JP6699113B2 - 内燃機関の排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒 - Google Patents

Description

本開示は、簡易な構成で排ガスの浄化を可能にした内燃機関の排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒に関する。

大気のクリーン化が求められる中、ガソリンエンジンでは、触媒を用いた排ガス浄化性能のさらなる向上が求められ、特に、エンジン冷態時の排ガス浄化が重要な課題となっている。エンジン冷態時の排ガス浄化策として、排ガス通路に設けられた触媒が昇温するまでの間に排出されるＨＣの低減を狙って、ＨＣトラップ触媒など、排ガス通路に多種の触媒を直列に配置した浄化システムが検討されている。
しかし、このような浄化システムでは、排ガスの圧力損失が大きくなり、排気圧力の上昇によって、エンジン性能が低下するだけでなく、触媒コストが極めて高価になるという問題がある。特に、触媒担持層を担持する担持基材がハニカム構造体であるとき、排ガスの圧力損失がエンジン性能に及ぼす影響を無視できない。

例えば、特許文献１には、排ガス通路に排ガス上流側から第１の触媒コンバータと第２の触媒コンバータとが直列に設けられ、第１の触媒コンバータには、酸化性能を有する高温用ＮＯｘ吸着触媒と触媒温度が低いときＮＯｘを吸着する低温用ＮＯｘ吸着触媒とが内蔵され、第２の触媒コンバータには、第１の触媒コンバータから放出されたＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ還元触媒と、捕集したＰＭを燃焼し浄化するＰＭ燃焼触媒とが内蔵されている。

特開２０１５−０２５４３３号公報

排ガス通路に複数種の触媒を直列に配置すると、排ガスの圧力損失が増加する。特許文献１に開示された排ガス浄化システムは、排気圧力の増加を抑え、エンジン性能の低下を抑えることを目的としている。しかしながら、今後、さらなる排ガス浄化性能の向上を狙って触媒の多機能化が求められる状況下では、排気圧力の抑制と触媒コストの削減が必要である。

そこで、これら技術的課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、排ガス浄化性能の多機能化に対応しつつ、排ガスの圧力損失をさらに低減して内燃機関の効率向上を図ると共に、触媒コストの削減を図ることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化システムは、排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化システムにおいて、前記排ガス通路に第１の排ガス浄化触媒を備え、前記第１の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるＮＨ_３で排ガス中のＮＯｘを選択還元する材料を含み、前記下層の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能な材料を含み、ＮＯｘの酸化機能を有さない。

排ガス中にＣＯ、ＨＣが存在すると、反応式（１）の水性ガス反応と、反応式（２）の水蒸気改質反応が進行してＨ_２が生成され、反応式（３）、反応式（４）や反応式（５）の反応によりＮＨ_３が生成する。これらの反応は、とくに貴金属を担持した触媒上で進行する。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２ （１）
ＣＨ_ｎ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋（２＋ｎ/２）Ｈ_２ （２）
５/２Ｈ_２＋ＮＯ → ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ （３）
３/２Ｈ_２＋ＮＯ＋ＣＯ → ＮＨ_３＋ＣＯ_２ （４）
ＮＯ＋ＨＣ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋ＮＨ_３ （５）
上記第１の排ガス浄化触媒では、上層の触媒活性成分により排ガス中に存在するＮＨ_３とＮＯｘとを反応させ、反応式（６）〜（８）の反応によりＮＯｘを選択還元する。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３ → ２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ （６）
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ （７）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３ → ７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ （８）
また、下層の触媒活性成分で吸着したＨＣ及びＮＯｘから、上記反応式（１）〜（５）によりＮＨ_３を生成し、生成したＮＨ_３をＮＯｘの選択還元に用いることができる。
また、下層の触媒活性成分で吸着したＮＯｘが上層の触媒活性成分を通過する機会が与えられるため、ＮＯｘの還元率を向上できる。
このように、排ガスに曝される上層側に排ガス中に存在するＮＨ_３とＮＯｘを反応させる成分を含み、下層側にＨＣ及びＮＯｘ吸着能成分を含むため、ＮＯｘを効率良く低減できる。
また、上下積層構造の触媒担持層を備えることで、排ガス通路に直列に配置される触媒担体の数を低減できるため、触媒コストを削減できると共に、排ガスの圧力損失を低減できるため、内燃機関の性能低下を抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、前記第１の排ガス浄化触媒より上流側の前記排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された第２の排ガス浄化触媒を備え、前記第２の排ガス浄化触媒の前記触媒活性成分は、排ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化すると共にＮＯｘを還元することで、これらを低減する材料を含む。
上記構成（２）によれば、上記第２の排ガス浄化触媒はいわゆる三元触媒としての浄化機能を有し、排ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化し、かつＮＯｘを還元してＮ_２、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換し低減できる。
こうして、第１の排ガス浄化触媒及び第２の排ガス浄化触媒との組合せで排ガス浄化性能の多機能化が可能になる。

