JP2018031288A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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勝士 長田
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勝士 長田
遊大 景山
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Abstract

【課題】HCやCOの除去性能を低下させることなく、硫黄被毒によるDPFの再生不良を抑制する排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス浄化装置は、第一の基材と、それに担持された貴金属とを含み、排気ガス中のCO又はHCを除去するための第一の酸化触媒部と、その下流側に配置され、フィルタ基材と、それ担持された貴金属とを含み、排気ガス中の微粒子を捕集するための微粒子捕集フィルタ部と、その下流側に配置され、第二の基材と、それに担持された貴金属とを含み、排気ガス中のCO又はHCを除去するための第二の酸化触媒部とを有する。第一の酸化触媒部における第一の基材1L当たりの貴金属担持量は、第二の酸化触媒部における第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少なく、微粒子捕集フィルタ部におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量は、第二の酸化触媒部における第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少ない。
【選択図】図3

Description

本発明は、排気ガス浄化装置に関する。
内燃機関から排出される排気ガスは、通常、窒素酸化物(NOx)や粒子状物質(PM)、一酸化炭素(CO)、ハイドロカーボン(HC)等を含む。これらの物質がそのまま大気中に放出されると、大気汚染の原因となることから、これらの物質が大気中に放出されないように、排気ガスの規制が進められている。
排気ガスからHCやCO、粒子状物質等を取り除くための排気ガス浄化装置としては、酸化触媒部(ディーゼル・オキシデーション・キャタリスト;DOC)と、微粒子捕集フィルタ部(ディーゼル・パティキュレート・フィルター;DPF)とを組み合わせた排気ガス浄化装置が知られている。
そのような排気ガス浄化装置では、DPFで捕集した粒子状物質を連続的に酸化除去して、DPFを再生する必要がある。DPFを再生する方法として、排気ガスに燃料をポストインジェクションして、DOCで酸化触媒による燃料の酸化反応を行い、その反応熱により、DPFに流入する排気ガス温度を高くすることで、DPFに付着した粒子状物質を除去する方法が一般的である。
そのようなDPFの再生機構を備えた排気ガス浄化装置として、排気ガスの流れ方向の上流側から、基材1L当たりの貴金属担持量が多いDOC(貴金属担持密度が高いDOC;高DOC)と、基材1L当たりの貴金属担持量が多いDPF(貴金属担持密度が高いDPF;高DPF)とを有する排気ガス浄化装置が知られている(例えば特許文献1及び2)。
特許文献1には、排気ガスの流れ方向の上流側(燃料添加手段5側)から、貴金属担持量が2g/Lである高DOC2(特許文献1では第一酸化触媒部)と、銀系触媒担持量が5g/Lである高DPF3(特許文献1では銀含有DPF触媒部)と、貴金属担持量が0.3g/Lである低DOC4(特許文献1では第二酸化触媒部)とが順次配置された排気ガス浄化装置1が開示されている(図1参照)。特許文献2には、排気ガスの流れ方向の上流側(燃料添加手段9側)から、貴金属担持量が0.01g/L以上3.0g/L未満である低DOC7a(特許文献2では第一の酸化触媒部)と、貴金属担持量が3.0g/L以上20g/L以下である高DOC7b(特許文献2では第二の酸化触媒部)とが順次配置されたDOC7(特許文献2では酸化触媒装置)と、DPF8(特許文献2では微粒子捕集フィルタ部)とを有する排気ガス用浄化装置6が開示されている(図2参照)。これらの排気ガス浄化装置は、DPFの前段に高DOCを有するので、通常運転時にCOやHCを良好に除去し得るだけでなく、DPF再生運転時に高DOCで排気ガス温度を高めやすく、それによりDPFに付着した粒子状物質を効率的に除去できるとされている。
ところで、新興国等では、燃料として、硫黄成分を多く含む燃料が使用されることがある。
特開2012−36821号公報 特開2009−228575号公報
しかしながら、特許文献1及び2に示される排気ガス浄化装置では、硫黄成分を多く含む燃料を用いると、高DOCや高DPFにおける貴金属が、排気ガス中の硫黄成分によって被毒されやすいという問題があった。それにより、COやHCの除去性能が低下するだけでなく、DPF再生運転時に、DPFに溜まった粒子状物質を完全燃焼させることができず、COとして排出されやすいという問題があった。
