JP2004181374A - 排気ガス浄化用触媒 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気ガスの浄化性能を向上させた排気ガス浄化用触媒を提供する。
【解決手段】第１触媒担体２−１と第２触媒担体２−２とからなる触媒担体２を内部に設置した排気ガス浄化用触媒１において、排気ガス３の流れに対して入口側に第１触媒担体２−１を設置すると共に、出口側に第２触媒担体２−２を設置し、第１触媒担体２−１の排気ガス３の流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満とし、第１触媒担体２−１に第２触媒担体２−２よりも多くの貴金属触媒５を担持させ、第２触媒担体２−２の容積を第１触媒担体２−１の容積よりも大きくし、第２触媒担体２−２のセル密度を第１触媒担体２−１のセル密度よりも低密度とすることで、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体２−１において浄化し、主としてホットモードの高負荷時において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体２−２において浄化する。
【選択図】 図１
【解決手段】第１触媒担体２−１と第２触媒担体２−２とからなる触媒担体２を内部に設置した排気ガス浄化用触媒１において、排気ガス３の流れに対して入口側に第１触媒担体２−１を設置すると共に、出口側に第２触媒担体２−２を設置し、第１触媒担体２−１の排気ガス３の流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満とし、第１触媒担体２−１に第２触媒担体２−２よりも多くの貴金属触媒５を担持させ、第２触媒担体２−２の容積を第１触媒担体２−１の容積よりも大きくし、第２触媒担体２−２のセル密度を第１触媒担体２−１のセル密度よりも低密度とすることで、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体２−１において浄化し、主としてホットモードの高負荷時において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体２−２において浄化する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス浄化用触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン等から排出される排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）等の汚染物質が含まれる。近年の排ガス規制強化に伴い、これらの汚染物質を効果的に浄化するため、高い触媒浄化性能を有する排気ガス浄化用触媒の開発が要求されている。
【０００３】
一般に、排気ガス浄化用触媒はコージェライト等のセラミックの担体と、それに担持された貴金属とから構成される。ここで、排気ガス浄化用触媒の浄化性能は、触媒担体に担持された貴金属の量に強く依存する。しかしながら、触媒に使用する貴金属は量的に貴重な資源であると共に、これを多量に使用することは製品としての排気ガス浄化用触媒のコスト増加を招く。
【０００４】
そこで、排気ガス浄化用触媒をＨＣを浄化する役割の部分と、ＮＯｘを浄化する役割の部分とに分けることで、貴金属触媒の量を最適化し、全体として貴金属触媒の量を少なくした排気ガス浄化用触媒が公開されている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３５５８５号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２４５３号公報
【特許文献３】
特開２００１−１９０９６０号公報
【特許文献４】
実公平７−１６０１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
また、その他の排気ガス浄化用触媒の浄化性能を向上させる方法としては、触媒担体の構造について、セル数を増加させる方法が考えられる。セルとは、格子状に仕切られた触媒担体を構成する１個の格子（排気ガスの通路）であるが、一定の面積当たりのセル数、すなわちセルの密度を高くすることにより、触媒担体を通過する排気ガスとセル表面に担持された貴金属触媒との接触確率が大きくなるため、排気ガス浄化性能を向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、セル密度を高くすることは、排気ガスの通路を狭めることにもなり、例えばエンジンの排圧を上昇させ、出力性能を低下させることになる。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、使用する貴金属触媒の量の低減およびエンジン等の出力性能の維持を実現すると共に排気ガス浄化性能を向上させた排気ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とした。
【００１０】
主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化すると共に、ＮＯｘ浄化にほとんど影響を及ぼさない第２触媒担体のセル密度を比較的低密度として、使用する貴金属触媒の量を低減させると共に、エンジン等の出力性能を確保する。
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項２に係る発明では、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きく、更に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満とした。
【００１２】
主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化すると共に、第１触媒担体の長さをＨＣ浄化浄化効率を考慮した場合に最適な４０ｍｍ未満として、使用する貴金属触媒の量を低減させると共に、その量を最適化する。
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項３に係る発明では、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とすると共に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満とした。
【００１４】
主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化すると共に、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化し、ＮＯｘ浄化にほとんど影響を及ぼさない第２触媒担体のセル密度を比較的低密度とすると共に、第１触媒担体の長さをＨＣ浄化浄化効率を考慮した場合に最適な４０ｍｍ未満として、使用する貴金属触媒の量の低減およびエンジン等の出力性能の維持を実現すると共に排気ガス浄化性能を向上させる。
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項４に係る発明では、請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体と前記第２触媒担体とを離して直列に配設した。
【００１６】
第１触媒担体と第２触媒担体とを離して直列に配設することにより、第２触媒担体に流入する排ガスを再ミキシングし、更に排気ガスの浄化性能を向上させる。
