JPH10513526A

JPH10513526A - 自動車排ガス系におけるマニフォールド触媒の性能向上

Info

Publication number: JPH10513526A
Application number: JP8524349A
Authority: JP
Inventors: サング，シアング; アンダーソン，デニス・アール; ラビノウイツツ，ハロルド・エヌ
Original assignee: Engelhard Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 1998-12-22
Also published as: EP0808415A1; US5685145A; WO1996024756A1

Abstract

(57)【要約】炭化水素捕捉器（２８）及び下流触媒域（３０）を含んでなる排ガス系において、熱交換触媒員（１０）は、系に導入されて、排ガスと熱交換触媒員（１０）を通してポンプで送り込まれる空気との間で熱交換を行わせる。加熱された空気は、排ガス流に注入されて、下流触媒域における炭化水素の酸化を容易にする。熱交換触媒員（１０）は、それを通る別々の２つの流路を規定し、これらの流路の１つは排ガスに対する触媒域を含む。他の具体例においては、注入される空気を、熱交換捕捉器（２８′）により又は別の加熱要素（６２）により加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】自動車排ガス系におけるマニフォ−ルド触媒の性能向上技術分野本発明は、有害な自動車放出物の低減、及び更に特に吸着剤炭化水素捕捉器及びこの捕捉器の下流の触媒組成物を含んでなる排ガス処理装置に関する。政府の内燃機関排ガスに対する放出物基準に適合するために、自動車製造業者は自動車の排ガス管系にいわゆる触媒コンバ−タ−を設置している。普通の形のコンバ−タ−は、ガス流路がその中に延びているハニカム一体型を含んでなる触媒員を含む。この一体型は未燃焼の炭化水素、一酸化炭素及びＮＯｘを含む排ガスの有毒成分を無害の物質例えば二酸化炭素、Ｈ₂０及び窒素に転化するのに有効な触媒的に活性な材料を保持する。普通の種類の触媒材料はいわゆる三元（ｔｈｒｅｅ−ｗａｙ）触媒であり、典型的には同業者には公知の方法により耐火性無機担体材料例えばアルミナ上に分散された触媒的に有効量の白金及び／又はパラジウム又はロジウムを含んでなる。三元触媒は、未燃焼の炭化水素及び一酸化炭素を実質的に同時にＣＯ₂及びＨ₂Ｏへ酸化し、一方ＮＯｘを窒素及び酸素に還元する能力で知られている。本明細書に参考文献として引用される１９７９年１０月１６日付のキ−ス（Ｋｅｉｔｈ）による米国特許第４１７１２８７号及び１９８９年７月７日付のウアン（Ｗａｎ）による米国特許第４６７８７７０号は、いくつかの三元触媒組成物及びその製法を開示している。酸化触媒はロジウム成分を含ませずに同一の方法で製造することができる。酸化触媒及び三元触媒は、それらが「ライト−オフ（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）」温度としてしばしば規定される閾値温度に加熱されるまで一般に有効でない。普通自動車エンジンの運転中、排ガスは数分の運転中に触媒コンバ−タ− をライト−オフ温度まで加熱する。しかしながら、「冷始動」期間として公知の最初の運転期間中、排ガスはそれの持つ熱を移動させ、排ガス系の触媒コンバ− タ−及び他の成分を加熱する。従って冷始動期間中、排ガスは実質的に反応を受けずに冷触媒コンバ−タ−を通過した炭化水素に富んでいる。最近、吸着剤炭化水素捕捉器を排ガス管系に導入する事を含めて、この冷始動放出物を減じる努力が払われてきた。そのような捕捉器は、冷始動期間中に炭化水素を吸着し、従ってこれを保持する吸着剤材料例えば分子ふるいと接触するように、排ガスを通流させる。吸着剤は、その脱着温度まで加熱されたとき、炭化水素を本質的に脱着する。かくして脱着した炭化水素を含む炭化水素を酸化し得る触媒員は、通常捕捉器の下流に配置される。背景の技術ＳＡＥペ−パ−第９３０７３９号において、ホッホムス（Ｈｏｃｈｍｕｔｈ）らは、炭化水素捕捉器が別個の触媒コンバ−タ−によって規定される触媒域間に又は三元触媒材料を有する熱交換交差式流路一体型の両流路間に配置されている多くの排ガス処理形態を図８で開示している。