JP4239469B2

JP4239469B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4239469B2
Application number: JP2002122118A
Authority: JP
Inventors: 雅明芦田; 浩一森; 俊一三石; 芳直鵜篭
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: JP2003311127A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主としてエンジンの排気浄化に適用される触媒コンバータに関し、特にＨＣトラップ機能を有する排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
三元触媒を備えた排気浄化システムではエンジン冷間運転時のＨＣの処理が課題となっている。触媒が活性温度に達するまでは低温条件下での燃焼時に排出されやすいＨＣを十分に浄化できないからである。この問題を解決するものとして、特開平９−８５０４９号にはＨＣトラップ剤を適用した浄化システムが提案されている。ＨＣトラップ剤は排気ガス中のＨＣを一時的に捕捉しておく機能を持っており、捕捉されたＨＣは温度上昇に伴いトラップ剤から脱離する。そこで前記システムでは三元触媒の上流側にＨＣトラップ剤を設け、三元触媒が活性温度に達するまでのＨＣの排出を抑制するようにしている。しかしながら、捕捉されたＨＣがトラップ剤から脱離を開始する温度に達しても、この時点では下流側の三元触媒がまだ十分に活性化していないため、ＨＣの排出を抑制する効果は十分ではない。
【０００３】
本発明の目的は、エンジン冷間運転時においてもＨＣの排出をより確実に抑制することのできる排気浄化装置を提供することである。
【０００４】
【発明の概要】
本発明では、ＨＣトラップ剤を担持したハニカム状担体のセルを横断するようにかつ担体の上流部に偏在するように１個以上のスリットを形成する。
【０００５】
担体上流部に形成したスリットはその下流側への担体内の伝熱を遮断する作用を有するため、担体全体として温度上昇が遅くなる。すなわちＨＣが脱離するまでの時間が長くなるので、それだけＨＣの捕捉量を増大させることができる。また、触媒金属が温度上昇するための時間が稼げるので、ＨＣ脱離時の処理効率も向上する。
【０００６】
他方、従来の排気浄化装置はハニカム状に形成された多数のセルの各々が担体の入口部から出口部にわたり連続しているためセル内のガスの流れは比較的整っており乱れは少ない。これに対して担体にセルを横切るようにスリットを形成すると、このスリットにより流れ方向に分割されたセルに進入したガスはスリット部分で乱れを発生する。この乱れは、排気ガスがＨＣトラップ剤に接触する機会を増やすのでそれだけＨＣトラップ性能を向上させる。
【０００７】
また、スリットを持たない連続したセル構造の排気浄化装置では、担体の断面上でガス流路の流量分布および昇温性に偏りがあり、言い換えればセル毎にＨＣトラップ性能や転化率に偏りを生じるため排気浄化装置が本来有している性能を使いきることは難しい。これに対してスリットを設けた担体では前記乱流作用により担体の断面方向でのガス流量分布を均一化できるので制御性が向上し、排気浄化装置本来の性能を十分に発揮させることが可能となる。
さらに、スリットの密度が高い担体上流側の触媒金属層は、その熱容量が小さくなるので、始動直後の排気温度が比較的低いエンジンであっても、排気の乱流化の作用とあわせて、触媒成分の昇温、活性をより早めることができ、ＨＣ脱離時の浄化性能を高めることが可能となる。
【０００８】
スリットを複数設けることにより前記効果をより高めることができ、また詳しくは実施形態として後述するが、複数のスリットのガス流れ方向の分布やスリットの形状に応じてそれぞれに固有の特性を設定することができる。担体にコーティングする触媒金属やＨＣトラップ剤についても同様であり、その分布や層構造の設定に応じて種々の特性を与えることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの一例を示している。図において１はエンジン、２はその吸気通路、３は排気通路である。４は排気通路３から排気ガスの一部を吸気通路２へと還流させるＥＧＲ通路、５は前記排気還流量を制御するＥＧＲ制御弁である。７は燃料噴射弁、８は点火プラグである。
