(57)【要約】本発明は、或る実施形態では、多くの用途、例えば触媒コンバーター中の基材として用いるのに適した触媒基材に向けられる。本発明の別の態様は、多くの用途、例えば粒子フィルター、例えばディーゼル粒子フィルター（ＤＰＦ）又はディーゼル粒子トラップ（ＤＰＴ）中の基材として用いるのに適した濾過基材である。本発明は、燃焼機関の排気から汚染物質を除去及び／又は排除するための改良型基材も提供する。触媒基材及び濾過基材は、或る実施形態では、排気ガスからの汚染物質の除去における改良を提供する。改良としては、以下のうちの1つ又は複数が挙げられる：より迅速な点火期間、ＰＭの深層濾過、低背圧、目詰まりの低確率、マニホールド又は頭部それ自体を含めた排気系中の多くの位置に構成される能力、触媒反応の高い確率、ＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯの高転化比、ＰＭのより迅速な焼失、触媒材料使用の最小化等。
2007534483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不織焼結耐火性繊維性セラミック複合材料、及び触媒を含む触媒基材又は濾過基材であって、任意にウォッシュコートをさらに含み、且つ、複数の溝をさらに含む触媒基材又は濾過基材。
【請求項２】
前記複合材料がアルミナ−ボリア−シリカ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項３】
前記複合材料がアルミナ−ジルコニア繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項４】
前記複合材料がアルミナ−ボリア−シリカ繊維及びアルミナ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項５】
前記複合材料が酸化アルミナ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項６】
前記複合材料が酸化シリカ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項７】
前記複合材料がアルミナボリアシリカ繊維、シリカ繊維及びアルミナ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項８】
前記複合材料が約５０〜約９０％のシリカ、約５〜約５０％のアルミナ及び約１０〜約２５％のアルミノボロシリケートを含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項９】
前記複合材料がアルミナ強化断熱（ＡＥＴＢ）複合材料である、請求項１記載の触媒基材。
【請求項１０】
前記ＡＥＴＢがＡＥＴＢ−８、ＡＥＴＢ−１２及びＡＥＴＢ−１４及びＡＥＴＢ−１６から成る群から選択される、請求項９記載の触媒基材。
【請求項１１】
前記複合材料がオービタルセラミック断熱（ＯＣＴＢ）複合材料を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項１２】
前記複合材料がホウ素結合剤を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１３】
前記触媒が金属触媒を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１４】
前記触媒がパラジウム、白金、ロジウム、それらの混合物及びそれらの誘導体から成る群から選択される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１５】
さらに前記触媒が約０．０３５〜約１．７７ｋｇ／ｍ３（約１〜約５０ｇ／ｆｔ３）の量で存在する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１６】
前記ウォッシュコートが酸化アルミナを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１７】
前記基材に縦方向に沿って延びる複数の溝を含み、ウォールフロー構成、フロースルー構成、又はその組合せを包含する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１８】
０．４５ｃｍ２（１平方インチ）当たり約１００〜約１００，０００個の溝を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項１９】
０．４５ｃｍ２（１平方インチ）当たり約６００個の溝を有する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２０】
前記溝が正方形、三角形、六角形であり、そしてさらに実質的に長方形、台形又は三角形の縦断面形状を有する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２１】
約６．４５ｃｍ２〜約３２３ｃｍ２（約１平方インチ〜約５０平方インチ）の正面表面積を有する、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２２】
市販触媒コンバーター又はディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）に用いるのに適する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２３】
定置エンジンとともに用いるのに適する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２４】
主触媒コンバーター、ｍａｎｉ−触媒コンバーター(mani-cat)又は前触媒コンバーターに用いるのに適する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２５】
約０．３７〜約１．００ｋｇ／ｍ３（約６〜約１６ｌｂ／ｆｔ３）の密度を有する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２６】
約０．８〜約０．９５の放射率を有する、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２７】
約９０％〜約９９％の多孔率を有する、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２８】
酸素貯蔵酸化物をさらに含む、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項２９】
コージライトにより引き起こされる圧力降下より低い圧力降下を生じる、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の触媒基材。
【請求項３０】
請求項１〜２９のいずれか一項に記載の触媒基材を含む触媒コンバーター。
【請求項３１】
商業用自動車に用いるのに適する、請求項３０記載の触媒コンバーター。
【請求項３２】
主触媒コンバーター、前触媒コンバーター、後触媒コンバーター又はｍａｎｉ−触媒コンバーターから成る群から選択される、請求項３１記載の触媒コンバーター。
【請求項３３】
請求項１〜２９のいずれか一項に記載の触媒基材又は濾過基材を含む粒子フィルター。
【請求項３４】
ディーゼル粒子フィルターである、請求項３３記載の粒子フィルター。
【請求項３５】
請求項１〜３２のいずれか一項に記載の触媒基材又は触媒コンバーターに1つ又は複数の流体の流れを曝露することを含む、反応を触媒する方法。
【請求項３６】
前記流体が内燃機関からの排気ガスである、請求項３５記載の反応を触媒する方法。
【請求項３７】
前記排気ガスが６つの基準汚染物質の１つ又は複数を含む、請求項３６記載の反応を触媒する方法。
【請求項３８】
請求項１〜３４のいずれか一項に記載の濾過基材、触媒基材、粒子フィルター又は触媒コンバーターに1つ又は複数の流体の流れを曝露することを含む、ガスを濾過する方法。
【請求項３９】
前記流体が内燃機関からの排気ガスである、請求項３８記載のガスを濾過する方法。
【請求項４０】
前記排気ガスが６つの基準汚染物質の１つ又は複数を含む、請求項３９記載のガスを濾過する方法。
【請求項４１】
請求項１〜２９のいずれか一項に記載の触媒基材又は濾過基材を製造する方法であって、複数の耐火性シリカ繊維、耐火性アルミナ繊維及び耐火性アルミノボロシリケート繊維を加熱すること；前記繊維を混合すること；前記繊維を洗浄すること；任意に前記繊維を1つ又は複数の長さに切り刻むこと；該切り刻んだ繊維を配合するか又は混合してスラリーとすること；好ましくは増粘剤を付加することにより、前記スラリーの粘度を調整すること；分散剤を付加すること；前記スラリーを金型に加えること；水を前記スラリーから除去し、それにより未焼結ビレットを形成すること；前記金型から該未焼結ビレットを取り出すこと；炉中で前記未焼結ビレットを、好ましくは約２５０°Ｆ〜約５００°Ｆの温度で乾燥すること；約２，０００〜２，５００°Ｆの炉中で前記未焼結ビレットを加熱すること、好ましくは予熱して漸増的に加熱すること；任意に前記ビレットを機械加工すること；任意に前記ビレット中に複数の溝を形成すること；任意に触媒を付加すること；及び任意にウォッシュコートを付加し、それにより前記基材を形成することを含む、触媒基材又は濾過基材を製造する方法。
【請求項４２】
不織焼結耐火性繊維性セラミック複合材料中に複数の溝を機械加工することを含み、前記機械加工することが前記溝を形成するか又は造形するコーミング方法を使用することを含む、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の濾過基材を製造する方法。
【請求項４３】
請求項４２又は４３記載の方法に従って調製される濾過基材。
【請求項４４】
耐火等級アルミナ繊維、耐火等級シリカ繊維、耐火等級アルミナボリアシリカ繊維、水及び触媒を含む組成物。
【請求項４５】
前記繊維が約１０μｍの平均長を有した、請求項４４記載の組成物。
【請求項４６】
前記アルミナが前記無機繊維混合物の約５０〜９０％；前記アルミナ繊維が前記無機繊維混合物の約５〜５０％；そしてアルミナボリアシリカが約１０〜２５％を含有する、請求項４４記載の組成物。
【請求項４７】
請求項１〜３４のいずれか一項に記載の触媒基材、濾過基材、触媒コンバーター又は粒子フィルターを含む改良型エンジン排気系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の反応を触媒するために、そして粒子状物質を濾過するために有用な基材に、ならびにそれに関連した実施形態、例えば内燃機関からの排気物の処理、さらに詳細には排出制御及び関連方法に有用な触媒／基材組合せに、ならびに関連製品及び製造方法に関するが、これらに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中に記載される本発明の実施形態は、１つ又は複数の基本的生命維持天然因子、例えば空気、水及び／又は土壌の回復又は維持に寄与することにより、人類の環境の質を物質的に増強する、と考えられる。本発明及びその実施形態は、本発明の概要ならびに詳細な説明の節において、以下でさらに詳細に記載される。
【０００３】
排気、工業及び汚染
エンジンは、地球全体で用いられる動力及び機械作用の多くを生じる。内燃機関は、それが外燃機関、例えば昔ながらの汽車及び蒸気船におけるものより効率的であるため、おそらく最も広まった装置である。内燃機関を用いると、燃料の燃焼は内部で起こる。このようなエンジンは、任意数の目的のために用いられる運動及び動力を生じる。例としては、自動車、機関車、船舶用途、レクリエーション用自動車、トラクター、建築設備、発電機、発電所、製造施設及び工業用設備が挙げられる。内燃機関に動力を供給するために用いられる燃料としては、ガソリン、圧縮ガス、ディーゼル、エタノール及び植物油が挙げられるが、これらに限定されない。エンジン機構及びそれらに動力を供給するのに用いられる燃料における固有の非能率性により、種々の汚染物質の排出が起こる。したがって、エンジンは大きな革新及び便益である一方、世界中で用いられる何百万ものエンジンは今日、大気汚染の実質的発生源を代表する。
【０００４】
内燃機関により生成される汚染物質には２つの主な種類：即ち粒子及び非粒子がある。粒子汚染は一般に、小固体及び液体粒子である。例としては、炭素含有煤及び灰、塵埃及びその他の関連粒子が挙げられる。非粒状汚染物質としては、ガス及び小分子、例えば一酸化炭素、酸化窒素、酸化イオウ、不焼成炭化水素及び揮発性有機化合物が挙げられる。粒状汚染物質は、排気から濾過され、そしてある状況では、さらに焼き払われる。非粒状汚染物質は、非汚染物質に転化される。両種類の汚染物質は、エンジンではない発生源、例えば「オフガス」化学反応及び蒸発性排出からも生成され得る。
【０００５】
大気汚染は、ヒト及び環境に関する深刻な健康問題を引き起こす可能性がある。地表レベルオゾン及び空中浮遊粒子は、米国におけるヒトの健康に対する最大の脅威の１つを有する２つの汚染物質である。オゾン（Ｏ３）は、呼吸器系を刺激して、咳、咽喉の刺激及び／又は呼吸気道の焼け付くような感覚を引き起こすおそれがある。オゾンは、スモッグの形成に関与する。オゾンはまた、肺機能を低減させ、胸部圧迫感、喘鳴及び息切れを引き起こして、喘息を悪化させるおそれがある。粒子汚染は、肺の深部に入り込み、重篤な健康問題を引き起こすのに十分に小さい微視的固体又は液体小滴から成る。これらの小粒子に曝露されると、人々は、鼻及び咽喉の刺激、肺損傷及び気管支炎を経験する可能性があり、人々の心臓又は肺疾患の危険を増大させるおそれがある。空気汚染の短期作用としては、眼、鼻及び咽喉への刺激が挙げられる。上気道感染、例えば気管支炎及び肺炎も生じる可能性がある。その他の症候としては、頭痛、吐き気及びアレルギー反応が挙げられる。長期健康作用としては、慢性呼吸器疾患、肺癌、心臓疾患、及び脳、神経、肝臓又は腎臓に対する損傷さえもが挙げられ得る。空気汚染への度重なる曝露は成長中の小児の肺に影響を及ぼし、高齢者における医学的症状を悪化するか又は複雑にする可能性がある。
【０００６】
空気汚染から生じる医学的症状は、多くの費用を要しかねない。健康管理コスト、職場における生産性損失ならびにヒトの福祉への影響は、毎年数十億ドルの損失となる。汚染の健康への影響を理解し、そして汚染を改善、防止、又は排除するための手段を見出すことは、集団の全体的呼吸器の健康を増強するだけでなく、健康管理システムにより支えられる実質的負担及びコストも低減するであろう。
【０００７】
これらの理由のすべてのために、政府、環境庁及び種々の生産業界は、種々の発生源から排出される大気汚染のレベルを低減すると誓約した。政府機関は、排出基準を設定し、そして規制を実行する主要団体である。欧州連合（ＥＵ）では、規制は欧州共同体法律制定に由来し、個々の国が規制を実施する。例えば大多くのＥＵ国家は、過剰な大気汚染を生じる発生源に課税してきた。近年の成果は京都議定書で、これは温室効果ガスの世界的低減を命じたものである。ＥＵを含めた多くの国が、議定書を批准した。ＥＵ、日本及び米国は世界中で最も厳しい基準のいくつかを定めたが、多くの他の国々、例えばアルゼンチン、ブラジル、メキシコ、韓国、タイ、インド、シンガポール及びオーストラリアは、大気汚染に関する規制をすべて成立させた。米国では、ある区域における規制に影響を及ぼす多くの異なるグループが存在する：例えば州の環境機関（例えばカリフォルニア大気資源局（ＣＡＲＢ））、国立公園、森林局、ならびに鉱山安全衛生庁である。国家環境大気質基準（ＮＡＡＱＳ）を達成できなかったいくつかの州及び首都圏は「非達成地域」として指摘されており、それら自体の基準を実施している。ＣＡＲＢは歴史的に、米国における大気汚染を規制する最も厳しい政府機関の１つであった。しかしながら第一の米国規制機関は、環境保護庁（ＥＰＡ）である。それは、１９６３年の大気浄化法（ＣＡＡ）に対する１９７０年の修正案でニクソン政権により創設された。大気浄化法は、地域、固定発生源及び移動発生源からの大気中排出を規制する包括的な連邦法である（例えば大気浄化法の４２Ｕ．Ｓ．Ｃ．ＳＳ７４０１以下(1970)参照）。大気浄化法は５つの主な修正を有し、そのうちの最新のものは１９９０年である。大気浄化法の１９９０年の修正は、大部分が、検討されていなかったか又は十分に検討されていなかった問題、例えば酸性雨、地表レベルオゾン、成層圏オゾン層破壊、ならびに大気有毒物質に対処するよう意図された。これらの修正は、自動車の排気、ガソリンの改質、オゾン層破壊化学物質の使用等を含めた１７５の新規の規制を発行するようＥＰＡに求めた。
【０００８】
大気浄化法制定にしたがって、ＥＰＡは人々に害を与えるか又は与える可能性のある汚染物質の規定を定めている。この「基準汚染物質」の規定には、（１）オゾン（Ｏ３）、（２）鉛（Ｐｂ）、（３）二酸化窒素（ＮＯ２）、（４）一酸化炭素（ＣＯ）、（５）粒子状物質（ＰＭ）、及び（６）二酸化硫黄（ＳＯ２）が含まれる。各基準汚染物質は、順に記載されている。
【０００９】
地表レベルオゾン（スモッグの主要構成成分）は、依然として米国における環境汚染問題である。オゾンは大気中に直接的に排出されないが、熱及び日光の存在下で、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）又は反応性有機ガス（ＲＯＧ）及び酸化窒素（ＮＯＸ）の反応により生成される。ＶＯＣ／ＲＯＧは、種々の発生源、例えば燃焼燃料から、ならびに溶剤、石油精製及び殺虫剤から排出され、これらは、自動車、化学工場、精製所、製作所、消費者及び商業製品のような発生源、ならびにその他の工業発生源から生じる。酸化窒素は、自動車、発電所、ならびにその他の燃焼源から排出される。オゾン及びオゾンを生じる前駆体汚染物質は、風によりそれらの元の発生源から何マイルも運ばれる可能性がある。１９９７年、ＥＰＡは、１時間オゾン０．１２百万分率（ｐｐｍ）基準を新規の８時間０．０８ｐｐｍ基準に置き換えることにより、オゾンに関する国家環境大気質基準を改訂した。
【００１０】
二酸化窒素（ＮＯ２）は、一酸化窒素（ＮＯ）の酸化によって生成される可能性のある反応性の気体である。ＮＯ、ＮＯ２、及び他の窒素の酸化物を記載するのに使われる用語である窒素酸化物（ＮＯＸ）は、オゾン及びスモッグの発生において主要な役割を果たしている。人為的なＮＯＸの排出の主要な原因として、自動車、建設用機器、及び発電所において生じるような高温燃焼プロセスが挙げられる。家庭用ヒーター及びガスストーブも、大量のＮＯ２を発生する。
【００１１】
一酸化炭素（ＣＯ）は、燃料中の炭素の不完全燃焼によって生成される可能性のある無色、無臭、及び有害な気体である。自動車の排気が、米国におけるＣＯ排出の約６０％を占めている。都市部では、ＣＯ排出の９５％程度が自動車の排気によるものであると言われている。ＣＯ排出の他の原因として、工業プロセス、非輸送燃料燃焼、及び森林火災等の自然界の原因が挙げられる。
【００１２】
粒子状物質（ＰＭ）は、大気中に見出される固体粒子及び液体小滴の混合物に関して用いられる用語である。いくつかの粒子は、煤又は煙として観察されるのに十分大きいか又は暗色である。他のものは、それらが電子顕微鏡でのみ検出され得るほど小さい。広範囲のサイズで生じるこれらの粒子（「微細」粒子は、直径２．５μｍ未満であり、より粗大な粒子は２．５μｍより大きい）は、多くの異なる固定発生源及び移動発生源に、ならびに天然発生源に由来する。微細粒子（ＰＭ−２．５）は、自動車、発電及び工業施設から、ならびに住宅用暖炉及び薪ストーブからの燃料燃焼に起因する。粗大粒子（ＰＭ−１０）は一般に、非舗装道路上を移動する車両、材料取扱設備、ならびに圧潰及び粉砕操作、ならびに風塵のような発生源から排出される。いくつかの粒子は、それらの発生源、例えば煙突及び自動車から直接排出される。他の場合には、一酸化イオウ、ＳＯ２、ＮＯＸ及びＶＯＣのようなガスは、大気中の他の化合物と相互作用して、微細粒子を形成する。それらの化学的及び物理的組成は、場所、時季及び天候によって変わる。１９９７年、ＥＰＡは２つの新しいＰＭ−２．５基準を付け加え、年及び２４時間基準に関して、それぞれ１５μｇ／ｍ３（μＧＡ）及び６５μｇ／ｍ３に設定した。
【００１３】
二酸化イオウは、イオウを含有する燃料（例えば石炭及び油）が燃焼された場合に、例えば金属精錬中及びその他の工業プロセス中に生成される可能性がある。
【００１４】
最後の基準汚染物質である鉛は、歴史的に、自動車における有鉛燃料の使用から生じた。ガソリン中のＰｂの含量を低減するための規制努力の結果、運送部門からの関与は、過去１０年間減少してきた。今日、金属加工は大気へのＰｂ排出の主要発生源である。
【００１５】
大気浄化法はＥＰＡに不可欠であり、これら６つの基準汚染物質に関する国家環境大気質基準を満たすような計画を練り上げるように記述している。６つのほかに、１８８個の「有毒大気汚染物質」の一覧が別に存在する。有毒大気汚染物質の例としては、ベンゼン（ガソリン中に見出される）；ペルクロロエチレン（いくつかのドライクリーニング施設から排出される）；ならびに塩化メチレン（多くの工業により溶剤及び塗料剥離剤として用いられる）が挙げられる。いくつかの大気中有毒物質は天然発生源から排出されるが、大半は、移動発生源（例えば乗用車、トラック及びバス）及び固定発生源（例えば製造所、精製所及び発電所）の両方を含めたヒトが原因の発生源から生じる。ＣＡＡは、これら１８８の汚染物質に関する二段階プログラムを示すようＥＰＡに求めた。第一段階は、有毒汚染物質の発生源を同定し、それらを有意に低減するための技術ベースの基準を練り上げることから成る。ＥＰＡは９００を上回る固定発生源の一覧を確定し、これにより、多くの工業的発生源、例えば化学工場、精油所、航空宇宙産業メーカー及び製鋼所、ならびにより小さな発生源、例えばドライクリーニング業者、殺菌消毒業者、鉛第二精錬所及びクロム電気めっき施設に影響を及ぼす新しい大気中有毒物質排出基準を作った。第二段階は、残留危険を評価し、そして全体的プログラムが実質的低減を達成したことを保証する戦略及びプログラムから成る；この段階は、依然として進行中である。
【００１６】
内燃機関は、基準汚染物質を排出するため、上記の規制により直接影響を受ける。これらのエンジンは、２つの燃料で作動する。用いられる最も一般的な種類の燃料は、ガソリンとディーゼルである。各々の種類の燃料は、炭化水素化合物ならびに微量の多くのその他の物質、例えばイオウの複雑な混合物を含有する。完全に燃焼した場合でも、これらの燃料は汚染物質を生じる。さらに、エンジンは「完全」燃焼ができないため、不完全に酸化される燃料もあり、したがって付加的汚染物質を生じる。その他の種類の燃料、例えばエタノール混合物、植物油、ならびに当該技術分野で既知のその他の燃料も用いられ得る。
【００１７】
ガソリンエンジンでは、排出を低減するために、現代車のエンジンはそれらが燃焼する燃料の量を注意深く制御する。それらは空気対燃料比を、空気対燃料の算定理想比である化学量論点に極く近づけて維持しようとする。理論的には、この比率で、空気中の酸素のすべてを用いて、燃料はすべて燃焼される。燃料混合物は実際には、運転中に理想比からかなり変化する。時として、混合物は低質（例えば１４．７の典型比より高い空気対燃料比）であり得るし、他の場合には、混合物はリッチ（例えば１４．７より低い空気対燃料比）であり得る。これらの偏差のために、種々の大気中排出が生じる。
【００１８】
車のガソリンエンジンによる多くの排気として、窒素ガス（Ｎ２）（大気の７８％は、Ｎ２である）、燃焼産物である二酸化炭素（ＣＯ２）、及び別の燃焼産物である水蒸気（Ｈ２Ｏ）が挙げられる。これらの排気は、ヒトにはほとんど無害である（但し、大気中の過剰なレベルのＣＯ２は、地球温暖化の原因になっていると信じられている）。しかし、ガソリエンジンは、一酸化炭素、窒素酸化物、及び不燃成炭化水素（これらは全てＥＰＡの基準汚染物質に含まれている）も生成する（不燃成炭化水素は、ＮＯＸと共にオゾン形成機構の一部を形成する）。
【００１９】
ディーゼルエンジンも、基準汚染物質に関与する。これらのエンジンは、酸素の存在下で十分に圧縮されると自己発火する炭化水素分画を用いる。概して、シリンダー内で燃焼するディーゼルは、ガソリンの場合より多量の粒子状物質ならびに汚染物質である窒素酸化物及びイオウ酸化物（それぞれＮＯｘ及びＳＯｘ）を生じる。それにしても、ディーゼル混合物は一般に低質で、相対的に多量の酸素が存在する。その結果、小分子の炭化水素の燃焼ほど通常はより完全で、生じる一酸化炭素がガソリンより少ない。鎖の長い炭化水素ほど完全に燃焼するのが難しく、炭素の「煤」のような粒状残渣の形成を生じる可能性がある。
【００２０】
これらの欠点にもかかわらず、化石燃料は比較的豊富で、取扱いが容易で、そして経済的である。したがって、これらの燃料は、今後数年間、機械的動力及び汚染の有意の発生源の代表的なものであり続けるであろう。さらに内燃機関の広播性は、どのような形態で化石燃料がエネルギーの必要な供給源であり続けるか、ということを示す。
【００２１】
大気有意汚染を生じる内燃機関には少なくとも３つの市場がある：１）移動オンロードエンジン、設備及び車両、２）移動非ロードエンジン、設備及び車両、ならびに３）固定又は「ポイント」発生源。これらの市場の各々において、政府機関及びその他の組織は、大気汚染のレベルに関する制限を指示した。これらの制限は、使用中の内燃機関の数が増え、そしてその上、大気汚染により引き起こされる害について調べると、漸増的に厳しくなった。恒常的に厳しい規制は、エンジンデザイン変更のための燃料処方物から後処理装置まで、新しい排出制御技術において、継続的に研究し、開発し、そして運用することを産業に求めてきた。これらの技術は、有効性及びコストの両方を変えるが、企業が規制に従うためには不可欠になってきた。単一の排出制御技術はすべての関連汚染物質を除去することができなかったので、特定の種類の車両又は設備が規制排出制限を満たすようにするためには、多くの技術がしばしば一緒に用いられなければならない。これらの市場、それらの規制及びそれらが基づく技術は、以下の段落に記載される。それらの利点及び欠点を含めた技術は、この節の後にさらに詳細に記載される。本節は米国のエンジン、設備及び車両に着目しているが、他の区域も類似の製品及び規制を有する。例えばＥＵは類似の市場サイズを有するが、ディーゼル排出制御技術がほとんどの小型オフロードエンジンに触媒コンバーターを使用し、小型車両にほとんどの場合ディーゼルエンジンを有するため、排気ガス再循環よりも、選択的触媒還元に着目している。他の区域は、米国とは異なるそれら自体の特質を有するが、本質的には同様の種類の設備を使用し、同様の種類の大気汚染物質を制限する。
【００２２】
移動オンロードエンジン、設備及び車両としては、乗用車、貨物トラック、ミニバン、スポーツ用途車（ＳＵＶ）、バス、荷物配達トラック、セミトラック、乗用バン、ならびにオンロード使用のために設計された２又は３輪オートバイが挙げられるが、これらに限定されない。これらの市場は歴史的には排出制御の模範を示してきたし、低レベルの大気汚染を支持する規制に従って今日も引き続きそうしている。
【００２３】
乗用車及びトラック市場は、重量により分けられる。総車両重量（ＧＶＷＲ）３，８５６ｋｇ（８，５００ポンド）以下のものは、小型車とみなされる。乗客輸送のために設計された３，８５６〜４，５３６ｋｇ（８，５００〜１０，０００ｌｂｓ）ＧＶＷＲの車両は、中型車とみなされる。個人用に設計されていない３，８５６ｋｇ（８，５００ｌｂｓ）ＧＶＷＲを上回る車両は、大型車と呼ばれる。
【００２４】
乗用車及び小型車は、従来、車両重量及び燃料の種類により規制されたが、将来的基準では１グループで規制される。米国で製造される新しい乗用車及び小型車両約１，７００万台のうちの１％未満が、ディーゼルエンジンを使用する。乗用車及び小型車両としては、Ford、General Motors (GM)、Daimler Chrysler、BMW、本田技研工業(Honda)、Hyundai、Daewoo、First Automobile Group、トヨタ自動車(Toyota)、日産自動車(Nissan)、SAIC-Chevy及び富士重工業(Subaru)が挙げられる。
【００２５】
乗用車及び小型車両に関する規制は数十年間存在したが、近年、さらに厳しくなってきた。年式（ＭＹ）２００４〜２００９から段階的に導入するＴｉｅｒ２基準は、ある種の「大箱」の基準にそれらの保有車両を保証するために、そしてＮＯｘ排出に関する企業平均を維持するためには、相手先ブランド製造（ＯＥＭ）を要する。２，７２２ｋｇ（６，０００ｌｂｓ）ＧＶＷＲ以下の車両は、２００７年までに完全に従わなければならず、２，７２２〜３，８５６ｋｇ（６，０００〜８，５００ｌｂｓ）のもの及びＭＤＶは２００９年までに従わなければならない。基準に含まれる汚染物質としては、以下のものが挙げられる：ＮＯｘ、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、ＣＯ、ＰＭ及び非メタン有機ガス。カリフォルニア州は、歴史的に、ＥＰＡより厳しい規制を有してきたが、他の州、例えばニュージャージー、ニューヨーク、バーモント、メイン及びマサチューセッツ州は、新車及び中古車に関するカリフォルニアのより低い排出レベルに加わっている。基準を満たさないメーカーは本質的には、これらの市場において彼等の車両を製造することを禁止され、市場で発見されたものに関しては罰金を科せられる。アフターサービス市場では、州は、点検整備（Ｉ／Ｍ）プログラムにより自動車及び小型車両の排出を規制する。これらのプログラムはしばしば、国家環境大気質（ＮＡＡＱ）基準非達成区域において必要とされる州実施計画（ＳＩＰ）から作成される。新車基準及びアフターサービス市場基準の両方を満たすには、しばしば平衡して、排出制御技術の使用を要する。
【００２６】
歴史的に、三元触媒コンバーターは、乗用車及び小型車両における広範な用途を有してきた。これらのコンバーターにおける近年の改良（例えば基材多孔度増大、ウォッシュコート最適化、触媒添加量の低減等）は、排出制御における漸増的改良を生じた。一連の最新米国規制を満たすために、メーカーはおそらくは車両当たりの触媒添加量又は基材の数を増大するであろう。点検／整備基準を満たさない使用中の車は、欠陥のある技術を取り替えるか又は追加装置を購入しなければならない。その他の排出制御装置としては、改良型噴射系（例えば噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、燃焼小室設計変更（例えばより高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）、可変性バルブタイミング、触媒コンバーター及びフィルターが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２７】
大型車両（ＨＤＶ）としては、３，８５６ｋｇ（８，５００ｌｂｓ）ＧＶＷＲを上回る個人用及び商業用トラック及びバスの両方が挙げられる。これらのエンジンの大多数は、ディーゼル燃料で走行する；米国では、毎年３００，０００以上が生産される。メーカー及びエンジン供給業者としては、Cummins、Caterpillar、Detroit Diesel、GM、Mack/Volvo、International/Navistar、Sterling、Western Star、Kenworth及びPeterbitが挙げられるが、これらに限定されない。アフターサービス市場のために他の排出制御技術を提供する他の企業としては、Donaldson、Engelhard、Johnson Matthey、Lubrizol、Fleetguard、Cleaire、Clean Air Partners及びEngine Control Systemsが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２８】
大型トラックは、ＰＭ、ＮＯｘ、ＣＯ及び非メタン炭化水素（ＮＭＨＣ）に関する厳格な排出低減基準に直面している。ＰＭ基準は２００７年に実施され、一方、ＮＯｘ及びＮＭＨＣ基準は２００７〜２０１０から段階的に導入される。小型車両と同様に、カリフォルニアは、その他のある州及び大都市圏とともに、ＥＰＡより厳しい排出基準をしばしば制定した。規準を満たさない車両に関しては、メーカーはそれらを販売することを禁じられる。ＮＯｘに関する違約金は、サイズ及び遵守の取り組みに基づいて、一車両につき１２，０００ドルまでの範囲である。その他の産業、例えば機関車、水産業、農業及び建設業は、大型車両の場合と非常によく似たエンジンを用いるが、ＨＤＶ市場は最も厳しい排出基準に直面している。一方では、いくつかの州及び大都市圏（例えばカリフォルニア、ニューヨークシティー及びシアトル）は、さらなる装備改良を要するか、又は装備改良に関する報奨金を提供して、汚染物質レベルをさらに下げさせている。これらの地域は、認可レベル及び必要条件を満たす技術を認証している。例としては、Donaldsonのディーゼル酸化触媒マフラー及びディーゼル粒子フィルター、Cleaireのディーゼル酸化触媒及びディーゼル粒子フィルター、ならびにJohnson Mattheyの連続再生技術粒子フィルターが挙げられる。
【００２９】
これらの基準を満たすために、そして装備改良のために用いられる排出制御技術としては、改良型噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射、電子制御）、排気ガス再循環、燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び噴射装置位置）、改良型ターボチャージング、ＡＣＥＲＴ、ディーゼル粒子フィルター、ＮＯｘ吸着剤、選択的触媒低減、従来の触媒コンバーター、触媒排気マフラー及びディーゼル酸化触媒が挙げられるが、これらに限定されない。２００７年基準を満たすことが、これらの排出制御技術の多くに関する新規の研究及び開発の口火となっている。莫大なコスト及び尽力が２００７年ＨＤＶの排出制御解決法を決定させるために導入されている。
【００３０】
オートバイは、別の種類の可動、オンロード車両であり、例としては、オンロード使用のために設計された２及び３輪オートバイの両方が挙げられる。オートバイは、主としてガソリン燃料を使用する。メーカーとしては、Harley Davidson、BMW、本田技研工業(Honda)、川崎重工業(Kawasaki)、Triumph、Tianjin Gangtian、Lifan Motorcycle及びヤマハ発動機(Yamaha)が挙げられるが、これらに限定されない。オンロード・オートバイに関する規制は１９７８年に採用され、カリフォルニアの規制に従った新規の基準が合意に達した時まで、２００３年中は改訂されないままであった。新基準で監視される汚染物質としては、ＨＣ、ＮＯｘ及びＣＯが挙げられる。
【００３１】
オートバイに関する排出制御技術としては、２−ストロークエンジンの４−ストロークエンジンへの変換、改良型噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、パルスエア系、燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）、及び触媒コンバーターの使用が挙げられるが、これらに限定されない。オートバイの排出制御技術における制限は、小型又は大型車両のものとは異なる。装置を「隠す」場所がほとんどなく、そして乗客は発熱酸化反応に非常に接近するので、オートバイは、概観、構成、及び後処理装置の熱に、より着目している。
【００３２】
可動、ノンロードエンジン、設備及び車両部類としては、農業、建設、採鉱、芝及び庭、個人船舶、船、商業用船、機関車、航空機、スノーモビル、オフロードオートバイ及びＡＴＶ用のエンジンが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３３】
小型エンジンは、それらのサイズの割りに有意レベルの大気汚染を排出する；それらは、ノンロードＨＣ残留量の最大の一助である。小型エンジン装備としては、リーフブロワー、トリマー、刈払機、チェーンソー、芝刈り機、エンジン付芝刈りカート(riding mower)、木材スプリッター、除雪機及びチッパーが挙げられるが、これらに限定されない。エンジン及び装備メーカーとしては、John Deere、Komatsu、本田技研工業(Honda)、Ryobi、Electrolux（Husqvaruo及びPoulan；Craftsmanも供給）、Fuji、Tecumseh、Stihl、American Yard Products、ならびにBriggs and Strattonが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３４】
ＥＰＡは、１９９３年に小型エンジンを規制し始め（Ｉ期）、その基準は１９９７年に効力を生じ、そして２００２年に新基準により排出レベルを引き続き低減した（ＩＩ期）。これらの基準は、装備を手持ち式及び非手持ち式部類に分け、異なるエンジン排気量に基づいて分類する。これらの規制は、炭化水素及び酸化窒素排出に着目している。
【００３５】
排出制御技術としては、触媒の使用（即ちJohn DeereのＬＥ技術、及びKomatsuの「層状掃気」デザイン）、２−ストロークエンジンの４−ストロークエンジンへの変換、改良型噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、又は燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３６】
レクリエーション車両市場としては、オフハイウェイ・オートバイ、スノーモビル及び不整地走行車（ＡＴＶ）が挙げられる。これらは、メーカー及びエンジン供給業者により製造されるが、その例を以下に示す：
【００３７】
本田技研工業(Honda)、John Deere、川崎重工業(Kawasaki)、三菱自動車(Mitsubishi Motors)、日産自動車(Nissan)、トヨタ自動車(Toyota)、ヤンマー(Yanmar)、Arctic Cat、Bombardier、Brunswisk、International Powercraft、Polaris、スズキ(Suzuki)、及びヤマハ発動機(Yamaha)。
【００３８】
ＥＰＡは、多くのその他の市場より遅く、レクリエーション車両を規制し始めたが、カリフォルニア州は前もって適所に規制を有した。ＥＰＡは、スノーモビルに関しては２００６〜２００９から、オフハイウェイ・オートバイ及びＡＴＶに関しては２００６〜２００７からの段階的導入を有する。規制汚染物質としては、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが挙げられる。レクリエーション車両に関する排出制御技術としては、２−ストロークエンジンの４−ストロークエンジンへの変換、改良型噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、パルスエア又は燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３９】
採鉱においては、規制は鉱山安全衛生庁により確定される。高レベルの振動、衝撃及び粉塵のため、採鉱はしばしば、装備に関する最も厄介な環境の１つであると考えられている。温度及び可燃性も、採鉱における大きな問題である。ディーゼル酸化触媒は、いくつかの採鉱装備に関しては装備改良されてきたが、ディーゼル粒子フィルターがより一般的になってきている。
【００４０】
農業及び建設市場では、ＥＰＡは、火花点火及び圧縮点火エンジンの両方を規制する。これらは、トラクター、フォークリフト、ブルドーザー、発電機、舗装機械、ローラー、トレンチャー、掘削装置、ミキサー、クレーン、ベーラー、圧縮機等に用いられ得る。エンジン及び装備のメーカーとしては、Agco、Komatsu、CNH Global、Caterpillar、Cummins、Daewoo、John Deere & Co、Dueutz、Detroit Diesel、及びクボタ(Kubota)が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４１】
ＥＰＡは、１９９４年にこれらのエンジンのディーゼル部分を規制し始め（Ｔｉｅｒ１）、そしてさらに最近、Ｔｉｅｒ２で基準を増大した（２００１〜２００６から実行される）。基準は、２００６〜２００８年にＴｉｅｒ３レベルで再び増大するよう予定されている。Ｔｉｅｒ３レベルは、大型車両（例えばトラクター・トレーラー）に用いられるものと類似の排出制御装置の使用を必要とすると思われる。農業及び建設用途に用いられるガソリン、液体プロパンガス、又は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）エンジンも、最近、規制に変化があった。Ｔｉｅｒ１レベルは２００４年に始まって、ＣＡＲＢによってより早期に採用されたものに匹敵する；Ｔｉｅｒ２レベルは、２００７年に開始すると予測される。基準より低い排出を示す車両に関する任意のプログラムが存在し、「ブルー・スカイ・シリーズ」と呼ばれる。エンジンサイズ及び燃料の種類に基づいて、粒子、一酸化炭素、酸化窒素及び非メタン炭化水素のレベルはすべて、通例の段階的導入のために、そして間近に迫っている基準のために、有意に低減されなければならない。
【００４２】
排出制御技術は、大型車両で用いられるものと類似であり、例としては改良型噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、排気ガス再循環、燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）、改良型ターボチャージング、ＡＣＥＲＴ、ディーゼル粒子フィルター、ＮＯｘ吸着装置、選択的触媒還元、従来の触媒コンバーター、触媒排気マフラー、及びディーゼル酸化触媒が挙げられるが、これらに限定されない。エンジンの吸い込み中の硫酸生成を生じる傾向のために、排気ガス再循環（ＥＧＲ）は問題をはらんでいた。それは冷却も要し、これがより大きなラジエーターを必要とし、したがって車両上のより大きな車首を必然的に伴って、空気力学的及び燃費的制約を生じる。
【００４３】
海洋用途において、エンジンは一般的にガソリン若しくはディーゼル燃料の使用、個人使用若しくは商業的利用によって、又はエンジンの大きさによって、分類することができる。海洋用ユニットは、個人用の水上バイクからヨット、連絡船、曳船及び外航船までに及ぶ。メーカー及びエンジン供給業者には、Bombardier(Ｅｖｉｎｒｕｄｅ、Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｓｋｉ  Ｄｏｏ、Ｒｏｔａｘ等）、Caterpillar、Cummins、Detroit Diesel、GM、いすゞ自動車(Isuzu)、ヤンマー(Yanmer)、Alaska Diesel、Daytona Marine、Marine Power、Atlantic Marine、Bender Shipbuilding、Bollinger Shipyards、VT Halter Marine、Eastern Shipbuilding、Gladding-Hearn、JeffBoat、Main Iron Works、Master Boat、Patti Shipyard、Quality shipyards、及びVerret Shipyard、MAN B＆W Diesel、Wartsila、三菱自動車(Mitsubishi)、Bath Iron Works、Electric Boat、Northrop Grumman(Avondale、Ingalls、及びNewport News Shipyardsを含む）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４４】
ＥＰＡは、レクリエーション用であれ、個人用であれ又は商業用であれ、船を規制する。主要部類区分は、レクリエーション車両からタンカーまで、エンジン排気量に基づいている。排気量３０リットル（３０Ｌ）以下のディーゼル海洋用非レクリエーション船、例えば釣り船、タグボート、引き船、浚渫船及び貨物船は、エンジンサイズに応じて、２００４〜２００７年に施行されるＮＯｘ及びＰＭに関する新基準を有する。３０Ｌを上回るディーゼル海洋用非レクリエーション船、例えばコンテナ船、タンカー、ばら積み貨物船及び巡航船は、２００４年にＮＯｘ基準（Ｔｉｅｒ１）が施行され、２００７年にさらにＨＣ、ＰＭ及びＣＯの基準（Ｔｉｅｒ２）が施行される。ディーゼル海洋用レクリエーション船、例えばヨット、クルーザー及びその他の種類のレクリエーション小船は、排気量３０Ｌ以下のディーゼル海洋用非レクリエーション船のものに匹敵する基準を有するが、エンジンサイズに基づいて２００６〜２００９年の範囲のより遅い実行日を有する。ガソリン及びディーゼル船は、船外エンジン、個人用船舶及びジェットボートにおけるＨＣ排出を一般的に適用する規制を有するだけである。スターンドライブ及び船内エンジンは、元々静浄であり、未だ規制されていない。
【００４５】
排出制御技術は、大型車両に用いられるものと類似し、例としては、船がドックにある場合の「グリーンターミナル」の使用、２−ストロークエンジンの４−ストロークエンジンへの変換、水後冷却、排気ガス再循環、ディーゼル粒子フィルター、選択的触媒還元、ディーゼル酸化触媒、触媒コンバーター、改良型燃料噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、改良型ターボチャージング、可変バルブタイミング、ならびに燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）が挙げられるが、これらに限定されない。補助動力用の小型エンジン（例えば補助動力装置、ＡＰＵ）の使用も、排出を制御するのに役立つ。船に及ぼす塩水及びその関連汚染物質、ならびに冷却作用は後処理が困難であるが、ＡＰＵは後処理装置とともに良好に働き得る。
【００４６】
機関車業界は、主にディーゼル燃料に依存しており（石炭及び薪の利用は限りがある）、貨物及び、旅客鉄道サービス、長距離輸送サービス、普通列車サービス、並びに操車場(switch yard)サービスで利用される列車を含む。米国では、毎年６００を超える列車が製造されている。メーカー及びエンジン供給業者としては、GM's Electromotive Division、GE Transportation Systems、Caterpillar、Detroit Diesel、Cummins、MotovePower、Peoria Locomotive Works、Republic Locomotives、Trinity、Greenbrier、及びCSXが挙げられるが、これらに限定されない。
【００４７】
列車の規制は２０００年より始まり、重量車両に関するものを広く手本とした。その基準は、新しく製造されたエンジン並びに再製造されたエンジン（約４〜８年ごとに行う）のレベルを含み、エンジンがスイッチ用又は長距離輸送用かどうかによって、変わる。Ｔｉｅｒ０は年式（ＭＹ）が１９７３〜２００１のエンジン、Ｔｉｅｒ１はＭＹ２００２〜２００４のエンジン、及びＴｉｅｒ２はＭＹ２００５以降のエンジンに適用される。違約金は、１日１エンジンにつき、最大＄２５，０００に及ぶ可能性がある。規制される汚染物質には、粒子状物質、ＮＯＸ、ＨＣ、ＣＯ、及び煙による不透明度が含まれている。
【００４８】
排出制御技術は、大型車両に用いられるものと類似し、例としては、改良型燃料噴射系（噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御）、排気ガス再循環、燃焼小室設計変更（より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置）、選択的触媒還元、ディーゼル酸化触媒、ならびにアフタークーラー、分割冷却、ゼオライト篩及びＮＯｘ還元触媒が挙げられるが、これらに限定されない。小型補助動力装置、例えば後処理装置の使用中ずっと、より少ない制限を示すものの使用も排出制御戦略になりつつある。
【００４９】
航空機市場としては、すべての種類の航空機、例えばBoeing、Airbus、Cessna、Gulfstream及びLockheed Martin等により製造される飛行機が挙げられる。ＥＰＡ及び欧州連合はともに、国際民間航空機関（ＩＣＡＯ）排出基準に従う。ＥＰＡは、１９９７年にガスタービンエンジン中のＣＯ及びＮＯｘに関してＩＣＡＯの最新基準を採用し、１９８４年のそれらのＨＣレベルを採用した。米国では、ＦＡＡがこれらの基準を監視し、施行する。排出制御の多くは、エンジン技術及び燃料変更により実行される。
【００５０】
固定汚染源は、非可動性の汚染物質源を含む。ＥＰＡは、主要な産業汚染源の８０を越えるカテゴリー（例えば、発電所、化学プラント、石油精製所、航空宇宙業者及び製鉄所）並びにより小規模な汚染源のカテゴリー（例えば、ドライクリーナー、市販の滅菌器、二次鉛製錬所及びクロム電気メッキの施設）に適用されるルールを示してきた。発電所は、数ある汚染源のうち、固定ディーゼルエンジン、固定ガスタービン及び原子力を利用することができる。これらの汚染源はそれぞれ、異なる汚染物質を発生する（例えば、原子力プラントはヨウ素及び水素を発生し、ガスタービンはＮＯｘ、ＣＯ、ＳＯｘ、ＣＨ４及びＶＯＣｓを発生し、精製所は、ガス蒸気、ＣＯ、ＮＯｘ、ＶＯＣｓ、ＣＯ２、ＣＨ４及びＰＭを発生する）。各産業には、大気排出を削減するために異なる制御技術が必要である。
【００５１】
ＥＰＡ規制は、６つの基準汚染物質及び付加的な１８８の有毒大気汚染物質を網羅する。実行される具体的なプログラムとしては、酸性雨プログラム（イオウ放出を低減するために意図された）、及びオゾン移動委員会のＮＯｘ割当計画（ＮＯｘ排出を低減するために意図された）が挙げられる。ＲＥＣＬＡＩＭは、ＮＯｘ及びＳＯｘクレジットを売買するために確立された計画である。さらに上限設定及び取引計画がいくつかの産業及び区域で履行され、企業にそれらの排出クレジットを売買させることを可能にした。
【００５２】
固定汚染源からの排気を制御するのに用いられる技術は広く変化し、例にはフィルター、洗浄機、吸着剤、選択的触媒還元（ＳＣＲ）、集塵器、ゼロスリップ(zero-slip)触媒、タービン用触媒、又は酸化触媒が挙げられる。固定汚染市場への幾つかの排気制御系の供給業者には、M+W Zander、Crystall、Jacobs E．、Takasogo、IDC、ADP、Marshall、Bechtel、Megte、Angui、Adwest、Eisenmann、Catalytic Products、LTG、Durr、Siemens、Alstonが挙げられる。触媒供給業者には、日揮(Nikki)、BASF、Cormetech、W. R. Grace、Johnson Matthey、UOP、及びSud Chemieが挙げられる。
【００５３】
大気の質を改善すること及び関連の法律及び規制に従うことの重要性のため、排出を低減し得る技術にかなりの時間、お金及び努力が注がれてきた。技術の３つの一般的領域を以下に挙げる：ａ）エンジン改良；ｂ）燃料改良；及びｃ）後処理。これらのアプローチは典型的には、相互排他的でないか又は独立型の解決策である。エンジン改良としては、改良型噴射系、排気ガス再循環、電子センサー及び燃料制御、燃焼室設計、改良型ターボチャージング、ならびに可変バルブタイミングのような技術が挙げられるが、これらに限定されない。燃料改良としては、高セタン、低芳香族化合物、低イオウ燃料、燃料添加触媒、液化石油ガス（ＬＰＧ）、燃料の酸素添加、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）及びバイオディーゼルのような処方物が挙げられるが、これらに限定されない。後処理技術としては、触媒コンバーター（２、３及び４−ウェイ）、粒子トラップ、選択的触媒還元、ＮＯｘ吸着装置、ＨＣ吸着装置、ＮＯｘ還元触媒等が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの系は、これらの及びその他の技術の種々の部分を包含する：キャタピラー社によるＡＣＥＲＴ、又は触媒処理ディーゼル粒子トラップは、組合せ系及び装置の例である。技術的又は商業的制限により使用が現在は限定されるいくつかの技術もある。
【００５４】
改良型噴射系としては、噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、エアアシスト燃料噴射、逐次マルチポイント噴射、コモンレール噴射、インジェクター・ホールのリサイジング及び移動、ならびにいくつかの電子制御の変更が挙げられる。コモンレール系では、マイクロコンピューター処理燃料ポンプは、燃料の流量及びタイミングを制御する（例えばＭｅｒｃｅｄｅｓ−Ｂｅｎｚ  Ｅ３２０はこの系を用いる）。二次空気噴射は、マニホールド中のＨＣ及びＣＯ燃焼を促進することができる。噴射系の変更は、種々の排出を低減することができ、且つ、燃費も良くすることができる；しかしながらこれは、効率を保証するためのエンジンに及ぼす有意の作業を要する。
【００５５】
排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、多少の排気ガスをエンジンの吸入口に戻す。排気ガスを新鮮な取込み空気と混合することにより、エンジンに進入する酸素の量が低減されて、より低い酸化窒素排出を生じる。ＥＧＲは、定期的整備を必要とせず、高回転、高乱流燃焼室と組合せて、良好に働く。ＥＧＲは、低燃料効率及びエンジン寿命、車両冷却系に対するより大きな要求を有し、ＮＯｘ以外の汚染物質に及さない作用に限定され、そして制御アルゴリズム及びセンサーを要する、といったような欠点も有する。これらの理由のため、ＥＧＲはしばしば、別の制御技術と平行して用いられる。ＥＧＲ技術に関与する企業としては、Doubletree Technologies、ETC、STT Emtec、Cummins、Detroit Diesel、Mack及びVolvoが挙げられる。
【００５６】
燃焼室を最適化すること、又はそれに対する漸増的改善を行なうことは、メーカー及び開発者が排出を制御している別の方法である。隙間容積低減は、非燃焼燃料のトラッピング（したがってＨＣ形成）を限定するが、一方、潤滑油量の低減もＨＣ形成を低減し、触媒有毒化を限定し得る。その他の手段としては、以下のものが挙げられる：シリンダー及びピストンの表面仕上げの改善、ピストン環設計及び材料の改善、ならびに排気弁系シールの改善。さらにまた、「急速燃焼」燃焼室は、燃焼速度を増大し、点火進角を低減し、空気・燃料混合物に希釈剤を付加し、及び／又は小室中の乱流を増大することにより製造され得る。燃焼室最適化は排出低減をもたらし得るが、それは、エンジンの再生加工を要する別の技術であって、これは費用の掛かるプロセスであり得る。
【００５７】
可変バルブタイミングは、燃料及びエンジン効率を最大にするために開閉するようエンジン弁を調整することを包含する。しばしばセンサーを用いて、エンジン速度を検出し、それにしたがって弁を開閉するよう調整する。この技術は、エンジントルク及び馬力を増大し、回転及び吸入装填速度を改善し、したがって燃焼の効率を改善することができる。可変バルブ技術は、いくつかの他の技術と同じ量だけ排出を低減するわけではなく、且つしばしば燃料効率の低減をもたらす。
【００５８】
他のものよりも自然に効率を汚染する燃料もあり、一方、排気を清浄にするはずの触媒を有毒化する傾向を有する燃料もあるので、再処方又は異なる燃料の使用は、別の排出制御技術である。例えば米国における有鉛燃料から無鉛燃料への推移は、鉛排出を大いに低減した。燃料中のイオウ含量を低下することにより、ＳＯｘ排出を低減し、そしてイオウは触媒を有毒化し得るので、多くの触媒コンバーターの効率を増大する。別の種類の燃料である天然ガスは、典型的にはディーゼル燃料より少ない粒子汚染を生じ、そしてＮＯｘ及び燃焼騒音も低減し得る。逆に、天然ガスは車両重量も増大し得る（高圧タンクを要するため）し、燃料補給制限も有する。
【００５９】
