(57)【要約】  ディーゼル排ガスを処理するシステムを開示する。このシステムは、波形状金属箔の複数の層間に配置されたフィルタ物質の複数の層を含む第１フィルタを含んでいる。この金属箔は、上流端部から下流端部までの長手方向の複数の通路のハニカム配置および金属箔の隣接する長手方向の複数の通路の間を排ガスが通過するのを可能にするための複数の開口を画定する。フィルタ物質は、排ガスが隣接する長手方向の複数の通路の間を通って通過するように配置されている。また、この金属箔は、長手方向の複数の通路内の排ガスの流れを迂回させるために流れ迂回構造を含む。第２フィルタは第１フィルタの下流に配置される。第２フィルタは長手方向の通路のハニカム配置を画定する。長手方向の通路は、第２フィルタの長手方向の間の壁を通る半径方向の流れを強制するよう、隣接する上流および下流端部が選択的にふさがれている。
2009530543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル排ガスを処理するシステムであって、
フィルタ物質の複数の層が波形状の金属箔の複数の層の間に配置された第１基板を含む第１フィルタであって、前記波形状の金属箔が、前記第１基板の上流端部から下流端部まで延びている長手方向の複数の通路のハニカム配置を画定し、前記波形状の金属箔が、前記波形状の金属箔の隣接する長手方向の複数の通路の間を排ガスが通過するのを可能とするための複数の開口を画定し、前記フィルタ物質が、前記隣接する長手方向に配置されている複数の通路の間を通過する排ガスが前記フィルタ物質を通過するように配置されており、前記波形状の金属箔が、長手方向の複数の通路内の排ガスの流れを前記複数の開口を通って迂回させるために配置された流れを迂回させる複数の構造もまた含んでいる、前記第１フィルタと、
前記第１フィルタの下流に配置された第２フィルタであって、前記第２フィルタは、第２基板の上流端部から下流端部に延びる長手方向の複数の通路のハニカム配置を画定する前記第２基板を含み、前記長手方向の通路は、排ガス流れが前記第２基板の前記長手方向の複数の通路の間の複数の壁を通って半径方向に流れるのを強制するよう、前記第２基板の隣接する上流端部と下流端部を選択的にふさいでいる、前記第２フィルタと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記第１フィルタは、１５〜５０％の範囲の微粒子の量の低減効率を有し、
前記第２フィルタは、７５％以上の微粒子の量の低減効率を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、使用中に前記第１フィルタの空間速度が前記第２フィルタの空間速度の２〜６倍となるような相対的な大きさに作られていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、使用中に前記第１フィルタの空間速度が前記第２フィルタの空間速度の３〜５倍となるような相対的な大きさに作られていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記フィルタ物質がファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ファイバが金属ファイバを含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、それぞれ貴金属触媒が充填されており、前記第１フィルタは前記第２フィルタより高い貴金属の充填率を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
ディーゼル排ガスを処理するためのシステムであって、
１５〜５０％の範囲に微粒子の量の低減効率を有する第１フィルタと、
前記第１フィルタの下流に配置され、少なくとも７５％の微粒子の量の低減効率を有する第２フィルタとを有し、
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、使用中に前記第１フィルタの空間速度が前記第２フィルタの空間速度の２〜６倍となるような相対的な大きさに作られており、
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、それぞれ、貴金属触媒が充填されており、前記第１フィルタは前記第２フィルタより高い貴金属の充填量を有することを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記第１フィルタは、フィルタ物質の複数の層が波形状の金属箔の複数の層の間に配置された第１基板を含み、
前記波形状の金属箔が、前記第１基板の上流端部から下流端部まで延びている長手方向の複数の通路のハニカム配置を画定し、
前記波形状の金属箔が、前記波形状の金属箔の隣接する長手方向の複数の通路の間を排ガスが通過するのを可能とするための複数の開口を画定し、
前記フィルタ物質が、前記隣接する長手方向に配置されている複数の通路の間を通過する排ガスが前記フィルタ物質を通過するように配置されており、
前記波形状の金属箔が、長手方向の複数の通路内の排ガスの流れを前記複数の開口を通って迂回させるために配置された流れを迂回させる複数の構造もまた含んでいることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２フィルタは、第２基板の上流端部から下流端部に延びる長手方向の複数の通路のハニカム配置を画定する前記第２基板を含み、
前記長手方向の通路は、排ガス流れが前記第２基板の前記長手方向の複数の通路の間の複数の壁を通って半径方向に流れるのを強制するよう、前記第２基板の隣接する上流端部と下流端部を選択的にふさいでいることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記フィルタ物質がファイバを含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ファイバが金属ファイバを含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２フィルタは、第２基板の上流端部から下流端部に延びる長手方向の複数の通路のハニカム配置を画定する前記第２基板を含み、
前記長手方向の通路は、排ガス流れが前記第２基板の前記長手方向の複数の通路の間の複数の壁を通って半径方向に流れるのを強制するよう、前記第２基板の隣接する上流端部と下流端部を選択的にふさいでいることを特徴とする請求項８に記載システム。
