JP2019035340A

JP2019035340A - 排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2019035340A
Application number: JP2017155461A
Authority: JP
Inventors: 鉄平大堀; Teppei Ohori; 和生大角; Kazuo Osumi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-03-07

Abstract

【課題】ＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制との両立を図ることが可能な排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】排気ガス浄化システムは、内燃機関から排出される排気ガスが通過する排気管と、排気管内に設けられ、ＳＣＲ触媒およびＰＧＭ触媒の少なくとも一方と、銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有する複合触媒装置とを備える。複合触媒は、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化され、排気管のうち、排気ガスの通過方向における複合触媒装置の上流側に設けられた選択還元型触媒装置を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、排気ガス浄化システムに関する。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路に設けられた尿素水インジェクタによって適量が噴射される。

特開２０００−３０３８２６号公報

ところで、選択還元型触媒装置にＣｕゼオライト触媒のような触媒を担持させて、ＮＯｘを分解除去しようとする場合、尿素水供給装置からの尿素水の噴射量を多くして、選択還元型触媒装置に吸着するアンモニアの量を多くすることが望ましい。ただし、アンモニアが触媒の吸着容量を超えて供給されると、ＮＯｘとの反応により消費されることのなかった一部のアンモニアが大気へ放出されるアンモニアスリップが発生する懸念がある。このＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制は概してトレードオフの関係にあり、自動車業界では、その両立が技術的課題となっている。

本開示の目的は、ＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制との両立を図ることが可能な排気ガス浄化システムを提供することである。

本開示の態様に係る排気ガス浄化システムは、
内燃機関から排出される排気ガスが通過する排気管と、
前記排気管内に設けられ、ＳＣＲ触媒およびＰＧＭ触媒の少なくとも一方と、銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有する複合触媒装置と、
を備える。

本開示によれば、ＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制との両立を図ることができる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。本実施の形態における複合触媒の構成例を示す図である。本実施の形態における車両の構成の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０とが搭載されている。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、ＥＣＭ（図示せず）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、例えば車両１の下部に設けられ、主に金属製の排気管２１を有する。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ（フィルタ）２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本発明の「選択還元型触媒装置」に相当）と、ＡＳＣ２３Ｄ（本発明の「複合触媒装置」に相当）とが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、金属製の担持体に、ロジウム、パラジウム、白金、酸化アルミニウム、酸化セリウム、ゼオライト等を担持して形成される。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

排気管２１において、ＤＯＣ２３Ａの上流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における上流側）には、一時的に排気ガス中に未燃燃料を供給して、未燃燃料の炭化水素（ＨＣ）をＤＯＣ２３Ａで酸化させ、その酸化反応熱を利用して排気ガスを昇温する燃料供給部２２（燃料供給インジェクタ）が配置されている。なお、燃料供給部２２は必ずしも配置されていなくても良い。

ＤＰＦ２３Ｂは、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）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オールフローフィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、還元剤（尿素水）を噴射するためのインジェクタ２４が設けられている。

排気管２１において、ＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には温度センサ２６が設けられている。温度センサ２６は、インジェクタ２４における還元剤の噴射制御等に用いられ、排気ガスの温度を検出し、当該温度を示す信号をＤＣＵ（図示せず）に出力する。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水が、インジェクタ２４により噴射され、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃを通過中、触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素や水等の無害な物質に分解する還元反応が生じる。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ここで、加水分解は、排気管２１を通過する排気ガスの温度が所定温度（例えば、２００℃）以上で起こる。したがって、本実施の形態では、インジェクタ２４は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が２００℃以上の場合に、還元剤を排気管２１内の排気ガスに供給する。還元剤の噴射はＤＳＵにより制御される。なお、所定温度（２００℃）は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

ＡＳＣ２３Ｄ（アンモニアスリップ触媒）は、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流に配置される。ＡＳＣ２３Ｄは、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを無害な窒素に酸化分解する。ＳＣＲ２３ＣとＡＳＣ２３Ｄとの容積比は、２：１〜１０：１程度である。

