催化剂装置和排气净化系统
技术领域
本发明涉及设置于内燃机的排气通路的催化剂装置、以及内燃机的排气净化系统。
背景技术
在专利文献1中公开了一种涉及催化剂转换器的技术，所述催化剂转换器具有小容量的催化剂、和配置于该小容量的催化剂的下游侧的大容量的催化剂。在该专利文献1所记载的技术中，小容量的催化剂通过在陶瓷制的基材上涂布催化剂涂布材料而形成，所述催化剂涂布材料含有由贵金属构成的催化剂物质以及微波吸收体。而且，利用设置于催化剂转换器的微波振荡器对小容量的催化剂照射微波。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-222924号公报
发明内容
如上所述，已知除了催化剂物质以外还包含微波吸收体而构成的催化剂装置。若对包含微波吸收体而构成的催化剂装置照射微波，则该微波吸收体吸收该微波而发热。由此，促进催化剂装置的温度上升，因此能够谋求该催化剂装置中所含的催化剂物质的早期活化。而且，在内燃机中，通过使设置于排气通路的催化剂装置中的催化剂物质早期地活化，能够改善排气排放。但是，关于催化剂装置的HC(烃)净化性能，要求进一步的提高。
本发明是鉴于如上所述的问题而完成的，其目的是更好地提高设置于内燃机的排气通路的催化剂装置的HC净化性能。
本发明的第1方式涉及的催化剂装置，是设置于内燃机的排气通路的催化剂装置，且是在上述排气通路中被照射微波的催化剂装置，该催化剂装置具有催化剂层，所述催化剂层包含HC净化性能不同的至少两种催化剂物质、和通过吸收微波而发热的微波吸收体而构成，上述微波吸收体分布于上述催化剂层的规定部分中，并且，上述催化剂层的上述规定部分中的第1催化剂物质的含有比例高于上述催化剂层的上述规定部分以外的部分中的该第1催化剂物质的含有比例，所述第1催化剂物质是上述两种催化剂物质之中HC净化性能高的催化剂物质。
本发明涉及的催化剂装置，是作为排气净化装置设置于内燃机的排气通路的装置。催化剂装置具有催化剂层。催化剂层包含HC净化性能不同的至少两种催化剂物质而构成。催化剂物质均为贵金属。在设置于内燃机的排气通路的催化剂装置中，若催化剂层中所含的催化剂物质活化，则通过该催化剂物质净化排气。在此，两种催化剂物质可以是一方比另一方的HC净化性能高、且另一方比一方的NOx净化性能高的物质。
另外，催化剂层，除了催化剂物质外还含有微波吸收体而构成。微波吸收体是微波的吸收性能比催化剂层中所含的催化剂物质高的物质。对设置于内燃机的排气通路的催化剂装置照射微波。微波吸收体具有通过吸收对催化剂装置照射的微波而发热的性质。而且，在本发明中，微波吸收体分布于催化剂装置的催化剂层的规定部分。也就是说，微波吸收体在催化剂装置的催化剂层中并不是一样地分布，而是部分性地分布。
另外，在催化剂装置的催化剂层中，HC净化性能不同的至少两种催化剂物质也并不一样地分布。在此，将两种催化剂物质之中HC净化性能高的催化剂物质作为第1催化剂物质。而且，在催化剂层中，分布有微波吸收体的规定部分中的第1催化剂物质的含有比例，高于该规定部分以外的部分(未分布有微波吸收体的部分)中的第1催化剂物质的含有比例。在此，所谓第1催化剂物质的含有比例是指催化剂层的某个部分中第1催化剂物质的量相对于全部的催化剂物质的量的比例。
在如上述那样的催化剂装置被设置于排气通路的情况下，若向该催化剂装置照射微波，则在催化剂层中分布有微波吸收体的规定部分的温度上升比除该规定部分以外的部分得到促进。因此，在催化剂层中，能够使在规定部分中以比该规定部分以外的部分高的比例分布的第1催化剂物质更早期地活化。也就是说，根据本发明，与在催化剂装置的催化剂层中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的情况相比，在被照射微波时能够更促进该第1催化剂物质的活化。因此，能够使催化剂装置的HC净化性能提高。
