JPH0814029A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気ガス浄化装置

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JPH0814029A
JPH0814029A JP6142953A JP14295394A JPH0814029A JP H0814029 A JPH0814029 A JP H0814029A JP 6142953 A JP6142953 A JP 6142953A JP 14295394 A JP14295394 A JP 14295394A JP H0814029 A JPH0814029 A JP H0814029A
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exhaust gas
palladium
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platinum
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Toshihiro Takada
登志広 高田
Hiroshi Hirayama
洋 平山
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気浄化用触媒の担体に担持されたパラジウ
ムおよび白金の劣化を防止する。 【構成】 機関排気通路内に上流側触媒８と、その下流
側に三元触媒からなる下流側触媒１１とを配置する。上
流側触媒８の触媒担体の排気ガス流入側端部領域８ａの
みにパラジウムを担持させると共に排気ガス流入側端部
領域８ａ下流側の残りの触媒担体領域８ｂに白金および
ロジウムを担持させる。更に、排気ガス流入側端部領域
８ａの触媒担体上にはセリウムを担持させない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気ガス浄化
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より排気ガスの浄化性能を高めるた
めに三元触媒や酸化触媒を種々に組合せて機関排気通路
内に配置することが行われている。例えば特開平４−２
８７８２０号公報に記載された内燃機関では白金に加
え、耐熱性がありかつ強い酸化力を有するパラジウムを
含んだ酸化触媒を機関の排気ガス出口に配置し、この酸
化触媒下流の排気通路内に三元触媒を配置している。三
元触媒は一般的に耐熱性に乏しく、従って温度の低下し
た排気ガスが三元触媒に流入するように三元触媒は機関
の排気ガス出口から離れた機関排気通路内に配置され
る。ところがこのように三元触媒を機関の排気ガス出口
から離れたところに配置すると機関始動後三元触媒が活
性化するまでに時間を要し、斯くしてこの間、排気ガス
を浄化することができないという問題を生ずる。
【０００３】そこで上述の内燃機関では高温の排気ガス
が流出する機関排気ガス出口に酸化触媒を配置し、この
酸化触媒を機関始動後すみやかに活性化させて機関始動
後すみやかにＨＣの酸化反応を開始させ、この酸化反応
熱によって三元触媒を早期に活性化させるようにしてい
る。また、この内燃機関ではＨＣの浄化は酸化触媒によ
って行い、ＣＯおよびＮＯｘの浄化は三元触媒により行
うようにして触媒毎に浄化作用の役割りを分担させるよ
うにしている。
【０００４】一方、特開昭６２−１３６２４５号公報に
記載された内燃機関では排気マニホルドの出口に上流側
触媒を配置し、この上流側触媒下流の排気通路内に三元
触媒を配置している。一個の三元触媒によりＣＯ，ＮＯ
ｘ等を十分に浄化するのは困難であり、従ってこの内燃
機関では酸化機能を有するパラジウムに加え、酸化還元
機能、即ち三元機能を有する白金とロジウムを上流側触
媒の担体に担持させ、上流側触媒に酸化機能に加えて三
元機能をも同時に持たせるようにしている。
【０００５】また、特開平４−１１８０５３号公報に記
載された内燃機関では４個の触媒を機関排気通路内に直
列に配置し、真中の２個の触媒を白金およびロジウムを
含んだ三元触媒から形成すると共に各触媒担体の排気ガ
ス流入側端部領域にパラジウムが高濃度で分布されてい
る。この内燃機関ではパラジウムによって触媒に流入す
る排気ガス中のＨＣ，ＣＯの酸化反応が促進され、この
ときの酸化反応熱によって触媒全体が早期に活性化せし
められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところでパラジウムを
用いてＨＣを酸化させ、その後三元触媒においてＮＯｘ
の還元作用を強力に推進させるようにした場合には三元
触媒の担体上に担持すべき触媒としては白金とロジウム
が好ましいことが知られている。また、三元触媒による
ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化効率は混合気の空燃比が理論
空燃比となったときに最も高くなることが知られてお
り、従って三元触媒を用いたときには空燃比が理論空燃
比となるように制御される。また、このとき三元触媒の
担体上にセリウムを担持させるとＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの
浄化効率が一層高くなることが知られている。
【０００７】即ち、内燃機関においては通常、排気通路
内に設けた空燃比センサの出力信号に基き空燃比をフィ
ードバック制御することにより空燃比が理論空燃比に制
御される。この場合、実際には空燃比は理論空燃比を境
にしてリーン側とリッチ側に交互に変動する。ところで
セリウムは空燃比がリーンになったときには排気ガス中
の酸素を取込んでＮＯｘを浄化し、空燃比がリッチにな
ったときには取込んだ酸素を放出して未燃ＨＣ，ＣＯを
浄化する機能を有しており、セリウムによるこのような
酸素のストレージ作用によってＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄
化作用が促進される。従ってセリウムを添加するとＨ
Ｃ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化効率が向上することになる。
【０００８】ところで下流側に設けられた一つの三元触
媒だけでは特にＮＯｘを十分に浄化するのは困難であ
り、従って上流側に設けられた触媒の担体には酸化反応
を促進するパラジウムに加え、特にＮＯｘに対して強い
還元性を示す白金およびロジウムを担持させることが好
ましいことになる。従って前述したように特開昭６２−
１３６２４５号公報に記載された内燃機関では上流側触
媒の担体上にパラジウム、白金およびロジウムを担持さ
せるようにしている。ところがこの内燃機関ではパラジ
ウム、白金およびロジウムが触媒全体に分散されてお
り、このようにパラジウム、白金、ロジウムを触媒全体
に分散させると特に白金が劣化してしまうという問題を
生ずる。
【０００９】即ち、上流側触媒は高温の排気ガスにさら
されるために高温となる。また、三元触媒を用いている
ために空燃比は交互にリーンとリッチにされ、斯くして
上流側触媒に流入する排気ガスは周期的に酸素過剰な状
態となる。ところが白金Ｐｔは高温下で酸素が過剰にな
ると酸化白金ＰｔＯ2 となり、次いで酸化白金ＰｔＯ 2
同志が互いに合体して粒成長し、大きな粒子になってし
まう。大きな粒子になると表面積が減少するために触媒
機能が低下し、斯くして白金が劣化することになる。即
ち、白金を上流側触媒に分散させると白金が劣化するこ
とになり、斯くして白金、ロジウムによる酸化還元力が
弱まることになる。
【００１０】一方、特開平４−２８７８２０号公報に記
載された内燃機関でも上流側に設けられた酸化触媒の担
体にパラジウムおよび白金が分散されている。この内燃
機関においても酸化触媒は高温となり酸化触媒に流入す
る排気ガスは周期的に酸素過剰な状態となるので白金が
劣化してしまうことになる。また、特開平４−１１８０
５３号公報に記載されている内燃機関ではパラジウムは
触媒担体の排気ガス流入側端部領域に集中して担持され
ているが白金は触媒担体の全体に分散せしめられてい
る。排気ガス中の酸素はパラジウムによる酸化作用のた
めに使用されるので排気ガス流入側端部領域よりも下流
の触媒領域に流入する排気ガス中の酸素量は少なく、斯
くしてこの触媒領域内の白金は酸素が不十分なために粒
成長せず、斯くして白金は劣化しないことになる。とこ
ろが排気ガス流入側端部領域内の白金の周りには十分な
酸素が存在し、斯くしてこの排気ガス流入側端部領域内
の白金が劣化してしまうという問題を生ずる。
【００１１】更にこの内燃機関では白金ばかりでなくパ
ラジウムも劣化してしまう。即ち、パラジウムは白金と
は異なり、排気ガス中の酸素が過剰のときには安定な酸
化パラジウムＰｄＯとなり、排気ガス中の酸素が少なく
なると還元されて不安定なパラジウムＰｄの金属単体と
