JP5676089B2 - ディーゼル酸化触媒及びこれを具備した排気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼル酸化触媒及びこれを具備した排気装置に係り、より詳細には、低温で捕集した炭化水素（ＨＣ）を利用して高温で酸化触媒に吸着した硫黄を脱着するディーゼル酸化触媒及びこれを具備した排気装置に関する。
一般に、エンジンから排気マニホールドを通して排出される排気ガスは、排気パイプの途中に形成された触媒コンバータ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に誘導されて浄化され、マフラを通過して騒音が減殺された後、テールパイプを通して大気中に放出される。前記触媒コンバータは、媒煙ろ過装置（ＤＰＦ、Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の一種で、排気ガスに含まれている汚染物質を処理する。そして、前記触媒コンバータの内部には、排気ガスに含まれている粒子状物質（ＰＭ）を捕集するための触媒担体が形成され、エンジンから排出される各種排気ガスを化学的変換過程を通じて浄化する。
このような役割を果たす触媒コンバータに適用される触媒形式の１つとして、ディーゼル酸化触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ；ＤＯＣ）がある。ＤＯＣは、排気ガス内に含まれているＨＣ及びＣＯを酸化させる。
しかし、燃料に含まれている硫黄成分は酸化触媒の活性を低下させるので、現在、ＤＯＣには、耐硫黄性が強い白金（Ｐｔ）を含む貴金属が主に使用されている。しかし、白金は高価であるので、製造原価が上昇する問題があり、そのために白金及びパラジウム（Ｐｄ）を含む酸化触媒を使用する傾向にある。この場合、硫黄による酸化触媒の活性の低下を防止することが主な関心事である。
特に、硫黄による酸化触媒の活性の低下は、排気ガスの温度が低い時に著しい。
図６は硫黄被毒後の酸化触媒の活性を回復させる温度及び時間の関係を示したグラフである。図６に示すように、排気ガスの温度が４００℃である場合には、酸化触媒の活性を回復させるのに５分かかり、排気ガスの温度が４５０℃である場合には、酸化触媒の活性を回復させるのに１分かかり、排気ガスの温度が５００℃である場合には、酸化触媒の活性を回復させるのに１０秒かかる。したがって、白金及びパラジウムを含む酸化触媒を使用するためには、排気ガスの温度を４５０℃以上に維持しなければならないが、これは現実的に難しい。
特開２００８−１７８７６７号公報 特表２００７−５０１３５６号公報
本発明は、前記問題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、排気ガス中に含まれている炭化水素の酸化熱を利用して酸化触媒に吸着した硫黄を脱着することによって、酸化触媒の活性を回復させるディーゼル酸化触媒及びこれを具備した排気装置を提供することにある。
本発明の実施例によるディーゼル酸化触媒は、エンジンで発生した排気ガスを外部に排出する排気パイプに装着されているディーゼル酸化触媒において、排気ガスの温度が設定された温度より高い否かによって炭化水素を吸着または脱着させる炭化水素トラップが担体上にコーティングされた第１部分、そして排気ガス内の炭化水素及び一酸化炭素を酸化させる酸化触媒がコーティングされた第２部分、を含み、前記第２部分は、前記第１部分で脱着された炭化水素を酸化し、酸化反応で発生した酸化熱を利用して前記酸化触媒に吸着した硫黄を脱着させるディーゼル酸化触媒であって、前記炭化水素トラップは前記第１部分のコーティング量全体の３０〜５０％であることを特徴とする。
エンジンで発生した排気ガスを外部に排出する排気パイプに装着されているディーゼル酸化触媒において、排気ガスの温度が設定された温度より高いか否かによって炭化水素を吸着または脱着させる炭化水素トラップが担体上にコーティングされた第１部分、そして排気ガス内の炭化水素及び一酸化炭素を酸化させる酸化触媒がコーティングされた第２部分、を含み、前記第２部分は、前記第１部分で脱着された炭化水素を酸化し、酸化反応で発生した酸化熱を利用して前記酸化触媒に吸着した硫黄を脱着させるディーゼル酸化触媒であって、前記第１部分は、前記酸化触媒の前端部の担体上にコーティングされていて、前記第２部分は、前記酸化触媒の後端部の担体上にコーティングされ、前記炭化水素トラップは前記第１部分のコーティング量全体の３０〜５０％であることを特徴とする。
また、本発明は、エンジンで発生した排気ガスが通過する排気パイプ上に、ａ）排気ガスのエネルギーを利用してタービンを回転させ、空気の吸入量を増加させるターボチャージャー、ｂ）排気ガス内の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する媒煙低減フィルター、ｃ）媒煙低減フィルターから粒子状物質が除去された排気ガス内の炭化水素及び一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させるディーゼル酸化触媒、ｄ）排気ガスに還元剤を噴射する噴射ノズル、及び、ｅ）前記還元剤を利用して排気ガス内の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素気体（Ｎ ２ ）に還元する選択的還元触媒を順次備えた排気装置であって、前記ディーゼル酸化触媒は、請求項１又は請求項２に記載されたディーゼル酸化触媒であることを特徴とする。
