JP2006231108A - Apparatus for cleaning exhaust gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
一般に、内燃機関の排気ガス浄化装置は、例えばコージェライトからなるモノリス状の耐熱性担体基材層の表面に、白金等の触媒貴金属を担持した、アルミナ等の耐熱性無機酸化物からなる多孔質の担体を支持する構造を有している。かかる排気ガス浄化装置は、排気ガス中に含まれる有害な一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)を酸化して無害な二酸化炭素(CO2)と水(H2O)に変換すると同時に、窒素酸化物(NOx)を還元して無害な窒素(N2)に変換し得るため、三元触媒とも呼ばれている。 In general, an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine is a porous material made of a heat-resistant inorganic oxide such as alumina, on which a catalytic noble metal such as platinum is supported on the surface of a monolith-like heat-resistant carrier base material layer made of cordierite, for example. It has a structure that supports the carrier. Such an exhaust gas purification device oxidizes harmful carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) contained in the exhaust gas and converts them into harmless carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) at the same time. Nitrogen oxide (NOx) can be reduced to be converted to harmless nitrogen (N 2 ), so it is also called a three-way catalyst.
触媒の浄化率は、温度が高いほど高められる。換言すれば、温度の低いエンジン始動直後から暖機中は触媒の浄化率は低下する。 The purification rate of the catalyst increases as the temperature increases. In other words, the purification rate of the catalyst decreases during warm-up immediately after starting the engine at a low temperature.
通常の運転中においても発生する排気ガスの温度は、内燃機関の運転状況によって変化し、また、一般には排気ガス浄化装置の流れ方向に沿って、下流側になるほど排気ガスの温度は低下する。一方、触媒の排気ガス流れ方向に直交する面を基準に考えた場合、触媒に入るガスは管壁で冷やされ、また外套から外部への放熱も相俟って周辺部の温度が低くなる。 The temperature of the exhaust gas generated even during normal operation varies depending on the operating state of the internal combustion engine, and generally the temperature of the exhaust gas decreases toward the downstream side in the flow direction of the exhaust gas purification device. On the other hand, when the surface perpendicular to the exhaust gas flow direction of the catalyst is taken as a reference, the gas entering the catalyst is cooled by the tube wall, and the temperature of the peripheral portion is lowered due to heat radiation from the mantle to the outside.
これらの条件に対応して、排気ガスの浄化を最適化すべく、特許文献1には、浄化装置の上流側に第一の触媒層、下流側に第二の触媒層を設け、これら第一、第二の触媒層間で貴金属の成分、及び量を変えて触媒浄化能を高めるシステムが開示されている。又、特許文献2では、上流側から下流側に向かって、貴金属と遷移金属酸化物の担持量の勾配を設けることにより、触媒浄化能を高める構成が開示されている。さらに特許文献3では、上流側触媒と下流側触媒との貴金属コート比を 1<前側/後側≦3 とすることにより、触媒浄化能を挙げる方法が開示されている。又、特許文献4では、触媒中央部の担持密度を上げて触媒暖機性を向上させる構成が開示されている。
しかし、上記各特許文献に開示されている構成では、いずれも触媒浄化能を向上するために、貴金属の担持量(体積密度)を増加する方法をとっているため、コストの高い貴金属使用量が増加するという問題があった。 However, in the configurations disclosed in each of the above patent documents, in order to improve the catalyst purification performance, a method of increasing the amount of noble metal supported (volume density) is used. There was a problem of increasing.
そこで本発明は、高価な貴金属の使用量を増やすことなく、触媒の低温活性を高めた排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying apparatus that increases the low-temperature activity of a catalyst without increasing the amount of expensive noble metal used.
上記課題を解決するために、本発明は以下の方法をとる。すなわち、請求項1に記載の発明は、内燃機関の排気ガス通路に配設され、排気ガスの流れ方向に沿って上流側触媒と下流側触媒とを備えるとともに、これら各触媒は基材層上に貴金属を担持した担体粒子を有するコート層を具備する排気ガス浄化装置であって、上流側触媒の容積は下流側触媒の容積より小さく、上流側触媒の担体粒子の平均粒径は下流側触媒の担体粒子の平均粒径より小さいことを特徴とする排気ガス浄化装置により前記課題を解決しようとするものである。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following method. That is, the invention described in claim 1 is provided in the exhaust gas passage of the internal combustion engine, and includes an upstream catalyst and a downstream catalyst along the flow direction of the exhaust gas. An exhaust gas purifying apparatus comprising a coating layer having carrier particles supporting noble metal on the upstream side, wherein the volume of the upstream catalyst is smaller than the volume of the downstream catalyst, and the average particle size of the carrier particles of the upstream catalyst is the downstream catalyst. The present invention is intended to solve the above-mentioned problem by an exhaust gas purifying apparatus characterized by being smaller than the average particle size of the carrier particles.
