JP3780575B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化触媒 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化触媒に関する。さらに詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートの量を低減する排気浄化触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれるパティキュレートの排出量を低減させる方法としては、ウォールフローモノリスのようなディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を用いてパティキュレートを捕集する方法が従来より知られている。この方法では、捕集されたパティキュレートの目詰まりによる圧力損失増大を防ぐために、捕集したパティキュレートをヒータ加熱などで着火燃焼させるか、高速走行時の排気ガス温度で触媒燃焼させてフィルタを再生することが必要であるが、この再生時にフィルタの温度が上がり過ぎて触媒担体が割れたり、システムが複雑になるなどの課題を残している。
【０００３】
また、このＤＰＦを用いない方法としては、エンジン自体の燃焼特性を改善することによりパティキュレートの黒煙（すす）を形成するカーボン粒子の生成を抑制する方法が知られている。この方法では、排気ガス中の未燃焼燃料、潤滑油等の炭化水素由来の可溶有機成分（ＳＯＦ）の量が増加するため、一般には酸化触媒を併用して排気ガス中のこれらのＳＯＦ等を浄化する方法が採用されている。
【０００４】
従来用いられているディーゼルエンジン用酸化触媒は、ガソリンエンジン用触媒と同様に、コート材（活性アルミナ等）に貴金属（白金、パラジウム等）を担持させた構造である。排気ガス中のＳＯＦはこの酸化触媒により酸化され、水及び二酸化炭素等として排出され、浄化される。ところが、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、燃料に含まれる硫黄分の燃焼によりＳＯ2 が含まれているが、活性アルミナはこのＳＯ2 を吸着する性質を有している。この吸着されたＳＯ2 又は排気ガス中のＳＯ2 は高温域では酸化触媒により容易に酸化されてＳＯ3 を形成する。このＳＯ3 は水分と反応して硫酸ミスト等のサルフェート粒子を形成する。このサルフェート粒子はパティキュレートの一成分であり、従って酸化触媒で排気ガスを浄化するとパティキュレートが増加してしまうことになる。
【０００５】
このような問題を解決するため、例えば特開平６−198181号明細書では、アルミナ等の触媒担持層上に、排気ガス流の上流側に白金を、下流側にパラジウムを担持させることによりＳＯ2 の酸化を抑え、サルフェートの発生を防止する排気浄化用触媒が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ディーゼルエンジン用酸化触媒は、ＨＣ、ＣＯ等の排気ガス成分の浄化と共にパティキュレートを低減させる必要があり、このパティキュレートを低減させるためにはＳＯＦを浄化しかつサルフェートの生成を抑制する必要がある。ところが、従来の酸化触媒ではＳＯＦの浄化は十分ではなく、このＳＯＦの浄化能を高めるために貴金属の担持量を増やすと、ＳＯＦは浄化できるがサルフェートの生成量が増加するという問題があった。
【０００７】
また、ガソリンエンジンにおいて触媒により浄化すべき排気ガス成分はほとんどがガス成分であり、排気温度も高い。ところがディーゼルエンジンの排気ガス成分はこのようなガス成分に加えＳＯＦのような液体及びパティキュレートのような固体を含み、すなわち液相、気相、固相の３層を含んでおり、排気温度も低い。ガソリンエンジン用触媒と同様の現状のディーゼルエンジン用酸化触媒ではこのような排気ガスの違いについて考慮されておらず、ＳＯＦの浄化に関しては効率が低い。さらに、ディーゼルエンジンにおいては燃料中の硫黄含有率が高く、排気ガスも酸素過剰雰囲気であるため、触媒の酸化能を向上させたのみではサルフェートの生成を促進させ、結果としてパティキュレートの排出量を増加させてしまうという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明によれば、多孔質触媒担体と、この担体の細孔表面上に形成された触媒担持層と、この触媒担持層上に担持された触媒金属からなるディーゼルエンジンの排気浄化触媒において、前記触媒金属の担持量が前記排気浄化触媒の排気ガスの流れ方向の上流側よりも下流側の方が多くなっており、かつ上流側にのみ酸素吸蔵金属が担持されている。触媒の上流側に酸素吸蔵金属を配置させることにより、触媒の上流側に大量に付着したＳＯＦを浄化させると共に、この上流側において触媒金属の担持量を少なくしているためサルフェートの発生を抑制することができる。
