JP2006291812A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隙間部での排気ガスのミキシング向上、コールド始動時の触媒昇温性向上、前段触媒層のガス拡散性向上を図れる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】
エンジン内燃機関の排気路１１に設けられるケーシング１８の排気ガス入口側より出口側に向けて複数の担体２１、２２を互いに隙間部２０を介して配設し、各担体２１、２２には排気ガスが流動する多数の貫通孔２３１、２３２と各貫通孔を区画する担体壁２４１、２４２を有し、これら担体壁には排気ガス浄化のための触媒（コート層ｆｃ、ｒｃ）が担持された排気ガス浄化装置において、ケーシング１８の排気ガス入口側の担体２１に担持される前触媒のコート層厚ｔｃより排気ガス出口側の担体２２に担持される後触媒のコート層厚ｔｃが大きく設定されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気路に配備され、内燃機関が排出する排気ガス中の燃焼生成物質を酸化あるいは還元して浄化するための触媒を備えた排気ガス浄化装置に関するものである。

環境保全のため車両に搭載される内燃機関の排気ガス浄化規制がより強化されてきており、これに伴ない、内燃機関の排気路に装着される触媒の浄化効率をより高めることが要求されてきている。従来、内燃機関の排気路上に配備される代表的な触媒システムとしては、シングル触媒システム（単一担体）とタンデム触媒システム（２担体）がある。タンデム触媒システムの場合、前段触媒と後段触媒との間に隙間部が確保され、ここに達した排気ガスが排気路方向と直交する方向に拡散して混合してから後段触媒に流動するという特性を備えるため、触媒反応が偏らずに生じることとなる。このため、一般にタンデム触媒はシングル触媒よりも優れており、これは隙間部で発生するガスのミキシングが性能向上の一因と考えられている。

しかしながら、前段触媒に比べ後段触媒の流路抵抗が小さい場合には、前段から後段へとガスがスムーズに流れてしまうため隙間部でのミキシング効果が少なく、触媒のタンデム化を行っても性能向上代が小さいことが考えられる。
そこで、特開平９−１９５７５７号公報（特許文献１）に開示される触媒コンバータでは、そのケーシング内に排気ガス流動方向に沿って互いに隙間部を介して３段に触媒担体を配設し、各担体の前段側に対して、後段側を高セル密度として排気ガスを攪拌して触媒の接触確率を増やし、排気ガス浄化性能を高めるという方法を採っている。しかしながら、この場合、前後段トータルでの排気ガス浄化性能に影響の大きい前段に低セル密度担体を使用することになり、システム全体としての排気ガス浄化性能が低下してしまうことになる。

更に、特開平１１―３３６５３５号公報（特許文献２）においては、円断面担体に担持された触媒全体を利用するために、前段と後段の隔壁の相対的な位置関係をずらす変位手段を有するものが開示されている。しかし、触媒の担体、特に、円断面担体においては、元来キャニング時に円周方向の位置決めが困難であり、最初の時点で前段と後段の相対的な位置関係を任意に規定できないという問題がある。

特開平９−１９５７５７号公報 特開平１１―３３６５３５号公報

上述のように、従来装置や特許文献１、２等の触媒装置では、前段触媒と後段触媒を有するタンデム触媒システムを採用し、前段触媒と後段触媒との間の隙間部での排気ガスの攪拌特性を用い排気浄化効率を改善している。
ところで、触媒性能を向上するために担体に担持される触媒が２層以上の多コート層を備えるものが近年多くなっている。この種のものでは、複数の層にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈの各貴金属成分を分けることにより合金化を防ぐとともに、貴金属と添加剤を各層に最適に配置することにより、触媒性能向上をはかることができる。しかしながら、結果として、ウォッシュコートは厚くなり、熱容量が増加する。特に、前段にウォッシュコート容量が大きい触媒を用いた場合には、触媒の昇温が遅くなり、触媒活性が遅れ、コールド排気ガス性能の悪化を招く。このため、コールド始動時の触媒早期活性の観点から見た場合、触媒のウォッシュコートの熱容量も考慮する必要がある。

