JPH08501485A - 排気フューム浄化装置 - Google Patents
排気フューム浄化装置Info
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Abstract
(57)【要約】
内燃機関、とりわけディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化用触媒であって、一種以上の触媒活性貴金属を含有する表面拡大薄め塗膜層をコーティングした長手方向に延びた解放貫通チャンネルを備えたモノリス体を含んでなる。触媒が二酸化イオウを酸化及び吸着する(濃縮する)傾向を減少させるために、前記触媒の薄め塗膜層が炭化ケイ素を主成分とし、酸化アルミニウムを実質的に含有しない。また、前記触媒の製造方法、触媒の使用方法、並びに前記触媒を備えた排気ガス浄化システム及び自動車も開示される。
Description
【発明の詳細な説明】
排気フューム浄化装置
本発明は、内燃機関、とりわけディーゼルエンジンから排出される排気ガスの
浄化触媒に関する。この触媒は、炭化ケイ素と一種以上の触媒活性のある貴金属
とを主成分とする表面拡大薄め塗膜層をコーティングした長手方向に延びた解放
貫通チャンネルを備えたモノリス体を含んでいる。また、本発明は、前記触媒の
製造方法、前記触媒の使用方法並びに前記触媒を備えた排気ガス浄化システム及
び自動車にも関する。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは、異なる割合の炭化水素、硫酸
及び水を主成分とした多量の煤煙粒子だけでなく、潤滑油及びエンジン磨耗から
生じる残留物をも含有している。また、通常、排気ガスは、二酸化イオウをも含
有している。ディーゼル排気ガスを浄化するための数多くのシステムは粒子フィ
ルターを備えており、このため排気システムの圧力降下が増加する。さらに、フ
ィルターの閉塞を避けるためにかなり複雑な手法を必要とする。
粒子フィルターを備えていない排気ガス浄化システムでは、粒子状炭化水素化
合物を二酸化炭素に酸化できる触媒を存在させる必要がある。周知のように、酸
化アル
ミニウムで形成されているか酸化アルミニウムを主成分とし、且つ貴金属、例え
ば、白金及び/又はパラジウムを含浸させた表面拡大薄め塗膜層で壁をコーティ
ングした貫通チャンネルを備えたモノリス体の形態の触媒を使用できる。しかし
ながら、このような触媒も、相当量の二酸化イオウを、環境にとってより有害で
あるだけでなくより腐食性がある三酸化イオウに酸化する。低温で、二酸化イオ
ウと三酸化イオウは、さらに、触媒に吸収され、後で排気ガス温度が上昇したと
きに脱着することがある。触媒温度が急速に増加すると、脱着される二酸化イオ
ウと三酸化イオウの量がかなりのものとなることがある。とりわけ、このことに
より、触媒から放出される粒子が増加する。リン、亜鉛、カルシウム、マグネシ
ウム及びイオウの化合物等の潤滑油の無機残留物が排気ガスに存在し、触媒中に
濃縮され、それにより経時的に触媒活性がかなり減少すると、さらなる問題が生
じる。
EP−B−0 432 534号は、ディーゼル排気ガス浄化用モノリス触媒
を開示している。この触媒は、酸化アルミニウムと、二酸化チタンと、二酸化ケ
イ素とを含有する表面拡大層を有している。触媒活性のある物質として、貴金属
だけでなく、SO2及びNOの酸化傾向を減少すると記載されているバナジウム
化合物も使用されている。
PCT公開WO 90/05579号は、化石燃料か
ら排出される排気ガス中のイオウ汚染物質に対する触媒の感受性を減少すると記
載されている二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム又はゼオライト
担体に貴金属を担持して含有してなる酸化触媒を教示している。
