JP4438114B2 - 内燃機関の排ガス浄化方法,排ガス浄化触媒及び排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスを浄化する方法と浄化装置及び排ガス浄化触媒に係り、特に燃料希薄燃焼(リーンバーン)が可能な内燃機関及び該内燃機関を搭載した自動車から排出される排ガスを浄化する方法と浄化装置及び排ガス浄化触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の排ガス流路に排ガス浄化触媒を配置して、理論空燃比より高い空燃比(以下、酸化雰囲気という)の排ガスと理論空燃比以下(以下、還元雰囲気という)の空燃比の排ガスとを交互に接触させて、排ガス中の窒素酸化物を浄化することが知られており、たとえば特開平10−212933号公報に記載されている。
【0003】
この種の排ガス浄化方法に使用される触媒として、特開平9−327617 号公報には、アルカリ土類金属とチタンを含み、チタンが非晶質にて含まれている触媒が示されている。また、特開平10−109032号公報には、アルカリ土類金属とチタニアを含み、これらの一部が複合酸化物の形態にて含まれている触媒が示されている。特開平9−327617 号公報及び特開平10−109032号公報には、排ガス中に含まれるSOxがアルカリ土類金属に捕捉され、これによりSOx被毒を抑制しつつ、高いNOx浄化性能を維持できることが記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特開平9−327617 号公報及び特開平10−109032号公報に記載された発明は、 NOx捕捉材となるアルカリ土類金属へのSOx被毒を抑制することを主目的としている。しかしながら、アルカリ土類金属へのSOx捕捉は阻止されていないため、時間と共に捕捉SOx量は増加する。また、SOx被毒は酸化雰囲気で進みやすい。従って、酸化雰囲気運転を長時間続けるとNOx浄化性能は劣化するおそれがある。
【0005】
本発明の目的は、捕捉SOxを除去するための成分とその量ならびに捕捉SOx を除去するための条件を明らかにすることで、耐SOx被毒性を有し、NOx浄化性能の優れた排ガス浄化方法,排ガス浄化触媒及び排ガス浄化装置を提供することにある。
【0006】
本発明は、従来技術の問題点を踏まえ、NOxを化学吸着するNOx吸着成分に捕捉されたSOxを、還元雰囲気において除去する方法を検討してなされたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、内燃機関の排ガス流路に、酸化雰囲気においてNOxを化学吸着し、還元雰囲気において該化学吸着したNOxを還元浄化する排ガス浄化触媒を配置して、酸化雰囲気と還元雰囲気の運転を交互に繰り返して排ガス中の窒素酸化物を浄化する排ガス浄化方法において、優れた耐SOx被毒性を維持しつつ高いNOx浄化性能を有する排ガス浄化方法,排ガス浄化触媒及び排ガス浄化装置について鋭意検討した。
【0008】
その結果、排ガス浄化触媒としては、NOx吸着成分とNOx還元成分とCO吸着成分を含むものが有効であることを見出した。
【0009】
本発明は、下記に示す実施態様を有する排ガス浄化方法,排ガス浄化触媒及び排ガス浄化装置に関する。
【0010】
(1)内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOx を化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する排ガス浄化触媒を配置して、該触媒に理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の排ガスとを交互に接触させて排ガス中のNOxを浄化するようにした排ガス浄化方法において、該触媒をアルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種とRhとPtと金属単結晶(111)面のCOの吸着エンタルピーの絶対値(ΔH)が142kJ/mol 以上であるCO吸着成分とを含み、該触媒に100℃でCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温したときにCO脱離温度の最大値が200−220℃となる特性を有するもので構成したことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法(請求項1)。
【0011】
(2)請求項1において、前記CO吸着成分がPdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種よりなることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。
【0012】
(3)請求項1において、前記触媒がTiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種と、Na,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種とよりなる複合酸化物を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法(請求項3)。
【0013】
(4)請求項1または3において、前記触媒が更にCeを含むことを特徴とする排ガス浄化方法。
【0014】
(5)内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOx を化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する排ガス浄化触媒を配置して、該触媒に理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の空燃比の排ガスとを交互に接触させるようにした排ガス浄化方法において、該触媒を多孔質担体の表面にNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれたアルカリ金属又はアルカリ土類金属の少なくとも一種と、RhとPtと、ZrとTiとSiから選ばれた少なくとも一種と、PdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種とを有し、前記多孔質担体100重量部に対する各成分の比率が、