さらに、多層化によりウォッシュコートが厚くなると、ガスのウォッシュコート内への拡散性が悪化し、排気ガスは下層へは達しにくくなる。その結果、触媒の主要部の貴金属は有効に使われないこととなり、高価な貴金属が無駄となる。特にコールド始動時のＨＣ低減のために一般的に貴金属が多く担持される前段触媒においては、無駄となる貴金属も多くなる。

本発明は、上述のような問題点に着目してなされたもので、隙間部での排気ガスのミキシング向上、コールド始動時の触媒昇温性向上、前段触媒層のガス拡散性向上を図れる排気ガス浄化装置を提供するものである。

上述の目的を達成するために、請求項１の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気路に設けられるケーシングの排気ガス入口側より出口側に向けて複数の担体を互いに隙間部を介して配設し、各担体には排気ガスが流動する多数の貫通孔と各貫通孔を区画する担体壁を有し、上記担体壁には排気ガス浄化のための触媒が担持された排気ガス浄化装置において、上記ケーシングの排気ガス入口側の担体に担持される前触媒のコート層厚ｔｃより排気ガス出口側の担体に担持される後触媒のコート層厚ｔｃが大きく、かつ触媒が担持された上記排気ガス入口側担体の開口面積より触媒が担持された上記排気ガス出口側担体の開口面積が小さく設定されたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の排気ガス浄化装置において、上記排気ガス出口側担体より排気ガス入口側担体の排気ガス流路方向厚さが小さく設定されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１あるいは２記載の排気ガス浄化装置において、上記排気ガス入口側担体に担持される前触媒のコート層数より上記排気ガス出口側担体の後触媒に担持される後触媒のコート層数が多く設定されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１記載の排気ガス浄化装置において、触媒が担持された上記排気ガス入口側担体に比べ触媒が担持された上記排気ガス出口側担体の開口面積が小さく保持された上で、上記排気ガス出口側担体に比べ排気ガス入口側担体の貫通孔数相当のセル密度が大きく設定されたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、上記排気ガス入口側担体に担持される前触媒がパラジウムあるいはロジウム主体であり、上記排気ガス出口側担体に担持される後触媒が白金あるいはロジウム主体でそれぞれ形成されたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、上記排気ガス入口側担体あるいは出口側担体が担持する触媒層のうち少なくとも一方が上下２層を有する場合には上層がロジウムで下層が白金を主体とする触媒で形成されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、排気ガス入口側の担体に担持される前触媒のコート層厚ｔｃが比較的小さくて開口面積が比較的大きく、排気ガス出口側の担体に担持される後触媒のコート層厚ｔｃが比較大きくて開口面積が比較的小さくなり、後担体の流動抵抗が比較的高まり、対向する担体間の隙間部での排気ガスのミキシングが促進され排気ガス浄化性能が向上し、しかも、前触媒のコート層厚ｔｃが比較的小さくガス拡散性を向上させるため、排気ガス浄化性能への影響が大きい前段のコート層を薄くすることでより排気ガス浄化性能が向上する。

請求項２の発明によれば、前段触媒を担持する排気ガス入口側担体の排気ガス流路方向厚さが小さく、熱容量を小さくでき、コールド始動時の触媒昇温を早めることができる。

請求項３の発明によれば、排気ガス出口側担体に比べ排気ガス入口側担体の前触媒のコート層数は比較的薄壁に形成され、このコート層でのガス拡散性を向上させ、前触媒の排気ガス浄化性能の向上を図れ、しかも、後触媒のコート層数が多いことで耐久性確保に寄与できる。

請求項４の発明によれば、触媒が担持された排気ガス入口側担体に比べ触媒が担持された排気ガス出口側担体の開口面積が小さく形成されるという条件の上で入口側担体のセル密度が大きく形成されるので、排気ガス入口側担体の前段触媒が高比表面積を保持でき、排気ガス性能を向上させることができる。

請求項５の発明のような貴金属を採用した場合も排気ガス浄化機能を確保できる。

請求項６の発明のような貴金属を採用した場合も排気ガス浄化機能を確保でき、特に、上下２層を有するとした場合には、複数貴金属を一層内に混在させた場合のような経時的な複数貴金属相互結合による劣化を排除でき、耐久性向上を図れる。

