JP2005220815A - 内燃機関の排気浄化装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】担体への排気浮遊物の堆積を抑制する。
【解決手段】担体のうち、上流側の端縁１１ａから所定の長さｘの領域を外して、触媒成分を含む第１の層１１３を形成する。他方、長さｘの領域では、隔壁１１１を通路に露出させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置及びその製造方法に関し、詳細には、ハニカム状担体に触媒成分を担持させた排気浄化装置において、排気浮遊物の堆積による通路の閉塞を抑制する技術に関する。

排気浄化装置として、現在、三元触媒等多くのものが知られているが、排気浄化装置一般において、触媒成分を担持させるための担体には、ハニカム状に構成されたモノリスタイプのものが採用されている。このタイプの担体を備える排気浄化装置は、コーディライト等を素材としてハニカム状担体を作製し、この担体の隔壁上に白金等の貴金属を含む触媒層を形成して構成される。

ここで、燃料に含まれる成分が排気浮遊物としてエンジンから排出され、これが担体の隔壁に堆積し、通路を詰まらせるという問題がある。この問題に対し、担体への排気浮遊物の堆積を抑制し、通路の閉塞を生じ難くしたものとして、次のような排気浄化装置が知られている（特許文献１）。このものでは、排気の流れに沿って２つの担体が隣接して設置されており、上流側の第１の担体は、セル密度を低くして、１つのセルが形成する通路の開口面積を大きくし、下流側の第２の担体は、第１の担体よりもセル密度を高くして、通路の開口面積を小さくして構成される。なお、セル密度とは、単位面積当たりに設けられるセル（すなわち、通路）の数をいう。
特開平１０−２０５３２５号公報（段落番号００１１）

しかしながら、上記の排気浄化装置には、次のような問題がある。すなわち、このものでは、上流側の第１の担体のセル密度が下流側の第２の担体のセル密度よりも小さくされるため、強度を確保するために第１の担体の壁厚を大きくする必要がある。このため、第１の担体の熱容量が大きくなり、低温始動時において、触媒の活性化が阻害され、始動後の早い段階から充分な排気浄化性能が得られないことである。

また、排気浮遊物の堆積は、高温下で速く進むことが判明している。１つの担体において、その全長に渡り触媒層を形成した上記の排気浄化装置では、セル密度の低下により排気浮遊物が比較的に通過し易い状態にあるとはいえ、浄化反応により担体の入口温度が上昇するため、排気浮遊物が堆積し易い状態にあることに変わりはない。
本発明は、担体への排気浮遊物の堆積を抑制して、通路が閉塞するまでの時間を長期化するとともに、担体の熱容量を小さく抑え、低温時における排気浄化性能を確保することを目的とする。

本発明は、エンジンの排気浄化装置を提供する。本発明に係る装置は、排気の流れと垂直な方向に空間を区画する隔壁を有し、この隔壁により排気の通路を形成する担体と、この担体の隔壁上に形成された、排気の特定成分を浄化し又はその成分の浄化を促進する触媒成分を含む第１の層とを含んで構成される。第１の層は、担体において、排気の流れに関して上流側の端縁から、担体の全長よりも短い所定の長さの範囲に渡る第１の領域を除く第２の領域に設けられる。

また、本発明は、排気浄化装置の製造方法を提供する。本発明に係る方法は、担体に形成された隔壁上に触媒成分を担持させて構成される排気浄化装置を製造する方法である。担体のうち、その一方の端縁から、全長よりも短い所定の長さの範囲において、焼却による除去が可能なマスキング材で隔壁を被覆する工程と、隔壁に触媒成分を含有するウォッシュコート材を付着させる工程と、隔壁上のウォッシュコート材をマスキング材の燃焼温度以上の温度で焼成する工程とを含む。

