(57)【要約】  排気マニホールド排出口（１４）から大気（２０）へ延在する導管（１６）、導管に沿ったアンモニア注入ステーション（２２）、および導管に沿ってアンモニア注入ステーションの下流に位置する触媒アセンブリ（２４）を含むタイプのエンジンアセンブリである。触媒アセンブリは、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に変換する一酸化窒素触媒材料からなる表面ウォッシュコート（５０）、ならびにアンモニアをＮＯ２と反応させて窒素および水を生成するＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒でコーティングされた通路を含む。触媒アセンブリは、ＳＣＲ触媒材料でコーティングされた、たとえば繊維などの複数の要素を含み、要素は密集体で位置し、通路または穴は要素間に位置する。密集体は導管のケーシング（９０）の中に位置し、ガスがそこを通って流れる大きな領域をもたらすように円錐形の内側および外側表面（４０、４２）を有する。通路の壁に酸化触媒を有する、たとえば蜂の巣状のタイプなどの触媒の構成８０も、触媒アセンブリのケーシング（９０）の中に位置し得るが、好ましくは一酸化窒素およびＳＣＲ触媒の下流に位置する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスマニホールド（１２）と、排ガスマニホールドから大気へ延在して、前記マニホールドから大気へ下流に向かって排ガスを運ぶ排気導管（１６）とを有するエンジンアセンブリ（１０）であって、エンジンアセンブリは、排ガス中の窒素酸化物を削減するためにアンモニアおよびその成分が導管の中に注入される、導管に沿ったアンモニア注入ステーション（２２）と、排ガスが触媒作用を受ける、導管に沿ってアンモニア注入ステーションの下流に位置する触媒アセンブリ（２４）とを含み、改良点として、
前記触媒アセンブリは、前記導管のケーシング（９０）と、前記ケーシングの中に位置し、かつ通路の壁が触媒材料（６５）でコーティングされる複数の通路（５２、６６）を有する少なくとも１つの密集体（３０）とを含み、
一酸化窒素触媒のある量（５０）は、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に変換し、前記ガスが通過する前記密集体の少なくとも上流部分をコーティングし、
ＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒（６５）のある量は、アンモニアを二酸化窒素と反応させて窒素および水を生成し、前記通路の壁の少なくとも第２の部分をコーティングし、
前記通路の壁の前記第２の部分は、一酸化窒素触媒の前記コーティングの下流に位置する、エンジンアセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記密集体は複数の要素（３６、６９）を含み、各々の要素の直径は１ミリメートル以下であって、長さはその直径の少なくとも１０倍であって、
一酸化窒素およびＳＣＲ触媒の前記量は各々、前記複数の要素の複数をコーティングし、
前記密集体の前記複数の要素は近くにまとめられるが、前記要素のうちの複数の隣接する要素間に１ミリメートル未満の、前記通路（５２、６６）のうちの狭い通路を有し、前記ケーシングは、前記排ガスが触媒アセンブリを通り抜けるために前記狭い隙間を通り抜けなければならないように前記排ガスを制限する、請求項１に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項３】
前記複数の要素は複数の繊維であって、前記触媒のうちの少なくとも１つは前記繊維をコーティングし、前記複数の繊維は繊維の密集体に押し固められてまとめられる、請求項２に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項４】
前記複数の要素はワイヤ芯線の巻きであって、前記触媒のうちの少なくとも１つはワイヤ芯線の外側表面上に位置し、コーティングされたワイヤ芯線の巻きは前記隙間の各々を残すように離れて間隔をおかれる、請求項２に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項５】
複数の要素の前記密集体は、円錐角（Ａ）が約４５°以下であり、排ガスが中空の円錐の壁を通り抜けることによってのみケーシングを通り抜けることができるように導管のケーシングが構築される、中空の円錐（３２）の円錐形の形状で保持される、請求項２に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項６】
