説明

排気浄化触媒

【課題】 コストを抑制して最大限のNOx浄化性能を維持する。
【解決手段】 {白金(Pt)/パラジウム(Pd)}を0.7以上1.0未満の範囲に設定し、最大限のNOx浄化性能が維持できる状態で、高価な白金(Pt)の使用量を最小限にしたNOxトラップ触媒9にする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関から排出される排気中のNOxを浄化する排気浄化触媒に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料低減に有利な内燃機関として、空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するリーンバーン内燃機関や、燃料を燃焼室に直接噴射することで希薄燃焼させる直噴型内燃機関が知られている(以下、総称してリーンバーンエンジンと称する)。リーン側の空燃比で運転(リーン運転)して燃費の向上を図るリーンバーンエンジンでは、排ガス中のNOx(窒素酸化物)を浄化するための排気浄化触媒(NOxトラップ触媒)が備えられている。
【0003】
NOxトラップ触媒は、従来から種々提案されており(例えば、特許文献1参照)、還元成分濃度が低い酸化雰囲気(リーン空燃比)において排ガス中のNOxを硝酸塩X−NOとして吸蔵し、吸蔵したNOxをCO(一酸化炭素)やHC(炭化水素)等の還元成分が多量に存在する還元雰囲気(理論空燃比またはリッチ空燃比)でNに還元させる特性を有した触媒として構成されている。
【0004】
この種のNOxトラップ触媒では、リーン空燃比の運転で排ガス中のNOxを吸蔵して大気中への排出を防止すると共に、定期的に空燃比をリッチ側に制御し、吸蔵されているNOxを放出・還元している。このような機能を得るために、NOxトラップ触媒は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造の担体に、白金(以下、Pt)、パラジウム(以下、Pd)、ロジウム(以下、Rh)等の貴金属、耐火性無機酸化物、及びNOxトラップ剤としてアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を含む触媒層が担持されている。
【0005】
近年、リーンバーンエンジンでは、燃費のメリットを十分に発揮するため、リーン運転の領域を拡大することが行なわれている。このため、リーン領域が拡大された場合でも高いNOx浄化性能が得られるNOxトラップ触媒が種々開発されている。一方で、NOxトラップ触媒にはNOxを硝酸塩として吸蔵させるための高価な貴金属が使用されているため、高価な部品となっている。
【0006】
このような状況から、高価な貴金属の使用状況を改善してコストを抑制すると同時に、最大限のNOx浄化性能を維持できるNOxトラップ触媒が求められているのが現状である。特許文献1の技術にも貴金属の使用状況が開示されているが、コストと性能を両立させるための貴金属の使用状況は開示されていない。
【特許文献1】特開2006−26635号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、コストを抑制して最大限のNOx浄化性能を維持することができる排気浄化触媒を提供することを目的とする。具体的には、コストを抑制して最大限のNOx浄化性能を維持することができるように、PtとPdの担持量の比率を見出したものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するための請求項1に係る本発明の排気浄化触媒は、内燃機関の排気通路に設けられ、Pt及びPdを含む貴金属、耐火性無機酸化物、及びNOxトラップ剤を含む触媒層が担体に担持され、排気空燃比がリーン状態の時に排気中のNOxを吸蔵すると共に排気空燃比が理論空燃比もしくはリッチ状態の時に吸蔵されたNOxを放出・還元する排気浄化触媒において、PtとPdの担持量の比率である(Pt/Pd)を0.7以上1.0未満としたことを特徴とする。
【0009】
請求項1に係る本発明では、Pdに比べて高価なPtの担持量の比率を0.7以上1.0未満にすることで、コストを高くすることなく広い温度範囲でNOxの排出量を抑制することができる。即ち、Pdに対するPtの比率が0.7を下回ると、NOxの排出量が急激に増加し、Pdに対するPtの比率が1.0以上となっても、NOxの排出量はあまり変化がない。このため、Ptの担持量の比率を0.7以上1.0未満にすることで、最大限のNOx浄化性能が維持できる状態で、高価なPtの使用量を最小限にすることができる。