本発明によれば、担体において、触媒成分を含む第１の層を、第１の領域を除く第２の領域に（換言すれば、排気の流れに関して上流側の端縁から所定の長さの範囲を外して）設けることとしたので、第１の領域において、第１の層が設けられない分、通路の開口面積を広げ、排気を流れ易くすることができる。このため、排気浮遊物がこの第１の領域で堆積するのを抑制し、通路が閉塞するまでの時間を長期化することができる。また、本発明によれば、第１の領域に第１の層が設けられず、触媒成分が存在しないことから、担体の入口での浄化反応による温度上昇を抑えることができ、この観点からも閉塞時間を長期化させる効果が得られる。なお、本発明によれば、担体のセル密度によらずこの効果が得られるので、セル密度を高くして、熱容量を小さく抑えることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置（以下「触媒コンバータ」という。）１の構成を示している。
触媒コンバータ１は、触媒成分を担持させる担体として、ハニカム状のモノリス型担体１１を含んで構成される。この担体１１は、コーディライト等を素材としており、外形が円筒状に形成されるとともに、内部において、隔壁１１１が格子状に形成されている。この隔壁１１１により担体１１内の空間が区画され、排気の通路１１２が蜂の巣状に形成されている。触媒コンバータ１は、三元触媒や酸化触媒等、種々の排気浄化装置として構成することができる。三元触媒として構成する場合は、触媒成分として白金及びパラジウムが一般的に採用され、理論空燃比のもと、触媒コンバータ１により排気中の炭化水素及び一酸化炭素が酸化されるとともに、窒素酸化物が還元される。

担体１１は、所定の触媒成分を担持させたうえ、アルミナ繊維を主な要素とするシート状の保持材１２が巻き付けられ、円筒状のステンレスケース１３に収められる。担体１１は、この保持材１２に働く摩擦力によりケース１３内で固定される。
触媒コンバータ１は、ケース１３の両端に設けられたフランジ部１４により隣接する排気管に装着される。

図２（ａ），（ｂ）は、担体１１のうち、入口側の端縁１１ａを含む部分ＣのＡ−Ａ線断面及びＢ−Ｂ線断面を示している。
触媒コンバータ１では、担体の隔壁１１１上に触媒成分を含む第１の層１１３を形成して、担体１１に触媒成分を担持させている。担体１１において、この第１の層は、端縁１１ａを含む所定の領域を外して形成されており、この所定の領域において、隔壁１１１が通路１１２に露出している。

図３は、担体１１の部分Ｃを拡大して示している。
担体１１では、端縁１１ａから、担体の全長よりも短い所定の長さｘの範囲を所定の領域（「第１の領域」に相当する。）とし、この所定の領域以外の他の領域（「第２の領域」に相当する。）に第１の層１１３が形成されている。長さｘは、例えば、５ｍｍ程度とするのが適当である。触媒コンバータ１を三元触媒として構成する場合は、この第１の層１１３において、白金等の触媒成分を担持させるとともに、添加剤としてカリウム等の酸素貯蔵成分を、更に安定剤としてバリウム等を担持させる。第１の層１１３は、他の領域に渡り一様な厚さで形成してもよいが、本実施形態では、入口側の端部１１３ａにおいて、第１の層１１３の内面１１３ｂを隔壁１１１に対して傾斜させ、通路１１２が徐々に狭まるようにしている。このため、エンジンの運転時には、担体１１に流入した排気が大きく乱れることなく第１の層１１３上を流れ、担体１１を通過することになる。

担体１１において、第１の層１１３は、次のように形成される。
まず、溶媒に触媒成分を拡散させてスラリーを作製し、これをウォッシュコート材とする。このウォッシュコート材により第１の層１１３が形成される。担体１１のうち、長さｘの領域をマスキング材で被覆した後、担体１１をウォッシュコート材に浸漬させ、ウォッシュコート材中から引き上げることで、隔壁１１１の所定の部位にウォッシュコート材を塗布する。なお、このマスキング材は、後の焼成工程において、焼却により隔壁１１１上から除去することができる。塗布後、担体１１に対して入口側から空気を流入させ、入口側の端部１１３ａにおいて、ウォッシュコート材の内面１１３ｂを傾斜させる。更に乾燥及び焼成工程を経て、第１の層１１３付きの担体１１を完成させるが、焼成工程において、加熱温度をマスキング材の燃焼温度以上の温度とすることで、マスキング材を除去し、マスキングされていた長さｘの領域を露出させる。