【００１０】
９〜１１は排気通路３に介装された排気浄化装置である。これら３個の排気浄化装置９〜１１は、基本的にはＣＯ，ＨＣの酸化機能とＮＯｘの還元機能を併有する三元触媒であり、これらのうち何れかまたは全部はゼオライト等のＨＣトラップ剤によりＨＣを一時的に捕捉しておく機能を備えたＨＣトラップ触媒として構成されている。上流側の９または１０についてはＨＣトラップ機能のみを有するＨＣトラップ装置で構成される場合もある。
【００１１】
１２と１３はそれぞれ最上流の排気浄化装置９の上流と下流にて排気ガスの空燃比もしくは酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、１４は中段の排気浄化装置１０の触媒温度を検出する温度センサである。
【００１２】
１５はエンジン回転速度や吸入空気量などの運転状態信号に基づいて空燃比および点火時期などを制御するコントローラであり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。
【００１３】
図２以下に、前記排気浄化装置９〜１１に収装されるハニカム状担体２１の実施形態を示す。本発明では、基本的には図２に示したように担体２１のガス流れ（矢印方向）を横切るように１個以上のスリット２２を担体上流部に偏在するように形成する。この場合、複数のスリット２２のガス流れ方向の分布が上流側にて密となるように担体２１にスリット２２を配列している。担体２１をセラミクスから形成した場合には、その焼成後に研削によりスリット２２を加工する。図示したものではスリット２２を触媒の一側面側からガス流れに対して直交するように形成し、他側面側に非スリット部２３を残している。また隣接するスリット２２は互いに担体２１の周囲に１８０度ずつ異なる角度に形成してスリットと非スリット部とが交互に配列するようにしている。担体２１のセル表面にはゼオライトなどのＨＣトラップ剤を含むＨＣトラップ層がコーティングにより形成してある。
【００１４】
図３は前記担体２１の支持構造の一例を示しており、図中の３４は触媒容器、３５はセラミクスファイバーあるいはアルミナファイバーなどからなる耐熱マットである。担体２１はその外周部に巻回された耐熱マット３５を介して触媒容器３４内に固定される。この実施形態では、スリット２２の開放部分の外周を担体２１と同一の線膨張係数を有する充填材３６で埋めてある。このように充填材３６を設けることにより、スリット２２を抜けてきた排気によりマット３５が風蝕されて摩耗する不具合を防止することができる。また、担体２１と同一の線膨張係数を有する充填材３６を用いることにより、担体２１の強度を向上できる。
【００１５】
前記構成の担体２１を適用することにより、ＨＣトラップ量を増大できると共に、ＨＣ処理性能を向上させることが可能となる。エンジン始動直後は未着火燃料や不完全燃焼により定常アイドル運転時に比較すると多くのＨＣが燃焼室から排出される。このＨＣは大部分が排気浄化装置のＨＣトラップ層に捕捉され、その後ＨＣトラップ層の温度が１５０℃程度に達すると捕捉されたＨＣがＨＣトラップ層から脱離を開始する。このとき触媒金属層が３００℃程度の活性温度に達していれば脱離したＨＣは触媒反応により酸化処理される。
【００１６】
本発明では、担体２１にスリット２２を設けたことにより担体内の伝熱が抑制されるため、スリットを持たない担体に比較して担体全体の温度上昇が遅れ、それだけＨＣトラップ層がＨＣ脱離温度に達するまでの時間も長くなる。このことは担体に捕捉されるＨＣ量を増大させるとともにＨＣ脱離が開始されるまでの三元触媒の温度上昇量を大きくするのでＨＣの浄化性能も向上する。また、スリット２２の部分を排気ガスが通過するときの乱流の作用により排気浄化装置に担持したトラップ剤がより有効に利用されるので、ＨＣを捕捉する性能自体もスリットを持たないものより向上する。
【００１７】
