(57)【要約】【課題】  本発明は、セル数、セル形状もしくはセル壁の厚さがほぼ同一のハニカム担体において、排ガス流れが多く集中する部位の開口率を小さくするため、触媒層の厚みを相対的に大きくした排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】  排ガス流路２０の下流に拡径された排ガス流路２１を設け、この拡径された排ガス流路２１に触媒層を備えたハニカム担体３を配置し、前記ハニカム担体３の排ガス流れが集中する領域で上流側の触媒層１１Ａと下流側の触媒層１１Ｂとの間に触媒層が施されていない領域Ｂ１または触媒層が薄い領域Ｃを設け、前記排ガス流れが集中する領域以外の領域では上流側の触媒層１１Ａと下流側の触媒層１１Ｂが接触している排ガス浄化装置。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス流路の下流に拡径された排ガス流路を設け、この拡径された排ガス流路に触媒層を備えたハニカム担体を配置し、前記ハニカム担体の排ガス流れが集中する領域では上流側の触媒層と下流側の触媒層との間に、触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域を設け、前記排ガス流れが集中する領域以外の領域では上流側の触媒層と下流側の触媒層が接触していることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域は、前記ハニカム担体の軸方向の中心より上流側に設けられてい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】
前記ハニカム担体の上流の排ガス流路と、前記ハニカム担体が配置された拡径された排ガス流路は、中心軸が同一で、かつそれぞれの断面は同心円であることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記触媒層は、触媒活性が相対的に高い触媒層をハニカム担体の上流側に設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
触媒活性が相対的に高い触媒層をハニカム担体の上流側に設け、触媒活性が相対的に低い触媒層をハニカム担体の下流側に設け、前記触媒層の上に、触媒活性が相対的に低い触媒層を積層したことを特徴とする請求項４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、排ガス浄化性能を向上させることができる排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジンには、有害な排ガスを低減させるために排ガス浄化装置が備えられている。
特許文献１に記載された排気ガス浄化用触媒は、ハニカム担体に、排気ガス中のＨＣを吸着するＨＣ吸着層と、ＨＣ吸着層から脱離するＨＣを浄化する触媒層とが、前者を下にして積層されている排気ガス浄化用触媒において、上記触媒は、排気ガス流れ方向において上記担体の中間位置に凹部ができるように不連続に形成され、上記凹部を挟んで上流部と下流部とに離れた距離が１０ｍｍ未満である触媒である。上記触媒層の不連続部では、ＨＣ吸着層も排気ガス流れ方向において不連続に形成されて上流部と下流部とに離れ、該触媒層及びＨＣ吸着層を合わせた厚さに相当する深さの凹部が形成されている触媒である。そして、上記凹部を挟んで上流部と下流部とに離れた距離は、上記触媒層及びＨＣ吸着層を合わせた厚さ以上の大きさである触媒である。また、上記凹部を挟んで上流部と下流部とに離れた距離は、上記触媒層及びＨＣ吸着層を合わせた厚さ以上の大きさである触媒である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７２５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の排気ガス浄化用触媒によると、触媒部の担持層の重なり合い（接触部分）がないため、セルの開口量が減少しないことから、圧損の増加が抑えられていることが開示されている。ここで、排ガスが触媒に流入する際には、小径の排ガス流路の下流に直線的にハニカム担体が配置されているために排ガス流れが集中する領域と、排ガス流れが集中する領域以外の領域が存在するが、これら領域との関係は何ら言及されていない。特許文献１の実施例によると、全てのハニカムセルにおいて触媒部の担持層の重なり合い（接触部分）がない。
【０００５】
