1. 触媒コンバーターの概要
自動車の排出ガス制御は、環境科学、化学工学、そして公衆衛生の重要な交差点です。現代の自動車排出ガス削減システムの中核を成すのは、内燃機関で発生する有害な汚染物質を、より毒性の低い物質に変換する触媒コンバータです。この技術の起源は、1940年代に自動車利用の急増により大都市で蔓延した光化学スモッグと低レベルオゾンといった大気汚染に対する国民の意識の高まりに遡ります。 1.
1960年代の初期の研究では、環境問題への懸念から、自動車から排出される一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、窒素酸化物（NOx）の濃度上昇を緩和する解決策が模索されました。 3この初期の開発の中心人物はフランスのエンジニア、ウジェーヌ・ウドリーで、1952年と1973年に自動車用の最初の実用的な触媒コンバーターを開発した。 4彼の先駆的な研究は、触媒を用いて汚染物質をより害の少ない化合物に変換する基礎を築き、当初は煙突や倉庫のフォークリフトへの応用に焦点を当て、その後自動車への統合に至った。 4.
自動車の排出ガス制御の状況は、立法措置、特に1970年の米国大気浄化法によって根本的に変化しました。この画期的な法律は、5年以内に自動車の排出量を90%削減することを要求し、自動車メーカーに高度な制御技術の採用を義務付ける厳しい排出基準を設定しました。 11975年までに大気浄化法により、米国で販売されるすべての新車に触媒コンバーターの設置が義務付けられ、環境規制と自動車設計に大きな転換点が訪れました。 1.
当初導入された触媒コンバータは「双方向」酸化コンバータでした。これらの初期の設計は一酸化炭素と未燃焼炭化水素の除去には対応していましたが、窒素酸化物の低減能力には固有の限界がありました。 4その後の進化により、「三元」触媒コンバーターが開発され、1980年代に登場し、CO、HC、NOxという3つの主要な汚染物質を同時にターゲットにすることで排出ガス制御に革命をもたらしました。 5本レポートでは、これら2つの基本的な触媒コンバーターを区別する明確な原理、機能、構造的革新、規制上の推進要因について詳しく説明します。
2. 双方向触媒コンバータ：原理と限界
二元触媒コンバーター（酸化触媒とも呼ばれる）は、自動車の排ガス処理に広く普及した最初の触媒です。その主な機能は、特定の酸化反応を促進し、最も一般的な2種類の有害な排ガスを毒性の低いものに変換することです。
2.1. 化学原理と反応
双方向コンバータにおける主要な化学反応は、酸素と一酸化炭素および未燃焼炭化水素の結合です。主な反応は以下のとおりです。
- 一酸化炭素（CO）の酸化： 有毒ガスである一酸化炭素は、比較的無害な温室効果ガスである二酸化炭素（CO2）に酸化されます。2CO+O2→2CO22二酸化炭素+ザ2→2Cザ2
- 炭化水素（HC）の酸化： スモッグの原因となる揮発性有機化合物である未燃焼炭化水素は、二酸化炭素と水（H2O）に酸化されます。炭化水素（CxHy）の一般的な反応式は、CxHy+(x+y4)O2→xCO2+y2H2Oです。C×Hそして+(×+4そして)ザ2→×Cザ2+2そしてH2ザ
これらの反応は発熱反応であり、熱を放出するため、排気ガスがコンバータを通過する際に温度が上昇し、熱シールドの使用が必要となる。 6.
2.2. 触媒材料と運転条件
双方向コンバーターは通常、次のような貴金属を使用します。 プラチナ（Pt） そして パラジウム（Pd） 主な触媒材料として 6これらの金属は、前述の酸化反応を促進するのに非常に効果的です。コンバーターは比較的希薄な燃料混合物で効率的に作動します。つまり、排気ガス中に過剰な酸素が存在し、酸化プロセスを促進するのです。 6.
2.3. 固有の制限
COとHCの削減に効果的であるにもかかわらず、双方向触媒コンバータの根本的な限界は、 窒素酸化物（NOx）を削減できない 6NOx化合物は高温燃焼で生成され、酸性雨や光化学スモッグの大きな原因となります。NOx還元に必要な化学環境（還元雰囲気、つまり過剰酸素の存在しない状態）は、COおよびHCの転換に必要な酸化雰囲気とは相反します。この設計上の制約により、双方向コンバータは3大規制汚染物質のうち2種類しか処理できませんでした。
2.4. アプリケーションと段階的廃止
双方向コンバータは、大気浄化法の義務化により、1970年代半ばからガソリン車で広く使用されるようになりました。 6しかし、NOx排出を抑制できないため、排出規制が厳しくなるとガソリン車では急速に廃れていった。 6.
