JP2020045861A

JP2020045861A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2020045861A
Application number: JP2018175945A
Authority: JP
Inventors: 鉄平大堀; Teppei Ohori; 将宏田口; Masahiro Taguchi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-26

Abstract

【課題】亜酸化窒素の大気中への排出を防止する性能を向上させる排ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】排ガス浄化装置１００は、内燃機関から排出された排ガスの浄化に用いられる浄化用触媒（例えば、ＡＳＣ）と、亜酸化窒素を吸着する吸着触媒と、亜酸化窒素を分解する分解触媒とが一体的に複合化された複合化触媒６を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。

従来、内燃機関から排出された排ガスを浄化するために、各種触媒を備えた排ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１０９０４８号公報

上述した排ガス浄化装置では、排ガスを浄化する過程において亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）が生成されることがある。亜酸化窒素は、非常に高い温暖化係数（二酸化炭素の温暖化係数の約３００倍）を有しており、また、オゾン層の破壊に強く寄与していることが知られている。よって、亜酸化窒素の大気中への排出を防止する技術の重要性が高まっている。

本開示の目的は、亜酸化窒素の大気中への排出を防止する性能を向上させる排ガス浄化装置を提供することである。

本開示の一態様に係る排ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排ガスの浄化に用いられる浄化用触媒と、亜酸化窒素を吸着する吸着触媒と、亜酸化窒素を分解する分解触媒とが一体的に複合化された複合化触媒を備える。

本開示によれば、亜酸化窒素の大気中への排出を防止する性能を向上させることができる。

本開示の実施の形態に係る排ガス浄化装置の構成の一例を示す模式図本開示の実施の形態に係る複合化触媒の構成例１を示す模式図本開示の実施の形態に係る複合化触媒の構成例２を示す模式図本開示の実施の形態に係る複合化触媒の構成例３を示す模式図本開示の実施の形態に係る複合化触媒の構成例４を示す模式図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る排ガス浄化装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、排ガス浄化装置１００の構成の一例を示す模式図である。

図１に示す排ガス浄化装置１００は、車両に搭載され、内燃機関（図示略）から排出される排ガスを浄化する装置である。内燃機関は、例えばディーゼルエンジンである。なお、排ガス浄化装置１００は、車両の内燃機関に限らず、例えば船舶や定置式の内燃機関に適用することも可能である。

排気管１の上流側（図の左側）は、内燃機関に接続された排気マニホールド（図示略）の下流側に接続されている。よって、排気マニホールドから排出された排ガスは、排気管１を図中の左側から右側へ流れ（図中の矢印参照）、最終的には車両の外部へ排出される。

排気管１には、その上流側から順に、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３、尿素水噴射装置７、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）４、および複合化触媒６が設けられている。

ＤＯＣ２、尿素ＳＣＲ４は、排ガスの浄化に用いられる「浄化用触媒」の一例に相当する。また、ＤＯＣ２は、酸化触媒の一例であり、尿素ＳＣＲ４は、選択還元型触媒の一例である。

ＤＯＣ２は、排ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化させる。

また、ＤＯＣ２は、排ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を酸化させる。これにより、二酸化窒素（ＮＯ_２）が生成されるので、尿素ＳＣＲ４のＮＯｘ浄化効率を向上させることができる。

ＤＰＦ３は、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。

尿素水噴射装置７は、還元剤としての尿素水を排気管１内に噴射する。排気管１内に噴射された尿素水は、ＤＰＦ３を通過した排ガスの熱により、アンモニアに加水分解される。なお、尿素水の噴射タイミングおよび噴射量は、図示しない制御装置（例えば、ＥＣＵ：Electronic Control Unit）によって制御される。

尿素ＳＣＲ４は、排ガスに含まれるＮＯｘを浄化する。具体的には、上述したアンモニアが尿素ＳＣＲ４に供給されることにより、尿素ＳＣＲ４において排ガス中のＮＯｘが窒素と水に還元される。

複合化触媒６は、ＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）と吸着触媒と分解触媒とが一体的に複合化された触媒である。以下、ＡＳＣ、吸着触媒、および分解触媒について説明する。

ＡＳＣは、尿素ＳＣＲ４で消費しきれなかったアンモニアを酸化、分解する。これにより、アンモニアが大気中に排出されることを防止できる。ＡＳＣは、浄化用触媒の一例に相当する。

