JPS62117632A - 排気ガス浄化用触媒担体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば内燃機関の排気ガス浄化用の触媒担体
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の蜂巣状セラミックモノリス触媒担体に代わって本
発明者は特廓昭６０−３３５１６号にて第１１図（ａｔ
、　［ｂ）の構造の触媒担体を提案した。

この構造は、人口穴６１’および出口穴６２゜をガスの
流れ方向に向くように互いに隣接関係に多数形成し、こ
の入口穴６１゛　と出口穴６２′　との間に形成した、
３次元網目状構造の骨格および該骨格で囲まれた通気部
よりなる多孔性壁６°を備えたものである。排気ガスは
図中矢印のように人口孔６１′から２方向に壁６″を経
て出口孔６２゛に至り、該壁６゛に担持せしめた触媒に
よって排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物
を反応により無害化している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のごとき触媒担体は排気ガスが多孔性壁を経て入口
穴から出口穴に至るため、排気ガスと壁に担持された触
媒との反応が担体全体に渡り均一に行われ、浄化率に優
れる。

ところで、排気ガス浄化時の、担体内の温度分布を測定
したところ、第１０図のＡのように、温度が担体の入口
側から徐々に上昇し、担体の出口側に至るまでに平担に
なる傾向がみられる。

このように、触媒担体内の温度が平担になっていること
は、排気ガス中の被浄化成分（前記の一酸化炭素等）が
完全に浄化されていることを示している。

しかしながら、触媒担体に対する排気ガス流量が増加す
ると、該担体内の下流部の温度の平担部分が更に出口側
にずれ、極端な場合（第１０図のＤ参照）は平担部分が
な（なってしまい、従、て未反応ガス（未浄化ガス）が
排出されるという問題を知った。

なお、第１０図において、上記特性ＡはＳＶが８万ｈｒ
”’であり、特性りはＳＶが１４万ｈｒ−’である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、多数の入口穴と多数の出口穴とを存し、該入
口穴と出口穴との間に、ガスが通過しうる孔を有した多
孔性壁を配置し、前記入口穴から前記壁を経て前記出口
穴へガスを流すようにした排気ガス浄化用触媒担体であ
って、 前記壁が形成される領域内において、ガスの流れ方向の
軸線方向に対し直角な断面における、前記人口穴および
出口穴の断面開口率が、前記軸線方向に一端から他端に
向かって減少するよう前記入口穴と出口穴とを構成した
ものである。

〔作　用〕

本発明によれば、上記の断面開口率の関係により触媒担
体の上記他端側では上記壁の占める割合が多くなり、ま
た上記一端側では該壁の占める割合は少なくなる。

このような触媒担体を、排気ガスの流れに対して上記一
端側を上流側、上記他端側を下流側となるように設定す
ることにより、触媒担体の上記下流側では上記のごとく
壁の占める割合が多いので、実際の使用時に上記壁に均
一に触媒を担持せしめれば、実質的に触媒担持量は上記
下流側の壁の部分では上流側に比べて多くなることは明
らかである。

それ故、排気ガスは触媒担体内においてその上流側で反
応を開始し、そのガスが反応熱とともに下流側に流れ、
該下流側で急速に反応が進み、浄化される。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、排気ガスの流量が多くても
十分な排気浄化を達成して未反応ガスの排出を抑制しう
ろことを実現可能な触媒担体を提供することができる。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

〔第１実施例〕 第１図（ａｌは本発明の触媒担体を乍ト気ガス出口側か
らみた正面図、第１図（ｂｌはその軸線方向の断面図で
ある。触媒担体１は外径１０７ｍｍ、長さ７８ｍｍの円
柱形状であって、コーディエライト系セラミック材料か
ら成る。

