(57)【要約】  排ガスを触媒的に浄化する方法であって、入側流路に排ガスを受けることと、入側流路内で排ガスを阻止することと、排ガスを入側流路のほぼ繊維状の不織布多孔質壁を貫いて拡散させることと、排ガスを多孔質壁上に配置された少なくとも１つの触媒物質と反応させて排ガスから亜酸化窒素、炭化水素および一酸化炭素を少なくとも部分的に除去することと、ほぼ繊維状の不織布多孔質壁に粒子状物質を捕捉することと、拡散した排ガスを出側流路に受けることと、排ガスを出側流路から大気中へ移行させることとを含む方法。
2009515097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼過程の排気流から気体汚染物質を除去し粒子状物質を捕捉するための触媒コンバータ装置であって、
排気流を受けるように配置された一組の入側流路の集合体と、
一組の入側流路の集合体に隣接して一組の入側流路の集合体と互い違いをなす一組の出側流路の集合体と、
各々の出側流路と各々の入側流路とを隔てるほぼ繊維状の不織布多孔質壁であって、排気流が、入側流路から、粒子状物質を捕捉するためのほぼ繊維状の不織布多孔質壁を通り抜けて、出側流路に向かうように構成された多孔質壁と、
多孔質壁に付与された反応媒介物と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
入側流路と出側流路とがほぼ平行をなすそれぞれの位置に配置された請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項３】
入側流路と出側流路とがほぼ直交する相対位置に配置された請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項４】
反応媒介物が窒素酸化物である汚染物質の還元を触媒するのに適合したものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項５】
反応媒介物が一酸化炭素から二酸化炭素への酸化を触媒するのに適合したものである請求項４に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項６】
反応媒介物が未燃焼炭化水素の二酸化炭素および水への酸化を触媒するのに適合したものである請求項５に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項７】
反応媒介物が物理的に互いに離隔した第１および第２の触媒からなる請求項６に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項８】
反応媒介物が、空隙率を低下させることなく、ほぼ繊維状の不織布多孔質壁内に付与されている請求項６に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項９】
捕捉された粒子状物質を再生過程で燃焼し尽くす請求項６に記載の触媒コンバータ装置。
【請求項１０】
入口と出口を持ち、ガソリン内燃エンジンに結合された筐体をさらに備える請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、排ガスの汚染成分を削減するための触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のエンジンでは、排気系は、いくつかの機能を果たしている。例えば排気系は、熱を管理し、汚染物質を減らし、騒音を抑制し、時には粒子状物質を濾過することを期待されている。一般に、こうした個々の機能は、別個の独立した構成品によって果たされる。一例として、典型的なガソリンエンジンの排気系を考えてみる。エンジン排気系は、熱を捉えて消散させるために一連の熱交換器または外部阻流板を使用することができる。騒音を抑制するために排気口側に別途消音器を結合することができ、その一方で非粒子状汚染物質を低減するために排気経路に触媒コンバータ装置を設置することができる。現在、ガソリンエンジンでは、一般に粒子は注目を浴びる汚染物質ではないが、近い将来、より抑制的な規則が適用される可能性が考えられる。
【０００３】
現代のガソリンエンジンの排気系では、排ガス流から一部の非粒子状汚染物質を除去することがほぼ普遍的に要求されており、そのため、三元触媒コンバータのような周知の排出抑制装置の使用が考えられる。そうした三元触媒コンバータは、排ガス流から非粒子状汚染物質を除去するために化学的な酸化・還元過程を用いる。周知の触媒（または金属）コンバータは、十分に加熱されると、排ガスと反応して、非粒子状汚染物質から非汚染物質への反応のための化学ポテンシャルを低下させる触媒物質を保持する。より詳細には、周知のコンバータは、排ガスがコンバータの一端から入って平行な開放流路の中を流れ、触媒と接触して排ガス流中の汚染物質の一部が非汚染物質に変換され、最後は大気中に流れ出るようになっている貫流構造を用いる。排ガスが流路を通って流れると層流が生まれ、それによって排ガスは流路を先に進み、濃度勾配と物質移動の効果によって、流路壁にある触媒と接触するに至る。流路壁はその表面に付与された触媒物質を有しており、高温の排ガスが流路壁に接触すると、壁が加熱されて、それ以上で触媒反応が容易に起こる閾値温度まで触媒物質温度が引き上げられる。これは、口語的表現で「ライトオフ」温度と呼ばれる。同様に、ライトオフ温度に至るまでの時間は「ライトオフ」期間と呼ばれる。その後、排ガスが流れ続けるのにつれて、触媒は排ガス中の汚染物質と相互に作用し、汚染物質の非汚染性排出物への変換を容易にする。触媒コンバータを備えた現代のエンジンから発生し、放出される汚染の約５０％は、コンバータが基本的に機能していないこのライトオフ期間中に起こる。都市部での交通渋滞や短距離移動など、ある種の車両用途では、コンバータが触媒のライトオフに至らない温度または変換効率の低い温度でかなりの時間を費やすことになるため、汚染を減らすための触媒コンバータの有用性が全体として弱められる。
【０００４】