図１にはこの発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置と、同装置を装備する内燃機関を示した。内燃機関は４サイクル多気筒ガソリンエンジン（以後、単にエンジン１と記す）で、このエンジン１の本体内には上下摺動するピストン２を有したシリンダ３が気筒数（図には１つのみ示す）配備される。このエンジン１は駆動時において、シリンダ３内の燃焼室４がエアークリーナ５、スロットル弁６を介して吸気路７からの吸気を吸入し、エンジン制御装置（ＥＣＵ）１０により所定の燃料噴射時期に電磁式の燃料噴射弁８を駆動して燃料噴射を行い、更に、点火プラグ９を適時に駆動して点火処理を行う。これによりエンジン１は混合気の燃焼による出力発生作動を行い、排気ガスを排気路１１に排出することで４サイクル内燃機関の運転モードでの駆動を行う。

ここでエンジン本体からは各気筒毎に略水平方向に排気ポート１２が形成され、各排気ポート（図１には１つのみ示す）には排気路１１を形成する排気マニホールド１２１と、排気路１１を形成する排気管１３と、排気管１３に取り付けられた排気ガス浄化装置の要部をなす触媒コンバータ１４と、下流側排気管１５と、図示しないマフラーがこの順に連結され、排気を排気路１１に沿って外部に排出可能に形成されている。なお、触媒コンバータ１４は取り付けスペース確保のため車両の床１７の下に配備される。ここで、吸気路７上には吸気温度Ｔｉｎを検出する温度センサ１９が設けられ、更に、排気路１１には空燃比Ａ／Ｆを検出する空燃比センサ１６が設けられている。

図１、２に示すように、触媒コンバータ１４はタンデム触媒システムを成しており、排気管１３及び下流側排気管１５に連続するよう内径を拡大させた形状の筒状のケーシング１８と、ケーシング１８内であって排気ガス入口側（図１で左側）より出口側（図１で右側）に向けて互いに隙間部２０を介して配設される前段担体２１及び後段担体２２とを備える。

ここで後段担体２２の排気ガス流路方向厚さＬｒより前段担体２１の排気ガス流路方向厚さＬｆが小さく形成（後段担体２２より前段担体２１の容量を小さく形成）され、これに担持される前、後触媒２１ａ、２２ａの担持量を考慮しても前段担体２１の熱容量は後段担体２２の熱容量より十分に小さく形成され、これにより前触媒２１ａの早期活性化を図るようにしている。

排気ガス入口側の前段担体２１及び排気ガス出口側の後段担体２２は図２（ａ）〜（ｃ）に示すようにそれぞれハニカム構造を成し、排気ガスが流動する多数の貫通孔２３１、２３２と各貫通孔２３（以後、前後の貫通孔を共通でさす場合に記す）を区画する耐火性無機酸化物からなる担体壁２４１、２４２（以後、前後の担体壁を共通でさす場合に符号２４と記す）を有する。

ここでは、図２（ｂ）に示す前段担体２１と図２（ｃ）に示す後段担体２２とが共に６００ｃｐｓｉ（：１立方インチ当り６００セル）のセル密度で形成される。しかも、前段担体２１及び後段担体２２の担体壁２４１、２４２の厚さｔｗが共に４ｍｉｌ（略：４×２５μｍ）を成してコージェライトで形成される。

更に、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、前段担体２１の担体壁２４１および後段担体２２の担体壁２４２にはそれぞれ、１層の前触媒（前コート層ｆｃを代用して示す）と後触媒（後コート層ｒｃを代用して示す）とが担持され、前触媒より後触媒のウォッシュコート容量が大きく形成される。一例として、前段担体２１及び後段担体２２の触媒種（ウォッシュコート密度）が同じであるとして、前段担体２１の担体壁２４１にウォッシュコート容量１００〜１５０ｇ／Ｌの前触媒が担持され、後段担体２２の担体壁２２１にウォッシュコート容量２００〜２５０ｇ／Ｌの後触媒が担持される。

ここで、前段担体２１は厚さｔｗの担体壁２４１と、比較的薄い前コート層ｆｃの前触媒とにより規制された比較的広い開口面積Ｓｆ（図２（ｂ）参照）を確保する。後段担体２２は厚さｔｗの担体壁２４１と、比較的厚い後コート層ｒｃの後触媒とにより規制された比較的狭い開口面積Ｓｒ（図２（ｃ）参照）を確保する。