ＡＳＣ２３Ｄに求められる特性は、高いアンモニア酸化活性を有することと、高い窒素選択性を有することである。アンモニア酸化活性とは、アンモニアを酸化分解する性質のことであり、低温でアンモニアを酸化分解できる触媒を「高いアンモニア酸化活性を有する」と言う。また、窒素選択性とは、アンモニアが酸化分解された際に生成する含窒素化合物(代表的には、Ｎ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２)のうちのＮ_２（窒素）の割合の高さを表す性質のことであり、生成物に窒素が多いものを「高い窒素選択性を有する」と言い、逆に、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２などの割合の高いものを「低い窒素選択性を有する」と言う。

しかしながら、アンモニア酸化活性と、窒素選択性とにはトレードオフの関係がある。すなわち、高いアンモニア酸化活性を有する触媒は窒素選択性が低く、逆に、高い窒素選択性を有する触媒はアンモニア酸化活性が低いといった特徴を有している。上記のトレードオフの関係を改良すべく、従来、種々の提案がなされている。特に、ＰｔやＰｄといったＰＧＭ触媒（貴金属触媒）層の上にＳＣＲ触媒をコーティングした複層コート触媒はそれまでの触媒に対してトレードオフの改良に有効であり、実用化されている。しかし、それでも十分とは言えず、さらなるトレードオフの改良が望まれている。

そこで、本実施の形態では、ＡＳＣ２３Ｄは、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有する。従来、ＡＳＣ（アンモニアスリップ触媒）に用いられる酸化触媒として、銅酸化物触媒の研究はなされている。しかし、銅酸化物触媒は、高い窒素選択性を有するものの、アンモニア酸化活性が低いという欠点を有しており、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおけるアンモニア酸化触媒としては利用されてこなかった。ところが、本発明者は、銅酸化物触媒をＰＧＭ触媒と混合または複層化することによって、アンモニア酸化活性および窒素選択性に関する互いの欠点を補完しあい、従来では成しえなかった理想的なＡＳＣ（アンモニアスリップ触媒）を作成できることを見出した。以下、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒について詳しく説明する。

銅酸化物触媒は、Ａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ゼオライトのような比表面積の大きい担体に銅酸化物を担持した触媒である。銅酸化物触媒は、好ましくは１〜１０ｗ％のＣｕＯが含まれる触媒を１０〜３００ｇ／ＬとなるようにコージェライトやＳｉＣ製のハニカム構造の担体に担持したものである。なお、Ｃｕ以外では、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの金属酸化物についても高いアンモニア酸化活性を示すため、ＡＳＣの酸化触媒の候補になり得るが、何れも窒素選択性が銅の酸化物に対して低い欠点を有する。本実施の形態において、銅酸化物を対象として理想的なＡＳＣを使用するのは、銅酸化物の持つ、際立って優れた窒素選択性に由来するものである。一方で、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの金属酸化物を使用した金属酸化物触媒は、貴金属触媒と類似の特性ということができ、銅酸化物と混合または複層化することでお互いの欠点を補完しあうことで優れたＡＳＣを作成できる。特にＭｎ、Ｃｏ等の金属酸化物を使用した金属酸化物触媒を、貴金属触媒の少なくとも一部に代替して使用することができる。

ＰＧＭ触媒は、アンモニア酸化活性が高い白金族(８〜１０族元素)および１１族元素に含まれる元素のうち、単一金属または複数の元素の合金から成る合金の微粒子を比表面積の大きい担体に担持した触媒である。ＰＧＭ触媒は、好ましくは白金を５０ｗ％以上含み、平均粒子径が１００ｎｍ以下となる合金微粒子をＡｌ_２Ｏ_３に担持した触媒をＰＧＭ担持量で０．０１〜１．０ｇ／Ｌとなるように担持した触媒であることが好ましい。