排ガスに開放流路内を移動させ、汚染物質を流路壁に運ぶ作用は、気体拡散のメカニズムによって起こる。触媒がその活性化温度に達すると、反応速度はガス流のバルク部分（層状のガス流の中心）から壁への物質移動の速度に依存する。触媒による汚染物質除去反応は壁−ガス界面（典型的に触媒が配置される場所）で起こるため、排ガス流の中に汚染物質の濃度勾配が生まれる。境界層が成長し、そうした条件のもとで最も遅い過程である物質移動の原理が反応全体の速度を決定する。バルク拡散は比較的緩慢な過程であるため、典型的には開放流路の数を増やして埋め合わせることによって全体の反応速度を高める。基本的にその効果は、気体分子がバルク部分から境界層に拡散するために移動しなければならない距離を短縮することにある。さらに、このやや制限的なバルク拡散の段階は、コンバータをハニカム構造にすることや、その他の方法によって有効触媒表面積を増やすことによって埋め合わせることができる。開放経路の寸法を小さくすると同時に経路の数を増やすことによって、バルク拡散速度を効果的に高め、コンバータの効率を向上させることができる。しかし、そのような「閉鎖セル」型ハニカム構造にすると、壁の厚さ、したがって壁の強度の低下を招くとともに、エンジンに対する背圧が増す。そのため、コンバータはより壊れやすくなり、同時に車両の燃料経済は低下する。したがって、開放流路の最低寸法には実用上の限度があり、従来のモノリス型ハニカム・コンバータのバルク移動速度を一定程度を超えて著しく改善させる可能性がそれによって制限される。
【０００５】
そのため、バルク移動過程の効率の悪さによって、コンバータは典型的にはかなり大きなものとなり、したがって、重く、かさばる上に、触媒作動閾値温度まで加熱されるのに比較的時間のかかるものとなる。典型的には、全体として排出抑制を向上させるために、いくつかの触媒コンバータを順に配列することができる。
【０００６】
周知のガソリン三元触媒コンバータは粒子状物質を濾過しない。最近の研究では、ガソリンＩＣＥ（内燃エンジン）に由来する粒子は健康に害を及ぼす危険があると同時に、ＤＰＦ（ディーゼル粒子フィルタ）通過後のＰＭ（粒子状物質）の排出レベルにほとんど等しい量で発生すると考えられることが示されている。ＰＭ排出基準が強化されれば、ディーゼルエンジンもガソリンエンジンもＰＭ排出量を減らすためにさらに改造されることが必要となる。ヨーロッパの一部機関は、ガソリンエンジンのＰＭ排出規制を既に検討し始めている。
【０００７】
すべてではないにしても、大半の触媒システムは、作動閾値温度に到達するまでは効率的または効果的には機能しない。この「ライトオフ」期間中は、相当量の粒子状および非粒子状の汚染が大気中に放出される。そのため、触媒装置は、できるだけエンジンのマニホールドに近く、排ガスがより高温で、ライトオフ時間がより短くなる所に設置することが望ましいことが多い。そうすることで、触媒はその作動温度に達するのに十分な熱をエンジンの排ガスからよりすばやく取り出すことができる。しかし、材料、構造および／または安全にかかわる制約から、触媒コンバータの設置場所はマニホールドから隔たった位置に限定されることがある。触媒コンバータがマニホールドから隔てられていると、ライトオフ時間は増し、それによって追加的な汚染物質が大気中に排出される。
【０００８】
現在、触媒コンバータで最もよくある構造は、モノリス型材料がコーディエライトとシリコン・カーバイドであるモノリス型ハニカム構造である。少しでも効果の高いものとすることを狙って、個々の流路壁を薄くし、単位面積あたりの流路数を増やすことによって、コーディエライト製モノリス型ハニカム構造のセル密度が高められてきた。しかし、壁が薄くなるにしたがって壁の（したがって、モノリス型コンバータの）強度は低下し、セル密度が大きくなるにしたがって背圧は増大（それに対応して、エンジン効率および燃費は低下）する。そのため、コンバータ効率の引き上げには実用上の限度が存在し、それはモノリスの最低強度およびユニットによってもたらされる最大許容背圧によって規定される。ますます厳しくなる排出基準に対応するためのもう１つのアプローチは、周知のガソリン三元触媒コンバータを多段構成にして利用することによって、多様な汚染物質に対する妥当な排出抑制を得るというものである。しかし、このアプローチは、コスト、重量、燃料負担および設計の複雑さを増大させることにもなる。そのため、ますます厳しくなる排出規制をめぐる環境のもとでは、典型的なＩＣＥからの有害排出物を減らすための有効な方法を見つけ出す必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、大気汚染基準、とりわけ車両の排ガスに関する大気汚染基準に対しては政府および環境団体からの圧力が強まりつつある。排出が続くことによってもたらされる結果はよく認識されており、追加的な規則が加えられる一方で、現行規則もより積極的に執行されるようになっている。しかし、排出の削減やより厳しい排出規制は、高い基準を満たすために追加的な支出が必要となるため、短期的には経済全体に悪影響をもたらす可能性がある。実際、政府は、競争や景気に及ぼす影響を指摘して、より厳しい規制の採用に関しては比較的動きが鈍かった。そこで、より費用効果に優れた効果的な触媒装置であれば、経済にさほど有害な作用をもたらすことなく、よりクリーンな世界への移行を容易にすることができる。とりわけ、車両、小型エンジンおよび産業用排気筒に容易に設置することが可能で、排気流から粒子状汚染物質と非粒子状汚染物質の両方を除去するための費用効果に優れた触媒装置を提供することが望ましいと考えられる。そうした装置は、化学合成、バイオリアクタ反応、ガス合成など、汚染抑制になるとは考えられないような化学的に重要な反応を触媒できることも望ましいと考えられる。本発明はこの必要性を取り上げるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、簡潔には、一酸化炭素、亜酸化窒素(nitrous  oxide)および炭化水素の汚染性化学種を非汚染性化学種（二酸化炭素、窒素分子、水など）に触媒によって変換するとともに、粒子状物質を捕捉するための内燃エンジン排気系を提供する。一般に、装置は、流体流から凝縮物質を分離する能力と、同時に、流体流の構成物質の反応速度を速めることができる反応媒介物(reactive  agent)（膜、ポリマー、疎水性物質、親水性物質、触媒など）を担持する能力とを有する。エンジン系は、内燃エンジン（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンまたはその他の燃料のエンジンなど）の排気管と、筐体を持つ触媒コンバータと、筐体に形成され、エンジン排気管に対して流体的に連結された入口と、筐体に形成され、大気に対して流体的に連結された出口とを含む。また、触媒コンバータは、筐体内の複数の入側流路と、入側流路に隣接して設けられた複数の出側流路と、入側流路を出側流路から隔てる複数のほぼ繊維状の不織布多孔質壁、および典型的には多孔質壁に付与された薄め塗膜（ウォッシュコート）と、多孔質壁に付与された第１の反応媒介物または触媒物質と、多孔質壁に付与された第２の反応媒介物または触媒物質とを含む。
