KR101152320B1

KR101152320B1 - Nonwoven composites and related products and methods

Info

Publication number: KR101152320B1
Application number: KR1020067023927A
Authority: KR
Inventors: 고든 에스. 알워드; 로버트 에이. 주니어 디치아라
Original assignee: 지이오2 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2012-06-13
Also published as: KR20070021204A; EP1740300A4; CA2563802A1; WO2005113126A1; JP2007534483A; EP1740300A1; CN1976749A; AU2004319871B2; AU2004319871A1; JP5028257B2; CN1976749B; CA2563802C; MXPA06012525A; BRPI0418706A

Abstract

본 발명은 그 일 실시예에 있어서, 촉매 전환기에서 기재로서 포함되는, 여러 가지 응용 분야에 적합한 촉매 기재를 제공한다. 본 발명의 또 다른 태양은, 디젤 입자 필터(DPF) 또는 디젤 입자 트랩(DPT)과 같은 입자 필터에서 기재로서 포함되는, 여러 가지 응용 분야에 적합한 여과 기재이다. 본 발명은 또한 연소 엔진의 배기로부터 방출되는 오염물의 제거 및/또는 배제를 위한 개선된 기재를 제공한다. 상기 촉매 기재 및 여과 기재는, 일 실시예에 있어서, 배기 가스로부터의 오염물 제거 공정을 개선한다. 상기 개선점은 다음 중 하나 이상을 포함한다: 보다 빠른 착화 시간, PM의 심층 여과, 낮은 역압력, 낮은 막힘 가능성, 매니폴드 또는 헤드 자체를 포함하여 배기 시스템에서 다중 위치에 설치될 수 있는 능력의 증가, 높은 확률의 촉매 반응, NO_x, HC 및 CO의 높은 전환율, PM의 빠른 소각, 촉매 재료 사용의 최소화, 등.

촉매 전환기, 배기 시스템, 방출물 제어, 부직포형 복합체, 코디어라이트, 촉매 기재, 여과 기재

The present invention, in one embodiment, provides a catalyst substrate suitable for a variety of applications, which is included as a substrate in a catalytic converter. Another aspect of the present invention is a filtration substrate suitable for a variety of applications, including as a substrate in particle filters such as diesel particle filters (DPF) or diesel particle traps (DPT). The present invention also provides an improved substrate for the removal and / or exclusion of contaminants emitted from the exhaust of combustion engines. The catalyst substrate and the filtration substrate, in one embodiment, improve the process of removing contaminants from exhaust gases. The improvements include one or more of the following: increased ignition time, deep filtration of PM, low back pressure, low clogging potential, increased ability to be installed in multiple locations in the exhaust system, including the manifold or the head itself. , High probability catalytic reaction, high conversion of NO _x , HC and CO, fast incineration of PM, minimization of catalyst material use, etc.

Catalytic converter, exhaust system, emission control, nonwoven composite, cordierite, catalyst substrate, filtration substrate

Description

부직포형 복합체, 그와 관련된 제품 및 제조 방법{NONWOVEN COMPOSITES AND RELATED PRODUCTS AND METHODS}Nonwoven Composites, Associated Products, and Manufacturing Methods {NONWOVEN COMPOSITES AND RELATED PRODUCTS AND METHODS}

본 발명은, 특별히 제한되지는 않지만, 내연기관으로부터의 방출물(emission)의 처리와 같은 특정 반응의 촉매 작용 및 입자상 물질의 여과에 유용한 기재(substrate), 및 그와 관련된 실시예에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 방출물 제어에 유용한 촉매/기재의 조합, 그와 관련된 프로세스, 관련 제품 및 제조 방법에 관한 것이다. 여기에 기재된 본 발명의 실시예는 공기, 물 및/또는 토양을 포함하는 기본적 생명 연장과 결부된 하나 이상의 자연 요소의 회복 또는 유지관리에 기여함으로써 인류의 환경 품질을 실질적으로 높이는 것이다. 본 발명과 그 실시예는 이하에 기재되는 발명의 요약 및 상세한 설명 항목에서 보다 충분히 설명된다.The present invention, although not particularly limited, relates to substrates useful for the catalysis of certain reactions, such as the treatment of emissions from internal combustion engines, and for the filtration of particulate matter, and related examples, More specifically, it relates to a combination of catalysts / substrates useful for controlling emissions, processes associated therewith, related products and methods of manufacture. Embodiments of the invention described herein are to substantially enhance the environmental quality of humanity by contributing to the recovery or maintenance of one or more natural elements associated with basic life extension, including air, water and / or soil. The invention and its examples are more fully described in the Summary and Detailed Description section of the invention described below.

배기가스, 산업 및 공해Emissions, Industry and Pollution

엔진은 지구 전체에 걸쳐 사용되는 동력과 기계적 일의 대부분을 생성한다. 내연기관은 구식 열차와 기선에 탑재되었던 것과 같은 외연기관보다 더 효율적이므로 아마도 가장 널리 보급된 장치일 것이다. 내연기관에 있어서 연료의 연소는 내부적으로 일어난다. 내연기관은 무수한 목적에 사용되는 운동과 동력을 생성한다. 그 예로는 자동차, 기관차, 해양 응용물, 레크리에이션 수송 수단, 트랙터, 건설 장비, 발전기, 발전소, 제조 설비 및 산업 장치가 포함된다. 내연기관에 동력을 공급하는 데 사용되는 연료는, 특별히 제한되지는 않지만, 가솔린, 압축 가스, 디젤, 에탄올 및 식물성 기름이 포함된다. 엔진 구조가 갖는 고유의 비효율성 및 엔진에 대한 동력 공급에 사용되는 연료는 다양한 오염물의 방출을 초래한다. 따라서, 커다란 기술 혁신과 편리함에도 불구하고, 전세계에서 사용되는 수백만 개의 엔진은 오늘날 공기 오염의 실질적 원천이 되고 있다.Engines generate most of the power and mechanical work used throughout the planet. Internal combustion engines are probably the most widespread because they are more efficient than external combustion engines such as those mounted on older trains and steamboats. In an internal combustion engine, combustion of fuel occurs internally. Internal combustion engines produce motion and power for countless purposes. Examples include automobiles, locomotives, marine applications, recreational vehicles, tractors, construction equipment, generators, power plants, manufacturing facilities and industrial devices. Fuels used to power internal combustion engines include, but are not limited to, gasoline, compressed gas, diesel, ethanol and vegetable oils. Inherent inefficiencies of the engine structure and the fuel used to power the engine lead to the release of various pollutants. Thus, despite great technological innovation and convenience, millions of engines used around the world are a real source of air pollution today.

내연기관에 의해 생성되는 오염물에는 두 가지 주된 형태, 즉 입자상articulate) 및 비입자상(nonparticulate) 오염물이 있다. 입자상 오염물은 일반적으로 작은 고체와 액체 입자이다. 그 예로는 탄소함유 매연과 회분, 분진, 기타 관련 입자 등이 포함된다. 비입자상 오염물은 일산화탄소, 질소 산화물, 황 산화물, 불연 탄화수소, 휘발성 유기 화합물과 같은 기체 및 작은 분자를 포함한다. 입자상 오염물은 배기가스로부터 여과될 수 있고, 특정 상황에서는 추가로 연소시킬 수 있다. 비입자상 오염물은 공해가 없는 물질로 변환된다. 상기 두 종류의 오염물은 또한 "폐가스(off-gas)" 화학 반응 및 증발되는 방출과 같은 엔진과 무관한 소스로부터 생성될 수도 있다.There are two main types of contaminants produced by internal combustion engines: particulate and nonparticulate contaminants. Particulate contaminants are generally small solid and liquid particles. Examples include carbonaceous soot and ash, dust and other related particles. Nonparticulate contaminants include gases and small molecules such as carbon monoxide, nitrogen oxides, sulfur oxides, nonflammable hydrocarbons, volatile organic compounds. Particulate contaminants can be filtered out of the exhaust gas and, in certain circumstances, further burned. Nonparticulate contaminants are converted to pollution free materials. Both types of contaminants may also be produced from engine-independent sources such as "off-gas" chemical reactions and evaporated emissions.

공기 오염은 사람과 환경에 대한 심각한 건강 문제를 야기할 수 있다. 지표면 오존(ground-level ozone) 및 대기중 입자는 미국에서 인간의 건강을 가장 위협하는 것 중 하나인 두 오염물이다. 오존(O₃)은 호흡기계를 자극하여 기침, 인후에 서의 자극 및/또는 호흡기 통로에서의 뜨거운 느낌을 일으킬 수 있다. 오존은 스모그의 형성에 기여한다. 오존은 또한 폐기능을 저하시켜 가슴의 답답함, 힘들고 가뿐 호흡을 야기할 수 있고, 천식을 악화시킬 수 있다. 입자 오염물은, 매우 작아서 폐 속으로 깊이 들어가서 심각한 건강상 문제를 야기할 수 있는 미세한 고체 또는 액적(液滴)으로 이루어진다. 이들 작은 입자에 노출되면 코와 목의 자극, 폐 손상 및 기관지염에 걸릴 수 있고, 심장이나 폐 질환의 위험성이 커질 수 있다. 공기 오염물의 단기적 영향으로는 눈, 코, 인후에 대한 자극이 포함된다. 기관지염 및 폐렴과 같은 상부 호흡기 감염이 초래될 수도 있다. 그 밖의 증상으로는, 두통, 구토 및 알러지성 반응이 포함될 수 있다. 장기적 건강상 영향으로는 만성 호흡기 질환, 폐암, 심장 질환 및 심지어는 뇌, 신경, 간 또는 콩팥의 손상이 포함될 수 있다. 공기 오염물에 계속 노출되면, 성장중인 어린이의 폐에 영향을 주고, 노인의 경우에 의료 조건을 악화시키거나 곤란하게 만들 수 있다.Air pollution can cause serious health problems for people and the environment. Ground-level ozone and atmospheric particles are two pollutants, one of the most threatening human health in the United States. Ozone (O ₃ ) can irritate the respiratory system and cause coughing, irritation in the throat and / or hot feeling in the respiratory tract. Ozone contributes to the formation of smog. Ozone can also reduce lung function, which can cause chest tightness, hard and mild breathing, and worsen asthma. Particle contaminants are made up of fine solids or droplets that are so small that they can get deep into the lungs and cause serious health problems. Exposure to these small particles can cause irritation of the nose and throat, lung damage and bronchitis, and increase the risk of heart or lung disease. Short-term effects of air pollutants include eye, nose and throat irritation. Upper respiratory infections such as bronchitis and pneumonia may also result. Other symptoms may include headaches, vomiting and allergic reactions. Long-term health effects may include chronic respiratory disease, lung cancer, heart disease and even damage to the brain, nerves, liver or kidneys. Continued exposure to air pollutants affects the lungs of growing children and can make medical conditions worse or difficult for older people.

공기 오염으로 유발되는 의료 조건은 매우 고비용일 수 있다. 보건 의료비, 직장에서의 생산성 손실 및 인간 복지에 대한 충격이 매년 금액으로 수십억불에 이른다. 오염물의 건강에 미치는 영향을 이해하고, 오염을 개선하거나, 방지하거나 배제하는 수단을 발견하는 것은 주민 전체의 호흡기 건강을 증진시키는 것일 뿐 아니라, 의료보험 시스템이 실질적으로 부담해야 하는 비용을 감소시키는 것이다.Medical conditions caused by air pollution can be very expensive. Health care costs, lost productivity at work and the impact on human well-being can amount to billions of dollars each year. Understanding the health impacts of contaminants and finding a means to improve, prevent or exclude pollution is not only to improve respiratory health for the entire population, but also to reduce the actual cost of health insurance systems. .

이러한 모든 이유로 해서, 정부, 환경 단체 및 다양한 산업체가 각종 소스로부터 방출되는 공기 오염물의 수준을 낮추기로 결의했다. 정부 기관은 방출 표준을 설정하고 규정을 실행하는 주체이다. 유럽 연합(EU)에서는, 유럽 공통체 법률 이 규정의 근간을 이루고, 개별 국가가 그 규정을 실행한다. 예를 들면, 대부분의 EU 국가들은 초과량의 공기 오염물을 생성하는 소스에 대해 과세한다. 최근의 진전 사항은 교토 프로토콜로서, 온실 가스의 감축을 범세계에 요구하였다. EU를 포함한 많은 국가들이 교토 프로토콜을 비준했다. EU 일본 및 미국은 전세게에서 가장 엄격한 표준의 일부를 법제화했으나, 많은 다른 국가들, 즉 아르헨티나, 브라질, 멕시코, 대한민국, 태국, 인도, 싱가포르, 호주 등은 공기 오염에 대한 규정을 법제화했다. 미국에는 특정 지역에서의 규정에 영향을 주는 하기와 같은 다양한 단체가 있다: 주별 환경 기관(예컨대, California Air Resources Board(CARB)), 국립공원, 삼림청 및 탄광 안전 및 보건국(Mine Safety and Health Administration). 국내 대기 품질 표준(NAAQS)에 미달한 몇몇 주와 대도시 지역은 "미달 지역"으로 지정되고, 자체적인 표준을 실행한다. CARB는 역사적으로 미국에서 공기 오염을 규제하는 가장 엄격한 기관 중 하나였다. 그러나, 가장 중요한 미국 규제 기관은 환경보호국(EPA)이다. EPA는 1963년도 Clean Air Act(CAA)에 대한 닉슨 행정부의 1970년도 개정안에 의해 신설되었다. Clean Air Act는 지역별, 정지형, 이동형 소스로부터의 대기 방출물을 규제하는 포괄적 연방법이다. (참조: 42 U.S.C. SS 7401 et seq. (1970) of the Clean Air Act). Clean Air Act는 다섯 번의 주된 개정이 있었으며, 그 중 최근의 개정은 1990년에 있었다. Clean Air Act에 대한 1990년도 개정안은 주로, 산성 비, 지표면 오존, 성층권 오존 소멸 및 대기 독성물과 같은 다루어지지 않았거나 불충분하게 다루어진 문제들에 대처하려는 것이었다. 이러한 개정안은 EPA로 하여금 자동차 방출물, 가솔린 개질, 오존 소멸 화학물질의 사용 등을 포함하는 175개의 새로운 규정을 제정하도록 했다. For all these reasons, governments, environmental groups and various industries have decided to lower the level of air pollutants emitted from various sources. Government agencies are the ones who set the emission standards and implement the regulations. In the European Union, European Union legislation forms the basis of the regulations, and the individual countries implement them. For example, most EU countries are taxed on sources that produce excess air pollutants. Recent progress is the Kyoto Protocol, which has called for the reduction of greenhouse gases worldwide. Many countries, including the EU, have ratified the Kyoto Protocol. EU Japan and the United States have enacted some of the strictest standards in the world, but many other countries, such as Argentina, Brazil, Mexico, South Korea, Thailand, India, Singapore and Australia, have enacted regulations on air pollution. There are a variety of organizations in the United States that affect regulations in specific regions, including: state environmental agencies (such as the California Air Resources Board (CARB)), national parks, forestry, and mine safety and health administrations. . Some states and metropolitan areas that do not meet the National Air Quality Standards (NAAQS) are designated as "under-area" and implement their own standards. CARB has historically been one of the most stringent agencies regulating air pollution in the United States. However, the most important US regulator is the Environmental Protection Agency (EPA). EPA was created by the Nixon administration's 1970 amendment to the 1963 Clean Air Act (CAA). The Clean Air Act is a comprehensive federal law that regulates air emissions from local, stationary and mobile sources. (42 U.S.C. SS 7401 et seq. (1970) of the Clean Air Act). The Clean Air Act had five major revisions, the most recent of which was in 1990. The 1990 amendments to the Clean Air Act were primarily intended to address untreated or insufficiently addressed issues such as acid rain, surface ozone, stratospheric ozone depletion, and atmospheric toxicants. The amendment required EPA to enact 175 new regulations, including car emissions, gasoline reforming, and the use of ozone depleting chemicals.

Clean Air Act 제정에 이어서, EPA는 인간에게 해롭거나 해로울 수 있는 오염물에 대한 규정을 수립하였다. 이러한 일련의 "기준 오염물"에는, (1) 오존(O₃), (2) 납(Pb), (3) 이산화질소(NO₂), (4) 일산화탄소(CO), (5) 입자상 물질(PM), 및 (6) 이산화황(SO₂)이 포함된다. 기준 오염물 각각을 차례로 설명한다.Following the enactment of the Clean Air Act, EPA has established regulations for pollutants that may be harmful or harmful to humans. This series of "reference contaminants" includes (1) ozone (O ₃ ), (2) lead (Pb), (3) nitrogen dioxide (NO ₂ ), (4) carbon monoxide (CO), and (5) particulate matter (PM). ), And (6) sulfur dioxide (SO ₂ ). Each reference contaminant is described in turn.

지표면 오존(스모그의 주된 성분)은 미국 내 오염 문제로 지속되고 있다. 오존은 대기 중에 직접 방출되지 않고, 열과 햇빛의 존재 하에서 휘발성 유기 화합물(VOC) 또는 반응성 유기 가스(ROG)와 질소 산화물(NO_x)의 반응에 의해 형성된다. VOC/ROG는 연소되는 연료를 포함하는 다양한 소스, 및 용매, 석유 처리 및 살충제로부터 방출되고, 이러한 것들은 자동차, 화학 플랜트, 정유시설, 제조공장, 소비재 및 상업적 제품과 같은 소스, 기타 산업적 소스로부터 나온다. 질소 산화물은 자동차, 발전소, 기타 연소 소스로부터 방출된다. 오존 및 오존을 유발하는 전구체 오염물도 바람에 의해 발생원으로부터 수마일 운반될 수 있다. 1997년에 EPA는 1-시간 0.12 ppm 기준을 새로운 8-시간 0.08 ppm 기준으로 대체함으로써 오존에 대한 미국내 주변 공기 품질 기준을 개정했다.Surface ozone (a major component of smog) continues to be a problem in the United States. Ozone is not directly released into the atmosphere but is formed by the reaction of volatile organic compounds (VOC) or reactive organic gases (ROG) with nitrogen oxides (NO _x ) in the presence of heat and sunlight. VOC / ROGs are released from a variety of sources, including fuel burned, and from solvents, petroleum treatments and pesticides, which come from sources such as automobiles, chemical plants, refineries, manufacturing plants, consumer goods and commercial products, and other industrial sources. . Nitrogen oxides are emitted from automobiles, power plants, and other combustion sources. Ozone and precursor contaminants that cause ozone can also be carried by the wind for miles. In 1997, EPA revised the US ambient air quality standards for ozone by replacing the 1-hour 0.12 ppm standard with the new 8-hour 0.08 ppm standard.

이산화질소(NO₂)는 일산화질소(NO)의 산화에 의해 형성될 수 있는 반응성 가스이다. NO, NO₂ 및 다른 질소의 산화물을 지칭하는 데 사용되는 용어인 질소 산화물(NO_x)은 오존과 스모그의 형성에 주된 역할을 한다. 인공 NO_x 방출물의 주된 소 스로는 자동차, 대형 건설 장비 및 발전소에서 일어나는 것과 같은 고온 연소 공정이 포함된다. 가정용 히터와 가스 스토브도 상당한 양의 NO₂를 생성한다.Nitrogen dioxide (NO ₂ ) is a reactive gas that can be formed by oxidation of nitrogen monoxide (NO). Nitrogen oxide (NO _x ), the term used to refer to oxides of NO, NO ₂ and other nitrogens, plays a major role in the formation of ozone and smog. Main sources of artificial NO _x emissions include high temperature combustion processes such as those found in automobiles, large construction equipment and power plants. Household heaters and gas stoves also produce significant amounts of NO ₂ .

일산화탄소(CO)는 무색, 무취의 독성 가스로서 연료 중의 탄소의 불완전 연소에 의해 형성될 수 있다. 자동차(motor vehicle) 배출가스는 미국 내에서 CO의 약 60%를 차지한다. 도시에서는, 95%에 달하는 CO 방출물이 자동차 배출가스에서 나온다고 할 수 있다. CO 방출의 다른 소스로는 산업 공정, 비수송 분야의 연료 연소 및 자연산불(wildfire)과 같은 자연적 소스가 포함된다.Carbon monoxide (CO) is a colorless, odorless toxic gas that can be formed by incomplete combustion of carbon in fuel. Motor vehicle emissions make up about 60% of CO in the United States. In cities, up to 95% of CO emissions come from automotive emissions. Other sources of CO emissions include natural sources such as fuel combustion and wildfire in industrial processes, non-transportation sectors.

입자상 물질(PM)은 공기 중에서 발견되는 고체 입자와 액적의 혼합물을 지칭하는 용어이다. 입자의 일부는 검댕(soot)이나 매연으로서 보이기에 충분히 크고 검다. 다른 입자는 매우 작아서 전자 현미경에 의해서만 검출될 수 있다. 광범위한 크기("미세한" 입자는 직경이 2.5㎛ 미만이고 보다 굵은 입자는 2.5㎛보다 큼)에 들어가는 이들 입자는 자연적 소스뿐 아니라 매우 여러 가지 정지형 및 이동형 소스로부터 유래된다. 미세 입자(PM-2.5)는 자동차, 전력 발생 및 산업 설비를 비롯하여 주택 벽난로 및 장작 스토브의 연료 연소로부터 발생된다. 굵은 입자(PM-10)는 일반적으로 비포장 도로 상에 운행되는 차량, 재료 취급 장치 및 분쇄와 연마 작업과 같은 소스로부터, 그리고 바람에 날린 먼지로서 방출된다. 일부 입자는 굴뚝(smokestack) 및 차량과 같은 당해 입자의 소스로부터 직접 방출된다. 다른 경우에는, 황 산화물, SO₂, NO_x 및 VOC와 같은 가스가 공기 중의 다른 화합물과 반응하여 미세 입자를 형성한다. 상기 입자의 화학적, 물리적 조성은 지역, 계절 및 날씨에 따라 변동된다. 1997년에, EPA는 연간 및 24-시간 표준에 대해, 각각 15 ㎍/㎥ 및 65 ㎍/㎥로 설정한 2개의 새로운 PM-2.5 표준을 부가했다.Particulate matter (PM) is a term referring to a mixture of solid particles and droplets found in air. Some of the particles are large and black enough to appear as soot or soot. Other particles are so small that they can only be detected by electron microscopy. These particles, which come in a wide range of sizes (“fine” particles less than 2.5 μm in diameter and coarse particles larger than 2.5 μm), originate from a wide variety of stationary and mobile sources as well as natural sources. Fine particles (PM-2.5) originate from fuel combustion in residential fireplaces and wood stoves, as well as in automotive, power generation and industrial installations. Coarse particles (PM-10) are generally emitted from vehicles running on unpaved roads, from material handling devices and sources such as grinding and grinding operations, and as blown dust. Some particles are emitted directly from the source of the particles, such as smokestacks and vehicles. In other cases, gases such as sulfur oxides, SO ₂ , NO _x and VOC react with other compounds in the air to form fine particles. The chemical and physical composition of the particles varies with region, season and weather. In 1997, EPA added two new PM-2.5 standards, set at 15 μg / m 3 and 65 μg / m 3, for yearly and 24-hour standards, respectively.

이산화황은, 예를 들면, 금속 제련 및 기타 산업 공정중에 황 함유 연료(예컨대, 석탄 및 오일)가 연소될 때 형성될 수 있다. Sulfur dioxide can be formed, for example, when sulfur containing fuels (eg coal and oil) are burned during metal smelting and other industrial processes.

마지막 기준 오염물인 납은 역사적으로 자동차에서 납 함유 연료의 사용으로부터 발생되었다. 가솔린 중 Pb의 함량을 감축하려는 법규상 노력의 결과로서, 과거 10년에 걸쳐 수송 부문으로부터의 발생 원인은 감소되어 왔다. 오늘날 금속 가공이 Pb의 대기중 주된 방출원이다.Lead, the last reference pollutant, has historically originated from the use of lead-containing fuels in automobiles. As a result of legislative efforts to reduce the content of Pb in gasoline, outbreaks from the transport sector have been reduced over the past decade. Today's metal processing is the main source of Pb's emissions.

Clean Air Act는 이들 6종의 기준 오염물에 대한 미국내 주변 공기 품질 표준에 맞추는 계획을 개발하도록 EPA와 주정부에 요구하고 있다. 상기 6종 이외의 오염물은 별도의 목록에 있는 188개 "독성 대기 오염물"이다. 독성 대기 오염물의 예로는 가솔린에 함유된 벤젠; 일부 드라이클리닝 설비에서 방출되는 퍼클로로에틸렌; 및 다수의 산업체에서 용매 및 페인트 제거제로서 사용되는 메틸렌클로라이드가 포함된다. 몇몇 대기 독성물은 자연적 소스로부터 방출되지만, 대부분은 이동형 소스(예컨대, 승용차, 트럭, 버스)와 정지형 소스(예컨대, 제조공장, 정유시설, 발전소)를 모두 포함하는 인류발생론적(anthropogenic) 소스를 기원으로 한다. CAA는 이들 188개 오염물에 대한 2 단계 프로그램을 가질 것을 EPA에 요구했다. 제1 단계는 독성 오염물의 소스를 식별하고, 그것을 유의적으로 감소시킬 개술 기반 표준을 개발하는 것으로 되어 있다. EPA는 900개가 넘는 정지형 소스의 목록을 결정하였는데, 이것은 다음을 포함하는 많은 산업적 소스에 영향을 주는 새로운 대 기 독성물 방출 표준을 가져왔다: 화학 플랜트, 석유 정제시설, 우주선 제조자. 및 제강 공장을 비롯하여, 드라이클리너, 상업적 소독기, 2차 납 제련소 및 크롬 도금 설비와 같은 작은 소스. 제2 단계는 잔존하는 위험성을 평가하고 전체 프로그램이 실질적 감소를 반드시 달성하도록 하는 전략 및 프로그램으로 이루어지며, 이 단계는 아직 진행중이다.The Clean Air Act requires EPA and the state to develop a plan that meets the US ambient air quality standards for these six reference pollutants. Contaminants other than the above six are 188 "toxic air pollutants" in a separate list. Examples of toxic air pollutants include benzene in gasoline; Perchloroethylene released from some dry cleaning facilities; And methylene chloride used as solvent and paint remover in many industries. Some atmospheric toxicants are released from natural sources, but most are from anthropogenic sources, including both mobile sources (eg cars, trucks, buses) and stationary sources (eg manufacturing plants, refineries, power plants). Origin. CAA required EPA to have a two-stage program for these 188 contaminants. The first step consists in developing a source-based standard that will identify a source of toxic contaminants and significantly reduce it. EPA has decided on a list of more than 900 stationary sources, which has resulted in new atmospheric toxic emission standards affecting many industrial sources, including: chemical plants, petroleum refineries, and spacecraft manufacturers. And small sources such as dry cleaners, commercial sterilizers, secondary lead smelters and chrome plating plants, including steel mills. The second phase consists of strategies and programs to assess the remaining risks and to ensure that the overall program achieves a substantial reduction, which is still in progress.

내연기관은 기준 오염물들을 방출하기 때문에 이러한 규제에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 이들 엔진은 두 가지 연료로 가동된다. 사용되는 연료 중 가장 보편적인 형태는 가솔린과 디젤이다. 각 형태의 연료는 탄화수소 화합물들의 복합적 혼합물과, 황을 포함하는 소량의 많은 기타 물질을 함유한다. 완전 연소된 경우에도, 이들 연료는 오염물을 생성한다. 더 나아가, "완벽한" 연소가 가능한 엔진은 없기 때문에, 일부 연료는 불완전 산화되며, 따라서 부가적 오염물을 생성한다. 다른 형태의 연료, 예를 들면 에탄올 혼합물, 식물성 기름, 기타 종래 기술에 알려져 있는 연료도 사용될 수 있다.Internal combustion engines are directly affected by these regulations because they emit reference pollutants. These engines run on two fuels. The most common types of fuel used are gasoline and diesel. Each type of fuel contains a complex mixture of hydrocarbon compounds and small amounts of many other substances including sulfur. Even when completely burned, these fuels produce contaminants. Furthermore, because no engine is capable of "perfect" combustion, some fuels are incompletely oxidized, thus creating additional contaminants. Other forms of fuel may also be used, such as ethanol mixtures, vegetable oils, and other fuels known in the art.

가솔린 엔진에 있어서, 방출물을 줄이기 위해 신형 차의 엔진은 연소되는 연료의 양을 섬세하게 제어한다. 상기 엔진은 공기와 연료의 비를, 연료에 대한 공기의 계산된 이상적 비율인 화학양론적 값에 매우 근접하게 유지하려고 한다. 이론적으로는, 모든 연료는 대기중의 모든 산소를 이 비율로 사용하여 연소된다. 연료 혼합물은 실제로 주행중에 상기 이상적 비로부터 상당히 변동된다. 때로는 상기 혼합물이 희박(lean)할 수 있고(예를 들어, 연료에 대한 공기의 비가 전형적 값인 14.7보다 높다), 다른 경우에는 상기 혼합물이 농후(rich)할 수 있다(연료에 대 한 공기의 비가 14.7보다 낮다). 이러한 편차는 여러 가지 대기 방출물을 초래한다.In gasoline engines, in order to reduce emissions, the engine of the new car has fine control over the amount of fuel burned. The engine attempts to keep the ratio of air to fuel very close to the stoichiometric value, which is the calculated ideal ratio of air to fuel. In theory, all fuel is burned using this ratio of all the oxygen in the atmosphere. The fuel mixture actually varies considerably from this ideal ratio during driving. Sometimes the mixture may be lean (for example, the ratio of air to fuel is higher than the typical value of 14.7) and in other cases the mixture may be rich (the ratio of air to fuel). Lower than 14.7). This deviation leads to various atmospheric emissions.

가솔린 차량 엔진의 중요한 방출물로는 다음이 포함된다: 질소 가스(N₂)(공기 중에는 N₂ 78%); 연소 생성물인 이산화탄소(CO₂); 또 다른 연소 생성물인 수증기(H₂O). 이들 방출물은 거의 모두 인간에게 해가 되지 않는다(대기중 과도한 수준의 CO₂는 지구 온난화의 원인이 되는 것으로 믿어지지만). 그러나, 가솔린 엔진은 또한 일산화탄소, 질소 산화물 및 미연소 탄화수소를 생성하며, 이들 물질은 모두 EPA의 기준 오염물에 포함되어 있다(미연소 탄화수소는 NO_x와 함께 오존 형성 메커니즘의 일부를 이룬다).Important emissions of gasoline vehicle engines include: nitrogen gas (N ₂ ) (N ₂ 78% in air); Carbon dioxide (CO ₂ ) as a combustion product; Another combustion product, water vapor (H ₂ O). Almost all of these emissions are harmless to humans (although excessive levels of CO ₂ in the air are believed to cause global warming). However, gasoline engines also produce carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned hydrocarbons, all of which are included in the EPA's reference contaminants (unburned hydrocarbons form part of the ozone formation mechanism with NO _x ).

디젤 엔진도 기준 오염물의 원인이 된다. 디젤 엔진은 산소의 존재 하에서 충분히 압축되면 자동 점화되는 탄화수소 분획(fraction)을 이용한다. 일반적으로, 실린더 내에서 연소되는 디젤은 가솔린보다 더 많은 양의 입자상 물질 및 오염물인 질소와 황의 산화물(각각 NO_x 및 SO_x)을 생성한다. 그렇기는 하지만, 디젤 혼합물은 일반적으로 희박하여 상대적으로 풍부한 양의 산소가 존재한다. 따라서, 상대적으로 작은 탄화수소의 연소는 더 완전한 것이 통상적이므로, 가솔린보다 더 적은 일산화탄소를 생성한다. 긴 사슬 탄화수소는 완전히 연소시키는 것이 더 어려우므로, 탄소 "검댕"과 같은 입자상 잔류물의 형성을 초래할 수 있다.Diesel engines also contribute to reference contamination. Diesel engines use hydrocarbon fractions that auto-ignite when fully compressed in the presence of oxygen. In general, diesel combustion in cylinders produces more particulate and pollutant oxides of nitrogen and sulfur (NO _x and SO _x , respectively) than gasoline. Nevertheless, diesel mixtures are generally sparse and relatively rich amounts of oxygen are present. Thus, the combustion of relatively small hydrocarbons is typically more complete, producing less carbon monoxide than gasoline. Long chain hydrocarbons are more difficult to burn completely and can result in the formation of particulate residues such as carbon “soot”.

이러한 결점에도 불구하고, 화석 연료는 비교적 풍부하고 취급이 용이하며 경제적이다. 따라서, 이들 연료는 미래에도 기계적 동력 및 오염의 중요한 소스로서 계속 대표될 것이다. 더 나아가, 내연기관의 보급도는 화석 연료가 에너지의 필요 소스로서 어떻게 지속될 것인가를 나타낸다.Despite these drawbacks, fossil fuels are relatively rich, easy to handle and economical. Therefore, these fuels will continue to be represented as important sources of mechanical power and pollution in the future. Furthermore, the spread of internal combustion engines indicates how fossil fuels will continue as a necessary source of energy.

주요한 대기 오염물을 생성하는 내연기관의 시장은 적어도 세 가지이다: 1) 이동형, 도로 상(on-road) 엔진, 장치 및 차량, 2) 이동형, 비도로(non-road) 엔진, 장치 및 차량, 및 3) 정지형(stationary) 또는 "포인트(point)" 소스. 각각의 이들 시장에서, 정부 기관 및 그 밖의 기구는 대기 오염의 수준을 제한하였다. 이들 제한은 사용되는 내연기관의 수가 급증함에 따라 점차 엄격해졌으며, 대기 오염으로 야기되는 해악에 관해 더 많은 것을 알게 되었다. 계속 강화되는 규제는 엔진 재설계에 대한 연료 포뮬레이션(formulation)으로부터 후처리 장치에 이르기까지 새로운 방출 제어 기술을 지속적으로 연구, 개발하고 투자할 것을 산업체에 요구해왔다. 이러한 기술들은 효율성과 비용 양면에서 변화가 있지만, 기업체가 규제에 대응하기 위해서는 필수적인 것으로 되었다. 어느 하나의 방출 제어 기술이 모든 관련 오염물을 제거할 수 없으므로, 특별한 형태의 차량이나 장치가 규제되는 방출 한계에 맞추기 위해서는 다중 기술을 함께 이용해야 하는 것이 보통이다. 이들 시장, 그의 규제 및 의존하는 기술은 다음 항목에서 설명된다. 장점과 단점을 포함하는 상기 기술들은 본 항목에 이어서 보다 구체적으로 설명된다. 상기 항목은 미국에서의 엔진, 장치 및 운송 수단에 초점이 맞추어졌지만, 다른 지역도 유사한 제품 및 규정을 갖는다. 예를 들면, EU는 유사한 시장 규모를 갖지만, 디젤 방출 제어 기술과 같은 배기가스 재순환보다는 선택적 촉매 환원에 더 초점을 맞추 며, 소형, 오프 로드 엔진의 더 많은 퍼센트로 촉매 전환기(catalytic converter)를 사용하고, 경량급 운송 수단에 사용되는 디젤 엔진에 훨씬 큰 비중을 둔다. 다른 지역은 미국과는 다른 그들 자체의 특성 차이를 갖지만, 본질적으로는 동일한 형태의 장치를 사용하고 동일한 형태의 대기 오염을 규제한다.There are at least three markets for internal combustion engines that produce major air pollutants: 1) mobile, on-road engines, devices and vehicles, 2) mobile, non-road engines, devices and vehicles, And 3) stationary or “point” sources. In each of these markets, government agencies and other organizations have limited the level of air pollution. These limits became increasingly strict as the number of internal combustion engines used increased, and we learned more about the harm caused by air pollution. The ever-increasing regulations have required industry to continue to research, develop and invest in new emission control technologies, from fuel formulations to engine redesigns to aftertreatment units. These technologies change in both efficiency and cost, but have become essential for businesses to respond to regulations. Since no emission control technique can remove all relevant contaminants, it is common for a particular type of vehicle or device to use multiple techniques together to meet regulated emission limits. These markets, their regulations and the technologies they depend on are described in the following sections. The above techniques, including advantages and disadvantages, are described in more detail following this section. While the above item focuses on engines, devices and vehicles in the United States, other regions have similar products and regulations. For example, the EU has a similar market size, but focuses more on selective catalytic reduction than on exhaust gas recirculation, such as diesel emission control technology, and uses catalytic converters as a larger percentage of small, off-road engines. And much more weight on diesel engines used in lightweight vehicles. Other regions have their own differences from the United States, but in essence use the same type of equipment and regulate the same type of air pollution.

이동형, 도로상 엔진, 장치 및 운송 수단으로는, 특별히 제한되지는 않지만, 승용차, 픽업 트럭, 미니밴, 스포츠 유틸리티 차량(SUV), 버스, 배달 트럭, 세미 트럭, 승합차, 및 도로상 용도로 설계된 2륜 또는 3륜 오토바이가 포함된다. 이들 시장은 역사적으로 방출 제어에서의 방식을 인도해왔으며, 저수준의 대기 오염물을 명하는 하기 규정에 의해 현재에도 그 상태를 이어가고 있다.Mobile, road engines, devices and means of transport, including but not limited to, designed for passenger cars, pickup trucks, minivans, sport utility vehicles (SUVs), buses, delivery trucks, semi trucks, vans, and on-road applications. Two- or three-wheeled motorcycles are included. These markets have historically led the way in emission control, and are still in place today by the following regulations mandating low levels of air pollutants.

승용차와 트럭 시장은 차중에 의해 구분된다. 8,500 파운드의 차량 총중량 등급(Gross Vehicle Weight Rating; RVWR) 미만인 것은 경량급 차량(light duty vehicle)으로 간주된다. 승객 수송용으로 설계된 8,500～10,000 lbs GVWR 범위의 차량은 중급(medium duty) 차량으로 간주된다. 개인용으로 설계되지 않은 8,500 lbs GVWR을 넘는 차량은 중량급 차량으로 표기된다.The passenger car and truck markets are divided by the crowd. Anything below the Gross Vehicle Weight Rating (RVWR) of 8,500 pounds is considered a light duty vehicle. Vehicles in the 8,500 to 10,000 lbs GVWR range designed for passenger transportation are considered medium duty vehicles. Vehicles over 8,500 lbs GVWR that are not designed for personal use are marked heavyweight vehicles.

승용차 및 경량급 차량은 이제까지 차중과 연료 형태에 의해 규제되었지만, 향후 기준에서는 하나의 군으로 규제될 것이다. 미국에서 생산되는 약 1천7백만대의 승용차 및 경량급 차량의 1% 미만이 디젤 엔진을 사용한다. 승용차 및 경량급 차량은 Ford, General Motors(GM), DaimlerChrysler, BMW, Honda, Hyundai, Daewoo, First Automobile Group, Toyota, Nissan, SAIC-Chevy 및 Subaru와 같은 제조사에 의해 제조된 것들을 포함한다.Passenger cars and light vehicles have been regulated by vehicle weight and fuel type, but will be regulated as a group in future standards. Less than 1% of the 17 million passenger cars and light vehicles produced in the United States use diesel engines. Passenger and light weight vehicles include those manufactured by manufacturers such as Ford, General Motors (GM), DaimlerChrysler, BMW, Honda, Hyundai, Daewoo, First Automobile Group, Toyota, Nissan, SAIC-Chevy and Subaru.

승용차 및 경량급 차량에 대한 규제는 수십년간 존속되었지만, 최근에 훨씬 더 엄격해졌다. 모델 연도(MY) 2004-2009로 단계적으로 진행되는 Tier 2 표준은 주문자 상표 생산자(OEM)로 하여금 그들의 제조 차량이 표준의 특정 '빈(bin)' 내에 들어가는 것을 증명할 것과, NO_x 방출에 대한 제조사 평균을 유지할 것을 요구한다. 6,000 lbs GVWR 미만의 차량은 반드시 2007년까지 규정에 맞추어야 하고, 6,000～8,500 lbs의 차량 및 MDV는 2009년까지 맞추어야 한다. 상기 표준에 포함되는 오염물로는: NO_x, 포름알데히드(HCHO), CO, PM 및 메탄을 제외한 유기 가스가 포함된다. 캘리포니아주는 역사적으로 EPA보다 엄격한 규제를 가졌고, 뉴저지주, 뉴욕주, 버몬트주, 메인주 및 매사추세츠주를 포함하는 다른 주는 신형 및 중고 차량에 대한 낮은 방출 레벨에 합세했다. 표준에 합치되지 못하는 제조자는 필수적으로 이들 시장에서 그들의 차량을 생산하지 못하게 되어 있고, 시중에서 발견되는 경우에는 벌금이 부과된다. 애프터마켓에서, 주정부는 검사 및 유지관리(I/M) 프로그램을 통해 승용차와 경량급 차량을 규제한다. 이들 프로그램은 미국내 주변 대기 품질(NAAQ)에서 요구하는 주 정부 실행 계획(SIP)으로부터 흔히 만들어진다. 신형 차량과 애프터마켓 표준 양자에 합당하려면 방출 제어 기술들을 흔히 병용할 것이 요구된다.Regulations for passenger cars and light vehicles have been around for decades, but have become much stricter in recent years. The Tier 2 standard, which is staged in Model Year (MY) 2004-2009, will enable OEMs to demonstrate that their manufactured vehicles fall within a specific 'bin' of the standard, and to manufacturers of NO _x emissions. Requires an average Vehicles under 6,000 lbs GVWR must meet regulations by 2007, and vehicles between 6,000 and 8,500 lbs and MDVs by 2009. Contaminants included in the standard include: NO _x , formaldehyde (HCHO), CO, PM and organic gases except for methane. California has historically been more stringent than EPA, and other states, including New Jersey, New York, Vermont, Maine, and Massachusetts, have joined low emission levels for new and used vehicles. Manufacturers who do not meet the standards are essentially not allowed to produce their vehicles in these markets and are fined if found on the market. In the aftermarket, the state regulates passenger cars and light vehicles through inspection and maintenance (I / M) programs. These programs are often created from the State Action Plan (SIP) required by NAAQ in the United States. Compliance with emission control technologies is often required to be compatible with both new vehicles and aftermarket standards.

역사적으로, 3 방식 촉매 전환기는 승용차와 경량급 차량에 널리 사용되어 왔다. 이들 전환기의 최근 개선 사항(예를 들면, 증가된 기재(substrate)의 다공도, 최적화된 워쉬코트(washcoat), 감소된 촉매 부하 등)은 방출 제어에서 점증되 는 개선을 가져왔다. 가장 새로운 일련의 미국 규정에 맞추기 위해서는, 제조자는 촉매 부하를 증가시키거나 차량당 기재의 수를 증가시켜야 할 것이다. 검사/유지관리 표준에 맞추지 못하는 사용 차량은 잘못된 기술을 교체하거나 부가적 장치를 구입해야 한다. 다른 방출 제어 장치는, 특별히 제한되지는 않지만, 최신 분사 시스템(예를 들면, 분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상(rate shaping), 공통 레일 분사 및 전자 제어), 변화된 연소 챔버 설계(예를 들면, 더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치), 가변 밸브 타이밍, 촉매 전환기 및 필터를 포함한다.Historically, three-way catalytic converters have been widely used in passenger cars and light vehicles. Recent improvements in these converters (eg, increased substrate porosity, optimized washcoats, reduced catalyst loads, etc.) have led to incremental improvements in emission control. In order to meet the newest set of US regulations, manufacturers will have to increase the catalyst load or increase the number of substrates per vehicle. Vehicles that do not meet inspection / maintenance standards must either replace the faulty technology or purchase additional equipment. Other emission control devices include, but are not limited to, modern injection systems (e.g., injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection, and electronic control), varied combustion chamber designs (e.g., Higher compression ratio, piston structure, injector position), variable valve timing, catalytic converter and filter.

중량급 차량(HDV)은 8,500 lbs GVWR보다 큰 개인용 및 상용 트럭과 버스를 포함한다. 이들 엔진의 대다수는 디젤 연료로 운행되고, 미국에서 매년 300,000대 이상이 생산된다. 제조사 및 엔진 공급처로는, 특별히 제한되지는 않지만, Cummins, Caterpillar, Detroit Diesel, GM, Mack/Volvo, International/Navistar, Sterling, Western Star, Kenworth, 및 Peterbilt가 포함된다. 애프터마켓을 위한 다른 방출 제어 기술을 제공하는 그 밖의 회사로는, 특별히 제한되지는 않지만, Donaldson, Engelhard, Johnson Matthey, Lubrizol, Fleetguard, Cleaire, Clean Air Partners, 및 Engine Control Systems가 포함된다.Heavy vehicles (HDVs) include personal and commercial trucks and buses larger than 8,500 lbs GVWR. The majority of these engines run on diesel fuel, and more than 300,000 are produced annually in the United States. Manufacturers and engine suppliers include, but are not limited to, Cummins, Caterpillar, Detroit Diesel, GM, Mack / Volvo, International / Navistar, Sterling, Western Star, Kenworth, and Peterbilt. Other companies providing other emission control technologies for aftermarket include, but are not limited to, Donaldson, Engelhard, Johnson Matthey, Lubrizol, Fleetguard, Cleaire, Clean Air Partners, and Engine Control Systems.

중량급 트럭은 PM, NO_x, CO 및 메탄을 제외한 탄화수소(NMHC)에 대한 엄한 방출 감소 표준에 직면해 있다. PM 표준은 2007년도에 발효되며, NO_x 및 NMHC 표준은 2007～2010에 진입한다. 경량급 차량과 마찬가지로, 캘리포니아주는 특정한 다른 주 및 대도시 지역과 함께, 종종 EPA보다 더 엄격한 방출 표준을 제정했다. 표 준에 미달하는 차량에 있어서는, 제조사는 판매를 할 수 없다. NO_x에 대한 부적합 과태료는 크기와 순응 노력을 기준으로 차량 1대당 $12,000 이하에 달한다. 기관차, 해양, 농업 및 건설과 같은 다른 산업은 중량급 차량과 매우 유사한 엔진을 사용하지만, HDV 시장이 가장 엄격한 방출 표준에 직면했다. 한편, 몇몇 주와 대도시 지역(예를 들면, 캘리포니아주, 뉴욕시, 시애틀)은 오염 수준을 더욱 끌어내리는 데 대한 부가적 갱신(retrofit)을 요구하거나 또는 갱신에 대한 인센티브를 제공한다. 이들 지역은 승인된 수준 및 능력에 합당한 인증된 기술을 갖고 있다. 그 예로는 Donaldson사의 디젤 산화성 촉매 머플러와 디젤 입자 필터, Cleaire사의 디젤 산화성 촉매와 디젤 입자 필터, 및 Johnson Matthey사의 연속식 재생 기술 입자 필터가 포함된다.Heavy trucks face stringent emission reduction standards for hydrocarbons (NMHC) excluding PM, NO _x , CO and methane. PM standards come into force in 2007 and NO _x and NMHC standards enter 2007-2010. Like light weight vehicles, California, along with certain other state and metropolitan areas, has often set stricter emission standards than EPA. On vehicles below the standard, the manufacturer cannot sell them. Nonconforming penalties for NO _x are less than $ 12,000 per vehicle, based on size and compliance efforts. Other industries such as locomotives, marine, agriculture and construction use engines that are very similar to heavy vehicles, but the HDV market faces the most stringent emission standards. On the other hand, some state and metropolitan areas (eg, California, New York City, Seattle) require additional retrofits or provide incentives for renewal to further reduce pollution levels. These areas have certified technologies that are appropriate for their approved levels and capacities. Examples include Donaldson's diesel oxidative catalytic muffler and diesel particle filter, Cleaire's diesel oxidative catalyst and diesel particle filter, and Johnson Matthey's continuous regeneration technology particle filter.

상기 표준에 맞추고 갱신을 위해 사용되는 방출 제어 기술은, 특별히 제한되지는 않지만, 최신 분사 시스템(예를 들면, 분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 배기 가스 재순환, 연소 챔버 설계의 변경(예를 들면, 더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치), 최신 터보과급, ACERT, 디젤 입자 필터, NO_x 흡착기, 선택적 촉매 환원, 전래의 촉매 전환기, 촉매식 배기가스 머플러, 및 디젤 산화성 촉매를 포함한다. 2007 표준에 맞추는 문제는 이들 방출 제어 기술 중 많은 것에 대한 새로운 연구와 개발을 촉진시켰다. 2007 HDV에 대한 방출 제어 해법을 결정하는 데에는 엄청난 비용과 노력이 경주되었다.Emission control techniques that meet the above standards and are used for renewal are not particularly limited, but include, but are not limited to, modern injection systems (e.g. injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), exhaust gas recirculation, combustion Changes in chamber design (e.g., higher compression ratio, piston structure, injector position), modern turbocharge, ACERT, diesel particle filter, NO _x adsorber, selective catalytic reduction, conventional catalytic converter, catalytic exhaust muffler, and Diesel oxidative catalysts. Meeting the 2007 standard has prompted new research and development on many of these emission control technologies. There was a tremendous amount of money and effort in deciding emission control solutions for the 2007 HDV.

오토바이는 또 다른 형태의 이동형, 도로상 차량이며, 도로상 용도로 설계된 2륜 및 3륜 오토바이를 모두 포함한다. 오토바이는 본래 가솔린 연료를 사용한다. 제조사로는, 특별히 제한되지는 않지만, Harley Davidson, BMW, Honda, Kawasaki, Triumph, Tianjin Gangtian, Lifan Motorcycle 및 Yamaha가 포함된다. 도로상 오토바이에 대한 규제는 1978년에 채택된 다음, 2003년까지 개정되지 않고 유지되다가, 2003년에 캘리포니아주에 따른 새로운 표준이 승인되었다. 새로운 표준에서 감시되는 오염물은 HC, NO_x 및 CO를 포함한다.Motorcycles are another type of mobile, on-road vehicle and include both two- and three-wheeled motorcycles designed for road use. Motorcycles inherently use gasoline fuel. Manufacturers include, but are not limited to, Harley Davidson, BMW, Honda, Kawasaki, Triumph, Tianjin Gangtian, Lifan Motorcycle, and Yamaha. Regulations on road motorcycles were adopted in 1978 and remained unrevised until 2003, and in 2003 a new standard based on California was approved. Contaminants monitored in the new standard include HC, NO _x and CO.

오토바이에 대한 방출 제어 기술은, 특별히 제한되지는 않지만, 2행정 엔진을 4행정 엔진으로 변환하는 기술, 최신 분사 시스템(분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 펄스 에어 시스템, 연소 챔버 설계의 변경(더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치), 및 촉매 전환기의 사용을 포함한다. 오토바이의 방출 제어 기술에서의 한계는 경량급 또는 중량급 차량의 경우와 상이하다. 오토바이는 장치를 "은폐"할 곳이 적기 때문에 외관, 배열, 후처리 장치의 열에 보다 더 초점을 두며, 탑승자는 발열성 산화 반응에 훨씬 더 근접해 있다.Emission control techniques for motorcycles are not particularly limited, but technologies for converting two-stroke engines to four-stroke engines, modern injection systems (injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), pulsed air systems , Changes in combustion chamber design (higher compression ratios, piston structures, injector positions), and the use of catalytic converters. The limitations in motorcycle emission control technology differ from those of light or heavy vehicles. Motorcycles focus less on the appearance, arrangement, and heat of the aftertreatment device because there are fewer places to "hide" the device, and the occupants are much closer to the exothermic oxidation reaction.

이동형, 비도로 엔진, 장치 및 차량 카테고리는, 특별히 제한되지는 않지만, 농업, 건설, 광업, 잔디와 원예, 개인용 선박, 보트, 상업용 선박, 기관차, 비행기, 스노우모빌, 오프 로드 오토바이 및 ATV에 사용되는 엔진을 포함한다.The mobile, non-road engine, device and vehicle categories are not particularly limited but used in agriculture, construction, mining, grass and gardening, private vessels, boats, commercial vessels, locomotives, airplanes, snowmobiles, off-road motorcycles and ATVs. It includes an engine.

소형 엔진은 크기에 비해 현저한 수준의 대기 오염물을 방출한다; 소형 엔진은 비도로 HC 인벤토리(inventory)에 가장 큰 단일 요인이다. 소형 엔진 장치로 는, 제한되지 않지만, 잎 송풍기(leaf blower), 트리머, 가지 절단기, 휴대용 전기톱, 잔디 깎는 기계, 엔진 탑재 예초기, 목재 절개기, 제설기, 쇄목기 등이 포함된다. 엔진 및 장치 제조사로는, 제한되지 않지만, John Deere, Komatsu, Honda, Ryobi, Electolus(Husqvarna 및 Poulan은 또한 Craftsman에 공급함), Fuji, Tecumseh, Stihl, american Yard Products 및 Briggs and Stratton이 포함된다.Small engines emit significant levels of air pollutants for their size; Small engines are the single largest factor in non-HC inventory. Small engine devices include, but are not limited to, leaf blowers, trimmers, branch cutters, handheld chainsaws, lawn mowers, engine mounted mowers, wood cutters, snow plows, wood mills, and the like. Engine and device manufacturers include, but are not limited to, John Deere, Komatsu, Honda, Ryobi, Electolus (Husqvarna and Poulan also supply Craftsman), Fuji, Tecumseh, Stihl, american Yard Products, and Briggs and Stratton.

EPA는 1997년에 발효되는 표준으로 1993년에(페이스 I) 규제를 시작했으며, 2002년에(페이스 II) 새로운 표준으로 방출 수준을 계속 낮추었다. 상기 표준은 장치를 손에 들리는 소형 카테고리와 그렇지 않은 카테고리로 구분하며, 엔진 배기량 차이를 기준으로 분류한다. 상기 규제는 탄화수소와 질소 산화물 방출에 초점을 둔다.EPA began regulation in 1993 (Pace I) as a standard that came into effect in 1997 and continued to lower emissions levels with new standards in 2002 (Pace II). The standard divides the device into smaller categories that are in hand and those that are not, and is classified based on engine displacement. The regulation focuses on hydrocarbon and nitrogen oxide emissions.

방출 제어 기술로는, 제한되지 않지만, 촉매의 사용(즉, John Deere의 LE 기술 및 Komatsu의 "층별화 제거(Stratified Scavenged)" 설계), 2행정 엔진을 4행정 엔진으로 변환시키는 기술, 최신 분사 시스템(분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 또는 연소 챔버 설계의 변경(더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치)가 포함된다.Emission control techniques include, but are not limited to, the use of catalysts (ie, John Deere's LE technology and Komatsu's “Stratified Scavenged” design), the conversion of two-stroke engines to four-stroke engines, and the latest injections. Systems (injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), or changes in combustion chamber design (higher compression ratios, piston structures, injector positions).

레크리에이션 수송 수단 시장은 오프-하이웨이 오토바이, 스노우모빌 및 전지형 만능차(all-terrain vehicle; ATV)를 포함한다. 이러한 제품은 다음과 같은 제조사 및 엔진 공급처에 의해 제조된다:The recreational vehicle market includes off-highway motorcycles, snowmobiles and all-terrain vehicles (ATVs). These products are manufactured by the following manufacturers and engine suppliers:

Honda, John Deere, Kawasaki, Mitsubishi Motors, Nissan, Toyota, Yanmar, Arctic Cat, Bombardier, Brunswick, International Powercraft, Polaris, Suzuki 및 Yamaha.Honda, John Deere, Kawasaki, Mitsubishi Motors, Nissan, Toyota, Yanmar, Arctic Cat, Bombardier, Brunswick, International Powercraft, Polaris, Suzuki and Yamaha.

캘리포니아주는 훨씬 이전에 규제를 제정했지만, EPA는 다른 많은 시장보다 늦게 레크리에이션 차량을 규제하기 시작했다. EPA는 스노우모빌에 대해 2006～2009년에, 오프-하이웨이 오토바이 및 ATV에 대해서는 2006～2007년도에 페이스에 진입했다. 규제된 오염물은 HC, CO 및 NO_x를 포함한다. California had enacted regulations much earlier, but EPA began regulating recreational vehicles later than many other markets. EPA entered the pace in 2006-2009 for snowmobiles and 2006-2007 for off-highway motorcycles and ATVs. Regulated contaminants include HC, CO and NO _x .

레크리에이션 차량에 대한 방출 제어 기술로는, 제한되지 않지만, 2행정 엔진을 4행정 엔진으로 변환하는 기술, 최신 분사 시스템(분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 펄스 에어, 또는 연소 챔버 설계의 변경(더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치)가 포함된다.Emission control technologies for recreational vehicles include, but are not limited to, technologies for converting two-stroke engines to four-stroke engines, modern injection systems (injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), pulsed air, Or changes in combustion chamber design (higher compression ratios, piston structures, injector positions).

광업에 있어서, 광업 안전 및 보건국(Mine Safety and Health Administration)에 의해 규정이 수립되어 있다. 광업은 높은 수준의 진동, 충격 및 분진으로 인해, 장치에 대해 가장 부담되는 분야로 흔히 간주된다. 온도와 인화성도 광업에서 큰 문제이다. 일부 광업 장치에 대해 디젤 산화성 촉매가 새로 설치되었지만, 디젤 입자 필터가 더 보편화되고 있다.In mining, regulations are established by the Mine Safety and Health Administration. Mining is often regarded as the most burdensome field for devices due to the high levels of vibration, shock and dust. Temperature and flammability are also big problems in mining. Although new diesel oxidative catalysts have been installed for some mining equipment, diesel particle filters are becoming more common.

농업 및 건설 시장에서, EPA는 스파크 점화식 및 압축 점화식 엔진 모두를 규제한다. 이들 엔진은 트랙터, 포크리프트, 불도저, 발전기, 포장기, 롤러, 트렌처, 드릴 리그(drill rig), 믹서, 크레인, 곤포기(baler), 컴프레서 등에서 사용될 수 있다. 엔진 및 장치의 제조사로는, 특별히 제한되지는 않지만, Agco, Komatsu, CNH Global, Caterpillar, Cummins, Daewoo, John Deere & Co, Dueutz, Detroit Diesel 및 Kubota가 포함된다.In the agricultural and construction markets, EPA regulates both spark ignition and compression ignition engines. These engines can be used in tractors, forklifts, bulldozers, generators, balers, rollers, trenchers, drill rigs, mixers, cranes, balers, compressors, and the like. Manufacturers of engines and devices include, but are not limited to, Agco, Komatsu, CNH Global, Caterpillar, Cummins, Daewoo, John Deere & Co, Dueutz, Detroit Diesel and Kubota.

EPA는 1994년(Tier 1)에 이들 엔진 중 디젤 부분을 규제하기 시작하여, 최근에는 Tier 2(2001～2006년에 페이스 진입)으로 그 표준을 증가시켰다. 상기 표준은 2006～2008년에 Tier 3 레벨로 다시 증가될 것으로 예정되어 있다. Tier 3 레벨은 중량급 차량(예를 들면 트랙터, 트레일러)에 대해 사용된 것과 유사한 방출 제어 장치의 사용을 요구할 것으로 보인다. 농업 및 건설 분야에서 사용되는 가솔린, 액체 프로판 가스 또는 압축 천연 가스(CNG) 엔진에 대한 규제도 최근에 변경되었다. Tier 1 레벨은 2004년도에 시작되고 CARB에 의해 이미 채택된 것에 매칭되며, Tier 2 레벨은 2007년도에 시작될 것으로 예상된다. 표준보다 낮은 방출에 의한 차량의 자발적 규제도 존재하는바, 소위 "블루 스카이 시리즈(Blue Skies Series)"가 그것이다. 엔진 크기와 연료 형태를 기준으로, 입자상 물질, 일산화탄소, 질소 산화물 및 메탄 이외의 탄화수소의 레벨은 모두 현재의 페이스-인 및 곧 닥치게 되는 표준을 위해 현저히 감소되어야 한다.EPA began regulating the diesel portion of these engines in 1994 (Tier 1), and recently increased the standard to Tier 2 (Pace entry in 2001-2006). The standard is expected to increase back to the Tier 3 level in 2006-2008. Tier 3 levels will likely require the use of emission control devices similar to those used for heavy vehicles (eg tractors, trailers). Regulations on gasoline, liquid propane gas or compressed natural gas (CNG) engines used in agriculture and construction have also recently changed. Tier 1 levels are expected to begin in 2004 and match those already adopted by CARB, and Tier 2 levels will begin in 2007. There is also voluntary regulation of vehicles with lower than standard emissions, the so-called "Blue Skies Series". Based on engine size and fuel type, levels of particulate matter, carbon monoxide, nitrogen oxides and hydrocarbons other than methane should all be significantly reduced for current face-in and upcoming standards.

방출 제어 기술은 중량급 차량에 대해 사용되는 것과 유사하며, 특별히 제한되지는 않지만, 최신 분사 시스템(분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 배기 가스 재순환, 연소 챔버 설계의 변경(더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치), 최신 터보과급, ACERT, 디젤 입자 필터, NO_x 흡착기, 선택적 촉매 환원, 전래의 촉매 전환기, 촉매식 배기가스 머플러 및 디젤 산화성 촉매를 포함한다. 배기가스 재순환(EGR)은 엔진의 흡입구에서 황산의 형성을 야기 하는 경향으로 인해 문제가 되어왔다. 또한, 냉각을 필요로 하여, 대형 라디에이터가 필요하고, 그에 따라 차량의 앞 부분이 커지기 때문에 공기역학적 제약 및 연료 경제성에 제약이 생긴다.Emission control techniques are similar to those used for heavy vehicles, and are not particularly limited, but include modern injection systems (injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), exhaust gas recirculation, and changes in combustion chamber design. (Higher compression ratio, piston structure, injector position), modern turbocharge, ACERT, diesel particle filter, NO _x adsorber, selective catalytic reduction, conventional catalytic converter, catalytic exhaust muffler and diesel oxidative catalyst. Exhaust gas recirculation (EGR) has been a problem due to the tendency to cause the formation of sulfuric acid at the engine intake. In addition, the need for cooling requires a large radiator, which in turn increases the front part of the vehicle, which creates aerodynamic and fuel economy constraints.

해양 응용 분야에서, 엔진은 일반적으로 가솔린 또는 디젤 연료, 개인적 또는 상업적 용도를 이용하여, 또는 엔진 크기에 의해 구분될 수 있다. 해양 유닛은 개인용 선박으로부터, 요트, 페리, 예인선(tug) 및 원양항해 선박까지 이른다. 제조사 및 엔진 공급처로서는, 제한되지는 않지만 하기 업체들이 포함된다: Bombardier(Evinrude, Johnson, Ski Doo, Rotax 등), Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel, GM, Isuzu, Yanmar, 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, 및 Verret Shipyard, MAN B&W Diesel, Wartsila, Mitsubishi, Bath Iron Works, Electric Boat, Northrop Grumman(Avondale, Ingalls 및 Newport News Shipyards 포함). In marine applications, engines are generally categorized by gasoline or diesel fuel, personal or commercial use, or by engine size. Marine units range from private vessels to yachts, ferries, tugs and oceangoing vessels. Manufacturers and engine suppliers include, but are not limited to: Bombardier (Evinrude, Johnson, Ski Doo, Rotax, etc.), Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel, GM, Isuzu, Yanmar, 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, and Verret Shipyard, MAN B & W Diesel, Wartsila, Mitsubishi, Bath Iron Works, Electric Boat, Northrop Grumman (including Avondale, Ingalls, and Newport News Shipyards).

EPA는 레크리에이션용, 개인용 또는 상업용을 불문하고 보트를 규제한다. 주된 카테고리 부문은, 레크리에이션 수송 수단으로부터 유조선에 이르기까지 엔진 배기량을 기준으로 한다. 배기량이 30 리터 미만인 디젤 해양 논-레크리에이션 보트로는 어선, 예인선, 토우보트, 준설선 및 화물선이 포함되며, 2004년과 2007년 사이에 엔진 크기에 따라 NO_x 및 PM에 대한 새로운 표준이 발효된다. 컨테이너 선 박, 유조선, 벌크 운반선 및 유람선을 포함하는, 30L보다 큰 디젤 해양 논-레크리에이션 보트는 2004년(Tier 1)에 발효되는 NO_x 표준 및 2007년(Tier 2)에 발효되는 부가적인 HC, PM 및 CO 표준을 갖는다. 요트, 유람선 및 그 밖의 형태의 오락 선박을 포함하는 디젤 해양 레크리에이션 보트는 배기량 30L 미만의 디젤 해양 논-레크리에이션 보트의 표준에 매칭되는 표준을 갖지만, 실행일은 엔진 크기에 따라 2006～2009년 사이로 되어 있다. 가솔린과 디젤 보트는 배 밖의 엔진, 개인용 선박 및 제트보트에서 현재 HC 방출을 적용하는 규제만을 갖는다. 선미 구동부(sterndrive) 및 배 안의 엔진은 본래 더 청정하므로 아직 규제되지 않는다.EPA regulates boats for recreational, personal or commercial purposes. The main category sector is based on engine displacement from recreational vehicles to tankers. Diesel marine non-recreation boats with less than 30 liters in displacement include fishing vessels, tugboats, towboats, dredgers and cargo ships. Between 2004 and 2007, new standards for NO _x and PM come into effect depending on engine size. Diesel marine non-recreation boats larger than 30 liters, including container ships, oil tankers, bulk carriers and cruise ships, are subject to NO _x standards in force in 2004 (Tier 1) and additional HCs in force in 2007 (Tier 2), PM and CO standards. Diesel marine recreational boats, including yachts, cruise ships, and other types of recreational vessels, have standards that match the standards of diesel marine non-recreation boats with a displacement of less than 30 liters, but run dates are from 2006 to 2009, depending on engine size. . Gasoline and diesel boats only have restrictions that currently apply HC emissions from offshore engines, private vessels and jet boats. The stern drive and the engine on board are inherently cleaner and not yet regulated.

방출 제어 기술은 중량급 차량에 사용된 것과 유사하며, 특별히 제한되지는 않지만, 보트가 접안되어 있을 때 "그린 터미널(green terminal)"의 이용, 2행정 엔진을 4행정 엔진으로의 변환, 물에 의한 사후냉각, 배기가스 재순환, 디젤 입자 필터, 선택적 촉매 환원, 디젤 산화성 촉매, 촉매 변환기, 최신 연료 분사(분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 최신 터보과급, 가변 밸브 타이밍 및 연소 챔버 설계의 변경(더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치)를 포함한다. 보조 동력용 소형 엔진(예; 보조 동력 장치, APU)을 사용하는 것도 방출 제어에 도움이 된다. 소금물, 그와 관련된 오염물 및 보트에 대한 냉각 효과가 후처리에 어려움을 가져오지만, APU는 후처리 장치와 함께 충분히 그 역할을 한다.Emission control techniques are similar to those used in heavy vehicles, and are not particularly limited, but include the use of "green terminals" when the boat is docked, conversion of two-stroke engines to four-stroke engines, and water Post-cooling, exhaust gas recirculation, diesel particle filter, selective catalytic reduction, diesel oxidative catalyst, catalytic converter, latest fuel injection (injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), latest turbocharge, variable valve timing And changes in combustion chamber design (higher compression ratios, piston structures, injector positions). The use of small engines for auxiliary power (eg auxiliary power units, APUs) also helps control emissions. The cooling effect on the brine, its contaminants and the boats presents difficulties in the aftertreatment, but the APU plays a sufficient role with the aftertreatment unit.

기관차 시장은 주로 디젤 연료에 의존하고(석탄과 장작 연소형은 제한적으로 이용됨), 화물과 승객용 철도에 사용되는 열차, 장거리 화물열차(line-haul), 보통 열차(local), 및 스위치 야드 서비스(switch yard service)가 포함된다. 미국에서는 매년 600대 이상의 열차가 생산된다. 제조자 및 엔진 공급처로는, 특별히 제한되지는 않지만, GM의 기전 사업부(Electromotive Division), GE Transportation Systems, Caterpillar, Detroit Diesel, Cummins, MotovePower, Peoria Locomotive Works, Republic Locomotives, Trinity, Greenbrier 및 CSX가 포함된다.Locomotive markets rely primarily on diesel fuel (coal and firewood combustion are of limited use), trains used in freight and passenger railroads, line-haul, local, and switch yard services. (switch yard service) is included. In the United States, more than 600 trains are produced each year. Manufacturers and engine suppliers include, but are not limited to, GM's Electromotive Division, GE Transportation Systems, Caterpillar, Detroit Diesel, Cummins, MotovePower, Peoria Locomotive Works, Republic Locomotives, Trinity, Greenbrier, and CSX .

열차에 대한 규제는 2000년에 시작되었고, 대체로 중량급 차량의 규제를 모방했다. 그 표준은 새로 생산된 엔진 및 재생된 엔진(약 4～8년에 이루어진 것)에 대한 레벨을 포함하고, 해당 엔진이 스위치 목적인지, 장거리 화물열차 목적인지에 따라 다르다. Tier 0은 모델 연도(MY)가 1973～2001인 엔진에 적용되고, Tier 1은 MY2002～2004, Tier 2는 MY2005 이후에 적용된다. 부적합 과태료는 엔진당 1일당 $25,000 이하이다. 규제되는 오염물은 입자상 물질, NO_x, HC, CO 및 스모크 불투명도(smoke opacity)를 포함한다.Regulations on the trains began in 2000 and largely mimic those of heavy vehicles. The standard includes levels for newly produced and regenerated engines (approximately four to eight years old), depending on whether the engine is for switch or long-haul freight trains. Tier 0 applies to engines with model year (MY) 1973-2001, Tier 1 applies after MY2002-2004, and Tier 2 applies after MY2005. Nonconforming penalties are less than $ 25,000 per day per engine. Regulated contaminants include particulate matter, NO _x , HC, CO, and smoke opacity.

방출 제어 기술은 중량급 차량에 사용된 것과 유사하며, 특별히 제한되지는 않지만, 최신 연료 분사(분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공통 레일 분사 및 전자 제어), 배기가스 재순환, 연소 챔버 설계의 변경(더 높은 압축비, 피스톤 구조, 분사기 위치), 선택적 촉매 환원, 디젤 산화성 촉매, 사후 냉각기, 분할 냉각, 제올라이트 시브(zeolite sieve) 및 NO_x 환원성 촉매를 포함한다. 소형의 보조 동력 장치를 사용하는 것도 방출 제어 전량의 하나가 되고 있으며, 이것에 대해서는 후처리 장치의 사용을 둘러싼 규제가 적다.Emission control techniques are similar to those used in heavy vehicles, and include, but are not limited to, the latest fuel injection (injection timing, injection pressure, grade geometry, common rail injection and electronic control), exhaust gas recirculation, changes in combustion chamber design ( Higher compression ratios, piston structures, injector positions), selective catalytic reduction, diesel oxidative catalysts, post coolers, split cooling, zeolite sieves and NO _x reducing catalysts. The use of a small auxiliary power unit also becomes one of the emission control quantities, and there is little regulation surrounding the use of the aftertreatment unit.

항공기 시장은 모든 형태의 항공기를 포함하며, 그 중에는 Boeing, Airbus, Cessna, Gulfstream 및 Lockheed Martin 등에 의해 제조된 비행기가 포함된다. EPA 및 유럽 연합은 모두 국제 민간 항공 기구(International Civil Aviation Organization; ICAO)의 방출 표준을 따른다. EPA는 1997년에 가스 터빈 엔진에서의 CO 및 NO_x에 대한 ICAO의 현행 표준을 채택하였고, 1984년에 HC 레벨을 채택했다. 미국에서, FAA가 이들 표준을 감시하고 시행한다. 방출 제어의 많은 부분이 엔진 기술 및 연료 변화를 통해 이루어진다.The aircraft market includes all types of aircraft, including aircraft manufactured by Boeing, Airbus, Cessna, Gulfstream and Lockheed Martin. EPA and the European Union both follow the emission standards of the International Civil Aviation Organization (ICAO). EPA adopted ICAO's current standards for CO and NO _x in gas turbine engines in 1997 and adopted HC levels in 1984. In the United States, the FAA monitors and enforces these standards. Much of the emission control is done through engine technology and fuel changes.

정지형 소스에는 비이동형인 오염물의 소스가 포함된다. EPA는 80개보다 많은 카테고리의 주된 산업적 소스를 포괄하는 규정을 발포했는데, 여기에는 발전소, 화학 플랜트, 석유 정제시설, 우주선 제조자. 및 제강 공장을 비롯하여, 드라이클리너, 상업적 소독기, 2차 납 제련소 및 크롬 도금 설비와 같은 작은 소스가 포함된다. 발전소는 여러 가지 소스 중에서 정지형 디젤 엔진, 정지형 가스 터빈 및 원자력을 사용할 수 있다. 이들 소스 각각은 상이한 오염물을 생성한다; 예를 들면, 원자력 발전소는 요오드 및 수소를, 가스 터빈은 NO_x, CO, SO_x, CH₄ 및 VOCs를, 정유시설은 가스상 증기, CO, NO_x, VOCs, CO₂, CH₄ 및 PM을 생성한다. 각 산업은 대기 방출물을 줄이기 위해 상이한 제어 기술을 필요로 한다.Stationary sources include sources of contaminants that are not mobile. EPA has issued regulations covering more than 80 categories of major industrial sources, including power plants, chemical plants, oil refineries, and spacecraft manufacturers. And steelmaking plants, as well as small sources such as dry cleaners, commercial sterilizers, secondary lead smelters, and chromium plating facilities. Power plants can use stationary diesel engines, stationary gas turbines, and nuclear power, among other sources. Each of these sources produces different contaminants; For example, nuclear power plants use iodine and hydrogen, gas turbines use NO _x , CO, SO _x , CH ₄ and VOCs, and refineries use gaseous steam, CO, NO _x , VOCs, CO ₂ , CH ₄ and PM. Create Each industry needs different control techniques to reduce air emissions.

EPA 규정은 6개 카테고리의 오염물 및 부가적인 188개의 독성 대기 오염물을 다룬다. 시행되는 특정 프로그램에는 황 방출을 감소시키기 위해 설계된 산성 비 프로그램 및 NO_x 방출을 감소시키기 위해 설계된 오존 수송 위원회(Ozone Transport Commission)의 NO_x 예산 프로그램이 포함된다. RECLAIM은 NO_x 및 SO_x 크레딧의 교역을 위해 수립된 프로그램이다. 또한, 몇몇 산업 및 지역에서는 캡(cap) 및 트레이드(trade) 프로그램이 시행되어, 회사들로 하여금 그들의 방출 크레딧을 교역할 수 있도록 하였다.EPA regulations cover six categories of pollutants and an additional 188 toxic air pollutants. Specific programs implemented include acid rain programs designed to reduce sulfur emissions and NO _x budget programs from the Ozone Transport Commission designed to reduce NO _x emissions. RECLAIM is a program established for the trade of NO _x and SO _x credits. In addition, in some industries and regions, cap and trade programs have been implemented to allow companies to trade their emissions credits.

정지형 소스로부터 방출을 제어하는 데 사용되는 기술은 폭 넓은 변동이 있지만, 그 예로는 필터, 스크러버(scrubber), 흡수제, 선택적 촉매 환원(SCR), 침전기, 제로-슬립 촉매, 터빈용 촉매 또는 산화성 촉매가 포함된다. 정지형 시장에 대한 방출 제어 시스템의 공급자 중 일부로서는, M+W Zander, Crystall, Jacobs E., Takasogo, IDC, ADP, Marshall, Bechtel, Megte, Angui, Adwest, Eisenmann, Catalytic Products, LTG, Durr, Siemens, Alston 등이 포함된다. 촉매 공급자로서는, Nikki, BASF, Cormetech, W.R. Grace, Johnson Matthey, UOP 및 Sud Chemie가 포함된다.The techniques used to control emissions from stationary sources vary widely, but examples include filters, scrubbers, absorbents, selective catalytic reduction (SCR), precipitators, zero-slip catalysts, catalysts for turbines or oxidative properties. Catalysts are included. Some of the suppliers of emission control systems for the stationary market include M + W Zander, Crystall, Jacobs E., Takasogo, IDC, ADP, Marshall, Bechtel, Megte, Angui, Adwest, Eisenmann, Catalytic Products, LTG, Durr, Siemens , Alston and the like. As a catalyst supplier, Nikki, BASF, Cormetech, W.R. Grace, Johnson Matthey, UOP, and Sud Chemie.

대기 품질의 개선 및 관련 법과 규정에 따르는 문제의 중요성으로 인해, 방출을 감소시킬 수 있는 기술에 상당한 시간, 예산 및 노력이 투자되었다. 그러한 기술의 세 가지 일반적 분야에는, a) 엔진 개선, b) 연료 개선 및 c) 후처리가 포함된다. 이러한 어프로치는 전형적으로 상호 배제 또는 단독적 해법이 아니다. 엔진 개선은, 특별히 제한되지는 않지만, 최신 분사 시스템, 배기 가스 재순환, 전자식 센서 및 연료 제어, 연소 챔버 설계, 최신 터보과급 및 가변 밸브 타이밍과 같은 기술을 포함한다. 연료 개선은, 특별히 제한되지는 않지만, 높은 세탄(cetane), 낮은 방향족, 낮은 황 연료, 연료 수반 촉매, 액화 석유가스(LPG), 연료의 산소화, 압축 천연가스(CNG) 및 바이오디젤과 같은 포뮬레이션을 포함한다. 후처리 기술은, 특별히 제한되지는 않지만, 촉매 변환기(2원, 3원, 및 4원), 입자 트랩, 선택적 촉매 환원, NO_x 흡착기, HC 흡착기, NO_x 환원성 촉매, 그 밖의 여러 가지를 포함한다. 몇몇 시스템은 이러한 기술 및 다른 기술의 다양한 부분을 결합한다; Caterpillar사에 의한 ACERT 또는 촉매식 디젤 입자 트랩은 시스템과 장치를 조합한 예이다. 또한, 기술적 또는 상업적 제약으로 인해 현재 사용이 제한되고 있는 몇몇 기술도 있다.Due to the importance of improving air quality and the issue of compliance with applicable laws and regulations, significant time, budget and effort have been invested in technologies that can reduce emissions. Three general areas of such technology include a) engine improvement, b) fuel improvement and c) aftertreatment. This approach is typically not mutual exclusion or a single solution. Engine improvements include, but are not particularly limited to, technologies such as modern injection systems, exhaust gas recirculation, electronic sensors and fuel control, combustion chamber design, modern turbocharge and variable valve timing. Fuel improvements include, but are not limited to, high cetane, low aromatics, low sulfur fuels, fuel accompanying catalysts, liquefied petroleum gas (LPG), oxygenation of fuels, compressed natural gas (CNG), and biodiesel. Includes emulation. Post-treatment techniques include, but are not limited to, catalytic converters (two-, three-, and four-membered), particle traps, selective catalytic reduction, NO _x adsorber, HC adsorber, NO _x reductive catalyst, and many others. do. Some systems combine various parts of these and other technologies; Caterpillar's ACERT or catalytic diesel particle traps are examples of system and device combinations. In addition, there are some technologies that are currently limited in use due to technical or commercial constraints.

최신 분사 시스템은 분사 타이밍, 분사 압력, 등급 형상, 공기 보조 연료 분사, 순차적 다점 분사(multi-point injection), 공통 레일 분사, 분사 홀의 리사이징(resizing) 또는 이동, 및 일부 전자 제어를 포함한다. 공통 레일 시스템에서, 마이크로컴퓨터화 연료 펌프는 연료의 유량 및 타이밍을 제어한다(예; Mercedes-Benz E320은 이 시스템을 이용한다). 2차 공기 분사는 매니폴드에서의 HC와 CO의 연소를 촉진시킬 수 있다. 분사 시스템의 변경은 다양한 방출물을 감소시킬 수 있으며, 또한 연료 경제성을 증대시킬 수 있지만, 여기에는 효율을 보장하기 위해 엔진에 대한 상당한 작업이 필요하다.Modern injection systems include injection timing, injection pressure, grade geometry, air assisted fuel injection, sequential multi-point injection, common rail injection, resizing or movement of injection holes, and some electronic control. In a common rail system, the microcomputerized fuel pump controls the flow rate and timing of the fuel (eg Mercedes-Benz E320 uses this system). Secondary air injection can promote combustion of HC and CO in the manifold. Modifications to the injection system can reduce various emissions and can also increase fuel economy, but this requires significant work on the engine to ensure efficiency.

