JP2009513335A - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置 Download PDF

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Abstract

【課題】
実際自動車排気ガス温度の250〜600℃で窒素酸化物低減性能および粒子状物質の除去効率がより向上すると共に、CO、THCなどを除去することができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。
また、窒素酸化物触媒と粒子除去フィルターを直列上で連結し窒素酸化物低減触媒前端部にディーゼル噴射インジェクターを設置しディーゼル噴射によって窒素酸化物の還元が行われると共に、粒子除去フィルターを再生するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供する
【解決手段】
本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれている窒素酸化物(NOx)と粒子状物質(particulate matter、PM)を効率的に浄化するディーゼルエンジンの排気浄化装置に関するものであって、より詳しくは、窒素酸化物低減触媒部と粒子除去フィルター部とが排気ガスの流れに対して上流から順次に備えられ、窒素酸化物低減触媒部の前端部にディーゼル噴射インジェクターが設けられたディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。

Description

発明の詳細な説明
発明に属する技術分野
本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれている窒素酸化物(NOx)と粒子状物質(Particulate Matter、PM)とを効率的に浄化するディーゼルエンジンの排気浄化装置に関するものである。
従来の技術
ディーゼルエンジンは低燃比であると共に優れた信頼性を土台に自動車、船舶、一般産業用など産業全般において使用用途が多様であり、高出力および高負荷運転が可能であるため需要が続いて増加している。また、低燃比車両を目標に推進されている3L自動車プログラム(Car Program)またはスーパーカープロジェクト(Super Car Project)からディーゼルエンジン採用が既定事実化されているためディーゼルエンジン車両の増加が予想されている。しかし、先進各国でこのようなディーゼル自動車が総大気汚染の40%を占めるほど、大気汚染の主犯として認識されていることもある。
これに対応するために各国ではディーゼルエンジンの排気ガス規制を強化している。このようなディーゼル自動車の大気汚染は主に窒素酸化物(NOx)と粒子状物質(PM)とによって発生する。したがって、ディーゼル自動車排気規制の主な対象物質は窒素酸化物と粒子状物質であり、その対応技術としては燃料噴射時期の遲延と排気ガス再循環装置(Exhaust Gas Recirculation)による窒素酸化物の濃度低減と、粒子状物質を低減させるためのエンジンの燃焼性能改善および改良に重点を置いて開発された。
窒素酸化物を低減させるための方法は還元剤を利用し触媒上で窒素酸化物を窒素と酸素に還元する選択的触媒還元反応(SCR、Selective Catalytic Reduction)が使用されている。
この時、前記選択的触媒還元反応に使用される還元剤としてはアンモニア、ウレア、炭化水素を使えるが、アンモニア、ウレアなどは別途に供給が可能なインフラが必要と言う短所があるため炭化水素が好まれており、その類型としては輕油、灯油、プロピレン、プロパン、エチレン、ブチレン、メタンなどがある。
一方、PM低減方法としてはディーゼル粒子フィルター(Diesel particulate filter、DPF)方式が広く使用されており、フィルターに捕集されたPMを連続的に再生する方法により連続再生式、強制再生式で分けられる。連続再生式方法はDPF前端に設けられた酸化触媒によってNOをNOに転換してPMを再生する方式であり、より能動的に再生するために強制的にフィルターの温度を高めることができる補助器具を使うのが強制再生式である。強制再生式としてはDPF上に電極を形成し放電させたり、電気ヒーターを利用しフィルターの温度を高めたり、DPF前端部にプラズマ反応器を設置して再生する方法又はディーゼルを噴射して燃焼する方法などがある。
従来ディーゼルエンジンの排気浄化装置で排気通路の上流側に酸化触媒を担持したDPFを配置し、下流側に炭化水素選択還元式の窒素酸化物低減触媒(DeNOx触媒)を配置し、前記DPFとDeNOx触媒との間に燃料噴射インジェクターを設置した排気浄化システムが知られている。
しかし、前記従来排気浄化装置は中温帯域で窒素酸化物および粒子状物質を含んでCOおよびTHC(Total Hydrocarbon)を同時に効果的に除去するがは力不足であった。
