JP5081672B2 - Exhaust gas purification device - Google Patents
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本発明は、排ガス浄化装置に関し、特に、幅広い温度域に亘って、NOxの浄化及びPMの浄化を効率良く行うことができる排ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device, and more particularly to an exhaust gas purification device capable of efficiently performing NOx purification and PM purification over a wide temperature range.
リーンバーンエンジンから排出される排ガス中には、有害物質である一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)、粒子状物質(PM)が含まれている。これらのうち、COとHCは、排ガス通路内に酸化触媒を設置することにより、排ガス中の酸素(O2)と反応させ、無害な二酸化炭素(CO2)と水(H2O)に変換して浄化除去することが可能である。一方、NOxは、排ガス中のCOやHC等の還元成分と反応させ、窒素(N2)に変換させる必要があるところ、リーンバーンエンジンから排出される排ガスのように酸素過剰な状態では、還元成分はO2と優先的に反応するため、NOxの還元効率が大幅に低下する。 The exhaust gas discharged from the lean burn engine contains harmful substances such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), and particulate matter (PM). Of these, CO and HC are converted to harmless carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) by reacting with oxygen (O 2 ) in the exhaust gas by installing an oxidation catalyst in the exhaust gas passage. It is possible to purify and remove. On the other hand, NOx needs to be reacted with reducing components such as CO and HC in the exhaust gas and converted to nitrogen (N 2 ). However, in an oxygen-excess state such as exhaust gas discharged from a lean burn engine, it is reduced. Since the component reacts preferentially with O 2 , the NOx reduction efficiency is greatly reduced.
そこで、排ガス通路内にNOx吸着還元触媒を設置し、通常のリーンバーン運転時は、排ガス中のNOxをNOx吸着還元触媒に吸着させ、定期的に排ガス雰囲気を還元剤がリッチな雰囲気にする(リッチスパイク)ことにより、触媒に吸着したNOxを還元させるというサイクルを繰り返すことにより、NOxを効率的に浄化する方法が知られている。 Therefore, a NOx adsorption / reduction catalyst is installed in the exhaust gas passage, and during normal lean burn operation, NOx in the exhaust gas is adsorbed by the NOx adsorption / reduction catalyst, and the exhaust gas atmosphere is periodically made rich with a reducing agent ( There is known a method of efficiently purifying NOx by repeating a cycle of reducing NOx adsorbed on the catalyst by rich spike).
例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属等を用い、排ガスの空燃比がリーンであるときにNOxを吸収し、排ガス中の酸素濃度を低下させると、吸収したNOxを放出するNOx吸収剤を用い、排ガスがリーンのときに吸収させたNOxを、排ガス中の酸素濃度が低下せしめられたときにNOx吸収材から放出するようにした排ガス浄化装置が開示されている(特許文献1参照)。 For example, using an alkali metal, an alkaline earth metal or the like, using a NOx absorbent that absorbs NOx when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean and reduces the oxygen concentration in the exhaust gas, and releases the absorbed NOx, An exhaust gas purification device is disclosed in which NOx absorbed when the exhaust gas is lean is released from the NOx absorbent when the oxygen concentration in the exhaust gas is reduced (see Patent Document 1).
しかしながら、上記の排ガス浄化装置に用いられているNOx吸収剤は、アルカリ金属、アルカリ土類金属と活性種である貴金属を用いているため、貴金属の活性が低下し易く、特に低温におけるNOx浄化性能が低下するという問題があった。このため、アルカリ金属、アルカリ土類金属を用いた触媒の現実的な浄化温度ウインドウは250℃〜500℃であり、250℃未満の運転領域では十分な性能が得られなかった。 However, since the NOx absorbent used in the exhaust gas purification apparatus uses an alkali metal, an alkaline earth metal, and a noble metal that is an active species, the activity of the noble metal is likely to decrease, and the NOx purification performance particularly at a low temperature. There was a problem that decreased. For this reason, the realistic purification temperature window of the catalyst using an alkali metal or an alkaline earth metal is 250 ° C. to 500 ° C., and sufficient performance cannot be obtained in an operation region below 250 ° C.
そこで、本出願人らは、アルカリ金属やアルカリ土類金属を用いず、セリウム系NOx吸着材を用いると同時に、NH3吸着機能を有する材料と組み合わせた触媒を提案している(特許文献2参照)。この触媒によれば、リーンで吸着させたNOxをリッチ時にNH3に変換し、即座にNH3吸着材に吸着させ、次のリーン時にNH3によりNOxを選択還元するというメカニズムにより、低温におけるNOx浄化性能を飛躍的に向上させることができる。 Therefore, the present applicants have proposed a catalyst that uses a cerium-based NOx adsorbent without using an alkali metal or an alkaline earth metal, and at the same time combined with a material having an NH 3 adsorption function (see Patent Document 2). ). According to this catalyst, NOx adsorbed by lean is converted to NH 3 when rich, immediately adsorbed to the NH 3 adsorbent, and NOx is selectively reduced by NH 3 at the next lean, so that NOx at low temperature is reduced. The purification performance can be dramatically improved.
ただし、セリウム系吸着材は、NOx吸着の温度ウインドウが150℃〜400℃であり、通常のディーゼル車の運転条件においては十分に機能を発揮するものの、排ガスが400℃以上になる運転領域においては、やや性能が低下する傾向があった。 However, the cerium-based adsorbent has a NOx adsorption temperature window of 150 ° C. to 400 ° C. and functions sufficiently under normal diesel vehicle operating conditions, but in an operating region where exhaust gas is 400 ° C. or higher. There was a tendency for the performance to decrease slightly.
一方、PMの除去に関しては、ウォールフローのハニカム状で、入口と出ロを互い違いに目封じした、多孔質セラミックスからなるディーゼル・パティキュレート・フィルタ(DPF)と呼ばれるフィルタで濾過させて除去するのが一般的である。
ところで、ディーゼルエンジンでは、通常の運転条件をモデルとしたアメリカの走行モードであるLA4モードの排ガス温度域は、150℃〜350℃である。ところが、高負荷運転をモデルにしたUS06モードにおいては、排ガス温度域は300℃〜500℃である。従って、ディーゼルエンジンにおいては、150℃〜500℃という幅広い温度域に亘って、NOxを浄化しなければならない。 By the way, in a diesel engine, the exhaust gas temperature range of the LA4 mode, which is an American driving mode modeled on normal operating conditions, is 150 ° C. to 350 ° C. However, in the US06 mode modeled on high-load operation, the exhaust gas temperature range is 300 ° C to 500 ° C. Therefore, in a diesel engine, NOx must be purified over a wide temperature range of 150 ° C to 500 ° C.
このように、近年厳しさを増す排ガス規制をクリアするためには、幅広い温度域に亘って、高いNOx浄化能と高いPM浄化能の双方を発揮し得る排ガス浄化装置が求められる。しかしながら、このような排ガス浄化装置はこれまでのところ見出されていないのが現状である。 Thus, in order to clear exhaust gas regulations that are becoming more severe in recent years, an exhaust gas purification device that can exhibit both high NOx purification ability and high PM purification ability over a wide temperature range is required. However, the present situation is that no such exhaust gas purification device has been found so far.
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、幅広い温度域に亘って、NOxの浄化及びPMの浄化を効率良く行うことができる排ガス浄化装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device capable of efficiently purifying NOx and purifying PM over a wide temperature range. It is in.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、内燃機関の排ガス通路に、上流側から高温型リーンNOx触媒、PMを捕集可能なフィルタ、低温型リーンNOx触媒を順次、直列に配置した構成を採用することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。 The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, the above problem is solved by adopting a configuration in which a high-temperature lean NOx catalyst, a filter capable of collecting PM, and a low-temperature lean NOx catalyst are sequentially arranged in series in the exhaust gas passage of the internal combustion engine. The present inventors have found that this can be done and have completed the present invention. More specifically, the present invention provides the following.
請求項1記載の排ガス浄化装置は、リーン又はリッチ制御が行われる内燃機関の排ガス通路に設けられ、前記内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であって、前記内燃機関の排ガス通路に設けられ、アルカリ金属及びアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む高温型リーンNOx触媒を有する第1浄化部と、前記第1浄化部より下流側の前記排ガス通路に設けられ、排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタを有する第2浄化部と、前記第2浄化部より下流側の前記排ガス通路に設けられ、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒を有する第3浄化部と、を備えることを特徴とする。
An exhaust gas purification device according to
請求項2記載の排ガス浄化装置は、請求項1記載の排ガス浄化装置において、前記高温型リーンNOx触媒が、Pt、Pd、及びRhよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属を含むことを特徴とする。
The exhaust gas purification device according to
請求項3記載の排ガス浄化装置は、請求項1又は2記載の排ガス浄化装置において、前記高温型リーンNOx触媒が、アルミナ、シリカ、チタニア、及びジルコニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材を含むことを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項4記載の排ガス浄化装置は、請求項1から3いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記高温型リーンNOx触媒が、セリア−ジルコニア複合酸化物からなる酸素吸蔵放出材を含むことを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項5記載の排ガス浄化装置は、請求項1から4いずれか記載の排ガス浄化装置において、メタル製又はコージェライト製の担体を含むことを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項6記載の排ガス浄化装置は、請求項1から5いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記フィルタが、コージェライト、SiC、アルミナ、又はチタニアから構成されていることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項7記載の排ガス浄化装置は、請求項1から6いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記フィルタの中心気孔径が10μm〜30μmであり、且つ気孔率が40%〜60%であることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項8記載の排ガス浄化装置は、請求項1から7いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記第2浄化部が、前記フィルタ表面に担持され且つPt、Pd、Rh、及びAgよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属と、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材と、を含むPM燃焼触媒をさらに有することを特徴とする。
The exhaust gas purification apparatus according to
請求項9記載の排ガス浄化装置は、請求項1から8いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記低温型リーンNOx触媒が、担体上に担持され且つ貴金属、前記セリウム系材料、及びランタン系材料を含む第1触媒層を有し、リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが前記第1触媒層に酸化吸着され、リッチ状態としたときに、リーン状態で前記第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、前記第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、及び水に変換されることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to claim 9 is the exhaust gas purifying apparatus according to any one of
請求項10記載の排ガス浄化装置は、請求項9記載の排ガス浄化装置において、前記第1触媒層に含まれるランタン系材料の含有量が、単位体積あたり1g/L〜100g/Lであることを特徴とする。
The exhaust gas purifying device according to
請求項11記載の排ガス浄化装置は、請求項9又は10記載の排ガス浄化装置において、前記第1触媒層に含まれる貴金属が、白金を主成分とし、且つロジウムを副成分とすることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項12記載の排ガス浄化装置は、請求項11記載の排ガス浄化装置において、前記貴金属の総含有量が、単位体積あたり0.1g/L〜20g/Lであることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項13記載の排ガス浄化装置は、請求項9から12いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記低温型リーンNOx触媒が、前記第1触媒層の上層に積層され且つ鉄、セリウム、及びランタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むβゼオライトを含む第2触媒層をさらに有し、リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが前記第1触媒層に酸化吸着され、リッチ状態としたときに、リーン状態で前記第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、前記第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、水、及びアンモニアに変換されて前記第2触媒層にアンモニアが吸着され、再びリーン状態としたときに、リッチ状態で前記第2触媒層に吸着されたアンモニアが、排ガス中のNOxと反応して窒素及び水に変換されることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項14記載の排ガス浄化装置は、請求項9から13いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記還元成分が、一酸化炭素、炭化水素、及び水素よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする。 The exhaust gas purification apparatus according to claim 14 is the exhaust gas purification apparatus according to any one of claims 9 to 13, wherein the reducing component is at least one selected from the group consisting of carbon monoxide, hydrocarbons, and hydrogen. It is characterized by.
