JP2005282447A

JP2005282447A - 排ガス浄化装置

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Publication number: JP2005282447A
Application number: JP2004096990A
Authority: JP
Inventors: Yoshiteru Yazawa; 義輝矢沢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】ヒータなどを用いることなく燃料を改質し、その改質燃料を排ガス中に添加できるようにする。
【解決手段】燃料を改質して低分子化するマイクロリアクタ５と、マイクロリアクタ５を加熱する加熱手段とを備え、マイクロリアクタ５で改質された改質燃料を触媒コンバータ４の上流側で排ガス中に添加する。
マイクロリアクタ５で燃料を改質しているので、熱容量がきわめて小さく、反応場も微小であり、従来の改質触媒などに比べて熱供給量が少なくてすむ。したがってエンジン廃熱を利用して加熱することで、消費電力を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどからの排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関し、詳しくは、排ガス中へ燃料が添加されるシステムに用いられる排ガス浄化装置に関する。

ガソリンエンジンについては、排ガスの厳しい規制とそれに対処できる技術の進歩とにより、排ガス中の有害成分は確実に減少されてきている。しかし、ディーゼルエンジンについては、有害成分がパティキュレート（粒子状物質：炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、高分子量炭化水素微粒子等、以下PMという）として排出されるという特異な事情から、規制も技術の進歩もガソリンエンジンに比べて遅れている。

現在までに開発されているディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、大きく分けてトラップ型の排ガス浄化装置（ウォールフロー）と、オープン型の排ガス浄化装置（ストレートフロー）とが知られている。このうちトラップ型の排ガス浄化装置としては、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルPMフィルタ（以下 DPFという））が知られている。この DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を例えば交互に市松状に目封じしてなるものであり、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁とよりなり、セル隔壁の細孔で排ガスを濾過してPMを捕集することで排出を抑制するものである。

しかし DPFでは、PMの堆積によって排気圧損が上昇するため、何らかの手段で堆積したPMを定期的に除去して再生する必要がある。そこで従来は、排気圧損が上昇した場合に高温の排ガスを流通させたり、バーナあるいは電気ヒータ等で加熱することで堆積したPMを燃焼させ、 DPFを再生することが行われている。しかしながらこの場合には、PMの堆積量が多いほど燃焼時の温度が上昇し、それによる熱応力で DPFが破損する場合もある。

そこで近年では、例えば特開平09−173866号公報に記載されているように、 DPFのセル隔壁の表面にアルミナなどからコート層を形成し、そのコート層に白金（Pt）などの貴金属を担持した連続再生式 DPF（フィルタ触媒）が開発されている。このフィルタ触媒によれば、捕集されたPMが貴金属の触媒反応によって酸化燃焼するため、捕集と同時にあるいは捕集に連続してPMを燃焼させることでフィルタ機能を再生することができる。そして触媒反応は比較的低温で生じること、及び捕集量が少ないうちにPMを燃焼できることから、 DPFに作用する熱応力が小さく破損が防止されるという利点がある。

またコート層に、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選ばれるNO_x 吸蔵材をさらに担持したNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒も知られている。このNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒によれば、リーン雰囲気でNO_x 吸蔵材にNO_x を吸蔵し、リッチ雰囲気で放出されたNO_x を還元するので、NO_x 浄化性能が飛躍的に向上する。したがってNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒を用いてディーゼルエンジンの排ガスを浄化する場合には、排ガス中に間欠的に燃料を添加してリッチ雰囲気とするシステムが用いられている。

例えば特開2002−021544号公報には、 DPFあるいはフィルタ触媒の前段に酸化触媒あるいはNO_x 吸蔵還元触媒を配置し、燃焼室へ燃料を噴射するポスト噴射あるいは排ガス中に燃料を添加することによって排ガス中にHCを供給して、酸化触媒あるいはNO_x 吸蔵還元触媒における反応熱で DPFあるいはフィルタ触媒に堆積したPMを燃焼させるとともに、NＯ_x を還元して浄化する技術が開示されている。