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項５に係る発明では、請求項１ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体に担持された貴金属触媒をＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上から構成し、前記第２触媒担体に担持された貴金属触媒をＲｈと、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみから構成した。
【００１８】
第１触媒担体および第２触媒担体のそれぞれに担持させる貴金属触媒をＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化に最適な貴金属触媒とし、更に排気ガスの浄化性能を向上させる。
【００１９】
上記課題を解決するため、請求項６に係る発明では、請求項１ないし５のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体又は第２触媒担体の少なくとも一方に担持する貴金属を含んだ触媒層を一層だけで構成した。
【００２０】
第１触媒担体および第２触媒担体のそれぞれに担持させる貴金属触媒をＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化に最適な貴金属触媒とすると共に、それらの触媒担持を加工費の安価なモノレイヤーで構成することで、コスト低減をはかる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
エンジンの作動状態は、エンジン始動直後の、エンジン及び触媒の温度が低い状態であるコールドモードと、始動後しばらくして触媒の温度が動作をするのに十分上昇したホットモードとがある。また、エンジンから排出されるＨＣ（炭化水素）は燃焼室が冷えている状態であるコールドモードにおいてより多く排出され、ＮＯｘ（窒素酸化物）については、その発生量がエンジンの燃焼温度に強く依存し、エンジンに高負荷がかかっている状態あるいは高回転状態の時に多く排出される。またこの状態はホットモードとなっている。これらの条件から、触媒を通して大気中に放出されるＨＣの浄化は、コールドモード時の触媒の働きに強く依存しており、ＮＯｘの浄化はホットモード時の排ガス流量が大きな領域の触媒の働きに強く依存することとなる。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を示した概略構造図（ａ）と、触媒担体のセル構造を拡大して示した拡大図（ｂ）である。同図（ａ）に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１は、内部にセラミック製の触媒担体２を有し、排気ガス浄化用触媒１を通過する排気ガス３を浄化する装置である。また、同図（ｂ）に示すように、触媒担体２の内部を排気ガス３が通過することができるように、触媒担体２は格子状に仕切られることにより形成された複数のセル４を有する。セル４の表面には、貴金属触媒５がコーティングされ、貴金属触媒５と排気ガス３とが反応することで排気ガス３が浄化される。
【００２３】
触媒担体２は、第１触媒担体２−１と第２触媒担体２−２とからなる。本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１は、排気ガス３の流れに対して入口側に第１触媒担体２−１を設置すると共に、出口側に第２触媒担体２−２を設置し、それぞれの構造等を適正化することにより、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）と、ホットモードの高負荷又は高回転領域において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化効率を向上させた排気ガス浄化用触媒である。
【００２４】
以下、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を開発するに至った実験も含めて、コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）の浄化とホットモードの高負荷又は高回転領域におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化とに分けて説明する。
【００２５】
［コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）の浄化について］
まず、触媒担体における貴金属触媒の担持位置とＨＣ（炭化水素）の浄化性能との関係を調べた。図２は、この試験に用いた触媒担体の構造をモデル的に示した図である。同図に示すように、ＡタイプからＤタイプの４種類の触媒担体２−Ａ、２−Ｂ、２−Ｃ、２−Ｄを用意した。各触媒担体について説明する。
【００２６】
まず、全ての触媒担体について、図１（ｂ）に示すセル構造を有するセラミック製の触媒担体とした。また、担持させる貴金属触媒５については、アルミナと貴金属触媒とのスラリーを調製し、このスラリーに触媒担体をディッピング（浸す）することでセル４の表面に貴金属触媒５をコーティングした。また、貴金属触媒をコーティングしない部分については、アルミナのみのスラリーによりアルミナをコーティングした。
【００２７】
図２に示すように、Ａタイプの触媒担体２−Ａは、触媒担体の排気ガス入口側の端部のみに貴金属触媒５を担持させ、それ以外はアルミナ６のみをコーティングした。すなわち、排気ガスの流れ方向に沿って、セル４の表面の排気ガス入口側の部分のみに貴金属触媒５を担持させ、それ以降の部分にはアルミナ６のみをコーティングした。ここで、触媒担体２−Ａの長さは１２７ｍｍであり、このうち貴金属触媒５を担持させた長さは２０ｍｍである。
【００２８】
同様にして、Ｂタイプの触媒担体２−Ｂは長さが１２７ｍｍであり、このうち排気ガス入口側の端部４０ｍｍに貴金属触媒５を担持させ、それ以降の部分にはアルミナ６のみをコーティングした。また、Ｃタイプの触媒担体２−Ｃは長さが１２７ｍｍであり、このうち排気ガス入口側から出口側まで全体１２７ｍｍにわたって貴金属触媒５を担持させた。すなわち、Ｃタイプの触媒担体２−Ｃにおいては、アルミナのみコーティングされた部分はない。一方、Ｄタイプの触媒担体２−Ｄは長さが１２７ｍｍであり、このうち排気ガス出口側の端部２０ｍｍに貴金属触媒５を担持させた。すなわち、Ｄタイプの触媒担体２−Ｄにおいて、排気ガスは、まず、アルミナ６のみの部分を通過したのち、貴金属触媒５が担持された部分を通過することになる。
【００２９】
図３には、上記ＡタイプからＤタイプの触媒担体を有する排気ガス浄化用触媒を用いて、ＨＣ（炭化水素）浄化性能の試験を行った結果を示す。同図の横軸はエンジンを始動してからの時間（秒）である。一方、縦軸はＡタイプからＤタイプの触媒担体を通過後のＨＣ排出濃度およびＨＣ総排出量であり、同図には、エンジン始動（０秒）から１１０秒までのＨＣ排出濃度の変化、およびエンジン始動のＨＣ総排出量が示してある。
【００３０】
エンジン始動後の数十秒間はコールドモードと呼ばれるエンジンの作動状態であり、エンジンから多くのＨＣが排出される。ここで、同図に示すように、ＡタイプからＣタイプの触媒担体を通過後のＨＣ排出濃度は低く抑えられていると共に、各触媒担体についてＨＣ排出濃度はほぼ同じであることが分かる。一方、Ｄタイプの触媒担体を通過後のＨＣ排出濃度は、ＡタイプからＣタイプの触媒担体の結果と比較して、高いことが分かる。また、この結果と連動して、ＨＣ総排出量については、ＡタイプからＣタイプの触媒担体を有する排気ガス浄化用触媒からのＨＣ総排出量は少なく、それぞれ同じであるのに対して、Ｄタイプの触媒担体を有する排気ガス浄化用触媒からのＨＣ総排出量は多いことが分かる。
【００３１】
これらの結果から以下のことが分かる。すなわち、触媒担体において、排気ガスの出口側に貴金属触媒を担持（Ｄタイプ）させてもＨＣの浄化効果は少ない。しかしながら、排気ガスの入口側に貴金属触媒を担持させた場合（Ａ，Ｂ，Ｃタイプ）にはＨＣの浄化作用を有すると共に、排気ガスの入口側であれば、触媒担体の全長１２７ｍｍにわたって貴金属触媒を担持させても、入口側２０ｍｍのみに担持させてもＨＣの浄化効果に差はない。
