(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の担体と、前記第１の担体に担持される第１の触媒活性物質とを具備する第１の触媒と、
前記第１の触媒に対して直列に配置される第２の触媒であって、第２の担体と、前記第２の担体に担持される第２の触媒活性物質とを具備する第２の触媒と
を具備し、
前記第１の担体は、当該第１の担体を形成する壁部に、当該壁部を貫通し４つの縁面により規定される貫通孔が形成され、
前記縁面を含む前記第１の担体の表面に担持される前記第１の触媒活性物質の担持量は、前記第２の触媒活性物質の担持量以上とされ、
前記貫通孔は、前記第１の担体の熱容量が前記第２の担体の熱容量よりも小さくなるように形成され、
前記第１の担体の質量と前記第１の触媒活性物質の質量の合計である前記第１の触媒の質量は、前記第２の担体の質量と前記第２の触媒活性物質の質量の合計である前記第２の触媒の質量よりも小さくされ、
前記貫通孔の前記壁部に占める割合は、前記第１の担体において単位面積当たりに担持できる前記第１の触媒活性物質の最大質量である担持限界質量に基づいて設定される
ことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第１の触媒の熱容量が前記第２の触媒の熱容量より小さくなるように、前記壁部に占める前記貫通孔の割合と前記第１の触媒活性物質の担持量を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記縁面を含む前記第１の担体の表面積は、前記第１の触媒活性物質の担持量を前記担持限界質量で除した値と等しい
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車に設けられて触媒を備える排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン（内燃機関）を備える自動車は、エンジンより排出される排ガスが流動する排ガス流路中に、排ガス浄化装置が設けられている。排ガス浄化装置は、排ガス中の未燃燃料、一酸化炭素や窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、触媒を備えている。また、２つの触媒を直列に配置するタンデム構造の排ガス浄化装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
前段に配置される触媒と後段に配置される触媒とを備える構造の排ガス浄化装置では、排ガスの浄化性能を向上する観点から、前段の触媒と後段の触媒との構造とにさらに工夫が施すことが提案されている
上記工夫の一例として、前段の触媒は、自動車の発進直後の排ガスの浄化性能を向上するために、活性温度まで後段の触媒に対して早期に昇温できるように形成されている。具体的には、前段の触媒の担体の壁部を薄くしたり、容量を小さくすることで熱容量を小さくし，また担体のセル数を多くし表面積を増やす事で熱を受けやすくする事が行われている。後段の触媒は、低セル密度であって大容量の担体が用いられており、前段の触媒で処理できなかった排ガスを浄化するように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６３０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前段の触媒の熱容量を小さくするために、容量を小さくすると、触媒による排ガスの浄化性能が低下するおそれがある。担体の壁部を薄くすると、耐久性が低下するおそれがある。セル密度を高くすると（高セル密度化）、圧力損失の上昇や、熱容量が増加するおそれがある。
【０００６】
このため、本発明は、耐久性の低下、圧力損失の上昇、熱容量の増加を抑制しつつ、排ガスの浄化性能を向上できる排ガス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】