各々が酸化触媒材料でコーティングされる、複数の均一に間隔をおかれる通路（８２）を有する蜂の巣状の密集体（８０）を含み、前記蜂の巣状の密集体は、さらに、前記導管の前記ケーシングの中に位置し、それによって、ガスが触媒材料を通過するときに排ガスの温度の低下を最小限にする、請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
前記ＳＣＲ触媒と前記酸化触媒との間の最も近い距離は１インチ以下である、請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記一酸化窒素触媒と前記ＳＣＲ触媒との間の最も近い距離は１インチ以下である、請
求項１に記載のエンジン。
【請求項９】
排ガスマニホールド（１２）と、排ガスマニホールドから大気（２０）へ延在して、それに沿って下流に向かって排ガスを運ぶ排気導管（１６）とを有するエンジンアセンブリ（１０）であって、エンジンアセンブリは、排ガス中の窒素酸化物を削減するためにアンモニアおよびその成分が導管の中に注入される、導管に沿ったアンモニア注入ステーション（２２）と、排ガスが触媒作用を受ける、アンモニア注入ステーションの下流の触媒アセンブリ（２４）とを含み、改良点として、
前記触媒アセンブリは、前記導管の部分を形成するケーシング（９０）と、各々が触媒材料（６５）でコーティングされ、かつ前記要素間に穴（５２）を有する密集体で位置する複数の要素（３６、６９）とを含み、前記密集体は円錐形の内側および外側表面（４０、４２）を有する円錐の壁を形成し、前記密集体は前記ケーシングの中に位置し、そこを通る排ガスの流れを、前記円錐の壁を通って流れる以外には遮り、
前記円錐形の外側表面は一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に変換する一酸化窒素触媒のコーティング（５０）を有し、複数の前記要素はアンモニアを二酸化窒素と反応させるＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒（６５）でコーティングされる、エンジンアセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記複数の要素は、繊維が近くに押し固められる密集体にまとめられる、コーティングされた繊維（３６）を含む、請求項９に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項１１】
ワイヤの円錐（６０）は、前記円錐形の表面のうちの１つの軸の周りに巻付けられ、かつ前記円錐の壁の内側に位置する、触媒コーティングされたワイヤ（６２）の複数の巻き（６９）を含む、請求項１０に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項１２】
圧縮性の可撓性材料（７２、７３、７４）のある量は、触媒材料からなる穴の表面を有する複数の穴を有し、圧縮性の可撓性材料の前記量は前記密集体の前記内側円錐形表面の中に詰められる、請求項９に記載のエンジンアセンブリ。
【請求項１３】
前記内側表面と外側表面との間の、前記円錐の壁の平均的な厚さ（Ｔ）は１インチ以下である、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１４】
大気中に放出される窒素酸化物を削減するために一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ2）を含むディーゼルエンジンの排ガスを処理するための方法であって、アンモニアを排ガスの中に注入することを含み、
一酸化窒素（ＮＯ）のうちの１０％以上を二酸化窒素に変換する一酸化窒素触媒を横切って排ガスを流すことと、次いで、アンモニアを二酸化窒素と反応させる第２の触媒を横切って排ガスを流すこととを含む、方法。
【請求項１５】
前記流すステップは、一酸化窒素触媒を通過したガスの少なくとも一部を、一酸化窒素触媒と接触したガスの３インチ以内にある前記第２の触媒を横切って流すことを含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発明の背景