ここに「平均粒径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した平均粒径をいう。 Here, the “average particle size” means an average particle size measured by a laser diffraction particle size distribution measuring device.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒の体積あたりの貴金属量は、下流側触媒の体積あたりの貴金属量と同一であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the exhaust gas purification apparatus according to claim 1, wherein the amount of noble metal per volume of the upstream catalyst is the same as the amount of noble metal per volume of the downstream catalyst. .
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の排気ガス浄化装置において、貴金属を予め担体粒子に担持し、該担体粒子を基材層上にコートしてコート層を形成したものであることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the exhaust gas purifying apparatus according to claim 1 or 2, wherein a noble metal is previously supported on carrier particles, and the carrier particles are coated on a base material layer to form a coat layer. It is characterized by being.
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の排気ガス浄化装置において、上流側触媒は担体粒子を基材層上にコートしてコート層を形成した後に該コート層に貴金属を担持して形成したものであるとともに、下流側触媒は貴金属を予め担体粒子に担持し、該担体粒子を基材層上にコートしてコート層を形成したものであり、上流側触媒の体積あたりの貴金属量は下流側触媒の体積あたりの貴金属量より小さいことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to the first aspect, the upstream catalyst carries a noble metal on the coating layer after the carrier layer is coated on the base material layer to form a coating layer. In addition, the downstream catalyst is formed by previously supporting a noble metal on carrier particles, and coating the carrier particles on the base material layer to form a coat layer. The noble metal per volume of the upstream catalyst The amount is smaller than the amount of noble metal per volume of the downstream catalyst.
また、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、排気ガス浄化装置の搭載位置を車両の床下にしてもよい。請求項4の構成によれば、触媒の低温活性を向上できるので、浄化装置をエキゾーストマニホールドの近傍に配置できない場合であっても、排気ガスを清浄なものに保つことができる。 In the invention according to any one of claims 1 to 4, the exhaust gas purifying device may be mounted under the floor of the vehicle. According to the configuration of the fourth aspect, since the low temperature activity of the catalyst can be improved, the exhaust gas can be kept clean even when the purification device cannot be disposed in the vicinity of the exhaust manifold.
請求項5に記載の発明は、内燃機関の排気ガス通路に配設され基材層上に貴金属を担持した担体粒子を有するコート層を具備する排気ガス浄化装置であって、排気ガスの流れ方向に直交する面に関して周辺部においては担体粒子に貴金属がコート層の表層部のみに担持されるとともに、周辺部以外の部位においては担体粒子に貴金属がコート層の全体に均一に担持されていることを特徴とする排気ガス浄化装置により前記課題を解決しようとするものである。 The invention according to claim 5 is an exhaust gas purifying apparatus comprising a coat layer having carrier particles disposed on an exhaust gas passage of an internal combustion engine and carrying a noble metal on a base material layer, the exhaust gas flowing direction The noble metal is supported on the surface of the coat layer only on the surface of the coat layer in the peripheral portion with respect to the surface orthogonal to the surface, and the noble metal is uniformly supported on the entire coat layer on the portion other than the periphery. The exhaust gas purifying apparatus characterized by the above is intended to solve the above-mentioned problem.
また、請求項5に記載の発明において、担体粒子に貴金属がコート層の表層部のみに担持される周辺部の厚さは10mm未満であることが好ましい。 In the invention according to claim 5, the thickness of the peripheral portion where the noble metal is supported only on the surface layer portion of the coat layer on the carrier particles is preferably less than 10 mm.
また、請求項5に記載の発明において、周辺部においては担体粒子により基材層上コート層を形成してから表面層に貴金属を担持させ、周辺部以外の部位においては、予め貴金属を担持した担体粒子を基材層上にコーティングして、コート層を形成することが好ましい。 Further, in the invention according to claim 5, the noble metal is supported on the surface layer after forming the base layer upper coat layer with the carrier particles in the peripheral portion, and the noble metal is previously supported in the portion other than the peripheral portion. It is preferable to coat the carrier particles on the base material layer to form a coating layer.
請求項6に記載の発明は、内燃機関の排気ガス通路に配設され、基材層上に貴金属を予め担持させた担体粒子をコーティングしてコート層形成した排気ガス浄化装置であって、排気ガスの流れ方向に直交する面に関して、周辺部の担体粒子の平均粒径は中心部の担体粒子の平均粒径よりも小さいことを特徴とする排気ガス浄化装置により前記課題を解決しようとするものである。 The invention according to claim 6 is an exhaust gas purifying apparatus which is disposed in an exhaust gas passage of an internal combustion engine and has a coating layer formed by coating carrier particles on which a noble metal is previously supported on a base material layer. The exhaust gas purifying apparatus is characterized in that the average particle diameter of the carrier particles in the peripheral part is smaller than the average particle diameter of the carrier particles in the central part with respect to the plane orthogonal to the gas flow direction. It is.
請求項6に記載の発明において、担体粒子の粒径が小さい周辺部の厚さは10mm未満であることが好ましい。 In the invention described in claim 6, it is preferable that the thickness of the peripheral portion where the particle size of the carrier particles is small is less than 10 mm.