【０００９】
また、２番目の発明では上記問題点を解決するために１番目の発明において、上記排気浄化触媒の排気ガスの流れ方向の上流側の断面積が下流側の断面積よりも大きくされている。触媒の上流側の断面積を大きくすることにより上流側により多くのＳＯＦを吸着させることができ、酸素吸蔵金属によってこの吸着されたＳＯＦを浄化し、下流側へのＳＯＦの排出を抑え、サルフェートの発生を抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のディーゼルエンジンの排気浄化触媒の第一の実施形態を示す概略図である。図１において、１はディーゼルエンジンの排気浄化触媒であり、２は多孔質触媒担体である。この触媒担体としては、従来の排気ガス浄化用触媒に用いられている触媒担体と同様のものであってよい。この実施形態ではモノリス型担体であるハニカムフィルタを用いているが、フォームフィルタを用いてもよく、又はペレット型担体を用いてもよい。この触媒担体の材質はコージェライト等のセラミックス、又はステンレス等の耐熱性金属を用いることができる。
【００１１】
排気ガスが通過するこの多孔質触媒担体の細孔の表面上には触媒担持層が設けられており、この触媒担持層に触媒金属が担持されている。この触媒担持層としては、アルミナ、シリカ、チタニア等の従来より用いられているものを用いることができる。触媒金属としては従来酸化触媒に用いられている金属、例えば白金、ロジウム、パラジウム等を用いることができる。
【００１２】
図１に示すような触媒に排気ガスが流入すると、この排気ガスは触媒の入口付近、すなわち触媒の上流付近では乱流となっており、下流に向かって層流となっている。従って排気ガス中のＳＯＦは主にこの触媒入口から10〜30mmの上流付近に吸着する。従って、触媒担持層としては、このＳＯＦとの親和性を高めかつＳＯＦの分解性を高めるために、例えばアルミナ又はアルミナにチタニアもしくはシリカを配合したものを用いることが好ましい。
【００１３】
本発明の触媒では、このＳＯＦが吸着される触媒の上流部に酸素吸蔵金属が担持されている。ＳＯＦは高分子、高沸点であるため、このＳＯＦの浄化を促進するためには低分子化して気化させる必要がある。そこでＳＯＦが吸着される触媒の上流部に酸素吸蔵金属を担持させておくことにより、この酸素吸蔵金属から放出された酸素によってＳＯＦは部分酸化され、低分子化して気化する。この気化したＳＯＦは排気ガスの流れにのって触媒の下流部に送られ、この下流部において触媒金属により効率的に浄化される。この酸素吸蔵金属としては、セリア、酸化鉄等を用いることができる。
【００１４】
上記のように、ディーゼルエンジンの排気ガス中にはＳＯ2 ガスが含まれており、このＳＯ2 は触媒金属により酸化されＳＯ3 を形成する。このＳＯ3 はパティキュレート形成の原因となる。また、ＳＯＦはこのＳＯ3 と反応してスルホン酸（Ｒ−ＳＯ3 Ｈ）を生成する。このスルホン酸はＳＯＦの重量増加の原因となり、ＳＯＦの浄化率を低下させてしまう。本発明の触媒ではＳＯＦとＳＯ3 の接触を阻害するため、ＳＯＦが吸着する触媒の上流部における触媒金属の担持量を下流と比較して少なくし、好ましくは上流部には触媒金属をまったく担持させないでおく。ＳＯＦが吸着されている触媒の上流側では触媒金属の担持量が少ないためＳＯ2 のＳＯ3 への酸化が抑制され、ＳＯＦとＳＯ3 の反応に伴う上記の問題は解消される。また、セリアのような酸素吸蔵金属が触媒金属と共存するとＳＯ3 の生成を促進することになるが、本発明の触媒では酸素吸蔵金属の担持部と触媒金属の担持部が分離されているためＳＯ3 を発生させることなくＳＯＦを低分子化することができる。
【００１５】
図２に本発明の第二の実施形態を示す。図１に示す第一の実施形態では１つの触媒担体において酸素吸蔵金属担持部と触媒金属担持部とが設けられているが、この第二の実施形態では、この酸素吸蔵金属担持部３と触媒金属担持部４とをそれぞれ別個の触媒担体に担持させておく。第一の実施形態と同様に、酸素吸蔵金属担持部３においてＳＯＦが低分子化されて触媒金属担持部４に送られ、触媒金属により浄化される。
【００１６】