（３）幾つかの実施形態では、前記構成（２）において、前記第２の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含み、前記下層の前記触媒活性成分はＰｄ及び触媒用酸素吸蔵材料を含む。
上記構成（３）によれば、上層に含まれるＲｈの優れた排ガス浄化性能で高い排ガス浄化効果を得ることができると共に、触媒活性成分として比較的安価なＰｄを含む下層の存在によって、高い浄化性能を維持しつつ触媒コストを低減できる。
また、下層に酸素吸蔵及び放出能を有する触媒用酸素吸蔵材料を含むことで、空燃比が変動した場合でも高い排ガス浄化効果を維持できる。
さらに、排ガス浄化効果の向上に伴って、第１の排ガス浄化触媒及び第２の排ガス浄化触媒の触媒担持層の膜厚を薄くでき、これによって、特に、担持基材がハニカム構造体である場合などで、排ガスの圧力損失の増加を抑えることができる。
さらに、ＲｈやＰｄ等の貴金属を担持した触媒担持層を積層させることで、上記反応式（１）〜（５）によりＮＨ_３が多く生成され、ここで生成されたＮＨ_３がＮＯｘの還元浄化に寄与する。

（４）幾つかの実施形態では、前記構成（３）において、前記第２の排ガス浄化触媒の前記下層は、排ガス流れ上流側領域のみに設けられている。
上記構成（４）によれば、排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス上流側領域では、上記下層の存在により排ガス浄化効果を高めることができる。他方、排ガス温度が低く上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス下流側領域では、下層を形成しないことで、排ガス浄化効果を大きく低下させることなく触媒コストを低減できる。

幾つかの実施形態では、前記構成（３）又は（４）において、前記第２の排ガス浄化触媒の前記上層は、前記触媒活性成分として担持基材の容積１リットル当たり０．１乃至２．０ｇのＲｈを含み、前記第２の排ガス浄化触媒の前記下層は、前記触媒活性成分として担持基材の容積１リットル当たり１乃至１５ｇのＰｄと、助触媒としてＣｅＯ_２を主成分とする１乃至８０ｇの前記触媒用酸素吸蔵材料とを含む。
上記構成によれば、触媒担持層に、触媒活性成分としてのＲｈ及びＰｄ及び助触媒としての触媒用酸素吸蔵材料が上記範囲の量を担持されることで、高い排ガス浄化効果を得ることができる。また、浄化効果が高いために上層及び下層とも膜厚を抑えることができるので、触媒担持層のコーティングが容易になる。

（５）幾つかの実施形態では、前記構成（３）又は（４）において、前記第２の排ガス浄化触媒の前記上層は、前記触媒活性成分の担持量が排ガス流れ上流側領域で排ガス流れ下流側領域より多い。
上記構成（５）によれば、排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス流れ上流側領域で触媒活性成分の担持量を多くすることで、排ガス浄化効果を向上できると共に、排ガス流れ下流側領域では触媒活性成分の担持量を少なくすることで、触媒コストを削減できる。

（６）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（５）の何れかにおいて、前記第１の排ガス浄化触媒において、前記下層に含まれる前記触媒活性成分が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御するための制御装置をさらに備える。
上記構成（６）によれば、下層に含まれる触媒活性成分が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御することで、排ガス中のＣＯ量やＨＣ量を増やし、これによって、上記反応式（１）〜（５）から、排ガス中に含まれるＮＨ_３量を増やすことができる。
そして、増加したＮＨ_３によって下層の触媒活性成分から脱離したＮＯｘを高効率で低減できる。また、下層の触媒活性成分から脱離したＨＣは上層触媒や下流触媒の浄化作用によって低減できる。

