(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】セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーター１０であって、担体４は、ガスの流れ方向（Ｘ１方向）に沿ってその上流側にある第１の担体２と、下流側にある第２の担体３が並んで構成されており、第１の担体２では、セル密度が相対的に高い周辺領域２ｂとセル密度が相対的に低い中央領域２ａとから構成され、第２の担体３では、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】
セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーターであって、
前記担体は、ガスの流れ方向に沿ってその上流側にある第１の担体と、下流側にある第２の担体が並んで構成されており、
第１の担体では、セル密度が相対的に高い周辺領域と、セル密度が相対的に低い中央領域とから構成され、
第２の担体では、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】
前記第１の担体において、周辺領域に対する中央領域のセル密度の比が0.5以上で1より小さい範囲にある請求項１に記載の触媒コンバーター。
【請求項３】
前記第１、第２の担体はいずれもガス流れ方向に直交する方向の断面が円形の円柱体を呈しており、
中央領域の半径をr、周辺領域の半径をRとした際に、r/Rが0.5以上で0.85以下の範囲にある請求項１または２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。
【０００３】
ところで、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。
【０００４】
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、パラジウムや白金のような金属触媒で被覆されたセラミックス構造体などが中空の基材内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。
【０００５】
ところで、従来の触媒コンバーターは、図５で示すように、配管系を構成する基材Ｋの内部に排ガス流れ上流側（基材のフロント側、Fr側）と下流側（基材のリア側、Rr側）にそれぞれ１つずつ、計２つのセル構造体からなる担体Ｃ１，Ｃ２から担体Ｃａが構成され、担体Ｃａに貴金属触媒が担持された形態のものがある。この触媒コンバーターでは、担体Ｃ１，Ｃ２のセル密度が一様であるのが一般的である。
【０００６】
図５で示す従来の触媒コンバーターの担体を改良し、ガス流れ上流側の担体、下流側の担体ともに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。
【０００７】
特許文献１で開示の触媒コンバーターを図６に模擬している。同図より、ここで開示される触媒コンバーターにおいては、上流側の担体Ｃ１においては、中央領域Ｃ１ａが周辺領域Ｃ１ｂに比してセル密度が高く、下流側の担体Ｃ２においては、逆に周辺領域Ｃ２ｂが中央領域Ｃ２ａに比してセル密度が高くなっている。
【０００８】
このようなセル密度形態の担体Ｃ１，Ｃ２を具備する触媒コンバーターでは、排ガスがＸ１方向で流れて触媒コンバーターに浸入後、上流側の担体Ｃ１ではセル密度が低くてガスが流れ易い周辺領域Ｃ１ｂを主として排ガスが流れ（Ｘ１’方向）、次いで下流側の担体Ｃ２では同様にセル密度が低くてガスが流れ易い中央領域Ｃ２ａを主として排ガスが流れる排ガス流れとなる。
【０００９】
ガス流れは一般に管路壁面との摩擦の影響のない管路の中心部に相対的に高い流速をもって管路内を流通することから、触媒コンバーターにおいても同様にその中央領域に排ガスが流れ易くなる傾向があるが、図６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担体の中央領域のセル密度が高く、排ガス流れに対する圧損が高い場合には、結果として排ガスが流れ難くなってしまい、排ガス流入量が低下してしまう。
【００１０】
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となり、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−３１７４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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】
【００１３】
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、セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーターであって、前記担体は、ガスの流れ方向に沿ってその上流側にある第１の担体と、下流側にある第２の担体が並んで構成されており、第１の担体では、セル密度が相対的に高い周辺領域と、セル密度が相対的に低い中央領域とから構成され、第２の担体では、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。
【００１４】
