(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガス通路に配設され、基材と、該基材の表面に形成された触媒層と、該触媒層に担持された触媒成分とを備える内燃機関の排ガス浄化触媒において、
前記触媒層は、排ガス流れに接する第１の触媒層と、
前記第１の触媒層の基材側表面に形成される第２の触媒層と、から形成され、
前記第１の触媒層に担持される触媒成分はロジウム（Ｒｈ）を含み、
前記第２の触媒層に担持される触媒成分はパラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）の少なくとも一方を含み、
前記第１の触媒層の前記Ｒｈの担持量は、前記基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的に減少するように形成され、
前記第２の触媒層の前記ＰｄまたはＰｔの担持量は、前記基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的にゼロも含み減少するように形成され、
前記第２の触媒層における前記排ガス流れに対し上流端側の分割領域である第２の触媒上流層の長さは、前記第１の触媒層における前記上流端側の分割領域である第１の触媒上流層の長さを超えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
【請求項２】
前記基材と前記第１の触媒層と前記第２の触媒層との積層状態は、前記基材の上流端側においては、前記基材と前記第１の触媒上流層と前記第２の触媒上流層とによる積層状態であり、前記基材の中央部分においては、前記基材と前記第１の触媒上流層の下流側の第１の触媒下流層と前記第２の触媒上流層とによる積層状態であり、前記基材の下流端側においては、前記基材と前記第１の触媒下流層とによる積層状態であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
【請求項３】
前記第２の触媒上流層の長さは、前記基材の上流端から下流側に基材全長の６５〜８５％の範囲に至るまで形成されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
【請求項４】
前記第１の触媒上流層の長さは、前記基材の上流端から下流側に基材全長の３０〜５０％の範囲に至るまで形成されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関の排ガス浄化触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンから排出される排ガスの浄化触媒として、排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に酸化と還元を行う三元触媒が用いられている。
この三元触媒は、主に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）及びロジウム（Ｒｈ）を触媒金属として含み、一層の触媒層内に上記３種の触媒金属が混合された触媒、又は触媒層を上層と下層とに分けて、それぞれに触媒金属が分離担持された触媒、又は排ガス流れ方向に対して上流側と下流側とに分けて、それぞれに触媒金属が分離担持された触媒等の種々のタイプの触媒が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、飽和炭化水素を含む排ガスを効率よく浄化できるようにする排ガス浄化触媒について示され、排ガス流れ方向上流側には、触媒金属としてＰｔのみを含む触媒層が設けられ、排ガス流れ方向下流側にはＰｔを含まないＰｄ及びＲｈを含む触媒層が設けられ、Ｐｔのみを含む触媒層においては、中心部に設けられるＰｔの含有量を周縁部より大きくすることが示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、触媒金属の粒成長を抑制することができる排ガス浄化触媒について示され、基材と、基材上に形成され、Ｐｄ及びＰｔの少なくとも１種を含む下触媒層と、Ｒｈを含む上触媒層とを有し、排ガス上流側に上触媒層を含まない領域が設けられ、下触媒層が排ガス上流側の前段下触媒層と排ガス下流側の後段下触媒層からなり、前段下触媒層が酸素吸放出材を含むことが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２４３８１号公報
【特許文献２】特許第５２８７８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、大気のクリーン化が求められるなか、ガソリンエンジンでは、触媒システムの排ガス浄化性能のさらなる向上が必要である。特に、実環境を考慮すると、エンジン冷態時の排ガス低減が重要な課題である。