【００１１】
より具体的な例では、触媒装置自体は、交互パターンをなして構成された複数の入側流路および出側流路、隣接するそれぞれの入側および出側流路の間のほぼ繊維状の不織布多孔質壁と、ほぼ繊維状の不織布多孔質壁を構成する繊維上に付与された安定剤および添加剤によって薄め塗膜（ウォッシュコート）を強化する表面と、ほぼ繊維状の不織布多孔質壁上に付与された触媒部分と、入側流路につながれた入口と、出側流路につながれた出口と、少なくともいくつかの入側流路の入側ブロックであって、入口と出口の間の当該の入側流路に配置された入側ブロックと、少なくともいくつかの出側流路の出側ブロックであって、入口と出口の間の当該の出側流路に配置された出側ブロックとを持つものとしての構造を有する。もう１つの具体例では、触媒装置は、入側端および出側端を持つモノリス型不織布のほぼ繊維状のブロックとしての構造を有する。入側流路と出側流路は、隣接する入側流路と出側流路の間に配された多孔質壁を伴ってブロック内に交互パターンをなして構成される。入側流路および出側流路は互いに平行をなして、互いに直角をなして、またはその他の構成で、延びることができる。多孔質壁内の孔の壁が気体および固体粒子との反応のための触媒を含むように多孔質壁に触媒が付与され、さらに入側ブロックが当該のそれぞれの入側流路に含まれて出口端に配置される一方で、出側ブロックが当該のそれぞれの出側流路に含まれて入口端に配置される。これらのブロックは、流体流にほぼ繊維状の不織布多孔質耐火材料を通り抜けさせる。
【００１２】
有利なことに、この触媒装置は、エンジンの排気流から粒子状物質ならびに一酸化炭素、亜酸化窒素および炭化水素汚染物質を除去して粒子状物質を捕捉する方法を提供する。これは、排ガス流をエンジンからほぼ繊維状の不織布フィルタに向かわせ、炭化水素汚染物質から二酸化炭素および水への変換を触媒し、一酸化炭素から二酸化炭素への変換を触媒し、窒素酸化物から気体窒素分子への変換を触媒し、濾過によって排ガス流から粒子状物質を抽出することによって行われる。粒子状物質は、その後、触媒、加熱器およびその他の装置の存在下または不在下での再生過程で焼き尽くすことができる。
【００１３】
本発明の上述およびその他の特徴は以下の説明を読むことで明らかになるはずであり、添付の請求項で詳細に指摘する手段および組合せによって実現することができる。
【００１４】
図面はこの明細書の一部をなすものであり、様々な形態で実施することが可能な本発明の例示的実施形態を含む。一部の事例においては、発明の理解を容易にするため、発明の様々な態様が誇張され、または拡大されて示されている場合があることが理解される必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明の実施例に関する詳細な説明を以下に示す。ただし、本発明は様々な形態で例示できることが理解される必要がある。そのため、ここに開示される具体的な詳細は、限定的なものとして解釈するのではなく、ほぼあらゆる詳細なシステム、構造または態様で本発明をいかに利用するかについて当業者に教示するための代表的な基本線として解釈すべきものである。
【００１６】
ここに示す図は、特に内燃エンジン排気系の構成要素として説明される排気系の経路を図示し、参照する。しかし、この排気経路がそれ以外の種類の排気系で使用することもできることは了解されるはずである。例えば、この排気系の経路は、石油化学、空気濾過、高温気体の濾過、化学合成、生物医学、化学処理、塗装工場、コインランドリー、産業排気、発電所、または業務用厨房の排気の用途などに使用することができる。
【００１７】
一般に、触媒変換装置は、母材または構造担体と、担体を少なくとも部分的に覆う触媒とからなる。触媒構成要素は、しばしば、表面強化剤、表面改良剤、安定剤および酸素貯蔵要素を含む薄め塗膜（ウォッシュコート）の上になる。触媒装置は、所期の作動条件および環境のもとで適正に触媒機能を果たすことができるように、適当な種類および重量の担体および触媒を含む。例えば、触媒装置は、第１の気体化学種から第２の気体化学種へ、第１の液体化学種から別の液体化学種へ、液体化学種から気体化学種へ、などの化学変換を促進することができる。典型的には、化学変換反応または一連の反応は、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯからＮ２、Ｈ２ＯおよびＣＯ２への同時変換、ＭＴＢＥからＣＯ２および蒸気への変換、すすからＣＯ２および蒸気への変換など、具体的な用途に即して意図され、十分に規定されたものである。
【００１８】
