JP2005177571A - Ｈｃトラップ触媒 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＨＣトラップ触媒の性能を向上する。
【解決手段】 内燃機関の排気通路に介装され、ＨＣ吸着層と触媒層とを担体に担持するＨＣトラップ触媒において、ＨＣ吸着層のコーティング量（密度）を全体で一定（３０ｇ／Ｌ）とした比較例の触媒Ａに対し、触媒ＢではＨＣ吸着層のコーティング量を触媒入口側ａ部では（４５ｇ／Ｌ）と大きくし、出口側ｂ部では（１５ｇ／Ｌ）と小さくして、ＨＣ吸着層の熱容量を入口側で大きく出口側で小さくすることにより触媒の温度分布を入口側と出口側とで均一化した構成とし、ＨＣの脱離を遅らせ、浄化を早めることにより、脱離され浄化されないまま放出されるＨＣ量を低減できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関から排出されるＨＣ（炭化水素）を浄化するＨＣトラップ触媒に関する。

従来、機関始動時の低温時に排出されるＨＣを効率よく浄化する排気浄化触媒として、ＨＣを吸着するＨＣ吸着層と該ＨＣ吸着層から脱離したＨＣを浄化する触媒層とを、担体の表面に担持したＨＣトラップ触媒があり、上流側と下流側とでＨＣ吸着層が異なるＨＣトラップ触媒を備えたものがある（特許文献１参照）。
また、ＨＣ吸着層の熱容量を下流側で大きくして上流側より温度を上がりにくくし、上流側で脱離したＨＣを下流側で再吸着することにより、触媒層が温度上昇して活性化するまでの間に浄化されないまま放出されるＨＣ量を低減しようとしたＨＣトラップ触媒を備えたものがある（特許文献２参照）。
特開２００２−２９５２４７号 特開２００２−２１０３７１号

特許文献１に示されるものでは、２つのＨＣトラップ触媒の各層（触媒層，ＨＣ吸着層，担体）は、それぞれ全体が均質に形成されており、かかるＨＣトラップ触媒では、入口側のＨＣ吸着層が出口側より早く温度上昇してＨＣの脱離開始が早められる一方、触媒層の出口側が暖まりにくく、触媒全体として浄化機能が有効に発揮される活性化温度に到達するのに時間がかかり、ＨＣの脱離開始から有効な浄化開始までの時間差を大きく生じ、その間に浄化されないまま放出されるＨＣ量が増大してしまうという問題がある。

また、特許文献２に示されるＨＣトラップ触媒でも、熱容量が小さいＨＣ吸着層の上流側からＨＣの脱離が開始されるが、下流側のＨＣ吸着層に再吸着されないまま放出されてしまうＨＣも多く、また、下流側のＨＣ吸着層に再吸着されても、下流側では熱容量を大きくしてＨＣ吸着層の温度を上がりにくくしているので触媒層の温度が上がりにくく活性化が遅れることにより、却って、浄化されないまま放出されるＨＣ量が増大してしまうことがある。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、触媒層の入口側と出口側とで温度が同等に上がるようにして、ＨＣの脱離開始から有効な浄化開始までの時間差を短縮することにより、ＨＣ放出量を低減できるようにしたＨＣトラップ触媒を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、担体の表面に、排気中のＨＣを吸着するＨＣ吸着層と該ＨＣ吸着層から脱離したＨＣを浄化する貴金属を含む触媒層とを担持したＨＣトラップ触媒において、排気入口側部分のＨＣ吸着層の熱容量を、出口側部分の熱容量より大きくしたＨＣ吸着層の排気入口側部分の熱容量を、出口側部分の熱容量より大きくする構成とした。

このように構成すると、元々温度が上がりやすい触媒入口側でＨＣ吸着層の熱容量を大きくして温度を上がりにくくしたので、触媒の入口側と出口側との温度の上がりぐあいが均等化され、温度分布が均等化される。
この結果、ＨＣの脱離開始から有効な浄化開始までの時間差が短縮され、この間に浄化されないまま放出されるＨＣ量を効果的に低減することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明にかかるＨＣトラップ触媒を備えた内燃機関の構成を示す。
車両に搭載した直列４気筒エンジン１（排気量１．８Ｌ）の排気マニホールド２の集合部の直下に三元触媒３を配置し、車両床下位置に、ＨＣトラップ触媒４を配置したシステムにおいて、以下のような評価を行った。

