JP2020076348A

JP2020076348A - 触媒装置および排気浄化システム

Info

Publication number: JP2020076348A
Application number: JP2018208969A
Authority: JP
Inventors: 哲哉佐久間; Tetsuya Sakuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-05-21
Also published as: CN111140322B; US10934913B2; CN111140322A; US20200141296A1; DE102019128110A1

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置において、触媒物質の更なる早期活性化を図ることを目的とする。【解決手段】排気通路においてマイクロ波が照射される触媒装置の触媒層４３ａに、触媒物質１０１とマイクロ波吸収体１０２とが含まれている。そして、触媒層４３ａにおいて、マイクロ波吸収体１０２に触媒物質１０１が他の物質を介さずに担持されている。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置、および、内燃機関の排気浄化システムに関する。

特許文献１には、小容量の触媒と、該小容量の触媒より下流側に配置された大容量の触媒とを有する触媒コンバータに関する技術が開示されている。この特許文献１に記載の技術では、小容量の触媒が、貴金属からなる触媒物質およびマイクロ波吸収体を含む触媒コーティング材を、セラミック製の基材にコーティングすることで形成されている。そして、触媒コンバータに設けられたマイクロ波発振器によって小容量の触媒に対してマイクロ波が照射される。

特開平５−２２２９２４号公報

上記のように、触媒物質と、マイクロ波を吸収することで発熱するマイクロ波吸収体と、を含む触媒コーティング材によって形成される触媒層を有する触媒装置が知られている。マイクロ波吸収体を含んで構成される触媒装置に対してマイクロ波が照射されると、該マイクロ波吸収体が該マイクロ波を吸収することで発熱する。これにより、触媒層の温度上昇が促進されるため、該触媒層に含まれる触媒物質の早期活性化を図ることができる。そして、内燃機関の排気浄化システムでは、排気通路に設けられた触媒装置において触媒物質を早期に活性化させることで、排気エミッションを向上させることができる。

ただし、従来の触媒装置においては、触媒物質およびマイクロ波吸収体の他に、該触媒物質を担持するための担体物質が含まれるのが一般的である。これは、単体物質に触媒物質を担持させることで、触媒層において拡散した状態で触媒物質を触媒装置に保持するためである。そして、このような構成では、担体物質の粒子の大きさは触媒物質の粒子に比べて非常に大きい。そのため、マイクロ波の照射によってマイクロ波吸収体が発熱すると、該マイクロ波吸収体で発生した熱が、先ずは担体物質に伝わり、その後、該担体物質を経由して触媒物質に伝わることになる。このような、触媒層におけるマイクロ波吸収体から触媒物質への伝熱経路を考慮すると、触媒装置において触媒物質の更なる早期活性化を図る余地がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置において、触媒物質の更なる早期活性化を図ることを目的とする。

本発明の第１の態様に係る触媒装置は、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置であって、前記排気通路においてマイクロ波が照射される触媒装置であり、触媒物質と、マイクロ波を吸収することで発熱するマイクロ波吸収体と、を含んで構成される触媒層を有し、前記触媒層において、前記マイクロ波吸収体に前記触媒物質が他の物質を介さずに担持されている。

本発明に係る触媒装置は、内燃機関の排気通路に排気浄化装置として設けられる装置で
ある。触媒装置は触媒層を有している。触媒層は触媒物質とマイクロ波吸収体とを含んで構成される。触媒物質は貴金属である。内燃機関の排気通路に設けられた触媒装置においては、触媒層に含まれる触媒物質が活性化すると、該触媒物質によって排気が浄化される。マイクロ波吸収体は、触媒層に含まれる触媒物質よりもマイクロ波の吸収性能が高い物質である。内燃機関の排気通路に設けられた触媒装置にはマイクロ波が照射される。マイクロ波吸収体は、触媒装置に照射されたマイクロ波を吸収することで発熱する性質を有する。

そして、本発明では、触媒層において、マイクロ波吸収体に触媒物質が他の物質を介さずに担持されている。つまり、触媒層において、マイクロ波吸収体に触媒物質が直接担持されている。換言すれば、マイクロ波吸収体が担体物質としての機能も有している。

