JP2008121602A

JP2008121602A - フィルタ及び排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2008121602A
Application number: JP2006307825A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Osumi; 和生大角
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2008059726A1; WO2008059726A8

Abstract

【課題】フィルタの捕集機能と触媒の酸化機能を組み合わせた高捕集率、低温活性、低圧損のフィルタ及び排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】排気ガスに含まれる有害物質を除去するフィルタ１０を、排気ガスの流路の上流側に慣性さえぎり効果により有害物質を除去する第１領域を、下流側に吸着により有害物質を除去する第２領域を配置すると共に、前記第１領域に炭化水素吸着材を含む金属触媒１３を担持し、前記第２領域に酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒１４を担持して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィルタの捕集機能と触媒の酸化機能を組み合わせた高捕集率、低温活性、低圧損のフィルタ及び排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）等の有害物質を除去する方法としては、セラミックスや金属の多孔材を用いた多孔質フィルタや多孔材の表面に触媒を担持した触媒担持フィルタが用いられている。

この多孔質フィルタは、フィルタ表面で慣性さえぎり効果（ケークろ過）によりＰＭの捕集を行い、触媒担持フィルタはフィルタの表面の比表面積拡大の効果と酸化反応の促進効果でＰＭの吸着と除去を行っている。

しかしながら、多孔質フィルタにおいては、慣性さえぎり効果では球直径相当で１μｍ以下の微粒子の捕集には不利であるという問題があり、触媒担持フィルタにおいては、低温時におけるＰＭの酸化の触媒反応を向上するためには、触媒の担持量を増加する必要があるが、触媒の担持量を増加するとフィルタの目詰まりによる圧力損失が増大するという問題があり、触媒の担持量をむやみに増加することができない。更に、フィルタ表面で捕集されたＰＭが酸化（燃焼）する際に酸素が消費されて、一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成するので、フィルタ内部から出口にかけて捕集されたＰＭは酸化され難いという問題もある。

一方、ＮＯｘ浄化触媒やＤＰＦを備えた排気ガス浄化装置において、酸素吸蔵能を有する材料を組み合わせることで、酸素吸蔵時における自己発熱作用を利用して排気ガス浄化装置の温度を昇温して、排気ガス低温時のＮＯｘやＰＭの浄化率を向上する排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照。）。
特開２００６−２０７５２４号公報特開２００６−２０７５４９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、フィルタの捕集機能と触媒の酸化機能を組み合わせた高捕集率、低温活性、低圧損のフィルタ及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するためのフィルタは、排気ガスに含まれる有害物質を除去するフィルタにおいて、排気ガスの流路の上流側で炭化水素吸着材を含む金属触媒を担持すると共に、下流側で酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒を担持して構成される。

あるいは、排気ガスに含まれる有害物質を除去するフィルタにおいて、慣性さえぎり効果により有害物質を除去する第１領域と、吸着により有害物質を除去する第２領域を有し、排気ガスの流路の上流側に前記第１領域を、下流側に前記第２領域を配置すると共に、前記第１領域に炭化水素吸着材を含む金属触媒を担持し、前記第２領域に酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒を担持して構成される。

上記のフィルタにおいて、前記排気ガスの流路の上流側では白金（Ｐｔ）とゼオライトを担持し、かつ、前記排気ガスの流路の下流側では白金（Ｐｔ）と二酸化セリウム（ＣｅＯ₂）と二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を担持して構成される。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、上記のフィルタを備えて構成される。

上記の構成によれば、フィルタ上流側の慣性さえぎり効果による捕集機構を持つ第１領域とフィルタ下流側の吸着効果（拡散・さえぎり効果）による捕集機構を持つ第２領域に対して、それぞれ、炭化水素吸着材を含む金属触媒と、酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒とを担持させる。この異なるフィルタの捕集機構と異なる触媒の酸化特性の組み合わせにより、ガス入口側におけるＰＭ粗大粒子の捕集と炭化水素（ＨＣ）と煤（ＳＯＯＴ）の酸化の組み合わせと、ガス出口側におけるＰＭ微粒子捕集と一酸化炭素（ＣＯ）、煤（ＳＯＯＴ）の酸化の組み合わせとにより、フィルタ全体として、高捕集率、低温活性、低圧損のフィルタを実現する。