後処理装置（燃料が燃焼された後に用いられる設備）の使用は、排出制御規制により影響を及ぼされるある種の産業においては非常に一般的である。後処理装置の一例は、触媒コンバーターである。触媒コンバーターは広範に変わり得るし、異なる機能を有し得るが、概括的説明は、触媒の使用により排気を処理する装置である。基材及びその上に存在する触媒の組成は、コンバーターの構成及び数と同様に、何年もの間に変化してきた。
【００６０】
２−ウェイ触媒コンバーターは、ガス相汚染の酸化、例えばＨＣ及びＣＯのＣＯ２及びＨ２Ｏへの酸化を実施する。ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）は、ディーゼルエンジンとともに用いられる別の種類の２−ウェイ触媒コンバーターである。これらのコンバーターはＨＣ及びＣＯの制御に有効であり、ほとんど整備を要さないが、それらはＮＯｘ排出を増大し得て、イオウに対して感受性である。
【００６１】
３−ウェイ触媒コンバーターは、酸化（ＣＯ及びＨＣのＣＯ２及びＨ２Ｏへの転化）及び還元（ＮＯｘのＮ２ガスへの転化）反応をともに実施する。１９７０年代以来、３−ウェイ触媒コンバーターは、車両排出を低減してきた。これらの装置によるさらなる性能改善は、多くの因子、例えばそれらの基材の温度範囲及び表面積により、ならびに触媒有毒化により制限される。漸増する厳しい規制を満たすために、いくつかの自動車は多くの触媒コンバーターを要する。
【００６２】
４−ウェイ触媒コンバーターは、酸化及び還元反応を実施し、粒子をトラップして、それらを燃え尽きさせる（再生は能動的又は受動的様式で起こり得る）。
【００６３】
触媒コンバーター及びそれらの関連部品の供給業者には、Ｃｏｒｎｉｎｇ、ＮＧＫ、デンソー（Ｄｅｎｓｏ）、イビデン（Ｉｂｉｄｅｎ）、Ｅｍｉｔｅｃ、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙ、Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ、Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｕｍｉｃｏｒｅ、３Ｍ、Ｓｃｈｗａｂｉｓｃｈｅ  Ｈｕｔｔｅｎ−Ｗｅｒｋｅ  ＧｍｂＨ（ＳＨＷ）、Ｈｅｒｍａｎｎ  Ｊ．Ｓｃｈｕｌｔｅ（ＨＪＳ）、Ｃｌｅａｎ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｃｌｅａｉｒｅ、Ｃｌｅａｎ  Ａｉｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＡｒｖｉｎＭｅｒｉｔｏｒ、Ｔｅｎｎｅｃｏ、Ｅｂｅｒｓｐａｃｈｅｒ、Ｆａｕｒｅｃｉａ、Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ、及びＦｌｅｅｔｇｕａｒｄが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６４】
ディーゼル燃料は、ガソリン又は何らかの代替的燃料より多い粒子状物質を生じるため、粒子トラップ又はフィルターは、ディーゼル用途に一般的に用いられる別の種類の後処理装置である。ディーゼル粒子トラップ（ＤＰＴ）では、排気流中の粒子はそれらを集めるフィルターを通る。トラップ上に収集される粒子状物質の除去は「再生」と呼ばれ、多くのやり方で起こり得る。一方法は、ＰＭが「燃え尽きる」のに必要なレベルにフィルターの温度を上げるための外部加熱器を用いる。別の方法は、排気流中に少量のディーゼル燃料を放出する。燃料粒子がフィルターと接触すると、燃料は高温で燃え尽きる。この高温は、同様にフィルターからＰＭを焼き払う。さらに別の手段は、再生を促すために燃料添加触媒を用いることである。「触媒処理ディーゼル粒子トラップ」と呼ばれる別のアプローチでは、触媒はフィルター自体に直接適用され、これがＰＭを焼き尽すのに必要な温度を下げる。最後として、酸化触媒は、ＰＭの焼き尽くしを促すためにフィルターの前表面に用いられ得る。Johnson Mattheyの連続再生トラップ（ＣＲＴ）は、このような系である。ディーゼル粒子トラップは、いくつかの用途において、８５％もＰＭを低減し得る。触媒を利用するトラップは、触媒の使用により（上記と同様）、ＰＭの他に他の汚染物質（例えばＨＣ、ＣＯ及びＰＭ）も低減し得る。逆に、これらのトラップはＰＭ、煤及び灰で詰まるようになり、そして触媒処理バージョンが有毒化され得る。それらはコスト及び重量も車両に付加する。
【００６５】
ディーゼル粒子トラップは、多くの異なる種類のフィルター、例えばセラミックモノリシックセルフィルター（Corning、NGK）、ファイバー・ワインド・フィルター（3M）、ニット繊維（ＢＵＣＫ）、織繊維（ＨＵＧ、3M）、焼結金属繊維（ＳＨＷ、HJS）、又は濾紙等を用い得る。これらの装置及びそれらの関連技術の供給業者としては、Donaldson、Engelhard、Johnson Matthey、HJS、Eminos、Deutz、Corning、ETG、Paas及びEngine Control Systemsが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６６】
選択的触媒還元（ＳＣＲ）は、後処理系の別の例である。この技術では、還元剤として作用し得る化学物質、例えば尿素は、排気が触媒室に達する前に付加される。尿素は加水分解して、アンモニアを生じる。アンモニアは次に排気ガスのＮＯｘと反応してＮ２ガスを産生し、それによりＮＯｘ排出を低減する。アンモニアは、直接注入されるか、又は固体尿素、尿素溶液の形態で、又は結晶形態で保持され得る。酸化触媒は、しばしばＳＣＲと平行して用いられて、ＣＯ及びＨＣを低減する。残念ながら、ＳＣＲはＮＯｘを低減するのに有効であり、且つ良好な燃費で低触媒劣化を示すが、ＳＣＲは車両上の付加的タンク及びタンクを再充填するための下部構造を要する。それは、末端ユーザー応諾にも依存する；排出制御を維持するために、企業及び運転者は、タンクを再充填することを必要とされる。ＳＣＲ又はその構成部分の供給業者としては、Engelhard、Johnson Matthey、Miratech Corporation、McDermott、ICT、Sud Chemie、SK Catalysts、及びPE Systemsが挙げられるが、これらに限定されない。限定的に米国で用いられているだけであるが、ＳＣＲは、特に大型トラック市場において、排出を低減するために欧州で広範に用いられることが期待される。
【００６７】
ＮＯｘ吸着剤は、低質条件下でＮＯｘを蓄え、富燃料条件下ではそれを放出し（典型的には数分毎に）、触媒的に低減する物質である。この技術は、ガス及びディーゼル用途の両方で働かせ得るが、ガスはより良好な富燃料、高温環境を提供する。ＮＯｘ吸着剤は、ＨＣ、ＮＯｘ及びＣＯのレベルを低減するが、ＰＭにはほとんど又はまったく影響を及ぼさない。ＮＯｘ吸着剤は、広範囲の温度下で機能し得る。逆にＮＯｘ吸着能力は温度に基づいて低減し、エンジン制御及びセンサーを要し、そして燃料中のイオウ含量により機能的に妨害又は無力にされる。ディーゼル用途では、排気中に存在する酸素の量、ＨＣ利用率、温度範囲及び煙又は粒子生成を含めた付加的制約が存在する。
【００６８】
ＮＯｘ還元触媒は、１）触媒の前に系に還元剤を積極的に注入し；及び／又は２）ＨＣを吸着するゼオライトとともにウォッシュコートを用いて、したがってＮＯｘを還元するよう実施可能な酸化領域を作製することにより、排気を制御するためにも用いられ得る。この技術はＮＯｘ及びＰＭを還元し得るが、それは多くのその他の技術よりコストがかかり、低燃費又は硫酸塩粒子をもたらし得る。
【００６９】
ＨＣ吸着剤は、触媒が冷たい間にＶＯＣをトラップし、次に触媒が加熱されるとそれらを放出するよう設計される。これは、１）触媒コンバーター基材上に直接吸着剤を被覆し、これが最小変化であるがしかし低制御を可能にすること、２）触媒コンバーター前にある、別々のしかし連結され、且つコンバーターが一旦加熱されると作用する空気切り替え溝を有する排気パイプ中に吸着剤を置くこと、及び／又は３）触媒の後に吸着剤を構成することにより実行され得る。最後の２つの選択肢は、吸着剤のための清浄化オプションを要する。この技術は低温出発排気物を還元するが、制御が難しく、付加的コストを要する。
【００７０】
排出は制御が難しいことが立証されているため、排出制御技術はしばしば、一系中で組み合わされる。組合せ系の例としては、以下のものが挙げられる：ＤｅＮＯｘ及びＤＰＴ（例えばHJSのＳＣＲＴ系）、マフラー中に構成された触媒コンバーター、マフラーと一体化されたＳＣＲ、或いは触媒処理ディーゼル粒子フィルター。
【００７１】
ＡＣＥＲＴは、多排出制御技術を組み入れる系の別の例である。ＡＣＥＲＴ（Caterpillar製）は、４つの領域を標的とする：吸入空気運搬処理、燃焼、電子工学、及び排気後処理。重要な構成部分としては、吸入空気を冷却するための単一の及びシリーズのターボチャージング；燃料燃焼を改善するための可変バルブ作動；コンピューター制御を一体化するための電子マニホールド；ならびに後部排気管粒子排気を還元するための触媒的転化が挙げられる。協力して働いて、これらの亜系は、企業の燃料節約を増大させる。この技術の顕著な欠点は、高容積の触媒が必要とされることである。
【００７２】
多くのその他の排気制御技術が存在し、そのうちのいくつかは未だ技術的に実現可能ではない。
【００７３】
触媒コンバーター
一部は自動車により引き起こされる汚染の問題は、自動車の排気ガスの９０％低減を要する１９７０年の大気浄化法をもたらした。義務的低減は論争の余地があると考える人もいたが、一般的には清浄な大気及びより良好な健康のための進歩と認識された。
【００７４】
自動車産業は、最初は新規に提唱された規制に抵抗した。抵抗の一部は、改良型燃料の該産業発達に由来し得た。１９２０年代半ばから１９８０年代半ばまで、自動車ガソリン燃料は、添加剤であるテトラエチル鉛（ＴＥＬ）を含有した。ＴＥＬは、エンジンのシリンダー中での早期着火を防止することにより、燃料性能を改良した。早期着火は、燃料／空気混合物がエンジンの燃焼室内で時期尚早に点火する場合に起こる。これは、エンジンに対する損害を生み、ノッキングにより効率及び動力低減が引き起こされる。
【００７５】
政府により定められた低減排出基準を達成するために、技術者らは触媒コンバーターを発明した。触媒コンバーターは、１９７６年頃に始まる車両排気系に付加された。触媒コンバーターは、ある程度まで排出を低減するのに有効であった。しかしながら、ＴＥＬを含有する一般的ガソリン処方物は、触媒コンバーターの機能を妨げた。燃料中のＴＥＬが触媒コンバーターの金属触媒を害したため、ＴＥＬは結局、燃料から除去された。
【００７６】
多くの人々は、多くの車両が触媒コンバーターを有するということに気づき得るが、それは一般的には正しく評価されていない技術部分である。触媒コンバーターの目的は、汚染物質である排気ガスを低有害化合物（例えば窒素（Ｎ２、これは大気の約７８％を構成する）、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２、植物における光合成産物））に転化、若しくは変換することである。
【００７７】
触媒コンバーターは、望ましくない汚染物質の、相対的に無害の分子（例えばＮ２、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２）への転化を促すのに用いられる。基本的には、触媒コンバーターは、汚染物質が相対的に無害の物質に転化される表面を提供する。触媒は、必要とされる活性化エネルギーを下げることにより、反応をより速く（又はより低い温度で）進行させることができる。しかしながら触媒は、反応において使い果たされるわけではなく、再利用することができる（触媒が無力にされない限り）。
【００７８】
排気中の典型的汚染物質としては、窒素酸化物（ＮＯｘ）、不焼成炭化水素、一酸化炭素及び粒子状物質が挙げられる。窒素酸化物は、還元されて、窒素を生じる。ＮＯ又はＮＯ２分子が触媒と接触すると、触媒は分子からの窒素の除去を促して、酸素をＯ２の形態で遊離する。次に触媒に付着している窒素原子は、反応してＮ２ガスを生じる：２ＮＯ→Ｎ２＋Ｏ２及び２ＮＯ２→Ｎ２＋２Ｏ２。
【００７９】
不焼成炭化水素、一酸化炭素、及び粒子状物質は、さらに酸化されて、非汚染物質を生じ得る。例えば一酸化炭素は、以下のように処理される：２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２。
【００８０】
触媒コンバーターの全体的結果は、非汚染物質への燃料の燃焼を完了することである。
【００８１】
従来の触媒コンバーターは、汚染物質の除去についての有効性に関して多くの制限を有する。例えば従来の触媒コンバーターがエンジンに近すぎる位置に置かれると、それらは、過熱又は温度の急変により熱分解する可能性がある。このようなものとして、従来の触媒コンバーターのフィルターは、排気パイプ材料の高熱伝導特性からの放射冷却のために温度が下がる前に、ｉｎ  ｓｉｔｕ高温を利用するのに最適位置であるエンジン排気マニホールドの直ぐ近く又は内側に置くことはできない。排気マニホールドの近く及び内側に存在するエンジン振動並びに温度の急変は、従来のフィルター材料を疲労させ、フィルターの寿命を劇的に短縮させる。さらに、従来のフィルターに適用されるいくつかの触媒は、高温（すなわち、５００℃より高い温度）では、低効率的に、或いは働かなくなることさえある。したがって、従来の触媒コンバーターフィルターは、通常は、エンジンから離れた位置の排気経路中に構成される。
【００８２】
触媒コンバーター及び粒子フィルターの構造
触媒コンバーターの構成部分及び材料は、図４ａ及び図４ｂに模式的に示されている。触媒基材は、パッケージングマット（セラミック繊維製であることが最も多い）を用いて、コンバーター・シェル（キャニスターとも呼ばれる）内に保持される。コンバーターは、コンバーター・パッケージング技術によって、シェルに溶接され得るか又はシェルと一緒に一部品として形成され得るエンドコーンを介して、車両の排気系に接続される。模式図に示されたその他の構成部分−エンドシール及び／又はスチール製支持環−は、任意である；それらは通常は、現代風の乗用車コンバーター中に存在しないが、より多くの要求をする用途（例えば密着結合コンバーター、大型エンジン用の大型コンバーター、又はディーゼル粒子フィルター）においては必要とされ得る。触媒コンバーターは、特にガソリン用途におけるものは、過度の温度への曝露から隣接する車両構成部分を保護するために、スチール製の熱遮蔽体（模式図には示されていない）も装備し得る。
【００８３】
一般に触媒コンバーターは、少なくとも５つの主要構成部分から成る：１）基材；２）触媒コーティング；３）ウォッシュコート；４）マット；及び５）キャニスター。一般的な触媒コンバーターは、図Ｘに示されている。ある種の用途においては、以下でさらに詳細に考察されるように、触媒コーティングは任意である。
【００８４】
基材
基材は、汚染物質が非汚染物質に転化され得る固体表面である。物理的には、基材は、任意の物理学的状態（例えば固体、液体又は気体）で、いくつかの分子種に界面を提供して、相互に反応する。基材は一般に、汚染物質が非汚染物質に転化され得る大面積を提供するために大表面積を有する。
【００８５】
過去数十年間にわたって、多くの異なる物質及び設計が、化学反応の基材として作用することを試験してきた。例えば主な物理学的構造としては、ハニカム  モノリス及びビーズが挙げられる（図１参照）。ハニカム構造は、通常は基材の長さに沿って互いに平行に走行する多くの溝を含有する。基材は、基材の長さを走行する溝を有する。溝の幅はしばしば、基材の材料及びそれが用いられる用途によって、変化する。これらの溝は、排気ガスをエンジンから触媒コンバーターを通して流して、排気パイプを通して流出させることができる。排気ガスは基材の溝を通って流れる一方で、汚染物質分子は、化学反応及び物理学的変化により非汚染物質分子に転化される。
【００８６】
ビーズ構造では、基材は小ビーズの集合から作られる（管中に一塊のゼリービーンズを入れるのと同様）。排気は（溝及び割れ目を通って）ビーズ周囲を流動し得る。排気ガスがビーズにぶつかると、汚染物質は非汚染物質に転化される。ビーズ構造は、排気分子が曝露される基材の表面積を最大にするための初期の試みの１つであった。
【００８７】
多くの異なる材料が、基材として用いられてきた。これらの例としては、セラミック、繊維強化セラミックマトリックス複合材料（ＦＲＣＭＣ）、発泡体、粉末セラミック、ナノコンポジット、金属、及び繊維マット型基材が挙げられる。最も一般的に用いられるのはコージライトと呼ばれるセラミックで、これはCorningにより製造される。コージライトは、耐火性粉末から形成されるセラミックである。ＦＲＣＭＣは連続気泡発泡体であって、この場合、触媒はセルの壁上に構成され、排気ガスが存在する発泡体のセル経路を通過して出て行かなければならないよう、発泡体は触媒小室内に構成される。発泡体は、ガスからの泡及び焼成中空により形成される多くの孔を含有する固体である。粉末セラミック基材は、コージライト及び関連セラミックとは異なり、この場合、粉末セラミックは焼結セラミック粉末から形成される。ナノコンポジットは、ナノ粉末及び／又はナノ繊維を用いる材料である。金属も、基材として用いられ得る。一般にスチールのような波形金属箔の薄いシートは、ハニカム様構造に巻かれる。繊維マット型基材は、小規模に織られる材料である。ある種の繊維マット型基材は、3M製のＮＥＸＴＥＬ繊維を利用する。さらに、「二次元」不織繊維複合材料も試みられてきたが、この場合、ハニカム構造は、プリーツ形成及び／又は波形化の巻き取りを用いて形成される（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【００８８】
触媒コーティング
最新触媒コンバーターの第三の構成部分は、触媒コーティングである。名前が意味するように、触媒コーティングは、非汚染物質への汚染物質の転化を実際に触媒する構成部分である。
【００８９】
触媒は通常は、化学反応の速度に影響を及ぼすが、元の反応物質又は最終生成物の１つではない物質と定義され、すなわちそれは反応で消費又は変更されない。いくつかの既知の触媒反応メカニズムにおいて、触媒は反応物質を用いて中間化合物を生成するが、反応の経過中に回収される。多くのその他の触媒プロセスは十分に説明されているわけでも、或いはそれらの全体で理解されているわけでもない。特定の目的のための触媒の選択及び調製を支配する原理はない。この技術分野における発展の多くは、無数の材料の試験を含む周到な調査プログラムにより達成される。触媒は、そうでなければ遅すぎるか、或いは良好な効率を得るためには高温を要する反応を促進するために、化学的及び石油化学的処理に広範に用いられる。触媒は、エンジン排気ガスの有害構成成分（例えば炭化水素及び一酸化炭素）を、無害物質（例えば二酸化炭素及び水蒸気）に転化するためにも用いられる。
【００９０】
触媒は、排気ガス構成成分間のある種の化学反応を加速する能力を有する物質である。排出制御触媒作用において、固体触媒はガス相反応を触媒するために用いられる。触媒効果及び観察される反応速度は、ガス相及び固体触媒間に良好な接触を提供することにより、最大化する。触媒反応器中では、これは通常は、高比表面積担体（支持体）上に触媒を細かく分散させることにより、高触媒表面積を提供することによって実現される。
【００９１】
触媒コーティングは、基材が形成された後に基材に付加される。コーティングは、基材の表面に層を形成し、層は触媒を含有する。例えば化学反応、必要とされる用途、温度条件、経済的因子等によって、異なる種類の触媒が必要とされる。多くの金属触媒が、当該技術分野で既知である。例えば最も一般的に用いられるのは、白金、パラジウム及びロジウムである。新規の触媒を開発するために、有意の研究がなされてきた。
【００９２】
触媒反応を含めた化学反応の速度は、一般に温度に伴って増大する。転化効率の温度に対する強い依存性は、すべての排出制御触媒の特有の特徴である。汚染物質の触媒転化率と温度との典型的関係は、図４中の実線（Ａ）として示されている。転化（低温でほぼ０）は、最初は徐々に、そして次により迅速に増大して、高ガス温度でプラトーに達する。燃焼反応を考察する場合、点火温度という用語は一般に、この振舞いを特徴付けするために用いられる。触媒点火は、触媒反応を開始するために必要な最小温度である。反応速度の漸次増大のために、上記の定義は非常に的確であるというわけではない。より正確な定義によれば、点火温度は、転化が５０％に達する温度である。その温度はしばしば、Ｔ５０で示される。異なる触媒の活性を比較する場合、最も活性な触媒は、所与の反応に関して最低点火温度により特徴付けられる。
【００９３】
いくつかの触媒系において、図４に点線（Ｂ）で示されるように、温度増大は、ある点までのみ、転化効率を増大し得る。さらなる温度増大は、反応速度を増大するにもかかわらず、触媒転化効率の低減を引き起こす。効率低下は、通常は、反応物質の濃度を激減させるその他の競合反応により、或いは熱力学的反応平衡強制により説明される。
【００９４】
高転化効率に対応する温度範囲は、しばしば、触媒温度ウインドウと呼ばれる。この種類の転化曲線は、選択的触媒プロセスに関して典型的である。良好な例としては、炭化水素又はアンモニアによるＮＯの選択的還元が挙げられる。
【００９５】
転化効率に影響を及ぼす別の重要な変数は、反応器のサイズである。触媒反応器を通るガス流量は、反応器のサイズに応じて、空間速度（ＳＶ）として表わされる。空間速度は、以下に示すように、単位時間あたり、反応器の単位容積当たりの標準条件（ＳＴＰ）で測定されるガスの容積と定義される：（３）ＳＶ＝Ｖ／Ｖｒ（式中、ＶはＳＴＰでの容積ガス流量（ｍ３／ｈ）であり；Ｖは反応器容積（ｍ３）であり；ＳＶは一般に１／ｈ又はｈ−１で表わされる時間の逆数の寸法を有する）。
【００９６】
種々の触媒排出制御用途において、空間速度は、１０，０００  １／ｈ〜３００，０００  １／ｈの範囲である。モノリスク反応器に関する空間速度は、それらの外部寸法（例えば円筒セラミック触媒基材の直径及び長さ）に基づいて算出される。この方法は基材の幾何学的表面積、セル密度、壁厚又は触媒量を考慮に入れていないため、この方法は触媒の比較に常に適切であるわけではない。それにもかかわらず、この方法は一般的に用いられ、そして広範に受容される産業基準である。
【００９７】
１９９０年代を通してオフ・ロードエンジンに用いられたフィルター中の典型的白金量は、５６０．７〜８０１ｋｇ／ｍ３（３５〜５０ｇ／ｆｔ３）であった。相対的に高汚染エンジンに組み込まれたこれらのフィルターは、再生のために約４００℃の最小温度を要した。後に、触媒フィルターが非常にクリーンな都市バス及びその他の高速道路車両エンジンに適用された時、これらのフィルターははるかに低い温度で再生し得るということが判明した。しかしながら低温再生を支持するためには、さらに高い白金量が必要とされた。クリーンエンジン低温用途に用いられるフィルターは、典型的には８１０〜１，２０１．５（５０〜７５ｇ／ｆｔ３）の白金量を有する。
【００９８】
ウォッシュコート
ほとんどの場合、触媒コーティングは第四の構成部分としてウォッシュコートを含む。ウォッシュコートは基材の表面に適用され、それにより基材の表面積を増大する。ウォッシュコートは、触媒が付着する表面も提供する。金属触媒は、無機担体のこの多孔性高表面積層（即ちウォッシュコート−「触媒支持体」という用語は、セラミック／金属基材を、ならびに担体／ウォッシュコート材料を意味するために用いることができる）上に含浸され得る。
【００９９】
多くの物質がウォッシュコートとして用いられ得る。触媒担体に広範に用いられる物質としては、活性化酸化アルミニウム及び酸化ケイ素（シリカ）が挙げられる。
【０１００】
ウォッシュコートは、支持体の表面に結合される多孔性高表面積層である。その正確な役割（これは確かに非常に複雑である）は、明白に理解又は説明されているわけではない。ウォッシュコートの主な機能は、触媒金属の分散に必要とされる非常に高い表面積を提供することである。さらにウォッシュコートは物理的に分離されて、複雑な触媒系の構成成分間の望ましくない反応を防止し得る。
【０１０１】
ウォッシュコート材料としては、無機塩基金属酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム又はアルミナ）、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３及びゼオライト）が挙げられる。それらのうちのいくつかは、触媒担体として用いられる。他のものは、促進剤又は安定剤としてウォッシュコートに付加される。さらに他のものは、自身の触媒活性を示す。良好なウォッシュコート材料は、高比表面積及び熱安定性により特徴付けられる。比表面積は、窒素吸着測定技法を、Ｂｒｕｎａｕｅｒ，Ｅｍｍｅｔ  ａｎｄ  Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）法として既知の数学的モデリングと一緒に用いることにより測定される。熱安定性は、通常は酸素及び水蒸気の存在下で、制御大気中で高温に所与材料の試料を曝露することにより、評価される。試験中に異なる時間間隔で再測定されるＢＥＴ表面積の損失は、試験材料の熱性劣化の程度を示す。
【０１０２】
ウォッシュコートは、水ベースのスラリーから触媒支持体に適用され得る。次に湿潤ウォッシュコート部分は乾燥され、高温でか焼される。触媒ウォッシュコートの質は、完成触媒の性能及び持続性に有意に影響し得る。その後、含浸（即ちウォッシュコート多孔性を触媒溶液に「浸漬する」こと）により、貴金属がウォッシュコート処理部分に適用され、ウォッシュコート量が、完成品中の貴金属触媒量を決定するであろう。したがって、ウォッシュコーティングプロセスが非常に反復可能且つ均一なウォッシュコート層を生じるということは非常に重要である。ウォッシュコーティングプロセス及びそのパラメーターに関する詳細は、すべての触媒メーカーにより企業秘密として保護される。
【０１０３】
キャニスター
基材はキャニスター（例えばスチールシェル）中にパッケージされて、触媒コンバーターを形成する。キャニスターは、多くの機能を実施する。キャニスターは、触媒基材を保持し、外部環境から基材を保護する。さらにキャニスターは、排気ガスを触媒基材を通して及び／又はその上を流動させる。
【０１０４】
触媒基材は、マフラーの内側にもパッケージされ、これはその場合、「触媒マフラー」又は「触媒性マフラー」と呼ばれる。この場合、１つのスチールキャニスターは触媒と騒音吸収構成部分（例えばバッフル及び穿孔管）の両方を保持する。触媒マフラーは、触媒コンバーター及びマフラーの組合せと比較して、より大きな省スペース設計を提供し得る。
【０１０５】
触媒基材は通常は、図２８に示されるような、クラムシェル、ターニケット、靴箱、詰め物及び飾り綱を含む、いくつかの方法のうちの１つに従って作られる立体構成を有するキャニスターの内側に置かれる。
【０１０６】
マット
キャニスターのほかに、マット材料はしばしば、キャニスター中に触媒基材をパッケージするのに用いられる。通常セラミック繊維から作られるパッケージングマットは、基材を保護するために、及びシェルからの圧力を均一に分散するために用いられ得る。マットはしばしばバーミキュライトを含み、これは高温で膨張し、したがってシェルの熱膨張を補償して、すべての操作条件下で適切な保持力を提供する。
【０１０７】
例えばセラミックモノリスは、スチールハウジング中にしっかりと保持する特定のパッケージング材料中に包み、圧力を均一に分散して、クラッキングを防止する。セラミック繊維マットは、ガソリン及びディーゼル用途のための触媒コンバーターのパッケージングに最も一般的に用いられる。これらのパッケージングマットは、以下のように分類され得る：膨張（熱膨張性）マット；従来の（高バーミキュライト）；減少バーミキュライト；非膨張性マット；又はハイブリッドマット。
【０１０８】
断熱材
多くの用途において、触媒コンバーターは、周囲の車両構成部分（例えば、プラスチック部、流体ホース）に対する損害を回避するために、又は、−エンジン近くに配備されるコンバーター中では−エンジン区画温度の増大を防止するために、断熱されなければならない。コンバーター熱管理の方法の１つは、コンバーター本体周囲に構成されるスチール熱遮蔽体を用いることである。代替的方法は、（１）構成マットの厚みを増大するか、又は（２）専用の低熱伝導性断熱材の付加的層を提供することにより、シェルの内側に断熱層を提供することである。熱遮蔽体は伝統的に床下位置に用いられてきたが、マット厚増大はエンジン区画中に組み込まれるコンバーターのための最良の解決を提供すると示唆されている（非特許文献１）。熱遮蔽体より厚いマットを用いることの利点の１つは、より低い平均マット温度で、これは密接に結合されたガソリンエンジン用途においてバーミキュライトマットを破壊するリスクを最小限にする。
【０１０９】
粒子トラップ
排気ガスから汚染物質を除去するための別の装置は、粒子トラップである。ディーゼルエンジンに用いられる一般的粒子トラップは、ディーゼル粒子トラップ（ＤＰＴ）である。粒子トラップの主な目的は、排気ガス流のような流体の流れから種々のサイズの粒子状物質を濾過し、トラップすることである。粒子フィルターの有効性は一般に、異なるサイズのＰＭ（例えばＰＭ−２．５及びＰＭ−１０）を濾過する能力で測定される。
【０１１０】
ディーゼルトラップは、ディーゼルエンジンの排気から炭素煤を除去する点で相対的に有効である。最も広範に用いられるディーゼルトラップは、フィルター本体の多孔性壁上に煤を捕獲することによりディーゼル排気を濾過するウォールフローフィルターである。ウォールフローフィルターは、排気流を有意に妨げることなく、煤のほぼ完全な濾過を提供するよう設計される。
【０１１１】
煤の層はフィルターの流入口溝の表面に集まるので、煤層のより低い浸透性が、フィルターの圧力低下及びエンジンに対するフィルターの背圧における漸次増大を生じて、エンジンをより激しく働かせて、したがってエンジン操作効率に影響を及ぼす。結局、圧力低下は許容不可能となり、フィルターの再生が必要になる。従来の系では、再生プロセスは、フィルターを加熱して炭素煤の燃焼を開始することを包含する。ある状況では、再生は、エンジン管理の制御条件下で成し遂げられ、それによりゆっくりした燃焼が開始されて、数分間持続し、その間、フィルター中の温度は約４００〜６００℃から最大約８００〜１，０００℃まで上昇する。
【０１１２】
ある種の用途では、排気流がフィルターの下方に燃焼熱を保有するので、フィルターの入口面から出口面に進行する煤燃焼の波の累積的作用のため、再生中の最高温度はフィルターの出口端近くで生じる傾向がある。ある状況下では、燃焼の開始が排気ガス中の高酸素含量及び低流量（例えばエンジンアイドリング状態）と同時に起こるか、又は直後である場合に、いわゆる「非制御再生」が起こり得る。非制御再生中、煤の燃焼は、熱衝撃及び熱分解、又は融解さえもし得るフィルター内の温度急変化を生じる。観察される最も一般的な温度勾配は、フィルターの中心温度が基材の残り部分より高い放射温度勾配、及びフィルターの出口端が基材の残り部分より高い軸性温度勾配である。
【０１１３】
炭素煤を捕獲するほかに、フィルターは、排気ガスに保有される金属酸化物「灰」粒子もトラップする。通常、これらの灰沈殿物は、ある種の条件下で排気ガスに付随する不焼成潤滑油に由来する。これらの粒子は燃焼性でなく、したがって再生中に除去されない。しかしながら非制御再生中の温度が十分高い場合、灰は結局はフィルターに焼結し得るか、又はフィルターと反応さえして、部分融解を生じる。
【０１１４】
フィルターが、その寿命にわたって、多数回の制御再生だけでなく、非常に低頻度だが、より厳密な非制御再生も切り抜けるように、融解及び熱衝撃損害に対する抵抗性改良を提供するフィルターを得ることは、当該技術分野における進歩であると考えられる。
【０１１５】
連続再生トラップ
触媒転化のための従来の一方法は、ディーゼル粒子トラップ（「ＤＰＴ」）である。ＤＰＴは、排気中の粒子状物質を集めるフィルターである。その後、フィルターは詰まる前に収集粒子状物質は焼き尽くされなければならない。粒子状物質の燃焼は、「再生」と呼ばれる。いくつかの従来の方法は、ＤＰＴの再生のために存在する。第一に、フィルター表面への貴金属触媒又は卑金属触媒の適用は、粒子状物質の酸化に必要な温度を低減し得る。第二に、フィルターは、ＮＯ２を生じる酸化触媒を含有する小室の前に置かれて、このことが、粒子状物質を焼き尽くすのに役立つ。第三に、該系は、燃料保有触媒を利用し得る。最後に、熱の外部発生源が用いられ、この場合、煤は、触媒を伴わずに５５０℃で、又は貴金属触媒を用いて約２６０℃で燃焼する。再生は、炭素の燃焼後に灰残渣を残し、フィルターを清浄にするために一定の整備を要する。
【０１１６】
さらに別の従来の方法は、ディーゼル酸化触媒（「ＤＯＳ」）を利用する。ＤＯＳは、ＣＯ及び炭化水素を酸化する触媒コンバーターである。炭化水素活性は、粒子状物質の多環芳香族炭化水素（「ＰＡＨ」）及び可溶性有機分画（「ＳＯＦ」）に及ぶ。二酸化硫黄又は一酸化窒素の酸化を最小限にしながらＳＯＦを選択的に酸化する触媒処方物が開発された。しかしながらＤＯＣは硫酸を生じ、ＮＯ２の排出を増大し得る。
【０１１７】
触媒処理ディーゼル粒子フィルター（ＣＤＰＦ）における触媒の機能は、典型的には３００〜４００℃の範囲で、エンジン／車両の通常操作中に経験される排気温度下でのディーゼル粒子状物質（ＤＰＭ）の酸化によりフィルターの再生を促すために、煤燃焼温度を下げることである。触媒の非存在下では、ＤＰＭは、５００℃を上回る温度で、容易に感知可能な速度で酸化され得るが、これは、実際のディーゼルエンジンにはめったに観察されない。これらの触媒用途に用いられる報告された基材としては、コージライト及び炭化ケイ素ウォールフローモノリス、金網、セラミック発泡体、セラミック繊維媒体等が挙げられる。ＣＤＰＦの最も一般的な型は、触媒セラミックウォールフローモノリスである。
【０１１８】
触媒セラミックトラップは、１９８０年代初頭に開発された。それらの最初の用途には、ディーゼル自動車、その後、地下採鉱機械が含まれた。触媒フィルターは、１９８５年にカリフォルニア州で販売されたメルセデス(Mercedes)車に商業的に導入された。ターボチャージエンジンを有するメルセデスモデル３００ＳＤ及び３００Ｄは、エンジン及びターボチャージャー間に取り付けられた直径１４３．７６ｍｍ×１５２．４０ｍｍ（５．６６インチ×６インチ）のフィルターが装備された。
【０１１９】
自動車上のディーゼルトラップの使用は、不十分な耐久性、圧力低下の増大、及びフィルター目詰まりといったような問題のため、後に断念された。今日、これらの問題のすべてが解決されたわけではないとしても、触媒セラミックトラップは最も重要なディーゼルフィルター技術の１つである。ＣＤＰＦは、多くの大型用途（例えば都市バス及び公営ディーゼルトラック）に漸増的に用いられている。長年に亘って、限定量の触媒フィルターは、地下採鉱（南米及びオーストラリア）に、及びある種の固定エンジン用途にも用いられてきた。
【０１２０】
触媒セラミックフィルターは、ＯＥＭ及びアフターマーケット（改良）製品の両方として、多くの高速道路、オフロード及び固定エンジン用途のために市販されている。供給業者のリストとしては、Engelhard、OMG dmc2ならびにいくつかのより小さな排気制御メーカー（主にオフロード市場を専門に扱う）が挙げられる。
【０１２１】
従来のフィルターの主要構成部分は、セラミック（典型的にはコージライト又はＳｉＣ）ウォールフローモノリスである。モノリスの多孔性壁は、活性触媒で被覆される。ディーゼル排気エアロゾルは壁に浸透するので、煤粒子は壁孔ネットワーク内ならびに流入口溝表面上に沈着される。触媒は、排気ガス中に存在する酸素によるＤＰＭ酸化を促す。
【０１２２】
圧力低下
従来の触媒コンバーターを通過する排気ガスの流れは、実質量の背圧を生じる。触媒コンバーター中での背圧増大は、触媒コンバーターが首尾よく働くための重要な属性である。触媒コンバーターが部分的又は全体的に目詰まりすると、それは排気系に制限を引き起こす。背圧のその後の増大は、エンジン性能（例えば馬力及びトルク）及び燃料経済の激しい低下を生じ、遮断が重度である場合にはそれが始まった後にエンジンを止めさせることさえあり得る。材料のコスト、及び適切なフィルターを用いて元のエンジンを装備改良又は製造及び材料のコスト両方のため、汚染物質排出を低減するための従来の試みは非常にコストが掛かる。
【０１２３】
ウォールフローフィルターの高濾過効率は、フィルター煤量に伴って増大する相対的に高い圧力低下を犠牲にして得られる。最初は、フィルターは清浄である。粒子がモノリス壁中の孔内に沈着し始める（深層濾過）と、圧力低下は非直線的に時間に伴って増大し始める。この段階は初期負荷相と呼ばれ、この間中、浸透性及びフィルター多孔性のような孔属性は、孔ネットワーク内部の漸増煤沈着のため絶えず変化する。孔の濾過能力は飽和になり、流入口モノリス溝内部の層として煤が沈着し始める（ケーク濾過相）。時間に伴う（及び煤量に伴う）圧力低下の線状増大は、この期間中に観察される。変化する一特性は、煤層の厚みである。著者の中には、煤層が十分に確立されるまで、粒子が溝表面に沈着し始める時点と中間短期遷移相とを区別する人もいる（非特許文献４及び非特許文献５）。
【０１２４】
清浄フィルター基材における圧力低下モデリングが実行された。開発された相対的に簡単なモデルは、実験結果と優れた一致を示す（非特許文献２及び非特許文献３）。しかしながら実用途におけるフィルター圧低下のほとんどは、煤沈着により引き起こされる。特定の用途においては、清浄ウォールフローフィルターの圧力低下は、１〜２ｋＰａの範囲であり得るが、一方、１０ｋＰａの負荷フィルター圧力低下は、ある状況では、低〜中程度であると考えられ得る。
【０１２５】
粒子負荷フィルターの総圧力低下は、以下の４つの構成部分に分けられ得る：フィルターからの流入口及び流出口での突然の収縮及び膨張のための圧力低下；溝壁摩擦のための圧力低下；粒子層の浸透性のための圧力低下；及び壁浸透性のための圧力低下。
【０１２６】
フィルターからの流入口及び流出口での突然の収縮及び膨張のための圧力低下は、清浄フィルター中の同一構成部分と同様であるが、但し、有効溝サイズ（水圧直径）は、ここでは煤層のためより小さく、より多くのガス収縮を生じる。
【０１２７】
溝壁摩擦のための圧力低下は、溝水圧直径の低減のため、清浄フィルターの一連の事柄に関しても増大する。厚い煤層に関しては、ΔＰ溝は総圧力低下に対する非常に有意の一助になり得る。
【０１２８】
粒子層の浸透性のための圧力低下（ΔＰ粒子）は、総圧力低下に対する有意の一助であり得る。
【０１２９】
壁浸透性のための圧力低下（ΔＰ壁）も、ここでは、壁孔が一部煤で充填されるため、清浄フィルターの場合より高い。孔における初期煤負荷相に起因し得るΔＰ壁の増大は、図３においてはΔＰＩで表わされる。
【０１３０】
総圧力低下は、以下のように表わされ得る：
ΔＰ＝ΔＰ入口／出口＋ΔＰ溝＋ΔＰ粒子＋ΔＰ壁
【０１３１】
煤負荷ディーゼルフィルターにおける圧力低下の数学的モデリングは、複雑で、難しい課題になる。煤の重要な特性（例えば浸透性及び実装密度）は、用途、エンジン操作条件及びその他のパラメーターに依存する。ウォールフローフィルターにおける圧力低下をシミュレートする努力が進行中であり、漸増的により精錬されたモデルが開発中である。実煤負荷の予測は、再生プロセス自体の理論的モデルを要し得る。
【０１３２】
触媒コンバーター及び粒子フィルターの種類
触媒コンバーターは、以下の多くの因子に基づいて分類され得る：ａ）コンバーターが用いられる種類のエンジン、ｂ）エンジンに応じたその位置、ｃ）コンバーターに用いられる触媒の数及び種類、ならびにｄ）用いられる基材の種類及び構造。さらに、これらの触媒コンバーターの各々はしばしば、他の排出制御装置、例えばＣＲＴ、ＥＧＲ、ＳＣＲ、ＡＣＥＲＴ、ならびにその他の装置及び方法と一緒に用いられる。
エンジン
【０１３３】
触媒コンバーターは、少なくとも２種類のエンジン：即ちガソリンエンジン及びディーゼルエンジンで用いられる。これら２つの一般的クラスの中には、多くの種類の特別なガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが存在する。例えば、種々の排気量及び馬力を有するガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが製造される。ある種のエンジンは、ターボチャージャー及び／又はインタークーラーを装備される。ほとんどの乗用車エンジン及びトラックエンジンは水冷式であるが、一方、多くのオートバイエンジンは空冷式である。ある種のユーティリティーは、高い利用可能な馬力を要するが、一方、他のものは、燃費を最大にする。これらの変数はすべて、他のものに加えて、燃料の燃焼中に生成される汚染物質のレベルに影響を及ぼし得る。さらに例えばオンロード、オフロード又は固定でのエンジンの使用によって、排出基準に関して異なる規制要件が存在する。
【０１３４】
位置
触媒コンバーターは、理論的に、エンジンの排気流に沿ったどこにでも構成され得る。しかしながら従来の触媒コンバーターの物理的特性は、それらの位置を限定する。最も一般的には車両では、触媒コンバーターはエンジンブロックから多少離して、マフラー近くに、そして車の本体の真下に構成される。触媒コンバーターはいくつかの理由のために作動しなくなるおそれがあるため、触媒コンバーターは通常はエンジン付近には構成されない。このような理由としては、エンジン近くの極端な温度、熱衝撃、機械的振動、機械的応力、及び空間制限が挙げられる。さらにまた、固定エンジンの物理学的設定は、触媒コンバーター又は粒子フィルターの位置を限定し得る。
【０１３５】
例えば、その２００４年ＦＯＣＵ．Ｓ．（登録商標）において、フォード・モーター・カンパニーは、その見本のうちの１つでホンダ・モーター・コーポレーションが行ったのと同様に、ｍａｎｉ−触媒コンバーターを構成するよう取り扱った。これらの系は、マニホールドの一部というよりむしろそれに隣接して、実際に存在する。シリンダー急速燃焼及び動作部分により発生される高温エネルギー及び極度の振動エネルギーは、マニホールド中に置かれる場合、過度の熱及び物理的衝撃に一般的触媒コンバーターを曝す。さらに、ｍａｎｉ−触媒コンバーターのための設計は、特許文献４でNorthup Grumman Corporationにより提案された。最新コージライト基材でも、このような環境に持ちこたえることに挑戦していると考えられる。
【０１３６】
例えばオートバイ（例えばHarley-Davidson）のようなその他の用途では、ある位置における触媒コンバーターの存在は、ユーザーに対する重篤な損傷を引き起こすおそれがある。触媒コンバーターの高い操作温度のため、ユーザーに対する損傷を生じにくい触媒コンバーター（例えば、小型触媒コンバーター、熱いと動かないコンバーター等）を用いるのが好ましいであろう。
【０１３７】
ある場合には、排気系（例えば、乗用車における）は、１つより多い触媒コンバーター又は粒子フィルターをその排気流に沿って含有し得る（図４参照）。例えば、排気系は、エンジン及び主触媒コンバーター間に付加的触媒コンバーターを有し得る。この立体構成は、前−触媒コンバーターと呼ばれる。前−触媒コンバーターは、より密な立体構成を有し得る。別の設定は、後−触媒コンバーターであり、これは、主触媒コンバーターの背後（後）に二次触媒コンバーターを有する。後−触媒コンバーターは、時としては、装備改良触媒コンバーターのためにも用いられる。
２−ウェイ対３−ウェイ対４−ウェイ
【０１３８】
触媒コンバーターは一般に、２−ウェイ、３−ウェイ又は４−ウェイコンバーターであると分類され得る。少なくとも以下の種類のコンバーターが市販されている：酸化コンバーター、３−ウェイコンバーター（空気なし）、３−ウェイプラス酸化コンバーター、ならびに４−ウェイコンバーター。
【０１３９】
酸化（２−ウェイ）コンバーターは、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を酸化するよう設計された初期世代のコンバーターを表わす。これらのユニットはほとんどの基本形態の触媒コンバーター技術を表わすが、それらは、いくつかの地域では、依然として実行可能な環境汚染低減選択肢である。酸化コンバーターは通常は、白金又はパラジウムを含有する。しかしながら、その他の非貴金属が、同様に用いられ得る。
【０１４０】
１９８０年代初頭、ほとんどの車両メーカーは、ＨＣ及びＣＯを酸化するほかに、ＮＯｘを還元するよう設計されたコンバーターを用い始めた。コンピューター制御エンジン系及び酸素センサーとともに用いられたこれらの３−ウェイコンバーターは、空気対燃料比をより的確に制御するために用いられた。３つの化合物：ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを処理するため、これらのコンバーターは３−ウェイコンバーターと呼ばれる。
【０１４１】
ほとんどの現代の乗用車は、典型的にはCorningのクレイ押出技術を用いて１つ又は複数の基材をタンデムで有する「３−ウェイ」触媒コンバーターを装備する。「３−ウェイ」とは、コンバーターが還元するのを助ける３つの規制排気物：一酸化炭素、揮発性有機化合物（ＶＯＣ（例えば非燃焼炭化水素））及びＮＯｘ分子を指す。このようなコンバーターは、２つの異なる種類の触媒、即ち還元触媒及び酸化触媒を用いる。
【０１４２】
３−ウェイ触媒コンバーターでは、還元触媒は通常は、触媒コンバーターの第一段階で見出され、燃焼室中で生じた窒素の酸化物を戻すのに役立つ。それは一般的には、白金及びロジウムを用いて、ＮＯｘ排気物を還元するのを助ける。白金及び／又はパラジウムのような金属で構成され得る酸化触媒は一般に、触媒コンバーターの第二領域中に位置する。
【０１４３】
１つのハウジング中に還元触媒及び酸化触媒を一緒に有する３−ウェイコンバーターは、時として、３−ウェイプラス酸化コンバーターと呼ばれる。これらのコンバーターは、２つの基材間の空気注入を用いる。この空気注入は、酸化化学反応に助力する。
【０１４４】
４−ウェイコンバーターは、一酸化炭素、窒素酸化物、非燃焼炭化水素及び粒子状物質を処理する。これらの例としては、例えば、ＱｕａｄＣＡＴ４−ウェイ触媒コンバーター（Ceryx製）が挙げられる。それは、そのメーカーによれば、大気汚染の主要発生源のうちの４つ（すなわち、ＮＯｘ、炭化水素、一酸化炭素及び粒子状物質）を、２００２／２００４排出基準をディーゼルエンジンが満たし得るレベルに還元する触媒コンバーターである。他の例としては、特許文献５および特許文献６に記載されたものが挙げられる。
【０１４５】
当該触媒コンバーターは、他の触媒と同様、所望の反応を達成するのに必要とされる活性化エネルギーを低下させることにより反応を助長する。例えば、触媒の存在下で酸素と反応して燃焼しつくす前に粒子が５５０℃の温度を要する場合、この同一反応はたった２６０℃の温度を要するだけである。この低エネルギー閾値は、温度がより低い場合でも、空間がより十分に存在するエンジンから下流に触媒系を物理的に構成させ得る。そうでなければ、触媒系は、温度がより高い上流に構成される必要があるであろう。しかしながら、当該触媒系がエンジン付近に構成される場合、基材を損害する可能性が大きいため、これは最新技術をもってしても実行不可能である。
【０１４６】
ディーゼルエンジンは、高い温度及び高い圧力のため、ＮＯｘ及び粒子状物質濃度が高い一方、相対的に低ＣＯ産生及び低炭化水素産生を示す排気物を生じる。圧縮燃焼は、ガソリンエンジンの火花を用いるものより低完全性である。しかしながら、高空気含量を有する相対的低質混合物のため、ディーゼルはガソリンエンジンより良好なガス走行距離を提供できる。３−ウェイ触媒は、過剰な空気のため、ディーゼル排気中で良好に働かない。ＮＯｘ還元触媒は典型的には、ディーゼル燃焼エンジン中で容易には実行され得ない燃料対空気の良好に保持された化学量論比を要する。
【０１４７】
触媒コンバーター技術は、内燃機関及び固定燃焼機関を含めた種々の用途に適用され得る。内燃機関は、車両用に用いられる最も一般的なエンジンである。触媒コンバーターは、車両の排気系中の装置として組み込まれ、したがって全排気ガス流は基材を通過して、触媒と接触した後、後部排気管から放出される。しかしながら、触媒コンバーターは、種々の能動的戦略（例えば、触媒前表面における反応物質の注入、又は複雑化エンジン制御アルゴリズム）を包含するかなり複雑な系の一部でもあり得る。例としては、ＮＯｘの還元のために開発されている多くのディーゼル触媒系が挙げられる。触媒の利点の中で列挙されている簡易性特性及び受動的特性という属性は、それらの系にもはや適応し得ない。
【０１４８】
汚染物質排出を低減する従来の試みは、一部は材料のコストと、ある種の用途においては、適切なフィルターを用いて元のエンジンを装備改良又は製造するために、非常にコストが掛かり得る。
【０１４９】
触媒コンバーター及び粒子フィルター技術の進歩
触媒コンバーターの進歩をもたらす発明は、押出コージライト・ハニカム・モノリスについてのCorningの開発であった（特許文献７参照）。１９７０年代以降、エンジン排気系の極端な環境に耐え得る堅固な基材（一般的には、コージライト）の表面のウォッシュコート中にしっかり内蔵される貴金属及び卑金属ファミリーからの触媒（白金、パラジウム、ロジウム等）を使用するこのアプローチを用いて、１０億ポンド以上の汚染物質が排気流から除去されてきた。この核心技術に対する変更及び改良は、触媒コンバーターの構成における、ならびにそれらの組成及び製造方法における変更を含めて、以来数年で発展してきた。しかしながら依然として、今日まで、克服されていない基本的な不十分な点が残っている。近年、技術状態は、物理的限界及び経済的限界に達しつつあり、小さな改良だけが多大の費用でなされているに過ぎない。
【０１５０】
最新基材の限界
触媒コンバーター及び粒子状物質フィルター技術についての現在の状態は、ある程度まで排気物汚染を低減するのに有用であるが、一般的技術に不都合な点が確かに存在する。現在の触媒コンバーターによってはかなえられない特性も存在する。いくつかの欠点は、用いられる基材の種類に固有のものである。したがって、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いるために改良された基材は、触媒コンバーター中の触媒基材として用いられる材料の基本的物理学的及び化学的属性における有意の進歩である。さらに改良型基材は、その質を劇的に増大し、２００７年及び２０１０年ならびにさらに後年の排出基準をメーカー及びユーザーがより容易に満たすのを可能にする。
【０１５１】
従来のモノリス触媒コンバーター基材は一般に、押出し法により形成される。複雑で且つ相対的に高価でもあるこの方法は、過去２５年間、用いられてきた。しかしながら、押出し法には制限がある。小溝が材料内に作製され、質制御を依然として保持し得る方法に関して、限界がある。押出し法はまた、触媒コンバーターの形状を円筒形又は平行四辺形に、或いは押出し軸と平行な側面を有する形状に限定する。この形状制限は、従来の排出基準では問題ではなかった。しかしながら、０に近い排出性能に到達し得る触媒コンバーター及び粒子フィルターを設計する必要性は、非線状及び／又は非円筒形フィルター設計及び車両一体性を要し得る。
【０１５２】
壁厚低減は表面積を増大し、ある場合には、０．００６インチから０．００２インチに壁厚を低減すると、表面積が５４％増大する。表面積を増大することにより、より多くの粒子状物質が低容積中に沈着され得る。図１は、触媒コンバーターの表面積を増大するよう設計されたセラミックフィルター素子１００内に形成された従来技術のハニカム立体構成１０２を示す。ハニカム立体構成１０２は、押出し作用と平行にそれらの主軸を有する長溝が作られる押出し法を用いて形成される。これらの溝の開口は、侵入排気空気流に面している。
【０１５３】
技術の進歩は、壁厚低減を有するセラミックコージライト基材の製造を可能にした。客車用途のかつての基準立体構成である４００ｃｐｓｉセル密度及び０．００６５インチ（又は約０．１７ｍｍ）の４００／６．５は、次第により薄い壁（０．００５５〜０．００４ｍｉｌ）の基材に置き換えられた。しかしながら、この材料の物理学的限界が近づいてきた。セラミック、特にコージライトの物理学的特性のため、さらに薄い壁を有するコージライトセラミック製の基材の使用は、実用的でない。より薄い壁の材料は、他の必要な特性（例えば耐久性、耐熱性）を満たすことができない。
【０１５４】
ディーゼル触媒は、１つにはそれらの大型サイズのため、しばしばそれらの自動車同等物より厚い壁を有する。ディーゼル壁フロー・フィルターは一般により厚い壁を有するため、これらのフィルターが有し得る溝／平方インチに関して物理的限界がある。一般に、２００溝／平方インチより多くを有する市販のディーゼル壁フロー・フィルターは存在しない。
【０１５５】
一般に利用可能な基材の別の限界は、低温でのそれらの触媒効率低下である。コンバーター系が冷たい場合、このようなエンジン始動では、温度は触媒反応を開始するほど十分高くない。触媒コンバーターに用いられ、Corning、NGK、Denso及びその他の企業により販売されるコージライト、炭化ケイ素、及び種々の金属基材は、今日、優れた機械強度ならびに熱衝撃及び振動に対する耐性を有する非常に丈夫で、密な材料から作り上げられる。しかしながら、これらの材料は、開始後、触媒反応に十分な温度に達するまで、熱を吸収するための時間を要する。触媒反応始動の遅延のため、現代のエンジンからのすべての排気物の約５０％が、エンジン操作の最初の２５秒間に大気に放出される、と推測される。これらの臨界「低温始動」秒中の小さい改善でも、年間に首尾よく処理される汚染物質の量を劇的に改善し得る。この問題を取り扱うために努力が注ぎ込まれてきたが、この低温始動期間中の排気物を低減し得る触媒コンバーターの必要性は依然として存在する。当該技術分野の最も進歩し且つコストのかかる状態でも、コージライト系の触媒コンバーターは始動に約２０秒を要する。
【０１５６】
反応温度をより迅速に達成するために、高温がより迅速に利用可能で、操作中により激しく反応を駆動するのにも役立つエンジン排気マニホールドの近くにコンバーターを移動する試みがなされてきた。車両のボンネット下の使用可能な空間は限定されるため、コンバーター系のサイズ、したがって首尾よく処理され得るスループット量は、制限される。一般的基材は、車両のエンジン区画中で有効に用いることができない。さらに、エンジン区画に付加的重量を加えることは望ましくなく、多くの一般的基材は高密度で、限定多孔度（約５０％以下）を有し、大規模排気出力を処理するための大重量大容積の系を要する。さらに、コージライトのような基材は、多くの操作条件下で融解しやすく、それにより詰まりならびに背圧増大を引き起こす。
【０１５７】
低温始動を補償するその他の方法としては、コンバーターが一旦臨界温度に達したら処理され得るように、ＮＯｘ及び／又は炭化水素を一時的に貯蔵する複雑な吸着系が挙げられる。これらの系のうちのいくつかは、平行パイプ及び複雑な吸着表面、付加的バルブ及び制御機構、或いは基材に触媒を付着させ、反応環境を隔離するのに用いられる多層の異なるウォッシュコートを要する。この問題は、大容積の煤粒子、ＮＯｘ及びＳＯｘがトラップされる必要があるディーゼルエンジンで特に検討中である。いくつかの大型工業用ディーゼルエンジンでは、ディーゼル粒子トラップの回転バンクが、粒子を収集し、貯蔵し、実質的に処理するために用いられる（さらに他の系では、ＮＯｘは貯蔵され、酸化剤として用いられて、ＣＯをＣＯ２に転化するが、一方、ＮＯｘはＮ２に還元される）。
【０１５８】
総排出量に関する規制制限を仮定すると、低温始動中に生じる排気物の５０％のうちの多少でも容易に節減し得る系は、上記のような高価で且つ複雑な回避方法(working-around)のいくつかに関する必要性をなくす。これらの回避方法と一緒に用いられると、このような系は実質的低減された排気物中にそれを生じ得る。しかしながら、上記の説明のように、従来の系は一般に複雑に且つ高価であり、点火しない及び／又は予測不可能に作動する傾向もある。