배기 가스 재순환(EGR)은 배기 가스 중 일부를 엔진의 흡입구로 반송시킨다. 배기 가스를 신선한 흡입 공기와 혼합함으로써, 엔진에 유입되는 산소의 양이 감소 되고, 그 결과 질소 산화물의 방출이 낮아진다. EGR은 정기적인 유지관리를 필요로 하지 않으며, 고도의 소용돌이, 난류형 연소 챔버와 조합하여 양호하게 작동한다. EGR은 또한 연료 효율 및 엔진 수명의 감소, 차량의 냉각 시스템에 대한 요구량 증대, NO_x를 제외한 다른 오염물에 효과가 없다는 한계와 같은 단점을 가지며, 컨트롤 알고리즘 및 센서를 필요로 한다. 이러한 이유에서, EGR은 종종 또 다른 제어 기술과 병행하여 사용된다. EGR 기술에 관련된 회사로는 Doubletree Technologies, ETC, STT Emtec, Cummins, Detroit Diesel, Mack 및 Volvo가 포함된다.Exhaust gas recirculation (EGR) returns some of the exhaust gas to the intake port of the engine. By mixing the exhaust gases with fresh intake air, the amount of oxygen entering the engine is reduced, resulting in lower emissions of nitrogen oxides. EGR does not require regular maintenance and works well in combination with highly vortex, turbulent combustion chambers. EGR also has disadvantages such as reduced fuel efficiency and engine life, increased demands on the vehicle's cooling system, and no limitations on other contaminants other than NO _x , requiring control algorithms and sensors. For this reason, EGR is often used in conjunction with another control technique. Companies involved in EGR technology include Doubletree Technologies, ETC, STT Emtec, Cummins, Detroit Diesel, Mack and Volvo.

연소 챔버를 최적화하거나 또는 그에 대한 개선을 높이는 것은 제조사와 개발자들이 방출을 제어하는 또 다른 방식이다. 균열 체적(crevice volume)의 감소는 미연소 연료의 트래핑을 제한할 수 있지만(그에 따라 HC가 형성), 윤활유의 양을 감소함으로써 HC 형성을 줄일 수 있고, 촉매 피독(catalyst poisoning)을 제한할 수 있다. 다른 방법에는, 실린더 및 피스톤의 표면 마감처리의 개선, 피스톤 링 설계 및 재질의 개선, 배기 밸브 스템 밀봉재의 개선 등이 포함된다. 또한, "신속 연소(fast burn)"형 연소 챔버는, 연소율을 증가시키거나, 스파크 전진을 감소시키거나, 공기-연료 혼합물에 희석제를 첨가시키거나, 및/또는 챔버 내의 난류를 증가시킴으로써 만들어질 수 있다. 연소 챔버의 최적화가 방출을 감소시킬 수 있지만, 비용이 많이 드는 프로세스일 수 있는 엔진의 리워크를 필요로 하는 또 다른 기술이다.Optimizing or improving the combustion chamber is another way for manufacturers and developers to control emissions. Reducing the crevice volume can limit the trapping of unburned fuel (hence the formation of HC), but can reduce HC formation by reducing the amount of lubricating oil, and can limit catalyst poisoning. have. Other methods include improving the surface finish of cylinders and pistons, improving piston ring designs and materials, improving exhaust valve stem seals, and the like. In addition, a “fast burn” type combustion chamber may be created by increasing the burn rate, reducing the spark advance, adding a diluent to the air-fuel mixture, and / or increasing turbulence in the chamber. Can be. While optimization of the combustion chamber can reduce emissions, it is another technique that requires rework of the engine, which can be an expensive process.

가변 밸브 타이밍은 연료와 엔진 효율을 극대화하도록 밸브를 개폐하기 위해 엔진 밸브를 보정하는 것을 포함한다. 보통, 센서를 이용하여 엔진의 속도를 검출하고 그에 따라 밸브 개폐를 조절한다. 이 기술은 엔진 토크와 마력을 증가시킬 수 있고, 소용돌이 및 흡입 차지 속도(intake charge velocity)를 향상시킬 수 있으므로, 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 가변 밸브 기술은 몇몇 다른 기술 만큼 방출을 감소시키기 못하며, 종종 연료 효율의 감소를 초래한다.Variable valve timing includes calibrating the engine valve to open and close the valve to maximize fuel and engine efficiency. Typically, sensors are used to detect engine speed and adjust valve opening and closing accordingly. This technology can increase engine torque and horsepower, improve vortex and intake charge velocity, and thus improve combustion efficiency. Variable valve technology does not reduce emissions as some other technologies and often results in reduced fuel efficiency.

여러 가지 연료를 재처방하거나 사용하는 것은, 몇몇 연료가 다른 연료보다 저연적으로 더 오염시키지만, 몇몇 연료는 배기 공기를 세정할 촉매를 피독하는 경향이 있으므로, 또 다른 방출 제어 기법이다. 예를 들면, 미국 내 유연 연료로부터 무연 연료로의 전환은 납 방출을 크게 감소시켰다. 황은 촉매를 피독시킬 수 있기 때문에, 연료의 황 함량을 낮추는 것은 SO_x 방출을 감소시키고 많은 촉매 전환기의 효율을 증대시키는 것이다. 또 다른 형태의 연료인 천연 가스는 전형적으로 디젤 연료보다 적은 입자상 오염물을 생성하며, 또한 NO_x 및 연소 소음을 감소시킬 수 있다. 반대로, 천연 가스는 또한 차량 중량을 증가시킬 수 있고(고압 탱크가 필요하므로), 재급유 한계를 갖는다.Re-prescription or use of various fuels is another emission control technique, although some fuels contaminate more slowly than others, while some fuels tend to poison catalysts to clean exhaust air. For example, the transition from lead fuel to unleaded fuel in the United States has greatly reduced lead emissions. Since sulfur can poison the catalyst, lowering the sulfur content of the fuel to reduce the SO _x emission and increase the efficiency of many catalytic converters. Another type of fuel, natural gas, typically produces less particulate contaminants than diesel fuel, and can also reduce NO _x and combustion noise. Conversely, natural gas can also increase vehicle weight (because a high pressure tank is needed) and has a refueling limit.

후처리 장치 - 연료가 연소된 후에 사용되는 장치 - 의 사용은 방출 제어 규정에 의해 영향을 받는 특정 산업에서는 매우 흔하다. 후처리 장치의 일례는 촉매 전환기이다. 촉매 전환기는 매우 다양할 수 있고, 여러 가지 기능을 가질 수 있지만, 일반적으로 설명하자면 촉매를 이용하여 배기 개스를 처리하는 장치이다. 기 재의 조성 및 기재 상에 있는 촉매는 전환기의 설치 및 수와 마찬가지로, 여러 해를 통해 변화되어 왔다.The use of aftertreatment devices-devices that are used after fuel has been burned-is very common in certain industries affected by emission control regulations. One example of an aftertreatment device is a catalytic converter. Catalytic converters can vary widely and have a variety of functions, but are generally described as apparatuses for treating exhaust gases using catalysts. The composition of the substrate and the catalyst on the substrate, as well as the number and installation of converters, have changed over the years.

2원(two-way) 촉매 전환기는, HC와 CO를 CO₂와 H₂O로 산화시키는 것과 같은 기상 오염물의 산화를 실행한다. 디젤 산화성 촉매(diesel oxidation catalyst; DOC)는 디젤 엔진과 함께 사용되는 2원 촉매 전환기의 또 다른 형태이다. 이들 전환기가 HC와 CO의 제어에는 효과적이고 유지보수가 거의 필요 없지만, NO_x 방출을 증가시킬 수 있고 황에 대해 민감하다.Two-way catalytic converters perform oxidation of gaseous contaminants such as oxidizing HC and CO to CO ₂ and H ₂ O. Diesel oxidation catalyst (DOC) is another form of two-way catalytic converter used with diesel engines. While these converters are effective for the control of HC and CO and require little maintenance, they can increase NO _x emissions and are susceptible to sulfur.

3원(three-way) 촉매 전환기는 산화 반응(CO와 HC를 CO₂와 H₂O로 변환)과 환원 반응(NO_x를 N₂ 가스로 변환)을 모두 실행한다. 1970년대 이래, 3원 촉매 전환기는 차량 방출물을 감소시켜왔다. 이들 장치에 의한 또 다른 성능 개선은, 온도 범위 및 기재 표면적과 같은 인자 수 및 촉매 피독에 의해 제한된다. 점차 염격해지는 규정에 맞추기 위해, 몇몇 차량은 다중 촉매 전환기를 필요로 한다.Three-way catalytic converters perform both oxidation (CO and HC to CO ₂ and H ₂ O) and reduction (NO _x to N ₂ gas). Since the 1970s, three-way catalytic converters have reduced vehicle emissions. Another performance improvement with these devices is limited by the number of factors and catalyst poisoning, such as temperature range and substrate surface area. To meet increasingly stringent regulations, some vehicles require multiple catalytic converters.

4원 촉매 전환기는 산화 및 환원 반응을 실행하며, 입자를 포착하여 연소시킨다(능동 또는 수동 모드에서 재생이 일어날 수 있다).Four-way catalytic converters perform oxidation and reduction reactions, which capture and burn particles (regeneration can occur in either active or passive mode).

촉매 전환기 및 그와 관련된 부품의 공급자로서는, 제한되지 않지만, Corning, NGK, Denso, Ibiden, Emitec, Johnson Matthey, Engelhard, Catalytic Solutions, Delphi, Umicore, 3M, Schwaebische Huetten-Werke GmbH(SHW); Hermann J. Schulte(HJS), Clean Diesel Technology, Cleaire, Clean Air Systems, ArvinMeritor, Tenneco, Eberspacher, Faurecia, Donaldson 및 Fleetguard가 포함 된다.Suppliers of catalytic converters and related components include, but are not limited to, Corning, NGK, Denso, Ibiden, Emitec, Johnson Matthey, Engelhard, Catalytic Solutions, Delphi, Umicore, 3M, Schwaebische Huetten-Werke GmbH (SHW); Hermann J. Schulte (HJS), Clean Diesel Technology, Cleaire, Clean Air Systems, ArvinMeritor, Tenneco, Eberspacher, Faurecia, Donaldson and Fleetguard.

디젤 연료는 가솔린이나 일부 대체 연료보다 더 많은 입자상 물질을 발생하므로, 입자 트랩 또는 필터는 디젤 응용 분야에 흔히 사용되는 후처리 장치의 또 다른 형태이다. 디젤 입자 트랩(DPT)에서, 배기 가스 흐름 내의 입자는 필터를 통과하여 포집된다. 트랩에 포집되는 입자상 물질의 제거를 "재생(regeneration)"이라 칭하며, 여러 방식으로 일어날 수 있다. 한 가지 방법은, PM이 "소각"되는 데 필요한 수준까지 필터의 온도를 올리기 위한 외부 히터를 사용하는 것이다. 또 다른 방법은 배기 가스 흐름에 소량의 디젤 연료를 방출하는 것이다. 연료 입자가 필터와 접촉되면, 연료는 고온에서 소각된다. 이러한 높은 온도는 PM과 필터를 태운다. 또 다른 수단은 재생을 촉진하기 위해 연료 동반 촉매를 사용하는 것이다. "촉매식 디젤 입자 트랩"이라 칭하는 또 다른 어프로치에서는, 촉매를 필터 자체에 직접 적용하고, 이것이 PM이 소각되는 데 필요한 온도를 감소시킨다. 마지막으로, PM의 소각을 촉진하기 위해 필터의 앞 부분에 산화성 촉매를 사용할 수 있다. Johnson Matthey사의 연속식 재생 트랩(CRT)가 그러한 시스템이다. 디젤 입자 트랩은 일부 응용에서는 PM을 85% 만큼 감소시킬 수 있다. 촉매를 활용하는 트랩도 촉매(전술한 바와 같은)를 사용함으로써 PM 이외의 다른 오염물(예; HC, CO, PM)을 감소시킬 수 있다. 환언하면, 이들 트랩은 PM, 검댕 및 회분으로 폐색될 수 있고, 촉매 사용 트랩은 피독될 수 있다. 그러한 것은 또한 비용 및 차량 중량을 증가시킨다.Since diesel fuel generates more particulate matter than gasoline or some alternative fuels, particle traps or filters are another form of aftertreatment device commonly used in diesel applications. In a diesel particle trap (DPT), particles in the exhaust gas stream are collected through a filter. The removal of particulate matter trapped in the trap is called "regeneration" and can occur in a number of ways. One way is to use an external heater to raise the temperature of the filter to the level necessary for the PM to be incinerated. Another method is to discharge a small amount of diesel fuel in the exhaust stream. When fuel particles come in contact with the filter, the fuel is incinerated at high temperatures. This high temperature burns PM and filters. Another means is to use a fuel entrained catalyst to promote regeneration. In another approach, called "catalytic diesel particle trap", the catalyst is applied directly to the filter itself, which reduces the temperature required for PM to be incinerated. Finally, an oxidative catalyst may be used at the front of the filter to promote incineration of the PM. Johnson Matthey's Continuous Regeneration Trap (CRT) is such a system. Diesel particle traps can reduce PM by 85% in some applications. A trap utilizing a catalyst can also reduce contaminants other than PM (eg, HC, CO, PM) by using a catalyst (as described above). In other words, these traps can be blocked with PM, soot and ash, and catalyst use traps can be poisoned. Such also increases cost and vehicle weight.

디젤 입자 트랩은 다음을 포함하는 여러 가지 형태의 필터를 사용할 수 있 다: 세라믹 단일 셀(monolithic cell) 섬유(Corning, NGK), 섬유 권취 필터(3M), 편직 섬유(BUCK), 직조 섬유(HUG, 3M), 소결된 금속 섬유(SHW, HJS), 또는 여과지. 이들 장치 및 그와 관련된 기술의 공급처는, 특별히 제한되지는 않지만, Donaldson, Engelhard, Johnson Matthey, HJS, Eminos, Deutz, Corning, ETG, Paas, 및 Engine Control Systems 등이 포함된다.Diesel particle traps can use several types of filters, including: ceramic monolithic cell fibers (Corning, NGK), fiber winding filters (3M), knitted fibers (BUCK), woven fibers (HUG) , 3M), sintered metal fibers (SHW, HJS), or filter paper. Sources of these devices and related technologies include, but are not limited to, Donaldson, Engelhard, Johnson Matthey, HJS, Eminos, Deutz, Corning, ETG, Paas, Engine Control Systems, and the like.

후처리 시스템의 또 다른 예는 선택적 촉매 환원(SCR)이다. 이 기술에서, 배기 가스가 촉매 챔버에 도달하기 전에, 요소(urea)와 같이 환원제로서 작용할 수 있는 화학 물질을 첨가한다. 요소는 가수분해되어 암모니아를 형성한다. 그러면, 암모니아는 배기 가스 중의 NO_x와 반응하여 N₂ 가스를 생성함으로써 NO_x 방출을 감소시킨다. 암모니아는 직접 분사하거나, 고체 요소, 요소 용액 또는 결정 형태로 유지시킬 수 있다. CO와 HC를 감소시키기 위해 SCR과 함께 산화성 촉매가 종종 사용된다. 그러나 SCR이 NO_x의 감소에 유효하고 촉매 열화가 낮아서 연료 경제성이 양호하지만, 차량에 부가적인 탱크 및 그 탱크를 재충전하기 위한 하부구조를 필요로 한다. 또한 최종 사용자의 순응에 의존한다; 회사 및 운전자는 방출 제어를 유지하기 위해서 탱크를 재충전해야 한다. SCR 또는 그 성분의 공급처로는, 특별히 제한되지는 않지만, Engelhard, Johnson Matthey, Miratech Corporation, McDermott, ICT, Sud Chemie, SK Catalysts 및 PE Systems가 포함된다. 한정된 기분으로 미국에서만 사용되지만, SCR은 유럽에서 방출의 감소를 위해, 특히 중량급 트럭 시장에서 널리 사용될 것으로 기대된다.Another example of an aftertreatment system is selective catalytic reduction (SCR). In this technique, chemicals that can act as reducing agents, such as urea, are added before the exhaust gas reaches the catalyst chamber. Urea is hydrolyzed to form ammonia. The ammonia then reacts with NO _x in the exhaust gas to produce N ₂ gas to reduce NO _x emissions. Ammonia can be sprayed directly or maintained in solid urea, urea solution or crystalline form. Oxidative catalysts are often used in combination with SCR to reduce CO and HC. However, while SCR is effective for reducing NO _x and has low catalyst deterioration and good fuel economy, it requires an additional tank to the vehicle and an infrastructure for recharging the tank. It also depends on the end user's compliance; The company and operator must refill the tank to maintain emission control. Sources of SCR or its components include, but are not particularly limited to, Engelhard, Johnson Matthey, Miratech Corporation, McDermott, ICT, Sud Chemie, SK Catalysts, and PE Systems. Although used in the United States in a limited mood, SCR is expected to be widely used in Europe for the reduction of emissions, especially in the heavy truck market.

NO_x 흡착기는 희박한 상태에서 NO_x를 저장하고, 연료 농후 상태에서 방출하여 촉매에 의해 환원시키는(전형적으로 수 분마다) 물질이다. 이 기술은 가스와 디젤 응용 모두에서 기능할 수 있지만, 가스가 더 양호한 연료 농후한 고온 환경을 제공한다. NO_x 흡착기는 HC, NO_x 및 CO의 레벨을 낮추기만, PM에 대해서는 거의 또는 전혀 영향이 없다. NO_x 흡착기는 넓은 온도 범위에서 기능할 수 있다. 반대로, NO_x 흡착 능력은 온도에 따라 감소되고, 엔진 제어 및 센서를 필요로 하며, 연료 중의 황 함량에 의해 기능이 방해 받거나 상실된다. 디젤 응용에서, 배기 가스에 존재하는 산소의 양, HC 활용률, 온도 범위 및 스모크 또는 입자 형성을 포함하는 부가적인 제약이 있다. A NO _x adsorber is a substance that stores NO _x in a lean state, releases it in a fuel rich state and reduces it (typically every few minutes) by a catalyst. This technique can function in both gas and diesel applications, but the gas provides a better fuel rich high temperature environment. The NO _x adsorber lowers the levels of HC, NO _x and CO, but has little or no effect on PM. The NO _x adsorber can function over a wide temperature range. In contrast, the NO _x adsorption capacity decreases with temperature, requires engine control and sensors, and the function is hindered or lost by the sulfur content in the fuel. In diesel applications, there are additional constraints, including the amount of oxygen present in the exhaust gas, HC utilization, temperature range and smoke or particle formation.

NO_x 환원성 촉매는, 1) 촉매의 앞 부분에서 시스템 내로 환원제를 강하게 분사함, 및/또는 2) HC를 흡착하는 제올라이트와 함께 워쉬코트(washcoat)를 사용하여 NO_x를 환원하도록 유도하는 산화 영역을 생성함으로써, 방출의 제어에 사용될 수 있다. 이 기술은 NO_x 및 PM을 감소시킬 수는 있지만, 다른 많은 기술보다 비용이 많이 들고 연료 경제성의 저하 또는 황산염 입자를 초래할 수 있다.The NO _x reductive catalyst is characterized in that the oxidation zone leads to 1) a strong injection of a reducing agent into the system at the front of the catalyst, and / or 2) reduction of NO _x using a washcoat with zeolite adsorbing HC. By generating it, it can be used to control the release. While this technique can reduce NO _x and PM, it is more expensive than many other techniques and can result in lower fuel economy or sulfate particles.

HC 흡착제는 촉매가 저온인 상태에서 VOC를 포착한 다음, 촉매가 가열되면 VOC를 방출하도록 설계되어 있다. 이러한 기능은, 1) 변화가 최소이지만 제어는 적어지도록, 촉매 전환기 기재 상에 상기 흡착제를 직접 코팅함, 2) 촉매 전환기 이전에 별도이지만 배기 가스 파이프에 연결되도록 흡착제를 위치시키고, 전환기가 가열되면 공기가 채널을 스위칭시킴, 및/또는 3) 상기 흡착제를 촉매 이후에 설치함으로써 이루어질 수 있다. 상기 옵션 중 2), 3) 방식은 흡착제에 대한 세정 옵션을 필요로 한다. 이 기술이 저온의 출발 방출을 감소시키지만, 제어가 어렵고 비용이 추가된다.The HC adsorbent is designed to capture the VOC while the catalyst is cold and then release the VOC when the catalyst is heated. These functions include: 1) coating the adsorbent directly on the catalytic converter substrate so that the change is minimal but the control is less; 2) placing the adsorbent separately before the catalytic converter but connected to the exhaust gas pipe, Air may be switched on and / or 3) by installing the adsorbent after the catalyst. 2) and 3) of the above options require a cleaning option for the adsorbent. Although this technique reduces cold starting emissions, it is difficult to control and adds cost.

방출은 제어가 어려운 것으로 입증되었기 때문에, 방출 제어 기술은 통상 시스템 내에 결합된다. 결합 시스템의 예로는, DeNOx 및 DPT(예; HJS의 SCRT 시스템), 머플러에 설치된 촉매 전환기, 머플러와 일체화된 SCR, 또는 촉매 방식 디젤 입자 필터가 포함된다.Since release has proven difficult to control, release control techniques are typically incorporated into the system. Examples of coupling systems include DeNOx and DPT (e.g., SCRT systems from HJS), catalytic converters installed on mufflers, SCR integrated with mufflers, or catalytic diesel particle filters.

ACERT는 다중 방출 제어 기술을 결합하는 시스템의 또 다른 예이다. Caterpillar사의 ACERT는 4 분야, 즉 흡입 공기 취급, 연소, 전자, 및 배기 가스 후처리를 목표로 한다. 핵심 요소로는, 흡입 공기의 냉각을 위한 단일 및 시리즈 터보과급; 연료 연소를 향상시키기 위한 가변 밸브 작동; 컴퓨터 제어를 일체화하기 위한 전자 멀티플렉싱; 및 말단 파이프 입자 방출을 감소시키기 위한 촉매 전환이 포함된다. 종합적으로 작동함으로써, 이들 서브시스템에 의해 상기 제조사는 연료 절약을 증대시킬 수 있다. 이 기술의 중요한 약점은 큰 체적의 촉매가 필요하다는 점이다.ACERT is another example of a system that combines multiple emission control techniques. Caterpillar's ACERT targets four areas: intake air handling, combustion, electronics, and exhaust aftertreatment. Key elements include single and series turbochargers for cooling intake air; Variable valve operation to improve fuel combustion; Electronic multiplexing for integrating computer control; And catalytic conversion to reduce end pipe particle emissions. By operating comprehensively, these subsystems allow manufacturers to increase fuel economy. An important drawback of this technique is the need for large volumes of catalyst.

많은 다른 방출 제어 기술이 있으며, 그들 중 일부는 아직 기술적으로 타당하지 않다.There are many other emission control techniques, some of which are not yet technically feasible.

촉매 전환기Catalytic converter

부분적으로는 자동차에 의해 야기된 오염 문제는, 배기 가스 중 90% 감소를 요구하는 1970년의 Clean Air Act라는 법제화를 가져왔다. 의무적인 감소는 일부에게는 논쟁의 여지가 있는 것으로 간주되었지만, 일반적으로 청정 공기와 건강 증진에 대한 진보로 인정되었다.In part, the pollution problem caused by automobiles led to the enactment of the Clean Air Act of 1970, which required a 90% reduction in emissions. Mandatory reductions were considered controversial by some, but were generally recognized as advances in clean air and health promotion.

자동차 산업계는 초기에 새로 제안된 규제에 대해 저항을 나타냈다. 그러한 저항의 일부는 산업계가 개발한 개선된 연료에 근거한 것일 수 있다. 1920년대 중반부터 1980년대 중반까지, 자동차 가솔린 연료는 첨가제인 테트라에틸레드(TEL)을 함유했다. TEL은 엔진의 실린더 내에서 예비 점화(pre-ignition)를 방지함으로써 연료 성능을 향상시켰다. 예비 점화는 엔진의 연소 챔버에서 연료/공기 혼합물이 너무 일찍 점화될 때 일어난다. 이것은 엔진에 대한 손상 및 노킹에 의해 야기되는 효율 및 동력의 감소를 초래한다.The automotive industry initially resisted the newly proposed regulation. Some of such resistance may be based on improved fuel developed by the industry. From the mid 1920s to the mid 1980s, automotive gasoline fuels contained an additive, tetraethyl red (TEL). TEL improves fuel performance by preventing pre-ignition in the cylinders of the engine. Preliminary ignition occurs when the fuel / air mixture is ignited too early in the engine's combustion chamber. This results in a reduction in efficiency and power caused by damage to the engine and knocking.

정부가 설정한 감소된 방출 표준에 도달하기 위해서, 엔지니어들은 촉매 전환기를 발명했다. 촉매 전환기는 1976년경에 시작된 차량 배기 시스템에 추가되었다. 촉매 전환기는 방출 감소에 어느 정도 유효했다. 그러나, TEL을 함유한 공통적 가솔린 포뮬레이션은 촉매 전환기의 기능에 지장이 되었다. 연료 중의 TEL은 촉매 전환기의 금속 촉매를 피독시켰기 때문에, 결국 TEL은 연료로부터 제거되었다.In order to reach the reduced emission standards set by the government, engineers invented catalytic converters. Catalytic converters were added to the vehicle exhaust system, which began around 1976. Catalytic converters were somewhat effective in reducing emissions. However, common gasoline formulations containing TEL have hindered the function of catalytic converters. Since the TEL in the fuel poisoned the metal catalyst of the catalytic converter, the TEL was eventually removed from the fuel.

많은 사람들이 많은 차량에 촉매 전환기가 장착되었음을 알고 있겠지만, 일반적으로 이것은 달갑지 않은 기술 부분이다. 촉매 전환기의 목적은 오염물인 배기 가스를 질소(N₂, 대기의 약 78%를 점유), 물(H₂0) 및 이산화탄소(CO₂, 식물에서 의 광합성 산물)와 같은 덜 해로운 화합물로 전환 또는 변화시키는 것이다.Many people know that many vehicles are equipped with catalytic converters, but in general this is an unwelcome technology. The purpose of the catalytic converter is to convert pollutant exhaust gases into less harmful compounds such as nitrogen (N ₂ , occupying about 78% of the atmosphere), water (H ₂ 0) and carbon dioxide (CO ₂ , photosynthetic products in plants) or To change.

촉매 전환기는 바람직하지 않은 오염물을 비교적 해가 없는 N₂, H₂O 및 CO₂와 같은 분자로 전환시키는 것을 촉진하는 데 사용된다. 기본적으로, 촉매 전환기는 오염물이 비교적 해가 없는 생성물로 전환되는 표면을 제공한다. 촉매는 필요한 활성 에너지를 낮춤으로써 반응이 보다 빨리(또는 더 낮은 온도에서) 진행될 수 있게 한다. 그러나, 촉매는 반응에는 사용되지 않고, 재사용이 가능하다(촉매가 피독되지 않는 한).Catalytic converters are used to facilitate the conversion of undesirable contaminants into molecules such as relatively harmless N ₂ , H ₂ O and CO ₂ . Basically, catalytic converters provide a surface where contaminants are converted into relatively harmless products. The catalyst allows the reaction to proceed faster (or at lower temperatures) by lowering the required activation energy. However, the catalyst is not used in the reaction and can be reused (unless the catalyst is poisoned).

배기 가스 중의 전형적인 오염물로는, 질소 산화물(NO_x), 미연소 탄화수소, 일산화탄소 및 입자상 물질이 포함된다. 질소 산화물은 환원되어 질소를 형성할 수 있다. NO 또는 NO₂ 분자가 촉매와 접촉하면, 촉매는 상기 분자로부터 질소가 제거되는 것을 촉진하여 산소를 O₂ 형태로 유리시킨다. 이어서, 촉매에 부착된 질소 원자는 반응하여 N2 가스를 형성한다: 2NO → N₂ + O₂ 및 2NO₂ → N₂ + 2O₂.Typical contaminants in exhaust gases include nitrogen oxides (NO _x ), unburned hydrocarbons, carbon monoxide and particulate matter. Nitrogen oxides can be reduced to form nitrogen. When NO or NO ₂ molecules come into contact with the catalyst, the catalyst promotes the removal of nitrogen from the molecule, releasing oxygen in O ₂ form. The nitrogen atoms attached to the catalyst then react to form N2 gas: 2NO → N ₂ + O ₂ and 2NO ₂ → N ₂ + 2O ₂ .

일산화탄소, 미연소 탄화수소 및 입자상 물질은 더욱 산화되어 비오염물을 형성한다. 예를 들면, 일산화탄소는 다음과 같이 처리된다: 2CO + O₂ → 2CO₂.Carbon monoxide, unburned hydrocarbons and particulate matter are further oxidized to form non-contaminants. For example, carbon monoxide is treated as follows: 2CO + O ₂ → 2CO ₂ .

촉매 전환기의 총체적 결과는 연료를 완전 연소시켜 비오염물로 만드는 것이다.The net result of the catalytic converter is the complete combustion of the fuel into non-pollutants.

종래의 촉매 전환기는 그것이 갖는 오염물 제거의 유효성에 몇 가지 한계가 있다. 예를 들면, 촉매 전환기가 엔진에 너무 근접하게 위치하면, 과열 또는 급격 한 온도 변화로 인해 갈라질 수 있다. 그래서, 종래의 촉매 전환기의 필터는, 배기 파이프 재질이 갖는 높은 열전도성에 따른 방사 냉각으로 인해 온도가 저하되기 전에 원 위치 고온의 이점이 있는 최적 위치, 즉 엔진 배기 매니폴드에 바로 이웃하거나 내부에 설치될 수 없다. 배기 매니폴드 근방 및 내부에 존재하는 엔진의 진동 및 급속한 온도 변화는 종래의 필터 재질을 열화시키고 필터의 수명을 급격히 단축시킨다. 또한, 종래의 필터에 적용된 몇몇 촉매는 고온, 즉 500℃보다 높은 온도에서 작동 효율이 낮거나 심지어는 기능을 잃는다. 따라서, 종래의 촉매 전환기 필터는 엔진으로부터 이격한 위치에 있는 배기 경로에 설치되는 것이 보통이다.Conventional catalytic converters have some limitations on their effectiveness in removing contaminants. For example, if the catalytic converter is located too close to the engine, it may crack due to overheating or rapid temperature changes. Thus, the filter of the conventional catalytic converter is installed immediately adjacent to or inside the engine exhaust manifold in an optimum position having the advantage of in situ high temperature before the temperature is lowered due to the radial cooling due to the high thermal conductivity of the exhaust pipe material. Can't be. Engine vibrations and rapid temperature changes near and inside the exhaust manifold degrade conventional filter materials and dramatically shorten filter life. In addition, some catalysts applied to conventional filters have low operating efficiency or even loss of function at high temperatures, ie temperatures above 500 ° C. Therefore, conventional catalytic converter filters are usually installed in the exhaust path at a position away from the engine.

촉매 전환기 및 입자 필터의 구조Structure of catalytic converter and particle filter

촉매 전환기의 구성 요소와 재질을 도 4a 및 4b에 개략적으로 나타낸다. 촉매 기재는 패키징 매트(가장 흔히 세라믹 섬유로 만들어짐)를 사용하여 전환기 셸(캐니스터(canister)라고 칭하기도 함) 내에 고정된다. 촉매 전환기는 말단 콘(end cone)을 통해 차량의 배기 시스템에 연결되어 있고, 전환기 패키징 기술에 따라 셸에 용접되어 있거나 셸과 함께 일체로 형성될 수 있다. 개략도에 도시된 다른 구성 요소들 - 말단 밀봉재 및/또는 스틸 지지 링 -은 선택적이고; 이들은 보통 최신 승용차 전환기에는 존재하지 않고, 근접 결합(close-coupled) 전환기, 중량급 엔진용 대형 전환기 또는 디젤 입자 필터와 같은 보다 부하가 큰 응용에서 요구될 수 있다. 특히 가솔린 응용에서와 같은 촉매 전환기에는 또한, 인접한 차량 구성 요소가 과도한 온도에 노출되는 것으로부터 보호하기 위해 스틸 고열 차폐(steel heat shield)(개략도에는 도시되지 않음)가 장착될 수 있다.Components and materials of the catalytic converter are schematically shown in FIGS. 4A and 4B. The catalyst substrate is secured in the converter shell (also called canister) using a packaging mat (most often made of ceramic fiber). The catalytic converter is connected to the vehicle's exhaust system via an end cone and can be welded to the shell or formed integrally with the shell according to the converter packaging technique. Other components shown in the schematic diagram—end seals and / or steel support rings—are optional; They are not normally present in modern passenger car converters and may be required in higher load applications such as close-coupled converters, large converters for heavy engines or diesel particle filters. Catalytic converters, especially in gasoline applications, may also be equipped with a steel heat shield (not shown in the schematic) to protect adjacent vehicle components from exposure to excessive temperatures.

일반적으로, 촉매 전환기는 다음과 같은 적어도 5개의 주요소로 이루어진다: 1) 기재; 2) 촉매 코팅; 3) 워쉬코트; 4) 매팅(matting); 및 5) 캐니스터. 일반적인 촉매 전환기를 도 X에 나타낸다. 특정한 응용에서는, 이하에 보다 구체적으로 언급하는 바와 같이 촉매 코팅이 선택적이다.In general, the catalytic converter consists of at least five major elements: 1) substrate; 2) catalyst coating; 3) washcoat; 4) matting; And 5) canister. A general catalytic converter is shown in FIG. In certain applications, catalyst coating is optional, as described more specifically below.

기재materials

기재는 오염물이 비오염물로 변환될 수 있는 고체 표면이다. 물리적으로, 기재는 고체, 액체 또는 기체와 같은 임의의 물리적 상태인 여러 가지 분자종이 서로 반응하는 계면을 제공한다. 기재는 일반적으로 오염물이 비오염물로 변환될 수 있는 넓은 면적을 제공하도록 넓은 표면적을 갖는다. The substrate is a solid surface from which contaminants can be converted to non-contaminants. Physically, the substrate provides an interface through which various molecular species in any physical state, such as a solid, liquid, or gas, react with each other. The substrate generally has a large surface area to provide a large area where contaminants can be converted to non-contaminants.

과거 수십년에 걸쳐, 화학 반응을 위한 기재로서 작용하도록 매우 다양한 재료 및 설계가 테스트되었다. 예를 들면, 주된 물리적 구조는 벌집형 모놀리스(monolith) 및 비드(bead)를 포함한다. (도 1 참조). 벌집형 구조에는, 보통 기재의 길이 방향으로 서로 평행하게 뚫려 있는 다수의 채널이 형성되어 있다. 기재는 기재의 길리로 뚫려있는 채널을 갖는다. 채널의 폭은 기재 재료 및 사용 용도에 따라 변동된다. 이러한 채널은 배기 가스가 엔진으로부터 촉매 전환기를 통과하여 배기 파이프를 통해 유출될 수 있게 한다. 배기 가스가 기재의 채널을 통해 흐르는 동안, 오염물 분자는 화학 반응 및 물리적 변화를 거쳐 비오염물 분자로 변환된다.Over the past decades, a wide variety of materials and designs have been tested to serve as substrates for chemical reactions. For example, the main physical structures include honeycomb monoliths and beads. (See Figure 1). In the honeycomb structure, a plurality of channels are formed, which are usually drilled parallel to each other in the longitudinal direction of the substrate. The substrate has a channel open to the length of the substrate. The width of the channel varies with the substrate material and the intended use. This channel allows exhaust gas to flow out of the engine through the catalytic converter and through the exhaust pipe. While the exhaust gas flows through the channels of the substrate, the contaminant molecules are converted to non-contaminant molecules through chemical reactions and physical changes.

비드 구조에서, 기재는 소형 비드의 집합체로 만들어진다(튜브 내에 젤리 빈(jelly bean)의 다발을 넣은 것과 유사함). 배기 가스가 비드에 충돌하면 오염 물은 비오염물로 변환된다. 비드 구조는 배기 가스 분자가 노출되는 기재의 표면적을 극대화하려는 예전의 시도 중 하나였다.In the bead structure, the substrate is made of a collection of small beads (similar to putting a bunch of jelly beans in a tube). When the exhaust gas hits the beads, the contaminants are converted to non-contaminants. The bead structure was one of the previous attempts to maximize the surface area of the substrate to which the exhaust gas molecules are exposed.

다수의 상이한 재료가 기재로서 사용되었다. 이러한 재료에는, 세라믹, 섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합체(Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composite; FRCMC), 발포체, 분말 세라믹, 나노복합체(nanocomposite), 금속 및 섬유 매트형 기재가 포함된다. 가장 보편적으로 사용되는 것은 Corning사가 제조하는 코디어라이트(cordierite)으로 지칭되는 세라믹이다. 코디어라이트는 내화물 분말로 형성된 세라믹이다. FRCMC는 셀 벽에 촉매를 분포시킨 개방 셀을 구비한 발포체로서, 배기 가스사 배출되려면 반드시 발포체의 셀 경로를 통과해야 되도록 촉매 챔버 내에 분포되어 있는 발포체이다. 발포체는 가스와 태워진 공극(void)으로부터 기포화에 의해 형성되는 무수한 기공을 가진 고체이다. 분말 세라믹 기재는 소결된 세라믹 분말로 형성된다는 점에서 코디어라이트 및 그와 관련된 세라믹과는 상이하다. 나노복합체는 나노 분말 및/또는 나노 섬유를 사용하는 재료이다. 금속도 기재로서 사용될 수 있다. 일반적으로 물결 모양의 스틸과 같은 금속박으로 된 얇은 시트를 말아 벌집형 구조로 만든다. 섬유 매트형 기재는 작은 스케일로 직조되어 있는 재료이다. 특정 섬유 매트형 기재는 3M사에서 생산된 NEXTEL 섬유를 사용한다. 또한, 주름 및/또는 물결 모양으로 말아올려 벌집형 구조가 형성된 경우에, "2차원" 부직포형 섬유상 복합체의 사용이 시도되었다. 그 예로서, 미국특허 제4,894,070호, 제5,196,120호 및 제6,444,006 B1호를 참조할 수 있다.Many different materials have been used as substrates. Such materials include ceramics, Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites (FRCMC), foams, powder ceramics, nanocomposites, metals and fiber mat-type substrates. The most commonly used is a ceramic called cordierite manufactured by Corning. Cordierite is a ceramic formed from refractory powder. FRCMC is a foam having an open cell in which the catalyst is distributed on the cell wall, and the foam is distributed in the catalyst chamber so that the exhaust gas must pass through the cell path of the foam. The foam is a solid with countless pores formed by bubbling from gas and burned voids. Powdered ceramic substrates differ from cordierite and related ceramics in that they are formed from sintered ceramic powder. Nanocomposites are materials that use nanopowders and / or nanofibers. Metals can also be used as the substrate. Generally, thin sheets of metal foil, such as corrugated steel, are rolled into a honeycomb structure. Fiber mat-like substrates are materials that are woven on a small scale. Certain fiber mat-type substrates use NEXTEL fibers produced by 3M. In addition, in the case where a honeycomb structure is formed by rolling up wrinkles and / or waves, use of a "two-dimensional" nonwoven fibrous composite has been attempted. As examples, reference may be made to US Pat. Nos. 4,894,070, 5,196,120 and 6,444,006 B1.

촉매방식 코팅Catalytic Coating

현행 촉매 전환기의 제3 구성 요소는 촉매방식 코팅이다. 명칭이 의미하는 바와 같이 촉매방식 코팅은 오염물의 비오염물로의 전환을 실제로 촉매작용하는 구성 요소이다.The third component of the current catalytic converter is a catalytic coating. As the name implies, catalytic coatings are components that actually catalyze the conversion of contaminants into non-contaminants.

촉매란 보통, 화학 반응의 속도에 영향을 주지만 원 반응물 또는 최종 생성물 중 하나가 아닌 물질, 즉 반응에서 소비되거나 변화되지 않는 물질이라 정의된다. 몇 가지 알려진 촉매 반응 기구에서, 촉매는 반응물과 중간체 화합물을 형성하지만, 반응 과정에서 회수된다. 많은 다른 촉매 프로세스가 완전히 설명되거나 그 전모가 이해되어 있지 않다. 특정 목적을 위한 촉매의 선택 및 제조를 지배하는 원리도 완전히 이해되어 있지 않다. 이 분야에서 무수히 많은 물질의 시험을 포함한 연구 프로그램을 통해 많은 개발이 이루어지고 있다. 촉매는 화학 및 석유화학 처리에서, 촉매 없이는 반응이 느리거나, 효율을 높이기 위해서는 고온을 필요로 하는 반응에 널리 사용된다. 촉매는 또한 탄화수소 및 일산화탄소와 같은, 엔진 배기 가스 중의 유해 성분을 이산화탄소와 수증기와 같은 무해한 물질로 전환시키는 데 사용된다.A catalyst is usually defined as a substance that affects the rate of a chemical reaction but is not one of the original reactants or the final product, that is, the substance that is not consumed or changed in the reaction. In some known catalytic reaction mechanisms, the catalyst forms intermediates with the reactants but is recovered during the reaction. Many other catalytic processes have not been fully described or their full understanding. The principles governing the selection and preparation of catalysts for specific purposes are also not fully understood. Much development is underway in this area through research programs involving the testing of countless substances. Catalysts are widely used in chemical and petrochemical processes, where reactions are slow without catalysts or require high temperatures to increase efficiency. Catalysts are also used to convert harmful components in engine exhaust gases, such as hydrocarbons and carbon monoxide, into harmless substances such as carbon dioxide and water vapor.

촉매는 개비 가스 성분들간의 특정한 화학 반응을 촉진시킬 수 있는 물질이다. 방출 제어 촉매작용에서, 기상 반응의 촉매작용을 위해 고체 촉매가 사용된다. 촉매 효과 및 관찰된 반응 속도는, 가스 상과 고체 촉매간의 접촉을 양호하게 함으로써 최대화된다. 촉매 반응에서, 이것은 보통 비표면적이 큰 캐리어(지지체) 상에 촉매를 미세하게 분산시켜 촉매 표면적을 증대시킴으로써 실현된다. A catalyst is a substance that can promote specific chemical reactions between gaseous gas components. In controlled release catalysis, solid catalysts are used for the catalysis of gas phase reactions. The catalytic effect and the observed reaction rate are maximized by good contact between the gas phase and the solid catalyst. In catalysis, this is usually realized by increasing the catalyst surface area by finely dispersing the catalyst on a carrier (support) having a large specific surface area.

촉매방식 코팅은 기재가 형성된 후 기재에 첨가된다. 코팅은 기재의 표면 상에, 촉매를 함유한 층을 형성한다. 예컨대, 화학 반응, 요구되는 응용분야, 온도 조건, 경제적 인자 등에 따라 상이한 형태의 촉매가 필요하다. 종래에 다수의 금속 촉매가 알려져 있다. 예를 들면, 가장 보편적으로 사용되는 것은 백금, 팔라듐 및 로듐이다. 새로운 촉매의 개발을 위해 심도있는 연구가 이루어졌다. Catalytic coating is added to the substrate after the substrate is formed. The coating forms a layer containing a catalyst on the surface of the substrate. For example, different types of catalysts are needed depending on chemical reactions, required applications, temperature conditions, economic factors, and the like. Many metal catalysts are known in the art. For example, the most commonly used are platinum, palladium and rhodium. In-depth work has been done to develop new catalysts.

촉매 반응을 포함하는 화학 반응의 속도는 일반적으로 온도 상승과 함께 증가한다. 온도에 대한 전환 효율의 강한 의존성은 모든 방출 제어 촉매의 특징이다. 오염물의 촉매방식 전환율과 온도 사이의 전형적 관계는 도 4의 실선(A)으로 나타나 있다. 저온에서 거의 영(0)인 전환율은 처음에는 서서히 증가된 다음, 빨라지면서 높은 가스 온도에서 평탄부(plateau)에 도달한다. 연소 반응을 논의할 때, 이러한 거동을 특징지어 말하기 위해 착화(light-off) 온도라는 용어를 보통 사용한다. 촉매 착화 온도는 촉매 반응을 개시하는 데 필요한 최저 온도이다. 반응 속도는 점진적으로 증가되기 때문에, 상기 정의는 매우 엄밀한 것은 아니다. 보다 엄밀한 정의에 따르면, 착화 온도는 전환율이 50%에 도달할 때의 온도이다. 상기 온도를 흔히 T₅₀이라 기재한다. 여러 가지 촉매의 활성을 비교할 때, 가장 활성인 촉매는 주어진 반응에 대해 가장 낮은 착화 온도에 의해 특징지어진다.The rate of chemical reactions involving catalysis generally increases with increasing temperature. The strong dependence of conversion efficiency on temperature is characteristic of all emission control catalysts. A typical relationship between the catalytic conversion of contaminants and the temperature is shown by the solid line A in FIG. The conversion, which is almost zero at low temperatures, initially increases slowly, then accelerates and reaches a plateau at high gas temperatures. When discussing combustion reactions, the term light-off temperature is usually used to characterize this behavior. The catalyst ignition temperature is the lowest temperature required to initiate the catalytic reaction. Since the reaction rate is gradually increased, the definition is not very exact. By more precise definition, the ignition temperature is the temperature at which the conversion reaches 50%. This temperature is often described as T ₅₀ . When comparing the activities of the various catalysts, the most active catalysts are characterized by the lowest complexing temperature for a given reaction.

몇몇 촉매계에서, 도 4의 점선(B)으로 나타낸 바와 같이, 온도의 상승은 특정 지점까지만 전환 효율을 증가시킬 것이다. 온도를 더욱 올리면, 반응 속도의 증가에도 불구하고, 촉매 전환 효율의 감소가 일어난다. 효율의 감소는 통상적으로 반응물의 농도를 고갈시키는 다른 경쟁 반응 또는 열역학적 반응 평형 제약으로 설명된다. In some catalyst systems, as indicated by dashed lines B in FIG. 4, an increase in temperature will only increase conversion efficiency up to a certain point. Increasing the temperature further, in spite of the increase in the reaction rate, causes a decrease in the catalytic conversion efficiency. The reduction in efficiency is typically explained by other competing or thermodynamic equilibrium constraints that deplete the reactant concentration.

높은 전환 효율에 대응하는 온도는 흔히 촉매 온도 윈도(catalyst temperature window)라 지칭된다. 이 형태의 전환 곡선은 선택적 촉매 공정에 있어서 전형적이다. 그 좋은 예로는, 탄화수소 또는 암모니아에 의한 NO의 선택적 환원이 있다.The temperature corresponding to the high conversion efficiency is often referred to as the catalyst temperature window. This type of conversion curve is typical for selective catalytic processes. A good example is the selective reduction of NO with hydrocarbons or ammonia.

전환 효율에 영향을 주는 또 다른 중요한 변수는 반응기의 크기이다. 촉매 반응기를 통과하는 가스 유량은, 반응기의 크기에 대하여 공간 속도(space velocity; SV)로 통상 표현된다. 공간 속도는, 표준 조건에서 측정했을 때, 하기와 같이 반응기의 단위 체적당 단위 시간당 가스의 체적으로 정의되고: (3)SV = V/Vr(여기서 V는 STP에서의 가스의 체적 유량이고(단위; ㎥/h), Vr은 반응기 체적(단위; ㎥)임), SV는 시간의 역수 차원을 가지며 통상 1/h 또는 h^-1로 표현된다.Another important variable affecting conversion efficiency is the size of the reactor. The gas flow rate through the catalytic reactor is usually expressed as space velocity (SV) relative to the size of the reactor. The space velocity, as measured at standard conditions, is defined as the volume of gas per unit time per unit volume of the reactor as follows: (3) SV = V / Vr, where V is the volumetric flow rate of gas in STP (unit M 3 / h), Vr is the reactor volume (unit: m 3), SV has the inverse dimension of time and is usually expressed as 1 / h or h ⁻¹ .

여러 가지 촉매 방출 제어 적용에서, 공간 속도는 10,000 1/h 내지 300,000 1/h 범위이다. 일체식 반응기(monolithic reactor)에 대한 공간 속도는 외부 치수, 예를 들면 원통형 세라믹 촉매 기재의 직경과 길이를 기준으로 계산된다. 이 방법은 기재의 형태적 표면적, 셀 밀도, 벽 두께 또는 촉매 부하(loading) 등을 고려하지 않기 때문에, 이것은 촉매 비교에 항상 적절한 것은 아니다. 그럼에도 불구하고, 이것은 통상적으로 사용되고 널리 수용되는 산업 표준이다.In various catalyst emission control applications, the space velocity ranges from 10,000 1 / h to 300,000 1 / h. The space velocity for the monolithic reactor is calculated based on the external dimensions, for example the diameter and length of the cylindrical ceramic catalyst substrate. Since this method does not take into account the morphological surface area, cell density, wall thickness or catalyst loading of the substrate, this is not always suitable for catalyst comparison. Nevertheless, this is a commonly used and widely accepted industry standard.

1990년대 이후의 오프-로드 엔진에 사용되는 필터 내의 전형적 백금 부하는 35～50 g/ft³이었다. 비교적 오염도가 높은 엔진에 설치된 이들 필터는 재생을 위 해서 최소 약 400℃의 온도가 필요했다. 후일에, 보다 청정한 도시 버스 및 기타 하이웨이 차량 엔진에 촉매 활용 필터가 적용되었을 때, 훨씬 낮은 온도에서 재생 가능하다는 것을 알았다. 그러나, 저온 재생을 지지하기 위해서는 더 높은 백금 부하가 필요했다. 청정 엔진, 저온 적용에 사용되는 필터가 갖는 전형적인 백금 부하는 50～75 g/ft³이다.Typical platinum loads in filters used in off-road engines since the 1990s were 35-50 g / ft ³ . These filters, installed in relatively contaminated engines, needed a temperature of at least about 400 ° C for regeneration. Later, it was found that when catalyst utilization filters were applied to cleaner city buses and other highway vehicle engines, they were reproducible at much lower temperatures. However, higher platinum loads were needed to support low temperature regeneration. Typical platinum loads for filters used in clean engines and low temperature applications range from 50 to 75 g / ft ³ .

워쉬Wash 코트(wash coat) Wash coat

대부분의 경우에, 촉매방식 코팅은 제4 구성 요소로서 워쉬 코트를 포함한다. 워쉬 코트는 기재의 표면에 적용됨으로써 기재의 표면적을 증가시킨다. 워쉬 코트는 또한 촉매가 부착되는 표면을 제공한다. 금속 촉매가 이러한 무기질 캐리어의 다공질인 표면적이 큰 층에 함침될 수 있다(즉, "촉매 지지체"라는 용어인 워쉬코트(washcoat)가 세라믹/금속 기재뿐 아니라 캐리어/워쉬코트 재료를 나타내는 데 사용될 수 있다).In most cases, the catalytic coating includes a wash coat as the fourth component. The wash coat increases the surface area of the substrate by being applied to the surface of the substrate. The wash coat also provides a surface to which the catalyst is attached. Metal catalysts may be impregnated into the porous surface area of such inorganic carriers (i.e., washcoat, the term "catalyst support", may be used to represent carrier / washcoat materials as well as ceramic / metal substrates. have).

다수의 기재가 워쉬코트로서 사용될 수 있다. 촉매 캐리어용으로 널리 사용되는 기재로는, 활성화 산화알루미늄 및 산화규소(실리카)가 포함된다.Many substrates can be used as washcoats. Widely used substrates for catalyst carriers include activated aluminum oxide and silicon oxide (silica).

워쉬코트는 지지체의 표면에 결합된 다공질의 표면적이 큰 층이다. 워쉬코트의 정확한 역할은, 매우 복잡한 것이 틀림없으며, 명확히 이해되거나 설명되지 않는다. 워쉬코트의 주된 기능은 매우 큰 표면적을 제공하는 것이며, 이겅는 촉매 금속의 분산에 필요한 기능이다. 부가적으로, 워쉬코트는 복합 촉매 시스템의 성분들을 물리적으로 분리하여 성분들간의 불필요한 반응을 방지할 수 있다.The washcoat is a layer of porous surface area bound to the surface of the support. The exact role of the washcoat must be very complex and is not clearly understood or explained. The main function of the washcoat is to provide a very large surface area, which is necessary for the dispersion of catalytic metals. In addition, the washcoat can physically separate the components of the complex catalyst system to prevent unnecessary reactions between the components.

워쉬코트 재료는 Al₂O₃(산화알루미늄 또는 알루미나), SiO₂, TiO₂, CeO₂, ZrO₂, V₂O₅, La₂O₃ 및 제올라이트와 같은 무기계 금속 산화물을 포함한다. 이들 중 일부는 촉매 캐리어로서 사용된다. 그 밖의 것은 촉진제 또는 안정화제로서 워쉬코트에 첨가된다. 또 다른 것들은 그 자체의 촉매 활성을 나타낸다. 양호한 워쉬코트 재료는 높은 비표면적 및 열 안정성을 특징으로 한다. 비표면적은 BET(Brunauer, Emmet, Teller)법으로 알려진 수학적 모델링과 함께 질소 흡착 측정 기법에 의해 결정된다. 열 안정성은 주어진 물질로 된 샘플을 제어된 분위기, 보통은 산소 및 수증기의 존재 하에서, 높은 온도에 노출시켜 평가한다. 테스트중 상이한 시간 간격으로 측정할 때 BET 표면적이 떨어지는 것은 테스트한 재료의 열적 열화 정도를 나타낸다.The washcoat material includes inorganic metal oxides such as Al ₂ O ₃ (aluminum oxide or alumina), SiO ₂ , TiO ₂ , CeO ₂ , ZrO ₂ , V ₂ O ₅ , La ₂ O ₃ and zeolites. Some of these are used as catalyst carriers. Others are added to the washcoat as accelerators or stabilizers. Others exhibit their own catalytic activity. Good washcoat materials are characterized by high specific surface area and thermal stability. The specific surface area is determined by nitrogen adsorption measurement techniques along with mathematical modeling known as Bruneter, Emmet, Teller (BET). Thermal stability is assessed by exposing a sample of a given material to elevated temperatures in a controlled atmosphere, usually in the presence of oxygen and water vapor. Lower BET surface area when measured at different time intervals during the test indicates the degree of thermal degradation of the tested material.

워쉬코트는 수계 슬러리(water based slurry)로부터 촉매 지지체에 적용될 수 있다. 다음으로, 습윤 워쉬코트된 부분을 건조하고 고온에서 소성한다. 촉매 워쉬코트의 품질은 완성된 촉매의 성능 및 내구성에 크게 영향을 줄 수 있다. 계속해서 귀금속을 함침, 즉 촉매 용액으로 워쉬코트 다공도를 "담금질(soaking)"함으로써 워쉬코트된 부분에 적용하기 때문에, 워쉬코트 부하는 완성 제품에서의 귀금속 촉매 부하를 결정한다. 따라서, 워쉬코트 프로세스가 매우 재현성있고 균일한 워쉬코트층을 생성하는 것이 매우 중요하다. 워쉬코트 처리 공정 및 그 파라미터에 대한 상세한 사항은 모든 촉매 제조자에 의해 상업적 비밀로 보호된다.The washcoat can be applied to the catalyst support from a water based slurry. Next, the wet washcoat portion is dried and calcined at high temperature. The quality of the catalyst washcoat can greatly affect the performance and durability of the finished catalyst. The washcoat load determines the precious metal catalyst load in the finished product, since it is subsequently applied to the washcoat by impregnating the precious metal, ie, "soaking" the washcoat porosity with the catalyst solution. Therefore, it is very important that the washcoat process produces a very reproducible and uniform washcoat layer. Details of the washcoat treatment process and its parameters are protected by trade secrets by all catalyst manufacturers.

캐니스터Canister

기재는 캐니스터, 예를 들면 스틸 셸 내에 포장되어 촉매 전환기를 형성한다. 캐니스터는 여러 가지 기능을 실행한다. 캐니스터는 촉매화 기재를 유지하고, 외부 환경으로부터 기재를 보호한다. 부가적으로, 캐니스터는 촉매화 기재를 통해 및/또는 기재 위로 배기 가스를 강제 유동시킨다.The substrate is packaged in a canister, for example a steel shell, to form a catalytic converter. Canisters perform several functions. The canister holds the catalyzed substrate and protects the substrate from the external environment. In addition, the canister forces forced exhaust gas through and / or over the catalyzed substrate.

촉매화 기재는 또한 머플러 내부에 포장될 수도 있고, 이를 "촉매 머플러" 또는 "촉매방식 머플러"라 지칭한다. 이 경우, 하나의 스틸 캐니스터는 촉매와 소음 감쇄 요소, 예컨대 배플 및 구멍 뚫린 튜브를 고정한다. 촉매 머플러는 촉매 전환기와 머플러의 조합에 비해 보다 공간 절약형인 설계를 제공할 수 있다.The catalyzed substrate may also be packaged inside a muffler, referred to as "catalytic muffler" or "catalytic muffler". In this case, one steel canister holds the catalyst and noise damping elements such as baffles and perforated tubes. Catalytic mufflers can provide a more space-saving design than the combination of a catalytic converter and a muffler.

촉매화 기재는 보통, 도 28에 도시된 바와 같이, 클램셸(clamshell), 압박대(tourniquet), 슈박스(shoebox), 스터핑(stuffing) 및 스웨이징(swaging)을 포함하는 여러 가지 방법 중 하나에 따라 만들어진 형상을 갖는 캐니스터 내부에 설치된다.Catalytic substrates are usually one of several methods, including clamshells, tourniquets, shoeboxes, stuffing and swaging, as shown in FIG. It is installed inside the canister having a shape made according to.

매팅Matting (matting)(matting)

캐니스터에 더하여, 캐니스터 내에 촉매 기재를 패키징하는 데에 매팅 재료가 종종 사용된다. 패키징 매트는 일반적으로 세라믹 섬유로 만들어지는데, 기재를 보호하고 셸로부터 압력을 고르게 분배하는 데 사용될 수 있다. 매트는 종종 고온에서 팽창하는 버미큘라이트(vermiculite)를 포함하므로, 셸의 열팽창에 대해 보상하고 모든 가동 조건 하에서 적절한 유지력을 제공한다.In addition to canisters, mating materials are often used to package catalyst substrates in canisters. Packaging mats are generally made of ceramic fibers, which can be used to protect the substrate and evenly distribute pressure from the shell. The mat often contains vermiculite that expands at high temperatures, thus compensating for the thermal expansion of the shell and providing adequate retention under all operating conditions.

예를 들면, 세라믹 모노리스는, 스틸 하우징에 견고하게 고정시킴으로써 압력을 균일하게 분배하고 균열을 방지하는 특수한 패키징 재료 내에 포장된다. 세 라믹 섬유 매트는 가솔린 및 디젤 응용 모두에 있어서 촉매 전환기를 패키징하는 데에 가장 보편적으로 사용된다. 이들 패키징 매트는 다음과 같이 분류될 수 있다: 팽창형(intumescent)(열팽창형) 매트; 종래의(고도의 버미큘라이트) 매트; 환원된 버미큘라이트; 비팽창형 매트; 또는 혼성 매트.For example, ceramic monoliths are packaged in special packaging materials that firmly secure in steel housings to distribute pressure evenly and prevent cracking. Ceramic fiber mats are most commonly used to package catalytic converters in both gasoline and diesel applications. These packaging mats can be classified as follows: intumescent (thermally expandable) mats; Conventional (highly vermiculite) mats; Reduced vermiculite; Non-expandable mats; Or hybrid mat.

단열(heat insulation)Heat insulation

많은 응용에서, 촉매 전환기는 주위의 차량 구성 요소(예컨대, 플라스틱 부품, 유체 호스)에 대한 손상을 피하기 위해, 또는 엔진에 근접하게 장착된 전환기의 경우, 엔진 컴파트먼트 온도의 증가를 방지하기 위해 반드시 단열되어야 한다. 전환기 열적 관리의 방법 중 하나는 전환기 본체 주위에 위치시킨 스틸 열 차폐물을 활용하는 것이다. 또 다른 방법은 (1) 마운팅 매트의 두께 증가, 또는 (2) 전용의 낮은 열 전도도 단열재의 추가 제공에 의해 셸 내부에 단열층을 제공하는 것이다. 열 차폐물은 전통적으로 언더플로어 위치에 사용되었지만, 매트 두께를 증가시키는 것이 엔진 컴파트먼트 내에 설치된 전환기에 대한 최선의 해결책이라고 제안되었다(Said Zidat and Michael Pramentier, "Heat Insulation Methods for Manifold Mounted Converters," Delphi Automotive Systems, Technical Centre Luxembourg, SAE Technical Paper Series 2000-01-0215). 열 차폐물 대신에 두꺼운 매트를 사용하는 이점 중 하나는 평균 매트 온도가 낮다는 점이며, 이것은 근접 결합(close-coupled) 가솔린 엔진 응용에서 버미큘라이트 매트가 파손되는 위험을 최소화한다.In many applications, catalytic converters are used to avoid damage to surrounding vehicle components (eg, plastic parts, fluid hoses), or, in the case of converters mounted in close proximity to the engine, to prevent an increase in engine compartment temperature. It must be insulated. One method of diverter thermal management is to utilize steel heat shields located around the diverter body. Another method is to provide a thermal insulation layer inside the shell by (1) increasing the thickness of the mounting mat, or (2) further providing a dedicated low thermal conductivity insulation. Heat shields have traditionally been used in underfloor positions, but increasing mat thickness has been suggested as the best solution for the converters installed in the engine compartment (Said Zidat and Michael Pramentier, "Heat Insulation Methods for Manifold Mounted Converters,"). Delphi Automotive Systems, Technical Center Luxembourg, SAE Technical Paper Series 2000-01-0215). One advantage of using thick mats instead of heat shields is that the average mat temperature is low, which minimizes the risk of breaking vermiculite mats in close-coupled gasoline engine applications.

입자 트랩Particle traps

배기 가스로부터 오염물을 제거하는 또 다른 장치는 입자 트랩이다. 디젤 엔진에 사용되는 보편적인 입자 트랩 디젤 입자 트랩(DPT)이다. 입자 트랩의 주목적은 배기 가스 흐름과 같은 유체 흐름으로부터 다양한 크기의 입자상 물질을 여과하여 포착하는 것이다. 입자 필터의 요율성은 일반적으로 여러 가지 크기의 PM, 예컨대 PM-2.5 및 PM-10을 여과하는 능력으로 측정된다.Another device for removing contaminants from exhaust gases is particle traps. A common particle trap used in diesel engines is the diesel particle trap (DPT). The primary purpose of particle traps is to filter and capture particulate matter of various sizes from a fluid stream, such as an exhaust gas stream. The rate of particle filter is generally measured by its ability to filter PMs of various sizes, such as PM-2.5 and PM-10.

디젤 트랩은 디젤 엔진의 배기 가스로부터 탄소 검댕을 제거하는 데 비교적 효과적이다. 가장 널리 사용되는 디젤 트랩은 필터 본체의 다공질 벽에 검댕을 포착함으로써 디젤 배기 가스를 여과하는 벽-유동 필터(wall-flow filter)이다. 벽-유동 필터는 배기 가스 흐름을 별로 가로막지 않고 거의 완벽하게 검댕을 여과하도록 설계되어 있다.Diesel traps are relatively effective at removing carbon soot from the exhaust of diesel engines. The most widely used diesel trap is a wall-flow filter that filters diesel exhaust by trapping soot in the porous walls of the filter body. Wall-flow filters are designed to filter soot almost completely with little obstruction of exhaust gas flow.

필터의 유입 채널의 표면 상에 검댕의 층이 포집됨에 따라, 검댕층의 투과성이 낮아지므로 필터에 걸쳐 압력 강하가 일어나고, 엔진에 대한 필터의 역압력(back pressure)이 점차 상승됨으로써, 엔진의 작동을 어렵게 하고, 그에 따라 엔진 가동 효율에 영향을 준다. 결국, 상기 압력 강하는 허용할 수 없게 되어 필터의 재생이 필요하게 된다. 종래의 시스템에서, 재생 공정은 탄소 검댕의 연소를 개시하기 위해 필터를 가열하는 공정을 포함한다. 경우에 따라서는, 엔진 관리의 제어된 조건 하에서 재생이 수행됨으로써, 느린 연소가 개시되고 수 분간 지속되며, 이동안 필터의 온도는 약 400～600℃로부터 최대 약 800～1,000℃까지 상승된다.As the layer of soot is trapped on the surface of the inlet channel of the filter, the permeability of the soot layer decreases, causing a pressure drop across the filter and gradually increasing the back pressure of the filter relative to the engine, thereby operating the engine. Making it difficult, and thus affecting the engine running efficiency. As a result, the pressure drop becomes unacceptable and requires regeneration of the filter. In conventional systems, the regeneration process involves heating the filter to initiate combustion of carbon soot. In some cases, regeneration is performed under controlled conditions of engine management, where slow combustion is initiated and lasts for several minutes, during which the temperature of the filter rises from about 400 to 600 ° C. up to about 800 to 1,000 ° C.

특정한 응용에서, 재생 시 가장 높은 온도는, 배기 가스 흐름이 연소열을 필 터 하류로 운반하기 때문에 필터의 입구 면으로부터 출구 면으로 진행되는 검댕 연소의 웨이브(wave)의 누적 효과로 인해 필터의 출구단(exit end) 근처에서 일어나는 경향이 있다. 특정한 상황에서는, 연소의 시작이 높은 산소 함량 및 배기 가스의 낮은 유속(엔진 아이들 상태와 같은)과 일치하거나 그 직후에 일어날 때, 이른바 "제어되지 않은 재생"이 일어날 수 있다. 제어되지 않은 재생 둥안, 검댕의 연소는 필터 내부에서 온도 급상승을 일으킬 수 있고, 이것은 필터에 열 충격 또는 크랙, 또는 심지어 용융을 일으킬 수 있다. 관찰된 가장 보편적인 온도 구배는, 필터 중심의 온도가 기재의 나머지 부분보다 높은 방사상 온도 구배(radial temperature gradient)와, 필터의 출구단의 온도가 기재의 나머지 부분보다 높은 축방향 온도 구배(axial temperature gradient)이다.In certain applications, the highest temperature upon regeneration is due to the cumulative effect of a wave of soot combustion from the inlet side to the outlet side of the filter because the exhaust gas stream carries the heat of combustion downstream of the filter. tends to occur near the exit end. In certain situations, so-called "uncontrolled regeneration" may occur when the onset of combustion coincides with or immediately after the high oxygen content and low flow rate of the exhaust gas (such as engine idle state). During uncontrolled regeneration, burning of soot can cause a temperature rise inside the filter, which can cause thermal shock or cracks, or even melting of the filter. The most common temperature gradients observed are radial temperature gradients where the temperature at the center of the filter is higher than the rest of the substrate and axial temperature where the temperature at the outlet of the filter is higher than the rest of the substrate. gradient).

탄소 검댕의 포착 이외에도, 필터는 배기 가스에 의해 운반되는 금속 산화물 "회분(ash)" 입자도 포착한다. 보통, 이러한 회분 적층물(deposit)은 특정 조건 하에서 배기 가스를 동반하는 미연소 윤활유로부터 유래된다. 이들 입자는 불연성이므로, 재생 시에 제거되지 않는다. 그러나, 제어되니 않은 재생중의 온도가 충분히 높으면, 회분은 궁극적으로 필터에 소결되거나 심지어는 필터와 반응하여 부분적 용융을 초래한다.In addition to trapping carbon soot, the filter also traps metal oxide "ash" particles carried by the exhaust gas. Usually, such ash deposits are derived from unburned lubricating oil with exhaust gases under certain conditions. Since these particles are nonflammable, they are not removed upon regeneration. However, if the temperature during uncontrolled regeneration is high enough, the ash ultimately sinters into the filter or even reacts with the filter resulting in partial melting.

용융 및 열 충격 손상에 대한 내구성을 향상시킴으로써 필터가 그 수명 기간에 걸쳐 다수의 제어된 재생에 존속될 뿐 아니라 빈도가 훨씬 적지만 보다 가혹한 비제어 재생에도 존속할 수 있는 필터를 얻는 것은 종래 기술의 진보라고 생각된다.By improving the durability against melting and thermal shock damage, obtaining a filter that not only survives a number of controlled regenerations over its lifetime, but can also survive a much less frequent but more severe uncontrolled regeneration is known in the art. I think it's progress.

연속적 재생 트랩Continuous regeneration trap

촉매 전환을 위한 종래 방법 중 하나는 디젤 입자 트랩("DPT")이다. DPT는 배기 가스 중의 입자상 물질을 포집하는 필터이다. 포집된 입자상 물질은 필터가 막히기 전에 소각되어야 한다. 입자상 물질의 소각을 "재생"이라 지칭한다. DPT의 재생에는 여러 가지 종래의 방법이 있다. 첫째, 고가인 금속 촉매 또는 베이스-금속 촉매를 필터의 표면에 적용함으로써 입자상 물질의 산화에 필요한 온도를 낮출 수 있다. 둘째, 입자상 물질의 소각을 보조하는 NO₂를 생성하는 산화성 촉매를 수용한 챔버보다 앞쪽에 필터를 설치할 수 있다. 셋째, 시스템은 연료 동반 촉매를 활용할 수 있다. 마지막으로, 무촉매의 경우 검댕을 550℃에서 연소시키고, 고가의 금속 촉매 사용 시에는 검댕을 약 260℃에서 연소시키는 외부 열원을 이용할 수 있다. 재생에 의해 탄소 연소에 따라 회분 잔사가 남으므로, 필터의 세정을 위해 일정한 유지관리가 요구된다.One conventional method for catalytic conversion is a diesel particle trap ("DPT"). DPT is a filter which collects particulate matter in exhaust gas. The collected particulate matter must be incinerated before the filter is clogged. Incineration of particulate matter is referred to as "regeneration". There are various conventional methods of regeneration of DPT. First, by applying an expensive metal catalyst or base-metal catalyst to the surface of the filter, it is possible to lower the temperature required for oxidation of particulate matter. Second, a filter may be installed in front of the chamber containing the oxidative catalyst that produces NO ₂ to assist incineration of particulate matter. Third, the system can utilize fuel companion catalyst. Finally, in the case of the non-catalyst, an external heat source for burning soot at 550 ° C. and using an expensive metal catalyst may burn soot at about 260 ° C. As ash residues remain with carbon combustion by regeneration, constant maintenance is required for cleaning of the filter.

또 다른 종래의 방법은 대젤 산화성 촉매(diesel oxidation catalysts; "DOCs")를 이용한다. DOC는 CO 및 탄화수소를 산화시키는 촉매 전환기이다. 탄화수소 활성은 입자상 물질의 다핵 방향족 탄화수소(polynuclear aromatic hydrocarbons; "PAHs") 및 가용성 유기 분획(soluble organic fraction; "SOF")으로 연장된다. 촉매 포뮬레이션은, 이산화황 또는 일산화질소의 산화를 최소화하면서 SOF를 선택적으로 산화시키도록 개발되었다. 그러나, DOC는 황산을 생성할 수 있으며, NO₂의 방출을 증가시킬 수 있다.Another conventional method utilizes diesel oxidation catalysts ("DOCs"). DOC is a catalytic converter that oxidizes CO and hydrocarbons. Hydrocarbon activity extends into polynuclear aromatic hydrocarbons ("PAHs") and soluble organic fractions ("SOF") of particulate matter. Catalytic formulations have been developed to selectively oxidize SOF with minimal oxidation of sulfur dioxide or nitrogen monoxide. However, DOC can produce sulfuric acid and increase the release of NO ₂ .

촉매화 디젤 입자 필터(CDPF)에서 촉매의 기능은, 엔진/차량의 정규 가동중에 얻어지는 배기 온도, 전형적으로는 300～400℃ 범위의 온도에서 디젤 입자상 물질(DPM)의 산화에 의해 필터의 재생을 촉진하도록 검댕 연소 온도를 낮추는 것이다. 촉매가 없는 상태에서, DPM은 500℃보다 높은 온도에서 상당한 속도로 산화될 수 있는데, 그러한 경우는 실제 가동중에는 디젤 엔진에서 거의 볼 수 없다. 이러한 촉매 응용에 사용되는 기재로 보고된 것으로는 코디어라이트 및 실리콘 카바이드 벽-유동 모노리스, 와이어 메쉬, 세라믹 발포체, 세라믹 섬유 매체 등이 포함된다. 가장 보편적인 형태의 CDPF는 촉매화 세라믹 벽-유동 모노리스이다.The function of the catalyst in the Catalytic Diesel Particle Filter (CDPF) is to regenerate the filter by oxidation of diesel particulate matter (DPM) at an exhaust temperature obtained during normal operation of the engine / vehicle, typically in the range of 300 to 400 ° C. It is to lower the soot combustion temperature to promote. In the absence of a catalyst, the DPM can be oxidized at a significant rate at temperatures above 500 ° C., which is rarely seen in diesel engines during actual operation. Reported substrates for use in such catalyst applications include cordierite and silicon carbide wall-flow monoliths, wire mesh, ceramic foams, ceramic fiber media, and the like. The most common form of CDPF is a catalyzed ceramic wall-flow monolith.

촉매화 세라믹 트랩은 1980년대 초에 개발되었다. 그의 첫번째 응용은 디젤 동력 승용차 및 그 뒤의 지하 탄광 기계를 포함한다. 촉매화 필터는 1985년에 캘리포니아주에서 판매된 Mercedes 승용차용으로 상업적으로 도입되었다. 터보차지 엔진이 장착된 Mecerdes model 300SD 및 300D에는 엔진과 터보과급기 사이에 삽입된 5.66" 직경×6" 필터가 장착되었다.Catalytic ceramic traps were developed in the early 1980s. His first applications include diesel powered cars and the underground coal mine machinery behind them. Catalytic filters were commercially introduced in 1985 for Mercedes passenger cars sold in California. Mecerdes model 300SD and 300D with turbocharged engines were fitted with a 5.66 "diameter x 6" filter inserted between the engine and the turbocharger.

승용차에 탑재된 디젤 트랩의 용도는, 내구성의 부족, 증가되는 압력 강하 및 필터 막힘과 같은 문제로 인해 그후 포기되었다. 오늘날, 이러한 문제가 전부 해결된 것은 아니지만, 촉매화 세라믹 트랩은 가장 중요한 디젤 필터 기술 중 하나로 남아있다. CDPF는 도시 버스 및 지방의 디젤 트럭과 같은 다수의 중량급 응용에 점증적으로 사용되고 있다. 수년 동안, 제한된 양의 촉매화 필터가 지하 탄광(북아메리카 및 오스트레일리아) 및 특정한 정지형 엔진 응용에도 사용되었다.The use of diesel traps mounted on passenger cars has since been abandoned due to problems such as lack of durability, increased pressure drop and filter clogging. Today, not all of these problems are solved, but catalyzed ceramic traps remain one of the most important diesel filter technologies. CDPF is being used increasingly in many heavyweight applications such as city buses and rural diesel trucks. Over the years, limited amounts of catalyzed filters have also been used in underground coal mines (North America and Australia) and certain stationary engine applications.

촉매화 세라믹 필터는 상업적으로 여러 가지 하이웨이, 오프-로드 및 정지형 엔진 응용에서 OEM 및 애프터마켓(리트로핏) 제품으로서 활용될 수 있다. 공급처의 목록으로는, Engelhard, OMG dmc2를 비롯하여, 주로 오프-로드 시장에서 특화하는 여러개의 작은 방출 제어 제조자가 포함된다.Catalytic ceramic filters are commercially available as OEM and aftermarket (retrofit) products in a variety of highway, off-road and stationary engine applications. The list of sources includes Engelhard, OMG dmc2, and several smaller emission control manufacturers, mainly specialized in the off-road market.

종래의 필터의 주된 구성 요소는 세라믹(전형적으로는, 코디어라이트 또는 SiC) 벽-유동 모노리스이다. 모노리스의 다공질 벽은 활성 촉매로 코팅된다. 디젤 배기 에어로졸이 벽을 통해 침투하면, 검댕 입자가 벽의 기공 네트웍 내부 및 입구 채널 표면에 퇴적한다. 촉매는 배기 가스에 존재하는 산소에 의해 DPM 산화를 촉진한다.The main component of a conventional filter is a ceramic (typically cordierite or SiC) wall-flow monolith. The porous wall of the monolith is coated with an active catalyst. As the diesel exhaust aerosol penetrates through the wall, soot particles deposit inside the wall's pore network and on the inlet channel surface. The catalyst promotes DPM oxidation by the oxygen present in the exhaust gas.

압력 강하 Pressure drop

종래의 촉매 전환기를 통한 배기 가스의 유동은 실질적 양의 역압력을 생성한다. 촉매 전환기 내의 역압력 증가는 성공적인 촉매 전환기에 중요한 기여를 한다. 촉매 전환기가 부분적 또는 전반적으로 막히면, 배기 시스템에 제한을 야기한다. 계속된 역압력의 증가는 엔진 성능(예컨대, 마력 및 토크) 및 연료 경제성에 급격한 저하를 야기하고, 심지어 막힘이 심각할 경우에는 시작된 후 멈추어질 수 있다. 오염물 방출을 감소시키고자 하는 종래의 시도는 재료의 비용 및 적절한 필터를 구비한 원래의 엔진을 개장 또는 제조하는 비용으로 인해 매우 고비용을 수반한다.The flow of exhaust gas through conventional catalytic converters produces a substantial amount of back pressure. Increasing back pressure in the catalytic converter makes an important contribution to a successful catalytic converter. If the catalytic converter is partially or wholly blocked, it creates a limitation to the exhaust system. Continued increase in back pressure causes a sharp drop in engine performance (eg horsepower and torque) and fuel economy, and can even be stopped after starting if the blockage is severe. Prior attempts to reduce pollutant emissions entail very high costs due to the cost of the material and the cost of retrofitting or manufacturing the original engine with appropriate filters.

벽-유동 필터의 높은 여과 효율은 필터 검댕 부하를 증가시키는 비교적 높은 압력 강하의 반대급부로 얻어진다. 초기에, 필터는 깨끗하다. 입자가 모노리스 벽의 기공 내부에(심층 여과(depth filtration)) 퇴적하기 시작하면, 압력 강하가 시작되어 시간이 지나면서 비선형 방식으로 증가된다. 이 페이스를 초기 부하 페이스라 하며, 이 기간 중에 기공은, 기공 네트웍 내부에 증가되는 검댕 퇴적으로 인해 계속해서 변하는 투과성 및 필터 다공도에 기여한다. 기공의 여과 능력이 포화된 후, 검댕은 입구 모노리스 채널 내부의 층으로서 적층되기 시작한다(케이크 여과 페이스). 이 기간 중에는 시간 경과와 함께 선형 압력 강하가 관찰된다. 변하는 성질 중 하나는 검댕층의 두께이다. 일부 논문 발표자들은 또한 입자가 채널 표면에 퇴적하기 시작할 때부터 검댕층이 완전히 형성될 때까지, 중간의 짧은 전이 페이스를 구별하기도 한다(Tan, J.C., et al., 1996, "A Study on the Regeneration Process in Diesel Particulate Traps Using a Copper Fuel Additive", SAE 960136; Versaevel, P., et al., 2000, "Some Empirical Observations on Diesel Particulate Filter Modeling and Comparison Between Simulations and Experiments", SAE 2000-01-0477).The high filtration efficiency of the wall-flow filter is obtained with the inverse of the relatively high pressure drop which increases the filter soot load. Initially, the filter is clean. As the particles begin to deposit inside the pores of the monolith wall (depth filtration), the pressure drop begins and increases in a nonlinear fashion over time. This phase is called the initial load phase, during which time the pores contribute to the continuously varying permeability and filter porosity due to the increased soot deposition inside the pore network. After the filtration capacity of the pores is saturated, soot begins to deposit as a layer inside the inlet monolith channel (cake filtration face). During this time, a linear pressure drop is observed over time. One of the changing properties is the thickness of the soot layer. Some presenters also distinguish between intermediate short transition faces from when particles begin to deposit on the channel surface until the soot layer is fully formed (Tan, JC, et al., 1996, "A Study on the Regeneration". Process in Diesel Particulate Traps Using a Copper Fuel Additive ", SAE 960136; Versaevel, P., et al., 2000," Some Empirical Observations on Diesel Particulate Filter Modeling and Comparison Between Simulations and Experiments ", SAE 2000-01-0477) .

