米国の道路には何百万台もの車があり、それぞれが大気汚染の原因となっています。特に大都市では、すべての車が一緒に生成する汚染の量が大きな問題を引き起こす可能性があります。
これらの問題を解決するために、都市、州、および連邦政府は、自動車が生成する可能性のある汚染の量を制限するクリーンエア法を作成します。長年にわたり、自動車メーカーはこれらの法律に対応するために自動車のエンジンと燃料システムに多くの改良を加えてきました。これらの変更の1つは、1975年に触媒コンバーターと呼ばれる興味深いデバイスで発生しました。 。触媒コンバーターの仕事は、有害な汚染物質が車の排気システムを離れる前に、有害な汚染物質をより害の少ない排出物に変換することです。
触媒コンバーターは驚くほどシンプルなデバイスであるため、それらがどれほど大きな影響を与えるかを見るのは信じられないほどです。この記事では、エンジンによって生成される汚染物質と、触媒コンバーターがこれらの汚染物質のそれぞれを処理して車両の排出量を削減する方法を学びます。
コンテンツ排出量を削減するために、現代の自動車エンジンは、燃焼する燃料の量を注意深く制御しています。彼らは、空燃比を化学量論に非常に近づけようとしています。 ポイント。これは、空気と燃料の理想的な比率です。理論的には、この比率では、すべての燃料が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です。これは、ガソリン1ポンドあたり14.7ポンドの空気が燃焼することを意味します。燃料混合物は、実際には運転中に理想的な比率からかなり変化します。混合物がリーンになることもあります （空燃比が14.7より高い）、およびその他の場合、混合気はリッチになる可能性があります （空燃比が14.7未満）。
自動車エンジンの主な排出量は次のとおりです。
二酸化炭素の排出は地球温暖化に寄与すると考えられていますが、これらの排出はほとんど良性です。燃焼プロセスは決して完璧ではないため、自動車のエンジンでも少量のより有害な排出物が生成されます。触媒コンバーターは、次の3つすべてを削減するように設計されています。
次のセクションでは、触媒コンバーターの内部で何が起こっているのかを正確に見ていきます。
次は芝刈り機ですか？ガロンのガロン、新しい芝刈り機エンジンは、新しい車の93倍のスモッグ形成排出量に貢献します。 EPAとカリフォルニア州の規制当局が、ゴルフボールサイズの触媒コンバーターを芝刈り機やその他の小型エンジンに導入しようと懸命に努力しているのも不思議ではありません。しかし、1970年代と同じように、議員たちは強力なロビーに出会っています。小型エンジンの大手メーカーであるBriggs＆Strattonは、これらの規制により、熱を放出しすぎる安全でない製品が作成されると述べています。 4つの小さな芝刈り機エンジンメーカーがこの告発に反論しました。 Briggs＆Strattonはまた、芝刈り機を動かしたまま静止させたままにすると、過熱によりブラシ火災が発生する可能性があると主張しています。カリフォルニア州の民主党員とEPAは、それが収益ともっと関係があると考えています。カリフォルニアで提案されている保留中の規制により、1日あたり80万台相当の排出量を削減できる可能性があります[出典：Barringer]。
化学では、触媒 は、それ自体が影響を受けることなく化学反応を引き起こしたり加速したりする物質です。触媒は反応に関与しますが、それらが触媒する反応の反応物でも生成物でもありません。人体では、酵素は多くの重要な生化学反応の原因となる天然に存在する触媒です[出典：Chemicool]。
触媒コンバーターには、還元触媒という2種類の触媒が使用されています。 および酸化触媒 。どちらのタイプも、金属触媒、通常は白金、ロジウム、および/またはパラジウム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。材料が非常に高価であるため、必要な触媒の量を最小限に抑えながら、触媒の最大表面積を排気流にさらす構造を作成するというアイデアです。最新のコンバーターの中には、より伝統的な触媒と混合された金を使用し始めたものもあります。金は他の材料よりも安価であり、汚染物質を減らす化学反応である酸化を最大40％増加させる可能性があります[出典：Kanellos]。
最近のほとんどの車には、三元触媒コンバーターが装備されています。 。これは、削減に役立つ3つの規制された排出量を指します。