（７）幾つかの実施形態では、前記構成（６）において、前記第１の排ガス浄化触媒を通る排ガスの温度を検出するための温度センサをさらに備え、前記制御装置は、前記温度センサの検出値が閾値を超えた時、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程であると判定し、前記内燃機関をリッチ燃焼に制御するものである。
上記構成（７）によれば、第１の排ガス浄化触媒を通る排ガスの温度を検出し、この検出値に基づいてＨＣ及びＮＯｘの脱離工程が開始されたか否かを正確に判定できる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る排ガス浄化触媒は、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒において、前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるＮＨ_３で排ガス中のＮＯｘを選択還元する材料を含み、前記下層の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能な材料を含む。
上記構成（８）によれば、上記排ガス浄化触媒では、上層の触媒活性成分により排ガス中に存在するＮＨ_３とＮＯｘとを反応させ、ＮＯｘを選択還元する。また、下層の触媒活性成分で吸着したＨＣ及びＮＯｘから、上記反応式（１）〜（５）によりＮＨ_３を生成し、生成したＮＨ_３を上記反応式（６）〜（８）によりＮＯｘの選択還元に寄与させることができる。
また、下層の触媒活性成分で吸着したＨＣ、ＮＯｘが上層の触媒活性成分を通る間に、ＮＯｘの還元率を向上できる。さらに、下層の触媒活性成分で吸着したＨＣが上層の触媒活性成分を通る間に、ＨＣの酸化率を向上できる。
このように、上下積層構造の触媒担持層を備えることで、排ガス通路に直列に配置される触媒担体の数を低減できるため、触媒コストを削減できる。また、排ガスの圧力損失を低減できるため、内燃機関の性能低下を抑制できる。

（９）幾つかの実施形態では、前記構成（８）において、前記下層は排ガス上流側領域のみに設けられている。
上記構成（９）によれば、排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス上流側領域では、下層の存在により排ガス浄化効果を高めることができる。他方、排ガス温度が低下し上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス下流側領域では、下層を形成しないことで、排ガス浄化効果をそれほど低下させることなく触媒コストを低減できる。

幾つかの実施形態では、前記構成（８）又は（９）において、前記上層及び前記下層は、夫々前記担持基材の容積１リットル当たり２０乃至３００ｇの前記触媒活性成分を含む。
上記構成によれば、上層及び下層において、上記含有量の触媒活性成分を含むため、ＮＯｘの浄化効果を向上できる。また、上層及び下層の膜厚を抑えることができるので、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層のコーティングが容易になる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、排ガス浄化性能の多機能化に対応しつつ、内燃機関の排ガス通路を流れる排ガスの圧力損失を低減して内燃機関の効率を向上できると共に、排ガス通路に設けられる排ガス浄化触媒のコストを削減できる。

一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化システムを示す概略構成図である。 一実施形態に係る触媒コンバータの概略構成図である。 （Ａ）は図２中のＡ―Ａ線に沿う断面図であり、（Ｂ）は同じくＢ―Ｂ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は同じくＣ―Ｃ線に沿う断面図であり、（Ｄ）は同じくＤ―Ｄ線に沿う断面図である。 一実施形態に係る触媒の断面図である。 （Ａ）は図４中のＥ―Ｅ線に沿う断面図であり、（Ｂ）は同じくＦ―Ｆ線に沿う断面図である。 排ガス浄化プロセスを時系列で示す線図である。 触媒内部の排ガス温度分布を示す線図である。 貴金属担持量と総ＨＣの浄化効率との関係を示す線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の幾つかの実施形態に係る排ガス浄化システム１０は、図１に示すように、内燃機関（例えばガソリンエンジン）１１の燃焼室（不図示）と連通する排気ポート１２が気筒毎に形成されている。そして、内燃機関１１には夫々の排気ポート１２と連通するように排気マニフォールド１４が接続されている。
排気マニフォールド１４の排ガス流れ方向下流には、排気過給機１６が設けられている。排気過給機１６ではタービンハウジング１６ａと排気管（排ガス通路）１８とが連通し、内燃機関１１から排出される排ガスｅのエネルギを利用して吸入された新気を圧縮し、内燃機関１０の燃焼室に供給する。
排気管１８には、第１の排ガス浄化触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２２が設けられている。

