(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼エンジンからの排気ガスを処理するためのシステムと、エンジン始動時のＮＯｘ転換の向上を図る。【解決手段】システムは、希薄燃焼エンジン１０、排気マニホールド１２、ターボチャージャー１４とを有し、排気ガス流が、酸化触媒２８、小型ＳＣＲフロースルーモノリス２０、ＳＣＲ壁面流フィルタ２２を有する。アンモニア又は尿素還元体の注入点２４が、小型モノリスの上流に装着され、還元体の第２の注入点２６は、小型モノリスと壁面流フィルタとの間に配置される。ＳＣＲ壁面流フィルタの位置は、ターボチャージャーの出口と壁面流フィルタの出口との間で、０．５メートル未満とする。また、小型ＳＣＲフロースルーモノリスは、ＳＣＲ壁面流フィルタと比較して、低い熱容量及び高い触媒充填を備え、少ない体積を有する。【選択図】図１
2018150936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからのＮＯｘを含有する排気ガスを処理するためのシステムであって、前記システムは、：
ＮＯｘの選択的触媒還元のための第１触媒組成物を有し、かつ、第１体積を有するフロースルーモノリスと、
粒子状物質の削減、及び、ＮＯｘの選択的触媒還元のための第２触媒組成物を有し、かつ、第２体積を有する、近位連結された粒子状物質フィルタと、
約１：２を下回る、前記第１体積の前記第２体積に対する体積比とを備え、
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタと流体連通し、かつ、前記粒子状物質フィルタの上流に組み込まれる、システム。
【請求項２】
前記体積比は約１：１０から約１：２である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記体積比は約１：６から約１：４である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記フロースルーモノリスは、押出成型された触媒ブリックである、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記粒子状物質フィルタは、前記第２触媒組成物でコーティングされ、かつ／又は、前記第２触媒組成物に含浸された不活性基材である、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記基材は、主として、コーディエライト若しくは金属で作られる、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタと比較して、より低い熱容量を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタと比較して、より低い比熱を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタの比熱の約２０から約８０％の、比熱を有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタの比熱の約３５から約６５％の、比熱を有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１と第２の触媒組成物は、卑金属で促進されたアルミノケイ酸塩又はシリコアルミノリン酸塩モレキュラーシーブを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタのＳＣＲ触媒充填よりも多い、ＳＣＲ触媒充填を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記フロースルーモノリスは、約３から１５ｇ／ｉｎ３のＳＣＲ触媒充填を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１と第２の触媒組成物のうちの少なくとも１つが、卑金属で促進されたアルミノケイ酸塩又はシリコアルミノリン酸塩モレキュラーシーブを含む限り、前記第１と第２の触媒組成物は異なる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
ＮＯｘの選択的触媒還元のための前記第２触媒組成物は、前記粒子状物質フィルタの下流側にコーティングされ、かつ／又は、含浸される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
ＮＯｘの選択的触媒還元のための前記第２触媒組成物は、前記粒子状物質フィルタの上流側にコーティングされ、かつ／又は、含浸される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記粒子状物質フィルタは、前記フロースルーモノリスの、約０．０１から約０．２５メートル下流にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記フロースルーモノリス及び前記粒子状物質フィルタと流体連通し、かつ、前記フロースルーモノリスと前記粒子状物質フィルタとの間に配置された、還元体注入源を更に備える、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
ＮＯｘ及び煤煙を含有するエンジン排気ガス流を処理するための方法であって、
前記排気ガス流を、還元体の存在下において、第１ＳＣＲ触媒組成物充填及び第１体積を有するフロースルーモノリスに接触させて、前記ＮＯｘの第１部分がＮ２とＯ２とに転換された中間ガス流を発生させることと、
前記中間ガス流を、第２ＳＣＲ触媒組成物充填及び第２体積を有する、近位連結された触媒式粒子状物質フィルタに接触させること、を含み、前記第２体積は、前記煤煙の一部分を捕捉し、前記ＮＯｘの第２部分がＮ２とＯ２とに転換された清浄ガス流を発生させるために、前記第１体積の少なくとも約２倍であり、