【０１５９】
従来の系の別の固有の限界は、粒子を燃えつくすために必要とされる典型的「滞留時間」である。操作中の大容積の排気ガススループット、ならびにガスが流動しなければならない速度を考えた場合、コンバーターは迅速に点火し得ることが重要である。したがって、迅速に点火し、極端な熱及び振動衝撃に耐え得る、低温始動中に迅速な内部温度を増大し得る触媒コンバーターは、排出を低減するための産業の可能性を大いに増強し、２００７年及び２０１０年に関する来るべき環境基準を満たし、よりクリーンに作動する自動車のエンジン、トラックのエンジン、バスのエンジン及び重工業エンジンを製造する。
【０１６０】
基材も軽量である場合、それはまた新車両における走行距離統計数値改良を生じる。しかしながら今日まで、これらの問題の多く又はすべてを取扱い得る基材は同定されていない。
【０１６１】
触媒コンバーター又は粒子フィルターのための基材に関する設計考察
触媒基材は、触媒コンバーター系の性能、強靭性及び耐久性に影響を及ぼすきわめて重要な構成部分である。さらに濾過基材は、粒子フィルターの操作性能に有意に影響を及ぼす。理想的には、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いられる基材は、多くの属性を有するべきである。これらの属性としては、1つ又は複数の以下の態様が挙げられるが、必ずしもこれらに限定されない：ａ）表面積；ｂ）多孔性／浸透性；ｃ）放射率；ｄ）熱伝導度；ｆ）熱属性（例えば、衝撃耐性、膨張及び伝導率）；ｇ）密度；ｈ）構造保全性；ｉ）汚染物質処理の効率；ｊ）必要とされる触媒の量；及びｋ）系の重量。１つ又は複数の属性を最適化する触媒基材又は濾過基材は、流体を濾過し、反応を触媒する分野における進歩である。
【特許文献１】米国特許第４，８９４，０７０号
【特許文献２】米国特許第５，１９６，１２０号
【特許文献３】米国特許第６，４４４，００６号
【特許文献４】米国特許第５，６９２，３７３号
【特許文献５】米国特許第４，３２９，１６２号
【特許文献６】米国特許第５，２５３，４７６号
【特許文献７】米国特許第４，０３３，７７９号
【特許文献８】米国特許第４，１４８，９６２号
【特許文献９】米国特許第３，９５３，０８３号
【特許文献１０】米国特許第３，７９５，５２４号
【特許文献１１】米国特許第４，０４７，９６５号
【特許文献１２】米国特許第５，６２９，１８６号
【特許文献１３】米国特許第５，３７８，１４２号
【特許文献１４】米国特許第５，１０２，６３９号
【特許文献１５】米国特許第６，０９０，７４４号
【特許文献１６】米国特許第６，６９２，７１２号
【特許文献１７】米国特許第５，１８２，２４９号
【特許文献１８】米国特許第５，２２４，８５２号
【特許文献１９】米国特許第５，２７２，１２５号
【特許文献２０】米国特許第６，６８２，７０６号
【特許文献２１】米国特許第６，６６７，０１２号
【特許文献２２】米国特許第４，５２９，７１８号
【特許文献２３】米国特許第４，７２２，９２０号
【特許文献２４】米国特許第５，７９５，４５６号
【特許文献２５】米国特許第５，８５６，２６３号
【特許文献２６】米国特許第６，５７６，２００号
【特許文献２７】米国特許第５，１００，６３２号
【特許文献２８】米国特許第５，２９６，２８８号
【特許文献２９】米国特許第５，７０２，７６１号
【特許文献３０】米国特許第５，９２８，７７５号
【特許文献３１】米国特許第５，０７９，０８２号
【特許文献３２】米国特許第５，７０２，７６１号
【特許文献３３】米国特許第５，９２８，７７５号
【特許文献３４】米国特許第５，０７９，０８２号
【特許文献３５】米国特許第６，６８５，８９９号
【特許文献３６】米国特許第６，６７３，４１４号
【特許文献３７】米国特許第５，６１１，８３２号
【特許文献３８】米国特許第４，１４８，９６２号
【特許文献３９】米国特許第６，６１３，２５５号
【特許文献４０】米国特許第５，２９６，２８８号
【特許文献４１】米国特許第４，０４７，９６５号
【特許文献４２】米国特許第３，５４９，４７３号
【特許文献４３】米国特許第４，６８６，１２８号
【特許文献４４】米国特許第６，６０５，２５９号
【特許文献４５】米国特許第５，６９２，３７３号
【特許文献４６】欧州特許出願第０８８４４５９号
【特許文献４７】欧州特許第０９１２８２０号
【特許文献４８】米国特許第６，６２２，４８２号
【特許文献４９】米国特許第６，６０４，６００４号
【特許文献５０】米国特許第６，３４１，６６２号
【特許文献５１】米国特許第４，４５７，８９５号
【特許文献５２】米国特許第５，９８３，６３１号
【非特許文献１】Ｓａｉｄ  Ｚｉｄａｔ  ａｎｄ  Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｐａｒｍｅｎｔｉｅｒ，  “Ｈｅａｔ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｍａｎｉｆｏｌｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，”  Ｄｅｌｐｈｉ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｅｎｔｒｅ  Ｌｕｘｅｍｂｏｕｒｇ，ＳＡＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２０００−０１−０２１５
【非特許文献２】Ｍａｓｏｕｄｉ，  Ｍ．他，  ２０００，  “Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｄｒｏｐ  ｏｆ  Ｗａｌｌ−Ｆｌｏｗ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ    Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”，  ＳＡＥ  ２０００−０１−０１８４
【非特許文献３】Ｍａｓｏｕｄｉ，  Ｍ．他，  ２００１，  “Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｍｏｄｅｌ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｄｒｏｐ  ｏｆ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，”  ＳＡＥ  ２００１−０１−０９１１
【非特許文献４】Ｔａｎ，  Ｊ．Ｃ．他，  １９９６，  “Ａ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｉｎ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｔｒａｐｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｆｕｅｌ  Ａｄｄｉｔｉｖｅ”，  ＳＡＥ  ９６０１３６
【非特許文献５】Ｖｅｒｓａｅｖｅｌ，  Ｐ．他，  ２０００，  “Ｓｏｍｅ  Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ”，ＳＡＥ  ２０００−０１−０４７７
【非特許文献６】Ｌｅｉｓｅｒ他，  “Ｏｐｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｒｉｇｉｄｉｚｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｈｅａｔｓｈｉｅｌｄｓ”，  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  ６，  Ｎｏ．  ７−８，  ｐｐ．  ７５７−７６８  （１９８５）
【非特許文献７】Ｌｅｉｓｅｒ他，  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｉｚｅ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，  ＮＡＳＡ  ＣＰ  ２３５７，  ｐｐ．  ２３１−２４４  （１９８４）
【非特許文献８】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖ／ｏｔａｑ／ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ／ｒ９２００９．ｐｄｆにより入手可能な、Ｕ．Ｓ．ＥＰＡで発行されている、文献番号ＥＰＡ４２０−Ｒ−９２−００９
【非特許文献９】Ｏｇｙｕ，  Ｋ．他，  ２００３．  “Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｗａｌｌ  ＳｉＣ−ＤＰＦ”，  ＳＡＥ  ２００３−０１−０３７７
【非特許文献１０】Ｙｕｕｋｉ，  Ｋ．他，  ２００３，  “Ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ＳｉＣ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｃａｔａｌｙｚｅｄ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  （ＤＰＦ），”  ＳＡＥ  ２００３−０１−０３８３
【非特許文献１１】Ｉｃｈｉｋａｗａ，  Ｓ．他，  ２００３，  “Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｐｏｒｏｕｓ  ＳｉＣ  ｆｏｒ  Ｃａｔａｌｙｚｅｄ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，”  ＳＡＥ  ２００３−０１−０３８０）
【非特許文献１２】Ｌｅｉｓｅｒ他，  “Ｏｐｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｒｉｇｉｄｉｚｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｈｅａｔｓｈｉｅｌｄｓ”，  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  ６，  Ｎｏ．  ７−８，  ｐｐ．  ７５７−７６８  （１９８５）
【非特許文献１３】Ｌｅｉｓｅｒ他，  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｉｚｅ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，  ＮＡＳＡ  ＣＰ  ２３５７，  ｐｐ．  ２３１−２４４  （１９８４）
【非特許文献１４】Ｋｕｉｓｅｌｌ，  Ｒ．Ｃ．，  １９９６，  “Ｂｕｔｔｉｎｇ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｓ  ｉｎ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，”  ＳＡＥ  ９６０５５５
【非特許文献１５】Ｌｉ，  Ｆ．Ｚ．，  ２０００，  “Ｔｈｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｏｆ  Ｓｔｕｆｆｅｄ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｖｓ．  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｃｕｒｖｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｕｍｅｓｃｅｎｔ  Ｍａｔ”，  ＳＡＥ  ２０００−０１−０２２３
【非特許文献１６】Ｅｉｓｅｎｓｔｏｃｋ，  Ｇ．，  他，  ２００２，  “Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＳｏｆｔＭｏｕｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ  Ｕｌｔｒａ  Ｔｈｉｎｗａｌｌ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，  ＳＡＥ  ２００２−０１−１０９７
【非特許文献１７】Ｗｅｎｄｌａｎｄ，  Ｄ．Ｗ．，  他，  １９９２，  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｈｅａｄｅｒ  Ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”，  ＳＡＥ  ９２２３４０
【非特許文献１８】Ｒａｊａｄｕｒａｉ，  Ｓ．，  他，  １９９９．  “Ｓｉｎｇｌｅ  Ｓｅａｍ  Ｓｔｕｆｆｅｄ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  Ｔｈｉｎｗａｌｌ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，  ＳＡＥ  １９９９−０１−３６２８
【非特許文献１９】Ｏｌｓｏｎ，  Ｊ．Ｒ．，  ２００４，  “Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｄｅｖｉｃｅｓ−Ｄｅｓｉｇｎ  Ｆａｃｔｏｒｓ  Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ  Ｍｏｕｎｔｉｎｇ  Ｍａｔ  Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，”  ＳＡＥ  ２００４−０１−１４２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０１６２】
［発明の概要］
ここには、種々の実施の形態が記載される。本発明のこれらのならびに他の実施の形態は、以下の詳細な説明の節に記載される。
【０１６３】
本明細書中に記載されるような不織焼結耐火性繊維性セラミック（ｎＳｉＲＦ−Ｃ）複合材料は、触媒コンバーター、粒子フィルター及び関連装置の改良型基材として用いられ、それに合わせて造形される、ということを本発明者らは発見した。
【０１６４】
改良型触媒基材及び改良型濾過基材は、本明細書中に記載されるような特定の属性を有する材料から調製され得る、ということも本発明者らは発見した。例えば、好適な属性としては、高融点、低い熱伝導度、低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性が挙げられる。これらの属性を有する１つの実施の形態における例示的材料は、ｎＳｉＲＦ−Ｃである。
【０１６５】
好適な属性を有する材料の一例は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料である。ｎＳｉＲＦ−Ｃの一例は、アルミナ強化型断熱（「ＡＥＴＢ」）材料又は同様の材料であり、これは触媒基材又は濾過基材として本発明の実施形態に従って用いられ得る。ＡＥＴＢ材料は当該技術分野で既知であり、アルミナボリアシリカ（アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知）繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維を含む。ＡＥＴＢに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入のための理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。ＡＥＴＢは、濾過基材又は触媒コンバーター基材として用いられたことはなかった。
【０１６６】
ＡＥＴＢを宇宙産業に望ましいものにする属性は燃焼技術においても好ましい、ということが本発明者らにより実現された。他の属性の中で、ＡＥＴＢは高融点、低熱伝導度、低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。所望の属性のこの組合せは、一般的濾過基材及び触媒コンバーター基材に欠けている。
【０１６７】
ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料（例えば、ＡＥＴＢ及び類似の好適な基材）が、粒子フィルター基材及び触媒コンバーター基材として用いるのに適した新規の形態に、調製、造形、成形、切断及び／又は適合され得る（又は、そうでなければ物理的に修飾され得る）、ということも見い出した。
【０１６８】
本発明は、一般的技術を上回る多くの利点を有する。第一に、本発明は、大気の質及び呼吸器健康の改善をもたらす。本発明は、一酸化炭素中毒の可能性を実質的に低減し得る。
【０１６９】
本発明の実施形態は、一般的に用いられる触媒基材及び濾過基材、ならびに触媒コンバーター及び粒子フィルター、そして排気系及びエンジン系のための直接的な代替物として用いられ得る。以下の詳述に記載されるように、本発明の基材は、従来技術の基材を上回る多くの利点を提供し、さらに、従来技術の基材で解決されないまま残された多くの問題を解決する。これは、メーカーの一部に関する有意のコスト節減に言い換えることができる。一般技術のための直接的な代替物として本発明を用いることができるため、排気系を再設計する必要はない。したがって、排気濾過及び排気浄化の増強は、製造計画及びラインを再編成する必要もなく、時間内の最小限の投資のみで得られる。
【０１７０】
本発明の改良型触媒特性及び濾過特性は、或る実施形態では、少ない触媒の使用を要する。関連用途に用いられるほとんどの触媒が高価であるため、この利点は別のコスト節約をもたらす。
【０１７１】
本発明のいくつかの実施の形態の好ましい熱属性は、一般的触媒コンバーター及び粒子フィルターに関連した熱上昇に対処する排気系のある部分に対する必要性を低減及び／又は排除する。熱遮蔽及び断熱は、本発明の或る実施形態では必要とされ得ない。排気系及び車両からのこれらの構成部分の排除は、直接的にのみコストを低減する（構成部分は用いられず、したがって低コストの生産）が、間接的にも低減する（車両の重量は低減され、したがって燃料コストを低減する）。他の利益としては、より良好な性能、より良好な走行距離、及び／又はより良好な馬力が挙げられ得る。
【０１７２】
或る実施形態では、従来の触媒コンバーター又は粒子フィルターは、より小型であるが、汚染物質を除去する同一の又はより良好な効率を有する本発明と置き換えられ得る。より小さな触媒コンバーター又は粒子フィルターを用いて、他の目的のために車両でより多くの空間が利用可能である。さらに本発明のフィルター又はコンバーターはより小さいため、車両の全体的重量が低減される。
【０１７３】
本発明のいくつかの実施形態の別の態様は、エンジンの頭部に、全体的に又は一部分、構成される触媒コンバーターに用いるのに適した触媒基材である。本明細書中でヘッド・触媒コンバーターと呼ばれる上記の触媒コンバーターは、従来技術を上回る多くの利点を有する。例えば、一般的に利用可能な触媒基材の制限のために、従来はこのようなヘッド・触媒コンバーターは実用的でない。一般的基材コージライトは、多すぎる熱を吸収するだろう。本発明の基材の好ましい熱特性のため、上記基材を含むヘッド触媒コンバーターは、存在する場合、ターボチャージャー及び／又はインタークーラー上のターボ熱応力を低減するだろう。
【０１７４】
ヘッド触媒コンバーターはまた、熱遮蔽体のような付加的外部ハードウエアを必要としない。ヘッド触媒コンバーターの使用は、例えばオートバイにおけるエンジン及び製品の好ましい外観の維持を可能にする。或る実施形態では、ヘッド触媒コンバーターの使用は、マフラー及びヘッダー・パイプのような排気系の外部変色も低減する。或る実施形態におけるヘッド触媒コンバーターの多くの付加的利点としては、以下の１つ又は複数のものが挙げられる：安全性増大；インタークーラーが、そうでなければ元どおりに動き始め、それゆえインタークーラーの寿命を改善し、コスト節減を提供するフィルター粒子；或る実施形態に必要とされるマットなし；熱遮蔽体のがたがた音(rattling sound)はヘッド触媒コンバーターの使用により低減又は排除され得る；そしてヘッド触媒コンバーターは必要なマフラーのサイズを低減し得る。
【０１７５】
ヘッド触媒コンバーターの他の実施形態では、粒子状物質が小さいほど、効率的に燃え尽きる。ヘッド触媒コンバーターが故障の場合、１つの小型の触媒コンバーターのみが取替えを要し得る。ヘッド触媒コンバーターは、ボート、船、オートバイ、リーフブロワー等に関してもこれらの利点を提供する。
【０１７６】
さらに、本発明の異なる実施形態は、従来技術を上回る以下の１つ又は複数の利点を提供する：外観の改良；付加的ハードウエアの回避；付加的ハードウエア（より厳しい規制のために必要とされ得る）は、本発明を用いれば必要ではない；発熱化学反応のためのマフラー及び排気管の変色の低減又は排除。本発明は、或る実施形態において、より小さい基材を、したがってある系におけるより小さいマフラー又はキャニスターを可能にする。本発明の基材は熱特性を改善し、ある従来の基材と同様の多くの熱を吸収しないため、本発明の基材は、触媒コンバーター又は粒子フィルターを用いた系に安全性の増大を提供する。さらに、本発明の基材は、多くの従来の基材より早く冷めて、安全性の増大をもたらす。本発明の或る実施形態は、温度変化に対する抵抗性改善を提供し、したがって突然の温度変化が生じた場合でも、ある従来の基材と同様に割れたり、折れたり、又は損傷を受けることはない。或る実施形態では、基材は従来の基材より容易に製造される（例えば、ｎＳｉＲＦ−Ｃ壁流基材は、溝に栓をするというよりむしろ単一片の材料から製造され得る）。この属性は、時間だけでなくコストも節約する。
【０１７７】
他の実施形態では、ｎＳｉＲＦ−Ｃは、従来の後処理装置より重くない。この属性は、車にとって重要であるだけでなく、重量が一因子である市場（例えば、小型エンジン、オートバイ、個人用船舶、及び高性能車）においてもきわめて重要である。
【０１７８】
いくつかの実施形態では、本発明の基材は競合する後処理装置より低い背圧を示す。このより低い背圧が、車両性能増大、馬力増大、及び燃費増大を生じる。
【０１７９】
本発明の他の実施形態は、例えば、反応を触媒する方法、流体を濾過する方法、触媒基材の調製方法、濾過基材の調製方法、上記方法に従って調製される基材、及び以下でさらに詳細に記載されるような他のものに向けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１８０】
［本発明の実施形態の詳細な説明］
概観
本発明は、或る実施形態では、触媒コンバーター中の基材を含めた多くの用途に用いるのに適した触媒基材に向けられる。本発明の別の態様は、ディーゼル粒子フィルター（ＤＰＦ）又はディーゼル粒子トラップ（ＤＰＴ）のような粒子フィルター中の基材を含めた多くの用途に用いるのに適した濾過基材である。本発明は、燃焼エンジンの排気から汚染物質を除去及び／又は排除するための改良型基材も提供する。触媒基材及び濾過基材は、或る実施形態では、排気ガスから汚染物質を除去するのに際しての改良を提供する。改良としては、1つ又は複数の以下の：迅速点火期間、ＰＭの深層濾過増大、低背圧、目詰まりの低確率、マニホールド又は頭部それ自体を含めた排気系中の多くの位置に構成される能力、触媒反応の高い確率、ＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯの高転化比、ＰＭのより迅速な焼失、触媒材料使用の最小化、後処理排気系の重量低減等が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１８１】
本発明の他の実施形態としては、触媒コンバーター、粒子フィルター、ディーゼル粒子フィルター、ディーゼル粒子トラップ等が挙げられる。本発明は、触媒及びフィルター基材、触媒コンバーター、粒子フィルター、触媒マフラー及び排気系の製造及び調製方法も提供する。本発明の他の実施形態としては、その各々が本発明の基材を含む、前触媒コンバーター、後触媒コンバーター、ヘッド触媒コンバーター及びｍａｎｉ−触媒コンバーターが挙げられる。さらに本発明は、代替的実施形態において、本明細書中に記載される方法に従って製造される基材に向けられる。
【０１８２】
別の態様では、本発明は、１つ又は複数の以下の属性を提供する触媒基材又は濾過基材を包含する：迅速点火期間、ＰＭの深層濾過増大、低背圧、目詰まりの低確率、マニホールド又は頭部それ自体を含めた排気系中の多くの位置に構成される能力、触媒反応の高い確率、ＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯのような汚染物質の高転化比、ＰＭのより迅速な焼失、必要とされる触媒材料の低量、冷始動のための迅速点火；基材の低い外部壁温度等。
【０１８３】
本発明の基材、触媒コンバーター、粒子フィルター又は排気系の使用は、従来技術を上回る多くの利点及び改良を提供する。或る実施形態では、これらの改良型触媒コンバーター及び／又は粒子フィルターは、以下でさらに詳細に記載されるように、多くの特定の利点を有する燃焼エンジンの排気から汚染物質を除去及び／又は排除し得る。改良型排気系は、同様に、本明細書中に記載される本発明の付加的態様である。改良型排気系は、作動エンジンから排出される汚染物質の量を低減する。
【０１８４】
本発明は、非限定的実施形態及び実施例を含めて、以下でさらに詳細に記載される。本明細書中で考察される実施形態は、例示的目的のみのために提供される。本発明は、これらの実施形態に限定されない。
【０１８５】
触媒基材
本発明は、触媒コンバーター、粒子フィルター及び関連装置に用いられ得る、本明細書中に記載されるような不織焼結耐火性繊維性セラミック（ｎＳｉＲＦ−Ｃ）複合材料を含む、或いはそれらから成る、或いは本質的にそれらから成り；任意にさらに触媒金属のような有効量の触媒を含む触媒基材に向けられる。好ましくは触媒基材は、触媒を含む。ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料は、本明細書中に記載された使用に適した立体構成に造形され得る。
【０１８６】
ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料は、不織性である。或る実施形態では、ｎＳｉＲＦ−Ｃ合成材料は、限定的な剛性三次元形状を有する材料である。ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料の繊維は、組織化パターンで配列されないが、三次元的に、無作為、無計画、又は無指向性方式で配列される。いくつかの実施形態では、ｎＳｉＲＦ−Ｃは、マトリクスの形態である。
【０１８７】
ｎＳｉＲＦ−Ｃは、焼結複合材料である。一実施形態では、焼結複合材料は、融解を伴わずに加熱することにより形成される粘着性塊である。しかしながら、セラミック材料の焼結方法は当該技術分野で既知であり、したがって、本発明の範囲は本明細書中に記載される特定の実施形態及び説明に必ずしも限定されない。焼結は、樹脂残渣を伴わずに結合を生じる。本発明に関しては、焼結セラミックは、融解を伴わずに加熱することにより形成される分散繊維の粘着性塊である。
【０１８８】
ｎＳｉＲＦ−Ｃは、耐火性繊維性セラミック合成材料である。或る実施形態のｎＳｉＲＦ−Ｃは、本明細書中の非限定実施形態で例示されるような種々の長さ及び組成の高級耐火性繊維から成る。
【０１８９】
一実施形態では、本発明は、本明細書中に記載されるような多くの用途に用いるのに適した触媒基材に向けられる。このような基材としては、本明細書中に記載されるような1つ又はそれ以上の、好ましくは複数の属性を有する多くの材料が挙げられる。本発明の基材は、耐火等級繊維から作られる不織繊維セラミック複合材料から作製される。このような材料は、特許文献８（これは、参照により全体に本明細書中で援用される）に開示されている。他の適切な材料は特許文献９に開示されている。
【０１９０】
一実施形態では、本発明の触媒基材は、アルミナ強化断熱（「ＡＥＴＢ」）材料又は当業者に既知の同様の材料を含む、或いはそれらから成る、或いは本質的にそれらから成る。ＡＥＴＢ材料は当該技術分野で既知であり、非特許文献６及び非特許文献７（これらはともに、参照により本明細書中で援用される）でさらに全体に記載されている。
【０１９１】
別の実施形態では、触媒基材は、セラミックタイル、例えばアルミナ強化断熱（ＡＥＴＢ）を、強化ユニピース繊維性断熱材（ＴＵＦＩ）及び／又は反応硬化ガラス（ＲＣＧ）コーティングとともに含む。このような材料は、当該技術分野で既知である。
【０１９２】
別の好適な材料は、繊維性耐火性セラミック断熱材（ＦＲＣＩ）である。一実施形態では、ＡＥＴＢは、アルミナボリアシリカ（アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知）繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維から製造される。ＡＥＴＢに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入に理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。ＡＥＴＢは、高融点、低熱伝導度及び低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。したがって、好ましい実施形態では、触媒基材は、高融点、低熱伝導度、低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、高多孔性及び高浸透性を有する。
【０１９３】
一実施形態では、ＡＥＴＢの第１の構成部分はアルミナ繊維である。本発明の好ましい場合には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３又は酸化アルミニウム（例えばＳＡＦＦＩＬ））は、商業形態中に一般的には約９５〜約９７重量％アルミナ及び約３〜約５重量％シリカである。他の実施形態では、より低い純度（例えば９０％、９２％及び９４％の純度）を有するアルミナも有用である。他の実施形態では、より高い純度を有するアルミナも有用である。アルミナは、押出し又はスピニングによっても生産され得る。先ず、前駆体種の溶液が調製される。遅く、漸進的な重合プロセスが、例えばｐＨの操作により開始され、それにより個々の前駆体分子が結合して、より大きな分子を形成する。このプロセスが進行すると、平均分子量／サイズが増大し、それにより溶液の粘度を経時的に増大させる。約１０ｍＰａ・Ｓ（センチポアズ）の粘度では、溶液はわずかに粘着性になり、繊維を引き出させるか又は紡がせることが可能である。この状態では、繊維はダイを通しても押出され得る。或る実施形態では、平均繊維径は、約１〜６μｍ（ミクロン）であるが、より大きな直径の繊維及びより小さな直径の繊維も本発明に適している。例えば他の実施形態における繊維径は、１〜５０μｍ（ミクロン）、好ましくは１〜２５μｍ（ミクロン）、さらに好ましくは１〜１０μｍ（ミクロン）の範囲である。
【０１９４】
一実施形態において、ＡＥＴＢの第２の成分はシリカ繊維である。或る実施形態では、シリカ（ＳｉＯ２、例えばＱ−繊維又は石英繊維）は、非常に低い不純物レベルで非晶質シリカを９９．５重量％超含有する。低純度のシリカ（例えば、９０％、９５％、及び９７％）も、本発明において有用である。或る実施形態では、低密度（例えば、２．１〜２．２ｇ／ｃｍ３）、高耐熱性（１，６００℃）、低熱伝導度（約０．１Ｗ／ｍ−Ｋ）、及び０に近い熱膨張を有する非晶質シリカが用いられる。
【０１９５】
一実施形態において、ＡＥＴＢの第３の成分は、アルミナボリアシリカ繊維である。或る例では、アルミナボリアシリカ繊維（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３、例えばＮＥＸＴＥＬ  ３１２）は、一般的に６２．５重量％のアルミナ、２４．５重量％のシリカ、及び１３重量％のボリアである。もちろん、アルミナボリアシリカの成分の正確な割合は、変更してもよい。主として、アルミナボリアシリカは非晶質産物であるが、結晶ムライトを含有していてもよい。好適なアルミナボリアシリカ繊維及びそれを製造する方法は、例えば、特許文献１０に記載されており、この教示は参照により本明細書中にその全体が援用されている。
【０１９６】
本発明の基材として用いられる他の好適な物質として、Orbital Ceramics（Valencia、ＣＡ）から入手可能なＯｒｂｉｔａｌ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ（ＯＣＴＢ）が挙げられる。
【０１９７】
本発明のｎＳｉＲＦ−Ｃとして使用する他の好適な物質は、ＡＥＴＢ−１２（約２０％Ａｌ２Ｏ３、約１２％ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）繊維（１４％Ｂ２Ｏ３、７２％Ａｌ２Ｏ３、１４％ＳｉＯ２）及び約６８％ＳｉＯ２の組成を有する）、ＡＥＴＢ−８（約２０％Ａｌ２Ｏ３、約１２％ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）繊維（１４％Ｂ２Ｏ３、７２％Ａｌ２Ｏ３、１４％ＳｉＯ２）及び６８％ＳｉＯ２の組成を有する）、ＦＲＣＩ−１２（約７８重量％のシリカ（ＳｉＯ２）及び２２重量％のアルミノボロシリケート（６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３）の組成を有する）及びＦＲＣＩ−２０（約７８重量％のシリカ（ＳｉＯ２）及び約２２重量％のアルミノボロシリケート（６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３）の組成を有する）を含む。
【０１９８】
好ましい実施形態において、無機繊維の成分は、繊維状シリカ、アルミナ繊維、及びアルミノボロシリケート繊維から成るか、又は本質的にそれから成る。この実施形態では、繊維状シリカは無機繊維混合物の約５０〜９０％（パーセント）を含み、アルミナ繊維は無機繊維の約５〜５０％（パーセント）を含み、及びアルミノボロシリケート繊維は無機繊維混合物の約１０〜２５％パーセントを含む。或る実施形態では、本発明の基材を調製するために用いられる繊維は、結晶相及びガラス相の両方を有していてもよい。
【０１９９】
他の好適な繊維としては、好ましくは約５５〜約７５重量％の範囲で酸化アルミニウム、０より大きく約４５重量％未満の範囲で酸化ケイ素（好ましくは、０より大きく４４重量％未満）、及び０より大きく２５重量％未満の範囲で酸化ホウ素（好ましくは、約１〜約５重量％）を含有する（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、及びＢ２Ｏ３それぞれの酸素ベースの理論値により算出される）アルミノボロシリケート繊維が挙げられる。アルミノボロシリケート繊維は、好ましくは少なくとも５０重量％の結晶体、より好ましくは、少なくとも７５重量％、最も好ましくは約１００重量％の結晶体（いわゆる、結晶繊維）である。標準サイズのアルミノボロシリケートは、例えば、3MCompany製の商品コード「ＮＥＸＴＥＬ３１２」及び「ＮＥＸＴＥＬ４４０」として市販されている。さらに、好適なアルミノボロシリケート繊維は例えば、参照により本明細書中にその全体が援用されている特許文献１０により開示されているように作製することができる。
【０２００】
さらに好適な繊維はアルミノシリケート繊維を含有し、これは一般的に結晶体であり、約６７〜約７７重量％（例えば、６９、７１、７３及び７５重量％）の範囲で酸化アルミニウム及び約３３〜約２３重量％（例えば、３１、２９、２７及び２５重量％）の範囲で酸化ケイ素を含有する。標準サイズのアルミノシリケート繊維は、例えば、3MCompany製の商品コード「ＮＥＸＴＥＬ５５０」として市販されている。さらに、好適なアルミノシリケート繊維は例えば、開示が参照により本明細書中に援用されている特許文献１１により開示されているように作製することができる。
【０２０１】
別の実施形態において、本発明の基材を調製するために用いられる繊維は、Ｙ２Ｏ３及びＺｒＯ２が付加されたα−Ａｌ２Ｏ３並びに／又はＳｉＯ２が付加されたα−Ａｌ２Ｏ３（α−Ａｌ２Ｏ３／ムライトを形成する）を含有する。
【０２０２】
様々な具体的な物質は、触媒基材を調製するために用いることができる。一実施形態において、本発明の基材を調製するために用いられる物質は、耐熱性シリカ繊維及び耐熱性アルミニウムボロシリケート繊維を含有するか、或いはそれらから成るか、或いは本質的にそれらから成る。他の実施形態では、触媒基材を調製するために用いられる物質は、耐熱性シリカ繊維、耐熱性等級のアルミナ繊維、及び結合剤、好ましくは酸化ホウ素又は窒化ホウ素粉末を含む。他の実施形態では、繊維は、高級である。
【０２０３】
別の実施形態において、基材は、重量比が約１９：１〜１：１９の範囲であるアルミノシリケート繊維及びシリカ繊維並びに繊維の総重量に対して約０．５〜３０％の酸化ホウ素から本質的に成る耐熱性複合物質を含む。或いは、アルミノシリケート繊維とシリカ繊維との重量比が、１６：１、１４：１、１２：１、１０：１、８：１、６：１、４：１、２：１、１：１、１：２、１：４、１：６、１：８、１：１０、１：１２、１：１４、及び１：１６から選択される。他の実施形態では、酸化ホウ素は、約５％、１０％、１５％、２０％、２５％、又は３０％で存在する。さらなる実施形態では、酸化ホウ素及びアルミノシリケート繊維は、アルミノボロシリケート繊維の形態で存在する。さらなる実施形態では、触媒基材は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合物質を含有する（ここで、アルミノシリケート繊維とシリカ繊維との比は、１：９〜２：３の範囲に及び、酸化ホウ素含量は、繊維重量の約１〜６％である）。
【０２０４】
別の実施形態において、本発明の基材を調製するのに好適な繊維は、ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）セラミック繊維３１２、ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）セラミック繊維４４０、ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）セラミック繊維５５０、ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）セラミック繊維６１０、及びＮＥＸＴＥＬ（登録商標）セラミック繊維７２０等の3M製の耐熱性繊維が含まれる。複合材料等級繊維である、Ｎｅｘｔｅｌ（登録商標）繊維６１０、６５０、及び７２０は、より精製されたα−Ａｌ２Ｏ３に基づく結晶構造を有し、ガラス相を全く含有しない。このことは、この繊維が、産業繊維よりもより高温で強度を維持することを可能にする。Ｎｅｘｔｅｌ（登録商標）繊維６１０は、本質的にα−Ａｌ２Ｏ３の単相複合物質を有する。Ｎｅｘｔｅｌ（登録商標）繊維６１０は、室温では最も高い強度から始まるにもかかわらず、ある温度では最も低い保持強度を有する。Ｙ２Ｏ３及びＺｒＯ２が付加されたα−Ａｌ２Ｏ３であるＮｅｘｔｅｌ（登録商標）繊維６５０、並びにＳｉＯ２が付加されたα−Ａｌ２Ｏ３であるＮｅｘｔｅｌ（登録商標）繊維７２０の両方とも、ある温度でより高い保持強度及びより低いクリープを有する。
【０２０５】
別の好適な実施形態において、ｎＳｉＲＦ−Ｃは、以下の特性を有する、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、及びＢ２Ｏ３を含有するセラミック繊維から製造されるか、又は含む（或いは、それらから成るか、若しくは本質的にそれらから成る）：１）融点、約１，６００℃〜約２，０００℃、好ましくは約１，８００℃；２）密度、約２〜約４ｇ／ｃｃ、好ましくは約２．７〜約３ｇ／ｃｃ、３）屈折率、約１．５〜約１．８、より好ましくは１．５６、１．６０、１．６１、１．６７、及び１．７４から選ばれる；４）フィラメント引っ張り強度（測定基準、２５．４ｍｍ）、約１００〜約３，５００ＭＰａ、より好ましくは約１５０〜約２００ＭＰａ又は約２，０００〜約３，０００ＭＰａ、或いは１５０、１９０、１９３、２，１００、又は３，１００ＭＰａから選らばれる、５）熱膨張（１００〜１，１００℃）、約２〜約１０、好ましくは約３〜約９、より好ましくは３、４、５．３、６、及び８から選択される、及び６）表面積、約０．４ｍ２／ｇ未満、より好ましくは、約０．２ｍ２／ｇ未満。他の実施形態では、繊維の結晶相は、ムライト及び非晶質であり、実質的に非晶質なγ−Ａｌ２Ｏ３、又は非晶質なＳｉＯ２である。さらに他の実施形態では、本発明による基材の調製に用いるのに適した繊維の誘電率は、約５〜約９である（９．３７５ＧＨｚで）、又は好ましくは５．２、５．４、５．６、５．７、５．８、６、７、８、及び９から成る群から選択される。
【０２０６】
或る実施形態において、本発明の基材は、実質的に繊維製造プロセスにおいて粒子状セラミック（いわゆる、結晶質セラミック、ガラス、又はガラス−セラミック）を含有しないことを意味する「ショット−フリー」である。
【０２０７】
或る実施形態において、ｎＳｉＲＦ  Ｃ複合材料は、「柔軟性がない」。一実施形態では、柔軟性がない基材とは、破壊、割れ、又は恒久的に変形若しくは奇形になることなく、（曲げ点に対して）１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、又は２５°以上曲げることのできない基材を指す。
【０２０８】
本発明の異なる実施形態で使われる繊維径は、変化し得る。或る実施形態において、平均径は、約１〜約５０μｍ（ミクロン）、好ましくは１〜約２０μｍ（ミクロン）である。別の実施形態では、平均径は、約６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、又は１５μｍ（ミクロン）である。別の実施形態では、アルミニアボリアシリカ繊維の平均繊維径は、約１０〜約１２μｍ（ミクロン）である。
【０２０９】
別の実施形態において、本発明の触媒基材は、窒化ホウ素等の結合剤をさらに含有する。本発明の別の実施形態では、窒化ホウ素は、アルミナボロシリカ繊維を用いない場合、アルミナボロシリカ繊維に代わって付与される。つまり、幾つかの実施形態では、基材は、上記の重量％と同程度のシリカ繊維、アルミナ繊維、及び窒化ホウ素を含む（又はそれらから成る、或いは本質的にそれらから成る、或いはそれらから製造される）。さらなる実施形態では、基材はシリカ繊維、アルミナ繊維、及びホウ素結合剤を含む。或る実施形態では、これらはそれぞれ、有機結合剤、無機結合剤及び幾つかの繊維性又は非繊維性の不純物等の他の物質を少量含み得る。別の実施形態では、基材は、有機結合剤を含まない。さらに別の例では、ｎＳｉＲＦ−Ｃを製造するために用いられる結合剤は、作製プロセス中に物質的に変更され、このことは当該技術分野において既知である。
【０２１０】
本発明の基材の調製に使用するのに適する付加的な物質は、繊維重に対して２〜１２％の窒化ホウ素を有する非晶質シリカ及び／又はアルミナ繊維から調製される低密度融解繊維状セラミック複合材料が記載されている、特許文献１２に開示されている。別の実施形態では、増粘剤が添加される。好適な増粘剤は、当該技術分野において既知である。
【０２１１】
別の実施形態において、ｎＳｉＲＦ−Ｃを調製するために使用されるセラミック繊維は、約７００ＭＰａ（１００，０００ｐｓｉ）より大きく、好ましくは約１，２００ＭＰａ（２００，０００ｐｓｉ）より大きく、さらに好ましくは約１，８００ＭＰａ（３００，０００ｐｓｉ）より大きく、最も好ましくは約２，１００ＭＰａ（３５０，０００ｐｓｉ）より大きい平均引っ張り強度を有する。
【０２１２】
別の実施形態において、分散剤が添加される。好適な分散剤は、当該技術分野において既知である。
【０２１３】
他の実施形態において、触媒基材は、本明細書中に記載されるような、及び／若しくは当該技術分野で既知であるような1つ又は複数の態様で処理、変更、修正、並びに／或いは強化される。
【０２１４】
さらに他の実施形態において、種々の発生源の少量の不純物が存在する。これらの場合、不純物はｎＳｉＲＦ−Ｃ及び／又はその属性に実質的に影響を及ぼさない。
【０２１５】
本発明の基材は、ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布又はマットを含まない。
【０２１６】
触媒
別の態様では、本発明は、触媒を含む上記のような基材に向けられる。任意数の触媒は、基材とともに用いられて、触媒基材を形成する。触媒は、基材の表面に被覆され得る。即ち触媒は、一実施形態では、触媒基材の表面（例えば溝の壁）に吸着される。触媒は、基材のコアの内側にも存在し、基材の個々の繊維に付着される。或る実施形態では、本発明は、現在の技術と比較して、同一の又はそれより良好なレベルで機能し得るが、より少量の触媒を要する。
【０２１７】
別の実施形態では、触媒は溝壁表面にのみ沈着され、溝壁内部には沈着されない。別の実施形態では、触媒は入口溝壁上、出口溝壁上、壁内、又はそれらの組合せに沈着される。さらに別の実施形態では、一次触媒は、溝壁の開始部位又は近位部分に一列に並び、被覆、又は浸透し；二次触媒は、溝壁の中間部分に一列に並び、被覆、又は浸透し；さらに溝壁の末端区域の三次触媒である。
【０２１８】
一実施形態では、本発明の触媒基材は、好ましくは触媒金属を含有する。別の金属では、触媒基材は、触媒金属を含有しない。しかしながらある条件下では、基材は、別個の触媒金属を必要とせずに適切な反応を触媒し得る、例えば或る実施形態では、下記のようなウォッシュコートが触媒として機能し得る。
【０２１９】
基材に適用可能な任意の触媒を使用することが出来る。このような触媒は、白金、パラジウム（例えば、酸化パラジウム）、ロジウム、酸化物等のそれらの誘導体及びそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。また、触媒は貴金属、貴金属の組み合わせ又は酸化触媒のみに限定されない。他の好適な触媒として、クロム、ニッケル、レニウム、ルテニウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金及び金、イリジウム、それらの誘導体並びにそれらの混合物が挙げられる。他の好適な触媒として、特許文献１３および特許文献１４に開示されている（この開示は参照により本明細書中に援用される）、パラジウム及び希土類金属の二元酸化物が挙げられる。これらの二元酸化物は希土類金属酸化物と酸化パラジウムとの固相反応により得られ、例えば、Ｓｍ４ＰｄＯ７、Ｎｄ４ＰｄＯ７、Ｐｒ４ＰｄＯ７又はＬａ４ＰｄＯ７が製造され得る。本発明に使用することができる他の触媒は、特許文献１５に開示されているものが挙げられる（マツダモーター株式企業に譲渡された）。他の好適な触媒としては、非金属触媒、有機触媒、卑金属触媒、貴金属触媒(precious metal catalysts)及び貴金属触媒が挙げられる。
【０２２０】
他の好適な触媒は、（Johnson Matthey Public Limited Companyにより譲渡された）特許文献１６に開示されている。貴金属を含有しない触媒は、本発明で用いることができる。このような触媒は特許文献１７に見られる。
【０２２１】
Engelhardによって開発された別の好適な白金触媒は、５：１比でＰｔ／Ｒｈ（約０．１８〜５．３０ｋｇ／ｍ３（約５〜１５０ｇ／ｆｔ３）の量で適用）及びＭｇＯ（１．０６〜５２．９８ｋｇ／ｍ３（３０〜１，５００ｇ／ｆｔ３）の量で適用）から成る。
【０２２２】
他の実施形態では、バナジウム及びその誘導体（例えばＶ２Ｏ５）は、特にディーゼル粒子フィルターのための有用な触媒である。このような触媒は、市販のディーゼル粒子フィルターに用いられてきた。
【０２２３】
Ｖ２Ｏ５以外のバナジウム化合物、例えば銀又は銅バナジウム酸塩を利用する触媒が開発された。バナジウム酸銅卑金属触媒の一例は、Heraeus（Strutz 1989）により開発された。触媒は、約３：２：０．１３のモル比のＣｕ：Ｖ：Ｋで炭酸カリウムを用いてバナジウム酸銅Ｃｕ３Ｖ２Ｏ８をドーピングし、焼成することにより調製され得る。触媒荷重は、１０〜８０ｇ／ｍ２（濾過表面積）であった。別の適切な触媒はＣｕ／ＺＳＭ５で、これはＤｅＮｏｘ触媒として用いられ得る。
【０２２４】
貴金属（例えば白金、パラジウム及びロジウム）は最も一般的で且つ好ましいが、当該技術分野で既知の他の触媒も用いられ得る。これら３つの貴金属は、内燃機関排出に伴う優れた、高度に効率的な触媒として知られてきた。２５年を超える触媒コンバーターにおいて、この三つ組に代わる有意の代替物は実際に存在しなかった。しかしながら本来の装備メーカー、車両、車両荷重、環境規制、エンジン、変速装置等により設計されるこれらの触媒の数千の組合せが存在する。トラック及び自動車製造産業全体を通して、触媒の種々の組合せ及び処方が用いられる。本発明による触媒基材は、任意の1つ又は複数のこれらの触媒の組合せを含む。多くの組合せは、熟慮された有標(proprietary)材料である。フォード、ＧＭ及びトヨタのようなメーカーは、種々の車両重量及びエンジン性能要求のため、各車両に関する独自の触媒処方を有する。メーカーはまた、車両が販売又は認可される場所（例えばカナダ、米国、カリフォルニア州、メキシコ）によって、同一車両に関して異なる触媒処方を有する。一般にこれらの処方物は、厳しい政府規制のため、モデル年当たりの車両当たりで２〜３回変わり得る。これらの理由のため、ほとんどのメーカーは、触媒コーティング自体の適用を取り扱う。
【０２２５】
さらなる実施形態では、触媒基材は、市販触媒環境に用いられるｎＳｉＲＦ  Ｃ及び触媒を含む。
【０２２６】
一態様では、基材が一旦その最終寸法に造形され、ウォッシュコートが適用、硬化されると、既知の技法及び方法（例えば、特許文献１８及び特許文献１９（これらの開示はともに、参照により本明細書中で全体に援用される））に開示されたようなパラジウム−白金系の触媒を適用するという方法）を用いて、１つ又は複数の触媒が適用される。
【０２２７】
一実施形態では、触媒は、触媒作用が有効に起こるのに十分な量である。例えば十分な量とは、一実施形態では、例えば８０％、８５％、９０％、９５％、９７％、９８％及び９９％等といったような、できるだけ多くの排気物と相互作用し、それらと反応するのに十分な排気物の経路中の触媒（例えば貴金属）の量を指す。
【０２２８】
一実施形態では、触媒は、好ましくは個々の結晶として、ウォッシュコート上に沈着又はその中に含浸される。この実施形態では、触媒は（壁上の塗料のような）ウォッシュコート上のベニヤ様コーティングとして適用されない。触媒がウォッシュコートに含浸される場合、それらは、最終産物が、部分的に又は実質的に、個々の結晶のコロニーであるよう、適用される。これは、プレッツェル上の塩結晶のように可視化され得る。触媒間に十分な間隔が提供されるのが好ましい。同時に、流体経路（例えば排気経路）中に、最適触媒活性操作温度（即ち点火）で、十分な貴金属が存在すべきであり、貴金属は、車両及びエンジンの機能性及び設計により可能になる物理学的制約（即ち空間）内に適合しなければならない。
【０２２９】
製造目標は、基材上に必要とされる触媒の量を最小限にしながら、除去する汚染物質を最大にすることである。各車両は異なる量の汚染物質を生じ、そのようなものとして、基材は、いくつかの実施形態では、そのレベルの汚染物質に取り組み、貴金属の量を最小限にするように特注される。
【０２３０】
別の実施形態では、触媒基材への触媒付加は、基材が製造される時のスラリープロセス中に起こり得て、或いはそれは機械加工プロセス（下記）後に起こり得る。この場合、触媒は、任意の加熱過程前に、繊維のスラリーと混合される。
【０２３１】
単一及び多くの触媒処方物は、単一基材に適用され得て、或いは存在する触媒コンバーター及び排気系に対してフィルターのサイズが小さいため、多基材の構成が可能である。したがって一実施形態における本発明の触媒基材は、1つ又は複数の帯域を含むか、又はそれらから成るか、又は本質的にそれらから成り、この場合、各帯域は異なる触媒を有する。或いは１つ又は複数の帯域は、触媒処理され得ない。例えば本発明の触媒基材は、基材の前表面を含有する一帯域中の酸化触媒、及び後表面を含有する別の帯域中の還元触媒を含み得る。
【０２３２】
基材がフロースルー立体構成として用いられるべきである場合には、触媒又は触媒の大多数が溝の表面に沿って存在するのが好ましいが、必要とされるわけではない。基材がウォールフロー立体構成に機械加工される場合には、ガスは基材のすべてを通って移動使用としているが、まさに通過中であるわけではないので、触媒が基材全体に均一に分布されるのが好ましい。
【０２３３】
例えば本発明の基材は、触媒処理ディーゼル粒子フィルター（ＣＤＰＦ）中に用いられ得る。ＣＤＰＦは、基材上に直接沈着される触媒を利用する。貴金属及び卑金属触媒（例えば白金、銀、銅、バナジウム、鉄、モリブデン、マンガン、クロム、ニッケル、それらの誘導体（例えば酸化物）等）が、ともに用いられ得る。フィルターの種類によって、触媒は媒体中に直接含浸され得るし、或いは中間体ウォッシュコート層が用いられ得る。ＣＤＰＦは、エンジン技術（ＰＭ排気物）及び燃料の質（硫黄含量）によって、再生のために、約３２５〜４２０℃の排気温度を利用し得る。
【０２３４】
白金は、最も活性な、そして最も一般的に用いられる貴金属触媒の１つであるが、パラジウム、ロジウム又はルテニウム触媒も、通常は混合物で、本発明に用いるのに適している。触媒コンバーター中に用いられる一般的非白金群金属としては、バナジウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、銅及び銀が挙げられる。一実施形態では、白金は、ディーゼルエンジンとともに用いるための好ましい触媒である。別の実施形態では、ガソリンエンジンとともに用いるのに適したパラジウム及びロジウムである。
【０２３５】
触媒は、一般的には非常に高価である。したがって、用いられる触媒の最小量で汚染の最大低減を達成するのが望ましい。２つの一般的触媒である白金及びパラジウムは、ともに高価な貴金属である。均一分布結晶又は層として触媒が残存する大表面積を伴って多孔性浸透性を有する基材は、その目的達成を可能にしている。本発明の利点は、従来の基材と比較して、必要とされる触媒の量がより少ないことである。
【０２３６】
１９９０年代を通してオフロードエンジンのために用いられたフィルター中の一般的白金含有量は、１，２３６〜１，７６６ｇ／ｍ３（３５〜５０ｇ／ｆｔ３）であった。相対的に高汚染エンジンに組み込まれるこれらのフィルターは、再生のために約４００℃の最小温度を要した。後に、触媒フィルターがはるかに清浄な都市バス及びその他の高速道路車両エンジンに適用された場合に、触媒フィルターははるかに低い温度で再生し得るということが判明した。しかしながら、低温再生を支持するためにはより高い白金量が必要とされた。クリーンエンジン低温用途に用いられるフィルターは、一般的には１，７６６〜２，６４８ｇ／ｍ３（５０〜７５ｇ／ｆｔ３）の白金量を有する。
【０２３７】
一実施形態では、触媒基材は、約３５．３２〜約３，５３２ｇ／ｍ３（約１〜約１００ｇ／ｆｔ３）、約３５．３２〜約１，７６６ｇ／ｍ３（約１〜約５０ｇ／ｆｔ３）、約３５．３２〜約１，２３６ｇ／ｍ３（約１〜約３０ｇ／ｆｔ３）又は約３５３．２〜約１，４１３ｇ／ｍ３（約１０〜約４０ｇ／ｆｔ３）の量で触媒を含む。
【０２３８】
別の実施形態では、触媒基材、好ましくはｎＳｉＲＦ−Ｃ（例えばＡＥＴＢ、ＯＣＴＢ及びＦＲＣＩ）は、約５：１の比で、約１，２３６ｇ／ｍ３（約３０ｇ／ｆｔ３）の量で白金及びロジウムの触媒を含む。
【０２３９】
濾過基材
本発明は、粒子フィルター及び関連装置に用いられ得る、本明細書中に記載されるような不織焼結耐火性繊維性セラミック（ｎＳｉＲＦ−Ｃ）複合材料を含む触媒基材に向けられる。濾過基材は、濾過のために、特に粒子状物質を濾過するために有用である特定の形状、デザイン、サイズ及び立体構成に作り上げられる。濾過基材は、極端な条件（温度、圧力等）下で粒子状物質を濾過するために、例えば排気ガス流を濾過するために、特に有用である。濾過基材は、小粒子状物質の濾過が必要とされる付加的用途に用いられ得る。