請求項1に記載の発明によれば、コート層表面の貴金属担持密度(表面密度)が、上流側が下流側より高くする事が容易となるので、低温からの触媒活性が向上する。また、下流側触媒の容積が上流側触媒の容積より大きいので、下流側触媒において十分な酸素吸蔵能力(以下において「OSC」という。)を確保して、空燃比(以下において「A/F比」という。)が変動しても良好な浄化率を保つことができる。 According to the first aspect of the present invention, the noble metal loading density (surface density) on the surface of the coat layer can be easily increased on the upstream side than on the downstream side, and thus the catalytic activity from a low temperature is improved. Further, since the volume of the downstream catalyst is larger than the volume of the upstream catalyst, a sufficient oxygen storage capacity (hereinafter referred to as “OSC”) is secured in the downstream catalyst, and the air-fuel ratio (hereinafter referred to as “A / F ratio”). "), Even if it fluctuates, a good purification rate can be maintained.
請求項2に記載の発明によれば、貴金属の担持密度は上流側も下流側も同じであるので、貴金属使用量を抑制することができる。 According to the invention described in claim 2, since the carrying density of the noble metal is the same on both the upstream side and the downstream side, the amount of noble metal used can be suppressed.
請求項3に記載の発明によれば、コート層の深さ方向内部まで均一な貴金属担持密度を得ることができる。 According to the third aspect of the present invention, a uniform noble metal carrying density can be obtained up to the inside in the depth direction of the coat layer.
請求項4に記載の発明によれば、上流側の貴金属の表面密度をより高めることができる。このため表面活性はより向上される。また貴金属の表面密度を高めると一般には熱によるシンタリングが起きやすくなるが、上流側の体積当たり担持密度を小さくしているので、シンタリングが防止される。しかして、貴金属の使用量を抑制しつつ低温活性を向上することが可能となる。 According to the invention described in claim 4, the surface density of the upstream noble metal can be further increased. For this reason, the surface activity is further improved. Further, if the surface density of the noble metal is increased, generally sintering due to heat tends to occur. However, since the carrying density per volume on the upstream side is reduced, sintering is prevented. Thus, it is possible to improve the low temperature activity while suppressing the amount of noble metal used.
請求項5に記載の発明によれば、触媒周辺部の表面担持密度が中心部より高くなるので、低温からの触媒活性が向上し、触媒浄化率が高められる。また、温度が低くなる周辺部に限定して表面担持密度を高くできるので、熱による貴金属のシンタリングを抑制して触媒の劣化を防止することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the surface support density in the periphery of the catalyst is higher than that in the center, so that the catalytic activity from a low temperature is improved and the catalyst purification rate is increased. In addition, since the surface support density can be increased only in the peripheral portion where the temperature is lowered, the sintering of the noble metal due to heat can be suppressed to prevent deterioration of the catalyst.
さらに請求項5に記載の発明において、
(1)触媒周辺部と中心部の貴金属担持密度を同程度とする。
(2)触媒周辺部の貴金属担持密度を中心部より小さくするとともに、コート層表層部の貴金属担持密度は、周辺部を中心部より大とする。
(3)触媒周辺部の貴金属担持密度を中心部より大きくする。
の3態様のいずれもとることが可能である。いずれの態様にても、所定の浄化能を維持しつつ、貴金属使用量を抑制することができる。
Furthermore, in the invention according to claim 5,
(1) The noble metal support density in the catalyst peripheral part and the central part is set to the same level.
(2) The noble metal support density in the catalyst peripheral portion is made smaller than that in the central portion, and the noble metal support density in the coat layer surface layer portion is made larger in the peripheral portion than in the central portion.
(3) The noble metal supporting density in the periphery of the catalyst is made larger than that in the center.
It is possible to take any of the three aspects. In any aspect, it is possible to suppress the amount of noble metal used while maintaining a predetermined purification capacity.
請求項6に記載の発明によれば、触媒周辺部の表面担持密度が中心部より高くする事が容易となるので、低温からの触媒活性が向上し、触媒浄化率が高められる。また、中心部から周辺部へと全体にわたってコート層に貴金属が均一に分散されているので、OSCを高めることができ、リン等の触媒被毒に強いという利点がある。 According to the sixth aspect of the present invention, it is easy to make the surface support density at the periphery of the catalyst higher than that at the center, so that the catalytic activity from low temperature is improved and the catalyst purification rate is increased. In addition, since the precious metal is uniformly dispersed in the coat layer from the central portion to the peripheral portion, there is an advantage that OSC can be increased and it is resistant to catalyst poisoning such as phosphorus.
