JP2007278100A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガス浄化能力を従来の現行市販車よりも向上させた自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置を提供するとともに自動車用内燃エンジンの排気ガスの排気抵抗を下げかつ貴金属使用量を低減する自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジンヘッドブロック３内で各気筒からの排気系統を集合させ各気筒から第１触媒コンバータ４までの長さを短くした排気系統の構造およびウォッシュコート層を薄くしかつウォッシュコート層内に空隙を設けた触媒を用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、従来の自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置より排気ガス浄化能力が高く、低排気圧を実現する自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置に関する。
図６は、市販車Ｘに用いられる自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置の斜視図である。市販車Ｘの自動車用内燃エンジン１００ｂの排気ガスの浄化は、次のように行われる。図６に示す排気ガス浄化装置１０８ｂにおいてシリンダブロック１０１内の各気筒から排出された排気ガスが、エンジンヘッドブロック１０２及び各気筒から繋がる排気管が集合するエキゾーストマニホールド１０３ｂを通って、床下に配置される触媒コンバータ１０９に送られ、排気ガスが浄化される。
触媒コンバータ１０９には触媒１０６ｂ、１０７ｂが保持されている。図７（ａ）及び（ｂ）は、触媒コンバータに保持される車両用排気ガス浄化触媒のそれぞれ斜視図及び内部構造の断面拡大図である。図７(ａ)に示す自動車用の排気ガス触媒１１０は、図７（ｂ）のように、セラミック製あるいは金属製のいわゆるハニカム構造１１１の担体１１３上に、触媒機能を有する白金（以下「Ｐｔ」という）、パラジウム（以下「Ｐｄ」いう）及びロジウム（以下「Ｒｈ」という）のような貴金属を担持するウォッシュコート層１１４が塗布・焼成されて作製されたものである。各セル１１２は、担体１１３及びウォッシュコート層１１４により形成されている。このような排気ガス触媒１１０のセル１１２中を排気ガスが通ることによって、排気ガス中に含まれる、ＮＭＯＧ（Non Methane Organic Gas）やＮＯｘ等が浄化されている。
環境に対する負荷を少なくするため、自動車用内燃エンジン（以下、「エンジン」という）の排気ガス中に残留するＮＭＯＧ（Non Methane Organic Gas）やＮＯｘ等の有害物質に対する規制は年々厳しくなっている。たとえば、米国カリフォルニア州が設定している、ＰＺＥＶ（Partial Zero Emission Vehicle）は最も厳しい規制の一つであり、現行市販車の中で前記規制を満たしているものは少ない。そのため、排気ガス浄化能力が従来よりも高いエンジンの排気ガス浄化装置が求められている。
前記したような自動車の排気ガスの有害物質規制に対応するため、従来からエンジンの排気ガス浄化装置の浄化能力の向上がなされている。従来は、排気ガスが触媒１０６ｂ、１０７ｂ（図６参照）のウォッシュコート層１１４（図７（ｂ）参照）と接触する面積を増やすために、専ら次のような改良がなされている。すなわち、排気ガス触媒１１０中のハニカム構造のセル１１２の数を増やすこと（図７（ｂ）参照）、すなわち触媒１０６ｂ、１０７ｂのセル密度を増大させることおよびウォッシュコート層１１４中の貴金属量を増やすことでエンジンの排気ガス浄化装置の排気ガス浄化能力向上がなされてきた（図６および図７（ｂ）参照）。
その結果、たとえば、市販車Ｘを改良した排気量２．４リッタエンジンを搭載するテスト車Ｙの場合、触媒コンバータに保持される２つの触媒のセル数はそれぞれ９００、６００である。また、テスト車Ｙの場合、１台あたり１２ｇの貴金属が使用されている。
