JP2009220033A

JP2009220033A - 排気浄化触媒装置

Info

Publication number: JP2009220033A
Application number: JP2008067850A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fujita; 博昭藤田; Yoshihisa Takeda; 好央武田; Satoshi Hiranuma; 智平沼; Reiko Domeki; 礼子百目木; Hiroki Fukuoka; 宏城福岡
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】排気圧力損失を抑制すると共に良好な排気浄化性能を確保しながら、複数の排気浄化機能を有した排気浄化触媒装置を提供する。
【解決手段】第１の触媒成分である酸化触媒を含有して形成された担体４２ａに、アンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を選択還元するアンモニア選択還元触媒成分を第２の触媒成分としてコーティングした後段触媒装置４２を、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置４０の下流側に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの排気を浄化するための排気浄化触媒装置に関し、特に複数の触媒成分を有した排気浄化触媒装置に関する。

ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気中には、大気汚染物質であるＮＯｘ（窒素酸化物）が含まれている。そこで、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置に供給することにより、ＮＯｘを選択還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。

この排気浄化装置では、上流側の排気中に尿素水を供給し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置に供給される。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置に供給されたアンモニアは一旦アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置内の触媒成分に吸着し、このアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の触媒成分によって促進されることによりＮＯｘの還元が行われ排気が浄化される。

ここで、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置に供給されるアンモニアは、必ずしも全量がＮＯｘの選択還元に消費されるわけではなく、一部はそのままアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から排出されてしまう場合がある。そこで、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置の下流側にはアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出したアンモニアを除去するための後段触媒装置が設けられる。

また、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出する排気中には、このようにアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置で消費されなかったアンモニアのほかに、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置で選択還元されなかったＮＯｘが含まれる場合がある。従って、後段触媒装置には、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出した排気中のアンモニアを除去することができるだけではなく、排気中のＮＯｘも除去することができるようにする必要がある。

アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置からアンモニアが流出するケースとしては、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置において選択還元されなかったＮＯｘと共に、ＮＯｘの選択還元に寄与しなかったアンモニアが流出するケースと、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置においてＮＯｘが十分に選択還元され、余剰となったアンモニアが流出するケースとがある。

そこで、後段触媒装置については、これら２つのケースのいずれにおいても、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出されたＮＯｘやアンモニアを除去して排気を浄化することができるようにするため、後段触媒装置の担体に２種類の触媒成分をコーティングすることが考えられる。図３は、このような後段触媒装置１００を示すものであり、２種類の触媒成分がコーティングされた担体１００ａの断面の一部を拡大して示す模式図である。

後段触媒装置１００の担体１００ａは一般的に用いられているハニカムタイプのセラミック製担体であり、図３に示されるように、後段触媒装置１００の担体１００ａ内に形成された排気の流動通路の表面には、酸化触媒成分がコーティングされて第１コーティング層１００ｂが形成されている。また、第１コーティング層１００ｂ上にはアンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元触媒成分がコーティングされて第２コーティング層１００ｃが形成されている。

このように構成された後段触媒装置に対し、ＮＯｘとアンモニアの両方を含んでアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から排気が流入した場合には、第２コーティング層１００ｃに含まれるアンモニア選択還元触媒成分が、排気中のアンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択還元して無害なＮ_２（窒素）とＨ_２Ｏ（水）とに変換する。
また、このときアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出した排気中に含まれるアンモニアの量が、後段触媒装置におけるＮＯｘの選択還元に必要な量より多い場合や、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置で余剰となったアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出した場合には、第１コーティング層１００ｂに含まれる酸化触媒成分が排気中のアンモニアの一部を酸化してＮＯｘに変換し、更に第２コーティング層１００ｃに含まれるアンモニア選択還元触媒成分が、このＮＯｘを残りのアンモニアで還元して無害なＮ_２とＨ_２Ｏとに変換する。

この排気浄化触媒装置のように、２種類の触媒成分を有した後段触媒装置は、例えば特許文献１によって提案されている。
特開平５−１４６６３４号公報

しかしながら、担体に２種類の触媒成分をコーティングした場合、上述のようにコーティング層が２層になるため、担体内に排気を通過させるための通路が狭くなり、十分な流路面積を確保できずに排気圧力損失が増大する上、排気中に露出する表面積も減少して排気浄化効率が低下するという問題が生じる。
また、このような問題を解消するために各コーティング層の厚みを減らすと、単位体積あたりの触媒成分量が減少してしまうため、十分は排気浄化性能を確保することができなくなるという問題が生じる。