本発明は、セル数、セル形状もしくはセル壁の厚さが略同一のハニカム担体において、排ガス流れが集中する集中領域に、触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域を設け、かつ非集中領域には、触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域を設けない。これにより、ハニカム担体の上流側の触媒層とハニカム担体の下流側の触媒層が接触していることで、集中領域においては、触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域により排ガス流れが乱流となり、圧損が生じる。そのため、非集中領域は相対的に排ガスの流れに対する抵抗が小さくなることから、非集中領域に排ガスが流入しやすくなり、排ガスの流速分布を均一にできるため、特に非集中領域で触媒層と排ガスが接触する頻度が増加し、浄化性能が向上する排ガス浄化装置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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、排ガス流路の下流に拡径された排ガス流路を設け、この拡径された排ガス流路に触媒層を備えたハニカム担体を配置し、前記ハニカム担体の排ガス流れが集中する領域では上流側の触媒層と下流側の触媒層との間に、触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域を設け、前記排ガス流れが集中する領域以外の領域では上流側の触媒層と下流側の触媒層が接触していることにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（Ａ）  ハニカム担体への排ガス流れが集中する領域と、排ガス流れが集中する領域以外の領域におけるセル数、セル形状、もしくはセル壁の厚さが略同一であるため、ハニカム担体の製造が容易である。
（Ｂ）  触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域が無い非集中領域をさらに配置すると、集中領域において触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域により排ガス流れは乱流となり圧損が生じるため、非集中領域は相対的に抵抗が小さめとなり、非集中領域に排ガスが流入しやすくなる。よって、以下の（ａ）〜（ｃ）の効果が得られる。
（ａ）その結果、排ガス流れの流速分布を均一にできる。そのため、外周部に担持された触媒層と排ガスの接触頻度が増える。よって、排ガスの浄化性能が向上する。
（ｂ）また、非集中領域をより均一に早く昇温でき、担持された貴金属を効率よく浄化に利用できる。よって、貴金属量を削減できる。
（ｃ）さらに、集中領域と非集中領域の触媒層の発熱を均一にできる。よって、触媒層の熱劣化による性能低下を抑制できる。
（Ｃ）ハニカム担体の上流側の端部である排ガス入口から流入した排ガスは、担体基材露出領域を通過して、触媒層の厚みが減少する領域で乱流となる。そのため、排ガスと触媒層の接触効率が高くなる。よって、浄化性能が向上する。
（Ｄ）排ガスの量は、およそ内燃機関等の回転数に比例するため、内燃機関等の回転数が高いほうが特に排ガスの量が多い。内燃機関等の回転数が小さいため排ガスの量が少ない（流速が遅い）場合に対して、内燃機関等の回転数が大きいため、排ガスの量が多い（流速が速い）場合の方が、排ガスは集中領域の抵抗の影響を受けやすい。そのため、内燃機関等の回転数が大きいほど非集中領域に排ガスがより流入しやすい。よって、特に高回転域において、排ガスがハニカム担体を通過する時間が短い場合に、特に、（ａ）〜（ｃ）の効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態によるハニカム担体を備えた排ガス浄化装置を示し、（ａ）は概念図、（ｂ）はハニカム担体の排ガス流れ方向中心部の径方向の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態によるハニカム担体を示す概念図である。
【図３】ハニカム担体に流れ込む排ガスの流速分布を示す分布図である。
【図４】本発明のハニカム担体の排ガス流れ方向の断面図である。
【図５】本発明のハニカム担体の排ガス流れ方向中心部の径方向断面図である。
【図６】本発明のハニカム担体の排ガス流れ方向中心部以外の径方向断面図である。
【図７】図４のハニカム担体の排ガス流れによる作用を示す断面図である。
【図８】触媒層が施されていない領域または触媒層が薄い領域がハニカム担体の軸方向中心より上流側に設けられた他の実施の形態を示す概念断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態によるハニカム担体を備えた排ガス浄化装置を示し、（ａ）は概念図、（ｂ）はハニカム担体の排ガス流れ方向中心部の径方向の断面図である。
【図１０】本発明の別の他の実施の形態によるハニカム担体を備えた排ガス浄化装置を示し、（ａ）は概念図、（ｂ）はハニカム担体の排ガス流れ方向中心部の径方向の断面図である。
【図１１】本発明の別の他の実施の形態によるハニカム担体の上流側に触媒活性が相対的に高い触媒層を、下流側に触媒活性が相対的に低い触媒層を二層にして配置したハニカム担体を示す概念半断面図である。
【図１２】図１１の変形例であり、下層に配置した触媒層を連続させて、上層に積層した触媒層に間隙を設けて触媒層が薄い領域をハニカム担体に設けた概念半断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態によるハニカム担体を備えた排ガス浄化装置を図１ないし図７に示す図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１は自動車等の内燃機関等の排ガス通路に設置された排ガス浄化装置を示したもので、１は排ガス流路２０である排気管２の途中に設置された排ガス浄化装置である。前記排気管２の排ガス流路２０の下流には拡径された筒状の拡径排ガス流路２１が設けられており、この拡径排ガス流路２１には、前記排ガス浄化装置１が設置されている。排ガス流路２０の導入口２０ａは拡径排ガス流路２１の中心軸と同一軸線上に設けられており、排ガス流路２０の排出口２０ｂも同一軸線上に配置されている。
