JP2017200676A - 内燃機関の排ガス浄化触媒 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内燃機関の排ガス浄化触媒11において、触媒層23は、排ガスの流れに接する第1の触媒層27と、第1の触媒層の基材側表面に形成される第2の触媒層25と、から形成され、第2の触媒層25の排ガス流れに対し上流側を構成する第2の触媒上流層25aに担持される触媒成分、及び第1の触媒層27の排ガス流れに対し下流側を構成する第1の触媒下流層27bに担持される触媒成分は、パラジウム(Pd)と白金(Pt)の少なくとも一方及び酸素吸蔵材(OSC材)を含み、第1の触媒下流層27bに含有されるOSC材量は、第2の触媒上流層25aに含有されるOSC材量より多いことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
この三元触媒は、主に白金(Pt)、パラジウム(Pd)及びロジウム(Rh)を触媒金属として含み、一層の触媒層内に上記3種の触媒金属が混合された触媒、又は触媒層を上層と下層とに分けて、それぞれに触媒金属が分離担持された触媒、又は排ガス流れ方向に対して上流側と下流側とに分けて、それぞれに触媒金属が分離担持された触媒等の種々のタイプの触媒が提案されている。
この課題への対応として、触媒の早期昇温を狙って、三元触媒をエンジン近接位置に搭載したシステムが検討されている。しかしながら、このようなエンジンの近接位置に触媒を搭載したシステムでは、排気圧力の上昇によって、エンジン性能が低下してしまうという問題もある。したがって、より厳しい排ガス規制に対応し、触媒の圧力損失を抑制するためにも、さらなる触媒性能の向上が求められている。
一般に、図9に示すように、貴金属担持量を増大するほど、また、触媒温度が高いほど、排ガス浄化性能は優れる。このため、触媒の昇温過程において、排ガス浄化効率を高めるには、触媒活性成分である貴金属の担持量を増大する手法が用いられるが、コストが極めて高価になるという問題がある。
従って、リン被毒の影響を受けやすいOSC材とPdとを含む触媒層を、第2の触媒上流層と第1の触媒下流層に担持し、さらに、第1の触媒下流層に含まれるOSC材の含有密度(単位容積当たりのOSC材重量)を、第2の触媒上流層に含まれるOSC材の含有密度より高くすることで、リン被毒を抑制し、排ガス浄化性能を向上することができる。
上記構成(4)によれば、同一担持密度のRhを利用できるので、準備する触媒スラリーの数を最小限に抑え、触媒製造工程の簡素化及び材料コストの低減が図れる。これは、貴金属担持密度が異なる仕様毎に、貴金属とアルミナなどの母材を含めたスラリーを準備する必要があることに起因しており、触媒層の分割が触媒調製工程とコストに大きな影響を与えるためである。
上記構成(5)によれば、連続部を有するので、同一担持密度で調整された第2の触媒下流層及び第1の触媒上流層を、1回のコート工程で製造可能になるため、製造工数の簡素化及び材料コストの低減が図れる。
上記構成(6)によれば、基材の長さ内に第2の触媒上流層と、第1の触媒下流層とが、オーバーラップすることなく、基材の上流端側と下流端側に配置されるので、第2触媒上流層に担持された高担持密度のPdと低含有密度のOSC材、及び第1の触媒下流層27bに担持される低担持密度のPdと高含有密度のOSC材によって、リン被毒を抑制し、排ガス浄化性能を高めることができる。
上記構成(7)によれば、上記構成(6)と同様に、下触媒上流層に担持された高担持密度のPdと低含有密度のOSC材による効果をより高めることができる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1に示すように、内燃機関(例えばガソリンエンジン)1の燃焼室(不図示)と連通する排気ポート3が気筒毎に形成されている。そして、エンジン1には夫々の排気ポート3と連通するように排気管(排気通路)5が接続されている。
排気管5の排ガス流れ方向下流には、排気過給機7が設けられている。排気過給機7ではタービンハウジング9と排気管5とが連通し、エンジン1から排出される排ガスeのエネルギを利用して吸入された吸気を圧縮し、エンジン1の燃焼室に供給する。
排気管5には、排ガス浄化触媒11をケーシング13内に内蔵した触媒装置15が設けられている。
