JP2018150811A - 排ガス浄化装置及び鞍乗型車両 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、耐剥離性と浄化性能とをより高いレベルで両立することができる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。【解決手段】ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置であって、排ガス浄化装置は、ステンレス鋼からなるステンレス鋼製担体と、ステンレス鋼製担体と接触するようにステンレス鋼製担体上に形成され、アルミナと、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア固溶体とが複合化された状態を有し且つセリア−ジルコニア部の平均粒径がアルミナ部の平均粒径よりも小さい複合体と貴金属とを含む触媒層とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、排ガス浄化装置及び鞍乗型車両に関する。

従来から、ガソリンを燃料とするエンジンを備えた鞍乗型車両等の車両が広く普及している。前記エンジンから排出される排気ガス中には、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分が含まれている。それで、従来から、これら有害成分を浄化して無害化する三元触媒を備えた排ガス浄化装置が用いられている。

排ガス浄化装置のなかには、金属製担体を備えた排ガス浄化装置が存在する。金属製担体の表面上に、三元触媒を含む触媒層が形成される。金属製担体の熱膨張係数と、触媒層の熱膨張係数とは異なる。そのため、排ガス浄化装置に温度変化又は振動等が加わると、金属製担体から触媒層が剥離し易いという問題があった。

特許文献１は、排ガス浄化用触媒の製造方法を開示している。前記方法では、耐熱性アルミナ、セリア−ジルコニア複合酸化物、バインダー、粘度調整剤及び水からなるスラリーが用いられる。前記スラリーにおいて、固形分の平均粒子径は３〜１０μｍである。前記スラリーの粘度は、３００〜２０００ｍＰａ・ｓである。前記スラリーが、金属材料からなる担体上に直接に塗布され、乾燥され、焼成される。次いで、この焼成物が、貴金属触媒成分含有溶液中に浸漬され、乾燥され、焼成される。特許文献１では、耐剥離性と浄化性能の向上が図られている。

特開２０１０−８９０２１号公報

耐剥離性及び浄化性能は、より高いレベルで両立されることが望ましい。この観点から見て、特許文献１の技術には改善の余地があった。

本発明は、耐剥離性と浄化性能とをより高いレベルで両立することができる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。また、本発明は、過酷な振動条件下においても排ガス浄化装置の耐剥離性及び浄化性能をより高いレベルで両立することができる鞍乗型車両を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を採用することができる。

（１） ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置であって、排ガス浄化装置は、ステンレス鋼からなるステンレス鋼製担体と、ステンレス鋼製担体と接触するようにステンレス鋼製担体上に形成され、アルミナと、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア固溶体とが複合化された状態を有し且つセリア−ジルコニア部の平均粒径がアルミナ部の平均粒径よりも小さい複合体と貴金属とを含む触媒層とを備える。

（１）の排ガス浄化装置は、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置である。（１）の排ガス浄化装置では、ステンレス鋼製担体と接触するようにステンレス鋼製担体上に形成される触媒層が、アルミナと、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア固溶体とが複合化された状態を有する複合体と貴金属とを含む。さらに、複合体（二次粒子）は、複合体におけるセリア−ジルコニア部（一次粒子）の平均粒径とアルミナ部（一次粒子）の平均粒径とが、（アルミナ部の平均粒径）＞（セリア−ジルコニア部の平均粒径）の関係を満たすように形成されている。セリア−ジルコニア部の平均粒径とアルミナ部の平均粒径とが前記関係を満たすように形成された複合体は、ステンレス鋼製担体との密着に適した性状（例えば平均粒径）を有するように調整され易いか又はステンレス鋼製担体との密着に適した性状を有し易い。従って、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置における触媒層とステンレス鋼製担体との密着性を向上させることが可能であるとともに、耐熱性を向上させることが可能である。よって、長期間にわたって、触媒層のステンレス鋼製担体からの剥離の発生が抑制される。その結果、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置における耐剥離性及び浄化性能を高いレベルで両立することができる。

（２） （１）の排ガス浄化装置であって、
前記排ガス浄化装置は、
貴金属とセリアとを含有し、セリアの含有量が前記触媒層のセリアの含有量よりも低い低セリア含有層を備え、
前記触媒層が、前記低セリア含有層と前記ステンレス鋼製担体との間に、前記低セリア含有層及び前記ステンレス鋼製担体と接触するように設けられている。

