JP2000054832A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】機関の低温時など、ＨＣ吸着剤のＨＣ脱離と触
媒が活性化するタイミングをできるだけ近づけ、ＨＣが
外部に放出されるのを極力低減する。 【解決手段】機関排気通路１３に複数の触媒７、９を介
装し、これら触媒のうち、少なくとも下流側に位置する
触媒を、触媒担体２３に対して深層部にＨＣ吸着層２４
ｂ、表層部に触媒層２４ａを被覆した多層触媒７とす
る。そして下流側の多層触媒７の（触媒熱容量／触媒表
面積）の比率を上流側触媒９の同じく比率よりも大きく
設定する。これにより上流側触媒９の温度上昇を早め、
また下流側触媒７での温度勾配を大きくしてＨＣ吸着層
２４ｂの温度上昇を遅らせ、ＨＣ脱離時期と触媒層２４
ａの活性化時期を近づける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の排気浄化
装置、とくにＨＣ吸着層をもつ触媒により排気中の有害
成分を浄化する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、触媒を利用して内燃機関から排出
される排気中のＨＣ、ＣＯを酸化し、ＮＯｘを還元処理
することにより、排気の浄化を図る装置が多く提案、実
用化されているが、このうち、とくに排気温度の低い機
関始動直後などのように、触媒が十分に活性化していな
い状態では、相対的に排気浄化性能が低下することは否
めない。
【０００３】排気温度の低いときに排気中のＨＣを吸着
するＨＣ吸着剤により排気中のＨＣを吸着し、外部への
放出を防ぐ試みがなされている。ただし、このＨＣ吸着
剤は温度がある程度上昇すると、吸着したＨＣが脱離す
るため、排気温度の低温時にのみ有効に作用する。そし
て、この脱離開始温度は一般的には触媒の活性化温度よ
りも低く、このため温度が脱離開始温度から触媒活性温
度までの間は、ＨＣを処理することできない。
【０００４】特開平８−２２４４４９号公報には、ハニ
カム型の触媒担体に、ＨＣの吸着剤からなる下側層と、
触媒からなる上側層とを担持し、これにより低温時には
触媒層を透過してＨＣを下層側のＨＣ吸着剤で吸着し、
温度が上昇して吸着したＨＣが脱離するときは、上層側
の触媒層を透過させるときに、触媒の働きで酸化させる
提案がなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしこの場合でも、
ＨＣ吸着剤は触媒が活性化する温度よりも低い温度、例
えば１５０〜２００℃程度でそれまでに吸着したＨＣを
脱離してしまい、このとき触媒が活性化されていなけれ
ば、脱離されたＨＣが触媒で酸化されずにそのまま外部
に放出されるのは避けられない。
【０００６】本発明はこのような問題を解決するために
提案されたもので、機関の低温時など、ＨＣ吸着剤のＨ
Ｃ脱離開始と触媒が活性化するタイミングをできるだけ
近づけ、ＨＣが外部に放出されるのを極力低減すること
を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、機関排気
通路に複数の触媒を介装し、これら触媒のうち、少なく
とも下流側に位置する触媒を、触媒担体に対して深層部
にＨＣ吸着層、表層部に触媒層を被覆した多層触媒とし
た内燃機関の排気浄化装置において、下流側の多層触媒
の（触媒熱容量／触媒表面積）の比率を上流側触媒の同
じく比率よりも大きく設定したことを特徴とする。
【０００８】第２の発明は、機関排気通路に複数の触媒
を介装し、これら触媒のうち、少なくとも下流側に位置
する触媒を、触媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表
層部に触媒層を被覆した多層触媒とした内燃機関の排気
浄化装置において、下流側の多層触媒の触媒層の被覆厚
さを上流側の触媒の触媒層の被膜厚さよりも大きくした
ことを特徴とする。
【０００９】第３の発明は、第２の発明において、前記
下流側の触媒層が上流側の触媒層の３倍以上となるよう
にした。
【００１０】第４の発明は、機関排気通路に複数の触媒
を介装し、これら触媒のうち、少なくとも下流側に位置
する触媒を、触媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表
層部に触媒層を被覆した多層触媒として構成した内燃機
関の排気浄化装置において、下流側の多層触媒の触媒担
体の流路表面積を上流側の触媒の触媒担体の流路表面積
よりも小さくしたことを特徴とする。内燃機関の排気浄
化装置。
【００１１】第５の発明は、第４の発明において、前記
下流側の多層触媒の触媒担体のセル密度を前記上流側の
触媒の触媒担体のセル密度よりも小さくした。