特許文献１の後段触媒装置では、排気浄化効率を向上させるため、担体側の第１コーティング層として、表面に凹凸を設けた還元触媒を配し、その窪みに第２コーティング層として酸化触媒を設けるようにしているが、このように複雑な構造の場合には、量産時にばらつきを押さえることが難しくなるという問題も加わる。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気圧力損失を抑制すると共に良好な排気浄化性能を確保しながら、複数の排気浄化機能を有した排気浄化触媒装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化触媒装置は、エンジンの排気通路に介装され、上記エンジンの排気を浄化する排気浄化触媒装置において、第１の触媒成分を含有して形成された触媒担体と、上記触媒担体にコーティングされた、上記第１の触媒成分とは異なる第２の触媒成分とを備えることを特徴とする（請求項１）。
このように構成された排気浄化触媒装置によれば、エンジンの排気中に含まれた成分に対し、触媒担体に含有された第１の触媒成分による触媒作用と、触媒担体にコーティングされた第２の触媒成分による触媒作用との２通りの触媒作用が得られる。

また、このような排気浄化触媒装置において、上記第１の触媒成分は酸化触媒成分であり、上記第２の触媒成分は、アンモニアを還元剤として上記排気中の窒素酸化物を選択還元するアンモニア選択還元触媒成分であることを特徴とする（請求項２）。
このように構成された排気浄化触媒装置によれば、排気中にアンモニアとＮＯｘとが含まれる場合に、触媒担体にコーティングされた第２の触媒成分であるアンモニア選択還元触媒成分が排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して排気中から除去する。

また、排気中に含まれるアンモニアの量が、上述したＮＯｘの選択還元に必要な量より多い場合には、担体に含有された第１の触媒成分である酸化触媒成分が、余剰となってアンモニア選択還元触媒成分に吸着したアンモニアの一部を酸化してＮＯｘに変換し、更にアンモニア選択還元触媒成分が、残りのアンモニアを還元剤として、このＮＯｘを選択還元して排気中から除去する。

更に、このような排気浄化触媒装置において、上記排気浄化触媒装置は、上記排気中に供給されたアンモニアを還元剤として、上記排気中の窒素酸化物を選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置の下流側に配設されることを特徴とする（請求項３）。
このように構成された排気浄化触媒装置によれば、ＮＯｘとアンモニアの両方を含んでアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から排気が流入した場合に、触媒担体にコーティングされた第２の触媒成分であるアンモニア選択還元触媒成分が排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して排気中から除去する。

また、このときアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出した排気中に含まれるアンモニアの量が、上述した排気浄化触媒装置におけるＮＯｘの選択還元に必要な量より多い場合や、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置で余剰となったアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出した場合には、触媒担体に含有された第１の触媒成分である酸化触媒成分が、余剰となってアンモニア選択還元触媒成分に吸着したアンモニアの一部を酸化してＮＯｘに変換し、更に触媒担体にコーティングされた第２の触媒成分であるアンモニア選択還元触媒成分が、残りのアンモニアを還元剤として、このＮＯｘを選択還元して排気中から除去する。

本発明の排気浄化触媒装置によれば、触媒担体上のコーティング層は１層のみであるので、コーティング層を２層有した従来のものに比して、触媒担体内に排気を通過させるための通路断面積をより大きく確保することが可能となると共に、排気中に露出する表面積も増大する。
また、コーティング層の厚さは、コーティング層に含まれた触媒成分によって得られる排気浄化触媒装置の排気浄化能力と、排気浄化触媒装置における排気圧力損失の双方に影響を及ぼし、コーティング層の厚さに関して両者はトレードオフの関係にある。本発明の排気浄化触媒装置では、コーティング層を２層有した従来の排気浄化触媒装置の１層あたりのコーティング層の厚みより厚いコーティング層を形成しても、従来の排気浄化触媒装置における２層のコーティング層の厚みの合計を超えない限り、排気圧力損失を低く抑えることが可能であるため、単位体積あたりの触媒成分量を減少させて排気浄化能力を犠牲にせずにすむ。

この結果、排気圧力損失を抑制すると共に、良好な排気浄化性能を確保しながら、触媒担体に含有された第１の触媒成分による触媒作用と、触媒担体にコーティングされた第２の触媒成分による触媒作用との２通りの触媒作用を得ることが可能となる。
また、請求項２の排気浄化触媒装置によれば、触媒担体に含有された第１の触媒成分である酸化触媒成分による触媒作用と、触媒担体にコーティングされた第２の触媒成分であるアンモニア選択還元触媒成分による触媒作用との２通りの触媒作用が得られる。この結果、上述した効果に加え、排気中にアンモニアとＮＯｘとが含まれる場合には、アンモニア選択還元触媒成分により、排気中のアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して排気中から除去する機能を得ることができる。また、排気中のアンモニアが余剰な場合には、酸化触媒成分により、余剰なアンモニアの一部を酸化してＮＯｘに変換し、更にアンモニア選択還元触媒成分により、残りのアンモニアを還元剤として、このＮＯｘを選択還元して排気中から除去する機能を得ることができる。