另外，通过在催化剂层中使微波吸收体仅分布于规定部分，与使更多的量的微波吸收体在催化剂层中一样地分布的情况相比，能够降低为了使第1催化剂物质早期活化而需要的微波的照射量。因此，能够降低为了向催化剂装置照射微波而需要的电量。
另外，在本发明中，催化剂层的规定部分，可以是在催化剂装置被设置于排气通路的情况下沿着排气流位于上游侧的部分(以下有时也称为“上游部分”。)。在催化剂装置被设置于排气通路的情况下，催化剂层的上游部分，与沿着排气流位于下游侧的部分(以下有时也称为“下游部分”。)相比容易被排气加热。因此，通过在上游部分形成催化剂层的、第1催化剂物质的含有比例相对高的规定部分，能够更促进该规定部分中所含的第1催化剂物质的温度上升。因此，能够谋求第1催化剂物质的进一步的早期活化。
另外，若催化剂层的上游部分的温度上升，则在该上游部分产生的热容易通过排气的流动而传导至其下游部分。因此，通过促进催化剂层的上游部分的温度上升，也能够促进该催化剂层整体的温度上升。因此，通过在上游部分形成包含微波吸收体的规定部分，不仅分布于催化剂层的上游部分(规定部分)中的第1催化剂物质，也能够谋求分布于该催化剂层的下游部分中的第1催化剂物质的早期活化。
另外，在本发明中，催化剂装置可以具有被隔壁区划的多个孔室(cell)。在该情况下，多个孔室以在催化剂装置中沿着排气流从上游侧向下游侧延伸的方式形成。而且，催化剂层也可以形成于区划多个孔室的隔壁上。在这样的结构中，若催化剂装置被设置于排气通路，则排气在多个孔室的内部流动。此时，催化剂层的规定部分，也可以是位于直接暴露于在孔室内流动的排气的场所的部分(以下也有时称为“排气接触部分”。)。在此，在排气的温度高于催化剂层的温度的情况下，在该催化剂层中，排气接触部分与位于不直接暴露于该排气的场所的部分(以下也有时称为“排气不接触部分”。)相比，容易被该排气的热加热。因此，在催化剂层中，通过将规定部分形成于排气接触部分，也能够进一步促进该规定部分中所含的第1催化剂物质的温度上升。因此，能够谋求第1催化剂物质的进一步的早期活化。
另一方面，催化剂层的规定部分也可以是排气不接触部分。在此，在排气的温度低于催化剂层的温度的情况下，通过排气而从该催化剂层带走热。但是，即使是这样的时候，在催化剂层中，与排气接触部分相比，也难以通过排气从排气不接触部分带走热。因此，在催化剂层中，通过将规定部分形成于排气不接触部分，能够抑制在该规定部分中暂时活化了的第1催化剂物质的温度因由排气带走热而降低的情况。
本发明的第2方式涉及的内燃机的排气净化系统，具备：催化剂装置，其是第1方式涉及的催化剂装置，且被设置于内燃机的排气通路；以及，照射装置，其在上述排气通路中向上述催化剂装置照射微波。
根据这样的排气净化系统，能够使催化剂装置的HC净化性能提高，并且，能够降低为了从照射装置向催化剂装置照射微波而需要的电量。
根据本发明，能够更好地提高设置于内燃机的排气通路的催化剂装置的HC净化性能。
附图说明
图1是表示实施方式涉及的内燃机的排气系统的概略构成的图。
图2是将催化剂装置的、相对于排气的流动方向垂直的方向的截面的一部分放大了的图。
图3是将催化剂装置的、沿着排气的流动方向的方向的截面的一部分放大了的图。
图4是表示在内燃机的冷起动时向催化剂装置照射了微波时的、该催化剂装置的HC净化率及NOx净化率的时间推移的时间图。
图5是表示催化剂装置的催化剂层中的第1催化剂层及第2催化剂层的分布的第1变形例的图。
图6是表示催化剂装置的催化剂层中的第1催化剂层及第2催化剂层的分布的第2变形例的图。
图7是表示催化剂装置的催化剂层中的第1催化剂层及第2催化剂层的分布的第3变形例的图。