図２に示すように、第１の排ガス浄化触媒２０は、担持基材２４と、担持基材２４の表面に形成された触媒担持層２６と、触媒担持層２６に担持される触媒活性成分（不図示）で構成されている。
図示した実施形態では、担持基材２４は例えばコーディエライト製や金属箔製のハニカム構造体で構成される。
触媒担持層２６は、担持基材２４の表面に近い下層２８と、下層２８より相対的に遠い上層３０とで構成される。上層３０は、触媒活性成分として排ガスｅに含まれるＮＨ_３とＮＯｘを選択還元する材料（以下「ＳＣＲ材」とも言う。）、例えば、ゼオライト（結晶性アルミノケイ酸塩）やＶ（バナジウム）を触媒活性の主成分として担持する。ゼオライトとしては、様々な結晶構造を有する材料があるが、ここでは、ＮＨ_３によるＮＯｘの選択還元作用を有する材料であればよい。また、Ｆｅ−ゼオライト、Ｃｕ−ゼオライトのように少なくとも１種類の遷移金属元素を含んでもよい。
また、下層２８は、触媒活性成分として、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能な材料（以下「ＨＣ・ＮＯｘ吸着材」とも言う。）担持する。例えば、ＡｇやＦｅなどの遷移金属やβ―ゼオライトやＹ−ゼオライトのように１５０℃以下の温度でＨＣやＮＯｘの吸着作用を有する材料である。

排ガス中にＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘが存在すると、前記反応式（１）から（５）に示す反応によって、第１の排ガス浄化触媒２０の上流部にはＮＨ_３が存在する。
第１の排ガス浄化触媒２０では、排ガス中に存在するＮＨ_３とＮＯｘとを上層３０に含まれるＳＣＲ材で反応させ、ＮＯｘを選択還元する。また、下層２８に担持されるＨＣ・ＮＯｘ吸着材に吸着されたＨＣ及びＮＯｘは、排ガス温度の上昇と共に脱離しＮＨ_３の生成を促進する。生成されたＮＨ_３がＮＯｘを選択還元する。
また、下層２８の触媒活性成分で吸着したＮＯｘが下層２８から上層３０に向かい、上層３０を通る間にＳＣＲ材でＮＯｘを選択還元する。
さらに、下層２８の触媒活性成分で吸着したＨＣが下層２８から上層３０に向かい、上層３０を通る間に減少する。

例示的な実施形態では、図２に示すように、下層２８は排ガス上流側領域のみ（例えば、上流側略半分の領域）に設けられている。
例示的な実施形態では、下層２８及び上層３０は、夫々担持基材２４の容積１リットル当たり２０〜３００ｇの触媒活性成分を含む。

例示的な実施形態では、図１に示すように、第１の排ガス浄化触媒２０の排ガス流れ方向上流側の排気管１８に、第２の排ガス浄化触媒３２を内蔵した触媒コンバータ３４が設けられる。
図２及び図３に示すように、第２の排ガス浄化触媒３２は、担持基材３６と、担持基材３６の表面に形成された触媒担持層３８と、触媒担持層３８に担持された触媒活性成分（不図示）で構成されている。
図示した実施形態では、担持基材３６はコーディエライト製や金属箔製のハニカム構造体で構成される。触媒担持層３８は、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２のうち少なくとも１つを含む触媒活性主のサポート材料で構成される。
触媒担持層３８に担持される触媒活性成分は、排ガスに含まれるＨＣ及びＣＯを酸化すると共に、ＮＯｘを還元して低減する材料であり、いわゆる三元触媒を構成する触媒活性成分を含む。
内燃機関１１が車両に搭載される場合、第１の排ガス浄化触媒２０は例えば床下に配置され、第２の排ガス浄化触媒３２は例えば内燃機関１１の近傍に配置される。ただし、第１の排ガス浄化触媒２０と第２の排ガス浄化触媒３２の車両への搭載位置は、車両サイズにも依存するので種々考えられ、第１の排ガス浄化触媒２０が第２の排ガス浄化触媒３２の下流にあればよい。