청정 필터 기재에서의 압력 강하 모델링이 이루어졌다. 개발된 비교적 간단한 모델은 실험 결과와 탁월한 일치를 나타낸다(Masoudi, M., et al., 2000, "Predicting Pressure Drop of Wall-Flow Diesel Particulate Filters-Theoryand Experiment", SAE 2000-10-0184; Masoudi, M., et al., 2001, "Validation of a Model and Development of a Simulator for Predicting the Pressure Drop of Diesel Particulate Filters, "SAE 2001-01-0911). 그러나, 실제 적용에서 대부분의 필터 압력 강하는 검댕 퇴적에 의해 발생된다. 실제 적용에서, 깨끗한 벽-유동 필터의 압력 강하는 1～2 kPa인 반면, 부하된 필터 압력 강하가 10 kPa인 것은 특 정 상황에서는 저급 내지 중급으로 간주될 수 있다.Pressure drop modeling on the clean filter substrate was made. The relatively simple model developed shows excellent agreement with experimental results (Masoudi, M., et al., 2000, "Predicting Pressure Drop of Wall-Flow Diesel Particulate Filters-Theoryand Experiment", SAE 2000-10-0184; Masoudi, M., et al., 2001, "Validation of a Model and Development of a Simulator for Predicting the Pressure Drop of Diesel Particulate Filters," SAE 2001-01-0911). However, in practical applications most filter pressure drops are caused by soot deposition. In practical applications, the pressure drop of a clean wall-flow filter is between 1 and 2 kPa, whereas a loaded filter pressure drop of 10 kPa can be considered low to intermediate in certain circumstances.

입자 부하 필터의 전체 압력 강하는 다음 네 가지 요소로 나누어질 수 있다: 필터의 입구 및 출구에서의 갑작스런 수축 및 팽창으로 인한 압력 강하; 채널 벽 마찰로 인한 압력 강하; 입자층의 투과성으로 인한 압력 강하; 및 벽 투과성으로 인한 압력 강하. The overall pressure drop of the particle load filter can be divided into four factors: pressure drop due to sudden contraction and expansion at the inlet and outlet of the filter; Pressure drop due to channel wall friction; Pressure drop due to permeability of the particle layer; And pressure drop due to wall permeability.

필터의 입구 및 출구에서의 갑작스런 수축 및 팽창으로 인한 압력 강하는, 검댕층으로 인해 유효 채널 크기(수력학적 직경(hydraulic diameter))가 작아서 가스 수축이 더 초래되는 것 이외에는 청정 필터에서의 동일한 요소와 유사하다.The pressure drop due to sudden shrinkage and expansion at the inlet and outlet of the filter is the same as in the clean filter except that the soot layer has a small effective channel size (hydraulic diameter), which results in more gas shrinkage. similar.

채널 벽 마찰로 인한 압력 강하도 채널 수력학적 직경의 감소로 인해, 청정 필터 시나리오와 상대적으로 증가된다. 두꺼운 검댕층에 있어서, △P_channel은 전체 압력 강하에 매우 중요한 기여 인자가 될 수 있다.The pressure drop due to channel wall friction is also increased relative to the clean filter scenario due to the reduction in the channel hydraulic diameter. For thick soot layers, the ΔP _channel can be a very important contributing factor to the overall pressure drop.

입자층의 투과성으로 인한 압력 강하(△P_particulate)는 전체 압력 강하에 매우 중요한 기여 인자가 될 수 있다.The pressure drop (ΔP _particulate ) due to the permeability of the particle layer can be a very important contributing factor to the overall pressure drop.

벽 투과성으로 인한 압력 강하(△P_wall)는 또한, 벽 기공이 검댕으로 부분적으로 채워져 있기 때문에, 이제는 청정 필터보다 더 높다. 기공에서의 초기 검댕 부하 페이스에 기인할 수 있는 △P_wall의 증가는 도 3에서 △PI로 표현된다.The pressure drop ΔP _wall due to wall permeability is also higher now than the clean filter because the wall pores are partially filled with soot. The increase in ΔP _wall that may be due to the initial soot loading face in the pores is represented by ΔPI in FIG. 3.

전체 압력 강하는 다음과 같이 나타낼 수 있다:The overall pressure drop can be expressed as:

△P = △P_in/out + △P_particulate + △P_wall △ P = △ P _{in / out} + △ P _particulate + △ P _wall

검댕 부하된 디젤 필터에서의 압력 강하의 수학적 모델링은 복잡하고 어려운 과제가 되고 있다. 투과성 및 패킹 밀도와 같은 검댕의 중요한 성질은 응용 분야, 엔진 가동 조건 및 기타 파라미터에 의존한다. 벽-유동 필터에서의 압력 강하를 시뮬레션하려는 노력이 계속되고 있고, 더욱 복잡해진 모델이 개발되고 있다. 실제의 검댕 부하를 예측하는 것은 재생 프로세스 자체의 이론적 모델을 필요로 할 것이다.Mathematical modeling of pressure drop in soot loaded diesel filters is a complex and difficult task. Important properties of soot, such as permeability and packing density, depend on the application, engine operating conditions and other parameters. Efforts to simulate pressure drop in wall-flow filters continue, and more complex models are being developed. Predicting the actual soot load will require a theoretical model of the regeneration process itself.

촉매 전환기 및 입자 필터의 형태 Type of catalytic converter and particle filter

촉매 전환기는 다음을 포함하는 여러 가지 인자에 따라 분류될 수 있다: a) 전환기가 사용되는 엔진의 형태, b) 엔진에 상태적인 위치, c) 전환기에 사용되는 촉매의 수와 형태, 및 d) 사용되는 기재의 형태와 구조. 또한, 이들 촉매 전환기 각각은 종종 다른 방출 제어 장치, 예컨대 CRT, EGR, SCR, ACERT 및 기타 장치와 방법과 함께 사용된다.Catalytic converters can be classified according to several factors, including: a) the type of engine in which the converter is used, b) the location of the engine in the engine, c) the number and type of catalysts used in the converter, and d) Form and structure of the substrate used. In addition, each of these catalytic converters is often used with other emission control devices such as CRT, EGR, SCR, ACERT and other devices and methods.

엔진 engine

촉매 전환기는 적어도 두 형태의 엔진에서 사용된다: 가솔린 및 디젤 엔진. 이들 두 가지 일반적 부류 내에는 여러 가지 형태의 특수한 가솔린 및 디젤 엔진이 있다. 예를 들면, 다양한 배기량(displacement) 및 마력을 가진 가솔린 및 디젤 엔진이 제조된다. 특정 엔진에는 터보과급기 및/또는 인터쿨러(intercooler)가 장착된다. 대부분의 승용차와 트럭 엔진은 수냉식인 반면, 오토바이 엔진은 공냉식이다. 특정한 유틸리티는 활용 가능한 높은 마력을 필요로 하는 반면, 다른 것들은 연료 경제성을 극대화한다. 이들 변수는 모두, 다른 것에 더하여, 연료의 연소 중에 생성되는 오염물의 레벨에 영향을 줄 수 있다. 또한, 예를 들면 온-로드, 오프-로드 또는 정지형과 같은 엔진의 용도에 따라, 방출 표분에 관한 규정상 요건이 상이하다.Catalytic converters are used in at least two types of engines: gasoline and diesel engines. Within these two general classes are various types of special gasoline and diesel engines. For example, gasoline and diesel engines are manufactured with various displacements and horsepower. Certain engines are equipped with turbochargers and / or intercoolers. Most passenger car and truck engines are water cooled, while motorcycle engines are air cooled. Certain utilities require the highest available horsepower, while others maximize fuel economy. All of these variables, in addition to others, can affect the level of contaminants produced during combustion of the fuel. In addition, depending on the use of the engine, for example on-road, off-road or stationary, the regulatory requirements for emission fractions differ.

위치 location

촉매 전환기는 이론적으로 엔진의 배기 흐름을 따라 임의의 위치에 설치될 수 있다. 그러나, 종래의 촉매 전환기의 물리적 특징에 의해 그 위치가 제한된다. 차량에서 가장 보편적으로, 촉매 전환기는 엔진 블록으로부터 소정의 거리에, 머플러에 근접하게 차량 본체의 하부에 설치된다. 촉매 전환기는 몇 가지 이유에서 고장을 일으킬 수 있으므로, 촉매 전환기는 보통 엔진에 근접하게 설치되지 않는다. 그러한 이유로는, 과도한 온도, 열 충격, 기계적 진동, 기계적 응력 및 엔진 부근의 공간적 제약이 포함된다. 또한, 정지형 엔진의 물리적 셋업이 촉매 전환기 또는 입자 필터의 위치를 제한할 수 있다.Catalytic converters can theoretically be installed at any location along the exhaust flow of the engine. However, its location is limited by the physical characteristics of conventional catalytic converters. Most commonly in vehicles, catalytic converters are installed in the lower portion of the vehicle body, in proximity to the muffler, at a distance from the engine block. Catalytic converters can fail for several reasons, so they are usually not installed in close proximity to the engine. Such reasons include excessive temperature, thermal shock, mechanical vibration, mechanical stress and spatial constraints near the engine. In addition, the physical setup of the stationary engine may limit the location of the catalytic converter or particle filter.

예를 들면, 2004 FOCU.S.^TM에서 Ford Motor Company는 Honda Motor Corporation이 그의 매물 중 하나에서 사용한 것과 같은 매니-캣(mani-cat)을 활용하기로 했다. 이 시스템은 실제로 매니폴드의 부분이 아니라 매니폴드에 인접한 위치에 있다. 실린더 폭발과 이동 부분에 의해 발생되는 높은 온도와 과도한 진동 에너지는, 촉매 전환기가 매니폴드에 설치될 경우, 현행 촉매 전환기가 과도한 열 충격 및 물리적 충격을 받게 한다. 이외에도, 매니-캣용 설계는 Northrup Grumman Corporation에 의해 미국 특허 제5,692,373호에 제안되었다. 현재의 코디어라이트 기재도 그러한 환경적 도전에 견디어내야 하는 것으로 믿어진다.For example, 2004 FOCU.S. ^{At TM} , Ford Motor Company decided to use the same mani-cat that Honda Motor Corporation used in one of its properties. The system is not actually part of the manifold, but in a location adjacent to the manifold. The high temperature and excessive vibration energy generated by the cylinder explosion and moving parts cause the current catalytic converter to be subjected to excessive thermal shock and physical shock when the catalytic converter is installed in the manifold. In addition, a design for a mani-cat was proposed in US Pat. No. 5,692,373 by Northrup Grumman Corporation. It is believed that current cordierite substrates must withstand such environmental challenges.

예를 들면 오토바이(예; Harley-Davidson)와 같은 다른 응용에서, 특정 위치에 설치된 촉매 전환기의 존재는 사용자에게 심각한 상해를 유발할 수 있다. 촉매 전환기의 높은 가동 온도 때문에, 사용자에게 상해를 유발할 가능성이 적은 촉매 전환기, 예를 들면 소형 촉매 전환기, 온도 상승이 별로 없는 전환기 등을 사용하는 것이 바람직할 것이다.In other applications, for example motorcycles (eg Harley-Davidson), the presence of catalytic converters installed at specific locations can cause serious injury to the user. Because of the high operating temperature of the catalytic converter, it would be desirable to use catalytic converters that are less likely to cause injury to the user, such as small catalytic converters, converters with less temperature rise, and the like.

특정한 경우에, 배기 시스템(예컨대, 승용차에 설치된 것)은 하나 이상의 촉매 전환기 또는 특별한 필터를 배기 흐름을 따라 수용할 수 있다. (도 4 참조). 예를 들면, 배기 시스템은 엔진과 주된 촉매 전환기 사이에 부가적 촉매 전환기를 구비할 수 있다. 이러한 구성을 프리-캣(pre-cat)이라 칭한다. 프리-캣은 더 조밀한 구성을 가질 수 있다. 또 다른 셋-업은, 주된 촉매 전환기 이전(또는 이후)에 제2의 촉매 전환기를 가진 백-캣(back-cat)이다. 백-캣은 또한 촉매 전환기의 교환용으로 종종 사용된다.In certain cases, an exhaust system (eg, installed in a car) may receive one or more catalytic converters or special filters along the exhaust flow. (See Figure 4). For example, the exhaust system can have an additional catalytic converter between the engine and the main catalytic converter. This configuration is called a pre-cat. The pre-cat can have a more compact configuration. Another set-up is a back-cat with a second catalytic converter before (or after) the main catalytic converter. Back-cats are also often used for exchange of catalytic converters.

2원 대 3원 대 4원 2 won vs 3 won vs 4 won

촉매 전환기는 일반적으로 2원, 3원 또는 4원 전환기로 분류될 수 있다. 상업적으로 입수할 수 있는 전환기에는 적어도 다음 형태가 있다: 산화 전환기, 3원 전환기(무공기), 3원-플러스 산화 전환기, 및 4원 전환기.Catalytic converters can generally be classified into two-, three- or four-way converters. Commercially available converters include at least the following forms: oxidation converters, three-way converters (airless), three-plus oxidation converters, and four-way converters.

산화(2원) 전환기는 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 산화시키도록 설계된 초기 세대의 전환기를 대표한다. 이들 유닛은 가장 기본적 형태의 촉매 전환기 기술을 대표하지만, 일부 영역에서는 실용적인 오염물 감소 옵션으로 존속한다. 산 화 전환기는 보통 백금 또는 팔라듐을 함유한다. 그러나, 귀금속이 아닌 금속도 사용될 수 있다.Oxidation (two-way) converters represent earlier generations of converters designed to oxidize hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO). These units represent the most basic form of catalytic converter technology, but in some areas remain a viable contaminant reduction option. Oxidation converters usually contain platinum or palladium. However, metals other than precious metals may also be used.

1980년대 초에, 대부분의 차량 제조자들은 HC 및 CO의 산화에 더하여 NO_x를 감소시키도록 설계된 전환기를 사용하기 시작했다. 이들 3원 전환기는 컴퓨터 제어 엔진 시스템 및 산소 센서와 함께 사용되는 것으로, 연료에 대한 공기의 비를 보다 정밀하게 제어하는 데 활용되었다. 이러한 전환기는 세 가지 화합물: HC, CO 및 NO_x를 처리하기 때문에 3원 전환기라 지칭된다.In the early 1980s, most vehicle manufacturers began using converters designed to reduce NO _x in addition to oxidation of HC and CO. These three-way converters, used in conjunction with computer-controlled engine systems and oxygen sensors, have been used to more precisely control the ratio of air to fuel. Such converters are referred to as ternary converters because they treat three compounds: HC, CO and NO _x .

가장 최신 승용차에는 전형적으로 Corning사의 점토 압출 기술을 이용한 하나 이상의 기재를 직렬로 가진 "3원" 촉매 전환기가 장착되어 있다. "3원"이라 함은 전환기가 감소를 보조하는 다음의 세 가지 규제 방출물을 지칭한다: 일산화탄소, 휘발성 유기 화합물(VOC, 예컨대 미연소 탄화수소) 및 NO_x 분자. 그러한 전환기는 두 가지 상이한 형태의 촉매, 즉 환원성 촉매와 산화성 촉매를 사용한다.The latest cars are typically equipped with "three-way" catalytic converters in series with one or more substrates using Corning's clay extrusion technology. The term "ternary" refers to the following three regulated emissions at which the converter assists in reduction: carbon monoxide, volatile organic compounds (VOCs such as unburned hydrocarbons) and NO _x molecules. Such converters use two different types of catalysts, reducing and oxidizing catalysts.

3원 촉매 전환기에서, 환원성 촉매는 보통 초기 단계의 촉매 전환기에서 사용되며, 연소 챔버에서 발생되는 질소의 산화를 반전시키는 역할을 한다. 이것은 통상적으로 NO_x 방출의 감소를 보조하기 위해 백금 및 로듐을 사용한다. 백금 및/또는 팔라듐과 같은 금속으로 이루어질 수 있는 산화성 촉매는 통상적으로 촉매 전환기의 제2 영역에 설치된다.In three-way catalytic converters, reductive catalysts are usually used in early stage catalytic converters and serve to reverse the oxidation of nitrogen generated in the combustion chamber. It typically uses platinum and rhodium to assist in the reduction of NO _x emissions. Oxidative catalysts, which may consist of metals such as platinum and / or palladium, are typically installed in the second region of the catalytic converter.

하나의 하우징에 환원성 촉매와 산화성 촉매를 함께 가진 3원 촉매 전환기는 종종 3원-플러스-산화 전환기라 지칭된다. 이들 전환기는 2개의 기재 사이에 공기 주입을 이용한다. 이 공기 주입은 산화 반응을 보조한다.Three-way catalytic converters having a reducing and an oxidative catalyst together in one housing are often referred to as three-plus-oxidation converters. These converters use air injection between the two substrates. This air injection assists the oxidation reaction.

4원 전환기는 일산화탄소, 질소 산화물, 미연소 탄화수소 및 입자상 물질을 처리한다. 여기에는, 예를 들면, Ceryx사가 제조한 QuadCAT Four-Way 촉매 전환기가 포함된다. 이것은 제조사에 따르면 공기 오염물의 네 가지 주요 원천, 즉 NO_x, 탄화수소, 일산화탄소 및 입자상 물질을, 디젤 엔진이 2002/2004 방출 표준에 맞출 수 있는 레벨로 감소시키는 촉매 전환기이다. 그 밖의 예로는 미국 특허 제4,329,162호 및 제5,253,476호에 기재된 것이 포함된다.Quaternary converters handle carbon monoxide, nitrogen oxides, unburned hydrocarbons and particulate matter. This includes, for example, a QuadCAT Four-Way catalytic converter manufactured by Ceryx. This is a catalytic converter that, according to the manufacturer, reduces the four major sources of air pollutants: NO _x , hydrocarbons, carbon monoxide and particulate matter to levels that diesel engines can meet in 2002/2004 emission standards. Other examples include those described in US Pat. Nos. 4,329,162 and 5,253,476.

촉매 전환기는 다른 촉매와 마찬가지로, 원하는 반응을 수행하는 데 필요한 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응을 촉진시킨다. 예를 들면, 입자가 소각되려면 촉매의 존재 하에서 산소와 반응하기 전에 550℃의 온도를 필요로 할 경우, 동일한 반응이 단지 260℃의 온도를 필요로 할 것이다. 이와 같이 낮은 에너지 문턱값에 의해, 온도는 더 낮지만 공간이 더 여유있는 위치인 엔진의 하류에 촉매 시스템을 물리적으로 위치시킬 수 있다. 이와는 달리, 촉매 시스템은 온도가 더 높은 상류에 위치시켜야 할 것이다. 그러나, 엔진에 더 근접하게 설치되면 기재를 손상시킬 점재성이 더 크기 때문에 현재의 기술에서는 실용적이 아니다.Catalytic converters, like other catalysts, promote the reaction by lowering the activation energy required to carry out the desired reaction. For example, if the particles require a temperature of 550 ° C. before reacting with oxygen in the presence of a catalyst, the same reaction will only require a temperature of 260 ° C. This low energy threshold allows the catalyst system to be physically located downstream of the engine where the temperature is lower but the space is more spacious. Alternatively, the catalyst system would have to be located upstream of the higher temperature. However, it is not practical in current technology because the closer it is installed to the engine, the greater the viscosity to damage the substrate.

디젤 엔진은, CO와 탄화수소의 생성률은 비교적 낮지만, 높은 온도와 압력으로 인해, NO_x와 입자상 물질의 농도가 높은 방출물을 생성한다. 압축 연소는 가솔린 엔진의 스파크에 비해 불완전하다. 그러나, 높은 공기 함량에 의해 비교적 희박한 혼합물 때문에, 디젤은 가솔린 엔진보다 양호한 연비(gas mileage)를 제공할 수 있다. 디젤 배기에서는 과량의 공기로 인해 3원 촉매가 잘 작동되지 못한다. NO_x 환원성 촉매는 전형적으로, 디젤 연소 엔진에서는 용이하게 이루어질 수 없는 연료 대 공기의 화학양론적 비를 양호하게 유지해야 한다.Diesel engines produce emissions with high concentrations of NO _x and particulate matter due to the relatively high production of CO and hydrocarbons but high temperatures and pressures. Compressed combustion is incomplete compared to sparks in gasoline engines. However, due to the relatively sparse mixture due to the high air content, diesel can provide better gas mileage than gasoline engines. In diesel exhaust, the excess catalyst does not work well with the three way catalyst. NO _x reducing catalysts typically must maintain a good stoichiometric ratio of fuel to air that cannot be readily achieved in diesel combustion engines.

촉매 전환기 기술은 내연기관 및 정지형 연소 엔진을 포함하는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 내연기관은 차량에 사용되는 가장 보편적인 엔진이다. 촉매 전환기는 차량의 배기 시스템 내의 장치로서 설치되므로, 모든 배기 가스 흐름은 기재를 통과하여, 테일파이프로부터 배출되기 전에 촉매와 접촉한다. 그러나, 촉매 전환기는 촉매 이전에 반응물의 분사 또는 정교한 엔진 제어 알고리즘과 같은 다양한 활성 전략을 포함하는 꽤 복잡한 시스템의 일부일 수도 있다. 그 예로는 NO_x의 환원을 위해 개발되고 있는 다수의 디젤 촉매 시스템이 포함된다. 촉매의 이점 중에서 거론되어 온 단순성 및 수동적 특징이라는 속성은 이들 시스템에는 더이상 적용되지 못한다.Catalytic converter technology can be applied to a variety of applications, including internal combustion engines and stationary combustion engines. Internal combustion engines are the most common engines used in vehicles. Since the catalytic converter is installed as a device in the vehicle exhaust system, all exhaust gas flows through the substrate and contacts the catalyst before exiting from the tailpipe. However, the catalytic converter may be part of a fairly complex system that incorporates various activation strategies such as injection of reactants or sophisticated engine control algorithms prior to catalyst. Examples include a number of diesel catalyst systems that are being developed for the reduction of NO _x . Among the advantages of catalysts, the attributes of simplicity and passive features that have been discussed no longer apply to these systems.

오염물 방출을 감소시키려는 종래의 시도는, 부분적으로는 재료의 비용과, 특정 응용에서는 적절한 필터를 구비한 원래의 엔진을 개장 또는 제조하는 비용으로 인해 비용이 많이 들 수 있다.Conventional attempts to reduce pollutant emissions can be costly, in part due to the cost of the material and, in certain applications, to the retrofit or manufacture of the original engine with appropriate filters.

촉매 전환기 및 입자 필터 기술의 발전 Advances in Catalytic Converters and Particle Filter Technology

촉매 전환기의 발전을 이끈 한 가지 발명은 Corning사의 압출 코디어라이트 벌집형 모노리스의 개발이다. (미국 특허 제4,033,779호 참조). 1970년대 이래, 귀금속 중에서 선택된 촉매(백금, 팔라듐, 로듐 등) 및 엔진 배기 시스템의 가혹한 환경에 견딜 수 있는 견고한 기재의 표면에 있는 워쉬코트에 견고하게 결합된 베이스 금속 패밀리를 활용하는 이 어프로치를 이용하여 배기 흐름으로부터 10억 파운드를 넘는 오염물이 제거되었다. 그 후 수년간 이 핵심 기술에 대한 변경 및 개선이 도출되었는데, 예를 들면 촉매 전환기의 위치 변경 및 조성 및 제조 방법의 변경이 포함된다. 그러나, 아직까지 극복하지 못한 근본적 불완전성(inadequacy)이 여전히 남아 있다. 현재, 기술 상태는 많은 비용으로 미미한 개선이 이루어지는 상태에서 물리적, 경제적 한계에 도달하고 있다.One invention that has led to the development of catalytic converters is the development of Corning's extruded cordierite honeycomb monolith. (See US Pat. No. 4,033,779). Since the 1970s, this approach utilizes a family of precious metals (platinum, palladium, rhodium, etc.) and a base metal family that is tightly coupled to the washcoat on the surface of a rigid substrate that can withstand the harsh environments of engine exhaust systems. Over 1 billion pounds of contaminants were removed from the exhaust stream. Subsequent changes and improvements to this core technology have been derived over the years, including, for example, changes in the location of the catalytic converter and changes in the composition and manufacturing method. However, there still remains a fundamental inadequacy that has not yet been overcome. At present, the state of the art is reaching physical and economic limits with minor improvements at a high cost.

현행 기재의 한계 Limit of current mention

현재 상태의 촉매 전환기 및 입자상 물질 필터 기술이 방출 오염물의 감소에 어느 정도 유용하지만, 현재의 기술에는 분명히 단점이 있다. 또한, 현재의 촉매 전환기에 의해 맞출 수 없는 특징도 있다. 일부 불완전성은 사용되는 기재의 형태에 고유한 것이다. 따라서, 촉매 전환기 또는 입자 필터에 사용하기 위한 개선된 기재는, 촉매 전환기의 촉매 기재로서 사용되는 재료의 근본적 물리적, 화학적 속성에 있어서 중요한 발전이 될 것이다. 또한, 개선된 기재는 품질을 극적으로 높이게 될 것이며, 제조자와 소비자로 하여금 2007년, 2010년, 및 그 후의 방출 표준에 보다 용이하게 맞출 수 있게 할 것이다.Current catalytic converters and particulate filter techniques are useful to some extent in reducing emission pollutants, but current techniques are clearly disadvantageous. There is also a feature that cannot be matched by current catalytic converters. Some imperfections are inherent in the type of substrate used. Thus, improved substrates for use in catalytic converters or particle filters will be an important advance in the fundamental physical and chemical properties of the materials used as catalyst substrates for catalytic converters. In addition, improved substrates will dramatically improve quality and will enable manufacturers and consumers to more easily meet 2007, 2010, and later emission standards.

종래의 모노리스 촉매 전환기 기재는 일반적으로 압출 공정을 통해 형성된다. 복잡하고도 비용이 많이 드는 이 공정은, 과거 25년간 사용되었다. 그러나, 압출 공정에는 한계가 있다. 재료 내부에 작은 채널을 형성하면서도 품질 관리를 유지하는 방법에 대한 한계가 있다. 압출 공정은 또한 촉매 전환기의 형상을 실린 더 또는 평행사변형으로 제한하거나, 압출 축에 평행한 측면을 가진 형상으로 제한한다. 이러한 형상의 제한은 예전의 방출 표준에서는 문제가 되지 않았다. 그러나, 제로에 근접한 방출 성능에 도달할 수 있는 촉매 전환기 및 입자 필터를 설계할 필요성에 따라 비-선형 및/또는 비-원통형 필터 설계 및 차량 일체화가 요구될 것이다. Conventional monolith catalytic converter substrates are generally formed through an extrusion process. This complex and expensive process has been used for the past 25 years. However, there is a limit to the extrusion process. There are limitations on how to maintain quality control while forming small channels inside the material. The extrusion process also limits the shape of the catalytic converter to cylinders or parallelograms, or to shapes with sides parallel to the extrusion axis. This shape limitation did not matter in previous emission standards. However, non-linear and / or non-cylindrical filter designs and vehicle integration will be required as the need to design catalytic converters and particle filters that can reach near zero emission performance.

벽 두께의 감소는 표면적의 증가를 가져오고, 예를 들면 특정 예에서, 벽 두께를 0.006 인치에서 0.002 인치로 감소시키면 표면적이 54% 만큼 증가된다. 표면적의 증가에 의해, 더 많은 입자상 물질이 더 적은 체적에 퇴적될 수 있다. 도 1은 촉매 전환기용 표면적이 증가되도록 구성된 세라믹 필터 엘리먼트(100) 내에 형성된 종래 기술의 벌집형 구조(102)를 나타낸다. 벌집형 구조(102)는 압출 동작에 평행한 주축을 가진 긴 채널이 형성되는 압출 공정을 이용하여 형성된다. 이들 채널의 개구부는 유입되는 배기 기류에 대면한다.Reducing the wall thickness results in an increase in surface area, for example in a particular example, reducing the wall thickness from 0.006 inches to 0.002 inches increases the surface area by 54%. By increasing the surface area, more particulate matter can be deposited in less volume. 1 shows a prior art honeycomb structure 102 formed in a ceramic filter element 100 configured to increase the surface area for a catalytic converter. Honeycomb structure 102 is formed using an extrusion process in which elongated channels are formed having a major axis parallel to the extrusion operation. The openings in these channels face the incoming exhaust air stream.

기술의 발전에 따라 벽 두께가 감소된 세라믹 코디어라이트 기재의 제조가 가능해졌다. 한때 승용차 응용인, 400/6.5용으로 표준 구조였던 400 cpsi의 셀 밀도 및 0.0065"(또는 약 0.17 mm)는 점차 더 얇은 벽(0.0055 내지 0.004 mil)으로 된 기재로 대체되었다. 그러나, 이 재료의 물리적 한계가 임박했다. 세라믹, 특히 코디어라이트의 물리적 특징 때문에, 더욱 얇은 벽을 가진 코디어라이트 세라믹으로 만들어진 기재의 사용은 실용성이 없다. 벽이 얇은 재료는 다른 필수적 특징(예컨대, 내구성, 내열성)을 맞출 수 없다.Advances in technology have enabled the manufacture of ceramic cordierite substrates with reduced wall thickness. The cell density of 400 cpsi and 0.0065 "(or about 0.17 mm), which were once the standard construction for 400 / 6.5, once a passenger car application, were gradually replaced by substrates with thinner walls (0.0055 to 0.004 mil). Physical limitations are imminent Due to the physical properties of ceramics, especially cordierite, the use of substrates made of thinner walled cordierite ceramics is not practical: thin-walled materials have other essential features (eg durability, heat resistance). Cannot match).

디젤 촉매는 부분적으로는 큰 사이즈 때문에, 종종 기관차 상대 물(counterpart)보다 더 두꺼운 벽을 가진다. 디젤 벽-유동 필터는 일반적으로 더 두꺼운 벽을 가지므로, 이들 필터가 가질 수 있는 1 평방 인치당 채널에는 물리적 한계가 있다. 일반적으로, 상업적으로 입수할 수 있는, 1 평방 인치당 200개 이상의 채널을 가진 디젤 벽-유동 필터는 없다.Diesel catalysts often have thicker walls than locomotive counterparts, in part because of their large size. Since diesel wall-flow filters generally have thicker walls, there are physical limits to the channels per square inch that these filters can have. In general, there are no commercially available diesel wall-flow filters with more than 200 channels per square inch.

현재 입수 가능한 기재의 또 다른 한계는 저온에서의 촉매 효율의 감소이다. 엔진 시동과 같이 전환기 시스템이 식어 있을 때, 촉매 반응을 개시하기에 온도가 충분히 높지 않다. 현재 Corning, NGK, Denso, 기타 제조사에 의해 촉매 전환기에 사용되어 판매되는, 코디어라이트, 실리콘 카바이드, 및 다양한 금속 기재는 우수한 기계적 강도 및 열 충격과 진동에 대한 허용공차를 가진 매우 강인하고 조밀한 재료로 만들어진다. 그러나, 이들 재료는 시동 후 촉매 반응을 위해 충분한 온도에 도달할 때까지 열을 흡수하는 데 시간이 걸린다. 촉매 반응의 개시가 지연됨으로 인해, 엔진 가동 후 초기 25초 동안에 신형 엔진으로부터의 방출물 전체의 약 50%가 대기중으로 방출되는 것으로 추정된다. 이러한 결정적 "콜드 스타트(cold start)" 시간중의 작은 개선도 연간 성공적으로 처리되는 오염물의 양을 엄청나게 개선할 수 있을 것이다. 이 문제를 다루기 위해 노력이 경주되어 왔지만, 이러한 초기 콜드 스타트 기간중에 방출물을 감소시킬 수 있는 촉매 전환기에 대한 요구가 잔존한다. 가장 발전되고 고가인 최신 기술인 코디어라이트 기반 촉매 전환기도 시동에 약 20초를 필요로 한다.Another limitation of currently available substrates is the reduction in catalyst efficiency at low temperatures. When the converter system is cool, such as starting the engine, the temperature is not high enough to initiate the catalytic reaction. Cordierite, silicon carbide, and various metal substrates, currently used and sold in catalytic converters by Corning, NGK, Denso, and other manufacturers, are very tough and dense with excellent mechanical strength and tolerance to thermal shock and vibration. Made of materials However, these materials take time to absorb heat until they reach a temperature sufficient for catalytic reaction after startup. Due to the delayed initiation of the catalytic reaction, it is estimated that about 50% of all emissions from the new engine are released into the atmosphere during the initial 25 seconds after the engine is started. Even minor improvements during this critical "cold start" time could greatly improve the amount of contaminants that are successfully treated annually. Efforts have been made to address this problem, but there remains a need for catalytic converters that can reduce emissions during this initial cold start period. Cordierite-based catalytic converters, the latest and most expensive technology, also require about 20 seconds to start up.

반응 온도에 보다 신속히 도달하기 위해서, 더 높은 온도를 보다 빨리 활용할 수 있고 또한 가동중에 반응을 더 격렬하게 구동시켜주는 위치인, 엔진 배기 매 니폴드에 더 근접하게 전환기를 이동시키고자 시도되었다. 차량의 후드 하부에 이용 가능한 공간이 제한되어 있기 때문에, 전환기 시스템의 크기 및 그에 따라 성공적으로 처리할 수 있는 처리량이 제한된다. 현재의 기재는 차량의 엔진 컴파트먼트에 효과적으로 사용될 수 없다. 또한, 엔진 컴파트먼트에 중량이 추가되는 것은 바람직하지 않으며, 현재의 많은 기재가 고밀도이고 제한된 다공도(대략 50% 이하)를 가지므로, 대규모 배기 방출량을 처리하려면 중량과 체적이 모두 큰 시스템이 필요하다. 이에 더하여, 코디어라이트와 같은 기재는 많은 가동 조건 하에서 용융되기 쉬우며, 그 결과 막힘 및 역압력의 증가를 야기할 수 있다.In order to reach the reaction temperature more quickly, attempts were made to move the diverter closer to the engine exhaust manifold, a position where higher temperatures can be utilized faster and also drive the reaction more violently during operation. Due to the limited space available under the hood of the vehicle, the size of the diverter system and thus the throughput that can be successfully processed is limited. Current substrates cannot be effectively used in the engine compartment of a vehicle. In addition, it is not desirable to add weight to the engine compartment, and many current substrates have high density and limited porosity (approximately 50% or less), requiring large weight and volume systems to handle large exhaust emissions. Do. In addition, substrates such as cordierite are susceptible to melting under many operating conditions, which can result in increased plugging and back pressure.

콜드 스타트를 상쇄하는 다른 방법으로는, 전환기가 임계 온도에 도달했을 때 처리될 수 있도록 NO_x 및/또는 탄화수소를 일시적으로 저장하는 정교한 흡착 시스템이 포함된다. 이들 시스템 중 일부는 병행 배관 및 정교한 흡착 표면, 추가적 밸브 및 제어 메커니즘, 또는 촉매를 기재에 부착시키고 반응 환경을 격리시키는 데 사용되는 상이한 워쉬코트로 된 다층을 필요로 한다. 이 문제는, 큰 체적의 검댕 입자, NO_x 및 SO_x를 포착해야 하는 디젤 엔진에 있어서는 특히 흥미를 끈다. 일부 대형 산업용 디젤 엔진에서, 입자를 포집하고, 저장한 다음 처리하기 위해 디젤 입자 트랩의 회전형 뱅크(bank)를 사용한다. (또 다른 시스템에서는, NO_x를 저장하고, N₂로 환원되는 동안 CO를 CO₂로 변환시키는 산화제로서 이용한다).Other ways to offset cold start include sophisticated adsorption systems that temporarily store NO _x and / or hydrocarbons so that the converter can be treated when the critical temperature is reached. Some of these systems require parallel tubing and sophisticated adsorption surfaces, additional valve and control mechanisms, or multiple layers of different washcoats used to attach catalyst to the substrate and isolate the reaction environment. This problem is particularly interesting for diesel engines that must capture large volumes of soot particles, NO _x and SO _x . In some large industrial diesel engines, rotary banks of diesel particle traps are used to collect, store and process particles. (In another system, NO _x is stored and used as an oxidant to convert CO to CO ₂ while reducing to N ₂ ).

총 방출물에 대해 규정에 따른 제한이 주어졌으므로, 콜드 스타트 시에 일어나는 방출물의 대략 50%를 용이하게 감축할 수 있는 시스템은 전술한 고비용의 정 교한 대책 중 일부에 대한 필요성을 배제할 수 있을 것이다. 이러한 대책과 결부되어 사용될 때, 그러한 시스템은 실질적으로 감소된 방출을 가져올 수 있을 것이다. 그러나, 앞에서 설명한 바와 같이, 종래의 시스템은 일반적으로 복잡하고 고가이며, 점화되지 않거나 및/또는 예측할 수 없게 작동하기 쉽다.Given the statutory limits on total emissions, a system that can easily reduce approximately 50% of emissions that occur at cold start may preclude the need for some of the costly and sophisticated measures described above. . When used in conjunction with such countermeasures, such a system may result in substantially reduced emissions. However, as previously described, conventional systems are generally complex and expensive, and are easy to operate without ignition and / or unpredictable.

종래의 시스템의 또 다른 고유의 한계는 입자를 소각하는 데 요구되는 전형적인 "체류 시간(residence time)"이다. 가동중의 배기 가스 처리량의 막대한 체적과 가스가 유동해야 하는 속도를 고려할 때, 전환기는 신속한 착화의 능력을 갖는 것이 중요하다. 따라서, 착화 능력이 있고 극심한 열 충격 및 진동 충격을 견딜 수 있으며 콜드 스타트 시 신속한 내부 온도 상승의 능력이 있는 촉매 전환기는, 산업체가 방출을 감축하여 2007년 및 2010년에 닥치게 되는 환경 표준에 맞출 수 있고, 보다 청정한 가동의 승용차, 트럭, 버스 및 대형 산업용 엔진을 생산할 수 있는 능력을 크게 높일 것이다.Another inherent limitation of conventional systems is the typical "residence time" required to incinerate particles. In view of the enormous volume of exhaust gas throughput in operation and the speed at which the gas must flow, it is important that the converter has the ability of rapid ignition. Thus, catalytic converters capable of ignition, capable of withstanding extreme thermal shocks and vibrational shocks, and the ability to rapidly rise internal temperatures at cold start, can meet the environmental standards encountered by the industry in 2007 and 2010 by reducing emissions. And greatly increase the ability to produce cleaner cars, trucks, buses and large industrial engines.

기재가 또한 경량일 경우에는, 신규 차량에 대한 향상된 연비 값을 가져올 것이다. 그러나, 이제까지 이러한 문제의 많은 부분 또는 전부를 해결할 수 있는 것으로 확인된 기재는 없었다.If the substrate is also lightweight, it will result in improved fuel economy values for new vehicles. However, there is no description that has been found to solve many or all of these problems so far.

촉매 전환기 또는 입자 필터용 기재에 대한 설계 고려사항 Design Considerations for Substrates for Catalytic Converters or Particle Filters

촉매 기재는 촉매 전환기 시스템의 성능, 견고성, 및 내구성에 영향을 주는 중요한 구성 요소이다. 또한, 여과 기재는 입자 필터의 작동 성능에 큰 영향을 미친다. 이상적으로는, 촉매 전환기 또는 입자 필터에 사용되는 기재는 몇 가지 속성을 가져야 한다. 이러한 속성은, 반드시 제한되는 것은 아니지만, 다음과 같은 관점 중 하나 이상을 포함한다: a) 표면적; b) 다공도/투과성; c) 방사율(emissivity); d) 열 전도도; e) 충격 내성, 팽창 및 전도와 같은 열적 속성; f) 밀도; g) 구조적 일체성(structural integrity); h) 오염물 처리의 효율; i) 촉매의 소요량; j) 시스템의 중량. 하나 이상의 속성을 최적화하는 촉매 또는 여과 기재는 유체 여과 분야 및 촉매화 반응 분야에서 하나의 진전이 될 것이다.Catalyst substrates are important components that affect the performance, robustness, and durability of catalytic converter systems. In addition, the filtration substrate has a great influence on the operating performance of the particle filter. Ideally, the substrate used in the catalytic converter or particle filter should have several properties. Such attributes include, but are not necessarily limited to, one or more of the following aspects: a) surface area; b) porosity / permeability; c) emissivity; d) thermal conductivity; e) thermal properties such as impact resistance, expansion and conduction; f) density; g) structural integrity; h) efficiency of contaminant treatment; i) requirement of catalyst; j) weight of the system. Catalysts or filtration substrates that optimize one or more attributes will be one advance in the field of fluid filtration and catalysis.

발명의 간략한 종합Brief synthesis of the invention

본 항목에서는 다양한 실시예를 설명한다. 본 발명의 이들 실시예와 기타 실시예는 다음 상세한 설명 항목에서 설명된다.This section describes various embodiments. These and other embodiments of the present invention are described in the following detailed description section.

본 발명자는 여기에서 설명되는 부직포형 소결 내화물 섬유상 세라믹(nSiRF-C) 복합체가 촉매 전환기, 입자 필터 및 관련 장치를 위한 개선된 기재로서 사용될 수 있고, 또한 그러한 기재로 성형될 수 있다는 것을 발견했다.The inventors have found that the nonwoven sintered refractory fibrous ceramic (nSiRF-C) composites described herein can be used as an improved substrate for catalytic converters, particle filters and related devices, and can also be molded into such substrates.

본 발명자는 또한, 여기에서 설명되는 특별한 속성을 가진 재료로부터 향상된 촉매 기재 및 향상된 여과 기재를 제조할 수 있다는 것을 발견했다. 예를 들어, 적합한 속성에는 높은 융점, 낮은 열 전도도, 낮은 열팽창 계수, 열 충격 및 진동 충격에 대한 내구성, 낮은 밀도, 및 매우 높은 다공도와 투과성이 포함된다. 이러한 속성을 가진 일 실시예에서의 예시적인 재료는 nSiRF-C이다.The inventors have also found that improved catalyst substrates and improved filtration substrates can be prepared from materials having the particular properties described herein. For example, suitable properties include high melting point, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, durability against thermal shock and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability. An exemplary material in one embodiment having this property is nSiRF-C.

적합한 속성을 가진 재료의 일례는 nSiRF-C 복합체이다. nSiRF-C의 예는 알루미나 강화 열 장벽(alumina enhanced thermal barrier; "AETB") 재료 또는 그러한 종류의 재료로서, 촉매 기재 또는 여과 기재로서 본 발명의 실시예에 따라 사용될 수 있다. AETB 재료는 종래 기술에 알려져 있으며, 알루미나보리아실리카(aluminaboriasilica)(알루미나-보리아-실리카, 알루미노보로실리케이트 및 알루미노보리아실리케이트로도 알려져 있음) 섬유, 실리카 섬유 및 알루미나 섬유를 포함한다. AETB용으로 보편적으로 알려진 한 가지 응용은, 우주 왕복선 재진입용으로 이상적인 우주 왕복선 외벽의 타일이다. AETB는 여과 기재 또는 촉매 전환기 기재로 사용된 바는 없다.One example of a material with suitable properties is an nSiRF-C composite. Examples of nSiRF-C can be used in accordance with embodiments of the present invention as alumina enhanced thermal barrier (“AETB”) materials or materials of that kind, as catalyst substrates or filtration substrates. AETB materials are known in the art and include aluminaboria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate and aluminoboria silicate) fibers, silica fibers and alumina fibers. One application commonly known for AETB is a tile on the outer wall of a space shuttle, which is ideal for space shuttle reentry. AETB has never been used as a filtration substrate or a catalytic converter substrate.

본 발명자는, 우주 산업에 바람직한 AETB에 합당한 속성은 연소 기술에서도 바람직하다는 것을 알았다. 다른 속성들 중에서, AETB는 높은 융점, 낮은 열 전도도, 낮은 열팽창 계수, 열 충격 및 진동 충격에 대한 내구성, 낮은 밀도, 및 매우 높은 다공도와 투과성을 가진다. 이러한 바람직한 속성의 조합은 현재의 여과 및 촉매 전환기 기재에는 결여되어 있다.The inventors have found that the proper attributes for AETB, which are desirable for the space industry, are also desirable for combustion techniques. Among other properties, AETB has high melting point, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, durability against thermal shock and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability. Combinations of these preferred attributes are lacking in current filtration and catalytic converter substrates.

또한, AETB 및 그와 유사한 적합한 기재와 같은 nSiRF-C 복합체는 입자 필터 및 촉매 전환기 기재로 사용되기에 적합한 새로운 형태로, 제조, 성형, 몰딩, 절단 및/또는 가공(또는 물리적으로 변형)될 수 있다는 사실도 발견했다.In addition, nSiRF-C composites, such as AETB and similar suitable substrates, may be manufactured, molded, molded, cut and / or processed (or physically modified) in new forms suitable for use as particle filter and catalytic converter substrates. I also found that.

본 발명은 현행 기술에 비해 여러 가지 이점을 갖는다. 첫째로, 본 발명은 향상된 공기 품질 및 호흡기 건강을 가져온다. 본 발명은 일산화탄소 피독의 잠재성을 실질적으로 감소시킬 수 있다.The present invention has several advantages over the current art. Firstly, the present invention results in improved air quality and respiratory health. The present invention can substantially reduce the potential of carbon monoxide poisoning.

본 발명의 실시예는 현재 사용되는 촉매 및 여과 기재에 대한 직접적인 대체물뿐 아니라 촉매 전환기 및 입자 필터 및 배기 및 엔진 시스템으로 사용될 수 있다. 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이, 본 발명의 기재는 종래 기술의 기재에 비해 여러 가지 이점을 제공하며, 또한 종래 기술의 기재에 의해 미해결 상태로 남겨진 여러 가지 문제를 해결한다. 이것은 제조자의 입장에서는 유의적 비용 절감으로 해석될 수 있다. 본 발명을 현행 기술에 대한 직접적인 대체물로 이용할 수 있기 때문에, 배기 시스템을 재설계할 필요가 없다. 따라서, 제조 플랜트 및 라인을 재편성할 필요가 없이, 알맞은 시간 내에 최소의 투자만으로 증강된 배기물 여과 및 세정을 얻을 수 있다.Embodiments of the present invention can be used as catalytic converters and particle filters and exhaust and engine systems as well as direct replacements for currently used catalysts and filtration substrates. As will be described in more detail below, the description of the present invention provides several advantages over the description of the prior art and also solves the various problems left unresolved by the description of the prior art. This can be interpreted as a significant cost saving for the manufacturer. Since the present invention can be used as a direct replacement for the current technology, there is no need to redesign the exhaust system. Thus, enhanced exhaust filtration and cleaning can be achieved with minimal investment in a reasonable amount of time without the need to restructure the manufacturing plant and line.

본 발명의 향상된 촉매 및 여과 특징은, 특정 실시예에서, 더 적은 촉매의 사용을 필요로 한다. 관련 응용분야에서 사용되는 대부분의 촉매가 고가이기 때문에, 상기 이점은 또 다른 비용 절감을 가져온다.The improved catalyst and filtration features of the present invention, in certain embodiments, require the use of fewer catalysts. Since most catalysts used in related applications are expensive, this advantage leads to further cost savings.

본 발명의 몇몇 실시예의 바람직한 열적 속성은 현행 촉매 전환기 및 입자 필터와 관련된 열 축적을 다루는 배기 시스템의 특정 부분에 대한 필요성을 감소 및/또는 배제한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는 열 차폐 및 단열이 불필요할 수도 있다. 배기 시스템 및 차량으로부터 이러한 구성 요소를 배제하는 것은 직접적으로는 비용만을 감소시키는 것이지만(구성 요소가 사용되지 않으므로 제조 비용이 낮아짐), 간접적 비용도 감소된다(차량 중량이 감소되므로 연료 비용이 감소됨). 다른 이점으로는 보다 양호한 성능, 연비 및/또는 마력이 포함될 수 있다.Preferred thermal properties of some embodiments of the present invention reduce and / or eliminate the need for certain parts of the exhaust system that deal with heat accumulation associated with current catalytic converters and particle filters. In some embodiments of the invention, heat shielding and thermal insulation may be unnecessary. Excluding these components from exhaust systems and vehicles directly reduces costs only (manufacturing costs are lower because no components are used), but indirect costs are also reduced (fuel costs are reduced because vehicle weight is reduced). Other benefits may include better performance, fuel economy and / or horsepower.

특정 실시예에서, 종래의 촉매 전환기 또는 입자 필터는, 소형이면서도 동일하거나 더 양호한 오염물 제거 효율을 갖는 본 발명으로 교체될 수 있다. 더 작은 촉매 전환기 또는 입자 필터를 사용함으로써, 차량에서 더 많은 공간을 다른 목적으로 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 필터 또는 전환기는 소형이기 때문에, 차량의 총중량이 감소된다.In certain embodiments, conventional catalytic converters or particle filters can be replaced with the present invention, which is compact and has the same or better pollutant removal efficiency. By using smaller catalytic converters or particle filters, more space in the vehicle can be used for other purposes. In addition, since the filter or diverter of the present invention is compact, the total weight of the vehicle is reduced.

본 발명의 몇몇 실시예의 또 다른 태양은, 엔진의 헤드에 전체적으로 또는 부분적으로 설치되는 촉매 전환기 내에 사용하기에 적합한 촉매 기재이다. 본 명세서에서 헤드-캣(heat cat)이라 지칭되는 상기 촉매 전환기는 종래 기술에 비해 많은 이점을 갖는다. 예를 들면, 종래에는 현재 활용 가능한 촉매 기재의 한계 때문에 그러한 헤드-캣은 실용성이 없었다. 통상적인 기재 코디어라이트는 너무 많은 열을 흡수할 것이다. 본 발명의 기재가 갖는 바람직한 열 특성 때문에, 상기 기재를 포함하는 헤드-캣은 터보과급기 및/또는 존재할 경우 인터쿨러에 대한 터보 열 응력(turbo thermal stress)를 감소시킬 것이다.Another aspect of some embodiments of the present invention is a catalyst substrate suitable for use in a catalytic converter that is wholly or partially installed in the head of an engine. The catalytic converter, referred to herein as a heat-cat, has many advantages over the prior art. For example, such head-cats were not practical because of the limitations of catalyst substrates currently available. Conventional substrate cordierite will absorb too much heat. Because of the preferred thermal properties of the substrate of the present invention, the head-cat comprising the substrate will reduce the turbo thermal stress on the turbocharger and / or the intercooler, if present.

또한 헤드-캣은 열 차폐물과 같은 부가적 외부 하드웨어를 필요로 하지 않는다. 헤드-캣의 사용을 사용함으로써 오토바이에서와 같은, 엔진과 제품의 바람직한 외관을 유지할 수 있다. 특정 실시예에서, 헤드-캣의 사용은 또한 머플러 및 헤더 파이프와 같은, 배기 시스템의 외부 변색을 감소시킬 수 있다. 특정 실시예에서의 헤드-캣의 여러 가지 부가적 이점은 다음 중 하나 이상을 포함한다: 증가된 안전성; 다른 경우에 인터쿨러가 포착하게 될 입자를 여과함으로써, 인터쿨러의 수명을 향상시키고 비용 절감을 제공함; 일 실시예에 있어서 요구되는 매팅이 없음; 헤드-캣을 사용함으로써 열 차폐물에서의 덜컹거리는 소리가 감소되거나 배제됨; 및 헤드-캣은 필수적인 머플러의 크기를 감소시킬 수 있음.The head-cat also does not require additional external hardware such as heat shields. The use of a head-cat can maintain the desired appearance of the engine and the product, such as in a motorcycle. In certain embodiments, the use of head-cats may also reduce external discoloration of the exhaust system, such as mufflers and header pipes. Several additional advantages of the head-cat in certain embodiments include one or more of the following: increased safety; Filtering the particles that the intercooler will capture in other cases improves the life of the intercooler and provides cost savings; No matting required in one embodiment; The use of head-cats reduces or eliminates rattles in heat shields; And the head-cat can reduce the size of the necessary muffler.

헤드-캣의 다른 실시예에서, 더 작은 입자상 물질은 더 효율적으로 소각된다. 헤드-캣이 고장날 경우에, 하나의 작은 캣만을 교체하면 된다. 헤드-캣은 또한 보트, 선박, 오토바이, 잎 송풍기 등에 대해서도 이러한 이점을 제공한다. In another embodiment of the head-cat, smaller particulate matter is incinerated more efficiently. If the head-cat fails, only one small cat needs to be replaced. Head-cats also provide this benefit for boats, ships, motorcycles, leaf blowers, and the like.

본 발명의 많은 다른 실시예는 종래 기술에 비해 다음과 같은 이점 중 하나 이상을 제공한다: 개선된 외관; 추가적 하드웨어의 회피; 추가적 하드웨이(더욱 엄격한 규제로 인해 요구될 수 있는)는 본 발명에서 필요하지 않을 것임; 발열성 화학 반응으로 인한 머플러 및 배기 파이프의 변색의 감소 또는 배제. 본 발명은 일 실시예에 있어서, 더 작은 기재를 가능하게 하고, 따라서 특정한 시스템에서는 더 작은 머플러 또는 캐니스터를 가능하게 한다. 본 발명의 기재는 향상된 열적 성질을 가지며 특정한 종래의 기재 만큼 열을 흡수하지 않기 때문에, 촉매 전환기 또는 입자 필터를 사용하는 시스템에 대한 증가된 안전성을 제공한다. 또한, 본 발명의 기재는 많은 종래의 기재보다 빨리 냉각되므로 안전성을 증가시킨다. 본 발명의 특정한 실시예는 온도 변화에 대한 향상된 내구성을 제공하며, 따라서 급격한 온도 변화가 있더라도, 특정한 종래의 기재 만큼 균열되거나 분쇄되거나 손상되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 기재는 종래의 기재보다 제조하기에 용이하다(예를 들어, nSiRF-C 벽 유동 기재는 플러깅 채널이 아닌 단일 조각의 재료로 제조될 수 있다). 이 속성은 시간뿐 아니라 비용도 절감시킨다.Many other embodiments of the present invention provide one or more of the following advantages over the prior art: improved appearance; Avoidance of additional hardware; Additional hardware (which may be required due to stricter regulations) will not be needed in the present invention; Reduction or elimination of discoloration of mufflers and exhaust pipes due to exothermic chemical reactions. The present invention, in one embodiment, allows for smaller substrates, and therefore for smaller systems, smaller mufflers or canisters. Since the substrates of the present invention have improved thermal properties and do not absorb heat as certain conventional substrates, they provide increased safety for systems using catalytic converters or particle filters. In addition, the substrate of the present invention cools faster than many conventional substrates, thereby increasing safety. Certain embodiments of the present invention provide improved durability against temperature changes, so that even with rapid temperature changes, they are not as cracked, crushed or damaged as certain conventional substrates. In one embodiment, the substrate is easier to manufacture than a conventional substrate (eg, an nSiRF-C wall flow substrate may be made of a single piece of material rather than a plugging channel). This property saves time as well as cost.

몇몇 실시예에서, 본 발명의 기재는 경쟁되는 후처리 장치보다 적은 역압력을 나타낸다. 이와 같이 낮은 역압력은 증가된 차량 성능, 증가된 마력 및 증가된 연료 경제성을 가져올 수 있다.In some embodiments, the present disclosure exhibits less back pressure than competing aftertreatment devices. Such low back pressures can result in increased vehicle performance, increased horsepower and increased fuel economy.

본 발명의 다른 실시예는, 예를 들면, 촉매화 반응 방법, 유체의 여과 방법, 촉매 기재의 제조 방법, 여과 기재의 제조 방법, 상기 방법에 따라 제조된 기재, 및 그 밖에 이하에서 더 상세히 설명하는 사항을 도모한다.Other embodiments of the present invention are described in more detail below, for example, in catalysis reaction methods, in filtration of fluids, in preparation of catalyst substrates, in preparation of filtration substrates, in substrates prepared according to the above methods, and elsewhere. Plan to do

도 1은 벌집형 구조를 결합시킨 종래의 코디어라이트 기재의 단면도이다. 벌집형 구조체(302)는 코디어라이트 필터 엘리먼트(300) 내에 형성되어 있다. 절집형 구조체(302)는 주축이 압축 작용에 대해 평행한 긴 채널(또는 튜브)이 생성되는 압출 공정을 이용하여 형성된다. 이들 채널의 개구부는 유입되는 배기 가스 흐름을 대면한다. 방출물이 채널에 유입되면, 입자상 물질은 튜브의 내부 격벽을 따라 퇴적된다.1 is a cross-sectional view of a conventional cordierite substrate incorporating a honeycomb structure. The honeycomb structure 302 is formed in the cordierite filter element 300. The cut structure 302 is formed using an extrusion process in which long channels (or tubes) in which the major axis is parallel to the compression action are created. The openings in these channels face the incoming exhaust gas stream. As the discharge enters the channel, particulate matter is deposited along the inner partition of the tube.

도 2a 및 2b는 종래의 코디어라이트 기재의 현미경 사진이다. 도 2b에서, 구체(shpere)(210)는 PM-10 크기의 입자를 나타내고, 구체(225)는 PM-2.5 크기의 입자를 나타낸다.2A and 2B are micrographs of a conventional cordierite substrate. In FIG. 2B, the sphere 210 represents PM-10 sized particles, and the sphere 225 represents PM-2.5 sized particles.

도 3은 PM10 입자를 나타내는 구체(210) 및 PM2.5 입자를 나타내는 제2 구체(225)를 포함하는 코디어라이트(205)의 현미경 사진이다.3 is a micrograph of cordierite 205 including a sphere 210 representing PM10 particles and a second sphere 225 representing PM2.5 particles.

도 4a는 전형적인 촉매 전환기 개략도의 길이 방향 단면도이다. 촉매 전환기(400)는 환원성 촉매(402) 및 산화성 촉매(404)를 포함한다. 배기 가스 흐름(406)이 촉매 전환기(400)에 유입되면, 여과되고 환원성 촉매(102)에 노출된 다음, 산화성 촉매(404)에 노출된다. 이어서, 배기 가스 흐름(406)은 산화성 촉매(404)에 의해 처리되어 미연소 탄화수소 및 일산화탄소를 추가로 소각시킨다.4A is a longitudinal cross-sectional view of a typical catalytic converter schematic. Catalytic converter 400 includes a reducing catalyst 402 and an oxidative catalyst 404. As the exhaust gas stream 406 enters the catalytic converter 400, it is filtered and exposed to the reducing catalyst 102 and then to the oxidative catalyst 404. The exhaust gas stream 406 is then treated by an oxidative catalyst 404 to further incinerate unburned hydrocarbons and carbon monoxide.

도 4b는 촉매 전환기의 개략도이다.4B is a schematic diagram of a catalytic converter.

도 5는 상이한 전면 형상을 가진 세 가지 기재의 개략적인 단면도이다.5 is a schematic cross-sectional view of three substrates with different front shapes.

도 6은 촉매 기재 또는 여과 기재의 유통 구성(flow-through configuration)의 예를 나타내는 개략도이다. 기재는 채널벽(620)으로 형성된 복수의 채널(610)을 가진다. 유체 흐름(630)은 전면으로 유입되고, 채널(610)을 통해 이동하여 후면으로 배출된다.6 is a schematic diagram showing an example of a flow-through configuration of a catalyst substrate or a filtration substrate. The substrate has a plurality of channels 610 formed of channel walls 620. Fluid flow 630 flows into the front, moves through channel 610 and exits to the back.

도 7은 촉매 기재 또는 여과 기재의 벽-통과(wall-through) 구성의 예를 나타내는 개략도이다. 벽-유동(wall-flow) 패턴은 채널(710)이 다른 측면으로 완전히 연결되지 않은 것 이외에는 동일한 기재 재료(720) 및 채널(710)로 이루어져 있다. 대신에, 채널(710)은 블라인드 홀로서 형성되어, 채널(710)의 단부에 기재의 막힌 부분(740)을 남긴다. 유체 흐름(730)은 기재의 후면에서 배출되기 전에 채널벽(720)을 통과한다. 본 발명의 특별한 이점 중 하나는 벽-유동 패턴에서 유체 흐름(730)은 유통 패턴과 실질적으로 동일한 특징을 가진다는 점이다.7 is a schematic diagram illustrating an example of a wall-through configuration of a catalyst substrate or a filtration substrate. The wall-flow pattern consists of the same substrate material 720 and channel 710 except that the channel 710 is not fully connected to the other side. Instead, the channel 710 is formed as a blind hole, leaving a blocked portion 740 of the substrate at the end of the channel 710. Fluid flow 730 passes through channel wall 720 before exiting from the backside of the substrate. One particular advantage of the present invention is that the fluid flow 730 in the wall-flow pattern has substantially the same characteristics as the flow pattern.

도 8은 촉매 기재 또는 여과 기재의 벽-통과 구성의 예를 나타내는 개략도이다. 이 예에서, 유체 흐름(830)은 기재의 전면에서 유입된다. 유체 중 일부는 몇몇 채널의 막힌 부분(845)을 통해 흐름으로써 기재의 후면으로 배출된다.8 is a schematic diagram illustrating an example of a wall-pass configuration of a catalyst substrate or a filtration substrate. In this example, fluid flow 830 is introduced at the front of the substrate. Some of the fluid is discharged to the backside of the substrate by flowing through the blocked portion 845 of some channels.

도 9는 벽 유동 채널을 사용하는 기재(900)의 실시예에 대한 끝면도이다. 교대하는 채널들이 입구와 출구 중 어느 하나에서 막힌 부분(920)을 가진다. 뚫린 채널(910)은 반대측으로부터 뚫린 채널들 중 막힌 부분(920)과 교대로 형성된다. 그 결과, 기재는 "바둑판" 패턴의 채널을 가진 것으로 보인다.9 is an end view of an embodiment of a substrate 900 using wall flow channels. The alternating channels have a blocked portion 920 at either the inlet or the outlet. The drilled channel 910 is alternately formed with the blocked portion 920 of the channels drilled from the opposite side. As a result, the substrate appears to have a channel of "checkerboard" pattern.

도 10a～10d는 전방 표면적(1020, 1021, 1022, 1023)을 비교하는 도면으로서, 셀 번호(1010, 1011, 1012, 1013)가 나타나 있다. 도 10a와 10c의 비교에서, 각 실시예는 동일한 셀 밀도, 즉 채널 또는 셀의 수를 가진다. 그러나, 도 10c는 훨씬 높은 전방 표면적을 갖는다. 이상적으로는, 전방 표면적은 구조적 일체성이 유지되도록 최소화된다. 동일한 비교가 도 10b와 10d의 실시예 사이에도 이루어질 수 있다. 도 10a～10d에 관하여, 도 10b의 실시예가 바람직한 구조를 가진다; 즉 셀 밀도는 최대화되고 전방 표면적은 최소화되어 있다.10A to 10D are diagrams for comparing the front surface areas 1020, 1021, 1022, and 1023, and the cell numbers 1010, 1011, 1012, and 1013 are shown. In the comparison of FIGS. 10A and 10C, each embodiment has the same cell density, that is, the number of channels or cells. However, Figure 10C has a much higher front surface area. Ideally, the front surface area is minimized to maintain structural integrity. The same comparison can be made between the embodiments of FIGS. 10B and 10D. With respect to FIGS. 10A-10D, the embodiment of FIG. 10B has a preferred structure; The cell density is maximized and the front surface area is minimized.

도 11은 정사각형 채널의 실시예를 일정한 비율로 나타낸다. 이 실시예에서, 셀 공극(1110) 대 셀 벽(1120)의 비는 31.83:1.5 또는 대략 20:1이다.11 shows an embodiment of a square channel at a constant rate. In this embodiment, the ratio of cell voids 1110 to cell walls 1120 is 31.83: 1.5 or approximately 20: 1.

도 12는 일정한 비율로 나타낸 예시적인 셀 공극 대 셀 벽의 비를 가진 기재(1210)의 실시예를 나타낸다. 기재(1210)는 길이와 폭이 4 평방 인치이고, 1/8"×1/8" 크기의 4개의 정사각형(1220, 1221, 1222, 1223)을 포함한다. 4개의 정사각형(1220, 1221, 1222, 1223)은 전체 기재 셀 밀도 3600에 대해 각각 900의 셀 밀도를 갖도록 뚫려 있다. 셀간의 벽 두께는 1.5 mil이다. 기재(1210) 상의 각각의 정사각형(1220, 1221, 1222, 1223) 사이의 간격은 7.8 인치이고, 정사각형(1220, 1221, 1222, 1223)은 각각 기재(1210)의 근접 에지로부터 약 7/16 인치 떨어져 있다.12 illustrates an embodiment of substrate 1210 having an exemplary ratio of cell voids to cell walls, shown at a constant rate. Substrate 1210 is four square inches in length and width, and includes four squares 1220, 1221, 1222, 1223, each 1/8 "x 1/8". Four squares 1220, 1221, 1222, 1223 are drilled to have a cell density of 900 for the total substrate cell density 3600, respectively. The wall thickness between cells is 1.5 mils. The spacing between each square 1220, 1221, 1222, 1223 on the substrate 1210 is 7.8 inches, and the squares 1220, 1221, 1222, 1223 are each about 7/16 inches from the proximal edge of the substrate 1210. Away.

도 13a～13c는 채널 구조의 여러 가지 실시예를 나타낸다. 도 13a～13c는 각각 육각형 채널(1310), 삼각형 채널(1320) 및 정사각형 채널(1330)을 나타낸다. 채널(1310, 1320, 13300의 벽(1315, 1325, 1335)이 실질적으로 상호 평행하기 때문에, 이들 실시예는 본 발명을 성공적으로 수행할 수 있다.13A to 13C illustrate various embodiments of a channel structure. 13A-13C show hexagonal channel 1310, triangular channel 1320, and square channel 1330, respectively. Because the walls 1315, 1325, 1335 of the channels 1310, 1320, 13300 are substantially parallel to each other, these embodiments can successfully carry out the present invention.

도 14는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 도시된 현미경 사진은 기재(1415, 1416, 1417, 1418)에 있는 직사각형 채널(1410, 1411, 1412, 1413)의 실질적으로 유사한 치수를 나타낸다. 도 14c 및 14d는 재료에 존재하는 섬유(1420, 1421)를 나타낸다. 이들 섬유는 종래 시스템에서의 코디어라이트의 작은 판(platelet)보다 우수한 다공도를 나타낸다.14 shows an embodiment of the present invention. The micrographs shown represent substantially similar dimensions of the rectangular channels 1410, 1411, 1412, 1413 in the substrates 1415, 1416, 1417, 1418. 14C and 14D show fibers 1420 and 1421 present in the material. These fibers show better porosity than the small platelets of cordierite in conventional systems.

도 15는 본 발명의 촉매 또는 여과 기재를 제조하는 조합된 방법에서 사용될 수 있는 빗살(comb)(1500)의 2차원 도면이다.FIG. 15 is a two dimensional view of a comb 1500 that may be used in the combined method of making the catalyst or filtration substrate of the present invention.

도 16은 본 발명의 특정 실시예에서 사용될 수 있는 빗살(1600)(또는 그의 일부분)을 여러 가지로 나타내는 도면이다. 도 16은 또한 빗살(1600)의 물리적 치수를 인치 단위로 예시한다.FIG. 16 is a diagram of various representations of comb teeth 1600 (or portions thereof) that may be used in certain embodiments of the present invention. 16 also illustrates the physical dimensions of comb 1600 in inches.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 필터 엘리먼트에 형성될 수 있는 표면적 증대 방법, 유입 및 유출관의 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 17은 전면에 있는 채널 개구부(1702)로 유체 유동(1704)이 유입되는 것을 나타낸다. 유체는 오른쪽에 있는 기재의 후면(1704)으로 배출된다. 도 17에 도시된 기재는 벽-유동 구성을 가진 기재를 예시하며, 여기서 채널의 크기는 채널이 개구부로부터 기재를 통하여 채널 말단 방향으로 갈수록 점차 감소된다.17 is a schematic representation of a surface area increasing method, inlet and outlet tubes that may be formed in a filter element according to an embodiment of the invention. 17 shows the flow of fluid 1704 into the channel opening 1702 at the front. The fluid is discharged to the back side 1704 of the substrate on the right side. The substrate shown in FIG. 17 illustrates a substrate having a wall-flow configuration, where the size of the channel decreases gradually as the channel goes from the opening toward the channel end through the substrate.

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 기재의 길이 방향 사진이다. 본 발명의 필터 기재(1800)가 도시되어 있다. 상기 기재(1800)는 외벽(1802)에 경질 코팅(1804)을 가진다. 도 18에 도시된 샘플에 있어서, 경질 코팅은 미분된 코디어라이트 및 무기질 섬유로 이루어진다. 필터의 기초(1800) 상에는 또한 분말이 도포되고 본 명세서에 기재된 바와 같이 경화된다. 경질 코팅은 치수를 변화시키지 않 으면서 필터의 기초를 보호하고 단열시킨다.18 is a longitudinal photograph of a substrate according to an embodiment of the present invention. The filter substrate 1800 of the present invention is shown. The substrate 1800 has a hard coating 1804 on the outer wall 1802. In the sample shown in FIG. 18, the hard coating consists of finely divided cordierite and inorganic fibers. Powder is also applied onto the base 1800 of the filter and cured as described herein. Hard coatings protect and insulate the foundation of the filter without changing the dimensions.

도 19는 여러 가지 온도에서 입자상 물질을 소각하는 데 필요한 체류 시간에 관한 그래프이다. 도 19는 여러 가지 온도에서 입자상 물질(검댕 매스)를 연소 또는 소각하는 데 필요한 체류 시간을 제공한다. 도시된 바와 같이, 600 °K에서 초기에 0.9 검댕 매스를 가진 검댕 매스를 연소 또는 소각하는 데 필요한 체류 시간은 1200 °K에서의 체류 시간보다 훨씬 길다.19 is a graph of the residence time required to incinerate particulate matter at various temperatures. 19 provides the residence time required to burn or incinerate particulate matter (soot mass) at various temperatures. As shown, the residence time required to burn or incinerate soot mass with 0.9 soot mass initially at 600 ° K is much longer than the residence time at 1200 ° K.

도 20은 와이어 매쉬 가열 엘리먼트(2004)와 결합된 기재(2002)를 포함하는 배기 가스 기재 시스템(2000)을 나타낸다. 기재(2002) 및 와이어 매쉬 가열 엘리먼트(2004)는 배기 흐름에 비해 소정의 각도로 배기 케이싱(2006) 내에 삽입되어 있다. 와이어 매쉬 가열 엘리먼트(2004)는 상기 각도로 인해 기재(2002)의 후방 아래에 설치되기 때문에, 기재(2002)는 공지된 열 상승 원리를 이용하여 보다 효율적이고 균일하게 가열될 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 보다 균일하고 효율적인 가열에 의해 기재(2002)는 보다 완벽하게 입자상 물질을 연소 또는 소각시킬 수 있으며, 보다 청정한 배기가 이루어진다.20 shows an exhaust gas substrate system 2000 that includes a substrate 2002 associated with a wire mesh heating element 2004. Substrate 2002 and wire mesh heating element 2004 are inserted into exhaust casing 2006 at an angle relative to the exhaust flow. Because the wire mesh heating element 2004 is installed below the back of the substrate 2002 due to the angle, the substrate 2002 can be heated more efficiently and uniformly using the known heat rising principle. As mentioned above, more uniform and efficient heating allows the substrate 2002 to burn or incinerate particulate matter more completely, resulting in cleaner exhaust.

도 21은 도 9와 관련하여 기재되고 언급된 필터 엘리먼트(2102) 및 와이어 매쉬 가열 엘리먼트(2104)의 정면도이다. 도시된 바와 같이, 필터 엘리먼트(2102) 및 와이어 매쉬 가열 엘리먼트(2104)는 소정의 각도로 케이싱에 끼워지도록 타원형으로 되어 있다. 케이싱의 형상, 필터 엘리먼트(2102)의 형상, 가열 엘리먼트(2104)의 형태 및 각도는 모두, 의도한 배기 시스템 응용의 요건 및 제한에 맞추어 변경될 수 있다.FIG. 21 is a front view of the filter element 2102 and the wire mesh heating element 2104 described and mentioned in connection with FIG. 9. As shown, the filter element 2102 and the wire mesh heating element 2104 are oval to fit the casing at a predetermined angle. The shape of the casing, the shape of the filter element 2102, the shape and angle of the heating element 2104 can all be modified to suit the requirements and limitations of the intended exhaust system application.

도 22a는 본 발명의 기재, 구체적으로는 AETB의 현미경 사진이다.22A is a micrograph of the substrate of the present invention, specifically AETB.

도 22b는 본 발명의 기재, 구체적으로는 AETB의 현미경 사진이다. 섬유(2205)를 볼 수 있다. 구체(2210)는 PM-10 크기의 입자를 나타내고, 구체(2225)는 PM-2.5 크기의 입자를 나타낸다.22B is a micrograph of the substrate of the present invention, specifically AETB. Fiber 2205 can be seen. Sphere 2210 represents particles of PM-10 size, and spheres 2225 represent particles of PM-2.5 size.

도 23은 다음 7종의 테스트 재료에 대한 가스 시간당 공간 속도(hr^-1)의 함수로서 압력 강하(delta P)를 나타내는 그래프이다: Corning 200/12 DPT 932 F(2340); 600 cpsi, 6 mil 벽두께 및 11 lb/ft³, 1100 F를 가진 AETB-11(2310); 6 mil 벽두께 및 11 lb/ft³, 932 F를 가진 AETB-11(2320); 6 mil 벽두께 및 11 lb/ft³, 662 F를 가진 AETB-11(2330); 1100 F를 가진 코디어라이트(2350); 932 F를 가진 코디어라이트(2360); 662 F를 가진 코디어라이트(2370).FIG. 23 is a graph showing pressure drop (delta P) as a function of gas hourly space velocity (hr ⁻¹ ) for the following seven test materials: Corning 200/12 DPT 932 F (2340); AETB-11 (2310) with 600 cpsi, 6 mil wall thickness and 11 lb / ft ³ , 1100 F; AETB-11 (2320) with 6 mil wall thickness and 11 lb / ft ³ , 932 F; AETB-11 (2330) with 6 mil wall thickness and 11 lb / ft ³ , 662 F; Cordierite 2350 with 1100 F; Cordierite 2360 with 932 F; Cordierite 2370 with 662 F.

도 24는 온도에 따른 파괴율 %를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 기재(2410)는 코디어라이트 기재(2420)보다 낮은 온도에서 재료의 더 큰 파괴율을 나타낸다.24 is a graph showing the percent failure rate with temperature. Substrate 2410 of the present invention exhibits a greater rate of failure of the material at lower temperatures than cordierite substrate 2420.

도 25는 본 발명의 촉매 전환기의 실시예를 나타내는 단면도이다. 이 실시예에서, 촉매 전환기는 견고한 내열성 케이싱(2502)를 포함한다. 케이싱(2502)은 흡입구(2504) 및 배기구(2506)를 가진다. 본 발명의 기재(2510)는 하나 또는 복수의 존(zone)(2512, 2514)을 가진다. 본 발명의 기재(2510)는 하나 이상의 매팅/단열(matting/insulation)층(2515) 내에 둘러싸여 있다. 매팅층(2515)은 엔진 및 이 동 환경의 진동 충격으로부터 기초(2510)를 차폐하고 또한 필터 기초(2510)의 내부 온도로부터 외부 환경을 단열하기 위해, 필터 기초(2510)에 적용될 수 있다.25 is a cross-sectional view showing an embodiment of the catalytic converter of the present invention. In this embodiment, the catalytic converter comprises a rigid heat resistant casing 2502. Casing 2502 has an inlet 2504 and an exhaust 2506. The substrate 2510 of the present invention has one or a plurality of zones 2512 and 2514. The substrate 2510 of the present invention is enclosed in one or more matting / insulation layers 2515. The mating layer 2515 may be applied to the filter foundation 2510 to shield the foundation 2510 from vibration shocks of the engine and mobile environment and to insulate the external environment from the internal temperature of the filter foundation 2510.

도 26은 평행 상태로 배열된 4개의 기재(2601a, 2601b, 2601c, 2601d)을 가진 촉매 전환기 또는 입자 필터(2600)의 개략도이다. 상기 필터 또는 전환기는 전방 개구부(2604) 및 후방 배출구(2605)를 가진다.FIG. 26 is a schematic diagram of a catalytic converter or particle filter 2600 having four substrates 2601a, 2601b, 2601c, 2601d arranged in parallel. The filter or diverter has a front opening 2604 and a rear outlet 2605.

도 27a～27c는 적층된 멤브레인 형상의 기재(2710)를 가진 촉매 전환기 또는 입자 필터(2700)를 나타내는 도면이다. 입구(2720) 및 출구(2730)는 상이한 높이로 형성되어 있다. 도 27b 및 27c는 다른 실시예를 나타낸다.27A to 27C show a catalytic converter or particle filter 2700 having a laminated membrane-like substrate 2710. Inlet 2720 and outlet 2730 are formed at different heights. 27B and 27C show another embodiment.

개요summary

본 발명은 일 실시예에 있어서, 촉매 전환기에 사용되는 기재를 포함하는 여러 가지 응용분야에서 사용하기에 적합한 촉매 기재를 제공하려는 것이다. 본 발명의 또 다른 태양은 디젤 입자 필터(DPF) 또는 디젤 입자 트랩(DPT)와 같은 입자 필터에 사용되는 기재를 포함하는 여러 가지 응용분야에서 사용하기에 적합한 여과 기재이다. 본 발명은 또한 연소 엔진의 배기 가스로부터 오염물의 제거 및/또는 배제를 위한 개선된 기재를 제공한다. 상기 촉매 기재 및 여과 기재는, 일 실시예에 있어서, 배기 가스로부터 오염물의 제거에 개선점을 제공한다. 상기 개선점은, 제한되지 않지만, 다음 중 하나 이상을 포함한다: 보다 빠른 착화 시간, PM의 증가된 심층 여과, 낮은 역압력, 낮은 확률의 막힘, 매니폴드 또는 헤드 자체를 포함하는 배기 시스템에서의 다중 위치에 설치될 수 있는 능력의 증가, 높은 확률의 촉매 반응, NO_x, HC 및 CO의 높은 전환율, PM의 빠른 소각, 촉매 재료 사용의 최소화, 후처리 배기 시스템의 감소된 중량, 등.In one embodiment, the present invention seeks to provide a catalyst substrate suitable for use in a variety of applications, including substrates used in catalytic converters. Another aspect of the invention is a filtration substrate suitable for use in a variety of applications, including substrates used in particle filters such as diesel particle filters (DPF) or diesel particle traps (DPT). The present invention also provides an improved substrate for the removal and / or exclusion of contaminants from exhaust gases of combustion engines. The catalyst substrate and the filtration substrate, in one embodiment, provide an improvement in the removal of contaminants from the exhaust gas. Such improvements include, but are not limited to, one or more of the following: faster ignition time, increased depth filtration of PM, lower back pressure, lower probability of blockage, multiple in an exhaust system including the manifold or the head itself. Increased ability to be installed at the site, high probability of catalytic reaction, high conversion of NO _x , HC and CO, rapid incineration of PM, minimization of catalyst material use, reduced weight of aftertreatment exhaust system, etc.