【請求項１４】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、使用中に前記第１フィルタの空間速度が前記第２フィルタの空間速度の３〜５倍となるように相対的な大きさに作られていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２フィルタは、少なくとも８５％の微粒子の量の低減効率を有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
ディーゼル排ガスの流れを処理する方法であって、
最初に、前記ディーゼル排ガスの流れをフロースルーフィルタに通す工程と、
続いて、前記ディーゼル排ガスの流れを前記フロースルーフィルタの下流に配置されたウォールフローフィルタに通す工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記ディーゼル排気ガスの流れは、ＮＯ2と微粒子物質とを含んおり、
前記フロースルーフィルタは、前記排気ガスの流れ中のＮＯ2の量の前記微粒子物質の量に対する比率が、前記フロースルーフィルタと前記ウォールフローフィルタとの間の位置で８〜１４の範囲にあるように設計されていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ディーゼル排気ガスの流れは、ＮＯ2と微粒子物質とを含んおり、
前記フロースルーフィルタは、前記排気ガスの流れ中のＮＯ2の量の前記微粒子物質の量に対する比率が、前記フロースルーフィルタと前記ウォールフローフィルタとの間の位置で８〜１２の範囲にあるように設計されていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般にディーゼルエンジン排気ガスシステムに関する。特に、本開示は、ディーゼルエンジン排ガス制御システムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、米国以外の全ての国を指定国とする出願人である米国国内企業のドナルドソン社と、米国のみを指定国とする出願人である中国国民であるウェンホンチャン、米国国民であるトッド・Ｒ・タウベルト、ティモシー・Ｌ・リッケ、ジュリアン・Ａ・イメスとの名において、ＰＣＴ国際特許出願として２００７年３月２０日に出願されたものであり、２００６年３月２１日に出願され、引用によりその全体が本明細書に合体されるた米国仮特許出願第６０／７８４,６２１号の優先権を主張する。
【０００３】
ディーゼルエンジン排気ガスは微粒子物質（particulate matter）を含んでおり、その放出は環境と健康の理由により規制されている。この微粒子物質は、一般に、可溶性有機部分（「ＳＯＦ」）と残りの硬質部分とからなる。可溶性有機部分は、触媒コンバータなどの酸化触媒装置における酸化を通して部分的にまたは完全に除去し得る。しかしながら、この酸化は、通常は、全微粒子排出の約２０％だけの減少をもたらす。したがって、ディーゼルエンジンを装備した車両は、硬質炭素部分を含む排気ガスの流れからより完全に微粒子物質を取り除くためにディーゼル微粒子フィルタを含んでいる。従来のウォールフロー（壁流れ）型ディーゼル微粒子フィルタ（wall flow type diesel particulate filter）は、約８５％の微粒子除去効率を有する。しかしながら、一般に、ディーゼル微粒子フィルタ、特に、比較的高い微粒子ろ過効率を有するフィルタは、フィルタを通過して流れることを制限する高い背圧と関連づけられる。さらに、使用とともにすすあるいは他の炭素基微粒子物質がディーゼル微粒子フィルタ上に蓄積し、排気ガス装置に対して追加の望ましくない背圧増加を引き起こす。大きな微粒子の量の放出速度を持つエンジンは、比較的短い期間で過剰な背圧レベルを引き起こす。高い背圧は、エンジン効率およびエンジン性能を減少させる。したがって、排気ガス中の微粒子物質を高い比率で捕集し、一方、背圧を最小にするディーゼル微粒子ろ過システムが望まれている。
【０００４】
従来のウォールフロー型ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）は、高効率の微粒子除去フィルタであり、基板の上流端部から下流端部まで一般に延びている複数の流路を有する多孔質の壁で囲まれたハニカム状基板（すなわち、モノリス）を含んでいる。一般に、流路の半分は、基板の下流端部に隣接してふさがれており、流路の他方の半分は、基板の上流端部に隣接してふさがれている。このふさがれた配置は、ディーゼル微粒子除去フィルタを出るために排気ガスの流れが基板の流路を画定する多孔壁を半径方向に通り抜けるようにさせる。
【０００５】
ディーゼル微粒子フィルタが微粒子物質によって過度に充填されるのを防ぐために、フィルタ上に蓄積する微粒子を燃焼する（すなわち、酸化する）ことによって、ディーゼル微粒子フィルタを再生する必要がある。排ガス中の過剰酸素が微粒子物質を酸化するのを可能とするように排ガス温度を十分に上げることが微粒子物質を酸化する１つの方法であることは、当業者に良く知られている。また、当業者は、十分な量の二酸化窒素（ＮＯ2）があると低温度で微粒子物質が酸化することをよく知っている。
【０００６】
ディーゼル排ガスは、本来、主に一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）からなる窒素酸化物（ＮＯx）を含む。通常は、排気ガスの流れ中に本来存在するＮＯ2は、全ＮＯx中の比較的わずかな量、５〜２０％の範囲、しかし、通常は５〜１０％の範囲である。ディーゼル微粒子フィルタの再生がそのようなレベルで起こるが、完全な再生をもたらすには不十分である。微粒子フィルタの再生中のＮＯ2の影響は、排気ガスの流れ中のＮＯxの微粒子物質に対する比率に部分的に依存する。一般に、「２ＮＯ2＋Ｃ＝ＣＯ2＋２ＮＯ」の反応は、量（排気ガス量）中のＣ（炭素）１単位あたり８倍のＮＯ2を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
