JP2019019817A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気マニホールドからの排ガスを浄化する排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus including an exhaust gas purification catalyst that purifies exhaust gas from an exhaust manifold.
従来から、エンジンから排出された排ガスを浄化するために、排気マニホールドには、排ガス浄化装置が接続されている。排ガス浄化装置は、排気マニホールドからの排ガスを浄化する触媒を備えており、触媒は、排ガスを浄化する金属触媒と、金属触媒を担持する担体(触媒担体)とで構成されている。 Conventionally, in order to purify exhaust gas discharged from an engine, an exhaust gas purification device is connected to the exhaust manifold. The exhaust gas purifying apparatus includes a catalyst that purifies exhaust gas from an exhaust manifold, and the catalyst includes a metal catalyst that purifies the exhaust gas and a carrier (catalyst carrier) that supports the metal catalyst.
たとえば、特許文献1には、このような排ガス浄化装置として、排気マニホールドからの排ガスを浄化する第1触媒と、第1触媒を通過した排ガスを浄化する第2触媒と、を備えた排ガス浄化装置が開示されている。この排ガス浄化装置では、第1触媒は、第2触媒よりも熱容量が小さい。これにより、第1触媒を早期に昇温させ、エンジン始動時における排気性能を向上させることができる。
For example, in
しかしながら、特許文献1の如き構成であっても、エンジン始動時に、第1触媒が活性化する段階で、第1触媒を通過する排ガスには、第1触媒における排ガスの反応時の熱が入熱されるが、この入熱される熱量よりも多い熱量が、第1触媒自体に吸熱されることがある。すなわち、第1触媒により、排ガスの熱が多く奪われると、第1触媒を通過し、第2触媒に向かう排ガスの温度は、第1触媒を設けない場合よりも、低くなることがある。この結果、エンジン始動時から第2触媒が活性化するまでの時間が遅くなり、エンジン始動時から所定の浄化効率に達するまでの時間が、第1触媒を設けない場合よりも長くなることがある。
However, even with the configuration as disclosed in
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、第1触媒と、第1触媒からの排ガスが通過する第2触媒を設けた場合であっても、エンジン始動時から第2触媒を早期に昇温させ、排ガスの浄化効率をこれまでよりも早期に高めることができる排ガス浄化装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and even when the first catalyst and the second catalyst through which the exhaust gas from the first catalyst passes are provided, the second catalyst is started from the start of the engine. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification apparatus that can raise the temperature of the exhaust gas at an early stage and increase the purification efficiency of the exhaust gas earlier than before.
前記課題を鑑みて、発明者が鋭意検討を重ねた結果、第1触媒の熱容量を、第2触媒の熱容量よりも、極端に小さくすれば、排気マニホールドからの排ガスが第1触媒を通過する際に、排ガスの熱が第1触媒に奪われることを抑えることができると考えた。ここで、これまでは、触媒の熱容量を極端に小さくすると、触媒の大きさが極端に小さくなるため、排ガスの浄化性能は、ほとんど無いと考えられていた。しかしながら、発明者の後述する実験からも明らかなように、第1触媒を第2触媒に比べて極めて小さくしても、第1触媒が排ガスの浄化に十分に寄与するとの新たな知見を得た。 In view of the above problems, as a result of extensive studies by the inventor, if the heat capacity of the first catalyst is made extremely smaller than the heat capacity of the second catalyst, the exhaust gas from the exhaust manifold passes through the first catalyst. Furthermore, it was considered that the heat of exhaust gas can be suppressed from being taken away by the first catalyst. Heretofore, it has been considered that when the heat capacity of the catalyst is extremely reduced, the size of the catalyst becomes extremely small, so that there is almost no exhaust gas purification performance. However, as is clear from the experiments described later by the inventor, new knowledge has been obtained that the first catalyst can sufficiently contribute to the purification of exhaust gas even if the first catalyst is extremely smaller than the second catalyst. .
本発明は、この発明者の新たな知見に基づくものであり、排ガス浄化装置は、排気マニホールドからの排ガスを浄化する排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化装置であって、前記排ガス浄化触媒は、前記排気マニホールドからの排ガスを浄化する第1触媒と、前記第1触媒を通過した前記排ガスを浄化する第2触媒とを備えており、前記第1触媒の熱容量は、前記第2触媒の熱容量よりも小さく、前記第2触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で184〜322J/Kであり、前記第1触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で20J/K以下であることを特徴とする。 The present invention is based on the inventor's new knowledge, the exhaust gas purification device is an exhaust gas purification device including an exhaust gas purification catalyst for purifying exhaust gas from an exhaust manifold, and the exhaust gas purification catalyst is A first catalyst that purifies the exhaust gas from the exhaust manifold, and a second catalyst that purifies the exhaust gas that has passed through the first catalyst, wherein the heat capacity of the first catalyst is greater than the heat capacity of the second catalyst. The heat capacity of the second catalyst is 184 to 322 J / K under a temperature environment of 25 ° C., and the heat capacity of the first catalyst is 20 J / K or less under a temperature environment of 25 ° C. To do.
本発明によれば、第2触媒の熱容量は、車両で利用される一般的な触媒の熱容量の範囲であり、これに対して、第1触媒の熱容量は、第2触媒の熱容量に対して極端に小さい20J/K以下である。これにより、エンジン始動時に、排気マニホールドから比較的に低温の排ガスが第1触媒を通過したとしても、第1触媒は、上述した如く熱容量が小さいため、第1触媒は早期に昇温される。また、第1触媒を通過する排ガスの熱は、第1触媒に奪われ難いため、第1触媒を通過した排ガスの熱により、第2触媒も、第1触媒に続けて早期に昇温させることができる。このような結果、エンジン始動時から、第1触媒が早期に活性化されるとともに、これまでよりも早期に第2触媒も活性化されるため、排ガスの浄化効率をエンジン始動時から早期に高めることができる。 According to the present invention, the heat capacity of the second catalyst is in the range of the heat capacity of a general catalyst used in a vehicle, whereas the heat capacity of the first catalyst is extreme with respect to the heat capacity of the second catalyst. Is less than 20 J / K. Thus, even when a relatively low temperature exhaust gas passes through the first catalyst from the exhaust manifold when the engine is started, the first catalyst is heated up early because the first catalyst has a small heat capacity as described above. In addition, since the heat of the exhaust gas that passes through the first catalyst is not easily deprived by the first catalyst, the temperature of the second catalyst is also raised quickly following the first catalyst by the heat of the exhaust gas that has passed through the first catalyst. Can do. As a result, the first catalyst is activated earlier than when the engine is started, and the second catalyst is also activated earlier than before, so that the exhaust gas purification efficiency is increased earlier than when the engine is started. be able to.
ここで、第1触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で20J/K以下であるので、第1触媒の大きさは、従来の触媒よりも、かなり小さい。このため、第1触媒を配置するためのスペースを新たに設けること無く、第1触媒を簡単に配置することができる。第1触媒の熱容量が、20J/Kを超える場合には、後述する発明者らの実験の結果からも明らかなように、第1触媒を設けない場合よりも、エンジン始動時から第2触媒が活性化するまでの時間が長くなることが分かっている。 Here, since the heat capacity of the first catalyst is 20 J / K or less under a temperature environment of 25 ° C., the size of the first catalyst is considerably smaller than that of the conventional catalyst. For this reason, a 1st catalyst can be arrange | positioned easily, without providing the space for arrange | positioning a 1st catalyst newly. When the heat capacity of the first catalyst exceeds 20 J / K, as is apparent from the results of experiments conducted by the inventors, which will be described later, the second catalyst starts from the start of the engine more than when the first catalyst is not provided. It has been found that the time until activation becomes longer.