さらに、炭化ケイ素を焼結してモノリスとすることにより、多孔性触媒体を調
製することは公知である。この手法は、例えば、Derwent Abstra
ct WPI Acc.No.90257450/34、特開平2−18064
1号公報に記載されている。この手法の目的は、運転温度まで触媒温度を増加す
るのに要する時間を短縮することである。持続強度を有する二酸化ケイ素からな
る表層は、酸化条件下で処理することにより製造できることが記載されている。
この触媒は、表面拡大薄め塗膜層を有していない。
米国特許第4,812,434号明細書は、SiC50〜95重量%と、ケイ
素と下記の金属:Cu、Fe、Co、Ni、Zr、V、Mo、Mn、Zn、Ag
、Pt及びPdの一種以上とから構成されている合金5〜50重量%とからなる
均一触媒を開示している。この合金は、触媒活性物質として作用し、酸化又は化
学処理により活性化される。このモノリスは、熱安定性を向上し、且つ耐薬品性
と機械強度を増加するとして示されている物質から調製されている。さらに、触
媒物質が触媒断面全体に均一に分布していることが、利点として見られている。
このように、上記米国特許明細書は、向上した機械的及び熱的性質を有し、経済
面でより有効であり、及び/又は使用中の長期強度が向上した触媒を開示してい
る。
ディーゼル排気ガスを浄化するのに適当であり、二酸化イオウの酸化と蓄積(
吸収)が比較的少なく、そしてリン、亜鉛、カルシウム、マグネシウム及びイオ
ウからなる汚染物等の潤滑油添加剤の無機残留物の蓄積、とりわけリンの濃縮に
対して耐性のある効果的な酸化触媒が必要とされている。また、触媒の二酸化イ
オウと三酸化イオウの吸収を最小限とする必要がある。
上記したように、排気ガスの浄化には、従来技術触媒における二酸化イオウの
三酸化イオウへの酸化によるかなりの問題を含んでいる。また、触媒に蓄積する
潤滑油の無機残留物の問題もある。したがって、本発明の一つの目的は、担体が
活性触媒物質を含浸した表面拡大薄め塗膜層を有する長手方向に延びた解放貫通
チャンネルを備えたモノリス体である触媒に関連する上記問題を解消することで
ある。本発明によれば、上記目的は、炭化ケイ素が微細に分布した実質的に酸化
アルミニウムを含有しない層から形成され、且つ効果的な量の一種以上の触媒活
性貴金属を含浸した薄め塗膜層により達成される。好ましくは、薄め塗膜層の炭
化ケイ素含量は、少なくとも90重量%である。
本発明の特徴は、請求項1に記載されており、とりわ
け好ましい実施態様は、添付のサブクレームに記載されている。
薄め塗膜層の炭化ケイ素含量は、約90重量%を超えるのが都合がよく、最大
100重量%でよい。炭化ケイ素は、粒状、好ましくは直径約0.02μm〜約
20μm、とりわけ好ましくは直径約0.05μm〜約5μmの範囲である粒状
であるのが適当である。好ましくは、これらの粒子は、互いの接触点が非常に小
さくて、有効粒子表面が同量の自由粒子と実質的に等しい。この触媒は、1リッ
トル当たり薄め塗膜を約15〜約300g、好ましくは約50〜約200g含有
するのが適当である。また、触媒の有効表面は、約15〜約30,000m2/
リットル、好ましくは約250〜約10,000m2/リットルであるのが都合
がよい。体積は、触媒の総外体積である。
薄め塗膜層の厚さは、広範囲に、例えば約0.5〜約100μm、また一つ及
び同じチャンネルにおいて異なることができる。炭化ケイ素とは別に、薄め塗膜
層は、アルカリ土類金属(例えば、マグネシウム又はカルシウム)の酸化物、希
土類金属(例えば、セリウム、ランタン又はトリウム)の酸化物、遷移金属(例
えば、鉄、ニッケル、亜鉛、クロム、タングステン、コバルト、ニオブ又はモリ
ブデン)の酸化物、第VIB族金属(例えば、チタン又はジルコニウム)の酸化
物及び半金属(例えば、
錫又はゲルマニウム)の酸化物等の金属化合物を含有することができる。しかし