スリット２２を担体上流部に偏在させた構成は、同数のスリットを等間隔で配列した場合に比較して、担体２１の比較的上流側での乱流作用を促進して、ＨＣの捕捉、脱離性能を向上できる。スリット２２の密度が高い部分では、触媒金属層を担持させた場合にその熱容量が小さくなるので、始動直後の排気温度が比較的低いエンジンであっても、前記乱流化の作用とあわせて、触媒成分の昇温、活性をより早めることができ、ＨＣ脱離時の浄化性能を高められる。スリット２２よりも下流側については担体への伝熱をより抑制してＨＣトラップ剤の昇温を抑え、ＨＣトラップ性能を高められる。
【００１８】
担体２１に複数のスリット２２を垂直に形成した構成は、製造が比較的容易であることに加えて担体の強度確保の面で有利である。スリット２２を設ける数は、ガス流の乱流化と伝熱の抑制という観点からは多くした方が有効であるが、限られた担体容量内で所要のセル表面積とＨＣトラップ性能を確保する観点からは、スリット２２を担体上流部に偏在させる本発明の構成が有利である。
【００１９】
担体２１内部の伝熱がスリット２２により抑制される作用はメタル担体であってもある程度は期待できるが、熱伝導率の比較的小さいセラミクス材料を担体として適用することでより顕著となる。セラミクス材はゼオライト等のＨＣトラップ剤との相性が良く、コーティングの強度が高いという利点もある。
【００２０】
ＨＣの捕捉量を増やすためにＨＣトラップ剤の担持量を増やすとセルの通路面積が小さくなりそれだけ排気抵抗が増大してしまう。この点、本発明では前述した乱流化および熱伝導抑制の効果によりＨＣトラップ性能が向上するのでセル密度を下げて排気抵抗の軽減を図ることも可能である。具体的には一般的な三元触媒のセル密度が９００以上であるのに対して、本発明では３００以下、少なくとも６００以下にすることが可能である。前記セル密度の単位は担体横断面の面積１平方インチあたりのセル数であり、当業者による取引上の常用単位である。また、ＨＣトラップ剤の担持量は、例えばセル密度が３００のとき３５０程度、セル密度が６００のとき２５０程度とする。前記担持量の単位は担体の見かけ上の容積１立方フィートあたりのグラム数であり、当業者による取引上の常用単位である。
【００２１】
図１に示したような複数の排気浄化装置９〜１１を備えた排気浄化システムでは、下流側に位置する排気浄化装置１０または１１について、そのセル密度を上流側のものよりも小さくして排気抵抗を低減することができる。下流側の触媒は昇温性が低く活性温度に達するまでに時間がかかるが、本発明の排気浄化装置の構成によればＨＣトラップ性能を十分に高められるので、排気浄化性能を確保しつつセル密度を粗くして排気抵抗を小さくできるのである。
【００２２】
図４に担体構成に関する他の実施形態を示す。これは図示したように複数のスリット２２のうち上流側に位置するものほどその幅ｄを大としてある。
【００２３】
この実施形態によれば、スリット幅ｄを大にした上流部での排気の乱流化をより促進できると共に伝熱抑制作用も大にできる。始動直後の排温が高く、担体上流部でＨＣトラップ層２５が昇温しやすい場合に適合する。幅ｄの大きなスリット２２の部分ではそれだけガスの乱れが大きいことによりその下流側での担体横断面方向のガス流量分布が均一となるので、ＨＣトラップ性能、脱離ＨＣの浄化性能ともに向上する。
【００２４】
図５は、担体２１にコーティングするＨＣトラップ剤または触媒金属の担持量の分布に関する実施形態を示している。担持量とはＨＣトラップ剤または触媒金属の密度または重量を意味する。また以下の説明または図では担持量が上下流方向に段階的に変化するように表しているが、これに限らず、担持量が連続的に変化するような構成とすることもできる。
【００２５】
この実施形態では、担体２１の下流部（図で右方。以下同様。）においてＨＣトラップ剤Ｔの肉厚が大となるように担持量を設定している。
【００２６】
この実施形態によれば、ＨＣトラップ剤の担持量を大とした担体下流部の熱容量が大きくなるので、始動直後の排温が高いエンジンにおいて、スリット２２による伝熱抑制作用とあわせて担体下流部の温度上昇を遅らせることができ、これによりＨＣの脱離タイミングを触媒活性化のタイミングに合致するように遅らせることができる。
【００２７】
前記担体２１にはＨＣトラップ剤のみならず触媒金属を担持させるようにしてもよい。特に下流部に触媒金属を集中的に担持させることにより、担体下流部での効率的な浄化作用が確保可能となる。この場合の担体下流部での触媒反応による温度上昇はスリット２２により上流側には伝わりにくいので、上流部の担体温度は比較的低く抑えられ、ＨＣトラップ性能は確保される。