【００１１】
前記排ガス浄化装置１は、図１（ｂ）および図２に示すように多数のセル１０ａを設けてなる担体１０の排ガス流れ方向中心部に、排ガス流れ方向に沿って、二種類の上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂを軸方向に担持させたハニカム担体３で構成されている。
【００１２】
図３は、ハニカム担体３に流れ込む排ガスの流速分布を示したものである。
基材露出のない場合、点線Ｓ０で示すような流速分布となり、ハニカム担体３中央部における排ガスの流速分布が外周部に比べて高くなる。一方、本発明のように排ガス流れ方向中心部Ｌ＝ａ１において、触媒層を連続させることなくハニカム担体基材を露出させることによって、排ガスの乱流が生じ、中心部の圧損が大きくなる。その結果、実線Ｓ１で示すような流速分布となり、中心部と外周部との流速分布差を低減できる。
【００１３】
図４は本発明のハニカム担体３の排ガス流れ方向の断面図を示したものである。
Ｌ＝ａ１において中心部の上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂを連続させることなく、上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂとの間に一定の間隔ｍの間隙部分１１Ｄを設け、ハニカム担体基材１１Ｅを露出させたものである。図５はハニカム担体３の排ガス流れ方向中心部Ｌ＝ａ１での径方向断面図を示したものである。上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂが接触し連続的に触媒層が形成されている領域Ａ１の内側に、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１が設けられている断面構造になっている。
図６はＬ＝ａ１以外の断面を示している。Ｌ＝ａ１以外は、連続的に触媒層が形成されている。
【００１４】
本発明におけるハニカム担体３の触媒層形成は、担体１０をその一端側から触媒スラリーに含浸することにより一端側の触媒層を形成し、次いで当該担体１０をその他端側から触媒スラリーに含浸することにより、他端側の触媒層を形成するという方法によって得られる。上記のような担体１０を反転させて両端から触媒層を形成する方法において、排ガス流れ方向中心部Ｌ＝ａ１で両触媒層を接触させることなくハニカム担体基材１１Ｅを露出させるハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を形成する。この領域Ｂ１は径方向中心部に配置する。外周部は上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂを接触させ触媒層を形成する領域Ａ１であり、途切れることなく連続的に形成させるものとする。すなわち、本発明は、排ガス流れ方向中心部Ｌ＝ａ１において、上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂが接触し連続的に触媒層を形成している径方向外周部のＡ１の内側にハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を設けた排ガス触媒用の構造体である。
【００１５】
なお、上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂは、前記ハニカム担体３の軸方向の中心より上流側に設けることが好ましい。
上記実施の形態では、ハニカム担体３の上流の排ガス流路２０と、前記ハニカム担体３が配置された拡径された排ガス流路２１は、中心軸が同一で、かつそれぞれの断面は同心円になるように構成されている。前記上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂの触媒層は、触媒活性が相対的に高い触媒層（上流側触媒層１１Ａが相当する）をハニカム担体３の上流側に設け、触媒活性が相対的に低い触媒層（下流側触媒層１１Ｂが相当する）をハニカム担体３の下流側に設けている。
【００１６】
上記実施の形態の作用を説明すると、排ガス流路２０の下流には拡径された拡径排ガス流路２１が設けられており、この拡径排ガス流路２１には、排ガス浄化装置１が設置されている（図１参照）。
排ガス浄化装置１は、排ガス流れ方向中心部に、排ガス流れ方向に沿って、二種類の上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂを軸方向に担持させたハニカム担体３で構成されている。
【００１７】
本発明のハニカム担体３は、図７に示すように排ガス流れ方向中心部Ｌ＝ａ１において、上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂが接触し連続的に触媒層を形成している径方向外周部のＡ１の内側にハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を設けた排ガス触媒用の構造体である。