また、ＡＳＣでは、アンモニアの酸化過程において亜酸化窒素が生成されうるが、この亜酸化窒素は、以下に説明する吸着触媒および分解触媒により除去される。

吸着触媒は、亜酸化窒素を吸着する触媒である。吸着された亜酸化窒素は、吸着触媒の表面または内部に保持される。ただし、排ガスが高温になった場合、吸着触媒に保持された亜酸化窒素は、吸着触媒から脱離する。よって、吸着触媒は、排ガスが低温である場合に吸着能力を発揮する。

吸着触媒は、例えば、アルミナ（Al₂O₃）、セリア(Ce₂O₄)、ゼオライト等といった、高い比表面積を有し、貴金属酸化触媒を担持可能な無機材料である。

分解触媒は、亜酸化窒素を窒素と酸素とに分解する触媒である。具体的には、分解触媒は、排ガスが高温（例えば３００℃程度）になると、亜酸化窒素の５０％以上を窒素と酸素とに分解できる。

分解触媒は、例えば、以下の（１）〜（４）のいずれかの触媒である。
（１）Rh/CeO₂、Rh/Al₂O₃、Rh/silica、Rh/Ce_0.9Pr_0.1O₂、Pd/Rh/Al₂O₃で示されるRhを主体とした触媒
（２）CuO/CeO₂、Co₃O₄/CeO₂、Fe₂O₃/CeO₂、Ce_0.32Zr_0.68O₂、CuO/CeO₂、NiO/CeO₂で示されるセリアもしくはセリア−ジルコニアを担体もしくは触媒とし、さらに遷移金属酸化物を担持した触媒
（３）Cs-CuO、K-Co₃O₄、Cs-Co₃O₄、Na-Co₃O₄で示される遷移金属酸化物にアルカリ金属を添加した触媒
（４）Co_0.6Fe_2.4O₄、Ni_0.75Fe_2.25O₄、Mg_0.58Fe_2.42O₄、Zn_0.6Fe_0.4Fe₂O₄、Mn_0.8Fe_0.2Fe₂O₄、Zn_0.36Co_0.64Co₂O₄、Ni_0.74Co_0.26Co₂O₄、Mg_0.54Co_0.46Co₂O₄、Ni_0.5Co_0.5Co₂O₄、Ni_0.75Co_0.25Co₂O₄で示されるスピネル構造の触媒

以上、ＡＳＣ、吸着触媒、および分解触媒について説明した。

次に、図１に示した複合化触媒６の各構成例について、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明する。図２Ａは、複合化触媒６の構成例１を示す模式図である。図２Ｂは、複合化触媒６の構成例２を示す模式図である。図２Ｃは、複合化触媒６の構成例３を示す模式図である。図２Ｄは、複合化触媒６の構成例４を示す模式図である。図２Ａ〜図２Ｄは、それぞれ、図１に示した複合化触媒６の長手方向（排ガスの流れ方向）の一部の断面を拡大して示している。なお、図２Ａ〜図２Ｄにおいて、排ガスは、左側から右側へ流れるとする。

まず、図２Ａを用いて、複合化触媒６の構成例１について説明する。

図２Ａに示すように、構成例１では、ハニカム担体８（より詳細には、セル壁）に混合触媒９がコーティングされている。混合触媒９は、ＡＳＣと吸着触媒と分解触媒とが物理的に混合された触媒である。ハニカム担体８（担体の一例）は、例えば金属製である。なお、混合触媒９の厚みは、図２Ａの図示に限定されない。

また、一般的にＡＳＣは、酸化触媒層とＳＣＲ触媒層の２層構造である。よって、混合触媒９は、吸着触媒および分解触媒が酸化触媒層に混合された構成でもよいし、吸着触媒および分解触媒がＳＣＲ触媒層に混合された構成でもよい。または、混合触媒９は、吸着触媒が酸化触媒層に混合され、かつ、分解触媒がＳＣＲ触媒層に混合された構成でもよいし、吸着触媒がＳＣＲ触媒層に混合され、かつ、分解触媒が酸化触媒層に混合された構成でもよい。