【００３２】
このことは、以下の実験結果から理由付けがなされた。実験は、上記ＡタイプからＤタイプの触媒担体について、排気ガス浄化中の触媒担体の温度を調べた。図４は、この実験の状況を模式的に示す図である。触媒担体２を設置した排気ガス浄化用触媒１にエンジンから排出された排気ガス３を通過させ、このときの触媒担体２の温度について、排気ガス３の入口側の端部からの距離２４ｍｍの位置、４４ｍｍの位置、６４ｍｍの位置、８４ｍｍの位置、１０４ｍｍの位置、比較として触媒担体の排気ガス３の入口側の端部から上流側に逆上った３０ｍｍの位置（−３０ｍｍ）における温度を測定した。なお、本実験ではコールドモードでの排気ガスについて検証するため、エンジン始動後２０秒の時点における温度測定を行った。
【００３３】
図５は、上記実験の結果を示した図であり、横軸を温度測定位置、縦軸を測定した温度とし、上記ＡタイプからＤタイプの触媒担体について測定結果をプロットした。同図に示すように、全体的な傾向として、いずれのタイプの触媒担体においても排気ガス３の入り口側から遠ざかり出口側になるほど触媒担体の温度が低下していることが分かる。
【００３４】
触媒担体に入る排気ガスの温度は、−３０ｍｍ測定位置の温度が示すように約４００℃である。これが、ＡタイプからＣタイプの触媒担体を通過する場合には、排気ガス入口側の端部に担持された貴金属触媒との浄化反応により発熱し、２４ｍｍ位置における触媒担体の温度が約５００℃まで上昇している。しかしながら、触媒担体の出口側ほど触媒担体の温度が低下し、１０４ｍｍ位置では約１００℃にまで低下していることが分かる。
【００３５】
ＨＣの浄化には、約３５０℃以上の触媒温度が効果的であるが、ＡタイプからＣタイプの触媒担体における排気ガス入口側から約４０ｍｍ以降は、触媒担体の温度が３５０℃以下となり、排気ガス入口側から４０ｍｍ以降に貴金属触媒が担持されていたとしてもＨＣ浄化にあまり寄与しないことが分かる。このため、図３の結果から、ＡタイプとＢタイプのＨＣ浄化効果がほぼ同じであると共に、触媒担体の全体にわたって貴金属触媒を担持させたＣタイプのＨＣ浄化効果についても同様の結果となったものと考えられる。
【００３６】
一方、Ｄタイプの触媒担体においては、排気ガス入口側には貴金属触媒は担持されていないため、排気ガスと貴金属触媒との反応による発熱はなく、２４ｍｍ位置における触媒担体の温度は、触媒担体に入る排気ガス温度４００℃のままである。さらに、Ａ〜Ｃタイプの触媒担体と同様に、Ｄタイプの触媒担体においても、触媒担体の温度は出口側ほど低下し、１０４ｍｍ位置では約１００℃にまで低下している。このため、触媒担体の出口側２０ｍｍに担持された貴金属触媒はＨＣ浄化に寄与することができなく、図３に示す結果となったと考えられる。
【００３７】
次に、貴金属触媒を３．０ｇ／Ｌ、５．３ｇ／Ｌ、８．３ｇ／Ｌの担持量と変化させた３種類の触媒担体を用意した。例えば、「３．０ｇ／Ｌの担持量」とは、触媒担体の容積１Ｌに対して担持させた貴金属触媒の量が３．０ｇであるということである。この３種類の触媒担体を用いて、触媒担体に入る排気ガスの温度とＨＣ浄化率との関係を調べた。
【００３８】
図６は、この結果を示した図である。担持量Ｘのグラフが３．０ｇ／Ｌの担持量を有する触媒担体についてであり、担持量Ｙが５．３ｇ／Ｌ、担持量Ｚが８．３ｇ／Ｌである。同図から分かるように、流入する排気ガス温度が約５００℃以上では、いずれの触媒担体でもＨＣ浄化効率は同様となる一方、５００℃以下では貴金属触媒の担持量の多さに比例したＨＣ浄化効率であることが分かる。ここで、コールドモードの運転状態における排気ガスの温度は約５００℃以下であり、図６に示すように、コールドモードは貴金属触媒の担持量がＨＣ浄化効率に影響を与える領域を対象としている。一方、ホットモードの運転状態における排気ガスの温度は約５００℃以上であり、同図から分かるように、ホットモードにおいては、貴金属触媒の担持量がＨＣ浄化効率とはほとんど関係ないことが分かる。
【００３９】
［ホットモードにおけるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化について］
図７は、セル密度が異なる触媒担体について、貴金属触媒担持量と高負荷時（ホットモード）のＮＯｘ排出量との関係を示した図である。ここで、セル密度が異なる触媒担体としては、６００セルと９００セルの触媒担体を実験に使用した。６００セルの触媒担体とは、図１（ｂ）を参照して説明すると、１インチ×１インチのセル構造の中に６００個のセルを有する触媒担体のことである。同図に示すように、６００セルの触媒担体は、貴金属触媒の担持量が多くなってもＮＯｘ排出量はほとんど変化しないことが分かる。また、９００セルの触媒担体も、同様の傾向であることが分かる。更に、６００セルの触媒担体であっても９００セルの触媒担体であっても、ＮＯｘ排出量は変化しない、すなわちＮＯｘ浄化能に差はないことも分かる。
【００４０】
一方、図８は、触媒担体の容積とＮＯｘ排出量との関係を示した図である。同図に示すように、触媒担体の容積を増加させるとＮＯｘ排出量が減少することが分かる。また、触媒担体の容積増加に伴うＮＯｘ排出量が減少する度合いは、ある一定の容積以上となってから急激にＮＯｘ排出量が減少している。
【００４１】
すなわち、図７及び図８に示す結果から、ホットモードの高負荷時において主として発生するＮＯｘの浄化効率については、触媒担体のセル密度および貴金属触媒の担持量とはほとんど関係ないが、触媒担体の容積に大きく依存することが分かる。これは、高負荷の運転状態においては、排気ガス自体の排出量（排出速度）が多いため、貴金属触媒との接触時間を長くすることができる大容積の触媒担体においてＮＯｘ浄化効率を向上させることができるためである。
【００４２】
また、図９は、触媒担体のセル密度とエンジンの排圧との関係を調べた図である。同図（ａ）は、試験の実施概要を図示したものであり、エンジンの排気系に第１触媒担体と第２触媒担体とからなる排気ガス浄化用触媒を設置し、エンジン排圧を測定した。ここで、排気ガス浄化用触媒において、第１触媒担体は排気ガスの流れに沿った上流側に設置し、第２触媒担体は排気ガスの流れに沿った下流側に設置した。また、第１触媒担体をセル密度が９００セルの触媒担体に固定し、第２触媒担体のセル密度を９００セル、６００セル、４００セルと変化させて実験を行った。
【００４３】
この結果、図９（ｂ）に示すように、上流側の第１触媒担体を９００セルのセル密度に固定した場合であっても、下流側の第２触媒担体のセル密度を低くすることによって、エンジン排圧を低減させ、エンジンの出力性能を向上させることができることが分かった。
【００４４】
本発明に係る排気ガス浄化用触媒は、コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）の浄化を主な機能とした第１触媒担体と、ホットモードの高負荷時におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化を主な機能とした第２触媒担体とから構成される触媒担体を有する。前述した種々の結果から、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を設計するにあたっては、以下の考え方に基づいている。
【００４５】
まず、第１触媒担体と第２触媒担体とを排気ガスの流れに沿って直列に配設すると共に、コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）を浄化するため、第１触媒担体を排気ガスの流れに沿った上流側に設置し、第２触媒担体を排気ガスの流れに沿った下流側に設置する。これは、図２、３に示す結果に基づく。
【００４６】