評価したＨＣトラップ触媒（以下単に触媒という）の仕様の詳細は、図２に示すとおりであり、通路断面を格子状に区分して形成された担体の表面に、ＨＣ吸着層と触媒層とが担持（コーティング）されている。
各層のコーティング量（密度）が長手方向全体に同一に形成された比較例の触媒Ａに対し、本発明の基本的な第１実施例に係る触媒Ｂでは、ＨＣ吸着層のコーティング量を入口側と出口側とで変更している。

具体的には、ＨＣ吸着層のコーティング量を、触媒Ａでは一定３０（ｇ／Ｌ）としているのに対し、触媒Ｂでは入口側のａ部（全長１００ｍｍに対し、入口から５０ｍｍの部分）のコーティング量を４５（ｇ／Ｌ）、出口側のｂ部のコーティング量を１５（ｇ／Ｌ）として、入口側のコーティング量を出口側コーティング量より大きくすることにより、ＨＣ吸着層の入口側の熱容量を出口側の熱容量より大きくしている。

上記システムにおいて、コールドスタートモードであるＬＡ４モード走行試験を行って上記触媒Ａと触媒Ｂとを比較し、以下の評価を得た。
まず、触媒の昇温挙動について触媒Ａと触媒Ｂで比較すると、図３及び図４に示すように、触媒Ｂの方が、触媒Ａより、入口側５ｍｍ（入口からの距離）、２０ｍｍの昇温速度が遅いことがわかる。特に、触媒の温度が急上昇する、モードスタートから約５５秒後の加速時の昇温速度に触媒Ａ，Ｂ間で大きな差が認められる。

すなわち、触媒Ｂの方が入口側ａ部のＨＣ吸着層のコーティング量を触媒Ａより小さくして熱容量を大きくしたことにより、入口側で昇温が遅くなる。
一方、図５及び図６に示すように、出口側に近い入口側８０ｍｍ，９５ｍｍでは触媒Ｂの方が触媒Ａより早く昇温していることがわかる。
すなわち、触媒Ｂの方が出口側ｂ部のＨＣ吸着層のコーティング量を触媒Ａより小さくして熱容量を小さくしたことにより、出口側で昇温が早められる。

したがって、触媒Ｂでは触媒Ａに比較して、入口側と出口側との温度差が昇温が進むにしたがって小さくなり、温度分布が均一化される。
また、上記モードスタートから約５５秒後の加速で、触媒の温度が急上昇するため、それまでに触媒にトラップされていたＨＣの脱離が開始する。しかし、ＨＣの浄化を行う触媒層がまだ活性温度に達しておらず、脱離したＨＣはほとんど浄化されることなく排出されるため、触媒出口のＨＣ濃度が触媒入口のＨＣ濃度より高くなる。

その脱離挙動を触媒Ａと触媒Ｂで比較すると、図７（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。ここで、低温時はＨＣがＨＣ吸着層へ吸着されるので（正確には吸着反応と脱離反応とが同時に起こるが吸着反応が勝る）、触媒入口での触媒に導入される排気中のＨＣ濃度が、触媒出口での触媒から排出された排気中のＨＣ濃度より大きくなっている。ＬＡ４モードスタート後、約５０秒後に、触媒出口のＨＣ濃度が触媒入口のＨＣ濃度より大きくなり、反転する。すなわち、触媒温度の上昇によってＨＣ吸着層が脱離温度に達し、脱離が開始される。ＬＡ４モードスタート後、約１９０秒後に触媒出口の入口濃度が触媒出口のＨＣ濃度より大きくなり、再度反転する。すなわち、触媒温度がさらに上昇すると触媒層が活性化されて浄化温度に達し、ＨＣの浄化が開始される。ここで、ＬＡ４モードスタートしてから上記ＨＣの脱離が開始されるまでの期間に触媒に吸着されるＨＣ量を吸着量として算出し（入口濃度から出口濃度を引いた濃度差に排気体積流量を乗じたものを積算して算出する）、脱離を開始してから浄化が開始されるまでの期間に触媒から排出されたＨＣ量を脱離量として算出する。

