内燃機関の排気浄化装置
【課題】従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる触媒コンバータを備える内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】エンジン１の排気管１３に設けられ、排気を浄化する触媒コンバータを備え、触媒コンバータは、上流側触媒コンバータ３１と、上流側触媒コンバータ３１よりも下流側に設けられた下流側触媒コンバータ３３と、を含むエンジン１の排気浄化装置３であって、上流側触媒コンバータ３１は、支持体３１５と、支持体３１５に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒３１０と、を備え、前記第１触媒３１０は、支持体３１５上に設けられ、ＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒３１１と、第１下層触媒３１１上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒３１２と、を備える。
【解決手段】エンジン１の排気管１３に設けられ、排気を浄化する触媒コンバータを備え、触媒コンバータは、上流側触媒コンバータ３１と、上流側触媒コンバータ３１よりも下流側に設けられた下流側触媒コンバータ３３と、を含むエンジン１の排気浄化装置３であって、上流側触媒コンバータ３１は、支持体３１５と、支持体３１５に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒３１０と、を備え、前記第１触媒３１０は、支持体３１５上に設けられ、ＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒３１１と、第１下層触媒３１１上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒３１２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータを備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気系には、排気を浄化する触媒コンバータを備えた排気浄化装置が設けられている。触媒コンバータは、排気中に含まれる一酸化炭素（以下、「ＣＯ」という）、非メタン炭化水素（以下、「ＮＭＯＧ（Ｎｏｎ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｇａｓ）」という）及び窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を浄化する排気浄化触媒を備える。
【０００３】
従来一般的な触媒コンバータは、支持体と、この支持体に担持された排気浄化触媒とから形成される。より詳しくは、従来一般的な触媒コンバータは、セラミクス又は金属で形成され、内部に複数のセルを備えるハニカム構造の支持体に、白金（以下、「Ｐｔ」という）、パラジウム（以下、「Ｐｄ」という）及びロジウム（以下、「Ｒｈ」という）等の貴金属を含む排気浄化触媒を担持させることで形成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈ等の貴金属は、非常に高価であることが知られている。このため、排気浄化触媒のコスト削減の観点から、その使用量を出来る限り少なくすることが求められる。ここで、図１２は、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈの年度別の価格の推移を示す図である。図１２に示すように、これら貴金属の中でもＲｈは、最も平均価格が高いうえに価格の変動幅が大きいため、その使用量の低減が強く求められる。
【０００５】
そこで本出願人は、排気浄化率を低下させることなく、Ｒｈの使用量を低減する技術を提案している（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２の技術では、排気を浄化する触媒コンバータを、上流触媒コンバータと下流触媒コンバータの２段構成とし、上流触媒コンバータよりも下流触媒コンバータの方により多くのＲｈを配置する。排気中に含まれるリンや硫黄によるＲｈの被毒は上流側であるほど顕著であり、Ｒｈの浄化性能を低下させる原因となるところ、この技術によれば、上流側のＲｈ使用量を少なくすることでＲｈの被毒を抑制でき、Ｒｈの使用量を低減できる。
【０００６】
また特許文献２の技術では、上流触媒コンバータ内の排気浄化触媒を３層構造とし、最表層以外にＲｈを配置する。上述のＲｈの被毒は表層側であるほど顕著であるところ、この技術によれば、最表層以外にＲｈを配置することでＲｈの被毒を抑制でき、Ｒｈの使用量を低減できる。
【０００７】
また特許文献２の技術では、下流触媒コンバータよりも上流触媒コンバータの方により多くの酸素貯蔵材（以下、「ＯＳＣ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）材」という）を配置する。ＯＳＣ材は、酸化雰囲気下で酸素を吸蔵し、還元雰囲気下で酸素を放出する特性を有するところ、この技術によれば、上流側にＯＳＣ材を多く配置することで、下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比を安定してストイキ近傍に制御でき、下流触媒コンバータの排気浄化率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２７８１００号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／６１８０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２の技術では、例えば上流触媒コンバータ内のＲｈ使用量をゼロとした場合には、テールパイプエミッション（大気放出される有害物質）が増加するという問題があった。即ち、特許文献２の技術では、排気浄化率を低下させることなく、Ｒｈの使用量を低減するのには限界があった。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる触媒コンバータを備える内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管１３）に設けられ、該内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータを備え、前記触媒コンバータは、上流側触媒コンバータ（例えば、後述の上流側触媒コンバータ３１）と、該上流側触媒コンバータよりも下流側に設けられた下流側触媒コンバータ（例えば、後述の下流側触媒コンバータ３３）と、を含む内燃機関の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置３）を提供する。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記上流側触媒コンバータは、支持体（例えば、後述の支持体３１５）と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒（例えば、後述の第１触媒３１０）と、を備え、前記第１触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒（例えば、後述の第１下層触媒３１１）と、該第１下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒（例えば、後述の第１上層触媒３１２）と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、上流側触媒コンバータが備える排気浄化触媒を、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒で構成した。また、この第１触媒を、支持体上に設けられてＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒と、該第１下層触媒上に設けられてＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒とで構成した。即ち、貴金属としてはＰｄのみを用いて、上流側触媒コンバータが備える排気浄化触媒を構成した。
Ｐｄは、Ｒｈに比して酸素吸蔵放出能が劣ることが知られているところ、本発明によれば、第１下層触媒中のＰｄをＯＳＣ材のみに担持させたため、ＯＳＣ材の酸素吸蔵放出能を最大限に発揮させることができる。このため、下流側触媒コンバータに流入する排気の空燃比を安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータの排気浄化率を向上できる。
また、Ｐｄは、Ｒｈに比して低温時の排気浄化性能が劣ることが知られているところ、本発明によれば、第１上層触媒中のＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させたため、Ｐｄの分散性を高めることができ、低温時においても高い排気浄化性能を発揮させることができる。このため、特に始動直後等の低温時における上流側触媒コンバータの排気浄化率を向上できる。
従って、本発明に係る排気浄化装置によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる。
【００１３】
この場合、前記第１上層触媒中のＰｄ含有量は、前記第１下層触媒中のＰｄ含有量よりも少ないことが好ましい。
【００１４】
この発明では、第１上層触媒中のＰｄ含有量を、第１下層触媒中のＰｄ含有量よりも少なく設定した。