【００１２】第６の発明は、第５の発明において、前記
下流側の多層触媒の触媒担体のセル密度を前記上流側の
触媒の触媒担体のセル密度の１／２以下とした。
【００１３】第７の発明は、第５または第６の発明にお
いて、前記上流側の触媒の触媒担体のセル密度を１平方
インチ当たり５００個以上とした。
【００１４】第８の発明は、第５または第６の発明にお
いて、前記下流側の多層触媒の触媒担体のセル密度を１
平方インチ当たり２５０個以下とした。
【００１５】第９の発明は、機関排気通路に複数の触媒
を介装し、これら触媒のうち、少なくとも下流側に位置
する触媒を、触媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表
層部に触媒層を被覆した多層触媒として構成した内燃機
関の排気浄化装置において、下流側の多層触媒の触媒担
体の板厚を上流側の触媒の触媒担体の板厚よりも厚くし
たことを特徴とする。
【００１６】第１０の発明は、第９の発明において、前
記上流側の触媒の触媒担体を板厚が９０μｍ以下のセラ
ミックハニカム担体とした。
【００１７】第１１の発明は、第９の発明において、前
記下流側の多層触媒の触媒担体を板厚が１５０μｍ以上
のセラミックハニカム担体とした。
【００１８】第１２の発明は、機関排気通路に複数の触
媒を介装し、これら触媒のうち、少なくとも下流側に位
置する触媒を、触媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、
表層部に触媒層を被覆した多層触媒として構成した内燃
機関の排気浄化装置において、下流側の多層触媒の触媒
担体をメタルハニカム担体とし、上流側の触媒の触媒担
体をセラミックハニカム担体としたことを特徴とする。
【００１９】第１３の発明は、第１２の発明において、
前記上流側のセラミックハニカム担体の板厚を９０μｍ
以下とした。
【００２０】第１４の発明は、第１２の発明において、
前記下流側の多層触媒のメタルハニカム担体の板厚を４
０μｍ以上とした。
【００２１】第１５の発明は、第１〜第１４の発明にお
いて、上流側の触媒がＨＣ吸着層をもたない三元触媒で
ある。
【００２２】第１６の発明は、第１〜第１４の発明にお
いて、上流側の触媒がＨＣ吸着層をもつ多層触媒であ
る。
【００２３】
【発明の作用、効果】第１の発明では、下流側の多層触
媒に比較して上流側の触媒の方が、単位熱容量に対する
受熱表面積が大きく、このため触媒が温度上昇しやく、
機関始動後などに早期に活性化する。これによりこの反
応熱をうけて下流側の触媒温度も相対的に高められ、そ
れだけ早期に触媒浄化性能が高められる。
【００２４】一方、下流側の多層触媒では活性化温度に
達するまでの間は、排気中のＨＣを触媒層を透過してＨ
Ｃ吸着層で吸着し、外部への放出を抑えている。
【００２５】多層触媒の表層の触媒層に対して深層のＨ
Ｃ吸着層の温度上昇が遅いが、下流側の多層触媒では、
単位受熱表面積に対しては触媒熱容量が大きいことか
ら、表面の触媒層に比較して深層のＨＣ吸着層の温度は
上がりにくく、即ち温度勾配が大きく、このため排気系
の温度が上昇する過程で、ＨＣ吸着層がＨＣの脱離開始
温度に達するときには、表面の触媒層がこれよりも温度
の高い活性化温度域に到達しやすく、つまりＨＣの脱離
開始時期を触媒活性時期に近づけられ、したがって脱離
されたＨＣの多くを外部に排出することなく、そのまま
触媒層で酸化することが可能となる。
【００２６】第２、第４、第５、第６、第９、第１２の
発明でも、同じようにして、上流側触媒を早期に活性化
でき、これにより触媒システム全体の温度上昇を促進
し、また下流側触媒から脱離されたＨＣの酸化について
も、第２の発明では触媒層の被膜厚さを大きくしてＨＣ
吸着層との温度勾配を大きくすることで、また第４、第
５、第６の発明では流路表面積を小さくしてＨＣ吸着層
への伝熱量を小さくすることで、さらに第９の発明では
触媒担体の板厚を厚くしてＨＣ吸着層の温度上昇を遅ら
せることで、第１２の発明では触媒担体を単位体積当た
りの熱容量の大きいメタル製としてＨＣ吸着層の温度上
昇を遅らせることで、それぞれ触媒活性化時期をＨＣ脱
離開始時期に近づけ、外部へのＨＣの排出量を減らすこ
とができる。
【００２７】第３の発明では、下流側の触媒層の厚さを
上流側に比較して３倍以上と大きくすることにより、Ｈ
Ｃ吸着層の脱離温度への上昇に比較し、より確実に触媒
層の活性化を早められる。
【００２８】第７、第８、第１０、第１１、第１３、第
１４の発明では、第５、第６、第９、第１２の発明と同
じように触媒活性化時期をＨＣ脱離開始時期により一層
近づけ、ＨＣの外部への排出をより確実に減らすことが
できる。
【００２９】第１５の発明では、上流側の触媒での反応
熱により排気温度を高め、機関始動後早期のうちに触媒
