暑い日に渋滞の中で座って、車のテールパイプから一体何が出てくるのか疑問に思ったことがある人は、あなただけではありません。自動車エンジニア、規制当局、さらにはテストラボの担当者にとっても、排気混合物を把握することは重要な問題です。なぜなら、それは車をスムーズに走行させるだけでなく、排出ガス規制を満たし、さらにはより優れた、より効率的なエンジンを構築することにも関わるからです。そこで、自動車排気ガス分析システムの出番です。私は 10 年以上ガス分析技術に携わってきました。最初は部品をテストするエンジニアとして、現在はこれらのシステムを供給するチームの一員として、ガス分析技術が研究室の棚にある豪華なツールから実際の車をより良くするものにどのように変化するのかをこの目で見てきました。専門用語を多用しないように、詳しく説明しましょう。
まず最初に、一つはっきりさせておきたいのは、自動車の排気ガスは単なる「ガス」ではないということです。これは、一酸化炭素 (CO)、二酸化炭素 (CO2)、窒素酸化物 (NOx)、炭化水素 (HC)、そして最近では微量の粒子状物質 (PM) などのガスの混合物です。エンジンの燃焼は一瞬ごとに変化するため、システムの役割は、これらのそれぞれを正確に、一貫して、リアルタイムで測定することです。システムがオフになっている場合、車は汚染が多すぎるか、正しく動作しないか、さらには規制検査に合格しないことになります。
では、実際にはどのように機能するのでしょうか?テストベンチの隣に立っているかのようにプロセスを見てみましょう。ステップ 1 は排気ガスのサンプリングです。排気管にプローブを突っ込んでそれで終わりというわけにはいきません。排気ガスは高温で湿っており、正しく扱わないと測定値を狂わせる可能性のある物質がたくさん含まれています。当社のシステムのほとんどは、加熱されたサンプル ライン (通常は約 190°C、沸騰したお湯よりもはるかに熱い) を使用して排気ガスをテールパイプから分析装置に運びます。なぜ加熱するのですか？なぜなら、排気が少しでも冷えると水蒸気が凝縮し、HCやNOxがラインの内側に付着して数値が狂う可能性があるからです。一部のシステムでは、大きな粒子状物質が分析装置の敏感な部分に入る前に捕捉するために、プローブのすぐ近くにフィルターを備えています。NOx の 100 万分の 1 を測定するセンサーに小さな煤の粒子が付着するのは望ましくありません。
サンプルがラインを通過すると、分析の準備が整います。ここで魔法 (実験室のトリックではなく科学のようなもの) が起こります。ガスが異なれば、それらはすべて異なる動作をするため、異なる方法が使用されます。 CO と CO2 に対して当社が使用する最も一般的な方法は、非分散赤外 (NDIR) 分光法です。その仕組みは次のとおりです。すべての気体分子は特定の波長の赤外線を吸収します。したがって、ガスサンプルを通して赤外光を照射すると、たとえば CO が多ければ、出てくる光は少なくなります。アナライザーはその低下を測定し、それを式に代入して、濃度を示します。これら 2 つのガスについては非常に正確であり、CO は不完全燃焼の有毒な副産物であり、CO2 は自動車からの主な温室効果ガスであるため、これは当然のことです。
次に NOx ですが、これは一酸化窒素 (NO) と二酸化窒素 (NO2) の混合物であるため、扱いが難しいものです。これには化学発光検出器 (CLD) を使用します。 CLD は、NO とオゾンを反応させることで機能し、存在する NO の量に比例してかすかな輝き (化学発光、わかりますか?) を生成します。優れた点は、総 NOx を測定するように調整したり、必要に応じて NO2 を分離したりできることです。一部の車には、NO2 を特にターゲットとする選択触媒還元 (SCR) システムが搭載されているため、分離が重要です。 HC には水素炎イオン化検出器 (FID) を使用します。ガスサンプルを小さな水素の炎で燃やすことを考えてください。すべての炭化水素分子が燃焼し、炎が生成する荷電粒子を数えて、そこにどれだけの HC が存在するかを知ることができます。未燃焼のHCはスモッグの大きな部分を占めるため、これは重要です。
最近では、多くのシステムに粒子状物質 (PM) 分析装置が組み込まれており、他の方法では見逃してしまう小さな固体粒子を測定します。昔は、フィルターを使用して PM を収集し、重量を測定するだけでした。時間がかかり、テストが完了して初めて数値が得られました。新しいシステムは、レーザー光の散乱を使用して個々の PM 粒子をリアルタイムでカウントするため、エンジンの回転数が上昇または減速したときに PM がどのように変化するかを確認できます。これは、PM の問題を迅速に解決する必要があるエンジニアリング チームにとって、状況を大きく変えるものです。