【0010】
尚、特許第3724708号公報には、排気浄化触媒において、PtとPdの担持量の割合が開示されているが、Pt比率は0.7を下回るものであり、要求されるNOx浄化性能を得ることはできない。
【0011】
そして、請求項2に係る本発明の排気浄化触媒は、請求項1に記載の排気浄化触媒において、前記NOxトラップ剤は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属であることを特徴とする。また、請求項3に係る本発明の排気浄化触媒は、請求項2に記載の排気浄化触媒において、前記アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属は、カリウム(以下、K)であることを特徴とする。
【0012】
また、請求項4に係る本発明の排気浄化触媒は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の排気浄化触媒において、前記内燃機関は、燃焼室に燃料を直接噴射して燃料を希薄燃焼させる直噴型内燃機関であり、下流には三元触媒が配置されていることを特徴とする。
【0013】
請求項4に係る本発明では、還元成分としての性能を有する貴金属を減少させた場合であっても、三元触媒により還元作用を受け持たせることができ、トータルとしての排ガス性能を低下させることがない。
【0014】
上述した排気浄化触媒において、触媒層には、Ptの活性を高める酸素ストレージキャパシティ(OSC)の低い微小粒子径のセリア(以下、CeO)を担持させることも可能であり、微小粒子径のCeOにより担持量の比率が特定されたPtの活性を高めることができる。
【0015】
また、上述した排気浄化触媒として、一つのセルの中の角部が鋭角とされたメタル担体を適用し、空孔促進剤が添加されて焼成されることで形成される微小空孔が触媒層に備えられているものを適用した場合、触媒層に形成された微小空孔に排ガスが拡散し、一つのセルの中の鋭角となった角部に触媒層が厚く存在しても、排ガスの拡散性が向上し、メタル担体を用いた場合であってもNOxの浄化性能を高めることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明の排気浄化触媒は、コストを抑制して最大限のNOx浄化性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
図1には本発明の一実施形態例に係る排気浄化触媒を備えた内燃機関の概略構成、図2には排気経路の概念、図3にはメタル担体の説明、図4にはメタル担体のセルの断面、図5には本発明の一実施形態例に係る排気浄化触媒の触媒層の模式説明を示してある。
【0018】
図1、図2に基づいて本発明の一実施形態例に係る排気浄化触媒を備えた内燃機関の概略を説明する。
【0019】
図1に示すように、内燃機関(エンジン)1は筒内噴射型火花点火式の直列多気筒ガソリンエンジンとして構成されている。エンジン1のシリンダヘッドには、気筒毎に点火プラグ2及び燃料噴射弁3が取り付けられ、燃料噴射弁3から燃焼室内に燃料が直接噴射される。シリンダヘッドには気筒毎に略直立方向に吸気ポート4が形成され、吸気ポート4は吸気マニホールドを介してスロットルバルブ5と接続されている。
【0020】
図1、図2に示すように、シリンダヘッドには略水平方向に排気ポート6が形成され、排気ポート6には排気マニホールドを介して排気通路7が接続されている。排気通路7の上流側には上流触媒8が配され、排気通路7の下流側にはNOxトラップ触媒9が配置されている。
【0021】
NOxトラップ触媒9はセラミック、メタルなどの担体に、Pt、Pd等の貴金属、アルミナ等の耐火性無機酸化物、及びアルカリ金属、アルカリ土類金属などのNOxトラップ剤を含む触媒層が担持されている。NOxトラップ剤として好ましくはアルカリ金属であるKが使用される。
【0022】
NOxトラップ触媒9では、排気空燃比がリーン空燃比の時に排ガス中のNOxを硝酸塩X−NOとして吸蔵し、還元成分が多量に存在する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比の時に吸蔵しているNOxを放出してNに還元する作用を奏する。
【0023】
NOxトラップ触媒9の下流には三元触媒10が配置されている。三元触媒10はセラミック、メタルなどの担体に、Pt、Rh、Pd等の貴金属と、NOxトラップ剤であるKの捕捉剤としてのゼオライトを含む触媒層が担持されており、排気空燃比が理論空燃比近傍の時に排ガス中のCOやHC、NOx等の浄化作用を奏する。
【0024】
