JP3664019B2 - 触媒コンバータ - Google Patents
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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吸着層と触媒層とを有する多層構造の触媒コンバータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
エンジンの冷間運転時の排気エミッション性能を改善するものとして、触媒担体上にＨＣ吸着材と酸化触媒または三元触媒とを積層した多層構造の触媒コンバータが提案されている（特開平７−９６１８３号公報、特開平８−２２４４４９号公報を参照）。触媒の活性が不十分な冷間運転時にエンジンから排出された未燃燃料分はＨＣ吸着層に一時的に吸着され、ある程度触媒コンバータの温度が上昇するとＨＣは吸着層から脱離して表面側の触媒層により酸化処理される。
【０００３】
しかしながら、一般にＨＣ吸着層からのＨＣの脱離温度は触媒層の活性開始温度よりも低いので、触媒が活性化する過程では脱離した一部のＨＣが酸化されることなく排出されてしまうという問題がある（図２参照）。
【０００４】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、活性化過程で触媒表面の温度上昇を促進することにより脱離ＨＣの浄化性能を改善することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ＨＣ吸着層とその表面側に形成される２層以上の触媒層を備えた触媒コンバータであって、前記触媒層のうち表層側の触媒貴金属含有量が下層側よりも大の触媒コンバータを構成する。
【０００６】
請求項２の発明は、上記触媒貴金属としてRhを含む触媒層の触媒貴金属含有量は、Rhの量に予め定めた倍数を乗じて算出するものとする。
【０００７】
請求項３の発明は、ＨＣ吸着層とその表面側に形成される２層以上の触媒層を備えた触媒コンバータであって、前記触媒層のうち表層側の触媒貴金属濃度が下層側よりも大の触媒コンバータを構成する。
【０００８】
請求項４の発明は、上記請求項３の発明において、最表層の触媒層は、触媒貴金属濃度がその下層側の５倍以上であるものとする。
【０００９】
請求項５の発明は、上記請求項１〜請求項４の発明において、前記触媒層のうち表層側のウオッシュコート量が下層側よりも小の触媒コンバータを構成する。
【００１０】
請求項６の発明は、上記請求項１から請求項５の発明において、触媒層のうち最表層の触媒貴金属成分をPdとし、下層側はPt，Pd，Rhの任意の組み合わせによる組成とする。
【００１１】
請求項７の発明は、上記請求項１から請求項６の発明において、触媒層のうち表層側の助触媒成分の含有量を下層側よりも小とする。
【００１２】
請求項８の発明は、上記請求項１から請求項７の発明において、触媒担体とＨＣ吸着層との間にアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層を形成する。
【００１３】
【作用・効果】
エンジンからの排気ガスに触れる部分の触媒貴金属の量もしくは濃度が高いほど低温でのＨＣ処理が可能となる。一方、複数の触媒層のうちの表層部はエンジン暖機過程で比較的早期に高温になる。したがって、表層側の触媒層の触媒貴金属の含有量もしくは濃度を高めることにより、活性化過程で触媒コンバータ内のＨＣ吸着層から脱離してきたＨＣを高率で処理することができる。また、このように触媒貴金属を表層側の触媒層に偏在させたことにより、触媒貴金属の全体としての使用量は抑制できるので、コストの上昇も抑えることができる。
【００１４】
触媒貴金属としてのRhは、PtまたはPdなど他の触媒貴金属に比較して三元活性が高いので、Rhを含有する触媒層については他の貴金属を主成分とする触媒層に比較して全体としての貴金属使用量を減らすことができる。したがって、Rhを有する触媒層については、触媒含有量を算出するにあたって、例えばRhについて１０倍程度の重みを与える。また、これにより貴金属使用量を減じてコストを抑えることができる。
【００１５】
また、触媒層のうち表層側のもののウオッシュコート量を下層側よりも小とすることにより表層側の触媒層の熱容量が小さくなり、それだけ活性化過程での温度上昇が早くなるのでＨＣの転換効率がより高められる。
【００１６】
触媒貴金属のうちPdは比較的低温での活性に優れる。したがって触媒層のうち最表層の触媒貴金属成分をPdとし、下層側にはPtあるいはRhを含むものとすれば、空燃比変動に対する触媒コンバータ全体としての性能を確保しつつ低温でのＨＣ転換効率を高められる。
