JP4631902B2

JP4631902B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4631902B2
Application number: JP2007322241A
Authority: JP
Inventors: 祥文加藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: US20090151340A1; EP2070580A2; JP2009144587A

Description

この発明は、排ガス浄化装置に関する。

特許文献１には、軽油を改質して還元成分を生成する改質触媒と、排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘと略称する）を窒素（Ｎ２）に還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒とを備えたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置が開示されている。これによれば、排気管の途中に改質触媒が接続されており、排ガスが流通する方向における改質触媒の下流側にＮＯｘ吸蔵還元触媒が接続されている。また、改質触媒の上流側には、排気管内に軽油を噴射するインジェクタが設けられている。改質触媒は、インジェクタから供給された軽油と排ガス中の酸素及び水蒸気とを反応させて軽油を改質し、水素を生成する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、インジェクタが軽油を噴射しておらず、排ガスがリーン状態である場合において、排ガス中のＮＯｘを吸蔵する。一方、インジェクタが軽油を噴射して排ガスがリッチ状態になると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は吸蔵したＮＯｘを、改質触媒が生成した水素を還元剤として窒素に還元する。

特開２００６−２９１８４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排ガス浄化装置では、改質触媒及びＮＯｘ吸蔵還元触媒、すなわち単独の作用を有する２つの触媒が排気管に個別に接続されているため、装置全体が大型になるという問題点を有していた。また、インジェクタが排気管内に噴射した軽油は、排ガスと軽油との混合ガスとなった状態で改質触媒に供給される。しかしながら、この混合ガス中において、軽油は不均一に分布している状態となっているため、改質触媒に対しても軽油が均等に供給されず、改質触媒の反応効率が悪いという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、排ガス浄化装置を小型化するとともに、改質触媒の反応効率を向上した排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排ガス浄化装置は、多孔質壁によって隔てられた流入側セル及び流出側セルを内部に有し、流入側セル内に流入した排ガスが、多孔質壁を通過して流出側セル内に流入する、ウォールフロー方式のハニカム担持体と、ハニカム担持体に燃料を供給するインジェクタとを備える排ガス浄化装置において、多孔質壁の、流入側セルに面する上流側表面には上流側触媒層が、流出側セルに面する下流側表面には下流側触媒層がそれぞれ形成され、上流側触媒層と下流側触媒層とは、互いに異なる作用を有する触媒によって形成され、下流側触媒層は燃料を改質して還元成分を生成する改質触媒によって形成されることを特徴とするものである。

ハニカム担持体の多孔質壁において、その上流側表面に形成される上流側触媒層と、下流側表面に形成される下流側触媒層とを、互いに異なる作用を有する触媒によって形成したので、１つのハニカム担持体に異なる２つの作用を持たせることができる。また、排ガスが多孔質壁を通過するウォールフロー方式のハニカム担持体の多孔質壁において、その下流側表面に改質触媒を設けたので、未燃の燃料は、多孔質壁を通過する際に、排ガスに対して均一に分布された状態となる。すなわち、未燃の燃料が、改質触媒に対して均等に供給されるため、改質触媒の反応効率が向上する。したがって、排ガス浄化装置を小型化するとともに、改質触媒の反応効率を向上することが可能となる。

上流側触媒層は、排ガス中に含まれる粒子状物質を燃焼させる酸化触媒によって形成されてもよい。ハニカム担持体が、排ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭと略称する）を捕集して除去する作用と、燃料を改質して排ガス中のＮＯｘを窒素に還元するための還元成分を生成する作用との２つの作用を有する。また、酸化触媒がＰＭを燃焼させる際に発生した熱が、ハニカム担持体を介して伝達されて改質触媒が加熱されるため、改質触媒の反応効率をさらに向上することが可能となる。

この発明によれば、排ガス浄化装置を小型化するとともに、改質触媒の反応効率を向上することが実現できる。

以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
参考形態．
図１に、この参考形態に係る排ガス浄化装置の構成を示す。
ディーゼルエンジン１のシリンダヘッド１ａには、ディーゼルエンジン１内に吸気を導入する吸気マニフォルド１ｂと、ディーゼルエンジン１の排ガスを外部に排出する排気マニフォルド１ｃとが接続されている。排気マニフォルド１ｃには排気管２が接続されており、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、図１の矢印Ａで示される方向に流通する。排気管２の途中には、排気管２の外部から内部に貫通するインジェクタ３が設けられている。インジェクタ３は、燃料通路４を介して図示しない燃料タンクに接続されており、燃料タンク内に貯められた燃料である軽油を排気管２内に噴射する。