この課題への対応として、触媒の早期昇温を狙って、三元触媒をエンジン近接位置に搭載したシステムが検討されている。しかしながら、このようなエンジンの近接位置に触媒を搭載したシステムでは、排気圧力の上昇によって、エンジン性能が低下してしまうという問題もある。したがって、より厳しい排ガス規制に対応し、触媒の圧力損失を抑制するためにも、さらなる触媒性能の向上が求められている。
一般に、図１３に示すように、貴金属担持量を増大するほど、また、触媒温度が高いほど、排ガス浄化性能は優れる。このため、触媒の昇温過程において、排ガス浄化効率を高めるには、触媒活性成分である貴金属の担持量を増大する手法が用いられるが、コストが極めて高価になるという問題がある。
【０００７】
上記の特許文献１、２では、基材上にそれぞれ別個の複数の触媒層をコートした排ガス浄化触媒が記載されているが、エンジン冷態時の排ガス浄化性能のさらなる向上、排気圧力の上昇抑制、触媒コスト削減の３つを共に達成させる触媒技術が必要とされている。
【０００８】
そこで、上記技術的課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、排ガス浄化性能の向上とエンジン出力性能の向上が可能な内燃機関の排ガス浄化触媒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】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化触媒は、内燃機関の排ガス通路に配設され、基材と、該基材の表面に形成された触媒層と、該触媒層に担持された触媒成分とを備える内燃機関の排ガス浄化触媒において、前記触媒層は、排ガス流れに接する第１の触媒層と、前記第１の触媒層の基材側表面に形成される第２の触媒層と、から形成され、前記第１の触媒層に担持される触媒成分はＲｈを含み、前記第２の触媒層に担持される触媒成分はＰｄとＰｔの少なくとも一方を含み、前記第１の触媒層の前記Ｒｈの担持量は、前記基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的に減少するように形成され、前記第２の触媒層の前記ＰｄまたはＰｔの担持量は、前記基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的にゼロも含み減少するように形成されたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成（１）によれば、触媒層を、排ガスの流れに接する第１の触媒層と、第１の触媒層の基材側表面に形成される第２の触媒層と、から形成され、第２の触媒層に担持された触媒成分はＰｄとＰｔの少なくとも一方を含み、第１の触媒層に担持される触媒成分はＲｈを含む。これによって、触媒成分のＰｄよりも、担持量当たりの触媒浄化性能が高いＲｈを排ガスに接する上層側に配置することで、排ガス浄化が効果的に行われる。
【００１１】
また、第２の触媒層のＰｄの担持量は、基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的にゼロも含み減少することによって、触媒下流に比べて触媒温度が高い触媒上流側に貴金属を多く配置するので、排ガス浄化が効果的に行われる。
【００１２】
また、第１の触媒層のＲｈの担持量においても、基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的に減少することによって、触媒上流側に貴金属を多く配置するので、排ガス浄化が効果的に行われる。
とくに、高担持量のＲｈを上流部分の上層に配置することで、低温時の排ガス浄化性能を向上できる。
【００１３】
また、低担持量のＲｈを下流部分の上層に配置することで、高負荷時の高排ガス流量時における排ガス浄化性能、とくに、ＮＯｘの浄化性能を確保できる。これは、貴金属のなかで、Ｒｈが最も優れたＮＯｘの還元性能を保持していることに基づくもので、触媒反応に必要な触媒容量を確保できれば、低担持量のＲｈであっても、高い排ガス浄化性能を保持できる。すなわち、高排ガス流量時であっても、上層のＲｈによって排ガスとの反応を促進して、排ガス浄化性能を確保する。
【００１４】
以上より、エンジンの始動後から、高負荷時に排出されるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを効果的に浄化すことができる。
また、第２の触媒層及び第１の触媒層のそれぞれの層における触媒成分の総担持量を均一に担持する場合よりも効率の高い浄化性能が得られるため、結果的に貴金属の母材（サポート材）を含む触媒ウォッシュコート量や貴金属担持量の低減が可能となり、排気圧力の低下と触媒コストの削減が図れる。
さらに、触媒の排圧低下は、エンジン近接位置への触媒搭載が可能になるため、冷態時のさらなる排ガス低減をもたらす。
【００１５】