본 발명의 다른 실시예는 촉매 전환기, 입자 필터, 디젤 입자 필터, 디젤 입자 트랩 등을 포함한다. 본 발명은 또한 촉매 기재와 여과 기재, 촉매 전환기, 입자 필터, 촉매 머플러 및 배기 시스템의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시예는 프리-캣, 백-캣, 헤드-캣 및 매니-캣을 포함하며, 그 각각은 본 발명의 기재를 포함한다. 이외에도, 본 발명은, 다른 실시예에서 여기에 기재된 방법에 따라 제조된 기재를 제공한다.Other embodiments of the present invention include catalytic converters, particle filters, diesel particle filters, diesel particle traps, and the like. The invention also provides a process for producing a catalyst substrate and a filtration substrate, a catalytic converter, a particle filter, a catalyst muffler and an exhaust system. Other embodiments of the present invention include pre-cats, back-cats, head-cats and mani-cats, each of which includes a description of the present invention. In addition, the present invention provides a substrate prepared according to the method described herein in another embodiment.

또 다른 태양에서, 본 발명은 다음 속성 중 하나 이상을 제공하는 촉매 기재 또는 여과 기재를 포함한다: 보다 빠른 착화 시간, PM의 증가된 심층 여과, 낮은 역압력, 낮은 확률의 막힘, 매니폴드 또는 헤드 자체를 포함하는 배기 시스템에서의 다중 위치에 설치될 수 있는 능력의 증가, 높은 확률의 촉매 반응, NO_x, HC 및 CO의 높은 전환율, PM의 빠른 소각, 소요되는 촉매 재료의 보다 적은 양, 콜드 스타트에서의 빠른 착화, 기재의 낮은 외벽 온도, 등.In another aspect, the present invention includes a catalyst substrate or filtration substrate that provides one or more of the following attributes: faster ignition time, increased depth filtration of PM, low back pressure, low probability of clogging, manifold or head Increased ability to be installed in multiple locations in self-contained exhaust systems, high probability catalytic reaction, high conversion of NO _x , HC and CO, fast incineration of PM, less amount of catalyst material required, cold Fast ignition at start, low outer wall temperature of substrate, etc.

본 발명의 기재, 촉매 전환기, 입자 필터 또는 배기 시스템을 이용함으로써 종래 기술에 비해 여러 가지 이점 및 개선점이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 이러한 개선된 촉매 전환기 및/또는 입자 필터는, 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 여러 가지 특수한 이점을 가지고 연소 엔진의 배기로부터 오염물을 제거 및/또는 배제할 수 있다. 개선된 배기 시스템도 마찬가지로 여기에 기재되는 본 발명의 부가적 태양이다. 개선된 배기 시스템은 가동되는 엔진으로부터 방출되는 오염물의 양을 감소시킨다.The use of the substrate, catalytic converter, particle filter or exhaust system of the present invention provides several advantages and improvements over the prior art. In one embodiment, such an improved catalytic converter and / or particle filter can remove and / or exclude contaminants from the exhaust of a combustion engine with several special advantages, which are described in more detail below. The improved exhaust system is likewise an additional aspect of the invention described herein. The improved exhaust system reduces the amount of contaminants emitted from running engines.

본 발명은 비제한적 실시예를 포함하여 이하에서 보다 구체적으로 설명된다. 여기에 언급되는 실시예는 단지 예시적인 목적을 위한 것이다. 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.The invention is described in more detail below, including non-limiting examples. The embodiments mentioned herein are for illustrative purposes only. The present invention is not limited to these examples.

촉매 기재Catalyst base

본 발명은, 여기에 기재된 바와 같이, 촉매 전환기, 입자 필터 및 그와 관련된 장치에서 사용할 수 있는, 부직포형 소결 내화성 섬유상 세라믹(nSiRF-C) 복합체를 포함하거나, 또는 그것으로 구성되거나, 본질적으로 구성되는 촉매 기재를 제공한다. 상기 촉매 기재는 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. nSiRF-C 복합체는 여기에 기재되는 용도에 적합한 형태로 성형될 수 있다.The present invention comprises, consists of, or consists essentially of a nonwoven sintered refractory fibrous ceramic (nSiRF-C) composite, which may be used in catalytic converters, particle filters, and related devices, as described herein. It provides a catalyst substrate. It is preferable that the said catalyst base material contains a catalyst. The nSiRF-C composite can be molded into a form suitable for the uses described herein.

nSiRF-C 복합체는 부직포형이다. 일 실시예에 있어서, nSiRF-C 복합체는 명확하고 견고한 3차원 형상을 가진 재료이다. nSiRF-C 복합체는 정리된 패턴으로 배열되어 있지 않고 무작위, 무계획적으로 전방향(omnidirectional) 상태로 3차원 배열되어 있다. 일부 실시예에서, nSiRF-C 복합체는 매트릭스 형태로 되어 있다.The nSiRF-C composite is nonwoven. In one embodiment, the nSiRF-C composite is a material having a clear, solid three-dimensional shape. The nSiRF-C complexes are not arranged in a neat pattern, but are randomly and unintentionally omnidirectional in three dimensions. In some embodiments, the nSiRF-C complex is in matrix form.

nSiRF-C는 소결된 복합체이다. 일 실시예에서, 소결된 복합체는 용융시키지 않는 가열에 의해 형성된 응집성 매스(cohesive mass)이다. 그러나, 세라믹 재료의 소결 방법은 종래 기술에 잘 알려져 있으므로, 본 발명의 범위는 여기에 기재된 특수한 실시예 및 설명에 반드시 한정되는 것은 아니다. 소결은 수지 잔사 없이 결합을 샹성한다. 본 발명을 참조하면, 소결된 세라믹은 용융시키지 않는 가열에 의해 형성된 분산된 섬유의 응집성 매스이다.nSiRF-C is a sintered composite. In one embodiment, the sintered composite is a cohesive mass formed by heating without melting. However, since the sintering method of ceramic materials is well known in the prior art, the scope of the present invention is not necessarily limited to the specific examples and descriptions described herein. Sintering off bonds without resin residue. With reference to the present invention, a sintered ceramic is a coherent mass of dispersed fibers formed by heating without melting.

nSiRF-C는 내화성 섬유상 세라믹 복합체이다. 특정한 실시예의 nSiRF-C는 본 명세서의 비제한적 실시예에 예시된 바와 같은, 다양한 길이와 조성으로 이루어진 높은 등급의 내화성 섬유로 구성된다.nSiRF-C is a refractory fibrous ceramic composite. Particular examples of nSiRF-C consist of high grade fire resistant fibers of various lengths and compositions, as illustrated in the non-limiting examples herein.

일 실시예에서, 본 발명은 여기에 기재된 바와 같은 여러 가지 응용분야에서 사용하기에 적합한 촉매 기재를 제공하려는 것이다. 그러한 기재는 여기에 기재된 속성 중 하나 이상, 바람직하게는 복수의 속성을 가진 여러 가지 재료를 포함한다. 본 발명의 기재는 내화성 등급의 섬유로부터 만들어지는 부직포형, 섬유상 세라믹 복합체로 만들어진다. 그러한 재료는 미국 특허 제4,148,962호에 개시되어 있으며, 상기 특허는 그 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다. 그 밖의 적합한 재료는 미국 특허 제3,953,083호에 개시되어 있다.In one embodiment, the present invention seeks to provide a catalyst substrate suitable for use in various applications as described herein. Such substrates include various materials having one or more of the attributes described herein, preferably a plurality of attributes. The substrate of the present invention is made of a nonwoven, fibrous ceramic composite made from fire resistant grade fibers. Such materials are disclosed in US Pat. No. 4,148,962, which is incorporated herein by reference in its entirety. Other suitable materials are disclosed in US Pat. No. 3,953,083.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 당업자에게 잘 알려진 알루미나 강화 열 장벽("AETB") 재료 또는 그와 유사한 재료를 포함하거나, 또는 그것으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다. AETB 재료는 해당 기술 분야에 알려져 있으며, 하기 문헌에 보다 충실히 설명되어 있으며 하기 문헌은 원용되어 본 명세서에 포함된다: Leiser et al., "Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields", Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, No. 7-8, pp. 757-768(1985) 및 Leiser et al., "Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials", NASA CA 2357, pp. 231-244(1984).In one embodiment, the catalyst substrate of the present invention comprises, consists of, or consists essentially of an alumina reinforced thermal barrier ("AETB") material or similar material well known to those skilled in the art. AETB materials are known in the art and are more fully described in the following documents and are incorporated herein by reference: Leiser et al., "Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields", Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6 , No. 7-8, pp. 757-768 (1985) and Leiser et al., "Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials", NASA CA 2357, pp. 231-244 (1984).

또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 인성을 높인 단일체 섬유상 단열재(toughened unipiece fibrous insulation; TUFI) 및/또는 반응 경화 유리(reaction cured glass; RCG) 코팅을 구비한 알루미나 강화 열 장벽(AETB)과 같은 세라믹 타일을 포함한다. 상기 재료는 해당 기술에 알려져 있다.In another embodiment, the catalyst substrate is a ceramic such as alumina reinforced thermal barrier (AETB) with toughened unipiece fibrous insulation (TUFI) and / or reaction cured glass (RCG) coating. It includes a tile. Such materials are known in the art.

또 다른 적합한 재료는 섬유상 내화성 세라믹 단열재(fibrous refractory ceramic insulation; FRCI)이다. 일 실시예에서, AETB는 알루미나보리아실리카(알루미나-보리아-실리카, 알루미노보로실리케이트 및 알루미노보리아실리케이트로도 알려져 있음) 섬유, 실리카 섬유 및 알루미나 섬유로부터 만들어진다. AETB용으로 보편적으로 알려진 한 가지 응용은, 우주 왕복선 재진입용으로 이상적인 우주 왕복선 외벽의 타일이다. AETB는 높은 융점, 낮은 열 전도도와 열팽창 계수, 열충격과 진동 충격에 대한 내구성, 낮은 밀도 및 매우 높은 다공도와 투과성을 가진다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 촉매 기재는 높은 융점, 낮은 열 전도도와 열팽창 계수, 열충격과 진동 충격에 대한 내구성, 낮은 밀도 및 매우 높은 다공도 및 높은 투과성을 가진다. Another suitable material is fibrous refractory ceramic insulation (FRCI). In one embodiment, AETB is made from alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate and aluminoboria silicate) fibers, silica fibers and alumina fibers. One application commonly known for AETB is a tile on the outer wall of a space shuttle, which is ideal for space shuttle reentry. AETB has high melting point, low thermal conductivity and coefficient of thermal expansion, durability against thermal shock and vibration impact, low density and very high porosity and permeability. Thus, in a preferred embodiment, the catalyst substrate has high melting point, low thermal conductivity and coefficient of thermal expansion, durability against thermal shock and vibration shock, low density and very high porosity and high permeability.

일 실시예에서, AETB의 제1 성분은 알루미나 섬유이다. 본 발명의 바람직한 예에서, 알루미나(Al₂O₃ 또는 산화알루미늄, 예컨대 SAFFIL)은 전형적으로 상업적 형태에서 약 95～97 중량%의 알루미나와 약 3～5 중량%의 실리카로 이루어진다. 또 다른 실시예에서, 예를 들면 90%, 92%, 및 94%로 더 낮은 순도를 가진 알루미나도 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 더 높은 순도를 가진 알루미나도 사용할 수 있다. 알루미나는 압출 또는 스피닝(spinning)에 의해 제조될 수 있다. 먼저, 전구체 종(precursor species)의 용액을 제조한다. 예를 들면 pH의 조작에 의해 서서히 점진적인 중합 공정이 개시되고, 그 결과 개별적인 전구체 분자가 결합하여 큰 분자를 형성한다. 이 공정이 진행됨에 따라, 평균 분자량/분자크기가 증대됨으로써, 시간이 경과하면서 용액의 점도가 증가된다. 점도가 약 10 cp에 도달했을 때, 용액은 약간 점착성으로 변하여 섬유가 드로잉 또는 방사될 수 있게 된다. 이 상태에서 섬유는 다이를 통해 압출될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 섬유의 평균 직경은 약 1～6 ㎛ 범위이지만, 이보다 크거나 작은 직경의 섬유도 본 발명에 적합하다. 예를 들어, 다른 실시예에서 섬유 직경은 1～50 ㎛, 바람직하게는 1～25 ㎛, 보다 바람직하게는 1～10 ㎛이다.In one embodiment, the first component of AETB is alumina fiber. In a preferred embodiment of the present invention, alumina (Al ₂ O ₃ or aluminum oxide such as SAFFIL) typically consists of about 95-97 wt% alumina and about 3-5 wt% silica in commercial form. In another embodiment, alumina with lower purity may be used, for example 90%, 92%, and 94%. In other embodiments, higher purity alumina may also be used. Alumina can be produced by extrusion or spinning. First, a solution of precursor species is prepared. For example, a gradually gradual polymerization process is initiated by manipulation of the pH, with the result that individual precursor molecules combine to form large molecules. As this process proceeds, the average molecular weight / molecular size increases, thereby increasing the viscosity of the solution over time. When the viscosity reaches about 10 cps, the solution turns slightly tacky so that the fibers can be drawn or spun. In this state, the fibers may be extruded through a die. In one embodiment, the average diameter of the fibers ranges from about 1-6 μm, but larger or smaller diameter fibers are also suitable for the present invention. For example, in another embodiment the fiber diameter is 1-50 μm, preferably 1-25 μm, more preferably 1-10 μm.

일 실시예에서, AETB의 제2 성분은 실리카 섬유이다. 일 실시예에 있어서, 실리카(SiO₂, 예컨대 Q-섬유 또는 석영 섬유)는 불순물 레벨이 매우 낮은 비정질 실리카를 99.5 중량%보다 많이 함유한다. 더 낮은 순도, 예컨대 90%, 95% 및 97%의 실리카도 본 발명에 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 낮은 밀도(예; 2.1～2.2 g/㎤), 높은 내화성(1,600℃), 낮은 열 전도도(약 0.1 W/m-K), 및 영(0)에 가까운 열팽창을 가진 비정질 실리카가 사용된다.In one embodiment, the second component of AETB is silica fiber. In one embodiment, silica (SiO ₂ , such as Q-fibers or quartz fibers) contains more than 99.5% by weight of amorphous silica with very low impurity levels. Lower purity such as 90%, 95% and 97% silica can also be used in the present invention. In one embodiment, amorphous silica having low density (eg, 2.1-2.2 g / cm 3), high fire resistance (1,600 ° C.), low thermal conductivity (about 0.1 W / mK), and near zero thermal expansion Used.

일 실시예에서, AETB의 제3 성분은 알루미나보리아실리카 섬유이다. 경우에 따라서는, 알루미나보리아실리카 섬유(3Al₂O₃ㆍ2SiO₂ㆍB₂O₃, 예; NEXTEL 312)는 전형적으로 알루미나 62.5 중량%, 실리카 24.5 중량%, 및 보리아 13 중량%이다. 물론, 상기 알루미나보리아실리카의 성분의 정확한 퍼센트는 변동될 수 있다. 이것은 대체로 비정질 제품이지만 결정질 멀라이트를 함유할 수 있다. 적합한 알루미나보리아실리카 섬유 및 그의 제조 방법은 예를 들면 미국 특허 제3,795,524호에 개시되어 있고, 상기 특허의 교시는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.In one embodiment, the third component of AETB is alumina boria silica fibers. In some cases, alumina boria silica fibers (3Al ₂ O ₃ and 2SiO ₂ and B ₂ O _3, for example; NEXTEL 312) is typically of alumina and 62.5% by weight silica, 24.5% by weight, and boria 13% by weight. Of course, the exact percentage of the components of the alumina boria silica can vary. It is largely an amorphous product but may contain crystalline mullite. Suitable alumina boria silica fibers and methods of making them are disclosed, for example, in US Pat. No. 3,795,524, the teachings of which are incorporated herein by reference in their entirety.

본 발명의 기재로서 사용하기에 적합한 또 다른 재료는 Orbital Ceramics사(미국 캘리포니아주 발렌시아 소재)로부터 입수할 수 있는 오비탈 세라믹스 열 장벽(Orbital Ceramics Thermal Barrier; OCTB)을 포함한다.Another material suitable for use as the substrate of the present invention includes an Orbital Ceramics Thermal Barrier (OCTB) available from Orbital Ceramics (Valencia, CA).

본 발명에서 nSiRF-C로서 사용하기에 적합한 다른 재료는 다음을 포함한다: AETB-12(약 20%의 Al₂O₃, 약 12%(14% B₂O₃, 72% Al₂O₃, 14% SiO₂; NEXTEL^TM 섬유), 및 약 68% SiO₂의 조성을 가짐); AETB-8(약 20%의 Al₂O₃, 약 12%(14% B₂O₃, 72% Al₂O₃, 14% SiO₂; NEXTEL^TM 섬유), 및 약 68% SiO₂의 조성을 가짐); FRCI-12(약 78 중량% 실리카(SiO₂) 및 22 중량% 알루미노보로실리케이트(62% Al₂O₃, 24% SiO₂, 14% B₂O₃)의 조성을 가짐); 및 FRCI-20(약 78 중량% 실리카(SiO₂) 및 약 22 중량% 알루미노보로실리케이트(62% Al₂O₃, 24% SiO₂, 14% B₂O₃)의 조성을 가짐).Other materials suitable for use as nSiRF-C in the present invention include: AETB-12 (about 20% Al ₂ O ₃ , about 12% (14% B ₂ O ₃ , 72% Al ₂ O ₃ , 14% SiO ₂ ; NEXTEL ^™ fiber), and about 68% SiO ₂ ); AETB-8 (about 20% Al ₂ O ₃ , about 12% (14% B ₂ O ₃ , 72% Al ₂ O ₃ , 14% SiO ₂ ; NEXTEL ^™ fiber), and about 68% SiO ₂ ); FRCI-12 (having a composition of about 78 wt% silica (SiO ₂ ) and 22 wt% aluminoborosilicate (62% Al ₂ O ₃ , 24% SiO ₂ , 14% B ₂ O ₃ )); And FRCI-20 (about 78 wt% silica (SiO ₂ ) and about 22 wt% aluminoborosilicate (62% Al ₂ O ₃ , 24% SiO ₂ , 14% B ₂ O ₃ )).

바람직한 실시예에서, 무기 섬유의 성분은 섬유상 실리카, 알루미나 섬유, 및 알루미노보로실리케이트 섬유로 구성되거나, 본질적으로 구성된다. 이 실시예에서, 상기 섬유상 실리카는 약 50～90%의 무기 섬유 믹스(mix), 상기 알루미나 섬 유는 약 5～50%의 무기 섬유, 및 상기 알루미노보로실리케이트 섬유는 약 10～25%의 무기 섬유 믹스를 포함한다. 본 발명의 기재를 제조하는 데 사용되는 섬유는 일 실시예에 있어서는 결정질 상 및 유리질 상(glassy phase)을 모두 가질 수 있다.In a preferred embodiment, the components of the inorganic fibers consist of or consist essentially of fibrous silica, alumina fibers, and aluminoborosilicate fibers. In this embodiment, the fibrous silica is about 50-90% inorganic fiber mix, the alumina fiber is about 5-50% inorganic fiber, and the aluminoborosilicate fiber is about 10-25% Inorganic fiber mix. The fibers used to make the substrates of the present invention may, in one embodiment, have both a crystalline phase and a glassy phase.

다른 적합한 섬유는, 바람직하게 산화알루미늄을 약 55～75 중량%, 실리콘 산화물을 0 중량%보다 많고 약 45 중량% 미만(바람직하게는 0 중량%보다 많고 44 중량% 미만), 산화붕소를 0 중량%보다 많고 약 25 중량% 미만(바람직하게는 약 1～5 중량%)의 범위로 포함하는 알루미노보로실리케이트 섬유를 포함한다(상기 양은 각각 Al₂O₃, SiO₂ 및 B₂O₃로서의 이론적 산화물 기준으로 계산됨). 알루미노보로실리케이트 섬유는 바람직하게 결정질이 50 중량% 이상, 보다 바람직하게는 75 중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 100 중량%(즉, 결정질 섬유)이다. 사이징된(sized) 알루미노보로실리케이트 섬유는, 예를 들면, 3M Company로부터 "NEXTEL 312" 및 "NEXTEL 440"이라는 상표 하에 상업적으로 입수할 수 있다. 또한, 적합한 알루미노보로실리케이트 섬유는 미국 특허 제3,795,524호에 개시된 바와 같이 제조될 수 있고, 상기 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.Other suitable fibers are preferably about 55-75 weight percent aluminum oxide, more than 0 weight percent silicon oxide and less than about 45 weight percent (preferably more than 0 weight percent and less than 44 weight percent) and 0 weight boron oxide Aluminoborosilicate fibers comprising more than% and in the range of less than about 25% by weight (preferably about 1-5% by weight) (the amounts are theoretical as Al ₂ O ₃ , SiO ₂ and B ₂ O ₃ , respectively). Calculated on the basis of oxide). The aluminoborosilicate fibers preferably have at least 50% by weight crystalline, more preferably at least 75% by weight and most preferably about 100% by weight (ie crystalline fiber). Sized aluminoborosilicate fibers are commercially available, for example, under the trademarks "NEXTEL 312" and "NEXTEL 440" from 3M Company. Suitable aluminoborosilicate fibers may also be prepared as disclosed in US Pat. No. 3,795,524, which is incorporated herein by reference in its entirety.

그 밖에도 적합한 섬유는 알루미노실리케이트 섬유를 포함하며, 이것은 전형적으로 결정질이며, 산화알루미늄을 약 67～약 77 중량%, 예를 들면 69, 71, 73, 75 중량%, 및 실리콘 산화물을 약 33～약 23 중량%, 예를 들면 31, 29, 27, 25 중량%의 범위로 포함한다. 사이징된 알루미노실리케이트 섬유는, 예를 들면, 3M Company로부터 "NEXTEL 550"이라는 상표 하에 상업적으로 입수할 수 있다. 또 다른 적합한 알루미노실리케이트 섬유는 미국 특허 제4,047,965호(Karst et al.)에 개시된 바와 같이 제조될 수 있고, 그 개시 내용은 원용되어 본 명세서에 포함된다.Other suitable fibers include aluminosilicate fibers, which are typically crystalline, about 67 to about 77 weight percent aluminum oxide, for example 69, 71, 73, 75 weight percent, and about 33 to about silicon oxide. About 23% by weight, for example 31, 29, 27, 25% by weight. Sized aluminosilicate fibers are commercially available, for example, from the 3M Company under the trademark "NEXTEL 550". Another suitable aluminosilicate fiber can be prepared as disclosed in US Pat. No. 4,047,965 (Karst et al.), The disclosure of which is incorporated herein by reference.

다른 실시예에서, 본 발명의 기재를 제조하는 데 사용되는 섬유는 Y₂O₃와 ZrO₂가 첨가된 α-Al₂O₃ 및/또는 SiO₂가 첨가된(α-Al₂O₃/멀라이트를 형성)α-Al₂O₃를 포함한다.In another embodiment, the fibers used to prepare the substrates of the present invention may be fabricated with α-Al ₂ O ₃ with added Y ₂ O ₃ and ZrO ₂ and / or with addition of SiO ₂ (α-Al ₂ O ₃ / mul). Form a light) α-Al ₂ O ₃ .

촉매 기재의 제조에는 다양한 특수 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재를 제조하는 데 사용되는 재료는, 내화성 실리카 섬유 및 내화성 알루미늄보로실리케이트 섬유를 포함하거나, 또는 그것으로 구성되어 있거나 본질적으로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 촉매 기재의 제조에 사용되는 재료는 내화성 실리카 섬유, 내화성 등급 알루미나 섬유 및 결합제, 바람직하게는 산화붕소 또는 질화붕소 분말을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 섬유는 높은 등급이다.Various special materials can be used in the preparation of the catalyst substrate. In one embodiment, the materials used to make the substrates of the present invention include or consist of or consist essentially of refractory silica fibers and refractory aluminum borosilicate fibers. In another embodiment, the materials used to prepare the catalyst substrate include refractory silica fibers, refractory grade alumina fibers and a binder, preferably boron oxide or boron nitride powder. In another embodiment, the fiber is high grade.

또 다른 실시예에서, 상기 기재는 본질적으로 알루미노실리케이트 섬유와 실리카 섬유를 약 19:1 내지 1:19의 중량비로, 그리고 섬유의 총중량 기준으로 산화붕소를 약 0.5 내지 30% 포함하는 내화성 복합체를 포함한다. 다른 경우에, 알루미노실리케이트 섬유 대 실리카 섬유의 중량비는 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, 및 1:16로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 산화붕소는 약 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 또는 30%의 양으 로 존재한다. 또 다른 실시예에서, 산화붕소와 알루미노실리케이트 섬유는 알루미노보로실리케이트 섬유의 형태로 존재한다. 또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 알루미노실리케이트 섬유 대 실리카 섬유의 비가 1:9 내지 2:3이고 산화붕소 함량이 섬유 중량의 약 1～6%인 nSiRF-C를 포함한다.In another embodiment, the substrate consists essentially of a refractory composite comprising aluminosilicate fibers and silica fibers in a weight ratio of about 19: 1 to 1:19, and from about 0.5 to 30% boron oxide based on the total weight of the fibers. Include. In other cases, the weight ratio of aluminosilicate fibers to silica fibers is 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, and 1:16. In another embodiment, boron oxide is present in an amount of about 5%, 10%, 15%, 20%, 25% or 30%. In another embodiment, the boron oxide and aluminosilicate fibers are in the form of aluminoborosilicate fibers. In yet another embodiment, the catalyst substrate comprises nSiRF-C having a ratio of aluminosilicate fibers to silica fibers of from 1: 9 to 2: 3 and a boron oxide content of about 1-6% of the fiber weight.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재를 제조하는 데 적합한 섬유로는 3M사가 제조한 내화성 섬유, 예를 들면 NEXTEL^TM Ceramic Fiber 312, NEXTEL^TM Ceramic Fiber 440, NEXTEL^TM Ceramic Fiber 550, NEXTEL^TM Ceramic Fiber 610, NEXTEL^TM Ceramic Fiber 720이 포함된다. 복합체 등급 섬유인 NEXTEL^TM Fiber 610, 650, 및 720은 α-Al₂O₃를 기반으로 한, 보다 정제된 결정 구조를 가지며, 유리질 상을 전혀 함유하지 않는다. 이것은 상기 섬유가 산업적 섬유보다 더 높은 온도에 대한 강도를 유지할 수 있게 한다. NEXTEL^TM Fiber 610은 본질적으로 α-Al₂O₃의 단일상 조성을 가진다. 이것은 실온에서 가장 높은 강도로 시작되지만, 소정 온도에서 가장 낮은 강도 유지력을 가진다. Y₂O₃와 ZrO₂가 첨가된 α-Al₂O₃인 Nextel^TM Fiber 650 및 SiO₂가 첨가된(α-Al₂O₃/멀라이트를 형성)α-Al₂O₃인 Nextel^TM Fiber 720은 모두 소정 온도에서 양호한 강도 유지력 및 낮은 크리프(creep)를 가진다. In another embodiment, suitable fibers for preparing the substrate of the present invention include refractory fibers made by 3M, such as NEXTEL ^™ Ceramic Fiber 312, NEXTEL ^™ Ceramic Fiber 440, NEXTEL ^™ Ceramic Fiber 550, NEXTEL ^™ Ceramic Fiber 610, NEXTEL ^™ Ceramic Fiber 720. Composite grade fibers NEXTEL ^™ Fiber 610, 650, and 720 have a more refined crystal structure, based on α-Al ₂ O ₃ , and contain no glassy phase. This allows the fibers to maintain strength over higher temperatures than industrial fibers. NEXTEL ^™ Fiber 610 has essentially a single phase composition of α-Al ₂ O ₃ . It starts with the highest strength at room temperature but has the lowest strength retention at a given temperature. With a Y ₂ O ₃ and ZrO ₂ added to α-Al ₂ O ₃ of Nextel ^TM Fiber 650 and SiO ₂ is added to the (α-Al ₂ O ₃ / form a mullite) α-Al ₂ O ₃ of Nextel ^TM Fiber Both 720 have good strength retention and low creep at a given temperature.

또 다른 적합한 실시예에서, nSiRF-C는 Al₂O₃, SiO₂ 및 B₂O₃를 포함하는 세라 믹 섬유로부터 제조되거나 포함하고(또는 그것으로 구성되거나 본질적으로 구성되고), 하기 속성을 갖는다: 1) 약 1.600℃ 내지 약 2,000℃, 바람직하게는 약 1,800℃의 융점; 2) 약 2～약 4 g/cc 바람직하게는 약 2.7～약 3 g/cc 의 밀도; 3) 약 1.5～약 1.8, 보다 바람직하게는 1.56, 1.60, 1.61, 1.67, 및 1.74로부터 선택되는 굴절률; 4) 약 100～약 3,500 MPa, 보다 바람직하게는 약 150～약 200 MPa 또는 약 2,000～약 3,000 MPa, 또는 150, 190, 193, 2100, 또는 3,100 MPa로부터 선택되는 필라멘트 인장 강도(25.4 mm 게이지); 5) 약 2～약 10, 바람직하게는 약 3～약 9, 보다 바람직하게는 3, 4, 5.3, 6, 및 8로부터 선택되는 열팽창(100～1,100℃); 및 6) 약 0.4 ㎡/g, 보다 바람직하게는 약 0.2 ㎡/g 미만의 표면적. 다른 실시예에서, 상기 섬유의 결정상은 멀라이트 및 비정질이고, 실질적으로는 비정질, γ-Al₂O₃ 또는 비정질 SiO₂이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 기재의 제조에 적합한 섬유의 유전 상수는 약 5 내지 약 9 (9.375 GHz에서), 또는 바람직하게는 5.2, 5.4, 5.6, 5.7, 5.8, 6, 7, 8, 및 9로 이루어지는 군으로부터 선택된다.In another suitable embodiment, nSiRF-C is made from or includes (or consists of or consists essentially of) ceramic fibers comprising Al ₂ O ₃ , SiO ₂ and B ₂ O ₃ , and has the following properties: 1) a melting point of about 1.600 ° C. to about 2,000 ° C., preferably about 1,800 ° C .; 2) a density of about 2 to about 4 g / cc preferably about 2.7 to about 3 g / cc; 3) a refractive index selected from about 1.5 to about 1.8, more preferably 1.56, 1.60, 1.61, 1.67, and 1.74; 4) Filament tensile strength (25.4 mm gauge) selected from about 100 to about 3,500 MPa, more preferably about 150 to about 200 MPa or about 2,000 to about 3,000 MPa, or 150, 190, 193, 2100, or 3,100 MPa ; 5) thermal expansion (100 to 1,100 ° C.) selected from about 2 to about 10, preferably about 3 to about 9, more preferably 3, 4, 5.3, 6, and 8; And 6) a surface area of less than about 0.4 m 2 / g, more preferably less than about 0.2 m 2 / g. In another embodiment, the crystalline phase of the fiber is mullite and amorphous, substantially amorphous, γ-Al ₂ O ₃ or amorphous SiO ₂ . In another embodiment, the dielectric constant of the fiber suitable for the preparation of the substrate according to the invention is about 5 to about 9 (at 9.375 GHz), or preferably 5.2, 5.4, 5.6, 5.7, 5.8, 6, 7, 8 , And 9;

일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 실질적으로, 섬유 제조 공정으로부터의 입자상 세라믹(즉, 결정질 세라믹, 유리, 또는 유리-세라믹)이 없음을 의미하는 "숏-프리(shot-free)"이다.In one embodiment, the substrate of the present invention is substantially "shot-free", meaning that there is no particulate ceramic (ie crystalline ceramic, glass, or glass-ceramic) from the fiber manufacturing process. .

일 실시예에 있어서, nSiRF-C 복합체는 "비가요성(nonflexible)"이다. 일 실시예에서, 비가요성이란 각도를 1도, 2도, 3도, 4도, 5도, 6도, 7도, 8도, 9도, 10도, 15도, 또는 25도(벤딩점에 관해)를 넘게 구부리면 파손, 균열 또는 영구 변 형 또는 기형으로 되는 기재를 지칭한다. In one embodiment, the nSiRF-C composite is "nonflexible". In one embodiment, an inflexible angle is defined as 1 degree, 2 degrees, 3 degrees, 4 degrees, 5 degrees, 6 degrees, 7 degrees, 8 degrees, 9 degrees, 10 degrees, 15 degrees, or 25 degrees (at the bending point Bent over) refers to a substrate that is broken, cracked or permanently deformed or deformed.

본 발명의 여러 가지 실시예에서 사용되는 섬유의 직경은 변동될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 평균 직경은 약 1～약 50 ㎛, 바람직하게는 1～약 20 ㎛이다. 다른 실시예에서, 평균 직경은 약 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 또는 15 ㎛이다. 다른 실시예에서, 알루미나보리아실리카 섬유의 평균 직경은 약 10～약 12 ㎛이다.The diameter of the fibers used in various embodiments of the present invention can vary. In one embodiment, the average diameter is about 1 to about 50 μm, preferably 1 to about 20 μm. In other embodiments, the average diameter is about 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, or 15 μm. In another embodiment, the average diameter of the alumina boria silica fibers is about 10 to about 12 μm.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 질화붕소와 같은 결합제를 추가로 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 질화붕소는 알루미나보리아실리카 섬유가 사용되지 않을 때 이를 대체하기 위해 첨가된다. 즉, 몇몇 실시예에서, 상기 기재는 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 질화붕소를 전술한 것과 유사한 중량%로 포함한다(또는 그것으로 구성되거나 본질적으로 구성되거나 제조된다). 다른 실시예에서, 상기 기재는 실리카 섬유, 알루미나 섬유 및 붕소 결합제를 포함한다. 이들 재료는 각각, 특정 실시예에서, 유기 바인더, 무기 바인더 및 일부 섬유상 또는 비섬유상 불순물과 같은 다른 물질을 소량 함유할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 기재는 유기 바인더를 함유하지 않는다. 또한, 다른 경우에, nSiRF-C의 생성에 사용되는 바인더는 해당 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 제조 공정중에 다른 물질로 바뀐다.In another embodiment, the catalyst substrate of the present invention further comprises a binder such as boron nitride. In another embodiment of the present invention, boron nitride is added to replace the alumina boria silica fibers when they are not used. That is, in some embodiments, the substrate comprises (or consists of or consists essentially of or consists of silica fibers, alumina fibers, boron nitride, similar to those described above). In another embodiment, the substrate comprises silica fibers, alumina fibers and a boron binder. Each of these materials may, in certain embodiments, contain small amounts of other materials, such as organic binders, inorganic binders, and some fibrous or nonfibrous impurities. In another embodiment, the substrate does not contain an organic binder. In other cases, the binder used to produce nSiRF-C is also converted to other materials during the manufacturing process, as is known in the art.

본 발명의 기재를 제조하는 데 적합한 그 밖의 재료는 미국 특허 제5,629,186호에 개시되어 있는데, 상기 특허는 섬유의 2～12 중량%의 질화붕소를 함유한 비정질 실리카 및/또는 알루미나 섬유로부터 제조되는 저밀도 융합 섬유상 세 라믹 복합체를 기재하고 있다.Other materials suitable for making the substrates of the present invention are disclosed in US Pat. No. 5,629,186, which discloses a low density made from amorphous silica and / or alumina fibers containing 2-12% by weight of boron nitride. Fused fibrous ceramic composites are described.

다른 실시예에서, nSiRF-C를 제조하는 데 사용되는 세라믹 섬유는 약 700 MPa(100,000 psi) 이상, 바람직하게는 약 1,200 MPa(200,000 psi) 이상, 보다 바람직하게는 약 1,800 MPa(300,000 psi) 이상, 가장 바람직하게는 약 2,100 MPa(350,000 psi) 이상의 평균 인장 강도를 가진다.In another embodiment, the ceramic fiber used to make the nSiRF-C is at least about 700 MPa (100,000 psi), preferably at least about 1,200 MPa (200,000 psi), more preferably at least about 1,800 MPa (300,000 psi) Most preferably have an average tensile strength of at least about 2,100 MPa (350,000 psi).

또 다른 실시예에서, 분산제가 첨가된다. 적합한 분산제는 해당 분야에 알려져 있다.In another embodiment, a dispersant is added. Suitable dispersants are known in the art.

다른 실시예에서, 본 명세서에 기재된 하나 이상의 태양 및/또는 해당 기술 분야에 알려져 있는 방법으로 처리, 변경, 변형 및/또는 증강된다.In other embodiments, processing, alterations, modifications, and / or enhancements are made in one or more aspects described herein and / or by methods known in the art.

또 다른 실시예에서, 다양한 소스로부터의 불순물이 소량 존재한다. 이러한 경우에, 상기 불순물은 nSiRF-C 및/또는 그 속성에 실질적으로 영향을 주지 않는다.In yet another embodiment, small amounts of impurities from various sources are present. In this case, the impurity does not substantially affect nSiRF-C and / or its properties.

본 발명에 따른 기재는 NEXTEL^TM 직조 섬유 또는 매트를 포함하지 않는다.The substrate according to the invention does not comprise NEXTEL ^™ woven fibers or mats.

촉매 catalyst

또 다른 태양에서, 본 발명은 촉매를 포함하는, 전술한 기재를 제공하려는 것이다. 촉매 기재를 형성하기 위해 임의의 수의 촉매를 기재와 함께 사용할 수 있다. 촉매는 기재의 표면 상에 코팅될 수 있다. 즉, 일 실시예에서, 촉매 기재의 표면(예컨대, 채널의 벽)에 촉매를 흡착시킬 수 있다. 촉매는 또한 기재의 코어 내부에 존재할 수 있고, 기재의 개별적 섬유에 부착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 본 발명은 현행 기술에 비해 동일하거나 양호한 수준으로 기능할 수 있으면서도 더 적은 양의 촉매를 필요로 한다.In another aspect, the present invention is directed to providing the above-described substrate comprising a catalyst. Any number of catalysts may be used with the substrate to form the catalyst substrate. The catalyst can be coated on the surface of the substrate. That is, in one embodiment, the catalyst may be adsorbed onto the surface of the catalyst substrate (eg, the wall of the channel). The catalyst may also be present inside the core of the substrate and attached to the individual fibers of the substrate. In one embodiment, the present invention requires less catalyst while still functioning at the same or better level than current technology.

또 다른 실시예에서, 촉매는 채널 벽 표면에만 부착되고 채널 벽 내부에는 존재하지 않는다. 또 다른 실시예에서, 촉매는 입구 채널 벽, 출구 채널 벽, 벽 내부, 또는 이들의 조합 부위에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 촉매는 채널 벽의 시작 부분 또는 근접 부분을 라이닝, 코팅 또는 투과하고; 제2 촉매는 채널 벽의 중앙 부분을 라이닝, 코팅 또는 투과하고; 제3 촉매는 채널 벽의 말단 구간에 있다.In another embodiment, the catalyst is attached only to the channel wall surface and is not present inside the channel wall. In another embodiment, the catalyst may be attached to the inlet channel wall, the outlet channel wall, the interior of the wall, or a combination thereof. In yet another embodiment, the first catalyst lining, coating or permeating the beginning or proximal portion of the channel wall; The second catalyst lining, coating or permeating the central portion of the channel wall; The third catalyst is in the terminal section of the channel wall.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 촉매 금속을 함유하는 것이 바람직하다. 또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 촉매 금속을 함유하지 않는다. 그러나, 특정한 조건 하에서, 기재는 별도의 촉매 금속을 필요로 하지 않고 적합한 반응에 촉매 작용을 할 수 있으며, 예를 들면 일 실시예에 있어서는, 이하에 설명하는 워쉬코트가 촉매로서 기능할 수 있다.In one embodiment, the catalyst substrate of the present invention preferably contains a catalyst metal. In another embodiment, the catalyst substrate does not contain a catalytic metal. However, under certain conditions, the substrate can catalyze a suitable reaction without the need for a separate catalyst metal, and in one embodiment, for example, the washcoat described below can function as a catalyst.

기재에 적용될 수 있는 임의의 촉매가 사용될 수 있다. 그러한 촉매로는, 특별히 제한되지는 않지만, 백금, 팔라듐(산화팔라듐 등), 로듐, 이들의 산화물을 포함한 유도체 및 혼합물이 포함된다. 또한, 촉매는 귀금속, 귀금속의 조합 또는 산화성 촉매에만 한정되지 않는다. 다른 적합한 촉매로는 크롬, 니켈, 레늄, 루테늄, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 금, 이들의 유도체 및 혼합물이 포함된다. 다른 적합한 촉매로는, 미국 특허 제5,378,142호 및 제5,102,639호에 개시된 바와 같은 팔라듐 및 희토류 금속의 2원 산화물이 포함되며, 상기 특허는 원용되어 본 명세서 에 포함된다. 상기 2원 산화물은 산화팔라듐과 희토류 금속 산화물의 고체 상태 반응으로 얻어질 수 있고, 예를 들면 Sm₄PdO₇, Nd₄PdO₇, Pr₄PdO₇ 또는 La₄PdO₇ 등이 생성된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 촉매로는 미국 특허 제6,090,744호(Mazda Motor Corporation에 양도됨)에 개시된 것이 포함된다. 다른 적합한 촉매로는 비금속성 촉매, 유기 촉매, 비금속(base metal) 촉매, 및 귀금속 촉매가 포함된다. Any catalyst that can be applied to the substrate can be used. Such catalysts include, but are not particularly limited to, platinum, palladium (palladium oxide, etc.), rhodium, derivatives and mixtures thereof including oxides thereof. In addition, the catalyst is not limited to only noble metals, combinations of noble metals or oxidative catalysts. Other suitable catalysts include chromium, nickel, rhenium, ruthenium, silver, osmium, iridium, platinum and gold, derivatives and mixtures thereof. Other suitable catalysts include binary oxides of palladium and rare earth metals as disclosed in US Pat. Nos. 5,378,142 and 5,102,639, which are incorporated herein by reference. The binary oxide may be obtained by solid state reaction of palladium oxide and rare earth metal oxide, and for example, Sm ₄ PdO ₇ , Nd ₄ PdO ₇ , Pr ₄ PdO _7, or La ₄ PdO ₇ may be produced. Other catalysts that may be used in the present invention include those disclosed in US Pat. No. 6,090,744, assigned to Mazda Motor Corporation. Other suitable catalysts include nonmetallic catalysts, organic catalysts, base metal catalysts, and noble metal catalysts.

다른 적합한 촉매는 6,692,712 특허(Johnson Matthey Public Limited Company에 양도됨)에 개시되어 있다. 귀금속을 포함하지 않는 촉매를 본 발명에서 사용할 수 있다. 그러한 촉매는 미국 특허 제5,182,249호에 제시되어 있다.Other suitable catalysts are disclosed in the 6,692,712 patent assigned to the Johnson Matthey Public Limited Company. Catalysts that do not contain precious metals can be used in the present invention. Such catalysts are shown in US Pat. No. 5,182,249.

Engelhard사에 의해 개발된 또 다른 적합한 백금 촉매는 5:1 비율의 Pt/Rh(약 5～150 g/ft³의 양으로 적용됨) 및 MgO(약 30～1500 g/ft³의 양으로 적용됨)로 이루어진다.Another suitable platinum catalyst developed by Engelhard is Pt / Rh (applied in amounts of about 5 to 150 g / ft ³ ) and MgO (applied in amounts of about 30 to 1500 g / ft ³ ) in a 5: 1 ratio. Is made of.

또 다른 실시예에서, 바나듐 및 그 유도체, 예를 들면 V₂O₅가, 특히 디젤 입자 필터용으로 유용한 촉매이다. 그러한 촉매는 디젤 입자 필터에서 상업적으로 입수하여 사용되었다.In another embodiment, vanadium and its derivatives such as V ₂ O ₅ are particularly useful catalysts for diesel particle filters. Such catalysts have been obtained commercially from diesel particle filters.

V₂O₅가 아닌 바나듐 화합물, 예를 들면 바나드산 은(silver vanadate) 또는 바나드산 구리를 활용한 촉매가 개발되었다. 예로서 바나드산 구리계 금속 촉매는 Heraeus(Strutz 1989)에 의해 개발되었다. 상기 촉매는 바나드산 구리 Cu₃V₂O₈을 탄산칼륨과 함께 몰비로 Cu:V:K가 약 3:2:0.13인 상태로 도핑 및 하소(calcine)하여 제조할 수 있다. 촉매 부하는 여과 표면적의 10～80 g/㎡였다. 또 다른 적합한 촉매는 DeNox 촉매로서 사용될 수 있는 Cu/ZSM5이다. Catalysts utilizing vanadium compounds other than V ₂ O ₅ , such as silver vanadate or copper vanadate, have been developed. As an example a copper vanadate metal catalyst was developed by Heraeus (Strutz 1989). The catalyst may be prepared by doping and calcining copper vanadate Cu ₃ V ₂ O ₈ with potassium carbonate in a molar ratio of about 3: 2: 0.13. The catalyst load was 10-80 g / m 2 of filtration surface area. Another suitable catalyst is Cu / ZSM5 which can be used as DeNox catalyst.

백금, 팔라듐 및 로듐과 같은 귀금속이 가장 보편적이고 바람직하지만, 공지되어 있는 다른 촉매를 사용할 수도 있다. 상기 3종의 금속은 내연기관 방출에 있어서 탁월하고 매우 효율적인 촉매로 알려져 왔다. 촉매 전환기를 사용한 지 25년에 걸쳐, 실제로 이 삼위일체에 대한 의미 있는 대체물이 없었다. 그러나, 장치의 원제조자, 차량, 차량 부하, 환경적 규제, 엔진, 트랜스미션 등에 따라 구성된 이들 촉매의 조합은 수천 가지이다. 트럭 및 기관차 제조 산업 전체를 통해, 촉매의 다양한 조합 및 포뮬레이션이 사용되고 있다. 본 발명에 따른 촉매 기재는 이들 촉매 조합 중 어느 하나 이상을 포함한다. 많은 조합물은 독점적(proprietary) 물질로 생각된다. Ford, GM 및 Toydta와 같은 제조사들은 다양한 차량 중량과 엔진 성능 요구로 인해, 각 차량에 대해 독특한 촉매 포뮬러를 가진다. 제조사들은 또한, 예를 들면 캐나다, 미국, 캘리포니아, 멕시코와 같이 차량이 판매되거나 기술 제휴될 지역에 따라 동일한 차량에 대해 상이한 촉매 포뮬러를 갖는다. 현재, 이러한 포뮬레이션은 엄격한 정부 규정으로 인해, 모델 연도당 차량당 2회 내지 3회 변경될 수 있다. 이러한 이유에서, 대부분의 제조사들은 촉매 코팅의 적용을 자체적으로 다룬다.Although precious metals such as platinum, palladium and rhodium are the most common and preferred, other known catalysts may be used. The three metals have been known as excellent and very efficient catalysts for internal combustion engine emissions. Over 25 years of using catalytic converters, there has actually been no meaningful replacement for this trinity. However, there are thousands of combinations of these catalysts configured according to the device's original manufacturer, vehicle, vehicle load, environmental regulations, engine, transmission, and the like. Throughout the truck and locomotive manufacturing industry, various combinations and formulations of catalysts are used. The catalyst substrate according to the invention comprises any one or more of these catalyst combinations. Many combinations are considered to be proprietary materials. Manufacturers like Ford, GM and Toydta have unique catalyst formulas for each vehicle due to varying vehicle weight and engine performance requirements. Manufacturers also have different catalyst formulas for the same vehicle depending on the region in which the vehicle is to be sold or technically affiliated, for example Canada, the United States, California, Mexico. At present, such formulations may vary from two to three times per vehicle per model year due to strict government regulations. For this reason, most manufacturers deal with the application of catalyst coatings themselves.

또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 nSiRF-C 및 상업적으로 입수 가능한 촉매 환경에서 사용되는 촉매를 포함한다.In yet another embodiment, the catalyst substrate includes a catalyst used in nSiRF-C and a commercially available catalyst environment.

한 측면에서, 기재가 최종 치수로 성형이 완료되고 워쉬코트가 적용되어 경화되면, 공지된 기법과 방법을 이용하여 하나 이상의 촉매가 적용되는데, 그러한 방식의 예로는 미국 특허 제5,224,852호 및 제5,272,125호에 개시된 바와 같은 팔라듐-백금계 촉매를 정용하는 것이며, 상기 특허의 교시는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.In one aspect, once the substrate is finished to final dimensions and the washcoat is applied and cured, one or more catalysts are applied using known techniques and methods, examples of which include US Pat. Nos. 5,224,852 and 5,272,125. Palladium-platinum-based catalyst as disclosed in the present invention, and the teachings of this patent are incorporated herein by reference in their entirety.

일 실시예에서, 촉매는 촉매 작용이 효과적으로 일어나기에 충분한 양으로 사용된다. 예를 들면, 일 실시예에서 충분한 양이라 함은, 방출물과 반응하는 귀금속과 같은 촉매가 방출물의 경로에서 방출물의 80%, 85%, 90%, 95%, 97%, 98%, 및 99% 등과 같이 가능한 한 최대로 반응하기에 충분한 양을 의미한다.In one embodiment, the catalyst is used in an amount sufficient to effect catalysis effectively. For example, in one embodiment, a sufficient amount means that a catalyst, such as a noble metal that reacts with the emissions, is 80%, 85%, 90%, 95%, 97%, 98%, and 99 It means an amount sufficient to react as maximum as possible, such as%.

일 실시예에서, 촉매는 바람직하게는 개별적인 결정으로서 워쉬코트 상에 적층되거나 또는 워쉬코트 내에 함침된다. 이 실시예에서, 촉매는 워쉬코트 위에 피복판형(veneer-like) 코팅으로 적용되는 것은 아니다(벽에 바르는 페인트와 같이). 촉매가 워쉬코트에 함침될 때, 촉매는 최종 제품이 부분적으로 또는 실질적으로 개별적 결정의 집단이 되도록 적용된다. 이것은 프레첼(pretzel) 상의 소금 결정과 같이 가시화할 수 있다. 동시에, 유체 경로, 예컨대 배기 경로에는 최적 촉매 작용 가동 온도, 즉 착화 온도에서 충분한 귀금속이 있어야 하고, 상기 귀금속은 물리적 제약, 즉 차량 및 엔진의 기능성과 설계에 의해 허용된 공간 내에 맞추어져야 한다.In one embodiment, the catalyst is preferably deposited on the washcoat or impregnated in the washcoat as individual crystals. In this example, the catalyst is not applied as a veneer-like coating on the washcoat (like paint on walls). When the catalyst is impregnated in the washcoat, the catalyst is applied such that the final product is partly or substantially a collection of individual crystals. This can be visualized like salt crystals on pretzel. At the same time, the fluid path, such as the exhaust path, must have sufficient precious metal at the optimum catalysis operating temperature, i.

제조 목표는 기재 상에 요구되는 촉매의 양을 최소로 하면서 제거되는 오염물을 극대화하는 것이다. 각각의 차량은 상이한 양의 오염물을 생성하며, 따라서 오염물의 레벨을 처리하고 귀금속의 양을 최소화하도록, 실시예에 따라서는 기재를 주문 제조한다.The manufacturing goal is to maximize the contaminant removed while minimizing the amount of catalyst required on the substrate. Each vehicle produces a different amount of contaminants, and accordingly to the embodiment, the substrate is custom made to treat the level of contaminants and to minimize the amount of precious metals.

또 다른 실시예에서, 촉매 기재에 대한 촉매의 첨가는 기재의 제조 시 슬러리 공정중에 일어날 수 있고, 또는 가공 공정 후에(이하에 설명하는 바와 같이) 일어날 수 있다. 이 경우에, 촉매는 모든 가열 단계 이전에 섬유의 슬러리와 혼합된다.In another embodiment, the addition of catalyst to the catalyst substrate may occur during the slurry process in the manufacture of the substrate, or after the processing process (as described below). In this case, the catalyst is mixed with the slurry of fibers before every heating step.

단일 및 다중 촉매 포뮬레이션을 단일 기재에 적용할 수 있고, 또는 기존의촉매 전환기 및 배기 시스템에 비해 필터의 작은 크기로 인해, 다중 기재의 설치가 가능하다. 따라서, 일 실시예에서 본 발명의 촉매 기재는 하나 이상의 존을 포함하거나 그러한 존으로 구성되거나 본질적으로 구성되고, 각각의 존은 상이한 촉매를 가진다. 이와는 달리, 하나 이상의 존을 무촉매로 할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 촉매 기재는 기재의 전면을 수용하는 하나의 존에는 산화성 촉매를 포함시키고, 후면을 수용하는 또 다른 존에는 환원성 촉매를 포함시킬 수 있다.Single and multiple catalyst formulations can be applied to a single substrate, or due to the small size of the filter compared to conventional catalytic converters and exhaust systems, installation of multiple substrates is possible. Thus, in one embodiment, the catalyst substrate of the present invention comprises or consists of or consists essentially of one or more zones, each zone having a different catalyst. Alternatively, one or more zones can be made without catalyst. For example, the catalyst substrate of the present invention may include an oxidative catalyst in one zone that accommodates the front side of the substrate, and a reducing catalyst in another zone that accommodates the backside.

기재를 유통 형태로 사용학자 할 경우에는, 필수적인 것은 아니지만, 촉매 또는 촉매의 대부분이 채널 표면을 따라 존재하는 것이 바람직하다. 기재를 가공하여 벽 유동 형태로 만들 경우에는, 가스가 기재 전체를 통하여 이동하고 단순히 통과하지 않도록 촉매가 기재 전체에 걸쳐 균일하게 분배되는 것이 바람직하다.If the substrate is to be used in circulating form, it is not necessary, but it is preferred that the catalyst or most of the catalyst is present along the channel surface. When the substrate is processed to form a wall flow, it is desirable that the catalyst is uniformly distributed throughout the substrate so that the gas moves through the substrate and does not simply pass through.

예를 들면, 본 발명의 기재를 촉매화 디젤 입자 필터(CDPF)에 사용할 수 있다. CDPF는 기재에 직접 적층된 촉매를 활용한다. 백금, 은, 구리, 바나듐, 철, 몰리브덴, 망간, 크롬, 니켈, 이들의 유도체(예컨대 산화물) 등과 같은 귀금속 및 비금속 촉매 모두를 사용할 수 있다. 필터의 형태에 따라, 촉매는 매질 내에 직접 함침시킬 수 있고, 또는 중간 워쉬코트층을 이용할 수 있다. CDPF는 엔진 기술(PM 방출) 및 연료 품질(황 함량)에 따라, 재생을 위해 약 325～420℃의 배출 온도를 활용할 수 있다. For example, the substrate of the present invention can be used in a catalyzed diesel particle filter (CDPF). CDPF utilizes a catalyst deposited directly on the substrate. Both precious and nonmetallic catalysts such as platinum, silver, copper, vanadium, iron, molybdenum, manganese, chromium, nickel, derivatives thereof (such as oxides) and the like can be used. Depending on the type of filter, the catalyst can be impregnated directly into the medium, or an intermediate washcoat layer can be used. CDPF can utilize an exhaust temperature of about 325-420 ° C for regeneration, depending on engine technology (PM emissions) and fuel quality (sulfur content).

백금은 가장 활성이고 가장 보편적으로 사용되는 귀금속 촉매 중 하나이지만, 팔라듐, 로듐 또는 루테늄 촉매도 보통은 혼합물 상태로 본 발명에서 사용하기에 적합하다. 촉매 전환기에 사용되는 통상적인 백금군 이외의 금속의 목록에는 바나듐, 망간, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 구리 및 은이 포함된다. 일 실시예에서, 백금은 디젤 엔진과 함께 사용하기에 바람직한 촉매이다. 또 다른 실시예에서, 팔라듐과 로듐은 가솔린 엔진과 함께 사용되기에 적합하다.Platinum is one of the most active and most commonly used precious metal catalysts, but palladium, rhodium or ruthenium catalysts are also suitable for use in the present invention, usually in admixture. The list of metals other than the conventional platinum group used in catalytic converters includes vanadium, manganese, calcium, strontium, barium, copper and silver. In one embodiment, platinum is the preferred catalyst for use with diesel engines. In another embodiment, palladium and rhodium are suitable for use with gasoline engines.

촉매는 전형적으로 매우 고가이다. 따라서, 최소량의 촉매를 사용하여 최대한의 오염물 감소를 달성하는 것이 바람직하다. 두 가지 통상적 촉매인 백금과 팔라듐은 모두 고가의 귀금속이다. 촉매가 균일하게 분배된 결정 또는 층으로서 존재할 수 있는 넓은 표면적과 함께 다공질, 투과성 본성을 가진 기재는 상기 목적을 달성할 수 있게 한다. 본 발명의 이점은 종래의 기재에 비해 적은 양의 촉매를 필요로 하는 점이다.Catalysts are typically very expensive. Therefore, it is desirable to use the minimum amount of catalyst to achieve maximum contamination reduction. Two common catalysts, platinum and palladium, are both expensive precious metals. Substrates having a porous, permeable nature with a large surface area in which the catalyst can be present as uniformly distributed crystals or layers make it possible to achieve this object. An advantage of the present invention is that it requires a smaller amount of catalyst than conventional substrates.

1990년대를 통해 오프-로드 엔진에 사용되는 필터에서의 전형적인 백금 부하는 35～50 g/ft³였다. 비교적 오염성이 높은 엔진에 설치된 이러한 필터는 재생을 위해 400℃에 가까운 최저 온도를 필요로 했다. 그 후, 촉매화 필터가 더 청정한 도시 버스 및 기타 하이웨이 차량 엔진에 적용되었을 때, 훨씬 낮은 온도에서 촉매화 필터를 재생할 수 있음을 알았다. 그러나, 낮은 온도의 재생을 뒷받침하기 위해서는 더 높은 백금 부하가 필요했다. 청정 엔진에서 사용되고 낮은 온도가 적용되는 필터는 전형적으로 50～75 g/ft³의 백금 부하를 갖는다.Throughout the 1990s, the typical platinum load on filters used in off-road engines was 35 to 50 g / ft ³ . These filters, installed in relatively contaminated engines, required the lowest temperatures close to 400 ° C for regeneration. It was then found that when the catalyzed filter was applied to cleaner city buses and other highway vehicle engines, the catalyzed filter could be regenerated at much lower temperatures. However, higher platinum loads were needed to support low temperature regeneration. Filters used in clean engines and with low temperatures typically have a platinum load of 50 to 75 g / ft ³ .

일 실시예에서, 촉매 기재는 약 1～약 100 g/ft³, 약 1～약 50 g/ft³, 약 1～약 30 g/ft³ 또는 약 10～약 40 g/ft³의 양으로 촉매를 포함한다.In one embodiment, the catalyst substrate is in an amount of about 1 to about 100 g / ft ³ , about 1 to about 50 g / ft ³ , about 1 to about 30 g / ft ^3, or about 10 to about 40 g / ft ³ It includes a catalyst.

또 다른 실시예에서, 바람직하게는 AETB, OCTB 및 FRCI와 같은 nSiRF-C인 촉매 기재는 촉매로서 백금과 로듐을 약 5:1의 비율 및 약 30 g/ft³의 양을 포함한다.In another embodiment, the catalyst substrate, preferably nSiRF-C, such as AETB, OCTB and FRCI, comprises as a catalyst a ratio of about 5: 1 platinum and rhodium and an amount of about 30 g / ft ³ .

여과 기재 Filtration substrate

본 발명은 본 명세서에 기재된 바와 같이, 특별한 필터 및 관련 장치에 사용될 수 있는 부직포형 소결 내화성 섬유상 세라믹(nSiRF-C) 복합체를 포함하는 촉매 기재를 제공하려는 것이다. 여과 기재는 특히 입자상 물질의 여과에 유용한, 특별한 형상, 설계, 크기 및 구성으로 만들어진다. 여과 기재는 배기 가스의 흐름을 여과하는 것과 같은 가혹한 조건(온도, 압력 등) 하에서 입자상 물질을 여과하는 데 특히 유용하다. 여과 기재는 작은 입자상 물질의 여과를 필요로 하는 부가적 응용 분야에 사용될 수 있다. The present invention seeks to provide a catalyst substrate comprising a nonwoven sintered refractory fibrous ceramic (nSiRF-C) composite that can be used in particular filters and related devices, as described herein. Filtration substrates are made of special shapes, designs, sizes and configurations, which are particularly useful for the filtration of particulate matter. Filtration substrates are particularly useful for filtering particulate matter under harsh conditions (temperature, pressure, etc.), such as to filter the flow of exhaust gas. Filtration substrates can be used in additional applications requiring filtration of small particulate matter.

일 실시예에서, 여과 기재는 촉매 기재용으로, 전술한 바와 같은 nSiRF-C 복합체를 포함하거나, 또는 그것으로 구성되거나 본질적으로 구성된다. 여과 기재는 촉매를 함유하지 않는다. 촉매 기재의 기재로서 사용하기에 적합한 재료의 모든 변형, 실시예 및 예는 본 발명의 여과 기재용으로 마찬가지로 적합하다.In one embodiment, the filtration substrate comprises, consists of, or consists essentially of the nSiRF-C composite as described above, for the catalyst substrate. The filtration substrate does not contain a catalyst. All variations, examples and examples of materials suitable for use as substrates for catalyst substrates are likewise suitable for the filter substrates of the present invention.

여과 기재는 여기에 기재된 용도, 특히 디젤 입자 트랩 및 디젤 입자 필터와 같은 입자 트랩에서 사용되기에 적합한 형태로 성형된다.The filter substrate is shaped into a form suitable for use in the applications described herein, in particular in particle traps such as diesel particle traps and diesel particle filters.

일 실시예에서, 본 발명의 여과 기재는 당업자에게 알려져 있는 알루미나 강화 열 장벽("AETB") 재료 또는 그와 유사한 재료이다. AETB는 알루미나보리아실리카(알루미나-보리아-실리카, 알루미노보로실리케이트 및 알루미노보리아실리케이트로도 알려져 있음) 섬유, 실리카 섬유 및 알루미나 섬유로 만들어진다. AETB에 대한 보편적으로 알려져 있는 응용은 우주왕복선 재진입용으로 이상적인 우주왕복선에 설치된 외벽 타일이다. AETB를 독특하고 우주 산업에서 바람직하게 만드는 속성은 유기 연소 기술에서도 바람직하다. AETB는 높은 융점, 낮은 열 전도도, 낮은 열팽창 계수, 열 충격 및 진동 충격에 대한 내구성, 낮은 밀도, 및 매우 높은 다공도와 투과성을 가진다.In one embodiment, the filtration substrate of the present invention is an alumina reinforced thermal barrier ("AETB") material or similar material known to those skilled in the art. AETB is made of alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate and aluminoboria silicate) fibers, silica fibers and alumina fibers. A commonly known application for AETB is exterior wall tiles installed on space shuttles, ideal for re-entry into space shuttles. The properties that make AETB unique and desirable in the space industry are also desirable in organic combustion technology. AETB has high melting point, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, durability against thermal shock and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability.

본 발명의 여과 기재는 선택에 따라 하나 이상의 화학적 첨가제로 처리된다.The filter substrate of the present invention is optionally treated with one or more chemical additives.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 촉매가 전혀 적용되어 있지 않은, 전술한 바와 같은 필터를 포함하는 디젤 입자 트랩을 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention seeks to provide a diesel particle trap comprising a filter as described above, with no catalyst applied.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 CRT^® 디젤 입자 트랩(NO_x, HC 흡착제)와 조합한, 전술한 바와 같은 필터를 포함하는 디젤 입자 트랩을 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention seeks to provide a diesel particle trap comprising a filter as described above in combination with a CRT ^® diesel particle trap (NO _x , HC adsorbent).

또 다른 실시예에서, 본 발명은 SCR과 조합한, 전술한 바와 같은 필터를 포 함하는 디젤 입자 트랩을 제공하려는 것이다.In yet another embodiment, the present invention is directed to providing a diesel particle trap comprising a filter as described above, in combination with an SCR.

또 다른 실시예에서, 상기 여과 기재는 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 복수의 채널을 포함한다. 또한, 여과 기재는 여기에 지개되고 해당 기술 분야에서 알려져 있는 하나 이상의 태양에서 변형, 변경 및/또는 강화될 수 있다.In another embodiment, the filtration substrate comprises a plurality of channels, described in more detail below. In addition, the filtration substrate may be modified, modified and / or reinforced in one or more aspects disclosed herein and known in the art.

촉매 기재 및 여과 기재의 속성 Properties of Catalyst Bases and Filter Bases

본 발명은 종래의 촉매 기재 또는 여과 기재에 비해 유리한 하나 이상, 바람직하게는 적어도 셋, 넷, 다섯, 여섯, 일곱, 여덟, 아홉 또는 열 가지의 속성을 가진다.The present invention has one or more, preferably at least three, four, five, six, seven, eight, nine, or ten attributes that are advantageous over conventional catalyst substrates or filtration substrates.

사용의 적합성 Suitability for use

본 발명은 일 실시예에 있어서, 촉매 전환기용으로 적합한, nSiRF-C를 포함하는 촉매 기재 또는 여과 기재 및 촉매를 제공하려는 것이다. 상기 기재는 임의 개수의 촉매 전환기, 여과 장치 및 그의 응용에 사용하기에 적합하다.The present invention seeks to provide, in one embodiment, a catalyst substrate or filtration substrate and catalyst comprising nSiRF-C, suitable for catalytic converters. The substrate is suitable for use in any number of catalytic converters, filtration devices, and applications thereof.

예를 들면, 본 발명의 촉매 기재 및 여과 기재는 종래 기술의 기재용으로 일반적으로 사용된 임의의 응용 분야에서 사용되기에 적합하다. 적합한 용도는, 특별히 제한되지는 않지만, 본 발명의 기재를 다음과 같은 배기 시스템 중 임의의 하나에 사용하는 것이다: 1) 승용차 및 경량 트럭; 하이웨이 및 차도 오토바이, 3륜 오토바이(예; 모터 구동 3륜 오토바이, 오토리치쇼(autorichshaw)), 모터 구동 3륜 오토바이; 트럭 및 버스와 같은 중형 하이웨이 엔진을 포함하는 이동형, 도로 상 엔진, 장치 및 차량, 2) 압축 점화 엔진(농장, 건설, 탄광 등); 소형 스파크 점화 엔진(잔디 깎는 기계, 잎 송풍기, 전기톱, 등); 대형 스파크 점화 엔진(포크리프 트, 발전기, 등); 해양 디젤 엔진(상선, 레크리에이션 디젤, 등); 해양 스파크 점화 엔진(보트, 개인용 선박, 등); 레크리에이션 차량(스노우모빌, 산악용 오토바이, 전지형 만능차, 등); 기관차; 항공기(비행기, 지상 지지 장치, 등)를 포함하는 이동형, 비도로 엔진, 장치 및 차량, 및 3) 발전소, 정유 설비 및 제조 시설과 같은 수백종의 소스를 포함하는 정지형 소스.For example, the catalyst substrate and filtration substrate of the present invention are suitable for use in any application commonly used for prior art substrates. Suitable uses include, but are not limited to, the use of the substrate of the present invention in any of the following exhaust systems: 1) passenger cars and light trucks; Highway and driveway motorcycles, three-wheeled motorcycles (eg, motor-driven three-wheeled motorcycles, autorichshaw), motor-driven three-wheeled motorcycles; Mobile, on-road engines, devices and vehicles, including medium highway engines such as trucks and buses; 2) compressed ignition engines (farm, construction, coal mine, etc.); Small spark ignition engines (grass mowers, blade blowers, chainsaws, etc.); Large spark ignition engines (forklifts, generators, etc.); Marine diesel engines (merchant marine, recreational diesel, etc.); Marine spark ignition engines (boats, personal vessels, etc.); Recreational vehicles (snowmobiles, mountain motorcycles, all-rounder vehicles, etc.); locomotive; Stationary sources including mobile, non-road engines, devices and vehicles, including aircraft (airplanes, ground support devices, etc.), and 3) hundreds of sources such as power plants, refineries, and manufacturing facilities.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는, 여기에 기재된 기재가 촉매 전환기의 일부로서 EPA에 의해 정의된 1990년, 2007년 및 2010년 중 어느 하나의 방출 표준에 차량이 합당하도록 기능을 발휘한다면, 특별한 차량에서 사용되기에 적합하다.In another embodiment, the catalyst substrate of the present invention functions so that the vehicle described herein conforms to the emission standard of any of 1990, 2007 and 2010 as defined by EPA as part of the catalytic converter. If so, it is suitable for use in special vehicles.

또 다른 실시예에서, 상기 촉매 기재는 오염물을 비오염물로 변화시키는 반응을 높은 레벨로 촉매작용한다. 예를 들면, 오염물을 비오염물로 전환시키는 반응에 대해 50%보다 큰 효율로 촉매작용한다. 또 다른 실시예에서, 오염물을 비오염물로 전환시키는 반응에 대해 60%보다 큰 효율로 촉매작용한다. 또 다른 실시예에서, 상기 전환율은 70%, 80%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 및 99.9%로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 일 실시예에 있어서, 상기 전환율은 비입자상 오염물의 총전환율을 지칭한다. 다른 실시예에서, 상기 전환율은 구체적인 비입자상 오염물의 전환, 예를 들면 NO_x를 N₂로, CO를 CO₂로, 또는 HCs를 CO₂와 H₂O로 전환시키는 것을 지칭한다. 다른 실시예에서, 상기 전환율은 배기 가스로부터 제거된 입자상 물질의 퍼센트를 지칭한다.In another embodiment, the catalyst substrate catalyzes the reaction of converting contaminants into non-contaminants at high levels. For example, it catalyzes with greater than 50% efficiency for reactions that convert contaminants into non-contaminants. In another embodiment, catalyze at greater than 60% efficiency for the reaction of converting contaminants into non-contaminants. In another embodiment, the conversion rate consists of 70%, 80%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, and 99.9% Selected from the group. In one embodiment, the conversion rate refers to the total conversion of nonparticulate contaminants. In another embodiment, the conversion refers to conversion of specific nonparticulate contaminants, for example NO _x to N ₂ , CO to CO ₂ , or HCs to CO ₂ and H ₂ O. In another embodiment, the conversion refers to the percentage of particulate matter removed from the exhaust gas.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 미국 연방 테스트 프로토콜 75(U.S. FTP75)와 같은 특정한 OEM 지정의 선호되는 테스트를 통과한다면, 특별한 응용 분야에서 사용하기에 적합하다. 그러한 테스트는 해당 분야에 알려져 있다. (참조 문헌예; Document No. EPA20-R92-009, 미국 EPA에서 발행한 것으로 http://www.뎀govotaq/inventory/r92009.pdf에서 입수할 수 있으며, 이 내용은 전체가 원용되어 본 명세서에 포함됨). 부가적으로, 갱신 적용에서 백-캣 또는 DPT로서, EPA 및/또는 주/지역 기관은 내포된 기재를 포함하여 제품의 사용에 대한 승인을 해야할 것이다.In another embodiment, the catalyst substrate of the present invention is suitable for use in a particular application if it passes the preferred test of a particular OEM designation, such as US Federal Test Protocol 75 (U.S. FTP75). Such tests are known in the art. (Reference literature example: Document No. EPA20-R92-009, published by U.S. EPA, available at http: //www.demgovotaq/inventory/r92009.pdf, which is hereby incorporated by reference in its entirety. Included). Additionally, as a back-cat or DPT in renewal applications, EPA and / or state / local agencies will have to approve the use of the product, including nested descriptions.

표면적 Surface area

기재의 활용 가능한 표면적은 여과 기재 또는 촉매 기재의 중요한 특성이다. 촉매 전환기용으로 적합한 기재의 특성 중 하나는 높은 기하학적 표면적(GSA)을 가진다는 점이다. 높은 GSA에 의해 최대의 반응 확률이 가능하다.The available surface area of the substrate is an important property of the filtration substrate or the catalyst substrate. One of the properties of substrates suitable for catalytic converters is that they have a high geometric surface area (GSA). Higher GSAs allow for maximum response probabilities.

넓은 개방형 전방 면적(open frontal area; OFA)에 의해, 가스의 흐름을 방해하여 역압력을 발생하기 않고 많은 양의 가스가 통과할 수 있게 된다. 개방형 전방 면적(OFA)은 가스가 유동하는 데 활용될 수 있는 총 기재 단면적의 일부(즉, 필터 유입 채널의 단면적)라고 정의된다. OFA는 전형적으로 총 기재 단면에 상대적으로 표현된다.The large open frontal area (OFA) allows large amounts of gas to pass without disturbing the flow of gas and creating back pressure. Open front area (OFA) is defined as the portion of the total substrate cross-sectional area (ie, the cross-sectional area of the filter inlet channel) that the gas can utilize to flow. OFA is typically expressed relative to the total substrate cross section.

본 발명의 기재의 속성은 높은 표면적, 즉 높은 GSA이다. 기재의 표면적은 촉매 반응 응용에 있어서 중요한 특징이다. 표면적은 배기 필터를 통해 배기 가스 방출물이 유동할 때 반드시 통과해야 하는 면의 합계량이다. 표면적의 증가는 오 염물과 촉매적, 열적 프로세스 사이의 화학 반응이 일어날 수 있는 면적의 증가에 따라, 촉매 전환기 프로세스가 더 빠르고 더 효율적으로 되는 것으로 해석된다. 속도와 효율은 배기 시스템의 고장을 야기할 수 있는 막힘을 거의 또는 전혀 초래하지 않을 수 있다. 또한, 특정한 실시예에 따른 기재의 표면적 증가는, 또한 여과 효율 및/또는 능력의 증가를 수반한다.The nature of the substrate of the invention is high surface area, ie high GSA. The surface area of the substrate is an important feature in catalytic reaction applications. The surface area is the sum of the faces that must pass when the exhaust gas emissions flow through the exhaust filter. The increase in surface area translates to faster and more efficient catalytic converter processes as the area of chemistry between contaminants and catalytic and thermal processes increases. Speed and efficiency may result in little or no blockage that can cause failure of the exhaust system. In addition, increasing the surface area of a substrate according to certain embodiments also entails an increase in filtration efficiency and / or capacity.

기하학적 표면적은 1 in³ 내에 함침될 수 있는 총 표면적이다. 높은 그로스(gross) 표면적을 가진 기재가 바람직하다. 본 발명의 특정한 실시예는 코디어라이트 및 SiC와 같은 종래의 기재에 비해 촉매로 함침될 수 있는 기하학적 표면적을 훨씬 많이 갖는다.The geometric surface area is the total surface area that can be impregnated within 1 in ³ . Substrates with high gross surface areas are preferred. Certain embodiments of the present invention have much more geometric surface area that can be impregnated with a catalyst than conventional substrates such as cordierite and SiC.

그로스 벽 체적(gross wall volume)은 구성된 기재의 1 in³ 내에 존재하는 벽 체적의 총량이다. 그로스 벽 체적은 각각의 벽 표면적을 각각의 두께로 곱한 다음 합산하여 계산된다. 낮은 그로스 벽 체적을 가진 기재가 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 기재의 그로스 벽 체적은 코디어라이트 및 SiC와 같은 종래의 기재에 비해 더 낮다.The gross wall volume is the total amount of wall volume present within 1 in ³ of the constructed substrate. The gross wall volume is calculated by multiplying each wall surface area by its thickness and then summing. Substrates with low gross wall volumes are preferred. In one embodiment, the gross wall volume of the substrate according to the invention is lower than conventional substrates such as cordierite and SiC.

일 실시예에 있어서, 촉매 기재의 그로스 벽 체적은 약 0.5～약 0.1 in³/in³, 약 0.4～약 0.2 in³/in³, 또는 약 0.3 in³/in³이다. 바람직한 실시예에서, 기재의 그로스 벽 체적은 약 0.25～약 0.28 in³/in³, 보다 바람직하게는 약 0.27 in³/in³, 더욱 바람직하게는 약 0.272 in³/in³이다.In one embodiment, the gross wall volume of the catalyst substrate is about 0.5 to about 0.1 in ³ / in ³ , about 0.4 to about 0.2 in ³ / in ³ , or about 0.3 in ³ / in ³ . In a preferred embodiment, the gross wall volume of the substrate is from about 0.25 to about 0.28 in ³ / in ³ , more preferably about 0.27 in ³ / in ³ , more preferably about 0.272 in ³ / in ³ .

일 실시예에 있어서, 본 발명의 낮은 그로스 벽 체적으로 인해, 본 발명에 따른 촉매 작용을 실행하는 데 소요되는 촉매의 양이, 비슷한 크기의 코디어라이트보다 더 적다.In one embodiment, due to the low gross wall volume of the present invention, the amount of catalyst required to carry out the catalysis according to the invention is less than that of cordierite of similar size.

다공도Porosity 및 투과성 And permeability

기공 속성도 기재의 기계적 및 열적 속성에 영향을 준다. 다공도와 기계적 강도 사이에는 트레이드-오프(trade-off)가 존재한다: 즉, 종래의 특정 기재에 있어서, 기공 크기가 작고 다공도가 낮은 기재는 다공도가 높은 기재보다 강도가 높다. 비열용량(specific heat capacity)과 열 전도도 모두를 의미하는 열적 송성은, 특정 재료에서 다공도가 증가함에 따라 감소될 수 있다(Yuuki 2003).Pore properties also affect the mechanical and thermal properties of the substrate. There is a trade-off between porosity and mechanical strength: that is, for certain conventional substrates, substrates with smaller pore sizes and lower porosities are stronger than substrates with higher porosities. Thermal transmission, meaning both specific heat capacity and thermal conductivity, can be reduced with increasing porosity in certain materials (Yuuki 2003).

1980년대에 도입된 제1 벽-유동 모노리스는 직경이 35 ㎛로 큰 채널을 가졌다. 여과 효율을 극대화하기 위해서, 1990년대에 사용된 필터에서는 채널이 더 작게, 전형적으로는 10～15 ㎛의 범위로 만들어졌다. 새로운 재료를 개발함에 있어서, 필터 제조사들은 적용될 촉매 시스템을 주로 고려하여 그들의 목표 기공 속성을 차별화한다(Ogyu, K., et al., 2003, "Characterization of Thin Wall SiC-DPF", SAE 2003-01-0377; Yuuki, K., et al., 2003, "The Effect of SiC Properties on the Performance of Catalyzed Diesel Particulate Filter(DPF)," SAE 2003-01-0383). 그 응용은 다음과 같이 분류될 수 있다:The first wall-flow monolith, introduced in the 1980s, had channels with a diameter of 35 μm. To maximize filtration efficiency, the filters used in the 1990s were made smaller in channels, typically in the range of 10-15 μm. In developing new materials, filter manufacturers differentiate their target pore properties primarily by considering the catalyst system to be applied (Ogyu, K., et al., 2003, "Characterization of Thin Wall SiC-DPF", SAE 2003-01 Yuuki, K., et al., 2003, "The Effect of SiC Properties on the Performance of Catalyzed Diesel Particulate Filter (DPF)," SAE 2003-01-0383). The application can be classified as follows:

연료 첨가제형 재생 시스템에서 사용되는 것과 같은 무촉매 필터(non-catalyzed filter): 주된 요건은 높은 검댕 보유 능력이다. 종래의 특정 필터는 10～20 ㎛ 범위의 기공과, 약 40～45%의 다공도를 가진다.Non-catalyzed filters such as those used in fuel additive type regeneration systems: The main requirement is high soot retention capacity. Certain conventional filters have pores in the range of 10-20 μm and porosity of about 40-45%.