【０２４０】
一実施形態では、濾過基材は、触媒基材に関して上記されたようなｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料を含み、或いはそれらから成り、或いは本質的にそれらから成る。濾過基材は、触媒を含有しない。触媒基材の基材として用いるのに適した材料の変更、実施形態及び実施例はすべて、同様に本発明の濾過基材に適している。
【０２４１】
濾過基材は、本明細書中に記載される使用に、特にディーゼル粒子トラップのような粒子トラップ及びディーゼル粒子フィルターに用いるのに適した立体構成に造形される。
【０２４２】
一実施形態では、本発明の濾過基材は、アルミナ強化型断熱（「ＡＥＴＢ」）材料又は当業者に既知の同様の材料である。ＡＥＴＢは、アルミナボリアシリカ（アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知）繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維から作られる。ＡＥＴＢに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入のための理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。独自の且つ宇宙産業に望ましいＡＥＴＢを作り上げる属性は、有機燃焼技術においても選択される。ＡＥＴＢは、高融点、低い熱伝導度及び低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。
【０２４３】
本発明の濾過基材は、任意に1つ又は複数の化学添加剤で処理される。
【０２４４】
別の実施形態では、本発明は、フィルターに適用される任意の触媒を伴わずに、本明細書中に記載されるようなフィルターを含むディーゼル粒子トラップに向けられる。
【０２４５】
別の実施形態では、本発明は、ＣＲＴ（登録商標）ディーゼル粒子トラップ（ＮＯＸ、ＨＣ吸着剤）と組合せて、本明細書中に記載されるようなフィルターを含むディーゼル粒子トラップに向けられる。
【０２４６】
別の実施形態では、本発明は、ＳＣＲと組合せて、本明細書中に記載されるようなフィルターを含むディーゼル粒子トラップに向けられる。
【０２４７】
別の実施形態では、フィルター基材は、以下でさらに詳細に記載されるように複数の溝を含む。さらに濾過基材は、本明細書中に記載されるように及び／又は当該技術分野で既知であるように、１つ又は複数の態様において、修正、変更、及び／又は強化され得る。
【０２４８】
触媒及び濾過基材の属性
本発明は、従来の触媒基材又は濾過基材より有益である、１つ又は複数の、好ましくは少なくとも３、４、５、６、７、８、９又は１０個の属性を有する。
【０２４９】
使用の適性
本発明は、或る実施形態では、触媒コンバーターに用いるのに適したｎＳｉＲＦ−Ｃ及び触媒を含む触媒基材又は濾過基材に向けられる。基材は、任意数の触媒コンバーター、濾過装置及びその用途に用いるのに適している。
【０２５０】
例えば、本発明の触媒基材及び濾過基材は、従来技術の基材に一般的に用いられるどのような用途における使用にも適している。好適な使用とは、排気系での本発明の基材の使用を含み、その排気系は１）可動性オンロード(mobile on-road)のエンジン、装備及び車両（自動車及び軽トラック；公道用オートバイ及びストリート用オートバイ、三輪オートバイ（例えば、電動三輪車、オートリッチショー）、電動三輪車；トラック及びバス等の大型公道用エンジンを含む）、２）可動性オフロード用のエンジン、装備及び車両（圧縮燃焼エンジン（農場用、建設用、採鉱用等）；小型のスパーク燃焼エンジン（芝刈り機、リーフブロワー、チェーンソー等）；大型のスパーク燃焼エンジン（フォークリフト、発電機等）；舶用ディーゼルエンジン（商業用船舶、レクリエーションディーゼル等）；舶用スパーク燃焼エンジン（ボート、個人用帆船等）；レクリエーション車両（スノーボービル、ダートバイク、オール・テラインビーグル等）；機関車；航空機（飛行機、地上支援装置等）を含む）、３）固定汚染源（発電所、精製所及び製造工場等の数百の汚染源を含む）の任意の排気系であるが、それらに限定されない。
【０２５１】
別の実施形態では、本明細書中に記載されるような基材が、触媒コンバーターの一部である場合、車両がＥＰＡにより定義されるように１９９０、２００７及び２０１０のいずれか１つの排出基準を満たすよう機能する場合には、本発明の触媒基材は特定車両に用いるのに適している。
【０２５２】
別の実施形態において、触媒基材は、高いレベルで汚染物質の非汚染物質への反応を触媒する。例えば、汚染物質の非汚染物質への変換は５０％より大きい効率で触媒される。別の実施形態では、汚染物質の非汚染物質への変換は６０％より大きい効率で触媒される。さらに他の実施形態では、変換率は７０％、８０％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、及び９９．９％から成る群から選択される。或る実施形態では、変換率は非粒子状汚染物質の総変換を示す。別の実施形態では、変換率は特定の非粒子状汚染物質の変換（例えばＮＯｘのＮ２への変換、ＣＯのＣＯ２への変換、又はＨＣｓのＣＯ２及びＨ２Ｏへの変換）を示す。別の実施形態では、変換率は排気ガスから取り除かれた粒子状物質の割合を示す。
【０２５３】
別の実施形態において、本発明の触媒基材は米国連邦政府試験プロトコル７５（Ｕ．Ｓ．ＦＴＰ７５）等の或るＯＥＭで規定された、好ましい試験にパスした場合、特定用途における使用に適している。このような試験は、当該技術分野において既知である（例えば、非特許文献８を参照のこと、これは、参照によりその全体が本明細書中に援用されている）。さらに、レトロフィット用途におけるバックキャット(back-cat)又はＤＰＴとして、ＥＰＡ及び／又は州／出先機関によって、本明細書中で包含される基材を含有する産物の利用は承認されるべきである。
【０２５４】
表面積
基材の利用可能な表面積は、濾過基材又は触媒基材の重要な特質である。触媒コンバーターのための適切な基材の一特質は、それが高幾何学表面積（ＧＳＡ）を有することである。高ＧＳＡは、最大反応確率を可能にする。
【０２５５】
大開放前表面積（ＯＦＡ）は、より多量のガスを、その流れを閉塞することなく、そして背圧を生じることなく、通過させる。開放前表面積（ＯＦＡ）は、ガスの流動のために利用可能である総基材横断面積（即ちフィルター吸入口溝の横断面積）の部分と定義される。それは典型的には、総基材横断面に関して表わされる。
【０２５６】
本発明の基材の１つの属性は、その高表面積又は高ＧＳＡである。基材の表面積は、触媒適用のための重要な特質である。表面積は、排気排気物が排気フィルターを通して移動する場合に通過しなければならない表面の総量である。表面積増大は、化学反応が汚染物質と触媒及び熱プロセスとの間に起こる表面増大に転換され、触媒コンバータープロセスをより迅速に且つより効率的にする。速度及び効率は、排気系の故障を生じ得る目詰まりをほとんど又は全く引き起こさない。さらに或る実施形態の基材の表面積増大は、濾過効率及び／又は能力増大も包含する。
【０２５７】
幾何学表面積は、貴金属が１立方インチ上に含浸され得る総表面積である。高総表面積を有する基材が好ましい。本発明の或る実施形態は、従来の基材、例えばコージライト及びＳｉＣと比較して、触媒で含浸され得る非常に高い幾何学表面積を有する。
【０２５８】
総壁容積は、１立方インチの設計基材中に存在する壁容積の総量である。総壁容積は、各壁表面積にそれぞれの各厚みを掛けたものとして算定され、合計される。低総壁容積を有する基材が好ましい。或る実施形態では、本発明の基材の総壁容積は、従来の基材材料、例えばコージライト及びＳｉＣのものより低い。
【０２５９】
或る実施形態では、触媒基材の総壁容積は、約０．５〜約０．１、約０．４〜約０．２、或いは約０．３ｉｎ３／ｉｎ３（立方インチ／立方インチ）である。好ましい実施形態では、総壁容積基材は、約０．２５〜約０．２８、さらに好ましくは約０．２７、さらに好ましくは約０．２７２ｉｎ３／ｉｎ３である。
【０２６０】
或る実施形態における本発明のより低い総壁容積のため、類似のサイズのコージライトより少ない量の触媒、例えばパラジウムが、本発明を用いて触媒作用を実施するために必要とされる。
【０２６１】
多孔性及び浸透性
孔属性も、基材の機械的及び熱属性に影響を及ぼす。交換条件は、多孔性と機械的強度との間に存在し得る：孔サイズがより小さく、低多孔性の基材は、ある種の従来の基材に関してより高い多孔性を有するものより強い。比熱能力及び熱伝導度の両方の熱属性は、ある種の材料における多孔性増大に伴って低減し得る（Yuuki 2003）。
【０２６２】
１９８０年代後半に導入された一次ウォールフロー・モノリスは、直径３５μｍという大きさの溝を有した。濾過効率を最大にするために、溝はより小さく、典型的には１９９０年代に用いられたフィルターでは１０〜１５μｍの範囲に作られた。新材料の開発において、フィルターメーカーは、主に適用されるべき触媒系を考慮して、それらの目標孔属性を区別する（非特許文献９及び非特許文献１０）。用途は以下のように分類され得る：
【０２６３】
非触媒フィルター、例えば燃料添加剤再生系に用いられるもの：主要件は、高煤保持能力である。ある種の従来のフィルターは、約４０〜４５％である多孔率を有し、孔は１０〜２０μｍである。
【０２６４】
触媒フィルター、例えば受動的再生系におけるものは、漸増的により複雑な触媒系によるコーティングを可能にするために、より多くの多孔性を、そしておそらくはより大きな孔サイズを要する（しばしば非常に小さいウォッシュコート材料を有するか又は全く有さない１９９０年代に用いられた簡単な触媒とは対照的）。基材は、約５０ｇ／ｄｍ３の量で触媒／ウォッシュコート系で被覆された後に、許容可能的に低い圧力損失を有するべきである。ある種の従来技術フィルターは、約４５〜５５％範囲の多孔度を有する。付加的加熱器も適用され得る。
【０２６５】
フィルター／ＮＯｘ吸着剤装置、例えばＤＰＮＲシステム又はＣＲＴ（連続再生トラップ）は、ＮＯｘ貯蔵／還元系を組み込み、そしておそらくは１００ｇ／ｄｍ３を上回る高いウォッシュコート量を要する。ある種の従来技術基材は、約６０％の多孔度を有する（多孔度６５％の基材が報告されており、機械的強度は多孔度増大における主要制限である（非特許文献１１）。
【０２６６】
本発明の触媒基材又は濾過基材の或る実施形態の別の属性は、その高多孔度である。或る実施形態では、本発明の基材の多孔度は、約６０％、７０％、８０％又は９０％からである。その他の実施形態では、基材は、約９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％又は９９％の多孔度を有する（固体基材に関して孔空間のパーセントとして表わされる）。
【０２６７】
一実施形態では、本発明の例示的実施形態の多孔度は、約９７．２６％である。比較すると、コージライトは、約１８〜４２％である。この実施形態では、本発明の材料は、排気ガスの流れを遮断するためにわずか約２．７４％の材料を有する。この微細織布の材料は、粒子を能動的に捕獲し、そして非常に有効にそれを焼き尽くす。深層濾過方式での、そして溝壁に沿っただけでない粒子のトラッピングのため、再生時間がＰＭ増大時間より長い状況下では、多量のＰＭ増大は起きない。高多孔度は、汚染物質と触媒基材又は非触媒基材表面との間のより良好でより効果的な相互作用に転換する。同時に、ガス流増大は、側面的に、ならびに意図されたガス流方向に沿って放出され得る。
【０２６８】
図２２ａ及び図２２ｂを参照して、本発明の例示的な基材２２００、基材２２０５が示される。基材２２００、基材２２０５は、約９７％多孔質の基材である。図２ａ及び図２ｂのコージライト並びに図３の炭化ケイ素の試料と比較すると、全て実質的に同じスケールであり、基材１２００、基材１２０５はより多孔質で、より低密度である。図２２ｂでは、粒子状物質ＰＭ−１０  ２２１０及び粒子状物質ＰＭ−２．５  ２２２５は、一定のスケールで図示されている。図２ｂで例示されるコージライト試料２０５と比較すると、粒子状物質ＰＭ−１０  ２２１０及び粒子状物質ＰＭ−２．５  ２２２５は、基材２２０５の繊維を容易に浸透することができる。また、図３の炭化ケイ素３００と比較すると、炭化ケイ素の密度は基材２２００、基材２２０５のものの約３０〜５０倍である。
【０２６９】
本発明の或る実施形態におけるより高い多孔度は、より広い表面積及びより低い背圧を提供する。その結果、本発明は、ＮＯｘ還元、炭化水素及びＣＯ酸化、ならびに粒子状物質トラッピングでより効率的である。
【０２７０】
孔特質、例えば容積パーセント多孔度、サイズ分布、構造及び相互連絡性は、粒子を濾過するモノリス能力を決定する。さらに、ガス分子が多孔性基材中に拡散し得る場合、触媒反応の確率は劇的に増大する。セル構造とともに、多孔性特質も、流れに対するモノリスの通水抵抗及び圧力低下に影響を及ぼす。高濾過効率のために所望されるいくつかの属性（例えば低多孔度及び小孔サイズ）は、低い圧力低下のために必要とされるものと反対である。その他のもの、例えば良好な孔相互連絡性及び閉鎖「行き止まり」孔の非存在は、低い圧力低下及び高効率の両方のために所望される。別の実施形態における本発明の基材は、高濾過効率及び低い圧力低下の両方を提供する。
【０２７１】
放射率及び熱伝導度
触媒コンバーター及び粒子フィルターに用いられる基材の別の特性は、放射率である。放射率は、熱を放出する傾向；放出のし易さの比較、或いは加熱体の表面からの熱として、放出が起こる比率である。
【０２７２】
理想的基材は、（１）高変換効率への最速傾向；（２）熱害（例えば熱衝撃のため、或いは基材の高温融解／クラッキングのため）から最も安全である；（３）最小量の補助エネルギーを使用する；ならびに（４）生成するのが安価である温度を考慮に入れる。温度漸増は、付加的エネルギー及びコストを要する。さらにある量のエネルギー源は、熱伝導性により伝導し、取込まれ、或いは運び去られる。
【０２７３】
放射率は、０〜１の値を有する反射率の割合であり、１が完全反射である。触媒コンバーター及び粒子フィルターのために用いられる基材は、異なる放射率値を有する。高放射率は、系から触媒基材への熱移動を最小限にさせ、それにより触媒コンバーター又は粒子フィルター内部の空気をより迅速に加熱する。放射率は、材料の熱反射率特性の測定値であり、高い値が望ましい。
【０２７４】
或る実施形態において、本発明の基材は好ましくは、放射率を約０．８〜１．０有する。別の実施形態では、本発明の基材の放射率は、約０．８２、０．８４、０．８６、０．８８、及び０．９である。本発明の基材の放射率にさらに好適な値は、０．８１、０．８３、０．８５、０．８７、及び０．８９が含まれる。別の実施形態では、放射率は約０．９、０．９２、０．９４、０．９６、又は０．９８である。基材物質自身がほとんど熱を保持しないので、熱反射率で多孔質中の気体物質を非常に迅速に加熱することができる。このことは、より迅速な点火をもたらし、基材外表面の温度はほとんど上昇しない。
【０２７５】
対面が単位温度勾配に従っている場合、物質の熱伝導度は、単位時間当たりプレートの単位面積を通過する熱量である（例えば、１単位の厚さを通過する１℃の温度差）。熱伝導度は、厚さ（メーター）及び変換したケルビン当たりのエネルギー（ワット）を単位（Ｗ／ｍ−Ｋ）として有する。好ましい実施形態では、本発明の基材は、低熱伝導度を有する。例えば、一実施形態では、本発明の基材の熱伝導度は、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、又は０．９よりも低い。別の実施形態では、本発明の基材の熱伝導度は、約０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、又は０．０９よりも低い。別の実施形態では、本発明の基材の熱伝導度は、約０．１〜約０．０１、約０．２〜約０．０２、約０．３〜約０．０３、約０．４〜約０．０４、約０．５〜約０．０５、約０．６〜約０．０６、約０．７〜約０．０７、約０．８〜約０．０８、又は約０．９〜約０．０９である。別の実施形態では、本発明の熱伝導度は、約０．０６０４Ｗ／ｍ−Ｋである。
【０２７６】
比較すると、コージライトの試料は、約１．３〜１．８Ｗ／ｍ−Ｋである。これらの結果は、具体的実施形態の例として、１，０００ワットの熱エネルギーが所定容積のコージライト材料から失われる場合、同一体積の本発明の材料から失われるのは３３ワットに過ぎない。したがって本発明の材料は、コージライトより３０倍大きい熱伝導度を有する。
【０２７７】
さらにその他の実施形態では、基材の調製方法は、放射率強化剤をさらに含む触媒基材又は濾過基材を調製することをさらに含み、上記方法は、上記基材に、好ましくはｎＳｉＲＦ−Ｃに、さらに好ましくはＡＥＴＢ、ＯＣＴＢ又はＦＲＣＩ材料に輻射強化剤を適用することを包含する。その他の好ましい基材は、本明細書中に開示される特定の基材のいずれかを包含する。さらなる実施形態では、触媒基材は、放射率強化剤ならびにパラジウム、白金、ロジウム、それらの誘導体及びそれらの混合物から成る群から選択される触媒をさらに含む。本明細書中に記載されるようなその他の物理学的及び化学的修飾が、このような実施形態に適用され得る。放射率強化剤は、当該技術分野で既知である。
【０２７８】
熱属性
低係数の熱膨張を示す基材は、有意の膨張又は収縮を伴わずに、温度の急速変化を耐容できる。適切な係数の熱膨張はまた、その周囲の保護マット及びキャニスターと同一比率の熱で基材を膨張させる。
【０２７９】
例えば時折の燃料燃焼中に温度が高い値に上昇する場合、触媒コンバーター又は粒子フィルターを溶融させないよう、基材材料が広範囲の温度に耐えさせるのも好ましい。さらに基材材料が高温に耐え得る場合、触媒コンバーター又はフィルターはエンジンのより近くに置かれ得る。
【０２８０】
関連特性としては、低熱質量及び熱容量が上げられる。低熱質量及び熱容量を有する材料は、触媒基材の温度を上げるに際して浪費される熱エネルギーを少なくする。触媒基材が急速に加熱されると、より多くの排気ガスにより生じる熱エネルギーが触媒構成成分の点火を誘発するために用いられる。
【０２８１】
熱伝導度は、分子運動の結果として熱を伝導する物質の能力である。さらに具体的には、熱伝導度は、その反対表面が１℃だけ温度が異なる場合、その厚みが均一であるプレートの単位面積を単位時間で通過する熱の量の測定値でもある。材料が熱を伝達するほど、損失を克服し、必要な温度を達成するために必要とされるエネルギーが多くなる。好ましくは材料は、熱を伝導するよりむしろ反射する。より低い熱伝導性値が好ましく、そこでより多くの熱エネルギーが孔空間に利用され、基材による吸収によって損失されない。異なる物質の化学は、熱伝導度のレベルを確定する。さらに、温度損失は反応性に負の影響を及ぼすため、フィルター媒質の熱伝導度は、排気排出フィルターの効率に及ぼす大きな影響である。生成される熱エネルギーの多くは粒子に反射され、そして孔空間中に残存するため、低熱伝導度が好ましい。言い換えれば、熱伝導度が低いほど、熱損失は低い。より低い熱損失は、触媒コンバーターに関する所望の温度範囲を得るのに必要とされる低エネルギー及びより高いエネルギー効率に転換する。
【０２８２】
比熱は、１グラムの物質の温度を１℃上げるために要する熱（カロリー）である。高比熱を有する基材は、例えば排気又は補助発生源からの周囲熱を孔空間に反射し、この場合、燃焼又は触媒還元及び酸化プロセスが熱を要する。例えば極端な条件下、例えば北極では、低比熱フィルターを加熱し、熱フィルターを冷却するにはより長い時間がかかり、外部熱損害の機会が増大する。低エネルギーでより迅速に操作温度を達成するため、低比熱が好ましい。
【０２８３】
或る実施形態では、本発明の基材は、多くの好ましい熱属性を有する。好ましくは材料は、孔空間中の空気の加熱が、基材の加熱と比較して優先的に起こるようなものである。好ましくは本発明の基材は、高融点を有し、そして或る実施形態では、従来の基材より高い融点を有する。一部は触媒基材又は濾過基材が曝露される極端な温度のため、高融点が好ましい。
【０２８４】
好ましい実施形態において、本発明の基材は好ましくは、高い融点を有する。一実施形態では、融点は約１，５００度（華氏）より大きい。別の実施形態では、融点は約２，０００度（華氏）より大きい。別の実施形態では、融点は約２，５００度（華氏）より大きい。さらなる実施形態では、基材の融点は約２，０００〜約４，０００度（華氏）である。更なる実施形態では、基材の融点は約３，０００〜約４，０００度（華氏）である。他の好適な融点の範囲は、約３，０００〜約３，１００度（華氏）、約３，１００〜約３，２００度（華氏）、約３，２００〜約３，３００度（華氏）、約３，３００〜約３，４００度（華氏）、約３，４００〜約３，５００度（華氏）、約３，５００〜約３，６００度（華氏）、約３，６００〜約３，７００度（華氏）、約３，７００〜約３，８００度（華氏）、約３，８００〜約３，９００度（華氏）及び約３，９００〜約４，０００度（華氏）を含む。別の好ましい実施形態では、基材は約３，６３２度（華氏）の融点を有する。
【０２８５】
本発明の一実施形態では、基材は華氏約３，６３２度の融点を有する。例えば車両が凍結温度以下に置かれる場合、一吹きの華氏１，５００度の排気煙霧では、基材は熱分解又は破断しない。同様に、基材の或る実施形態では、過熱及び熱分解しない。コージライトのある種の試料は約１，４００℃の融点を有する。
【０２８６】
本発明の例示的実施形態の比熱は、約６４０Ｊ／ｋｇ−Ｋ（ジュール／キログラム−ケルビン）である。コージライトの試料は、約７５０Ｊ／ｋｇ−Ｋである。コージライトがより大きい比熱を有するとしても、コージライトフィルターは加熱のためより大きい質量を有する。結果は、コージライトを低効率にする操作温度を達成するのにより多くの熱量が必要とされる、ということである。
【０２８７】
多重使用の温度限界は、大幅な劣化もなく基材が、数回実施することができる最高温度である。基材が、ミクロの破断又は破砕なく操作し続けることができる温度が高ければ高いほど、時間が経つにつれて基材の破損又は亀裂の機会が少なくなる。これは、基材がより広い温度範囲で、より耐久性があることを意味する。より高い多重使用の温度限界が好ましい。本発明の触媒基材又は濾過基材の或る実施形態に好適な多重使用の温度限界は、約２，０００℃、２，１００℃、２，２００℃、２，３００℃、２，４００℃、２，５００℃、２，６００℃、２，７００℃、２，８００℃、２，９００℃、３，０００℃、及び３１００℃から成る群から選ばれるものである。
【０２８８】
本発明の例示的実施形態の多重使用の温度限界は、２，９８０℃である。コージライトの試料は、約１，４００℃である。本発明の実施形態は、破損する前にコージライトの２倍以上の温度に耐え得る。これが、より広い範囲の排気環境で材料を機能させる。
【０２８９】
熱膨張係数は、所定の温度上昇（通常は０が１℃に）につき、本体の長さ（線形係数）、面積（平方）又は容積のそれぞれの元の長さ、面積又は容積に対して増大した割合である。これら３つの係数は、およそ１：２：３の比である。特別に表現されない場合、立方体係数が通常は意図される。加熱された時に膨張する基材が少ないほど、フィルター・アセンブリに漏出し、破断し又は損傷する機会が低い。加熱又は冷却された場合に基材がその寸法を保持することを保証するためには、より低い熱膨張が好ましい。
【０２９０】
本発明の例示的実施形態に関する熱膨張係数は、約２．６５×１０−６Ｗ／ｍ−Ｋ（ワット／メーターケルビン）である。コージライトの試料は、約２．５×１０−６Ｗ／ｍ−Ｋ〜３．０×１０−６Ｗ／ｍ−Ｋである。本発明の材料の熱膨張は、コージライトの１０倍未満である。
【０２９１】
基材の熱膨張係数は、好ましくは任意のウォッシュコートの熱膨張係数に匹敵する。
【０２９２】
一実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、コージライトのようなある種の従来技術基材と比較して、熱又は機械的応力による損害に対する抵抗増大を示し；煤及び／又は灰による目詰まりの危険性が少なく；燃料付加的再生とともに用いられる場合付加的灰蓄積に対してより耐容性であり；そして粒子数低減のための良好な効率を有する。
【０２９３】
密度
触媒コンバーター又はディーゼル粒子フィルターに用いられるべき基材を考慮する場合、低密度を有する基材を用いるのが好ましい。低密度を有する材料は基材の重量を低減し、それゆえ車両の全体的重量を低減する。さらに低密度は、高多孔度及び浸透性と相補的(complimentary)である。
【０２９４】
高密度であるほど、高重量になる。重量は、運転中の任意のエンジンに関係のある大きな因子である。部品が重いほど、それを移動するために必要とされるエネルギーは大きくなる。これらのフィルターがエンジンにより生成された増大容積の粒子を収容するために、フィルターサイズが増大しなければならず、これが車両重量、ならびに製造及び操作コストに加わる。したがって低密度材料が望ましい。もちろん密度は、構造的保全性が不十分であるほど低くない。
【０２９５】
本発明の基材の別の属性は、その密度である。基材の密度は、濾過のためにそして触媒基材として用いられるある種の従来のフィルター及び基材のものより低い。密度は、物質の一部分の質量対その容積の比である。密度が大きいほど、操作温度に達するためにより多くのエネルギーを要する。言い換えれば、高密度物質を加熱するほうが、低密度材料より多くのエネルギーを要する。容積を決めるにあたって、密度が大きいほど、より質量が大きいと言える。エンジンはより重い装備を動かすためにはより激しく働かなければならないので、重量は車両の走行距離及び性能にとって有害である。密度増大は、触媒活性又は「点火」が起こる適正な温度を達成するためにより多くの熱が必要とされるということにもなる。基材又はフィルターとして現在用いらていれるいくつかの材料の密度は、最適よりも高い。例えばコージライトの試料は、約２．０〜２．１ｇ／ｃｍ３である。したがってより低い密度を有する基材及びフィルターが必要とされる。本発明の基材の密度は、コージライトより低い。
【０２９６】
一実施形態では、本発明の触媒基材は好ましくは低密度を有する。本発明の基材の密度は、約２〜約５０ポンド／立方フィート（ｌｂ／ｆｔ３）の範囲であり得る。好ましい実施形態では、基材の密度は、約５〜約３０ポンド／立方フィート、さらに好ましくは約８〜１６ポンド／立方フィートの範囲である。その他の好ましい実施形態としては、約８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５又は１６ｌｂ／ｆｇ３の密度を有する触媒基材が挙げられる。依然として構造保全性を付与する低密度が好ましい。
【０２９７】
一実施形態では、本発明の基材は、約８ｌｂｓ／ｆｔ３〜２２ｌｂｓ／ｆｔ３、好ましくは約８ｌｂｓ／ｆｔ３〜約２２ｌｂｓ／ｆｔ３の密度を有する。別の実施形態では、基材は、それぞれ約８ｌｂｓ／ｆｔ３及び約１６ｌｂｓ／ｆｔ３の密度を有するＡＥＴＢ−８又はＡＥＴＢ−１６を含む。その他の適切な密度としては、約９、１０、１１、１２、１３、１４、１５及び１６ｌｂ／ｆｇ３から選択される密度が挙げられる。
【０２９８】
別の実施形態では、基材の密度は約０．１０〜約０．２５ｇ／ｃｍ３（グラム／立方センチメートル）である。
【０２９９】
構造保全性
基材材料の構造保全性は、考察することが重要である一特質である。構造保全性は、振動及び機械的応力、即ち振盪及び焼き固めに耐える材料の能力を指す。例えば基材強度は、パッケージ量、ならびに種々の応力、例えばエンジン振動、道路衝撃及び温度勾配を含むその後のエンジン排気流中の使用に耐えるために重要である。高強度基材は、強固な触媒コンバーター系及び粒子フィルターのために望ましい。基材材料の強度は、結晶内及び結晶間結合の種類、多孔度、孔サイズ分布及び欠陥の数(flaw population)により制御され得る。さらに基材は、外側の内側に化学的／材料コーティングを適用することにより強化され得る。基材のセル構造の強度はさらに、その寸法、横断面対称性及びそのセル属性、例えばセル密度、溝形状及び壁厚により確定され得る。基材強度は、包装及び操作の両方の間中、材料が曝される応力を上回らなければならない。応力が強度を上回る場合には、基材は亀裂を生じる。
【０３００】
材料の構造保全性は、材料の引張り弾性率により測定され得る。引張り弾性率は、破裂に対する材料の抵抗性である。特定的には、ばらばらに引き裂くことなく、ある材料は大きな縦軸方向応力を引き出し得る。引張り弾性率は通常は、破裂を生じるために必要な横断面の単位面積、ポンド数／立方インチ、又はキログラム／平方センチメートルに関して表わされる。引張り弾性率は、激しい排気ガス流圧により発生する力に基材が耐え得るか否かに関連する。
【０３０１】
さらに、ウォッシュコート及び／又は触媒被膜が基材に適応され得るよう、基材は良好な被覆性を有するべきである。同様に基材は、ウォッシュコート適合性を有して、系の正常の磨耗及び引裂き中のそれらの位置から触媒が追い出されないよう、基材上に触媒を良好に載せさせる。良好な被覆性及びウォッシュコート適合性は、触媒コンバーター系の長期有効性も強化する。良好な被覆性及びウォッシュコート適合性は、触媒の寿命も増大させる。
【０３０２】
本発明の基材の別の属性は、その構造保全性である。材料の構造保全性は、材料の引張り弾性率により測定され得る。引張り弾性率は、破裂に対する材料の抵抗性である。特定的には、ばらばらに引き裂くことなく、ある材料は大きな縦軸方向応力を引き出し得る。引張り弾性率は通常は、破裂を生じるために必要な横断面の単位面積、ポンド数／平方インチ、又はキログラム／平方センチメートルに関して表わされる。引張り弾性率は、激しい排気ガス流圧により発生する力に基材が耐え得るか否かに関連する。
【０３０３】
本発明の触媒基材は、好ましくはより高い引張り弾性率を有する。例えば一実施形態では、本発明の基材は、約２．２１ＭＰａの軸方向強さを有する。もちろん、より高い軸方向強さが同様に適している。その他の適切な値としては、１、２、３、４、５、６、７、８、９及び１０ＭＰａが挙げられる。
【０３０４】
さらに本発明の触媒基材の構造保全性は、商業用車両中の触媒コンバーターにおけるその使用中に遭遇する条件にそれが耐え得るようなものである。
【０３０５】
別の実施形態では、本発明の基材、例えばｎＳｉＲＦ−Ｃは、好ましくは高構造保全性及び低密度を有する。
【０３０６】
汚染物質の低減
基材は、その上に被覆される触媒材料の触媒活性を強化するに際して重要な役割を演じる。さらに基材は、粒子材料をトラップするのに用いられ、この粒子材料は次に揮発性ガスとして焼き尽くされる。
【０３０７】
本発明の基材の別の利点は、排気ガス中の汚染物質の量を低減するその能力増大である。本発明は、ある種の従来の技術と比較して、触媒及び濾過能力増強を有する。
【０３０８】
或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＣＯ排出を少なくとも約５０％低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＣＯ排出を少なくとも約６０％、７０％、８０％又は９０％低減し得る。別の実施形態では、基材は、ＣＯ排出を少なくとも９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％又は１００％低減し得る。
【０３０９】
或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＮＯｘ排出を少なくとも約５０％低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＮＯｘ排出を少なくとも約６０％、７０％、８０％又は９０％低減し得る。別の実施形態では、基材は、ＮＯｘ排出を少なくとも９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％又は１００％低減し得る。
【０３１０】
或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＨＣ排出を少なくとも約５０％低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＨＣ排出を少なくとも約６０％、７０％、８０％又は９０％低減し得る。別の実施形態では、基材は、ＨＣ排出を少なくとも９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％又は１００％低減し得る。
【０３１１】
或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＶＯＣ排出を少なくとも約５０％低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＶＯＣ排出を少なくとも約６０％、７０％、８０％又は９０％低減し得る。別の実施形態では、基材は、ＶＯＣ排出を少なくとも９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％又は１００％低減し得る。
【０３１２】
或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＰＭ−１０排出を少なくとも約５０％低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＰＭ−１０排出を少なくとも約６０％、７０％、８０％又は９０％低減し得る。別の実施形態では、基材は、ＰＭ−１０排出を少なくとも９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％又は１００％低減し得る。
【０３１３】
或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＰＭ−２．５排出を少なくとも約５０％低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのＰＭ−２．５排出を少なくとも約６０％、７０％、８０％又は９０％低減し得る。別の実施形態では、基材は、ＰＭ−２．５排出を少なくとも９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％又は１００％低減し得る。
【０３１４】
重量低減
車両の燃費及びエンジン効率を改良するために車両の全体重量を低減することは、車両メーカーの一目標である。重い基材は、車両に不必要な重量を付加する。さらに基材が汚染を低減するのに十分効率的でない場合、標的汚染レベルに到達するために、１つより多い基材が協力して働くことが必要とされ得る。これは、車両の全体重量を大幅に増す。
【０３１５】
さらに現在の触媒コンバーターは、しばしば重く且つ不細工である付加的装置の使用を要する。これらの装置のいくつか、例えば熱遮蔽体及び粒子マットは、触媒コンバーターの温度に対処するために用いられる。酸素センサーのようなその他のものは、一定の行政規制を満たす必要がある。
【０３１６】
本発明の或る実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、従来の触媒基材又は濾過基材と比較して、重量低減を示す。これは、部分的に、ある種の従来の基材と比較して本発明の基材のより低い密度のためである。或いは低重量は、従来の技術と比較して本発明のいくつかの実施形態の改良された濾過及び触媒機能のため、必要とされる触媒基材又は濾過基材が少量であるためであり得る。触媒基材又は濾過基材の低重量は、多くの利益を有する。例えば基材の低重量は、車両に関する燃料効率改良に転換する。さらに低重量は、取扱いが容易で、潜在的により安全な手で持てる大きさのエンジン装置に転換する。
【０３１７】
好ましい実施形態では、基材の外表面は、使用中に従来の触媒コンバーター基材と同程度まで熱くならない。いくつかの実施形態では、熱遮蔽体及び／又は断熱材の必要性が低減される。
【０３１８】
音響属性
音響減衰は、厚み減少、薄さ、痩削；密度減少；力又は強度の減少；或いは音響エネルギー（音）の弱化と定義され得る。本発明の一実施形態では、音響減衰は、エンジン排気中の音響エネルギーを減衰するか又は消す、基材の能力である。本発明の基材は、本明細書中に開示されるように、エンジンのマフラーアセンブリに取って代わるか又は補足し、したがって排気騒音及び排気系コストを低減し得る。より高い音響減衰が好ましい。
【０３１９】
別の実施形態では、基材の多孔度、密度及びサイズは、所望の用途のために音響減衰を「調製する」よう変更され得る。
【０３２０】
別の実施形態では、基材の音響減衰は、排気系中に存在する音を消すか及び／又は「調整する」ために標準金属マフラーベースの技術と結び付けられ得る。
【０３２１】
流動型
フロースルー
一態様では、基材はフロースルー使用のために構築される。フロースルー構成は、当該技術分野で既知である。一実施形態では、溝（又は孔）は、本質的には基材の全長に亘って互いに平行に並べられる。ガス流は、基材の一端に進入して、基材の全長に亘って溝を通って流れ、他側に出る。
【０３２２】
本発明の触媒基材には、任意数のフロースルー構成が有用であり、適している。当該技術分野で既知であるフロースルー構成は、本発明の触媒基材に適用され得る。
【０３２３】
一実施形態では、フロースルー構成は、基材の長さの端から端まで全体に延びる複数の実質的に平行な溝を含む。
【０３２４】
別の実施形態では、溝の壁は基材の側面又は表面と平行でない。
【０３２５】
ウォールフロー
本発明の別の実施形態は、ウォールフロー構成に構成された本発明の触媒基材又は濾過基材である。驚くべきことに、本発明のｎＳｉＲＦ−Ｃを含む触媒基材はウォールフロー構成に構成され得る、ということが確定された。
【０３２６】
本発明の別の態様では、基材はウォールフロー構成を有する。例えば基材は、ウォールフロー触媒コンバーター又はウォールフロー粒子フィルター中で用いられる。ウォールフロー構成は、多くの物理学的配列のいずれか１つを採り得る。ウォールフロー構成を有する基材は、本明細書中に記載される１つ又は複数の属性を有し得る。さらにウォールフロー構成を有する基材は、１つ又は複数の以下のものをさらに含み得る：触媒、ウォッシュコート、酸素貯蔵酸化物及び放射率強化剤。さらにウォールフロー構成から成る基材は、本明細書中に記載されるようにさらに修正され、強化され、又は変更され得る。
【０３２７】
一実施形態では、溝壁厚は、以下の任意の値である。約２ミル〜約６ミルの溝壁厚が好ましい。他の実施形態では、溝壁厚は、約１０ミル〜約１７ミルの範囲である。その他の適切な値としては、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９及び２０ミルが挙げられる。
【０３２８】
ウォールフロー基材のその他の実施形態では、基材のセル密度は約４００ｃｐｓｉ（セル／平方インチ）で、壁厚約６ミルであるか、或いはセル密度は約９００ｃｐｓｉで、溝壁厚が約２ミルである。付加的実施形態としては、ｃｐｓｉが約５０、１００、１５０、２００、２５０、３００又は３５０であるものが挙げられる。
【０３２９】
触媒コンバーターのために用いられるフロースルー・セル支持体由来のセラミックウォールフローモノリスは、ディーゼルフィルター基材の最も一般的な型になった。それらは、高表面積／単位容積により、そして高濾過効率により、その他のディーゼルフィルターデザインとは区別される。モノリスディーゼルフィルターは、当該部分全体を軸に沿って走る、典型的には正方形横断面を有する多くの小さな平行溝から成る。ディーゼルフィルターモノリスは、溝に栓をすることによりフロースルーモノリスから得られる。機械的フィルターとして作用する多孔性基材壁を通してディーゼルエアロゾルを推し進めるために、隣接する溝は、各末端で交互に栓で塞がれる。この流動パターンを表わすために、基材はウォールフローモノリスと呼ばれる。ウォールフローモノリスは、円筒形状で最も一般的に利用されるが、楕円形横断面部品も空間束縛用途に関しては可能である。
【０３３０】
ウォールフローフィルター壁は、製造工程で制御されなければならない微細孔の分布を有する。モノリスウォールフローフィルターに関する濾過メカニズムは、ケーク及び深層濾過の組合せである。粒子が孔の内側に沈着されるので、深層濾過は清浄フィルター上の優勢なメカニズムである。煤の量が増大すると、粒子層が吸込口溝壁に発達し、ケーク濾過が広く用いられるメカニズムになる。ある種の従来のモノリスフィルターは、総粒子状物質（ＴＰＭ）の約７０％という濾過効率を有する。固体ＰＭ分画、例えば元素炭素及び金属灰に関して、より高い効率が観察され得る。
【０３３１】
本発明の或る実施形態によれば、多孔性であり、したがってより多くのガスが孔を容易に通過することができ、繊維性複合材料のコア中に沈着された触媒と相互作用する材料を有することが好ましい。さらに多孔性壁を有すると、或る実施形態では、望ましい属性でもあり得るより高度の深層濾過が可能になる。
【０３３２】
ウォールフロー構成での本発明の基材は、排気ガスとはるかに多く、直接接触するようになる。材料孔特質（サイズ、多孔度％、孔連結性、開放対閉鎖孔等）は、ガス及びフィルター材料間の物理学的相互作用に影響を及ぼし、そして濾過効率及び圧力低下といった属性に作用する。さらに基質耐久性は、排気ガス構成成分による化学的攻撃に対する材料耐性に応じる。特に材料は、ディーゼル粒子の一部であり得る金属灰による腐食に耐性である必要がある。特にフィルターが高イオウ含量の燃料とともに用いられる場合、硫酸腐食に対する耐性も必要とされる。さらにフィルター再生中の多量の熱の放出の可能性のため、フィルター材料は高温及び高温勾配の両方に対する耐性の観点から、優れた熱属性を示すことが必要とされる。不十分な温度耐容性は材料の融解を生じ得るが、一方、不十分な熱衝撃耐性は、クラッキングを引き起こす。その他の潜在的問題としては、マイクロクラッキング及び破砕が挙げられる。特定の実施形態では、本発明の濾過基材及び触媒基材は、１つ又は複数のこれらの問題を解決する。
【０３３３】
ウォールフローモノリスの正確な幾何学形状を設計するに際しての重要な考慮事項としては、以下のパラメーターが挙げられる：セル密度、反復距離（全ウォールフローフィルター上の圧力低下の均一分布）、壁厚、解放前表面積、特定濾過面積、及び機械的保全性因子。
【０３３４】
本発明の具体的な実施形態では、ウォールフロー構成の溝の半分は遮断されている。別の構成では、本発明の基材は、溝の遮断壁が溝の開始部又は末端に構成されるウォールフロー構成を有する。別の構成では、遮断壁は、溝の中間に置かれ、或いは代替的には、溝の開始部及び末端間の任意の場所に置かれる。
【０３３５】
さらに任意のパーセンテージの、例えば１０％、２５％、５０％、７５％、９０％、９５％等の溝が、ウォールフロー構成中に含まれ得る。
【０３３６】
溝及び溝開口
一実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、基材の長さの端から端まで延びる複数の溝を含有しない。或る実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、その多孔性及び浸透性を考えると、その意図された用途において、例えば触媒コンバーターにおいて基材が機能するように、基材中に置かれる溝を有する必要がない。任意の潜在的背圧は、触媒基材の経路に排気物を置くだけで、多孔性及び浸透性により軽減される。溝を有さない膜構成が用いられる場合、構造的基材破損の機会を低減するために、好ましい使用は低流量環境中である。薄膜構成は、好ましくは「低流量」環境で、例えば暖炉又はおそらくは発電所で用いられる。ここでは流量は低く、そしていくつかの場合には、一定である（発電所）。もちろん、このような構成は同様にその他の用途に、例えば車両及び固定エンジンに用いるのに適している、と理解される。
【０３３７】
別の実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、一実施形態では、基材の少なくとも一部分を通して縦方向に延びる複数の溝を有する。複数の溝は、流体媒質、例えばガス又は液体を基材を通して流動させる。複数の溝は、前表面から後表面に延びる。その他の溝は、後表面から前表面に延びる。
【０３３８】
溝は、基材の全長を通して延びることができる。このような実施形態では、溝は基材の前表面上に第一溝開口及び後表面上に第二溝開口を有する。或いは溝は、基材の一部分を通して延びる。或る実施形態では、溝は、基材の長さの約９９％、９７％、９５％、９０％、８５％、８０％、７０％、６０％又は５０％を通して延びる。
【０３３９】
基材の溝穴又は溝開口は、任意数の形状で形成され得る。例えば溝開口は、円形、三角形、正方形、六角形等であり得る。好ましい実施形態では、溝開口は三角形、正方形又は六角形である。
【０３４０】
一実施形態では、溝開口は、隣接溝間の基材材料の厚みが基材全体で実質的に均一であるよう形成される。壁厚の変動は、或る実施形態では、約１％〜約５０％であり得る。
【０３４１】
別の実施形態では、溝は、隣接溝の壁が互いに平行であるよう整列される。例えば三角形、正方形又は六角形の溝は、隣接溝の壁が互いに平行であるよう形成され得る。
【０３４２】
本発明の基材中の溝の直径又は横断面距離は、変わり得る。或る実施形態では、溝は、約５ｃｍ〜約１００ｎｍの直径又は横断面距離を有する。或る実施形態では、溝は約１００ナノメートルの直径を有する。その他の適切な値としては、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９及び２０ミルから選択される距離又は直径が挙げられる。
【０３４３】
溝は、その長さに沿ってサイズを変え得る。例えば溝は、その開口での横断面距離は約０．０４インチであり、次いで溝の末端壁又は点に、或いは溝の末端の開口に近づくにつれ次第にサイズを低減する。一実施形態では、溝は、約１０ミルの辺を有する前表面での正方形開口である。溝は、基材の長さの端から端まで延びて、後表面に第二開口を有する。後表面の溝開口は、約４ミルの辺を有する正方形を有する。溝は、前表面から後表面に、その長さに沿って次第に小さくなる。他の類似の構成も、もちろん、意図される。
【０３４４】
溝開口のサイズは、同様に変わり得る。例えば或る実施形態では、直径（又は横断面距離）は、約１ミル〜約１００ミルである。溝開口のサイズに関するその他の適切な範囲としては、約１〜約５００ミル、約１〜約１００ミル、約１〜約１０ミルが挙げられるが、これらに限定されない。その他の適切なサイズとしては、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９及び２０ミルから選択される距離又は直径が挙げられる。本発明の基材はまた、種々のサイズの溝を有する。即ち、基材の一実施形態のいくつかの溝は、第一直径又は横断面距離を有する第一複数溝、ならびに第二直径又は横断面距離を有する第二複数溝を有する。例として、本発明の基材は、一実施形態では、約５ミルの横断面距離を有する１つ又は複数の溝を含み、さらに約７ミルの横断面距離を有する1つ又は複数の溝を含む。これらの実施形態のその他の変更は、本発明の範囲内であると理解される。
【０３４５】
その他の実施形態では、溝直径又は横断面距離は、約５ｃｍ、４ｃｍ、３ｃｍ、２ｃｍ又は１ｃｍであり得る。直径が１フィート又はそれ以上の排気管を有し得る大型排気系に関しては、より大きな直径又は横断面距離の溝を有する基材が好ましい。
【０３４６】
溝壁の厚みは、同様に変わり得る。例えば溝壁は、１ミル厚未満であり得る。溝壁厚に関するその他の適切な値としては、１、２、３、４、５、６、７、８、９及び１０ミルが挙げられる。
【０３４７】
溝は、溝数／平方インチに換算して測定され得る。或る実施形態では、本発明の基材は、約５０〜約１００，０００個／平方インチの溝を有する。他の適切な値としては、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００及び１，０００が挙げられる。その他の実施形態としては、２，０００個／平方インチの溝を有する触媒基材又は濾過基材が挙げられる。
【０３４８】
一実施形態では、本発明の基材は、６００ｃｐｓｉ及び壁厚６ミルを含む。本発明の試料基材のセル密度が、２つのコージライト試料と比較される。第一及び第二のコージライト試料は、それぞれ、１００ｃｐｓｉで、壁厚１７ミル、及び２００ｃｐｓｉで壁厚１２ミルである。比較して、本発明の基材は、この実施形態では、６００ｃｐｓｉ及び６ミルの壁を有する。
【０３４９】
例示的実施形態では、基材は、フィルター全体に０．０６インチ間隔で直径０．０４インチの溝を穿孔される。これらの溝は、従来のコージライトウォールフロー溝より小さい。結果として、基材材料の大きな孔空間中に存在する表面積を考慮に入れなくても、コージライトと比較して、非常に大きく増大された表面積を生じる。溝は、好ましくは「盲」溝である。排気排気物は、触媒との反応を伴わずに溝中を及び溝から流動するというよりむしろ、溝壁を通って押し流される。
【０３５０】
さらなる実施形態は、ピラミッド形状を有する複数の溝を含む触媒基材又は濾過基材に向けられる。ピラミッド形状の溝は、それらが任意数の基材材料、例えば本発明の基材のほかに、例えばｎＳｉＲＦ−Ｃに適用され得るようなものである。ピラミッド形状溝は、各溝が２つの溝開口を有するように、例えば基材の前表面に１つと基材の後表面に１つを有するフロースルー構成に構成され得る。或いはピラミッド形状溝は、各溝が開口を１つだけ有するよう、例えばウォールフロー構成に構成され得る。この実施形態では、ある溝の開口は前表面に位置するが、一方、他の溝の開口は後表面に位置する。好ましくは溝は、溝開口の位置に関して隣接溝が反対の構成を有するよう置かれる。さらに、ピラミッド状ウォールフロー構成の或る実施形態では、溝は、基材の非穿孔部分で終結する。基材のこの非穿孔部分は、平坦であるか又は先端が尖っている。非穿孔部分が平坦である場合、溝の縦方向横断面は台形に見える。非穿孔部分が尖っている場合、溝の縦方向横断面は三角形に見える。
【０３５１】
形状及び形態
触媒及び濾過基材は、多くの適切な、したがって未知の構成を含む。基材は、三次元であり、そして一般的に、基材本体により１つ又は複数の側面と連結される前表面（又は領域又は面）及び後表面（又は領域又は面）を有する。前及び後表面は、本明細書中に記載されるような任意数の形状であり得る。前表面は、それを通って流体が基材に進入する表面を指す。後表面は、それを通って流体が基材から出て行く表面を指す。一般に表面は平坦であるが、或る実施形態では、非平坦であり得る。
【０３５２】
或る実施形態では、基材は円筒形を有する。基材を構成する円筒形は、例えば排気ガス中のＮＯの還元を触媒するために用いられる。
【０３５３】
任意数の適切な長さ及び幅又は直径が、本発明の基材に適している。適切な長さとしては、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９及び２０インチが挙げられる。もちろん、ディーゼル用途においては、そして固定エンジン、例えば製薬及び化学工場、製造工場、発電所等に用いるためには、より長い長さが好ましいであろう。別の点では、基材の形状は、その前表面形状に基づいて記載され得る。本発明の基材は、前表面がいくつかの物理学的構成のうちの１つを有するよう、調製され得る。前表面形状は、任意数の形状であり、その例としては円形、三角形、正方形、楕円形、台形、長方形等が挙げられるが、これらに限定されない。三次元では、基材は円筒形又は実質的に平坦な円板形であり得る。市販の基材は一般に、これら３つのデザインのうちの１つとして存在する。基材は、角張った隅又は丸みを帯びた隅を有し得る。丸みを帯びた隅は、基材の前表面形状において好ましい。したがって一実施形態では、本発明の基材は、丸みを帯びた隅を有する正方形形状を有する。別の実施形態では、基材は、丸みを帯びた隅を有する長方形前表面形状を有する。別の実施形態では、基材は、丸みを帯びた隅を有する台形前表面形状を有する。
【０３５４】
本発明の触媒基材の例示的寸法としては、円形横断面形状を有し、そして約３．６６、約４．００、約４．１６、約４．６６、約５．２０、約５．６０又は約６．００インチの直径を有するものが挙げられるが、これらに限定されない。その他の実施形態では、触媒基材は、約３．１５×約４．７５インチ、約３．５４×５．１６インチ、又は約４．００×約６．００インチの横断面寸法（それぞれ短軸及び長軸）を有する楕円形円筒形の形状を有する。
【０３５５】
別の実施形態では、触媒基材は、ヘッド触媒コンバーターに用いるのに適した形状及びサイズを有する。一般にヘッド触媒コンバーターは、エンジンの排気系に見出される従来の触媒コンバーターよりサイズが小さいであろう。ヘッド触媒コンバーターの適切なサイズ及び形状の決定は、当業者の能力の範囲内である。ヘッド触媒コンバーターのサイズ及び形状は、ヘッド触媒コンバーターが用いられるであろう特定のヘッド及びエンジンに基づいて構成される。例えば直径が約４と１／２インチである丸みを帯びた従来のコージライト基材は、約２８．２７平方インチの前表面積を有する。例えばフォード４．６Ｖ−８に関しては、ほぼこの寸法の基材を有する２つの前触媒コンバーターが存在する。これら２つの従来の前触媒コンバーターは、直径約１．１３インチのｎＳｉＲＦ−Ｃ基材を含む８つのヘッド触媒コンバーターに取り替えることができる。
【０３５６】
或いは円筒は、排気ガス中の一酸化炭素及び非燃焼炭化水素の酸化を触媒するために用いられる。円筒の長さは、円筒の直径より長いか、等しいか又は短いこともある。
【０３５７】
濾過基材及び触媒基材の異なる形状及び構成は、特定の用途、例えば固定エンジン、オンロード車両、オフロード車両等に基づいて用いられ得る。
【０３５８】
別の実施形態では、触媒基材は、市販の触媒コンバーターの商業的に用いられる基材に取って代わるために造形される。この実施形態では、本発明の基材は、異なる基材を用いる利用可能な触媒コンバーターの基材と実質的に同一である形状及び寸法を有する。例えば一般に用いられる多くの触媒コンバーターは、コージライトから製造される基材を含有する。触媒コンバーターのコージライトの形状及びサイズは既知であり、或いは分析により確定され得る。次に、本発明の基材の形状及びサイズが既知のコージライト基材のものと実質的に同一であるよう、以下に記載されるように機械加工により、又は成形によって、本発明の基材が調製される。
【０３５９】
膜構成
或いは基材は、膜構成を有する。このような構成においては、基材の長さは、基材の幅又は直径より実質的に短い。基材を通る排気に関するより長い移動長さは、ある種の従来の触媒コンバーター及び粒子フィルター中の背圧の増強に対応する。本発明の或る実施形態の薄い基材では、背圧は最小化され、そして排気ガスは、低作用力及び増大濾過能力を有するフィルター系を通って移動するであろう。背圧のこの低減はより効率的なエンジン作動を生じ、これはより良好なガス走行距離及びより大きな仕事率を意味する。
【０３６０】
本発明の一実施形態では、基材は直径２インチ、厚み１／１６インチであり、そして４インチの直径及び６インチの長さを有する従来のコージライトフィルターの表面積の４００倍の表面積を有する。基材それ自体がサイズを低減されてきたため、キャニスターもサイズを縮小することができ、排気ラインにほんの小さな膨らみを生じただけである。或いは基材は、排気マニホールド中に収納され得る。
【０３６１】
別の実施形態では、基材は膜の形態である。この場合、膜は、上記のような任意数の形状を有する本明細書中に記載されるような基材材料を含み、そしてこの場合、基材の長さは幅又は直径より実質的に短い。寸法は、例えば幅対長さ、又は直径対長さの比として記載され得る。適切な直径対幅比としては、約２０：１、１９：１、１８：１、１７：１、１６：１、１５：１、１４：１、１３：１、１２：１、１１：１、１０：１、９：１、８：１、７：１、６：１及び５：１が挙げられるが、これらに限定されない。
【０３６２】