Ｐｄは、Ｒｈ以上に、リンや硫黄による被毒に弱いことが知られており、表層側であるほど被毒は顕著である。そこでこの発明によれば、第１上層触媒中のＰｄ含有量を少なく設定したため、Ｐｄの被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００１５】
この場合、前記第１上層触媒及び前記第１下層触媒は、いずれもＢａを含有することが好ましい。
【００１６】
この発明では、第１上層触媒及び第１下層触媒中のそれぞれに、Ｂａを含有させた。
Ｂａは、ＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制する効果を有していることが知られている。そこでこの発明によれば、第１上層触媒及び第１下層触媒中のそれぞれにＢａを含有させたため、第１上層触媒及び第１下層触媒中のＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００１７】
この場合、前記第１上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第１下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少ないことが好ましい。
【００１８】
この発明では、第１上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第１下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少なく設定した。
これにより、第１上層触媒の熱容量が小さくなり、第１上層触媒の昇温性能が向上する。このため、第１上層触媒のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をより向上できる。
【００１９】
この場合、前記第１下層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率は、前記第１上層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも大きいことが好ましい。
【００２０】
この発明では、第１下層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率を、第１上層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも、大きく設定した。
これにより、第１下層触媒中にＯＳＣ材が多く配置されるため、第１下層触媒の酸素吸蔵放出能をより向上できる。このため、下流側触媒コンバータに流入する排気の空燃比をより安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータの排気浄化率をより向上できる。
【００２１】
この場合、前記下流側触媒コンバータは、支持体（例えば、後述の支持体３３５）と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒（例えば、後述の第２触媒３３０）と、を備え、前記第２触媒中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量は、前記第１触媒中のＰｄの含有量よりも少ないことが好ましい。
【００２２】
この発明では、下流側触媒コンバータが備える排気浄化触媒を、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒で構成するとともに、第２触媒中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量を、第１触媒中のＰｄの含有量よりも少なく設定した。
これにより、高い排気浄化率を維持しつつ、Ｒｈの使用量をさらに低減できる。
【００２３】
この場合、前記第２触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒（例えば、後述の第２下層触媒３３１）と、該第２下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒（例えば、後述の第２上層触媒３３２）と、を備え、前記第２下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第２上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多いことが好ましい。
【００２４】
この発明では、第２触媒を、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒と、該第２下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒と、を含んで構成した。また、第２下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第２上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多く設定した。
これにより、第２上層触媒において、Ｒｈが本来有する高い排気浄化性能を発揮させることができる。また、第２上層触媒の熱容量が小さくなり第２上層触媒の昇温性能が向上するため、第２上層触媒のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をさらに向上できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる触媒コンバータを備える内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る上流側触媒コンバータの構成を示す図であり、（Ａ）は、上流側触媒コンバータの斜視図、（Ｂ）は、上流側触媒コンバータを径方向に切断したときの部分拡大端面図である。
【図３】上記実施形態に係る第１触媒の構成を示す模式図である。
【図４】上記実施形態に係る第１下層触媒の構成を示す模式図である。
【図５】上記実施形態に係る第１上層触媒の構成を示す模式図である。
【図６】上記実施形態に係る第２触媒の構成を示す模式図である。
【図７】従来例１及び従来例２のＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量を示す図である。
【図８】Ｒｈ及びＰｄの酸化速度を示す図である。
【図９】従来例１の上流触媒コンバータの前段、上流触媒コンバータの後段及び下流触媒コンバータの後段における排気の空燃比Ａ／Ｆを示す図である。
【図１０】Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔの温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図１１】実施例１及び比較例１のＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量を示す図である。
【図１２】Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈの年度別の価格の推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関１（以下、「エンジン」という）及びその排気浄化装置３の構成を示す図である。
【００２８】
排気浄化装置３は、エンジン１の排気管１３に設けられた上流側触媒コンバータ３１と、この上流側触媒コンバータ３１の下流側の排気管１３に設けられた下流側触媒コンバータ３３とを備える。
上流側触媒コンバータ３１及び下流側触媒コンバータ３３はいずれも、ハニカム構造の支持体に、排気浄化触媒として三元触媒を担持させることで形成される。
【００２９】
図２は、上流側触媒コンバータ３１の構成を示す図であり、（Ａ）は、上流側触媒コンバータ３１の斜視図、（Ｂ）は、上流側触媒コンバータ３１を径方向に切断したときの部分拡大端面図である。
図２の（Ａ）に示すように、上流側触媒コンバータ３１は、円筒形状のハニカム構造の支持体３１５を備える。支持体３１５は、セラミクス又は金属で形成され、その内部に複数のセル３１７を備える。また、図２の（Ｂ）に示すように、支持体３１５内のセル３１７の内壁には、排気浄化触媒としての第１触媒３１０が担持されている。
エンジン１から排出された排気は、排気管１３を介して上流側触媒コンバータ３１の上流側端面から各セル３１７内に導入され、各セル３１７内を流通することで第１触媒３１０により浄化される。浄化された排気は、排気管１３を介して後述する下流側触媒コンバータ３３に導入される。
【００３０】
図３は、第１触媒３１０の構成を示す模式図である。
図３に示すように、第１触媒３１０は、支持体３１５に担持されている。第１触媒３１０は三元触媒であり、貴金属としてＰｄのみを含む。また、その他に、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＢａを含む。
第１触媒３１０は、支持体３１５上に設けられた第１下層触媒３１１と、第１下層触媒３１１上に設けられた第１上層触媒３１２との２層で構成されている。
【００３１】
第１下層触媒３１１は、Ｐｄ、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＢａを含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
図４は、第１下層触媒３１１の構成を示す模式図である。図４に示すように第１下層触媒３１１では、貴金属のＰｄはＯＳＣ材のみに担持されている。担持方法としては従来公知の含浸法等が用いられ、以下においても同様である。
【００３２】
