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特許6436615ＳＣＲ触媒を含むパーシャルフィルタ基板及び排出処理システム及びエンジンの排気処理方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6436615
(24)【登録日】2018年11月22日
(45)【発行日】2018年12月12日
(54)【発明の名称】ＳＣＲ触媒を含むパーシャルフィルタ基板及び排出処理システム及びエンジンの排気処理方法
(51)【国際特許分類】
B01J 29/76 20060101AFI20181203BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20181203BHJP
B01J 35/02 20060101ALI20181203BHJP
F01N 3/022 20060101ALI20181203BHJP
F01N 3/08 20060101ALI20181203BHJP
F01N 3/24 20060101ALI20181203BHJP
F01N 3/28 20060101ALI20181203BHJP
【ＦＩ】
B01J29/76 AZAB
B01D53/94 228
B01J35/02 N
F01N3/022 D
F01N3/08 B
F01N3/24 E
F01N3/28 301P
F01N3/28 301S
【請求項の数】7
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2012-507385(P2012-507385)
(86)(22)【出願日】2010年4月22日
(65)【公表番号】特表2012-528705(P2012-528705A)
(43)【公表日】2012年11月15日
(86)【国際出願番号】US2010032073
(87)【国際公開番号】WO2010124105
(87)【国際公開日】20101028
【審査請求日】2013年4月16日
【審判番号】不服2016-377(P2016-377/J1)
【審判請求日】2016年1月8日
(31)【優先権主張番号】61/171,567
(32)【優先日】2009年4月22日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】12/765,441
(32)【優先日】2010年4月22日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505470786
【氏名又は名称】ビーエーエスエフ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100100354
【弁理士】
【氏名又は名称】江藤 聡明
(72)【発明者】
【氏名】ボーズ，アール．サミュエル
(72)【発明者】
【氏名】ボス，ケネス イー．
(72)【発明者】
【氏名】ディーテレ，マルティーン
【合議体】
【審判長】
大橋 賢一
【審判官】
後藤 政博
【審判官】
中澤 登
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２００６／００３９８４３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１０−５１９０２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００５／０９９８６７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００７−５０１３５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
英国特許出願公開第２０７０９５７（ＧＢ，Ａ）
【文献】
特開２００３−１２０２５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−２２４８８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５２５１６１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
B01J 21/00 - 38/76
B01D 53/92
B01D 53/94
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
初期のＮＯＸ濃度及び微粒子物質を含むエンジンの排気ガス流を処理するシステムに用いられ、前記ガス流がシステムの背圧及びシステムのＮＯＸ変換を生じさせる触媒物質において、
該触媒物質は、
第１のＳＣＲ触媒を含むパティキュレートフィルタを備え、
該パティキュレートフィルタは、
０．１ｇ／ｉｎ３〜３．５ｇ／ｉｎ３（０．１／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜３．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲の触媒担持量を有し、
８０〜９８％の自由容積及び４０〜７０ｐｐｉ（４０／２．５４〜７０／２．５４ ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｃｍ）の孔密度を有するとともに、
連続気泡または網状の基板構造を有するフォームを備え、
該フォームは、金属フォームであって、
多孔質壁を形成する孔及び支柱を備えることを特徴とする触媒物質。
該触媒物質は、
第１のＳＣＲ触媒を含むパティキュレートフィルタを備え、
該パティキュレートフィルタは、
０．１ｇ／ｉｎ３〜３．５ｇ／ｉｎ３（０．１／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜３．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲の触媒担持量を有し、
８０〜９８％の自由容積及び４０〜７０ｐｐｉ（４０／２．５４〜７０／２．５４ ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｃｍ）の孔密度を有するとともに、
連続気泡または網状の基板構造を有するフォームを備え、
該フォームは、金属フォームであって、
多孔質壁を形成する孔及び支柱を備えることを特徴とする触媒物質。
【請求項2】
前記パティキュレートフィルタは、軸方向の長さを有し、
前記ＳＣＲ触媒は、前記フィルタの軸長さ全長よりも短い領域に亘って配置されたことを特徴とする請求項１に記載の触媒物質。
前記ＳＣＲ触媒は、前記フィルタの軸長さ全長よりも短い領域に亘って配置されたことを特徴とする請求項１に記載の触媒物質。
【請求項3】
前記ＳＣＲ触媒担持量は、
０．５ｇ／ｉｎ３〜２．０ｇ／ｉｎ３（０．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜２．０／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の触媒物質。
０．５ｇ／ｉｎ３〜２．０ｇ／ｉｎ３（０．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜２．０／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の触媒物質。
【請求項4】
請求項１に記載の触媒物質を含むディーゼルエンジン用排出処理システムであって、
前記パティキュレートフィルタの上流に配置された酸化触媒を更に含み、
前記エンジンと前記パティキュレートフィルタとの間にＳＣＲ触媒が介在しないことを特徴とするディーゼルエンジン用排出処理システム。
前記パティキュレートフィルタの上流に配置された酸化触媒を更に含み、
前記エンジンと前記パティキュレートフィルタとの間にＳＣＲ触媒が介在しないことを特徴とするディーゼルエンジン用排出処理システム。
