JP5757297B2 - 触媒コンバーター - Google Patents

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Description

本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される触媒コンバーターに関するものである。
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
ところで、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。
エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、パラジウムや白金のような貴金属触媒からなる触媒層が多数のセルを具備する基材のセル壁面に形成されている。より具体的には、多数のセルのセル壁面において、基材の長手方向であって排ガスが流通する方向に亘って触媒層が形成されており、このような構成の基材を具備する触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。
ところで、たとえばハニカム構造のセルを具備する基材において、基材のセル密度が一様な触媒コンバーターが一般的であるが、基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して高くなることから、基材全体の触媒層を十分に活用できていないという課題がある。そこで、このような排ガスの流速分布を勘案して、基材の周辺領域に比して中央領域のセル密度が高い触媒コンバーターとすることにより、基材断面内における流速分布差を可及的に低減することができ、触媒コンバーター全体の触媒層を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
ここで、特許文献１には、触媒コンバーター（ここでは触媒体）の全体としてセル密度が一様なたとえばハニカム構造の基材に対して、その中央領域（ここでは中心部）と周辺領域（ここでは外周部）で担持される貴金属触媒の量を変化させることによって排ガス浄化性能を向上させる技術が開示されている。より具体的には、触媒体のうち、ガス流れの多い中心部に担持される単位体積当たりの触媒量を外周部の1.1倍以上としたものである。しかしながら、この技術では、触媒全体としてセル密度が一様であるために高い排ガス浄化性能を期待し難い。
特開２００２−１７７７９４号公報
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して高い排ガス浄化性能を有する触媒コンバーターを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、セル構造の基材のセル壁面においてガスが流通する基材の長手方向に貴金属触媒からなる触媒層が形成されてなる触媒コンバーターであって、基材は、セル密度が相対的に高い中央領域と、セル密度が相対的に低い周辺領域とから構成され、中央領域に比して周辺領域の触媒層の前記長手方向の長さが長いものである。
本発明の触媒コンバーターは、たとえば多数のセルを具備する基材をセル密度の異なる中央領域と周辺領域から構成し、中央領域のセル密度を相対的に高くしたことによって、セル密度一様の基材に比して中央領域と周辺領域の排ガスの流速分布の差を小さくすることができ、触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して排ガス浄化をおこなうことができる。さらに、中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さ（基材内を排ガスが流れる方向の長さ）を長くすることにより、良好な排ガス浄化性能を期待することができる。
この理由を以下で説明する。すなわち、基材をその長手方向に沿う断面で切断した縦断面図において、単位体積当たりのセル密度が一様の基材に対して、中央領域のセル密度が相対的に高い基材では、セル密度が相対的に低い周辺領域へ流入する排ガス量が多くなる。セル壁面において基材の長手方向に形成される触媒層の長さ（基材の長手方向の長さに対し、触媒層の長手方向の長さは様々な比率で設定される）に関し、基材全体でセル密度が一様な従来の基材の触媒層を基準としてセル密度の異なる基材の触媒層に適用すると、セル密度が小さな周辺領域は従来のセル密度一様の基材に比して流入する排ガス量（浄化すべき排ガス量）が多く、したがって十分な浄化性能を得ることができない。そこで、セル密度を中央領域と周辺領域で相違させることに加えて、中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さを長くすることによって周辺領域における触媒層と排ガスの接触面積を増加させ、排ガス浄化性能を向上させることができる。
セル壁面に形成される触媒層の実施の形態としては、セル壁面側の下層とその上方の上層からなる２層構造とし、それぞれの層を貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上から形成した形態を適用できる。
ここで、使用されるセル構造の基材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材からなるもののほか、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものを使用してもよい。また、その構成は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するいわゆるハニカム構造体が適用できる。
また、触媒層の比率に関し、好ましくは、基材の長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が65%以上である形態の触媒コンバーターを挙げることができる。
本発明者等によれば、基材の長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が65%以上において、優れた性能を有することが特定されている。
また、好ましくは、基材の長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が80%であり、基材の長手方向の長さに対する周辺領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が85〜100%である形態の触媒コンバーターを挙げることができる。