수동적으로 재생된 시스템에서의 필터와 같은 촉매화 필터는, 점진적으로 더 복합적인 촉매 시스템(종종, 워쉬코트 재료가 매우 적거나 전혀 없는, 1990년대에 사용된 단순한 촉매에 반대)으로 코팅할 수 있도록, 더 많은 다공도 및 가능하게는 더 큰 기공 크기를 필요로 한다. 기재는 촉매/워쉬코트 시스템에 의해 약 50 g/dm³ 부하로 코팅된 후, 허용 가능하게 낮은 압력 손실을 가져야 한다. 특정한 종래 기술 필터는 약 45～55% 범위의 다공도를 가진다. 추가적 히터를 적용할 수도 있다.Catalytic filters, such as those in passively regenerated systems, allow for coating with progressively more complex catalyst systems (often as opposed to simple catalysts used in the 1990s with very little or no washcoat material). It requires more porosity and possibly larger pore size. The substrate should be coated with a catalyst / washcoat system at about 50 g / dm ³ load and then have an acceptable low pressure loss. Certain prior art filters have a porosity in the range of about 45-55%. Additional heaters may be applied.

DPNR 시스템 또는 CRT(연속 재생 트랩)RHK 같은 필터/NO_x 흡착 장치는 NO_x 저장/환원 시스템을 결합하며, 높은 워쉬코트 부하, 가능하게는 100 g/dm³ 이상을 필요로 한다. 특정한 종래 기술 기재는 약 60%의 다공도를 가지며(65% 다공도 기재가 보고된 바 있음), 다공도 증가에 있어서 기계적 강도가 주된 제약이다(Ichikawa, S., et al., 2003, "Material Development of High Porous SiC for Catalyzed Diesel Particulate Filters," SAE 2003-01-0380).Filter / NO _x adsorption devices, such as DPNR systems or CRT (Continuous Regeneration Traps) RHK combine NO _x storage / reduction systems and require high washcoat loads, possibly over 100 g / dm ³ . Certain prior art substrates have a porosity of about 60% (65% porosity substrates have been reported) and mechanical strength is a major constraint in increasing porosity (Ichikawa, S., et al., 2003, "Material Development of High Porous SiC for Catalyzed Diesel Particulate Filters, "SAE 2003-01-0380).

본 발명에 따른 촉매 또는 여과 기재의 특정한 실시예의 또 다른 속성은 높은 다공도이다. 일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재의 다공도는 약 60%, 70%, 80% 또는 90%이다. 다른 실시예에서, 기재는 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%의 다공도를 갖는다(고체 기재에 대한 기공 공간의 퍼센트로 표현한 값).Another property of certain embodiments of catalysts or filtration substrates according to the invention is high porosity. In one embodiment, the porosity of the substrate of the present invention is about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has a porosity of about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, or 99% (expressed as a percentage of pore space relative to the solid substrate). value).

일 실시예에서, 본 발명의 실시예의 다공도는 약 97.26%이다. 이에 비하여 코디어라이트는 약 18～42%이다. 이 실시예에서, 본 발명의 재료는 배기 가스의 흐름을 가로막는 재료를 단지 약 2.74%를 가진다. 이러한 재료의 미세한 웹(web)은 적극적으로 입자를 포착하며 매우 효과적으로 입자를 소각시킨다. 채널 벽을 따른 포획뿐 아니라 심층 여과 방식에서 입자를 포획함으로 인해, 재생 시간이 PM 축적 시간보다 긴 경우에도 PM 축적이 일어나지 않는다. 다공도가 높다는 것은 환언하면 오염물과 촉매화 또는 무촉매 기재 표면 사이의 상호작용이 더 양호하고 더 효과적이라는 것이다. 동시에, 가스 흐름 축적이 의도한 가스 흐름 방향을 따라서 뿐 아니라 측면으로 방출될 수 있다.In one embodiment, the porosity of an embodiment of the invention is about 97.26%. In comparison, cordierite is about 18-42%. In this embodiment, the material of the present invention has only about 2.74% of the material blocking the flow of exhaust gas. The fine web of this material actively captures the particles and incinerates the particles very effectively. By trapping particles in the deep filtration scheme as well as trapping along the channel wall, PM accumulation does not occur even if the regeneration time is longer than the PM accumulation time. High porosity means that the interaction between the contaminant and the surface of the catalyzed or noncatalytic substrate is better and more effective. At the same time, gas flow accumulation can be released laterally as well as along the intended gas flow direction.

도 22a 및 22b를 참조하면, 본 발명의 예시적인 기재(2200, 2205)가 도시되어 있다. 기재(2200, 2205)는 약 97% 다공질이다. 동일한 스케일로 도시되어 있는 도 2a 및 2b에서의 코디어라이트 및 도 3에서의 실리콘 카바이드의 샘플과 비교할 때, 기재(2200, 2205)는 더 다공질이고 밀도가 낮다. 도 22b에서, 입자상 물질 PM-10(2210) 및 PM-2.5(2225)는 일정한 비례로 도시되어 있다. 입자상 물질 PM-10(2210) 및 PM-2.5(2225)는 도 2b에 예시된 코디어라이드 샘플(205)에 비해 기재(2205)의 필터를 용이하게 투과할 수 있다. 또한, 도 3의 실리콘 카바이드(300)과 비교하면, 실리콘 카바이드의 밀도는 기재(2200, 2205)의 밀도의 약 30배 내지 50배이다.22A and 22B, exemplary substrates 2200 and 2205 of the present invention are shown. Substrates 2200 and 2205 are about 97% porous. Compared with the samples of cordierite in FIGS. 2A and 2B and silicon carbide in FIG. 3, shown at the same scale, the substrates 2200 and 2205 are more porous and have lower density. In FIG. 22B, particulate matter PM-10 2210 and PM-2.5 2225 are shown in proportion. Particulate matter PM-10 2210 and PM-2.5 2225 can easily penetrate the filter of substrate 2205 as compared to the cordieride sample 205 illustrated in FIG. 2B. In addition, compared with the silicon carbide 300 of FIG. 3, the density of the silicon carbide is about 30 to 50 times the density of the substrates 2200 and 2205.

본 발명의 일 실시예에 있어서의 높은 다공도는 높은 표면적 및 낮은 역압력을 제공한다. 그 결과, 본 발명은 NO_x 환원, 탄화수소 및 CO의 산화 및 입자상 물질 포착에서 더 효율적이다.High porosity in one embodiment of the present invention provides high surface area and low back pressure. As a result, the present invention is more efficient in NO _x reduction, oxidation of hydrocarbons and CO and capture of particulate matter.

체적 퍼센트 다공도, 크기 분포, 구조 및 상호연결성(interconnectivity)을 포함하는 기공 특성은 필터 입자에 대한 모노리스 능력을 결정한다. 또한, 가스 분자가 다공질 기재 내로 확산될 수 있을 경우, 촉매 반응의 확률은 현격히 증가된다. 셀 형상(cellular geometry)과 함께, 다공도 특성은 또한 유동 및 압력 강하에 대한 모노리스의 수력학적 저항에 영향을 준다. 높은 여과 효율을 위해 바람직한 몇몇 속성(예컨대, 낮은 다공도 및 작은 기공 크기)은 낮은 압력 강하를 위해 요구되는 것과 대치된다. 낮은 압력 강하와 높은 효율 모두를 위해 바람직한 것은, 양호한 기공 상호연결성 및 폐쇄된 "데드 엔드(dead end)" 기공의 부재와 같은 다른 속성들이다. 또 다른 실시예에서 본 발명의 기재는 높은 여과 효율과 낮은 압력 강하를 모두 제공한다.Pore properties, including volume percent porosity, size distribution, structure, and interconnectivity, determine the monolithic ability for the filter particles. In addition, when gas molecules can diffuse into the porous substrate, the probability of catalytic reaction is significantly increased. Along with cellular geometry, porosity properties also affect the hydraulic resistance of the monolith to flow and pressure drop. Some properties desirable for high filtration efficiency (eg low porosity and small pore size) are opposed to those required for low pressure drop. Preferred for both low pressure drop and high efficiency are other properties such as good pore interconnectivity and the absence of closed "dead end" pores. In another embodiment, the substrate of the present invention provides both high filtration efficiency and low pressure drop.

방사율 및 열 전도도 Emissivity and Thermal Conductivity

촉매 전환기 및 입자 필터에서 사용되는 기재의 또 다른 성질은 방사율이다. 방사율은 열을 방출하는 성향(tendency), 방출의 상대적 용이성, 즉 가열체의 표면으로부터 열에 대해 방출이 일어나는 속도이다. Another property of substrates used in catalytic converters and particle filters is emissivity. Emissivity is the tendency to release heat, the relative ease of release, ie the rate at which release occurs for heat from the surface of the heating body.

이상적인 기재를 위해서는, (1) 높은 전환 효율로 가장 빨리 끌어올리는 온도; (2) 열적 위해(예컨대, 열 충격 또는 기재의 고온 용융/균열 발생으로 인한)로부터 가장 안전한 온도; (3) 보조 에너지의 최소량이 사용되는 온도; 및 (4) 생성에 비용이 많이 들지 않는 온도가 고려된다. 온도 상승은 추가적 에너지와 비용을 필요로 한다. 또한, 소정량의 에너지 소스가 열 전도도를 통해 전도되고 빠져나가거나 흘러나간다. For an ideal substrate, (1) the fastest temperature rises with high conversion efficiency; (2) the safest temperatures from thermal hazards (eg, due to thermal shock or hot melt / crack generation of the substrate); (3) the temperature at which the minimum amount of auxiliary energy is used; And (4) temperatures that are not expensive to produce are contemplated. Temperature rises require additional energy and cost. In addition, a predetermined amount of energy source is conducted through the thermal conductivity and exits or flows out.

방사율은 0과 1 사이의 값을 갖는 반사율의 비이며, 1은 완전 반사이다. 촉매 전환기 및 입자 필터에 사용되는 여러 가지 기재는 상이한 방사율 값을 갖는다. 높은 방사율은 촉매 기재가 시스템으로부터 외부로의 열 전달을 최소화함으로써, 촉매 전환기 또는 입자 필터 내부의 공기를 더 빨리 가열할 수 있게 한다. 방사율은 재료의 열 반사성의 척도이며, 높은 값이 바람직하다.Emissivity is the ratio of reflectances having values between 0 and 1, with 1 being complete reflection. Various substrates used in catalytic converters and particle filters have different emissivity values. The high emissivity allows the catalyst substrate to heat up the air inside the catalytic converter or particle filter faster by minimizing heat transfer from the system to the outside. Emissivity is a measure of the heat reflectivity of a material, with a high value being preferred.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 약 0.8 내지 1.0의 방사율을 갖는 것이 바람직하다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재의 방사율은 약 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 및 0.9이다. 본 발명의 기재의 방사율로 더욱 적합한 값은 0.81, 0.83, 0.85, 0.87, 및 0.89을 포함한다. 다른 실시예에서, 방사율은 약 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 및 0.98이다. 열의 반사율은 기공 내의 기상 물질이 훨씬 빨리 가열될 수 있게 하는데, 그것은 기재 자체가 보유하는 열이 거의 없기 때문이다. 그 결과, 착화가 신속하고 기재 외부 표면의 온도 상승이 거의 없다.In one embodiment, the substrate of the present invention preferably has an emissivity of about 0.8 to 1.0. In another embodiment, the emissivity of the substrate of the present invention is about 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, and 0.9. More suitable values for emissivity of substrates of the present invention include 0.81, 0.83, 0.85, 0.87, and 0.89. In another embodiment, the emissivity is about 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, and 0.98. The reflectance of heat allows the gaseous material in the pores to heat up much faster because there is very little heat retained by the substrate itself. As a result, ignition is rapid and there is little temperature rise of the substrate outer surface.

재료의 열 전도도는, 플레이트의 마주보는 면이 단위 온도 구배(예를 들면, 1 단위의 두께를 가로질러 1도의 온도차)인 상태로 있을 때, 플레이트의 단위 면적을 통해 단위 시간에 통과하는 열량이다. 열 전도도는 두께의 미터당, 켈빈 변화당 에너지 와트(W/m-K)의 단위를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 기재는 낮은 열 전도도를 가진다. 예를 들면, 일 실시예에서, 본 발명의 기재의 열 전도도는 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 또는 0.9 미만이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재의 열 전도도는 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 또는 0.09 미만이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재의 열 전도도는 약 0.1 내지 약 0.01, 약 0.2 내지 0.02, 약 0.3 내지 약 0.03, 약 0.4 내지 약 0.04, 약 0.5 내지 약 0.05, 약 0.6 내지 약 0.06, 약 0.7 내지 약 0.07, 약 0.8 내지 약 0.08, 또는 약 0.9 내지 약 0.09이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재의 열 전도도는 약 0.0604 W/m-K이다.The thermal conductivity of a material is the amount of heat passing in unit time through the unit area of the plate when the opposite side of the plate is in a unit temperature gradient (eg, a 1 degree temperature difference across a unit of thickness). . Thermal conductivity has units of energy watts per Kelvin (W / m-K) per meter of thickness. In a preferred embodiment, the substrate of the present invention has a low thermal conductivity. For example, in one embodiment, the thermal conductivity of the substrate of the present invention is less than about 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, or 0.9. In yet another embodiment, the thermal conductivity of the substrate of the present invention is less than about 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, or 0.09. In another embodiment, the thermal conductivity of a substrate of the present invention is about 0.1 to about 0.01, about 0.2 to 0.02, about 0.3 to about 0.03, about 0.4 to about 0.04, about 0.5 to about 0.05, about 0.6 to about 0.06, about 0.7 to about 0.07, about 0.8 to about 0.08, or about 0.9 to about 0.09. In yet another embodiment, the thermal conductivity of the substrate of the present invention is about 0.0604 W / m-K.

이에 비하여, 코디어라이트의 샘플은 약 1.3 내지 1.8 W/m-K이다. 이러한 결과는, 특별한 실시예를 예로 들어, 1,000 Watt의 열 에너지가 코디어라이트 재료의 주어진 체적으로부터 상실된다고 할 때, 본 발명에 따른 재료의 동일 체적으로부터 단지 33 Watt가 상실된다. 따라서, 코디어라이트는 본 발명의 재료보다 30배 더 큰 열 전도도를 가진다.In comparison, the sample of cordierite is about 1.3 to 1.8 W / m-K. This result is that only 33 Watts are lost from the same volume of the material according to the invention when a particular embodiment, for example, assumes that the thermal energy of 1,000 Watts is lost from a given volume of cordierite material. Thus, cordierite has 30 times greater thermal conductivity than the material of the present invention.

부가적으로 다른 실시예에서, 기재의 제조 방법은, 방사율 증강제를 더 포함하는 촉매 기재 또는 여과 기재를 제조하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 방법은 상기 기재, 바람직하게는 nSiRF-C, 보다 바람직하게는 AETB, OCTB 또는 FRCI 재료에 방사율 증강제를 적용하는 단계를 포함한다.Additionally in another embodiment, the method of preparing the substrate further comprises the step of preparing a catalyst substrate or a filtration substrate, further comprising an emissivity enhancer, the method further comprising the substrate, preferably nSiRF-C, more preferably. Preferably, applying an emissivity enhancer to the AETB, OCTB or FRCI material.

다른 바람직한 기재는 전술한 특수 기재 중 임의의 기재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 방사율 증강제 및 팔라듐, 백금, 로듐, 이들의 유도체 및 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 촉매를 추가로 포함한다. 상기 실시예에 전술한 다른 물리적 및 화학적 변경을 적용할 수 있다. 방사율 증강제는 해당 기술 분야에 알려져 있다.Other preferred substrates include any of the special substrates described above. In another embodiment, the catalyst substrate further comprises an emissivity enhancer and a catalyst selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, derivatives and mixtures thereof. Other physical and chemical modifications described above can be applied to this embodiment. Emissivity enhancers are known in the art.

열적 속성 Thermal properties

열팽창 계수가 낮은 기재는, 유의적으로 팽창되거나 수축되지 않고 그 기재 가 온도의 급속한 변화에 견딜 수 있게 한다. 또한 적당한 열팽창 계수에 의해, 기재는 자신을 둘러싸고 있는 보호 매팅 및 캐니스터와 동일한 비율로 열에 따라 팽창할 수 있다.Substrates with low coefficients of thermal expansion allow the substrates to withstand rapid changes in temperature without significant expansion or contraction. Also, with a suitable coefficient of thermal expansion, the substrate can expand with heat in the same proportion as the protective matting and canister surrounding it.

예를 들어 비정기적인 연료 연소중에 온도가 높은 값으로 상승할 경우에도, 촉매 전환기 또는 입자 필터를 용융시키지 않도록, 기재의 재료는 높은 온도 범위를 견디는 것이 또한 바람직하다. 부가적으로, 기재의 재료가 높은 온도에 견딜 수 있다면, 촉매 전환기 또는 필터를 엔진에 보다 근접한 위치에 설치할 수 있다.It is also desirable for the material of the substrate to withstand a high temperature range so as not to melt the catalytic converter or particle filter even when the temperature rises to a high value, for example during irregular fuel combustion. In addition, if the material of the substrate can withstand high temperatures, the catalytic converter or filter can be installed in a position closer to the engine.

이와 관련된 성질로는 낮은 열 질량 및 열용량이 포함된다. 낮은 열 질량 및 열용량을 가진 재료는 촉매 기재의 온도를 상승시킬 때 낭비되는 열 에너지를 적게 한다. 촉매 기재를 신속하게 가열할 경우, 촉매 성분의 착화를 유발하기 위해서는 배기 가스를 통해 들어오는 열 에너지가 더 많이 사용된다. Related properties include low thermal mass and heat capacity. Materials with low thermal mass and heat capacity make less heat energy wasted when raising the temperature of the catalyst substrate. When the catalyst substrate is heated rapidly, more heat energy coming through the exhaust gas is used to cause the ignition of the catalyst component.

열 전도도는 재료가 분자 운동의 결과로서 열을 전도하는 능력이다. 보다 구체적으로, 열 전도도는 또한, 플레이트의 마주보는 면이 단위 온도 만큼의 온도차를 가질 때, 1 단위 두께를 가진 플레이트의 단위 면적을 통해 단위 시간에 통과하는 열량의 척도이다. 재료가 많은 열을 전도할수록, 열손실을 극복하고 필요한 온도에 도달하기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하다. 재료가 열을 전도하지 않고 반사하는 것이 바람직하다. 기공 내 공간에서 더 많은 열 에너지가 활용되고 기재에 의한 흡수로부터 상실되지 않도록, 열 전도도 값은 낮을수록 바람직하다. 여러 가지 물질의 화학적 성질이 열 전도도의 레벨을 결정한다. 부가적으로, 필터 매질의 열 전도도는 배기 방출 필터의 효율에 대해 주된 영향을 주는데, 그것은 온 도 저하가 반응성에 부정적인 영향을 주기 때문이다. 생성된 열이 더 많이 반사되어 입자에 되돌아가고 기공 공간에 잔류할 것이기 때문에 열 전도도가 낮은 것이 바람직하다. 다시 말하면, 열 전도도가 낮을수록, 열 손실이 적다. 열 손실이 낮다고 하는 것은 촉매 전환을 위해 원하는 온도 범위를 얻는 데 필요한 에너지가 적고 에너지 효율이 높다는 것을 의미한다.Thermal conductivity is the ability of a material to conduct heat as a result of molecular motion. More specifically, thermal conductivity is also a measure of the amount of heat passing in unit time through a unit area of a plate having one unit thickness when the opposite sides of the plate have a temperature difference by unit temperature. The more heat the material conducts, the more energy is needed to overcome the heat loss and reach the required temperature. It is desirable for the material to reflect without conducting heat. Lower thermal conductivity values are preferred, so that more thermal energy is utilized in the spaces within the pores and not lost from absorption by the substrate. The chemistry of various materials determines the level of thermal conductivity. In addition, the thermal conductivity of the filter medium has a major influence on the efficiency of the exhaust emission filter, since the drop in temperature negatively affects the reactivity. Low thermal conductivity is desirable because the generated heat will be more reflected and returned to the particles and will remain in the pore space. In other words, the lower the thermal conductivity, the lower the heat loss. Lower heat loss means less energy and higher energy efficiency to achieve the desired temperature range for catalytic conversion.

비열은 물질 1 g의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열(단위: 칼로리)이다. 비열이 높은 기재는 주변의 열, 예를 들면 배기 또는 보조 소스로부터의 열을 반사하여, 연소 또는 촉매 환원 및 산화 공정이 열을 필요로 하는 기공 공간 내로 되돌린다. 예로서, 북극 지방과 같은 극한 조건 하에서는 비열이 낮은 필터를 가열하고 고온의 필터를 냉각하는 데 시간이 더 걸리므로 외부 열 손상의 기회가 증가된다. 비열이 낮은 것이 바람직한데, 그것은 상대적으로 적은 에너지로 더 빨리 가동 온도에 도달하기 때문이다.Specific heat is the heat (in calories) needed to raise the temperature of 1 g of material to 1 ° C. High specific heat substrates reflect ambient heat, such as heat from an exhaust or auxiliary source, and return it into the pore space where the combustion or catalytic reduction and oxidation process requires heat. For example, under extreme conditions, such as the Arctic, it takes longer to heat the low specific heat filter and cool the hot filter, increasing the chance of external thermal damage. Low specific heat is desirable because it reaches operating temperatures faster with relatively less energy.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 여러 가지 바람직한 열적 속성을 가진다. 기공 공간 내 공기의 가열이, 기재의 가열에 비해 우선적으로 일어나는 재료인 것이 바람직하다. 바람직하기로는, 본 발명의 기재는 높은 융점을 가지며, 일 실시예에 있어서, 종래의 기재보다 더 높은 융점을 가진다. 부분적으로는 촉매 기재 또는 여과 기재가 노출되는 극심한 온도로 인해 높은 융점이 바람직하다.In one embodiment, the present disclosure has a variety of desirable thermal properties. It is preferable that heating of the air in a pore space is a material which takes place preferentially compared with heating of a base material. Preferably, the substrate of the present invention has a high melting point, and in one embodiment, has a higher melting point than conventional substrates. High melting points are desirable, in part due to the extreme temperatures at which the catalyst substrate or filtration substrate is exposed.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 기재는 높은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 상기 융점은 1,500℉보다 높다. 또 다른 실시예에서, 상기 융점은 2,000℉보다 높다. 또 다른 실시예에서, 상기 융점은 2,500℉보다 높다. 또 다른 실시예에서, 기재의 융점은 약 2,000℉ 내지 약 4,000℉이다. 또 다른 실시예에서, 기재의 융점은 약 3,000℉ 내지 약 4,000℉이다. 다른 적합한 융점의 범위는 약 3,000℉ 내지 약 3,100℉, 약 3,100℉ 내지 약 3,200℉, 약 3,200℉ 내지 약 3,300℉, 약 3,300℉ 내지 약 3,400℉, 약 3,400℉ 내지 약 3,500℉, 약 3,500℉ 내지 약 3,600℉, 약 3,600℉ 내지 약 3,700℉, 약 3,700℉ 내지 약 3,800℉, 약 3,800℉ 내지 약 3,900℉ 및 약 3,900℉ 내지 약 4,000℉이다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 기재는 약 3,632℉의 융점을 갖는다.In a preferred embodiment, the substrate of the present invention preferably has a high melting point. In one embodiment, the melting point is higher than 1,500 ° F. In another embodiment, the melting point is higher than 2,000 degrees Fahrenheit. In yet another embodiment, the melting point is higher than 2,500 ° F. In yet another embodiment, the melting point of the substrate is from about 2,000 ° F. to about 4,000 ° F. In yet another embodiment, the melting point of the substrate is from about 3,000 ° F to about 4,000 ° F. Other suitable melting points range from about 3,000 ° F to about 3,100 ° F, about 3,100 ° F to about 3,200 ° F, about 3,200 ° F to about 3,300 ° F, about 3,300 ° F to about 3,400 ° F, about 3,400 ° F to about 3,500 ° F, about 3,500 ° F to About 3,600 ° F., about 3,600 ° F. to about 3,700 ° F., about 3,700 ° F. to about 3,800 ° F., about 3,800 ° F. to about 3,900 ° F., and about 3,900 ° F. to about 4,000 ° F. In another preferred embodiment, the substrate has a melting point of about 3,632 ° F.

본 발명의 일 실시예에서, 기재는 약 3,632℉의 융점을 갖는다. 예를 들면, 차량이 빙점보다 낮은 온도에 노출되어 있다면, 1,500℉인 배기 가스의 블라스트(blast)는 기재를 균열 또는 파손시키지 못할 것이다. 마찬가지로, 기재의 특정한 실시예는 과열 및 균열을 일으키지 않을 것이다. 코디어라이트의 특정 샘플은 약 1,400℃의 융점을 가진다.In one embodiment of the invention, the substrate has a melting point of about 3,632 ° F. For example, if the vehicle is exposed to temperatures below freezing, a blast of 1,500 ° F. exhaust will not crack or break the substrate. Likewise, certain embodiments of the substrate will not cause overheating and cracking. Certain samples of cordierite have a melting point of about 1,400 ° C.

본 발명의 일 실시예의 비열은 약 640 J/kg-K(Joules per Kilogram-Kelvin)이다. 코디어라이트의 샘플의 비열은 약 750 J/kg-K이다. 코디어라이트가 더 큰 비열을 갖지만, 코디어라이트 필터는 가열시킬 질량이 더 크다. 그 결과, 가동 온도에 도달하는 데 더 많은 열 에너지가 필요하므로 코디어라이트의 효율을 낮게 만든다. The specific heat of one embodiment of the present invention is about 640 J / kg-K (Joules per Kilogram-Kelvin). The specific heat of the sample of cordierite is about 750 J / kg-K. Cordierite has a greater specific heat, but cordierite filters have a higher mass to heat. As a result, more thermal energy is required to reach operating temperature, making cordierite less efficient.

다중 사용 온도 한계(multiple use temperature limit)란 기재가 실질적으로 열화되지 않고 복수 회 사용될 수 있는 최대 온도이다. 기재가 미세한 파손이나 파쇄(spallation) 없이 계속 작동할 수 있는 온도가 높을수록, 기재가 시간 경과에 따라 파괴되거나 균열을 일으킬 가능성이 적다. 이것은 또한 기재가 넓은 온도 범위에서 내구성이 더 크다는 것을 의미한다. 다중 사용 온도 한계는 높을수록 바람직하다. 본 발명의 촉매 기재 또는 여과 기재의 특정 실시예에서의 적합한 다중 사용 온도 한계는 약 2,000℃, 2,100℃, 2,200℃, 2,300℃, 2,400℃, 2,500℃, 2,600℃, 2,700℃, 2,800℃, 2,900℃, 3,000℃, 및 3,100℃로 이루어지는 군으로부터 선택되는 온도이다. The multiple use temperature limit is the maximum temperature at which the substrate can be used multiple times without substantially degrading. The higher the temperature at which the substrate can continue to operate without fine breakage or spalllation, the less likely the substrate will break or crack over time. This also means that the substrate is more durable over a wide temperature range. Higher multiple use temperature limits are desirable. Suitable multiple use temperature limits in certain embodiments of the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention are about 2,000 ° C., 2,100 ° C., 2,200 ° C., 2,300 ° C., 2,400 ° C., 2,500 ° C., 2,600 ° C., 2,700 ° C., 2,800 ° C., 2,900 ° C. , 3,000 ° C, and 3,100 ° C.

본 발명의 일 실시예의 다중 사용 온도 한계는 2,980℃이다. 코디어라이트의 샘플의 경우는 약 1,400℃이다. 본 발명의 실시예는 파괴될 때까지 코디어라이트보다 2배 이상의 온도를 견딜 수 있다. 이로써, 상기 재료는 더 폭 넓은 배기 환경에서 기능할 수 있다.The multiple use temperature limit of one embodiment of the present invention is 2,980 ° C. The sample of cordierite is about 1,400 ° C. Embodiments of the present invention can withstand twice as much temperature as cordierite until broken. In this way, the material can function in a wider exhaust environment.

열팽창 계수는 주어진 온도 상승에 대한(보통 0 내지 1℃에 대한) 물체의 길이(선형 계수), 면적(표면상) 또는 체적의 증가와 본래의 길이, 면적 또는 체적의 각각의 비이다. 이들 세 가지 계수는 약 1:2:3의 비이다. 구체적으로 표현되지 않았을 때, 보통 입방체의 계수를 의미한다. 가열되었을 때 기재의 팽창이 적을수록, 필터 어셈블리에 대한 누설, 파쇄 또는 손상의 가능성이 적다. 기재가 가열되거나 냉각될 때에도 그 치수를 유지하도록 하려면 열팽창 계수가 낮은 것이 바람직하다.The coefficient of thermal expansion is the ratio of the length (linear coefficient), area (surface) or volume increase of the object and the original length, area or volume, respectively, to a given temperature rise (usually 0 to 1 ° C.). These three coefficients are a ratio of about 1: 2: 3. When not specifically expressed, it usually refers to the coefficient of the cube. The less expansion of the substrate when heated, the less chance of leakage, fracture or damage to the filter assembly. A low coefficient of thermal expansion is desirable to maintain the dimensions even when the substrate is heated or cooled.

본 발명의 일 실시예에 대한 열팽창 계수는 약 2.65×10^-6 W/m-K이다. 코디어라이트의 샘플은 약 2.5×10^-6 W/m-K 내지 3.0×10^-6 W/m-K이다. 본 발명에 따른 재료의 열팽창 계수는 코디어라이트의 열팽창 계수의 10배 미만이다.The coefficient of thermal expansion for one embodiment of the invention is about 2.65 × 10 ⁻⁶ W / mK. Samples of cordierite range from about 2.5 × 10 ⁻⁶ W / mK to 3.0 × 10 ⁻⁶ W / mK. The coefficient of thermal expansion of the material according to the invention is less than 10 times the coefficient of thermal expansion of cordierite.

기재의 열팽창 계수는 임의의 워쉬코트의 열팽창 계수에 필적하는 것이 바람직하다.It is preferable that the coefficient of thermal expansion of the substrate is comparable to that of any washcoat.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 또는 여과 기재는 코디어라이트와 같은 종래 기술의 특정 기재에 비해, 열적 또는 기계적 응력에 의한 손상에 증가된 내구성을 가지고, 검댕 및/또는 회분으로 막힐 위험성이 낮고, 연료 첨가성 재생과 함께 사용될 때 첨가성 회분 누적에 대해 허용 공차가 더 크고, 입자수 감소에 대해 양호한 효율을 가진다.In one embodiment, the catalyst or filtration substrate of the present invention has increased durability against damage due to thermal or mechanical stress, as compared to certain prior art substrates such as cordierite, and has a low risk of clogging with soot and / or ash. However, when used with fuel additive regeneration, the tolerances for additive ash accumulation are greater and have good efficiency for particle number reduction.

밀도 density

촉매 전환기 또는 디젤 입자 필터에 사용할 기재를 고려할 때, 밀도가 낮은 기재를 사용하는 것이 바람직하다. 낮은 밀도를 가진 재료는 기재의 중량을 감소시키므로, 차량의 총 중량을 감소시킨다. 또한, 낮은 밀도는 높은 다공도 및 투과성을 보완한다. When considering the substrate to be used in the catalytic converter or diesel particle filter, it is preferable to use a substrate having a low density. Low density materials reduce the weight of the substrate, thus reducing the total weight of the vehicle. In addition, low density compensates for high porosity and permeability.

밀도가 높다는 것은 중량이 높다는 것을 의미한다. 중량은 동작 상태에 있는 모든 엔진에 관계되는 중요한 인자이다. 부품이 무거울수록, 그의 이동에는 더 많은 에너지가 소요된다. 이러한 필터를 엔진에 의해 발생된 입자의 증가된 체적에 적응시키기 위해서는, 필터 크기를 증가시켜야 하고, 이것은 차량 중량의 추가 및 제조와 가동 비용을 증가시킨다. 따라서, 밀도가 낮은 재료가 바람직하다. 물론, 밀도는 구조적 일체성이 불충분할 정도로 낮아서는 안된다.Higher density means higher weight. Weight is an important factor relating to all engines in operation. The heavier the part, the more energy it takes to move it. In order to adapt such a filter to the increased volume of particles generated by the engine, it is necessary to increase the filter size, which adds vehicle weight and increases manufacturing and running costs. Therefore, low density materials are preferred. Of course, the density should not be so low that structural integrity is insufficient.

본 발명에 따른 기재의 또 다른 속성은 밀도이다. 기재의 밀도는 특정한 종 래의 필터 및 여과 및 촉매 기재로서 사용되는 종래의 기재에 비해 더 낮다. 밀도는 물질의 일부분의 체적에 대한 질량의 비이다. 밀도가 크면 가동 온도에 도달하는 데 더 많은 에너지가 필요하다. 다시 말하면, 밀도가 높은 재료를 가열하려면 밀도가 낮은 재료보다 더 많은 에너지가 필요하다. 높은 밀도는 세트 체적에 대한 더 큰 중량으로 직결된다. 중량이 큰 장치를 움직이기 위해서는 엔진이 더 힘들게 작동해야 하므로, 중량은 차량의 연비 및 성능에 대해 불리하다. 증가된 밀도는 또한 촉매 활성 또는 "착화"가 일어나도록 하는 적절한 온도를 얻는 데 더 많은 열이 필요하다는 것을 의미한다. 기재 또는 필터로서 현재 사용되는 몇몇 재료의 밀도는 최적치보다 높다. 예를 들면, 코디어라이트의 샘플의 밀도는 약 2.0～2.1 g/㎤이다. 따라서, 보다 낮은 밀도를 가진 기재 및 필터에 대한 요구가 있다. 본 발명의 기재의 밀도는 코디어라이트의 밀도보다 낮다.Another property of the substrate according to the invention is the density. The density of the substrate is lower than conventional substrates used as certain conventional filter and filtration and catalyst substrates. Density is the ratio of the mass to the volume of a portion of the material. Higher density requires more energy to reach operating temperature. In other words, heating more dense materials requires more energy than less dense materials. Higher density directly leads to greater weight for the set volume. The weight is disadvantageous for the fuel economy and performance of the vehicle, as the engine must be operated harder to move heavy devices. Increased density also means that more heat is needed to obtain the proper temperature for the catalytic activity or "ignition" to occur. The density of some materials currently used as substrates or filters is above optimum. For example, the density of the cordierite sample is about 2.0 to 2.1 g / cm 3. Thus, there is a need for substrates and filters with lower densities. The density of the substrate of the present invention is lower than that of cordierite.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 바람직하게 낮은 밀도를 가진다. 본 발명에 따른 기재의 밀도는 약 2～약 50 lb/ft³ 범위일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기재의 밀도는 약 5～약 30 lb/ft³, 보다 바람직하게는 약 8～16 lb/ft³이다. 다른 바람직한 실시예는 약 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 및 16 lb/ft³의 밀도를 가진 촉매 기재를 포함한다. 밀도가 낮으면서도 구조적 일체성을 부여하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the catalyst substrate of the present invention preferably has a low density. The density of the substrate according to the invention may range from about 2 to about 50 lb / ft ³ . In a preferred embodiment, the density of the substrate is about 5 to about 30 lb / ft ³ , more preferably about 8 to 16 lb / ft ³ . Another preferred embodiment includes a catalyst substrate having a density of about 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, and 16 lb / ft ³ . It is desirable to provide structural integrity while having a low density.

일 실시예에서, 본 발명의 기재는 약 8 lb/ft³ 및 22 lb/ft³, 바람직하게는 약 8～22 lb/ft³의 밀도를 가진다. 또 다른 실시예에서, 기재는 각각 약 8 lb/ft³ 및 약 16 lb/ft³의 밀도를 가진 AETB-8 또는 AETB-16을 포함한다. 다른 적합한 밀도로는 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 및 16 lb/ft³로부터 선택되는 밀도가 포함된다. In one embodiment, the substrate of the present invention has a density of about 8 lb / ft ³ and 22 lb / ft ³ , preferably about 8-22 lb / ft ³ . In yet another embodiment, the substrate comprises AETB-8 or AETB-16 having a density of about 8 lb / ft ³ and about 16 lb / ft ³ , respectively. Other suitable densities include densities selected from 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, and 16 lb / ft ³ .

또 다른 실시예에서, 기재의 밀도는 약 0.10～0.25 g/㎤이다.In yet another embodiment, the density of the substrate is about 0.10 to 0.25 g / cm 3.

구조적 일체성 Structural integrity

기재 재료의 구조적 일체성은 중요하게 고려해야 하는 특징이다. 구조적 일체성이란 재료가 진동 및 기계적 응력, 즉 흔들림(shake)과 베이크(bake)를 견디는 능력을 의미한다. 예컨대, 기재 강도는 패키징 부하 및 계속되는 엔진 배기 흐름에서의 사용과, 그와 관련된 엔진 진동, 도로 충격 및 온도 구배를 포함하는 다양한 응력에 대한 노출을 견디기 위해 중요하다. 견실한 촉매 전환기 시스템 및 입자 필터를 위해서는 고강도 기재가 바람직하다. 기재 재료의 강도는 결정내부 및 결정간 결합, 다공도, 기공 크기 분포 및 흠집수(flaw population)의 형태에 따라 제어될 수 있다. 부가적으로, 기재는 외측의 내부에 화학 물질 코팅을 적용함으로써 강화될 수 있다. 기재의 셀 구조의 강도는 더 나아가 치수, 단면 대칭뿐 아니라 셀 밀도, 채널 형상 및 벽 두께와 같은 셀 속성에 의해서도 결정될 수 있다. 기재의 강도는 패키징 및 가동중에 재료가 노출되는 응력보다 커야 한다. 응력이 강도보다 크면, 기재는 파손될 것이다.Structural integrity of the base material is an important feature to consider. Structural integrity refers to the ability of a material to withstand vibration and mechanical stresses, namely shakes and bakes. For example, substrate strength is important to withstand exposure to various stresses, including use in packaging loads and continued engine exhaust flow, and associated engine vibrations, road impacts, and temperature gradients. High strength substrates are preferred for robust catalytic converter systems and particle filters. The strength of the substrate material can be controlled according to the shape of the intercrystall and intercrystallity, porosity, pore size distribution and flaw population. Additionally, the substrate can be strengthened by applying a chemical coating on the inside of the outside. The strength of the cell structure of the substrate can further be determined by cell properties such as cell density, channel shape and wall thickness as well as dimensions, cross-sectional symmetry. The strength of the substrate should be greater than the stress the material is exposed to during packaging and operation. If the stress is greater than the strength, the substrate will break.

재료의 구조적 일체성은 재료의 인장 계수에 의해 측정될 수 있다. 인장 계수는 파열에 대한 재료의 내구성이다. 구체적으로, 재료는 낱낱이 찢겨지지 않고 더 큰 길이 방향 응력을 견딜 수 있다. 인장 계수는 보통 단위 단면적을 기준으로, 파열을 일으키는 데 필요한 평방 인치당 파운드 수, 또는 ㎤당 kg으로 표현된다. 인장 계수는 격렬한 배기 가스 유동압에 의해 발생되는 힘을 기재가 견딜 수 있는지 여부에 관련된다.The structural integrity of the material can be measured by the tensile modulus of the material. Tensile modulus is the durability of the material against rupture. In particular, the material can withstand greater longitudinal stresses without tearing apart. Tensile modulus is usually expressed in pounds per square inch, or kg per cm 3, required to cause rupture, based on unit cross-sectional area. Tensile modulus relates to whether the substrate can withstand the forces generated by the violent exhaust gas flow pressure.

부가적으로, 기재는 워쉬코트 및/또는 촉매 코트가 기재에 적용될 수 있도록 양호한 코팅성(coatability)을 가져야 한다. 마찬가지로, 기재는 촉매가 기재 표면에 잘 장착될 수 있게 함으로써 촉매가 시스템의 정상적인 마모 및 인열시 그 위치로부터 변위되지 않도록 워쉬코트 상용성(compatibility)을 가져야 한다. 양호한 코팅성 및 워쉬코트 상용성은 또한 촉매 전환기 시스템의 장기간 유효성을 높여준다. 양호한 코팅성 및 워쉬코트 상용성은 또한 촉매의 수명을 증가시킨다.In addition, the substrate must have good coatability so that the washcoat and / or catalyst coat can be applied to the substrate. Likewise, the substrate should have washcoat compatibility so that the catalyst can be well mounted to the substrate surface so that the catalyst does not displace from its position upon normal wear and tear of the system. Good coatability and washcoat compatibility also increase the long term effectiveness of the catalytic converter system. Good coatability and washcoat compatibility also increase the life of the catalyst.

본 발명에 따른 기재의 또 다른 속성은 구조적 일체성이다. Another attribute of the substrate according to the invention is the structural integrity.

본 발명에 따른 촉매 기재는 높은 인장 계수를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 일 실시예에서 본 발명의 기재는 약 2.21 MPa의 축 방향 강도를 갖는다. 물론, 더 높은 축 방향 강도가 적합하다. 다른 적합한 값은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 및 10 MPa을 포함한다.The catalyst substrate according to the invention preferably has a high tensile modulus. For example, in one embodiment the substrate of the present invention has an axial strength of about 2.21 MPa. Of course, higher axial strength is suitable. Other suitable values include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, and 10 MPa.

또한, 본 발명에 따른 촉매 기재의 구조적 일체성은 기재가 상업적 차량의 촉매 전환기에 사용되는 동안 직면하게 되는 조건을 견딜 수 있도록 하는 것이다.In addition, the structural integrity of the catalyst substrate according to the invention is such that the substrate can withstand the conditions encountered while being used in catalytic converters in commercial vehicles.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재, 예컨대 nSiRF-C는 높은 구조적 일체성과 낮은 밀도를 갖는 것이 바람직하다.In another embodiment, the substrates of the present invention, such as nSiRF-C, preferably have high structural integrity and low density.

오염물의 감소 Reduction of contaminants

기재는 그 표면에 코팅된 촉매 재료의 촉매 활성을 높이는 중요한 역할을 한다. 부가적으로 기재는 입자상 물질을 포착하는 데 이용되고, 포착된 입자상 물질은 휘발성 가스로서 소각된다.The substrate plays an important role in increasing the catalytic activity of the catalytic material coated on its surface. In addition, the substrate is used to trap particulate matter, and the trapped particulate matter is incinerated as a volatile gas.

본 발명에 따른 기재의 또 다른 이점은 배기 가스 중의 오염물의 양을 감소시키는 능력의 증가이다. 본 발명은 특정한 종래의 기술에 비해 촉매적 능력 및 여과 능력을 증강시켰다.Another advantage of the substrate according to the invention is the increase in the ability to reduce the amount of contaminants in the exhaust gas. The present invention has enhanced catalytic and filtration capabilities over certain prior art techniques.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 CO 방출을 적어도 약 50% 만큼 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 CO 방출을 적어도 약 60%, 70%, 80%, 또는 90% 만큼 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 CO 방출을 적어도 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 100% 만큼 감소시킬 수 있다. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce CO emissions from exhaust gas by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce CO emissions from exhaust gas by at least about 60%, 70%, 80%, or 90%. In yet another embodiment, the substrates of the present invention provide at least about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, or Can be reduced by 100%.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 NO_x 방출을 적어도 약 50% 만큼 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 NO_x 방출을 적어도 약 60%, 70%, 80%, 또는 90% 만큼 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 NO_x 방출을 적어도 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 100% 만큼 감소시킬 수 있다. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce NO _x emissions from exhaust gas by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce NO _x emissions from exhaust gas by at least about 60%, 70%, 80%, or 90%. In another embodiment, the substrates of the present invention exhibit NO _x emissions of at least about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, Or by 100%.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 HC 방출을 적어도 약 50% 만큼 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 HC 방출을 적어도 약 60%, 70%, 80%, 또는 90% 만큼 감소시킬 수 있다. 또 다 른 실시예에서, 본 발명의 기재는 HC 방출을 적어도 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 100% 만큼 감소시킬 수 있다. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce HC emissions from exhaust gas by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce HC emissions from exhaust gas by at least about 60%, 70%, 80%, or 90%. In another embodiment, the substrate of the present invention provides HC release of at least about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, Or by 100%.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 VOC 방출을 적어도 약 50% 만큼 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 VOC 방출을 적어도 약 60%, 70%, 80%, 또는 90% 만큼 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 VOC 방출을 적어도 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 100% 만큼 감소시킬 수 있다. In yet another embodiment, the present disclosure can reduce VOC emissions from exhaust gas by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce VOC emissions from exhaust gas by at least about 60%, 70%, 80%, or 90%. In yet another embodiment, the substrates of the present invention have at least about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, or Can be reduced by 100%.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 PM-10 방출을 적어도 약 50% 만큼 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 PM-10 방출을 적어도 약 60%, 70%, 80%, 또는 90% 만큼 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 PM-10 방출을 적어도 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 100% 만큼 감소시킬 수 있다. In yet another embodiment, the present disclosure can reduce PM-10 emissions from exhaust gas by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention can reduce PM-10 emissions from exhaust gas by at least about 60%, 70%, 80%, or 90%. In yet another embodiment, the present disclosure provides at least about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9% PM-10 release. , Or by 100%.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 PM-2.5 방출을 적어도 약 50% 만큼 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 배기 가스로부터 PM-2.5 방출을 적어도 약 60%, 70%, 80%, 또는 90% 만큼 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 PM-2.5 방출을 적어도 약 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 100% 만큼 감소시킬 수 있다. In another embodiment, the present disclosure can reduce PM-2.5 emissions from exhaust gas by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce PM-2.5 emissions from exhaust gas by at least about 60%, 70%, 80%, or 90%. In another embodiment, the present disclosure provides at least about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9% PM-2.5 release. , Or by 100%.

중량의 감소 Weight loss

차량 제조사들의 목표는 차량의 연료 경제성 및 엔진 효율을 향상시키기 위해 차량의 총 중량을 감소시키는 것이다. 무거운 기재는 차량에 불필요한 중량을 추가한다. 또한, 오염물의 감소에 기재가 충분히 효율적이 아닐 경우에, 목표로 하는 오염물 수준에 도달하기 위해 2개 이상의 기재가 일렬로 작용해야 할 필요가 있을 것이다. 이것은 차량의 총 중량을 크게 증가시킨다.The goal of vehicle manufacturers is to reduce the total weight of the vehicle to improve the fuel economy and engine efficiency of the vehicle. Heavy substrates add unnecessary weight to the vehicle. In addition, if the substrate is not efficient enough to reduce contaminants, two or more substrates will need to be lined up to reach the desired contaminant level. This greatly increases the total weight of the vehicle.

또한, 현재의 촉매 전환기는 종종 무겁고 투박한 부가적 장치를 사용해야 한다. 이러한 장치 중 열 차폐물 및 특별한 매팅과 같은 몇 가지는 촉매 전환기의 온도를 다루는 데 사용된다. 그 밖에, 특정한 정부 규정에 맞추기 위해 산소 센서와 같은 것이 필요하다.In addition, current catalytic converters often require the use of additional equipment that is heavy and crude. Some of these devices, such as heat shields and special matting, are used to handle the temperature of the catalytic converter. In addition, something like an oxygen sensor is needed to meet certain government regulations.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 촉매 기재 또는 여과 기재는 종래의 촉매 기재 또는 여과 기재에 비해 중량을 감소시켰다. 이것은 부분적으로, 종래의 특정한 기재에 비해 본 발명에 따른 기재의 낮은 밀도에 기인한다. 그렇지 않으면, 그러한 더 낮은 중량은, 종래의 기술에 비해 본 발명의 일부 실시예의 향상된 여과 및 촉매 기능 때문에 더 적은 양의 촉매 또는 여과 기재가 필요한 것에 기인할 수도 있다. 촉매 또는 여과 기재의 낮은 중량은 여러 가지 이점을 갖는다. 예를 들면, 기재의 낮은 중량은 차량에 있어서의 향상된 연료 효율을 의미할 수도 있다. 또한, 더 낮은 중량은 취급이 더 용이하고, 손으로 조작하는 엔진 장치가 더 안전하다는 것을 의미할 것이다.In one embodiment of the invention, the catalyst substrate or filtration substrate has reduced weight compared to conventional catalyst substrates or filtration substrates. This is due in part to the lower density of the substrate according to the invention as compared to certain conventional substrates. Otherwise, such lower weight may be due to the need for a smaller amount of catalyst or filtration substrate due to the improved filtration and catalyst functionality of some embodiments of the present invention as compared to the prior art. The low weight of catalyst or filtration substrate has several advantages. For example, low weight of the substrate may mean improved fuel efficiency in a vehicle. Lower weight will also mean easier handling and safer hand operated engine arrangements.

바람직한 실시예에서, 기재의 외면은 사용 시 종래의 촉매 전환기 기재와 동일한 정도로 가열되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 열 차폐물 및/또는 단열에 대한 필요성이 감소된다.In a preferred embodiment, the outer surface of the substrate is not heated to the same extent as conventional catalytic converter substrates in use. In some embodiments, the need for heat shields and / or thermal insulation is reduced.

음향적 속성 (acoustical attribute) Acoustic attribute

음향적 속성은 두께의 감소, 얕음, 가늘어짐; 밀도의 감소, 힘 또는 세기의 감소; 또는 음향 에너지(음)의 약화 중 어느 하나로 정의될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 음향 감쇠(acoustic attenuation)는 엔진 배기에서의 음향 에너지를 감쇠시키거나 무디게 하는 기재의 능력이다. 본 발명의 기재는 전술한 바와 같이 엔진의 머플러 어셈블리를 대체 또는 보완할 수 있으며, 따라서 배기 소음 및 배기 시스템 비용을 감소시킬 수 있다. 보다 높은 음향 감쇄가 바람직하다.Acoustical properties include reduced thickness, shallowness, tapering; Decrease in density, decrease in force or strength; Or attenuation of acoustic energy (sound). In one embodiment of the invention, acoustic attenuation is the ability of a substrate to attenuate or blunt acoustic energy in engine exhaust. The description of the present invention may replace or supplement the muffler assembly of the engine as described above, thus reducing exhaust noise and exhaust system costs. Higher acoustic attenuation is desirable.

또 다른 실시예에서, 기재의 다공도, 밀도 및 크기는 원하는 응용 분야를 위해 음향 감쇠를 '조정'하기 위해 변동될 수 있다.In yet another embodiment, the porosity, density and size of the substrate can be varied to 'tune' the acoustic attenuation for the desired application.

또 다른 실시예에서, 기재의 음향 감쇠는 배기 시스템에 존재하는 음을 무디게 및/또는 '조정'하기 위해 표준 금속-머플러 기반 기술과 결합될 수 있다.In another embodiment, the acoustic attenuation of the substrate can be combined with standard metal-muffler based techniques to blunt and / or 'tune' the sound present in the exhaust system.

유동의 형태Form of flow

플로우Flow -- 스루Thru (flow-through) (flow-through)

한 측면에서, 기재는 플로우-스루 사용을 위한 구조로 되어 있다. 플로우-스루 구조는 해당 분야에 알려져 있다. 일 실시예에서, 채널(또는 기공)은 필수적으로 기재의 전장에 걸쳐 서로 평행하게 정렬되어 있다. 가스 흐름은 한쪽 단부에서 기재에 유입되어 기재의 전장을 관통한 채널을 통해 다른 쪽에 있는 출구로 흘러간다.In one aspect, the substrate is structured for flow-through use. Flow-through structures are known in the art. In one embodiment, the channels (or pores) are essentially aligned parallel to each other over the entire length of the substrate. The gas flow enters the substrate at one end and flows through the channel through the entire length of the substrate to the outlet on the other.

본 발명의 촉매 기재를 위해서는 임의의 개수의 플로우-스루 구조가 유용하고 적합하다. 해당 분야에 알려져 있는 플로우-스루 구조를 본 발명의 촉매 기재에 적용할 수 있다.Any number of flow-through structures are useful and suitable for the catalyst substrate of the present invention. Flow-through structures known in the art can be applied to the catalyst substrate of the present invention.

일 실시예에서, 플로우-스루 구조는 기재의 길이를 관통하여 연장되는, 실질적으로 평행한 복수의 채널을 포함한다.In one embodiment, the flow-through structure includes a plurality of substantially parallel channels extending through the length of the substrate.

또 다른 실시예에서, 채널의 벽은 기재의 측면 또는 표면에 평행하지 않다.In another embodiment, the walls of the channels are not parallel to the side or surface of the substrate.

벽-유동(wall-flow) Wall-flow

본 발명의 또 다른 실시예는 벽-유동 구조로 구성된 본 발명의 촉매 기재 또는 여과 기재이다. 본 발명의 nSiRF-C를 포함하는 촉매 기재는 벽 유동 구조로 구성될 수 있다는 놀라운 사실이 판명되었다.Another embodiment of the present invention is the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention constructed in a wall-flow structure. It has been surprisingly found that the catalyst substrate comprising the nSiRF-C of the present invention can be constructed in a wall flow structure.

본 발명의 또 다른 태양에서, 기재는 벽-유동 구조를 갖는다. 예를 들면, 기재는 벽-유동 촉매 전환기 또는 벽-유동 입자 필터에 사용된다. 벽-유동 구조는 여러 가지 물리적 배열 중 어느 하나를 취할 수 있다. 벽-유동 구조를 가진 기재는 하나 이상의 전술한 속성을 가질 수 있다. 또한, 벽-유동 구조를 가진 기재는 다음 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다: 촉매, 워쉬코트, 산소 저장 산화물 및 방사율 증강제(emissivity enhancer). 부가적으로, 벽-유동 구조로 구성된 기재는 전술한 바와 같이 추가로 변형, 증강 또는 변경될 수 있다.In another aspect of the invention, the substrate has a wall-flow structure. For example, substrates are used in wall-flow catalytic converters or wall-flow particle filters. The wall-flow structure can take on any of a variety of physical arrangements. Substrates with wall-flow structures can have one or more of the aforementioned attributes. In addition, the substrate with a wall-flow structure may further comprise one or more of the following: catalyst, washcoat, oxygen storage oxide and emissivity enhancer. In addition, the substrate configured of the wall-flow structure can be further modified, augmented or altered as described above.

일 실시예에서, 채널 벽 두께는 전술한 임의의 값이다. 바람직한 채널 벽 두께는 약 2 mil 내지 약 6 mil이다. 다른 실시예에서, 채널 벽 두께는 약 10 mil 내지 약 17 mil 범위이다. 다른 적합한 값으로는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 및 20 mil이 포함된다.In one embodiment, the channel wall thickness is any value described above. Preferred channel wall thicknesses are from about 2 mils to about 6 mils. In another embodiment, the channel wall thickness ranges from about 10 mils to about 17 mils. Other suitable values include 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and 20 mils.

벽-유동 기재의 다른 실시예에서, 기재의 셀 밀도는 벽 두께가 약 6 mil인 경우에 약 400 cpsi(평방 인치당 셀), 또는 벽 두께가 약 2 mil인 경우에 약 900 cpsi이다. 부가적 실시예는 cpsi가 약 50, 100, 150, 200, 250, 300, 또는 350인 것들이 포함된다.In another embodiment of a wall-flow substrate, the cell density of the substrate is about 400 cpsi (cells per square inch) when the wall thickness is about 6 mils, or about 900 cpsi when the wall thickness is about 2 mils. Additional embodiments include those with a cpsi of about 50, 100, 150, 200, 250, 300, or 350.

촉매 전환기용으로 사용되는 플로우-스루 셀 지지체로부터 유도되는 세라믹 벽-유동 모노리스는 디젤 필터 기재의 가장 보편적인 형태가 되었다. 그러한 모노리스는 다른 디젤 필터 디자인 중에서, 단위 체적당 높은 표면적 및 높은 여과 효율에 의해 구별된다. 모노리스 디젤 필터는, 전형적으로 단면이 정사각형이고 부품을 통해 축 방향으로 이어지는 많은 작은 평행한 채널로 구성된다. 디젤 필터 모노리스는 플러깅 채널에 의해 플로우-스루 모노리스로부터 얻어진다. 인접한 채널들은 기계적 필터로서 작용하는 다공질 기재 벽을 통해 강제로 디젤 에어로졸을 밀어내기 위해 각각의 단부가 교대로 막혀있다(plugged). 이러한 유동 패턴을 반영하기 위해, 기재는 벽-유동 모노리스라고 지칭된다. 벽-유동 모노리스는 원통 형상으로 가장 보편적으로 입수할 수 있지만, 공간이 제한된 응용을 위해서는 타원형 단면의 부품도 가능하다.Ceramic wall-flow monoliths derived from flow-through cell supports used for catalytic converters have become the most common form of diesel filter substrates. Such monoliths are distinguished by high surface area and high filtration efficiency per unit volume, among other diesel filter designs. Monolith diesel filters are typically composed of many small parallel channels that are square in cross section and run axially through the part. Diesel filter monoliths are obtained from flow-through monoliths by plugging channels. Adjacent channels are alternately plugged at each end to force the diesel aerosol through the porous substrate wall, which acts as a mechanical filter. To reflect this flow pattern, the substrate is referred to as a wall-flow monolith. Wall-flow monoliths are most commonly available in cylindrical shapes, but elliptical cross-section parts are also available for space-constrained applications.

벽-유동 필터에서 벽은 제조 공정에서 제어되어야 하는 미세 기공의 분포를 갖는다. 모노리스 벽-유동 필터에서의 여과 메커니즘은 케이크 여과와 심층 여과가 조합된 것이다. 심층 여과는 입자들이 기공의 내부에 퇴적될 때 깨끗한 필터 에 대한 유력한 메커니즘이다. 검댕 부하가 증가됨에 따라, 입자층은 입구 채널 벽에 형성되므로, 케이크 여과가 우세한 메커니즘이 된다. 특정한 종래 모노리스 필터는 총 입자상 물질(TPM)의 약 70%의 여과 효율을 갖는다. 이보다 높은 효율은 원소 상태의 탄소 및 금속 회분과 같은 고체 PM 분획에 대해 관찰될 수 있다.In wall-flow filters the walls have a distribution of micropores that must be controlled in the manufacturing process. The filtration mechanism in the monolith wall-flow filter is a combination of cake filtration and deep filtration. Deep filtration is a potent mechanism for clean filters when particles are deposited inside the pores. As the soot load increases, the particle layer forms on the inlet channel walls, making cake filtration the predominant mechanism. Certain conventional monolith filters have a filtration efficiency of about 70% of the total particulate matter (TPM). Higher efficiencies can be observed for solid PM fractions such as carbon and metal ash in the elemental state.

본 발명의 특정한 실시예에 따르면, 더 많은 가스가 용이하게 기공을 통과하여 섬유상 복합체의 코어에 적층되어 있는 촉매와 상호반응할 수 있도록 다공질인 재료를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 다공질 벽을 가짐으로써, 일 실시예에 있어서 원하는 속성일 수도 있는 고도의 심층 여과가 가능하다.According to a particular embodiment of the invention, it is desirable to have a porous material so that more gas can easily pass through the pores and interact with the catalyst deposited on the core of the fibrous composite. In addition, having a porous wall allows for high depth filtration, which may be a desired attribute in one embodiment.

벽-유동 구조로 되어 있는 본 발명의 기재는 배기 가스와 훨씬 더 직접적으로 접촉하게 된다. 재료의 기공 특성(크기, 다공도 퍼센트, 기공 연결성, 개방 대 폐쇄 기공 등)은 가스와 필터 재료 사이의 물리적 작용에 영향을 주며, 여과 효율 및 압력 강하와 같은 속성에 영향을 준다. 또한, 기재의 내구성은 배기 가스 성분에 의한 화학적 공격을 견디는 재료의 내성에 의존한다. 특히, 재료는 디젤 입자들의 일부일 수 있는 금속 회분에 의한 부식에 내구성일 필요가 있다. 황산 부식에 대한 내구성도 요구되며, 특히 황 함량이 높은 연료와 함께 필터를 사용할 경우에 그러하다. 부가적으로, 필터 재생중에 많은 열량이 방출될 가능성이 있으므로, 필터 재료는 높은 온도와 높은 온도 구배 모두에 대한 내구성 면에서 우수한 열적 속성을 나타내야 한다. 온도 허용 공차가 불충분하면 재료의 용융을 초래할 수 있고, 열 충격 내성이 부족하면 균열을 야기한다. 다른 잠재적 문재로는 마이크로균열 및 파쇄가 포함된다. 특별한 실시예에서, 본 발명의 여과 기재 및 촉매 기재는 이러한 문제들 중 하나 이상을 해결한다.The substrate of the present invention, which is of a wall-flow structure, is in much more direct contact with the exhaust gases. The pore properties of the material (size, percent porosity, pore connectivity, open-to-closed porosity, etc.) affect the physical behavior between the gas and the filter material and affect properties such as filtration efficiency and pressure drop. The durability of the substrate also depends on the resistance of the material to chemical attack by the exhaust gas component. In particular, the material needs to be resistant to corrosion by metal ash, which may be part of diesel particles. Durability against sulfuric acid corrosion is also required, especially when filters are used with fuels with high sulfur content. In addition, since a large amount of heat may be released during filter regeneration, the filter material should exhibit excellent thermal properties in terms of durability to both high temperatures and high temperature gradients. Insufficient temperature tolerances can lead to melting of the material, and lack of thermal shock resistance can lead to cracking. Other potential problems include microcracks and fractures. In a particular embodiment, the filtration substrate and catalyst substrate of the present invention solve one or more of these problems.

벽-유동 모노리스의 정확한 형태를 설계하는 데 고려할 중요한 사항에는 다음과 같은 파라미터가 포함된다: 셀 밀도, 반복 거리(벽 유동 필터 전체에 걸쳐 압력 강하의 균일한 분배), 벽 두께, 개방 전면, 여과의 비면적(specific filtration area), 및 기계적 일체성 인자.Important considerations for designing the exact shape of the wall-flow monolith include the following parameters: cell density, repetition distance (even distribution of pressure drop across the wall flow filter), wall thickness, open front, filtration Specific filtration area, and mechanical integrity factor.

본 발명의 특수한 실시예에서, 벽 유동 구조의 채널 중 절반이 블로킹되어 있다. 또 다른 구성에서, 본 발명의 기재는 채널의 블로킹 벽이 채널의 시작 부분 또는 단부에 위치한 벽 유동 구조를 갖는다. 또 다른 구성에서, 블로킹 벽은 채널의 중앙에 위치하거나, 그렇지 않으면 채널의 시작 부분과 단부 사이의 임의의 지점에 위치한다.In a particular embodiment of the invention, half of the channels of the wall flow structure are blocked. In another configuration, the substrate of the present invention has a wall flow structure in which the blocking wall of the channel is located at the beginning or end of the channel. In another configuration, the blocking wall is located at the center of the channel or else at any point between the beginning and the end of the channel.

부가적으로, 벽 유동 구조에서 채널의 임의의 퍼센트, 예컨대 10%, 25%, 50%, 75%, 90%, 95%, 등을 포함할 수 있다.Additionally, it may include any percentage of the channels in the wall flow structure, such as 10%, 25%, 50%, 75%, 90%, 95%, and the like.

채널 및 채널 개구부Channel and channel opening

일 실시예에서, 촉매 또는 여과 기재는 기재의 길이를 통해 연장되는 복수의 채널을 갖고 있지 않다. 일 실시예에 있어서, 촉매 또는 여과 기재는 다공도 및 투과성이 주어졌을 때, 기재가 의도된 용도, 예를 들면 촉매 전환기에 기능하도록 기재에 설치된 채널을 가질 필요는 없다. 모든 잠재적 역압력은 붕출물을 촉매 기재의 경로에 위치시키는 것만으로 다공도 및 투과성에 의해 이완된다. 채널이 없는 멤브레인 형상을 이용하는 경우, 바람직한 용도는 기재가 구조적으로 고장날 가능성을 감소시키도록 낮은 유량(low flow-rate) 환경에서의 이용이다. 얇은 멤브레인 형상은 벽난로(fireplace) 또는 가능하게는 발전소에서와 같은 "낮은 유량" 환경에서 사용되는 것이 바람직하다. 여기서 유량은 낮고, 경우에 따라서는 일정하다(발전소). 물론, 그러한 구성은 차량 및 정지형 엔진을 포함하는 다른 응용 분야에서 사용하기에 적합하다고 이해된다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 또는 여과 기재는, 일 실시예에서 기재의 적어도 일부분을 통해 길이 방향으로 연장되는 복수의 채널을 갖는다. 복수의 채널은 가스나 액체와 같은 유체 매질이 기재를 통해 흐를 수 있게 한다. 복수의 채널은 전면으로부터 후면 방향으로 연장된다. 그 밖의 채널은 후면으로부터 전면으로 연장될 수 있다.In one embodiment, the catalyst or filtration substrate does not have a plurality of channels extending through the length of the substrate. In one embodiment, given the porosity and permeability, the catalyst or filtration substrate does not need to have a channel installed in the substrate to serve the intended use, for example a catalytic converter. All potential back pressures are relaxed by porosity and permeability simply by placing the effluent in the path of the catalyst substrate. When using membrane shapes without channels, a preferred use is for use in low flow-rate environments to reduce the likelihood of substrate failure structurally. Thin membrane shapes are preferably used in "low flow" environments, such as in a fireplace or possibly a power plant. Here, the flow rate is low and in some cases constant (power plant). Of course, such a configuration is understood to be suitable for use in other applications, including vehicle and stationary engines. In another embodiment, the catalyst or filtration substrate of the present invention has a plurality of channels extending longitudinally through at least a portion of the substrate in one embodiment. The plurality of channels allow a fluid medium, such as a gas or liquid, to flow through the substrate. The plurality of channels extend from the front to the back. Other channels may extend from the rear to the front.

채널은 기재의 전장을 통해 연장될 수 있다. 그러한 실시예에서, 채널은 기재의 전면 상에 제1 채널 개구부, 및 후면 상에 제2 채널 개구부를 가지게 될 것이다. 이와는 달리, 채널은 기재의 일부분을 통해 연장된다. 일 실시예에 있어서, 채널은 기재의 길이 중 약 99%, 97%, 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 또는 50%를 통해 연장된다.The channel may extend through the full length of the substrate. In such an embodiment, the channel will have a first channel opening on the front side of the substrate and a second channel opening on the back side. Alternatively, the channel extends through a portion of the substrate. In one embodiment, the channel extends through about 99%, 97%, 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, or 50% of the length of the substrate.

기재의 채널 구멍, 또는 채널 개구부는 임의 개수의 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 채널 개구부는 원형, 삼각형, 정사각형, 육각형, 등일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 채널 개구부는 삼각형, 정사각형 또는 육각형이다.The channel holes, or channel openings, of the substrate may be formed in any number of shapes. For example, the channel openings can be circular, triangular, square, hexagonal, or the like. In a preferred embodiment, the channel openings are triangular, square or hexagonal.

일 실시예에서, 채널 개구부는 인접한 채널들 사이의 기재 재료의 두께가 기재 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하도록 형성된다. 벽 두께의 변동은 일 실시예에 있어서 약 1% 내지 약 50%일 수 있다.In one embodiment, the channel openings are formed such that the thickness of the substrate material between adjacent channels is substantially uniform throughout the substrate. The variation in wall thickness may be about 1% to about 50% in one embodiment.

또 다른 실시예에서, 채널은 인접한 채널들의 벽이 서로 평행하도록 배열된다. 예를 들면, 인접한 채널들의 벽이 서로 평행을 이루도록 삼각형, 정사각형 또는 육각형 채널을 형성할 수 있다.In another embodiment, the channels are arranged such that the walls of adjacent channels are parallel to each other. For example, triangular, square or hexagonal channels may be formed such that the walls of adjacent channels are parallel to each other.

본 발명에 따른 기재의 채널들의 직경 또는 단면 거리는 변동될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 채널은 약 5 cm 내지 약 100 nm의 직경 또는 단면 거리를 가 지다. 일 실시예에 있어서, 채널은 약 100 nm의 직경을 가진다. 그 밖의 적합한 값으로는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20 mil로부터 선택되는 거리 또는 직경을 포함한다.The diameter or cross-sectional distance of the channels of the substrate according to the invention can vary. In one embodiment, the channel has a diameter or cross-sectional distance of about 5 cm to about 100 nm. In one embodiment, the channel has a diameter of about 100 nm. Other suitable values select from about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, and 20 mil Distance or diameter to be included.

채널은 길이를 따라 크기가 변동될 수 있다. 예를 들면, 채널은 그의 개구부에서 십자로 약 0.04 인치일 수 있지만, 말단 벽 또는 채널 지점 또는 채널의 단부에 있는 개구부 중 어느 하나에 접근할수록 크기가 점차 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 채널은 전면에서 한 변이 약 10 mil인 정사각형 개구부이다. 채널은 기재의 길이를 통해 연장되고, 후면 상에 제2 개구부를 가진다. 후면의 채널 개구부는 한 변이 약 4 mil인 정사각형 형상을 갖는다. 채널은 전면으로부터 후면으로의 길이를 따라 점차 작아진다. 다른 유사한 형상도 물론 생각할 수 있다. The channel may vary in size along its length. For example, the channel may be about 0.04 inches crosswise at its opening, but may gradually decrease in size as it approaches either the end wall or the opening at the channel point or end of the channel. In one embodiment, the channel is a square opening with about 10 mils on one side in the front. The channel extends through the length of the substrate and has a second opening on the back side. The rear channel opening has a square shape with one side about 4 mils. The channel gradually decreases along the length from the front to the back. Other similar shapes are of course conceivable.

채널 개구부의 크기도 변동될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 직경 또는 단면 거리는 약 1 mil 내지 약 100 mil이다. 채널 개구부의 크기로 적합한 다른 범위로는, 한정되지는 않지만, 약 1～약 500 mil, 약 1～약 100 mil, 약 1～약 10 mil이 포함된다. 다른 적합한 크기는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20 mil로부터 선택되는 거리 또는 직경을 포함한다. 본 발명의 기재는 또한 여러 가지 크기의 채널을 가질 수 있다. 즉, 기재의 일 실시예의 일부 채널은, 제1 직경 또는 단면 거리를 가진 복수의 제1 채널 및 제2 직경 또는 단면 거리를 가진 복수의 제2 채널을 가진다. 예를 들면, 본 발명의 기재는, 일 실시예에서, 약 5 mil의 단면 거리를 가진 하나 이상의 채널을 포함하고, 약 7 mil의 단면 거리를 가진 하나 이상의 채널을 더 포함한다. 이들 실시예의 다른 변경은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해된다.The size of the channel opening can also vary. For example, in one embodiment, the diameter or cross section distance is from about 1 mil to about 100 mil. Other ranges suitable for the size of the channel openings include, but are not limited to, about 1 to about 500 mils, about 1 to about 100 mils, about 1 to about 10 mils. Other suitable sizes are selected from about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, and 20 mil Or diameter. The substrate of the present invention may also have channels of various sizes. That is, some channels in one embodiment of the substrate have a plurality of first channels having a first diameter or cross-sectional distance and a plurality of second channels having a second diameter or cross-sectional distance. For example, the present disclosure includes, in one embodiment, one or more channels having a cross sectional distance of about 5 mils, and further includes one or more channels having a cross sectional distance of about 7 mils. It is understood that other variations of these embodiments are included in the scope of the present invention.

다른 실시예에서, 채널 직경 또는 단면 거리는 약 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm, 또는 1 cm일 수 있다. 직경이 1 피트 이상인 배기 파이프를 구비할 수 있는 큰 배기 시스템을 위해서는 직경 또는 단면 거리가 더 큰 채널을 가진 기재가 바람직하다. In other embodiments, the channel diameter or cross-sectional distance may be about 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm, or 1 cm. For large exhaust systems that can have exhaust pipes of 1 foot or more in diameter, substrates with channels of larger diameter or cross-sectional distance are preferred.

채널 벽의 두께도 변동될 수 있다. 예를 들면, 채널 벽의 두께는 1 mil 미만일 수 있다. 채널 벽 두께에 대한 다른 적합한 값은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 및 10mil을 포함한다. 다른 실시예들은 평방 인치당 2,000개의 채널을 가진 촉매 기재 또는 여과 기재를 포함한다.The thickness of the channel walls can also vary. For example, the thickness of the channel wall may be less than 1 mil. Other suitable values for channel wall thickness include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, and 10 mils. Other embodiments include a catalyst substrate or filtration substrate with 2,000 channels per square inch.

일 실시예에서, 본 발명의 기재는 600 cpsi 및 벽 두께 6 mil로 이루어진다. 본 발명에 따른 샘플 기재의 셀 밀도는 코디어라이트의 샘플 2개와 비교된다. 제1 및 제2 코디어라이트 샘플은 각각, 벽 두께 17 mil인 100 cpsi 및 벽 두께 12 mil인 200 cpsi이다. 이에 비하여, 본 발명의 기재는 이 실시예에서 벽 두께 6 mil인 600 cpsi를 가진다.In one embodiment, the substrate of the present invention consists of 600 cpsi and a wall thickness of 6 mils. The cell density of the sample substrate according to the invention is compared with two samples of cordierite. The first and second cordierite samples were 100 cpsi with a wall thickness of 17 mils and 200 cpsi with a wall thickness of 12 mils, respectively. In contrast, the substrate of the present invention has 600 cpsi with a wall thickness of 6 mils in this example.

일 실시예에서, 기재는 필터 전체를 가로질러 0.06 in 간격마다 직경 0.04 in의 채널이 뚫려있다. 이들 채널은 종래의 코디어라이트 벽 유동 채널보다 작다. 그 결과, 기재 재료의 많은 기공 공간에 존재하는 표면적을 고려하지 않아도, 코디어라이트에 비해 엄청나게 증가된 표면적이 얻어진다. 상기 채널은 "블라인드" 채널인 것이 바람직하다. 배기 방출은 촉매와 반응하지 않은 채 채널을 유입 및 유출하는 것이 아니고, 강제로 채널을 통과하게 된다.In one embodiment, the substrate is perforated with a channel of 0.04 in diameter at 0.06 in intervals across the filter. These channels are smaller than conventional cordierite wall flow channels. As a result, a greatly increased surface area is obtained compared to cordierite without considering the surface area present in many pore spaces of the base material. The channel is preferably a "blind" channel. Exhaust emissions do not enter and exit the channel without reacting with the catalyst and are forced through the channel.

또 다른 실시예는 피라미드 형상을 가진 복수의 채널을 포함하는 촉매 또는 여과 기재를 제공하려는 것이다. 채널의 피라미드 형상은 sSiRF-C와 같은 본 발명의 기재를 포함하고 또한 그에 더하여, 임의 개수의 기재 재료에 적용될 수 있도록 되어 있다. 피라미드형 채널은 각 채널이 2개의 채널 개구부를 갖도록, 예를 들면 기재의 전면 상에 하나와 기재의 후면 상에 하나를 가진 플로우 스루 구조로 구성될 수 있다. 그렇지 않으면, 피라미드형 채널은 각 채널이 단 1개의 개구부를 갖도록, 예를 들면 벽 유동 구조로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 특정 채널들의 개구부는 전면에 위치하고, 다른 채널들의 개구부는 후면에 위치한다. 바람직하게는, 인접한 채널들이 채널 개구부의 위치에 관해 마주보는 형상을 갖도록 채널을 위치시킨다. 또한, 피라미드형 벽 유동 구조의 일 실시예에 있어서, 채널은 기재의 구멍 뚫리지 않은 부분에서 끝난다. 구멍 뚫리지 않은 부분이 평탄할 경우, 채널의 길이 방향 단면적은 사다리꼴로 나타난다. 구멍 뚫리지 않은 부분이 뾰족하면, 채널의 길이 방향 단면적은 삼각형으로 나타난다.Yet another embodiment is to provide a catalyst or filtration substrate comprising a plurality of channels having a pyramid shape. The pyramid shape of the channel is intended to include the substrate of the present invention, such as sSiRF-C, and in addition, to be applied to any number of substrate materials. The pyramidal channels can be configured in a flow through structure, with one on the front of the substrate and one on the back of the substrate, for example, so that each channel has two channel openings. Otherwise, the pyramidal channels can be configured, for example, in a wall flow structure such that each channel has only one opening. In this embodiment, the openings of certain channels are located at the front and the openings of the other channels are located at the back. Preferably, the channel is positioned such that adjacent channels have a shape facing each other with respect to the position of the channel opening. In addition, in one embodiment of the pyramidal wall flow structure, the channel ends at the unperforated portion of the substrate. If the unperforated part is flat, the longitudinal cross-sectional area of the channel appears trapezoidal. If the non-perforated part is pointed, the longitudinal cross section of the channel appears as a triangle.

형상 및 형태Shape and form

촉매 기재 및 여과 기재는 소정 개수의 적합한, 이제까지 알려지지 않은 형성을 포함한다. 기재들은 3차원이고, 일반적으로 기재의 본체에 의해 하나 이상의 측면에 연결된 전면(또는 영역 또는 면) 및 후면(또는 영역 또는 면)을 가진다. 전면과 후면은 전술한 바와 같이 임의 개수의 형상일 수 있다. 전면은 유체가 통과하여 기재에 유입되는 표면을 말한다. 후면은 유체가 기재로부터 유출되는 표면을 말한다. 일반적으로 표면은 평탄하지만, 일 실시예에 있어서는 평탄하지 않을 수 있다.Catalyst substrates and filtration substrates include any number of suitable, ever known formations. The substrates are three dimensional and generally have a front (or region or face) and a back (or region or face) connected to one or more sides by the body of the substrate. The front and rear surfaces may be any number of shapes as described above. The front side refers to the surface through which the fluid passes and enters the substrate. Back side refers to the surface from which fluid flows out of the substrate. Generally the surface is flat, but may not be flat in one embodiment.

일 실시예에 있어서, 기재는 실린더 형상을 갖는다. 기재로 이루어진 실린더는, 예를 들면, 배기 가스 중의 NO를 촉매작용으로 환원시키는 데 사용된다.In one embodiment, the substrate has a cylindrical shape. Cylinders made of substrates are used, for example, to catalyze NO in exhaust gases.

본 발명에 따른 기재에 적합한 길이와 폭 또는 직경의 값은 임의이다. 적합한 길이는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20 in를 포함한다. 물론, 디젤 응용 분야에서, 그리고 제약 공장 및 화학 공장, 제조 공장, 발전소, 등과 같은 정지형 엔진용으로는 더 긴 길이가 바람직할 수 있다. 또 다른 측면에서, 기재의 형상은 전면 형상을 기준으로 설명될 수 있다. 본 발명의 기재는 전면이 여러 개의 물리적 형상 중 하나를 갖도록 제조될 수 있다. 전면 형상은 특별히 제한되지는 않지만, 원형, 삼각형, 정사각형, 타원형, 사다리꼴, 직사각형 등을 포함하는 임의 개수의 형상일 수 있다. 3차원적으로, 기재는 실린더형 또는 실질적으로 평탄한 디스크형의 형태로 되어 있을 수 있다. 상업적으로 입수할 수 있는 기재는 일반적으로 상기 세 가지 디자인 중 하나로 존재한다. 기재는 직각을 이룬 모서리 또는 둥글게 된 모서리를 가질 수 있다. 기재의 전면 형상에는 둥글게 된 모서리가 바람직하다. 따라서, 일 실시예에서, 본 발명의 기재는 모서리가 둥근 정사각형 형상을 가진다. 또 다른 실시예에서, 기재는 모서리가 둥근 직사각형 전면 형상을 가진다. 또 다른 실시예에서, 기재는 모서리가 둥근 사다리꼴 전면 형상을 가진다. Suitable length and width or diameter values for the substrate according to the invention are arbitrary. Suitable lengths include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, and 20 in. Of course, longer lengths may be desirable in diesel applications and for stationary engines such as pharmaceutical and chemical plants, manufacturing plants, power plants, and the like. In another aspect, the shape of the substrate can be described with reference to the front surface shape. The substrate of the present invention may be made so that the front surface has one of several physical shapes. The front face shape is not particularly limited, but may be any number of shapes including round, triangular, square, oval, trapezoidal, rectangular, and the like. In three dimensions, the substrate may be in the form of a cylindrical or substantially flat disk. Commercially available substrates generally exist in one of these three designs. The substrate may have right angled corners or rounded corners. Rounded corners are preferred for the front surface shape of the substrate. Thus, in one embodiment, the substrate of the present invention has a square shape with rounded corners. In yet another embodiment, the substrate has a rectangular front shape with rounded corners. In yet another embodiment, the substrate has a trapezoidal front shape with rounded corners.