また、特許文献１では、触媒の浄化効率を向上させるために、前記ウォッシュコート層中に空隙を設け、排気ガスの触媒中での拡散能力および触媒との接触面積を増大させて、触媒の浄化効率を向上させる方法が提案されている。
特開２００４−３３００２５号公報
しかしながら、排気ガス浄化装置の排気ガス浄化能力を高めるため、従来のように単に触媒のセル密度を高くするのは、排気抵抗が高くなって排気圧力が高くなるため、エンジンの出力が低下するという問題がある。また、触媒コンバータに保持される触媒の貴金属担持量を増やすのは、その分自動車の製造コストが上がるという問題がある。
また、前記した特許文献１に開示されているウォッシュコート層中に空隙を設けた触媒を従来のエンジンの排気ガス浄化装置に適用した場合、ＮＭＯＧについては、一定の排出低減効果はある。しかし、ＮＯｘについての排出低減効果は限られている。これについては、本明細書中で後記する。
本発明は、前記した従来のエンジンの排気ガス浄化装置の問題に鑑み、排気ガス浄化能力を従来の現行市販車よりも向上させるとともに、排気ガスの排気圧力を下げかつ貴金属使用量を低減するエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。
前記した課題を解決するために請求項１にかかる発明は、エンジンに結合される第1触媒コンバータおよび前記第1触媒コンバータの後に結合される第２触媒コンバータを有するエンジンの排気ガス浄化装置であって、全気筒の排気系統が内部で集合され側面に単一の排気出口を有するエンジンヘッドブロックを有し、前記第1触媒コンバータが前記エンジンヘッドブロック直後に配置され、前記第1触媒コンバータと前記エンジンヘッドブロックが単一の排気管で結合され、前記第1触媒コンバータおよび前記第２触媒コンバータのそれぞれに保持される触媒の、耐熱温度が８００℃以上であることを特徴とする。
前記した課題を解決するために請求項２にかかる発明は、請求項１にかかるエンジンの排気ガス浄化装置において前記第1触媒コンバータおよび前記第２触媒コンバータのそれぞれに保持される触媒の担体に形成され貴金属を担持するウォッシュコート層の厚さが０．２mm以下であることを特徴とする。
前記した課題を解決するために請求項３にかかる発明は、請求項２にかかるエンジンの排気ガス浄化装置において、前記ウォッシュコート層が２層からなり、それぞれの層が空隙を有する触媒を第1および第２触媒コンバータに保持することを特徴とする。
請求項１にかかる発明によれば、排気ガス浄化装置中の触媒コンバータに送られる排気ガス温度が従来のエンジンに比べて高くなるため、従来の排気ガス浄化装置に比べて触媒コンバータを高い温度で働かせることができる。その結果、触媒のセル数を減少させても、排気ガス浄化装置の排気ガス浄化能力を向上させることができ、エンジンの排気ガスの排気抵抗を下げかつ触媒に担持される高価な貴金属量を低減させる効果が生じる。
請求項２にかかる発明によれば、前記ウォッシュコート層が薄くすることで、この層中の貴金属の密度が高くなるため、排気ガス浄化装置中の触媒コンバータの排気ガス浄化能力が高まる効果が生じる。その結果、請求項１にかかる発明の効果を向上させることができる。
請求項３にかかる発明によれば、排気ガス浄化装置中の触媒コンバータにおいて、触媒のセル内での排気ガスの拡散能力が高まるとともに、排気ガスの前記ウォッシュコート層との接触面積が増大するために、排気ガス浄化装置中の触媒コンバータの排気ガス浄化能力が高まる効果が生じる。その結果、請求項２にかかる発明の効果をいっそう向上させることができる。
はじめに、第1実施形態および第２実施形態の構成について説明する。その後、第１実施形態並びに第２実施形態の作用および効果について説明する。
＜第１実施形態の構成＞
