JP2003314267A - 排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
システムにおいて、エンジンの冷間始動後に三元触媒が
活性温度に達する前にHCトラップ剤からHC脱離が開
始されるため始動後に排出されやすいHCを十分に浄化
することができなかった。 【解決手段】 担体にHCトラップ剤と触媒金属のコー
ティングを施した排気浄化装置において、担体のセルを
横断するように担体上流部に1個以上のスリットを形成
すると共に、担体下流部での触媒金属の担持量を大とす
る。スリットはその下流への担体内の伝熱を抑制するの
で担体下流部の温度上昇が遅くなり、HCの捕捉量が増
大する。この間に触媒金属の温度上昇量が大きくなり、
HC脱離時の処理効率も向上する。スリットによる伝熱
抑制により昇温しにくい担体下流部は触媒金属の担持量
を大としてあるので所要の転化効率を確保できる。
Description
排気浄化に適用される触媒コンバータに関し、特にHC
トラップ機能を有する排気浄化装置の改良に関する。
浄化システムではエンジン冷間運転時のHCの処理が課
題となっている。触媒が活性温度に達するまでは低温条
件下での燃焼時に排出されやすいHCを十分に浄化でき
ないからである。この問題を解決するものとして、特開
平9−85049号にはHCトラップ剤を適用した浄化
システムが提案されている。HCトラップ剤は排気ガス
中のHCを一時的に捕捉しておく機能を持っており、捕
捉されたHCは温度上昇に伴いトラップ剤から脱離す
る。そこで前記システムでは三元触媒の上流側にHCト
ラップ剤を設け、三元触媒が活性温度に達するまでのH
Cの排出を抑制するようにしている。しかしながら、捕
捉されたHCがトラップ剤から脱離を開始する温度に達
しても、この時点では下流側の三元触媒がまだ十分に活
性化していないため、HCの排出を抑制する効果は十分
ではない。
いてもHCの排出をより確実に抑制することのできる排
気浄化装置を提供することである。
ハニカム状担体のセルを横断するようにかつ担体の上流
部に偏在するように1個以上のスリットを形成する。ま
た、前記担体の下流部にて担持量が大となるように触媒
金属を担持させる。
側への担体内の伝熱を遮断する作用を有するため、担体
全体として温度上昇が遅くなる。すなわちHCが脱離す
るまでの時間が長くなるので、それだけHCの捕捉量を
増大させることができる。また、伝熱の抑制により下流
部の触媒金属の昇温は遅れ傾向となるが、担持量を大と
したことからこの遅れを補償して所要の転化効率を確保
することが可能である。
形成された多数のセルの各々が担体の入口部から出口部
にわたり連続しているためセル内のガスの流れは比較的
整っており乱れは少ない。これに対して担体にセルを横
切るようにスリットを形成すると、このスリットにより
流れ方向に分割されたセルに進入したガスはスリット部
分で乱れを発生する。この乱れは、排気ガスがHCトラ
ップ剤に接触する機会を増やすのでそれだけHCトラッ
プ性能を向上させる。
造の排気浄化装置では、担体の断面上でガス流路の流量
分布および昇温性に偏りがあり、言い換えればセル毎に
HCトラップ性能や転化率に偏りを生じるため排気浄化
装置が本来有している性能を使いきることは難しい。こ
れに対してスリットを設けた担体では前記乱流作用によ
り担体の断面方向でのガス流量分布を均一化できるので
制御性が向上し、排気浄化装置本来の性能を十分に発揮
させることが可能となる。
をより高めることができ、また詳しくは実施形態として
後述するが、複数のスリットのガス流れ方向の分布やス
リットの形状に応じてそれぞれに固有の特性を設定する
ことができる。担体にコーティングする触媒金属やHC
トラップ剤についても同様であり、その分布や層構造の
設定に応じて種々の特性を与えることができる。
を適用したエンジンシステムの一例を示している。図に
おいて1はエンジン、2はその吸気通路、3は排気通路
である。4は排気通路3から排気ガスの一部を吸気通路
2へと還流させるEGR通路、5は前記排気還流量を制
