JP2010216385A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を浄化する装置を提案する。
【解決手段】前記内燃機関が、リーン排気ガスとリッチ排気ガスを交互に排出するものであり、前記内燃機関の排気方向から、酸化触媒と、第1及び第2のNOx吸蔵還元型触媒を備えてなり、第1のNOx吸蔵還元型触媒が、第2のNOx吸蔵還元型触媒と比較して触媒活性金属量が少ないものである装置により達成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関するものである。
内燃機関(特に、ディーゼルエンジン)は、空燃比(空気/燃料)をリーン側(空燃比>1)にして燃焼を行わせるリーンバーンシステムを採用している。このリーンバーンシステムを採用する内燃機関では、空燃比をリーン側にして燃焼を行うため、排気ガスが酸素過剰状態となる。酸素過剰な排気ガス中に包含される、窒素酸化物(NOx)は、ガソリンエンジンに使用される三元触媒では、高い浄化を得ることが困難である。
従来、酸素過剰排気ガス(リーン排ガス)に対してNOx吸蔵還元型触媒が提案されている(特許文献1:特開2007−285295)。これは、リーン排気ガス中のNOxを吸蔵し、燃料のポストインジェクション等によって、酸素不足の状態にすると同時に還元剤となるHCやCO、水素等がリッチな排気ガス(リッチ排気ガス)を作り出して吸蔵したNOxを還元除去することで、排気ガスを浄化するというものである。また、NOx吸蔵還元触媒の上流部に酸化触媒を配置してなる排気ガス浄化装置が提案されている(特許文献1)。一方、異なる手法として、リッチ排ガスを作り出すことはせずに、リーン排ガスに還元剤として尿素系化合物を使用し、NOxを選択的に還元除去する、尿素選択還元型NOx触媒が提案されている(特許文献2:特開2008−19820)。
特開2007−285295 特開2008−19820
本発明者等は、本発明時に、リーン排気ガスとリッチ排気ガスとを交互に交換する内燃機関の排気ガスに、酸化触媒と、第1及び第2のNOx吸蔵還元触媒とを、その順番に配置した排ガス浄化装置において、酸化触媒の下流に触媒活性金属の濃度が低い第1のNOx吸蔵還元型触媒と、その下流に触媒活性金属の濃度が高い第2のNOx吸蔵還元型触媒とを、配置することにより、或いは、触媒活性金属の量が排気ガス導入側から排出側に向かって徐々に多くなっているように調整されたNOx吸蔵還元型触媒を、配置することにより、高いNOx浄化率を得られる知見を得た。本発明はこの知見に基づくものである。
従って、本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を浄化する装置であって、
前記内燃機関が、リーン排気ガスとリッチ排気ガスを交互に排出するものであり、
前記内燃機関の排気方向から、酸化触媒と、第1及び第2のNOx吸蔵還元型触媒を備えてなり、
前記NOx吸蔵還元型触媒が、触媒活性金属を含んでなり、
第1のNOx吸蔵還元型触媒が、第2のNOx吸蔵還元型触媒と比較して触媒活性金属量が少ないものである、排気ガス浄化装置が提案される。
発明の詳細な説明
I.排気ガス浄化装置
本発明による排ガス浄化装置は、前記内燃機関の排気方向から、1)酸化触媒と、2)触媒活性金属の濃度が低い第1のNOx吸蔵還元型触媒と、3)触媒活性金属の濃度が高い第2のNOx吸蔵還元型触媒とを、これらの順で備えてなるものである。
本発明による排ガス浄化装置の態様について、図1及び図2を用いて説明することができる。図1の排気ガス浄化装置は、排気方向から、酸化触媒と、第1のNOx吸蔵還元型触媒1と、第2のNOx吸蔵還元型触媒2とにより構成されてなり、第1のNOx吸蔵還元型触媒1と、第2のNOx吸蔵還元型触媒2の間に空間が設けられてなるものである。他方、図2の排気ガス浄化装置は、排気方向から、酸化触媒と、第1のNOx吸蔵還元型触媒1と、第2のNOx吸蔵還元型触媒2とにより構成されてなり、第1のNOx吸蔵還元型触媒1と、第2のNOx吸蔵還元型触媒2とが一体となって構成されてなるものである。いずれの態様であっても、本発明の目的を達成することが可能である。しかしながら、本発明は、図1及び図2に示されたものに限定して解釈されるものではない。
