三元触媒とは？実物でわかる構造・反応・空燃比との関係

車の排気管の途中には、「触媒」という部品があります。名前だけだと理科の時間が始まりそうですが、やっているのは排気中の有害な成分を減らす仕事です。中を見ながら仕組みを追っていきましょう。

触媒コンバーターは、反応で排気の成分を変える

エンジンで燃料を燃やすと、排気には、一酸化炭素や窒素酸化物などの有害な成分が含まれます。ガソリン車で使う三元触媒は、主に三つの種類の成分を、化学反応で減らす装置です。

中には、細かな通路がたくさん並ぶ土台があります。その表面にある金属などが、排気の成分同士の反応を助けます。ごみを網で引っかけるフィルターとは、働き方が違うんですね。

ここでは、一般的なガソリン車の三元触媒を説明します。ディーゼルの酸化触媒、粒子を捕まえるフィルター、NOxを処理するSCRなどは、それぞれ相手にする成分や仕事が違います。

三元は、三つの成分を減らすという意味

「三元」の三つは、一酸化炭素CO、燃え残った炭化水素HC、窒素酸化物NOxです。名前が並ぶと理科の授業ですが、やることは排気の成分を化学反応で変えること。COとHCには主に酸素を加え、二酸化炭素や水などへ変えます。一方、NOxは酸素を取り去る反応で、窒素などへ変えます。

反応する材料には、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を使う設計があります。ただし三元は、金属を必ず三種類使うという意味ではありません。材料の組み合わせは製品によって違います。

蜂の巣のような通路で、反応する面を広くする

触媒を支える土台を「担体」と呼びます。細い道がたくさん並ぶ、蜂の巣のようなハニカム構造を使います。壁に広い表面を持つ層を作り、触媒を載せます。小さなケースの中でも、ガスが反応面に触れる場所を多くできるわけです。

土台はセラミックだけでなく、金属製もあります。通りやすさ、暖まる速さ、丈夫さ、反応する広さを合わせて作ります。細い穴があるから、網のように粒子を捕まえるとは限りません。

温度と空燃比が、反応の条件になる

触媒は、冷えたままでは十分に働きません。早く暖めるため、エンジンの近くへ置いたり、点火などを調整したりします。何℃で全部完全に働く、と全製品を一つの温度では説明できません。

空気と燃料を、理論の割合に近く保つことも大切です。コンピューターは排気のセンサーから状態を知り、燃料を調整します。理論の割合は、燃料と酸素が過不足なく反応する目安です。よく出る14.7は、燃料1に対して空気14.7という重さの割合。燃料の成分で変わるので、何にでも同じ14.7を当てはめるわけではありません。

触媒が傷んだら、燃え方や油の消費も調べる

うまく燃えなかった燃料が排気へ流れると、触媒へ大きな熱の負担がかかる場合があります。オイルの消費、冷却水の侵入、合わない燃料も影響します。触媒を新品にすれば、原因も直るとは限りません。

警告灯や故障コードは、ねらった浄化の状態から外れている手がかりになります。ただしセンサー、配線、排気漏れ、燃料の調整も候補です。コード名だけで、触媒本体を交換しようとは決められません。

触媒を外すのは、故障を直すこととは別です。排出ガスと車の適合に関わるので、その車に合う修理が必要です。また、正常に働いていても排気が無害になるわけではありません。

よくある疑問

触媒は反応すると全部なくなる？

触媒は反応を助けるもので、毎回、燃料のように使い切るものではありません。ただし、汚れ、劣化、熱や衝撃で、働きは落ちます。

ディーゼルのDPFは三元触媒？

別の装置です。DPFは主に粒子を捕まえるフィルターで、酸化触媒やNOxを処理する装置と組み合わせて使います。

触媒を付けると二酸化炭素はなくなる？

二酸化炭素を全部なくす装置ではありません。COやHCを酸素と反応させるときにも、CO₂ができます。

関連記事

排気系の部品と順番／理論空燃比とセンサー／正常な点火と失火

参考資料

1. BASF：担体、反応面と三元・四元触媒
2. BASF：触媒に使う貴金属の設計例
3. Bosch：三元触媒と空燃比制御
4. Niterra：排気浄化部品の温度管理