第１触媒担体の長さについては、排気ガスの流れに沿って、４０ｍｍ未満、好ましくは３０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下である。ただし、１０ｍｍ未満では、排気ガスによる貴金属触媒の熱劣化や被毒で、排気ガス浄化用触媒としての商品寿命に影響が出るおそれがある。また、４０ｍｍ以上では、下流側の一部がＨＣ浄化に寄与しないため、無駄な貴金属触媒を使用することになってしまう。なお、１０ｍｍ以上４０ｍｍ未満の長さであれば、その間は適宜設定することができ、例えば１５ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍ等にすることができる。
【００４７】
次に、第１触媒担体の貴金属触媒の担持量を第２触媒担体よりも多くする。これは、図６に示す結果に基づく。第１触媒担体の貴金属触媒担持量は、第２触媒担体の貴金属触媒担持量の１．５陪以上、好ましくは１．８倍以上、より好ましくは２倍以上である。
【００４８】
更に、ホットモードの高負荷時におけるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するため、第２触媒担体の容積を第１触媒担体の容積よりも大きくする。これは、図８に示す結果に基づく。
【００４９】
また、第２触媒担体のセル密度を第１触媒担体のセル密度よりも低密度とする。これは、図７及び図９に示す結果に基づく。例えば、第１触媒担体を９００セルとした場合には、第２触媒担体を６００セル、４００セルとする。
【００５０】
排気ガス浄化用触媒において、第１触媒担体と第２触媒担体とを密接させて設置しても、離して設置しても良い。第１触媒担体と第２触媒担体とを離して設置し、両者の間に隙間がある場合には、この隙間は５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは１５ｍｍ以下、更に好ましくは２０ｍｍ以下である。
【００５１】
第１触媒担体に担持させる貴金属触媒としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上からなり、第２触媒担体に担持させる貴金属触媒としては、Ｒｈと、Ｐｔ，Ｐｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみからなる。ＮＯｘ浄化を主目的とする第２触媒担体においては、ＮＯｘ浄化反応が還元反応であるため、還元反応に有利なＲｈ元素を貴金属触媒として用いるか、または一部に含有させる。
【００５２】
また、本発明に係る排気ガス浄化用触媒では、第１触媒担体にＨＣ浄化機能を、第２触媒担体にＮＯｘ浄化機能を主として備えたため、一つの触媒だけで両者の浄化機能をバランス良く向上させる技術である複数レイヤー技術を使用する必要がなく、モノレイヤー化することで、加工費低減によるコスト削減が可能となる。
【００５３】
本実施例では、代表的に、コージェライトベースのセラミック担体の四角セルにて説明を行っているが、セル形状が六角や三角であっても、また、材料がメタルやＴｉＯ２ べースのセラミックであったとしても同一の効果がある。コンバーターの搭載位置はエンジンに近いところでも、床下でも良く、その中間位置でも同様の効果を出すことが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度としたので、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードの高負荷時において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化することができると共に、使用する貴金属触媒の量を低減させ、また、エンジン等の出力性能を確保することができる。
【００５５】
請求項２の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満としたので、多くの金属を必要とする第１触媒担体には、コールドモード時のＨＣ浄化に最低限必要な触媒容量を配置し、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードの高負荷時において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化することができると共に、全体として使用する貴金属触媒の量を低減させ、また、その量を最適化することができる。
【００５６】
請求項３の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とすると共に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満としたので、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化することができ、更に、使用する貴金属触媒の量の低減およびエンジン等の出力性能の維持を実現すると共に排気ガス浄化性能を向上させることができる。
【００５７】
請求項４の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体と前記第２触媒担体とを離して直列に配設したので、第２触媒担体に流入する排ガスを再ミキシングし、更に排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００５８】
請求項５の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体に担持された貴金属触媒をＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上から構成し、前記第２触媒担体に担持された貴金属触媒をＲｈと、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみから構成したので、第１触媒担体および第２触媒担体において適切にＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化し、更に排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００５９】
請求項６の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体又は第２触媒担体の少なくとも一方に担持する貴金属を含んだ触媒層を一層だけで構成したので、それらの触媒担持を加工費の安価なモノレイヤーで構成することで、コスト低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を示した概略構造図（ａ）と、触媒担体のセル構造を拡大して示した拡大図（ｂ）である。
【図２】触媒担体における貴金属触媒の担持位置とＨＣ（炭化水素）の浄化性能との関係を調べる実験に用いた触媒担体の構造のモデル図である。
【図３】ＡタイプからＤタイプの触媒担体のＨＣ（炭化水素）浄化性能の試験結果を示すグラフである。
【図４】排気ガス浄化中の触媒担体の温度を測定する実験の模式図である。
【図５】排気ガス浄化中の触媒担体について、触媒担体の有する温度分布を示すグラフである。
【図６】貴金属触媒の担持量が異なる触媒担体における、触媒担体に入る排気ガスの温度とＨＣ浄化率との関係図である。
【図７】セル密度が異なる触媒担体における、貴金属触媒担持量と高負荷時（ホットモード）のＮＯｘ排出量との関係図である。
【図８】触媒担体の容積とＮＯｘ排出量との関係図である。
【図９】触媒担体のセル密度とエンジンの排圧との関係図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化用触媒
２ 触媒担体
３ 排気ガス
４ セル
５ 貴金属触媒
６ アルミナ