さらに、膜構成を有する基材は、１つ又は複数の基材実施形態と一緒に積み重ねられ得る。膜構成に関しては、膜構成を有する多くの触媒基材又は濾過基材が一緒に積み重ねられ得る。例えば、直径約１インチ、長さ約０．２インチの円筒（又は円板）形状を有する複数の、例えば５つの触媒基材又は濾過基材が一緒に積み重ねられて、ある長さ、例えば約１インチの長さを有する基材パイルを形成し得る。
【０３６３】
膜構成の場合、一実施形態では、触媒基材は、基材を通して走行する複数の溝を含有しない。ガスが移動しなければならないより短い距離のため、そして一部は本発明の高多孔度及び本発明により引き起こされる低い圧力低下のため、膜構成を有する複数の触媒基材を含む基材パイルを形成し得る。
【０３６４】
さらに積重ね膜構成は、個々の基材が触媒コンバーター又は粒子フィルターの床と垂直でない積重ね膜構成も包含する。この実施形態では、基材の側面（単数又は複数）（外側面）及び面（前又は後表面）の間の角度が約９０°であるか、又はそれ未満であるか、又は９０°より大きいか、例えば８０°、７０°等であるよう、基材は機械加工され、或いは成形され得る。
【０３６５】
触媒の焼結前付加
別の実施形態では、本明細書中に記載されるような触媒基材は触媒をさらに含み、この場合、触媒は、焼結プロセス前に基材材料に付加される。この場合、触媒は一般に、未焼結ビレットが生成される前にスラリーに付加される。他の実施形態では、触媒は、ミキサー中で繊維に付加される。或いは触媒は、液体形態である場合には、或る実施形態においてスラリーに付加される。基材は、1つ又は複数の触媒を含むスラリーから形成され得る。一実施形態では、触媒は、焼結時に、基材の繊維に付着する。別の実施形態では、触媒は、溝壁の表面に主に付着されるものとは対照的に溝壁の孔内に位置する。
【０３６６】
基材の帯状分布
別の実施形態では、本明細書中に記載されるような触媒基材は、基材中の異なる帯域が異なる属性を有するよう調製される。言い換えれば、触媒基材の１つ又は複数の物理学的特質又は属性は、基材の全体を通して、均一ではないか、或いは同一でない。例えば、或る実施形態では、基材の異なる帯域又は領域は、異なる密度、異なる触媒、異なる触媒混合物、異なる溝構成、異なる多孔性、異なる浸透性及び／又は異なる熱属性を有する。例として、一実施形態では、本発明の触媒基材は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料、ならびに第一及び第二触媒を含み、この場合、上記第一触媒は上記基材の第一帯域に適用され、そして上記第二触媒は上記基材の第二帯域に適用される。さらなる実施形態では、基材は、基材の本体全体で異なる程度の構造保全性を有する。例えば本明細書中に記載されるように、圧縮強化コーティングが基材の表面に付加されて、その表面の硬度を増大し、これが考え得る損害を減らす。
【０３６７】
ウォッシュコート
本発明の別の態様は、ウォッシュコートをさらに含む本明細書中に記載されるような触媒基材又は濾過基材に向けられる。その他の実施形態では、触媒基材はさらに触媒ウォッシュコートを含み、例えば触媒ウォッシュコートはウォッシュコート材料のほかに触媒を含む。或いは別の実施形態では、ウォッシュコート材料は触媒活性を有する。
【０３６８】
適切なウォッシュコートとしては、シリカ、チタニア、非含浸ジルコニア、希土類金属酸化物で含浸されたジルコニウム、セリア、同時生成希土類金属酸化物−ジルコニア、及びそれらの組合せが挙げられる。その他の適切なウォッシュコートは、例えば、特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２、特許文献２３、特許文献２４及び特許文献２５（これらの記載内容はすべて、参照により本明細書中で援用される）に開示されている。
【０３６９】
一般にウォッシュコートは、或る実施形態では、水性スラリーから適用され得る。アルミナ粉末及び／又はその他のウォッシュコート酸化物は、必要な粒子サイズに粉砕される。ウォッシュコート粉末の粒子サイズ分布は、完成ウォッシュコートの機械的強度及び基材へのその接着、ならびにウォッシュコートプロセス中のスラリーの流動学的属性に影響を及ぼす。非常に硬い材料であるアルミナは、或る実施形態では、エアジェット又はボールミルを用いて粉砕される。
【０３７０】
次の工程では、材料は、高剪断ミキサーを用いてタンク中の酸性化水中に分散される。スラリー中の固体含量は、典型的には３０〜５０％である。長時間混合後、アルミナ懸濁液は安定コロイド系になる。
【０３７１】
基材上に沈着されるウォッシュコートの量は、スラリーの流動学的属性（粘性）に応じ、且つそれにより制御され得る。酸化アルミニウムスラリーは、ある場合には、非ニュートン流体であって、これは時間に伴って、そして系に供給される機械的エネルギーの量（剪断速度）に伴って、その粘度を変える。任意の定常剪断速度では、スラリーの粘度は、そのｐＨの一関数である。或る実施形態では、粘度はｐＨ調整により制御され得る。しかしながらアルミナ系の非ニュートン特質のため、精確な粘度制御は、おそらくは、ウォッシュコート・プロセスにおける最大の挑戦である。
【０３７２】
ウォッシュコート・スラリーは、任意の既知の方法及び手法、例えば浸漬又は部品上への注ぎ入れにより、及び／又は特殊コーティング機械で、基材に適用され得る。余分量のスラリーは圧縮空気で溝から掃去される。次に基材は乾燥され、焼成されて、ウォッシュコートをモノリス壁に結合し得る。
【０３７３】
或る実施形態では、ウォッシュコートは、１、２又はそれより多い層で適用され得る。各層は乾燥され、焼成された後、次の層が処理される。多層ウォッシュコートの適用には、いくつかの理由がある：（１）触媒設計は各層に関して異なる化学的処方を要すること、そして（２）コーティング／プロセス装備制約、例えば１回の操作に厚いウォッシュコートを適用する必要がある高粘性スラリーを取扱いできないことである。
【０３７４】
ウォッシュコート層の典型的厚みは２０〜４０μｍであるが、範囲外の値も本発明においては用いられ得る。これらの数値は、例えば２００ｃｐｓｉ基材上の約１００ｇ／Ｌの、４００ｃｐｓｉ基材上の約２００ｇ／Ｌまでのウォッシュコート量に対応する。触媒ウォッシュコート材料の比表面積は、或る実施形態では、１００〜２００ｍ２／ｇである。もちろん、その他の値も本明細書においては有用である。
【０３７５】
複合触媒系中の貴金属及びその他の触媒は、互いに、ウォッシュコート構成成分と、又は支持体材料と反応して、望ましくない触媒的に不活性な化合物を生じ得る。このような反応が所定の触媒系で起きる場合、それらは、従来のウォッシュコート技術で防止するのは難しい。触媒金属は完成ウォッシュコート層上に含浸されるため、反応構成成分間の接触は避けられない。
【０３７６】
分離ウォッシュコート技術は、ウォッシュコートが基材上に適用される前に、ウォッシュコートの特定の卑金属酸化物上に貴金属を固定することにより、貴金属を物理的に分離するために開発された。異なる酸化物及び／又は貴金属を有するウォッシュコート層の使用により、触媒系の構成成分が分離され得る。この技術の付加的利益としては、貴金属／卑金属比の制御及び貴金属分散改良が挙げられる。このような技術は、本発明に適用され得る。したがって好ましい一実施形態では、本発明は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ、少なくとも２つの触媒金属、ならびにウォッシュコートを含む触媒基材に向けられるが、この場合、上記２つの触媒金属は物理的に分離される。
【０３７７】
分離ウォッシュコート模式図(Segregated Washcoat Schematic)：分離ウォッシュコートは、自動車の３元触媒に適用された。このような触媒の例としては、白金、パラジウム及びロジウムを含むトリメタル系である。触媒の第１の層は、Ｐｄ／Ａｌ２Ｏ３から成る。第２の層（表面層）は、Ｒｈ／Ｐｔ／Ｃｅ−Ｚｒから成る。この設計は、もしこの設計でなければ触媒の不活性化を引き起こす恐れのある、パラジウム−ロジウム合金の形成を防ぐ。
【０３７８】
酸化アルミニウム又はアルミナは、排気制御触媒ウォッシュコート用の基本材料である。高い表面積のγ結晶構造（γ−Ａｌ２Ｏ３）は、触媒用途に用いられる。これは、高純度において特性を示す。Ａｌ２Ｏ３中の或る成分の存在は、その熱安定性に、良くも悪くも影響を与え得る。Ａｌ２Ｏ３中に存在する少量のＮａ２Ｏは、溶剤として働き、アルミナの焼結を促進する。対して、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢａＯ、及びＣｅＯ２を含む幾つかの酸化金属は、アルミナ表面積に安定効果を有し、その焼結率が減少する。安定化したアルミナは、市販されている。
【０３７９】
別の実施形態において、二酸化セリウム、又はセリアは、例えば最大２５％の量で添加される、触媒ウォッシュコートの構成成分である。別の実施形態では、セリアは約５％、１０％、１５％、２０％、及び２５％の量で添加される。セリアは、自動車の排気制御触媒において、重要なプロモーターである。３元触媒中のセリアの一機能は、Ｃｅ４＋及びＣｅ３＋の間の循環により可能である酸素の貯蔵である。セリアによる他の効果には、アルミナの安定化、水蒸気改質反応の促進、貴金属の分散促進、及び貴金属の還元促進が含まれる。
【０３８０】
或るディーゼル酸化触媒処方物には、高い添加量のセリアが含まれる。セリアの機能は、ディーゼル粒子の可溶性有機分画の触媒の酸化／割れである。
【０３８１】
高い表面積の酸化セリウムは、例えば、セリウム化合物の焼成によって、生成することができる。セリアのＢＥＴ表面積は、２７０ｍ２／ｇもの大きさであり得る。別の実施形態では、例えば、３元触媒で、約１５０ｍ２／ｇの表面積のセリアが用いられる。９００〜１，０００℃で耐えることのできる、高温で安定化するタイプは、約６〜６０ｍ２／ｇの表面積を有し、本発明での使用に適している。
【０３８２】
別の実施形態での本発明の触媒基材又は濾過基材は、さらに酸化ジルコニウムを含有する。或る実施形態では、酸化ジルコニウムは基材の熱安定性を増大する。
【０３８３】
二酸化チタンは、不活性非硫化担体として、幾つかのディーゼル触媒と共に用いられる。２つの二酸化チタンの重要な結晶構造には、アナターゼ及びルチルが含まれる。アナターゼ形態は、触媒用途に重要である。それは、最大５０〜１２０ｍ２／ｇの表面積を有し、最大５００℃までの熱安定性がある。ルチル構造は、１０ｍ２／ｇ未満の小さい表面積を有する。アナターゼのルチルへの変換は、約５５０℃で行われ、触媒の不活性化を導く。本発明の別の実施形態では、触媒基材はｎＳｉＲＦ−Ｃ、好ましくはＡＥＴＢ又はＯＣＴＢ、触媒、及び酸化チタンを含有する。
【０３８４】
酸化ジルコニウムは、自動車の３元触媒でセリアの熱安定剤及びプロモーターとして、又はディーゼル酸化触媒ウォッシュコートの非硫化構成成分としても用いることができる。酸化ジルコニウムは、１００〜１５０ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有する。５００〜７００℃でその表面積が急速に広がる(loose)。良好な熱安定性は、Ｌａ、Ｓｉ、Ｃｅ、及びＹを含むドーパントの広範囲の使用によって達成することができる。
【０３８５】
ゼオライトは、明確な結晶構造及び孔径を有する、合成による又は自然に発生するアルミナ−ケイ酸化合物である。ゼオライト孔の寸法は、一般的には３〜８Åであり、分子サイズの範囲内になる。より大きい横断面積を有する任意の分子は、ゼオライトケージの溝に入るのを妨げられる。この理由により、ゼオライトは、度々分子篩と称される。ゼロライトは、大きい比表面積によって、特徴付けられる。例えば、ＺＳＭ−５ゼオライトは、約４００ｍ２／ｇの表面積を有する。ゼオライトモルデナイトは、約４００〜５００ｍ２／ｇの表面積を有する。ほとんどのゼオライトは、最大５００℃まで熱安定性がある。
【０３８６】
幾つかの触媒用途のゼオライトは、金属カチオンとイオン交換される。ゼオライトの酸形態（ＨＺ）は、初めにＮＨ４＋（ＮＨ４ＮＯ３）を含む水溶液で処理され、アンモニウム交換ゼオライト（ＮＨ４＋Ｚ−）を形成する。それから、触媒カチオンを含む塩溶液で処理され、金属交換ゼオライト（ＭＺ）を形成する。
【０３８７】
ゼオライトは、それらの反復性のそして明確な孔構造のため、優れた吸着材料である。それらは、乾燥、精製及び分離を含めた多くの用途において、吸着剤として用いられてきた。合成ゼオライトも、石油化学加工処理における触媒として用いられる。
【０３８８】
近年、ゼオライトは、触媒（ＳＣＲ、低質ＮＯｘ触媒）として、及び吸着剤（ディーゼル酸化触媒中の炭化水素トラップ）として、ディーゼル排気制御のために漸増的に用いられてきた。
【０３８９】
本発明のさらなる実施形態は、特定ウォッシュコート実施形態のいずれかをさらに含む、本明細書中に記載される特定基材実施形態のいずれかを包含する、と理解される。
【０３９０】
酸素貯蔵酸化物
別の実施形態において、本発明の触媒基材又は濾過基材は、酸素貯蔵酸化物をさらに含む。酸素貯蔵酸化物（例えば、ＣｅＯ２）は、酸素貯蔵能（以下、「ＯＳＣ」と略記する）を有し、つまり、これは気体の酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素を排出する能力である。さらに詳しくは、Ｎ２へとＮＯｘを還元する触媒コンバーターを補助するために、酸素リッチ状態（すなわち、単に「低質状態」と称してもよい燃料低質(fuel-lean)状態）で気体雰囲気中の過剰な酸素をＣｅＯ２の結晶構造に吸蔵するように、ＣｅＯ２が気体雰囲気の酸素濃度を調整するのに加えられる一方、ＣＯ及びＨＣをＣＯ２及びＨ２Ｏに酸化させる触媒コンバーターを補助するために、ＣＯ−及び／又はＨＣ−リッチ状態（すなわち、単に「リッチ状態」と称してもよい燃料リッチ状態）で、吸蔵した酸素を気体雰囲気中に排出する。したがって、触媒基材の触媒活性は、ＣｅＯ２の添加によって増大する。特許文献２６で開示されているように、他の酸化貯蔵酸化物にはＰｒ６Ｏ１１等が含まれる。さらなる実施形態には、酸素貯蔵酸化物（例えば、ＣｅＯ２）をさらに含む、本明細書中に記載されている任意の具体的な基材の実施形態が含まれる。
【０３９１】
ＳＯｘ酸化
ある種の金属触媒、特に白金の存在下では、燃料、例えばディーゼル燃料中に存在するイオウはＳＯｘに転化され、これは次に環境に有害なイオウ化合物、例えば硫酸ガスを排気中に生じ得る。ほとんどの硫酸塩は、典型的には、約３５０〜４５０℃の相対的に高い排気温度で、白金触媒上に生成される。ガソリン及びディーゼル燃料処方物からイオウを除去する極度の必要性が存在するが、その間に、触媒処方物はそれらの可能な限りの程度にその問題を低減しようとしてきた。
【０３９２】
Engelhardにより開発された例示的白金触媒は、５：１比での５〜１５０ｇ／ｆｔ３のＰｔ／Ｒｈ、ならびに３０〜１，５００ｇ／ｆｔ３のＭｇＯから成る（特許文献２７）。触媒は、水ベースの溶液により基材上に含浸され得る。触媒で被覆されたフィルターは、好ましくは、３７５〜４００℃の排気温度で用いて、再生させる。上記の処方物中のロジウムの機能は、ＳＯ２の触媒的酸化、したがって硫酸塩が触媒中をおおうことを抑制する。
【０３９３】
本発明の触媒基材は、或る実施形態では、例えば改良型熱プロフィールを有すること、且つそれにより触媒の熱分解を低減することにより、これらの問題の解決策を提供する。
【０３９４】
触媒有害化は、触媒失活の有意の発生源である。それは、排気ガス中に存在する物質が化学的に触媒部位を失活させるか、或いは触媒表面に付着物を生じる場合に起こり得る。内燃機関からの排気ガス中の毒は、潤滑油構成成分に、或いは燃料に由来し得る。
【０３９５】
異なる触媒種間の、或いは触媒種と担体構成成分間の相互作用は、別の温度誘導性方式の触媒失活である。一例は、自動車の３−ウェイ触媒中のロジウムとＣｅＯ２間の反応である。この種類の問題は、代替的担体、ならびに反応構成成分を物理的に分離し、且つ当該技術分野で既知である特殊なウォッシュコート技術を用いることにより低減され得る。
【０３９６】
本発明のさらなる利点は、ｎＳｉＲＦ−Ｃが異なる帯域でポンプ送入されて非相溶性構成成分を物理的に分離し得る点、或いは別個の膜基材中の非相溶性構成成分を用いた積重ね膜構成として利用され得るという点である。
【０３９７】
触媒失活は、腐食及び磨耗による物理的ウォッシュコート損失のためにも起こり得る。高ガス速度、温度変化、ならびにウォッシュコート及び基材材料間の熱膨張の差のため、そのメカニズムは排出制御触媒のためにも重要であり得る。
【０３９８】
触媒被覆
ある種の用途では、吸着剤触媒はＮＯを塩に転化するために用いられるが、この塩は次に再生プロセスで手動で除去され得る。しかしながら燃料中のイオウの存在は、不溶性ＳＯ４塩、例えば硫酸バリウムの生成をもたらし、これが触媒の上部に保護コーティングを形成して、それらの効率を低減し得る。本発明の或る実施形態の利点は、硫酸塩からのコーティングによる効率低減を、触媒基材が受け難いという点である。
【０３９９】
別の実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、セラミックに適した保護コーティングをさらに含む。例えばこのような適切な保護コーティングは特許文献２８（参照によりその全体が本明細書中で援用される）に開示されている。このコーティングは、セラミック材料のための保護コーティング（ＰＣＣ）としても既知である。別の適切な且つ関連するコーティングは、Ｅｍｉｓｓｈｉｅｌｄ（登録商標）コーティング（Wessex Incorporated, Blacksburg, VA）として入手可能である。Ｅｍｉｓｓｈｉｅｌｄ（登録商標）中の放射率作用物質は、特に高温で、材料中の放射率を増強する。さらに保護コーティングは、外部衝撃及び磨耗力による損害を小さくし得る。適切なコーティングは、特許文献２９、特許文献３０及び特許文献３１（これらの開示は、参照により本明細書中で援用される）に開示されている。上記のコーティングは、本明細書中に記載される１つ又は複数の特定の濾過及び触媒基材とともに用いられ得る。
【０４００】
或る実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、熱衝撃及び熱循環による損害に対して耐性である。しかしながらある種の基材は相対的に軟質であり、外部衝撃及び磨耗力により損害を受け得る。このような損害を小さくするために、好ましい実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、基材の表面、好ましくは外表面への、１つ又は複数の保護コーティングをさらに含む。適切な保護コーティングの例は、特許文献３２、特許文献３３及び特許文献３４（これらの開示は、参照により本明細書中で援用される）に開示されている。したがって好ましい実施形態では、本発明は、他の属性の中でも、従来の基材と比較して、より高い多孔度、より高い浸透性、及び十分な硬度を有する基材を提供する。上記のコーティングは、本明細書中に記載される１つ又は複数の特定の濾過及び触媒基材とともに用いられ得る。
【０４０１】
圧力低下
本発明は、触媒コンバーター及び粒子フィルターに関する圧力低下改良を備えた基材も提供する。したがって或る実施形態では、本発明の基材は、背圧の実質的増大を伴わずに、或いは従来の触媒及び粒子フィルターと比較してより低い背圧増大を用いて、排気ガスを除去及び／又は濾過するための手段を提供させる。
【０４０２】
従来の触媒コンバーターを介する排気ガスの流れは、実質量の背圧を生じる。触媒コンバーターにおける背圧増大は、触媒コンバーターの成功のための重要な属性である。触媒コンバーターが部分的に又は全体的に目詰まりすると、それは排気系に制限を生じるであろう。背圧のその後の増大は、エンジン性能（例えば馬力及びトルク）及び燃費の猛烈な低下を引き起こし、そして遮断が重度である場合、エンジンが始動した後にエンジンを止めさせることさえある。材料のコスト、ならびに適切なフィルターを有するオリジナルエンジンを装備改良するか又は製造するコストの両方のため、汚染物質排出を低減するための従来の試みは非常にコストが掛かる。
【０４０３】
本発明の基材は、或る実施形態では、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いられる従来の基材より低いか又はより小さい圧力低下を生じるという属性を有する。本発明は、いくつかの実施形態では、従来の粒子フィルターと比較して、粒子フィルター中の煤の積重なりがより低く、そしていくつかの場合、フィルターの取替えの必要性を低頻度にさせる。
【０４０４】
具体的実施形態
本発明は、上記の触媒及び濾過基材の具体的実施形態にも向けられる。具体的実施形態としては、ｎＳｉＲＦ−Ｃ及び触媒を含むか、或いはそれらから成るか、或いは本質的にそれらから成る基材が挙げられる。付加的実施形態は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ及び複数の溝を含む濾過基材である。
【０４０５】
例えば基材の或る実施形態は、上記の属性を複数有する。他の実施形態では、本発明の基材は、上記の属性を２、３、４、５、６、７、８、９又は１０個有する。具体的実施形態は、属性の任意の組合せを含み得る。触媒基材は、以下の非限定的具体的実施形態によりさらに例証される。
【０４０６】
一実施形態では、本発明の基材は、約９６％〜約９９％の多孔度；約１０〜約１４ｌｂ／ｆｔ３の密度；ウォールフロー構成を有する複数の溝；及び任意に触媒を有する、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料を含む。
【０４０７】
一実施形態では、本発明の基材は、約９６％〜約９９％の多孔度；約１０〜約１６ｌｂ／ｆｔ３の、好ましくは約１０、１１、１２、１３、１４、１５又は１６ｌｂ／ｆｔ３の密度；ウォールフロー構成を有する複数の溝を有する、アルミナボリアシリカ繊維、シリカ繊維及びアルミナ繊維；ならびに任意に触媒を有する、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料を含む。他の実施形態では、基材は、好ましくはアルミナオキシド又はその誘導体のウォッシュコートをさらに含む。
【０４０８】
別の実施形態では、本発明の基材は、１つ又は複数の以下の属性を有する基材を含む：約１００〜約１５０、好ましくは約１３０〜１４０、さらに好ましくは１３３ｐｓｉの引張り強さ；約０．５〜約０．９、好ましくは約０．７〜約０．８、さらに好ましくは約０．７７０のＢＴＵ−ｆｔ＊／ｈｒ  ｆｔ２  °Ｆの熱伝導度；約１〜約５×１０−６、約１〜約３×１０−６、さらに好ましくは約１．９５×１０−６の熱膨張係数（７７°Ｆ〜１，０００°Ｆで試験）；約１５．５〜約１７、好ましくは約１６〜約１６．８、さらに好ましくは約１６．３０／ｌｂ／ｆｔ３の平均密度；ならびに任意に触媒。
【０４０９】
別の実施形態では、本発明の基材は、１つ又は複数の以下の属性を有する基材を含む：約５０〜約７０、好ましくは約６０〜６５、さらに好ましくは６３ｐｓｉの引張り強さ；約０．５〜約０．９、好ましくは約０．７〜約０．８、さらに好ましくは約０．７７０のＢＴＵ−ｆｔ＊／ｈｒ  ｆｔ２  °Ｆの熱伝導度；約１〜約５×１０−６、約１〜約３×１０−６、さらに好ましくは約１．７７×１０−６の熱膨張係数（７７°Ｆ〜１，０００°Ｆで試験）；約７〜約９、好ましくは約８．２〜約８．６、さらに好ましくは約８．４０／ｌｂ／ｆｔ３の平均密度；ならびに任意に触媒。
【０４１０】
別の実施形態では、本発明の基材は、１つ又は複数の以下の属性を有する基材を含む：約６０〜約８０、好ましくは約７０〜７９、さらに好ましくは７４ｐｓｉの引張り強さ；約０．５〜約０．９、好ましくは約０．７〜約０．８、さらに好ましくは約０．７６５のＢＴＵ−ｆｔ＊／ｈｒ  ｆｔ２  °Ｆの熱伝導度；約１〜約５×１０−６、約１〜約３×１０−６、さらに好ましくは約１．８４×１０−６の熱膨張係数（７７°Ｆ〜１，０００°Ｆで試験）；約９〜約１１、好ましくは約９．５〜約１０．５、さらに好ましくは約１０ｌｂ／ｆｔ３の平均密度；ならびに任意に触媒。
【０４１１】
本発明の別の適切な触媒基材は、本明細書中に記載されるようなｎＳｉＲＦ−Ｃ；ならびに以下のものを含む触媒：酸化銅（ＣｕＯ）で前ドープされた担体；白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）及びレニウム（Ｒｅ）から成る群から選択される主触媒としての少なくとも１つの貴金属（この場合、少なくとも１つの貴金属が前ドープ化担体の表面でドープされる）；ならびに三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）、三酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）及びそれらの混合物から成る群から選択される補助触媒としての少なくとも１つの金属酸化物（ここで、少なくとも１つの金属酸化物が前ドープ化担体の表面上でドープされる）である。このような触媒は、特許文献３５（参照によりその全体が本明細書中で援用される）に記載されている。
【０４１２】
一実施形態では、基材は、排気ガスの流れに関連して排気マニホールド前のエンジンヘッドの内側に構成される触媒コンバーター中に用いられるのに適している。
【０４１３】
触媒基材の付加的実施形態としては、以下の表に示されるおおよその属性を有するｎＳｉＲＦ−Ｃを含む触媒基材が挙げられる。
【０４１４】
【表１】
2007534483.tif 000003
【０４１５】
別の具体的実施形態は、表１に記載されたようなｎＳｉＲＦ−Ｃを含む触媒基材；ならびにパラジウム、白金、ロジウム、その誘導体及びその組合せから成る群から選択される触媒を含む、触媒基材に向けられる。
【０４１６】
高級不織耐火性繊維を含む好ましい基材は、多孔度９０％〜９８％であり、０．８〜１．０の放射率値を有する。
【０４１７】
一実施形態では、本発明の濾過基材は、ｎＳｉＲＦ−Ｃを含み、或いは本質的にそれから成り、そしてさらに、前表面入口端及び出口端、薄く、多孔性の交差して垂直に延びる壁及び水平に延びる壁（これらは、前表面入口端及び出口端間で実質的に縦方向にそして相互に平行に延びている複数の溝を規定する）を包含し；前表面入口端は、非碁盤縞模様でその長さの一部に沿って目詰まりしたセルの第一セクション、ならびに碁盤縞模様で目詰まりしセルの第二セクションを含み、非碁盤縞模様目詰まりセルの第一セクションは碁盤縞模様目詰まりセルの第二セクションより小さい。このような構成は、特許文献３６（参照によりその全体が本明細書中で援用される）にさらに記載されている。第一セクションのセルの４分の３までは、目詰まりされ得ない。或いは第一セクションのセルの半分までは目詰まりされ得ない。或いは第一セクションのセルの４分の１までは目詰まりされ得ない。
【０４１８】
本発明は、種々の実施形態の限定から成るか、或いは本質的にそれらから成る実施形態に向けられる、とさらに理解される。したがって例えば一実施形態がｎＳｉＲＦ−Ｃ及び触媒を含む触媒基材として記載される場合、本発明は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ及び触媒から成るか又は本質的にそれらから成る触媒基材をさらに包含する、と理解される。
【０４１９】
反応の触媒方法及び濾過方法
本発明の別の態様は、反応の触媒方法であって、本発明の触媒基材を提供すること；及び上記の反応を触媒するのに十分な温度で触媒基材の上の及び／又は触媒基材を通る流体の流れを方向付けることを包含する方法に向けられる。好ましくは反応は、汚染物質を非汚染物質に転化する。例えば一実施形態における触媒基材は、一酸化炭素を二酸化炭素に転化する。
【０４２０】
触媒方法は、本明細書中に記載されるようなアルミナ強化断熱を含む基材を用いて実施される。
【０４２１】
好ましい一実施形態では、基材は適切な触媒を含有する。
【０４２２】
一実施形態では、本発明は、排気ガスの濾過方法であって、上記のような本発明の濾過又は触媒基材を提供すること、及び基材を通る流体、例えばガス又は液体の流れを方向付けることを包含し、この場合、上記ガスが粒子状物質を含有する方法に向けられる。
【０４２３】
別の実施形態では、方法は、濾過粒子状物質を焼き尽くすことをさらに包含する。濾過粒子状物質の焼き尽くしは、蓄積粒子状物質を主に非汚染物質に転化する。
【０４２４】
本発明のこの態様は、ディーゼルエンジンでの特定の使用である。別の態様では、本発明は、濾過方法であって、濾過がディーゼル粒子フィルターを利用する方法に向けられる。
【０４２５】
ディーゼルエンジン（この場合、圧縮は単独で燃料を点火する）は、有毒ガスのほかに多くの有害粒子を含有するそれらの排気排出に関して、近年、世界的監視下に置かれた。メーカーの反応は、既知の触媒コンバーター技術をディーゼルエンジンに適用することであった。残念ながら、排出基準に関する規制は、従来の触媒コンバーターの物理的及び経済的限界を超えていた。ディーゼル排気物は、より多量の粒子状物質が生成される、という点でガソリン排気物とは異なる。この理由のため、排気排出捕獲、燃焼及び酸化に関する現行技術は、最も厳しい排出基準を十分には満さないであろう。
【０４２６】
大多くのバスは、８５％効率ディーゼル粒子トラップ［「ＤＰＴ」］を用いて製造されるか、或いは装備改良される。ＤＰＴは、高コストを有し、非常に複雑で、低燃費であり、低耐久性を有する。さらに規制は２０１０年までに１００％遵守を求めており、ＤＰＴ単独ではこれらの規制要件を満たし得ない。エンジン又は排気ガスの高温は、粒子状物質をより短い滞留時間で燃焼させる。エンジンの燃焼室により近くフィルターを移動するか、或いは補助熱源を付加すると、熱増大が提供され得る。したがって必要とされるものは、（１）燃焼室付近のような極高温、即ち５００℃以上におかれ得る；（２）振動分解に対してより耐性であり；そして（３）粒子状物質燃焼作用を依然として保持するか又は改良する、フィルターである。触媒を用いない場合でも粒子状物質燃焼を達成する能力は、触媒及びコーティングコストに関する有意の節約も提供するであろう。
【０４２７】
一旦フィルターが粒子状物質（例えば煤）を捕獲すると、粒子状物質は、酸素の存在下で十分にその温度を上げることにより完全に燃焼される必要がある。粒子状物質の燃焼は、出てくる排気の現在温度を利用すること、及び／又は補助熱源を提供することにより成し遂げられ得る。この温度で粒子状物質を焼くために要する時間は、必要「滞留時間」、「再生時間」又は「焼失」期間と呼ばれる。基材孔中の粒子のより短い滞留時間は、孔目詰まり積重なりの発生低減に言い換えられる（この積重なりは、効率的に作動するために余分量のエネルギーを要するガス流背圧を生じ得る）。したがって滞留時間は短いほど好ましい。
【０４２８】
一従来のＤＰＴは特許文献３７に例示されており、これは、ディーゼルエンジンから放出される排気ガスから粒子を収集するためのＤＰＴを開示する。ＤＰＴフィルターは、炭化ケイ素セラミックで被覆された不織無機フィルター及びその間に構成される金網で構成される。
【０４２９】
濾過基材又は触媒基材の付加的使用は、流体流から、例えば塵埃／煤、煙、花粉、流体、細菌／ウイルス、臭気、油、揮発性有機化合物、液体、メタン、エチレン、及び広範な種々のその他の化学物質、例えばＥＰＡの１８８に「有毒大気汚染物質」として列挙された化学物質のような、汚染物質及び不純物を清浄化し、又は濾過する能力を包含する。
【０４３０】
反応を触媒する及び／又は液体を濾過する方法は、いくつもの産業又は用途において有用であり、特には、以下のもののうち１つ以上に有用である。航空宇宙産業；アスベスト；アスファルト・ルーフィング及びアスファルト加工；自動軽トラック（表面コーティング）；ベンゼン廃棄物操作；ボート製造；レンガ及び構造体への適用；クレイ産物製造；セルロース産物製造；カロキシメチルセルロース生産；セルロースエーテル生産；セルロース食料包装材製造；セロハン生産；クロム電気メッキ；コークス炉：圧縮、急冷及び電池搭載；コークス炉；燃焼タービン；脱脂有機クリーナー；ドライクリーニング；エンジン試験セル／スタンド；布のプリント、コーティング、染色；フェロ合金生産；柔軟性ポリウレタンフォーム；製造作業；柔軟性ポリウレタンフォーム生産；摩擦産物製造；ガソリン分別（ステージ１）；一般規定；一般ＭＡＣＴ；有害廃棄物燃焼；有害有機物ＮＥＳＨＡＰ；塩酸生産；工業的、商業的及び公共のボイラー；工業用クーリングタワープロセスヒーター；融和鉄及び融和スチール；製鉄所（表面コーティング）；革の仕上げ操作；石灰製造；磁気テープ；栄養イースト菌製造；船舶の積み込み操作；水銀電池塩素−アルカリプラント；金属コイル（表面コーティグ）；金属カン（表面コーティング）；金属製家具（表面コーティング）；ミネラルウール産物；その他のコーティング製造；その他の金属部品及び金属産物；都市の固形廃棄物による埋め立て；天然ガス輸送及び貯蔵；敷地外の廃棄物再生操作；石油及び天然ガス生産；有機液体の分別（ガソリンを除く）；紙及び他のウェブ（表面コーティング）；殺菌剤活性成分生産；製油所；医薬品生産；リン酸／リン酸エステル肥料；プラスチック部品（表面コーティング）；ポリマー及び樹脂；ポリエーテルポリオール産物；ポリブタジエンゴム；ポリ硫化ゴム；フェノール樹脂；ポリエチレンテレフタレート；ポリ塩化ビニル及びそのコポリマー生産；ポルトランドセメント製造；一次アルミニウム生産；一次鉛精錬；一次銅；一次マグネシウム精製；印刷／出版；公共処理施設（ＰＯＴＷ）；パルプ及び紙（不燃性）ＭＡＣＴ  Ｉ；パルプ及び紙（非化学反応）ＭＡＣＴ  ＩＩＩ；パルプ及び紙（燃焼源）ＭＡＣＴ  ＩＩ；パルプ及び紙ミル；往復動内燃機関；耐熱性産物製造；強化プラスチック複合物生産；二次アルミニウム；二次鉛精錬；半導体製造；船製造及び船修理；現場改善；植物油生産のための溶媒抽出；スチール塩酸洗い工程；タコナイト鉄鉱石処理；テトラヒドロベンズアルデヒド製造；タイヤ製造；湿式形成グラスファイバー、マット生産；木造建築産物；木製家具；及びウールグラスファイバー製造。このような産業及び用途は、ＥＰＡによって規定された排出固定汚染源を度々使用する。
【０４３１】
他の好適な使用は、以下の１つ以上の用途における濾過過程又は触媒過程を含む。自動車（煤塵／煤煙、臭気、オイル濾過、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；ウォータージェット（煤塵／煤煙、臭気、オイル濾過、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；スノーモービル（煤塵／煤煙、臭気、オイル濾過、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；小型エンジン（煤塵／煤煙、臭気、オイル濾過、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；オートバイ（煤塵／煤煙、臭気、オイル濾過、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；可動性ディーゼルエンジン（煤塵／煤煙、臭気、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；固定ディーゼルエンジン（煤塵／煤煙、臭気、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；動力装置（煤塵／煤煙、臭気、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；精製所（ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；及び化学薬品及び医薬品の製造（煤塵／煤煙、細菌／ウイルス、臭気、オイル濾過、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状）。
【０４３２】
さらに、付加的な触媒用途及び／又は濾過用途は、以下の１つ以上の領域における、本発明による基材の使用を含む。農業及び森林の焼却による排出；ベーカリー（煤塵／煤煙、煙、臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；生物医学的液体の濾過；醸造所及びワイナリー（臭気）；キャビンエアー（自動車、潜水艦、宇宙産業、飛行機）（煤塵／煤煙、煙、花粉、細菌／ウイルス、臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；無菌室用途（煤塵／煤煙、煙、花粉、細菌／ウイルス、臭気、オイル、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質））；商業的燃焼による排出（臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；商業的毒性有機物の排出；ドライクリーナー（ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；蒸発ガス（燃料蒸発管理等）；暖炉）；加熱調理（ファーストフード）（煤塵／煤煙、煙、臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；フィットネスセンター）；一般的な液体濾過（飲料水処理））；食品加工及び食品貯蔵（臭気、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；鋳造工場（臭気）；燃料電池（ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；ガスマスク（煤塵／煤煙、煙、花粉、細菌／ウイルス、臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；一般的な処理／製造用のＶＯＣ用途（木製品、コーティング産業、繊維工業等）；ガラス／セラミック；温室；家電用電気製品−冷却（再充電式器具）（臭気、オイル、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；家電用電化製品−加熱（温水器及び家庭用加熱器具）（臭気、オイル、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；ＨＶＡＣ公衆衛生）；水素改質（ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；医学用成長培地；オフィスビル；オイル／ガソリン輸送；他の電磁気絶縁体（電磁気遮蔽体）；塗装使用；給油所（臭気、ＶＯＣ）；ポリマー処理（臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；高温のガス及び液体からの貴金属／触媒の回収；飲食店の蒸気；汚水及び生物由来廃棄物（細菌／ウイルス、臭気、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；食肉処理場；燻製場（煤塵／煤煙、煙）；防音材；スイミングプール；日焼けサロン；トンネル及び駐車場（煤塵／煤煙、臭気、ＶＯＣ、メタン、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））；及び廃却物焼却（煤塵／煤煙、臭気、ＶＯＣ、他の化学物質（気体状、固体状又は液体状））。
【０４３３】
触媒基材又は濾過基材の調製方法
別の態様では、本発明は、本明細書中に記載されるような基材（触媒又は濾過）のいずれか１つの調製方法に向けられる。本発明は、本発明の触媒基材の調製方法にも向けられる。別の態様では、本発明は、ディーゼル粒子フィルターの調製方法に向けられる。以下に記載されるような多くの方法を用いて、基材を調製し得る。
【０４３４】
本発明の一態様では、本明細書中に記載されるような触媒基材は、ｎＳｉＲＦ−Ｃの市販のビレットを用いて調製され得る。ｎＳｉＲＦ−Ｃの市販のビレットは、適切な形状、形態及びサイズに機械加工される。本発明の基材は、ブリックを本発明に用いるのに適した形状に機械加工することにより、適切な基材材料の大型ブリックとして調製され得る。粗製塊は、予備成形形状に容易に切断されるか又は挽き切られて、次にサンダー仕上げされ、旋削され、又は機械加工されて、最終所望形状「スラグ」となる。基材材料の組成は、化学、熱、温度及び振動衝撃に対して非常に回復力があるが、基材材料における硬度は低い。この低硬度は、工具に対する抵抗性又は耐久性がほとんどなしに、又は少量で、機械加工を可能にする。塊が低硬度を有し、軟質であるという事実にもかかわらず、それは非常に耐久性があり、そして機械加工、彫刻、又は造形するのが容易である。例えば、或る実施形態では、基材材料は、モースの硬度スケールで、通常は０．５〜１．０（又はヌープ硬度計で１〜２２）であり、タルクは１（ヌープ硬度１〜２２）で最も柔らかく、そしてダイヤモンドは１０（ヌープ硬度８，０００〜８，５００）で最も硬い。その他の適切な値のある種の従来技術基材材料は、より硬い。例えば炭化ケイ素は、９〜１０（ヌープ硬度２，０００〜２，９５０）のモース硬度を有する。
【０４３５】
ある種の従来の基材、例えばコージライトと比較して低減された作業で、ビレットが造形され、サンダー仕上げされ、旋削され、又は機械加工されて、スラグ成形の非限定造形能力を提供する。機械加工は、旋盤上の円筒を旋削すること、鍵穴鋸、帯鋸又は糸鋸で挽き切って造形すること、輪郭をサンダー仕上げするか又は表面を平滑にすること、又は他の固体材料に一般に用いられ且つ当該技術分野で既知の任意のその他の機械加工方法までの範囲であり得る。ビレットは、金属、木材又はプラスチックを機械加工するのと同じ精度で非常に厳格な許容誤差に機械加工され得る。ビレットが、最終形状の所望の直径を有する円筒形金型中で注入成形される場合、機械加工は、円筒形ビレットを所望の厚みに切断し、サンダー仕上げをすることを単に必要とする。このプロセスはまた、過剰な機械加工による基材損失を低減し、且つ同様にプロセス実施をスピードアップさせる。
【０４３６】
或る実施形態では、基材の前表面形状は、図５に示したように、円形５１０、楕円形５２０及び競走場形５３０である。容易に理解されるように、形状は正確でなければならないというわけではない。三次元的には、基材は円筒又は実質的に平坦な円板の形態であり得る。角張った隅を有するデザインは、ある種の用途では、有効ではない。機械加工することは容易であるが、正方形又は角のあるデザインは、錆及び腐食物、例えば道路塩のトラップになることが立証されている。したがって、或る実施形態におけるスラグの前表面形状においては、丸みのある隅が好ましい。
【０４３７】
ビレットは、帯鋸、糸鋸、ＣＮＣ、又は当業者に既知のその他の方法により造形され得る。ビレットはさらに、手で擦ること、旋盤サンダー仕上げ、ベルト・サンダー仕上げ、又はオービタル・サンダー仕上げにより造形され得る。浮遊粒子は好ましくは、材料の孔を目詰まりさせるのを防ぐために真空掃去される。さらにこれらの粒子は、穿孔盤のベアリングに進入して、それを壊し、研削して、ベアリングに筋をつける。セラミックダストも非常に微細であり、運転者に容易に吸引され得る。
【０４３８】
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材又は濾過基材の調製方法であって、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料のビレットを調製すること；及び任意に上記ビレットを機械加工して本発明の基材を成形することを包含する方法に向けられる。ビレットが本発明の1つ又は複数のプロセスに用いるのに適した形状で調製される場合、ビレットは必ずしも異なる形状に機械加工される必要はない。この場合、ビレットは、適切な形状を有する下記のような金型を用いて調製される。或いはビレット又は基材は、適切な形状に機械加工され得る。さらに、以下でさらに詳細に記載されるように、複数の溝が基材中に機械加工される。
【０４３９】
ビレット（又は基材）を調製する工程は、これらの材料の既知の調製方法を包含する。適切なビレット又は基材を調製する任意の既知の方法が用いられ得る。例えば適切な方法は、特許文献３８及び特許文献３９（参照によりその全体が本明細書中で援用される）に開示されている。
【０４４０】
非限定例として、一実施形態では、適切な基材を調製する工程は、以下の工程を包含する：
複数の耐火性シリカ繊維、耐火性アルミナ繊維、及び耐火性アルミノボロシリケート繊維を加熱する工程；
上記繊維を混合する工程；
上記繊維を洗浄する工程；
任意に上記繊維を１つ又は複数の長さに短く切る工程；
切断繊維をスラリーに配合するか又は混合する工程；
好ましくは増粘剤を付加することにより、上記スラリーの粘度を調整する工程；
分散剤を付加する工程；
スラリーを金型に付加する工程；
水をスラリーから除去して、それにより未焼結ビレットを形成する工程；
未焼結ビレットを金型から取り出す工程；
好ましくは約２５０°Ｆ〜約５００°Ｆの温度で、炉中で未焼結ビレットを乾燥する工程；及び
好ましくは約２，０００〜２，５００°Ｆで炉中で未焼結ビレットを、好ましくは予備加温し、且つ漸増的に加熱する工程。
【０４４１】
上記のように、ビレットは次に任意に機械加工されて、本発明の基材を形成する。
【０４４２】
別の実施形態では、該方法はさらに、基材中に複数の溝を機械加工することを包含する。
【０４４３】
別の実施形態では、本発明はさらに、基材にウォッシュコートを付加することを包含する。
【０４４４】
別の実施形態では、本発明はさらに、基材に触媒コーティング剤を付加することを包含する。
【０４４５】
別の実施形態では、該方法はさらに、を包含する。
【０４４６】
さらなる実施形態では、繊維の混合は、繊維の洗浄及び加熱後に実施される。
【０４４７】
さらなる実施形態では、本発明の基材の製造方法において、窒化ホウ素が用いられる。ＢＮ→Ｂ＋Ｎ２。
【０４４８】
さらなる実施形態では、増粘剤が用いられる。好ましくは該方法に用いられる増粘剤及び分散剤は、加熱工程中に基材から実質的に除去される。例えば増粘剤及び分散剤は、焼結工程中に燃焼され得る。
【０４４９】
基材２５１０は、切断及び／又は不織無機繊維及び結合剤の剛性構成を形成することにより作製されるビレットに由来する。ビレットは、基材２５１０のための所望の外部寸法に機械加工されるか又は細工される。次に基材２５１０の内側が機械加工されるか又は細工されて、所望の表面積増強構成、例えば溝、ウォッシュコート又は触媒を提供する。耐久性無機硬化コーティング２５１１は、ブラッシング、噴霧、浸漬、又は任意のその他の一般的適用方法により、基材２５１０に適用され得る。さらに、基材２５１０は、ブラッシング、噴霧、浸漬又は任意のその他の一般的適用方法により適用される酸化又は還元触媒を包含し得る。
【０４５０】
一実施形態において、本発明の触媒基材又は濾過基材は、ｎＳｉＲＦ−Ｃと、２３．０〜４４．０重量％の量の二酸化ケイ素粉末、２５．０〜４５．０重量％の量のコロイド状(collodial)二酸化ケイ素、１９．０〜３９．０重量％の量の水及びテトラホウ化ケイ素、ヘキサホウ化ケイ素、炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、ケイ化タングステン及び二ホウ化ジルコニウムから選択される１つ以上の放射剤を混合して有するコーティング剤とを含有する。ここで、上記保護コーティング剤は、４５〜５５重量％の固形成分含有量を有し、このようなコーティング剤は特許文献４０に開示されている。
【０４５１】
本発明は、ＡＥＴＢ中に存在しているような、複数の不織の焼結された高級無機耐火繊維を利用する。本発明のｎＳｉＲＦ−Ｃとして使用する他の好適な物質は、ＡＥＴＢ−１２（約２０％Ａｌ２Ｏ３、約１２％ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）繊維（１４％Ｂ２Ｏ３、７２％Ａｌ２Ｏ３、１４％ＳｉＯ２）及び約６８％ＳｉＯ２の組成を有する）、ＡＥＴＢ−８（約２０％Ａｌ２Ｏ３、約１２％ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）繊維（１４％Ｂ２Ｏ３、７２％Ａｌ２Ｏ３、１４％ＳｉＯ２）及び６８％ＳｉＯ２の組成を有する）、ＦＲＣＩ−１２（約７８重量％のシリカ（ＳｉＯ２）及び約２２重量％のアルミノボロシリケート（６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３）の組成を有する）及びＦＲＣＩ−２０（約７８重量％のシリカ（ＳｉＯ２）及び約２２重量％のアルミノボロシリケート（６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３）の組成を有する）を含む。
【０４５２】
好ましい実施形態において、無機繊維の構成成分は、繊維状シリカ、アルミナ繊維及びアルミノボロシリケート繊維から成るか、又は本質的に成る。この実施形態では、繊維状シリカは、無機繊維混合物を約５０〜９０パーセント（％）含有し、アルミナ繊維は、無機繊維を約５〜５０パーセント（％）含有し、アルミノボロシリケートは、無機繊維混合物を約１０〜２５パーセント（％）含有する。本発明の基材を調製するために使用される繊維は、或る実施形態において結晶相及びガラス相の両方を有してもよい。
【０４５３】
好ましくは、他の好適な繊維は、約５５〜約７５重量％の範囲の酸化アルミニウム、０より大きく約４５重量％より小さい範囲の（好ましくは、０より大きく、４４重量％より小さい）酸化ケイ素及び０より大きく２５重量％より小さい範囲の（好ましくは、約１〜約５重量％）酸化ホウ素を有するアルミノボロシリケート繊維を含有する（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３それぞれの酸素ベースの理論値により算出される）。アルミノボロシリケート繊維は、好ましくは少なくとも５０重量％の結晶体、より好ましくは、少なくとも７５重量％、最も好ましくは約１００重量％の結晶体（いわゆる、結晶繊維）である。標準サイズのアルミノボロシリケートは、例えば、取引表示である3M Company製の「ＮＥＸＴＥＬ３１２」及び「ＮＥＸＴＥＬ４４０」として商業的に利用可能である。さらに、好適なアルミノボロシリケート繊維は例えば、参照により本明細書中にその全体が援用されている特許文献１０により開示されているように作製することができる。
【０４５４】
さらに好適な繊維はアルミノシリケート繊維を含有し、これは一般的に結晶体であるが、約６７〜約７７重量％（例えば、６９、７１、７３及び７５重量％）の範囲の酸化アルミニウム及び約３３〜約２３重量％（例えば、３１、２９、２７及び２５重量％）の範囲の酸化ケイ素を含有する。標準サイズのアルミノシリケートは、例えば、取引表示である３ＭＣｏｍｐａｎｙ製の「ＮＥＸＴＥＬ５５０」として商業的に利用可能である。さらに、好適なアルミノシリケート繊維は例えば、特許文献４１（その開示が参照により本明細書中に援用されている）により開示されているように作製することができる。
【０４５５】
別の実施形態において、本発明の基材を調製するのに用いられる繊維には、Ｙ２Ｏ３及びＺｒＯ２が付加された、α−Ａｌ２Ｏ３及び／又はＳｉＯ２が付加されたα−Ａｌ２Ｏ３が含まれる（α−Ａｌ２Ｏ３／ムライトを形成する）。
【０４５６】
種々の特定の材料を用いて、触媒基材を調製し得る。一実施形態では、本発明の基材を調製するために用いられる材料は、耐火性シリカ繊維及び耐火性アルミニウムボロシリケート繊維を含み、或いはそれらから成り、或いは本質的にそれらから成る。別の実施形態では、触媒基材を調製するために用いられる材料は、耐火性シリカ繊維、耐熱等級アルミナ繊維及び結合剤、好ましくは酸化ホウ素又は窒化ホウ素粉末を含む。
【０４５７】
一実施形態では、本発明の触媒基材は、アルミナ強化型断熱（「ＡＥＴＢ」）材料又は当業者に既知の同様の材料を含み、或いはそれらから成り、或いは本質的にそれらから成る。ＡＥＴＢ材料は当該技術分野で既知であり、非特許文献１２及び非特許文献１３（これらはともに、参照により本明細書中で援用される）でさらに詳細に記載されている。
【０４５８】
別の実施形態では、触媒基材は、セラミックタイル（例えばアルミナ強化型断熱（ＡＥＴＢ））を、強化ユニピース繊維性断熱材（ＴＵＦＩ）及び／又は反応硬化ガラス（ＲＣＧ）コーティングとともに含む。このような材料は、当該技術分野で既知である。
【０４５９】
別の好適な材料は、繊維性耐火性セラミック断熱材（ＦＲＣＩ）である。一実施形態では、ＡＥＴＢは、アルミナボリアシリカ（アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知）繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維から製造される。ＡＥＴＢに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入のための理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。ＡＥＴＢは、高融点、低熱伝導度及び低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。
【０４６０】
一実施形態では、ＡＥＴＢの第一の構成成分はアルミナ繊維である。本発明の好ましい場合には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３又は酸化アルミニウム（例えばＳＡＦＦＩＬ））は、商業形態中に一般的には約９５〜約９７重量％アルミナ及び約３〜約５重量％シリカである。他の実施形態では、より低い純度（例えば９０％、９２％及び９４％の純度）を有するアルミナも有用である。他の実施形態では、より高い純度を有するアルミナも有用である。アルミナは、押出し又はスピニングによっても生産され得る。先ず、前駆体種の溶液が調製される。遅く、漸進的な重合プロセスが、例えばｐＨの操作により開始され、それにより個々の前駆体分子が結合して、より大きな分子を形成する。このプロセスが進行すると、平均分子量／サイズが増大し、それにより溶液の粘度を経時的に増大させる。約１０ｍＰａ・ｓ（センチポアズ）の粘度では、溶液はわずかに粘着性になり、繊維を引き出させるか又は紡がせる。この状態では、繊維はダイを通しても押出される。或る実施形態では、平均繊維径は、約１〜６μｍ（ミクロン）であるが、より大きな直径の繊維及びより小さな直径の繊維も本発明に適している。
【０４６１】
一実施形態では、ＡＥＴＢの第二の構成成分は、シリカ繊維である。シリカ（ＳｉＯ２、例えばＱ−繊維又は石英繊維）は、或る実施形態では、９９．５％を上回る非晶質シリカを、極低レベルの不純物を伴って含有する。低純度（例えば９０％、９５％及び９７％）のシリカも、本発明に有用である。或る実施形態では、低密度（例えば２．１〜２．２ｇ／ｃｍ３）、高耐火性（１，６００℃）、低熱伝導度（約０．１Ｗ／ｍ−Ｋ）及びゼロに近い熱膨張率を有する非晶質シリカが用いられる。
【０４６２】
一実施形態では、ＡＥＴＢの第三の構成成分は、アルミナボリアシリカ繊維である。ある場合には、アルミナボリアシリカ繊維（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３（例えばＮＥＸＴＥＬ３１２））は、一般的には６２．５重量％アルミナ、２４．５重量％シリカ、及び１３重量％ボリアである。もちろん、アルミナボリアシリカの構成成分の正確な割合は変わり得る。それはおおむね非晶質物質であるが、結晶ムライトを含有し得る。好適ななアルミナボリアシリカ繊維及びその製造方法は、例えば特許文献１０（この教示は、参照により本明細書中で全体に援用される）に開示されている。
【０４６３】
本発明のｎＳｉＲＦ−Ｃとして使用する他の好適な物質は、ＡＥＴＢ−１２（約２０％Ａｌ２Ｏ３、約１２％ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）繊維（１４％Ｂ２Ｏ３、７２％Ａｌ２Ｏ３、１４％ＳｉＯ２）及び約６８％ＳｉＯ２の組成を有する）、ＡＥＴＢ−８（約２０％Ａｌ２Ｏ３、約１２％ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）繊維（１４％Ｂ２Ｏ３、７２％Ａｌ２Ｏ３、１４％ＳｉＯ２）及び６８％ＳｉＯ２の組成を有する）、ＦＲＣＩ−１２（約７８重量％のシリカ（ＳｉＯ２）及び約２２重量％のアルミノボロシリケート（６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３）の組成を有する）及びＦＲＣＩ−２０（約７８重量％のシリカ（ＳｉＯ２）及び約２２重量％のアルミノボロシリケート（６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３）の組成を有する）を含む。