なお、これ以外にもＳ　Ｉ　Ｃ，Ｓ　ｌ　３　Ｎａ　、
　　Ａ　Ｎｚ０９β−スブジューメン系等の種々のセラ
ミック材料であってもよい。

触媒担体１の最外周部には、厚さ２ｍｍにわたって緻密
に構成された補強層２が形成されている。

内部は、第２図にその微細構造を説明するような多孔質
セラミック構造体からなる。すなわち、三次元網目構造
の骨格４と、それに囲まれて形成される通気部５を有す
る。触媒担体１の内部には、格子状に配列された断面円
形の内部中空孔３が隔壁６を隔てて軸線に対して平行に
４５個設けられている。また中空穴はひとつおきに反対
側の端面７または８に開口し、他端は７ａおよび８ａで
封止されている。すなわち排出ガス出口側端面７゜入口
側端面８に出口穴６１および入口穴６２がそれぞれ２１
個、２４個開ｕしている。

出口穴６１は長さ方向に対して断面が円形の構造であり
、入口穴６２は端面８から１５ｍｍのところで第１傾斜
面６３を持ち、また端面８から４５ｍ、ｍのところから
第２傾斜面６４を持ち、内傾斜面６３および６４の間は
ストレートの構造となっている。

ここで、本発明の触媒担構造体１の製造方法を説明する
。一般に三次元網目状構造の隔壁を有する触媒担体を得
るには、同様な三次元網目構造を有するポリウレタンフ
ォームなどの有機化合物を骨材として使用し、この骨材
の表面にセラミック材料を固着し、これを焼成すると母
材たる有機化合物が燃焼飛散し、周囲のセラミック材が
母材と同様の構造となることを利用する。

第４図ｆａ）および（ｂ）は、ポリウレタンフォーム成
形型のうち、成形型容器１１の形状を説明する図で、同
図ｆａ）は平面図、同図ｆｂｌは同図（ａ）におけるＸ
〜Ｘ線矢視断面図である。この成形型容器部１１は底板
１２と、底板１２上に値設された複数個の柱状部１３と
、底板１２の外周部に値設されて柱状部１３を取巻く円
管状側壁部１４とから成っている。柱状部１３は断面形
状が円形で、下部１３ａが、第１図に示した触媒担体１
の入口穴６２の第１傾斜面６３の形状に対応するように
、底板１２に向かって広がるテーパ部１３ｂを存し、更
に先端部１３Ｃが構造体の入口穴６２め第２傾斜面６４
に対応するように先端に向い細くなるテーバ部１３ｄを
有する。

また、円管状側壁部１４上面には外周４等分箇所に組付
用ネジ孔１５が設けである。

第５図（ａｌおよび（ｂｌは、上記成形型容器部１１に
施蓋するための成形型蓋部２０を示し、同図ｆａｌは平
面図、同図（ｂｌはＹ−Ｙ線矢視断面図である。この成
形型蓋部２０は、蓋板２１と、蓋板２１上に値設された
複数個のストレート状の柱状部２２とから成っている。

蓋板２１には、柱状部２２と干渉しない位置に貫通孔２
１ａが穿設されている。

柱状部２２は、後述の如く成形型蓋部２０を容器部１１
に被せたときに、容器部１０の柱状部１２に干渉しない
ように考慮してもうけられてい。また蓋＋ｆｆ１２１の
外周４等分箇所には、容器部１１に蓋部２０を固定する
ための組付用孔２１ｂが穿設されている。

第６図は、成形型容器部１１に成形型蓋部２０を組付け
てボルト２５により固定した状態を示しており、容器部
１１と、蓋部２０との組合せによってギヤビティ−２６
が生しる。