（２）の構成によれば、前記触媒層が、前記低セリア含有層と前記ステンレス鋼製担体との間に、前記低セリア含有層及び前記ステンレス鋼製担体と接触するように設けられている。これにより、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置における触媒層及び低セリア含有層とステンレス鋼製担体との密着性がより向上する。その結果、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置における耐剥離性及び浄化性能を、より高いレベルで両立することができる。

（３） （１）又は（２）の排ガス浄化装置であって、
前記触媒層の前記貴金属は、Ｐｔ及びＰｄの少なくとも１つの金属からなる。

（３）の構成によれば、セリアを含有する触媒層が、Ｐｔ及びＰｄの少なくとも１つの金属からなる貴金属を含む。これにより、触媒層のＯＳＣ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）機能を向上させることができる。Ｐｔ及びＰｄの少なくとも１つの金属による酸化反応が促進される。（３）の構成によれば、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置において、優れた耐剥離性を実現しつつ、浄化性能をより向上させることができる。

（３−１） （２）の排ガス浄化装置であって、
前記触媒層の前記貴金属は、Ｐｔ及びＰｄの少なくとも１つの金属からなり、
前記低セリア含有層の前記貴金属は、Ｒｈからなる。

（３−１）の排ガス浄化装置において、低セリア含有層は、Ｒｈと、比較的低い含有量のセリアとを含む。触媒層は、Ｐｔ及びＰｄの少なくとも１つの金属と、比較的高い含有量のセリアとを含む。触媒層は、低セリア含有層よりも、排ガスに晒され難い。その一方で、触媒層のＯＳＣ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）機能は、低セリア含有層のＯＳＣ機能よりも高い。ＯＳＣは、酸素吸蔵能である。

（３−１）の構成において、低セリア含有層は、排ガスに晒され易いが、ＯＳＣ機能の影響を受け難い。そのため、低セリア含有層は、ＮＯｘの還元反応を起こし易い。なお、還元反応は、下記（Ａ）式の通りである。
ＮＯｘ＋ＣＯ／ＨＣ→Ｎ_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ…（Ａ）

（３−１）の構成において、触媒層は、排ガスに晒され難いが、ＯＳＣ機能によって、ＣＯ及びＨＣの酸化反応を促進できる。なお、酸化反応は、下記（Ｂ）式の通りである。
ＣＯ／ＨＣ＋Ｏ_２→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ…（Ｂ）

従って、（３−１）の構成は、酸化反応と還元反応とをバランスよく起こすことができる。よって、（３−１）の構成によれば、ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置において、優れた耐剥離性を実現しつつ、浄化性能を更に向上させることができる。

（４） （１）〜（３）のいずれか１の排ガス浄化装置であって、
前記セリア−ジルコニア部の平均粒径は、５ｎｍ以下である。

（４）の構成によれば、ＯＳＣ機能を向上させることができるとともに、排ガス浄化装置が長期間にわたって使用されてもＯＳＣ機能が確保され得る。

（５） （１）〜（４）のいずれか１の排ガス浄化装置であって、
前記アルミナ部の平均粒径は、１０〜３０ｎｍである。

（５）の構成によれば、アルミナ部（一次粒子）を含む複合体（二次粒子）が、ステンレス鋼製担体への優れた密着性を有するように構成され易くなる。

（６） （１）〜（５）のいずれか１の排ガス浄化装置であって、
前記複合体の平均粒径は、６μｍ以上１０μｍ未満である。

（６）の構成によれば、ステンレス鋼製担体への密着性をより向上させることができる。

（７） （１）〜（６）のいずれか１の排ガス浄化装置であって、
前記複合体の平均粒径は、７μｍ以上９μｍ以下である。

（７）の構成によれば、ステンレス鋼製担体への密着性を更に向上させることができる。

（８） 鞍乗型車両であって、
前記鞍乗型車両は、（１）〜（７）のいずれか１の排ガス浄化装置を備える。

（８）の鞍乗型車両によれば、過酷な振動条件下においても排ガス浄化装置の耐剥離性及び浄化性能をより高いレベルで両立することができる。

本発明によれば、耐剥離性と浄化性能とをより高いレベルで両立することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を模式的に示す正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す排ガス浄化装置におけるステンレス鋼製担体、高セリア含有層及び低セリア含有層を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、ステンレス鋼製担体、高セリア含有層及び低セリア含有層の一例の断面を示す電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は、触媒粒子としての複合体を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る自動二輪車を模式的に示す側面図である。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置１を模式的に示す正面図である。本実施形態の排ガス浄化装置１は、ステンレス鋼製担体２を備える。ステンレス鋼製担体２は、ステンレス鋼製筒体３と、ステンレス鋼板４とを備える。ステンレス鋼は、特に限定されない。ステンレス鋼としては、例えば、２０Ｃｒ５Ａｌ系ステンレス鋼が好適に用いられる。