図１は、多重的な触媒反応を促進する能力と、流体流から粒子状物質または凝縮物質を濾過する能力とを有する四元触媒変換装置１０を示したものである。触媒装置１０は、入口１４と出口１６を持つ筐体１２を有する。便宜上、触媒装置１０についてはガソリン内燃エンジンと連関させて説明するが、これが他形式のエンジンや、工業、商業または住宅用の排気用途にも使用可能であることは了解されるであろう。触媒装置１０は筐体１２内に壁２５を備える。壁２５は典型的には多孔質であり、より典型的にはその表面に付与された触媒物質層２６を持つ。壁２５の配置により、入側流路１９が出側流路２１に隣接するように構成される。排ガス発生源（すなわち、ガソリンエンジンなど）から出る排ガス（すなわち、比較的多量の汚染物質を含む気体）が入口１４から入り込むと、ガスは入側流路１９に受け入れられ、少なくともガスの一部は多孔質壁２５を通り抜けて移動する。排ガスは典型的にはガソリンの燃焼による生成物であり、そのために典型的には比較的高温である。それ以外の場合、ガスは外部的に加熱することによって触媒を作動温度にまでもっていくことができる。こうして、排ガスはまず触媒２６を活性化するのに十分なだけ多孔質壁２５を加熱し、活性化温度に到達した後は、排ガス中の汚染物質は触媒層２６と接触することで触媒的な反応を被る。より詳細には、壁２５を通過するガスの流れによってもたらされる細孔拡散３０メカニズムによって非粒子状ガスが触媒２６と相互に作用する。排ガスは壁を通過させられるため、反応に対するバルク流の制限はなくなり、ガス反応速度は、流路の直径よりもはるかに小さい距離である細孔内のガスの拡散によって主に制限される。また、排ガスは、入側流路１９から出側流路２１へと向かって流れ、さらに出側流路２１内を流れる過程で層流にもなる。出側流路２１におけるこのような層流はバルク拡散過程３２をもたらし、それによって非粒子状汚染物質がさらに取り除かれる。一部の構造では、筐体１２の壁は（壁材料２５のような）多孔質壁材料２７と触媒層２６を含むことができ、そのために変換効率はさらに向上し、それによって、排ガス流から汚染性化学種を十分に取り除くために多数のフィルタ／コンバータを直列に配する必要を軽減し、またはほぼ完全になくすことが可能になる。
【００１９】
一部の構造は、入側流路１９と出側流路２１の間に隙間２９を持つことができる。この隙間２９は入口１４から出口１６に至る貫流排気経路を可能にする。そのため、触媒装置１０は、触媒効果を提供するために、壁流（すなわち、ガスが多孔質壁を通り抜ける）過程と貫流（すなわち、ガスは壁と相互に作用するが、壁を通り抜けない）過程を組み合わせて利用することができる。隙間２９の大きさと位置は、背圧要件、要求される濾過効率、予想されるガス流量、および要求される変換レベルに応じて設定することができる。
【００２０】
壁２５および壁２７の細孔径は、粒子状物質を捕捉し、特定の反応を触媒するように選定することができる。全体の空隙率、細孔形状および細孔径分布は、ほぼ繊維状の不織布多孔質耐火材の壁を被覆するために使用される薄め塗膜（ウォッシュコート）および触媒物質にも依存することができる。壁２５、２７は細孔径勾配を持つことができる。壁２５、２７の極めて多孔質で繊維状の性質は、装置１０を従来技術によるコンバータよりも小型かつ軽量に作ることを可能にするものであり、より迅速な加熱および「ライトオフ」を可能にする。壁２５、２７を形成する撚り合わせ耐火繊維はさらに壁２５、２７の靱性にも寄与し、壁２５、２７がエンジンに近い位置の条件のように機械的に厳しい条件に耐えられるようにする。こうした性質の組合せは、装置１０を周知のコンバータ装置よりもエンジンに近い位置に設置することを可能にするものであり、それによって装置１０がエンジンのガスによってより迅速に「ライトオフ」温度まで熱せられるようにすることで、ライトオフ期中に変換されないまま装置１０を通過する汚染物質が少なくなるように装置１０がすばやく機能し始められるようにすることができる。
【００２１】
細孔拡散壁流の利用は、触媒装置１０の効率を、とりわけライトオフの間に関して、劇的に増大させることができるものである。壁流設計であることの結果として、排ガスは壁を通過させられ、それによってバルク拡散に関する制限は大幅に減る。そのため、排ガスは、細孔の壁にある触媒に到達するには細孔内に拡散するだけで足りる。その距離ははるかに短く、したがって全体の変換効率ははるかに高くなる。極めて多孔質の壁２５、２７は熱質量が低く、それによってよりすばやく熱せられることができるために、効率はより一層高められる。効率の高さと熱質量の低さは、触媒装置を小型化するか、または触媒物質の量を少なくしながらも効果的な触媒過程を保つことを可能にする。こうした寸法や質量の低減は、空間、材料およびコストを節減する一方で、ライトオフ遅延の短縮によって汚染物質の放出を大幅に減らす。さらに、放射剤の塗布などにより、変換効率に影響を及ぼすため、および／または熱管理のためなどで、材料の放射力／放射率を変えることができる。
【００２２】
図２は、入側流路５９が繊維状壁６５によって完全に塞がれている点を除いて、装置１０と同様の触媒装置５０を示している。このようにすると、入口５４から出口５６に至る唯一の排気経路は、細孔拡散メカニズム７０である壁流によって多孔質壁６５を通過する経路となる。栓または閉塞材の長さおよび空隙率は用途の要件に合わせて変えることができる。
【００２３】
図３は、入側流路７９と出側流路８１の間に多数の多孔質壁８３、８４、８５、８６が配設されている点を除いて、触媒装置１０と同様の触媒装置７５を示している。
【００２４】
図４は、上の背景技術の項で取り上げたような典型的な周知の触媒コンバータと触媒装置５０のような触媒装置とを比較したグラフ１００である。グラフは尺度通りでなく、わかりやすくするために一部の効果を誇張して示している場合があることは理解されるであろう。グラフ１００は「変換（または転化）％」を示すｙ軸１０８を持ち、それに対してｘ軸１０６は時間を示す。ライトオフ時間は、触媒が規定値（例えば５０％または９０％）の変換（または転化）効率に到達するまでの時間として定義される。あるいは、ｘ軸１０６は排気出口ガスの温度を示すことができる。より詳細には、外部加熱要素がない場合、初期の排ガスは触媒コンバータを完全作動温度まで加熱するために使用される。それ以外の場合、触媒の温度を作動域まで上げるために外部加熱要素が必要となることがある。触媒コンバータが完全作動温度になると、系に入る熱流量が系から出る熱流量と等価である定常状態温度が得られる。触媒コンバータで起こる反応が発熱性であると、出口温度は入口ガスの温度よりも高いことができる。説明に一貫性を持たせるため、図４は時間との関係で説明することにする。
【００２５】