【００１７】
触媒層に助触媒として例えば酸素ストレージ機能を有するＣｅ、転換効率を高めるＢａなどを含有させる場合、表層側の助触媒成分の含有量を下層側よりも小とすることにより、表層側触媒層の比熱を小さくして活性化過程でのＨＣの転換効率をより高めることができる。
【００１８】
触媒担体にＨＣ吸着材の被覆を施す際に、担体のハニカムを構成するセルの隅部分は壁面部分に比較して被覆が厚くなってしまう傾向があり、また吸着効率に寄与しないデッドスペースともなる。したがって、触媒担体とＨＣ吸着層との間にアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層を形成することにより、高価なＨＣ吸着材の使用量を減らすことができる。
【００１９】
【実施例】
次に本発明の実施例を示す。なお、以下の実施例１〜６は図１に示したように３層構造の触媒コンバータを構成している。図１においてＡは最表層の三元触媒層、Ｂは中間の三元触媒層、ＣはＨＣ吸着層であるゼオライト層、Ｄは触媒担体を示している。触媒担体Ｄとしてはセラミクスからなるハニカム担体あるいは金属箔を積層したメタル担体を用いることができる。また、各実施例の組成表中、記号WCはウオッシュコートを意味しており、また触媒貴金属、助触媒材料、ウオッシュコートの使用量を示す数値の単位は[g/L]すなわち触媒担体容量（リットル）あたりの質量（グラム）である。
＜実施例１＞
Ａ：最表層 Pd 1.8 WC 40
Ｂ：中間層 Pd 0.6 Rh 0.4 WC 100
Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例２＞
Ａ：最表層 Pd 1.4 WC 14
Ｂ：中間層 Pd 1.0 Rh 0.4 WC 80
Ｃ：ゼオライト層 WC１５０．０
＜実施例３＞
Ａ：最表層 Rh 1.4 WC 36
Ｂ：中間層 Pd 4.2 WC 60
Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例４＞
Ａ：最表層 Pd 1.5 WC 30
Ｂ：中間層 Pt 1.0 Rh 0.3 WC 8
Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例５＞
Ａ：最表層 Ce 2.0
Ｂ：中間層 Ce 10.0
Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例６＞
Ａ：最表層 Ce 2.0
Ｂ：中間層 Ce 1.0 Ba 20.0
Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例７＞
Ａ：最表層 Pd 1.4 WC 14
Ｂ：中間層 Pd 1.0 Rh0.4 WC 80
Ｃ：ゼオライト層 WC 100
Ｅ：アルミナ層 WC５０．０
実施例１は最表層Ａの触媒貴金属使用量を、実施例２は同じく触媒貴金属濃度を、それぞれ中間層Ｂよりも大とした例である。濃度はウオッシュコートに対する触媒貴金属の質量比であり、実施例２では最表層Ａが１０％であるのに対して中間層Ｂは約１．８％の設定となっている。
【００２０】
実施例３はRhの優れた三元特性に着目してその使用量を他の触媒貴金属（この場合Pd）に対して１０倍の重み付けを行い、その結果として最表層Ａの触媒貴金属使用量が中間層Ｂよりも大となるように設定した例である。
【００２１】
実施例１、２、４、６、７は最表層Ａの触媒貴金属としてPdを使用し、より良好な低温特性を得るようにした例を示している。Pdは空燃比変動に対して敏感な特性を有しているので、中間層ＢにPtまたはRhを含有させることで空燃比変動に対する安定性を確保している。
【００２２】
実施例５と実施例６は、それぞれ助触媒成分としてCeまたはBaを用いた場合に、その最表層Ａでの使用量が中間層Ｂよりも小となるように設定した例である。具体的に、実施例５は、実施例３の組成表に対して最表層Ａ、中間層ＢのそれぞれにCeを加えたものである。また、実施例６は、実施例４の組成表に対して、最表層ＡにCeを、中間層ＢにCeとBaをそれぞれ加えたものである。
【００２３】