興味深いことに、双方向触媒コンバーターは、 ディーゼル酸化触媒（DOC）ディーゼルエンジンでは今でも使用されている 7これは、ディーゼル排気ガスは本質的に酸素を豊富に含むため、三元触媒は適さないためです。ディーゼル用途のDOCは、COとHCを酸化するだけでなく、一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO₂）に酸化するのを促進し、炭素粒子に吸着された炭化水素を酸化することでディーゼル粒子排出量を削減することができます。 7排ガス規制が厳しい地域では現代のガソリン車にはほとんど搭載されていないものの、規制の緩い市場やCNGバス、オートバイ、小型ガソリンエンジン（例：刈払機）では双方向コンバーターが今でも使用されている。 7.
3. 三元触媒コンバータ：高度な化学と機能
三元触媒コンバータ（TWC）の登場は、自動車の排ガス制御において大きな飛躍をもたらしました。二元触媒コンバータの従来の限界を克服し、一酸化炭素（CO）と炭化水素（HC）の酸化と同時に窒素酸化物（NOx）も還元します。この高度な機能は、酸化還元反応と精密なエンジン制御の複雑な相互作用によって実現されています。
3.1. 同時酸化還元反応
三元触媒コンバーターは、3 つの異なる化学反応を同時に促進するように設計されています。
- 一酸化炭素（CO）の酸化：2CO+O2→2CO22二酸化炭素+ザ2→2Cザ2
- 炭化水素（HC）の酸化：CxHy+(x+y4)O2→xCO2+y2H2OC×Hそして+(×+4そして)ザ2→×Cザ2+2そしてH2ザ
- 窒素酸化物（NOx）の削減： 窒素酸化物は無害な分子窒素（N2）と酸素（O2）に還元されます。2NOx→N2+xO22北ザ×→北2歳以上×ザ2
単一の装置内で酸化反応と還元反応の両方を同時に実行できることが、三元コンバーターの決定的な特徴であり、主な利点です。
3.2. ストイキオメトリック空燃比制御の重要な役割
これら3つの反応の同時効率は、正確な 理論空燃比（λ = 1） エンジンの燃焼プロセスにおいて 1ガソリンの場合、この比率は質量比でおよそ空気14.7に対して燃料1になります。
- 化学量論条件（λ = 1）： この理想的な比率では、COとHCを完全に酸化するのに十分な酸素が存在すると同時に、NOxの還元に必要なわずかに酸素が欠乏した（還元的な）環境も作り出されます。この狭い作動領域において、TWCは最高の効率を発揮し、多くの場合95%以上の汚染物質除去率を達成します。 26.
- 豊富な条件（λ 混合気が濃すぎる（燃料過剰）場合、COとHCを完全に酸化するための酸素が不足し、これらの汚染物質の排出量が増加します。しかし、このような条件下では還元環境のため、NOxの低減が促進されます。
- リーン条件（λ > 1）： 混合気が希薄すぎる（酸素過剰）場合、過剰酸素が触媒表面の活性点をNOxと競合するため、NOxの還元は阻害されます。逆に、酸素が豊富であるため、COとHCの酸化は促進されます。
3.3. 酸素貯蔵容量（OSC）とフィードバック制御
最適な TWC 動作に必要な繊細なバランスを維持するために、最新のシステムには高度な制御メカニズムが組み込まれています。
- 酸素貯蔵容量（OSC）： 触媒のウォッシュコートには、通常、 酸化セリウム（CeO2）空燃比の小さな変動を緩和する上で重要な役割を果たします。 1CeO2は、酸化状態（CeO2）と還元状態（Ce2O3）を可逆的に切り替えることができ、排気ガスがわずかにリーンなときに酸素を貯蔵し、排気ガスがわずかにリッチなときに酸素を放出します。この酸素緩衝能力は、特にエンジンの過渡運転時に、コンバーターの効率を大幅に向上させます。 1.