アルカリ金属またはアルカリ土類金属は総量で5−30重量部、
Tiは8−35重量部、
Siは3−25重量部、
Zrは3−25重量部、
Rhは0.05−0.5重量部、
Ptは1.5−5重量部、
Pd,Ir,Ruは総量で0.25−3重量部
よりなり、該触媒に100℃でCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温したときにCO脱離温度の最大値が200−220℃となるもので構成したことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法(請求項5)。
【0015】
(6)請求項5において、前記触媒が更に希土類金属を含み、該希土類金属の前記多孔質担体100重量部に対する量が5−50重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。
【0016】
(7)内燃機関の排ガスに含まれるNOxを還元浄化するための触媒であって、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種とRhとPtとを含み、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する触媒において、金属単結晶(111)面のCOの吸着エンタルピーの絶対値(ΔH)が142kJ/mol 以上であるCO吸着成分を含み、100℃で該触媒にCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温したときにCO脱離温度の最大値が200−220℃となる特性を有することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒(請求項7)。
【0017】
(8)請求項7において、該CO吸着成分がPdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種よりなることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
【0018】
(9)請求項7において、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属がNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種よりなり、これらと TiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種との複合酸化物を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
【0019】
(10)請求項7において、更にCeを含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
【0020】
(11)内燃機関の排ガスに含まれるNOxを還元浄化するための触媒であって、多孔質担体の表面にアルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種とRhとPtとを有し、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する触媒において、前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属がNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種よりなり、前記多孔質担体表面に更にTiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種とPdとIrと Ruから選ばれた少なくとも一種とを有し、前記多孔質担体100重量部に対する各成分の量が
アルカリ金属またはアルカリ土類金属は総量で5−30重量部、
Tiは8−35重量部、
Siは3−25重量部、
Zrは3−25重量部、
Rhは0.05−0.5重量部、
Ptは1.5−5重量部、
PdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種は総量で0.25−3重量部
よりなり、100℃で該触媒にCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温したときにCO脱離温度の最大値が200−220℃となる特性を有することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒(請求項11)。
【0021】
(12)請求項11において、更に希土類金属を含み、多孔質担体100重量部に対する該希土類金属の量が5−50重量部よりなることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
【0022】
(13)内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOx を化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する排ガス浄化触媒を配置して、理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の空燃比の排ガスとが該触媒に交互に接触するようにした排ガス浄化装置において、
該排ガス浄化触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種とRhとPtと金属単結晶(111)面のCOの吸着エンタルピーの絶対値(ΔH)が142kJ/mol 以上であるCO吸着成分とを含み、該触媒に100℃でCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温したときにCO脱離温度の最大値が200−220℃であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置(請求項13)。
【0023】
