JP2023060392A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い排ガス浄化作用を奏する排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】排ガス浄化装置１は内燃機関の排ガス流路１００に設けられ、ハニカム構造を有する第１の基材に触媒が担持された第１のハニカム触媒１０と、ハニカム構造を有する第２の基材に触媒が担持された第２のハニカム触媒２０とを備える。第１のハニカム触媒と第２のハニカム触媒は、排ガス流路における排ガス流通方向Ｘに沿って配列しており、第１のハニカム触媒が第２のハニカム触媒よりも上流側Ｘ１に位置している。第１の基材及び第２の基材のうち、少なくとも第１の基材はセリア－ジルコニア固溶体を主成分として含む。そして、排ガス浄化装置は、排ガス流路に設けられた状態において、第１のハニカム触媒よりも下流域における圧損が、第１のハニカム触媒における圧損よりも高くなるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置に関する。

自動車等の内燃機関の排ガス浄化装置として、浄化作用を有する触媒を基材に担持させた触媒担持構造を有するものが広く使用されている。近年、排ガス規制の厳格化に伴って、排ガス浄化用の触媒の早期活性化が要求されているが、上記触媒担持構造においては触媒を担持する基材が浄化作用に実質的に関与しておらず、全体として熱容量が大きくなり触媒の早期活性化が阻害されている。さらに、触媒作用を高めるために触媒とともに助触媒を基材に担持させることも行われている。しかしながら、通常、助触媒及び触媒は５００℃程度の比較的低温の状態で担持されるため、１０００℃程度の高温の排気環境においては助触媒及び触媒が凝集して触媒の表面積が減少して浄化作用が低下することから助触媒及び触媒の担持量を予め多くしておく必要があり、コスト高である。また、排ガスと触媒との接触面積を大きくするために、基材は例えば複数のセルを有するハニカム状とすることができる。しかしながら、セル壁の表面に助触媒及び触媒が担持された状態であるため、セルの目詰まりにより圧損が上昇しやすく、浄化作用が低下しやすい。

かかる触媒担持構造の問題を解消すべく、特許文献１には、助触媒であるセリア－ジルコニア固溶体を主原料として含むハニカム構造を有する基材に触媒を担持したハニカム触媒を用いた構成が開示されている。当該ハニカム触媒では、基材自身が助触媒を主原料として含むため、触媒作用に実質的に関与しない骨格を用いる必要がないとともに、従来のコージェライトなどに比べて軽量である。そのため、全体として熱容量を低減でき早期活性化を促すことができる。また、基材は助触媒を１１００℃程度の高温で焼成した後、低温で触媒を当該基材に担持しているため、高温の排気環境においても助触媒の凝集が抑制されるとともに、これに伴って触媒の凝集も低減される。そのため、触媒の表面積の減少が抑制されて浄化作用の低下が防止される。また、助触媒及び触媒を担持させる場合に比べて、基材表面に助触媒を担持させる必要がないため、圧損の上昇が抑制されて浄化作用の低下が防止される。

特開２０１９－８４４８２号公報

しかしながら、助触媒であるセリア－ジルコニア固溶体を主原料として含む基材は、上述の通り、焼成温度が比較的高いため、基材の比表面積（ＳＳＡ）が比較的小さい。その結果、排ガスと助触媒及び触媒との接触面積が小さくなるため、高い浄化作用を奏するには改善に余地がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、高い排ガス浄化作用を奏することができる排ガス浄化装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、内燃機関の排ガス流路（１００）に設けられる排ガス浄化装置（１）であって、
ハニカム構造を有する第１の基材（１１）に触媒が担持されてなる第１のハニカム触媒（１０）と、
ハニカム構造を有する第２の基材（２１）に触媒が担持されてなる第２のハニカム触媒（２０）と、を備え、
上記第１のハニカム触媒と上記第２のハニカム触媒は、上記排ガス流路における排ガス流通方向に沿って配列しているとともに、上記第１のハニカム触媒が上記第２のハニカム触媒よりも上流側に位置しており、
上記第１の基材及び上記第２の基材のうち、少なくとも上記第１の基材は、セリア－ジルコニア固溶体を主原料として含み、
上記排ガス流路に設けられた状態において、上記第１のハニカム触媒よりも下流域における圧損が、上記第１のハニカム触媒における圧損よりも高くなるように構成されている、排ガス浄化装置にある。