- 酸素センサー（ラムダセンサー）フィードバック： 触媒コンバータの上流の排気流中に配置された酸素センサー（多くの場合ジルコニアまたはチタニアセンサー）は、酸素含有量を継続的に監視します。 1このセンサーは酸素濃度に正比例する電圧信号を生成します。
- エンジン制御ユニット (ECU) 制御ループ: 酸素センサーからの信号はエンジン制御ユニット（ECU）にフィードバックされます。ECUはこのリアルタイム情報を用いてエンジンへの燃料噴射量を正確に調整し、空燃比を可能な限り理論空燃比に近づけます。この閉ループ制御システムは、三元触媒コンバータの効率的な動作に不可欠です。 1.
3.4. 触媒組成と着火温度
典型的なTWC触媒は、 プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh） 最も一般的には、高表面積の支持材料上に分散された アルミナ（Al2O3） 1.
- プラチナ（Pt）とパラジウム（Pd）： これらの金属は主にCOとHCの酸化反応を促進する。 13.
- ロジウム（Rh）: ロジウムは、酸素や二酸化硫黄が存在する場合でも、NOxを分子状窒素に還元するのに特に効果的である。 13これは、3ウェイコンバータと2ウェイコンバータを区別する重要なコンポーネントです。 18ロジウムはPtに比べてCOによる阻害が少ないが、単独では3つの成分すべてを効果的に変換することはできない。 13.
- 点火温度: 触媒コンバーターには、 着火温度 （通常250～300℃程度）で触媒反応を開始し、維持する。 1この温度以下では触媒はほとんど不活性となり、特に冷間始動時に排出量が増加します。 20.
3.5. 触媒の不活性化メカニズム
TWC の長期的なパフォーマンスは、いくつかの非アクティブ化メカニズムによって影響を受ける可能性があります。
- 硫黄中毒： 燃料中に存在する硫黄化合物は、触媒表面の活性部位をブロックして触媒を汚染し、その活性を低下させる可能性がある。 1貴金属は一般的にバルク硫酸化に対して耐性があるが、硫黄酸化物（SOx）は依然として酸化還元反応を妨げる可能性がある。 13.
- 熱老化（焼結）: 高温（例えば800℃以上、時には1000℃に達する）に長時間さらされると、貴金属粒子が凝集して大きくなり（焼結）、活性表面積と触媒効率が低下する可能性がある。 1これは永久的な無効化です 20.
- ファウリング: 排気流からの炭素（すす）やその他の汚染物質の堆積は、触媒の活性部位を物理的にブロックする可能性があります。 1.
- 化学的不活性化： 貴金属とウォッシュコート酸化物（Al、Ce、Zr）との高温相互作用も不活性化につながる可能性がある。 13.
4. 構造と材料の革新
二元触媒コンバーターでも三元触媒コンバーターでも、その効能は内部構造と設計の背後にある高度な材料科学に大きく左右されます。どちらのタイプも基本的な構造要素は共通していますが、それぞれの化学的機能を実現するための具体的な配合と配置は異なります。
4.1. 基板設計と材料
現代の触媒コンバーターは一般的に モノリシックフロースルーサポート、特徴は ハニカム構造 14この設計により、排気ガスにさらされる表面積が最大化され、圧力降下は最小限に抑えられます。
- セラミック基板： これらの多孔質モノリス支持体に最もよく使用される材料は コーディエライト 14セラミック担体は、熱安定性とコスト効率の点で優れています。排気ガス流速が低い場合、セラミック担体は熱伝導率が低いため、触媒反応に必要な温度を維持し、HCとCOの浄化効率が向上する可能性があります。 19.
- 金属基板: 金属基板も利用されており、高い機械的強度、優れた耐熱衝撃性、より薄いセル壁などの利点があり、幾何学的表面積を大きくすることができる。 14排気ガス速度が高い場合、金属基質は表面積が大きいため、優れた変換率が得られます。 19.
- 細胞密度: ハニカム構造はセル密度によって定義され、62セル/cm²にも達することがある。 12セル密度が高くなると表面積は増えますが、背圧も増加する可能性があります。
- 変更されたジオメトリ: 再循環ゾーンを最適化するなどして、変換効率を高め、圧力損失を減らすためにコンバータの形状を変更する研究が継続されています。 11.
4.2. ウォッシュコートの構成と機能
その ウォッシュコート は重要な成分であり、貴金属触媒の分散に必要な高い表面積を提供し、化学反応を促進する。通常は酸性水性スラリーとして基材に塗布し、乾燥・焼成する。 14.
