(57)【要約】【課題】セラミック担体を用いた排ガス浄化用触媒において、排気圧損を上昇させることなく、また強度の低下も抑制しつつ、昇温特性を向上させる。【解決手段】少なくとも一つのセル通路10の少なくとも入りガス側端部の触媒層２表面に、排ガス上流側から下流側へ向かって螺旋状に延びる螺旋溝20を形成した。  螺旋溝20によって排ガスの乱流化が促進される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス流れ方向に延びる多数のセル通路を有するセラミック担体と、該セル通路の内周表面に形成された触媒層と、からなる排ガス浄化用触媒であって、
少なくとも一つの該セル通路の少なくとも入りガス側端部の該触媒層表面には、排ガス上流側から下流側へ向かって螺旋状に延びる溝又は凸部からなる乱流部が形成されていることを特徴とする排ガス浄化用触媒。
【請求項２】
前記乱流部は前記触媒層に形成された螺旋溝である請求項１に記載の排ガス浄化用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化触媒、三元触媒、NOx 吸蔵還元触媒などの排ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染を抑制するために、自動車の排気系には酸化触媒、三元触媒、NOx 吸蔵還元触媒などの排ガス浄化用触媒が搭載され、排ガス中のHC、CO、NOx などの有害物質を浄化している。
【０００３】
例えば三元触媒は、コージェライトなどの耐熱性セラミックスから形成され多数のセル通路を有するセラミック担体と、アルミナ、セリアなどの多孔質酸化物からなりセル通路の表面に形成されたコート層と、コート層に担持されたPt、Rhなどの貴金属とから構成されている。この三元触媒は、ほぼ理論空燃比で燃焼された排ガス中でHC及びCOを酸化すると同時にNOx を還元することができる。
【０００４】
ところが排ガス浄化用触媒に用いられているPtなどの貴金属は、固有の活性化温度に到達するまでは浄化活性が発現されないために、始動時などの低温域では排ガス中の有害成分が浄化されずに排出されるという問題があった。この問題を解決するために、エンジン直下に低温活性に優れた酸化触媒を配置し、酸化触媒による発熱反応を利用して下流側の三元触媒に流入する排ガスを加熱することが行われている。しかしこの方法では、酸化触媒における低温活性の向上に限界があり、やはり担持されている貴金属の活性化温度までは発熱反応が生じないという欠点がある。
【０００５】
そこで担体基材自体の昇温特性を向上させることが想起され、熱伝導性に優れた金属箔製の波板と平板から形成されたメタル担体を用い、排ガスの熱によって触媒を早期に加熱できるようにすることが行われている。このようなメタル担体は変形しやすいので、金属製の外筒に挿入した状態で用いられているが、熱伝導性が高いために触媒の熱が外筒から外部に逃げて昇温特性が低いという問題がある。そこで特開平05−309277号公報には、メタル担体の排ガス流れ方向の中心に貫通孔を形成することが提案されている。このような構成とすることで、外筒への放熱が低減されるとともに排ガス流を乱流化でき、かつ熱容量を小さくできるので、昇温特性が向上する。
【０００６】
また特開平04−271845号公報には、ジクザク状に折り込んだ波板を用いたメタル担体が記載されている。このメタル担体においても、排ガスを乱流化できるので、昇温特性が向上する。
【０００７】
このようにメタル担体は、機械的加工が容易であり変形も容易であるという特性をもつので、加工によって排ガスの乱流化を図ることができる。しかしながらメタル担体を用いた触媒よりもセラミック担体を用いた触媒の方が浄化活性に優れるという事実があり、またメタル担体よりセラミック担体の方が軽量であるので、実用上はセラミック担体が多く用いられている。そして電気加熱やエアーを導入することで、セラミック担体を用いた触媒を早期に暖機する試みもあるが、システム全体の大型化につながり、燃費や設計の自由度が悪化するので好ましくない。
【０００８】
そこで特開平08−012460号公報には、所定厚みのハニカム状セラミックモジュールを、開孔セルの軸方向が連通するように複数個積層してなるセラミック担体が提案されている。このセラミック担体によれば、セル通路を螺旋状、ジクザク状などにすることができるので、昇温特性が向上することが期待される。ところがセル通路をこのように複雑な形状とすると、排気圧損が上昇するという問題がある。
【０００９】
また特開平06−206271号公報には、ビーズを含む材料を押出成形してハニカム形状とし、焼成時にビーズを焼失することでセル隔壁に貫通孔を形成したセラミック担体が提案されている。このセラミック担体でも、昇温特性が向上することが期待される。
【００１０】
ところがセラミック担体は固く脆いために、セル隔壁に貫通孔を形成した場合には強度が大きく低下するという問題がある。また押出成形によってハニカム形状に成形されるという事情から、セル隔壁の厚さを薄くするにも限界があり熱容量を低下させることも困難であった。したがってセラミック担体を用いた触媒において、従来から搭載されている触媒コンバータのみで、昇温特性を向上させ早期に暖機できる技術の開発が強く望まれている。