煤煙酸化温度で前記煤煙の前記部分を酸化させて、前記触媒式粒子状物質フィルタを再生させることと、
前記触媒式粒子状物質フィルタをＳＣＲ点火温度まで加熱する前に、前記触媒式の近位連結されたフロースルーモノリスを、ＳＣＲ点火温度まで加熱することと、
前記触媒式粒子状物質フィルタの前記煤煙酸化温度を、前記第１と第２の体積を合わせたものと等しい体積を有する触媒式粒子状物質フィルタと比較して、より長い時間、低負荷条件下で維持すること、を含む、方法。
【請求項２０】
前記排気ガス流を接触させる前記ステップと、前記中間ガス流を接触させる前記ステップは、前記第１と第２の体積を合わせたものと等しい体積、及び、前記第１と第２の充填に等しいＳＣＲ触媒充填を有する触媒式粒子状物質フィルタと比較して、前記ＮＯｘのより高い転換を有する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼エンジンからの排気ガスの浄化に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の排気ガスの成分のうち最も高負荷なものの１つが、酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）及び亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を含む、窒素酸化物（ＮＯｘ）である。ＮＯｘの発生は、特に、ディーゼルエンジンのような希薄燃焼エンジンにとって問題である。排気ガス中のＮＯｘの環境負荷を軽減するためには、これらの望ましくない成分を、好ましくは他の有害物質又は有毒物質を生成しないプロセスによって、排除することが望ましい。
【０００３】
ＮＯｘガスを発生させることに加え、希薄燃焼エンジンは、その内燃特性により、粒子状物質又は煤煙を生成するという欠点を有するが、粒子状物質は、未燃炭化水素、及び、燃料又は潤滑油中に存在する硫黄種に由来する二酸化硫黄の酸化によって発生する硫酸を含み、多種多様な有機物を吸収しうる。ディーゼルエンジンの排気ガスは、ガソリンエンジンと比較して、より多く煤煙を含む傾向がある。
【０００４】
希薄燃焼エンジンからの排気ガスは大気汚染の一因となることから、希薄燃焼エンジンが作動することによる汚染効果を最小化するために、処理システムは重要である。
【０００５】
希薄燃焼エンジンの排気ガスの中の汚染物質を低減するために、一般に２つの方法が用いられる。第１の方法は、選択的触媒還元法（ＳＣＲ）としても知られ、ディーゼル排気ガス中のＮＯｘを、より良性な物質へと転換する。ＳＣＲのプロセスは、触媒、及び、典型的には無水アンモニア、アンモニア水又は尿素である還元剤の存在下において、ＮＯｘの元素窒素（Ｎ２）と水への転換を伴う。第２の方法は、粒子フィルタに煤煙含有排気ガスを通過させることによって、煤煙の放出を低減させる。しかし、フィルタ上に煤煙粒子が蓄積することで、動作中の排気システムの背圧の望ましくない増大と、それによる効率の低減が、引き起こされる可能性があるフィルタを再生させるためには、例えば、高温での不動態酸化又は活性酸化による煤煙の定期的な燃焼によって、蓄積された炭素系煤煙をフィルタから除去する必要がある。
【０００６】
特に粒子状物質と窒素酸化物とを処理するために、ＳＣＲ触媒を含む、排気システム内のいくつかの別々の個別構成要素を組み合わせることは、ＷＯ９９／３９８０９から既知である。例えば、還元剤と組み合わされた、エンジンからの排気ガスの流れは、初めに、ＳＣＲ触媒を取り込んだフロースルーモノリスを通って流れて、ＮＯｘを還元し、次いでガスは、粒子状物質フィルタを通過することによって粒子状物質を除去するよう、下流で更に処理される。かかる設計の欠点は、排気ガス処理後構成要素の数が増大することにより、排気システムの全体コストが増加し、かつ、システムの総体積及び総重量が増加することであるが、このことは特に、車両にとって不利益となる。車両の排気システムが全体的に重くなるほど、車両が移動するのに多くの燃料が必要となる。
【０００７】
上記の欠点を克服するために、ＮＯｘを還元し、粒子状物質を削減することが可能な単一の構成要素を有する排気システムが、既に設計されている。米国特許公報２０１０／０１８０５８０は、ＳＣＲ触媒を壁面流フィルタと組み合わせるシステムを開示している。壁面流フィルタは、一端部が被蓋されている、隣接して平行する複数のチャネルを包含し、被蓋は、交互パターンで隣接するチャネルの対向する端部で行われる。チャネルの交互端部が被蓋されることで、フィルタの入口面に入るガスが、チャネルを直進流通してそのチャネルから出ることが、防止される。その代わりに、排気ガスは、基材の前面に入り、基材の出口面から出る前に、チャネルの約半分まで移行して、そこで、チャネル壁を超えるよう押される。触媒は、典型的には、水溶液混合物又はウオッシュコートの形態で壁面流フィルタの壁に塗布され、次いで、壁面に付着するようか焼される。
【０００８】
ある種のＳＣＲ壁面流フィルタの欠点は、その表面に塗布されることが可能な触媒の量が限定されることである。厚いウオッシュコート壁は、チャネルを、また場合によっては孔を狭め、ガスの流れを阻害して背圧の一因となり、システムの効率に悪影響を与える。背圧を低減するための既知の方法は、塗布されるウオッシュコートの体積の限定を伴う。ウオッシュコートの減少は、触媒の減少、及び、ＮＯｘを転換させるフィルタの能力の低減をもたらす。最終的に、ＳＣＲ触媒の壁面流フィルタの表面へのコーティングは、フィルタの全体重量を増す。質量の増大により、壁面流フィルタを触媒活性化に必要な温度まで加熱するために、より多くの時間とエネルギーが必要になるが、このことは、エンジンがまだその通常の定態運転温度に到達していない始動時において、大きな欠点である。ＳＣＲ壁面流フィルタを加熱する速度を増すために、フィルタは、エンジンの近位に配置されることが可能である。
【０００９】