御するEGR制御弁である。7は燃料噴射弁、8は点火
プラグである。
化装置である。これら3個の排気浄化装置9〜11は、
基本的にはCO,HCの酸化機能とNOxの還元機能を
併有する三元触媒であり、これらのうち何れかまたは全
部はゼオライト等のHCトラップ剤によりHCを一時的
に捕捉しておく機能を備えたHCトラップ触媒として構
成されている。上流側の9または10についてはHCト
ラップ機能のみを有するHCトラップ装置で構成される
場合もある。
置9の上流と下流にて排気ガスの空燃比もしくは酸素濃
度を検出する排気ガスセンサ、14は中段の排気浄化装
置10の触媒温度を検出する温度センサである。
の運転状態信号に基づいて空燃比および点火時期などを
制御するコントローラであり、CPUおよびその周辺装
置からなるマイクロコンピュータにより構成されてい
る。
収装されるハニカム状担体21の実施形態を示す。本発
明では、基本的には図2に示したように担体21のガス
流れ(矢印方向)を横切るように1個以上のスリット2
2を担体上流部に偏在するように形成する。この場合、
複数のスリット22のガス流れ方向の分布が上流側にて
密となるように担体21にスリット22を配列してい
る。担体21をセラミクスから形成した場合には、その
焼成後に研削によりスリット22を加工する。図示した
ものではスリット22を触媒の一側面側からガス流れに
対して直交するように形成し、他側面側に非スリット部
23を残している。また隣接するスリット22は互いに
担体21の周囲に180度ずつ異なる角度で、かつガス
流れ方向には等間隔に形成してスリットと非スリット部
とが交互に配列するようにしている。担体21のセル表
面にはゼオライトなどのHCトラップ剤を含むHCトラ
ップ層とPt、Rh等の触媒金属を含む触媒金属層がコ
ーティングにより形成してある。前記触媒金属層は図5
に示したように担体21の下流部ほどその担持量(触媒
金属の量または密度)が大となるように設定してある。
しており、図中の34は触媒容器、35はセラミクスフ
ァイバーあるいはアルミナファイバーなどからなる耐熱
マットである。担体21はその外周部に巻回された耐熱
マット35を介して触媒容器34内に固定される。この
実施形態では、スリット22の開放部分の外周を担体2
1と同一の線膨張係数を有する充填材36で埋めてあ
る。このように充填材36を設けることにより、スリッ
ト22を抜けてきた排気によりマット35が風蝕されて
摩耗する不具合を防止することができる。また、担体2
1と同一の線膨張係数を有する充填材36を用いること
により、担体21の強度を向上できる。
り、HCトラップ量を増大できると共に、HC処理性能
を向上させることが可能となる。エンジン始動直後は未
着火燃料や不完全燃焼により定常アイドル運転時に比較
すると多くのHCが燃焼室から排出される。このHCは
大部分が排気浄化装置のHCトラップ層に捕捉され、そ
の後HCトラップ層の温度が150℃程度に達すると捕
捉されたHCがHCトラップ層から脱離を開始する。こ
のとき触媒金属層が300℃程度の活性温度に達してい
れば脱離したHCは触媒反応により酸化処理される。
けたことにより担体内の伝熱が抑制されるため、スリッ
トを持たない担体に比較して担体全体の温度上昇が遅
れ、それだけHCトラップ層がHC脱離温度に達するま
での時間も長くなる。このことは担体に捕捉されるHC
量を増大させるとともにHC脱離が開始されるまでの三
元触媒の温度上昇量を大きくするのでHCの浄化性能も
向上する。また、スリット22の部分を排気ガスが通過
するときの乱流の作用により排気浄化装置に担持したト
ラップ剤がより有効に利用されるので、HCを捕捉する
性能自体もスリットを持たないものより向上する。
成は、同数のスリットを等間隔で配列した場合に比較し
て、担体21の比較的上流側での乱流作用を促進して、
HCの捕捉、脱離性能を向上できる。スリット22の密
度が高い部分では、触媒金属層を担持させた場合にその
熱容量が小さくなるので、始動直後の排気温度が比較的
低いエンジンであっても、前記乱流化の作用とあわせ
て、触媒成分の昇温、活性をより早めることができ、H
