WO2017051459A1 - 排気浄化フィルタ - Google Patents

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真一郎 大塚
仙考 増満
亮子 山田
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification filter provided with a three-way catalyst.
  • a three-way catalyst for purifying CO, HC and NO x contained in the exhaust gas is provided in a state of being supported by a honeycomb support.
  • TWC three-way catalyst
  • a plurality of TWCs are arranged in series in the exhaust passage to satisfy the required purification performance. Therefore, it is not preferable from the viewpoint of pressure loss and cost to newly provide GPF in the exhaust passage in addition to the plurality of TWCs.
  • a TWC having a two-layer structure of an Rh layer and a Pd layer is known as a TWC having an excellent three-way purification function, but supporting this TWC on a GPF causes a large pressure loss. It is possible to mix and carry on GPF.
  • Ba which is usually added to the Pd layer, is brought into contact with or in proximity to Rh in order to suppress the deterioration of Pd and to improve the NO x adsorption property.
  • Rh is oxidized to be oxidized by the electron donating action of Ba, and as a result, the NO x reduction ability of Rh decreases, so that there is a problem that the NO x purification performance largely decreases.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a GPF capable of exhibiting a three-way purification function superior to the prior art.
  • the present invention is provided in an exhaust passage (for example, an exhaust pipe 3 described later) of an internal combustion engine (for example, an engine 1 described later).
  • An exhaust gas purification filter (for example, GPF 32 described later) that captures and purifies PM), and from the inflow side end surface of exhaust (for example, inflow side end surface 32a described later) to the outflow side end surface (for example
  • a plurality of cells for example, the inflow cell 321 and the outflow cell 322 described later
  • a filter base for example, a filter base 320 described later
  • a three-way catalyst for example, TWC 33 described below
  • An exhaust gas purification filter comprising: a catalyst metal containing at least Rh; and a composite oxide having an oxygen storage / release capacity and having Nd and
  • a composite catalyst having at least a Rh-containing catalytic metal and an oxygen storage / release capacity and having Nd and Pr in the crystal structure in the partition wall. And an oxide.
  • OSC complex oxide having oxygen storage and release capacity
  • Nd and Pr are acids as described in detail later. It has the characteristic that the quantity of points is large. Therefore, the complex oxide having Nd and Pr in the crystal structure has a high amount of acid sites, has a high HC adsorption capacity, and a steam reforming reaction that proceeds in the presence of HC and water efficiently proceeds.
  • the average pore diameter of the partition walls is 15 ⁇ m or more, and the particle diameter D90 of the TWC is 5 ⁇ m or less.
  • micronized TWC can be introduced into the pores of the partition walls, and the inner surface of such pores can carry the TWC. Therefore, according to the present invention, it is possible to avoid an increase in pressure loss of the GPF caused by the TWC being supported only on the surface layer of the partition wall, and it is possible to exhibit a higher three-way purification function.
  • the three-way catalyst is supported on the inner surface of the pores in the partition in a state where Rh and Pd are contained as the catalyst metal and Rh and Pd are mixed.
  • Rh and Pd are contained as the catalyst metal and Rh and Pd are mixed.
  • the three-way catalyst is composed of Rh and Pd, and is supported on the inner surface of the pore in the partition in a state where Rh and Pd are mixed.
  • Rh and Pd are conventionally mixed and supported on GPF
  • Ba added to the Pd layer as a result of contact or proximity to Rh causes Rh to be oxidized by the electron donating action of Ba. and oxide reduction, NO x purifying performance was reduced significantly.
  • the present invention as a result of the effects of the invention of (1) being exhibited remarkably, it is possible to avoid a reduction in the NO x purification performance of Rh and to exhibit a three-way purification function superior to the conventional It can provide GPF.
  • the catalyst composition is preferable for supporting the inner surfaces of the partition walls.
  • the three-way catalyst is configured without containing Ba.
  • the three-way catalyst is configured without containing Ba. According to the present invention, because it contains no Ba in TWC, oxides of Rh is promoted by Ba NO x purification performance as described above can be avoided from being reduced.
  • the total content of Nd and Pr contained in the composite oxide is preferably 10% by mass or more.
  • Nd and Pr are contained by 10% by mass or more in the crystal structure of the complex oxide. According to this invention, more excellent three-way purification performance is exhibited.
  • GPF which can exhibit the three-way purification function superior to before can be provided.
  • FIG. 1 It is a figure showing the composition of the exhaust gas purification device of the internal-combustion engine concerning one embodiment of the present invention. It is a cross-sectional schematic diagram of GPF which concerns on the said embodiment. It is an expansion mimetic diagram of a partition of GPF concerning the above-mentioned embodiment. It is a figure which shows the easiness of reduction
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between the temperature and the NO x purification rate in Example 1 and Comparative Example 1; It is a figure which shows the relationship between the temperature in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3, and an air fuel ratio absorption rate.
  • FIG. 16 is a view showing a particle size distribution of TWC of Example 6.
  • FIG. 6 is a view showing a supported state of TWC in partition walls of GPF in Example 1.
  • FIG. 7 is a view showing the relationship between D90 of TWC and pressure loss in Examples 1 to 7. It is a figure which shows the relationship of the average pore diameter of the partition of GPF and pressure loss in Example 1 and Examples 8, 9.
  • FIG. 7 is a view showing the relationship between the washcoat amount of TWC and pressure loss in Example 1 and Examples 10 to 13.
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between the air fuel ratio and the purification rate in the GPF of the first embodiment.
  • FIG. 20 is a view showing the relationship between the air fuel ratio and the purification rate in the GPF of Example 19.
  • FIG. 20 is a view showing the relationship between the air fuel ratio and the purification rate in the GPF of the twentieth embodiment.
  • FIG. 21 is a view showing the relationship between the air fuel ratio and the purification rate in the GPF of Example 21. It is a diagram showing the relationship between the total content and NO x _T50 of Nd and Pr. It is a figure which shows the relationship between the total content of Nd and Pr, and CO_T50. It is a figure which shows the relationship between the sum total content of Nd and Pr, and HC_T50.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of an exhaust purification system 2 of an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 according to the present embodiment.
  • the engine 1 is a direct injection gasoline engine.
  • the exhaust purification system 2 includes a TWC 31 and a GPF 32 provided in order from the upstream side of the exhaust pipe 3 through which the exhaust gas flows.
  • the TWC 31 purifies HC in the exhaust gas to H 2 O and CO 2 , oxidizes CO to CO 2 , and oxidizes NO x to N 2 , respectively.
  • a carrier obtained by supporting a noble metal such as Pd or Rh as a catalyst metal on a carrier made of an oxide such as alumina, silica, zirconia, titania, ceria or zeolite is used.
  • the TWC 31 is usually supported on a honeycomb support.
  • the TWC 31 includes an OSC material having OSC capability.
  • the OSC material other CeO 2, a composite oxide of CeO 2 and ZrO 2 (hereinafter, referred to as "CeZr composite oxide”.) And the like.
  • the CeZr composite oxide is preferably used because it has high durability.
  • the said catalyst metal may be carry
  • the preparation method of TWC 31 is not particularly limited, and is prepared by a conventionally known slurry method or the like. For example, after preparing a slurry containing the above-mentioned oxide, noble metal, OSC material and the like, it is prepared by coating the prepared slurry on a cordierite honeycomb support and baking it.
  • the GPF 32 captures and purifies PM in exhaust gas. Specifically, when exhaust gas passes through fine pores in the partition walls described later, PM is captured by depositing PM on the surface of the partition walls.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the GPF 32 according to the present embodiment.
  • the GPF 32 comprises a filter substrate 320.