排気通路に設けられた触媒装置が上記のような構成を有する場合、該触媒装置にマイクロ波が照射されることで触媒層に含まれるマイクロ波吸収体が発熱すると、該マイクロ波吸収体で発生した熱が触媒物質に直接伝わることになる。そうなると、マイクロ波吸収体で発生した熱が他の担体物質を介して触媒物質に伝わる場合に比べて、触媒物質の昇温がより促進されることになる。したがって、本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置において、触媒物質の更なる早期活性化を図ることができる。

ここで、本発明に係る触媒装置の触媒層に含まれるマイクロ波吸収体の粒子の比表面積は４０ｍ^２／ｇ以上であってもよい。ここで、従来の触媒装置の触媒層において、触媒物質を担持するために用いられる担体物質の一種であるジルコニア（ＣＺ）の粒子の比表面積は、一般的に４０ｍ^２／ｇ程度である。したがって、マイクロ波吸収体の粒子の比表面積は４０ｍ^２／ｇ以上であれば、該マイクロ波吸収体に触媒物質を直接担持させることが可能となる。

本発明の第２の態様に係る内燃機関の排気浄化システムは、第１の態様に係る触媒装置であって、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置と、前記排気通路において前記触媒装置にマイクロ波を照射する照射装置と、を備える。

このような排気浄化システムによれば、照射装置から触媒装置にマイクロ波を照射することで、触媒装置における触媒物質の更なる早期活性化を図ることができる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置において、触媒物質の更なる早期活性化を図ることができる。

実施形態に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。触媒装置における、排気の流れ方向に対して垂直な方向の断面の一部を拡大した図である。触媒装置における、排気の流れ方向に沿った方向の断面の一部を拡大した図である。実施形態に係る触媒装置における触媒層の構成を説明するためのイメージ図である。内燃機関の冷間始動時において、照射装置から触媒装置にマイクロ波を照射したときの、該触媒装置におけるＨＣ浄化率Ｒｐの時間的推移を示すタイムチャートである。比較例に係る触媒装置における触媒層の構成を説明するためのイメージ図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（排気系の概略構成）
図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のガソリンエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には触媒装置４が設けられている。この触媒装置４は、排気中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、およびＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための三元触媒である。なお、触媒装置４の構成については後述する。また、排気通路２における触媒装置４の下流側には温度センサ６が設けられている。温度センサ６は、触媒装置４から流出する排気の温度を検出するためのセンサである。

また、排気通路２における触媒装置４よりも上流側には照射装置５が設けられている。照射装置５は、触媒装置４に対してマイクロ波を照射する装置である。照射装置５は、マイクロ波発振器およびマイクロ波放射器を備えている。マイクロ波発振器としては、例えば半導体発振器を用いることができる。そして、照射装置５は、マイクロ波発振器で発生させたマイクロ波を、マイクロ波放射器から触媒装置４に向けて放射させる。なお、本実施形態においては、触媒装置４が本発明に係る「触媒装置」に相当し、照射装置５が本発明に係る「照射装置」に相当する。だたし、本発明に係る「触媒装置」は三元触媒に限らず、単なる酸化触媒等であってもよい。

また、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、内燃機関１の吸気通路に設けられたスロットル弁、内燃機関１の燃料噴射弁等の各種装置が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ１０によって、これらの装置が制御される。

また、ＥＣＵ１０には温度センサ６が電気的に接続されている。さらに、ＥＣＵ１０にはクランクポジションセンサ１１及びアクセル開度センサ１２が電気的に接続されている。そして、各センサの検出値がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、温度センサ６の検出値に基づいて触媒装置４の温度を推定する。また、ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１１の検出値に基づいて内燃機関１の機関回転速度を導出する。また、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１２の検出値に基づいて内燃機関１の機関負荷を導出する。

さらに、ＥＣＵ１０には照射装置５が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、照射装置５を制御することでマイクロ波照射処理を実行する。マイクロ波照射処理は、触媒装置４に対して所定周波数のマイクロ波を照射する処理である。マイクロ波照射処理は、例えば、内燃機関１の冷間始動時のように触媒装置４の昇温要求があった場合に実行される。この場合、マイクロ波照射処理における所定周波数は、触媒装置４の昇温に適した周波数として実験等に基づいて定められている。

