燃焼ガス排ガス違いとエンジン構造・触媒の役割

燃焼ガスと排ガスの違い

燃焼ガスの基本的な定義

ドラム横置きオープン焼却炉 | 二重ボディ二次燃焼ガス炭化タイプ無煙 (自作カット型板)
燃焼ガスとは、エンジンの燃焼室内で燃料が燃焼反応を完結した直後に発生する気体のことを指します。バイクのエンジンでは、ガソリンなどの炭化水素系燃料が空気中の酸素と反応し、熱エネルギーを放出する過程で燃焼ガスが生成されます。この燃焼ガスは、水蒸気、二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物などに加え、燃焼反応には関与しなかった窒素、不完全燃焼生成物などの気体の混合物で構成されています。
参考）燃焼と排気ガスは空気で決まる
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エンジン内部では、吸気・圧縮・燃焼・排気という4つのプロセスが繰り返されており、燃焼行程で発生した燃焼ガスはシリンダー内で高温高圧の状態となります。燃焼ガスの主な成分は窒素（N₂）が約78%、二酸化炭素（CO₂）と水蒸気（H₂O）が大部分を占め、これら自体は有毒物質ではありません。しかし、燃焼条件が最適でない場合、一酸化炭素（CO）や炭化水素（HC）といった有害物質も含まれることになります。
参考）排気ガス規制ってどうなってるの？二輪車研究室｜バージンハーレ…
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完全燃焼が実現されたときに最も効率よく熱エネルギーを取り出すことができ、同時に排気ガス中の有毒物質を減少させることが可能です。バイクのエンジン設計では、適切な空燃比の管理により完全燃焼に近い状態を実現し、燃焼ガスの組成を最適化することが重要とされています。
参考）https://www.goobike.com/magazine/maintenance/cost/121/
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排ガスの定義と燃焼ガスとの関係性

排ガス（排気ガス）は、エンジン内で仕事を終えた燃焼ガスがマフラーから大気中に排出されるガスのことを指します。燃焼ガスと排ガスの最も大きな違いは、排出される場所とタイミングにあります。燃焼ガスがエンジン内部で発生する直後のガスであるのに対し、排ガスはサイレンサー（マフラー）から排出される最終的なガスです。
参考）燃焼ガス - Wikipedia
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排ガスは、燃焼行程における排気の行程で、排気側バルブスプリングからエクゾーストパイプやセンターパイプを経由し、最終的にサイレンサーから大気へ排出されます。この過程で、排ガスはマフラー内部に設置された触媒（キャタライザー）を通過することで、有害物質が浄化処理されます。
参考）https://car-moby.jp/article/car-life/useful-information/blow-by-gas/
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排ガス成分の大部分は窒素（N₂）、二酸化炭素（CO₂）、水蒸気（H₂O）で構成されており、これらは基本的に無害です。しかし、不完全燃焼により発生した一酸化炭素（CO）や炭化水素（HC）の量は、燃焼ガスと比較すると触媒の浄化作用により圧倒的に少なくなっています。バイクの排ガス規制では、CO、HC、窒素酸化物（NOx）の3つの有害物質が測定対象とされ、年式によって異なる基準値が設定されています。​

燃焼ガス排ガス成分の違いと有害物質

燃焼ガスと排ガスでは、含まれる有害物質の濃度に大きな違いがあります。燃焼ガスには、エンジン内部で発生したばかりの一酸化炭素（CO）や炭化水素（HC）、窒素酸化物（NOx）が高濃度で含まれています。これらの有害物質は、燃料が完全に燃焼しきれなかった場合や、高温環境下で窒素が酸化された結果として生成されます。
参考）排ガスに含まれる有害大気汚染物質の特徴や注意点、対策を紹介
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バイクのエンジンから排出される主な有害物質として、一酸化炭素（CO）は不完全燃焼の結果として発生し、血液中の酸素運搬を阻害する危険性があります。炭化水素（HC）は未燃焼の燃料成分であり、光化学スモッグの原因物質となります。窒素酸化物（NOx）は高温燃焼時に空気中の窒素と酸素が結合して生成され、酸性雨や呼吸器疾患の原因となります。
参考）大気汚染物質とは？種類や特徴、人に及ぼす影響について知ろう
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平成11年（1998年）から導入されたバイクの排ガス規制では、COが13g/km、HCが2g/km、NOxが0.3g/kmという基準値が設定されました。その後、平成18年（2006年）規制ではさらに厳格化され、126cc以上のバイクではCOが2g/km、HCが0.3g/km、NOxが0.15g/kmと大幅に強化されています。これらの規制強化により、触媒による浄化処理を経た排ガスでは、燃焼ガスと比較して有害物質の濃度が大幅に低減されているのです。
参考）https://www.goobike.com/magazine/maintenance/maintenance/40/
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バイクエンジンの燃焼プロセスと排ガス生成