(14)請求項13において、該CO吸着成分がPdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種よりなることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【0024】
(15)請求項13において、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属がNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種よりなり、これらとTiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種とよりなる複合酸化物を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置(請求項15)。
【0025】
(16)請求項13または15において、該触媒が更にCeを含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【0026】
(17)内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOx を化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する排ガス浄化触媒を配置して、理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の空燃比の排ガスとが交互に該触媒に接触するようにした排ガス浄化装置において、該排ガス浄化触媒は、多孔質担体の表面にアルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、TiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種と、PdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種とを有し、該多孔質担体100重量部に対して、
アルカリ金属またはアルカリ土類金属を総量で5−30重量部、
Tiを8−35重量部、
Siを3−25重量部、
Zrを3−25重量部、
Rhを0.05−0.5重量部、
Ptを1.5−5重量部、
PdとIrとRuから選ばれた少なくとも一種を総量で0.25−3重量部
含み、100℃で該触媒にCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温したときにCO脱離温度の最大値が200−220℃であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置(請求項17)。
【0027】
(18)請求項17において、前記触媒が更に希土類金属を含み、多孔質担体100重量部に対する該希土類金属の量が5−50重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【0028】
本発明において、アルカリ金属或いはアルカリ土類金属は、NOx化学吸着材として機能させるために含む。これらがTiとZrとSiなどとともに含まれたときに、NOxを化学吸着する能力が、顕著に発揮される。PtとRhは、NOx 還元材として働き、酸化雰囲気においてNOx吸着成分表面に化学吸着された NOxを、還元雰囲気において排ガス中に共存するHC,CO,H2 などの還元剤を利用して還元浄化する。CO吸着成分は、NOx吸着成分が捕捉したSOxを還元雰囲気の排ガスに含まれるCO,HC,H2 等の還元剤を利用して還元除去する。
【0029】
本発明の排ガス浄化触媒におけるSOx被毒は、おおよそ式(1)−(3)により生ずる。まずSO2 の酸化によりSO3 が生成する(式(1))。生成したSO3 は、NOxを化学吸着する成分(M:NOx吸着材)と反応して亜硫酸化合物(式(2))または硫酸化合物(式(3))を生成する。亜硫酸化合物や硫酸化合物は強酸性を示し、酸性分子となるNOxを吸着(式(4))することが不可能となる。
【0030】
SO2+1/2O2→SO3 …(1)
M+SO3→M−SO3 …(2)
M−SO3+1/2O2→M−SO4 …(3)
M+NOx→M−NOx …(4)
特開平9−327617号及び特開平10−1090327号公報に記載された発明においては、NOx捕捉材となるアルカリ土類金属にTiを担持することでSOx捕捉(式(2)及び(3))を抑制することを提案している。
【0031】
しかしながら、NOx吸着材のSOx捕捉を抑制しただけでは、SOx被毒の進行と共にNOx浄化性能の低下が起こる。
【0032】
本発明者らは、酸化雰囲気におけるNOx吸着材のSOx捕捉は避けられないものとし、還元雰囲気において捕捉SOxを除去することが可能な排ガス浄化触媒について検討した。
【0033】
捕捉SOxの除去反応はおおよそ式(5)−(8)と考えられる。還元雰囲気排ガスに共存するHC,CO,H2 はHC,CO,H2 吸着材(PM)上に捕捉される。この吸着HC,CO,H2 (PM−HC,CO,H2 )と亜硫酸化合物が反応し、NOx吸着材から捕捉SOxが還元除去される(式(6))。また、硫酸化合物を亜硫酸化合物へ還元する反応(式(7))、及び硫酸化合物を還元する反応(式(8))によるSOx除去も起こる。
【0034】
PM+HC,CO,H2→PM−HC,CO,H2 …(5)
M−SO3+PM−HC,CO,H2→PM+M+H2S+SO2+CO2+H2O
…(6)
M−SO4+PM−HC,CO,H2→PM+M−SO3+CO2+H2O
…(7)
M−SO4+PM−HC,CO,H2→PM+M+H2S+SO2+CO2+H2O
…(8)
ここで、式(5)を進めるためには、HC,CO,H2 を吸着するHC,CO,H2 吸着材が必要となる。NOと酸素が共存する還元雰囲気における捕捉SOx の除去反応を検討した結果、HC,CO,H2 の中でCOが最も捕捉SOxの除去に寄与していた。
【0035】
従って、捕捉SOxの除去には、HC,CO,H2 等のうち特にCOを選択に吸着するCO吸着材が好適である。
【0036】
また、捕捉SOxの除去反応には反応温度も重要な因子となる。自動車において600℃以上の還元雰囲気排ガスを供給することは燃費の悪化に繋がる。従って、実用性を考慮すると、反応温度は500℃程度が望ましい。