本実施形態の構成について、以下図１乃至図３を参照して説明する。まず、本実施形態のエンジンの排気ガス浄化装置の構成について説明する。図１は、テスト車Ｚに用いられる本実施形態のエンジンの排気ガス浄化装置の斜視図である。同図において、本実施形態のエンジン１の排気ガス浄化装置２０を構成するのは、エンジンヘッドブロック３、内部に触媒９ａを保持しエンジン直後に結合されている第１触媒コンバータ４、内部に触媒９ｂを保持し排気系統において第１触媒コンバータ４の後に接続されている第２触媒コンバータ５および排気管６、７である。
エンジンヘッドブロック３は、エンジンの気筒部分を内部に有するシリンダブロック２の上部にガスケットを介して固定され、各気筒の上部構造を形成している部材であり、図示されていない吸排気バルブおよびカムシャフト等が組み込まれている。エンジンヘッドブロック３には、エンジンの各気筒の上部壁が形成されており、各気筒の排気バルブ部より繋がる排気管が内部に形成されている。エンジンヘッドブロック３の特徴的な点は、前記した各気筒の排気バルブ部より繋がる排気管がすべて内部で集合されて単一の空間を形成し、側面の突出部３ａに設けられた単一の排気出口８が形成されている点である。従来のエンジンヘッドブロックの場合は、各気筒の排気管は内部で集合されることなく、各気筒の排気管ごとに側面に排気出口が設けられているのと相違する。
エンジンヘッドブロック３は、鋳造により製造されるものである。前記したエンジンヘッドブロック３内の排気管集合構造は、中子を用いて形成されるものである。
排気管６は、単一管のＬ字形管でできており、エンジンヘッドブロック３と第１触媒コンバータ４を繋いでいる。この単一管の排気管６を用いることによって、エキゾーストマニホールド１０３ｂ（図６参照）に比べて、各気筒から第１触媒コンバータ４までの排気管の長さを短縮できている。エキゾーストマニホールド１０３ｂの場合、たとえば、４気筒エンジンであれば、４本の排気管を集合するために、排気管の長さは所定以上、たとえば２００mm以上必要になる。しかし、排気管６にはそのような制限がない。したがって、エキゾーストマニホールド１０３ｂよりも管の長さを短くできる。本実施形態の排気管６の場合、管長は２００mm以下である。その結果、第１触媒コンバータ４はエンジン１直後に配置される。第１触媒コンバータ４と排気管７を介して繋がれる第２触媒コンバータ５は、自動車の床下に配置される。
このようなテスト車Ｚの排気系統の構造をエンジンヘッドブロック３内に設けた目的は、シリンダブロック２内の各気筒と第１触媒コンバータ４の距離を短くして排気ガスの熱放散を抑え、第１触媒コンバータ４の温度を高くするためである。それによって、第１触媒コンバータ４に保持される触媒９ａを、より活性な状態である高い温度で働かせ、触媒９ａの排気ガス浄化能力を向上させることができる。
図６に示す前記した市販車Ｘの排気系統においては、エンジンヘッドブロック１０２から排出される排気ガスは、エキゾーストマニホールド１０３ｂを通って、床下に配置される触媒コンバータ１０９に送られる。その結果、エンジンヘッドブロック１０２から触媒コンバータ１０９までの間における排気ガスの熱放散が大きい。そのため、触媒１０６ｂの温度を高くすることができず、触媒１０６ｂの排気ガス浄化能力を十分に発揮させることができない。
図２は、テスト車Ｙに用いられるエンジンの排気ガス浄化装置の斜視図である。テスト車Ｙの排気ガス浄化装置１０８ａは、本実施形態のテスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０の比較例である。テスト車Ｙのエンジン１００では、シリンダブロック１０１内の各気筒から排出された排気ガスが、エンジンヘッドブロック１０２及び各気筒から繋がる排気管が集合するエキゾーストマニホールド１０３ａを通って、触媒１０６ａが保持される第１触媒コンバータ１０４および排気系統において第１触媒コンバータ触媒１０４の後に接続されている第２触媒コンバータ１０５に送られる。第２触媒コンバータには触媒１０７ａが保持される。この場合、第１触媒コンバータ１０４は、エキゾーストマニホールド１０３ａの直後にあるので、比較的エンジンヘッドブロック１０２と第１触媒コンバータ１０４の距離は短いが、図１のテスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０に比べると長い。