JP2017110499A - 内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents

内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 Download PDF

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Abstract

【課題】PMを捕集する触媒付微粒子捕集ユニットによる圧力損失の増加を減少できると共に、高硫黄含有の燃料の使用時でも、貴金属の硫黄被毒の問題を回避できて、PM浄化機能を長時間維持することができ、その結果、触媒付微粒子捕集ユニットのPM再生をゼロ若しくはその頻度を著しく低減できて、PM再生による燃費の悪化を抑制できる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】内燃機関10の排気通路15に触媒付微粒子捕集ユニット21を配設した内燃機関の排気ガス浄化システム1において、触媒付微粒子捕集ユニット21より上流側の排気通路15に酸化触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを配設せずに、触媒付微粒子捕集ユニット21のフィルタ構成をパーシャルフィルタ21aで構成し、このパーシャルフィルタ21aで担持する触媒21bを貴金属を含有しない貴金属レス触媒とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関し、より詳細には、PM浄化のための排気ガス浄化ユニットにおける圧力損失を減少してPM再生をゼロ若しくはその頻度を著しく低減できると共に、高硫黄含有の燃料の使用時でも、貴金属触媒の硫黄被毒の問題を回避できて、PM浄化のための燃料量を低減できる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。
一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関を搭載している車両では、内燃機関から排出される排気ガスに含有されるPM(微粒子状物質:Particulate Matter)を除去すべく、図3に示すような、前段酸化触媒ユニット31と触媒付微粒子捕集ユニット32とからなるPM浄化装置30が採用されている。
この酸化触媒ユニット31では、担持体31aに担持した貴金属を含有した貴金属触媒31bにより、排気ガスGa中のCO(一酸化窒素)やHCを酸化して排気ガスGaの温度を上昇させる昇温機能、PMの成分のSOOT(煤)を酸化するSOOT除去機能、及び、NO(一酸化窒素)を酸化してNO2(二酸化窒素)にするNO2生成機能を発揮し、下流側の触媒付微粒子捕集ユニット32における、通常時のPMの燃焼除去処理、PM再生時のPMの燃焼除去処理、及び、触媒付微粒子捕集ユニット32に担持された触媒に対する硫黄被毒再生における脱硫処理を容易にしている。
しかしながら、この酸化触媒ユニット31においては、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)等の白金族の貴金属を含有する貴金属触媒31bを使用しているためにコスト高となるという問題があり、この貴金属触媒31bの量を少なくする低貴金属化が進んでいる。
また、この酸化触媒ユニット31のみでは、貴金属触媒31bの量が少ない低貴金属の触媒コートで、PM中のSOOTに付着したSOF(有機溶媒可溶成分)の浄化は可能であるが、フィルタ機能がないため、PM浄化率は低い。
そのため、触媒付微粒子捕集ユニット32を設けているが、この触媒付微粒子捕集ユニット32のフィルタには、質量基準で例えば10%未満という非常に小さい微粒子濾過効率になるように、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウォールフローフィルタ32a等を採用して、PMの下流側への流出を防止している。
また、更に、貴金属触媒や、白金と塩基性のNOx吸蔵材の組み合わせや酸化セリウム(CeO2)等のPM酸化触媒等の触媒32bを担持することで、捕集したPMの燃焼除去の促進を図っている。
この触媒付微粒子捕集ユニット32では、排気ガスGaの低温状態が連続したりして捕集されるPM量が増加すると、触媒付微粒子捕集ユニット32の前後差圧が上昇するので、この前後差圧を一定以下に収めるために、周期的に捕集したPMを燃焼除去するPM再生を行う必要がある。また、触媒付微粒子捕集ユニット32に担持している触媒32bが硫黄被毒してPMの燃焼除去における触媒機能が低下した場合には、触媒温度を例えば600℃以上という高温、且つ、リッチ状態にして脱硫する硫黄被毒再生を行う必要もある。