図１の矢印Ａで示される方向におけるインジェクタ３の下流側には、ハニカム担持体５が接続されている。図２に示すように、ハニカム担持体５は、例えばコージェライト等の多孔質のセラミックからなる円筒状の部材であって、その内部には、矩形の断面形状を有し、排ガスが流通する方向に貫通した孔である複数のセルが形成されている。これらのセルにおいて、互いに隣り合うセルの一方は、その下流側の端部に挿入されたプラグ６ａ（図３参照）によって目詰めされており、流入側セル５ａを構成している。また、流入側セル５ａに隣り合うセルは、その上流側の端部に挿入されたプラグ６ｂによって目詰めされており、流出側セル５ｂを構成している。流入側セル５ａの下流側の端部、及び流出側セル５ｂの上流側の端部が、それぞれプラグ６ａ、６ｂによって目詰めされていることにより、ハニカム担持体５を通過する排ガスは、まず図３の矢印Ｂ１で示すように、流入側セル５ａ内に流入する。次いで排ガスは、矢印Ｂ２で示すように、流入側セル５ａと流出側セル５ｂとを隔てる多孔質壁５ｃを通過して流出側セル５ｂ内に流入し、ハニカム担持体５の外部に流出する。

図４に示すように、流入側セル５ａと流出側セル５ｂとを隔てている多孔質壁５ｃにおいて、流入側セル５ａに面する側の表面である上流側表面５ｄ上には、薄い層状となるように設けられた改質触媒によって上流側触媒層７が形成されている。一方、多孔質壁５ｃの、流出側セル５ｂに面する側の表面である下流側表面５ｅ上には、薄い層状となるように設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒によって下流側触媒層８が形成されている。すなわち、ハニカム担持体５の多孔質壁５ｃを通過する排ガスは、図５の矢印Ｅで示されるように、その上流側表面５ｄに形成された上流側触媒層７、多孔質壁５ｃ、下流側表面５ｅに形成された下流側触媒層８を順次通過するようになっている。

上流側触媒層７を形成する改質触媒は、例えばロジウム（Ｒｈ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等を含む触媒であって、軽油と排ガス中の酸素（Ｏ２）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）とを反応させて軽油を改質し、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒の還元剤となる一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）、炭化水素（ＨＣ）を生成する。ここで、多孔質壁５ｃを形成している多孔質のセラミックは、改質触媒によって形成された上流側触媒層７よりも大きい流路抵抗を有している。したがって、流入側セル５ａ内に流入し、上流側触媒層７を通過する軽油が、上流側触媒層７の近傍、すなわち多孔質壁５ｃと上流側触媒層７との間に長時間滞留する構造となっている。また、上流側触媒層７を通過する際に反応しなかった未燃の軽油、及び上流側触媒層７が生成した一酸化炭素、水素、炭化水素は、多孔質壁５ｃを通過することにより、排ガス中に均一に分布した状態となって、下流側触媒層８に達するようになっている。さらに、上流側触媒層７が生成した一酸化炭素等の還元成分は、多孔質壁５ｃを通過して速やかに下流側触媒層８に達する構造となっているため、これらの還元成分が、排ガス中の成分と反応して消失することが最小限に抑制される。

下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒は、例えばバリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属を吸蔵材として含む触媒であって、排ガスがリーン状態、すなわち排ガス中の空気濃度が高い状態である酸化雰囲気において、排ガス中に含まれるＮＯｘを一時的に吸蔵する。また、排ガスがリッチ状態、すなわち排ガス中の空気濃度が低い状態である還元雰囲気において、上流側触媒層７が生成した還元成分である一酸化炭素、水素、炭化水素等が供給されると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、吸蔵したＮＯｘを窒素に還元するとともに、アンモニア（ＮＨ３）を生成する。
図１に戻って、ハニカム担持体５の下流側には、選択還元触媒９が接続されている。選択還元触媒９は、排ガス中に含まれるＮＯｘを、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒が生成したアンモニアと反応させて窒素に還元する。