【請求項5】
初期のＮＯＸ濃度及び微粒子物質を含みかつＮＯＸ変換に有用な、エンジンの排気ガス流を処理し、前記ガス流がシステムの背圧及びシステムのＮＯＸ変換を有する方法であって、
エンジンの下流に配置され、ＮＯＸ変換に有効な０．１ｇ／ｉｎ３〜３．５ｇ／ｉｎ３（０．１／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜３．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲の担持量を有しフィルタ基板それ自体の長さの１０〜１００％に亘って配置されたＳＣＲ触媒を担持したパティキュレートフィルタをガス流が通過する方法であって、
前記パティキュレートフィルタは、
８０〜９８％の自由容積及び４０〜７０ｐｐｉ（４０／２．５４〜７０／２．５４ ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｃｍ）の孔密度を有するとともに、
連続気泡または網状の基板構造を有するフォームを備え、
該フォームは、金属フォームであって、
多孔質壁を形成する孔及び支柱を備える、
ことを特徴とする方法。
エンジンの下流に配置され、ＮＯＸ変換に有効な０．１ｇ／ｉｎ３〜３．５ｇ／ｉｎ３（０．１／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜３．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲の担持量を有しフィルタ基板それ自体の長さの１０〜１００％に亘って配置されたＳＣＲ触媒を担持したパティキュレートフィルタをガス流が通過する方法であって、
前記パティキュレートフィルタは、
８０〜９８％の自由容積及び４０〜７０ｐｐｉ（４０／２．５４〜７０／２．５４ ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｃｍ）の孔密度を有するとともに、
連続気泡または網状の基板構造を有するフォームを備え、
該フォームは、金属フォームであって、
多孔質壁を形成する孔及び支柱を備える、
ことを特徴とする方法。
【請求項6】
初期のＮＯＸ濃度及び微粒子物質を含みかつＮＯＸ変換に有用な、エンジンの排気ガス流を処理し、前記ガス流がシステムの背圧及びシステムのＮＯＸ変換を有する方法であって、
エンジンの下流に配置され、ＮＯＸ変換に有効な０．１ｇ／ｉｎ３〜３．５ｇ／ｉｎ３（０．１／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜３．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲の担持量を有しパーシャルフィルタ基板それ自体の長さの１０〜１００％に亘って配置された第１のＳＣＲ触媒を担持したパティキュレートフィルタをガス流が通過し、
該パティキュレートフィルタを通過した後のガス流が中間のＮＯＸ濃度を有し、
前記パティキュレートフィルタの上流の排気ガスシステムにアンモニアまたはアンモニア前駆体を噴射し、
ＮＯＸ変換に有用なパティキュレートフィルタの下流に配置された第２のＳＣＲ触媒を担持した第２の基板を、中間のＮＯＸ濃度を有するガス流が通過し、
排出処理システムから出たガス流が最終のＮＯＸ濃度を有し、かつシステムのＮＯＸ変換及びシステムの背圧が作動可能領域内に存在する方法であって、
前記パティキュレートフィルタは、
８０〜９８％の自由容積及び４０〜７０ｐｐｉ（４０／２．５４〜７０／２．
５４ ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｃｍ）の孔密度を有するとともに、
連続気泡または網状の基板構造を有するフォームを備え、
該フォームは、金属フォームであって、
多孔質壁を形成する孔及び支柱を備える、
ことを特徴とする方法。
エンジンの下流に配置され、ＮＯＸ変換に有効な０．１ｇ／ｉｎ３〜３．５ｇ／ｉｎ３（０．１／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３）〜３．５／１６．３８７１（ｇ／ｃｍ３））の範囲の担持量を有しパーシャルフィルタ基板それ自体の長さの１０〜１００％に亘って配置された第１のＳＣＲ触媒を担持したパティキュレートフィルタをガス流が通過し、
該パティキュレートフィルタを通過した後のガス流が中間のＮＯＸ濃度を有し、
前記パティキュレートフィルタの上流の排気ガスシステムにアンモニアまたはアンモニア前駆体を噴射し、
ＮＯＸ変換に有用なパティキュレートフィルタの下流に配置された第２のＳＣＲ触媒を担持した第２の基板を、中間のＮＯＸ濃度を有するガス流が通過し、
排出処理システムから出たガス流が最終のＮＯＸ濃度を有し、かつシステムのＮＯＸ変換及びシステムの背圧が作動可能領域内に存在する方法であって、
前記パティキュレートフィルタは、
８０〜９８％の自由容積及び４０〜７０ｐｐｉ（４０／２．５４〜７０／２．
５４ ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｃｍ）の孔密度を有するとともに、
連続気泡または網状の基板構造を有するフォームを備え、
該フォームは、金属フォームであって、
多孔質壁を形成する孔及び支柱を備える、
ことを特徴とする方法。
【請求項7】
前記エンジンと前記パティキュレートフィルタとの間にＳＣＲ触媒が介在しないことを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、触媒物質、大気中に排出される前のディーゼルエンジンの典型的なガスの排出処理方法及びシステムに関する。システムは、一般的にはウォールフローフィルタよりも低い粒子濾過効率を有するパーシャルフィルタを含む。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンの排気ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（“ＨＣ”）及び窒素酸化物（ＮＯx）といったガス排出物ばかりでなく、いわゆる微粒子または微粒子物質が構成する凝縮相物質（液体及び固体）も含む不均質混合物である。ディーゼルエンジンの排気システムには、触媒成分及び触媒成分が分解された基板が、ある種のまたはこれらすべての排気成分を無害な成分に変えるためにしばしば備えられている。例えば、ディーゼル排気システムは、１以上のディーゼル用酸化触媒、煤煙フィルタ及びＮＯX削減用の触媒を有する。
【0003】
プラチナ族の金属、卑金属及びこれらの混合物を含む酸化触媒は、ＨＣやＣｏといったガス状の汚染物質及びこれら汚染物質が酸化した微粒子物質の一部を二酸化炭素や水に変換することを促進して、ディーゼルエンジンの排気ガスの処理を容易にすることが知られている。これら触媒は、一般的に、単一のいわゆるディーゼル用酸化触媒（“ＤＯＣ”）に含まれ、大気中に排気ガスが排出される前に排気ガスを処理するために、ディーゼルエンジンの排気システムに配置されている。ガス状のＨＣ、ＣＯ、及び微粒子物質への変換に加えて、プラチナ族の金属（典型的には耐火性酸化物助剤に分散している）を含む酸化触媒は、一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ2）への酸化を促進する。
【0004】