【０４６４】
好ましい実施形態では、無機繊維の構成成分は、繊維性シリカ、アルミナ繊維及びアルミノボロシリケート繊維から成るか、又は本質的にそれらから成る。この実施形態では、繊維性シリカは、無機繊維混合物の約５０〜９０％（パーセント）を構成し、アルミナ繊維は無機繊維混合物の約５〜５０％（パーセント）を構成し、アルミナボロシリケート繊維は無機繊維混合物の約１０〜２５％（パーセント）を構成する。
【０４６５】
本明細書中に記載されるようなＡＥＴＢの繊維と類似の繊維は、ＡＥＴＢ繊維に加えて、又はその代わりに利用され得る。
【０４６６】
融解による繊維製造は、２つの一般的方法で実施され得る。第一の方法は、遠心紡糸及び気体減衰の組合せを包含する。適切な粘度のガラス流は、炉から、数千回転／分で回転するスピナー・プレート上に絶えず流れる。遠心力は、数千の孔を含有するスピナー壁から外側にガラスを噴出する。ガラスは孔を通過して、再び遠心力により駆動され、収集される前に一吹きの加熱ガスにより減衰される。
【０４６７】
第二の融解技法では、溶融ガスは加熱タンクに供給されるが、その底面は、用途によって、数百又は数千の孔により穿孔されている。ガラスはこれらの孔を通って流動し、引き抜かれて、個々の繊維を形成する。繊維は紐に併合され、マンドレル上に集められる。
【０４６８】
一実施形態では、スラリー中のＡＥＴＢ繊維混合物は、好ましくは３つの成分（例えばガラス繊維、アルミナ繊維及びアルミナボリアシリカ繊維）を含む。繊維性シリカは、無機繊維混合物の約５０〜９０パーセントを構成し、アルミナ繊維は無機繊維混合物の約５〜５０パーセントを構成し、アルミナボリアシリカは無機繊維混合物の約１０〜２５パーセントを構成する。他の実施形態では、スラリーは、上記のような本発明の基材を製造するために用いられ得る繊維の任意の混合物を含む。
【０４６９】
好ましい実施形態では、基材の繊維性構成成分は、６４％の非晶質シリカ、２１％のアルミナ、及び１５％のアルミナボリアシリカ繊維の混合物であり、注入成形前又は中にスラリー中のばら繊維(bulk fiber)の分散を手助けするために用いられる微量の（例えば０．３〜１．０ｍｇ／ｍ２）の界面活性剤を伴う。
【０４７０】
一実施形態では、スラリー中の繊維は、主としては無機繊維だけである。好ましくは、一実施形態では、本発明は、基材の形成にいかなる炭素も使用しない。
【０４７１】
アルミナ−ジルコニア繊維は、第四の構成成分又は他の繊維に代わる構成成分として、無機繊維混合物に付加され得る。
【０４７２】
繊維混合
本発明の一実施形態の一工程では、繊維は混合される。任意数の既知の繊維混合方法が、繊維を混合するために用いられ得る。一例は、用いられ得る高剪断混合である。
【０４７３】
繊維加熱
本発明の一工程において、繊維は、既知の方法に従って加熱される。繊維は、先ず加熱されて、繊維をより均一に切り刻む。熱処理繊維は洗浄されて、すべての塵埃、破砕屑及びばら粒子を除去して、繊維のみを残して加工処理する。
【０４７４】
好ましい実施形態では、繊維は加熱浄化される。
【０４７５】
繊維洗浄
本発明の一工程において、繊維は洗浄される。好ましい実施形態では、繊維が塵埃及び粒子を実質的に含有しないように繊維は洗浄される。一実施形態では、シリカ繊維は酸中で洗浄されて不純物を除去し、リンスされ、乾燥されて、その後、構造保全性を付与するために加熱処理される。
【０４７６】
繊維切断
本発明の別の工程では、繊維は切り刻まれる。本発明に用いるための繊維は一般的には、ばら繊維の又は切り刻まれた繊維として得られる。繊維の切断方法は、当該技術分野で既知である。ほとんどの方法が、複数の繊維又は紐を同時に取扱い得る連続プロセスである。一般的には、生成物は一組の回転ホイール又はドラム間に供給され、その一方が一定間隔切断翼を支持する。繊維が切断機を通って引き出されると、特定の長さに切断される。特定製造細目は依然として切断繊維からのブランクを生じるため所有権が解決されないままであるが、当該技術分野は一般的には、２つの生産機構、即ち融解及びゾル・ゲルのうちの一方を包含する。好ましくは繊維は、最終切断前に熱処理される。
【０４７７】
好ましくは繊維は次にあるサイズに切断される。繊維の適切な長さとしては、約２．５４、５．０８、７．６２、１０．１６、１２．７０又は１５．２４ｍｍ（約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５又は０．６インチ）が挙げられるが、これらに限定されない。他の適切な長さとしては、３．１７５ｍｍ（１／８インチ）、６．３５ｍｍ（１／４インチ）及び１２．７ｍｍ（１／２インチ）が挙げられる。繊維は相対的にサイズが均一であるのが好ましい。別の実施形態では、触媒基材又は濾過基材を構成する繊維は、長さが平均１／４インチ（約１００分の１メートル）で、直径が約１〜１２μｍ（ミクロン）であるか、或いは１〜６又は１０〜１２μｍ（ミクロン）であり、中央値繊維直径が３μｍ（ミクロン）である。好ましい実施形態では、粒子材料は、孔空間を目詰まりさせ得るので、付加されない。本発明に用いるための好適な繊維は、例えば3Mから市販されている。もちろん、他の実施形態では、より長い繊維が用いられる。
【０４７８】
スラリー化
本発明の方法の別の工程では、繊維を含むスラリーが調製される。セラミックを押出す、又は貫通管周囲に糸又は布を巻きつけるというよりむしろ、基材は、一般的ゾル・ゲル法により作製される。これは、先ず無機繊維及びコロイド溶液の十分に混合されたゾルを、ゾル・ブランク又は未焼結ビレット又はビレットを作製する繊維型中に引き抜く（真空又は重力引抜きによる）。
【０４７９】
或いはスクイズ鋳造加圧法（この場合、圧力は負の値に下げられる）、又は真空法が用いられ得る。真空法は、その強度を保持しながら、超低密度で無機繊維ブランクを形成させる。ゾル・ゲル法は、加圧法又は真空法と一緒に用いて、例外的に低い密度を生じるのを助け、これは、粒子の濾過に非常に有益である。
【０４８０】
繊維は、スラリー中で一緒に配合される。或る実施形態では、スラリーは１〜２重量％の固体を含有し得るが、ほとんど水のような流体である。或いはスラリーは、約０．５〜約５重量％の固体を含有し得る。当該技術分野で既知であるように、他の重量％も同様に許容可能である。
【０４８１】
切断繊維は、高剪断ミキサーを用いてスラリー中で一緒に混合される。使用中に繊維を溶かしたり又は不安定にするよう作用し得る不純物を回避するために、好ましくは脱イオン水がスラリー中に用いられる。一実施形態では、スラリーは、遠心サイクロンにより汲み上げられて、ボロボロのガラス(shot glass)及び他の夾雑物（例えば高ナトリウム化合物粒子）を除去し得る。
【０４８２】
或いは有機繊維又は粒子は、３０重量％までの比率で繊維スラリーに付加され得る。製造の燃焼段階中、有機繊維は製品から揮発又は焼失される。繊維を燃焼すると、ガスが脱出するための経路を作る空隙が残る。高分子繊維の種類及び割合を変えることにより、タイルの浸透性が適合される。この方法により作られるブランクは多孔性であり、したがって放出空気の導入により能動的冷却を可能にする。
【０４８３】
粘度調整
別の実施形態では、粘度は適切な範囲に調整される。より高い粘度は、繊維が「レイ・ダウン」（即ち平らに施工されるか、実質的に水平方向にのみ配向されるようになること）を防止する。窒化ホウ素は、高強度焼結のために調製に際して繊維を被覆するための増粘剤として付加され得る。本発明の一実施形態では、窒化ホウ素が付加され、アルミナボリアシリカ繊維はスラリー中に利用されない。
【０４８４】
分散剤付加
一実施形態では、方法は、１つ又は複数の分散剤を混合物又はスラリーに付加することを包含する。
【０４８５】
本発明の一実施形態では、１つ又は複数の界面活性剤が、本発明の方法の間にスラリーに付加される。界面活性剤は、約５〜約１０重量％の量で用いられる。界面活性剤は、繊維が一緒に束になるのを防ぐために、注入成形前又は中に、スラリー中のばら繊維の分散を助けるために用いられる。
【０４８６】
本発明の一実施形態では、上記のような１つ又は複数の触媒がスラリーに付加される。方法のこの段階での触媒の付加により、多孔性材料内に含浸された触媒を有する基材が作製される。一実施形態では、この構成は、さらなるウォッシュコーティング又は触媒処理の必要性を排除する。
【０４８７】
成形
一実施形態では、スラリーは、ビレットを形成するために金型に注入される。金型の形状は、所望の任意の形状をとり得る。或る実施形態では、金型の形状は、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いられるのに適した形状を有する基材を生じる。例えば金型は、円筒形の形状であり得る。或いは金型は、五角形の形状である。繊維はレイ・ダウンし得るため、好ましくはスラリーは金型中で沈殿することはできない。一実施形態では、繊維が沈殿を維持し、ビレット全体の材料の均一多孔度及び密度を保持するため、真空吸引法が用いられる。真空吸引技法は、未焼結ビレットに関して繊維配列及び密度を制御するための任意数の指示により、用いられ得る。
【０４８８】
例として、触媒基材又は濾過基材の材料のビレットは、丸みを帯びた隅を有する６０９．６ｍｍ（２４インチ）×６０９．６ｍｍ（２４インチ）（３７１．６１２ｍｍ２（５７６ｉｎ２））×１０１．６ｍｍ（４インチ）の金型中で作られる。もちろん、より大きなサイズ又はより小さなサイズを有するビレットが作られ得る。
【０４８９】
金型の材料は、水中で安定であり、例としては金属又はプラスチックが挙げられるが、これらに限定されない。他の好適な材料としては、アルミニウム、ＰＬＥＸＩＧＬＡＳ、及び他の合成材料が挙げられる。アルミニウムは長期間に亘って非常に耐久性があり、一方、ＰＬＥＸＩＧＬＡＳ材料は安価で、機械加工が容易である。好適な透過性表面は、微細金属メッシュスクリーンの形態で利用可能である。約３２．２５８ｍｍ２（約５０ｉｎ２）より大きい半透性表面は、ある条件下では、好ましくはたるみ(sagging)を防止するために、裏張り又は支持構造を用いる。
【０４９０】
注入成形中に嫌気性（即ち酸素無含有）環境が望ましい実施形態が存在する。無酸素大気は、金属酸化を最小限にし、繊維結合を独自に強くする環境を作る。浸漬ビレットは、アンモニアガスを充填された小室（例えば大型プラスチック袋）中に入れられる。その低コスト及び低利用可能性のため、アンモニアは最も一般的に用いられる。窒素ガス及び／又は水素ガスも導入され得る。水素は揮発性であるため、窒素が水素より好まれる。実際、還元及び無酸素環境が保持される限り、任意のガスが導入され得る。好ましくはガスは、浸漬ゾルビレットがゲルビレットを形成するまで、一定流量で提供される。その時点で、ガスは止められ、ゲルビレットが開放空気に曝露されて、ガスを脱出させる。
【０４９１】
炭素又は有機系の造形体は、成形段階中に未焼結ビレット中に導入される穴形成ロッドとして用いられ得る。高温焼結時に、これらのロッドは崩壊し、後に所望の複数の溝を残し得る。
【０４９２】
スラリーの脱水
ビレット製造の一実施形態では、スラリーは、少なくとも１つの寸法が調整可能であり、少なくとも１つの壁が半透性である密閉式金型中に入れられる。圧縮力は、調節可能な壁を介して適用され、繊維が集まり、フェルト状になる半透性壁を介してスラリーから水が押出される。所望の予備成形（即ちビレット寸法）が達成されるまで、圧縮が継続される。この方法は一般に、ブロック又は円筒形のような簡単な幾何学形状に限定される。
【０４９３】
重力は、一般的には十分な駆動力ではなく、したがって真空ポンプの使用を要する。真空ポンプは、ごくわずかの圧力を用いるか又は全く圧力を用いない。いくつかの場合、真空は脱水するために用いられるが、吸引の使用は非常にわずかである。真空は、乾燥プロセスを加速するための一手段として用いられ、密度増大を回避するための大きな感度を伴う。好ましくは軽度の真空補助のみが用いられる。
【０４９４】
より複雑に造形されたビレットは、例えばスラリーのヘッドが半透性金型形態上に置かれ、保持される代替的方法により、調製され得る。低圧は、真空ポンプにより透過性形態の外側に確立される。差圧は、繊維が収集されフェルト状になる透過性形態を通して水を動かす。差圧は、所望の厚みが達成されるまで持続される。ビレットはほぼ網目状形状で又はそれらの最終形態に近づけて作られ得るので、このプロセスは所望の基材が高度に湾曲される用途に都合がよい。
【０４９５】
複数の（２つ又はそれ以上）スラリー・レシピの注入又は混合、ならびに引っ張りの真空率の変化（複数時間）は、他のものより密ないくつかの領域及び／又は異なる物理学的特性の領域を有するビレットを提供する。ビレットは、異なる化学組成及び密度を有する漸増的若しくは異なる層又はコアを有し得る。ビレットは、１つ又は複数の帯域を有し、その各々は、独自の形状、位置及び物理学的特性を必要に応じて有する。強度、熱又は電気伝導率、触媒付着能力、熱膨張、振動若しくは熱衝撃、重量、多孔性及び浸透性、音減衰、又は任意の他の好ましい特性を変更する必要がある場合に、各帯域は変わり得る。
【０４９６】
異なるスラリー・レシピ及び成形技法を用いることにより、ビレットは、層状にもなり得る。さらにビレットは、平行平面層（例えばケーク上の層）にのみ限定されないが、ビレットは、水平の層、角度のある層、球形層、ピラミッド状層及び自由形状層、又は当該技術分野で既知の任意の他の構成を用いて形成され得る。またビレットの密度は、このプロセス中に、所望により、化学的及び物理学的に変更され得るということに留意すべきである。
【０４９７】
ビレットは、別のビレットの内側又は内部に、硬化されているか否かにかかわらず、任意の構成で、異なる化学的性質の複数のビレットを構成することによっても、形成され得る。コア・ビレットは、コア中にビレットを手動で入れるか又は注入され得る。結果は、多少の密度を有するコア又は複数のコアである。コア層状化の組合せであるので、これらのコア及びビレットの形状又は形態は限定されない。コアは、コアの内側に作られることさえある。プロセスは、必要に応じて非限定数回反復されて、非限定形状でビレットの独自の数の組合せを生じる。
【０４９８】
未焼結ビレットの乾燥
一実施形態の一工程では、金型中のスラリーは、脱水する（即ちスラリーが含有する任意の水を追い出す）のに十分な時間、炉乾燥される。水は、重力により排出される。わずかな真空補助が利用され得る。当該技術分野で既知の他の方法は、もちろん、用いられ得る。
【０４９９】
金型からの未焼結ビレットの取り出し及び未焼結ビレットの乾燥
本発明の一実施形態の一工程では、未焼結ビレットが金型から取り出される。一般に、ビレットは、取り扱うのに十分乾燥した時に、取り出され得る。或いはビレットは、機械により操作されるのに十分に乾燥した時に、取り出される。
【０５００】
例えばビレットが取り扱われるのに十分に乾燥すると、金型から取り出される。次にビレットは、炉中で乾燥される。脱水プロセスを完了し、繊維が依然としてそれらの意図された構成のままにさせるために十分な低温が用いられる。最も好ましくは、温度は、必要な場合にビレットを乾燥するために十分であるが、ビレットの任意の焼結又は実質的に任意の焼結を引き起こすには不十分である。別の好ましい実施形態では、約２５０〜５００°Ｆの温度が、この工程で用いられる。さらなる実施形態では、ビレットは、約１８０℃の温度で約２〜約６時間、好ましくは約４時間、乾燥される。当該技術分野で既知であるその他の時間及び温度が用いられ得る。
【０５０１】
次に、ビレットはビレット中に結合溶液を「吸い上げる」（即ち、吸込む）ので、乾燥ビレットは任意に、当該技術分野で既知である、ゾル・ゲル結合剤、好ましくはアルミナゾルゲル結合剤中に、例えば２〜３日の期間、種々の温度で浸漬される。好適な結合剤は当該技術分野で既知であり、予備成形構造保全性を付与するためにならびに焼結を促すために必要とされ得る。ビレットは、単一又は複数の結合剤プロセスを利用して、ビレットの強度及び伝導性を変更し得る。また数回の結合剤の適用は、ビレットの強度を増大するが、孔空間を低減するか又は塞ぎ得る。任意の好適な結合剤が用いられ得る。結合剤は、酸化物結合剤（例えばＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３）であり得る。酸化物結合剤は、ガラス構成、結晶構成、又は他の無機結合剤でもあり得る。結合剤は、既知の技法及び方法（例えば特許文献４２（これは、参照により本明細書中で援用される）に開示されたもの等）を用いて、適用され得る。
【０５０２】
未焼結ビレットの乾燥（焼結）
本発明の一実施形態の別の工程では、未焼結ビレットが加熱硬化される。加熱・硬化又は焼結のための温度は、一般に未焼結ビレットを乾燥するために用いられる温度よりも高温である。一実施形態では、温度は、所望の温度に達するまで、１又は複数時間、好ましくは数時間に亘って漸増的に増大される。一実施形態では、炉は予め温められ、そして漸増的に約２，０００〜２，５００°Ｆに加熱される。当該技術分野で既知の他の温度も適している。
【０５０３】
好ましい実施形態では、結合剤をゲル化後、約４時間、約２００°Ｆにビレットを加熱し、そして次に約５時間に亘って温度を約６００°Ｆに徐々に増大することにより、ビレットは硬化される。最大温度を達成し、保持した後、ビレットは急冷される。最終結果は、剛性無機繊維ビレットである。さらにまた、ブランクを熱硬化するプロセスは、用いられる温度、硬化するための時間の長さ、急冷の温度及び時間、温度漸増的増大、ならびに増分温度増大時機で変わり得る。
【０５０４】
ビレットは、繊維−繊維接触物を焼結するために必要なエネルギーを供給し、それにより基材に強度を付与する結合を形成するために燃やされる。例えば強度は、繊維−繊維接触物の数を増大することにより増大され得る。接触物の数の増大は、密度及びくねり係数を増大する。孔網目構造のくねりが多くなるほど、浸透性は低い。焼結は繊維を一緒に融解させないが、その代わり、それらを化学的に結合する。ビレットは、高温炉中で漸進的に加熱される。ビレットは予め温められ、そして所望の密度及び融合が得られるまで、漸増的に約２，０００〜２，５００°Ｆに加熱される。二次化学物質、例えば増粘剤は、好ましい実施形態において焼失される。焼結繊維を含み、或いは代替的にそれらから成るか或いは本質的にそれらから成る基材が残る。
【０５０５】
好ましい実施形態では、粘性（増粘剤）化学物質及び分散剤が焼失される。
【０５０６】
他の実施形態では、多くの硬化工程が実施される。これは、基材の硬度を増大するために実行され得る。
【０５０７】
乾燥及び硬化プロセスにおける変数は、繊維ブランクの所望の密度、強度、多孔度又は浸透性、或いは高温に対する耐性によって調整され得る。或る実施形態では、硬化プロセスは複数の硬化適用を使用し、そして加熱及び冷却間隔及びアプローチを変更し得る。ビレットはまた、ビレットを急冷し又は焼き戻すために急速に冷却され得る。スラリーは、付加的加熱又はその他の処理、例えば高密度化コーティング又は多重硬化及び焼結を受け得る。
【０５０８】
物理学的修飾
該プロセスの或る実施形態では、ビレットは触媒で被覆される。基材に触媒を適用する一方法では、基材は、触媒を含有するスラリーから形成され得る。触媒を適用するその他の適切な方法が用いられ得る。本発明の別の利点は、触媒を他の材料に適用し得る方法を用いて、触媒がｎＳｉＲＦ−Ｃ材料に適用され得る、ということが意外にも発見されたという点である。
【０５０９】
本発明の別の実施形態では、触媒は、成形前にスラリーに付加される。この場合、基材を構成する個々の繊維上に触媒が直接存在する触媒基材が形成される。基材に触媒を付加するこの方法は、或る実施形態では、触媒基材のコア中に触媒を分散するが、溝壁に沿って存在する触媒を有さない効率的方法を提供する。この実施形態では、ウォッシュコートは必要でない。
【０５１０】
機械加工
粗製ブロックの形態のビレットは、特定の形状に切断されるか又は挽き切られ、次にサンダー仕上げされ、旋削され、又は機械加工されて、最終所望形状「スラグ」となる。材料の組成は、化学物質、熱、温度及び振動衝撃に対して非常に回復力があるが、好ましい実施形態では、硬度は非常に低い。この低硬度は、工具に対する抵抗性又は耐久性がほとんどなしに、又は少量で、機械加工を可能にする。ビレットが、或る実施形態では、低硬度を有し、そして軟質であるという事実にもかかわらず、それは非常に耐久性があり、そして機械加工し、彫刻し、又は造形するのが容易である。モースの硬度計で、材料は通常は０．５〜１．０（又はヌープ硬度計で１〜２２）であり、タルクは１（ヌープ硬度１〜２２）で最も柔らかく、そしてダイヤモンドは１０（ヌープ硬度８，０００〜８，５００）で最も硬い。例えば炭化ケイ素は、９〜１０（ヌープ硬度２，０００〜２，９５０）のモース硬度を有する。その他の既知の基材に関して、ビレットは、スタイロフォーム又はバルサ材のように、非常に軟質で、機械加工又は彫刻するのに努力を要さない。
【０５１１】
ビレットは、造形され、サンダー仕上げされ、旋削され、或いは機械加工されて、スラグ成形の非限定造形能力を提供する。機械加工は、旋盤上の円筒を旋削し、鍵穴鋸、帯鋸又は糸鋸で挽き切って造形し、輪郭をサンダー仕上げするか又は表面を平滑にし、或いは他の固体材料に一般に用いられそして当該技術分野で既知の任意のその他の機械加工方法までの範囲であり得る。ビレットは、金属、木材又はプラスチックを機械加工するのと同じ精度で非常に厳密な許容誤差で機械加工され得る。ビレットが、最終形状の所望の直径を有する円筒形金型中で注入成形される場合、機械加工は、円筒形ビレットを所望の厚みに切断し、サンダー仕上げをすることを単に必要とする。このプロセスはまた、過剰機械加工による基材損失を低減し、同様にプロセスの実施をスピードアップする。
【０５１２】
図５に示したように、円形５１０、楕円形５２０及び競走場形５３０を含む多くの考え得る前表面及び後表面形状が存在する。三次元的には、基材は円筒又は実質的に平坦な円板の形態であり得る。従来の基材は、これら３つのデザインのうちの１つとして存在する。角張った隅を有するデザインは、有効ではない。機械加工することは容易であるが、正方形又は角のあるデザインは、錆及び腐食物、例えば道路塩のためのトラップになることが立証されている。したがってスラグの前表面形状においては、丸みのある隅が好ましい。
【０５１３】
ビレット、基材、又はスラグは、帯鋸、糸鋸、ＣＮＣ、又は当業者に既知のその他の方法により造形され得る。スラグはさらに、手で擦る、旋盤サンダー仕上げ、ベルト・サンダー仕上げ、又はオービタル・サンダー仕上げにより造形され得る。浮遊粒子は、材料の孔を目詰まりさせるのを防ぐために真空掃去されなければならない。さらにこれらの粒子は、穿孔盤のベアリングに進入して、それを壊し、研削して、ベアリングに筋をつける。セラミックダストも非常に微細であり、作業者が容易に吸引し得る。
【０５１４】
造形スラグは、本発明において基材として利用される。基材の表面積は、触媒適用のための重要な特質である。表面積は、排気排気物が排気フィルターを通して移動する場合に通過しなければならない表面の総量である。表面積増大は、化学反応が汚染物質と触媒及び熱プロセスとの間に起こる表面増大に転換され、触媒コンバータープロセスをより迅速に且つより効率的にする。速度及び効率は、排気系の故障を引き起こし得る目詰まりをほとんど又は全く生じない。
【０５１５】
一実施形態では、本発明の基材は、８３．５８平方インチ／立方インチの総表面積を有する。これは、匹敵するマクロ寸法（例えば直径、長さ及び幅）を有するコージライト試料と比較して、貴金属で含浸され得るさらに広い面積に転換される。しかしながら、この総表面積計算は、異なる材料の密度、多孔度及び浸透性を一様に含むわけではない、ということに留意されたい。
【０５１６】
本発明の例示的一実施形態では、基材は、ディーゼルエンジン用の排気フィルター系で用いられる。基材は、ＡＥＴＢ処方物を用いて作られ、８〜２５ポンド／立方フィートの密度を有する約１３インチ×１３インチ×５インチのビレットに形成される。ビレットから、高さ５インチの円筒形スラグ（直径６インチ）、又は楕円形状のスラグが、先端にダイヤモンドを付けた又はタングステン・カーバイド帯鋸を用いて、ビレットから切断される。このスラグはさらに、回転旋盤上で（直円柱用）又はベルト研磨機で、正確な許容誤差に機械加工されて、基材を形成する。
【０５１７】
基材中の孔及び溝の調製
本発明の一実施形態では、意図されたガス流に対して実質的に縦方向に濾過又は触媒基材中に複数の溝が形成される。溝は、部分的に又は全体的に、基材の長さを通して延びる。図５〜図１４は、複数の溝を有する本発明の或る実施形態を例示する模式図を示す。或る実施形態では、溝は流体の流れに対してある角度で延びる。
【０５１８】
これらの溝の内表面は、小容積の基材中により多くの汚染物質を捕獲し、処理するために、化学的にコーティングされ得る。溝が基材中に形成される場合、高表面積を保有するためには、より小さな直径、例えば２００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１，０００、１，１００、１，２００、１，３００、１，４００、１，５００、１，６００、１，７００、１，８００、１，９００、２，０００、２，１００、２，２００、２，３００、２，４００又は２，５００ｃｐｓｉを有する小さな溝が好ましい。
【０５１９】
別の実施形態では、溝は、基材の全長を通って延びる。このような基材は、フロースルー構成を有する。
【０５２０】
或いは溝は、基材の全長を通して延びないが、しかし基材の長さを通して約５０％から約９９％まで延びる。このような基材は、ウォールフロー構成とみなされる。ウォールフロー基材の溝中に残存する非穿孔部分は、種々の厚みを有し得る。図８は、種々の壁厚の非穿孔部分８４０及び８４５を有する本発明の一実施形態によるウォールフローパターン基材８２０を示す。この実施形態では、交互の進入溝は、他の進入溝ならびに出口溝より厚い壁厚を有する。しかしながら種々の非穿孔部分厚は、進入又は出口溝がより薄い又はより厚い非穿孔部分を有するよう、任意の組合せで構成され、この場合、非穿孔部分はすべて、厚みが実質的に同様であっても、そうでなくてもよい。壁厚は、排気ガス８３０が排気進入溝から壁を通って出口溝に通過し、排出粒子をトラップするよう薄く、多孔性である。非穿孔部分の内側縁８５０及び８５５間の長さは、交差領域として既知である。非穿孔部分８４０がいくつかの又はすべての進入溝でより厚い場合、排出流８３０は交差領域で基材の溝壁を通して流れ、基材８２０を出ると思われる。排出流８３０は依然として、より薄い非穿孔部分８４５を通過する。本発明の別の実施形態では、触媒の量が溝壁上の量とは異なるよう、溝の非穿孔部分は触媒の選択的含浸を有する。
【０５２１】
この非穿孔部分の厚みは限定される。ガス流は、等価の厚みを有する壁の表面積を増大することにより増大する。非穿孔部分が薄すぎる場合、それは過度の背圧により破裂し得る。
【０５２２】
機械的穿孔
基材の一実施形態が一旦ビレットから切り離され、機械加工されると、それは穿孔のために穿孔ホルダー中に挿入され得る。シリンダーの長軸及び排気排気物の流れと実質的に平行した方向で、複数の溝が基材中に穿孔され得る。溝の直径が小さいほど、より多くの溝が基材に適合し得る。
【０５２３】
代替的実施形態では、溝は基材中に穿孔される。基材は、穿孔のための金属ホルダー中に置かれる。ホルダーは、例えば基材スラグを適所にしっかり保持し、基材を破砕しないようにしながら移動しないようにする一対の大型金属アームであり得る。ホルダーは基材を固定し、穿孔のためにそれをしっかり保持する。基材の一側を穿孔した後、ホルダーは正確に１８０度回転して、基材の反対側の穿孔を可能にする。回転が正確に１８０度でない場合、穿孔溝は適正に整列されないか又は平行でないであろう。さらに入口の圧力は、出口の圧力と実質的に同一であるか又は同様である必要がある。好ましくは、平行壁を保証するために、ホルダーは、任意の望ましくない方向に０．０００１インチより大きく、基材を移動してはいけない。
【０５２４】
本発明の基材の溝は、機械的穿孔プロセスを用いて調製され得る。一実施形態では、コンピューター数値制御（「ＣＮＣ」）穿孔が用いられ、これは機械工場の間では一般的であり、好ましい方法である。ＣＮＣ穿孔は、非常に遅く、１日当たり数千のフィルターの生産を要する大規模製造環境では経済的に実現可能であるとはいえない。ＣＮＣ穿孔は、高精度及び正確さで実施される。ＣＮＣ穿孔は、ドリルビットを用いて複数の経路を作ることにより実行される。ＣＮＣドリルは、各経路で基材にさらにほんの少し穿孔して、ビットが出たときに繊維性材料を除去する。
【０５２５】
ドリルビットは、その強靭性及び脆性のため炭化タングステンであり得るし、或いは当業者に既知の類似の材料であり得る。
【０５２６】
ドリルビットは、約１０フィート／分の送り速度で貫通する。ドリルビットが融解しないようにするためには、遅い送り速度が必要である。ドリルビットが２５フィート／分の送り速度で貫通すると、ドリルビットは融解する。さらに途方もなく大きい孔空間のため、ドリルビットは、「歩き回る」か又は動き回る傾向を有する。より遅い貫通速度がこの問題を取り除く。
【０５２７】
遅い速度でドリルビットを回転することが好ましい。ドリルビットは、約２００回転／分で回転すべきである。より高速で、例えば約１０，０００回転／分でドリルビットを回転すると、トリルビットの融解を引き起こし得る。水、アルコール又はグリセリンのような潤滑剤で、穿孔中ずっと、ドリルビットは冷却保持される。
【０５２８】
基材が一旦切断され、最終寸法にサンダー仕上げされると、基材に溝が切られ又は穿孔される。この例示的実施形態では、溝は、ＤＰＳＳＬを用いて切られる。基材は非常に多孔性且つ浸透性であるため、基材は従来のフィルターと同じほど厚い必要はない。さらに、１つのビレットの切断は多くの基材を産生し、且つ適用されるべき任意のコーティング又は触媒の量の低減を要するため、基材が薄いか又は小さいほど、生産コストは低い。
【０５２９】
湿式穿孔
別の実施形態では、湿式切断（又は湿式穿孔）は、溝を形成するために用いられる。湿式切断は、極高圧の水の微細噴霧を用い、基材に穴を開ける。しかしながらウォータージェットは、盲穴（即ち基材を完全に通り抜けない溝）を残すために切断プロセス中に停止することができない。ウォータージェットの物理的特質は、開口する溝のサイズをジェットの直径より小さくない直径に限定する。或る実施形態では、長方形穴がジェットで作られ得た。
【０５３０】
ガス穿孔
本発明の別の態様では、ガス穿孔法を用いて基材を調製する。ガス穿孔は当該技術分野で既知であり、基材中に溝を調製するために本発明の基材に適用され得る。
【０５３１】
コーミング
別の実施形態では、溝は、コームプロセスを用いて形成されるか又は造形される。コームは好ましくは、基材中に押し込まれ得る（穴を開ける）複数のつめを有する金属装置である。穴開けのために用いられるコームは、複数のつめを含む。つめの長さ、幅、厚み及び形状は、溝の所望の特性、構成及び寸法によって種々であり得る。
【０５３２】
或る実施形態では、コームは、基材の表面に対して実質的に垂直に、基材中に押し込まれる。他の実施形態では、コームは、基材の表面に対して或る角度で基材中に押し込まれる。コームの使用は、特に盲溝を形成するためには、好ましい方法である。適切なコームはまた、例えば４×４又は１６×１６の横列及び縦列からコームが作られるように製造され得る、と理解される。
【０５３３】
概して、コームプロセスは、溝のほとんど又はすべてが造形されるまで、複数回、基材材料中にコームを反復的に押し込むことを包含する。このプロセスは、本明細書中では、ペッキングと呼ばれる。任意にコームは、例えば空気により余分量の基材材料が溝から掃去され得るよう、各押し入れ後に溝から取り除かれ得る。ペッキング／穴明け工程中、繊維の積み重なりを防止するのが好ましい。繊維の積み重なりは、壁を破裂させるか又は全部を破裂させ得る。この特性を上手く利用するために、真空及び／又は圧縮空気を用いて、溝及びドリルビット表面を清浄にし得る。
【０５３４】
一実施形態では、コームは、溝壁からある量の基材材料を追い出すか又は取り除くために十分な力を用いて基材中に押し込まれる。好ましい実施形態では、つめが溝中に約０．１インチ延びるよう、十分量の力がコームに適用される。他の適切な値としては、０．０５、０．１５及び０．２が挙げられる。好ましくは溝を形成するか又は造形するために適用される力の量は、溝壁に実質的損害を伴わずに、溝を形成するか又は造形するのに十分な量である。該プロセスは、溝が所望の長さ及び形状に作られるまで、反復的に基材中につめを押し込むことを包含する。
【０５３５】
つめの形状は、溝の形状を指図する。例えばコーム上の長方形のつめを用いて、長方形溝開口を有する長方形溝を作製する。
【０５３６】
コーム上の楔形つめは、楔形溝を作製するために用いられる。楔形つめの使用は、壁が正方形開口と平行である溝を生じる。図１７に示されるように、基材１７００は、平行楔形「盲」溝１７０２、即ち出口穴を有さない溝を組み入れる。盲溝１７０２は、ガス１７０４を、出る前に、孔空間溝壁に通過させる。
【０５３７】
コーム上の４辺ピラミッド形つめを用いて、ピラミッド形溝を作製する。壁は平行であり、開口は実質的に正方形である。しかしながら溝は、平坦前表面を有する壁に隣接されるというよりむしろ、一点で交わるので、溝開口の壁厚は最小である。これは、前表面積の低減を、したがって背圧の低減を生じる。４辺ピラミッド形造形つめを用いると、コームを分離するために楔シムは必要とされない。この実施形態では、図１６を参照すると、適切なコームは、平坦端を有するというよりむしろ一点に達するつめを有する。もちろん、つめの種々のその他の形状も、本発明に包含される。
【０５３８】
コーム上のテント形つめは、多角形溝を作製するために用いられる。多角形溝により前表面積が最小化される。
【０５３９】
図１６を参照すると、例示的コーム１６００の寸法は、本発明の一実施形態に従って示される。コーム１６００は、およそ、長さ６．０００インチ及び幅０．０３０８インチである。コーム１６００は、基部１６１０を含み、ここから複数のつめ１６２０が延びる。基部１６１０は、高さ０．４３７５である。複数のつめ１６２０は、長さ１．２５０、幅０．０３０８で、０．０１０インチの間隔を置く。
【０５４０】
コームプロセスの一実施形態では、溝は先ず、ドリルビットにより形成され、円形である。本発明の一実施形態により、平行壁を有する造形溝を生成するために、コームのつめは円形溝に穴を開けて（即ち圧縮又は型押し）、造形溝を作製する。コーム１５００の一実施形態は、図１５に示されている。好ましくは穴開けは、ＣＮＣプレスで実行される。後に残される形が、造形溝及び溝開口である。セル壁厚は、上記のように種々であり得る。或る実施形態では、コーミングプロセスは、約４ミル〜約２０ミル、好ましくは約６ミル〜約１０ミルの溝壁厚を有する触媒基材又は濾過基材を生成する。
【０５４１】
コームプロセスでは、金属コームは、ジグと呼ばれる箱に入れられて、穴開けのためにＣＮＣプレスに載せられる。ジグ内では、コームは楔シムにより分離される。コーム間の空間は低許容度であり、穴開け中の動きを制限するためにジグにしっかりコームが保持される必要がある。図１６を参照すると、楔シム１６３０はコーム１６００のためのスペーサーとして利用される。楔シム１６３０は、幅０．０１０インチ、長さ６．０００インチ及び高さ０．４３７５インチの寸法を有する。
【０５４２】
好ましくは少なくとも１つのスクリーンがコーム上に提供されて、つめの整列を保持する。好ましくはスクリーンは、必要に応じて整列を配分するために浮遊している。さらにスクリーンは、種々の長さの、例えば約０．５インチ〜約６．０インチ長のつめの役に立つ。少なくとも１つのスクリーンが、例えば浮遊して、ばねで留められて、或いは固定されて、つめに沿ったどこにでも構成され得る。少なくとも１つのスクリーンが、つめに沿って浮遊して存在し得る。つめは、少なくとも１つのスクリーンに固着されず、むしろスクリーンは、スクリーンが調整可能であるよう、つめの上に構成される。少なくとも１つのスクリーンは、つめの上にばねで留められ得る。スクリーンをばね留めすることにより、スクリーン対する基材の圧力が、ほぼ基材の縁でのつめ間の距離を維持する。少なくとも１つのスクリーンはまた、つめの長さに沿った任意の位置で、つめに固定され得る。
【０５４３】
本発明の別の実施形態は、複数の溝を有する触媒基材又は濾過基材の製造プロセスであって、基材を突ついて複数の溝を形成するためにコームを用いることを包含するプロセスに対象とする。このプロセスは、好ましい実施形態では、段階的プロセスである。即ち、コームのつめの１回の挿入で、溝全体が形成されるわけではない。むしろ、所望の長さの溝が得られるまで、コームのつめは、反復的に挿入されて、段階的に少しずつ増量しながら取り出される。好ましくは溝は、各突つきの間又は他の突つき毎に、取り除かれた基材材料を掃去される。
【０５４４】
別の実施形態では、コームプロセスは、機械及び／又はロボットを利用して溝を形成する自動プロセスである。
【０５４５】
コームの製造方法
本発明に用いるためのコームの製造方法が多数存在する。コームは、ステンレススチール、タングステン又は鍵素材（これらに限定されない）を含めた材料から作られ得る。コームの造形方法としては、レーザー切断、湿式切断、及び電子放電機械加工、或いは当業者に利用可能なその他の造形方法の使用が挙げられる。
【０５４６】
ＤＰＳＳＬは、コームを製造するために用いられ得る。湿式切断も、コームを製造するために用いられ得る。例えば一実施形態では、湿式切断法を用いた１回の切断で、３０〜４０個のコームが作られる。
【０５４７】
電子放電機械加工（「ＥＤＭ」）は、コームを製造するための代替的方法である。ＥＤＭは、誘電性流体の存在下で、電極及び伝導性工作物間の一連の繰り返し起こる電子放電より、伝導性材料が除去される熱腐食法である。基材が電気伝導性にされる場合、ＥＤＭは、基材上で同様に用いられ得る。少なくとも２つの型のＥＤＭ：（１）ラム及び（２）ワイヤが存在する。
【０５４８】
ＥＤＭラム、即ち型彫盤を用いて、電極／ツールがラムに取り付けられ、これは、パルス電源の一方の極、通常は陽極に接続される。工作物は、陰極に接続される。工作物は次に、工作物と電極との間に間隙が存在するよう構成される。次に間隙は、誘電性流体で満たされる。電源が一旦オンになると、１秒間に数千の直流又はＤＣインパルスが間隙を横断して、腐食プロセスを開始する。発生されるスパーク温度は、１４，０００°Ｆ〜２１，０００°Ｆの範囲であり得る。腐食が継続すると、電極は、一定間隙寸法を保持しながら、作業に前進する。
【０５４９】
好ましくはワイヤＥＤＭ法が、コーム製造のために好ましい。工作物周囲の予備設定パターン中で消耗帯電ワイヤが移動するのに従って複雑な切片を作るために、ワイヤ法は、電極として消耗帯電ワイヤを用いる。
【０５５０】
壁が薄すぎると、穴開け中に出入りする壁を、つめ上の任意のきめの粗い縁が引き裂き得る。したがってコームは、繊維上に捕獲され得る任意のまくれ又は鋭い縁を除去するために研磨されるべきである。コームの切断及び研磨は熱を発生し、これがコームをねじれさせ得る。生じた穴が平行であり、そして破裂されないことを保証するために、許容誤差は約０．０００１インチに好ましくは保持される。
【０５５１】
穴開けのために用いられるコームは、複数のつめを含む。つめの長さ、幅、厚み及び形状は、溝の所望の属性によって変更され得る。図１６を参照すると、コーム１６００の寸法は、本発明の一実施形態に従って示される。コーム１６００は、およそ長さ６．０００インチ及び幅０．０３０８インチである。コーム１６００は、基部１６１０を含み、ここから複数のつめ１６２０が延びる。基部１６１０は、高さ０．４３７５である。複数のつめ１６２０は、長さ１．２５０、幅０．０３０８で、０．０１０インチの間隔を置く。
【０５５２】
レーザー機械加工
他の方法としては、ダイオード励起固体レーザー（「ＤＰＳＳＬ」）穿孔；化学レーザー、例えばＣＯ２；電子線（「ＥＢ」）穿孔；又は電極穿孔機械（「ＥＤＭ」）、或いは当業者に既知の野の他の方法の利用が挙げられる。コームの材料を切断するのに適した任意のレーザーが用いられ得る。
【０５５３】
基材は、レーザー穿孔、例えばＤＰＳＳＬ穿孔を用いて切断され得る。この方法は、ＣＡＤプログラムを用いてプログラムされたレーザーを用いて穿孔する。ＣＡＤプログラムは、ＣＡＭプログラムにロードされる。レーザーは、微小パルスの酸素、又は好ましくは窒素を用いて切断する。ＤＰＳＳＬは、約２，０００溝／分の速度で溝を切断することを可能にする。一実施形態では、溝は、約１００ナノメートルの直径を有する。レーザー穿孔は、特許文献４３（この教示内容は、参照によりその全体が本明細書中で援用される）に開示されるような既知の技術及び方法を用いて使用され得る。一実施形態では、該プロセスは、約０．５インチ又はそれ未満の深さ（又は長さ）を有する溝を調製するために、レーザー穿孔を用いる。
【０５５４】
一実施形態では、作られた溝は、粒子が進入するには十分に大きいが、しかし大多くの粒子が排気ガス流から除去されるには十分に小さい。
【０５５５】
さらに一実施形態では、基材材料は約９７多孔度であり、これは、ガスが基材を通過するための途方もなく大量の空間が存在する、ということを意味する。この大多孔性は、粒子がその上に沈着するための付加的表面積も提供する。
【０５５６】
【表２】
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【０５５７】
１）１０ｋＨｚでの繰り返し率の測定；
【０５５８】
２）０〜１５，０００Ｈｚの外部誘発（パワーの減衰）。７，５００Ｈｚ〜１５，０００Ｈｚの内部誘発。全出力モードでの０〜１，５０００Ｈｚの外部誘発用のリアルランダム発火モード（Ｒｅａｌ  Ｒａｎｄｏｍ  Ｆｉｒｉｎｇ  Ｍｏｄｅ）が任意である；３）ゲーターレーザーは、温度制御用のクローズドループ水系（ｃｌｏｓｅｄ  ｌｏｏｐ  ｗａｔｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）を利用する。
【０５５９】
好ましくは基材材料は、レーザーにより機械加工される場合、不純物、例えば炭素を実質的に含有しない。
【０５６０】
穴成形
代替的実施形態では、本発明の基材は、ビレット中に予備形成される溝を有して調製される。この実施形態では、溝形成機の使用は、ビレット中に溝を生じる。溝形成機は、未焼結ビレットが形成される場合、所望の溝を形成するための適切なサイズ及び形状を有するロッドである。
【０５６１】
上記の溝形成機のために、種々の種類の材料が用いられ得る。例えば溝形成機は、乾燥プロセスの温度に耐え得る強耐久性材料、例えば金属又はポリマーであり得る。未焼結ビレット又は完成ビレットが一旦形成されると、ロッドは取り除かれて、溝が残る。溝は、上記のようにさらに機械加工され得る。
【０５６２】
或いはその他の実施形態では、ロッドは、放射線又は熱、例えばレーザー又は熱の適切な発生源に曝露されると、蒸発するか又は崩壊し得る物質から作られる。別の実施形態では、溝形成機は、炭素、炭素誘導体等から作られる。
【０５６３】
具体的実施形態
或る実施形態では、以下に記載されるように、均一性を保持するためにコンピューター制御されるＣＮＣドリルを用いて、溝が穿孔される。穿孔プロセスは、ＯＳＨＡ危険物質であり、ドリルのベアリングに付着してそれを壊す恐れがある塵埃が浮遊するのを防ぐために、一定水シャワー下で実施される。
【０５６４】
穿孔基材は、任意に、孔空間中に残留し得る任意の水又はその他の液体を追い出すか又は焼き尽くすために炉乾燥された後、任意の触媒を適用される。焼き時間は重要ではない。大多くの又は実質的にすべての水が除去されるのに十分な時間が用いられる。水の蒸発は、基材を単に計量することにより確定され得る。焼き時間は、主に脱水プロセスを加速する。異なる間隔で数回フィルター素子を加熱後、重量は一様に下がり、基材は任意の触媒又はコーティングの適用が容易になる。
【０５６５】
好ましい実施形態では、基材の溝が先ず穿孔により調製され、次にコーム法を用いて造形される。好ましい基材の低熱伝導性のため、基材が穿孔されると、穿孔及び切断プロセス中に発生されるほとんどの熱が、ドリルビットに照り返されて、基材から逃げる。この理由のため、ドリルビットは、いくらかの熱を吸収し、膨張、過熱及び／又は融解し得る。好ましくはドリルビットの冷却は、好ましくは水を用いて実施される。別の実施形態では、熱の発生を最小限にするために、ドリルは、低ドリル速度、例えば２００ＲＰＭで作動する。もちろん、より速いか又はより遅い他のドリル速度も適している。別の好ましい実施形態では、穿孔は、変形ツイスト及びヘッド（ドリル先端）構成を有する２又は４又は６面ドリルを用いる。
【０５６６】
さらに、好ましい実施形態では、溝は複数の穿孔試行に亘って穿孔される。例えば約１インチ長の溝は、最終長が得られるまで、一度に約０．１インチの深さで基材中に穿孔することにより調製され得る。溝は、穿孔試行間に、穿孔基材材料から掃去され得る。
【０５６７】
中心打ち抜き及びパイロットホール
【０５６８】
切断繊維の真空掃去は除去されなければならないため、ペッキング法が利用される。
【０５６９】
好ましい実施形態では、コーミングプロセスの間にその余分領域に繊維を詰め込ませるために、盲溝は、われわれの意図された深さより一区画深く穿孔された。指示されたウォールフロー構成の深さに達するようコームはプログラムされ、そして余分空間は溝中に残存する任意のばら基材物質を収容する。
【０５７０】
プロセスによる製品
別の実施形態では、本発明は、本明細書中に記載される方法に従って調製される製品に向けられる。具体的には本発明は、本明細書中に記載される具体的実施形態のいずれか１つに従って調製される触媒基材に向けられる。別の態様では、本発明は、本明細書中に記載される具体的実施形態のいずれか１つに従って調製される濾過基材に向けられる。
【０５７１】
用途
本発明の種々の実施形態及び用途は、以下で考察される。これらの用途例は、説明のために示すだけであって、本発明の範囲を限定するものではない。上記の触媒基材及び濾過基材の実施形態のいずれかが、種々の用途に用いられ得る。
【０５７２】
触媒コンバーター
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材を含む触媒コンバーターに向けられる。本発明の触媒コンバーターは、既知の触媒コンバーターが用いられるのと同様の方法で、エンジン排気系で用いられ得る。もちろん、本発明の触媒コンバーターは、従来技術のコンバーターを上回る利点を有する。これらの利点のため、該触媒コンバーターは、既知の触媒コンバーターが用いられ得ないやり方で用いられ得る。
【０５７３】
上記のような本発明の基材の具体的実施形態のいずれかは、１つ又は複数の具体的用途、例えば触媒コンバーターに用いられる。具体的実施形態では、触媒コンバーターは、本発明の触媒基材；上記触媒基材周囲のマット；及びキャニスター、好ましくは金属キャニスターを含み、ならびに任意にウォッシュコートをさらに含み、そして任意に、を含む。
【０５７４】
本発明の別の態様は、エンジンの排気系の排気マニホールドに位置する、又はそれに隣接する触媒コンバーターであって、本発明の触媒基材を含むコンバーターに向けられる。このような触媒コンバーターは、マニホールド触媒コンバーター（他の用語としては、マニ−触媒コンバーター、マニホールドコンバーター等）と呼ばれる。本発明のマニ−触媒コンバーターとしては、当該技術分野で既知のマニ−触媒コンバーターが挙げられるが、この場合、本発明の触媒基材が従来技術の基材の代わりに用いられる。このようなマニ−触媒コンバーターは、例えば特許文献４４及び特許文献４５に開示されている。
【０５７５】
別の実施形態では、本発明は、改良型触媒コンバーターであって、改良が本明細書中に記載されるような新規の基材を含むコンバーターに向けられる。基材の具体的実施形態のいずれか１つが、改良型触媒コンバーターに用いられ得る。
【０５７６】
別の実施形態では、本発明は、基材、金属酸化物ウォッシュコート及び金属酸化物粒子に付着する少なくとも１つの触媒を含む、内燃機関排気を処理するための改良型触媒コンバーターであって、改良がｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料及び触媒金属を含む基材を包含するコンバーターに向けられる。
【０５７７】
別の実施形態では、本発明は、基材、金属酸化物ウォッシュコート及び金属酸化物粒子に付着する少なくとも１つの触媒を含む、内燃機関排気を処理するための改良型触媒コンバーターであって、改良がｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料及び触媒金属を含む基材を包含するコンバーターに向けられる。
【０５７８】
別の実施形態では、本発明は、基材、金属酸化物ウォッシュコート及び金属酸化物粒子に付着する少なくとも１つの触媒を含む、内燃機関排気を処理するための改良型触媒コンバーターであって、改良がＡＥＴＢ複合材料を含む基材を包含するコンバーターに向けられる。
【０５７９】
別の実施形態では、本発明は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料及び触媒を含む触媒基材を有するマニ−触媒コンバーターに向けられる。マニ−触媒コンバーター（時として、床下式触媒コンバーターと呼ばれる）は、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約１２ｌｂ／ｆｔ３の密度を有し、約９７％の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、約６００ｃｐｓｉを有し、且つ約６ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるｍａｎｉ−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、実質的に正方形の開口（又は穴）を有する実質的に箱形（基材を貫く種々の長さ）の溝形状を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。さらに、この実施形態では、触媒基材は、アルミナウォッシュコートを含む。この実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。ｍａｎｉ−触媒コンバーターのキャニスターは、スエージ加工法により調製される。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、２つの基材ユニットを含む。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、膨張性マットを含む。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。さらにｍａｎｉ−触媒コンバーターの基材は、保護強化され得る。
【０５８０】
上記のような本発明の主触媒コンバーターはまた、或る実施形態では、１つ又は複数の後処理系とともに用いられる。このような後処理系としては、ＮＯｘ吸着剤、ＨＣ吸着剤、ＳＣＲ系等が挙げられる。
【０５８１】
さらに、上記の主触媒コンバーターと同一又は類似の構成及び属性を有する一実施形態は、膜触媒のために用いられ得る。膜触媒は、上記のような膜構成を有する触媒基材を含む。
【０５８２】
別の実施形態では、本発明は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料及び触媒を含む触媒基材を有するヘッド−触媒コンバーターに向けられる。ヘッド−触媒コンバーターは、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約１２ｌｂ／ｆｔ３の密度を有し、約９７％の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、約６００ｃｐｓｉを有し、且つ約６ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるヘッド−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、実質的に正方形の開口（又は穴）を有する実質的にピラミッド形の溝形状を有する。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。この実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。ヘッド−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、ハイブリッドマットを含む。ヘッド−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。ヘッド−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。
【０５８３】
１つ又は複数のヘッド触媒コンバーターは、同一エンジンとともに用いられ得る。本発明に従ったヘッド触媒コンバーターの使用は、１つ又は複数の以下の利点も有する：床下式排気系の重量低減；インタークーラーが拾い上げるであろう排気粒子状物質の濾過増大による、インタークーラーの寿命の改善；マットの必要なし；熱遮蔽体のがたがた音低減；マフラーサイズ低減；粒子状物質の焼失増強；１つのヘッド触媒コンバーターの故障の場合でも、或る実施形態では、排気ガスは他の機能中ヘッド触媒コンバーター（例えば４気筒エンジンにおける他の３つ）で有効に処理される。ヘッド触媒コンバーターは、ボート、船舶、オートバイ、小型手持ち式エンジン、リーフブロワー及び関連エンジンのために、ならびに非曝露触媒コンバーターが好ましい他の用途に置いて、有益である。
【０５８４】
別の実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、図４１に示されるように、ヘッド及び排気マニホールド間に置かれ得る。この実施形態では、触媒コンバーターセクションは、エンジンヘッド及び排気マニホールド間に置かれる。従来の系を上回る利点は、コンバーターが燃焼室に非常に近く、したがって効率を増大する、という点である。例えばこの実施形態は、Ｆｏｒｄ４．６リットル上にこれらを載せることができ、そしてそれはそれらのエンジンすべてに適合するであろう。これは次に、それがＦｏｒｄ  Ｅｘｐｌｏｒｅｒ、Ｍｕｓｔａｎｇ、Ｃｒｏｗｎ  Ｖｉｃｔｏｒｉａ、Ｅｃｏｎｏｌｉｎｅ、１５０／２５０／３５０ピックアップ、Ｅｘｐｅｄｉｔｉｏｎ及びＦｏｒｄがエンジンを載せるすべてのその他の製品、例えばＬｉｎｃｏｌｎ製品に適合する、ということを意味する。それは、或る実施形態では、それを用いた種々のモデル年において長年用いられたものにも適合する。その４．６キャスティングの１つは、米国だけで数百万の車両に有用である。同様に酸素センサーが入るのも好都合である。
【０５８５】