ＳＣＲ壁面流フィルタに関連付けられた欠点を克服するための既知の方法は、壁面流フィルタの上流にＳＣＲフロースルーモノリスを置くことである。所謂ハニカム形状を有するフロースルーモノリスは、両端で開口し、かつ、通常基材の入口面から出口面に延在する、隣接して平行する複数のチャネルを備える。各チャネルは、典型的には、四角形、円形、六角形又は三角形の断面を有する。触媒材料は、典型的には、基材の壁上及び／又は壁内で具現化されることが可能なウオッシュコート又は他のスラリとして、基材に塗布される。
【発明の概要】
【００１０】
出願人は、ＮＯｘを還元し、煤煙を削減する、希薄燃焼エンジンからの排気ガスを処理するためのシステムを発見した。システムは、近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタの上流に位置する、小型ＳＣＲフロースルーモノリスを備える。
【００１１】
本書において、「近位連結された」という用語は、エンジンの排気ガスマニホールド又はターボチャージャーから約１メートル未満、好ましくは約０．０５から約０．５メートル下流の、エンジンの排気ガス処理システム内の構成要素の位置を表す。高負荷下でのエンジンの始動時又は運転中に、近位連結位置にある構成要素は、典型的には、更に下流の構成要素と比較して、より高温の排気ガスに曝される。小型ＳＣＲフロースルーモノリスと、別個の、下流にある、近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタとの組み合わせから、より大型のＳＣＲフロースルーモノリスと下流のＳＣＲ壁面流フィルタ、又はエンジンに近位連結されていないＳＣＲ壁面流フィルタとの組み合わせでは見られない、相乗効果が得られることが発見された。加えて、この効果は、本発明の組み合わされたＳＣＲフロースルーモノリスとＳＣＲ壁面流フィルタに等しい体積及び触媒充填を有する、単一のＳＣＲ壁面流フィルタでは見られない。詳細には、ＳＣＲ構成要素の相乗的組合せから、従来型のＳＣＲフロースルーモノリスとＳＣＲ壁面流フィルタとの組合せよりも高い、煤煙燃焼効率が得られる。更に、構成要素の相乗的組合せにより、構成要素の相乗的組合せに匹敵する体積及び触媒充填を有する、単一の近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタと比較して、より高いＮＯｘ転換が得られる。つまり、本発明の構成要素の相乗的組合せは、壁面流フィルタの高温安定性を提供して、持続的なフィルタ再生を促進する一方で、触媒の追加を必要とせずに、ＳＣＲ／触媒濾過システムの全体的なＮＯｘ転換効率を向上させ、ひいては、システムのコストを削減する。
【００１２】
小型ＳＣＲフロースルーモノリスは、下流のＳＣＲ壁面流フィルタと比較して、より低い熱容量を有することを特徴とする。低い熱容量は、ＳＣＲ壁面流フィルタと比べて、より低い比熱及び／又はより少ない体積又は質量を有するＳＣＥ流通材料に、起因することが可能である。
【００１３】
そのため、本発明の一態様は、エンジンからのＮＯｘを含有する排気ガスを処理するためのシステムを提供し、前記システムは、（ａ）ＮＯｘの選択的触媒還元のための第１触媒組成物を有し、かつ、第１体積を有するフロースルーモノリスと、（ｂ）粒子状物質の削減、及び、ＮＯｘの選択的触媒還元のための第２触媒組成物を有し、かつ、第２体積を有する、近位連結された粒子状物質フィルタと、（ｃ）約１：２を下回る、第１体積の第２体積に対する体積比と、を備え、前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタと流体連通し、かつ、前記粒子状物質フィルタの上流に組み込まれる。
【００１４】
本発明の別の態様により、ＮＯｘ及び煤煙を含有するエンジン排気ガス流を処理するための方法であって、前記排気ガス流を、還元体の存在下において、第１ＳＣＲ触媒組成物充填及び第１体積を有するフロースルーモノリスに接触させて、前記ＮＯｘの第１部分が既にＮ２とＯ２とに転換された中間ガス流を発生させることと、前記中間ガス流を、第２ＳＣＲ触媒組成物充填及び第２体積を有する、近位連結された触媒式粒子状物質フィルタに接触させること、を含み、前記第２体積は、煤煙の一部分を捕捉し、前記ＮＯｘの第２部分が既にＮ２とＯ２とに転換された清浄ガス流を発生させるために、第１体積の少なくとも約２倍であり、煤煙酸化温度で煤煙の前記部分を酸化させて、触媒式粒子状物質フィルタを再生させることと、前記触媒式粒子状物質フィルタをＳＣＲ点火温度まで加熱する前に、前記触媒式の近位連結されたフロースルーモノリスを、ＳＣＲ点火温度まで加熱することと、前記第１と第２の体積を合わせたものと等しい体積を有する触媒式粒子状物質フィルタと比較して、より長い時間、触媒式粒子状物質フィルタの前記煤煙酸化温度を、低負荷条件下で維持すること、を含む、方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による、エンジン排気ガス処理システムの一実施形態の概略図である。
【図２】一ＳＣＲ壁面流フィルタのみを含むシステムと、本発明によるシステムとによって、エンジン始動時に転換されたＮＯｘの合計質量を、図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明は、ＮＯｘ転換を向上させ、かつ、より高い煤煙燃焼効率を得るために、温度安定型の一連のＳＣＲ触媒を備える、希薄燃焼エンジンからの排気ガスを処理するための新規のシステムを提供する。詳細には、本発明は、近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタの上流に位置する小型ＳＣＲフロースルーモノリスを備える、煤煙を削減し、排気ガス中のＮＯｘを処理するためのシステムを伴う。本発明は、強力型ディーゼルエンジン、特にトラック又はバスのエンジンのような車両エンジンからの排気ガスに特段の用途を有すると信じられるが、それのみに限定されると見なされるものではない。他の用途としては、ＬＤＤ（軽量型ディーゼル）エンジン、ＧＤＩ（ガソリン直接噴射）エンジン、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）エンジン、船舶又は固定発生源がありうる。しかし簡略化のために、この明細書の大部分は、かかる車両エンジンに関する。