請求項15記載の排ガス浄化装置は、請求項9から14いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記第1触媒層が、酸化ジルコニウム系材料、アルミナ系材料、ゼオライト系材料、及びシリカ系材料よりなる群から選ばれる少なくとも1種の耐熱性無機酸化物をさらに含むことを特徴とする。 The exhaust gas purification device according to claim 15 is the exhaust gas purification device according to any one of claims 9 to 14, wherein the first catalyst layer is made of a zirconium oxide-based material, an alumina-based material, a zeolite-based material, and a silica-based material. It further comprises at least one heat-resistant inorganic oxide selected from the group.
請求項16記載の排ガス浄化装置は、請求項9から15いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記ランタン系材料が、ランタン金属、酸化ランタン、ランタン系複合酸化物、及びランタンと希土類元素との複合酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする。 The exhaust gas purifying apparatus according to claim 16 is the exhaust gas purifying apparatus according to any one of claims 9 to 15, wherein the lanthanum-based material is lanthanum metal, lanthanum oxide, lanthanum-based composite oxide, and a composite of lanthanum and a rare earth element. It is at least one selected from the group consisting of oxides.
請求項17記載の排ガス浄化装置は、請求項9から16いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記セリウム系材料が、セリウム金属、酸化セリウム、セリウム系複合酸化物、及びセリウムと希土類元素との複合酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする。 The exhaust gas purifying apparatus according to claim 17 is the exhaust gas purifying apparatus according to any one of claims 9 to 16, wherein the cerium-based material is cerium metal, cerium oxide, a cerium-based composite oxide, and a composite of cerium and a rare earth element. It is at least one selected from the group consisting of oxides.
請求項18記載の排ガス浄化装置は、請求項9から17いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記第1触媒層が、複数層から構成されていることを特徴とする。 The exhaust gas purifying apparatus according to claim 18 is the exhaust gas purifying apparatus according to any one of claims 9 to 17, wherein the first catalyst layer is composed of a plurality of layers.
請求項19記載の排ガス浄化装置は、請求項1から18いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記第1浄化部より上流側の前記排ガス通路に設けられ、酸化触媒を有する酸化触媒部をさらに備えることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to claim 19 is the exhaust gas purifying apparatus according to any one of
請求項20記載の排ガス浄化装置は、請求項1から19いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記第1浄化部の高温型リーンNOx触媒を所定温度以上に加熱し、且つ排ガス雰囲気をリッチに制御することにより、前記高温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去するとともに、前記第2浄化部のフィルタに吸着していた硫黄成分及び前記第3浄化部の低温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去する再生手段をさらに備えることを特徴とする。
The exhaust gas purification device according to claim 20 is the exhaust gas purification device according to any one of
本発明によれば、特に、ディーゼルエンジンのようなリーンバーンエンジンにおいてリーン又はリッチ制御を行うことにより、排ガス中に含まれるNOx及びPMを、幅広い温度域に亘って効率良く浄化することができる排ガス浄化装置を提供できる。 According to the present invention, in particular, exhaust gas that can efficiently purify NOx and PM contained in exhaust gas over a wide temperature range by performing lean or rich control in a lean burn engine such as a diesel engine. A purification device can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<第1実施形態>
本実施形態に係る排ガス浄化装置10の概略構成を図1に示す。図1に示されるように、排ガス浄化装置10は、リーン又はリッチ制御が行われる内燃機関1の排ガス通路2に設けられ、前記内燃機関1から排出される排ガスを浄化するために用いられる。本実施形態では、内燃機関1として、リーンバーンエンジンを適用することが好ましく、ディーゼルエンジンを適用することがより好ましい。
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a schematic configuration of an exhaust
排ガス浄化装置10は、内燃機関1の下流側の排ガス通路2に設けられ、且つ高温型リーンNOx触媒を有する第1浄化部11と、第1浄化部11より下流側の排ガス通路2に設けられ、且つ排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタとしてDPFを有する第2浄化部12と、第2浄化部12より下流側の排ガス通路2に設けられ、低温型リーンNOx触媒を有する第3浄化部13と、を備える。
The exhaust
ここで、高温型リーンNOx触媒とは、250℃〜500℃で高いNOx浄化性能を有するものを意味し、低温型リーンNOx触媒とは、150℃〜400℃で高い浄化性能を有するものを意味する。また、リーンとは、完全燃焼反応における化学量論比であるストイキに対して、空燃比が大きい(燃料濃度が希薄)状態を意味し、リッチとは、空燃比が小さい(燃料濃度が高い)状態を意味する。 Here, the high temperature type lean NOx catalyst means a catalyst having a high NOx purification performance at 250 ° C. to 500 ° C., and the low temperature type lean NOx catalyst means a catalyst having a high purification performance at 150 ° C. to 400 ° C. To do. Lean means a state where the air-fuel ratio is large (fuel concentration is lean) with respect to stoichiometry, which is the stoichiometric ratio in the complete combustion reaction, and rich means that the air-fuel ratio is small (fuel concentration is high). Means state.
本実施形態のように、NOxの吸着還元機能を利用した排ガス浄化において、最も重要な事項は触媒の温度マネジメントである。リーンNOx触媒は、材料によりNOx吸着温度域が限定されることが知られている。アルカリ金属やアルカリ土類金属を用いたリーンNOx触媒では、NOx吸着温度域が250℃〜500℃であり、250℃以下ではNOx吸着能が低い。一方、セリウム系材料を用いたリーンNOx触媒では、NOx吸着温度域は150℃〜400℃であり、400℃を超えるとNOx吸着能が低下する。本実施形態は、これら材料の異なる2種類のリーンNOx触媒を組み合わせることにより、従来に比して幅広い温度域において、NOxの効率的な浄化を可能としたものである。 As in this embodiment, the most important matter in the exhaust gas purification using the NOx adsorption / reduction function is the temperature management of the catalyst. It is known that the lean NOx catalyst has a NOx adsorption temperature range limited by the material. In a lean NOx catalyst using an alkali metal or an alkaline earth metal, the NOx adsorption temperature range is 250 ° C. to 500 ° C., and the NOx adsorption capacity is low at 250 ° C. or less. On the other hand, in a lean NOx catalyst using a cerium-based material, the NOx adsorption temperature range is 150 ° C. to 400 ° C., and if it exceeds 400 ° C., the NOx adsorption capacity is lowered. In the present embodiment, two types of lean NOx catalysts of different materials are combined to enable efficient purification of NOx in a wider temperature range than in the past.
[第1浄化部]
第1浄化部11は、内燃機関1の下流側の排ガス通路2に設けられ、好ましくは、内燃機関1の直下に設けられる。第1浄化部11は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む高温型リーンNOx触媒を有することを特徴とする。このため、第1浄化部11は、高温型リーンNOx触媒の作用により、250℃〜500℃で高いNOx浄化性能を発揮する。第1浄化部11では、リーン状態のときにNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxをリッチ状態のときに放出することにより、共存する還元剤の作用でNOxの浄化が達成される。
[First purification section]
The
第1浄化部11の高温型リーンNOx触媒は、Na、K、Cs等のアルカリ金属や、Mg、Sr、Ba等のアルカリ土類金属を含むことを特徴とする。これらアルカリ金属、アルカリ土類金属の高温領域における高いNOx吸着能により、高いNOx浄化性能が発揮される。
The high-temperature type lean NOx catalyst of the
高温型リーンNOx触媒は、Pt、Pd、及びRhよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属を含むことが好ましい。これら貴金属の触媒作用により、高い浄化性能が発揮される。 The high temperature type lean NOx catalyst preferably contains at least one noble metal selected from the group consisting of Pt, Pd, and Rh. High purification performance is exhibited by the catalytic action of these noble metals.
また、高温型リーンNOx触媒は、アルミナ、シリカ、チタニア、及びジルコニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材を含むことが好ましい。これらのサポート材によれば、上記貴金属を担持させることが可能であるうえ、高い耐熱性を有する触媒が得られる。 The high-temperature lean NOx catalyst preferably includes at least one support material selected from the group consisting of alumina, silica, titania, and zirconia. According to these support materials, it is possible to carry the above-mentioned noble metal and to obtain a catalyst having high heat resistance.
