JP2011506827A - 排気処理システム - Google Patents

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Abstract

ディーゼルエンジン排気流の中に存在する、窒素酸化物(NO)、粒子状物質、およびガス状炭化水素を浄化するための排気処理システムおよび方法について記載する。当該排気処理システムは、NO還元触媒の上流からのすすフィルタの上流に、酸化触媒を有する。
【選択図】なし

Description

本願は、35U.S.C.§119(e)の下で、2007年12月12日に出願された米国特許出願第61/012,947号に対する優先権を主張し、これは参照によって全体として本願に組み込まれる。
本発明は、選択的触媒還元(SCR)触媒から上流に位置付けられる、触媒すすフィルタ(CSF)から上流に位置付けられる、ディーゼル酸化触媒(DOC)を有する排気処理システムに関する。1つもしくは複数の実施形態では、当該システムは、ディーゼルエンジン排気流内に存在する窒素酸化物(NO)、粒子状物質、COおよびガス状炭化水素を同時に浄化する有効な方法を提供する。
ディーゼルエンジン排気は、一酸化炭素(「CO」)、未燃炭化水素(「HC」)および窒素酸化物(「NO」)等のガス状排気物だけでなく、いわゆる微粒子または粒子状物質の構成要素となる、凝縮相物質(液体および固体)をも含有する不均一混合物である。しばしば、触媒組成物、および該組成物が基材上に配置される基材は、一定のまたはすべてのこれらの排気成分を、無害な成分に変換するように、ディーゼルエンジン排気システムの中に提供される。例えば、ディーゼル排気システムは、ディーゼル酸化触媒、すすフィルタおよびNOの還元のための触媒のうちの1つもしくは複数を含有することができる。
白金族金属、卑金属およびそれらの組み合わせを含有する酸化触媒は、HCおよびCOの両方のガス状汚染物質および一部の粒子状物質を、これらの汚染物質の酸化により二酸化炭素および水へ変換することを促進することにより、ディーゼルエンジン排気の処理を容易にすることが知られている。かかる触媒は、ディーゼルエンジンの排気の中に設置されて、大気に放出される前に排気を処理する、ディーゼル酸化触媒(DOC)とよばれるユニットに概して含有されている。ガス状HC、COおよび粒子状物質の変換に加えて、白金族金属(典型的に耐火性酸化物担体上に分散される)を含有する酸化触媒もまた、一酸化窒素(NO)のNOへの酸化を促進する。
ディーゼル排気における粒子状物質の全体排出は、3つの主要成分を含む。1つの成分は、固体で、乾燥した、固体炭素質留分つまりすす留分である。この乾燥した炭素系物質は、ディーゼル排気と一般的に関連付けられる、可視のすす排出物質に貢献する。粒子状物質の第2の成分は、可溶性有機成分(「SOF」)である。可溶性有機成分はときどき揮発性有機成分(「VOF」)とよばれ、本願ではこの専門用語が使用される。VOFは、ディーゼル排気の温度に応じて、蒸気として、またはエアロゾル(液体コンデンセートの微細な液滴)として、ディーゼル排気の中に存在することができる。これは、U.S. Heavy Duty Transient Federal Test Procedure等の標準的な測定試験によって規定されるように、52℃の標準的な微粒子回収温度で、概して濃縮液体として希釈排気中に存在する。これらの液体は、(1)ピストンが上下する毎に、エンジンのシリンダ壁から流れてくる潤滑油、および(2)未燃または部分的に未燃のディーゼル燃料の2つの供給源から生じる。
粒子状物質の第3の成分は、いわゆるサルフェート留分である。サルフェート留分は、ディーゼル燃料および軽油の中に見られる少量の硫黄成分から形成される。ディーゼルの燃焼中に少ない比率のSOが形成され、これは順に排気中の水と急速に混合して硫酸を形成する。該硫酸は、エアロゾルとしての微粒子とともに凝縮相として集まり、または他の粒子成分上に吸着され、それによりTPMの質量に加わる。
粒子状物質を大幅に低減するために使用されている主要な後処理技術の1つは、ディーゼル微粒子除去フィルタである。粒子状物質のディーゼル排気からの除去において有効な、ハニカム壁流フィルタ、巻き取りまたは充填繊維フィルタ、オープンセル発泡体、焼結金属フィルタ等の、多くの周知のフィルタ構造が存在する。しかしながら、以下に記載するセラミック壁流フィルタが、最も注目を集めている。これらのフィルタは、90%を超える粒子物質をディーゼル排気から除去することができる。このフィルタは、排気から粒子を除去するための物理的構造であり、堆積する粒子は、エンジン上のフィルタからの逆圧を増加させる。したがって、堆積する粒子は、許容可能な逆圧を維持するように、継続的にまたは定期的にフィルタから焼却されなければならない。残念ながら、炭化すす粒子は、酸素を豊富に含む(リーン)排気状態下で燃焼するためには、500℃を超える温度を必要とする。この温度は、ディーゼル排気の中に典型的に存在するものより高い。
フィルタの受動再生を提供するために、すす燃焼温度を低下させるための規定が一般的に導入される。触媒の存在は、すす燃焼を促進し、それにより、現実的な負荷サイクル下で、ディーゼルエンジンの排気の内部で到達可能な温度で、フィルタを再生する。このようにすると、触媒すすフィルタ(CSF)または触媒ディーゼル微粒子除去フィルタ(CDPF)は、蓄積すすの受動燃焼とともに、80%を上回る粒子状物質の削減を提供するために有効であり、およびそれにより、フィルタの再生を促進する。