なお、長さｘの領域は、ウォッシュコート材を担体１１の全体に塗布した後、該当部分のウォッシュコート材を削り取ることにより露出させることもできる。しかしながら、マスキング材を使う上記の方法によれば、作業工程が大幅に簡略化されるとともに、ウォッシュコート材の削除時に担体が破損する危険を回避することができる。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

第１に、触媒成分を含む第１の層１１３を、担体１１のうち、長さｘの領域を外して設けたことで、担体１１において、入口側の端縁１１ａ及びその近傍で第１の層１１３が設けられない分、通路１１２の開口面積を広げ、排気を流れ易くすることができる。このため、排気浮遊物が担体１１の入口で堆積するのを抑制し、通路が閉塞するまでの時間を長期化することができる。

第２に、第１の層１１３のうち、上流側の端部１１３ａで内面１１３ｂを傾斜させ、通路を急激に縮小させないようにしたので、担体１１内、特に入口近傍で排気の流れが乱れるのを抑え、排気浮遊物の堆積を効果的に抑制することができる。
第３に、長さｘの領域に第１の層１１３が設けられず、触媒成分が存在しないため、担体１１の入口での浄化反応による温度上昇を抑えることができる。排気浮遊物の堆積は、高温下で急速に進むことから、入口温度が低く抑えられることで、その進行を遅らせることができる。

第４に、以上の効果に付随して、本実施形態によれば、担体１１のセル密度によらず排気浮遊物の堆積を抑制することができるので、セル密度を高くして、熱容量を小さく抑え、低温時における排気浄化性能を確保することができる。
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係る担体１１の構成を示している。

本実施形態では、第１の層１１３において、入口側の端部（第１の層１１３の入口側の端縁１１３ｃから長さｙの範囲とする。）１１３ａに触媒成分を含有させず、それ以外の部分のみに触媒成分を含有させることとしている。長さｙの領域でスラリーの溶媒のみを塗布することで、触媒成分を含有させないようにすることができる。第１の実施形態のものと同様に長さｘを５ｍｍとした場合は、長さｙは、例えば、１０ｍｍ程度とするのが適当である。担体１１のうち、入口側の端縁１１ａから長さｘの領域で隔壁１１１を露出させている点、及び第１の層１１３のうち、入口側の端部１１３ａで内面１１３ｂを傾斜させている点等は、第１の実施形態のものと同様である。なお、第１の層１１３のうち、触媒成分を含有させない部分と、内面を傾斜させる部分とは、一致させる必要はない。例えば、長さｙの領域で内面を傾斜させた場合は、このｙよりも大きな長さに渡る領域で触媒成分を含有させないようにすることができる。

本実施形態に係る担体１１は、第１の実施形態のものと同様に、ウォッシュコート材を作製し、隔壁１１１にウォッシュコート材を塗布し、隔壁１１１上のウォッシュコート材を乾燥させ及び焼成して形成するが、ウォッシュコート材の塗布に際し、溶媒とウォッシュコート材とを前後方向に塗り分け、長さｙの領域以外の領域にのみ、触媒成分を含むウォッシュコート材を塗布することとし、長さｙの領域では、溶媒のみを塗布することとする。このような方法は、ゾーンコート法として知られるものである。溶媒の塗布に際し、長さｘの領域をマスキングしておくことで、この領域の隔壁１１１を露出させる。

本実施形態によれば、上記第１〜第４の効果に加え、次のような効果を得ることができる。
すなわち、第１の層１１３のうち、内面１１３ｂを傾斜させた入口側の端部１１３ａに触媒成分を含有させず、それ以外の部分のみに触媒成分を含有させたことで、端部１１３ａ上で浄化反応（発熱反応である。）を起こさせないようにすることができる。このため、排気浮遊物が第１の層１１３に接近し又は接触し易い領域での温度上昇を抑え、排気浮遊物の堆積をより効果的に抑制することができる。

図５は、第３の実施形態に係る担体１１の構成を示している。
本実施形態では、担体１１の密度を前後で異ならせ、隔壁１１１を露出させる長さｘの領域で、担体１１を緻密化し、それ以外の領域におけるよりも強度を高めている。担体１１のうち、長さｘの領域で隔壁１１１を露出させている点等は、第１の実施形態のものと同様である。