본 발명에 따른 촉매 기재에 대한 예시적인 치수는, 특별히 제한되지는 않지만, 원형 단면을 가지며, 약 3.66 in, 약 4.00 in, 약 4.16 in, 약 4.66 in, 약 5.20 in, 약 5.60 in, 또는 약 6.00 in의 직경을 가진 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 촉매 기재는 단면 치수(각각 단축과 장축)가 약 3.15×4.75 in, 약 3.54×5.16 in, 또는 약 4.00×6.00 in인 다원형 실린더 형상을 갖는다.Exemplary dimensions for the catalyst substrate according to the present invention, although not particularly limited, have a circular cross section and are about 3.66 in, about 4.00 in, about 4.16 in, about 4.66 in, about 5.20 in, about 5.60 in, or about Includes a diameter of 6.00 in. In another embodiment, the catalyst substrate has a multi-cylindrical cylinder shape with a cross-sectional dimension (uniaxial and long axis, respectively) of about 3.15 × 4.75 in, about 3.54 × 5.16 in, or about 4.00 × 6.00 in.

또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 헤드-캣에 사용하기에 적합한 형상과 크기를 갖는다. 일반적으로, 헤드-캣은 엔진의 배기 시스템에서 볼 수 있는 종래의 촉매 전환기보다 크기가 작을 것이다. 헤드-캣의 적합한 크기와 형상의 결정은 당업자의 능력에 속한다. 헤드-캣의 크기와 형상은 그 헤드-캣이 사용되는 특정 헤드와 엔진을 기준으로 형성된다. 예를 들면, 직경이 약 4½ in인 종래의 코디어라이트 원형 기재는 약 28.27 in²의 전방 표면적을 가진다. 예를 들어, Ford 4.6 V-8에는, 대략 이 치수의 기재를 가진 2개의 프리-캣이 있다. 이들 2개의 종래 프리-캣은 약 1.13 in의 직경으로 이루어진 nSiRF-C 기재를 포함하는 8개의 헤드-캣으로 대체될 수 있다.In yet another embodiment, the catalyst substrate has a shape and size suitable for use in a head-cat. In general, the head-cat will be smaller in size than conventional catalytic converters found in the engine's exhaust system. Determination of the appropriate size and shape of the head-cat is within the ability of those skilled in the art. The size and shape of the head-cat is based on the specific head and engine the head-cat is used for. For example, a conventional cordierite circular substrate having a diameter of about 4½ inches has a front surface area of about 28.27 in ² . Ford 4.6 V-8, for example, has two pre-cats with descriptions of this dimension. These two conventional pre-cats can be replaced with eight head-cats including nSiRF-C substrates with diameters of about 1.13 in.

이와는 달리, 배기 가스 중의 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 촉매작용으로 산화시키는 데에 실린더를 사용한다. 실린더의 길이는 실린더의 직경보다 크거나, 같거나, 작을 수 있다.Alternatively, cylinders are used to catalyze the oxidation of carbon monoxide and unburned hydrocarbons in the exhaust gas. The length of the cylinder may be greater than, equal to, or less than the diameter of the cylinder.

특별한 응용, 예컨대, 정지형 엔진, 온-로드 차량, 오프-로드 차량 등에 따라 상이한 형상 및 구성의 여과 기재 및 촉매 기재를 사용할 수 있다.Filter substrates and catalyst substrates of different shapes and configurations may be used depending on the particular application, such as stationary engines, on-road vehicles, off-road vehicles, and the like.

또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 상업적으로 입수 가능한 촉매 전환기의 상용화된 기재를 대체하는 형상으로 되어 있다. 이 실시예에서, 본 발명의 기재는 상이한 기재를 사용하는 활용 가능한 촉매 전환기의 기재와 실질적으로 동일한 형상과 치수를 가진다. 예를 들면, 현재 사용되고 있는 많은 촉매 전환기는 코디어라이트로 만들어진 기재를 수용한다. 촉매 전환기의 코디어라이트의 형상과 크기는 알려져 있거나, 분석에 의해 결정될 수 있다. 그런 다음, 이하에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 기재의 형상과 크기가 공지된 코디어라이트 기재와 실질적으로 동일하도록 가공 또는 몰딩함으로써 본 발명의 기재를 제조한다.In another embodiment, the catalyst substrate is shaped to replace a commercially available substrate of a commercially available catalytic converter. In this embodiment, the substrates of the present invention have substantially the same shape and dimensions as the substrates of available catalytic converters using different substrates. For example, many catalytic converters in use today accept substrates made of cordierite. The shape and size of the cordierite of the catalytic converter are known or can be determined by analysis. Then, as described below, the substrate of the present invention is produced by processing or molding so that the shape and size of the substrate of the present invention are substantially the same as a known cordierite substrate.

멤브레인Membrane 구성 Configuration

대안으로서, 기재는 멤브레인 구성을 갖는다. 그러한 형상에서, 기재의 길이는 기재의 폭 또는 직경보다 실질적으로 더 작다. 배기 가스가 기재를 통과하는 더 긴 이동 거리는 특정한 종래의 촉매 전환기 및 입자 필터에서의 역압력의 축적에 대응한다. 본 발명의 특정한 실시예에 따른 더 얇은 기재에서, 역압력은 최소화될 것이고, 배기 가스는 더 적은 노력으로 증가된 여과 능력을 가지고 필터 시스템을 통해 이동될 것이다. 이러한 역압력의 감소는 보다 효율적인 엔진 구동을 가져오고, 이는 양호한 연비 및 더 큰 동력을 의미한다.As an alternative, the substrate has a membrane configuration. In such a shape, the length of the substrate is substantially smaller than the width or diameter of the substrate. The longer travel distance through which the exhaust gas passes through the substrate corresponds to the accumulation of back pressure in certain conventional catalytic converters and particle filters. In thinner substrates according to certain embodiments of the invention, the back pressure will be minimized and the exhaust gases will be moved through the filter system with increased filtration capacity with less effort. This reduction in back pressure results in more efficient engine drive, which means better fuel economy and greater power.

본 발명의 일 실시예에서, 기재의 직경은 2 in이고 두께는 1/16 in이며, 직경이 4 in이고 길이가 6in인 종래의 코디어라이트 필터의 표면적의 400배의 표면적을 가진다. 기재 자체의 크기가 축소되었기 때문에, 캐니스터의 크기도 축소될 수 있고, 배기 라인에 작은 돌출부(bulge)만이 초래된다. 이와는 달리, 기재는 배기 매니폴드 내에 설치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the substrate has a surface area of 400 times the surface area of a conventional cordierite filter having a diameter of 2 inches, a thickness of 1/16 inches, a diameter of 4 inches, and a length of 6 inches. Since the size of the substrate itself has been reduced, the size of the canister can also be reduced, resulting in only a small bulb in the exhaust line. Alternatively, the substrate can be installed in an exhaust manifold.

또 다른 실시예에서, 기재는 멤브레인 형태로 되어 있다. 이 경우에, 전술 한 바와 같은 기재 재료를 포함하는 멤브레인은 전술한 바와 같은 임의 개수의 형상을 가지며, 기재의 길이는 폭 또는 직경보다 실질적으로 더 작다. 치수는, 예를 들면 폭 대 길이, 또는 직경 대 길이의 비로 기술될 수 있다. 직경 대 폭의 적합한 비는, 특별히 제한되지는 않지만, 약 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, 및 5:1을 포함한다.In another embodiment, the substrate is in the form of a membrane. In this case, the membrane comprising the substrate material as described above has any number of shapes as described above, and the length of the substrate is substantially smaller than the width or diameter. Dimensions can be described, for example, in width to length, or ratio of diameter to length. Suitable ratios of diameter to width include, but are not particularly limited to, about 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, and 5: 1.

또한, 멤브레인 구성을 가진 기재는 하나 이상의 기재 형태와 함께 적층될 수 있다. 멤브레인 구성에 있어서, 멤브레인 구성을 가진 소정 개수의 촉매 또는 여과 기재를 서로 적층할 수 있다. 예를 들면, 직경이 약 1 in이고 길이가 약 0.2 in인 실린더(또는 디스크) 형상을 가진 복수, 예컨대 5개의 촉매 또는 여과 기재를 적층하여 소정의 길이, 예컨대 약 1 in의 길이를 가진 기재 파일(pile)을 형성할 수 있다.In addition, substrates having a membrane configuration may be laminated together with one or more substrate types. In the membrane configuration, a predetermined number of catalyst or filtration substrates having a membrane configuration can be stacked on each other. For example, a substrate file having a predetermined length, such as about 1 in, by stacking a plurality of, for example, five catalyst or filtration substrates having a cylinder (or disk) shape of about 1 in diameter and about 0.2 in long. It can form a pile.

멤브레인 구성의 경우에, 일 실시예에서, 촉매 기재에는 기재를 통해 뻗어가는 복수의 채널이 형성되어 있지 않다. 가스가 통고하여 이동해야 하는 거리가 짧고, 부분적으로는 다공도가 높고, 본 발명에 의해 야기되는 압력 강하가 낮기 때문에, 멤브레인 구성을 가진 복수의 촉매 기재를 포함하는 기재 파일을 형성할 수 있다.In the case of a membrane configuration, in one embodiment, the catalyst substrate is not formed with a plurality of channels extending through the substrate. Because of the short distance the gas has to travel through, partly high porosity, and low pressure drop caused by the present invention, it is possible to form a substrate file comprising a plurality of catalyst substrates having a membrane configuration.

또한, 적층된 멤브레인 구성은 또한 개별적 기재들이 촉매 전환기 또는 입자 필터의 바닥에 수직이 아닌, 적층된 멤브레인 구성을 포함한다. 이 실시예에서, 기재의 측면(횡방향 표면)과 면(전면 또는 후면) 사이의 각도가 약 90도 이하, 또는 90도 이상, 예컨대 80도, 70도, 등이 되도록 기재를 가공 또는 몰딩할 수 있다.In addition, the laminated membrane configuration also includes a laminated membrane configuration in which the individual substrates are not perpendicular to the bottom of the catalytic converter or particle filter. In this embodiment, the substrate may be processed or molded such that the angle between the side (lateral surface) and the side (front or back) of the substrate is about 90 degrees or less, or 90 degrees or more, such as 80 degrees, 70 degrees, or the like. Can be.

예비 소결용(pre-sintering) 촉매의 첨가Addition of pre-sintering catalyst

또 다른 실시예에서, 전술한 촉매 기재는 촉매를 추가로 포함하는데, 상기 촉매는 소결 공정 이전에 기재 재료에 첨가된다. 이 경우, 촉매는 일반적으로 그린 빌릿(green billet)이 제조되기 전에 슬러리에 첨가된다. 다른 실시예에서, 촉매는 믹서에서 섬유에 첨가된다. 이와는 달리, 촉매가 액체 형태일 경우에는 일 실시예에 있어서 슬러리에 첨가된다. 기재는 하나 이상의 촉매를 포함하는 슬러리로부터 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 촉매는 소결되면 기재의 섬유에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 촉매는 채널 벽의 표면에 주로 부착되는 것과는 반대로 채널 벽의 기공 내에 위치한다.In another embodiment, the aforementioned catalyst substrate further comprises a catalyst, which is added to the substrate material prior to the sintering process. In this case, the catalyst is generally added to the slurry before the green billet is produced. In another embodiment, the catalyst is added to the fibers in a mixer. Alternatively, when the catalyst is in liquid form, it is added to the slurry in one embodiment. The substrate may be formed from a slurry comprising one or more catalysts. In one embodiment, the catalyst adheres to the fibers of the substrate when sintered. In another embodiment, the catalyst is located in the pores of the channel wall as opposed to being primarily attached to the surface of the channel wall.

기재의 Mention 구역화Zoning (( zonationzonation ))

또 다른 실시예에서, 전술한 촉매 기재는 기재 내의 상이한 구역(zone)이 상이한 속성을 갖도록 제조된다. 다시 말하면, 촉매 기재의 물리적 특성 또는 속성 중 하나 이상이 균일하지 않거나, 또는 기재 전체에 걸쳐 동일하다. In yet another embodiment, the aforementioned catalyst substrate is made so that different zones in the substrate have different properties. In other words, one or more of the physical properties or attributes of the catalyst substrate are not uniform or the same throughout the substrate.

예를 들어, 일 실시예에 있어서, 기재의 상이한 구역 또는 영역은 상이한 밀도, 상이한 촉매, 상이한 촉매 혼합물, 상이한 채널 형상, 상이한 다공도, 상이한 투과성, 및/또는 상이한 열적 속성을 가진다. 예로서, 일 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 nSiRF-C 복합체와 제1 및 제2 촉매를 포함하고, 상기 제1 촉매는 상기 기재의 제1 구역에 적용되고, 상기 제2 촉매는 상기 기재의 제2 구역에 적용된다. 또 다른 실시예에서, 기재는 기재의 본체를 통해 상이한 정도의 구조적 일체성을 가진다. 예를 들면, 전술한 바와 같이, 있을 수 있는 손상을 경감시키는 표면 경 도를 증가시키기 위해 기재의 표면에 고밀도화 코팅(densification coating)을 부가할 수 있다. For example, in one embodiment, different zones or regions of the substrate have different densities, different catalysts, different catalyst mixtures, different channel shapes, different porosities, different permeabilities, and / or different thermal properties. For example, in one embodiment, the catalyst substrate of the present invention comprises an nSiRF-C complex and first and second catalysts, the first catalyst being applied to the first zone of the substrate, and the second catalyst being the Applied to the second zone of the substrate. In yet another embodiment, the substrate has a different degree of structural integrity through the body of the substrate. For example, as described above, a densification coating may be added to the surface of the substrate to increase surface hardness that mitigates possible damage.

워쉬코트Washcoat

본 발명의 또 다른 태양은 워쉬코트를 추가로 포함하는 전술한 촉매 또는 여과 기재를 제공하려는 것이다. 다른 실시예에서, 촉매 기재는 워쉬코트에 더하여 촉매 워쉬코트, 예컨대 촉매를 포함하는 워쉬코트를 추가로 포함한다. 이와는 달리, 또 다른 실시예에서, 워쉬코트 재료는 촉매 활성을 갖는다.Another aspect of the invention is to provide a catalyst or filtration substrate as described above further comprising a washcoat. In another embodiment, the catalyst substrate further comprises a catalyst washcoat, such as a washcoat comprising a catalyst, in addition to the washcoat. Alternatively, in another embodiment, the washcoat material has catalytic activity.

적합한 워쉬코트는 실리카, 티타니아, 비함침 지르코니아, 희토류 금속 산화물로 함침된 지르코니아, 및 이들의 조합을 포함한다. 다른 적합한 워쉬코트는 예를 들면 미국 특허 제6,682,706호; 제6,667,012호; 제4,529,718호; 제4,722,920호; 제5,795,456호; 및 제5,856,263호에 개시되어 있고, 이들 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.Suitable washcoats include silica, titania, unimpregnated zirconia, zirconia impregnated with rare earth metal oxides, and combinations thereof. Other suitable washcoats are described, for example, in US Pat. No. 6,682,706; No. 6,667,012; 4,529,718; 4,529,718; 4,722,920; 4,722,920; 5,795,456; 5,795,456; And 5,856,263, which are incorporated by reference in their entirety.

일반적으로, 워쉬코트는 일 실시예에 있어서, 수계 슬러리로부터 적용될 수 있다. 알루미나 분말 및/또는 다른 워쉬코트 산화물은 요구되는 입자 크기로 미분된다. 워쉬코트 분말의 입도 분포는 완성된 워쉬코트의 기계적 강도 및 기재에 대한 부착성, 그리고 워쉬코트 적용 공정 시 슬러리의 유동학적 속성에 영향을 준다. 경도가 매우 높은 재료인 알루미나는 일 실시예에 있어서 에어-제트 또는 볼 밀을 이용하여 미분된다.In general, the washcoat can be applied from an aqueous slurry, in one embodiment. Alumina powder and / or other washcoat oxides are ground to the required particle size. The particle size distribution of the washcoat powder affects the mechanical strength and adhesion of the finished washcoat to the substrate and the rheological properties of the slurry during the washcoat application process. Alumina, a very high hardness material, is ground in one embodiment using an air-jet or ball mill.

다음 단계에서, 고전단 믹서를 구비한 탱크에서 산성화 수중에 재료를 분산한다. 슬러리 내의 고체 함량은 전형적으로 30～50%이다. 장시간 혼합 후, 알루 미나 현탁액은 안정된 콜로이드 시스템으로 된다.In the next step, the material is dispersed in acidified water in a tank equipped with a high shear mixer. The solids content in the slurry is typically 30-50%. After prolonged mixing, the alumina suspension becomes a stable colloidal system.

기재에 적층된 워쉬코트의 양은 슬러리의 유동학적 속성(점도)에 의존하고, 그에 의해 제어될 수 있다. 산화알루미늄 슬러리는, 경우에 따라서, 시간 및 시스템에 공급되는 기계적 에너지(전단율)에 따라 점도가 변하는 비뉴톤형(non-newtonian) 유체이다. 임의의 일정한 전단율에서, 슬러리의 점도는 슬러리의 pH의 함수이다. 일 실시예에 있어서, 점도는 pH조절에 의해 제어될 수 있다. 그러나, 정밀한 점도 제어는 알루미나 시스템의 비뉴톤형 특성으로 인해 워쉬코팅 공정에서 가장 어려운 과제일 것이다.The amount of washcoat deposited on the substrate depends on the rheological properties (viscosity) of the slurry and can be controlled thereby. Aluminum oxide slurries are non-newtonian fluids whose viscosity varies from time to time and the mechanical energy (shear rate) supplied to the system. At any constant shear rate, the viscosity of the slurry is a function of the pH of the slurry. In one embodiment, the viscosity can be controlled by pH adjustment. However, precise viscosity control will be the most difficult task in wash coating processes due to the non-Newtonian nature of alumina systems.

워쉬코트 슬러리는, 부품에 대한 담금 또는 쏟아붓기를 포함하는 임의의 공지된 방법과 절차를 이용하여, 및/또는 특수 코팅 기계에서 기재에 적용될 수 있다. 과도한 슬러리는 압축 공기에 의해 채널로부터 제거된다. 그런 다음, 기재는 건조되고, 워쉬코트를 모노리스 벽에 결합하기 위해 하소될 수 있다.The washcoat slurry may be applied to the substrate using any known methods and procedures, including immersion or pouring of the part, and / or in a special coating machine. Excess slurry is removed from the channel by compressed air. The substrate can then be dried and calcined to bond the washcoat to the monolith wall.

일 실시예에 있어서, 워쉬코트는 1층, 2층 또는 3층으로 적용될 수 있다. 각각의 층은 건조되고 다음 층의 처리 이전에 하소된다. 다층 워쉬코트를 적용하는 데에는 다음과 같은 몇 가지 이유가 있다: (1) 촉매 설계가 각 층에 대한 상이한 화학적 포뮬레이션을 필요로 할 수 있음, 및 (2) 코팅/공정 장치의 제약, 예를 들면 1-패스 조작으로 두꺼운 워쉬코트를 적용할 필요가 있는 매우 점성인 슬러리를 취급할 수 없는 점.In one embodiment, the washcoat can be applied in one, two or three layers. Each layer is dried and calcined before treatment of the next layer. There are several reasons for applying a multilayer washcoat: (1) the catalyst design may require different chemical formulations for each layer, and (2) the constraints of the coating / processing equipment, eg For example, it cannot handle very viscous slurries that require a thick washcoat to be applied in a one-pass operation.

워쉬코트층의 전형적 두께는 20～40 ㎛이지만, 상기 범위를 벗어나는 값도 본 발명에서 사용될 수 있다. 이러한 수치는 예를 들면 200 cpsi 기판 상의 약 100 g/L의 워쉬코트 부하, 400 cpsi 기판 상의 약 200 g/L의 워쉬코트 부하 이하에 대응한다. 촉매 워쉬코트 재료의 비표면적은 일 실시예에 있어서 100～200 ㎡/g이다. 물론, 다른 값도 본 발명에서 사용될 수 있다.A typical thickness of the washcoat layer is 20-40 μm, but values outside the above ranges may also be used in the present invention. This figure corresponds, for example, to a washcoat load of about 100 g / L on a 200 cpsi substrate, up to a washcoat load of about 200 g / L on a 400 cpsi substrate. The specific surface area of the catalyst washcoat material is 100-200 m 2 / g in one embodiment. Of course, other values may be used in the present invention.

복합 촉매 시스템에서의 귀금속 및 기타 촉매는 서로, 워쉬코트 성분과, 또는 지지재와 반응할 수 있고, 불필요한 촉매적으로 비활성인 화합물을 생성할 수 있다. 주어진 촉매 시스템에서 그러한 반응이 일어나는 경우, 그러한 반응은 종래의 워쉬코트 기술에서는 방지하기 어렵다. 촉매 금속은 완성된 워쉬코트층에 함침되어 있기 때문에, 반응 성분들 사이의 접촉은 피할 수 없다.Precious metals and other catalysts in the composite catalyst system can react with each other, with the washcoat component, or with the support material, and produce unwanted catalytically inert compounds. If such reactions occur in a given catalyst system, such reactions are difficult to prevent in conventional washcoat techniques. Since the catalytic metal is impregnated into the finished washcoat layer, contact between the reaction components is inevitable.

워쉬코트가 기재에 적용되기 전에 워쉬코트의 특정한 비금속 산화물(base metal oxide) 상에 귀금속을 고정함으로써 물리적으로 귀금속을 분리하기 위해 분리된 워쉬코트 기술이 개발되었다. 상이한 산화물 및/또는 귀금속를 함유한 워쉬코트층을 이용함으로써, 촉매 시스템의 성분들을 분리할 수 있다. 이 기술의 부가적 이점으로는 귀금속/비금속 비의 제어 및 향상된 귀금속 분산이 포함된다. 그러한 기술은 본 발명에 적용될 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 본 발명은 nSiRF-C, 물리적으로 분리된 2종 이상의 촉매 금속 및 워쉬코트를 포함하는 촉매 기재를 제공하려는 것이다.Separate washcoat techniques have been developed to physically separate the precious metal by immobilizing the precious metal on a particular base metal oxide of the washcoat before the washcoat is applied to the substrate. By using washcoat layers containing different oxides and / or precious metals, the components of the catalyst system can be separated. Additional advantages of this technique include control of the precious metal / nonmetal ratio and improved precious metal dispersion. Such techniques can be applied to the present invention. Thus, in a preferred embodiment, the present invention seeks to provide a catalyst substrate comprising nSiRF-C, two or more catalytic metals physically separated and a washcoat.

분리된 워쉬코트 개요: 분리된 워쉬코트는 자동차의 3원 촉매에 처음 적용되었다. 그러한 촉매의 예는 백금, 팔라듐 및 로듐을 포함하는 3-금속 시스템이다. 상기 촉매의 제1층은 Pd/Al₂O₃로 이루어진다. 제2(표면)층은 Rh/Pt/Ce-Zr로 이루어 진다. 상기 설계는 그렇지 않은 경우에 촉매 불활성화를 초래할 수 있는 팔라듐-로듐 합금의 형성을 방지한다.Separated Washcoat Overview: Separated washcoats were first applied to three-way catalysts in automobiles. Examples of such catalysts are three-metal systems comprising platinum, palladium and rhodium. The first layer of the catalyst consists of Pd / Al ₂ O ₃ . The second (surface) layer consists of Rh / Pt / Ce-Zr. This design prevents the formation of a palladium-rhodium alloy that could otherwise lead to catalyst deactivation.

산화알루미늄, 즉 알루미나는 방출 제어 촉매 워쉬코트용 기본재이다. 촉매 적용을 위해서 표면적이 높은 감마 결정질 구조(γ-Al₂O₃)가 사용되며, 이것은 높은 순도를 특징으로 한다. Al₂O₃ 내에 존재하는 특정 원소는 열 안정성에 부정적 영향과 긍정적인 영향 모두를 줄 수 있다. Al₂O₃에 존재하는 소량의 Na₂O는 플럭스로서 작용하여 알루미나의 소결을 강화한다. 대조적으로, La₂O₃, SiO₂, BaO 및 CeO₂를 포함하는 몇 가지 금속 산화물은 알루미나 표면 영역에 대한 안정화 효과를 가지므로 소결률을 감소시킨다. 안정화된 알루미나는 상업적으로 입수 가능하다.Aluminum oxide, i.e. alumina, is the base material for controlled release catalyst washcoats. A high surface area gamma crystalline structure (γ-Al ₂ O ₃ ) is used for the catalyst application, which is characterized by high purity. Certain elements present in Al ₂ O ₃ can have both negative and positive effects on thermal stability. A small amount of Na ₂ O present in Al ₂ O ₃ acts as a flux to enhance the sintering of the alumina. In contrast, some metal oxides, including La ₂ O ₃ , SiO ₂ , BaO and CeO ₂ , have a stabilizing effect on the alumina surface area and thus reduce the sintering rate. Stabilized alumina is commercially available.

다른 실시예에서, 이산화세륨, 즉 세리아는 예를 들면 25% 이하의 양으로 첨가되는, 촉매 워쉬코트의 성분이다. 다른 실시예에서, 세리아는 약 5%, 10%, 15%, 20%, 및 25%의 양으로 첨가된다. 3원 촉매에서의 세리아의 기능 중 하나는 산소 저장 기능으로, 그것은 Ce⁴ ⁺와 Ce³ ⁺ 사이를 순환함으로써 가능하다. 세리아에 기인하는 다른 효과로는, 알루미나의 안정화, 스팀 개질 반응의 촉진, 귀금속 분산의 촉진, 및 귀금속 환원의 촉진이 포함된다. In another embodiment, cerium dioxide, ie ceria, is a component of the catalyst washcoat that is added in an amount of, for example, 25% or less. In another embodiment, ceria is added in an amount of about 5%, 10%, 15%, 20%, and 25%. One of the functions of ceria in the three-way catalyst has an oxygen storage function, it is possible by the rotation between the Ce ⁴ ⁺ and Ce ³ ^+. Other effects attributable to ceria include stabilization of alumina, promotion of steam reforming reactions, promotion of noble metal dispersion, and promotion of noble metal reduction.

특정한 디젤 산화성 촉매 포뮬레이션은 세리아의 높은 부하를 포함한다. 세리아의 기능은 디젤 입자 중 용해성 유기 분획의 촉매 방식 산화/크래킹이다.Certain diesel oxidative catalyst formulations involve high loads of ceria. The function of ceria is catalytic catalytic oxidation / cracking of soluble organic fractions in diesel particles.

예를 들면 세륨 화합물의 하소(calcination)에 의해, 높은 표면적의 세륨 산 화물을 제조할 수 있다. 세리아의 BET 표면적은 270 ㎡/g 만큼 높을 수 있다. 예를 들면 3원 촉매와 같은 다른 실시예에서, 표면적이 약 150 ㎡/g인 세리아가 사용된다. 900～1,000℃를 견딜 수 있는 고온 안정화된 다른 종류들은 약 6～60 ㎡/g의 표면적을 가지며, 본 발명에서 사용하기에 적합하다. For example, by calcining cerium compounds, cerium oxides with high surface areas can be produced. The CET surface area of ceria can be as high as 270 m 2 / g. In other embodiments, for example, three-way catalysts, ceria with a surface area of about 150 m 2 / g is used. Other high temperature stabilized species capable of withstanding 900-1,000 ° C. have a surface area of about 6-60 m 2 / g and are suitable for use in the present invention.

본 발명의 촉매 기재 또는 여과 기재는 다른 실시예에서 산화지르코늄을 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 산화지르코늄은 기재의 열 안정성을 증가시킨다.The catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further comprises zirconium oxide in another embodiment. In certain embodiments, zirconium oxide increases the thermal stability of the substrate.

이산화티탄은 불활성, 비황화(non-sulfating) 캐리어로서 몇몇 디젤 촉매와 함께 사용된다. 이산화티탄의 두 가지 중요한 결정 구조는 아나타제와 루타일이다. 아나타제 형태는 촉매 적용에 있어서 중요한 형태이다. 이것은 50～120 ㎡/g으로 가장 높은 표면적을 가지며 500℃까지 열적으로 안정하다. 루타일 구조는 10 ㎡/g 미만의 낮은 표면적을 갖는다. 아나타제의 루타일로의 변환은 약 550℃에서 일어나며, 촉매 불활성화를 초래한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 sSiRF-C, 바람직하게는 AETB 또는 OCTB, 촉매 및 이산화티탄을 포함한다.Titanium dioxide is used with some diesel catalysts as inert, non-sulfating carriers. Two important crystal structures of titanium dioxide are anatase and rutile. Anatase forms are important forms for catalyst applications. It has the highest surface area of 50 to 120 m 2 / g and is thermally stable up to 500 ° C. Rutile structures have a low surface area of less than 10 m 2 / g. The conversion of anatase to rutile occurs at about 550 ° C., resulting in catalyst deactivation. In another embodiment of the invention, the catalyst substrate comprises sSiRF-C, preferably AETB or OCTB, a catalyst and titanium dioxide.

산화지르코늄은 자동차의 3원 촉매에서 열 안정화제 및 세리아의 촉진제로서, 또한 디젤 산화성 촉매 워쉬코트의 비황화 성분으로서 사용될 수 있다. 산화지르코늄은 100～150 ㎡/g의 BET 표면적을 가지며, 500～700℃에서 급속히 표면적을 상실한다. La, Si, Ce 및 Y를 포함하는 광범위한 도펀트를 이용함으로써 더 양호한 열 안정성을 얻을 수 있다.Zirconium oxide can be used as a heat stabilizer and accelerator of ceria in a three-way catalyst of automobiles, and also as a non-sulphurized component of diesel oxidative catalyst washcoats. Zirconium oxide has a BET surface area of 100 to 150 m 2 / g and rapidly loses its surface area at 500 to 700 ° C. Better thermal stability can be obtained by using a wide range of dopants including La, Si, Ce and Y.

제올라이트는 명확히 구획된 결정질 구조 및 기공 크기를 가진 합성에 의한 또는 천연산 알루미나-실리케이트 화합물이다. 제올라이트 기공의 치수는 전형적으로 3～8 Å로서, 분자 크기 범위에 들어간다. 이보다 더 큰 단면적의 분자는 어느 것도 제올라이트 케이지의 채널에 들어갈 수 없다. 이러한 이유에서, 제올라이트는 종종 분자체(molecular sieve)라 불린다. 제올라이트는 비표면적이 높은 것을 특징으로 한다. 예를 들면, ZSM-5 제올라이트는 약 400 ㎡/g의 표면적을 갖는다. 제올라이트 모데나이트(mordenite)는 약 400～500 ㎡/g의 표면적을 가진다. 대부분의 제올라이트는 500℃까지 열적으로 안정하다.Zeolites are synthetic or naturally occurring alumina-silicate compounds with clearly partitioned crystalline structures and pore sizes. Zeolite pores typically range in size from 3 to 8 mm 3 and fall in the molecular size range. None of the molecules with a larger cross-sectional area can enter the channels of the zeolite cage. For this reason, zeolites are often called molecular sieves. Zeolites are characterized by high specific surface areas. For example, ZSM-5 zeolite has a surface area of about 400 m 2 / g. Zeolite mordenite has a surface area of about 400-500 m 2 / g. Most zeolites are thermally stable up to 500 ° C.

몇몇 촉매 응용에 사용되는 제올라이트는 금속 양이온으로 이온교환된다. 제올라이트의 산성 형태(HZ)는 먼저 NH⁴ ⁺(NH₄NO₃) 함유 수용액으로 처리되어 암모늄 교환 제올라이트(NH⁴ ⁺Z)를 형성한다. 이것은 이어서 촉매 양이온을 함유하는 염 용액으로 처리되어 금속 교환 제올라이트(MZ)를 형성한다.Zeolites used in some catalytic applications are ion exchanged with metal cations. The acidic form (HZ) of the zeolite is first treated with an aqueous solution containing NH ⁴ ⁺ (NH ₄ NO ₃ ) to form an ammonium exchange zeolite (NH ⁴ ⁺ Z). It is then treated with a salt solution containing a catalytic cation to form a metal exchange zeolite (MZ).

제올라이트는 재현성 및 명확히 구획된 기공 구조로 인해 탁월한 흡착재이다. 제올라이트는 건조, 정제 및 분리를 포함하는 다수의 응용에서 흡착제로서 사용되어 왔다. 합성 제올라이트도 석유화학 처리에서 촉매로 사용된다.Zeolites are excellent adsorbents due to their reproducibility and clearly partitioned pore structure. Zeolites have been used as adsorbents in many applications, including drying, purification and separation. Synthetic zeolites are also used as catalysts in petrochemical processing.

최근에, 제올라이트는 촉매(SCR, 희박한 NO_x 촉매) 및 흡착제(디젤 산화성 촉매에서의 탄화수소 트랩)로서 디젤 방출 제어를 위해 점증적으로 사용된다. Recently, zeolites have been used gradually for diesel emission control as catalysts (SCR, lean NO _x catalysts) and adsorbents (hydrocarbon traps in diesel oxidative catalysts).

본 발명의 추가적 실시예는 전술한 구체적 기재 실시예 중 임의의 예를 포함하고, 임의의 구체적 워쉬코트 실시예를 추가로 포함하는 것으로 이해된다.Additional embodiments of the present invention are understood to include any of the specific description embodiments described above and further include any specific washcoat embodiments.

산소-저장 산화물Oxygen-storage oxide

또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재 또는 여과 기재는 산소-저장 산화물을 추가로 포함한다. CeO₂와 같은 산소-저장 산화물은 산소 저장 능력(이하에서 "OSC"로 중임), 즉 기체 상태의 산소를 가두고, 가두어진 산소를 방출하는 능력을 갖는다. 보다 구체적으로, CeO₂는 기체 분위기의 산소 농도를 조절하기 위해 첨가되고, 그 결과 기체 분위기 내의 과량의 산소는 CeO₂의 결정질 구조 내에 산소 농후 상태(즉, 연료 희박 상태, 간단히 "희박 상태"라 칭할 수도 있음)로 가두어짐으로써 NO_x를 N₂로 환원시키는 데에 촉매 전환기를 보조하는 한편, 가두어진 산소를 CO 농후 및/또는 HC 농후 상태(즉, 연료 농후 상태, 간단히 "농후 상태"라 칭할 수도 있음)로 방출함으로써 CO와 HC를 CO₂와 H₂O로 산화시키는 데에 촉매 전환기를 보조한다. 따라서, 촉매 기재의 촉매 활성도는 CeO₂의 첨가에 의해 증강된다. 그 밖의 산소 저장 산화물로는 미국 특허 제6,576,200호에 개시된 바와 같은 Pr₆O₁₁이 포함된다. 또 다른 실시예는 전술한 임의의 특수한 기재를 포함하고, 예컨대 CeO₂와 같은 산소 저장 산화물을 추가로 포함한다.In another embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further comprises an oxygen-storing oxide. Oxygen-storing oxides such as CeO _{2 have the} ability to store oxygen (hereinafter referred to as “OSC”), that is, to trap gaseous oxygen and release the trapped oxygen. More specifically, CeO ₂ is added to control the oxygen concentration in the gas atmosphere, so that excess oxygen in the gas atmosphere is referred to as an oxygen rich state (ie, fuel lean state, simply “lean state”) in the crystalline structure of CeO ₂ . Confined to assist the catalytic converter in reducing NO _x to N ₂ , while confined oxygen is referred to as CO rich and / or HC rich (ie, fuel rich, simply “rich”). By assisting the catalytic converter in oxidizing CO and HC into CO ₂ and H ₂ O. Thus, the catalytic activity of the catalyst substrate is enhanced by the addition of CeO ₂ . Other oxygen storage oxides include Pr ₆ O ₁₁ as disclosed in US Pat. No. 6,576,200. Another embodiment includes any of the special substrates described above and further includes an oxygen storage oxide, such as, for example, CeO ₂ .

특정한 금속 촉매, 특히 백금의 존재 하에서, 디젤 연료와 같은 연료에 존재하는 황은 SO_x로 전환되는데, 이것은 이어서 배기 가스 중에 황산 흄과 같은 환경적으로 유해한 황 화합물을 생성할 수 있다. 대부분의 황산염은 전형적으로 약 350 ～450℃의 비교적 높은 배기 온도에서 백금 촉매 상에서 형성된다. 가솔린 및 디젤 연료 포뮬레이션으로부터 황을 제거해야 하는 시급한 요구가 있지만, 그 사이에 촉매 포뮬레이션이 그 문제를 가능한 범위까지 감소시키고자 시도되어 왔다.In the presence of certain metal catalysts, especially platinum, sulfur present in fuels such as diesel fuel is converted to SO _x , which can then produce environmentally harmful sulfur compounds such as sulfuric acid fume in the exhaust gas. Most sulfates are typically formed on platinum catalysts at relatively high exhaust temperatures of about 350-450 ° C. While there is an urgent need to remove sulfur from gasoline and diesel fuel formulations, meanwhile, catalyst formulations have been attempted to reduce the problem to the extent possible.

예시적인 백금 촉매로서, Engelhard사가 개발한 촉매는 5:1 비율의 Pt/Rh 5～150 g/ft³ 및 MgO 30～1,500 g/ft³로 이루어져 있다(미국 특허 제5,100,632호(Engelhard Corporation)). 상기 촉매는 수용액으로부터 기재 상에 함침될 수 있다. 상기 촉매로 코팅된 필터는 바람직하게 375～400℃의 배기 온도에서 재생하는 데 사용된다. 상기 포뮬레이션에서의 로듐의 기능은 SO₂의 촉매방식 산화를 억제하는 것이며, 따라서 촉매에서의 황산염 마스크의 기능이다.As an exemplary platinum catalyst, the catalyst developed by Engelhard consists of Pt / Rh 5 to 150 g / ft ³ and MgO 30 to 1500 g / ft ³ in a 5: 1 ratio (US Pat. No. 5,100,632 to Engelhard Corporation). . The catalyst can be impregnated onto the substrate from an aqueous solution. The catalyst coated filter is preferably used for regeneration at an exhaust temperature of 375-400 ° C. The function of rhodium in the formulation is to inhibit the catalytic oxidation of SO ₂ and thus the function of the sulfate mask in the catalyst.

본 발명의 촉매 기재는, 일 실시예에 있어서, 예를 들면 향상된 열적 프로파일을 가짐으로써 촉매의 열적 파손을 감소시켜 이러한 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있다. The catalyst substrate of the present invention can provide a solution to this problem by reducing the thermal breakdown of the catalyst in one embodiment, for example by having an improved thermal profile.

촉매 피독(catalyst poisoning)은 촉매 불활성화의 중요한 요인이다. 이것은 배기 가스에 존재하는 물질이 촉매 사이트를 화학적으로 불활성화하거나 촉매 표면의 파울링(fouling)을 야기할 때 일어날 수 있다. 내연기관에서 나오는 배기 가스 중의 활성억제물은 윤활유 성분 또는 연료로부터 유도될 수 있다.Catalyst poisoning is an important factor for catalyst deactivation. This can occur when the material present in the exhaust gas chemically inactivates the catalyst site or causes fouling of the catalyst surface. Inhibitors in the exhaust gases from internal combustion engines can be derived from lubricating oil components or fuels.

여러 가지 촉매종 또는 촉매종과 캐리어 성분들 사이의 상호작용은 또 다른 촉매 불활성화의 온도 유발 방식이다. 일례는 자동차의 3원 촉매에서의 로듐과 CeO₂ 사이의 반응이다. 이 형태의 문제는 반응 성분들을 물리적으로 분리하고 해당 분야에 알려져 있는, 다른 캐리어 및 특수한 워쉬코트 기술을 이용하여 감소될 수 있다.The interaction between various catalyst species or catalyst species and carrier components is another temperature-induced mode of catalyst deactivation. One example is the reaction between rhodium and CeO ₂ in a three way catalyst in an automobile. This type of problem can be reduced by physically separating the reaction components and using other carriers and special washcoat techniques known in the art.

본 발명의 추가적 이점은, 물리적으로 비상용성인 성분들을 분리하도록 상이한 구역에 nSiRF-C를 펌핑할 수 있고, 그렇지 않으면 별도의 멤브레인 기재 내의 비상용성 성분과 함께 적층된 멤브레인 형상으로서 nSiRF-C를 활용할 수 있다는 점이다.A further advantage of the present invention is that it is possible to pump nSiRF-C in different zones to separate physically incompatible components, or otherwise utilize nSiRF-C as a membrane shape laminated with incompatible components in a separate membrane substrate. Is that there is.

촉매 불활성화는 또한 침식(erosion)과 마멸(attrition)을 통한 워쉬코트의 물리적 상실로 인해 일어날 수도 있다. 방출 제어 촉매에 있어서는, 높은 가스 속도, 온도 변화 및 워쉬코트와 기재 재료 사이의 열팽창의 차이 때문에 상기 메커니즘도 중요할 수 있다.Catalyst deactivation may also occur due to physical loss of the washcoat through erosion and attrition. In controlled release catalysts, the mechanism may also be important because of the high gas velocity, temperature change and differences in thermal expansion between the washcoat and the substrate material.

촉매 커버(catalyst cover)Catalyst cover

일 실시예에 있어서, 흡착제 촉매는 NO_x를 염으로 전환시키는 데 사용되고, 상기 염은 이어서 재생 공정에서 수동적으로 제거될 수 있다. 그러나, 연료에 존재하는 황은 황산바륨과 같은 불용성 SO₄ 염의 형성을 초래할 수 있으며, 이 염은 촉매의 상부에 보호 코팅을 형성하여 촉매의 효율을 저하시킬 수 있다. 본 발명의 특정한 실시예의 이점은 황산염의 코팅으로 인한 효율 저하의 가능성이 적다는 점이다.In one embodiment, the adsorbent catalyst is used to convert NO _x to salt, which salt may then be manually removed in the regeneration process. However, the sulfur present in the fuel can lead to the formation of insoluble SO ₄ salts, such as barium sulfate, which can form a protective coating on top of the catalyst and reduce the efficiency of the catalyst. An advantage of certain embodiments of the present invention is that there is less chance of efficiency degradation due to the coating of sulfates.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재 또는 여과 기재가 세라믹에 적합한 보호 코팅을 추가로 포함한다. 그러한 보호 코팅에 적합한 것의 예는 미국 특 허 제5,296,288호에 개시되어 있으며, 상기 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다. 이 코팅은 또한 세라믹 재료의 보호 코팅(PCC)라고 알려져 있다. 또 다른 적합한 관련 코팅은 Emisshield^TM coating(Wessex Incorporated, 미국 버지니아주 블랙스버그 소재)로서 입수할 수 있다. Emisshield^TM 내의 방사제(emissivity agent)는 특히 고온에서 재료의 방사율을 증가시킨다. 또한, 보호 코팅은 외부 충격과 마모력으로부터의 손상을 경감시킬 수 있다. 적합한 코팅은 DiChiara, Jr. 외에 허여된 미국 특허 제5,702,761호 및 제5,928,775호, Leiser 외에 허여된 미국 특허 제5,079,082호에 개시되어 있고, 그 내용은 원용되어 본 명세서에 포함된다. 상기 코팅은 전술한 특수 여과 및 촉매 기재 중 하나 이상과 함께 사용될 수 있다.In another embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further comprises a protective coating suitable for ceramic. Examples of suitable for such protective coatings are disclosed in US Pat. No. 5,296,288, which is incorporated herein by reference in its entirety. This coating is also known as a protective coating of ceramic material (PCC). Another suitable related coating is available as Emisshield ^™ coating (Wessex Incorporated, Blacksburg, Va.). Emissivity agents in Emisshield ^™ increase the emissivity of materials, especially at high temperatures. In addition, the protective coating can mitigate damage from external impact and abrasion forces. Suitable coatings are DiChiara, Jr. US Patent Nos. 5,702,761 and 5,928,775, issued to US Pat. No. 5,079,082 to Leiser et al., The contents of which are incorporated herein by reference. The coating can be used with one or more of the special filtration and catalyst substrates described above.

일 실시예에 있어서, 촉매 기재 또는 여과 기재는 열 충격 및 열 사이클링(thermal cycling)에 의한 손상에 내구성이다. 그러나, 특정한 기재는 비교적 유연하여 외부 충격 및 마모력에 의해 손상될 수 있다. 그러한 손상을 줄이기 위해, 바람직한 실시예에서 본 발명의 촉매 또는 여과 기재는 기재의 표면, 바람직하게는 외면에 대한 하나 이상의 보호 코팅을 추가로 포함한다. 적합한 보호 코팅의 예는 미국 특허 제5,702,761호, 제5,928,775호 및 제5,079,082호에 개시되어 있고, 그 내용은 원용되어 본 명세서에 포함된다. 따라서, 바람직한 일 실시예에서, 본 발명은 여러 가지 속성 중에서, 종래의 기재에 비해 더 높은 다공도, 더 높은 투과성 및 충분한 경도를 가진 기재를 제공한다. 상기 코팅은 전술한 특수 여과 및 촉매 기재 중 하나 이상과 함께 사용될 수 있다.In one embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate is resistant to damage by thermal shock and thermal cycling. However, certain substrates are relatively flexible and can be damaged by external impact and abrasion forces. To reduce such damage, in a preferred embodiment the catalyst or filtration substrate of the present invention further comprises one or more protective coatings on the surface, preferably on the outer surface of the substrate. Examples of suitable protective coatings are disclosed in US Pat. Nos. 5,702,761, 5,928,775 and 5,079,082, the contents of which are incorporated herein by reference. Thus, in one preferred embodiment, the present invention provides, among other properties, a substrate having higher porosity, higher permeability and sufficient hardness compared to conventional substrates. The coating can be used with one or more of the special filtration and catalyst substrates described above.

압력 강하Pressure drop

본 발명은 또한 촉매 전환기 및 입자 필터에 대해 압력 강하가 개선되는 기재를 제공한다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 본 발명의 기재는 사용자로 하여금 역압력의 실질적인 축적이 없이, 또는 종래의 촉매 및 입자 필터에 비해 적은 역압력의 축적으로 배기 가스를 제거 및/또는 여과하는 수단을 제공할 수 있게 한다.The present invention also provides a substrate in which the pressure drop is improved for the catalytic converter and the particle filter. Thus, in one embodiment, the present disclosure provides a means for the user to remove and / or filter the exhaust gas without substantial accumulation of back pressure or with less backpressure than conventional catalyst and particle filters. Enable to provide

종래의 촉매 전환기를 통한 배기 가스의 유동은 상당한 크기의 역압력을 생성한다. 촉매 전환기에서의 역압력 축적은 촉매 전환기에 대해 중요한 속성이다. 촉매 전환기가 부분적으로 또는 전체적으로 폐쇄되면, 배기 시스템이 제한을 받게 된다. 계속되는 역압력의 축적은 엔진 성능(예컨대, 마력 및 토크)과 연료 경제성에 현격한 저하를 야기하며, 심지어 막힘이 심할 경우에는 시동 후 엔진을 정지시킬 수 있다. 오염물 방출을 감축하려는 종래의 시도는 재료 및 원래의 엔진에 적절한 필터를 재장착하거나 제조하는 비용으로 인해 매우 많은 비용이 든다. The flow of exhaust gases through conventional catalytic converters produces a significant amount of back pressure. Back pressure buildup in the catalytic converter is an important attribute for the catalytic converter. If the catalytic converter is partially or wholly closed, the exhaust system is restricted. Continued build-up of back pressure causes a significant drop in engine performance (eg horsepower and torque) and fuel economy, and can even shut down the engine after start if the blockage is severe. Conventional attempts to reduce pollutant emissions are very expensive due to the cost of refitting or manufacturing filters suitable for materials and original engines.

본 발명의 기재는, 일 실시예에 있어서, 촉매 전환기 또는 입자 필터에 사용되는 종래의 기재에 비해 더 낮거나 작은 압력 강하를 일으키는 속성을 갖는다. 본 발명은 몇몇 실시예에서, 종래의 입자 필터에 비해 입자 필터에 더 낮은 검댕의 축적을 제공하며, 경우에 따라서는 필터를 교체해야 하는 빈도를 적게 할 수 있다.The substrate of the present invention, in one embodiment, has the property of causing lower or smaller pressure drops compared to conventional substrates used in catalytic converters or particle filters. The present invention, in some embodiments, provides a lower accumulation of soot in the particle filter compared to the conventional particle filter, and in some cases can reduce the frequency of filter replacement.

특수한 Special 실시예Example

본 발명은 또한 전술한 촉매 및 여과 기재의 특수한 실시예를 제공하려는 것이다. 특수한 실시예는 nSiRF-C 및 촉매를 포함하거나, 그것으로 구성되거나, 본질적으로 구성되는 기재를 포함한다. 부가적 실시예는 nSiRF-C 및 복수의 채널을 포함하는 여과 기재이다.The present invention also seeks to provide specific examples of the catalyst and filtration substrate described above. Specific examples include substrates comprising, consisting of, or consisting essentially of nSiRF-C and a catalyst. An additional embodiment is a filtration substrate comprising nSiRF-C and a plurality of channels.

예를 들면, 기재의 특정한 실시예는 전술한 복수의 속성을 갖는다. 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 전술한 속성 중 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10개를 갖는다. 특수한 실시예는 속성들의 임의의 조합을 포함한다. 촉매 기재는 하기와 같은 비제한적 특수한 실시예에 의해 추가로 설명된다.For example, certain embodiments of the description have a plurality of the foregoing attributes. In another embodiment, the present disclosure has two, three, four, five, six, seven, eight, nine, or ten of the foregoing attributes. Special embodiments include any combination of attributes. The catalyst substrate is further illustrated by the following non-limiting special examples.

일 실시예에서, 본 발명의 기재는, 약 96% 내지 약 99%의 다공도를 가진 nSiRF-C 복합체; 약 10～약 14 lb/ft³의 밀도; 벽-유동 구조를 가진 복수의 채널; 및 선택적으로 촉매를 포함한다.In one embodiment, a substrate of the present invention comprises an nSiRF-C composite having a porosity of about 96% to about 99%; A density of about 10 to about 14 lb / ft ³ ; A plurality of channels with wall-flow structures; And optionally a catalyst.

일 실시예에서, 본 발명의 기재는, 약 96% 내지 약 99%의 다공도를 가진, 알루미나보리아실리카 섬유, 실리카 섬유 및 알루미나 섬유를 포함하는 nSiRF-C 복합체; 약 10～약 16 lb/ft³의 밀도, 바람직하게는 약 10, 11, 12, 13, 14, 15, 또는 16 lb/ft³의 밀도; 벽-유동 구조를 가진 복수의 채널; 및 선택적으로 촉매를 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 워쉬코트, 바람직하게는 알루미나옥사이드 또는 그 유도체를 추가로 포함한다.In one embodiment, a substrate of the present invention comprises an nSiRF-C composite comprising alumina boria silica fibers, silica fibers and alumina fibers, having a porosity of about 96% to about 99%; A density of about 10 to about 16 lb / ft ³ , preferably about 10, 11, 12, 13, 14, 15, or 16 lb / ft ³ ; A plurality of channels with wall-flow structures; And optionally a catalyst. In another embodiment, the substrate further comprises a washcoat, preferably alumina oxide or derivatives thereof.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 하기 속성 중 하나 이상을 가진 기재를 포함한다: 약 100～약 150 psi, 바람직하게는 약 130～약 140 psi, 보다 바람직하게는 약 133 psi의 인장 강도; 약 0.5～약 0.9 BTU-ft^*/hr ft²℉, 바람직하게는 약 0.7～약 0.8 BTU-ft^*/hr ft²℉, 보다 바람직하게는 약 0.770 BTU-ft^*/hr ft²℉의 열 전도도; 약 1～약 5×10^-6, 바람직하게는 약 1～약 3×10^-6, 보다 바람직하게는 약 1.95×10^-6의 열팽창 계수(77℉～1,000℉에서 테스트함); 약 15.5～약 17 lb/ft³, 바람직하게는 약 16～16.8 lb/ft³, 보다 바람직하게는 약 16.30 lb/ft³의 평균 밀도; 및 선택적으로 촉매.In another embodiment, the substrate of the present invention includes a substrate having one or more of the following attributes: a tensile strength of about 100 to about 150 psi, preferably about 130 to about 140 psi, more preferably about 133 psi ; About 0.5 to about 0.9 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F, preferably about 0.7 to about 0.8 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F, more preferably about 0.770 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F conductivity; A coefficient of thermal expansion of about 1 to about 5 × 10 ⁻⁶ , preferably about 1 to about 3 × 10 ⁻⁶ , more preferably about 1.95 × 10 ⁻⁶ (tested at 77 ° F. to 1,000 ° F.); An average density of about 15.5 to about 17 lb / ft ³ , preferably about 16 to 16.8 lb / ft ³ , more preferably about 16.30 lb / ft ³ ; And optionally a catalyst.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 하기 속성 중 하나 이상을 가진 기재를 포함한다: 약 50～약 70 psi, 바람직하게는 약 60～약 65 psi, 보다 바람직하게는 약 63 psi의 인장 강도; 약 0.5～약 0.9 BTU-ft^*/hr ft²℉, 바람직하게는 약 0.7～약 0.8 BTU-ft^*/hr ft²℉, 보다 바람직하게는 약 0.770 BTU-ft^*/hr ft²℉의 열 전도도; 약 1～약 5×10^-6, 바람직하게는 약 1～약 3×10^-6, 보다 바람직하게는 약 1.77×10^-6의 열팽창 계수(77℉～1,000℉에서 테스트함); 약 7～약 9 lb/ft³, 바람직하게는 약 8.2～8.6 lb/ft³, 보다 바람직하게는 약 8.40 lb/ft³의 평균 밀도; 및 선택적으로 촉매.In another embodiment, the substrate of the present invention includes a substrate having one or more of the following attributes: a tensile strength of about 50 to about 70 psi, preferably about 60 to about 65 psi, more preferably about 63 psi ; About 0.5 to about 0.9 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F, preferably about 0.7 to about 0.8 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F, more preferably about 0.770 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F conductivity; A coefficient of thermal expansion of about 1 to about 5 × 10 ⁻⁶ , preferably about 1 to about 3 × 10 ⁻⁶ , more preferably about 1.77 × 10 ⁻⁶ (tested at 77 ° F. to 1,000 ° F.); An average density of about 7 to about 9 lb / ft ³ , preferably about 8.2 to 8.6 lb / ft ³ , more preferably about 8.40 lb / ft ³ ; And optionally a catalyst.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 하기 속성 중 하나 이상을 가진 기재를 포함한다: 약 60～약 80 psi, 바람직하게는 약 70～약 79 psi, 보다 바람직하게는 약 74 psi의 인장 강도; 약 0.5～약 0.9 BTU-ft^*/hr ft²℉, 바람직하게는 약 0.7～약 0.8 BTU-ft^*/hr ft²℉, 보다 바람직하게는 약 0.765 BTU-ft^*/hr ft²℉의 열 전 도도; 약 1～약 5×10^-6, 바람직하게는 약 1～약 3×10^-6, 보다 바람직하게는 약 1.84×10^-6의 열팽창 계수(77℉～1,000℉에서 테스트함); 약 9～약 11 lb/ft³, 바람직하게는 약 9.5～10.5 lb/ft³, 보다 바람직하게는 약 10 lb/ft³의 평균 밀도; 및 선택적으로 촉매.In another embodiment, the substrate of the present invention includes a substrate having one or more of the following attributes: a tensile strength of about 60 to about 80 psi, preferably about 70 to about 79 psi, more preferably about 74 psi ; About 0.5 to about 0.9 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F, preferably about 0.7 to about 0.8 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F, more preferably about 0.765 BTU-ft ^* / hr ft ² ° F Conductivity; A coefficient of thermal expansion (tested at 77 ° F.-1,000 ° F.) of about 1 to about 5 × 10 ⁻⁶ , preferably about 1 to about 3 × 10 ⁻⁶ , more preferably about 1.84 × 10 ⁻⁶ ; An average density of about 9 to about 11 lb / ft ³ , preferably about 9.5 to 10.5 lb / ft ³ , more preferably about 10 lb / ft ³ ; And optionally a catalyst.

본 발명의 또 다른 적합한 촉매 기재는 전술한 nSiRF-C; 및 다음을 포함하는 촉매를 포함한다: 산화구리(CuO)로 예비 도핑된 캐리어; 주촉매(main catalyst)로서 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 레늄(Re)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 귀금속; 및 공촉매(co-catalyst)로서 삼산화안티몬(Sb₂O₃), 삼산화비스무트(Bi₂O₃), 이산화주석(SnO₂) 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 산화물을 포함하고, 상기 하나 이상의 귀금속은 상기 예비 도핑된 캐리어의 표면 상에 도핑되고, 상기 하나 이상의 금속 산화물은 상기 예비 도핑된 캐리어의 표면 상에 도핑된다. 그러한 촉매는 미국 특허 제6,685,899호에 기재되어 있고, 상기 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.Another suitable catalyst substrate of the present invention is the aforementioned nSiRF-C; And a catalyst comprising: a carrier pre-doped with copper oxide (CuO); At least one precious metal selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh) and rhenium (Re) as the main catalyst; And at least one metal oxide selected from the group consisting of antimony trioxide (Sb ₂ O ₃ ), bismuth trioxide (Bi ₂ O ₃ ), tin dioxide (SnO ₂ ) and mixtures thereof as a co-catalyst Wherein the at least one precious metal is doped on the surface of the pre-doped carrier and the at least one metal oxide is doped on the surface of the pre-doped carrier. Such catalysts are described in US Pat. No. 6,685,899, which is incorporated herein by reference in its entirety.

일 실시예에서, 상기 기재는 배기 가스의 흐름에 관해 배기 매니폴드 이전의 엔진 헤드 내부에 설치되어 있는 촉매 전환기에 사용되기에 적합하다.In one embodiment, the substrate is suitable for use in a catalytic converter installed inside the engine head before the exhaust manifold with respect to the flow of exhaust gas.

촉매 기재의 부가적 실시예는 하기 표에 제시된 대략적인 속성을 가진 nSiRF-C 복합체를 포함하는 촉매 기재를 포함한다.Additional examples of catalyst substrates include catalyst substrates comprising nSiRF-C composites with the approximate properties set forth in the table below.

또 다른 특수한 실시예는 표 1에 기재된 바와 같은 nSiRF-C, 및 팔라듐, 백금, 로듐, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 촉매를 포함하는 촉매 기재를 제공하려는 것이다.Another particular example is to provide a catalyst substrate comprising nSiRF-C as described in Table 1 and a catalyst selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, derivatives thereof and combinations thereof.

높은 등급의 부직포형 내화성 섬유를 포함하는 바람직한 기재는 90%～98% 다공질이고 0.8～1.0 범위의 방사율 값을 갖는다.Preferred substrates comprising high grade nonwoven refractory fibers are 90% to 98% porous and have emissivity values ranging from 0.8 to 1.0.

일 실시예에서, 본 발명의 여과 기재는 nSiRF-C를 포함하거나 그것으로 본질적으로 구성되고, 추가로 전방 입구단(inlet end)과 출구단(oulet end), 얇고 다공성이고 수직으로 연장되는 벽과 수평으로 연장되는 벽을 가로지르며, 대체로 길이 방향으로 전방 입구단과 출구단 사이에서 상호 평행한 형태로 연장되는 복수의 채널을 구획하는 매트릭스를 포함하고; 상기 전방 입구단은 길이의 일부분을 따라 비-체크무늬형(non-checkered) 패턴으로 폐쇄된 셀의 제1 섹션 및 체크무늬 패턴으로 폐쇄된 셀의 제2 섹션을 포함하고, 상기 비-체크무늬형으로 폐쇄된 셀의 제1 섹션은 체크무늬형으로 폐쇄된 셀의 제2 섹션보다 작다. 그러한 형상은 미국 특허 제 6,673,414호에 보다 상세히 기재되어 있고, 상기 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다. 제1 섹션의 셀 중 3/4까지는 폐쇄되지 않을 수 있다. 또는, 제1 섹션의 셀 중 1/2까지는 폐쇄되지 않을 수 있다. 또는, 제1 섹션의 셀 중 1/4까지는 폐쇄되지 않을 수 있다.In one embodiment, the filtration substrate of the present invention comprises or consists essentially of nSiRF-C, further comprising a front inlet end and an outlet end, a thin, porous and vertically extending wall; A matrix that traverses a horizontally extending wall and defines a plurality of channels extending substantially parallel to each other between the front inlet and outlet ends in a longitudinal direction; The front entrance includes a first section of cells closed in a non-checkered pattern along a portion of the length and a second section of cells closed in a checkered pattern, the non-checked pattern The first section of the cell closed in shape is smaller than the second section of the cell closed in checkered shape. Such shapes are described in more detail in US Pat. No. 6,673,414, which is incorporated herein by reference in its entirety. Up to three quarters of the cells of the first section may not be closed. Alternatively, up to one half of the cells in the first section may not be closed. Alternatively, up to one quarter of the cells in the first section may not be closed.

더 나아가, 본 발명은 다양한 실시예의 한계(limitation)로 구성되거나 본질적으로 구성되는 실시예를 제공하려는 것으로 이해된다. 따라서, 예를 들면 nSiRF-C 및 촉매를 포함하는 촉매 기재로서 일 실시예를 설명했지만, 본 발명은 nSiRF-C 및 촉매로 구성되거나 본질적으로 구성되는 촉매 기재를 추가로 망라하는 것으로 이해된다.Furthermore, it is understood that the present invention is intended to provide embodiments that consist of or consist essentially of the limitations of the various embodiments. Thus, while one embodiment has been described, for example, as a catalyst substrate comprising nSiRF-C and a catalyst, it is understood that the present invention further encompasses a catalyst substrate composed or consisting essentially of nSiRF-C and a catalyst.

반응의 Reaction 촉매화Catalysis 방법 및 여과 방법 Method and filtration method

본 발명의 또 다른 태양은, 본 발명의 촉매 기재를 제공하는 단계를 포함하는 반응의 촉매화(catalyzing a reaction) 방법으로서, 또한 상기 반응을 촉매화하기에 충분한 온도에서 상기 촉매 기재 위로 및/또는 상기 촉매를 통하여 유체의 흐름을 인도하는 방법을 제공하려는 것이다.Another aspect of the invention is a method of catalyzing a reaction, comprising providing a catalyst substrate of the invention, and over and / or over the catalyst substrate at a temperature sufficient to catalyze the reaction. It is to provide a method of directing the flow of a fluid through the catalyst.

상기 촉매화 방법은 전술한 바와 같은 알루미나 강화 열 장벽을 포함하는 기재를 이용하여 실행된다.The catalysis process is carried out using a substrate comprising an alumina reinforced thermal barrier as described above.

바람직한 실시예에서, 상기 기재는 적합한 촉매를 함유한다.In a preferred embodiment, the substrate contains a suitable catalyst.

일 실시예에서, 본 발명은 배기 가스를 여과하는 방법으로서, 전술한 바와 같은 본 발명의 여과 기재 또는 촉매 기재를 제공하는 단계 및 상기 기재를 통해 유체, 예를 들면 기체 또는 액체의 흐름을 인도하는 단계를 포함하고, 상기 가스는 입자상 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 여과 방법을 제공하려는 것이다.In one embodiment, the present invention is a method of filtering exhaust gas, comprising the steps of providing a filtration substrate or catalyst substrate of the invention as described above and directing a flow of a fluid, such as a gas or a liquid, through the substrate. It is to provide a filtration method comprising the step, wherein the gas contains particulate matter.

또 다른 실시예에서, 상기 방법은 여과된 입자상 물질을 소각하는 단계를 추가로 포함한다. 여과된 입자상 물질의 소각은 누적된 입자상 물질을 대부분 비오염물로 변환시킨다.In another embodiment, the method further comprises incinerating the filtered particulate matter. Incineration of filtered particulate matter converts most of the accumulated particulate matter into non-contaminants.

본 발명의 이 태양은 디젤 엔진에 있어서 특별히 유용하다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 디젤 입자 필터를 활용하는 여과 방법을 제공하려는 것이다.This aspect of the present invention is particularly useful for diesel engines. In another aspect, the present invention seeks to provide a filtration method utilizing a diesel particle filter.

디젤 엔진(오로지 압축에 의해 연료가 점화되는 경우)은 최근 독성 가스 이외에도 많은 수의 유해한 입자들을 함유하는 배기 방출물에 대해 범세계적으로 감시를 받게 되었다. 제조사들의 대응은 알려져 있는 촉매 전환기 기술을 디젤 엔진에 적용하는 것이었다. 불행하게도, 방출 표준에 관한 규정들이 종래의 촉매 전환기의 물리적, 경제적 한계를 넘어섰다. 디젤 방출물은 훨씬 많은 양의 입자상 물질이 생성되는 점에서 가솔린 방출물과는 상이하다. 이러한 이유에서, 배기 방출물 포착, 연소 및 산화를 위한 기존의 기술은 가장 엄격한 방출 표준에 충분히 따르지 못한다.Diesel engines (only when fuel is ignited by compression) have recently been monitored worldwide for exhaust emissions containing a large number of harmful particles in addition to toxic gases. Manufacturers' response was to apply known catalytic converter technology to diesel engines. Unfortunately, regulations on emission standards have exceeded the physical and economic limitations of conventional catalytic converters. Diesel emissions differ from gasoline emissions in that much larger amounts of particulate matter are produced. For this reason, existing techniques for capturing, burning and oxidizing exhaust emissions do not fully comply with the most stringent emission standards.

대부분의 버스는 효율 85%의 디젤 입자 트랩["DPT"]을 구비하여 제조되거나 그러한 트랩이 재장착(retrofit)되어 있다. DPT는 매우 고가이고, 매우 복잡하며, 연료 경제성이 낮고, 내구성이 낮다. 추가적인 규정은 2010년까지 100 퍼센트 순응할 것을 요구하며, DPT만으로는 이러한 규정상 요건을 충족시킬 수 없다. 엔진 또는 배기 가스의 높은 온도는 입자상 물질을 보다 짧은 체류 시간에 연소시킬 수 있다. 필터를 엔진의 연소 챔버에 더 근접시키거나, 보조 열원을 추가하면 증가된 열을 제공할 수 있다. 따라서, 필요한 것은, (1) 연소 챔버 부근과 같이 매우 높은 온도, 즉 500℃를 넘는 온도에 설치될 수 있고; (2) 진동에 의한 열화에 더 견딜 수 있고; (3) 그러면서도 입자상 물질의 소각을 유지 또는 향상시키는 필터이다. 촉매가 없이도 입자상 물질 소각을 달성할 수 있는 능력은 또한 촉매와 코팅 비용에 대한 유의적 절감을 제공할 것이다.Most buses are manufactured with diesel particle traps ("DPT") with efficiency 85% or are retrofitted to such traps. DPT is very expensive, very complex, low fuel economy, and low durability. Additional regulations require 100 percent compliance by 2010, and DPT alone will not meet these regulatory requirements. The high temperature of the engine or exhaust gas can burn particulate matter in a shorter residence time. Moving the filter closer to the engine's combustion chamber, or adding an auxiliary heat source, can provide increased heat. Thus, what is needed may be (1) be installed at a very high temperature, such as in the vicinity of the combustion chamber, i. (2) can be more resistant to degradation due to vibration; (3) A filter that maintains or improves the incineration of particulate matters. The ability to achieve particulate matter incineration without catalyst will also provide significant savings on catalyst and coating costs.

필터가 입자상 물질(예컨대, 검댕)을 포착하면, 입자상 물질은 산소의 존재 하에서 온도를 충분히 상승시킴으로써 완전히 연소되어야 한다. 입자상 물질의 연소는 기존의 배기의 온도의 활용 및/또는 보조적인 열원의 제공에 의해 달성될 수 있다. 이 온도에서 입자상 물질을 태우는 데 걸리는 시간을 소요 "체류 시간", "재생 시간", 또는 "소각(burnoff) 시간"이라 칭한다. 기재 기공 내에서의 입자의 체류 시간이 짧다는 것은 기공-폐쇄 축적의 발생이 감소된다는 것을 의미하며, 상기 축적은 효율적으로 가동하는 데 과도한 에너지를 필요로 하는 가스 흐름 역압력의 증가를 야기할 수 있다. 따라서, 짧은 체류 시간이 바람직하다.If the filter traps particulate matter (eg soot), the particulate matter must be completely burned out by raising the temperature sufficiently in the presence of oxygen. Combustion of particulate matter can be achieved by utilizing the temperature of the existing exhaust and / or by providing an auxiliary heat source. The time it takes to burn particulate matter at this temperature is referred to as the required "retention time", "regeneration time", or "burnoff time". The short residence time of particles in substrate pores means that the occurrence of pore-closed accumulation is reduced, which can lead to an increase in gas flow back pressure that requires excessive energy to operate efficiently. have. Therefore, short residence times are preferred.

종래의 DPT 중 일례가 미국 특허 제5,611,832호(Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd.)에 개시되어 있는데, 이 특허는 디젤 엔진으로부터 배출된 배기 가스로부터 입자를 포집하는 DPT를 개시한다. 상기 DPT 필터는 실리콘 카바이드 세라믹으로 피복된 직조형 무기질 섬유 및 그 사이에 설치된 금속 와이어 네트로 구성되어 있다.One example of a conventional DPT is disclosed in US Pat. No. 5,611,832 to Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd., which discloses a DPT that collects particles from exhaust gas emitted from a diesel engine. The DPT filter consists of a woven inorganic fiber coated with silicon carbide ceramic and a metal wire net disposed therebetween.

여과 기재 또는 촉매 기재의 또 다른 용도는, EPA의 188개 "독성 공기 오염물"로서 수록된 화학 물질을 포함하여, 분진/검댕, 스모크, 화분, 유체, 박테리아/ 바이러스, 냄새, 오일, 휘발성 유기 화합물, 액체, 메탄, 에틸렌, 및 기타 매우 다양한 화학 물질과 같은 오염물 및 불순물을 유체 흐름으로부터 세정 또는 여과하는 능력을 포함한다.Still other uses for filtration substrates or catalyst substrates include chemicals listed as 188 "toxic air contaminants" of EPA, including dust / soot, smoke, pollen, fluids, bacteria / viruses, odors, oils, volatile organic compounds, And the ability to clean or filter contaminants and impurities such as liquids, methane, ethylene, and a wide variety of other chemicals from the fluid stream.

반응의 촉매화 및/또는 유체의 여과 방법은 임의 개수의 산업 또는 응용 분야, 특히 하기 중 하나 이상에서 유용할 것이다: 항공우주 산업; 석면; 아스팔트 루핑 및 처리; 오토 및 경량 트럭(표면 코팅), 벤젠 폐기물 작업; 보트 제조, 벽돌 및 구조물 응용; 점토 제품 제조; 셀룰로오스 제품 제조; 카록시메틸셀를로오스 생산; 셀룰로오스 에테르 생산, 셀룰로오스 식품 케이싱 제조; 셀로판 생산; 크롬 전기도금; 코크스 오븐; 푸싱(pushing), 급랭 및 배터리 스택; 연소 터빈; 탈지 유기 세정제; 드라이 클리닝; 엔진 시험 셀/스탠드; 직물 인쇄, 코팅 및 염색; 합금철 생산; 가요성 폴리우레탄 발포체; 조립 작업; 가요성 폴리우레탄 발포체 생산; 마찰 제품 제조; 가솔린 분배(스테이지 1); 일반 식량; 제네릭 MACT; 유해 폐기물 연소; 유해 유기 NESHAP; 염화수소산 생산; 산업용, 상업용 및 연구소 보일러; 산업용 냉각탑 프로세스 히터; 종합 철강 산업; 철 주물(표면 코팅); 가죽 마무리 작업; 석회 제조; 자기 테이프 제조; 영양물 효모; 해양 선박 선적 작업; 수은 전지 클로르-알칼리 플랜트; 금속 코일(표면 코팅); 금속 캔(표면 코팅); 금속 가구(표면 코팅); 광물면(mineral wool) 제품; 각종 코팅 제조; 각종 금속 부품 및 생산; 도시 고체 폐기물 매립; 천연 가스 수송 및 저장; 오프사이트 폐기물 회수 작업; 오일 및 천연 가스 생산; 유기 액체 분배(비-가솔린); 종이 및 기타 웹(표면 코팅); 살충제 활성 성분 생산; 석유 정제; 의약품 생산; 인산/인산염 비료; 플라스틱 부품(표면 코팅); 폴리머 및 수지; 폴리에테르 폴리올 제품; 폴리부타디엔 고무; 폴리설파이드 고무; 레놀계 수지; 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 폴리비닐 클로라이드 및 코폴리머 생산; 포틀랜드 시멘트 제조; 1차 알루이뮨 생산; 1차 납 제련; 1차 구리; 1차 마그네슘 정제; 인쇄/출판; 공공 소유 처리 작업(POTW); 펄프 및 제지(연소 소스) MACT II; 펄프 및 제지 공장; 왕복식 내연기관; 내화 제품 제조; 강화 플라스틱 복합체 생산; 2차 알루미늄; 2차 납 제련; 반도체 제조; 조선 및 선박 수리; 부지 개선; 차량 오일 생산용 용매 추출; 스틸 염산 처리 공정; 타코나이트 철광성 처리; 테트라하이드로벤즈알데히드 제조; 타이어 제조; 습식 성형 유리섬유; 매트 생산; 목재 건물 제품; 목재 가구; 및 울 유리섬유 제조. 이러한 산업 및 응용은 종종 EPA가 규정한 정지형 방출 소스를 활용한다.Catalysis of reactions and / or methods of filtration of fluids will be useful in any number of industries or applications, particularly one or more of the following: aerospace industry; asbestos; Asphalt roofing and processing; Auto and light trucks (surface coating), benzene waste operations; Boat manufacturing, brick and structure applications; Manufacture of clay products; Manufacturing of cellulose products; Carboxymethyl cellulose production; Cellulose ether production, cellulose food casing manufacturing; Cellophane production; Chromium electroplating; Coke oven; Pushing, quenching and battery stacks; Combustion turbine; Degreasing organic cleaners; dry cleaning; Engine test cell / stand; Textile printing, coating and dyeing; Ferroalloy production; Flexible polyurethane foams; Assembly work; Flexible polyurethane foam production; Friction product manufacturing; Gasoline distribution (stage 1); General food; Generic MACT; Hazardous waste combustion; Hazardous organic NESHAP; Hydrochloric acid production; Industrial, commercial and laboratory boilers; Industrial cooling tower process heaters; Comprehensive steel industry; Iron castings (surface coatings); Leather finishing work; Lime manufacturing; Magnetic tape manufacturing; Nutritional yeast; Marine ship loading operations; Mercury cell chlor-alkali plants; Metal coils (surface coating); Metal cans (surface coating); Metal furniture (surface coating); Mineral wool products; Manufacturing of various coatings; Various metal parts and production; Municipal solid waste landfill; Natural gas transportation and storage; Offsite waste recovery operations; Oil and natural gas production; Organic liquid distribution (non-gasoline); Paper and other webs (surface coatings); Production of pesticide active ingredients; Petroleum refining; Pharmaceutical production; Phosphoric acid / phosphate fertilizers; Plastic parts (surface coating); Polymers and resins; Polyether polyol products; Polybutadiene rubber; Polysulfide rubber; Lenol resins; Polyethylene terephthalate; Polyvinyl chloride and copolymer production; Portland cement manufacturing; Primary aluminium production; Primary lead smelting; Primary copper; Primary magnesium tablets; Printing / publishing; Publicly owned processing operations (POTW); Pulp and paper (combustion source) MACT II; Pulp and paper mills; Reciprocating internal combustion engines; Manufacture of refractory products; Production of reinforced plastic composites; Secondary aluminum; Secondary lead smelting; Semiconductor manufacturing; Shipbuilding and ship repair; Site improvement; Solvent extraction for vehicle oil production; Steel hydrochloric acid treatment process; Taconite ironite treatment; Tetrahydrobenzaldehyde preparation; Tire manufacturing; Wet molded glass fibers; Mat production; Timber building products; Wooden furniture; And wool fiberglass manufacturing. These industries and applications often utilize stationary emission sources as defined by EPA.

다른 적합한 용도는 하기 응용 중 하나 이상에서의 여과 또는 촉매 프로세스를 포함한다: 자동차(분진/검댕, 냄새, 오일 여과, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 워터 제트(분진/검댕, 냄새, 오일 여과, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 스노우모빌(분진/검댕, 냄새, 오일 여과, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 소형 엔진(분진/검댕, 냄새, 오일 여과, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 오토바이(분진/검댕, 냄새, 오일 여과, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 이동식 디젤 엔진(분진/검댕, 냄새, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 고정식 디젤 엔진(분진/검댕, 냄새, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 발전소(분진/검댕, 냄새, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 정제 소(VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 및 화학 및 의약품 제조(분진/검댕, 박테리아/바이러스, 냄새, 오일 여과, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)).Other suitable uses include filtration or catalytic processes in one or more of the following applications: automobiles (dust / soot, odors, oil filtration, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Water jet (dust / soot, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Snowmobiles (dust / soot, odors, oil filtration, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Small engines (dust / soot, odor, oil filtration, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Motorcycles (dust / soot, odor, oil filtration, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Mobile diesel engines (dust / soot, odors, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Stationary diesel engines (dust / soot, odors, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Power plants (dust / soot, odors, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); Purified cow (VOC, other chemicals (gas, solid or liquid)); And chemical and pharmaceutical preparation (dust / soot, bacteria / viruses, odors, oil filtration, VOCs, methane, other chemicals (gases, solids or liquids)).

