規制を満たすために、さらなる技術開発が必要となります。
また、De Rudderは、低消費電力の分野でも大きな変化が期待できると推測しています。 「具体的には、ディーゼルエンジンの一部を電動化することや、エンジンや機械のハイブリッド化により、排気の昇温時に高出力の電力を利用できるようになり、後処理システムの性能向上に大きく貢献します。