世界中で採用される将来の排出基準は、ディーゼル排気からのNO削減にも対処することになる。リーン排気状態での固定汚染源に適用される、実証済のNO低減技術は、選択的触媒還元(SCR)である。この工程において、NOは、アンモニア(NH)を用いて典型的に卑金属から成る触媒上で窒素(N)に還元される。この技術は、90%を上回るNO還元が可能であり、したがって、この技術は、積極的にNOを還元する目標を達成するための最良のアプローチの一つを表す。アンモニアの供給源として尿素(典型的に水溶液中に存在する)を用いるSCRは、自動車用途のために開発中である。SCRは、排気温度が触媒の有効温度範囲内、つまり動作ウィンドウ内にある限り、NOの効率的変換を提供する。
世界各国のディーゼルエンジンについての新しい排出規制は、より先進的な排出制御システムの使用を強いている。これらのシステムは、粒子状物質総量およびNOの総量の両方を、約90パーセント削減する必要がある。エンジン製造業者は、新しい規制に対応するための複数の排出システムの選択肢を有するが、一選択肢は、微粒子還元用の能動的フィルタシステムと選択的触媒還元システムとの組み合わせである。
文献中に提案されている一システム構成は、エンジンから下流に位置付けられたディーゼル酸化触媒(DOC)、DOCから下流に位置付けられた触媒すすフィルタ(CSF)、CSFから下流に位置付けられた還元剤注入システム、還元剤注入システムから下流に位置付けられた選択的触媒還元(SCR)触媒、およびSCR触媒から下流に位置付けられた選択的アンモニア酸化(AMOX)触媒を伴う。また、システムは典型的に、エンジンから下流に位置し、かつDOCから上流に位置する、炭化水素噴射システムを含む。
このシステム構成は、システム機能性の全体に、いくつかの長所を提示する。DOCを第1の位置に有することは、低温始動のHCおよびCO排出の急速加熱および能動的フィルタの再生のための最大DOC吸込温度を確実とするように、DOCがエンジンのできるだけ近くに設置されることを可能にする。CSFがSCRの直前に存在することは、微粒子、油灰および他の望ましくない物質がSCR触媒上に堆積することを妨げ、したがってその耐久性および性能を向上する。SCRの直前に酸化触媒を有することは、適切に制御された場合に、SCR内で発生するNO還元の反応速度を上昇させることが知られる、SCRに入るNO対NO比(またはNO対NO)の増加を可能にする。かかるシステムの一例は、米国特許出願公開第2005/0069476号に記載されている。
NOおよび粒子状物質を含有する排気ガス流の処理を向上させるための、代替的システム戦略を調査および提供する、継続的な必要性が存在する。
出願人らは、DOCが、SCR触媒から上流に位置するCSFから上流に位置する種類等のシステムにおいて、フィルタに入るNO対NO比の最適な制御が、DOCおよびSCRの直前のCSFに存在する大量の酸化触媒によって問題となる場合があることを見出した。本発明の1つもしくは複数の実施形態によれば、SCRに流れ込む排気ガスのNO対NO比のより良い制御が、DOCおよびCSFの新規組み合わせによって提供される。したがって、本発明の実施形態は、エンジンからの排気流の処理のための排気処理システムに関し、排気流は、NOおよび粒子状物質を含有する。該排気処理システムは、エンジンから下流に位置するディーゼル酸化触媒を含む。NOは、少なくともNOおよびNOを含む。DOCは、排気ガス流の経路内部に設置される。ディーゼル酸化触媒は、ディーゼル酸化触媒を通過した後に、排気ガス流内に追加的なNOを実質的に生成しないために有効である。DOCは、このようにディーゼル酸化触媒の動作ウィンドウの約90%を超えて動作する。触媒すすフィルタは、ディーゼル酸化触媒から下流に位置する。CSFは、長手方向に延在する壁によって境界される、複数の長手方向に延在する通路を有する。該通路は、開放した入口端部および閉鎖した出口端部を有する入口通路と、閉鎖した入口端部および開放した出口端部を有する出口通路とを含む。該触媒すすフィルタは、壁上に酸化触媒組成物を含み、触媒すすフィルタは、該フィルタから出ていくNO対NO比を最適化するために有効である。NO還元触媒は、触媒すすフィルタから下流に位置する。
他の実施形態による排気処理システムは、NO還元触媒として選択的接触還元触媒を有する。
また、排気処理システムのさらなる実施形態は、還元剤注入システムを含む。該還元剤注入システムは、触媒すすフィルタとNO還元触媒との間に位置する。還元剤注入システムを含むいくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒は、NO還元触媒から下流に配置される。
排気処理システムの詳細な実施形態は、約0.6〜約1.4の間のNO/NO比を持つ、触媒すすフィルタを出ていくガス排気流を示す。より詳細な実施形態では、NO/NO比は約0.7〜約1.3である。またさらに詳細な実施形態は、約1:1を目標とする、触媒すすフィルタを出ていくNO/NO比を有する。もちろん、本発明は特定のNO/NO比に制限されるものではなく、より高いまたは低い比率が可能であるということが理解される。
本発明のさらなる実施形態は、ディーゼルエンジンからの排気流を処理する、排気流がNOおよび粒子状物質を含む方法に関する。当該方法は、ディーゼル酸化触媒を排気流の内部に配置するステップを含む。該ディーゼル酸化触媒は、排気流内に、少量のNOしか生成しないか、またはまったく生成しない。触媒すすフィルタは、ディーゼル酸化触媒から下流に配置される。該触媒すすフィルタは、長手方向に延在する壁によって境界される、複数の長手方向に延在する通路を有する。該通路は、開放した入口端部および閉鎖した出口端部を有する入口通路と、閉鎖した入口端部および開放した出口端部とを有する出口通路とを含み、触媒すすフィルタは、壁上に触媒組成物を含む。該触媒すすフィルタは、該フィルタを出ていくNO対NO比を最適化するために有効である。選択的接触還元触媒は、触媒すすフィルタから下流に配置される。当該方法は、ディーゼルエンジンからDOC、CSFおよびSCRを通して排気流を通過させるステップをさらに含む。