【０００７】
請求項１に記載の発明の排ガス浄化装置は、第１の担体と、前記第１の担体に担持される第１の触媒活性物質とを具備する第１の触媒と、前記第１の触媒に対して直列に配置される第２の触媒であって、第２の担体と、前記第２の担体に担持される第２の触媒活性物質とを具備する第２の触媒とを備える。前記第１の担体は、当該第１の担体を形成する壁部に、当該壁部を貫通し４つの縁面により規定される貫通孔が形成される。前記縁面を含む前記第１の担体の表面に担持される前記第１の触媒活性物質の担持量は、前記第２の触媒活性物質の担持量以上とされる。前記貫通孔は、前記第１の担体の熱容量が前記第２の担体の熱容量よりも小さくなるように形成される。前記第１の担体の質量と前記第１の触媒活性物質の質量の合計である前記第１の触媒の質量は、前記第２の担体の質量と前記第２の触媒活性物質の質量の合計である前記第２の触媒の質量よりも小さくされる。前記貫通孔の前記壁部に占める割合は、前記第１の担体において単位面積当たりに担持できる前記第１の触媒活性物質の最大質量である担持限界質量に基づいて設定される。
【０００８】
請求項２に記載の発明の排ガス浄化装置は、請求項１の記載において、前記第１の触媒の熱容量が前記第２の触媒の熱容量より小さくなるように、前記壁部に占める前記貫通孔の割合と前記第１の触媒活性物質の担持量を設定する。
請求項３に記載の発明の排ガス浄化装置は、請求項１又は２の記載において、前記縁面を含む前記第１の担体の表面積は、前記第１の触媒活性物質の担持量を前記担持限界質量で除した値と等しい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、耐久性の低下、圧力損失の上昇、熱容量の増加を抑制しつつ、排ガスの浄化性能を向上できる排ガス浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の排ガス浄化装置を備えるエンジンシステムを示す概略図。
【図２】図１に示された前段触媒装置と後段触媒装置とを分解した状態を示す概略図。
【図３】図２に示された前段用触媒の一部を拡大して示す斜視図。
【図４】図２に示された前段用担体の作成手順の一例を示す概略図。
【図５】図２に示された前段用触媒において、第１，２のシート部材の開口率を変化させた場合の、前段用触媒の浄化性能を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を、図１〜５を用いて説明する。図１は、本実施形態の排ガス浄化装置２０を備えるエンジンシステム１０を示す概略図である。エンジンシステム１０は、一例として自動車に用いられる。図１に示すように、エンジンシステム１０は、エンジン１１と、吸気系１２と、排ガス系１３とを備えている。
【００１２】
エンジン１１は、シリンダ１４とピストン１５とを備える、燃料としてガソリンを用いるレシプロ式内燃機関である。吸気系１２は、吸気通路１６を備えている。吸気通路１６は、エンジン１１の燃焼室１７に吸気する。
【００１３】
排ガス系１３は、エンジン１１から排出される排ガスＧを外部へ導く排ガス通路１８と、排ガス通路１８中を流れる排ガスＧを浄化する排ガス浄化装置２０とを備えている。排ガス浄化装置２０は、排ガス通路１８中に組み込まれている。排ガスＧは、排ガス浄化装置２０を通過する。排ガスＧは、排ガス浄化装置２０を通過することによって、浄化される。
【００１４】
排ガス浄化装置２０は、本発明で言う排ガス浄化装置の一例である。排ガス浄化装置２０は、上流側に配置される前段触媒装置３０と、前段触媒装置３０に対して下流に配置される後段触媒装置４０と、前段触媒装置３０と後段触媒装置４０とを収容するハウジング６０とを備えている。
【００１５】
ハウジング６０は、排ガス通路１８の一部を構成している。なお、上流、下流は、排ガスＧの流れる方向に沿って定義される。本実施形態では、図中に矢印で示すように、排ガスＧは、一方向に流れる。前段触媒装置３０と後段触媒装置４０とは、排ガスＧが流れる方向にそって、直列に並んで配置される。
