【自動車用語辞典:排出ガス「三元触媒」】自動車から出るガソリンエンジンの排ガス有害成分を減らす技術

■排出ガス低減に欠かせない画期的な技術

●三元触媒と空燃比制御の組み合わせ

ガソリンエンジンの排出ガス低減は、CO、HC、NOxを同時に浄化する三元触媒と、酸素(O2)センサーを用いた空燃比の高精度制御の組み合わせによって実現しています。メーカーによる違いがほとんどない完成された技術であるガソリンエンジンの排出ガス低減手法について、解説していきます。

●排出ガス計測法

排出ガスと燃費は、「WLTC(Worldwide-harmonized Light vehicle Test Cycle)モード」試験で同時に計測されます。モード試験では、試験車をC/D(シャシーダイナモ)メーターのローラー上で、世界基準の走行を模擬した走行パターンで走行させ、排出ガス(CO、HC、NOx)と燃費を計測します。

計測法と成分ごとの規制値は、国ごとに法規で定められていますが、現在「試験法や規制値の世界標準化」の動きがあります。この世界標準化の動きに応えて、日本は2018年10月から従来のJC08モード試験に代わって、国際的に統一された試験法WLTCモードが導入されました。

●ガソリンエンジンの排出ガス低減手法は燃焼前と燃焼後の二つ

排出ガス規制の対象となる成分は、CO、HC、NOx、PM(Particulate Matter:粒子状物質)です。ガソリンエンジンの場合、吸気行程でガソリンと吸気をあらかじめ混合させる予混合方式なので、均一な混合気が形成されます。したがって、煤が発生しやすい局所的な燃料過濃領域が存在せず、問題となるレベルのPMは発生しません。そのためCO、HC、NOxをバランスよく低減させることがポイントです。

排出ガスの低減には、エンジンの「燃焼制御によって低減」する方法と、エンジンから排出された後に触媒などの「後処理技術で低減」する方法があります。

ここでは、燃焼制御として点火時期とEGR(Exhaust Gas Re-circulation:排出ガス再循環)システム、後処理技術として三元触媒について説明します。

●燃焼制御による排出ガス低減

点火時期を変更することによって、燃焼が変化し、燃費や排出ガス成分が影響を受けます。

点火時期を進めると燃費は良くなりますが、燃焼温度が上がりNOx排出量は増え、ノッキングしやすくなります。一方、点火時期を遅らせると燃費は悪化しますが、NOxは下がり、また排出ガスの温度が上がるので触媒の浄化効率が上がる効果があります。

燃費と各排出ガスの排出量のバランスを取りながら、点火時期を運転条件ごとに最適化します。

EGR(Exhaust Gas Recirculation)は、排出ガス(不活性ガス)の一部を吸気系に還流して、燃焼温度を下げ、NOxを低減する代表的な手法です。
不活性ガスが吸気に混ざることによって、同一出力を得るためのスロットル開度が大きくなるため、スロットル絞りによるポンピング損失が減少し、燃費が向上する効果もあります。

ほとんどのガソリンエンジンとディーゼルエンジンが採用しているEGRですが、燃焼が悪化するデメリットもあるので、導入するEGR量には限界があります。

●後処理による排出ガス低減

ガソリンエンジンのほぼすべてが、三元触媒を使って排出ガス規制に適合しています。

三元触媒は、エンジンの空燃比(吸入空気重量/燃料重量)を理論空燃比14.7近傍に設定することによって、CO、HC、NOxを同時に浄化できます。
空燃比を理論空燃比近傍に精度良く設定するため、排気管に装着した酸素センサーによってフィードバック制御します。

なお、三元触媒では、COとHCは酸化反応、NOxは還元反応で有害3成分を同時に浄化します。
・COの酸化  2CO + O2 → 2CO2
・HCの酸化  4CxHy + (4x + y)O2 → 4xCO2 + 2yH2O
・NOxの還元 2NOx → xO2 + N2


三元触媒は、「魔法の薬」と呼ばれるほどに、ガソリンエンジンの排出ガス低減にとって画期的な技術です。より高い燃費向上を目指すリーンバーン(希薄燃焼)の場合は、設定空燃比が理論空燃比より大きいので、三元触媒は使えません。リーンバーンを実現する技術とともに、排出ガスを低減する技術の開発も大きな課題です。

(Mr.ソラン)

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