ここで、たとえば、第1触媒を第2触媒より上流の排気マニホールド内または排気管内等に配置してもよいが、より好ましい態様としては、前記排ガス浄化装置は、前記第1および前記第2触媒と、前記第1および前記第2触媒を内部に収容する金属製のハウジングと、を備えた触媒コンバータを有しており、前記ハウジングには、前記排気マニホールドからの排ガスが流入し、排ガスの上流から下流に向かって排ガスの流路断面が拡大した入側コーン部と、前記入側コーン部に連続し、排ガスの流路断面が一定となる胴体部と、前記胴体部に連続し、排ガスの上流から下流に向かって、排ガスの流路断面が縮小した出側コーン部と、が形成されており、前記第1触媒は、前記入側コーン部内に配置されており、前記第2触媒は、前記胴体部内に配置されている。 Here, for example, the first catalyst may be disposed in an exhaust manifold or an exhaust pipe upstream of the second catalyst, but as a more preferable aspect, the exhaust gas purifying device includes the first and second catalysts. And a metal housing that houses the first and second catalysts therein, and exhaust gas from the exhaust manifold flows into the housing, and upstream of the exhaust gas. The inlet side cone part in which the cross section of the exhaust gas channel is expanded from the downstream side, the body part that is continuous with the inlet side cone part, and the gas channel cross section of the exhaust gas is constant, and is continuous with the body part. From the upstream to the downstream, an outlet side cone portion having a reduced exhaust gas flow path cross section is formed, the first catalyst is disposed in the inlet side cone portion, and the second catalyst is The body part It is located in.
この態様によれば、第2触媒は、これまでの触媒の如く、触媒コンバータのハウジングの胴体部に配置されている。一方、第1触媒は、第2触媒に比べてその大きさが小さいため、第1触媒を排気管などに配置することも可能であるが、この態様では、入側コーン部内に第1触媒が配置されている。これにより、排気管に第1触媒を配置する場合に比べて、大きな径であり、かつ、流路に沿った長さが短い第1触媒を、排ガス浄化装置に配置することができる。このような結果、第1触媒を通過する排ガスの圧損を低減することができる。 According to this aspect, the 2nd catalyst is arrange | positioned at the trunk | drum of the housing of a catalytic converter like the conventional catalyst. On the other hand, since the first catalyst is smaller in size than the second catalyst, the first catalyst can be arranged in an exhaust pipe or the like. In this aspect, the first catalyst is located in the inlet cone portion. Is arranged. Thereby, compared with the case where the 1st catalyst is arrange | positioned to an exhaust pipe, the 1st catalyst which is a large diameter and short along the flow path can be arrange | positioned at an exhaust gas purification apparatus. As a result, the pressure loss of the exhaust gas passing through the first catalyst can be reduced.
また、第1触媒の金属触媒を担持する担体(触媒担体)は、セラミックス材料からなる担体、または金属材料からなる担体のいずれであってもよいが、より好ましい態様としては、前記第1触媒は、金属材料からなる担体に、排ガスを浄化する金属触媒が担持されたものである。 The carrier for supporting the metal catalyst of the first catalyst (catalyst carrier) may be either a carrier made of a ceramic material or a carrier made of a metal material. In a more preferred embodiment, the first catalyst is A carrier made of a metal material carries a metal catalyst for purifying exhaust gas.
たとえば担体に利用されるコージライトなどのセラミックス材料の比熱に比べて、担体に利用されるステンレス鋼などの金属材料の比熱は一般的に小さい。したがって、この態様によれば、第1触媒の担体を金属材料からなる担体とすることにより、上述した第1触媒の熱容量の条件を満たす第1触媒を簡単に得ることができる。 For example, the specific heat of a metal material such as stainless steel used for the carrier is generally smaller than that of a ceramic material such as cordierite used for the carrier. Therefore, according to this aspect, the 1st catalyst which satisfy | fills the heat capacity requirements of the 1st catalyst mentioned above can be obtained easily by making the support | carrier of a 1st catalyst into the support | carrier consisting of a metal material.
また、第1触媒は、これまでの触媒に比べて極端に小さい触媒であるため、セラミックス材料からなる担体は、熱衝撃などにより割れ易いが、この態様では、金属材料からなる担体にすることにより、このような割れを回避することができる。また、触媒コンバータの金属製のハウジングの入側コーン部に第1触媒を配置する場合には、ハウジングの入側コーン部と、第1触媒の担体とを溶接により簡単に接合することができる。 In addition, since the first catalyst is an extremely small catalyst as compared with conventional catalysts, the carrier made of a ceramic material is easily cracked by a thermal shock or the like. In this embodiment, the carrier made of a metal material is used. Such cracks can be avoided. Further, when the first catalyst is disposed in the inlet cone portion of the metal housing of the catalytic converter, the inlet cone portion of the housing and the first catalyst carrier can be easily joined by welding.
さらに好ましい態様としては、前記担体は、円板状の形状を有しており、外周部と、前記外周部の内側に形成された内周部と、前記外周部と前記内周部との間に、排ガスが通過する方向に複数の孔が形成され、前記各孔を形成する壁面に前記金属触媒が担持された第1ガス通過部と、前記内周部の内側に、排ガスが通過する方向に沿って形成された空洞部である第2ガス通過部と、を備え、前記第1ガス通過部の排ガスが流れる流路の断面積と、前記第2ガス通過部の排ガスが流れる流路の断面積との総断面積に対する、前記第2ガス通過部の排ガスが流れる流路の断面積の比率は、3.5〜25%である。 As a more preferable aspect, the carrier has a disk shape, and includes an outer peripheral portion, an inner peripheral portion formed inside the outer peripheral portion, and between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion. A plurality of holes are formed in the direction in which the exhaust gas passes, and the first gas passage part in which the metal catalyst is supported on the wall surface forming each hole, and the direction in which the exhaust gas passes inside the inner peripheral part. A second gas passage portion that is a hollow portion formed along the cross-sectional area of the flow path through which the exhaust gas of the first gas passage portion flows, and the flow path of the flow path through which the exhaust gas of the second gas passage portion flows. The ratio of the cross-sectional area of the flow path through which the exhaust gas of the second gas passage portion flows to the total cross-sectional area with respect to the cross-sectional area is 3.5 to 25%.
この態様によれば、第1触媒に向かって流れる排ガスの速度はその中央が高く、その位置には、第2ガス通過部が存在する。第1ガス通過部は複数の孔が形成されており、第2ガス通過部は空洞部であるため、第2ガス通過部は、第1ガス通過部に比べて、排ガスの圧損が小さく、第2ガス通過部に排ガスは流れ易い。このような結果、第2ガス通過部を流れる排ガスの流量を確保しつつその流速は高められ、この排ガスが、第2触媒の中央部分に流れる。これにより、第2触媒の中央部分が早期に昇温され、その昇温時の熱は、その中央部分から周りに均一に伝達されるので、第2触媒を早期に活性化し、これを早期に昇温することができる。なお、第1ガス通過部を排ガスが通過することにより、第1ガス通過部が昇温され、この昇温された熱は、第2ガス通過部を通過する排ガスに伝達される。 According to this aspect, the speed of the exhaust gas flowing toward the first catalyst is high in the center, and the second gas passage portion exists at that position. Since the first gas passage portion is formed with a plurality of holes and the second gas passage portion is a hollow portion, the second gas passage portion has a lower pressure loss of the exhaust gas than the first gas passage portion, and The exhaust gas easily flows through the two gas passages. As a result, the flow rate of the exhaust gas flowing through the second gas passage is secured while the flow rate is increased, and the exhaust gas flows through the central portion of the second catalyst. As a result, the central portion of the second catalyst is heated at an early stage, and the heat at the time of the temperature increase is uniformly transmitted from the central portion to the surroundings. The temperature can be raised. In addition, when the exhaust gas passes through the first gas passage portion, the temperature of the first gas passage portion is increased, and the heated heat is transmitted to the exhaust gas passing through the second gas passage portion.
ここで、上述した断面積の比率が、3.5%未満である場合、第2ガス通過部を流れる排ガスの流量が少なくなるため、第2触媒の昇温効果を充分に期待できないことがある。一方、この断面積の比率が25%を超えた場合、第1触媒の第1ガス通過部を流れる排ガスの流量が少なくなるため、第1触媒の昇温効果が低下してしまう。これにより、第2触媒の昇温効果を充分に期待できないことがある。 Here, when the ratio of the cross-sectional area described above is less than 3.5%, the flow rate of the exhaust gas flowing through the second gas passage portion decreases, and thus the temperature increase effect of the second catalyst may not be sufficiently expected. . On the other hand, when the ratio of the cross-sectional area exceeds 25%, the flow rate of the exhaust gas flowing through the first gas passage portion of the first catalyst is reduced, so that the temperature raising effect of the first catalyst is reduced. Thereby, the temperature rising effect of the second catalyst may not be fully expected.