この特許は、炭化水素捕捉器の更に下流の触媒域における脱着された炭化水素の燃焼を補助するために捕捉器の下流点で空気を注入することを含め、排ガス流に空気を付加して、脱着された炭化水素を燃焼させることを記述する。１９９２年９月１５日付のネムサ−（Ｎｅｍｓｅｒ）による米国特許第５１４７４１７号は、自動車に対する空気吸入装置を開示する。この装置は、好ましくは０．１０ｍｍ以下の厚さを有し且つ少なくとも１．４：１の酸素／窒素選択性を示すパ−フルオロ−２、２−ジメチル−１、３−ジオキソ− ルの非晶性ポリマ−を含んでなる選択的透過性膜を内包するカニスタ−を含んでなる。ポリマ−はテトラフルオロエチレン、パ−フルオロメチルビニルエ−テル、フッ化ビニリデン、及びクロロトリフルオロエチレンを含んでいてもよい単独重合体又は共重合体であってよい。非晶性重合体は、好ましくは少なくとも１４０℃のガラス転移温度を有する。空気はカニスタ−中へ流れて、酸素に富む部分及び酸素の不足な部分になり、そしてこの酸素に富む部分がエンジンに供給されて燃料の燃焼を容易にする。１９９２年１０月２７日付のタケ（Ｔａｋｅ）による米国特許第５１５８７５３号は、交差流式熱交換器、炭化水素捕捉器及び少なくとも１つの触媒域を含んでなる内燃機関に対する排ガス処理装置を開示する。炭化水素捕捉器は、熱交換器の流路間に配置され、かくして排ガスの熱が第１の熱交換域から第２の域へ移動する。従って、第１の域を離れるガスは、そうでなくて炭化水素捕捉器に入った場合よりも温度が低い。捕捉器を通過した後、ガスは予め移動した熱を利用する第２の熱交換器域に流入する。この第２の熱交換域の下流点において、排ガスは触媒域を通流する。図２の具体例において、熱交換器の第２の流路は触媒材料を含んでなる。発明の概略本発明は、大まかには、エンジンの排ガス流中の少なくとも炭化水素を、無害な物質に転化するための排ガス処理装置に関する。本装置は排ガスに対する流路を規定し、少なくともエンジン運転の冷始動期間中において排ガスの炭化水素を吸着するための、及び続くエンジン運転の期間中に炭化水素を脱着するための捕捉手段を流路系に含んでなる。下流触媒域は、捕捉手段から下流の流路系に配置され、少なくとも炭化水素の無害物質への転化に対して有効な触媒材料を含んでなる。排ガス流に空気を注入して、下流の触媒域での炭化水素の転化を容易にする空気注入手段及び空気が排ガス流に注入される前にこれを加熱するための空気加熱手段が存在する。本発明の１つの観点によれば、排ガス処理装置は、捕捉手段から上流の排ガス流路系に、上流触媒域を配置して含んでいてもよい。上流触媒域は、一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物の少なくとも一部を無害な物質へ転化するのに有効な触媒物質を含んでなり、装置は空気が排ガス中に注入される前に、この注入される空気に対して排ガスから熱を移行させるための熱交換手段を含んでいてもよい。本発明の他の観点によれば、熱交換手段は、互いに相互の熱交換関係で配置された第１及び第２のガス流域を含んでなる熱交換器を含むことができる。この場合、第１のガス流域は流路の一部を含んでなる。随時第１のガス流域は上流触媒域及び捕捉手段の１つを含んでなることができる。本発明の更に他の観点によれば、空気注入手段は、環境空気を酸素に富む部分及び酸素が不足の部分へ分離するためのガス分離手段を含んでいてよく、及び空気注入手段は、酸素に富む部分を排ガス流中に注入する事ができる。本発明のいくつかの他の観点は、例えば（ａ）冷始動エンジン運転期間及び（ｂ）燃料の多い時のエンジン運転の１つを感知するセンサ−手段を含んでなり、また空気注入手段は冷始動エンジン運転及び燃料の多い時のエンジン運転の少なくとも１つの期間中に空気を排ガス流に注入するための機能をする。更に下流触媒域の触媒材料をライト−オフ温度まで加熱するための触媒加熱手段も存在しうる。特別な具体例において、センサ−手段は捕捉手段に入る排ガスの温度を感知でき、捕捉手段へ入る排ガスが予め決められた温度に達したときに空気注入手段が空気を第２のガス流域へ流し、空気を排ガス流へ注入するためのセンサ−手段に呼応しうる。空気注入手段は、排ガス流中に、上流の触媒域の上流の点でまたは捕捉手段の上流の点で或いは両方で空気注入するための大きさと形をなすことができる。