排気ガス浄化装置
【課題】 浄化装置下流側においても十分なガスの拡散を得ることができるとともに、高価な貴金属の使用量が増えることのない排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを具備し、各触媒には基材層１０１、１１１上に、貴金属を予め担持させた担体粒子をコーティングしたコート層１０２、１１２を形成するとともに、上流側触媒の担体粒子の平均粒径を下流側触媒の担体粒子の平均粒径より大きく、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量は、上流側触媒と下流側触媒とで同一とする。
【解決手段】 排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを具備し、各触媒には基材層１０１、１１１上に、貴金属を予め担持させた担体粒子をコーティングしたコート層１０２、１１２を形成するとともに、上流側触媒の担体粒子の平均粒径を下流側触媒の担体粒子の平均粒径より大きく、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量は、上流側触媒と下流側触媒とで同一とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の排気ガス浄化装置は、例えばコージェライトからなるモノリス状の耐熱性担体基材層の表面に、白金等の触媒貴金属を担持した、アルミナ等の耐熱性無機酸化物からなる多孔質の担体を支持する構造を有している。かかる排気ガス浄化装置は、排気ガス中に含まれる有害な一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を酸化して無害な二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）に変換すると同時に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して無害な窒素（Ｎ２）に変換し得るため、三元触媒とも呼ばれている。
【０００３】
排気ガス中の上記各有害成分の量は、内燃機関の運転状況に応じて変化する。また、排気ガス中にＮＯｘが発生するのを抑制するため、積極的に空燃比（以下において「Ａ／Ｆ比」ということがある。）をストイキ、あるいはリッチに制御する方式も試みられており、排気ガス浄化装置に導入される排気ガスの成分はかかる制御によっても変化する。
【０００４】
一方、排気ガス浄化装置の内部では、排気ガスの流れ方向上流側から次第に排気ガスの浄化が行われるので下流側に向かって流れるガスの成分も流れ方向に沿って変化する。
【０００５】
さらに温度に関しては、内燃機関の運転状況によって発生する排気ガスの温度が変化し、また、一般には排気ガス浄化装置の流れ方向に沿って、下流側になるほど排気ガスの温度は低下する。
【０００６】
かかる変化に対応して、排気ガスの浄化を最適化すべく、特許文献１には、浄化装置の上流側に第一の触媒層、下流側に第二の触媒層を設け、これら第一、第二の触媒層間で貴金属の成分、及び量を変えて触媒浄化能を高めるシステムが開示されている。又、特許文献２では、上流側から下流側に向かって、貴金属と遷移金属酸化物の担持量の勾配を設けることにより、触媒浄化能を高める構成が開示されている。さらに特許文献３では、上流側触媒と下流側触媒との貴金属コート比を １＜前側／後側≦３ とすることにより、又特許文献４では、上流側触媒と下流側触媒とを設け、各触媒における複合酸化物の量を変えることにより、それぞれ高いＮＯｘ浄化効果を得ることが可能であるとしている。
【特許文献１】特開２００４−２８３６９２号公報
【特許文献２】特開平９−１２２４４３号公報
【特許文献３】特開２００３−２４５５２３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６７８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記各特許文献に開示されている構成では、基材層上に形成された触媒層（以下において「コート層」という。）中の排気ガスの拡散という観点からは、特に浄化装置下流側において、コート層深部までの拡散距離が長く、コート層内部まで十分にガスが供給されないため、触媒の浄化率が低くなる場合がある。なぜなら、ストイキ状態での排気ガスが長時間排出され続けると、浄化装置上流部で大部分のガス（有害成分）は浄化されるので、下流側のガス（有害成分）濃度が数十ｐｐｍ程度になる。このため、表面部とコート層内との濃度差が少なくなり、コート層内への拡散量が減少するので、浄化装置下流側では浄化がほとんど行われず、浄化率が低下するからである。一方、この問題を解決せんがため、下流側の触媒担持量を高めてしまうと、高価な貴金属の使用量が増えるため浄化装置のコストが上昇してしまう。
【０００８】
そこで本発明は、浄化装置下流側においても十分なガスの拡散を得ることができるとともに、高価な貴金属の使用量が増えることのない排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らは、予め貴金属を担持させた多孔質担体粒子を基材層上にコートして、コート層を立体構造とし、この立体構造を構成する担体の平均粒径を排気ガスの流れ方向上流側を大、下流側を小とすることで、下流側において拡散距離が短くなり、貴金属を有効に活用することができることを見出した。また、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量を上流側と下流側とで同一にすることで、高価な貴金属の使用量を増やすことなく、十分なガスの拡散を得る排気ガス浄化装置を構成できることを見出した。
【００１０】
かくして、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気ガス通路に配設され、排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを備えるとともに、これら各触媒は基材層上に予め貴金属を担持させた担体粒子を有するコート層を具備する排気ガス浄化装置であって、上流側触媒の担体粒子の平均粒径は、下流側触媒の担体粒子の平均粒径より大きく、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量は、上流側触媒と下流側触媒とで同一であることを特徴とする排気ガス浄化装置により、前記課題を解決しようとするものである。
【００１１】
ここに「平均粒径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した平均粒径をいう。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒と下流側触媒とは、一体に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒と下流側触媒とは、離隔して配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒のセル数は、下流側触媒のセル数より多いことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の排気ガス浄化装置において、排気ガスの流れ方向に沿った長さに関して、上流側触媒は下流側触媒より大であるとともに、流れ方向に直交する面方向の断面積に関して上流側触媒は下流側触媒より小であり、セル数に関して、上流側触媒は下流側触媒より小であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、下流側触媒においては担体粒子の平均粒径が小さいため、貴金属までのガス拡散距離が短縮され、ガス濃度が薄くなっても拡散量を多くすることができる。また下流側触媒において担体粒子の平均粒径が小さいので、コート層表面の貴金属の面積密度が増大する。このため、ガス濃度が薄くなっても十分な浄化が確保される。もって、排気ガス浄化装置全体の浄化率を向上させることができる。
【００１７】
一方、担体粒子の平均粒径の大きな上流側触媒では、エンジンオイル等に由来するリン等の触媒に対する被毒物質をトラップするので、下流側触媒に達する被毒物質を少なくすることができる。従って、下流側触媒において平均粒径の小さな担体粒子を用いても、被毒によるコート層の目詰まりを少なくすることができる。もって、高い浄化能を長期にわたって維持することが可能となる。
【００１８】
加えて、コート層は、予め貴金属を担持させた担体を基材層上にコートして形成しているので、コート後に貴金属を担持させたものと比較した場合、コート層内部にまで均一に貴金属が存在するため、酸素吸蔵能力（以下において「ＯＳＣ」ということがある。）が大きく、触媒浄化ウインドウを広くすることができる。従ってＡ／Ｆ比が変動しても、良好な浄化率を保持することが可能である。
【００１９】
さらに、上流側触媒では担体粒子の平均粒径が大きいため、表層の貴金属担持密度を小さくすることができ、かつ、担体粒子間の隙間が大きくなり、コート層内部側への拡散量が増えるので、表層での反応量が減少し、内部側での反応量が増える。従って、コート層における排気ガス流れ方向に直交する面の中央部側と周辺部側との反応熱の違いによる局所的温度勾配を緩和することができ、熱歪によるコート材の剥離を抑制することができる。
【００２０】