第１上層触媒３１２は、第１下層触媒３１１と同様に、Ｐｄ、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＢａを含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
図５は、第１上層触媒３１２の構成を示す模式図である。図５に示すように第１上層触媒３１２では、貴金属のＰｄはＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持されている。
【００３３】
ここで、第１上層触媒３１２中のＰｄ含有量は、第１下層触媒３１１中のＰｄ含有量よりも少なく設定されている。
また、第１上層触媒３１２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、第１下層触媒３１１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少なく設定されている。
また、第１下層触媒３１１中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率は、第１上層触媒３１２中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも大きく設定されている。
【００３４】
下流側触媒コンバータ３３は、上述の上流側触媒コンバータ３１と同様の支持体を備える。また、支持体内のセルの内壁には、排気浄化触媒としての第２触媒３３０が担持されている。
上流側触媒コンバータ３１で浄化された排気は、排気管１３を介して下流側触媒コンバータ３３の上流側端面から各セル内に導入され、各セル内を流通することで第２触媒３３０により浄化される。下流側触媒コンバータ３３で浄化された排気は、排気管１３を介して大気に排出される。
【００３５】
図６は、第２触媒３３０の構成を示す模式図である。
図６に示すように、第２触媒３３０は、支持体３３５に担持されている。第２触媒３３０は三元触媒であり、貴金属としてＰｄ及びＲｈを含む。また、その他に、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３を含む。
第２触媒３３０は、支持体３３５上に設けられた第２下層触媒３３１と、第２下層触媒３３１上に設けられた第２上層触媒３３２との２層で構成されている。
【００３６】
第２下層触媒３３１は、Ｐｄ、ＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３を含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
なお、第２下層触媒３３１では、貴金属のＰｄはＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持されている。
【００３７】
第２上層触媒３３２は、Ｒｈ、ＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３を含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
なお、第２上層触媒３３２では、貴金属のＲｈはＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持されている。
【００３８】
ここで、第２触媒３３０中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量は、第１触媒３１０中のＰｄの含有量よりも少なく設定されている。
また、第２下層触媒３３１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、第２上層触媒３３２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多く設定されている。
【００３９】
以上の構成を備える上流側触媒コンバータ３１及び下流側触媒コンバータ３３は、次のような手順で調製される。
先ず、第１下層触媒又は第２下層触媒の構成成分を水等の溶媒中に分散してスラリーを作製する。次いで、このスラリー中に支持体を浸漬し、引き上げて乾燥した後、焼成することで、支持体上にウォッシュコート層（第１下層触媒又は第２下層触媒）を形成する。このとき、スラリーの濃度は、所定のウォッシュコート層厚になるように適宜調製する。次いで、第１上層触媒及び第２上層触媒は、上述と同様の工程を繰り返すことで、既に形成されたウォッシュコート層上に形成される。
以上のようにして、上流側触媒コンバータ３１及び下流側触媒コンバータ３３は形成される。
【００４０】
以上の構成を備える本実施形態に係る排気浄化装置３では、上流側触媒コンバータ３１において、Ｒｈ使用量をゼロとし、貴金属としてＰｄのみを使用することを特徴とする。そこで、Ｒｈの使用量をゼロとし、その代替としてＰｄを使用したときの排気浄化性能への影響について、以下に説明する。
【００４１】
表１の従来例１は、上述した特許文献２の排気浄化装置が備える触媒コンバータを示し、従来例２は、この従来例１に対して、上流触媒コンバータ中のＲｈ含有量をゼロとし、そのＲｈ含有量分をＰｄに置き換えた触媒コンバータを示している。これら従来例１及び２の各触媒コンバータをテスト車に装着し、全て同一条件として米国法規のＬＡ−４モード（都市内走行と高速道路走行とを合わせたモード）走行を実施したときのテールパイプエミッションの計測結果を図７に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図７は、従来例１及び従来例２のＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量を示す図である。この図７に示すように、上流触媒コンバータ中のＲｈ含有量をゼロとした従来例２は、従来例１に比して、ＮＯｘ排出量が増加していることが分かる。この結果から、ＮＯｘの浄化において、Ｒｈ含有量をゼロとしたことによる影響は大きいことが分かる。
【００４４】
上述のように、Ｒｈ使用量をゼロとし、その代替としてＰｄを使用した場合において、排気浄化性能が低下する原因としては、第一に、ＰｄはＲｈに対して酸素吸蔵放出能が劣ることが挙げられる。
図８は、Ｒｈ及びＰｄの酸化速度を示す図である。具体的には、Ｒｈ及びＰｄについて、Ｏ２パルス試験を実施したときの経時におけるＯ２消費率を示す図である。この図８に示すように、ＰｄはＲｈに比してＯ２の消費率が少ないことが分かる。これは、ＰｄはＲｈに比して酸化速度が遅く、Ｐｄは、Ｒｈに比してＯＳＣ材に酸素を吸蔵放出させる能力が低いことを意味している。
【００４５】
ここで、従来例１の上流触媒コンバータの前段にＬＡＦセンサを配置し、上流触媒コンバータの後段（上流触媒コンバータと下流触媒コンバータの間）と下流触媒コンバータの後段のそれぞれにＯ２センサを配置して、各位置における排気の空燃比Ａ／Ｆを調べた結果を図９に示す。この図９に示すように、上流触媒コンバータの前段に比して、上流触媒コンバータの後段では排気の空燃比Ａ／Ｆが安定していることが分かる。また、下流触媒コンバータの後段では、排気の空燃比Ａ／Ｆの安定性が最も高いことが分かる。このように、従来例１の触媒コンバータでは、上流触媒コンバータ中のＲｈの酸素吸蔵放出能が高いため、触媒コンバータ内を通過する排気の空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍に安定化される。これにより、従来例１の触媒コンバータでは、触媒コンバータ内の三元触媒が効率良く排気を浄化できるようになっている。
これに対して、従来例２の触媒コンバータでは、Ｐｄの酸素吸蔵放出能が低い結果、従来例１に比して、触媒コンバータ内を通過する排気の空燃比Ａ／Ｆをストイキ近傍に安定化できない。このため、従来例２の触媒コンバータでは、従来例１に比して、触媒コンバータ内の三元触媒が効率良く排気を浄化できず、排気浄化率が低下する。
【００４６】
第二に、ＰｄはＲｈに比して、低温時の排気浄化性能が劣ることが挙げられる。
図１０は、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔの温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。この図１０に示すように、Ｐｄは、Ｒｈに比して低温時のＮＯｘ浄化率が大きく劣っていることが分かる。このため、従来例２の触媒コンバータでは、従来例１に比して排気浄化率が低下する。
【００４７】
第三に、ＰｄはＲｈに比して、排気中のリン等による被毒に対して弱いことが挙げられる。このため、従来例２の触媒コンバータでは、Ｐｄが排気中のリン等により被毒されて十分な排気浄化性能を発揮できず、従来例１に比して排気浄化率が低下する。
【００４８】
本実施形態に係る排気浄化装置３によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、上流側触媒コンバータ３１が備える三元触媒を、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒３１０で構成した。また、この第１触媒３１０を、支持体３１５上に設けられてＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒３１１と、該第１下層触媒３１１上に設けられてＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒３１２とで構成した。即ち、貴金属としてはＰｄのみを用いて、上流側触媒コンバータ３１が備える三元触媒を構成した。