別の具体例において、本発明は排ガス流中の少なくとも炭化水素を無害な物質に転化するための排ガス処理装置を含む。この装置は排ガスに対して流路を限定し、熱交換触媒員を含む空気加熱手段を含んでなる。この熱交換触媒員は、第１のガス流域及び第２のガス流域を含む。第１のガス流域は排ガスに対する流路の一部をなし、排ガス流の少なくともいくつかの汚染物を無害な物質に転化するのに有効な触媒材料を含んでなる。第２のガス流域において、ガス例えば空気は第１のガス流域における排ガスと熱交換する関係で処理される。この本発明の具体例は、更に熱交換触媒員の第１のガス流域から下流の流路に配置された下流触媒域を含んでなる。下流触媒域は、少なくとも排ガス中の炭化水素を無害な物質へ転化するのに有効な触媒材料を含んでなる。ここに空気を熱交換触媒員内の第２のガス流域に流し、ついで空気を下流触媒域の上流の点で流路に注入するための空気注入手段も存在する。この熱交換触媒員は、マニフォ−ルド触媒員を含んでいてもよい。本発明は、少なくとも一酸化炭素及び炭化水素を含む有害な成分を含んでなる排ガス流を、上述した排ガス系に通して処理するための方法を提供する。更に特に、本方法は、酸素含有ガスを加熱し、この加熱した酸素含有ガスを排ガス流と混合して、排ガス／酸素混合物を生成させ、そしてこの排ガス／酸素混合物を、少なくとも炭化水素を無害な物質に転化するのに有効な触媒組成物と接触させて通流せしめる、ことを含んでなる。他の観点において、本発明は、（ａ）排ガス流から空気へ熱を移動させ、（ｂ）加熱された空気の少なくとも一部分を排ガス流へ注入して、空気−排ガス混合物とし、そして（ｃ）空気−排ガス混合物を、少なくとも炭化水素及び一酸化炭素の無害物質への酸化に有効な下流触媒組成物と接触させて通流せしめる、ことを含んでなる排ガス流の処理法を提供する。随時本方法は、更に（ｄ）排ガス流を、炭化水素捕捉器と接触させて流して、この排ガス流から炭化水素を捕捉器に吸着させる、但しこの段階を工程（ａ）の後及び工程（ｂ）の前に行ってよい工程を含んでいてよい。随時本方法は、工程（ａ）の前に、（ｅ）排ガスを、その有害成分の少なくともいくらかを無害な物質に転化するのに有効な上流触媒組成物と接触させて通流せしめる工程を含んでいてもよい。工程（ｅ）は、上流触媒組成物を含む第１のガス流域及びこの第１のガス流域と熱交換の関係にある第２のガス流域を含んでなる熱交換触媒員中に排ガスを流すことを含んでなる。排ガス流から空気への熱の移動は、空気を第２のガス流域へ流し、一方排ガスを第１のガス流域へ通流させることからなっていてよい。他に工程（ｄ）は第１のガス流域が捕捉手段を含む互いに熱交換関係にある第１のガス流域及び第２のガス流域中を通流させることを含んでなり、また工程（ａ）は空気を第２のガス流域に通し、一方排ガスを第１のガス流域に通すことを含んでなる。特別な具体例において、本方法は更に炭化水素捕捉器と接触する排ガスの温度を監視し、排ガスの温度が予め決めた温度に達したときに排ガスと熱交換の関係にある空気を流し始めることを含んでなる。本方法は随時更に加熱された環境空気の酸素に富む部分を生成させ、この酸素に富む部分を排ガス流中へ注入することを含んでなる。図面の簡単な説明図１Ａは、本発明による装置で使用するための熱交換触媒員の、部分的破断透視図であり、図１Ｂは、本発明による装置で使用するための他の熱交換触媒員の、部分的破断透視図であり、図２Ａは、本発明の１つの具体例による排ガス装置の系統的流れ図であり、図２Ｂは、本発明の第２の具体例による排ガス装置の系統的流れ図であり、図２Ｃは、本発明の第３の具体例による装置の他の具体例の系統的流れ図であり、そして図２Ｄは、本発明の第４の具体例による装置のの系統的流れ図である。発明の詳細な説明とその好適な具体例本発明は、酸素又は他の酸素含有ガス例えば空気を排ガス流に注入して、排ガス流の炭化水素を無害な物質例えばＣＯ₂及びＨ₂Ｏへ酸化することを容易にする、内燃機関に対する改良された排ガス処理系を提供する。ある観点において、本発明による装置は空気を排ガス系に注入する前に加熱し、かくして用いた触媒組成物の転化性能を改良して排ガス流中の炭化水素を処理する、空気加熱手段を含んでなる。他の観点において、本発明の排ガス処理装置は、排ガス流中へ注入すべき空気に排ガスから熱を移動させるのに熱交換器を使用する。