(57)【要約】【課題】ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれを両立しながら、ＤＰＦとＳＣＲ触媒と酸化触媒とを一体化した触媒装置を提供する。【解決手段】触媒装置４は、ウォールフロー型の担体１４を有している。担体１４は、多孔質性の基材１１から構成されている。基材１１の内部の細孔内には、ＮＯｘを還元するためのＳＣＲ触媒が担持されている。基材１１のディーゼルエンジン１側の表面１１ａには、排気ガス中のＰＭを捕集する捕集層１２がコーティングされている。基材１１の反対側の表面１１ｂには、酸化触媒からなる酸化触媒層１３がコーティングされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスを浄化する触媒装置であって、
前記排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が内部に担持された多孔質性の基材と、
該基材の前記内燃機関側の表面にコーティングされた、前記排気ガス中のＰＭを捕集する捕集層と、
前記基材の前記内燃機関側とは反対側の表面にコーティングされた酸化触媒を含む酸化触媒層と
を有する触媒装置。
【請求項２】
前記基材の気孔率が前記捕集層の気孔率よりも大きく、かつ、前記酸化触媒層の気孔率が前記基材の気孔率以上であり、
前記基材の平均細孔径が前記捕集層の平均細孔径よりも大きく、かつ、前記酸化触媒層の平均細孔径が前記基材の平均細孔径以上であり、
前記基材の厚さが、前記捕集層の厚さ及び前記酸化触媒層の厚さのいずれよりも大きい、請求項１に記載の触媒装置。
【請求項３】
前記基材及び前記酸化触媒層の気孔率は、５５％以上かつ７０％以下であり、前記捕集層の気孔率は、２０％以上かつ５５％未満である、請求項１または２に記載の触媒装置。
【請求項４】
前記基材及び前記酸化触媒層の平均細孔径は、１５μｍ以上かつ１００μｍ以下であり、前記捕集層の平均細孔径は、６μｍ以上かつ１５μｍ未満である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の触媒装置。
【請求項５】
前記基材の厚さは、２００μｍ以上かつ４００μｍ以下であり、前記捕集層の厚さは、１０μｍ以上かつ２００μｍ未満であり、前記酸化触媒層の厚さは、０．１μｍ以上かつ２００μｍ未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の触媒装置。
【請求項６】
前記酸化触媒層はさらに第２のＳＣＲ触媒を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒装置。
【請求項７】
前記捕集層は、前記ＳＣＲ触媒によってＮＯｘを還元するために前記触媒装置に添加される還元剤を加水分解する加水分解触媒を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の触媒装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、触媒装置に係り、特に、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムを利用した排気ガス浄化装置に用いられる触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムの基本構成は、一酸化窒素（ＮＯ)を酸化して二酸化窒素（ＮＯ２）にするための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ、尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応により、ＮＯｘを窒素及び水に還元するためのＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒に尿素水を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するための酸化触媒とから構成される。ＮＯを酸化する酸化触媒とＳＣＲ触媒との間に、パティキュレートマター（ＰＭ）を除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を設けることもできる。
【０００３】