上記排ガス浄化装置においては、第１のハニカム触媒と第２のハニカム触媒とを備え、第１の基材及び第２の基材のうち、少なくとも第１の基材はセリア－ジルコニア固溶体を主原料として含む。そして、ガス流路に設けられた状態において、第１のハニカム触媒よりも下流域における圧損が、第１のハニカム触媒における圧損よりも高くなるように構成されている。これにより、排ガス浄化装置を通過する排ガスが第１のハニカム触媒及び第２のハニカム触媒に滞在する時間を長くすることができるため、触媒反応時間を長く確保して排ガスと触媒との接触頻度を高めことができる。その結果、第１の基材において、セリア－ジルコニア固溶体の高温焼成に起因して比表面積が低下しても、触媒反応時間及び接触頻度の増加により浄化作用の低下が抑制されて、高い浄化作用を奏することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、高い排ガス浄化作用を奏することができる排ガス浄化装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、排ガス浄化装置の構成を示す概念断面図。 実施形態１における、第１のハニカム触媒及び第２のハニカム触媒の構成を示す概念図。 図１における、III-III線位置断面の一部拡大図。 確認試験２の試験結果を示す図。 確認試験３の試験結果を示す図。 確認試験４の試験結果を示す図。 確認試験５の試験結果を示す図。

（実施形態１）
上記排ガス浄化装置の実施形態について、図１～図７を用いて説明する。
本実施形態の排ガス浄化装置１は、図１に示すように、内燃機関の排ガス流路１００に設けられる。そして、排ガス浄化装置１は、第１のハニカム触媒１０と、第２のハニカム触媒２０とを備える。
図２に示すように、第１のハニカム触媒１０は、ハニカム構造を有する第１の基材１１に触媒が担持されてなる。
また、第２のハニカム触媒２０は、ハニカム構造を有する第２の基材２１に触媒が担持されてなる。
図１に示すように、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０は、排ガス流路１００における排ガス流通方向Ｘに沿って配列しているとともに、第１のハニカム触媒１０が第２のハニカム触媒２０よりも上流側Ｘ１に位置している。
そして、第１の基材１１及び第２の基材２１のうち、少なくとも第１の基材１１はセリア－ジルコニア固溶体を主成分として含む。
排ガス浄化装置１は、排ガス流路１００に設けられた状態において、第１のハニカム触媒１０よりも下流域における圧損が、第１のハニカム触媒１０における圧損よりも高くなるように構成されている。

以下、本実施形態の排ガス浄化装置１について、詳述する。
図１に示すように、排ガス浄化装置１は金属製のケーシング３０を有する。ケーシング３０内に、第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０が保持されている。ケーシング３０の第１端部３１は開口しており、排ガス流路１００の上流側Ｘ１に接続されている。ケーシング３０の第２端部３２は開口しており、排ガス流路１００の下側Ｘ２に接続されている。これにより、排ガスＦ１が排ガス浄化装置１に流入し、浄化されて排ガスＦ２として排出される。

図２に示す第１のハニカム触媒１０を構成する第１の基材１１はセリア－ジルコニア固溶体を主原料として含む。セリア－ジルコニア固溶体は、助触媒として機能する。助触媒とは、自分単独では触媒作用をもたらせないが、所定の触媒における触媒反応を補助する作用をもたらすものをいう。例えば、第１の基材１１は、はセリア－ジルコニア固溶体を主成分とする原料粒子と、該原料粒子同士を接合する無機バインダを含む材料とから構成することができる。また、第１の基材１１は、貴金属を含んでいてもよい。当該貴金属としては、触媒作用をもたらす金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウムなどを採用することができる。無機バインダとしては、γ－アルミナ、θ－アルミナ、α－アルミナなどの他に公知のものを採用することができる。中でも無機バインダとして、γ－アルミナを採用することが好ましい。γ－アルミナは立方晶系の結晶構造を有して比表面積が高いため、触媒作用の向上に寄与する。一方、無機バインダとしてγ－アルミナ、θ－アルミナ、α－アルミナのうちのいずれかまたは全てを共存させてもよい。これにより、第１の基材１１の製造工程において、より高い焼成温度で第１の基材１１を焼結させることができ、高温となる排ガス流通において第１のハニカム触媒１０のハニカム構造を維持しやすくなる。本実施形態では、第１の基材１１は無機バインダとしてのγ－アルミナとセリア－ジルコニア固溶体とからなるＡＣＺ基材とした。

図２に示すように、第１の基材１１はハニカム構造を有している。ハニカム構造とは、排ガスの流路となる複数のセル１２を区画形成する多孔質のセル壁１１ａと、セル壁１１ａの最外周に位置する外周壁１１ｂとを有する構造である。本実施形態では、各セル１２における排ガス流通方向Ｘの両端部は目封じされずに開放されており、各セル１２は排ガス流通方向Ｘにおいて連通している。排ガス流通方向Ｘに直交する断面におけるセル１２の形状は特に限定されず、図２に示すように四角形としたり、これに替えて六角形としたりすることができる。