  • the filter base 320 has, for example, a cylindrical shape elongated in the axial direction, and is formed of a porous body such as cordierite, mullite, silicon carbide (SiC) or the like.
  • the filter base 320 is provided with a plurality of cells extending from the inflow side end face 32 a to the outflow side end face 32 b, and these cells are partitioned by the partition wall 323.
  • the filter base 320 includes an inflow side plugging portion 324 that seals the inflow side end face 32a.
  • the cell in which the inflow side end face 32a is sealed by the inflow side plugging portion 324 is closed at the inflow side end while the outflow side end is opened, and the outflow side exhausts the exhaust gas having passed through the partition 323 to the downstream side
  • the cell 322 is configured.
  • the inflow side plugging portion 324 is formed by sealing the plugging cement from the inflow side end face 32 a of the filter substrate 320.
  • the filter base 320 includes an outlet-side plugging portion 325 that seals the outlet-side end surface 32 b.
  • the cell in which the outflow side end face 32b is sealed by the outflow side plugging portion 325 forms the inflow side cell 321 in which the outflow side end is closed while the inflow side end is opened and the exhaust flows from the exhaust pipe 3 Do.
  • the outflow side plugging portion 325 is formed by sealing the plugging cement from the outflow side end face 32 b of the filter base 320.
  • the opening in the inflow side end face 32a of the cell and the opening in the outflow side end face 32b are alternately sealed, so that the inflow side cell 321 and the outflow side cell 322 are adjacent to each other in a lattice shape (checked shape). Is to be placed.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic view of the partition wall 323 of the GPF 32 according to the present embodiment.
  • the TWC 33 is supported on the inner surface of the pore in the partition wall 323.
  • the TWC 33 includes a TWC 33 a containing Rh and a TWC 33 b containing Pd. These TWCs 33 are supported on the inner surface of the pore in a micronized state. The pores of the partition walls 323 are not blocked by the TWCs 33 so that a large pressure loss does not occur.
  • the partition wall 323 preferably has an average pore diameter of 15 ⁇ m or more. If the average pore diameter is 15 ⁇ m or more, the TWC 33 can enter into the pore diameter due to the relationship with the particle diameter of TWC 33 described later, and the TWC 33 can be supported on the inner surface of the pore. A more preferable average pore diameter is 20 ⁇ m or more.
  • the thickness of the partition wall 323 is not particularly limited, but is preferably 10 mil or less. When the thickness of the partition exceeds 10 mils, the pressure loss may increase due to the relationship between the amount of TWC supported, the average pore diameter of the partition, and the like.
  • the TWC 33 is micronized with a particle diameter D90 of 5 ⁇ m or less when the cumulative distribution from the small particle size side in the particle size distribution is 90%. If D90 of the TWC 33 is 5 ⁇ m or less, the TWC 33 can enter into the pore diameter in relation to the average pore diameter of the partition wall 323 described above, and the TWC 33 can be supported on the inner surface of the pore. More preferable D90 is 3 ⁇ m or less.
  • the TWC 33 contains at least Rh as a catalytic metal, and preferably contains Rh and Pd as catalytic metals as shown in FIG. These Rh and Pd may be supported by a composite oxide having an OSC function described later, and may be supported by a conventionally known support comprising an oxide such as alumina, silica, zirconia, titania, ceria, or zeolite. Good.
  • the TWC 33 is configured to include the TWC 33a containing Rh and the TWC 33b containing Pd. As shown in FIG. 3, the TWC 33a containing Rh and the TWC 33b containing Pd are supported on the inner surface of the pore in the partition wall 323 in a mixed state.
  • the TWC 33 also contains a composite oxide having OSC capability and having Nd and Pr in the crystal structure.
  • the composite oxide used as the OSC material is supported in the partition wall 323 together with the catalyst metal.
  • the TWC has a function of oxidizing HC in the exhaust to convert it to CO 2 and H 2 O, oxidizing CO to convert it to CO 2 , and reducing NO x to N 2 .
  • air-fuel ratio the ratio of fuel to air
  • stoichiometric the ratio of fuel to air
  • an OSC material having an oxygen storage and release capacity that stores oxygen in an oxidizing atmosphere and releases oxygen in a reducing atmosphere is used together with a catalytic metal as a cocatalyst.
  • CeO 2 and composite oxides of Ce and Zr are known as OSC materials.
  • the complex oxide used as the OSC material in the present embodiment has a structure in which part of Ce or Zr in the crystal structure of CeO 2 or ZrO 2 is replaced with Nd or Pr.
  • Nd and Pr have high HC adsorption ability, and a large amount of hydrogen is generated by a steam reforming reaction described later. Hydrogen promotes the reduction of Rh and improves the NO x purification performance of Rh.
  • Pr having a smaller amount of hydrogen generation by the steam reforming reaction than Nd is contained in the structure of the composite oxide. Since Pr has a function of absorbing the fluctuation of the air-fuel ratio to the stoichiometry, the inclusion of Pr makes it easy to maintain the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometry.
  • the CeZrNdPr composite oxide according to the present embodiment can be prepared, for example, by the following method. First, cerium nitrate, zirconium nitrate, neodymium nitrate and praseodymium nitrate are dissolved in pure water so as to have a desired ratio. Thereafter, an aqueous solution of sodium hydroxide is added dropwise to bring the pH of the solvent to 10, for example, to obtain a precipitate. Then, the solvent is evaporated by filtering under reduced pressure while heating the solution containing the precipitate to, for example, 60 ° C. Next, the residue is extracted and then calcined at, for example, 500 ° C. for 2 hours in a muffle furnace to obtain a CeZrNdPr composite oxide.
  • the TWC 33 of the present embodiment is configured without containing Ba, which has been added from the viewpoint of the conventional deterioration suppression of Pd and the improvement of NO x adsorption property.
  • the total content of Nd and Pr contained in the composite oxide is preferably 10% by mass or more. If the total content of Nd and Pr contained in the composite oxide is within this range, a higher three-way purification function is exhibited.
  • the upper limit value of the total content is preferably 20% by mass, and a more preferable range is 12% by mass to 16% by mass.
  • Rh: Pd 1: 10 to 1: 5 on a mass basis.
  • the washcoat amount of TWC 33 is not particularly limited, but preferably 40 to 80 g / L. When the washcoat amount is less than 40 g / L, sufficient purification performance can not be obtained, and when it exceeds 80 g / L, pressure loss increases.
  • the TWC 33 may contain another noble metal such as Pt as a catalyst metal.
  • GPF 32 carries a catalyst having a function other than the three-way purification function in the partition wall or on the surface of the partition wall, such as an NO x catalyst, an oxidation catalyst, or an Ag-based catalyst for burning and removing PM deposited in GPF. It may be
  • the GPF 32 according to the present embodiment is manufactured, for example, by dipping.
  • a slurry containing a predetermined amount of constituent materials of TWC 33 is prepared by wet grinding or the like, GPF 32 is immersed in the prepared slurry, and then GPF 32 is pulled up and fired at a predetermined temperature condition, The GPF 32 can carry the TWC 33.
  • a slurry prepared by mixing catalysts such as Rh and Pd with a ball mill or the like is pulverized to a particle size of 5 ⁇ m or less and dipped in GPF 32 once.
  • Rh and Pd can be supported on the inner surface of the pores in the partition wall 323 in a state of being randomly mixed.
  • FIG. 4 is a view showing the easiness of reduction of Rh by CO-TPR. Specifically, it is a diagram showing the results of measurement of the easiness of reduction of Rh depending on the presence or absence of Ba added to TWC according to the following procedure by CO-TPR (temperature-programmed reduction method).
  • Rh was supported on Zr oxide at a ratio of 0.3% by mass and 3% by mass, respectively, and those with and without 10% by mass of Ba were respectively prepared and measured.