- 主なウォッシュコート材料: 酸化アルミニウム（Al2O3） 高い表面積（通常100～200 m²/g）と熱安定性のため、最も一般的なウォッシュコート材料です。 14.
- 促進剤および安定剤: ウォッシュコートには、性能向上、促進剤としての作用、あるいは熱劣化や触媒被毒に対する安定化を目的として、その他の材料が配合されています。具体的には、以下の材料が挙げられます。
- ウォッシュコートの充填量と厚さ: ウォッシュコートの負荷は、通常、200 cpsi（平方インチあたりのセル数）の基質では100 g/dm³、400 cpsiの基質では200 g/dm³の範囲です。 14ウォッシュコート層自体の厚さは20～100μmである。 11ゼオライトなどの特定の用途では、ウォッシュコート層は25 g/l～90 g/l、触媒活性粒子層は50 g/l～250 g/lの範囲で使用できます。 15.
4.3. 貴金属触媒配合
貴金属の選択と充填はコンバータの機能にとって極めて重要です。これらは総称して白金族金属（PGM）と呼ばれます。
- 双方向コンバーター: 主に使用 プラチナ（Pt） そして パラジウム（Pd） 6これらの金属はCOおよびHCの酸化に非常に効果的です。
- 3ウェイコンバーター: 組み合わせて活用する プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）1.
- 貴金属の充填量: PGMの含有量は通常1.0～1.8 g/dm³（30～50 g/ft³）で、モノリスの重量の約0.1～0.15%に相当します。 13Pt/Pd/Rhの具体的な比率は、目標排出量と運転条件に基づいて慎重に最適化されます。例えば、一部の車両では、パラジウムのみの触媒を「ライトオフ」触媒（エンジンの近くで急速加熱を行う）として、Pd/Rh触媒を下流に使用します。 13.
- コストと入手可能性: 貴金属の充填量の選択は、そのコストと入手可能性にも影響され、ロジウムは特に希少で高価である。 13.
4.4. 製造プロセス
触媒コンバーターの製造には精密なコーティング技術が必要です。
- ウォッシュコーティング： ウォッシュコートスラリーを基材に塗布します。これは、基材がスラリーの「滝」の下を移動する連続コーティング装置を使用して行うことができます。 14.
- 含浸： 従来、ウォッシュコート後、貴金属は別の含浸工程で導入されていました。これは、ウォッシュコートされた部品を触媒前駆体の水溶液に浸漬し、余分な溶液を除去し、その後乾燥および焼成するという工程です。 14現代のプロセスでは、貴金属をウォッシュコートスラリーに直接組み込むこともできる。 14.
4.5. 触媒の老化と耐久性の革新
触媒の性能は、熱老化（金属粒子の焼結）、化学被毒（硫黄化合物、鉛など）、汚れなど、さまざまな要因により時間の経過とともに低下します。 1イノベーションはこれらの影響を軽減することを目指しています。
- 点火温度の低減: 新しい触媒とウォッシュコートの配合は、従来の湿式化学法に比べて、長期間の熟成後でも着火温度を大幅に下げることを可能にするために開発されている。 15これはコールドスタート時の排出量を削減するために非常に重要です。
- 熱安定性: 研究は、高温（約1000°C）に耐えられるより耐熱性の高い触媒の開発に焦点を当てており、触媒をエンジンの近くに設置して、より速い着火と寿命の延長を可能にします。 7これには、高い表面積を維持する安定化した結晶とウォッシュコート材料が必要である。 7.
- 老化の影響軽減： 排出ガス制御触媒コンバータの有効性を長持ちさせるために、経年劣化の影響を軽減する努力が継続的に行われている。 15.
5. 排出削減効率と運用特性の比較
二元触媒コンバータと三元触媒コンバータの根本的な違いは、排出ガス削減の範囲と、それを達成するために必要な動作パラメータにあります。このセクションでは、様々な汚染物質、動作範囲、そして耐久性の観点から、それぞれの性能を詳細に比較します。
5.1. 排出削減実績
- 双方向触媒コンバーター： これらのコンバーターの主なターゲットは 一酸化炭素（CO） そして 炭化水素（HC）これは酸化反応によって実現され、COをCO2に、HCをCO2とH2Oに変換します。 6これらの汚染物質を削減する効率は、希薄燃料混合で運転する場合に高い。 6しかし、その重大な限界は、 窒素酸化物（NOx）を削減できない大気汚染の大きな原因となっている 6.
