WO2014125733A1 - 触媒コンバーター - Google Patents
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Abstract
セル密度の異なる領域から構成された基材を有する触媒コンバーターに関し、基材の全ての領域において排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターを提供する。 セル構造の基材１のセル壁２の表面においてガスが流通する基材１の長手方向に貴金属触媒が担体に担持されてなる触媒層が形成されている触媒コンバーター１０であって、基材１は、セル密度が相対的に高い第１の領域１Ａと、セル密度が相対的に低い第２の領域１Ｂとから構成され、第１の領域１Ａにおける触媒層３の厚みに対する第２の領域１Ｂにおける触媒層３Ａの厚みの比率が0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲である。
Description
本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される触媒コンバーターに関するものである。
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
ところで、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。
エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、パラジウムや白金のような貴金属触媒からなる触媒層が多数のセルを具備する基材のセル壁面に形成されている。より具体的には、多数のセルのセル壁面において、基材の長手方向であって排ガスが流通する方向に亘って触媒層が形成されており、このような構成の基材を具備する触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。
ところで、たとえばハニカム構造のセルを具備する基材において、基材のセル密度が一様な触媒コンバーターが一般的であるが、基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して高くなることから、基材全体の触媒層を十分に活用できていないという課題がある。そこで、このような排ガスの流速分布を勘案して、基材の周辺領域に比して中央領域のセル密度が高い触媒コンバーターとすることにより、基材断面内における流速分布差を可及的に低減することができ、触媒コンバーター全体の触媒層を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
ここで、特許文献１には、触媒コンバーター（ここでは触媒体）の全体としてセル密度が一様なたとえばハニカム構造の基材に対して、その中央領域（ここでは中心部）と周辺領域（ここでは外周部）で担持される貴金属触媒の量を変化させることによって排ガス浄化性能を向上させる技術が開示されている。より具体的には、触媒体のうち、ガス流れの多い中心部に担持される単位体積当たりの触媒量を外周部の1.1倍以上としたものである。
このように、基材の断面においてセル密度を変化させることで圧損を低減したり、排ガス浄化性能を高めることが可能となる。
ところで、このように基材の断面でセル密度が異なる触媒コンバーターを形成した場合に、セル密度が高い領域と低い領域で見かけの触媒コート量が異なることが往々にしてある。これは、触媒量が同量であっても１つのセルに担持された触媒層の厚みが異なるためであり、より具体的には、セル密度が高い領域は低い領域よりもハニカム構造体の幾何学表面積（GSA）が大きいために触媒層の厚みが薄くなることに依拠している。この際、セル密度の低い領域では触媒層の厚みが相対的に厚くなるが、この場合に触媒層の深層部へのガス拡散性が低下してしまい、セル密度の低い領域にて十分な排ガス浄化性能が期待できなくなってしまう。この課題は、上記する特許文献１で開示される触媒コンバーターの掲げる課題ではなく、この触媒コンバーターをもってしても解決できるものではない。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、セル密度の異なる領域から構成された基材を有する触媒コンバーターに関し、基材の全ての領域において排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、セル構造の基材のセル壁面においてガスが流通する基材の長手方向に貴金属触媒が担体に担持されてなる触媒層が形成されている触媒コンバーターであって、基材は、セル密度が相対的に高い第１の領域と、セル密度が相対的に低い第２の領域とから構成され、第１の領域における触媒層の厚みに対する第２の領域における触媒層の厚みの比率が0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲となっているものである。
本発明の触媒コンバーターは、セル密度が相対的に高い第１の領域における触媒層の厚みに対し、セル密度が相対的に低い第２の領域における触媒層の厚みの比率を0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲に調整したことによって、基材のいずれの領域においても触媒層の深層部への排ガス拡散性を良好にして排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターとなっている。
本発明者等の検証によれば、上記構成の触媒コンバーターを適用することで、排ガスエミッション量が低減することが実証されている。
さらに、上記構成の触媒コンバーターを適用することで圧損も低くなることが実証されている。
このように、本発明の触媒コンバーターを適用することで低圧損でかつ高い排ガス浄化性能を有する触媒コンバーターを実現することができる。
また、本発明による触媒コンバーターの好ましい実施の形態として、基材における、ガスが流通する方向に直交する断面において、中央領域とその周辺領域の２つの領域にセル密度の異なる領域が形成されており、前記第１の領域が前記中央領域であり、前記第２の領域が前記周辺領域である実施の形態を挙げることができる。
中央領域のセル密度を相対的に高くしたことによって、セル密度一様の基材に比して中央領域と周辺領域の排ガスの流速分布の差を小さくすることができ、触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して排ガス浄化をおこなうことができる。
ここで、セル構造の基材は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材からなるもののほか、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものを使用してもよい。また、その構成は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するいわゆるハニカム構造体が適用できる。
また、基材のセル壁面に形成される触媒層を構成する担体としては、多孔質酸化物であるCeO2、ZrO2、Al2O3の少なくとも一つを主成分とする酸化物を挙げることができ、セリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物や、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）を挙げることができる。これらの担体に対し、ロジウムやパラジウム、白金などの貴金属触媒のうちの一種、もしくは二種以上が担持されて触媒層が形成される。
本発明の触媒コンバーターは、好適には耐熱衝撃性に優れたコージェライトハニカム担体を有するものであるが、それ以外にも電気加熱式の触媒コンバーター（EHC: Electrically Heated Converter）であってもよい。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統に適用することで、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化することができる。
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、その構成要素である基材がセル密度の相対的に高い第１の領域と、セル密度の相対的に低い第２の領域とから構成され、第１の領域における触媒層の厚みに対する第２の領域における触媒層の厚みの比率が0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲となっていることにより、排ガス浄化性能に優れた触媒コンバーターを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（排ガスの排気系統）
まず、本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
まず、本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（触媒コンバーターの実施の形態）
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２ａは基材の第１の領域（中央領域）のセル壁面を拡大した図であり、図２ｂは基材の第２の領域（周辺領域）のセル壁面を拡大した図である。また、図３はセル密度一様の基材と中央領域と周辺領域でセル密度が異なる基材の排ガスの流速分布を説明した図である。
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２ａは基材の第１の領域（中央領域）のセル壁面を拡大した図であり、図２ｂは基材の第２の領域（周辺領域）のセル壁面を拡大した図である。また、図３はセル密度一様の基材と中央領域と周辺領域でセル密度が異なる基材の排ガスの流速分布を説明した図である。
図１で示す触媒コンバーター１０は、多数のセルを有する筒状の基材１と、セルを構成するセル壁２の表面に形成された触媒層３とから大略構成されている。
