(57)【要約】【課題】触媒コンバーターを構成する基材と触媒コンバーターの下流側の排気管との関係を規定することにより、排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターを提供する。【解決手段】断面が一様な筒部１ａと、筒部１ａの両端から断面が縮径するように伸びて排ガス流れの上流側の排気管３と下流側の排気管４にそれぞれ繋がる上流側コーン部１ｂおよび下流側コーン部１ｃと、から構成された外管１と、外管１の筒部１ａの内部に配設されたセル構造の基材２であって、基材２のセル壁面において貴金属触媒が担体に担持されてなる触媒層が形成されている基材２と、からなる触媒コンバーター１０において、基材２は長手方向に直交する断面においてセル密度が相対的に高い中央領域２ａとセル密度が相対的に低い周辺領域２ｂとから構成され、下流側コーン部１ｃと排気管４の接続部５を基材２に投影させた際の投影部分が中央領域２ａ内に存在している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスが流通する排気管と繋がれる外管であって、該外管は、筒部と、筒部の両端から断面が縮径するように伸びて排ガス流れの上流側の排気管と下流側の排気管にそれぞれ繋がる上流側コーン部および下流側コーン部と、から構成された外管と、
外管の前記筒部の内部に配設されたセル構造の基材であって、該基材のセル壁面において貴金属触媒が担体に担持されてなる触媒層が形成されている基材と、からなる触媒コンバーターにおいて
前記基材は、前記長手方向に直交する断面において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ており、
前記下流側コーン部と排気管の接続部を基材に投影させた際の投影部分が前記中央領域内に存在している触媒コンバーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガスの排気系統を構成する触媒コンバーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
また、このように基材の断面においてセル密度を変化させることにより、触媒コンバーターの圧力損失も低減することができ、このことも排ガス浄化性能の向上に寄与することになる。
【０００８】
ところで、触媒コンバーター全体の排ガス浄化効率の向上や圧力損失の低減には、触媒コンバーターとこの触媒コンバーターから浄化された排ガスが流れ出す下流側の排気管との関係も極めて重要であることが分かっており、触媒コンバーターの下流側の排気管を含めて総合的に触媒コンバーターの設計をおこなう必要がある。
【０００９】
ここで、特許文献１には、触媒コンバーターと上流側の排気管との関係に注目し、上流側の排気管の基材に対する投影部分に相当する基材部位の開口率を、この投影部分よりも外側の部分に相当する基材部位の開口率に比して小さくしたセラミック触媒体が開示されている。
【００１０】
特許文献１で開示されるセラミック触媒体は、触媒コンバーターの上流側の排気管と触媒コンバーターを構成する基材のセル密度の関係に注目したものであり、このセラミック触媒体によっても排ガス浄化性能を高めることができるが、本発明者等はこのように触媒コンバーターの上流側の排気管と触媒コンバーターを構成する基材の関係よりも、触媒コンバーターを構成する基材とその下流側の排気管との関係が排ガス浄化性能にとってより一層重要であるとの知見に至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１８３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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基材と触媒コンバーターの下流側の排気管との関係を規定することにより、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、排ガスが流通する排気管と繋がれる外管であって、該外管は、筒部と、筒部の両端から断面が縮径するように伸びて排ガス流れの上流側の排気管と下流側の排気管にそれぞれ繋がる上流側コーン部および下流側コーン部と、から構成された外管と、外管の前記筒部の内部に配設されたセル構造の基材であって、該基材のセル壁面において貴金属触媒が担体に担持されてなる触媒層が形成されている基材と、からなる触媒コンバーターにおいて、前記基材は、前記長手方向に直交する断面において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ており、前記下流側コーン部と排気管の接続部を基材に投影させた際の投影部分が前記中央領域内に存在しているものである。
【００１４】
本発明の触媒コンバーターは、両端が外側に縮径している上流側および下流側のコーン部とその間の筒部からなる金属製の外管の中空内にセル構造で触媒層を備えた基材が配設されてなる触媒コンバーターに関し、基材が、セル密度の相対的に高い中央領域と相対的に低い周辺領域を具備することで、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るものである。
【００１５】
このことに加えて、基材よりも断面積が小さな外管の下流側コーン部と下流側の排気管の接続部を基材に投影させた際にできる投影部分が中央領域内に存在するように構成したことにより、排ガス浄化性能を高めることができるものである。
【００１６】
触媒コンバーターから下流側に流れ出す浄化された排ガスは、外管の下流側コーン部を通過し、下流側の排気管に流れ出ていくことから、基材内において中央領域と周辺領域でセル密度を相違させて断面全体における流速分布の均一化を図ろうとした場合でも、実際には排ガスが流れ出す下流側の排気管の断面を基材に投影した際の投影部分に相当する基材部位における排ガスの流速が他の基材部位に比して速くなる。
【００１７】