第１のハニカム触媒１０の気孔率、セル壁厚、セル密度は適宜設定することができる。当該セル壁厚は、例えば１．５～１２ｍｉｌとすることができ、好ましくは１．５～３．５ｍｉｌとすることができる。また、当該セル密度は、例えば２００～１２００ｃｐｓｉとすることができ、好ましくは６００～１２００ｃｐｓｉとすることができる。

図２に示すように、第１のハニカム触媒１０の外形は円柱形をなしている。第１のハニカム触媒１０は、高さ方向が排ガス流通方向Ｘに一致するように配されて、第１のハニカム触媒１０の排ガス流通方向Ｘの両端面の中心を通る仮想線である第１の中心軸１０ａが排ガス流通方向Ｘと平行となっている。

第１の基材１１には、図示しない触媒が担持されている。本実施形態では、触媒としてＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈを含む三元触媒を採用している。第１の基材１１に触媒とともにさらに助触媒を担持させてもよい。

図２に示すように、第２のハニカム触媒２０は、ハニカム構造を有する第２の基材２１に、図示しない触媒が担持されてなる。本実施形態では、第２の基材２１は、第１の基材１１と同様のハニカム構造を有しており、多孔質のセル壁２１ａとセル壁の最外周に位置する外周壁２１ｂとを有している。そして、第２の基材２１の材質は限定されず、第１の基材１１と同様に助触媒を主原料として含むこととすることもできるし、コージェライトなどの従来構成と同様とすることもできる。また、第２の基材２１におけるセル形状も第１の基材と同様としてもよいし、互いに異なる形状とすることもできる。第２のハニカム触媒２０の気孔率、セル壁厚、セル密度も第１のハニカム触媒１０の場合と同様と適宜設定することができる。第２のハニカム触媒２０における第２の基材２１に担持される触媒も第１のハニカム触媒１０の場合と同様とすることができる。また、第２のハニカム触媒２０の外形も第１のハニカム触媒１０の場合と同様にすることができ、第２のハニカム触媒２０の両端面の中心を通る仮想線である中心軸２０ａも排ガス流通方向Ｘと平行となっている。

そして、図１に示すように、第１のハニカム触媒１０における第１の中心軸１０ａと、第２のハニカム触媒２０における第２の中心軸２０ａとは互いに異なる仮想線上に位置させてもよいし、図示しないが、両者を同一直線上に位置させてもよい。なお、第１の中心軸１０ａと第２の中心軸２０ａとの最短距離、すなわち、軸ズレ量Ｄ０は特に限定されない。

なお、図１に示す第１のハニカム触媒１０における排ガス流通方向Ｘの長さＬ１と、第２のハニカム触媒２０における排ガス流通方向Ｘの長さＬ２は限定されないが、Ｌ１とＬ２とを合わせた全長Ｌ１＋Ｌ２は、例えば、８０～１２０ｍｍとすることができる。Ｌ１とＬ２の長さは同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。また、排ガス流通方向Ｘにおける第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間隔は特に限定されない。

排ガス浄化装置１は、図１に示すように、排ガス流路１００に配置して、排ガスを流通させたときの第１のハニカム触媒１０における圧損よりも、第１のハニカム触媒１０よりも下流における圧損が高くなるように構成されている。第１のハニカム触媒１０における圧損と第１のハニカム触媒１０よりも下流における圧損との差である圧損差は限定されず、適宜設定することができる。当該圧損差は、第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０におけるセル壁厚の差、セル密度の差、セル形状及び軸ズレ量Ｄ０の少なくとも一つを適宜設定することにより形成することができる。第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０におけるセル壁厚の差は、例えば２．０ｍｉｌ以下とすることができる。また、第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０におけるセル密度の差は例えば、６００ｃｐｓｉ以下とすることができる。なお、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間や、第２のハニカム触媒２０の下流側Ｘ２に、排ガスの流れを阻害する部材を設けることにより、第１のハニカム触媒１０よりも下流における圧損が高くなるようにしてもよい。