  • the TWC containing Ba has a lower amount of CO 2 emission at a lower temperature as compared to the TWC containing no Ba. This means that Rh is difficult to be reduced, and Ba is considered to inhibit the reduction of Rh. Therefore, the TWC in the present embodiment maintains the reduction state of Rh by not containing Ba, and exhibits high NO x purification performance.
  • the steam reforming reaction is a reaction represented by the following formula in which steam and HC react at high temperature in the presence of a catalyst to generate hydrogen.
  • FIG. 5 is a diagram showing the amount of acid point of each complex oxide by NH 3 -TPD. Specifically, the amount of each acid point of Y, La, Pr, and Nd, which can be mentioned as an element that can be contained in the crystal structure of the complex oxide of Ce and Zr, is NH 3 -TPD Method according to the following procedure.
  • Nd and Pr have more acid points than Y and La. Therefore, from this result, it can be said that Nd and Pr have high HC adsorption ability.
  • FIG. 6 is a graph comparing the amount of hydrogen produced by the steam reforming reaction at 500 ° C. when each element of Y, La, Pr and Nd is contained in the crystal structure of the CeZr composite oxide.
  • the content of each element of Y, La, Pr and Nd is 7% by mass
  • the content of Ce is 41% by mass
  • the content of Zr is 52% by mass.
  • Pr and Nd generate more hydrogen than Y and La.
  • the TWC 33 supported on the partition wall 323 is a catalyst metal containing at least Rh, and a composite oxide having OSC ability and having Nd and Pr in the crystal structure. It included.
  • Nd and Pr have the property of having a large amount of acid sites. Therefore, the complex oxide having Nd and Pr in the crystal structure has a high amount of acid sites, has a high HC adsorption capacity, and a steam reforming reaction that proceeds in the presence of HC and water efficiently proceeds.
  • the average pore diameter of the partition walls 323 is 15 ⁇ m or more, and the particle diameter D90 of the TWC 33 is 5 ⁇ m or less.
  • the micronized TWC 33 can be introduced into the pores of the partition wall 323, and the TWC 33 can be supported on the inner surface of the pore. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to avoid an increase in pressure loss of the GPF 32 caused by the TWC 33 being supported only on the surface layer of the partition wall 323, and it is possible to exhibit a higher three-way purification function.
  • the TWC 33 is configured to include Rh and Pd, and is supported on the inner surface of the pore in the partition wall 323 in a state where Rh and Pd are mixed.
  • Rh and Pd are mixed and supported on GPF 32
  • the Ba added to the Pd layer contacts or approaches Rh so that Rh is oxidized and oxidized by the electron donating action of Ba. and Monoka, NO x purifying performance was reduced significantly.
  • the catalyst composition has a preferable composition for supporting the inner surfaces of the partition walls 323 with pores.
  • the TWC 33 is configured without containing Ba. According to this embodiment, because it contains no Ba in TWC33, it is promoted oxides of Rh is the NO x purification performance by Ba as described above can be avoided from being lowered.
  • Nd and Pr are contained in an amount of 10% by mass or more in the crystal structure of the composite oxide. Thereby, more excellent three-way purification performance is exhibited.
  • TWC and the carrier, the composite oxide, etc. were prepared according to the following procedure in the proportions shown in Table 1.
  • an aqueous medium and an additive were added, and then mixed and slurried in a ball mill.
  • the slurry was pulverized by wet pulverization or the like to adjust the particle size.
  • the mixed slurry was immersed once in GPF by the dipping method.
  • the loading amount (wash coat amount) was 60 g / L (except for Examples 10 to 13). Thereafter, baking was performed at 700 ° C. for 2 hours to obtain GPF on which TWC is supported.
  • GPF a honeycomb structure made of NGK (inner diameter 25.4 ( ⁇ 1 inch) mm, average pore diameter 20 ⁇ m (except for Examples 8 and 9), wall thickness 8 mil (except for Examples 17 and 18), A cell number of 300, a material of cordierite, a capacity of 15 cc) was used.
  • FIG. 7 is a view showing the relationship between the temperature and the NO x purification rate in Example 1 and Comparative Example 1.
  • Nd in the OSC material, as in Example 1 with the addition of Pr, Y, Comparative Example 1 with the addition of La is a diagram showing results of evaluating the GPF of the NO x purifying performance under the following conditions. As shown in FIG. 7, it was found that the purification of NO x was progressing at a temperature lower than that of Comparative Example 1 in Example 1. From this result, in Example 1 was added Nd, Pr, the OSC material in the GPF is, Y, as compared with Comparative Example 1 with the addition of La has the NO x purification performance was confirmed to be improved.
  • NO x purification performance evaluation conditions The NO x purification performance was evaluated by measuring the NO x concentration when the GPF was heated to 500 ° C. at 20 ° C./min in a stoichiometric gas.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the temperature and the air-fuel ratio absorption rate in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3. Specifically, for each of Comparative Example 2 in which only Nd was added to the OSC material, Comparative Example 3 in which only Pr was added, and Example 1 in which both Nd and Pr were used, the air-fuel ratio absorption ratio of GPF was measured. It is a figure which shows a result.
  • air-fuel ratio amplitude (IN) indicates the air-fuel ratio amplitude before passing the OSC material
  • air-fuel ratio amplitude (OUT) indicates the air-fuel ratio amplitude after passing the OSC material
  • FIG. 9 is a graph showing the particle size distribution of TWC of Example 6. As shown in FIG. 9, it was confirmed that D90 of the TWC particles is 5 ⁇ m or less. In addition, the particle size distribution was similarly measured according to the following measurement conditions also about the other Example and the comparative example. The obtained D90 was as shown in Table 1.
  • Device Laser diffraction type particle size distribution measuring device (manufactured by SHIMADZU, SALD-3100) Measurement method: Laser scattering method
  • FIG. 10 is a view showing a supported state of TWC in the partition wall of the GPF of Example 1. Specifically, it is a mapping diagram obtained by carrying out cross-sectional SEM observation and elemental analysis by EPMA according to the following conditions for the supported state of TWC in the partition walls of GPF according to Example 1. From this result, it was confirmed that when the average pore diameter of the partition wall is 15 ⁇ m or more and the D90 of the TWC is 5 ⁇ m or less, the TWC is uniformly supported in the partition wall. In addition, it was confirmed that the TWC is uniformly supported in the partition similarly in the other examples in which the particle diameter of the TWC is 5 ⁇ m or less.
  • Electron probe micro analyzer (JE0L, JXA-8100) Measurement conditions: acceleration voltage 15 KV, irradiation current 0.04 ⁇ A, pixel size 1 ⁇ m, data collection time per cell 38 ms, beam diameter 0.7 ⁇ m
  • FIG. 11 is a view showing a relationship between D90 of TWC supported by GPFs of Examples 1 to 7 and pressure loss. As shown in FIG. 11, while the pressure drop remains at a substantially constant low level in Examples 1 to 6 in which D90 is 5 ⁇ m or less, when D90 exceeds 5 ⁇ m as in GPF of Example 7 in which D90 is 8 ⁇ m. It was found that the pressure loss increased. From this result, it was confirmed that the D90 of TWC supported on GPF is preferably 5 ⁇ m or less.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the pressure loss and the average pore diameter of the partition walls of GPF in Example 1 and Examples 8 and 9. As shown in FIG. 12, it was found that the pressure loss slightly increased as the average pore size decreased, but the pressure loss of the GPF of Example 8 having an average pore size of 16 ⁇ m remained at a low level. From this result, it was confirmed that the average pore diameter of GPF is preferably 15 ⁇ m or more.