さらなる実施形態は、触媒すすフィルタと選択的接触還元触媒との間に、還元剤注入システムを配置するステップを含む。該還元剤注入システムは、触媒すすフィルタから出ていく排気流の中に、定期的に還元剤を追加または計量する。この変形例のいくつかの実施形態はまた、SCR触媒から下流に位置するアンモニア酸化触媒を有する。
追加的な実施形態は、ディーゼルエンジからの排気ガス流を処理する方法に関し、排気ガス流は、NOおよび粒子状物質を含む。これらの方法は、ディーゼル酸化触媒を通過する排気ガスのNO生成を抑制するステップと、下流の触媒すすフィルタを通じてNO/NO比を制御するステップとを含む。これは、下流の選択的接触還元触媒の制御を強化する。
さらなる実施形態には、排気流の中への還元剤を計量するステップを含む。還元剤は、選択的接触還元触媒の前に添加されてもよい。この種類のいくつかの実施形態はまた、選択的接触還元触媒の後に、あらゆる残留還元剤を酸化するステップを含む。
当該方法の詳細な実施形態は、約0.6〜約1.4に制御されたNO/NO比を有する。追加的な詳細な実施形態では、NO/NO比は、約0.7〜約1.3、または約0.8〜約1.2に制御される。
本発明の実施形態に従う、排気処理システムの実施形態の概略図である。 壁流フィルタ基材の斜視図を示す。 壁流フィルタ基材の断面の切断図を示す。 尿素貯蔵容器および注入器を含む、本発明の排気処理システムの実施形態を示す。 温度の関数としてのNO中のNOの比率のグラフである。 温度の関数としてのNO中のNOの比率のグラフである。 NO/NO比に相対するSCR性能のグラフである。 出口NOに対するDOCの寄与のグラフである。 DOC出口でのNO/NO比のグラフである。 3時間すす負荷試験のFTIR排出の、時間の関数としてのグラフである。 DOC全域の275℃でのNO変換のグラフである。
本発明のいくつかの例示的実施形態を説明する前に、本発明は、以下の説明に記載される構造または工程ステップの詳細に限定されないということが理解されるものとする。本発明は、他の実施形態が可能であり、さまざまな様式において実践可能であり、実行可能であるものとする。
「活性アルミナ」とは、ガンマアルミナ、シータアルミナ、およびデルタアルミナのうちの1つもしくは複数を含む、高BET表面積アルミナの通常の意味を有する。
「BET表面積」とは、Nの吸収によって表面積を求めるBrunauer、Emmett、Teller法を指す、通常の意味を有する。別に具体的に明言されない限り、本願における触媒担体成分または他の触媒成分の表面積に対するすべての言及は、BET表面積を意味する。
物質(例えば、セリア)の物理的形状を説明するために使用される場合、「バルク形状」とは、ガンマアルミナ等の別の物質上に溶液中で散布されるものとは対照的に、その物質の大きさが、直径1〜15ミクロンまたはそれ以下でありえる個別の粒子として存在することを意味する。一例として、本発明のいくつかの実施形態では、例えば、アルミナ粒子を、焼成時にアルミナ粒子上に配置されるセリアに変換される、セリア先駆物質の水溶液で含浸することとは対照的に、セリアの粒子は、セリアがバルク形状で存在するように、ガンマアルミナの粒子と混合される。
触媒中に存在する時、「セリウム成分」とは、1つもしくは複数のセリウムの酸化物(例えば、CeO)を意味する。
「下流」および「上流」とは、一製品、触媒基材または触媒ゾーンを説明するために使用される場合、排気ガス流の流れの方向に感知されるような、排気システム内の相対位置を指す。触媒または触媒ゾーンが、別の触媒または触媒ゾーンから「下流」または「上流」にある時、この触媒または触媒ゾーンは、異なる基材またはブリック上にあるか、または同一の基材またはブリックの異なる領域上にある。
「高表面積担体」とは、ほぼ10m/gを上回る、例えば、150m/gを上回るBET表面積を持つ担持物質を意味する。
「白金族金属成分」つまり「PGM」は、白金族金属またはその酸化物を指す。適切な白金族金属成分は、白金、パラジウム、ロジウムイリジウム成分、およびそれらの組み合わせである。
「ディーゼル酸化触媒」つまり「DOC」は、ディーゼル微粒子の有機留分、気相炭化水素、および/または一酸化炭素の排出を低減するための、ディーゼル排気中の酸化工程を促進する触媒を指す。
「活性再生」とは、可燃物質(例えば、ディーゼル燃料)の排気の中への導入および酸化触媒の全域で可燃物質を焼却して熱を発生させ、それによりフィルタからすす等の粒子状物質を焼却するために必要な熱(例えば、約500〜700℃)を提供することを指す。
アンモニア破壊触媒つまりAMOXは、NHの酸化を促進する触媒を指す。
「微粒子フィルタ」つまり「すすフィルタ」とは、排気ガス流からすす等の粒子状物質を除去するように設計されたフィルタであり、微粒子フィルタは、ハニカム壁流フィルタ、部分濾過フィルタ、ワイヤメッシュフィルタ、巻き取り繊維フィルタ、焼結金属フィルタ、および発泡フィルタを含むがこれらに限定されない。
本願において使用される場合、「動作ウィンドウ」とは、エンジンの動作中に触媒成分と遭遇した温度および空間速度の値を指す。動作ウィンドウの温度は、0℃〜800℃の間でさまざまであることができ、空間速度は、0〜1,000,000/時間の間でさまざまであることができる。