システム全体の温度上昇を図ることができる。
【００３０】第１６の発明では、ＨＣの吸着を上流側で
も行うことができ、低温時のＨＣの外部排出量を低減で
きる。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の最良の実施形態を
添付図面に基づいて説明する。
【００３２】図１は全体の構成を示すもので、エンジン
１１の吸気通路１２にはスロットルバルブ２の下流に位
置して、エンジン１１に供給する燃料を噴射する燃料噴
射弁３が設けられる。排気通路１３の上流には三元触媒
９が設けられ、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化すると共にＮ
Ｏｘを還元する。さらにその下流にはＨＣ吸着機能をも
った三元触媒である多層触媒７が設置され、これは後述
するように、排気低温時など排気中のＨＣを吸着保持す
る一方、温度上昇後には脱離されたＨＣの酸化を含む、
排気の酸化、還元を行う。
【００３３】排気の空燃比を上記各触媒７、９の要求空
燃比、すなわち理論空燃比に制御するために、コントロ
ーラ８に、吸気通路１２に設置した吸入空気量センサ１
からの吸入空気量信号、スロットルバルブ２のスロット
ル開度信号、排気通路１３に設置した空燃比（酸素濃
度）センサ５からの排気空燃比信号、さらにはエンジン
回転数信号などが入力し、これらに基づいてエンジン回
転に同期して燃料噴射弁３から噴射される燃料量が理論
空燃比の混合気を生成するように、燃料噴射弁３に燃料
噴射信号が出力される。ただし、混合気の空燃比は原則
的に理論空燃比となるようにフィードバック制御される
が、運転状態によって、例えば低温始動時などは、理論
空燃比よりもリッチな空燃比に設定され、オープン制御
される。
【００３４】また、コントローラ８からは点火栓４に運
転状態に応じて最適な点火信号が出力される。
【００３５】図２は各触媒の拡大断面を示し、上流側の
三元触媒９は排気流路断面が格子状に配列されたハニカ
ム構造体からなる触媒担体２１をもち、その表面は触媒
からなる触媒層２２で被覆され、各格子内を上流から下
流へと排気が通過し、このとき排気が触媒層２２と接触
しながらＨＣ、ＣＯが酸化され、ＮＯｘが還元される。
【００３６】下流側の多層触媒７は、やはり格子状に配
列された触媒担体２３の表面が触媒・ＨＣ吸着剤層２４
で被覆される。この場合、表層部分は所定の厚さをもつ
触媒層２４ａが、その深層（内層）部分にＨＣ吸着剤か
らなるＨＣ吸着層２４ｂが形成される。
【００３７】各層は多数の微細な孔をもつポーラス状に
形成され、触媒温度の低いときなどＨＣ吸着層２４ｂに
は触媒層２４ａを透過して排気中のＨＣが吸着される。
【００３８】ところで、図からも明らかなように、上流
側の三元触媒９の触媒担体２１に比較して下流側の多層
触媒７の触媒担体２３は、その格子密度（セル数）が粗
に形成され、かつ板厚も厚く設定され、排気流路となる
担体表面積が小さくなっている。
【００３９】具体的には、上流側の三元触媒９の触媒担
体２１をセル密度９００個／平方インチで、板厚６５μ
ｍのセラミックハニカム担体とする一方、下流側の多層
触媒７の触媒担体２３をセル密度２００個／平方インチ
で板厚２７０μｍのセラミックハニカム担体としてい
る。セラミックよりも単位体積当たりの熱容量が約２．
６倍程度であるメタルハニカム担体を下流側の多層触媒
７の触媒担体として用いる場合、セル密度２００個／平
方インチで板厚５０μｍの担体を使用することもでき
る。
【００４０】また、三元触媒９の触媒層２２に比較して
多層触媒７の触媒層２４ａの層厚が厚く形成される。好
ましくは触媒層２４ａの層厚が触媒層２２の３倍以上と
なるようにする。
【００４１】このことは換言すると、触媒熱容量と触媒
表面積ＧＳＡとの比率、すなわち触媒熱容量／ＧＳＡ
が、上流側の三元触媒９よりも下流側の多層触媒７の方
が大きくなるようにしている。
【００４２】以上のように構成した結果、エンジン始動
後の排気温度が低い運転状態にあっては、排気は上流の
三元触媒９を通過した後、下流側の多層触媒７に流れる
のであるが、上流側は下流側に比較してもともと排気温
度が高く、それだけ早く温度が上昇する傾向にある。こ
れに加えて上流側の三元触媒９の触媒熱容量／ＧＳＡの
比率が小さく、つまり単位熱容量に対しての受熱表面積
が大きく、触媒が温度上昇しやすい条件にあるため、上
流側の三元触媒９は始動後に早期に活性温度まで温度が
上昇する。
【００４３】これに対して下流側の多層触媒７は、触媒
熱容量／ＧＳＡの比率が上流側よりも大きく、単位触媒
熱容量に対して排気と接触する触媒表面積が相対的に小
さいため、触媒温度が上昇しにくく、また下流側では排
気温度も相対的に低くなることから、上流側に比較して
多層触媒７の温度上昇は遅くなる傾向がある。