２つの酸化触媒と、ＳＣＲ触媒と、ＤＰＦとからなる従来の尿素ＳＣＲシステムは、システム全体として大きくなり、ＳＣＲ触媒がエンジンから遠くに配置されることになるため、ＳＣＲ触媒に到達するまでに排気ガスの温度が低下し、ＳＣＲ触媒での浄化性能が低くなってしまうという問題点があった。この問題点を解決するために、ＳＣＲ触媒とＤＰＦと酸化触媒とを一体化した触媒装置を使用して尿素ＳＣＲシステム全体の大きさを小さくし、触媒装置をできるだけエンジンの近くに配置したものが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、ＳＣＲ触媒とＤＰＦと酸化触媒とを一体化するために、ＤＰＦに相当するフィルタにＳＣＲ触媒及び酸化触媒をコーティングしているが、これでは圧損が高くなり燃費のロスにつながるという問題点があった。圧損を低減するためにＳＣＲ触媒のコーティング量を下げると、ＮＯｘの浄化性能が低下してしまうので、フィルタとして高気孔率基材を使用する必要がある。しかしこれでは、ＰＭ捕集性能が低下してしまう。したがって、ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれを両立することは困難であった。
【０００６】
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、ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれを両立しながら、ＤＰＦとＳＣＲ触媒と酸化触媒とを一体化した触媒装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る触媒装置は、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する触媒装置であって、排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が内部に担持された多孔質性の基材と、基材の内燃機関側の表面にコーティングされた、排気ガス中のＰＭを捕集する捕集層と、基材の内燃機関側とは反対側の表面にコーティングされた酸化触媒を含む酸化触媒層とを有する。ＳＣＲ触媒は、多孔質性の基材の内部に担持されているので、コーティング量を下げて圧損を低減する必要がない。また、捕集層は、基材の内燃機関側の表面にコーティングされているので、高気孔率基材を使用して圧損を低減する必要がない。
基材の気孔率が捕集層の気孔率よりも大きく、かつ、酸化触媒層の気孔率が基材の気孔率以上であり、基材の平均細孔径が捕集層の平均細孔径よりも大きく、かつ、酸化触媒層の平均細孔径が基材の平均細孔径以上であり、基材の厚さが、捕集層の厚さ及び酸化触媒層の厚さのいずれよりも大きい。
基材及び酸化触媒層の気孔率は、５５％以上かつ７０％以下であり、捕集層の気孔率は、２０％以上かつ５５％未満である。基材及び酸化触媒層の平均細孔径は、１５μｍ以上かつ１００μｍ以下であり、捕集層の平均細孔径は、６μｍ以上かつ１５μｍ未満である。基材の厚さは、２００μｍ以上かつ４００μｍ以下であり、捕集層の厚さは、１０μｍ以上かつ２００μｍ未満であり、酸化触媒層の厚さは、０．１μｍ以上かつ２００μｍ未満である。
酸化触媒層はさらに第２のＳＣＲ触媒を含んでもよい。
捕集層は、ＳＣＲ触媒によってＮＯｘを還元するために触媒装置に添加される還元剤を加水分解する加水分解触媒を含んでもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ＳＣＲ触媒は、多孔質性の基材の内部に担持されているので、コーティング量を下げて圧損を低減する必要がなく、捕集層は、基材の内燃機関側の表面にコーティングされているので、高気孔率基材を使用して圧損を低減する必要がない。従って、ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれを両立しながら、ＤＰＦとＳＣＲ触媒と酸化触媒とを一体化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態に係る触媒装置を備えた排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】この実施の形態に係る触媒装置の担体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る触媒装置を備えた排気ガス浄化装置の構成模式図を図１に示す。ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒装置３と、排気ガスを浄化する触媒装置４とが設けられている。酸化触媒装置３と触媒装置４との間には、還元剤である尿素水を噴射する噴射ノズル７が設けられており、噴射ノズル７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を噴射ノズル７に供給するための尿素水添加システム６が設けられている。尿素水添加システム６は、制御装置であるＥＣＵ５に電気的に接続されている。
【００１１】