図３に本発明の第三の実施形態を示す。この実施形態では酸素吸蔵金属担持部３の断面積が触媒金属担持部４の断面積よりも大きくされている。ディーゼル排気ガス中のＳＯＦは沸点が高く、通常のエンジン使用域では排気ガス中に液滴として存在している場合が多い。触媒の上流部は排気ガス気流が乱れているためＳＯＦは細孔表面に達するが、触媒の中央以降では排気ガスの気流は層流化しているため、質量を有する液滴のＳＯＦはこの気流にのって触媒を素通りしてしまうおそれがある。ＳＯＦの浄化率を高めるためにはこのようなＳＯＦの素通りを防止し、より多く触媒表面に捕集することが必要である。この実施形態のように触媒の上流部の断面積を大きくし、触媒上流における触媒と排気ガスの接触機会を高めることによりより効果的にＳＯＦを捕集し、この捕集された部位には触媒金属の担持量が少ないためサルフェートの発生を抑制することができる。従来の触媒では触媒全体に触媒金属が担持されているため、上流部の断面積を大きくしてＳＯＦを捕集してもサルフェートの発生を抑制することはできない。
【００１７】
図４に本発明の第四の実施形態を示す。この実施形態では触媒担体としてフォームもしくはペレット型担体を用いている。そして上流部に酸素吸蔵金属担持部３が、下流部に触媒金属担持部４が設けられている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＯＦを捕集する触媒の上流部に酸素吸蔵金属が担持されており、かつこの上流部に担持されている触媒金属の担持量が下流部に比して少ないため、サルフェートを発生させることなく、かつＳＯＦを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒の第一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の第二の実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の第三の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の第四の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１…排気浄化触媒
２…触媒担体
３…酸素吸蔵金属担持部
４…触媒金属担持部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化触媒に関する。さらに詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートの量を低減する排気浄化触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれるパティキュレートの排出量を低減させる方法としては、ウォールフローモノリスのようなディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を用いてパティキュレートを捕集する方法が従来より知られている。この方法では、捕集されたパティキュレートの目詰まりによる圧力損失増大を防ぐために、捕集したパティキュレートをヒータ加熱などで着火燃焼させるか、高速走行時の排気ガス温度で触媒燃焼させてフィルタを再生することが必要であるが、この再生時にフィルタの温度が上がり過ぎて触媒担体が割れたり、システムが複雑になるなどの課題を残している。
【０００３】
また、このＤＰＦを用いない方法としては、エンジン自体の燃焼特性を改善することによりパティキュレートの黒煙（すす）を形成するカーボン粒子の生成を抑制する方法が知られている。この方法では、排気ガス中の未燃焼燃料、潤滑油等の炭化水素由来の可溶有機成分（ＳＯＦ）の量が増加するため、一般には酸化触媒を併用して排気ガス中のこれらのＳＯＦ等を浄化する方法が採用されている。
【０００４】
従来用いられているディーゼルエンジン用酸化触媒は、ガソリンエンジン用触媒と同様に、コート材（活性アルミナ等）に貴金属（白金、パラジウム等）を担持させた構造である。排気ガス中のＳＯＦはこの酸化触媒により酸化され、水及び二酸化炭素等として排出され、浄化される。ところが、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、燃料に含まれる硫黄分の燃焼によりＳＯ2 が含まれているが、活性アルミナはこのＳＯ2 を吸着する性質を有している。この吸着されたＳＯ2 又は排気ガス中のＳＯ2 は高温域では酸化触媒により容易に酸化されてＳＯ3 を形成する。このＳＯ3 は水分と反応して硫酸ミスト等のサルフェート粒子を形成する。このサルフェート粒子はパティキュレートの一成分であり、従って酸化触媒で排気ガスを浄化するとパティキュレートが増加してしまうことになる。
【０００５】