例示的な実施形態では、図２及び図３に示すように、第２の排ガス浄化触媒３２の触媒担持層３８は、担持基材３６の表面に近い下層４０と、下層４０より相対的に遠い上層４２とで構成される。上層４２は触媒活性成分としてＲｈ（ロジウム）を含み、下層４０は触媒活性成分としてのＰｄ（パラジウム）と、助触媒として酸素の吸蔵及び放出能を有する触媒用酸素吸蔵材料（以下「ＯＳＣ材」とも言う。）を含む。ＯＳＣ材は例えばＣｅＯ_２やＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２を主成分とする複合酸化物を含む。
第２の排ガス浄化触媒３２では、上層４２に含まれるＲｈ及び下層４０に含まれるＰｄによって、排ガスｅに含まれるＨＣ及びＣＯを酸化し、ＮＯｘを還元してこれらを無害なＨ_２Ｏ、ＣＯ_２及びＮ_２に変える。また、下層４０にＯＳＣ材を含むことで、空燃比が変動しても高い排ガス浄化効果を維持できる。なお、上層４２にはＰｔ、Ｐｄ、ＯＳＣ材を添加してもよく、下層４０にはＲｈ、Ｐｔを添加してもよい。

例示的な実施形態では、図２及び図３に示すように、第２の排ガス浄化触媒３２の下層４０は、排ガス流れ上流側領域のみ（上流側略半分の領域）に設けられている。
例示的な実施形態では、第２の排ガス浄化触媒３２の上層４２は、担持基材３６も容積１リットル当たり０．１〜２．０ｇのＲｈを含み、下層４０は担持基材３６の容積１リットル当たり１〜１５ｇのＰｄと、ＣｅＯ_２を主成分とする１〜８０ｇのＯＳＣ材とを含む。
例示的な実施形態では、図４及び図５に示すように、第２の排ガス浄化触媒３２の上層４２は、触媒活性成分の担持量が排ガス流れ上流側領域４２ａで排ガス流れ下流側領域４２ｂより多い。

例示的な実施形態では、図１に示すように、第１の排ガス浄化触媒２０において、下層２８に含まれるＨＣ・ＮＯｘ吸着材が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程（以下「脱離工程」とも言う。）で、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御するための制御装置４４をさらに備える。
制御装置４４によって脱離工程で内燃機関１１をリッチ燃焼とすることで、排ガス中のＣＯやＨＣの量を増やすことができる。これによって、上記反応式（１）〜（５）から、第２の触媒下流の排ガス中に含まれるＮＨ_３量が増え、増えたＮＨ_３で下層２８から脱離したＮＯｘを低減できる。

例示的な実施形態では、図１に示すように、第１の排ガス浄化触媒２０の入口に、第１の排ガス浄化触媒２０を通る排ガスの温度を検出するための温度センサ４６をさらに備える。制御装置４４は、温度センサ４６の検出値が閾値Ｔ_１（図６参照）を超えた時、脱離工程が開始されたと判定し、内燃機関１１をリッチ燃焼に制御する。

図６は内燃機関１１の稼動開始からの排ガス浄化プロセスを示している。横軸は稼動開始からの時間を示している。図において、内燃機関１１の稼動開始と共に第１の排ガス浄化触媒２０の下層２８でＨＣ及びＮＯｘの吸着工程が始まり、その後、第１の排ガス浄化触媒２０が閾値温度Ｔ_１（例えば１５０℃）を超えると脱離工程が始まる。この脱離行程中のＨＣ、ＮＯｘが最も多く排出されるタイミングに空燃比をリッチ化することで，上流触媒３２でより多くのＮＨ_３が生成されるので，触媒２０から脱離したＮＯｘの浄化効率が高まる。
図７は、内燃機関１１の稼動開始から２０秒後の触媒内部の温度を示している。図７から、稼動初期には、触媒担体の熱容量の影響で、触媒担体の入口領域と出口領域との間に大きな温度勾配を生じる。したがって、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが極めて多く排出される触媒の昇温過程においては、触媒担体の入口領域に触媒活性成分を高密度に担持することが排ガス低減に有効であることがわかる。
図８は、貴金属（ＰＧＭ）の触媒入口温度及び貴金属担持量に対する総ＨＣ量の浄化効率を示し、数値は貴金属担持量を示している。図８から、貴金属担持量が多く、かつ触媒温度が高いほど、触媒活性が優れる。したがって、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが極めて多く排出される触媒の昇温過程においては、排ガス浄化効率を高めるには、触媒活性主である貴金属の担持量を増大することが排ガス低減に有効であることがわかる。