以下に図面を参照しつつ本発明の排気ガス浄化装置について、その最良の実施形態をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the best embodiment of the exhaust gas purifying apparatus of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
図1は、一般的なガソリンエンジンに本発明の排気ガス浄化装置を用いた場合の概略を示すシステム図である。通常本システム100は車両に搭載されているものである。図1ではエンジン10の左方に混合気供給部20、右方に排気系が表されている。混合気供給部20において、所定のA/F比に混合された燃料及び空気はエンジン10に供給されて燃焼される。エンジン10の各シリンダーにおいて燃焼して生成された排気ガスは、エキゾーストマニホールド11を介し排気管15にまとめられて、排気ガス浄化装置30へと導かれている。排気ガス浄化装置30にて有害物質が浄化処理された排気は排出管16から大気中に放出される。
FIG. 1 is a system diagram showing an outline when the exhaust gas purifying apparatus of the present invention is used in a general gasoline engine. Usually, the
混合気供給部20にはスロットル弁21が設けられ、その上流側にはエアフローメーター22が、スロットル弁21の近傍にはスロットルセンサ23が設けられている。これらメーター22、センサ23からの出力信号は、原動機電子制御装置(以下において「ECU」という。)40に送られる。
The air-fuel
排気ガス浄化装置30の前後には、A/Fセンサ24、O2センサ25がそれぞれ設けられ、浄化装置30に導入される排気ガスの空燃比、浄化装置30により浄化された排気の酸素濃度を検知している。
これらA/Fセンサ24、及びO2センサ25による検知信号も、ECU40に送られている。
An A /
Detection signals from the A /
ECU40は、これらエアフローメーター22、スロットルセンサ23、A/Fセンサ24、及びO2センサ25による検知信号を受けて、さらに必要により他のセンサからの信号を加えて、最適な制御条件を演算してエンジン10の制御を司っている。
The
図2は、第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置31、及び第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置32の構成を概略的に示す図である。なお、図2においては両実施形態の排気ガス浄化装置等を便宜上、参照符号30等により表している。図2において、図面左方が排気管15、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管16、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の排気ガス浄化装置30は、上流側から下流側へと貫通する多数のセルc1、c2、c3、…を備えている。一方、排気ガス浄化装置30は、上流側は上流側触媒30A、下流側は下流側触媒30Bとされており、両者は異なる触媒構成を有するとともに、一体に形成されている。いま、上流側触媒30Aの各セルにおける担体の平均粒径をQfとする。一方、下流側触媒30Bの各セルにおける担体の平均粒径をQrとする。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the exhaust
第一実施形態の排気ガス浄化装置31、及び第二実施形態の排気ガス浄化装置32においては、これらQf、及びQrとの間には、
Qf<Qr
なる関係が成立する。
In the exhaust
Qf <Qr
This relationship is established.
触媒の浄化率Sは、反応速度Rとガス濃度Cとの積
R×C
によりおよそ決まる。ここに活性点数をN、活性化エネルギーをE、触媒温度をTとするとき、
S=R×C=C・N・exp(−E/T)
である。すなわち同じ温度であれば、
(1)活性点数Nを多くする。
(2)活性点近傍のガス濃度を高める。
(3)反応により発生する熱を活性点の近傍に集中する。
等の手段をとれば、触媒の温度を早く上昇させることができるので、さらに浄化率が高められるという相乗効果が期待できる。
The purification rate S of the catalyst is the product of the reaction rate R and the gas concentration C R × C
Is roughly determined by Here, when the number of active points is N, the activation energy is E, and the catalyst temperature is T,
S = R × C = C · N · exp (−E / T)
It is. That is, at the same temperature,
(1) Increase the number N of active points.
(2) Increase the gas concentration near the active point.
(3) The heat generated by the reaction is concentrated near the active point.
If measures such as these are taken, the temperature of the catalyst can be raised quickly, so that a synergistic effect of further increasing the purification rate can be expected.