【００１７】
ＳＣＲ壁面流フィルタは近位連結されることから、本発明において使用される小型ＳＣＲフロースルーモノリスの全体的な長さは、還元剤注入点又は酸化触媒のような、排気システムの他の構成要素を収容するためにも、ＳＣＲ壁面流フィルタとエンジン出口との間に提供された空間を下回るべきである。小型ＳＣＲフロースルーモノリスはまた、エンジン始動時に触媒の活性化温度まで早急に温度上昇するために、軽量であるべきである。本発明以前は、かかる軽量小型フロースルーモノリスの構造完全性は疑わしいものであった。
【００１８】
小型モノリスは、特にエンジン始動時に、ＮＯｘ還元を支援する。より重いＳＣＲ壁面流フィルタは、始動時に続き、エンジンの定態運転温度中の、壁面流フィルタのＳＣＲ触媒の活性化温度（すなわち発火温度）への温度上昇の際に、次いで、排気ガス中のＮＯｘのより多くの部分を転換する。ＳＣＲ壁面流フィルタはより重く、エンジンと近位連結されていることから、冷えるにはより長い時間がかかり、従って、エンジンが低負荷条件下で運転しているか、又はアイドリングしている間にＮＯｘ転換を維持し、ひいては、煤煙酸化効率を向上させることになる。
【００１９】
本発明の小型ＳＣＲフロースルーモノリスは小さく、従って、触媒が塗布されうる表面積が限定されていることから、モノリスは、モノリスの単位体積当たりに、触媒が大量に充填されるようにすることが好ましい。小型ＳＣＲフロースルーモノリスが、本発明のシステムで使用されるＳＣＲ壁面流フィルタ上の、基材の単位体積当たりの触媒充填を上回る、単位体積当たりの触媒充填を有することも、好ましい。小型モノリスは、約３ｇ／ｉｎ３から約１５ｇ／ｉｎ３という好ましい、より好ましくは約４ｇ／ｉｎ３から約１０ｇ／ｉｎ３の、触媒充填範囲を有する。それに対して、ＳＣＲ壁面流フィルタは、好ましくは、約１ｇ／ｉｎ３から約２．８ｇ／ｉｎ３の、例えば１．５ｇ／ｉｎ３から２．５ｇ／ｉｎ３という、触媒充填範囲を有する。ゆえに、ある種の実施形態では、小型モノリスの、壁面流粒子フィルタに対する単位体積当たりのＳＣＲ触媒充填の比率は、約１５：１から約１．５：１であり、例えば、約４：１から約２：１である。フロースルーモノリス上のＳＣＲ触媒と壁面流フィルタ上のＳＣＲ触媒は、同一の触媒、又は異なる触媒でありうる。ある種の実施形態では、上流のフロースルーモノリス上のＳＣＲ触媒は鉄で促進されたゼオライトであり、下流の壁面流フィルタ上のＳＣＲ触媒は銅で促進されたゼオライトである。
【００２０】
小型モノリスの寸法はまた、部分的には、小型モノリスの単位体積当たりの所望の熱容量に基づいて、選択される。本書において「体積」は、モノリス又はフィルタの外形寸法、例えば長さ及び直径によって、決定される。上述のように、ＳＣＲフロースルーモノリスが小型かつ軽量であることにより、それは、触媒の活性化温度まで、エンジン始動時に早急に温度上昇すること、及び、ＮＯｘ転換が向上した排気ガス処理システムを提供すること、が可能になる。小型モノリスの所望の寸法は、下流のＳＣＲ壁面流フィルタのサイズと相対的に表されうる。本発明の小型モノリスの体積は、好ましくは、ＳＣＲ壁面流フィルタの体積の約１０％から約７５％であり、より好ましくは約１５％から約５０％、より好ましくは約１５％から約４０％、また最も好ましくは、約２０％から約２５％である。好ましくは、フロースルーモノリスの体積の壁面流フィルタの体積に対する比率は、約１：２を下回り、例えば約１：１０から約１：２、又は、約１：６から約１：４である。
【００２１】
小型モノリスの寸法の選択に加えて、熱容量は加熱されるべき物体の材料の特性に依拠することから、小型モノリスの単位体積当たりの所望の熱容量に基づいて、小型モノリスを作るために使用される材料の種類が選択される。体積と同様に、小型モノリスの単位体積当たりの所望の熱容量（すなわち比熱）は、壁面流フィルタの比熱と相対的に表されうる。小型フロースルーモノリスの比熱は、好ましくは、壁面流フィルタの比熱の約２０％から８０％であり、より好ましくは２５％から７５％、最も好ましくは３５％から６５％である。
【００２２】
第１の好ましい実施形態では、本発明で使用される小型モノリスは、押出成形される。押出成型されたモノリスは、初めに、触媒、接合剤、及び、任意で懸濁液を形成するための無機繊維を含む、出発原料を組み合わされることによって、製造される。懸濁液は、酸性又はアルカリ性の水性混合物との追加的な混合及び／又は混練によって更に処理される。押出成型に適する組成物を得るために、有機試薬が水性混合物に添加される。組成物をモノリスの形状に押出成型した後に、それは乾燥され、か焼される。結果として得られるモノリスは、長期の使用に足る機械的安定性及び有効作用を有する。
【００２３】
触媒組成物をモノリスの形態に押出成型することによって、基材を触媒でコーティングする必要性は排除され、本体全体を通じて触媒材料を有する触媒本体によって置換される。従って、押出成型されたモノリスは、典型的には、触媒成分を含有するウオッシュコートが塗布されている不活性基材よりも、単位体積当たりにより多くの触媒を含有する。押出成型された触媒モノリスは、小型かつ軽量であり、本発明のシステムでは、ＳＣＲ壁面流フィルタの上流に置かれることが可能になる。
【００２４】
第２の好ましい実施形態では、本発明で使用される小型モノリスは、初めに、触媒成分と、任意で接合剤とを含む水性混合物を準備すること、及び、水性混合物を、後に乾燥されか焼される、モノリスの形態の不活性基材に塗布すること、によって製造される。軽量モノリスが望まれていることから、本発明において長期の使用期間のモノリスの機械的安定性を犠牲にすることなく、その表面に有効量の触媒が塗布されることを可能にするための、薄い壁を提供することになる材料が、選択されるべきである。