【００４４】このため機関始動直後など排気温度が低い
ときには、排気中のＨＣが上流の三元触媒９でも酸化さ
れないまま下流の多層触媒７に到達し、これらは表層の
触媒層２４ａを透過して、その内層のＨＣ吸着層２４ｂ
によって吸着される。
【００４５】始動後の時間の経過に伴い排気系の温度が
上昇していき、上流側の三元触媒９が活性化温度に近づ
いたとしても、多層触媒７では相対的に温度が低いた
め、ＨＣ吸着層２４ｂの温度が、吸着したＨＣの脱離を
始める温度、例えば１５０〜２００℃に達するまでの間
は、ＨＣを確実に吸着できる。
【００４６】ところで多層触媒７では、触媒熱容量／受
熱表面積の比率が大きく、具体的には、例えば表層側の
触媒層２４ａの厚さが、上流側触媒に比較して、大きい
ことから、内側にあるＨＣ吸着層２４ｂとの間の温度勾
配が大きい。このため触媒層２４ａの表面温度に比較し
てＨＣ吸着層２４ｂの温度は比較的低く、その温度差が
大きい。ＨＣ吸着層２４ｂがＨＣの脱離を開始する温度
域は、触媒層２４ａが活性化する温度域よりも低いが、
この温度勾配のために、内側のＨＣ吸着層２４ｂがＨＣ
の脱離を始める温度に達するよりも先に、ないしはほぼ
同時期に、触媒層２４ａを活性化温度まで上昇させるこ
とが可能となる。
【００４７】機関始動後など時間の経過に伴う排気系の
温度上昇により、多層触媒７の触媒層２４ａが活性化温
度に近づいていくとき、ＨＣ吸着層２４ｂの温度も上昇
するが、温度勾配が大きいために、ＨＣの脱離開始時期
と触媒活性化時期とが近づくことになり、吸着されてい
たＨＣが脱離されても、触媒層２４ａを透過する間に酸
化が行われ、ＨＣの外部への排出が阻止される。
【００４８】このようにして、上流側の三元触媒９は、
（触媒熱容量／表面積）比率が小さく、したがって温度
上昇しやすいために早期に活性化でき、反応熱による排
気温度の上昇により下流側の多層触媒７の温度上昇も早
くなり、したがって触媒システム全体の温度が早期に上
昇するため、機関始動後にそれだけ短時間のうちに、十
分な排気浄化性能を発揮することが可能となる。
【００４９】また、多層触媒９のＨＣ吸着層２４ｂで吸
着されていたＨＣが温度上昇により脱離しても、ほぼ同
時期に活性化する触媒層２４ａの働きでこのＨＣを酸化
処理することができる。このため排気温度が上昇する過
程で脱離されていたＨＣの排出量を極力低減することが
可能となる。
【００５０】ところで、本発明は、触媒熱容量／表面積
の比率を、上流側の三元触媒９よりも下流側の多層触媒
７で大きくなるようにしているが、これについては上流
側の三元触媒９に比較して下流側の多層触媒７を、触
媒層の厚さを厚くして相対的に触媒熱容量を大きくす
る、触媒担体の格子のセル数を少なくして相対的に流
路表面積を小さくする、触媒担体の板厚を厚くして相
対的に熱容量を大きくかつ表面積を小さくする、触媒
担体をメタル製として相対的に熱容量を大きくする、こ
となどを、それぞれ単独で、あるいは互いに組み合わせ
て用いることで実現できる。
【００５１】上記の説明では、上流側の触媒は三元触媒
としたが、下流側と同じようにＨＣ吸着剤からなるＨＣ
吸着層をもつ構成としてもよい。
【００５２】本発明は上記した実施の形態に記載した内
容に限定されるわけではなく、発明の技術的思想の範囲
内での種々の変更が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す全体構成図である。
【図２】同じく要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
７ 多層触媒 ９ 三元触媒 ８ コントローラ １１ エンジン １３ 排気通路 ２１ 触媒担体 ２２ 触媒層 ２４ 触媒・ＨＣ吸着剤層 ２４ａ 触媒層 ２４ｂ ＨＣ吸着層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｐ (72)発明者 佐藤 立男 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 可知 直樹 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】機関排気通路に複数の触媒を介装し、これ
    ら触媒のうち、少なくとも下流側に位置する触媒を、触
    媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表層部に触媒層を
    被覆した多層触媒として構成した内燃機関の排気浄化装
    置において、下流側の多層触媒の（触媒熱容量／触媒表
    面積）の比率を上流側触媒の同じく比率よりも大きく設
    定したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項２】機関排気通路に複数の触媒を介装し、これ