また、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量を上流側触媒と下流側触媒とで同一にするため、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、上流側触媒と下流側触媒とが一体に形成されているので、装置の小型化が容易となる。また、排気ガス浄化装置全体が本発明の上流側触媒の構造をとっている場合、すなわち担体粒子の平均粒径の大きな立体構造をとっている場合において触媒にＯ２センサを付けている場合、低濃度が検出できないという問題があるが、本発明の構成、すなわち粒子径の小さな下流側触媒にＯ２センサを設けることにより、かかる問題を解決することもできる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、上流側触媒と下流側触媒とが別体に設けられており、上流側触媒の一部のセルが閉塞しても、下流側触媒にはその影響が直接に及ぶことはないので、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒と下流側触媒とが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、下流側触媒のセル数を上流側触媒のセル数より減らしているため、貴金属の使用量を減らすことが容易になる。また下流側触媒の熱容量が下がるので下流側触媒温度の上昇速度が速くなり、始動直後の排気ガス浄化能が向上する。さらにセル数を減らすことにより圧損をさらに減らして背圧を下げ、エンジンの出力を向上させることが可能になる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、下流側触媒のセル数がさらに増えるので、反応機会が増えて排気ガス浄化率が向上する。さらに浄化率を向上しつつエンジン動力性能の低下を抑えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を参照しつつ本発明の排気ガス浄化装置について、その最良の実施形態をさらに具体的に説明する。
【００２６】
図１は、一般的なガソリンエンジンに本発明の排気ガス浄化装置を用いた場合の概略を示すシステム図である。通常本システム５０は車両に搭載されているものである。図１ではエンジン１０の左方に混合気供給部２０、右方に排気系が表されている。混合気供給部２０において、所定のＡ／Ｆ比に混合された燃料及び空気はエンジン１０に供給されて燃焼される。エンジン１０の各シリンダーにおいて燃焼して生成された排気ガスは、エキゾーストマニホールド１１を介し排気管１５にまとめられて、排気ガス浄化装置３０へと導かれている。なお、図１においては排気ガス浄化装置を示す参照符号として便宜上「３０」を使用するが、後に説明する第一実施形態乃至第４実施形態にかかる排気ガス浄化装置に対しては、適宜参照符号を変えて説明を行う。
【００２７】
排気ガス浄化装置３０にて有害物質が浄化処理された排気は排出管１６から大気中に放出される。混合気供給部２０にはスロットル弁２１が設けられ、その上流側にはエアフローメーター２２が、スロットル弁２１の近傍にはスロットルセンサ２３が設けられている。これらメーター２２、センサ２３からの出力信号は、原動機電子制御装置（以下において「ＥＣＵ」という。）４０に送られる。
【００２８】
排気ガス浄化装置３０の前後には、Ａ／Ｆセンサ２４、Ｏ２センサ２５がそれぞれ設けられ、浄化装置３０に導入される排気ガスの空燃比、浄化装置３０により浄化された排気の酸素濃度を検知している。これらＡ／Ｆセンサ２４、及びＯ２センサ２５による検知信号も、ＥＣＵ４０に送られている。
【００２９】
ＥＣＵ４０は、これらエアフローメーター２２、スロットルセンサ２３、Ａ／Ｆセンサ２４、及びＯ２センサ２５による検知信号を受けて、さらに必要により他のセンサからの信号を加えて、最適な制御条件を演算してエンジン１０の制御を司っている。
【００３０】
図２は、第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置１００の構成を概略的に示す図である。図２において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の排気ガス浄化装置１００は、上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１、ｃ２、ｃ３、…を備えている。一方、排気ガス浄化装置１００は、上流側は上流側触媒１００Ａ、下流側は下流側触媒１００Ｂとされており、両者は異なる触媒構成を有するとともに、一体に形成されている。
【００３１】
第一実施形態の排気ガス浄化装置１００によれば、上流側触媒１００Ａと下流側触媒１００Ｂとが一体に形成されているので、装置の小型化が容易となる。また、排気ガス浄化装置全体が上流側触媒１００Ａの構造をとっている場合、すなわち担体粒子の平均粒径の大きな立体構造をとっている場合において触媒にＯ２センサを付けていると、低濃度が検出できないという問題があるが、本実施形態の構成、すなわち粒子径の小さな下流側触媒にＯ２センサを設けることにより、かかる問題を解決することもできる。
【００３２】
いま、上流側触媒１００Ａの各セルにおける担体の平均粒径をＱｆとする。一方、下流側触媒１００Ｂの各セルにおける担体の平均粒径をＱｒとする。
【００３３】
第一実施形態の排気ガス浄化装置１００においては、これらＱｆ、及びＱｒとの間には、
Ｑｆ＞Ｑｒ
なる関係が成立する。
【００３４】
図３は、上流側触媒１００Ａ内の任意の一セルの部位Ａ、および下流側触媒１００Ｂ内の任意の一セルの部位Ｂにおいて、貴金属、担体がどのようにコート層を形成しているのかを示す概念図である。図３（Ａ）は上流側触媒１００Ａの、（Ｂ）は下流側触媒１００Ｂのそれぞれの基材層１０１、１１１上にコート形成されたコート層１０２、１１２の厚さ方向断面を模式的に示す。それぞれの図において、排気ガス通路はコート層１０２、１１２の上方に左側から右方向へと向かっている。
【００３５】
図３（Ａ）に示される上流側触媒１００Ａでは、基材層１０１上に、平均粒径の大きな担体、および貴金属からなるコート層１０２が形成されている。担体には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体が基材層１０１上にコーティングされてコート層１０２が形成されている。したがってコート層１０２の表層部１０３から内部の基材層１０１に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。かかる構成により、上流側触媒１００Ａでは担体の平均粒径が大きいため、表層部１０３の貴金属担持密度が小さくでき、かつ、担体粒子間の隙間が大きくなり、コート層１０２内部側への拡散量が増えるので、表層部１０３での反応量が減少し、内部側での反応量が増える。従って、コート層１０２における排気ガス流れ方向に直交する面の中央部側と周辺部側との反応熱の違いによる局所的温度勾配を緩和することができ、熱歪によるコート材の剥離を抑制することができる。
【００３６】
図３（Ｂ）に示される下流側触媒１００Ｂでは、基材層１１１上に、平均粒径の小さな担体、および貴金属からなるコート層１１２が形成されている。下流側触媒１００Ｂにおいても、担体には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体が基材層１１１上にコーティングされてコート層１１２が形成されている。したがって下流側触媒１００Ｂにおいても、コート層１１２の表層部１１３から内部の基材層１１１に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。したがってかかる構成により、下流側触媒１００Ｂにおいては担体粒子の平均粒径が小さいため、貴金属までのガス拡散距離が短縮され、ガス濃度が薄くなっても拡散量を多くすることができる。また担体粒子の平均粒径が小さいので、コート層表面部１１３の貴金属の面積密度が増大する。このため、ガス濃度が薄くなっても十分な浄化が確保される。もって、排気ガス浄化装置１００全体の浄化率を向上させることができる。
【００３７】
さらに、担体の平均粒径を下流側触媒１００Ｂより上流側触媒１００Ａにおいて大きくしたので、担体粒子の平均粒径の大きな上流側触媒１００Ａでは、エンジンオイルに由来するリン等の触媒に対する被毒物質をトラップして、下流側触媒１００Ｂに達する被毒物質を少なくすることができる。従って、下流側触媒１００Ｂにおいて平均粒径の小さな担体粒子を用いても、被毒によるコート層の目詰まりを少なくすることができる。もって、高い浄化能を長期にわたって維持することが可能となる。
【００３８】
加えて、コート層１０２、１１２は、予め貴金属を含浸担持させた担体を基材層１０１、１１１上にコートして形成しているので、コート後に貴金属を含浸担持させたものと比較した場合、コート層内部にまで均一に貴金属が存在するため、ＯＳＣが大きく、触媒浄化ウインドウを広くすることができる。従ってＡ／Ｆ比が変動しても、良好な浄化率を保持することが可能である。
【００３９】
第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置１００において、貴金属は、上流側触媒１００Ａと下流側触媒１００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。このようにすることによって、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００４０】
