【自動車用語辞典：排出ガス「エンジンによる触媒の違い」】ガソリンとディーゼルで異なる触媒の機能

■ディーゼルにはガソリンより高度な触媒技術が求められる

厳しさを増す排出ガス規制への適合には、エンジンの改良とともに触媒などの後処理システムの技術進化が大きく貢献しています。燃焼方式の異なるガソリンエンジンとディーゼルエンジンには、機能の異なる触媒が必要です。それぞれの触媒の構成や機能について、解説していきます。

触媒は、断面が円形あるいは楕円形で、内部はハニカム形状のセラミックなどの構造になっており、その表面には貴金属微粒子を担持した触媒コート層が塗布されています。触媒コート層の表面上を、規制対象の有害な成分CO、HC、NOx、PMが通過すると、化学反応によって無害な成分に浄化されます。

初期の触媒は、排気系に装着するだけの簡単なものでした。最近は、より高い効率で排出ガスを浄化するために、排気温度や空燃比（燃料と空気の質量比）などを高精度に制御する必要があります。

三元触媒の触媒コート層には、白金（Pt）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）などの貴金属微粒子が担持されています。この表面を排出ガスが通過すると、COとHCはPtとPtによる酸化反応、NOxはRhの還元反応によって、有害な3成分が同時に浄化されます。

・COの酸化　 2CO + O2 →　2CO2
・HCの酸化　4CxHy + （4x + y）O2　→　4xCO2 + 2yH2O
・NOxの還元　2NOx　→　xO2 + N2

この3つの反応を同時に進行させるためには、エンジンの空燃比を理論空燃比14.7近傍に設定する必要があります。そのため、排気管に装着した酸素サンサーによってフィードバック制御し、空燃比を精度良く理論空燃比に設定します。

ディーゼルエンジンの燃焼は、ガソリンと異なり、希薄（リーン）燃焼です。したがって、ガソリンエンジンのように三元触媒が使えず、希薄燃焼下でNOxを下げるNOx吸蔵触媒や尿素SCRが必要です。NOx吸蔵触媒には、貴金属微粒子に加えてBa（バリウム）などの吸蔵材が担持されています。

NOx吸蔵触媒は、まず排出されたNOをNO2に酸化して触媒の吸蔵材に吸蔵します。十分に吸蔵した時点でリッチスパイク（定期的にリッチ燃焼にする）を行いHC、CO、H2を供給します。これらが還元剤となり、吸蔵したNO2をN2に還元するという手法です。

尿素SCRシステムは、尿素を高温の排気ガス中に噴射し加水分解によってアンモニアを生成し、アンモニアを還元剤として、NOxをN2に還元する手法です。

NOx吸蔵触媒よりも、浄化効率は高いですが、システムが複雑でコストは高くなります。また、NOx吸蔵触媒は還元剤として燃料を余分に供給するため、燃費悪化やCO2の増加を伴います。一方、尿素SCRではアンモニアを還元剤とするため、燃費悪化やCO2が増加しないというメリットがあります。

PMについては、セラミック製のウォールフロータイプのDPFで浄化します。内部は、ハニカム状の通路を互い違いに目封じした構造で、表面には触媒コート層が塗布されています。

排出ガス中の煤を主にしたPMは、DPF内部の多孔質のフィルタで捕集されます。規定量のPMが堆積すると、PMは再生制御（エンジンで定期的に高温に制御）によって、燃焼させて除去されます。現在は、ほとんどのディーゼル車にDPFが装着されています。

ガソリンエンジンについては、魔法の薬「三元触媒」によって、排出ガス規制への適合はそれほど難しくはありません。一方、ディーゼルエンジンは、複数の触媒とそれを効率よく機能させる高精度制御が必要で、適合の難易度はガソリンよりはるかに高いです。

（Mr.ソラン）

某自動車メーカーで30年以上、自動車の研究開発に携わってきた経験を持ち、古い技術から最新の技術までをやさしく解説することをモットーに執筆中。もともとはエンジン屋で、失敗や挫折を繰り返しながら、さまざまなエンジンの開発にチャレンジしてきました。

EVや燃料電池の開発が加速する一方で、内燃機関の熱効率はどこまで上げられるのか、まだまだ頑張れるはず、と考えて日々精進しています。夢は、好きな車で、大好きなワンコと一緒に、日本中の世界遺産を見て回ることです。

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