本発明によれば、低温では排気ガスに含まれている炭化水素を捕集し、高温では捕集された炭化水素の酸化熱を利用して酸化触媒の活性を回復させることによって、安定した炭化水素の浄化性能を実現することができる。
また、白金及びパラジウムを含む酸化触媒を使用することによって、製造原価を低減することができる。
本発明の実施例によるディーゼル酸化触媒が適用される排気装置の構成図である。 本発明の第１実施例によるディーゼル酸化触媒の概略図である。 本発明の第２実施例によるディーゼル酸化触媒の概略図である。 本発明の実施例による排気装置が装着されたエンジンをアイドル条件で一定時間運行した後に排気ガスの温度を設定温度まで上昇させた場合に発生する硫黄の濃度及びディーゼル酸化触媒の後端部の温度を示したグラフである。 従来の技術及び本発明の実施例による排気装置が装着されたエンジンを運行した場合のＨＣ及びＣＯの濃度を示したグラフである。 硫黄被毒後の酸化触媒の活性を回復させる温度及び時間の関係を示したグラフである。
以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施例によるディーゼル酸化触媒が適用される排気装置の構成図である。ここでは、本発明の実施例によるディーゼル酸化触媒が適用される多様な排気装置のうちの１つを例示したが、本発明の技術的思想がこれに限定されると解釈されてはならない。
図１に示すように、エンジン１０で発生した排気ガスは、ターボチャージャー２０、媒煙低減フィルター（ＣＰＦ）３０、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）４０、噴射ノズル５０、そして選択的還元触媒（ＳＣＲ）６０を順次に通過して、排気ガス内の有害成分が除去される。ターボチャージャー２０、ＣＰＦ３０、ＤＯＣ４０、噴射ノズル５０、そしてＳＣＲ６０は、排気パイプ７０に設置されている。
エンジン１０は、混合気を燃焼させるための複数のシリンダー（図示せず）を含む。前記シリンダーは、吸気マニホールド（図示せず）に連結されて混合気の供給を受け、前記吸気マニホールドは、吸入パイプ（図示せず）に連結されて外部空気を供給を受ける。
また、前記シリンダーは、排気マニホールド（図示せず）に連結されていて、燃焼過程で発生した排気ガスが前記排気マニホールドに集まる。前記排気マニホールドは、排気パイプ７０に連結されている。
ターボチャージャー２０は、排気ガスのエネルギーを利用してタービン（図示せず）を回転させ、空気の吸入量を増加させる。
ＣＰＦ３０は、ターボチャージャー２０の後端に設置されていて、排気ガス内のＰＭを捕集し、捕集されたＰＭ（つまり、スート）を再生する。スートの再生は、通常、ＣＰＦの入口及び出口の圧力差が設定された圧力（約２０〜３０ｋｐａ）以上である場合に進められる。
ＤＯＣ４０は、ＣＰＦ３０の後端に設置されていて、ＣＰＦ３０からＰＭが除去された排気ガスの伝達を受ける。ＤＯＣ４０は、排気ガス内の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化させる。
噴射ノズル５０は、ＤＯＣ４０及びＳＣＲ６０の間に設置されていて、ＤＯＣ４０でＨＣ及びＣＯが除去された排気ガスに還元剤を噴射する。前記還元剤はアンモニアである。一般に、噴射ノズル５０では尿素（Ｕｒｅａ）を噴射し、噴射された尿素はアンモニアに分解される。
前記還元剤と混合された排気ガスは、ＳＣＲ６０に供給される。
ＳＣＲ６０は、噴射ノズル５０の後端に設置されていて、遷移金属がイオン交換されたゼオライト（ｚｅｏｌｉｔｅ）触媒を含む。ＮＯｘを効果的に還元させるために、前記遷移金属は銅または鉄である。ＳＣＲ６０は、前記還元剤を利用して排気ガス内のＮＯｘを窒素気体（Ｎ２）に還元させて、排気ガス内のＮＯｘを低減させる。
以下、本発明の実施例によるディーゼル酸化触媒についてより詳細に説明する。
図２に示すように、本発明の第１実施例によるＤＯＣ４０は、担体４２、第１部分４４、そして第２部分４６を含む。
第１部分４４は、炭化水素トラップ（ＨＣｔｒａｐ）を含むウォッシュコートであって、担体４２上にコーティングされている。効果的に炭化水素を吸着させるために、前記ＨＣ ｔｒａｐとしてベータゼオライト（ｂｅｔａ ｚｅｏｌｉｔｅ）が使用される。特に、前記ベータゼオライトは、１２員環構造で、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に対するシリカ（ＳｉＯ２）の比率が２４〜３８であるのが好ましい。また、前記ベータゼオライトは、第１部分４４のウォッシュコート量全体の３０〜５０％であるのが好ましい。
一般に、ベータゼオライトは、排気ガスの温度が２５０℃以下でＨＣを吸着し、排気ガスの温度が２５０℃より高ければ吸着されたＨＣを脱着する。したがって、前記第１部分４４は、排気ガスの温度が設定された温度以下であればＨＣを吸着し、排気ガスの温度が設定された温度より高ければＨＣを脱着する。