図２に示されるように、触媒装置４は、ウォールフロー型の担体１４を有している。担体１４は、多孔質性の基材１１から構成されている。基材１１の材質としては、コージェライト、アルミナ、炭化珪素等の、通常のフィルタ基材として用いられるセラミックス材料が利用できる。基材１１の内部の細孔内には、ＮＯｘを還元するためのＳＣＲ触媒が担持されている。基材１１のディーゼルエンジン１側の表面１１ａには、排気ガス中のＰＭを捕集する捕集層１２がコーティングされている。捕集層１２の材質としても基材１１と同様の材料が利用可能である。基材１１の反対側の表面１１ｂには、酸化触媒からなる酸化触媒層１３がコーティングされている。
【００１２】
基材１１の厚さＸ１は、捕集層１２の厚さＸ２及び酸化触媒層１３の厚さＸ３のいずれよりも大きくなっている。基材１１の厚さＸ１は、２００μｍ以上かつ４００μｍ以下が好ましい。また、捕集層１２の厚さＸ２は、１０μｍ以上かつ２００μｍ未満が好ましく、酸化触媒層１３の厚さＸ３は、０．１μｍ以上かつ２００μｍ未満が好ましい。
上記のような厚さの関係とすることにより、捕集層１２での圧力損失を抑制できると共に、ＮＯｘ浄化に必要なＳＣＲ触媒のコーティング量に適した基材（多孔質性基材内部のコーティング可能面積）とすることができる。
【００１３】
基材１１の気孔率は捕集層１２の気孔率よりも大きく、かつ、酸化触媒層１３の気孔率は基材１１の気孔率以上となっている。基材１１及び酸化触媒層１３の気孔率は５５％以上かつ７０％以下が好ましく、捕集層１２の気孔率は２０％以上かつ５５％未満が好ましい。
【００１４】
基材１１の平均細孔径は捕集層１２の平均細孔径よりも大きく、かつ、酸化触媒層１３の平均細孔径は基材１１の平均細孔径以上となっている。基材１１及び酸化触媒層１３の平均細孔径は１５μｍ以上かつ１００μｍ以下が好ましく、捕集層１２の平均細孔径は６μｍ以上かつ１５μｍ未満が好ましい。
上記のような気孔率・平均細孔径の関係とすることにより、捕集層１２より下流において圧力損失を抑制できると同時に排気ガスと触媒との良好な接触ができる。
【００１５】
次に、この実施の形態に係る触媒装置を備えた排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒装置３に流入すると、排気ガス中のＮＯがＮＯ２に酸化される。続いて、排気ガスは触媒装置４に流入する。ＥＣＵ５は、適切なタイミングで尿素水添加システム６を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、配管８を介して噴射ノズル７に供給し、噴射ノズル７から尿素水が触媒装置４に添加される。
【００１６】
触媒装置４に流入した排気ガスは、図２に示されるように、捕集層１２を通過する際に、排ガス中のＰＭが捕集層１２に捕捉される。続いて、排気ガスが基材１１内の細孔内を拡散する。触媒装置４に添加された尿素水は、排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニアと二酸化炭素となり、生成したアンモニアは、基材１１内の細孔内に担持されたＳＣＲ触媒によって、細孔内を拡散する排ガス中のＮＯｘと反応して、ＮＯｘを窒素及び水に還元する。基材１１において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒層１３内の酸化触媒において酸化され、浄化された排気ガスが大気中へ排出される。
【００１７】
時間の経過と共に、捕集層１２に捕捉されたＰＭの量が増加する。触媒装置４の前後の差圧を検知すること等により、捕捉されたＰＭの量が規定量以上になったと判定されたら、排気ガスに燃料を添加する等の周知の方法により、捕集層１２の再生を行うことができる。捕集層１２の再生中、炭化水素及び一酸化炭素は、酸化触媒層１３内の酸化触媒により酸化される。
【００１８】
このように、ＳＣＲ触媒は、多孔質性の基材１１の内部に担持されているので、コーティング量を下げて圧損を低減する必要がなく、捕集層１２は、基材１１のディーゼルエンジン１側の表面１１ａにコーティングされているので、高気孔率基材を使用して圧損を低減する必要がない。従って、ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれを両立しながら、ＤＰＦとＳＣＲ触媒と酸化触媒とを一体化することができる。
【００１９】
この実施の形態において、捕集層１２に、尿素を加水分解する加水分解触媒として、アルミナ、チタニア、ゼオライト、シリカ等をコーティングしてもよい。尿素は、排気ガスの熱により加水分解することが可能であるが、ディーゼルエンジン１の起動直後のように、排気ガスの温度が低い場合でも、加水分解触媒によって尿素を確実に加水分解することができる。また、酸化触媒層１３中に、基材１１の内部に担持されているＳＣＲ触媒とは別に、さらに第２のＳＣＲ触媒を含ませてもよい。これにより、酸化触媒層１３においてもＮＯｘの還元が可能となり、ＮＯｘの浄化能力を向上することができる。