（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、前記第２の触媒層における前記排ガス流れに対し上流端側の分割領域である第２の触媒上流層の長さは、前記第１の触媒層における前記上流端側の分割領域である第１の触媒上流層の長さ以上であることを特徴とする。
【００１６】
上記構成（２）によれば、排ガスの流れに接する第１の触媒層においては、上流端側の分割領域である第１の触媒上流層は、冷態時のエンジン始動直後における触媒温度分布に基づいて、触媒への流入排ガス温度より高い触媒温度になる長さに設定することが効果的である（図４参照）。したがって、Ｒｈ担持量を多く設定する第１の触媒上流層において、エンジン始動直後におけるより高い排ガス浄化性能が得られる。
【００１７】
一方、第２の触媒層に担持するＰｄの添加量（添加重量）は、触媒温度分布だけではなく、第２の触媒層長さ、つまりＰｄの担持密度（基材の長さ×断面積で規定される基材容積当たりのＰｄの担持重量）と、第２の触媒層の酸素吸蔵能力（例えば、酸素雰囲気から還元雰囲気に切り替え後の一定時間内の酸素吸蔵量）とに基づいて設定されることで、効果的な排ガス浄化を行うことができる。触媒中のＰｄ担持重量を一定とした場合には、基材容積を小さく（基材の断面積が同じであれば、基材の長さを短く）すると、Ｐｄ担持密度を高く設定できるため、触媒活性が向上する。
しかし、基材の長さが短すぎる場合、高負荷時の高排ガス流量時に、第２の触媒層へのガス拡散性が悪化し、触媒の酸素吸蔵能力が大幅に低下する。一般に、三元触媒の酸素吸蔵能力は、雰囲気変動時における排ガス浄化性能（とくに、ＮＯｘ浄化性能）の悪化を抑制するために重要である。酸素吸蔵能力が低すぎると、排ガス浄化性能のロバスト性が低下してしまう。
また、触媒の酸素吸蔵能力は酸素吸蔵材の種類や担持重量だけでなく、貴金属の共存作用に基づく貴金属担持量の依存性も強いことがわかっている。
従って、第２の触媒層は、Ｐｄの担持密度と、酸素吸蔵能力に基づいて、最適な長さを設定するとよい（図５、６参照）。
【００１８】
以上のことから、第２の触媒上流層の長さを第１の触媒上流層の長さ以上に設定することと、Ｐｄを担持する第２の触媒層と、Ｒｈを担持する第１の触媒層を、エンジンの冷態始動後から高負荷時までの排ガスを効果的に浄化できる長さに各々設定することで、高い排ガス浄化性能を効果的に得ることが可能になる。
【００１９】
（３）幾つかの実施形態では、上記構成（２）において、前記第２の触媒層は、前記第２の触媒上流層と該第２の触媒上流層の前記排ガス流れに対し下流側の第２の触媒下流層とから形成され、前記第２の触媒下流層は、前記ＰｄまたはＰｔの担持量がゼロであることを特徴とする。
【００２０】
上記構成（３）によれば、第２の触媒層は、第２の触媒上流層と第２の触媒下流層とから構成され、第２の触媒下流層にはＰｄの担持量がゼロであるので、Ｐｄは、第２の触媒上流層にのみ担持されており、排ガス温度が高い上流側のＰｄ担持密度を高めることで、効率よい排ガス浄化が可能になる。
【００２１】
（４）幾つかの実施形態では、上記構成（３）において、前記第２の触媒上流層の長さは、前記第１の触媒上流層の長さを超え、前記第２の触媒上流層は、前記基材の上流端から下流側に基材全長の６５〜８５％の範囲に至るまで形成されることを特徴とする。
【００２２】
上記構成（４）によれば、第２の触媒上流層は、基材の上流端から基材全長の６５〜８５％の範囲に至るまで形成されることによって、Ｐｄの担持密度（基材容積当たりのＰｄの担持重量）と、第２の触媒の酸素吸蔵能力（一定時間内の酸素吸蔵量）とを両方満足する長さに設定することができ、エンジン始動直後における排ガス温度の影響による排ガス浄化効果（図４参照）と、Ｐｄの担持長さによる排ガス浄化効果（図５、６参照）との両効果を共に得ることができ、大幅に排ガス量を低減することができる。
【００２３】
（５）幾つかの実施形態では、上記構成（４）において、前記第１の触媒上流層の長さは、前記基材の上流端から下流側に基材全長の３０〜５０％の範囲に至るまで形成されることを特徴とする。
【００２４】
上記構成（５）によれば、エンジン冷態始動直後において触媒への流入排ガス温度が高温になる部分（図４参照）に、担持密度当たりの触媒活性が高いＲｈを、集中的に配置できる。
【００２５】
（６）幾つかの実施形態では、上記構成（３）において、前記第２の触媒上流層の長さと、前記第１の触媒上流層の長さとが同一であり、前記第１の触媒上流層は、前記基材の上流端から下流側に基材全長の５０〜６０％の範囲に至るまで形成されることを特徴とする。
【００２６】
上記構成（６）によれば、第２の触媒上流層の長さと第１の触媒上流層の長さを同一に設定するとともに、それらの触媒層を基材の上流端から下流にかけて基材全長の５０〜６０％の範囲に至るまで形成されることによって、エンジン始動直後における排ガス温度の影響による浄化効果（図４参照）を得ることができる。
【００２７】
