説明

排ガス浄化フィルタ、該フィルタの製造方法および排ガス浄化装置

【課題】ディーゼルエンジンから排出される排ガスの浄化において、触媒の熱劣化が進行しても低温時から効率よくPMを除去できるとともに、後流の脱硝触媒に多くのNO2 を供給できる排ガス浄化フィルタ、該フィルタの製造方法および排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】(1) ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の粒状物質を除去する、酸化触媒成分が排ガス流路に担持されたDPFであって、該フィルタの排ガス流路のガス入口側の端面からガス流れ方向の3/5までの範囲に酸化触媒成分とともにCeO2 が担持され、それ以外の部分には前記酸化触媒成分のみが担持されている排ガス浄化フィルタ。(2) ディーゼルエンジンから排出される排ガスの流路内に、前記排ガス浄化フィルタと脱硝触媒により窒素酸化物を除去する装置を排ガス流れ方向に順に配置した排ガス浄化装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排ガス浄化フィルタ、該フィルタの製造方法および排ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジンから排出される排ガス中の煤等粒状物質(PM) および窒素酸化物(NOx)を低温域でも効率よく除去できる排ガス浄化フィルタ、そのフィルタの製造方法および該フィルタを用いた排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンの排ガス中には、炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなるSOF(Soluble Organic Fraction: 可溶性有機成分)を主成分とする粒子状物質(Particulate Matter:PM)が多く含まれるため、PM除去フィルタ(以下、DPFという)を装備することが必要とされている。
DPFの多くは、排ガスを数μmの多孔質セラミックスの薄壁に通してPMを濾過することを特徴としており、例えば、金属またはセラミックス製の板状または円筒状のフィルタや、ハニカム状のセラミックス多孔質成形体の目を交互に埋めてフィルタにしたウォールスルーハニカムフィルタや、微細な金属線織布製フィルタなどが用いられている。
また前流に酸化触媒を設置またはDPFに酸化触媒を担持して排ガス中の一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO2 )に酸化する機能を持たせ、煤の燃焼を低温域でも効率よく行わせて煤による詰まりを防止する研究開発がなされている。
【0003】
一方、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンなどの排ガス浄化には、その排ガスが酸素過剰雰囲気であるために、ガソリンエンジンの排ガス浄化用触媒である、COとHCの酸化およびNOx の還元を同時に行って排ガスを浄化する三元触媒を適用することができない。
そのため、これらの排ガス浄化には、DPFと脱硝触媒を組み合わせた排ガス浄化方法、具体的にはDPFにより排ガス中のPMを除去した後、アンモニアまたはアンモニア前駆体を還元剤とする脱硝方法、HCを還元剤とする脱硝方法またはNOx 吸蔵触媒を用いる方法などが採用されているが、この場合でも、エンジンの起動停止時の排ガス低温域におけるPMの燃焼とNOxの除去を効率よく行うことが求められる。
【0004】
しかし、従来技術において、煤の燃焼による局所的な高温での触媒の劣化やDPF基材の焼損防止を目的として、DPF基材への酸化触媒や助触媒の担持を局在化させるなど、DPF単独でのPM除去性能や耐久性の向上については検討されているが、DPFと脱硝触媒を組み合わせたシステム全体としての効率的なPMの除去およびNOxの除去については十分な検討がなされていないというのが現状である。
【0005】
例えば、特許文献1には、煤の燃焼による局所的な高温での触媒の劣化やDPF基材の焼損防止を目的として、酸化触媒を排ガスの入口端部に担持しないようにしたフィルタが提案され、また特許文献2には、酸化触媒および助触媒(CeO)をDPFの排ガス入口側(上流側)のみに担持させたフィルタが提案され、さらに特許文献3には、酸化触媒の酸化力をDPF出口側(下流側)に向かって段階的または連続的に変化させ、触媒の酸化力を徐々に低下させたフィルタが提案されている。
【0006】
