JP2014141911A - 触媒コンバーター - Google Patents

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Abstract

【課題】触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して排ガス浄化をおこなうことができ、さらには、硫化水素の放出を抑制することのできる触媒コンバーターを提供する。
【解決手段】セル構造の基材1のセル壁面においてガスが流通する基材1の長手方向に貴金属触媒からなる触媒層2A,2Bが形成されてなる触媒コンバーター10であって、基材1は、セル密度が相対的に高い中央領域1Aと、セル密度が相対的に低い周辺領域1Bとから構成され、中央領域1Aと周辺領域1Bの触媒層2A,2Bのそれぞれの長手方向の長さが同じか、触媒層2Aに比して触媒層2Bの長手方向の長さが短くなっている。
【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貴金属触媒からなる触媒層が多数のセルを具備する基材のセル壁面に形成されている。より具体的には、多数のセルのセル壁面において、基材の長手方向であって排ガスが流通する方向に亘って触媒層が形成されており、このような構成の基材を具備す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セルを具備する基材において、基材のセル密度が一様な触媒コンバーターが一般的であるが、基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して高くなることから、基材全体の触媒層を十分に活用できていないという課題がある。そこで、このような排ガスの流速分布を勘案して、基材の周辺領域に比して中央領域のセル密度が高い触媒コンバーターとすることにより、基材断面内における流速分布差を可及的に低減することができ、触媒コンバーター全体の触媒層を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
ここで、特許文献1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基材に対して、その中央領域(ここでは中心部)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、貴金属触媒の量を多くした場合には、排ガスを浄化する過程で悪臭の原因となる硫化水素が多く発生してしまうといった課題を含んでいる。
特開2002−177794号公報
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触媒全体を有効活用して排ガス浄化をおこなうことができ、さらには、硫化水素の放出を抑制することのできる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、セル構造の基材のセル壁面においてガスが流通する基材の長手方向に貴金属触媒からなる触媒層が形成されてなる触媒コンバーターであって、基材は、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の触媒層のそれぞれの前記長手方向の長さが同じか、中央領域に比して周辺領域の触媒層の前記長手方向の長さが短くなっているものである。
本発明の触媒コンバーターは、たとえば多数のセルを具備する基材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、セル密度一様の基材に比して中央領域と周辺領域の排ガスの流速分布の差を小さくすることができ、触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して排ガス浄化をおこなうことができる。さらに、中央領域と周辺領域の触媒層のそれぞれの長手方向の長さ(基材内を排ガスが流れる方向の長さ)が同じか、中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さを短くすることにより、良好な排ガス浄化性能と高い硫化水素抑制効果の双方を期待することができる。
この理由を以下で説明する。すなわち、基材をその長手方向に沿う断面で切断した縦断面図において、単位体積当たりのセル密度が一様の基材に対して、中央領域のセル密度が相対的に高い基材では、セル密度が相対的に低い周辺領域へ流入する排ガス量が多くなる。セル壁面において基材の長手方向に形成される触媒層の長さ(基材の長手方向の長さに対し、触媒層の長手方向の長さは様々な比率で設定される)に関し、基材全体でセル密度が一様な従来の基材の触媒層を基準としてセル密度の異なる基材の触媒層に適用すると、セル密度が小さな周辺領域は従来のセル密度一様の基材に比して流入する排ガス量(浄化すべき排ガス量)が多く、したがって十分な浄化性能を得ることができない。そこで、セル密度を中央領域と周辺領域で相違させることに加えて、中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さを長くすることによって周辺領域における触媒層と排ガスの接触面積を増加させ、排ガス浄化性能を向上させることができる。
しかしながら、貴金属触媒には排ガスを浄化する過程で悪臭原因となる硫化水素が放出され易いという課題がある。そのため、触媒層の長さが長くなるほど硫化水素の排出量が多くなる。すなわち、排ガス浄化性能と硫化水素放出抑制性能は背反関係にある。
そこで、排ガス浄化性能と硫化水素の放出抑制の双方の性能をともに満たすべく、本発明の触媒コンバーターでは、中央領域と周辺領域の触媒層のそれぞれの長手方向の長さが同じか、中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さを短くするものである。
セル壁面に形成される触媒層の実施の形態としては、セル壁面側の下層とその上方の上層からなる2層構造とし、それぞれの層を貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上から形成した形態を適用できる。
ここで、使用されるセル構造の基材としては、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、その構成は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するいわゆるハニカム構造体が適用できる。
また、触媒層の比率に関しては、基材の長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が70%〜90%である形態の触媒コンバーターを挙げることができる。