【特許文献１】特開平05−309277号
【特許文献２】特開平04−271845号
【特許文献３】特開平08−012460号
【特許文献４】特開平06−206271号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、セラミック担体を用いた排ガス浄化用触媒において、排気圧損を上昇させることなく、また強度の低下も抑制しつつ、昇温特性を向上させることを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明の排ガス浄化用触媒の特徴は、排ガス流れ方向に延びる多数のセル通路を有するセラミック担体と、セル通路の内周表面に形成された触媒層と、からなる排ガス浄化用触媒であって、少なくとも一つのセル通路の少なくとも入りガス側端部の触媒層表面には、排ガス上流側から下流側へ向かって螺旋状に延びる溝又は凸部からなる乱流部が形成されていることにある。
【００１３】
乱流部は、触媒層に形成された螺旋溝であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の排ガス浄化用触媒によれば、排ガスが乱流部を通過する際に乱流化が促進され、しかも乱流部は少なくとも入りガス側端部に形成されているので、昇温特性が向上し低温域における浄化性能が向上する。また乱流化によって排ガスと貴金属との接触性が高まるので、浄化率がさらに向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の排ガス浄化用触媒では、少なくとも一つのセル通路の少なくとも入りガス側端部の触媒層表面に、排ガス上流側から下流側へ向かって螺旋状に延びる溝又は凸部からなる乱流部が形成されている。排ガスは、セル隔壁近傍では乱流部に案内されて螺旋状に流れようとするので、その動きによって乱流化が促進される。したがって触媒層と排ガスとの接触時間が長くなり、排ガスから触媒層へ移動する熱量も多くなるので、触媒層の昇温特性が向上し早期暖機が可能となる。また触媒層に担持されている貴金属と排ガスとの接触確率も高まるため、浄化率も向上する。
【００１６】
セラミック担体は、コージェライトなどの耐熱セラミックスから形成されたものであり、排ガス流れ方向に延びる多数のセル通路を有している。基本的に、従来用いられているものをそのまま用いることができる。
【００１７】
触媒層は、触媒金属が担持された多孔質酸化物から形成されたものであり、多孔質酸化物としてはアルミナ、チタニア、ジルコニア、セリア、シリカ、ゼオライトなどから選ばれた単種あるいは混合物、又はこれらから選ばれる複合酸化物などを用いることができる。また触媒金属としては、Pt、Rh、Ir、Ruなどの貴金属、Fe、Co、Ni、Mnなどの遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選ばれるNOx 吸蔵材などが用いられる。触媒金属の担持量は、従来の各種排ガス浄化用触媒と同様でよい。
【００１８】
また触媒層の形成量も従来と同様でよく、一般にセラミック担体の体積１Ｌ当たり50〜 300ｇ程度である。触媒層が厚すぎると排気圧損が上昇するため好ましくなく、薄すぎると触媒金属が高密度に担持される結果、高温での使用時に触媒金属に粒成長が生じて劣化するようになる。
【００１９】
乱流部は、排ガス上流側から下流側へ向かって螺旋状に延びる溝又は凸部からなるものである。螺旋状の溝の間が螺旋状の凸部になり、螺旋状の凸部の間が螺旋状の溝になるので、「溝又は凸部」という表現は「溝及び凸部」と言い換えることもできる。この乱流部は、例えば雌ねじを形成するタップを触媒層が形成されたセル通路に用いてタッピングすることで形成することができる。また押出成形のダイスに螺旋状の突条を形成しておけば、セラミック担体の押出成形時に形成することも可能である。なおセラミック担体のセル通路に乱流部を形成する場合には、強度が低下する場合が多い。したがって触媒層に、触媒層の厚さの範囲内で溝又は凸部を形成することが望ましい。
【００２０】
乱流部における凸部の高さは、排気圧損の上昇を抑制するために低くすべきである。したがって従来と同様に触媒層を形成し、その触媒層の厚さの範囲で螺旋状の溝を形成することが望ましい。これにより排気圧損は従来と同等に維持できるとともに、乱流化を図ることができる。なお螺旋のピッチあるいは溝の幅は、条件に応じて適宜設計すればよい。
【００２１】
乱流部は、一つのセル通路の触媒層表面に形成してもその分効果が得られるが、できるだけ多くの、好ましくは全部のセル通路の触媒層表面に形成することが望ましい。また触媒に流入する排ガスは軸中心ほど流速が大きいので、少なくとも軸中心近傍のセル通路に乱流部を形成することも好ましい。これにより排ガスの触媒内での滞留時間が長くなり、昇温特性がより向上するとともに浄化率も向上する。
【００２２】
