(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に備えられ、担体上に未燃燃料を吸着するＨＣ吸着層と未燃燃料を酸化除去する三元触媒層とが形成された内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＨＣ吸着層は、内部での熱伝導が抑制されるように中空空間を有する粒体状のＨＣ吸着体を積み重ねて形成されるとともに、
前記三元触媒層は、前記ＨＣ吸着層の表面に形成され、排気上流側から排気下流側に向かって徐々に厚くなるように前記ＨＣ吸着層を覆うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＨＣ吸着体は、前記中空空間と外部とを連通する開口部を備えるとともに、
前記ＨＣ吸着体の内径及び前記開口部の開口径は、排気中の未燃燃料の分子径より大きく設定さ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装置。
【請求項３】
前記開口部の開口径が３ｎｍから１００ｎｍまでの間であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ＨＣ吸着体は、貴金属触媒を担持していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ＨＣ吸着体は、空孔率が８０％から９５％までの間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記ＨＣ吸着体はゼオライトによって構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記ＨＣ吸着体は、比表面積が２００ｍ２／ｇを超えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記排気通路に排気上流側から順番に、未燃燃料を酸化除去する三元触媒とＨＣトラップ触媒とが備えられ、前記ＨＣトラップ触媒に前記ＨＣ吸着層及び前記三元触媒層が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【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装置に係り、詳しくは、排気中の未燃燃料（ＨＣ）を吸着、浄化するＨＣトラップ触媒の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路には、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを除去する三元触媒が広く採用されている。三元触媒は低温時にはその能力が著しく低下するため、更に排気浄化装置として、排気通路にＨＣトラップ触媒を備えるものが増えてきている。
ＨＣトラップ触媒は、例えば低温時にＨＣを吸着し高温時にＨＣを排出するＨＣ吸着層と三元触媒層とを備えており、低温時にＨＣ吸着層に吸着したＨＣを高温時に三元触媒層にて酸化除去することで、内燃機関の冷態始動時に三元触媒において除去できなかったＨＣの排出を防止する機能を有する（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−９０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のようなＨＣトラップ触媒では、ＨＣ吸着層の層上に三元触媒層が形成されており、ＨＣ吸着層と三元触媒層とが密着しているため、三元触媒層にてＨＣの酸化が開始するとＨＣ吸着層が加熱されて急激に昇温する。したがって、冷態始動直後に大量に吸着されたＨＣがＨＣ吸着層から急速に排出され、三元触媒層にて酸化処理しきれずにＨＣトラップ触媒から排出されてしまう虞がある。
【０００４】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、三元触媒層においてＨＣが酸化発熱してもＨＣ吸着層が昇温し難く、冷態始動時にＨＣの排出を抑制する排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に備えられ、担体上に未燃燃料を吸着するＨＣ吸着層と未燃燃料を酸化除去する三元触媒層とが形成された内燃機関の排気浄化装置において、ＨＣ吸着層を、内部での熱伝導が抑制されるように中空空間を有する粒体状のＨＣ吸着体を積み重ねて形成するとともに、三元触媒層を、ＨＣ吸着層の表面に形成して、排気上流側から排気下流側に向かって徐々に厚くなるようにＨＣ吸着層を覆うことを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２の発明は、請求項１において、ＨＣ吸着体に、中空空間と外部とを連通する開口部を備えるとともに、ＨＣ吸着体の内径及び開口部の開口径を、排気中の未燃燃料の分子径より大きく設定することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２において、開口部の開口径が３ｎｍから１００ｎｍまでの間であることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、ＨＣ吸着体が貴金属触媒を担持していることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、ＨＣ吸着体の空孔率が８０％から９５％までの間であることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、ＨＣ吸着体がゼオライトによって構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、ＨＣ吸着体の比表面積が２００ｍ２／ｇを超えていることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかにおいて、排気通路に排気上流側から順番に、未燃燃料を酸化除去する三元触媒とＨＣトラップ触媒とが備えられ、ＨＣトラップ触媒にＨＣ吸着層及び三元触媒層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣ吸着層が中空空間を有する粒状のＨＣ吸着体を積み重ねて形成されていることから、ＨＣ吸着層の内部に多数の空間が形成されるので、ＨＣ吸着層において熱伝導し難くなる。