또한, 부가적인 촉매 및/또는 여과 응용에는 하기 분야 중 하나 이상에서 본 발명에 따른 기재를 이용하는 것이 포함된다: 농업 및 임업 소각 방출; 제과(분진/검댕, 스모크, 냄새, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 바이오메디칼 유체 여과; 맥주 및 포도주 양조(냄새); 객실 공기(자동차, 잠수함, 우주 산업, 항공기)(분진/검댕, 스모크, 화분, 박테리아/바이러스, 냄새, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 클린룸 응용(분진/검댕, 스모크, 화분, 박테리아/바이러스, 냄새, 오일, VOC, 메탄, 기타 화학물질); 상업적 소각 방출(냄새, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 상업적 독성 유기물 방출; 드라이 클리너(VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 증발성 방출(연료 증발 관리 등); 벽난로; 화염 그릴링(패스트푸드)(분진/검댕, 스모크, 냄새, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 피트니스 센터; 일반적 유체 여과(음료수 처리); 식품 처리 및 저장(냄새, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체); 주조(냄새); 연료 전지(VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체); 가스 마스크(분진/검댕, 스모크, 화분, 박테리아/바이러스, 냄새, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 가공/제조용 일반적 VOC 응용(목재 제품, 코팅 산업, 방직 산업, 등); 유리/세라믹; 온실; 가전 제품 - 저온(충전형 기기)(냄새, 오일, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 가전 제품 - 고온(물 가열기 및 가정용 히터 기기)(냄새, 오일, VOC, 기타 화 학물질(기체, 고체 또는 액체)); HVAC 위생 설비; 수소 개질(VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체)); 의학적 성장 매체; 오피스 건물; 오일/정유 수송; 기타 전기-자기 절연(전자파 차폐); 페인트 용도; 주유소(냄새, VOC); 폴리머 가공(냄새, VOC, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체); 고온 가스 및 액체로부터 귀금속/촉매의 회수; 음식점 연무; 오수 및 바이오 폐기물(박테리아/바이러스, 냄새, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체); 도살장; 훈제실(분진/검댕, 스모크); 음향 차단; 수영장; 테니스장; 터널 및 주차장(분진/검댕, 냄새, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체); 및 폐기물 소각(분진/검댕, 냄새, VOC, 메탄, 기타 화학물질(기체, 고체 또는 액체).Further catalyst and / or filtration applications also include the use of the substrate according to the invention in one or more of the following fields: agriculture and forestry incineration emissions; Confectionery (dust / soot, smoke, odors, VOCs, other chemicals (gas, solid or liquid)); Biomedical fluid filtration; Beer and winemaking (smell); Cabin air (cars, submarines, aerospace, aircraft) (dust / soot, smoke, pollen, bacteria / viruses, odors, VOCs, other chemicals (gas, solid or liquid)); Clean room applications (dust / soot, smoke, pollen, bacteria / viruses, odors, oils, VOCs, methane, other chemicals); Commercial incineration emissions (odors, VOCs, other chemicals (gases, solids or liquids)); Commercial toxic organics release; Dry cleaners (VOCs, other chemicals (gases, solids or liquids)); Evaporative release (fuel evaporation management, etc.); fireplace; Flame grilling (fast food) (dust / soot, smoke, odors, VOCs, other chemicals (gas, solid or liquid)); Fitness center; General fluid filtration (drinking water treatment); Food processing and storage (smell, other chemicals (gas, solid or liquid); casting (smell); fuel cells (VOC, methane, other chemicals (gas, solid or liquid); gas masks (dust / soot, smoke, Pollen, bacteria / viruses, odors, VOCs, other chemicals (gas, solid or liquid); general VOC applications for processing / manufacturing (wood products, coatings industry, textile industry, etc.); glass / ceramic; greenhouses; household appliances- Low temperature (rechargeable appliances) (odor, oil, VOC, other chemicals (gas, solid or liquid)); home appliances-high temperature (water heaters and household heater appliances) (odor, oil, VOC, other chemicals (gas, Solid or liquid)); HVAC sanitary installations; hydrogen reforming (VOC, methane, other chemicals (gas, solid or liquid)); medical growth media; office buildings; oil / refinery transportation; other electro-magnetic insulation (electromagnetic shielding) ; Paint applications; gas stations (smell, VOC); polymer processing (smell, VOC, other chemicals (gas, Solid or liquid); recovery of precious metals / catalysts from hot gases and liquids; restaurant haze; sewage and bio waste (bacteria / viruses, odors, VOCs, methane, other chemicals (gas, solid or liquid); slaughterhouses, smokehouses ( Dust / soot, smoke); sound insulation; swimming pools; tennis courts; tunnels and parking lots (dust / soot, odor, VOC, methane, other chemicals (gas, solid or liquid); and waste incineration (dust / soot, odor, VOC) , Methane and other chemicals (gas, solid or liquid).

촉매 또는 여과 기재의 제조 방법Process for producing catalyst or filtration substrate

또 다른 태양에서, 본 발명은 전술한 기재(촉매용 및 여과용) 중 어느 하나를 제조하는 방법을 제공하려는 것이다. 본 발명은 또한, 본 발명의 기재를 제조하는 방법을 제공하려는 것이다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 디젤 입자 필터의 제조 방법을 제공하려는 것이다. 이하에서 설명하는 여러 가지 방법은 기재의 제조에 이용될 수 있다.In another aspect, the present invention seeks to provide a method of making any one of the foregoing substrates (catalyst and filtration). The present invention also seeks to provide a method for producing the substrate of the present invention. In another aspect, the present invention seeks to provide a method of making a diesel particle filter. Various methods described below can be used to prepare the substrate.

본 발명의 일 태양에서, 전술한 촉매 기재는 상업적으로 입수 가능한 nSiRF-C의 빌릿을 이용하여 제조될 수 있다. 상업적으로 입수 가능한 nSiRF-C의 빌릿은 적합한 형상, 형태 및 크기로 기계 가공된다. 본 발명의 기재는 적합한 기재 재료로 된 벽돌형 덩어리로 만들고, 상기 덩어리를 본 발명에서 사용하기에 적합한 형상으로 성형함으로써 제조될 수 있다. 크루드(crude) 블록은 예비 성형된 형상으 로 쉽게 절단되거나 톱질 가공될 수 있고, 이어서 샌딩(sanding)되고, 최종적으로 원하는 형상을 가진 "슬러그(slug)"로 터닝(turning) 또는 기계 가공된다. 기재 재료의 조성물은 화학적, 열적 및 진동형 충격에 대해 복귀성이 높지만, 기재 재료의 경도는 낮다. 이러한 낮은 경도로 인해 저항이 거의 없이 또는 최소의 저항으로 기계 가공될 수 있고, 또는 공구에 의해 마모될 수 있다. 상기 블록이 낮은 경도를 가져서 소프트함에도 불구하고, 상기 블록은 내구성이 높으며, 기계 가공, 조각 또는 성형하기에 용이하다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 기재 재료는 모스 경도 스케일(Moh's hardness scale)로 측정했을 때, 가장 소프트항 탈크가 1(Knoop 경도로 1～22)이고, 가장 단단한 다이아몬드가 10(Knoop 경도로 8,000～8,500)인 것에 비해, 보통 0.5～1.0(또는 Knoop 경도로 1～22)이다. 종래 기술의 특정한 기재 재료는 이보다 경도가 높다. 예를 들어, 실리콘 카바이드는 9～10의 모스 경도(Knoop 경도로 2,000～2,950)를 가진다.In one aspect of the invention, the catalyst substrate described above can be prepared using commercially available billets of nSiRF-C. Commercially available billets of nSiRF-C are machined to suitable shapes, shapes and sizes. The substrates of the present invention can be made by making brick-like lumps of suitable substrate materials and molding the lumps into shapes suitable for use in the present invention. Crude blocks can be easily cut or sawed into a preformed shape, then sanded and finally turned or machined into a "slug" with the desired shape. . The composition of the base material is highly resilient to chemical, thermal and vibrational impacts, but the hardness of the base material is low. Due to this low hardness, it can be machined with little or no resistance or can be worn by a tool. Although the blocks are low hardness and soft, they are durable and easy to machine, engrave or form. For example, in one embodiment, the base material has the softest talc of 1 (Knoop hardness 1-22) and the hardest diamond of 10 (Knoop hardness) as measured by Moh's hardness scale. It is usually 0.5 to 1.0 (or 1 to 22 in Knoop hardness), compared to 8,000 to 8,500. Certain substrate materials of the prior art have a higher hardness than this. For example, silicon carbide has a Mohs' Hardness (2,000 to 2,950 in Knoop's hardness) of 9 to 10.

코디어라이트와 같은 종래의 특정한 기재에 비해 힘을 적게 들이고, 빌릿이 성형되거나 샌딩되거나 터닝되거나 기계 가공되며, 슬러그 형성의 제한 없는 성형 능력이 제공된다. 기계 가공의 범위는 선반에서의 실린더 터닝, 키홀소(keyhole saw), 밴드소(band saw) 또는 직소(jig saw)에 의해 성형하는 톱질, 또는 그 밖에 다른 고체 재료에 대해 통상 사용되고 해당 분야에서 알려져 있는 임의의 기계 가공 방법 등이다. 상기 빌릿은 금속, 목재 또는 플라스틱을 가공하는 것과 동일한 정밀도로 매우 엄격한 허용공차까지 기계 가공될 수 있다. 빌릿을 원통형 몰드에서 최종 형상의 원하는 직경으로 캐스팅할 경우, 기계 가공은 단순히 원통형 빌릿 을 원하는 두께로 절단하고 샌딩하면 된다. 이 공정은 또한 지나친 기계 가공으로 인한 기재의 손실을 감소시키며, 예비 형성 속도도 높여준다.It requires less force compared to certain conventional substrates, such as cordierite, and the billets are molded, sanded, turned or machined, providing unlimited forming capacity of slug formation. The scope of machining is commonly used and known in the art for cylinder turning on lathes, keyhole saws, sawing formed by band saws or jig saws, or other solid materials. Any machining method. The billets can be machined to very tight tolerances with the same precision as processing metal, wood or plastic. When the billet is cast from the cylindrical mold to the desired diameter of the final shape, machining simply cuts and sands the cylindrical billet to the desired thickness. This process also reduces the loss of substrates due to excessive machining and increases the rate of preforms.

일 실시예에 있어서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 기재의 전방 형상은 원형(510), 타원형(520) 및 레이스트랙형(530)이다. 쉽게 이해할 수 있듯이, 상기 형상은 정확하지 않아도 된다. 3차원적으로, 기재는 실린더 또는 실질적으로 평탄한 디스크의 형태를 가질 수 있다. 특정한 응용에서, 직각을 이룬 모서리를 가진 디자인은 별로 효과적이 아니다. 기계 가공은 용이하지만, 정사각형 또는 각을 이룬 디자인은 녹(rust)과 부식성 물질, 예를 들면 도로용 염분(road salt)에 대한 트랩(trap)이 된다고 입증되었다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 슬러그의 전면 형상에 대해서는 둥글게 된 모서리가 바람직하다. In one embodiment, as shown in FIG. 5, the front shape of the substrate is circular 510, elliptical 520, and racetrack 530. As can be easily understood, the shape need not be accurate. In three dimensions, the substrate may have the form of a cylinder or a substantially flat disk. In certain applications, designs with right angled corners are not very effective. Although easy to machine, square or angled designs have proven to be traps for rust and corrosive materials, for example road salts. Thus, in one embodiment, rounded corners are preferred for the front shape of the slug.

빌릿은 밴드소, 직소, CNC 또는 당업자에게 알려져 있는 다른 방법에 의해 성형될 수 있다. 빌릿은 손으로 문지르기, 선반 샌딩, 벨트 샌딩 또는 궤도 샌딩에 의해서도 성형될 수 있다. 공기중에 떠다니는 입자들은 재료의 기공을 폐쇄시키지 못하도록 진공 흡입하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 입자는 드릴 프레스의 베어링에 유입되어 파괴시키고 마모시키며 베어링에 자국을 낼 수 있다. 세라믹 분진도 매우 미세하여 작업자가 쉽게 흡입할 수 있다.Billets may be molded by band saws, jigsaws, CNCs or other methods known to those skilled in the art. Billets may also be molded by hand rubbing, lathe sanding, belt sanding or orbital sanding. Particles floating in the air are preferably suctioned in a vacuum so as not to close the pores of the material. In addition, these particles can enter the bearings of the drill press, destroy and wear and mark the bearings. Ceramic dust is also very fine and can be easily inhaled by the operator.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 nSiRF-C 복합체의 빌릿을 제조하는 단계를 포함하고, 선택적으로 상기 빌릿을 기계 가공하여 본 발명의 기재를 형성하는, 본 발명에 따른 촉매 또는 여과 기재의 제조 방법을 제공한다. 빌릿이 본 발명의 방법 중 하나 이상에서 사용되기에 적합한 형상으로 제조되면, 그 빌릿은 다른 형상 으로 반드시 기계 가공될 필요는 없다. 이 경우에, 빌릿은 전술한 바와 같이, 적합한 형상을 가진 몰드에 의해 제조된다. 이와는 달리, 빌릿 또는 기재는 적합한 형상으로 기계 가공될 수 있다. 또한, 이하에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 기재 내에 복수의 채널이 기계 가공된다.In another embodiment, the present invention comprises the step of preparing a billet of an nSiRF-C composite, and optionally, machining the billet to form the substrate of the present invention, wherein the catalyst or filter substrate according to the present invention is prepared. To provide. If the billet is made into a shape suitable for use in one or more of the methods of the invention, the billet does not necessarily have to be machined into another shape. In this case, the billet is produced by a mold having a suitable shape, as described above. Alternatively, the billet or substrate can be machined into a suitable shape. In addition, as will be described in more detail below, a plurality of channels are machined into the substrate.

빌릿(또는 기재)을 제조하는 단계는 이들 재료의 공지된 제조 방법을 포함한다. 적합한 빌릿 또는 기재를 제조하는 임의의 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예로서, 적합한 방법이 미국 특허 제4,148,962호 및 제6,613,255호에 개시되어 있고, 이들 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.Preparation of the billet (or substrate) includes known methods of making these materials. Any known method of making suitable billets or substrates can be used. By way of example, suitable methods are disclosed in US Pat. Nos. 4,148,962 and 6,613,255, which are incorporated herein by reference in their entirety.

비제한적 예로서, 일 실시예에서, 적합한 기재를 제조하는 단계는:As a non-limiting example, in one embodiment, preparing a suitable substrate is:

복수의 내화성 실리카 섬유, 내화성 알루미나 섬유, 및 내화성 알루미노보로실리케이트 섬유를 가열하는 단계;Heating the plurality of refractory silica fibers, refractory alumina fibers, and refractory aluminoborosilicate fibers;

상기 섬유를 혼합하는 단계;Mixing the fibers;

상기 섬유를 세척하는 단계;Washing the fibers;

선택적으로, 상기 섬유를 하나 이상의 길이로 초핑(chipping)하는 단계;Optionally, chopping the fibers to one or more lengths;

상기 초핑된 섬유를 블렌딩 또는 혼합하여 슬러리로 만드는 단계;Blending or mixing the chopped fibers into a slurry;

바람직하게는 증점제의 첨가에 의해 상기 슬러리의 점도를 조절하는 단계;Adjusting the viscosity of the slurry, preferably by addition of a thickener;

분산제를 첨가하는 단계;Adding a dispersant;

상기 슬러리를 몰드에 넣는 단계;Placing the slurry in a mold;

상기 슬러리로부터 물을 제거하여 그린 빌릿을 형성하는 단계;Removing water from the slurry to form a green billet;

상기 몰드로부터 그린 빌릿을 제거하는 단계;Removing the green billet from the mold;

바람직하게는 약 250℉ 내지 약 500℉의 온도에서 상기 그린 빌릿을 건조하는 단계; 및Drying the green billet preferably at a temperature of about 250 ° F. to about 500 ° F .; And

상기 그린 빌릿을 오븐에서 약 2,000～2,500℉로 가열하는데, 바람직하게는 예비 가열하고 점진적으로 가열하는 단계.Heating the green billet in an oven to about 2,000-2,500 ° F., preferably preheating and heating gradually.

전술한 바와 같이, 이어서 본 발명의 기재를 형성하기 위해 빌릿은 선택적으로 기계 가공된다.As mentioned above, the billet is then optionally machined to form the substrate of the present invention.

또 다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 기재에 복수의 채널을 기계 가공하는 단계를 추가로 포함한다.In another embodiment, the method further comprises machining a plurality of channels in the substrate.

또 다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 기재에 촉매 코팅을 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.In another embodiment, the method further comprises adding a catalyst coating to the substrate.

또 다른 실시예에서, 상기 섬유의 혼합은 상기 섬유를 세척하고 가열한 후에 실행된다.In another embodiment, the mixing of the fibers is performed after washing and heating the fibers.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 기재를 제조하는 방법에 질화붕소가 사용된다. BN → B + N₂ In another embodiment, boron nitride is used in the method of making the substrate of the present invention. BN → B + N ₂

또 다른 실시예에서, 증점제가 사용된다. 바람직하게는, 상기 방법에서 사용되는 증점제 및 분산제는 가열 단계중에 상기 기재로부터 실질적으로 제거된다. 예를 들면, 증점제와 분산제는 소결 단계중에 연소될 수 있다.In another embodiment, thickeners are used. Preferably, the thickeners and dispersants used in the process are substantially removed from the substrate during the heating step. For example, thickeners and dispersants may be combusted during the sintering step.

기재(2510)는 초핑된 및/또는 부직포형 무기 섬유와 결합체의 강직한 형상을 형성함으로써 만들어지는 빌릿으로부터 유도된다. 빌릿은 기재(2510)를 위한 원하 는 외부 치수로 기계 가공 또는 제작된다. 다음으로, 채널, 워쉬코트 또는 촉매와 같은 원하는 표면적 강화 형상을 제공하도록 기재(2510)의 내부가 기계 가공 또는 제작된다. 브러싱, 스프레잉, 디핑 또는 임의의 다른 통상적 적용 방법에 의해 내구성 있는 무기 경화 코팅(2511)이 기재(2510)에 적용될 수 있다. 부가적으로, 기재(2510)는 브러싱, 스프레잉, 디핑 또는 임의의 다른 통상적 적용 방법에 의해 적용된 산화성 또는 환원성 촉매를 포함할 수 있다.The substrate 2510 is derived from a billet made by forming a rigid shape of the binder with chopped and / or nonwoven inorganic fibers. The billet is machined or fabricated to the desired external dimensions for the substrate 2510. Next, the interior of the substrate 2510 is machined or fabricated to provide the desired surface area enhancement shape, such as a channel, washcoat or catalyst. A durable inorganic cured coating 2511 may be applied to the substrate 2510 by brushing, spraying, dipping or any other conventional application method. Additionally, substrate 2510 may include an oxidative or reducing catalyst applied by brushing, spraying, dipping or any other conventional application method.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 또는 여과 기재는 nSiRF-C; 및 혼합물 상태로 23.0～45.0 중량%의 이산화규소 분말, 25.0～45.0 중량%의 콜로이드 이산화규소, 19.0～39.0 중량%의 물, 및 실리콘 테트라보라이드, 실리콘 헥사보라이드, 실리콘 카바이드, 몰리브데늄 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드 및 지르코늄 디보라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 방출제를 포함하고; 상기 보호 코팅은 45～55 중량%의 고체 함량을 가진다. 그러한 코팅은 미국 특허 제5,296,288호에 개시되어 있다.In one embodiment, the catalyst or filtration substrate of the present invention is nSiRF-C; And 23.0-45.0 wt% silicon dioxide powder, 25.0-45.0 wt% colloidal silicon dioxide, 19.0-39.0 wt% water, and silicon tetraboride, silicon hexaboride, silicon carbide, molybdenum di One or more release agents selected from the group consisting of silicides, tungsten disilicides and zirconium diboride; The protective coating has a solids content of 45-55% by weight. Such coatings are disclosed in US Pat. No. 5,296,288.

본 발명은 AETB에 존재하는 것과 같은 복수의 고등급 부직포형 소결 무기 내화성 섬유를 활용한다. 본 발명에서의 nSiRF-C로서 사용되는 다른 적합한 재료는 다음을 포함한다: AETB-12(약 20%의 Al₂O₃, 약 12%(14% B₂O₃, 72% Al₂O₃, 14% SiO₂; NEXTEL^TM 섬유), 및 약 68% SiO₂의 조성을 가짐); AETB-8(약 20%의 Al₂O₃, 약 12%(14% B₂O₃, 72% Al₂O₃, 14% SiO₂; NEXTEL^TM 섬유), 및 약 68% SiO₂의 조성을 가짐 ); FRCI-12(약 78 중량% 실리카(SiO₂) 및 22 중량% 알루미노보로실리케이트(62% Al₂O₃, 24% SiO₂, 14% B₂O₃)의 조성을 가짐); 및 FRCI-20(약 78 중량% 실리카(SiO₂) 및 약 22 중량% 알루미노보로실리케이트(62% Al₂O₃, 24% SiO₂, 14% B₂O₃)의 조성을 가짐).The present invention utilizes a plurality of high grade nonwoven sintered inorganic refractory fibers such as those present in AETB. Other suitable materials used as nSiRF-C in the present invention include: AETB-12 (about 20% Al ₂ O ₃ , about 12% (14% B ₂ O ₃ , 72% Al ₂ O ₃ , 14% SiO ₂ ; NEXTEL ^™ fiber), and about 68% SiO ₂ ); AETB-8 (about 20% Al ₂ O ₃ , about 12% (14% B ₂ O ₃ , 72% Al ₂ O ₃ , 14% SiO ₂ ; NEXTEL ^™ fiber), and about 68% SiO ₂ ); FRCI-12 (having a composition of about 78 wt% silica (SiO ₂ ) and 22 wt% aluminoborosilicate (62% Al ₂ O ₃ , 24% SiO ₂ , 14% B ₂ O ₃ )); And FRCI-20 (about 78 wt% silica (SiO ₂ ) and about 22 wt% aluminoborosilicate (62% Al ₂ O ₃ , 24% SiO ₂ , 14% B ₂ O ₃ )).

바람직한 실시예에서, 무기 섬유의 성분은 섬유상 실리카, 알루미나 섬유 및 알루미노보로실리케이트 섬유로 구성되거나 본질적으로 구성된다. 이 실시예에서, 상기 섬유상 실리카는 약 50～90%의 무기 섬유 믹스, 상기 알루미나 섬유는 약 5～50%의 무기 섬유, 및 상기 알루미노보로실리케이트 섬유는 약 10～25%의 무기 섬유 믹스를 포함한다. 본 발명의 기재를 제조하는 데 사용되는 섬유는 일 실시예에 있어서는 결정질 상 및 유리질 상을 모두 가질 수 있다.In a preferred embodiment, the components of the inorganic fibers consist of or consist essentially of fibrous silica, alumina fibers and aluminoborosilicate fibers. In this embodiment, the fibrous silica is about 50-90% inorganic fiber mix, the alumina fiber is about 5-50% inorganic fiber, and the aluminoborosilicate fiber is about 10-25% inorganic fiber mix. Include. The fibers used to make the substrates of the present invention may, in one embodiment, have both a crystalline phase and a glassy phase.

다른 적합한 섬유는, 바람직하게 산화알루미늄을 약 55～75 중량%, 실리콘 산화물을 0 중량%보다 많고 약 45 중량% 미만(바람직하게는 0 중량%보다 많고 44 중량% 미만), 산화붕소를 0 중량%보다 많고 약 25 중량% 미만(바람직하게는 약 1～5 중량%)의 범위로 포함하는 알루미노보로실리케이트 섬유를 포함한다(상기 양은 각각 Al₂O₃, SiO₂ 및 B₂O₃로서의 이론적 산화물 기준으로 계산됨). 알루미노보로실리케이트 섬유는 바람직하게 결정질이 50 중량% 이상, 보다 바람직하게는 75 중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 100 중량%(즉, 결정질 섬유)이다. 사이징된 알루미노보로실리케이트 섬유는, 예를 들면, 3M Company로부터 "NEXTEL 312" 및 "NEXTEL 440"이라는 상표 하에 상업적으로 입수할 수 있다. 또한, 적합한 알루미노보로실 리케이트 섬유는 미국 특허 제3,795,524호에 개시된 바와 같이 제조될 수 있고, 상기 특허는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.Other suitable fibers are preferably about 55-75 weight percent aluminum oxide, more than 0 weight percent silicon oxide and less than about 45 weight percent (preferably more than 0 weight percent and less than 44 weight percent) and 0 weight boron oxide Aluminoborosilicate fibers comprising more than% and in the range of less than about 25% by weight (preferably about 1-5% by weight) (the amounts are theoretical as Al ₂ O ₃ , SiO ₂ and B ₂ O ₃ , respectively). Calculated on the basis of oxide). The aluminoborosilicate fibers preferably have at least 50% by weight crystalline, more preferably at least 75% by weight and most preferably about 100% by weight (ie crystalline fiber). Sized aluminoborosilicate fibers are commercially available, for example, from the 3M Company under the trademarks "NEXTEL 312" and "NEXTEL 440". Suitable aluminoborosilicate fibers can also be prepared as disclosed in US Pat. No. 3,795,524, which is incorporated herein by reference in its entirety.

다른 실시예에서, 본 발명의 기재를 제조하는 데 사용되는 섬유는 Y₂O₃와 ZrO₂가 첨가된 α-Al₂O₃ 및/또는 SiO₂가 첨가된(α-Al₂O₃/멀라이트를 형성)α-Al₂O₃를 포함한다.In another embodiment, the fibers used to prepare the substrates of the present invention may be fabricated with α-Al ₂ O ₃ with addition of Y ₂ O ₃ and ZrO ₂ and / or with addition of SiO ₂ (α-Al ₂ O ₃ / mul). Form a light) α-Al ₂ O ₃ .

촉매 기재의 제조에는 다양한 특수 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 기재를 제조하는 데 사용되는 재료는, 내화성 실리카 섬유 및 내화성 알루미늄보로실리케이트 섬유를 포함하거나, 또는 그것으로 구성되어 있거나 본질적으로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 촉매 기재의 제조에 사용되는 재료는 내화성 실리카 섬유, 내화성 등급 알루미나 섬유 및 결합제, 바람직하게는 산화붕소 또는 질화붕소 분말을 포함한다.Various special materials can be used in the preparation of the catalyst substrate. In one embodiment, the materials used to make the substrates of the present invention include or consist of or consist essentially of refractory silica fibers and refractory aluminum borosilicate fibers. In another embodiment, the materials used to prepare the catalyst substrate include refractory silica fibers, refractory grade alumina fibers and a binder, preferably boron oxide or boron nitride powder.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 기재는 알루미나 강화 열 장벽("AETB") 재료 또는 당업자에게 알려져 있는 유사 물질를 포함하거나, 그것으로 구성되거나, 본질적으로 구성되어 있다. AETB 재료는 해당 기술 분야에 알려져 있으며, 하기 문헌에 보다 구체적으로 기재되어 있으며, 두 문헌은 모두 원용되어 본 명세서에 포함된다: Leiser et al., "Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields", Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, No. 7-8, pp. 757-768(1985) 및 Leiser et al., "Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials", NASA CA 2357, pp. 231-244(1984).In one embodiment, the catalyst substrate of the present invention comprises, consists of, or consists essentially of alumina reinforced thermal barrier ("AETB") materials or similar materials known to those skilled in the art. AETB materials are known in the art and are more specifically described in the following documents, both of which are incorporated herein by reference: Leiser et al., "Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields", Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, No. 7-8, pp. 757-768 (1985) and Leiser et al., "Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials", NASA CA 2357, pp. 231-244 (1984).

또 다른 실시예에서, 촉매 기재는 인성을 높인 단일체 섬유상 단열재(TUFI) 및/또는 반응 경화 유리(RCG) 코팅을 구비한 알루미나 강화 열 장벽(AETB)과 같은 세라믹 타일을 포함한다. 상기 재료는 해당 기술에 알려져 있다.In another embodiment, the catalyst substrate comprises a ceramic tile, such as an alumina reinforced thermal barrier (AETB) with a toughened monolithic fibrous insulation (TUFI) and / or reactive cured glass (RCG) coating. Such materials are known in the art.

또 다른 적합한 재료는 섬유상 내화성 세라믹 단열재(FRCI)이다. 일 실시예에서, AETB는 알루미나보리아실리카(알루미나-보리아-실리카, 알루미노보로실리케이트 및 알루미노보리아실리케이트로도 알려져 있음) 섬유, 실리카 섬유 및 알루미나 섬유로부터 만들어진다. AETB용으로 보편적으로 알려진 한 가지 응용은, 우주 왕복선 재진입용으로 이상적인 우주 왕복선 외벽의 타일이다. AETB는 높은 융점, 낮은 열 전도도와 열팽창 계수, 열충격과 진동 충격에 대한 내구성, 낮은 밀도 및 매우 높은 다공도와 투과성을 가진다. Another suitable material is fibrous refractory ceramic insulation (FRCI). In one embodiment, AETB is made from alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate and aluminoboria silicate) fibers, silica fibers and alumina fibers. One application commonly known for AETB is a tile on the outer wall of a space shuttle, which is ideal for space shuttle reentry. AETB has high melting point, low thermal conductivity and coefficient of thermal expansion, durability against thermal shock and vibration impact, low density and very high porosity and permeability.

일 실시예에서, AETB의 제1 성분은 알루미나 섬유이다. 본 발명의 바람직한 예에서, 알루미나(Al₂O₃ 또는 산화알루미늄, 예컨대 SAFFIL)은 전형적으로 상업적 형태에서 약 95～97 중량%의 알루미나와 약 3～5 중량%의 실리카로 이루어진다. 다른 실시예에서, 예를 들면 90%, 92%, 및 94%와 같이 더 낮은 순도를 가진 알루미나도 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 더 높은 순도를 가진 알루미나도 사용할 수 있다. 알루미나는 압출 또는 스피닝에 의해 제조될 수 있다. 먼저, 전구체 종의 용액을 제조한다. 예를 들면 pH의 조작에 의해 서서히 점진적인 중합 공정이 개시되고, 그 결과 개별적인 전구체 분자가 결합하여 큰 분자를 형성한다. 이 공정이 진행됨에 따라, 평균 분자량/분자크기가 증대됨으로써, 시간이 경과하면서 용액의 점도가 증가된다. 점도가 약 10 cp에 도달했을 때, 용액은 약간 점착성으로 변하여 섬유가 드로잉 또는 방사될 수 있게 된다. 이 상태에서 섬유는 다이를 통해 압출될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 섬유의 평균 직경은 약 1～6 ㎛ 범위이지만, 이보다 크거나 작은 직경의 섬유도 본 발명에 적합하다. In one embodiment, the first component of AETB is alumina fiber. In a preferred embodiment of the present invention, alumina (Al ₂ O ₃ or aluminum oxide such as SAFFIL) typically consists of about 95-97 wt% alumina and about 3-5 wt% silica in commercial form. In other embodiments, alumina with lower purity may be used, such as, for example, 90%, 92%, and 94%. In other embodiments, higher purity alumina may also be used. Alumina can be produced by extrusion or spinning. First, a solution of precursor species is prepared. For example, a gradually gradual polymerization process is initiated by manipulation of the pH, with the result that individual precursor molecules combine to form large molecules. As this process proceeds, the average molecular weight / molecular size increases, thereby increasing the viscosity of the solution over time. When the viscosity reaches about 10 cps, the solution turns slightly tacky so that the fibers can be drawn or spun. In this state, the fibers may be extruded through a die. In one embodiment, the average diameter of the fibers ranges from about 1-6 μm, but larger or smaller diameter fibers are also suitable for the present invention.

바람직한 실시예에서, 무기 섬유의 성분은 섬유상 실리카, 알루미나 섬유, 및 알루미노보로실리케이트 섬유로 구성되거나, 본질적으로 구성된다. 이 실시예에서, 상기 섬유상 실리카는 약 50～90%의 무기 섬유 믹스, 상기 알루미나 섬유는 약 5～50%의 무기 섬유, 및 상기 알루미노보로실리케이트 섬유는 약 10～25%의 무 기 섬유 믹스를 포함한다. In a preferred embodiment, the components of the inorganic fibers consist of or consist essentially of fibrous silica, alumina fibers, and aluminoborosilicate fibers. In this embodiment, the fibrous silica is about 50-90% inorganic fiber mix, the alumina fiber is about 5-50% inorganic fiber, and the aluminoborosilicate fiber is about 10-25% inorganic fiber mix It includes.

전술한 바와 같은 AETB와 유사한 섬유는 AETB 섬유에 부가하여, 또는 그 대신에 사용될 수 있다.Fibers similar to AETB as described above may be used in addition to or instead of AETB fibers.

용융을 통한 섬유의 생산은 두 가지 일반적 방법으로 실행될 수 있다. 그 첫번째 방법은 원심 스피닝과 가스상 감쇠(gaseous attenuation)의 조합을 포함한다. 적절한 점도의 유리 스트림이 가열로로부터, 수천 rpm의 속도로 회전하는 스피너 플레이트 상에 연속적으로 흐른다. 원심력이 상기 유리를 수천개의 구멍을 가진 스피너 벽 쪽으로 투사한다. 유리는 원심력에 의해 다시 구동되어 구멍을 통과하고, 가열된 가스의 블라스트에 의해 감쇠된 후 포집된다. The production of fibers through melting can be carried out in two general ways. The first method involves a combination of centrifugal spinning and gaseous attenuation. A glass stream of appropriate viscosity flows continuously from the furnace on a spinner plate rotating at a speed of several thousand rpm. Centrifugal force projects the glass towards the spinner wall with thousands of holes. The glass is driven again by centrifugal force to pass through the hole, attenuated by the blast of heated gas and collected.

두번째 용융 기법에서, 용도에 따라 저면에 수백 또는 수천 개의 구멍이 뚫려있는 가열된 탱크 내로 용융 가스가 공급된다. 유리는 유동하여 상기 구멍을 통해 인출되어 개별적인 섬유를 형성한다. 상기 섬유는 스트랜드(strand)로 병합되어 맨드렐에 포집된다.In the second melting technique, melt gas is fed into a heated tank with hundreds or thousands of holes at the bottom, depending on the application. The glass flows and is drawn through the holes to form individual fibers. The fibers merge into strands and are collected in the mandrel.

일 실시예에서, 슬러리 내의 AETB 섬유 믹스는 바람직하게 섬유상 유리, 알루미나 섬유, 및 알루미노보로실리케이트 섬유를 포함하는 세 가지 성분을 포함한다. 섬유상 실리카는 약 50～90%의 무기 섬유 믹스, 상기 알루미나 섬유는 약 5～50%의 무기 섬유 믹스, 및 상기 알루미노보로실리케이트 섬유는 약 10～25%의 무기 섬유 믹스를 포함한다. 다른 실시예에서, 슬러리는 전술한 본 발명에 따른 기재의 제조에 사용될 수 있는 임의의 섬유 혼합물을 포함한다.In one embodiment, the AETB fiber mix in the slurry preferably comprises three components comprising fibrous glass, alumina fibers, and aluminoborosilicate fibers. Fibrous silica comprises about 50-90% inorganic fiber mix, the alumina fiber contains about 5-50% inorganic fiber mix, and the aluminoborosilicate fiber comprises about 10-25% inorganic fiber mix. In another embodiment, the slurry comprises any fiber mixture that can be used for the preparation of the substrate according to the invention described above.

바람직한 실시예에서, 상기 기재의 섬유상 성분은 비정질 실리카 64%, 알루 미나 21%, 및 알루미나보리아실리카 15%, 그리고 캐스팅 이전 및 도중에 슬러리에서의 벌크 섬유의 분산을 보조하기 위해 사용되는 미량(예컨대, 0.3～1.0 mg/㎡)의 표면활성제의 혼합물이다.In a preferred embodiment, the fibrous component of the substrate comprises 64% of amorphous silica, 21% of alumina, and 15% of alumina boria silica, and traces used to aid dispersion of bulk fibers in the slurry before and during casting. , 0.3 to 1.0 mg / m 2) of a surfactant.

일 실시예에서, 상기 슬러리 내의 섬유는 주로 무기 섬유일 뿐이다. 바람직하기로는, 일 실시예에서 본 발명은 기재의 형성에 탄소를 전혀 사용하지 않는다.In one embodiment, the fibers in the slurry are primarily inorganic fibers. Preferably, in one embodiment the invention does not use carbon at all in the formation of the substrate.

제4의 성분 또는 다른 섬유에 대한 대체 성분으로서 알루미나-지르코니아 섬유를 상기 무기 섬유 믹스에 첨가할 수 있다.Alumina-zirconia fibers can be added to the inorganic fiber mix as a replacement for the fourth component or other fibers.

섬유의 혼합Blend of fibers

본 발명의 실시예의 한 단계에서, 섬유를 혼합한다. 섬유의 혼합에는 임의 수의 공지된 섬유 혼합 방법이 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 일례는 고전단 혼합이다.In one step of an embodiment of the present invention, the fibers are mixed. Any number of known fiber mixing methods can be used for mixing the fibers. One example that may be used is high shear mixing.

섬유의 가열Heating of fiber

본 발명의 한 단계에서, 공지된 방법에 따라 섬유를 가열한다. 먼저, 섬유가 보다 균일하게 초핑될 수 있도록 섬유를 가열한다. 열처리된 섬유는 모든 분진, 먼지 및 이완된 입자를 제거하여 가공할 섬유만이 남겨지도록 세척된다.In one step of the invention, the fibers are heated according to known methods. First, the fibers are heated so that the fibers can be chopped more uniformly. The heat treated fibers are washed to remove all dust, dirt and loose particles, leaving only the fibers to be processed.

바람직한 실시예에서, 섬유는 가열 세정된다.In a preferred embodiment, the fibers are heat cleaned.

섬유의 세척Washing of textiles

본 발명의 한 단계에서, 섬유를 세척한다. 바람직한 방법에서, 섬유가 실질적으로 분진 및 먼지를 갖지 않도록 상기 섬유를 세척한다. 일 실시예에서, 실리카 섬유는 불순물이 제거되도록 산에 담가 세척되고, 헹굼, 건조에 이어서, 구조적 일체성이 부여되도록 열처리된다.In one step of the invention, the fibers are washed. In a preferred method, the fibers are washed so that the fibers are substantially free of dust and dirt. In one embodiment, the silica fibers are immersed in acid to remove impurities, rinsed, dried and then heat treated to impart structural integrity.

섬유의 Fibrous 초핑Chopping

본 발명의 또 다른 단계에서, 섬유를 초핑한다. 본 발명에서 사용되는 섬유는 전형적으로 벌크 섬유 또는 초핑된 섬유로서 얻어질 수 있다. 섬유의 초핑 방법은 해당 기술 분야에 알려져 있다. 대부분의 방법은 여러 가당의 섬유, 즉 스트랜드를 동시에 처리할 수 있는 연속식 공정이다. 전형적으로, 생성물은 한 조를 이루고, 그중 하나는 일정한 간격의 절단 블레이드를 지지하는 회전 휠 또는 드럼들 사이로 공급된다. 섬유가 절단기를 통해 인출되면, 섬유는 소정 길이로 초핑된다. 초핑된 섬유로부터 블랭크(blank)를 형성하는 데 있어서 특수한 제조상 구체적 내용은 독점적인 것으로 남아있지만, 그러한 기술은 전형적으로, 용융 및 졸 겔(sol gel)이라는 생산 메커니즘 중 하나를 수반한다. 최종 초핑을 행하기 전에 섬유를 열처리하는 것이 바람직하다.In another step of the present invention, the fibers are chopped. The fibers used in the present invention can typically be obtained as bulk fibers or chopped fibers. Methods of chopping fibers are known in the art. Most methods are continuous processes that can process several sugars, ie strands, simultaneously. Typically, the product consists of a pair, one of which is fed between the rotating wheels or drums that support the evenly spaced cutting blades. When the fiber is drawn out through the cutter, the fiber is chopped to the desired length. While special manufacturing details remain exclusive in forming blanks from chopped fibers, such techniques typically involve one of the production mechanisms, melting and sol gels. It is desirable to heat treat the fibers before final chopping.

바람직하게는, 이어서 상기 섬유를 소정의 크기로 초핑한다. 섬유의 적합한 길이는, 특별히 제한되지는 않지만, 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 또는 0.6 in이다. 다른 적합한 길이는 1/8", 1/4" 및 1/2"이다. 상기 섬유는 비교적 균일한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 또 다른 실시예에서, 촉매 기재 또는 여과 기재로 이루어어지는 상기 섬유는 평균 1/4 in(약 1/100 m)의 길이와, 3 ㎛의 중간 섬유 직경으로 약 1～12 ㎛의 직경, 또는 1～6 ㎛의 직경, 또는 10～12 ㎛의 직경을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 입자상 물질은 기공 공간을 폐쇄시킬 수 있으므로 첨가되지 않는다. 본 발명에서 적합하게 사용되는 섬유는 예를 들면 3M사로부터 상업 적으로 입수할 수 있다. 물론, 다른 실시예에서는 더 긴 섬유가 사용된다.Preferably, the fibers are then chopped to the desired size. Suitable lengths of the fibers are not particularly limited, but are about 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, or 0.6 in. Other suitable lengths are 1/8 ", 1/4", and 1/2 ". It is preferred that the fibers have a relatively uniform size. In another embodiment, the fibers consisting of a catalyst substrate or a filtration substrate It has an average length of 1/4 in (about 1/100 m), an average fiber diameter of 3 μm, a diameter of about 1 to 12 μm, or a diameter of 1 to 6 μm, or a diameter of 10 to 12 μm. In the examples, particulate matter is not added since it may close the pore space Fibers suitable for use in the present invention are commercially available, for example, from 3M. Is used.

슬러리의Slurry 제조 Produce

본 발명에 따른 방법의 또 다른 단계에서, 상기 섬유를 포함하는 슬러리가 제조된다. 세라믹을 압출하거나 방사 또는 직물을 천공된 튜브 주위로 둘러싸지 않고, 기재를 통상적인 졸-겔 프로세스에 의해 제조할 수 있다. 이것은 먼저 잘 혼합된 무기 섬유 및 콜로이드 용액의 졸을 졸 블랭크 또는 그린 빌릿 또는 빌릿을 생성하는 섬유 몰드 내에서 풀링(pulling)(진공 또는 중력 인출을 통해)함으로써 이루어진다.In another step of the process according to the invention, a slurry comprising the fibers is prepared. The substrate can be prepared by conventional sol-gel processes without extruding ceramics or surrounding the spinning or fabric around the perforated tube. This is accomplished by first pulling (via vacuum or gravity withdrawal) a sol of well mixed inorganic fiber and colloidal solution into a sol blank or green billet or fiber mold that produces a billet.

이와는 달리, 압력이 음의 값으로 감소되거나 진공인 경우에 스퀴즈-캐스트 가압(squeeze-cast pressurizing) 프로세스를 이용할 수 있다. 진공 프로세스는 무기 섬유 블랭크가 그 길이를 유지하면서 극도로 낮은 밀도로 형성될 수 있게 한다. 졸-겔 프로세스는 가압 프로세스 또는 진공 프로세스와 함께 특별히 낮은 밀도를 생성하는 데 도움을 주며, 이것은 입자의 여과에 매우 도움이 된다.Alternatively, a squeeze-cast pressurizing process can be used when the pressure is reduced to a negative value or is vacuum. The vacuum process allows inorganic fiber blanks to be formed at extremely low densities while maintaining their length. The sol-gel process, together with the pressurization process or the vacuum process, helps to produce particularly low densities, which is very helpful for the filtration of particles.

섬유는 슬러리 중에서 함께 혼합된다. 일 실시예에 있어서, 슬러리는 1～2 중량%의 고체를 함유할 수 있고, 거의 물과 같은 유체이다. 이와는 달리, 슬러리는 약 0.5～약 5 중량%의 고체를 함유할 수 있다. 해당 기술 분야에 알려져 있는 바와 같이 다른 중량%도 허용될 수 있다.The fibers are mixed together in the slurry. In one embodiment, the slurry may contain 1-2 weight percent solids and is almost a fluid, such as water. Alternatively, the slurry may contain about 0.5 to about 5 weight percent solids. Other weight percentages may be acceptable as is known in the art.

초핑된 섬유는 고전단 믹서를 이용하여 슬러리 내에 함께 혼합된다. 바람직하게는, 서용되는 섬유에 대한 플럭스 작용 또는 안정성을 떨어뜨리는 작용을 할 수 있는 불순물을 피하기 위해 슬러리에 탈이온수가 사용된다. 일 실시예에서, 숏 글라스(shot glass) 및 고농도의 소다 입자를 포함하는 다른 오염물을 제거하기 위해, 슬러리는 원심 사이클론을 통해 펌핑될 수 있다.The chopped fibers are mixed together in a slurry using a high shear mixer. Preferably, deionized water is used in the slurry to avoid impurities that may act as a flux or degrade the stability of the fibers used. In one embodiment, the slurry may be pumped through centrifugal cyclones to remove other contaminants, including shot glass and high concentrations of soda particles.

이와는 달리, 유기 섬유 또는 입자를 30 중량% 이하의 비율로 섬유 슬러리에 첨가할 수 있다. 생산의 점화 단계중에, 유기 섬유는 휘발되거나 물체로부터 소각된다. 섬유의 소각에 의해 가스가 빠져나가기 위한 경로를 제공할 수 있는 공극(void)이 생긴다. 폴리머 섬유의 형태 및 비율을 변경함으로써, 타일의 투과성이 조절될 수 있다. 이 방법을 통해 생산된 블랭크는 다공질이며, 따라서 블리드 에어(bleed air)의 도입을 통해 활성적으로 냉각시킬 수 있다.Alternatively, organic fibers or particles may be added to the fiber slurry in a proportion of up to 30% by weight. During the ignition phase of production, the organic fibers are either volatilized or incinerated from the object. Incineration of the fiber creates voids that can provide a path for the gas to escape. By changing the shape and proportion of the polymer fibers, the permeability of the tiles can be controlled. The blanks produced through this method are porous and thus can be actively cooled through the introduction of bleed air.

점도의 조절Control of viscosity

또 다른 실시예에서, 점도를 적합한 범위로 조절한다. 높은 점도는 섬유가 "눕혀지는 것(laying down)", 즉 납작하게 눕혀지거나 실질적으로 수평 방향으로만 배향되는 것을 방지한다. 고강도 소결을 위한 제조에서 섬유를 코팅하기 위한 증점제로서 질화붕소를 첨가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 질화붕소가 첨가되고, 알루미나보리아실리카 섬유는 슬러리에 사용되지 않는다.In another embodiment, the viscosity is adjusted to a suitable range. The high viscosity prevents the fibers from "laying down", i.e. lying flat or oriented substantially in the horizontal direction. Boron nitride may be added as a thickener for coating the fibers in the preparation for high strength sintering. In one embodiment of the invention, boron nitride is added and alumina boria silica fibers are not used in the slurry.

분산제의 첨가Addition of dispersant

일 실시예에서, 상기 방법은 혼합물 또는 슬러리에 하나 이상의 분산제를 첨가하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the method includes adding one or more dispersants to the mixture or slurry.

본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 공정중에 하나 이상의 표면 활성제를 슬러리에 첨가한다. 표면 활성제는 약 5～약 10 중량%의 양으로 사용된다. 표면 활성제는 섬유가 함께 뭉쳐지는 것을 방지하기 위해 캐스팅 이전 및 도중에 슬러리 에 벌크 섬유를 분산하는 데 보조하기 위해 사용된다.In one embodiment of the present invention, one or more surface active agents are added to the slurry during the process of the present invention. Surface active agents are used in amounts of about 5 to about 10 weight percent. Surface active agents are used to assist in dispersing the bulk fibers in the slurry before and during casting to prevent the fibers from clumping together.

본 발명의 일 실시예에서, 전술한 하나 이상의 촉매를 슬러리에 첨가한다. 공정의 이 단계에서 촉매를 첨가함으로써, 다공질 재료 내에 함침된 촉매를 가진 기재가 만들어진다. 일 실시예에서, 이 형상은 추가적 워쉬코팅 또는 촉매화의 필요성을 배제한다.In one embodiment of the invention, one or more of the catalysts described above is added to the slurry. By adding a catalyst at this stage of the process, a substrate with a catalyst impregnated into the porous material is made. In one embodiment, this shape precludes the need for additional washcoat or catalysis.

몰딩molding

일 실시예에서, 몰드에 슬러리를 주입하여 빌릿을 형성한다. 몰드의 형상은 원하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 몰드의 형상은 촉매 전환기 또는 입자 필터에서 사용되기에 적합한 형상을 가진 기재를 생성한다. 예를 들면, 몰드는 실린더의 형상으로 되어 있을 수 있다. 또는, 몰드는 오각형 형상으로 되어 있을 수 있다. 섬유는 눕혀질 수 있기 때문에 슬러리는 몰드 내에 가라앉지 않도록 해야 한다. 일 실시예에서, 섬유가 침강되지 않도록 유지하고 빌릿 전체에 걸쳐 다공도와 밀도를 균일하게 유지하도록 진공 흡입 방법이 사용된다. 진공 흡입 기법은 그린 빌릿과 함께 섬유 배열 및 밀도를 제어하도록, 임의 개수의 방향으로부터 사용될 수 있다.In one embodiment, slurry is injected into a mold to form a billet. The shape of the mold can have any shape desired. In one embodiment, the shape of the mold produces a substrate having a shape suitable for use in a catalytic converter or particle filter. For example, the mold may be in the shape of a cylinder. Alternatively, the mold may be pentagonal in shape. Since the fibers can be laid down, the slurry should not settle in the mold. In one embodiment, a vacuum suction method is used to keep the fibers from settling and to keep the porosity and density uniform throughout the billet. Vacuum suction techniques can be used from any number of directions to control fiber arrangement and density with the green billet.

예를 들면, 촉매 또는 여과 기재의 재료로 된 빌릿은 둥근 모서리를 가진 24in×24in(576in²)×4in 크기의 몰드에서 제조된다. 물론, 더 크거나 더 작은 크기의 빌릿을 제조할 수도 있다.For example, a billet of catalyst or filtration substrate material is made in a mold of size 24 in x 24 in (576 in ² ) x 4 in with rounded corners. Of course, larger or smaller sized billets can be produced.

몰드의 재질은 제한되지는 않지만 금속 또는 플라스틱을 포함한, 물에 안정 한 임의의 재질일 수 있다. 다른 적합한 재료는 알루미늄, PLEXIGLAS, 기타 다른 합성 재료를 포함한다. 알루미늄은 장기간에 걸쳐 매우 내구성이지만, PLEXIGLAS는 값이 싸고 기계 가공이 용이하다. 적합한 투과성 표면을 미세한 금속 메쉬 스크린 형태로 이용할 수 있다. 상황에 따라서는 처짐(sagging)을 방지하기 위해 지지 구조로서 50 in²보다 큰 반투과성 표면을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.The material of the mold may be any material stable to water, including but not limited to metal or plastic. Other suitable materials include aluminum, PLEXIGLAS, and other synthetic materials. Aluminum is very durable over long periods of time, but PLEXIGLAS is inexpensive and easy to machine. Suitable permeable surfaces can be used in the form of fine metal mesh screens. In some circumstances it may be desirable to use a semipermeable surface larger than 50 in ² as a support structure to prevent sagging.

캐스팅 시 혐기성 분위기, 즉 무산소 분위기가 바람직할 수 있는 실시예가 있다. 무산소 분위기는 금속의 산화를 최소로 하며 섬유 결합을 독특하게 강화시키는 환경을 형성한다. 함침된 빌릿을 암모니아 가스로 충전된 챔버, 예를 들면 대형 블라스틱 백 속에 넣는다. 암모니아는 저렴한 가격과 입수 용이성 때문에 가장 보편적으로 사용된다. 질소 및/또는 수소 가스도 도입할 수 있다. 수소는 휘발성이기 때문에 수소보다는 질소가 바람직하다. 사실상, 환원성이고 무산소 환경이 유지되는 한 임의의 가스를 도입할 수 있다. 바람직하게는, 가스는 함침된 졸 빌릿이 겔 빌릿으로 형성될 때까지 일정한 유속으로 제공된다. 이 시점에서, 가스를 잠그고 겔 빌릿을 야외에 노출시켜 가스가 빠져나가게 한다.There are embodiments in which an anaerobic atmosphere, ie an oxygen free atmosphere, may be desirable in casting. An oxygen free atmosphere creates an environment that minimizes oxidation of the metal and uniquely strengthens fiber bonding. The impregnated billet is placed in a chamber filled with ammonia gas, for example a large plastic bag. Ammonia is most commonly used because of its low cost and ease of availability. Nitrogen and / or hydrogen gas may also be introduced. Since hydrogen is volatile, nitrogen is preferred over hydrogen. In fact, any gas can be introduced as long as the reducing and oxygen free environment is maintained. Preferably, the gas is provided at a constant flow rate until the impregnated sol billet forms a gel billet. At this point, the gas is shut off and the gel billet is exposed outdoors to allow the gas to escape.

몰딩 단계중에 그린 빌릿 내에 도입되는, 홀 형성 봉(rod)으로서 탄소 또는 유기계 형상 성형구(shape-former)를 사용할 수 있다. 고온에서 소결하면, 이들 봉은 해체되고 원하는 복수의 채널이 남겨진다.Carbon or organic shape-formers may be used as the hole forming rods, which are introduced into the green billet during the molding step. Upon sintering at high temperatures, these rods are dismantled and the desired plurality of channels are left behind.

슬러리의Slurry 탈수 dehydration

빌릿을 제조하는 실시예에서, 적어도 하나의 치수는 조절될 수 있고, 적어도 하나의 벽은 반투과성인 폐쇄된 몰드에 슬러리를 넣는다. 조절 가능한 벽을 통해 압축력을 인가하고, 섬유가 포집되어 펠트(felt)를 형성하는 반투과성 벽을 통해 슬러리로부터 물을 밀어낸다. 원하는 프리폼(preform), 즉 빌릿, 치수가 얻어질 때까지 압축을 계속한다. 이 방법은 일반적으로 블록이나 실린더와 같은 간단한 형상에 한정된다.In an embodiment of making a billet, at least one dimension can be adjusted and the slurry is placed in a closed mold where the at least one wall is semipermeable. A compressive force is applied through the adjustable wall and the water is pushed out of the slurry through a semipermeable wall where the fibers are collected to form a felt. Compression continues until the desired preform, ie billet, dimension is obtained. This method is generally limited to simple shapes such as blocks or cylinders.

중력은 보통 충분한 구동력이 되지 못하기 때문에, 진공 펌프를 사용해야 한다. 진공 펌프는 압력을 거의 또는 전혀 사용하지 않는다. 경우에 따라서는, 탈수를 위해 진공을 이용하지만, 흡입(suction)은 매우 조금만 이용된다. 진공은 밀도의 증가를 피하기 위해 민감도가 큰 건조 공정을 가속화하는 수단으로서 사용된다. 강하지 않은 진공만을 보조로 이용하는 것이 바람직하다.Since gravity is usually not enough to drive, you should use a vacuum pump. Vacuum pumps use little or no pressure. In some cases, vacuum is used for dehydration, but suction is used very little. Vacuum is used as a means of accelerating the sensitive drying process to avoid an increase in density. It is preferable to use only a vacuum which is not strong as an aid.

보다 복잡한 형상의 빌릿은 다른 방법, 예를 들면 슬러리의 헤드를 넣고 반투과성 몰드 형태 위에 유지시키는 방법에 의해 제조될 수 있다. 진공 펌프를 통해 투과성 형태 외부에 낮은 압력이 걸린다. 압력차는 섬유가 포집되어 펠트가 형성되는 투과성 형태를 통해 물을 구동한다. 압력차는 원하는 두께가 얻어질 때까지 유지된다. 이 방법은, 빌릿이 그물과 유사한 형상 또는 최종 형태에 근접하게 제조될 수 있기 때문에, 원하는 기재가 심하게 곡면을 이루는 응용 분야에 적합하다.More complex shaped billets may be prepared by other methods, for example by placing the head of the slurry and holding it on the semipermeable mold form. Low pressure is applied outside the permeable form via a vacuum pump. The pressure differential drives water through a permeable form in which fibers are collected to form felt. The pressure difference is maintained until the desired thickness is obtained. This method is suitable for applications in which the desired substrate is heavily curved since the billet can be made close to a net-like shape or final form.

다중(2개 이상) 슬러리 처방(recipe)을 도입하거나 혼합하고, 풀(pull)의 진공률을 변경시킴으로써(여러 번), 일부 영역이 다른 영역 및/또는 물리적 성질이 다른 영역보다 밀도가 높은 빌릿이 제공된다. 빌릿은 화학적 조성 및 밀도가 상이 한, 눈금이 매겨지거나 상이한 층 또는 코어를 가질 수 있다. 빌릿은 독특한 형상, 위치 및 요구되는 물리적 성질을 가진 하나 또는 복수의 존을 가질 수 있다. 각각의 존은, 강도, 열 또는 전기 전도도, 촉매 부착 능력, 열팽창, 진동 충격 또는 열 충격, 중량, 다공도와 투과성, 음향 감쇠 또는 임의의 다른 바람직한 성질을 변경하는 데 대한 요구에 따라 변경될 수 있다.By introducing or mixing multiple (two or more) slurry recipes and changing the vacuum rate of the pull (multiple times), billets are denser than some other regions and / or regions of different physical properties. This is provided. Billets may have graduated or different layers or cores, which differ in chemical composition and density. The billet may have one or a plurality of zones with unique shapes, locations and required physical properties. Each zone can be modified as required to modify strength, thermal or electrical conductivity, catalyst adhesion capability, thermal expansion, vibration shock or thermal shock, weight, porosity and permeability, acoustic damping or any other desired property. .

상이한 슬러리 처방 및 몰딩 기술을 이용함으로써, 빌릿을 적층시킬 수도 있다. 또한, 빌릿은 케이크 상의 층들과 같이 평행한 평면형 층에만 한정되지 않고, 빌릿은 수형형, 각형, 구형, 피라미드형 및 자유 형태의 층, 또는 종래 기술에 알려져 있는 임의의 다른 형상으로 형성될 수 있다. 빌릿의 밀도는, 필요할 경우 상기 공정중에 화학적, 물리적으로 변경될 수 있음을 알아야 한다.By using different slurry formulation and molding techniques, the billets may be laminated. In addition, the billet is not limited to parallel planar layers such as the layers on the cake, and the billet may be formed in male, angular, spherical, pyramidal and free form layers, or any other shape known in the art. . It should be noted that the density of the billet may be changed chemically and physically during the process if necessary.

빌릿은 또한, 경화 여부를 불문하고 상이한 화학물질 및 임의의 형상으로 된 복수의 빌릿을 다른 빌릿 내부에 설치함으로써 형성될 수도 있다. 코어 빌릿을 수동적으로 빌릿 내에 설치하거나 코어 내에 사출할 수 있다. 그 결과, 밀도가 더 낮거나 더 높은 하나 또는 복수의 코어가 얻어진다. 이들 코어 및 빌릿의 형상이나 형태는 코어의 적층의 조합과 마찬가지로 제한되지 않는다. 코어는 심지어 코어 내부에 생성될 수도 있다. 상기 방법은 필요에 따라 무제한 회수로 반복될 수 있고, 그 결과 독특한 개수의 빌릿의 조합이 제한되지 않은 형상으로 얻어진다.The billet may also be formed by placing a plurality of billets of different chemicals and arbitrary shapes, inside or outside the other bill, whether or not cured. The core billet may be manually installed in the billet or injected into the core. As a result, one or more cores with lower or higher density are obtained. The shape and form of these cores and billets are not limited as in the combination of lamination of cores. The core may even be created inside the core. The method can be repeated as many times as needed, with the result that a unique number of billet combinations are obtained in an unlimited form.

그린 Green 빌릿의Billet 건조 dry

일 실시예의 한 단계에서, 몰드 내의 슬러리를 충분한 시간 동안 오븐에서 건조하여 슬러리에 함유되어 있을 수 있는 임의의 물을 탈수, 즉 제거한다. 물은 중력에 의해 배수할 수 있다. 약한 진공을 보조로 활용할 수 있다. 해당 분야에 알려져 있는 다른 방법을 이용할 수 있음은 물론이다.In one step of one embodiment, the slurry in the mold is dried in an oven for a sufficient time to dehydrate, ie, remove any water that may be contained in the slurry. Water can be drained by gravity. Weak vacuum can be used as an aid. Of course, other methods known in the art may be used.

몰드로부터From mold 그린 Green 빌릿의Billet 제거 및 그린 Removed and painted 빌릿의Billet 건조 dry

일 실시예의 한 단계에서, 그린 빌릿을 몰드로부터 제거한다. 일반적으로 빌릿은 취급하기에 충분히 건조된 상태일 때 빌릿을 제거할 수 있다. 또는, 빌릿이 기계에 의해 가공되기에 충분히 건조된 상태일 때 빌릿을 제거한다.In one step of one embodiment, the green billet is removed from the mold. In general, the billet can remove the billet when it is dry enough for handling. Alternatively, the billet is removed when the billet is dry enough to be processed by the machine.

예를 들면, 빌릿이 취급하기에 충분히 건조된 상태일 때, 몰드로부터 제거된다. 그런 다음, 빌릿을 오븐에서 건조한다. 탈수 공정을 완결하고 섬유는 실질적으로 의도된 형상으로 잔류할 수 있도록, 충분히 낮은 온도를 이용한다. 보다 구체적으로, 온도는 요구되는 대로 빌릿을 충분히 건조시키는 온도이지만, 빌릿을 조금이라도, 또는 실질적으로 소결시키기에는 불충분한 온도라야 한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 약 250～500℉의 온도가 이 단계에서 사용된다. 또 다른 실시예에서, 빌릿은 약 180℃의 온도에서 약 2～약 6시간, 바람직하게는 약 4시간 동안 건조된다. 해당 분야에 알려져 있는 다른 시간과 온도를 사용할 수도 있다.For example, when the billet is dry enough to handle, it is removed from the mold. The billet is then dried in an oven. Use a sufficiently low temperature to complete the dehydration process and allow the fibers to remain in a substantially intended shape. More specifically, the temperature is the temperature at which the billet is sufficiently dried as required, but should be at least or insufficient to substantially sinter the billet. In another preferred embodiment, a temperature of about 250-500 ° F. is used at this stage. In another embodiment, the billet is dried at a temperature of about 180 ° C. for about 2 to about 6 hours, preferably about 4 hours. Other times and temperatures known in the art may be used.

건조된 빌릿은 이어서 선택적으로, 졸-겔 바인더, 바람직하게는 알루미나 졸-겔 바인더 중에 소정 시간 동안, 예컨대 수일간, 해당 분야에 알려져 있는 다양한 온도에서 침지는데, 빌릿이 바인더 용액을 빨아올리기 때문이다. 적합한 바인더는 해당 분야에 알려져 있으며, 프리폼의 구조적 일체성을 부여함과 아울러 소결을 촉진하기 위해 필요할 것이다. 빌릿은 빌릿의 강도 및 전도성을 변경시키기 위해 단일 또는 다중 바인더 처리를 이용할 수 있다. 바인더를 여러 번 적용하는 것은 빌 릿의 강도를 증가시킬 것이지만, 기공 공간을 감소시키거나 폐쇄시킬 수도 있다. 바인더는 SiO₂나 Al₂O₃와 같은 산화물 바인더일 수 있다. 산화물 바인더는 또한 유리 형태, 결정 형태 또는 다른 무기질 바인더일 수도 있다. 바인더는 미국 특허 제3,549,473호에 개시된 바와 같은, 공지된 기법 및 방법을 이용하여 적용될 수 있다. 상기 특허의 교시는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.The dried billet is then optionally immersed in a sol-gel binder, preferably an alumina sol-gel binder for a period of time, such as for several days, at various temperatures known in the art, since the billet sucks up the binder solution. . Suitable binders are known in the art and will be necessary to impart structural integrity of the preforms and to promote sintering. Billets may utilize single or multiple binder treatments to alter the strength and conductivity of the billets. Applying the binder multiple times will increase the strength of the billet, but may reduce or close the pore space. The binder may be an oxide binder such as SiO ₂ or Al ₂ O ₃ . The oxide binder may also be in glass form, crystalline form or other inorganic binder. The binder can be applied using known techniques and methods, as disclosed in US Pat. No. 3,549,473. The teachings of these patents are incorporated herein by reference in their entirety.

그린 Green 빌릿의Billet 건조(소결) Drying (sintering)

본 발명의 실시예의 또 다른 단계에서, 그린 빌릿을 열 경화시킨다. 열 경화, 또는 소결을 위한 온도는 일반적으로 그린 빌릿의 건조에 사용된 온도보다 높다. 일 실시예에서, 상기 온도는 원하는 온도에 도달할 때까지 1시간 이상, 바람직하게는 수 시간에 걸쳐 점진적으로 상승된다. 일 실시예에서, 오븐을 예열시키고, 점진적으로 약 2,000～2,500℉까지 가열한다. 해당 분야에 알려져 있는 다른 온도도 적합하다.In another step of an embodiment of the invention, the green billet is heat cured. The temperature for thermal curing or sintering is generally higher than the temperature used for drying the green billet. In one embodiment, the temperature is raised gradually over one hour, preferably several hours, until the desired temperature is reached. In one embodiment, the oven is preheated and gradually heated to about 2,000-2,500 ° F. Other temperatures known in the art are also suitable.

바람직한 실시예에서, 바인더가 겔화된 후, 빌릿을 약 200℉로 약 4시간 동안 가열한 다음, 약 5시간에 걸쳐 약 600℉까지 서서히 온도를 올림으로써 빌릿을 경화시킨다. 최고 온도에 도달하여 유지시킨 후, 빌릿을 단시간에 급랭시킨다. 최종 결과로서 강직한 무기 섬유 빌릿이 얻어진다. 또한, 블랭크를 열 경화시키는 공정에서 사용되는 온도, 경화 시간, 급랭 온도와 시간, 온도의 상승 및 온도 상승 시간을 변경시킬 수 있다.In a preferred embodiment, after the binder has gelled, the billet is heated to about 200 ° F. for about 4 hours and then the billet is cured by slowly raising the temperature to about 600 ° F. over about 5 hours. After reaching and maintaining the maximum temperature, the billet is quenched in a short time. As a final result, a rigid inorganic fiber billet is obtained. In addition, it is possible to change the temperature, curing time, quenching temperature and time, temperature rise and temperature rise time used in the step of heat curing the blank.

섬유와 섬유간 접촉을 소결시키는 데 필요한 에너지를 공급하기 위해 빌릿을 불에 구움으로써 기재에 강도를 부여하는 결합을 형성한다. 예를 들면, 섬유와 섬유간 접촉의 수를 증가시킴으로써 강도가 증가될 수 있다. 상기 접촉의 수가 증가되면 밀도와 만곡부(tortuosity)가 증가된다. 기공 네트워크의 만곡부가 많아질수록, 투과성이 낮아진다. 소결은 섬유를 서로 용융시키는 것이 아니고 화학적으로 섬유를 결합시킨다. 빌릿은 고온 가열로에서 점진적으로 가열된다. 빌릿은 예비 가열된 다음, 원하는 밀도 및 융합(fusion)이 얻어질 때까지 약 2,000～2,500℉까지 가열된다. 바람직한 실시예에서 증점제와 같은 제2 화학물질은 연소되어 제거된다. 소결된 섬유를 포함하거나, 또는 그것으로 구성되거나 본질적으로 구성되는 기재는 잔류한다.The billet is roasted to provide the energy needed to sinter the fiber-to-fiber contact to form a bond that gives strength to the substrate. For example, the strength can be increased by increasing the number of fibers and fiber to fiber contacts. Increasing the number of contacts increases density and tortuosity. The more bends of the pore network, the lower the permeability. Sintering does not melt the fibers together but chemically bonds the fibers together. The billet is gradually heated in a high temperature furnace. The billet is preheated and then heated to about 2,000-2,500 ° F. until the desired density and fusion is achieved. In a preferred embodiment, the second chemical, such as thickener, is burned off. Substrates comprising, or consisting of or consisting essentially of sintered fibers remain.

바람직한 실시예에서, 점성 화학물질(증점제) 및 분산제는 연소되어 제거된다.In a preferred embodiment, the viscous chemicals (thickeners) and dispersants are combusted and removed.

또 다른 실시예에서, 다중 경화 단계가 실행된다. 이것은 기재의 경도를 증가시키기 위해 행해질 수 있다.In another embodiment, multiple curing steps are performed. This can be done to increase the hardness of the substrate.

상기 건조 및 경화 공정에서의 변수들은, 목표로 하는 섬유 블랭크의 밀도, 강도, 다공도, 투과성, 또는 고온에 대한 내구성에 따라 조절될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 경화 공정은 복수의 경화 적용을 이용할 수 있고, 가열 및 냉각의 간격 및 어프로치를 변경할 수 있다. 빌릿은 또한 급랭 또는 단련(temper)을 위해 급속히 냉각될 수 있다. 슬러리는 부가적 열로 처리될 수 있고, 또는 고밀도화 코팅 또는 다중 경화 및 소결과 같은 다른 처리가 실행될 수 있다.Parameters in the drying and curing process can be adjusted according to the density, strength, porosity, permeability, or durability to high temperatures of the target fiber blank. In one embodiment, the curing process may utilize a plurality of curing applications and may alter the spacing and approach of heating and cooling. The billet can also be cooled rapidly for quenching or tempering. The slurry may be treated with additional heat, or other treatments such as densification coating or multiple curing and sintering may be performed.

물리적 변형Physical deformation

상기 방법의 일 실시예에 있어서, 빌릿은 촉매로 코팅된다. 기재에 촉매를 적용하는 한 가지 방법에서, 기재는 촉매를 함유하는 슬러리로부터 형성될 수 있다. 촉매를 적용하는 다른 적합한 방법을 이용할 수도 있다. 본 발명의 또 다른 이점은, 촉매를 다른 재료에 적용할 수 있는 방법을 이용하여 nSiRF-C 재료에 촉매를 적용할 수 있다는 사실이 발견되었다는 점이다. In one embodiment of the method, the billet is coated with a catalyst. In one method of applying a catalyst to a substrate, the substrate may be formed from a slurry containing the catalyst. Other suitable methods of applying the catalyst may be used. Another advantage of the present invention is that it has been found that the catalyst can be applied to nSiRF-C materials using methods that can apply the catalyst to other materials.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 몰딩에 앞서서 슬러리에 촉매를 첨가한다. 이 경우에, 기재를 구성하는 개별적 섬유에 촉매가 직접 부착되어 있는 촉매 기재가 형성된다. 기재에 촉매를 첨가하는 이 방법은, 일 실시예에 있어서, 촉매를 촉매 기재의 코어 내에 분산시키는 효율적인 방법을 제공하며, 촉매를 단지 채널 벽을 따라서만 존재하게 하지 않는다. 이 실시예에서, 워쉬코트는 필요하지 않다.In another embodiment of the invention, the catalyst is added to the slurry prior to molding. In this case, a catalyst substrate is formed in which the catalyst is directly attached to the individual fibers constituting the substrate. This method of adding a catalyst to the substrate, in one embodiment, provides an efficient way to disperse the catalyst in the core of the catalyst substrate and does not leave the catalyst only along the channel wall. In this embodiment, no washcoat is needed.

기계 가공Machining

크루드(crude) 블록 형태의 빌릿은 특정한 형상으로 절단되거나 톱질 가공될 수 있고, 이어서 샌딩 처리되고, 최종적으로 원하는 형상을 가진 "슬러그"로 터닝 또는 기계 가공될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기재 재료의 조성물은 화학적, 열적 및 진동형 충격에 대해 복귀성이 높지만, 경도는 낮다. 이러한 낮은 경도로 인해 저항이 거의 없이 또는 최소의 저항으로 기계 가공될 수 있고, 또는 공구에 의해 마모될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 빌릿이 낮은 경도를 가지고 소프트함에도 불구하고, 상기 빌릿은 내구성이 높으며, 기계 가공, 조각 또는 성형하기에 용이하다. 상기 재료는 모스 경도 스케일(Moh's hardness scale)로 측정했을 때, 가장 소프트항 탈크가 1(Knoop 경도로 1～22)이고, 가장 단단한 다이아몬드가 10(Knoop 경도로 8,000～8,500)인 것에 비해, 보통 0.5～1.0(또는 Knoop 경도로 1～22)이다. 예를 들어, 실리콘 카바이드는 9～10의 모스 경도(Knoop 경도로 2,000～2,950)를 가진다. 다른 공지된 물질에 비해, 상기 빌릿은 매우 소프트하며, 스티로폼(Styrofoam)이다 발사 목재(Balsa wood) 만큼 기계 가공이나 조각에 힘이 들지 않는다.Billets in the form of crude blocks may be cut or sawed into a particular shape, then sanded and finally turned or machined into "slugs" having the desired shape. In a preferred embodiment, the composition of base material has high resilience to chemical, thermal and vibrational impacts, but low hardness. Due to this low hardness, it can be machined with little or no resistance or can be worn by a tool. In one embodiment, although the billet has a low hardness and is soft, the billet is highly durable and easy to machine, engrave or mold. The material is usually soft, as measured by the Moh's hardness scale, with the softest term talc being 1 (1 to 22 in Knoop hardness) and the hardest diamond being 10 (8,000 to 8,500 in Knoop hardness). 0.5 to 1.0 (or 1 to 22 in Knoop hardness). For example, silicon carbide has a Mohs' Hardness (2,000 to 2,950 in Knoop's hardness) of 9 to 10. Compared to other known materials, the billet is very soft and is Styrofoam, which does not require as much machining or engraving as Balsa wood.

빌릿은 성형되고, 샌딩되고, 터닝 또는 기계 가공되어 슬러그 형성의 제한 없는 성형성을 제공한다. 기계 가공의 범위는, 선반에서의 실린더 터닝, 키홀소, 밴드소 또는 직소로 성형하는 톱질, 형상의 샌딩 또는 표면의 스무딩, 또는 다른 고체 재료에 통상 사용되는 가공 방법 및 해당 분야에 알려져 있는 다른 방법 등을 포함할 수 있다. 상기 빌릿은 금속, 목재 또는 플라스틱을 가공하는 것과 동일한 정밀도로 매우 엄격한 허용공차까지 기계 가공될 수 있다. 빌릿을 원통형 몰드에서 최종 형상의 원하는 직경으로 캐스팅할 경우, 기계 가공은 단순히 원통형 빌릿을 원하는 두께로 절단하고 샌딩하면 된다. 이 공정은 또한 지나친 기계 가공으로 인한 기재의 손실을 감소시키며, 예비 형성 속도도 높여준다.The billets are molded, sanded, turned or machined to provide formability without limit of slug formation. The scope of machining includes cylinder turning on lathes, sawing to form keyholes, band saws or jigsaws, sanding of shapes or smoothing of surfaces, or other methods known in the art, as are commonly used in solid materials. And the like. The billets can be machined to very tight tolerances with the same precision as processing metal, wood or plastic. When the billet is cast from the cylindrical mold to the desired diameter of the final shape, machining simply cuts and sands the cylindrical billet to the desired thickness. This process also reduces the loss of substrates due to excessive machining and increases the rate of preforms.

기재의 전면 및 후면의 형상은 도 5에 나타낸 바와 같이, 원형(510), 타원형(520) 및 레이스트랙형(530)을 포함하여 많은 것이 가능하다. 3차원적으로, 기재는 실린더 또는 실질적으로 평탄한 디스크의 형태를 가질 수 있다. 종래의 기재는 이들 세 가지 디자인 중 하나로 존재한다. 직각을 이룬 모서리를 가진 디자인은 별로 효과적이 아니다. 기계 가공은 용이하지만, 정사각형 또는 각을 이룬 디자인은 녹과 부식성 물질, 예를 들면 도로용 염분(road salt)에 대한 트랩이 된다 고 입증되었다. 따라서, 슬러그의 전면 형상에 대해서는 둥글게 된 모서리가 바람직하다. The shape of the front and back sides of the substrate is many, including a circle 510, an ellipse 520, and a racetrack 530, as shown in FIG. 5. In three dimensions, the substrate may have the form of a cylinder or a substantially flat disk. Conventional substrates exist in one of these three designs. Designs with squared corners are not very effective. Although easy to machine, the square or angled design has proven to be a trap for rust and corrosive substances such as road salts. Therefore, rounded corners are preferable for the front shape of the slug.

빌릿, 기재 또는 슬러그는 밴드소, 직소, CNC 또는 당업자에게 알려져 있는 다른 방법에 의해 성형될 수 있다. 슬러그는 손으로 문지르기, 선반 샌딩, 벨트 샌딩 또는 궤도 샌딩에 의해서도 성형될 수 있다. 공기중에 떠다니는 입자들은 재료의 기공을 폐쇄시키지 못하도록 진공 흡입해야 한다. 또한, 이들 입자는 드릴 프레스의 베어링에 유입되어 파괴시키고 마모시키며 베어링에 자국을 낼 수 있다. 세라믹 분진도 매우 미세하여 작업자가 쉽게 흡입할 수 있다.Billets, substrates or slugs may be molded by band saws, jigsaws, CNCs or other methods known to those skilled in the art. Slugs may also be molded by hand rubbing, lathe sanding, belt sanding or orbital sanding. Particles floating in the air should be vacuumed in such a way as to not close the pores of the material. In addition, these particles can enter the bearings of the drill press, destroy and wear and mark the bearings. Ceramic dust is also very fine and can be easily inhaled by the operator.

성형된 슬러그는 본 발명에서의 기재로서 활용된다. 기재의 표면적은 촉매 정용에 있어서 중요한 특성이다. 표면적은 배기 방출물이 배기 필터를 통해 이동할 때 반드시 통과해야 하는 표면의 합계량이다. 표면적의 증가는, 오염물과 촉매 사이에 일어나는 화학 반응 및 열적 프로세스를 위한 더 많은 공간이 제공되어 촉매 전환기 프로세스를 더 신속하고 효율적으로 만드는 것을 의미한다. 속도와 효율은 배기 시스템의 고장을 야기할 수 있는 막힘을 거의 또는 전혀 초래하지 않을 수 있다. Molded slugs are utilized as substrates in the present invention. The surface area of the substrate is an important property in catalyst application. Surface area is the total amount of surface that must pass through when exhaust emissions travel through the exhaust filter. Increasing the surface area means that more space is provided for chemical reactions and thermal processes that take place between contaminants and catalysts, making the catalytic converter process faster and more efficient. Speed and efficiency may result in little or no blockage that can cause failure of the exhaust system.

일 실시예에서, 본 발명의 기재는 83.58 in²/in³의 그로스 표면적을 가진다. 이것은 비교되는 마크로치수(예컨대, 직경, 길이 및 폭)를 가진 코디어라이트 샘플에 비해, 귀금속으로 함침될 수 있는 면적이 큰 것을 의미한다. 그러나, 이 그로스 표면적 계산에는 상이한 재료들의 밀도, 다공도 및 투과성이 포함되지 않았음을 알아야 한다.In one embodiment, the substrate of the present invention has a gross surface area of 83.58 in ² / in ³ . This means that the area that can be impregnated with the noble metal is large compared to cordierite samples having the compared macro dimension (eg diameter, length and width). However, it should be noted that this gross surface area calculation does not include the density, porosity and permeability of the different materials.

본 발명의 예시적 실시예에서, 기재는 디젤 엔진용 배기 필터 시스템에 사용된다. 기재는 AETB 포뮬레이션을 이용하여, 8～25 lb/ft³의 밀도를 가진 약 13"×13"×5" 크기의 빌릿으로 성형된다. 상기 빌릿으로부터, 다이아몬드 선단의 톱 또는 텅스텐-카바이드 밴드소를 이용하여, 직경이 6 in인 길이 5 in의 실린더 슬러그 또는 정타원형 실린더 슬러그가 절단된다. 이 슬러그는 기재를 성형하는 스피닝 선반(원형 실린더의 경우) 또는 벨트 샌더(belt sander)에 의해 정확한 허용공차까지 추가로 가공된다.In an exemplary embodiment of the invention, the substrate is used in an exhaust filter system for a diesel engine. The substrate is shaped into a billet of about 13 "x 13" x 5 "with a density of 8 to 25 lb / ft ³ using an AETB formulation. From the billet, a diamond tip saw or tungsten-carbide band saw Using a 6 in diameter, 5 in. Long or regular ellipsoidal cylinder slug is cut, which is precisely permitted by a spinning lathe (for circular cylinders) or a belt sander forming the substrate. Further machining to tolerances is possible.

기재의 홀과 채널의 제조Fabrication of holes and channels of substrate

본 발명의 일 실시예에서, 의도하는 가스 흐름에 실질적으로 길이 방향으로 복수의 채널이 여과 또는 촉매 기재에 형성된다. 상기 채널은 기재의 길이를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 연장된다. 도 5 내지 14는 복수의 채널을 가진 본 발명의 특정한 실시예를 나타내는 개략도이다. 일 실시예에 있어서, 채널은 유체의 흐름에 대해 소정의 각도로 연장된다.In one embodiment of the present invention, a plurality of channels are formed in the filtration or catalyst substrate substantially in the longitudinal direction of the intended gas flow. The channel extends partially or fully through the length of the substrate. 5-14 are schematic diagrams illustrating a particular embodiment of the invention with a plurality of channels. In one embodiment, the channel extends at an angle with respect to the flow of the fluid.

이들 채널의 내측 표면은 기재의 작은 체적 내에 더 많은 오염물을 포착하고 처리하도록 화학적으로 코팅될 수 있다. 기재에 채널이 형성될 때, 작은 채널이 높은 표면적을 가지기 위해서는, 예를 들면 200, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 또는 2500 cpsi를 갖는 더 작은 직경의 채널이 바람직하다.The inner surface of these channels can be chemically coated to capture and treat more contaminants within a small volume of the substrate. When the channel is formed in the substrate, for the small channel to have a high surface area, for example, 200, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, Smaller diameter channels with 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, or 2500 cpsi are preferred.