図４Ａには３つの領域が示されている。第１の領域１０１では、変換率または転化率は大体において触媒６６の特徴、とりわけその活性化温度の関数である。当然のことながら、基材６５の熱特性（熱質量、熱伝導率、熱容量など）も一定の役割を果たす。なぜなら、熱質量が大きければ、付着させた触媒６６が活性化温度に到達するまで熱するには余計に時間がかかるためである。領域１０１では、排ガスが触媒６６を加熱するのにつれて、触媒６６に接触する汚染物質分子は非汚染性化学種への変換反応を被るようになる。しかし、そのような変換は、ライトオフ温度閾値より下では全体として極めて不十分である。排ガスによる基材６５の加熱がさらに続くと、領域１０３で変換反応速度は細孔拡散によって制限されるようになる。排ガスが基材６５の細孔に押し込まれると、より多くの汚染物質が触媒６６と接触するようになり、触媒反応の速度が増す。より多くの基材６５が熱せられるにつれて、その過程はますます効率的になる。基材６５が完全に熱せられると、領域１０５で汚染物質の変換過程はバルク拡散によって制限される。排ガスが典型的な触媒装置５０を通り抜ける時、層流が完全に平衡状態となるためには時間がかかる。時間が経過するうちに、十分な濃度勾配が生まれ、それが汚染物質分子を流路壁６５、６７との接触に引き込むように働く。やや別の言い方をすれば、壁６５、６７付近の排ガスは触媒６６と反応し、そのために排気流路の中心により近いガスよりも汚染物質の濃度が低くなる。この濃度勾配は、汚染物質濃度の高い中心部にあるガスの部分を汚染物質濃度の低い壁区域の方へ移動させる有効な推進力を発生させる。層流条件におけるこのバルク拡散効果は定常状態に達するまでに時間を要するため、カーブはその変換限度に徐々に近づく。
【００２６】
図４Ａは、典型的な従来技術の触媒コンバータが完全作動時間１１０に到達するのにかかる時間と触媒装置５０が完全作動時間１１１に到達するのにかかる時間とを比較したものである。その差は時間の短縮１１５として示されている。
【００２７】
図４Ｂは、典型的な従来技術のコンバータで触媒を最初に活性化するまでにかかる時間１１７と触媒装置５０で触媒６６を最初に活性化するまでにかかる時間１１６とを比較したものである。その差は時間の短縮１１８として示されている。短縮された時間１１８は、主として触媒装置５０で多孔質壁基材の熱質量が引き下げられたことの関数または効果であり、触媒材料６６はそれによってより効率的に活性化温度に到達することができる。
【００２８】
触媒が最初に活性化した後、触媒コンバータは、触媒反応の速度が主として細孔拡散過程によって制限される期間をたどる。換言すれば、触媒の最初の部分が温度閾値に到達した後は、触媒反応の速度は、触媒を加熱するガスが細孔に入り込んだ後、いかに速く残りの触媒まで運ばれ得るかによって、さらに、触媒界面で反応すべき気体化学種が多孔質壁を通り抜けていかに速くそこまで運ばれることができるかによって制限されることになる。細孔拡散効果は、十分な量の基材／触媒が熱せられるまでは反応速度を支配するが、そこからは、基材表面の触媒に対する汚染性化学種のバルク拡散が支配的かつ制限的な過程となる。図４Ｃは、典型的なコンバータでバルク拡散が支配的である時間１２５と触媒装置５０で細孔拡散が支配的である時間１３１とを比較したものである。その差は時間の短縮１３２として示されている。短縮された時間１３２は、主として多孔質壁を通り抜ける排気経路が可能になっていることによる。触媒装置５０では、すべての排ガスは多孔質壁６５を通り抜けることが要求される。多孔質壁６５の１本１本の繊維は触媒６６によって被覆されているため、反応速度は、汚染性化学種が細孔拡散によってそこを通り抜けて運ばれるにしたがって大幅に増大する。さらに、壁６５は極めて多孔質であり、熱質量が低いため、よりすばやく触媒活性化温度まで熱せられる。
【００２９】
十分な基材物質６５、６７が熱せられると、触媒装置５０はそのバルク移動特性に変換効率を支配させ、制限させる。しかし、バルク移動速度による影響は典型的には極めて小さい。典型的な触媒コンバータは比較的大きな熱質量を持つため、その最終的な変換効率に近づくまでには時間１４１がかかる。触媒装置５０はより低い熱質量と、より効果的な細孔拡散過程とを持つため、その最終的な変換効率に近づくまでの時間１３９はそれよりも短い。その差は時間の短縮１４９として示されている。時間の短縮の合計１１５（図４Ａ）は、時間の短縮１１８（図４Ｂ）、時間の短縮１３２（図４Ｃ）、時間の短縮１４９（図４Ｄ）の総和である。最大変換効率に到達するまでの時間のこの短縮は、顕著な汚染防止をもたらすものであり、排出規制を満たすことのできる、より小型で、より安価な装置の設計を排出抑制技術者が行えるようにするものである。
【００３０】
図５Ａおよび５Ｂは、筐体１５１内に収めた繊維状のモノリス型ハニカム１５５が組み込まれた触媒装置１５０を示したものである。ハニカム１５５は、交互パターンで構成された一組(または一連)の入側流路１５７および出側流路１５９の集合体を持つ。この実施形態では、交互パターンは市松模様であるが、他の実施形態では他のパターンを組み込むことができる。流路１５７、１５９はそれぞれ開放端と、反対向きに配設された閉塞端とを画定する。閉塞端は、そこを通るガス流を妨げるため、それぞれそこに配設された各々の閉塞材またはブロック１５６を備える。図５Ａは触媒装置１５０の入側１５３を示したものである。これにより、開放されたセルは入側流路１５７として機能する。入側では、反対側流路１５９は閉塞材によって塞がれ、入側から排ガスが入り込めないようになっている。出側１５４では、入側流路１５７は塞がれ、一方、出側流路１５９は開放されている。図５Ｂは、流路１５７、１５９と、流路１５７、１５９を分離し、画定する壁１６１と、出側流路１５９の端部に配設された閉塞材１６３と、ブロック１５５を形成する繊維状材料とをさらに詳細に示したものである。典型的には、ブロック１５５と閉塞材１６３はいずれもほぼ繊維状の不織布材料からなり、より典型的には、ブロック１５５と閉塞材１６３はほぼ同じ組成を持つ。しかし、ブロック１５５と閉塞材１６３は異なる組成を持つことができ、および／または大きく異なる構造を持つこともできる。
【００３１】
図５Ｃは、入側１５３と出側１５４の間の地点における断面図を示したものである。ここでは、入側流路１５７が出側流路１５９に隣接する構成になっており、両者の間に多孔質壁１６０が配設されている。これにより、入側流路１５７のガスは壁１６０を通して隣接する出側流路１５９に抜けさせられ、そこから出口１５４の外へと送り出される。
【００３２】