【００１６】
図２は、前段触媒装置３０と後段触媒装置４０とを分解した状態を示す概略図である。図２に示すように、前段触媒装置３０は、前段用ハウジング３１と、前段用触媒３２とを備えている。前段用触媒３２は、本発明で言う第１の触媒の一例である。図２中、分解された前段用触媒３２を２点鎖線で示す。前段用ハウジング３１は、筒状であって、両端開口が排ガスＧの流れる方向に並んでいる。
【００１７】
前段用触媒３２は、前段用担体３３と、前段用担体３３に担持される前段用触媒活性物質３４とを備えている。図２中、前段用触媒３２の一部を拡大して示している。図２中に拡大して示すように、前段用担体３３は、前段用ハウジング３１内に収容された状態において前段用ハウジング３１の一端の開口３１ａから他端の開口３１ｂまで連通する複数の通路３５を備えるハニカム構造である。前段用担体３３は、本発明で言う第１の担体の一例である。排ガスＧは、前段用触媒３２を一端の開口３１ａから他端の開口３１ｂまで通過することができる。前段用触媒３２は、本発明で言う第１の触媒の一例である。
【００１８】
図３は、前段用触媒３２の一部を拡大して示す斜視図である。前段用触媒３２は、上記したように、前段用ハウジング３１の一端の開口３１ａから他端の開口３１ｂまで連通して排ガスＧが通過可能な通路３５を複数備えるハニカム構造である。図３に示すように、前段用担体３３において、通路３５を規定する壁部３６には、複数の貫通孔３７が形成されている。貫通孔３７は、隣り合う通路３５を互いに連通している。貫通孔３７は、本発明でいう貫通孔の一例である。
【００１９】
前段用担体３３の作成手順の一例を説明する。図４は、前段用担体３３の作成手順の一例を示す概略図である。図４に示すように、前段用担体３３は、第１のシート部材５０と、第２のシート部材５１とを組み合わせるとともに、第１，２のシート部材５０，５１が組み合わさった状態で、これをロール状に丸めることによって形成される。
【００２０】
第１のシート部材５０は、図に示すように、薄いシート状であって、当該第１のシート部材５０を貫通する複数の貫通孔３７が形成されている。第２のシート部材５１は、第１のシート部材５０と同様のシート部材をひだ折りすることによって形成される。第１，２のシート部材５０，５１に形成される貫通孔３７が、前段用担体３３に形成される貫通孔３７となる。
【００２１】
ここで言う開口率とは、第１，２のシート部材５０，５１の上面５２，５３において周縁５４，５６内に規定される範囲の面積に対する、貫通孔３７の面積の割合である。
【００２２】
上記のように構成される前段用担体３３に、前段用触媒活性物質３４が担持される。前段用触媒活性物質３４は、本発明で言う第１の触媒活性物質の一例である。なお、前段用触媒活性物質３４は、担持されている様子を図２に示している。前段用触媒活性物質３４は、前段用担体３３の表面に担持されており、それゆえ、他の図面においては符号３４は前段用担体３３の表面を示している。実際には、前段用担体３３の表面には、図２に示すように、前段用触媒活性物質３４が担持されている。
【００２３】
触媒活性物質としては、例えば、プラチナＰｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈなどがある。本実施形態では、前段用触媒活性物質として、一例として、プラチナＰｔと、パラジウムＰｄと、ロジウムＲｈとが用いられている。これら３種の物質は、所定の割合で混合されている。
【００２４】
図２中、分解された後段触媒装置４０を２点鎖線で示す。図２に示すように、後段触媒装置４０は、後段用ハウジング４１と、後段用触媒４２とを備えている。後段用ハウジング４１は、筒状であって、両端が排ガスＧの流れる方向に並んでいる。図２中、後段用触媒４２の一部を拡大して示す。
【００２５】
