触媒コンバーターはどのように内燃機関を救ったのか?

1975年、小さなセラミック製シリンダーが内燃機関を大気浄化法の禁止規制から救い、自動車の歴史を変えました.
1975年、小さなセラミック製シリンダーが内燃機関を大気浄化法の禁止規制から救い、自動車の歴史を変えました.

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触媒コンバーターは、排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物を化学反応によって無害な化合物に変換し、1975年以降、内燃機関を排気排出物法規が課す基準値以下に抑えてきた後処理排出制御装置である.1970年代、米国の大気浄化法がエンジンの完全な再設計を迫る中、この小さなセラミック製シリンダーが納期に間に合わせる最も実用的な手段となった.しかし、その結果は、キャブレターの死から電子制御燃料噴射に至る技術連鎖の出発点となったのである.

ハイライト

  • 大気浄化法は、1975年モデルイヤーまでに炭化水素、CO、NOxの排出量を 90%削減 する目標を設定した.
  • 量産用コンバーターは 1973年に Engelhard社で開発された.一方、Corning社はコーディエライトセラミックモノリス基板を発明した.
  • 鉛入りガソリンはコンバーターを損傷させるため、1975年モデルイヤー以降、コンバーター装着車では使用が禁止された.
  • 初期のコンバーターはCOと炭化水素のみを変換していた.三元触媒によってNOxの処理も可能になった.
  • 現在の三元コンバーターは、これら3つの汚染物質の 最大98%を 変換できる.

汚染された都市と90%削減の納期

1960年代末、米国都市の大気質は自動車交通の拡大とともに測定可能な形で悪化していた.ロサンゼルスのスモッグは、問題の発生源を一つずつ特定できることを示した最初の大型事例であり、カリフォルニア州は1960年代末に初の排気ガス排出規制を施行した州となった.1967年、州全体の取り組みが一つの傘の下に統合された.制度的インフラは整ったが、真の転換点は連邦レベルで訪れることになる.

1970年大気浄化法は、技術的に大胆な賭けとして起草された.連邦議会は、1975年モデルイヤーまでに自動車の炭化水素、一酸化炭素、NOxの排出量で 90%削減 を達成することを義務付けたのである.この決定を際立たせているのは、立法者がこの削減を可能にする技術がまだ存在していないことを知っていたという点である.この法律は、工学部門の産物ではなく、目標を先に設定し解決を後から強いるという規制哲学の産物だった.カリフォルニア州のより早い時期の州独自の要件が、連邦議会のこのアプローチの土台となっていた.

その規模を理解するには数字を見れば十分である.規制前の車両は1マイルあたり約 90グラム のCOを排出しており、1974年モデルではこれを 28グラム まで減らし、1975年の目標は1マイルあたり 15グラムだった.さらに欧州は類似の規制に1992年になってようやく移行した.自動車メーカーは、後処理技術への投資を、エンジンそのものの根本的な見直しよりも速くリスクの少ない道と見なした.コンバーターの利点は、基本的なエンジン設計に大幅な変更を加えることなく排気系に追加できる点にあった.

コンバーターの長い発展の歩み

この装置は1975年に突如発明されたものではない.最初のプロトタイプは19世紀末にフランスで設計されており、白金・ロジウム・パラジウムをコーティングした二重金属製シリンダー構造だった.このアイデアの量産化に最も近い重要な保持者となったのが、フランスの機械技師 Eugene Houdry でした.1930年代に接触分解を発明し、米国に移住したHoudryは、1950年代初頭にロサンゼルスのスモッグ問題に取り組み始め、Oxy-Catalyst社を設立し、煙突用とフォークリフト用コンバーターの開発を終えた後、1950年代半ばに自動車への応用について特許を取得しました.

Houdryの前に立ちはだかったのは技術ではなく、ガソリンそのものでした:テトラエチル鉛が触媒表面を覆い、装置を機能不能にしていました.工学用語で言えば 触媒被毒です.そのためHoudryは自動車を断念し、産業用途へと方向転換しました.つまり、自動車用コンバーターの誕生は、有鉛ガソリンの死刑宣告と同じ方程式の中にあったのです.一方に与えられた猶予期間が、もう一方の運命を決めていました.