【0037】
以上のことから、本発明の排ガス浄化触媒は、500℃程度の還元雰囲気においてHC,CO,H2 等の還元剤で捕捉SOxを除去できるようにすることが望ましい。この点から、COの吸着能力が高い、CO吸着材を含むことが好ましい。
【0038】
ここで、CO吸着材のCOの吸着能力は、COの吸着エンタルピー(ΔH)の絶対値が指標の一つとなる。COの吸着エンタルピーの絶対値が大きな材料ほどCOを強く引きつける能力を備えている。以下に、金属単結晶(111)面の COの吸着エンタルピーの絶対値(ΔH)(出典:日本化学会編、化学便覧基礎編(改訂4版)、平成5年)の序列を大きい順に示した。
【0039】
Ru(ΔH:160kJ/mol)>Pd(142),Ir(142)
>Pt(138)>Rh(132)>Co(128)>Ni(125)
>Fe(105)>Cu(50)>Ag(27)
上記序列より、COを強く引きつけるCO吸着材として、Ru,Pd,Irが望ましい。Ruは高温度で蒸散しやすく、Irは希少であるため、実用性を考えると、高い温度で蒸散しにくく、安定に存在するPdがCO吸着材としては最も好ましい。
【0040】
さらに、CO吸着力はCO吸着材の金属種に加えて担持状態により異なる。 CO吸着材のCO吸着力の特性はCOの昇温脱離法より判定できる。測定方法は、100℃で排ガス浄化触媒にCOを飽和吸着させた後、He気流中で5−10℃/min で昇温する。温度に対する触媒出口のCO脱離量を測定する。CO吸着力の高い触媒の場合は、CO脱離量が最大となる温度が高温度側に移行する。
【0041】
500℃程度の還元雰囲気において捕捉SOxを除去できる排ガス浄化触媒の場合、200−220℃でCO脱離量が最大となった。一方、捕捉SOxを除去できない排ガス浄化触媒の場合は、175℃付近でCO脱離量が最大となった。
以上のことから、CO吸着材は、金属単結晶(111)面のCO吸着エンタルピーの絶対値(ΔH)が140kJ/mol 以上であるPd,Ru,Irが好ましい。実用性を考慮すると、前述した理由でPdが最も好適である。さらに、CO吸着材はCOの昇温脱離においてCO脱離温度の最大値が200−220℃となる特性を有すると好適である。
【0042】
還元雰囲気における捕捉SOxの除去は、NOx吸着材に捕捉されたSOx量が少ない方が速やかに完了できる。さらに、亜硫酸化合物は硫酸化合物より還元されやすい。NOx吸着材はNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種と、TiとSiとZrの少なくとも一種との複合酸化物であると、NOx吸着材のSOx捕捉の抑制と、亜硫酸化合物の生成の促進が進み、好適である。
【0043】
SrとTiとの複合酸化物としては、SrTiO3,Sr2TiO4,Sr3Ti2O7 ,Sr4Ti3O10,SrTi12O19,SrTi21O38などがある。
【0044】
SrとSiとの複合酸化物としては、SrSiO3,Sr3SiO5,Sr2SiO4などがある。
【0045】
SrとZrとの複合酸化物としては、SrZrO3,Sr2ZrO4,Sr3Zr2O7 ,Sr4Zr3O10などがある。
【0046】
SrとTiとZrとの複合酸化物としては、Sr2(Ti0.25Zr0.75)O4 などがある。
【0047】
SrとTiとSiとの複合酸化物としては、SrTiSi2O8などがある。
【0048】
また、NaとTi,Si,Zrから選ばれた少なくとも一種との複合酸化物としては、たとえば以下のものがある。
【0049】
NaとTiとの複合酸化物としては、Na2TiO3,Na2Ti3O7,
Na2Ti4O9,Na2Ti6O13,Na4Ti5O12,Na0.23TiO2 ,
Na2TiO19,Na4Ti3O8,Na4Ti3O8,Na4TiO4,Na8Ti5O14,γ−Na2TiO3,β−Na2TiO3,NaTiO2,Na0.46TiO2等である。これらの中ではNa2TiO3,Na2Ti3O7などが好ましい。
【0050】
NaとSiとの複合酸化物としては、Na4SiO4,β−Na2Si2O5,
Na2Si2O5,Na2Si4O9,γ−Na2Si2O5,Na6Si2O7,α−
Na2Si2O5,δ−Na2Si2O5,Na2Si3O7,α−Na2Si2O5,
Na6Si8O19,Na2Si3O7,α−Na2Si2O5,Na2SiO3,Na4SiO4 ,Na2SiO3,Na4SiO4,α−Na2Si2O5,Na2Si2O5,Na2Si4O9などがある。NaとZrとの複合酸化物としては、NaZrO3,α−NaZrO3 ,Na2ZrO3などがある。また、NaとZrとSiとの複合酸化物としては、 Na2ZrSiO5,Na2Zr2Si10O31,Na14Zr2Si4O11,
Na2ZrSi4O11,Na14Zr2Si10O31 などがある。NaとTiとSiとの複合酸化物としては、Na2TiSi2O7,NaTiSi2O6,Na2TiSiO5などがある。
【0051】
上記複合酸化物の構造は粉末X線回折法で確認できる。また、前記複合酸化物を得るためには600℃以上の熱処理をすることが望ましい。焼成温度は700℃とするとよい。
【0052】
NOx還元材としては、RhとPtが好ましい。また、還元雰囲気における三元触媒機能を高める場合には、上記排ガス浄化触媒に酸素ストレージ機能を付加することが望ましい。酸素ストレージ機能を有する材料としては、セリウム(Ce)がある。
【0053】
また、排ガス浄化触媒の耐熱性を高めるためには、Ceに加えてLaやY等の希土類金属の添加が効果的である。
【0054】
該NOx浄化触媒の触媒組成比は多孔質担体100重量部に対し、
アルカリ金属またはアルカリ土類金属は総量で5−30重量部、
Tiは3−35重量部、
Siは3−25重量部、
Zrは3−25重量部、
Rhは0.05−0.5重量部、
Ptは1.5−5重量部、
Pd,Ir,Ruは総量で0.25−3重量部、
希土類金属は5−40重量部
とすることが望ましい。
【0055】
特に好ましい比率は、多孔質担体100重量部に対し、
アルカリ金属またはアルカリ土類金属は総量で8−15重量部、
Tiは4−15重量部、
Siは5−10重量部、
Zrは5−10重量部、
Rhは0.10−0.20重量部、
Ptは1.0−3.0重量部、