幾つかの実施形態によれば、図２及び図３に示すように、第１の排ガス浄化触媒２０では、排ガス中に存在するＮＯやＨＣ及び下層２８で吸着したＨＣからＮＨ_３が生成され、生成したＮＨ_３と排ガス中のＮＯｘとを反応させ、ＮＯｘを選択還元するので、ＮＯｘの浄化効率を向上できる。また、下層２８に吸着したＮＯｘが脱離して上層３０を通る間にＮＯｘの還元率を向上できる。さらに、下層２８に吸着したＨＣが脱離して上層３０を通る間にＨＣの酸化率を向上できる。
このように、ＮＯｘ、ＨＣ浄化効果を高め、且つ上下積層構造の触媒担持層を備えることで、排気管１８に直列に配置される触媒担体の数を低減できるため、触媒コストを削減できる。また、排ガス浄化効果を高めたことで、触媒担持層２６の膜厚を低減できるため、排ガスｅの圧力損失を抑制でき、これによって、内燃機関１１の性能低下を抑制できる。

例示的な実施形態によれば、図２及び図３に示すように、第１の排ガス浄化触媒２０の上流側に、いわゆる三元触媒と称される機能を有する第２の排ガス浄化触媒３２を設けることで、排ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に低減できる。こうして、第１の排ガス浄化触媒２０と第２の排ガス浄化触媒３２とを組み合わせることで、排ガス浄化性能の多機能化が可能になる。
例示的な実施形態によれば、第２の排ガス浄化触媒３２は、触媒活性成分として貴金属のなかで担持量当たりの触媒活性が最も優れるＲｈを含む上層４２と、触媒活性成分として比較的安価なＰｄを含む下層４０とで構成されるので、高い排ガス浄化性能を持ちつつ、触媒コストを抑えることができる。
また、第２の排ガス浄化触媒３２ではＲｈやＰｄ等の貴金属を担持した触媒担持層を積層させることで、反応式（１）〜（５）で示すＮＨ_３生成反応も触媒コストを抑えた上で効率良く進行する。従って、第１の排ガス浄化触媒２０でＮＨ_３が多く生成され、ここで生成されたＮＨ_３が第１の排ガス浄化触媒２０でのＮＯｘの還元浄化に寄与する。
さらに、下層２８はＯＳＣ材を含むので、空燃比が変動しても高い排ガス浄化性能を維持できる。
これにより、排ガス浄化効果が向上するに伴って、第１の排ガス浄化触媒２０及び第２の排ガス浄化触媒３２の触媒担持層の膜厚を薄くできるため、特に、担持基材がハニカム構造体である場合などで、排ガスの圧力損失の増加を抑えることができる。

例示的な実施形態によれば、第１の排ガス浄化触媒２０及び第２の排ガス浄化触媒３２において、下層２８及び４０は排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス上流側領域のみに設けられるので、排ガス上流側領域では下層２８及び４０の存在により排ガス浄化効果を高めることができると共に、排ガス上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス流れ下流側領域では、下層２８及び４０をなくすことで、触媒システムのコストをより効果的に低減できる。
例示的な実施形態によれば、第１の排ガス浄化触媒２０の上層３０及び下層２８では、夫々触媒活性成分の担持量を担持基材２４の容積１リットル当たり２０〜３００ｇとしたことで、ＮＯｘの浄化効果を維持しつつ、触媒担持層２６の膜厚を抑制できるので、排ガスｅの圧力損失を抑制できる。
第２の排ガス浄化触媒３２においても、上層４２の触媒活性成分であるＲｈの担持量を担持基材３８の容積１リットル当たり０．１〜２．０ｇとし、下層２８の触媒活性成分であるＰｄの担持量を同じく１〜１５ｇとし、ＯＳＣ材の担持量を同じく１〜８０ｇとしたことで、排ガス浄化効果を維持しつつ、触媒担持層３８の膜厚を抑制できるので、排ガスｅの圧力損失を抑制できる。