以下に説明する、第一実施形態の排気ガス浄化装置31、及び第二実施形態の排気ガス浄化装置32においては、上流側の担体の平均粒径を小さくしているため、上記(1)〜(3)の条件を同時に満たすことが可能である。粒径を小さくすることにより、活性点とガス通路間のガス拡散距離を短くして、ガス濃度を濃くすることができる。そして、ガス濃度が高い部分の活性点密度を高くできる。したがって低い温度でも触媒反応量を多くとることができる。また、活性点のある触媒反応が起こる領域の容積を小さくすることができるので、活性点の近傍の温度上昇を早めることが可能となる。かくして暖機中の触媒浄化率を高くすることができる。
In the exhaust
さらに、第一実施形態の排気ガス浄化装置31、及び第二実施形態の排気ガス浄化装置32において、上流側触媒30Aの容積をVf、下流側触媒30Bの容積をVrとすると、
Vf<Vr
なる関係が成立する。すなわち下流側触媒30Bの容積Vrは、上流側触媒30Aの容積Vfより大である。
Furthermore, in the exhaust
Vf <Vr
This relationship is established. That is, the volume Vr of the downstream catalyst 30B is larger than the volume Vf of the
担体の平均粒径を上記のように小さくした場合、OSCを有するセリア等をコート材に十分に担持することができなくなる。このため、触媒暖機後においても、排気ガスのA/F比の変動が大きい場合、十分な浄化が行われないことがある。これを改善するため、第一実施形態の排気ガス浄化装置31、及び第二実施形態の排気ガス浄化装置32では、触媒の上流側の容積を半分以下にしている。このようにすることで、下流側触媒にて十分なOSCを確保することができ、A/F比が変動しても、良好な浄化率を保持することができる。
When the average particle size of the carrier is reduced as described above, ceria having OSC and the like cannot be sufficiently supported on the coating material. For this reason, even after the catalyst is warmed up, if the variation in the A / F ratio of the exhaust gas is large, sufficient purification may not be performed. In order to improve this, in the exhaust
図3は、第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置31の(A)は上流側触媒31Aの基材層51上にコート形成されたコート層52の、(B)は下流側触媒31Bの基材層61上にコート形成されたコート層62の、厚さ方向断面を模式的に示す図である。それぞれの図において、排気ガス通路はコート層52、62の上方に図面左側から右方向へと向かっている。
3A shows an exhaust
図3(A)に示される上流側触媒31Aでは、基材層51上に、平均粒径の小さな担体A1、及び貴金属からなるコート層52が形成されている。担体A1には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体A1が基材層51上にコーティングされてコート層52が形成されている。したがってコート層52の表層部53から内部の基材層51に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。
In the
図3(B)に示される下流側触媒31Bでは、基材層61上に、平均粒径の大きな担体B1、及び貴金属からなるコート層62が形成されている。下流側触媒31Bにおいても、担体B1には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体B1が基材層61上にコーティングされてコート層62が形成されている。したがって下流側触媒31Bにおいても、コート層62の表層部63から内部の基材層61に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。
In the
図4は、第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置31の触媒の製造工程を模式的に示す図である。平均粒径小である担体粉末A1に貴金属を含浸担持させて上流側基材層51にコーティングする。一方、平均粒径大である担体粉末B1に貴金属を含浸担持させ、下流側基材層61にコーティングする。かかる基材を焼成することにより、第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置31の触媒を得ることができる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a catalyst manufacturing process of the exhaust
上記のように構成された第一実施形態にかかる排気ガス浄化装置31は、容積の小さな上流側触媒31Aに平均粒径の小さな担体に均一に貴金属が分散され、容積の大きな下流側触媒31Bに平均粒径の大きな担体に均一に貴金属が分散されている。したがって、コート層表面の貴金属担持密度(表面密度)を、上流側を下流側より高くできるので、低温からの触媒活性が向上する。また、下流側触媒の容積が上流側触媒の容積より大きいので、下流側触媒において十分なOSCを確保して、A/F比が変動しても良好な浄化率を保つことができる。また、貴金属の担持密度を、上流側と下流側とを同じにすることによって、貴金属使用量を抑制することができる。また、担体に予め貴金属が含浸担持されたものを基材層上にコーティングするので、コート層内部まで均一な貴金属担持密度を得ることができる。
In the exhaust
図5は第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置32の(A)は上流側触媒32Aの基材層71上にコート形成されたコート層72の、(B)は下流側触媒32Bの基材層81上にコート形成されたコート層82の厚さ方向断面を模式的に示す図である。それぞれの図において、排気ガス通路はコート層72、82の上方に図面左側から右方向へと向かっている。
5A shows the exhaust gas purifying device 32 according to the second embodiment. FIG. 5A shows the
図5(A)に示される上流側触媒32Aでは、基材層71上に、平均粒径の小さな担体A2、及び貴金属からなるコート層72が形成されている。担体A2は、基材層71上にコートされ、かかるコート層が形成されてから貴金属が含浸担持されてコート層72が形成されている。したがってコート層72の表層部73は、内部の基材層71に近接する部位に比較して、貴金属の分散密度が高められている。
In the upstream catalyst 32 </ b> A shown in FIG. 5A, a carrier A <b> 2 having a small average particle diameter and a
図5(B)に示される下流側触媒32Bでは、基材層81上に、平均粒径の大きな担体B2、及び貴金属からなるコート層82が形成されている。下流側触媒32Bにおいては、担体B2には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体B2が基材層81上にコーティングされてコート層82が形成されている。したがって下流側触媒32Bにおいては、コート層82の表層部83から内部の基材層81に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。本実施形態にかかる排気ガス浄化装置32においては、上流側触媒32Aの体積あたりの貴金属量は下流側触媒32Bの体積あたりの貴金属量より小さく設定されている。
In the downstream catalyst 32 </ b> B shown in FIG. 5B, a carrier B <b> 2 having a large average particle diameter and a
図6は、第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置32の触媒の製造工程を模式的に示す図である。平均粒径小である担体粉末A2は貴金属を含浸担持させずに上流側基材層71にコーティングする。一方、平均粒径大である担体粉末B2に貴金属を含浸担持させ、下流側基材層81にコーティングする。かかる基材の下流側のすでに貴金属を担持させた部位をマスクした後、貴金属を含浸担持させる。これにより、上流側のコート層72の表層部73のみに貴金属が担持される。このように処理を行った基材を焼成することにより、第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置32の触媒を得ることができる。
