JP6753179B2

JP6753179B2 - 酸化触媒、及び、排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP6753179B2
Application number: JP2016135789A
Authority: JP
Inventors: 和広榎
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: JP2018003811A

Description

本発明は、車両に搭載した内燃機関等の排気ガスを浄化するための酸化触媒装置、及び排気ガス浄化システムに関する。

車両に搭載した内燃機関では、酸化触媒装置やＰＭ捕集フィルター装置やＮＯｘ浄化用のＳＣＲ触媒装置等を組み合わせた排気ガス浄化システムを備えて、排気ガスを浄化している。この酸化触媒装置は、排気ガス中の炭化水素等を酸化するもので、通常、排気ガス浄化システムの最前列に配置されることが多い。

この酸化触媒装置は、白金等の貴金属触媒をハニカム構造体の担体に担持されることが多く、高昇温性能及び高熱容量を両立させて、排ガスを効率よく浄化するために外周部のセルの隔壁の厚さを中心側のセルの隔壁の厚さよりも厚く形成したこのハニカム構造体も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２００６２５号公報

一方、酸化触媒装置においては、排気管の壁面の摩擦抵抗の影響で、配管流路の外周部（壁面側）で中心部側よりも遅くなるため、酸化触媒装置の外周部に流入する排気ガスの量が低下する。その結果、ＨＣの堆積量が中心側より低くなり、ＨＣの酸化による発熱量が少なくなるため、下流側の排気ガス浄化装置では、酸化触媒装置を通過して外周部で流速と温度が低くなった排気ガスが流入することになり、排気ガス浄化性能を十分に発揮できないという問題がある。

また、酸化触媒の前面におけるＨＣの堆積による詰りが生じると、酸化触媒でＨＣの酸化を十分に行うことができずに、後流側のＰＭ捕集フィルター装置の再生温度やＮＯｘ浄化触媒装置の活性化温度の確保ができず、再生不良などが起こるという問題が生じる。

本発明の目的は、製造容易で、しかも、下流側に配置されているＰＭ捕集フィルター装置やＮＯｘ浄化触媒装置等の排気ガス浄化装置の排気ガス浄化性能を向上できる酸化触媒装置、及び、排気ガス浄化システムを提供することにある。

さらには、外周部からの詰まりに対するハニカム形状での流れの改良と煤詰まりの原因となるＨＣの付着回避のための低温におけるＨＣ浄化性能を向上して、酸化触媒装置の前面詰りを回避できる酸化触媒装置、及び、排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の酸化触媒装置は、ハニカム構造体に酸化触媒を担持した酸化触媒装置において、排気ガスが通過するセルが四角形形状になっていると共に、排気ガスの流れ方向に垂直な面に関して、外周部のセルを中心部のセルの十字形状の隔壁を省いた形状で、外周部のセルの流通断面積が中心部のセルの流通断面積の４倍になっていて、外周部のセル密度が中心部のセル密度の１／４になっていて、さらに、排気ガスの流れ方向に関して、当該酸化触媒装置の前側の全体の長さの１５％〜２５％の位置より前方の領域を前部領域として、この前部領域における白金に対するパラジウムの担持量の割合が、この前部領域の後側の後部領域における白金に対するパラジウムの担持量の割合よりも多くなっている構成とする。

また、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、上記の酸化触媒装置を当該排気ガス浄化システムにおける上流側に備えて構成される。

本発明の酸化触媒装置、及び、排気ガス浄化システムによれば、セル形状が四角形形状になっているとともに、外周部のセルが中央部のセルの十字形状の隔壁を省いた形状になっており、さらに、外周部のセル密度が中心部のセル密度の１／４になっているので、製造容易で、しかも、下流側に配置されているＰＭ捕集フィルター装置やＮＯｘ浄化触媒装置等の排気ガス浄化装置の排気ガス浄化性能を向上できる。

さらには、外周部からの詰まりに対するハニカム形状での流れの改良と煤詰まりの原因となるＨＣの付着回避のための低温におけるＨＣ浄化性能を向上して、酸化触媒装置の前面詰りを回避できる。