熱は排ガスから取り出された後に炭化水素を捕捉器から脱着させ、そして加熱された空気は排ガスと混合されて、捕捉器から下流の触媒域において、排ガス中の炭化水素の酸化を容易にする。随時熱交換器は、１つが上流触媒域をなす２つのガス流域を規定する熱交換触媒員を含んでいてもよい。熱い排ガスは、窒素酸化物、炭化水素及び一酸化炭素の少なくとも１つを無害な物質に転化するのに有効な触媒材料を含んでなる第１のガス流域、即ち上流触媒域を通流し、また空気は第２のガス流域を通流する。このように、熱は熱い排ガスから空気へ移動する。交差流一体型で加熱した後、空気を排ガス流中へ注入する。環境の空気が便宜上選択でき且つ安価な酸素源であるが、気体酸素を他の形で排ガス流へ注入してもよい事は同業者の理解するところであろう。簡略化のために、本明細書及び請求の範囲において、排ガス中に注入するガスに関して「空気」という術語を使用するが、これは環境の空気ばかりでなく、排ガス流中の炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進しうる純粋な酸素を含めていずれか他の酸素を含有するガスも包含することを意味する。いくつかの具体例において、本発明は、大気空気から酸素に富む部分を誘導するための手段及びこの酸素に富む部分を排ガス流に注入し、一方で残りの酸素が不足な部分を自動車のほかのどこかで使用するように転じさせるための手段を提供する。図１Ａに示すように、本発明による排ガス系で使用するための熱交換触媒員は排ガスの入り口１４及び排ガスの出口１６を有するカニスタ−１２を含んでなる。複数のガス流管１８は排ガスの入り口１４及び排ガスの出口１６間に延びて、カニスタ−を通る第１のガス流域を規定する。管１８の内壁は、窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素の少なくとも１を無害な物質へ転化するのに有効な触媒材料で被覆されている。排ガスの入り口１４及び排ガスの出口１６は、排ガスを管１８から内外へ誘導するマニホ−ルドを規定する。カニスタ−１２の内部には、複数の熱交換フィン（ｆｉｎ）２０が配置されている。またカニスタ−１２は空気の入り口２２及び空気の出口２４を備え、これによって空気（即ちいずれかの酸素含有ガス）が熱交換流体として、例えば冷媒としてカニスタ−中へ導入でき、管１８の周囲を及び熱交換器のフィン２０と接触して流れる。かくして、カニスタ−１２に導入される空気は管１８を通って流れる熱い排ガスによって加熱でき、従ってこの熱い排ガスは空気及び排ガスとが混合することなしに冷却される。冷却空気の、カニスタ−１２内での通路は、カニスタ−を通る第２のガス流域を構成する。この種の熱交換器は、モダイン・マヌファクチュアリング社（ＭｏｄｉｎｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．）製のモダインＢＴユニットである。熱交換触媒員に対する他の好適な形態は、図１Ｂに示すような向流形態を有する。この種の装置はユナイテッド・エア・スペシャリスツ社（ＵｎｉｔｅｄＡｉｒＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ，Ｉｎｃ．）製のＴＥＭＰ−Ｘ−チェンジャ−である。本発明の他の具体例による排ガス処理装置を図２Ａに示す。装置２３はエンジン２６からの排ガスの流路を規定し、流路はエンジン２６から導管２５を通って熱交換触媒員１０の（捕捉器に対して）上流触媒域に至り、そして熱交換触媒員１０から導管２７を通って、少なくともエンジンの冷始動期間中において炭化水素を吸着するのに有効な吸着剤を含んでなる炭化水素捕捉器２８に至る。流路は捕捉器から導管２９を通って、少なくとも捕捉器２８から脱着された炭化水素を含めて炭化水素を無害な物質に転化するのに有効な触媒組成物を含んでなる（捕捉器２８に対して）下流の触媒域３０に続く。空気ポンプ３２は、随意の空気フィルタ−３４を通して空気を取り込み、ポンプで熱交換触媒員１０の第２のガス流域に通流させる。加熱された空気またはその一部は、熱交換触媒員１０の空気出口に連結され且つ随意の第１のデイファレンシャル・バルブ３６に通じる空気出口導管２４ａを含んでなる空気注入路を通流する。バルブ３６からは、加熱された空気が導管３７を通って随意の酸素に富むフィルタ−３８に流れる。