JP4556587B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明はディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関するものである。
ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置として、その排気ガス通路に排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを設けるとともに、該フィルタよりも上流の当該排気通路に酸化触媒を配置したものが一般に知られている。これは、酸化触媒での反応熱を利用してフィルタをパティキュレートが着火燃焼する温度まで高めて該フィルタの再生を図るものである。例えば、フィルタを再生すべきときに、エンジンの燃料噴射制御（圧縮行程上死点付近での主噴射後の膨張行程又は排気行程において行なうポスト噴射）によって排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を増大させ、該ＨＣを上記酸化触媒によって燃焼させ、その燃焼反応熱によって、該酸化触媒よりも下流側の上記フィルタを加熱するようになされている。
かかる排気ガス浄化装置に関して、特許文献１には、酸化触媒にハニカム型のモノリス担体を採用し、担体の単位断面積当たりのセル数が異なる複数の酸化触媒を、排気ガス流れ方向の上流側から下流側へ直列に且つ下流側へ行くほどセル数が多くなるように配置することが記載されている。これは、フィルタの再生にあたって、排気ガス温度を高めるべく燃料噴射時期をリタードさせたとき、エンジンの燃焼性が悪化して多量の煤が発生し、これが酸化触媒に付着するという問題を解決せんとするものである。
すなわち、上流側の酸化触媒はセル密度が低いから排気ガス流速が高く煤が付着し難い、下流側の酸化触媒はセル密度が高いから排気ガス流速が低く煤が付着し易いが、流速が遅いから、排気ガス中のＨＣが多くなると、該ＨＣの酸化反応熱によって煤の燃焼に必要な温度になり、煤の堆積を抑えながら、酸化触媒としての有効に働かせることができる、というものである。
特開２００４−１６２６１１号公報
しかし、上述の如く酸化触媒のセル密度を小さくすると、該酸化触媒に対する煤の付着は少なくなるものの、該酸化触媒を吹き抜けてフィルタに流入するＨＣが多くなる。これは、ＨＣが酸化触媒で燃焼することなくフィルタに流入するということであるから、触媒からフィルタに伝わるＨＣ燃焼熱が少ないことを意味し、フィルタに堆積しているパティキュレートの着火燃焼に不利になる。そして、このことはフィルタ再生のために酸化触媒に供給する燃料（ポスト噴射量）が多くなることを意味し、燃費が悪化することにも繋がる。また、酸化触媒を吹き抜けた未燃ＨＣがフィルタに溜まると、パティキュレートが燃焼する際に、当該未燃ＨＣが着火して異常燃焼によるフィルタの過昇温を招き、フィルタに担持されている触媒の劣化、フィルタ本体の溶損やクラック等を引き起こす原因となる。
そこで、本発明は、上記セル密度とは別の観点から、上記フィルタより上流側に配置した触媒を、該フィルタの加熱、つまりパティキュレートの燃焼に有効に働くように工夫し、ＨＣの吹き抜け、ひいては燃費の悪化の問題を解決することを課題とする。
本発明は、このような課題に対して、触媒によるＨＣの燃焼性が触媒金属を担持するサポート材（活性アルミナや酸素吸蔵材）の量によって変わってくる点に着目し、該触媒におけるサポート材の配分を検討して、フィルタに流入する排気ガス温度が高くなるようにし、もってパティキュレートが燃焼し易くなるようにした。
すなわち、本発明は、ディーゼルエンジンの排気通路に排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタが設けられているとともに、該フィルタよりも上流の当該排気通路に排気ガス中のＨＣを酸化浄化する触媒が配置されている排気ガス浄化装置において、