本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。本発明に係る実施の形態の酸化触媒装置の構成を示す横断面図である。図２の酸化触媒装置における外周部と中央部の区分を示す横断面図である。図２の酸化触媒装置の構成を、セル構造を省いて模式的に示す側断面図である。別体で形成する酸化触媒装置の構成を、セル構造を省いて模式的に示す側断面図である。均一セルの酸化触媒装置の構成を模式的に示す横断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態の酸化触媒装置、及び排気ガス浄化システムについて図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）１０から排出される排気ガスＧが通過する排気通路１１に、酸化触媒装置（ＤＯＣ）２０と、粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＰＭ捕集フィルター装置（ＤＰＤ）３０、排気ガスＧ中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等の成分を浄化するＳＣＲ触媒装置（ＳＣＲ）４０等の各種の排気ガスユニットを組み合わせて設けた排気ガス浄化システムであり、この排気ガス浄化システム１において、酸化触媒装置２０が、この排気ガス浄化システム１の最上流に配置されている。

この酸化触媒装置２０は、排気ガスＧ中の酸素（Ｏ₂）を使用して排気ガスＧ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化したり、粒子状物質（ＰＭ）に含まれる未燃燃焼物質（ＳＯＦ）を酸化したりして、水（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に変える排気ガス浄化装置であり、コーディエライトなどを原料としたセラミックスで構成された、フルスロー型のハニカム構造体２１に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属を酸化触媒（図示しない）として担持して構成される。

そして、この酸化触媒装置２０は、下流側に配置されるＰＭ捕集フィルター装置３０の温度を上昇させて、このＰＭ捕集フィルター装置３０に捕集されたＰＭを燃焼除去するような強制再生時には、エンジン１０のシリンダ内燃料噴射のポスト噴射、又は、排気通路１１に設けた燃料噴射ノズル（図示しない）から燃料を排気管内に直接噴射する排気管内直接噴射により、燃料を排気ガスＧ中に供給して、排気ガスＧ中の未燃燃料を増加し、この未燃燃料を酸化触媒装置２０で触媒反応により酸化して、この酸化で発生する熱により排気ガスＧの温度を上昇させる役割や、排気ガスＧ中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化して排気ガスＧ中のＮＯ：ＮＯ₂の割合を１：１に近くして、ＰＭ捕集フィルター装置３０における粒子状物質の燃焼を促進したりする役割を持っている。

また、ＰＭ捕集フィルター装置３０は、排気ガスＧ中の粒子状物質を捕集するためのもので、例えば、多孔質のセラミックのハニカムのセル（チャンネル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルターで構成される。

排気ガスＧは、ＰＭ捕集フィルター装置３０の目封じされていないセルの入口より流入し、隣接する出口を目封じされていないセルとの境界に形成されたＰＭ捕集用のセル壁を通過して隣接する出口を目封じされていないセルの出口より流出する。ＰＭ捕集用の壁で捕集できるＰＭの捕集量には限界があるため、ＰＭ捕集量が飽和する前に、ＰＭ捕集フィルター装置３０に高温の排気ガスＧを通過させて、捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制ＰＭ再生制御を定期的に行っている。

そして、ＳＣＲ触媒装置４０は、鉄イオン交換アルミノシリケート等の触媒ゼオライトをセラミックハニカム等の担体に担持させたもので、その上流側の排気通路１１に備えた尿素水供給装置４１により噴射される尿素水が排気ガスＧの熱により加水分解して生成されたアンモニア（ＮＨ₃）を還元剤として、排気ガスＧに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ₂）に浄化する装置である。

なお、排気ガス浄化システム１には、ＳＣＲ触媒装置４０でのＮＯｘ浄化のために、尿素水を排気ガスＧ中に供給する尿素水噴射システムや、排気管内直接燃料噴射のための燃料噴射システムや、アンモニア流出を防止するためのアンモニア吸着ユニットなどと、ＰＭ捕集フィルター装置３０の前後差圧を検出するための差圧センサや排気ガスＧ等の温度を検出するための温度センサやＮＯｘ濃度や酸素濃度を検出するためのガス濃度センサ等が配置されるが、ここでは、これらの構成は、本発明に直接関係しないので説明の簡略化のために省略する。