【実施例】
【００２０】
次に、この発明に係る触媒装置の効果を実施例で説明する。
表１に、この発明に係る触媒装置である実施例１〜３の構成と、比較例１〜９に係る触媒装置（ただし、比較例１は、ＤＰＦと、ＳＣＲ触媒と、酸化触媒とを別体にした従来の尿素ＳＣＲシステム）の構成とを示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
実施例１〜３は、加水分解触媒としてＡｌ２Ｏ３をコーティングした捕集層と、ＳＣＲ触媒としてＦｅ−ＺＳＭ５を内部の細孔内に担持した多孔質性の基材と、第２のＳＣＲ触媒としてＦｅ−ＺＳＭ５及び酸化触媒としてＰｔＰｄ／Ａｌ２Ｏ３を含んだ酸化触媒層とからなる、実施の形態で説明した３層構造を有している。尚、各層における気孔率と平均細孔径と厚さと、基材におけるＳＣＲ触媒のコーティング量は、表１に示されている。
【００２３】
比較例１は、既に述べたように、ＤＰＦと、ＳＣＲ触媒と、酸化触媒とを別体にした従来の尿素ＳＣＲシステムである。比較例２〜４は、多孔質性の基材の細孔内にＳＣＲ触媒としてＦｅ−ＺＳＭ５を担持した１層構造を有している。比較例５〜９は、加水分解触媒としてＡｌ２Ｏ３をコーティングした捕集層と、ＳＣＲ触媒としてＦｅ−ＺＳＭ５を内部の細孔内に担持した多孔質性の基材とからなる２層構造を有している。尚、各層における気孔率と平均細孔径と厚さと、基材におけるＳＣＲ触媒のコーティング量は、表１に示されている。
【００２４】
実施例１〜３及び比較例２〜９の触媒装置を、図１に示された排気ガス浄化装置の触媒装置４として配置したものを用いて、また、比較例１として従来の尿素ＳＣＲシステムを用いて、触媒装置の性能評価を行い、その評価結果を表２に示した。尚、評価結果は、優れていることを示す二重丸と、良好を示す一重丸と、問題があることを示すバツ印との定性的な３段階の評価とした。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
ＤＰＦと、ＳＣＲ触媒と、酸化触媒とを別体にした従来の尿素ＳＣＲシステムである比較例１に比べて、実施例１〜３及び比較例２〜９は一体型の触媒装置を用いているので、コンパクト性は優れている。ＰＭ捕集性及びＰＭの堆積による圧損並びにＮＯｘ浄化率については、ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれの両立性に関係する。比較例２〜４は捕集層がなく、基材でＰＭ捕集を行っているが、比較例２の様にＰＭ捕集性とＰＭの堆積による圧損を良好にしようとするとＳＣＲ触媒のコーティング量が減り、ＮＯｘ浄化率が悪化する。比較例３の様に比較例２に対してＳＣＲ触媒のコーティング量を増やすと、ＰＭの堆積による圧損が悪化する。さらに比較例４の様に比較例３に対して圧損を改善するために気孔率・平均細孔径を調整すると、ＰＭ捕集性が悪化する。比較例５はＰＭの堆積による圧損が劣っている。比較例６ではＳＣＲ触媒のコーティング量を減らすことで、ＰＭの堆積による圧損については改善されているが、ＮＯｘ浄化率が低下している。また、比較例８，９は捕集層の厚さを３００μｍ、基材の厚さを７０μｍとしている。比較例８，９の結果から、このような厚さの関係では必要なＳＣＲ触媒のコーティング量（ＮＯｘ浄化率）とＰＭの堆積による圧損との両立が難しいことが判る。
また、アンモニアのスリップ性と、ＰＭ再生中の炭化水素及び一酸化炭素のすり抜け性とについては、アンモニアと炭化水素と一酸化炭素とを酸化する酸化触媒からなる酸化触媒層を持たない比較例２〜９は、問題ありとの結果となっている。
すなわち、比較例１〜９はそれぞれ、いずれか１つの項目についてバツ印があるが、実施例１〜３については、いずれの項目についても、優れているかあるいは良好となっている。従って、実施例１〜３に係る触媒装置は、ＤＰＦ機能及びＳＣＲ触媒機能のそれぞれを両立していると言える。従って、この発明に係る触媒装置の具体的形態である実施例１〜３は、ＤＰＦ機能と、ＳＣＲ触媒機能と、酸化触媒機能とを良好に発揮しながら、これらを一体化している。つまり、ＰＭの高捕集（低圧損）とＳＣＲ触媒の高コーティング量（高ＮＯｘ浄化率）を実現できる。さらに、酸化触媒層をコーティングすることで更なる体格低減ができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）、４  触媒装置、１１  基材、１１ａ，１１ｂ  （基材の）表面、１２  捕集層、１３  酸化触媒層、Ｘ１  （基材の）厚さ、Ｘ２  （捕集層の）厚さ、Ｘ３  （酸化触媒層の）厚さ。
【図１】
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【図２】
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