(57)【要約】【課題】エンジン始動直後の暖機性に優れ、さらには、触媒全体が有効に活用されて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】排ガスが流通する２つのセル構造の基材である、上流側の第１の基材２と下流側の第２の基材３がタンデム搭載されてなる触媒コンバーター１０であって、第１の基材２はセル密度が均一であり、第２の基材３は、セル密度が相対的に高い中央領域３ａとセル密度が相対的に低い周辺領域３ｂとから構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスが流通する２つのセル構造の基材である、上流側の第１の基材と下流側の第２の基材がタンデム搭載されてなる触媒コンバーターであって、
第１の基材はセル密度が均一であり、
第２の基材は、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ている触媒コンバーター。
【請求項２】
第２の基材において、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倍以下の範囲である請求項１に記載の触媒コンバーター。
【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。
【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。このようなエコカーの開発に加えて、エンジンから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化触媒に関する研究も盛んに行われている。この排ガス浄化触媒には、酸化触媒や三元触媒、NOx吸蔵還元触媒などが含まれており、この排ガス浄化触媒において触媒活性を発現するのは、白金（Pt）やパラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）などの貴金属触媒であり、貴金属触媒はアルミナなどの多孔質酸化物からなる担体に担持された状態で一般に用いられている。
【０００３】
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、RhやPd、Ptのような貴金属触媒が担体に担持された触媒層が基材のセル壁面に配設されてな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。
【０００４】
ところで、従来の触媒コンバーターの実施の形態として、２つのセル構造の基材を排ガスの流通方向に配設してなるタンデム型の触媒コンバーターが挙げられる。このタンデム型の触媒コンバーターは、上流側の基材と下流側の基材で担持される貴金属触媒種や担持量等を変化させ、高い触媒活性を図ろうとするものである。
【０００５】
ここで、従来の２つの基材がタンデム搭載されてなる触媒コンバーターを図７に示す。同図に示すように、配管系を構成する管路Ｈの内部に排ガス流れ上流側（フロント側、Fr側）と下流側（リア側、Rr側）にそれぞれ１つずつ、計２つのセル構造の基材Ｋ１，Ｋ２が配設され、これらの基材Ｋ１，Ｋ２それぞれのセル壁面に担体とこれに担持された貴金属触媒からなる触媒層が形成された形態のものがある。この触媒コンバーターにおいては、基材Ｋ１，Ｋ２のセル密度がともに一様であるのが一般的である。
【０００６】
ところで、ガス流れは一般に管路Ｈの壁面との摩擦の影響のない管路の中心部（基材の中心部）に相対的に高い流速をもって基材内を流通することから、図７で示すセル構造の基材においては、基材Ｋ１，Ｋ２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り、このことに起因して周辺領域を流通する排ガス量が少なくなることからこの領域における触媒が十分に活用されず、結果として基材全体の触媒を十分に活用できていないという課題がある。
【０００７】
このような課題に対し、図７で示す従来のタンデム型の触媒コンバーターの構成に改良を加えて、ガス流れ上流側の基材と下流側の基材の双方に対し、それぞれの中央領域と周辺領域でセル密度を変化させることにより、触媒コンバーター全体の流速分布や温度分布を平均化することのできる触媒コンバーターが特許文献１に開示されている。
【０００８】
特許文献１に開示される触媒コンバーターを図８に模擬している。同図で示す触媒コンバーターにおいては、上流側の基材Ｋ１においては、中央領域Ｋ１ａが周辺領域Ｋ１ｂに比してセル密度が高く、下流側の基材Ｋ２においては、逆に周辺領域Ｋ２ｂが中央領域Ｋ２ａに比してセル密度が高くなっている。
【０００９】
このようなセル密度態様の基材Ｋ１，Ｋ２を具備する触媒コンバーターでは、排ガスがＸ１方向に流れながら触媒コンバーターに進入した後、上流側の基材Ｋ１ではセル密度が低くてガスが流れ易い周辺領域Ｋ１ｂを主として排ガスが流れ（Ｘ１’方向）、次いで下流側の基材Ｋ２では同様にセル密度が低くてガスが流れ易い中央領域Ｋ２ａを主として排ガスが流れることになる。
【００１０】
しかしながら、図８で示すように触媒コンバーターに対して排ガスが最初に流入する上流側の基材Ｋ１の中央領域Ｋ１ａのセル密度が高い形態では、この中央領域Ｋ１ａに流入する流速分布の高い排ガス流れに対する圧損が高くなり、結果として基材Ｋ１への排ガスの流れが阻害されることから、触媒コンバーターへの排ガスの流入量が低下することになる。
【００１１】
そして、このように触媒コンバーターに対する排ガスの流入量が低下すると、触媒コンバーターに対する熱供給も自ずと低下することになり、エンジン始動直後の暖機性が低くなってしまう。このエンジン始動直後の暖機性の低下にともない、HCやNOxなどのエミッション（コールドエミッション）が促進されることになる。
【００１２】
