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Mar 17, 2023

アースデイで触媒コンバーターを準備する

Dan Carney | 22 aprile 2020 Smog di Los Angeles, 1973. Fonte immagine: EPA Stati Uniti

ダン・カーニー | 2020年4月22日

ロサンゼルスのスモッグ、1973 年。画像出典: EPA

1970 年の米国大気浄化法は、半世紀前の同年の最初のアースデイ 4 月 22 日のわずか数か月後に、汚染源に対する徹底的な制限をもたらしました。

車が大気汚染の大きな原因となっていることが判明し、スモッグはロサンゼルスのような明白な場所だけでなく、ケンタッキー州ルイビル、アリゾナ州フェニックス、ワシントン州タコマなど、通常は窒息しない都市も窒息させていたことが判明した。今日の公害問題スポットと考えられています。 これは、1970 年に汚染の影響を撮影した環境保護庁のドキュメリカ プログラムの写真に見られます。

大気浄化法と 1990 年の同法の更新による規制強化に対応して、自動車メーカーは、自動車によって生成されるいわゆる「基準」汚染の大部分を事実上排除することが求められました。 主な排出基準は、一酸化炭素、窒素酸化物、未燃炭化水素、粒子状物質、さらにアンモニアと硫黄です。 硫黄はディーゼル燃料中に存在するため、ディーゼル車にとって主に懸念事項となります。

メーカーは、ロサンゼルスでの初期のスモッグ研究の発表を受けて、1950 年にフランス人技術者ユージン・フードリによって発明された技術である触媒コンバーターを開発することで対応しました。 業界が支援する Web サイト catalyticconverters.com によると、Engelhard Corporation は 1973 年に世界初の量産触媒を開発しました。

ダイナモメーターで車両の排出ガスをテストします。 画像出典: EPA

触媒コンバーターは、セラミックハニカム上に積層されたプラチナやパラジウムなどの貴金属を使用しており、加熱されると汚染物質が良性の構成要素、水、および CO2 に分解されやすくなります。 一部のコンバーターでは、貴金属でコーティングされたセラミックビーズも使用されていますが、メーカーが効率を高め、必要な貴金属の量を減らしたため、ハニカムが業界標準になっています。

「EPAの自動車排ガス基準は、さまざまな技術の開発と導入の直接のきっかけとなった」とEPAの広報担当者はデザインニュースに提供した声明で述べた。 「特に、自動車用触媒コンバーターは、史上最も優れた環境発明の 1 つであると考えられています。1970 年の車両モデルと比較して、新車、SUV、ピックアップ トラックは、一般的な汚染物質 (炭化水素 (HC)、一酸化炭素 (CO)、窒素酸化物 (NOx)、粒子状物質の排出)。新しい大型トラックとバスは、1970 年モデルよりも約 99% クリーンです。」

実際、汚染の 99% 削減は、間違いなく史上偉大な環境発明の 1 つです。 初期のキャブレター車は公害、パワー供給、ドライバビリティの点で十分な性能を発揮できなかったため、これらの改善は容易ではありませんでした。

1975 フォード マスタング II ギア。 画像出典: フォードモーター株式会社

フォードは、連邦基準の厳格化とカリフォルニア州のさらに厳しい要件に対応して、1975 年モデルのほとんどの自社車に触媒を導入しました。 フォードの1975年製自動車のプレスリリースによると、カリフォルニア州は、10年前の完全に規制されていない自動車と比較して、HCを94％、COを90％、NOxを67％削減することを義務付けた。

これらの規則を満たすために、カリフォルニア行きの 1975 年のすべての車には触媒が取り付けられ、米国のその他の地域に向かういわゆる 49 州の車のほとんどにも触媒が取り付けられ、当時同社の最小エンジンを搭載したものでした。唯一の例外として、オーバーヘッドカム 2.3 リッター 4 気筒。