次に、図２Ｂを用いて、複合化触媒６の構成例２について説明する。

図２Ｂに示すように、構成例２では、ハニカム担体８にＡＳＣ１０がコーティングされ、そのＡＳＣ１０に混合触媒１１がコーティングされている。混合触媒１１は、吸着触媒と分解触媒とが物理的に混合された触媒である。なお、ＡＳＣ１０および混合触媒１１の厚みは、図２Ｂの図示に限定されない。

また、ＡＳＣ１０、混合触媒１１の位置は、図２Ｂに示した位置に限定されない。例えば、図２Ｂに示したＡＳＣ１０の位置と混合触媒１１の位置とが逆であってもよい。

次に、図２Ｃを用いて、複合化触媒６の構成例３について説明する。

図２Ｃに示すように、構成例３では、ハニカム担体８にＡＳＣ１０がコーティングされ、そのＡＳＣ１０に吸着触媒１２がコーティングされている。さらに、その吸着触媒１２に分解触媒１３がコーティングされている。なお、ＡＳＣ１０、吸着触媒１２、および分解触媒１３の厚みは、図２Ｃの図示に限定されない。

また、ＡＳＣ１０、吸着触媒１２、分解触媒１３の位置は、図２Ｃに示した位置に限定されない。例えば、ハニカム担体８側から吸着触媒１２、分解触媒１３、ＡＳＣ１０の順にコーティングされてもよいし、ハニカム担体８側から吸着触媒１２、ＡＳＣ１０、分解触媒１３の順にコーティングされてもよい。吸着触媒１２から脱離した亜酸化窒素を分解触媒１３で確実に分解するために、吸着触媒１２は、分解触媒１３よりもハニカム担体８側に位置することが好ましい。

次に、図２Ｄを用いて、複合化触媒６の構成例４について説明する。

図２Ｄに示すように、構成例４では、ハニカム担体８にＡＳＣ１０がコーティングされ、ＡＳＣ１０における排ガスの流れ方向の上流側に、吸着触媒１２がコーティングされている。また、ＡＳＣ１０における排ガスの流れ方向の下流側に、分解触媒１３がコーティングされている。これにより、上流側の吸着触媒１２から脱離した亜酸化窒素を下流側の分解触媒１３で確実に分解できる。なお、ＡＳＣ１０、吸着触媒１２、および分解触媒１３の厚みは、図２Ｄの図示に限定されない。

また、ＡＳＣ１０、吸着触媒１２、分解触媒１３の位置は、図２Ｄに示した位置に限定されない。例えば、図２Ｄに示したＡＳＣ１０の位置と吸着触媒１２および分解触媒１３の位置とが逆であってもよい。

なお、上述した構成例１〜４において、ハニカム担体８の代わりに、例えばコージライトを用いてもよい。

以上、複合化触媒６の各構成例について説明した。

ここまで詳述したように、本実施の形態の排ガス浄化装置１００は、内燃機関から排出された排ガスの浄化に用いられ、排ガスの浄化過程において亜酸化窒素が生成されうる浄化用触媒（例えば、ＡＳＣ）と、亜酸化窒素を吸着する吸着触媒と、亜酸化窒素を分解する分解触媒とが一体的に複合化された複合化触媒６を備えることを特徴とする。

よって、複合化触媒６は、排ガスが低温である場合では、吸着触媒の機能により亜酸化窒素を吸着でき、排ガスが高温となった場合では、分解触媒の機能により亜酸化窒素を分解できる。したがって、排ガス浄化装置１００は、幅広い排ガスの温度に対応できるので、亜酸化窒素の大気中への排出を防止する性能を向上させることができる。

また、複合化触媒６は浄化用触媒と吸着触媒と分解触媒とが一体化された構成であるので、排ガス浄化装置１００における省スペース化を実現できる。

また、吸着触媒のみを用いた場合では、亜酸化窒素の保持量が一定量を超えると、その吸着触媒を交換する必要がある。これに対し、複合化触媒６は、排ガスが高温になった場合でも分解触媒の機能により亜酸化窒素を分解できるため、複合化触媒６の交換が不要であり、利便性が向上する。

なお、本開示は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。以下、変形例について説明する。

［変形例１］
実施の形態では、複合化触媒６に含まれる浄化用触媒がＡＳＣである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。