ここで、前後の触媒２１ａ，２２ａは三元触媒であり、後触媒２２ａよりも基本的に先に排気ガスからの熱を受け先に昇温するためにコールド時のＨＣ低減を主として担う前コート層ｆｃをなす前触媒２１ａは、貴金属として比較的安価であるとともにコールド時のＨＣ低減に優れたパラジウムＰｄを主体とし、所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。主として温態時のＮＯｘ低減を担う後コート層ｒｃをなす後触媒２２ａは貴金属としてＮＯｘ浄化をはじめとして浄化特性のバランスに優れたＰｔ（プラチナ）を主体とし、所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。このような前後の各三元触媒は理論空燃比およびリッチの雰囲気で排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して浄化する三元機能を有する。

なお、このような貴金属に代えて、ここでの前コート層ｆｃをなす前触媒２１ａの貴金属として貴金属単価は一般に高いものの低温活性に優れたロジウムをパラジウムに加えた（パラジウム＋ロジウム）を採用し、後コート層ｒｃをなす後触媒２２ａの貴金属としてＮＯｘ浄化性能に優れたロジウムを主体とする貴金属（または、プラチナ＋ロジウム）を採用してもよく、この場合も同様の三元触媒機能を発揮できる。

このような構成の排気ガス浄化装置はエンジン駆動時に排気ガス浄化機能を発揮する。まず、エンジン１のＥＣＵ１０は吸気温度Ｔｉｎや空燃比Ａ／Ｆ等のエンジン運転情報に応じて噴射制御機能部（不図示）が燃料噴射ノズル６を駆動し、添加時期制御機能部（不図示）が点火プラグ９の点火時期を制御して点火駆動し、各運転情報に基づきエンジン１を指示された運転モードで駆動する。

このエンジン運転に連動し、図１、図３（ａ）に示すように、排気ガスが排気管１３内の排気路１１を流動し、排気ガスが排気管１３、ケーシング１８へと流動し、ケーシング１８内の前段触媒２１ａの貫通路２３１に流入する。この場合、図３（ａ）に示すように、ケーシング１８の入り口部分で管径が拡大することで径方向の速度分布に相違が生じ、しかもケーシング周縁部より中央部が高温化して触媒の浄化特性がばらつく等の要因により、前段担体２１通過時の排気ガスの浄化効率に偏りが生じる。なお、前段担体２１は後段担体２２より熱容量が十分に小さく、比較的早期に高温化して早期活性化を図れ、浄化効率を向上させることができるよう形成される。

更に、図２（ｂ）に示すように、前段担体２１の開口面積Ｓｆに対して、後段担体２２の開口面積Ｓｒは比較的狭く形成されることで、前段担体２１より後段担体２２へ向かう順方向ｎｆの流れを抑制し、攪拌流ｍｆ（図３（ａ）参照）の発生を促進できる。これにより排気ガスの未反応物質の攪拌（ミキシング）が進み、未反応物質が略均一化されて混入する排気ガスがケーシング径方向において偏りのない順流ｎｆとなって後段担体２２に流れ込み、後段触媒２２ａにおいて浄化反応が均等に促進されることとなる。

すなわち、排気ガスのミキシングは、前段担体２１と後段担体２２の隙間部から後段担体２２に向う排気ガスが、後段担体２２に流入するときに起きる乱れによって発生するが、ここでは、後段担体２２の開口面性Ｓｒが前段担体２１の開口面積Ｓｆより小さく形成されることから、前段担体２１を出た排気ガスは、後段担体２２にスムーズに流入できず担体壁面に衝突するとともに流れが制限される。それによって隙間部で強く乱れが発生し、ミキシングがより活発に行なわれる。このミキシングは、前段触媒出口ガス（後段触媒入口ガス）の濃度と温度をより均一化し、後段触媒の反応促進がもたらされる。

通常、触媒の外郭側は外部からの冷却のため、中心部に比べ温度は低い。浄化性能は温度に強く依存するため触媒の外郭側を通過するガスは、中心部に比べ未浄化成分（ＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯ）の濃度が高い。このため前段触媒と後段触媒の隙間部で前段触媒通過後のガスがミキシングされることで前段触媒の外郭側を通過した高濃度の未浄化成分がそのまま後段触媒の外郭側を通過する確率が低下し、一方で後段触媒の触媒中心部を通過する確率が向上する。触媒中心部は温度が高く浄化効率も高いため、前段触媒の外郭側を通過した高濃度の未浄化成分が、後段触媒の触媒中心で良好に浄化されることとなり、触媒トータルとしての浄化性能が向上する。