（確認試験１）
次に、排ガス浄化装置１における比表面積、気孔率、セル壁厚、セル密度、セル形状及び圧損とＨＣ浄化率との関係について確認試験１を行った。
確認試験１では、下記の表１に示す試験例１～８及び比較例１～１０を用いた。
まず、試験例１として、実施形態１の排ガス浄化装置１における第１のハニカム触媒１０について、表１に示すように、第１の基材１１をＡＣＺ基材とし、比表面積は４０ｍ^２／ｇ、気孔率は６０％、セル壁厚は３．５ｍｉｌ、セル密度は６００ｃｐｓｉ、セル形状は四角形とした。第２のハニカム触媒２０は第１のハニカム触媒１０と同一の構成とした。そして、第１の中心軸１０ａと第２の中心軸２０ａとの軸ズレ量Ｄ０を０．５ｍｍとした。なお、第１のハニカム触媒１０の長さＬ１及び第２のハニカム触媒２０の長さＬ２はともに、５２．５ｍｍとし、合計長さＬ１＋Ｌ２を１０５ｍｍとした。

また、試験例２～９については、下記の通りとした。
試験例２として、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を１．０ｍｉｌとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
試験例３として、第１のハニカム触媒１０のセル形状は六角形とし、その他の構成を試験例１と同様とした。
試験例４として、軸ズレ量Ｄ０を１．０ｍｍとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
試験例５として、軸ズレ量Ｄ０を２．０ｍｍとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
試験例６として、軸ズレ量Ｄ０を０ｍｍ、すなわち、第１の中心軸１０ａと第２の中心軸２０ａとが同一仮想線上に位置するものとし、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を４．０ｍｉｌとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
試験例７として、試験例６と同様に軸ズレ量Ｄ０を０ｍｍとし、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を４．５ｍｉｌとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
試験例８として、第２のハニカム触媒２０における第２の基材２１の主成分を従来構成であるコージェライトとした。これに伴って、第２のハニカム触媒２０における比表面積は８０ｍ^２／ｇ、気孔率は３５％となった。その他の構成は、試験例１の場合と同様とした。
試験例９として、第１のハニカム触媒１０のセル密度を８００ｃｐｓｉとし、第２のハニカム触媒２０のセル密度を７９５ｃｐｓｉとした。これにより、第１のハニカム触媒１０のセル密度から第２のハニカム触媒２０のセル密度を差し引いた値である「セル密度の差」を５ｃｐｓｉとした。その他の構成は、試験例１の場合と同様とした。

次に、比較例１として、ハニカム触媒として、第１のハニカム触媒１０と同一の構成であって、長さが１０５ｍｍのハニカム触媒を用い、第２のハニカム触媒２０を有しない構成として、その他の構成を試験例１と同様とした。なお、当該ハニカム触媒の長さは、試験例１における１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０の合計長さＬ１＋Ｌ２と同一の長さである。

比較例２～７は以下の通りとした。
比較例２として、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を１２．０ｍｉｌとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
比較例３として、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を１５．０ｍｉｌとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
比較例４として、第１のハニカム触媒１０のセル密度を１５００ｃｐｓｉとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
比較例５として、軸ズレ量Ｄ０を０．０ｍｍ、すなわち、第１の中心軸１０ａと第２の中心軸２０ａとが同一仮想線上に位置するものとし、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を４．０ｍｉｌとし、その他の構成を試験例１と同様とした。
比較例６として、試験例１の第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０に替えて、従来構成であるコージェライトを主成分として含む基材を有するハニカム触媒を用いた。これに伴って、両ハニカム触媒における比表面積は８０ｍ^２／ｇ、気孔率は３５％となった。その他の構成は、試験例１の場合と同様とした。
比較例７として、比較例６の構成において、軸ズレ量Ｄ０を０ｍｍとし、その他の構成を比較例６と同様とした。

確認試験１における試験条件は、２．５Ｌガソリン直噴車両において、シャシダイナモによる試験として、排ガス温度６５０℃、Ｇａ３５ｇ／ｓ、車速８０ｍｉｌｅ／ｈｒとした。上流側に位置する第１のハニカム触媒１０の圧損は、排ガス浄化装置１に差圧センサを取り付けて、第１のハニカム触媒１０の前後の差圧を圧損として検出した。また、第１のハニカム触媒１０より下流の圧損は、図１に示す排ガス浄化装置１に流入する排ガスＦ１と排ガス浄化装置１から排出された排ガスＦ２との差圧であるトータル圧損から第１のハニカム触媒１０の圧損を差し引いた値として算出した。ＨＣ浄化率は、排ガス浄化装置１に流入する排ガスＦ１におけるＨＣ（炭化水素）の濃度に対する、排ガス浄化装置１から排出された排ガスＦ２におけるＨＣの濃度の低下率として算出した。なお、前処理として、各試験例及び各比較例において、所定温度の排ガスで５０時間の耐久処理を行った。