次に、この発明の参考形態に係る排ガス浄化装置の動作について説明する。
まず、インジェクタ３が軽油を噴射しておらず、ハニカム担持体５内に流入する排ガスがリーン状態である場合の動作について説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、排気マニフォルド１ｃ、排気管２を通ってハニカム担持体５内に流入する。ハニカム担持体５内に流入した排ガスは、まずハニカム担持体５の流入側セル５ａ（図４参照）内に流入し、上流側触媒層７、多孔質壁５ｃ、下流側触媒層８を順次通過して流出側セル５ｂ内に流入する。ここで、インジェクタ３は軽油を噴射していないため、多孔質壁５ｃの上流側表面５ｄ上において、上流側触媒層７を形成する改質触媒は反応を起こさない。

上流側触媒層７を通過した排ガスは、多孔質壁５ｃを通過して下流側触媒層８に達する。下流側触媒層８に達した排ガスはリーン状態であるため、多孔質壁５ｃの下流側表面５ｅ上において、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排ガス中に含まれるＮＯｘを一時的に吸蔵する。下流側触媒層８を通過して流出側セル５ｂ内に流入した排ガスは、ハニカム担持体５の外部に排出される。次いで、排ガスは選択還元触媒９を通過するが、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排ガスがリーン状態である場合、アンモニアを生成しないため、選択還元触媒９における反応は起こらない。

次に、インジェクタ３が軽油を噴射して、ハニカム担持体５内に流入する排ガスがリッチ状態になった場合の動作について説明する。
インジェクタ３が排気管２内に軽油を噴射すると、排ガスと軽油との混合ガスが、ハニカム担持体５の多孔質壁５ｃ（図４参照）を通過するようになり、多孔質壁５ｃの上流側表面５ｄ上で上流側触媒層７を形成する改質触媒に軽油が供給される。改質触媒は、供給された軽油と排ガス中に含まれる酸素、水蒸気とを反応させ、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒の還元成分である一酸化炭素、水素、炭化水素を生成する。ここで、多孔質壁５ｃを形成する多孔質のセラミックは、上流側触媒層７を形成する改質触媒より大きい流路抵抗を有しているため、上流側触媒層７を通過した軽油が多孔質壁５ｃの上流側表面５ｄと上流側触媒層７との間に長時間滞留し、改質触媒における反応効率が向上する。

上流側触媒層７を通過する際に反応しなかった未燃の軽油、及び上流側触媒層７が生成した一酸化炭素、水素、炭化水素は、多孔質壁５ｃを通過して、多孔質壁５ｃの下流側表面５ｅに形成された下流側触媒層８に達する。これらの成分は、多孔質壁５ｃを通過する際に、排ガス中に均一に分布された状態となるため、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒の全体にわたって均等に供給され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の反応効率が向上する。また、上流側触媒層７を形成する改質触媒が生成した一酸化炭素等の還元成分は、多孔質壁５ｃを通過して速やかに下流側触媒層８に達するため、これらの還元成分が、排ガス中の成分と反応して消失することが最小限に抑制された状態となっている。したがって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒における反応効率がさらに向上する。

リッチ状態となった排ガス、及び上流側触媒層７が生成した還元成分が下流側触媒層８に達すると、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒は、吸蔵したＮＯｘを窒素に還元するとともに、アンモニアを生成する。下流側触媒層８によって還元された窒素、及び生成されたアンモニアは、ハニカム担持体５の流出側セル５ｂからハニカム担持体５の外部に流出し、その下流側に接続されている選択還元触媒９を通過する。選択還元触媒９は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒で還元されず、排ガス中に残留しているＮＯｘが存在する場合に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が生成したアンモニアとＮＯｘとを反応させて窒素に還元する。

このように、ハニカム担持体５の多孔質壁５ｃにおいて、その上流側表面５ｄ上に形成される上流側触媒層７と、下流側表面５ｅ上に形成される下流側触媒層８とを、それぞれ改質触媒とＮＯｘ吸蔵還元触媒とによって形成したので、１つのハニカム担持体５に、異なる２つの作用を持たせることができる。また、ハニカム担持体５は、排ガスが多孔質壁５ｃを通過するウォールフロー方式であるため、上流側触媒層７と多孔質壁５ｃとの間に軽油が滞留し、上流側触媒層７を形成する改質触媒の近傍に軽油が留まる時間が長くなることによって、改質触媒の反応効率が向上する。さらに、未燃の軽油、及び上流側触媒層７を形成する改質触媒が生成した還元成分は、多孔質壁５ｃを通過する際に、排ガス中に均一に分布した状態となるため、下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒に対して均一に供給され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒における反応効率も向上する。したがって、排ガス浄化装置を小型化するとともに、触媒の反応効率を向上することが可能となる。