附图标记说明
1···内燃机
2···排气通路
4···催化剂装置
41··隔壁
42··孔室
43··催化剂层
43a··第1催化剂层
43b··第2催化剂层
5···照射装置
10··ECU
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的具体实施方式进行说明。关于本实施方式中记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特别记载，则并不将发明的技术范围仅限定于此。
(排气系统的概略构成)
图1是表示本实施方式涉及的内燃机的排气系统的概略构成的图。内燃机1是车辆驱动用的汽油发动机。在内燃机1上连接有排气通路2。在排气通路2设有催化剂装置4。该催化剂装置4是用于将排气中的HC(烃)、CO(一氧化碳)及NOx(氮氧化物)净化的三元催化剂。再者，后面会对催化剂装置4的构成进行叙述。另外，在排气通路2中的催化剂装置4的下游侧设有温度传感器6。温度传感器6是用于检测从催化剂装置4流出的排气的温度的传感器。
另外，在排气通路2中的催化剂装置4的上游侧设有照射装置5。照射装置5是对催化剂装置4照射微波的装置。照射装置5具备微波振荡器和微波放射器。作为微波振荡器，能够使用例如半导体振荡器。而且，照射装置5使在微波振荡器中产生的微波从微波放射器向催化剂装置4放射。再者，在本实施方式中，催化剂装置4相当于本发明涉及的“催化剂装置”，照射装置5相当于本发明涉及的“照射装置”。
另外，在内燃机1上同时设有电子控制单元(ECU)10。设置于内燃机1的进气通路的节流阀、内燃机1的燃料喷射阀等各种装置与ECU10电连接。而且，通过ECU10控制这些装置。
另外，温度传感器6与ECU10电连接。而且，曲轴位置传感器11和油门开度传感器12与ECU10电连接。而且，各传感器的检测值被输入到ECU10。ECU10基于温度传感器6的检测值推定催化剂装置4的温度。另外，ECU10基于曲轴位置传感器11的检测值导出内燃机1的内燃机转速。另外，ECU10基于油门开度传感器12的检测值导出内燃机1的内燃机负荷。
而且，照射装置5与ECU10电连接。ECU10通过控制照射装置5而执行微波照射处理。微波照射处理是对催化剂装置4照射规定频率的微波的处理。微波照射处理，在例如像内燃机1的冷起动时那样有催化剂装置4的升温要求时执行。在该情况下，微波照射处理中的规定频率，作为适合于催化剂装置4的升温的频率基于实验等来设定。
(催化剂装置)
在此，基于图2及图3对本实施方式涉及的催化剂装置的概略构成进行说明。图2是将催化剂装置4的、相对于排气的流动方向垂直的方向的截面的一部分放大了的图。图3是将催化剂装置4的、沿着排气的流动方向的方向的截面的一部分放大了的图。
催化剂装置4是具有在排气的流动方向上延伸的多个孔室42的壁流型的三元催化剂。在催化剂装置4中，各孔室42被隔壁41区划。如图2所示，在催化剂装置4中，在基材中的隔壁41上(即，孔室42的壁面上)，采用含有由贵金属构成的催化剂物质的涂布材料形成了催化剂层43。该催化剂层43至少包含第1催化剂物质和第2催化剂物质这两种催化剂物质而构成。在此，第1催化剂物质是HC净化性能及CO净化性能比第2催化剂物质高的物质。另外，第2催化剂物质是NOx净化性能比第1催化剂物质高的物质。再者，作为第1催化剂物质，可例示Pd(钯)，作为第2催化剂物质，可例示Rh(铑)。而且，在催化剂装置4中，通过催化剂层43中所含的各催化剂物质来净化排气中的HC、CO及NOx。
