JP2013244438A - 触媒コンバーター - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒コンバーターの中央領域の担体が周辺領域の担体に比してセル密度が高い触媒コンバーターに関し、中央領域と周辺領域の貴金属触媒種やその担持密度も規定することによって、触媒コンバーターを構成する触媒全体として排ガス浄化をおこなうことによって高い浄化性能を期待でき、さらには、エンジン始動直後の暖機性にも優れた触媒コンバーターを提供する。
【解決手段】セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーター１０であって、担体４は、セル密度が相対的に高い中央領域２と、セル密度が相対的に低い周辺領域３とから構成され、中央領域２と周辺領域３はともに、貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種と、Rhとを備えており、Rhの担持密度は周辺領域３が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域２が相対的に高くなっている。
【選択図】図２
【解決手段】セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーター１０であって、担体４は、セル密度が相対的に高い中央領域２と、セル密度が相対的に低い周辺領域３とから構成され、中央領域２と周辺領域３はともに、貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種と、Rhとを備えており、Rhの担持密度は周辺領域３が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域２が相対的に高くなっている。
【選択図】図２
Description
本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される触媒コンバーターに関するものである。
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
ところで、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。
エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、パラジウムや白金のような金属触媒で被覆されたセラミックス構造体などが中空の基材内に配設されてなる触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。
ところで、たとえばハニカム構造の担体が全体としてそのセル密度が一様な触媒コンバーターに比して、その中央領域の担体が周辺領域の担体に比してセル密度が高い触媒コンバーターは流速分布が担体全体として可及的に均一になり（前者の場合は中央領域の流速が格段に速くなる傾向にある）、したがって、触媒コンバーター全体として排ガス浄化をおこなうことが可能となる。なお、この構成と近似した構成に基づく技術思想として、単位面積当たりのセルの数を、中央層のセルの数よりも外周層のセルの数を減少させた触媒反応器が特許文献１に開示されている。
このように、中央領域と周辺領域でセル密度を変化させることにより、触媒コンバーターを構成する触媒全体として排ガス浄化をおこなうことができ、高い浄化性能が期待できる一方で、エンジン始動直後の暖機性の観点で言えば、ガスの供給が分散してしまうことからセル密度が全体として一様な触媒コンバーターに比してエンジン始動直後の暖機性は低くなってしまう。このエンジン始動直後の暖機性の低下にともない、HCやNOxなどのエミッションが促進されることになる。
なお、特許文献２には、触媒コンバーター（ここでは触媒体）の全体としてセル密度が一様なたとえばハニカム構造の担体に対して、その中央領域（ここでは担体中心部）と周辺領域（ここでは外周部）で担持される貴金属触媒の量を変化させることによって排ガス浄化性能を向上させる技術が開示されている。より具体的には、触媒体のうち、ガス流れの多い担体中心部に担持される単位体積当たりの触媒量を外周部の1.1倍以上としたものである。しかしながら、この技術では、触媒全体としてセル密度が一様であるために高い排ガス浄化性能を期待し難いことに加えて、貴金属触媒種が具体的でなく、仮に任意の貴金属触媒が適用されたとしても排ガスエミッション低減の観点で言えば極めて不十分な開示内容であり、エンジン始動直後の暖機性低下を抑制し、もって排ガスのエミッション低減を図ることができるか否かは不明である。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒コンバーターを構成する担体の中央領域が周辺領域に比してセル密度が高い触媒コンバーターに関し、中央領域と周辺領域の貴金属触媒種やその担持密度も規定することにより、触媒コンバーターを構成する触媒全体として排ガス浄化をおこなうことに起因する高い浄化性能を有し、さらには、エンジン始動直後の暖機性にも優れた触媒コンバーターを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーターであって、前記担体は、セル密度が相対的に高い中央領域と、セル密度が相対的に低い周辺領域とから構成され、中央領域と周辺領域はともに、貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種と、Rhとを備えており、Rhの担持密度は周辺領域が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域が相対的に高いものである。
本発明の触媒コンバーターは、セル構造の担体をセル密度の異なる中央領域と周辺領域から構成し、中央領域のセル密度を相対的に高くしたことによって、触媒コンバーターを構成する触媒全体として排ガス浄化をおこなうことができ、高い浄化性能が期待できるものである。