このように、図１乃至図３の排気ガス浄化装置によれば、前段担体２１及び後段担体２２のセル密度及び担体壁２４１、２４２の厚さｔｗが同一であって、前段担体２１に担持される前触媒２１ａのコート層厚ｔｃが比較的小さいことより、前段担体２１の開口面積Ｓｆが後段担体２２の開口面積Ｓｒと比較して大きく形成される。

このため、後段担体２２の開口面積Ｓｒが比較的小さいことより、隙間部２０での排気ガスの攪拌流ｍｆの発生を促進でき、排気ガスのミキシングが促進され、後段担体２２での浄化反応がケーシング断面方向での偏りがなく均一になされ、排気ガス浄化性能が向上する。しかも、前触媒２１のコート層ｆｃのコート層厚ｔｃが比較的薄いため、ガス拡散性を向上させることができ、排気ガス浄化性能への影響が大きい前段のコート層ｆｃを薄くすることにより排気ガス浄化性能の向上を図れる。

また、後触媒２２ａについては、コート層ｒｃのコート層厚ｔｃが比較的厚いため貴金属の分散性は良くなる。すなわち単位ウォッシュコート量あたりの貴金属密度が低くなり貴金属粒子間の距離が離れることとなるので熱耐久性後のシンタリング（凝集）が起こりにくく耐久性が確保される。
更に、後段担体２２は長さＬｒが比較的大きく形成され、これにより比較的多量の後コート層ｒｃをなす後触媒が担持されることとなり、排気ガス浄化装置の耐久性を十分に確保できる。

図４（ａ）〜（ｃ）には他の実施形態としての排気ガス浄化装置を示した。この排気ガス浄化装置は図１乃至３に示した排気ガス浄化装置と比較し、ケーシング１８ａ内の前、後段担体２１ａ、２２ａの構成の一部が相違する以外は同一構成を採ることより、ここでは重複説明を略し、同一部材には同一符合を付すと共に記号ａを付記し、説明を簡略化する。
図４（ａ）〜（ｃ）に示す排気ガス浄化装置の触媒コンバータ１４ａのケーシング１８ａには、図１の前段担体２１、後段担体２２、隙間部２０と同一の前段担体２１ａ、後段担体２２ａが隙間部２０ａを介し配設される。

前段担体２１ａには図１の前段担体２１と同様に、１層の前触媒（前コート層ｆｃを代用して示す）が担持され、後段担体２２ａには上下２層の後触媒（後コート層ｒｃ１、ｒｃ２を代用して示す）が担持される。ここで前段担体２１ａ及び後段担体２２ａの触媒種（ウォッシュコート密度）が同じであるとして、前段担体２１ａの担体壁２４１ａにウォッシュコート容量１００ｇ／Ｌの前コート層ｆｃを成す前触媒が担持され、後段担体２２ａの担体壁２２１ａに上下２層の各ウォッシュコート容量１００ｇ／Ｌの後コート層ｒｃ１、ｒｃ２を成す後触媒が担持される。ここは前段担体２１ａより後段担体２２ａの後触媒が２倍の層厚で担持され、排気ガス浄化装置の触媒性能上の耐久性確保を図っている。

ここでも前段担体２１ａの開口面積Ｓｆは後段担体２２ａの開口面積Ｓｒより大きく確保され、これにより、隙間部２０ａでの排気ガスの攪拌流ｍｆ（図３（ａ）参照）の発生を促進でき、排気ガスのミキシングが促進され、後段担体２２での浄化反応がケーシング断面方向での偏りがなく均一になされ、排気ガス浄化性能を向上させることができる。

ここでの前後の触媒２１ａ，２２ａは三元触媒であり、前コート層ｆｃの貴金属はパラジウムＰｄを主体とし、所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。上下２層の後コート層ｒｃ１、ｒｃ２は、最初に排気ガスに接触する上層の後コート層ｒｃ１が、貴金属として貴金属の中で最も浄化性能に優れるロジウムＲｄを主体とし、下層の後コート層ｒｃ２が、貴金属としてプラチナＰｔを主体とし、それぞれ別層で所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。