別の実施形態では、本発明は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料及び触媒を含む触媒基材を有する後−触媒コンバーターに向けられる。別の実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、後−触媒コンバーターである。後−触媒コンバーターは、ｍａｎｉ−触媒コンバーターの後に置かれる。一実施形態では、後−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約１２ｌｂ／ｆｔ３の密度を有し、約９７％の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターは、約６００ｃｐｓｉを有し、且つ約６ミルの壁厚を有する。この実施形態における後−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターは、種々の形状の、例えば三角形、正方形及び六角形の溝穴を有する。同様に溝穴は、変わり得る。この実施形態では、後−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。後−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターは、非膨張性マットを含む。後−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。別の実施形態では、後−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。一般に、本実施形態の後−触媒コンバーターは、標準マフラー位置付近に置かれるが、しかし他の位置も考え得る。代替的実施形態では、後−触媒コンバーターは、マフラー中に組み込まれる。このような実施形態は、ａ）マフラーとして作用し、そしてマフラーに取って代わる基材それ自体、又はｂ）基材が典型的金属マフラーアセンブリの内側に置かれ、したがってそれがマフラー中に組み込まれるものを含み得る。
【０５８６】
別の実施形態では、本発明は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）に向けられ、この場合、ＤＯＣの基材は、本明細書中に記載されるような触媒基材である。好ましい実施形態では、本発明のＤＯＣの基材は、ＡＥＢＴ又はＯＣＢＴ、好ましくはＡＥＢＴ−１０、ＡＥＢＴ−１２、ＡＥＢＴ−１６又はＯＣＢＴ−１０である。ＤＯＣの実施形態は、パラジウム、白金、ロジウム、その混合物、及びその誘導体から成る群から選択される触媒を有する。
【０５８７】
他の適切な実施形態としては、本発明の触媒基材、好ましくはＡＥＴＢ材料、例えばＡＥＢＴ−１２を含む基材を含み、ならびにさらに触媒を含む触媒化ＤＰＦが挙げられる。
【０５８８】
粒子フィルター（ＤＰＦ、ＤＰＴ）
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材を含む粒子フィルターに向けられる。本発明の粒子フィルターは、既知の触媒コンバーターが用いられるのと同様の方法で、エンジン排気系で用いられ得る。もちろん、本発明の粒子フィルターは、従来技術の触媒コンバーターを上回る利点を有する。これらの利点のため、該触媒コンバーターは、既知の触媒コンバーターが用いられ得ないやり方で用いられ得る。
【０５８９】
別の実施形態では、本発明は、改良型粒子フィルターであって、改良が本明細書中に記載されるような新規の基材を含むフィルターに向けられる。基材の具体的実施形態のいずれか１つが、改良型粒子フィルターに用いられ得る。
【０５９０】
別の実施形態では、本発明は、濾過基材を含む内燃機関排気を処理するための改良型粒子フィルターであって、改良が、基材中に延びるそして任意に基材を貫く複数の溝を有するｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料を含む基材を包含するフィルターに向けられる。溝の構成は、上記のように変わり得る。
【０５９１】
別の実施形態では、本発明は、濾過基材を含む内燃機関排気を処理するための改良型粒子フィルターであって、改良が、部分的に基材を通して延びる約１００〜約１，０００、好ましくは約６００個の溝を有するｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料を含む基材を含み、この場合、上記基材がウォールフロー構成を有するフィルターに向けられる。
【０５９２】
別の実施形態では、本発明は、基材及び金属酸化物ウォッシュコートを含む内燃機関排気を処理するための改良型粒子フィルターであって、改良がＡＥＴＢを含む基材を含むフィルターに向けられる。
【０５９３】
別の実施形態では、本発明は、上記のようなｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料を含む濾過基材を有するディーゼル粒子フィルター（ＤＰＦ）に向けられる。濾過基材は、ＤＰＦ中に用いるのに適しているように構成される。ＤＰＦは、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、ＤＰＦは本発明の濾過基材を含み、この場合、上記基材は、約１２ｌｂ／ｆｔ３の密度を有し、約９７％の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、約６００ｃｐｓｉを有しそして約６ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるｍａｎｉ−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、実質的に正方形の開口（又は穴）を有する実質的に箱形（基材を貫く種々の長さ）の溝形状を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。さらにこの実施形態では、触媒基材はアルミナウォッシュコートを含む。この実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。ｍａｎｉ−触媒コンバーターのキャニスターは、スエージ加工法により調製される。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、２つの基材ユニットを含む。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、膨張性マットを含む。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。さらにｍａｎｉ−触媒コンバーターの基材は、保護強化され得る。保護コーティングは、基材の内側に又はその外表面に適用され得る。
【０５９４】
缶密封型
本発明の触媒コンバーターは、キャニスターを有する。キャニスターは、当該技術分野で既知の方法に従って調製され得る。さらに本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターのキャニスターは、当該技術分野で既知の材料、例えばスチールを用いて、キャニスターを製造し得る。
【０５９５】
好ましい実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、市販の車両の後部排気管に取り付けられ得る出口管を有する。好ましくは触媒コンバーターは、約２と１／２又は３インチの直径を有する後部排気管に適合する。
【０５９６】
例えば適切なキャニスターとしては、以下の方法のいずれか１つに従って製造されるものが挙げられる：クラムシェル、ターニケット、シューボックス、スタッフィング及びスエージ加工。上記の缶密封法は、２つの異なる間隙制御メカニズムを利用する：（１）固定間隙、及び（２）固定缶密封力。溶接プロセスの観点から、該方法は、１つ又は複数の継ぎ目を有するコンバーターを生成する。これらの分類は、表３に例示される（Ｒａｊａｄｕｒａｉ  １９９９）。
【０５９７】
【表３】
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【０５９８】
固定力を用いた缶の密閉は、基材、缶及びマットそれ自体の寸法許容誤差影響を排除することにより、より正確な間隙密度制御を提供する。固定間隙まで缶を閉じることは、固定最終寸法のコンバーターを生じるという利点を有し、これは、主として完成缶への円錐部分の溶接に関して、コンバーターデザインを簡単にする。
【０５９９】
低アスペクト比の円形又は楕円形コンバーターのためには、単一継ぎ目デザインが通常は好ましく、この場合、それは均一間隙密度分布を提供し得る。単一継ぎ目シェルは、より多くの製造適応性も提供し、高価な道具を必要としない。二重継ぎ目デザインは通常は、高アスペクト比を有する楕円形コンバーターに必要とされる。この場合、補強リブが、シェルに型押しされて、その変形及びその結果生じる間隙不均一性を防止する。二重継ぎ目シェルは型押しプロセスで製造され、これは、非常に高価な道具を要し、そして高生産容積により位置調節されなければならない。
【０６００】
クラムシェル
一実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、クラムシェル技術で製造されるキャニスターを含む。別の実施形態では、粒子フィルターは、クラムシェル技術で作られるキャニスターを含む。北米では、クラムシェルは、伝統的に、乗用車及び軽トラックにおける床下式コンバーターの最も一般的デザインであった。クラムシェル触媒コンバーターの構築は、図６に示されている。セラミック触媒基材（単数又は複数）は、マットに包まれて、シェルの底部に置かれる。次にシェルの別の対称的部分が上部に構成され、一緒に圧縮されて、溶接される。
【０６０１】
排気ガスによる基材の迂回を回避するために、取付けマットにタング及びグルーブ・デザインが用いられる。上記のコンバーターは、末端封止装置も含む。封止装置は、ここでは、漏出を防止するというよりむしろ、ガス衝突及び腐食に対してマットを保護するために用いられる。マットを利用するほとんどのコンバーターが、末端封止装置を有さない。マットの代わりに金網マウントが用いられる場合はいつも、少なくとも基材の入口面に、末端封止装置が必要とされる。
【０６０２】
クラムシェル・コンバーターはしばしば、外部熱遮蔽体を装備される。内部断熱デザインも開発され、クラムシェル型押しの内側は断熱材の余分の層で裏打ちされる。
【０６０３】
旧型デザインの触媒コンバーターは、缶内の基材の軸移動を防止するために、クラムシェル型押し中に支持環又は深いポケットを包含した。高保持圧の膨張性マットを利用する適正に設計されたコンバーターでは、このような方策は必要とされない。基材の軸支持を用いない多くの自動コンバーターが存在し、これは依然として印象的な耐久性記録を示す。しかしながら軸支持は、より大きな且つより重い基材に関しては、或いは低保持圧の非膨張性マットが用いられる場合には、必要とされ得る。もう一つの考慮すべき事柄は、マットの腐食である。コンバーター・シェル・プロフィール又は末端円錐は、熱い排気ガスの直接衝突からマットを保護するような様式で設計されるべきである。いくつかのコンバーターメーカーはマット縁を含浸するが、これはガスに曝露され、それらの腐食耐性を改良するために化学物質を用いる。現代のコンバーター中の高保持圧も、腐食に対するマット耐性を改良する。
【０６０４】
デュアル・モノリス・コンバーターは、多くの自動車用途で用いられる。モノリス長製造制約に応じて、又は１つのコンバーター中で異なる仕様を有する触媒を併合するため、２又はそれ以上のモノリスが用いられ得る。ほとんどのデュアル・モノリス・コンバーターでは、クラムシェル型押し中に別個のポケットを形成することにより保持される空間により、基材は分離される。いくつかのデザインにおいて、基材間の空間は、金属又はセラミック環により保持される。間に空間を有さない突合せモノリス位置も考え得る。間隔を有するデザインより低い圧力低下を提供する突合せデザインは、ガソリンエンジンのためのいくつかの商業用コンバーターで用いられてきた（非特許文献１４）。
【０６０５】
コンバーター・シェル・幾何学形状は、必要なマット圧縮を提供しなければならない。クラムシェル・プロフィールは、必要な堅さ及び均一な圧力分布を提供するための型押し補強リブを包含する。これは、平坦楕円形触媒基材に関して特に重要である。リブを設計する際、基材又はマットに対する損害を引き起こし得る過剰圧力域が存在しないよう注意しなければならない。クラムシェル法は、モノリスの寸法許容誤差ならびにクラムシェル型押しに高要件を課す。クラムシェル缶密封中のマット圧縮は、ハーフシェルが閉じるまで進行して、ある間隙厚を生じる。間隙厚は、モノリス及びシェルの寸法により確定される。したがってモノリスサイズの任意の変動は、マット密度の変動を、そして結果的に、コンバーター耐久性問題を引き起こし得る缶密封圧の変動を生じる。
【０６０６】
ターニケットは、缶密封プロセス中の取付け圧の直接制御を可能にする最も一般的方法である。ターニケットは基材モノリスの間で起こり得る寸法差の影響を受けないため、最も強固な触媒コンバーターの製造を可能にする。実際、ターニケット法は、円形又は円形に近い形の触媒基材横断面に限定される。床下位置で用いられる楕円形又は扁平楕円形自動式コンバーターに対するその適性は、非常に限定される。ターニケットは、かつては欧州における自動車メーカーの間でよりポピュラーであったが、しかしそれは、床下位置からエンジン密着位置に移動された自動コンバーターとして、北米でより一般的になった。ターニケットは、大型ディーゼルエンジン用の大直径触媒コンバーターにも適している。ターニケット触媒コンバーターは、に示されている。
【０６０７】
ターニケット技法では、基材は先ずトング・アンド・グルーブ形マットにくるまれる。次にくるまれたモノリスは、縦方向に割られた缶の内側に置かれる。缶は、金属シートの長方形片を巻くことにより、二次加工され得る。重複部分の下に来る長方形の部分は、通常は先細にされる。いくつかのデザインでは、付加的型押し操作により、缶の重複部分が突出リップに形成されて、重複部分の下の缶の縁に空間を提供する。このようなデザインは、缶の内縁がマットに切断されたり又は、特に薄いマットが用いられる場合に、缶密封部分が損害され得る局所圧増大が生じるのを防ぐ。次に、くるまれたモノリスを有する缶は、アセンブリに制御力を適用するターニケット機械中に置かれる。缶は、依然として圧力下にある場合、タック溶接されて、機械から取り出され、シーム溶接される。品質保証測定として、プッシュアウト試験が時々実行される。制御力を適用することにより引き起こされる軸モノリス置換は、特殊試験装置で測定される。最後に、コンバーター・ヘッダー又は末端円錐、ならびにフランジ及び／又は口は、別個の操作でコンバーター本体に溶接される。水中に沈めながら空気で加圧することにより、溶接の質に関して最終アセンブリが試験され得る。
【０６０８】
ターニケット機械は、缶密封部品に動力を適用するスチール・バンドのループを包含する。ループの一端は機械にしっかり取り付けられ、一方、他端は空気又は水力作動装置により引張られる。いくつかの機械では、振動が缶密封中に適用されて、密閉力を最小限にし、そして圧力のより均一な分布を保証する。
【０６０９】
所定マットに関する目標固定密度に達するために実際に必要な缶密封力は、一連の試験により確定され得る。いくつかのコンバーターは、異なる密閉力を用いて密閉されるべきである。所望のマット密度を生じた缶密封力は、選択されるべきである。マット圧減少のため、ターニケット機械が反復密閉速度及び時間パターンを生じることが重要である。目標密閉力が達成された後、機械は、一定不変の力というよりむしろ、タック溶接を可能にするために定位置に缶を保持すべきである。マット圧が低減した時に缶に一定の力を適用すると、マットの過剰圧縮を生じる。
【０６１０】
シューボックス技法は、クラムシェル法に類似した分割２部シェルを利用する。しかしながらシェルは、他方のシェルと重複する半シェルの一方の縁で、固定力下で密閉される。したがってシューボックスは、基材の寸法許容誤差に対するその無感応性に関連して、ターニケットの強固なパッケージング利益を提供する。
【０６１１】
補強リブが、シューボックス・シェル上に型押しされ得る。したがってこの技法は、ターニケットが不適切である場合の扁平楕円形基材の缶密封を可能にする。
【０６１２】
スタッフィング
スタッフィング技法では、マット巻き付けモノリスは、円筒缶中に押し込まれる。缶は通常は管の一区分から作られるが、しかしそれは金属シートを巻かれ、そして溶接され得る。非円筒形（例えば台形）も考え得る。この方法は小型乗用車コンバーター及び大型エンジン用の大型コンバーターの両方に適用可能である。図に示されているように、スタッフィング・コーンは、モノリスの平滑挿入を促すために用いられる（非特許文献１５）。操作完了後、末端円錐はシリンダーの各末端と溶接されて、缶アセンブリを完了する。
【０６１３】
詰め込まれたコンバーターはターニケットアセンブリと類似の外観を有するが、しかし基材保持の実際のメカニズムは、クラムシェル・デザインと同じである。特にマット固定圧は、シェルの及びモノリスの幾何学的寸法により確定される。その結果として、スタッフィング技法が用いられる場合、基材直径の高反復性が必要とされる。
【０６１４】
スタッフィング技法の変法（ソフトマウント技法と呼ばれる）は、コーニング（非特許文献１６）により提唱された。目的は、スタッフィング中のピークマット圧を最小にして、低強度により特性化される超薄壁基材の缶密封を可能にすることであった。重要な考え方は、基材の前方に構成されるアーバと呼ばれる先細円筒形工具を用いて、挿入中のマットのピーク圧応答を捕らえることである。
【０６１５】
ソフトマウント法では、マットは先ず缶中に挿入され、そこでそれはプロセス中にフランジ上に保持される。次にマット裏打ち間がアーバ及び基材上に押し下げられる（即ち、アーバは基材上に構成される）。アーバは末端で内側に向けて溝を付けられて、缶−マットアセンブリ中に容易に滑り込む。アーバは、それが移動する缶に対してマットを圧縮する。缶中のアーバに取って代わる位置に基材が移動すると、それは、マットを圧縮するために必要とされる瞬間ピーク量に曝露されない。
【０６１６】
スエージ加工
スエージ加工コンバーターでは、コンバーター・シェルは、マット巻き付け基材が挿入された後に、所望の直径に規格化される。スエージ加工は、乗用車用途のための大量生産に適した全自動ＣＮＣ制御装備で実施されるより新しいパッケージング技法である。スエージ加工コンバーターは、それらの末端円錐と一緒に、管の一区画から製造されることができ、これらは、同一製造機械で紡糸成形工程で得られる。
【０６１７】
間隙制御メカニズムは、それがスタッフィングを用いる場合と同様に、一定間隙厚として分類され得るが、しかしＣＮＣ制御生産ラインは、基材直径の差を自動的に説明し得る。スエージ加工コンバーターは、最初に、完成品の目標直径よりわずかに小さい直径に成形されて、機械加工後にシェルを「後ろに跳ぶ(spring back)」ようにさせなければならない。これがこの方法の欠点であり、これは、缶密封中の過剰ピーク圧及び基材損害をもたらし得る。
【０６１８】
触媒コンバーター・ヘッダーは、入口及び出口管と基材横断面との間に転移を提供する。ほとんどのコンバーター・ヘッダーが、軸ガス流を有する円錐又は漏斗として造形される。他のデザイン、例えば切頭化ヘッダー（非特許文献１７）又は接線方向ガス入口を有するヘッダーが考え得るが、しかし一般的でない。入口ヘッダーの機能は、入口流を拡散すること、即ち、ガス速度を低減し、そしてできるだけ少ない総圧力損失でその静圧を増大することである。実際、併合ヘッダー損失は、幾何学的及び流動条件によって、全コンバーター圧低下の１０％〜５０％を構成し得る。これらの圧力損失は、より多くの均一流動分布を提供するコンバーター入口ヘッダーを設計することにより、最小限にされ得る。触媒コンバーターにおける均一流動分布がその排出性能及び／又は耐久性を改良する、という概念も存在する。本発明の一実施形態では、触媒コンバーター又は粒子フィルターは、約３０％の角度を有するヘッダーを有する。
【０６１９】
マット
本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターは、任意にマットも含む。上記又は下記に列挙される実施形態のいずれかは、マットを含み得る。或る実施形態では、本発明はマット（又はマット又はバッティング）をさらに含む。例えば本発明の触媒コンバーターは、一実施形態では、上記のような触媒基材、マット及びキャニスターを含む。本発明で用いるのに有用なマットは、当該技術分野で既知である。
【０６２０】
或る実施形態におけるマットは、本明細書中に記載されるような、そして当該技術分野で既知である多くの属性に基づいて選択され得る。触媒コンバーターキャニスターは、好ましくは所定の触媒基材及び所定のマットのために必要とされる固定圧を提供するような方式で設計される。マットの固定圧は、圧縮中に、その初期嵩密度から最終目標密度に幾何級数的に増大する。固定圧は、粘弾性緩和を示し、即ち缶密封時に生じるピーク初期圧は、マット繊維の再編成のため最初の数秒又はその後の数分間、有意に低減する（Ｍｙｅｒｓ  ２０００）。緩和のための膨張性マットの固定圧損失は、初期ピーク固定圧の３０〜６０％変化する。
【０６２１】
マット緩和、ならびにその後の使用中の圧力損失のため、固定圧は、缶密封プロセス明記のための便利なパラメーターではない。代わりに、固定密度（しばしば間隙嵩密度（ＧＢＤ）と呼ばれる）が、その目的のために一般的に用いられる。典型的マット固定密度は、それらの嵩（非圧縮）密度と一緒に、表２に列挙される。所定の用途に関する正確な密度は、マットメーカーに指導を求めるべきである。所定の用途に関する正確な密度は、基本重量を伝えて、マットメーカーに指導を求めるべきである。重量／面積は、ｇ／ｍ２又はｋｇ／ｍ２で表わされる（これらは重量というよりむしろ質量の単位であり、慣例的用語「重量／面積」は、厳密に言えば、「質量／面積」と取り替えられるべきである）。利用可能なマットは、１，０５０〜６，２００ｇ／ｍ２の範囲のそれらの重量／面積を有し、そして非圧縮厚は１．５〜１０ｍｍである。３，０００〜４，０００ｇ／ｍ２の膨張性マットは、典型的には自動車コンバーターのために用いられる。より高いマット重量、例えば６，２００ｇ／ｍ２（６．２ｋｇ／ｍ２）が、より厳しい用途のために又は大型コンバーター用に推奨される。
【０６２２】
触媒コンバーター固定マットの別の重要な特性は、時に基本重量とも呼ばれる、それらの重量／面積である。重量／面積は、ｇ／ｍ２又はｋｇ／ｍ２で表わされる（これらは重量というよりむしろ質量の単位であり、慣例的用語「重量／面積」は、厳密に言えば、「質量／面積」と取り替えられるべきである）。利用可能なマットは、１，０５０〜６，２００ｇ／ｍ２の範囲のそれらの重量／面積を有し、そして非圧縮厚は１．５〜１０ｍｍである。３，０００〜４，０００ｇ／ｍ２の膨張性マットは、典型的には自動車コンバーターのために用いられる。より高いマット重量、例えば６，２００ｇ／ｍ２（６．２ｋｇ／ｍ２）が、より厳しい用途のために又は大型コンバーター用に推奨される。
【０６２３】
パッケージングマットは、熱排気ガスの衝突により引き起こされる腐食を受け得る。腐食に対する耐性は、マットの重要な特質である。腐食に対する耐性は、間隙嵩密度に大いに依っている（非特許文献１８）。
【０６２４】
固定マットの多くのその他の属性は特定され及び／又は試験されており、そしてマットメーカーから入手可能である。これらの属性の一覧としては、熱伝導度、ガス封止属性、摩擦係数等が挙げられる。
【０６２５】
固定系の設計中、以下の考察が、或る実施形態で、説明される。
【０６２６】
固定圧：固定マットがシェルに基材を連結する唯一の手段であると仮定すると（即ち、コンバーターは末端封止装置又は支持環を有さない）、マット表面の摩擦と組合せた放射圧により、機械的連結が提供される。固定圧は、基材を適所に保持するために必要とされる最小圧である。
【０６２７】
ピーク固定圧。  上記のように、マットは粘弾性固体のように振る舞い、初期圧縮中に高いピーク固定圧を生じ、その後、漸次緩和して、残留固定圧に達する。薄い壁基材では、ピーク圧は、パッケージング中に触媒コアに対する損害を生じ得る。マットの一過性行動は、ターニケットとのような一定間隙サイズと対照的に、一定の力によっている缶密封法を設計する場合にも考慮されなければならない。
【０６２８】
温度挙動。膨張性マットに関して、マット圧は、バーミキュライトを活性化するために到達する十分な温度に依っている。少なくとも５００℃の入口温度が、バーミキュライト活性化のために必要とされる；特定の系における熱転移状態によって、より高い入口温度が必要とされ得る。ガソリン用途では、マットはエンジン作動の初期時間中に車両上で活性化される。触媒コンバーターの炉処理がディーゼル用途においては必要とされ得るが、この場合、排気ガス温度は通常車両操作中は十分なレベルに到達し得ない。バーミキュライト膨張は、一部は可逆的であり、温度が増大するとマットを膨張させ、コンバーターが冷却されると収縮させる。バーミキュライトのこの特性は、コンバーターシェルの膨張をさらに補償して、高温で非常に高い固定圧を生じる。これとは対照的に、非膨張性マットは、温度範囲全体を通してほぼ一定の固定圧を示す。図４に見られる温度増大に伴う圧力のわずかな低減は、コンバーターシェルの熱膨張のための間隙膨張に寄与し得る。５００℃を超える温度では、膨張性マットは、非膨張性マットより高い保持圧を提供する。しかしながら５００℃より低い温度では、膨張性マットからの固定圧は、非膨張性マットからのものより実際に非常に低い。したがって非膨張性マットは、コンバーター入口温度が５００℃より低いままである多くのディーゼル用途において好ましい固定材料である。低バーミキュライト含量の膨張性マットは、従来の膨張性マットと非膨張性マットとの間の固定圧を生じる。ハイブリッドマットは、非膨張性マットと同様の圧力レベルを示すが、しかしそれらは高温での一定圧力引き上げを保持し、これが間隙膨張を相殺する。
【０６２９】
間隙膨張。コンバーターが高温に曝されると、間隙厚は、基材及びシェル間の熱膨張係数の差のために増大する。間隙の熱膨張は、固定圧損失の有意の発生源であり得る。間隙膨張は、それがバーミキュライト膨張により補償され得ないので、非膨張性マットが用いられる用途では、特に重要である。設計指針として、間隙膨張は１０％より低く保たれるべきである（非特許文献１９）。
【０６３０】
間隙膨張は、以下の設計因子に依っている：
【０６３１】
基材直径：大きい基材ほど、より高いパーセンテージの間隙膨張を生じる。したがって間隙膨張は、相対的に低いコンバーター温度にもかかわらず、大型ディーゼル用途では依然として問題であり得る。
【０６３２】
間隙厚：間隙が厚いほど、間隙膨張は低い。
【０６３３】
シェル温度：高温であるほどより大きな間隙膨張を生じる。
【０６３４】
シェル材料ＣＴＥ：熱膨張係数が高いスチールほど、より高い間隙膨張を生じる。したがって間隙膨張は、フェライト（オーステナイトと対照して）スチール等級を用いて制御することが容易である。
【０６３５】
マット・エージング。コンバーターが一旦運転されると、膨張性マットは膨張して、固定圧増大を生じる。以下に示すような多くのその他のエージング因子が、固定圧の漸次不可逆的損失に関与する：熱循環；振動加速及びその他の機械的因子；水によるマットの浸漬（凝縮液、車両洗浄液）；ならびにマットが最初に加熱された場合の有機結合剤焼失。
【０６３６】
一般マットの利点及び欠点
従来の用途は、特許文献４６及び特許文献４７に例示されているようなキャニスター中にハニカム基材を固定するための膨張性及び非膨張性繊維性マットを利用する。一従来の系によれば、繊維性マットはキャニスター中に大型触媒成員を固定し得るだけである。
【０６３７】
膨張性マット
膨張性マットは、最初はガソリンコンバーター用に開発された。１９９０年代初頭までに、それらは、ディーゼルを含めて全ての内燃機関用途のための触媒コンバーター中に用いられる最も一般的な種類のセラミックマットになった。膨張性マットは、一旦高温に曝されると、部分的非可逆的膨張という特性を有する。マットに関する熱膨張曲線は、３Ｍ及びユニフラックスを含めたいくつかのメーカーから入手可能である。一旦膨張すると、それらは基材上の保持圧を増大して、非常に安定した固定系を提供する。それらの温度膨張特質のため、膨張性マットは実際に高温でのそれらの固定圧を増大して、スチール・ハウジングの熱膨張のための固定圧損失を補償し得る。
【０６３８】
膨張性マットはアルミナ−シリカセラミック繊維から製造され、それらの熱膨張を提供するバーミキュライトを含有する。典型的組成物は、３０〜５０％のアルミナ−シリカ繊維、４０〜６０％のバーミキュライト、及び４〜９％の有機結合剤（典型的にはアクリルラテックス）を有する。コンバーターが組み立てられた後、通常はエンジン作動の最初の時間中に車両で達成される初期膨張を達成するために、マットは約５００℃のオーダーの温度に曝されなければならない。高温で分解する有機マット結合剤が、マットが最初に加熱されると排出される特徴的臭気に関与する。
【０６３９】
バーミキュライト構成成分は、膨張性マットに関する相対的に低い最大運転温度限界を課す。マットは、約７５０℃の温度でそれらの保持圧を劇的に失う。その温度は通常は、平均マット温度と定義される。したがってマットはより高い排気温度で用いられ得るが、但し、コンバーターシェルの外側からの熱損失のため、マット全体に温度勾配が存在する。膨張性マットの使用は、熱損失がコンバーター壁を通して起こらない熱等温用途に限定される。このような状況としては、例えばオートバイ用途のためにマフラー内側に固定される触媒が挙げられる。
【０６４０】
高含量のバーミキュライト構成成分は、特により高い排気温度での高固定圧にも関与する。膨張性マットからの圧力は、超薄壁基材に関して過剰であり、部品に対する潜在的損害を生じることが判明した。これらの用途に関して、マットメーカーは、低バーミキュライト膨張性マット（時として、「改良型」又は「第二世代」膨張性マットと呼ばれる）を導入したが、これは従来の設計より低い固定圧を提供する。
【０６４１】
非膨張性マット
非膨張性マットは、バーミキュライトを含有しない。したがってそれらは、約１，２５０℃という非常に高い温度限界を提供し得る。非膨張性マットの主要構成成分は、アルミナ繊維であり、有機結合剤の付加を伴う。本発明の或る実施形態では、触媒コンバーター又は粒子フィルターは、本明細書中に記載されるような基材を含み、そして非膨張性マットは繊維性材料を用いてより良好になり得る。
【０６４２】
基材支持は、組込み式圧縮又は繊維「スプリング」に依っており、これは適用温度範囲全体に一定保持圧を提供する。コンバーターシェルは温度に伴って膨張するため、有効コンバーター固定圧の低減が高温で観察される。したがって非膨張性マットは、バーミキュライトマットとは全く逆に、低温で最も安定して触媒基材を保持する。温度が増大すると、コンバーター内側の基材は、力の漸減に伴って保持される。
【０６４３】
非膨張性マットは、高固定圧に耐え得ない（薄壁基材）高温用途だけでなく、ディーゼルエンジンの場合のような低温コンバーターでも用いられ得る。それらはバーミキュライト膨張に依らないため、それらは低温ディーゼルコンバーターにおける炉処理を要しない。
【０６４４】
ハイブリッドマット
本発明の改良型触媒コンバーター又は粒子フィルターは、ハイブリッドマットをさらに含み得る。このようなマットは、当該技術分野で既知である。ハイブリッドマットは、一実施形態では、２層デザイン：即ち非膨張性マットの層の上に膨張性マットの層：を組み入れる。それらの属性及び性能は中間的なもので、膨張性マットより良好な低温度固定圧を有するが、しかし非膨張性マットより高い高温圧を有する。好ましい実施形態では、本発明の改良型ディーゼル粒子フィルターは、小型及び大型適用の両方に用いるために、ハイブリッドマットを含む。
【０６４５】
金網
セラミック触媒基材をパッケージングするために、マットの代わりにニット・ステンレススチール金網が用いられ得る。金網はしばしば、マットより好ましくない固定圧特質を示すとされているが、しかし依然としていくつかの触媒コンバーターに用いられている（伝統的に、金網はＦｏｒｄにより用いられてきた）。ガスによる基材の迂回を防止するために、金網には常に末端封止装置が必要とされる。
【０６４６】
補助熱源
以前に開示されたものに対する別の構成又は例示的実施形態として、フィルター素子は、触媒適用後に基材に付加される一連の電気加熱ロッドの付加を包含し得る。好ましくは加熱素子は、硬化プロセスが任意の電気的接触を害することのないよう、触媒後に適用される。一実施形態では、加熱素子又はロッドは、各縁から約１／４インチ離れて、又は所望される任意の距離に構成される。或る実施形態では、ガス流方向と垂直に置かれ、そして繊維ブランクの形成中に組み込まれる金網構成又は本明細書中に記載されるその他の熱素子も用いられ得る。電気的接触は、Ｎｅｘｔｅｌ布帛又は類似の材料で保護され得る。加熱素子は、プレウォーマーとしてエンジンが始動する前に活性化され、そして排気温度が補助加熱素子により達成される温度を超えるまで、部分的に又は全開運転で作動し続ける。
【０６４７】
フィルター基盤に適用される補助熱源の使用は、フィルター基盤の内側の温度を上げるために、及び／又はフィルター基盤全体に付加的熱を均一に分布させて、それをより効率的にするために、有用であり得る。補助熱源は、抵抗性電気加熱素子で構成され得る。加熱素子は、フィルター基盤形成後に、又はゾル・ゲルプロセス中に挿入され得るロッド構成を有し得る。フィルター基盤は、適用される１つ又は複数の電気加熱素子を有し、そして加熱素子は、同時に、独立して、ならびに循環化された、パターン化された又は無作為の連続系で加熱され得る。加熱素子は、フィルター基盤形成中に又は形成後に挿入され得る金網構成の形態であり得る。フィルターは、単一金網又は複数の金網加熱素子の使用を用い得るし、それらの加熱素子は、同時に又は独立して加熱され得る。さらに金網加熱素子は、循環化された、パターン化された又は無作為の連続系で加熱され得る。加熱素子は、形成中又は形成後に挿入されるロッド、渦巻き又はらせん構成も利用し得る。フィルター基盤は、循環化された、パターン化された又は無作為の連続系の使用を含めて、同時に又は独立して加熱され得る、１つ又は複数の渦巻き又はらせん加熱素子を組み入れ得る。最後に、フィルター基盤は、上記の加熱素子のいずれかの組合せを組み入れ得る。
【０６４８】
上記の抵抗性電気加熱素子に加えて、補助熱源は、赤外線又はマイクロ波熱加熱素子も用い得る。種々の熱源が、フィルター基盤それ自体の内側に補われるか、或いは外部加熱素子としてフィルター基盤を加熱するために用いられ得る。さらにまた、種々の熱源が、独立して、又はその他の加熱素子又は熱源のいずれかと組合せて適用され得る。
【０６４９】
フィルター基盤は、車両輸送に伴って遭遇する通常衝撃からフィルター基盤を保護するために十分な耐久性を有するケーシング中に入れられる。このようなケーシングとしては、一般的金属ケーシング、例えばステンレススチール、スチール又は別の合金が挙げられ得る。材料は、非金属、例えばセラミックベースのケーシングでもあり得る。フィルター基盤は、ケーシングに包まれる前に、断熱材又は詰め物の中に封入され得る。本発明は、熱遮蔽体も包含する。
【０６５０】
フィルター基盤の入口及び出口管は、酸化触媒で被覆され得る。触媒は、非常に短い時間で排気を全体として処理する系を生じる放射線プロセスをより迅速に作り得る。触媒は、貴金属触媒であり得るが、これらの例としては白金、パラジウムであるもの、又はロジウムベースのもの、ならびにその他のものが挙げられる。触媒は、フィルター基盤表面に直接適用され得る。触媒の適用は、フィルター基盤上に噴霧される、溶液中にフィルター基盤を浸漬することにより適用される、或いはフィルター基盤それ自体に注入されるものであり得る。酸化触媒の使用は、低温での粒子状物質の点火を促進するであろう。さらに触媒は、フィルター基盤それ自体の内部の補足ヒーターとしても用いられ得る。
【０６５１】
排気フィルター系は、エンジンそれ自体の排気マニホールドの内側への一体化を含めて、エンジン排気経路とともに一体化され得る。フィルター基盤は、熱及び振動に対して非常に耐久性であるため、排気がエンジンブロックを出る時に、エンジン排気の直ぐ隣に構成され得る。高熱及び増大振動応力に耐えるフィルター基盤の独特の能力は、本発明の構成をエンジンの直ぐ近くにさせる。密接構成は、このような高熱又は振動応力に耐えることができない従来の排気フィルター又は触媒コンバーターを上回る利点を提供する。
【０６５２】
本発明を、詳細にそしてその具体的実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更及び修正がなされ得ることは、当業者には明らかである。したがって本発明は本発明の修正及び変更を網羅するが、但し、それらは添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内であると意図される。
【０６５３】
触媒コンバーターの具体的実施形態
本発明の触媒コンバーター及び粒子フィルターを、以下の非限定的な具体的な実施形態によって、さらに例示する。本明細書中に列挙される多くの具体的な実施形態は、本発明の範囲を例示するが、必ずしも限定するものではない。本発明の触媒コンバーターは、いくつものエンジン及び車両において用いることができる。したがって、一実施形態において、本発明の触媒コンバーターは、以下の企業の中の任意の１つにより生産される車両又はエンジンにおける使用に適している。Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｃｈｒｙｓｌｅｒ；Ｃｈｒｙｓｌｅｒ；Ｄｏｄｇｅ；Ｅａｇｌｅ；Ｊｅｅｐ；Ｐｌｙｍｏｕｔｈ；Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ；ＡＭ  Ｇｅｎｅｒａｌ（例えば、ＨＵＭＭＥＲ）；Ｂｕｉｃｋ；Ｃａｄｉｌｌａｃ；Ｃｈｅｖｒｏｌｅｔ；Ｇｅｏ；ＧＭＣ；Ｈｕｍｍｅｒ；ＬａＳａｌｌｅ；Ｏｌｄｓｍｏｂｉｌｅ；Ｐｏｎｔｉａｃ；Ｓａｔｕｒｎ；Ｆｏｒｄ；Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ；Ｌｉｎｃｏｌｎ；Ｍｅｒｃｕｒｙ；Ａｃｅ  Ｍｏｔｏｒ  Ｃｏｒｐ；Ａｍｅｒｉｃａｎ  ＭＯＴＯＲＳ；Ａｖａｎｔｉ  ＢＭＷ；Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｃｈｒｙｓｌｅｒ；Ｆｉａｔ；Ｆｏｒｄ；ＧＡＺ；Ｇｅｎｅｒａｌ  ＭＯＴＯＲＳ；本田技研工業（Ｈｏｎｄａ）；三菱自動車（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ）；Ｒｅｎａｕｌｔ；Ｐｅｕｇｅｏｔ；トヨタ自動車（Ｔｏｙｏｔａ）；及びＶｏｌｋｓｗａｇｅｎ  Ｇｒｏｕｐ。他には、Ｈｏｌｄｅｎ；Ｌｉｇｈｔｂｕｒｎ；Ｈａｒｔｎｅｔｔ；Ａｌｐｈａ  Ｓｐｏｒｔｓ；Ｆｉｎｃｈ；Ａｍｕｚａ；Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ  Ｋｉｔｃａｒ；ＦＰＶ；Ｂａｖａｒｉａｃａｒｓ；Ｂｉｒｃｈｆｉｅｌｄ；Ｇ−Ｆｏｒｃｅ；Ｂｏｍａｃ；Ｂｕｌｌｅｔ；Ｈｏｍｅｂｕｓｈ；Ｃａｒｂｏｎｔｅｃｈ；ＨＳＶ；Ｃｌａｓｓｉｃ  Ｇｌａｓｓ；Ｋｒａｆｔｗｅｒｋｚ；Ｃｌａｓｓｉｃ  Ｒｅｖｉｖａｌ；Ｃｏｂｒａ  Ｃｒａｆｔ；Ｐｉｐｅｒ；Ｄａｋｔａｒｉ；ＰＲＢ；Ｄａｙｔｏｎａ；Ｐｙｔｈｏｎ；Ｄｅｕｃｅ  Ｃｕｓｔｏｍｓ；ＲＣＭ；Ｄｅｖａｕｘ；ＲＭＣ；ＤＲＢ；Ｒｏａｒｉｎｇ  Ｆｏｒｔｉｅｓ；Ｅｌｆｉｎ；Ｒｏｂｎｅｌｌ；Ｅｖａｎｓ；Ａｕｓｔｒｏ−Ｄａｉｍｌｅｒ；ＯＡＦ；Ｐｕｃｈ；Ｓｔｅｙｒ；Ｓｔｅｙｒ−Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｐｕｃｈ；ＦＮ；Ｇｅｒｍａｉｎ；Ｍｉｅｓｓｅ；Ｍｉｎｅｒｖａ；Ｎａｇａｎｔ；Ｖｉｖｉｎｕｓ；Ｇｕｒｇｅｌ；Ｐｕｍａ；Ａ−Ｅ；ＡＣ；Ａｌｌａｒｄ；Ａｌｖｉｓ；Ａｒｉｅｌ；Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ  Ｓｉｄｄｅｌｅｙ；Ａｓｈｌｅｙ；Ａｓｔｏｎ  Ｍａｒｔｉｎ；Ａｕｓｔｉｎ；Ａｕｓｔｉｎ−Ｈｅａｌｅｙ；Ｂｅｎｔｌｅｙ；Ｂｅｒｋｅｌｅｙ；Ｂｏｎｄ；Ｂｒｉｓｔｏｌ；ＢＳＡ；Ｃａｔｅｒｈａｍ；Ｃｌａｎ；Ｄａｉｍｌｅｒ；Ｄｅｌｌｏｗ；Ｄｅ  Ｌｏｒｅａｎ；Ｅｌｖａ；Ｆ−Ｌ；Ｆａｉｒｔｈｏｒｐｅ；Ｆｏｒｄ；Ｆｒａｚｅｒ  Ｎａｓｈ；Ｇｉｌｂｅｒｎ；Ｇｉｎｅｔｔａ；Ｇｒｏｄｏｎ−Ｋｅｅｂｌｅ；Ｈｉｌｌｍａｎ；Ｈｕｍｂｅｒ；Ｊａｇｕａｒ；Ｊａｍｅｓ  ａｎｄ  Ｂｒｏｗｎｅ；Ｊｅｎｓｅｎ；Ｊｏｗｅｔｔ；Ｌａｇｏｎｄａ；Ｌａｎｃｈｅｓｔｅｒ；Ｌａｎｄ  Ｒｏｖｅｒ；Ｌｅａ−Ｆｒａｎｃｉｓ；Ｌｉｓｔｅｒ；Ｌｏｃｏｓｔ；Ｌｏｔｕｓ；Ｍ−Ｒ；Ｍａｒｃｏｓ；ＭｃＬａｒｅｎ；ＭＧ；Ｍｏｒｇａｎ；Ｍｏｒｒｉｓ；Ｍｉｎｉ；Ｏｇｌｅ���Ｐａｎｔｈｅｒ；Ｐｅｅｒｌｅｅｓ／Ｗａｒｗｉｃｋ；Ｐｉｐｅｒ；Ｒａｎｇｅ  Ｒｏｖｅｒ；Ｒｅｌｉａｎｔ；Ｒｉｌｅｙ；Ｒｏｃｈｄａｌｅ；Ｒｏｌｌｓ−Ｒｏｙｃｅ；Ｒｏｖｅｒ；Ｓ−Ｗ；Ｓｉｎｇｅｒ；Ｓｔａｎｄａｒｄ；Ｓｔｅｒｌｉｎｇ；Ｓｕｎｂｅａｍ；Ｓｗａｌｌｏｗ；Ｔａｌｂｏｔ；Ｔｏｒｎａｄｏ；Ｔｒｉｄｅｎｔ；Ｔｒｉｕｍｐｈ；Ｔｕｒｎｅｒ；ＴＶＲ；Ｖａｎｄｅｎ  Ｐｌａｓ；Ｖａｕｘｈａｌｌ；Ｗｏｌｓｅｌｅｙ；Ｂｒｉｃｋｌｉｎ；ＭｃＬａｕｇｈｌｉｎ；Ａｅｒｏ；Ｊａｗａ；Ｌａｕｒｉｎ＆Ｋｌｅｍｅｎｔ；Ｐｒａｇａ；Ｓｋｏｄａ；Ｔａｔｒａ；Ｗａｌｔｅｒ；Ｋｅｗｅｔ；Ｅｌｃａｔ；Ｖａｌｍｅｔ；ＲａｃｅＡｂｏｕｔ；Ａｍｉｌｃａｒ；Ａｌｐｉｎｅ，ａｋａ．Ａｌｐｉｎｅ−Ｒｅｎａｕｌｔ；Ｂｏｎｎｅｔ；Ｂｕｇａｔｔｉ；ＣＤ；ＣＧ；Ｃｉｔｒｏｅｎ；ＤＢ；Ｄｅ  Ｄｉｏｎ−Ｂｏｕｔｏｎ；Ｄｅｌａｇｅ；Ｄｅｌａｈａｙｅ；Ｄｅｌａｕｎａｙ−Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ；Ｆａｃｅｌ  Ｖｅｇａ；Ｇｏｒｄｉｎｉ；Ｈｉｓｐａｎｏ−Ｓｕｉｚａ；Ｈｏｔｃｈｋｉｓｓ；Ｐｅｕｇｅｏｔ；Ｒｅｎａｕｌｔ；Ｒｏｓｅｎｇａｒｔ；Ｓｉｍｃａ；Ｓｉｚａｉｒｅ−Ｎａｕｄｉｎ；Ｔａｌｂｏｔ；Ｔｒａｃｔａ；Ｖｅｎｔｕｒｉ；Ｖｏｉｓｉｎ；Ａ−Ｇ；Ａｍｐｈｉｃａｒ；Ａｕｄｉ；Ａｕｔｏ−Ｕｎｉｏｎ；ＢＭＷ；Ｆｅｎｄｔ；Ｇｌａｓ；Ｇｏｇｇｏｍｏｂｉｌ；Ｈ−Ｐ；Ｈｅｉｎｋｅｌ（Ｈｅｉｎｋｅｌ  Ｔｒｏｊａｎ）；Ｈｏｒｃｈ；Ｋａｓｂｏｈｒｅｒ−Ｓｅｔｒａ；Ｋｌｅｉｎｓｃｈｎｉｔｔｇｅｒ；ＭＡＮ；Ｍａｇｉｒｕｓ；Ｍａｙｂａｃｈ；Ｍｅｒｃｅｄｅｓ−Ｂｅｎｚ；Ｍｅｒｋｕｒ；Ｍｅｓｓｅｒｓｃｈｍｉｔｔ；Ｎｅｏｐｌａｎ；ＮＳＵ；Ｏｐｅｌ；Ｐｏｒｓｃｈｅ；Ｓ−Ｗ；Ｓｍａｒｔ；Ｓｔｏｅｗｅｒ；Ｔｉｔａｎ；Ｔｒａｂａｎｔ；Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ（ＶＷ）；Ｗａｒｔｂｕｒｇ；Ｗａｎｄｅｒｅｒ；Ｔｈｏｍｏｎｄ；Ｂａｊａｊ  Ｔｅｍｐｏ；Ｈｉｎｄｕｓｔａｎ；Ｍａｈｉｎｄｒａ；Ｍａｒｕｔｉ；Ｐｒｅｍｉｅｒ；Ｒｅｖａ；Ｓａｎ  Ｓｔｏｒｍ；Ｓｉｐａｎｉ；Ｔａｔａ；Ａｂａｒｔｈ；Ａｌｆａ  Ｒｏｍｅｏ；Ａｕｔｏｂｉａｎｃｈｉ；Ｂｕｇａｔｔｉ  Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｉ  ＳｐＡ；Ｄｅ  Ｔｏｍａｓｏ；Ｄｉｎｏ；Ｆｅｒｒａｒｉ；Ｆｉａｔ；Ｉｓｏ；Ｉｎｎｏｃｅｎｔｉ；Ｉｓｏｔｔａ  Ｆｒａｓｃｈｉｎｉ；Ｉｔａｌａ；Ｌａｍｂｏｒｇｈｉｎｉ；Ｌａｎｃｉａ；Ｍａｓｅｒａｔｉ；ＯＭ；Ｐｉａｇｇｉｏ；Ｑｖａｌｅ；Ｖｅｓｐａ；Ｚｕｓｔ；ダイハツ工業（Ｄａｉｈａｔｓｕ）；本田技研工業（Ｈｏｎｄａ）（Ａｃｕｒａを含む）；いすゞ自動車（Ｉｓｕｚｕ）；マツダ（Ｍａｚｄａ）；三菱自動車（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ）；光岡自動車（Ｍｉｔｓｕｏｋａ）；日産自動車（Ｎｉｓｓａｎ  ａｋａ．  Ｄａｔｓｕｎ）（Ｉｎｆｉｎｉｔｉを含む）；富士重工業（Ｓｕｂａｒｕ）；スズキ（Ｓｕｚｕｋｉ）；トヨタ自動車（Ｔｏｙｏｔａ）（Ｌｅｘｕｓを含む）；Ｐｒｏｔｏｎ；ＡＣＥ；ＡＭＩ；ＡＭＭ；Ｂｕｆｏｒｉ；Ｉｎｏｋｏｍ；Ｎａｚａ；Ｐｅｒｏｄｕａ；Ｓｗｅｄｉｓｈ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；Ｔａｎ  Ｃｈｏｎｇ；ＴＤ  ２０００；Ｄｏｎｋｅｒｖｏｏｒｔ；Ｓｐｙｋｅｒ；ＤＡＦ；Ｐｙｏｎｇｈｗａ；Ｔｏｋｃｈｏｎ；Ｋｅｗｅｔ；Ｔｈｉｎｋ  ａｋａ．  Ｐｉｖｃｏ；Ｔｒｏｌｌ；Ｓｙｒｅｎａ；ＵＭＭ；Ａｒｏ；Ｄａｃｉａ；Ｍａｒｔａ；Ｏｌｔｃｉｔ；Ｖｏｌｇａ；Ｍｏｓｋｖｉｔｃｈ；ＧＭ  Ｄａｅｗｏｏ  ＭＯＴＯＲＳ；Ｈｙｕｎｄａｉ  Ｍｏｔｏｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ；Ｋｉａ  ＭＯＴＯＲＳ；Ｒｅｎａｕｌｔ  Ｓａｍｓｕｎｇ  ＭＯＴＯＲＳ；Ｓｓａｎｇ  Ｙｏｎｇ  Ｍｏｔｏｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ；Ｎｉｌｓｓｏｎ；Ｎｏｒｄｉｃ  Ｕｈｒ；Ｓ．Ａ．Ｍ．；Ｓａａｂ；Ｓｃａｎｉａ；Ｔｈｕｌｉｎ；Ｔｉｄａｈｏｌｍ；Ｔｊｏｒｖｅｎ（輸出市場では、Ｋａｌｍａｒとして販売されている）；Ｖｏｌｖｏ；及びＹｕｇｏ。
【０６５４】
触媒又は濾過マフラー
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材又は濾過基材を含む触媒マフラーにも向けられる。本明細書中に記載されるように、触媒基材又は濾過基材は、単一キャニスター中にマフラーと一緒に収容される。
【０６５５】
一実施形態では、本発明の触媒マフラーは、従来技術の触媒基材が本発明の触媒基材に取って代わられる既知のデザインの触媒マフラーを含む。適切な既知の触媒マフラーとしては、特許文献４８、特許文献４９、特許文献５０及び特許文献５１に開示されるものが挙げられる。
【０６５６】
排気系
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材を含む排気系に向けられる。排気系は一般に、多くの構成部分を含む。排気系は、エンジン、ならびに排気ガスをエンジンとは別方向に向けるための適切な手段を含む。
【０６５７】
排気系は、内燃機関、ならびに排気ガスを燃焼室の排気口とは別方向に向けるための導管を含む。排気系のその他の任意の構成部分としては、排気マニホールド、マフラー及び排気管が挙げられる。
【０６５８】
別の実施形態では、本発明は、本発明のフィルター基材を含む排気系に向けられる。
【０６５９】
別の態様では、本発明は、本発明の触媒基材を利用する改良型排気系に向けられる。別の態様では、本発明は、本発明のフィルター基材を利用する改良型排気系に向けられる。
【０６６０】
本発明の排気系は、以下のうちの任意の１つに使用するのに適している。１）可動性オンロードエンジン、装備及び車両（自動車及び軽トラック；公道用オートバイ及びストリート用オートバイ；トラック及びバス等の大型公道用エンジン）、２）可動性オフロード用のエンジン、装備及び車両（圧縮燃焼エンジン（農場用、建設用、採鉱用等）；小型のスパーク燃焼エンジン（芝刈り機、リーフブロワー、チェーンソー等）；大型のスパーク燃焼エンジン（フォークリフト、発電機等）；舶用ディーゼルエンジン（商業用船舶、レクリエーションディーゼル等）；舶用スパーク燃焼エンジン（ボート、個人用帆船等）；レクリエーション車両（スノーモービル、ダートバイク、オール・テラインビーグル等）；機関車；航空機（飛行機、地上支援装置等））、及び３）固定汚染源（発電所、精製所及び製造工場等の数百の汚染源を含む）。別の実施形態では、本発明は、本発明の基材、触媒コンバーター、粒子フィルター又は触媒マフラーを含む排気系を対象とする。
【０６６１】
本発明のその他の適切な排気系としては、ある種の船舶用途に用いられるものが挙げられる。触媒は、典型的には、エンジンから導かれる排気管中に置かれる。この排気管は、小型船の船体を通って船尾近くの出口に導く。この配列は、特に従来技術の基材に関して、排気管が振動を受けやすくされる。さらに個人用船舶では、船の寸法を小さく保持し、重心を低くするために、エンジンが構成され得る空間の量が限定される。さらにある種の従来技術の基材、例えばコージライトは、エンジンに近すぎる位置に置かれるべきではない（過熱及び融解が考えられる）。本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターを含む船舶用途排気系は、１つ又は複数のこれらの問題を克服し得る。触媒コンバーター又は粒子フィルターは、伝統的コンバーター又はフィルターが置かれるのと同じ場所で海上用排気系中に構成され得るし、或いはそれは別の場所に置かれ得る。例えば或る実施形態では、触媒コンバーターは、従来技術の触媒コンバーターより小さいが、しかし汚染物質の除去及び／又は濾過に際しては実質的に同一効率を有する（例えば特許文献５２参照）。
【０６６２】
その他の実施形態では、本発明の排気系は、排気系から排出される汚染物質を低減するか又は制限するために用いられる１つ又は複数の付加的後処理装置又は方法を包含する。適切な装置及び方法としては、ＣＲＴ、ＥＧＲ、ＳＣＲ、ＡＣＥＲＴ等が挙げられる。例えば一実施形態では、排気系は、本発明の触媒コンバーター、及びＣＲＴを含む。排気系は、ＳＣＲ系をさらに含み得る。さらなる組合せ及び変更が考えられ、そして本発明の範囲内であると理解される。
【０６６３】
別の実施形態では、本発明は、ｎＳｉＲＦ−Ｃ複合材料及び触媒を含む触媒基材を有するＮＯｘ吸着剤を含む排気系に向けられる。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約１２ｌｂ／ｆｔ３の密度を有し、約９７％の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、約６００ｃｐｓｉを有し且つ約６ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるｍａｎｉ−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは１つの溝を有する。好ましい実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターの触媒基材の溝は、コーム法を用いて作られる。さらにこの実施形態では、触媒基材は任意のウォッシュコートを含む。この実施形態では、ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。好ましい実施形態では、ＮＯｘ組合せ排気系は、膨張性マットを含む。ｍａｎｉ−触媒コンバーターは、すべての内燃機関で用いられ得る。ＮＯｘ組合せ系は、好ましくは燃料添加触媒を伴わずに用いられる。一般にＮＯｘ組合せ排気系は、マフラー近くに置かれる基材を有するが、しかし他の位置も考え得る。
【０６６４】
車両
別の実施形態では、本発明は、改良型車両であって、上記改良が、本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターを含む車両に向けられる。改良型車両は、種々の実施態様において、本明細書中に記載される触媒コンバーター及び粒子フィルターの具体的実施形態のいずれかを含む。
【０６６５】
改良型車両の好適な例としては、以下の１つ又は複数の企業製の車両を含む：Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｃｈｒｙｓｌｅｒ；Ｃｈｒｙｓｌｅｒ；Ｄｏｄｇｅ；Ｅａｇｌｅ；Ｊｅｅｐ；Ｐｌｙｍｏｕｔｈ；Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ；ＡＭ  Ｇｅｎｅｒａｌ（例えば、ＨＵＭＭＥＲ等）；Ｂｕｉｃｋ；Ｃａｄｉｌｌａｃ；Ｃｈｅｖｒｏｌｅｔ；Ｇｅｏ；ＧＭＣ；Ｈｕｍｍｅｒ；ＬａＳａｌｌｅ；Ｏｌｄｓｍｏｂｉｌｅ；Ｐｏｎｔｉａｃ；Ｓａｔｕｒｎ；Ｆｏｒｄ；Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ；Ｌｉｎｃｏｌｎ；Ｍｅｒｃｕｒｙ；Ａｃｅ  Ｍｏｔｏｒ  Ｃｏｒｐ；Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｍｏｔｏｒｓ；Ａｖａｎｔｉ  ＢＭＷ；Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｃｈｒｙｓｌｅｒ；Ｆｉａｔ；Ｆｏｒｄ；ＧＡＺ；Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ；本田技研工業（Ｈｏｎｄａ）；三菱自動車（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ）；Ｒｅｎａｕｌｔ；Ｐｅｕｇｅｕｔ；トヨタ自動車（Ｔｏｙｏｔａ）；Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ  Ｇｒｏｕｐ；及びＹｕｇｏ。
【実施例１】
【０６６６】
滞留時間、又は焼失時間は、排気排気物からの炭化水素が排出フィルター内に留まって、燃焼又は酸化を完了する時間の量である。本発明の滞留時間は、従来の系より有意に良好である。図１９は、それぞれ６００ケルビン、９００ケルビン、１，０００ケルビン及び１，２００ケルビンの温度で、煤を燃焼又は焼失するために要する滞留時間１９０２、１９０４、１９０６、１９０８のグラフを提示する。粒子がより多くの運動エネルギーを有するほど、反応が成功する見込みは高い。図１９に示したように、０．９煤煙質量を有する煤を６００度ケルビンで燃焼又は焼失するための滞留時間１９０２は、１２００度ケルビンでの滞留時間１９０８よりはるかに長い。滞留時間が長いほど、許容可能な処理量容積は小さく、そしてより多くの粒子がフィルター上に蓄積し、フィルター孔を目詰まりさせる危険が大きくなる。目詰まりは、セラミック材料が融点にまで過熱し、それにより孔を遮断するか又は目詰まりさせた結果でもあり得る。滞留時間値１９０２、１９０４、１９０６は、コージライト試料を示す。滞留時間１９０２、１９０４、１９０６は、燃焼を完了するために約２分〜約２０分の範囲にわたる。滞留時間１９０８は、本発明の一実施形態を表わし、燃焼を完了するために約０．７５秒を要するだけである。
【実施例２】
【０６６７】
基材
本明細書中に記載したように、基材１〜７を調製した。ＡＥＴＢ−１２はＣＯＩ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｉｎｃ．から購入し、１２ｌｂｓ／ｆｔ３の密度を有する選択ｎＳｉＲＦ−Ｃ材料として用いた。基材／フィルターを、本特許に記載した標準カーバイドドリルビット先細機械加工法を用いて、８×８×４の寸法のＡＥＴＢ−１２ビレットから機械加工した。以下の寸法を有する円筒形状に基材を機械加工した：半径２インチ、縦方向長１インチ。
【０６６８】
本明細書中に記載され、当該技術分野でも既知である標準ＣＮＣ穿孔法を用いて、フロースルー、ウォールフロー及び混合型フロースルー／ウォールフロー溝を基材中に穿孔した。直径０．０４２インチのステンレススチールドリルビットを１０，０００ＲＰＭで用いて、溝を穿孔した。穿孔プロセス中、材料の高熱排出性及び伝導性のため、ドリルビットを損害し、最終的に融解する高温環境にドリルビットが曝される、ということが観察された。壁厚は測定しなかった。
【０６６９】
基材１及び２は、フロースルー構成を有した。基材３〜６は、ウォールフロー構成を有した。基材３は、フロースルーとして約２５％、及びウォールフローとして約７５％の溝を有した。基材４は、フロースルーとして約５０％、及びウォールフローとして約５０％の溝を有した。基材５及び６は、フロースルーとして約７５％、及びウォールフローとして約２５％の溝を有した。
【０６７０】
基材のいくつかをアルミナウォッシュコートでコーティングし、その後、５：１のＰｔ：Ｒｈ比触媒コーティングを施した。具体的には、基材１、２及び７はいかなる化学物質でもコーティングしなかった。基材３、４、５及び６は、従来技術で既知の標準技法を利用して、均一ウォッシュコートを施した。各基材に適用したウォッシュコートの質量は、「ウォッシュコートの質量」という表題の欄に示されている。ウォッシュコートに続いて、５：１のＰｔ／Ｒｈを含む触媒混合物を、標準方法を用いて基材３、４、５及び６に適用した。各基材／フィルターに適用した触媒混合物の質量は、「触媒の質量（ｇ／ｆｔ３）」という表題の欄に示されている。ウォッシュコート及び貴金属触媒量を有する基材を、従来技術で既知の技法を用いて缶密封した。
【０６７１】
【表４】