我々の以前の特許第５，９９２，１４１号は、大気中の窒素酸化物から発生するスモッグを削減するために、アンモニア（ＮＨ3）およびその成分（ＮＨ2および／またはＮＨ＋Ｈ）を、高温の排ガス、特にディーゼルエンジンの排ガスの中に注入することを記載する。注入されたアンモニアは、一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ2）を含む窒素酸化物と、触媒作用によって、および触媒作用によらずに反応して、窒素および水蒸気を生成する。
【０００２】
アンモニア（およびその成分）は一酸化窒素（ＮＯ）と反応するよりも遥かに早くかつより完全に二酸化窒素（ＮＯ2）と反応することを出願人の実験は示す。好ましくはガスがまだ高温である間に、エンジン排気マニホールドから大気へ延在する排ガス導管に沿って、排ガス中の一酸化窒素の高い割合が二酸化窒素に変換されることができれば、それは望ましいであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
発明の概要
この発明の１つの実施例に従って、出願人は排ガス導管に沿って一酸化窒素触媒を与え、一酸化窒素触媒は高い割合の排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に変換する。触媒は排ガス導管のケーシングの中に位置する。アンモニアおよび二酸化窒素を効率的に反応させるＳＣＲ（selective catalyst reduction）（選択的触媒還元）触媒は同一のケーシングの中で、一酸化窒素触媒の下流に位置する。ケーシングの下流端部は、好ましくは、一酸化炭素および未燃炭化水素を酸化させる酸化触媒を含む。
【０００４】
一酸化窒素触媒は、ＮＯをＮＯ2に変換する表面ウォッシュコートを、その上流表面上に有する小さな要素の密集体を含む。ＳＣＲ触媒は、要素間に複数の小さな穴を残すように密集体の複数の要素をコーティングし、排ガスは触媒の大きな面積にさらされる。好ましい構成は、円錐形の内側および外側表面を有するように要素の密集体を確立するというものである。限られた空間に大きな面積をもたらすために、円錐角は好ましくは４５°以下、たとえば３０°である。
【０００５】
この発明の新規の特徴は、特許請求の範囲において特定性を有して説明される。この発明は、添付の図面に関連して読まれるときに、以下の記載から最もよく理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
好ましい実施例の説明
図１は、排気マニホールド１２を有するディーゼルエンジンアセンブリ１０を示し、高温の排ガスがエンジンのシリンダによって排ガスマニホールド１２の中に放出される。マニホールド排出口１４では、排ガス中の窒素酸化物は、約９０％の一酸化窒素（ＮＯ）および約１０％の二酸化窒素（ＮＯ2）から構成される。排ガスは、排ガス導管１６によって、マニホールドの排出口から大気２０へ運ばれる。導管に沿って位置するアンモニア注入ステーション２２は、我々の以前の特許第５，９９２，１４１号に記載されるタイプのステーションであり、そこではアンモニア（ＮＨ3）およびその成分（この組合せは本明細書において単にアンモニアと称される）が高温の排ガスの中に注入される。アンモニア注入ステーションのすぐ下流に、出願人は触媒アセンブリ２４を設け、触媒アセンブリ２４では相当量の一酸化窒素（ＮＯ）が二酸化窒素（ＮＯ2）に変換され、結果として生じ
る窒素酸化物（ＮＯおよびＮＯ2）が、既に注入されたアンモニアと反応されて、窒素および水蒸気および最小限の残余の窒素酸化物を生成する。一酸化窒素よりも遥かに高い割合の二酸化窒素がアンモニアと反応して、窒素（空気の大部分を構成する）および水から構成される無害な成分を生成することを出願人は知る。
【０００７】
図２は、触媒アセンブリ２４が円錐形のコーティングされた構造２６を含み、構造２６が、円錐形の内側および外側表面４０、４２ならびに上流および下流端部４４、４６を有する、円錐３２の形状の材料からなる層３０を含むことを示す。特定の繊維質の円錐３２（先端を切られてもよい）の厚さＴは約０．４インチの大きさであり、好ましくは１インチ未満であって、その開き角Ａは約３０°である。たとえば６インチの限られたケーシングの直径Ｂ内に大きな内側および外側表面積をもたらすために、約４５°以下の開き角が好ましい。約１８インチの長さＣも、利用可能な空間によって制限され、長さが増大すると排ガスの温度が急速に低下するという事実によって制限される。ガスの成分の触媒作用は、ガスの温度に伴って増大する。
【０００８】
