(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化触媒において、排気浄化触媒内の中心軸から周縁にかけて排気の流量を均一とすることができる技術を提供する。【解決手段】担体２に触媒を担持してなる排気浄化触媒１であって、担体２の下流端を下流側へ向けて凸形状とする。担体２の中心軸から周縁側へ向かうほど排気の抵抗が小さくなるので、排気の流量の増加割合が大きくなり、排気の流量を均一とすることができる。これにより、排気浄化触媒１内の温度分布を均一とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
担体に触媒を担持してなる排気浄化触媒であって、担体の下流端が下流側へ向けて凸形状となっていることを特徴とする内燃機関の排気浄化触媒。
【請求項２】
所定の運転状態における前記排気浄化触媒内の単位体積あたりの排気の流量が、担体中心軸から周縁にかけて均一となるように前記凸形状が定められていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
【請求項３】
所定の運転状態における前記排気浄化触媒内の温度分布が、担体中心軸から周縁にかけて均一となるように前記凸形状が定められていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
【請求項４】
担体に触媒を担持してなる排気浄化触媒であって、担体の上流側端面から下流側へ向けて触媒を担持させる距離が担体中心軸から周縁へ向かうほど短いことを特徴とする内燃機関の排気浄化触媒。
【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触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒担体中心は周辺よりも流量が多いために早期に劣化するので、中心部の触媒担持量を増加させて中心部の排気浄化率の低下を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、ガス流れの多い担体中心部の触媒担持量を周辺部よりも多くすることにより、排気浄化率を向上させる技術（例えば、特許文献２参照。）、波板状帯材のピッチを触媒中心部で小さくして触媒量分布を流速分布と一致させ、均一な浄化率を達成する技術（例えば、特許文献３参照。）、触媒担体中央部を密、周辺を疎とし、内燃機関の運転条件に応じて排気制御弁により排気を流す部位を変更して触媒の耐久性を高める技術（例えば、特許文献４参照。）、触媒の上流側の担持量を下流側よりも少なくして触媒軸方向の温度の急変を抑制し、ハニカム構造体の破損を防止する技術（例えば、特許文献５参照。）、セラミックハニカムの隔壁に穴を設け、内部の温度分布を均一にする技術（例えば、特許文献６参照。）が知られている。
【特許文献１】実開平３−１１４３５号公報
【特許文献２】特開２００２−１７７７９４号公報
【特許文献３】特許第２８６２２９８号公報
【特許文献４】実開平３−７３６１３号公報
【特許文献５】特開平５−２０９５１５号公報
【特許文献６】特開平６−２０６２７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１および２に記載の技術によれば、製造時に中心部と周辺部とで異なる濃度の触媒溶液が必要となり製造コストが大きい。また、中心部と周辺部との２つにしか分かれていないため、境界において温度差が大きくなるおそれがある。さらに、中心部の温度のみが過剰に高くなるおそれもある。
【０００５】
また、特許文献３および４によれば、波板状帯材を用いることにより中心部と周辺部との触媒密度を異ならせることができるが、セラミック等からなるハニカム構造体では、中心部の密度を上げようとすると排気の抵抗が増大して内燃機関の性能に影響を及ぼすため、中心部の密度を上げることは困難である。
【０００６】
さらに、特許文献５によれば、製造時に上流部と下流部とで異なる濃度の触媒溶液が必要となり製造コストが大きい。また、上流部と下流部との２つにしか分かれていないため、境界において温度差が大きくなるおそれがある。さらに、中心軸からの距離によって排気の流量が異なり、中心軸から周縁に向かって温度分布が生じ、触媒の浄化率が均一とならない。
【０００７】
また、特許文献６によれば、担体内部において温度を均一とすることができるが、担体に排気が流入するときには中心軸付近が最も多く、周縁側ほど少なくなる。そのため、担体の上流側で且つ周縁側において担体の温度が上昇しにくく、担体の温度が不均一となるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化触媒において、排気浄化触媒内の中心軸から周縁にかけて排気の流量を均一とすることができる技術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】