従って、本発明の目的は実際自動車排気ガス温度の250〜600℃で窒素酸化物低減性能および粒子状物質の除去効率がより向上すると共に、CO、THCなどを除去することができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は窒素酸化物触媒と粒子除去フィルターを直列上で連結し窒素酸化物低減触媒前端部にディーゼル噴射インジェクターを設置しディーゼル噴射によって窒素酸化物の還元が行われると共に、粒子除去フィルターを再生するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。
本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれている窒素酸化物(NOx)と粒子状物質(particulate matter、PM)を効率的に浄化するディーゼルエンジンの排気浄化装置に関するものであって、より詳しくは、窒素酸化物低減触媒部と粒子除去フィルター部とが排気ガスの流れに対して上流から順次に備えられ、窒素酸化物低減触媒部の前端部にディーゼル噴射インジェクターが設けられたディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。
本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は実際自動車排気ガス温度の250乃至600℃で窒素酸化物低減性能が優れていると共に、粒子状物質の除去効率が優れた排気ガス浄化装置であって、ディーゼル噴射によって窒素酸化物の選択的還元が行われ、同時に粒子除去フィルターを再生できると言う長所がある。また排気ガスの温度に応じたNox低減性能の差を誘発するエンジンの運転状態に関係なく優れたNOx低減性能を有し、PMだけでなくCOおよびHCの除去効率も優れている。
以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置はディーゼルを噴射し窒素酸化物低減触媒部(以下、「DeNOx触媒部」という。)でNOxを低減し、ディーゼル燃焼によって粒子除去フィルター(以下、「DPF」という。)部に蓄積された粒子状物質(PM)を除去すると共に、COおよびTHC(Total Hydrocarbon)を除去する。
本発明において、窒素酸化物はDeNOx触媒だけで除去されるのではなく250乃至350℃の中温帯域でDPF触媒によって、追加的に除去されるので窒素酸化物をより効果的に除去することができる。従来、単純にDeNOx触媒だけを使用する場合には250乃至350℃の中温帯域で転換率が低くなって望む除去効率が得られなかった。
また、本発明で粒子状物質はDPF部で大部分除去されるが、DeNOx前端部でディーゼルを噴射する場合DeNOx触媒を通過しながら、ディーゼルが均一に分布するようになってDPFの再生温度を低くすることができた。
なお、本発明は従来排気ガス浄化装置では除去することができなかったCOおよびTHCを効果的に除去することができる。
COはDeNOx触媒では除去できないので、DeNOx触媒だけがある場合にはむしろCOが増加するようになる。しかし、本発明においてはDPF触媒の白金族成分により200℃以上でCOを効果的に除去できるようになる。
THCの場合にも、DeNOx触媒では除去できない。特に、窒素酸化物を除去するためにディーゼルを還元剤に噴射する場合にはそうでない場合に比べてより多いHC(Hydrocarbon)が排気ガス中に含まれるようになる。このような問題点を解決するために本発明ではDeNOx触媒を通過しながら、増加した未反応HCをDPF触媒で効果的に除去することができる。
本発明の一実施例としてディーゼルエンジンの排気通路に挿入される排気ガス浄化装置を図1に示した。図1によれば、排気ガスの流れにより上流側にDeNOx触媒部(1)が備わられ、これに直列にDPF部(2)が備えられ、DeNOX触媒部の前端部にディーゼル噴射インジェクター(3)が設置されている。
本発明によるまた1つの実施例としてディーゼルエンジンの排気通路に挿入される排気ガス浄化装置を図2に示した。図2によれば、DeNOx触媒部はそれぞれのDeNOx触媒部が多層で隣接し連続的に配列されているDeNox触媒部を多層で隣接、配列する場合排気ガスが通過する表面積を増加させNOx低減効率を向上させることができ、また各層に互いに異なる触媒を使ったり触媒の含量を変化させることによってNOx低減効率を増加させることができるためNOx低減効率が多様な温度範囲で優れるだけでなく、排気ガスの温度に応じたNOx低減性能の差を誘発するエンジンの運転状態に関係なく優れたNOx低減性能を有すると言う長所がある。
本発明によるDeNOx触媒部は銀(Ag)成分、銅(Cu)成分またはこれらの混合物が担持された触媒を使い、銀(Ag)成分を担持するために使用可能な物質は還元状態の銀(Ag)、酸化銀(AgO)、塩化銀(AgCl)、硝酸銀(AgNO、硫酸銀(AgSO)またはこれらの混合物から選択して使い、銅(Cu)成分を担持するために使用可能な物質は還元状態の銅(Cu)、酸化銅、酢酸銅、硝酸銅、硫酸銅またはこれらの混合物から選択して使用する。触媒を担持する担体はアルミナ(Al)、シリカ(SiO)、チタニア(TiO)、セリア(CeO)、ジルコニア(ZrO)またはゼオライトを用いることができ、2種以上を混合して使っても良い。その中でアルミナを担体に使うのが窒素酸化物低減性能側面からもっと優れていた。
