JP6716067B2 - ディーゼル用酸化触媒 - Google Patents
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Description
本発明は、ディーゼル用酸化触媒に関する。
従来、ディーゼルエンジンからの排気を浄化する触媒として、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化する酸化触媒が用いられている。セラミックスや金属の基材にアルミナ等の多孔質酸化物からなる担体を塗布して触媒層を形成したものである。触媒層には、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が含まれるものが知られている。
このような酸化触媒において、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の性質を効果的に発揮させて酸化触媒の性能を向上させるために、触媒の各部位での温度及び排ガス成分などを考慮して、基材の上流側と下流側とに別個の材料を配置した酸化触媒等が開発されている。例えば特許文献１に記載の如くである。
しかし、特許文献１に記載のような酸化触媒は、排気の特性に応じて担体に含まれるＰｔ、Ｐｄの量を調整したものを所定の位置に塗布する必要がある。つまり、基材の各部位に配置する複数の触媒の調合を酸化触媒が接続されるディーゼルエンジン毎に行う必要があり生産コストが増大する点で不利であった。
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであり、酸化触媒の性能を維持しつつ生産コストを削減することができるディーゼル用酸化触媒の提供を目的とする。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、本発明においては、ＰｔとＰｄとのうち少なくとも１つが含まれている三層の触媒層から構成されるディーゼル用酸化触媒において、排気の流れ方向に対して上流側触媒層と下流側外触媒層と下流側内触媒層とに分割され、前記上流側触媒層と前記下流側内触媒層とにＰｔとＰｄとが含まれるとともに、前記下流側外触媒層にＰｔのみが触媒金属として含まれ、酸化効率が排気のＮＯの量に応じた所定値以上になるように、前記下流側外触媒層に含まれるＰｔの量が設定され、排気の流れ方向における前記下流側外触媒層の長さが排気の流れ方向におけるディーゼル用酸化触媒の全長の半分以上になるように構成され、前記上流側触媒層に含まれるＰｔとＰｄの割合が１：２から４：１の範囲内であり、かつ、白金量が０．１ｇ／Ｌから２．４ｇ／Ｌの範囲内であるように構成されるものである。
本発明においては、前記三層の触媒層が基材に構成されており、前記基材に排気の流れ方向に対して六角形の断面を有する貫通孔が形成されているものである。
本発明においては、前記三層の触媒層が基材に構成されており、前記基材がパーシャルタイプのスートフィルタである。
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
本発明によれば、上流側触媒層に含まれるＰｔとＰｄとの酸化促進作用によってＨＣやＣＯが除去され、下流側外触媒層にＰｔを一定の範囲を持って集中的に配置することで酸化効率が向上するので、下流側内触媒層に含まれるＰｔの量を削減してもＰｔによる酸化促進作用が低下しない。また、排気の特性に応じて上流側触媒層と下流側内触媒層とを生産する必要がない。これにより、酸化触媒の性能を維持しつつ生産コストを削減することができる。
本発明によれば、基材に触媒が均一に塗布され易くなる。これにより、酸化触媒の性能を維持しつつ生産コストを削減することができる。
本発明によれば、触媒層は貫通孔を有する基材だけでなく、パーシャルタイプのスートフィルタにも適用される。これにより、酸化触媒の性能を維持しつつ生産コストを削減することができる。
以下に、図１から図３を用いて排気浄化装置１について説明する。なお、本実施形態における「上流側」とは流体の流れ方向における上流側を示し、「下流側」とは流体の流れ方向における下流側を示す。
図１に示すように、排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン２０から排出される排気を浄化するものである。排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン２０に接続される排気管２１に設けられる。排気浄化装置１は、筐体２、スートフィルタ３、酸化触媒４等を具備する。