ながら、酸化アルミニウム含量が高いほど、二酸化イオウが三酸化イオウに酸化
される傾向が高くなるので、薄め塗膜層は、酸化アルミニウムを実質的に含有せ
ず、少なくとも約10%を超える量を含有してはならない。
触媒は、触媒活性貴金属を1リットル当たり約0.1〜約5g、好ましくは約
0.3〜2g含有するのが都合がよい。貴金属としては、例えば、白金、パラジ
ウム、ロジウム及びイリジウムの一種以上が挙げられる。好ましくは、貴金属成
分は、白金、パラジウム又はそれらの混合物から実質的になる。
従来技術の手法によれば、モノリス体は、適当な金属又はセラミック材料、例
えば、ステンレス鋼又はコージェライトから製造されている。
また、本発明は、上記した触媒の製造方法に関する。本発明の製造方法では、
モノリス体をまず薄め塗膜層でコーティングした後、この薄め塗膜層に触媒活性
貴金属を適用する。本発明によれば、薄め塗膜層を、触媒活性貴金属又は金属を
除いた薄め塗膜層に対して少なくとも約90重量%の量の炭化ケイ素で形成しな
ければならない。
モノリス体は、公知の方法、例えば、薄め塗膜スラリーを含浸させ、乾燥、焼
成することにより、薄め塗膜層
をコーティングできる。この場合、本発明による薄め塗膜スラリーは、炭化ケイ
素粒子から実質的に形成される。また、貴金属も、公知の方法、例えば、コーテ
ィングを施したモノリスに、Pt(NH3)4(OH)2 、RhCl3Pt(NH3
)2(NO2)2 、Pt(NH3)4(NO3)2、H2PtCl6、PdCl2、P
d(NO3)2、Pd(NH3)2(NO2)2 、Pd(NH3)4(OH)2、H3R
hCl6、Rh(NO3)3及びH2IrCl6等の触媒活性貴金属の一種以上の化
合物を含有する溶液を含浸させることにより適用できる。その後、コーティング
を施したモノリスを、好ましくは約300〜約800℃、とりわけ約400〜約
700℃の範囲内の温度で焼成する。好ましい含量及び他の特有の特徴について
は、本発明の触媒に関連して記載した箇所を参照されたい。
また、本発明は、内燃機関、とりわけディーゼルエンジンから排出される排気
ガスの浄化用の本発明による触媒の使用方法に関する。浄化は、主に酸化炭素及
び炭化水素類を二酸化炭素に酸化することにより行われる。エンジンは過剰酸素
で運転されているので、ここで必要とする酸素は、一般的に排気ガスに既に存在
している。もしこのような過剰な酸素がないならば、追加の空気を添加してもよ
い。
さらに、本発明は、内燃機関、とりわけディーゼルエ
ンジン用排気ガス浄化システムであって、本発明による触媒を含有している排気
ガス浄化システムに関する。
最後に、本発明は、内燃機関、好ましくはディーゼルエンジンを備え、そこに
本発明による触媒を含有した排気ガス浄化システムが接続されている自動車に関
する。
以下、添付図面を参照しながらいくつかの実施例により本発明を説明する。し
かしながら、本発明は、これらの実施例にのみ限定されるものではなく、当然の
ことながら、添付の請求の範囲内である他の実施態様をも包含する。表示の含量
は全て、特記のない限りは、重量%である。実施例1
本発明による触媒Aを、以下のように調製した。
比表面積が25m2/gである炭化ケイ素粉末を水にスラリー化し、ボールミ
ルで湿式粉砕して乾燥分40%の薄め塗膜スラリーを得た。使用のモノリス体は
、コージェライト製で、チャンネルは1cm2当たり62であり、1辺が1mm
の正方形断面を有するものであった。このモノリス体を薄め塗膜スラリーに浸漬
し、チャンネルにおける過剰のスラリーを、圧縮空気で吹き飛ばした。その後、
モノリス体を乾燥し、500℃の熱風で焼成した。コーティング・乾燥したモノ
リスに1リットル当たりH2PtCl6を27.8g含有する水溶液を含浸させた
後、空気中500℃で2時間焼成した。得られた触
媒は、体積0.012リットルであり、1リットル当たり炭化ケイ素含量が15