- 三元触媒コンバーター： これらは大きな進歩であり、同時に CO、HC、NOx 16現代の三元コンバータは、最適な条件（すなわち、正確な理論空燃比制御）で運転すると、驚くべき汚染物質除去効率を達成することができ、多くの場合、 CO、HC、NOxの場合は約95％ 19いくつかの情報源によると、コンバータが動作温度に達すると効率は99%にも達すると言われています。 26.
5.2. 動作温度範囲と点灯時間
どちらのタイプのコンバータも、動作するために最低限の温度を必要とし、これは 着火温度.
- 点火温度: 新しい触媒の場合、着火温度は通常 250℃ 20この温度以下では触媒はほとんど不活性となり、特に冷間始動時に大量の排出ガスが発生します。 26コンバーターが古くなると、この着火温度が上昇する傾向があり、時間の経過とともにその効果は低下します。 20.
- 動作温度: 触媒コンバーターは活性化すると、400℃～800℃の範囲で効果的に作動します。 12コンバータ内の発熱反応により、排気ガスは通過するにつれて温度が上昇する。 6.
- コールドスタート排出量: 触媒が始動温度に達するまでに時間がかかるため、コールドスタート時の排出ガスは両タイプのコンバーターにとって大きな課題である。 26この期間は、標準化されたテストと比較して、実際の運転サイクルではしばしば延長され、未処理の排気ガスが生じる。 28. 次のような戦略 近接触媒 （エンジンの排気ポートの近くに設置された小さな「着火」触媒）が加熱を加速し、コールドスタート時の排出ガスを削減するために採用されています。 18.
5.3. システムの耐久性と劣化
触媒コンバーターの長期的な性能と耐久性は、いくつかの要因によって影響を受けます。
- 熱の影響: 高温は 焼結 貴金属粒子の活性表面積と触媒効率を低下させる 201000℃までの温度に耐えられるよう、より耐熱性の高い触媒が開発されており、エンジンへの取り付けがしやすくなり、寿命が延びます。 7.
- 化学的影響（中毒）：
- 機械的効果: 衝撃や振動などの物理的な損傷は、脆弱なハニカム構造を損傷する可能性があります。 20.
- 可逆的な無効化と永続的な無効化: センサーの故障やエンジンの失火によるHCやCOの蓄積など、一部の化学的影響は、可逆的な効率低下を引き起こす可能性があります。しかし、鉛、硫黄、亜鉛による被毒や、焼結などの熱的影響は、永久的な不活性化につながります。 20.
- 化学的不活性化の進行: 化学的不活性化は、コンバータの入口から始まり、出口に向かって徐々に進行することが多い。 20.
- 反転のマウント（推測的解決法）: コンバータの寿命が限界に近づいた際に、その寿命を延ばすための興味深い（ただし推測的な）アイデアの一つは、コンバータの取り付けを反転させることです。これは、化学的活性の低い部分（以前は出口だった部分）を新しい入口として利用するものです。研究では、コンバータを逆向きに取り付けることで、全負荷状態で3000rpmでCO排出量を28%削減するなど、潜在的な利点が示されています。 20これは、流量分布を最適化し、劣化の少ないセクションを利用することで、一時的に寿命を延ばすことができる可能性があることを示唆しています。
5.4. 実際の排出ガスと試験
実際の運転条件では、標準化された実験室テスト サイクル (NEDC、USFTP など) よりも触媒コンバーターにとって厳しい環境になることがよくあります。
- 現実世界の排出量の増加： 実際の交通状況で測定された排出量は、標準試験で得られた排出量よりも大幅に高くなることがよくあります。例えば、NOx排出量は、NEDC測定と比較して、実際の状況では2～4倍高くなることがあります。 28.
- ドライビングダイナミクスの影響: 実際の運転では、より大きな加速と減速はTWCのストイキオメトリック（λ=1）制御の精度に影響を与える可能性がある。 26停止/発進イベントや急加速は、NOxとパワー/加速率の比例関係により、NOx排出量の増加につながります。 28.
- 耐久性とメンテナンスの問題: 実際のNOx排出量が型式承認の制限を超えているのは、特に一部の中国4および中国5ガソリン車の場合、使用中の改ざん、耐久性の低さ、三元触媒コンバータの不適切なメンテナンスが原因であると考えられています。 29同様に、中国の大型車は、厳しい基準にもかかわらず、実際のNOx排出量の改善が限られているが、これは尿素タンクの補充不足や選択触媒還元（SCR）システムの取り外しなどの問題によるものと考えられる。 29.