即ち、特許文献1に示される排気ガス浄化装置では、硫黄成分を多く含む排気ガスが供給されると、高DOC2と高DPF3における貴金属が、排気ガス中の硫黄成分によって被毒されやすい。それにより、COやHCの除去性能が低下しやすい。
また、DPF再生運転時には、燃料添加手段5によって硫黄成分を多く含む燃料がさらに供給される。それにより、高DOC2と高DOC3における貴金属が、硫黄成分によってさらに被毒されやすい。それにより、高DOC2の貴金属による燃料の酸化反応が十分に行われず、高DPF3に流入する排気ガス温度を十分には高めることができない。その結果、高DPF3に溜まった粒子状物質を完全燃焼させることができず、COとして排出されやすい。
特許文献2に示される排気ガス浄化装置でも、同様の問題があった。
これに対し、基材1L当たりの貴金属担持量が少ない酸化触媒部(貴金属担持密度が低いDOC;低DOC)と、基材1L当たりの貴金属担持量が少ない微粒子捕集フィルタ部(貴金属担持密度が低いDPF;低DPF)とを組み合わせることで、硫黄成分を多く含む燃料を用いたときの、貴金属の硫黄成分による被毒を低減できると考えられる。しかしながら、低DOCと低DPFは、触媒活性が不十分であることから、通常の燃料を用いたときにCOやHCの除去性能が低下しやすいという問題があった。
本発明の目的は、COやHCの除去性能を低下させることなく、硫黄被毒によるDPFの再生不良を抑制する排気ガス浄化装置を提供することである。
本発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガス流路に配置される排気ガス浄化装置であって、第一の基材と、前記第一の基材に担持された貴金属とを含み、排気ガス中のCO又はHCを除去するための第一の酸化触媒部と、前記第一の酸化触媒部よりも前記排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、フィルタ基材と、前記フィルタ基材に担持された貴金属とを含み、排気ガス中の微粒子を捕集するための微粒子捕集フィルタ部と、前記微粒子捕集フィルタ部よりも前記排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、第二の基材と、前記第二の基材に担持された貴金属とを含み、排気ガス中のCO又はHCを除去するための第二の酸化触媒部と、を有し、前記第一の酸化触媒部における前記第一の基材1L当たりの貴金属担持量が、前記第二の酸化触媒部における前記第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少なく、且つ前記微粒子捕集フィルタ部における前記フィルタ基材1L当たりの貴金属担持量が、前記第二の酸化触媒部における前記第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少ない、構成を採る。
本発明によれば、COやHCの除去性能を低下させることなく、硫黄被毒によるDPFの再生不良を抑制する排気ガス浄化装置を提供することができる。
従来の排気ガス浄化装置の構成の一例を示す模式図 従来の排気ガス浄化装置の構成の他の例を示す模式図 本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の構成の一例を示す模式図
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の構成の一例を示す模式図である。図3に示されるように、排気ガス浄化装置10は、内燃機関(エンジン)の排気ガス通路19に配置されるものであって、収容部11と、その内部に排気ガスの流れ方向の上流側から順次配置された、第一の酸化触媒部(第一のDOC)13と、微粒子捕集フィルタ部(DPF)15と、第二の酸化触媒部(第二のDOC)17とを含む。図中の矢印は、排気ガスの流れ方向(G)を示す。
収容部11は、排気ガス流路19と連通しており、その径は、排気ガス流路19の断面の径よりも大きくなるように構成されている。
(第一のDOC13)
第一のDOC13は、排気ガス中のCO又はHCを除去する機能を有する。第一のDOC13は、第一の基材と、それに担持された貴金属とを含む。
第一の基材は、多孔質基材であり得る。多孔質基材の形状は、収容部11の断面形状に応じて適宜設定されるが、通常、円柱状である。多孔質基材は、長手方向(排気ガスの流れ方向)に延びる多数の貫通孔(チャンネル)を有する構造体であり、そのような構造体の例には、ハニカム構造体(フロースルー型構造体を含む)が含まれる。
第一の基材の材質は、コーディエライト、炭化ケイ素、及び窒化ケイ素製のセラミック;Fe−Cr−Al合金、ステンレス等の金属材料であり得る。第一の基材の表面は、必要に応じてAl、SiO、TiO、ZrO等の金属酸化物でさらにコーティングされていてもよい。