【００２５】
フロースルーモノリスは、好ましくは、両端が開口し、ほぼ平行してモノリスを横断する、複数のチャネルを有するハニカムである。チャネルの断面形状は特に限定されず、例えば、正方形、円形、楕円形、長方形、三角形や六角形などでありうる。好ましくは、フロースルーモノリスは（押出成型された触媒か不活性基材のいずれであっても）、約１５０から約８００の平方インチ当たりチャネル数（ｃｐｓｉ）、より好ましくは約３００から約４００ｃｐｓｉ、又は、約６００から約８００ｃｐｓｉを包含する。ある種の実施形態では、フロースルーモノリスは（押出成された触媒か不活性基材のいずれであっても）、平均壁厚が約０．３０ｍｍ未満、約０．２５ｍｍ未満、約０．２２ｍｍ未満、又は約０．２０ｍｍ未満である、壁を有することが可能である。ある種の実施形態では、セル壁は、約０．３０ｍｍから約０．２５ｍｍ、約０．２５ｍｍから約０．２２ｍｍ、又は約０．２２ｍｍから約０．２０ｍｍの、平均厚さを有することになる。
【００２６】
フロースルーモノリスは、好ましくは、優勢相として、セラミック、サーメット、金属、酸化物、及びそれらの組み合わせを含む、一又は複数の材料で構成される。組み合わせとは、物理的又は化学的な組み合わせ、例えば、混合物、合成物又は複合物のことである。本発明の実践に特段に適するいくつかの材料は、コーディエライト、ムライト、クレー、タルク、ジルコン、ジルコニア、スピネル、アルミナ、シリカ、ホウ化物、リチウムアルミノケイ酸塩、アルミナシリカ、長石、チタニア、溶融シリカ、窒化物、ホウ化物、炭化ケイ素のような炭化物、窒化ケイ素、又はそれらの混合物で作られたものである。特に好ましい材料は炭化ケイ素である。
【００２７】
本発明により、システムは、小型ＳＣＲフロースルーモノリスの下流にあるが、エンジンに近位連結されている、ＳＣＲ壁面流フィルタを含む。かかるＳＣＲ壁面流フィルタは、当該技術分野において既知であり、本発明のシステムで使用される小型流通フィルタと同一の、又は異なる触媒を含みうる。触媒は、か焼の前に触媒のウオッシュコートを基材に塗布することによって、壁面流フィルタに取り込まれる。フィルタ壁を通してウオッシュコートを引き入れるためには、一般に真空が使用される。典型的には幾つかの平行するチャネルを有する、ディーゼルエンジン向けの従来型の壁面流フィルタ基材は、約２５０から８００ｃｐｓｉ、例えば約２５０から３５０ｃｐｓｉを包含し、かつ、セラミック若しくは金属のハニカムの形態で提供される。チャネルは多孔性の壁によって画定され、各チャネルは、基材の入口面若しくは出口面に蓋を有する。これらのような、車両の排気システムで使用するための壁面流フィルタ基材は、多種多様な調達源から市販されており、かつ、排気システムでの使用に適する任意の形状を有することが可能である。
【００２８】
壁面流フィルタの壁は、それをガス透過性にするが、排気ガスからの煤煙のような粒子状物質が壁を通過する際に、その大部分を捕捉することを可能にする、有孔率及び孔サイズを有する。基材は、少なくとも約３５％、より好ましくは約４５％から５５％の有孔率を有する、多孔性材料で構成されうる。多孔性基材の平均孔サイズも、濾過にとって重要である。平均孔サイズは、水銀ポロシメトリーを含む、受容可能な任意の手段によって決定されうる。多孔性基材の平均孔サイズは、基材自体によって、基材の表面上の煤煙ケーキ層の促進によって、若しくは両方の組み合わせによって、妥当な効率を提供する一方で、低背圧を促進するに十分大きな値であるべきである。好ましい多孔性基材は、約１０から約４０μｍ、例えば約２０から約３０μｍ、約１０から約２５ｍ、約１０から約２０μｍ、約２０から約２５μｍ、約１０から約１５μｍ、及び、約１５から約２０μｍの、平均孔サイズを有する。
【００２９】
好ましい壁面流基材は、高効率フィルタである。効率は、壁面流基材を通過する際に未処理排気ガスから除去される、特定のサイズを有する粒子状物質の重量パーセントによって、決定される。従って、効率は、煤煙及び他の類似したサイズの粒子と、及び、典型的には従来型のディーゼル排気ガス中に見出される粒子濃度と、相関関係にある。ディーゼル排気中の粒子のサイズは、０．０５ミクロンから２．５ミクロンの範囲に及ぶことが可能である。ゆえに、効率はこの範囲に基づく。本発明と共に使用される壁面流フィルタは、好ましくは、少なくとも７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、又は、少なくとも約９０％という、効率を有する。ある種の実施形態では、効率は、好ましくは、約７５から約９９％まで、約７５から約９０％まで、約８０から約９０％まで、又は、約８５から約９５％まで、ということになる。
【００３０】
本発明により使用するための触媒は、還元体の存在下において窒素酸化物を還元することを可能にする、任意の適切な触媒を含む。触媒は、金属充填された支持材を含む。適切な触媒は、バナジア、チタニア、タングステン、又はそれらの組み合わせ、並びに、銅及び／又は鉄で促進されたアルミノケイ酸塩及びシリコアルミノリン酸塩を含むがそれらだけに限定されない、金属、特に卑金属で促進されたモレキュラーシーブも含む。特に好ましい金属は銅である。一実施形態では、遷移金属充填は、モレキュラーシーブの、約０．１から約１０重量％、例えば約０．５重量％から約５重量％、約０．５から約１重量％、及び、約２から約５重量％である。遷移金属の種類及び濃度は、ホストモレキュラーシーブ及び適用に応じて変わりうる。アルミノケイ酸塩は、好ましくは、約１５から約５０、例えば、約２０から約４０、又は、約２５から約３０の、アルミナに対するシリカの比率（ＳＡＲ）を有する。
【００３１】
モレキュラーシーブは、Ｂｅｔａ、ＣＨＡ、ＡＥＩ、ＬＥＶ、ＭＦＩ、ＥＲＩ、及び、それらの混合物又は連晶を含むがそれらだけに限定されない、ＳＣＲ処理に適するフレーム構造を有する。
