車両排出ガス規制

自動車の排出ガス制御は、自動車、特に内燃機関によって生成される排出物を削減する研究です。研究対象の主な排出物には、炭化水素、揮発性有機化合物、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物などがあります。1950年代から1960年代にかけて、自動車の排出物とそれが人間の健康や環境に与える影響の研究に主眼を置いたさまざまな規制機関が設立されました。自動車の排出物に関する世界の理解が深まるにつれ、その影響を軽減するために使用される装置も進化しました。何度も改正された大気浄化法の規制要件により、許容される自動車の排出物が大幅に制限されました。この制限により、さまざまな排出制御システムや装置を利用して、より効率的な車両設計が行われるようになり、時間の経過とともに車両でより一般的になりました。

多くの大気汚染物質の排出は、公衆衛生や自然環境にさまざまな悪影響を及ぼすことがわかっています。懸念される主な汚染物質の排出には、以下のものがあります。

• 炭化水素(HC) – 燃焼または部分的に燃焼した燃料の一種で、炭化水素は有毒です。炭化水素はスモッグの主な原因であり、都市部では大きな問題となることがあります。炭化水素に長時間さらされると、喘息、肝臓病、肺疾患、がんの原因となります。炭化水素に関する規制は、エンジンの種類や管轄区域によって異なります。「非メタン炭化水素」が規制される場合もあれば、「総炭化水素」が規制される場合もあります。ある用途 (非メタン炭化水素基準を満たす) 向けの技術は、総炭化水素基準を満たす必要がある用途には適さない場合があります。メタンは直接毒性はありませんが、燃料ベント ラインで分解するのが難しく、チャコール キャニスターは燃料蒸気を集めて封じ込め、燃料タンクに戻すか、エンジンが始動して温まった後に吸気口に送り込んでエンジン内で燃焼させることを目的としています。
• 揮発性有機化合物(VOC) – 一般的に沸点が 250 °C 以下の有機化合物。たとえば、クロロフルオロカーボン(CFC) やホルムアルデヒドなど。
• 一酸化炭素(CO) – 不完全燃焼の産物である一酸化炭素を吸入すると、血液の酸素運搬能力が低下します。過剰に曝露すると (一酸化炭素中毒) 致命的となる場合があります。(一酸化炭素は、赤血球内の酸素運搬化学物質であるヘモグロビンに持続的に結合します。ヘモグロビンには酸素 (O ₂ ) が一時的に結合します。CO の結合により O ₂が排除され、ヘモグロビンがすでに結合している酸素を放出する能力も低下するため、どちらの場合も赤血球が無効になります。回復は、結合した CO がゆっくりと放出され、体が新しいヘモグロビンを生成する治癒プロセスによって行われるため、中程度から重度 (ただし致命的ではない) の CO 中毒から完全に回復するには、数時間から数日かかります。CO 中毒の空気から新鮮な空気に移すと傷害は止まりますが、窒息させるような空気 (酸素が不足している空気) から移した場合とは異なり、すぐに回復することはありません。毒性の影響が数日遅れて現れることもよくあります。)
• 窒素酸化物（NO _x） –エンジン内の高温高圧下で空気中の窒素が酸素と反応して生成されます。NO _{x はスモッグや}酸性雨の前駆物質です。NO _xにはNOとNO _2が含まれます。^[1] NO ₂は非常に反応性が高いです。エンジンが最も効率的な（つまり最も熱い）動作点で作動するとNO _{x の生成が増加するため、効率とNO x}排出の制御の間には自然なトレードオフが生じる傾向があります。エマルジョン燃料の使用により大幅に削減されると予想されています。^[2]
• 粒子状物質–マイクロメートルサイズの粒子でできたすすや煙。粒子状物質は、呼吸器疾患やがんなど、健康に悪影響を及ぼします。非常に微細な粒子状物質は、心血管疾患と関連があるとされています。
• 硫黄酸化​​物(SO _{x ) – 硫黄を含む燃料を燃焼する自動車から排出される}硫黄酸化物の総称。燃料中の硫黄のレベルを下げると、排気管から排出される硫黄酸化物のレベルも下がります。

