三元触媒｜NOx・CO・HCを同時浄化

2025.10.14

三元触媒

三元触媒は、ガソリン火花点火機関の排気中に含まれる一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、窒素酸化物（NOx）の3成分を同時に浄化する触媒である。白金族（金属Pt、Pd、Rh）を担持したウォッシュコート層を、ハニカム状基材に被覆した構造をとり、スロットル制御とフィードバック燃料制御により理論空燃比（λ=1）近傍を維持することで高い転化率を実現する。近接配置（クローズドカップルド）とアンダーフロア配置を適切に組み合わせ、暖機性と耐久性のバランスを取るのが一般的である。

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浄化原理と反応機構

基本反応は、COとHCの酸化、およびNOxの還元である。COは酸化されてCO2へ、未燃HCは酸化されてH2OとCO2へ変換される。NOxはCOやH2により還元されN2へと変わる。三者同時浄化を支える鍵は、CeO2-ZrO2系による酸素貯蔵能（OSC）である。排気組成がわずかにリーン側に振れた際は表面に酸素を貯蔵し、リッチ側に振れた際は放出して瞬時に酸化・還元反応へ供給する。このバッファ機能により、排気が周期的に変動しても総合転化率が維持される。

構造と材料設計

  • 基材：コージェライト（セラミック）や金属基板のハニカムで、低圧損と大表面積を両立する。
  • ウォッシュコート：γ-Al2O3にCeO2-ZrO2を分散し、貴金属の分散安定化とOSCを確保する。
  • 貴金属：PdとPtは主に酸化反応、RhはNOx還元に寄与する。負荷量と比率は規制・耐久条件で最適化される。
  • キャニング：膨張マットで保持し、熱膨張や振動から基材を保護する。

フィードバック制御と配置

ECUは前段センサーからの情報で燃料噴射を微小に増減し、混合気をλ=1近傍で微小振動させる。これによりOSCが周期的に充放出され、総合浄化率が最大化する。エンジン直近のクローズドカップルド触媒は低温時の「ライトオフ」を早め、フロア下の主触媒は高流量時の浄化を担う。暖機促進のため、二次空気導入や点火時期遅角、排気熱回生を併用する場合がある。

性能指標と評価手法

代表指標は、CO/HC/NOxの転化率、ライトオフ温度（T50/T90）、ガス空間速度（GHSV）、圧損、耐熱エージング後の保持率である。OBD監視では下流センサーの応答から触媒効率を推定し、しきい値を下回ると診断コード（例：P0420）が記録される。試験は定常台上と実走行（RDE）を併用し、硫黄・リンなど被毒下での性能も評価する。

劣化要因と対策

高温焼結（900℃超）による貴金属・担体の表面積低下、潤滑油起源のリン灰分やシリカによる被毒、硫黄被毒、ミスファイアによる溶融・崩壊が主因である。対策として、貴金属分散の強化、OSC材の安定化、被毒耐性向上、適切な空燃比制御、エンジン側のオイル消費低減が挙げられる。燃料系・点火系の健全性維持は触媒寿命に直結する。

エンジン・排気系との関係

燃料噴射の霧化や燃焼安定性は触媒入口のHC/COを規定する。例えばインジェクターの噴霧特性、燃圧を担う高圧ポンプ、燃焼温度を左右するクーラント温度センサーやEGR流量、過給機系のブローオフバルブなどは、触媒入口条件に影響する。また、蒸発ガス処理のチャコールキャニスターや冷却系のラジエーターキャップも間接的にエミッションに関与する。排気後処理としては触媒コンバーター全体の設計最適化が要である。

ライトオフと低温性能

都市走行では低温条件が支配的となるため、低温活性向上が重要である。低温で活性の高いPdの活用、熱容量の小さい基材、熱遮断強化、排気熱の早期投入などが採られる。冷間始動時のHCピークを抑えるには、点火・噴射の最適化と近接触媒の容量設計が有効である。

ガソリン直噴と微粒子対策

直噴化で微粒子（PN）が増える場合、三元触媒とガソリン微粒子フィルター（GPF）の組み合わせが用いられる。GPFは酸化触媒機能を併せ持たせ、リーン側酸化や再生制御を工夫することで、三者浄化とPN低減を両立する。過給機搭載車ではタービン背圧と圧損のトレードオフ評価が不可欠である。

設計・統合のポイント

  • 空燃比の高精度制御と排気脈動に対するロバスト性の確保。
  • 貴金属量、OSC量、セル密度、容積の同時最適化。
  • 熱マネジメント（断熱、配置、暖機戦略）の統合設計。
  • 耐久・被毒条件を見据えた配合とコスト最適。
  • 蒸発・燃焼・後処理を統合した全車両レベルの検証。

環境規制と歴史的展開

厳格化する排出規制（例：実走行規制、低温HC、NOx/PM複合規制）への対応は、触媒材料・制御・熱マネジメントの総合進化を促してきた。1970年代後半にクローズドループ制御とともに普及が進み、以後は耐熱性・低温活性・被毒耐性の強化が継続している。近年はハイブリッド化で排気温度が低下するため、低温活性向上や近接配置が一段と重視される。将来に向けても、合金化や新規担体、迅速暖機の電動加熱、排気熱回生との協調など、材料・制御・車両側の両面で改良が続く。

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