実施例７はゼオライト層Ｃの下層側に、触媒担体に対する基礎コート層としてアルミナ層を形成した例である。最表層Ａ、中間層Ｂはそれぞれ実施例２で説明した組成表と同様であるが、ゼオライト層Ｃについては、ウオッシュコートの使用量が１５０ｇから１００ｇに減じられており、つまり高価なＨＣ吸着剤の使用量が少なく抑えられている。これは、図１に示す通り、触媒担体上に直接ゼオライト層をコーティングした場合、セルの隅部分Ｃ１は壁面部分Ｃ２に比較して被覆が厚くなってしまう傾向があり、吸着効率に寄与しないデッドスペースともなるが、この隅部Ｃ１を安価なアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層で被覆すれば、ＨＣの吸着効率を低下させることなくＨＣ吸着剤（ゼオライト）の使用量を減らすことができるのである。
【００２４】
図２と図３に上記本発明の実施例１による効果を同一の触媒貴金属量を含有する単層の触媒層を備えた比較例と共に示す。図２に示したように始動後経過時間にしたがってゼオライト層と触媒表層部の温度が上昇し始める。このとき排気に直接晒される表層部の温度は比較的早期に上昇するものの、ゼオライト層でのＨＣ脱離温度が触媒活性開始温度よりも低いことから、比較例ではＨＣ脱離開始時ｔ１から浄化開始時ｔ２までのあいだに時間差が発生し、その間に脱離したＨＣは十分に浄化されない。これに対して、本発明では表層部の温度上昇が促進されるので触媒表層部での活性開始がｔ３と早く、このため脱離ＨＣを効率よく処理することができる。図３は暖機完了までの間にエンジンから排出されて触媒コンバータの入口部から流入するＨＣとゼオライト層から脱離したＨＣの総合的な浄化率を比較したもので、図示したように本発明によれば顕著な改善効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による触媒コンバータの実施例を示す要部断面図。
【図２】本発明の効果を示す第１の説明図。
【図３】本発明の効果を示す第２の説明図。
【符号の説明】
Ａ 三元触媒層（最表層）
Ｂ 三元触媒層（中間層）
Ｃ ゼオライト層
Ｄ 触媒担体
【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吸着層と触媒層とを有する多層構造の触媒コンバータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
エンジンの冷間運転時の排気エミッション性能を改善するものとして、触媒担体上にＨＣ吸着材と酸化触媒または三元触媒とを積層した多層構造の触媒コンバータが提案されている（特開平７−９６１８３号公報、特開平８−２２４４４９号公報を参照）。触媒の活性が不十分な冷間運転時にエンジンから排出された未燃燃料分はＨＣ吸着層に一時的に吸着され、ある程度触媒コンバータの温度が上昇するとＨＣは吸着層から脱離して表面側の触媒層により酸化処理される。
【０００３】
しかしながら、一般にＨＣ吸着層からのＨＣの脱離温度は触媒層の活性開始温度よりも低いので、触媒が活性化する過程では脱離した一部のＨＣが酸化されることなく排出されてしまうという問題がある（図２参照）。
【０００４】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、活性化過程で触媒表面の温度上昇を促進することにより脱離ＨＣの浄化性能を改善することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ＨＣ吸着層とその表面側に形成される２層以上の触媒層を備えた触媒コンバータであって、前記触媒層のうち表層側の触媒貴金属含有量が下層側よりも大の触媒コンバータを構成する。
【０００６】
請求項２の発明は、上記触媒貴金属としてRhを含む触媒層の触媒貴金属含有量は、Rhの量に予め定めた倍数を乗じて算出するものとする。
【０００７】
請求項３の発明は、ＨＣ吸着層とその表面側に形成される２層以上の触媒層を備えた触媒コンバータであって、前記触媒層のうち表層側の触媒貴金属濃度が下層側よりも大の触媒コンバータを構成する。
【０００８】
請求項４の発明は、上記請求項３の発明において、最表層の触媒層は、触媒貴金属濃度がその下層側の５倍以上であるものとする。
【０００９】
請求項５の発明は、上記請求項１〜請求項４の発明において、前記触媒層のうち表層側のウオッシュコート量が下層側よりも小の触媒コンバータを構成する。
【００１０】
請求項６の発明は、上記請求項１から請求項５の発明において、触媒層のうち最表層の触媒貴金属成分をPdとし、下層側はPt，Pd，Rhの任意の組み合わせによる組成とする。
【００１１】
請求項７の発明は、上記請求項１から請求項６の発明において、触媒層のうち表層側の助触媒成分の含有量を下層側よりも小とする。
【００１２】
請求項８の発明は、上記請求項１から請求項７の発明において、触媒担体とＨＣ吸着層との間にアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層を形成する。