しかしながら、これらの酸化触媒ユニット31と触媒付微粒子捕集ユニット32の組み合わせでは、2つの排気ガス浄化用ユニットが必要となるため、例えば、酸化触媒ユニットを設けずに、ウォールフローフィルタを採用した触媒付微粒子捕集ユニットにおいて、排気ガスの流入側の隔壁に遷移金属及びアルカリ金属塩からなる第1の排ガス浄化触媒を担持し、排ガスの流出側の隔壁に貴金属を含む第2排気ガス浄化触媒を担持した排ガス浄化フィルタが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、この排ガス浄化フィルタでは、貴金属を含む第2排気ガス浄化触媒を用いているため、高硫黄含有の燃料が使用されている地域では、排気ガス中に流出する硫黄成分により、硫黄被毒が発生して酸化機能が低下し、PM浄化機能が低下するという問題がある。そして、この硫黄被毒を解消するための脱硫処理では高温のリッチ雰囲気にする必要があるため、この硫黄被毒再生のために消費する燃料量が多く、燃費が悪化するという問題がある。
この硫黄被毒の問題に関連して、近年において、複数の金属からなる複合金属酸化物と特定のアルカリ金属硫酸塩の混合系触媒が、PMに対して高い活性を示し、耐久性にも優れているとして、白金族金属を全く使用することなく、貴金属触媒の代替となるディーゼル排ガス浄化触媒が提案されている(例えば、特許文献2及び非特許文献1参照)。
このディーゼル排ガス浄化触媒は、従来の貴金属触媒のようにNO2の酸素を用いてPMを燃焼するのではなく、大気中の酸素を直接PMに供給して燃焼させる働きをしており、この触媒の特徴は、排気ガス中の気相の酸素分子を解離し、この解離した酸素原子をPMに供給してPMを燃焼除去する能力が高いものと考えられている。このディーゼル排ガス浄化触媒は、貴金属触媒と異なり、硫黄被毒が起こり難い。
また、一方で、ウォールフローフィルタを採用した触媒付微粒子捕集ユニットにおいては、PM浄化率が高く、PMを捕集し易いが、圧力損失が大きい上に、PMの捕集により目詰りが発生し易く、この目詰りにより、触媒付微粒子捕集ユニットの前後差圧が大きくなり易く、このPM再生に伴う排気ガス温度の上昇とNO2の生成を行うPM再生の頻度が多くなり、このPM再生のために燃料量が増加するために燃費が悪化するという問題がある。
この圧力損失の問題に関連して、従来技術の10%未満の微粒子濾過効率を有して、排気ガスから90%以上のPMを除去することができるウォールフローフィルタの替りに、質量基準で略30%〜60%の範囲の微粒子濾過効率を有するパーシャルフィルタにNOx変換に有用なSCR触媒を担持させたディーゼルエンジン用排出処理システムが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
このパーシャルフィルタは、60%〜95%の多孔性を有する金属発泡フィルタや金属メッシュ等で構成されているが、パーシャルフィルタとしては、粒状のセラミックを使用するものもあり、このパーシャルフィルタでは、セラミック粒子の表面に酸化触媒やPM酸化触媒を担持することで、パーシャルフィルタ内に捕集されて堆積したPMを排気ガスの熱で燃焼することができる。また、ウォールフローフィルタにおけるセルの端部の目封じ部分を少なくしたパーシャルフィルタもある。
いずれの構成のパーシャルフィルタにしても、ウォールフローフィルタに比べて、初期の圧力損失が小さく、また、PM捕集中の圧力損失の上昇も小さいので、このパーシャルフィルタの採用は、触媒付微粒子捕集ユニットの圧力損失の減少に関しては有効な手段であると考えられるが、その一方で、PMの微粒子濾過効率が大きく、十分にPMを浄化できないという問題がある。
特開2009−247931号公報 特開2014−508号公報 特表2012−528705号公報
宮川達郎、中島隆弘、久保雅大、須賀亮介、「複合金属酸化物とアルカリ金属硫酸塩との組み合わせによるディーゼル排ガス浄化触媒」、パナソニック技報(Panasonic Technical Journal)、第57巻、第1号、2011年4月、p.20−24
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路にPMを捕集するための触媒付微粒子捕集ユニットを備えた内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、PMを捕集する触媒付微粒子捕集ユニットによる圧力損失の増加を減少できると共に、内燃機関の燃料に高硫黄含有の燃料が使用される場合でも、貴金属の硫黄被毒の問題を回避できて、PM浄化機能を長時間維持することができ、その結果、触媒付微粒子捕集ユニットのPM再生をゼロ若しくはその頻度を著しく低減できて、PM再生による燃費の悪化を抑制できる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に触媒付微粒子捕集ユニットを配設した内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒付微粒子捕集ユニットより上流側の前記排気通路に貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを配設せずに、前記触媒付微粒子捕集ユニットのフィルタ構成をパーシャルフィルタで構成すると共に、該パーシャルフィルタで担持する触媒を貴金属を含有しない貴金属レス触媒として構成される。