以上に説明した、図３に示される第一実施形態の排気ガス浄化装置１００における上流側触媒１００Ａと下流側触媒１００Ｂにおける貴金属、担体がコート層１０１、１１１を形成する態様、およびそれによる作用効果は、以下に説明する第二実施形態乃至第４実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００、３００、４００においても同様である。
【００４１】
図４は第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００の構成を概略的に示す図である。図４において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の、排気ガス浄化装置２００は、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとが別体に形成され、両者は離隔して配置されている。また、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとは、排気ガスの流れ方向の長さが略同一であるとともに、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面積も略同一となるよう形成されている。これら上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとは、排気管１５から排出管１６へと連通される外套管２５０に覆われている。
【００４２】
上流側触媒２００Ａは、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ４、ｃ５、ｃ６、…を備えている。一方、下流側触媒２００Ｂも、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ７、ｃ８、ｃ９、…を備えている。上流側触媒２００Ａのセルｃ４、ｃ５、ｃ６、…と、下流側触媒２００Ｂのセルｃ７、ｃ８、ｃ９、…の数は略同一に構成されている。かかる構成の排気ガス浄化装置２００においては、排気管１５から上流側触媒２００Ａの各セルｃ４、ｃ５、ｃ６、…内に流れ込んだ排気ガスは上流側触媒２００Ａにより所定の浄化を受ける。その後、一旦外套管２５０の中間部２５１においてひとつの流れとして合流し、再び下流側触媒２００Ｂの各セルｃ７、ｃ８、ｃ９、…内に導かれる。下流側触媒２００Ｂの各セルｃ７、ｃ８、ｃ９、…内においてさらに所定の浄化を受けた排気ガスは排出管１６に送られて、そこから外部に排出される。
【００４３】
上流側触媒２００Ａ内の任意の点Ａ、下流側触媒２００Ｂ内の任意の点Ｂにおける貴金属、担体がコート層を形成する態様、およびそれによる作用効果は、図３において説明した第一実施形態の排気ガス浄化装置１００におけるものと同様である。よってその説明はここでは省略する。また、第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００において、貴金属は、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。このようにすることによって、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００４４】
第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００によれば、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとが別体に設けられているので、上流側触媒２００Ａの一部のセルが閉塞しても、下流側触媒２００Ｂにはその影響が直接に及ぶことはない。従って、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。
【００４５】
図５は第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置３００の構成を概略的に示す図である。図５において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の、排気ガス浄化装置３００は、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとが別体に形成され、両者は離隔して配置されている。また、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとは、排気ガスの流れ方向の長さが略同一であるとともに、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面積も略同一となるよう形成されている。これら上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとは、排気管１５から排出管１６へと連通される外套管３５０に覆われている。
【００４６】
上流側触媒３００Ａは、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…を備えている。一方、下流側触媒３００Ｂも、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…を備えている。上流側触媒３００Ａのセルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…は、下流側触媒３００Ｂのセルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…の数より多く形成されている。換言すれば、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面について、上流側触媒３００Ａのセルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…の断面積は、下流側触媒３００Ｂのセルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…の断面積より小さく形成されている。
【００４７】
かかる構成の排気ガス浄化装置３００においては、排気管１５から上流側触媒３００Ａの各セルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…内に流れ込んだ排気ガスは上流側触媒３００Ａにより所定の浄化を受ける。その後、一旦外套管３５０の中間部３５１においてひとつの流れとして合流し、再び下流側触媒３００Ｂの各セルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…内に導かれる。下流側触媒３００Ｂの各セルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…内においてさらに所定の浄化を受けた排気ガスは排出管１６に送られて、そこから外部に排出される。
【００４８】
上流側触媒３００Ａ内の任意の点Ａ、下流側触媒３００Ｂ内の任意の点Ｂにおける貴金属、担体がコート層を形成する態様、およびそれによる作用効果は、図３において説明した第一実施形態の排気ガス浄化装置１００におけるものと同様である。よってその説明はここでは省略する。また、第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置３００において、貴金属は、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。ただしセル数が下流側触媒３００Ｂの方が少なくなるので、単位容積当たりの貴金属量では、下流側触媒３００Ｂの方が少ない。このようにすることによって、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００４９】
第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置３００によれば、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとが別体に設けられているので、上流側触媒３００Ａの一部のセルが閉塞しても、下流側触媒３００Ｂにはその影響が直接に及ぶことはない。従って、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。加えて、下流側触媒３００Ｂのセル数を上流側触媒３００Ａのセル数より減らしているため、貴金属の使用量を減らすことが容易になる。また下流側触媒３００Ｂの熱容量が下がるので下流側触媒３００Ｂの温度の上昇速度が速くなり、始動直後の排気ガス浄化能が向上する。さらにセル数を減らすことにより圧損をより多く減らして背圧を下げ、エンジンの出力を向上させることが可能になる。
【００５０】