【００１３】
【作用・効果】
エンジンからの排気ガスに触れる部分の触媒貴金属の量もしくは濃度が高いほど低温でのＨＣ処理が可能となる。一方、複数の触媒層のうちの表層部はエンジン暖機過程で比較的早期に高温になる。したがって、表層側の触媒層の触媒貴金属の含有量もしくは濃度を高めることにより、活性化過程で触媒コンバータ内のＨＣ吸着層から脱離してきたＨＣを高率で処理することができる。また、このように触媒貴金属を表層側の触媒層に偏在させたことにより、触媒貴金属の全体としての使用量は抑制できるので、コストの上昇も抑えることができる。
【００１４】
触媒貴金属としてのRhは、PtまたはPdなど他の触媒貴金属に比較して三元活性が高いので、Rhを含有する触媒層については他の貴金属を主成分とする触媒層に比較して全体としての貴金属使用量を減らすことができる。したがって、Rhを有する触媒層については、触媒含有量を算出するにあたって、例えばRhについて１０倍程度の重みを与える。また、これにより貴金属使用量を減じてコストを抑えることができる。
【００１５】
また、触媒層のうち表層側のもののウオッシュコート量を下層側よりも小とすることにより表層側の触媒層の熱容量が小さくなり、それだけ活性化過程での温度上昇が早くなるのでＨＣの転換効率がより高められる。
【００１６】
触媒貴金属のうちPdは比較的低温での活性に優れる。したがって触媒層のうち最表層の触媒貴金属成分をPdとし、下層側にはPtあるいはRhを含むものとすれば、空燃比変動に対する触媒コンバータ全体としての性能を確保しつつ低温でのＨＣ転換効率を高められる。
【００１７】
触媒層に助触媒として例えば酸素ストレージ機能を有するＣｅ、転換効率を高めるＢａなどを含有させる場合、表層側の助触媒成分の含有量を下層側よりも小とすることにより、表層側触媒層の比熱を小さくして活性化過程でのＨＣの転換効率をより高めることができる。
【００１８】
触媒担体にＨＣ吸着材の被覆を施す際に、担体のハニカムを構成するセルの隅部分は壁面部分に比較して被覆が厚くなってしまう傾向があり、また吸着効率に寄与しないデッドスペースともなる。したがって、触媒担体とＨＣ吸着層との間にアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層を形成することにより、高価なＨＣ吸着材の使用量を減らすことができる。
【００１９】
【実施例】
次に本発明の実施例を示す。なお、以下の実施例１〜６は図１に示したように３層構造の触媒コンバータを構成している。図１においてＡは最表層の三元触媒層、Ｂは中間の三元触媒層、ＣはＨＣ吸着層であるゼオライト層、Ｄは触媒担体を示している。触媒担体Ｄとしてはセラミクスからなるハニカム担体あるいは金属箔を積層したメタル担体を用いることができる。また、各実施例の組成表中、記号WCはウオッシュコートを意味しており、また触媒貴金属、助触媒材料、ウオッシュコートの使用量を示す数値の単位は[g/L]すなわち触媒担体容量（リットル）あたりの質量（グラム）である。
＜実施例１＞
Ａ：最表層 Pd 1.8 WC 40
Ｂ：中間層 Pd 0.6 Rh 0.4 WC 100
Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例２＞
Ａ：最表層 Pd 1.4 WC 14
Ｂ：中間層 Pd 1.0 Rh 0.4 WC 80
Ｃ：ゼオライト層 WC１５０．０
＜実施例３＞
Ａ：最表層 Rh 1.4 WC 36
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Ｃ：ゼオライト層 WC 150
＜実施例４＞
Ａ：最表層 Pd 1.5 WC 30
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＜実施例５＞
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＜実施例６＞
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＜実施例７＞
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Ｂ：中間層 Pd 1.0 Rh0.4 WC 80
Ｃ：ゼオライト層 WC 100
Ｅ：アルミナ層 WC５０．０
実施例１は最表層Ａの触媒貴金属使用量を、実施例２は同じく触媒貴金属濃度を、それぞれ中間層Ｂよりも大とした例である。濃度はウオッシュコートに対する触媒貴金属の質量比であり、実施例２では最表層Ａが１０％であるのに対して中間層Ｂは約１．８％の設定となっている。
