(57)【要約】【課題】求められる多種の排ガス浄化機能に対応でき、排ガスの圧力損失をさらに低減して内燃機関の効率向上を図ると共に、触媒コストの削減を図る。【解決手段】排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成され排ガス浄化触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化システムであって、前記排ガス浄化触媒は１個の前記担持基材で構成され、前記担持基材の排ガス流れ方向上流側領域の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はＰｄを含み、該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能であり、かつＮＯｘを選択還元する材料を含む。【選択図】図２
2017044202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成され排ガス浄化触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化システムであって、
前記排ガス浄化触媒は１個の前記担持基材で構成され、
前記担持基材の排ガス流れ方向上流側領域の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はＰｄを含み、
該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能であり、かつＮＯｘを選択還元する材料を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化システム。
【請求項２】
前記排ガス流れ上流側領域と前記排ガス流れ方向下流側領域との間に、前記触媒担持層が前記上層のみで構成された排ガス流れ方向中間領域を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
【請求項３】
前記下層はさらに助触媒として触媒用酸素吸蔵材料を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
【請求項４】
前記担持基材の排ガス流れ方向下流側領域に含まれる前記触媒活性成分が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御するための制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
【請求項５】
前記排ガス浄化触媒の温度を検出するための温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記温度センサの検出値が閾値を超えた時、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたと判定し、前記内燃機関をリッチ燃焼に制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
【請求項６】
担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒において、
前記排ガス浄化触媒は１個の前記担持基材で構成され、
該担持基材の排ガス流れ方向上流側領域の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はＰｄ及び触媒用酸素吸蔵材料を含み、
該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能であり、かつＮＯｘを選択還元する材料を含むことを特徴とする排ガス浄化触媒。
【請求項７】
前記排ガス流れ上流側領域と前記排ガス流れ方向下流側領域との間に、前記触媒担持層が前記上層のみで構成された排ガス流れ方向中間領域を有することを特徴とする請求項６に記載の排ガス浄化触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、簡易な構成で排ガスの浄化を可能にした内燃機関の排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気のクリーン化が求められる中、ガソリンエンジンでは、触媒を用いた排ガス浄化性能のさらなる向上が求められ、特に、エンジン冷態時の排ガス浄化が重要な課題となっている。エンジン冷態時の排ガス浄化策として、排ガス通路に設けられた触媒が昇温するまでの間に排出されるＨＣの低減を狙って、ＨＣトラップ触媒など、排ガス通路に多種の触媒を直列に配置した浄化システムが検討されている。
しかし、このような浄化システムでは、排ガスの圧力損失が大きくなり、排気圧力の上昇によって、エンジン性能が低下するだけでなく、触媒コストが極めて高価になるという問題がある。特に、触媒担持層を担持する担持基材がハニカム構造体であるとき、排ガスの圧力損失がエンジン性能に及ぼす影響を無視できない。
【０００３】
例えば、特許文献１には、排ガス通路に排ガス上流側から第１の触媒コンバータと第２の触媒コンバータとが直列に設けられ、第１の触媒コンバータには、酸化性能を有する高温用ＮＯｘ吸着触媒と触媒温度が低いときＮＯｘを吸着する低温用ＮＯｘ吸着触媒とが内蔵され、第２の触媒コンバータには、第１の触媒コンバータから放出されたＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ還元触媒と、捕集したＰＭを燃焼し浄化するＰＭ燃焼触媒とが内蔵されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０２５４３３号号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されたように、別々の担持基材で構成された複数の触媒体を排ガス通路に直列に配置すると、排ガスの圧力損失が増加し、内燃機関の性能が低下するだけでなく、触媒コストが高価になるおそれがある。