また、高温型リーンNOx触媒は、セリア−ジルコニア複合酸化物からなる酸素吸蔵放出材を含むことが好ましい。酸素吸蔵放出材を含むことにより、より効率的にNOxの浄化が可能となる。 The high-temperature lean NOx catalyst preferably includes an oxygen storage / release material composed of a ceria-zirconia composite oxide. By including the oxygen storage / release material, it is possible to purify NOx more efficiently.
また、高温型リーンNOx触媒は、上記の各成分をメタル製又はコージェライト製の担体に担持されたものであることが好ましい。これらの材質からなる担体によれば、高い耐熱性を有する触媒が得られる。特に、熱伝導性の観点から、メタル製のハニカム担体が好ましく用いられる。 Further, the high-temperature lean NOx catalyst is preferably one in which the above-described components are supported on a metal or cordierite carrier. According to the carrier made of these materials, a catalyst having high heat resistance can be obtained. In particular, from the viewpoint of thermal conductivity, a metal honeycomb carrier is preferably used.
高温型リーンNOx触媒の調製方法は特に限定されず、従来公知の方法により調製される。具体的には、高温型リーンNOx触媒を構成する上記材料を含むスラリーを調製し、ウォッシュコート法により、所望の担持量になるようにスラリーを担体に被覆した後、乾燥・焼成することにより調製される。 The method for preparing the high temperature type lean NOx catalyst is not particularly limited, and is prepared by a conventionally known method. Specifically, a slurry containing the above materials constituting the high-temperature lean NOx catalyst is prepared, and the slurry is coated on the support so as to have a desired loading amount by a wash coat method, and then dried and fired. Is done.
[第2浄化部]
第2浄化部12は、第1浄化部11より下流側の排ガス通路2に設けられ、排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタを有することを特徴とする。フィルタとしては、PMを捕集可能なものであれば特に限定されず、従来公知のDPFを用いることができる。
[Second purification section]
The
PMは、第2浄化部12に備えられたフィルタによりほぼ100%近く捕集される。捕集されて堆積したPMは、排ガスを昇温することにより燃焼除去させる必要がある。PMを捕集可能なフィルタは、濾過面積を稼ぐべくボリュームが大きく設定されているため、その熱容量により温度が上昇し難いという特徴がある。このため、フィルタは、可能な限り、排ガス温度の高い上流側に配置することが好ましい。
Nearly 100% of PM is collected by the filter provided in the
ただし、始動時には上流側の高温型リーンNOx触媒の昇温性も確保する必要があることから、上流側の高温型リーンNOx触媒と、下流側の低温型リーンNOx触媒の間に配置することが好ましい。また、熱容量が大きいことから、運転条件が激しく変動し、排ガス温度が大きく変化した場合であっても、下流側の低温型リーンNOx触媒の温度を適正に保つ効果を有する。 However, since it is necessary to ensure the temperature rise performance of the upstream high-temperature lean NOx catalyst at the time of start-up, it may be disposed between the upstream high-temperature lean NOx catalyst and the downstream low-temperature lean NOx catalyst. preferable. Further, since the heat capacity is large, even if the operating conditions fluctuate drastically and the exhaust gas temperature changes greatly, there is an effect of maintaining the temperature of the low-temperature lean NOx catalyst on the downstream side appropriately.
第2浄化部12のフィルタは、コージェライト、SiC、アルミナ、又はチタニアといった多孔質セラミックスからなる三次元構造体であることが好ましい。中でも、ウォールフロータイプやフォームタイプの構造体が好ましい。このようなフィルタによれば、PMを効率良く捕集可能であるとともに、高い耐熱性を有するフィルタが得られる。
The filter of the
また、フィルタの中心気孔径は1μm〜100μmであり、且つ気孔率は20%〜80%であることが好ましい。フィルタの中心気孔径が上記範囲より小さい場合には、捕集効率は高まるものの圧力損失が大きくなり、上記範囲より大きい場合には、圧力損失は小さいものの、捕集効率が低くなってしまう。より好ましくは、中心気孔径が10μm〜30μmであり、気孔率が40%〜60%である。 Moreover, it is preferable that the center pore diameter of the filter is 1 μm to 100 μm and the porosity is 20% to 80%. When the central pore diameter of the filter is smaller than the above range, the collection efficiency increases, but the pressure loss increases. When the filter is larger than the above range, the pressure loss is small, but the collection efficiency becomes low. More preferably, the central pore diameter is 10 μm to 30 μm, and the porosity is 40% to 60%.
[第3浄化部]
第3浄化部13は、第2浄化部12より下流側の排ガス通路2に設けられ、自動車の場合には好ましくは床下に設置される。第3浄化部13は、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒を有することを特徴とする。このため、第3浄化部13は、低温型リーンNOx触媒の作用により、150℃〜400℃において高いNOx浄化能を発揮する。
[Third purification section]
The
第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒としては、担体上に担持され且つ貴金属、前記セリウム系材料、及びランタン系材料を含む第1触媒層を有するものが好ましい。このような構成を有する低温型リーンNOx触媒では、リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが第1触媒層に酸化吸着される。そして、リッチ状態としたときには、リーン状態で第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、及び水に変換され、効率的なNOxの浄化が行われる。
The low-temperature type lean NOx catalyst of the
(第1触媒層)
第1触媒層には、白金等の貴金属、セリウム系材料、及びランタン系材料が添加されている。このため、白金等の貴金属と、セリウム系材料及びランタン系材料との相乗効果により、優れたNOx浄化性能を有する。
(First catalyst layer)
A precious metal such as platinum, a cerium-based material, and a lanthanum-based material are added to the first catalyst layer. For this reason, it has excellent NOx purification performance due to the synergistic effect of noble metals such as platinum, cerium-based materials and lanthanum-based materials.
セリウム系材料としては、セリウム金属、酸化セリウム、セリウム系複合酸化物が挙げられ、これら酸化物に種々の副原料が添加されたものを用いることもできる。セリウム系複合酸化物としては、セリウム−ジルコニウム複合酸化物が挙げられ、セリウム−ジルコニウム複合酸化物を用いる場合には、複合酸化物中に酸化物換算で10質量%以上の酸化セリウムが含まれていることが好ましく、30質量%以上含まれていることがより好ましく、50質量%以上含まれていることが最も好ましい。 Examples of the cerium-based material include cerium metal, cerium oxide, and cerium-based composite oxides, and those obtained by adding various auxiliary materials to these oxides can also be used. Examples of the cerium-based composite oxide include cerium-zirconium composite oxide. When the cerium-zirconium composite oxide is used, 10% by mass or more of cerium oxide in terms of oxide is included in the composite oxide. It is preferable that it is contained, more preferably 30% by mass or more, and most preferably 50% by mass or more.
セリウム系複合酸化物の中でも、セリウムに、添加剤としてプラセオジム、ネオジム、サマリウム等の希土類元素を添加することにより調製されるセリウムと希土類元素との複合酸化物が好ましく用いられる。このような添加剤は、セリウム系材料の結晶構造中に取り込まれ、金属又は酸化物の状態で安定に存在することが好ましい。このように存在することで、セリウム系材料の耐熱性及び耐久性を向上させることができる。 Among cerium-based composite oxides, composite oxides of cerium and rare earth elements prepared by adding rare earth elements such as praseodymium, neodymium, and samarium as additives to cerium are preferably used. Such an additive is preferably incorporated in the crystal structure of the cerium-based material and is stably present in a metal or oxide state. By existing in this way, the heat resistance and durability of the cerium-based material can be improved.
セリウム系材料は、リーン時のNOx吸着に効果があり、特に150℃〜350℃の温度域のNOx吸着に効果が高い。本実施形態で使用されるセリウム系材料は、市販のセリウム系材料を用いてもよく、従来公知の製造方法により得ることもできる。 The cerium-based material is effective for NOx adsorption during lean operation, and is particularly effective for NOx adsorption in the temperature range of 150 ° C to 350 ° C. The cerium-based material used in the present embodiment may be a commercially available cerium-based material, or can be obtained by a conventionally known production method.
ランタン系材料としては、ランタン元素、酸化ランタン、ランタン系複合酸化物が挙げられ、これら酸化物に種々の副原料が添加されたものを用いることもできる。ランタン系複合酸化物としては、ランタン−セリウム複合酸化物が挙げられ、ランタン−セリウム複合酸化物を用いる場合には、複合酸化物中に酸化物換算で10質量%以上の酸化ランタンが含まれていることが好ましく、30質量%以上含まれていることがより好ましく、50質量%以上含まれていることが最も好ましい。 Examples of the lanthanum-based material include lanthanum elements, lanthanum oxide, and lanthanum-based composite oxides, and those obtained by adding various auxiliary materials to these oxides can also be used. Examples of the lanthanum-based composite oxide include lanthanum-cerium composite oxide. When the lanthanum-cerium composite oxide is used, 10% by mass or more of lanthanum oxide in terms of oxide is included in the composite oxide. It is preferable that it is contained, more preferably 30% by mass or more, and most preferably 50% by mass or more.
ランタン系複合酸化物の中でも、ランタンに、添加剤としてセリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム等の希土類元素を添加することにより調製されるランタンと希土類元素との複合酸化物が好ましく用いられる。このような添加剤は、ランタン系材料の結晶構造中に取り込まれ、金属又は酸化物の状態で安定に存在することが好ましい。このように存在することで、ランタン系材料の耐熱性及び耐久性を向上させることができる。 Among lanthanum-based composite oxides, composite oxides of lanthanum and rare earth elements prepared by adding rare earth elements such as cerium, praseodymium, neodymium, samarium, etc., as additives to lanthanum are preferably used. Such an additive is preferably incorporated in the crystal structure of the lanthanum-based material and stably exists in a metal or oxide state. By existing in this way, the heat resistance and durability of the lanthanum-based material can be improved.