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つのセル構造の担体を有するものに関し、既述する特許文献１の触媒コンバーターとは逆のセル密度形態、より具体的には、上流側に位置する第１の担体は中央領域に比して周辺領域のセル密度が高く、下流側に位置する第２の担体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、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第１の担体の中央領域のセル密度が低く、排ガス流れに対する圧損が低いことから排ガスは第１の担体の中央領域を流れ易くなり、流入する排ガス量を多くすることができる。流入する排ガス量が多くなることで触媒コンバーターに対する熱供給が促進され、エンジン始動直後の暖機性が高くなり、このエンジン始動直後の暖機性の向上にともなってHCやNOxなどのエミッション（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。
【００１５】
また、第１の担体の中央領域を通過した排ガスは、下流側に位置する第２の担体において、セル密度が低く、圧損が低い周辺領域を主として流れることになる。このように下流側に位置する第２の担体においてその周辺領域に排ガス流れを促進させることによって、上流側の第１の担体の中央領域で大きくなっている排ガスの流れ分布を下流側の第２の担体で周辺領域に分散させることができ、担体全体として見た場合に排ガスの流れ分布を可及的に均一な流れ分布に整流することができる。このような第２の担体による排ガス流れ分布の整流作用により、担体全体として貴金属触媒を有効に活用することができ、排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターとなる。
【００１６】
ここで、触媒コンバーターの具体的な構成形態としては、たとえば中空の基材（円筒状、断面が方形等の多角形の中空体など）の内部に多数のセルからなる２つの担体が接するように、もしくは若干の間隔を置いて収容され、これらの担体に貴金属触媒が担持された形態を挙げることができる。
【００１７】
ここで、使用される基材としては、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を使用してもよい。
【００１８】
また、使用されるセル構造の担体としてはハニカム構造の担体が適用でき、この担体は、コージェライトや炭化ケイ素、ステンレス系金属等の導電性金属などを素材とし、四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、白金やパラジウム、ロジウムなどの貴金属触媒が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有する形態が挙げられる。
【００１９】
また、本発明者等による検証によれば、第１の担体において、周辺領域に対する中央領域のセル密度の比が0.5以上で1より小さい範囲にある場合に、コールドエミッション低減効果（エンジン始動直後HCやNOxなどのエミッション低減効果）が高くなることが実証されている。
【００２０】
さらに、本発明者等による検証によれば、第１、第２の担体はいずれもガス流れ方向に直交する方向の断面が円形の円柱体を呈しており、中央領域の半径をr、周辺領域の半径をRとした際に、r/Rが0.5以上で0.85以下の範囲にある場合に、コールドエミッション低減効果が高くなることが実証されている。
【００２１】
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】
【００２２】
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、排ガス流れの上流側から順に第１、第２の２つのセル構造の担体を有し、上流側に位置する第１の担体は中央領域に比して周辺領域のセル密度が高く、下流側に位置する第２の担体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構成によって、流入する排ガス量を多くすることができ、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の向上にともなっ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。さらに、上流側の第１の担体の中央領域で大きくなっている排ガスの流れ分布を下流側の第２の担体で周辺領域に分散させ、排ガスの流れ分布を可及的に均一な流れ分布に整流することにより、担体全体として貴金属触媒を有効に活用することができ、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】
【００２３】
【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】上流側の担体の中央領域と周辺領域のセル密度比とコールドエミッション比に関する実験結果を示す図である。
【図４】第１、第２の担体の中央領域の半径と周辺領域の半径の比とコールドエミッション比に関する実験結果を示す図である。
【図５】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６】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】
【００２４】
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。
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
（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基材１と、この中空内に収容されている貴金属触媒が担持されたハニカム触媒担体４とから大略構成されている。