そこで、この投影部分を基材の中央領域（セル密度が高い領域）内に存在させることで、セル密度が高くて触媒量の多い中央領域に効果的に排ガスを流通させてその浄化を促進させることができ、触媒コンバーター全体の排ガス浄化性能の向上を図ることができる。
【００１８】
ここで、セル構造の基材は、コージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材のものを使用でき、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。
【００１９】
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、多孔質酸化物を挙げることができ、この担体に対し、ロジウムやパラジウム、白金などの貴金属触媒のうちの一種、もしくは二種以上が担持されて触媒層が形成される。
【００２０】
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。
【発明の効果】
【００２１】
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、基材を相対的にセル密度の高い中央領域と相対的にセル密度の低い周辺領域から構成し、かつ基材の周囲にある外管の下流側コーン部と下流側の排気管の接続部を基材に投影させた際にできる投影部分が中央領域内に存在するように構成したことにより、基材の周辺領域における触媒を排ガス浄化に有効に活用しながら、さらに流速の速い排ガスをセル密度が高くて触媒量の多い中央領域に流通させることで排ガス浄化を促進させることができ、触媒コンバーター全体の排ガス浄化性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の触媒コンバーターの実施の形態を上流側および下流側の排気管とともに説明した模式図である。
【図２】触媒コンバーターを構成する基材の斜視図である。
【図３】（ａ）は、図１のＹ方向で見た図であって、下流側コーン部と下流側の排気管の接続部を基材の断面に投影した図であり、（ｂ）、（ｃ）はいずれも図３ａの投影図の他の実施の形態を示した図である。
【図４】基材セル数と下流側排気管径をそれぞれ変化させた際の圧力損失比に関する解析結果を示した図である。
【図５】基材の中央領域の直径d2と接続部の直径d3の差分と触媒コンバーターの圧力損失の関係を特定する実験結果を示した図である。
【図６】基材の中央領域の直径d2と接続部の直径d3の差分と触媒コンバーターのNOx浄化量の関係を特定する実験結果を示した図である。
【図７】基材の中央領域の直径d2と接続部の直径d3の差分と、NOx浄化量と圧力損失の比率（NOx浄化量/圧力損失）の関係を特定する実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（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上流側および下流側の排気管とともに説明した模式図であり、図２は触媒コンバーターを構成する基材の斜視図である。また、図３ａは図１のＹ方向で見た図であって、下流側のコーン部と下流側の排気管の接続部を基材の断面に投影した図である。
【００２５】
まず、本発明の触媒コンバーター１０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排気管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが排気管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。図１では、触媒コンバーター１０とその上流側の排気管３、および下流側の排気管４を示している。
【００２６】
触媒コンバーター１０は、金属製の外管１と、外管１の内側に配設された基材２とから構成される。外管１は、たとえば断面が一様な筒部１ａと、筒部１ａの両端から断面が縮径するように伸びて排ガス流れの上流側の排気管３と下流側の排気管４にそれぞれ繋がる上流側コーン部１ｂおよび下流側コーン部１ｃとから構成される。
【００２７】
外管１の内側に配設される基材２は多数のセルを有した筒材からなり、セル壁面には不図示の触媒層が形成されている。ここで、基材２の形成素材としては、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。
【００２８】
また、基材２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。そして、触媒層は、これらの担体に対して貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上が担持されてその全体が構成されている。
【００２９】
基材２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）。
【００３０】
さらに基材２は、セル密度が相対的に高い中央領域２ａと、セル密度が相対的に低い周辺領域２ｂの２つの領域から構成されている。
【００３１】
このようにセル密度の相違する中央領域２ａと周辺領域２ｂを具備することで、上流側の排気管３から流通してきた排ガスは、流通し易いセル密度の相対的に低い周辺領域２ｂにも効果的に流れ込むこととなり、結果として中央領域２ａと周辺領域２ｂにおける排ガスの流速分布の差が低減され、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。
【００３２】
図示するように基材２の直径がd1であり、基材２を構成する中央領域の直径がd2であり、さらに、下流側コーン部１ｃと下流側の排気管４の接続部５の直径がd3であるときに、図示する触媒コンバーター１０ではd1＞d2≧d3の関係を有しており、かつ、図３ａで示すように、接続部５を基材２の断面に投影してできる投影部分が接続部５が中央領域２ａ内に存在するように触媒コンバーター１０と下流側の排気管４が構成されている。