また乱流部は、少なくとも入りガス側端部の触媒層表面に形成される。これにより触媒によって奪われる熱量が少ない間に排ガスが乱流部と接触するので、昇温特性を最大に向上させることができる。少なくとも入りガス側端部の触媒層表面に形成すればよく、セル通路の全長に設けることもできる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【００２４】
（実施例）
図１〜図３に、本実施例の排ガス浄化用触媒を示す。この排ガス浄化用触媒は、コージェライト製で排ガス流れ方向に延びる多数のセル通路10を有する担体基材１と、担体基材１のセル通路10の表面に形成された触媒層２とから構成されている。全てのセル通路10の触媒層２には、入りガス側端面から出口側へ10mmの長さの部分に、排ガス流れ方向に螺旋状に延びる螺旋溝20が形成されている。以下、この排ガス浄化用触媒の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。
【００２５】
硝酸セリウム６水和物 731.7ｇと、オキシ硝酸ジルコニウム２水和物 411.6ｇと、硝酸イットリウム６水和物64.8ｇをイオン交換水 500ｇに投入し、均一となるように撹拌した。そこへpHが９となるようにアンモニア水を滴下して沈殿を生成させ、蒸発乾固後 120℃で24時間乾燥し 700℃で５時間焼成して、CeO2−ZrO2−Y2O3複合酸化物粉末を調製した。
【００２６】
この複合酸化物粉末 500ｇを3000ｇの水に分散させ、Ptを 4.4重量％含むジニトロジアンミン白金溶液 113.6ｇを添加して２時間撹拌した。そして 120℃で水分を乾燥し、 500℃で２時間焼成してPtを１重量％担持したPt触媒粉末を調製した。
【００２７】
一方、オキシ硝酸ジルコニウム２水和物1049.1ｇと、硝酸イットリウム６水和物84.8ｇをイオン交換水 500ｇに投入し、均一となるように撹拌した。そこへpHが９となるようにアンモニア水を滴下して沈殿を生成させ、蒸発乾固後 120℃で24時間乾燥し 700℃で５時間焼成して、ZrO2−Y2O3複合酸化物粉末を調製した。
【００２８】
この複合酸化物粉末 500ｇを3000ｇの水に分散させ、Rhを３重量％含む硝酸ロジウム溶液83.3ｇを添加して２時間撹拌した。そして 120℃で水分を乾燥し、 500℃で２時間焼成してRhを 0.5重量％担持したRh触媒粉末を調製した。
【００２９】
次に、Pt触媒粉末50重量部と、Rh触媒粉末30重量部と、γ-Al2O3粉末７重量部と、アルミナゾルを固形分で７重量部とを混合し、適量の水を加え、回転ボールミルにて２時間ミリングしてスラリーを調製した。このスラリーを上記した担体基材１（ 400cpsi、4mil、φ 100mm、長さ 105mm）にウォッシュコートし、 250℃で２時間乾燥して触媒層２を形成した。触媒層２は、担体基材１リットルあたり 270ｇ形成された。
【００３０】
その後、ハンドタップ（φ 1.1mm、長さ30mm、Ｍ： 1.1、Ｐ：0.25）を用い、全てのセル通路10の入りガス側端部の端面から出口側へ長さ10mmの範囲をタッピングし、螺旋溝20を形成した。
【００３１】
（比較例）
螺旋溝20が形成されていないこと以外は実施例と同様である。
【００３２】
＜試験・評価＞
実施例と比較例の触媒をそれぞれ触媒コンバータに配置し、2000cc、４気筒エンジンの排気系に搭載した。なお実施例の触媒は、螺旋溝20が形成された端部が排ガス流入側となるように配置した。そして空燃比（ A/F）が14.5になるように制御してエンジンを始動させ、触媒の入りガス中の濃度と触媒出ガス中の濃度の割合から、HC、CO及びNOx の浄化率を測定し、それぞれの浄化率が50％に達するまでの時間を求めた。結果を表１及び図４に示す。
【００３３】
【表１】
2005246217.tif 000003
【００３４】
表１及び図４から、実施例の触媒は比較例の触媒に比べて50％浄化到達時間が短く、低温域から浄化活性が発現されていることがわかる。これは、入りガス側の端部に螺旋溝20を形成したことによる効果であることが明らかであり、螺旋状溝20によって乱流化が促進され昇温特性が向上したことによる効果であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例の排ガス浄化用触媒の斜視図とその要部拡大正面図である。
【図２】本発明の一実施例の排ガス浄化用触媒の要部を拡大して示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施例の排ガス浄化用触媒の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】実施例及び比較例の触媒の50％浄化到達時間を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１：担体基材（セラミック担体）    ２：触媒層          10：セル通路
20：螺旋溝
【図１】
2005246217.tif 000004
【図２】
2005246217.tif 000005
【図３】
2005246217.tif 000006
【図４】
2005246217.tif 000007