この対応策として、触媒コンバータ数を減らし、高い排ガス温度下で高い排ガス浄化効果が見込める内燃機関の近接位置に大容量の触媒担持層を担持した触媒コンバータを設けることが考えられる。
しかし、この対応策のみでは、要求される複雑で多種の浄化機能に対応できない。また、今後、さらなる排気圧力の抑制と触媒コストの削減が求められることが予想される。
【０００６】
そこで、これら技術的課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、求められる多種の排ガス浄化機能に対応でき、排ガスの圧力損失をさらに低減して内燃機関の効率向上を図ると共に、触媒コストの削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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システムは、排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成され排ガス浄化触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化システムであって、前記排ガス浄化触媒は１個の前記担持基材で構成され、前記担持基材の排ガス流れ方向上流側領域の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はＰｄを含み、該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能であり、かつＮＯｘを選択還元する材料を含む。
【０００８】
排ガス中にＣＯ、ＨＣが存在すると、反応式（１）の水性ガス反応と、反応式（２）の水蒸気改質反応が進行してＨ２が生成され、反応式（３）、反応式（４）や反応式（５）に示す反応によりＮＨ３が生成する。これらの反応は、とくに貴金属を担持した触媒上で進行する。  
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２                      （１）
ＣＨｎ＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋（２＋ｎ/２）Ｈ２      （２）
５/２Ｈ２＋ＮＯ  →  ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ                 （３）
３/２Ｈ２＋ＮＯ＋ＣＯ  →  ＮＨ３＋ＣＯ２           （４）
ＮＯ＋ＨＣ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋ＮＨ３              （５）
上記排ガス浄化触媒では、排ガス流れ方向下流側領域（以下「下流側領域」とも言う。）の触媒活性成分により、排ガス中に存在するＮＨ３とＮＯｘとを反応させ、反応式（６）〜（８）の反応によりＮＯｘを選択還元する。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３  →  ２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ        （６）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２  →   ４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ        （７）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３  →   ７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ          （８）
さらに、この触媒活性成分はＨＣ及びＮＯｘの吸着能を有し、排ガス温度の上昇に伴って脱離するＨＣ及びＮＯｘによってＮＨ３の生成が促進され、生成したＮＨ３によってＮＯｘの浄化率を向上できる。
【０００９】
また、排ガス流れ方向上流側領域（以下「上流側領域」とも言う。）では、触媒活性成分として浄化性能に優れたＲｈを含む上層と、触媒活性成分として低温でのＨＣ吸着性能が高いＰｄを含む下層とで構成され、いわゆる三元触媒としての機能を有する。上流側領域で排ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化し、かつＮＯｘを還元して、Ｎ２、ＣＯ２及びＨ２Ｏに変換し低減する。
これによって、上記排ガス浄化触媒は、多種の排ガス浄化機能に対応しつつ１個の担持基材で構成することができ、浄化システム全体の構成を簡素化できる。そのため、触媒コストを削減できると共に、排ガスの圧力損失を低減できるので、内燃機関の性能低下を抑制できる。そのため、担持基材がハニカム構造体であっても、排ガスの圧力損失を抑えることができる。
さらに、排ガス浄化性能が向上することで、触媒担持層の膜厚を低減できるので、排ガスの圧力損失をさらに低減できると共に、触媒担持層のコーティング作業が容易になる。
また、上層に優れた排ガス浄化効果を有するＲｈを含み、下層に比較的安価なＰｄを含むため、高い排ガス浄化能力を維持しつつ触媒コストを抑えることができる。