このことに加えて、中央領域と周辺領域はともに、貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種と、Rhとを備えており、Rhの担持密度は周辺領域が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域が相対的に高く設定されており、このことによって、特にエンジン始動直後の暖機性に優れ、もってHCやNOxなどのエミッション低減を図ることができるものである。
ここで、中央領域と周辺領域の具体的な区画形態は任意であるが、たとえば、双方のガス流れ方向に直交する方向の面積（断面積）の比率が1:1となるように規定された区画形態などを挙げることができる。また、「PdとPtの少なくとも一種と、Rhと」とは、中央領域、周辺領域ともにRhを有し、さらに、PdとPtのいずれか一種を有する形態のほか、PdとPtの双方を有する形態を包含している。
また、触媒コンバーターの具体的な構成形態としては、たとえば中空の基材（円筒状、断面が方形等の多角形の中空体など）の内部に多数のセルからなる担体が収容され、この担体に貴金属触媒が担持された形態を挙げることができる。
ここで、使用される基材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材からなるもののほか、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものを使用してもよい。
また、使用されるセル構造の担体としてはハニカム構造の担体が適用でき、この担体は、コージェライトや炭化ケイ素、ステンレス系金属等の導電性金属などを素材とし、四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、白金やパラジウム、ロジウムなどの貴金属触媒が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有する形態が挙げられる。
また、本発明者等による検証によれば、中央領域に対する周辺領域のRhの担持密度の比が1より大きく1.5以下の範囲にある場合に、排ガスエミッション低減効果が向上することが実証されており、より好ましくは1.1以上で1.3以下の範囲がよい。
さらに、本発明者等による検証によれば、周辺領域に対する中央領域のセル密度の比が1より大きく2以下の範囲にある場合に、排ガスエミッション低減効果が向上することが実証されている。
本発明の触媒コンバーターは、好適には耐熱衝撃性に優れたコージェライトハニカム担体を有するものであるが、それ以外にも電気加熱式の触媒コンバーター（EHC: Electrically Heated Converter）であってもよい。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統に適用することで、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化することができる。
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、触媒コンバーターを構成する担体がセル密度が相対的に高い中央領域とセル密度が相対的に低い周辺領域とから構成され、中央領域と周辺領域はともに貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種とRhを備えるとともに、Rhの担持密度は周辺領域が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域が相対的に高くなっていることで、触媒コンバーターを構成する触媒全体として排ガス浄化をおこなうことができ、高い浄化性能を有するとともに、エンジン始動直後の暖機性に優れ、もってHCやNOxなどのエミッション低減を図ることのできる触媒コンバーターとなる。
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（排ガスの排気系統）
図１は本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を説明した模式図である。
（排ガスの排気系統）
図１は本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を説明した模式図である。
図示する排ガスの排気系統は、エンジン２０、触媒コンバーター１０、三元触媒コンバーター３０、サブマフラー４０およびメインマフラー５０が配されて相互に系統管６０で繋がれ、エンジン２０で生成された排ガスは同図のＸ１方向に排気されるようになっている。図示する排気系統において、触媒コンバーター１０が電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の場合には、たとえばエンジン２０を始動させた際に、可及的速やかに電気加熱式触媒コンバーターを構成するハニカム触媒を所定温度まで加熱昇温し、エンジンから流通してくる排ガスをこのハニカム触媒にて浄化し、電気加熱式触媒コンバーターで浄化しきれなかった排ガスはその下流に位置する三元触媒浄化装置３０にて浄化されることになる。
次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（触媒コンバーターの実施の形態）
図２は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図である。同図で示す触媒コンバーター１０は、中空１ａを有する筒状の基材１と、この中空１ａ内に収容されている貴金属触媒が担持されたハニカム触媒担体４とから大略構成されている。
（触媒コンバーターの実施の形態）