【００２７】
ここで、基材１の素材としては、コージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材のほか、メタル素材等が適用できる。
【００２８】
また、基材１の中空内に収容されるハニカム触媒担体４は、コージェライトや炭化ケイ素、ステンレス系金属等の導電性金属からなる四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、白金やパラジウム、ロジウムなどの触媒金属が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有するものである。
【００２９】
ハニカム触媒担体４は、排ガス流れ上流側（Fr側）に位置する第１の担体２と、下流側（Rr側）に位置する第２の担体３とから構成されている。ここで、上流側に位置する第１の担体２においては中央領域２ａに比して周辺領域２ｂのセル密度が高くなっており、一方、下流側に位置する第２の担体３においては周辺領域３ｂに比して中央領域３ａのセル密度が高くなっている。
【００３０】
図示する担体構成により、触媒コンバーター１０に対して排ガスが最初に流入する上流側の第１の担体２の中央領域２ａのセル密度が低く、排ガス流れに対する圧損が低いことから排ガスは第１の担体２の中央領域２ａを流れ易くなり（図２の排ガス流れＸ２）、流入する排ガス量を多くすることができる。流入する排ガス量が多くなることで触媒コンバーター１０に対する熱供給が促進され、エンジン始動直後の暖機性が高くなり、このエンジン始動直後の暖機性の向上にともなって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。
【００３１】
また、第１の担体２の中央領域２ａを通過した排ガスは、下流側に位置する第２の担体３において、セル密度が低く、圧損が低い周辺領域３ｂを主として流れることになる（図２の排ガス流れＸ３）。このように下流側に位置する第２の担体３においてその周辺領域３ｂに排ガス流れを促進させることによって、上流側の第１の担体２の中央領域２ａで大きくなっている排ガスの流れ分布を下流側の第２の担体３で周辺領域３ｂに分散させることができ、担体全体として見た場合に排ガスの流れ分布を可及的に均一な流れ分布に整流することとなる。このような第２の担体３による排ガス流れ分布の整流作用により、担体４全体として貴金属触媒を有効に活用することができ、排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターとなる。
【００３２】
[上流側の担体の中央領域と周辺領域のセル密度比とコールドエミッション比に関する実験、および、第１、第２の担体の中央領域の半径と周辺領域の半径の比とコールドエミッション比に関する実験とそれらの結果]
本発明者等は、以下の表１で示す各種仕様で比較例1〜5、実施例1〜7の触媒コンバーターを製作し、上流側の担体の中央領域と周辺領域のセル密度比とコールドエミッション比の関係、第１、第２の担体の中央領域の半径と周辺領域の半径の比とエミッション比の関係を特定する実験をおこなった。ここで、「コールドエミッション」とは、エンジン始動直後のHC＋NOxのエミッションのことであり、「コールドエミッション比」とは、比較例1の実測値に対する各触媒コンバーターの実測値の比率である。触媒はφ103mm×長さL105mmである。表１の下欄にコールドエミッション比を示しており、図３にはセル密度比とコールドエミッション比に関する実験結果を、図４には第１、第２の担体の中央領域の半径と周辺領域の半径の比とコールドエミッション比の関係に関する実験結果をそれぞれ示す。なお、比較例1は、中央領域と周辺領域が同一セル密度であることから、rは0、1の双方となり得ることから、実施例1のr/Rは0、1の双方の値とする。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１と図３より、各実施例の上流側の担体の中央領域と周辺領域のセル密度比に関し、0.5以上で1より小さい範囲でコールドエミッション比は1よりも小さくなることが実証されている。この実験結果より、ハニカム触媒担体における上流側の担体の中央領域と周辺領域のセル密度比の好ましい範囲として0.5以上で1より小さい範囲を規定することができる。
【００３５】
また、表１と図４より、各実施例のコールドエミッション比はいずれも1以下となっており、担体の中央領域の半径と周辺領域の半径の比に関わらず、上流側に位置する第１の担体は中央領域に比して周辺領域のセル密度が高く、下流側に位置する第２の担体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構成が好ましいことが実証されている。さらに、同図より、r/Rの範囲として0.5、0.85で各プロットを通る近似曲線の変曲点を迎えること、この0.5と0.85の間の範囲でコールドエミッション比が0.85付近の最も低い値を呈することより、r/Rの好ましい範囲として、0.5以上で0.85以下の範囲を規定することができる。
【００３６】
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】
【００３７】
１…基材、２…第１の担体、２ａ…中央領域、２ｂ…周辺領域、３…第２の担体、３ａ…中央領域、３ｂ…周辺領域、４…ハニカム触媒担体（担体）、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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