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【実施例３】
【０６７２】
触媒及び濾過基材の調製
明記しない限り、実施例２に記載したものと全く同様に、基材／フィルターを調製した。
【０６７３】
実施例１における基材／フィルターとは顕著に異なり、最終奥行き３／４インチ×１インチスラグを、コームアセンブリをＣＮＣから取り出し、逆（鏡像）コームアセンブリをＣＮＣパンチ上に載せて、穴開けの突つき法と同じプロセスを用いた。この機械加工法の最終結果は、６００ｃｐｓｉで、６ミル壁及び１／２インチウォールフロー・重複である。図２８に示したように、ウォールフロー構成での基材／フィルターの寸法は、直径１インチ×厚み１インチで、そのスラグの内側のパターンは０．８インチ×０．８インチ（平方インチ）であった。この基材を用いて、初期段階デルタＰ試験を首尾よく実行して、ウォールフロー構成により引き起こされる流れの閉塞によるＮ２ガス流中に認められる圧力低下を観察した。図２９は、２７℃、２９℃及び４００℃の温度に関するガス流量の一関数として、反応器−試験管流動測定系で測定された圧力の低下を示す。図３０は、１２５ＳＬＰＭの一定流量での温度の一関数として同一反応器中で測定された圧力の低下を示す。これらの初期結果は正であり、ｎＳｉＲＦ−Ｃ基材／フィルターが高背圧をウォールフロー構成においては生じないことを示す。
【実施例４】
【０６７４】
触媒及び濾過基材の調製
明記しない限り、実施例１２に記載したものと全く同様に、基材／フィルターを調製した。
【０６７５】
実施例１における基材と顕著に異なり、それぞれ１１、１２及び１６ｌｂｓ／ｆｔ３の密度を有するＡＥＴＢ−１１、ＡＥＴＢ−１２及びＡＥＴＢ−１６ビレット（COI Ceramics Inc.から購入）を用いて、３つの異なる基材を生成した。
【０６７６】
最終奥行き３／４インチ×１インチスラグであるＡＥＴＢ−１１から作製した基材／フィルターに関して、コームアセンブリをＣＮＣから取り出し、逆（鏡像）コームアセンブリをＣＮＣパンチ上に載せて、穴開けの突つき法と同じプロセスを用いた。この機械加工法の最終結果は、６００ｃｐｓｉで、６ミル壁及び１／２インチウォールフロー・重複である。最終奥行き７／８インチ×１インチスラグであるＡＥＴＢ−１２及びＡＥＴＢ−１６から作製した基材／フィルターに関しては、コームアセンブリをＣＮＣから取り出し、逆（鏡像）コームアセンブリをＣＮＣパンチ上に載せて、穴開けの突つき法と同じプロセスを用いた。この機械加工法の最終結果は、６００ｃｐｓｉで、６ミル壁及び３／４インチウォールフロー・重複である。
【０６７７】
この段階で試験したすべての基材／フィルターの寸法は、直径１インチ×厚み１インチであった。基材を別の初期段階デルタＰ試験に曝露して、時間当たりの速度を空間の一関数として、基材材料密度及びウォールフロー構成に関して観察される圧力低下を観察した。この特定の試験を、９３２°Ｆの温度で実行した。試験結果を図３１にまとめる。われわれのＡＥＴＢ−１１、ＡＥＴＢ−１２及びＡＥＴＢ−１６基材フィルターに関して観察されたデータのほかに、Ｃｏｒｎｉｎｇにより報告された彼等の４００／６．６フロースルー・コージライト基材／フィルター及び２００／１２コージライトＤＰＴ（ウォールフロー構成）に関する結果も示す。Ｃｏｒｎｉｎｇのデータは、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔｓにより得た。ウォールフロー構成のＣｏｒｎｉｎｇＤＰＴはコージライトフロースルーフィルターと比較して過剰背圧を生じるが、われわれのｎＳｉＲＦ−Ｃフィルターは、それらをウォールフロー構成で用いた場合でさえ、コージライトフロースルー基材と等価の背圧を生じる、ということをわれわれの結果は示す。図３１で観察されるように、背圧はウォールフローＤＰＴにおける大きな問題であったため、本特許で発明されたようなｎＳｉＲＦ−Ｃ材料から作られるウォールフローＤＰＴの使用は、優れた代替物をもたらす、と推測される。さらに、ＡＥＴＢ−１１基材／フィルター対ＡＥＴＢ−１２及びＡＥＴＢ−１６基材／フィルターで観察された背圧の比較は、「重複」溝長の増大がより良好な背圧性能をもたらすと推測される、ということも観察された。
【０６７８】
図３２は、１，１００°Ｆの作動温度で実施した同一試験であり、結果における傾向はほとんど同じである。
【実施例５】
【０６７９】
触媒及び濾過基材の調製
明記しない限り、実施例２に記載したものと全く同様に、基材／フィルターを調製した。
【０６８０】
ＡＥＴＢ−１２をCOI Ceramics Inc.から購入し、１２ｌｂｓ／ｆｔ３の密度を有する選択ｎＳｉＲＦ−Ｃ材料として用いた。レーザーベースの溝穿孔技法を試験して、３，０００ｃｐｓｉ及び３０，０００ｃｐｓｉで穴を作製した。本明細書中に記載され、そして関連従来技術でもどこかに記載されたようなＤＰＳＳレーザー系を用いて、穴を穿孔した。パルス高エネルギーレーザー系を用いて作製した穴は正方形の形状で、特定構成のため、高前表面積を示した。高前表面積（溝の壁厚に関する大きな数値により生じた）の存在は、実施例３に記載したのと同一の試験流動反応器を用いて実行したデルタＰ試験で明らかであった。レーザーベースの穿孔技法を用いて首尾よく作製された初期段階原型に関して、デルタ背圧は１０インチ未満という値の水がもたらされなければならない、ということが観察された。適用の必要性により指示されるように、セル密度を低減（又は増大）し、壁厚を変更するために、さらなる修正を成すことができる。
【０６８１】
図３３は、２７℃及び４００℃で３０，０００ｃｐｓｉのセル密度を有するＡＥＴＢ−１２基材／フィルターに関するＮ２ガス流量の一関数としての圧力の変化を示す。図３４は、３０，０００ｃｐｓｉのセル密度を有するＡＥＴＢ−１２基材／フィルターに関する種々のＮ２ガス流量に関する作動温度の一関数としての圧力の変化を示す。
【０６８２】
図３５は、２９℃及び４００℃で３０，０００ｃｐｓｉのセル密度を有するＡＥＴＢ−１２基材／フィルターに関するＮ２ガス流量の一関数としての圧力の変化を示す。
【実施例６】
【０６８３】
ディーゼル粒子フィルター
ＡＥＴＢ処方物を用いて基材を作製し、約８ポンド／立方フィートの密度を有する約１３インチ×約１３インチ×約５インチの寸法を有するビレットに形成する。ビレットから、高さ５インチの円筒形スラグ（直径６インチ）を先端にダイヤモンドを付けた鋸を用いて、ビレットから切断する。この基材をさらに、回転旋盤上で正確な許容誤差（．００１インチ以内）に機械加工する。
【０６８４】
次に基材中に複数の溝を形成して、６００個／立方インチの溝を含有し、ウォールフロー構成を有する基材を形成する。本明細書中に記載した複合穿孔及びコーム技法を用いて、溝を形成する。溝は、約６ミル×６ミルの寸法を有する正方形である。隣接溝の隣接壁は、実質的に互いに平行である。溝は基材の全長を通って延びるわけではなく、長さは約４．９インチである。
【実施例７】
【０６８５】
総表面積の測定
第一及び第二コージライト試料は、それぞれ３３．２及び４６．９７平方インチ／立方インチの総表面積を有する。したがって第一コージライト試料の１立方インチ中には、貴金属負荷を置くための３３．２０平方インチの表面が存在する。本発明の基材の一試料は、８３．５８平方インチ／立方インチの総表面積を有する。
【０６８６】
第一及び第二コージライト試料に関する総壁容積は、ともに０．３１１ｉｎ３／ｉｎ３（立方インチ／立方インチ）である。本発明の基材の総壁容積は、０．２７２立方インチ／立方インチである。この値は第一及び第二コージライト試料より低いが、しかし本発明は、非常に高い多孔性及び浸透度を有するので、より小さい総壁容積をさらに効率的にする。
【実施例８】
【０６８７】
活性試験
活性試験は、フィルターを出入りする汚染物質の量を測定する。一活性試験では、試料フィルターを反応器に入れて、既知の流量及び温度のガスをポンプで材料に送り込む。次いで、活性試験は、フィルターを出る汚染物質の量を測定する。図２４を参照して、本発明の例示的基材２４１０及びコージライトの一試料２４２０の活性試験を示す。試験は、濃度５００ｐｐｍ及び空間速度４０，０００／時でのトルエンの活性を測定した。２つの試料のセル密度は、ともに４００ｃｐｓｉであった。
【０６８８】
本発明の基材２４１０は、コージライト試料２４２０より速い点火時間（有意に低い温度で）を有する、ということを試験は例証する。基材２４１０は、約３〜４秒で、約３３５°Ｆの温度で、８５％破壊を達成した。コージライト２４２０は、約３８０°Ｆで８５％破壊を達成した。基材２４１０は、約４〜５秒で、約３６０°Ｆで、９０％破壊を達成した。コージライト２４２０は、約８秒で、約４５０°Ｆで９０％破壊を達成した。基材２４１０は、約５秒で、約４２５°Ｆで、ほぼ１００％破壊を達成した。コージライト２４２０は、約２８秒で、約８００°Ｆでほぼ１００％破壊を達成すると予想される。
【実施例９】
【０６８９】
触媒基材の浸透度
本発明の実施例２の例示的実施形態の浸透度は、約１，０９３ｃｄ（センチダルシー）である。他の試験値は、試験設備により測定された最大数を上回った。従来の系との比較に際して、コージライトの試料は、約２６８ｃｄの浸透度を有する。
【実施例１０】
【０６９０】
実施例２の触媒コンバーターの試験
活性試験と同様に、ＥＰＡは、車の後部排気管にフィルターを実際に固定し、特定条件下で車を運転する連邦試験手法（「ＦＴＰ」）７５として既知の試験を利用する。ＥＰＡは、車両の排気物証明のためにこの試験を用いる。ＦＴＰ７５は、３段階で車両の状態を試験する。第一段階は、クランク及び非アイドリング保持、ならびに５０５秒間運転を含む。この段階は、エンジン及び排出制御系が周囲温度で作動するが、移動の途中まで、最適レベルで遂行しない（即ち触媒は冷たく、エンジンからの排気物を効率的に制御するのに必要な「点火」温度に達していない）、移動の開始時に経験される状態を反映している。第二段階は、非アイドリング保持で８６４秒間の運転、一時停止、ならびに５秒間の臨時サンプリングを含む。この段階は、車両が、すべての系が安定操作温度を獲得するのに十分長い連続操作稼動中である場合のエンジンの状態を反映する。次に車両は、５４０秒〜６６０秒間の浸漬時間を有する。この浸漬時間は、停止され、周囲条件に冷却されなかったエンジンの状態を反映する。第三段階は、クランク及び非アイドリング保持及び５０５秒間運転である。これらの環境下で、エンジン及び触媒が温められ、始動時のピーク操作効率ではないが、低温始動方式に比して、依然として十分に改良された排出性能を有する。
【実施例１１】
【０６９１】
触媒基材の熱試験
本発明の例示的実施形態の熱伝導度は、約０．０６０４Ｗ／ｍ−Ｋ（厚み（メートル）及びケルビン変化当たりのエネルギーのワット数）である。比較として、コージライトの試料は、約１．３〜１．８Ｗ／ｍ−Ｋである。これらの結果は、１，０００ワットの熱エネルギーが所定容積のコージライト材料から失われる場合、本発明からの同一容積の材料から失われるのは３３ワットに過ぎない、ということを示す。したがって本発明の材料は、コージライトより３０倍大きい熱伝導度を有する。
【０６９２】
本発明の例示的実施形態の比熱は、約６４０Ｊ／ｋｇ−Ｋ（ジュール／キログラム−ケルビン）である。コージライトの試料は約７５０Ｊ／ｋｇ−Ｋである。コージライトがより大きな比熱を有するとしても、コージライトフィルターは加熱するためにより大きな質量を有する。結果は、コージライトを低効率にする作動温度を達成するためには、より多くの熱エネルギーが必要である、ということである。
【０６９３】
多くの使用温度限界は、物質がいかなる分解も伴わずに、何回も使用され得る最大温度である。基材が微小破断又は破砕を伴わずに作動し続け得る温度が高いほど、経時的に破壊したり分割する機会は低い。これはしたがって、基材は広範な温度範囲に亘ってより大きな耐久性を有する、ということを意味する。高温限界が好ましい。
【０６９４】
本発明の例示的実施形態の多くの使用温度限界は、２，９８０℃である。コージライトの試料は約１，４００℃である。したがって本発明の材料は、壊れる前に、コージライトの２倍より高い温度に耐え得る。これは、より広範囲の排気環境で材料を機能させる。
【０６９５】
熱膨張係数は、所定の温度上昇（通常はゼロ対１℃）につき、本体の長さ（線形係数）、面積（平方）又は容積のそれぞれの元の長さ、面積又は容積に対して増大比である。これら３つの係数は、およそ１：２：３の比である。特定的に表現されない場合、立方体係数が通常は意図される。加熱された時に膨張する基材が少ないほど、漏出、破断、又はフィルター・アセンブリに損傷の機会が少ない。加熱又は冷却された場合でも基材がその寸法を保持することを保証するためには、より低い熱膨張が好ましい。
【０６９６】
本発明の例示的実施形態に関する熱膨張係数は、約２．６５×１０−６Ｗ／ｍ−Ｋ（ワット／メーターケルビン）である。コージライトの試料は、約２．５×１０−６Ｗ／ｍ−Ｋ〜３．０×１０−６Ｗ／ｍ−Ｋである。本発明の材料の熱膨張は、コージライトの１０倍未満である。
【０６９７】
基材の熱膨張係数は、好ましくは、一実施形態では、ウォッシュコートの熱膨張係数に匹敵する。熱膨張係数が類似しない場合、ウォッシュコートは破砕し、離層し、「薄片」になり、又は基材から剥がれ落ちるようになり、貴金属が吹き飛ぶ（ｂｌｏｗｎ  ａｗａｙ）か孔空間をふさぐことになる。これは、最終的には背圧増大、過熱及び系故障をもたらす。
【実施例１２】
【０６９８】
構造保全性
ＡＥＴＢ−１２の引張り弾性率は、約２．２１ＭＰａ（メガパスカル圧、これは１大気圧の約１００，０００倍に等しい）である。コージライトの試料は、約２５．０ＭＰａである。コージライトは約１０倍強いが、しかし本発明の材料は、破裂前に、２００，０００大気圧に耐え得る。この値は、本明細書中に記載された使用のためには十分である。
【実施例１３】
【０６９９】
音響試験
音響減衰は、厚み減少、薄さ、痩削；密度減少；力又は強度の減少；或いは弱化と定義され得る。本発明の一実施形態では、音響減衰は、エンジン排気中の音響エネルギーを減衰するか又は消す基材の能力である。本発明の基材は、本明細書中に開示されるようなエンジンのマフラーアセンブリを取り替えるか又は補足し、したがって排気騒音及び排気系コストを低減し得る。より高い音響減衰が好ましい。
【０７００】
現在、任意の構成で本発明に適用され得る公認実験室試験が存在しない。米国材料試験協会（「ＡＳＴＭ」）公認試験が、防音室のような大空間に適用されるが、一材料には適用されない。しかしながら音量計を用いた簡単な試験で、本発明の基材が排気系中に存在する場合、自動車からの騒音は少なくとも２５デシベルで、従来の消音車両より低いことが判明した。参照のため、１１０デシベルは、人の耳に恒久的損害を引き起こすレベルであり、そして６０デシベルは窓を閉めてアイドリング中の高級車における騒音量である。
【実施例１４】
【０７０１】
従来技術の基材との比較
適切なｎＳｉＲＦ−Ｃ（ＡＥＴＢ−１２）の試料を、コージライト及びＳｉＣと比較して、多くの属性を測定した。
【０７０２】
【表５】
2007534483.tif 000007
【実施例１５】
【０７０３】
一実施形態では、本発明の基材は、６ミル壁で、６００ｃｐｓｉを有する。本発明の試料基材のセル密度を、コージライトの２つの試料と比較する。比較に際して、第一及び第二コージライト試料は、それぞれ１７ミル壁厚で１００ｃｐｓｉ及び１２ミル壁厚で２００ｃｐｓｉである。比較に際して、本発明の基材は、この実施形態では、６００ｃｐｓｉで、６ミル壁を有する。
【０７０４】
この例示的実施形態では、基材は、フィルター全面に０．０６インチ間隔で溝直径０．０４インチで穿孔される。これらの溝は、従来のコージライト溝より小さい。結果として、基材材料の大きな孔空間中に存在する表面積を考慮に入れなくても、コージライトと比較して、非常に大きく増大された表面積を生じる。溝は、好ましくは「盲」溝である。排気排気物は、触媒との反応を伴わずに溝中を及び溝から流動するというよりむしろ、溝壁を通って押し流される。
【０７０５】
均一性を保持するためにコンピューター制御されるＣＮＣドリルを用いて、溝が穿孔される。穿孔プロセスは、ＯＳＨＡ危険物質であり、ドリルのベアリングに付着してそれを壊す恐れがある塵埃が浮遊されるのを防ぐために、一定水シャワー下で実施される。
【０７０６】
穿孔基材は、孔空間中に残留し得る任意の水又はその他の液体を追い出すか又は焼き尽くすために炉乾燥された後、任意の触媒を適用される。焼き時間は調節可能ではなく、水の蒸発は、基材を単に計量することにより確定され得る。焼き時間は、主に脱水プロセスを加速する。異なる間隔で数回フィルター素子を加熱後、重量は一様に下がり、基材は任意の触媒又はコーティングの適用が容易になる。
【０７０７】
用語解説
「基材」という用語は、本明細書中で用いる場合、汚染物質が非汚染物質に転化され得る固体表面を指す。基材は、フィルター素子、触媒基材又は濾過基材を含むと理解される。
【０７０８】
「高級耐火性繊維」という用語は、本明細書中で用いる場合、を指す。
【０７０９】
「焼結された」という用語は、本明細書中で用いる場合、融解を伴わずに加熱された物質を指す。
【０７１０】
「不織」という用語は、本明細書中で用いる場合、繊維の交錯又は織合わせパターンが存在しないことを意味する。
【０７１１】
「ビレット」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材材料の非造形又は非機械加工ブロックを指す。
【０７１２】
「未焼結ビレット」という用語は、本明細書中で用いる場合、硬化されていないビレットを指す。
【０７１３】
「前表面」という用語は、本明細書中で用いる場合、流体が基材に進入する表面を指す。或る実施形態では、溝は前表面に開口を有し、そして溝は、前表面と垂直である。
【０７１４】
「後表面」という用語は、本明細書中で用いる場合、流体が基材から出る表面を指す。或る実施形態では、溝は後表面に開口を有し、そして溝は、後表面と垂直である。
【０７１５】
「ミル」という用語は、本明細書中で用いる場合、測定の単位を指し、１，０００分の１インチと等しい。
【０７１６】
「点火温度」という用語は、本明細書中で用いる場合、触媒コンバーター中の反応の転化率が５０％である温度を指す。即ち点火温度は、１つ又は複数の汚染物質の、或いは総汚染物質の５０％が非汚染物質に転化される温度である。
【０７１７】
「焼失する」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材により濾過される粒子状物質及びその他の物質を燃焼するプロセスを指す。例えば焼失は、ディーゼル粒子フィルター（ＤＰＦ）中で起こり得る。
【０７１８】
「溝」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材の少なくとも一部分を通って延び、明確な形状及び長さを有する基材中の三次元開口を指す。
【０７１９】
「平方インチ当たりの溝」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材の横断面の平方インチ中に存在する溝の数を指す。平方インチ当たりのセルという用語は同義語である。
【０７２０】
「溝形状」という用語は、本明細書中で用いる場合、溝の三次元形状を指す。
【０７２１】
「ＰＭ」という用語は、本明細書中で用いる場合、粒子状物質を指す。ＰＭの一般測定値は、ＰＭ−１０及びＰＭ−２．５を含む。
【０７２２】
「総表面積」という用語は、本明細書中で用いる場合、全表面積であり、貴金属が１立方インチ中で含浸され得る全表面積を表わす。
【０７２３】
「２−ウェイ触媒コンバーター」という用語は、本明細書中で用いる場合、気相汚染のＨＣ及びＣＯをＣＯ２及びＨ２Ｏの酸化のみを行う触媒コンバーターを指す。
【０７２４】
「３−ウェイ触媒コンバーター」という用語は、本明細書中で用いる場合、ＣＯ及びＨＣをＣＯ２及びＨ２Ｏに酸化し、そしてまたＮＯｘをＮ２に還元する触媒コンバーターを指す。
【０７２５】
「４−ウェイ触媒コンバーター」という用語は、本明細書中で用いる場合、３−ウェイ触媒コンバーターに関して上記したように酸化及び還元を実施し、また、粒子をトラップして、それらを焼失させる（再生が能動的又は受動的様式で起こり得る）触媒コンバーターを指す。
【０７２６】
「使用に適している」という用語は、本明細書中で用いる場合、特定の規制ガイドラインの要件を満たすことを指す。
【０７２７】
「熱伝導度」という用語は、本明細書中で用いる場合、その反対面が単位温度勾配（例えば１単位の厚み全体で１度の温度差）を受けた時に、単位時間に所定の材料のプレートの単位面積を通過する熱の量を指す。
【０７２８】
「マット」という用語は、本明細書中で用いる場合、一般的に、基材に対して断熱及び／又は保護を提供するために用いられる任意の材料を指す。マットは、時としては、詰め物とも呼ばれる。
【０７２９】
「ホウ素結合剤」という用語は、本明細書中で用いる場合、焼結プロセス後にｎＳｉＲＦ−Ｃ中に存在し、ホウ素結合作用物質に由来する作用物質を指す。
【０７３０】
「突つく」という用語は、本明細書中で用いる場合、所望の長さの溝が得られるまで、基材材料に反復的に尖った先端を出し入れさせることにより基材に溝を形成するか又は再成形にするプロセスを指す。
【０７３１】
本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲又はその任意の実施形態に影響を及ぼさずに、広範な且つ等価の範囲の条件、処方、及びその他のパラメーター内で、同じことが実行可能であると、当業者は理解するであろう。本明細書中に引用した特許及び出版物はすべて、参照によりその全体が本明細書中に援用される。
【図面の簡単な説明】
【０７３２】
【図１】ハニカム構造を組み入れている従来のコージライト基材の横断面図である。ハニカム構成３０２は、コージライトフィルター素子３００内に形成される。ハニカム構造３０２は、押出しプロセスを用いて形成されるが、この場合、押出し作用に平行な主軸を有する長い溝（又は管）が作られる。これらの溝の開口部は、流入排気空気流に面している。排気物が溝に入ると、粒子は管の内部隔壁に沿って沈着するであろう。
【図２ａ】顕微鏡写真を示す。
【図２ｂ】顕微鏡写真を示す。図２ｂでは、球２１０はＰＭ−１０サイズの粒子を表わし、球２２５はＰＭ−２．５サイズの粒子を表わす。
【図３】ＰＭ１０粒子を表わす球２１０を伴うコージライト２０５の顕微鏡写真であり、第二の球２２５はＰＭ２．５粒子を表わす。
【図４ａ】典型的触媒コンバーター模式図の縦方向横断面図である。触媒コンバーター４００は、還元触媒４０２及び酸化触媒４０４を含む。排気流４０６が触媒コンバーター４００に進入すると、それは濾過されて、還元触媒１０２に、次に酸化触媒４０４に曝露される。排気流４０６は次に酸化触媒４０４により処理され、これが非燃焼炭化水素及び一酸化炭素をさらに燃焼させる。
【図４ｂ】触媒コンバーターの模式図を示す。
【図５】３つの異なる前表面形状を有する３つの基材の模式図の横断面図である。
【図６】触媒基材又は濾過基材のフロースルー構成の一例の模式図である。基材は、溝壁６２０により形成される複数の溝６１０を有する。流体流６３０は前表面に侵入ｘし、溝６１０を通って移動して、後表面から出る。
【図７】触媒基材又は濾過基材のウォールスルー構成の一例の模式図である。ウォールフローパターンは、同一基材材料７２０及び溝７１０で構成されるが、但し、溝７１０は他方側面と完全に連結されるわけではない。その代わり、溝７１０は盲穴として形成されて、溝７１０の末端に基材７２０の非穿孔部分７４０を残す。次に流体流７３０は溝壁７２０を通過した後、基材の後表面から出る。本発明の特定の一利点は、ウォールフローパターン中の流体流７３０がフロースルーパターンと実質的に同一の特質を有することである。
【図８】触媒基材又は濾過基材のウォールスルー構成の一例の模式図である。この場合、流体流８３０は基材の前表面に進入する。非穿孔部分８４５を通って流動することにより基材の後表面から出る流体もある。
【図９】ウォールフロー溝を用いる基材９００の実施形態の末端図である。交互の溝が、入り口又は出口に非穿孔部分９２０を有する。穿孔溝９１０は、反対側から穿孔される溝の非穿孔部分９２０と交互に並ぶ。その結果、基材は溝の「碁盤縞」パターンを有するように見える。
【図１０ａ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。図１０ａ及び図１０ｃの比較では、各実施形態は同一のセル密度、即ち溝又はセルの数を有する。しかしながら図１０ｃは、非常に大きな前表面積を有する。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１０ｂ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ｂ及び図１０ｄの実施形態間で、類似の比較がなされ得る。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１０ｃ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。図１０ａ及び図１０ｃの比較では、各実施形態は同一のセル密度、即ち溝又はセルの数を有する。しかしながら図１０ｃは、非常に大きな前表面積を有する。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１０ｄ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ｂ及び図１０ｄの実施形態間で、類似の比較がなされ得る。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１１】寸法測定するための正方形の溝の一実施形態を示す。この実施形態では、セル空隙１１１０対セル壁１１２０比は３１．８３：１．５又は約２０：１である。
【図１２】寸法測定するために示された例示的セル空隙対セル壁比を有する基材１２１０の一実施形態を示す。基材１２１０は、長さ掛ける幅が４平方インチで、１と１／８インチ掛ける１と１／８インチの４つの正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３を含む。４つの正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３は各々、３，６００の総基材セル密度のために９００のセル密度を有するよう穿孔される。セル間の壁厚は、１．５ミルである。基材１２１０上の正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３の各々の間の間隔は７／８インチで、正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３は各々、基材１２１０の最も近い縁から約７／１６インチである。
【図１３ａ】溝構造のいくつかの実施形態を示す。図１３ａは、六角形溝１３１０を示す。溝１３１０の壁１３１５が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。
【図１３ｂ】溝構造のいくつかの実施形態を示す。図１３ｂは、三角形溝１３２０を示す。溝１３２０の壁１３２５が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。
【図１３ｃ】溝構造のいくつかの実施形態を示す。図１３ｃは、正方形溝１３３０を示す。溝１３２０の壁１３３５が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。
【図１４ａ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。図１４ｃ及び１４ｄは、材料中に存在する繊維１４２０、１４２１を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。
【図１４ｂ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。
【図１４ｃ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。図１４ｃは、材料中に存在する繊維１４２０を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。
【図１４ｄ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。図１４ｄは、材料中に存在する繊維１４２１を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。
【図１５】本発明の触媒基材又は濾過基材を調製する組合せ方法に用いられ得るコーム１５００の二次元図である。
【図１６】本発明の或る実施形態に用いられ得るコーム１６００（又はその部分）の種々の図を示す。図１６は、コーム１６００の例示的物理的寸法（インチで）も提示する。
【図１７】本発明の実施形態のフィルター素子中に形成され得る表面積拡大、ならびに流入口及び流出口の模式図である。図１７は、前表面の溝開口１７０２に進入する流体流１７０４を提供する。流体は１７０４の基材の後表面の右手側から出る。図１７に示された基材は、ウォールフロー構成を有する基材を例示するが、この場合、溝が、溝開口から基材を通って溝末端に延びるにつれて、溝は次第にサイズを低減する。
【図１８】本発明の一基材実施形態の縦方向図（写真）である。本発明のフィルター基材１８００が示されている。基材１８００は、外側壁１８０２上に硬質コーティング１８０４を有する。図１８に示された試料に関して、硬質コーティングは、微粉砕コージライト及び無機繊維から成る。粉末もフィルター基礎１８００上に塗られて、本明細書中に記載されるように硬化された。硬質コーティングは、寸法を変えることなく、フィルター基礎を保護し、断熱する。
【図１９】種々の温度で粒子状物質を焼くために必要とされる滞留時間を示すグラフである。このグラフは、種々の温度で粒子状物質（煤煙質量）を燃焼するか又は焼くために必要とされる滞留時間を提示する。図示されているように、６００ケルビンで初期０．９煤煙質量を有する煤煙質量を燃焼するか又は焼くために必要とされる滞留時間は、１，２００ケルビンでの滞留時間よりはるかに長い。
【図２０】金網加熱素子２００４と組合された基材２００２を含めた排気基材系２０００を提示する。基材２００２及び金網加熱素子２００４は、排気流に対して或る角度で排気ケーシング２００６中に挿入される。金網加熱素子２００４が当該角度の結果として基材２００２の背後及び下に構成されるため、基材２００２はより効率的に加熱され、熱が上昇する既知の原理を均一に利用し得る。上記のように、より均一且つ効率的加熱は、基材２００２が粒子をより完全に燃焼させるか又は引火させて、より清浄な排気を生じる。
【図２１】図９と関連して記載され、考察されたフィルター素子２１０２及び金網加熱素子２１０４の前表面図である。図からわかるように、フィルター素子２１０２及び金網加熱素子２１０４は或る角度でケーシング中に適合するよう楕円形に造形される。ケーシングの形状、フィルター素子２１０２の形状、加熱素子２１０４の型、ならびに角度はすべて、意図された排気系用途の要件及び制限に合うよう修正され得る。
【図２２ａ】本発明の基材、特にＡＥＴＢの顕微鏡写真である。
【図２２ｂ】本発明の基材、特にＡＥＴＢの顕微鏡写真である。繊維２２０５が観察され得る。球２２１０はＰＭ−１０サイズの粒子を例示し、そして球２２２５はＰＭ−２．５サイズの粒子を例示する。
【図２３】７つの試験材料について１時間あたり（ｈｒ−１）の気体空間速度の関数として、圧力低下（ΔＰ）を示すグラフである：Ｃｏｒｎｉｎｇ  ２００／１２  ＤＰＴ  ９３２Ｆ（２３４０）のＡＥＴＢ−１１：６００ｃｐｓｉ、壁の厚さ０．１５２４ｍｍ（６ｍｉｌ）及び１７６．２２ｋｇ／ｍ３（１１ｌｂ／ｆｔ３）；１１００Ｆ（２３１０）のＡＥＴＢ−１１；６００ｃｐｓｉ、壁の厚さ０．１５２４ｍｍ（６ｍｉｌ）及び１７６．２２ｋｇ／ｍ３（１１ｌｂ／ｆｔ３）；９３２Ｆ（２３２０）のＡＥＴＢ−１１：６００ｃｐｓｉ、壁の厚さ０．１５２４ｍｍ（６ｍｉｌ）及び１７６．２２ｋｇ／ｍ３（１１ｌｂ／ｆｔ３）、６６２Ｆ（２３３０）；１１００Ｆ（２３５０）のコージライト；９３２Ｆ（２３６０）のコージライト；及び６６２Ｆ（２３７０）のコージライト。
【図２４】破壊％対温度を示すグラフである。本発明の基材２４１０は、コージライト基材２４２０より大きいパーセンテージの低温での材料の破壊を示す。
【図２５】本発明の改良型触媒コンバーターの一実施形態の横断面図である。この実施形態では、触媒コンバーターは、耐熱性及び耐火性ケーシング２５０２を含む。ケーシング２５０２は、吸入口２５０４及び排気口２５０６を有する。改良型基材２５１０は、１つ又は複数の帯域２５１２、２５１４を有する。改良型基材２５１０は、マット／断熱材２５１５の１つ又は複数の層中に包まれるか又は取り囲まれる。マット層２５１５は、フィルター基礎２５１０に適用されて、エンジン及び自動車の環境振動衝撃から基礎２５１０を遮蔽し、ならびにフィルター基礎２５１０の内部熱温度から外部環境を断熱し得る。
【図２６】平行に整列された４つの基材２６０１ａ、２６０１ｂ、２６０１ｃ及び２６０１ｄを有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２６００の模式図である。フィルター又はコンバーターは、前開口２６０４及び後出口２６０５を有する。
【図２７】ａは、積重ね膜構成基材２７１０を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２７００を示す。流入口２７２０及び流出口２７３０は、異なる高さで作製される。ｂは、積重ね膜形状構成２７１０を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２７００を示す。流入口２７２０及び流出口２７３０は、異なる高さで作製される。図２７ｂ及び２７ｃは、代替的実施形態を示す。ｃは、積重ね膜形状構成２７１０を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２７００を示す。流入口２７２０及び流出口２７３０は、異なる高さで作製される。図２７ｂ及び２７ｃは、代替的実施形態を示す。
【図１】
2007534483.tif 000008
【図２ａ】
2007534483.tif 000009
【図２ｂ】
2007534483.tif 000010
【図３】
2007534483.tif 000011
【図４ａ】
2007534483.tif 000012
【図４ｂ】
2007534483.tif 000013
【図５】
2007534483.tif 000014
【図６】
2007534483.tif 000015
【図７】
2007534483.tif 000016
【図８】
2007534483.tif 000017
【図９】
2007534483.tif 000018
【図１０ａ】
2007534483.tif 000019
【図１０ｂ】
2007534483.tif 000020
【図１０ｃ】
2007534483.tif 000021
【図１０ｄ】
2007534483.tif 000022
【図１１】
2007534483.tif 000023
【図１２】
2007534483.tif 000024
【図１３ａ】
2007534483.tif 000025
【図１３ｂ】
2007534483.tif 000026
【図１３ｃ】
2007534483.tif 000027
【図１４ａ】
2007534483.tif 000028
【図１４ｂ】
2007534483.tif 000029
【図１４ｃ】
2007534483.tif 000030
【図１４ｄ】
2007534483.tif 000031
【図１５】
2007534483.tif 000032
【図１６】
2007534483.tif 000033
【図１７】
2007534483.tif 000034
【図１８】
2007534483.tif 000035
【図１９】
2007534483.tif 000036
【図２０】
2007534483.tif 000037
【図２１】
2007534483.tif 000038
【図２２ａ】
2007534483.tif 000039
【図２２ｂ】
2007534483.tif 000040
【図２３】
2007534483.tif 000041
【図２４】
2007534483.tif 000042
【図２５】
2007534483.tif 000043
【図２６】
2007534483.tif 000044
【図２７】
2007534483.tif 000045
【図２８】
2007534483.tif 000046
【図２９】
2007534483.tif 000047
【図３０】
2007534483.tif 000048
【図３１】
2007534483.tif 000049
【図３２】
2007534483.tif 000050
【図３３】
2007534483.tif 000051
【図３４】
2007534483.tif 000052
【図３５】
2007534483.tif 000053
【図３６】
2007534483.tif 000054
【図３７】
2007534483.tif 000055
【図３８】
2007534483.tif 000056
【図３９】
2007534483.tif 000057
【図４０】
2007534483.tif 000058
【図４１】
2007534483.tif 000059
【図４２】
2007534483.tif 000060
【図４３】
2007534483.tif 000061
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月27日(2007.4.27)
【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】
不織焼結耐火性繊維性セラミック複合材料、及び触媒を含む触媒基材又は濾過基材であって、任意にウォッシュコートをさらに含み、且つ、複数の溝をさらに含む触媒基材又は濾過基材。
【請求項２】
前記複合材料がアルミナ−ボリア−シリカ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項３】
前記複合材料がアルミナ−ジルコニア繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項４】
前記複合材料がアルミナ−ボリア−シリカ繊維及びアルミナ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項５】
前記複合材料が酸化アルミナ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項６】
前記複合材料が酸化シリカ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項７】
前記複合材料がアルミナボリアシリカ繊維、シリカ繊維及びアルミナ繊維を含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項８】
前記複合材料が約５０〜約９０％のシリカ、約５〜約５０％のアルミナ及び約１０〜約２５％のアルミノボロシリケートを含む、請求項１記載の触媒基材。
【請求項９】
前記複合材料がアルミナ強化断熱（ＡＥＴＢ）複合材料である、請求項１記載の触媒基材。
【請求項１０】
前記ＡＥＴＢがＡＥＴＢ−８、ＡＥＴＢ−１２及びＡＥＴＢ−１４及びＡＥＴＢ−１６から成る群から選択される、請求項９記載の触媒基材。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４４５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０５７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０５７３】
上記のような本発明の基材の具体的実施形態のいずれかは、１つ又は複数の具体的用途、例えば触媒コンバーターに用いられる。具体的実施形態では、触媒コンバーターは、本発明の触媒基材；上記触媒基材周囲のマット；及びキャニスター、好ましくは金属キャニスターを含み、ならびに任意にウォッシュコートをさらに含む。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０６０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０６０６】
ターニケットは、缶密封プロセス中の取付け圧の直接制御を可能にする最も一般的方法である。ターニケットは基材モノリスの間で起こり得る寸法差の影響を受けないため、最も強固な触媒コンバーターの製造を可能にする。実際、ターニケット法は、円形又は円形に近い形の触媒基材横断面に限定される。床下位置で用いられる楕円形又は扁平楕円形自動式コンバーターに対するその適性は、非常に限定される。ターニケットは、かつては欧州における自動車メーカーの間でよりポピュラーであったが、しかしそれは、床下位置からエンジン密着位置に移動された自動コンバーターとして、北米でより一般的になった。ターニケットは、大型ディーゼルエンジン用の大直径触媒コンバーターにも適している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０７０８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０７３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０７３２】
【図１】ハニカム構造を組み入れている従来のコージライト基材の横断面図である。ハニカム構成３０２は、コージライトフィルター素子３００内に形成される。ハニカム構造３０２は、押出しプロセスを用いて形成されるが、この場合、押出し作用に平行な主軸を有する長い溝（又は管）が作られる。これらの溝の開口部は、流入排気空気流に面している。排気物が溝に入ると、粒子は管の内部隔壁に沿って沈着するであろう。
【図２ａ】顕微鏡写真を示す。
【図２ｂ】顕微鏡写真を示す。図２ｂでは、球２１０はＰＭ−１０サイズの粒子を表わし、球２２５はＰＭ−２．５サイズの粒子を表わす。
【図３】ＰＭ１０粒子を表わす球２１０を伴うコージライト２０５の顕微鏡写真であり、第二の球２２５はＰＭ２．５粒子を表わす。
【図４ａ】典型的触媒コンバーター模式図の縦方向横断面図である。触媒コンバーター４００は、還元触媒４０２及び酸化触媒４０４を含む。排気流４０６が触媒コンバーター４００に進入すると、それは濾過されて、還元触媒１０２に、次に酸化触媒４０４に曝露される。排気流４０６は次に酸化触媒４０４により処理され、これが非燃焼炭化水素及び一酸化炭素をさらに燃焼させる。
【図４ｂ】触媒コンバーターの模式図を示す。
【図５】３つの異なる前表面形状を有する３つの基材の模式図の横断面図である。
【図６】触媒基材又は濾過基材のフロースルー構成の一例の模式図である。基材は、溝壁６２０により形成される複数の溝６１０を有する。流体流６３０は前表面に侵入ｘし、溝６１０を通って移動して、後表面から出る。
【図７】触媒基材又は濾過基材のウォールスルー構成の一例の模式図である。ウォールフローパターンは、同一基材材料７２０及び溝７１０で構成されるが、但し、溝７１０は他方側面と完全に連結されるわけではない。その代わり、溝７１０は盲穴として形成されて、溝７１０の末端に基材７２０の非穿孔部分７４０を残す。次に流体流７３０は溝壁７２０を通過した後、基材の後表面から出る。本発明の特定の一利点は、ウォールフローパターン中の流体流７３０がフロースルーパターンと実質的に同一の特質を有することである。
【図８】触媒基材又は濾過基材のウォールスルー構成の一例の模式図である。この場合、流体流８３０は基材の前表面に進入する。非穿孔部分８４５を通って流動することにより基材の後表面から出る流体もある。
【図９】ウォールフロー溝を用いる基材９００の実施形態の末端図である。交互の溝が、入り口又は出口に非穿孔部分９２０を有する。穿孔溝９１０は、反対側から穿孔される溝の非穿孔部分９２０と交互に並ぶ。その結果、基材は溝の「碁盤縞」パターンを有するように見える。
【図１０ａ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。図１０ａ及び図１０ｃの比較では、各実施形態は同一のセル密度、即ち溝又はセルの数を有する。しかしながら図１０ｃは、非常に大きな前表面積を有する。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１０ｂ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ｂ及び図１０ｄの実施形態間で、類似の比較がなされ得る。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１０ｃ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。図１０ａ及び図１０ｃの比較では、各実施形態は同一のセル密度、即ち溝又はセルの数を有する。しかしながら図１０ｃは、非常に大きな前表面積を有する。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１０ｄ】前表面積１０２０、１０２１、１０２２、１０２３の比較を示し、そしてセル数１０１０、１０１１、１０１２、１０１２が示されている。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図１０ｂ及び図１０ｄの実施形態間で、類似の比較がなされ得る。図１０ａ〜図１０ｄに関して、図１０ｂの実施形態は好ましい構造を有する；セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。
【図１１】寸法測定するための正方形の溝の一実施形態を示す。この実施形態では、セル空隙１１１０対セル壁１１２０比は３１．８３：１．５又は約２０：１である。
【図１２】寸法測定するために示された例示的セル空隙対セル壁比を有する基材１２１０の一実施形態を示す。基材１２１０は、長さ掛ける幅が４平方インチで、１と１／８インチ掛ける１と１／８インチの４つの正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３を含む。４つの正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３は各々、３，６００の総基材セル密度のために９００のセル密度を有するよう穿孔される。セル間の壁厚は、１．５ミルである。基材１２１０上の正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３の各々の間の間隔は７／８インチで、正方形１２２０、１２２１、１２２２、１２２３は各々、基材１２１０の最も近い縁から約７／１６インチである。
【図１３ａ】溝構造のいくつかの実施形態を示す。図１３ａは、六角形溝１３１０を示す。溝１３１０の壁１３１５が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。
【図１３ｂ】溝構造のいくつかの実施形態を示す。図１３ｂは、三角形溝１３２０を示す。溝１３２０の壁１３２５が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。
【図１３ｃ】溝構造のいくつかの実施形態を示す。図１３ｃは、正方形溝１３３０を示す。溝１３２０の壁１３３５が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。
【図１４ａ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。図１４ｃ及び１４ｄは、材料中に存在する繊維１４２０、１４２１を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。
【図１４ｂ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。
【図１４ｃ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。図１４ｃは、材料中に存在する繊維１４２０を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。
【図１４ｄ】本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材１４１５、１４１６、１４１７、１４１８中の実質的に類似の寸法の長方形溝１４１０、１４１１、１４１２、１４１３を示す。図１４ｄは、材料中に存在する繊維１４２１を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。
【図１５】本発明の触媒基材又は濾過基材を調製する組合せ方法に用いられ得るコーム１５００の二次元図である。
【図１６】本発明の或る実施形態に用いられ得るコーム１６００（又はその部分）の種々の図を示す。図１６は、コーム１６００の例示的物理的寸法（インチで）も提示する。
【図１７】本発明の実施形態のフィルター素子中に形成され得る表面積拡大、ならびに流入口及び流出口の模式図である。図１７は、前表面の溝開口１７０２に進入する流体流１７０４を提供する。流体は１７０４の基材の後表面の右手側から出る。図１７に示された基材は、ウォールフロー構成を有する基材を例示するが、この場合、溝が、溝開口から基材を通って溝末端に延びるにつれて、溝は次第にサイズを低減する。
【図１８】本発明の一基材実施形態の縦方向図（写真）である。本発明のフィルター基材１８００が示されている。基材１８００は、外側壁１８０２上に硬質コーティング１８０４を有する。図１８に示された試料に関して、硬質コーティングは、微粉砕コージライト及び無機繊維から成る。粉末もフィルター基礎１８００上に塗られて、本明細書中に記載されるように硬化された。硬質コーティングは、寸法を変えることなく、フィルター基礎を保護し、断熱する。
【図１９】種々の温度で粒子状物質を焼くために必要とされる滞留時間を示すグラフである。このグラフは、種々の温度で粒子状物質（煤煙質量）を燃焼するか又は焼くために必要とされる滞留時間を提示する。図示されているように、６００ケルビンで初期０．９煤煙質量を有する煤煙質量を燃焼するか又は焼くために必要とされる滞留時間は、１，２００ケルビンでの滞留時間よりはるかに長い。
【図２０】金網加熱素子２００４と組合された基材２００２を含めた排気基材系２０００を提示する。基材２００２及び金網加熱素子２００４は、排気流に対して或る角度で排気ケーシング２００６中に挿入される。金網加熱素子２００４が当該角度の結果として基材２００２の背後及び下に構成されるため、基材２００２はより効率的に加熱され、熱が上昇する既知の原理を均一に利用し得る。上記のように、より均一且つ効率的加熱は、基材２００２が粒子をより完全に燃焼させるか又は引火させて、より清浄な排気を生じる。
【図２１】図９と関連して記載され、考察されたフィルター素子２１０２及び金網加熱素子２１０４の前表面図である。図からわかるように、フィルター素子２１０２及び金網加熱素子２１０４は或る角度でケーシング中に適合するよう楕円形に造形される。ケーシングの形状、フィルター素子２１０２の形状、加熱素子２１０４の型、ならびに角度はすべて、意図された排気系用途の要件及び制限に合うよう修正され得る。
【図２２ａ】本発明の基材、特にＡＥＴＢの顕微鏡写真である。
【図２２ｂ】本発明の基材、特にＡＥＴＢの顕微鏡写真である。繊維２２０５が観察され得る。球２２１０はＰＭ−１０サイズの粒子を例示し、そして球２２２５はＰＭ−２．５サイズの粒子を例示する。
【図２３】７つの試験材料について１時間あたり（ｈｒ−１）の気体空間速度の関数として、圧力低下（ΔＰ）を示すグラフである：Ｃｏｒｎｉｎｇ  ２００／１２  ＤＰＴ  ９３２Ｆ（２３４０）のＡＥＴＢ−１１：６００ｃｐｓｉ、壁の厚さ０．１５２４ｍｍ（６ｍｉｌ）及び１７６．２２ｋｇ／ｍ３（１１ｌｂ／ｆｔ３）；１１００Ｆ（２３１０）のＡＥＴＢ−１１；６００ｃｐｓｉ、壁の厚さ０．１５２４ｍｍ（６ｍｉｌ）及び１７６．２２ｋｇ／ｍ３（１１ｌｂ／ｆｔ３）；９３２Ｆ（２３２０）のＡＥＴＢ−１１：６００ｃｐｓｉ、壁の厚さ０．１５２４ｍｍ（６ｍｉｌ）及び１７６．２２ｋｇ／ｍ３（１１ｌｂ／ｆｔ３）、６６２Ｆ（２３３０）；１１００Ｆ（２３５０）のコージライト；９３２Ｆ（２３６０）のコージライト；及び６６２Ｆ（２３７０）のコージライト。
【図２４】破壊％対温度を示すグラフである。本発明の基材２４１０は、コージライト基材２４２０より大きいパーセンテージの低温での材料の破壊を示す。
【図２５】本発明の改良型触媒コンバーターの一実施形態の横断面図である。この実施形態では、触媒コンバーターは、耐熱性及び耐火性ケーシング２５０２を含む。ケーシング２５０２は、吸入口２５０４及び排気口２５０６を有する。改良型基材２５１０は、１つ又は複数の帯域２５１２、２５１４を有する。改良型基材２５１０は、マット／断熱材２５１５の１つ又は複数の層中に包まれるか又は取り囲まれる。マット層２５１５は、フィルター基礎２５１０に適用されて、エンジン及び自動車の環境振動衝撃から基礎２５１０を遮蔽し、ならびにフィルター基礎２５１０の内部熱温度から外部環境を断熱し得る。
【図２６】平行に整列された４つの基材２６０１ａ、２６０１ｂ、２６０１ｃ及び２６０１ｄを有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２６００の模式図である。フィルター又はコンバーターは、前開口２６０４及び後出口２６０５を有する。
【図２７】ａは、積重ね膜構成基材２７１０を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２７００を示す。流入口２７２０及び流出口２７３０は、異なる高さで作製される。ｂは、積重ね膜形状構成２７１０を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２７００を示す。流入口２７２０及び流出口２７３０は、異なる高さで作製される。図２７ｂ及び２７ｃは、代替的実施形態を示す。ｃは、積重ね膜形状構成２７１０を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター２７００を示す。流入口２７２０及び流出口２７３０は、異なる高さで作製される。図２７ｂ及び２７ｃは、代替的実施形態を示す。
【図２８】初期段階圧力変化試験の実施に使用する基材の例を示す。
【図２９】ガス流量の一関数として、反応器−試験管流動測定系で測定された圧力の低下を示す。
【図３０】一定流量での反応器−試験管流動測定系における圧力の低下を示す。
【図３１】ウォールフローＤＰＴの比較背圧測定を示す。
【図３２】加熱した場合の、ウォールフローＤＰＴの比較背圧測定を示す。
【図３３】等温操作での、本発明の３０，０００ｃｐｓｉの実施態様における窒素ガス流量の一関数としての圧力変化を示す。
【図３４】本発明の３０，０００ｃｐｓｉの実施態様における、種々の窒素ガス流量に関する作動温度の一関数としての圧力の変化を示す。
【図３５】等温操作での、本発明の３０，０００ｃｐｓｉの実施態様における窒素ガス流量の一関数としての圧力変化を示す。
【図３６】触媒基材をキャニスターの内側に置くための５種類の例示的方法を示す。
【図３７】ディーゼル車両の排出制限を図示したものである。
【図３８】ディーゼル排気物の改善を歴史的に図示したものである。
【図３９】典型的なディーゼル排気物の粒子サイズ分布を図示したものである。
【図４０】深層濾過とケーク濾過の違いを図示したものである。
【図４１】本発明で使用される触媒とウォッシュコートを例示したものである。
【図４２】本発明のＮＯｘ吸着剤系を示す。
【図４３】内燃機関の排気マニホールド内に設置した本発明の態様を示す。
【国際調査報告】
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