三元触媒

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三元触媒（さんげんしょくばい、Three-Way Catalyst）は、ガソリン車の排ガス中の有害成分を還元・酸化によって浄化する装置。排気管の途中に設けられている。3種類の物質を同時に浄化することからこの名称が付けられた。

[編集] 概要

ガソリンを燃料とする自動車の排ガス中に含まれる有害物質は、主に炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物であるが、それをプラチナ、パラジウム、ロジウムを使用した触媒装置により同時に除去する。つまり、炭化水素は水と二酸化炭素に、一酸化炭素は二酸化炭素に、窒素酸化物は窒素に、それぞれ酸化もしくは還元される。効率よく酸化・還元をするためには、ガソリンと空気が完全燃焼し、かつ、酸素の余らない理論空燃比であることが必要であり、このため排ガス中の酸素濃度を酸素センサー等により絶えず測定して、この情報を元に燃料噴射量等をコントロールする必要がある。

[編集] 長所

• 後述の温度や空燃比といった条件を満たした場合には、上記3種類の物質に対してきわめて高い浄化能力を有する。

[編集] 短所

• 理論空燃比（ストイキオメトリ）でないと効果がなくなる

この為、高負荷時には燃料を過剰噴射して冷却を促すなどの手法がとられるために、理論空燃比からはずれて触媒の浄化能力が極端に落ちる。また、排ガス中に酸素が多いディーゼルエンジン、リーンバーンガソリンエンジンなどにはそのまま使う事はできず、ほかの触媒および尿素SCR等、別の技術が必要である。

• 三元触媒が適切に作動するためには温度管理が必要

常温では三元触媒の還元能力が低く、エンジン（および三元触媒も）が冷えた状態で始動した直後では還元能力はほとんどない。これを改善するため、三元触媒をエンジンの排気部になるべく近づけて排気ガスの熱（および排気管からの伝導熱を含む）により温度を早期に上げて、還元能力が高まるのを促進している。その一方で、過度の高温に晒され続けるとその熱により三元触媒が物理的に破損してしまうことがあるため、エンジンに近づけすぎた位置に設置することもできない。

• 貴金属を必要とする

白金やロジウムなどの貴金属触媒が高い浄化活性を示すためには必要不可欠である。貴金属の使用量を低減するため、自己再生機能を持つインテリジェント触媒などが実用化され、高く評価されている。^[1]

[編集] 機構

触媒上では極めて複雑な反応過程を経て、NOx、CO、HCがN₂、CO₂、H₂Oに分解される。^[2] 具体的には以下のような反応が挙げられる。

• 格子酸素種と吸着一酸化炭素の反応による二酸化炭素と酸素空孔の生成: [O] + CO_ads → CO₂ + [V] + ads-site
• 吸着笑気と酸素空孔との反応による窒素と格子酸素種の生成: N₂O_ads + [V] → N₂ + [O] + ads-site

[編集] 研究

2008年7月24日、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）助成事業として熊本大学がこれまでのセリア(CeO₂)系酸素吸蔵物質(CeO₂-ZrO₂)に替わる「希土類オキシ硫酸塩(Ln₂O₂SO₄)」を開発した。^[3]酸素吸蔵放出量が中高温域で既存物質を8倍近く上回る大容量酸素吸蔵（ストレージ）物質で吸蔵速度も約2倍を実現したとしている。排ガス浄化として使用されている貴金属の使用量を大幅に低減する技術として期待されると述べている。

[編集] 三元触媒と排出ガス規制

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[編集] 実走行と空燃比

各国のガソリン車排出ガス規制達成の立役者はこの三元触媒といっても過言ではないが、上述のようにこれが有効に作用する空燃比の範囲はストイキオメトリ（理論空燃比）近傍の極めて狭い部分であり、これを外れる条件ではたちまち有害成分が排出されるようになる。

燃料噴射装置およびその制御装置 (ECU) は各種の条件から最適なガソリンの噴射量を演算 / 決定して実行するとされるが、ここでいう「最適」とは「排出ガス中の有害成分が最少となる」状態のみを意味するものではなく、ドライバビリティーやエンジンの保護など他の要素が加味される。そしてこれらの要素が競合した場合の優先順位において、必ずしも「排出ガス」が上位にあるわけではない。排出ガスに優越してストイキオメトリから外れた（ほとんどの場合リッチ側）噴射が行われる条件として代表的なものは、

1. 加速時
2. 高速走行時

である。

1. 加速時には燃料の増量を行わないと、上がっていくエンジン回転数に噴射量が追いつかず、いわゆる「息つき」の症状が発生しドライバビリティーが悪化する。ユーザーによっては故障と勘違いをするので自動車メーカーとしてはこれを生じさせてはならない。この｢増量｣は、排気量や車重にもよるが通常走行における加速（いわゆる「急加速」に限らない）ではほとんどの場合行われている。
2. 高速走行時の燃料増量は主に排気バルブやピストンの溶損からの保護のために行われる。「高速」といっても時速100 kmを超えるような状態のみを指すものではなく、時速60 kmや70 kmといったある意味で日常的な速度においても、ストイキオメトリ状態で連続して走行を続ければ、この種の熱負荷過大による不具合は大いに発生し得る。エンジン故障による路上での立ち往生などメーカーとして絶対にこれを避けなくてはならない。しかし、空燃比をリッチ側になるよう噴射を増量すれば、余剰のガソリンの持つ気化潜熱により冷却効果が現れバルブ / ピストン溶損は容易に回避できる。

[編集] 排出ガス試験

日本において市販される乗用車は、その型式認定に際して排出ガスに関する試験が行われこれをクリアする必要がある。測定は「10・15モード」（ホットスタート）、「11モード」（コールドスタート、いずれも2006年時点）といった定められたパターンにしたがい走行し（実際はシャシダイナモ上でのシミュレーション）、その際に発生する各種物質の濃度や総量を測定する。有害物質の規制値は世界水準から見ても相当厳しいもので、加速時や高速走行時に三元触媒が有効に作用する範囲を超える噴射増量を行っては合格することは難しい。

• 加速に関しては測定試験モードに規定されるような加速（静止状態からおよそ20秒掛けて時速50 kmに達するといった極めて緩やかなもので、前後に他車の存在する市街地走行において日常的に実行できるものとは思われず非現実的）程度であれば増量なしでも差し支えない車種もあるが、小排気量車ではそれでも難しい。だが、試験ではドライバビリティーを問われることは無い。
• 高速走行では、試験で規定される最高速度は時速70 kmであるが、その持続時間は10秒ほどであり、この程度の時間内であればストイキメトリで走行しても直ちに故障を起こすものではない。

試験に際して、加速時に少々「息つき」が発生しても構わないし、ストイキオメトリで高速走行しても長くて10秒である。試験直後に焼き付を起こしてもそれを問われることは無い。しかし試験に合格し、そのままで市販すれば多くの苦情や場合によってはリコール騒ぎになりかねない。かといって試験のためだけに燃料噴射制御装置を特製して、市販時には別物を取り付けることは許されない。

[編集] モード適合化制御技術

燃料噴射制御ECUは、その制御プログラムのコードが開示されることは無い。

[編集] 参考文献

1. ^ Y. Nishihata et al., Nature, 2002, 418, 164.
2. ^ P. Granger et al., J. Mol. Catal. A: Chem., 2005, 228, 241.
3. ^ M. Machida et. al., Chem. Mater., 2007, 19, 954.

[編集] 関連項目

• 自動車排出ガス規制
• 燃料噴射装置