本発明によれば、第1触媒と、第1触媒からの排ガスが通過する第2触媒を設けた場合であっても、エンジン始動時から第2触媒を早期に昇温させ、排ガスの浄化効率をこれまでよりも早期に高めることができる。 According to the present invention, even if the first catalyst and the second catalyst through which the exhaust gas from the first catalyst pass are provided, the temperature of the second catalyst is raised quickly from the time of engine start, and the exhaust gas purification efficiency Can be raised earlier than before.
〔第1実施形態〕
以下に、本発明の第1実施形態に係る排ガス浄化装置を、図1および図2を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置3を説明するための模式的概念図であり、図2は、図1に示す排ガス浄化装置3の第1触媒コンバータ30の模式的斜視図である。なお、図2では、第1触媒コンバータ30の内部を示すために、ハウジング33を半割状態にして図示している。
[First Embodiment]
Hereinafter, an exhaust gas purifying apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic conceptual diagram for explaining an exhaust
図1に示すように、本実施形態に係る排ガス浄化装置3は、エンジン2の下流に取付けられ、エンジン2で燃焼後の排ガスを浄化する装置である。エンジン2は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンのいずれのエンジンであってもよく、本実施形態では、その一例として、図1にガソリン直噴エンジンを例示している。
As shown in FIG. 1, the exhaust
エンジン2では、吸気弁25を介して吸入された空気が、シリンダブロック21とピストン22で形成された燃焼室に入流し、燃料噴射弁28で噴射された燃料(ガソリン)と混合される。混合された混合気は、燃焼室内で、点火プラグ27で点火されて燃焼し、燃焼後の排ガスは、排気弁26を介して、排気マニホールド29から排出される。
In the engine 2, the air sucked through the
排気マニホールド29で排気された排ガスは、排ガス浄化装置3で浄化される。具体的には、排ガス浄化装置3は、排気マニホールド29に接続される第1触媒コンバータ30と、第1触媒コンバータ30の下流において、排気管36を介して、第1触媒コンバータ30に接続される第2触媒コンバータ37と、を備えている。第1触媒コンバータ30は、たとえば、車両のエンジンルーム(図示せず)に配置され、第2触媒コンバータ37は、たとえば、車両の床下(図示せず)に配置される。
The exhaust gas exhausted by the
第1触媒コンバータ30は、排気マニホールド29からの排ガスを浄化する排ガス浄化触媒32と、排ガス浄化触媒32を収容するハウジング33とを備えている。第2触媒コンバータ37も、同様に、第1触媒コンバータ30により浄化しきれなかった排ガスをさらに浄化する排ガス浄化触媒38と、排ガス浄化触媒38を収容するハウジング39とを備えている。ハウジング33、39は、たとえば、ステンレス鋼、炭素鋼、またはアルミニウムなどの金属材料からなる。
The first
図2に示すように、第1触媒コンバータ30のハウジング33には、入側コーン部33aと、胴体部33bと、出側コーン部33cと、が形成されている。入側コーン部33aは、排気マニホールド29からの排ガスが流入し、排ガスの上流から下流に向かって、排ガスの流路断面が拡大したコーン形状である。胴体部33bは、排ガスが流れる上流側において、入側コーン部33aに連続して形成されており、排ガスの流路断面が一定となる筒形状である。出側コーン部33cは、排ガスが流れる上流側において、胴体部33bに連続して形成されており、排ガスの上流から下流に向かって、排ガスの流路断面が縮小したコーン形状である。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態では、第1触媒コンバータ30の排ガス浄化触媒32は、排気マニホールド29からの排ガスを浄化する第1触媒34と、第1触媒34を通過した排ガスを浄化する第2触媒35とを備えている。第1触媒34は、入側コーン部33a内に配置されており、第2触媒35は、胴体部33b内に配置されている。
In the present embodiment, the exhaust
本実施形態では、エンジン2が、ガソリンエンジンであることから、第1触媒34および第2触媒35は、ガソリンエンジンの排ガスの炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒化酸化物(NOx)を浄化する三元触媒である。一方、内燃機関が、ディーゼルエンジンである場合には、第1触媒34および第2触媒35は、一酸化炭素(CO)と炭化水素(HC)等を除去する酸化触媒である。なお、第2触媒コンバータ37に収容される排ガス浄化触媒38も、内燃機関の種類に応じて、第1および第2触媒34、35と同様の触媒が設定されている。
In the present embodiment, since the engine 2 is a gasoline engine, the
第1触媒34および第2触媒35は、担体(触媒担体)に、排ガスを浄化する金属触媒が担持されたものである。これらの担体は、セラミックス材料または金属材料のいずれの材料からなってもよいが、より好ましくは、金属材料からなる。金属材料としては、耐熱性および耐食性を有した材料であることが好ましく、たとえば、ステンレス鋼、アルミニウムなどを挙げることができる。
The
ここで、たとえば担体の素材であるコージライトなどのセラミックス材料の比熱に比べて、担体の素材であるステンレス鋼などの金属材料の比熱は小さい。これにより、第1触媒34の担体を金属材料からなる担体とすることにより、後述するような第1触媒34の熱容量の条件を満たす触媒を簡単に製造することができる。これに加えて、第1触媒34は、後述するように極めて小さい熱容量の条件を満たすため、セラミックス材料からなる担体は、熱衝撃などにより割れ易いが、金属材料からなる担体にすれば、このような割れを回避することができる。
Here, for example, the specific heat of a metal material such as stainless steel as a carrier material is smaller than that of a ceramic material such as cordierite as a carrier material. As a result, by using the carrier of the
図2および図3に示すように、第1触媒34の担体は、円板状であり、リング状の金属枠体(外周部)34aの内部に、排ガスが通過する複数のセル(孔)が形成された構造体である。具体的には、第1触媒34では、金属枠体34aの内部に、波状に屈曲した金属帯体34bと、板状の金属帯体34cとを重ね合わせて巻回させて、複数のセルを形成している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the carrier of the
一方、本実施形態では、第2触媒35の担体は、円柱状であり、セラミックス材料からなり、排ガスが通過する複数のセルが形成された構造の担体である。セラミックス材料としては、たとえば、アルミナ、ジルコニア、コージライト、チタニア、炭化珪素、および窒化珪素などのうちのいずれか一種を主成分とする多孔質のセラミックス材料を挙げることができる。排ガス浄化触媒38の担体も同様である。
On the other hand, in the present embodiment, the carrier of the
第1触媒34および第2触媒35の金属触媒は、粒状であり、これらのセルを形成する内壁面に、セラミックス材料を介して担持されている。金属触媒となる金属しては、白金、ロジウム、およびパラジウムのうち少なくとも一種を含む貴金属が選択される。担体に触媒金属を担持するセラミックス材料としては、ジルコニアとアルミナ、セリアとアルミナ、または、セリア−ジルコニアとアルミナ、の混合素材などを挙げることができる。担体に金属触媒を担持する際には、上述したセラミックス材料と金属触媒を含むスラリーに担体にコートし、これを焼成することにより得ることができる。
The metal catalyst of the
本実施形態では、第1触媒34の熱容量は、第2触媒35の熱容量よりも小さい。具体的には、第1触媒34の熱容量は、25℃の温度環境下で20J/K以下であり、第2触媒35の熱容量は、25℃の温度環境下で184〜322J/Kである。
In the present embodiment, the heat capacity of the
なお、第2触媒35の熱容量の範囲は、一般的に市販されている車両のエンジンの排気量に応じて適用される触媒の熱容量であり、上述した材料等を適宜選択することにより、この熱容量の範囲に収めることができる。第2触媒35の熱容量が、184J/K未満である場合、第2触媒35の大きさ(熱容量)が小さ過ぎるため、排ガスの浄化性能が十分ではない。一方、第2触媒35の熱容量が、322J/Kを超える場合には、第2触媒35の大きさ(熱容量)が大き過ぎるため、エンジンの始動時に、排ガスによる第2触媒35の昇温が遅くなる。
The range of the heat capacity of the
本実施形態によれば、第1触媒34の熱容量は、第2触媒35の熱容量に対して極端に小さい20J/K以下である。したがって、エンジン2の始動時に、排気マニホールド29から比較的に低温の排ガスが第1触媒34を通過したとしても、第1触媒34は、上述した如く熱容量が小さいため、これまでの触媒に比べて第1触媒34は早期に昇温される。
According to this embodiment, the heat capacity of the