このような問題を解決するため、例えば特開平６−198181号明細書では、アルミナ等の触媒担持層上に、排気ガス流の上流側に白金を、下流側にパラジウムを担持させることによりＳＯ2 の酸化を抑え、サルフェートの発生を防止する排気浄化用触媒が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ディーゼルエンジン用酸化触媒は、ＨＣ、ＣＯ等の排気ガス成分の浄化と共にパティキュレートを低減させる必要があり、このパティキュレートを低減させるためにはＳＯＦを浄化しかつサルフェートの生成を抑制する必要がある。ところが、従来の酸化触媒ではＳＯＦの浄化は十分ではなく、このＳＯＦの浄化能を高めるために貴金属の担持量を増やすと、ＳＯＦは浄化できるがサルフェートの生成量が増加するという問題があった。
【０００７】
また、ガソリンエンジンにおいて触媒により浄化すべき排気ガス成分はほとんどがガス成分であり、排気温度も高い。ところがディーゼルエンジンの排気ガス成分はこのようなガス成分に加えＳＯＦのような液体及びパティキュレートのような固体を含み、すなわち液相、気相、固相の３層を含んでおり、排気温度も低い。ガソリンエンジン用触媒と同様の現状のディーゼルエンジン用酸化触媒ではこのような排気ガスの違いについて考慮されておらず、ＳＯＦの浄化に関しては効率が低い。さらに、ディーゼルエンジンにおいては燃料中の硫黄含有率が高く、排気ガスも酸素過剰雰囲気であるため、触媒の酸化能を向上させたのみではサルフェートの生成を促進させ、結果としてパティキュレートの排出量を増加させてしまうという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明によれば、多孔質触媒担体と、この担体の細孔表面上に形成された触媒担持層と、この触媒担持層上に担持された触媒金属からなるディーゼルエンジンの排気浄化触媒において、前記触媒金属の担持量が前記排気浄化触媒の排気ガスの流れ方向の上流側よりも下流側の方が多くなっており、かつ上流側にのみ酸素吸蔵金属が担持されている。触媒の上流側に酸素吸蔵金属を配置させることにより、触媒の上流側に大量に付着したＳＯＦを浄化させると共に、この上流側において触媒金属の担持量を少なくしているためサルフェートの発生を抑制することができる。
【０００９】
また、２番目の発明では上記問題点を解決するために１番目の発明において、上記排気浄化触媒の排気ガスの流れ方向の上流側の断面積が下流側の断面積よりも大きくされている。触媒の上流側の断面積を大きくすることにより上流側により多くのＳＯＦを吸着させることができ、酸素吸蔵金属によってこの吸着されたＳＯＦを浄化し、下流側へのＳＯＦの排出を抑え、サルフェートの発生を抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のディーゼルエンジンの排気浄化触媒の第一の実施形態を示す概略図である。図１において、１はディーゼルエンジンの排気浄化触媒であり、２は多孔質触媒担体である。この触媒担体としては、従来の排気ガス浄化用触媒に用いられている触媒担体と同様のものであってよい。この実施形態ではモノリス型担体であるハニカムフィルタを用いているが、フォームフィルタを用いてもよく、又はペレット型担体を用いてもよい。この触媒担体の材質はコージェライト等のセラミックス、又はステンレス等の耐熱性金属を用いることができる。
【００１１】
排気ガスが通過するこの多孔質触媒担体の細孔の表面上には触媒担持層が設けられており、この触媒担持層に触媒金属が担持されている。この触媒担持層としては、アルミナ、シリカ、チタニア等の従来より用いられているものを用いることができる。触媒金属としては従来酸化触媒に用いられている金属、例えば白金、ロジウム、パラジウム等を用いることができる。
【００１２】
図１に示すような触媒に排気ガスが流入すると、この排気ガスは触媒の入口付近、すなわち触媒の上流付近では乱流となっており、下流に向かって層流となっている。従って排気ガス中のＳＯＦは主にこの触媒入口から10〜30mmの上流付近に吸着する。従って、触媒担持層としては、このＳＯＦとの親和性を高めかつＳＯＦの分解性を高めるために、例えばアルミナ又はアルミナにチタニアもしくはシリカを配合したものを用いることが好ましい。
【００１３】
本発明の触媒では、このＳＯＦが吸着される触媒の上流部に酸素吸蔵金属が担持されている。ＳＯＦは高分子、高沸点であるため、このＳＯＦの浄化を促進するためには低分子化して気化させる必要がある。そこでＳＯＦが吸着される触媒の上流部に酸素吸蔵金属を担持させておくことにより、この酸素吸蔵金属から放出された酸素によってＳＯＦは部分酸化され、低分子化して気化する。この気化したＳＯＦは排気ガスの流れにのって触媒の下流部に送られ、この下流部において触媒金属により効率的に浄化される。この酸素吸蔵金属としては、セリア、酸化鉄等を用いることができる。
【００１４】