ステンレス鋼製筒体３は、排ガスの流通方向に貫通する円筒形状を有する。ステンレス鋼製筒体３の形状は特に限定されない。ステンレス鋼製筒体３は、排ガスの流通方向の経路が確保されるように構成されていればよい。ステンレス鋼板４は、波状に曲げられた形状を有する。ステンレス鋼板４は、排ガスの流通方向を軸として巻回された状態で、ステンレス鋼製筒体３内に設置されている。ステンレス鋼板４は、ステンレス鋼製筒体３内に固定されている。これにより、ステンレス鋼製担体２は、ハニカム構造を有している。なお、図中では、ステンレス鋼板４の固定構造は示されていない。前記固定構造としては、従来公知の固定構造が採用可能である。また、ステンレス鋼製担体２の構造は、ハニカム構造に限定されない、ステンレス鋼板４に代えて、例えば、ステンレス鋼線がステンレス鋼製筒体３内に充填されていてもよい。ステンレス鋼製担体２（ステンレス鋼板４）に、後述するように高セリア含有層５及び低セリア含有層６が形成される。セリアは、Ｃｅ（ＩＶ）の酸化物（ＣｅＯ_２）である。高セリア含有層５は、本発明における「触媒層」の一例に相当する。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す排ガス浄化装置におけるステンレス鋼製担体、高セリア含有層及び低セリア含有層を模式的に示す断面図である。

ステンレス鋼製担体２を構成するステンレス鋼板４上には、高セリア含有層５が形成されている。高セリア含有層５は、ステンレス鋼板４と接触している。高セリア含有層５上には、低セリア含有層６が形成されている。低セリア含有層６は、高セリア含有層５と接触している。即ち、高セリア含有層５は、低セリア含有層６とステンレス鋼板４との間に、低セリア含有層６及びステンレス鋼板４と接触するように設けられている。

高セリア含有層５は、セリアと貴金属とを含む。セリアに関し、高セリア含有層５は、セリアを含有する複合体を含む。前記複合体では、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア（ＣｅＯ_２・ＺｒＯ_２）固溶体とが複合化されている。前記複合体において、セリア−ジルコニア部の平均粒径は、アルミナ部の平均粒径よりも小さい。高セリア含有層５におけるセリアの含有量（重量％）は、低セリア含有層６におけるセリアの含有量（重量％）よりも高い。貴金属に関し、高セリア含有層５は、Ｐｔを含む。

高セリア含有層５に含まれる貴金属としては、特に限定されない。高セリア含有層５に含まれる貴金属は、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１つの金属であることが好ましい。高セリア含有層５は、Ｐｔ又はＰｄの少なくとも１つの金属に加え、Ｒｈを含有していてもよい。貴金属の平均粒径は、例えば、シリア−ジルコニア部の平均粒径よりも小さい。高セリア含有層５においてセリア−ジルコニア固溶体にドープされる希土類元素は、特に限定されない。セリア−ジルコニア固溶体にドープされる希土類元素としては、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｙから選択される少なくとも一種の元素を含むことが好ましい。

低セリア含有層６は、セリアと貴金属とを含む。セリアに関し、低セリア含有層６は、セリアを含有する複合体を含む。前記複合体では、アルミナと、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア固溶体とが複合化されている。前記複合体において、セリア−ジルコニア部の平均粒径は、アルミナ部の平均粒径よりも小さい。低セリア含有層６におけるセリアの含有量（重量％）は、高セリア含有層５におけるセリアの含有量（重量％）よりも低い。貴金属に関し、低セリア含有層６は、Ｒｈを含む。低セリア含有層６は、例えば、貴金属（例えば、Ｒｈ）によるＮＯｘの還元反応を阻害しない程度の含有量のセリアを有する。