また、上流側触媒層７を、軽油を改質して還元成分を生成する改質触媒によって形成し、下流側触媒層８を、改質触媒が生成した還元成分により、排ガス中に含まれるＮＯｘを窒素に還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒によって形成したので、ハニカム担持体５が、軽油を改質して還元成分を生成する作用と、排ガス中のＮＯｘを窒素に還元する作用との２つの作用を有する。上流側触媒層７を形成する改質触媒が生成した還元成分は、排気管内を流通することなく速やかに下流側触媒層８を形成するＮＯｘ吸蔵還元触媒に達するため、還元成分が排ガス中の酸素等によって消失するのを抑制することができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の反応効率を向上することが可能となる。

実施の形態１．
次に、この発明の実施の形態１に係る排ガス浄化装置について説明する。この実施の形態１に係る排ガス浄化装置は、前述の参考形態に対して、上流側触媒層及び下流側触媒層を形成する触媒の種類を、それぞれ酸化触媒、改質触媒としたものである。尚、以下の実施の形態において、図１〜５の参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
図６に、この実施の形態１に係る排ガス浄化装置の構成を示す。図６の矢印Ａで示される方向におけるインジェクタ３の下流側には、ハニカム担持体５が接続されており、その下流側には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９、選択還元触媒９が順次接続されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９は、参考形態において下流側触媒層８を形成したＮＯｘ吸蔵還元触媒と同様の触媒である。

図７に示すように、ハニカム担持体５の多孔質壁５ｃにおいて、その上流側表面５ｄ上には、酸化触媒によって上流側触媒層１７が形成されており、下流側表面５ｅ上には、改質触媒によって下流側触媒層１８が形成されている。上流側触媒層１７を形成する酸化触媒は、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ触媒であって、排ガス中に含まれるＰＭを酸化して燃焼させる作用を有している。ここで、ハニカム担持体５は、その多孔質壁５ｃを排ガスが通過するウォールフロー方式であるため、図８に示すように、排ガスがハニカム担持体５を通過する際に、排ガス中に含まれるＰＭが上流側触媒層１７に捕集される構造となっている。また、下流側触媒層１８を形成する改質触媒は、参考形態における上流側触媒層７を形成した改質触媒と同様であって、軽油が供給されると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９の還元成分である一酸化炭素、水素、炭化水素を生成する。その他の構成については参考形態と同様である。

次に、この実施の形態１に係る排ガス浄化装置の動作について説明する。
まず、インジェクタ３が軽油を噴射していない場合における排ガス浄化装置の動作について説明する。
図７に示すように、ハニカム担持体５内に流入した排ガスは、まずハニカム担持体５の流入側セル５ａ内に流入し、上流側触媒層１７、多孔質壁５ｃ、下流側触媒層１８を順次通過して流出側セル５ｂ内に流入する。ここで、排ガス中に含まれるＰＭは、図８に示すように、上流側触媒層１７を形成する酸化触媒上に捕集され、捕集されたＰＭは、酸化触媒の作用によって燃焼して除去される。また、ＰＭが燃焼する際に生じた熱は、多孔質壁５ｃを介して下流側触媒層１８に伝達され、下流側触媒層１８を形成する改質触媒が加熱される。

上流側触媒層１７によってＰＭを除去された排ガスは、多孔質壁５ｃを通過して下流側触媒層１８に達するが、インジェクタ３は軽油を噴射していないため、下流側触媒層１８を形成する改質触媒における反応は起こらない。下流側触媒層１８を通過した排ガスは、ハニカム担持体５の外部に排出されて、ハニカム担持体５の下流側に接続されているＮＯｘ吸蔵還元触媒１９を通過する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９を通過する排ガスはリーン状態であるため、参考形態における下流側触媒層８を形成したＮＯｘ吸蔵還元触媒と同様に、排ガス中に含まれるＮＯｘを一時的に吸蔵する。また、排ガスがリーン状態である場合において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９はアンモニアを生成しないため、選択還元触媒９における反応は起こらない。