なる。排気ガス中の酸素が周期的に過剰になるとその都
度パラジウムＰｄは酸化パラジウムＰｄＯになるために
粒成長することはないが排気ガス中の酸素が少ない状態
が継続するとパラジウムＰｄの金属単体同志が合体して
粒成長し、斯くしてパラジウムが劣化してしまうことに
なる。
【００１２】即ち、この内燃機関では排気ガス流入側端
部領域内の触媒担体上には白金、ロジウムに加えてセリ
ウムが担持されている。このセリウムは前述したように
酸素のストレージ機能があり、酸素が過剰になると酸素
を取込み、酸素がなくなると酸素を放出する。放出され
た酸素はＨＣ，ＣＯの酸化反応に即座に使用される。従
ってセリウムが存在すると排気ガス流入側端部領域では
排気ガス中の酸素が少ない状態が継続することになり、
斯くしてパラジウムが粒成長してパラジウムが劣化する
ことになる。このようにこの内燃機関では白金ばかりで
なく、パラジウムも劣化してしまうという問題がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、機関の排気通路内に排気ガス浄化
用触媒を配置し、排気通路内に設けた空燃比センサの出
力信号に基いて空燃比をほぼ理論空燃比に維持するよう
にした内燃機関において、触媒担体の排気ガス流入側端
部領域のみにパラジウムを担持させると共に排気ガス流
入側端部領域下流側の残りの触媒担体領域のみに白金お
よびロジウムを担持させ、排気ガス流入側端部領域の触
媒担体上にはセリウムを担持させないようにしている。
【００１４】また、本発明によれば上記問題点を解決す
るために上記１番目の発明において、触媒担体にはその
全体に亘って全くセリウムを担持させないようにしてい
る。また、本発明によれば上記問題点を解決するために
上記１番目の発明において、触媒下流の排気通路内にセ
リウムを含んだ三元触媒を配置している。また、本発明
によれば上記問題点を解決するために上記１番目の発明
において、排気ガス流入側端部領域の触媒担体に担持さ
れたパラジウムの量を１気筒の排気量１リットル当り
１．０グラム以上とされる。
【００１５】
【作用】１番目の発明では排気ガス流入側端部領域の触
媒担体に担持されたパラジウムによって主にＨＣが酸化
される。この排気ガス流入側端部領域の触媒担体上には
セリウムが担持されていないので排気ガス流入側端部領
域内を流れる排気ガス中の酸素は周期的に過剰となり、
従ってパラジウムは劣化し難い。また、排気ガス流入側
端部領域の触媒担体上には白金およびロジウムが担持さ
れておらず、従って排気ガス流入側端部領域内を流れる
排気ガス中の酸素が周期的に過剰になっても白金の劣化
問題は生じない。排気ガス中の過剰酸素はパラジウムに
よる酸化反応に使用されるので排気ガス流入側端部領域
下流の残りの触媒担体領域に流入する排気ガス中の酸素
量は少なく、従ってこの触媒担体領域に担持されている
白金は劣化し難い。
【００１６】２番目の発明では排気ガス流入側端部領域
下流の残りの触媒担体領域にもセリウムを担持させない
ようにしている。３番目の発明ではセリウムを含ませる
ことによって酸化還元能力の高められた三元触媒が１番
目の発明に記載された触媒の下流に配置される。４番目
の発明では良好な酸化反応を確保するために排気ガス流
入側端部領域の触媒担体に担持されたパラジウムの量が
１気筒の排気量１リットル当り１．０グラム以上とされ
る。
【００１７】
【実施例】図１を参照すると、１は機関本体、２は吸気
マニホルド枝管、３は各吸気マニホルド枝管２に取付け
られた燃料噴射弁、４は排気マニホルド、５は排気マニ
ホルド４の集合部内に配置された空燃比センサ、６は短
かい排気管７を介して排気マニホルド４の出口部に接続
されかつ上流側触媒８を内蔵している上流側触媒コンバ
ータ、９は排気管１０を介して上流側触媒コンバータ６
の出口部に接続されかつ下流側触媒１１を内蔵している
下流側触媒コンバータを夫々示す。上流側触媒コンバー
タ６は上流側触媒８内に高温の排気ガスが流入するよう
に排気マニホルド４の出口部の近傍に配置されており、
これに対して下流側触媒コンバータ９は温度低下した排
気ガスが下流側触媒１１内に流入するように車両ボティ
の床下に取付けられている。
【００１８】空燃比センサ５は空燃比がリーンであるか
リッチであるかを示す出力信号を発生し、この出力信号
は制御装置１２に入力される。制御装置１２はこの出力
信号に基いて燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御し、