排気ガスの流れ中のＮＯ2量を増加させことは、完全な再生を促進するためにしばしば必要である。これはＮＯx/微粒子比が比較的少ない場合に特に必要である。十分な量のＮＯ2を製造する方法の１つは、酸化触媒を使用して排気ガスの流れ中に存在するＮＯの一部を酸化することである。例えば、ディーゼル酸化触媒を含む触媒コンバータをディーゼル微粒子フィルタの上流に配置する、および／または、ディーゼル微粒子フィルタそれ自体がディーゼル酸化触媒を含むのを可能とすることである。しかしながら、これらのタイプの先行技術の仕組みは、過度のＮＯ2の排出をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の１つの態様は、ディーゼルエンジン排気ガス中の微粒子物質の放出を低減するシステムに関連する。１つの実施例では、システムは、排気ガスの流れから微粒子物質（ＰＭ）を取り除くためにＮＯ2の使用を最適化し、かつシステムの一部であるディーゼル微粒子フィルタを受動的に再生するように適合されている。
【０００９】
本開示の別の態様は、下流側フィルタでＮＯ2のＰＭ（微粒子物質）に対する比率を最適化するために少なくとも１つの上流側フィルタを有するディーゼル微粒子ろ過システムに関連する。ある実施例では、上流側フィルタは、触媒が付与されたフロースルーフィルタ（ＦＴＦ：flow-through filter）であり、下流側フィルタは触媒が付与されたウォールフロー（壁流れ）フィルタ（wall flow filter）である。
【００１０】
さまざまな本発明の態様を例示する実施例は、以下の説明で詳しく説明される。本発明の態様は、複数の特徴の組合せと同様に個々の特徴に関連する。以下の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方は、本発明の態様の実施例がどのように実施されるかを単に提供するものであり、本発明の態様の広い趣旨と範囲を限定する意図ではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
比較的低い温度（例えば、２００〜３５０℃）では、ＮＯ2分子は、すすを燃焼させるのにＯ2より通常はより活性である。ＮＯ2は、２ＮＯ2＋Ｃ＝ＣＯ2＋２ＮＯの反応によってすすと反応する。この反応は、量（排ガス量）中のＣ１単位あたり８倍のＮＯ2を必要とする。ＮＯ2／ＰＭ（微粒子物質）比は、この反応を増加させるための重要な因子である。
【００１２】
フィルタでＮＯ2／ＰＭ（微粒子物質）比を増加させる１つの方法は、フィルタでＮＯ2濃度を増加するよりはむしろフィルタ上のＰＭ（微粒子物質）を減少させることである。この目標を達成するために、上流側フィルタと下流側フィルタの組合せを使用することができる。上流側フィルタは、下流側フィルタのろ過効率より低いろ過効率を持つことができる。１つの実施例では、上流側フィルタは、フロースルーフィルタ（ＦＴＦ）を含み、下流側フィルタはウォールフローフィルタを含んでいる。システムは、好ましくは、最適量のＮＯ2が発生するように、両フィルタのＮＯ2／ＰＭ（微粒子物質）比を最適化する。好ましくは、システムは、比較的低温度で下流側フィルタの有効な受動的な再生を可能にし、それにより下流側フィルタの詰まりを防ぎ、排気管を出るＮＯ2濃度を最小にする。
【００１３】
フロースルーフィルタ（ＦＴＦ）は、排気ガス中の固体ＰＭ微粒子を部分的に捕捉する。いくつかのフロースルーフィルタは、５０％以下のろ過効率を示し得る。上記議論したように、本開示に従って、第１ステージのフィルタはフロースルーフィルタ（ＦＴＦ）であり、一方、下流側フィルタはウォールフローフィルタであり得る。ウォールフローフィルタは、少なくとも７５％またはそれより大きいろ過効率を持ち得る。両方のフィルタは、触媒で促進して炭化水素、ＣＯ、およびＰＭ（微粒子物質）を酸化して除去し得る。フロースルー（通過する流れ）の性質のため、ＰＭ（微粒子物質）の一部は第１フィルタで捕捉され、ＰＭ（微粒子物質）の残りの部分は通過して下流の高能率フィルタに達する。フロースルーフィルタ（ＦＴＦ）上の触媒は、エンジン排気ガス由来のＮＯのうちの選択された割合をＮＯ2にちょうど酸化するように選択される。次に、ＮＯ2の一部は、捕捉されたＰＭ（微粒子物質）を酸化するために使用され、使用されたＮＯ2はＮＯに転換され、ＮＯは、放出される前に下流側フィルタ内部で触媒によって再利用することができる。
【００１４】
第２フィルタは、第１フィルタで残されたＮＯ2と第２フィルタの前方部分で発生したＮＯ2が、第２フィルタの中央部と後方部で、捕捉されたすすによって消費されるように、触媒反応で促進され得る。所望のろ過効率と酸化能力を達成するために第１フィルタの設計を含むこのシステムの配置は、カリフォルニア州空気源委員会（ＣＡＲＢ：California Air Resource Board）の規制を満たすレベルまで排気ガス管中のＮＯ2/ＮＯx比を低減することを可能にする。
【００１５】
先行技術システムは、ウォールフローフィルタの上流側に配置されたまっすぐな流路の触媒コンバータを使用して、ウォールフローフィルタのＮＯ2濃度を増加する。本開示は、まっすぐな流路の触媒コンバータの代わりに、ウォールフローフィルタの上流でフロースルーフィルタを使用することを教示する。フロースルーフィルタは、触媒コンバータより多くの利点を提供する。例えば、フロースルーフィルタは、局所的に発生したＮＯ2がエンジン由来の微粒子物質ＰＭ（可溶性有機部分と硬質炭素成分の両方を含む）の大部分と反応するのを可能とするように、より長い滞留時間を提供する。これは、下流側フィルタに入るＰＭ（微粒子物質）部分を減少させ、下流側フィルタ内部のＮＯ2/ＰＭ（微粒子物質）比を増加させる。ＮＯ2/ＰＭ（微粒子物質）比を最適化することによって、下流側フィルタは低温で効率的に作動するよう促進される。対照的に、触媒コンバータシステムは、通常は、触媒で促進されたＤＰＦ（ディーゼル微粒子フィルタ）の上流側に大量に触媒が付与された触媒コンバータを使用する。このような触媒コンバータは、微粒子物質の可溶部分を消費することができるが、排気ガス中の硬質炭素すす濃度には影響を与えない。したがって、触媒が付与されたＤＰＦが後に続く、触媒が付与されたフロースルー・プレフィルタを有する多段階ろ過は、排気管においてすす−ＮＯ2の滞留時間を最大にしてＮＯ2放出量を最小にするより良い解決策である。
【００１６】
ある実施例では、ＦＴＦ（フロースルーフィルタ）とＤＰＦ（ディーゼル微粒子フィルタ）の組合せは、９２％を超えるろ過効率とＣＡＴ３１２６エンジンのＦＴＰサイクル上での２８％のＮＯ2/ＮＯx比をもたらす。この値は、エンジン出口のＮＯ2/ＮＯxレベルからこのデバイスを横切るＮＯ2/ＮＯx割合の２０％の増加を示す。このようなデバイスは、ＰＭ（微粒子物質）ろ過効率を改良し、システム排出ＮＯ2を低減してＣＡＲＢ規制を満たし得る。ＦＴＦ（フロースルーフィルタ）からの主要なＰＭ（微粒子物質）の低減は、下流のＤＰＦ内部のＮＯx/ＰＭ（微粒子物質）比を増加させることにより、捕捉されたすすが比較的低温度で酸化し、低い応用基準をもたらす。