例えば、複合化触媒６に含まれる浄化用触媒は、白金族金属（ＰＧＭ）系酸化触媒、受動的ＮＯｘ吸着触媒（Passive NOx Adsorber：ＰＮＡ）、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（Lean NOx Trap：ＬＮＴ）、炭化水素選択還元型触媒（Hydro Carbon-Selective Catalytic Reduction：ＨＣ−ＳＣＲ）、または貴金属触媒のいずれかであってもよい。これらの浄化用触媒は、排ガスの浄化過程において亜酸化窒素が生成されうる触媒である。すなわち、複合化触媒６は、亜酸化窒素が生成されうる浄化用触媒を含む構成であればよい。なお、ＨＣ−ＳＣＲは、選択還元型触媒の一例である。また、貴金属触媒は、例えばパラジウム、白金、ロジウム等で構成される。

［変形例２］
実施の形態では、内燃機関がディーゼルエンジンである場合を例に挙げて説明したが、内燃機関は、ガソリンエンジンであってもよい。その場合、排ガス浄化装置には、窒素酸化物、炭化水素および一酸化炭素の除去を行う三元触媒（浄化用触媒の一例）が設けられることが一般的である。三元触媒では、その温度が３２０℃を下回る場合（例えば、冷間始動時）、排ガスの浄化過程において亜酸化窒素が生成されうる。よって、排ガス浄化装置は、三元触媒と、吸着触媒と、分解触媒とが一体的に複合化された複合化触媒６を備えてもよい。

［変形例３］
実施の形態では、排ガス浄化装置１００が１つの複合化触媒６を備える場合を例に挙げて説明したが、排ガス浄化装置１００は、複数の複合化触媒６を備えてもよい。

例えば、排ガス浄化装置１００は、亜酸化窒素が生成されうる複数の浄化用触媒を備える場合（例えば、２種類以上の浄化用触媒を備える場合や、同種の浄化用触媒を２つ以上備える場合）、各浄化用触媒と、吸着触媒と、分解触媒とが一体的に複合化された複合化触媒を備えてもよい。これにより、亜酸化窒素の排出防止の性能をさらに向上させることができる。

［変形例４］
実施の形態では、複合化触媒６は浄化用触媒、吸着触媒、および分解触媒が一体的に複合化されて成る場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。

例えば、複合化触媒６は、浄化用触媒と、吸着触媒または分解触媒のいずれか一方とが一体的に複合化された触媒であってもよい。これにより、排ガス浄化装置１００における省スペース化を実現できる。

以上、変形例について説明した。各変形例は、適宜組み合わせてもよい。

本開示の排ガス浄化装置は、排ガスの浄化過程において生成された亜酸化窒素の大気中への排出を防止する技術に有用である。

１排気管
２ＤＯＣ
３ＤＰＦ
４尿素ＳＣＲ
６複合化触媒
７尿素水噴射装置
８ハニカム担体
９、１１混合触媒
１０ＡＳＣ
１２吸着触媒
１３分解触媒
１００排ガス浄化装置

Claims

内燃機関から排出された排ガスの浄化に用いられる浄化用触媒と、亜酸化窒素を吸着する吸着触媒と、亜酸化窒素を分解する分解触媒とが一体的に複合化された複合化触媒を備える、
排ガス浄化装置。
前記複合化触媒は、
所定の担体に、前記浄化用触媒と前記吸着触媒と前記分解触媒とが物理的に混合された混合触媒がコーティングされた触媒である、
請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記複合化触媒は、
所定の担体に前記浄化用触媒がコーティングされ、前記浄化用触媒に、前記吸着触媒と前記分解触媒とが物理的に混合された混合触媒がコーティングされた触媒である、
請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記複合化触媒は、
所定の担体に前記浄化用触媒がコーティングされ、前記浄化用触媒に前記吸着触媒がコーティングされ、前記吸着触媒に前記分解触媒がコーティングされた触媒である、
請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記複合化触媒は、
所定の担体に前記浄化用触媒がコーティングされ、前記浄化用触媒における前記排ガスの流れ方向の上流側に前記吸着触媒がコーティングされ、前記浄化用触媒における前記排ガスの流れ方向の下流側に前記分解触媒がコーティングされた触媒である、
請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記浄化用触媒は、
白金族金属系酸化触媒、選択還元型触媒、アンモニアスリップ触媒、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、受動的ＮＯｘ吸着触媒、三元触媒、または貴金属触媒のいずれかである、
請求項１から５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。