1950年代から1960年代にかけて、米国の様々な連邦、州、地方自治体は、数多くの大気汚染源に関する研究を実施した。これらの研究は最終的に、大気汚染の大部分が自動車に起因するものとし、大気汚染は地方の政治的境界によって制限されないという結論を下した。当時、米国に存在していたような最小限の排出ガス規制は、市町村レベル、時には州レベルで公布されていた。効果のない地方規制は、徐々により包括的な州および連邦規制に取って代わられていった。1967年までにカリフォルニア州はカリフォルニア大気資源局を設立し、1970年には連邦政府の米国環境保護庁（EPA）が設立された。現在、両機関、および他の州機関は、米国における自動車の排出ガス規制を策定し、施行している。同様の機関および規制は、カナダ、西ヨーロッパ、オーストラリア、および日本でも同時期に策定され、実施された。

自動車からの汚染を制御する最初の試みは、PCV（ポジティブ クランクケース ベンチレーション）システムでした。これは、光化学スモッグの前駆物質である未燃焼炭化水素を多く含むクランクケースの煙をエンジンの吸気管に引き込み、クランクケースから未燃焼のまま大気中に放出されるのではなく、燃焼させます。ポジティブ クランクケース ベンチレーションは、カリフォルニア州で最初に販売された1961 年モデルの新型車すべてに法律で広く装備されました。翌年、ニューヨーク州でも義務付けられました。1964 年までに、米国で販売されたほとんどの新車に装備され、PCV はすぐに世界中のすべての車両の標準装備となりました。^[3]

最初の法定排気ガス（テールパイプ） 排出基準は、カリフォルニア州で 1966 年モデルとして同州で販売される自動車に対して公布され、その後米国全体で 1968 年モデルに続きました。また 1966 年には、カリフォルニア州で最初の排出ガス試験サイクルが制定され、排気ガス排出量を PPM（百万分の一）で測定しました。EPA の義務に従い、基準は年々厳しくなっていきました。

1974年モデルまでに、米国の排出ガス基準は厳しくなり、基準を満たすために使用されたデチューニング技術はエンジン効率を著しく低下させ、その結果燃料消費量を増加させました。1975年モデルの新しい排出ガス基準と燃料消費量の増加により、排気ガスの後処理のための触媒コンバーターの発明を余儀なくされました。これは、鉛残留物がプラチナ触媒を汚染したため、既存の有鉛 ガソリンでは不可能でした。1972年、ゼネラルモーターズは、アメリカ石油協会に、1975年モデル以降の車から有鉛燃料を排除することを提案しました。^[要出典]無鉛燃料の生産と流通は大きな課題でしたが、1975年モデルの車に間に合うように無事完了しました。現在、すべての現代の車には、自動車の排出量をさらに削減するために触媒コンバーターが装備されています。

米国では、1981 年モデルに至るまで、乗用車メーカーは、1977 年の改正により、より厳格な大気浄化法(米国) の要件を満たすという、歴史上初めての課題に直面していました。たとえば、この課題に対処するために、ゼネラル モーターズは、ミシガン州フリントの AC スパーク プラグ エンジニアリング ビルに最初に設置された新しい「排出ガス制御システム プロジェクト センター」(ECS) を作成しました。その目的は、「現在 1981 年まで計画されている、関連する電子制御、燃料計量、スパーク制御、アイドル速度制御、EGR などを含む、キャボレーションおよび燃料噴射式閉ループ 3 元触媒システムの設計と開発の全体的な責任を負うこと」でした。^{[4] [5] [6]}

1990年、大気浄化法（CAA）が改正され、有害な自動車排出ガスの規制が強化されました。この改正により、ディーゼル燃料に含まれる硫黄の量が制限され、自動車燃料規制がさらに厳しくなりました。また、この改正により、ガソリン製造の手順も変更され、炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）、窒素酸化物（NO _X）、粒子状物質（PM）、揮発性有機化合物（VOC）の排出量が削減されました。CAAの変更により、CO排出量を削減するために酸素添加ガソリンの使用も義務付けられました。^[7]