エキゾーストマニホールド１０３ａの管長は、２００mmより長い。エンジンヘッドブロック１０２から第１触媒コンバータ１０４まで間の排気ガスの熱放散は、図６の市販車Ｘのエンジンヘッドブロック１０２から触媒コンバータ１０９の熱放散よりも小さい。しかし、図１のテスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０に比べて、排気系統における排気ガスの熱放散が大きい。そのため、テスト車Ｙの第１触媒コンバータ１０４に保持される触媒１０６ａの温度を、図１に示す本実施形態のテスト車Ｚの対応する第１触媒コンバータ４に保持される触媒９ａほど高くすることはできない。テスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０の構造は、テスト車Ｙの排気ガス浄化装置１０８ａの構造を改良したものである。
図１に示すテスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０の第１触媒コンバータ４と第２触媒コンバータ５には、それぞれ触媒９ａ、９ｂが保持される。図２に示すテスト車Ｙの排気ガス浄化装置１０８ａの場合、第１触媒コンバータ１０４と第２触媒コンバータ１０５にそれぞれ保持される触媒１０６ａ、１０７ａのセル数は、９００、６００であるが、触媒９ａ、９ｂのセル数は、これよりも減少させることができる。したがって、排気ガス浄化装置２０の排気圧力を低下させることができる。触媒９ａ、９ｂのセル数の減少は、前記した第1触媒コンバータ４をエンジン１本体に比較的近い位置に配置する構造および後記する触媒の改良により、排気ガス浄化装置２０全体として、その排気ガス浄化能力が向上したために可能になっている。
図３は、本実施形態のテスト車Ｚの排気ガス浄化装置に用いられる触媒の断面拡大図である。図１に示すテスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０に用いられている触媒９ａおよび９ｂはともに図３に示す構造の触媒である。各セル１６のウォッシュコート層１１は、触媒機能を有する部分であり、触媒のハニカム構造の担体１０上に形成されている。コーナ部分のウォッシュコート層１１ｂは、辺部分のウォッシュコート層１１ａより厚くなっている。辺部分でのウォッシュコート層１１ａの厚さは平均０．０６mmであり、コーナ部では平均０．１５mmである。コーナ部分のウォッシュコート層１１ｂの厚さは、０．２mm以下である。このウォッシュコート層１１は、市販車Ｘの触媒１０６ｂ、１０７ｂ（図６参照）およびテスト車Ｙの第１触媒コンバータ１０４および第２触媒コンバータ１０５に保持される触媒１０６ａ、１０７ａ（図２参照）のウォッシュコート層よりも、約３０％薄くなっている。
図１に示す触媒９ａ、９ｂのウォッシュコート層１１は、担体１０上に形成されている第１ウォッシュコート層１２および第１ウォッシュコート層１２上に形成されている第２ウォッシュコート層１３の２層よりなる（図３参照）。第１および第２ウォッシュコート層１２、１３は、ともに主成分が酸化アルミニウム（以下「アルミナ」という）、酸化ジルコニウム（以下「ジルコニア」という）および酸化セリウム（以下「セリア」という）からなる多孔質構造体１４でできている。多孔質構造体１４中にＰｔ、ＰｄおよびＲｈの１種以上の貴金属１７が担持されている。貴金属１７は、触媒機能を有する。
図１に示す触媒９ａ、９ｂのウォッシュコート層１１を構成する第１および第２ウォッシュコート層１２、１３のそれぞれの層を形成する多孔質構造体１４中には、空隙１５が形成されている（図３参照）。ここで、空隙とは、層中に空間が存在することを意味する。空隙１５の径は、０．００４mm±０．００２mmである。第１および第２ウォッシュコート層の各層１２および１３の体積空隙率は、いずれの層も約２０％である。ただし、体積空隙率は約２０％に限定されるものではない。本実施形態において、各層の体積空隙率は、１０％以上かつ６０％以下が望ましい。ウォッシュコート層１１中の空隙１５は、排気ガスの拡散を促進する作用を有し、触媒９ａ、９ｂの排気ガス浄化能力を高める効果がある。また、空隙１５により、担体１０に近い部分の多孔質構造体１４に担持されている貴金属１７もセル１６に露出しており、排気ガス浄化反応に寄与する。したがって、全体として触媒として機能する貴金属１７の割合が高くなっている。図２に示すテスト車Ｙの第１触媒コンバータ１０４および第２触媒コンバータ１０５に保持される触媒１０６ａ、１０７ａのウォッシュコート層には、空隙１５は形成されていない。