また、第1触媒34を通過する排ガスの熱は、第1触媒34の熱容量が小さいため、第1触媒34に奪われ難く、この排ガスの熱に金属触媒との反応熱が加味される。このため、第1触媒34を通過した排ガスの熱により、第2触媒35も、エンジン2の始動時から第1触媒34に続けて早期に昇温させることができる。このような結果、エンジン2の始動時から、第1触媒34が早期に活性化されるとともに、これまでよりも早期に第2触媒35も活性化されるため、排ガスの浄化効率を早期に高めることができる。さらに、第1触媒34の金属触媒が、排ガスの浄化の一部を担うため、第1触媒34を設けない場合に比べて、第2触媒35の金属触媒の反応熱を抑えることができる。この結果、第2触媒35での金属触媒の劣化を抑えることができる。
Further, the heat of the exhaust gas passing through the
第1触媒34の熱容量が、20J/Kを超える場合には、第1触媒34を設けない場合よりも、エンジン2の始動時から第2触媒35が活性化するまでの時間が長くなる。なお、製造上の観点から、第1触媒34の熱容量は、3J/K以上であることが好ましい。
When the heat capacity of the
さらに、第1触媒34の熱容量は、25℃の温度環境下で20J/K以下であるので、第1触媒の大きさは、従来の一般的な触媒よりも、かなり小さい。このため、第1触媒34を配置するためのスペースを新たに設けること無く、第1触媒34を簡単に配置することができる。
Furthermore, since the heat capacity of the
特に、本実施形態では、第2触媒35は、これまでの触媒の如く、第1触媒コンバータ30のハウジング33の胴体部33bに配置され、第1触媒34は、入側コーン部33a内に配置されている。これにより、排気管に第1触媒34を配置する場合に比べて、大きな径で、かつ、排ガスの流路に沿った長さが短い第1触媒を配置することができる。このような結果、第1触媒34を通過する排ガスの圧損を低減することができる。
In particular, in the present embodiment, the
これに加えて、第1触媒34を通過することにより排ガスは、第2触媒35の上流側で整流化されるため、第2触媒35に向かう排ガスの速度勾配を緩やかすることができ、その排ガスの速度分布を平滑にすることができる。
In addition, since the exhaust gas passes through the
上述したように、第1触媒34の担体は、金属材料からなる。これにより、金属製のハウジング33の入側コーン部33aに第1触媒34を配置する際には、入側コーン部33aと、第1触媒34の担体とを溶接により簡単に接合することができる。
As described above, the carrier of the
〔第2実施形態〕
図4は、本発明の第2実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するための模式的概念図であり、図5は、図4に示す第1触媒34Aの模式的平面図である。第2実施形態に係る排ガス浄化装置が、第1実施形態と相違する点は、第1触媒34Aの形状であり、したがって、第1実施形態に係る触媒浄化装置の他の部材と同じ機能を有するものは、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a schematic conceptual diagram for explaining an exhaust gas purifying apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a schematic plan view of the
第2実施形態に係る第1触媒34Aは、上述した金属材料からなる担体(触媒担体)34’に、排ガスを浄化する金属触媒が担持されたものである。担体34’は、円板状の形状を有しており、金属枠体(外周部)34aと、金属枠体34aの内側に形成されたリング状の内周部34eと、を備えている。第1触媒34Aは、第1ガス通過部34fと第2ガス通過部34gとをさらに備えている。
The
第1ガス通過部34fは、金属枠体34aと内周部34eとの間に形成されており、第1ガス通過部34fは、複数のセル(孔)34h、34h…が形成されている。具体的には、複数のセル34hは、第1実施形態と同様に、波状に屈曲した金属帯体34bと、板状の金属帯体34cとを重ね合わせて巻回させることにより、形成されている。第1実施形態と同様に、各セル34hは、排ガスが通過する方向に形成されており、各セル34hには、第1実施形態で示した金属触媒が担持されている。
The first
第2ガス通過部34gは、内周部34eの内側において、排ガスが通過する方向に沿って形成された空洞部であり、第1ガス通過部34fと第2ガス通過部34gとは、内周部34eにより区画されている。また、図5に示すように、第2ガス通過部34gは、第2触媒35の中央部分35aに対向した位置に配置されている。
The second
本実施形態では、第1ガス通過部34fの排ガスが流れる流路の断面積と、第2ガス通過部34gの排ガスが流れる流路の断面積との総和に対する、第2ガス通過部34gの排ガスが流れる流路の断面積の比率は、3.5〜25%である。
In the present embodiment, the exhaust gas of the second
なお、第1ガス通過部34fの排ガスが流れる流路は、複数のセル34hであり、その流路の断面積は、排ガスが流れる方向と直交する仮想断面における、複数のセル34hの面積を合わせた総面積である。具体的には、この断面積は、図5に示す平面視において、金属枠体34aと内周部34eとの間で囲まれた領域の面積から、金属帯体34bと板状の金属帯体34cの断面積を減算した面積である。
The flow path through which the exhaust gas flows in the first
一方、第2ガス通過部34gのガスが通過する流路は、空洞部そのものであり、その流路の断面積は、排ガスが流れる方向と直交する仮想断面における、空洞部の面積である。具体的には、この断面積は、図5に示す平面視において、内周部34eにより囲まれた領域の面積である。
On the other hand, the flow path through which the gas of the second
第2実施形態によれば、円板状の第1触媒34Aと円柱状の第2触媒35の軸線は一致しており、図4に示すように、第1触媒34Aに向かって流れる排ガスの速度はその中央が高く、その位置には、第2ガス通過部34gが存在する。第1ガス通過部34fは複数の孔セル(孔)34h、34h、…で形成されており、第2ガス通過部34gは空洞部であるため、第2ガス通過部34gは、第1ガス通過部34fに比べて、排ガスの圧損が小さく、第2ガス通過部34gに排ガスは流れ易い。
According to the second embodiment, the axis of the disc-shaped
このような結果、第2ガス通過部34gを流れる排ガスの流量を確保しつつ、その流速は高められ、この排ガスが、第2触媒35の中央部分35aに流れる。これにより、第2触媒35の中央部分35aが早期に昇温され、その昇温時の熱は、その中央部分35aから外周部分35bに均一に伝達されるので、第2触媒35を早期に活性化し、これを早期に昇温することができる。なお、第1ガス通過部34fにも排ガスが通過することにより、この排ガスで第1ガス通過部34fの金属触媒が活性化されるため、第1ガス通過部34fが昇温され、この昇温された熱は、第2ガス通過部34gを通過する排ガスに伝達される。
As a result, while ensuring the flow rate of the exhaust gas flowing through the second
特に、本実施形態では、上述した断面積の比率を上述した範囲にすることにより、第2触媒35を早期に活性化し、これを昇温することができる。この断面積の比率が、3.5%未満である場合には、後述する発明者の実験からも明らかなように、第1触媒34Aの第2ガス通過部34gを流れる排ガスの流量が少なくなるため、第2触媒35の昇温効果を充分に期待できないことがある。一方、この断面積の比率が25%を超えた場合には、第1触媒34Aの第1ガス通過部34fを流れる排ガスの流量が少なくなるため、第1触媒34Aの昇温効果が低下してしまう。この場合も、第2触媒35の昇温効果を充分に期待することができないことがある。
In particular, in the present embodiment, the
以下に、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
<実施例1>
以下に示すようにして、図2に示す第1触媒コンバータ30を作製した。まず、第1触媒34の担体(メタル基材)として、図3に示す形状の担体を準備した。具体的には、第1触媒34の担体は、直径80mm、長さ2mmの円板状のステンレス鋼からなる担体(メタル担体)であり、リング状の金属枠体(外周部)34aの厚さは、1.0mmであり、波状の金属帯体34bおよび板状の金属帯体34cの厚さは、30μmであり、1平方インチあたりのセル数は、600個であり、担体の重量は、11.5gであった。
<Example 1>
As shown below, the first
次に、金属触媒として、所定の割合のロジウムの粒子を含む、セリア−ジルコニアのスラリーを、担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体には、1.3gの重量のコート層が被覆され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.1gであった。 Next, as a metal catalyst, a slurry of ceria-zirconia containing rhodium particles in a predetermined ratio was coated on the carrier, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. As a result, the carrier was coated with a coat layer weighing 1.3 g, of which the rhodium weight was approximately 0.1 g.