図６は第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置４００の構成を概略的に示す図である。図６において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の、排気ガス浄化装置４００は、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとが別体に形成され、両者は離隔して配置されている。また、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとは、排気ガスの流れ方向の長さに関し、上流側触媒４００Ａが下流側触媒４００Ｂより大である。また、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面積に関しては、上流側触媒４００Ａが下流側触媒４００Ｂより小さくなるよう形成されている。これら上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとは、排気管１５から排出管１６へと連通される外套管４５０に覆われている。
【００５１】
上流側触媒４００Ａは、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…を備えている。一方、下流側触媒４００Ｂも、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…を備えている。上流側触媒４００Ａのセルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…は、下流側触媒４００Ｂのセルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…の数より少なく形成されている。換言すれば、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面について、上流側触媒４００Ａのセルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…の断面積は、下流側触媒４００Ｂのセルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…の断面積より大きく形成されている。
【００５２】
かかる構成の排気ガス浄化装置４００においては、排気管１５から上流側触媒４００Ａの各セルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…内に流れ込んだ排気ガスは上流側触媒４００Ａにより所定の浄化を受ける。その後、一旦外套管４５０の中間部４５１においてひとつの流れとして合流し、再び下流側触媒４００Ｂの各セルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…内に導かれる。下流側触媒４００Ｂの各セルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…内においてさらに所定の浄化を受けた排気ガスは排出管１６に送られて、そこから外部に排出される。
【００５３】
上流側触媒４００Ａ内の任意の点Ａ、下流側触媒４００Ｂ内の任意の点Ｂにおける貴金属、担体がコート層を形成する態様、およびそれによる作用効果は、図３において説明した第一実施形態の排気ガス浄化装置１００におけるものと同様である。よってその説明はここでは省略する。また、第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置４００において、貴金属は、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。ただしセル数が上流側触媒４００Ａの方が少なくなるので、単位容積当たりの貴金属量では、上流側触媒４００Ａの方が少ない。
【００５４】
第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置４００によれば、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとが別体に設けられているので、上流側触媒４００Ａの一部のセルが閉塞しても、下流側触媒４００Ｂにはその影響が直接に及ぶことはない。従って、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。加えて、下流側触媒４００Ｂのセル数を上流側触媒４００Ａのセル数より減らしているため、貴金属の使用量を減らすことが容易になる。また下流側触媒４００Ｂの熱容量が下がるので下流側触媒４００Ｂの温度の上昇速度が速くなり、始動直後の排気ガス浄化能が向上する。さらにセル数を減らすことにより圧損をより多く減らして背圧を下げ、エンジンの出力を向上させることが可能になる。加えて、下流側触媒４００Ｂのセル数がさらに増えるので、反応機会が増えて排気ガス浄化率が向上する。さらに浄化率を向上しつつエンジン動力性能の低下を抑えることが可能になる。
【００５５】
本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００において、貴金属の種類は特に限定されるものではないが、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、およびパラジウム（Ｐｄ）のうちのいずれか、またはこれらを組み合わせて使用することができる。これらの中でも、Ｐｔ、及び／又はＲｈを好ましく使用することができる。
【００５６】
また、本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００において、担体の種類は特に限定されるものではないが、多孔質で表面積の大きな材料、たとえばセリア／アルミナ、あるいはジルコニア等を好適に使用することができる。
【００５７】
上流側触媒１００Ａ、２００Ａ、３００Ａ、４００Ａの担体粒子径は下流側担体粒子径の２倍以上であることが好ましい。かかる粒子径比を取ることにより、本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００の浄化能をより高めることができる。
【００５８】
図７は、本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００の製造工程を模式的に示す図である。平均粒径大である担体粉末Ａに貴金属を含浸担持させて上流側に使用する基材上にコーティングする。一方、平均粒径小である担体粉末Ｂに貴金属を含浸担持させ、下流側に使用する基材上にコーティングする。かかる貴金属を担持した担体をコートされた基材をそれぞれ焼成することにより、排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００の上流側、下流側各触媒を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】一般的なガソリンエンジンに本発明の排気ガス浄化装置を用いた場合の概略を示すシステム図である。
【図２】第一実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図３】（Ａ）は上流側触媒の、（Ｂ）は下流側触媒の基材層上に形成されたコート層の厚さ方向断面を模式的に示す図である。
【図４】第二実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図５】第三実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図６】第四実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図７】排気ガス浄化装置の触媒製造工程を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
ｃ１〜ｃ２０、ｃ２１… セル
１０ エンジン
１１ エキゾーストマニホールド
１５ 排気管
１６ 排出管
２０ 混合気供給部
２１ スロットル弁
２２ エアフローメーター
２３ スロットルセンサ
２４ Ａ／Ｆセンサ
２５ Ｏ２センサ
４０ ＥＣＵ
５０ システム
１０１、１１１ 基材層
１０２、１１２ コート層
１０３、１１３ 表層部
３０、１００、２００、３００、４００ 排気ガス浄化装置
１００Ａ、２００Ａ、３００Ａ、４００Ａ 上流側触媒
１００Ｂ、２００Ｂ、３００Ｂ、４００Ｂ 下流側触媒
２５０、３５０、４５０ 外套管
２５１、３５１、４５１ （外套管）中間部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の排気ガス浄化装置は、例えばコージェライトからなるモノリス状の耐熱性担体基材層の表面に、白金等の触媒貴金属を担持した、アルミナ等の耐熱性無機酸化物からなる多孔質の担体を支持する構造を有している。かかる排気ガス浄化装置は、排気ガス中に含まれる有害な一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を酸化して無害な二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）に変換すると同時に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して無害な窒素（Ｎ２）に変換し得るため、三元触媒とも呼ばれている。
【０００３】
排気ガス中の上記各有害成分の量は、内燃機関の運転状況に応じて変化する。また、排気ガス中にＮＯｘが発生するのを抑制するため、積極的に空燃比（以下において「Ａ／Ｆ比」ということがある。）をストイキ、あるいはリッチに制御する方式も試みられており、排気ガス浄化装置に導入される排気ガスの成分はかかる制御によっても変化する。
【０００４】