（７）幾つかの実施形態では、上記構成（２）において、前記第２の触媒上流層と前記第１の触媒上流層とは同一長さを有し、前記第２の触媒下流層と前記第１の触媒下流層とは同一長さを有し、前記第１の触媒上流層及び前記第２の触媒上流層は、前記基材の上流端から下流側に基材全長の３０〜５０％の範囲に至るまで形成されることを特徴とする。
【００２８】
上記構成（７）によれば、Ｐｄ担持量が多い第２の触媒上流層の長さを第１の触媒上流層の長さと同一にしている。ここで、前述の構成（６）における第２の触媒下流層が存在しない場合、第２の触媒上流層は所定の長さより短いと、高負荷時の排ガス浄化性能（とくに、ＮＯｘ浄化性能）が悪化してしまう。しかしながら、上記構成（７）のように、第２の触媒下流層が存在する場合には、第２の触媒上流層の長さを短くしても、Ｐｄと酸素吸蔵材が共に存在して高い酸素吸蔵能を発揮する触媒層の長さを確保できる。この効果によって、高負荷時の排ガス浄化性能を確保できる。さらに、エンジン冷態始動直後における触媒への流入排ガス温度が高温になる部分（図４参照）に、前述の構成（６）よりも高担持密度のＰｄとＲｈを設定できるので、高い排ガス浄化性能を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、エンジンの始動後から、高負荷時にわたり排ガス浄化を効果的に行うことができる。
また、第１の触媒層（上触媒層）及び第２の触媒層（下触媒層）に一定の担持量を均一に担持する場合よりも効率よい浄化性能が得られるため、結果的に貴金属担持量を低減可能となり、触媒コストを安価にできる。また、排ガス浄化性能の向上によって、触媒ウォッシュコート量を削減した設定や、触媒容量を小さくした設定が可能になるので、排気圧力の上昇抑制によるエンジン性能の向上も図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態を示し、内燃機関の排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化装置の概略構成図である。
【図３】（Ａ）は図２のＡ−Ａ断面拡大図であり、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面拡大図であり、（Ｃ）は図２のＣ−Ｃ断面拡大図である。
【図４】冷態始動から一定時間（数十秒）後の触媒内の温度分布状態を示す説明図である。
【図５】第２の触媒層長さについて、内燃機関の冷態始動時における、排ガス浄化性能への影響を示す説明図である。
【図６】第２の触媒層長さについて、内燃機関の高負荷時における、排ガス浄化性能への影響を示す説明図である。
【図７】実施例と比較例との触媒成分の担持量及び担持長さを示す説明図である。
【図８】比較例１、２と実施例１との内燃機関の冷態始動時における、排ガス浄化性能の比較を示す。
【図９】比較例１、２と実施例１との内燃機関の高負荷時における、排ガス浄化性能の比較を示す。
【図１０】比較例１、２と実施例１、２、３との内燃機関の冷態始動時における、ＨＣ、ＮＯｘ排出量の比較を示す。
【図１１】比較例１、２と実施例１、２、３との内燃機関の高負荷時における、ＨＣ、ＮＯｘ排出量の比較を示す。
【図１２】各貴金属の触媒浄化性能を示す特性グラフである。
【図１３】触媒活性の温度特性を示す特性グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化システムの概略構成図である。
図１に示すように、内燃機関（例えばガソリンエンジン）１の燃焼室（不図示）と連通する排気ポート３が気筒毎に形成されている。そして、エンジン１には夫々の排気ポート３と連通するように排気管（排気通路）５が接続されている。
排気管５の排ガス流れ方向下流には、排気過給機７が設けられている。排気過給機７ではタービンハウジング９と排気管５とが連通し、エンジン１から排出される排ガスｅのエネルギを利用して吸入された吸気を圧縮し、エンジン１の燃焼室に供給する。
排気管５には、排ガス浄化触媒１１をケーシング１３内に内蔵した触媒装置１５が設けられている。
【００３３】
この触媒装置１５は、排気過給機７の直下流側に設置された前段三元触媒１７として設置される例を示し、前段三元触媒１７だけによる排ガス浄化システムを示す。なお、後段側、例えば車両の床下に設けられる後段三元触媒１９として設置されてよく、この場合には、前段三元触媒１７と後段三元触媒１９との両方の触媒を備える排気浄化システムであってもよい。
【００３４】
図２に示すように、排ガス浄化触媒１１は、担持基材２１と、担持基材２１の表面に形成された触媒層２３と、触媒層２３に担持される触媒成分（不図示）で構成される。
【００３５】
図２に示した実施形態では、担持基材２１はハニカム構造体を形成し、例えばコーディエライト製や金属箔製のハニカム構造体で構成される。担持基材２１は１個の担持基材（例えばハニカム構造体）で構成される。