環境保護庁 (EPA) は長年にわたり、自動車の有害排出ガスを削減するための新しい規制を実施し続けています。重要な更新基準のいくつかは次のとおりです。

• 1983年: 汚染問題が深刻な地域に対して、検査・保守プログラムが創設され、車両の排出ガス検査が必要になりました。
• 1985年：ガソリンの許容量を1ガロンあたり0.1グラムに変更。
• 1991年: 車両の排気管からのHCとNOxの許容排出量を引き下げ
• 1993年: ファミリーセダンの燃費を3倍に高め、有害な排出物を削減する新しい車両技術の開発を開始しました。
• 1996 年: ガソリン中の鉛が正式に禁止されました。環境に対してよりクリーンな車両設計の革新とエンジン性能の向上を目的として、新しい規制が制定されました。
• 1998年: 産業機器を含むさまざまな車両のオゾンおよびPM排出量を削減する取り組みの一環として、ディーゼルエンジンの基準がさらに強化されました。
• 1999年：排気管からの排出基準が確定し、ガソリン中の硫黄含有量が削減され、ディーゼルを使用する様々な船舶やその他の船舶のNOxとPMの排出制限が削減されました。^[7]

1922年、ガソリンにノッキング防止剤として鉛が添加されました。鉛が汚染物質として健康に悪影響を及ぼすことが研究で明らかになり始めたのは、それからほぼ50年後の1969年になってからでした。健康への悪影響が数多く発見されたにもかかわらず、ガソリン中の鉛濃度を下げるための規制要件は1983年まで施行されませんでした。1986年から2021年にかけて、各国はゆっくりとガソリンへの鉛の使用を全面的に禁止し始めました。1986年に日本が最初にガソリンへの鉛の使用を禁止し、北米と南米がそれに続き、1998年までに2大陸のほぼすべての国が鉛を禁止しました。アフリカはガソリンへの鉛の使用を最も遅く禁止し、ほとんどの国が2004年と2005年に禁止しましたが、最後に禁止されたアルジェリアは2021年まで禁止されませんでした。^[8]

排気ガス規制の実施を担当する機関は、同じ国でも管轄区域によって異なります。たとえば、米国では、全体的な責任は EPA にありますが、カリフォルニア州の特別な要件により、カリフォルニア州の排出ガスは大気資源局によって規制されています。テキサス州では、テキサス州鉄道委員会がLPG 燃料のリッチバーン エンジンからの排出ガスを規制する責任を負っています(ガソリン燃料のリッチバーン エンジンは対象外です)。

• カリフォルニア大気資源局– カリフォルニア州、アメリカ合衆国 (ほとんどの情報源)
• カナダ環境省– カナダ (ほとんどの情報源)
• 環境保護庁– 米国（ほとんどの情報源）
• テキサス鉄道委員会– テキサス州、米国 (LPG 燃料エンジンのみ)
• カナダ運輸省– カナダ（列車と船）

• 国土交通省道路交通局環境政策課^[9]

欧州連合は、 EU 加盟国における排出規制を管理していますが、多くの加盟国は、それぞれの国でこれらの規制を施行および実施するための独自の政府機関を持っています。つまり、EU は (欧州排出基準などの制限を設定することによって) 政策を策定し、加盟国はそれを自国でどのように実施するのが最善かを決定します。

英国では、環境政策に関する事項は「権限委譲」されており、構成国の一部は環境問題に対処するために設立された独自の政府機関を通じて個別に対処しています。

• 環境庁– イングランドおよびウェールズ
• スコットランド環境保護庁(SEPA) – スコットランド
• 環境省– 北アイルランド

しかし、英国全体の政策の多くは環境食糧農村省（DEFRA）によって処理されており、依然として EU 規制の対象となっています。

北アイルランドでは、ディーゼル車の排出ガス検査は法律で義務付けられているにもかかわらず、12年間にわたって車検時に実施されていない。 ^[10]