C脱離時の浄化性能を高められる。スリット22よりも
下流側については担体への伝熱をより抑制してHCトラ
ップ剤の昇温を抑え、HCトラップ性能を高められる。
この伝熱の抑制により担体下流部の触媒金属は昇温しに
くくなるが、その担持量を大としたことで所要の性能を
確保することが可能である。
成した構成は、製造が比較的容易であることに加えて担
体の強度確保の面で有利である。スリット22を設ける
数は、ガス流の乱流化と伝熱の抑制という観点からは多
くした方が有効であるが、限られた担体容量内で所要の
セル表面積とHCトラップ性能を確保する観点からは、
スリット22を担体上流部に偏在させる本発明の構成が
有利である。
抑制される作用はメタル担体であってもある程度は期待
できるが、熱伝導率の比較的小さいセラミクス材料を担
体として適用することでより顕著となる。セラミクス材
はゼオライト等のHCトラップ剤との相性が良く、コー
ティングの強度が高いという利点もある。
剤の担持量を増やすとセルの通路面積が小さくなりそれ
だけ排気抵抗が増大してしまう。この点、本発明では前
述した乱流化および熱伝導抑制の効果によりHCトラッ
プ性能が向上するのでセル密度を下げて排気抵抗の軽減
を図ることも可能である。具体的には一般的な三元触媒
のセル密度が900以上であるのに対して、本発明では
300以下、少なくとも600以下にすることが可能で
ある。前記セル密度の単位は担体横断面の面積1平方イ
ンチあたりのセル数であり、当業者による取引上の常用
単位である。また、HCトラップ剤の担持量は、例えば
セル密度が300のとき350程度、セル密度が600
のとき250程度とする。前記担持量の単位は担体の見
かけ上の容積1立方フィートあたりのグラム数であり、
当業者による取引上の常用単位である。
〜11を備えた排気浄化システムでは、下流側に位置す
る排気浄化装置10または11について、そのセル密度
を上流側のものよりも小さくして排気抵抗を低減するこ
とができる。下流側の触媒は昇温性が低く活性温度に達
するまでに時間がかかるが、本発明の排気浄化装置の構
成によればHCトラップ性能を十分に高められるので、
排気浄化性能を確保しつつセル密度を粗くして排気抵抗
を小さくできるのである。
す。これは図示したように複数のスリット22のうち上
流側に位置するものほどその幅dを大としてある。
にした上流部での排気の乱流化をより促進できると共に
伝熱抑制作用も大にできる。始動直後の排温が高く、担
体上流部でHCトラップ層25が昇温しやすい場合に適
合する。幅dの大きなスリット22の部分ではそれだけ
ガスの乱れが大きいことによりその下流側での担体横断
面方向のガス流量分布が均一となるので、HCトラップ
性能、脱離HCの浄化性能ともに向上する。
媒金属の層構造に関する実施形態である。HCトラップ
剤と触媒金属とを同一層内に混在させてもよいが、それ
ぞれを内外に層状化することにより温度上昇に時間差が
生じるので、HC脱離と触媒活性化のタイミングを合わ
せて浄化処理の効率を高めることが可能となる。
側にHCトラップ剤を含むHCトラップ層25を、上層
側に触媒金属を含む触媒金属層26をそれぞれコーティ
ングした構成においては、触媒金属層26の触媒金属を
排気との接触により早期に活性化しつつ、担体21と接
するHCトラップ層25を比較的低温に保てるので、H
Cトラップ量の確保と触媒による転化効率の向上という
相反する要求を満たすことが可能となる。
ルミナ等からなる断熱層29を均一な厚さに形成した実
施形態である。断熱層29により、触媒金属層26から
HCトラップ層25への伝熱量を低減できるので、触媒
金属層26の昇温を早めつつHCトラップ量を増大し
て、浄化性能より向上させることができる。
の厚さが担体上流部ほど大となるように形成することに
より、排気熱と触媒反応とで昇温しやすい上流側HCト
ラップ層の温度上昇を抑制してHCトラップ性能をより
高めることができる。
属層26の表面に近接するように形成した実施形態であ
る。この実施形態によれば、昇温の比較的早い上流部で
のHCトラップ層25の熱容量を増大させて昇温を遅ら