また、触媒層２３は、排ガスの流れに接する第１の触媒層２７と、第１の触媒層２７の担持基材２１側表面に形成され、担持基材２１の表面に近い第２の触媒層２５とから構成され、第２の触媒層２５に担持された触媒成分はパラジウム（Ｐｄ）を含み、第１の触媒層２７に担持される触媒成分はロジウム（Ｒｈ）を含んで構成される。なお、第２の触媒層２５に担持された触媒成分は酸素吸蔵材（ＯＳＣ材）を含んでも良く、パラジウム（Ｐｄ）の一部、もしくは全部をＰｔにかえてもよい。さらに、第１の触媒層２７に担持された触媒成分はＯＳＣ材を含んでもよい。
【００３６】
また、第１の触媒層２７と第２の触媒層２５は、主成分としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）のうち少なくとも１つを含んで構成される酸化物母材に触媒成分が担持されている。
第２の触媒層２５に担持された触媒成分はＰｄ及びＯＳＣ材及び、第１の触媒層２７に担持される触媒成分はＲｈを含んで構成されることで、いわゆる三元触媒としての機能を有し、排ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化し、かつＮＯｘを還元して無害なＮ２、ＣＯ２及びＨ２Ｏに変換する。
【００３７】
また、第２の触媒層２５のＰｄ及びＯＳＣ材の担持量（担持重量）は、担持基材２１の上流端から下流端にわたり担持基材２１を複数領域に分割した長さ毎に段階的にゼロも含み減少するように構成れている。例えば、図２のように、第２の触媒上流層２５ａと第２の触媒下流層２５ｂとの２つの分割領域（ゾーン）から構成され、この第２の触媒下流層２５ｂに相当する部分は、Ｐｄ及びＯＳＣ材の担持量がゼロに減少している。
【００３８】
第１の触媒層２７のＲｈの担持量は、担持基材２１の上流端から下流端にわたり担持基材２１を複数領域に分割した長さ毎に段階的に減少するように構成されている。例えば、図２のように、第１の触媒上流層２７ａと第１の触媒下流層２７ｂとの２つの分割領域（ゾーン）から構成され、第１の触媒上流層２７ａが第１の触媒下流層２７ｂよりＲｈの担持密度が高く設定されている。
【００３９】
担持基材２１と、第１の触媒層２７と、第２の触媒層２５との積層状態の断面図を図３に示す。図３（Ａ）は、担持基材２１の上流端側における積層状態であり、図３（Ｂ）は、担持基材２１の中央部分における積層状態であり、図３（Ｃ）は、担持基材２１の下流端側における積層状態をそれぞれ示す。
【００４０】
また、第１の触媒層２７は、触媒成分として、例えば担持基材２１の容積１リットル当たり０．１〜３．０ｇのＲｈを含み、第２の触媒層２５は、触媒成分として担持基材２１の容積１リットル当たり１〜１５ｇのＰｄもしくはＰｔを含む。さらに、ＯＳＣ材は、例えば、ＣｅＯ２やＣｅＯ２−ＺｒＯ２を主成分とする複合酸化物などで構成され、第２の触媒層２５には担持基材２１の容積１リットル当たり１〜１００ｇのＯＳＣ材をさらに含む。
【００４１】
なお、第２の触媒上流層２５ａ、第１の触媒上流層２７ａ、第１の触媒下流層２７ｂの担持量のより好ましい設定量としては、第２の触媒上流層２５ａは、Ｐｄ：３〜１０ｇ／Ｌ、ＯＳＣ材：５〜５０ｇ／Ｌ、第１の触媒上流層２７ａは、Ｒｈ：０．５〜２．０ｇ／Ｌ、第１の触媒下流層２７ｂは、Ｒｈ：０．１〜１．０ｇ／Ｌである。
【００４２】
このような実施形態によれば、触媒層２３を、担持基材２１の表面に近い第２の触媒層２５と第２の触媒層２５の上に形成された第１の触媒層２７とから構成され、第２の触媒層２５に担持された触媒成分はＰｄ及びＯＳＣ材を含み、第１の触媒層２７に担持される触媒成分はＲｈを含む。これによって、触媒成分のＰｄよりも担持量（同一体積に担持した単位重量）当たりの触媒浄化性能が高いＲｈを排ガスに接する上層側に配置することで、排ガス浄化が効果的に行われる。
なお、各貴金属の触媒浄化性能を図１２に示し、Ｒｈは担持量当たりの浄化性能がＰｄに比べて高いことがわかっている。
【００４３】
第２の触媒層２５のＰｄ及びＯＳＣ材の担持密度は、基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的にゼロも含み減少することによって、触媒上流側に貴金属を多く配置するので、排ガス浄化が効果的に行われる。同様に、第１の触媒層２７のＲｈの担持密度においても、基材の上流端から下流端にわたり基材を複数領域に分割した長さ毎に段階的に減少することによって、触媒上流側に貴金属を多く配置するので、排ガス浄化が効果的に行われる。