フィルタ−３８は、空気または他の酸素含有ガス混合物を、排ガス流へ注入すべき酸素源として使用する場合に使用でき、上述した米国特許第５１４７４１７号の空気吸入装置と構造的に類似している。フィルタ −３８は、加熱された空気を、例えば約６０％までの酸素を含んでいてよい酸素に富む部分と酸素の不足な部分とに分割するのに役立つ。フィルタ−３８の酸素に富む流出流は、導管３９を通って随意の第２のデイファレンシャル・バルブ４０へ、更には加熱された酸素含有ガスを排ガス流に注入する注入導管４２へ流れる。このようにして空気注入経路は完結し、捕捉器２８から脱着された炭化水素の転化を容易にする。加熱された空気または酸素含有ガスは、所望の点で排ガス流に注入できる。例えば注入管４２は、酸素含有ガスを、捕捉器２８の下流点で排ガス流に注入する。バルブ５０が存在する他の注入管４４は、加熱された酸素含有ガスを捕捉器２８の上流点で及び示す具体例において熱交換触媒員１０の上流点で排ガス流中に注入する。結果として、酸素及び排ガスは、混合されて排ガス／酸素混合物を生成し、これが下流触媒域３０と接触しつつ流れて少なくとも炭化水素及び随時他の有害な成分を無害な物質に転化する。操作において、排ガスはエンジン２６を出て、熱交換触媒員１０の第１のガス流域における触媒域中へ流れ、ついで捕捉器２８を経て、下流の触媒域３０に至る。エンジン運転の冷移動期間中、排ガス中の炭化水素のかなりの部分が捕捉器２８に吸着される。排ガスの温度が上昇するにつれて、それはその脱着温度まで捕捉器２８を暖める。その間、空気ポンプ３２は、空気を、触媒員１０の第２のガス流域へ送り込む。排ガスに比べて冷たい空気は、排ガスから熱を吸収し、かくして捕捉器２８の温度上昇を緩やかにする。熱交換触媒員１０が向流形態を取り、８０％の熱交換効率を達成すると仮定するならば、入り口温度６００℃下に毎分２０００リットルで流れる排ガスは、熱交換触媒員１０において、入り口温度２５℃下に毎分７００リットルで流れる空気を冷却することにより冷却でき、熱交換触媒員１０を出る排ガスは約１４０℃となり、一方空気は約４８５℃になるであろう。同様に入り口温度７５０℃下に毎分３０００リットルで流れ且つ入り口温度２５℃下に毎分９００リットルで流れる空気で冷却される排ガスは約１７０℃まで冷却され、一方空気は約６０５℃まで加熱されるであろう。加熱された空気は空気注入路（空気出口導管４２、導管３７、随意のフィルタ −３８、及び注入管４２）を通って排ガス流に返送される。図示する具体例において、第１のデイファレンシャル・バルブ３６は、加熱された空気の少なくとも主な部分を、酸素に富ませるフィルタ−３８に流し、これが空気を酸素に富む部分と酸素が不足の部分とに分ける。酸素を富ませるフィルタ− ３８を出たガスの酸素に富んだ部分は、酸素に富んだガスの少なくとも主な部分を下流の注入管４２及び他の注入導管４４の１つ又は両方に誘導して、加熱された酸素に富むガスを排ガス流に注入する第２のデイファレンシャル・フロ−バルブ４０を通流する。随時第１のデイファレンシャル・バルブ３６は、加熱された空気の少ない部分を、第２の空気管４８を通してエンジンの燃料注入系へ向かわせて、燃料の燃焼におけるエンジン効率を改善することができる。同様にデイファレンシャル・バルブ５０は、注入管４４中へ配置され、エンジンで使用する場合に、酸素に富むガスのいくらかを第２の空気管４８へ向かわせる。好ましくは加熱された酸素含有ガスは、少なくとも促進期間中エンジンの入り口に向かう。フィルタ−３８によって作られる加熱された酸素が不足のガスは、加熱管５２を通流し、例えば自動車の燃料タンクを加熱する。随時バルブ３６、４０及び５０のいずれか１つ又はそれ以上は、空気注入手段のように、特にエンジンの又は排ガス装置の成分の運転条件を示唆するセンサ− に呼応して作動しうる。即ち捕捉器の温度センサ−５４は、例えば捕捉器２８に入る排ガス、例えば捕捉器２８上又はその内部の温度を示す点に、排ガス装置に配置された熱電対を含んでいてよい。空気ポンプ３２は、センサ−５４に連結され、排ガスが予め決められた温度、好ましくは脱着温度に又はそれに近い温度になった事をセンサ−５４が示したとき、空気をポンプで排ガス流中へ送り込むようにプログラムされている。例えばセンサ−５４は、ＦＴＰ条件下において典型的な自動車を始動させてから約４０秒後に、一般に床下位置において到達する約１４０℃の温度を感知したとき、ポンプ３２を始動させる。