ディーゼルの排気における全微粒子物質の排出物は、３つの主要な混合物を含んでいる。第１の混合物は固体で乾燥した固体炭素成分、または煤煙成分である。この乾燥した炭素物質は、ディーゼルの排気に伴う視認性のある煤煙の排出に有効である。第２の微粒子物質の成分は、可溶性有機成分（“ＳＯＦ”）である。可溶性有機成分は、しばしば揮発性有機成分（“ＶＯＦ”）とよばれる。専門用語として用いられる。ＶＯＦは、ディーゼルの排気物中に、ディーゼル排気物の温度に応じて、蒸気としてまたはエアゾール（凝縮液の微細な液滴）として存在し得る。標準的な微粒子捕集温度５２℃で、凝縮液が汚染された排気ガスに一般的に存在することは、Ｕ．Ｓ． Ｈｅａｖｙ Ｄｕｔｙ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｆｅｄｅｒａｌ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅといった標準的な測定試験によって規定されている。このような液体は、２つの源である（１）ピストンがエンジンのシリンダ壁を上下する度に掃きだされた潤滑油、及び（２）不燃のまたは部分燃焼したディーゼル燃料、から生じる。
【0005】
微粒子物質の第３の成分は、いわゆる硫酸成分である。硫酸成分は、ディーゼル燃料中に存在する少量の硫黄成分から生成される。ディーゼルの燃焼中に少ない割合でＳＯ3が生成され、次に、このＳＯ3が硫酸を生成するために排気ガス中で水と迅速に結合して硫酸が生成される。硫酸は、エアゾール化した微粒子を凝縮相として収集する。または、他の微粒子成分中に吸収され、全微粒子物質の集合に付加される。
【0006】
高い微粒子物質の削減のために使用される１つの後処理技術は、ディーゼルパティキュレートフィルタである。ディーゼルの排気ガスから微粒子物質を除去するために有効なフィルタ構造は、数多く知られている。例えば、ハニカム壁のフローフィルタ、繊維を巻きつけたまたは束ねたフィルタ、オープンセルフォーム、焼結金属フィルタ等が挙げられる。しかし、後述するセラミック壁フローフィルタは、最も注目に値するものである。これらのフィルタは、ディーゼルの排気ガスから９０％以上の微粒子物質を除去することができる。フィルタは、排気ガスから粒子を除去する物理的な構造物であり、集積する粒子は、フィルタまたはエンジンからの背圧を増大させる。従って、集積する粒子は、継続的または定期的に、許容背圧を維持するためにフィルタで燃焼させる必要がある。
【0007】
アンモニア選択触媒還元（ＳＣＲ）は、ディーゼル及びリーンバーンエンジンにおける厳格なＮＯX排出規制をみたすために用いられるＮＯX減少の技術である。アンモニアＳＣＲ工程では、ＮＯX（ＮＯとＮＯ2の総和と定義される）は、アンモニア（または尿素といったアンモニア前駆体）と反応して、典型的には卑金属から構成される触媒を介して二窒素（Ｎ2）を形成する。
【0008】
ＮＯXのＳＣＲを促進する触媒を担持した触媒作用を有するウォールフローフィルタは、２つの機能を果たす。この機能は、排気ガス流の微粒子成分の除去及び排気ガス流のＮＯX成分をＮ2に変換することである。ＮＯX削減目標を達成するＳＣＲ被覆されたウォールフローフィルタは、車両中の通常の空間的な制約の下では、ウォールフローフィルタ上のＳＣＲ触媒成分の十分な担持量を要求する。排気ガス流のある種の有害な成分または高温に製品寿命を超えて晒されて、成分の触媒効果が漸次減少し、これにより、ＳＣＲ触媒成分の触媒担持量を多くする必要性が増加する。しかし、高い触媒担持量を有する被覆されたウォールフローフィルタを備えることは、排気システム内の背圧が、許容できないほど高くなる。背圧の増大は、燃料効率を悪化させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ９７１０３２、タイトル「Ａ Ｎｅｗ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」
【非特許文献2】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，Ｆｅｂ．２４−２７，１９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ウォールフローフィルタの被覆の際に考慮する他の事項は、適正なＳＣＲ触媒成分の選択である。第１に、触媒成分は、フィルタの再生の特徴である高温に長時間晒された後であっても、ＳＣＲ触媒活性を維持し得るように熱耐久性を有することが必要である。例えば、微粒子物質の煤煙成分の燃焼は、しばしば、７００℃を超える。このような温度は、バナジウム及びチタニウムの混合酸化物といった通常用いられる多くのＳＣＲ触媒成分の触媒作用をより減少させるように働く。第２に、ＳＣＲ触媒成分は、好ましくは、車両が動作する際の温度範囲を超えて様々な温度範囲に適合可能なように、十分に広い作用温度範囲を有する。３００℃未満の温度は、典型的には、例えば、低負荷状態または始動状態の場合に生じる。ＳＣＲ触媒成分は、低い排気ガス温度のとき、特にＳＣＲ触媒が例えばウォールフローフィルタのフィルタ基板に配置されているときであっても、排気ガス中のＮＯX成分の削減を、ＮＯX削減目標に到達するように触媒作用を生じることが好適である。一般に、ＳＣＲ触媒は、高い水熱安定性に関して顕著な作用を有することを要する。
【0011】
ウォールフローフィルタ上に高いＳＣＲ触媒の担持量を与えることを許容しつつも背圧を受け得る流下特性を維持することができる、ＳＣＲ触媒及び被覆技術を含むウォールフローフィルタが提案されている。高いＳＣＲ触媒担持量を有するこのような提案されたウォールフローフィルタ及び被覆技術にも関わらず、背圧及びＳＣＲ触媒の触媒機能の管理が可能な他の触媒フィルタ及びシステムが要求されるであろう。加えて、排気ガス流がフィルタを流れる際に十分に低い温度でのＮＯXの変換を達成し、かつ好適な水熱時間変化特性を示すＳＣＲ触媒担体で被覆されたパティキュレートフィルタを利用する好適な触媒物質、システム及び方法を提供することが望まれるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明によれば、パーシャル効率フィルタは、ディーゼルエンジンの排気ガスを減少させるため、及びＮＯX及び微粒子物質を含むエンジン排気ガス流の処理を行うためのシステム及び方法において使用される。例えば、ＥＵ ＩＩＩ及びＥＵ ＩＶといった遵守すべき排出ガイドラインは、高効率のフィルタを必ずしも要求しておらず、パーシャル効率フィルタは、高いフィルタ効果を要求しないシステムで用いられる。ここで用いられる“パーシャルフィルタ”または“パーシャル効率フィルタ”は、フィルタ効率が質量基準で、およそ３０％〜およそ６０％の範囲のフィルタのことをいう。
【0013】
加えて、ディーゼル排気装置におけるパーシャル効率煤煙フィルタの使用は、付加的な排気処理システムの設計の柔軟性をもたらす。例えば、パーシャルフィルタの中の煤煙の堆積が高効率フィルタより低い割合で生じることから、必要とされる再生の間の時間はより長くなり、それにより、煤煙の完全燃焼及びフィルタ材料にかかる熱的負荷の削減が確実なものとなるように、排気ガス温度の上昇に伴い燃料消費の削減が達成される。また、あるパーシャルフィルタは金属から形成され、これにより、熱的・機械的衝撃に対する抵抗力が増大する。これは、振動及び排気圧脈動力がかなり高いエンジンの近傍にフィルタを配置することを許容するものである。更に、パーシャルフィルタは、任意のブラインドを有さないか、または溝を有していない。従って、高効率フィルタを用いて作られた煤煙の燃焼による耐熱性無機副生成物、すなわち灰の収集がしにくい。高効率フィルタで形成された灰は、排気システムの背圧増大及びエンジンの不可避的な低効率化をもたらす。従って、パーシャルフィルタで灰が形成されることを回避すれば、高いエンジン効率及び低燃費に直接的につながる。これら設計上の考慮事項を念頭に置くと、パーシャルフィルタを用いた粒子排出規制に適合しうる装置は、フィルタを設計することに明確なインセンティヴを有する。
【0014】
本発明の実施の形態によれば、パティキュレートフィルタは、ガス流から微粒子物質の少なくとも３０〜６０％を除去するパーシャルフィルタである。また、パティキュレートフィルタは、５０％〜９５％の多孔質性を有する。パティキュレートフィルタは、フォームを含み得る。このようなフィルタは、更に、開放基板構造または網状基板構造及び／または孔及び多孔質壁を形成する支柱を有する。
