三元触媒とは?理論空燃比でCO、HC、NOxを同時に浄化する触媒【バイク用語辞典:排気系編】

■厳しい排ガス規制に適合するために、自動車とバイクとも三元触媒を使うのが一般的

●三元触媒を有効に活用するため高精度な空燃比フィードバック制御を採用

バイクのマフラーには、排気音の低減と排気ガスをスムーズに排出して充填効率を向上させる役割のほか、触媒を使って有害な排ガスを低減するという重要な役割も担っています。排ガス低減は自動車同様、三元触媒を使った空燃比フィードバック制御によって行います。

三元触媒を使った排ガス低減方法について、解説していきます。

●三元触媒の役割

触媒は、化学反応によって有害ガスを浄化する機能部品で、通常はサイレンサーの前の排気管に搭載されます。内部は、ハニカム形状のセラミックなどから成り、その表面には貴金属微粒子を担持した触媒コート層が塗布されています。

触媒の構成
触媒の構成

三元触媒の触媒コート層には、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)などの貴金属微粒子が担持されています。この表面を排出ガスが通過すると、COとHCはPtとPdによる酸化反応、NOxはRhの還元反応によって、有害な3成分が同時に浄化されます。

・COの酸化  2CO + O2 → 2CO2

・HCの酸化  4CxHy + (4x + y)O2 → 4xCO2 + 2yH2O

・NOxの還元 2NOx → xO2 + N2

三元触媒が高効率で機能するためには、エンジンの空燃比(吸入空気質量/供給燃料質量)を理論空燃比14.7に設定する必要があります。

理論空燃比よりリッチ(濃い)側にずれるとCOとHCの浄化効率が低下し、リーン(薄い)側にずれるとNOxの浄化効率が低下します。

●電子制御の燃料噴射システムの概要

電子制御の燃料噴射システムは、吸気系に装着したエアフローセンサーや吸気圧力センサーによって吸入空気量を検出して、ECU(エンジンコントロールユニット)が目標とする空燃比になるように適切な噴射量を演算します。これにエンジン水温や吸入空気温度などを考慮した補正を加えて、最終的な燃料噴射量が決定されます。

エンジンの出力や燃費、排出ガス性能は、混合気の空燃比に大きく依存します。

空燃比の設定は、部分負荷運転時には三元触媒を使って排ガスを低減するため理論空燃比14.7に、出力が必要な全開運転では出力空燃比と呼ばれる12.5~13.0のリッチ空燃比に、全開運転とモード運転の中間領域は空燃比13~14.7に設定します。

その他、冷態時や始動時などはエンジン温度が低くガソリンの気化が悪いので、リッチ空燃比に設定します。

●排ガス低減のための空燃比フィードバック燃料制御

三元触媒の浄化効率
三元触媒の浄化効率

上記のように部分負荷域で三元触媒を使って排ガスを低減するためには、運転条件が変化しても常に理論空燃比14.7になるように制御しなければいけません。そのための手法として、空燃比フィードバック制御が採用されています。

フィードバック制御で必要な空燃比の計測は、排気管に装着した酸素(O2)センサーで行います。酸素センサーは、排ガス中の酸素濃度を計測するセンサーで理論空燃比を境に出力が急変します。この出力変化を利用して、空燃比が理論空燃比に対してリッチ(濃い)か、リーン(薄い)かを判定し、燃料噴射量を増減して空燃比を微調整します。


三元触媒は、ガソリンエンジンの排ガス低減に有効な機能部品です。一方で触媒を搭載すると、コストが上がり出力が低下、その出力低下を挽回しようとするとさらにコストが上がるという問題が発生します。

自動車ほど販売台数が多くない、また車両価格の低いバイクにとっては、触媒を含めたシステム全体のコストを下げることが不可欠です。

(Mr.ソラン)