各試験例及び各比較例における圧損及びＨＣ浄化率については以下に詳述する。
表１に示すように、試験例１では、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０とは互いに同一の構成であるが、軸ズレ量Ｄ０が０．５ｍｍとなっており、第１のハニカム触媒１０より下流の圧損が、第１のハニカム触媒１０の圧損よりも高くなっていた。そして、試験例１では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９７．５％となっていた。一方、ＡＣＺ基材を用いて軸ズレ量Ｄ０を０ｍｍとした比較例５では圧損差がなく、ＨＣ浄化率が９６．５４％であった。これにより、試験例１では軸ズレ量Ｄ０を０．５ｍｍとすることで、より高い浄化作用が得られることが示された。

これは、次のように推察できる。すなわち、第１のハニカム触媒１０の中心軸１０ａと第２のハニカム触媒２０の中心軸２０ａとが異なる仮想線上に位置することにより、排ガス流れ方向Ｘにおいて、互いのセルが一直線上に並びにくくなる。これにより、図３に示すように、排ガス流通方向Ｘにおいて上流側Ｘ１から下流側Ｘ２を見たとき、第１のハニカム触媒１０のセル１２の中に、第２のハニカム触媒２０のセル壁２１ａが位置することとなる。その結果、第１のハニカム触媒１０を通過して第２のハニカム触媒２０に到達した排ガスが、第２のハニカム触媒２０の上流側端面においてセル壁２１ａに衝突しやすくなり、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留が生じて、第１のハニカム触媒１０より下流の圧損が高まり、排ガスと触媒との接触頻度が高くなったものと推察できる。

さらに、比較例６では、ＨＣ浄化率が８６．３５％となっており、試験例１よりも低い値であった。これにより、試験例１において、第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０においてＡＣＺ基材を用いることにより、従来構成の基材を用いる場合に比べて、十分高い浄化作用が得られることが示された。これは、第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０の基材１１、２１がＡＣＺ基材であることにより軽量化が図られたため、触媒の早期活性化が図られたものと推察される。

試験例２では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９６．６６％となっており、試験例１の場合と同様に、比較例５、６よりも高いＨＣ浄化率であった。これにより、軸ズレ量Ｄ０を０．５ｍｍにすることに加えて、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を１．５ｍｉｌとしても十分高い浄化作用が得られることが示された。

試験例３では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９７．３７％となっており、試験例１の場合と同様に、比較例５、６よりも高いＨＣ浄化率が得られた。これにより、軸ズレ量Ｄ０を０．５ｍｍにすることに加えて、第１のハニカム触媒１０のセル形状を六角としても十分高い浄化作用が得られることが示された。

試験例４では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９８．４７％となっており、試験例１よりも高いＨＣ浄化率が得られた。これにより、軸ズレ量Ｄ０を１．０ｍｍにすることでより高い浄化作用が得られることが示された。これは、軸ズレ量Ｄ０を大きくすることで、第１のハニカム触媒１０を通過して第２のハニカム触媒２０に到達した排ガスが、第２のハニカム触媒２０の上流側端面においてセル壁部分に一層衝突しやすくなり、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留がより多く生じて、排ガスと触媒との接触頻度が一層高くなったものと推察できる。

試験例５では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９９．４３％となっており、試験例１及び試験例４よりもさらに高いＨＣ浄化率が得られた。これにより、軸ズレ量Ｄ０を２．０ｍｍにすることでさらに高い浄化作用が得られることが示された。この場合も、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留がさらに多く生じて、排ガスと触媒との接触頻度が一層高くなったものと推察できる。

試験例６では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９９．２６％となっており、試験例１の場合と同様に、比較例５、６よりも高いＨＣ浄化率であった。これにより、軸ズレ量Ｄ０は０ｍｍの状態でも、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を４．０ｍｍとして、第１のハニカム触媒１０とのセル壁厚の差を０．５ｍｍとすることで、十分高い浄化作用が得られることが示された。これは、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚と第２のハニカム触媒２０のセル壁厚とが互いに異なることにより、第１のハニカム触媒１０を通過して第２のハニカム触媒２０に到達した排ガスが、第２のハニカム触媒２０の上流側端面においてセル壁部分に衝突しやすくなり、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留が生じて、排ガスと触媒との接触頻度が高くなったものと推察できる。

試験例７では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９９．３８％となっており、試験例６の場合よりもさらに高いＨＣ浄化率であった。これにより、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を４．５ｍｍとし、第１のハニカム触媒１０とのセル壁厚の差を１．０ｍｍとして、セル壁厚の差をさらに大きくすることで、一層高い浄化作用が得られることが示された。この場合も、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留がさらに多く生じて、排ガスと触媒との接触頻度が一層高くなったものと推察できる。