また、図１２からも示されるように高担持密度のＲｈを上流部分の上層に配置することで、低温時の排ガス浄化性能を向上できる。また、低担持密度のＲｈを下流部分の上層に配置することで、高負荷時の高排ガス流量時における排ガス浄化性能を確保できる。すなわち、高排ガス流量時であっても上層のＲｈと排ガスとの接触性のよさを利用して、排ガス浄化性能を確保する。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、エンジンの始動後から、高負荷時に排出されるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを効果的に浄化することができる。第２の触媒層２５及び第１の触媒層２７のそれぞれの層における触媒成分の総担持量を均一に担持する場合よりも高い排ガス浄化性能が得られるため、ＰｄとＲｈの総担持量の低減が可能となり、触媒コストの削減が図れる。また、排ガス浄化性能の向上にともなって、触媒容量を小さくしたり、ウォッシュコート量を減少して触媒層を薄くしたりすることで、排気圧力の上昇抑制が図れる。さらに、排気圧力の上昇抑制にともなって、エンジン性能の低下を抑制することができるため、エンジン近接位置への触媒搭載が可能となる。
【００４５】
幾つかの実施形態では、図２、すなわち図７の実施例１に示すように、第２の触媒層２５における上流端側の第２の触媒上流層２５ａの長さが、第１の触媒層２７における上流端側の第１の触媒上流層２７ａの長さ以上に設けられている。すなわち、図２で示されるＭ２≧Ｍ１のように構成されている。
【００４６】
このような実施形態によれば、排ガスの流れに接する第１の触媒層２７においては、上流端の分割領域である第１の触媒上流層２７ａの長さＭ１は、冷態時のエンジン始動直後における触媒温度分布に基づいて、触媒への流入排ガス温度より高い触媒温度になる長さに設定されるとよい（図４参照）。このため、第１の触媒上流層２７ａにおいて、エンジン始動直後における排ガス浄化が得られる。
【００４７】
一方、第２の触媒層２５に担持するＰｄ及びＯＳＣ材の添加量（添加重量）は、触媒温度分布だけではなく、第２の触媒層２５の長さ、つまりＰｄの担持密度（基材の長さ×断面積で規定される基材容積当たりのＰｄの担持重量）と、ＯＳＣ材の酸素吸蔵能力（例えば、酸素雰囲気から還元雰囲気に切り替え後の一定時間内の酸素吸蔵量）とに基づいて設定されることで、効果的な排ガス浄化を行うことができる。触媒中のＰｄ担持重量を一定とした場合には、基材容積を小さく（基材の断面積が同じであれば、基材の長さを短く）すると、Ｐｄ担持密度を高く設定できるため、触媒活性が向上する。しかし、基材の長さが短すぎる場合、高負荷時の高排ガス流量時に、第２の触媒層２５へのガス拡散性が悪化し、第２の触媒層２５の酸素吸蔵能力が大幅に低下する。一般に、三元触媒の酸素吸蔵能力は、雰囲気変動時における排ガス浄化性能（とくに、ＮＯｘ浄化性能）の悪化を抑制するために重要である。酸素吸蔵能力が低すぎると、排ガス浄化性能のロバスト性が低下してしまう。
また、触媒の酸素吸蔵能力はＯＳＣ材の種類や担持重量だけでなく、貴金属の共存作用に基づく貴金属担持量の依存性も強いことがわかっている。
従って、第２の触媒層２５は、Ｐｄの担持密度と、ＯＳＣ材の酸素吸蔵能力に基づいて、最適な長さを設定するとよい（図５、６参照）。
【００４８】
従って、第２の触媒層２５の第２の触媒上流層２５ａの長さＭ２が、第１の触媒上流層２７ａの長さＭ１以上に設定されることで、第２の触媒層２５に担持されるＰｄ及びＯＳＣ材と、第１の触媒層２７に担持されるＲｈとを、エンジンの冷態始動後から高負荷時までの排ガスを効果的に浄化できる長さに設定でき、排ガス浄化性能を効果的に得ることが可能になる。
【００４９】
幾つかの実施形態では、図２（図７の実施例１）、及び図７の実施例２に示すように、第２の触媒層２５（２５ａ）、５５（５５ａ）を備えている。第２の触媒下流層２５ｂ、５５ｂに相当する部分は無く、Ｐｄ及びＯＳＣ材の担持量が共にゼロとなっている。
このような実施形態によれば、第２の触媒下流層２５ｂ、５５ｂの部分はＰｄ及びＯＳＣ材の担持量が共にゼロであるので、Ｐｄ及びＯＳＣ材は、第２の触媒上流層２５ａ、５５ａにのみ担持されており、排ガス温度が高い上流側にＰｄを集中的に配置し、担持することで、とくに、低温時において効率よい排ガス浄化が可能になる。
【００５０】
幾つかの実施形態では、図２（図７の実施例１）に示すように、第２の触媒下流層２５ｂに相当する部分は無く、Ｐｄ及びＯＳＣ材の担持量が共にゼロとなるように構成され、さらに、第２の触媒上流層２５ａの長さが、第１の触媒上流層２７ａの長さを超え、第２の触媒上流層２５ａは、担持基材２１の上流端から下流側に基材全長の６５〜８５％の範囲に至るまで形成されている。
【００５１】
このような実施形態では、図５、６に示される第２の触媒層２５（Ｐｄ層）の特性を基に、すなわち、図５に示されるように、触媒に担持するＰｄ重量が同じ条件では、Ｐｄ層を短くすると、Ｐｄ密度が高くなるため、低温時のＨＣ、ＮＯｘの排出量が低下する。一方、図６に示されるように、Ｐｄ層が短くなり過ぎると酸素吸蔵能力が低下するため高負荷時の排ガス排出量（とくに、ＮＯｘ排出量）が増加する特性がある。このため、Ｐｄ層の長さは、何れも良好な排ガス浄化性能が得られる範囲として設定する必要がある。
【００５２】