将来の世界中の大型車の排出ガス規制に対応するためには、微粒子還元およびNO還元排出制御システムを利用することが必要となる。1つのアプローチは、選択的触媒還元システムに加えた能動的微粒子フィルタシステムの利用である。このシステムは、多くの様式に構成することができるが、アンモニア酸化触媒(AMOX)の有無に関わらず、ディーゼル酸化触媒(DOC)−触媒すすフィルタ(CSF)−尿素噴射−選択的接触還元触媒(SCR)の順序の構成は、魅力的な設計利益を提供すると考えられる。
本発明の実施形態は、DOCから出るNOが、フィルタ内の微粒子酸化に無視できるほどの作用を及ぼすか、またはまったく及ぼさないように、DOC全域で最小限のNOを生成するか、または生成しない、エンジンの中のシリンダ内での、または排気中のポスト噴射での燃料噴射によって、フィルタの能動的再生のために燃料を燃焼するように特別に設計されたDOCを利用する。CSFは、SCRシステム全域の最適なNO還元を容易にするように、フィルタから出るNO/NO比を最適化するように特別に設計される。
本発明の実施形態は、粒子状物質、NO、およびディーゼルエンジン排気の他のガス状成分の同時処理を有効に提供する排気処理システムに関する。当該システムに実装される触媒組成物の選択により、変動温度の排気流について、有効な汚染物質の軽減が提供される。この特徴は、かかる車両のかかるエンジンから排出される排気温度に著しく影響を与える、さまざまな荷重および車両速度下にあるディーゼル車両の運転に好都合である。
本発明の排気処理システムの一実施形態は、図1に概念的に描写されている。図1からわかるように、ガス状汚染物質(未燃炭化水素、一酸化炭素およびNOを含む)および粒子状物質を含有する排気は、エンジン10から酸化触媒11へと運搬される。酸化触媒11において、未燃のガス状かつ非揮発性の炭化水素(すなわち、VOF)および一酸化炭素は、大部分が燃やされて二酸化炭素および水を形成する。特に、酸化触媒を使用した実質的な割合のVOFの除去は、当該システム内の下流に位置付けられているすすフィルタ12上の粒子状物質の堆積が過度に多量となること(すなわち、目詰まり)を防ぐために役立つ。加えて、酸化触媒内には、NOは実質的に生成されない。例えば、酸化触媒に入るNOの量は、酸化触媒を出ていく量と実質的に同一であるか、またはそれよりも少ない。
該排気流は、すすフィルタ12へと運搬される。該すすフィルタを通過する際、粒子状物質は濾過され、ガスは、ほぼ等しいNO対NO比を含有する。
また、すす留分およびVOFを含む粒子状物質は、すすフィルタによって大部分(80%を上回る)が除去される。すすフィルタ上に堆積した粒子状物質は、フィルタの再生を通じて燃やされ、粒子状物質のすす留分が燃える温度は、すすフィルタ上に配置された触媒組成物の存在によって低減される。
図1に示す実施形態では、還元剤、この場合はアンモニアが、ノズル(図示せず)を介して、すすフィルタ下流の排気流の中へと噴霧として噴射される。一方の線18で示される尿素水溶液は、混合ステーション16の中で、他方の線19上で空気と混合することができる、アンモニア先駆物質としての役割を果たすことができる。弁15は、排気流の中でアンモニアに変換される、正確な量の尿素水溶液を計量するために使用することができる。
すすフィルタ12の下流は、選択的接触還元触媒(SCR)である。NOおよびNOを含有する排気ガスは、SCRの中でNに還元される。
当該排気処理システムは、SCR触媒13の下流に、スリップ酸化触媒14を装備してもよい。このスリップ酸化触媒は、例えば、卑金属および0.5重量%未満の白金を含有する組成物で被覆することができる。この条件は、大気に放出される前にあらゆる過剰NHを酸化するために使用することができる。
当該システム内で使用される適切なSCR触媒組成物は、典型的により低い排気温度と関連付けられる低負荷の条件下においてさえも、十分なNOレベルが処理されるように、NO成分の還元を有効に触媒することが可能である。1つもしくは複数の実施形態では、この触媒製品は、当該システムに添加される還元剤の量に応じて、少なくとも50%のNO成分をNに変換する能力がある。加えて、システム内で使用されるSCR触媒組成物はまた、理想的には、粒子状物質のすす留分が燃える温度を下げることにより、フィルタの再生に役立つことが可能である。該組成物についての別の望ましい特質は、NHが大気に排出されないように、NおよびHOへの、あらゆる過剰NHとのOの反応を触媒する能力を該組成物が所有することである。
システム内で使用される、有用なSCR触媒組成物はまた、650℃を上回る温度に対する耐熱性を有する。かかる高温度は、しばしばすすフィルタの再生中に直面する。加えて、SCR触媒組成物は、ディーゼル排気ガス組成物においてしばしば存在する硫黄成分への曝露に際しての分解に耐えるべきである。
適切なSCR触媒組成物は、例えば、米国特許第4,961,917(‘917特許)号および第5,516,497号に記載され、双方とも参照によって全体として本願に組み込まれる。‘917特許に開示される組成物は、ゼオライトに存在する、ゼオライトとプロモータを足した総重量の約0.1〜30重量パーセントの、具体例では、約1〜5重量パーセントの量の鉄および銅プロモータの一方または両方を含む。NHによるNOのNへの還元を触媒する能力に加えて、開示される組成物はまた、特により高い促進濃度を有する組成物について、過剰NHのO2による酸化を促進することができる。
かかる組成物に使用されるゼオライトは、硫黄被毒に耐性があり、SCR工程のための高レベルの活性を持続し、過剰アンモニアの酸素との酸化が可能である。かかるゼオライトの具体的な、非制限的例には、USY、ベータおよびZSM−20を含む。適切なSCR触媒の追加的な実施例には、CHA構造を有するゼオライト、例えばSSZ−13、および例えば、SAPO−34、SAPO−18、SAPO−44等のシリコアルミノリン酸塩等の、CHA構造を有する非ゼオライト系分子篩を含む。特定の、非制限的な例は、例えば、Cu/SSZ−13およびCu/SAPO−34、Cu/SAPO−18およびCuSAPO−44等の、Cuおよび/またはFeで促進される、CHA構造を有する物質である。