上記触媒Ｂの方が、触媒Ａに比較して、ゆっくりと脱離を開始しており、ＨＣ脱離量のＬＡ４モードのスタート後５０秒から１３０秒までの間で比較すると、触媒Ｂの方が触媒ＡよりＨＣ脱離量を１０％低減することができた［図７（Ａ），（Ｂ）のＡ１、Ａ２部参照］。 これは、主として触媒Ｂの入口側ａ部のＨＣ吸着層のコーティング量を触媒Ａより大きくして熱容量を大きくしたことによる。

また、触媒Ｂの方が、触媒Ａより脱離終了時期が早く、触媒層が早く活性していると共に、浄化開始後の浄化量が多くなっていることがわかる［図７（Ａ），（Ｂ）のＢ１、Ｂ２部参照］。これは、主としてＨＣ吸着層の出口側のコーティング量を比較例より小さくして熱容量を小さくしたことによる。
以上のように、ＨＣ吸着層の入口側のコーティング量を大きくし熱容量を大きくして脱離を抑制し、出口側のコーティング量を小さくし熱容量を小さくして浄化を促進することの２つの効果（触媒温度分布の均一化）で、触媒ＢのＨＣの脱離浄化率ｂを触媒Ａの脱離浄化率ａより約５%向上することができた。

次に、第２の実施例に係る触媒Ｃと比較して評価する。触媒Ｃは、ＨＣ吸着層の仕様は触媒Ｂと同一とし、触媒入口側，出口側の触媒層のコーティング量は、触媒Ｂと等しく１０（ｇ／Ｌ）とするが、触媒層中の貴金属含有量（密度）を入口側より出口側で大きくしている。具体的には、触媒Ｂでは、入口側、出口側共に貴金属含有量を２．８（ｇ／Ｌ）としているのに対し、触媒Ｃでは、入口側の貴金属含有量を１．４（ｇ／Ｌ）に半減し、その分、出口側の貴金属含有量を増大して４．２（ｇ／Ｌ）とする。

上記仕様の触媒Ｃは、温度の上がりやすい入口側では触媒層中の貴金属含有量が小さいのでＨＣ酸化反応（発熱反応）を抑制されて温度上昇速度が小さくなり、温度が上がりにくい出口側では触媒層中の貴金属含有量が大きいのでＨＣ酸化反応が促進されて温度上昇速度が大きくなる。
このように、触媒Ｃでは、触媒Ｂと同様にＨＣ吸着層の入口側の熱容量を出口側より大きくすると共に、貴金属含有量を入口側より出口側を大きくすることによって、温度分布がより均等化され、触媒Ｃの脱離浄化率ｃが、触媒Ｂの脱離浄化率ｂより向上する。

次に、触媒入口側のＨＣ吸着層のコーティング量（密度）を大きくして熱容量を大きくする範囲、つまり入口からの長さを変えた第３，第４実施例の触媒Ｄ，Ｅと比較して評価する。触媒Ｄ，Ｅ共に入口側のＨＣ吸着層のコーティング量を６５（ｇ／Ｌ）として触媒Ｂの入口側のコーティング量４５（ｇ／Ｌ）より大きくするが、コーティング量を大きくする入口側の入口からの長さを触媒Ｄでは１５ｍｍ、触媒Ｅでは３０ｍｍとし、触媒Ｂの５０ｍｍより短くする。

触媒Ｂ，Ｄ，ＥのＨＣ脱離浄化率ｂ，ｄ，ｅを比較すると、ｄ＜ｅ＜ｂとなり、ＨＣ吸着層のコーティング量を大きくする入口側の長さを長くするほど脱離浄化率が向上することがわかるが、触媒ＢのＨＣ脱離浄化率ｂと触媒Ｅの脱離浄化率ｅとの差は小さいことから、入口側の長さが３０ｍｍ以上、全長１００ｍｍに対する割合で示すと３０％以上あれば、十分に脱離浄化率を向上できると考えられる。