1975 年のフォードはすべて、古典的なポイント式点火方式からより強力な電子点火方式に切り替え、また従来の燃料ジェットを備えたキャブレターからより正確な計量ロッドを使用するキャブレターに切り替えました。 さらに、触媒コンバーターの機能を保護するために必要な無鉛燃料への切り替えには、燃料中の鉛添加剤によって以前は潤滑されていた硬化排気バルブへの切り替えが必要でした。

これらの変更の結果、全体的にエンジンの出力が低下しました。 302 スモールブロック V8 を搭載したスポーティなマスタング II マッハ I の定格は 140 馬力とわずかで、1969 年の同等のマスタング エンジンの出力は 220 馬力、改良型ボス 302 の出力は 290 馬力でした。カリフォルニア モデルではさらに悪かったです。 、かつては筋肉質だった小さなブロック 302 からわずか 122 馬力しか生成しませんでした。

しかし、私たちの PC や携帯電話を非常に強力にしたムーアの法則は、燃料噴射システムと排気後処理装置を調整するスマート エンジン管理システムも提供し、車のエンジンと触媒コンバータが動作温度まで暖まった後に汚染を事実上排除します。

1995 年までに、マスタングに搭載されていた同じフォード 302 V8 は、通常のトリムで 215 馬力、高出力構成で 240 馬力に復元され、その一方で、20 年後に厳しくなった汚染制限を満たすために、汚染の発生はさらに少なくなりました。 当然のことながら、それ以来四半世紀にわたって進歩は続いています。

「今日の触媒とフィルターは、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物、微粒子などの汚染物質の削減率が 95 ～ 98 パーセントを超える非常に高い効率を持っています。」と述べました。 コンチネンタルの一部門である Vitesco Technologies の触媒およびフィルター部門責任者、Rolf Brück 氏は次のように述べています。

課題は、始動時にできるだけ早く触媒を動作温度に到達させることです。始動時は、今日のクリーンな自動車によって最も多くの汚染が発生する時期だからです。 実際、ブリュック氏によると、排出ガスの 70 ～ 80% は起動後の最初の数秒で排出されます。 これは短距離旅行にとって特に課題である、と同氏は付け加えた。

さらに悪いことに、効率を向上させ、二酸化炭素などの温室効果ガス（排出規制時代の黎明期には不活性ガスとして汚染物質とは考えられていなかった）の排出量を削減することを目的とした技術が、触媒を高温に保つという問題を悪化させる可能性がある。使用温度範囲。

ディーゼルエンジンは、特に都市部での運転において、排気温度が低いと同氏は指摘した。 気温が低すぎて触媒が効率的に機能していないため、ディーゼルを低負荷で市街地で走行するのは困難です」とブリュック氏は語った。

同様に、自動エンジン停止/始動システムが装備された最新のガソリン車、特にハイブリッド車では、燃焼エンジンが長時間停止する可能性があるため、触媒を適切に機能させ続けることが困難になります。

「将来の排気システムには、たとえばアクティブな触媒加熱による熱管理によって、ドライバーの行動や環境に影響されずに確実な方法で排出ガスを浄化するという役割があります」と彼は説明した。 「ハイブリッドなどの電動車両にも同じことが当てはまります。ここでの課題は、車が電気で駆動されているときに触媒をそれぞれ作動温度に保ち、作動温度に保つことです。」

解決策は、触媒コンバーターの寿命を超えて続いているように、状況を可能な限り正確に制御する技術を継続的に適用することです。 「電動化と触媒の熱管理を適切に組み合わせることで、燃料消費量を削減し、ひいては CO2 も削減しながら、排出量をさらに削減することができます」とブリュック氏は結論付けました。

その結果、1970 年のアースデイに最も楽観的な予測が予想していたよりも、自動車の排気ガスがきれいになり、空が晴れました。

このコンチネンタル触媒は、噴射されたディーゼル燃料を使用して触媒を加熱します。 画像出典: コンチネンタル

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Dan Carney は、Design News の上級編集者で、自動車技術、エンジニアリング、デザイン、特に新興の電気自動車や自動運転技術をカバーしています。

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