さらに、ＲｈやＰｄ等の貴金属を担持した触媒担持層を積層させることで、上記反応式（１）〜（５）によりＮＨ３が多く生成され、ここで生成されたＮＨ３がＮＯｘの還元浄化に寄与する。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、前記排ガス流れ上流側領域と前記排ガス流れ方向下流側領域との間に、前記触媒担持層が前記上層のみで構成された排ガス流れ方向中間領域（以下「中間領域」とも言う。）を有する。
上記構成（２）によれば、高い排ガス温度下で大きな排ガス浄化効果が見込める上流側領域では上記下層を設けて、高い排ガス浄化性能を保持しつつ、上流側領域より排ガス温度が低下し上流側領域ほど排ガス浄化効果が得られない中間領域では上記下層を無くすことで、排ガス浄化性能を維持しつつ触媒コストをさらに節減できる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）又は（２）において、前記排ガス流れ方向上流側領域及び前記排ガス流れ方向中間領域の前記上層は、前記触媒活性成分として前記担持基材の容積１リットル当たり０．１乃至２．０ｇのＲｈを含み、前記排ガス流れ方向上流側領域の前記下層は、前記触媒活性成分として前記担持基材の容積１リットル当たり１乃至１５ｇのＰｄを含む。
上記構成によれば、夫々上記含有量の触媒活性成分を含むことで、高い排ガス浄化効果を可能にする。また、排ガス浄化効果の割に触媒活性成分の含有量を少なく抑えることができるため、触媒担持層の膜厚を低減でき、これによって、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層のコーティングが容易になる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、前記構成（１）又は（２）において、前記下層はさらに助触媒として触媒用酸素吸蔵材料を含む。
上記構成（３）によれば、上記下層に酸素吸蔵及び放出能を有する触媒用酸素吸蔵材料を含むため、空燃比が変動してもそれに対応して高い排ガス浄化効果を維持できる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、前記構成（３）において、前記下層は、前記担持基材の容積１リットル当たりＣｅＯ２を主成分とする１乃至８０ｇの前記触媒用酸素吸蔵材料を含む。
上記構成によれば、上記含有量の触媒用酸素吸蔵材料を含むことで、高い排ガス浄化効果が可能になる。また、触媒用酸素吸蔵材料の含有量を少なく抑えることができるため、触媒担持層の膜厚を低減でき、これによって、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層のコーティングが容易になる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）の何れかにおいて、前記担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、前記担持基材の容積１リットル当たり２０乃至３００ｇの前記触媒活性成分を含む。
上記構成によれば、上記含有量の触媒活性成分を含むことで、高い排ガス浄化効果を可能にする。また、排ガス浄化効果の割に触媒活性成分の含有量を少なく抑えることができるため、触媒担持層の膜厚を薄くでき、そのため、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層のコーティングが容易になる。
【００１５】
（４）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）の何れかにおいて、前記担持基材の排ガス流れ方向下流側領域に含まれる前記触媒活性成分が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御するための制御装置をさらに備える。
上記構成（４）によれば、上記触媒活性成分が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御することで、排ガス中のＣＯ量やＨＣ量を増やし、これによって、上記反応式（１）〜（５）に示す反応が行われ、排ガス中に含まれるＮＨ３量を増やすことができる。
こうして、増加したＮＨ３によって下層の触媒活性成分から脱離したＨＣ及びＮＯｘを高効率で低減できる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では、前記構成（４）において、前記排ガス浄化触媒の温度を検出するための温度センサをさらに備え、前記制御装置は、前記温度センサの検出値が閾値を超えた時、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたと判定し、前記内燃機関をリッチ燃焼に制御するものである。
上記構成（５）によれば、排ガス浄化触媒を通る排ガスの温度を検出し、この検出値に基づいてＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたか否かを正確に判定できる。
【００１７】
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る排ガス浄化触媒は、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒において、前記排ガス浄化触媒は１個の前記担持基材で構成され、該担持基材の排ガス流れ方向上流側領域の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はＰｄ及び触媒用酸素吸蔵材料を含み、該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能であり、かつＮＯｘを選択還元する材料を含む。