また、特許文献２には上流側に中央領域のセル密度が高い基材を配し、下流側にセル密度一様の基材を配した構成の触媒コンバーター（ここでは自動車用排気処理装置）が開示されている。
【００１３】
しかし、特許文献２で開示される触媒コンバーターによっても、特許文献１と同様に上流側の基材の中央領域のセル密度が高いことから排ガス流れが阻害され、排ガスの流入量が低下してしまうといった課題は依然として存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平９−３１７４５４号公報
【特許文献２】特開２０００−９７０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、エンジン始動直後の暖機性に優れ、さらには、触媒全体が有効に活用されて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】
【００１６】
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２つのセル構造の基材である、上流側の第１の基材と下流側の第２の基材がタンデム搭載されてなる触媒コンバーターであって、第１の基材はセル密度が均一であり、第２の基材は、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ているものである。
【００１７】
本発明の触媒コンバーターは、排ガス流れの上流側から順に第１、第２の２つのセル構造の基材を有するタンデム型の触媒コンバーターに関し、第１の基材は全体としてセル密度が一様な基材を適用し、下流側に位置する第２の基材は周辺領域に比して中央領域のセル密度が高くなっているものである。この構成により、一方の基材はセル密度が均一であることから２つの基材ともにセル密度を変化させる形態に比して製造が容易となる製造面でのメリットがある。さらに、下流側に位置する第２の基材の断面内における排ガスの流速分布を可及的に緩和してその均一化を図ることにより、この効果が上流側に位置する第１の基材にも及ぶことになり、第１の基材の断面内における排ガスの流速分布も可及的に緩和されてその均一化が図られる。その結果、第１、第２の基材全ての触媒を有効活用することができ、排ガス浄化性能を高めることができる。
【００１８】
このように、タンデム型の２つの基材に対し、下流側の基材における断面内でのセル密度を変化させて排ガスの流速分布の均一化を図ることにより、この効果が上流側に位置してセル密度一様な基材における排ガスの流速分布の均一化にも寄与するという作用は、本発明の触媒コンバーターによって奏される新規な作用である。
【００１９】
そして、上流側に位置する基材のセル密度が一様であり、たとえば中央領域が高いセル密度とはなっていないことから、排ガスが最初に流入する上流側の基材の排ガス流れに対する圧損の上昇は抑制され、良好な排ガス流れとこれに起因した触媒コンバーターに対する良好な熱供給が保証され、エンジン始動直後の高い暖機性が保証される。
【００２０】
なお、本発明者等の検証によれば、第２の基材において、周辺領域のセル密度に対する中央領域のセル密度を1倍より大きくて2倍以下の範囲に設定することにより、エミッション低減効果が極めて高い触媒コンバーターとなることが実証されている。
【００２１】
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が挙げられる。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。
【００２２】
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セリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（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、CeO2、ZrO2および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。
【００２３】
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】
【００２４】
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、排ガスが流れる上流側の第１の基材と下流側の第２の基材がタンデム搭載されてなる触媒コンバーターに関し、第１の基材はセル密度が均一であり、第２の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ていることにより、触媒コンバーターに対する排ガスの良好な流入を保証して触媒コンバーターに対する熱供給を促進することができ、エンジン始動直後の暖機性を向上させてコールドエミッション低減効果を高めることができる。また、下流側の第２の基材のみ断面内におけるセル密度を変化させることから、２つの基材ともにセル密度を変化させる形態に比して製造が容易となる製造面でのメリットを享受できる。さらに、下流側に位置する第２の基材の断面内における排ガスの流速分布を可及的に緩和してその均一化を図ることにより、この効果が上流側に位置する第１の基材にも及ぶことになり、第１の基材の断面内における排ガスの流速分布も可及的に緩和されてその均一化が図られ、結果として、第１、第２の基材全ての触媒を有効活用でき、排ガス浄化性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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説明した模式図である。
【図２】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。