また、触媒層の比率に関する他の形態として、基材の長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が80%であり、基材の長手方向の長さに対する周辺領域の触媒層の長手方向の長さの比率が50〜80%である形態の触媒コンバーターを挙げることができる。
さらに、周辺領域のセル密度に対する中央領域のセル密度が1倍より大きくて2倍以下の範囲となる形態が好ましい。
セル密度の比率が1倍以下の場合には中央領域と周辺領域でのセル密度の相違による各領域のセルへ流入する排ガス量の制御が不十分なものとなること、セル密度の比率が2倍を超えると周辺領域へ流入する排ガス量が多くなり過ぎ、浄化性能が低下する恐れがあること、が数値範囲の上下限値の設定根拠である。
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、その構成要素である基材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、さらに中央領域と周辺領域の触媒層のそれぞれの長手方向の長さが同じか、中央領域に比して周辺領域の触媒層の長手方向の長さが短くなっていることにより、排ガス浄化性能と硫化水素放出抑制性能がともに優れた触媒コンバーターを提供することができる。
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。 (a)は基材の周辺領域のセル壁面の長手方向の長さと2層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図であり、(b)は基材の中央領域のセル壁面の長手方向の長さと2層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図である。 セル密度一様の基材と中央領域と周辺領域でセル密度が異なる基材の排ガスの流速分布を説明した図である。 周辺領域の触媒層の長さ(基材の長さに対する比率)と硫化水素排出量に関する実験結果、およびNOx排出量に関する実験結果(実施例1〜4、比較例1〜3)を示した図である。 周辺領域の触媒層の長さ(基材の長さに対する比率)と硫化水素排出量に関する実験結果、およびNOx排出量に関する実験結果(実施例5、比較例1、4)を示した図である。 周辺領域の触媒層の長さ(基材の長さに対する比率)と硫化水素排出量に関する実験結果、およびNOx排出量に関する実験結果(実施例6、比較例1、5)を示した図である。 周辺領域の触媒層の長さ(基材の長さに対する比率)と硫化水素排出量に関する実験結果、およびNOx排出量に関する実験結果(比較例1、6、7)を示した図である。
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)
まず、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概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。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1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り、図2aは基材の周辺領域のセル壁面の長手方向の長さと2層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図であり、図2bは基材の中央領域のセル壁面の長手方向の長さと2層構造の触媒層の上層および下層の長手方向の長さを説明した模式図である。また、図3はセル密度一様の基材と中央領域と周辺領域でセル密度が異なる基材の排ガスの流速分布を説明した図である。
図1で示す触媒コンバーター10は、多数のセルを有する筒状の基材1と、セルを構成するセル壁面に形成された2層構造の触媒層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、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、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材を挙げることができる。また、基材のセル壁面に形成される触媒層を構成する担体としては、多孔質酸化物であるCeO2、ZrO2、Al2O3の少なくとも一つを主成分とする酸化物を挙げることができ、セリア(CeO2)、ジルコニア(ZrO2)およびアルミナ(Al2O3)のいずれか一種からなる酸化物や、二種以上からなる複合酸化物(いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物(ACZ材)など)を挙げることができる。
基材1は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するハニカム構造体からなり、各セル内を排ガスが流通するようになっている(X1方向)。
基材1は、セル密度が相対的に高い中央領域1Aと、セル密度が相対的に低い周辺領域1Bの2つの領域から構成されている。
ここで、図3を参照して排ガスの流速分布について説明する。なお、図3で示す流速分布は、断面円形の基材の中心0を中心に直径の2つの端点を−1、1とし、その途中位置を半径に対する比率で示し、各位置における排ガスの流速を基材のセル密度が一様な触媒コンバーターの基材中心の流速に対する比率で示したものである。
基材のセル密度が一様な触媒コンバーターでは、図3の点線ラインで示すように基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して格段に高くなる。そのため、基材全体の触媒層を十分に活用し難いという課題があった。これに対し、本発明の触媒コンバーター10のように基材1をセル密度の異なる2つの領域から形成し、周辺領域1Bのセル密度を相対的に低くしたことにより、同図の実線ラインで示すように、基材1の中央領域1Aと周辺領域1Bの流速分布の差を格段に低減でき、触媒コンバーター10の有する触媒層全体を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
さらに、図示する触媒コンバーター10では、基材1の周辺領域1Bと中央領域1Aにおいて、各領域のセル壁面に形成される触媒層の長さを変化させている。