【００１７】
図１は本開示の本発明の態様に基づく排気ガスシステム２０を示す。このシステムは、エンジン２２（例えば、ディーゼルエンジン）とエンジン２２から排出される排ガスを輸送するための排気管２４を含んでいる。第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、排気ガスの流れ中に配置される。第１ディーゼル微粒子減少デバイス２６の下流側に、第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８が配置される。第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６と第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、排気管２４を通過する排ガスを一緒に処理するために機能することを理解することができる。また、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６と第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、近くに近接してまたは直接接触して配置されることを含む、ある距離で分離されていることを理解することができる。
【００１８】
第１ディーゼル微粒子減少デバイス２６は、好ましくは、フロースルーフィルタである。フロースルーフィルタは、通常は、適度の微粒子低減効率を有するフィルタである。この明細書の目的のために、微粒子の量の低減効率は、フィルタに入る微粒子からフィルタを出る微粒子の量を引き算し、フィルタに入る微粒子の量でその差を割ることによって決定される。試験の間の試験持続期間とエンジンサイクルは、好ましくは、連邦政府のテスト手順（ＦＴＰ）のヘビー・デューティ・トランジエント・サイクルによって決定され、この手順は、現在、米国におけるヘビー・デューティ・オン−ロード・エンジンの放出試験のために使用される（ＣＦＲタイトル４０、パート８６.１３３３が参照される）。通常のフロースルーフィルタには、５０％またはそれ未満の微粒子の量の低減効率を有する。
【００１９】
フロースルーフィルタでは、排ガスの全てが、微粒子物質を捕捉するために十分に小さい細孔径を有するフィルタ媒体を通過する必要はない。フロースルーフィルタの１つの実施例では、フロースルーフィルタの入口端部から出口端部に長手方向に延びる複数のフロースルー流路を含んでいる。また、フロースルーフィルタは、少なくともフロースルー流路の間に配置されたフィルタ媒体を含んでいる。フィルタは、さらに、フロースルー流路中に乱流を発生させる流れ変更構造を含んでいる。また、流れ変更構造は、１つのフロースルー流路から別のフロースルー流路まで少なくともいくらかの排気ガスの流れを迂回させるように機能する。排気ガスの流れが１つのフロースルー流路から別のフロースルー流路に迂回されると、迂回流れはフィルタ媒体を通過し、いくらかの微粒子物質がフィルタ媒体内部で捕捉されるようにする。このフロースルー型フィルタは、比較的低い背圧とともに中程度のろ過効率、通常は、１フィルタあたり５０％までをもたらす。
【００２０】
触媒コーティング（例えば、貴金属コーティング）は、微粒子物質の可溶性有機部分（ＳＯＦ）を酸化してガス状成分とするのを促進し、かつ排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部を二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化するのを促進するために、フロースルーフィルタの複数のフロースルー流路上に提供され得る。その上、フロースルーフィルタのフィルタ媒体は、硬質炭素微粒子物質の一部と排気ガス中に存在する酸化されないＳＯＦの部分を捕捉する。酸化触媒によって発生したＮＯ2とディーゼル排ガス中に本来存在するＮＯ2との合体を含む、存在する正味ＮＯ2の一部は、ＮＯ2＋Ｃ＝ＣＯ（またはＣＯ2）＋ＮＯの反応によりフィルタ媒体上に捕捉された微粒子物質と反応する。そうする際に、固体微粒子物質はガスに変換され、微粒子低減デバイスから外部に排出する。また、フィルタ媒体で炭素の燃焼を促進するために、フィルタ媒体は、触媒（例えば、プラチナなどの貴金属）で被覆され得る。
【００２１】
また、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６とも言うことができる。実施例の上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、図２〜５に示される。第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、波形状金属箔３２の複数の層の間で挟まれたフィルタ物質３０の複数の層で組み立てられた基板（例えば、ハニカム基体）を受け入れるキャニスタ２７を含んでいる。波形状金属箔３２は、微粒子低減デバイスを通過する排気ガスの正味流れ方向７に一般に平行である細長い通路３４（すなわち、流路）を画定する。波形状金属箔３２は、好ましくは、混合が基板中に起こるのを確実にするために乱流を発生させる構造を含んでいる。図示された実施例では、構造は、開口３３と流れ迂回表面３５（すなわち、複数の表面を混合し、複数の表面を偏向し、複数のシャベルを混合し、流れ迂回構造または同様の用語）を含んでいる。流れ迂回構造３５は、正味流れ方向７から横方向９と半径方向１１に通路３４中で迂回させる。少なくとも迂回した流れのいくらかは、隣接する通路３４の間の開口３３を通っておよびフィルタ物質３０を通って移動する。排気ガスの流れがフィルタ物質３０を通って流れるとき、排気ガスの流れの少なくともいくらかの微粒子物質はフィルタ物質３０によって捕捉される。図５に示されるように、複数の迂回表面３５は、通路３４を完全に遮蔽／閉塞しない。このことは、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６を横切る圧力低下を比較的低く保持するのを助ける。
【００２２】