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス浄化用触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン等から排出される排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）等の汚染物質が含まれる。近年の排ガス規制強化に伴い、これらの汚染物質を効果的に浄化するため、高い触媒浄化性能を有する排気ガス浄化用触媒の開発が要求されている。
【０００３】
一般に、排気ガス浄化用触媒はコージェライト等のセラミックの担体と、それに担持された貴金属とから構成される。ここで、排気ガス浄化用触媒の浄化性能は、触媒担体に担持された貴金属の量に強く依存する。しかしながら、触媒に使用する貴金属は量的に貴重な資源であると共に、これを多量に使用することは製品としての排気ガス浄化用触媒のコスト増加を招く。
【０００４】
そこで、排気ガス浄化用触媒をＨＣを浄化する役割の部分と、ＮＯｘを浄化する役割の部分とに分けることで、貴金属触媒の量を最適化し、全体として貴金属触媒の量を少なくした排気ガス浄化用触媒が公開されている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３５５８５号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２４５３号公報
【特許文献３】
特開２００１−１９０９６０号公報
【特許文献４】
実公平７−１６０１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
また、その他の排気ガス浄化用触媒の浄化性能を向上させる方法としては、触媒担体の構造について、セル数を増加させる方法が考えられる。セルとは、格子状に仕切られた触媒担体を構成する１個の格子（排気ガスの通路）であるが、一定の面積当たりのセル数、すなわちセルの密度を高くすることにより、触媒担体を通過する排気ガスとセル表面に担持された貴金属触媒との接触確率が大きくなるため、排気ガス浄化性能を向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、セル密度を高くすることは、排気ガスの通路を狭めることにもなり、例えばエンジンの排圧を上昇させ、出力性能を低下させることになる。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、使用する貴金属触媒の量の低減およびエンジン等の出力性能の維持を実現すると共に排気ガス浄化性能を向上させた排気ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とした。
【００１０】
主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化すると共に、ＮＯｘ浄化にほとんど影響を及ぼさない第２触媒担体のセル密度を比較的低密度として、使用する貴金属触媒の量を低減させると共に、エンジン等の出力性能を確保する。
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項２に係る発明では、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きく、更に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満とした。
【００１２】
主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化すると共に、第１触媒担体の長さをＨＣ浄化浄化効率を考慮した場合に最適な４０ｍｍ未満として、使用する貴金属触媒の量を低減させると共に、その量を最適化する。
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項３に係る発明では、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とすると共に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満とした。
【００１４】
主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化すると共に、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化し、ＮＯｘ浄化にほとんど影響を及ぼさない第２触媒担体のセル密度を比較的低密度とすると共に、第１触媒担体の長さをＨＣ浄化浄化効率を考慮した場合に最適な４０ｍｍ未満として、使用する貴金属触媒の量の低減およびエンジン等の出力性能の維持を実現すると共に排気ガス浄化性能を向上させる。
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項４に係る発明では、請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体と前記第２触媒担体とを離して直列に配設した。
【００１６】
第１触媒担体と第２触媒担体とを離して直列に配設することにより、第２触媒担体に流入する排ガスを再ミキシングし、更に排気ガスの浄化性能を向上させる。
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項５に係る発明では、請求項１ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体に担持された貴金属触媒をＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上から構成し、前記第２触媒担体に担持された貴金属触媒をＲｈと、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみから構成した。
【００１８】
第１触媒担体および第２触媒担体のそれぞれに担持させる貴金属触媒をＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化に最適な貴金属触媒とし、更に排気ガスの浄化性能を向上させる。
【００１９】
上記課題を解決するため、請求項６に係る発明では、請求項１ないし５のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体又は第２触媒担体の少なくとも一方に担持する貴金属を含んだ触媒層を一層だけで構成した。
【００２０】
第１触媒担体および第２触媒担体のそれぞれに担持させる貴金属触媒をＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化に最適な貴金属触媒とすると共に、それらの触媒担持を加工費の安価なモノレイヤーで構成することで、コスト低減をはかる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
エンジンの作動状態は、エンジン始動直後の、エンジン及び触媒の温度が低い状態であるコールドモードと、始動後しばらくして触媒の温度が動作をするのに十分上昇したホットモードとがある。また、エンジンから排出されるＨＣ（炭化水素）は燃焼室が冷えている状態であるコールドモードにおいてより多く排出され、ＮＯｘ（窒素酸化物）については、その発生量がエンジンの燃焼温度に強く依存し、エンジンに高負荷がかかっている状態あるいは高回転状態の時に多く排出される。またこの状態はホットモードとなっている。これらの条件から、触媒を通して大気中に放出されるＨＣの浄化は、コールドモード時の触媒の働きに強く依存しており、ＮＯｘの浄化はホットモード時の排ガス流量が大きな領域の触媒の働きに強く依存することとなる。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を示した概略構造図（ａ）と、触媒担体のセル構造を拡大して示した拡大図（ｂ）である。同図（ａ）に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１は、内部にセラミック製の触媒担体２を有し、排気ガス浄化用触媒１を通過する排気ガス３を浄化する装置である。また、同図（ｂ）に示すように、触媒担体２の内部を排気ガス３が通過することができるように、触媒担体２は格子状に仕切られることにより形成された複数のセル４を有する。セル４の表面には、貴金属触媒５がコーティングされ、貴金属触媒５と排気ガス３とが反応することで排気ガス３が浄化される。