低セリア含有層６に含まれる貴金属としては、特に限定されない。低セリア含有層６に含まれる貴金属は、Ｒｈであることが好ましい。貴金属の平均粒径は、例えば、シリア−ジルコニア部の平均粒径よりも小さい。低セリア含有層６においてセリア−ジルコニア固溶体にドープされる希土類元素としては、高セリア含有層５においてセリア−ジルコニア固溶体にドープされる希土類元素と同様の元素が採用され得る。

図１では、高セリア含有層５と低セリア含有層６との境界面が模式的に平坦に描かれている。高セリア含有層５と低セリア含有層６との境界面の一実施形態としては、例えば、図２（ａ）に示す例が挙げられる。

図２（ａ）は、ステンレス鋼製担体、高セリア含有層及び低セリア含有層の一例の断面を示す電子顕微鏡写真である。高セリア含有層５の低セリア含有層６と接触する面は、凹凸を有する凹凸面５ａである。凹凸面５ａは、ステンレス鋼板４側に凹んだ凹部５ｂを有している。低セリア含有層６は、高セリア含有層５の凹凸面５ａの凹部５ｂに、低セリア含有層６の成分が入り込むように形成されている。凹凸面５ａの凹部５ｂのうち、少なくとも一部の凹部５ｂの深さは、例えば、高セリア含有層５の厚さの１／２以上である。

図２（ｂ）は、複合体７を模式的に示す図である。複合体７では、アルミナと、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア固溶体とが複合化されている。複合体７は、アルミナ部７ａと、セリア−ジルコニア部７ｂとを有する。複合体７に、貴金属粒子８が担持されている。貴金属粒子８が担持された複合体７により、高セリア含有層５及び低セリア含有層６の各々が形成されている。

本実施形態において、セリア−ジルコニア部７ｂ（一次粒子）の平均粒径は、アルミナ部７ａ（一次粒子）の平均粒径よりも小さい。なお、セリア−ジルコニア部７ｂ（一次粒子）の平均粒径は、例えば、５ｎｍ以下であることが好ましい。アルミナ部７ａ（一次粒子）の平均粒径は、例えば、１０〜３０ｎｍ以下であることが好ましい。複合体７（二次粒子）の平均粒径（Ｄ５０）は、６μｍ以上１０μｍ未満であることが好ましく、７μｍ以上９μｍ以下であることがより好ましい。なお、一次粒子の平均粒径の測定は、以下のように行われる。高セリア含有層又は低セリア含有層の画像又は写真に含まれる当該一次粒子の面積に基づいて、画像又は写真内の当該一次粒子が真円であると仮定した場合における当該一次粒子の直径（等価直径）が算出される。得られた一次粒子の個数（度数）及び直径に基づいて、一次粒径の平均粒径が算出される。二次粒子の平均粒径（Ｄ５０）は、粒度分布計を用いて測定される。

本実施形態に係る排ガス浄化装置１は、例えば、以下のように製造される。ステンレス鋼製担体２を準備する。高セリア含有層５を形成するためのスラリーと低セリア含有層６を形成するためのスラリーとの各々を調整する。スラリーの調整は、例えば、アルミナ−セリア−ジルコニア複合体粉末と、アルミナと、バインダーとを溶剤（例えば水）に混合し、撹拌することによって行われる。なお、アルミナ−セリア−ジルコニア複合体粉末は、アルミナと、セリア−ジルコニア固溶体との複合化によって得られた粉末である。スラリー調整前のアルミナ−セリア−ジルコニア複合体粉末の平均粒径（二次粒子径（Ｄ５０））は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。アルミナ−セリア−ジルコニア複合体粉末には、貴金属粒子が吸着されている。また、セリア−ジルコニア固溶体には、希土類元素がドープされている。次に、得られたスラリーの粒度調整のために粉砕処理を行う。粉砕処理では、粉砕後の複合体の平均粒径が、６μｍ以上１０μｍ未満に調整されることが好ましい。粉砕後の複合体の平均粒径が、７μｍ以上９μｍ以下に調整されることがより好ましい。これにより、高セリア含有層５を形成するためのスラリーと、低セリア含有層６を形成するためのスラリーとが得られる。次に、ステンレス鋼製担体２に、高セリア含有層５を形成するためのスラリーを塗布する。スラリーが塗布されたステンレス鋼製担体２を乾燥させ、焼成する。次に、得られた焼成物に、低セリア含有層６を形成するためのスラリーを塗布する。スラリーが塗布された焼成物を乾燥させ、焼成する。その結果、高セリア含有層５及び低セリア含有層６が形成されたステンレス鋼製担体２を備えた排ガス浄化装置１を製造できる。なお、スラリーの粘度と、各層５、６とステンレス鋼製担体２との密着性との相関は低い。その一方で、固形分（例えば複合体）の平均粒径と、各層５、６とステンレス鋼製担体２との密着性との相関は高い。本実施形態では、この高い相関と、各層５、６及びステンレス鋼製担体２の組成の組合せとによって、耐剥離性と浄化性能とを高いレベルで両立できる。