図２は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図である。同図で示す触媒コンバーター１０は、中空１ａを有する筒状の基材１と、この中空１ａ内に収容されている貴金属触媒が担持されたハニカム触媒担体４とから大略構成されている。
ここで、基材１の素材としては、コージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材のほか、メタル素材等が適用できる。
また、基材１の中空１ａ内に収容されるハニカム触媒担体４は、コージェライトや炭化ケイ素、ステンレス系金属等の導電性金属からなる四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、白金やパラジウム、ロジウムなどの触媒金属が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有するものである。
ハニカム触媒担体４は、中央領域２とその外周の周辺領域３から構成されており、セル密度は周辺領域３に比して中央領域２が相対的に高くなっている。
中央領域２と周辺領域３の面積比率は1:1程度に調整されるが、図示する触媒コンバーター１０では、各領域における貴金属触媒種や貴金属触媒の比率も適宜変化させることから、これらの変化に応じて排ガスエミッション低減効果が最も良好となるような面積比率に調整されるのがよい。
セル密度に関し、周辺領域３に比して中央領域２が相対的に高くなっていることによって、触媒コンバーター１０を構成する触媒全体として排ガス浄化をおこなうことができ、高い浄化性能を有するものとなる。
また、中央領域２と周辺領域３はともに、貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種と、Rhとを備えており、Rhの担持密度は周辺領域３が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域２が相対的に高く設定されている。このように貴金属触媒種ごとに中央領域２と周辺領域３で担持密度の高低を調整することにより、特にエンジン始動直後の暖機性に優れ、もってHCやNOxなどのエミッション低減を図ることができる。
[Rh密度比とエミッション比の関係に関する実験、および、セル密度比とエミッション比の関係に関する実験とそれらの結果]
本発明者等は、以下の表１で示す各種仕様で比較例1〜4、実施例1〜7の触媒コンバーターを製作し、周辺領域と中央領域におけるRh密度比とエミッション比の関係、周辺領域と中央領域におけるセル密度比とエミッション比の関係を特定する実験をおこなった。表１の下欄に、図３で示すPGM密度比（ここではRh密度比）とエミッション比の関係図の基礎となる結果データと、図４で示すセル密度比とエミッション比の関係図の基礎となる結果データを示す。
本発明者等は、以下の表１で示す各種仕様で比較例1〜4、実施例1〜7の触媒コンバーターを製作し、周辺領域と中央領域におけるRh密度比とエミッション比の関係、周辺領域と中央領域におけるセル密度比とエミッション比の関係を特定する実験をおこなった。表１の下欄に、図３で示すPGM密度比（ここではRh密度比）とエミッション比の関係図の基礎となる結果データと、図４で示すセル密度比とエミッション比の関係図の基礎となる結果データを示す。
ここで、中心領域と周辺領域の面積比は1:1であり、セル密度比とは中心領域のセル密度/周辺領域のセル密度のことであり、PGM比とは周辺領域のRh密度/中心領域のRh密度(中心領域のPt＋Pd密度/中央領域のPt＋Pd密度でもある)のことであり、エミッション比とはHC＋NOxのエミッション量の比率のことであり、触媒はφ103mm×長さL105mm、セル壁厚は3mil(76μm)であり、PGM量はRhが0.2g/リットル(触媒全体)、Pt＋Pdが2.0g/リットル(触媒全体)である。実験結果を表１および図３，４に示す。
表１と図３より、PGM密度比、すなわち中央領域に対する周辺領域のRhの担持密度比に関し、1より大きく1.5以下の範囲でエミッション比は比較例2の値以下となり、中でも1.1以上で1.3以下の範囲のエミッション比が最も低くなることが実証されている。この実験結果より、ハニカム触媒における中央領域に対する周辺領域のRhの担持密度比の好ましい範囲として、1より大きく1.5以下の範囲を規定することができる。
また、表１と図４より、周辺領域に対する中央領域のセル密度の比に関し、1より大きく2以下の範囲でエミッション比は比較例1の値以下となり、ハニカム触媒における周辺領域に対する中央領域のセル密度の比の好ましい範囲として、1より大きく2以下の範囲を規定することができる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…基材、１ａ…中空、２…中央領域、３…周辺領域、４…ハニカム触媒担体（担体）、１０…触媒コンバーター、２０…エンジン、３０…三元触媒コンバーター、４０…サブマフラー、５０…メインマフラー、６０…配管（系統管）
Claims (3)
- セル構造の担体に貴金属触媒が担持されてなる触媒コンバーターであって、
前記担体は、セル密度が相対的に高い中央領域と、セル密度が相対的に低い周辺領域とから構成され、
中央領域と周辺領域はともに、貴金属触媒としてPdとPtの少なくとも一種と、Rhとを備えており、Rhの担持密度は周辺領域が相対的に高く、PdとPtの少なくとも一種の担持密度は中央領域が相対的に高い触媒コンバーター。 - 中央領域に対する周辺領域のRhの担持密度の比が1より大きく1.5以下の範囲にある請求項１に記載の触媒コンバーター。
- 周辺領域に対する中央領域のセル密度の比が1より大きく2以下の範囲にある請求項１または２に記載の触媒コンバーター。
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