前記担体は支持体上にコーティングして使うようになり、その使用量は全体触媒含量基準に0.5乃至4g/inであるのが好ましい。この時、前記担体の含量が0.5g/in未満の場合、担持された触媒の絶対量が少なくなって触媒の性能が顕著に減少し、4g/inを超えれば触媒性能がそれ以上増加しなくなることと共に製造が難しくなる。
前記DeNOx部の支持体は耐熱性セラミックまたは金属材質からなるフロースルー(flow-through)型の支持体として、より具体的にはコーディアライト(Cordierite)ハニカム成形体が例示されることができる。
本発明による銀成分、銅成分またはこれらの混合成分は担体の重量基準として0.1乃至10重量%がなるように使用するのが好ましい。これは前記含量が0.1重量%未満である場合、触媒作用を担当する成分の絶対量が少なくなって、触媒の性能が顕著に減少し、10重量%を超えれば反応に不利な金属状態で存在するようになって触媒の性能が顕著に減少するようになる。
また本発明によるDeNOx触媒は実際排気ガス温度の250乃至600℃で窒素酸化物低減性能がより優れるように白金族成分を追加的に担持する。本発明による窒素酸化物低減触媒は実際排気ガス温度の250乃至600℃で窒素酸化物低減性能が優れ、白金族触媒を追加的に担持する場合350乃至450℃の範囲で窒素酸化物低減性能がより優れた特徴を有する。
前記DeNOx触媒部に担持される白金族貴金属で使用可能な金属はPt、Pd、Ru、Ir、およびRh中1種または2種以上の混合からなり、パラジウム(Pd)の出発物質としてはパラジウムナイトレート、パラジウムクロライド、テトラミンパラジウムジクロライドなどが使われる。また白金(Pt)の出発物質としては塩化白金酸、ジアミンナイトリトプラチナ、ジアミンテトラクロロプラチナなどが使われ、ロジウム(Rh)の出発物質としてはロジウムクロライド、ロジウムナイトレート、トリアミンロジウムヘキサクロライドなどが使われる。また前記白金族金属の含量は0.0001乃至0.5重量%であることが良く、好ましくは0.0005乃至0.2重量%であり、より好ましくは0.001乃至0.1重量%である。前記含量が0.0001重量%未満であれば性能改善に役に立たなくて、0.5重量%を超えれば性能が急速に減少するためである。
本発明によるDPFは白金族触媒が担持されたフィルターとして、前記白金族触媒に担持される元素はPt、Pd、Ir、およびRhからなる群より1種以上が選ばれるが、PtまたはPdがより望ましい。DPFに担持される白金族触媒の含量は担体がコーティングされた支持体に対して0.01重量%乃至5重量%であり、0.01重量%未満である場合には粒子状物質除去効果が現れなく、5重量%を超過する場合にはそれ以上の性能が改善されないため経済的な面で不利な点があるかもしれない。
また、DPFは白金族触媒以外に酸化助触媒成分を追加的に担持することができる。酸化助触媒成分は亜硫酸ガスの酸化を抑制したり白金族触媒の表面活動性を増加させる役割を果たす。一般に白金族触媒は可溶性有機物質(SOF)の酸化反応で高い活性を現わすが、輕油の中に含まれている硫黄の燃焼生成物の亜硫酸ガス(SO)が酸化し硫酸塩になって粒子状物質を逆に増加させてしまう良くない結果を持ってくる。このような問題点を改善するために前記白金族触媒にV、WまたはMoから選ばれる1種以上の触媒成分を付加的に使用することができる。前記V、WまたはMoから選ばれる1種以上の触媒成分は担体がコーティングされた支持体に対して0.01重量%乃至2重量%の含量であるのが好ましい。前記含量が0.01重量%未満の場合には亜硫酸ガスの酸化を抑制する効果が現れなく、2重量%を超過する場合には追加添加に応じた意義がなくて経済的ではない。また、K、Mgなどのアルカリ金属成分は低温流動性を持っているため白金族触媒の表面活動性を増加させて触媒と粒子状物質の接触を容易にすることによって触媒反応速度を向上させる役割を果たす。前記アルカリ金属は担体がコーティングされた支持体に対して0.01重量%乃至1重量%の含量で使用するのが好ましい。前記含量が0.01重量%未満である場合には白金族触媒の反応速度を増加する効果が現れなく、1重量%を超過する場合には追加添加に応じた意義がなくて経済的ではない。
また前記触媒成分を担持する担体はアルミナ(Al)、シリカ(SiO)、チタニア(TiO)、セリア(CeO)、ジルコニア(ZrO)またはゼオライトを用いることができ、2種以上を混合して使っても良い。