一方、排気ガス浄化装置の内部では、排気ガスの流れ方向上流側から次第に排気ガスの浄化が行われるので下流側に向かって流れるガスの成分も流れ方向に沿って変化する。
【０００５】
さらに温度に関しては、内燃機関の運転状況によって発生する排気ガスの温度が変化し、また、一般には排気ガス浄化装置の流れ方向に沿って、下流側になるほど排気ガスの温度は低下する。
【０００６】
かかる変化に対応して、排気ガスの浄化を最適化すべく、特許文献１には、浄化装置の上流側に第一の触媒層、下流側に第二の触媒層を設け、これら第一、第二の触媒層間で貴金属の成分、及び量を変えて触媒浄化能を高めるシステムが開示されている。又、特許文献２では、上流側から下流側に向かって、貴金属と遷移金属酸化物の担持量の勾配を設けることにより、触媒浄化能を高める構成が開示されている。さらに特許文献３では、上流側触媒と下流側触媒との貴金属コート比を １＜前側／後側≦３ とすることにより、又特許文献４では、上流側触媒と下流側触媒とを設け、各触媒における複合酸化物の量を変えることにより、それぞれ高いＮＯｘ浄化効果を得ることが可能であるとしている。
【特許文献１】特開２００４−２８３６９２号公報
【特許文献２】特開平９−１２２４４３号公報
【特許文献３】特開２００３−２４５５２３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６７８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記各特許文献に開示されている構成では、基材層上に形成された触媒層（以下において「コート層」という。）中の排気ガスの拡散という観点からは、特に浄化装置下流側において、コート層深部までの拡散距離が長く、コート層内部まで十分にガスが供給されないため、触媒の浄化率が低くなる場合がある。なぜなら、ストイキ状態での排気ガスが長時間排出され続けると、浄化装置上流部で大部分のガス（有害成分）は浄化されるので、下流側のガス（有害成分）濃度が数十ｐｐｍ程度になる。このため、表面部とコート層内との濃度差が少なくなり、コート層内への拡散量が減少するので、浄化装置下流側では浄化がほとんど行われず、浄化率が低下するからである。一方、この問題を解決せんがため、下流側の触媒担持量を高めてしまうと、高価な貴金属の使用量が増えるため浄化装置のコストが上昇してしまう。
【０００８】
そこで本発明は、浄化装置下流側においても十分なガスの拡散を得ることができるとともに、高価な貴金属の使用量が増えることのない排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らは、予め貴金属を担持させた多孔質担体粒子を基材層上にコートして、コート層を立体構造とし、この立体構造を構成する担体の平均粒径を排気ガスの流れ方向上流側を大、下流側を小とすることで、下流側において拡散距離が短くなり、貴金属を有効に活用することができることを見出した。また、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量を上流側と下流側とで同一にすることで、高価な貴金属の使用量を増やすことなく、十分なガスの拡散を得る排気ガス浄化装置を構成できることを見出した。
【００１０】
かくして、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気ガス通路に配設され、排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを備えるとともに、これら各触媒は基材層上に予め貴金属を担持させた担体粒子を有するコート層を具備する排気ガス浄化装置であって、上流側触媒の担体粒子の平均粒径は、下流側触媒の担体粒子の平均粒径より大きく、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量は、上流側触媒と下流側触媒とで同一であることを特徴とする排気ガス浄化装置により、前記課題を解決しようとするものである。
【００１１】
ここに「平均粒径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した平均粒径をいう。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒と下流側触媒とは、一体に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒と下流側触媒とは、離隔して配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒のセル数は、下流側触媒のセル数より多いことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の排気ガス浄化装置において、排気ガスの流れ方向に沿った長さに関して、上流側触媒は下流側触媒より大であるとともに、流れ方向に直交する面方向の断面積に関して上流側触媒は下流側触媒より小であり、セル数に関して、上流側触媒は下流側触媒より小であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、下流側触媒においては担体粒子の平均粒径が小さいため、貴金属までのガス拡散距離が短縮され、ガス濃度が薄くなっても拡散量を多くすることができる。また下流側触媒において担体粒子の平均粒径が小さいので、コート層表面の貴金属の面積密度が増大する。このため、ガス濃度が薄くなっても十分な浄化が確保される。もって、排気ガス浄化装置全体の浄化率を向上させることができる。
【００１７】
一方、担体粒子の平均粒径の大きな上流側触媒では、エンジンオイル等に由来するリン等の触媒に対する被毒物質をトラップするので、下流側触媒に達する被毒物質を少なくすることができる。従って、下流側触媒において平均粒径の小さな担体粒子を用いても、被毒によるコート層の目詰まりを少なくすることができる。もって、高い浄化能を長期にわたって維持することが可能となる。
【００１８】
加えて、コート層は、予め貴金属を担持させた担体を基材層上にコートして形成しているので、コート後に貴金属を担持させたものと比較した場合、コート層内部にまで均一に貴金属が存在するため、酸素吸蔵能力（以下において「ＯＳＣ」ということがある。）が大きく、触媒浄化ウインドウを広くすることができる。従ってＡ／Ｆ比が変動しても、良好な浄化率を保持することが可能である。
【００１９】
さらに、上流側触媒では担体粒子の平均粒径が大きいため、表層の貴金属担持密度を小さくすることができ、かつ、担体粒子間の隙間が大きくなり、コート層内部側への拡散量が増えるので、表層での反応量が減少し、内部側での反応量が増える。従って、コート層における排気ガス流れ方向に直交する面の中央部側と周辺部側との反応熱の違いによる局所的温度勾配を緩和することができ、熱歪によるコート材の剥離を抑制することができる。
【００２０】
また、単位長さ、単位セルあたりの貴金属量を上流側触媒と下流側触媒とで同一にするため、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、上流側触媒と下流側触媒とが一体に形成されているので、装置の小型化が容易となる。また、排気ガス浄化装置全体が本発明の上流側触媒の構造をとっている場合、すなわち担体粒子の平均粒径の大きな立体構造をとっている場合において触媒にＯ２センサを付けている場合、低濃度が検出できないという問題があるが、本発明の構成、すなわち粒子径の小さな下流側触媒にＯ２センサを設けることにより、かかる問題を解決することもできる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、上流側触媒と下流側触媒とが別体に設けられており、上流側触媒の一部のセルが閉塞しても、下流側触媒にはその影響が直接に及ぶことはないので、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒と下流側触媒とが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、下流側触媒のセル数を上流側触媒のセル数より減らしているため、貴金属の使用量を減らすことが容易になる。また下流側触媒の熱容量が下がるので下流側触媒温度の上昇速度が速くなり、始動直後の排気ガス浄化能が向上する。さらにセル数を減らすことにより圧損をさらに減らして背圧を下げ、エンジンの出力を向上させることが可能になる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、下流側触媒のセル数がさらに増えるので、反応機会が増えて排気ガス浄化率が向上する。さらに浄化率を向上しつつエンジン動力性能の低下を抑えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を参照しつつ本発明の排気ガス浄化装置について、その最良の実施形態をさらに具体的に説明する。
【００２６】
図１は、一般的なガソリンエンジンに本発明の排気ガス浄化装置を用いた場合の概略を示すシステム図である。通常本システム５０は車両に搭載されているものである。図１ではエンジン１０の左方に混合気供給部２０、右方に排気系が表されている。混合気供給部２０において、所定のＡ／Ｆ比に混合された燃料及び空気はエンジン１０に供給されて燃焼される。エンジン１０の各シリンダーにおいて燃焼して生成された排気ガスは、エキゾーストマニホールド１１を介し排気管１５にまとめられて、排気ガス浄化装置３０へと導かれている。なお、図１においては排気ガス浄化装置を示す参照符号として便宜上「３０」を使用するが、後に説明する第一実施形態乃至第４実施形態にかかる排気ガス浄化装置に対しては、適宜参照符号を変えて説明を行う。