せ、HCトラップ性能を高めることができる。
に近接するように形成した実施形態である。この実施形
態によれば、昇温の比較的遅い下流部での触媒金属層2
6の活性を早めて、HCトラップ性能とHC脱離後の浄
化性能の向上という相反する性能をさらに改善すること
ができる。
ラップ層25または触媒金属層26を互いに特性が異な
る複数の層から構成するようにしてもよい。例えば、触
媒金属層26については、表層側にPdを適用した場合
には、深層側にはPd−Rh系、またはPt−Rh系、
または比較的低密度のPd層とする。担体やHCトラッ
プ剤の特性による昇温性に応じてHC脱離タイミングま
たは触媒金属の活性タイミングをより適切に制御するこ
とが可能となる。
つセルに対してガス流れの上流側に傾斜するように複数
のスリット22を形成した実施形態である。ガス流れ方
向から見ると隣接するスリット22どうしが部分的に重
畳するように交互に配列している。
22により担体内側から外側へとガスが拡散しやすくな
るので、担体外側部分にデッドボリューム部つまりガス
の流れが少なくHCトラップ剤および触媒金属の機能を
十分に生かせない部分が生じる場合に本構成を適用する
ことにより、デッドボリューム部を少なくすることがで
きる。
かつセルに対してガス流れの上流側に傾斜するように複
数のスリット22を形成した実施形態である。この実施
形態では、ガス流れ方向から見ると隣接するスリット2
2どうしが重畳する部分はなく、非スリット部23が中
央部に残っている。
様に担体外側域のデッドボリューム部を減らしつつ、中
央の非スリット部23により担体21の強度を高めるこ
とができる。
面を貫通するように形成した実施形態である。
側に非スリット部23があるため担体21の強度を寄り
高められる。また、この実施形態ではスリット23の側
面形状を上流側に頂部を向けた山形形状としてあるの
で、図15または図16のものと同様に担体外側域のデ
ッドボリューム部を低減できる。
したスリット22の幅dを、担体内側に向かって狭くな
るように楔状に形成した実施形態である。隣接するスリ
ット22どうしはガス流れ方向から見て一部が重畳して
いる。
リット幅dが大となっているので、担体外周域のガス乱
れをより促進してデッドボリューム部を減らすことがで
きる。
2を、隣接するスリット22どうしがガス流れ方向から
見て重畳しないように形成した実施形態である。
様に担体外側域のデッドボリューム部を減らしつつ、中
央の非スリット部23により担体21の強度を高めるこ
とができる。
にスリット22を形成した実施形態である。担体横断面
上、各スリット22の両側に非スリット部23が残って
いる。また、各スリット22はその幅dが中央部ほど大
となるように多角形状に形成してある。
央の幅広部分により担体内側域でのガスの乱れが大きく
なるので、担体内側部分にデッドボリューム部が生じる
場合に本構成を適用することによりデッドボリューム部
を少なくすることができる。また、スリット22の両側
に非スリット部23があるので担体21の強度上も有利
である。
に、かつガス流れの上下流方向に複数の頂部を有する屈
曲形状にスリット22を形成した実施形態である。
形状により担体中央部でのガス流れを複雑化してその乱
れをより大きくできるので、担体のデッドボリューム部
を効果的に減らすことができる。また、スリット両側の
非スリット部23により担体強度を確保できる。
に、かつガス流れの上流方向に凸の湾曲形状にスリット
22を形成した実施形態である。
様に担体のデッドボリューム部を減らす効果が得られる
ことに加えて、スリット22が湾曲形状であって鋭角部
分がないため、担体21が振動や衝撃力を受けたときに
応力集中を起こしにくく、強度上有利である。
触媒担体の構造を説明するための図面であり、スリット
の幅、ピッチなどは説明の便宜のために実際とは異なる
寸法または比率で描いてある。
システムの一例を示す概略構成図。
説明図。
例を示す縦断面図。
状の説明図。
する説明図。
金属の層構造に関する実施形態のセル部詳細断面図。