第２部分４６は、白金及びパラジウムの酸化触媒を含むウォッシュコートであって、第１部分４４上にコーティングされている。第２部分４６は、排気ガス内に含まれているＨＣ及びＣＯを酸化させる。また、第２部分４６は、第１部分４４で脱着されたＨＣを酸化させる。この場合、ＨＣの酸化熱によってＤＯＣ４０の温度が５００℃以上に急激に上昇するようになり、それによってＤＯＣ４０に吸着された硫黄が脱着される。
図３に示すように、本発明の第２実施例によるＤＯＣ４０は、本発明の第１実施例によるＤＯＣ４０とコーティング構造以外は同一である。
本発明の第２実施例によるＤＯＣ４０は、担体４２、第１部分４４、そして第２部分４６を含む。
第１部分４４は、ＤＯＣ４０の前端部の担体４２上にコーティングされていて、第２部分４６は、ＤＯＣ４０の後端部の担体４２上にコーティングされている。
図４は本発明の実施例による排気装置が装着されたエンジンをアイドル条件で一定時間運行した後に排気ガスの温度を設定温度まで上昇させた場合に発生する硫黄の濃度及びディーゼル酸化触媒の後端部の温度を示したグラフである。
エンジン１０を５０ｐｐｍの硫黄を含む燃料を利用して１０分間アイドル状態で運行した場合には、排気ガスの温度を設定された温度（約３５０℃）まで上げても、第１部分４４に吸着されたＨＣの量が少ないので酸化熱の発生が少なく、したがって脱着される硫黄も約５ｐｐｍに過ぎない。
これとは異なって、エンジン１０を同一条件で１２０分間アイドル状態で運行した場合には、第１部分４４に吸着されたＨＣの量が多いので酸化熱の発生が多く、したがって脱着される硫黄も約３２ｐｐｍになる。
したがって、第１部分４４に吸着されたＨＣが第２部分４６に吸着された硫黄を脱着させるのに効果的であることが分かる。
図５は従来の技術及び本発明の実施例による排気装置が装着されたエンジンを運行した場合のＨＣ及びＣＯの濃度を示したグラフである。ここで、３０％及び５０％は各々ＨＣ ｔｒａｐが第１部分４４のウォッシュコート量の３０％及び５０％であることを意味する。
図５に示すように、従来の排気装置では、２０分間アイドル状態で運行した場合、ＨＣ及びＣＯの酸化能力が低下し、これを回復させるために、約５００℃でディーゼル酸化触媒を再生していた。
しかし、本発明の実施例による排気装置は、ディーゼル酸化触媒を再生しなくても、ＨＣ及びＣＯの酸化能力が十分である。特に、ＨＣ ｔｒａｐが第１部分４４のウォッシュコート量の５０％である場合には、本発明の実施例による排気装置では、酸化触媒が再生された従来の排気装置と類似したＨＣ及びＣＯの酸化能力を実現できる。
前記のように、本発明によれば、低温では排気ガスに含まれている炭化水素を捕集し、高温では捕集された炭化水素の酸化熱を利用して酸化触媒の活性を回復させることによって、安定した炭化水素の浄化性能を実現することができる。
また、白金及びパラジウムを含む酸化触媒を使用することによって、製造原価を低減することができる。
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
１０ エンジン
２０ ダーボチャージャー
３０ 煤煙低減フィルター（ＣＰＦ）
４０ ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）
４２ 担体
４４ 第１部分
４６ 第２部分
５０ 噴射ノズル
６０ 選択的還元触媒（ＳＣＲ）
７０ 排気パイプ

Claims (1)

  1. エンジンで発生した排気ガスが通過する排気パイプ上に、
    ａ）排気ガスのエネルギーを利用してタービンを回転させ、空気の吸入量を増加させるターボチャージャー、
    ｂ）排気ガス内の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する媒煙低減フィルター、
    ｃ）排気ガスの温度が設定された温度より高いか否かによって炭化水素を吸着または脱着させる炭化水素トラップが担体上にコーティングされた第１部分、そして、媒煙低減フィルターから粒子状物質が除去された排気ガス内の炭化水素及び一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる酸化触媒がコーティングされた第２部分、を含み、前記第１部分は、前記酸化触媒の担体上又は前記酸化触媒の前端部の担体上にコーティングされ、前記第２部分は、前記酸化触媒の担体上にコーティングされた前記第１部分上又は前記第１部分が前端部にコーティングされた前記酸化触媒の担体上の後端部にコーティングされ、前記第１部分で脱着された炭化水素を酸化し、酸化反応で発生した酸化熱を利用して前記酸化触媒に吸着した硫黄を脱着させ、前記炭化水素トラップは前記第１部分のコーティング量全体の３０〜５０％であるディーゼル酸化触媒、
    ｄ）排気ガスに還元剤を噴射する噴射ノズル、及び、
    ｅ）前記還元剤を利用して排気ガス内の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素気体（Ｎ２）に還元する選択的還元触媒を順次備えた
    ことを特徴とするディーゼル酸化触媒を具備した排気装置。

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