【0015】
他の実施の形態によれば、パティキュレートフィルタは、０．１ｇ／ｉｎ3〜３．５ｇ／ｉｎ3の範囲の触媒担持量を有し、より具体的には、約０．５ｇ／ｉｎ3〜２．０ｇ／ｉｎ3の範囲の触媒担持量を有する。１以上の実施の形態では、ＳＣＲ触媒は、パティキュレートフィルタの軸長に沿って配置されている。ある実施の形態では、ＳＣＲ触媒は、パティキュレートフィルタの軸長の一部または領域に配置され、パティキュレートフィルタの全軸長に亘ってまたは全軸長に亘らないで配置される。
【0016】
本発明の他の実施の形態によると、システムで処理されるガス流の成分は、約５００ｐｐｍのＮＯ、５００ｐｐｍのＮＨ3及び５％の大気中の水分である。本実施の形態で用いられるＳＣＲ触媒は、２５０℃で少なくとも１０％のＮＯX変換をもたらすまたはこの変換に有用な、及びＮＨ3に対して１の割合のＮＯXとともに約４００００ｈ-1の空間速度をもたらすまたは有用な任意の材料を用いることができる。本システムのある実施の形態は、同様の被覆されていないフィルタを用いた同様のシステムと対比した場合に、最小約３０％以上のＮＯX変換及び最大の背圧増加を約２５％とすることができる。具体的な実施の形態では、目標のＮＯX変換率はテストサイクルを通じて約６０％であり、フィルタ中の背圧における最大の目標割合は、同様の被覆されていないフィルタを用いた同様のシステムと対比した場合の約２５％である。
【0017】
本発明の種々の実施の形態において、ＳＣＲ触媒は、例えば、ＣｕＣＨＡ構造といったＣＨＡ構造を有するゼオライトを含みうる。１以上の実施の形態におけるＳＣＲ触媒は、Ｖ2Ｏ5及びＴｉＯ2の混合酸化物を含み、及び／またはＦｅが添加されたゼオライトを含み得る。他の実施の形態では、ＳＣＲ触媒は、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｇ及びこれらの混合物を含み得るモレキュラシーブを含み得る。
【0018】
同様のまたは異なるシステムにおいて異なる位置に配置される複数のＳＣＲ触媒が、存在し得る。２つの触媒が異なる場合は、第１のＳＣＲ触媒は、高いガス流温度でＮＯX変換を実施可能であり、第２のＳＣＲ触媒は、低いガス流温度でＮＯX変換を実施可能である。
【0019】
ＳＣＲ触媒を備えたパティキュレートフィルタを含むシステムは，１以上の他の基板を組み入れてもよく、この基板は、ＳＣＲまたは酸化触媒を含み得る。このような他の基板に用いられるＳＣＲ触媒は、パティキュレートフィルタに用いられるＳＣＲ触媒と同様または異なっていてもよい。１以上の実施の形態では、酸化触媒はパティキュレートフィルタの上流に配置される。システムのより具体的な実施の形態では、パティキュレートフィルタは、パティキュレートフィルタとエンジンとの間にＳＣＲ触媒が介在することのないように、エンジンに近接して配置される。システムは、パティキュレートフィルタの下流に配置されるフロースルー基板を含み、また、パティキュレートフィルタの上流に配置された酸化触媒を任意的に含み得る。このようなシステムでは、フロースルー基板は、ＮＯX変換に有効なＳＣＲ触媒を含み、システムは、約５０％〜１００％の範囲のＮＯX変換率を有する。より具体的な実施の形態では、パティキュレートフィルタによるＮＯX変換率は、システムのトータルＮＯX変換率の約１０％〜９０％の範囲にある。
【0020】
本システムの１以上の実施の形態は、排気ガス流中の初期の、中間の、及び最終のＮＯX濃度を効果的に発生させるものである。このような実施の形態では、システムは、排気ガス流がパティキュレートフィルタを通過した後に中間のＮＯX濃度を発生し、排気ガス流が第２の基板を通過した後に最終のＮＯX濃度を発生する。このようなシステムでは、初期のＮＯX濃度及び最終のＮＯX濃度及びシステムの背圧の増加に基づくシステムのＮＯX変換率は、最小の目標となるＮＯX変換率及びシステムの背圧の最大の目標割合の増加率に基づいた作動可能領域に存在する。１以上の実施の形態では、目標のＮＯX変換率は５０％以上であり、システムの背圧の最大の目標割合の増加率は、同様の被覆されていないフィルタを含む同様のシステムと比べて約２５％である。
【0021】
更に、本発明は、ＮＯX濃度、システムの背圧及びシステムのＮＯX変換を有するエンジン排気ガス流の処理方法を含む。この方法は、ＮＯXの変換に有効であり、かつ、最小の目標となるＮＯX変換及びシステムの背圧の最大の目標割合の増加に基づく排気ガスシステムの作動可能領域を明確にし、エンジンの下流に配置されたパティキュレートフィルタを介してガス流を通し、アンモニアやアンモニア前駆体といった還元剤をパティキュレートフィルタの上流のガス流に噴射し、パティキュレートフィルタの下流に配置された第２のＳＣＲ触媒が担持された第２の基板を介してガス流を通すプロセスを有し、システムのＮＯX変換及びシステムの背圧が作動可能領域内に存在する。排出処理システムから出るガス流は、最終のＮＯX濃度を有する。１以上の実施の形態では、システムのＮＯX濃度は、約５０％〜１００％の範囲を有する。本発明の方法に係る１以上の実施の形態に用いられるパティキュレートフィルタの変換は、システムのＮＯX変換の約１０〜９０％の範囲にある。
【0022】
より具体的な実施の形態では、ガス流は、エンジンの下流に配置され質量基準で約３０％〜６０％の範囲の微粒子濾過効率を有するパティキュレートフィルタを介して通される。本方法の実施の形態では、パティキュレートフィルタは、６０％〜９５％の多孔性を有する金属発泡フィルタである。本方法の具体的な実施の形態では、ＳＣＲ触媒が担持されたパティキュレートフィルタは、例えば、略０．１ｇ／ｉｎ3〜３．５ｇ／ｉｎ3の範囲でＮＯX変換に有効な担持量を有する。他の実施の形態では、ＳＣＲ触媒は、約０．５ｇ／ｉｎ3〜２．０ｇ／ｉｎ3の範囲内の担持量を有する。ＳＣＲ触媒は、それ自体の長さの１０〜１００％のフィルタ基板上に配置される。
【0023】
本方法の１以上の実施の形態では、システムの背圧の割合増加は、システムの背圧を伴った触媒が担持されていないフィルタと、約２００００ｈｒ-1〜１２００００ｈｒ-1の範囲内の空間速度で、コールドフロー値の平均で測定された触媒を担持したフィルタとの対比に基づいている。１以上の実施の形態では、本方法は、エンジンとパティキュレートフィルタとの間にＳＣＲ触媒が介在することがない。更に具体的な実施の形態では、第２の基板には、ＮＯX変換に効果的なパティキュレートフィルタの下流に配置された第２のＳＣＲ触媒が担持される。
【0024】
本方法の実施の形態によれば、最小の目標となるＮＯX変換は、同様の被覆されていないフィルタを含む同様のシステムと比べて約３０％以上であり、システムの背圧における最大の目標割合の増加は、同様の被覆されていないフィルタを含む同様のシステムと比べて約２５％である。具体的な実施の形態では、目標のシステムのＮＯX変換はテストサイクルを通じて約５０％であり、フィルタ中の背圧における最大の目標割合は、同様の被覆されていないフィルタを用いた同様のシステムと対比した場合に約２５％である。
【0025】
本発明の特徴及び技術的に有利な点についての概略は、上記の通りである。本発明の要旨の範囲内で、開示された具体的な実施の形態は、他の構造またはプロセスに改変または設計するための基礎として、当業者によって容易に用いることができる。また、このような均等な構造物は、従属項で述べられる本発明の思想及び範囲から離れるものではないと当業者に認識されるものである。
【0026】
上記列挙した本発明の特徴は、上述の記載によって詳細に理解し得るものと考える。上記に端的に要約したが、本発明のより具体的な記載については、実施の形態を参照し得る。実施の形態のうちいくつかは、以下の図面に示されている。しかし、以下の図面は本発明の典型的な実施の形態を示したものに過ぎず、これによって本発明の範囲が限定されるものでもなく、本発明の範囲は他の同等な効果的な実施の形態に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【発明を実施するための形態】