試験例８では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９７．０２％となっており、試験例１の場合と同様に、比較例５、６よりも高いＨＣ浄化率であった。これにより、軸ズレ量Ｄ０を０．５ｍｍにすることで、第２のハニカム触媒２０の基材を従来基材としても十分高い浄化作用が得られることが示された。

試験例９では、表１に示すように、ＨＣ浄化率が９９．８０％となっており、試験例１の場合と同様に、比較例５、６よりも高いＨＣ浄化率であった。これにより、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間でセル密度差を設けることで、十分高い浄化作用が得られることが示された。

一方、比較例１では、ＨＣ浄化率が８６．７６％となっており、試験例１のように２つのハニカム触媒１０、２０をタンデム配置する場合に比べて、単一のハニカム触媒を用いた場合は、ＨＣ浄化率は向上しないことが示された。これは、試験例１では、タンデム配置された２つのハニカム触媒１０、２０の間の空間で排ガスの滞留が生じるが、比較例１ではこのような滞留が生じないため、排ガスと触媒との接触頻度が十分に得られなかったことに起因すると推察される。

比較例２では、ＨＣ浄化率が５９．００％となっており、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を１２．０ｍｍと厚くして、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を試験例１と同様に３．５ｍｍとし、セル壁厚の差を８．５０ｍｍと大きくした場合は、ＨＣ浄化率が低下することが示された。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル壁厚を大きくしたことにより質量が増して、第１のハニカム触媒１０の熱容量が増加したことにより、触媒の早期活性化が阻害されたことに起因すると推察される。

比較例３では、ＨＣ浄化率が１９．８４％となっており、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を１５．０ｍｍとさらに厚くした場合は、ＨＣ浄化率がさらに低下することが示された。これは、第１のハニカム触媒１０の熱容量がさらに増加したことにより、触媒の早期活性化がさらに阻害されたことに起因すると推察される。

比較例４では、ＨＣ浄化率が９３．４２％となっており、第１のハニカム触媒１０のセル密度を１５００ｃｐｓｉとし、第１のハニカム触媒１０のセル密度と第２のハニカム触媒２０のセル密度との差を９００ｃｐｓｉとした場合は、ＨＣ浄化率が低下することが示された。これは、第１のハニカム触媒１０において、セル密度が１５００ｃｐｓｉとなることにより、第１のハニカム触媒１０の質量が大きくなって早期活性化が阻害されたことに起因すると推察される。

（確認試験２）
次に、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚と第２のハニカム触媒２０のセル壁厚の差についての確認試験２を行った。
確認試験２では、実施形態１の排ガス浄化装置１における第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０について、基材１１、２１をＡＣＺ基材とし、比表面積は４０ｍ^２／ｇ、気孔率は６０％、セル密度は６００ｃｐｓｉ、セル形状は四角形とし、長さＬ１、Ｌ２はともに５２．５ｍｍとした。そして、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を３．５ｍｉｌに固定した上で、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を変更した。そして、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚から第２のハニカム触媒２０のセル壁厚を差し引いた値を「セル壁厚の差」として算出し、確認試験１と同様にＨＣ浄化率を算出した。

図４に示すように、セル壁厚の差が０．０ｍｉｌよりも大きい場合、すなわち、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚が第２のハニカム触媒２０のセル壁厚よりも大きい場合は、ＨＣ浄化率が低下していた。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル壁厚を大きくしたことにより質量が増して、第１のハニカム触媒１０の熱容量が増加したことにより、触媒の早期活性化が阻害されたことに起因すると推察される。一方、セル壁厚の差が－２．０ｍｉｌより小さい場合も、ＨＣ浄化率が低下していた。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル壁厚を小さくしたことにより第１の基材１１を構成する助触媒が少なくなり触媒活性が低下したことに起因すると推察される。以上のように、当該確認試験２によって第１のハニカム触媒１０のセル壁厚と第２のハニカム触媒２０のセル壁厚の差は－２．０ｍｉｌ以上０．０ｍｉｌ以下とすることが好ましいことが示された。これは、換言すれば、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚は、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚よりも薄いか同じであって、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚と第２のハニカム触媒２０のセル壁厚との差の絶対値が２．０ｍｉｌ以下であることが好ましいことが示された。

（確認試験３）
次に、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚についての確認試験３を行った。
確認試験３では、確認試験２と同様の条件で第１のハニカム触媒１０のセル壁厚を変更して、ＨＣ浄化率を算出した。