次に、ウレタンフオームの成形法を説明すると、キャビ
ティ２６内面には予めワックス系離型剤を、成形型の離
型剤の融点以上に加熱しておき、スプレーまたはへケ塗
りによって塗布する。次に成形型を３０℃〜５０℃に調
整しておき、成形型容器部１１を有機イソシア７−ト、
ポリオール、整泡剤、発泡剤および触媒を混合したウレ
タンフオーム原料混合液を攪拌混合しながら注入し、成
形型蓋部２０を閉じる。ここで、前記有機イソシアネー
トとしては、トリレンジイソシアネート、またはメチレ
ンジイソシアネートまたは両者の混合物、前記ポリオー
ルとしては、ポリエーテルポリオールおよび、またはポ
リエステル系ポリオールからなる重合体ポリオール、ま
たはこれとポリエーテルポリオールとの混合物、前記発
泡剤としては、水または、ハロゲン置換脂肪族炭化水素
系発泡剤（トリクロロモノフロロメタンなどのフロン類
）、または両者の混合物、前記整泡剤としては、アルコ
ール変性シリコーン整泡剤、前記触媒としては、樹脂化
反応を促進する触媒としてアルコールとイソシアを一ト
との反応触媒として有効に用いられる３級アミンおよび
その有機酸塩類、発泡反応を促進する触媒としては、水
とイソシアネートとの反応触媒として有効に用いられる
モルホリン、エタノールアミン等を用いた。ウレタンフ
オーム原料混合液はキャビティ２６内で発泡し型内の空
気を押した後入２１ａより溢れるので栓をする。発泡後
１００°Ｃ−１２０℃で２０〜６０分間加熱硬化させる
。硬化後に容器部１１と蓋部２０とを分離させればウレ
タンフオーム成形体が得られる。

次に、このウレタンフオーム成形体にセラミックスラリ
−を含浸させた後、ポリウレタンを焼成し、触媒担体１
を得る方法について詳述する。含浸に使用されるセラミ
ックスラリ−の原料は、焼成によりコージェライト組成
となる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａ　！
！　ｚ　Ｏｚ　）　、ケイ酸（ＳｉＯ□）を含む混合粉
末、あるいは上記混合粉末を加熱しコージェライト系セ
ラミックにし、これを粉末化した合成コージェライト粉
末、あるいは両者の混合物にメチルセルロース、ポリビ
ニルアルコール等のバインダ、および水を加えたもので
ある。前記ウレタンフオームをこのスラリーに含浸した
後、エアガンや遠心分離装置を用いて余分なスラリーを
除去し、８０℃〜１２０℃の乾燥炉の中で２〜３時間乾
燥する。以上の含浸から乾燥までの操作を２〜３回繰り
返し、必要量のセラミックスラリ−をウレタンフオーム
発泡体骨格表面に付着させる。その後焼成温度１３００
〜１４７０°Ｃで５〜６時間焼成処理を行なう。こうし
て触媒担体が得られる。

この担体の排気ガスの流れ方向の軸線方向Ａ−Ａ（第１
図ｆｂｌ参照）に直角な断面に於ける開口率（担体断面
積に占める入口穴、出口穴の総面積の割合）をプロット
すると第３図のようになる。即ち、触媒１４体に於いて
、入口穴６２と出口穴６１とで形成される実質的なガス
通過壁は第１図（ｂｌのＢからＢｏの範囲にあり、その
壁が形成されている領域に於ける開口彰は他端例のＢが
最も小さく、一端側のＢｏに向かって開口率が徐々に上
昇する。

Ｂから４０ｍｍ（第３図の横軸Ｌ）までは直線的に上弄
し、４．０ｍｍ以上は一定となる。

なお、比較例として、第１６図（ａｌ、　（ｂｌに示す
ような触媒担体に於いては、開口率分布は第１６図（Ｃ
１のようになり実質的な壁（構造は第２図と同じ）が構
成される範囲ｃ−ｃ’　では各部の開口率は一定となる
。

本発明の触媒担体および比較例の触媒担体の実質的な体
積￥−（実質的に壁が形成されている範囲の全体積に占
める入口穴、出口穴の体積を差し引いた体積の割合）は
、それぞれ約６４％、約６６％である。