しかし、これらの従来のDPFでは、排ガス中のNOが酸化触媒により酸化され、NO2 が生成しても、NO2 は煤等の燃焼に消費されてしまうか、または排ガス中のCOおよびHCの酸化反応によりNOの酸化反応が阻害されるため、DPF出口でのNO2 濃度が低くなり、後流に設置された脱硝触媒での低温域におけるNOxの除去効率が低下するという問題があった。これは、低温域での脱硝性能は、脱硝触媒の前段での排ガス中のNO2 とNOの比(NO2 /NO)が1に近い程向上するため、上記のような従来のDPFではその出口での排ガス中のNO2 濃度が低く、NO2 /NOが1より小さくなるためである。
【0007】
このような問題を解決するため、特許文献4には、PMを除去した後の排ガスを酸化触媒に通過させてNO2 を生成させて後流の脱硝触媒で処理する方法が提案されている。しかし、この方法では、PMの除去とNO2 の生成が別々の工程で行われるためにシステム全体が複雑化するなどの問題が生じる。さらに脱硝を考慮した触媒担持DPFとして、上記特許文献2にはDPFにNOx吸蔵触媒を担持する方法が提案されているが、NOx吸蔵に必要な触媒量の増加や触媒劣化による吸着力低下などの問題が生じる。
【特許文献1】特開昭58−101211
【特許文献2】特開2003−154223
【特許文献3】特開2003−161138
【特許文献4】特開2004−138022
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
一方、CeO2 に白金(Pt)などを担持した酸化触媒は、CeO2 の酸素吸蔵効果によって低温域でも高いCOを浄化する能力が得られるため、PtへのCO吸着被毒を緩和でき、HCの酸化能の向上やPMの燃焼能を高めるNO2 の発生量を増加させる効果が得られる。しかし、ディーゼルエンジンの排ガス温度は800〜900℃にまで達するため、CeO2 による酸素吸蔵効果を利用する場合にも耐熱性の向上も視野に入れた改善が必要であった。
【0009】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を改善し、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの浄化において、触媒の熱劣化が進行しても低温時から効率よくPMを除去できるとともに、後流の脱硝触媒に多くのNO2 を供給できる排ガス浄化フィルタ、該フィルタの製造方法および排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者らは上記課題について鋭意検討した結果、酸化触媒が全面に担持されたDPFの排ガス入口側の端部から3/5以内の範囲にのみCeO2 を担持させ、それ以外の部分にはCeO2 を担持しないようにすることにより、上記課題を達成できることを見いだし、本発明に到達した。
上記課題を達成するために本願で特許請求される発明は以下の通りである。
【0011】
(1)ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の粒状物質を除去する、酸化触媒成分が排ガス流路に担持されたディーゼルパティキュレートフィルタであって、該フィルタの排ガス流路のガス入口側の端面からガス流れ方向の3/5までの範囲に酸化触媒成分とともにCeO2 が担持され、それ以外の部分には前記酸化触媒成分のみが担持されていることを特徴とする排ガス浄化フィルタ。
(2)前記CeO2 の担持範囲が、ガス入口側の端面から1/2以内であることを特徴とする(1)に記載の排ガス浄化フィルタ。
(3)ディーゼルパティキュレートフィルタにCeO2 を担持させる際に、前記フィルタの基材に純水を含浸させて該フィルタ基材の吸水力を抑制した後、該フィルタ基材の一端面からガス流れ方向の3/5までの範囲を、所定濃度に調整したCeO2 ゾルまたはCeO2 粉末スラリに浸漬し、液切りして乾燥または焼成することを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法。
(4)ディーゼルエンジンから排出される排ガスの流路内に、酸化触媒成分が担持されたディーゼルパティキュレートフィルタと、脱硝触媒により窒素酸化物を除去する装置が、排ガス流れ方向に順に配置されている排ガス浄化装置であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前記流路のガス入口側端面からガス流れ方向の3/5までの範囲に酸化触媒成分とともにCeO2 が担持され、それ以外の部分には前記酸化触媒成分のみが担持されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【発明の効果】
【0012】