ランタン系材料は、リーン時のNOx吸着に効果があり、特に350℃〜450℃の温度域のNOx吸着に効果が高い。セリウム系材料では350℃を超えるとNOx吸着能が低下するが、ランタン系材料により、350℃以上の温度におけるNOx吸着能を補うことができる。本実施形態で使用されるランタン系材料は、市販のランタン系材料を用いてもよく、従来公知の製造方法により得ることもできる。 Lanthanum-based materials are effective for NOx adsorption during lean operation, and are particularly effective for NOx adsorption in the temperature range of 350 ° C to 450 ° C. When the cerium-based material exceeds 350 ° C., the NOx adsorption ability decreases, but the lanthanum-based material can supplement the NOx adsorption ability at a temperature of 350 ° C. or higher. The lanthanum-based material used in the present embodiment may be a commercially available lanthanum-based material, or can be obtained by a conventionally known production method.
第1触媒層には、セリウム系材料やランタン系材料以外の耐熱性無機酸化物が添加されていることが好ましい。耐熱性無機酸化物としては、酸化ジルコニウム系材料、アルミナ系材料、ゼオライト系材料、シリカ系材料が挙げられる。酸化ジルコニウム系材料としては、酸化ジルコニウム、ジルコニウム系複合酸化物が挙げられる、中でも、ジルコニウムと希土類との複合酸化物が好ましく用いられ、より好ましくは、Zr−Nd−Oxのような複合酸化物である。 It is preferable that a heat-resistant inorganic oxide other than a cerium-based material or a lanthanum-based material is added to the first catalyst layer. Examples of the heat-resistant inorganic oxide include zirconium oxide materials, alumina materials, zeolite materials, and silica materials. Examples of the zirconium oxide-based material include zirconium oxide and zirconium-based composite oxide. Among them, a composite oxide of zirconium and rare earth is preferably used, and more preferably a composite oxide such as Zr—Nd—Ox. is there.
第1触媒層は、触媒活性種としての貴金属、セリウム系材料、及びランタン系材料が含まれるが、好ましくは、貴金属を担持したセリウム系材料、及び貴金属を担持したランタン系材料が含まれ、さらに貴金属を担持したジルコニウム系材料が含まれることがより好ましい。貴金属としては、白金を主成分とし、必要に応じて金、パラジウム、ロジウムを用いることができる。活性の高さの観点から、白金を主成分とし、ロジウムを副成分として用いることが好ましい。 The first catalyst layer includes a noble metal as a catalytically active species, a cerium-based material, and a lanthanum-based material, but preferably includes a cerium-based material supporting a noble metal and a lanthanum-based material supporting a noble metal, More preferably, a zirconium-based material supporting a noble metal is included. As the noble metal, platinum is the main component, and gold, palladium, or rhodium can be used as necessary. From the viewpoint of high activity, it is preferable to use platinum as a main component and rhodium as a subcomponent.
白金を使用することにより、排ガス中のNOxの浄化が促進される理由としては、排ガス中の大部分を占めるNOが白金の作用によりNO2に酸化され、このNO2が第1触媒層中に含まれるセリウム及びランタン成分に吸着することにより、還元成分との反応が促進されるためであると考えられる。 The reason why NOx purification in exhaust gas is promoted by using platinum is that NO occupying most of the exhaust gas is oxidized to NO 2 by the action of platinum, and this NO 2 is contained in the first catalyst layer. It is thought that this is because the reaction with the reducing component is promoted by the adsorption to the cerium and lanthanum components contained therein.
また、ロジウムを副成分として用いることにより、排ガスの空燃比をリッチ状態にしたときに、NOxと、一酸化炭素、炭化水素、水素等の還元成分との反応が促進され易くなり、NOx浄化性能が向上する。これは、排ガスの空燃比をリッチ状態にしたときの水性ガスシフト反応が促進されて水素が生成され易くなる結果、アンモニアの生成量が向上するためであると考えられる。 In addition, by using rhodium as an auxiliary component, when the air-fuel ratio of exhaust gas is made rich, the reaction between NOx and reducing components such as carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, etc. is facilitated, and NOx purification performance Will improve. This is presumably because the amount of ammonia produced is improved as a result of the water gas shift reaction being promoted when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich to facilitate the production of hydrogen.
これら貴金属の担持については、第1触媒層を構成するセリウム系材料やランタン系材料の他に、耐熱性無機酸化物全体に担持させることもできるが、特定の無機酸化物に担持させてもよい。特定の無磯酸化物としては、高比表面積値を有し、耐熱性に優れるものが好ましく、例えばγ−アルミナが好ましく用いられる。 Regarding the loading of these noble metals, in addition to the cerium-based material and the lanthanum-based material constituting the first catalyst layer, they can be supported on the entire heat-resistant inorganic oxide, but may be supported on a specific inorganic oxide. . As the specific amorphous oxide, those having a high specific surface area value and excellent heat resistance are preferable, for example, γ-alumina is preferably used.
第1触媒層に含まれる触媒活性種である貴金属の総含有量は、第1触媒層全体の単位体積あたり0.1g/L〜20g/Lであることが好ましく、1g/L〜10g/Lであることがより好ましい。貴金属の総含有量が0.1g/L以上であれば、NOx浄化能力を発揮することができ、20g/Lを超えても更なる効果の向上は望めなくなる。 The total content of the noble metal that is a catalytically active species contained in the first catalyst layer is preferably 0.1 g / L to 20 g / L per unit volume of the entire first catalyst layer, and preferably 1 g / L to 10 g / L. It is more preferable that If the total content of noble metals is 0.1 g / L or more, the NOx purification ability can be exhibited, and further improvement of the effect cannot be expected even if it exceeds 20 g / L.
ここで、触媒活性種として白金以外の貴金属を併用する場合、白金量は貴金属総量に対して50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましい。 Here, when a noble metal other than platinum is used in combination as the catalytically active species, the amount of platinum is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more based on the total amount of noble metals.
第1触媒層は、均一な1層で構成されていても、組成の異なる複数層で構成されていてもよい。複数層にする際、貴金属、セリウム系材料、ランタン系材料、耐熱性無機酸化物等の配置は様々に変更可能である。例えば、担体側から数えて1層目を、貴金属をPtのみとし、且つNOx吸着材の大部分の割合を配置し、主にリーン時のNOx吸着の役割を果たす層とし、2層目を、貴金属としてPt及びRhを併用し、且つNOx吸着材の残りの割合を配置し、主にリーン時のNOx還元及びアンモニア生成の役割を果たす層とする、等のバリエーションが考えられる。 The first catalyst layer may be composed of a single uniform layer or a plurality of layers having different compositions. When forming multiple layers, the arrangement of noble metals, cerium-based materials, lanthanum-based materials, heat-resistant inorganic oxides, and the like can be variously changed. For example, the first layer counted from the carrier side is made of only Pt as the noble metal, and a large proportion of the NOx adsorbent is disposed, and the layer that mainly plays the role of NOx adsorption during lean is set as the second layer, Variations are conceivable in which Pt and Rh are used in combination as the noble metal, and the remaining ratio of the NOx adsorbent is arranged to serve as a layer that mainly plays a role of NOx reduction and ammonia generation during lean.
第1触媒層に含まれるセリウム系材料、ランタン系材料、及び耐熱性無磯酸化物の総量については、第1触媒層全体の単位体積あたり10g/L〜300g/Lであることが好ましい。総量が10g/L以上であれば、NOx浄化能力を発揮し得る量の貴金属を担持でき、300g/L以下であれば、排ガスの通気性を十分に保つことができる。 The total amount of the cerium-based material, the lanthanum-based material, and the heat-resistant sulfur-free oxide contained in the first catalyst layer is preferably 10 g / L to 300 g / L per unit volume of the entire first catalyst layer. If the total amount is 10 g / L or more, an amount of noble metal capable of exhibiting NOx purification ability can be supported, and if it is 300 g / L or less, the breathability of exhaust gas can be sufficiently maintained.
セリウム系材料の含有量は、第1触媒層全体の単位体積あたり1g/L〜300g/Lであることが好ましく、10g/L〜200g/Lであることがより好ましい。セリウム系材料の含有量が1g/L以上であれば、NOx浄化性能を十分発揮することができ、300g/L以下であれば、排ガスの通気性を十分に保つことができる。なお、酸化セリウムとセリウム系複合酸化物とを併用する場合、その割合は、酸化セリウム100〜50質量部に対してセリウム系複合酸化物が0〜50質量部の範囲とすることが好ましい。 The content of the cerium-based material is preferably 1 g / L to 300 g / L per unit volume of the entire first catalyst layer, and more preferably 10 g / L to 200 g / L. If the content of the cerium-based material is 1 g / L or more, the NOx purification performance can be sufficiently exhibited, and if it is 300 g / L or less, the exhaust gas permeability can be sufficiently maintained. In addition, when using together cerium oxide and a cerium-type complex oxide, it is preferable that the ratio shall be the range of 0-50 mass parts of cerium-type complex oxide with respect to 100-50 mass parts of cerium oxides.
ランタン系材料の含有量は、第1触媒層全体の単位体積あたり1g/L〜300g/Lであることが好ましく、10g/L〜200g/Lであることがより好ましい。ランタン系材料の含有量が1g/L以上であれば、NOx浄化性能を十分発揮することができ、300g/L以下であれば、排ガスの通気性を十分に保つことができる。なお、酸化ランタンとランタン系複合酸化物とを併用する場合、その割合は、酸化ランタン100〜50質量部に対してランタン系複合酸化物が0〜50質量部の範囲とすることが好ましい。 The content of the lanthanum-based material is preferably 1 g / L to 300 g / L per unit volume of the entire first catalyst layer, and more preferably 10 g / L to 200 g / L. If the content of the lanthanum-based material is 1 g / L or more, the NOx purification performance can be sufficiently exhibited, and if it is 300 g / L or less, the exhaust gas breathability can be sufficiently maintained. In addition, when using together a lanthanum oxide and a lanthanum type complex oxide, it is preferable that the ratio makes the range of a lanthanum type complex oxide 0-50 mass parts with respect to 100-50 mass parts of lanthanum oxides.
