科目：
- 一般
- 三元・酸化触媒作用
- 使用温度
- NOx触媒の作動
- 老化とその原因
一般：
カタリストという名前はもともとギリシャ語のカタリシス（溶解を意味する）に由来しています。 環境要件を満たすために、1992 年末から触媒が必要になりました。 排気ガスには、CO（一酸化炭素）、NOx（窒素酸化物）、CH（未燃炭化水素）などの有害物質が含まれています。 これらの物質は（酸化されて）無害な物質になります。 したがって、酸化触媒という名前が付けられています。
化学における触媒とは、化学反応を引き起こし、それ自体は変化せずに反応を加速または減速させる物質のことです。
三元・酸化触媒作用：
触媒はフィルターではなく、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を添加した変換要素とみなすことができます。 排気ガスが接触すると、非常に急速な化学反応が起こります。 有害なガスの分子は分解され、他の分子と結合して無害なガスになります。 この触媒は排気ガスを90％浄化することができます。 ただし、これには消費量の増加と電力の低下が伴います。 これは、排気経路に一定の空気抵抗が生じるためです。
排気ガス中の物質:
- CO2：二酸化炭素（高濃度では環境、人体、動物に有害）
- CO：一酸化炭素（不完全燃焼ガス、健康にも有害）
- CH：炭化水素（未燃ガソリン部分）
- O2：酸素部分（燃焼に関与しなかった部分）
- NOx: 窒素化合物 (非常に高い燃焼温度でのみ形成されます。
触媒は、CO、HC、NOx の 3 つの有害な成分を、CO3、H2O、N2 の 2 つの無害な成分に変換します。 三元触媒という名前もここから来ています。
変換を行うために触媒に O2 と CO を追加するには、エンジンの噴射パターンを調整する必要があります。 O2 を形成するには、混合気が希薄 (燃料が少なく、空気が多い) でなければなりません。 CO を形成するには、混合物が豊富である (燃料が多く、空気が少ない) 必要があります。 後者は希薄混合気エンジンには当てはまりません。このページのさらに下の NOx 触媒の章を参照してください。
シリンダー内に常に少し多すぎる燃料と少し少なすぎる燃料を噴射することにより、リッチな混合気とリーンな混合気が常に生成されます。 したがって、余剰の CO と O2 は最終的に触媒に入ります。 触媒内で、白金は CO および HC と反応します。 ロジウムはNOxを確実に削減します。 これは、ラムダ センサーで測定するときに変動する電圧が測定される理由も説明します。 そこでは電圧が 0,2 ～ 0,8 ボルトの間で変化します (低電圧から高電圧まで)。車のエンジン管理システム (ECU) がそれ自体を制御します。 したがって、何も調整する必要はありません。
| 有害物質: | 追加元: | 結果: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2+CO2 |
変換を行うために触媒に O2 と CO を追加するには、エンジンの噴射パターンを調整する必要があります。 O2 を形成するには、混合気が希薄 (燃料が少なく、空気が多い) でなければなりません。 CO を形成するには、混合物が豊富である (燃料が多く、空気が少ない) 必要があります。 後者は希薄混合気エンジンには当てはまりません。このページのさらに下の NOx 触媒の章を参照してください。
シリンダー内に常に少し多すぎる燃料と少し少なすぎる燃料を噴射することにより、リッチな混合気とリーンな混合気が常に生成されます。 したがって、余剰の CO と O2 は最終的に触媒に入ります。 触媒内で、白金は CO および HC と反応します。 ロジウムはNOxを確実に削減します。 これは、測定時に変動する電圧が測定される理由も説明します。 ラムダセンサー 測定されています。 そこでは電圧が 0,2 ～ 0,8 ボルトの間で変化します (低電圧から高電圧まで)。車のエンジン管理システム (ECU) がそれ自体を制御します。 したがって、何も調整する必要はありません。
上の表からわかるのは、物質はすべて CO2 などに変換されるということです。 CO2 は現在、環境にとって危険であり、地球温暖化の原因である物質とみなされています。 しかし、人はCO2も吐き出します。 これは木や植物によって O2 (酸素) に変換されます。 CO2 が多すぎると悪影響が生じます。 木や植物は少数派であり、すべてをO2に変換することはできません。 内燃機関の場合は、CO2 含有量をできるだけ高くする必要があります。 これは可能な限り低く抑えられると考えているので、それはクレイジーに聞こえます。 事はこんな感じです。 CO2 含有量が高くなるほど、放出される CO と HC は少なくなります。 CO および HC は、吸入すると健康に直接有害です。 CO2 レベルを削減する唯一の方法は、代替燃料、小型 (より経済的な) 燃焼エンジン、およびより静かな運転に切り替えることです。
使用温度:
触媒の有用な効果は250度の温度から始まり、450度の温度で最大になります。 エンジンを始動してから浄化効果が始まるまでにはしばらく時間がかかります。 触媒コンバータは作動温度に早く到達するため、排気マニホールドのできるだけ近くに取り付けられます。 排気ガス温度が 800 ～ 1000 度になると、熱老化が確実に早まり、寿命が短くなり、活性表面積が減少します。
冷間始動後に触媒がさらに早く温度に到達するようにするための発熱体を備えた触媒コンバーターもあります。 これにより、エンジンのスイッチが入った後さらに迅速に調整できるようになり、排気ガスがよりクリーンになります。
冷間始動後できるだけ早く触媒を暖めるために、 二次エアポンプ。
NOx触媒の動作:
NOx は、排気ガス中の余分な CO を得ることで触媒によって還元できると以前に説明しました。 これは混合物をより濃厚にすることのみ可能です。 とりわけ、フォルクスワーゲン (FSI) や BMW (エフィシエント ダイナミクス) の希薄混合気エンジンでは、エンジンは部分負荷および低速では常に空気が過剰な混合気で動作します (つまり、希薄で決して濃厚ではありません)。 したがって、通常の三元触媒では、NOx を N2 + CO2 に変換することはできません。 排気ガスからNOxを除去するには、特殊なバリウム成分を含む特殊なNOx（吸蔵）触媒が必要です。 この触媒にはバリウム成分の他に白金やロジウムなどの貴金属も含まれています。
三元触媒は、前述したように、CO と HC を CO2 と H2O に変換します。 NOxはNOx触媒によって変換されます。 値を常に監視するには、追加の温度センサーと NOx センサーが必要です。
下の画像は、VW、BMW (およびその他のブランドも増え続けています) で使用されている排気システムを示しています。
NOx ガスはこの触媒内に低温状態で貯蔵されます。 他の排気ガスは排気ガスを通過し続けることができます。 酸素が豊富な期間中、NOx ガスはバリウム成分に貯蔵されます。 NOx は蓄積します (煤が微粒子フィルターに蓄積されるのと同じように)。 時間が経つと触媒は飽和状態になります。 NOxが充満した瞬間です。 その後、触媒を再生する必要があります。 NOxセンサーはこれを認識し、ECUに信号を送ります。 このとき、特に NOx 触媒を再生するために、混合気をリッチにします。 これは、NOx 触媒の温度が 800 度に達した場合にのみ発生します (これは温度センサーによって記録され、エンジン コントロール ユニットにも渡されます)。 一時的な濃縮により余分な CO が放出されます。 この CO の助けにより、白金とロジウム成分を通じて N2 + CO2 への変換が起こります。 再生後、エンジンは触媒が再び飽和するまで希薄混合気で再び作動します。
このシステムでも誤動作が発生する可能性があります。 車が短距離しか運転されない場合 (これは車全体に悪影響を及ぼします)、NOx 触媒は作動温度に達することができません。 飽和（満杯）するとすぐに再生成する必要があります。 温度センサーが低すぎる温度を測定し続ける場合にのみ、ECU は混合気を濃縮しません。 触媒が作動温度にない場合、白金およびロジウム成分はまだ変換を行うことができません。 このとき、エンジン障害ライトが点灯し、車をスキャンすると原因が判明します。 その後、テストキャビネットまたは活発なテストドライブを利用して触媒が再生されます。 したがって、時々長距離 (高速道路で 50 km 以上) を運転し、できれば高速で走行することが最善です。 そうすると、触媒は容易にその作動温度に達します。
現在のディーゼルエンジンには、 SCR（選択的触媒還元）触媒 適用済み。 このSCR触媒もNOxを吸蔵しますが、 AdBlue 投与システム に追加。
老化とその原因:
- ガソリン: 三元触媒コンバーターは無鉛ガソリンでのみ機能します。 有鉛ガソリンを給油すると、貴金属に薄い層が付着し、排気ガスとの接触が減少し、しばらくすると給油できなくなります。 そうなると化学反応は起こらなくなります。 触媒が故障しているため、交換する必要があります。 それはお金のかかる問題です。 一定のノック限界に達するように有鉛ガソリンが追加されました。 現在ではノックセンサーが使用されているため、燃料から鉛が除去されています。
- オイルは内装にも悪影響を及ぼします。 ピストンリング、バルブガイド、ターボなどに沿って大量のオイル漏れがある場合、多量のオイルが触媒コンバーターに流入する可能性があります。 また、オイルにより貴金属に層が付着し、その効果が失われます。
- 短距離の運転: 短距離を頻繁に運転すると、触媒がその作動温度に達することはほとんどないか、まったくありません。 燃え残ったHC（ガソリン）の残留物がセラミック表面に付着します。 長距離を走行すると、このHC残留物が燃えてしまいます。 短距離走行を続けると、これらのHC残留物も内部に付着し、時間の経過とともに触媒の効果が低下します。
XNUMX 番目のラムダ センサー (ジャンプ センサー) は、多くの場合、触媒がガスを適切に変換したかどうかを測定します。 触媒が老朽化している場合、または内部に欠陥がある場合は、この XNUMX 番目のラムダ センサーがこれを測定します。 ダッシュボードに障害ライトが点灯します。 その場合、触媒の交換が必要になります。 ラムダセンサーの詳細については、このページをご覧ください。 ラムダプローブ.
