米国の路上には何百万台という自動車が存在し、それぞれが大気汚染源となっています。特に大都市では、すべての自動車よって生成される汚染物質の量を合計すると大きな問題となる可能性があります。
これらの問題を解決するために、市、州、および連邦政府によって大気汚染防止法が作成され、自動車よって生成される汚染物質の量を制限する多数の法律が制定されました。これらの法律に対応するために、自動車メーカーではエンジンと燃料システムに多くの改善を行いました。排ガスをさらに減らすために、自動車から排出される前に排ガスを処理して汚染の多くを取り除く、排気触媒コンバータと呼ばれる装置が開発されました。
自動車の触媒コンバータの位置
この記事では、エンジンによって生成される汚染物質とそれらが生成される理由を説明し、触媒コンバータによる各汚染物質の処理方法を説明します。触媒コンバータは驚くほど単純な装置なので、その効果の大きさは信じられほどです。
自動車のエンジンによって生成される汚染物質
排ガスを減らすために、現在の自動車エンジンでは、燃焼させる燃料の量を注意深く制御しています。空燃比を、計算上の燃料に対する空気の理想比率である化学量論的なポイントに非常に近づけた状態で維持しようとします。理論的には、この比率のとき、すべての燃料は空気中のすべての酸素を使用して燃焼します。ガソリンの場合、化学量論比は約 14.7:1 で、1 ポンドのガソリンに対して 14.7 ポンドの空気が燃やされます。実際の混合気は、走行時には理想的な比率と少し異なります。混合気は希薄 (14.7 より高い空燃比) であったり、濃厚 (14.7 より低い空燃比) であったりします。自動車エンジンの排気には、主に以下の物質が含まれています。
- 窒素ガス (N2) - 大気には 78 パーセントの窒素があり、この大部分がそのまま自動車エンジンを通過します。
- 二酸化炭素 (CO2) - これは燃焼による産出物の 1 つです。燃料中の炭素は、大気中の酸素と結合します。
- 水蒸気 (H2O) - これも燃焼による産出物の 1 つです。燃料中の水素は、大気中の酸素と結合します。
これらの排気は悪性ではありません (ただし、二酸化炭素の排気は、地球温暖化を助長すると言われています)。しかし、燃焼プロセスは決して完全ではなく、次のような少量の有害な排気も自動車のエンジンで生成されます。
- 一酸化炭素 (CO) - 無色無臭の有毒ガス。
- 炭化水素または揮発性有機化合物 (VOC) - 主に未燃焼の燃料から産出され、蒸発によって日光をさえぎり、オキシダントを形成します。オキシダントは、窒素酸化物に反応してスモッグの主要成分である地上オゾン (O3) の原因となります。
- 窒素酸化物 (NOおよび NO2。合わせて NOx と呼ぶ) - スモッグおよび酸性雨を助長し、人体の粘液膜の炎症の原因となります。
これらが規制対象の主な排気で、触媒コンバータはこれらを削減するように設計されています。
触媒コンバータによる汚染削減方法
最新の自動車には三元触媒コンバータが装備されています。「三元」とは、削減の対象となる 3 種類の排気 (一酸化炭素、VOC、および NOx 微粒子) のことです。コンバータは、2 種類の触媒 (還元触媒と酸化触媒) を使用します。どちらの種類も通常、白金とロジウム、または白金とパラジウムの金属触媒でコーティングされたセラミック構造で構成されています。考え方としては、排気の流れに対して触媒の表面の領域を最大に露出し、同時に、必要な触媒の量を最小限にする構造を作ります (触媒は非常に高価です)。
  
三元触媒コンバータ : 2 つの異なる触媒に注意
触媒コンバータには、主にハニカム構造とセラミック ビーズ構造の 2 種類があります。今日の大部分の自動車では、ハニカム構造を採用しています。
 セラミック ハニカム触媒構造
還元触媒
還元触媒は触媒コンバータで最初に使用される部分です。白金とロジウムが使用され、Nox 排ガスを減らします。NO または NO2 の微粒子が触媒に触れると、触媒によって窒素原子が分子から分離されて触媒に付着し、酸素が O2 の形で自由になります。窒素原子は、触媒に付着している他の窒素原子と結合して N2 を形成します。次にその例を示します。
2NO => N2 + O2 or 2NO2 => N2 + 2O2
酸化触媒
酸化触媒は、触媒コンバータで 2 番目に使用される部分です。ここでは未燃焼炭化水素および一酸化炭素を、白金とパラジウムの触媒で燃焼 (酸化) させることによって減らします。この触媒は、排ガス中に残された酸素によって CO および炭化水素の反応を助けます。次にその例を示します。
2CO + O2 => 2CO2
しかし、この酸素はどこから得られるのでしょうか。
制御システム
3 番目の部分は排気の流れを監視する制御システムで、この情報は燃料噴射システムの制御に使用されます。触媒コンバータの上流には酸素センサーが取り付けられ、コンバータの位置よりもエンジンに近くなっています。このセンサーによって、排ガス中の酸素量をエンジンのコンピュータに伝えます。エンジンのコンピュータは、空燃比を調整することによって、排ガス中の酸素量を増減できます。この制御方式によって、エンジンのコンピュータはエンジンを化学量論的なポイントの近くで動作させることができ、酸化触媒によって未燃焼の炭化水素および CO を燃焼させることができる十分な酸素が排ガスに含まれるようにすることができます。
汚染を削減する別の方法
触媒コンバータは汚染を削減する重要な仕事を行いますが、まだ改善可能な点があります。触媒コンバータの最大の欠点は、完全に高温の状態でのみ動作することです。暖気運転をせずに自動車を発進させると、触媒コンバータは排気中の汚染物質をほとんど除去しません。
この問題を解決する簡単な方法の 1 つは、触媒コンバータをエンジンに近づけることです。すなわち、より高温の排気ガスがコンバータに達することによってコンバータの温度上昇が早くなります。ただし、この場合は、極度な高温にさらすことによってコンバータの寿命を縮める場合があります。多くの自動車メーカでは、コンバータにとって害のないレベルまで温度を低く保つために、コンバータをエンジンから離して助手席の下に設置しています。
触媒コンバータを余熱することは、排ガスを削減する方法として適しています。コンバータを予熱する最も簡単な方法は、電気抵抗ヒーターを使用することです。
残念なことに、大部分の自動車の 12 V の電気系では触媒コンバータを短時間で加熱するための十分な能力が得られません。
多くの人は、触媒コンバータが熱くなるまで数分間待ってから自動車を発進させるということはしません。大きく高電圧のバッテリー パックを持つハイブリッド カーは、触媒コンバータを非常に短時間で加熱する十分な能力を持っています。
|