排ガス流れ方向中心部Ｌ＝ａ１において、上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂが接触し連続的に触媒層が形成されている領域Ａ１の内側に、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１が設けられているので、その中心部で排ガス乱流Ｘが発生しガス流れに対して抵抗となる。すなわち、圧力損失につながる。その結果、外周部の圧力損失が中心部に比べて小さくなり、中心部に集中する排ガスの流速分布を均一化でき、外周部に排ガスが流れやすくなる。これにより、外周部に担持されている触媒との接触機会が増え、外周部をより早く昇温、活性化することができるため、排ガス浄化性能の向上につながる。また、乱流Ｘが生じることにより、物理的に触媒層への接触機会が増えることで更なる浄化率の向上が実現できる。
【００１８】
前記ハニカム担体３の上流の排ガス流路２０と、前記ハニカム担体３が配置された拡径された排ガス流路２１は、中心軸が同一で、かつそれぞれの断面は同心円であるので、排ガスが集中する集中領域Ｙの全周に、非集中領域Ｚが存在することになる。よって、非集中領域Ｚが偏っている場合に比べて、全体的に排ガスが流れやすくなる。
その結果、排ガス流れの流速分布を均一にできる。そのため、外周部に担持された触媒層と排ガスの接触頻度が増える。よって、排ガスの浄化性能が向上する。
また、非集中領域Ｚをより均一に早く昇温でき、担持された貴金属を効率よく浄化に利用できる。よって、貴金属量を削減できる。
さらに、集中領域Ｙと非集中領域Ｚの触媒層の発熱を均一にできる。よって、触媒層の熱劣化による性能低下を抑制できる。
【００１９】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（Ａ）  ハニカム担体への排ガス流れが集中する領域と、排ガス流れが集中する領域以外の領域におけるセル数、セル形状、もしくはセル壁の厚さは、ほぼ同一であるため、ハニカム担体の製造が容易である。
（Ｂ）  担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１が無い非集中領域Ｚをさらに配置すると、集中領域Ｙにおいて担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１により排ガス流れは乱流となり圧損が生じるため、非集中領域Ｚは相対的に抵抗が小さめとなり、非集中領域Ｚに排ガスが流入しやすくなる。よって、以下の（ａ）〜（ｃ）の効果が得られる。
（ａ）その結果、排ガス流れの流速分布を均一にできる。そのため、外周部に担持された触媒層と排ガスの接触頻度が増える。よって、排ガスの浄化性能が向上する。
（ｂ）また、非集中領域Ｚをより均一に早く昇温でき、担持された貴金属を効率よく浄化に利用できる。よって、貴金属量を削減できる。
（ｃ）さらに、集中領域Ｙと非集中領域Ｚの触媒層の発熱を均一にできる。よって、触媒層の熱劣化による性能低下を抑制できる。
（Ｃ）ハニカム担体３の上流側の端部である排ガス入口から流入した排ガスは、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を通過して、触媒層の厚みが増加する領域で乱流となる。そのため、排ガスと触媒層の接触効率が高くなる。よって、浄化性能が向上する。
（Ｄ）排ガスの量は、およそ回転数に比例するため、回転数が高いほうが特に排ガスの量が多い。回転数が小さいため排ガスの量が少ない（流速が遅い）場合に対して、回転数が大きいため、排ガスの量が多い（流速が速い）場合の方が、排ガスは集中領域Ｙの抵抗の影響を受けやすい。そのため、回転数が大きいほど非集中領域Ｚに排ガスがより流入しやすい。よって、特に高回転域において、排ガスがハニカム担体３を通過する時間が短い場合に、特に、上記（ａ）〜（ｃ）の効果が得られる。
【００２０】
図８は、本発明の他の実施の形態で、図１と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。この場合、上流側触媒層１１Ａと、下流側触媒層１１Ｂが接触し連続的に触媒層が形成されている領域Ａ１の内側に設けられる、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を、ハニカム担体３の軸方向の中心より上流側に設けたものである。
よって、ハニカム担体の上流側の端部である排ガス入口から流入した排ガスは、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を通過する領域で乱流となる。そのため、排ガスと触媒層が接触する領域が長くなり、排ガスと触媒層の接触効率が高くなる。よって、浄化性能が向上する。
前記ハニカム担体３の上流の排ガス流路２０と、前記ハニカム担体３が配置された拡径された排ガス流路２１は、中心軸が同一で、かつそれぞれの断面は同心円であるので、集中領域Ｙの周囲の全周に、非集中領域Ｚが存在することになる。