図５Ｄは、入側流路１６７、１６８が多孔質壁１７３Ａ〜Ｅによって隣接する出側流路１７０、１７１から隔てられている様子を示したものである。また、入側流路１６７、１６８は出側１５４でブロック１５７、１７７によって塞がれており、出側流路１７０、１７１は入側１５３でブロック１７９、１８１によって塞がれている。この構造は、繊維状ブロック１５５のほぼ全長で、ガスがそれぞれの入側流路１６７、１６８から隣接する出側流路１７０、１７１に移動することを可能にする。
【００３３】
図５Ｅは、流路１６７、１６８、１７０、１７１の内部に層流が成立してバルク拡散を促進する一方、流路間に壁流または細孔拡散が成立してより高い反応速度を促進する様子を示している。
【００３４】
触媒装置１５０は様々な物理的構成で設計できることは了解されるであろう。直径、長さ、流路密度、閉塞パターン、閉塞材、閉塞材の配置、触媒物質、触媒の配置、壁の空隙率、細孔径、細孔の形状、および壁厚はいずれも用途固有の必要性に合わせて調整することができる。これらの特徴はどれも変換率、背圧およびライトオフ時間に影響を及ぼし得る。以下にこれらの特性のそれぞれによる効果について一般的に検討する。
【００３５】
ａ．触媒装置１５０では、壁流が改善すると、効率の増大と細孔拡散速度に対する全体の反応速度の依存度とによってライトオフ時間を顕著に短縮することができる。そのため、流路壁１６０の特性は細孔拡散活動の所期の速度が得やすくなるように選ばれる。例えば、排ガスは、排ガスが流路壁１６０を通り抜けるのに数マイクロ秒程度から約２秒かかる時に、より効率的に触媒されることがわかっている。典型的なガソリンエンジンの排気では、ガスは毎分約１８０立方フィートで流動することができる。そのため、流路壁１６０が、約６０から約９０％までの空隙率と約２０ミルの厚さとを有するほぼ繊維状の不織布材料からなるものである場合、ガスが通り抜けるには、ほぼ数マイクロ秒を要する。壁厚を決定するにあたっては、壁の空隙率、通気率、背圧制限、要求される変換率、全長など、様々な要因が考慮されることは当然理解されるであろう。コンバータ１０を通り抜けるガスの滞留時間の長さと通り抜ける際のガスの蛇行とが組み合わされると、汚染性化学種が触媒１６６と接触する確率が、したがって非汚染性化学種に変換される確率が高まる。しかし、過度な蛇行は背圧を大幅に高めることにもなる。
【００３６】
ｂ．壁１６０の空隙率および通気率は、背圧制限に見合うように、また、排ガスを触媒１６６と接触させるのに十分な蛇行経路が与えられるように選ばれる。実際には、約６０％から約９０％までの空隙率が、効率的な変換率をもたらしながら、一方で十分に低い背圧特性を可能にするという結果が得られた。このような範囲の空隙率は熱質量を比較的低くすることにも寄与し、その熱質量の低さはすばやい加熱と短いライトオフ時間に寄与する。特定の背圧および変換要件に対応するために他の空隙率を選ぶこともできることは理解されよう。
【００３７】
ｃ．平均細孔径および細孔径分布は、要求される背圧制限に見合うように、また、もし望むなら、あらかじめ決められた特定の粒径の粒子状汚染物質を捕捉できるように選択される。典型的には、薄め塗膜（ウォッシュコート）と触媒は細孔の内側に、より典型的には、細孔を塞ぐことがないように配置される。ある具体的な構造では、細孔の直径は、ガソリンエンジンの排気中に認められる粒子状物質に特徴的な径寸法、すなわち、典型的には約５ナノメートルから約１ミクロンまでの範囲の粒子状物質の捕捉を最適化するように選択される。また、細孔の平均長さも、所与の径寸法の粒子状物質を捕捉する多孔質基材１５５、１６１の能力を決定する要因の１つである。さらに、様々な大きさの粒子の捕捉を最大化するために細孔径分布を操作することができる。例えば、排ガスが離散的な２つの平均粒径を特徴とする粒子集団を含む場合、細孔径分布を操作して、各々の平均径の粒子の捕捉が最適化される寸法をそれぞれ与えた２つの集団の細孔が存在するようにすることができる。このような細孔構造は、基材の壁の表面だけでなく、基材の壁の中に粒子が捕捉される効率のよい深さフィルタへと発展する可能性がある。典型的な細孔径は１ミクロンから１００ミクロンまでの範囲であり、より典型的には２０〜５０ミクロンである。
【００３８】
フィルタを清浄に、その通気率を高く、さらにその変換効率を高く保つため、排気流から濾過された粒子を定期的な間隔でフィルタから取り除く必要がある（すなわち、フィルタは再生される必要がある）。その場合、「能動的」または「受動的」再生戦略を用いることができる。受動的再生では、捕捉された粒子は、温度がすす燃焼点を上回る時に酸化触媒の存在下で定期的に燃焼され焼き尽くされる。能動的再生では、焼き尽くして主としてＣＯ２およびＨ２Ｏとするのに十分なところまですすの温度を高めるために触媒コンバータに熱が供給されなければならない。能動的再生では、燃料によって運ばれる触媒や、熱トラップ、圧力弁などの機械装置も使用される。深さ濾過によって捕捉された粒子の場合は、粒子、触媒および流入ガスの間の効率的な接触が、迅速、効率的、かつより完全な粒子の燃焼と再生を可能にする。
【００３９】
１つの構成では、触媒装置１５０は、ガソリンエンジン１９０からの排気流との間で、また、触媒ハニカム形モノリス１５５に燃料を噴射するために適宜使用される燃料噴射口１５２との間で流体的に連結される（図５Ｆ参照）。噴射された燃料は直ちに燃焼し、捕集された粒子状物質をほぼ酸化／燃焼し尽くすのに十分なだけ触媒装置１５０を加熱する。この再生過程は、定期的に行うこともでき、あるいは閾値温度や閾値背圧などのパラメータ測定値に応じて開始することもできる。ハニカム形モノリス１５５材料の絡み合った繊維のような性質が寄与して高められた堅牢性によって、より頻繁な再生が容易になる一方、ハニカム形モノリス１５５材料の堅牢かつ耐火性の高い性質によって、周知のコンバータ装置で可能であるよりもエンジンに近いところに（および排気流の高温部分に、または大きな熱衝撃が材料に加わることが予想され得るところに）装置１５０を設置することが可能になる。これにより、装置１５０のより迅速なライトオフ時間が可能になり、したがって放出される汚染の低減が可能になる。
【００４０】