図3〜図5に基づいてNOxトラップ触媒9を具体的に説明する。
【0025】
図3、図4に示すように、NOxトラップ触媒9の担体は、例えば、SUS製の平板11と波板12が積層された板材が巻回されて多数のセル13が構成されている。このため、一つのセル13の中の角部が鋭角とされている。セル13の内部には触媒層14が形成され、セル13の中の角部が鋭角とされているため、角部の触媒層14の厚さが厚くなっている(図4中矢印部参照)。
【0026】
触媒層14には、例えば、1μm〜10μm程度の微小空孔が形成されている。微小空孔が形成されることにより、一つのセル13の中の鋭角となった角部に触媒層14が厚く存在しても、排ガスの拡散を促進することができ、セル13の角部におけるNOxの浄化性能を高く維持することができる。
【0027】
尚、触媒層14に1μm〜10μm程度の微小空孔を形成する場合、触媒層14とするためのスラリーにマグネシア(MgO)を添加して焼成し、MgOの収縮によって触媒層14に微小空孔を形成することが好ましい。
【0028】
図5に基づいて触媒層14を形成するためのスラリーをコーティングした状態を説明する。
【0029】
図5に示すように、セル13にコーティングされたスラリー層(コーティング層)15は、アルミナ等の耐火性無機酸化物と、Pt及びPdを含む貴金属、及びアルカリ金属、アルカリ土類金属などのNOxトラップ剤とから構成されている。
【0030】
貴金属の量は、0.1g/L〜15g/Lが好ましく、更には0.5g/L〜5g/Lがより好ましい。耐火性無機酸化物の量は、10g/L〜400g/Lが好ましく、更には50g/L〜300g/Lがより好ましい。NOxトラップ剤の量は、5g/L〜50g/Lが好ましく、例えば、25g/L添加されている。
【0031】
NOxトラップ剤としてKを好適に用いることができる。それにより、特に、高温領域での性能を高くすることができる。また、コージライト等のセラミックス材料の担体では高温時にKが移動してコージライトと結合し、担体の強度が低下するため、Kを使用する際はSUS製等のメタル担体を用いることにより、この問題を回避することができる。
【0032】
また、コーティング層15には、Kを安定させるためのゼオライトを添加することができ、添加量としては5g/L〜50g/L用いることができる。
【0033】
更に、コーティング層15には、硫黄(S)被毒を抑制するチタニア(TiO)を添加することができ、添加量としては1g/L〜50g/L用いることができる。尚、一般にTiOは耐熱性が不十分で、厳しい熱耐久後にその比表面積が減少して活性低下が懸念される。このため、NOxトラップ触媒に添加するTiOは耐熱性が高い材料を用いることが好ましい。
【0034】
触媒層14では、貴金属であるPt及びPdの担持量の比率である(Pt/Pd)が0.7以上1.0未満の範囲に設定されている。Pdに比べて高価なPtの担持量の比率を0.7以上1.0未満にすることで、コストを高くすることなく広い温度範囲でNOxの排出量を抑制することができる。
【0035】
Pdに対するPtの比率が0.7を下回ると、NOxの排出量が急激に増加し、Pdに対するPtの比率が1.0以上でも(Ptを増加させても)、NOxの排出量は微増する。このため、Pdの担持量の比率を0.7以上1.0未満にすることで、NOx浄化性能を最大限に維持でき、高価なPtの使用量を最小限にすることができる。
【0036】
また、触媒層14には、Ptの活性を高めるCeOを添加することができる。それにより、担持量の比率が特定されたPtの活性を高めることができる。ここで、CeOとしては、リーン運転からリッチ運転に切換えた時に、還元剤の消費が少なくて済むOSCの少ない材料が好ましい。更に、触媒層での分散性を高め、貴金属の凝集を抑止できる1次粒子の直径がシングルナノサイズの小粒子径の材料がより好適である。
【0037】
触媒の調製方法としては、例えば以下の通りである。
【0038】
水溶性貴金属塩、耐火性無機酸化物、アルカリ金属及び/またはアルカリ土類金属の水溶性塩を水に溶解/分散させ、この溶液/分散液を湿式粉砕し、スラリーを調製する。メタル担体を上記スラリーに浸し、余剰のスラリーを除いた後、乾燥、焼成して触媒を得る。乾燥時の温度は100℃〜250℃、焼成時の温度は350℃〜650℃を用いることができる。
【0039】
図6〜図9に基づいて上述したNOxトラップ触媒9の評価状況を説明する。
【0040】
図6にはNOx浄化率と触媒入口温度との関係を示してある。図6では、比較例(リファレンス)に対する貴金属の増量とNOx浄化率の関係を表している。
【0041】