【0028】
触媒物質、システム及び方法が提供され、触媒物質は、微粒子物質、ＮＯX及びディーゼルエンジン排気ガスのガス成分を一斉に処理するパーシャル効率フィルタを有する。排気処理システムは、排出システムに要求される質量及び体積が極力小さくなるように、統合煤煙フィルタ及びＳＣＲ触媒が使用される。更に、システムに具備される触媒成分を選択することによって、種々の排気ガス流の温度のために効果的な汚染物質の減少がもたらされる。この特徴は、種々の負荷及び車両のエンジンから排出される排気の温度に大きな影響を及ぼす車両速度でディーゼル車を運転するために有利である。
【0029】
ＮＯX削減及び微粒子除去の機能の単一の触媒製品内への統合が、ＳＣＲ触媒成分で被覆されたパーシャルフィルタ基板を用いることで達成される。ウォールフロー基板上のＳＣＲ触媒成分の実用的なレベルの達成は、ＮＯXの削減レベルの要求達成のための十分な触媒活性をもたらすために重要であり、かつ、フィルタに残った煤煙の破片が燃焼する温度を低下せしめるために重要である。煤煙フィルタ上のＳＣＲ触媒成分の適正なレベルの達成もまた、触媒の適切な耐久性を確保するために重要である。排出処理システムの耐久期限を超えた使用により、潤滑油の分解によって生じる、またはディーゼル燃料の不純性から生じる種々のレベルの触媒被毒に曝されている。このような触媒被毒の例としては、リン、亜鉛、アルカリ金属及びアルカリアース金属が挙げられる。触媒成分の高いレベルはこれにより、典型的に触媒基板に沈殿し、触媒活性の不可避的な損失を回避する。
【0030】
排出処理システムにおける発明の一の実施の形態が、図１Ａに模式的に示されている。図示のように、ガス状の汚染物質（未燃焼の炭化水素、一酸化炭素及びＮＯXを含む）を含む排気ガス流及びエンジン１５からの微粒子物質がシステムに導入される。炭化水素、アンモニアまたはアンモニア前駆体（尿素など）またはＳＣＲ反応を促進する十分に高い還元能力を示す任意の他の物質が、ノズル（図示しない）を介して排気ガス流にスプレーとして噴射される。一の線１８で示された水性の尿素は、混合部１６において他の線１９で示される空気と混合されるアンモニア前駆体として機能する。バルブ１４は、排気ガス流中でアンモニアに変換される水性尿素の正確な量を計測するために用いられる。還元剤が添加された排気ガス流は、第１のＳＣＲ触媒を含むパティキュレートフィルタ１２に向かって運ばれる。排気ガス流がパティキュレートフィルタ１２を通過すると、ＮＯX成分は、アンモニアを有する選択的なＮＯXの触媒還元剤を介して窒素に変換される。エンジン１５とパティキュレートフィルタ１２との間には、中間的なＳＣＲ触媒は配置されていない。
【0031】
煤煙の一部及びＶＯＦを含む微粒子物質もまた、パティキュレートフィルタ１２によって除去（質量基準に基づいて約３０〜６０％）される。パティキュレートフィルタ１２に沈殿する微粒子物質は、フィルタの再生を通して燃焼され、フィルタは、ＳＣＲ触媒の存在によって補助される。微粒子物質の燃焼物の煤煙の破片の温度は、パティキュレートフィルタ１２に配置された触媒成分の存在によって低下せしめられる。
【0032】
パティキュレートフィルタ１２の存在によって、ガス流は、第２のＳＣＲ触媒を含む基板１３を通過する。基板１３は、フロースルー基板であってもよく、パティキュレートフィルタ１２の下流に配置されている。エンジン１５から排出されるガス流は、パティキュレートフィルタ１２に入る前の位置３において初期のＮＯX濃度を含んでおり、パティキュレートフィルタ１２と下流の基板１３との間に中間のＮＯX濃度を含んでおり、フロースルー基板１３を通過した後の位置７に最終のＮＯX濃度を含んでいる。初期のＮＯX濃度及び最終のＮＯX濃度を基礎としたガス流中で達成したＮＯXのシステム変換は、略５０％よりも大きい。パティキュレートフィルタ１２によるＮＯX変換は、テスト運転サイクル（テスト運転サイクルについては、http://www.epa.gov/nvfel/testing/dvnamometer.htmを参照）を通して全体的に測定された、またはシミュレートされた反応器の状態の下における、システムのＮＯX変換の約１０％〜約９０％の範囲である。開示された排出処理システムを見渡すと、ガス流は、システムの背圧を約２５％未満に増加させる。システムの背圧の増加量は、被覆されていないフィルタを通過するガス流から生じる背圧の増加量と比較して決定される。システムの背圧は、空間速度におけるコールドフロー値の平均によって測定され、システム体積によって分割されたガス流の体積測定フロー割合と等しく、２００００ｈ-1と１２００００ｈ-1との間にある。
【0033】
本発明の排出処理システムは、最小の目標ＮＯX濃度及びシステムの背圧における最大の目標割合の増加によって規定された作動可能領域の内側の操作を許容する。この作動可能領域は、高いＮＯX変換が過大でかつ望ましくない背圧の大きな増加を引き起こすことがないと認識された範囲でもたらされる。一の実施の形態では、最小の目標のＮＯX変換は、テストサイクルを通して約５０％であり、被覆されていないパーシャルフィルタを通したシステムの背圧における最大の目標割合の増加は、約２５％である。明らかに、他の最小の目標のシステムのＮＯX濃度及びシステムの背圧における最大の目標割合の増加が確立され得る。
【0034】
システムに用いられる好適なＳＣＲ触媒成分は、適切なＮＯXレベルが、典型的には低排出温度に関連する低負荷の状態の下であっても処理し得るように、６００℃以下の温度でＮＯX成分の還元に効果的に触媒作用を及ぼすことができる。好ましくは、触媒物質は、システムに添加される還元剤の量次第では、少なくとも５０％のＮＯX成分をＮ2に変換することができる。加えて、システムに用いられるＳＣＲ触媒成分は、微粒子物質の煤煙の破片が燃焼される際に温度が低下することによってフィルタの再生を促進する。成分に対する他の好適な特性は、ＮＨ3が大気中に排出されないように、任意の過剰なＮＨ3、Ｎ2及びＨ2Ｏを備えたＯ2の反応に触媒作用を及ぼす能力を有する。システムの実施の形態では、第１のＳＣＲ触媒及び／または第２の触媒は、銅ＣＨＡ構造を有するゼオライト、Ｖ2Ｏ5の酸化混合物、ＷＯ3及びＴｉＯ2またはＦｅを付与したゼオライトを含む。１以上の実施の形態では、ＳＣＲ触媒はモレキュラシーブを含み、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｇ及びこれらの材料の混合物といった促進剤を含む。
【0035】
１以上の実施の形態では、１以上のＳＣＲ触媒が用いられる。ＳＣＲ触媒の成分は、同一であっても異なっていてもよい。異なっている場合は、一のＳＣＲ触媒は、より高いガス流温度でＮＯX変換を制御し、他のＳＣＲ触媒は、より低いガス流温度でＮＯX変換を制御する。例えば、一のＳＣＲ触媒はＣＨＡ構造を有するゼオライトを含み、他のＳＣＲ触媒はＶ2Ｏ5、ＷＯ3及びＴｉＯ2の酸化混合物を含む。具体的な実施の形態では、一のＳＣＲ触媒はＦｅを付与したゼオライトを含み、他のＳＣＲ触媒はＶ2Ｏ5、ＷＯ3及びＴｉＯ2の酸化混合物を含む。より具体的な実施の形態では、一のＳＣＲ触媒はＦｅを付与したゼオライトを含み、他のＳＣＲ触媒はＣＨＡ構造を有するゼオライトを含む。
【0036】
本発明に係るシステムに用いられる有用なＳＣＲ触媒成分は、６５０℃以上の温度に対する温度抵抗を有する。このような高い温度はしばしば、パティキュレートフィルタの再生の間に生じる。ＳＣＲ触媒成分は、ディーゼルエンジンの排気ガス成分にはしばしば発生する硫黄成分に曝されることによる崩壊に抵抗し得る。第１のＳＣＲ触媒は、２５０℃で少なくとも略１０％で、かつ空間速度が略４００００ｈ-1のシステムＮＯX変換を付与するために選択される。好ましくは、第１のＳＣＲ触媒は、これら同じ状態の下で、少なくとも略５０％のシステムのＮＯX変換をもたらすために選択される。
【0037】