そして、本発明においては、図２及び図３に示すように、酸化触媒装置２０のハニカム構造体２１は、排気ガスＧが通過するセルを四角形形状、好ましくは正方形形状になっているように形成すると共に、排気ガスＧの流れ方向に垂直な面に関して、外周部Ｒａ（図３の斜線によるハッチング部分）のセル２２ａが中心部Ｒｂ（図３の斜線によるハッチング部分に囲まれた白地の部分）のセル２２ｂの十字形状の隔壁を省いた形状で、外周部Ｒａのセル２２ａの流通断面積が中心部Ｒｂのセル２２ｂの流通断面積の４倍になっていて、外周部Ｒａのセル密度が中心部Ｒｂのセル密度の１／４になっているように構成される。そして、図２〜図４に示すように、このハニカム構造体２１は、前後のテーパー部分を有して排気ガスＧの流路を形成するケース２３に、リング形状などの形状をしている固定部材２４により固定支持されている。

この構成によれば、セル２２ａ、２２ｂの形状が四角形形状好ましくは正方形形状なっていて、外周部Ｒａのセル２２ａが中央部Ｒｂのセル２２ｂの十字形状の隔壁を省いている形状で、外周部Ｒａのセル密度が中心部Ｒｂのセル密度の１／４になっているので、図２及び図３に示すように、排気ガスＧの流れ方向から見て、セル２２ａ、２２ｂの壁面にずれが生じない。そのため、押し出し成形による製造が容易となり、酸化触媒装置２０の製造が容易となる。なお、この構成では、より製造し易くするために、外周部Ｒａのセル２２ａと中心部Ｒｂのセル２２ｂの隔壁の厚さは同じ厚さとなっていることが好ましい。

また、外周部Ｒａのセル２２ａでは、中央部Ｒｂのセル２２ｂに比べて、流路断面積が大きくなっているので、外周部Ｒａのセル２２ａの流通抵抗が中央部Ｒｂのセル２２ｂの流通抵抗より減少し、外周部Ｒａのセル２２ａにおける排気ガスＧの流通量が増加する。そのため、従来技術の図６に示すような、均一の流路断面積を持つハニカム構造体２１Ｘの酸化触媒装置２０Ｘでは、排気ガスＧの流速が外周側で中心側よりも遅くなるため外周側から粒子状物質の堆積が発生し、中央側に進行するが、この実施の形態の酸化触媒装置２０では、この粒子状物質の堆積を回避できるようになる。

その結果、外周部Ｒａと中央部Ｒｂを通過した後の排気ガスＧの流速と発熱量の差が小さくなり、下流側に配置されているＰＭ捕集フィルター装置３０に流入する排気ガスＧの流速分布と温度分布が均一化される。そのため、ＰＭ捕集フィルター装置３０の全体で粒子状物質をほぼ均一に捕集できるようになるので、ＰＭ強制再生時における温度分布も均一化できて熱膨張の差によるフィルターの破損を回避できると共に、ＰＭ強制再生制御までの間における全体としてのＰＭ捕集量を増加できる。これにより、より効率よく粒子状物質の捕集とＰＭ強制再生を行うことができ、ＰＭ捕集フィルター装置３０における排気ガス浄化性能を向上できる。

また、さらに、酸化触媒装置２０の前面におけるＨＣの堆積による詰りが生じると、酸化触媒装置２０でＨＣの酸化を十分に行うことができずに、後流側のＰＭ捕集フィルター装置３０の再生温度やＳＣＲ触媒装置４０の活性化温度の確保ができず、再生不良などが起こるという問題が生じるので、これに対処するために、酸化触媒装置２０は、排気ガスＧの流れ方向に関して、前端から全体の長さＬｔの１５％〜２５％の位置（Ｐａ）より前方の領域を長さＬａの前部領域Ａａとして、この前部領域Ａａにおける白金（Ｐｔ）に対するパラジウム（Ｐｄ）の担持量の割合αａを、この前部領域Ａａの後側の長さＬｂの後部領域Ａｂにおける白金（Ｐｔ）に対するパラジウム（Ｐｄ）の担持量の割合αｂよりも多くする。

より具体的には、前部領域Ａａにおける白金に対するパラジウムの担持量の割合αａを重量ベースで５％〜１０％（Ｐｔ：Ｐｄの担持率では、２０：１〜１０：１）とし、後部領域Ａｂにおける白金に対するパラジウム（Ｐｄ）の担持量の割合αｂを重量ベースで２０％〜３３％（Ｐｔ：Ｐｄで５：１〜３：１）とすることが好ましい。