１つの実施例では、フィルタ物質３０は、流れを衝突および遮蔽することによって微粒子を捕捉する金属繊維から構成された織物タイプ物質（例えば、金属織物あるいはフリース）である。フィルタ物質３０の粒子遮蔽特性は、フリースを作るために使用される金属繊維の直径によって部分的に決定される。例えば、２０〜２８ミクロン（μｍ）（メートルの１００万分の１）および３５〜４５μｍの金属繊維は受け入れ可能に作用することが見出された。排気ガスが金属箔３２の外からフィルタ物質３０中に流れるとき、かなりの乱流が導入される。もちろん、また、金属フリース以外の種類のフィルタ物質もまた使用することができる。
【００２３】
１つの実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、約１０.５インチの直径と約３インチの長さと２００ｃｐｓｉとを有する。ある実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の滞留時間は、同じ空間速度を有する標準のまっすぐな流路のフロースルー触媒コンバータよりも少なくとも１０％あるいは１５％大きい。
【００２４】
上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の空間速度（すなわち、微粒子低減デバイスの体積で割られた排ガスの容積流れ速度）は、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の空間速度より大きい。ある実施例では、与えられた容積流れ速度に対して上流側ディーゼル微粒子低減デバイスの空間速度は、下流側ディーゼル微粒子低減デバイスの少なくとも２、３または４倍に等しい。他の実施例では、与えられた容積流れ速度に対して上流側ディーゼル微粒子低減デバイスの空間速度は、下流側ディーゼル微粒子低減デバイスの２〜６または３〜５倍に等しい。さらに、他の実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、１５〜５０％あるいは２０〜５０％の微粒子低減効率を有し得る。
【００２５】
好適な実施例では、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、エミテックＧｍｂｈで製造され「ＰＭ・Ｋａｔ」の名称で販売されている。しかしながら、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、ワイヤ・メッシュ、金属またはセラミック発泡体などの当業者に知られているフロースルータイプの構造物も含むことができる。上流側フィルタとして使用に適したエミテックフィルタ構造物に関する詳細は、米国特許出願公開第２００５/０２３２８３０号、および同第２００５/０２７４０１２号、および同第２００５/０２２９５９０号に記載されており、それらの全体は、引用により本願明細書に合体される。
【００２６】
また、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、炭化水素の酸化とＮＯのＮＯ2への変換を促進するために適合された触媒コーティングを含んでいる。例示の触媒コーティングは、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属、および、アルミナ、酸化セリウム、卑金属酸化物（例えば、ランタン、バナジウムなど）またはゼオライトなどの他の種類の成分を含んでいる。第１微粒子低減デバイス２６のための好ましい触媒は、５０ｇ/ft3基板以上の充填レベルを有するプラチナである。他の実施例では、プラチナ充填レベルは、５０〜１００ｇ/ft3基板の範囲である。好適な実施例では、プラチナ充填は、約７０ｇ/ft3基板である。
【００２７】
好適な実施例では、触媒コーティングは、インターキャット・インク（Intercat Inc.）から利用可能である。
【００２８】
１つの実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、２７％のＰＭ（微粒子物質）低減効率を示す。ある実施例では、ＦＴＰサイクルのＣＡＴ３１２６エンジン上での上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の出口端部におけるＮＯ2/ＮＯx比は約３２％である。
【００２９】
また、第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８とも言い、さまざまな知られた配置を有する。図６に示されたように、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、外部ケーシング５２中に収容された基板５０を有するウォールフローフィルタである。ある実施例では、基板５０はセラミック（例えば、発泡セラミック）のモノリス構造物であり得る。マット層５４は、基板５０とケーシング５２の間に取り付けることができる。ケーシングの端部５６は、ケーシング５２中に基板５０を保有するのを助けるために半径方向の内部に曲げることができる。端部ガスケット５８は、基板５０を迂回させるためにマットを通過する流れから流れを防ぐために下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の端部をシールするために使用することができる。
【００３０】
１つの実施例では、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、約１０.５インチの直径と約１２インチの長さと２００ｃｐｓｉ/１２ミルを有する。
【００３１】
図６を参照すると、基板５０は、基板５０の下流端部６３から上流端部６４まで延びる長手方向の通路６２（すなわち、流路）のハニカム構成物を画定する壁６０を含んでいる。流路６２は、排気ガスの流れが下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８を通過するために複数の流路６２間の複数の壁６０を通過して半径方向に強制的に流れるように、選択的に上流端部６３下流端部６４に隣接してふさがれている。図７に示されているように、この半径方向のウォールフロー（壁流れ）は、矢印６６によって示される。
【００３２】