さて、このような２種の触媒担体１と１′のセラミ、り
骨格４　（第２図参照）面に活性アルミナを４９ｗｔ％
コーティングした。そのコーティング方法は公知である
が、例えばアルミナゾル、硝酸アルミニウム、およびコ
ロイダルシリカの混合水溶液に上記触媒担体を浸し、引
き上げて乾燥し約９００℃Ｘ　ｌ　ｈ　ｒで焼成する方
法を用いた。そして、これに触媒として重量比で白金７
０％、ロジウム３０％を０．８ｇ担持し、触媒体を作製
した。

この触媒体を排気ｆｆ　２０００　ｃ　ｃのガソリンエ
ンジンの排気管に装着し、排気ガス中のＮ０ｘ（窒素酸
化物）、　’Ｔ”、　Ｈ，Ｃ（トータル炭化水素）。

Ｃ０（−酸化炭素）の浄化性能を測定した。条件は上記
触媒体の入口ガス温度を４００　’Ｃに一定とし、ＳＶ
（単位時間中に流れる触媒体の体積に対するガス流量）
を８万ｈｒ−’、１１万ｈｒ−’、’１４万ｈｒ”とし
た。

第７図（ａｌ　〜（Ｃ１にＮＯｘ、Ｔ、Ｈ，Ｃ，Ｃｏの
それぞれの浄化率を示す。第７図に示す如く、本発明は
大きなＳＶまで良好な浄化性能を示す。

これらの５Ｖ＝１４万ｈｒ−’での触媒担体内の温度を
熱電対にて測定すると、第１０図に示すように、本発明
（Ｂ）は温度上昇が良好でフラント部分が出現し、反応
がほぼ完了していることを示しているのに対し、従来品
（Ｄ）では充分反応しきれずに、従って温度が上昇し切
っていない。

〔第２実施例〕 第８図（ａｌ、　（ｂｌは本発明の第２実施例を示すも
のであって、第８図ｆａ）は出口側から見た正面図、第
８図（ｂｌはその断面図であり、同心円状に入口穴６２
、出口穴６１を存し、それらの穴は円管状である。入口
穴６２はその開口断面積が減少するようテーバ状に形成
され、出口穴６１は開口断面積が一定のストレート状に
形成されている。入口穴６２と出口穴６１とにより多穴
性隔壁６が形成されている。璧６は第１実施例と同様に
第２図の多穴質セラミックから成る。

この触媒担体において、実質的に壁６が構成されるＤ−
Ｄ’　の領域の開口率は第９図の如くＤが最も小さく比
例的にＤ′まで増加する。この触媒担体に応じて体積率
は約６５％である。

ところで、この第２実施例の触媒担体に第１実施例と同
様の活性アルミナ、触媒を担持し、浄化性能を測定した
結果、ＳＶが大きくても第１０図のＢと同様の温度上昇
を示し、浄化性能は良好であった。

なお、開口率分布の程度については、触媒担体を長さ方
向（第１図（ｂ）の軸′４１ＡＡ−Ａ方向）に３分割し
た場合、担体全体平均開口率を１として、その各部の平
均開口率にして、下流部にはθ１＝０゜４〜０．８　／
　３　、中央部にはθ、＝０．８〜１．２　／　３　。

上流部にはθｓ＝１．２〜１．８／３（ただしθ、＋θ
２＋θ、＝１）の割合で分布させるのが良好である。θ
、とθ２とθ、に差がない場合やθ、が大きくθ、が小
さい場合などは反応が進みにくく効果が出ない。

本発明は上記実施例に限定されず、次のごとく変形可能
である。

（１）人口穴、出口穴の断面形状は円形の他に正方形等
であっても勿論よい。

（２）触媒担体の壁に対する触媒担持量は壁が形成され
ている範囲内において均一にしたが、人口、出口穴の断
面開口率の小さい側に積橿的に他の領域に比べて多く担
持してもよい。