したがって、第２の触媒上流層２５ａは、担持基材２１の上流端から基材全長の６５〜８５％の範囲に至るまで形成されることによって、Ｐｄの担持密度（基材容積当たりのＰｄの担持重量）と、酸素吸蔵能力とを両方満足する長さに設定することができ、エンジン始動直後における排ガス温度の影響による排ガス浄化効果（図４参照）と、Ｐｄ層の担持長さによる排ガス浄化効果（図５、６参照）の両方を得ることができ、排ガス浄化性能を大幅に向上することができる。
【００５３】
また、図２（図７の実施例１）に示す実施形態では、第２の触媒上流層２５ａは、担持基材２１の上流端から下流側に基材全長の６５〜８５％の範囲に至るまで形成されているとともに、第１の触媒上流層２７ａの長さは、担持基材２１の上流端から下流側に基材全長の３０〜５０％の範囲に至るまで形成されている。エンジン冷態始動直後において触媒への流入排ガス温度が高温になる部分（図４参照）に、担持密度当たりの触媒活性が高いＲｈを、集中的に配置されている。
【００５４】
幾つかの実施形態では、図７の実施例２に示すように、第２の触媒層５５（５５ａ）を備えている。第２の触媒下流層５５ｂに相当する部分は無く、Ｐｄ及びＯＳＣ材の担持量が共にゼロとなっている。さらに、第２の触媒上流層５５ａの長さと第１の触媒上流層５７ａの長さとが同一であり、第２の触媒上流層５５ａ及び第１の触媒上流層５７ａは、共に担持基材２１の上流端から下流側に基材全長の５０〜６０％の範囲に至るまで形成されている。図７の実施例２では、５／９の位置（約５６％の位置）まで形成されている。
【００５５】
低温時の排ガス浄化性能の向上を主眼とする場合、触媒上流部に存在するＲｈ担持重量とＰｄ担持重量による寄与が大きい。このため、第２の触媒下流層５５ｂのＰｄ担持重量をゼロに設定し、第２の触媒上流層５５ａのＰｄ担持密度を高めることが望ましい。この場合、第２の触媒上流層５５ａと第１の触媒上流層５７ａの長さは、５０％を超えて、５５％以上６０％以下が望ましい。
【００５６】
このような実施形態では、第２の触媒上流層５５ａの長さと第１の触媒上流層５７ａの長さを同一に設定するとともに、担持基材２１の上流端から下流にかけて基材全長の５０〜６０％の範囲に至るまで形成されることによって、エンジン冷態始動直後において触媒への流入排ガス温度より高温になる部分（図４参照）に、高密度のＲｈ、Ｐｄを集中的に配置でき、冷態時のエンジン始動直後における排ガス浄化を効果的に行うことができる。
【００５７】
幾つかの実施形態では、図７の実施例３に示すように、第２の触媒上流層６５ａの長さと、第１の触媒上流層６７ａの長さとが同一であり、第２の触媒下流層６５ｂは、第２の触媒上流層６５ａよりＰｄの担持密度が低く、第１の触媒下流層６７ｂは、第１の触媒上流層６７ａより、Ｒｈの担持密度が低く、さらに、第１の触媒上流層６７ａ及び第２の触媒上流層６５ａは、担持基材２１の上流端から下流側に基材全長の３０〜５０％の範囲に至るまで形成されている。
【００５８】
この図７の実施例３は、エンジン冷態始動直後において触媒への流入排ガス温度より高温になる部分（図４参照）により高密度のＲｈ、Ｐｄを集中的に配置できる。図４において、排ガス浄化触媒１１への流入排ガス温度より高い触媒温度になる長さとしては、担持基材２１の略４０％に至る部分であるため、この範囲に入るように、または近付けるように設定されるとよい。
【００５９】
このような実施形態では、第２の触媒上流層６５ａの長さを、第１の触媒上流層６７ａの長さと同一にして、図７の実施例２の第２の触媒下流層５５ｂが存在しない場合よりも、第２の触媒上流層６５ａをより上流端側に位置させて、図４に示すように、冷態時のエンジン始動直後における排ガス浄化を効果的に得ることができる。
【００６０】
次に、排ガス浄化触媒１１をさらに説明するために図７に実施例を示す。
第２の触媒層２５のＰｄ（ＯＳＣ材含む）、及び第１の触媒層２７のＲｈのそれぞれの担持量の総量を一定として、すなわち、総貴金属担持量を一定にして、分割領域（ゾーン）を変更したものについて、所定の試験運転パターンによって、冷態始動後の一定時間、及び高負荷運転時のそれぞれについて、排ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの排出量及び浄化特性を評価した。
【００６１】
図７に示した比較例１は、第２の触媒層１２５のＰｄ及びＯＳＣ材、及び第１の触媒層１２７のＲｈを、それぞれの触媒層に担持基材２１の全長に亘って均一に担持した場合である。
比較例２は、第２の触媒層１３５の触媒成分のＰｄを担持基材２１の長さの１／２とした場合である。第１の触媒層１３７は、比較例１と同様に、Ｒｈを担持基材２１の全長に亘って担持した場合である。
【００６２】
図７に示した実施例１は、図２に示した実施形態の構成である。第１の触媒上流層２７ａを上流端から担持基材２１の長さの１／３までとし、その下流側の２／３を第１の触媒下流層２７ｂとする。さらに、第２の触媒上流層２５ａは上流端から担持基材２１の長さの３／４までとし、その下流側には、第２の触媒下流層２５ｂに相当する部分は無く、触媒成分の担持量はゼロである。