更に、請求項３の排気浄化触媒装置によれば、排気圧力損失を抑制すると共に、良好な排気浄化性能を確保しながら、２通りの触媒作用を得ることができるので、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置から流出したアンモニアやＮＯｘを排気中から良好に除去することができる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化触媒装置が適用された４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化触媒装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１０を通過した後、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１２及び吸気制御弁１４を介して吸気マニホールド１６に導入される。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１６との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気浄化装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された下流側ケーシング３４とで構成される。上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒装置３６が収容されると共に、この前段酸化触媒装置３６の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。
フィルタ３８は、排気中のパティキュレートを捕集してエンジン１の排気を浄化するために設けられる。フィルタ３８はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排気が内部を流通することによって排気中のパティキュレートを捕集する。

前段酸化触媒装置３６は排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ_２（二酸化窒素）を生成するので、このように前段酸化触媒装置３６とフィルタ３８とを配置することにより、フィルタ３８に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒装置３６から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。

一方、下流側ケーシング３４内には、排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置（以下ＳＣＲ触媒装置という）４０が収容されると共に、ＳＣＲ触媒装置４０の下流側には後段触媒装置４２が収容されている。この後段触媒装置４２は本発明の排気浄化触媒装置に対応するものであり、ＳＣＲ触媒装置４０から流出したＮＯｘやアンモニアを除去するために設けられる。また、後段触媒装置４２はフィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯを酸化し、ＣＯ_２（二酸化炭素）として大気中に排出する機能も有している。

また、連通路３２には、フィルタ３８から流出して連通路３２内を流動する排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ４４が設けられており、図示しない尿素水タンクから尿素水インジェクタ４４に対して尿素水が供給されるようになっている。尿素水インジェクタ４４から噴射された尿素水は排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、こうして生成されたアンモニアが還元剤としてＳＣＲ触媒装置４０に供給される。ＳＣＲ触媒装置４０は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを還元して無害なＮ_２とする。

なお、このときＮＯｘの一部が還元されずにＳＣＲ触媒装置４０から流出した場合や、アンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒装置４０から流出した場合には、上述したように後段触媒装置４２によってＮＯｘやアンモニアが排気中から除去されるようになっている。
即ち、ＳＣＲ触媒装置４０において選択還元されなかったＮＯｘと、ＮＯｘの選択還元に寄与しなかったアンモニアとが共にＳＣＲ触媒装置４０から排気と共に流出した場合、後段触媒装置４２は後段触媒装置４２に流入した排気中のアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元し、Ｎ_２とＨ_２Ｏとに変換することにより排気を浄化する。

また、このとき後段触媒装置４２に流入した排気中に含まれるアンモニアの量が上述した後段触媒装置４２におけるＮＯｘの還元に必要な量より多い場合、或いはＳＣＲ触媒装置４０におけるＮＯｘの選択還元で余剰となったアンモニアがＳＣＲ触媒装置４０から排気と共に流出した場合、後段触媒装置４２は余剰となったアンモニアの一部を酸化してＮＯｘに変換し、残りのアンモニアを還元剤としてこのＮＯｘを還元してＮ_２とＨ_２Ｏとに変換することにより排気を浄化する。

このように、後段触媒装置４２は排気中のＮＯｘを還元するための触媒作用と、排気中のアンモニアを酸化するための触媒作用との２通りの触媒作用を有する。そして、このような２通りの機能を発揮するため、後段触媒装置４２は図２に示されるように構造を有している。
図２は、後段触媒装置４２における担体（触媒担体）４２ａの断面の一部を拡大して示す模式図である。担体４２ａはハニカムタイプのセラミック製担体であって、内部を排気が流動できるようになっており、第１の触媒成分として貴金属からなる酸化触媒成分が含有された担体素材を焼成することにより形成されたものである。図２に示されるように、担体４２ａ内に形成された排気の流動通路の表面には、排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元触媒成分（以下ＳＣＲ触媒成分という）が第２の触媒成分としてコーティングされ、コーティング層４２ｂが形成されている。

このように後段触媒装置４２を構成することにより、ＮＯｘ及びアンモニアの両方を含んだ排気がＳＣＲ触媒装置４０から流出して後段触媒装置４２に流入すると、コーティング層４２ｂのＳＣＲ触媒成分が排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択還元し、Ｎ_２とＨ_２Ｏとに変換することにより排気を浄化する。
また、このとき後段触媒装置４２に流入した排気中に含まれるアンモニアの量が上述した後段触媒装置４２におけるＮＯｘの選択還元に必要な量より多い場合、或いはＳＣＲ触媒装置４０におけるＮＯｘの選択還元で余剰となったアンモニアがＳＣＲ触媒装置４０から流出した場合、担体４２ａに含有された酸化触媒成分が、余剰となってコーティング層４２ｂのＳＣＲ触媒成分に吸着したアンモニアの一部を酸化してＮＯｘに変換する。そして、コーティング層４２ｂのＳＣＲ触媒成分が残りのアンモニアを還元剤として、このＮＯｘを還元してＮ_２とＨ_２Ｏとに変換することにより排気を浄化する。