すなわち、排気ガス中のPM浄化に関しては、上流側の酸化触媒ユニットと下流側の触媒付微粒子捕集ユニットの組み合わせではなく、酸化触媒ユニット無しの触媒付微粒子捕集ユニットのみで対応すると共に、貴金属を含有しない化合物で構成される貴金属レス触媒をパーシャルフィルタに担持して、この貴金属レス触媒の触媒作用によりPMを酸化し燃焼させる。
ここでいう「パーシャルフィルタ」とは、質量基準で30%〜60%の範囲の微粒子濾過効率を有するフィルタのことを言う。このパーシャルフィルタは、金属発泡体、金属メッシュ、粒状のセラミック等を使用することにより形成でき、ウォールフローフィルタに比べて、初期の圧力損失が小さく、また、PM捕集中の圧力損失の上昇割合が小さいフィルタであり、このパーシャルフィルタでは、金属発泡体の空孔の表面、金属メッシュの表面、セラミック粒子の表面等に酸化触媒やPM酸化触媒を担持する。
この構成によれば、PMを捕集するフィルタ構成としてパーシャルフィルタを用いるので、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウォールフローフィルタを用いる場合と比較して、圧力損失及びPM捕集に伴う圧力損失の増加の割合を大きく低下させることができる。従って、この圧力損失の増加を解消するためのPM再生をゼロ若しくはその頻度を著しく減少することができ、PM再生のための燃料の量が少なくなり、燃費を改善できる。
また、パーシャルフィルタで担持する触媒に貴金属を含有しない貴金属レス触媒を使用しているので、硫黄濃度の高い燃料即ち高硫黄含有燃料を内燃機関の燃料に使用して、排気ガス中に比較的高い濃度の硫黄成分が流出する場合でも、貴金属を含有した触媒を使用していないので、硫黄被毒の問題が発生するのを回避できる。また、この貴金属レス触媒では、硫黄被毒が少ないので、PMへの酸化機能の低下を防止することができ、PM浄化機能を維持できるので、パーシャルフィルタの採用によるPMの浄化率の低下を補うことができる。
さらに、この内燃機関の排気ガス浄化システムでは、貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニット、即ち、酸化触媒ユニットを配設しないので、酸化触媒ユニットを用いて生じ得る分だけの圧力損失を小さくすることができる。
上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記貴金属レス触媒として、複数の金属からなる複合金属酸化物とアルカリ金属硫酸塩の混合系触媒を用いると、この複数の金属からなる複合金属酸化物とアルカリ金属硫酸塩の混合系触媒は、白金族触媒を全く使用しない触媒であり、貴金属触媒のようにNO2の酸素を用いてPMを燃焼するのではなく、大気中の酸素を直接PMに供給して燃焼させる働きをする触媒であるので、硫黄被毒の問題の発生がなく、効率よく、PM浄化を行うことができ、パーシャルフィルタのPM捕集率の低さを補うことができ、触媒付微粒子捕集ユニットとしてのPM浄化率を高くすることができる。
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に配設した触媒付微粒子捕集ユニットで、排気ガス中の微粒子物質を浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記内燃機関から排出された排気ガスを、貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを通過させることなく、パーシャルフィルタで形成するフィルタ構成を持ち、かつ、担持する触媒を貴金属を含有しない貴金属レス触媒とした前記触媒付微粒子捕集ユニットを通過させることにより、排気ガス中の微粒子物質の浄化を行うことを特徴とする方法である。この方法によれば、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムと同様な効果を奏することができる。
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、PMを捕集するフィルタ構成としてパーシャルフィルタを用いるので、圧力損失及び圧力損失の増加の割合を大きく低下させることができ、この圧力損失の増加を解消するためのPM再生をゼロ若しくはその頻度を著しく減少することができるので、PM再生のための燃料の量が減少し、燃費が改善される。
また、パーシャルフィルタで担持する触媒を貴金属レス触媒としているので、硫黄濃度の高い燃料を使用する場合でも、硫黄被毒の問題が発生するのを回避できるので、PMへの酸化機能の低下を防止してPM浄化機能を維持できるので、パーシャルフィルタの採用によるPMの浄化率の低下を補うことができる。
さらに、貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを配設しないので、この分の圧力損失を小さくすることができる。
つまり、酸化触媒ユニットの廃止とパーシャルフィルタの採用との組み合わせにより、PMを浄化するための排気ガス浄化ユニットにおける圧力損失及び圧力損失の増加を少なくする。それと共に、パーシャルフィルタの採用と貴金属レス触媒の採用の組み合わせにより、低圧力損失と高いPM浄化率を維持しつつ、硫黄被毒を回避する。この3つの組み合わせの両方の効果により、PM再生の頻度を少なくすると共に、硫黄被毒再生を廃止して、PM浄化能力を維持するための燃費の増加を抑制することができる。
