JP4239472B2

JP4239472B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4239472B2
Application number: JP2002122121A
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: JP2003314269A

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、ハニカム状担体のセルを横断するようにかつ担体の下流部に偏在するように１個以上のスリットを形成する。また、前記担体にＨＣトラップ剤を担持させると共に、上流部にて担持量が大となるようにＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の触媒金属を担持させる。担体上流部は排ガスとの接触により温度上昇しやすいので、上流部に多くの触媒金属を担持させることで活性温度に達するまでの時間を短縮して脱離ＨＣの転化効率を高めることができる。
【０００５】
担体下流部は相対的に触媒金属の担持量が小となるが、スリットによる乱流化の作用により触媒金属の転化効率を高められることで所要のＨＣ浄化性能を確保することができる。すなわち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、排気ガスが触媒金属に接触する機会を増やすのでそれだけＨＣ浄化性能が向上する。
【０００６】
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。
【０００７】
担体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、それだけ温度上昇を遅らせてＨＣの捕捉量を増大させ、かつＨＣが脱離するまでの時間を長くできる。また、これにより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。
【０００８】
なお、詳しくは以下に実施形態として説明するが、スリットの形状や寸法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、その層構造の設定に応じて種々の好ましい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を担体下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下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度ずつ異なる角度で、かつガス流れ方向には等間隔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トラップ層と、Ｒｈ、Ｐｄ等の触媒金属を含む触媒金属層とがコーティングにより形成してある。
【００１４】
図３は前記ＨＣトラップ層および触媒金属層の担持量分布を表しており、図中のハッチングを施した部分にＭで示したのは触媒金属の担持量が多き部分を示している。担体２１には、ＨＣトラップ剤は均一に担持させる一方、触媒金属は図示したように上流部にて担持量が大となるように担持させる。なお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。このような構成とすることにより、前述したように担体上流部については触媒金属の活性が促進されることにより、下流部についてはスリットでの乱流化作用により、担体全体として高い転化効率を達成することができる。また、下流部に偏在させたスリット２２は、担体下流部での触媒反応熱が上流方向に伝達するのを抑制して上流部でのＨＣトラップ性能の向上に寄与する。
【００１５】
また、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を担体下流部に偏在させる本発明の構成が有利である。
【００１６】
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。
【００１７】
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[ｇ／ｃｆ]であり、当業者による取引上の常用単位である。
【００１８】
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。
【００１９】
図４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。
【００２０】
図５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のうち下流側に位置するものほどその幅ｄを大としてある。
【００２１】
この実施形態によれば、スリット幅ｄを大にした下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。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。この実施形態は担体下流部が温度上昇しやすい場合に適合する。
【００２２】
図６〜図７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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、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。
【００２５】
前記図６、図７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。
【００２６】
図８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。
【００２７】
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。
【００２８】
図９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。
【００２９】
この実施形態によれば、図８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。
【００３０】
図１０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。
【００３１】
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８または図９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。
【００３２】
図１１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。
【００３３】
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。
【００３４】
図１２は図１１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。
【００３５】
この実施形態によれば、図１１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。
【００３６】
図１３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はその幅が中央部ほど大となるように多角形状に形成してある。
【００３７】
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。
【００３８】
図１４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。
【００３９】
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。
【００４０】
図１５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。
【００４１】
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。
【００４２】
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４】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５】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６】本発明に係る担体のＨＣトラップ剤等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トラップ剤等の層構造に関する実施形態のセル部詳細断面図。
【図８】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図９】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【図１０】本発明による担体の他の実施形態の側面図。
【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。
【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

ハニカム状担体のセルを横断するようにかつ担体の下流部に偏在するようにスリットを形成し、
前記担体にはＨＣトラップ剤と触媒金属とを担持させ、
前記触媒金属の担持量が、前記担体の下流部より上流部のほうが大となるようにした
ことを特徴とする排気浄化装置。
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、下流側のスリットのガス流れ方向の厚さを上流側のものに比較して大とした請求項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７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８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９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２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２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１１または請求項１２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または請求項２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１６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１４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１４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１４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または請求項２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[ｇ／ｃｆ]以上である請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置。