0gであり、白金含量が1.41gであった。
比較例として、触媒Bを以下のようにして調製した。
比表面積が140cm2/gである活性酸化アルミニウムに、硝酸ジルコニウ
ムを含有する水溶液を含浸させた。空気中600℃で2時間乾燥・焼成したとこ
ろ、ZrO2含量6%の薄め塗膜が得られた。この薄め塗膜を乾燥分45%とな
るまで水にスラリー化し、湿式粉砕した。触媒Aで使用したのと同一のモノリス
体を薄め塗膜スラリーに浸漬し、チャンネルの過剰スラリーを圧縮空気で吹き飛
ばした。次に、モノリス体を、500℃の熱風で乾燥・焼成した。乾燥・焼成体
に、1リットル当たりH2PtCl69.3gとPdCl215.8gを含有する
水溶液を含浸させた。その後、空気中500℃で2時間焼成を行った。得られた
触媒は、体積0.012リットルであり、1リットル当たり薄め塗膜(Al2O3
及びZrO2)150g、白金0.47g及びパラジウム0.94gを含有して
いた。
触媒試料A及びBを試料ホルダーに導入して、同じディーゼルエンジンから排
出される排気ガスに暴露した。試験時間を短縮するために、潤滑油の添加剤とし
て一般的なジチオリン酸ジアルキル(ZDDP)をディーゼル燃料に混合した。
これらの触媒を排気ガスに3時間暴露
した。供給した燃料には、リン22.3g、イオウ48.2g及び亜鉛25.3
gが含有されていた。運転サイクルを、表1に示す。
排気ガスに暴露した後、触媒試料の重量を計り、X線蛍光分析(XRF)で分
析した。重量増加(表面拡大薄め塗膜層の重量%で表した)は、試料Aで3%、
試料Bで23%であった。X線蛍光分析によれば、試料A及びBは、P2O5、S
O3及びZnOを、表2に示す量(試料全体重量に対する量)で含有していた。
表2から明らかなように、本発明の触媒(試料A)では、排気ガス由来のZD
DP残留物の蓄積が、比較触媒(試料B)よりもはるかに少なかった。また、表
から、試料Aの三酸化イオウの吸収が、試料Bよりもはるかに少ないことも明か
である。実施例2
触媒B1を、実施例1の触媒Bと同様の方法で調製した。また、触媒B2も、
貴金属含浸ではH2PtCl6のみを行い、得られた触媒B2がptを1リットル
当たり1.41g含有するようにした以外は、同様に調製した。触媒B1及びB
2を、実施例1と同様にしてディーゼルエンジンから排出される排気ガスに暴露
した。18時間後、触媒試料をX線蛍光分析したところ、両方の試料とも同量の
P2O5、SO3及びZnOを含有していることが分かった。
したがって、本実施例から、貴金属組成物はZDDPの無機残留物の蓄積には
何等影響を及ぼさないことが明かである。実施例3
本発明の触媒Cと比較例としての触媒Dを、実施例1の触媒A及びBと同様に
調製した。燃料にZDDPを添加しなかった以外は、実施例1と同様にコンディ
ショニングにより触媒試料を排気ガスに暴露した。その後、触媒を流動反応器に
導入し、そこに合成排気ガスを空間速
度(排気ガス流量(体積)を触媒体積で割って得た値)65,000h-1、温度
400℃で供給して、SO2のSO3への酸化について分析した。合成排気ガスは
、CO200ppm、C3H690ppm、SO2100ppm、NO1200p
pm、O210%、CO27.5%、H2O6.4%、残部はN2であった。SO2
のSO3への酸化(SO2の濃度%)は、試料Cで25%(本発明触媒)、試料D
(比較触媒)で80%であった。
このように、本発明の触媒は、比較触媒よりも、SO2をSO3に酸化する傾向
がはるかに低かった。実施例4
本発明の触媒Eと比較例としての触媒Fを、実施例1の触媒A及びBと同様に
調製した。各触媒の体積は、4.9リットルであった。触媒を板金ケースに入れ
、実施例1の運転サイクルに従ってディーゼル排気ガスに暴露してコンディショ
ニングした。燃料は、イオウ40ppmを含有するがZDDP添加物を含有して