本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成の一例を示す図である。 触媒付微粒子捕集ユニットのみで形成されるPM浄化ユニットの構成の一例を示す図である。 酸化触媒ユニットと触媒付微粒子捕集ユニットとの組み合わせで形成されるPM浄化ユニットの構成の一例を示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法について説明する。
最初に、図1を参照しながら、内燃機関の排気ガス浄化システム1について説明する。この内燃機関の排気ガス浄化システム1を備えるエンジン(内燃機関)10では、大気から導入される新気Aは、吸気通路14のエアクリーナ17、ターボチャージャ(ターボ式過給器)18のコンプレッサ18b、インタークーラ19a、インテークスロットルバルブ19bを順に通過して、吸気弁12から気筒(シリンダ)10a内に入る。この新気Aは、必要に応じて、EGR通路16から吸気通路14に流入する排気ガス(EGRガス)Geを伴う。
この吸入ガス(A+Ge)が、気筒(シリンダ)10a内でピストン10bにより圧縮され、燃料噴射装置11から噴射された燃料が燃焼することで、エンジン10の動力が発生する。この燃焼で発生した排気ガスGが、排気弁13経由で排気通路15に流出し、その一部はEGR通路16にEGRガスGeとして流れ、残りの排気ガスGa(=G−Ge)は、ターボチャージャ18のタービン18aを経由して、排気ガス浄化装置20を通過して浄化された後、浄化された排気ガスGcとしてマフラー(図示しない)を経由して大気中へ放出される。
また、この排気ガス浄化装置20は、前段酸化触媒ユニットを配置することなく、触媒付微粒子捕集ユニット21、選択還元型触媒ユニット(SCR)22及び後段酸化触媒ユニット(DOC)23を上流側から順に備えて構成される。また、触媒付微粒子捕集ユニット21の前後差圧を検出する差圧センサ24と排気ガス浄化装置20へ流入する排気ガスGaの温度を測定する温度センサ25が設けられている。
さらに、触媒付微粒子捕集ユニット21より上流側の排気通路15に触媒付微粒子捕集ユニット21のPM再生を必要に応じて行うために、燃料Fを排気ガスGa中に噴射する燃料噴射ノズル26が設けられている。また、NOx浄化に用いられる選択還元型触媒ユニット22へNOx還元剤としての尿素を供給するための尿素噴射装置27が選択還元型触媒ユニット22の上流側に配置されている。
また、この燃料噴射ノズル26における燃料噴射及び尿素噴射装置27における尿素供給を制御する制御装置41が設けられる。この制御装置41は、エンジン10全般の運転状態を制御する全体システム制御装置40に組み込んでもよいし、独立して設けてもよい。
そして、本発明においては、図2に示すように、この触媒付微粒子捕集ユニット21のフィルタ構成をパーシャルフィルタ21aで構成すると共に、このパーシャルフィルタ21aで担持する触媒には貴金属を含有しない貴金属レス触媒21bを用いる。
このパーシャルフィルタ21aは、質量基準で30%〜60%の範囲の微粒子濾過効率を有するフィルタであり、ウォールフローフィルタに比べて、初期の圧力損失が小さく、また、PM捕集中の圧力損失の上昇割合が小さいフィルタである。
このパーシャルフィルタ21aは、金属発泡体、金属メッシュ、粒状のセラミック等を使用することにより形成でき、また、ウォールフローフィルタの端部における目封じを部分的に取り去ることでも形成できる。これらのパーシャルフィルタ21aでは、金属発泡体の空孔の表面、金属メッシュの表面、セラミック粒子の表面、セルの壁面の表面等に貴金属レス触媒21bを担持する。
この貴金属レス触媒21bは、複数の金属からなる複合金属酸化物とアルカリ金属硫酸塩の混合系触媒で構成することができる。遷移金属硫酸塩または遷移金属酸化物と、アルカリ金属硫酸塩の混合物は、良好なPM燃焼活性を持っており、五酸化バナジウム(V25)と硫酸カリウム(K2SO4)の混合物や、酸化硫酸バナジウム(VOSO4)と硫酸セシウム(Cs3SO4)の混合物等を用いることができる。
すなわち、排気ガスGa中のPM浄化に関しては、上流側の酸化触媒ユニットと下流側の触媒付微粒子捕集ユニットの組み合わせではなく、酸化触媒ユニット無しの触媒付微粒子捕集ユニット21のみで対応すると共に、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の貴金属を含有しない化合物で構成される浄化用触媒である貴金属レス触媒21bをパーシャルフィルタ21aに担持して、この貴金属レス触媒21bの触媒作用によりPMを酸化し燃焼させる。
そして、本発明の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化方法は、エンジン10の排気通路15に配設した触媒付微粒子捕集ユニット21で、排気ガスGa中のPMを浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法であり、エンジン10から排出された排気ガスGaを、貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを通過させることなく、パーシャルフィルタ21aで形成するフィルタ構成を持ち、かつ、担持する触媒を貴金属を含有しない貴金属レス触媒21bとした触媒付微粒子捕集ユニット21を通過させることにより、排気ガスGa中のPMの浄化を行う方法である。