SCR触媒組成物を担持するために有用な壁流基材は、基材の長手方向軸に沿って延在する、実質的に並行する複数の微細なガス流路を有する。典型的に、各通路は、基材本体の一方の端で閉鎖され、代替的な通路は反対の端面で閉鎖される。かかるモノリシック担体は、ずっと少ないものが使用されてもよいが、断面の立方センチあたり約700までの、またはそれ以上の流路(つまり「セル」)を含有してもよい。例えば、担体は、約7〜600、より通常では約100〜400の立方インチあたりのセル(cpsi)を有してもよい。当該セルは、長方形、正方形、円形、楕円形、三角形、六角形の断面を有するか、または他の多角形であることができる。壁流基材は典型的に、0.002〜0.1インチの間の壁厚を有する。適切な壁流基材の一実施例は、約0.002〜0.015インチの間の壁厚を有する。
図2および図3は、複数の通路52を有する壁流フィルタ基材30を図示する。これらの通路は、フィルタ基材の内壁53によって管状に被包されている。該基材は、入口端部54および出口端部56を有する。代替的な通路は、入口端部で入口栓58で、および出口端部で出口栓60で塞がれ、入口54および出口56で対向する格子状のパターンを形成する。塞がれていないチャネル入口64を通じて入るガス流62は、出口栓60によって止められ、チャネル壁53(多孔性である)を通って出口側66へと拡散する。当該ガスは、入口栓58があるために、壁の入口側へと戻ることはできない。
適切な壁流フィルタ基材は、コーディエライト、α−アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ムライト、リシア輝石、アルミナ−シリカ−マグネシア、チタン酸アルミニウムもしくはケイ酸ジルコニウム、または任意の他の適切な多孔性の耐火金属等のセラミック様の材料から成る。壁流基材はまた、セラミック繊維複合物質から形成されてもよい。適切な壁流基材は、コーディエライトおよび炭化ケイ素から形成される。かかる物質は、排気流の処理において直面する環境、特に高温に耐えることができる。
本発明のシステムにおいて使用される適切な壁流基材は、逆圧つまり製品全域の圧力に過度な上昇を生じることなく流体の流れが通過する、薄い多孔壁ハニカム(モノリス)を含む。通常、クリーンな壁流の製品の存在は、1インチの水柱の10psigまでの逆圧を生じる。当該システムにおいて使用されるセラミック壁流基材は、少なくとも5ミクロン(例えば、5〜30ミクロン)の平均細孔サイズを有する、少なくとも50%(例えば、50〜75%)の多孔率を有する物質で形成されてもよい。これらの多孔率およびこれらの平均細孔サイズを持つ基材が前述の技術で被覆される場合、優良なNO変換効率を達成するように、適正水準のSCR触媒組成物を基材上に充填することができる。これらの基材は、SCR触媒充填に関わらず、依然として適正な排気流特性、すなわち、許容できる逆圧を保持することができる。米国特許第4,329,162号は、適切な壁流基材の開示に関して、参照によって本願に組み込まれる。
適切な壁流フィルタは、本発明において利用される壁流フィルタより低い、例えば、約35%〜50%の壁の多孔率で形成されてもよい。概して、適切な市販の壁流フィルタの細孔のサイズの分布は、平均細孔サイズが17ミクロンより小さく、非常に広範である。
本発明の実施形態に従って使用される多孔性壁流フィルタは、この要素の壁が、1つもしくは複数の触媒物質をその上に有するか、またはその中に含有して触媒される。触媒物質は、要素の壁の入口側のみ、出口側のみ、入口側および出口側の両方に存在してもよく、または、壁自体が全体としてまたは部分的に、触媒物質から成ってもよい。本発明は、要素の入口および/または出口壁に、触媒物質の1つもしくは複数の層および触媒物質の1つもしくは複数の層の組み合わせの使用を含む。
壁流基材を触媒組成物で被覆するために、当該基材の上部がスラリー表面のちょうど真上に位置するように、当該基材は触媒スラリーの一部分に垂直に浸漬される。このように、スラリーはそれぞれのハニカム壁の入口面と接触するが、それぞれの壁の出口面との接触は妨げられる。試料はスラリーの中に約30秒間留置される。当該基材はスラリーから除去され、過剰スラリーは、まずチャネルから流出することにより、次に圧縮空気を吹き付けることにより(スラリー貫通の方向に逆らって)、および次に、貫通の方向から真空にすることにより、壁流基材から除去される。この技術を使用することにより、触媒スラリーは、典型的に基材の壁を貫通するが、細孔は、必要以上の逆圧が完成した基材に生じる程度までには閉塞されない。本願で使用される場合、「貫通」という用語は、基材上の触媒スラリーの散布を説明するために使用される場合、触媒組成物が基材の壁の全体にわたって散布されることを意味する。
該被覆基材は、典型的に約100℃で乾燥され、より高い温度(例えば、300〜450℃)で焼成される。焼成後、基材の被覆された、および被覆されない重量を算出することにより、触媒充填を求めることができる。当業者には明白となるように、触媒充填は、被覆スラリーの固形分を変更することによって修正することができる。あるいは、基材の被覆スラリー中での反復的な浸漬は、前述のように過剰スラリーの除去前に行われることができる。