本願の請求項1、2の排ガス浄化フィルタによれば、低温域でCOおよびHCを効率よく燃焼させることによってDPFでのPMの燃焼をも効率よく行うことができるとともに、DPF出口排ガス中のNO2 濃度を増加させることができるため、後流に脱硝触媒を設置した場合に、低温時から高い脱硝性能を確保することができる。また熱劣化の受けやすいCeO2 の担持範囲が狭いため、触媒の熱劣化が進行したなかでも低温時におけるCOおよびHCの燃焼効率を高く維持しながらNOの酸化性能を向上させることができる。さらに高価なセリアの担持量を半分以下に低減することが可能であり、低コスト化を図ることができる。
本願の請求項3のDPFの製造方法によれば、DPF基材の吸水力を制御しながらCeO2 を所定の範囲に担持させることができるため、DPFの製造が容易になる。
本願の請求項4の排ガス浄化装置によれば、DPFにおいて排ガス中のPMの燃焼を効率よく行わせるとともに、DPF出口でのNO2 濃度を増加させることができるため、DPF後流の脱硝触媒での低温域における脱硝反応を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の排ガス浄化フィルタは、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の粒状物質(PM)を除去するディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)であって、その排ガス流路には酸化触媒成分が担持され、かつ該DPFのガス入口側の端面からガス流れ方向の3/5までの範囲、好ましくは1/2〜1/5までの範囲に酸化触媒成分とともにCeO2 が担持されているが、それ以外の部分にはCeO2 が担持されていない。
図1は、本発明の一実施例を示す排ガス浄化フィルタの説明図である。該排ガス浄化フィルタは、酸化触媒つきDPF2にCeO2 担持部分7を有し、該CeO2 担持部分7は、酸化触媒つきDPF2のガス入口側の端面からガス流れ方向に略2/5までの範囲にCeO2 が担持されている。
【0014】
CeO2 が酸化触媒担持DPFのガス入口側の端面から3/5以内の範囲にのみ担持され、それ以外の部分にはCeO2 を担持しないようにすることにより、DPF内の前流部に担持されたCeO2 の存在により、当該部分ではNO酸化反応と、COおよびHCの燃焼反応が効率よく行われ、かつDPF内の後流部での酸化触媒によるNOのNO2 への酸化が行われるため、DPF出口の排ガス中のNO2 濃度を増加させることができる。従って、該DPFの後流に脱硝触媒を配置した場合に該触媒による低温時の脱硝反応を効率よく行わせることができる。また熱劣化の受けやすいCeO2 の担持範囲が狭いため、触媒の熱劣化が進行したなかでも低温時におけるCOおよびHCの燃焼効率を高く維持しながらNOの酸化性能を向上させることができる。さらに高価なセリアの担持量を半分以下に低減することが可能であり、低コスト化を図ることができる。
【0015】
本発明に用いられるDPF基材には特に制限はなく、従来公知の基材が用いられる。例えばコージェライト、炭化ケイ素、ガラスなどの多孔質ハニカム体の流路を交互にかつ入口と出口で互い違いに栓をしたいわゆるウォールスルーハニカム型DPFや、微細な金属線織布製フィルタなどが用いられる。
DPF基材に担持する酸化触媒は、排ガス中のCO、HCおよびNOを酸化できるものであれば特に制限はなく、従来公知の酸化触媒を用いることができる。特に白金(Pt)は酸化活性成分として最も高い活性を示すが、パラジウム(Pd)やロジウム(Rh)などの他の貴金属と複合して用いてもよい。
これらの酸化活性成分は、セリア(CeO2 )の他、活性成分の分散度向上による活性向上を目的で、比表面積が大きく、また使用環境でのシンタリングによる劣化を抑制する耐熱性に優れたチタニア、シリカ、ジルコニア、アルミナなどの少なくとも1種の成分とともに、ゾルまたは粉末スラリの状態でDPF基材に含浸させて担持させることが好ましい。この場合、酸化活性成分はその塩類の溶液またはコロイドで用いられる。
【0016】
本発明において、DPF基材に触媒成分を担持させる前または担持させた後に、CeO2 を該DPFの端部から3/5以内の範囲に担持させることが必要である。CeO2 の耐熱性はそれほど高いものではなく、触媒の熱劣化によるNO酸化率の低下が懸念され、後流側の脱硝触媒を設置した場合のシステム全体としての性能を維持するためには、CeO2 を均一に担持したDPFを単純にディーゼルエンジンの排ガス処理用触媒として適用することはできない。そこで本発明では酸化触媒成分を担持したDPFのガス流れに対し、前流端面から3/5以内の範囲にのみCeO2 を配し、熱劣化を受けやすい部分の範囲を狭くすることができるため、触媒の熱劣化が進行したなかでも低温域でのCOおよびHCの燃焼効率を高く維持しながら、NOの酸化性能を向上させることができる。
【0017】