• 生態環境省– 環境保護を担当する主要な規制当局であり、自動車の排出ガスや環境影響評価を含む政策、基準、規制を策定している。^[11]
• 工業情報化省– 新エネルギー車（NEV）と商用車の目標を設定および策定する。また、自動車の国家排出基準の作成にも役割を果たしている。^[12]
• 国家市場監督管理総局 – 中国における市場の監督と標準化を担当。国家市場監督管理総局は、自動車排出ガス基準の施行を監督し、検査、試験、品質管理措置を実施して遵守を確保している。^[13]
• 国家発展改革委員会- 中国におけるマクロ経済計画とエネルギー関連政策の策定を担当。国家発展改革委員会は、燃費基準の策定、代替燃料の推進、自動車からの排出量を削減するための省エネ対策の実施に役割を果たしている。^[14]
• 中国自動車技術研究センター - 工業情報化部から委託を受けた独立した研究機関で、自動車の燃料消費制限に関する基準の研究、開発、草案作成を行っている。^[15]
• 中華人民共和国運輸省 - この省がこれらの基準を施行できる法的権限を持っているかどうかは不明ですが、運輸省は、自らが設定した燃料消費要件を満たさない大型車両には商用ライセンスを発行しません。^[15]
• 省および市の環境保護局 - 省および市のレベルでは、これらの局は自動車の排出ガスに関連する規制などの施行を担当しています。これらの局は、コンプライアンスを監視し、検査を実施し、非コンプライアンスに対して罰金を課します。

コストと供給の問題により、システム設計者にとって、最小限の量の触媒材料 (プラチナおよび/またはパラジウム) を使用して排出要件を満たすことが非常に重要でした。ゼネラルモーターズの「排出制御システムプロジェクトセンター」は、「以前の (GM) プロジェクトセンターによって確立された運用計画に従うことになりました。「排出制御システムプロジェクトセンター」に固有の項目は次のとおりです。

• デザイナーはいません。すべてのデザイン作業は社内部門で行います。
• 公式のタイミングチャート、コンポーネントコスト、割り当てなどを提供する計画活動。

「排出制御システム プロジェクト センター」には、既存の連邦排出および燃費規制をすべて満たす排出システムを生産できるようにするために、実行すべき 7 つのタスクがありました。

これらは自動車部門と協力して次のことを行います。

1. ハードウェアとシステムの要件を定義します。
2. 必要なすべてのハードウェアの設計仕様を作成します。
3. 代替の設計とシステムを検討します。
4. 関係者全員のニーズに最適なシステムのテストと検証を手配します。
5. コンポーネントの設計とリリースを監視します。
6. 部門認証作業の進捗状況を追跡します。
7. 進捗状況を経営陣と部門に常に報告します。

システムの導入は 3 年かけて段階的に行われる予定でした。1979 年モデルでは、2.5、2.8、3.5 リットル エンジンを搭載したカリフォルニア州の車両に CLCC システムが搭載されます。1980 年モデルでは、カリフォルニア州で販売される車両と連邦政府で販売される 3.8 および 4.3 リットル エンジンを搭載した車両に CLCC が搭載され、最終的に 1981 年モデルではすべての乗用車にこのシステムが搭載されます。カリフォルニア州の小型および中型トラックも c-4 システムを使用できます。1979 年と 1980 年のシステムは非常に似ていますが、1981 年システム (第 2 世代) は、追加のエンジン制御システム (電子点火タイミング、アイドル速度制御など) が含まれる可能性があるという点で異なります。

開発中の排出ガス制御システムはC-4と命名されている。これはコンピュータ制御触媒コンバータの略である。C-4システムには、クローズドループキャブレター制御（CLCC）とスロットルボディインジェクション（TBI）システムが含まれる。"" ^{[4] [5] [6]}