【００３２】
フロースルーモノリス若しくは壁面流フィルタ内に存在するＳＣＲ触媒が、構成要素を通る排気ガスの流れに対するあらゆる制限を最小化する様態で配置されることは、大変好ましい。２つ以上の触媒は、互いに重なり合って積層されうる。触媒材料はまた、壁の上流側と下流側との間で、チャネル壁に沿って、又は、チャネルに差し渡って、一又は複数の濃度勾配を形成するように、配置されうる。チャネル壁に沿って、又は、壁面流フィルタの壁の上流側とそれに対応する下流側に、異なる触媒が充填されうる。
【００３３】
本発明のシステムはまた、還元体の供給源を含みうる。ＳＣＲ処理のための還元体（還元剤としても知られている）は、排気ガス中のＮＯｘの還元を促進する任意の合成物を、広範に意味する。本発明において役立つ還元体の例は、アンモニア、ヒドラジン、又は、尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）、炭酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム又は蟻酸アンモニウムのような任意の適切なアンモニア前駆体、及び、ディーゼル燃料のような炭化水素、等を含む。特に好ましい還元体は、アンモニアを伴う窒素系化合物である。他の還元体は、プロペン及びディーゼル燃料のような炭化水素を含む。
【００３４】
還元流体の供給源は、流体をガス流内へと注入するために従来技術を使用しうる。例えば、質量コントローラは、排気パイプ内に装着された環状注入器リングを通して注入されうる圧縮ＮＨ３の供給を、制御することが可能である。注入器リングは、その外縁の周囲に配設された、複数の注入ポートを有しうる。従来型のディーゼル燃料注入システムは、尿素を注入するためのポンプと注入器ノズルとを含む。良好な混合及び冷却を提供するために、圧縮空気流も、ノズルの周囲に注入されうる。本発明の好ましい一実施形態では、還元体の注入点は、小型ＳＣＲフロースルーモノリスの上流に配置される。第２注入点が、小型モノリスとＳＣＲ壁面流フィルタとの間に、任意で含まれうる。
【００３５】
自動車発生源用途からのＮＯｘの処理における困難は、排気ガス中に存在するＮＯｘの分量が一過性であること、すなわち、加速、減速、及び様々な速度での走行といった運転条件と共に変わることである。自動車用途排気ガス中のＮＯｘ成分の一過性の性質は、窒素還元体を浪費する、又は大気中に放出することなく十分なＮＯｘを還元するために、窒素還元体を正確に調量することを含む、いくつかの技術的課題をもたらす。
【００３６】
実際には、ＳＣＲ触媒は、好ましくは、窒素還元体を吸収し（又は貯留し）、ひいては、入手可能な還元体の適切な供給のための、バッファを提供することが可能である。技術者は、排気ガスへの適切な窒素還元体注入を校正するために、この現象を使用する。貯留容量が低いと、作業中の、システムへの還元体のより頻繁な注入が必要となる。望ましいＳＣＲ触媒は、（いかなる余剰ＮＨ３も触媒を「すり抜け」ないことを担保し、供給物内にＮＨ３が存在しない場合にも転換の継続を可能にするよう、）所定の温度において十分なＮＨ３貯留容量、及び、ＮＨ３充填レベル（充填レベルは飽和ＮＨ３貯留容量と相関して規定される）の割合とは無関係な高い活性を有する。ＮＨ３充填レベルは、所定の一連の条件における最大充填レベルと相関して、触媒の全体（例えばリットル）に存在するＮＨ３の量として（例えばグラムで）、表されることが可能である。未反応で又は副生成物として通過しかねない、あらゆるＮＨ３、或いはその派生物を除去するために、アンモニアスリップ触媒をＳＣＲ壁面流フィルタの下流に組み込むことが、望ましいかもしれない。アンモニアスリップ触媒は、金属で促進されたゼオライトのような還元成分の層と、プラチナ又はパラジウムのような酸化成分の層とを有する、二層式触媒を含むことが可能である。
【００３７】
最新発明の排気ガス処理システムはまた、小型ＳＣＲフロースルーモノリスの上流に酸化触媒を、任意で含みうる。一実施形態では、酸化触媒は、例えば２５０oＣから４５０oＣの、酸化触媒入口における排気ガス温度で、体積で約４：１から約１：３というＮＯのＮＯ２に対する比率を有する、ＳＣＲゼオライト触媒に入るガス流を作り出すよう、適合している。酸化触媒は、フロースルーモノリス基材上にコーティングされた、プラチナ、パラジウム又はロジウムのような、少なくとも１つのプラチナ族金属（又は、それらのいくつかの組み合わせ）を含むことが可能である。一実施形態では、少なくとも１つのプラチナ族金属は、プラチナ、パラジウム、又は、プラチナとパラジウムの両方の組み合わせである。プラチナ族金属は、アルミナ、アルミノケイ酸塩ゼオライトのようなゼオライト、シリカ、非ゼオライトシリカアルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、又は、セリアとジルコニアの両方を含有する混合酸化物或いは複合酸化物といった、高表面積ウオッシュコート成分上で支持されることが可能である。
【００３８】