【００２８】
図６〜図１０は、本発明に触媒金属を適用した場合のＨＣトラップ剤および触媒金属の層構造に関する実施形態である。ＨＣトラップ剤と触媒金属とを同一層内に混在させてもよいが、それぞれを内外に層状化することにより温度上昇に時間差が生じるので、ＨＣ脱離と触媒活性化のタイミングを合わせて浄化処理の効率を高めることが可能となる。
【００２９】
特に、図６に示したようにセル２４の下層側にＨＣトラップ剤を含むＨＣトラップ層２５を、上層側に触媒金属を含む触媒金属層２６をそれぞれコーティングした構成においては、触媒金属層２６の触媒金属を排気との接触により早期に活性化しつつ、担体２１と接するＨＣトラップ層２５を比較的低温に保てるので、ＨＣトラップ量の確保と触媒による転化効率の向上という相反する要求を満たすことが可能となる。特に、スリット２２による伝熱抑制作用は、担体２１と接するＨＣトラップ層２５を比較的低温に保つことに大きく寄与し、その結果、上流側で排気に直接接する触媒金属層２６を活性化させた状態でＨＣトラップ層２５を低温に保つ期間を長く維持することができ、ＨＣトラップ量の確保と触媒による転化効率の向上が得られるのである。
【００３０】
図７は、ＨＣトラップ層２５に隣接してアルミナ等からなる断熱層２９を均一な厚さに形成した実施形態である。断熱層２９により、触媒金属層２６からＨＣトラップ層２５への伝熱量を低減できるので、スリット２２による伝熱抑制作用も伴って、触媒金属層２６の昇温を早めつつＨＣトラップ量を増大して、浄化性能より向上させることができる。
【００３１】
前記断熱層２９を、図８に示したようにその厚さが担体上流部ほど大となるように形成することにより、排気熱と触媒反応とで昇温しやすい上流側ＨＣトラップ層の温度上昇を抑制してＨＣトラップ性能をより高めることができる。
【００３２】
図９は断熱層２９を担体上流側にて触媒金属層２６の表面に近接するように形成した実施形態である。この実施形態によれば、昇温の比較的早い上流部でのＨＣトラップ層２５の熱容量を増大させて昇温を遅らせ、ＨＣトラップ性能を高めることができる。
【００３３】
図１０は断熱層２９を下流側にて担体表面に近接するように形成した実施形態である。この実施形態によれば、昇温の比較的遅い下流部での触媒金属層２６の活性を早めて、ＨＣトラップ性能とＨＣ脱離後の浄化性能の向上という相反する性能をさらに改善することができる。
【００３４】
前記図６〜図１０の構成において、ＨＣトラップ層２５または触媒金属層２６を互いに特性が異なる複数の層から構成するようにしてもよい。例えば、触媒金属層２６については、表層側にＰｄを適用した場合には、深層側にはＰｄ−Ｒｈ系、またはＰｔ−Ｒｈ系、または比較的低密度のＰｄ層とする。担体やＨＣトラップ剤の特性による昇温性に応じてＨＣ脱離タイミングまたは触媒金属の活性タイミングをより適切に制御することが可能となる。
【００３５】
図１１は担体２１の両側面から交互に、かつセルに対してガス流れの上流側に傾斜するように複数のスリット２２を形成した実施形態である。ガス流れ方向から見ると隣接するスリット２２どうしが部分的に重畳するように交互に配列している。
【００３６】
この実施形態によれば、傾斜したスリット２２により担体内側から外側へとガスが拡散しやすくなるので、担体外側部分にデッドボリューム部つまりガスの流れが少なくＨＣトラップ剤および触媒金属の機能を十分に生かせない部分が生じる場合に本構成を適用することにより、デッドボリューム部を少なくすることができる。
【００３７】
図１２は担体２１の両側面から対向的に、かつセルに対してガス流れの上流側に傾斜するように複数のスリット２２を形成した実施形態である。この実施形態では、ガス流れ方向から見ると隣接するスリット２２どうしが重畳する部分はなく、非スリット部２３が中央部に残っている。
【００３８】
この実施形態によれば、図１５のものと同様に担体外側域のデッドボリューム部を減らしつつ、中央の非スリット部２３により担体２１の強度を高めることができる。
【００３９】
図１３は、スリット２２を担体２１の両側面を貫通するように形成した実施形態である。