上記触媒は、ハニカム担体のセル壁面に、触媒金属と、該触媒金属を担持するサポート材としての活性アルミナ及び酸素吸蔵材とを含有する触媒層が形成されてなり、且つ該ハニカム担体セル壁面の単位面積当たりの上記サポート材の量が、排気ガス流れ方向の上流側に位置する触媒部よりも下流側に位置する触媒部において多くなっていることを特徴とする。
かかる構成であれば、後述の実施例で明らかになるように、サポート材量を触媒の排気ガス流れ方向全長にわたって均一にした場合に比べて、フィルタ入口の排気ガス温度が高くなる。これは次のように考えられる。
触媒がＨＣを酸化浄化するときの触媒各部の温度をみた場合、触媒の上流側で発生するＨＣの酸化反応熱が下流側に伝わるとともに、触媒から外部に奪われる熱が少ないならば、その伝熱によって上流側よりも下流側の温度が高くなる。そのため、触媒の下流側へいくほど触媒活性が高くなり、ＨＣの酸化反応が盛んになる結果、その反応熱によって排気ガスは加熱されて温度が高くなり、フィルタ入口での排気ガス温度は触媒入口での排気ガス温度よりも高くなる。
サポート材量を触媒全長にわたって均一にした場合は、触媒下流側でのＨＣの酸化反応が盛んになるのは上流側からの伝熱効果のみによるものであるから、排気ガス温度の大きな上昇は望むことができない。なお、触媒から外部に奪われる熱量が多いケースや、触媒とフィルタとの間で外部に熱が奪われるケースでは、触媒入口での排気ガス温度よりもフィルタ入口での排気ガス温度の方が低くなることもある。
これに対して、本発明の場合、上流側の触媒部では、サポート材量が少ないため、その熱容量が小さくて昇温し易く、早期活性に有利になる。この早期活性に伴って当該上流側触媒部でのＨＣの燃焼熱により速やかに昇温された排気ガスは、下流側触媒部に至ると、サポート材量が多いことから、ＨＣの酸化浄化が急激に活発になり、上述のサポート材均一配分の場合よりも排気ガス温度の上昇が急になる。具体的には、上記サポート材として含まれている酸素吸蔵材からは活性酸素が放出されるが、該活性酸素によって排気ガス中のＣＯがＣＯ2に酸化される過程で燃焼熱が発生し、この燃焼熱の影響によって、排気ガス中のＨＣの上記触媒金属の作用による酸化が活発になり、多量の燃焼熱が発生する。このため、上記サポート材量を上流側触媒部よりも下流側触媒部において多くなるようにしておくと、上述のＨＣの吹き抜けのような問題を招くことなく、フィルタに流入する排気ガス温度を高くすることができる。また、排気ガスが触媒を通過する過程や、触媒からフィルタに移る過程での外部からの熱引きが多い場合でも、フィルタに流入する排気ガス温度の低下が少なくなる。
よって、上述のポスト噴射を行なう場合でも、その噴射量を少なくすることができ、或いは触媒にその活性を促すための熱エネルギーを別途加える場合でもそのエネルギー量を少なくすることができ、燃費上昇を抑えながら、フィルタを速やかに再生する上で有利になる。
上記触媒は、上流側触媒部と下流側触媒部とが一体になったもの（単一のモノリス担体の上流側部分と下流側部分とのハニカム担体単位面積当たりのサポート材量を異なるものにして、単一の触媒に上流側触媒部と下流側触媒部とを設けたもの）であっても、上流側触媒部と下流側触媒部とが別個の担体によって形成されたものであってもよい。また、ハニカム担体単位面積当たりのサポート材量が異なる３以上の触媒部を下流側へ行くほど該サポート材量が多くなるように配置したものであってもよい。また、触媒金属量についても、上流側触媒部よりも下流側触媒部において多くなるように配分してもよい。