図３は、本発明の一実施形態に係る自動二輪車１０を模式的に示す側面図である。
自動二輪車１０は、本発明の鞍乗型車両の一例に相当する。自動二輪車１０は、ガソリンが燃料として用いられるエンジン１１と、排気管１２と、消音器１３とを備えている。排気管１２は、エンジン１の排気ポートに接続されている。消音器１３は、排気管１２に接続されている。排気管１２内に、排ガス浄化装置１（図示せず）が設けられている。排気管１２内に、二次空気を導入するための二次空気導入装置（図示せず）も設けられている。なお、自動二輪車１０は、インジェクション方式で混合気を作り出すように構成されている。本発明は、この例に限定されない。本発明の鞍乗型車両は、キャブレタ方式であってもよい。

また、本発明の鞍乗型車両は、自動二輪車１０に限定されない。本発明の鞍乗型車両としては、特に限定されず、例えば、自動三輪車、スノーモービル、ＡＴＶ（全地形走行車）等が挙げられる。本発明の排ガス浄化装置は、優れた浄化性能と、優れた耐剥離性とを有する。従って、本発明の排ガス浄化装置は、鞍乗型車両に好適に用いられ、振動を効果的に低減できる。

前記実施形態および変形例は、適宜に組み合わせることが可能である。ここに用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではない。ここに示されかつ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、本発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。本発明は、多くの異なった形態で具現化され得るものである。この開示は本発明の原理の実施形態を提供するものと見なされるべきである。それらの実施形態は、本発明をここに記載しかつ／又は図示した好ましい実施形態に限定することを意図するものではないという了解のもとで、実施形態がここに記載されている。ここに記載した実施形態に限定されるものではない。本発明は、この開示に基づいて当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ、改良及び／又は変更を含むあらゆる実施形態をも包含する。クレームの限定事項はそのクレームで用いられた用語に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書あるいは本願のプロセキューション中に記載された実施形態に限定されるべきではない。

１ 排ガス浄化装置
２ ステンレス鋼製担体
３ ステンレス鋼製筒体
４ ステンレス鋼板
５ 高セリア含有層
５ａ 凹凸面
５ｂ 凹部
６ 低セリア含有層
７ 複合体
７ａ アルミナ部
７ｂ セリア−ジルコニア部
８ 貴金属粒子
１０ 自動二輪車
１１ エンジン
１２ 排気管
１３ 消音器

Claims (8)

1. ガソリンを燃料とするエンジンの排ガス浄化装置であって、
   前記排ガス浄化装置は、
   ステンレス鋼からなるステンレス鋼製担体と、
   前記ステンレス鋼製担体と接触するように前記ステンレス鋼製担体上に形成され、アルミナと、希土類元素がドープされたセリア−ジルコニア固溶体とが複合化された状態を有し且つセリア−ジルコニア部の平均粒径がアルミナ部の平均粒径よりも小さい複合体と貴金属とを含む触媒層と
   を備える。
2. 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記排ガス浄化装置は、
   貴金属とセリアとを含有し、セリアの含有量が前記触媒層のセリアの含有量よりも低い低セリア含有層を備え、
   前記触媒層が、前記低セリア含有層と前記ステンレス鋼製担体との間に、前記低セリア含有層及び前記ステンレス鋼製担体と接触するように設けられている。
3. 請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記触媒層の前記貴金属は、Ｐｔ及びＰｄの少なくとも１つの金属からなる。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記セリア−ジルコニア部の平均粒径は、５ｎｍ以下である。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記アルミナ部の平均粒径は、１０〜３０ｎｍである。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記複合体の平均粒径は、６μｍ以上１０μｍ未満である。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記複合体の平均粒径は、７μｍ以上９μｍ以下である。
8. 鞍乗型車両であって、
   前記鞍乗型車両は、請求項１〜７のいずれか１に記載の排ガス浄化装置を備える。

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