【０００９】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化触媒は、以下のことを特徴とする。すなわち、
担体に触媒を担持してなる排気浄化触媒であって、担体の下流端が下流側へ向けて凸形状となっていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、排気が流れにくい担体周縁側の軸方向の担体長さを短くすることにより、該周縁側を排気が通過する際の抵抗を低減して、排気の流量を担体の中心から周縁にかけて均一とすることにある。
【００１１】
ここで、担体に流入する排気の量は、担体中心軸付近で最も多く、周縁側へ向かうほどその量が減少する。しかし、周縁側の排気の抵抗を小さくすると、担体中心軸付近に流れ込もうとした排気の一部が周縁側を流れるようになる。そして、担体の下流端が下流側へ向けて凸形状となるように形成されている場合には、周縁側へ向かうほど排気の抵抗が小さくなるので、周縁側へ向かうほど排気の流量が増加する割合が大きくなる。これにより、中心側と周縁側とで排気の流量を均一とすることができる。
【００１２】
本発明においては、所定の運転状態における前記排気浄化触媒内の単位体積あたりの排気の流量が、担体中心軸から周縁にかけて均一となるように前記凸形状が定められてもよい。
【００１３】
ここで、内燃機関の運転状態によって排気浄化触媒に流れ込む排気の速度等が異なり、該排気浄化触媒内の排気の流量分布を均一にするための前記凸形状が異なる。そのため、どの運転状態において流量分布を均一にすれば良いか予め実験等により求めることで、この運転状態を所定の運転状態として前記凸形状を定めることができる。
【００１４】
同様に、本発明においては、所定の運転状態における前記排気浄化触媒内の温度分布が、担体中心軸から周縁にかけて均一となるように前記凸形状が定められてもよい。
また、上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化触媒は、以下のことを特徴としてもよい。すなわち、
担体に触媒を担持してなる排気浄化触媒であって、担体の上流側端面から下流側へ向けて触媒を担持させる距離が担体中心軸から周縁へ向かうほど短いことを特徴としてもよい。
【００１５】
ここで、排気浄化触媒では担体中心軸側に多くの排気が流れ、担体中心軸から離れた周縁側では、排気の流量が少ない。そのため、担体中心軸側のほうが周縁側よりも劣化の進行が早い。そして、例えば排気浄化触媒よりも下流の排気の空燃比に基づいて内燃機関の燃料噴射量をフィードバック制御している場合には、担体中心軸側の触媒が劣化し浄化率が低下した時点で、担体中心軸側の触媒に合わせた制御が行われるので、周縁側で且つ下流側に担持された触媒が活用されなくなり無駄となる。また、担体中心軸付近に担持された触媒が劣化した時点で排気浄化触媒を交換した場合にも、周縁側で且つ下流側に担持された触媒が無駄となる。
【００１６】
一方、担体中心軸から離れた周縁側では、排気の流量が少ないため、担体上流側に担持された触媒で排気が十分に浄化される。すなわち、周縁側では、担体の下流側へ担持させる触媒の量を減らしても排気の浄化率を高く保つことができる。
【００１７】
従って、周縁側で且つ下流側に担持された触媒の担持量を減量する、若しくは触媒を担持しないことにより、触媒すなわち貴金属の使用量を低減することができ、製造コストを下げることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る内燃機関の排気浄化触媒では、排気浄化触媒内の中心軸から周縁にかけて排気の流量を均一とすることができるので、排気浄化触媒内の温度分布を均一とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化触媒の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は、本実施例による排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。図中の矢印は排気の流れ方向を示している。図１（Ａ）は、本実施例による排気浄化触媒を示し、図１（Ｂ）は、従来の排気浄化触媒を示している。
【００２１】
図２は、本実施例による排気浄化触媒の横断面図である。
本実施例による排気浄化触媒１は、触媒を担持した担体２、担体２を内部に格納するケース３を備えて構成されている。
【００２２】
また、ケース３は、担体２の上流側において、横方向の断面積が上流側から徐々に大きくなるコーン部３ａを備えている。
担体２は、薄肉の隔壁２１によって隔てられ、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路２２を具備している。
【００２３】
触媒は、例えば白金（Ｐｔ）−ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）−ロジウム（Ｒｈ）系の貴金属からなる三元触媒、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）−パラジウム（Ｐｄ）系の貴金属からなる酸化触媒を採用することができる。