より詳細には、慣性さえぎり効果により有害物質を除去する第１領域が配置されたフィルタのガス入口側では、表面ろ過（ケークろ過）機能により、フィルタ表面でＰＭを捕集し、捕集されたＰＭを触媒反応で酸化する。この入口側のフィルタ表面に担持した炭化水素吸収材（ＨＣ吸着材）に吸着した炭化水素（ＨＣ）が、貴金属触媒により、２５０〜３００℃で酸化される。この酸化による発熱でＰＭ（粒子状物質）中の可溶性有機成分（ＳＯＦ）分が酸化され、更にＰＭ中の煤（ＳＯＯＴ）が酸化される。

一方、吸着により有害物質を除去する第２領域が配置されたフィルタのガス出口側では、表面で捕集できなかったＰＭ微粒子が多孔質の壁内を通過して、吸着効果（拡散・さえぎり効果）で第２領域の触媒の表面に捕集される。この触媒表面で捕集されたＰＭは貴金属触媒による酸化反応で生成したＣＯ，ＣＯ₂が触媒表面に吸着し、酸素吸蔵能を有する材料（ＯＳＣ材）から放出された活性酸素の働きでＰＭ微粒子とＣＯが酸化される。

本発明に係るフィルタ及び排気ガス浄化システムによれば、フィルタ上流側の慣性さえぎり効果による捕集機構を持つ第１領域とフィルタ下流側の吸着効果（拡散・さえぎり効果）による捕集機構を持つ第２領域に対して、それぞれ、炭化水素吸着材を含む金属触媒と、酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒とを担持させたので、フィルタ上流側即ちガス入口側においては、ＰＭ粗大粒子の捕集とＨＣ、ＳＯＯＴの酸化を行うことができ、フィルタ下流側即ちガス出口側においては、ＰＭ微粒子の捕集とＣＯ、ＳＯＯＴの酸化を行うことができるので、フィルタ全体としては、高捕集率、低温活性、低圧損を実現することができる。

以下、本発明に係る実施の形態のフィルタ及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態のフィルタ１０の構成を示す。このフィルタ１０は、ディーゼル内燃機関等の排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）であり、コージェライトや炭化ケイ素（ＳｉＣ）や酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ３₃）や二酸化チタン（ＴｉＯ₂）等で形成されるウオールスルータイプのハニカム構造で形成される。

このハニカム構造体では、図１に示すように、ハニカムの壁面においては、ハニカム材の骨格１１の間にハニカム流路１２が形成される。このハニカム材の骨格１１を触媒の担持体として、排気ガスの入口側のハニカム壁の表面の第１領域に、貴金属と炭化水素吸着材（ＨＣ吸着材）を含む第１の触媒１３を担持させる。それと共に、排気ガスの出口側のハニカム壁出口から内部にかけての第２領域に、貴金属担持の酸素吸蔵能を有する材料（ＯＳＣ材）を含む第２の触媒１４を担持させる。

この第１の触媒１３の炭化水素吸収材は、Ｐｔ−Ａｌ₂Ｏ３₃とゼオライト等で形成され、また、第２の触媒１４の酸素吸蔵能を有する材料は、Ｒｈ−ＣｅＯ₂とＰｔ−Ａｌ₂Ｏ３₃，Ｐｔ−ＣｅＯ₂とＴｉＯ₂とＰｔ−Ａｌ₂Ｏ３₃等で形成される。

上記の構成のフィルタによれば、図２に示すように、フィルタのガス入口側、即ち、上流側の第１領域では、表面ろ過（ケークろ過）機能で比較的大きい粒子状物質（有害物質）の粗大粒子ＰＭａを慣性さえぎり効果により捕集して除去するので、フィルタ表面で粒子状物質の粗大粒子ＰＭａを捕集できる。また、炭化水素吸収材に吸着した炭化水素（ＨＣ）が、貴金属触媒により、２５０℃〜３００℃で酸化されるので、この酸化による発熱で粒子状物質ＰＭａ中の可溶性有機成分（ＳＯＦ）が酸化され、更に粒子状物質ＰＭａ中の煤（ＳＯＯＴ）が酸化される。

一方、フィルタのガス出口側、即ち、下流側の第２領域では、表面で捕集できずに多孔質の壁内を通過してきた比較的小さい粒子状物質の微粒子（有害物質）ＰＭｂが拡散・さえぎり効果により吸着されて除去される。この触媒表面に吸着された粒子状物質の微粒子ＰＭｂは、貴金属触媒による酸化反応で生成され、触媒表面に吸着されたＣＯと共に、酸素吸蔵能を有する材料から放出された活性酸素の働きで酸化される。