後段用触媒４２は、本発明で言う第２の触媒の一例である。図２中に拡大して示すように、後段用触媒４２は、後段用担体４３と、後段用担体４３に担持される後段用触媒活性物質４４とを備えている。後段用担体４３は、後段用ハウジング４１に収容されたときに、後段用ハウジング４１の一端の開口４１ａから他端の開口４１ｂまで連通する複数の通路４５を備えるハニカム構造である。後段用担体４３は、前段用担体３３のように壁部に貫通孔は形成されていない。後段用担体４３は、本発明で言う第２の担体の一例である。
【００２６】
後段用触媒活性物質は、本発明で言う第２の触媒活性物質の一例である。後段用触媒活性物質４４は、一例として、プラチナＰｔと、パラジウムＰｄと、ロジウムＲｈ＊とが用いられている。これら３種の物質は、所定の割合で混合されている。なお、混合の割合は、前段用触媒３２と同様であってもよいし、または、異なる割合であってもよい。また、後段用触媒活性物質４４は、前段用触媒活性物質３４と異なる物質であってもよい。後段用触媒４２は、本発明で言う第２の触媒の一例である。
【００２７】
前段用触媒活性物質３４の量と、前段用担体３３に形成される貫通孔３７と、後段用触媒４２との関係について説明する。前段用触媒３２の質量をａ１とする。後段用触媒４２の質量をｂ１とする。ｂ１は、ａ１よりも大きい（ａ１＜ｂ１）。なお、前段用触媒３２の質量ａ１は、本実施形態では、前段用担体３３の質量と、前段用触媒活性物質３４の質量との合計である。後段用触媒４２の質量ｂ１は、本実施形態では、後段用担体４３の質量と、後段用触媒活性物質４４の質量の合計である。
【００２８】
前段用触媒活性物質３４の質量をａ２とする。後段用触媒活性物質４４の質量をｂ２とする。本実施形態では、ａ２は、ｂ２より大きい（ａ２＞ｂ２）。前段用触媒活性物質３４の質量ａ２は、前段用触媒３２に求められる排ガスＧの浄化性能に合わせて決定されている。
【００２９】
前段用担体３３の表面積をＡとする。前段用担体３３の表面積について、具体的に説明する。前段用担体３３の表面積は、前段用担体３３において流動する排ガスＧと接触する可能性がある面の面積である。表面積Ａは、図３に示すように、第１，２のシート部材５０，５１の両面に加えて、貫通孔３７を規定する４つの縁面５５も含む。
【００３０】
前段用担体３３の、担持限界質量をＬとする。担持限界質量は、前段用担体３３において、単位面積に担持可能な前段用触媒活性物質３４の最大質量である。担持限界質量Ｌは、予め決まった値である。前段用担体３３に必要な表面積、つまり、前段用担体３３において排ガスＧが接触可能な面の面積の最小値をＳｍｉｎとすると、Ｓｍｉｎ＝ａ１／Ｌとなる。このため、Ａ≧Ｓｍｉｎとなる。貫通孔３７は、前段用担体３３の表面積Ａが、Ｓｍｉｎ以上となるように、形成されている。
【００３１】
本実施形態では、一例としてＡ＝Ｓｍｉｎとなる。前段用担体３３に貫通孔３７が形成されていない点のみ異なり、他の構造（形状、大きさ）が前段用担体３３と同じである担体を仮想した場合、この仮想担体の表面積は、貫通孔３７を考慮した分Ｓｍｉｎよりも多くなる。
【００３２】
図５は、前段用触媒３２において、第１，２のシート部材５０，５１の開口率を変化させた場合の、前段用触媒３２の浄化性能を示すグラフである。ここで言う開口率とは、上記した、第１，２のシート部材５０，５１の周縁５４，５６の内側の範囲の面積に対する貫通孔３７の面積の割合である。
【００３３】
図５中横軸は、開口率を示し、図中右側に進むにつれて開口率が大きくなることを示す。図５中縦軸は、排ガスＧ中において浄化すべき物質の低減効果を示している。浄化すべき物質は、例えば、ＮＯｘや未燃燃料である。縦軸において目盛り１は、低減されていないことを示す。目盛りにおいて１より小さい値は（例えば、０．９や０．７など）、浄化すべき物質が低減していることを示しており、それゆえ、前段用触媒３２の浄化性能が向上していることを示している。
【００３４】
図５では、開口率が０（零）％である構造の排ガス中の浄化すべき物質の量（質量）を基準としている。縦軸の目盛りは、開口率が０％である構造の排ガス中の浄化すべき物質の量（質量）に対する割合を示している。