ここで、図2aで示す周辺領域1Bのセル壁面1Baの表面に形成される触媒層2Bは、セル壁面1Ba側の下層2Baとその上方であって排ガスに直接接する上層2Bbからなる2層構造であり、それぞれの層は貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上から形成されている。同様に、図2bで示す中央領域1Aのセル壁面1Aaの表面に形成される触媒層2Aも、セル壁面1Aa側の下層2Aaとその上方の上層2Abからなる2層構造であり、それぞれの層は貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上から形成されている。
基材1の長手方向の長さ(排ガスが流れる方向の長さ)をt1とした際に、セル壁面1Aa,1Baも同様に長さはt1となり、これに対して、触媒層2A,2Bの上層2Ab,2Bbの長さはともにt1である一方で、触媒層2A,2Bの下層2Aa,2Baの長さはそれぞれt3、t2であり、t1>t3>t2の関係となっている。
このように、セル密度を中央領域1Aと周辺領域1Bで相違させることに加えて、中央領域1Aの触媒層2A(の下層2Aa)に比して周辺領域1Bの触媒層2B(の下層2Ba)の長手方向の長さを短くすることにより、触媒コンバーター10の良好な排ガス浄化性能と高い硫化水素抑制効果の双方を期待することができる。
また、セル密度に関しては、周辺領域1Bのセル密度に対する中央領域1Aのセル密度を1倍より大きくて2倍以下の範囲に設定するのがよい。セル密度の比率が1倍以下の場合には中央領域1Aと周辺領域1Bでのセル密度の相違による各領域のセルへ流入する排ガス量の制御が不十分なものとなること、セル密度の比率が2倍を超えると周辺領域1Bへ流入する排ガス量が多くなり過ぎ、浄化性能が低下する恐れがあること、が数値範囲の上下限値の設定根拠である。
なお、触媒層は図示例のように2層構造以外にも、1層構造の形態、3層以上の構造の形態などであってもよい。
[周辺領域の触媒層の長さ(基材の長さに対する比率)と硫化水素排出量に関する実験、およびNOx排出量に関する実験とそれらの結果]
本発明者等は、以下で示す実施例1〜6および比較例1〜7のハニカム構造基材を製作して、周辺領域の触媒層の長さ(基材の長さに対する比率)を変化させた際の硫化水素排出量を測定した実験、および周辺領域の触媒層の長さを変化させた際のNOx排出量を測定した実験をおこなった。
(実施例1)
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、中央領域と周辺領域でセル密度を相違させた。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さt1が105mmであり、セル密度が相対的に低い周辺領域のセル密度が400cpsi(62個/cm2)であり、セル密度が相対的に高い中央領域のセル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、中央領域と周辺領域の切替ラインがφ70mmの位置であり、セルの格子形状は四角形である。さらに、触媒層は2層構造であって下層がPt担持層で担持量は0.7g/L、上層がRh担持層で担持量は0.2g/L、触媒層の長さに関しては、中央領域と周辺領域ともにそれらの上層は基材長さと同じ長さ(基材長さt1に対する比率が100%)であり、下層の長さに関しては周辺領域が基材長さの70%であり、中央領域が基材長さの80%である。
(実施例2)
触媒層の長さに関し、周辺領域の下層の長さが基材長さの60%であること以外は実施例1と同様である。
(実施例3)
触媒層の長さに関し、周辺領域の下層の長さが基材長さの80%であること(したがって、周辺領域と中央領域の触媒層の下層の長さが同じ)以外は実施例1と同様である。
(実施例4)
触媒層の長さに関し、周辺領域の下層の長さが基材長さの50%であること以外は実施例1と同様である。
(比較例1)
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、セル密度は断面均一とした。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さt1が105mmであり、セル密度が400cpsi(62個/cm2)であり、セルの格子形状は四角形である。さらに、触媒層は2層構造であって下層がPt担持層で担持量は0.7g/L、上層がRh担持層で担持量は0.2g/L、触媒層の長さに関しては、上層は基材長さと同じ長さ(100%)であり、下層は基材長さの80%である。
(比較例2)
触媒層の長さに関し、周辺領域の下層の長さが基材長さの90%であること以外は実施例1と同様である。
(比較例3)
触媒層の長さに関し、周辺領域の下層の長さが基材長さの100%であること以外は実施例1と同様である。
また、他の実施例5、6、比較例4〜7に関する詳細は以下の表2に示す。
(実験方法)
浄化性能評価試験では、実機エンジンを使用し、A/Fをリーン側(15.1)からリッチ側(14.1)に反転させ、リッチ雰囲気を保持した際のNOx排出量を測定した。そして、比較例1の排出量を100%として、他の試験体の排出量をそれに対する比率で求めた。
一方、硫化水素排出量測定試験では、40km/時間で車両を一定走行させて硫黄を吸着させ、ワイドオープンスロットルで100km/時間までの加速をおこない、100km/時間に達した後、スロットルを閉じて車両を停止させ、エンジンをアイドリングさせたまま一定時間放置した際の硫化水素排出量を測定した。そして、比較例1の排出量を100%として、他の試験体の排出量をそれに対する比率で求めた。
試験結果を以下の表1,2、および図4〜7に示す。
Figure 2014141911
Figure 2014141911
表1および図4より、実施例1〜4はいずれも、比較例1に比して硫化水素排出量が低減し、さらに、実施例1〜3に関してはNOx排出量も同様に低減し、硫化水素排出抑制効果と排ガス浄化効果をともに満たす結果が得られている。
また、図5,6より、図中の効果のある領域においては、比較例1に比して、実施例5、6の硫化水素排出量とNOx排出量をともに低減することができる。
また、図7より、中央領域の触媒層の長さを60%とした場合、比較例1よりも硫化水素排出量とNOx排出量をともに低減できる領域は存在しない。
図4〜7より、比較例1に比して各実施例が優位となる基材に対する中央領域の触媒層の長さの比率範囲は70%〜90%と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…中央領域、1Aa…セル壁面、1B…周辺領域、1Ba…セル壁面、2A…触媒層(中央領域の触媒層)、2Aa…下層、2Ab…上層、2B…触媒層(周辺領域の触媒層)、2Ba…下層、2Bb…上層、10…触媒コンバーター