Ｐｄは、Ｒｈに比して酸素吸蔵放出能が劣ることが知られているところ、本実施形態によれば、第１下層触媒３１１中のＰｄをＯＳＣ材のみに担持させたため、ＯＳＣ材の酸素吸蔵放出能を最大限に発揮させることができる。このため、下流側触媒コンバータ３３に流入する排気の空燃比を安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータ３３の排気浄化率を向上できる。
また、Ｐｄは、Ｒｈに比して低温時の排気浄化性能が劣ることが知られているところ、本実施形態によれば、第１上層触媒３１２中のＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させたため、Ｐｄの分散性を高めることができ、低温時においても高い排気浄化性能を発揮させることができる。このため、特に始動直後等の低温時における上流側触媒コンバータ３１の排気浄化率を向上できる。
従って、本実施形態に係る排気浄化装置３によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる。
【００４９】
また本実施形態では、第１上層触媒３１２中のＰｄ含有量を、第１下層触媒３１１中のＰｄ含有量よりも少なく設定した。
Ｐｄは、Ｒｈ以上に、リンや硫黄による被毒に弱いことが知られており、表層側であるほど被毒は顕著である。そこで本実施形態によれば、第１上層触媒３１２中のＰｄ含有量を少なく設定したため、Ｐｄの被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００５０】
また本実施形態では、第１上層触媒３１２及び第１下層触媒３１１中のそれぞれに、Ｂａを含有させた。
Ｂａは、ＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制する効果を有していることが知られている。そこでこの発明によれば、第１上層触媒３１２及び第１下層触媒３１１中のそれぞれにＢａを含有させたため、第１上層触媒３１２及び第１下層触媒３１１中のＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００５１】
また本実施形態では、第１上層触媒３１２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第１下層触媒３１１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少なく設定した。
これにより、第１上層触媒３１２の熱容量が小さくなり、第１上層触媒３１２の昇温性能が向上する。このため、第１上層触媒３１２のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をより向上できる。
【００５２】
また本実施形態では、第１下層触媒３１１中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率を、第１上層触媒３１２中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも、大きく設定した。
これにより、第１下層触媒３１１中にＯＳＣ材が多く配置されるため、第１下層触媒３１１の酸素吸蔵放出能をより向上できる。このため、下流側触媒コンバータ３３に流入する排気の空燃比をより安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータ３３の排気浄化率をより向上できる。
【００５３】
また本実施形態では、下流側触媒コンバータ３３が備える三元触媒を、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒３３０で構成するとともに、第２触媒３３０中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量を、第１触媒３１０中のＰｄの含有量よりも少なく設定した。
これにより、高い排気浄化率を維持しつつ、Ｒｈの使用量をさらに低減できる。
【００５４】
また本実施形態では、第２触媒３３０を、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒３３１と、該第２下層触媒３３１上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒３３２と、を含んで構成した。また、第２下層触媒３３１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第２上層触媒３３２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多く設定した。
これにより、第２上層触媒３３２において、Ｒｈが本来有する高い排気浄化性能を発揮させることができる。また、第２上層触媒３３２の熱容量が小さくなり第２上層触媒３３２の昇温性能が向上するため、第２上層触媒３３２のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をさらに向上できる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
【実施例】
【００５６】
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５７】
［実施例１及び比較例１］
上記実施形態に係る触媒コンバータを備える排気浄化装置を実施例１とし、従来の特許文献２の触媒コンバータ（表１の従来例１に相当）を備える排気浄化装置を比較例１とした。実施例１及び比較例１の各触媒コンバータの貴金属含有量は表２に示す通りとした。
【００５８】
【表２】
【００５９】
また、実施例１の触媒コンバータの触媒組成は、表３に示す通りとした。なお、ＯＳＣ材としてはＣｅＯ２を用い、第１上層触媒及び第１下層触媒のいずれにも、Ｂａを含有させた。また、第１下層触媒では、ＰｄをＯＳＣ材のみに担持させ、第１上層触媒では、ＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させた。また、第２下層触媒では、ＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させ、第２上層触媒では、ＲｈをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させた。
【００６０】
【表３】
【００６１】
実施例１及び比較例１の各触媒コンバータを、テスト車に装着した後、全て同一の条件で米国法規のＬＡ−４モード（都市内走行と高速道路走行とを合わせたモード）走行を実施し、このときのテールパイプエミッションを計測した。計測結果を図１１に示す。
【００６２】
図１１に示すように、実施例１の触媒コンバータは、比較例１の触媒コンバータに比してＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量いずれも少ないことが分かった。この結果から、本発明の構成によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られることが確認された。
【符号の説明】
【００６３】
１…エンジン（内燃機関）
３…排気浄化装置
１３…排気管（排気通路）
３１…上流側触媒コンバータ
３３…下流側触媒コンバータ
３１０…第１触媒
３１１…第１下層触媒
３１２…第１上層触媒
３３０…第２触媒
３３１…第２下層触媒
３３２…第２上層触媒
３１５、３３５…支持体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータを備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気系には、排気を浄化する触媒コンバータを備えた排気浄化装置が設けられている。触媒コンバータは、排気中に含まれる一酸化炭素（以下、「ＣＯ」という）、非メタン炭化水素（以下、「ＮＭＯＧ（Ｎｏｎ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｇａｓ）」という）及び窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を浄化する排気浄化触媒を備える。
【０００３】
従来一般的な触媒コンバータは、支持体と、この支持体に担持された排気浄化触媒とから形成される。より詳しくは、従来一般的な触媒コンバータは、セラミクス又は金属で形成され、内部に複数のセルを備えるハニカム構造の支持体に、白金（以下、「Ｐｔ」という）、パラジウム（以下、「Ｐｄ」という）及びロジウム（以下、「Ｒｈ」という）等の貴金属を含む排気浄化触媒を担持させることで形成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈ等の貴金属は、非常に高価であることが知られている。このため、排気浄化触媒のコスト削減の観点から、その使用量を出来る限り少なくすることが求められる。ここで、図１２は、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈの年度別の価格の推移を示す図である。図１２に示すように、これら貴金属の中でもＲｈは、最も平均価格が高いうえに価格の変動幅が大きいため、その使用量の低減が強く求められる。
【０００５】
そこで本出願人は、排気浄化率を低下させることなく、Ｒｈの使用量を低減する技術を提案している（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２の技術では、排気を浄化する触媒コンバータを、上流触媒コンバータと下流触媒コンバータの２段構成とし、上流触媒コンバータよりも下流触媒コンバータの方により多くのＲｈを配置する。排気中に含まれるリンや硫黄によるＲｈの被毒は上流側であるほど顕著であり、Ｒｈの浄化性能を低下させる原因となるところ、この技術によれば、上流側のＲｈ使用量を少なくすることでＲｈの被毒を抑制でき、Ｒｈの使用量を低減できる。