このように、後段触媒装置４２が２通りの触媒作用を発揮することにより、ＳＣＲ触媒装置４０からＮＯｘやアンモニアを含む排気が流出したとしても、後段触媒装置４２によってこれらを適切に除去し、排気を浄化することができる。
しかも、担体４２ａ上のコーティング層４２ｂは１層のみであるので、コーティング層を２層有した従来のものに比して、担体４２ａ内に排気を通過させるための通路断面積をより大きく確保することが可能となると共に、排気中に露出する表面積も増大させることができる。

コーティング層４２ｂの厚さは、コーティング層４２ｂを形成するＳＣＲ触媒成分によって得られる後段触媒装置４２の排気浄化能力と、後段触媒装置４２における排気圧力損失の双方に影響を及ぼし、コーティング層４２ｂの厚さに関して両者はトレードオフの関係にある。本実施形態の後段触媒装置４２では、コーティング層を２層有した従来の排気浄化触媒装置の１層あたりのコーティング層の厚さより厚いコーティング層４２ｂを設けても、従来の排気浄化触媒装置における２層のコーティング層の厚みの合計を超えない限り、後段触媒装置４２における排気圧力損失を低く抑えることができるため、単位体積あたりのコーティング層４２ｂ内におけるＳＣＲ触媒成分の量を減少させて排気浄化能力を犠牲にせずにすむ。

この結果、後段触媒装置４２における排気圧力損失を抑制すると共に、良好な排気浄化性能を確保しながら、担体４２ａに含有された酸化触媒成分による触媒作用と、担体４２ｂにコーティングされたＳＣＲ触媒成分による触媒作用との２通りの触媒作用を得て、ＳＣＲ触媒装置４０から排出される排気を上述のように良好に浄化することが可能となる。
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化触媒装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

即ち、上記実施形態では、担体４２ａに含有される第１の触媒成分として酸化触媒を採用し、担体４２ａの表面にコーティングされる第２の触媒成分としてＳＣＲ触媒成分を採用したが、第１及び第２の触媒成分はこれに限定されるものではない。
本発明の排気浄化触媒装置を上記実施形態のように後段触媒装置として用いる場合、例えば、上記実施形態における第１の触媒成分と第２の触媒成分とを逆にしてもよい。或いは、担体に含有される第１の触媒成分としては上記実施形態と同様に酸化触媒成分とし、リーン雰囲気において排気中のＮＯｘを吸着する一方でリッチ雰囲気では吸着しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸着触媒成分を第２の触媒成分として担体にコーティングするようにしてもよい。この場合にも、第１の触媒成分と第２の触媒成分とを逆にしてもよい。また、上記実施形態で用いたＳＣＲ触媒成分と、上述したＮＯｘ吸着触媒成分とのいずれか一方を第１の触媒成分とすると共に、他方を第２の触媒成分としてもよい。

更に、本発明の排気浄化触媒装置は上記実施形態として示した後段触媒装置に用途が検定されるものではなく、排気浄化触媒装置の用途や仕様に応じ、その用途或いは仕様に必要とされる触媒成分に第１及び第２の触媒成分の少なくとも一方を変更することが可能である。
また、図１に示された上記実施形態におけるエンジン１の全体構成についても、これに限定されるものではなく、種々変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る排気浄化触媒装置が適用されたエンジンの全体構成図である。図１の後段触媒装置における担体の断面部分を示す模式図である。従来の後段触媒装置における担体の断面部分を示す模式図である。

符号の説明

１エンジン
２０排気管（排気通路）
４０アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置
４２後段触媒装置（排気浄化触媒装置）
４２ａ担体（触媒担体）
４２ｂコーティング層

Claims

エンジンの排気通路に介装され、上記エンジンの排気を浄化する排気浄化触媒装置において、
第１の触媒成分を含有して形成された触媒担体と、
上記触媒担体にコーティングされた、上記第１の触媒成分とは異なる第２の触媒成分と
を備えることを特徴とする排気浄化触媒装置。
上記第１の触媒成分は酸化触媒成分であり、
上記第２の触媒成分は、アンモニアを還元剤として上記排気中の窒素酸化物を選択還元するアンモニア選択還元触媒成分である
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化触媒装置。
上記排気浄化触媒装置は、上記排気中に供給されたアンモニアを還元剤として、上記排気中の窒素酸化物を選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒装置の下流側に配設されることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化触媒装置。