第一の基材に担持される貴金属は、Rh(ロジウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、及びAu(金)からなる群より選ばれる一以上である。中でも、高い触媒作用を示すことから、Pd(パラジウム)、及びPt(白金)が好ましい。貴金属は、1種類であってもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。
第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量は、第二のDOC17における第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少ないことが好ましい。第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量を一定以下とすることで、第一のDOC13の貴金属によって吸着される硫黄成分を少なくすることができるので、貴金属が硫黄成分によって被毒するのを最小限に抑えることができる。また、第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量を一定以上とすることで、DPF再生運転時に酸化反応を十分に行うことができるので、DPF15に流入する排気ガス温度を十分に高めやすい。それにより、DOC15に溜まった粒子状物質を完全燃焼させやすい。
第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量は、以下の手順で確認することができる。
1)第一のDOC13を、貴金属を溶解させる溶剤に浸漬して、貴金属成分を分離させる。分離した後、乾燥させて回収された第一の基材の容積(多孔質部分を含む容積)を測定する。具体的には、円柱状の第一の基材の容積は、第一の基材の断面の直径と長さをノギスで測定し、計算によって容積を算出する。
2)一方、前記1)で得られる分離した貴金属を含む溶液を濾過した後、乾燥させて貴金属成分を回収し、回収された貴金属の質量(g)を質量計にて測定する。
3)前記2)で得られた貴金属の質量(g)を、前記1)で得られた第一の基材の容積(L)で除して、第一の基材1L当たりの貴金属担持量(g)とする。
(DPF15)
DPF15は、第一のDOC13を通過した排気ガス中の微粒子を捕集する機能を有する。DPF15は、フィルタ基材と、それに担持された貴金属とを含む。
フィルタ基材は、排気ガス中の微粒子を捕捉するための濾過壁を有するフィルタ基材であればよく、特に制限されない。フィルタ基材の形状は、前述と同様に、収容部11の断面形状に応じて適宜設定されるが、通常、円柱状である。
フィルタ基材の例には、ウォールフロー型構造体(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ウォールフロー型構造体を含む)、ワイヤーメッシュ型構造体、及びセラミックファイバー型構造体等が含まれる。中でも、ウォールフロー型構造体が好ましい。フィルタ基材の材質は、第一のDOC13における第一の基材の材質と同様のものを用いることができる。
フィルタ基材に担持される貴金属は、第一のDOC13の第一の基材に担持される貴金属と同様のものを使用できる。
DPF15におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量は、第二のDOC17における第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少ない。第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量だけでなく、DPF15におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量も少なくすることで、DPF再生運転時に、DPF15における貴金属が排気ガス中の硫黄成分によって被毒するのを最小限に抑えることができる。また、DPF15におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量を一定以上とすることで、DPF再生運転時に、DPF15でも酸化反応させることができ、温度を高めやすい。それにより、DPF15に溜まった粒子状物質を完全燃焼させやすい。
DPF15におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量は、第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量と同等かそれよりも多いことが好ましい。それにより、DPF再生時に、DPF15において、ポストインジェクションされた燃料を十分に燃焼させ得るので、粒子状物質を十分に除去し得る。