【０００６】
また特許文献２の技術では、上流触媒コンバータ内の排気浄化触媒を３層構造とし、最表層以外にＲｈを配置する。上述のＲｈの被毒は表層側であるほど顕著であるところ、この技術によれば、最表層以外にＲｈを配置することでＲｈの被毒を抑制でき、Ｒｈの使用量を低減できる。
【０００７】
また特許文献２の技術では、下流触媒コンバータよりも上流触媒コンバータの方により多くの酸素貯蔵材（以下、「ＯＳＣ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）材」という）を配置する。ＯＳＣ材は、酸化雰囲気下で酸素を吸蔵し、還元雰囲気下で酸素を放出する特性を有するところ、この技術によれば、上流側にＯＳＣ材を多く配置することで、下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比を安定してストイキ近傍に制御でき、下流触媒コンバータの排気浄化率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２７８１００号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／６１８０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２の技術では、例えば上流触媒コンバータ内のＲｈ使用量をゼロとした場合には、テールパイプエミッション（大気放出される有害物質）が増加するという問題があった。即ち、特許文献２の技術では、排気浄化率を低下させることなく、Ｒｈの使用量を低減するのには限界があった。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる触媒コンバータを備える内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管１３）に設けられ、該内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータを備え、前記触媒コンバータは、上流側触媒コンバータ（例えば、後述の上流側触媒コンバータ３１）と、該上流側触媒コンバータよりも下流側に設けられた下流側触媒コンバータ（例えば、後述の下流側触媒コンバータ３３）と、を含む内燃機関の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置３）を提供する。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記上流側触媒コンバータは、支持体（例えば、後述の支持体３１５）と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒（例えば、後述の第１触媒３１０）と、を備え、前記第１触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒（例えば、後述の第１下層触媒３１１）と、該第１下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒（例えば、後述の第１上層触媒３１２）と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、上流側触媒コンバータが備える排気浄化触媒を、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒で構成した。また、この第１触媒を、支持体上に設けられてＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒と、該第１下層触媒上に設けられてＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒とで構成した。即ち、貴金属としてはＰｄのみを用いて、上流側触媒コンバータが備える排気浄化触媒を構成した。
Ｐｄは、Ｒｈに比して酸素吸蔵放出能が劣ることが知られているところ、本発明によれば、第１下層触媒中のＰｄをＯＳＣ材のみに担持させたため、ＯＳＣ材の酸素吸蔵放出能を最大限に発揮させることができる。このため、下流側触媒コンバータに流入する排気の空燃比を安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータの排気浄化率を向上できる。
また、Ｐｄは、Ｒｈに比して低温時の排気浄化性能が劣ることが知られているところ、本発明によれば、第１上層触媒中のＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させたため、Ｐｄの分散性を高めることができ、低温時においても高い排気浄化性能を発揮させることができる。このため、特に始動直後等の低温時における上流側触媒コンバータの排気浄化率を向上できる。
従って、本発明に係る排気浄化装置によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる。
【００１３】
この場合、前記第１上層触媒中のＰｄ含有量は、前記第１下層触媒中のＰｄ含有量よりも少ないことが好ましい。
【００１４】
この発明では、第１上層触媒中のＰｄ含有量を、第１下層触媒中のＰｄ含有量よりも少なく設定した。
Ｐｄは、Ｒｈ以上に、リンや硫黄による被毒に弱いことが知られており、表層側であるほど被毒は顕著である。そこでこの発明によれば、第１上層触媒中のＰｄ含有量を少なく設定したため、Ｐｄの被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００１５】
この場合、前記第１上層触媒及び前記第１下層触媒は、いずれもＢａを含有することが好ましい。
【００１６】
この発明では、第１上層触媒及び第１下層触媒中のそれぞれに、Ｂａを含有させた。
Ｂａは、ＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制する効果を有していることが知られている。そこでこの発明によれば、第１上層触媒及び第１下層触媒中のそれぞれにＢａを含有させたため、第１上層触媒及び第１下層触媒中のＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００１７】
この場合、前記第１上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第１下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少ないことが好ましい。
【００１８】
この発明では、第１上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第１下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少なく設定した。
これにより、第１上層触媒の熱容量が小さくなり、第１上層触媒の昇温性能が向上する。このため、第１上層触媒のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をより向上できる。
【００１９】
この場合、前記第１下層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率は、前記第１上層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも大きいことが好ましい。
【００２０】
この発明では、第１下層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率を、第１上層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも、大きく設定した。
これにより、第１下層触媒中にＯＳＣ材が多く配置されるため、第１下層触媒の酸素吸蔵放出能をより向上できる。このため、下流側触媒コンバータに流入する排気の空燃比をより安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータの排気浄化率をより向上できる。
【００２１】
この場合、前記下流側触媒コンバータは、支持体（例えば、後述の支持体３３５）と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒（例えば、後述の第２触媒３３０）と、を備え、前記第２触媒中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量は、前記第１触媒中のＰｄの含有量よりも少ないことが好ましい。
【００２２】
この発明では、下流側触媒コンバータが備える排気浄化触媒を、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒で構成するとともに、第２触媒中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量を、第１触媒中のＰｄの含有量よりも少なく設定した。
これにより、高い排気浄化率を維持しつつ、Ｒｈの使用量をさらに低減できる。
【００２３】
この場合、前記第２触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒（例えば、後述の第２下層触媒３３１）と、該第２下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒（例えば、後述の第２上層触媒３３２）と、を備え、前記第２下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第２上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多いことが好ましい。