好適なＳＣＲ触媒成分は、例えば、米国特許４９６１９１７号（９１７特許）及び５５１６４９７号に開示されている。この双方の開示内容は全て、本発明に組み込まれている。ゼオライト中に約０．１〜３０質量％の量で存在する、好ましくは、促進剤を付加したゼオライト中に約１〜５質量％の量で存在する鉄及び銅の促進剤のうちの一方または双方を含む成分が、９１７特許で開示されている。Ｎ2にＮＨ3でＮＯXの削減を生じさせる触媒作用を有する能力に加えて、開示された成分は、過剰なＮＨ3をＯ2で酸化を促進する。特に、これらの成分は、高い促進剤の濃度を有する。
【0038】
このような成分に用いられるゼオライト及びモレキュラシーブは、硫黄被毒に対して抵抗力を有し、ＳＣＲプロセスの高いレベルの活動を維持し、過剰なアンモニアを酸素で酸化する能力を有する。これらのゼオライトは、短期的な硫黄被毒に起因する硫黄酸化物の分子の存在下で、及び／または長期的な硫黄被毒に起因する硫黄沈殿物の存在下で、反応分子ＮＯ及びＮＨ3に対して、生成物分子Ｎ2及びＨ2Ｏからの適切な動作を許容するのに十分な大きさの細孔を有する。好適なサイズの細孔のシステムは、全ての３つの結晶面と相互に連結している。ゼオライトの分野で知られている技術として、ゼオライトの結晶構造は、多かれ少なかれ通常に回復する接続、交差およびその類を有する複合的な細孔構造を示す。このような特定の直径寸法または断面形状等の特定の特性を有する細孔は、それらの細孔が他の同様の細孔と交差しない場合には、一次元である。細孔が、与えられた平面内でのみ交差している場合は、このような特徴を有する細孔は、二次元（結晶）として相互に連結している。細孔が、同じ平面内及び他の平面内に配置される他の同様の細孔と交差する場合、このような細孔は、三次元として相互に連結している。換言すると、三次元的となるということである。１以上の実施の形態によれば、硫黄被毒に対して高い抵抗力を有し、ＳＣＲプロセス及び酸素を伴ったアンモニアの酸化の両方に良好な作用を付与し、高温・高水熱状態及び硫黄被毒の条件下にあるときでさえ良好な作用を維持するゼオライトは、細孔の直径が少なくとも略７オングストロームを示す細孔を有し、三次元で相互に連結している。特定の理論に拘束されることなく、三次元における少なくとも７オングストロームの直径の細孔の交差は、ゼオライト構造を通過する硫黄分子の良好な搬送性をもたらす。上述の基準に適合する任意のゼオライトは、本発明の実施に用いるのに好適である。このような基準に適合する特定のゼオライトは、ＵＳＹ、Ｂｅｔａ、及びＺＳＭ−２０である。他のモレキュラシーブは、前述の基準をみたす。
【0039】
パティキュレートフィルタの基板に沈殿する場合、このようなＳＣＲ触媒成分は、要求されるＮＯX削減を確保すべく、約０．１ｇ／ｍ3の濃度を超えかつ約３．５ｇ／ｍ3の濃度を下回って沈殿し、微粒子の除去レベルが達成され、触媒の適切な耐用性を超えた使用が確保される。
【0040】
図１Ｂに示された排出処理システムの他の実施の形態では、酸化触媒１１は、パティキュレートフィルタ１２の上流に配置される。図１Ｂでは、エンジン１５から排出されるガス流は、酸化触媒１１に入る前の位置２において、第１のＮＯX濃度を含んでいる。第２のＮＯX濃度は酸化触媒１１とパティキュレートフィルタ１２との間の位置４に位置し、第３のＮＯX濃度はパティキュレートフィルタ１２を通過して下流基板１３に入る際の位置６に位置し、最終のＮＯX濃度は、下流基板１３を通過した後の位置１３に位置する。
【0041】
酸化触媒１１では、未燃焼ガス及び不揮発性の炭化水素（例えばＶＯＦ）及び一酸化炭素は、大部分が燃焼されて二酸化炭素及び水を生成する。特に、酸化触媒に用いられるＶＯＦの実質的な部分の除去は、システムの下流に配置されたパティキュレートフィルタ１２に微粒子物質が大量に沈殿すること（例えばクロッギング）を防止する。加えて、ＮＯX成分のＮＯの実質的部分は、酸化触媒においてＮＯ2に酸化される。上流の酸化触媒の触媒作用により増加したＮＯXにおけるＮＯ2の部分は、ＮＯX成分中のＮＯ2の少ない部分を含む排気ガス流と比べると、ＮＯXの削減を促進する。
【0042】
酸化触媒１１は、未燃焼ガス及び不揮発性の炭化水素（例えばＶＯＦ）及び一酸化炭素の効率的な燃焼をもたらす任意の成分から形成される。加えて、酸化触媒は、ＮＯX成分のＮＯの実質的な部分をＮＯ2に効率的に変換する。ここで用いられるように、「ＮＯX成分のＮＯのＮＯ2への実質的な変換」の語の意味は、運転サイクルを通して少なくとも約５％、または少なくとも約１０％、または少なくとも約２０％、好ましくは少なくとも約３０％、より好ましくは少なくとも約６０％のＮＯ及びＮＯ2のＮ2への変換を意味する。これらの特性を有する触媒成分は当業者に知られた技術であり、プラチナ族の金属及び卑金属を基とした成分を含む。触媒成分は、耐熱性の金属またはセラミック（例えばコーディアライト）物質により形成されるハニカムフロースルーモノリス基板上に被覆される。一方、酸化触媒は、公知の金属またはセラミックフォーム基板の上に形成される。これらの酸化触媒は、それらが被覆された基板（例えばオープンセルセラミックフォーム）によって、及び／またはそれらが内在する酸化触媒作用によって、ある程度の微粒子除去をもたらす。好ましくは、酸化触媒は、フィルタ上の微粒子の質量が潜在的に強制再生する前に時間を拡張することから、フィルタの上流の排気ガス流から微粒子物質を除去する。
【0043】
排出処理システムで用いられるある好適な酸化触媒成分は、高表面積上で分散するプラチナ族成分（例えば、プラチナ、パラジウムまたはロジウム成分）、ゼオライト成分（好ましくはベータゼオライト）と結合する耐熱性酸化助剤を含む。好適なプラチナ族金属成分はプラチナである。成分が耐熱性酸化基板、例えばフロースルーハニカム基板に沈殿すると、プラチナの濃度は、典型的には約１０〜１２０ｇ／ｆｔ3である。
【0044】
酸化触媒の形成に用いられるプラチナ族金属を基にした成分は、米国特許第５１００６３２号（６３２特許）に開示されており、本発明に組み込まれている。６３２特許には、プラチナ、パラジウム、ロジウム及びルテニウム及び、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムまたはプラチナ族金属とアルカリ土類金属との間の原子の割合が約１：２５０〜１：１、好適には略１：６０〜１：６といったアルカリ土類金属酸化物の混合要素を有する成分が開示されている。
【0045】
酸化触媒に適した触媒成分は、触媒として卑金属を用いることで形成される。例えば、米国特許第５４９１１２０号（本発明に組み込まれている）には、少なくとも約１０ｍ2／ｇのＢＥＴ表面積を有する触媒物質を含み、かつ１以上のチタニア、ジルコニア、セリア−ジルコニア、シリカ、アルミナ−シリカ、及びアルファ−アルミナによるバルク二元金属酸化物を主要構成とした、酸化触媒成分が開示されている。
【0046】
更に有効な触媒成分が、米国特許第５４６２９０７号（９０７特許、本発明に組み込まれている）で開示されている。９０７特許は、少なくとも約１０ｍ2／ｇの表面積をそれぞれ有するセリア及びアルミナを含む触媒物質を有する成分を示唆する。例えば、セリア及び活性化したアルミナの質量比は、約１．５：１〜１：１．５である。任意的に、プラチナは、ＣＯや未燃焼の炭化水素の気相酸化を促進することが制限するのに有効な量で、９０７特許に開示された成分中に含まれていてもよい。しかし、ＳＯからＳＯ2への過剰な酸化の排除は制限される。一方、任意の要求量のパラジウムが触媒物質に含まれる。
【0047】
図示しない第３実施の形態における排出処理システムでは、酸化触媒１１は、成分を含んだ付加的な下流のＳＣＲを何ら含まず、ＳＣＲが担持されたパティキュレートフィルタ１２の上流に位置している。
【0048】
