触媒(キャタライザー)とは

触媒(キャタライザー)とは

触媒って?

触媒(キャタライザー)

別名キャタライザーと呼ばれ、簡単にご説明すると、排気ガスを極力人体や環境に害のないように浄化する装置です。
現在4輪自動車には全車装着され、もちろん2輪車にも新車の場合は装着されている車種が多くなりました。
そして、現在採用されている触媒は「三元触媒」と呼ばれる触媒が付いていますが、まずは、三元触媒の三元とは何かについてご説明します。

一酸化炭素(CO)

これは皆さん聞いたことがある成分だとは思いますが、人間が大量に吸い込むと死に至るほど危険な気体で、発生原因としては酸素が足りない不完全燃焼があげられます。

燃焼するという現象は、単純に言うと、空気中の酸素と炭素が結びつくことになり、その結果、二酸化炭素(CO2)が発生するのですが、きちんと燃焼しきれない、つまり、うまく酸素と炭素が結びつけない場合に、一酸化炭素(CO)となるのです。

炭化水素(HC)

簡単に言うと、燃え残った混合気(未燃焼ガス)が炭化水素です。
炭化水素がそのまま大気中に放出され、紫外線に触れると「光化学オキシダント」に変化し、暑く風が無い夏の午後に耳にする、「光化学スモッグ」の原因になります。

発生要因としては、一酸化炭素と同じように燃焼がうまく行われなかった場合や、ガソリンの蒸発ガスが主な要因として考えられますが、オーバーラップを多くとったチューニングを施したエンジンでは、吸入ガスがそのまま吹き抜けることによっても発生します。

窒素酸化物(NOx)

高温高圧の環境下で発生しやすいという特性があり、窒素と酸素が結合した化合物のことですが、窒素酸化物には状況により酸素との結合数が変化するため、NO2などと数字を使わずにNOxとさまざまな窒素酸化物をまとめて表記しています。

さまざまな種類のある窒素酸化物ですが、特に毒性の強いのは二酸化窒素(NO2)であり、人体には気管や肺などの呼吸器に悪影響を与えます。

発生原因は先述のように、高温高圧になればなるほど発生しやすくなり、エンジンの燃焼室内の燃焼温度は2000℃超えることがあるため発生することは必然であるとも言えます。

一筋縄ではいかない排気ガスの浄化

上記に挙げた一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物以外にも人体や環境に悪影響を及ぼす成分はありますが、現状の規制では3つに限られています。

難しい点は、一酸化炭素・炭化水素と窒素酸化物はトレードオフの関係にあるということです。

トレードオフとは、簡単に説明すると、一酸化炭素・炭化水素はエンジンが調子の悪い時に発生しやすく、窒素酸化物はエンジンが最もとパワーが出るときに発生しやすい、または、燃料を濃くすれば窒素酸化物を抑えることができますが、一酸化炭素・炭化水素は増加し、燃料を薄くすれば一酸化炭素・炭化水素を抑えられますが、窒素酸化物は出やすくなります。

人体や環境への影響を減らすため、排気ガスをクリーンにすることは人類すべてに課せられた課題とも言えますが、ご説明してきたように、上記に挙げた3つの有害成分を浄化するだけでも、難しいということは理解していただけたかと思います。

三元触媒の仕組み

 

このように、相反する性質を持った有毒ガスを浄化するために開発された三元触媒ですが、実際にはどのように無害化しているか解説していきたいと思いますが、ここも簡単に説明すると、三元触媒は下記に挙げる2つの作用により有毒ガスを無毒化しているのです。

還元

まずは、窒素酸化物(NOx)を、窒素と酸素に分けるのですが、これを還元といいます。

触媒の中には様々な金属触媒が含まれており、還元作用に使用されるのは、白金とロジウムで、窒素酸化物がこの物質に触れると、結合していた窒素と酸素が切り離され、窒素が触媒に付着し、酸素は酸素同士で結合しO2になり、窒素も窒素同士で結合しN2になります。

酸化

一酸化炭素(CO)と炭化水素(HC)に対しては、排気ガスに含まれている酸素と反応(酸化)させることで、二酸化炭素(CO2)と水(H2O)にしています。

酸化に使用される金属は白金とパラジウムで、一酸化炭素と炭化水素がそれぞれ酸素と反応(酸化)する手助けをしています。

三元触媒の欠点と対策

三元触媒が実用化されたことにより、排気ガスはどんどんクリーンになっていきますが、やはり、そのままでは満足な浄化効果は期待できないため、以下のような制御がされています。