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a catalyst manufacturing process of the exhaust gas purification device 32 according to the second embodiment. The carrier powder A2 having a small average particle diameter is coated on the upstream
上記のように構成された第二実施形態にかかる排気ガス浄化装置32は、容積の小さな上流側触媒31Aに平均粒径の小さな担体がコートされ、かつこのコート層の表層側に貴金属が高密度に分散され、容積の大きな下流側触媒31Bに平均粒径の大きな担体に均一に貴金属が分散されている。したがって、コート層表面の貴金属担持密度(表面密度)が、上流側が下流側より高くなるので、低温からの触媒活性が向上する。また、下流側触媒の容積が上流側触媒の容積より大きいので、下流側触媒において十分なOSCを確保して、A/F比が変動しても良好な浄化率を保つことができる。さらに上流側の貴金属の表面密度を高められているので、表面活性はより向上される。また貴金属の表面密度を高めると一般には熱によるシンタリングが起きやすくなるが、上流側の体積当たり担持密度を小さくすることにより、シンタリングが防止される。しかして、貴金属の使用量を抑制しつつ低温活性を向上することが可能となる。
In the exhaust gas purifying device 32 according to the second embodiment configured as described above, the
本実施形態においては、貴金属の担持密度が一定という条件の中で、表層の貴金属担持密度をもっとも高くすることができる。したがって、低温活性が高くなり、床下に排気ガス浄化装置を搭載しても良好な浄化率を保つことが可能となる。一方、床下に排気ガス浄化装置を配置した場合、高負荷運転時においても冷却されたガスが入るため、触媒が高温にさらされる機会が少なくなる。もって、車両の耐用年数の期間にわたって良好な浄化率を保つことが可能になる。 In the present embodiment, the noble metal support density on the surface layer can be maximized under the condition that the support density of the noble metal is constant. Therefore, the low temperature activity becomes high, and a good purification rate can be maintained even if an exhaust gas purification device is mounted under the floor. On the other hand, when the exhaust gas purifying device is disposed under the floor, the cooled gas enters even during a high load operation, so that the chance of the catalyst being exposed to high temperature is reduced. Therefore, it is possible to maintain a good purification rate over the life of the vehicle.
図7は、第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置33、及び第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置34の構成を概略的に示す図である。なお、図7においては両実施形態の排気ガス浄化装置等を便宜上、参照符号300等により表している。図7において、図面左方が排気管15、すなわち排気ガス流れ方向上流側、図面右方が排出管16、すなわち排気ガス流れ方向の下流側である。図示の排気ガス浄化装置300は、上流側から下流側へと貫通する多数のセルc1、c2、c3、…を備えている。一方、排気ガス浄化装置300は、排気ガスの流れ方向に直交する面方向に関し、中心部は中心部触媒300A、周辺部は周辺部触媒300Bとされており、両者は異なる触媒構成を有するとともに、一体に形成されている。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the configuration of the exhaust
図8は第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置33の(A)は中心部触媒33Aの基材層151上にコート形成されたコート層152の、(B)は周辺部触媒33Bの基材層161上にコート形成されたコート層162の厚さ方向断面を模式的に示す図である。それぞれの図において、排気ガス通路はコート層152、162の上方に図面左側から右方向へと向かっている。
8A shows the exhaust
図8(A)に示される中心部触媒33Aでは、基材層151上に、所定の平均粒径を有する担体A3、及び貴金属からなるコート層152が形成されている。担体A3には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体A3が基材層151上にコーティングされてコート層152が形成されている。したがってコート層152の表層部153から内部の基材層151に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。
In the
図8(B)に示される周辺部触媒33Bでは、基材層161上に、中心部触媒33Aと同程度の平均粒径を有する担体B3、及び貴金属からなるコート層162が形成されている。周辺部触媒33Bにおいては、担体B3は、基材層161上にコートされ、かかるコート層が形成されてから貴金属が含浸担持されてコート層162が形成されている。したがってコート層162の表層部163は、内部の基材層161に近接する部位に比較して、貴金属の分散密度が高められている。
In the
図9は、第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置33の触媒の製造工程を模式的に示す図である。担体粉末A3に貴金属を含浸担持させて中心部の基材層151にコーティングする。一方、担体粉末B3は貴金属を含浸担持させずに周辺部の基材層161にコーティングする。かかる基材の中心部のすでに貴金属を担持させた部位をマスクした後、貴金属を含浸担持させる。これにより、周辺部のコート層162の表層部163のみに貴金属が担持される。このように処理を行った基材を焼成することにより、第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置33の触媒を得ることができる。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a catalyst manufacturing process of the exhaust
上記のように構成された第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置33は、ガスの流れに直交する面の中央部では担体に貴金属が均一に分散配置されており、周辺部においては担体コート層の表層部の貴金属密度が高く形成されている。したがって、触媒周辺部の表面担持密度が中心部より高くなるので、低温からの触媒活性が向上し、触媒浄化率が高められる。また、温度が低くなる周辺部に限定して表面担持密度を高くできるので、熱による貴金属のシンタリングを抑制して触媒の劣化を防止することができる。
In the exhaust
周辺部触媒は、貴金属をコート層の表面部に担持することで、中心部のように立体的に担持した場合に比べ表面の貴金属量が多くなる。このため触媒の活性点の数Nが多くなる。また、表面のガス濃度は、ガス通路からの拡散距離に反比例するので、ガス濃度Cも濃くなる。 In the peripheral catalyst, the amount of the noble metal on the surface is increased by supporting the noble metal on the surface portion of the coat layer as compared with the case where the noble metal is supported three-dimensionally like the central portion. For this reason, the number N of active points of the catalyst increases. Further, since the gas concentration on the surface is inversely proportional to the diffusion distance from the gas passage, the gas concentration C also increases.