図２の符号２３Ｄ１，２３Ｄ２に示すように、複合触媒が、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化された触媒である場合の効果について説明する。ＰＧＭ触媒は一般的に、高いアンモニア酸化活性を有する一方で、窒素選択性が低いという課題がある。このＰＧＭ触媒の特性は、高い窒素選択性を有するがアンモニア酸化活性が低いという銅酸化物触媒と対象的である。つまり、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とを混合することでそれぞれの長所となる特性を併せ持つ触媒となる。すなわち、ＰＧＭ触媒を単独で使用する場合に比べて、高いアンモニア酸化活性を維持する一方、銅酸化物触媒の特性により窒素選択性を高くすることができる。

また、図２の符号２３Ｄ２に示すように、ＰＧＭ触媒の上に銅酸化物触媒をコーティングすることによって、窒素選択性を改善することができる。これは、低温環境では、ＡＳＣ２３Ｄに到達したアンモニアが酸化力の弱い上層（銅酸化物触媒）を通過して下層のＰＧＭ触媒で酸化分解されるため、ＰＧＭ触媒を単独で使用した場合とほぼ同等の高いアンモニア酸化活性を示すが、高温環境ではアンモニアが下層のＰＧＭ触媒に到達する前に、上層の高い窒素選択性を示す銅酸化物触媒で酸化されるためである。

排気管２１において、ＡＳＣ２３Ｄの下流側には濃度センサ２７が設けられている。この濃度センサ２７は、ＡＳＣ２３Ｄを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出し、当該濃度を示す信号をＤＣＵに出力する。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、排気ガス浄化システムは、内燃機関１０から排出される排気ガスが通過する排気管２１と、排気管２１内に設けられ、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有するＡＳＣ２３Ｄ（複合触媒装置）と、排気管２１のうち、排気ガスの通過方向におけるＡＳＣ２３Ｄの上流側に設けられたＳＣＲ２３Ｃ（選択還元型触媒装置）とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、高いアンモニア酸化活性を有し、かつ、高い窒素選択性を有するアンモニアスリップ触媒がＳＣＲ２３Ｃの下流に配置される。その結果、ＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制との両立を図ることが可能な排気ガス浄化システムを構築することができる。

なお、上記実施の形態では、ＡＳＣ２３Ｄは、ＰＧＭ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＡＳＣ２３Ｄは、図２の符号２３Ｄ３，２３Ｄ６に示すように、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有しても良い。ＳＣＲ触媒は、ＮＯｘをアンモニアと反応して分解する活性を有する触媒であり、自動車の排ガス処理をはじめとして工業的に広く活用されている。ＳＣＲ触媒は、ゼオライトにＦｅ、Ｃｕなどの遷移金属でイオン交換した材質や、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｅなどの金属酸化物を含む材質が知られている。ＳＣＲ触媒は、これら全般を利用することが可能であり、好ましくは遷移金属でイオン交換されたゼオライトを構成物とする触媒である。ＳＣＲ触媒は、さらに好ましくはＣｕイオン交換を施したＣＨＡ型のゼオライトを構成物とする触媒である。

図２の符号２３Ｄ６に示すように、複合触媒が、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とが混合された触媒である場合の効果について説明する。ＳＣＲ触媒は一般的にアンモニアを吸着する特性を有するため、排気ガス浄化システムが十分に暖機されていない場合は複合触媒に到達したアンモニアはＳＣＲ触媒によって吸着されることでアンモニアスリップを防止することができるとともに、未浄化のＮＯｘが複合触媒に到達した際にはＳＣＲ触媒に吸着したアンモニアとＮＯｘが反応して分解するために、ＮＯｘの排出量を低減することができる。また、排気ガス浄化システムが十分に暖機された場合、ＳＣＲ触媒に吸着したアンモニアは、銅酸化物触媒により酸化分解されて無害化される。さらに、銅酸化物触媒でアンモニアが酸化分解される過程で副生成したＮＯｘがＳＣＲ触媒層に吸着したアンモニアと反応して分解する過程が起きることで、高い窒素選択性を発揮する。

