JP2020131060A - 内燃機関の排気浄化触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば特許文献1には、セリア等を含む酸化物にロジウムを担持して構成されたロジウム含有触媒層が設けられた排気浄化触媒が開示されている。ロジウムは、他の貴金属よりも触媒性能が優れ、したがって排気浄化性能が優れることが知られている。
これにより、第2の部位において十分に酸素吸蔵性能を確保することができる。また、第1の部位においてセリアの含有量を抑えることで、ロジウムによる排気浄化性能を向上させることができる。
好ましくは、前記第1の部位と前記第2の部位は別体で構成され、前記第2の部位は前記貴金属としてパラジウムを担持するとよい。
また、前記第1の部位の担体は、酸化アルミニウムを主成分とした複合酸化物またはジルコニアを主成分とした複合酸化物であるとよい。
好ましくは、前記第1の部位と前記第2の部位は一体で構成され、前記第2の部位は前記貴金属としてロジウムを担持するとよい。
好ましくは、前記第1の部位は、前記第2の部位よりロジウムの担持量が多いとよい。
これにより、比較的昇温し易い排気上流側の第1の部位のロジウムの担持量を多くすることで、内燃機関の低温始動時における排気浄化性能をより向上させることができるとともに、第2の部位のロジウムの担持量を抑制することで排気浄化触媒全体でのロジウムの使用量を抑えて製造コストを抑制することができる。
これにより、第1の部位におけるロジウムの担持量を抑制して、排気浄化触媒の製造コストを抑制することができる。また、小容量の担体にロジウムを担持することで、触媒の熱容量が低下するため、触媒のライトオフ性能を向上させることができ、内燃機関の低温始動時における排気浄化性能を担保することができる。
図1は、本発明の排気浄化触媒1が採用されたエンジン2(内燃機関)の排気系の概略構成図である。
本実施形態におけるエンジン2はガソリンエンジンであって、その排気通路3には、上流側触媒ユニット4、下流側触媒ユニット5が介装されている。上流側触媒ユニット4は、エンジン2の排気マニホールド6に近接して配置されており、比較的小型に構成されている。下流側触媒ユニット5は、例えば車両の床下に配置され、比較的大型に構成されている。上流側触媒ユニット4及び下流側触媒ユニット5はいずれも三元触媒が使用されている。三元触媒は、多数のセルからなるハニカム型の担体に、触媒成分としての貴金属を担持して構成されており、排気中のHC、COを酸化させるとともにNOxを還元することで、これらの排気成分を排気中から除去する機能を有する。
本発明の排気浄化触媒1は、エンジン2に近い上流側触媒ユニット4に採用されている。
図2に示すように、上流側触媒ユニット4に収納される排気浄化触媒1は、ケーシング8の内部に、上流側より順番に、第1の触媒10及び第2の触媒11といった2個の排気浄化触媒を備えて構成されている。
第1の触媒10及び第2の触媒11は、互いに独立して構成されており、個々にケーシング8の内部に収納される。ケーシング8の排気入口12から流入した排気は、第1の触媒10及び第2の触媒11を順番に通過してケーシング8の排気出口13から排出される。
図3は、第1の実施形態の排気浄化触媒1の触媒層の構成を示す断面図である。図4は、第1の触媒10における還元処理温度と排気浄化性能との関係の一例を示すグラフである。図5は、ロジウム触媒におけるセリアによる排気浄化性能への影響を示すグラフである。
第1の触媒10において担持される触媒成分としての貴金属は、ロジウムが使用される。
実験によって第1の触媒10における還元処理温度と排気浄化性能との関係を確認したところ、図4に示すように、1000℃で還元処理したロジウム触媒の排気浄化性能(排気浄化率)は一般的な焼成処理よりも極めて高いことを見出した。これは、高温還元処理された触媒において、ロジウムが酸化物ではなくメタル状態としてするためと考えられる。即ち、還元処理温度が700℃以上の条件では、第1の触媒10のロジウムのメタル存在比率が大幅上昇して、排気浄化性能が大幅に上昇する。
なお、触媒層23に酸素吸蔵性能を有するセリアを含むことで、排気空燃比が変動した際に、酸素の吸蔵、排出を行って、触媒上での排気空燃比を安定させて排気浄化性能を安定させることができる。また、パラジウムが担持された第2の触媒11においては、母材にセリアを使用しても排気浄化性能の低下が少ない。
また、第2の触媒11がセリアによって酸素吸蔵性能を有するので、第2の触媒11の前後に設けられたO2センサ15、16の検出値を用いて、第2の触媒11、延いては排気浄化触媒1の劣化判定が可能となる。なお、O2センサ15、16の検出値から酸素吸蔵性能を演算し、酸素吸蔵性能と密接に関連する触媒劣化を判定する制御・手法については例えば特開2002−030922号公報に記載されているように公知であり、詳細な記述は省略する。
以上のように構成した上流側触媒ユニット4の排気浄化触媒1は、第1の触媒10と第2の触媒11との2つの独立した触媒から構成されており、排気上流側の第1の触媒10にロジウムを使用することで、排気浄化性能を向上させることができる。特に、排気浄化性能の優れたロジウムを使用した第1の触媒10を、エンジン2の排気ポートに近い上流側触媒ユニット4において、更に排気上流側に配置するので、エンジン2の低温始動時であっても迅速に触媒温度が上昇し、排気浄化性能を向上させることができる。