つまり、白金のみに対し極小量のパラジウムを添加することで低温側でのＨＣの浄化率が向上するが、全体で使うには貴金属コストが大となり，また性能的にもよりパラジウムを入れたもの（３：１など）に対し二酸化窒素（ＮＯ₂）の生成量が多く問題となるので、この前部領域Ａａと後部領域Ａｂにおける白金に対するパラジウムの担持量の割合αａ、αｂに差を設ける。

これにより、外周部からの詰まりに対するハニカム形状での流れの改良と煤詰まりの原因となるＨＣの付着回避のための低温におけるＨＣ浄化性能を向上させることができ、酸化触媒装置２０の前面詰りを回避できる。

この前部領域Ａａと後部領域Ａｂで白金に対するパラジウムの担持量の割合αａ、αｂに差がある酸化触媒装置２０は、白金に対するパラジウムの担持量の割合が割合αａである第１の触媒溶液に前部領域Ａａをドブ漬し、白金に対するパラジウムの担持量の割合が割合αｂである第２の触媒溶液に後部領域Ａｂをドブ漬することで容易に製造できる。

また、図５に示す酸化触媒装置２０Ａのように、前部領域Ａａと後部領域Ａｂを別体の前部ハニカム構造体２１Ａａと後部ハニカム構造体２１Ａｂで形成し、それぞれ、第１の触媒溶液と第２の触媒溶液にドブ漬した後に両者を接合して一体化して製造もよい。この場合には、前部領域Ａａと後部領域Ａｂを密着させて一体化してもよいが、前部領域Ａａと後部領域Ａｂとの間に隙間（空間）Ｃや断熱材を設けて構成することが好ましい。

これにより、前部領域Ａａから後部領域Ａｂへの熱移動量が少なくなるので、エンジン１０の始動時などでは、熱容量の少ない前部領域Ａａが排気ガスＧにより早期に昇温し活性化する。従って、この前部領域Ａａにおける排気ガスＧ中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の燃焼を促進できる。その結果、さらに、前部領域Ａａにおける温度が昇温するので炭化水素や一酸化炭素の酸化の効率が上昇し、後部領域Ａｂに昇温した排気ガスＧを送り込むことができ、この後部領域Ａｂを昇温して触媒の活性化を図ることができる。

そして、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム１は、図１に示すように、上記の酸化触媒装置２０、２０Ａをこの排気ガス浄化システム１における上流側に備えて構成され、上記の酸化触媒装置２０、２０Ａが発揮する効果を同様に発揮することができる。

１排気ガス浄化システム
１０エンジン（内燃機関）
１１排気通路
２０、２０Ａ、２０Ｘ酸化触媒装置
２１，２１Ａ、２１Ｘハニカム構造体
２１Ａａ前部ハニカム構造体
２１Ａｂ後部ハニカム構造体
２２ａ外周部のセル
２２ｂ中央部のセル
２３ケース
２４固定部材
３０ＰＭ捕集フィルター装置
４０ＳＣＲ触媒装置
Ａａ前部領域
Ａｂ後部領域
Ｌａ前部領域の長さ
Ｌｂ後部領域の長さ
Ｌｔ全体の長さ
Ｒａ外周部
Ｒｂ中央部

Claims

ハニカム構造体に酸化触媒を担持した酸化触媒装置において、排気ガスが通過するセルが四角形形状になっていると共に、排気ガスの流れ方向に垂直な面に関して、外周部のセルを中心部のセルの十字形状の隔壁を省いた形状で、外周部のセルの流通断面積が中心部のセルの流通断面積の４倍になっていて、外周部のセル密度が中心部のセル密度の１／４になっていて、
さらに、排気ガスの流れ方向に関して、当該酸化触媒装置の前側の全体の長さの１５％〜２５％の位置より前方の領域を前部領域として、この前部領域における白金に対するパラジウムの担持量の割合が、この前部領域の後側の後部領域における白金に対するパラジウムの担持量の割合よりも多くなっていることを特徴とする酸化触媒装置。
前記前部領域における白金に対するパラジウムの担持量の割合が重量ベースで５％〜１０％であり、前記後部領域における白金に対するパラジウムの担持量の割合が重量ベースで２０％〜３３％であることを特徴とする請求項１に記載の酸化触媒装置。
請求項１または２に記載の酸化触媒装置を当該排気ガス浄化システムにおける上流側に備えていることを特徴とする排気ガス浄化システム。