量産への移行は、2つの異なる産業能力の出会いによって完成しました.Engelhard社のCarl D. Keith、John J. Mooney、Antonio Eleazar、Phillip Messinaは、最初の量産コンバーターを 1973年に 開発しました.ガラス技術の側面では、Corning Glass社のRodney Bagley、Irwin Lachman、Ronald Lewisが、触媒の担体となるコージェライトセラミックモノリス基板を発明し、この3人は2002年にNational Inventors Hall of Fameに選ばれました.Chryslerは、Engelhard社のツインコンバーター搭載のプロトタイプ車でEPAにテストデータを提出し、1975年モデルイヤーのパッケージでデビューした最初のメーカーの一つとなりました.

有鉛ガソリンの終焉: コンバーターが払った代償

トラックとは逆に作用する方程式がありました:有鉛ガソリンは、健康上の理由よりもまず、コンバーターを損傷させたために廃止されました.鉛の削減はClean Air Act改正の権限に基づき 1974年に 開始され、1975年モデルイヤー以降、コンバーター搭載車では有鉛ガソリンが禁止されました.貯蔵タンクと給油ポンプにとって、これは事実上の第2の革命を意味しました.無鉛ガソリンは、鉛でオクタン価を高めていた製油所が慣れ親しんだ生産方法よりも、はるかに大規模な再処理を必要としたのです.ガソリンの配合は、エンジン設計と同時に変化するシステムの一部となりました.

移行は完全ではありませんでした:コンバーターを持たない旧型車のために、有鉛ガソリンは1995年まで販売が認められていました.その年にClean Air Act改正は、車両用のすべての有鉛ガソリンを禁止しました.この移行の社会的成果を一つの数値が要約しています.鉛削減後、血中鉛濃度が高い子供の割合で 88%の低下 が記録されました.排気ガスから始まり公衆衛生へと至る排出規制の連鎖は、その最も具体的な結果を石油精製の産出物において実現したのです.

ラムダセンサーと閉ループ制御の誕生

Lambda sensörü egzozdaki oksijeni okuyarak motoru kapalı devreye aldı ve katalitik konvertörün hayatta kalmasını sağladı.

三元触媒(TWC)の潜在能力を最大限に引き出すためには、コンバーター自体以外の部品が必要でした.TWCは、空燃比がストイキオメトリック点のごく狭い範囲にある場合にのみ、3つの汚染物質をすべて効率的に変換できます.混合気がリーンになるとNOx還元が、リッチになるとCOと炭化水素の酸化が低下します.キャブレター式エンジンではこの精度を実現できなかったため、最初のコンバーター搭載車では、排気中の酸素を補助的に測定する 二次エアインジェクション が使用されました.

解決策は排気系に設置された酸素センサーでした:自動車の世界で ラムダセンサー として知られるこの部品は、空気と燃料の当量比λにちなんで名付けられました.その動作原理は非常にシンプルで、センサーが排気中に酸素を検出すれば混合気はリーン、検出しなければリッチです.ECU(電子制御ユニット)はこの信号に基づいて燃料供給を調整し、比率をストイキのポイントに保ちます.酸素センサーは正確な空燃比の測定を可能にし、真の閉ループ排出制御を実現しました.初期のセンサー搭載車にはセンサーが1つだけでした.

現代のエンジンはこのアーキテクチャを極限まで押し進めました.電子燃料噴射は、リーンとリッチの間で絶えず揺れ動く精密な混合気を生成します.コンバーターの前後に配置された2つの酸素センサーがECUに絶えずデータを送り、二次エア噴射はもはや不要になりました.唯一の例外は意図的なエンジニアリング判断です.高負荷と最大出力が求められる際には閉ループ制御が一時停止され、リッチな混合気が指令されます.つまりラムダ制御は、パフォーマンスのために意図的に遮断できる保護領域なのです.

二方向から三方向へ:3つの汚染物質を捉える

初代のコンバーターは二方向型で、一酸化炭素と炭化水素をCO2と水に酸化しましたが、NOxにはまったく対処できませんでした.1970年代にNOx対策としてツイン触媒システムが開発され、ロジウム-プラチナベースの還元ユニットとパラジウム-プラチナベースの酸化ユニットが直列に配置されました.このシステムは機能しましたが、大型で高価でした.真の飛躍は三方向触媒の登場でした.単一の装置でNOx、HC、COを同時に変換するのです.