【００１８】
上記構成（６）によれば、上記排ガス浄化触媒は、下流側領域での触媒活性成分により、排ガス中に存在するＮＨ３と、排ガス温度の上昇に伴って脱離するＨＣ及びＮＯｘによって生成されたＮＯｘとによってＮＯｘの浄化率を向上できる。
また、上流側領域は三元触媒としての機能を有し、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを低減できる。
これによって、上記排ガス浄化触媒は、多種の排ガス浄化機能に対応しつつ１個の担持基材で構成することができ、浄化システム全体の構成を簡素化できる。そのため、触媒コストを削減できると共に、排ガスの圧力損失を低減できるので、内燃機関の性能低下を抑制できる。
さらに、排ガス浄化性能が向上することで、触媒担持層の膜厚を低減できるので、排ガスの圧力損失をさらに低減できると共に、触媒担持層のコーティング作業が容易になる。
また、上層に優れた排ガス浄化効果を有するＲｈを含み、下層に比較的安価なＰｄを含むため、高い排ガス浄化能力を維持しつつ触媒コストを抑えることができる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では、前記構成（６）において、前記排ガス流れ上流側領域と前記排ガス流れ方向下流側領域との間に、前記触媒担持層が前記上層のみで構成された排ガス流れ方向中間領域を有する。
上記構成（７）によれば、高い排ガス温度下で高い排ガス浄化効果が見込める排ガス流れ方向上流側領域では上記下層を設け、排ガス温度が低下し上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス流れ方向中間領域では上記下層を無くすことで、排ガス浄化性能を高く維持しつつ触媒コストをさらに節減できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、求められる多種の排ガス浄化機能に対応でき、内燃機関の排ガス通路を流れる排ガスの圧力損失を低減して内燃機関の効率を向上できると共に、排ガス通路に設けられる排ガス浄化触媒のコストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化システムを示す概略構成図である。
【図２】一実施形態に係る触媒コンバータの概略構成図である。
【図３】（Ａ）は図２中の領域Ａの拡大断面図であり、（Ｂ）は同じく領域Ｂの拡大断面図であり、（Ｃ）は同じく領域Ｃの拡大断面図である。
【図４】排ガス浄化プロセスを時系列で示す線図である。
【図５】触媒内部の排ガス温度分布を示す線図である。
【図６】貴金属担持量と総ＨＣの浄化効率との関係を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の幾つかの実施形態に係る排ガス浄化システム１０は、図１に示すように、内燃機関（例えばガソリンエンジン）１１の燃焼室（不図示）と連通する排気ポート１２が気筒毎に形成されている。そして、内燃機関１１には夫々の排気ポート１２と連通するように排気マニフォールド１４が接続されている。
排気マニフォールド１４の排ガス流れ方向下流には、排気過給機１６が設けられている。排気過給機１６ではタービンハウジング１６ａと排気管（排ガス通路）１８とが連通し、内燃機関１１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新気を圧縮し、内燃機関１０の燃焼室に供給する。
排気管１８には、排ガス浄化触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２２が設けられている。
【００２４】
図２に示すように、排ガス浄化触媒２０は、担持基材２４と、担持基材２４の表面に形成された触媒担持層２６と、触媒担持層２６に担持される触媒活性成分（不図示）で構成される。
図示した実施形態では、担持基材２４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２４は１個の担持基材（例えばハニカム構造体）で構成される。担持基材２４の排ガス流れ方向上流側領域２８の触媒担持層２６は、担持基材２４の表面に近い下層３２と、下層３２より相対的に遠い上層３４とで構成される。上層３４の触媒活性主成分はＲｈを含むと共に、下層３２の触媒活性主成分はＰｄを含む。また、上層３４と下層３２は，Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２のうち少なくとも１つを含む触媒活性主のサポート材料で構成される。
担持基材２４の排ガス流れ方向下流側領域３０の触媒担持層３６が担持する触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能であり、かつＮＯｘを選択還元する材料（以下「ＳＣＲ材」とも言う。）、例えば、ゼオライト（結晶性アルミノケイ酸塩）やＶ（バナジウム）を触媒活性の主成分として担持する。ゼオライトとしては、様々な結晶構造を有する材料があるが、ここでは、ＮＨ３によるＮＯｘの選択還元作用を有する材料であればよい。また、Ｆｅ−ゼオライト、Ｃｕ−ゼオライトのように少なくとも１種類の遷移金属元素を含んでもよい。
【００２５】
排ガス中にＣＯ、ＨＣが存在すると、前記反応式（１）から（５）に示す反応によって、触媒層３４や触媒層３２でＮＨ３が生成する。