したがって、内燃機関の冷態始動時に、三元触媒層でＨＣが酸化発熱してもＨＣ吸着層の特にその下層までは昇温し難く、ＨＣ吸着層から延いては排気浄化装置からのＨＣの排出を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、開口部を通過して中空空間にＨＣが流入できるので、ＨＣ吸着体の内壁にもＨＣが吸着可能となり、ＨＣの吸着性能を向上させることができる。
また、本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、開口径が、３ｎｍ以上であることは、未燃燃料分子の素早い移動を妨げないために有利であり、かつ１００ｎｍ以下であることは、排気ガスによる乱流が内部に侵入することを防ぐために有利となり、ＨＣ吸着体におけるＨＣ吸着量の向上と吸着ＨＣの排出抑制とを両立させることができる。
【００１１】
また、本発明の請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣ吸着体においても貴金属触媒によりＨＣが酸化され、ＨＣの除去性能を向上させることができる。
また、本発明の請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣ吸着体の空孔率を８０％から９５％の間にすることによって、熱伝導率の低減と排気の乱流の抑制による熱交換の抑制とを両立させることができ、ＨＣ吸着層から延いては排気浄化装置からのＨＣの排出を抑制することができる。ここで、空孔率は、かさ密度 D（g/cm3）÷  真密度 d（g/cm3）の式によって定義される。
【００１２】
また、本発明の請求項６の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣ吸着体にゼオライトを用いることによって、自動車の排気に暴露させても耐久性のある排気浄化装置が構成できる。
また、本発明の請求項７の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣ吸着体の表面積を２００ｍ２／ｇ以上とすることによって、ＨＣの吸着量が増加でき、吸着性能を向上させることができる。ここで、ＨＣ吸着体の表面積は、ＢＥＴ法で計測される比表面積によって定義される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の排気系の概略構成図である。
エンジン１はガソリンエンジンであって、その排気管（排気通路）２には、三元触媒３と、本発明の排気浄化装置の一実施形態としてのＨＣトラップ触媒４とが介装されている。三元触媒３は、担体に貴金属触媒として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ），銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）のいずれかを有し、活性状態でＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを除去する機能を有する。
【００１４】
図２は、ＨＣトラップ触媒４の拡大構造図である。
ＨＣトラップ触媒４は、図２に示すように、ハニカム状のモノリス（コージライト）やメタルにて形成された担体５上にＨＣ吸着層６をコーティングし更にＨＣ吸着層６の層上に三元触媒層７をコーティングして形成されている。
三元触媒層７は、上記の三元触媒３のように、白金等の貴金属触媒を有しており、ＣＯ及びＮＯｘと共にＨＣを除去する機能を有する。三元触媒層７は、所定温度以上となって活性化した状態でその機能が十分に発揮される。
【００１５】
ＨＣ吸着層６は、例えばゼオライトを主成分とし、低温域で排気中のＨＣを吸着する一方、高温域では吸着したＨＣを放出する特性を有している。つまり、ＨＣ吸着層６は、エンジン１が冷態状態にあってＨＣの排出量が多くかつ三元触媒３が未だ活性状態にないような場合において、排気中のＨＣを吸着してＨＣの大気中への排出を抑制する役割を有している。
【００１６】
図３は、ＨＣ吸着層６及び三元触媒層７の拡大構造図である。
図３に示すように、ＨＣ吸着層６は、粒体状に形成されたＨＣ吸着体１０を複数個担体５上に積み重ねて形成されている。三元触媒層７は、この複数のＨＣ吸着体１０からなるＨＣ吸着層６の表面を覆うように形成されている。
図４は、本発明の第１の実施形態に係るＨＣ吸着体１０の拡大構造図である。
【００１７】
図４に示すように、ＨＣ吸着体１０は、外径が略１μｍ、厚さが１００ｎｍ程度の中空構造であって、壁面の少なくとも１箇所に外部と内部の中空空間１１とを連通する開口部１２が形成されている。開口部１２の開口径は、高分子ＨＣ１３の分子径より大きい略３〜１０ｎｍ程度に形成されている。開口部１２の開口径は、中空空間１１へのＨＣの移動を妨げないために３ｎｍ以上に設定されるとともに、排気の乱流が侵入しないように１００ｎｍ以下に設定すればよい。また、ＨＣ吸着体１０は、その材質上、低分子ＨＣ１４が入り込むことが可能である１ｎｍ程度の孔径の細孔１５が無数に形成されている。ＨＣ吸着体１０の比表面積は、吸着性能を確保するため、ＢＥＴ法での測定で２００ｍ２／ｇを超えるように設定されている。