- 副産物の排出: TWC、SCR、NOx吸蔵触媒（NSC）などの高度な後処理システムは、一次汚染物質の削減に効果的ですが、アンモニア（NH3）やイソシアン酸（HNCO）などの副産物の排出につながる可能性があります。 30SCRを搭載したディーゼル車は、ガソリン車に匹敵するNH3排出係数を持つこともあります。 30.
5.5. 耐久性と交換の経済的影響
触媒コンバーターの寿命と交換コストは、自動車所有者と自動車業界にとって大きな経済的影響を及ぼします。
- 寿命指標: 触媒コンバータの故障の兆候としては、エンジン出力の低下、燃費の低下、エンジンの失火、始動困難、ガラガラ音、チェックエンジンライト（多くの場合P0420コード）、排気からの腐った卵のような臭いなどがあります。 31.
- 交換費用: 触媒コンバーターの平均交換費用は、 450対450tその4200部品代と工賃を含む 31このコストに影響を与える要因には、車両のメーカーとモデル（高級車や輸入車はコストが高いことが多い）、エンジンのサイズ（大型エンジンにはより多くの貴金属が必要）、コンポーネントの種類（ダイレクトフィットかユニバーサルか）、コンプライアンス基準（CARB準拠のコンバーターはEPA準拠のものよりも高価）などがあります。 31.
- 貴金属の価値と盗難： 高価な理由は、主に貴金属（プラチナ、パラジウム、ロジウム）が含まれているためです。 31例えばロジウムは金よりもはるかに価値がある可能性がある。 31この高い価値により、触媒コンバーターは盗難の標的になりやすく、車両所有者にとって追加の修理費用が発生します。 31.
- リサイクル価値: 触媒コンバーター内の貴金属はリサイクル可能であり、適切な廃棄と回収に対する経済的インセンティブを提供する。 31さらに、使用済みのガソリン車やディーゼル車から回収されたプラチナは、将来の燃料電池車やハイブリッド車に必要なプラチナの大部分を供給する可能性があり、循環型経済の側面を強調しています。 34.
6. 規制の進化と世界的な導入
触媒コンバーターの普及、特に二元触媒から三元触媒への移行は、世界的な排ガス規制の厳格化によって大きく促進されてきました。これらの規制は強力な「技術強制」メカニズムとして機能し、自動車メーカーに革新と先進的な排ガス制御システムの導入を迫ってきました。
6.1. 米国大気浄化法：世界的な先例
その 1970年の米国大気浄化法 自動車工学を根本的に変革した画期的な法律として位置づけられている 21それは、抜本的な 排出量の90%削減 1975年までに新車から、既存の技術では許容できるコストで達成できない基準 21この「技術強制」アプローチにより、自動車業界は新たな排出ガス制御ソリューションを迅速に開発し、統合する必要に迫られました。
- 1975年の任務: 大気浄化法の直接的な結果として、1975年以降、米国で販売されるすべての新車に触媒コンバーターが義務装備となった。 21EPAはこれらの基準の施行に重要な役割を果たし、1975年のHCおよびCO基準の1年間の延期を認めながらも、触媒コンバータの設置を必要とする暫定的な制限を設定した。 21.
- カリフォルニアの影響: 環境規制のリーダーであるカリフォルニア州は、HCとCOに対してさらに厳しい暫定基準を課し、触媒コンバータの導入をさらに加速させた。 21.
- 1981年: 三者革命: 規制が強化されるにつれ、双方向コンバーターがNOx排出を抑制する上で不十分であることが明らかになった。 1981米国の連邦排出ガス規制がNOxの厳しい規制を義務付け始めたとき、ほとんどの自動車メーカーは 三元触媒コンバーター および関連するエンジン制御システム 4これにより、3ウェイ技術が広く商業化され、ボルボはカリフォルニア仕様の1977年型240にこの技術を導入しました。 4.
- 1990年の改正: その 1990年の大気浄化法改正 HC、CO、NOx、粒子状物質（PM）の排出基準をさらに強化し、排気管基準を引き下げ、大気汚染問題のある地域での検査・保守（I/M）プログラムを拡大しました。 23.
- Tier 3 標準 (2017): EPAは規制を進化させ続け、 2017年のTier 3基準これらの基準は、新たな自動車排出ガス規制を設定し、ガソリンの硫黄含有量を下げ、自動車と燃料を統合システムとして扱い、排出ガス制御を最適化することを決定した。 23.