下流側領域３０の触媒担持層３６では、触媒層３４や触媒層３２で生成したＮＨ３と排ガス中に残存するＮＯｘとをＳＣＲ材で反応させ、ＮＯｘを選択還元する。また、ＳＣＲ材に吸着し、排ガス温度の上昇に伴って脱離するＮＯｘも、触媒層３４や触媒層３２で生成したＮＨ３でＮＯｘを選択還元する。
上流側領域２８では、上層３４に含まれるＲｈと下層３２に含まれるＰｄ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。
【００２６】
例示的な実施形態では、図２及び図３に示すように、上流側領域２８と下流側領域３０との間に、触媒担持層２６が上層３４のみで構成された排ガス流れ方向中間領域３１を有する。例えば、上流側領域２８、中間領域３１及び下流側領域３０は、排ガス流れ方向へ１／３ずつの領域を形成する。
例示的な実施形態では、上流側領域２８及び中間領域３１に配置される上層３４は、触媒活性成分として担持基材２４の容積１リットル当たり０．１〜２．０ｇのＲｈを含み、上流側領域２８の下層３２は、触媒活性成分として担持基材２４の容積１リットル当たり１〜１５ｇのＰｄを含む。
例示的な実施形態では、下層３２の触媒活性成分はさらに助触媒として酸素吸蔵及び放出能を有する触媒用酸素吸蔵材料（以下「ＯＳＣ材」とも言う。）を含む。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る。
例示的な実施形態では、下層３２は担持基材２４の容積１リットル当たり１〜８０ｇのＯＳＣ材をさらに含む。
なお、上層３４にはＰｔ、Ｐｄ、ＯＳＣ材を添加してもよく、下層３２にはＲｈ、Ｐｔを添加してもよい。さらに、下層３２にＨＣの吸着量を高めるための材料，例えばゼオライトを添加してもよい。
【００２７】
例示的な実施形態では、下流側領域３０の触媒活性成分は、担持基材２４の容積１リットル当たり２０〜３００ｇのＳＣＲ材を含む。
例示的な実施形態では、図１及び図２に示すように、下流側領域３０の触媒担持層２６に担持されたＳＣＲ材に吸着したＨＣ及びＮＯｘが排ガス温度の上昇に伴って脱離する工程で、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御するための制御装置４０をさらに備える。
制御装置４０によって、ＳＣＲ材に吸着したＨＣ及びＮＯｘが脱離を開始する工程で、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御し、排ガス中のＣＯ量やＨＣ量を増やす。これによって、上記反応式（１）〜（５）に示す反応が行われ、下流側領域３０の排ガス中に含まれるＮＨ３量が増え、ＮＨ３と排ガス中のＮＯｘとの還元反応を促進できる。
【００２８】
例示的な実施形態では、図１及び図２に示すように、排ガス浄化触媒２０の温度を検出するための温度センサ４２をさらに備え、制御装置４０は、温度センサ４２の検出値が閾値を超えた時、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたと判定し、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御する。
図１に示した実施形態では、触媒コンバータ２２の内部で排ガス浄化触媒２０の入口に温度センサ４２が設けられ、制御装置４０は温度センサ４２の検出値が閾値を超えた時、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたと判定し、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御する。
【００２９】
図４は内燃機関１１の稼動開始からの排ガス浄化プロセスを示し、横軸は稼動開始からの時間を示している。図４において、内燃機関１１の稼動開始と共に下流側領域３０の触媒層３６でＨＣ及びＮＯｘの吸着工程が始まり、その後、排ガス浄化触媒２０が閾値温度Ｔ１（例えば１５０℃）を超えると、ＨＣ及びＮＯｘが触媒層３６から脱離する脱離工程が始まる。この脱離行程中のＨＣ、ＮＯｘが最も多く排出されるタイミングに空燃比をリッチ化することで，上流の触媒層３４と触媒層３２でより多くのＮＨ３が生成されるので，触媒層３６から脱離したＮＯｘの浄化効率が高まる。
図５は、内燃機関１１の稼動開始から数十秒後の触媒内部の温度を示している。図５から、稼動初期には、触媒担体の熱容量の影響で、触媒担体の入口領域と出口領域との間に大きな温度勾配を生じる。したがって、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが極めて多く排出される触媒の昇温過程においては、触媒担体の入口領域に触媒活性成分を高密度に担持することが排ガス低減に有効であることがわかる。
図６は、貴金属（ＰＧＭ）、触媒入口温度及び貴金属担持量に対する総ＨＣ量の浄化効率を示し、数値は貴金属担持量を示している。図６から、貴金属担持量が多く、かつ触媒温度が高いほど、触媒活性が優れる。したがって、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが極めて多く排出される触媒の昇温過程においては、排ガス浄化効率を高めるには、触媒活性主である貴金属の担持量を増大することが排ガス低減に有効であることがわかる。
【００３０】
幾つかの実施形態によれば、図２及び図３に示すように、下流側領域３０の触媒活性成分であるＳＣＲ材により、上流側領域２８と３１で生成したＮＨ３で残存するＮＯｘを選択還元すると共に、ＳＣＲ材から脱離するＮＯｘも、上流側領域２８と３１で生成されたＮＨ３でＮＯｘの選択還元をさらに促進できるため、ＮＯｘの浄化率を向上できる。