【００２７】
排気ガス浄化装置３０にて有害物質が浄化処理された排気は排出管１６から大気中に放出される。混合気供給部２０にはスロットル弁２１が設けられ、その上流側にはエアフローメーター２２が、スロットル弁２１の近傍にはスロットルセンサ２３が設けられている。これらメーター２２、センサ２３からの出力信号は、原動機電子制御装置（以下において「ＥＣＵ」という。）４０に送られる。
【００２８】
排気ガス浄化装置３０の前後には、Ａ／Ｆセンサ２４、Ｏ２センサ２５がそれぞれ設けられ、浄化装置３０に導入される排気ガスの空燃比、浄化装置３０により浄化された排気の酸素濃度を検知している。これらＡ／Ｆセンサ２４、及びＯ２センサ２５による検知信号も、ＥＣＵ４０に送られている。
【００２９】
ＥＣＵ４０は、これらエアフローメーター２２、スロットルセンサ２３、Ａ／Ｆセンサ２４、及びＯ２センサ２５による検知信号を受けて、さらに必要により他のセンサからの信号を加えて、最適な制御条件を演算してエンジン１０の制御を司っている。
【００３０】
図２は、第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置１００の構成を概略的に示す図である。図２において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の排気ガス浄化装置１００は、上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１、ｃ２、ｃ３、…を備えている。一方、排気ガス浄化装置１００は、上流側は上流側触媒１００Ａ、下流側は下流側触媒１００Ｂとされており、両者は異なる触媒構成を有するとともに、一体に形成されている。
【００３１】
第一実施形態の排気ガス浄化装置１００によれば、上流側触媒１００Ａと下流側触媒１００Ｂとが一体に形成されているので、装置の小型化が容易となる。また、排気ガス浄化装置全体が上流側触媒１００Ａの構造をとっている場合、すなわち担体粒子の平均粒径の大きな立体構造をとっている場合において触媒にＯ２センサを付けていると、低濃度が検出できないという問題があるが、本実施形態の構成、すなわち粒子径の小さな下流側触媒にＯ２センサを設けることにより、かかる問題を解決することもできる。
【００３２】
いま、上流側触媒１００Ａの各セルにおける担体の平均粒径をＱｆとする。一方、下流側触媒１００Ｂの各セルにおける担体の平均粒径をＱｒとする。
【００３３】
第一実施形態の排気ガス浄化装置１００においては、これらＱｆ、及びＱｒとの間には、
Ｑｆ＞Ｑｒ
なる関係が成立する。
【００３４】
図３は、上流側触媒１００Ａ内の任意の一セルの部位Ａ、および下流側触媒１００Ｂ内の任意の一セルの部位Ｂにおいて、貴金属、担体がどのようにコート層を形成しているのかを示す概念図である。図３（Ａ）は上流側触媒１００Ａの、（Ｂ）は下流側触媒１００Ｂのそれぞれの基材層１０１、１１１上にコート形成されたコート層１０２、１１２の厚さ方向断面を模式的に示す。それぞれの図において、排気ガス通路はコート層１０２、１１２の上方に左側から右方向へと向かっている。
【００３５】
図３（Ａ）に示される上流側触媒１００Ａでは、基材層１０１上に、平均粒径の大きな担体、および貴金属からなるコート層１０２が形成されている。担体には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体が基材層１０１上にコーティングされてコート層１０２が形成されている。したがってコート層１０２の表層部１０３から内部の基材層１０１に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。かかる構成により、上流側触媒１００Ａでは担体の平均粒径が大きいため、表層部１０３の貴金属担持密度が小さくでき、かつ、担体粒子間の隙間が大きくなり、コート層１０２内部側への拡散量が増えるので、表層部１０３での反応量が減少し、内部側での反応量が増える。従って、コート層１０２における排気ガス流れ方向に直交する面の中央部側と周辺部側との反応熱の違いによる局所的温度勾配を緩和することができ、熱歪によるコート材の剥離を抑制することができる。
【００３６】
図３（Ｂ）に示される下流側触媒１００Ｂでは、基材層１１１上に、平均粒径の小さな担体、および貴金属からなるコート層１１２が形成されている。下流側触媒１００Ｂにおいても、担体には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体が基材層１１１上にコーティングされてコート層１１２が形成されている。したがって下流側触媒１００Ｂにおいても、コート層１１２の表層部１１３から内部の基材層１１１に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。したがってかかる構成により、下流側触媒１００Ｂにおいては担体粒子の平均粒径が小さいため、貴金属までのガス拡散距離が短縮され、ガス濃度が薄くなっても拡散量を多くすることができる。また担体粒子の平均粒径が小さいので、コート層表面部１１３の貴金属の面積密度が増大する。このため、ガス濃度が薄くなっても十分な浄化が確保される。もって、排気ガス浄化装置１００全体の浄化率を向上させることができる。
【００３７】
さらに、担体の平均粒径を下流側触媒１００Ｂより上流側触媒１００Ａにおいて大きくしたので、担体粒子の平均粒径の大きな上流側触媒１００Ａでは、エンジンオイルに由来するリン等の触媒に対する被毒物質をトラップして、下流側触媒１００Ｂに達する被毒物質を少なくすることができる。従って、下流側触媒１００Ｂにおいて平均粒径の小さな担体粒子を用いても、被毒によるコート層の目詰まりを少なくすることができる。もって、高い浄化能を長期にわたって維持することが可能となる。
【００３８】
加えて、コート層１０２、１１２は、予め貴金属を含浸担持させた担体を基材層１０１、１１１上にコートして形成しているので、コート後に貴金属を含浸担持させたものと比較した場合、コート層内部にまで均一に貴金属が存在するため、ＯＳＣが大きく、触媒浄化ウインドウを広くすることができる。従ってＡ／Ｆ比が変動しても、良好な浄化率を保持することが可能である。
【００３９】
第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置１００において、貴金属は、上流側触媒１００Ａと下流側触媒１００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。このようにすることによって、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００４０】
以上に説明した、図３に示される第一実施形態の排気ガス浄化装置１００における上流側触媒１００Ａと下流側触媒１００Ｂにおける貴金属、担体がコート層１０１、１１１を形成する態様、およびそれによる作用効果は、以下に説明する第二実施形態乃至第４実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００、３００、４００においても同様である。
【００４１】
図４は第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００の構成を概略的に示す図である。図４において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の、排気ガス浄化装置２００は、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとが別体に形成され、両者は離隔して配置されている。また、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとは、排気ガスの流れ方向の長さが略同一であるとともに、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面積も略同一となるよう形成されている。これら上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとは、排気管１５から排出管１６へと連通される外套管２５０に覆われている。
【００４２】
上流側触媒２００Ａは、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ４、ｃ５、ｃ６、…を備えている。一方、下流側触媒２００Ｂも、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ７、ｃ８、ｃ９、…を備えている。上流側触媒２００Ａのセルｃ４、ｃ５、ｃ６、…と、下流側触媒２００Ｂのセルｃ７、ｃ８、ｃ９、…の数は略同一に構成されている。かかる構成の排気ガス浄化装置２００においては、排気管１５から上流側触媒２００Ａの各セルｃ４、ｃ５、ｃ６、…内に流れ込んだ排気ガスは上流側触媒２００Ａにより所定の浄化を受ける。その後、一旦外套管２５０の中間部２５１においてひとつの流れとして合流し、再び下流側触媒２００Ｂの各セルｃ７、ｃ８、ｃ９、…内に導かれる。下流側触媒２００Ｂの各セルｃ７、ｃ８、ｃ９、…内においてさらに所定の浄化を受けた排気ガスは排出管１６に送られて、そこから外部に排出される。