担体およびコート層の重量と、各材料の比熱から、得られた第1触媒34の熱容量を算出した。担体の素材であるステンレス鋼の比熱は、25℃の温度環境下で、0.46J/g・Kであり、コート層に含まれる焼成後のセリア−ジルコニアの比熱は、25℃の温度環境下で、0.77J/g・Kである。したがって、実施例1の第1触媒34の熱容量は、25℃の温度環境下で、6.3J/Kであった。なお、第1触媒34に対するロジウムの含有量は、微量であるため、ロジウムの熱容量は加味していない。
The heat capacity of the obtained
次に、第2触媒35として、直径103mmのコージライトからなるセラミックス製の担体に、金属触媒として、白金およびロジウムの粒子を含む、セリア−ジルコニアのスラリーをコートし、第1触媒と同じように、乾燥および焼成をした。第2触媒35には、金属触媒として、粒状の白金1.8gおよび粒状のロジウム0.2gが含まれている。なお、第1触媒34と同様に、第2触媒35の熱容量を算出した。第2触媒35の熱容量は、25℃の温度環境下で、322J/Kである。
Next, as a
次に、ハウジング33の入側コーン部33aに、第1触媒34を溶接し、その後、胴体部33bを入側コーン部33aに溶接した後、胴体部33bに第2触媒35をアロンセラミックス(登録商標)で固定した。最後に、胴体部33bに、出側コーン部33cを溶接した。これにより、実施例1に係る第1触媒コンバータ30を得た。
Next, the
<実施例2>
実施例1と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。実施例2の第1触媒コンバータが、実施例1のものと相違する点は、図6Aに示す第1触媒34Bを用いた点である。具体的には、第1触媒34Bの担体(メタル基材)は、直径80mm、長さ10mmの円板状のステンレス鋼からなる担体(メタル担体)であり、リング状の金属枠体(外周部)34aの厚さは、1.0mmである。次に、全長500mm、直径0.12mmのステンレス鋼からなる素線を、直径5mmのコイルに加工し、これを5本重ねたコイル34dを、合計8本作製し、図6Aに示すように、これらのコイル34dを金属枠体(外周部)34aの内部に固定したものを、実施例2の第1触媒の担体とした。この担体の重量は、20.3gであった。
<Example 2>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. The first catalytic converter of the second embodiment is different from that of the first embodiment in that a
この担体に、実施例1と同様に、所定の割合でロジウムを含有したスラリーを担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体には、3.0gの重量のコート層が形成され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.1gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34Bの熱容量を実施例1と同様に算出した。実施例2の第1触媒34Bの熱容量は、25℃の温度環境下で、11.7J/Kであった。
As in Example 1, this support was coated with a slurry containing rhodium at a predetermined ratio, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. As a result, a coating layer having a weight of 3.0 g was formed on the carrier, and the weight of rhodium was about 0.1 g. From the weight of the carrier and the coat layer, the heat capacity of the obtained
<実施例3>
実施例1と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。実施例3の第1触媒コンバータが、実施例1のものと相違する点は、図6Aに示す第1触媒34Bを用いた点であり、実施例3の第1触媒は、実施例2と同様の形状の触媒である。具体的には、第1触媒34Bの担体(メタル基材)は、直径70mm、長さ10mmの円板状のステンレス鋼の担体(メタル担体)であり、リング状の金属枠体34a(外周部)の厚さは、1.0mmである。次に、実施例2と同様に、全長500mm、直径0.12mmのステンレス鋼からなる素線を、直径5mmのコイルに加工し、これを5本重ねたコイル34dを、合計8本作製し、これらのコイル34dを金属枠体(外周部)34aの内部に固定したものを、実施例3の第1触媒の担体とした。この担体の重量は、17.8gであった。
<Example 3>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. The first catalytic converter of Example 3 is different from that of Example 1 in that the
この担体に、実施例1と同様に、所定の割合でロジウムを含有したスラリーを担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体には、2.6gの重量のコート層が形成され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.1gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34Bの熱容量を実施例1と同様に算出した。実施例3の第1触媒34Bの熱容量は、25℃の温度環境下で、10.2J/Kであった。
As in Example 1, this support was coated with a slurry containing rhodium at a predetermined ratio, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. As a result, a coating layer having a weight of 2.6 g was formed on the carrier, and the weight of rhodium was about 0.1 g. From the weight of the carrier and the coat layer, the heat capacity of the obtained
<実施例4>
実施例1と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。実施例4の第1触媒コンバータが、実施例1のものと相違する点は、図6Bに示す第1触媒34Cを用いた点である。具体的には、第1触媒34Cの担体(メタル基材)は、直径80mm、長さ10mmの円板状のステンレス鋼の担体(メタル担体)であり、リング状の金属枠体(外周部)34aの厚さは、1.0mmである。次に、実施例2と同様に、全長500mm、直径0.12mmのステンレス鋼からなる素線を、直径5mmのコイルに加工し、これを5本重ねたコイル34dを、合計10本作製し、実施例2と同様に、これらのコイル34dを金属枠体(外周部)34aの内部に固定したものを実施例4の第1触媒の担体とした。この担体の重量は、20.3gであった。
<Example 4>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. The first catalytic converter of the fourth embodiment is different from that of the first embodiment in that a first catalyst 34C shown in FIG. 6B is used. Specifically, the carrier (metal substrate) of the first catalyst 34C is a disk-shaped stainless steel carrier (metal carrier) having a diameter of 80 mm and a length of 10 mm, and a ring-shaped metal frame (outer peripheral part). The thickness of 34a is 1.0 mm. Next, in the same manner as in Example 2, a strand made of stainless steel having a total length of 500 mm and a diameter of 0.12 mm was processed into a coil having a diameter of 5 mm, and a total of 10
この担体に、実施例1と同様に、所定の割合でロジウムを含有したスラリーを担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体には、2.8gの重量のコート層が形成され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.1gであった。 As in Example 1, this support was coated with a slurry containing rhodium at a predetermined ratio, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. As a result, a coating layer weighing 2.8 g was formed on the carrier, of which the rhodium weight was about 0.1 g.
担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34Cの熱容量を、実施例1と同様に算出した。実施例4の第1触媒34Cの熱容量は、25℃の温度環境下で、11.5J/Kであった。 From the weights of the carrier and the coat layer, the heat capacity of the obtained first catalyst 34C was calculated in the same manner as in Example 1. The heat capacity of the first catalyst 34C of Example 4 was 11.5 J / K under a temperature environment of 25 ° C.
<比較例1>
実施例1と同じように、第1触媒コンバータを作製した。比較例1が、実施例1と相違する点は、第1触媒コンバータに第1触媒を設けなかった点である。
<Comparative Example 1>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. The comparative example 1 is different from the first embodiment in that the first catalyst is not provided in the first catalytic converter.
<比較例2>
実施例1と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。比較例2の第1触媒コンバータが、実施例1のものと相違する点は、図3に示す担体の長さを10mmにした点であり、その他の担体の構造は同じである。この担体の重量は、41.2gであった。
<Comparative example 2>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. The first catalytic converter of Comparative Example 2 is different from that of Example 1 in that the length of the carrier shown in FIG. 3 is 10 mm, and the other carrier structures are the same. The weight of this carrier was 41.2 g.