このように排ガス中に軽油などの燃料を添加してリッチ雰囲気とする場合には、NO_x 吸蔵還元触媒のNO_x 吸蔵量が飽和状態となる前に燃料を添加してNO_x 吸蔵能力を回復させる必要がある。そのため低速での加減速時においても、燃料を比較的短い間隔で添加する必要がある。しかしながら、このような場合は排ガス温度が比較的低温であり、液体燃料の添加によって排ガス温度がさらに低下するため、燃料とNO_x との反応が起こりにくい。またNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒は、NO_x 吸蔵材を担持しているために貴金属によるHCの酸化活性が低いという不具合がある。

そのためNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒を用いて排ガス中に軽油を添加した場合には、添加された軽油が未反応のままフィルタ触媒に付着し、担持されている触媒金属が被毒して活性が低下する。また付着した軽油にPMが付着し、セルの前端面が閉塞するという問題がある。さらに軽油などの燃料は高分子HCであるために、NO_x との反応活性に乏しくNＯ_x 吸蔵還元触媒の特性が十分に引き出せないという不具合もある。

そこで特開平09−013956号公報には、NO_x 還元触媒と、燃料を改質する改質触媒と、改質触媒に液体燃料を供給する燃料供給手段とを有する排ガス浄化装置が開示されている。この排ガス浄化装置によれば、改質触媒によって液体燃料が改質され低分子化して改質燃料となり、気化しやすい改質燃料が排ガス中に供給されるので、燃料の利用効率が向上しNO_x 還元触媒の浄化効率を十分に高めることができる。したがってNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒に適用すれば、端面の閉塞も抑制できる。

しかしこの排ガス浄化装置では、比較的容積の大きな改質触媒を用いているために、自動車の排ガス浄化用とするにはスペース面での制約が大きい。また改質反応活性を高めるために改質触媒を加熱する必要があるので、上記公報ではヒータを用いて改質触媒を加熱している。しかし改質触媒は比較的容積が大きいために、ヒータの消費電力が大きくバッテリーの負担が重いという問題がある。
特開2002−021544号特開平09−013956号特開2004−016870号

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、排ガス中に燃料が添加されるシステムに用いられる排ガス浄化装置において、ヒータなどを用いることなく燃料を改質し、その改質燃料を排ガス中に添加できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、エンジンからの排気流路に配置された排ガス浄化用触媒と、燃料を改質して低分子化するマイクロリアクタと、マイクロリアクタを加熱する加熱手段と、マイクロリアクタで改質された改質燃料を排ガス浄化用触媒の上流側で排ガス中に添加する添加手段と、を備えたことにある。

マイクロリアクタと添加手段の間には、マイクロリアクタで改質された改質燃料を貯蔵するタンクをさらに備えていることが望ましい。

また加熱手段はエンジン廃熱を用いることが好ましく、マイクロリアクタにエンジンオイルを循環させるオイル循環路であることが好ましい。

本発明の排ガス浄化装置によれば、反応場が数10μｍ〜数 100μｍと微小なマイクロリアクタを用いているので、反応物の拡散の影響が小さく効率よく反応し、液体燃料を低分子化することができる。そして反応場の温度を均一に保つことができるので、反応の制御が容易である。

さらに容量が数十cc以下というマイクロリアクタで燃料を改質しているので、マイクロリアクタ自身の熱容量がきわめて小さく、反応場も微小であり、従来の改質触媒などに比べて熱供給量が少なくてすむ。したがってエンジン廃熱などを利用して加熱することができ、ヒータなどが不要となるため消費電力を大幅に低減することができる。

またディーゼル排ガス用のフィルタ触媒は一般に貴金属の使用量が多いが、改質燃料を添加することでNO_x の浄化活性が向上するので、貴金属の使用量を低減することも可能となる。

本発明の排ガス浄化装置は、排ガス浄化用触媒と、燃料を改質して低分子化するマイクロリアクタと、マイクロリアクタを加熱する加熱手段と、マイクロリアクタで改質された改質燃料を排ガス浄化用触媒の上流側で排ガス中に添加する添加手段と、を備えている。