ウォッシュコート層１１を構成する第１および第２ウォッシュコート層１２、１３のそれぞれの層を形成する多孔質構造体１４（図３参照）の一部である焼成されたアルミナは、高温で安定であり、また表面積が大きい。そのために触媒として機能する貴金属１７は、広く多孔質構造体１４中に分散されて担持されている。したがって、ウォッシュコート層１１中で触媒として機能する貴金属１７の割合は比較的高くなっている。そのため、触媒９ａ、９ｂの排気ガス浄化能力は、比較的高いものになっている。
また、多孔質構造体１４を構成するセリアは、その中に含まれるセリウムイオンの価数の増減に基づく酸化還元能力を有している。そのため、排気ガス中に酸素ガスが過剰に残留する場合、セリアは過剰な酸素ガスの酸素原子と結合して、排気ガス中の酸素分圧を低下させる。また、排気ガス中の酸素ガスが少ない場合には、セリアに結合している酸素原子は遊離して、排気ガス中の酸素分圧を高める。このような多孔質構造体１４を構成するセリアの作用は、ストイキエンジンのように理論空燃比で空燃比制御が行われる場合には、排気ガス中の酸素分圧の極端な変動を緩衝するものである。その結果、排気ガス中の還元性の炭化水素および一酸化窒素並びに酸化性の窒素酸化物を同時に除去可能な排気ガス中の酸素分圧が維持される。多孔質構造体１４を構成するジルコニアは、セリアの熱安定性を高める作用を有する。このジルコニアの作用により、ウォッシュコート層１１の多孔質構造体１４が長時間、高温で使用された場合でも、前記したセリアの酸化・還元能力が維持される。
ウォッシュコート層１１を構成する第１ウォッシュコート層１２（図３参照）は、図１に示す第１触媒コンバータ４中の触媒９ａと第２触媒コンバータ５中の触媒９ｂで共通であり、前記した多孔質構造体１４にバリウム（以下「Ｂａ」という）および貴金属１７としてＰｄが担持されている。この場合、ＢａはＰｄの高温安定性を高め、かつ、Ｐｄ粒子の粗大化を防ぐ効果がある。
ウォッシュコート層１１を構成する第２ウォッシュコート層１３（図３参照）は、図１に示す第１触媒コンバータ４中の触媒９ａと第２触媒コンバータ５中の触媒９ｂでは、担持されている貴金属１７が相違している。触媒９ａの第２ウォッシュコート層１３の多孔質構造体１４に担持されている貴金属１７は、Ｒｈである。触媒９ｂの第２ウォッシュコート層１３の多孔質構造体１４に担持されている貴金属１７は、ＰｔとＲｈである。
本実施形態のテスト車Ｚの排気ガス浄化装置２０に保持されている触媒９ａ、９ｂのウォッシュコート層１１は、前記したようにテスト車Ｙのウォッシュコート層よりも約３０％薄くなっている。そのため、触媒９ａ、９ｂのウォッシュコート層１１に担持されている貴金属１７の密度は、テスト車Ｙに使用されている触媒１０６ａ、１０７ａのウォッシュコート層に比べて高い。したがって、触媒９ａおよび９ｂの排気ガス浄化能力は、テスト車Ｙに使用されている触媒１０６ａ、１０７ａに比べて向上している。また、ウォッシュコート層１１が薄くなったため、触媒９ａおよび９ｂの各セル１６の開口率が高くなっている。したがって、触媒９ａおよび９ｂの排気抵抗は、テスト車Ｙに使用されている触媒に比べて低下している。