上記触媒の種類としては、ＨＣの酸化反応に触媒作用を営む酸化触媒を採用することができる他、酸素過剰下（リーン）でＨＣを還元剤として排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する直接分解方式、或いは酸素過剰下でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が低下したリッチ時に吸蔵したＮＯｘを還元する吸蔵還元方式のリーンＮＯｘ触媒を採用することができる。
上記酸化触媒としては、アルミナと酸素吸蔵材とＨＣ吸着材と触媒金属としての貴金属とを含有する触媒材料を担体、例えばハニカム状のモノリス担体に担持したものであることが好ましい。
上記リーンＮＯｘ触媒としては、アルミナと酸素吸蔵材とＮＯｘ吸蔵材と触媒金属としての貴金属とを含有する触媒材料を担体、例えばハニカム状のモノリス担体に担持した吸蔵還元方式のものであることが好ましい。
上記酸素吸蔵材としては、ＣｅＯ2、或いはＣｅとＺｒ、Ｐｒ、Ｎｄなど他の金属との複酸化物を採用することができる。ＨＣ吸着材としてはゼオライトが好ましく、特にβゼオライトが好ましい。貴金属としてはＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ等を採用することができる。ＮＯｘ吸蔵材としては、Ｂａ、その他のアルカリ土類金属や、Ｌｉ、Ｋ、Ｎａ、その他のアルカリ金属が好ましい。
以上のように、本発明によれば、パティキュレートフィルタよりも上流の排気通路に配置したＨＣを酸化浄化する触媒は、サポート材が、排気ガス流れ方向の上流側に位置する触媒部よりも下流側に位置する触媒部に多く配分されたものであるから、サポート材の配分を当該触媒の排気ガス流れ方向全長にわたって均一にした場合に比べて、フィルタ入口の排気ガス温度を高くすることができ、燃費上昇を抑えながら、フィルタを速やかに再生する上で有利になる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置１において、２は該エンジンの排気通路に組み込まれた触媒コンバータである。このコンバータ２の排気ガス流れ方向の上流側には、排気ガス中のＨＣを酸化浄化する触媒として、排気ガス流れ方向の上流側に配置された上流側触媒３と、その下流側に配置された下流側触媒４とが設けられ、コンバータ２の下流側には排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ５が配置されている。これら上流側触媒３、下流側触媒４及びフィルタ５は排気ガス流れ方向に直列に並んでいる。
上流側触媒３及び下流側触媒４は、セラミックス製又は金属製のハニカム状モノリス担体の各セル壁面に触媒材料を担持してなるものである。その担持量、具体的にはサポート材量は上流側触媒３よりも下流側触媒４の方が多くなっている。
フィルタ５は、下流端が閉塞された排気ガス流入セルと、上流端が閉塞された排気ガス流出セルとが前後左右に交互に設けられたセラミックス製又は金属製のハニカム状のものである。排気ガス流入セルと排気ガス流出セルとは薄肉の隔壁を介して隔てられており、排気ガス流入セル内に流入した排気ガスは隔壁の微細な細孔を通って隣接する排気ガス流出セル内に流出する。排気ガス中のパティキュレートは排気ガス通路（排気ガス流入セル、排気ガス流出セル及び細孔）の壁面に付着する。この排気ガス通路壁面には、フィルタ再生時のパティキュレートの燃焼を促進するための触媒層が形成されている。
エンジンから出る排気ガス温度が高いエンジン運転状態の時は、フィルタ５は触媒３，４でのＨＣの酸化反応熱によってパティキュレートの燃焼が可能な再生温度にまで加熱され易く、該フィルタ５は連続的に再生される。排気ガス中のＮＯは触媒３，４で酸化されてＮＯ2となってフィルタ５に供給されることから、この再生には当該ＮＯ2がパティキュレートの酸化剤として有効に働く。