【００４３】
上流側触媒２００Ａ内の任意の点Ａ、下流側触媒２００Ｂ内の任意の点Ｂにおける貴金属、担体がコート層を形成する態様、およびそれによる作用効果は、図３において説明した第一実施形態の排気ガス浄化装置１００におけるものと同様である。よってその説明はここでは省略する。また、第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００において、貴金属は、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。このようにすることによって、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００４４】
第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置２００によれば、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとが別体に設けられているので、上流側触媒２００Ａの一部のセルが閉塞しても、下流側触媒２００Ｂにはその影響が直接に及ぶことはない。従って、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒２００Ａと下流側触媒２００Ｂとが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。
【００４５】
図５は第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置３００の構成を概略的に示す図である。図５において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の、排気ガス浄化装置３００は、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとが別体に形成され、両者は離隔して配置されている。また、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとは、排気ガスの流れ方向の長さが略同一であるとともに、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面積も略同一となるよう形成されている。これら上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとは、排気管１５から排出管１６へと連通される外套管３５０に覆われている。
【００４６】
上流側触媒３００Ａは、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…を備えている。一方、下流側触媒３００Ｂも、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…を備えている。上流側触媒３００Ａのセルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…は、下流側触媒３００Ｂのセルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…の数より多く形成されている。換言すれば、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面について、上流側触媒３００Ａのセルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…の断面積は、下流側触媒３００Ｂのセルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…の断面積より小さく形成されている。
【００４７】
かかる構成の排気ガス浄化装置３００においては、排気管１５から上流側触媒３００Ａの各セルｃ１０、ｃ１１、ｃ１２、…内に流れ込んだ排気ガスは上流側触媒３００Ａにより所定の浄化を受ける。その後、一旦外套管３５０の中間部３５１においてひとつの流れとして合流し、再び下流側触媒３００Ｂの各セルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…内に導かれる。下流側触媒３００Ｂの各セルｃ１３、ｃ１４、ｃ１５、…内においてさらに所定の浄化を受けた排気ガスは排出管１６に送られて、そこから外部に排出される。
【００４８】
上流側触媒３００Ａ内の任意の点Ａ、下流側触媒３００Ｂ内の任意の点Ｂにおける貴金属、担体がコート層を形成する態様、およびそれによる作用効果は、図３において説明した第一実施形態の排気ガス浄化装置１００におけるものと同様である。よってその説明はここでは省略する。また、第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置３００において、貴金属は、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。ただしセル数が下流側触媒３００Ｂの方が少なくなるので、単位容積当たりの貴金属量では、下流側触媒３００Ｂの方が少ない。このようにすることによって、浄化性能を維持しつつ高価な貴金属の使用量を抑えることができる。
【００４９】
第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置３００によれば、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとが別体に設けられているので、上流側触媒３００Ａの一部のセルが閉塞しても、下流側触媒３００Ｂにはその影響が直接に及ぶことはない。従って、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒３００Ａと下流側触媒３００Ｂとが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。加えて、下流側触媒３００Ｂのセル数を上流側触媒３００Ａのセル数より減らしているため、貴金属の使用量を減らすことが容易になる。また下流側触媒３００Ｂの熱容量が下がるので下流側触媒３００Ｂの温度の上昇速度が速くなり、始動直後の排気ガス浄化能が向上する。さらにセル数を減らすことにより圧損をより多く減らして背圧を下げ、エンジンの出力を向上させることが可能になる。
【００５０】
図６は第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置４００の構成を概略的に示す図である。図６において、図面左方が排気管１５、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管１６、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の、排気ガス浄化装置４００は、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとが別体に形成され、両者は離隔して配置されている。また、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとは、排気ガスの流れ方向の長さに関し、上流側触媒４００Ａが下流側触媒４００Ｂより大である。また、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面積に関しては、上流側触媒４００Ａが下流側触媒４００Ｂより小さくなるよう形成されている。これら上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとは、排気管１５から排出管１６へと連通される外套管４５０に覆われている。
【００５１】
上流側触媒４００Ａは、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…を備えている。一方、下流側触媒４００Ｂも、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと貫通する多数のセルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…を備えている。上流側触媒４００Ａのセルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…は、下流側触媒４００Ｂのセルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…の数より少なく形成されている。換言すれば、排気ガスの流れ方向に直交する面方向の断面について、上流側触媒４００Ａのセルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…の断面積は、下流側触媒４００Ｂのセルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…の断面積より大きく形成されている。
【００５２】
かかる構成の排気ガス浄化装置４００においては、排気管１５から上流側触媒４００Ａの各セルｃ１６、ｃ１７、ｃ１８、…内に流れ込んだ排気ガスは上流側触媒４００Ａにより所定の浄化を受ける。その後、一旦外套管４５０の中間部４５１においてひとつの流れとして合流し、再び下流側触媒４００Ｂの各セルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…内に導かれる。下流側触媒４００Ｂの各セルｃ１９、ｃ２０、ｃ２１、…内においてさらに所定の浄化を受けた排気ガスは排出管１６に送られて、そこから外部に排出される。