ほかに又は更に、空気ポンプ３２は、エンジン運転の典型的な冷始動期間、例えば４０ＣＦＲ、第８６部、第１１５〜１７８節に記述されるＦＴＰ冷始動試験の最初の１２０秒に相当するエンジンの冷始動後のある期間空気ポンプ３２を作動させるタイマ−に応答してもよい。（従って、本明細書で及び請求の範囲で用いるような「センサ−」とは、タイマ−を包含する意味をもつものとする。）空気ポンプ３２は、エンジンを燃料に富む条件下に、例えば促進中に運転する時を示すセンサ−に、エンジンの回転数（ｒｐｍ）を監視して呼応してもよい。促進及び他の燃料に富む運転モ−ド中、エンジンによって生じる排ガスが正常より高い量の炭化水素を含む場合、空気ポンプ３２は、捕捉器２８が炭化水素を脱着しているかどうかとは無関係に、下流触媒域での処理のために余分な酸素を排ガスに供給することが有利である。下流触媒域３０は、その触媒材料の活性化を促進し、かくして排ガス流の炭化水素の転化における触媒性能を改善するために、加熱手段を備えていてもよい。例えば触媒域３０は電気的加熱手段５６を含んでいてもよい。加熱要素５６は、触媒域３０又は排ガス流中に配置されたタイマ−又は熱電対によって制御できる。加熱要素５６はエンジンの運転期間中、触媒材料の、ライト−オフ温度までの加熱を促進するために、下流触媒域３０を加熱する。このライト−オフ温度は、一般に約３００℃である。本発明は従来法よりいくつかの優れた点を提供する。例えば捕捉器２８の上流点における排ガスからの熱の取りだしは、捕捉器がさもなければ到達するであろうような高温にさらされないから、広範な吸着剤の、捕捉器２８での使用を可能にする。また炭化水素の酸化を容易にする酸素の排ガスへの注入は、触媒域において使用する触媒材料の低減を可能にする。随時空気ポンプ３２は、炭化水素が脱着されていない期間中でさえ、熱交換触媒員１０の触媒組成物を冷却し、かくして過度な温度への露呈による触媒の劣化を防止するように、冷却空気を熱交換触媒員１０中を通流させるために使用できる。従って予備的触媒域を、通常の上流触媒域よりも流路の更に上流に、即ちエンジンの近くに導入する事もできる。即ち、熱交換触媒員１０は、排気マニフォ −ルド近くまたはそこに設置してよく、空気ポンプ３２のもたらす保護的冷却効果のために、通常の上流触媒員よりも長期間その位置で活性を保持するであろう。かくして本発明は、触媒をそのライト−オフ温度まで迅速に加熱するという利点を提供するが、過熱のために早期の不活性化が起こるマニフォ−ルド触媒の使用における改良を提供する。本発明による排ガス装置の他の具体例において、図２Ｂに示す装置２３′の空気加熱手段は、図２Ａの熱交換触媒員１０よりもむしろ熱交換捕捉器員２８′を含んでなる。図２Ｂにおいて、触媒域１０′は通常の単一の流通域触媒員を含んでなり、一方捕捉器員２８′は吸着材料を含み且つ排ガスが通流する第１のガス流域及び空気がポンプ３２で流される第２のガス流域を含んでなる。捕捉器２８ ′を出る加熱された空気は、空気出口導管２４ｂの、ポンプ３６への連結により図２Ｂで示されるように、図２Ａの熱交換触媒員１０からの加熱された空気と同一のように利用できる。装置２３′の残りの部分は、図２Ａの装置２３と同一であり、図２Ａ及びその関連事項を参考にして理解することができる。図２Ｃは、本発明により、エンジン２６と連結して使用される他の、より簡単な装置２３″を示す。装置２３″は、三元触媒を含む随意の上流触媒員６０、上流触媒員６０の下流に配置された捕捉器２８及び捕捉器２８から下流に配置された下流触媒員３０を含んでなる。空気ポンプ３２は空気を、独立に入力できる触媒加熱要素６２中に流し、そして空気注入導管４２′は空気を、触媒加熱要素６２から排ガス流中へ流す。触媒加熱要素６２は、例えば自動車の蓄電池から入力される電熱コイルを含むことができる。使用する場合、捕捉器２８は少くともエンジン運転の冷始動期間中、炭化水素を排ガスから吸収する。センサ−５４は、排ガスの温度が捕捉器２８の脱着温度またはそれに近い事を感知したとき、信号を空気ポンプ３２及び触媒加熱要素６２に送る。ついで空気ポンプ３２は空気を触媒加熱要素６２中に送り、そこで空気を加熱し、その空気を注入管４２′から排ガス流中へ注入する。熱空気の排ガス流中への導入は、排ガス流の温度を上昇させ、一方脱着された炭化水素の燃焼のために空気を供給して、捕捉器２８で脱着された炭化水素を含めて排ガス中の炭化水素の、触媒域３０による接触転化を容易する。