図３は、円錐を形成する層３０の一部の断面図であり、層３０が、触媒コーティング６５を含むコーティングされた繊維３６および円錐の外側の外側ウォッシュコーティング５０を含むことを示す。層３０は、たとえばシリカからなるセラミック繊維などのセラミック繊維から形成される。個々の繊維は、アンモニアおよび二酸化窒素（ＮＯ2）の反応を加速させるＳＣＲ（選択的触媒還元）コーティングでコーティングされる。繊維はコーティングされて、次いで圧縮されるか、または圧縮されて、次いで触媒材料に浸される。繊維をよりよくまとめるために、少量の高温結合剤が塗布されてもよい。この圧縮は繊維をまとめるのに十分であるが、繊維間に微小な通路または穴５２（図７）を依然として残す。コーティングされた繊維間の穴を通って流れるガスはＳＣＲ触媒材料にさらされ、アンモニアをＮＯ2と反応させるように触媒作用を受ける。繊維の直径は１ｍｍより遥かに小さく、複数の隣接する繊維間の穴または通路５２は１ｍｍより遥かに小さい。
【０００９】
円錐の外側のウォッシュコーティング５０は、排ガス中の酸素を使用して一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に変換する一酸化窒素触媒を含む。上述のように、アンモニアは一酸化窒素（ＮＯ）と反応するよりもより完全に二酸化窒素（ＮＯ2）と反応する。１つの好適な一酸化窒素触媒は、カリフォルニア州アーバイン（Irvine）のクリーンエア・システムズ・インコーポレイテッド（KleenAir Systems, Inc.）によって提供される専売の触媒であり、この触媒は白金を含む。
【００１０】
繊維をコーティングするＳＣＲ触媒材料は、アンモニア（ＮＨ3およびその反応成分ＮＨ2、ＮＨおよびＨ）を窒素酸化物、特に二酸化窒素（ＮＯ2）と反応させる役割を果たし、窒素および水を生成する。１つの効果的なＳＣＲ材料は、カリフォルニア州オックスナード（Oxnard）のキャタリティック・システムズ・インコーポレイテッド（Catalytic Systems, Inc.）によって提供される専売のＳＣＲコーティングであり、これはアンモニアおよび二酸化窒素を効率的に反応させる。一酸化窒素触媒は、ＳＣＲ触媒よりも、ＮＯをＮＯ2に変換する効果が遥かに高く、ＳＣＲ触媒は、一酸化窒素触媒よりも、アンモニアおよび一酸化窒素を反応させる効果が遥かに高い。
【００１１】
外側ウォッシュコート５０の一酸化窒素触媒が、コーティングされた繊維３６のＳＣＲ触媒の近くに置かれることにより、その組合せが、環境中に放出される窒素酸化物の量を削減する効果が増大する。一酸化窒素触媒はＮＯの大部分をＮＯ2に変換するが、ＮＯ2の一部はＮＯに戻る可能性がある。アンモニアが存在する状態でＳＣＲ触媒が近くに（３インチ以内、好ましくは１インチ以内に）あることは、高濃度の二酸化窒素が存在しながら、窒素および水へ完全に変換させるのに役立つ。さらに、２つの触媒が近くにあることにより、別のケーシングを有する別のユニットの触媒と特に比較して、排ガスの温度降下が
最小限になる。
【００１２】
図７は、ガスが通り抜ける細い穴または通路５２を残すように、円錐の繊維が離れて間隔をおかれることを示す。繊維は複数の要素であり、各々はアンモニアおよび二酸化窒素の反応の速度を速めるＳＣＲ触媒材料でコーティングされる。
【００１３】
図２に示される円錐３２の細長い円錐の形状は、製造するのが容易でありかつ大きな表面積をもたらし、対応して、排ガスと外側コーティング５０および円錐の層の繊維上のコーティングとの大きな接触面積をもたらす、一体型の装置を提供する。
【００１４】
一酸化窒素触媒およびＳＣＲ触媒の最適な割合を得るために、出願人は円錐の外側（上流）部分に一酸化窒素触媒でコーティングされた繊維を置き、円錐の内側（下流）部分にＳＣＲコーティングされた繊維からなる層を置くことができる。外側の円錐３２内の空間４０に追加のより小さな中空の円錐を設けることも可能である。その場合、外側の円錐の繊維の一部またはすべては一酸化窒素触媒でコーティングされ、内側の円錐の繊維はＳＣＲ触媒でコーティングされる。外側の円錐３２内のより小さな繊維質の円錐の代わりに、他の装置が外側の円錐に位置することができる。
【００１５】
図２は、コーティングされた構造２６の下流端部における追加の触媒の構成８０を示す。追加の触媒の構成８０は、炭素および一酸化炭素を二酸化炭素に変換する酸化触媒材料でコーティングされた複数の通路８２を有する蜂の巣状の構成を含む。このような酸化触媒材料は広く利用可能であるが、各々の供給業者に専売である。図８に示されるように、触媒の構成は、複数の小さな要素ではなく、ブロックの中に通路を有する１インチより大きな厚さの単一のブロックを含む。一酸化窒素触媒が、触媒の構成８０と同じ、狭まった上流および下流端部を有する管の中、すなわち導管のケーシング９０の中に位置するという事実は、それらの間の距離を短縮するので、排ガスは触媒の構成８０に沿ってより高温である。一酸化窒素触媒とＳＣＲ触媒との間の最短距離は好ましくは１インチ未満である。ＳＣＲ触媒と酸化触媒との間の最短距離は好ましくは３インチ未満であり、より好ましくは１インチ未満である。