いない。コンディショニング後、エンジンの速度を、触媒の空間速度45,00
0h-1に相当する1500rpmに設定した。この速度で、酸化炭素(CO)及
び炭化水素類(HC)の含有濃度基準で50%酸化するのに要する温度を測定し
た。触媒EはCOについて215℃、HCについて230℃が必要であったのに
対して、触媒FはCOについて175℃、HCについて220℃が必要であ
った。
このように、本発明の触媒は、酸化炭素と炭化水素類の酸化に関する活性が比
較触媒と実質的に同じであった。実施例5
本発明の触媒Gを、実施例1の触媒Aと同様に調製した。比較触媒Hを、貴金
属の含浸をH2PtCl6とRhC13で行った以外は、実施例1の触媒Bと同様
に調製した。得られた触媒はPt1.47gとRh0.29gを含有していた。
各触媒の体積は、1.67リットルであった。触媒を板金ケースに入れ、そこで
ディーゼルエンジンから排出される排気ガスに500時間暴露させてエージング
した。運転中、エンジン負荷を30分ごとに変更して、触媒入り口での排気ガス
温度を約500℃、約400℃及び約300℃にこの順序で変更した。触媒入り
口から採取した試料を、X線蛍光分析した。分析により、触媒Gから得た試料が
P2O50.1%、SO30.07%、ZnO0.02%を含有し、触媒Hから得
た試料がP2O51%、SO31%、ZnO0.03%を含有することが分かった
。
このように、本発明の触媒は、分析化合物の濃縮量が比較触媒Hよりもはるか
に少ない。上記化合物は、主に運転中に消費されるエンジンオイルに由来するも
のである。実施例6
本発明の触媒Iと比較例としての触媒Jを、実施例5の触媒F及びGと同様に
調製した。各触媒の体積は、4.9リットルであった。触媒を板金ケースに入れ
、そこでディーゼルエンジンから排出される排気ガスに4時間暴露させた。触媒
入り口の排気ガス温度は、約300℃であった。燃料消費量は6000g/時間
であった。燃料のイオウ含量は、0.05%であった。触媒から排出される粒子
量を、傾斜要素振動ミクロバランス法(TEOM)により連続的に測定した。そ
の結果、両方の触媒とも、粒子放出量は、300℃で0.05μg/秒未満であ
った。運転4時間後、エンジン負荷を増加したら、排気ガス温度が約450℃に
上昇し、触媒の粒子放出量が増加した。
触媒Iの場合、粒子放出量が約25μg/秒に上昇し、直ちに安定化した。触
媒Jからの粒子の放出量は、2分後約60μg/秒であり、10分後に約30μ
g/秒に減少した。負荷を変化後最初の10分間は、排気ガス粒子を濾紙に濾取
することも行った。採取した粒子を分析したところ、触媒Iのスルフェート放出
量は6.3gであり、触媒Jのスルフェート量は10.5gであった。
このように、本発明の触媒は、温度増加にともなう粒子放出量の増加は、比較
触媒よりもはるかに小さかった。
このように改善されたのは、低温でのSO2とSO3の吸着度が小さいことによる
ものと思われる。実施例7
本発明の触媒K及びL並びに比較例触媒M、N及びOを、実施例1と同様に調
製した。これらの触媒の組成を、表3に示す。ZrO2は、触媒の一部分を構成
していない。炭化ケイ素と酸化アルミニウムとを表記の異なる量(%)で水にス
ラリーし、湿式粉砕した。炭化ケイ素含量が異なる5種の触媒を調製した。全て
の触媒は、Pt含量が1リットル当たり1.41gであった。モノリス体は、コ
ージェライトからなり、実施例1と同様に作製した。
触媒試料K〜Oを試料ホルダーに導入し、そこで同じディーゼルエンジンから
排出される排気ガスに暴露した。触媒試料を、実施例1と同様に排気ガスに暴露
させることにより、コンディショニングを行い、ZDDPを燃料に添加した。運
転中、エンジン負荷を30分ごとに変更して、触媒入り口での排気ガス温度を約
500℃、約400℃及び約300℃にこの順序で変更した。触媒入り口から採