酸化ジルコニウム系材料の含有量は、第1触媒層全体の単位体積あたり1g/L〜300g/Lであることが好ましく、10g/L〜200g/Lであることがより好ましい。酸化ジルコニウム系材料の含有量が1g/L以上であれば、NOx浄化性能を十分発揮することができ、300g/L以下であれば、排ガスの通気性を十分に保つことができる。なお、酸化ジルコニウムとジルコニウム系複合酸化物とを併用する場合、その割合は、酸化ジルコニウム100〜50質量部に対してジルコニウム系複合酸化物が0〜50質量部の範囲とすることが好ましい。 The content of the zirconium oxide-based material is preferably 1 g / L to 300 g / L per unit volume of the entire first catalyst layer, and more preferably 10 g / L to 200 g / L. If the content of the zirconium oxide-based material is 1 g / L or more, the NOx purification performance can be sufficiently exerted, and if it is 300 g / L or less, the breathability of the exhaust gas can be sufficiently maintained. In addition, when using together a zirconium oxide and a zirconium type complex oxide, it is preferable that the ratio makes the zirconium type complex oxide the range of 0-50 mass parts with respect to 100-50 mass parts of zirconium oxide.
本発明の効果を損なわない範囲において、第1触媒層中には、その他の成分として、例えばアルミナ、シリカのような耐熱性向上成分や強度向上成分、バインダー等の密着性向上成分等が配合されていてもよい。バインダーとしては、ジルコニア系化合物、アルミナ系化合物、シリカ系化合物等が好ましく例示できる。また、耐熱性向上成分や強度向上成分としては、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アンチモン、ハフニウム、タンタル、レニウム、ビスマス、ガドリニウム、ホルミウム、ツリウム、イッテルビウム、ゲルマニウム、セレン、カドミウム、インジウム、スカンジウム、チタン、ニオブ、クロム、銀等のアルカリ金属、アルカリ土類金属成分等が好ましく例示できる。 As long as the effects of the present invention are not impaired, the first catalyst layer is blended with other components such as a heat resistance improving component such as alumina and silica, a strength improving component, and an adhesion improving component such as a binder. It may be. Preferred examples of the binder include zirconia compounds, alumina compounds, and silica compounds. In addition, as heat resistance improving component and strength improving component, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, antimony, hafnium, tantalum, rhenium, bismuth, gadolinium, holmium, thulium, ytterbium, germanium, selenium, cadmium Preferable examples include alkali metals such as indium, scandium, titanium, niobium, chromium and silver, and alkaline earth metal components.
なお、担体としては特に限定されず、従来公知の担体が用いられる。例えば、コージェライト製のハニカム構造体が好適に用いられる。また、低温型リーンNOx触媒の調製方法は特に限定されず、従来公知の方法により調製される。具体的には、低温型リーンNOx触媒を構成する材料を含むスラリーを調製し、ウォッシュコート法により、所望の担持量になるようにスラリーを担体に被覆した後、乾燥・焼成することにより調製される。 In addition, it does not specifically limit as a support | carrier, A conventionally well-known support | carrier is used. For example, a cordierite honeycomb structure is preferably used. Moreover, the preparation method of a low temperature type lean NOx catalyst is not specifically limited, It prepares by a conventionally well-known method. Specifically, it is prepared by preparing a slurry containing the material constituting the low temperature type lean NOx catalyst, coating the slurry on the support so as to obtain a desired loading amount by a wash coat method, and then drying and firing. The
(350℃未満の低温領域における作用)
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、第1触媒層中に含まれるPtの作用により、NOxは第1触媒層に酸化(例えば、NOからNO2に酸化)吸着され、仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、セリウム系材料及びランタン系材料はNOx吸着材として機能する。
(Operation in a low temperature region below 350 ° C.)
First, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is set to a lean state (a normal operation state in a diesel engine), NOx is oxidized in the first catalyst layer (for example, from NO to NO 2) by the action of Pt contained in the first catalyst layer. Oxidized) adsorbed and temporarily stored. At this time, Pt functions as a NO oxidation catalyst, and the cerium-based material and the lanthanum-based material function as a NOx adsorbent.
次に、排ガスの空燃比をリッチ状態とすると、リーン状態で第1触媒層に吸着されたNOxが、リッチ状態の排ガス中に含まれる還元性ガスにより還元される(下記式(1)〜(3)参照)。以上のリーン状態と、リッチ状態とを繰り返すことにより、NOxが浄化される。
(350℃〜450℃の中温領域における作用)
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、第1触媒層中に含まれるPtの作用により、NOxは第1触媒層に酸化(例えば、NOからNO2に酸化)吸着され、仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、ランタン系材料はNOx吸着材として機能する。なお、低温領域とは異なり、セリウム系材料はNOx吸着能がやや低下する。
(Action in the middle temperature range of 350 ° C to 450 ° C)
First, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is set to a lean state (a normal operation state in a diesel engine), NOx is oxidized in the first catalyst layer (for example, from NO to NO 2) by the action of Pt contained in the first catalyst layer. Oxidized) adsorbed and temporarily stored. At this time, Pt functions as a NO oxidation catalyst, and the lanthanum-based material functions as a NOx adsorbent. Unlike the low-temperature region, the cerium-based material has a slightly reduced NOx adsorption capacity.
次に、排ガスの空燃比をリッチ状態とすると、リーン状態で第1触媒層に吸着されたNOxが、リッチ状態の排ガス中に含まれる還元性ガスにより還元される(上記式(1)〜(3)参照)。以上のリーン状態と、リッチ状態とを繰り返すことにより、NOxが浄化される。 Next, when the exhaust gas air-fuel ratio is made rich, the NOx adsorbed on the first catalyst layer in the lean state is reduced by the reducing gas contained in the rich exhaust gas (the above formulas (1) to ( 3)). By repeating the above lean state and rich state, NOx is purified.
ところで、第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒としては、上記第1触媒層の上層に積層され、且つ鉄、セリウム、及びランタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むβゼオライトを含む第2触媒層をさらに有するものがより好ましい。このような構成を有する低温型リーンNOx触媒では、リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが第1触媒層に酸化吸着され、リッチ状態としたときに、リーン状態で第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、水、及びアンモニアに変換されて第2触媒層にアンモニアが吸着される。そして、再びリーン状態としたときに、リッチ状態で第2触媒層に吸着されたアンモニアが、排ガス中のNOxと反応して窒素及び水に変換されることにより、より効率的なNOxの浄化が行われる。
By the way, as the low-temperature type lean NOx catalyst of the
(第2触媒層)
第2触媒層は、排ガスと直接接する最表面層として使用されることが好ましい。また、第2触媒層は、実質的に白金成分を含まないことが好ましく、貴金属成分を含まないことがより好ましい。
(Second catalyst layer)
The second catalyst layer is preferably used as the outermost surface layer in direct contact with the exhaust gas. Moreover, it is preferable that a 2nd catalyst layer does not contain a platinum component substantially, and it is more preferable that a noble metal component is not included.
第2触媒層は、アンモニア吸着能を有する固体酸触媒として、βゼオライトを含む。また、本実施形態で用いられるβゼオライトは、鉄、セリウム、及びランタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む。 The second catalyst layer contains β zeolite as a solid acid catalyst having ammonia adsorption ability. Further, the β zeolite used in the present embodiment contains at least one element selected from the group consisting of iron, cerium, and lanthanum.
βゼオライトに鉄、セリウム、及びランタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を添加することにより、排ガスの浄化性能、特にNOx浄化性能が向上する。鉄元素については、NOxや還元成分の吸着が促進されるためと考えられる。また、セリウム元素やランタン元素については、これら元素の酸素吸蔵放出能カによりNOxの吸着が促進されるうえ、酸素吸蔵放出能力により還元成分による触媒被毒が抑制されるためと考えられる。このように、これら三元素を含むβゼオライトを用いることにより、相乗効果により、NOx浄化触媒としてより優れた効果が発揮される。 By adding at least one element selected from the group consisting of iron, cerium, and lanthanum to β zeolite, the exhaust gas purification performance, particularly NOx purification performance, is improved. This is probably because the iron element promotes adsorption of NOx and reducing components. Further, regarding cerium element and lanthanum element, it is considered that NOx adsorption is promoted by the oxygen storage / release ability of these elements and catalyst poisoning by the reducing component is suppressed by the oxygen storage / release ability. Thus, by using β zeolite containing these three elements, a more excellent effect as a NOx purification catalyst is exhibited due to a synergistic effect.
本実施形態で用いられるβゼオライトは、一般に比較的大きな径を有する一方向に配列した直線的細孔と、これに交わる曲線的細孔とからなる比較的複雑な三次元細孔構造を有する。このため、イオン交換時におけるカチオンの拡散、及び還元時における炭化水素分子の拡散が容易になされる等の性質を有する。これは、モルデナイト、ホージャサイト等が一方向に整列した直線的な空孔のみを有するのに対して特異的な構造であるといえる。また、このような構造的特長により、βゼオライトは熱的にも高い耐久性を有していることから、触媒の構成成分として用いることで、触媒に優れた耐熱性を付与できる。 The β zeolite used in the present embodiment generally has a relatively complicated three-dimensional pore structure composed of linear pores arranged in one direction having a relatively large diameter and curved pores intersecting the linear pores. For this reason, it has properties such as easy diffusion of cations during ion exchange and diffusion of hydrocarbon molecules during reduction. This can be said to be a specific structure, whereas mordenite, faujasite, etc. have only linear vacancies aligned in one direction. Further, because of such structural features, β-zeolite has high thermal durability, and therefore, by using it as a constituent component of the catalyst, excellent heat resistance can be imparted to the catalyst.