而且，在催化剂层43中，除了上述的催化剂物质以外还包含微波吸收体。微波吸收体是微波的吸收性能比催化剂层43中所含的各催化剂物质高的物质。另外，微波吸收体具有通过吸收从照射装置5对催化剂装置4照射的规定频率的微波而发热的性质。再者，作为微波吸收体，可例示SiC(碳化硅)。
但是，在催化剂装置4的催化剂层43中，上述两种催化剂物质以及微波吸收体并不一样地分布。详细而言，如图3所示，催化剂装置4的催化剂层43具有所含的物质的比例相互不同的第1催化剂层43a和第2催化剂层43b。图3示出形成于催化剂装置4的隔壁41上的催化剂层43中的、第1催化剂层43a和第2催化剂层43b的分布。再者，在图3中，白色箭头表示在孔室42内流动的排气的流动方向。
如上述那样，在催化剂装置4中，在区划沿着排气流延伸的孔室42的隔壁41上形成有催化剂层43。而且，第1催化剂层43a分布于该催化剂层43的规定部分。具体而言，如图3所示，在催化剂层43中，在为沿着排气流位于上游侧的上游部分、且位于直接暴露于在孔室42内流动的排气中的场所的排气接触部分(即，在将催化剂层43在与隔壁41垂直的方向一分为二的情况下不与该隔壁41接触的部分)形成有第1催化剂层43a。另外，在催化剂层43的、规定部分以外的部分(形成有第1催化剂层43a的部分以外的部分)形成有第2催化剂层43b。也就是说，在催化剂层43中，在形成有第1催化剂层43a的上游侧部分中的、位于不直接暴露于在孔室42内流动的排气的场所的不接触部分(即，在将催化剂层43在与隔壁41垂直的方向一分为二的情况下与该隔壁41接触的部分)、以及沿着排气流位于形成有第1催化剂层43a的部分的下游侧的下游侧部分形成有第2催化剂层43b。
而且，在催化剂层43中，第1催化剂层43a中的第1催化剂物质的含有比例高于第2催化剂层43b中的第1催化剂物质的含有比例。另外，在催化剂层43中，第2催化剂层43b中的第2催化剂物质的含有比例高于第1催化剂层43a中的第2催化剂物质的含有比例。再者，也能采用在第1催化剂层43a中仅包含第1催化剂物质和第2催化剂物质之中的第1催化剂物质、且在第2催化剂层43b中仅包含第1催化剂物质和第2催化剂物质之中的第2催化剂物质的构成。进而，在催化剂层43中，仅在第1催化剂层43a中包含微波吸收体。即，在第2催化剂层43b中不包含微波吸收体。
(本实施方式涉及的构成的效果)
如上述那样，在本实施方式中，在催化剂层43中，仅在第1催化剂层43a中包含微波吸收体。因此，若通过照射装置5对催化剂装置4照射微波，则起因于第1催化剂层43a中所含的微波吸收体发热，第1催化剂层43a的温度上升比第2催化剂层43b的温度上升得到促进。而且，如上述那样，在催化剂层43中，第1催化剂层43a中的第1催化剂物质的含有比例高于第2催化剂层43b中的第1催化剂物质的含有比例。因此，若第1催化剂层43a的温度上升得到促进，则在该第1催化剂层43a中以比第2催化剂层43b高的比例分布的第1催化剂物质更早期地活化。也就是说，根据本实施方式涉及的催化剂装置4的构成，与在催化剂装置4的催化剂层43中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的情况(即，以使包含微波吸收体的第1催化剂层43a和不包含微波吸收体的第2催化剂层43b中的第1催化剂物质的含有比例均一的方式使该第1催化剂物质分布于催化剂层43中的情况)相比，在被照射微波时能够更促进该第1催化剂物质的活化。