図３に示すウォッシュコート層１１は次の手順で作製される。まず、前記した多孔質構造体１４の原料粉末と貴金属成分と熱分解性あるいは可燃性の球体形状の成形体を溶媒（例えば、水）中に分散させたスラリーを作製する。前記成形体としては、発泡性樹脂および活性炭等が使用される。当該スラリー中に担体１０となるコージェライト製のハニカム基材を浸漬し、引き上げ、乾燥後焼成することにより、担体１０上に第１ウォッシュコート層１２が形成される。ここで、前記したスラリーの濃度は、所定のウォッシュコート層厚になるように適宜調整される。前記した成形体は焼成により分解する結果、ウォッシュコート層１２中に空隙１５が形成される。同様な工程が繰り返されることにより、既に形成されたウォッシュコート層１２上に空隙１５を有するウォッシュコート層１３が形成される。このような手順により作製された触媒は、構成材料すべての耐熱温度が高いため、８００℃以上の耐熱性を有する。
本実施形態は前記した排気系統の構造（図１参照）を有するため、第１触媒コンバータ４（図１参照）に送られる排気ガス温度が、市販車Ｘおよびテスト車Ｙよりも高くなる。そのため、排気ガス浄化触媒には、８００℃以上の耐熱性が必要である。
＜第２実施形態の構成＞
次に第２実施形態の構成について説明する。本実施形態は、第１実施形態のテスト車Ｚと排気系統の構造は同じである。すなわち、図１に示すエンジンヘッドブロック３、排気管６、７および第１および第２触媒コンバータ４、５の各々の構造および配置は、第１実施形態と共通である。しかし、第２実施形態の構成の排気ガス浄化用の触媒は、図２に示すテスト車Ｙの触媒１０６ａ、１０７ａと同様のものであり、ウォッシュコート層の厚さは、薄くなっていない。また、ウォッシュコート層に空隙は形成されていない。したがって、本実施形態の排気ガス浄化装置は、図１に示す排気ガス浄化装置２０において、触媒９ａ、９ｂを、それぞれ図２に示す排気ガス浄化装置１０８ａの触媒１０６ａ、１０７ａに置き換えたものである。本実施形態は、図１に示す排気ガス浄化装置２０の排気系統の構造に起因する効果のみを生じさせる構成である。
＜第１実施形態並びに第２実施形態の作用および効果＞
以下、第１および第２実施形態のエンジン１の排気ガス浄化装置２０の作用および効果について説明する。以下、エンジンの排気ガス浄化装置の排気ガス浄化能力について判定する対象の有害物質は、ＮＭＯＧおよびＮＯｘとする。また、排気ガス浄化能力は、次の３つのパラメータを基準として判定する。一つは、冷機始動時に単位距離を走行したときの排気ガス中の実際の残留有害物質量を、実走行時の走行距離に対して冷機始動走行の割合を考慮して補正した値、ＣＴ（mg／km）である。一つは、完全暖気時に単位距離を走行したときの排気ガス中の実際の残留有害物質量を、実走行時の走行距離に対して完全暖気走行の割合を考慮して補正した値、ＣＳ（mg／km）である。もう一つは、暖気後再始動時に単位距離を走行したときの排気ガス中の実際の残留有害物質量を、実走行時の走行距離に対して暖気後再始動走行の割合を考慮して補正した値、ＨＴ（mg／km）である。これら３種のパラメータの和、ＣＴ＋ＣＳ＋ＨＴを実走行における有害物質排出量の基準として、排気ガス浄化装置１の排気ガス浄化能力を判定する。すなわち、ＣＴ＋ＣＳ＋ＨＴの値が低いほど、排気ガス浄化装置の排気ガス浄化能力が高いことになる。
図４は、エンジンの排気ガス中の残留ＮＭＯＧ量についての第１および第２実施形態の排気ガス浄化装置の実施例および比較例の試験結果を示す図である。図５は、エンジンの排気ガス中の残留ＮＯｘ量についての第１および第２実施形態の排気ガス浄化装置の実施例および比較例の試験結果を示す図である。
図４および図５において、第１実施形態の実施例（以下「実施例１」という）は、排気ガス浄化装置Ｇである。第２実施形態の実施例（以下「実施例２」という）は、排気ガス浄化装置Ｈである。実施例１の排気ガス浄化装置Ｇは、図１に示すテスト車Ｚに使用されている排気ガス浄化装置２０に対応するものである。比較例１乃至６は、それぞれ排気ガス浄化装置Ａ乃至Ｆである。比較例１の排気ガス浄化装置Ａは、図２に示すテスト車Ｙに使用されている排気ガス浄化装置１０８ａに対応するものである。比較例１の排気ガス浄化装置Ａの第１触媒コンバータ１０４および第２触媒コンバータ１０５に保持される触媒１０６ａ、１０７ａに形成されているウォッシュコート層は、実施例１の排気ガス浄化装置Ａに保持されている触媒９ａ、９ｂのウォッシュコート層１１（図３参照）に比べて厚く、その層内に空隙が形成されていない従来型のものである。これらの触媒１０６ａ、１０７ａは、実施例１の排気ガス浄化装置Ａに用いられている触媒に比べて、セル数が多く、貴金属担持量も多い。