（触媒装置）
ここで、本実施形態に係る触媒装置の概略構成について図２〜図４に基づいて説明する。図２は、触媒装置４における、排気の流れ方向に対して垂直な方向の断面の一部を拡大した図である。図３は、触媒装置４における、排気の流れ方向に沿った方向の断面の一部を拡大した図である。図４は、触媒装置４における触媒層の構成を説明するためのイメージ図である。

触媒装置４は、排気の流れ方向に延びる複数のセル４２を有するウォールフロー型の三元触媒である。触媒装置４において、各セル４２は隔壁４１によって区画されている。図２に示すように、触媒装置４では、基材における隔壁４１上（すなわち、セル４２の壁面上）に、貴金属からなる複数種類の触媒物質を含んだコーティング材によって触媒層４３が形成されている。ここで、触媒物質としてはＰｄ（パラジウム）やＲｈ（ロジウム）を例示することができる。そして、触媒装置４では、触媒層４３に含まれる各触媒物質によって、排気中のＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘが浄化される。

さらに、触媒層４３には、上記の触媒物質の他にマイクロ波吸収体が含まれている。マイクロ波吸収体は、触媒層４３に含まれる各触媒物質よりもマイクロ波の吸収性能が高い物質である。また、マイクロ波吸収体は、照射装置５から触媒装置４に対して照射された所定周波数のマイクロ波を吸収することで発熱する性質を有する。

ただし、触媒装置４の触媒層４３においては、マイクロ波吸収体が一様に分布しているわけではなく、該触媒層４３の一部の部分にのみ分布している。詳細には、触媒装置４の触媒層４３は、図３に示すように、第１触媒層４３ａおよび第２触媒層４３ｂを有している。図３は、触媒装置４の隔壁４１上に形成された触媒層４３における、第１触媒層４３ａおよび第２触媒層４３ｂの分布を示している。なお、図３において、白抜き矢印は、セル４２内を流れる排気の流れ方向を表している。

上述したように、触媒装置４においては、排気の流れに沿って延びるセル４２を区画する隔壁４１上に触媒層４３が形成されている。そして、図３に示すように、触媒層４３において、排気の流れに沿って上流側に位置する上流部分であり、且つ、セル４２内を流れる排気に直接晒される場所に位置する排気接触部分（すなわち、触媒層４３を、隔壁４１に対して垂直方向に二分割した場合に該隔壁４１とは接触しない方の部分）に、第１触媒層４３ａが形成されている。また、触媒層４３における、第１触媒層４３ａが形成されている部分以外の部分に第２触媒層４３ｂが形成されている。つまり、触媒層４３において、第１触媒層４３ａが形成されている上流側部分における、セル４２内を流れる排気に直接晒されない場所に位置する非接触部分（すなわち、触媒層４３を、隔壁４１に対して垂直方向に二分割した場合に該隔壁４１と接触する方の部分）、および、第１触媒層４３ａが形成されている部分よりも排気の流れに沿って下流側に位置する下流側部分に、第２触媒層４３ｂが形成されている。

そして、触媒層４３では、第１触媒層４３ａにのみマイクロ波吸収体が含まれている。すなわち、第２触媒層４３ｂにはマイクロ波吸収体は含まれていない。ここで、第１触媒層４３ａおよび第２触媒層４３ｂの物質構成について図４に基づいて説明する。

上記のように、第１触媒層４３ａには、触媒物質１０１に加えて、マイクロ波吸収体１０２が含まれている。そして、この第１触媒層４３ａにおいては、マイクロ波吸収体１０２に触媒物質１０１が他の物質を介さずに担持されている。つまり、第１触媒層４３ａにおいては、マイクロ波吸収体１０２に触媒物質１０１が直接担持されている。

一方で、マイクロ波吸収体１０２が含まれていない第２触媒層４３ｂには、触媒物質１０１を担持するための他の物質である担体物質１０３が含まれている。そして、第２触媒層４３ｂにおいては、担体物質１０３に触媒物質１０１が担持されている。ここで、担体物質１０３としては、ジルコニア（ＣＺ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を例示することができる。この担体物質１０３は、マイクロ波をほとんど吸収しないため、マイクロ波吸収体としては機能しない。