在此，基于图4来对在内燃机1的冷起动时从照射装置5向催化剂装置4照射微波时的、该催化剂装置4的HC净化率及NOx净化率的时间推移进行说明。在图4(a)中，实线表示从内燃机1排出的HC量(即，向催化剂装置4流入的HC量)Qhc的推移，单点划线表示从内燃机1排出的NOx量(即，向催化剂装置4流入的NOx量)Qnox的推移。另外，在图4(b)中，实线表示催化剂装置4的HC净化率Rphc。再者，在图4(b)中，虚线表示在采用了在催化剂装置4的催化剂层43中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的构成的情况下的该催化剂装置4的HC净化率Rphc的推移。另外，在图4(c)中，实线表示催化剂装置4的NOx净化率Rpnox的推移。再者，在图4(c)中，虚线表示在采用了在催化剂装置4的催化剂层43中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的构成的情况下的该催化剂装置4的NOx净化率Rpnox的推移。在图4(a)、(b)、(c)中，横轴表示时间t。
在图4中，在时刻t1，起动内燃机1并且从照射装置5开始向催化剂装置4照射微波。在此，在内燃机1的冷起动时，如图4(a)所示，在其刚起动后来自该内燃机1的HC排出量剧增。这是由于内燃机1刚起动后的燃烧温度低的缘故。此时，在本实施方式中，通过从照射装置5对催化剂装置4照射微波，在该催化剂装置4的第1催化剂层43a中第1催化剂物质急速地活化。其结果，如图4(b)所示，在来自内燃机1的HC排出量剧增的该内燃机1的刚起动后，能够使催化剂装置4的HC净化率急剧上升。也就是说，与在催化剂装置4的催化剂层43中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的情况相比，能够使该催化剂装置4的HC净化率更早期且更快速地上升。这样，根据本实施方式涉及的构成，能够使催化剂装置4的HC净化性能提高。
另外，在催化剂层43中，通过使微波吸收体仅分布于第1催化剂层43a中，与使更多的量的微波吸收体在催化剂层中一样地分布的情况相比，能够降低为了使第1催化剂层43a中所含的第1催化剂物质早期地活化而需要的微波的照射量。因此，能够降低为了由照射装置5向催化剂装置4照射微波而需要的电量。
再者，在本实施方式涉及的构成中，与在催化剂装置4的催化剂层43中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的情况相比，第1催化剂层43a中所含的第2催化剂物质的量变少，第2催化剂层43b中所含的第2催化剂物质的量变多。因此，即使通过由照射装置5照射微波从而第1催化剂层43a中所含的微波吸收体发热，受到其影响的第2催化剂物质的量也相对少，因此难以促进该第2催化剂物质的活化。因此，在本实施方式涉及的构成中，如图4(c)所示，与在催化剂装置4的催化剂层43中使相同量的第1催化剂物质一样地分布的情况(即，使相同量的第2催化剂物质一样地分布的情况)相比，该催化剂装置4的NOx净化率的上升延迟。但是，如图4(a)所示，在内燃机1的冷起动时，其刚起动后来自该内燃机1的NOx排出量少。而且，伴随着内燃机1起动后的燃烧温度的上升，来自该内燃机1的NOx排出量增加。因此，即使是本实施方式涉及的构成，在来自内燃机1的NOx排出量增加的时期，也能够使催化剂装置4的NOx净化率上升。因此，难以发生违背催化剂装置4的HC净化性能提高的、NOx向该催化剂装置4的下游侧的流出量增加的情况。另外，在内燃机1的起动后直至由于第2催化剂层43b中所含的第2催化剂物质活化而使催化剂装置4的NOx净化率某种程度地上升为止的期间，也可以执行用于抑制该内燃机1的燃烧温度的上升的燃烧控制。
进而，在本实施方式中，如上述那样，在催化剂层43中，在为上游部分且为排气接触部分的位置形成有第1催化剂层43a。在此，在排气的温度比催化剂层43的温度高的情况下，该催化剂层43的上游部分与其下游部分相比容易被排气加热，另外，该催化剂层43的排气接触部分与其排气不接触部分相比容易被排气加热。因此，在催化剂层43中，通过在如上述那样的位置形成第1催化剂物质的含有比例相对高的第1催化剂层43a，能够进一步促进该第1催化剂层43a中所含的第1催化剂物质的温度上升。因此，能够谋求第1催化剂物质的进一步的早期活化。