【００４０】
この実施形態によれば、スリット２２の両側に非スリット部２３があるため担体２１の強度を寄り高められる。また、この実施形態ではスリット２３の側面形状を上流側に頂部を向けた山形形状としてあるので、図１５または図１６のものと同様に担体外側域のデッドボリューム部を低減できる。
【００４１】
図１４は担体２１の両側面から交互に形成したスリット２２の幅ｄを、担体内側に向かって狭くなるように楔状に形成した実施形態である。隣接するスリット２２どうしはガス流れ方向から見て一部が重畳している。
【００４２】
この実施形態によれば、担体外周域ほどスリット幅ｄが大となっているので、担体外周域のガス乱れをより促進してデッドボリューム部を減らすことができる。
【００４３】
図１５は図１８と同様の楔状のスリット２２を、隣接するスリット２２どうしがガス流れ方向から見て重畳しないように形成した実施形態である。
【００４４】
この実施形態によれば、図１８のものと同様に担体外側域のデッドボリューム部を減らしつつ、中央の非スリット部２３により担体２１の強度を高めることができる。
【００４５】
図１６は担体２１の両側面を貫通するようにスリット２２を形成した実施形態である。担体横断面上、各スリット２２の両側に非スリット部２３が残っている。また、各スリット２２はその幅ｄが中央部ほど大となるように多角形状に形成してある。
【００４６】
この実施形態によれば、スリット２２の中央の幅広部分により担体内側域でのガスの乱れが大きくなるので、担体内側部分にデッドボリューム部が生じる場合に本構成を適用することによりデッドボリューム部を少なくすることができる。また、スリット２２の両側に非スリット部２３があるので担体２１の強度上も有利である。
【００４７】
図１７は担体２１の両側面を貫通するように、かつガス流れの上下流方向に複数の頂部を有する屈曲形状にスリット２２を形成した実施形態である。
【００４８】
この実施形態によれば、屈曲したスリット形状により担体中央部でのガス流れを複雑化してその乱れをより大きくできるので、担体のデッドボリューム部を効果的に減らすことができる。また、スリット両側の非スリット部２３により担体強度を確保できる。
【００４９】
図１８は担体２１の両側面を貫通するように、かつガス流れの上流方向に凸の湾曲形状にスリット２２を形成した実施形態である。
【００５０】
この実施形態によれば、図１７のものと同様に担体のデッドボリューム部を減らす効果が得られることに加えて、スリット２２が湾曲形状であって鋭角部分がないため、担体２１が振動や衝撃力を受けたときに応力集中を起こしにくく、強度上有利である。
【００５１】
なお、以上の各図はスリットの形成態様や触媒担体の構造を説明するための図面であり、スリットの幅、ピッチなどは説明の便宜のために実際とは異なる寸法または比率で描いてある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの一例を示す概略構成図。
【図２】本発明に係る担体の実施形態を示す側面形状の説明図。
【図３】本発明による排気浄化装置の担体支持構造の一例を示す縦断面図。
【図４】本発明に係る担体の他の実施形態を示す側面形状の説明図。
【図５】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤等の担持量分布の実施形態の説明図。
【図６】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤の層構造に関する実施形態のセル部詳細断面図。
【図７】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面図。
【図８】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面図。
【図９】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面図。
【図１０】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤の層構造に関する他の実施形態のセル部詳細断面図。