図５に示すように、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚が３．５ｍｉｌよりも大きい場合は、ＨＣ浄化率が大きく低下していた。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル壁厚を大きくしたことにより質量が増して、第１のハニカム触媒１０の熱容量が増加したことにより、触媒の早期活性化が阻害されたことに起因すると推察される。また、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚が１．５ｍｉｌより小さい場合も、ＨＣ浄化率が低下していた。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル壁厚を小さくしたことにより第１の基材１１を構成する助触媒が少なくなり触媒活性が低下したことに起因すると推察される。以上から、当該確認試験３によって第１のハニカム触媒１０のセル壁厚は１．５～３．５ｍｉｌとすることが好ましいことが示された。また、

（確認試験４）
次に、第１のハニカム触媒１０のセル密度と第２のハニカム触媒２０のセル密度の差についての確認試験４を行った。
確認試験４では、実施形態１の排ガス浄化装置１における第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０について、基材１１、２１をＡＣＺ基材とし、比表面積は４０ｍ^２／ｇ、気孔率は６０％、セル壁厚は３．５ｍｉｌ、セル形状は四角形とし、長さＬ１、Ｌ２はともに５２．５ｍｍとした。そして、第２のハニカム触媒２０のセル密度を６００ｃｐｓｉに固定した上で、第１のハニカム触媒１０のセル密度を変更した。そして、第１のハニカム触媒１０のセル密度から第２のハニカム触媒２０のセル密度を差し引いた値を「セル密度の差」として算出し、確認試験１と同様にＨＣ浄化率を算出した。

図６に示すように、セル密度の差が０ｃｐｓｉよりも小さい場合、すなわち、第１のハニカム触媒１０のセル密度が第２のハニカム触媒２０のセル密度よりも大きい場合は、ＨＣ浄化率が低下していた。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル壁厚を小さくしたことにより第１の基材１１を構成する助触媒が少なくなり触媒活性が低下したことに起因すると推察される。なお、当該条件下においてセル密度の差が６００ｃｐｓｉよりも大きい場合の結果は取得していないが、セル密度の差が６００ｃｐｓｉよりも大きくなると、セルの数が多くなり、押し出し成型する際にセルの形状を維持することが困難となるため、ＨＣ浄化率が低下することが想定される。以上のように、当該確認試験４によって第１のハニカム触媒１０のセル密度と第２のハニカム触媒２０のセル密度の差は、０～６００ｃｐｓｉとすることが好ましいことが示された。

（確認試験５）
次に、第１のハニカム触媒１０のセル密度についての確認試験５を行った。
確認試験５では、確認試験４と同様の条件で第１のハニカム触媒１０のセル密度を変更して、ＨＣ浄化率を算出した。

図７に示すように、第１のハニカム触媒１０のセル密度が６００ｃｐｓｉよりも小さい場合は、ＨＣ浄化率が低下していた。これは、第１のハニカム触媒１０においてセル密度を小さくしたことにより質量が増して、第１のハニカム触媒１０の熱容量が増加したことにより、触媒の早期活性化が阻害されたことに起因すると推察される。なお、第１のハニカム触媒１０のセル密度が１２００ｃｐｓｉよりも大きい場合の結果は取得していないが、第１のハニカム触媒１０のセル密度が１２００ｃｐｓｉよりも大きくなると、セルの数が多くなり、押し出し成型する際にセルの形状を維持することが困難となるため、ＨＣ浄化率が低下することが想定される。以上から、当該確認試験５によって第１のハニカム触媒１０のセル密度は６００～１２００ｃｐｓｉとすることが好ましいことが示された。

次に、本実施形態の排ガス浄化装置１における作用効果について、詳述する。
本実施形態１の排ガス浄化装置１によれば、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０とを備え、第１の基材１１及び第２の基材２１のうち、少なくとも第１の基材１１はセリア－ジルコニア固溶体を主原料として含む。そして、ガス流路に設けられた状態において、第１のハニカム触媒１０よりも下流域Ｘ２における圧損が、第１のハニカム触媒１０における圧損よりも高くなるように構成されている。これにより、排ガス浄化装置１を通過する排ガスが第１のハニカム触媒１０及び第２のハニカム触媒２０に滞在する時間を長くすることができるため、触媒反応時間を長く確保して排ガスと触媒との接触頻度を高めことができる。その結果、第１の基材１１において、セリア－ジルコニア固溶体の高温焼成に起因して比表面積が低下しても、触媒反応時間及び接触頻度の増加により浄化作用の低下が抑制されて、高い浄化作用を奏することができる。