【００２３】
触媒担体２は、第１触媒担体２−１と第２触媒担体２−２とからなる。本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１は、排気ガス３の流れに対して入口側に第１触媒担体２−１を設置すると共に、出口側に第２触媒担体２−２を設置し、それぞれの構造等を適正化することにより、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）と、ホットモードの高負荷又は高回転領域において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化効率を向上させた排気ガス浄化用触媒である。
【００２４】
以下、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を開発するに至った実験も含めて、コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）の浄化とホットモードの高負荷又は高回転領域におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化とに分けて説明する。
【００２５】
［コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）の浄化について］
まず、触媒担体における貴金属触媒の担持位置とＨＣ（炭化水素）の浄化性能との関係を調べた。図２は、この試験に用いた触媒担体の構造をモデル的に示した図である。同図に示すように、ＡタイプからＤタイプの４種類の触媒担体２−Ａ、２−Ｂ、２−Ｃ、２−Ｄを用意した。各触媒担体について説明する。
【００２６】
まず、全ての触媒担体について、図１（ｂ）に示すセル構造を有するセラミック製の触媒担体とした。また、担持させる貴金属触媒５については、アルミナと貴金属触媒とのスラリーを調製し、このスラリーに触媒担体をディッピング（浸す）することでセル４の表面に貴金属触媒５をコーティングした。また、貴金属触媒をコーティングしない部分については、アルミナのみのスラリーによりアルミナをコーティングした。
【００２７】
図２に示すように、Ａタイプの触媒担体２−Ａは、触媒担体の排気ガス入口側の端部のみに貴金属触媒５を担持させ、それ以外はアルミナ６のみをコーティングした。すなわち、排気ガスの流れ方向に沿って、セル４の表面の排気ガス入口側の部分のみに貴金属触媒５を担持させ、それ以降の部分にはアルミナ６のみをコーティングした。ここで、触媒担体２−Ａの長さは１２７ｍｍであり、このうち貴金属触媒５を担持させた長さは２０ｍｍである。
【００２８】
同様にして、Ｂタイプの触媒担体２−Ｂは長さが１２７ｍｍであり、このうち排気ガス入口側の端部４０ｍｍに貴金属触媒５を担持させ、それ以降の部分にはアルミナ６のみをコーティングした。また、Ｃタイプの触媒担体２−Ｃは長さが１２７ｍｍであり、このうち排気ガス入口側から出口側まで全体１２７ｍｍにわたって貴金属触媒５を担持させた。すなわち、Ｃタイプの触媒担体２−Ｃにおいては、アルミナのみコーティングされた部分はない。一方、Ｄタイプの触媒担体２−Ｄは長さが１２７ｍｍであり、このうち排気ガス出口側の端部２０ｍｍに貴金属触媒５を担持させた。すなわち、Ｄタイプの触媒担体２−Ｄにおいて、排気ガスは、まず、アルミナ６のみの部分を通過したのち、貴金属触媒５が担持された部分を通過することになる。
【００２９】
図３には、上記ＡタイプからＤタイプの触媒担体を有する排気ガス浄化用触媒を用いて、ＨＣ（炭化水素）浄化性能の試験を行った結果を示す。同図の横軸はエンジンを始動してからの時間（秒）である。一方、縦軸はＡタイプからＤタイプの触媒担体を通過後のＨＣ排出濃度およびＨＣ総排出量であり、同図には、エンジン始動（０秒）から１１０秒までのＨＣ排出濃度の変化、およびエンジン始動のＨＣ総排出量が示してある。
【００３０】
エンジン始動後の数十秒間はコールドモードと呼ばれるエンジンの作動状態であり、エンジンから多くのＨＣが排出される。ここで、同図に示すように、ＡタイプからＣタイプの触媒担体を通過後のＨＣ排出濃度は低く抑えられていると共に、各触媒担体についてＨＣ排出濃度はほぼ同じであることが分かる。一方、Ｄタイプの触媒担体を通過後のＨＣ排出濃度は、ＡタイプからＣタイプの触媒担体の結果と比較して、高いことが分かる。また、この結果と連動して、ＨＣ総排出量については、ＡタイプからＣタイプの触媒担体を有する排気ガス浄化用触媒からのＨＣ総排出量は少なく、それぞれ同じであるのに対して、Ｄタイプの触媒担体を有する排気ガス浄化用触媒からのＨＣ総排出量は多いことが分かる。
【００３１】
これらの結果から以下のことが分かる。すなわち、触媒担体において、排気ガスの出口側に貴金属触媒を担持（Ｄタイプ）させてもＨＣの浄化効果は少ない。しかしながら、排気ガスの入口側に貴金属触媒を担持させた場合（Ａ，Ｂ，Ｃタイプ）にはＨＣの浄化作用を有すると共に、排気ガスの入口側であれば、触媒担体の全長１２７ｍｍにわたって貴金属触媒を担持させても、入口側２０ｍｍのみに担持させてもＨＣの浄化効果に差はない。
【００３２】
このことは、以下の実験結果から理由付けがなされた。実験は、上記ＡタイプからＤタイプの触媒担体について、排気ガス浄化中の触媒担体の温度を調べた。図４は、この実験の状況を模式的に示す図である。触媒担体２を設置した排気ガス浄化用触媒１にエンジンから排出された排気ガス３を通過させ、このときの触媒担体２の温度について、排気ガス３の入口側の端部からの距離２４ｍｍの位置、４４ｍｍの位置、６４ｍｍの位置、８４ｍｍの位置、１０４ｍｍの位置、比較として触媒担体の排気ガス３の入口側の端部から上流側に逆上った３０ｍｍの位置（−３０ｍｍ）における温度を測定した。なお、本実験ではコールドモードでの排気ガスについて検証するため、エンジン始動後２０秒の時点における温度測定を行った。
【００３３】
図５は、上記実験の結果を示した図であり、横軸を温度測定位置、縦軸を測定した温度とし、上記ＡタイプからＤタイプの触媒担体について測定結果をプロットした。同図に示すように、全体的な傾向として、いずれのタイプの触媒担体においても排気ガス３の入り口側から遠ざかり出口側になるほど触媒担体の温度が低下していることが分かる。
【００３４】
触媒担体に入る排気ガスの温度は、−３０ｍｍ測定位置の温度が示すように約４００℃である。これが、ＡタイプからＣタイプの触媒担体を通過する場合には、排気ガス入口側の端部に担持された貴金属触媒との浄化反応により発熱し、２４ｍｍ位置における触媒担体の温度が約５００℃まで上昇している。しかしながら、触媒担体の出口側ほど触媒担体の温度が低下し、１０４ｍｍ位置では約１００℃にまで低下していることが分かる。
【００３５】
ＨＣの浄化には、約３５０℃以上の触媒温度が効果的であるが、ＡタイプからＣタイプの触媒担体における排気ガス入口側から約４０ｍｍ以降は、触媒担体の温度が３５０℃以下となり、排気ガス入口側から４０ｍｍ以降に貴金属触媒が担持されていたとしてもＨＣ浄化にあまり寄与しないことが分かる。このため、図３の結果から、ＡタイプとＢタイプのＨＣ浄化効果がほぼ同じであると共に、触媒担体の全体にわたって貴金属触媒を担持させたＣタイプのＨＣ浄化効果についても同様の結果となったものと考えられる。
【００３６】