    ら触媒のうち、少なくとも下流側に位置する触媒を、触
    媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表層部に触媒層を
    被覆した多層触媒として構成した内燃機関の排気浄化装
    置において、下流側の多層触媒の触媒層の被覆厚さを上
    流側の触媒の触媒層の被膜厚さよりも大きくしたことを
    特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  3. 【請求項３】前記下流側の触媒層が上流側の触媒層の３
    倍以上となるようにした請求項２に記載の内燃機関の排
    気浄化装置。
  4. 【請求項４】機関排気通路に複数の触媒を介装し、これ
    ら触媒のうち、少なくとも下流側に位置する触媒を、触
    媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表層部に触媒層を
    被覆した多層触媒として構成した内燃機関の排気浄化装
    置において、下流側の多層触媒の触媒担体の流路表面積
    を上流側の触媒の触媒担体の流路表面積よりも小さくし
    たことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  5. 【請求項５】前記下流側の多層触媒の触媒担体のセル密
    度を前記上流側の触媒の触媒担体のセル密度よりも小さ
    くした請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 【請求項６】前記下流側の多層触媒の触媒担体のセル密
    度を前記上流側の触媒の触媒担体のセル密度の１／２以
    下とした請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 【請求項７】前記上流側の触媒の触媒担体のセル密度を
    １平方インチ当たり５００個以上とした請求項５または
    ６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 【請求項８】前記下流側の多層触媒の触媒担体のセル密
    度を１平方インチ当たり２５０個以下とした請求項５ま
    たは６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 【請求項９】機関排気通路に複数の触媒を介装し、これ
    ら触媒のうち、少なくとも下流側に位置する触媒を、触
    媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表層部に触媒層を
    被覆した多層触媒として構成した内燃機関の排気浄化装
    置において、下流側の多層触媒の触媒担体の板厚を上流
    側の触媒の触媒担体の板厚よりも厚くしたことを特徴と
    する内燃機関の排気浄化装置。
  10. 【請求項１０】前記上流側の触媒の触媒担体を板厚が９
    ０μｍ以下のセラミックハニカム担体とした請求項９に
    記載の内燃機関の排気浄化装置。
  11. 【請求項１１】前記下流側の多層触媒の触媒担体を板厚
    が１５０μｍ以上のセラミックハニカム担体とした請求
    項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  12. 【請求項１２】機関排気通路に複数の触媒を介装し、こ
    れら触媒のうち、少なくとも下流側に位置する触媒を、
    触媒担体に対して深層部にＨＣ吸着層、表層部に触媒層
    を被覆した多層触媒として構成した内燃機関の排気浄化
    装置において、下流側の多層触媒の触媒担体をメタルハ
    ニカム担体とし、上流側の触媒の触媒担体をセラミック
    ハニカム担体としたことを特徴とする内燃機関の排気浄
    化装置。
  13. 【請求項１３】前記上流側のセラミックハニカム担体の
    板厚を９０μｍ以下とした請求項１２に記載の内燃機関
    の排気浄化装置。
  14. 【請求項１４】前記下流側の多層触媒のメタルハニカム
    担体の板厚を４０μｍ以上とした請求項１２に記載の内
    燃機関の排気浄化装置。
  15. 【請求項１５】上流側の触媒がＨＣ吸着層をもたない三
    元触媒である請求項１〜１４のいずれか一つに記載の内
    燃機関の排気浄化装置。
  16. 【請求項１６】上流側の触媒がＨＣ吸着層をもつ多層触
    媒である請求項１〜１４のいずれか一つに記載の内燃機
    関の排気浄化装置。
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