空燃比がリーンであることを示す出力信号を空燃比セン
サ５が発生しているときには燃料噴射量が徐々に増大せ
しめられ、空燃比がリッチであることを示す出力信号を
空燃比センサ５が発生しているときには燃料噴射量が徐
々に減少せしめられる。その結果、空燃比は理論空燃比
を境にしてリーンとリッチとを交互に繰返し、斯くして
空燃比はほぼ理論空燃比に維持されることになる。
【００１９】図１に示される実施例では上流側触媒８お
よび下流側触媒１１は共にモノリス触媒から形成されて
おり、また上流側触媒８は下流側触媒１１よりも小さな
容積を有する。上流側触媒８は夫々担持されている触媒
の異なる排気ガス流入側端部領域８ａと、排気ガス流入
側端部領域８ａ下流側の残りの触媒領域８ｂとに分けら
れており、排気ガス流入側端部領域８ａの触媒担体には
酸化触媒が担持されており、残りの触媒領域８ｂの触媒
担体には酸化還元触媒、即ち三元触媒が担持されてい
る。
【００２０】図１に示される実施例では排気ガス流入側
端部領域８ａの触媒担体には半径方向および軸線方向に
一様に分散されたパラジウムＰｄが担持されており、残
りの触媒領域８ｂの触媒担体には白金Ｐｔおよびロジウ
ムＲｈが半径方向および軸線方向に一様に分散されて担
持されている。また、排気ガス流入側端部領域８ａの触
媒担体には白金ＰｔおよびロジウムＲｈは全く担持され
ておらず、残りの触媒領域８ｂの触媒担体にはパラジウ
ムＰｄが全く担持されていない。また、図１に示される
実施例では排気ガス流入側端部領域８ａの触媒担体およ
び残りの触媒担体８ｂにはセリウムＣｅが全く担持され
ていない。なお、図１に示される実施例では残りの触媒
領域８ｂのみの触媒担体にセリウムＣｅを担持させるこ
ともできるが上流側触媒８の製造の容易さという観点か
らみると上流側触媒８の全触媒担体に全くセリウムＣｅ
を担持させないことが好ましい。
【００２１】一方、下流側触媒１１は三元触媒からな
る。この下流側触媒１１の触媒担体には酸化還元触媒で
あって特にＮＯｘに対して強い還元力を有する白金Ｐｔ
およびロジウムＲｈが担持されており、更にこの下流側
触媒１１には酸化還元能力を高めるためにセリウムＣｅ
が担持されている。機関運転中は空燃比センサ５の出力
信号に基いて空燃比はリーン側とリッチ側に交互に振れ
ながらほぼ理論空燃比に維持されている。このとき排気
ガス中に含まれる未燃ＨＣの大部分およびＣＯの一部が
上流側触媒８の排気ガス流入側端部領域８ａの触媒担体
に担持されたパラジウムＰｄによって酸化せしめられ
る。前述したようにこの排気ガス流入側端部領域８ａの
触媒担体にはセリウムＣｅが担持されていないので排気
ガス流入側端部領域８ａを流れる排気ガス中の酸素は周
期的に過剰となる。その結果、パラジウムＰｄは周期的
に安定した酸化パラジウムＰｄＯとなるので、即ちパラ
ジウムＰｄが金属単体の状態で継続して長時間に亘り存
在することがないのでパラジウムＰｄの金属単体が粒成
長することがなく、斯くしてパラジウムＰｄが劣化し難
くなる。
【００２２】また、前述したように排気ガス流入側端部
領域８ａの触媒担体には白金ＰｔおよびロジウムＲｈが
担持されていない。従ってこの排気ガス流入側端部領域
８ａ内において白金Ｐｔの劣化問題は生じない。排気ガ
ス流入側端部領域８ａを通過した排気ガスは残りの触媒
領域８ｂ内に流入し、この残りの触媒領域８ｂにおいて
ＣＯの酸化作用とＮＯｘの還元作用が行われる。この残
りの触媒領域８ｂ内に流入する排気ガスの温度はかなり
高く、従ってこのとき排気ガス中に多量の酸素が存在す
ると白金Ｐｔが酸化白金ＰｔＯ2となって粒成長してし
まう。しかしながら排気ガス中の酸素は排気ガス流入側
端部領域８ａにおけるパラジウムＰｄによる酸化反応に
より使用されるので残りの触媒領域８ｂ内に流入する排
気ガス中の酸素量は少なく、従って白金Ｐｔが酸化白金
ＰｔＯ2 となって粒成長することがない。斯くして白金
Ｐｔが劣化し難くなる。
【００２３】次いで排気ガスは下流側触媒１１内に流入
し、この下流側触媒１１においてＣＯが酸化され、ＮＯ
ｘが還元される。なお、排気ガスが下流側触媒１１内に
流入する頃には排気ガスの温度は低下しており、また下
流側触媒１１に流入する排気ガス中の酸素量は少なくな
っている。従ってこの下流側触媒１１の触媒担体に担持
されている白金Ｐｔは酸化白金ＰｔＯ2 となって粒成長
することがなくなる。
【００２４】一方、上流側触媒８は排気マニホルド４の