【００５３】
上流側触媒４００Ａ内の任意の点Ａ、下流側触媒４００Ｂ内の任意の点Ｂにおける貴金属、担体がコート層を形成する態様、およびそれによる作用効果は、図３において説明した第一実施形態の排気ガス浄化装置１００におけるものと同様である。よってその説明はここでは省略する。また、第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置４００において、貴金属は、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとで、単位長さ単位セルあたり同一量とされている。ただしセル数が上流側触媒４００Ａの方が少なくなるので、単位容積当たりの貴金属量では、上流側触媒４００Ａの方が少ない。
【００５４】
第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置４００によれば、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとが別体に設けられているので、上流側触媒４００Ａの一部のセルが閉塞しても、下流側触媒４００Ｂにはその影響が直接に及ぶことはない。従って、浄化能の低下や圧力損失の増大を最小限に抑えることが出来る。また、上流側触媒４００Ａと下流側触媒４００Ｂとが別体に形成されているので車両への搭載スペースが限られている場合でも、分割して搭載することが容易でありスペースを有効に活用することができる。加えて、下流側触媒４００Ｂのセル数を上流側触媒４００Ａのセル数より減らしているため、貴金属の使用量を減らすことが容易になる。また下流側触媒４００Ｂの熱容量が下がるので下流側触媒４００Ｂの温度の上昇速度が速くなり、始動直後の排気ガス浄化能が向上する。さらにセル数を減らすことにより圧損をより多く減らして背圧を下げ、エンジンの出力を向上させることが可能になる。加えて、下流側触媒４００Ｂのセル数がさらに増えるので、反応機会が増えて排気ガス浄化率が向上する。さらに浄化率を向上しつつエンジン動力性能の低下を抑えることが可能になる。
【００５５】
本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００において、貴金属の種類は特に限定されるものではないが、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、およびパラジウム（Ｐｄ）のうちのいずれか、またはこれらを組み合わせて使用することができる。これらの中でも、Ｐｔ、及び／又はＲｈを好ましく使用することができる。
【００５６】
また、本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００において、担体の種類は特に限定されるものではないが、多孔質で表面積の大きな材料、たとえばセリア／アルミナ、あるいはジルコニア等を好適に使用することができる。
【００５７】
上流側触媒１００Ａ、２００Ａ、３００Ａ、４００Ａの担体粒子径は下流側担体粒子径の２倍以上であることが好ましい。かかる粒子径比を取ることにより、本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００の浄化能をより高めることができる。
【００５８】
図７は、本発明の排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００の製造工程を模式的に示す図である。平均粒径大である担体粉末Ａに貴金属を含浸担持させて上流側に使用する基材上にコーティングする。一方、平均粒径小である担体粉末Ｂに貴金属を含浸担持させ、下流側に使用する基材上にコーティングする。かかる貴金属を担持した担体をコートされた基材をそれぞれ焼成することにより、排気ガス浄化装置１００、２００、３００、４００の上流側、下流側各触媒を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】一般的なガソリンエンジンに本発明の排気ガス浄化装置を用いた場合の概略を示すシステム図である。
【図２】第一実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図３】（Ａ）は上流側触媒の、（Ｂ）は下流側触媒の基材層上に形成されたコート層の厚さ方向断面を模式的に示す図である。
【図４】第二実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図５】第三実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図６】第四実施形態の排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図である。
【図７】排気ガス浄化装置の触媒製造工程を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
ｃ１〜ｃ２０、ｃ２１… セル
１０ エンジン
１１ エキゾーストマニホールド
１５ 排気管
１６ 排出管
２０ 混合気供給部
２１ スロットル弁
２２ エアフローメーター
２３ スロットルセンサ
２４ Ａ／Ｆセンサ
２５ Ｏ２センサ
４０ ＥＣＵ
５０ システム
１０１、１１１ 基材層
１０２、１１２ コート層
１０３、１１３ 表層部
３０、１００、２００、３００、４００ 排気ガス浄化装置
１００Ａ、２００Ａ、３００Ａ、４００Ａ 上流側触媒
１００Ｂ、２００Ｂ、３００Ｂ、４００Ｂ 下流側触媒
２５０、３５０、４５０ 外套管
２５１、３５１、４５１ （外套管）中間部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス通路に配設され、前記排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを備えるとともに、これら各触媒は基材層上に予め貴金属を担持させた担体粒子を有するコート層を具備する排気ガス浄化装置であって、
前記上流側触媒の担体粒子の平均粒径は、前記下流側触媒の担体粒子の平均粒径より大きく、
単位長さ、単位セルあたりの前記貴金属量は、前記上流側触媒と下流側触媒とで同一である、ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記上流側触媒と下流側触媒とは、一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記上流側触媒と下流側触媒とは、離隔して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記上流側触媒のセル数は、下流側触媒のセル数より多いことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排気ガスの流れ方向に沿った長さに関して、前記上流側触媒は下流側触媒より大であるとともに、前記流れ方向に直交する面方向の断面積に関して前記上流側触媒は下流側触媒より小であり、
セル数に関して、前記上流側触媒は下流側触媒より小である、ことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気ガス通路に配設され、前記排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを備えるとともに、これら各触媒は基材層上に予め貴金属を担持させた担体粒子を有するコート層を具備する排気ガス浄化装置であって、
前記上流側触媒の担体粒子の平均粒径は、前記下流側触媒の担体粒子の平均粒径より大きく、
単位長さ、単位セルあたりの前記貴金属量は、前記上流側触媒と下流側触媒とで同一である、ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記上流側触媒と下流側触媒とは、一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記上流側触媒と下流側触媒とは、離隔して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記上流側触媒のセル数は、下流側触媒のセル数より多いことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排気ガスの流れ方向に沿った長さに関して、前記上流側触媒は下流側触媒より大であるとともに、前記流れ方向に直交する面方向の断面積に関して前記上流側触媒は下流側触媒より小であり、
セル数に関して、前記上流側触媒は下流側触媒より小である、ことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２３１２４８（Ｐ２００６−２３１２４８Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１８３１（Ｐ２００５−５１８３１）
【出願日】平成１７年２月２５日（２００５．２．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２５日（２００５．２．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]