【００２４】
この発明では、第２触媒を、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒と、該第２下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒と、を含んで構成した。また、第２下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第２上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多く設定した。
これにより、第２上層触媒において、Ｒｈが本来有する高い排気浄化性能を発揮させることができる。また、第２上層触媒の熱容量が小さくなり第２上層触媒の昇温性能が向上するため、第２上層触媒のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をさらに向上できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる触媒コンバータを備える内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る上流側触媒コンバータの構成を示す図であり、（Ａ）は、上流側触媒コンバータの斜視図、（Ｂ）は、上流側触媒コンバータを径方向に切断したときの部分拡大端面図である。
【図３】上記実施形態に係る第１触媒の構成を示す模式図である。
【図４】上記実施形態に係る第１下層触媒の構成を示す模式図である。
【図５】上記実施形態に係る第１上層触媒の構成を示す模式図である。
【図６】上記実施形態に係る第２触媒の構成を示す模式図である。
【図７】従来例１及び従来例２のＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量を示す図である。
【図８】Ｒｈ及びＰｄの酸化速度を示す図である。
【図９】従来例１の上流触媒コンバータの前段、上流触媒コンバータの後段及び下流触媒コンバータの後段における排気の空燃比Ａ／Ｆを示す図である。
【図１０】Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔの温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図１１】実施例１及び比較例１のＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量を示す図である。
【図１２】Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈの年度別の価格の推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関１（以下、「エンジン」という）及びその排気浄化装置３の構成を示す図である。
【００２８】
排気浄化装置３は、エンジン１の排気管１３に設けられた上流側触媒コンバータ３１と、この上流側触媒コンバータ３１の下流側の排気管１３に設けられた下流側触媒コンバータ３３とを備える。
上流側触媒コンバータ３１及び下流側触媒コンバータ３３はいずれも、ハニカム構造の支持体に、排気浄化触媒として三元触媒を担持させることで形成される。
【００２９】
図２は、上流側触媒コンバータ３１の構成を示す図であり、（Ａ）は、上流側触媒コンバータ３１の斜視図、（Ｂ）は、上流側触媒コンバータ３１を径方向に切断したときの部分拡大端面図である。
図２の（Ａ）に示すように、上流側触媒コンバータ３１は、円筒形状のハニカム構造の支持体３１５を備える。支持体３１５は、セラミクス又は金属で形成され、その内部に複数のセル３１７を備える。また、図２の（Ｂ）に示すように、支持体３１５内のセル３１７の内壁には、排気浄化触媒としての第１触媒３１０が担持されている。
エンジン１から排出された排気は、排気管１３を介して上流側触媒コンバータ３１の上流側端面から各セル３１７内に導入され、各セル３１７内を流通することで第１触媒３１０により浄化される。浄化された排気は、排気管１３を介して後述する下流側触媒コンバータ３３に導入される。
【００３０】
図３は、第１触媒３１０の構成を示す模式図である。
図３に示すように、第１触媒３１０は、支持体３１５に担持されている。第１触媒３１０は三元触媒であり、貴金属としてＰｄのみを含む。また、その他に、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＢａを含む。
第１触媒３１０は、支持体３１５上に設けられた第１下層触媒３１１と、第１下層触媒３１１上に設けられた第１上層触媒３１２との２層で構成されている。
【００３１】
第１下層触媒３１１は、Ｐｄ、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＢａを含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
図４は、第１下層触媒３１１の構成を示す模式図である。図４に示すように第１下層触媒３１１では、貴金属のＰｄはＯＳＣ材のみに担持されている。担持方法としては従来公知の含浸法等が用いられ、以下においても同様である。
【００３２】
第１上層触媒３１２は、第１下層触媒３１１と同様に、Ｐｄ、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＢａを含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
図５は、第１上層触媒３１２の構成を示す模式図である。図５に示すように第１上層触媒３１２では、貴金属のＰｄはＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持されている。
【００３３】
ここで、第１上層触媒３１２中のＰｄ含有量は、第１下層触媒３１１中のＰｄ含有量よりも少なく設定されている。
また、第１上層触媒３１２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、第１下層触媒３１１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少なく設定されている。
また、第１下層触媒３１１中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率は、第１上層触媒３１２中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも大きく設定されている。
【００３４】
下流側触媒コンバータ３３は、上述の上流側触媒コンバータ３１と同様の支持体を備える。また、支持体内のセルの内壁には、排気浄化触媒としての第２触媒３３０が担持されている。
上流側触媒コンバータ３１で浄化された排気は、排気管１３を介して下流側触媒コンバータ３３の上流側端面から各セル内に導入され、各セル内を流通することで第２触媒３３０により浄化される。下流側触媒コンバータ３３で浄化された排気は、排気管１３を介して大気に排出される。
【００３５】
図６は、第２触媒３３０の構成を示す模式図である。
図６に示すように、第２触媒３３０は、支持体３３５に担持されている。第２触媒３３０は三元触媒であり、貴金属としてＰｄ及びＲｈを含む。また、その他に、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３を含む。
第２触媒３３０は、支持体３３５上に設けられた第２下層触媒３３１と、第２下層触媒３３１上に設けられた第２上層触媒３３２との２層で構成されている。
【００３６】
第２下層触媒３３１は、Ｐｄ、ＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３を含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
なお、第２下層触媒３３１では、貴金属のＰｄはＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持されている。
【００３７】
第２上層触媒３３２は、Ｒｈ、ＯＳＣ材及びＡｌ２Ｏ３を含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２及びＣｅとＺｒの複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
なお、第２上層触媒３３２では、貴金属のＲｈはＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持されている。
【００３８】
ここで、第２触媒３３０中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量は、第１触媒３１０中のＰｄの含有量よりも少なく設定されている。
また、第２下層触媒３３１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、第２上層触媒３３２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多く設定されている。
【００３９】
以上の構成を備える上流側触媒コンバータ３１及び下流側触媒コンバータ３３は、次のような手順で調製される。
先ず、第１下層触媒又は第２下層触媒の構成成分を水等の溶媒中に分散してスラリーを作製する。次いで、このスラリー中に支持体を浸漬し、引き上げて乾燥した後、焼成することで、支持体上にウォッシュコート層（第１下層触媒又は第２下層触媒）を形成する。このとき、スラリーの濃度は、所定のウォッシュコート層厚になるように適宜調製する。次いで、第１上層触媒及び第２上層触媒は、上述と同様の工程を繰り返すことで、既に形成されたウォッシュコート層上に形成される。