本実施形態で用いられるβゼオライトとしては、市販の鉄元素、セリウム元素、ランタン元素添加済みのβゼオライトを使用してもよい。また、鉄、セリウム、ランタンの塩溶液を、βゼオライトに添加することにより調製することもできる。このようにして調製することにより、鉄元素、セリウム元素、ランタン元素が、βゼオライトのカチオンサイトにイオン交換された状態とすることができ、NOx浄化性能を向上させることができる。これは、イオン交換により、βゼオライトの骨格構造が安定化することが一因と考えられる。 As the beta zeolite used in the present embodiment, commercially available beta zeolite to which iron element, cerium element, and lanthanum element have been added may be used. It can also be prepared by adding a salt solution of iron, cerium and lanthanum to β zeolite. By preparing in this way, an iron element, a cerium element, and a lanthanum element can be ion-exchanged to the cation site of β zeolite, and the NOx purification performance can be improved. This is probably due to the stabilization of the framework structure of β zeolite by ion exchange.
第2触媒層に含まれるβゼオライトの含有量は、適宜設定可能であり、特に限定されないが、第2触媒層全体の単位体積あたり5g/L〜300g/Lであることが好ましく、15g/L〜100g/Lであることがより好ましい。βゼオライトの含有量が5g/L以上であれば、排ガス浄化能力を十分発揮することができ、300g/L以下であれば、排ガスの通気性を十分に保つことができる。 The content of β zeolite contained in the second catalyst layer can be appropriately set and is not particularly limited, but is preferably 5 g / L to 300 g / L per unit volume of the entire second catalyst layer, and 15 g / L. More preferably, it is -100 g / L. If the content of β zeolite is 5 g / L or more, the exhaust gas purification ability can be sufficiently exhibited, and if it is 300 g / L or less, the breathability of the exhaust gas can be sufficiently maintained.
βゼオライト中に添加される鉄元素の含有量は、βゼオライトに対し酸化物換算で0.1質量%〜10質量%であることが好ましく、0.5質量%〜5質量%であることがより好ましい。含有量が10質量%を超えると、活性な固体酸点数が確保できなくなり、活性が低下したり、耐熱性が低下したりすることがある。含有量が0.1質量%以上であれば、十分なNOx浄化性能が得られる。 The content of iron element added to β zeolite is preferably 0.1% by mass to 10% by mass in terms of oxide with respect to β zeolite, and preferably 0.5% by mass to 5% by mass. More preferred. When the content exceeds 10% by mass, the active solid acid point cannot be secured, and the activity may be lowered or the heat resistance may be lowered. If the content is 0.1% by mass or more, sufficient NOx purification performance can be obtained.
加えてセリウム元素が添加される場合は、βゼオライト中に添加されるセリウム元素の含有量は、βゼオライトに対し酸化物換算で0.05質量%〜5質量%であることが好ましく、0.1質量%〜3質量%であることがより好ましい。含有量が0.05質量%以上であれば、排ガス中の還元成分による触媒被毒を防止できる。含有量が5質量%を超えると、活性な固体酸点数が確保できなくなり、活性が低下したり、耐熱性が低下したりすることがある。 In addition, when a cerium element is added, the content of the cerium element added to the β zeolite is preferably 0.05% by mass to 5% by mass in terms of oxide with respect to the β zeolite. More preferably, it is 1 mass%-3 mass%. If content is 0.05 mass% or more, catalyst poisoning by the reducing component in exhaust gas can be prevented. When the content exceeds 5% by mass, the active solid acid point cannot be secured, and the activity may be lowered or the heat resistance may be lowered.
加えてランタン元素が添加される場合は、βゼオライト中に添加されるランタン元素の含有量は、βゼオライトに対し酸化物換算で0.05質量%〜5質量%であることが好ましく、0.1質量%〜3質量%であることがより好ましい。0.05質量%以上であれば、排ガス中の還元成分による触媒被毒を防止できる。含有量が5質量%を超えると、活性な固体酸点数が確保できなくなり、活性が低下したり、耐熱性が低下したりすることがある。 In addition, when a lanthanum element is added, the content of the lanthanum element added to the β zeolite is preferably 0.05% by mass to 5% by mass in terms of oxide with respect to the β zeolite. More preferably, it is 1 mass%-3 mass%. If it is 0.05 mass% or more, the catalyst poisoning by the reducing component in exhaust gas can be prevented. When the content exceeds 5% by mass, the active solid acid point cannot be secured, and the activity may be lowered or the heat resistance may be lowered.
(350℃未満の低温領域における作用)
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、排ガス中のNOxが上層(第2触媒層)を通過して、下層(第1触媒層)に到達する。次いで、下層(第1触媒層)に到達したNOxは、Ptの作用により酸化(例えば、NOからNO2に酸化)され、下層(第1触媒層)に一旦吸着されて仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、セリウム系材料及びランタン系材料はNOx吸着材として機能する。
(Operation in a low temperature region below 350 ° C.)
First, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is set to a lean state (normal operation state in a diesel engine), NOx in the exhaust gas passes through the upper layer (second catalyst layer) and reaches the lower layer (first catalyst layer). Next, NOx that reaches the lower layer (first catalyst layer) is oxidized (for example, oxidized from NO to NO 2 ) by the action of Pt, and is temporarily adsorbed and temporarily stored in the lower layer (first catalyst layer). At this time, Pt functions as a NO oxidation catalyst, and the cerium-based material and the lanthanum-based material function as a NOx adsorbent.
次いで、排ガスの空燃比をリッチ状態とすると、リーン状態で下層(第1触媒層)に吸着されたNOxが、水性ガスシフト反応(下記式(4)参照)により生成する水素の作用により、アンモニアに変換されるとともに(下記式(5)参照)、このアンモニアが上層(第2触媒層)に移動して吸着され再貯蔵される。このとき、ジルコニウム系材料は、水性ガスシフト触媒として機能し、Ptはアンモニア生成触媒として機能し、Fe、Ce、Laイオン交換βゼオライトはアンモニア吸着材として機能する。また、リッチ状態の排ガス中に含まれる還元性ガスによって、NOxの還元も同時に行われる(上記式(1)〜(3)参照)。
排ガスの空燃比を再度リーン状態としたときには、上層(第2触媒層)に再貯蔵されたアンモニアと、排ガス中に含まれるNOxとが、アンモニア選択接触還元法(NH3−SCR)により反応して窒素に変換され(下記式(6)参照)、窒素を上層(第2触媒層)の表面から放出させることができる。このとき、Fe、Cg、Laイオン交換βゼオライトはNH3−SCR触媒として機能する。以上のリーン状態と、リッチ状態とを繰り返すことにより、NOxが浄化される。
(350℃〜450℃の中温領域における作用)
先ず、排ガスの空燃比をリーン状態(ディーゼルエンジンにおける通常の運転状態)にすると、排ガス中のNOxが上層(第2触媒層)を通過して、下層(第1触媒層)に到達する。次いで、下層(第1触媒層)に到達したNOxは、Ptの作用により酸化(例えば、NOからNO2に酸化)され、下層(第1触媒層)に一旦吸着されて仮貯蔵される。このとき、PtはNO酸化触媒として機能し、ランタン系材料はNOx吸着材として機能する。なお、低温領域とは異なり、セリウム系材料はNOx吸着能がやや低下する。
(Action in the middle temperature range of 350 ° C to 450 ° C)
First, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is set to a lean state (normal operation state in a diesel engine), NOx in the exhaust gas passes through the upper layer (second catalyst layer) and reaches the lower layer (first catalyst layer). Next, NOx that reaches the lower layer (first catalyst layer) is oxidized (for example, oxidized from NO to NO 2 ) by the action of Pt, and is temporarily adsorbed and temporarily stored in the lower layer (first catalyst layer). At this time, Pt functions as a NO oxidation catalyst, and the lanthanum-based material functions as a NOx adsorbent. Unlike the low-temperature region, the cerium-based material has a slightly reduced NOx adsorption capacity.
次いで、排ガスの空燃比をリッチ状態とすると、前記のアンモニアを生成してNOx浄化させる反応と、還元ガスによる直接NOx還元反応とは同時に進行するものの、350℃以上の温度域においては、アンモニア生成効率が大きく低下するため、還元ガスによる直接NOx還元の寄与の方が大きくなる。 Next, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, the above-described reaction for generating ammonia to purify NOx and the direct NOx reduction reaction with reducing gas proceed simultaneously, but in the temperature range of 350 ° C. or higher, ammonia is generated. Since the efficiency is greatly reduced, the contribution of direct NOx reduction by the reducing gas is greater.
[作用効果]
以下、本実施形態に係る排ガス浄化装置10の作用効果について、排ガス温度が高温の場合、中温の場合、低温の場合に分けて説明する。
[Function and effect]
Hereinafter, the operation and effect of the exhaust
排ガスの温度が150℃程度の低温の場合には、第1浄化部11の高温型リーンNOx触媒では十分な浄化性能が得られない。また、第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒においても、150℃は温度ウインドウの下限領域である。しかしながら、本実施形態に係る排ガス浄化装置10で採用されているレイアウトによれば、上流側に設けられた第1浄化部11の高温型リーンNOx触媒は酸化活性の高い貴金属を含むことから、この貴金属により排ガス中のHC及びCOの燃焼反応が促進される。このため、燃焼反応により生じた燃焼熱により、下流側に設けられた第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒の温度が上昇する。従って、低温型リーンNOx触媒の温度を、高いNOx吸着能を発揮できる温度域にまで上昇させることが可能となる結果、低温型リーンNOx触媒でNOxの効率的な浄化が達成される。
When the temperature of the exhaust gas is as low as about 150 ° C., the high-temperature lean NOx catalyst of the
排ガスの温度が200℃〜400℃程度の中温の場合には、高温型リーンNOx触媒、及び低温型リーンNOx触媒のいずれかの浄化温度ウインドウと重複するため、高いNOx浄化性能を発揮できる。 When the temperature of the exhaust gas is a medium temperature of about 200 ° C. to 400 ° C., it overlaps with the purification temperature window of either the high temperature type lean NOx catalyst or the low temperature type lean NOx catalyst, so that high NOx purification performance can be exhibited.