還元触媒 触媒コンバーターの最初の段階です。プラチナとロジウムを使用して、NOx排出量を削減します。 NOまたはNO2分子が触媒に接触すると、触媒は分子から窒素原子を引き裂き、それを保持して、O2の形で酸素を解放します。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。例：
2NO => N 2 + O 2 または 2NO 2 => N 2 + 2O 2
酸化触媒 触媒コンバーターの第2段階です。未燃炭化水素と一酸化炭素を白金とパラジウムの触媒で燃焼（酸化）させることにより、それらを還元します。この触媒は、COおよび炭化水素と排気ガスに残っている酸素との反応を促進します。例：
2CO + O 2 => 2CO 2
触媒コンバーターで使用される構造には、主に2つのタイプがあります-ハニカム およびセラミックビーズ 。今日のほとんどの車はハニカム構造を使用しています。
次のセクションでは、変換プロセスの第3段階と、触媒コンバーターを最大限に活用する方法について説明します。
変換の第3段階は、制御システムです。 排気流を監視し、この情報を使用して燃料噴射システムを制御します。触媒コンバーターの上流に酸素センサーが取り付けられています。つまり、コンバーターよりもエンジンに近いということです。このセンサーは、排気ガスに含まれる酸素の量をエンジンコンピューターに通知します。エンジンコンピュータは、空燃比を調整することにより、排気ガス中の酸素量を増減させることができます。この制御方式により、エンジンコンピュータは、エンジンが化学量論点の近くで動作していることを確認し、酸化触媒が未燃炭化水素とCOを燃焼させるのに十分な酸素が排気ガスにあることを確認できます。
触媒コンバーターは汚染を減らすのに素晴らしい仕事をしますが、それでも大幅に改善することができます。その最大の欠点の1つは、かなり高い温度でしか機能しないことです。車を冷やして始動すると、触媒コンバーターは排気ガスの汚染を減らすためにほとんど何もしません。
この問題の簡単な解決策の1つは、触媒コンバーターをエンジンに近づけることです。これは、より高温の排気ガスがコンバーターに到達し、より速く加熱することを意味しますが、これはまた、コンバーターを非常に高温にさらすことにより、コンバーターの寿命を縮める可能性があります。ほとんどの自動車メーカーは、コンバーターを助手席の下に配置し、エンジンから十分に離れて、温度を害のないレベルに保ちます。
予熱 触媒コンバーターは排出量を削減するための良い方法です。コンバーター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。残念ながら、ほとんどの車の12ボルトの電気システムは、触媒コンバーターを十分に速く加熱するのに十分なエネルギーまたは電力を提供しません。ほとんどの人は、車を始動する前に、触媒コンバーターが熱くなるのを数分待たないでしょう。大型の高電圧バッテリーパックを搭載したハイブリッド車は、触媒コンバーターを非常に迅速に加熱するのに十分な電力を供給できます。
ディーゼルエンジンの触媒コンバーター NOxの削減にはあまり効果がありません。理由の1つは、ディーゼルエンジンは標準のエンジンよりも低温で動作し、コンバーターは熱くなるにつれてより良く機能することです。主要な環境自動車の専門家の何人かは、これと戦うのを助ける新しいシステムを考え出しました。彼らは尿素を注入します コンバーターに到達する前に、排気管内の溶液を蒸発させて排気と混合し、NOxを低減する化学反応を生成します。 カルバミドとしても知られる尿素 は、炭素、窒素、酸素、水素からなる有機化合物です。哺乳類や両生類の尿に含まれています。尿素はNOxと反応して窒素と水蒸気を生成し、窒素酸化物の90％以上を排気ガスに放出します[出典：イノベーションレポート]。
触媒コンバーターの盗難全国で、SUVとトラックは、触媒コンバーター内で使用される貴重な貴金属を利用しようとしている日和見主義者のターゲットになりつつあります。標準的な触媒コンバーターには、数百ドル相当のプラチナ、パラジウム、ロジウムが含まれています。トラックとSUVの最低地上高により、コンバーターに簡単にアクセスできるため、泥棒に必要なのはレシプロソーと約60秒だけです。この傾向は、この種の盗難が問題となっている国の多くの地域で警戒を怠っていません。警察は、SUVとトラックの運転手に、混雑した明るい場所に駐車するよう警告しています。
初版：2000年11月8日