以上のようにして、上流側触媒コンバータ３１及び下流側触媒コンバータ３３は形成される。
【００４０】
以上の構成を備える本実施形態に係る排気浄化装置３では、上流側触媒コンバータ３１において、Ｒｈ使用量をゼロとし、貴金属としてＰｄのみを使用することを特徴とする。そこで、Ｒｈの使用量をゼロとし、その代替としてＰｄを使用したときの排気浄化性能への影響について、以下に説明する。
【００４１】
表１の従来例１は、上述した特許文献２の排気浄化装置が備える触媒コンバータを示し、従来例２は、この従来例１に対して、上流触媒コンバータ中のＲｈ含有量をゼロとし、そのＲｈ含有量分をＰｄに置き換えた触媒コンバータを示している。これら従来例１及び２の各触媒コンバータをテスト車に装着し、全て同一条件として米国法規のＬＡ−４モード（都市内走行と高速道路走行とを合わせたモード）走行を実施したときのテールパイプエミッションの計測結果を図７に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図７は、従来例１及び従来例２のＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量を示す図である。この図７に示すように、上流触媒コンバータ中のＲｈ含有量をゼロとした従来例２は、従来例１に比して、ＮＯｘ排出量が増加していることが分かる。この結果から、ＮＯｘの浄化において、Ｒｈ含有量をゼロとしたことによる影響は大きいことが分かる。
【００４４】
上述のように、Ｒｈ使用量をゼロとし、その代替としてＰｄを使用した場合において、排気浄化性能が低下する原因としては、第一に、ＰｄはＲｈに対して酸素吸蔵放出能が劣ることが挙げられる。
図８は、Ｒｈ及びＰｄの酸化速度を示す図である。具体的には、Ｒｈ及びＰｄについて、Ｏ２パルス試験を実施したときの経時におけるＯ２消費率を示す図である。この図８に示すように、ＰｄはＲｈに比してＯ２の消費率が少ないことが分かる。これは、ＰｄはＲｈに比して酸化速度が遅く、Ｐｄは、Ｒｈに比してＯＳＣ材に酸素を吸蔵放出させる能力が低いことを意味している。
【００４５】
ここで、従来例１の上流触媒コンバータの前段にＬＡＦセンサを配置し、上流触媒コンバータの後段（上流触媒コンバータと下流触媒コンバータの間）と下流触媒コンバータの後段のそれぞれにＯ２センサを配置して、各位置における排気の空燃比Ａ／Ｆを調べた結果を図９に示す。この図９に示すように、上流触媒コンバータの前段に比して、上流触媒コンバータの後段では排気の空燃比Ａ／Ｆが安定していることが分かる。また、下流触媒コンバータの後段では、排気の空燃比Ａ／Ｆの安定性が最も高いことが分かる。このように、従来例１の触媒コンバータでは、上流触媒コンバータ中のＲｈの酸素吸蔵放出能が高いため、触媒コンバータ内を通過する排気の空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍に安定化される。これにより、従来例１の触媒コンバータでは、触媒コンバータ内の三元触媒が効率良く排気を浄化できるようになっている。
これに対して、従来例２の触媒コンバータでは、Ｐｄの酸素吸蔵放出能が低い結果、従来例１に比して、触媒コンバータ内を通過する排気の空燃比Ａ／Ｆをストイキ近傍に安定化できない。このため、従来例２の触媒コンバータでは、従来例１に比して、触媒コンバータ内の三元触媒が効率良く排気を浄化できず、排気浄化率が低下する。
【００４６】
第二に、ＰｄはＲｈに比して、低温時の排気浄化性能が劣ることが挙げられる。
図１０は、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔの温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。この図１０に示すように、Ｐｄは、Ｒｈに比して低温時のＮＯｘ浄化率が大きく劣っていることが分かる。このため、従来例２の触媒コンバータでは、従来例１に比して排気浄化率が低下する。
【００４７】
第三に、ＰｄはＲｈに比して、排気中のリン等による被毒に対して弱いことが挙げられる。このため、従来例２の触媒コンバータでは、Ｐｄが排気中のリン等により被毒されて十分な排気浄化性能を発揮できず、従来例１に比して排気浄化率が低下する。
【００４８】
本実施形態に係る排気浄化装置３によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、上流側触媒コンバータ３１が備える三元触媒を、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒３１０で構成した。また、この第１触媒３１０を、支持体３１５上に設けられてＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒３１１と、該第１下層触媒３１１上に設けられてＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒３１２とで構成した。即ち、貴金属としてはＰｄのみを用いて、上流側触媒コンバータ３１が備える三元触媒を構成した。
Ｐｄは、Ｒｈに比して酸素吸蔵放出能が劣ることが知られているところ、本実施形態によれば、第１下層触媒３１１中のＰｄをＯＳＣ材のみに担持させたため、ＯＳＣ材の酸素吸蔵放出能を最大限に発揮させることができる。このため、下流側触媒コンバータ３３に流入する排気の空燃比を安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータ３３の排気浄化率を向上できる。
また、Ｐｄは、Ｒｈに比して低温時の排気浄化性能が劣ることが知られているところ、本実施形態によれば、第１上層触媒３１２中のＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させたため、Ｐｄの分散性を高めることができ、低温時においても高い排気浄化性能を発揮させることができる。このため、特に始動直後等の低温時における上流側触媒コンバータ３１の排気浄化率を向上できる。
従って、本実施形態に係る排気浄化装置３によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られる。
【００４９】
また本実施形態では、第１上層触媒３１２中のＰｄ含有量を、第１下層触媒３１１中のＰｄ含有量よりも少なく設定した。
Ｐｄは、Ｒｈ以上に、リンや硫黄による被毒に弱いことが知られており、表層側であるほど被毒は顕著である。そこで本実施形態によれば、第１上層触媒３１２中のＰｄ含有量を少なく設定したため、Ｐｄの被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００５０】
また本実施形態では、第１上層触媒３１２及び第１下層触媒３１１中のそれぞれに、Ｂａを含有させた。
Ｂａは、ＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制する効果を有していることが知られている。そこでこの発明によれば、第１上層触媒３１２及び第１下層触媒３１１中のそれぞれにＢａを含有させたため、第１上層触媒３１２及び第１下層触媒３１１中のＯＳＣ材やＡｌ２Ｏ３のリン被毒を抑制でき、排気浄化率の低下を抑制できる。
【００５１】
また本実施形態では、第１上層触媒３１２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第１下層触媒３１１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少なく設定した。
これにより、第１上層触媒３１２の熱容量が小さくなり、第１上層触媒３１２の昇温性能が向上する。このため、第１上層触媒３１２のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をより向上できる。
【００５２】
また本実施形態では、第１下層触媒３１１中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率を、第１上層触媒３１２中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも、大きく設定した。
これにより、第１下層触媒３１１中にＯＳＣ材が多く配置されるため、第１下層触媒３１１の酸素吸蔵放出能をより向上できる。このため、下流側触媒コンバータ３３に流入する排気の空燃比をより安定してストイキ近傍に制御でき、下流側触媒コンバータ３３の排気浄化率をより向上できる。
【００５３】
また本実施形態では、下流側触媒コンバータ３３が備える三元触媒を、ＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒３３０で構成するとともに、第２触媒３３０中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量を、第１触媒３１０中のＰｄの含有量よりも少なく設定した。
これにより、高い排気浄化率を維持しつつ、Ｒｈの使用量をさらに低減できる。
【００５４】
また本実施形態では、第２触媒３３０を、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒３３１と、該第２下層触媒３３１上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒３３２と、を含んで構成した。また、第２下層触媒３３１中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量を、第２上層触媒３３２中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多く設定した。