図6は、白金族系貴金属の含有量と排気浄化性能との関係を示すグラフである。図6では、エンジン始動後の排気浄化性能、即ちエンジン始動時の排気浄化性能を示している。図6には、パラジウムを使用したパラジウム触媒をPdで示し、ロジウムを使用したロジウム触媒をRhで示し、高温還元処理したロジウム触媒をRh、Richで示している。
また、排気浄化触媒1において低温始動時における排気浄化性能が向上するので、排気浄化触媒1をエンジン2の排気ポートに大幅に近づけて配置しなくても排気浄化性能を確保することが可能となり、よって排気通路3の圧損を抑制してエンジン性能の向上を図ることができる。
一方、排気下流側の第2の触媒11については、比較的安価なパラジウムを使用することで排気浄化触媒1の製造コストを抑制することができる。また、上記のように第2の触媒11にセリアを含むことで、酸素吸蔵性能を確保することができる。したがって、排気空燃比が変動しても排気浄化性能を安定させることができるとともに、酸素吸蔵性能の変化に伴う触媒劣化の検出が可能となる。
次に、図7〜10を用いて、本発明の第2の実施形態の排気浄化触媒30について説明する。
図7、8に示すように、第2の実施形態の排気浄化触媒30は、上流側触媒ユニット4のケーシング8の内部に1つ備えられている。
排気浄化触媒30には、酸化アルミニウム、セリア、あるいはジルコニアが母材として使用されている。
更に、ハニカム担体31の表面に設けられる触媒層32は、排気上流側の第1の部位33と、排気下流側の第2の部位34で成分が異なっている。例えば、1つの担体31に対して2種類のスラリーを用意し、担体31の排気上流側の部位と排気下流側の部位とに異なるスラリーを侵浸して、乾燥焼成し、排気浄化触媒30を製造すればよい。
また、触媒層32の第1の部位33は酸素吸蔵材、特にセリアを含まない。触媒層32の第2の部位34は酸素吸蔵材を含む。この酸素吸蔵材としては、例えばセリアとジルコニアの複合酸化物材料(CeO2−ZrO2)主成分とした材料を使用すればよい。
更に、第1の部位33の容量は、第2の部位34の容量よりも小さい。
なお、図9に示すように、排気浄化触媒30において、ロジウムの担持量については、所定量までは0より多くなるに伴って急激に排気浄化効率が上昇することが確認されている。
したがって、エンジン2の始動直後における排気浄化触媒30における排気浄化性能を向上させるために、比較的高温となりやすい排気上流側の第1の部位33において、排気浄化効率が十分に上昇する所定量付近までロジウムを担持しておくことが望ましい。また、第1の部位33については、排気浄化触媒30の上流側端部から、例えば図10のAの位置に示すように、エンジン始動直後において触媒温度が高く保持できる位置までに設定すればよい。
また、触媒層32の第1の部位33にはセリアを含まないので、使用に伴う排気浄化性能の低下を抑制することができる。
本実施形態では排気浄化触媒30が1つの触媒から構成されているので、部品点数を抑制し、更に製造コストを低減させることができる。
また、上記実施形態はガソリンエンジン用の排気浄化触媒であるが、ディーゼルエンジン用の排気浄化触媒に対して本発明を適用することができる。
20、22、 担体
10 第1の触媒(第1の部位)
11 第2の触媒(第2の部位)
33 第1の部位
34 第2の部位
Claims (7)
- 担体に貴金属を担持して構成された内燃機関の排気浄化触媒であって、
前記内燃機関の排気通路の上流側に配置される第1の部位と当該第1の部位よりも下流側に配置される第2の部位とを有し、
前記第1の部位は、前記貴金属として所定温度以上で還元処理する高温還元処理を行ったロジウムが担持され、
前記第2の部位は、前記第1の部位より酸素吸蔵材を多く含んで構成される
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化触媒。 - 前記第2の部位は、前記酸素吸蔵材としてセリアを含むことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
- 前記第1の部位と前記第2の部位は別体で構成され、前記第2の部位は前記貴金属としてパラジウムを担持することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
- 前記第1の部位の担体は、酸化アルミニウムを主成分とした複合酸化物またはジルコニアを主成分とした複合酸化物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気浄化触媒。
- 前記第1の部位と前記第2の部位は一体で構成され、前記第2の部位は前記貴金属としてロジウムを担持することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
- 前記第1の部位は、前記第2の部位よりロジウムの担持量が多いことを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
- 前記第1の部位は、前記第2の部位より容量が小さいことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
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