出口部近くに配置されているので上流側触媒８には機関
始動直後から高温の排気ガスが流入し、従って上流側触
媒８は機関始動後すみやかに活性化する。上流側触媒８
が活性化すると排気ガス流入側端部領域８ａ内において
酸化反応が開始され、この酸化反応の反応熱によって残
りの触媒領域８ｂの触媒および下流側触媒１１がすみや
かに活性化される。
【００２５】図２は上流側触媒８の排気ガス流入側端部
領域８ａの触媒担体に担持されたパラジウムＰｄによる
未燃ＨＣの浄化率が５０パーセントに達したときの上流
側触媒８の温度ＴとパラジウムＰｄの担持量Ｑとの関係
を示している。なお、パラジウムＰｄの担持量Ｑは１気
筒の排気量１リットル当りのグラム（ｇ／Ｌ）で表わさ
れている。図２に示される上流側触媒８の温度Ｔが低い
ほど機関開始後すみやかに未燃ＨＣを浄化できることに
なり、従って図２に示される上流側触媒８の温度は低い
ほど好ましいことになる。本発明による実施例ではパラ
ジウムＰｄの担持量が１気筒の排気量１リットル当り
１．０グラム以上とされている。
【００２６】また、図１に示される実施例では上流側触
媒８の触媒担体に担持されている白金Ｐｔの量は触媒１
リットル当り約１．５グラムであり、上流側触媒８の触
媒担体に担持されているロジウムＲｈの量は触媒１リッ
トル当り約０．３グラムとされている。また、下流側触
媒１１の触媒担体に担持されている白金Ｐｔおよびロジ
ウムＲｈの量は夫々触媒１リットル当り約１．０グラム
および０．２グラムであり、下流側触媒１１の触媒担体
に担持されているセリウムＣｅの量は触媒１リットル当
り０．３から０．４５mol とされている。
【００２７】図３は本発明をＶ型エンジンに適用した場
合を示す。なお、図３において図１と同様な構成要素は
同一の符号で示す。図３に示される実施例では機関本体
の各バンク１２，１３に対して夫々排気マニホルド４が
取付けられ、各排気マニホルド４は排気管７を介して夫
々別個の上流側触媒コンバータ６に連結される。各上流
側コンバータ６内には夫々図１に示す上流側触媒８と同
様な上流側触媒８が配置されている。各上流側触媒コン
バータ６は対応する排気管１０′を介して共通の排気管
１０に接続され、この排気管１０は下流側触媒コンバー
タ９に接続される。下流側触媒コンバータ９内には図１
に示す下流側触媒１１と同様な下流側触媒１１が配置さ
れている。
【００２８】
【発明の効果】触媒担体に担持されたパラジウムや白金
が劣化するのを阻止しつつ排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ
およびＮＯｘを良好に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】未燃ＨＣの浄化率が５０パーセントに達したと
きの触媒の温度Ｔとパラジウムの担持量Ｑとの関係を示
す図である。
【図３】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【符号の説明】
４…排気マニホルド ８…上流側触媒 ８ａ…排気ガス流入側端部領域 １１…下流側触媒

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 機関の排気通路内に排気ガス浄化用触媒
    を配置し、排気通路内に設けた空燃比センサの出力信号
    に基いて空燃比をほぼ理論空燃比に維持するようにした
    内燃機関において、該触媒担体の排気ガス流入側端部領
    域のみにパラジウムを担持させると共に該排気ガス流入
    側端部領域下流側の残りの触媒担体領域のみに白金およ
    びロジウムを担持させ、上記排気ガス流入側端部領域の
    触媒担体上にはセリウムを担持させないようにした内燃
    機関の排気ガス浄化装置。
  2. 【請求項２】 上記触媒担体にはその全体に亘って全く
    セリウムを担持させないようにした請求項１に記載の内
    燃機関の排気ガス浄化装置。
  3. 【請求項３】 上記触媒下流の排気通路内にセリウムを
    含んだ三元触媒を配置した請求項１に記載の内燃機関の
    排気ガス浄化装置。
  4. 【請求項４】 上記排気ガス流入側端部領域の触媒担体
    に担持されたパラジウムの量を１気筒の排気量１リット
    ル当り１．０グラム以上とした請求項１に記載の内燃機
    関の排気ガス浄化装置。
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