よって、非集中領域Ｚが偏っている場合に比べて、非集中領域Ｚ全体に排ガスが流れやすくなり、上記（ａ）〜（ｃ）の効果を得ることができる。
【００２１】
図９（ａ）（ｂ）は、排ガス流路２０２の導入口２０２ａが拡径排ガス流路２１２の端部に連結された排気管２２を示したもので、排ガス流路２０２の排出口２０２ｂは、排ガス流路２０２の導入口２０２ａと対称位置に設置されている。拡径排ガス流路２１２に設けられたハニカム担体３２は、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１の中心を排ガス流路２０２の導入口２０２ａと同一軸線上に形成している（図９（ｂ）参照）。
これにより、排ガスの流れが多く集中する排ガス流路２０２の導入口２０２ａと同一軸線上にハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１を配置しているので、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１で乱流となり排ガスと触媒層の接触効率が高くなり、排ガス浄化性能を向上することができる。
【００２２】
図１０（ａ）（ｂ）は、排ガス流路２０３の導入口２０３ａが斜めに拡径排ガス流路２１３に連結された排気管２３を示したもので、排ガス流路２０３の排出口２０３ｂは、拡径排ガス流路２１３に同一軸線上に設置されている。拡径排ガス流路２１３に設けられたハニカム担体３３には、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１の中心を排ガス流路２０３の導入口２０３ａの軸線と交叉するように軸線を配置している。ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１の中心をハニカム担体３３の内周面よりも僅かに中心側に配置されている（図１０（ｂ）参照）。
これにより、排ガスの流れが多く集中する排ガス流路２０３の導入口２０３ａの軸線とハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１の軸線が交叉するように配置されているので、効率良く触媒に触れることになり、排ガス浄化性能を向上することができる。
【００２３】
図１１は、本発明の別の他の実施の形態で、前記触媒層は、触媒活性が相対的に高い触媒層１１Ａをハニカム担体３の排ガス流れ方向の上流側に設け、触媒活性が相対的に低い触媒層１１Ｂをハニカム担体３の下流側に設け、さらに触媒層１１Ａの上に触媒層１１Ａより触媒活性が低い触媒層１１Ａａを積層し、触媒層１１Ｂの上に触媒層１１Ｂより触媒活性が低い触媒層１１Ｂｂを積層したものである。
ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１によって生じる乱流により、効率良く触媒に触れることになり、排ガス浄化性能を向上することができる。
【００２４】
上記のように実際のエンジンレイアウトでは、ハニカム担体３の位置が排ガス導入口の中心とずれることが多いため、ハニカム担体基材が露出している触媒層が施されていない領域Ｂ１の中心軸を排ガス導入口中心と合わせるように構成することで、排ガス浄化性能を向上することができる。
なお、図１２は、図１１の変形例であり、ハニカム担体３の排ガスが集中する集中領域に設ける触媒層１１Ａと触媒層１１Ｂは連続させて薄い下層とし、その上に間隙を設けて触媒層１１Ａａと触媒層１１Ｂｂを積層したものである。こうして触媒層が薄い領域Ｃを設けることによっても、ハニカム担体３の排ガスが集中する集中領域を通過する排ガス流れは乱流となり圧損が生じるため、非集中領域は相対的に抵抗が小さめとなり、非集中領域に排ガスが流入しやすくなる。よって、排ガス浄化性能を向上することができる。また、図１１および図１２では、触媒層を二層に形成した実施例について説明したが、二層に限らず三層あるいは四層等、多層構造の触媒層を設けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、上流側、下流側触媒層に含まれる触媒貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）は、従来のゾーンコートと同様に、貴金属濃度を（上流側）≧（下流側）とすることも望ましい。また、本技術の適用はセラミック製のハニカム担体に限定されず、メタル製担体においても同様の効果を奏する。等、その他本発明の技術的範囲を変更しない範囲内で、適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２６】
１  排ガス浄化装置
２  排気管
３  ハニカム担体
１０  担体
１０ａ  セル
１１Ａ  上流側触媒層
１１Ｂ  下流側触媒層
１１Ｄ  間隙部分
２０  排ガス流路
２０ａ  導入口
２０ｂ  排出口
２１  拡径排ガス流路
Ａ１  連続的に触媒層が形成されている領域
Ｂ１  ハニカム担体基材露出領域（担体基材露出領域）
Ｃ  触媒層が薄い領域
【図１】
2019124163.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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