エンジン設計の改善、より正確な点火時期と電子点火、より正確な燃料計量、およびコンピュータ化されたエンジン管理により、エンジン効率は着実に向上しています。

エンジンと車両の技術の進歩により、エンジンから排出される排気ガスの毒性は継続的に低減されていますが、それだけでは一般に排出目標を満たすのに不十分であることが証明されています。したがって、排気ガスを無毒化する技術は、排出ガス制御の不可欠な部分です。

最初に開発された排気ガス制御システムの 1 つが、二次空気噴射です。元々、このシステムは、排気ガス中の未燃焼および部分的に燃焼した炭化水素が燃焼を完了するように、エンジンの排気ポートに空気を噴射して酸素を供給するために使用されていました。空気噴射は現在、触媒コンバーターの酸化反応をサポートし、エンジンを冷間始動したときに排出量を削減するために使用されています。冷間始動後、エンジンは動作温度で必要な量よりも濃い空気と燃料の混合気を必要とし、触媒コンバーターは動作温度に達するまで効率的に機能しません。コンバーターの上流に噴射された空気は、排気ヘッドパイプでの燃焼をサポートし、触媒の暖機を早め、テールパイプから排出される未燃焼炭化水素の量を減らします。

米国とカナダでは、1973 年以降の車両 (カリフォルニア州では 1972 年以降) の多くのエンジンに、特定の運転条件下で計量された量の排気ガスを吸気管に送るシステムが搭載されています。排気ガスは燃焼も促進もしないた め、空気/燃料の充填量を希釈して燃焼室のピーク温度を下げます。これにより、NO _xの生成が減少します。

触媒コンバーターは排気管に設置された装置で、プラチナ、パラジウム、ロジウムの組み合わせを触媒として使用して、炭化水素、一酸化炭素、NOxを害の少ないガスに変換する_。 [ ^16]

触媒コンバーターには、2 ウェイ コンバーターと 3 ウェイ コンバーターの 2 種類があります。2 ウェイ コンバーターは 1980 年代まで一般的でしたが、その後、ほとんどの自動車エンジンで 3 ウェイ コンバーターが採用されるようになりました。詳細については、 触媒コンバーターの記事を参照してください。

蒸発排出物は、ガソリン蒸気が車両の燃料システムから漏れることで発生します。1971 年以降、米国のすべての車両は、大気中に直接排出されない完全に密閉された燃料システムを備えており、このタイプのシステムの義務化は他の管轄区域でも同時期に実施されました。一般的なシステムでは、燃料タンクとキャブレター ボウルの通気口 (キャブレター付き車両の場合) からの蒸気が、活性炭を含むキャニスターに導かれます。蒸気はキャニスター内で吸着され、特定のエンジン動作モードでは新鮮な空気がキャニスターから引き込まれ、蒸気がエンジンに引き込まれて燃焼します。

米国のいくつかの州では、公道を走行する車両から排出ガスを検出するために赤外線と紫外線を使用する技術も導入されており、所有者が検査センターに行く必要がなくなっています。排気ガスの不可視光フラッシュ検出は大都市圏で一般的に使用されており、^[17]ヨーロッパでも広く知られるようになっています。^[18]

多くの場合、個々の車両の排出ガス試験結果は、さまざまなクラスの車両の排出ガス性能、試験プログラムの有効性、その他のさまざまな排出ガス関連規制（燃料配合の変更など）を評価し、自動車の排出ガスが公衆衛生や環境に与える影響をモデル化するためにまとめられます。

クリーンな車両推進力を利用することで、排出ガスを削減できます。最も人気のあるモードは、ハイブリッド車と電気自動車です。2020年12月現在^{[アップデート]}、中国は450万台の高速道路合法プラグイン電気乗用車の在庫で世界最大であり、世界のプラグイン車の在庫の42％を占めています。^{[19] [20]}

• AP 42 大気汚染物質排出係数の集計
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• 化石燃料車の段階的廃止

• 排出ガス制御装置製造業者協会 (MECA)
• ディーゼル情報ハブ
• 触媒による排出制御協会 (AECC)
• FamilyCar.com の排出ガス制御システム
• 米国環境保護庁国立自動車・燃料排出研究所
• 車両の排出ガスと試験