【００２０】
実施例３はRhの優れた三元特性に着目してその使用量を他の触媒貴金属（この場合Pd）に対して１０倍の重み付けを行い、その結果として最表層Ａの触媒貴金属使用量が中間層Ｂよりも大となるように設定した例である。
【００２１】
実施例１、２、４、６、７は最表層Ａの触媒貴金属としてPdを使用し、より良好な低温特性を得るようにした例を示している。Pdは空燃比変動に対して敏感な特性を有しているので、中間層ＢにPtまたはRhを含有させることで空燃比変動に対する安定性を確保している。
【００２２】
実施例５と実施例６は、それぞれ助触媒成分としてCeまたはBaを用いた場合に、その最表層Ａでの使用量が中間層Ｂよりも小となるように設定した例である。具体的に、実施例５は、実施例３の組成表に対して最表層Ａ、中間層ＢのそれぞれにCeを加えたものである。また、実施例６は、実施例４の組成表に対して、最表層ＡにCeを、中間層ＢにCeとBaをそれぞれ加えたものである。
【００２３】
実施例７はゼオライト層Ｃの下層側に、触媒担体に対する基礎コート層としてアルミナ層を形成した例である。最表層Ａ、中間層Ｂはそれぞれ実施例２で説明した組成表と同様であるが、ゼオライト層Ｃについては、ウオッシュコートの使用量が１５０ｇから１００ｇに減じられており、つまり高価なＨＣ吸着剤の使用量が少なく抑えられている。これは、図１に示す通り、触媒担体上に直接ゼオライト層をコーティングした場合、セルの隅部分Ｃ１は壁面部分Ｃ２に比較して被覆が厚くなってしまう傾向があり、吸着効率に寄与しないデッドスペースともなるが、この隅部Ｃ１を安価なアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層で被覆すれば、ＨＣの吸着効率を低下させることなくＨＣ吸着剤（ゼオライト）の使用量を減らすことができるのである。
【００２４】
図２と図３に上記本発明の実施例１による効果を同一の触媒貴金属量を含有する単層の触媒層を備えた比較例と共に示す。図２に示したように始動後経過時間にしたがってゼオライト層と触媒表層部の温度が上昇し始める。このとき排気に直接晒される表層部の温度は比較的早期に上昇するものの、ゼオライト層でのＨＣ脱離温度が触媒活性開始温度よりも低いことから、比較例ではＨＣ脱離開始時ｔ１から浄化開始時ｔ２までのあいだに時間差が発生し、その間に脱離したＨＣは十分に浄化されない。これに対して、本発明では表層部の温度上昇が促進されるので触媒表層部での活性開始がｔ３と早く、このため脱離ＨＣを効率よく処理することができる。図３は暖機完了までの間にエンジンから排出されて触媒コンバータの入口部から流入するＨＣとゼオライト層から脱離したＨＣの総合的な浄化率を比較したもので、図示したように本発明によれば顕著な改善効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による触媒コンバータの実施例を示す要部断面図。
【図２】本発明の効果を示す第１の説明図。
【図３】本発明の効果を示す第２の説明図。
【符号の説明】
Ａ 三元触媒層（最表層）
Ｂ 三元触媒層（中間層）
Ｃ ゼオライト層
Ｄ 触媒担体
Claims (8)
- ＨＣ吸着層とその表面側に形成される２層以上の触媒層を備えた触媒コンバータであって、前記触媒層のうち表層側の触媒貴金属含有量が下層側よりも大である触媒コンバータ。
- 触媒貴金属としてRhを含む触媒層の触媒貴金属含有量は、Rhの量に予め定めた倍数を乗じて算出する請求項１に記載の触媒コンバータ。
- ＨＣ吸着層とその表面側に形成される２層以上の触媒層を備えた触媒コンバータであって、前記触媒層のうち表層側の触媒貴金属濃度が下層側よりも大である触媒コンバータ。
- 最表層の触媒層は、触媒貴金属濃度がその下層側の５倍以上である請求項３に記載の触媒コンバータ。
- 前記触媒層のうち表層側のウオッシュコート量が下層側よりも小である請求項１から請求項４の何れかに記載の触媒コンバータ。
- 触媒層のうち最表層の触媒貴金属成分をPdとし、下層側はPt，Pd，Rhの任意の組み合わせによる組成とした請求項１から請求項５の何れかに記載の触媒コンバータ。
- 触媒層のうち表層側の助触媒成分の含有量が下層側よりも小である請求項１から請求項６の何れかに記載の触媒コンバータ。
- 触媒担体とＨＣ吸着層との間にアルミナもしくはシリカを主成分とする基礎コート層を形成した請求項１から請求項７の何れかに記載の触媒コンバータ。
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