  • FIG. 13 is a view showing the relationship between the washcoat amount of TWC and the pressure loss in Example 1 and Examples 10 to 13. As shown in FIG. 13, it was found that the pressure drop increased as the washcoat amount increased, but the pressure loss of the GPF of Example 13 having a washcoat amount of 80 g / L remained at a low level. From this result, it was confirmed that the washcoat amount of TWC is preferably 80 g / L or less.
  • FIG. 14 is a view showing the relationship between GPF wall thickness and pressure loss in Example 1 and Examples 17 and 18. As shown in FIG. 14, it was found that the pressure loss increased as the wall thickness increased, but the pressure loss of the GPF of Example 18 having a wall thickness of 10 mils remained at a low level. From this result, it was confirmed that the wall thickness of GPF is preferably 10 mil or less.
  • FIGS. 15A and 15B are diagrams showing the relationship between the air-fuel ratio and the purification rates of CO, HC, and NO x in the GPFs of the first embodiment and the nineteenth embodiment, respectively.
  • the vertical axis represents CO, HC, the purification rate of the NO x, respectively
  • the horizontal axis represents the air-fuel ratio which is the ratio of fuel and air.
  • the term "stoichiometric" refers to a region where the air-fuel ratio is approximately 14.5.
  • the TWC supported by the GPF of Example 1 contains Rh and Pd
  • the TWC supported by the GPF of Example 19 contains only Rh. Evaluation conditions were performed according to the following conditions. From the evaluation results of FIG. 15A and FIG.
  • Example 15B compared with GPF of Example 1 in which Rh and Pd are included, GPF of Example 19 in which only Rh is included has a low HC purification rate in a region where the air fuel ratio is higher than stoichiometry.
  • Example 1 in which Rh and Pd were used in combination had higher three-way purification performance than Example 19 in which Rh alone was used as the TWC supported on GPF.
  • HC, CO, NO x purifying performance evaluation condition By using an actual engine, the catalyst inlet temperature 500 ° C. continuously changed in 20 minutes air-fuel ratio from 13.5 to 15.5, the measured HC, CO, the purification rate of NO x.
  • FIGS. 15C and 15D are diagrams showing the relationship between the air-fuel ratio and the purification rates of CO, HC, and NO x in the GPFs of Examples 20 and 21, respectively.
  • the TWC supported by GPF of Example 20 contains solid Ba (Ba sulfate) together with Rh and Pd
  • the TWC supported by GPF of Example 21 contains liquid Ba (Ba acetate and Ba together with Rh and Pd).
  • Nitric acid Ba) is included.
  • the TWC carried by the GPF of the above-mentioned Example 1 (FIG. 15A) contains Rh and Pd but does not contain Ba. This is referred to for comparison.
  • ⁇ Purification performance due to difference in total content of Nd and Pd> 16A to 16C show the total content of Nd and Pr contained in GPFs of Example 1, Example 14, Example 15, Example 16 and Comparative Example 4, respectively, and NO x _T50, CO_T50, HC_T50. It is a figure which shows a relation. NO x _T50, CO_T50, the HC_T50, respectively CO, HC, represents the temperature at which 50% of the NO x is purified, shown on the vertical axis in FIG. The horizontal axis indicates the total content (mass%) of Nd and Pr in the composite oxide.
  • the total content of Nd and Pr is 0, 6, 12, 14, 16% by mass in the order of Comparative Example 4, Example 14, Example 15, Example 1, and Example 16, respectively.
  • GPFs of Example 1, Example 14, Example 15, and Example 16 were found to be that NO x , CO, and HC were purified at a lower temperature than Comparative Example 4.
  • the total content of Nd and Pr is preferably 10% by mass to 20% by mass, and more preferably 12% by mass to 16% by mass. That was confirmed.

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Abstract