DPF基材にCeO2 を担持させる際には、DPF基材に純水を含浸させてDPF基材の吸水力を抑制した後、DPF基材の一端面から所定までの範囲を、所定濃度に調整したCeO2 ゾルまたはCeO粉末スラリに浸漬させるようにすることが、CeO2 の担持範囲を自由に調整できる点から好ましい。またCeO2 ゾルまたはスラリを目標担持量の分だけ予め用意し、それらをDPFの端面から吸い切らすことによって、局所的にCeO2 を担持させる方法を採用してもよい。
【0018】
酸化触媒成分の担持量はディーゼルエンジンの排ガス中のCO、HC、PM等の量に応じて決定される。特にCeO2 の担持量およびその担持範囲は排ガス中のCOおよびHCの濃度によって決定され、COおよびHCの濃度が低ければCeO2 の担持量を低減し、またはその担持範囲を狭めることができる。
特にCeO2 にPtを担持した触媒は、CeO2 の酸素吸蔵効果によって、低温からCOを浄化する能力が高いため、PtへのCOの吸着被毒を緩和でき、HCの酸化能を向上させ、PMの燃焼能を高めるNO2 の発生量を増加させる。
【0019】
図2は、本発明の一実施例を示す排ガス浄化装置の基本フロー図である。
図2において、ディーゼルエンジン1で発生した排ガスは、排気管5により酸化触媒つきDPF2に供給され、ここで排ガス中のNOが酸化触媒によりNO2 に酸化されるとともに、排ガス中のPMがDPFに捕集され、前記NO2 が該PMの燃焼を行う。排気管6には還元剤である尿素の注入ノズル4が設置されており、排気管6内に還元剤が供給される。脱硝触媒3上では排ガス中のNO、NO2 と、還元剤とが反応して窒素酸化物が窒素に無害化される。
【0020】
本発明では、酸化触媒つきDPFに酸素吸蔵能を持つCeO2 が担持されているため、COを低温で着火させ、HCの着火能を向上させることができる(下記式(1) )。これはPtのCO吸着被毒が緩和され、HCの活性点が多くなるためである。これにより、NO酸化反応の阻害成分であるCOおよびHCを低温時から低減させ、NOの酸化反応速度を向上させることができるため、DPF出口でのNO2 濃度が増加し、後段の脱硝触媒により多くのNO2 を供給することができる。
CnHm+(n+m/4)O2 →nCO2 +m/2H2 O (1)
【0021】
一方、脱硝触媒上では、下記式(2) および式(3) の反応によって、窒素酸化物が除去される。低温域では、式(2) に示すNOとNO2 が共存する系で起こる脱硝反応が、式(3) に示すNOのみの脱硝反応よりも反応速度が大きく、また、上記の効果により脱硝触媒へNO2 の供給が増加するため、式(2) の脱硝反応が積極的に行われ、低温での脱硝性能が向上する。
NO+NO2 +2NH3 →2N2 +3H2 O (2)
NO+NH3 + 1/4O2 →N2 +3/2 H2 O (3)
【0022】
本発明に用いられる脱硝触媒には、公知の触媒を用いることができる。例えば、酸化チタンにタングステンやバナジウムなどを担持した触媒や、銅、鉄、セリウムなどの遷移金属をイオン交換したゼオライト、またはコージェライトハニカム構造体などに担持した触媒が好ましく用いられる。
【実施例】
【0023】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
[実施例1]
多孔質コージェライトDPFを規定濃度のチタニア/シリカゾルに浸漬、遠心分離後、120℃で乾燥した。
得られたDPF基材を純水に浸漬、遠心分離を行った後、ガス流れ方向の入口側1/2だけを規定濃度のセリアゾルを含浸、担持させて120℃で乾燥および500℃で焼成した。次に、規定濃度のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を含浸させて担持し、120℃で乾燥した。さらに、ポリエチレングリコール(分子量300、2重量%)を含浸させて再度120℃で乾燥後、アルミホイルで包み、550℃で還元処理を行って本発明の触媒つきDPFを得た。
【0024】
次いで、脱硝触媒原料として酸化チタン、酸化タングステン、メタバナジン酸アンモニウム、シュウ酸および水をニーダで混練してペースト状とし、これを押出し造粒した後、乾燥および500℃で2時間焼成した。得られた造粒物を150μm以下に粉砕して脱硝触媒粉末(Ti/W/V=89/5/6)を得た。この脱硝触媒粉末と水を攪拌機で混合して濃度35%のスラリを調製し、これにフロースルー型のコージェライト担体を浸漬した後、エアブローで液切りして乾燥する工程を3回繰り返し、500℃で2時間焼成して脱硝触媒を得た。
流通式の反応装置を用い、ガス流れ方向に上記で得た酸化触媒つきDPFと脱硝触媒を順に設置し、その間に還元剤(NH3 )を注入し、表1の条件で排ガス処理を行い、DPF上でのNO酸化率と脱硝触媒上での脱硝率を測定した。これらの測定は、反応初期および800℃で20時間処理後について行った。