ｄ．閉塞パターンおよび閉塞位置は、触媒装置１５０の物理的構成、ならびにその作動環境によって決定づけられる背圧および変換の要件に応じて選択される。閉塞パターンまたは閉塞位置を調整することによって、入側流路または出側流路１５７、１５９の相対的な容積または形状は調整することができる。例えば、より多くの入側流路容積を用意することで背圧を低減することができる。別の例では、どれだけの面積を壁流に利用し、どれだけの面積を流路流に利用するかをブロック１５６の構成によって調整することができる。これにより、装置設計者は、バルク拡散との比較による細孔拡散の相対的なレベルを調整することができる。これに関しては、設計者は、例えば、流路流が多く、壁流が少なくなる構成でブロック１５６を設置することができる。そうすると、層流（バルク拡散）を多く、壁流（細孔拡散）を少なくしながら、背圧を減らすことができる。同様に、流路は、背圧、反応の種類、および必要とされる灰貯蔵容量に応じて、多様な寸法および形状を持つことができる。
【００４１】
ｅ．流路密度は、排ガスの通過が最大化されるように、さらに層流による汚染性化学種の触媒界面への輸送が最適化される一方で背圧の上昇が最小化されるように選択される。モノリス材料の繊維様の性質（すなわち、絡み合い、互いに連結した繊維が、その交叉箇所のほぼすべてではないにしても、その大半で焼結され、またはその他の方法で結合されている）により、例外的に強固で頑丈な基材材料が、比較的高めの空隙率（少なくとも約５０パーセントの空隙、より典型的には、約６０パーセントから約９０パーセントの空隙）を持ち、同時に軽量を維持し、比較的低い熱質量をなすことが可能となる。これらの特性は、従来の焼結コーディエライト基材（とりわけ、様々な壁流のコーディエライト基材が使用された場合）ほど顕著には背圧に寄与しないように十分な固有の空隙率と通気率を持ちながら、頑丈で比較的脆くない材料を結果としてもたらす。同様に、壁流と高い空隙率の組合せによって触媒に対する曝露の公算が大きくなるため、流路の長さを比較的短くすることができる。そのため、この材料を使って、比較的高い流路密度（すなわち、断面積が小さめの多数の流路）の比較的短い流路１５７、１５９を、それと流体的に連結されたエンジンに対する背圧を大幅に増大させることなく、形成することができる。同様に、流路密度（セル密度）が小さめで、壁が厚めの基材を、壁の細孔における排ガスの滞留時間が増すように構成することもできる。
【００４２】
ｆ．触媒物質は、汚染性化学種から非汚染性化学種への所期の反応が低温で比較的速い速度で促進されるように選択される。典型的には、内燃エンジン用途では、これらの化学種は、ガソリンＩＣＥまたはその他のＩＣＥの排気流に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および各種炭化水素（ＨＣ）である。典型的には、別個のものとして存在する触媒の数は、排気流から除去されることが期待される汚染物質の数に等しいが、１つの触媒が２つ以上の汚染物質から非汚染物質への反応を触媒するように作用できる場合は、要求される触媒の数が少ないことができる。例えば、ＮＯｘからＮ２およびＯ２への反応の触媒のため、ＣＯからＣＯ２への反応の触媒のため、さらにＨＣｓからＣＯ２およびＨ２Ｏへの反応の触媒のために、プラチナとロジウムの組合せが基材表面および／または細孔壁上にあることができる。ペロブスカイト構造、貴金属、卑金属酸化物、希土類、およびそれに類するものを含む、より複雑な触媒を使用することもできる。他の反応に関しては、触媒は、酵素のような生体分子からなることもできる。触媒は、間隔をあけた別個の被覆として、物理的混合物として、別個の縞もしくは帯として、または壁および細孔表面に触媒界面を生じるあらゆる適当な態様で、塗布することができる。これにより、各々の流路または流路部分は１つの種類の触媒で被覆され、別の流路または流路部分は別の種類の触媒で被覆されることができる。また、薄め塗膜（ウォッシュコート）および触媒は、典型的には、基材の壁の個々の繊維上に、および個々の繊維の間の結合部に付与することができる。
【００４３】
ｇ．上のａからｆまでに取り上げた設計基準が一連の一般的なガイドラインとして与えられたものにすぎないことは了解されるだろう。触媒装置の設計においては、典型的に多くのトレードオフや妥協がなされることは理解されるであろう。触媒装置１５０は非常に柔軟性のある設計であり、個別に多くの構造で製作され得るものである。
図６Ａおよび６Ｂは、上述のように機能する触媒装置２０２に機能的に連結された排気系２００を示したものである。排ガスはエンジン２０１によって発生し、排ガス流通路２０３に通され、流通路２０３の一部として流体的に連結された触媒装置２０２に通される。排ガス入口２０４および排ガス出口２０５は筐体２０６によって画定される。排ガスは排ガス入口２０４を通して触媒装置２０２に入り、その中の繊維状壁２０７と相互に作用し、排ガス出口２０５から出る。
【００４４】
図７は、アフターマーケット用品または修理用品としての用途のために構成された触媒装置２２５を示したものである。装置２２５は、筐体２２８の中に閉じ込められた繊維状内壁２２７を備える。筐体２２８は排気入口２３１と排気出口２３３を画定する。さらに、筐体２２８は、既存の排気系と接続するように構成された入口連結器２３５と出口連結器２３７を画定する。連結器２３５、２３７は、溶接、摩擦および／またはねじによる連結など、あらゆる適当な連結形式に対応した構造にすることができる。
【００４５】
図８は、層状化された一組または一連の直交流路２５２の集合体を持つクロスフロー・フィルタ２５０を概略的に示したものである。一組または一連の入側流路２５４の集合体は、少なくとも２つの成分（ここでは「Ａ」＋「Ｂ」として示す）を含む液体または気体を受ける。入側流路２５４と出側流路２６２の間の壁は、多孔質のほぼ繊維状の材料で作られ、触媒の被覆が施されており、物質Ｂの分離または新たな非Ｂ化学種への反応を促進する一方で、同時に物質Ａはほぼ無変化のまま通過させる。こうして、少なくともＢ材料の一部はフィルタ２５０を通ることで流体流から取り除かれる。そのため、フィルタ出口２６０から出る流体は、より低い濃度のＢ化学種と、より高い濃度のＡ化学種とを含む。フィルタの長さを増やすか、流路の数を増やすか、または反応性被覆の量を増やすかのいずれかによって、Ｂ材料が追加的に取り除かれる（すなわち、Ｂの濃度をより一層低下させることができる）ことが理解されよう。