さて、なぜこれが自動車にとってそれほど重要なのでしょうか?まず規制について話しましょう。米国の EPA、EU のユーロ 6d、そして中国からのさらに厳しい規則はすべて、メーカーに対し、すべての新車の排気ガスをテストして、制限を超えていないことを確認することを義務付けています。ここでのガス分析システムの不良は、自動車がテストに合格しないことを意味し、生産が遅れ、数百万ドルのコストがかかります。私は、クライアントのプロトタイプ車が、古いシステムでは低レベルの NOx を十分正確に測定できず、規制期限に間に合わないところであったために、3 回返送されるのを見てきました。そのため、当社では測定値が適切であることを確認するためのチェック機能が組み込まれており、システムを定期的に校正できるように設計しています。何時間もかかり、人的ミスの余地を残す手動校正はもう必要ありません。
ただし、規制だけではありません。エンジン設計者は、車をより良くするためにこれらのシステムを使用します。新しいハイブリッド エンジンが始動時に予想よりも多くの CO を放出した場合、チームは 1 週間後のラボテストを待たずに、すぐに燃料噴射タイミングを調整できます。私は昨年、小規模な EV スタートアップ企業と仕事をしました (そうです、EV でもバックアップ ヒーターからの排気はあります)。この企業では、当社のシステムを使用してヒーターの燃焼を調整し、熱出力を失うことなく CO を 15% 削減しました。これらのシステムは、単にルールのチェックボックスをチェックするだけではなく、実際にそのような影響を及ぼします。
ちょっと待ってください、でもガス分析システムは真空中では機能しませんよね?全体像を把握するために、エンジニアは、可燃性や材料の性能を測定する他の試験ツールと組み合わせて使用することがよくあります。排気システムは超高温で動作するため、その材料は安全である必要があります。そのため、当社では、燃料や潤滑油の引火性をテストするための TAG クローズドカップ自動引火点分析装置、漏れがあった場合にボンネットの下の配線が発火しないことを確認するための自動車用ワイヤーハーネス可燃性テスター、さらには規制当局が信頼する標準引火点測定用のペンスキー・マーテンズクローズドカップ引火点テスターなど、補完的なツールも提供しています。極端な条件下で使用されるコンポーネントに取り組むチームのために、航空機火災貫通試験機や粘着テープ垂直燃焼性試験機などのツールも用意していますが、これらはどちらかというと排気マニホールドやガスケットなど、圧力に耐える必要がある耐久性の高い部品向けです。
長年にわたり、当社はガス分析システムをさらに使いやすく調整してきました。古いシステムは大型のデスクトップ ユニットで、専用のラボ スペースが必要でしたが、今ではバンに収まるポータブルなシステムがあり、路上やレース トラックで車をテストできます。これは、ラボ全体を遠隔地に運ぶことができない小さなガレージやテスト チームに最適です。また、現在はクラウド ソフトウェアと統合しているため、すべてのテスト データが自動的に保存されるため、紙に走り書きしたメモを紛失する必要がなくなります。エンジニアは会議中に携帯電話でテスト結果を確認できるため、意思決定が大幅にスピードアップされます。
しかし、本当のことを言うと、すべてが完璧ではありません。まだまだ課題はあります。排気サンプル内の湿度は NDIR 測定値に影響を与える可能性があるため、関心のあるガスを取り出さずに水蒸気を除去する乾燥機を追加します。高温もセンサーにストレスを与える可能性があるため、当社では 1,000°C の排気ラインに故障することなく耐えられる素材を使用しています。最近の最大の課題は、微粒子フィルターや水素燃料電池を備えたエンジンなどの低排出エンジンの測定です。これらのエンジンは CO と NOx の量がはるかに少ないため、システムは 10 億分の 1 のような微量を検出できる感度が必要です。当社はこれを達成するために過去 2 年間に CLD センサーと FID センサーをアップグレードしてきました。これは燃料電池の顧客にとって大きな成功となっています。
あなたがエンジニア、テストラボのマネージャー、または排出ガスを扱う自動車メーカーの誰かであれば、信頼できるガス分析は手を抜いてはいけないことを知っているでしょう。悪い測定値はテストの不合格につながるだけでなく、車の効率が低下したり、汚染が増えたり、さらには安全でなくなったりすることにもつながります。私たちのチームは長年にわたり自動車顧客と協力して、新しいガスエンジン、ハイブリッド、燃料電池のテストなど、顧客固有のニーズに合わせてシステムを微調整してきました。現在のシステムのアップグレードを検討している場合、またはガス分析がプロジェクトにどのように役立つかについて話し合いたい場合は、遠慮せずに当社のチームに詳細をお問い合わせください。排気ガスの数値を正しく把握することから始めて、より良く、よりクリーンな車を一緒に作りましょう。
参考文献
- 自動車の排気ガス: 測定方法と規制。米国環境保護庁、2022 年。
- 自動車用途のガス分析。自動車技術者協会 (SAE) インターナショナル、2021 年。
- 自動車部品の燃焼性試験。全国防火協会 (NFPA)、2020 年。
- ガス濃度モニタリングのための非分散赤外分光法。分析化学、2019、vol. 91、いいえ。 １２、７５２３〜７５３８ページ。