前記のように、触媒の浄化率Sは、反応速度Rとガス濃度Cとの積
R×C
によりおよそ決まる。ここに活性点数をN、活性化エネルギーをE、触媒温度をTとするとき、
S=R×C=C・N・exp(−E/T)
である。すなわち同じ温度であれば、活性点数Nとガス濃度Cの高い、本実施形態にかかる排気ガス浄化装置33の浄化率が高くなる。さらに、反応が起きると反応熱が表層に集中して発生するため、触媒の温度が速く上昇し、さらに浄化率の向上を図ることができる。
As described above, the purification rate S of the catalyst is the product of the reaction rate R and the gas concentration C R × C
Is roughly determined by Here, when the number of active points is N, the activation energy is E, and the catalyst temperature is T,
S = R × C = C · N · exp (−E / T)
It is. That is, at the same temperature, the purification rate of the exhaust
図10は、第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置34の(A)は中心部触媒34Aの基材層171上にコート形成されたコート層172の、(B)は周辺部触媒34Bの基材層181上にコート形成されたコート層182の厚さ方向断面を模式的に示す図である。それぞれの図において、排気ガス通路はコート層172、182の上方に図面左側から右方向へと向かっている。
10A shows an exhaust
図10(A)に示される中心部触媒34Aでは、基材層171上に、平均粒径の大きな担体A4、及び貴金属からなるコート層172が形成されている。担体A4には予め貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体A4が基材層171上にコーティングされてコート層172が形成されている。したがってコート層172の表層部173から内部の基材層171に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。
In the
図10(B)に示される周辺部触媒34Bでは、基材層181上に、平均粒径の小さな担体B4、及び貴金属からなるコート層182が形成されている。周辺部触媒34Bにおいては、担体B4には予め、貴金属が含浸担持されており、その貴金属を担持した担体B4が基材層181上にコーティングされてコート層182が形成されている。したがってコート層182の表層部183から内部の基材層181に近接する部位に至るまで、深さ方向に貴金属が均一に分散されている。
In the peripheral catalyst 34B shown in FIG. 10B, a carrier B4 having a small average particle diameter and a
図11は、第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置34の触媒の製造工程を模式的に示す図である。平均粒径大である担体粉末A4に貴金属を含浸担持させて中心部基材層171にコーティングする。一方、平均粒径小である担体粉末B4に貴金属を含浸担持させ、周辺部基材層181にコーティングする。かかる基材を焼成することにより、第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置34の触媒を得ることができる。
FIG. 11 is a view schematically showing a catalyst manufacturing process of the exhaust
上記のように構成された第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置34は、ガスの流れに直交する面の中央部では平均粒径の大きな担体に貴金属が均一に分散配置されており、周辺部においては平均粒径の小さな担体に貴金属が均一に分散配置されている。したがって、中心部から周辺部へと全体にわたってコート層に貴金属が均一に分散されているので、OSCを高めることができ、リン等の触媒被毒に強いという利点がある。また周辺部のセル開口面積を大きくできるので、圧力損失を低減することができる。
In the exhaust
第三実施形態にかかる排気ガス浄化装置33において貴金属がコート層の表面部のみに担持されている周辺部の厚さ、及び第四実施形態にかかる排気ガス浄化装置34において、担体粒子の粒径が小さい周辺部の厚さは10mm未満であることが好ましい。表面の貴金属密度(面密度)を上げると、貴金属のシンタリングが増加することが知られている。図1に示すとおり、排気ガス浄化装置30の周辺部の温度は低くなる。放熱があるためと、エンジン10側から流入する排気ガスの温度は、周辺部が低いためである。このため、シンタリングが抑制され、触媒の劣化が抑止される。この温度の低い部分の厚さが10mm程度であるため、担体粒子の粒径が小さい周辺部の厚さは10mm未満であることが好ましいのである。
In the exhaust
本発明の排気ガス浄化装置において、貴金属の種類は特に限定されるものではないが、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、及びパラジウム(Pd)のうちのいずれか、又はこれらを組み合わせて使用することができる。これらの中でも、Pt、及び/又はRhを好ましく使用することができる。 In the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the kind of noble metal is not particularly limited, but any one of platinum (Pt), rhodium (Rh), and palladium (Pd), or a combination thereof is used. be able to. Among these, Pt and / or Rh can be preferably used.