図４および図５の結果より、実施例１の排気ガス浄化装置Ｇおよび実施例２の排気ガス浄化装置Ｈは、ＮＭＯＧおよびＮＯｘの浄化能力がテスト車Ｙに使用されている比較例１の排気ガス浄化装置Ａに比べて明らかに向上している。また、実施例１の排気ガス浄化装置Ｇは、図４および図５からわかるように比較例１の排気ガス浄化装置Ａに比べ、第１触媒コンバータ４および第２触媒コンバータ５に保持される触媒９ａ、９ｂの排気圧力が低くかつ貴金属担持量が少ないものである。
比較例２の排気ガス浄化装置Ｂは、比較例１の排気ガス浄化装置Ａにおいて触媒の貴金属担持量を、１２ｇより４ｇに減少させたものである。比較例２の図４および図５の結果から、比較例１のテスト車Ｙ（図２参照）に使用されている排気ガス浄化装置Ａでは、排気ガス浄化性能を低下させずに、第１触媒コンバータ１０４および第２触媒コンバータ１０５に保持される触媒１０６ａ、１０７ａの貴金属担持量を減少させることはできない。
図４および図５における比較例３乃至６の排気ガス浄化装置Ｃ乃至Ｆは、比較例１の排気ガス浄化装置Ａと同じ、図２に示すテスト車Ｙと同じエキゾーストマニホールド１０３ａ付の排気系統の構造を有する。しかし、比較例３乃至６の排気ガス浄化装置Ｃ乃至Ｆの第１触媒コンバータ１０４および第２触媒コンバータ１０５に保持される触媒は、実施例１の排気ガス浄化装置Ｇに用いられている図３に示す改良されたウォッシュコート層１１を有し、セル数も実施例１の排気ガス浄化装置Ｇと同じである。比較例３乃至６の排気ガス浄化装置Ｃ乃至Ｆの違いは、触媒中に担持されている貴金属担持量であり、４〜１２ｇまで変化させてある。これらの結果から、図２に示すテスト車Ｙと同じエキゾーストマニホールド１０３ａ付の排気系統の構造でも、実施例１の排気ガス浄化装置Ｇに用いられている図３に示す改良されたウォッシュコート層１１を有する触媒を用いれば、触媒の貴金属担持量を増やすことにより、ＮＭＯＧの排出を減らすことが可能である（図４参照）。しかし、図２に示すテスト車Ｙと同じエキゾーストマニホールド１０３ａ付の排気系統の構造では、実施例１の排気ガス浄化装置Ｇに用いられている図３に示す改良されたウォッシュコート層１１を有する触媒を用いて、触媒の貴金属担持量を増やしても、ＮＯｘの排出を低減させることはできない（図５参照）。
以上の結果から、排気ガス中に残留するＮＭＯＧ量およびＮＯｘ量をともに減少させるには、図１に示すエキゾーストマニホールド１０３ａをなくした第１実施形態および第２実施形態のテスト車Ｚの排気系統の構造を採用することが不可欠である。さらに、第１実施形態の排気ガス浄化装置２０で採用している前記した改良された触媒９ａ、９ｂ（図１および図３参照）を採用することによって、セル数を減少させて排気圧力を低下させることおよび第１触媒コンバータ４および第２触媒コンバータ５に保持される触媒９ａ、９ｂの貴金属担持量を減少させることができる。
図１に示すエキゾーストマニホールドをなくした第１実施形態および第２実施形態の排気系統の構造の効果は、第１触媒コンバータ４に送られる排気ガス温度が高いためであると説明した。実際に触媒温度の測定をした結果は次のとおりである。表１は、比較例１のテスト車Ｙの排気ガス浄化装置Ａ(図２参照)と実施例１の排気ガス浄化装置Ｇ（図１参照）のそれぞれの第１触媒コンバータ１０４、４の温度を比較した表である。
Figure 2007278100
表１からわかるように、実施例１のテスト車Ｚの排気系統の第１触媒コンバータの温度は、比較例１のテスト車Ｙの第１触媒コンバータの温度よりも３０℃以上高い。前記した第１および第２実施形態の排気ガス浄化装置の構造に起因する排気ガス浄化の効果は、この第１触媒コンバータ４の温度上昇に起因するものである。
