JP2009221913A - 排ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リーン又はリッチ制御が行われる内燃機関1の排ガス通路2に設けられ、前記内燃機関1から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置10であって、前記内燃機関1の排ガス通路2に設けられ、アルカリ金属及びアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む高温型リーンNOx触媒を有する第1浄化部11と、前記第1浄化部11より下流側の前記排ガス通路2に設けられ、排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタを有する第2浄化部12と、前記第2浄化部12より下流側の前記排ガス通路2に設けられ、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒を有する第3浄化部13と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本実施形態に係る排ガス浄化装置10の概略構成を図1に示す。図1に示されるように、排ガス浄化装置10は、リーン又はリッチ制御が行われる内燃機関1の排ガス通路2に設けられ、前記内燃機関1から排出される排ガスを浄化するために用いられる。本実施形態では、内燃機関1として、リーンバーンエンジンを適用することが好ましく、ディーゼルエンジンを適用することがより好ましい。
第1浄化部11は、内燃機関1の下流側の排ガス通路2に設けられ、好ましくは、内燃機関1の直下に設けられる。第1浄化部11は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む高温型リーンNOx触媒を有することを特徴とする。このため、第1浄化部11は、高温型リーンNOx触媒の作用により、250℃〜500℃で高いNOx浄化性能を発揮する。第1浄化部11では、リーン状態のときにNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxをリッチ状態のときに放出することにより、共存する還元剤の作用でNOxの浄化が達成される。
第2浄化部12は、第1浄化部11より下流側の排ガス通路2に設けられ、排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタを有することを特徴とする。フィルタとしては、PMを捕集可能なものであれば特に限定されず、従来公知のDPFを用いることができる。
第3浄化部13は、第2浄化部12より下流側の排ガス通路2に設けられ、自動車の場合には好ましくは床下に設置される。第3浄化部13は、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒を有することを特徴とする。このため、第3浄化部13は、低温型リーンNOx触媒の作用により、150℃〜400℃において高いNOx浄化能を発揮する。
第1触媒層には、白金等の貴金属、セリウム系材料、及びランタン系材料が添加されている。このため、白金等の貴金属と、セリウム系材料及びランタン系材料との相乗効果により、優れたNOx浄化性能を有する。
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、第1触媒層中に含まれるPtの作用により、NOxは第1触媒層に酸化(例えば、NOからNO2に酸化)吸着され、仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、セリウム系材料及びランタン系材料はNOx吸着材として機能する。
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、第1触媒層中に含まれるPtの作用により、NOxは第1触媒層に酸化(例えば、NOからNO2に酸化)吸着され、仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、ランタン系材料はNOx吸着材として機能する。なお、低温領域とは異なり、セリウム系材料はNOx吸着能がやや低下する。
第2触媒層は、排ガスと直接接する最表面層として使用されることが好ましい。また、第2触媒層は、実質的に白金成分を含まないことが好ましく、貴金属成分を含まないことがより好ましい。
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、排ガス中のNOxが上層(第2触媒層)を通過して、下層(第1触媒層)に到達する。次いで、下層(第1触媒層)に到達したNOxは、Ptの作用により酸化(例えば、NOからNO2に酸化)され、下層(第1触媒層)に一旦吸着されて仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、セリウム系材料及びランタン系材料はNOx吸着材として機能する。
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、排ガス中のNOxが上層(第2触媒層)を通過して、下層(第1触媒層)に到達する。次いで、下層(第1触媒層)に到達したNOxは、Ptの作用により酸化(例えば、NOからNO2に酸化)され、下層(第1触媒層)に一旦吸着されて仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、ランタン系材料はNOx吸着材として機能する。なお、低温領域とは異なり、セリウム系材料はNOx吸着能がやや低下する。
以下、本実施形態に係る排ガス浄化装置10の作用効果について、排ガス温度が高温の場合、中温の場合、低温の場合に分けて説明する。
本実施形態に係る排ガス浄化装置20の概略構成を図2に示す。図2に示されるように、本実施形態に係る排ガス浄化装置20は、第1浄化部21の上流側の排ガス通路2に、酸化触媒部(DOC)24をさらに備えることを特徴とする。なお、その他の構成は、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10と同様である。
酸化触媒部24は、酸化触媒を備えたものであればよく、酸化触媒としては従来公知のものが用いられる。例えば、PGM(白金族金属)、アルミナ系材料、Ce系材料、ゼオライト等から構成された酸化触媒を用いることができる。触媒金属であるPGMとしては、Pt、Pd、Rh等が挙げられる。アルミナ系材料は、高比表面積化、耐熱性向上のために用いられ、例えば、アルミナやシリカアルミナ等が挙げられる。Ce系材料としては、セリアやジルコニアで安定化させたセリア−ジルコニア複合酸化物が挙げられる。ゼオライトは、HC吸着材として作用し、例えば、β型ゼオライトやMFI型ゼオライトが挙げられる。