例示のディーゼル微粒子低減デバイスは、引用によりその全体が本明細書に合体される米国特許第４,８５１,０１５号に記載されたような、ふさがれた通路の「ハニカム」構成物を含むモノリスセラミック基板を有するウォールフローフィルタである。基板５０を製造するための例示の材料は、コーディエライト、ムライト、アルミナ、ＳiＣ、耐火物用金属酸化物、または触媒の機材として慣用に使用される他の材料を含んでいる。好適な実施例では、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、「ＤＰＸフィルタ」という名称でエンゲルハルト社によって販売されているディーゼル微粒子除去フィルタを含んでいる。
【００３３】
ある実施例では、基板５０は、被覆された触媒であり得る。例示の触媒は、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属、およびベース酸化物あるいは希土類金属酸化物などの他のタイプの成分を含んでいる。ある実施例では、基板５０は、３０〜８０ｇ／ft3のプラチナ充填を有する。好適な実施例では、基板５０は、約５０ｇ／ft3のプラチナ充填を有する。下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の１つの実施例では、基板５０は、約２５ｇ／ft3のプラチナ充填を有し、フィルタは実質的に均一にその長さ方向全体にわたってコーティングされている。下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の１つの実施例では、基板５０は、約５〜３５ｇ／ft3の貴金属充填を有し、フィルタは実質的に均一にその長さ方向全体にわたってコーティングされている。
【００３４】
上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６は、好ましくは、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８より高い貴金属充填率を有する。ある実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の貴金属充填率は、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の貴金属充填率よりも少なくとも１０％、２０％、３０％、または４０％高い。他の実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の貴金属充填率は、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の貴金属充填率より１０〜８０％、２０〜６０％または３０〜５０％の範囲で高い。
【００３５】
ある実施例では、基板５０の触媒コーティングは、１２インチの長さを有するフィルタに対して最初の２インチが４８ｇ/ｆｔ3でコーティングされ、最後の１０インチが２ｇ/ｆｔ3でコーティングされたバンドである。この実施例では、下流側ディーゼル微粒子低減デバイスは、８５％より高いろ過効率を示す。システムの１つの実施例の作動では、ＦＴＰサイクルにわたってＣＡＴ３１２６エンジン上のフィルタ出口からのＮＯ2/ＮＯx比は、８％であり、本質的にエンジン出口からの比率と同じである。
【００３６】
図６Ａで示されるように、ある実施例では、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、触媒でゾーンコーティングされ、基板５０は、両端部で触媒を含むウォッシコーティングでコーティングされているが、基板５０の中央部はウォッシコーティングでコーティングされてはいない。図６Ａに示されるように、第１および第３ゾーン７１、７３は、それぞれ基板５０端部に配置されウォッシコーティングでコーティングされている。第２の中央ゾーン７２は、第１および第３ゾーン７１、７３の間に配置され、ウォッシコーティングでコーティングされていない。
【００３７】
ウォッシコーティングゾーンのサイズは、フィルタの異なる実施例において変更可能である。例えば、ある実施例では、フィルタ２８の第１ウォッシコーティングゾーン７１は、フィルタ２８の長さの約１/６〜１／３であり、第３ウォッシコーティングゾーン７３は、フィルタ２８の長さの約１／６〜１/３である。
【００３８】
また、貴金属充填率はフィルタの異なる実施例において変更可能である。ある実施例では、第１ウォッシコーティングゾーン７１の貴金属充填率は、約２５〜５０ｇ/ｆｔ3であり、第３ウォッシコーティングゾーン７３の貴金属充填率は、約５〜５０ｇ/ｆｔ3である。ある実施例では、フィルタ２８の全貴金属充填率は、約５〜３５ｇ/ｆｔ3である。
【００３９】
１つの実施例では、１２インチ長さと１０.５インチ直径であるフィルタに対して、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の最初と最後の３インチが約５０ｇ/ｆｔ3の貴金属が充填された触媒でウォッシコーティングされ、中央の６インチがコーティングされずに残されている。そのような実施例では、フィルタ２８の全貴金属充填率は約２５ｇ/ｆｔ3である。
【００４０】
別の実施例では、フィルタ２８は、ゾーンコーティングされているが、コーティングされた部分の充填率は異なっている。例えば、１２インチ長さと１０.５インチ直径であるフィルタに対して、最初（入口）の３インチは５０ｇ/ｆｔ3の貴金属充填量でウォッシコーティングされ、最後（出口）の３インチは１０ｇ/ｆｔ3の貴金属充填量でウォッシコーティングされ、中央の６インチはウォッシコーティングされていない。そのような実施例では、フィルタ２８の全貴金属充填量は、約１５ｇ/ｆｔ3である。
【００４１】
触媒のゾーンコーティングの詳細は「排気ガス処理装置のためのひびに抵抗力がある基板」と題する米国特許出願第６０/８３５,９５３号に記載され、参照により本明細書にその開示全体が合体される。
【００４２】
触媒に対する同様のゾーンコーティング技術がまた、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６で使用され得ることに注意すべきである。
【００４３】
ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、好ましくは７５％以上の微粒子低減効率を有する。より好ましくは、ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、８５％以上の微粒子低減効率を有する。最も好ましくは、ディーゼル微粒子低減デバイス２８は、９０％以上の微粒子低減効率を有する。微粒子低減デバイス２８にとって、微粒子低減デバイス２６より高い微粒子低減効率を有することは好ましい。ある実施例では、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の微粒子低減効率は、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の微粒子低減効率より少なくとも５０、１００、２００、３００、４００または５００％高い。他の実施例では、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８の微粒子低減効率は、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６の微粒子低減効率より少なくとも５０〜６００、１００〜５００または２００〜５００％高い。
【００４４】
好ましくは、過剰のＮＯ2を排出しないで再生を確実にするために、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６と下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８間の排気ガスの流れ中の微粒子物質の量に対するＮＯ2の量の比率は、好ましくは、８〜１４である。より好ましくは、この比率は、８〜１２である。ある実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６と下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８間のＮＯ2濃度が５０〜７００ｐｐｍの範囲にあるのが好ましい。他の実施例では、上流側ディーゼル微粒子低減デバイス２６と下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８間の全ＮＯxに対するＮＯ2の比率は、２０〜５５％あるいは３０〜５０％の範囲である。ＮＯxに対するＮＯ2の比率は、排気ガス中の全ＮＯ2と全ＮＯxの量を測定することによって決定でき、全ＮＯ2を全ＮＯxで割ることにより、与えられた試験期間の間の流れ加重平均を得ることができる。試験中の例示の試験期間とエンジンサイクリングの手順（プロトコル）は、現在米国におけるヘビーデューティ・オンロード・エンジンの放出試験のために使用されているＦＴＰヘビーデューティ・トランジエントサイクルで用意されている。
【００４５】
システムの作動操作では、ディーゼル排ガス中に含まれる微粒子物質の第１部分は、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６上に、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６の微粒子捕捉効率の関数である、ある量で堆積する。第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６上に堆積しなかった微粒子物質の量として定められる微粒子物質の残留部分を含む排ガスが第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６を出る。排ガスは、その後、第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８に入り、そこで、排ガス中の微粒子物質の残留部分の一部が第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８の微粒子捕捉効率に基づいて第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８上に堆積する。
【００４６】
同時に、排気ガスが第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６を通過して移動するので、微粒子物質のＳＯＦ部分は、酸化触媒コーティングと接触して酸化する。その上、排気ガスの流れ中に存在するＮＯは、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６中の酸化触媒コーティングによりＮＯ2に変換される。このＮＯ2の一部は、排ガス中に本来存在するＮＯ2と共に、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６上に捕捉された微粒子物質と反応する。ＮＯ2＋Ｃ＝ＮＯ＋ＣＯまたはＣＯ2の反応によって、微粒子物質の一部は酸化され、固体炭素形態から一酸化炭素あるいは二酸化炭素ガスに変換された後に、微粒子低減デバイスを出る。しかしながら、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６上に捕捉されたすすの量は、排気ガスの流れ中に存在するＮＯ2を完全に消費するためには不十分である。
【００４７】
その結果、第１ディーゼル微粒子低減デバイス２６を出る排ガスは、ＮＯ2の残留部分を含んでいる。次に、この排ガスは、第２ディーゼル微粒子低減デバイス２８に入り、排気ガスの流れ中のＮＯ2は下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８上のすすと反応し、ＮＯ2の一部をＮＯに変換して、下流側ディーゼル微粒子低減デバイス２８を再生する。このように、微粒子物質は捕捉され、微粒子低減デバイスはＮＯ2排出量を最小にしながら再生される。
【００４８】
そのうえ、微粒子低減デバイスの好ましい設計は、非常に蛇行するねじれた流れベクトルによりかなりの内部の三次元乱流パターンを生み出し、流れがフィルタ物質３０に衝撃を与えて、波形状箔３２中の複数の開口に入ってそこから出る流路の形成をもたらす。ワイヤメッシュあるいは金属またはセラミック発泡体などの他のフロースルーフィルターの設計では、同様の好ましい内部乱流を生成する。この内部の局所乱流は、排ガスとろ過物質材料上の触媒コーティングとの相互作用を増加させ、その結果、ＮＯのＮＯ2への変換を促進する。その上、この乱流は、ＮＯ2とディーゼル微粒子低減デバイスの表面に捕捉された微粒子物質との相互作用を増加させる。そうすることにおいて、ディーゼル微粒子低減デバイスの設計は、ＮＯ2の消費と微粒子フィルタの再生を促進する。
【００４９】
何回かの試験が、本開示の原理と一致する実施例システムと他のシステムとの間の比較データを提供するために実行された。試験されたシステムは、システムＡ、システムＢおよびシステムＣを含む。
【００５０】