他にポンプ３２及び加熱要素６２は他のセンサ−、例えば図２Ａを参照して上述したようなタイマ−又はエンジン速度センサ−に呼応しうる。本発明による排ガス処理装置の他の具体例を図２Ｄに示す。装置１２３において、空気加熱手段は、互いに熱交換の関係にある第１及び第２のガス流域を含んでなる熱交換触媒員６６を含む。第１のガス流域は、排ガス流路の一部であり、排ガス中の少くともいくつかの汚染物例えば炭化水素の低減に有効な触媒材料を含んでなる。随時フィルタ−３４で濾過された空気は、ポンプ３２により、導管３２ａを、ついで員６６の第２のガス流域を流れる。かくして空気は、導管２５を通ってエンジン２６から員６６へ流れる熱い排ガスと熱交換して通流する。加熱された空気は、員６６の第２のガス流域を出た後、デイファレンシャルバルブ３６及び導管４２を流れ、そこから導管２７を通流する排ガス流中に注入される。加熱された空気及び排ガスの混合物は、少くとも炭化水素を無害な物質へ転化するのに有効な触媒材料を含んでなる下流触媒域３０を通流する。ポンプ３２は、予め決めた温度に達したときに、空気が員６６を通流するように、員６６における温度センサ−５４に呼応しうる。好ましくは空気は員６６を流れて、第１のガス流域の触媒材料が過熱されるのを防ぐ働きをする。熱を触媒員から取り出す能力は、エンジンへの近接が、触媒がライト−オフ温度に達するのに必要とされる時間を減ずるから、有利な位置であるエンジンに近い位置、例えば排気マニフォ−ルドに触媒員を設置する事を可能にする。通常の排ガス装置において、マニフォ−ルド触媒員を通流する排ガスの高い温度は、急速に触媒を不活性化する。マニフォ−ルド触媒員から熱を取り出す空気加熱手段を配置させることにより、マニフォ−ルド触媒員の耐用寿命は実質的に長くなる。以上本発明を、その特別な具体例を参照して詳細に記述してきたけれど、またいくつかの特徴をそれ自体の具体例で示し且つその他は示さなかったけれど、同業者は上記記述を読み且つ理解するとき、記述した具体例に対して多くの代替例が想起できるできるであろうし、そのような代替例は後述する請求の範囲の中に包含されることを理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０１Ｎ 3/24 Ｆ０１Ｎ 3/24 ＬＣ 3/28 3/28 Ｄ 3/30 3/30 Ｄ 7/10 7/10 (72)発明者ラビノウイツツ，ハロルド・エヌアメリカ合衆国ニユージヤージイ州07043 アツパーモントクレア・バツキンガムロード135

Claims

【特許請求の範囲】１．エンジンの排ガス流の少くとも炭化水素を無害な物質に転化し、排ガス流の流路を限定し、そしてエンジン運転の少くとも冷始動期間中、排ガス流中の炭化水素を吸着し、そしてそれに続くエンジン運転期間中、その炭化水素を脱着させるための流路内の捕捉手段、捕捉手段から下流の流路内に配置され且つ少くとも炭化水素を無害な物質に転化するのに有効な触媒材料を含んでなる下流触媒域、空気を排ガス流中へ注入して、下流触媒域における炭化水素の転化を容易にするための空気注入手段、及び空気が排ガス流へ注入される前にこれを加熱するための空気加熱手段、を含んでなる、排ガス処理装置。２．下流触媒域の触媒材料をそのライト−オフ温度まで加熱するための触媒加熱手段を更に含んでなる、請求の範囲１の装置。３．空気加熱手段が互いに熱交換の関係に配置された第１及び第２のガス流域を含む熱交換器を含んでなり、またこの第１のガス流域が、空気を排ガス流へ注入する前に排ガスからの熱を空気に移動させるための流路の一部を含んでなる、請求の範囲１の装置。４．第１のガス流域が捕捉手段を含んでなる、請求の範囲３の装置。５．捕捉手段から上流の流路内に配置された上流触媒域を更に含んでなり、この上流触媒域が一酸化炭素、炭化水素、及び窒素酸化物の少くとも１つを無害な物質へ転化するのに有効な触媒材料を含んでなる、請求の範囲１の装置。６．空気注入手段が、上流触媒域から上流の点で、空気を排ガス流中へ注入するような寸法及び形態である、請求の範囲５の装置。７．熱交換手段が互いに熱交換の関係に配置された第１及び第２のガス流域を含む熱交換器を含んでなり、またこの熱交換器の第１のガス流域が上流触媒域を含んでなる、請求の範囲６の装置。８．