【００２４】
担体２は、セラミックス担体であり、例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されている。また、担体２は、該担体２の上流側端面が平面となるように形成され、下流側端面が下流に向けて凸形状の曲面となるように形成されている。すなわち、担体２の下流端は、中心軸Ｚから周縁へ向かうほど下流への突出量が小さくなっている。
【００２５】
ここで、図１（Ｂ）に示す従来の排気浄化触媒１００では、該排気浄化触媒１００の中を流れる排気の量は触媒中心部で最も多く、周縁側では少ない。すなわち、排気浄化触媒１００の中心から該排気浄化触媒１００に流入した排気は、コーン部３００ａにおいて拡散するが、排気の速度が速い場合には、十分に拡散されないまま担体２００に到達するので、該担体２００の中心軸付近で、排気の流量がより多くなる。
【００２６】
ここで、図３は、従来の排気浄化触媒であって、下流端が凸形状となっていない排気浄化触媒の、中心軸からの距離と温度変化との関係を示した図である。図３（Ａ）は、触媒の横断面図、図３（Ｂ）は、排気の空燃比を変化させたときの各個所における温度の推移を示したタイムチャートである。図３（Ａ）に示した（１）から（４）の個所は、図３（Ｂ）の（１）から（４）で示される温度の推移と夫々対応している。
【００２７】
図３（Ｂ）を見て分かるように、排気浄化触媒１００の中心軸に近いほど最高温度が高
くなる。また、最高温度に達するまでの時間も短い。そのため、中心軸に近いほど触媒の劣化が早い。
【００２８】
そして、担体中心部の浄化率が低下した時点で、該中心部において浄化されないＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等の成分が排気浄化触媒よりも下流へ流出する。このときに排気浄化触媒下流の酸素濃度センサの出力が変化するため、内燃機関では、燃料噴射量のフィードバック制御により燃料噴射量が変更される。この場合、排気浄化触媒１００の下流側で且つ周縁付近に担持された触媒は排気の浄化力をまだ有しているが、有効に活用されない。しかし、排気浄化触媒１００には触媒が均一に担持されているので触媒の下流側で且つ周縁側においては、触媒が過剰に担持されている状態にあり貴金属が無駄になる。
【００２９】
また、担体２の内部で温度が均一でなくなると、担体２に亀裂を生じたり、部分的に排気の浄化率が低くなったりすることがある。
その点、本実施例による排気浄化触媒１では、担体２の下流側端面が下流に向けて凸形状の曲面となるように形成されているため、従来の排気浄化触媒１００において触媒が有効活用されていなかった分の貴金属の使用量を低減することができる。また、担体２の周縁側の排気抵抗が低減されるので、担体２の中心軸付近に多く流れていた排気の分布が改善され、排気が担体２の全体に排気が均一に流れるようになる。
【００３０】
以上説明したように、本実施例によれば、触媒内部の排気の流れを均一にすることができ、触媒全体としての排気の浄化率を向上させることができる。また、貴金属の使用量を低減して製造コストを抑えることができる。さらに、担体２の温度分布が均一となり、亀裂が生じるのを抑制できる。
【００３１】
ここで、仮に上流側に向けて凸形状とすると、排気の流量が多い場合に排気が集中して流れる個所ができてしまい、排気浄化触媒が部分的に高温となってしまう。
なお、本実施例においては、内燃機関の所定の運転状態において排気の流量が均一となるように担体２の下流端の形状を定めても良い。例えば、最も多用される運転状態において排気の流量が均一となるように下流端の形状を定めても良い。また、排気の流量が均一とならなければ排気の浄化率が低下してしまうような排気流量が多いときに、排気の流量が均一となるように下流端の形状を定めても良い。
【００３２】
同様に、本実施例においては、内燃機関の所定の運転状態において担体２の温度が均一となるように担体２の下流端の形状を定めても良い。例えば、最も多用される運転状態において担体２の温度が均一となるように下流端の形状を定めても良い。また、担体２の温度が均一とならなければ排気の浄化率が低下するような運転状態のときに、該担体２の温度が均一となるように下流端の形状を定めても良い。
【００３３】
これら、内燃機関の運転状態と担体２の下流端の形状との関係は実験等により得ることができる。
また、本実施例においては、排気管の中心軸と担体２の中心軸とが一致しているため、排気浄化触媒１への排気の流入が該排気浄化触媒１の中心に向けて行われているので、担体２の中心軸Ｚにおいて該担体２の軸方向の長さが最も長くなるように凸形状を定めているが、排気の流入する位置や方向によって担体の最も長くなる位置を変えても良い。すなわち、排気の流量が最も多くなり得る個所の排気の抵抗が最も高くなるように、若しくは排気の流量が最も少なくなり得る箇所の排気の抵抗を最も小さくなるように、担体２の下流端の形状を変更してもよい。この形状は実験等により求めることができる。