排気ガス
本発明による浄化装置においては、内燃機関から排出される排気ガスは、リーン排気ガス、リッチ排気ガスが交互に排出されてなるものである。本発明にあっては、好ましくは、リーン排気ガスが10〜120秒の期間、リッチ排気ガスが1〜5秒の期間に交互に排出するものとされてなることが好ましい。
リーン排ガスは、通常のディーゼルエンジン排気ガスであり、およそ4%から大気と同一程度までの濃度でOが含まれている。一方、リッチ排ガスは、燃料のポストインジェクションや排気管内インジェクション等の操作を行って、燃焼性ガス濃度をリッチにした排ガスであり、その燃焼性ガスが燃焼によってCOxになった場合には、排ガス中に共存するO濃度の最小濃度が1〜2%以下になるような状態の排ガスである。燃料のポストインジェクションとは、吸気→圧縮→燃料噴射・燃焼というエンジン燃焼の過程の後に、燃料をさらに噴射すること、またはこの後に続く、→膨張→排気の際に、燃料を噴射することをいう。排気管内インジェクションとは、排気管に設置した燃料噴射装置から燃料を排ガス中に噴射することをいう。
また、本発明において、リーン排気ガス及びリッチ排気ガスが交互に排出されるとは、リーン(又はリッチ)からリッチ(又はリーン)に一気に変化させる行為のみならず、「徐々に」変化させる行為が含まれる。「徐々に」とは、リーン(又はリッチ)からリッチ(又はリーン)リーンへ、「連続的」、「段階的」、「逐次的」に変化させる行為を意味する。
1)酸化触媒
酸化触媒は、通常のものを使用できるが、基本的には、触媒活性金属と、酸化アルミニウムにより構成されてよい。
触媒活性金属
触媒活性金属は、貴金属、卑金属、またはこれらの酸化物の混合物を含んでなるものであり、好ましくは貴金属である。貴金属の具体例としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、金、または銀が挙げられる。触媒活性金属の添加量は、触媒の総重量に対して、4重量%以下である。
酸化アルミニウム
酸化アルミニウムはAlで表されるものを使用し、好ましくは、比表面積が70g/cm以上のものを利用する。添加量は、触媒の総重量に対して、50から99重量%程度のものが好ましい。酸化アルミニウムは触媒活性金属をその活性を十全に発揮できるように分散担持する
任意の材
この触媒は、必要に応じて、任意の材を含んでなるものであってよい。例えば、酸素吸蔵材を添加することが可能である。酸素吸蔵材の具体例としては、セリウム、ジルコニウム、ネオジウム、ランタン等の酸化物及びこれらの複合酸化物等が挙げられる。酸素吸蔵材の添加量は、触媒の全重量に対して、5重量%以上50重量%未満であり、好ましくは下限が10重量%以上であり、上限が30重量%以下である。
担体
担体の具体例としては、アルミナ、コージェライト等のセラミックスもしくはステンレス等の金属からなるモノリスやハニカム形が挙げられる。
2)NOx吸蔵還元型触媒
本発明にあっては、酸化触媒の下流に、触媒活性金属の濃度が低い第1のNOx吸蔵還元型触媒と、その下流に触媒活性金属の濃度が高い第2のNOx吸蔵還元型触媒とを配置するものである。第1のNOx吸蔵還元型触媒と、第2のNOx吸蔵還元型触媒とは直結して配置してもよく、また、両者の間に空間をあけて配置してもよい。本発明にあっては、第1のNOx吸蔵還元型触媒と、第2のNOx吸蔵還元型触媒を使用するが、本発明にあっては、一のNOx吸蔵還元型触媒において、酸化触媒の下流側から、触媒活性金属の濃度が徐々に増加するものを使用するものも包含するものである。
NOx吸蔵還元型触媒は、リーン排気ガスの際に排気ガス中のNOxを触媒内に吸蔵し、リッチ排気の際に吸蔵したNOxを還元することによって排ガス中のNOxを除去するものである。触媒活性金属の濃度が低い触媒と高い触媒とは、別々の担体にコートされても、一個の担体にコートされていても、どちらでもよい。
NOx吸蔵還元型触媒は、基本的に、NOx吸蔵材、触媒活性金属、触媒助材、により構成される。
NOx吸蔵剤