本発明によるDPFは窒素酸化物低減触媒前端部から噴射されるディーゼルが酸化されながら排気ガスが昇温されることを利用して蓄積された粒子状物質を除去する。この時DPFの温度が過多に昇温される場合にも安全に使用できるように支持体は耐熱性に優れたコーディアライト、SiCを含むセラミック、Ni合金またはFeCr合金を含む合金材質を使用するのが好ましい。上記のような高耐熱性材料を支持体に使用する場合にはDPF再生時に発生する高熱に対して安全に運転ができ、また過多な粒子状物質が酸化される場合に発生する熱量を利用できるため噴射されるディーゼル燃料の量を節約できると言う長所がある。
以下、実施例で本発明をもっと具体的に説明する。しかし、本発明の実施例は色々な形態に変更することができ、本発明の範囲が次に詳述する実施例によって限定されるように解釈されてはいけない。
製造例1
窒素酸化物低減触媒を次の通り製造した。ガンマアルミナパウダー[表面積:210m/gr、気孔体積:0.5cc/gr、比重:0.8g/cc]と酢酸および2次蒸溜水を混合した後、湿式ボールミルを利用し24時間粉砕して均一なアルミナスラリーを製造した。湿式ボールミルによって粉砕したアルミナの平均粒子の大きさが2乃至8マイクロメーターになるようにした。前記製造したアルミナスラリーに直径11.25インチ、長さ3インチの400cpsiのコーディアライトハニカムをウォッシュコーティング(wash coat)しアルミナの担持量が3g/inになるようにコーティングした後、焼成炉で常温から120℃まで3℃/分昇温した後、120℃で3時間乾燥した後、120℃から550℃まで3℃/分昇温して、550℃で3時間焼成した。
その後、前記焼成したアルミナ担持コーディアライト乾燥体を硝酸銀と白金前駆体に塩化白金酸を溶解し製造した溶液に含浸して、銀がアルミナ重量対比2.0重量%、白金触媒成分は0.001重量%になるように含浸した後、アルミナウォッシュコーティング条件のように120℃で3時間、550℃で3時間焼成した。
製造例2
粒子除去フィルターは次の通り製造した。2Lフラスコにポリビニルピロリドン(アルドリッチケミカル社、平均分子量10、000)252gを蒸溜水1Lに溶かし均一溶液を作る。ここに、塩化白金酸30.4gを入れメタノール1Lを入れて攪拌する。この溶液を80℃で6時間還流させ濾過して白金含量0.62重量%の暗褐色白金コロイド溶液2、070gを得る。アンモニウムモリブデン酸塩15.4g、水酸化カリウム10gをそれぞれ蒸溜水250mLに入れて攪拌してモリブデン(Mo)水溶液、カリウム(K)水溶液を製造する。
前記から製造された白金コロイド溶液、モリブデン(Mo)水溶液、カリウム(K)水溶液を同一重量比に混合し触媒化されたフィルター用金属塩コロイド溶液を得る。コニン社の直径11.25インチ、長さ14インチ、セル密度200cpsiのウォールフロー形態のセラミックフィルターを触媒化されたフィルターの支持体に使用する。
前記ハニコムモノリースに7重量%のチタニアとシリカ混合ウォッシュコート液を沈着させた後乾燥焼成する。ウォッシュコーティングした支持体に前記触媒化されたフィルター用コロイド混合液を担持させ、担体がコーティングされた支持体に対して白金含量が0.27重量%、モリブデン含量が0.16重量%、カリウム含量が0.077重量%になるようにした。120℃で3時間間乾燥した後、550℃の温度で4〜6時間焼成し粒子状物質除去用フィルターを製造した。
排気ガス浄化装置の性能評価-1
製造例1で製造した窒素酸化物低減触媒と製造例2で製造した粒子除去触媒を連続的に連結した後、ステンレススチールで製作されたキャニングに位置した。
評価試験に用いたエンジンは排気量11リットルの過給器および中間冷却器が適用された大宇エンジンを使った。排気ガス低減および粒子状物質低減評価試験は大型ディーゼル車両用日本13モードにより実施した。テストはエンジンダイナモでテストモードに規定されている一定のrpmと負荷(torque)で実施した。この時に用いたディーゼルは硫黄含量が50ppmの超低硫黄ディーゼルであった。実施結果、一酸化炭素は92%、炭化水素は34%、窒素酸化物は38%、PM除去率は93%以上の低減率を示した。

Figure 2009513335
排気ガス浄化装置の性能評価-2
前記実施例1で使ったのと同一の排気ガス浄化装置を使った。
評価試験に用いた車両は排気量12.9リットルの過給器および中間冷却器が適用された日本HINO社のものであり、シャーシーダイナモ(Chassis Dynamo)でテストを行った。排気ガス低減および粒子状物質低減評価試験は大型ディーゼル車両用日本13モードで実施した。この時に用いたディーゼルは硫黄含量が10ppmの超低硫黄ディーゼルであった。実施結果、一酸化炭素は98%、炭化水素は36%、窒素酸化物は39%、粒子上物質は97%以上の低減率を示した。

Figure 2009513335
符号の説明
1:窒素酸化物低減触媒(DeNOx触媒)部
2:粒子除去フィルター(DPF)部
3:ディーゼル噴射インジェクター
本発明による排気ガス浄化装置であって、DeNOx触媒層が一層である場合を示す。 本発明による排気ガス浄化装置であって、DeNOx触媒層が色々な層である場合を示す。

Claims (17)