従って、フィルタ上流側の慣性さえぎり効果による捕集機構を持つ第１領域とフィルタ下流側の吸着効果（拡散・さえぎり効果）による捕集機構を持つ第２領域に対して、それぞれ担持された、炭化水素吸着材を含む金属触媒と、酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒とにより、ガス入口側の第１領域においては粒子状物質の粗大粒子ＰＭａの捕集とＨＣとＳＯＯＴの酸化を行うことができ、ガス出口側の第２領域においては粒子状物質の微粒子ＰＭｂの捕集とＣＯ、ＳＯＯＴの酸化を行うことができる。そのため、フィルタ全体としては、高捕集率、低温活性、低圧損の性能を発揮することができる。

そして、この構成のフィルタを備えて排気ガス浄化システムを形成する。この排気ガス浄化システムは上記のフィルタの作用効果を奏することができるので、高捕集率、低温活性、低圧損の性能を発揮することができる。

本発明の実施例として、実施例１と実施例２を用意し、更に、従来技術の比較例を用意した。実施例１では、白金（Ｐｔ）と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなるＰｔ−Ａｌ₂Ｏ₃と、ゼオライトとで第１の触媒を形成し、その担持量を５０ｇ／Ｌとすると共に、ロジウム（Ｒｈ）と二酸化セリウム（ＣｅＯ₂）からなるＲｈ−ＣｅＯ₂と、Ｐｔ−Ａｌ₂Ｏ₃とで第２の触媒を形成し、その担持量を３０ｇ／Ｌとした。

また、実施例２では、実施例１と同じくＰｔ−Ａｌ₂Ｏ₃と、ゼオライトとで第１の触媒を形成し、その担持量を５０ｇ／Ｌとすると共に、白金（Ｐｔ）と二酸化セリウム（ＣｅＯ₂）からなるＰｔ−ＣｅＯ₂と、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）と、Ｐｔ−Ａｌ₂Ｏ₃とで第２の触媒を形成し、その担持量を３０ｇ／Ｌとした。

また、比較例２では、実施例１と同じくＰｔ−Ａｌ₂Ｏ₃と、ゼオライトとで第１の触媒を形成し、その担持量を８０ｇ／Ｌとし、第２の触媒を担持しない構成とした。

これらの実施例１、２と比較例において、ＰＭ（微粒子状物質）捕集性能とＰＭ再生性能とＰＭ捕集時の圧力損失を比較した。図３にＰＭ（微粒子状物質）捕集性能を、図４にＰＭ再生性能を、図５にＰＭ捕集時の圧力損失を示す。これらの図では、実施例１をＡで、実施例２をＢで、比較例をＣで示す。

図３に示すＰＭ捕集性能では、実施例１（Ａ）と実施例２（Ｂ）が比較例（Ｃ）に対して高い捕集性能を示した。また、図４に示すＰＭ再生性能では、ＰＭ捕集後にフィルタを加熱した時の圧力損失の変化を示したが、実施例２（Ｂ）、実施例１（Ａ）、比較例（Ｃ）の順でＰＭの再生速度が速いことが分かる。

図５に示すＰＭ捕集時の圧力損失では、ＰＭ捕集（５ｇ／Ｌ）後にガス流量を変えて圧力損失を測定したが、比較例（Ｃ）は実施例１（Ａ）と実施例２（Ｂ）に対して短時間で圧力損失が高くなっていることが分かる。

本発明に係る実施の形態のフィルタの構成を模式的に示す図である。図１のフィルタにおけるＰＭ捕集の状態を模式的に示す図である。実施例と比較例のＰＭ捕集性能を示す図である。実施例と比較例のＰＭ再生性能を示す図である。実施例と比較例のＰＭ捕集時の圧力損失を示す図である。

符号の説明

１０フィルタ
１１ハニカム材の骨格
１２ハニカム流路
１３第１の触媒
１４第２の触媒

Claims

排気ガスに含まれる有害物質を除去するフィルタにおいて、排気ガスの流路の上流側で炭化水素吸着材を含む金属触媒を担持すると共に、下流側で酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒を担持したことを特徴とするフィルタ。
排気ガスに含まれる有害物質を除去するフィルタにおいて、排気ガスの流路の上流側に慣性さえぎり効果により有害物質を除去する第１領域を、下流側に吸着により有害物質を除去する第２領域を配置すると共に、前記第１領域に炭化水素吸着材を含む金属触媒を担持し、前記第２領域に酸素吸蔵能を有する材料を含む金属触媒を担持したことを特徴とするフィルタ。
前記排気ガスの流路の上流側では白金（Ｐｔ）とゼオライトを担持し、かつ、前記排気ガスの流路の下流側では白金（Ｐｔ）と二酸化セリウム（ＣｅＯ₂）と二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を担持したことを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
請求項１、２又は３のいずれか一つに記載のフィルタを備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。