これにより、第２上層触媒３３２において、Ｒｈが本来有する高い排気浄化性能を発揮させることができる。また、第２上層触媒３３２の熱容量が小さくなり第２上層触媒３３２の昇温性能が向上するため、第２上層触媒３３２のライトオフ性能が向上し、低温時の排気浄化性能をさらに向上できる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
【実施例】
【００５６】
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５７】
［実施例１及び比較例１］
上記実施形態に係る触媒コンバータを備える排気浄化装置を実施例１とし、従来の特許文献２の触媒コンバータ（表１の従来例１に相当）を備える排気浄化装置を比較例１とした。実施例１及び比較例１の各触媒コンバータの貴金属含有量は表２に示す通りとした。
【００５８】
【表２】
【００５９】
また、実施例１の触媒コンバータの触媒組成は、表３に示す通りとした。なお、ＯＳＣ材としてはＣｅＯ２を用い、第１上層触媒及び第１下層触媒のいずれにも、Ｂａを含有させた。また、第１下層触媒では、ＰｄをＯＳＣ材のみに担持させ、第１上層触媒では、ＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させた。また、第２下層触媒では、ＰｄをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させ、第２上層触媒では、ＲｈをＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれに担持させた。
【００６０】
【表３】
【００６１】
実施例１及び比較例１の各触媒コンバータを、テスト車に装着した後、全て同一の条件で米国法規のＬＡ−４モード（都市内走行と高速道路走行とを合わせたモード）走行を実施し、このときのテールパイプエミッションを計測した。計測結果を図１１に示す。
【００６２】
図１１に示すように、実施例１の触媒コンバータは、比較例１の触媒コンバータに比してＮＭＯＧ排出量及びＮＯｘ排出量いずれも少ないことが分かった。この結果から、本発明の構成によれば、従来に比してＲｈの使用量が少ないにも関わらず、高い排気浄化率が得られることが確認された。
【符号の説明】
【００６３】
１…エンジン（内燃機関）
３…排気浄化装置
１３…排気管（排気通路）
３１…上流側触媒コンバータ
３３…下流側触媒コンバータ
３１０…第１触媒
３１１…第１下層触媒
３１２…第１上層触媒
３３０…第２触媒
３３１…第２下層触媒
３３２…第２上層触媒
３１５、３３５…支持体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、該内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータを備え、
前記触媒コンバータは、上流側触媒コンバータと、該上流側触媒コンバータよりも下流側に設けられた下流側触媒コンバータと、を含む内燃機関の排気浄化装置であって、
前記上流側触媒コンバータは、支持体と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒と、を備え、
前記第１触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒と、該第１下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１上層触媒中のＰｄ含有量は、前記第１下層触媒中のＰｄ含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第１上層触媒及び前記第１下層触媒は、いずれもＢａを含有することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第１下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少ないことを特徴とする請求項１から３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第１下層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率は、前記第１上層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも大きいことを特徴とする請求項１から４いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記下流側触媒コンバータは、支持体と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒と、を備え、
前記第２触媒中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量は、前記第１触媒中のＰｄの含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１から５いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記第２触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒と、該第２下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒と、を備え、
前記第２下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第２上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多いことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、該内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータを備え、
前記触媒コンバータは、上流側触媒コンバータと、該上流側触媒コンバータよりも下流側に設けられた下流側触媒コンバータと、を含む内燃機関の排気浄化装置であって、
前記上流側触媒コンバータは、支持体と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３及びＰｄを含む第１触媒と、を備え、
前記第１触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材のみにＰｄが担持された第１下層触媒と、該第１下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第１上層触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１上層触媒中のＰｄ含有量は、前記第１下層触媒中のＰｄ含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第１上層触媒及び前記第１下層触媒は、いずれもＢａを含有することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第１下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも少ないことを特徴とする請求項１から３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第１下層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率は、前記第１上層触媒中のＡｌ２Ｏ３含有量に対するＯＳＣ材含有量の比率よりも大きいことを特徴とする請求項１から４いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記下流側触媒コンバータは、支持体と、該支持体に担持され、酸素を貯蔵して放出する機能を有するＯＳＣ材、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ及びＲｈを含む第２触媒と、を備え、
前記第２触媒中のＰｄの含有量とＲｈの含有量の合計量は、前記第１触媒中のＰｄの含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１から５いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記第２触媒は、前記支持体上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＰｄが担持された第２下層触媒と、該第２下層触媒上に設けられ、ＯＳＣ材とＡｌ２Ｏ３のそれぞれにＲｈが担持された第２上層触媒と、を備え、
前記第２下層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量は、前記第２上層触媒中のＯＳＣ材含有量とＡｌ２Ｏ３含有量の合計量よりも多いことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１７７３２４（Ｐ２０１２−１７７３２４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４０２６６（Ｐ２０１１−４０２６６）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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