筐体２は、内部に配置されるスートフィルタ３や酸化触媒４に排気を案内するものである。筐体２の一側端部には排気管２１が接続され、筐体２の他側端部は排気管２１を介して外部に開放されている。つまり、筐体２は、ディーゼルエンジン２０と接続されている排気管２１の途中部に設けられ、一側（上流側）から他側（下流側）に向かって（図１黒塗矢印参照）ディーゼルエンジン２０からの排気が流れる排気流路として構成されている。
スートフィルタ３は、排気中のパティキュレート（炭素質からなる煤、高沸点炭化水素成分（ＳＯＦ）等）を除去するものである。スートフィルタ３は、筐体２の内部に配置される。スートフィルタ３は、例えば格子状に形成されたセラミック等の多孔質壁からなる。スートフィルタ３は、筐体２によって案内される排気が前記多孔質壁を透過するように構成される。スートフィルタ３は、排気が前記多孔質壁を通過する際に排気中のパティキュレートを捕集する。その結果、排気からパティキュレートが除去される。
酸化触媒４は、ディーゼルエンジン２０から排出される排気中の一酸化炭素（以下、単に「ＣＯ」と記す）、炭化水素（以下、単に「ＨＣ」と記す）、一酸化窒素（以下、単に「ＮＯ」と記す）を酸化するものである。酸化触媒４は、スートフィルタ３の上流側に配置される。酸化触媒４は、触媒金属が含まれる触媒担体が所定の範囲にわたり基材８上にコーティングされ、所定の温度及び時間において乾燥及び焼成等することにより構成される。
図３に示す酸化触媒４の基材８は、一般に排ガス浄化用触媒において用いられる任意の材料、例えばコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 ）、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素等の耐熱性を有するセラミックス材料やステンレス鋼等の金属箔からなるメタル材料を、多数の貫通孔を有する構造に形成したものが用いられる。
酸化触媒４の触媒金属を含む担体は、一般に触媒担体として用いられる任意の金属酸化物、例えば、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、セリア（ＣｅＯ2 ）、シリカ（ＳｉＯ2 ）、チタニア（ＴｉＯ2 ）及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属酸化物が用いられる。
このように構成される排気浄化装置１には、ディーゼルエンジン２０からの排気が排気管２１を介して筐体２に供給される。排気浄化装置１は、供給された排気が酸化触媒４を通過することで（図３白塗矢印参照）、排気に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯを酸化する。さらに、排気浄化装置１は、スートフィルタ３によって供給された排気に含まれるパティキュレートを捕集する。
次に、図２から図９を用いて排気浄化装置１における酸化触媒４について具体的に説明する。
図２に示す酸化触媒４は、フロースルータイプである。フロースルータイプである場合、それは、図２（ａ）に示すような格子状の断面を有する貫通基材であっても、図２（ｂ）に示すような六角形の断面を有する貫通基材であってもよい。前記貫通基材は複数の通路が構成される。通路は、様々な構造の断面形状を有することができる。また、貫通基材の通路は、六角形の断面を有することが好ましい。
また、図４に示すスートフィルタ３は、パーシャルタイプである。このパーシャルタイプのスートフィルタ３は、当技術分野において既知である（ＷＯ ０１／８０９７８またはＥＰ１０５７５１９を参照）。典型的なパーシャルタイプのスートフィルタは、複数のチャンネルおよび複数のチャンネルの境界となる複数の壁を有している。各チャンネルは少なくとも一つの開口端を有しており、各チャンネルが２つの開口端を有しているのが好ましい。
また、パーシャルタイプのスートフィルタはパティキュレートの収集要素を備えている。典型的な収集要素は、複数の壁に生じている複数の偏向である。各壁は、偏向を有さないか、または一つ以上の偏向を有することができる。それぞれの偏向は、基材を貫流する排気中の粒子状物質の障害物として作用する。それぞれの偏向はフラップ又は翼状の形状を有しており、典型的な偏向は各偏向の壁平面から外側に（ある角度を持って）方向付けられている。なお、それぞれの偏向は、担体の壁の開口と結合されることが好ましい。壁内の各開口部は、排気を一つのチャンネルから隣接するチャンネルに流すことを可能にする。