この担体に、実施例1と同様のスラリーを担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体には、4.7gの重量のコート層が形成され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.1gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒の熱容量を実施例1と同様に算出した。比較例2の第1触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で、22.7J/Kであった。 The carrier was coated with the same slurry as in Example 1, dried at 120 ° C. and calcined at 500 ° C. As a result, a coat layer having a weight of 4.7 g was formed on the carrier, and the weight of rhodium was about 0.1 g. From the weight of the carrier and the coat layer, the heat capacity of the obtained first catalyst was calculated in the same manner as in Example 1. The heat capacity of the first catalyst of Comparative Example 2 was 22.7 J / K under a temperature environment of 25 ° C.
<比較例3>
実施例1と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。比較例3の第1触媒コンバータが、実施例2のものと相違する点は、第1触媒の構造である。直径80mm、長さ10mm、厚さ1.0mmのリング状のステンレス鋼からなる金属枠体を準備した。つぎに、第2触媒の担体のセルが形成された部分から、直径78mm、長さ10mmの円筒体を切り出して、リング状の金属枠体に、切り出した円筒体を挿入し、アロンセラミックスで固定したものを比較例3の担体とした。
<Comparative Example 3>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. The first catalytic converter of Comparative Example 3 is different from that of Example 2 in the structure of the first catalyst. A metal frame made of ring-shaped stainless steel having a diameter of 80 mm, a length of 10 mm, and a thickness of 1.0 mm was prepared. Next, a cylindrical body having a diameter of 78 mm and a length of 10 mm is cut out from the portion where the second catalyst carrier cell is formed, and the cut cylindrical body is inserted into a ring-shaped metal frame and fixed with Aaron ceramics. This was used as the carrier of Comparative Example 3.
この担体に、実施例1と同様のスラリーを担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体にコート層が形成され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.3gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒の熱容量を実施例1と同様に算出した。比較例3の第1触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で、28.8J/Kであった。 The carrier was coated with the same slurry as in Example 1, dried at 120 ° C. and calcined at 500 ° C. As a result, a coating layer was formed on the carrier, and the weight of rhodium was about 0.3 g. From the weight of the carrier and the coat layer, the heat capacity of the obtained first catalyst was calculated in the same manner as in Example 1. The heat capacity of the first catalyst of Comparative Example 3 was 28.8 J / K under a temperature environment of 25 ° C.
〔評価試験〕
実施例1〜4および比較例1〜3の第1触媒コンバータをそれぞれ、エンジンからバイパス経路のある排気管に接続した。エンジン内で、エンジンの流入空気量(すなわち排ガス量に相当)25g/秒、ストイキの条件で混合気を燃焼し、排ガス温度を450℃に調整した排ガスを排気管に流した。その後、バイパス経路に切り換えて、排気管に流れる排ガスを、バイパス経路に流通させ、第1触媒コンバータに排ガスを通過させた。第1触媒コンバータから排出される排ガスのHCの浄化効率がエンジン始動時から50%に到達するまでの時間を測定した。この結果を、図7および図8に示す。なお、この評価試験では、バイパス経路に切り換えたタイミングを、エンジン始動時と仮定している。
〔Evaluation test〕
The first catalytic converters of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were each connected from the engine to an exhaust pipe having a bypass path. In the engine, the air-fuel mixture was burned under the stoichiometric condition of the inflow air amount of the engine (ie, corresponding to the exhaust gas amount) of 25 g / sec, and the exhaust gas adjusted to the exhaust gas temperature of 450 ° C. was caused to flow through the exhaust pipe. After that, switching to the bypass path, the exhaust gas flowing in the exhaust pipe was circulated through the bypass path, and the exhaust gas was passed through the first catalytic converter. The time until the HC purification efficiency of the exhaust gas discharged from the first catalytic converter reaches 50% from the start of the engine was measured. The results are shown in FIG. 7 and FIG. In this evaluation test, the timing for switching to the bypass path is assumed to be when the engine is started.
図7は、実施例1〜4および比較例1〜3に係る第1触媒コンバータを通過した排ガスのHC50%浄化到達時間を示したグラフである。図8は、実施例1〜4および比較例1〜3の第1触媒の熱容量と、第1触媒コンバータを通過した排ガスのHC50%浄化到達時間との関係を示したグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the
さらに、バイパス経路に切り換えてから(エンジン始動時から)、実施例1、3および比較例1〜3の第1触媒コンバータ内の第1触媒を通過した排ガスの温度を測定した。この結果を、図9に示す。図9は、実施例1、3および比較例1〜3の第1触媒を通過した後の排ガス温度の変化を測定したグラフである。 Furthermore, the temperature of the exhaust gas that passed through the first catalyst in the first catalytic converters of Examples 1 and 3 and Comparative Examples 1 to 3 was measured after switching to the bypass path (from the time of engine start). The result is shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing changes in exhaust gas temperature after passing through the first catalysts of Examples 1 and 3 and Comparative Examples 1 to 3.
〔結果1〕
図7に示すように、実施例1〜4の第1触媒コンバータのHC50%浄化到達時間は、比較例1のものよりも、短かった。これは、実施例1〜4では、比較例1とは異なり、第2触媒の上流に、第1触媒をさらに配置したことにより、浄化効率が向上したためであると考えられる。
[Result 1]
As shown in FIG. 7, the HC50% purification arrival time of the first catalytic converters of Examples 1 to 4 was shorter than that of Comparative Example 1. This is considered to be because, in Examples 1 to 4, unlike Comparative Example 1, purification efficiency was improved by further arranging the first catalyst upstream of the second catalyst.
しかしながら、図7に示すように、比較例2、3では、第2触媒の上流に第1触媒を配置したにもかかわらず、第1触媒コンバータのHC50%浄化到達時間は、比較例1よりも長くなった。図9に示すように、エンジン始動時から2〜7秒における比較例2、3の排ガスの温度は、実施例1、3のものよりも低かった。 However, as shown in FIG. 7, in Comparative Examples 2 and 3, the HC50% purification arrival time of the first catalytic converter is higher than that of Comparative Example 1 even though the first catalyst is disposed upstream of the second catalyst. It became long. As shown in FIG. 9, the temperature of the exhaust gas of Comparative Examples 2 and 3 in 2 to 7 seconds after the engine start was lower than that of Examples 1 and 3.
このことから、実施例1〜4の第1触媒の熱容量に比べて、比較例2、3の熱容量は大きいため、比較例2、3では、第1触媒を排ガスが通過する際に、第1触媒に排ガスの熱が多く奪われたと考えられる。これにより、比較例2、3では、実施例1、3に比べて、エンジンが始動してから初期の段階(2〜7秒)では、第2触媒に到達する排ガスの温度が低いため、第2触媒の排ガスによる昇温が遅くなったと考えられる。このような結果、図8に示すように、実施例1〜4に比べて、第1触媒の熱容量の小さい比較例2、3では、第1触媒コンバータのHC50%浄化到達時間が長くなったと言える。 From this, since the heat capacities of Comparative Examples 2 and 3 are larger than the heat capacities of the first catalysts of Examples 1 to 4, in Comparative Examples 2 and 3, when the exhaust gas passes through the first catalyst, It is thought that a lot of exhaust gas heat was taken away by the catalyst. Thereby, in Comparative Examples 2 and 3, compared with Examples 1 and 3, the temperature of the exhaust gas reaching the second catalyst is lower at the initial stage (2 to 7 seconds) after the engine is started. It is thought that the temperature rise by the exhaust gas of 2 catalyst became late. As a result, as shown in FIG. 8, it can be said that in Comparative Examples 2 and 3 in which the heat capacity of the first catalyst is small compared to Examples 1 to 4, the HC50% purification arrival time of the first catalytic converter is longer. .