Claims (4)

  1. セル構造の基材のセル壁面においてガスが流通する基材の長手方向に貴金属触媒からなる触媒層が形成されてなる触媒コンバーターであって、
    基材は、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の触媒層のそれぞれの前記長手方向の長さが同じか、中央領域に比して周辺領域の触媒層の前記長手方向の長さが短くなっている触媒コンバーター。
  2. 基材の前記長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が70%〜90%である請求項1に記載の触媒コンバーター。
  3. 基材の前記長手方向の長さに対する中央領域の触媒層の該長手方向の長さの比率が80%であり、
    基材の前記長手方向の長さに対する周辺領域の触媒層の長手方向の長さの比率が50〜80%である請求項1または2に記載の触媒コンバーター。
  4. 周辺領域のセル密度に対する中央領域のセル密度が1倍より大きくて2倍以下の範囲である請求項1〜3のいずれかに記載の触媒コンバーター。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014200728A (ja) * 2013-04-03 2014-10-27 トヨタ自動車株式会社 触媒コンバーター

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5888259B2 (ja) 2013-02-13 2016-03-16 トヨタ自動車株式会社 触媒コンバーター
US10598068B2 (en) 2015-12-21 2020-03-24 Emissol, Llc Catalytic converters having non-linear flow channels
JP6372513B2 (ja) * 2016-04-13 2018-08-15 トヨタ自動車株式会社 触媒コンバーター
CN114961940A (zh) * 2017-12-08 2022-08-30 庄信万丰(上海)化工有限公司 用于汽油废气应用的新型三区两层twc催化剂

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005131551A (ja) * 2003-10-30 2005-05-26 Toyota Motor Corp 排ガス浄化用触媒
WO2006057067A1 (ja) * 2004-11-25 2006-06-01 Cataler Corporation 排ガス浄化用触媒
JP2008018370A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Denso Corp セラミック触媒体

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19938038A1 (de) * 1998-09-14 2000-05-04 Ford Global Tech Inc Abgasbehandlungsvorrichtung mit variierender Zelldichte
JP2002177794A (ja) 2000-09-29 2002-06-25 Denso Corp セラミック触媒体およびセラミック担体
DE10201042A1 (de) 2002-01-14 2003-08-07 Eberspaecher J Gmbh & Co Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, mit einem katalytischen Abgaskonverter
WO2008088649A1 (en) * 2007-01-17 2008-07-24 Nanostellar, Inc. Engine exhaust catalysts containing palladium-gold
JP2009285605A (ja) * 2008-05-30 2009-12-10 Toyota Motor Corp 排ガス浄化用触媒
JP4751917B2 (ja) 2008-06-30 2011-08-17 トヨタ自動車株式会社 排ガス浄化用触媒
US8524185B2 (en) * 2008-11-03 2013-09-03 Basf Corporation Integrated SCR and AMOx catalyst systems
US8501661B2 (en) * 2010-01-04 2013-08-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Catalyst for converting exhaust gases
JP2011212639A (ja) * 2010-04-02 2011-10-27 Toyota Motor Corp 自動車排ガス浄化用触媒
JP5573710B2 (ja) * 2010-07-23 2014-08-20 トヨタ自動車株式会社 排ガス浄化用触媒
JP5195873B2 (ja) 2010-11-05 2013-05-15 トヨタ自動車株式会社 自動車排ガス浄化用触媒

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005131551A (ja) * 2003-10-30 2005-05-26 Toyota Motor Corp 排ガス浄化用触媒
WO2006057067A1 (ja) * 2004-11-25 2006-06-01 Cataler Corporation 排ガス浄化用触媒
JP2008018370A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Denso Corp セラミック触媒体

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014200728A (ja) * 2013-04-03 2014-10-27 トヨタ自動車株式会社 触媒コンバーター

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