NOx吸蔵剤の具体例としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素、およびこれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられる。
アルカリ金属の具体例としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、およびこれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられる。
アルカリ土類金属の具体例としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびこれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられる。
希土類元素の具体例としては、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、およびこれらの混合物から選択されるものが挙げられる。
また、NOx吸蔵剤は、必要に応じて卑金属を含んでなることができ、その具体例としては、ニッケル、銅、マンガン、鉄、コバルト、亜鉛等が挙げられる。
NOx吸蔵剤の添加量は、NOx吸蔵還元型触媒成分の全量に対して、1重量%以上、80重量%以下であり、好ましくは上限が75重量%以下であり、好ましくは70重量%以下であり、下限が2重量%以上であり、好ましくは5重量%以上である。
触媒活性金属
触媒活性金属の具体例としては、貴金属、卑金属が挙げられる。貴金属の具体例としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、金、銀およびこれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられ、好ましくは、白金、パラジウム、ロジウムおよびこれらの混合物が挙げられる。
卑金属の具体例としては、ニッケル、銅、マンガン、鉄、コバルト、タングステン、モリブデン、亜鉛およびこれらの混合物が挙げられる。
触媒活性金属の添加量は、NOx吸蔵還元型触媒成分の全量に対して、0重量%超過、50重量%以下であり、好ましくは上限が45重量%以下であり、好ましくは40重量%以下である。
触媒助剤
触媒助剤の具体例としては、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、シリカおよびこれらの複合酸化物からなる群から選択されるものが挙げられる。触媒助剤の添加量は、NOx吸蔵還元型触媒成分の全量に対して、5重量%超過95重量%以下であり、好ましくは上限が90重量%以下であり、好ましくは60重量%以下である。
担体
担体の具体例としては、アルミナ、コージェライト等のセラミックスもしくはステンレス等の金属からなるモノリスやハニカム形が挙げられる。
内燃機関
本明細書において、内燃機関とは、シリンダ内で空気と燃料を爆発的に燃焼させてピストンに往復運動を与える熱機関を意味するものである。内燃機関の代表的な具体例としては、ピストンの行程、動作により分類される2サイクル、4サイクルの機関;燃料点火装置により分類される火花点火機関、圧縮着火機関;または使用燃料によって分類されるガソリン機関、ディーゼル機関、石油機関、アルコール機関が挙げられる。本発明における排気ガス浄化方法は、内燃機関のなかでも好ましくはディ−ゼル機関に使用することができる。
排気ガス浄化装置の用途
本発明による装置は、内燃機関、特に、ディーゼルエンジンに好ましくは使用することができる。また、本発明の好ましい態様によれば、内燃機関を搭載した車両の排気系に本発明による装置を用いることができる。また、これらのエンジンは、空燃比を調製して燃料を燃焼するエンジンであってよく、その好ましい具体例として、リーンバーンエンジン、直噴型エンジン、好ましくはこれらを組み合わせたエンジン(即ち、直噴型リーンバーンエンジン)が挙げられる。直噴型エンジンは、高圧縮比化、燃焼効率の向上、さらには排気ガスの低減化を図ることができる燃料供給システムを採用したエンジンである。