本実施形態に係る排ガス浄化装置30の概略構成を図3に示す。図3に示されるように本実施形態に係る排ガス浄化装置30は、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10の第2浄化部12のフィルタ表面に、PM燃焼触媒を担持させてなるフィルタ(キャタライズド・スート・フィルタ:CSF)を有する第2浄化部32を備えることを特徴とする。なお、その他の構成は、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10と同様である。
第2浄化部32が有するPM燃焼触媒としては、特に限定されず、従来公知のPM燃焼触媒が用いられる。例えば、Pt、Pd、Rh、及びAgよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属と、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材と、を含むものが好ましく用いられる。
本実施形態に係る排ガス浄化装置40の概略構成を図4に示す。本実施形態に係る排ガス浄化装置40は、第1浄化部41の高温型リーンNOx触媒を所定温度以上に加熱し、且つ排ガス雰囲気をリッチに制御することにより、高温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去するとともに、第2浄化部42のフィルタに吸着していた硫黄成分及び第3浄化部43の低温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去する再生手段45をさらに備えることを特徴とする。その他の構成は第1実施形態に係る排ガス浄化装置10と同様である。なお、再生手段45は、第1実施形態のみならず、第2実施形態や第3実施形態に適用することも可能である。
再生手段45としては、第1浄化部41の高温型リーンNOx触媒を所定温度以上に加熱し、且つ排ガス雰囲気をリッチに制御することにより、高温型リーンNOx触媒と低温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分、及び第2浄化部42のフィルタに吸着していた硫黄成分を除去できるものであればよく、例えば、ポスト噴射による強制再生が挙げられる。また、温度センサ等の硫黄被毒検知手段と、PM堆積量検知手段と、これら硫黄被毒検知手段とPM堆積量検知手段により検知された情報に基づいて再生時期を判定する再生時期判定手段と、再生時期判定手段により再生時期であると判定されたときに再生手段45を駆動させる再生制御手段と、をさらに備えることが好ましい。
下記に示す高温型リーンNOx触媒、CSF、及び低温型リーンNOx触媒を、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10に適用し、下記に示す評価方法に従ってテストを実施した。
担体:400cell/25μm(壁厚)メタル製ハニカム
貴金属:Pt、Rh(Pt/Rh=5/1(質量比))
アルカリ金属又はアルカリ土類金属:K、Ba
酸素吸蔵放出材:Ce−Zr複合酸化物
サポート材:TiO2
容量:0.8L
配置:ディーゼルエンジン直下
材質:ウォールフロー型SiC
気孔径:23μm
気孔率:52%
触媒:PtPd/Al2O3(PGM5g/L、Pt/Pd=2/1(質量比))、
触媒担持量:35g/L
容量:2.6L
担体:400cell/3.5milコージェライト製ハニカム
触媒、触媒担持量:表1参照
容量:2.0L
配置:床下
低温型リーンNOx触媒を設置していない点を除いて、実施例1と同様の装置構成を有する排ガス浄化装置50(図5参照)に、実施例1と同様のテストを実施した。
高温型リーンNOx触媒を設置していない点を除いて、実施例1と同様の装置構成を有する排ガス浄化装置60(図6参照)に、実施例1と同様のテストを実施した。
評価エンジン:2.0Lディーゼルエンジン排ガス
リーン/リッチの割合:55秒/5秒
SV(空間速度):75,000h−1
排ガス温度:150℃、170℃、200℃、250℃、300℃、400℃、450℃、500℃の計8点
実施例及び比較例における排ガス温度とNOx浄化率との関係を図7に示した。また、計8点の排ガス温度において、低温型リーンNOx触媒に流入するガス温度を調べた結果を図8に示した。図7に示される通り、高温型リーンNOx触媒と低温型リーンNOx触媒とを併用した本実施例によれば、150℃〜500℃の幅広い温度域で高いNOx浄化率が得られることが確認された。特に、150℃付近におけるNOx浄化率と、500℃付近におけるNOx浄化率は、単なる足し算以上の効果が得られていた。これは、図8に示されるように、排ガス温度が150℃のとき、低温型リーンNOx触媒に流入するガス温度は170℃程度とやや高温化しており、低温型リーンNOx触媒の浄化ウインドウの範囲内に移行しているためである。一方、排ガス温度が500℃のときには、低温型リーンNOx触媒に流入するガス温度は420℃程度と低温化しており、やはり低温型リーンNOx触媒の浄化ウインドウの範囲内に移行しているためである。
11、21、31、41 第1浄化部
12、22、32、42 第2浄化部
13、23、33、43 第3浄化部
24 酸化触媒部
45 再生手段
1 内燃機関
2 排ガス通路
Claims (20)
- リーン又はリッチ制御が行われる内燃機関の排ガス通路に設けられ、前記内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であって、
前記内燃機関の排ガス通路に設けられ、アルカリ金属及びアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む高温型リーンNOx触媒を有する第1浄化部と、
前記第1浄化部より下流側の前記排ガス通路に設けられ、排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタを有する第2浄化部と、
前記第2浄化部より下流側の前記排ガス通路に設けられ、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒を有する第3浄化部と、を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。 - 前記高温型リーンNOx触媒が、Pt、Pd、及びRhよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属を含むことを特徴とする請求項1記載の排ガス浄化装置。