排ガス浄化用触媒としては、酸化触媒、三元触媒、NO_x 吸蔵還元触媒、フィルタ触媒などを用いることができるが、端面に液体燃料が付着し、その液体燃料にPMが付着して端面閉塞が生じるという問題が解決できるフィルタ触媒を用いることが好ましい。また改質燃料によってNO_x 浄化率が向上するという効果が得られるNO_x 吸蔵還元触媒を用いることも好ましい。したがって、NO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒を用いることが特に好ましい。

このNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒は、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、セル隔壁の表面及び細孔内表面に形成され多孔質酸化物に貴金属及びNO_x 吸蔵材を担持してなる触媒層と、を有するウォールフロー構造のものである。

フィルタ触媒の基材は、従来の DPFと同様の目封じタイプのハニカム体である。この基材は、コーディエライト、炭化ケイ素などの耐熱性セラミックスから製造することができる。例えばコーディエライト粉末を主成分とする粘土状のスラリーを調製し、それを押出成形などで成形し、焼成する。コーディエライト粉末に代えて、アルミナ、マグネシア及びシリカの各粉末をコーディエライト組成となるように配合することもできる。その後、一端面のセル開口を同様の粘土状のスラリーなどで市松状などに目封じし、他端面では一端面で目封じされたセルに隣接するセルのセル開口を目封じする。その後焼成などで目封じ材を固定することで製造することができる。

基材のセル隔壁に細孔を形成するには、上記したスラリー中にカーボン粉末、木粉、澱粉、樹脂粉末などの可燃物粉末などを混合しておき、可燃物粉末が焼成時に消失することで細孔を形成することができ、可燃物粉末の粒径及び添加量を調整することで表面空孔及び内部細孔の径の分布と開口面積を制御することができる。

基材のセル隔壁における細孔分布は、従来の DPFと同様に、気孔率が40〜80％、平均細孔径が10〜50μｍの範囲とすることができる。気孔率または平均細孔径がこの範囲から外れると、PMの捕集効率が低下したり、排気圧損が上昇したりする場合がある。

触媒層は、セル隔壁の表面及び細孔内表面に形成され多孔質酸化物に貴金属及びNO_x 吸蔵材を担持してなるものである。多孔質酸化物は、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニアなどの酸化物あるいはこれらの複数種からなる複合酸化物を用いることができる。

貴金属としては、Pt、Rh、Pd、Ir、Ruなどの白金族の貴金属から選ばれた一種あるいは複数種を用いることが好ましい。貴金属の担持量は、基材の体積１Ｌあたり 0.1〜５ｇとするのが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持しても活性が飽和するとともにコストアップとなってしまう。

触媒層は、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選ばれるNO_x 吸蔵材をさらに担持している。触媒層にNO_x 吸蔵材を含むことで、貴金属による酸化によって生成したNO₂ をNO_x 吸蔵材に吸蔵でき、NO_x の浄化活性が向上する。NO_x 吸蔵材の担持量は、基材の体積１リットルあたり0.05〜1.00モルの範囲とすることが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持すると触媒金属を覆って活性が低下するようになる。

触媒層の形成量は、基材の体積１Ｌあたり30〜 200ｇとすることが好ましい。触媒層がこれらの範囲より少ないと貴金属あるいはNO_x 吸蔵材の耐久性の低下が避けられず、これらの範囲を超えると排気圧損が高くなりすぎて実用的ではない。

フィルタ触媒の排ガス上流側に、酸化触媒あるいはストレートフロー構造のNO_x 吸蔵還元触媒などを配置することも好ましい。このようにすれば、供給された改質燃料が上流側の触媒で酸化され、その反応熱によって排ガスが昇温されるので、フィルタ触媒に捕集されたPMの酸化反応が促進されPM捕集能が容易に回復する。

本発明に用いられるマイクロリアクタは、例えば特開2004−016870号公報に記載されているように、第１のチップと第２のチップを積層して基板を形成するとともに、両チップの少なくとも一方に細長い凹溝を形成しておくことで基板内に反応流路を形成し、反応流路に流体を供給する流体供給ポートをもつものである。