図２は、本発明の実施の形態におけるパティキュレートフィルタ２４の概略を説明する断面斜視図である。パティキュレートフィルタ２４は、本発明に係るフィルタアセンブリ２２がそれぞれ配置された間に、パーティション１７が配置される。この実施の形態では、フィルタアセンブリ２２は、２つの被覆層２１を備え、これら２つの被覆層２１の間に配置された繊維層２９を備える。もっとも、これらの層は、境界領域において技術的に結合されていることから、断面図では結合状態は確認できない。本実施の形態のパーティション１７は、構造物として形成されることから、フィルタアセンブリ２２は実質的にスムーズな表面を有する。この構造物であるパーティション１７は、排気ガスが流れ方向２５に沿って流れる通路２０を構成する。本実施の形態に係るパーティション１７は、形成された通路２０が排気ガスの到来する流れの特性に対して適合しうるように、異なった高さ２８を有して形成されている。
【0049】
図示された実施の形態は、オープンフィルタを実質的に示している。この特性は、少なくとも２０％の流れの自由度が存在するということである。本明細書において、「流れの自由度」の語は、任意に要求される断面斜視図において、少なくとも領域の２０％、すなわち、領域の少なくとも２０％は、迂回表面２７の類のように、内部構造が自由化されているという意味である。換言すれば、このタイプのパティキュレートフィルタを端部からみた場合、内部の取付部品が全て同じ位置（例えば、他の取付部品の後ろに取付部品が配置される）にあるように形成された通路の少なくともいくつかを見通すことができる。これは、少なくとも部分的に構造化されたシート状の金属層から形成されたハニカム体を有する典型的なケースである。しかし、流れの自由度、互いに整列されていない内部の取付部品の場合、このタイプのハニカム体の部分を見通すことはできない。パーティション１７には、開口部２６及びガス流をフィルタアセンブリ２２に向けてそらす迂回表面２７が形成される。これは、煤煙微粒子及びその類が繊維層２９に残存して積層するようにフィルタアセンブリ２２に向かって透過させて、排気ガスの部分の流れを生成せしめる圧力差を生成する。
【0050】
図３は、本発明によるフィルタボディの形状を若干変更した図である。この場合もまた、通路４２は、パーティション４５に関連する構造物によって実質的に生成されている。更に、パーティション４５は、通路４２の全断面を切り取った迂回表面４６を有する。この結果、排気ガスの流れ方向４４は、微粒子含有排気ガスがフィルタアセンブリ４０を介して導かれるような方法で影響される。この形状は、圧力損が重大でない装置に主に適している。移動物体用排気システムの場合、最近の研究によれば、収縮されているが切り取られていない通路４２を具備するオープンフィルタを用いるのが好適である。排気ガスが通過及び／または流通するフィルタアセンブリ４０の迂回表面４６の数次第では、最終的には、図２で示されるオープンフィルタボディ１２の場合であっても、全体のガス流は実質的に濾過及び浄化される。
【0051】
図４Ａ及び図４Ｂで示されるように、フォーム状のフィルタとして用いられるパーシャルフィルタの一つの形態は、金属製、セラミックまたはエンジン排気システムに好適な他の任意の材料である。具体的な実施の形態では、フォーム状のフィルタは金属製のフォーム状のフィルタであって、本発明の一実施の形態による金属製のフォーム状のフィルタは、図４Ｂで示す多孔性の壁を形成する金属セルまたは細孔及び支柱を含むオープンまたは網状の基板構造を形成する。金属フォーム状の基板は、図４Ａで示すように、更に不規則な形状の通路を有する多孔性マトリクスとして開示され、排気ガスは、無作為な紆余曲折を経て、フィルタの上流側から下流側に移動する。この乱れた流路や蛇行した流路は、無数の開口部、細孔、溝または同様の構造的特性を有するもので形成され、液体及び／またはガスを、乱流または実質的に非層型でそこに流し、基板を介した流体の流路の全体の体積あたりの高表面積を基板にもたらす。例えば、特性は、そこに流体用の高い物質移動ゾーンを作成する。反対に、プレート、チューブ、フォイル及びその類といった高密度の基板は、基板に穿孔されているか否かに関わりなく、基板を介した流路全体の体積あたりの比較的小さな表面積を有する。そして、実質的に、そこを通る層流を妨げることはない。重要なことは、金属フォームのオープンまたは網状の基板構造は、高い物質移動ゾーンを形成するばかりでなく、かかるオープン構造は、背圧を低く抑える。本発明に係る金属フォーム状のフィルタは、金属フォーム状フィルタの概略斜視図を示した図４Ａ、及び金属フォーム状フィルタの三次元の網状組織の要部拡大図を示した図４Ｂを再び参照すれば容易に理解できるように、両方共に本発明の実施の形態を制限するものではない。図４Ａ及び図４Ｂで示すように、金属フォーム状フィルタ５６は、ハウジングユニット５８内に収容されている。その図は、空気を導入する流れが曲がりくねった流路となるように構成された、壁部６０及び細孔６２を形成する金属支柱のオープンな網状組織を示す。
【0052】
これら金属フォーム状構造物は高密度基板よりも高い表面積を有し、かつ流体の流動を許容することから、液状またはガス状の物質をとらえるフィルタ部材に使用することに適している。更に、高表面積は、触媒担体としての金属フォームの効用を改善する活性要素の物質移動の改善をもたらす。フォーム状の金属の製造方法は、米国特許第３１１１３９６号に開示されかつ本発明に組み込まれており、公知である。そして、触媒物質を担体としてフォーム状の金属を用いることは、ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ９７１０３２、タイトル「Ａ Ｎｅｗ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」に示唆されており、Ａｒｕｍｓ Ｄ．Ｊａｔｋａｒによって、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，Ｆｅｂ．２４−２７，１９９７において発表された。
【0053】
金属フォームは、種々に特徴づけられ、そのうちのいくつかは、金属が沈殿した当初の有機マトリックスの特徴に関連する。フォーム状の金属基板のある特徴は、セルの大きさ、密度、容積の自由度及び特定の表面積に認められる。例えば、表面積は、フォーム状の基板と同じサイズを有する固体の基板の１５００倍である。触媒材料の担体として有用なフォーム状の金属基板は、実質的なセルの直径が０．５〜５ｍｍの範囲、及び約８０〜９８％の自由容積、例えばフォーム状の基板によって占められた容積の３〜１５％が金属で構成されている。基板の多孔性は単位インチ（ｐｐｉ）当たり３〜１００ｐｐｉであり、例えば、３０〜９０ｐｐｉ、または４０〜７０ｐｐｉである。実施の形態における１０〜８０ｐｐｉの範囲では、セルの単位平方インチといった他の特徴は１００〜６４００の範囲及び繊維のおよその直径は０．０１〜０．００４インチの間で変化する。このようなフォームは、オープンセルの網状の構造物であり、網状の／相互に連結したウェブ前駆体を基礎とする。これらは、典型的には、孔隙率がフォームの立方フィートあたり約７００平方メートル（ｍ2／ｆｔ3）で約１０ｐｐｉ〜４０００ｍ2／ｆｔ3で約６０ｐｐｉ等で増加する表面積を有する。他の好適な金属フォーム状の基板は、フォーム状金属の立方フィートあたり約２００平方メートル（ｍ2／ｆｔ3）で約１０ｐｐｉ〜約１９００ｆｔ2／ｆｔ3で約８０ｐｐｉの範囲の表面積を有する。これらは、単位立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）あたり０．１〜１グラムの範囲で容積密度を有する。実施の形態では、０．１〜０．３ｇ／ｃｃも挙げることができる。金属フォーム状の基板は、例えば、鉄、チタニウム、タンタル、タングステン、貴金属や、通常の焼結性金属、例えば銅、ニッケル、青銅等や、アルミニウム、ジルコニウム等、及びチタニウムアルミニウム合金といった結合や合金、鋼、ステンレス鋼、ハステロイ、Ｎｉ／Ｃｒ、インコネル（Ｎｉ／Ｃｒ／Ｆｅ）、モネル（Ｎｉ／Ｃｕ）及びＦｅＣｒ合金（Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙｔ）といった種々の金属によって形成される。