NO還元剤を排気流の中へと噴射するための還元剤注入システムは、すすフィルタの下流およびSCR触媒の上流に提供される。米国特許第4,963,332号に開示されるように、触媒コンバータの上流および下流のNOは、感知することができ、パルス投入弁は、上流および下流の信号によって制御することができる。代替的構成において、米国特許第5,522,218号に開示されるシステム、還元剤噴射装置のパルス幅は、排気ガス温度のマップおよびエンジンrpm、伝動装置およびエンジン速度等のエンジン運転条件から制御される。また、米国特許第6,415,602号の還元剤パルス計量システムの考察について参照され、その考察は参照によって本願に組み込まれる。
図4の実施形態では、尿素水溶液貯蔵容器22は、尿素/水溶液を車両上に貯蔵し、これはフィルタおよび圧力調整器を含むポンプ21を通じて尿素噴射装置16へと送られる。尿素噴射装置16は、制御弁によって尿素噴射装置16へとパルスされる、圧力調整された空気を線上19で受け取る、混合チャンバである。噴霧された尿素/水/空気溶液は、ノズル23を通じてSCR触媒13の上流の排出管24の中へとパルプ噴射されることになる。
本発明は、図4に示される尿素水溶液計量設備に限定されず、ガス状の窒素を使用した試薬が利用されてもよいということが考えられる。例えば、尿素またはシアヌル酸プリル噴射装置は、固体還元剤を気化するように、排気ガスによって加熱されるチャンバへの尿素の固体ペレットを計量することができる(昇華温度範囲は約300〜400℃)。シアヌル酸はイソシアン酸(HNCO)に気化され、尿素はアンモニアおよびHNCOに気化される。どちらの還元剤を用いても、HNCOを加水分解してアンモニアを生成するように、加水分解触媒がチャンバ内に提供され、排気ガスの後流は、チャンバの中で計量することができる(排気ガスは、十分な水蒸気を含有する)(温度約150〜350℃)。
尿素およびシアヌル酸に加えて、本発明の制御システムにおける使用に特に適切な、他の窒素を使用した還元試薬または還元剤は、アンメリド、アンメリン、シアン酸アンモニウム、ビウレット、シアヌル酸、カルバミン酸アンモニウム、メラミン、トリシアノ尿素、およびこれらの任意の数の混合物を含む。しかしながら、本発明は、より広義において窒素を使用した還元剤に限定されず、アルコール、エーテル、有機窒素化合物等(例えば、メタノール、エタノール、ジエチルエーテル等)およびグアニジン、メチル炭酸アミン、ヘキサメチルアミン等を含む種々のアミンおよびその塩(特にその炭酸塩)を含む留出燃料等の炭化水素を含有する任意の還元剤を含むことができる。
還元剤注入システムの上流は、酸化触媒(つまりDOC)である。酸化触媒は、未燃のガス状かつ非揮発性の炭化水素(すなわち、VOF)および一酸化炭素の有効な燃焼を提供する任意の組成物から形成することができる。加えて、酸化触媒は、酸化触媒を出ていく排気ガスの中に、酸化触媒に入る前の排気ガス中のNOの量と比べて、追加的なNOが実質的に存在しないように、NO成分のNO対NOの実質的な割合の変換を避けるために有効であるべきである。酸化触媒を出ていくNOの量を規定する厳密な触媒組成物および装填は、特定の用途およびエンジンが大型ディーゼルエンジンであるか小型ディーゼルエンジンであるか、使用温度、空間速度等の要因、および他の要因によって異なる。酸化のための適切な触媒は、白金族金属を使用した、および卑金属を使用した組成物を含む。該触媒組成物は、耐火金属またはセラミック(例えば、コーディエライト)材料から形成されるハニカム流入モノリス基材上に被覆することができる。あるいは、酸化触媒は、当該技術分野において周知の金属またはセラミック発泡体基材上に形成されてもよい。これらの酸化触媒は、酸化触媒がその上に被覆される基材により(例えば、オープンセルセラミック発泡体)、および/または固有の酸化触媒作用により、いくらかのレベルの微粒子除去を提供する。フィルタ上の微粒子質量の低減は、強制再生までの時間を潜在的に延長するため、該酸化触媒は、壁流フィルタの上流の排気流からいくらかの粒子状物質を除去し得る。
排気処理システムにおいて使用されてもよい適切な酸化触媒組成物の1つは、高表面積の耐火性酸化物担体(例えば、γ−アルミナ)上に散布される白金族金属(PGM)成分(例えば、白金、パラジウムまたはロジウム成分)を含有し、これはゼオライト成分(例えば、ベータゼオライト)と混合される。
また、酸化触媒の形成において使用するための、適切な白金族金属を使用した組成物は、参照によって本願に組み込まれる、米国特許第5,100,632号(‘632特許)に説明される。‘632特許は、白金、パラジウム、ロジウム、およびルテニウムの混合物、および酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等のアルカリ土類金属酸化物を有する組成物を説明している。
酸化触媒のために適切な触媒組成物は、触媒として卑金属を使用して形成されてもよい。例えば、米国特許第5,491,120号(その開示は参照によって本願に組み込まれる)には、少なくとも約10m2/gのBET表面積を有し、本質的にチタニア、ジルコニア、セリア−ジルコニア、シリカ、アルミナ−シリカ、およびα−アルミナのうちの1つもしくは複数であってもよいバルク第2金属酸化物から成る触媒物質を含む酸化触媒組成物が開示されている。
前述のとおり、図1に示される構成は、システム機能性全体にいくつかの長所を提示する。第1に、DOCを第1の位置に有することは、低温始動のHCおよびCO排出の急速加熱および能動的フィルタの再生のための最大DOC吸込温度を確実とするように、DOCがエンジンのできるだけ近くに設置されることを可能にする。
第2に、SCRの直前にあるCSFは、微粒子、油灰および他の望ましくない物質がSCR触媒上に堆積することを防ぎ、したがって、その耐久性および性能を向上させる。