【図３】基材の断面内における排ガスの流速分布を説明した図であり、かつ、上流側の基材の断面内における流速分布を検証する実験結果を示した図である。
【図４】上流側の基材の断面内における流速分布を検証する実験結果を示した図である。
【図５】上流側の基材の触媒のエミッション比に関する実験結果を示した図である。
【図６】下流側の基材の中央領域と周辺領域のセル密度比とエミッション比の相関を特定する実験結果を示した図である。
【図７】従来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。
【図８】従来（特許文献１で開示）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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
（排ガスの排気系統）
図１は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説明した模式図である。
【００２８】
図示する排ガスの排気系統は、エンジン２０、触媒コンバーター１０、三元触媒コンバーター３０、サブマフラー４０およびメインマフラー５０が配されて相互に系統管６０で繋がれ、エンジン２０で生成された排ガスは同図のＸ１方向に排気されるようになっている。図示する排気系統において、触媒コンバーター１０が電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の場合には、たとえばエンジン２０を始動させた際に、可及的速やかに電気加熱式触媒コンバーターを構成するハニカム触媒を所定温度まで加熱昇温し、エンジンから流通してくる排ガスをこのハニカム触媒にて浄化し、電気加熱式触媒コンバーターで浄化しきれなかった排ガスはその下流に位置する三元触媒浄化装置３０にて浄化されることになる。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
【００２９】
（触媒コンバーターの実施の形態）
図２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る。同図で示す触媒コンバーター１０は、中空を有する筒状の管路１と、この管路１内に収容されているタンデム型の基材４とから大略構成されており、タンデム型の基材４は、排ガス流れの上流側に位置する第１の基材２と、下流側に位置する第２の基材３とから構成されている。
【００３０】
ここで、第１、第２の基材２，３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、第１、第２の基材２，３のセル壁の表面に形成される不図示の触媒層を構成する担体としては、多孔質酸化物であるセリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（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、CeO2、ZrO2および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。
【００３１】
第１、第２の基材２，３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、第１、第２の基材２，３において排ガスの流れ方向上流側（Fr側）の端部のセル内に流入した排ガスは、基材１の内部を流通し、この流通過程で浄化され、第１、第２の基材２，３において排ガスの流れ方向下流側（Rr側）の端部から浄化された排ガスが流出するようになっている（Ｘ１方向）。
【００３２】
タンデム型の基材４において、上流側に位置する第１の基材２はセル密度が均一であり、下流側に位置する第２の基材３は、セル密度が相対的に高い中央領域３ａとセル密度が相対的に低い周辺領域３ｂとから構成されている。そのため、第１の基材２に流入してきた（Ｘ１方向）排ガスは、セル密度の高い中央領域３ａへの流れ（Ｘ２方向）に比してセル密度の低い周辺領域３ｂへの流れ（Ｘ３方向）が促進される。
【００３３】
ここで、図３は、基材の断面内における排ガスの流速分布を説明した図である。同図の点線ラインで示すように、セル密度均一な基材では大きな流速分布が生じている。これに対し、第２の基材３のように、セル密度を断面内で変化させることにより、実線ラインで示すように、断面内における流速分布が緩和され、その均一化が図られるようになる。
【００３４】
図示する触媒コンバーター１０によれば、排ガスが最初に流入する上流側の第１の基材２のセル密度を断面全体で均一な構成とすることで、異種のセル密度を有していないことから第１の基材２の製作は容易となり、かつ、排ガス流れに対する圧損の上昇が抑制され、良好な排ガス流れとこれに起因した触媒コンバーターに対する良好な熱供給が保証され、エンジン始動直後の高い暖機性が保証され、HCやNOxなどのコールドエミッションが効果的に抑制されることになる。
【００３５】
また、下流側の第２の基材３は周辺領域３ｂに比して中央領域３ａのセル密度が高くなっていることにより、第２の基材３の断面内における排ガスの流速分布を可及的に緩和してその均一化を図ることができるが、このことに加えて、この効果が上流側に位置する第１の基材２にも及ぶことになり、第１の基材２の断面内における排ガスの流速分布も可及的に緩和されてその均一化が図られ、結果として、第１、第２の基材２，３全ての触媒を有効活用することができる。
【００３６】
なお、第２の基材３における周辺領域３ｂと中央領域３ａのセル密度に関し、周辺領域３ｂのセル密度に対する中央領域３ａ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ことにより、エミッション低減効果が極めて高い触媒コンバーターとなる。
【００３７】