また、本実施形態では、上記試験例１～８において、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚は、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚よりも薄いか同じとしている。これにより、第１のハニカム触媒１０を通過して第２のハニカム触媒２０に到達した排ガスが、第２のハニカム触媒２０の上流側端面においてセル壁２１ａに衝突しやすくなり、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留が多く生じて、排ガスと触媒との接触頻度が一層高くなることにより、浄化作用の向上が図られる。

また、本実施形態では、上記試験例１～８において、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚は、第２のハニカム触媒２０のセル壁厚よりも薄いか同じであって、第１のハニカム触媒１０のセル壁厚と第２のハニカム触媒２０のセル壁厚との差の絶対値が２．０ｍｉｌ以下であることとした。これにより、触媒を早期活性化できるとともに、第１の基材１１を構成する助触媒を確保できるため、浄化作用の向上が図られる。

また、本実施形態では、上記試験例１～８において、第１のハニカム触媒１０のセル密度は、第２のハニカム触媒２０のセル密度よりも高いか同じであることとしている。これにより、第１のハニカム触媒１０を通過して第２のハニカム触媒２０に到達した排ガスが、第２のハニカム触媒２０の上流側端面においてセル壁２１ａに衝突しやすくなり、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留が多く生じて、排ガスと触媒との接触頻度が一層高くなることにより、浄化作用の向上が図られる。

また、本実施形態では、上記試験例１～８において、第１のハニカム触媒１０のセル密度と、第２のハニカム触媒２０のセル密度との差を６００ｃｐｓｉ以下としている。これにより、上記確認試験４に示すように、第１の基材１１を構成する助触媒を確保できるとともに、押し出し成型時にセルの形状を維持することできるため、浄化作用の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、上記試験例１～５、８において、排ガス流通方向Ｘにおいて、第１のハニカム触媒１０の中心軸１０ａと、第２のハニカム触媒２０の中心軸２０ａとが、異なる仮想直線上に位置している。これにより、第１のハニカム触媒１０を通過して第２のハニカム触媒２０に到達した排ガスが、第２のハニカム触媒２０の上流側端面においてセル壁２１ａに衝突しやすくなり、第１のハニカム触媒１０と第２のハニカム触媒２０との間で排ガスの滞留が生じて、第１のハニカム触媒１０より下流の圧損が高まり、排ガスと触媒との接触頻度が高くなるため、浄化作用の向上を図ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、高い排ガス浄化作用を奏することができる排ガス浄化装置１を提供することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 排ガス浄化装置
１０ 第１のハニカム触媒
１０ａ 第１の中心軸
１１ 第１の基材
１１ａ、２１ａ セル壁
１１ｂ、２１ｂ 外周壁
１２、２２ セル
２０ 第２のハニカム触媒
２０ａ 第２の中心軸
２１ 第２の基材
３０ ケーシング
１００ 排ガス流路

Claims (6)

1. 内燃機関の排ガス流路（１００）に設けられる排ガス浄化装置（１）であって、
   ハニカム構造を有する第１の基材（１１）に触媒が担持されてなる第１のハニカム触媒（１０）と、
   ハニカム構造を有する第２の基材（２１）に触媒が担持されてなる第２のハニカム触媒（２０）と、を備え、
   上記第１のハニカム触媒と上記第２のハニカム触媒は、上記排ガス流路における排ガス流通方向に沿って配列しているとともに、上記第１のハニカム触媒が上記第２のハニカム触媒よりも上流側に位置しており、
   上記第１の基材及び上記第２の基材のうち、少なくとも上記第１の基材は、セリア－ジルコニア固溶体を主原料として含み、
   上記排ガス流路に設けられた状態において、上記第１のハニカム触媒よりも下流域における圧損が、上記第１のハニカム触媒における圧損よりも高くなるように構成されている、排ガス浄化装置。
2. 上記第１のハニカム触媒のセル壁厚は、上記第２のハニカム触媒のセル壁厚よりも薄いか同じである、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 上記第１のハニカム触媒のセル壁厚と上記第２のハニカム触媒のセル壁厚との差の絶対値が２．０ｍｉｌ以下である、請求項２に記載の排ガス浄化装置。
4. 上記第１のハニカム触媒のセル密度は、上記第２のハニカム触媒のセル密度よりも高いか同じである、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
5. 上記第１のハニカム触媒のセル密度と、上記第２のハニカム触媒のセル密度との差の絶対値が６００ｃｐｓｉ以下である、請求項４に記載の排ガス浄化装置。
6. 上記排ガス流通方向において、上記第１のハニカム触媒の中心軸と、上記第２のハニカム触媒の中心軸とが、異なる仮想直線上に位置している、請求項１～５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
   

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