Pdは0.25−0.8重量部、
希土類金属は10−30重量部
である。
【0056】
本発明によるNOx浄化触媒は、各種の形状にして用いることができる。たとえばコージェライト,ステンレス等の各種材料からなるハニカム構造体に各種成分を担持した触媒粉末をコーティングして得られるハニカム形状を始めとし、ペレット状,板状,粒状,粉末状等として使用できる。自動車の排ガス流路に配置する場合には、ハニカム形状が好適である。
【0057】
NOx浄化触媒の調製方法は、含浸法,混練法,共沈法,ゾルゲル法,イオン交換法,蒸着法等の物理的調製方法や化学反応を利用した調製方法等いずれも適用可能である。
【0058】
CO吸着材とNOx吸着材は近接していると、式(5)−(8)の捕捉SOxの除去反応が進みやすい。従って、含浸法による触媒調製の場合、CO吸着材とNOx吸着材の原料の混合溶液を用い、担体上にCO吸着材とNOx吸着材を同時に含浸する方法が好適である。
【0059】
NOx浄化触媒の出発原料としては、硝酸化合物,酢酸化合物,錯体化合物,水酸化物,炭酸化合物,有機化合物,ジニトロジアミン錯体などの種々の化合物や金属及び金属酸化物を用いることができる。
【0060】
CO吸着材としてPdを用いる場合には、ジニトロジアミンPd溶液が好ましい。ジニトロジアミンPd溶液を用いると、NOx吸着材との近接効果が高まる。その結果、NOx吸着材からの捕捉SOxの還元除去が促進される。
【0061】
上記方法において多孔質担体としては、アルミナの他にチタニア,シリカ,シリカ−アルミナ,マグネシア等の金属酸化物や複合酸化物等を用いることができる。耐熱性を有するので、担体としてアルミナは好ましい。
【0062】
本発明の排ガス浄化方法は、酸化雰囲気運転が可能な成層または均質リーンバーン自動車に好適である。また、本発明の排ガス浄化方法を自動車に適応させたときの排ガス浄化装置として以下の装置が好適である。
【0063】
理論空燃比より高い空燃比で運転する内燃機関の排ガス流路にNOx浄化触媒を配置して排ガス中の窒素酸化物を浄化する装置において、NOx浄化触媒,運転状態決定手段と空燃比(A/F)制御部を有する。該運転状態決定手段はNOx吸着量推定手段とNOx除去量推定手段とSOx吸収量推定手段とSOx放出量推定手段を有する。理論空燃比より高い空燃比におけるNOx吸着量をNOx吸着量推定手段で推定し、SOx吸収量推定手段にてSOx吸収量推定する。NOx 吸着量推定手段またはSOx吸収量推定手段が予め決められたNOx吸着量またはSOx吸収量を超えたと判定すると、NOx除去量推定手段とSOx放出量推定手段がA/F制御部へ指令を出して理論空燃比以下の運転を実施する。
【0064】
NOx吸着量とSOx捕捉量の検出方法としては、例えばNOxセンサー,酸素センサー,排ガス温度センサー,エアーフローセンサー,ブースト圧計とエンジン回転数計等を用いることができる。
【0065】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な例で本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【0066】
(実施例1)
アルミナ粉末とアルミナの前駆体からなり硝酸酸性に調整したスラリーをコージェライト製ハニカム(400セル/inc2)にコーティングした後、乾燥焼成して、ハニカムの見掛けの容積1リットルあたり190gのアルミナをコーティングしたアルミナコートハニカムを得た。該アルミナコートハニカムに、硝酸Ce水溶解を含浸した後、200℃で乾燥、続いて600℃で焼成した。
【0067】
次に、ジニロトロジアンミンPt硝酸溶液と硝酸RhとジニトロジアミンPdと硝酸Srと硝酸Mgとチタニアゾルの混合液を含浸し200℃で乾燥、続いて700℃で焼成した。
【0068】
以上により、アルミナ100gに対して、金属換算でPd0.26 g,Sr11g,Ti4g,Mg0.9g,Rh0.11g,Pt1.4g,Ce14g を含有する実施例触媒1を得た。実施例触媒1はPdをCO吸着材としたが、Pdの替わりにCo,Ni,Ir,Ruを担持した比較例触媒2−6と、Pdを担持しない比較例触媒1を得た。なお、表中の第1成分,第2成分は担持順序を示しており、数字の小さい方が先に担持される。また、アルミナ100gに対する担持量は担持成分の前に記述した。例えば、14Ceはアルミナ100gに対して金属換算でCeを14gの比率で担持することを示す。
【0069】
【表1】
表 1
【0070】
(試験例1)
実施例触媒1,比較例触媒1−6の耐SOx被毒性を検討するため、SOx被毒前後のNOx浄化率、及び触媒再生処理による触媒性能回復を検討した。試験に用いたガスは、リーンバーン排ガスを模擬した酸化雰囲気モデルガスと、理論空燃比燃焼を模擬した還元雰囲気モデルガスと、酸化雰囲気におけるSOx被毒のためのSOx被毒モデルガスとした。なお、SOx被毒モデルガスは触媒のSOx被毒を加速するため、ガス中のSOx濃度を150ppm とした。
【0071】
酸化雰囲気モデルガスの組成は、NOx:600ppm ,C3H6:500ppm ,CO:0.1%,CO2 :10%,O2 :5%,H2O:10%,N2 :残部とした。
【0072】
還元雰囲気モデルガスの組成は、NOx:1000ppm ,C3H6:600ppm ,CO:0.5%,CO2 :5%,O2 :0.5%,H2 :0.3%,H2O:10%,N2 :残部とした。
【0073】
加速SOx被毒モデルガスの組成は、SO2 :150ppm,NOx:600ppm,C3H6:500ppm ,CO:0.1%,CO2 :10%,O2 :5%,H2O:10%,N2 :残部とした。
【0074】
試験方法は以下の手順に従った。
【0075】
先ず、還元雰囲気モデルガスと酸化雰囲気モデルガスを3分間毎に交互に触媒層に流通させる試験(以下、繰り返し試験)をしてNOx浄化率を測定した。触媒容積を6cc,SVを30,000/h とした。
【0076】
次に、加速SOx被毒モデルガスを触媒層に流通させた後、繰り返し試験をして、SOx被毒後のNOx浄化率を測定した。被毒条件は、被毒温度を300℃,被毒時間を1時間,SVを30,000/h とした。
【0077】