従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPFを提供すること。 エンジン1の排気管3に設けられ、排気中のPMを捕捉して浄化するGPF32であって、排気の流入側端面32aから流出側端面32bまで延びる複数のセル321,322が多孔質の隔壁323により区画形成され且つこれらセル321,322の流入側端面32aにおける開口と流出側端面32bにおける開口とが互い違いに目封じされたフィルタ基材320と、隔壁323に担持されたTWC33と、を備え、三元触媒33は、少なくともRhを含む触媒金属と、酸素吸蔵放出能を有し且つ結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物と、を含んで構成されるGPF32である。

Description

排気浄化フィルタ
 本発明は、三元触媒を備える排気浄化フィルタに関する。
 従来、自動車等に搭載されるガソリンエンジンにおいて、燃焼効率の向上等の観点から、直噴ガソリンエンジンが採用されている。ところが、この直噴ガソリンエンジンでは粒子状物質(Particulate Matter、以下「PM」という。)が生成するため、近年のエミッション規制の強化に伴って、ガソリンエンジンの排気通路にPMを捕捉する排気浄化フィルタ(Gasoline Particulate Filter(以下、「GPF」という。)を設ける技術の検討が進められている。
 また、ガソリンエンジンの排気通路には、排気中に含まれるCO、HC及びNOを浄化する三元触媒(以下、「TWC」という。)が、ハニカム支持体に担持された状態で設けられる。特に近年では、要求浄化性能を満たすために複数のTWCが直列に排気通路に配置される。そのため、これら複数のTWCに加え、GPFを新たに排気通路に設けるのは、圧力損失やコストの観点から好ましくない。
 そこで、GPFにTWCを担持させ、PM捕捉機能に加えて三元浄化機能をGPFに付与する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この技術によれば、GPFとTWCを一体化することで、圧力損失やコストの問題を解消できるとされている。
特表2013-500857号公報
 しかしながら特許文献1の技術では、触媒金属としてRhを含む三元触媒を用いた場合に、特にNO浄化性能が大きく低下する場合があった。例えば、優れた三元浄化機能を有するTWCとしてRh層とPd層の2層構造を有するTWCが知られているが、このTWCをGPFに担持させると大きな圧力損失を招くため、RhとPdを混合してGPFに担持させることが考えられる。ところがこの場合には、Pdの劣化抑制及びNO吸着性の向上のためにPd層に通常添加されているBaがRhに接触又は近接することとなる。すると、Baの電子供与作用によってRhが酸化されて酸化物化し、RhのNO還元能が低下する結果、NO浄化性能が大きく低下するという問題があった。
 本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPFを提供することにある。
 (1) 上記目的を達成するため本発明は、内燃機関(例えば、後述のエンジン1)の排気通路(例えば、後述の排気管3)に設けられ、前記内燃機関の排気中の粒子状物質(PM)を捕捉して浄化する排気浄化フィルタ(例えば、後述のGPF32)であって、排気の流入側端面(例えば、後述の流入側端面32a)から流出側端面(例えば、後述の流出側端面32b)まで延びる複数のセル(例えば、後述の流入側セル321、流出側セル322)が多孔質の隔壁(例えば、後述の隔壁323)により区画形成され且つこれらセルの流入側端面における開口と流出側端面における開口とが互い違いに目封じされたフィルタ基材(例えば、後述のフィルタ基材320)と、前記隔壁に担持された三元触媒(例えば、後述のTWC33)と、を備え、前記三元触媒は、少なくともRhを含む触媒金属と、酸素吸蔵放出能を有し且つ結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物と、を含んで構成される排気浄化フィルタを提供する。
 (1)の発明では、所謂ウォールフロー型のGPFにおいて、隔壁に担持する三元触媒を、少なくともRhを含む触媒金属と、酸素吸蔵放出能を有し且つ結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物と、を含んで構成する。
 ここで、酸素吸蔵放出能(Oxygen Storage Capacity、以下「OSC」という。)を有する複合酸化物の結晶構造中に組み込むことが可能な元素のうち、Nd及びPrは後段で詳述するように酸点の量が多い特性を有する。そのため、結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物は、酸点の量が多いためHC吸着能が高く、HCと水の存在下で進行するスチームリフォーミング反応が効率良く進行する。すると、このスチームリフォーミング反応の進行により水素が生成し、生成した水素によってTWCを構成するRhの酸化物化が抑制される。即ち、RhのNO還元能の低下を回避できるため、高いNO浄化性能を発揮できる。従って本発明によれば、従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPFを提供できる。
 また、後段で詳述するように、スチームリフォーミング反応による水素の生成量はPrよりもNdの方が高いが、Prは空燃比の変動を吸収する効果を有する。従って本発明によれば、結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物を用いることにより、空燃比の変動を抑制しつつ高い三元浄化機能を発揮できる。
 (2) (1)の発明において、前記隔壁は、平均細孔径が15μm以上であり、前記三元触媒は、粒度分布における小粒径側からの累積分布が90%となるときの粒子径D90が5μm以下であることが好ましい。
 (2)の発明では、隔壁の平均細孔径を15μm以上とすると共に、TWCの粒子径D90を5μm以下として微粒子化する。これにより、微粒子化されたTWCを隔壁の細孔内に導入でき、かかる細孔内表面にTWCを担持させることができる。従ってこの発明によれば、隔壁の表層にのみTWCが担持されることで生じるGPFの圧力損失の増大を回避でき、ひいてはより高い三元浄化機能を発揮できる。
 (3) (1)又は(2)の発明において、前記三元触媒は、前記触媒金属としてRh及びPdを含み且つこれらRh及びPdが混合された状態で前記隔壁内の細孔内表面に担持されることが好ましい。
 (3)の発明では、三元触媒を、Rh及びPdを含んで構成すると共に、これらRh及びPdを混合した状態で隔壁内の細孔内表面に担持する。上述したように従来ではRhとPdを混合してGPFに担持させた場合には、従来Pd層に添加されるBaがRhに接触又は近接する結果、Baの電子供与作用によってRhが酸化されて酸化物化し、NO浄化性能が大きく低下していた。これに対してこの発明によれば、(1)の発明の効果が顕著に発揮される結果、RhのNO浄化性能の低下を回避でき、従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPFを提供できる。
 また、Rh層とPd層の2層構造を有する従来のTWCを、隔壁の細孔内表面に担持させるのは困難であるところ、この発明によればRhとPdを混合した状態でも高い三元浄化機能が発揮されるため、隔壁の細孔内表面への担持に好ましい触媒組成となっている。
 (4) (1)から(3)いずれかの発明において、前記三元触媒は、Baを含まずに構成されることが好ましい。
 (4)の発明では、三元触媒を、Baを含まずに構成する。この発明によれば、TWCにBaが含まれていないため、上述したようにBaによりRhの酸化物化が促進されてNO浄化性能が低下するのを回避できる。
 (5) (1)から(4)いずれかの発明において、前記複合酸化物中に含まれるNd及びPrの合計含有量は、10質量%以上であることが好ましい。
 (5)の発明では、NdとPrが複合酸化物の結晶構造中に10質量%以上含まれる構成とする。この発明によれば、より優れた三元浄化性能が発揮される。
 本発明によれば、従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPFを提供できる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。 上記実施形態に係るGPFの断面模式図である。 上記実施形態に係るGPFの隔壁の拡大模式図である。 CO-TPRによるRhの還元のし易さを示す図である。 NH-TPDによる各複合酸化物の酸点の量を示す図である。 各複合酸化物のスチームリフォーミング反応による水素生成量を示す図である。 実施例1及び比較例1における温度とNO浄化率との関係を示す図である。 実施例1及び比較例2、3における温度と空燃比吸収率との関係を示す図である。 実施例6のTWCの粒子径分布を示す図である。 実施例1のGPFの隔壁内におけるTWCの担持状態を示す図である。 実施例1~7におけるTWCのD90と圧力損失との関係を示す図である。 実施例1及び実施例8、9におけるGPFの隔壁の平均細孔径と圧力損失との関係を示す図である。 実施例1及び実施例10~13におけるTWCのウォッシュコート量と圧力損失との関係を示す図である。 実施例1及び実施例17、18におけるGPFの壁厚と圧力損失との関係を示す図である。 実施例1のGPFにおける空燃比と浄化率との関係を示す図である。 実施例19のGPFにおける空燃比と浄化率との関係を示す図である。 実施例20のGPFにおける空燃比と浄化率との関係を示す図である。 実施例21のGPFにおける空燃比と浄化率との関係を示す図である。 Nd及びPrの合計含有量とNO_T50との関係を示す図である。 Nd及びPrの合計含有量とCO_T50との関係を示す図である。 Nd及びPrの合計含有量とHC_T50との関係を示す図である。