次に、インジェクタ３が軽油を噴射した場合における排ガス浄化装置の動作について説明する。
インジェクタ３が排気管２内に軽油を噴射すると、排ガスと軽油との混合ガスが、ハニカム担持体５の多孔質壁５ｃを通過するようになる。多孔質壁５ｃを通過する混合ガスに含まれる軽油の一部は、未燃の状態で上流側触媒層１７を通過し、下流側触媒層１８に達する。下流側触媒層１８を形成する改質触媒は、参考形態の上流側触媒層７における反応と同様に、未燃の軽油と排ガス中に含まれる酸素、水蒸気とを反応させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９の還元成分である一酸化炭素、水素、炭化水素を生成する。

ここで、下流側触媒層１８に達した未燃の軽油は、多孔質壁５ｃを通過する際に、排ガス中に均一に分布した状態となる。したがって、下流側触媒層１８を形成する改質触媒の全体にわたって、未燃の軽油が均等に供給されるため、改質触媒の反応効率が向上する。また、改質触媒は、上流側触媒層１７を形成する酸化触媒がＰＭを燃焼させた際に生じた熱によって加熱されているため、改質触媒の反応効率はさらに向上する。ハニカム担持体５の外部に排出された排ガスは、下流側触媒層１８を形成する改質触媒で反応しなかった軽油を含んだ状態、すなわち排ガスがリッチとなった状態で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９に達する。排ガスがリッチ状態である場合におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒１９の反応は、参考形態の下流側触媒層８を形成したＮＯｘ吸蔵還元触媒と同様である。

このように、ハニカム担持体５の多孔質壁５ｃにおいて、上流側触媒層１７を酸化触媒によって形成し、下流側触媒層１８を改質触媒によって形成したので、参考形態と同様に、１つのハニカム担持体に異なる２つの作用を持たせることができ、排ガス浄化装置を小型化することが可能となる。また、上流側触媒層１７を通過した未燃の軽油は、多孔質壁５ｃを通過する際に排ガス中に均一に分布した状態となるので、下流側触媒層１８の全体に対して均等に供給され、下流側触媒層１８を形成する改質触媒における反応効率が向上する。

さらに、上流側触媒層１７を、ＰＭを燃焼させる酸化触媒によって形成したので、ＰＭを燃焼させる際に発生する熱が、多孔質壁５ｃを介して下流側触媒層１８に伝達され、下流側触媒層１８を形成する改質触媒が加熱される。したがって、改質触媒の反応効率を、さらに向上することが可能となる。

この発明の参考形態に係る排ガス浄化装置の構成を示す概略図である。参考形態に係る排ガス浄化装置の構成を示す斜視図である。参考形態に係るハニカム担持体の構成を示す断面側面図である。参考形態に係るハニカム担持体の構成を示す部分拡大断面側面図である。参考形態に係るハニカム担持体の構成を示す部分拡大断面側面図である。この発明の実施の形態１に係る排ガス浄化装置の構成を示す概略図である。実施の形態１に係るハニカム担持体の構成を示す部分拡大断面側面図である。実施の形態１に係るハニカム担持体の構成を示す部分拡大断面側面図である。

符号の説明

３インジェクタ、５ハニカム担持体、５ａ流入側セル、５ｂ流出側セル、５ｃ多孔質壁、５ｄ上流側表面、５ｅ下流側表面、７，１７上流側触媒層、８，１８下流側触媒層。

Claims

多孔質壁によって隔てられた流入側セル及び流出側セルを内部に有し、
前記流入側セル内に流入した排ガスが、前記多孔質壁を通過して前記流出側セル内に流入する、ウォールフロー方式のハニカム担持体と、
前記ハニカム担持体に燃料を供給するインジェクタと
を備える排ガス浄化装置において、
前記多孔質壁の、前記流入側セルに面する上流側表面には上流側触媒層が、前記流出側セルに面する下流側表面には下流側触媒層がそれぞれ形成され、
前記上流側触媒層と前記下流側触媒層とは、互いに異なる作用を有する触媒によって形成され、
前記下流側触媒層は前記燃料を改質して還元成分を生成する改質触媒によって形成されることを特徴とする排ガス浄化装置。
前記上流側触媒層は、前記排ガス中に含まれる粒子状物質を燃焼させる酸化触媒によって形成される請求項１に記載の排ガス浄化装置。