このマイクロリアクタで燃料を改質できるようにするには、ゼオライトのクラッキング作用を利用することができる。例えば基板自体をゼオライトから形成する、あるいは基板の少なくとも反応流路に、ゼオライトをコートしておくことで、反応流路を流れる燃料をクラッキングして低分子HCに改質することができる。モルデナイト、 ZSM-5、超安定Ｙ型ゼオライト（US-Y）などのゼオライトは特に高いクラッキング作用を示す。またゼオライトにPt、Rh、Pdなどの貴金属を担持した改質触媒をコートする、あるいは銅−ゼオライト触媒をコートすることも好ましい。このような触媒を用いることで、改質反応をさらに促進することができる。

またゼオライトに代えて、ゼオライト同様にクラッキング能を有する固体超強酸を用いることもできる。この固体超強酸としては、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の酸化物を硫酸、タングステン酸、モリブデン酸等の強酸で処理し、酸化物に強酸を付着させた固形化酸を採用することができる。マイクロリアクタとするには、ゼオライトと同様に、基板の反応流路に固体超強酸を担持しておく、あるいは固体超強酸のコート層を形成しておけばよい。

マイクロリアクタは、反応容量が数10cc以下であるため、燃料を高速に改質することができる。しかし反応流路の長さが短いと、反応が十分に進行しない場合も考えられるので、反応流路は可能な範囲で長くすることが好ましい。また改質燃料の生成量が少ない場合には、複数のマイクロリアクタを用いることもできる。複数のマイクロリアクタを用いても、従来の改質触媒に比べて容積が小さいので、スペース面の制約を受けにくい。さらに反応流路内に微細な凹凸を形成しておき、表面積を増大させることも好ましい。

マイクロリアクタによる改質反応は吸熱反応であるので、加熱により反応を促進させることが望ましい。そこで本発明では、マイクロリアクタを加熱する加熱手段を用いている。この加熱手段としては、ヒータを用いることもできるが、エンジン廃熱を用いることが望ましい。エンジン廃熱を用いることで消費電力を低減又はゼロとすることができ、バッテリーへの負担が軽減される。

エンジン廃熱を用いるには、マイクロリアクタをエンジンブロックに接して配置する方法、排気管に隣接して配置する方法などがある。マイクロリアクタは反応容量が数10cc以下であるので、エンジンブロックあるいは排気管の熱によって容易に反応温度に加熱することができる。

またオイル循環路をマイクロリアクタの外部に配置し、エンジンオイルを熱媒体とすることも好ましい。このようにするには、オイルポンプの流路の一部をマイクロリアクタ周囲に配設し、エンジンオイルの伝導熱又は放射熱によってマイクロリアクタの反応流路を加熱できるようにすればよい。

添加手段は、マイクロリアクタで改質された改質燃料を排ガス浄化用触媒の上流側で排ガス中に添加するものであり、従来用いられているインジェクタなどを用いることができる。

本発明の排ガス浄化装置は、マイクロリアクタと添加手段の間に、マイクロリアクタで改質された改質燃料を貯蔵するタンクをさらに備えることが望ましい。マイクロリアクタは反応容量が数10cc以下であるため、現実の改質速度が燃料添加速度に満たない場合がある。また燃料添加は間欠的に行われるのが通常である。したがって燃料添加が行われない期間にタンクに改質燃料を貯蔵しておくことで、燃料添加時に十分な量の改質燃料を添加することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

図１に本実施例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置は、排気量２Ｌのディーゼルエンジン１の排気流路３に配置された触媒コンバータ４に収納された酸化触媒40及びNO_x 吸蔵還元型のフィルタ触媒41と、燃料タンク２から軽油が供給されるマイクロリアクタ５と、マイクロリアクタ５で改質された改質燃料が貯蔵されるタンク６と、タンク６から供給される改質燃料を触媒コンバータ４の上流側で排ガス中に噴霧するインジェクタ７と、から構成されている。