また、図示する第２の基材３は、中央領域３ａ，周辺領域３ｂの排ガス流れ方向の長さがともに同じ長さを有するものであるが、低セル密度の周辺領域の長さを相対的に長くしてもよい。
【００３８】
[上流側の第１の基材の流速分布と浄化性能に関する実験とその結果]
本発明者等は、本発明のタンデム型の基材を備えた触媒コンバーターにおいて、上流側の第１の基材の流速分布と浄化性能に関する実験をおこなった。以下、実施例1と比較例1の触媒コンバーターに関し、上流側の基材は双方ともに同じ構成であり、下流側の基材は実施例1と比較例1で相違させた。
【００３９】
（上流側の基材について（実施例1、比較例1に共通））
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で長手方向の長さが105mmであり、セル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、セルの格子形状はいずれも六角形である。また、触媒層を構成する担体はAl2O3-CeO2-ZrO2複合酸化物（ACZ材）であり、貴金属触媒としてPdを1.0g/L、Rhを0.2g/L担持させた。
【００４０】
（下流側の基材について）
＜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で長手方向の長さが105mmであり、セル密度が低い周辺領域のセル密度が400cpsi(62個/cm2)であり、セル密度が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箇所はφ70mmとし、セルの格子形状はいずれも四角形である。また、触媒層を構成する担体はAl2O3-CeO2-ZrO2複合酸化物（ACZ材）であり、貴金属触媒としてPtを0.3g/L、Rhを0.1g/L担持させた。
【００４１】
＜比較例1＞
基材全体のセル密度を均一とし、セル密度を500cpsi(78個/cm2)とした以外は実施例1と同様である。
【００４２】
このように、実施例1は上流側の基材のセル密度が均一であり、下流側の基材がセル密度の高い中央領域とセル密度の低い周辺領域から構成されるものであり、比較例1は上流側と下流側でそれぞれに固有で均一なセル密度を有する基材からなるものである。
【００４３】
（実験方法）
実機エンジンを使用し、触媒床温950℃で、1分間にフィードバック、フューエルカット、リッチ・リーンを含むサイクルで50時間の耐久試験を実施した流速分布の測定は触媒コンバーターの側面に穴を開け、そこに流速計を差し込んで計測をおこなった。また、浄化性能評価法は、実機エンジンに実施例1、比較例1の各触媒コンバーターを設置してエンジンを駆動させ、NOx排出量を測定した。
【００４４】
（実験結果）
実験結果を図４，５に示す。ここで、図４は上流側の第１の基材の断面内における流速分布を検証する実験結果を示した図であり、図５は上流側の第１の基材の触媒のエミッション比に関する実験結果を示した図である。
【００４５】
まず、上流側の基材の流速分布に関しては、図３も実験結果を示しており、点線ラインは比較例1の流速分布であり、実線ラインは実施例1の流速分布である。同図において、ガスの流速を5mm間隔で計測し、比較例1の最大流速を1に正規化して実施例1と比較例1の各流速分布を評価した。また、図４は、実施例1、比較例1のそれぞれにおいて最大流速を1に正規化し、各測定点の標準偏差をとることで流速分布の一様度を示した。さらに、図５は、上流側の基材直後で下流側の基材直前のNOx量を測定し、比較例1のNOx低減量を1に正規化し、実施例1は比較例1に対する比率で示した。
【００４６】
まず、図３より、比較例1に比して実施例1の基材の流速分布が大きく緩和されていることが分かる。このことは、図４で示す比較例1と実施例1の流速の一様度の相違によっても実証されている。
【００４７】
さらに、図５より、比較例1に対して実施例1の上流側の基材によるエミッションは5%程度低減していることが分かる。
【００４８】
これは、実施例1に関し、下流側の基材によって流速分布が緩和され、この効果が上流側の基材に及んでいることによるものである。
【００４９】
[下流側の基材の中央領域と周辺領域のセル密度比とエミッション比の相関を特定する実験結果]
本発明者等はさらに、下流側の基材の中央領域と周辺領域のセル密度比とエミッション比の相関を特定する実験をおこなった。以下、実施例1、比較例1に加えて、実施例2、3、比較例2の下流側の基材のセル密度を表１に示す。なお、上流側のセル密度はすべての触媒コンバーターともに実施例1、比較例1と同様である。また、触媒平均のセル密度は全て500cpsiとしている。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
図６に実験結果を示している。同図より、比較例1（セル密度比1）、および、実施例3と比較例2の間のセル密度比2で変曲点を迎えており、これらの間でエミッション比が低くなっていることより、下流側の基材の中央領域と周辺領域のセル密度比を1倍より大きく、2倍以下の範囲とすることで高いエミッション低減効果が得られることが分かる。
【００５２】
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】
【００５３】
１…管路、２…第１の基材、３…第２の基材、３ａ…中央領域、３ｂ…周辺領域、４…タンデム型の基材、１０…触媒コンバーター、２０…エンジン、３０…三元触媒コンバーター、４０…サブマフラー、５０…メインマフラー、６０…配管（系統管）
【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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【図８】
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