（３）本発明における多孔性壁の構造は第２図の如き構
造に限らず、要するに排気ガスが通過しうる構成の孔を
多数有しておればよい。

（４）また、本発明は、内燃機関の排気ガス浄化用に限
定されるものではなく、各種燃焼機構により排出される
排気ガスの浄化用に適用できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図ｆａｔ、　（ｂ）は本発明の第１実施例を示すも
ので、第１図（ａｌは平面図、第１図（ｂ）は第１図（
ａｌの正面図、第２図は第１図の壁のＭｉ織構造を示す
断面斜視図、第３図は第１図（ｂｌにおけるＢ−Ｂ”間
の断面開口率を示す特性図、第４図（ａｌ、　ｆｂ）は
第１図の担体の製造方法に用いる成形型のうちの成形型
容器を示すもので、第４図ｆａｔは平面図、第４図（ｂ
）は第４図ｔａｌのＸ−Ｘ断面図、第５図＋３）、　（
１１１は第１図の担体の製造方法に用いる成形型のうち
の成形型蓋部を示すもので、第５図（ａｌは平面図、第
５図ｆｂ）は第５図のＹ−Ｙ断面図、第６図は第４図お
よび第５図の容器部と蓋部とを組合せた状態を示す断面
図、第７図（ａ）、　（ｂｌ、　ｔｃ＋は本発明の詳細
な説明に供する特性図、第８図（ａｌ、　（ｂｌは本発
明の第２実施例を示すもので、第８図（ａｌは平面図、
第８図（ｂｌは第８図（ａｌの正面図、第９図は第８図
（ｂ）におけるＤ−Ｄ’間の断面開口率を示す特性図、
第１０図は本発明の詳細な説明に供する特性図、第１１
図（ａ）　、　（ｂｌは本発明が先に提案した触媒担体
を示すもので、第１１図（＆）は平面図、第１１図ｆｉ
ｌ）は第１１・図ｔａ＋の断面巣、第１２図は第１図（
ｂ）におけるＣ−Ｃ”間の断面開口率を示す特性図であ
る。 ４・・・３次元網目状構造の骨格、５・・・通気部、６
・・・壁、６１・・・出口穴、６２・・・入口穴。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 （ｄ） 第５図 蓋に１０＠Ｃ−ペ 第６図 第８図 ５０ｆ− Ｌ　（ｍｍ） 第９図 第１０図 第１１図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の入口穴と多数の出口穴とを有し、該入口穴
   と出口穴との間に、ガスが通過しうる孔を有した多孔性
   壁を配置し、前記入口穴から前記壁を経て前記出口穴へ
   ガスを流すようにした排気ガス浄化用触媒担体であって
   、 前記壁が形成される領域内において、ガスの流れ方向の
   軸線方向に対し直角な断面における、前記入口穴および
   出口穴の断面開口率が、前記軸線方向に一端から他端に
   向かって減少するよう前記入口穴と出口穴とを構成した
   ことを特徴とする排気ガス浄化用触媒担体。
2. （２）前記入口穴が前記一端から前記他端に向かってそ
   の開口断面積が減少するテーパ状の構成を有し、かつ前
   記出口穴が前記一端から前記他端に向かってその開口断
   面積が一定のストレート状の構成を有していることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の排気ガス浄化用触
   媒担体。
3. （３）前記入口穴は、前記一端から前記他端に向かって
   その開口断面積が段階的に減少する段地状面を備えたテ
   ーパ状の構成を有していることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の排気ガス浄化用触媒担体。
4. （４）前記入口穴は、前記一端から前記他端に向かって
   その開口断面積が直線的に減少するテーパ状の構成を有
   していることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   排気ガス浄化用触媒担体。
5. （５）前記壁は、三次元網目状構造の骨格と該骨格によ
   り囲まれて形成される通気部とを有した構成を備えたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項いず
   れか記載の排気ガス浄化用触媒担体。
6. （６）前記壁には、前記一端と前記他端との間において
   単位体積当り同量の、触媒および活性アルミナ層が担持
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   の排気ガス浄化用触媒担体。