排ガスの温度が500℃程度の高温の場合には、第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒では十分な浄化性能が得られない。また、第1浄化部11の高温型リーンNOx触媒においても、NOx吸着能が低下する温度である。しかしながら、本実施形態に係る排ガス浄化装置10で採用されているレイアウトによれば、第2浄化部12のフィルタの熱容量等のため、下流側に設けられた第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒の温度は、400℃程度まで低下する。このため、低温型リーンNOx触媒の温度を、NOx吸着能の高い温度域にまで低下させることが可能となる結果、低温型リーンNOx触媒でNOxの効率的な浄化が達成される。
When the temperature of the exhaust gas is as high as about 500 ° C., the low-temperature lean NOx catalyst of the
このように、本実施形態に係る排ガス浄化装置10で採用されているレイアウトによれば、排ガス温度が低い場合には、低温型リーンNOx触媒の温度を上昇させることができる一方、排ガス温度が高い場合には、低温型リーンNOx触媒の温度を低下させることができる。即ち、下流側に設けられた第3浄化部13の低温型リーンNOx触媒の温度を、浄化温度ウインドウの範囲内に移行させることができる結果、効率的なNOxの浄化が達成される。
Thus, according to the layout adopted in the exhaust
<第2実施形態>
本実施形態に係る排ガス浄化装置20の概略構成を図2に示す。図2に示されるように、本実施形態に係る排ガス浄化装置20は、第1浄化部21の上流側の排ガス通路2に、酸化触媒部(DOC)24をさらに備えることを特徴とする。なお、その他の構成は、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10と同様である。
Second Embodiment
A schematic configuration of the exhaust gas purification apparatus 20 according to the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the exhaust gas purification apparatus 20 according to the present embodiment is characterized by further including an oxidation catalyst unit (DOC) 24 in the
[酸化触媒部]
酸化触媒部24は、酸化触媒を備えたものであればよく、酸化触媒としては従来公知のものが用いられる。例えば、PGM(白金族金属)、アルミナ系材料、Ce系材料、ゼオライト等から構成された酸化触媒を用いることができる。触媒金属であるPGMとしては、Pt、Pd、Rh等が挙げられる。アルミナ系材料は、高比表面積化、耐熱性向上のために用いられ、例えば、アルミナやシリカアルミナ等が挙げられる。Ce系材料としては、セリアやジルコニアで安定化させたセリア−ジルコニア複合酸化物が挙げられる。ゼオライトは、HC吸着材として作用し、例えば、β型ゼオライトやMFI型ゼオライトが挙げられる。
[Oxidation catalyst part]
The
本実施形態では、酸化触媒を備えた酸化触媒部24を設置することにより、排ガス中のHCの燃焼性が向上し、硫黄パージ等の再生時の昇温速度を向上させることができる。また、NOをNO2に変換する効率が向上するため、下流の第1浄化部21において、高温型リーンNOx触媒のNOx吸着能力が向上する結果、より高いNOx浄化性能が得られる。
In the present embodiment, by installing the
<第3実施形態>
本実施形態に係る排ガス浄化装置30の概略構成を図3に示す。図3に示されるように本実施形態に係る排ガス浄化装置30は、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10の第2浄化部12のフィルタ表面に、PM燃焼触媒を担持させてなるフィルタ(キャタライズド・スート・フィルタ:CSF)を有する第2浄化部32を備えることを特徴とする。なお、その他の構成は、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10と同様である。
<Third Embodiment>
FIG. 3 shows a schematic configuration of the exhaust
[第2浄化部]
第2浄化部32が有するPM燃焼触媒としては、特に限定されず、従来公知のPM燃焼触媒が用いられる。例えば、Pt、Pd、Rh、及びAgよりなる群から選ばれる少なくとも1種の貴金属と、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種のサポート材と、を含むものが好ましく用いられる。
[Second purification section]
The PM combustion catalyst included in the
PM燃焼触媒の調製方法は特に限定されず、従来公知の方法により調製される。具体的には、PM燃焼触媒を構成する上記材料を含むスラリーを調製し、ウォッシュコート法により、所望の担持量になるようにスラリーをフィルタに被覆した後、乾燥・焼成することにより調製される。 The method for preparing the PM combustion catalyst is not particularly limited, and is prepared by a conventionally known method. Specifically, it is prepared by preparing a slurry containing the above materials constituting the PM combustion catalyst, coating the slurry with a filter so as to obtain a desired loading amount by a wash coat method, and then drying and firing. .
PMの堆積量が一定量以上になると、目詰まりによる圧力損失が生じて燃費が悪化することから、堆積したPMを定期的に燃焼除去する再生が必要である。この点、PM燃焼触媒を有する本実施形態では、PMの燃焼除去が容易となり、より低温での再生が可能となる。また、PM再生がより低温で行うことができるため、フィルタ再生時における異常昇温のリスクが低減され、下流の第3浄化部33において、低温型リーンNOx触媒の異常熱劣化を抑制できる。
When the accumulated amount of PM exceeds a certain amount, pressure loss due to clogging occurs and fuel consumption deteriorates. Therefore, regeneration that periodically removes accumulated PM is necessary. In this regard, in this embodiment having a PM combustion catalyst, PM can be easily removed by combustion, and regeneration at a lower temperature is possible. Moreover, since PM regeneration can be performed at a lower temperature, the risk of abnormal temperature rise during filter regeneration is reduced, and abnormal heat deterioration of the low-temperature lean NOx catalyst can be suppressed in the downstream
<第4実施形態>
本実施形態に係る排ガス浄化装置40の概略構成を図4に示す。本実施形態に係る排ガス浄化装置40は、第1浄化部41の高温型リーンNOx触媒を所定温度以上に加熱し、且つ排ガス雰囲気をリッチに制御することにより、高温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去するとともに、第2浄化部42のフィルタに吸着していた硫黄成分及び第3浄化部43の低温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分を除去する再生手段45をさらに備えることを特徴とする。その他の構成は第1実施形態に係る排ガス浄化装置10と同様である。なお、再生手段45は、第1実施形態のみならず、第2実施形態や第3実施形態に適用することも可能である。
<Fourth embodiment>
FIG. 4 shows a schematic configuration of the exhaust gas purification apparatus 40 according to the present embodiment. The exhaust gas purification apparatus 40 according to the present embodiment adsorbs the high temperature lean NOx catalyst by heating the high temperature lean NOx catalyst of the
[再生手段]
再生手段45としては、第1浄化部41の高温型リーンNOx触媒を所定温度以上に加熱し、且つ排ガス雰囲気をリッチに制御することにより、高温型リーンNOx触媒と低温型リーンNOx触媒に吸着していた硫黄成分、及び第2浄化部42のフィルタに吸着していた硫黄成分を除去できるものであればよく、例えば、ポスト噴射による強制再生が挙げられる。また、温度センサ等の硫黄被毒検知手段と、PM堆積量検知手段と、これら硫黄被毒検知手段とPM堆積量検知手段により検知された情報に基づいて再生時期を判定する再生時期判定手段と、再生時期判定手段により再生時期であると判定されたときに再生手段45を駆動させる再生制御手段と、をさらに備えることが好ましい。
[Reproduction means]
As the regeneration means 45, the high temperature lean NOx catalyst of the
通常、リーンNOx触媒は、硫黄成分の吸着による浄化性能の低下を回避すべく、定期的に硫黄パージが必要であるとされている。具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含む高温型リーンNOx触媒では700℃程度、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒では600℃程度のパージが必要とされている。この点、本実施形態に係る排ガス浄化装置40のように、高温型リーンNOx触媒と低温型リーンNOx触媒とを併用した場合にあっては、排ガス中の硫黄成分のほぼ全てが高温型リーンNOx触媒でトラップされる。このため、低温型リーンNOx触媒にはほとんど硫黄成分は流入せず、硫黄成分の吸着による浄化性能の低下が起こり難い。また、高温型リーンNOx触媒の硫黄パージ時は、低温型リーンNOx触媒の温度も上昇し、且つリッチ雰囲気となるため、低温型リーンNOx触媒に硫黄成分が再吸着することはない。従って、低温型リーンNOx触媒には硫黄パージはほとんど不要である。 In general, it is said that the lean NOx catalyst needs to be periodically purged with sulfur in order to avoid deterioration in purification performance due to adsorption of sulfur components. Specifically, purging at about 700 ° C. is required for a high-temperature lean NOx catalyst containing an alkali metal or alkaline earth metal, and about 600 ° C. is required for a low-temperature lean NOx catalyst containing a cerium-based material. In this regard, when the high-temperature lean NOx catalyst and the low-temperature lean NOx catalyst are used in combination as in the exhaust gas purification apparatus 40 according to the present embodiment, almost all of the sulfur components in the exhaust gas are the high-temperature lean NOx. Trapped with catalyst. For this reason, the sulfur component hardly flows into the low temperature type lean NOx catalyst, and the purification performance is hardly lowered by the adsorption of the sulfur component. Further, when the high temperature type lean NOx catalyst is purged with sulfur, the temperature of the low temperature type lean NOx catalyst is also increased and the atmosphere is rich, so that the sulfur component is not re-adsorbed on the low temperature type lean NOx catalyst. Therefore, the sulfur purge is almost unnecessary for the low temperature type lean NOx catalyst.
一方、DPFはPMを捕集する機能を持つが、PM堆積量が多くなるとフィルタ面の気孔が閉塞することにより、圧力損失が高くなるという問題があるため、PMを燃焼させて再生するDPE再生が必要である。具体的には、DPFでは650℃程度のリーン処理が必要である。この点、本実施形態に係る排ガス浄化装置40では、高温型リーンNOx触媒の硫黄パージを700℃に設定すれば、フィルタ温度はおよそ650℃、低温型リーンNOx触媒温度はおよそ600℃になる。このため、リーンNOx触媒の硫黄パージとDPF再生を同時に行うことができる結果、リーンNOx触媒やDPFの再生に要する時間を短縮化でき、非常に効率的である。 On the other hand, DPF has a function of collecting PM, but if the amount of accumulated PM increases, there is a problem that the pores on the filter surface are blocked and the pressure loss increases. Therefore, DPE regeneration that burns and regenerates PM is necessary. Specifically, the DPF requires a lean process of about 650 ° C. In this regard, in the exhaust gas purification apparatus 40 according to the present embodiment, if the sulfur purge of the high temperature type lean NOx catalyst is set to 700 ° C., the filter temperature becomes about 650 ° C., and the low temperature type lean NOx catalyst temperature becomes about 600 ° C. For this reason, the sulfur purge of the lean NOx catalyst and the DPF regeneration can be performed at the same time. As a result, the time required for the regeneration of the lean NOx catalyst and the DPF can be shortened, which is very efficient.