本発明者等によれば、このような中央領域の触媒層の長手方向の長さの比率、および周辺領域の触媒層の長手方向の長さの比率を有する形態において、優れた性能を有することが特定されている。
さらに、周辺領域のセル密度に対する中央領域のセル密度が1倍より大きくて2倍以下の範囲となる形態が好ましい。
本発明者等によれば、触媒層の長さに関し、中央領域と周辺領域ともに80%で固定し、セル密度に変化がない実施例に対して、セル密度比が1倍より大きくて2倍以下で性能が優れることが分かっている。このことより、好ましい形態の触媒コンバーターとして、周辺領域のセル密度に対する中央領域のセル密度が1倍より大きくて2倍以下の範囲に規定したものである。
セル密度の比率が1倍以下の場合には中央領域と周辺領域でのセル密度の相違による各領域のセルへ流入する排ガス量の制御が不十分なものとなること、セル密度の比率が2倍を超えると周辺領域へ流入する排ガス量が多くなり過ぎ、浄化性能が低下する恐れがあること、が数値範囲の上下限値の設定根拠である。
本発明の触媒コンバーターは、好適には耐熱衝撃性に優れたコージェライトハニカム担体を有するものであるが、それ以外にも電気加熱式の触媒コンバーター（EHC:Electrically Heated Converter）であってもよい。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統に適用することで、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化することができる。
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、その構成要素である基材がセル密度が相対的に高い中央領域とセル密度が相対的に低い周辺領域とから構成され、さらに中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さが長いことにより、排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターを提供することができる。
本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図である。 （ａ）は基材の周辺領域のセル壁面の長手方向の長さと２層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図であり、（ｂ）は基材の中央領域のセル壁面の長手方向の長さと２層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図である。 セル密度一様の基材と中央領域と周辺領域でセル密度が異なる基材の排ガスの流速分布を説明した図である。 実施例および比較例のNOx 50%浄化率到達温度に関する実験結果を示した図である。 図４で示す実施例および比較例とNOx 50%浄化率到達温度に関する実験結果を周辺領域の触媒層の長さ（基材の長さに対する比率）とNOx 50%浄化率到達温度に関する実験結果に置き換えて示した図である。
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（排ガスの排気系統）
まず、本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（触媒コンバーターの実施の形態）
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２ａは基材の周辺領域のセル壁面の長手方向の長さと２層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図であり、図２ｂは基材の中央領域のセル壁面の長手方向の長さと２層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図である。また、図３はセル密度一様の基材と中央領域と周辺領域でセル密度が異なる基材の排ガスの流速分布を説明した図である。
図１で示す触媒コンバーター１０は、多数のセルを有する筒状の基材１と、セルを構成するセル壁面に形成された２層構造の触媒層とから大略構成されている。
ここで、基材１の素材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材を挙げることができる。また、基材のセル壁面に形成される触媒層を構成する担体としては、多孔質酸化物であるCeO2、ZrO2、Al2O3の少なくとも一つを主成分とする酸化物を挙げることができ、セリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物や、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）を挙げることができる。
基材１は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するハニカム構造体からなり、各セル内を排ガスが流通するようになっている（Ｘ１方向）。
基材１は、セル密度が相対的に高い中央領域１Ａと、セル密度が相対的に低い周辺領域１Ｂの２つの領域から構成されている。
ここで、図３を参照して排ガスの流速分布について説明する。なお、図３で示す流速分布は、断面円形の基材の中心０を中心に直径の２つの端点を−1、1とし、その途中位置を半径に対する比率で示し、各位置における排ガスの流速を基材のセル密度が一様な触媒コンバーターの基材中心の流速に対する比率で示したものである。
基材のセル密度が一様な触媒コンバーターでは、図３の点線ラインで示すように基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して格段に高くなる。そのため、基材全体の触媒層を十分に活用し難いという課題があった。これに対し、本発明の触媒コンバーター１０のように基材１をセル密度の異なる２つの領域から形成し、周辺領域１Ｂのセル密度を相対的に低くしたことにより、同図の実線ラインで示すように、基材１の中央領域１Ａと周辺領域１Ｂの流速分布の差を格段に低減でき、触媒コンバーター１０の有する触媒層全体を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
さらに、図示する触媒コンバーター１０では、基材１の周辺領域１Ｂと中央領域１Ａにおいて、各領域のセル壁面に形成される触媒層の長さを変化させている。