酸化触媒40は、ストレートフロー構造のハニカム基材にアルミナ、チタニア及びセリア−ジルコニア固溶体の混合粉末からなるコート層を形成し、コート層にPtを担持してなるものである。また酸化触媒40の下流側に配置されたフィルタ触媒41は、ウォールフロー構造のハニカム基材のセル隔壁表面及びセル隔壁の細孔内にアルミナ、チタニア、ジルコニア及びセリア粉末からなるコート層を形成し、そのコート層にPt、Li、Ba及びＫを担持してなるものである。

マイクロリアクタ５は、ジクザク形状の反応流路にモルデナイトからなるコート層を形成し、そのコート層にPtを担持してなるものであり、軽油をクラッキングによって改質する。このマイクロリアクタは、ディーゼルエンジン１に設置され、エンジンブロックからの伝導熱によって約 200〜 300℃に加熱されるように構成されている。

タンク６には、マイクロリアクタ５で改質された改質燃料が貯蔵され、貯蔵された改質燃料はインジェクタ７によって触媒コンバータ４の上流側で排ガス中に噴霧される。

この排ガス浄化装置では、ディーゼルエンジン１が始動されると、マイクロリアクタ５には燃料タンクから軽油が２ml／分の流量で常時供給される。マイクロリアクタ５では、ディーゼルエンジン１からの伝導熱による加熱によって軽油のクラッキングによる改質反応が円滑に進行し、生成した改質燃料はタンク６内に貯蔵される。

ディーゼルエンジン１は、常時は酸素過剰のリーン雰囲気で運転されている。そしてフィルタ触媒41にPMが堆積して排気圧損が所定値以上に上昇すると、インジェクタ７が駆動され、タンク６に貯蔵されていた改質燃料が 1.5ml／分の流量で排ガス中に噴霧され排ガスはリッチ雰囲気となる。供給された改質燃料は、一部が酸化触媒40で酸化され、残りがフィルタ触媒41に流入する。フィルタ触媒41に流入する改質燃料を含む排ガスは、酸化触媒40での反応熱によって昇温されているので、堆積していたPMが燃焼してフィルタ触媒41はPM捕集能を回復する。

またフィルタ触媒41では、リーン雰囲気でNO_x 吸蔵材に吸蔵されていたNO_x が放出されるとともに、放出されたNO_x は改質燃料によって還元浄化される。改質燃料はマイクロリアクタ５で改質されて低分子化されているので、排ガス中で容易に気化しNO_x と効率よく反応するとともに、自身も酸化浄化される。そして、液体燃料がフィルタ触媒41の端面に付着しそれにPMが付着して端面が閉塞するような不具合もない。

そして排気圧損が所定値まで低下すると、インジェクタ７が停止され、タンク６には改質燃料が蓄えられる。なおタンク６には図示しないフロート弁が配置され、改質燃料の液面が所定高さになるとマイクロリアクタ５への軽油の供給が停止されるように構成されている。

本実施例では、マイクロリアク５の加熱手段としてエンジンブロックの熱を利用しているが、オイルポンプの流路の一部をマイクロリアクタ５の周囲に配設し、エンジンオイルの伝導熱又は放射熱によってマイクロリアクタ５の反応流路を加熱するようにしてもよい。

本発明の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排ガス浄化ばかりでなく、ガソリンエンジンの排ガス浄化にも利用することができる。

本発明の一実施例の排ガス浄化装置を示すブロック回路図である。

符号の説明

１：ディーゼルエンジン２：燃料タンク３：排気管
４：触媒コンバータ５：マイクロリアクタ６：タンク
７：インジェクタ 40：酸化触媒 41：フィルタ触媒

Claims

エンジンからの排気流路に配置された排ガス浄化用触媒と、燃料を改質して低分子化するマイクロリアクタと、該マイクロリアクタを加熱する加熱手段と、該マイクロリアクタで改質された改質燃料を該排ガス浄化用触媒の上流側で排ガス中に添加する添加手段と、を備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
前記マイクロリアクタと前記添加手段の間には、前記マイクロリアクタで改質された改質燃料を貯蔵するタンクをさらに備えている請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記加熱手段はエンジン廃熱を用いる請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。
前記加熱手段は、前記マイクロリアクタにエンジンオイルを循環させるオイル循環路である請求項３に記載の排ガス浄化装置。