また、上流側領域２８では、いわゆる三元触媒としての機能を有し、排ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを低減できる。上層３４に貴金属のなかで担持量当たりの触媒活性が最も優れるＲｈを担持し、下層３２に比較的安価なＰｄを担持することで、排ガス浄化性能を高く維持しつつ触媒コストを抑えることができる。
また、ＲｈやＰｄ等の貴金属を担持した上層３４及び下層３２を積層させることで、上記反応式（１）〜（５）によりＮＨ３が多く生成され、ここで生成されたＮＨ３がＮＯｘの還元浄化に寄与すると共に、このＮＨ３生成反応も触媒コストを抑えた上で効率良く進行する。
【００３１】
これによって、排ガス浄化触媒２０は、多種の排ガス浄化機能に対応しつつ１個の担持基材２４で構成することができ、浄化システム全体の構成を簡素化できる。そのため、触媒コストを削減できると共に、排ガスの圧力損失を低減できるので、内燃機関の性能低下を抑制できる。
さらに、排ガス浄化性能が向上することで、触媒担持層２６の膜厚を低減できるので、排ガスの圧力損失をさらに低減できると共に、触媒担持層２６のコーティング作業が容易になる。特に、担持基材２４がハニカム構造体である場合、触媒担持層２６の膜厚低減は排ガスの圧力損失を大幅に低減すると共に、触媒担持層２６のコーティング作業を飛躍的に制限する。
【００３２】
例示的な実施形態によれば、高い排ガス温度下で大きな排ガス浄化効果が見込める上流側領域２８では下層３２を設けて、高い排ガス浄化性能を保持しつつ、上流側領域２８より排ガス温度が低下し上流側領域２８ほど排ガス浄化効果が得られない中間領域３１では下層３２を無くすことで、排ガス浄化性能を維持しつつ触媒コストをさらに節減できる。
また、例示的な実施形態によれば、下層３２の触媒活性成分としてさらにＯＳＣ材を含めることで、空燃比が変動しても空燃比の変動に対応して高い排ガス浄化効果を維持できる。
【００３３】
例示的な実施形態によれば、上層３４に含まれるＲｈを０．１〜２．０ｇ／Ｌ（担持基材２４の容積）とし、下層３２に含まれるＰｄを１〜１５ｇ／Ｌ（担持基材２４の容積）とし、下層３２に含まれるＯＳＣ材を１〜８０ｇ／Ｌ（担持基材２４の容積）としたことで、高い排ガス浄化効果を可能にすると共に、これら触媒活性成分及び助触媒の含有量を少なく抑えることができるので、触媒担持層２６の膜厚を低減できる。これによって、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層２６のコーティングを省力化できる。
例示的な実施形態によれば、下流側領域３０の触媒担持層２６に含まれるＳＣＲ材を２０〜３００ｇ／Ｌ（担持基材２４の容積）としたことで、高い排ガス浄化効果を可能にすると共に、これら触媒活性成分及び助触媒の含有量を少なく抑えることができるので、触媒担持層２６の膜厚を低減できる。これによって、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層２６のコーティングを省力化できる。
【００３４】
例示的な実施形態によれば、図１及び図２に示すように、制御装置４０によって、ＳＣＲ材に吸着したＨＣ及びＮＯｘが脱離を開始する工程で、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御し、排ガス中のＣＯ量やＨＣ量を増やす。これによって、上記反応式（１）〜（５）に示す反応が行われ、ＮＨ３量が増え、ＮＨ３と排ガス中のＮＯｘとの還元反応を促進できるため、排ガス中のＮＯｘの浄化率を向上できる。
例示的な実施形態によれば、図１及び図２に示すように、制御装置４０によって温度センサ４２の検出値が閾値Ｔ１を超えた時をもって、下流側領域３０でＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたか否かを判定するので、脱離工程の開始時期を正確に判定できる。
【００３５】
上記実施形態では、触媒層３４や触媒層３２で生成するＮＨ３を用いて、触媒層３４や触媒層３２で浄化できなかったＮＯｘを選択還元浄化しているが、排ガス通路の外部からＮＨ３を供給するようにしてもよい。例えば、排ガス浄化触媒２０の排気管１８に外部から尿素水溶液などを噴霧するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、内燃機関の排ガス通路を流れる排ガスの圧力損失を低減して内燃機関の効率を向上できると共に、触媒コストを削減できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０        排ガス浄化システム
１１        内燃機関
１２        排気ポート
１４        排気マニフォールド
１６        排気過給機
１６ａ    タービンハウジング
１８        排気管
２０        排ガス浄化触媒
２２        触媒コンバータ
２４        担持基材
２６、３６    触媒担持層
２８        排ガス流れ方向上流側領域
３０        排ガス流れ方向下流側領域
３１        排ガス流れ方向中間領域
３２        下層
３４        上層
４０        制御装置
４２        温度センサ
ｅ          排ガス
【図１】
2017044202.tif 000003
【図２】
2017044202.tif 000004
【図３】
2017044202.tif 000005
【図４】
2017044202.tif 000006
【図５】
2017044202.tif 000007
【図６】
2017044202.tif 000008