【0025】
[実施例2、3]
実施例1において、DPF基材へのセリアの担持範囲をガス流れ方向の入口側端部から1/3(実施例2)および1/5(実施例3)に変更した以外は実施例1と同様にして酸化触媒つきDPFおよび脱硝触媒を作製し、NO酸化率と脱硝率の測定を行った。
【0026】
[比較例1〜3]
実施例1において、DPF基材へのセリアの担持範囲をガス流れ方向の入口側端部から2/3(比較例1)、4/5(比較例2)および全部(比較例3)に変更した以外は実施例1と同様にして酸化触媒つきDPFおよび脱硝触媒を作製し、NO酸化率と脱硝率の測定を行った。
【0027】
実施例1〜3および比較例1〜3での結果を表2に示した。また800℃で2時間処理した時の実施例1のデータを1.00としたセリア担持範囲とNO酸化率および脱硝率の関係を図3に示した。
表2および図3から、初期性能はセリアの担持範囲が広い程に高い傾向にあるが、熱劣化後はDPF後流側の1/2をセリアの非担持範囲とした実施例1が最も高いNO酸化性能および脱硝性能を示すことがわかる。これはセリアの担持範囲が1/2である場合、NO酸化反応と競合反応となるCOおよびHCの燃焼反応を効率よく行うのに十分な範囲であり、かつDPF後流部において、より多くのNO2 を発生させることができたためである。
これに対し、比較例1〜3ではセリアの担持範囲が広すぎるため、熱劣化の影響が大きくなり、NO酸化性能が低下し、脱硝触媒において、高い脱硝性能を得ることができなかった。
【0028】
【表1】

【0029】
【表2】

【産業上の利用可能性】
【0030】
本発明により、低温におけるPMの燃焼効率を向上させ、かつ、酸化触媒を担持したDPF出口でのNO2 濃度を増加することができ、低温での脱硝性能の向上が可能となり、また、高価なセリアの担持量を半分以下に低減することが可能であるため、高性能で安価なDPFおよび排ガス浄化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の一実施例を示すDPFの説明図。
【図2】本発明の一実施例を示す排ガス浄化装置の基本フロー図。
【図3】実施例1のデータを1とした時のセリア担持範囲とNO酸化率および脱硝率との関係を示す図。
【符号の説明】
【0032】
1…ディーゼルエンジン、2…酸化触媒つきDPF、3…脱硝触媒、4…還元剤注入ノズル、5…排気管、6…排気管、7…セリア担持部分。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の粒状物質を除去する、酸化触媒成分が排ガス流路に担持されたディーゼルパティキュレートフィルタであって、該フィルタの排ガス流路のガス入口側の端面からガス流れ方向の3/5までの範囲に酸化触媒成分とともにCeO2 が担持され、それ以外の部分には前記酸化触媒成分のみが担持されていることを特徴とする排ガス浄化フィルタ。
【請求項2】
前記CeO2 の担持範囲が、ガス入口側の端面から1/2以内であることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化フィルタ。
【請求項3】
ディーゼルパティキュレートフィルタにCeO2 を担持させる際に、前記フィルタの基材に純水を含浸させて該フィルタ基材の吸水力を抑制した後、該フィルタ基材の一端面からガス流れ方向の3/5までの範囲を、所定濃度に調整したCeO2 ゾルまたはCeO2 粉末スラリに浸漬し、液切りして乾燥または焼成することを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法。
【請求項4】
ディーゼルエンジンから排出される排ガスの流路内に、酸化触媒成分が担持されたディーゼルパティキュレートフィルタと、脱硝触媒により窒素酸化物を除去する装置が、排ガス流れ方向に順に配置されている排ガス浄化装置であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前記流路のガス入口側端面からガス流れ方向の3/5までの範囲に酸化触媒成分とともにCeO2 が担持され、それ以外の部分には前記酸化触媒成分のみが担持されていることを特徴とする排ガス浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−150223(P2006−150223A)
【公開日】平成18年6月15日(2006.6.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−344247(P2004−344247)
【出願日】平成16年11月29日(2004.11.29)
【出願人】(000005441)バブコック日立株式会社 (683)
【Fターム(参考)】