【００３５】
このため、開口率が０％の構造は、縦軸が１を示しており、つまり、浄化すべき物質が低減されていないことを示している。縦軸の０．９は、排ガス中の浄化すべき物質の量（質量）が、開口率０％（目盛りが１）の構造の排ガス中の浄化すべき物質の量（質量）に対して０．１（１割）減少したことを示す。
【００３６】
図５では、開口率がＰの位置近辺で前段用触媒３２の排ガス浄化性能が高いことが示されている。本実施形態の第１，２のシート部材５０，５１は、一例として開口率がＰである。開口率がＰである場合、前段用担体３３の表面積Ａは、Ｓｍｉｎである。
【００３７】
このように構成される排ガス浄化装置２０では、前段用担体３３に貫通孔３７を形成することによって前段用担体３３の質量を小さくし、前段用触媒３２の質量ａ１を後段用触媒４２の質量ｂ１よりも小さくしている。それゆえ、前段用触媒３２の熱容量を後段用触媒４２よりも小さくできる。このため、前段用触媒３２を後段用触媒４２に対して早期に昇温度できる。言い換えると、前段用触媒活性物質３４の活性温度まで早期に昇温することができる。
【００３８】
前段用触媒活性物質３４を早期に活性化できるので、自動車の走行開始直後などでも前段触媒装置３０が早く昇温することで排ガスを浄化できる。そして、後段用触媒４２は、前段用触媒３２で処理されなかった排ガスを浄化する。このように、排ガス浄化装置２０が自動車の走行開始から早期に機能するので、排ガスの浄化性能が向上する。
【００３９】
さらに、貫通孔３７を形成する構造であるので、前段用担体３３を軽量化するために壁部３６を薄くすることがなく、それゆえ、前段用担体３３の耐久性が低下を抑制することができる。また、貫通孔３７を形成する構造であるので、前段用担体３３の容量を小さくすることがなく、それゆえ、排ガスの浄化性能が低下することがない。また、通路３５の密度を向上することがないので、圧力損失が向上することがない。
【００４０】
また、前段用触媒活性物質３４の質量ａ２が、後段用触媒活性物質４４の質量ｂ２より大きいことによって、前段触媒装置３０の浄化性能をより一層高くすることができる。なお、本実施形態では、ａ２＞ｂ２としたが、これに限定されない。例えば、ａ２＝ｂ２であってもよい。
【００４１】
この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
第１の担体と、前記第１の担体に担持される第１の触媒活性物質とを具備する第１の触媒と、
前記第１の触媒に対して直列に配置される第２の触媒であって、第２の担体と、前記第２の担体に担持される第２の触媒活性物質とを具備する第２の触媒と
を具備し、
前記第１の担体は、当該第１の担体を形成する壁部に、当該壁部を貫通する貫通孔が形成され、
前記第１の触媒活性物質の担持量は、前記第２の触媒活性物質の担持量以上とされ、
前記貫通孔は、前記第１の担体の熱容量が前記第２の担体の熱容量よりも小さくなるように形成され、
前記貫通孔の前記壁部に占める割合は、前記第１の担体において単位面積当たりに担持できる前記第１の触媒活性物質の最大質量である担持限界質量に基づいて設定される
ことを特徴とする排ガス浄化装置。
［２］
前記第１の触媒の熱容量が前記第２の触媒の熱容量より小さくなるように、前記壁部に占める前記貫通孔の割合と前記第１の触媒活性物質の担持量を設定する
ことを特徴とする［１］に記載の排ガス浄化装置。
【符号の説明】
【００４２】
２０…排ガス浄化装置、３２…前段用触媒（第１の触媒）、３３…前段用担体（第１の担体）、３４…前段用触媒活性物質（第１の触媒活性物質）、３７…貫通孔、４２…後段用触媒（第２の触媒）、４３…後段用担体（第２の担体）、４４…後段用触媒活性物質（第２の触媒活性物質）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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