 以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
 図1は、本実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という。)1の排気浄化装置2の構成を示す図である。
 エンジン1は、直噴方式のガソリンエンジンである。図1に示すように、排気浄化装置2は、排気が流通する排気管3の上流側から順に設けられた、TWC31と、GPF32と、を備える。
 TWC31は、排気中のHCをHOとCOに、COをCOに、NOをNにそれぞれ酸化又は還元することで浄化する。TWC31は、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ゼオライト等の酸化物からなる担体に、触媒金属としてPdやRh等の貴金属を担持させたものが用いられる。このTWC31は、通常、ハニカム支持体上に担持される。
 また、TWC31は、OSC能を有するOSC材を含む。OSC材としては、CeOの他、CeOとZrOの複合酸化物(以下、「CeZr複合酸化物」という。)等が用いられる。中でも、CeZr複合酸化物は、高い耐久性を有するため好ましく用いられる。なお、これらOSC材に、上記触媒金属が担持されていてもよい。
 TWC31の調製方法については特に限定されず、従来公知のスラリー法等により調製される。例えば、上記の酸化物、貴金属、OSC材等を含むスラリーを調製後、調製したスラリーをコージェライト製ハニカム支持体にコートして焼成することにより調製される。
 GPF32は、排気中のPMを捕捉して浄化する。具体的には、後述する隔壁内の微細な細孔を排気が通過する際に、隔壁の表面にPMが堆積することで、PMを捕捉する。
 図2は、本実施形態に係るGPF32の断面模式図である。
 図2に示すように、GPF32は、フィルタ基材320を備える。フィルタ基材320は、例えば軸方向に長い円柱形状であり、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド(SiC)等の多孔質体により形成される。フィルタ基材320には、流入側端面32aから流出側端面32bまで延びる複数のセルが設けられ、これらセルは隔壁323により区画形成される。
 フィルタ基材320は、流入側端面32aを目封じする流入側目封じ部324を備える。流入側目封じ部324によって流入側端面32aが目封じされたセルは、流入側端部が閉塞する一方で流出側端部が開口し、隔壁323内を通過した排気を下流へ流出させる流出側セル322を構成する。
 流入側目封じ部324は、フィルタ基材320の流入側端面32aから目封じ用セメントを封入することで形成される。
 フィルタ基材320は、流出側端面32bを目封じする流出側目封じ部325を備える。流出側目封じ部325によって流出側端面32bが目封じされたセルは、流入側端部が開口する一方で流出側端部が閉塞し、排気管3から排気が流入する流入側セル321を構成する。
 流出側目封じ部325は、フィルタ基材320の流出側端面32bから目封じ用セメントを封入することで形成される。
 なお、セルの流入側端面32aにおける開口と、流出側端面32bにおける開口とが互い違いに目封じされることで、上記流入側セル321と流出側セル322とが互いに格子状(市松状)に隣接して配置されようになっている。
 図3は、本実施形態に係るGPF32の隔壁323の拡大模式図である。
 図3に示すように、隔壁323内の細孔内表面には、TWC33が担持される。TWC33は、Rhを含むTWC33aと、Pdを含むTWC33bを含んで構成される。これらTWC33は、微粒子化された状態で細孔内表面に担持されている。なお、隔壁323の細孔は、これらTWC33により閉塞されてはおらず、大きな圧力損失が生じないようになっている。
 隔壁323は、平均細孔径が15μm以上であることが好ましい。平均細孔径が15μm以上であれば、後述するTWC33の粒子径との関係でTWC33が細孔径内に入り込むことができ、細孔内表面にTWC33を担持できる。より好ましい平均細孔径は20μm以上である。
 また、隔壁323の厚さは特に制限されないが、10mil以下であることが好ましい。隔壁の厚さが10milを超える場合、TWCの担持量や隔壁の平均細孔径等との関係で圧力損失が増大する場合がある。
 TWC33は、粒度分布における小粒径側からの累積分布が90%となるときの粒子径D90が5μm以下で微粒子化されている。TWC33のD90が5μm以下であれば、上述の隔壁323の平均細孔径との関係でTWC33が細孔径内に入り込むことができ、細孔内表面にTWC33を担持できる。より好ましいD90は3μm以下である。
 TWC33は、触媒金属として少なくともRhを含み、好ましくは図3に示したように触媒金属としてRh及びPdを含む。これらRh及びPdは、後述するOSC能を有する複合酸化物に担持されていてもよく、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ゼオライト等の酸化物からなる従来公知の担体に担持されていてもよい。
 上述したようにTWC33は、Rhを含むTWC33aと、Pdを含むTWC33bと、を含んで構成される。図3に示したように、これらRhを含むTWC33aとPdを含むTWC33bは、混合された状態で隔壁323内の細孔内表面に担持される。
 またTWC33は、OSC能を有し且つ結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物を含む。
 本実施形態では、触媒金属と共にOSC材として用いる複合酸化物が隔壁323内に担持されている。
 TWCは、排気中のHCを酸化してCOとHOに変換し、COを酸化してCOに変換する一方、NOをNまで還元する機能を有している。この両反応に対する触媒作用を同時に有効に生じさせるためには、燃料と空気の比(以下「空燃比」という。)を完全燃焼反応における化学量論比(以下「ストイキ」という。)近傍に保つことが好ましい。
 自動車等の内燃機関における空燃比は、運転状況に応じて大きく変化するため、酸素センサーを用いて空燃比をストイキ近傍に保つよう制御されている。しかし、このような方法で空燃比を制御するだけでは触媒が浄化性能を発揮するには十分ではない。
 従って、酸化雰囲気下で酸素を吸蔵し、還元雰囲気下で酸素を放出する酸素吸蔵放出能を有するOSC材が助触媒として触媒金属と共に用いられている。例えばCeOや、CeとZrの複合酸化物等がOSC材として知られている。
 本実施形態におけるOSC材として用いる複合酸化物においては、CeOやZrOの結晶構造中のCeやZrの一部をNd、Prで置換した構造をとっている。
 Nd、PrはHC吸着能が高く、後述するスチームリフォーミング反応による水素の発生量が多い。水素はRhの還元を促進させ、RhのNO浄化性能を向上させる。
 本実施形態においては、Ndに加え、Ndよりスチームリフォーミング反応による水素の生成量の少ないPrも複合酸化物の構造中に含有されている。Prはストイキに対する空燃比の変動を吸収する機能を有するため、Prが含有されることで空燃比がストイキ近傍に保たれ易くなっている。
 本実施形態に係るCeZrNdPr複合酸化物は、例えば、以下の方法により調製することができる。
 先ず、硝酸セリウム、硝酸ジルコニウム、硝酸ネオジウム及び硝酸プラセオジウムを、所望の比率になるように、純水に溶解する。その後、水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、溶媒のpHを例えば10にすることで、沈殿物を得る。その後、沈殿物を含む溶液を例えば60℃に加熱した状態で減圧濾過することで、溶媒を蒸発させる。次いで、残留物を抽出後、マッフル炉内において例えば500℃で2時間の仮焼を行うことで、CeZrNdPr複合酸化物を得る。
 また、本実施形態のTWC33は、従来Pdの劣化抑制及びNO吸着性の向上の観点から添加されていた、Baを含まずに構成されている。
 本実施形態のTWC33では、複合酸化物中に含まれるNd及びPrの合計含有量が、10質量%以上であることが好ましい。複合酸化物中に含まれるNd及びPrの合計含有量がこの範囲内であれば、より高い三元浄化機能が発揮される。この合計含有量の上限値は好ましくは20質量%であり、より好ましい範囲は12質量%~16質量%である。
 TWC33におけるRhとPdの含有比率は、特に限定されないが、好ましくは質量基準でRh:Pd=1:10~1:5である。
 また、TWC33のウォッシュコート量は、特に限定されないが、好ましくは40~80g/Lである。ウォッシュコート量が40g/L未満である場合には十分な浄化性能が得られなくなり、80g/Lを超える場合には圧力損失が増大する。
 なお本実施形態では、TWC33には触媒金属として他の貴金属、例えばPtが含まれていてもよい。また、GPF32には、隔壁内又は隔壁表面に三元浄化機能以外の機能を有する触媒、例えばNO触媒や酸化触媒、GPF内に堆積したPMを燃焼除去するためのAg系触媒等が担持されていてもよい。