- 前記高温型リーンNOx触媒が、アルミナ、シリカ、チタニア、及びジルコニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の排ガス浄化装置。
- 前記高温型リーンNOx触媒が、セリア−ジルコニア複合酸化物からなる酸素吸蔵放出材を含むことを特徴とする請求項1から3いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記高温型リーンNOx触媒が、メタル製又はコージェライト製の担体を含むことを特徴とする請求項1から4いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記フィルタが、コージェライト、SiC、アルミナ、又はチタニアから構成されていることを特徴とする請求項1から5いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記フィルタの中心気孔径が10μm〜30μmであり、且つ気孔率が40%〜60%であることを特徴とする請求項1から6いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記第2浄化部が、前記フィルタ表面に担持され且つPt、Pd、Rh、及びAgよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属と、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材と、を含むPM燃焼触媒をさらに有することを特徴とする請求項1から7いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記低温型リーンNOx触媒が、担体上に担持され且つ貴金属、前記セリウム系材料、及びランタン系材料を含む第1触媒層を有し、
リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが前記第1触媒層に酸化吸着され、
リッチ状態としたときに、リーン状態で前記第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、前記第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、及び水に変換されることを特徴とする請求項1から8いずれか記載の排ガス浄化装置。 - 前記第1触媒層に含まれるランタン系材料の含有量が、単位体積あたり1g/L〜100g/Lであることを特徴とする請求項9記載の排ガス浄化装置。
- 前記第1触媒層に含まれる貴金属が、白金を主成分とし、且つロジウムを副成分とすることを特徴とする請求項9又は10記載の排ガス浄化装置。
- 前記貴金属の総含有量が、単位体積あたり0.1g/L〜20g/Lであることを特徴とする請求項11記載の排ガス浄化装置。
- 前記低温型リーンNOx触媒が、前記第1触媒層の上層に積層され且つ鉄、セリウム、及びランタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むβゼオライトを含む第2触媒層をさらに有し、
リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが前記第1触媒層に酸化吸着され、
リッチ状態としたときに、リーン状態で前記第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、前記第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、水、及びアンモニアに変換されて前記第2触媒層にアンモニアが吸着され、
再びリーン状態としたときに、リッチ状態で前記第2触媒層に吸着されたアンモニアが、排ガス中のNOxと反応して窒素及び水に変換されることを特徴とする請求項9から12いずれか記載の排ガス浄化装置。 - 前記還元成分が、一酸化炭素、炭化水素、及び水素よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項9から13いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記第1触媒層が、酸化ジルコニウム系材料、アルミナ系材料、ゼオライト系材料、及びシリカ系材料よりなる群から選ばれる少なくとも1種の耐熱性無機酸化物をさらに含むことを特徴とする請求項9から14いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記ランタン系材料が、ランタン金属、酸化ランタン、ランタン系複合酸化物、及びランタンと希土類元素との複合酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項9から15いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記セリウム系材料が、セリウム金属、酸化セリウム、セリウム系複合酸化物、及びセリウムと希土類元素との複合酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項9から16いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記第1触媒層が、複数層から構成されていることを特徴とする請求項9から17いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記第1浄化部より上流側の前記排ガス通路に設けられ、酸化触媒を有する酸化触媒部をさらに備えることを特徴とする請求項1から18いずれか記載の排ガス浄化装置。
- 前記第1浄化部の高温型リーンNOx触媒を所定温度以上に加熱し、且つ排ガス雰囲気をリッチに制御することにより、前記高温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去するとともに、前記第2浄化部のフィルタに吸着していた硫黄成分及び前記第3浄化部の低温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去する再生手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から19いずれか記載の排ガス浄化装置。
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