また、第2の触媒層25の下流端部側の第2の触媒下流層25bには、触媒成分としてRhを含み、第1の触媒層27の下流端部側の第1の触媒下流層27bには、触媒成分としてPd及びOSC材を含んで構成されている。
また、第1の触媒下流層27bのOSC材の含有密度は、第2の触媒上流層25aのOSC材の含有密度より高く設定されている。
なお、第2の触媒上流層25a、及び第1の触媒下流層27bに担持された触媒成分のPdの一部、もしくは全部をPtにかえてもよい。
従って、触媒層において下層側で下流側がリン被毒を最も受け難い位置であるといえる。しかし、下層側にOSC材を配置した場合には排ガスに晒されにくいため、酸素吸蔵機能が発揮されにくい。
すなわち、OSC材が高含有密度となる第1の触媒下流層27bでは、Pdを低担持密度とし、OSC材が低含有密度となる第2の触媒上流層25aでは、Pdを高担持密度に設定している。
このような実施形態によれば、第1の触媒上流層27a及び第2の触媒下流層25bに、NOx浄化活性に優れるRhを担持させることで、高負荷時の排ガス浄化性能(とくに、NOx低減性能)を確保することができる。
この連続部31は、図2に示すように、担持基材21の中心部に形成される。従って、図2のように第2の触媒上流層25aが担持基材21の1/2の長さに設けられ、そこに連続部31が形成されるように位置されても、図示されないが、連続部31の下流側に第1の触媒下流層27bが担持基材21の1/2の長さに設けられても、連続部31の中心が担持基材21の中心に位置するように形成されてもよい。
すなわち、基材21の長さ内に第2の触媒上流層25aと、第1の触媒下流層27bとが、オーバーラップすることなく、基材21の上流端側と下流端側に配置されている。
これによって、第2の触媒上流層25aに担持された高担持密度のPdと低含有密度のOSC材、及び第1の触媒下流層27bに担持される低担持密度のPdと高含有密度のOSC材により、リン被毒を抑制し、排ガス浄化性能を高めることができる。
1)第2の触媒上流層25aの高担持密度Pd:上流側であるため冷態時の排ガス浄化性能向上、及び下層のためリン堆積が進行した場合のPd触媒反応性向上。
2)第2の触媒上流層25aの低含有密度のOSC材:第1の触媒下流層27bのOSC材の高含有密度化が可能(OSC材総量一定の場合)。
3)第1の触媒下流層27bの低担持密度Pd:第2の触媒上流層25aのPdの高担持密度化が可能(Pd総量一定の場合)。
4)第1の触媒下流層27bに高含有密度OSC材:上層であるため排ガスとの接触性が高く、下流側であるためリン堆積が少ないので、リン堆積が進行した場合の排ガス浄化性能(とくに、NOx浄化性能)向上できる。
これら第2の触媒上流層25a、第2の触媒下流層25b、第1の触媒上流層27a、第1の触媒下流層27bの担持量のより好ましい設定例を次に示す。
第1の触媒上流層27a:Rh 0.1−2.0g/L
第1の触媒下流層27b:Pd 1.0−5.0g/L、OSC材 20−60g/L
第2の触媒上流層25a:Pd 3.0−10g/L、OSC材 5−40g/L
第2の触媒下流層25b:Rh 0.1−2.0g/L
上記設定例の数値を採用することで、リン被毒を抑制し、排ガス浄化性能を高めることができる。
これによって、第2の触媒上流層25aに担持されたPdの高密度化と低含有密度のOSC材による効果を確実に得ることができる。
なお、図2では、第2の触媒上流層25aの長さが担持基材21の長さの1/2の場合を示しているが、第2の触媒上流層25aは担持基材21の長さの30%〜70%の範囲に設定できる。第2の触媒上流層25aの長さを短く設定して、Pdの担持密度を高めると、低温時の排ガス浄化性能が高まる効果を得ることができる。なお、第2の触媒上流層25aの長さを30%より小さく設定すると、触媒層内のガス反応時間が短くなるため、Pd担持密度増大の効果を十分引き出せず、返って排ガス浄化性能が低下する。また、第2の触媒上流層25aの長さを70%より大きく設定すると、設定できるPd担持密度が低くなり、低温時の排ガス上性能が悪化する。したがって、より好ましい第2の触媒上流層25aの長さは、基材の長さの30%〜50%である。
なお、図2の実施形態であっても、連続部31の中心を担持基材21の中心に位置するように配置することで、第2の触媒上流層25aと第1の触媒下流層27bとを同一長さとすることができる。