本実施形態に係る担体１１は、担体１１の製造工程のなかで、一部を緻密化することにより作製することができる。
本実施形態によれば、露出した端縁１１ａの強度を緻密化により高めることができるので、排気浮遊物の衝突による担体１１の損傷を抑え、耐久性を向上させることができる。なお、緻密化する部分は、長さｘの領域全体に及ぶ必要はない。少なくとも端縁１１ａを緻密化することで、同様の効果を得ることができる。

図６は、第４の実施形態に係る担体１１の構成を示している。
本実施形態では、隔壁１１１上に第１の層１１３とは異なる第２の層１１４を形成し、この第２の層１１４上に第１の層１１３を形成している。第２の層１１４は、触媒成分以外の成分からなり、ここでは、スラリーの溶媒を採用している。また、第２の層１１４は、第１の層１１３よりも薄く形成している。担体１１のうち、入口側の端縁１１ａから長さｘの領域を外して第１の層１１３が設けられる点、第１の層１１３のうち、入口側の端部１１３ａで内面１１３ｂを傾斜させている点等は、第１の実施形態のものと同様である。

本実施形態に係る担体１１は、スラリーの溶媒に担体１１を浸漬させて、担体１１にこの溶媒を塗布し、乾燥及び焼成工程を経て第２の層１１４を形成した後、第１の実施形態におけると同様に第１の層１１３を形成することで、作製する。
本実施形態によれば、第２の層１１４により隔壁１１１のコーティングを形成し、担体１１の強度を高めることができるので、壁厚を増大させずにセル密度を低下させ、通路の開口面積を拡大させることができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置としての触媒コンバータの構成 同上触媒コンバータに備わる担体の断面 担体先端部の拡大断面 本発明の他の実施形態に係る担体先端部の拡大断面 本発明の更に別の実施形態に係る担体先端部の拡大断面 本発明の更に別の実施形態に係る担体先端部の拡大断面

符号の説明

１…触媒コンバータ、１１…担体、１１１…隔壁、１１３…第１の層、１１４…第２の層、１２…保持材、１３…ケース、１４…フランジ。

Claims (9)

1. 排気の流れと垂直な方向に空間を区画する隔壁を有し、この隔壁により排気の通路を形成する担体と、
   この担体の隔壁上に形成された、排気の特定成分を浄化し又はその成分の浄化を促進する触媒成分を含む第１の層と、を含んで構成され、
   第１の層は、担体において、排気の流れに関して上流側の端縁から、担体の全長よりも短い所定の長さの範囲に渡る第１の領域を除く第２の領域に設けられたエンジンの排気浄化装置。
2. 第１の層は、排気の流れに関して上流側の端部において、内面が排気の流れに対して傾斜させて設けられ、通路の開口面積を徐々に縮小させる請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 第１の層は、前記端部以外の部分で触媒成分を含む請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 第１の領域において、担体の隔壁が排気の通路に露出する請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 第１及び第２の領域において、隔壁上に第１の層とは異なる第２の層が形成され、
   第２の領域において、第１の層は、この第２の層に対して通路の内外に関して内側に設けられた請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 第２の層は、触媒成分以外を成分とする請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 上流側の端縁を含む所定の部分で、担体がそれ以外の部分よりも緻密化されて形成された請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 担体に形成された隔壁上に触媒成分を担持させて構成される排気浄化装置を製造する方法であって、
   担体のうち、その一方の端縁から、全長よりも短い所定の長さの範囲において、焼却による除去が可能なマスキング材で隔壁を被覆し、
   触媒成分を含有するウォッシュコート材を隔壁に付着させ、
   隔壁上のウォッシュコート材をマスキング材の燃焼温度以上の温度で焼成する排気浄化装置の製造方法。
9. ウォッシュコート材の焼成前において、担体に対して一方から空気を流入させ、隔壁上のウォッシュコート材の一方の端部において、ウォッシュコート材の内面を隔壁に対して傾斜させる請求項８に記載の排気浄化装置の製造方法。
   

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