更なる態様では、本発明による排気システムと組み合わされたエンジンが提供される。エンジンは、ディーゼルエンジン、希薄燃焼ガソリンエンジン、又は、液化石油ガス或いは天然ガスから動力を得るエンジンであることが可能である。図１でわかるように、希薄燃焼エンジン（１０）が示されており、希薄燃焼エンジン（１０）は、排気マニホールド（１２）と、オプションのターボチャージャー（１４）とを有し、それらから、希薄燃焼エンジン（１０）の排気ガス流が、初めにオプションの酸化触媒（２８）の、次いで小型ＳＣＲフロースルーモノリス（２０）の、また次いで、近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタ（２２）の方向（３０）に、移行する。アンモニア又は尿素のような還元体の注入点（２４）が、小型モノリス（２０）の近位かつ上流に装着される。還元体の第２のオプションの注入点（２６）は、小型モノリス（２０）と壁面流フィルタ（２２）との間に配置される。ＳＣＲ壁面流フィルタ（２２）から出るガス流は、エンジンから出る排気ガスと比較して、ＮＯｘガス及び粒子状物質の濃度が低減するように、処理される。ＳＣＲ壁面流フィルタ（２２）の、マニホールド（１２）又はオプションのターボチャージャー（１４）に対する位置は、排気ガスが、マニホールド又はターボチャージャーの出口と壁面流フィルタの出口との間で、０．５メートル未満、又は０．３メートル未満しか、移行しないようにされる。小型モノリス（２０）の入口とマニホールド（１２）又はターボチャージャー（１４）の出口との間の、排気ガスの流れ距離は、特に限定されるべきではなく、好ましくは、オプションの酸化触媒（２８）、及び、妥当な還元体の注入と混入が可能であるよう、最小化される。壁面流フィルタ（２２）の入口と小型モノリス（２０）の出口との間の、排気ガスの流れ距離は、少なくとも幾分の距離がそれら２つの構成要素を隔てる限り、特に限定されない。適切な距離の例は、０．０５メートル、０．１メートル、及び０．２メートルを含む。構成要素２０、２２、２４、２６及び２８は全て、排気ガスシステムの導管、又は、処理システムを通してエンジンの排気ガスを流す他の手段を介して、互いに流体連通する。
【００３９】
本発明の別の態様により、燃焼エンジンからの排気ガス流中のＮＯｘを還元するための方法が提供され、本方法は、還元剤を排気流に導入することと、排気ガス流を、小型ＳＣＲフロースルーモノリスを通して導くことと、最終的に、小型フロースルーモノリスから出るガスを、近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタを通して導くこと、を含む。排気ガスの中の粒子状物質が、同時に、ＳＣＲ壁面流フィルタの中に捕捉される。一実施形態では、高負荷下での、近位連結されたＳＣＲ壁面流フィルタの入口における排気ガス流の温度は、少なくとも６００oＣである。
【００４０】
方法は、ＳＣＲ壁面流フィルタを再生させるステップも含みうる。排気システムの通常動作中に、煤煙と他の粒子は、壁の入口側に蓄積するが、このことは、背圧の増大につながる。この背圧の増大を緩和するために、フィルタ基材は、例えば上流の酸化触媒から生成された二酸化窒素の存在下における既知の技術で、蓄積された煤煙を燃焼させることを含む、能動的又は受動的な技術によって、継続的に、又は定期的に再生される。上述のように、本発明の排気ガス処理システムは、近位連結位置にあり、従って、より容易な熱管理ができ、かつ、フィルタ再生を可能にする、熱源に近いという利点を提供する、ＳＣＲ壁面流フィルタを維持する。
【００４１】
内燃エンジン（可動か静止のいずれも）、ガスタービン、及び、石炭又は油を燃料とする発電装置などによる燃焼プロセスに由来するガスについて、上記の方法を実行することが可能である。方法はまた、精製などの工業プロセスからの、精製加熱炉及び精製ボイラ、焼成炉、化学処理産業、コークス炉、一般廃棄物プラント、及び焼却炉などからの、ガスを処理するために使用されうる。特定の一実施形態では、方法は、ディーゼルエンジン、希薄燃焼ガソリンエンジン、又は、液化石油ガス或いは天然ガスから動力を得るエンジンなどの、車両の希薄燃焼エンジンからの排気ガスを処理するために、使用される。
【００４２】
更なる態様により、システムは、使用時に、触媒が、例えば１００oＣを上回る、１５０oＣを上回る、又は１７５oＣを上回る温度において、所望以上の効率でＮＯｘ還元を触媒できると判断された時にのみ、流れる排気ガスへの窒素還元体の調量を制御するための手段を、含むことが可能である。制御手段による判断は、排気ガス温度、触媒床温度、アクセル開度、システム内の排気ガスの質量流量、マニホールドバキューム、点火タイミング、エンジン速度、排気ガスのラムダ値、エンジン内に注入された燃料の分量、排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブの位置とそれによるＥＧＲ量、及び給気圧、から成るグル―プから選択されたエンジンの状態を示す、一又は複数の適切なセンサ入力によって、支援されることが可能である。
【００４３】
特定の一実施形態では、調量は、（適切なＮＯｘセンサを使用して）直接的に、若しくは、エンジンの状態を示す上述の入力のうちの一又は複数の任意のものを排気ガスの予測ＮＯｘ含有量に相関付ける−制御手段内に格納されている−事前相関された参照用テーブル又はマップを使用するなどして、間接的に決定された、排気ガス中の窒素酸化物の分量に応答して、制御される。窒素還元体の調量は、理論アンモニア量の６０％から２００％が、ＳＣＲ触媒に入る排気ガス中に存在するように調整され、１：１ＮＨ３／ＮＯかつ４：３ＮＨ３／ＮＯ２と算出されることが可能である。制御手段は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）のような、事前にプログラムされたプロセッサを備えることが可能である。
【００４４】
実施例
本発明によるシステムについての、エンジン始動時のＮＯｘ転換の合計が、ＳＣＲ壁面流フィルタのみを含むシステムのＮＯｘ転換の合計と、比較された。ＳＣＲ壁面流フィルタは、５２％の有孔率及び２０ミクロンの平均孔サイズを有する、不活性炭化ケイ素基材を備えていた。壁面流フィルタの体積は２．５Ｌであった。小型モノリスの体積は０．６２５Ｌであった。試験の前に、小型モノリスとＳＣＲ壁面流フィルタとは、８００oＣで１６時間エイジングされた。２つのシステムは、１８０oＣで尿素が還元体として注入される、ＭＶＥＧドライブサイクルに関連付けられた試験条件に曝された自動車内の、１．９Ｌエンジンと共に、試験された。その結果生じた、２つのシステムと一制御装置に関するＮＯｘの放出が、経時的に記録された。
【００４５】