取した試料を、X線蛍光分析した。SO3及びP2O5に関する結果を、表3と、
図面の囲みグラフに示す。図面及び表3から、触媒がP2O5及びSO3を吸収す
る傾向がAl2O3量が低いときにかなり減
少し、Al2O3含量が10%未満である触媒は、通常、薄め塗膜層にAl2O3を
40%以上含有する従来触媒に対してかなりの改善を示すことが明かである。
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(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG
,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
TD,TG),AT,AU,BB,BG,BR,CA,
CH,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,HU,J
P,KP,KR,KZ,LK,LU,MG,MN,MW
,NL,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,
SE,SK,UA,US,VN
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 内燃機関、とりわけディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化 用触媒であって、前記触媒が一種以上の触媒活性貴金属を効果的な量含浸させた 表面拡大薄め塗膜層をコーティングした長手方向に延びた解放チャンネルを備え たモノリス体を含んでいる触媒において、前記触媒が二酸化イオウを酸化及び吸 着する(濃縮する)傾向を減少させるために、前記触媒の薄め塗膜層が炭化ケイ 素を主成分とし、酸化アルミニウムを実質的に含有しないことを特徴とする排気 ガス浄化用触媒。 2. 前記薄め塗膜層が、炭化ケイ素を触媒活性貴金属又は金属を除いた薄め 塗膜層に対して少なくとも90重量%含有していることを特徴とする請求項1に 記載の触媒。 3. 前記薄め塗膜層が、炭化ケイ素を触媒活性貴金属又は金属を除いた薄め 塗膜層に対して少なくとも98重量%含有していることを特徴とする請求項2に 記載の触媒。 4. 前記触媒が1リットル当たり15〜300gの薄め塗膜を含有すること を特徴とする請求項1、2又は3に記載の触媒。 5. a)長手方向に延びた解放貫通チャンネルを備えたモノリス体に薄め塗 膜層をコーティングし、そして b)コーティングを施したモノリス体に一種以上の触媒活性貴金属を適用する 請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒の製造方法であって、 前記触媒が二酸化イオウを三酸化イオウに酸化し及び吸着する(濃縮する)傾 向を減少させるために、触媒活性貴金属又は金属を除いた薄め塗膜層に対して少 なくとも90重量%の量の炭化ケイ素から前記薄め塗膜層を形成することを特徴 とする触媒の製造方法。 6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒の利用方法であって、内燃機 関、とりわけディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化に前記触媒を使 用することを特徴とする触媒の使用方法。 7. 内燃機関用排気ガス浄化システムであって、請求項1〜4のいずれか1 項に記載の触媒を含んでいることを特徴とする排気ガス浄化システム。 8. 内燃機関、とりわけディーゼルエンジンを排気ガス浄化システムに接続 して備えている自動車であって、前記排気ガス浄化システムが請求項1〜4のい ずれか1項に記載の触媒を含んでいることを特徴とする自動車。
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