この場合も、図１の排気ガス浄化装置と同様に、前後の各三元触媒は理論空燃比近傍の雰囲気で排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して浄化する三元機能を発揮し排気ガス浄化がなされ、同様の効果が得られる。特に、後コート層ｒｃ１、ｒｃ２を成す後触媒の貴金属が互いに別層に配されることより、複数貴金属を一層内に混在させた場合のような経時的なロジウムＲｄとプラチナＰｔの相互金属結合による触媒劣化を排除でき、耐久性向上を図れると同時に、貴金属と添加剤を各層に最適に配置することにより触媒性能向上を図ることができる。しかも、一般的に貴金属単価の高いロジウムＲｄ使用量低減による低コスト化を図れる。

図５には他の実施形態としての各排気ガス浄化装置を示した。この排気ガス浄化装置は図１、３に示した排気ガス浄化装置と比較し、ケーシング１８ｂ内の前、後段担体２１ｂ、２２ｂが担持する前後触媒の層数が異なる点以外は同一の構成を採り、ここでは重複説明を略し、同一部材には同一符合を付すと共に記号ｂを付記し、説明を簡略化する。

図５に示す排気ガス浄化装置の触媒コンバータ１４ｂのケーシング１８ｂには、図１の触媒コンバータ１４と同様に、前段担体２１ｂ、後段担体２２ｂ、隙間部２０ｂが配備される。
前段担体２１ｂの担体壁２４１ｂには上下２層の前触媒（前コート層ｆｃ１、ｆｃ２を代用して示す）が担持される。後段担体２２ｂの担体壁２４２ｂには上中下の３層の後触媒（後コート層ｒｃ１、ｒｃ２、ｒｃ３を代用して示す）が担持される。

ここでも前段担体２１ｂの開口面積Ｓｆは後段担体２２ｂの開口面積Ｓｒより大きく確保される。これにより、隙間部２０ｂでの排気ガスの攪拌流ｍｆ（図３（ａ）参照）の発生を促進でき、排気ガスのミキシングが促進され、後段担体２２ｂでの浄化反応がケーシング断面方向での偏りがなく均一になされ、排気ガス浄化性能を向上させることができる。

ここでの前後の触媒も三元触媒であり、前触媒の最初に排気ガスに接触する上前コート層ｆｃ１の貴金属は最も低温活性に優れるロジウムＲｈを主体とし、下前コート層ｆｃ２の貴金属はパラジウムＰｄを主体とし、それぞれ所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。後触媒の上後コート層ｒｃ１の貴金属はパラジウムＰｄを主体とし、中後コート層ｒｃ２はロジウムＲｄを主体とし、下後コート層ｒｃ３はプラチナＰｔを主体とし、それぞれ所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。

この場合も、図１の排気ガス浄化装置と同様に、前後の各三元触媒は理論空燃比およびリッチの雰囲気で排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して浄化する三元機能を発揮し排気ガス浄化がなされ、同様の効果が得られる。特に、前触媒の各コート層ｆｃ１、ｆｃ２や後触媒の各コート層ｒｃ１、ｒｃ２、ｒｃ３がそれぞれ別層に配されることより、複数貴金属を前、後各触媒においてそれぞれが一層内に混在する場合に生じる経時的な貴金属の相互金属結合による触媒劣化を排除でき、耐久性向上を図れ、前後触媒とも層厚ｔｃを容易に確保でき、耐久性向上を図れる。

図６（ａ）〜（ｄ）には他の実施形態としての各排気ガス浄化装置を示した。この排気ガス浄化装置は図５と比較し同様の構成を多く採るが、特に、前段担体２１ｃの前触媒が１層の前コート層ｆｃ１で貴金属はパラジウムＰｄを主体として形成される点と、前段担体２１ｃの開口面積Ｓｆｃに比べ、後段担体２２ｃの開口面積Ｓｒｃが小さく形成されるという構成を採る上で、特に、後段担体２２ｃに比べ前段担体２１ｃのセル密度が大きく設定される点で相違する。