6.2. 欧州連合：ユーロ排出基準
米国の先導に続き、欧州連合は独自の包括的な規制を導入した。 ユーロ排出基準.
- ユーロ1（1993年）： 触媒コンバータは、欧州連合で販売されるすべての新しいガソリン車に義務付けられました。 1993年1月1日、に準拠するために ユーロ1排出基準 22これにより、欧州の自動車市場は先進的な排出ガス制御へと大きくシフトしました。
- 漸進的な厳格さ: ユーロ基準は時間の経過とともに徐々に厳しくなり、EUおよびEEA加盟国で販売される新しい小型車の排気ガス排出量の許容限度を定義しています。 24.
- ユーロ6（2014年）： 新車の最新の排出ガス基準、 ユーロ6は2014年に導入され、最新のアップデートであるEuro 6dは2021年1月から必須となった。 24これらの規格は、後処理技術の革新を推進し続けています。
- CO2排出性能基準（2020年）： 従来の汚染物質に加えて、欧州委員会は2020年1月1日に規則（EU）2019/631を実施し、 CO2排出性能基準 新しい乗用車とバン向けで、車両設計とパワートレインの選択にさらなる影響を与える 24.
6.3. グローバルな調和と新興経済国
よりクリーンな車両を求める規制の推進は世界的に広がっており、多くの国が同様の基準を採用したり独自の基準を策定したりしている。
- 世界のCO2規制： 2013年までに、世界の乗用車市場の70％以上が、主に経済先進国において自動車CO2規制の対象となった。 25.
- 新興経済国： 中国、メキシコ、インドなどの新興国もCO2規制政策を実施している。例えばインドは2014年に初の乗用車燃費基準を策定し、2016年4月から施行されている。 25.
- 直接的な規制を超えて: 一部の国では、よりクリーンな車両の導入を促進するために、直接的な排出規制を財政的インセンティブや交通規制措置で補完している。 25.
6.4. 技術への影響と将来の見通し
排出ガス規制の継続的な強化は、触媒コンバーター技術の進歩を促進する主なきっかけとなっています。
- 先進触媒材料： 規制により、触媒活性と耐久性を高めるために、プラチナ、パラジウム、ロジウムの比率を最適化した高表面積配合物を含む高度な触媒材料の開発が促進されました。 22.
- 耐久性の向上: セラミックや金属ハニカムなどの高度な基板材料への移行により、触媒コンバータの耐熱性と機械的耐久性が向上し、規制で義務付けられた延長保証期間を満たすことができるようになりました。 22.
- 将来の後処理技術： 特にコールドスタートや実走行における超低排出ガスの追求は、触媒コンバータ設計の限界を押し広げ続けています。これには、性能向上、コスト削減、被毒耐性強化のための代替触媒材料（例：ペロブスカイト、混合金属酸化物）の研究が含まれます。 1さらに、エンジンの排気から微粒子を除去するために設計された「四元」触媒コンバーターや、リーンNOxトラップ（LNT）やリーンバーンエンジン用の選択触媒還元（SCR）などの他の高度な後処理システムの開発は、進化する規制要求への直接的な対応です。 4.
初期の大気汚染の懸念から今日の高度な三元触媒コンバーターに至るまでの過程は、重大な環境問題への取り組みにおけるエンジニアリングと規制の先見性の驚くべき勝利を強調しています。
flowchart TD subgraph Engine Combustion A[Fuel + Air] –> B(Combustion) end B –> C{Exhaust Gases} subgraph Two-Way Catalytic Converter C –> D[Two-Way Converter] D — Pt, Pd –> E{Oxidation Reactions} E –> F[CO + HC] F –> G[CO2 + H2O] G –> H[Cleaned Exhaust (No NOx Reduction)] end subgraph Three-Way Catalytic Converter C –> I{Oxygen Sensor Feedback} I — Signal to ECU –> J[ECU Adjusts Fuel Injection] J –> B C –> K[Three-Way Converter] K — Pt, Pd, Rh, CeO2 –> L{Redox Reactions} L –> M[CO + HC + NOx] M –> N[CO2 + H2O + N2] N –> O[Cleaned Exhaust (All Three Pollutants Reduced)] end style D fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px style K fill:#9f9,stroke:#333,stroke-width:2px style H fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px style O fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px