商用のスケジュールは速いものでした.Volvoはカリフォルニア仕様の 1977 年式 Volvo 240で初めて商用TWCを実用化しました.1981年型の連邦NOx規制には、ほぼすべてのメーカーが三方向触媒で対応しました.Toyotaは日本初のペレット式三方向コンバーターを 1978年に 搭載し、世界初の酸素貯蔵機能を持つTWCを開発しました.セラミックと酸素貯蔵促進剤としてセリア/セリア-ジルコニア化合物を使用することで、許容される空燃比の帯域をわずかに広げ、システムの動作を容易にしました.

特徴二方向コンバーター三方向コンバーター(TWC)
変換される汚染物質COと炭化水素CO、炭化水素、NOx
化学処理酸化のみ酸化+還元
空燃比の許容範囲より広いストイキポイント付近の狭い帯域
追加システムの要件二次エアインジェクションラムダセンサーと閉ループECU
商用化開始1975年型1977年(Volvo 240、カリフォルニア)

コンバーターは本当にパワーを損なうのか?

1975年に懐疑論者の主な論拠となったのはこれでした: 追加の排気抵抗がエンジンの呼吸を妨げるというものです.歴史的な記録は、この初期世代が何馬力を吸い取ったかについて定量的な裏付けを示していません.しかし、コンバーターを排気系に、基本のエンジン設計に触れることなく追加できたことは、当時の最も合理的なエンジニアリングの選択でした.その後の数十年は、懐疑論者を逆に裏付けました: 閉ループ燃料制御、精密な噴射、狭い帯域で動作するTWCが組み合わさることで、現代のエンジン設計は以前の世代よりも少ない燃料で同等あるいはそれ以上のパワーを発生するようになったのです.排気後処理技術は、効率という目標の自然なパートナーへと変わりました.

今日、故障に関して当てはまる状況は別物であり、技術サービス資料に記載されています: 詰まった、あるいは故障したコンバーターは、パワーロスト、加速力の低下、燃費の悪化として現れます.健全なコンバーターは静かです.さらには、排出ガス目標だけでなく、エンジン効率にも貢献しうるのです.動作原理もそれに応じて設計されています: コンバーターは、排気ガスの熱によって 約400 °C に達する作動温度 (light-off) に到達する必要があります.そのため、できるだけエンジンに近い位置に、あるいは別途pre-catとして取り付けられるのです.

排気のその先: ディーゼル時代と現代の課題

規制とエンジニアリングの二つ組により、排気後処理技術は止まることなく進化しました.ディーゼル側では、ディーゼル微粒子フィルター (DPF) が、 2007年1月1日 以降に製造されたすべての乗用ディーゼル車で義務化されました.2010年には、米国のほとんどの小型商用ディーゼルメーカーがNOx低減のためにSCRシステムを追加し、尿素 (DEF) に基づくこのアーキテクチャは標準装備となりました.その一歩一歩が、ガソリンTWCが確立した型をなぞりました: まず法的な制限、次に化学的な解決策、そしてその解決策を支えるセンサーと制御のアーキテクチャ.

Clean Air Actの55年間の実績は具体的かつ測定可能です: 車両排出ガスの持続的な改善、有鉛ガソリンからの完全な撤退、酸性雨とオゾン層問題への対応、そして汚染物質の一つにおける 78%の削減.逆の結果もあります: 貴金属価格の上昇は、プラチナ族金属を狙ったコンバーター盗難を拡大させました.インフレ調整後のプラチナ価格は1986年の約800ドル/オンスから1,400ドル/オンスまで上昇し、盗まれたコンバーターはスクラップ業者に150ドルまでで売却できることもあります.つまり、1975年に救ったエンジンの一部が、今日では物理的な保護を必要とする部品になったのです.

結論として、触媒コンバーターは1975年に内燃機関を法的な消滅から救いました.しかしさらに重要なのは、エンジンをキャブレターの機械的な世界からセンサーとECUの閉ループの世界へと移行させたことです.90%削減という目標は賭けのように見えましたが、その代償を払ったのは有鉛ガソリンであり、残りは半世紀にわたって続く効率性の物語へと変わりました.

出典