担体物質１０３は、その粒子の比表面積が４０ｍ^２／ｇ以上となっている。これにより
、担体物質１０３に触媒物質１０１を担持させることで、第２触媒層４３ｂにおいて拡散した状態で触媒物質１０１を保持することができる。さらに、本実施形態においては、担体物質１０３のみならず、第１触媒層４３ａに含まれるマイクロ波吸収体１０２も、その粒子の比表面積が４０ｍ^２／ｇ以上となっている。これにより、マイクロ波吸収体１０２に触媒物質１０１を直接担持させることができ、且つ、第１触媒層４３ａにおいて拡散した状態で触媒物質１０１を保持することができる。

（本実施形態に係る構成の効果）
次に、本実施形態に係る触媒装置の構成の効果について図５に基づいて説明する。図５は、内燃機関１の冷間始動時において、照射装置５から触媒装置４にマイクロ波を照射したときの、該触媒装置４におけるＨＣ浄化率Ｒｐの時間的推移を示すタイムチャートである。図５において、実線Ｌ１は、本実施形態に係る触媒装置４におけるＨＣ浄化率Ｒｐの推移を表しており、破線Ｌ２は、比較例に係る触媒装置におけるＨＣ浄化率Ｒｐの推移を表している。なお、図５において、横軸は時間ｔを表している。そして、図５では、時期ｔ１において、内燃機関１が始動されるとともに照射装置５から触媒装置４へのマイクロ波の照射が開始される。

ここで、図５において破線Ｌ２でＨＣ浄化率Ｒｐの推移を示す比較例に係る触媒装置における触媒層の物質構成について図６に基づいて説明する。図６は、比較例に係る触媒装置における触媒層の構成を説明するためのイメージ図である。ここで、比較例に係る触媒装置における触媒層は、本実施形態に係る触媒装置４と同様、第１触媒層および第２触媒層を有している。つまり、比較例に係る触媒装置における触媒層においても、第１触媒層および第２触媒層がそれぞれ図３に示すような位置に分布している。ただし、比較例に係る触媒装置では、第１触媒層の物質構成が、本実施形態に係る触媒装置４における第１触媒層４３ａとは異なっている。

詳細には、図６に示すように、比較例に係る触媒装置における第１触媒層には、触媒物質１０１に加えて、マイクロ波吸収体１０４および担体物質１０３が含まれている。ここでの担体物質１０３は、本実施形態に係る触媒装置４における第２触媒層４３ｂに含まれる担体物質１０３と同じ物質である。一方で、マイクロ波吸収体１０４は、本実施形態に係る触媒装置４における第１触媒層４３ａに含まれるマイクロ波吸収体１０２とは異なる物質である。そして、比較例に係る触媒装置における第１触媒層においては、触媒物質１０１が、担体物質１０３に担持されている。つまり、触媒物質１０１がマイクロ波吸収体１０４には直接担持されてはいない。これは、マイクロ波吸収体１０４の粒子の比表面積が担体物質１０３の粒子の比表面積に比べて非常に小さく、該マイクロ波吸収体１０４に触媒物質１０１を担持させることが困難なためである。

なお、比較例に係る触媒装置における第２触媒層の物質構成は、本実施形態に係る触媒装置４における第２触媒層４３ｂと同様である。つまり、比較例に係る触媒装置における第２触媒層には、マイクロ波吸収体１０４は含まれておらず、且つ、該第２触媒層では触媒物質１０１が担体物質１０３に担持されている。

上記のような構成の比較例に係る触媒装置においては、該触媒装置に対してマイクロ波が照射されることで、第１触媒層に含まれるマイクロ波吸収体１０４が発熱した場合、該マイクロ波吸収体１０４で発生した熱が、先ずは担体物質１０３に伝わる。そして、その熱が担体物質１０３を介して触媒物質１０１に伝わることになる。つまり、マイクロ波吸収体１０４で発生した熱が、触媒物質１０１に直接は伝わり難い。