最後に、還元雰囲気モデルガスをSV:30,000/h ,500℃で10分間触媒層に流通させた(以下、再生処理)後、繰り返し試験をして、再生処理後のNOx浄化率を測定した。
【0078】
なお、以降特に断らない限り、繰り返し試験条件は温度400℃,SV30,000/hとする。また、NOx浄化率は、(式1)の酸化雰囲気モデルガス切り替え1分後の触媒層流通前後のNOx濃度の減少率とした。定義式を(式1)に示した。
【0079】
【数1】
【0080】
(試験結果)
400℃におけるNOx浄化率の測定結果を表2に示す。Pdを担持した実施例触媒1,Irを担持した比較例触媒4及びRuを担持した比較例触媒5は再生処理によるNOx浄化率の回復が見られた。しかし、比較例触媒1と比較例触媒2と3は再生処理によるNOx浄化率の回復が見られなかった。以上のことから、Pd,Ir,Ruを担持することにより、再生処理でNOx浄化性能の回復を促進することができることは明らかである。
【0081】
また、表3に各CO吸着材に対する、金属単結晶(111)面のCOの吸着エンタルピーの絶対値(ΔH)(出典:日本化学会編、化学便覧基礎編(改訂4版)、平成5年)と再生処理によるNOx浄化率の再生の有無を示した。ΔHが140 kJ/mol 以上の金属種(Ru,Ir,Pd)について、NOx浄化率の再生が見られた。
【0082】
【表2】
表 2
【0083】
【表3】
表 3
【0084】
(試験例2)
実施例触媒1,比較例触媒2−6のSrの構造を粉末X線回折法で測定した。実施例触媒1,比較例触媒2−6の何れにおいてもSrとTiの複合酸化物SrTiO3 が形成されていた。
【0085】
(実施例2)
実施例触媒1と比較例触媒1用いてCO昇温脱離測定を実施した。
【0086】
(試験方法)
触媒粉末1gを反応管に充填し、He気流中で400℃まで上昇させた。400 ℃保持にて3%CO−Heガスを30分間流通した後、再びHe気流下で450℃まで昇温した。He気流下450℃にて30分間保持した後、100℃まで冷却した。次に、100℃にてCOを飽和吸着させた。CO吸着量が飽和に達したことをTCDガスクロマトグラフ法で確認した後、He気流下5℃/minで450℃まで昇温した。触媒から脱離したCOを検出するため、反応管出口にTCDガスクロマトグラフを接続した。
【0087】
(試験結果)
図1に試験結果を示した。実施例触媒1の場合は220℃でCO脱離量が最大となった。一方、比較例触媒1の場合は約175℃でCO脱離量が最大となった。従って、再生処理によりNOx浄化性能を回復させるためには、約200℃でCO脱離量が最大となるCO吸着力を有するCO吸着材が必要である。
【0088】
(実施例3)
実施例触媒1について、担体100gに対してPd担持量を0.20−3.5gの比率で変化させ、実施例1の試験例1に従い耐SOx被毒性を検討した。また、実施例2に従いCO昇温脱離測定を実施した。
【0089】
結果を表4に示した。再生処理によりNOx浄化性能が回復するPd担持量の範囲は、担体100gに対して0.25−3.0gであった。また、前記範囲内ではCO脱離量が最大値となる温度は、200−220℃であった。Pd担持量 0.85g 以上では担持量を増加させても再生処理によるNOx浄化性能の回復量は増大しない。従って、Pd使用量を必要最小限とするためには、担体100gに対するPd担持量の範囲を、0.25−0.8gとするのが好ましい。
【0090】
【表4】
【0091】
(実施例4)
実施例1に基づいて、Si及びZrを担持した実施例触媒7−17を作製した。触媒組成を表5に示す。
【0092】
実施例1の試験例1に従い耐SOx被毒性を検討した。
【0093】
(試験結果)
結果を表6に示す。実施例触媒7−17の何れも再生処理によりNOx浄化性能は回復した。特に、ZrとTiを含む実施例触媒15−17は再生処理によりNOx浄化性能の回復性が最も良かった。
【0094】
【表5】
【0095】
【表6】
【0096】
(実施例5)
実施例触媒1のTi担持量を担体100gに対して2−40gの割合で変化させ、実施例1の試験例1に従って耐SOx被毒性を検討した。結果を表7に示した。Ti担持量が2g以下では再生処理によりNOx浄化率は回復しなかった。また、Ti担持量を増加させると、初期のNOx浄化率は低下した。初期のNOx 浄化率を60%以上とするためには、Ti担持量は3−15gとすると良い。また、初期のNOx浄化率を50%以上とするためには、Ti担持量は3−35gとすると良い。
【0097】
【表7】
【0098】
(実施例6)
実施例触媒8のSi担持量を担体100gに対して2−30gの割合で変化させ、実施例1の試験例1に従って耐SOx被毒性を検討した。結果を表8に示した。Si担持量が2g以下では再生処理によりNOx浄化率は回復しなかった。また、Si担持量を増加させると、初期のNOx浄化率は低下した。初期のNOx 浄化率を60%以上とするためには、Si担持量は3−10gとすると良い。また、初期のNOx浄化率を50%以上とするためには、Si担持量は3−25gとすると良い。
【0099】
【表8】
【0100】
(実施例7)
実施例触媒15のZr担持量を担体100gに対して2−30gの割合で変化させ、実施例1の試験例1に従って耐SOx被毒性を検討した。結果を表9に示した。Zr担持量が2g以下では再生処理によりNOx浄化率は回復しなかった。また、Zr担持量を増加させると、初期のNOx浄化率は低下した。初期の NOx浄化率を60%以上とするためには、Zr担持量は3−10gとすると良い。また、初期のNOx浄化率を50%以上とするためには、Zr担持量は3−25gとすると良い。
【0101】
【表9】
【0102】
(実施例8)
実施例触媒1に250−500℃の範囲で還元雰囲気モデルガスを流通させ、NOx浄化率及び炭化水素浄化率を測定した。
【0103】
NOx浄化率は、還元雰囲気モデルガス切り替え1分後の触媒層流通前後の NOx濃度の減少率とした。
【0104】
炭化水素浄化率は、還元雰囲気モデルガス切り替え1分後の触媒層流通前後の炭化水素濃度の減少率とした。
【0105】
測定の結果、250−500℃の範囲でNOx浄化率はほぼ100%となった。また、炭化水素浄化率は300℃以上で80%以上、400℃以上でほぼ100 %となった。
【0106】
(実施例9)