フィルタ５の強制再生を行なうときは、エンジンの燃料噴射制御により、圧縮行程上死点付近での主噴射後の膨張行程又は排気行程において燃料をエンジン気筒内に噴射する（ポスト噴射）を行なう。これにより、触媒３，４に未燃燃料、すなわちＨＣを多く供給し、該触媒３，４でのＨＣの酸化反応熱の発生量を多くすることにより、フィルタ５を再生温度にまで加熱することになる。また、触媒３，４の温度が低いときは、事前にエンジンの燃料噴射時期をリタードさせて排気ガス温度を高め、それによって触媒３，４を活性温度になるように加熱する。
以下、実施例及び比較例に基いて本発明の有用性を説明する。
＜実施例及び比較例の触媒＞
−実施例１−
上流側触媒３及び下流側触媒４各々は酸化触媒とした。触媒材料は、活性アルミナと、酸素吸蔵材としてのＣｅＯ2と、ＨＣ吸着材としてのβゼオライトと、触媒金属としてのＰｔとよりなる。すなわち、活性アルミナ、ＣｅＯ2及びβゼオライトを１：１：１の質量比で混合し、これをサポート材としてＰｔを担持したものである。上流側触媒３及び下流側触媒４各々には１平方インチ（約６．５４ｃｍ2）当たりのセル数４００、相隣るセルを隔てる壁厚４ミル（約０．１ｍｍ）、容積１２．５ｃｍ3のコージェライト製ハニカム担体を採用した。
そうして、上流側触媒３に関しては、上記活性アルミナ、ＣｅＯ2及びβゼオライトを１：１：１の質量比で混合してなるサポート材を上記担体に６０ｇ／Ｌ担持し、下流側触媒４に関しては、当該サポート材を上記担体に１８０ｇ／Ｌ担持した。従って、ハニカム担体セル壁面の単位面積当たりの上記サポート材の量は、上流側触媒部３よりも下流側触媒部４において多くなっている。Ｐｔに関しては、上流側触媒３及び下流側触媒４のいずれもＰｔ担持量が２ｇ／Ｌとなるように、上記サポート材に対して含浸法により担持させた。なお、「ｇ／Ｌ」は担体容積１Ｌ当たりの担持量を表す（以下、同じ。）。
−比較例１−
１平方インチ（約６．５４ｃｍ2）当たりのセル数４００、相隣るセルを隔てる壁厚４ミル（約０．１ｍｍ）、容積２５ｃｍ3のコージェライト製ハニカム担体全体にわたって実施例１と同じサポート材を均一に１２０ｇ／Ｌ担持し、該サポート材にＰｔを含浸担持させて比較例１の触媒（酸化触媒）とした。この触媒のＰｔ担持量も２ｇ／Ｌである。
従って、比較例１における活性アルミナ、酸素吸蔵材（ＣｅＯ2）、ＨＣ吸着材（βゼオライト）及び触媒金属（Ｐｔ）の量は、実施例１の上流側触媒部３と下流側触媒部４とを合わせた当該各量と同じである。
−実施例２−
上流側触媒３及び下流側触媒４各々はリーンＮＯｘ触媒とした。触媒材料は、活性アルミナと、ＣｅＯ2と、ＮＯｘ吸蔵材としてのＢａと、触媒金属としてのＰｔとよりなる。すなわち、活性アルミナ及びＣｅＯ2を１：１の質量比で混合し、これをサポート材としてＰｔ及びＢａを担持したものである。上流側触媒３及び下流側触媒４各々には実施例１と同じハニカム担体を採用した。
そうして、上流側触媒３に関しては、上記活性アルミナ及びＣｅＯ2を１：１の質量比で混合してなるサポート材を上記担体に６０ｇ／Ｌ担持し、下流側触媒４に関しては、上記サポート材を上記担体に１８０ｇ／Ｌ担持した。従って、ハニカム担体セル壁面の単位面積当たりの上記サポート材の量は、上流側触媒部３よりも下流側触媒部４において多くなっている。Ｐｔに関しては、上流側触媒３及び下流側触媒４のいずれもＰｔ担持量が２ｇ／Ｌとなるように、また、Ｂａに関しては、上流側触媒３及び下流側触媒４のいずれもＢａ担持量が２０ｇ／Ｌとなるように、それぞれ上記サポート材に対して含浸法により担持させた。
−比較例２−
比較例１と同じハニカム担体全体にわたって実施例２と同じサポート材を均一に１２０ｇ／Ｌ担持して比較例１の触媒（リーンＮＯｘ触媒）とした。この触媒のＰｔ担持量は２ｇ／Ｌ、Ｂａ担持量は２０ｇ／Ｌである。
従って、比較例２における活性アルミナ、酸素吸蔵材（ＣｅＯ2）、、触媒金属（Ｐｔ）及びＮＯ吸蔵材（Ｂａ）の量は、実施例２の上流側触媒部３と下流側触媒部４とを合わせた当該各量と同じである。