【００１８】
なお、中空構造のＨＣ吸着体１０の製造方法としては、例えば主成分のゼオライトの焼成時に、カーボンやポリエチレンなどの球形有機物を混入させればよい。このようにすることで、カーボンや球形有機物の周囲をゼオライトが覆う粒体を生成し、更に燃焼温度を適宜設定して内部のカーボンや球形有機物のみ焼却除去することで、図４に示すような中空空間１１を有する粒体状のＨＣ吸着体１０が容易に製造できる。
【００１９】
上記のような構成のＨＣトラップ触媒４では、ＨＣ吸着層６が中空空間１１を有する粒体状のＨＣ吸着体１０を積み重ねて形成されているので、ＨＣ吸着層６の内部には多数の空間が形成され、ＨＣ吸着層６において熱伝導し難くなる。ここで、ＨＣ吸着層６の空孔率を８０〜９５％の間に設定するとよい。この空孔率は、かさ密度 D（g/cm3）÷真密度 d（g/cm3）の式によって定義される。上記数値範囲の設定は、空孔率が高いほど固体部分での熱伝導率が低下するが、空孔率が高すぎると排気の乱流の侵入が防げなくなり熱交換されやすくなってしまうためである。
【００２０】
そして、このようなＨＣトラップ触媒４をエンジン１の排気浄化装置として使用することで、エンジン１の冷態始動時に三元触媒層７でＨＣが酸化発熱しても、ＨＣ吸着層６の特にその下層部は昇温し難く、ＨＣ吸着層６からのＨＣの大量発生が抑制される。したがって、エンジン１の冷態始動時において、三元触媒層７にて十分にＨＣの酸化除去が可能となり、ＨＣトラップ触媒４からのＨＣの排出を抑制することができる。
【００２１】
また、ＨＣ吸着体１０には中空空間１１と外部とを連通する開口部１２が設けられているので、ＨＣ吸着体１０の外壁だけでなく内壁にもＨＣが吸着することが可能となり、吸着効率を上昇させることができる。特に分子径の大きい高分子ＨＣ１３でも、開口部１２を通過してＨＣ吸着体１０の内壁に吸着させることができる。一方、分子径の小さい低分子ＨＣ１４は、ＨＣ吸着体１０の外壁及び内壁はもちろん、ゼオライト内部に形成されている細孔１５にも入り込むことができる。本実施形態のＨＣ吸着体１０は中空構造であることから、細孔１５の深さが抑えられるとともに、外側だけでなく内側からも細孔１５にＨＣが入り込むことができるので、細孔１５を有効に利用して吸着面積を増加させることができ、吸着性能を向上させることができる。
【００２２】
図５は、冷態始動時におけるＨＣトラップ触媒４の入口及び出口でのＨＣ濃度の変化の一例を示すグラフである。図中実線が本実施形態のＨＣトラップ触媒４、破線はＨＣ吸着体１０が中空構造でなく単純な層状である従来技術のＨＣトラップ触媒でのＨＣ濃度を示している。
図５に示すように、始動直後は、エンジンか１から排出されるＨＣが多いので、これに伴いＨＣトラップ触媒の入口でのＨＣ濃度が高くなる。始動から触媒温度が低い所定期間Ｔａまでは、本実施形態及び従来技術のいずれのＨＣトラップ触媒でもＨＣが吸着され、下流へのＨＣの排出が抑制される。しかしながら、触媒温度が上昇した所定期間Ｔａ以降では、従来技術のＨＣトラップ触媒ではＨＣの排出が増加するが、本実施形態のＨＣトラップ触媒４では依然としてＨＣの排出が抑えられる。
【００２３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るＨＣ吸着体２０の構造図である。本実施形態のＨＣ吸着体２０は、第１の実施形態のＨＣ吸着体１０に対して、更にその表面に白金等の貴金属触媒２１を担持させている。なお、貴金属触媒２１を、ＨＣ吸着体全体に担持させてもよい。このようにＨＣ吸着体に貴金属触媒２１を担持させれば、貴金属触媒２１によりＨＣが酸化除去されるので、ＨＣの除去性能を向上させることができる。
【００２４】
そして、本発明は上述のＨＣトラップ触媒４に対して、図７に示すように三元触媒層７を上流側から下流側に向かって徐々に厚くなるように覆うよう変更したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の排気浄化装置が適用されたエンジンの排気系の概略構成図である。
【図２】ＨＣトラップ触媒の拡大構造図である。
【図３】本発明の参考形態に係るＨＣ吸着層及び三元触媒層の拡大構造図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るＨＣ吸着体の拡大構造図である。
【図５】冷態始動時におけるＨＣトラップ触媒の入口及び出口でのＨＣ濃度の変化の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るＨＣ吸着体の拡大構造図である。
【図７】本実施形態に係るＨＣ吸着層及び三元触媒層の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  エンジン
４  ＨＣトラップ触媒
６  ＨＣ吸着層
７  三元触媒層
１１  中空空間
１２  開口部
１０、２０  ＨＣ吸着体
２１  貴金属触媒
【図１】
0004803400.tif 000002
【図２】
0004803400.tif 000003
【図３】
0004803400.tif 000004
【図４】
0004803400.tif 000005
【図５】
0004803400.tif 000006
【図６】
0004803400.tif 000007
【図７】
0004803400.tif 000008