例示的な実施形態によれば、図４及び図５に示すように、第２の排ガス浄化触媒３２の上層４２は、触媒活性成分の担持量を排ガス流れ上流側領域４２ａで排ガス流れ下流側領域４２ｂより多くしたので、排ガス浄化効果を維持しつつ触媒コストを低減できる。また，触媒担持層当たりのＮＨ_３の生成能も高くすることができる。
例示的な実施形態によれば、第１の排ガス浄化触媒２０の下層２８で吸着したＨＣ及びＮＯｘの脱離工程で、制御装置４４により内燃機関１１をリッチ燃焼に制御することで、排ガス中に含まれるＮＨ_３の量を増やし、ＮＨ_３でＮＯｘを高効率で低減できる。
また、第１の排ガス浄化触媒２０の入口における排ガス温度を検出することで、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程の開始時期を正確に判定できる。

上記実施形態では、排ガス中の含まれるＮＨ_３、特に第２の排ガス浄化触媒３２で生成するＮＨ_３を用いて、第１の排ガス浄化触媒２０に流入するＮＯｘを選択還元浄化しているが、排ガス通路の外部からＮＨ_３を供給するようにしてもよい。例えば、第１の排ガス浄化触媒２０と第２の排ガス浄化触媒３２との間の排ガス通路に外部から尿素水溶液を供給するようにしてもよい。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、内燃機関の排ガス通路を流れる排ガスの圧力損失を低減して内燃機関の効率を向上できると共に、触媒コストを削減できる。

１０ 排ガス浄化システム
１１ 内燃機関
１２ 排気ポート
１４ 排気マニフォールド
１６ 排気過給機
１６ａ タービンハウジング
１８ 排気管
２０ 第１の排ガス浄化触媒
２２、３４ 触媒コンバータ
２４、３６ 担持基材
２６、３８ 触媒担持層
２８、４０ 下層
３０、４２ 上層
４２ａ 排ガス流れ上流側領域
４２ｂ 排ガス流れ下流側領域
３２ 第２の排ガス浄化触媒
４４ 制御装置
４６ 温度センサ
ｅ 排ガス

Claims (9)

1. 排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化システムにおいて、
   前記排ガス通路に第１の排ガス浄化触媒を備え、
   前記第１の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
   前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるＮＨ_３で排ガス中のＮＯｘを選択還元する材料を含み、
   前記下層の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能な材料を含み、ＮＯｘの酸化機能を有さないことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化システム。
2. 前記第１の排ガス浄化触媒より上流側の前記排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された第２の排ガス浄化触媒を備え、
   前記第２の排ガス浄化触媒の前記触媒活性成分は、排ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化すると共に、ＮＯｘを還元して低減する材料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ガス浄化システム。
3. 前記第２の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
   前記上層の前記触媒活性成分はＲｈを含み、
   前記下層の前記触媒活性成分はＰｄ及び触媒用酸素吸蔵材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
4. 前記第２の排ガス浄化触媒の前記下層は、排ガス流れ上流側領域のみに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
5. 前記第２の排ガス浄化触媒の前記上層は、前記触媒活性成分の担持量が排ガス流れ上流側領域で排ガス流れ下流側領域より多いことを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
6. 前記第１の排ガス浄化触媒において、前記下層に含まれる前記触媒活性成分が吸着したＨＣ及びＮＯｘを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御するための制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
7. 前記第１の排ガス浄化触媒を通る排ガスの温度を検出するための温度センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記温度センサの検出値が閾値を超えた時、ＨＣ及びＮＯｘの脱離工程であると判定し、前記内燃機関をリッチ燃焼に制御することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。
8. 担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒において、
   前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
   前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるＮＨ_３で排ガス中のＮＯｘを選択還元する材料を含み、
   前記下層の前記触媒活性成分は、ＨＣ及びＮＯｘを吸着可能な材料を含むことを特徴とする排ガス浄化触媒。
9. 前記下層は排ガス流れ上流側領域のみに設けられていることを特徴とする請求項８に記載の排ガス浄化触媒。

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