  1. ディーゼルエンジンの排気通路に挿入される排気ガス浄化装置において、窒素酸化物低減触媒部と粒子除去フィルター部とが排気ガスの流れに対して上流から順次に備えられ、窒素酸化物低減触媒部の前端部にディーゼル噴射インジェクターが設けられたディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  2. 前記窒素酸化物低減触媒部はそれぞれの触媒部が多層で隣接して、配列されるのを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  3. 前記隣接した触媒部は互いに異なる触媒組成または含量を有することを特徴とする請求項2に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  4. 前記粒子除去フィルターは白金族触媒が担持されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  5. 前記白金族触媒成分はPt、Pd、Ir及びRhからなる群から選ばれた1種以上であることを特徴とする請求項4に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  6. 前記粒子除去フィルターは白金(Pt)成分が担持されていることを特徴とする請求項5に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  7. 前記粒子除去フィルターは耐熱性セラミックまたは金属材質からなる支持体上にアルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニアまたはゼオライトから選ばれる1種以上の担体がコーティングされていることを特徴とする請求項4に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  8. 前記粒子除去フィルターは担体がコーティングされた支持体に対して0.01乃至5重量%の白金(Pt)成分が担持されていることを特徴とする請求項7に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  9. 更に、前記粒子除去フィルターにV、W、Mo、MgまたはKから選ばれる1種以上の酸化助触媒成分が担持されることを特徴とする請求項8に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  10. 前記酸化助触媒成分がV、WまたはMoから選ばれる1種以上の酸化助触媒成分である場合は担体がコーティングされた支持体に対して0.01乃至2重量%であり、MgまたはKから選ばれる1種以上の酸化助触媒成分である場合は担体がコーティングされた支持体に対して0.01乃至1重量%であることを特徴とする請求項9に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  11. 前記窒素酸化物低減触媒部は銀(Ag)成分、銅(Cu)成分またはこれらの混合物が担持されていることを特徴とする請求項4又は9に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  12. 前記窒素酸化物低減触媒部は耐熱性セラミックまたは金属材質からなる支持体上にアルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニアまたはゼオライトから選ばれる1種以上の担体がコーティングされていることを特徴とする請求項11に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  13. 前記窒素酸化物低減触媒部は担体に対して0.1乃至10重量%の銀(Ag)成分が担持されていることを特徴とする請求項12に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  14. 更に、前記窒素酸化物低減触媒部は担体に対して0.0001乃至0.5重量%の白金族触媒成分が担持されていることを特徴とする請求項13に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  15. 更に、前記窒素酸化物低減触媒部は担体に対して0.001乃至0.1重量%の白金族触媒成分が担持されていることを特徴とする請求項14に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  16. 前記白金族触媒成分はPt、Pd、IrおよびPhからなる群から選ばれた1種以上であることを特徴とする請求項15に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
  17. 前記白金族触媒成分が白金(Pt)であることを特徴とする請求項16に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
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