即ち、図６（ａ）〜（ｄ）の排気ガス浄化装置は、前段担体２１ｃが９００ｃｐｓｉ（：１立方インチ当り９００セル）のセル密度で形成され、後段担体２２ｃが６００ｃｐｓｉ（：１立方インチ当り６００セル）のセル密度で形成される。しかも、前段担体２１ｃの担体壁２４１ｃの厚さｔｗが２．５ｍｉｌ（略：２．５×２５μｍ）を成し、後段担体２２ｃの担体壁２４２ｃの厚さｔｗが４ｍｉｌ（略：２．５×２５μｍ）を成し、共にコージェライトで形成される。

この場合も、前段担体２１ｃの開口面積Ｓｆｃに比べ後段担体２２ｃの開口面積Ｓｒｃが小さく保持されるように設定されている。このため、隙間部２０ｂでの排気ガスの攪拌流ｍｆの発生を促進でき、排気ガスのミキシングが促進され、後段担体２２ｂでの浄化反応がケーシング断面方向での偏りがなく均一になされ、排気ガス浄化性能を向上させることができる。

ここでも前後の触媒は三元触媒であり、単一の前触媒の前コート層ｆｃ１の貴金属はパラジウムＰｄを主体とし、所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。後触媒は図５の後触媒と同様に表後コート層ｒｃ１がパラジウムＰｄ、中後コート層ｒｃ２がロジウムＲｄ、下後コート層ｒｃ３がプラチナＰｔをそれぞれ主体とし、それぞれ所定の添加剤ＯＳＣが添加されて形成される。
この場合も、図５の排気ガス浄化装置と同様に、前後の各三元触媒は理論空燃比近傍の雰囲気で排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して浄化する三元機能を発揮し排気ガス浄化がなされ、同様の効果が得られる。

特に、前触媒のコート層ｆｃ１が比較的薄壁に形成されるので、このコート層でのガス拡散性を向上させ、前触媒の排気ガス浄化性能の向上を図れる。しかも、前段担体２１ｃの開口面積Ｓｆｃに比べ後段担体２２ｃの開口面積Ｓｒｃが小さく保持されるように設定された上で、前段担体２１ｃのセル密度が大きく形成されるので、前段担体２１ｃの前触媒が高比表面積を保持でき、この点でも排気ガス浄化性能を向上させることができる。

上述のところにおいて、各実施形態での排気ガス浄化装置では各前触媒、後触媒が三元触媒であったが、これに代えて、前触媒をＮＯｘ触媒とし、後段触媒を三元触媒として構成してもよく、これらの場合も、図１の排気ガス浄化装置とほぼ同様の作用効果が得られる。
また、前段触媒を三元触媒とし後段触媒をＮＯｘ触媒としてもよい。特にＮＯｘ触媒としてＮＯｘトラップ触媒を適用する場合には、ＮＯｘトラップ触媒はトラップ剤の分だけコート層が厚くあるいは数が多くなる傾向にあるので本発明の後段触媒に適している。同様に前段触媒を三元触媒、後段触媒をＨＣトラップ触媒としてもよく、この場合もＨＣトラップ触媒はトラップ剤の分だけコート層が厚くあるいは数が多くなる傾向にあるので本発明の後段触媒に適している。

上述のところにおいて、各排気ガス浄化装置の触媒コンバータ１４のケーシング１８には排気路方向に沿って前後２段に前段担体２１、後段担体２２が配備されていたが、これに代えて、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、触媒コンバータ１４ｄのケーシング１８ｄ内に、前後３段に、前段担体５０、中段担体５１、後段担体５２を配備し、その上で、前段担体５０の開口面積より中段担体５１の開口面積を狭め、中段担体５１の開口面積と後段担体５２の開口面積を同等あるいは更に狭めて形成してもよい。

この場合、図７（ａ）では、前段担体５０、中段担体５１、後段担体５２の各前触媒、中触媒、後触媒を１層、２層、２層に形成し、図７（ｂ）では、前段担体５０、中段担体５１、後段担体５２の各前触媒、中触媒、後触媒を２層、３層、３層に形成し、図７（ｃ）では、前段担体５０、中段担体５１、後段担体５２の各前触媒、中触媒、後触媒を１層、３層、３層に形成している。