【図１１】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１２】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１３】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１４】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１５】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１６】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１７】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１８】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【符号の説明】
１エンジン
２吸気通路
３排気通路
９〜１１排気浄化装置
２１担体
２２スリット
２３非スリット部
２４セル
２５ＨＣトラップ層
２６触媒金属層
２９断熱層
３４触媒容器

Claims

ハニカム状担体にＨＣトラップ剤と触媒金属とを担持させると共に、
前記担体のセルを横断するようにかつ担体の上流部に偏在するようにスリットを形成した排気浄化装置。
前記ＨＣトラップ剤を、その担持量が担体の下流部にて大となるように担持させた請求項１に記載の排気浄化装置。
前記スリットを担体のガス流れ方向に複数配列した請求項１に記載の排気浄化装置。
前記複数のスリットのうち、上流側のスリットのガス流れ方向の厚さを下流側のものに比較して大とした請求項３に記載の排気浄化装置。
前記触媒金属は、その担持量を担体の下流部にて大とした請求項２に記載の排気浄化装置。
前記担体をセラミクスから形成した請求項１に記載の排気浄化装置。
前記ＨＣトラップ剤は互いに特性が異なる複数の層からなる請求項１に記載の排気浄化装置。
前記触媒金属は互いに特性が異なる複数の層からなる請求項１に記載の排気浄化装置。
前記担体には、ＨＣトラップ剤を含むＨＣトラップ層と、触媒金属を含む触媒金属層とを、それぞれコーティングにより形成した請求項１に記載の排気浄化装置。
前記ＨＣトラップ層を下層側に、触媒金属層を上層側に、それぞれ形成した請求項９に記載の排気浄化装置。
前記ＨＣトラップ層と触媒金属層との間に断熱層を形成した請求項１０に記載の排気浄化装置。
前記断熱層を均一な厚さに形成した請求項１１に記載の排気浄化装置。
前記断熱層を担体の上流側ほど厚さが大となるように形成した請求項１１に記載の排気浄化装置。
前記断熱層は、下流側よりも上流側の方が触媒金属層の表面に近い、
ことを特徴とする請求項１１に記載の排気浄化装置。
前記断熱層は、上流側よりも下流側の方が担体表面に近い、
ことを特徴とする請求項１１に記載の排気浄化装置。
前記複数のスリットは担体外周の相対する位置から対向的に、かつセル内のガス流れに対して垂直に形成した請求項３に記載の排気浄化装置。
前記複数のスリットは担体外周の相対する位置から対向的に、かつセル内のガス流れに対して傾斜して形成した請求項３に記載の排気浄化装置。
前記相対するスリットはガス流れ方向から見て互いに重畳しないように形成した請求項１６または請求項１７に記載の排気浄化装置。
前記スリットを担体の両側面を貫通するように形成した請求項１に記載の排気浄化装置。
前記スリットを担体の外周から内側に向かって次第に幅が狭くなる形状に形成した請求項１に記載の排気浄化装置。
前記スリットは担体の相対する位置から対向的に、かつガス流れ方向から見て互いに重畳しないように複数個を形成した請求項２０に記載の排気浄化装置。
前記貫通したスリットは貫通方向から見て担体の外周から内側に向かって次第に幅が広くなる形状に形成した請求項１９に記載の排気浄化装置。
前記貫通したスリットは貫通方向から見て上下流方向に複数の頂部を有する屈曲形状に形成した請求項１９に記載の排気浄化装置。
前記貫通したスリットは貫通方向から見て上流側に凸の湾曲形状に形成した請求項１９に記載の排気浄化装置。
前記担体のセル密度は６００以下である請求項１に記載の排気浄化装置。
前記ＨＣトラップ剤のコーティング量は２５０以上である請求項１に記載の排気浄化装置。