第3に、SCRの直前に酸化触媒を有することは、適切に制御された場合に、SCR内で発生するNO還元の反応速度を上昇させることが知られる、SCRに入るNO対NO比の増加を可能にする。
しかしながら、該フィルタに入るNO対NOの割合の最適な制御が、DOCおよびSCRの直前のCSFに存在する大量の酸化触媒によって問題となる場合がある。1つもしくは複数の実施形態によれば、適切なシステム設計は、DOCおよびディーゼルフィルタ触媒の新規組み合わせを使用して、SCR内へのNO対NO比の制御を提供する。
データは、エンジンから出るNOのNOの割合(%)は、エンジン設計、排気温度および負荷によって異なる場合があることを示している。図5を参照されたい。選択的触媒還元の反応速度を向上させるために最適なNO対NO比は1:1(50%濃度)であり、エンジンから出るNOさえも最適な割合以上であってもよいことが、図6のデータからわかる。DOCが過度に能動的であり、能動的再生のために、燃料を燃焼するために必要なかなりの量の白金を、および白金とともにCSFを含有する場合、NO濃度は、最適なNO対NO(またはNO対NO)比をしばしば超過する。図6を参照されたい。これは、NOの濃度が過度に高くなると、NO還元反応が阻害されるため、問題となる場合がある。図7を参照すると、NO全体に対するNOが80%である時、グラフ内の短い棒で示すNO変換が生じる。しかしながら、類似の条件下において、NO全体に対するNOの比率が56%である時、NO変換が高まる。
加えて、データは、SCR触媒の入口で利用可能な大部分のNOは、CSF内で生成されることを示している。図8を参照されたい。SCR触媒に入るNOの全体量にほんのわずかな変化しかもたらさないことに加え、DOCからのNOは、エンジンから出るCOおよびHC濃度によって影響される場合がある。図9を参照されたい。
DOC内で生成されるNOは、必ずCSFを通過しなければならないので、およびCSFが入口チャネル壁上にすす層を形成するにつれて、DOCによって発生するNOは、すすと反応し、NOに戻る。この反応の範囲は、すす層の厚みによって異なり、したがって可変である。したがって、実際にはSCRに到達する、DOCによって発生するNOの量は、可変であり、不確かである。しかしながら、DOCがエンジンから来るほとんどすべてのHCおよびCOを酸化することになり、CSFのPGM充填がフィルタ内のすすの量に関係なく、任意の条件についてNO対NOを平衡へと推すために、CSF上のNOの発生はずっと制御可能である。図10を参照されたい。
本発明の実施形態は、最適なSCR動作のための適切なNO対NO比を提供するように設計された、最適化されたCSFと組み合わせて、エンジンから出るNOに比べて少量のNOしか生成しないか、またはまったく生成しないDOCを利用することができる。図11を参照されたい。
適切に設計されたDOCは、エンジンから出る排出物質に比べてNOを生成しないために有効な触媒を含有するように構成することができる。表1および図11を参照されたい。
Figure 2011506827
1つもしくは複数の実施形態に従う、DOCの最適化は、NOを少量しか生成しないか、またはまったく生成しない一方で、HCとCOの変換およびフィルタの能動的再生を最適化するための妥当な割合で、基材上への充填および分散の白金およびパラジウム等の白金族金属の利用を含む。この最適化は、白金(NOを作るための主要触媒)をDOCから取り除くことを可能にし、したがってDOCの全体のコストを削減する。これは、より多くの白金がCSFに利用されることを可能にし、SCRのためにNOを発生する最上の利益を与えることになる。
この設計は、DOC上により少ないPt充填を行い、コストを削減する機会を含む多くの利益を提供する。DOC上のPdの使用を増加する機会は、Pd対Pt比を上昇させ、DOCの熱耐久性を向上させる。フィルタ内へのより安定したNO対NO比を可能にする。フィルタ上により多くのPGMおよびより多くのPtを設置することにより、システムPGMのよりよい利用を可能にする。適切なSCR動作のために最適なNO対NO比を提供することがより可能なシステムを形成する、SCRのためのNO生成のためのフィルタの最適化を可能にする。
したがって、1つもしくは複数の本発明の実施形態は、エンジンからの排気流の処理のための排気処理システムに関し、該排気流は、NOおよび粒子状物質を含む。排気処理システムは、エンジンから下流に位置するディーゼル酸化触媒を含む。NOは、少なくともNOおよびNOを含む。DOCは、排気ガス流の経路内部に設置される。該ディーゼル酸化触媒は、ディーゼル酸化触媒を通過した後に、排気ガス流内に追加的なNOを実質的に生成しない。1つもしくは複数の実施形態では、DOCは、このようにディーゼル酸化触媒の動作ウィンドウの約90%を超えて動作する。任意選択的に、本発明の一実施形態によると、ディーゼル酸化触媒は、第1の白金族金属(PGM)ゾーンと、次に第2のPGMゾーンをさらに含み、第2のゾーンは、第1のゾーンとは異なる貴金属負荷、ある種のPGMおよび/またはPGMの混合物を含有する。
触媒すすフィルタは、該ディーゼル酸化触媒から下流に位置する。一実施形態によれば、該CSFは、長手方向に延在する壁によって境界される、複数の長手方向に延在する通路を有する壁流フィルタである。それらの通路は、開放した入口端部および閉鎖した出口端部を有する入口通路と、閉鎖した入口端部および開放した出口端部を有する出口通路を含む。当該触媒すすフィルタは、壁上に酸化触媒組成物を含み、触媒すすフィルタは、該フィルタを出ていくNO対NO比を最適化するために有効である。