另外，若催化剂层43的上游部分的温度上升，则在该上游部分中产生的热容易通过排气的流动而传导至其下游部分。因此，通过促进催化剂层43的上游部分的温度上升，也能够促进该催化剂层43整体的温度上升。因此，通过在上游部分形成包含微波吸收体的第1催化剂层43a，不仅分布于该第1催化剂层43a中的第1催化剂物质，也能够谋求分布于催化剂层43的下游部分的第2催化剂层43b中的第1催化剂物质的早期活化。
(变形例)
催化剂装置4的催化剂层43中的第1催化剂层43a和第2催化剂层43b的分布方式并不限于如图3所示那样的方式。图5～图7分别是表示催化剂装置4的催化剂层43中的第1催化剂层43a和第2催化剂层43b的分布的变形例的图。再者，在图5～图7中，白色箭头与图3同样地表示在孔室42内流动的排气的流动方向。
在图5所示的第1变形例中，在催化剂层43中，在上游部分形成有第1催化剂层43a。另外，在该第1变形例中，与图3不同，催化剂层43的上游部分未被分割成第1催化剂层43a和第2催化剂层43b，该催化剂层43的整个上游部分成为第1催化剂层43a(即，催化剂层43的上游部分中的排气接触部分和排气不接触部分这两者成为第1催化剂层43a。)。在这样的构成的情况下，在排气的温度比催化剂层43的温度高时，第1催化剂层43a也容易被排气加热，因此能够进一步促进该第1催化剂层43a中所含的第1催化剂物质的温度上升。因此，能够谋求分布于第1催化剂层43a中的第1催化剂物质的进一步的早期活化。另外，在这样的构成的情况下，若第1催化剂层43a的温度上升，则该第1催化剂层43a中产生的热也容易通过排气的流动而传导至第2催化剂层43b。因此，不仅分布于包含微波吸收体的第1催化剂层43a中的第1催化剂物质，也能够谋求分布于第2催化剂层43b中的第1催化剂物质的早期活化。再者，作为图5所示的第1变形例的进一步的变形例，也可采用形成有第1催化剂层43a的上游侧的催化剂装置和形成有第2催化剂层43b的下游侧的催化剂装置成为分体的构成。
另外，在图6所示的第2变形例中，在催化剂层43中，在排气接触部分形成有第1催化剂层43a。在该第2变形例中，与图3不同，不仅催化剂层43的上游部分，其下游部分也被分割成第1催化剂层43a和第2催化剂层43b，催化剂层43的整个排气接触部分成为第1催化剂层43a。在这样的构成的情况下，在排气的温度比催化剂层43的温度高时，第1催化剂层43a也容易被排气加热，因此能够进一步促进该第1催化剂层43a中所含的第1催化剂物质的温度上升。
另外，在图7所示的第3变形例中，在催化剂层43中，在排气接触部分形成有第2催化剂层43b，在排气不接触部分形成有第1催化剂层43a。在此，在排气的温度比催化剂层43的温度低的情况下，通过排气从该催化剂层43带走热。但是，即使是这样时，在催化剂层43中，与排气接触部分相比，也难以通过排气从排气不接触部分带走热。因此，通过在排气不接触部分形成第1催化剂层43a，能够抑制在该第1催化剂层43a中暂时活化了的第1催化剂物质的温度因由排气带走热而降低的情况。因此，第1催化剂层43a中所含的第1催化剂物质活化了的状态容易被维持。
再者，在上述的实施方式和各变形例中，对催化剂层43由第1催化剂层43a和第2催化剂层43b构成的情况进行了说明，但是，催化剂层43的构成并不限于此。例如也能够采用相当于上述的实施方式及各变形例中的第2催化剂层43b的催化剂层被进一步分割成所含的催化剂物质的比例相互不同的两层的构成。
