「今日からは100年以上愛されてきたガソリン乗用車(GV) 、ディーゼル乗用車(DV)は今の社会に対して、どうも限界に近づいてきたのでは？という話をしていこう。ガソリン車(GV)から発生するCO2の話から進めていく。

地球温暖化成分であるCO2は、一体ガソリンエンジンからどの程度排出されるんだろうね？それにはガソリン燃料の化学反応についてまずは理解することだ。一口にガソリンと言っても複雑な成分の集合体でできている。ガソリンでどんな成分を知っている？」

「確か、オクタン価のオクタンはガソリンだよね。」

「そうだね。オクタンはC8H18で表されるガソリンの代表成分だ。原油から35～180℃で蒸留されたのがガソリン、240～350℃で蒸留されたのが軽油ということだ。炭化水素の化合物でC2nH2n+2で表される燃料が50％程度占めている。残りの50％はCnH2n･･･に代表されるように水素成分Hが少なくなる。燃料成分CnH2n+2、CnH2n、･･･などから、実際のガソリン重量組成は、Cの割合＝85.6(％)、Hの割合＝14.4(％)という結果になっている¹⁾。重量比としては当然炭素Cの割合が多くなるね。ガソリンは常温では気体燃料。ペンタンC5H12からウンデカンC11H24までの集合体と考えていい。その代表成分がオクタンC8H18となる。」

「ガソリンと言っても、結構複雑なんだね。」

「そうだね。代表成分のオクタンが完全燃焼、つまり理論空燃比²⁾で燃焼したとすると、その化学反応式は、次のようになる：

❏ガソリン燃焼☛C8H18+12.5･O2＝8･CO2+9･H2O+[熱エネルギー]

この反応式で重要なことは、燃料の組成である炭素CとHが空気中の酸素と完全燃焼さえすれば、二酸化炭素CO2と水蒸気H2Oだけが排出され、非常にクリーンであるはずだ。そして燃焼の目的である熱エネルギーを得ることができる。ただし、温暖化成分であるCO2も大量に空気中に放出される。ディーゼル燃焼でも同じことが言える。炭化水素燃料の燃焼ではCO2の大量排出は、どうしても避けられない宿命のようなものだね。」

「もともとガソリン燃焼もディーゼル燃焼もクリーンな燃焼なんだ。」

「そうだね。ところが、実際にそうなっていない。ガソリン燃焼に絞って話を進めるね。理由はシリンダーに吸入された混合気を微視的に観察すると、気化したガソリン燃料と空気が一様に混ざっていない。局所的には空燃比A/F²⁾にバラツキがあり、化学反応式で示した理論空燃比での燃焼になっていない。また完全燃焼時には燃焼温度が非常に高くなり、そのため空気中の窒素が酸化されて大量のNOxも排出してしまう。」

出典☛｢空燃比と排ガス」自動車工学2004年7月号　より加筆

「図2-1に排気バルブ直後で計測したガソリンエンジンの有害排気ガスの排出濃度の実例³⁾を示した。横軸は空燃比A/Fと空気過剰率λ(ラムダ)である。」

「空気過剰率って？」

「そうだね、説明するよ。λは次の式で表される：

❏空気過剰率λ＝実際の空燃比A/F／理論空燃比A*/F*(14.7)

❏実際の空燃比A/F＝空気過剰率λ×14.7

ということだ。排気ガス成分HC、CO、NOxはそれぞれ違った特性を表しているね。COはλ＜1の領域からλ＝1(理論空燃比)に近づくにつれて減少し、λ＞１ではほとんどゼロになる。空気が十分あるからどんどん燃焼してくれるんだね。HCはλ≒１近傍では完全燃焼するため、低くなる。λ＜１では空気不足で不完全燃焼(不燃ガスが残る)になり、またλ＞１でも空気が多すぎて燃え難いことからHC(不燃ガス)は両者とも増加する。一方、NOxはλ≒１近傍で理論空燃比で完全燃焼するため燃焼温度が高く、空気中の窒素が酸化しやすくなる。

したがって、理論混合比14.7のガソリン燃焼ができたとしても、CO2、H2O以外にもCO、HC、NOxが発生してしまう。」

「結構有害ガスが出ているんだ。」

「この後で話をするけれど、それを三元触媒システムで完全に近いほど浄化できるんだ。

さて話を戻そう。理論空燃比で燃焼しても有害成分が排出されることは分かってくれたと思うけれど、ここでは地球温暖化成分であるCO2がどれほど多く排出されてしまうのか、化学式から重量計算してみる。原子量C=12、O=16とすれば、C8H18＝燃料114(㎏)が完全燃焼すると8･CO2＝352(㎏)を発生⁴⁾させることになり、これは燃料重量の3倍に相当する。」

「そうか。有害成分はたとえ燃焼の改善と触媒でかなり削減できたとしても、最後には投入した燃料重量の3倍ものCO2が排出されてしまうのか？燃料重量の3倍って凄いよね。」

「その通りだね。だから、CO2の排出量を抑えるには、燃費を向上してどれだけ燃焼させる燃料を減らすかなんだ。だから、地球温暖化に対しても燃費向上は非常に重要な課題なんだよ。」ということで、先ずは小休憩を取ることにした。2018.12.7記、2019.11.28修正

《参考文献および専門用語の解説》

1）｢内燃機関講義(上巻）」長尾不二夫＠養賢堂版；ｐ166

2）理論空燃比☛空燃比とは空気質量A(㎏)を炭化水素等の燃料質量F(㎏)で割った無次元量。A/F(エーバイエフ)と略される。理論空燃比とは燃料成分CnH2n+2、CnH2n、･･･などから、実際の重量割合、Cの割合＝85.6（％）、Hの割合＝14.4（％）を基に計算された完全燃焼時のA/F＝14.7を呼ぶことが多い。燃料全体を炭素量を｢8｣とするオクタンC8H18ベースのC8Hnとすると、nは次のように求められる：12×8/(12×8+ｎ)＝0.856　➡n=16.15

つまり、CmHn=C8H16.15となり、理論空燃比A/Fは

A/F＝必要空気重量/燃料重量＝(m+n/4)×32×100/23.139(酸素重量％)/(12×m+1×ｎ)

＝(8+16.15/4)×32×100/23.139/{12×8+1×16.15}＝14.84であるが14.7としている

3）｢空燃比と排ガス」自動車工学2004年7月号

4）化学反応式から原子量C=12、O=16として計算すると、燃料C8H18＝12×8+1×18＝114(㎏)、二酸化炭素CO2=8×(12+16×2)＝352(㎏)　となる。