さらに、図２の符号２３Ｄ７に示すように、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とを混合したコート層の下層に銅酸化物触媒層を入れることでアンモニア酸化特性をより高めることもできる。図２の符号２３Ｄ９に示すように、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とを混合したコート層の上層にＳＣＲ触媒層を入れることで窒素選択性をより高めることもできる。

図２の符号２３Ｄ３に示すように、複合触媒が、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とが複層化された触媒である場合の効果について説明する。この場合の効果は、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とが混合された場合と基本的に同一であるが、複合触媒２３Ｄ６に対して複合触媒２３Ｄ３は、一般的に窒素選択性を高めることができる。これは、下層の銅酸化物触媒で副生成したＮＯｘがＳＣＲ触媒層に吸着したアンモニアと反応して酸化分解する過程がより起きやすいためである。以上のように、ＳＣＲ触媒と銅酸化物触媒とが協調的に機能することで、優れた複合触媒を作成することができる。このような複合触媒２３Ｄ３，２３Ｄ６，２３Ｄ７，２３Ｄ９は、図３に示すように、図１のＳＣＲ２３ＣおよびＡＳＣ２３Ｄと同等の機能を有する構成（複合触媒２３Ｅ）として使用することができる。すなわち、複合触媒２３Ｅを使用することにより、ＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制との両立を図ることが可能な排気ガス浄化システムを構築することができる。

また、上記実施の形態において、図２の符号２３Ｄ４，２３Ｄ５，２３Ｄ８，２３Ｄ１０〜２３Ｄ１５に示すように、ＡＳＣ２３Ｄが、ＰＧＭ触媒、ＳＣＲ触媒、銅酸化物触媒が混合または複層化された触媒であっても良い。例えば、ＡＳＣ２３Ｄ５は、ＳＣＲ触媒、銅酸化物触媒、ＰＧＭ触媒の３つの特性を理想的に補完し、最も優れた性能を発揮する構成である。すなわち、ＡＳＣ２３Ｄ５は、３層のコーティングが望ましいため、製造にコストがかかる場合がある。この製造コストと性能のバランスを考慮した構成が、ＡＳＣ２３Ｄ４，２３Ｄ５，２３Ｄ８，２３Ｄ１０〜２３Ｄ１５である。３つの触媒を混合したコート層、または２〜３つの触媒を混合したコート層を複層化することで、製造コストを低く抑えつつ、優れたＡＳＣ特性を発揮させることができる。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、ＮＯｘ浄化性能の向上とアンモニアスリップの抑制との両立を図ることが可能な排気ガス浄化システムとして有用である。

１車両
１０内燃機関
１１燃焼室
１３燃料噴射インジェクタ
１５吸気バルブ
１７排気バルブ
１９ピストン
２０排気系
２１排気管
２２燃料供給部
２３ＡＤＯＣ
２３ＢＤＰＦ
２３ＣＳＣＲ
２３ＤＡＳＣ
２３Ｅ複合触媒
２４インジェクタ
２６温度センサ
２７濃度センサ

Claims

内燃機関から排出される排気ガスが通過する排気管と、
前記排気管内に設けられ、ＳＣＲ触媒およびＰＧＭ触媒の少なくとも一方と、銅酸化物触媒とが混合または複層化された複合触媒を有する複合触媒装置と、
を備える排気ガス浄化システム。
前記複合触媒は、前記ＰＧＭ触媒と前記銅酸化物触媒とが混合または複層化され、
前記排気管のうち、前記排気ガスの通過方向における前記複合触媒装置の上流側に設けられた選択還元型触媒装置を備える、
請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
前記ＰＧＭ触媒の少なくとも一部に代えて金属酸化物触媒が使用される、
請求項２に記載の排気ガス浄化システム。