NO還元触媒は、該触媒すすフィルタから下流に位置する。1つもしくは複数の実施形態に従う排気処理システムは、NO還元触媒として選択的接触還元触媒を有する。他の実施形態では、リーンNOトラップ等の他の種類のNO還元触媒が使用されてもよい。
また、排気処理システムのさらなる実施形態には、還元剤注入システムが含まれる。当該還元剤注入システムは、触媒すすフィルタとNO還元触媒との間に位置する。この種類のいくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒は、NO還元触媒から下流に配置される。
本明細書の全体における「一実施形態」「ある実施形態」「1つもしくは複数の実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「1つもしくは複数の実施形態では」「ある実施形態では」「一実施形態では、」または「一実施形態では、」等の語句の本明細書の全体のさまざまな場所での出現は、必ずしも本発明の同一の実施形態を指すとは限らない。さらに、該特定の構造、材料、または特性は、1つもしくは複数の実施形態において、任意の適切な手法により、組み合わされ得る。
上記は本発明の実施形態に関するが、本発明の他のおよびさらなる実施形態は、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく考案することができ、その範囲は、以下の請求項によって決定されるものとする。

Claims (14)

  1. エンジンからのNOおよび粒子状物質を含む排気流を処理するための排気処理システムであって、
    NOを含む前記排気ガス流の経路内の、前記エンジンからの下流のディーゼル酸化触媒であって、前記ディーゼル酸化触媒の動作ウィンドウの約90%について、前記ディーゼル酸化触媒を通過した後、前記排気ガス流内に追加的なNOを実質的に生成しないために有効な触媒を含有する、前記ディーゼル酸化触媒と、
    前記ディーゼル酸化触媒から下流に配置された触媒すすフィルタであって、前記触媒すすフィルタは、前記フィルタ上に酸化触媒組成物を含み、前記触媒すすフィルタは、前記フィルタを出ていくNO対NO比を最適化するために有効である、前記触媒すすフィルタと、
    前記触媒すすフィルタから下流に位置するNO還元触媒と、
    を含む、排気処理システム。
  2. 前記NO還元触媒が、選択的接触還元触媒を含む、請求項1に記載の排気処理システム。
  3. 前記触媒すすフィルタと前記NO還元触媒との間に配置された還元剤注入システムをさらに含む、請求項1に記載の排気処理システム。
  4. 前記NO還元触媒から下流に配置されたアンモニア酸化触媒をさらに含む、請求項3に記載の排気処理システム。
  5. 前記触媒すすフィルタを出ていく前記NO/NO比は、約0.6〜約1.4の間である、請求項1に記載の排気処理システム。
  6. 前記触媒すすフィルタを出ていく前記NO/NO比が、約0.7〜約1.3の間である、請求項1に記載の排気処理システム。
  7. 前記触媒すすフィルタを出ていく前記NO/NO比が、約1:1を目標とする、請求項1に記載の排気処理システム。
  8. ディーゼルエンジンからのNOおよび粒子状物質を含む排気流を処理する方法であって、
    NOを含有する前記排気流の内部に、ディーゼル酸化触媒を配置するステップであって、前記ディーゼル酸化触媒は、前記ディーゼル酸化触媒を出ていく前記排気流の中に、少量のNOしか生成しないか、またはまったく生成しない、ステップと、
    前記ディーゼル酸化触媒から下流に、触媒すすフィルタを配置するステップであって、前記触媒すすフィルタが、長手方向に延在する壁によって境界される、複数の長手方向に延在する通路を有し、前記通路は、開放した入口端部および閉鎖した出口端部を有する入口通路と、閉鎖した入口端部および開放した出口端部を有する出口通路とを含み、前記触媒すすフィルタが、前記壁上に触媒組成物を含み、前記触媒すすフィルタが、前記フィルタを出ていく前記NO対NO比を最適化するために有効である、ステップと、
    前記触媒すすフィルタから下流に選択的接触還元触媒を配置するステップと、
    前記ディーゼルエンジンからの前記排気流を、前記ディーゼル酸化触媒と、前記触媒すすフィルタと、前記選択的接触還元触媒とを通過させるステップと、
    を含む、方法。
  9. 前記触媒すすフィルタと前記選択的接触還元触媒との間に、還元剤注入システムを配置するステップをさらに含み、前記還元剤注入システムが、前記触媒すすフィルタを出ていく前記排気流の中に、定期的に還元剤を添加する、請求項8に記載の方法。
  10. 前記選択的接触還元触媒に次いで、アンモニア酸化触媒を配置するステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
  11. ディーゼルエンジンからのNOと粒子状物質とを含む排気ガス流を処理する方法であって、
    ディーゼル酸化触媒を通過する前記排気ガスのNO生成を抑制するステップと、
    下流の触媒すすフィルタを通じてNO/NO比を制御し、下流選択的接触還元触媒の制御を強化するステップと、
    を含む、方法。
  12. 選択的接触還元触媒の前に、前記排気流の中への還元剤を計量するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記選択的接触還元触媒に次いで、残留還元剤を酸化させるステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記NO/NO比が、0.6〜1.4以内に制御される、請求項13に記載の方法。
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