一方、Ｄタイプの触媒担体においては、排気ガス入口側には貴金属触媒は担持されていないため、排気ガスと貴金属触媒との反応による発熱はなく、２４ｍｍ位置における触媒担体の温度は、触媒担体に入る排気ガス温度４００℃のままである。さらに、Ａ〜Ｃタイプの触媒担体と同様に、Ｄタイプの触媒担体においても、触媒担体の温度は出口側ほど低下し、１０４ｍｍ位置では約１００℃にまで低下している。このため、触媒担体の出口側２０ｍｍに担持された貴金属触媒はＨＣ浄化に寄与することができなく、図３に示す結果となったと考えられる。
【００３７】
次に、貴金属触媒を３．０ｇ／Ｌ、５．３ｇ／Ｌ、８．３ｇ／Ｌの担持量と変化させた３種類の触媒担体を用意した。例えば、「３．０ｇ／Ｌの担持量」とは、触媒担体の容積１Ｌに対して担持させた貴金属触媒の量が３．０ｇであるということである。この３種類の触媒担体を用いて、触媒担体に入る排気ガスの温度とＨＣ浄化率との関係を調べた。
【００３８】
図６は、この結果を示した図である。担持量Ｘのグラフが３．０ｇ／Ｌの担持量を有する触媒担体についてであり、担持量Ｙが５．３ｇ／Ｌ、担持量Ｚが８．３ｇ／Ｌである。同図から分かるように、流入する排気ガス温度が約５００℃以上では、いずれの触媒担体でもＨＣ浄化効率は同様となる一方、５００℃以下では貴金属触媒の担持量の多さに比例したＨＣ浄化効率であることが分かる。ここで、コールドモードの運転状態における排気ガスの温度は約５００℃以下であり、図６に示すように、コールドモードは貴金属触媒の担持量がＨＣ浄化効率に影響を与える領域を対象としている。一方、ホットモードの運転状態における排気ガスの温度は約５００℃以上であり、同図から分かるように、ホットモードにおいては、貴金属触媒の担持量がＨＣ浄化効率とはほとんど関係ないことが分かる。
【００３９】
［ホットモードにおけるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化について］
図７は、セル密度が異なる触媒担体について、貴金属触媒担持量と高負荷時（ホットモード）のＮＯｘ排出量との関係を示した図である。ここで、セル密度が異なる触媒担体としては、６００セルと９００セルの触媒担体を実験に使用した。６００セルの触媒担体とは、図１（ｂ）を参照して説明すると、１インチ×１インチのセル構造の中に６００個のセルを有する触媒担体のことである。同図に示すように、６００セルの触媒担体は、貴金属触媒の担持量が多くなってもＮＯｘ排出量はほとんど変化しないことが分かる。また、９００セルの触媒担体も、同様の傾向であることが分かる。更に、６００セルの触媒担体であっても９００セルの触媒担体であっても、ＮＯｘ排出量は変化しない、すなわちＮＯｘ浄化能に差はないことも分かる。
【００４０】
一方、図８は、触媒担体の容積とＮＯｘ排出量との関係を示した図である。同図に示すように、触媒担体の容積を増加させるとＮＯｘ排出量が減少することが分かる。また、触媒担体の容積増加に伴うＮＯｘ排出量が減少する度合いは、ある一定の容積以上となってから急激にＮＯｘ排出量が減少している。
【００４１】
すなわち、図７及び図８に示す結果から、ホットモードの高負荷時において主として発生するＮＯｘの浄化効率については、触媒担体のセル密度および貴金属触媒の担持量とはほとんど関係ないが、触媒担体の容積に大きく依存することが分かる。これは、高負荷の運転状態においては、排気ガス自体の排出量（排出速度）が多いため、貴金属触媒との接触時間を長くすることができる大容積の触媒担体においてＮＯｘ浄化効率を向上させることができるためである。
【００４２】
また、図９は、触媒担体のセル密度とエンジンの排圧との関係を調べた図である。同図（ａ）は、試験の実施概要を図示したものであり、エンジンの排気系に第１触媒担体と第２触媒担体とからなる排気ガス浄化用触媒を設置し、エンジン排圧を測定した。ここで、排気ガス浄化用触媒において、第１触媒担体は排気ガスの流れに沿った上流側に設置し、第２触媒担体は排気ガスの流れに沿った下流側に設置した。また、第１触媒担体をセル密度が９００セルの触媒担体に固定し、第２触媒担体のセル密度を９００セル、６００セル、４００セルと変化させて実験を行った。
【００４３】
この結果、図９（ｂ）に示すように、上流側の第１触媒担体を９００セルのセル密度に固定した場合であっても、下流側の第２触媒担体のセル密度を低くすることによって、エンジン排圧を低減させ、エンジンの出力性能を向上させることができることが分かった。
【００４４】
本発明に係る排気ガス浄化用触媒は、コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）の浄化を主な機能とした第１触媒担体と、ホットモードの高負荷時におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化を主な機能とした第２触媒担体とから構成される触媒担体を有する。前述した種々の結果から、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を設計するにあたっては、以下の考え方に基づいている。
【００４５】
まず、第１触媒担体と第２触媒担体とを排気ガスの流れに沿って直列に配設すると共に、コールドモードにおけるＨＣ（炭化水素）を浄化するため、第１触媒担体を排気ガスの流れに沿った上流側に設置し、第２触媒担体を排気ガスの流れに沿った下流側に設置する。これは、図２、３に示す結果に基づく。
【００４６】
第１触媒担体の長さについては、排気ガスの流れに沿って、４０ｍｍ未満、好ましくは３０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下である。ただし、１０ｍｍ未満では、排気ガスによる貴金属触媒の熱劣化や被毒で、排気ガス浄化用触媒としての商品寿命に影響が出るおそれがある。また、４０ｍｍ以上では、下流側の一部がＨＣ浄化に寄与しないため、無駄な貴金属触媒を使用することになってしまう。なお、１０ｍｍ以上４０ｍｍ未満の長さであれば、その間は適宜設定することができ、例えば１５ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍ等にすることができる。
【００４７】
次に、第１触媒担体の貴金属触媒の担持量を第２触媒担体よりも多くする。これは、図６に示す結果に基づく。第１触媒担体の貴金属触媒担持量は、第２触媒担体の貴金属触媒担持量の１．５陪以上、好ましくは１．８倍以上、より好ましくは２倍以上である。
【００４８】
更に、ホットモードの高負荷時におけるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するため、第２触媒担体の容積を第１触媒担体の容積よりも大きくする。これは、図８に示す結果に基づく。
【００４９】
また、第２触媒担体のセル密度を第１触媒担体のセル密度よりも低密度とする。これは、図７及び図９に示す結果に基づく。例えば、第１触媒担体を９００セルとした場合には、第２触媒担体を６００セル、４００セルとする。
【００５０】
排気ガス浄化用触媒において、第１触媒担体と第２触媒担体とを密接させて設置しても、離して設置しても良い。第１触媒担体と第２触媒担体とを離して設置し、両者の間に隙間がある場合には、この隙間は５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは１５ｍｍ以下、更に好ましくは２０ｍｍ以下である。
【００５１】
第１触媒担体に担持させる貴金属触媒としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上からなり、第２触媒担体に担持させる貴金属触媒としては、Ｒｈと、Ｐｔ，Ｐｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみからなる。ＮＯｘ浄化を主目的とする第２触媒担体においては、ＮＯｘ浄化反応が還元反応であるため、還元反応に有利なＲｈ元素を貴金属触媒として用いるか、または一部に含有させる。