本発明による排気ガス浄化装置は、運搬機、機械等に搭載された内燃機関の排気系に利用される。運搬機、機械の具体例としては、運搬機、機械の具体例としては、例えば、自動車、バス、トラック、ダンプカー、気道車、オートバイ、原動機付き自転車、船舶、タンカー、モーターボート、航空機などの運送機;耕耘機、トラクター、コンバイン、チェンソー、木材運搬機などの農林産業機械;漁船等の水産漁業機械;タンクローリー、クレーン、圧搾機、掘削機等の土木作業機械;発電機;等が挙げられる。本発明による排気ガス触媒は、例えば、車両の排気系の場合、スタートキャタリスト、アンダーフロアー、マニホールドコンバータとして設置することができる。
本発明を実施する態様
本発明の内容を実施例によってより詳細に説明する。しかしながら、本発明の内容は実施例によって限定して解釈されるものではない。
実施例
触媒の調製
1)酸化触媒
酸化アルミニウムと、貴金属としてPtとPdとが混合された触媒層をコージェライト製ハニカム基材の表面上にPCコートプロセスと空気中500℃焼成プロセスにより形成した。
2)NOx吸蔵還元型触媒
酸化アルミニウム、バリウム、セリウム、ジルコニウム、Pt、Rhの金属あるいは酸化物からなる触媒層を、PCコートプロセスと焼成プロセスにより、コージェライト製ハニカム基材の表面上に形成した。
触媒活性金属であるのPt、Rhの濃度比、触媒長さ比を、表1に示した(A)〜(E)のような配分になるようにNOx吸蔵還元型触媒を調製した。Pt,Rhの量はいずれの触媒も同量である。
Figure 2010216385
排気ガス浄化装置の構築
図1に示された排気ガス浄化装置と同様にして、金属製の管内に、エンジンの排気側から、酸化触媒と、上流側NOx吸蔵還元型触媒と、下流側NOx還元触媒とを、これらの順で設置した排気ガス浄化装置を構築した。
評価試験
エンジンベンチ内に設置・調整されたディーゼルエンジンの排気系に、排ガス浄化装置を設置した。触媒の性能を評価する前には、あらかじめエンジンを運転してシステム内の温度が150℃以上になるようにした。
触媒性能については、触媒の温度が150℃から250℃の範囲内になるように運転して評価した。従来型システム、又は、本件のシステムから流出した排ガス中のNOxを測定して、次の式から算出したNOx浄化率によって評価した。
NOx浄化率算定
NOx浄化率 = (A−B)/A × 100
(式中、
A:NOx吸蔵還元型触媒入口における排ガス中のNOx
B:NOx吸蔵還元型触媒出口における排ガス中のNOx)
比較結果
表1の(A)〜(E)のようなNOx吸蔵還元型触媒のNOx浄化率を測定したところ,下記表2のように,請求項1に示されたNOx吸蔵還元型触媒である,(C)と(E)が高いNOx浄化率を示した。
Figure 2010216385
図1は本発明の排気ガス浄化装置の一例を示すものであり、第1のNOx吸蔵還元型触媒と、第2のNOx吸蔵還元型触媒の間に空間が設けられてなるものである。 図2は本発明の排気ガス浄化装置の一例を示すものであり、第1のNOx吸蔵還元型触媒と、第2のNOx吸蔵還元型触媒とが一体となって構築されたものである。

Claims (1)

  1. 内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を浄化する装置であって、
    前記内燃機関が、リーン排気ガスとリッチ排気ガスを交互に排出するものであり、
    前記内燃機関の排気方向から、酸化触媒と、第1及び第2のNOx吸蔵還元型触媒を備えてなり、
    前記NOx吸蔵還元型触媒が、触媒活性金属を含んでなり、
    第1のNOx吸蔵還元型触媒が、第2のNOx吸蔵還元型触媒と比較して触媒活性金属量が少ないものである、排気ガス浄化装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013119077A (ja) * 2011-12-08 2013-06-17 Toyota Motor Corp 排ガス浄化用触媒及びその利用
JP2016093760A (ja) * 2014-11-12 2016-05-26 株式会社キャタラー 排ガス浄化用触媒

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