これらの場合も各コート層ｆｃ、ｍｃ、ｒｃの貴金属を適宜選択し、前段担体５０の熱容量を小さくして早期活性化を図ったり、コート層ｆｃを比較的薄壁にしてガス拡散性を向上させ、前触媒の排気ガス浄化性能の向上を図ったり、中段担体５１、後段担体５２の各中触媒、後触媒をそれぞれ複数層に形成して耐久性を確保したり、貴金属を適宜選択使用し、低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置と同装置を有するエンジンの全体概略構成図である。 図１の排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータ内の前段担体と後段担体を示し、（ａ）は概略斜視図を、（ｂ）は前段担体の拡大要部概略断面図を、（ｃ）は後段担体の拡大要部概略断面図を示す。 図１の排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータ内の前後担体における排気ガス流動特性図で、（ａ）は概略側断面図を、（ｂ）は前段担体の前触媒のコート層の模式図を、（ｃ）は後段担体の後触媒の模式図を示す。 本発明の他の実施形態での排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータの概略構成図で、（ａ）は概略側断面図を、（ｂ）は前段担体の前触媒のコート層の模式図を、（ｃ）は後段担体の後触媒の模式図を示す。 本発明の他の実施形態での排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータの概略構成図で、（ａ）は概略側断面図を、（ｂ）は前段担体の前触媒のコート層の模式図を、（ｃ）は後段担体の後触媒の模式図を示す。 本発明の他の実施形態での排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータの概略構成図で、（ａ）は概略側断面図を、（ｂ）は前段担体の拡大要部概略断面図を、（ｃ）は後段担体の拡大要部概略断面図を示す。 本発明の他の実施形態としての排気ガス浄化装置の概略図で、（ａ）は三段担体での第１の実施形態を、（ｂ）は三段担体での第２の実施形態を、（ｃ）は三段担体での第３の実施形態を示す。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１１ 排気路
１８ ケーシング
２０ 隙間部
２１ 前段担体
２２ 後段担体
２３１ 貫通孔
２３２ 貫通孔
２４１ 担体壁
２４２ 担体壁
ｆｃ 前触媒のコート層
ｍｆ 排気ガスの攪拌流
ｒｃ 後触媒のコート層
ｔｃ コート層厚
ｔｗ 担体壁の厚さ
Ｌｆ 前段担体の排気ガス流路方向厚さ
Ｌｒ 後段担体の排気ガス流路方向厚さ
Ｓｆ 前段担体の開口面積
Ｓｒ 後段担体の開口面積

Claims (6)

1. 内燃機関の排気路に設けられるケーシングの排気ガス入口側より出口側に向けて複数の担体を互いに隙間部を介して配設し、各担体には排気ガスが流動する多数の貫通孔と各貫通孔を区画する担体壁を有し、上記担体壁には排気ガス浄化のための触媒が担持された排気ガス浄化装置において、
   上記ケーシングの排気ガス入口側の担体に担持される前触媒のコート層厚ｔｃより排気ガス出口側の担体に担持される後触媒のコート層厚ｔｃが大きく、かつ触媒が担持された上記排気ガス入口側担体の開口面積より触媒が担持された上記排気ガス出口側担体の開口面積が小さく設定されたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 請求項１記載の排気ガス浄化装置において、
   上記排気ガス出口側担体より排気ガス入口側担体の排気ガス流路方向厚さが小さく設定されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. 請求項１あるいは２記載の排気ガス浄化装置において、
   上記排気ガス入口側担体に担持される前触媒のコート層数より上記排気ガス出口側担体の後触媒に担持される後触媒のコート層数が多く設定されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
4. 請求項１記載の排気ガス浄化装置において、
   触媒が担持された上記排気ガス入口側担体に比べ触媒が担持された上記排気ガス出口側担体の開口面積が小さく保持された上で、上記排気ガス出口側担体に比べ排気ガス入口側担体の貫通孔数相当のセル密度が大きく設定されたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
5. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、
   上記排気ガス入口側担体に担持される前触媒がパラジウムあるいはロジウム主体であり、上記排気ガス出口側担体に担持される後触媒が白金あるいはロジウム主体でそれぞれ形成されたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
6. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、
   上記排気ガス入口側担体あるいは出口側担体が担持する触媒層のうち少なくとも一方が上下２層を有する場合には上層がロジウムで下層が白金を主体とする触媒で形成されることを特徴とする排気ガス浄化装置。
   

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