 次に、本実施形態に係るGPF32の製造方法について説明する。
 本実施形態に係るGPF32は、例えばディッピング法により製造される。ディッピング法では、例えば、TWC33の構成材料を所定量含むスラリーを湿式粉砕等により作製し、作製したスラリー中にGPF32を浸漬させた後、GPF32を引き上げて所定の温度条件で焼成を行うことにより、GPF32にTWC33を担持させることができる。
 本実施形態においては、RhやPd等の触媒をボールミル等で混合して作成したスラリーを、粒径が5μm以下となるまで粉砕し、GPF32に1回浸漬させることが好ましい。これにより、RhとPdを、隔壁323内の細孔内表面にランダムに混合した状態で担持させることができる。
 次に、本実施形態に係るTWCは、Baを含まないことが好ましい理由について図4を参照して説明する。
 図4は、CO-TPRによるRhの還元のし易さを示す図である。具体的には、TWCに添加されるBaの有無による、Rhの還元のし易さをCO-TPR(昇温還元法)により下記手順に従って測定した結果を示す図である。
 TWCはRhをそれぞれ0.3質量%、3質量%の割合でZr酸化物に担持させ、10質量%のBaを添加したものと添加しないものをそれぞれ作成して測定したものである。
[CO-TPR測定手順]
(1)He中で昇温させ、600℃で10分間保持した。
(2)100℃まで降温させた。
(3)1%CO/N中で、10℃/分で800℃まで昇温させRhを還元させた。
(4)600℃まで降温させた。
(5)10%O/N中、600℃で10分間保持した。
(6)100℃まで降温させ、He中で10分間保持後、1%CO/N中で10分間保持した。
(7)1%CO/N中で、10℃/分で800℃まで昇温させCO放出の温度による変化を計測した。
 図4に示す通り、Baを含むTWCは、Baを含まないTWCと比較して、低温でのCO放出量が少ないことが分かる。これは、Rhが還元され難くなっていることを意味しており、BaがRhの還元を阻害していると考えられる。従って本実施形態におけるTWCは、Baを含まないことでRhの還元状態を維持し、高いNO浄化性能が発揮される。
 次に、CeZrNdPr複合酸化物による作用について説明する。
 触媒金属として用いられるRhは、水素の存在下で還元状態が維持され、NO浄化性能が向上する。そのため本実施形態においては、スチームリフォーミング反応を利用している。スチームリフォーミング反応は、高温、触媒存在下で水蒸気とHCが反応して水素が発生する次式のような反応である。
 
+nHO→nCO+(n+1/2m)H
 
 スチームリフォーミング反応による水素の生成量を向上させるためには、HC吸着能が重要であり、HC吸着能は酸点に依存するものと考えられる。
 図5は、NH-TPDによる各複合酸化物の酸点の量を示す図である。具体的には、CeやZrの複合酸化物の結晶構造中に含有させることのできる元素として挙げられる、Y、La、Pr及びNdそれぞれの酸点の量を、NH-TPD(昇温還元法)で下記手順により測定した結果を示す図である。
[NH-TPD測定手順]
(1)He中で昇温させ、600℃で60分間保持した。
(2)100℃まで降温させた。
(3)0.1%NH/He中で60分間保持した後、He中で60分間保持した。
(4)He中で、10℃/分で600℃まで昇温させた。
 図5に示す通り、Nd及びPrは、Y、Laよりも酸点が多いことが分かる。従ってこの結果から、Nd及びPrはHC吸着能が高いと言える。
 図6は、Y、La、Pr及びNdの各元素をCeZr複合酸化物の結晶構造中に含有させた場合の、500℃におけるスチームリフォーミング反応による水素の生成量を比較したグラフである。なお、このときのY、La、Pr及びNdの各元素の含有量は7質量%、Ceの含有量が41質量%、Zrの含有量が52質量%である。図6に示す通り、Pr、NdはY、Laよりも水素の生成量が多いことが分かる。
 本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
 本実施形態では、所謂ウォールフロー型のGPF32において、隔壁323に担持するTWC33を、少なくともRhを含む触媒金属と、OSC能を有し且つ結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物と、を含んで構成した。
 ここで、OSC能を有する複合酸化物の結晶構造中に組み込むことが可能な元素のうち、Nd及びPrは酸点の量が多い特性を有する。そのため、結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物は、酸点の量が多いためHC吸着能が高く、HCと水の存在下で進行するスチームリフォーミング反応が効率良く進行する。すると、このスチームリフォーミング反応の進行により水素が生成し、生成した水素によってTWC33を構成するRhの酸化物化が抑制される。即ち、RhのNO還元能の低下を回避できるため、高いNO浄化性能を発揮できる。従って本実施形態によれば、従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPF32を提供できる。
 また、スチームリフォーミング反応による水素の生成量はPrよりもNdの方が高いが、Prは空燃比の変動を吸収する効果を有する。従って本実施形態によれば、結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物を用いることにより、空燃比の変動を抑制しつつ高い三元浄化機能を発揮できる。
 また本実施形態では、隔壁323の平均細孔径を15μm以上とすると共に、TWC33の粒子径D90を5μm以下として微粒子化した。これにより、微粒子化されたTWC33を隔壁323の細孔内に導入でき、かかる細孔内表面にTWC33を担持させることができる。従って本実施形態によれば、隔壁323の表層にのみTWC33が担持されることで生じるGPF32の圧力損失の増大を回避でき、ひいてはより高い三元浄化機能を発揮できる。
 また本実施形態では、TWC33を、Rh及びPdを含んで構成すると共に、これらRh及びPdを混合した状態で隔壁323内の細孔内表面に担持した。上述したように従来ではRhとPdを混合してGPF32に担持させた場合には、Pd層に添加されるBaがRhに接触又は近接する結果、Baの電子供与作用によってRhが酸化されて酸化物化し、NO浄化性能が大きく低下していた。これに対して本実施形態によれば、上述のスチームリフォーミング反応によりRhのNO浄化性能の低下を回避でき、従来よりも優れた三元浄化機能を発揮し得るGPF32を提供できる。
 また、Rh層とPd層の2層構造を有する従来のTWCを、隔壁の細孔内表面に担持させるのは困難であるところ、本実施形態によればRhとPdを混合した状態でも高い三元浄化機能が発揮されるため、隔壁323の細孔内表面への担持に好ましい触媒組成となっている。
 また本実施形態では、TWC33を、Baを含まずに構成した。本実施形態によれば、TWC33にBaが含まれていないため、上述したようにBaによりRhの酸化物化が促進されてNO浄化性能が低下することを回避できる。
 また本実施形態では、NdとPrが複合酸化物の結晶構造中に10質量%以上含まれる構成とした。これにより、より優れた三元浄化性能が発揮される。
 なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
 次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
<実施例1~21、比較例1~4>
 TWC及び担体、複合酸化物等を、表1に示す割合で、以下の手順により調製した。
 まず、水系媒体、添加材を添加した後ボールミルにて混合してスラリー化した。次に、スラリーを湿式粉砕等により粉砕し、粒子径を調整した。次に、ディッピング法にてGPFに、混合したスラリーを1回浸漬させた。担持量(ウォッシュコート量)は60g/Lにて行った(実施例10~13を除く)。その後、700℃×2時間焼成することで、TWCが担持されたGPFを得た。
 なお、GPFとしては、NGK製のハニカム構造体(内径25.4(φ1インチ)mm、平均細孔径20μm(実施例8、9を除く)、壁厚8mil(実施例17、18を除く)、セル数300、材質コージェライト、容量15cc)を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
<NO浄化性能>
 図7は、実施例1及び比較例1における温度とNO浄化率との関係を示す図である。具体的には、OSC材にNd、Prを添加した実施例1と、Y、Laを添加した比較例1について、以下の条件に従ってGPFのNO浄化性能を評価した結果を示す図である。図7に示す通り、実施例1は比較例1よりも低い温度でNOの浄化が進行していることが分かった。この結果から、GPF中のOSC材にNd、Prを添加した実施例1は、Y、Laを添加した比較例1と比較してNO浄化性能が向上することが確認された。
[NO浄化性能評価条件]
 ストイキガス中でGPFを500℃まで20℃/分で昇温したときのNO濃度を計測することにより、NO浄化性能を評価した。
<空燃比吸収率>