ここで、図２ａで示す周辺領域１Ｂのセル壁面１Ｂａの表面に形成される触媒層２Ｂは、セル壁面１Ｂａ側の下層２Ｂａとその上方であって排ガスに直接接する上層２Ｂｂからなる２層構造であり、それぞれの層は貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上から形成されている。同様に、図２ｂで示す中央領域１Ａのセル壁面１Ａａの表面に形成される触媒層２Ａも、セル壁面１Ａａ側の下層２Ａａとその上方の上層２Ａｂからなる２層構造であり、それぞれの層は貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上から形成されている。
基材１の長手方向の長さ（排ガスが流れる方向の長さ）をt1とした際に、セル壁面１Ａａ，１Ｂａも同様に長さはt1となり、これに対して、触媒層２Ａ，２Ｂの上層２Ａｂ，２Ｂｂの長さt4、t2はt1＞t2＞t4の関係であり、触媒層２Ａ，２Ｂの下層２Ａａ，２Ｂａの長さt5、t3はt1＞t3＞t5の関係である。
このように、セル密度を中央領域１Ａと周辺領域１Ｂで相違させることに加えて、中央領域１Ａの触媒層２Ａ（の上層２Ａｂ、下層２Ａａ）に比して周辺領域１Ｂの触媒層２Ｂ（の上層２Ｂｂ、下層２Ｂａ）の長手方向の長さを長くすることにより、触媒コンバーター１０の良好な排ガス浄化性能を期待することができる。
また、セル密度に関しては、周辺領域１Ｂのセル密度に対する中央領域１Ａのセル密度を1倍より大きくて2倍以下の範囲に設定するのがよい。セル密度の比率が1倍以下の場合には中央領域１Ａと周辺領域１Ｂでのセル密度の相違による各領域のセルへ流入する排ガス量の制御が不十分なものとなること、セル密度の比率が2倍を超えると周辺領域１Ｂへ流入する排ガス量が多くなり過ぎ、浄化性能が低下する恐れがあること、が数値範囲の上下限値の設定根拠である。
なお、触媒層は図示例のように２層構造以外にも、１層構造の形態、３層以上の構造の形態などであってもよい。
[周辺領域の触媒層の長さ（基材の長さに対する比率）とNOx50%浄化率温度に関する実験とその結果]
本発明者等は、以下で示す実施例1〜3および比較例1、2のハニカム構造基材を製作して、周辺領域の触媒層の長さ（基材の長さに対する比率）を変化させた際のNOx50%浄化率温度を測定した実験をおこなった。
（実施例1）
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、中央領域と周辺領域でセル密度を相違させた。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さt1が105mmであり、セル密度が相対的に低い周辺領域のセル密度が400cpsi(62個/cm2)であり、セル密度が相対的に高い中央領域のセル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、中央領域と周辺領域の切替ラインがφ70mmの位置であり、セルの格子形状は四角形である。さらに、触媒層は２層構造であって下層がPt担持層で担持量は0.3g/L、上層がRh担持層で担持量は0.1g/L、触媒層の長さに関しては、中央領域の上層と下層の長さ（基材長さt1に対する比率が100%）はともに80%であり、周辺領域の上層と下層の長さ（基材長さt1に対する比率が100%）はともに90%である。
（実施例2）
触媒層の長さに関し、周辺領域の上層および下層の長さが基材長さの85%であること以外は実施例1と同様である。
（実施例3）
触媒層の長さに関し、周辺領域の上層および下層の長さが基材長さの100%であること以外は実施例1と同様である。
（比較例1）
触媒層の長さに関し、周辺領域の上層および下層の長さが基材長さの80%であること（したがって、中央領域と周辺領域の触媒層（の上層、下層）の長さが同じ）以外は実施例1と同様である。
（比較例2）
触媒層の長さに関し、周辺領域の下層の長さが基材長さの70%であること以外は実施例1と同様である。
（実験方法）
浄化性能評価試験では、実機エンジンを使用し、A/FがストイキにおけるNOx50%浄化温度を測定した。
試験結果を以下の表１、および図４，５に示す。なお、図４は実施例および比較例のNOx 50%浄化率到達温度に関する実験結果を示した図であり、図５は図４で示す実施例および比較例とNOx 50%浄化率到達温度に関する実験結果を周辺領域の触媒層の長さ（基材の長さに対する比率）とNOx 50%浄化率到達温度に関する実験結果に置き換えて示した図である。
Figure 0005757297
表１および図４，５より、実施例1〜3は、比較例1に比して2〜8℃の温度低下を実現でき、比較例2に比して10〜16℃の温度低下を実現できることが分かった。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…基材、１Ａ…中央領域、１Ａａ…セル壁面、１Ｂ…周辺領域、１Ｂａ…セル壁面、２Ａ…触媒層（中央領域の触媒層）、２Ａａ…下層、２Ａｂ…上層、２Ｂ…触媒層（周辺領域の触媒層）、２Ｂａ…下層、２Ｂｂ…上層、１０…触媒コンバーター

Claims (4)

  1. セル構造の基材のセル壁面においてガスが流通する基材の長手方向に貴金属触媒からなる触媒層が形成されてなる触媒コンバーターであって、
    基材は、セル密度が相対的に高い中央領域と、セル密度が相対的に低い周辺領域とから構成され、
    中央領域に比して周辺領域の触媒層の前記長手方向の長さが長い触媒コンバーター。
  2. 基材の前記長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が65%以上である請求項１に記載の触媒コンバーター。
  3. 基材の前記長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が80%であり、
    基材の前記長手方向の長さに対する周辺領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が85〜100%である請求項１または２に記載の触媒コンバーター。
  4. 周辺領域のセル密度に対する中央領域のセル密度が1倍より大きくて2倍以下の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の触媒コンバーター。
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