【００５２】
また、本発明に係る排気ガス浄化用触媒では、第１触媒担体にＨＣ浄化機能を、第２触媒担体にＮＯｘ浄化機能を主として備えたため、一つの触媒だけで両者の浄化機能をバランス良く向上させる技術である複数レイヤー技術を使用する必要がなく、モノレイヤー化することで、加工費低減によるコスト削減が可能となる。
【００５３】
本実施例では、代表的に、コージェライトベースのセラミック担体の四角セルにて説明を行っているが、セル形状が六角や三角であっても、また、材料がメタルやＴｉＯ２ べースのセラミックであったとしても同一の効果がある。コンバーターの搭載位置はエンジンに近いところでも、床下でも良く、その中間位置でも同様の効果を出すことが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度としたので、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードの高負荷時において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化することができると共に、使用する貴金属触媒の量を低減させ、また、エンジン等の出力性能を確保することができる。
【００５５】
請求項２の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満としたので、多くの金属を必要とする第１触媒担体には、コールドモード時のＨＣ浄化に最低限必要な触媒容量を配置し、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードの高負荷時において発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化することができると共に、全体として使用する貴金属触媒の量を低減させ、また、その量を最適化することができる。
【００５６】
請求項３の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とすると共に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満としたので、主としてコールドモードにおいて発生するＨＣ（炭化水素）を第１触媒担体において浄化し、主としてホットモードにおいて発生しやすいＮＯｘ（窒素酸化物）を第２触媒担体において浄化することができ、更に、使用する貴金属触媒の量の低減およびエンジン等の出力性能の維持を実現すると共に排気ガス浄化性能を向上させることができる。
【００５７】
請求項４の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体と前記第２触媒担体とを離して直列に配設したので、第２触媒担体に流入する排ガスを再ミキシングし、更に排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００５８】
請求項５の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体に担持された貴金属触媒をＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上から構成し、前記第２触媒担体に担持された貴金属触媒をＲｈと、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみから構成したので、第１触媒担体および第２触媒担体において適切にＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化し、更に排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００５９】
請求項６の発明に係る排ガス浄化用触媒によれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、前記第１触媒担体又は第２触媒担体の少なくとも一方に担持する貴金属を含んだ触媒層を一層だけで構成したので、それらの触媒担持を加工費の安価なモノレイヤーで構成することで、コスト低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を示した概略構造図（ａ）と、触媒担体のセル構造を拡大して示した拡大図（ｂ）である。
【図２】触媒担体における貴金属触媒の担持位置とＨＣ（炭化水素）の浄化性能との関係を調べる実験に用いた触媒担体の構造のモデル図である。
【図３】ＡタイプからＤタイプの触媒担体のＨＣ（炭化水素）浄化性能の試験結果を示すグラフである。
【図４】排気ガス浄化中の触媒担体の温度を測定する実験の模式図である。
【図５】排気ガス浄化中の触媒担体について、触媒担体の有する温度分布を示すグラフである。
【図６】貴金属触媒の担持量が異なる触媒担体における、触媒担体に入る排気ガスの温度とＨＣ浄化率との関係図である。
【図７】セル密度が異なる触媒担体における、貴金属触媒担持量と高負荷時（ホットモード）のＮＯｘ排出量との関係図である。
【図８】触媒担体の容積とＮＯｘ排出量との関係図である。
【図９】触媒担体のセル密度とエンジンの排圧との関係図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化用触媒
２ 触媒担体
３ 排気ガス
４ セル
５ 貴金属触媒
６ アルミナ
Claims (6)
- 第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、
更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度としたことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 - 第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、
更に、前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満としたことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 - 第１触媒担体と第２触媒担体とを直列に配設すると共に、前記第１触媒担体に前記第２触媒担体よりも多くの貴金属触媒を担持し、前記第２触媒担体の容積を前記第１触媒担体の容積よりも大きくし、
更に、前記第２触媒担体のセル密度を前記第１触媒担体のセル密度よりも低密度とすると共に、
前記第１触媒担体の排気ガスの流れ方向に沿った長さを４０ｍｍ未満としたことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、
前記第１触媒担体と前記第２触媒担体とは離れて直列に配設されていることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒において、
前記第１触媒担体に担持された貴金属触媒は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１種以上からなり、
前記第２触媒担体に担持された貴金属触媒は、Ｒｈと、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１種以上とから、もしくはＲｈのみからなることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 - 請求項１ないし５のいずれかに記載の排気ガス浄化用触蝶において、
前記第１触媒担体又は第２触媒担体の少なくとも一方に担持する貴金属を含んだ触媒層を一層だけとすることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
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