【0054】
用いることのできるパーシャルフィルタの他の形態は、被覆された金属メッシュに基づくものである。このように、触媒が沈殿した織メッシュの個々の層は、三次元構造を形成するために積み重ねられる。この、被覆された金属メッシュの積み重ねは、上記した被覆されたフォーム構造物と同様の特性を有する。メッシュ材料は、金属またはセラミックを用いることができ、織って、切断して、広げて、孔を開けて、または、前方領域が約３０〜９０％開かれたシートを製造する公知の手法によって作り上げることができる。このようなシートは、三次元状に積層化された構造物を形成するために被覆を施す前または施した後に、曲げられ、またはしわを付けられる。しわを付けられ、またはしわを付けられていない積層されたシートは、三次元構造の流下特性を高めるために用いられる。
【0055】
本発明に用いられる多孔性フィルタは、上記要素を有する壁部が１以上の触媒材料を壁部上に保持し、または壁部に含有されることによって、触媒作用を奏する。触媒材料は、フィルタエレメントの表面上またはフィルタの迂回要素の表面上に存在し、フィルタエレメントの表面上に埋め込まれ、またはフィルタそれ自体の全体または一部が触媒材料で構成される。本発明は、触媒材料の１以上の層の使用及びフィルタエレメント上に存在する触媒材料の１以上の層の結合、表面に埋め込まれまたはフィルタエレメントの一部または全部に組み込まれた触媒材料を含む。
【0056】
ＳＣＲ触媒成分を備えたパーシャルフィルタ基板を被覆するためには、基板は、基板の頂部がスラリーの表面の直上に位置されるように、触媒スラリーのポーション中に垂直に浸される。サンプルは、約３０秒間、スラリーに浸される。スラリーから基板が取り出され、最初に一部から水気が切られ、次に（スラリーの浸透方向と反対方向から）圧縮空気が吹き付けられ、余剰のスラリーが基板から取り除かれる。この技術を用いることによって、触媒スラリーは基板に浸透し、フィルタの内表面全体を被覆する。一方、過度の背圧が完成した基板に蓄積されるまでは、フィルタのガス流溝を接続しない。
【0057】
被覆された基板は、一般的には、約１００℃で乾燥され、高温（例えば３００℃〜４５０℃）で焼成される。焼成の後、被覆及び未被覆の基板の質量の測定を通して、触媒担持量が決定される。当業者に明らかな技術として、触媒担持量は、コーティングスラリーの固体含有量を変えることによって改変することができる。一方、コーティングスラリー中の基板の繰り返しの浸漬が実行され、上記したように、余剰のスラリーの除去が実行される。
【0058】
（実施例）（比較例１）ウォールフローフィルタ上のＳＣＲ被覆
ＳＣＲ触媒は、孔隙率が６５％で、直径１で長さ３のコーディアライトフィルタコアに担持される。このように、Ｆｅベータといったベータ構造を有するアルミノシリケートゼオライトに変換した金属、触媒粉が、粒子の９０％が１０ミクロン以下（例えばＤ９０＜１０μｍ）の直径となるように、水と混合及び粉砕される。結果物としてのスラリーは、２０質量％の固体に希釈される。フィルタコアは、スラリーでフィルタコアが完全に浸透されるまで、スラリー中に浸され、圧縮空気が吹き付けられてスラリーが壁部から除去される。壁部及び溝から全ての余剰のスラリーが除去された後、その部分は、３０分間、１２０℃の流動空気で乾燥される。乾燥されたサンプルは、１時間、４５０℃の静止大気で焼成される。その部分に担持された結果物としての触媒は、０．７６ｇ／ｉｎ3である。圧力損失測定は、スーパーフロー（登録商標）のフローベンチを用いて、被覆に優先しかつ被覆後にも実行される。流量は、被覆に優先して及び被覆後に再び、水の４、６、８、１０、１２及び１５インチにおいて測定される。流量の減少は記録及び平均化され、１．０％の被覆を備えた単一の背圧増加をもたらす。被覆後、サンプルは、１０％の蒸気を含んだ空気の流動下で、５時間に亘って７５０℃で熟成される。被覆されたサンプルのＳＣＲ性能は、５００ｐｐｍのＮＯ、５００ｐｐｍのＮＨ3、５％のＨ2Ｏ、１０％のＯ2、及び残余のＮ2を含むガス供給を備えた石英ライニング反応器を用いて測定される。サンプルを流通する全フローガスは２２．５Ｌであり、その結果は、単位時間あたりおよそ３７０００ｈｒ-1のガス空間速度である。サンプルであるＳＣＲ触媒作用は、１５分間、２００℃で安定化された状態で試験され、下流のＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ及びＮＨ3ガスの濃度がＦＴＩＲで測定される。ガス濃度は、同じ方法によって２５０、３００、３５０及び４５０℃において測定される。サンプルの“ＮＯX”変換率は、それぞれの測定温度においてＮＯの濃度が何％削減されたかが記録されることで求められる。その結果を下記の表１に示す。
【0059】
［表１］６５％の孔隙率を有するコーディアライトフィルタ上のＳＣＲのＮＯX変換
【0060】
【表1】
【0061】
（実施例２）パーシャルフィルタコアを基にした金属フォーム上のＳＣＲの触媒被覆実施例１の方法を用いて、９５％の孔隙率を有する金属フォームディスクであって、直径１に対する厚み１、３０．５％の固形スラリーを用いたＦｅベータのＳＣＲ触媒を担持させることで、一連のサンプルが形成された。このように、単位インチあたり４０〜５０孔（ｐｐｉ）の孔密度の９５％の孔隙率を有するＦｅＣｒ合金の金属フォームは、触媒で被覆され、０．７〜０．９ｇ／ｉｎ３の触媒担持量に達するように乾燥及び焼成される。
背圧の増加及びＳＣＲ触媒の性能は、１つのＸ３セットを形成するために直列に配置された３つの直径１、厚み１のサンプルのために測定された。セットのＳＣＲの作用は、実施例１と同じ手法である。作用の結果は、下記の表２で示される。３つのサンプルの被覆されたセットの背圧増加が、それぞれのピースについて測定され、平均化されて被覆上で約１１％の背圧増加が得られた。
【0062】
［表２］５０ｐｐｉで９５％の孔隙率を有する金属フォーム状フィルタ上でのＳＣＲのＮＯX変換
【0063】
【表2】
【0064】
上記実施例２のパーシャルフィルタサンプルの上のＳＣＲの低い変換率にも関わらず、上記の概要のように、付加的な利点を有するシステムに基づくパーシャルフィルタに、適切な変換をもたらす。すなわち、適切な変換及び微粒子変換を達成しうる限り、熱的負荷及び再生行事の頻度の削減は、システムへの灰粉塵の蓄積の削減と同じく有利である。【0065】
本明細書を通して、“一の実施の形態”、“ある実施の形態”、“１以上の実施の形態”または“実施の形態”は、実施の形態に含まれる本発明の少なくとも一つの実施の形態に関連した特定の特徴、構造、物質、または特性を開示していることを意味する。このように、本明細書の随所で見られる“１以上の実施の形態では”、“ある実施の形態では”、“１の実施の形態では”または“実施の形態では”といった文言上の表現は、本発明の同じ実施の形態に言及しているものではない。更に、１以上の実施の形態では、特定の特徴、構造、材料または特性が任意の好適な手段によって結合されている。上記した方法に限定されることなく、この方法は、上記した順序で実行するものに限らず、省略または付加をしてもよい。
【0066】
上記記載は、実施の形態を記載したものであり、これに限定されるものではない。上記記載を鑑みると、多くの他の実施の形態は当業者にとって公知なものである。従って、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲、このような特許請求の範囲に記載された発明と均等な範囲に基づいて定められる。
【符号の説明】
【0067】
１１ 酸化触媒１２ パティキュレートフィルタ
１３ 基板
１４ バルブ
１５ エンジン
１６ 混合部
１７ パーティション
２０ 通路
２１ 被覆層
２２ フィルタアセンブリ
２９ 繊維層
４６ 迂回表面
５８ ハウジングユニット
６２ 細孔