本発明の触媒層は、フロースルータイプの酸化触媒４またはパーシャルタイプのスートフィルタ３に適用される。本発明の触媒層を適用したスートフィルタ３または酸化触媒４の少なくとも１つを含むものを本発明におけるディーゼル用酸化触媒と定義する。本発明の触媒層は、上流側触媒層５と下流側内触媒層６と下流側外触媒層７とに分割されて形成されている。以下、本発明の触媒層を酸化触媒４に適用した場合について説明する。
図３に示す上流側触媒層５は、コージェライト等からなる基材８のうち排気の上流側部分に形成される。上流側触媒層５は、アルミナ等からなる担体がウォッシュコート法等によって基材８にコーティングされる。コーティングされた上流側触媒層５は、所定の温度と時間とで乾燥される。同様にして、下流側内触媒層６は、基材８のうち排気の下流側部分に形成される。さらに、下流側外触媒層７は、下流側内触媒層６の表面（下流側内触媒層６の上側）に形成される。基材８の所定位置に上流側触媒層５と下流側内触媒層６と下流側外触媒層７とが形成された酸化触媒４は、所定の温度と時間とで焼成される。
この際、酸化触媒４は、排気の流れ方向における下流側内触媒層６と下流側外触媒層７の長さが排気の流れ方向における酸化触媒４の全長の半分以上になるように構成される。具体的には、上流側触媒層５と下流側外触媒層７とが隣接するように形成されている場合、酸化触媒４は、上流側触媒層５の長さと下流側外触媒層７の長さとの比率Ｘ：Ｙが１：９から５：５の範囲内になるように設定される。このように、一定の範囲に下流側外触媒層７を形成することで効率的に酸化を促進させることができる。
また、上流側触媒層５の担体には、触媒金属としてＰｔとＰｄとが所定の割合（例えば２：１から４：１、白金量では１．８から２．４ｇ／Ｌが適しているが、１：２から１０：１、白金量では０．１から３．０ｇ／Ｌの範囲であればよい）になるように含まれている。下流側内触媒層６の担体には、触媒金属としてＰｔとＰｄとが所定の割合（例えば１：１）で含まれる。下流側外触媒層７の担体には、触媒金属としてＰｔのみが所定の範囲内における任意の割合で含まれる。つまり、酸化触媒４は、上流側触媒層５と下流側内触媒層６とにだけＰｄが含まれるように構成される。
下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量は、上述の通り排気の特性に応じて所定の範囲内で任意に設定される。一方、上流側触媒層５と下流側内触媒層６とに含まれるＰｔとＰｄとの量は、下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量に関わらず常に所定の量になるように設定されている。つまり、酸化触媒４は、排気の特性に応じて下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量のみを変更するように構成される。
このように構成される酸化触媒４は、排気がその上流側触媒層５に到達すると、上流側触媒層５に含まれるＰｔとＰｄとの酸化促進作用によって、排気に含まれるＣＯをＣＯ2 に酸化させ、ＨＣをＨ2 ＯとＣＯ2 とに酸化させる。つまり、上流側触媒層５によって下流側外触媒層７のＰｔによるＮＯの酸化促進作用を阻害する要因となるＣＯとＨＣとが排気から除かれる。酸化触媒４は、ＣＯとＨＣとが除かれた排気がその下流側内触媒層６と下流側外触媒層７とに到達すると、下流側外触媒層７に含まれるＰｔの酸化促進作用によって、排気に含まれるＮＯをＮＯ2 に酸化させる。
つまり、酸化触媒４は、上流側触媒層５によってＣＯとＨＣとを除去し、下流側外触媒層７に集中的にＰｔを含ませることでＮＯからＮＯ2 への変換効率が向上している。従って、図５に示すように、本発明に係る酸化触媒４は、従来の酸化触媒である酸化触媒１０よりも少ないＰｔの量で従来の酸化触媒１０の変換効率と同等の変換効率を維持している。
また、酸化触媒４は、上流側触媒層５にＰｄを含ませることでポスト着火時における着火性能が向上している。すなわち、酸化触媒４は、ポスト着火に必要な酸化触媒４の入口温度が低くなっている。従って、図６に示すように、本発明に係る酸化触媒４は、従来の酸化触媒１０よりも少ないＰｔの量で従来の酸化触媒１０がポスト着火に必要な入口温度と同等の入口温度でポスト着火が可能に構成されている。
さらに、酸化触媒４は、上流側触媒層５にＰｄを含ませることでＨＣからＨ2 ＯとＣＯ2 とへの変換効率が向上している。すなわち、酸化触媒４は、ＨＣのスリップ量が低減している。従って、図７に示すように、本発明に係る酸化触媒４は、従来の酸化触媒１０よりも少ないＰｔの量で従来の酸化触媒１０のＨＣのスリップ量と同等のＨＣのスリップ量を維持している。