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
<実施例1>
下記に示す高温型リーンNOx触媒、CSF、及び低温型リーンNOx触媒を、第1実施形態に係る排ガス浄化装置10に適用し、下記に示す評価方法に従ってテストを実施した。
<Example 1>
The following high-temperature type lean NOx catalyst, CSF, and low-temperature type lean NOx catalyst were applied to the exhaust
[高温型リーンNOx触媒]
担体:400cell/25μm(壁厚)メタル製ハニカム
貴金属:Pt、Rh(Pt/Rh=5/1(質量比))
アルカリ金属又はアルカリ土類金属:K、Ba
酸素吸蔵放出材:Ce−Zr複合酸化物
サポート材:TiO2
容量:0.8L
配置:ディーゼルエンジン直下
[High-temperature lean NOx catalyst]
Carrier: 400 cell / 25 μm (wall thickness) Metal honeycomb noble metal: Pt, Rh (Pt / Rh = 5/1 (mass ratio))
Alkali metal or alkaline earth metal: K, Ba
Oxygen storage / release material: Ce-Zr composite oxide support material: TiO 2
Capacity: 0.8L
Placement: Directly under the diesel engine
[CSF]
材質:ウォールフロー型SiC
気孔径:23μm
気孔率:52%
触媒:PtPd/Al2O3(PGM5g/L、Pt/Pd=2/1(質量比))、
触媒担持量:35g/L
容量:2.6L
[CSF]
Material: Wall flow type SiC
Pore diameter: 23 μm
Porosity: 52%
Catalyst: PtPd / Al 2 O 3 (PGM 5 g / L, Pt / Pd = 2/1 (mass ratio)),
Catalyst loading: 35 g / L
Capacity: 2.6L
[低温型リーンNOx触媒]
担体:400cell/3.5milコージェライト製ハニカム
触媒、触媒担持量:表1参照
容量:2.0L
配置:床下
[Low-temperature lean NOx catalyst]
Carrier: 400 cell / 3.5 mil cordierite honeycomb catalyst, catalyst loading: see Table 1 Capacity: 2.0 L
Placement: Below the floor
<比較例1>
低温型リーンNOx触媒を設置していない点を除いて、実施例1と同様の装置構成を有する排ガス浄化装置50(図5参照)に、実施例1と同様のテストを実施した。
<Comparative Example 1>
Except that no low-temperature type lean NOx catalyst was installed, a test similar to that in Example 1 was performed on an exhaust gas purification apparatus 50 (see FIG. 5) having the same apparatus configuration as that in Example 1.
<比較例2>
高温型リーンNOx触媒を設置していない点を除いて、実施例1と同様の装置構成を有する排ガス浄化装置60(図6参照)に、実施例1と同様のテストを実施した。
<Comparative example 2>
Except that the high-temperature lean NOx catalyst was not installed, a test similar to that in Example 1 was performed on an exhaust gas purification device 60 (see FIG. 6) having the same device configuration as that in Example 1.
<評価方法>
評価エンジン:2.0Lディーゼルエンジン排ガス
リーン/リッチの割合:55秒/5秒
SV(空間速度):75,000h−1
排ガス温度:150℃、170℃、200℃、250℃、300℃、400℃、450℃、500℃の計8点
<Evaluation method>
Evaluation engine: 2.0 L diesel engine exhaust gas lean / rich ratio: 55 seconds / 5 seconds SV (space velocity): 75,000 h −1
Exhaust gas temperature: 150 ° C, 170 ° C, 200 ° C, 250 ° C, 300 ° C, 400 ° C, 450 ° C, 500 ° C, 8 points in total
<評価結果>
実施例及び比較例における排ガス温度とNOx浄化率との関係を図7に示した。また、計8点の排ガス温度において、低温型リーンNOx触媒に流入するガス温度を調べた結果を図8に示した。図7に示される通り、高温型リーンNOx触媒と低温型リーンNOx触媒とを併用した本実施例によれば、150℃〜500℃の幅広い温度域で高いNOx浄化率が得られることが確認された。特に、150℃付近におけるNOx浄化率と、500℃付近におけるNOx浄化率は、単なる足し算以上の効果が得られていた。これは、図8に示されるように、排ガス温度が150℃のとき、低温型リーンNOx触媒に流入するガス温度は170℃程度とやや高温化しており、低温型リーンNOx触媒の浄化ウインドウの範囲内に移行しているためである。一方、排ガス温度が500℃のときには、低温型リーンNOx触媒に流入するガス温度は420℃程度と低温化しており、やはり低温型リーンNOx触媒の浄化ウインドウの範囲内に移行しているためである。
<Evaluation results>
The relationship between the exhaust gas temperature and the NOx purification rate in Examples and Comparative Examples is shown in FIG. Further, FIG. 8 shows the results of examining the gas temperature flowing into the low-temperature lean NOx catalyst at a total of eight exhaust gas temperatures. As shown in FIG. 7, according to this example in which the high temperature type lean NOx catalyst and the low temperature type lean NOx catalyst are used in combination, it is confirmed that a high NOx purification rate can be obtained in a wide temperature range of 150 ° C. to 500 ° C. It was. In particular, the NOx purification rate in the vicinity of 150 ° C. and the NOx purification rate in the vicinity of 500 ° C. were more than simple additions. As shown in FIG. 8, when the exhaust gas temperature is 150 ° C., the temperature of the gas flowing into the low temperature type lean NOx catalyst is slightly raised to about 170 ° C., and the range of the purification window of the low temperature type lean NOx catalyst It is because it has moved in. On the other hand, when the exhaust gas temperature is 500 ° C., the temperature of the gas flowing into the low temperature type lean NOx catalyst is as low as about 420 ° C., which is also within the range of the purification window of the low temperature type lean NOx catalyst. .
10、20、30、40 排ガス浄化装置
11、21、31、41 第1浄化部
12、22、32、42 第2浄化部
13、23、33、43 第3浄化部
24 酸化触媒部
45 再生手段
1 内燃機関
2 排ガス通路
10, 20, 30, 40 Exhaust
Claims (17)
前記内燃機関の排ガス通路に設けられ、アルカリ金属及びアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む高温型リーンNOx触媒を有する第1浄化部と、
前記第1浄化部より下流側の前記排ガス通路に設けられ、排ガス中に含まれるPMを捕集するフィルタを有する第2浄化部と、
前記第2浄化部より下流側の前記排ガス通路に設けられ、セリウム系材料を含む低温型リーンNOx触媒を有する第3浄化部と、を備え、
前記低温型リーンNOx触媒が、担体上に担持され且つ貴金属、前記セリウム系材料、及びランタン系材料を含む第1触媒層と、前記第1触媒層の上層に積層され且つ鉄、セリウム、及びランタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むβゼオライトを含む第2触媒層と、を有し、
前記第1触媒層が、前記第2触媒層側に配置され且つ貴金属として白金及びロジウムを含む第2層と、前記担体側に配置され且つ貴金属として白金のみを含み、前記第2層よりも貴金属の含有量が多い第1層と、から構成され、
前記低温型リーンNOx触媒では、
リーン状態としたときに、排ガス中のNOxが前記第1触媒層に酸化吸着され、
リッチ状態としたときに、リーン状態で前記第1触媒層に酸化吸着されたNOxが、前記第1触媒層近傍に存在する還元成分により、窒素、水、及びアンモニアに変換されて前記第2触媒層にアンモニアが吸着され、
再びリーン状態としたときに、リッチ状態で前記第2触媒層に吸着されたアンモニアが、排ガス中のNOxと反応して窒素及び水に変換されることを特徴とする排ガス浄化装置。 An exhaust gas purification device for purifying exhaust gas discharged from the internal combustion engine, provided in an exhaust gas passage of an internal combustion engine in which lean or rich control is performed,
A first purification unit having a high-temperature lean NOx catalyst provided in the exhaust gas passage of the internal combustion engine and including at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals;
A second purification unit having a filter that is provided in the exhaust gas passage downstream from the first purification unit and that collects PM contained in the exhaust gas;
A third purification unit that is provided in the exhaust gas passage downstream of the second purification unit and has a low-temperature lean NOx catalyst containing a cerium-based material ,
The low-temperature-type lean NOx catalyst is supported on a carrier and includes a first catalyst layer including a noble metal, the cerium-based material, and a lanthanum-based material, and is laminated on the upper layer of the first catalyst layer and is iron, cerium, and lanthanum. A second catalyst layer containing β zeolite containing at least one element selected from the group consisting of:
The first catalyst layer is disposed on the second catalyst layer side and includes platinum and rhodium as noble metals; the first catalyst layer is disposed on the support side and includes only platinum as noble metals; and is more precious than the second layer. A first layer having a high content of
In the low temperature type lean NOx catalyst,
When in the lean state, NOx in the exhaust gas is oxidized and adsorbed on the first catalyst layer,
When in the rich state, NOx oxidized and adsorbed on the first catalyst layer in the lean state is converted into nitrogen, water, and ammonia by the reducing component present in the vicinity of the first catalyst layer, and the second catalyst. Ammonia is adsorbed on the bed,
When the lean condition again, ammonia adsorbed to the second catalyst layer in a rich state, is converted by reaction with NOx in the exhaust gas to nitrogen and water exhaust gas purifying apparatus according to claim Rukoto.
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