【００３３】
なお、接続部５を基材２の断面に投影してできる投影部分が中央領域２ａ内に存在する形態としては、図３ａで示すように接続部５の真円断面と中央領域２ａの真円断面が同一の円中心を有する形態以外にも、図３ｂで示すように双方の真円断面の円中心がずれている形態がある。さらに、図３ｃで示すように断面形状が楕円形の基材２Ａを適用した場合には、断面形状が楕円形の中央領域２ａ’とその周囲の周辺領域２ｂ’において、この楕円形状の中央領域２ａ’内に接続部５の真円断面が存在することになる。なお、基材およびその中央領域が多角形の場合や下流側の排気管も楕円形や多角形の場合（したがって接続部の投影部分も楕円形や多角形となる場合）においても、接続部の投影部分が基材の中央領域内に存在すれば本発明の構成を充足する。
【００３４】
[基材セル数と下流側排気管径をそれぞれ変化させた際の圧力損失比に関する解析とその結果]
本発明者等は、基材セル数と下流側排気管径をそれぞれパラメータとして３種ずつ触媒コンバーターをコンピュータ内で模擬し、それぞれの触媒コンバーターにおける圧力損失比を求める解析をおこなった。この解析では、熱流体解析（ソフト：STAR-CD、(株)IDAJ製）を用いた。
【００３５】
ここで、基材セル数と圧力損失比の関係を解析する際の条件として、下流側排気管径を55mmに固定している。一方、下流側排気管径と圧力損失比の関係を解析する際の条件として、基材セル数を600に固定している。解析結果を図４に示す。
【００３６】
本発明者等がこれら各要素の触媒コンバーターへの圧力損失への寄与度を検証したところ、図４からも明らかなように、下流側排気管径の増加が圧力損失の低減にとって格段に高い寄与度を有していることが分かる。
【００３７】
以上のことより、触媒コンバーターの圧力損失の低減に当たり、触媒コンバーターを直接構成する構成要素よりもむしろ、触媒コンバーターを構成する外管と接続される下流側の排気管の断面寸法が大きな影響を与えることが分かり、この検証結果を踏まえて、触媒コンバーターの構成要素と下流側の排気管の関係を規定することとしたものである。
【００３８】
触媒コンバーター１０から下流側に流れ出す浄化された排ガスは、外管１の下流側コーン部１ｃを通過し、下流側の排気管４に流れ出ていくことから、基材２内で中央領域２ａと周辺領域２ｂでセル密度を相違させて断面全体における流速分布の均一化を図ろうとした場合でも、実際には排ガスが流れ出す下流側の排気管４の断面を基材２に投影した際の投影部分に相当する基材部位の排ガスの流速が他の基材部位に比して速くなる。そこで、図３で示すようにこの投影部分を基材２の中央領域２ａ内に存在させることで、セル密度が高くて触媒量の多い中央領域２ａに効果的に排ガスを流通させて浄化を促進させることができ、触媒コンバーター１０全体の排ガス浄化性能の向上を図ることが可能となる。
【００３９】
[基材の中央領域の直径d2と接続部の直径d3の差分と、触媒コンバーターの圧力損失の関係、および触媒コンバーターのNOx浄化量の関係、およびNOx浄化量/圧力損失の関係をそれぞれ特定する実験とそれらの結果]
本発明者等は、基材の中央領域の直径d2と下流側コーン部および下流側の排気管の接続部の直径d3の差分と、触媒コンバーターの圧力損失の関係、および触媒コンバーターのNOx浄化量の関係、およびNOx浄化量/圧力損失の関係をそれぞれ特定する実験をおこなった。
【００４０】
試験条件として、基材の直径d1（08断面直径＝103mm）および中央領域の直径d2を固定し、下流側の排気管の直径d3を41,2mm、52.7mm、55mm、および60.5mmの4種に変化させた。なお、基材の全断面積に対する中央領域の面積の比率は25%とした。また、圧力損失の測定に際し、2.5リットルガソリンエンジンを使用し、吸入空気量Gaは100g/sとした。さらに、NOx浄化量の測定においても、2.5リットルガソリンエンジンを使用し、吸入空気量Gaは20g/sとした。
【００４１】
実験結果を図５〜７に示す。ここで、図５は圧力損失に関する実験結果を示した図であり、図６はNOx浄化量に関する実験結果を示した図であり、図７はNOx浄化量/圧力損失に関する実験結果を示した図である。なお、各図ともに、実験結果のプロットに基づいて近似曲線を作成している。
【００４２】
図５より、下流側の排気管の径が小さくなるにつれて圧力損失が上昇することが分かる。
【００４３】
また、図６より、中央領域の直径よりも下流側の排気管の直径が小さくなるにつれて浄化率の変化量は少なくなることが分かる。
【００４４】
このように、下流側の排気管の径が小さくなるにつれて圧力損失が上昇する一方で、下流側の排気管の直径が小さくなるにつれて浄化率の変化量は少なくなる。これは、排気流速の速い部分がセル密度の高い中央領域に流れ、触媒量が多くて排ガス浄化能の高い中央領域において効果的に排ガス浄化がおこなわれたためであると考えられる。
【００４５】
図５，６の結果を踏まえ、図７に基づけば、差分がゼロ以上の範囲、すなわち下流側の排気管よりも中央領域の直径が大きな領域において、高い排ガス浄化率を維持できることが分かる。
【００４６】
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。
【符号の説明】
【００４７】
１…外管、１ａ…筒部、１ｂ…上流側コーン部、１ｃ…下流側コーン部、２，２Ａ…基材、２ａ…中央領域、２ｂ…周辺領域、３…上流側の排気管、４…下流側の排気管、５…接続部（下流側のコーン部と下流側の排気管の接続部）、１０…触媒コンバーター
【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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【図６】
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【図７】
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