三元触媒

三元触媒：自動車排ガス浄化の要

三元[触媒]]は、ガソリン自動車の排気ガスに含まれる有害物質である炭化水素(HC)、一[[酸化炭素]、窒素酸化物(NOx)を同時に浄化する装置です。プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を触媒として用い、化学反応によってこれらの有害物質を無害な物質に変換します。HCは水と二[[酸化炭素]]に、COは二[[酸化炭素]]に酸化され、NOxは窒素に還元されます。この同時浄化能力が三元触媒の大きな特徴です。

三元触媒の仕組みと製造方法

三元触媒は、セラミックなどの担体に貴金属を担持させた構造をしています。一般的なのはハニカム構造のモノリス担体で、表面積を最大化することで効率的な反応を促進します。製造方法は、ウォッシュコート法やコーティング法などがあり、貴金属塩溶液に担体を浸したり、貴金属粒子を塗布したりすることで触媒を担体に固定します。初期には交換可能なペレット式が用いられていましたが、現在は主に一体型のモノリス担体が主流となっています。小型エンジンでは、メタルハニカムやニットワイヤが用いられることもあります。

三元触化の歴史と普及

三元触媒の開発は、1970年代の厳しい排ガス規制を背景に進められました。それ以前は、NOx低減とHC・CO低減を別々に扱う方法が一般的でした。しかし、燃費規制の強化に伴い、両立が困難になったため、三元触媒の開発が加速しました。三元触媒は理論空燃比で最大効率を発揮するため、燃費悪化も抑えられます。1970年代後半から、有鉛ガソリンの段階的廃止や省エネ法の施行なども追い風となり、三元触媒は急速に普及しました。

他の排ガス浄化技術との比較

三元触媒が登場する以前には、希薄燃焼、サーマルリアクター、酸化触媒などの技術が用いられていました。希薄燃焼は燃焼条件を調整してNOxを抑制しますが、燃費悪化が課題でした。酸化触媒はHCとCOを除去しますが、NOxには効果がありません。サーマルリアクターは排気ガスに二次空気を導入して完全燃焼を促進しますが、燃費悪化と高温による熱害が問題でした。三元触媒はこれらの技術に比べて、燃費や性能への影響が少なく、より総合的な排ガス浄化性能を実現しました。近年では、ディーゼルエンジンなどでは、尿素SCRシステムやDPF(ディーゼルパティキュレートフィルター)と酸化触媒の組み合わせなどが用いられています。

三元触媒の課題と対策

三元触媒は、理論空燃比での運転を必要とするため、暖気時や高負荷時など、空燃比が変化する状況では浄化効率が低下します。そのため、酸素センサによるフィードバック制御や、二次空気導入装置などが用いられています。また、始動直後は触媒が冷えているため、還元能力が低いという課題もあります。エンジンに近づけて設置したり、アイドリング時に排気温度を上げる工夫がなされています。過剰な高温は触媒を損傷するため、適切な温度管理が重要です。さらに、スパークプラグの失火などによる過熱も問題であり、かつては熱害警報装置が義務付けられていましたが、現在は電子制御による対策が主流です。

貴金属の使用量削減と材料開発

三元触媒には、白金やロジウムなどの貴金属が使用されます。貴金属は高価であるため、使用量削減が重要な課題となっています。そのため、自己再生機能を持つインテリジェント触媒などの開発が進められています。近年では、酸素吸蔵放出能力の高い新材料の開発も進んでおり、貴金属使用量のさらなる低減が期待されています。

被毒と対策

三元触媒は、ガソリンやエンジンオイル中の鉛、硫黄、リンなどに反応して性能が低下する被毒という問題があります。無鉛ガソリンの普及や、エンジンオイル規格による硫黄・リン含有量規制により、この問題は軽減されています。

盗難問題

三元触媒には貴金属が含まれているため、盗難被害に遭うケースがあります。近年、貴金属価格の高騰に伴い、盗難件数は増加傾向にあります。

まとめ

三元触媒は、自動車の排ガス浄化に大きく貢献した技術です。環境規制の強化や技術革新によって、その性能は向上し続けています。しかし、課題も残っており、さらなる技術開発が求められています。

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