【実施例２】
【００３４】
図４は、本実施例による排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。図中の矢印
は排気の流れ方向を示している。なお、横断面図は図２と同様である。
本実施例による排気浄化触媒１は、担体２、および担体２を内部に格納するケース３を備えて構成されている。
【００３５】
そして、担体２は、触媒を担持した領域Ｘおよび触媒を担持していない領域Ｙを備えて構成されている。
また、担体２は、セラミックス担体であり、例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されている。また、領域Ｘは、領域Ｙよりも上流側に位置している。そして、領域Ｘの上流側端面が平面となるように担体２が形成され、領域Ｘと領域Ｙとの境界面が下流に向けて凸形状の曲面となるように触媒が担持されている。すなわち、担体２は、中心軸Ｚから周縁へ向かうほど上流端から下流へ向けての触媒担持量が小さくなっている。
【００３６】
なお、担体２に担持されている触媒については実施例１と同等である。
次に、担体２における領域Ｘおよび領域Ｙの形成方法について説明する。
図５は、本実施例による担体２において領域Ｘおよび領域Ｙを形成するときの該担体２の断面図である。図中の矢印は排気の流れ方向を示している。
【００３７】
図５に示されるように担体２は、薄肉の隔壁２１によって隔てられ、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路２２を具備している。
本実施例では各排気流通路２２の周壁面、即ち各隔壁２１の両側表面上および隔壁２１内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる層が形成されている。
【００３８】
そして、担体２に触媒を担持させるときに、領域Ｙに触媒が付着しないように付着抑止棒６０を担体２の下流側から各排気流通路２２に挿入する。この付着抑止棒６０は、排気流通路２２に隙間なく嵌るように形成されている。また、付着抑止棒６０の担体２の下流端からの挿入深さは、担体２の中心軸から周縁に向かうほど深くする。
【００３９】
このような状態で、担体２全体を触媒溶液に浸して該担体２に触媒を付着させる。そして、担体２を触媒溶液から取り出した後に、各排気流通路２２に挿入されていた付着抑止棒６０を引き抜く。付着抑止棒６０が挿入されていた個所には触媒が担持されず、付着抑止棒６０が挿入されていなかった個所には触媒が担持されるので、領域Ｘおよび領域Ｙが形成される。
【００４０】
このように、本実施例では、領域Ｙにおいて触媒を担持していない。すなわち、担体２の中心軸付近に担持された触媒が劣化したときに有効活用できなる部分である担体２の下流端側で且つ周縁側に貴金属を担持していない。このように貴金属の使用量を減少させることにより、排気浄化触媒１の製造コストを低減することができる。
【００４１】
なお、担体２に付着抑止棒６０を挿入していない状態で担体２を低濃度の触媒溶液に浸し、その後に付着抑止棒６０を挿入し、さらに高濃度の触媒溶液に担体２を浸すことにより、Ｘ領域に高密度の触媒を担持させ、Ｙ領域に低密度の触媒を担持させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施例１による排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。図１（Ａ）は、本実施例による排気浄化触媒を示し、図１（Ｂ）は、従来の排気浄化触媒を示している。
【図２】実施例１および２による排気浄化触媒の横断面図である。
【図３】従来の排気浄化触媒であって、下流端が凸形状となっていない排気浄化触媒の、中心軸からの距離と温度変化との関係を示した図である。図３（Ａ）は、触媒の横断面図、図３（Ｂ）は、排気の空燃比を変化させたときの各個所における温度の推移を示したタイムチャートである。
【図４】実施例２による排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。
【図５】実施例２による担体において領域Ｘおよび領域Ｙを形成するときの該担体の断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１     排気浄化触媒
２     担体
３     ケース
３ａ   コーン部
２１   隔壁
２２   排気流通路
５０   付着抑止棒
【図１】
2006026589.tif 000003
【図２】
2006026589.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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