本発明によって提供されるＮＯｘ転換可能性は、ＳＣＲ壁面流フィルタを単独で利用するシステムと比較して、本発明のシステムを通過後の排気ガス中のＮＯｘの総排出量が減少することを示す図２で、証明されている。ここで、線１は、エンジンによって生成された排気ガス中の累積ＮＯｘを表し、；線２は、壁面流フィルタのみを使用しての累積ＮＯｘを表し、線３は、本発明によるシステムを使用しての累積ＮＯｘを表す。システムは両方とも、エンジン始動時のＮＯｘ放出の合計を著しく低減したが、本発明によるシステムは、ＮＯｘ転換の速度が約１５％から２０％増大することを証明した。
【００４６】
本書では本発明の好ましい実施形態が示され、説明されてきたが、かかる実施形態は例としてのみ提供されていることが理解されよう。当業者は、発明の本質から逸脱することなく、多数の変種、変更及び代用例を想起するであろう。そのため、付随する特許請求の範囲は、発明の本質及び範囲に含まれるような、かかる変種全てを対象とすることが意図されている。
【図１】
2018150936.tif 000003
【図２】
2018150936.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月8日(2018.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからのＮＯｘを含有する排気ガスを処理するためのシステムであって、前記システムは、：
ＮＯｘの選択的触媒還元のための、アルミノケイ酸塩モレキュラーシーブ担体上に鉄及び／又は銅を含む第１触媒組成物を有し、かつ、第１体積を有するフロースルーモノリスと、
粒子状物質の削減、及び、ＮＯｘの選択的触媒還元のための、アルミノケイ酸塩モレキュラーシーブ担体上に銅を含む第２触媒組成物を有し、かつ、第２体積を有する、近位連結された粒子状物質フィルタと、
約１：２を下回る、前記第１体積の前記第２体積に対する体積比とを備え、
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタと流体連通し、かつ、前記粒子状物質フィルタの上流に組み込まれる、システム。
【請求項２】
前記フロースルーモノリスが、ＳＣＲ壁面流フィルタ上の基材の単位体積当たりの触媒充填を上回る単位体積当たりの触媒充填を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１触媒組成物が、単位体積当たりの重量における第１の充填で前記フロースローモノリス上に存在し、第２触媒組成物が、単位体積当たりの重量における第２の充填でフロースローモノリス上に存在し、かつ前記第２の充填に対する前記第１の充填の比率が、約１５：１から約１．５：１である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記体積比は約１：１０から約１：２である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタと比較して、より低い熱容量を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記フロースルーモノリスは、前記粒子状物質フィルタの比熱の約２０から約８０％の、比熱を有する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１触媒組成物が鉄を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１触媒組成物が銅を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
ＮＯｘの選択的触媒還元のための前記第２触媒組成物は、前記粒子状物質フィルタの下流側にコーティングされ、かつ／又は、含浸される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
ＮＯｘの選択的触媒還元のための前記第２触媒組成物は、前記粒子状物質フィルタの上流側にコーティングされ、かつ／又は、含浸される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記粒子状物質フィルタは、前記フロースルーモノリスの、約０．０１から約０．２５メートル下流にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記フロースルーモノリス及び前記粒子状物質フィルタと流体連通し、かつ、前記フロースルーモノリスと前記粒子状物質フィルタとの間に配置された、還元体注入源を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
ＮＯｘ及び煤煙を含有するエンジン排気ガス流を処理するための方法であって、
前記排気ガス流を、還元体の存在下において、第１ＳＣＲ触媒組成物充填及び第１体積を有するフロースルーモノリスに接触させて、前記ＮＯｘの第１部分がＮ２とＯ２とに転換された中間ガス流を発生させることと、
前記中間ガス流を、第２ＳＣＲ触媒組成物充填及び前記第１体積の少なくとも約２倍である第２体積を有する、近位連結された触媒式粒子状物質フィルタに接触させて、前記煤煙の一部分を捕捉し、前記ＮＯｘの第２部分がＮ２とＯ２とに転換された清浄ガス流を発生させることと、
煤煙酸化温度で前記煤煙の前記部分を酸化させて、前記触媒式粒子状物質フィルタを再生させることと、
前記触媒式粒子状物質フィルタをＳＣＲ点火温度まで加熱する前に、前記触媒式の近位連結されたフロースルーモノリスを、ＳＣＲ点火温度まで加熱することと、を含む、方法。
【請求項１４】
前記触媒式粒子状物質フィルタの前記煤煙酸化温度を、前記第１と第２の体積を合わせたものと等しい体積を有する触媒式粒子状物質フィルタと比較して、より長い時間、低負荷条件下で維持する工程を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【外国語明細書】
2018150936000001.pdf