空気注入手段が環境の空気を酸素に富む部分と酸素が不足する部分とに分けるガス分離手段を含んでなり、空気注入手段が酸素に富む部分を排ガス流に注入する、請求の範囲１、３または７の装置。９．（ａ）冷始動のエンジン運転期間及び（ｂ）燃料の多い時のエンジン運転の１つを感知するセンサ−手段を更に含んでなり、また空気注入手段が冷始動のエンジン運転及び燃料の多い時のエンジン運転の少なくとも１つの期間中に空気を排ガス流に注入するために機能をする、請求の範囲１又は３の装置。１０．捕捉手段に入る排ガスの温度を感知するためのセンサ−手段を更に含んでなり、ここで空気注入手段がセンサー手段に反応して、捕捉手段へ入る排ガスが予め決められた温度に達したとき、空気注入手段が空気を第２のガス流域へ流し且つ空気を排ガス流へ注入する、請求の範囲１、３または７の装置。１１．空気注入手段が空気を排ガス流中に、捕捉手段の下流点で注入するための寸法と形態をなす、請求の範囲１、３または７の装置。１２．下流触媒域の第２の触媒材料をそのライト−オフ温度まで加熱するための触媒加熱手段を更に含んでなる、請求の範囲１、３または７の装置。１３．エンジンの排ガス流の少くとも炭化水素を無害な物質に転化し、排ガス流の流路を限定し、そして第１のガス流域及び第２のガス流域を含む熱交換触媒員、但し第１のガス流域が排ガス流中の少くともいくつかの汚染物を無害な物質へ転化するのに有効な触媒物質を含んでなり、第１のガス流域が流路の一部をなし、そして第２のガス流域が第１のガス流域の排ガスと熱交換関係にあるように配置されている、該熱交換触媒員、第１のガス流域から下流の流路内に配置され且つ少くとも排ガス流中の炭化水素を無害な物質に転化するのに有効な触媒を含んでなる下流触媒域、及び空気を、熱交換触媒員の第２のガス流域に空気を流すための及びその空気を、第１のガス流域の上流点で流路内に注入するための空気注入手段、を含んでなる、排ガス処理装置。１４．熱交換触媒員がマニフォ−ルド触媒員を含んでなる、請求の範囲１３の装置。１５．少くとも一酸化炭素及び炭化水素を含む有害成分を含んでなる排ガス流を処理する際に、酸素含有ガスを加熱し、この加熱した酸素含有ガスを排ガス流と混合して、排ガス／酸素混合物を作り、そしてこの排ガス／酸素混合物を、少くとも炭化水素の、無害物質への転化に有効な触媒成分と接触させて流す、該排ガスの処理法。１６．少なくとも一酸化炭素及び炭化水素を含む有害な成分を含んでなる排ガス流を処理する際に、（ａ）排ガス流から空気へ熱を移動させ、（ｂ）加熱された空気の少なくとも一部分を排ガス流へ注入して、空気−排ガス混合物とし、そして（ｃ）空気−排ガス混合物を、少なくとも炭化水素及び一酸化炭素の無害物質への酸化に有効な下流触媒組成物と接触させて通流せしめる、ことを含んでなる該排ガス流の処理法。１７．（ｄ）工程（ａ）後の排ガス流を、炭化水素捕捉器と接触させて流して、この排ガス流から炭化水素を捕捉器に吸着させることをさらに含んでなる、請求の範囲１６の方法。１８．工程（ａ）の後及び工程（ｂ）の前に、工程（ａ）後の排ガス流を、炭化水素捕捉器と接触させて流して、この排ガス流から炭化水素を捕捉器に吸着させる、請求の範囲１６の方法。１９．工程（ａ）の前に、（ｅ）排ガスを、その有害成分の少なくともいくらかを無害な物質に転化するのに有効な上流触媒組成物と接触させて通流せしめる工程を更に含んでなる、請求の範囲１６の方法。２０．工程（ｅ）が上流触媒組成物を含む第１のガス流域を含んでなる熱交換触媒員中に排ガスを流し、及びこの熱交換触媒員が更に第１のガス流域と熱交換の関係にある第２のガス流域を含んでなり、そして排ガス流から空気への熱の移動が空気を第２のガス流域へ流し、一方排ガスを第１のガス流域へ通流させることで行われる、請求の範囲１９の方法。２１．加熱された環境空気の酸素に富む部分を生成し、そしてこの酸素に富む部分を排ガス流に注入する、請求の範囲１６の方法。２２．工程（ｄ）が互いに熱交換関係にある第１のガス流域及び第２のガス流域中を排ガスを通流させることを含んでなり、但し第１のガス流域が捕捉手段を含みまた工程（ａ）が空気を第２のガス流域に通し、一方排ガスを第１のガス流域に通すことを含んでなる、請求の範囲１７又は１８の方法。２３．炭化水素捕捉器と接触する排ガスの温度を監視し、排ガスの温度が予め決めた温度に達したときに排ガスと熱交換の関係で空気を流し始めることを更に含んでなる、請求の範囲１７の方法。