酸素濃度のフィードバック制御

触媒を効率よく働かせるためには、酸素の余らない完全燃焼が理想的であり、理論空燃比(14.7:1)にする必要がありますが、暖機運転や高負荷での運転では燃料が濃くなってしまい浄化能力が低下します。

そこで、エンジン直後に取り付けられたO2センサーによって排気ガス内の酸素濃度を測定し、エンジンのECUに伝え、ECUは燃料噴射量や点火時期などを調節して、効率よく触媒が働くようにしているのです。

温度管理

エンジン始動直後の冷えた状態では、特に触媒の還元能力がほとんどありません。
そこで、触媒はエンジンの近く、すなわち高温の排気ガスにさらされることによって、触媒の温度上昇が早期に行えるようにしています。

しかし、あまり高温にさらされ続けると、触媒の寿命を極端に縮めてしまう恐れがあるため、開発段階で、触媒の耐久性と浄化作用が両立できるギリギリの距離が設定されるのです。

バイクにおける触媒

さて、触媒の基本的な役割や、仕組みが分かったところで、バイクにおける触媒はどのようになっているのか見ていきましょう。

バイクに対する排ガス規制

ご存知の方も多いと思いますが、自動車が1966年(昭和41年)から導入されたのに対して、バイクに排ガス規制が導入されたのは、1998年(平成10年)と意外と最近で、この規制により、特に2ストロークのバイク(ホンダNSR250、ヤマハTZR250R、スズキRGV250Γなど)はこの規制に対応できず、1999年を最後に販売されなくなります。

さらに厳しい排気ガス規制が導入されたのは2006年(平成18年)で、それまでの規制値から厳しくなったのはもちろん、新型車の排ガスの測定方法が暖気後の測定から冷機状態での測定に変わったため、細かい燃料調整などができないキャブ車は新型車として販売できなくなってしまいました。

そのため、最近の新車はすべてインジェクション方式になっているのです。

その後の規制も徐々に厳しくなり、現在の排ガス規制は「EURO4」と呼ばれる規制値ですが、予定では2020年には「EURO5排出ガス規制」が導入されます。

まだ具体的な規制値は示されていませんが、目標値は定められており、1番最初の排ガス規制に比べ、一酸化炭素(CO)は1/13、炭化水素(HC)は1/20、窒素酸化物(NOx)は1/5とかなり厳しいものになっています。

地球環境の保護は世界中すべての人が意識しなければいけない内容ですが、さらなに高度な電子制御によるエンジンマネージメントと触媒の存在は必要不可欠なのですが、各メーカーの技術革新が進み、問題なく対応できるでしょう。

触媒とチューニング

バイクのチューニング、特にパワーアップを狙っている方などから、「触媒がついているとパワーが上がらないから、触媒は外したほうが良い」という話を耳にします。

実はこの話は全くの間違いと思っていただいて良い話で、「触媒は排気抵抗になる」というのも、粗方間違いではありませんが、触媒の構造はハニカム構造と呼ばれるハチの巣のような構造で、仮に触媒を外したところで、パワーアップが期待できるほどの効果はありません。

触媒がついているバイクはパワーが出しづらいというのはその通りなのですが、それは決して排気が詰まって(抵抗になって)パワーが落ちているのではなく、触媒を効率的に働かせるための制御を行っているからなのです。

上記で説明した通り、触媒を効率よく働かせるためには、理論空燃比(14.7:1)で完全燃焼させる必要がありますが、エンジンが最もパワーを出せる出力空燃比は12.5:1ですので、最もパワーが出る空燃比よりも、燃料が薄い状態に制御されているのです。

したがって、空燃比がパワーの出ない設定である以上、たとえ触媒を外してもパワーが上がることはなく、場合によっては排気の抜けが良くなりすぎてしまい、低回転トルクが下がってしまうことも考えられます。

パワーアップの方法

では、最近のバイクでパワーを上げるにはどうしたら良いのか?

その答えは率直に言って、簡単にパワーアップさせることはほぼ不可能です。

もちろんマフラー交換やパワーフィルターの交換である程度のパワーアップは期待できますが、1997年ころまでのキャブ車のように、あまりお金をかけず調整や小変更での劇的なパワーアップは期待できません。

もしも、サーキットやレースでもっとパワーが必要であれば、コンピューターの交換やロムチューンを行い12.5:1の出力空燃比に調整するか、カムシャフトの交換を行いカムプロフィールを変更するなど、レギュレーションの範囲内であれば可能です。

ただし、サーキットだけでなく公道も走るのであれば、空燃比やカムプロフィールの変更により車検に通らなくなる可能性がありますので、サーキット走行後には純正状態に戻せるよう、パーツなどはしっかり保管しておきましょう。

 

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