金属の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面
図。
金属の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面
図。
金属の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面
図。
媒金属の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面
図。
Claims (24)
- 【請求項1】ハニカム状担体にHCトラップ剤を担持さ
せた排気浄化装置であって、 前記担体のセルを横断するようにかつ担体の上流部に偏
在するようにスリットを形成すると共に、 前記担体の下流部にて担持量が大となるように触媒金属
を担持させた排気浄化装置。 - 【請求項2】前記スリットを担体のガス流れ方向に複数
配列した請求項1に記載の排気浄化装置。 - 【請求項3】前記複数のスリットのうち、上流側のもの
の幅を下流側のものに比較して大とした請求項3に記載
の排気浄化装置。 - 【請求項4】前記担体をセラミクスから形成した請求項
1に記載の排気浄化装置。 - 【請求項5】前記HCトラップ剤は互いに特性が異なる
複数の層からなる請求項1に記載の排気浄化装置。 - 【請求項6】前記触媒金属は互いに特性が異なる複数の
層からなる請求項5に記載の排気浄化装置。 - 【請求項7】前記担体には、HCトラップ剤を含むHC
トラップ層と、触媒金属を含む触媒金属層とを、それぞ
れコーティングにより形成した請求項1に記載の排気浄
化装置。 - 【請求項8】前記HCトラップ層を下層側に、触媒金属
層を上層側に、それぞれ形成した請求項10に記載の排
気浄化装置。 - 【請求項9】前記HCトラップ層と触媒金属層との間に
断熱層を形成した請求項8に記載の排気浄化装置。 - 【請求項10】前記断熱層を均一な厚さに形成した請求
項9に記載の排気浄化装置。 - 【請求項11】前記断熱層を担体の上流側ほど厚さが大
となるように形成した請求項9に記載の排気浄化装置。 - 【請求項12】前記断熱層を、上流側にて触媒金属層の
表面に近接するように形成した請求項9に記載の排気浄
化装置。 - 【請求項13】前記断熱層を、下流側にて担体表面に近
接するように形成した請求項9に記載の排気浄化装置。 - 【請求項14】前記複数のスリットは担体外周の相対す
る位置から対向的に、かつセル内のガス流れに対して垂
直に形成した請求項3に記載の排気浄化装置。 - 【請求項15】前記複数のスリットは担体外周の相対す
る位置から対向的に、かつセル内のガス流れに対して傾
斜して形成した請求項3に記載の排気浄化装置。 - 【請求項16】前記相対するスリットはガス流れ方向か
ら見て互いに重畳しないように形成した請求項14また
は請求項15に記載の排気浄化装置。 - 【請求項17】前記スリットを担体の両側面を貫通する
ように形成した請求項1に記載の排気浄化装置。 - 【請求項18】前記スリットを担体の外周から内側に向
かって次第に幅が狭くなる形状に形成した請求項1に記
載の排気浄化装置。 - 【請求項19】前記スリットは担体の相対する位置から
対向的に、かつガス流れ方向から見て互いに重畳しない
ように複数個を形成した請求項18に記載の排気浄化装
置。 - 【請求項20】前記貫通したスリットは貫通方向から見
て担体の外周から内側に向かって次第に幅が広くなる形
状に形成した請求項17に記載の排気浄化装置。 - 【請求項21】前記貫通したスリットは貫通方向から見
て上下流方向に複数の頂部を有する屈曲形状に形成した
請求項17に記載の排気浄化装置。 - 【請求項22】前記貫通したスリットは貫通方向から見
て上流側に凸の湾曲形状に形成した請求項17に記載の
排気浄化装置。 - 【請求項23】前記担体のセル密度は600以下である
請求項1に記載の排気浄化装置。 - 【請求項24】前記HCトラップ剤のコーティング量は
250以上である請求項1に記載の排気浄化装置。
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