そして、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム1及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、PMを捕集するフィルタ構成としてパーシャルフィルタ21aを用いるので、ウォールフローフィルタ32aを用いる場合と比較して、圧力損失及びPM捕集に伴う圧力損失の増加の割合を大きく低下させることができる。従って、この圧力損失の増加を解消するためのPM再生をゼロにするか若しくはその頻度を著しく減少することができ、PM再生のための燃料の量を少なくして燃費を改善できる。
また、パーシャルフィルタ21aで担持する触媒に貴金属を含有しない貴金属レス触媒21bを使用しているので、高硫黄含有の燃料をエンジン10の燃料に使用して、排気ガスGa中に比較的高い濃度の硫黄成分が流出する場合でも、貴金属を含有した触媒を使用していないので、貴金属触媒の硫黄被毒の問題が発生するのを回避できる。また、この貴金属レス触媒21bにより、PMへの酸化機能の低下を防止することができ、PM浄化機能を維持できるので、パーシャルフィルタ21aの採用によるPM浄化率の低下を補うことができる。
また、この内燃機関の排気ガス浄化システム1では、従来技術の、図3に示すようなPM浄化装置30のように、酸化触媒ユニット31を配設しないので、酸化触媒ユニット31を用いて生じ得る分の圧力損失を小さくすることができる。
つまり、酸化触媒ユニット31の廃止とパーシャルフィルタ21aの採用との組み合わせにより、PMを浄化するための排気ガス浄化ユニット21における圧力損失及び圧力損失の増加を少なくする。それと共に、パーシャルフィルタ21aの採用と貴金属レス触媒21bの採用の組み合わせにより、低い圧力損失と高いPM浄化率を維持すると共に、硫黄被毒を回避する。この3つの組み合わせによるそれぞれの効果により、PM再生の頻度を少なくすると共に、硫黄被毒再生を廃止して、PM浄化能力を維持するための燃費の増加を抑制することができる。
1 内燃機関の排気ガス浄化システム
10 エンジン(内燃機関)
15 排気通路
20 排気ガス浄化装置
21 触媒付き微粒子捕集ユニット
21a パーシャルフィルタ
21b 浄化用触媒
22 選択還元型触媒ユニット(SCR)
23 後段酸化触媒ユニット(DOC)
26 燃料噴射ノズル
27 尿素噴射装置
40 全体システム制御装置(ECU)
41 制御装置
A 新気
A+Ge 吸入ガス
G 発生した排気ガス
Ga 排気ガス浄化装置に流入する排気ガス(G−Ge)
Gc 浄化された排気ガス
Ge 排気ガス(EGRガス)

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に触媒付微粒子捕集ユニットを配設した内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
    前記触媒付微粒子捕集ユニットより上流側の前記排気通路に貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを配設せずに、
    前記触媒付微粒子捕集ユニットのフィルタ構成をパーシャルフィルタで構成すると共に、該パーシャルフィルタで担持する触媒を貴金属を含有しない貴金属レス触媒としたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。
  2. 前記貴金属レス触媒として、複数の金属からなる複合金属酸化物とアルカリ金属硫酸塩の混合系触媒を用いることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
  3. 内燃機関の排気通路に配設した触媒付微粒子捕集ユニットで、排気ガス中の微粒子物質を浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記内燃機関から排出された排気ガスを、貴金属触媒を担持した排気ガス浄化ユニットを通過させることなく、パーシャルフィルタで形成するフィルタ構成を持ち、かつ、担持する触媒を貴金属を含有しない貴金属レス触媒とした前記触媒付微粒子捕集ユニットを通過させることにより、排気ガス中の微粒子物質の浄化を行うことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
JP2015243228A 2015-12-14 2015-12-14 内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 Pending JP2017110499A (ja)

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