 図8は、実施例1及び比較例2、3における温度と空燃比吸収率との関係を示す図である。具体的には、OSC材にNdのみを添加した比較例2、Prのみを添加した比較例3、NdとPrの双方を使用した実施例1のそれぞれについて、GPFの空燃比吸収率を測定した結果を示す図である。空燃比吸収率は、以下の条件に従って式(1)により算出した。
 
空燃比吸収率(%)=((空燃比振幅(IN)-空燃比振幅(OUT))÷空燃比振幅(IN))×100
                                ・・・式(1)
 
(式(1)中、「空燃比振幅(IN)」はOSC材通過前の空燃比振幅を示し、「空燃比振幅(OUT)」はOSC材通過後の空燃比振幅を示す。)
[空燃比吸収率測定条件]
 実機エンジンを用いて、空燃比を14.5±1.0(1Hz)で振幅させ、30℃/分で昇温しているときの空燃比吸収率を測定する。
 図8に示す通り、実施例1及び比較例3は、比較例2と比較して空燃比吸収率が高いことが分かった。この結果から、OSC材にPrを添加したGPFは、空燃比の変動を抑制でき、空燃比をストイキに保ち易いことが確認された。
<D90>
 図9は、実施例6のTWCの粒子径分布を示す図である。図9に示す通り、TWC粒子のD90は、5μm以下となっていることが確認された。なお、他の実施例及び比較例についても同様にして以下の測定条件に従って粒子径分布を測定した。得られたD90は表1に示す通りであった。
[粒子径分布測定条件]
装置:レーザ回折式粒子径分布測定装置(SHIMADZU社製、SALD-3100)
測定方法:レーザ散乱法
<担持状態>
 図10は、実施例1のGPFの隔壁内におけるTWCの担持状態を示す図である。具体的には、実施例1に係るGPFの隔壁内のTWCの担持状態を、以下の条件に従ってEPMAによる断面SEM観察及び元素分析を実施して得たマッピング図である。この結果から、隔壁の平均細孔径は15μm以上であり、TWCのD90が粒子径5μm以下である場合、TWCは隔壁内に均一に担持されることが確認された。
 なお、TWCの粒子径が5μm以下である他の実施例についても、同様にTWCは隔壁内に均一に担持されることが確認された。
[EPMA測定条件]
装置:電子プローブマイクロアナライザ(JE0L社製、JXA-8100)
測定条件:加速電圧15KV、照射電流0.04μA、ピクセルサイズ1μm、1セルあたりのデータ採取時間38m秒、ビーム径0.7μm
<D90と圧力損失との関係>
 図11は、実施例1~7のGPFに担持されるTWCのD90と、圧力損失との関係を示す図である。図11に示す通り、D90が5μm以下である実施例1~6は圧力損失が略一定の低いレベルに留まるのに対し、D90が8μmの実施例7のGPFのようにD90が5μmを超えると圧力損失が上昇することが分かった。この結果から、GPFに担持されるTWCのD90は5μm以下であることが好ましいことが確認された。
<平均細孔径と圧力損失との関係>
 図12は、実施例1及び実施例8、9のGPFの隔壁の平均細孔径と、圧力損失との関係を示す図である。図12に示す通り、平均細孔径が小さくなるにつれ圧力損失がやや増大したが、平均細孔径が16μmである実施例8のGPFの圧力損失は低いレベルに留まることが分かった。この結果から、GPFの平均細孔径は15μm以上であることが好ましいことが確認された。
<ウォッシュコート(WC)量と圧力損失との関係>
 図13は、実施例1及び実施例10~13のTWCのウォッシュコート量と、圧力損失との関係を示す図である。図13に示す通り、ウォッシュコート量が増大するにつれ圧力損失が増大したが、ウォッシュコート量が80g/Lである実施例13のGPFの圧力損失は低いレベルに留まることが分かった。この結果から、TWCのウォッシュコート量は80g/L以下であることが好ましいことが確認された。
<壁厚と圧力損失との関係>
 図14は、実施例1及び実施例17、18のGPFの壁厚と、圧力損失との関係を示す図である。図14に示す通り、壁厚が増大するにつれ圧力損失が増大したが、壁厚が10milである実施例18のGPFの圧力損失は低いレベルに留まることが分かった。この結果から、GPFの壁厚は10mil以下であることが好ましいことが確認された。
<Pdの有無による浄化性能>
 図15A及び図15Bは、実施例1及び実施例19のGPFにおける空燃比とそれぞれCO、HC、NOの浄化率との関係を示す図である。図中、縦軸はそれぞれCO、HC、NOの浄化率を示し、横軸は燃料と空気の比である空燃比を示す。なお、ストイキとは空燃比が約14.5である領域を示す。
 実施例1のGPFに担持されるTWCには、Rh及びPdが含まれ、実施例19のGPFに担持されるTWCにはRhのみが含まれる。評価条件は以下の条件に従って行った。
 図15A及び図15Bの評価結果から、Rh及びPdが含まれる実施例1のGPFと比較し、Rhのみが含まれる実施例19のGPFは、空燃比がストイキより高い領域でHC浄化率が低いことが分かった。この結果から、GPFに担持されるTWCとしてRhを単独で用いた実施例19と比較し、RhとPdを併用した実施例1の方が高い三元浄化性能を有することが確認された。
[HC、CO、NO浄化性能評価条件]
 実機エンジンを用いて、触媒入口温度500℃で空燃比を13.5から15.5まで20分間で連続的に変化させ、HC、CO、NOの浄化率を測定した。
<Baの有無による浄化性能>
 図15C及び図15Dは、実施例20及び実施例21のGPFにおける空燃比とそれぞれCO、HC、NOの浄化率との関係を示す図である。
 実施例20のGPFに担持されるTWCには、Rh及びPdと共に固体Ba(硫酸Ba)が含まれ、実施例21のGPFに担持されるTWCには、Rh及びPdと共に液体Ba(酢酸Ba及び硝酸Ba)が含まれる。また、前述の実施例1(図15A)のGPFに担持されるTWCにはRh及びPdが含まれるが、Baは含まれない。これを比較用として参照する。評価条件は上記HC、CO、NO浄化性能評価条件と同様の条件で評価を行った。
 図15A、図15C及び図15Dの評価結果から、固体Baや液体Baを含む実施例20及び21のGPFは、Baを含まない実施例1のGPFと比較し、空燃比がストイキより低い領域でNO浄化率が低いことが分かった。この結果から、GPFに担持されるTWCにBaが含まれない実施例1は、Baが含まれる実施例20及び実施例21と比較して高い排気浄化性能を有することが確認された。
<Nd及びPdの合計含有量の違いによる浄化性能>
 図16Aから図16Cは、それぞれ実施例1、実施例14、実施例15、実施例16及び比較例4のGPFに含まれるNd及びPrの合計含有量と、NO_T50、CO_T50、HC_T50との関係を示す図である。NO_T50、CO_T50、HC_T50とは、それぞれCO、HC、NOの50%が浄化される温度を示し、図中の縦軸に示される。横軸は複合酸化物中におけるNdとPrの合計含有量(質量%)を示す。Nd及びPrの合計含有量は比較例4、実施例14、実施例15、実施例1、実施例16の順にそれぞれ0、6、12、14、16質量%である。
 図16Aから図16Cに示す通り、実施例1、実施例14、実施例15、実施例16のGPFは比較例4に対し、低い温度でNO、CO、HCが浄化されていることが分かった。従って本実施形態においてGPFに三元浄化機能を発揮させるには、NdとPrの合計含有量が10質量%~20質量%であることが好ましく、12質量%~16質量%であれば更に好ましいことが確認された。
 1…エンジン(内燃機関)
 2…排気浄化装置
 3…排気管(排気通路)
 32…GPF(排気浄化フィルタ)
 32a…流入側端面
 32b…流出側端面
 33,33a,33b…TWC(三元触媒)
 320…フィルタ基材
 323…隔壁
 321…流入側セル(セル)
 322…流出側セル(セル)
 324…流入側目封じ部
 325…流出側目封じ部

Claims (5)

  1.  内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、
     排気の流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルが多孔質の隔壁により区画形成され且つこれらセルの流入側端面における開口と流出側端面における開口とが互い違いに目封じされたフィルタ基材と、
     前記隔壁に担持された三元触媒と、を備え、
     前記三元触媒は、少なくともRhを含む触媒金属と、酸素吸蔵放出能を有し且つ結晶構造中にNd及びPrを有する複合酸化物と、を含んで構成される排気浄化フィルタ。
  2.  前記隔壁は、平均細孔径が15μm以上であり、
     前記三元触媒は、粒度分布における小粒径側からの累積分布が90%となるときの粒子径D90が5μm以下である請求項1に記載の排気浄化フィルタ。
  3.  前記三元触媒は、前記触媒金属としてRh及びPdを含み且つこれらRh及びPdが混合された状態で前記隔壁内の細孔内表面に担持される請求項1又は2に記載の排気浄化フィルタ。
  4.  前記三元触媒は、Baを含まずに構成される請求項1から3いずれかに記載の排気浄化フィルタ。
  5.  前記複合酸化物中に含まれるNd及びPrの合計含有量は、10質量%以上である請求項1から4いずれかに記載の排気浄化フィルタ。
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