【００６３】
図７に示した実施例２は、第１の触媒上流層５７ａを上流端から担持基材２１の長さの５／９までとし、その下流側の４／９を第１の触媒下流層５７ｂとする。さらに、第２の触媒上流層５５ａは第１の触媒上流層５７ａと同様に、上流端から担持基材２１の長さの５／９までとし、その下流側の第２の触媒下流層５５ｂに相当する部分は無く、触媒成分の担持量はゼロである。
【００６４】
図７に示した実施例３は、第１の触媒上流層６７ａを上流端から担持基材２１の長さの２／５までとし、その下流側の３／５を第１の触媒下流層６７ｂとする。さらに、第２の触媒上流層６５ａは第１の触媒上流層６７ａと同様に、上流端から担持基材２１の長さの２／５までを第２の触媒上流層６５ａとし、その下流側には、第２の触媒下流層６５ｂが形成されている。
そして、比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３の夫々におけるＰｄ、Ｒｈの担持密度は、図７に示した夫々の模式図の下部に、分割領域毎に（ゾーン毎に）記載した。
【００６５】
比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３の触媒を用いて行った、排ガス浄化性能試験の結果を図８〜１１に示す。
図８は、比較例１、２と実施例１とのエンジン冷態始動の一定時間（数十秒）の排ガス浄化性能の比較を示す。横軸にエンジン冷態始動後の経過時間を示し、縦軸上部にＮＯｘ濃度、縦軸中部にＴＨＣ濃度、縦軸下部に車速をそれぞれ示す。実線が実施例１、点線が比較例２、一点鎖線が比較例１を示す。これら試験結果より明らかなように実線で示す実施例１が比較例１、２に比較して、ＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度が低減したことが見られた。このように、第２の触媒層２５のＰｄのゾーン化、及び第１の触媒層２７のＲｈのゾーン化によって、触媒昇温時のＮＯｘ、ＨＣともに大幅に低減したことが確認できた。
【００６６】
また、図９は、比較例１、２と実施例１とのエンジン高負荷時における、排ガス浄化性能の比較を示す。横軸に高負荷運転の経過時間示し、縦軸上部から下部に渡って、ＣＯ濃度、ＮＯｘ濃度、ＴＨＣ濃度、車速をそれぞれ示す。実線が実施例１、点線が比較例２、一点鎖線が比較例１を示す。これら試験結果より明らかなように実線で示す実施例１が比較例２に比較して、ＣＯ濃度、ＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度が低減したことが見られる。このように、第２の触媒層２５のＰｄのゾーン化、及び第１の触媒層２７のＲｈのゾーン化によって、高負荷運転時のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣともに改善したことが確認できた。
【００６７】
また、図１０は、比較例１、２と実施例１、２、３とのエンジンの冷態始動時における、ＨＣ、ＮＯｘ排出量の比較を示す。また、図１１は、比較例１、２と実施例１、２、３とのエンジン高負荷時における、ＨＣ、ＮＯｘ排出量の比較を示す。これら図１０、１１から、実施例１、２、３が、冷態始動後から高負荷運転まで排ガス浄化を効果的に行うことが確認できた。
【００６８】
以上説明した実施形態によれば、Ｐｄ及びＯＳＣ材が担持される第２の触媒上流層２５ａ、５５ａ、６５ａの長さの最適化と、Ｒｈが担持される第１の触媒上流層２７ａの高担持密度化によって、エンジン１の始動後から、高負荷時に排出されるＨＣ、ＮＯｘを効果的に浄化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、排ガス浄化性能の向上とエンジン出力性能の向上が可能なため、エンジンの排ガス浄化触媒への適用に適している。
【符号の説明】
【００７０】
１  エンジン（内燃機関）
５  排気管（排ガス通路）
１１  排ガス浄化触媒
１５  触媒装置
２１  担持基材（基材）
２３  触媒層
２５、５５、６５  第２の触媒層
２７、５７、６７  第１の触媒層
２５ａ、５５ａ、６５ａ  第２の触媒上流層
２７ａ、５７ａ、６７ａ  第１の触媒上流層
２５ｂ、５５ｂ、６５ｂ  第２の触媒下流層
２７ｂ、５７ｂ、６７ｂ  第１の触媒下流層
Ｐｄ、Ｒｈ、ＯＳＣ  触媒成分
【図１】
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【図２】
0006724531.tif 000003
【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】
0006724531.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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