【００１６】
図４は、コーティングされた繊維からなる繊維質の円錐３２内に位置する、ワイヤが巻付けられた円錐６０を示す。ワイヤが巻付けられた円錐６０は、ＳＣＲ触媒６５または一酸化窒素触媒でコーティングされたワイヤ芯線６４を含むワイヤ６２（図５）の多数の巻線を、先細りする螺旋状の形状で含む。ワイヤの隣接する巻きの間には小さな隙間６６が存在し、排ガスはその隙間６６を通って容易に流れることができるが、ワイヤの触媒コーティング６５と接触して通過する。１つの例では、ワイヤは直径が０．５ｍｍのスチールの芯線を有し、その芯線は０．０２ｍｍの厚さの触媒ウォッシュ６５でコーティングされ、ワイヤの巻きの間に０．１ｍｍの隙間６６を有して離れて間隔をおかれる。ワイヤの巻き６９の位置を維持するために複数の横棒６８が使用される。ワイヤの巻きは各々、触媒でコーティングされた細長い要素を構成する。
【００１７】
図６は、上質なステンレススチールウールの密集体または部分７１−７５からなる別の装置７０を示し、ステンレススチールウールのワイヤは、ＳＣＲ触媒または一酸化窒素触媒でコーティングされる。これは、触媒を含む液体材料の槽の中に元のステンレススチールウールを浸し、ワイヤ間の細かい穴およびステンレススチールウールの弾性を保つ態様で液体が乾燥するのを可能にすることによって達成され得る。ステンレススチールウールの密集体は円錐の中に詰められるので、排ガスは円錐を出るためにスチールウールを通って流れなければならない。
【００１８】
マニホールド排出口１４における排ガスが９０％のＮＯおよび１０％のＮＯ2を含んで
いたことを試験は示す。排ガスは、上記の一酸化窒素触媒をゆっくりと通り抜けた後、３０％のＮＯおよび７０％のＮＯ2を含んでいたので、一酸化窒素触媒はＮＯのうちの１０％以上、実際にはＮＯのうちの２０％以上をＮＯ2に変換した。他の触媒（ＳＣＲおよび酸化触媒）は、ＮＯをＮＯ2に変換する効果が遥かに低い。
【００１９】
したがって、この発明は低コストの排出削減システムを提供し、このシステムは一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に変換する一酸化窒素触媒を含み、続いてアンモニアを窒素酸化物、特に二酸化窒素（ＮＯ2）と反応させるＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒を含む。どちらの触媒も複数の細長い要素上のコーティングであり、各々の長さはその直径の少なくとも１０倍であり、酸化コーティングでコーティングされ、要素は要素のうちの隣接する要素間に狭い穴または通路を有する密集体にまとめられる。要素の直径は各々、１ミリメートル以下であり、要素間の距離は１ミリメートル未満である。要素は好ましくは円錐形の内側および外側表面を有する円錐の形状の密集体で位置し、各々の円錐角は約４５°以下（５２．５°未満）である。要素は、ＳＣＲ触媒コーティングを含むセラミック繊維を含むことができ、一酸化窒素触媒のコーティングは円錐の外側表面上に位置する。さらに、コーティングされたワイヤの巻きまたは触媒コーティングされた他の部分が円錐に位置することができる。
【００２０】
この発明の特定の実施例が本明細書において説明され、示されてきたが、修正および変形が容易に当業者に想起され得ることが認識され、その結果、特許請求の範囲はこのような修正および等価物を包含するように解釈されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明のエンジンの構成の側面図である。
【図２】図１の構成の触媒アセンブリの断面図である。
【図３】図２の触媒アセンブリの一部の拡大断面図である。
【図４】追加の触媒装置が加えられた、図２の触媒の密集体の断面図である。
【図５】図４の追加の触媒装置の一部の断面図である。
【図６】異なる触媒装置が加えられた、図４の触媒の密集体の断面図である。
【図７】図３の触媒アセンブリの一部の拡大図である。
【図８】図２の触媒アセンブリの一部の、線８−８に沿ってとられる断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2007513277.tif 000011
2007513277.tif 000012