図中○印は、Pt/Pd/Rhの担持量(g/L)を2.0g/0.9g/0.2gとした基本の触媒であり、図中□印は、Ptを1.0g増量して3.0g/0.9g/0.2gとした触媒であり、図中△印は、Pdを1.0g増量して2.0g/1.9g/0.2gとした触媒である。また、図中▽印は、Rhを1.0g増量して2.0g/0.9g/1.2gとした触媒である。
【0042】
図6に示すように、Ptを増量した触媒(□印)とPdを増量した触媒(△印)は、300℃〜400℃の温度域で基本の触媒(○印)に対してNOx浄化率が高くなっていることが判る。また、Rhを増量した触媒(▽印)では、300℃〜400℃の温度域で基本の触媒(○印)に対してNOx浄化率が低下していることが判る。
【0043】
これにより、PtとPdを増量することで、NOx浄化率を向上させることができることが判る。
【0044】
図7にはNOx浄化率と触媒入口温度との関係を示してある。図7では、触媒温度を800℃にし、リーン/リッチで40時間経過した状態において、PtとPdの割合とNOx浄化率の関係を表している。
【0045】
図中の○▽□印は、貴金属(Pt+Pd)の担持量を4.5g/Lとし、図中○印は、(Pt/Pd)を0.73にした触媒であり、図中▽印は、(Pt/Pd)を0.36に低下した触媒であり、図中□印は、(Pt/Pd)を0.13に低下した触媒である。図7に示すように、Ptの割合を低下させると、NOx浄化率が低下している。
【0046】
これにより、貴金属(Pt+Pd)の担持量が多くても(4.5g/L)、Ptの割合が0.73を下回るとNOx浄化率が低下することが判る。
【0047】
また、図中の●印は、貴金属(Pt+Pd)の担持量を2.7g/Lに減らし、(Pt/Pd)を0.73にした触媒である。図に示すように、貴金属(Pt+Pd)の担持量を減らしても、Ptの割合を0.73にすることで、NOx浄化率の低下は僅かであり、貴金属(Pt+Pd)の担持量を多くしてPtの割合を減らした場合(▽□印)よりもNOx浄化率が高く保たれている。
【0048】
これにより、貴金属(Pt+Pd)の担持量を大幅に増加させることなく、Ptの割合を0.73にすることで、NOx浄化率を向上させることができることが判る。
【0049】
図8にはNOx排出量と貴金属(Pt+Pd)の担持量の割合との関係を示してある。図8では、Pdに対するPtの割合がNOx排出量に対してどのように影響するかを表している。尚、図中の□▽○印のプロット点は、図7に示した(Pt/Pd)の割合に対応させてある。
【0050】
図8に示すように、Pdに対するPtの割合、即ち、PtとPdの担持量の比率である(Pt/Pd)が0.7を下回る領域では(図中の▽□印のプロット点)、NOx排出量が急増していることが判る。また、Pdに対するPtの割合が1.0以上でも(Ptを増加させても)、NOxの排出量はあまり変化せず微増に留まる。
【0051】
これにより、PtとPdの担持量の比率である(Pt/Pd)を0.7以上1.0未満の範囲に設定することで、Pdに対するPtの割合を最小限にし、最も高いNOx浄化性能を得ることができることが判る。
【0052】
PtとPdの担持量の比率である(Pt/Pd)を0.7以上1.0未満の範囲に設定することで、最も高いNOx浄化性能を得ることができる理由を図9に基づいて説明する。図9にはNOx浄化率と触媒入口温度との関係を示してある。図9は、Pt触媒の温度特性(○印)及びPd触媒の温度特性(△印)を示してある。
【0053】
全体として、Ptの活性を高めるCeOが担持されていることと相俟って、Pt触媒(○印)のNOx浄化性能が高くなっている。このため、図8(a)の部位に示したように、Pt/Pdの割合を増加させることで、NOx排出量が減少して性能が向上することが判る。
【0054】
耐火性無機酸化物上にPt及びPdを分散させる場合、Ptの担持量が多くなりすぎると熱耐久後にPtの凝集が進行し、活性が低下してしまう。即ち、PtはPdに比べて熱負荷増大による凝集の進行が早い。このため、図8(b)の部位に示したように、Pt/Pdの割合を増加させると、僅かであるが性能が低下する。言い換えれば、高価なPtの割合を増加させ過ぎても、性能が向上することはない。
【0055】
これにより、(Pt/Pd)を0.7以上1.0未満の範囲に設定することで、高価なPtの使用量を最小限に抑えて最も高いNOx浄化性能を得ることができることが判る。
【0056】
また、図9に△印で示すように、Pd触媒は、低温から高温まで略一定のNOx浄化率となり、高温になるにしたがって若干NOx浄化率は低下傾向となる。図9に○印で示すように、Pt触媒は、300℃を下回る低温の領域でNOx浄化率が低く、300℃以上の高温の領域で高いNOx浄化率が得られる。