一方、図9に示すように、実施例1、3の排ガス温度は、エンジン始動時から6秒あたりまで、比較例1の排ガスの温度と略同じである。これは、実施例1、3では、第1触媒の熱容量が、比較例2、3のものよりも小さいため、第1触媒に奪われる(吸熱される)排ガスの熱量が少なく、第1触媒が活性化したことによる反応時の熱が、排ガスに入熱されたからであると考えられる。したがって、実施例1〜4の第1触媒コンバータでは、第1触媒による排ガスの吸熱の影響をほとんど受けずに、第2触媒を早期に昇温できると考えられる。そして、図9に示すように、エンジン始動時から6秒以降では、実施例1、3では、第1触媒の活性化により、第1触媒を通過した排ガスの温度(すなわち、第2触媒に流入する排ガスの温度)は、比較例1のものよりも高くなり、第2触媒がより高温に昇温され、第2触媒による排ガスの浄化が促進されると言える。 On the other hand, as shown in FIG. 9, the exhaust gas temperatures of Examples 1 and 3 are substantially the same as the exhaust gas temperature of Comparative Example 1 until about 6 seconds from the time of engine start. This is because in Examples 1 and 3, the heat capacity of the first catalyst is smaller than that in Comparative Examples 2 and 3, so that the amount of heat of the exhaust gas that is deprived (heat absorbed) by the first catalyst is small. It is thought that the heat at the time of reaction due to activation was input to the exhaust gas. Therefore, in the 1st catalytic converter of Examples 1-4, it is thought that the 2nd catalyst can be heated up early, hardly receiving the influence of the heat absorption of the exhaust gas by the 1st catalyst. As shown in FIG. 9, after 6 seconds from the start of the engine, in Examples 1 and 3, the temperature of the exhaust gas that has passed through the first catalyst (that is, the second catalyst flows into the second catalyst) due to the activation of the first catalyst. It can be said that the temperature of the exhaust gas is higher than that of Comparative Example 1, the temperature of the second catalyst is raised to a higher temperature, and the purification of the exhaust gas by the second catalyst is promoted.
以上の結果から、図8に示すように、第1触媒の熱容量が、25℃の温度環境下で20J/K以下であれば、第1触媒とともに、第2触媒を早期に活性化することができると言える。 From the above results, as shown in FIG. 8, if the heat capacity of the first catalyst is 20 J / K or less in a temperature environment of 25 ° C., the second catalyst can be activated early together with the first catalyst. I can say that.
<実施例5>
実施例1と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。まず、第1触媒の担体(メタル基材)として、図5に示す形状の担体を準備した。具体的には、第1触媒34Aの担体34’は、外径80mm、内径30mm、長さ2mmの円板状のステンレス鋼からなる担体(メタル担体)であり、リング状の金属枠体(外周部)34aの厚さは、1.0mmであり、内周部34eの厚さは、30μmである。第1ガス通過部34fを形成する波状の金属帯体34bおよび板状の金属帯体34cの厚さは、30μmであり、1平方インチあたりのセル数(孔数)は、600個であり、担体の重量は、11.0gであった。
<Example 5>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 1. First, a carrier having the shape shown in FIG. 5 was prepared as a carrier (metal substrate) for the first catalyst. Specifically, the
この担体に、実施例1と同様に、所定の割合でロジウムを含有したスラリーを担体にコートし、120℃で乾燥後、500℃で焼成した。これにより、担体には、1.0gの重量のコート層が形成され、そのうち、ロジウムの重量は、約0.10gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34Aの熱容量を実施例1と同様に算出した。実施例5の第1触媒34Aの熱容量は、25℃の温度環境下で、6.6J/Kであった。担体の素材であるステンレス鋼の比熱は、25℃の温度環境下で、0.46J/g・Kであり、コート層に含まれる焼成後のセリア−ジルコニアの比熱は、25℃の温度環境下で、1.5J/g・Kである。さらに、第1ガス通過部34fの排ガスが流れる流路の断面積と、第2ガス通過部34gの排ガスが流れる流路の断面積との総断面積に対する、第2ガス通過部34gの排ガスが流れる流路の断面積の比率(以下「空洞部の面積率」という)は、14%であった。
As in Example 1, this support was coated with a slurry containing rhodium at a predetermined ratio, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. As a result, a coating layer having a weight of 1.0 g was formed on the carrier, and the weight of rhodium was about 0.10 g. From the weight of the carrier and the coat layer, the heat capacity of the obtained
<実施例6>
実施例5と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。実施例5と相違する点は、第1触媒34Aの担体34’の内径を15mmとし、担体の重量を、11.4gとした点である。さらにこの担体に対して、実施例5と同様に、1.2gの重量のコート層を形成し、そのうち、コート層に含まれるロジウムの重量は、約0.11gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34Aの熱容量を実施例5と同様に算出した。実施例5の第1触媒34Aの熱容量は、25℃の温度環境下で、7.0J/Kであった。空洞部の面積率は、3.5%であった。
<Example 6>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 5. The difference from Example 5 is that the inner diameter of the
<実施例7>
実施例5と同じようにして、第1触媒コンバータを作製した。実施例5と相違する点は、第1触媒34Aの担体34’の内径を40mmとし、担体の重量を、10.1gとした点である。さらにこの担体に対して、実施例5と同様に、1.0gの重量のコート層を形成し、そのうち、コート層に含まれるロジウムの重量は、約0.10gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34Aの熱容量を実施例5と同様に算出した。実施例5の第1触媒34Aの熱容量は、25℃の温度環境下で、6.2J/Kであった。空洞部の面積率は、25%であった。
<Example 7>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 5. The difference from Example 5 is that the inner diameter of the carrier 34 'of the
<比較例4>
実施例5と同じように、第1触媒コンバータを作製した。比較例4が、実施例5と相違する点は、第1触媒コンバータに第1触媒を設けなかった点である。したがって、比較例4の触媒コンバータは、比較例1のものと同じである。
<Comparative example 4>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 5. Comparative Example 4 is different from Example 5 in that the first catalyst is not provided in the first catalytic converter. Therefore, the catalytic converter of Comparative Example 4 is the same as that of Comparative Example 1.
<比較例5>
実施例5と同じように、第1触媒コンバータを作製した。比較例5が、実施例5と相違する点は、図3に示す空洞部の無い第1触媒34を用いた点である。したがって、比較例5は、本発明に含まれる実施例である。比較例5の第1触媒34の担体の重量は、11.6gであった。さらにこの担体に対して、実施例5と同様に、コート層を形成し、そのうち、1.2gのコート層に含まれるロジウムの重量は、約0.11gであった。担体およびコート層の重量から、得られた第1触媒34の熱容量を実施例5と同様に算出した。比較例5の第1触媒34の熱容量は、25℃の温度環境下で、7.1J/Kであった。
<Comparative Example 5>
A first catalytic converter was produced in the same manner as in Example 5. The comparative example 5 is different from the fifth embodiment in that the
実施例5〜7および比較例4および5の第1触媒コンバータに対しして、実施例1と同様の評価試験を行い、第1触媒コンバータから排出される排ガスのHCの浄化効率がエンジン始動時から50%に到達するまでの時間を測定した。この結果を、図10に示す。図10は、実施例5〜7および比較例4、5の第1触媒の第2ガス通過部の面積率と、第1触媒コンバータを通過した排ガスのHC50%浄化到達時間との関係を示したグラフである。 For the first catalytic converters of Examples 5 to 7 and Comparative Examples 4 and 5, the same evaluation test as in Example 1 was performed, and the HC purification efficiency of the exhaust gas discharged from the first catalytic converter was The time to reach 50% was measured. The result is shown in FIG. FIG. 10 shows the relationship between the area ratio of the second gas passage part of the first catalyst of Examples 5 to 7 and Comparative Examples 4 and 5 and the HC50% purification arrival time of the exhaust gas that passed through the first catalytic converter. It is a graph.