以上の結果より次のことがいえる。本発明の第１実施形態および第２実施形態の排気ガス浄化装置によれば、排気ガス浄化能力を向上させるとともに、排気圧力を低下させ、かつ、触媒に担持される貴金属量を減少させることができる。従来は、排気ガス浄化能力を向上させること、と排気圧力を低下させること、あるいは、触媒に担持される貴金属量を減少させること、を両立させることは困難であったが本発明によれば可能である。ここで、排気圧力を低下させることは、エンジンの出力を向上させることを可能にするものであり、自動車の商品価値を高めることに資するものである。
本発明の実施形態は、実施例１および実施例２の態様によって限定されるものではない。たとえば、実施例１では、排気ガス浄化装置Ａの第１触媒コンバータ４及び第２触媒コンバータ５に保持される触媒９ａ、９ｂのセル数をそれぞれ４００及び３５０、また触媒９ａ、９ｂの貴金属担持量を４ｇとしたが、触媒９ａ、９ｂのセル数および触媒９ａ、９ｂの貴金属担持量は本発明の趣旨に反しない範囲で変更することが可能である。
第1および第２実施形態の自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置の斜視図である。 テスト車Ｙに用いられる自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置の斜視図である。 第1実施形態の排気ガス浄化装置に用いられる触媒の断面拡大図である。 エンジンの排気ガス中の残留ＮＭＯＧ量についての第１および第２実施形態の排気ガス浄化装置の実施例および比較例の試験結果を示す図である。 エンジンの排気ガス中の残留ＮＯｘ量についての第１および第２実施形態の排気ガス浄化装置の実施例および比較例の試験結果を示す図である。 市販車Ｘに用いられる自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置の斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ触媒コンバータに保持されるエンジンの排気ガス浄化触媒の斜視図および内部構造の断面拡大図である。
符号の説明
１ 自動車用内燃エンジン（エンジン）
２ シリンダブロック
３ エンジンヘッドブロック
４ 第１触媒コンバータ
５ 第２触媒コンバータ
６、７ 排気管
８ 排気出口
９ａ、９ｂ 触媒
１０ 担体
１１ ウォッシュコート層
１１ａ ウォッシュコート層（辺部分）
１１ｂ ウォッシュコート層（コーナ部分）
１２ 第１ウォッシュコート層
１３ 第２ウォッシュコート層
１４ 多孔質構造体
１５ 空隙
１６ セル
１７ 貴金属
２０ 排気ガス浄化装置

Claims (3)

  1. 自動車用内燃エンジンに結合される第1触媒コンバータおよび前記第1触媒コンバータの後に結合される第２触媒コンバータを有する自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置であって、
    全気筒の排気系統が内部で集合され側面に単一の排気出口を有するエンジンヘッドブロックを有し、
    前記第1触媒コンバータが前記エンジンヘッドブロック直後に配置され、
    前記第1触媒コンバータと前記エンジンヘッドブロックが単一の排気管で結合され、
    前記第1触媒コンバータおよび前記第２触媒コンバータのそれぞれに保持される触媒の耐熱温度が８００℃以上であること、
    を特徴とする自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置。
  2. 前記第1触媒コンバータおよび前記第２触媒コンバータのそれぞれに保持される触媒の担体に形成され貴金属を担持するウォッシュコート層の厚さが０．２mm以下であることを特徴とする請求項１記載の自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置。
  3. 前記ウォッシュコート層が２層からなり、それぞれの層が空隙を有する触媒を第1および第２触媒コンバータに保持することを特徴とする請求項２記載の自動車用内燃エンジンの排気ガス浄化装置。
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