ここで、基材１の素材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材を挙げることができる。また、基材のセル壁面に形成される触媒層を構成する担体としては、多孔質酸化物であるCeO2、ZrO2、Al2O3の少なくとも一つを主成分とする酸化物を挙げることができ、セリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物や、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）を挙げることができる。そして、触媒層３は、これらの担体に対して貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上が担持されてその全体が構成されている。
基材１は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するハニカム構造体からなり、各セル内を排ガスが流通するようになっている（Ｘ１方向）。
基材１は、セル密度が相対的に高い第１の領域１Ａ（中央領域）と、セル密度が相対的に低い第２の領域１Ｂ（周辺領域）の２つの領域から構成されている。
ここで、図３を参照して排ガスの流速分布について説明する。なお、図３で示す流速分布は、断面円形の基材の中心０を中心に直径の２つの端点を－1、1とし、その途中位置を半径に対する比率で示し、各位置における排ガスの流速を基材のセル密度が一様な触媒コンバーターの基材中心の流速に対する比率で示したものである。
基材のセル密度が一様な触媒コンバーターでは、図３の点線ラインで示すように基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して格段に高くなる。そのため、基材全体の触媒層を十分に活用し難いという課題があった。これに対し、本発明の触媒コンバーター１０のように基材１をセル密度の異なる２つの領域から形成し、周辺領域１Ｂのセル密度を相対的に低くしたことにより、同図の実線ラインで示すように、基材１の中央領域１Ａと周辺領域１Ｂの流速分布の差を格段に低減でき、触媒コンバーター１０の有する触媒層全体を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
さらに、図示する触媒コンバーター１０では、基材１の第１の領域１Ａと第２の領域１Ｂにおいて、各領域のセル壁面に形成される触媒層の厚みを変化させている。
具体的には、セル密度が相対的に高い第１の領域１Ａにおける触媒層３（図２ａ参照）の厚みに対し、セル密度が相対的に低い第２の領域１Ｂにおける触媒層３Ａ（図２ｂ参照）の厚みの比率を0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲に調整している。
ここで、各触媒層の厚みの算定方法は、図２ａにおいては、触媒層３の４つの辺（一般部）の厚みt1を測定し、４つの隅角部の厚みt2を測定し、計８つの厚みの和を８で除した平均値を第１の領域１Ａにおける触媒層３の厚みとしている。一方、図２ｂにおいては、触媒層３Ａの４つの辺（一般部）の厚みt3を測定し、４つの隅角部の厚みt4を測定し、計８つの厚みの和を８で除した平均値を第２の領域１Ｂにおける触媒層３Ａの厚みとしている。なお、図示を省略するが、仮にセルが６角形の場合においても、６つの辺の厚みの測定値と６つの隅角部の厚みの測定値の和を１２で除した平均値を対象領域の触媒層の厚みとすることができる。
本発明者等によれば、触媒層３の厚みに対する触媒層３Ａの厚みの比率を0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲に調整することで、基材のいずれの領域においても触媒層の深層部への排ガス拡散性を良好にすることができ、排ガス浄化性能に優れているとともに、圧損も比較的小さな触媒コンバーターが得られることが実証されている。この圧損に関しては、第２の領域における触媒層の厚みが比較的薄いことに依拠している。
[触媒コンバーターのエミッションと圧損を測定した実験とその結果]
本発明者等は、以下で示す実施例1、2と比較例1～6の各触媒コンバーターを試作し、それぞれの触媒コンバーターの排ガスエミッション量と圧損量を測定し、エミッションに関しては比較例1の値に対する他の触媒コンバーターの値の比を求め、圧損に関しては比較例2の値に対する他の触媒コンバーターの値の比を求めてグラフ化した。以下、各触媒コンバーターの基材の仕様や触媒層の仕様と耐久評価試験方法の概要を説明する。
本発明者等は、以下で示す実施例1、2と比較例1～6の各触媒コンバーターを試作し、それぞれの触媒コンバーターの排ガスエミッション量と圧損量を測定し、エミッションに関しては比較例1の値に対する他の触媒コンバーターの値の比を求め、圧損に関しては比較例2の値に対する他の触媒コンバーターの値の比を求めてグラフ化した。以下、各触媒コンバーターの基材の仕様や触媒層の仕様と耐久評価試験方法の概要を説明する。
（ハニカム構造基材について）
＜ハニカム構造体1＞
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、中央領域と周辺領域でセル密度を相違させた。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さLが105mmであり、セル密度が相対的に低い周辺領域のセル密度が400cpsi(62個/cm2)であり、セル密度が相対的に高い中央領域のセル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、中央領域と周辺領域の切替ラインがφ70mmの位置であり、セルの格子形状は２つの領域ともに四角形状である。