【0057】
このため、Pdは低温の領域での活性に寄与し、Ptは高温の領域での活性に寄与しているので、限られた触媒層のトータル量で、広い温度範囲で良好な活性状態を得るために、(Pt/Pd)を0.7以上1.0未満の範囲に設定することが好ましいことが判る。
【0058】
従って、上述したNOxトラップ触媒9は、コストを抑制して最大限のNOx浄化性能を維持することが可能になる。
【0059】
尚、貴金属としてNOx還元成分としての性能が高いRhを担持させることも可能である。また、本発明のNOxトラップ触媒9として、筒内噴射型エンジンの排気通路に備えた例を挙げて説明したが、ディーゼルエンジンの排気通路に適用してディーゼルエンジンのNOx浄化に用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明は、内燃機関から排出される排気中のNOxを浄化する排気浄化触媒の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】本発明の一実施形態例に係る排気浄化触媒を備えた内燃機関の概略構成図である。
【図2】排気経路の概念図である。
【図3】メタル担体の説明図である。
【図4】メタル担体のセルの断面図である。
【図5】本発明の一実施形態例に係る排気浄化触媒の触媒層の模式説明図である。
【図6】NOx浄化率(%)と触媒入口温度との関係を表すグラフである。
【図7】NOx浄化率(%)と触媒入口温度との関係を表すグラフである。
【図8】NOx排出量と貴金属(Pt+Pd)の担持量の割合との関係を表すグラフである。
【図9】NOx浄化率(%)と触媒入口温度との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【0062】
1 内燃機関(エンジン)
2 点火プラグ
3 燃料噴射弁
4 吸気ポート
5 スロットルバルブ
6 排気ポート
7 排気通路
8 上流触媒
9 NOxトラップ触媒
10 三元触媒
11 平板
12 波板
13 セル
14 触媒層
15 コーティング層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の排気通路に設けられ、白金(Pt)及びパラジウム(Pd)を含む貴金属、耐火性無機酸化物、及びNOxトラップ剤を含む触媒層が担体に担持され、
排気空燃比がリーン状態の時に排気中のNOxを吸蔵すると共に排気空燃比が理論空燃比もしくはリッチ状態の時に吸蔵されたNOxを放出・還元する排気浄化触媒において、
白金(Pt)とパラジウム(Pd)の担持量の比率である{白金(Pt)/パラジウム(Pd)}を0.7以上1.0未満とした
ことを特徴とする排気浄化触媒。
【請求項2】
請求項1に記載の排気浄化触媒において、
前記NOxトラップ剤は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属である
ことを特徴とする排気浄化触媒。
【請求項3】
請求項2に記載の排気浄化触媒において、
前記アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属は、カリウム(K)である
ことを特徴とする排気浄化触媒。
【請求項4】
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の排気浄化触媒において、
前記内燃機関は、燃焼室に燃料を直接噴射して燃料を希薄燃焼させる直噴型内燃機関であり、下流には三元触媒が配置されている
ことを特徴とする排気浄化触媒。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2010−104898(P2010−104898A)
【公開日】平成22年5月13日(2010.5.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−278901(P2008−278901)
【出願日】平成20年10月29日(2008.10.29)
【出願人】(000006286)三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【出願人】(593024380)株式会社アイシーティー (22)
【出願人】(395016659)インターナショナル キャタリスト テクノロジー インコーポレイテッド (22)
【氏名又は名称原語表記】INTERNATIONAL CATALYST TECHNOLOGY,INC.
【Fターム(参考)】