酸化触媒４は、図８（ａ）に示すように、下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量が増えるとＮＯからＮＯ2 への変換効率が向上している。同様に、酸化触媒４は、図８（ｂ）に示すように、下流側外触媒層７が大きくなるとＮＯからＮＯ2 への変換効率が向上している。すなわち、酸化触媒４は、下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量を増加させることで、その酸化触媒４を小さく構成することができる。従って、酸化触媒４は、より小さな空間に配置することができる。
また、酸化触媒４の基材８を、排気の流れ方向に対して六角形の断面を有するように形成することで、基材８に触媒が均一に塗布され易くなる。これにより、酸化触媒４の性能を維持しつつ生産コストを削減することができる。
次に、図９を用いて酸化触媒４とディーゼルエンジンとの組み合わせについて説明する。
酸化触媒４は、排気の特性に応じて担体に含まれる触媒金属の種類や量を変更することでディーゼルエンジンに対応した性能を発揮するように構成される。図９（ａ）に示すように、表層側触媒１１と内層側触媒１２とから構成され、それぞれに別個の触媒金属を配置した酸化触媒１０の場合、表層側触媒１１と内層側触媒１２とに配置する触媒金属の種類や量を接続されるディーゼルエンジン毎にそれぞれ決定し、調合、コーティング、乾燥、焼成といった工程を経て生産される。
具体的には、ディーゼルエンジンＡ・Ｂ・Ｃについて酸化触媒１０を生産する場合、ディーゼルエンジンＡ用の酸化触媒１０Ａとして表層側触媒層１１ａと内層側触媒層１２ａを調合する必要がある。ディーゼルエンジンＢ用の酸化触媒１０Ｂとして酸化触媒１０Ａの各触媒層と触媒の配合が異なる表層側触媒層１１ｂと内層側触媒層１２ｂを調合する必要がある。ディーゼルエンジンＣ用の酸化触媒１０Ｃとして酸化触媒１０Ａ、酸化触媒１０Ｂの各触媒層と触媒の配合が異なる表層側触媒層１１ｃと内層側触媒層１２ｃの計６種類の触媒層を調合する必要がある。
しかし、排気に含まれるＣＯやＨＣの量は、ディーゼルエンジンの特性による影響が小さい。従って、酸化触媒４は、排気に含まれるＣＯやＨＣの酸化を目的の一つとする上流側触媒層５の触媒金属の種類や量をディーゼルエンジン毎に変更しなくても酸化効率が低下しない。また、酸化触媒４は、下流側内触媒層６の上流側に上流側触媒層５が形成され、下流側内触媒層６の表面に下流側外触媒層７が形成されている。従って、下流側内触媒層６は、上流側触媒層５と下流側外触媒層７とに比べて排気に接触し難く、酸化触媒４の性能に対する寄与率が低い。つまり、酸化触媒４は、性能に対する寄与率が低い下流側内触媒層６の触媒金属の種類や量をディーゼルエンジン毎に変更しなくても酸化効率が低下しない。
さらに、酸化触媒４に含まれる触媒金属は、ポスト着火性能の向上に寄与する。すなわち、ポスト噴射によるＨＣが最初に接触する上流側触媒層５のポスト着火性能に対する寄与率は、上流側触媒層５に含まれる触媒金属の種類や量に強く依存する。下流側内触媒層６と下流側外触媒層７は、上流側触媒層５で発生したＨＣの酸化熱により高温化して酸化速度が増大している。すなわち、下流側内触媒層６と下流側外触媒層７のポスト着火性能に対する寄与率は、下流側内触媒層６と下流側外触媒層７に含まれる触媒金属の種類や量に依存しない。ポスト噴射は、ディーゼルエンジンＡ・Ｂ・Ｃの種類に関わらずほぼ同一の条件で行われる。従って、酸化触媒４は、上流側触媒層５と下流側内触媒層６と下流側外触媒層７との触媒金属の種類や量をディーゼルエンジンＡ・Ｂ・Ｃ毎に変更しなくてもポスト着火性能が低下しない。
一方、排気に含まれるＮＯの量は、ディーゼルエンジンの特性による影響が大きい。つまり、酸化触媒４は、排気に含まれるＮＯの酸化を目的とする下流側外触媒層７の触媒金属であるＰｔの量を変更することで酸化効率が変動する。従って、酸化触媒４は、下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量が排気の特性に応じて所定の範囲内で任意に設定されている。すなわち、酸化触媒４は、下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量のみをディーゼルエンジンの特性に応じて変更し、上流側触媒層５と下流側内触媒層６とをディーゼルエンジンの特性に関わらず共通として構成することができる。