【００４６】
図９は、入側流路と出側流路がランダムに設けられている点を除いて、触媒装置１０と同様の触媒装置２７５を示したものである。より詳細には、繊維状ブロック２８５は筐体２７７内に配置されて、高い空隙率を特徴としており、それによってガスがブロック２８５を通り抜けてランダムに流れることを可能にする。筐体２７７は、任意選択で、筐体内部に接続された（ブロック２８５と同じ、または異なる組成の）繊維状壁２７９を備えることができる。ブロック２８５は、典型的には、より長い、またはより無秩序なガス流の経路を助長する空隙率勾配を持つ。筐体２７７はさらにガス入口２８１および間隔をあけたガス出口２８３を含み、これらはブロック２８５を通り抜けるガス流の経路の端点を画定する。
【００４７】
図１０は、入側流路３１０が出側流路３１１よりも広い点を除いて、触媒装置１０と同様の触媒装置３００を示したものである。筐体３０２は繊維状内壁被覆２０４を含み、間隔のあいた入口および出口３０６、３０８を画定しており、入口および出口３０６、３０８は、装置３００の中に配置された繊維状壁３１５を通り抜ける経路を含め、装置３００を通り抜けるガス流の経路の端点を画定する。背圧は、出側流路３１１と比較して広い、または多くの入側流路３１０を設けることによって低下させることができる。
【００４８】
図１１は、出側流路３７１、３７０の各々にブロック３７９、３８１が流路端／排気出口３５４から隔たった位置に置かれている点を除き、触媒装置１５０と同様の触媒装置３５０を示したものである。流路３６７、３６８、３７０および３７１はここでも壁３７３によって画定され、排気入口３５３と排気出口３５４の間で流体的に連結されている。しかし、ブロック３７９、３８１を流路端から隔たった位置に置くことによって、隣接する入側流路３６７、３６８に追加的な容量が提供され、それによって背圧を低下させることができる。層流およびバルク拡散のために用意される区域も増大する。
【００４９】
ここで使用される触媒担体の繊維様および多孔質の性質によってもたらされるライトオフ時間の速さや、汚染物質から非汚染物質へのより効率的な変換に加え、上に説明した装置の繊維様および多孔質の性質は、関係するエンジンおよびガス流によって発生する音および騒音を緩和し、減衰する傾向も持つ。そのため、装置は、その使用によって外部的な消音または阻流装置の必要が軽減され、または最小化される傾向があることから、追加的な魅力を持つ。
【００５０】
発明について図面および上記の説明で詳細に図示し、説明してきたが、これらは説明のためのものであって、限定的な性格のものではないと見なされる必要がある。上記明細書では、最良の態様および実施可能性の要件を満たすものとして実施形態が示され、説明されたものと理解される。当業者が上述の実施形態に対してほとんど無数の実質的でない変更や改変を容易に加え得ることや、そうしたすべての実施形態の変形例をこの明細書に記載しようとするのは現実的でないことは理解されるところである。そこで、発明の精神の範囲内にあるすべての変更および改変について保護が求められることは理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による触媒装置の図である。
【図２】本発明による触媒装置の図である。
【図３】本発明による触媒装置の図である。
【図４Ａ】本発明による触媒装置の使用によるライトオフ時間の短縮を示すグラフである。
【図４Ｂ】本発明による触媒装置の使用によるライトオフ時間の短縮を示すグラフである。
【図４Ｃ】本発明による触媒装置の使用によるライトオフ時間の短縮を示すグラフである。
【図４Ｄ】本発明による触媒装置の使用によるライトオフ時間の短縮を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明によるモノリス基材を持つ触媒装置の端部の図である。
【図５Ｂ】図５Ａの端部の部分拡大図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示された触媒装置の中間部の断面図である。
【図５Ｄ】図５Ａに示された触媒装置の隣接する流路の断面を引き延ばした図である。
【図５Ｅ】図５Ａに示された触媒装置の隣接する流路の断面の見取図である。
【図５Ｆ】ガソリンエンジンから大気中に流れ出る排気流の中に配置した図５Ａの装置の概略図である。
【図６Ａ】本発明による触媒排気系の図である。
【図６Ｂ】本発明による触媒排気系の図である。
【図７Ａ】本発明による交換用触媒装置の図である。
【図７Ｂ】本発明による交換用触媒装置の図である。
【図８】本発明によるクロスフロー触媒装置の図である。
【図９】本発明による触媒装置の図である。
【図１０】本発明による触媒装置の図である。
【図１１】本発明による触媒装置の流路の断面図である。
【図１】
2009515097.tif 000003
【図２】
2009515097.tif 000004
【図３】
2009515097.tif 000005
【図４Ａ】
2009515097.tif 000006
【図４Ｂ】
2009515097.tif 000007
【図４Ｃ】
2009515097.tif 000008
【図４Ｄ】
2009515097.tif 000009
【図５Ａ】
2009515097.tif 000010
【図５Ｂ】
2009515097.tif 000011
【図５Ｃ】
2009515097.tif 000012
【図５Ｄ】
2009515097.tif 000013
【図５Ｅ】
2009515097.tif 000014
【図５Ｆ】
2009515097.tif 000015
【図６Ａ】
2009515097.tif 000016
【図６Ｂ】
2009515097.tif 000017
【図７Ａ】
2009515097.tif 000018
【図７Ｂ】
2009515097.tif 000019
【図８】
2009515097.tif 000020
【図９】
2009515097.tif 000021
【図１０】
2009515097.tif 000022
【図１１】
2009515097.tif 000023
【国際調査報告】
2009515097.tif 000024