＜ハニカム構造体1＞
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、中央領域と周辺領域でセル密度を相違させた。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さLが105mmであり、セル密度が相対的に低い周辺領域のセル密度が400cpsi(62個/cm2)であり、セル密度が相対的に高い中央領域のセル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、中央領域と周辺領域の切替ラインがφ70mmの位置であり、セルの格子形状は２つの領域ともに四角形状である。
＜ハニカム構造体2＞
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、セル密度が均一である。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さLが105mmであり、セル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、セルの格子形状は四角形である。
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、セル密度が均一である。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さLが105mmであり、セル密度が600cpsi(93個/cm2)であり、セルの格子形状は四角形である。
＜触媒層の量（コート量）＞
ハニカム構造体2およびハニカム構造体1の中央領域は250g/Lであり、ハニカム構造体1の周辺領域は実施例や比較例によって相違する。
ハニカム構造体2およびハニカム構造体1の中央領域は250g/Lであり、ハニカム構造体1の周辺領域は実施例や比較例によって相違する。
＜PGM量＞
Ptが1.0g/L、Rhが0.3g/Lである。
Ptが1.0g/L、Rhが0.3g/Lである。
（耐久試験方法について）
各触媒コンバーターをV型8気筒4.3リットルカ゛ソリンエンシ゛ンの排気系にそれぞれ装着し、触媒床温を1000℃で1分間にフィードバック、フューエルカット、リッチ、リーンを含む条件で50時間の耐久試験を施した。
各触媒コンバーターをV型8気筒4.3リットルカ゛ソリンエンシ゛ンの排気系にそれぞれ装着し、触媒床温を1000℃で1分間にフィードバック、フューエルカット、リッチ、リーンを含む条件で50時間の耐久試験を施した。
（圧損評価について）
各触媒コンバーターに6m3/分の空気を流した際の圧力損失（25℃換算）を測定し、比較例2の値に対する比率で評価した。
各触媒コンバーターに6m3/分の空気を流した際の圧力損失（25℃換算）を測定し、比較例2の値に対する比率で評価した。
（エミッション評価について）
実機エンジンに各触媒コンバーターをセットし、A/Fをリッチ(14.1)、リーン(15.1)を1秒で切り替えた際のNOx排出量をそれぞれ測定し、比較例1の値に対する比率で評価した。以下、表１と図４に各触媒コンバーターの水準と圧損比、エミッション比に関する実験結果を示す。
実機エンジンに各触媒コンバーターをセットし、A/Fをリッチ(14.1)、リーン(15.1)を1秒で切り替えた際のNOx排出量をそれぞれ測定し、比較例1の値に対する比率で評価した。以下、表１と図４に各触媒コンバーターの水準と圧損比、エミッション比に関する実験結果を示す。
実施例1、実施例2に関し、それぞれ触媒層厚み比率が1.12、1.02において圧損比、エミッション比ともに1未満の良好な結果となっている。
本実験結果に基づく図４より、セル密度が相対的に高い第１の領域における触媒層の厚みに対する、セル密度が相対的に低い第２の領域における触媒層の厚みの比率は、0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲に規定することができる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…基材、１Ａ…第１の領域（中央領域）、１Ｂ…第２の領域（周辺領域）、２，２Ａ…セル壁、３，３Ａ…触媒層、１０…触媒コンバーター
Claims (2)
- セル構造の基材のセル壁面においてガスが流通する基材の長手方向に貴金属触媒が担体に担持されてなる触媒層が形成されている触媒コンバーターであって、
基材は、セル密度が相対的に高い第１の領域と、セル密度が相対的に低い第２の領域とから構成され、
第１の領域における触媒層の厚みに対する第２の領域における触媒層の厚みの比率が0.95倍より大きく1.2倍以下の範囲である触媒コンバーター。 - 基材における、ガスが流通する方向に直交する断面において、中央領域とその周辺領域の２つの領域にセル密度の異なる領域が形成されており、
前記第１の領域が前記中央領域であり、前記第２の領域が前記周辺領域である請求項１に記載の触媒コンバーター。
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