バイクのエンジンでは、吸気・圧縮・燃焼・排気という4つの行程を繰り返すことで動力を得ています。吸気行程では、キャブレターやインジェクターから供給された空気と燃料の混合気がシリンダー内に吸い込まれます。圧縮行程でピストンが上昇すると混合気が圧縮され、高温高圧の状態になります。
参考）https://www.goobike.com/magazine/knowledge/beginner/7/
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燃焼行程では、点火プラグによって圧縮された混合気に着火され、爆発的な燃焼が起こります。この燃焼により発生した燃焼ガスの高圧がピストンを押し下げ、その力がクランクシャフトに伝わって回転運動に変換されます。燃焼温度は条件によって異なりますが、適切な空燃比での完全燃焼時には効率的なエネルギー変換が実現されます。
参考）【Qhref="https://young-machine.com/migliore/2022/10/18/373700/" target="_blank">https://young-machine.com/migliore/2022/10/18/373700/amp;A】エンジンの燃焼はどうやって後輪に伝わっている？【ス…
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排気行程では、仕事を終えた燃焼ガスが排気バルブの開放により排気ポートへ押し出されます。この燃焼ガスは排気管を通過する際に、マフラー内部に設置された触媒（キャタライザー）と接触します。触媒は蜂の巣状のハニカム構造を持ち、燃焼ガス中の有害物質と化学反応を起こすことで、COを二酸化炭素（CO₂）に、HCを水（H₂O）とCO₂に、NOxを窒素（N₂）に変換して無害化します。このプロセスを経て、浄化された排ガスが大気中に放出されるのです。
参考）4ストロークエンジンの仕組みとは？吸気-圧縮-燃焼-排気を繰…
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触媒（キャタライザー）による燃焼ガス浄化の仕組み

バイクのマフラーに搭載されるキャタライザー（触媒）は、燃焼ガスを無害な排ガスに変換する重要な役割を担っています。キャタライザーは排気管内に設置された筒状のパーツで、蜂の巣状に空気の通り道が空いたハニカムタイプが一般的に使用されています。この構造により、排気ガスとの接触面積が最大化され、効率的な化学反応が可能となります。
参考）二輪車用（バイク）触媒｜キャタラー 製品
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触媒の表面には白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属が担持されており、これらが化学反応を促進します。燃焼ガスが触媒を通過する際、一酸化炭素（CO）と酸素（O₂）が反応して二酸化炭素（CO₂）に変換されます。同様に、炭化水素（HC）は酸素と反応してCO₂と水（H₂O）になり、窒素酸化物（NOx）は一酸化炭素や炭化水素の還元作用により窒素（N₂）に分解されます。​
ただし、触媒が効果を発揮するためには一定以上の温度が必要です。エンジン始動直後の冷間時には触媒が十分に温まっていないため、期待される浄化機能を果たすことができません。このため、平成18年規制では暖気を行わない冷間状態でのCO・HC測定が導入され、各メーカーは触媒の早期活性化技術の開発に取り組んでいます。触媒による浄化処理を経ることで、最終的に大気中に排出される排ガスは、エンジン内部で発生した燃焼ガスと比較して有害物質が大幅に低減された状態となるのです。​

バイク乗りが知っておくべき排ガス規制と環境対策の独自視点

バイク乗りにとって排ガス規制は単なる法規制以上の意味を持ちます。日常のメンテナンスや走行方法が排ガスの質に直接影響するため、環境への配慮と愛車の性能維持を両立させる知識が求められます。特に車検対象となる251cc以上のバイクでは、排出ガス検査が必須項目となっており、CO濃度が基準値を超えると車検に通りません。
参考）排出ガス規制の歴史と今後 - バイクの系譜
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CO値が高くなる主な原因として、エアクリーナーの目詰まり、キャブレターやインジェクターの調整不良、点火プラグの劣化などが挙げられます。これらの問題は定期的な点検とメンテナンスで予防可能です。特にアイドリング時のCO濃度管理は重要で、適切な空燃比の維持により完全燃焼に近い状態を実現できます。​
興味深い点として、マフラーを社外品に交換した場合、触媒が取り外されることで排ガス性能が悪化するケースがあります。レース用マフラーなど触媒レスのタイプは車検に通らないため、公道走行には純正触媒付きマフラーへの交換が必要です。また、長期間使用した触媒は劣化により浄化性能が低下するため、走行距離が多いバイクでは触媒の状態確認も重要なメンテナンス項目となります。
参考）今さらな質問、疑問ですが…バイクはエキゾーストに触媒（キャタ…
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環境への配慮という観点では、急加速や高回転域の多用を避け、スムーズな運転を心がけることで不完全燃焼を減らし、有害物質の排出を抑制できます。バイク乗りとして燃焼ガスと排ガスの違いを理解し、適切なメンテナンスと運転方法を実践することが、持続可能なバイクライフにつながるのです。​