具体的には、図９（ｂ）に示すように、ディーゼルエンジンＡ・Ｂ・Ｃについて酸化触媒４を生産する場合、ディーゼルエンジンＡ用の酸化触媒４Ａとして上流側触媒層５α、下流側内触媒層６βおよび下流側外触媒層７ａを調合する必要がある。ディーゼルエンジンＢ用の酸化触媒４Ｂとして酸化触媒４Ａの上流側触媒層５αと下流側内触媒層６βと触媒の配合が同じ上流側触媒層５αと下流側内触媒層６β、および酸化触媒４Ａの下流側外触媒層７ａと触媒の配合が異なる下流側外触媒層７ｂを調合する必要がある。ディーゼルエンジンＣ用の酸化触媒４Ｃとして酸化触媒４Ａ（酸化触媒４Ｂ）の上流側触媒層５αと下流側内触媒層６βと触媒の配合が同じ上流側触媒層５αと下流側内触媒層６β、および酸化触媒４Ａの下流側外触媒層７ａと酸化触媒４Ｂの下流側外触媒層７ｂと触媒の配合が異なる下流側外触媒層７ｃの計５種類の触媒を調合する必要がある。このように、酸化触媒４は、上流側触媒層５αと下流側内触媒層６βとをディーゼルエンジンの種類に関わらず共通とすることで、酸化触媒１０よりも触媒層の数が増加しているが必要な触媒の数が減少している。
以上の如く、ＰｔとＰｄとのうち少なくとも１つが含まれている三層の触媒層から構成されるディーゼル用酸化触媒において、排気の流れ方向に対して上流側触媒層５と下流側内触媒層６と下流側外触媒層７とに分割され、上流側触媒層５と下流側内触媒層６とにＰｔとＰｄとが含まれるとともに下流側外触媒層７にＰｔが含まれ、上流側触媒層５に含まれるＰｔとＰｄとの量と、下流側内触媒層６に含まれるＰｔとＰｄとの量とが常に一定に設定され、酸化効率が所定値以上になるように下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量が設定されているものである。
このように構成することで、上流側触媒層５に含まれるＰｔとＰｄとの酸化促進作用によってＨＣやＣＯが除去されるので、下流側内触媒層６に含まれるＰｔの量を削減してもＰｔによる酸化促進作用が低下しない。また、ディーゼルエンジン２０の排気の特性に応じて上流側触媒層５と下流側内触媒層６とを生産する必要がない。これにより、酸化触媒４の性能を維持しつつ生産コストを削減することができる。
また、ＰｔとＰｄとのうち少なくとも１つが含まれている三層の触媒層から構成されるディーゼル用酸化触媒において、排気の流れ方向に対して上流側触媒層５と下流側内触媒層６と下流側外触媒層７とに分割され、上流側触媒層５と下流側内触媒層６とにＰｔとＰｄとが含まれるとともに下流側外触媒層７にＰｔが含まれ、上流側触媒層５に含まれるＰｔとＰｄとの量と、下流側内触媒層６に含まれるＰｔとＰｄとの量とが常に一定に設定され、酸化効率が所定値以上になるように下流側外触媒層７に含まれるＰｔの量が設定され排気の流れ方向における下流側外触媒層７の長さが排気の流れ方向における酸化触媒４の全長の半分以上になるように構成されているものである。
このように構成することで、上流側触媒層５に含まれるＰｔとＰｄとの酸化促進作用によってＨＣやＣＯが除去され、下流側外触媒層７にＰｔを一定の範囲を持って集中的に配置することで酸化効率が向上するので、下流側内触媒層６に含まれるＰｔの量を削減してもＰｔによる酸化促進作用が低下しない。また、ディーゼルエンジンの排気の特性に応じて上流側触媒層５と下流側内触媒層６とを生産する必要がない。これにより、酸化触媒４の性能を維持しつつ生産コストを削減することができる。
３ スートフィルタ
４ 酸化触媒
５ 上流側触媒層
６ 下流側内触媒層
７ 下流側外触媒層
９ 基材
４ 酸化触媒
５ 上流側触媒層
６ 下流側内触媒層
７ 下流側外触媒層
９ 基材
Claims (3)
- ＰｔとＰｄとのうち少なくとも１つが含まれている三層の触媒層から構成されるディーゼル用酸化触媒において、
排気の流れ方向に対して上流側触媒層と下流側外触媒層と下流側内触媒層とに分割され、
前記上流側触媒層と前記下流側内触媒層とにＰｔとＰｄとが含まれるとともに、前記下流側外触媒層にＰｔのみが触媒金属として含まれ、
酸化効率が排気のＮＯの量に応じた所定値以上になるように、前記下流側外触媒層に含まれるＰｔの量が設定され、
排気の流れ方向における前記下流側外触媒層の長さが排気の流れ方向におけるディーゼル用酸化触媒の全長の半分以上になるように構成され、
前記上流側触媒層に含まれるＰｔとＰｄの割合が１：２から４：１の範囲内であり、かつ、白金量が０．１ｇ／Ｌから２．４ｇ／Ｌの範囲内であるように構成される
ディーゼル用酸化触媒。 - 前記三層の触媒層が基材に構成されており、
前記基材に排気の流れ方向に対して六角形の断面を有する貫通孔が形成されている
請求項１に記載のディーゼル用酸化触媒。 - 前記三層の触媒層が基材に構成されており、
前記基材がパーシャルタイプのスートフィルタである
請求項１に記載のディーゼル用酸化触媒。
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