なお、図6の実施例2では、触媒層35aの長さが基材の長さの1/2の場合を示しているが、触媒層35aは基材の長さの30%〜50%の範囲に設定できる。触媒層35aの長さを短く設定して、Pdの担持密度を高めると、低温時の排ガス浄化性能が高まる効果を得ることができる。
Pd(OSC材含む)、及びRhの総貴金属担持重量を同じに設定して、所定の試験運転パターンによって、冷態始動後の一定時間、及び高負荷運転時のそれぞれについて、排ガス中のNOx、CO、HCの排出量を評価した。
比較例2は、第2の触媒層135のPd(OSC材含む)を担持基材21の長さの1/2で第2の触媒上流層135aと第2の触媒下流層135bに2分割した場合である。
そして、比較例1、比較例2、実施例1、実施例2の夫々におけるPd、Rhの担持密度は、図7に示した夫々の模式図の下部に、分割領域毎に(ゾーン毎に)記載した。
図7は、比較例1、2と実施例1、2とのエンジンの冷態始動時における、HC、NOx排出量の比較を示す。また、図8は、比較例1、2と実施例1、2とのエンジン高負荷時における、HC、NOx排出量の比較を示す。実施例1、2は実質同一の排ガス量を示す結果である。
これら図7、8から、実施例1、2が、比較例1に比べて、冷態始動後の排ガス浄化性能の向上効果と、高負荷運転の高い排ガス浄化性能を保持していることを確認できた。
5 排気管(排ガス通路)
21 担持基材(基材)
23 触媒層
11 排ガス浄化触媒
15 触媒装置
25、35 第2の触媒層
27、37 第1の触媒層
25a、35a 第2の触媒上流層
27a、37a 第1の触媒上流層
25b、35b 第2の触媒下流層
27b、37b 第1の触媒下流層
Pd、Rh、OSC 触媒成分
Claims (7)
- エンジンの排ガス通路に配設され、基材と、該基材の表面に形成された触媒層と、該触媒層に担持された触媒成分とを備える内燃機関の排ガス浄化触媒において、
前記触媒層は、排ガス流れに接する第1の触媒層と、
前記第1の触媒層の基材側表面に形成される第2の触媒層と、から形成され、
前記第2の触媒層の前記排ガス流れに対し上流側を構成する第2の触媒上流層に担持される触媒成分は、パラジウム(Pd)と白金(Pt)の少なくとも一方及び酸素吸蔵材を含み、
前記第1の触媒層の前記排ガス流れに対し下流側を構成する第1の触媒下流層に担持される触媒成分は、PdまたはPtの少なく一方及び酸素吸蔵材を含み、
前記第1の触媒下流層に含有される前記酸素吸蔵材量は、前記第2の触媒上流層に含有される前記酸素吸蔵材量より多いことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。 - 前記第2の触媒上流層に担持されるPdの担持密度は、前記第1の触媒下流層に担持されるPdの担持密度より高いことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 前記第2の触媒層の下流側を構成する第2の触媒下流層及び前記第1の触媒層の上流側を構成する第1の触媒上流層には、それぞれ触媒成分としてロジウム(Rh)を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 前記第2の触媒下流層に担持されるRhと、前記第1の触媒上流層に担持されるRhとは、同一の担持密度であることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 前記Rhが担持された前記第2の触媒下流層と、前記Rhが担持された前記第1の触媒上流層とを、連続して形成する連続部を有することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 前記Pd及び前記酸素吸蔵材を含む前記第2の触媒上流層と前記第1の触媒下流層の長さの和は、前記基材の長さを超えないことを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 前記第2の触媒上流層は、基材の30%〜70%の長さを有していることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の内燃機関の排ガス浄化触媒。
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