さらに、実施例5〜7および比較例5の第1触媒に排ガスを通過してから10秒後の第1触媒の昇温温度を測定した。この結果を図11に示す。図11は、実施例5〜7および比較例5の第1触媒の第2ガス通過部の面積率と、第1触媒の昇温温度との関係を示したグラフである。
Furthermore, the temperature increase temperature of the
〔結果2〕
図10に示すように、実施例5〜7および比較例5の第1触媒コンバータのHC50%浄化到達時間は、比較例4のものよりも、短かった。これは、実施例5〜7および比較例5では、比較例4とは異なり、第2触媒の上流に、第1触媒をさらに配置したことにより、浄化効率が向上したためであると考えられる。
[Result 2]
As shown in FIG. 10, the HC50% purification arrival time of the first catalytic converters of Examples 5 to 7 and Comparative Example 5 was shorter than that of Comparative Example 4. This is probably because, in Examples 5 to 7 and Comparative Example 5, unlike the comparative example 4, the purification efficiency was improved by further arranging the first catalyst upstream of the second catalyst.
さらに、実施例5〜7の触媒コンバータのHC50%浄化到達時間は、比較例5のものよりも短かった。これは、実施例5〜7では、比較例5に比べて、第2ガス通過部を介して、流速の高い排ガスを、短時間で第2触媒の中央部分に流すことができたからであると考えられる。このようにして、第1触媒の第2ガス通過部を通過した排ガスが、第2触媒の中央部分に向かって流れ、第2触媒の中央部分が早期に昇温され、その昇温時の熱は、その中央部分から周りに伝達されたと考えられる。そして、空洞部の面積率を3.5%以上確保すれば、このような効果が期待できると考えられる。 Furthermore, the HC50% purification arrival time of the catalytic converters of Examples 5 to 7 was shorter than that of Comparative Example 5. This is because, in Examples 5 to 7, compared with Comparative Example 5, it was possible to flow exhaust gas having a high flow rate through the second gas passage part in the central part of the second catalyst in a short time. Conceivable. In this way, the exhaust gas that has passed through the second gas passage part of the first catalyst flows toward the central part of the second catalyst, the central part of the second catalyst is heated up early, and the heat at the time of the temperature rise Is thought to have been transmitted around from its central part. And if the area ratio of a cavity part is ensured 3.5% or more, it is thought that such an effect can be expected.
さらに、図11に示すように、実施例5〜7の第1触媒の昇温温度は、比較例5のものに比べて低くなった。これは、空洞部の面積率が大きくなるに従って、第1ガス通過部を流れる排ガスの流量が減少したからであると考えられる。そして、空洞部の面積率を25%以下確保すれば、第1ガス通過部を流れる排ガスの流量を確保することができ、第1触媒による昇温効果を期待することができると考えられる。 Furthermore, as shown in FIG. 11, the temperature rise of the first catalysts of Examples 5 to 7 was lower than that of Comparative Example 5. This is considered to be because the flow rate of the exhaust gas flowing through the first gas passage portion decreased as the area ratio of the cavity portion increased. And if the area ratio of a cavity part is ensured 25% or less, it is thought that the flow volume of the waste gas which flows through a 1st gas passage part can be ensured, and the temperature rising effect by a 1st catalyst can be anticipated.
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. Design changes can be made.
本実施形態では、第1触媒コンバータに第1触媒を配置したが、たとえば、第1触媒の熱容量の条件を満たすことができ、第1触媒の活性化により、より高い温度の排ガスを第2触媒に流すことができるのであれば、第1触媒コンバータのさらに上流に、第1触媒を設けてもよい。 In the present embodiment, the first catalyst is disposed in the first catalytic converter. However, for example, the heat capacity of the first catalyst can be satisfied, and the activation of the first catalyst allows the exhaust gas at a higher temperature to be discharged from the second catalyst. The first catalyst may be provided further upstream of the first catalytic converter.
2:エンジン、29:排気マニホールド、3:排ガス浄化装置、30:第1触媒コンバータ(触媒コンバータ)、32:排ガス浄化触媒、33:ハウジング、33a:入側コーン部、33b:胴体部、33c:出側コーン部、34,34A,34B,34C:第1触媒、34a:金属枠体(外周部)、34e:内周部、34f:第1ガス通過部、34g:第2ガス通過部、34h:セル(孔)、35:第2触媒 2: Engine, 29: Exhaust manifold, 3: Exhaust gas purification device, 30: First catalytic converter (catalytic converter), 32: Exhaust gas purification catalyst, 33: Housing, 33a: Entrance cone portion, 33b: Body portion, 33c: Outlet cone portion, 34, 34A, 34B, 34C: first catalyst, 34a: metal frame (outer peripheral portion), 34e: inner peripheral portion, 34f: first gas passage portion, 34g: second gas passage portion, 34h : Cell (hole), 35: Second catalyst
Claims (4)
前記排ガス浄化触媒は、前記排気マニホールドからの排ガスを浄化する第1触媒と、前記第1触媒を通過した前記排ガスを浄化する第2触媒とを備えており、
前記第1触媒の熱容量は、前記第2触媒の熱容量よりも小さく、
前記第2触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で184〜322J/Kであり、
前記第1触媒の熱容量は、25℃の温度環境下で20J/K以下であることを特徴とする排ガス浄化装置。 An exhaust gas purification device including an exhaust gas purification catalyst for purifying exhaust gas from an exhaust manifold,
The exhaust gas purification catalyst includes a first catalyst that purifies the exhaust gas from the exhaust manifold, and a second catalyst that purifies the exhaust gas that has passed through the first catalyst,
The heat capacity of the first catalyst is smaller than the heat capacity of the second catalyst,
The heat capacity of the second catalyst is 184 to 322 J / K under a temperature environment of 25 ° C.,
The exhaust gas purification apparatus according to claim 1, wherein the heat capacity of the first catalyst is 20 J / K or less under a temperature environment of 25 ° C.
前記ハウジングには、前記排気マニホールドからの排ガスが流入し、排ガスの上流から下流に向かって排ガスの流路断面が拡大した入側コーン部と、
前記入側コーン部に連続し、排ガスの流路断面が一定となる胴体部と、
前記胴体部に連続し、排ガスの上流から下流に向かって、排ガスの流路断面が縮小した出側コーン部と、が形成されており、
前記第1触媒は、前記入側コーン部内に配置されており、
前記第2触媒は、前記胴体部内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置。 The exhaust gas purifying apparatus includes a catalytic converter including the first and second catalysts and a metal housing that houses the first and second catalysts therein.
Into the housing, exhaust gas from the exhaust manifold flows, and an inlet side cone portion in which a cross section of the exhaust gas channel is enlarged from upstream to downstream of the exhaust gas,
A body part that is continuous with the inlet cone part and has a constant cross-section of the exhaust gas flow path;
Continuing from the body part, from the upstream side of the exhaust gas to the downstream side, an outlet side cone part in which the cross section of the exhaust gas channel is reduced, and is formed,
The first catalyst is disposed in the entry side cone part,
The exhaust gas purifying apparatus according to claim 1, wherein the second catalyst is disposed in the body portion.
外周部と、
前記外周部の内側に形成された内周部と、
前記外周部と前記内周部との間に、排ガスが通過する方向に複数の孔が形成され、前記各孔を形成する壁面に前記金属触媒が担持された第1ガス通過部と、
前記内周部の内側に、排ガスが通過する方向に沿って形成された空洞部である第2ガス通過部と、を備え、
前記第1ガス通過部の排ガスが流れる流路の断面積と、前記第2ガス通過部の排ガスが流れる流路の断面積との総断面積に対する、前記第2ガス通過部の排ガスが流れる流路の断面積の比率は、3.5〜25%であることを特徴とする請求項3に記載の排ガス浄化装置。 The carrier has a disc shape,
An outer periphery,
An inner periphery formed inside the outer periphery;
Between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion, a plurality of holes are formed in a direction in which the exhaust gas passes, and a first gas passage portion in which the metal catalyst is supported on a wall surface forming each of the holes,
A second gas passage part that is a hollow part formed along the direction in which the exhaust gas passes inside the inner peripheral part,
The flow through which the exhaust gas in the second gas passage section flows relative to the total cross-sectional area of the cross-sectional area of the flow path in which the exhaust gas in the first gas passage section flows and the cross-sectional area in the flow path in which the exhaust gas in the second gas passage section flows. The exhaust gas purification apparatus according to claim 3, wherein the ratio of the cross-sectional area of the road is 3.5 to 25%.
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