また、本発明の排気ガス浄化装置において、担体の種類は特に限定されるものではないが、多孔質で表面積の大きな材料、例えばセリア/アルミナ、あるいはジルコニア等を好適に使用することができる。
本発明において、下流側触媒31B、32B、及び中心部触媒34Aの担体粒子径はそれぞれ上流側触媒31A、32A、及び周辺部触媒34Bの担体粒子径の2倍以上であることが好ましい。かかる粒子径比を取ることにより、本発明の排気ガス浄化装置31、32、34の浄化能をより高めることができる。
In the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the type of the carrier is not particularly limited, but a porous material having a large surface area such as ceria / alumina or zirconia can be preferably used.
In the present invention, the carrier particle diameters of the downstream catalysts 31B and 32B and the
c1、c2、c3、… セル
10 エンジン
11 エキゾーストマニホールド
15 排気管
16 排出管
20 混合気供給部
21 スロットル弁
22 エアフローメーター
23 スロットルセンサ
24 A/Fセンサ
25 O2センサ
30、31、32、33、34、300 排気ガス浄化装置
30A、31A、32A 上流側触媒
30B、31B、32B 下流側触媒
300A、33A、34A 中心部触媒
300B、33B、34B 周辺部触媒
40 ECU
51、61、71、81、151、161、171、181 基材層
52、62、72、82、152、162、172、182 コート層
53、63、73、83、153、163、173、183 表層部
c1, c2, c3,...
51, 61, 71, 81, 151, 161, 171, 181
Claims (6)
前記上流側触媒の容積は、前記下流側触媒の容積より小さく、
前記上流側触媒の担体粒子の平均粒径は、下流側触媒の担体粒子の平均粒径より小さいことを特徴とする排気ガス浄化装置。 A coating which is disposed in an exhaust gas passage of an internal combustion engine, and includes an upstream catalyst and a downstream catalyst along the flow direction of the exhaust gas, and each catalyst has carrier particles carrying a noble metal on a base material layer. An exhaust gas purification device comprising a layer,
The volume of the upstream catalyst is smaller than the volume of the downstream catalyst,
The exhaust gas purifying apparatus according to claim 1, wherein an average particle diameter of the carrier particles of the upstream catalyst is smaller than an average particle diameter of the carrier particles of the downstream catalyst.
前記上流側触媒の体積あたりの前記貴金属量は、下流側触媒の体積あたりの前記貴金属量より小さくしたことをしたことを特徴とする請求項1に記載の排気ガス浄化装置。 The upstream catalyst is formed by coating the carrier particles on the base material layer to form the coat layer and then supporting the noble metal on the coat layer, and the downstream catalyst includes the noble metal. Is previously supported on carrier particles, and the carrier particles are coated on the base material layer to form the coat layer,
The exhaust gas purification device according to claim 1, wherein the amount of the noble metal per volume of the upstream catalyst is smaller than the amount of the noble metal per volume of the downstream catalyst.
前記排気ガスの流れ方向に直交する面に関して、周辺部においては前記担体粒子に貴金属が前記コート層の表層部のみに担持されるとともに、前記周辺部以外の部位においては前記担体粒子に貴金属が前記コート層の全体に均一に担持されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。 An exhaust gas purification apparatus comprising a coating layer disposed in an exhaust gas passage of an internal combustion engine and having carrier particles carrying a noble metal on a base material layer,
With respect to the plane perpendicular to the flow direction of the exhaust gas, the noble metal is supported only on the surface layer of the coat layer in the periphery in the periphery, and the noble metal is in the support particle in a portion other than the periphery. An exhaust gas purifying apparatus, wherein the exhaust gas purifying apparatus is uniformly supported on the entire coating layer.
前記排気ガスの流れ方向に直交する面に関して、周辺部の前記担体粒子の平均粒径は、中心部の前記担体粒子の平均粒径よりも小さいことを特徴とする排気ガス浄化装置。 An exhaust gas purifying device that is disposed in an exhaust gas passage of an internal combustion engine and has a coating layer formed by coating carrier particles on which a noble metal is previously supported on a base material layer,
The exhaust gas purifying apparatus according to claim 1, wherein the average particle diameter of the carrier particles in the peripheral part is smaller than the average particle diameter of the carrier particles in the central part with respect to a plane orthogonal to the flow direction of the exhaust gas.
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- 2005-02-22 JP JP2005045504A patent/JP2006231108A/en active Pending
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