DPF15におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量は、第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量と同様の方法で確認することができる。
(第二のDOC17)
第二のDOC17は、第一のDOC13とDPF15とで除去しきれなかった排気ガス中のCO又はHCを除去する機能を有する。第二のDOC17は、第二の基材と、それに担持された貴金属とを含む。
第二の基材としては、第一のDOC13における第一の基材と同様のものを用いることができる。第二の基材に担持される貴金属としては、第一のDOC13の第一の基材に担持される貴金属と同様のものを用いることができる。中でも、高い触媒作用を示すことから、Pd(パラジウム)及びPt(白金)が好ましい。
第二のDOC17における第二の基材1L当たりの貴金属担持量は、前述の通り、第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量や、DPF15におけるフィルタ基材1L当たりの貴金属担持量よりも多い。それにより、十分な酸化作用が得られやすいので、第一のDOC13やDPF15で除去しきれなかった排気ガス中のCOやHCを十分に除去することができる。また、DPF再生運転時には、第一のDOC13とDPF15は、適度に高温になっている。そのような第一のDOC13とDPF15を通過した排気ガスにより、第二のDOC17も加熱されて高温となる。従って、硫黄成分を含む排気ガスが流入しても、それによって第二のDOC17の貴金属は硫黄成分によって被毒されにくい。
第二のDOC17における第二の基材1L当たりの貴金属担持量は、第一のDOC13における第一の基材1L当たりの貴金属担持量と同様の方法で確認することができる。
第一のDOC13の容積V1と第二のDOC17の容積V3との比率は、例えば排気ガスの流量等に応じて適宜設定されるが、例えばV1:V3=50:50とし得る。
(その他)
排気ガス浄化装置10の排気ガスの流れ方向の上流側の排気ガス流路19には、燃料をポストインジェクションするための燃料添加手段21がさらに設けられ得る。燃料添加手段21は、特に制限されないが、例えば燃料タンク(不図示)と連通したインジェクタであり得る。ポストインジェクションされる燃料は、エンジンに添加される燃料と同様のものを用いることができ、硫黄成分を含む燃料であってもよい。
(作用)
以下、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10の作用について、従来の排気ガス浄化装置と対比しながら説明する。
従来の排気ガス浄化装置は、排気ガスの流れ方向の上流側から、基材1L当たりの貴金属担持量が多い酸化触媒部(高DOC)と、基材1L当たりの貴金属担持量が多い微粒子捕集フィルタ部(高DPF)とを有する(例えば図1の高DOC2と高DPF3)。
通常の燃料を用いたときは、高DOC及び高DPFは基材1L当たりの貴金属担持量が多く、十分な触媒活性を有するので、COやHCを良好に除去し得る。
しかしながら、硫黄を多く含む燃料を用いたときは、硫黄成分を多く含む排気ガスが高DOCに流入する。高DOCは基材1L当たりの貴金属担持量が多いので、当該排気ガス中の硫黄成分によって被毒されやすい。それにより、COやHCの除去性能が低下しやすい。さらに、DPF再生運転時に、高DOCの酸化触媒による燃料の酸化反応が十分に行われず、高DPFに流入する排気ガス温度を十分に高めることができない。それにより、高DPFに付着した煤を完全燃焼させることができず、COとして排出されやすい。
これに対して、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10は、排気ガスの流れ方向の上流側から、第一の基材1L当たりの貴金属担持量が少ない第一のDOC13(低DOC)と、フィルタ基材1L当たりの貴金属担持量が少ないDPF15(低DPF)と、第二の基材1L当たりの貴金属担持量が多い第二のDOC17(高DOC)とを有する(図3参照)。
通常の燃料を用いたときは、第一のDOC13(低DOC)やDPF15(低DPF)は基材1Lあたりの貴金属担持量が少ないので、COやHCの除去性能が十分ではないことがある。しかしながら、第二のDOC17(高DOC)は基材1Lあたりの貴金属担持量が多いので、第一のDOC13(低DOC)やDPF15(低DPF)では除去しきれなかったCOやHCを除去することができる。
また、硫黄を多く含む燃料を用いたときは、硫黄成分を多く含む排気ガスは、第一のDOC13に流入する。第一のDOC酸13(低DOC)は貴金属担持量が低いので、当該排気ガス中の硫黄成分によって被毒されにくい。その結果、COやHCの除去性能の低下を少なくすることができる。さらに、DPF再生運転時には、第一のDOC13(低DOC)の貴金属による燃料の酸化反応が十分に行われるため、DPF15(低DPF)に流入する排気ガス温度を十分に高めることができる。それにより、DPF15(低DPF)に付着した煤を完全燃焼させやすくすることができ、COとして排出されにくくすることができる。