実施例1の試験例1に従い、実施例触媒18と19を作製した。表10に実施例触媒18と19の成分と組成比を示した。また、実施例触媒18と19の耐 SOx性を検討し、表11に結果を示した。実施例触媒18と19はNOx浄化率が回復した。
【0107】
【表10】
【0108】
【表11】
【0109】
【発明の効果】
本発明の排ガス浄化方法,排ガス浄化触媒及び排ガス浄化装置により、酸化雰囲気において耐SOx被毒性を維持しつつ高いNOx浄化性能を高めることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例触媒1と比較例触媒1について、CO脱離強度と温度との関係を示した図である。
Claims (15)
- 内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する排ガス浄化触媒を配置して、該触媒に理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の排ガスとを交互に接触させて排ガス中のNOxを浄化するようにした排ガス浄化方法において、
該触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、Tiと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分とを含み、前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持される第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記PdとTiを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。 - 内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する排ガス浄化触媒を配置して、該触媒に理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の排ガスとを交互に接触させて排ガス中のNOxを浄化するようにした排ガス浄化方法において、
該触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、TiとSiと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分とを含み、前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持され、前記Siを含む第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記PdとTiを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Siの担持量が3−25重量部であり、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。 - 内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する排ガス浄化触媒を配置して、該触媒に理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の排ガスとを交互に接触させて排ガス中のNOxを浄化するようにした排ガス浄化方法において、
該触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、TiとZrと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分とを含み、前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持され、前記Zrを含む第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記PdとTiを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Zrの担持量が3−25重量部であり、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。 - 請求項1乃至3のいずれか1項において、前記触媒が前記TiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種と、Na,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種とよりなる複合酸化物を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。
- 請求項1乃至4のいずれか1項において、前記触媒が更にCeを含むことを特徴とする排ガス浄化方法。
- 内燃機関の排ガスに含まれるNOxを還元浄化するための触媒であって、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtとを含み、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する触媒において、Tiと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分を含み、前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持される第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記PdとTiを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。 - 内燃機関の排ガスに含まれるNOxを還元浄化するための触媒であって、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtとを含み、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する触媒において、TiとSiと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分を含み、前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持され、前記Siを含む第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記PdとTiを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Siの担持量が3−25重量部であり、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。 - 内燃機関の排ガスに含まれるNOxを還元浄化するための触媒であって、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtとを含み、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する触媒において、TiとZrと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分を含み、前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持され、前記Zrを含む第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記Pdを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Zrの担持量が3−25重量部であり、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。 - 請求項6乃至8のいずれか1項において、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属がNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種よりなり、これらと前記TiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種との複合酸化物を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 請求項6乃至9のいずれか1項において、更にCeを含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化触媒。
- 内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する排ガス浄化触媒を配置して、理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の空燃比の排ガスとが該触媒に交互に接触するようにした排ガス浄化装置において、
該排ガス浄化触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分と、Tiと、を含み、
前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持される第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記Pdと前記Tiを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する排ガス浄化触媒を配置して、理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の空燃比の排ガスとが該触媒に交互に接触するようにした排ガス浄化装置において、
該排ガス浄化触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分と、TiとSiと、を含み、
前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持され、前記Siを含む第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記Pdを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Siの担持量が3−25重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 内燃機関の排ガス流路に、排ガスの空燃比が理論空燃比より高いときにNOxを化学吸着し、理論空燃比以下のときに該化学吸着したNOxを還元浄化する性質を有する排ガス浄化触媒を配置して、理論空燃比より高い空燃比の排ガスと理論空燃比以下の空燃比の排ガスとが該触媒に交互に接触するようにした排ガス浄化装置において、
該排ガス浄化触媒が、アルカリ金属とアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種と、RhとPtと、ジニトロジアミンPd由来のPdを含むCO吸着成分と、TiとZrと、を含み、
前記Pd及び、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担体上に同時に担持され、
前記担体上に担持され、前記Zrを含む第1成分と、
前記第1成分上に担持され、前記Pdを含む第2成分とを含み、前記担体100重量部に対して、前記Zrの担持量が3−25重量部であり、前記Pdの担持量が0.25−3.0重量部であり、前記Tiの担持量が3−35重量部であることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 請求項11乃至13のいずれか1項において、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属がNa,Mg,K,Li,Cs,Sr,Caから選ばれた少なくとも一種よりなり、これらと前記TiとSiとZrから選ばれた少なくとも一種とよりなる複合酸化物を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
- 請求項11乃至14のいずれか1項において、該触媒が更にCeを含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
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