これに対し、本実施形態に係る触媒装置４では、上述したように、第１触媒層４３ａにおいて、マイクロ波吸収体１０２に触媒物質１０１が直接担持されている。つまり、本実
施形態に係る触媒装置４における第１触媒層４３ａでは、マイクロ波吸収体１０２の粒子の比表面積が、担体物質１０３となり得るジルコニア（ＣＺ）等の物質の比表面積と同等であるため、該マイクロ波吸収体１０２が担体物質としての機能も有している。

そして、このようにマイクロ波吸収体１０２に触媒物質１０１が直接担持されている場合、触媒装置４にマイクロ波が照射されることで該マイクロ波吸収体１０２が発熱すると、第１触媒層４３ａにおいて、該マイクロ波吸収体１０２で発生した熱が、他の物質を介さずに触媒物質１０１に直接伝わることになる。そのため、本実形態に係る触媒装置４の第１触媒層４３ａでは、比較例に係る触媒装置のようにマイクロ波吸収体１０４で発生した熱が他の物質（担体物質１０３）を介して触媒物質１０１に伝わる場合に比べて、触媒物質１０１の昇温がより促進されることになる。つまり、本実形態に係る構成では、比較例に係る構成に比べて、触媒物質１０１の温度がより速やかに上昇する。したがって、触媒物質１０１の更なる早期活性化を図ることができる。

上記のように、本実施形態に係る構成によれば、第１触媒層４３ａにおいて、比較例に係る構成に比べて、触媒物質１０１をより早期に活性化することができる。したがって、図５に示すよう、時期ｔ１において内燃機関１が始動されるとともに照射装置５から触媒装置４へのマイクロ波の照射が開始されると、本実施形態に係る触媒装置４におけるＨＣ浄化率（Ｌ１）は、比較例に係る触媒装置におけるＨＣ浄化率（Ｌ２）よりも速やかに上昇することになる。なお、これは、触媒物質１０１の早期活性化に起因して生じる傾向であるため、ＨＣ浄化率のみならず、ＣＯ浄化率およびＮＯｘ浄化率も同様の傾向を示すことになる。このように、本実施形態に係る構成によれば、触媒物質１０１の更なる早期活性化を図ることによって、内燃機関１の排気エミッションを向上させることができる。

（変形例）
なお、本実施形態においては、第１触媒層４３に、マイクロ波吸収体１０２の他に担体物質が含まれていてもよい。この場合、マイクロ波吸収体１０２および他の担体物質の双方に触媒物質１０１が担持されることになる。ただし、このような場合でも、マイクロ波吸収体１０２に直接担持された触媒物質１０１には、該マイクロ波吸収体１０２で発生した熱が該触媒物質１０１に直接伝わる。したがって、触媒物質１０１の更なる早期活性化を図ることは可能である。

また、上記の実施形態では、触媒層４３が第１触媒層４３ａおよび第２触媒層４３ｂによって構成される場合について説明したが、触媒層４３の構成はこれに限られるものではない。例えば、触媒層４３の全体にマイクロ波吸収体１０２が一様に分布している構成を採用することもできる。また、例えば、上記の実施形態における第２触媒層４３ｂが、さらに、各触媒物質の含有割合が互いに異なる二つの触媒層に分割された構成を採用することもできる。

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
４・・・触媒装置
４１・・隔壁
４２・・セル
４３・・触媒層
４３ａ・・第１触媒層
４３ｂ・・第２触媒層
５・・・照射装置
１０・・ＥＣＵ
１０１・・触媒物質
１０２，１０４・・マイクロ波吸収体
１０３・・担体物質

Claims

内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置であって、前記排気通路においてマイクロ波が照射される触媒装置であり、
触媒物質と、マイクロ波を吸収することで発熱するマイクロ波吸収体と、を含んで構成される触媒層を有し、
前記触媒層において、前記マイクロ波吸収体に前記触媒物質が他の物質を介さずに担持されている触媒装置。
前記マイクロ波吸収体の粒子の比表面積が４０ｍ^２／ｇ以上である請求項１に記載の触媒装置。
請求項１または２に記載の触媒装置であって、内燃機関の排気通路に設けられる触媒装置と、
前記排気通路において前記触媒装置にマイクロ波を照射する照射装置と、を備える内燃機関の排気浄化システム。