さらに、DPF再生運転時には、第一のDOC13(低DOC)とDPF15(低DPF)とである程度高温となった排気ガスによって、第二のDOC17(高DOC)も加熱されて高温となる。それにより、第二のDOC17(高DOC)における貴金属には、第一のDOC13(低DOC)とDPF15(低DPF)を通過した排気ガスに含まれる硫黄成分が再び付着しにくく、当該硫黄成分によって被毒しにくい。
これらの結果、通常運転時のCOやHCの浄化性能を低下させることなく、硫黄被毒によるDPFの再生不良を抑制することができる。そのような排気ガス浄化装置10は、例えばディーゼルエンジンの排気ガス流路に設けられる排気ガス浄化装置、特に硫黄成分を含む燃料をポストインジェクションする排気ガス浄化装置として好適である。
尚、本実施形態では、第一のDOC13、DPF15、及び第二のDOC17が、それぞれ直線状に配置される例を示したが、これに限定されず、例えばU字状に配置されてもよい。要は、排気ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって、第一のDOC13、DPF15、及び第二のDOC17が、この順に配置されればよい。
また、本実施形態では、第一のDOC13とDPF15、及びDPF15と第二のDOC17が、それぞれ隙間を介して配置される例を示したが、これに限定されず、隙間を介さずに配置されてもよいし、本発明の効果を損なわない範囲で、他の機能部を介して配置されてもよい。
また、本実施形態では、第一のDOC13、DPF15、及び第二のDOC17が、それぞれ1つずつ配置される例を示したが、これに限定されず、それぞれ複数ずつ配置されてもよい。例えば、第一のDOC13a、第一のDOC13b、DPF15、第二のDOC17a及び第二のDOC17bがこの順に配置されてもよい。その場合、第一のDOC13aと13bのうち貴金属担持量が多いほうの第一のDOCの貴金属担持量は、第二のDOC17aと17bのうち貴金属担持量が少ないほうの第二のDOCの貴金属担持量よりも少ないものとする。
また、本実施形態では、排気ガス浄化装置10の外部に、燃料をポストインジェクションするための燃料添加手段21を配置する例を示したが、これに限定されず、排気ガス浄化装置10の内部(第一のDOC13の排気ガスの流れ方向の上流側)に燃料添加手段21を配置してもよい。
本発明によれば、COやHCの除去性能を低下させることなく、硫黄被毒によるDPFの再生不良を抑制する排気ガス浄化装置を提供することができる。そのような排気ガス浄化装置は、例えばディーゼルエンジンの排気ガス流路に設けられる排気ガス浄化装置として好適である。
10 排気ガス浄化装置
11 収容部
13 第一のDOC(第一の酸化触媒部)
15 DPF(微粒子捕集フィルタ部)
17 第二のDOC(第二の酸化触媒部)
19 排気ガス流路
21 燃料添加手段

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気ガス流路に配置される排気ガス浄化装置であって、
    第一の基材と、前記第一の基材に担持された貴金属とを含み、排気ガス中のCO又はHCを除去するための第一の酸化触媒部と、
    前記第一の酸化触媒部よりも前記排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、フィルタ基材と、前記フィルタ基材に担持された貴金属とを含み、排気ガス中の微粒子を捕集するための微粒子捕集フィルタ部と、
    前記微粒子捕集フィルタ部よりも前記排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、第二の基材と、前記第二の基材に担持された貴金属とを含み、排気ガス中のCO又はHCを除去するための第二の酸化触媒部と、
    を有し、
    前記第一の酸化触媒部における前記第一の基材1L当たりの貴金属担持量が、前記第二の酸化触媒部における前記第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少なく、且つ
    前記微粒子捕集フィルタ部における前記フィルタ基材1L当たりの貴金属担持量が、前記第二の酸化触媒部における前記第二の基材1L当たりの貴金属担持量よりも少ない、
    排気ガス浄化装置。
  2. 前記微粒子捕集フィルタ部における前記貴金属は、パラジウム又は白金である、請求項1に記載の排気ガス浄化装置。
  3. 前記第一の酸化触媒部及び前記第二の酸化触媒部における前記貴金属は、パラジウム又は白金である、請求項1又は2に記載の排気ガス浄化装置。
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