システムＡは、本開示の原理に基づく従ったシステムの実施例である。システムＡはウォールフローフィルタの上流側へ配置されたエミテック製ＰＭ・Ｋａｔフロースルーフィルタを含んでいる。エミテック・フィルタは約７０ｇ／ft3のプラチナ充填率を有し、一方、ウォールフローフィルタは約５０ｇ／ft3のプラチナ充填率を有した。エミテック・フィルタは、１０・１/２インチ直径と約３インチ長さを有し、ウォールフローフィルタは、１０・１/２インチ直径と約１２インチ長さを有した。エミテック・フィルタは、５０％未満の微粒子低減効率を有し、一方、ウォールフローフィルタは、８５％以上の微粒子低減効率を有した。
【００５１】
システムＢは、ジョンソン・マッテーイで製造され、ＣＣＲＴという名で販売されている。システムＢは、触媒作用を有する壁/流れフィルタの上流側に配置された触媒コンバータを含んでいた。
【００５２】
システムＣは、エミテック・フィルタを除いてシステムＡと同じ配置を有し、エンゲルハルト社によって販売された低ＮＯ2製造触媒が充填されている。触媒は、ＮＯ2の製造を抑制する成分を含んでおり、炭化水素の酸化を可能にする。また、低ＮＯ2製造触媒のためのプラチナ充填量は、７０ｇ／ft3であった。
【００５３】
システムＡ、Ｂ、およびＣは、２２００回転／分で２１０馬力を有するキャタピラ３１２６ディーゼルエンジンを使用してテストされた。試験の間、エンジンは、標準ＦＴＰヘビーデューティ・トランジエントサイクルで設定されたパラメータに基づいて繰り返された。図８は、２０分の期間にわたってエンジン・トルクと速度のプロットとしてＦＴＰトランジエント・サイクルを示している。このサイクルは、ニューヨーク・ノンフリーウェイ相（NYNF）、ロサンゼルス・ノンフリーウェイ相（LANF）、ロサンゼルス・フリーウェイ相（LAF）相、およびニューヨーク・ノンフリーウェイ相（NYNF）を含む４つの相に分割されている。
【００５４】
図９は、ＦＴＰトランジエントサイクリングの間のキャタピラ３１２６ディーゼルエンジンから発生された排気ガスに対する温度分布を示している。サイクリングは異なるトルクレベルでなされた。例えば、１００％ラインは、図８で示された標準ＦＴＰトランジエントサイクルに適合するトルクレベルでなされたテストを示してる。他のプロフィールは、同じトランジエントサイクリングを使用しかつ連邦政府トランジエント試験プロトコルの間の標準トルクレベルに対してある割合に下げられたトルクを用いて発生された。例えば、８５％ラインは、図８で示された標準ＦＴＰトランジエントサイクルによって指定された標準トルクレベルの８５％トルクレベルを示す。同様のプロットラインは、標準ＦＴＰトランジエントサイクルによって設定されたトルクレベルの７７％、７０％、５５％、４８％および４０％が提供された。図９のグラフで示されたように、４８％トルクで、排ガス温度は、試験期間の約３７％の間２２０℃以上である。
【００５５】
試験の間、エンジンから放出された全ＮＯxに対するＮＯ2の割合は、上流および下流の排気処理デバイスの間のそれぞれのシステムに対して測定された。図１０は、それぞれのシステムに対する処理後のデバイス間の全ＮＯxに対するＮＯ2の割合を示している。ＮＯ2のＮＯxに対する割合は、連邦政府トランジエント試験プロトコルが行われたトルクレベルの範囲を横切って示されている。図１０のグラフは、システムＡが中程度のＮＯ2レベル（例えば、一般的に５０％未満）を発生し、システムＢがかなり高いＮＯ2レベル（例えば、一般的に６０％より大きい）レベルを発生し、システムＣがかなり低いＮＯ2レベル（例えば、一般的に１０％未満）を発生することを示している。
【００５６】
図１１は、延長された期間の間、４８％のトルクレベルで連邦政府トランジエント試験プロトコルサイクルにさらされた場合に、それぞれのシステムの下流側フィルタでの重量増加を示すグラフである。試験の間、再度、２２００ＲＰＭで２１０馬力を有するＣＡＴ３１２６ディーゼルエンジンが使用された。試験の間、微粒子物質は、３.６７ｇ／ｈｒの平均レートでエンジンから放出された。図１１のグラフで示されるように、システムＡは、試験の期間の間、比較的低い重量増加を示した。したがって、試験期間の間、システム内で比較的大きな量の受動再生が起こったと結論づけることができる。この再生は、４８％のトルクレベルで、排ガス温度が比較的低い（例えば、温度がその期間の４０％未満で２２０℃を超えほとんど３００℃は超えていない）という事実にかかわらず起こった。対照的に、システムＢとＣの両方は、かなりの重量増加を示した。このことは、最適化された上流でのろ過とＮＯ2生成の組合せは、上流でのろ過なしに増加したＮＯ2を単に提供するシステムに対して、または、ＮＯ2の発生無しで上流でのろ過を有するシステムに対して、かなりの利点を有することを示している。
【００５７】
本明細書に開示された特定の寸法は、本開示の原理と一致するある実施形態に対して応用可能な実施例であるが、本開示に一致する他の実施形態はそのような寸法を含むまたは含まないこともまた理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本開示の原理と一致する本発明の態様の実施例である特徴を有する排ガスシステムを概略的に示す図である。
【図２】図１のシステムにおいてで上流側フィルタとして使用することができる例示のフロースルーフィルタを示す図である。
【図３】図２のフィルタの一部を拡大した分解図である。
【図４】図２のフィルタの一部を更に拡大した分解図である。
【図５】図２のフィルタの作動を示す概略図である。
【図６】図１のシステムの下流側フィルタとして使用することができる例示のウォールフローフィルタの切り取られた内部図である。
【図６Ａ】ゾーンコーティング技術を使用して触媒でコーティングされた図６のウォールフローフィルタを示す図である。
【図７】図６の部分拡大図である。
【図８】ＦＴＰトランジエントサイクルを示す図である。
【図９】異なるトルクサイクリングに対するディーゼルエンジンの温度分布を示す図である。
【図１０】３つの試験システムに対するＮＯ2発生をプロットする図である。
【図１１】３つの試験システムの下流側フィルタ上の微粒子蓄積をプロットする図である。
【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６Ａ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2009530543.tif 000016
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