上記のように、ディーゼルエンジンの排気ガス中にはＳＯ2 ガスが含まれており、このＳＯ2 は触媒金属により酸化されＳＯ3 を形成する。このＳＯ3 はパティキュレート形成の原因となる。また、ＳＯＦはこのＳＯ3 と反応してスルホン酸（Ｒ−ＳＯ3 Ｈ）を生成する。このスルホン酸はＳＯＦの重量増加の原因となり、ＳＯＦの浄化率を低下させてしまう。本発明の触媒ではＳＯＦとＳＯ3 の接触を阻害するため、ＳＯＦが吸着する触媒の上流部における触媒金属の担持量を下流と比較して少なくし、好ましくは上流部には触媒金属をまったく担持させないでおく。ＳＯＦが吸着されている触媒の上流側では触媒金属の担持量が少ないためＳＯ2 のＳＯ3 への酸化が抑制され、ＳＯＦとＳＯ3 の反応に伴う上記の問題は解消される。また、セリアのような酸素吸蔵金属が触媒金属と共存するとＳＯ3 の生成を促進することになるが、本発明の触媒では酸素吸蔵金属の担持部と触媒金属の担持部が分離されているためＳＯ3 を発生させることなくＳＯＦを低分子化することができる。
【００１５】
図２に本発明の第二の実施形態を示す。図１に示す第一の実施形態では１つの触媒担体において酸素吸蔵金属担持部と触媒金属担持部とが設けられているが、この第二の実施形態では、この酸素吸蔵金属担持部３と触媒金属担持部４とをそれぞれ別個の触媒担体に担持させておく。第一の実施形態と同様に、酸素吸蔵金属担持部３においてＳＯＦが低分子化されて触媒金属担持部４に送られ、触媒金属により浄化される。
【００１６】
図３に本発明の第三の実施形態を示す。この実施形態では酸素吸蔵金属担持部３の断面積が触媒金属担持部４の断面積よりも大きくされている。ディーゼル排気ガス中のＳＯＦは沸点が高く、通常のエンジン使用域では排気ガス中に液滴として存在している場合が多い。触媒の上流部は排気ガス気流が乱れているためＳＯＦは細孔表面に達するが、触媒の中央以降では排気ガスの気流は層流化しているため、質量を有する液滴のＳＯＦはこの気流にのって触媒を素通りしてしまうおそれがある。ＳＯＦの浄化率を高めるためにはこのようなＳＯＦの素通りを防止し、より多く触媒表面に捕集することが必要である。この実施形態のように触媒の上流部の断面積を大きくし、触媒上流における触媒と排気ガスの接触機会を高めることによりより効果的にＳＯＦを捕集し、この捕集された部位には触媒金属の担持量が少ないためサルフェートの発生を抑制することができる。従来の触媒では触媒全体に触媒金属が担持されているため、上流部の断面積を大きくしてＳＯＦを捕集してもサルフェートの発生を抑制することはできない。
【００１７】
図４に本発明の第四の実施形態を示す。この実施形態では触媒担体としてフォームもしくはペレット型担体を用いている。そして上流部に酸素吸蔵金属担持部３が、下流部に触媒金属担持部４が設けられている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＯＦを捕集する触媒の上流部に酸素吸蔵金属が担持されており、かつこの上流部に担持されている触媒金属の担持量が下流部に比して少ないため、サルフェートを発生させることなく、かつＳＯＦを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒の第一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の第二の実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の第三の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の第四の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１…排気浄化触媒
２…触媒担体
３…酸素吸蔵金属担持部
４…触媒金属担持部
Claims (3)
- 多孔質触媒担体と、この担体の細孔表面上に形成された触媒担持層と、この触媒担持層上に担持された触媒金属からなるディーゼルエンジンの排気浄化触媒であって、前記触媒金属の担持量が前記排気浄化触媒の排気ガスの流れ方向の上流側よりも下流側の方が多くなっており、かつ上流側にのみ酸素吸蔵金属を担持させていることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化触媒。
- 前記排気浄化触媒の排気ガスの流れ方向の上流側の断面積が下流側の断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化触媒。
- ディーゼルエンジンからの排気ガスを請求項１記載の排気浄化触媒に通すことを特徴とする、ディーゼルエンジンの排気浄化方法。
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