次に、触媒入口側と出口側の貴金属含有量の差を最も大きくした、第４実施例に係る触媒Ｆと比較して評価する。触媒Ｆでは、究極の例として入口側の触媒層を無くす一方、出口側の貴金属含有量を触媒Ｂより倍増して５．６（ｇ／Ｌ）としてある。ＨＣ吸着層の仕様は触媒Ｂと同一にしてある。
このように、貴金属を含む触媒層を入口側で無くし、出口側で貴金属含有量をより大きくすることにより、触媒ＦのＨＣ脱離浄化率ｆは上記触媒ＣのＨＣ脱離浄化率ｃを上回り、下記触媒Ｇも含めた全触媒中で最高の値を示した。

次に、ＨＣ吸着層の仕様は触媒Ｂと同一とし、担体の入口側の熱容量を出口側より大きくして入口側の温度上昇を抑制する構成を追加した第６実施例に係る触媒Ｇについて比較して評価する。具体的には、セラミックで形成される担体の気孔率を小さくすることで熱容量を大きくすることができ、他の触媒の担体の気孔率が全長にわたって３５％に設定されているのに対し、触媒Ｇでは、入口側の担体の気孔率を２０％とし、出口側の担体の気孔率を５０％として入口側の熱容量を出口側より大きくしている。

このようにすれば、触媒入口側でＨＣ吸着層に加えて担体の熱容量も大きくし、出口側ではＨＣ吸着層と共に担体の熱容量を小さくしたことにより、触媒の温度分布をより均等化できる。
該触媒ＧのＨＣ脱離浄化率ｇは、触媒ＣのＨＣ脱離浄化率ｃと同等であり触媒ＦのＨＣ脱離浄化率ｆに次いで高い値を示した。

以上示した全ての触媒Ａ〜触媒Ｇの脱離浄化率ａ〜ｇの大きさをまとめて示すと以下のようになる。
ａ＜ｄ＜ｅ＜ｂ＜ｃ＝ｇ＜ｆ

本発明のＨＣトラップ触媒を備えた内燃機関のシステム図。 ＨＣトラップ触媒の概要および比較例（触媒Ａ）と本発明にかかる実施例（触媒Ｂ〜触媒Ｇ）の仕様を示す図。 ＬＡ４モードで走行試験を行ったときの、上記触媒Ａと触媒Ｂとの入口から５ｍｍ部分の昇温特性を比較して示す図。 同じく、入口から２０ｍｍ部分の昇温特性を比較して示す図。 同じく、入口から８０ｍｍ部分の昇温特性を比較して示す図。 同じく、入口から９５ｍｍ部分の昇温特性を比較して示す図。 ＬＡ４モードで走行試験を行ったときの、上記触媒Ａと触媒Ｂとの入口と出口とのＨＣ排出特性を比較して示す図。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気マニホールド
３ ＨＣトラップ触媒
Ａ 比較例のＨＣトラップ触媒
Ｂ〜Ｇ 本発明にかかる実施例のＨＣトラップ触媒
ａ部 触媒のＨＣ吸着層の熱容量を大きくした入口側部分
ｂ部 触媒のＨＣ吸着層の熱容量を小さくした出口側部分

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に介装され、担体の表面に、排気中のＨＣを吸着するＨＣ吸着層と該ＨＣ吸着層から脱離したＨＣを浄化する貴金属を含む触媒層とを担持したＨＣトラップ触媒において、
   排気入口側部分のＨＣ吸着層の熱容量を、出口側部分の熱容量より大きくしたことを特徴とするＨＣトラップ触媒。
2. 前記入口側部分の触媒層の貴金属含有量を、出口側部分の貴金属含有量より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載のＨＣトラップ触媒。
3. 前記ＨＣ吸着層の熱容量を大きくする入口側部分の入口からの長さを、入口から出口までの全長の３０％以上としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＨＣトラップ触媒。
4. 前記ＨＣ吸着層の熱容量を大きくする入口側部分には、触媒層を担持せず出口側部分のみ触媒層を担持するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のＨＣトラップ触媒。
5. 前記入口側部分の担体の熱容量を、出口側部分の熱容量より小さくしたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のＨＣトラップ触媒。
   

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