＜評価＞
上記実施例１の各触媒３，４に対してエージングを施した後、この触媒３，４及びフィルタ５をモデルガス流通反応装置に図１に示すレイアウトで取り付けた。そうして、モデル排気ガスを流しながら上流側触媒３の入口ガス温度を常温から漸次上昇させていき、フィルタ５の入口ガス温度、並びにＨＣスリップ率を測定した。ＨＣスリップ率は、触媒３，４で酸化されることなく該触媒３，４を吹き抜けたＨＣの割合である。
エージングは触媒を大気雰囲気で８００℃の温度に６時間保持するというものである。モデル排気ガスの組成は次の通りであり、空間速度は１０００００ｈ-1、昇温速度は３０℃／分である。
モデル排気ガス；ＨＣ＝4000ppmC，ＣＯ＝800ppm，ＮＯ＝1000ppm，Ｏ2＝１０容量％ ，ＣＯ2＝４．５容量％，Ｈ2Ｏ＝１０容量％，残Ｎ2。
実施例２及び比較例１，２の各触媒についても、実施例１と同様にエージングを施してモデルガス流通反応装置により、上記モデル排気ガスを用いて、フィルタ５の入口ガス温度を測定した。結果は表１に示されている。
Figure 0004556587
酸化触媒を採用した実施例１と比較例１とを比較すると、対応する各触媒入口温度において、実施例１は比較例１よりもＨＣスリップ率が低く、フィルタ入口温度が高くなっている。特に触媒入口温度が低いとき（３００℃）、比較例１ではフィルタ入口温度が触媒入口温度よりも低くなっているが、実施例１では３０℃以上も高くなっている。また、リーンＮＯｘ触媒を採用した実施例２と比較例２とを比較した場合でも、対応する各触媒入口温度において、実施例２は比較例２よりもＨＣスリップ率が低く、フィルタ入口温度が高くなっている。
従って、上流側触媒３よりも下流側触媒３のサポート材担持量を多くすると、総担持量は同じでも比較例１，２のように均一担持した場合よりも、ＨＣスリップ率を低くしてフィルタ入口温度を高めることができ、燃費の上昇を抑えながら、フィルタを速やかに再生する上で有利になることがわかる。
リーンＮＯｘ触媒を採用した実施例２の場合は、排気ガス中のＮＯは、空燃比リーン時にＰｔによってＮＯ2に酸化されてＮＯｘ吸蔵材であるＢａに硝酸バリウムとして吸蔵され、空燃比リッチになったときにＮＯｘ吸蔵材からＮＯ2として放出される。従って、このＮＯ2をフィルタ５に供給してパティキュレートを燃焼させることができる。
本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置の説明図である。
符号の説明
１ 排気ガス浄化装置
３ 上流側触媒
４ 下流側触媒
５ フィルタ

Claims (3)

  1. ディーゼルエンジンの排気通路に排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタが設けられているとともに、該フィルタよりも上流の当該排気通路に排気ガス中のＨＣを酸化浄化する触媒が配置されている排気ガス浄化装置において、
    上記触媒は、ハニカム担体のセル壁面に、触媒金属と、該触媒金属を担持するサポート材としての活性アルミナ及び酸素吸蔵材とを含有する触媒層が形成されてなり、且つ該ハニカム担体セル壁面の単位面積当たりの上記サポート材の量が、排気ガス流れ方向の上流側に位置する触媒部よりも下流側に位置する触媒部において多くなっていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 請求項１において、
    上記触媒は、酸化触媒であることを特徴とする排気ガス浄化装置。
  3. 請求項１において、
    上記触媒は、リーンＮＯｘ触媒であることを特徴とする排気ガス浄化装置。
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