또 다른 실시예에서, 채널은 기재의 전장을 통해 연장된다. 그러한 기재는 플로우 스루 구조를 갖는다.In another embodiment, the channel extends through the full length of the substrate. Such substrates have a flow through structure.

이와는 달리, 채널은 기재의 전장을 통해 연장되지 않고, 기재의 길이를 통해 약 50% 내지 약 99% 만큼 연장된다. 그러한 기재는 벽-유동 구조로 간주된다. 벽-유동의 채널 중 미천공 부분(undrilled portion)은 다양한 두께를 가질 수 있다. 도 8은 다양한 두께를 가진 미천공 부분(840, 845)을 가진, 본 발명의 실시예에 따른 벽-유동 패턴의 기재(820)를 나타낸다. 이 실시예에서, 교대형 유입 채널은 다른 유입 채널 및 유출 채널보다 더 큰 벽 두께를 가진다. 그러나, 미천공 부분의 다양한 두께는 유입 또는 유출 채널이 더 얇거나 두꺼운 미천공 부분을 갖도록 임의의 조합으로 구성될 수 있고, 미천공 부분 전부는 두께가 실질적으로 동일하지 않을 수 있다. 벽 두께는 매우 얇고 다공질이므로 배기 가스(830)는 방출물 유입 채널로부터 벽을 통과하여 유출 채널로 지나가서 방출물 입자를 포착한다. 미천공 부분의 내측 에지들(850, 855) 사이의 길이는 크로스오버 영역(crossover region)으로 알려져 있다. 일부 또는 모든 유입 채널에서 미천공 부분(840)이 더 두꺼우면, 방출물 흐름(830)은 크로스오버 영역에서 기재의 채널 벽을 통과하여 기재(820)를 빠져나갈 가능성이 크다. 방출물 흐름(830)은 여전히 얇은 미천공 부분(845)을 통과할 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 채널의 미천공 부분은 촉매의 선택적 함침을 가지므로, 촉매의 양은 채널 벽에 존재하는 양과 다르다.In contrast, the channel does not extend through the full length of the substrate, but extends by about 50% to about 99% through the length of the substrate. Such substrates are considered wall-flow structures. The unrilled portion of the wall-flowing channel can have various thicknesses. 8 shows a substrate 820 of a wall-flow pattern in accordance with an embodiment of the present invention having unperforated portions 840 and 845 with various thicknesses. In this embodiment, the alternate inlet channel has a larger wall thickness than the other inlet and outlet channels. However, the various thicknesses of the unperforated portions can be configured in any combination such that the inlet or outlet channels have thinner or thicker unperforated portions, and all of the unperforated portions may not be substantially equal in thickness. The wall thickness is so thin and porous that the exhaust gas 830 passes from the inlet inlet channel through the wall into the outlet channel to capture the emission particles. The length between the inner edges 850 and 855 of the unperforated portion is known as the crossover region. If the unperforated portion 840 is thicker in some or all of the inlet channels, the discharge stream 830 is likely to exit the substrate 820 through the channel wall of the substrate in the crossover region. Emission stream 830 will still pass through thin microperforated portion 845. In another embodiment of the invention, the amount of catalyst differs from the amount present in the channel wall since the unperforated portion of the channel has a selective impregnation of the catalyst.

미천공 부분의 두께는 제한된다. 가스 흐름은 동등한 두께를 가진 벽의 표면적을 증가시킴으로써 증가된다. 미천공 부분이 너무 얇으면, 과도한 역압력으로 인해 파열될 수 있다.The thickness of the unperforated part is limited. Gas flow is increased by increasing the surface area of the walls with equivalent thickness. If the unperforated portion is too thin, it may burst due to excessive back pressure.

기계적 천공Mechanical perforation

실시예의 기재가 빌릿으로부터 절단되어 기계 가공되고 나면, 기재는 천공을 위한 드릴링 홀더(drilling holder)에 삽입된다. 실린더의 주축 및 배기 방출물 흐름에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 복수의 채널이 기재 내로 천공될 수 있다. 채널 직경이 작을수록, 더 많은 채널이 기재 내로 천공될 수 있다.After the substrate of the embodiment has been cut from the billet and machined, the substrate is inserted into a drilling holder for drilling. A plurality of channels can be drilled into the substrate in a direction substantially parallel to the main axis of the cylinder and the exhaust emission flow. The smaller the channel diameter, the more channels can be drilled into the substrate.

다른 실시예에서, 채널은 기재 내로 천공된다. 기재는 천공용 금속 홀더에 설치된다. 상기 홀더는, 예를 들면, 기재 슬러그를 정위치에 견고하게 고정하고, 기재를 파손하지 않으면서 기재가 움직이지 못하도록 유지하는, 한 쌍의 커다란 금속 암(arm)일 수 있다. 홀더는 기재를 맞물고, 천공을 위해 기재를 안정되게 유지한다. 기재의 한 쪽이 천공된 후, 홀더는 기재의 반대측에서 천공이 될 수 있도록 정확히 180도 회전한다. 상기 회전이 정확히 180도가 아니면, 천공된 채널이 적절히 정렬되지 못하거나 평행을 이루지 못한다. 또한, 입구에서의 압력은 출구에서의 압력과 실질적으로 동일하거나 비슷해야 한다. 바람직하게는, 평행한 벽을 보장하기 위해서, 상기 홀더는 원하지 않는 어떠한 방향으로도 0.0001 in 이상 기재를 이동시키지 않아야 한다.In another embodiment, the channel is perforated into the substrate. The substrate is installed in a metal holder for drilling. The holder can be, for example, a pair of large metal arms that firmly holds the substrate slug in place and keeps the substrate from moving without breaking the substrate. The holder engages the substrate and keeps the substrate stable for drilling. After one side of the substrate has been perforated, the holder is rotated exactly 180 degrees to be perforated on the opposite side of the substrate. If the rotation is not exactly 180 degrees, the perforated channels are not properly aligned or parallel. In addition, the pressure at the inlet should be substantially the same or similar to the pressure at the outlet. Preferably, in order to ensure parallel walls, the holder should not move the substrate more than 0.0001 in in any undesired direction.

본 발명에 따른 기재의 채널은 기계적 천공 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨터 수치 제어("CNC") 천공이 사용되는데, 이것은 기계 공장 중에서 보편적이며 바람직한 방법이다. CNC 천공은 훨씬 느리며, 하루에 수천 개의 필터를 생산해야 하는 대량 생산 환경에서는 경제적으로 적합하지 않다. CNC 천공은 높은 정밀도와 정확성으로 실행된다. CNC 천공은 드릴 비트로 다중 패스를 이룸으로써 행해진다. CNC는 한 번의 패스에 기재 내로 조금 더 천공하며, 비트가 나올 때 섬유상 재료를 제거한다.The channels of the substrate according to the invention can be produced using a mechanical drilling process. In one embodiment, computer numerical control ("CNC") drilling is used, which is a common and preferred method among machine shops. CNC drilling is much slower and is not economically feasible in mass production environments where thousands of filters are produced per day. CNC drilling is performed with high precision and accuracy. CNC drilling is done by making multiple passes with drill bits. The CNC drills a little more into the substrate in one pass and removes the fibrous material when the bit comes out.

드릴 비트는 강인하고 부서지기 쉬운 특성 때문에 텅스텐 카바이드 또는 당업자에게 알려져 있는 유사한 재질일 수 있다.Drill bits may be tungsten carbide or similar materials known to those skilled in the art because of their tough and brittle properties.

드릴 비트는 약 10 ft/분의 공급 속도로 관통한다. 드릴 비트가 용융되는 것을 방지하기 위해서 느린 공급 속도가 필요하다. 드릴 비트가 25 ft/분의 공급 속도로 관통하면, 드릴 비트는 녹는다. 또한, 엄청난 기공 공간으로 인해, 드릴 비트는 "워크(walk)" 즉 배회하는 경향을 갖는다. 관통 속도를 느리게 함으로써 이 문제가 해결된다.The drill bit penetrates at a feed rate of about 10 ft / min. A slow feed rate is necessary to prevent the drill bit from melting. If the drill bit penetrates at a feed rate of 25 ft / min, the drill bit melts. In addition, due to the enormous pore space, the drill bit tends to "walk" or roam. This problem is solved by slowing the penetration rate.

드릴 비트의 회전은 느린 속도가 바람직하다. 드릴 비트는 약 200 rpm으로 회전해야 한다. 이보다 너 높은 속도, 예를 들면 10,000 rpm으로 드릴 비트가 회전하면, 드릴 비트의 용융이 초래될 수 있다. 드릴 비트는 물, 알코올 또는 글리세린과 같은 윤활유에 의해 천공 공정 내내 냉각 상태로 유지된다.Slow rotation of the drill bit is preferred. The drill bit should rotate at about 200 rpm. If the drill bit rotates at a speed higher than this, for example 10,000 rpm, melting of the drill bit may result. The drill bit is kept cooled throughout the drilling process by lubricating oils such as water, alcohol or glycerin.

기재가 절단되고, 최종 치수로 샌딩되고 나면, 채널을 절단하거나 기재 내로 천공한다. 이 예시적 실시예에서, 채널은 DPSSL을 이용하여 절단된다. 기재가 매우 다공질이고 투과성이기 때문에, 기재는 종래의 필터 만큼 두꺼울 필요가 없다. 또한, 기재가 얇거나 작으면, 한 개의 빌릿을 절단하여 여러 개의 기재를 생산할 수 있고 적용할 코팅 또는 촉매의 소요량이 감소되므로 생산비가 적게 든다.Once the substrate is cut and sanded to the final dimensions, the channel is cut or drilled into the substrate. In this exemplary embodiment, the channel is truncated using DPSSL. Since the substrate is very porous and permeable, the substrate need not be as thick as a conventional filter. In addition, when the substrate is thin or small, one billet can be cut to produce several substrates, and the production cost is low because the requirement of coating or catalyst to be applied is reduced.

워터Water 드릴링Drilling (water drilling)(water drilling)

또 다른 실시예에서, 채널의 형성에 워터 컷팅(water cutting)(또는 워터 드릴링)이 사용된다. 워터 컷팅은 고압으로 물을 미세하게 분사하여 기재에 구멍을 뚫는다. 그러나, 워터 제트는 블라인드 홀(blind hole)(즉, 기재를 완전히 관통하지 않는 채널)을 남기기 위해 컷팅 공정중에 중단할 수 없다. 워터 제트의 물리적 특성은 채널 개구부의 크기를 제트의 직경 이상의 직경으로 제한한다. 일 실시예에 있어서, 제트를 사용하여 직사각형 홀을 형성할 수 있다.In another embodiment, water cutting (or water drilling) is used to form the channel. Water cutting finely sprays water at high pressure to puncture the substrate. However, the water jet cannot stop during the cutting process to leave blind holes (ie, channels that do not completely penetrate the substrate). The physical properties of the water jets limit the size of the channel openings to diameters above the diameter of the jets. In one embodiment, jets may be used to form rectangular holes.

가스-gas- 드릴링Drilling

본 발명의 또 다른 태양에서, 기재의 제조에 가스 드릴링 방법이 사용된다. 가스-드릴링은 해당 기술 분야에 알려져 있으며, 기재에 채널을 제조하기 위해 본 발명의 기재에 적용할 수 있다.In another aspect of the invention, a gas drilling method is used for the manufacture of a substrate. Gas-drilling is known in the art and can be applied to the substrates of the present invention to produce channels in the substrate.

빗질(combing)Combing

또 다른 실시예에서, 채널은 빗질 공정을 이용하여 형성되거나 성형된다. 빗은 기재 내부로 강제 진입(브로칭(broaching))시킬 수 있는 복수의 빗살(tine)을 구비한 금속 기구인 것이 바람직하다. 브로칭에 사용되는 빗은 복수의 빗살을 포함한다. 빗살의 길이, 폭, 두께 및 형상은 원하는 채널의 성질, 형상 및 치수에 따라 변동될 수 있다.In yet another embodiment, the channel is formed or shaped using a combing process. The comb is preferably a metal instrument with a plurality of tines that can be forced into the substrate (broaching). The comb used for broaching includes a plurality of combs. The length, width, thickness and shape of the comb teeth may vary depending on the nature, shape and dimensions of the desired channel.

일 실시예에 있어서, 빗은 기재의 표면에 실질적으로 수직으로 기재 내에 강제 진입한다. 다른 실시예에서, 빗은 기재의 표면에 소정의 각도로 기재 내에 강제 진입한다. 빗의 이용은 특히 블라인드 채널의 형성에 바람직한 방법이다. 적합한 빗은 또한, 예를 들면 4×4 또는 16×16의 행과 열로 빗살이 구성되도록 만들 어질 수 있는 것으로 이해된다.In one embodiment, the comb is forced into the substrate substantially perpendicular to the surface of the substrate. In another embodiment, the comb is forced into the substrate at an angle to the surface of the substrate. The use of a comb is a particularly preferred method for the formation of blind channels. Suitable combs are also understood that combs can be made up, for example, in rows and columns of 4x4 or 16x16.

일반적으로, 빗질 공정은 대부분 또는 모든 채널이 성형될 때까지 빗을 기재 재료 내부로 여러 번 반복해서 강제력을 가하는 단계를 포함한다. 이 공정을 여기서는 페킹(pecking)이라고 칭한다. 선택적으로, 매회 강제 빗질 후, 제거할 과량의 기재 재료가 채널로부터, 예를 들면, 공기에 의해 치워질 수 있도록 빗을 채널로부터 제거할 수 있다. 페킹/브로칭 단계 동안 섬유가 축적되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 섬유의 축적은 벽 일부 또는 전부를 파열시킬 수 있다. 이러한 성질을 조절하기 위해서, 채널 및 드릴 비트 표면을 세정하는 데에 진공 및/또는 압축 공기를 사용할 수 있다.Generally, the combing process involves repeatedly forcing the comb several times into the substrate material until most or all of the channels have been formed. This process is referred to herein as peking. Optionally, after forced combing each time, the comb can be removed from the channel so that excess substrate material to be removed can be removed from the channel, for example by air. It is desirable to prevent the fibers from accumulating during the peking / broaching step. Accumulation of fibers can rupture some or all of the walls. To control this property, vacuum and / or compressed air can be used to clean the channel and drill bit surfaces.

일 실시예에서, 채널 벽으로부터 소정량의 기재 재료를 변위시키거나 떼어내기에 충분한 힘으로 빗을 기재 내에 강제 진입시킨다. 바람직한 실시예에서, 빗살이 채널 내로 약 0.1 in 진입하기에 충분한 크기의 힘을 가한다. 다른 적합한 값으로는 0.05, 0.15 및 0.2 in가 포함된다. 바람직하게는, 채널을 형성 또는 성형하기 위해 가해지는 힘의 크기는 채널 벽을 실질적으로 손상시키지 않고 채널을 형성 또는 성형하기에 충분한 힘이다. 이 공정은 원하는 길이와 형상의 채널이 제조될 때가지 반복적으로 기재 내로 빗살에 강제력을 가하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the comb is forced into the substrate with a force sufficient to displace or dislodge an amount of substrate material from the channel wall. In a preferred embodiment, the comb teeth exert a force of sufficient magnitude to enter about 0.1 inches into the channel. Other suitable values include 0.05, 0.15 and 0.2 in. Preferably, the magnitude of the force applied to form or form the channel is sufficient to form or form the channel without substantially damaging the channel wall. This process involves repeatedly forcing a comb into the substrate until a channel of the desired length and shape is produced.

빗살의 형상은 채널의 형상을 결정한다. 예를 들어, 빗에 부착된 직사각형 빗살에 의해서 직사각형 형상의 채널 개구부를 가진 직사각형 채널이 형성된다.The shape of the comb teeth determines the shape of the channel. For example, a rectangular channel having rectangular channel openings is formed by rectangular comb teeth attached to the comb.

빗에 부착된 쐐기형 빗살은 쐐기형 채널을 형성하는 데 사용된다. 쐐기형 빗살을 사용함으로써 정사각형 개구부와 벽이 평행한 채널이 제조된다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 기재(1700)는 평행한 쐐기형 "블라인드" 채널(1702), 즉 출구 홀이 없는 기재로 이루어진다. 블라인드 채널(1702)은 배출되기 전에 가스(1704)로 하여금 기공 공간 채널을 강제로 통과하도록 한다. Wedge comb attached to the comb is used to form a wedge channel. The use of a wedge comb creates a channel parallel to the square opening and wall. As shown in FIG. 17, the substrate 1700 consists of a parallel, wedge-shaped “blind” channel 1702, ie, a substrate without an exit hole. The blind channel 1702 forces the gas 1704 to pass through the pore space channel before exiting.

빗에 부착된 사면체 피라미드형 빗살은 피라미드형 채널을 형성하는 데 사용된다. 벽들은 평행하고 개구부는 실질적으로 정사각형이다. 그러나, 채널 개구부에서는 벽과 평탄한 전면에 인접해 있지 않고 채널들이 한 점에서 만나기 때문에 벽 두께가 최소이다. 이것은 전방 표면적의 감소를 초래하며, 그에 따라 역압력이 감소된다. 사면체 피라미드형 빗살에 있어서, 빗을 분리하기 위한 심(shim)은 필요하지 않다. 이 실시예에서, 도 16을 참조하면, 적합한 빗은 평탄한 단부를 갖지 않고 한 점에 모이는 빗살을 가진다. 물론, 다양한 다른 형상의 빗살도 본 발명에 포함된다.A tetrahedral pyramidal comb attached to the comb is used to form a pyramidal channel. The walls are parallel and the openings are substantially square. However, in the channel opening, the wall thickness is minimal because the channels meet at one point without adjoining the wall and the flat front. This results in a reduction of the front surface area, thus reducing the back pressure. For tetrahedral pyramidal combs, no shim is needed to separate the comb. In this embodiment, referring to FIG. 16, a suitable comb does not have a flat end and has combs that gather at a point. Of course, various other shapes of combs are included in the present invention.

다각형 형상의 채널을 형성하기 위해 빗에 부착된 텐트형 빗살이 사용된다. 다각형 형상의 채널에 의해 전방 표면적이 최소화된다.Tent shaped combs attached to the comb are used to form a polygonal channel. The front surface area is minimized by the polygonal shaped channel.

도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 예시적 빗(1600)의 치수가 도시되어 있다. 빗(1600)은 길이가 약 6.000 in이고 폭이 0.0308 in이다. 빗(1600)은 복수의 빗살(1620)이 연장되어 있는 베이스(1610)를 포함한다. 베이스(1610)의 높이는 0.4375 in이다. 복수의 빗살(1620)은 길이가 1.250 in이고 폭이 0.0308 in이며, 0.010 in의 간격을 가진다.Referring to FIG. 16, dimensions of an exemplary comb 1600 in accordance with an embodiment of the present invention are shown. The comb 1600 is about 6.000 in long and 0.0308 in wide. Comb 1600 includes a base 1610 from which a plurality of combs 1620 extend. The height of the base 1610 is 0.4375 in. The plurality of combs 1620 are 1.250 in long and 0.0308 in wide, with a spacing of 0.010 in.

빗질 공정의 일 실시예에서, 먼저 드릴 비트에 의해 원형인 채널이 형성된다. 평행 벽을 구비한 성형된 채널을 제조하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따 르면, 빗살이 원형 채널을 브로치(즉, 프레스 또는 스탬프)하여 성형된 채널을 생성한다. 빗(150)의 일례가 도 15에 도시되어 있다. 브로칭은 CNC 프레스에서 실행되는 것이 바람직하다. 뒤에 남겨지는 자국이 성형되는 채널 및 채널 개구부이다. 셀 벽 두께는 전술한 바와 같이 변동될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 빗질 공정은 채널 벽 두께가 약 4 mil 내지 약 20 mil, 바람직하게는 약 6 mil 내지 약 10 mil인 촉매 또는 여과 기재를 생성한다.In one embodiment of the combing process, a circular channel is first formed by the drill bit. To produce shaped channels with parallel walls, according to one embodiment of the present invention, the comb teeth broach (ie press or stamp) the circular channels to produce shaped channels. An example of a comb 150 is shown in FIG. 15. Broaching is preferably carried out on a CNC press. The marks left behind are the channels and channel openings to be shaped. The cell wall thickness can vary as described above. In one embodiment, the combing process produces a catalyst or filtration substrate having a channel wall thickness of about 4 mils to about 20 mils, preferably about 6 mils to about 10 mils.

빗질 공정에서, 금속 빗은 지그(jig)라고 불리는 박스에 설치되어 브로칭용 CNC 프레스에 장착될 수 있다. 지그 내에서, 빗은 심에 의해 분리된다. 빗들 사이의 간격은 허용공차가 낮고, 브로칭하는 동안 움직임을 제한하기 위해 빗은 지그에 단단히 고정될 필요가 있다. 도 16을 참조하면, 심(1630)은 빗(1600)을 위한 스페이서로서 이용된다. 심(1630)은 폭 0.010 in, 길이 6.000 in 및 높이 0.4375 in의 치수를 가진다.In the combing process, the metal comb can be installed in a box called a jig and mounted on a broaching CNC press. Within the jig, the comb is separated by a shim. The spacing between the combs is low and the combs need to be firmly fixed to the jig to limit movement during broaching. Referring to FIG. 16, shim 1630 is used as a spacer for comb 1600. Shim 1630 has dimensions of 0.010 in width, 6.000 in length and 0.4375 in height.

바람직하게는, 빗살을 정렬된 상태로 유지하기 위해 적어도 하나의 스크린이 빗 상부에 제공된다. 바람직하게, 스크린은 필요에 따라 정렬을 분배하도록 떠있다(floating). 부가적으로, 스크린은 다양한 길이, 예를 들면 약 0.5 in 내지 약 6.0 in의 빗살에 도움이 된다. 상기 적어도 하나의 스크린은, 예를 들면 떠있거나, 스프링-부하되거나(spring-loaded) 고정되어, 빗살을 따라 어느 위치에든 설치될 수 있다. 상기 적어도 하나의 스크린은 빗살을 따라 떠있을 수 있다. 빗살은 적어도 하나의 스크린에 고정되지 않고, 스크린을 조절할 수 있도록 빗살에 설치된다. 상기 적어도 하나의 스크린은 빗살에 스프링-부하되어 있을 수 있다. 스프링 -부하 스크린에 의해, 스크린에 대한 기재의 압력은 빗살들 사이의 거리를 대략 기재의 에지에 유지시킨다. 상기 적어도 하나의 스크린은 또한 빗살의 길이를 따른 임의의 위치에서 빗살에 고정될 수도 있다.Preferably, at least one screen is provided on top of the comb to keep the comb aligned. Preferably, the screen is floating to distribute the alignment as needed. In addition, the screen helps with combs of various lengths, for example from about 0.5 in to about 6.0 in. The at least one screen can be installed, for example, floating, spring-loaded or fixed at any position along the comb. The at least one screen may float along the comb teeth. The comb is not fixed to at least one screen, but is installed on the comb so that the screen can be adjusted. The at least one screen may be spring-loaded to the comb teeth. By means of a spring-loaded screen, the pressure of the substrate against the screen maintains the distance between the combs approximately at the edge of the substrate. The at least one screen may also be secured to the comb at any position along the length of the comb.

본 발명의 또 다른 실시예는 복수의 채널을 가진 촉매 또는 여과 기재의 제조 방법으로서, 상기 복수의 채널을 형성하기 위해 빗을 사용하여 기재에 페킹하는 단계를 포함하는 제조 방법을 제공하려는 것이다. 바람직한 실시예에서, 이 방법은 단계적 프로세스이다. 즉, 빗의 빗살을 1회 삽입하여 전체 채널을 형성하는 것이 아니고, 채널의 원하는 길이가 얻어질 때까지 소량의 증분으로 빗의 빗살을 반복적으로 삽입하고 꺼낸다. 각각의 펙과 그 다음 번 펙 사이에 제거되는 기재 재료를 채널에서 세정하는 것이 바람직하다.Another embodiment of the present invention is to provide a method for preparing a catalyst or filtration substrate having a plurality of channels, the method comprising the step of peking the substrate using a comb to form the plurality of channels. In a preferred embodiment, this method is a stepwise process. That is, instead of inserting the comb teeth once to form the entire channel, the comb teeth are repeatedly inserted and taken out in small increments until the desired length of the channel is obtained. It is desirable to clean the substrate material in the channel that is removed between each peck and the next peck.

또 다른 실시예에서, 빗질 공정은 채널을 형성하는 기계 및/또는 로보트를 이용하는 자동화 프로세스이다.In another embodiment, the combing process is an automated process using a machine and / or robot to form a channel.

빗의 제조 방법How to make a comb

본 발명에서 사용하기 위한 빗의 제조 방법은 여러 가지가 있다. 빗은, 특별히 제한되지는 않지만, 스테인레스강, 텅스텐, 또는 키 스톡(key stock)을 포함하는 재료로 만들어질 수 있다. 빗의 성형 방법은 레이저 절단, 워터 컷팅 및 전자 방출 가공(electronic discharge machining), 또는 당업자가 이용할 수 있는 다른 성형 방법의 활용을 포함한다.There are several methods for producing a comb for use in the present invention. The comb may be made of a material including, but not limited to, stainless steel, tungsten, or key stock. Comb shaping methods include laser cutting, water cutting and electronic discharge machining, or the use of other shaping methods available to those skilled in the art.

빗을 제조하는 데에 DPSSL을 이용할 수 있다. 빗을 제조하는 데에 워터 컷팅을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 워터 컷팅을 이용하여 한 번의 컷팅으로 30개 내지 50개의 빗을 제조한다. DPSSL can be used to make combs. Water cutting may also be used to make the comb. For example, in one embodiment 30 to 50 combs are made in one cut using water cutting.

전자 방출 가공("EDM")은 빗을 제조하기 위한 또 하나의 방법이다. EDM은 전극과 도전성 가공품 사이에서 유전성 유체의 존재 하에 일련의 반복되는 전자 방출에 의해 도전성 재료가 제거되는 열적 침식 프로세스(thermal erosion process)이다. EDM은 기재가 전도성 물질로 만들어진 경우에는 기재 상에서 마찬가지로 사용된다. EDM에는 적어도 다음 두 가지 형태가 있다: (1) 램(ram) 및 (2) 와이어.Electron emission processing ("EDM") is another method for manufacturing combs. EDM is a thermal erosion process in which a conductive material is removed by a series of repeated electron emission in the presence of a dielectric fluid between an electrode and a conductive workpiece. EDM is likewise used on a substrate when the substrate is made of a conductive material. There are at least two forms of EDM: (1) ram and (2) wire.

EDM 램, 즉 다이 싱킹(die sinking)을 이용하여,펄스형 파워 서플라이의 하나의 폴(pole), 보통 포지티브 폴에 연결되어 있는 램에 전극/공구가 부착된다. 가공품은 네거티브 폴에 연결된다. 이어서, 가공품과 전극 사이에 갭이 있도록 가공품을 위치시킨다. 그런 다음, 상기 갭을 유전성 유체로 가득 채운다. 파워 서플라이를 on시키면, 1초당 수천 번의 직류(DC) 펄스가 갭을 가로지르고 침식 공정을 시작한다. 발생되는 스파크 온도는 14,000℉ 내지 21,000℉의 범위일 수 있다. 침식이 계속되는 동안, 전극은 갭 치수를 일정하게 유지하면서 가공품 내부로 전진한다.Using EDM ram, i.e. die sinking, an electrode / tool is attached to a ram that is connected to one pole, usually a positive pole of a pulsed power supply. The workpiece is connected to a negative pole. The workpiece is then positioned so that there is a gap between the workpiece and the electrode. The gap is then filled with a dielectric fluid. When the power supply is turned on, thousands of direct current (DC) pulses per second cross the gap and begin the erosion process. The spark temperature generated may range from 14,000 ° F. to 21,000 ° F. While erosion continues, the electrode advances into the workpiece while keeping the gap dimension constant.

빗 제조에는 와이어 EDM 방법이 바람직하다. 와이어법은 가공품 주위로 와이어가 미리 설정된 패턴으로 이동할 때 복잡한 컷을 만들기 위한 전극으로서 소모성인 전기 충전형 와어를 사용한다.The wire EDM method is preferable for comb manufacture. The wire method uses consumable electrically charged wires as electrodes to make complex cuts when the wire moves around the workpiece in a predetermined pattern.

벽이 너무 얇으면, 빗살에 있는 임의의 거친 에지가 브로칭 도중에 출입하면서 벽을 찢을 수 있다. 따라서, 빗은 섬유에 걸릴 수 있는 임의의 버(burr) 또는 날카로운 에지를 제거하도록 폴리싱(polishing)되어야 한다. 빗의 컷팅 및 폴리싱 은 열을 발생할 수 있고, 이것은 빗을 휘게 할 수 있다. 생성되는 홀이 평행하고 파열되지 않도록 보장하기 위해, 허용공차를 약 0.0001 in로 유지하는 것이 바람직하다.If the wall is too thin, any rough edges on the comb can tear the wall in and out during broaching. Thus, the comb must be polished to remove any burrs or sharp edges that may be caught on the fiber. Cutting and polishing of the comb can generate heat, which can bend the comb. To ensure that the resulting holes are parallel and not ruptured, it is desirable to maintain the tolerance to about 0.0001 in.

브로칭에 사용되는 빗은 복수의 빗살을 포함한다. 원하는 채널의 속성에 따라 빗살의 길이, 폭, 두께 및 형상을 변동될 수 있다. 도 16을 참조하면, 빗(1600)의 치수가 본 발명의 실시예에 따라 도시되어 있다. 빗(1600)은 길이가 약 6.000 in이고 폭이 0.0308 in이다. 빗(1600)은 복수의 빗살(1620)이 연장되어 있는 베이스(1610)를 포함한다. 베이스(1610)의 길이는 0.4375 in이다. 복수의 빗살(1620)은 길이가 1.250 in이고, 폭이 0.0308 in이며, 0.010 in의 간격을 갖는다.The comb used for broaching includes a plurality of combs. The length, width, thickness and shape of the comb teeth may vary depending on the properties of the desired channel. Referring to Figure 16, the dimensions of the comb 1600 are shown in accordance with an embodiment of the present invention. The comb 1600 is about 6.000 in long and 0.0308 in wide. Comb 1600 includes a base 1610 from which a plurality of combs 1620 extend. Base 1610 is 0.4375 inches in length. The plurality of combs 1620 are 1.250 in long, 0.0308 in wide, and have a spacing of 0.010 in.

레이저 가공Laser processing

다른 방법으로는 다이오드 펌프형 고체 상태 레이저(diode-pumped solid-state laser; "엔니") 드릴링; 예를 들어 CO₂에 의한 화학적 레이저; 전자 빔("EB") 드릴링; 또는 전극 드릴링 장치('EDM") 또는 당업자에게 알려져 있는 다른 방법의 이용이 포함된다. 빗의 재료를 컷팅하는 데 적합한 임의의 레이저를 이용할 수 있다. Other methods include diode-pumped solid-state laser ("Ennie") drilling; Chemical lasers, for example with CO ₂ ; Electron beam (“EB”) drilling; Or the use of an electrode drilling apparatus ('EDM') or other methods known to those skilled in the art, Any laser suitable for cutting the material of the comb can be used.

기재는 DPSSL 드릴링과 같은 레이저 드릴링을 이용하여 절삭된다. 이 방법은 CAD 프로그램을 이용하여 프로그램된 레이저로 드릴링한다. CAD 프로그램은 CAM 프로그램으로 로딩된다. 레이저는 산소 또는 바람직하게 질소에 의해 미세한 펄스로 절삭한다. DPSSL에 의하면 1분당 약 2,000개의 채널의 속도로 채널을 절삭할 수 있다. 일 실시예에서, 채널은 약 100 nm의 직경을 가진다. 레이저 드릴링은 공지된 기법 및 미국 특허 제4,686,128호에 개시된 방법을 이용하여 실행될 수 있다. 상기 특허의 교시는 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다. 일 실시예에서, 상기 방법은 약 0.5 in 이하의 깊이(또는 길이)를 가진 채널을 제조하기 위해 레이저 드릴링을 이용한다.The substrate is cut using laser drilling such as DPSSL drilling. This method drills with a laser programmed using a CAD program. The CAD program is loaded into the CAM program. The laser cuts into fine pulses with oxygen or preferably nitrogen. DPSSL can cut a channel at a rate of about 2,000 channels per minute. In one embodiment, the channel has a diameter of about 100 nm. Laser drilling can be performed using known techniques and methods disclosed in US Pat. No. 4,686,128. The teachings of these patents are incorporated herein by reference in their entirety. In one embodiment, the method uses laser drilling to produce a channel having a depth (or length) of about 0.5 inches or less.

또한 일 실시예에서, 기재 재료는 약 97% 다공질이며, 이것은 가스가 기재를 통과할 수 있는 공간이 엄청나게 많다는 것을 의미한다. 이렇게 큰 다공도는 또한 입자가 퇴적될 수 있는 부가적 표면적을 제공한다.Also in one embodiment, the substrate material is about 97% porous, which means that there is an enormous amount of space through which the gas can pass through the substrate. Such large porosity also provides additional surface area where particles can be deposited.

펄스형 레이저Pulsed laser

(주): 1) 10 kHz 반복 속도로 측정된 것; 2) 0～15,000 Hz(감쇠된 파워)로 외부적으로 촉발됨. 7,500 Hz 애지 15,000 Hz로 내부적으로 촉발됨. 총전력 모드에서 0～15,000 Hz의 외부 촉발에 대한 실제 랜덤 발사 모드는 옵션임; 3) 게이터 레이저는 온도 제어를 위한 폐쇄 루프 워터 시스템을 활용함.(Note): 1) measured at 10 kHz repetition rate; 2) Externally triggered at 0-15,000 Hz (attenuated power). 7,500 Hz Internally triggered at 15,000 Hz. The actual random firing mode for external triggering from 0-15,000 Hz in full power mode is optional; 3) Gator lasers utilize a closed loop water system for temperature control.

바람직하게, 기재 재료는 레이저에 의해 가공될 때 탄소와 같은 불순물이 실질적으로 없다.Preferably, the base material is substantially free of impurities such as carbon when processed by the laser.

홀의 몰딩Molding of the hole

다른 실시예에서, 본 발명의 기재는 빌릿에서 예비성형된 채널을 구비하여 제조된다. 이 실시예에서, 채널 형성구를 이용하여 빌릿 내에 채널을 형성한다. 채널 형성구는 그린 빌릿이 형성될 때 원하는 채널을 형성하기 위해 적합한 크기와 형상을 가진 봉이다.In another embodiment, the substrate of the present invention is made with channels preformed in billets. In this embodiment, the channel forming tool is used to form a channel in the billet. The channel former is a rod having a size and shape suitable for forming a desired channel when the green billet is formed.

상기 채널 형성구용으로는 다양한 형태의 재료가 사용될 수 있다. 예를 들면, 채널 형성구는 금속과 같은 강한 내구성 재료, 또는 건조 공정의 온도를 견딜 수 있는 폴리머일 수 있다. 그린 빌릿 또는 최종 빌릿이 형성되고 나면, 봉은 제거되어 채널을 남긴다. 채널은 전술한 바와 같이 추가로 기계 가공될 수 있다.Various types of materials may be used for the channel forming tool. For example, the channel former may be a strong durable material, such as a metal, or a polymer capable of withstanding the temperature of the drying process. Once the green billet or final billet is formed, the rod is removed leaving the channel. The channel can be further machined as described above.

이와는 달리, 다른 실시예에서, 상기 봉은 레이저나 열과 같은 적합한 방사 소스 또는 열원에 노출되면 증발되거나 해체될 수 있는 재료로 만들어진다. 또 다른 실시예에서, 채널 형성구는 탄소, 탄소 유도체 등으로 만들어진다.Alternatively, in another embodiment, the rod is made of a material that can evaporate or disassemble upon exposure to a suitable radiation source or heat source, such as a laser or heat. In another embodiment, the channel former is made of carbon, carbon derivatives, and the like.

특수한 Special 실시예Example

일 실시예에 있어서, 채널은 CNC 드릴을 이용하여 드릴링되고, CNC 드릴은 이하에서 설명되는 바와 같이 균일성을 유지하도록 컴퓨터 제어된다. 드릴링 공정은, OSHA 유해물로서, 드릴의 베어링에 유입되어 베어링을 파손할 수 있는 분진이 공기 중에 날리는 것을 방지하기 위해 일정하게 물을 분사시키면서 실행된다.In one embodiment, the channel is drilled using a CNC drill and the CNC drill is computer controlled to maintain uniformity as described below. The drilling process is carried out with constant spraying of water in order to prevent dust from entering the bearings of the drill which can enter the bearings of the drill and break the bearings.

드릴 처리된 기재는 일체의 촉매가 적용되기 전에, 기공 공간에 잔존할 수 있는 모든 수분 또는 기타 액체를 밀어내거나 베이킹 제거(bake off)하기 위해 선택적으로 오븐에서 건조된다. 베이킹 시간은 중요하지 않다. 대부분 또는 실질적으로 모든 수분을 제거하기 위해 충분한 시간이 사용된다. 물의 증발은 간단히 기재의 무게를 측정함으로써 결정될 수 있다. 베이킹 시간은 주로 탈수 공정을 가속시킨다. 필터 엘리먼트를 여러 가지 상이한 간격으로 가열한 후, 중량이 일정해지면, 기재는 임의의 촉매 또는 코팅 적용에 대한 준비가 된 상태이다.The drilled substrate is optionally dried in an oven to push or bake off any moisture or other liquids that may remain in the pore space before any catalyst is applied. Baking time is not important. Sufficient time is used to remove most or substantially all moisture. Evaporation of water can be determined by simply weighing the substrate. Baking time mainly accelerates the dehydration process. After the filter elements have been heated at various different intervals and the weight is constant, the substrate is ready for any catalyst or coating application.

바람직한 실시예에서, 기재의 채널은 먼저 드릴링에 의해 제조되고, 이어서 빗질 방법에 의해 성형된다. 바람직한 기재의 낮은 열 전도성으로 인해, 기재가 드릴 처리될 때, 드릴링 및 절삭 공정중에 발생되는 대부분의 열은 드릴 비트에서 반송 전달되어 기재로부터 제거된다. 이러한 이유에서, 드릴 비트는 열의 일부를 흡수하여, 팽창, 과열 및/또는 용융될 수 있다. 바람직하게는, 드릴 비트의 냉각이 바람직하게는 물에 의해 실행된다. 또 다른 실시예에서, 드릴은 열의 발생을 최소화하기 위해, 예를 들면 200 rpm으로 감소된 드릴 속도로 작동된다. 물론, 더 빠르거나 더 느린 다른 드릴 속도도 적합하다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 드릴링은 변형된 트위스트 및 헤드(드릴 팁) 형상을 가진 2면, 4면 또는 6면형 드릴을 사용한다.In a preferred embodiment, the channel of the substrate is first produced by drilling and then shaped by the combing method. Due to the low thermal conductivity of the preferred substrate, when the substrate is drilled, most of the heat generated during the drilling and cutting process is conveyed away from the drill bit and removed from the substrate. For this reason, the drill bit may absorb some of the heat, causing it to expand, overheat and / or melt. Preferably, the cooling of the drill bit is preferably carried out with water. In another embodiment, the drill is operated at a reduced drill speed, for example at 200 rpm, to minimize the generation of heat. Of course, other drill speeds that are faster or slower are also suitable. In another preferred embodiment, the drilling uses a two-sided, four-sided or six-sided drill with a modified twist and head (drill tip) shape.

부가적으로, 바람직한 실시예에서, 채널은 여러 번의 드릴링 작업을 거쳐 드릴링된다. 예를 들면, 길이가 약 1 in인 채널은 최종 길이에 도달할 때까지 한 번에 약 0.1 in의 깊이로 기재 내에 드릴링함으로써 제조될 수 있다. 드릴링 작업들 사이에 드릴링된 기재 재료를 채널에서 제거할 수 있다.In addition, in a preferred embodiment, the channel is drilled through several drilling operations. For example, a channel about 1 in long can be made by drilling into the substrate to a depth of about 0.1 in at a time until the final length is reached. Substrate material drilled between drilling operations can be removed from the channel.

센터-펀칭 및 파일럿 홀Center-Punching and Pilot Hall

절삭된 섬유는 진공 흡입으로 제거되어야 하기 때문에 페킹 방법이 활용된다.Peking methods are utilized because the cut fibers have to be removed by vacuum suction.

바람직한 실시예에서, 블라인드 채널을 목표 깊이보다 약간 더 깊이 천공하여, 빗질 공정중에 여분의 영역으로 섬유가 패킹될 수 있게 했다. 빗은 표시된 벽 유동 구조의 깊이로 진행되도록 프로그램되였으며, 그 여분의 공간은 채널 내에 잔존하는 임의의 이완된 기재 재료를 수납한다.In a preferred embodiment, the blind channel was drilled slightly deeper than the target depth to allow the fiber to be packed into extra areas during the combing process. The comb was programmed to proceed to the depth of the indicated wall flow structure, with the extra space containing any loose substrate material remaining in the channel.

프로세스에 의한 제품Product by process

또 다른 실시예에서, 본 발명은 전술한 프로세스에 따라 제조된 제품을 제공하려는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전술한 특수한 실시예 중 어느 하나에 따라 제조된 촉매 기재를 제공하려는 것이다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 전술한 특수한 실시예 중 어느 하나에 따라 제조된 여과 기재를 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention is to provide a product manufactured according to the above-described process. In particular, it is an object of the present invention to provide a catalyst substrate prepared according to any one of the specific examples described above. In another aspect, the present invention is directed to providing a filtration substrate made according to any one of the specific embodiments described above.

응용Applications

본 발명의 여러 가지 실시예 및 응용을 이하에서 설명한다. 이들 예로 드는 응용은 예시적인 목적을 위한 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 전술한 촉매 기재 및 여과 기재의 실시예 중 어느 것이나 다양한 응용에서 사용될 수 있다.Various embodiments and applications of the present invention are described below. These exemplary applications are for illustrative purposes only and do not limit the scope of the invention. Any of the examples of catalyst substrates and filtration substrates described above can be used in a variety of applications.

촉매 전환기Catalytic converter

또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 촉매 기재를 포함하는 촉매 전환 기를 제공하려는 것이다. 본 발명의 촉매 전환기는 공지된 촉매 전환기가 사용되는 것과 유사한 방식으로 엔진 배기 시스템에서 사용될 수 있다. 물론, 본 발명의 촉매 전환기는 종래 기술의 촉매 전환기에 비해 이점을 가진다. 이러한 이점으로 인해, 본 발명의 촉매 전환기는 공지된 촉매 전환기는 사용할 수 없는 방식으로 사용될 수 있다.In yet another embodiment, the present invention is directed to providing a catalytic converter comprising a catalyst substrate of the present invention. The catalytic converter of the present invention can be used in an engine exhaust system in a manner similar to that of known catalytic converters. Of course, the catalytic converter of the present invention has an advantage over the catalytic converter of the prior art. Due to this advantage, the catalytic converter of the present invention can be used in such a way that known catalytic converters cannot be used.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기재의 특수한 실시예는 어느 것이든 촉매 전환기와 같은 하나 이상의 특수한 응용에 이용될 수 있다. 특수한 실시예에서, 촉매 전환기는, 본 발명의 촉매 기재; 상기 촉매 기재를 둘러싸는 매팅; 및 캐니스터, 바람직하게는 금속 캐니스터; 및 선택적으로 워쉬코트를 추가로 포함한다.As mentioned above, any particular embodiment of the substrate according to the present invention can be used for one or more special applications such as catalytic converters. In a particular embodiment, the catalytic converter comprises a catalyst substrate of the present invention; Matting surrounding the catalyst substrate; And canisters, preferably metal canisters; And optionally a washcoat.

본 발명의 또 다른 태양은, 엔진의 배기 시스템의 배기 매니폴드 내에 또는 인접하게 위치한 촉매 전환기로서, 본 발명의 촉매 기재를 포함하는 촉매 전환기를 제공하려는 것이다. 상기 촉매 전환기는 매니폴드 촉매 전환기라 지칭된다(그 밖의 용어로는, 매니-캣, 매니폴드 전환기, 등이 있음). 본 발명의 매니-캣은 공지되어 있는 매니-캣을 포함하고, 본 발명의 촉매 전환기는 종래 기술의 기재 대신에 사용된다. 그러한 매니-캣은 미국 특허 제6,605,259호 및 제5,692,373호에 개시되어 있다.Another aspect of the present invention is to provide a catalytic converter located in or adjacent to an exhaust manifold of an exhaust system of an engine, the catalytic converter comprising a catalyst substrate of the present invention. The catalytic converter is referred to as a manifold catalytic converter (other terms include mani-cat, manifold converter, and the like). The mani-cat of the present invention includes known mani-cats, and the catalytic converter of the present invention is used instead of the description of the prior art. Such mani-cats are disclosed in US Pat. Nos. 6,605,259 and 5,692,373.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 전술한 바와 같은 신규의 기재를 포함하는 개선된 촉매 전환기를 제공하려는 것이다. 기재의 특수한 실시예 중 어느 것이든 상기 개선된 촉매 전환기에 사용될 수 있다.In yet another embodiment, the present invention seeks to provide an improved catalytic converter comprising a novel substrate as described above. Any of the particular embodiments of the substrate can be used in the improved catalytic converter.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관 배기를 처리하는 개선된 촉매 전환 기로서, 기재, 금속 산화물 워쉬코트, 및 상기 금속 산화물 입자에 부착된 적어도 1종의 촉매를 포함하고, nSiRF-C 복합체 및 촉매 금속을 포함하는 기재를 특징으로 하는 촉매 전환기를 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention provides an improved catalytic converter for treating internal combustion engine exhaust, comprising a substrate, a metal oxide washcoat, and at least one catalyst attached to the metal oxide particles, wherein the nSiRF-C composite And catalytic converters characterized by a substrate comprising a catalytic metal.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관 배기를 처리하는 개선된 촉매 전환기로서, 기재, 금속 산화물 워쉬코트, 및 상기 금속 산화물 입자에 부착된 적어도 1종의 촉매를 포함하고, nSiRF-C 복합체 및 촉매 금속을 포함하는 기재를 특징으로 하는 촉매 전환기를 제공하려는 것이다.In yet another embodiment, the present invention provides an improved catalytic converter for treating internal combustion engine exhaust, comprising a substrate, a metal oxide washcoat, and at least one catalyst attached to the metal oxide particles, the nSiRF-C composite and It is to provide a catalytic converter characterized by a substrate comprising a catalytic metal.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관 배기를 처리하는 개선된 촉매 전환기로서, 기재, 금속 산화물 워쉬코트, 및 상기 금속 산화물 입자에 부착된 적어도 1종의 촉매를 포함하고, AETB 복합체를 포함하는 기재를 특징으로 하는 촉매 전환기를 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention provides an improved catalytic converter for treating an internal combustion engine exhaust, comprising a substrate, a metal oxide washcoat, and at least one catalyst attached to the metal oxide particles, comprising an AETB composite It is to provide a catalytic converter characterized by the substrate.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 nSiRF-C 복합체 및 촉매를 포함하는 촉매 기재를 가진 메인-캣(main-cat)을 제공하려는 것이다. 메인-캣(때로는 언더플로어(underfloor) 촉매 전환기라 칭함)은 부분적으로 또는 완전히 엔진의 헤드 내에 위치한다. 일 실시예에서, 상기 메인-캣은 본 발명의 촉매 기재를 포함하고, 상기 촉매 기재는 약 12 lb/ft³의 밀도, 약 97%의 다공도, 낮은 열 팽창, 높은 구조적 일체성 및 낮은 열 전도도를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 약 600 cpsi를 가지며, 약 6 mil의 벽 두께를 가진다. 이 실시예에서, 메인-캣은 벽-유동 구조를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 실질적으로 정사각형 개구 부(또는 홀)을 구비한 실질적인 박스형(기재를 통한 길이가 변동되는)의 채널 형상을 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣의 촉매 기재는 빗질 방법을 이용하여 제조된다. 또한 이 실시예에서, 촉매 기재는 알루미나 워쉬코트를 포함한다. 이 실시예에서, 상기 메인-캣은 오염물의 산화 및 환원 모두에 촉매작용을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 메인-캣은 오염물을 산화시키는 능력 및 오염물을 환원시키는 능력을 가진다. 메인-캣의 캐니스터는 스왜깅 방법(swagging method)에 의해 제조된다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 2개의 기재 단위를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 메인-캣은 단독으로 사용되거나, 또는 프리-캣과 조합하여 사용된다. 바람직한 실시예에서, 메인-캣은 팽대성 매팅(intumescent matting)을 포함한다. 메인-캣은 모든 내연기관에서 사용될 수 있다. 메인-캣은 연료 동반(fuel-borne) 촉매와 함께 사용될 수 있다. 또한, 메인-캣으로 된 기재에는 보호가 보강되어 있을 수 있다.In another embodiment, the present invention is to provide a main-cat having a catalyst substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. The main-cat (sometimes referred to as underfloor catalytic converter) is located partially or completely within the head of the engine. In one embodiment, the main-cat comprises the catalyst substrate of the present invention, the catalyst substrate having a density of about 12 lb / ft ³ , porosity of about 97%, low thermal expansion, high structural integrity and low thermal conductivity Has In a preferred embodiment, the main-cat has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. In this embodiment, the main-cat has a wall-flow structure. In a preferred embodiment, the main-cat has a substantially box-shaped (variable length through the substrate) channel shape with substantially square openings (or holes). In a preferred embodiment, the catalyst substrate of the main-cat is prepared using a combing method. Also in this example, the catalyst substrate comprises an alumina washcoat. In this embodiment, the main-cat can catalyze both oxidation and reduction of contaminants. For example, the main-cat has the ability to oxidize contaminants and reduce contaminants. The canister of the main-cat is manufactured by the swagging method. In a preferred embodiment, the main-cat comprises two substrate units. In one embodiment, the main-cat is used alone or in combination with the pre-cat. In a preferred embodiment, the main-cat includes intumescent matting. The main-cat can be used in all internal combustion engines. The main-cat can be used with fuel-borne catalysts. In addition, the main-cat substrate may be reinforced with protection.

전술한 바와 같은 본 발명의 주된 촉매 전환기는 또한, 일 실시예에 있어서 하나 이상의 후처리 시스템과 함께 사용된다. 그러한 후처리 시스템은 NO_x 흡착기, HC 흡착기, SCR 시스템 등을 포함한다.The main catalytic converter of the present invention as described above is also used with one or more aftertreatment systems in one embodiment. Such aftertreatment systems include NO _x adsorbers, HC adsorbers, SCR systems and the like.

또한, 멤브레인 촉매용으로 전술한 주된 촉매 전환기와 동일하거나 유사한 형상 및 속성을 가진 실시예가 사용될 수 있다. 멤브레인 촉매는 전술한 바와 같은 멤브레인 형상을 가진 촉매 기재를 포함한다.In addition, embodiments having the same or similar shape and properties as the main catalytic converters described above for the membrane catalyst can be used. The membrane catalyst includes a catalyst substrate having a membrane shape as described above.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 nSiRF-C 복합체 및 촉매를 포함하는 촉매 기 재를 가진 헤드-캣을 제공하려는 것이다. 상기 헤드-캣은 부분적으로 또는 완전히 엔진의 헤드 내에 위치한다. 일 실시예에서, 헤드-캣은 본 발명의 촉매 기재를 포함하고, 상기 기재는 약 12 lb/ft³의 밀도, 약 97%의 다공도, 낮은 열 팽창, 높은 구조적 일체성 및 낮은 열 전도도를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 헤드-캣은 약 600 cpsi를 가지며, 약 6 mil의 벽 두께를 가진다. 이 실시예에서, 헤드-캣은 벽-유동 구조를 가진다. 바람직한 실시예에서, 헤드-캣은 실질적으로 정사각형 개구부(또는 홀)를 구비한 실질적으로 피라미드형의 채널 형상을 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 헤드-캣의 촉매 기재는 빗질 방법을 이용하여 제조된다. 이 실시예에서, 상기 헤드-캣은 오염물의 산화 및 환원 모두에 촉매작용을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 헤드-캣은 오염물을 산화시키는 능력 및 오염물을 환원시키는 능력을 가진다. 일 실시예에 있어서, 헤드-캣은 단독으로 사용되거나, 또는 프리-캣과 조합하여 사용된다. 바람직한 실시예에서, 헤드-캣은 혼성 매팅(hybrid matting)을 포함한다. 헤드-캣은 모든 내연기관에서 사용될 수 있다. 헤드-캣은 연료 동반 촉매와 함께 사용될 수 있다. In another embodiment, the present invention is to provide a head-cat having a catalyst substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. The head-cat is located partially or completely within the head of the engine. In one embodiment, the head-cat comprises a catalyst substrate of the present invention, the substrate having a density of about 12 lb / ft ³ , porosity of about 97%, low thermal expansion, high structural integrity, and low thermal conductivity. . In a preferred embodiment, the head-cat has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. In this embodiment, the head-cat has a wall-flow structure. In a preferred embodiment, the head-cat has a substantially pyramidal channel shape with substantially square openings (or holes). In a preferred embodiment, the catalyst substrate of the head-cat is prepared using a combing method. In this embodiment, the head-cat can catalyze both oxidation and reduction of contaminants. For example, the head-cat has the ability to oxidize contaminants and reduce contaminants. In one embodiment, the head-cat is used alone or in combination with the pre-cat. In a preferred embodiment, the head-cat comprises hybrid matting. The head-cat can be used in all internal combustion engines. Head-cats can be used with fuel companion catalysts.

하나 이상의 헤드-캣을 동일한 엔진에서 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 헤드-캣의 사용은 하나 이상의 다음과 같은 이점도 갖는다: 언더플로어 배기 시스템의 중량 감소; 인터쿨러가 픽업하게 될 배기 입자성 물질의 여과를 증가시킴으로써 인터쿨러의 수명이 향상됨; 매팅이 불필요함; 열 차폐기에서의 덜컹거리는 소음의 감소; 머플러 크기의 감소; 입자상 물질의 소각 강화; 일 실시예에 있어서, 하 나의 헤드-캣이 고장난 경우, 기능하는 다른 헤드-캣, 예를 들면 4-실린더 엔진에 장착된 다른 3개의 헤드-캣에 의해 배기 가스는 계속 효과적으로 처리됨. 헤드-캣은 보트, 선박, 오토바이, 소형 핸드헬드 엔진, 잎 송풍기, 및 관련 엔진용으로 유리하고, 비노출형 촉매 전환기가 바람직한 다른 응용에서 유리하게 사용된다.More than one head-cat can be used in the same engine. The use of the head-cat according to the invention also has one or more of the following advantages: weight reduction of the underfloor exhaust system; The life of the intercooler is improved by increasing the filtration of exhaust particulate matter that the intercooler will pick up; No matting required; Reduction of rattle noise in heat shields; Reduction in muffler size; Incineration of particulate matter; In one embodiment, when one head-cat fails, the exhaust gas continues to be effectively treated by another functioning head-cat, for example three other head-cats mounted on a four-cylinder engine. Head-cats are advantageous for boats, ships, motorcycles, small handheld engines, leaf blowers, and related engines, and are advantageously used in other applications where an unexposed catalytic converter is desired.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 전환기는 도 41에 나타낸 바와 같이 헤드와 배기 매니폴드 사이에 설치될 수 있다. 이 실시예에서, 촉매 전환기 섹션은 엔진 헤드와 배기 매니폴드 사이에 설치된다. 종래 시스템에 비해 유리한 점은 전환기가 연소 챔버에 매우 근접하므로 효율이 증가된다는 점이다. 예를 들어, 이 실시예는 Ford 4.6리터 엔진에 탑재할 수 있으며, 그 엔진 전부에 맞추어 끼워진다. 이것은 또한 Ford Explorer, Mustang, Crown Victoria, Econoline, 150/250/350 pickup, Expedition, 및 Lincoln 제품과 같이 Ford사가 엔진에 탑재하는 모든 다른 제품에 맞추어 끼워진다. 또한, 일 실시예에 있어서, 그동안 수년간 그것을 사용한 다양한 모델 연식에 맞추어 끼워진다. 그러한 4.6 캐스팅 하나가 미국에서만 수백만 대인 차량에 사용될 수 있다. 그것은 또한 앞으로 진행될 산소 센서에 대해서도 친화적이다. In yet another embodiment, the catalytic converter of the present invention may be installed between the head and the exhaust manifold as shown in FIG. 41. In this embodiment, the catalytic converter section is installed between the engine head and the exhaust manifold. An advantage over conventional systems is that the converter is very close to the combustion chamber, thus increasing efficiency. For example, this embodiment could be mounted on a Ford 4.6 liter engine and fitted to all of the engines. It also fits into all other Ford engines such as Ford Explorer, Mustang, Crown Victoria, Econoline, 150/250/350 pickup, Expedition, and Lincoln. In addition, in one embodiment, it fits into various model ages that have used it for years. One such 4.6 casting can be used for millions of vehicles in the United States alone. It is also friendly for future oxygen sensors.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 nSiRF-C 복합체 및 촉매를 포함하는 촉매 기재를 가진 백-캣(back-cat)을 제공하려는 것이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 촉매 전환기는 백-캣이다. 백-캣은 주된 촉매 전환기 후방에 위치한다. 일 실시예에서, 상기 백-캣은 본 발명의 촉매 기재를 포함하고, 상기 촉매 기재는 약 12 lb/ft³의 밀도, 약 97%의 다공도, 낮은 열 팽창, 높은 구조적 일체성 및 낮은 열 전도도를 가진다. 바람직한 실시예에서, 백-캣은 약 600 cpsi를 가지며, 약 6 mil의 벽 두께를 가진다. 이 실시예에서, 백-캣은 벽-유동 구조를 가진다. 바람직한 실시예에서, 백-캣의 촉매 기재는 빗질 방법을 이용하여 제조된다. 바람직한 실시예에서, 백-캣은 삼각형, 정사각형, 원형 및 육각형을 포함하는 다양한 형상의 채널 홀을 가진다. 이 실시예에서, 백-캣은 오염물의 산화 및 환원 모두에 촉매작용을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 백-캣은 오염물을 산화시키는 능력 및 오염물을 환원시키는 능력을 가진다. 일 실시예에 있어서, 백-캣은 단독으로 사용되거나, 또는 프리-캣과 조합하여 사용된다. 바람직한 실시예에서, 백-캣은 비-팽대성 매팅(non-intumescent matting)을 포함한다. 백-캣은 모든 내연기관에서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 백-캣은 연료 동반 촉매와 함께 사용될 수 있다. 일반적으로, 상기 실시예의 백-캣은 표준 머플러 위치 근방에 설치되지만, 다른 위치도 가능하다. 다른 실시예에서, 백-캣은 머플러 내에 일체로 설치된다. 그러한 실시예는, a) 자체가 머플러로서 작용하여 머플러를 대체하는 기재, 또는 b) 전형적인 금속 머플러 어셈블리 내부에 설치됨으로써 머플러 내에 일체로 설치되는 기재를 포함할 수 있다.In another embodiment, the present invention is directed to providing a back-cat having a catalyst substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. In yet another embodiment, the catalytic converter of the present invention is a back-cat. The back-cat is located behind the main catalytic converter. In one embodiment, the back-cat comprises a catalyst substrate of the present invention, the catalyst substrate having a density of about 12 lb / ft ³ , porosity of about 97%, low thermal expansion, high structural integrity, and low thermal conductivity Has In a preferred embodiment, the back-cat has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. In this embodiment, the back-cat has a wall-flow structure. In a preferred embodiment, the catalyst substrate of the back-cat is prepared using the combing method. In a preferred embodiment, the back-cat has channel holes of various shapes, including triangles, squares, circles and hexagons. In this embodiment, the back-cat can catalyze both oxidation and reduction of contaminants. For example, the back-cat has the ability to oxidize contaminants and reduce contaminants. In one embodiment, the back-cat is used alone or in combination with the pre-cat. In a preferred embodiment, the back-cat includes non-intumescent matting. The back-cat can be used in all internal combustion engines. In yet another embodiment, the back-cat can be used with fuel companion catalyst. Generally, the back-cat of this embodiment is installed near the standard muffler position, although other positions are possible. In another embodiment, the back-cat is integrally installed in the muffler. Such embodiments may include a) a substrate that itself acts as a muffler to replace the muffler, or b) a substrate that is integrally installed within the muffler by being installed inside a typical metal muffler assembly.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst; DOC)로서, 상기 DOC의 기재가 전술한 촉매 기재인 디젤 산화 촉매를 제공하려는 것이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 DOC의 기재는 AEBT 또는 OCBT이고, 바람직하게는 AEBT-10, AEBT-12, AEBT-16 또는 OCBT-10이다. DOC의 실시예는 팔라듐, 백금, 로듐, 이들의 혼합물 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 촉매를 가진다.In another embodiment, the present invention seeks to provide a diesel oxidation catalyst (DOC), wherein the base of the DOC is a diesel oxidation catalyst wherein the base of the catalyst is the aforementioned catalyst. In a preferred embodiment, the description of the DOC according to the invention is AEBT or OCBT, preferably AEBT-10, AEBT-12, AEBT-16 or OCBT-10. Examples of DOC have a catalyst selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, mixtures thereof and derivatives thereof.

다른 적합한 실시예는 본 발명의 촉매 기재, 바람직하게는 AEBT-12와 같은 AEBT 재료, 및 촉매를 추가로 포함하는 촉매화 DPF를 포함한다.Another suitable embodiment includes a catalyst substrate of the present invention, preferably an AEBT material such as AEBT-12, and a catalyzed DPF further comprising a catalyst.

입자 필터(Particle filter ( DPFDPF , , DPTDPT ) )

또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 촉매 기재를 포함하는 입자 필터를 제공하려는 것이다. 본 발명의 입자 필터는 공지의 촉매 전환기가 사용되는 것과 유사한 방식으로 엔진 배기 시스템에 사용될 수 있다. 물론, 본 발명의 입자 필터는 종래 기술의 촉매 전환기에 비해 이점을 갖는다. 이러한 이점 때문에, 상기 촉매 전환기는 공지의 촉매 전환기가 사용될 수 없는 방식으로 사용될 수 있다.In another embodiment, the present invention is to provide a particle filter comprising the catalyst substrate of the present invention. The particle filter of the present invention can be used in an engine exhaust system in a manner similar to that of known catalytic converters. Of course, the particle filter of the present invention has an advantage over prior art catalytic converters. Because of this advantage, the catalytic converter can be used in such a way that known catalytic converters cannot be used.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 전술한 바와 같은 신규의 기재를 포함하는 개선된 입자 필터를 제공하려는 것이다. 기재의 특수한 실시예 중 어느 것이든 상기 개선된 입자 필터에 사용될 수 있다.In yet another embodiment, the present invention seeks to provide an improved particle filter comprising the novel substrate as described above. Any of the particular embodiments of the substrate can be used in the improved particle filter.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관 배기를 처리하는 개선된 입자 필터로서, 필터 기재를 포함하고, 상기 기재는 상기 기재 내로 연장되고 선택적으로 상기 기재를 관통하여 연장되는 복수의 채널을 가진 nSiRF-C 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 필터를 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention provides an improved particulate filter for treating internal combustion engine exhaust, comprising a filter substrate, the substrate having a plurality of channels extending into the substrate and optionally extending through the substrate. It is an object of the present invention to provide a particle filter comprising a -C composite.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관 배기를 처리하는 개선된 입자 필터로서, 필터 기재를 포함하고, 상기 기재는 상기 기재를 부분적으로 통과하여 연장 되는 약 100개 내지 약 1,000개의 채널, 바람직하게는 약 600개의 채널을 가진 nSiRF-C 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 필터를 제공하려는 것이다.In another embodiment, the present invention provides an improved particulate filter for treating internal combustion engine exhaust, comprising a filter substrate, wherein the substrate extends partially through the substrate, preferably from about 100 to about 1,000 channels, preferably Is intended to provide a particle filter comprising an nSiRF-C composite with about 600 channels.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관 배기를 처리하는 개선된 입자 필터로서, 기재 및 금속 산화물 워쉬코트를 포함하고, 상기 기재는 AETB를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 기재를 제공하려는 것이다.In yet another embodiment, the present invention seeks to provide a filter substrate characterized by an improved particle filter for treating internal combustion engine exhaust, comprising a substrate and a metal oxide washcoat, the substrate comprising AETB.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 전술한 바와 같은 nSiRF-C 복합체를 포함하는 여과 기재를 가진 디젤 입자 필터(DPF)를 제공하려는 것이다. 상기 여과 기재는 DPF에서 사용하기에 적합하도록 구성되어 있다. 상기 DPF는 부분적으로 또는 완전히 엔진의 헤드 내에 위치한다. 일 실시예에서, DPF는 본 발명의 여과 기재를 포함하고, 상기 여과 기재는 약 12 lb/ft³의 밀도, 약 97%의 다공도, 낮은 열 팽창, 높은 구조적 일체성 및 낮은 열 전도도를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 약 600 cpsi를 가지며, 약 6 mil의 벽 두께를 가진다. 이 실시예에서, 메인-캣은 벽-유동 구조를 가진다. 바람직한 실시예에서, 메인-캣은 실질적으로 정사각형 개구부(또는 홀)을 구비한 실질적인 박스형(기재를 통한 길이가 변동되는)의 채널 형상을 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣의 여과 기재는 빗질 방법을 이용하여 제조된다. 또한 이 실시예에서, 촉매 기재는 알루미나 워쉬코트를 포함한다. 이 실시예에서, 상기 메인-캣은 오염물의 산화 및 환원 모두에 촉매작용을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 메인-캣은 오염물을 산화시키는 능력 및 오염물을 환원시키는 능력을 가진다. 메인-캣의 캐니스터는 스왜깅 방법에 의해 제 조된다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 2개의 기재 단위를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 메인-캣은 단독으로 사용되거나, 또는 프리-캣과 조합하여 사용된다. 바람직한 실시예에서, 메인-캣은 팽대성 매팅을 포함한다. 메인-캣은 모든 내연기관에서 사용될 수 있다. 메인-캣은 연료 동반 촉매와 함께 사용될 수 있다. 또한, 메인-캣으로 된 기재에는 보호가 보강되어 있을 수 있다. 보호 코팅은 기재의 내면 또는 외면에 적용될 수 있다.In another embodiment, the present invention is to provide a diesel particulate filter (DPF) having a filtration substrate comprising an nSiRF-C composite as described above. The filtration substrate is configured to be suitable for use in a DPF. The DPF is located partially or completely within the head of the engine. In one embodiment, the DPF comprises a filtration substrate of the present invention, which has a density of about 12 lb / ft ³ , porosity of about 97%, low thermal expansion, high structural integrity, and low thermal conductivity. In a preferred embodiment, the main-cat has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. In this embodiment, the main-cat has a wall-flow structure. In a preferred embodiment, the main-cat has a substantially box-shaped (variable length through the substrate) channel shape with substantially square openings (or holes). In a preferred embodiment, the filtration substrate of the main-cat is prepared using a combing method. Also in this example, the catalyst substrate comprises an alumina washcoat. In this embodiment, the main-cat can catalyze both oxidation and reduction of contaminants. For example, the main-cat has the ability to oxidize contaminants and reduce contaminants. The canisters of the main-cat are manufactured by the method of skewing. In a preferred embodiment, the main-cat comprises two substrate units. In one embodiment, the main-cat is used alone or in combination with the pre-cat. In a preferred embodiment, the main-cat comprises an inflatable mat. The main-cat can be used in all internal combustion engines. The main-cat can be used with fuel companion catalysts. In addition, the main-cat substrate may be reinforced with protection. The protective coating can be applied to the inner or outer surface of the substrate.

캐닝Canning 형태(canning type) Canning type

본 발명의 촉매 전환기는 캐니스터를 가진다. 캐니스터는 해당 분야에 알려져 있는 방법에 따라 제조될 수 있다. 또한, 본 발명의 촉매 전환기 또는 입자 필터의 캐니스터는 그 제조에 사용되는 공지된 재료, 예를 들면 스틸을 사용할 수 있다. The catalytic converter of the present invention has a canister. Canisters can be manufactured according to methods known in the art. In addition, the canister of the catalytic converter or particle filter of the present invention may use a known material used for its production, for example steel.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 촉매 전환기는 상용화된 차량의 테일파이프에 부착될 수 있는 배출 파이프를 가진다. 바람직하게, 상기 촉매 전환기는 직경이 약 2½ in 또는 3 in인 테일파이프에 맞추어 끼워진다.In a preferred embodiment, the catalytic converter of the present invention has a discharge pipe that can be attached to the tailpipe of a commercialized vehicle. Preferably, the catalytic converter fits into a tailpipe about 2½ in or 3 in in diameter.

예를 들어, 적합한 캐니스터는 하기 방법 중 어느 한 방법에 따라 제조되는 것을 포함한다: 클램셸, 압박대, 슈박스, 스터핑 및 스웨이징. 상기 캐닝 방법은 다음 두 가지 갭 컨트롤 메커니즘을 활용한다: (1) 고정된 갭 및 (2) 고정된 캐닝 힘(canning force). 용접 공정의 관점에서, 상기 방법에 의해서 하나 또는 두개의 이음매(seam)를 가진 전환기가 제조된다. 이러한 분류는 표 4(Rajadurai 1999)에 예시되어 있다.For example, suitable canisters include those prepared according to any of the following methods: clamshells, presses, shoeboxes, stuffing and swaging. The canning method utilizes two gap control mechanisms: (1) fixed gap and (2) fixed canning force. In view of the welding process, the method produces one or two seams with a seam. This classification is illustrated in Table 4 (Rajadurai 1999).

고정된 갭Fixed gap 고정된 힘Fixed power 단일 이음매 Single seam 스터핑, 스웨이징Stuffing, swaging 압박대Pressure 이중 이음매 Double seam 클램셸Clamshell 슈박스Shoebox

고정된 힘을 이용하여 캔을 밀봉하는 것은, 기재, 캔 및 매트 자체의 치수 공차 영향을 배제함으로써 보다 정확한 갭 밀도 제어를 제공한다. 고정된 갭으로 캔을 밀봉하는 것은 고정된 최종 치수의 전환기를 제조하는 이점을 가지며, 주로 콘을 마감처리된 캔에 용접하는 데 있어서 전환기 디자인을 단순화시킨다.Sealing the can with a fixed force provides more accurate gap density control by excluding the influence of the dimensional tolerances of the substrate, the can, and the mat itself. Sealing the can with a fixed gap has the advantage of producing a diverter of fixed final dimensions, primarily simplifying the diverter design in welding the cone to a finished can.

단일 이음매 디자인은 보통 종횡비(aspect ratio)가 낮은 원형 또는 타원형 전환기용으로 바람직하고, 이 경우에 상기 디자인은 균일한 갭 밀도 분포를 제공할 수 있다. 단일 이음매는 또한 더 많은 제조상의 융통성을 제공하므로 비용이 덜 드는 공구 사용을 필요로 한다. 이중 이음매 디자인은 보통 종횡비가 높은 타원형 전환기용으로 필요하다. 이 경우, 변형 및 변형에 의한 갭 불균일성을 방지하기 위해 보강 리브(rib)가 셸에 스탬핑된다. 이중 이음매 셸은 비용이 많이 드는 공구 사용이 필요한 스탬핑 공정으로 제조되며, 높은 생산량에 의해서 타당성이 인정된다.Single seam designs are usually preferred for circular or elliptical diverters with low aspect ratios, in which case the design can provide a uniform gap density distribution. Single seams also provide more manufacturing flexibility and require less expensive tooling. Double seam designs are usually required for elliptical converters with high aspect ratios. In this case, a reinforcing rib is stamped into the shell in order to prevent deformation and gap unevenness due to deformation. Double seam shells are manufactured in a stamping process that requires the use of costly tools and are justified by their high yields.

클램셸Clamshell

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 전환기는 클램셸 기법으로 제조된 캐니스터를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 입자 필터는 클램셸 기법으로 제조된 캐니스터를 포함한다. 북아메리카에서, 클램셸은 전통적으로 승용차 및 경화물차에 장착되는 가장 보편적인 언더플로어 전환기의 설계였다. 클램셸 촉매 전환기의 구조를 도 6에 나타낸다. 세라믹 촉매 기재(들)을 매트에 둘러싸고 셸의 저면부에 설치한다. 그런 다음, 또 하나의 셸의 대칭부를 상부에 설치하고 압착하여 용접한다.In one embodiment, the catalytic converter of the present invention comprises a canister made by the clamshell technique. In yet another embodiment, the particle filter comprises a canister made by clamshell technology. In North America, clamshells have traditionally been the design of the most common underfloor diverters used in passenger cars and hard goods vehicles. The structure of the clamshell catalytic converter is shown in FIG. The ceramic catalyst substrate (s) are wrapped around the mat and placed in the bottom of the shell. Then, the symmetrical part of another shell is installed on the upper side and pressed and welded.

배기 가스가 기재를 바이패스하는 것을 피하기 위해 매트를 장착하는 데에 텅(tongue) 및 그루브(groove) 디자인을 이용한다. 앞에서 예시한 전환기는 또한 말단 밀봉부(end seal)를 포함한다. 여기서 밀봉부는 누설을 방지하기 위한 것이라기보다는 가스 충돌 및 침식으로부터 매트를 보호하기 위해 사용된다. 매트를 이용하는 대부분의 전환기는 말단 밀봉부를 갖지 않는다. 매트 대신에 와이어 메쉬 장착을 이용하는 경우에는 언제나 적어도 기재의 입구 면에 말단 밀봉부가 필요하다. Tongue and groove designs are used to mount the mat to avoid exhaust gases bypassing the substrate. The converter exemplified above also includes an end seal. The seal is used here to protect the mat from gas collisions and erosion, rather than to prevent leakage. Most diverters using mats do not have end seals. When using wire mesh mounting instead of mats, end seals are always required at least on the inlet side of the substrate.

클램셸 전환기에는 종종 외부 열 차폐물이 장착된다. 클램셸 스탬핑의 내부가 여분의 단열층과 열을 이룬 내부 단열 설계도 개발되었다. Clamshell diverters are often equipped with external heat shields. An internal thermal design has also been developed in which the interior of the clamshell stamping has an extra thermal layer and heat.

촉매 전환기의 구식 디자인은 캔 내부에서 기재의 축 방향 운동을 방지하기 위해 클램셸 스탬핑 내에 지지 링 또는 심층 포켓을 포함한다. 높은 홀딩 압력의 팽대성 매트를 활용하는 적절히 설계된 전환기에서는 그러한 대책이 필요없다. 특기할 만한 내구성 기록을 여전히 나타내는, 기재의 축 방향 지지체가 없는 자동차 전환기가 많이 있다. 그러나, 더 크거나 무거운 기재에 있어서, 또는 홀딩 압력이 낮은 비-팽대성 매트가 사용될 때에는 축 방향 지지체가 필요하다. 또 다른 고려 사항은 매트의 침식이다. 전환기 셸 프로파일 또는 말단 콘은 고온의 배기 가스의 직접적 충돌로부터 매트를 보호하도록 설계되어야 한다. 일부 전환기 제조자들은 가스에 노출되는 매트 에지를 화학물질로 함침하여 침식에 대한 내구성을 향상시킨 다. 최신 전환기에서의 높은 홀딩 압력도 침식에 대한 매트의 내구성을 향상시킨다.Old-fashioned designs of catalytic converters include support rings or deep pockets in clamshell stamping to prevent axial movement of the substrate inside the can. Such a countermeasure is not necessary in a properly designed diverter utilizing a high holding pressure expandable mat. There are many automotive converters without the axial support of the substrate, which still show a noteworthy durability record. However, for larger or heavier substrates, or when non-expandable mats with low holding pressures are used, an axial support is required. Another consideration is the erosion of the mat. The diverter shell profile or end cone should be designed to protect the mat from direct collisions of hot exhaust gases. Some converter manufacturers improve chemical resistance by immersing the mat edges exposed to gases with chemicals. High holding pressures in modern converters also improve the mat's durability against erosion.

많은 자동차 응용에서 이중 모노리스 전환기가 사용된다. 모노리스 길이 제조상 한계로 인해 또는 하나의 전환기에 상이한 규격의 촉매를 조합하기 위해 2개 이상의 모노리스가 사용될 수 있다. 대부분의 이중 모노리스 전환기에서, 기재는 공간을 두고 분리되어 있고, 이 공간은 클램셸 스탬핑에 분리된 포켓을 형성함으로써 유지된다. 일부 설계에서, 기재들간의 공간은 금속 또는 세라믹 링에 의해 유지된다. 사이에 공간이 없는 맞대어진(butted) 모노리스 설치도 가능하다. 공간형 설계보다 압력 강하가 적은 맞대어진 설계는 가솔린 엔진용 상업적 전환기의 일부에서 사용되었다(Kuisell, R.C., 1996, "Butting Monoliths in Catalytic Converters," SAE 960555).In many automotive applications, dual monolithic converters are used. Due to manufacturing limitations of monolith length two or more monoliths can be used to combine catalysts of different specifications in one converter. In most dual monolithic converters, the substrate is spaced apart and maintained by forming separate pockets in the clamshell stamping. In some designs, the space between the substrates is maintained by metal or ceramic rings. Butted monolithic installations with no spaces between them are also possible. Butted designs with less pressure drop than spatial designs have been used in some commercial converters for gasoline engines (Kuisell, R.C., 1996, "Butting Monoliths in Catalytic Converters," SAE 960555).

전환기 셸 형태는 필요로 하는 매트 압축을 제공해야 한다. 클램셸 프로파일은 필요한 강직성 및 균일한 압력 분배를 제공하기 위해 스탬핑된 보강 리브를 포함한다. 이것은 펑탄한 타원형 촉매 기재에 있어서는 특히 중요하다. 리브를 설계하면서, 기재나 매트에 손상을 일으킬 수 있는 과도한 압력 영역이 존재하지 않도록 주의를 기울어야 한다. 클램셸 방법은 모노리스 및 클램셸 스탬핑의 치수 공차에 높은 요건을 부여한다. 클램셸 캐닝 시 매트 압축은 하프-셸이 밀폐될 때까지 진행되어 소정의 갭 두께를 생성한다. 상기 갭 두께는 모노리스 및 셸의 치수에 의해 결정된다. 따라서, 모노리스의 크기에 조금이라도 변동이 있으면 매트 밀도에 변동을 초래하고, 그 결과 전환기의 내구성 문제를 야기할 수 있는 캐닝 압 력을 초래한다.The diverter shell form must provide the required mat compression. The clamshell profile includes stamped reinforcement ribs to provide the necessary rigidity and uniform pressure distribution. This is particularly important for fine elliptical catalyst substrates. In designing the ribs, care should be taken to ensure that there are no excessive pressure zones that could damage the substrate or mat. The clamshell method places high requirements on the dimensional tolerances of monolithic and clamshell stamping. Mat clamping in clamshell canning proceeds until the half-shell is closed to produce the desired gap thickness. The gap thickness is determined by the dimensions of the monolith and the shell. Thus, even slight variations in the size of the monolith will result in variations in the mat density, resulting in canning pressures that can lead to durability problems in the converter.

압박대 방법은 캐닝 공정중에 장착 압력을 직접 제어할 수 있는 가장 보편적인 방법이다. 압박대는 기재 모노리스 중에서 일어날 수 있는 치수 차이에 민감하지 않기 때문에, 가장 견실한 촉매 전환기를 생성할 수 있다. 실제로, 압박대 방법은 단면이 타원형 또는 원형이거나 원형에 가까운 촉매 기재에 제한된다. 언더플로어 위치에서 사용되는 타원형 또는 평탄한 타원형 자동차 전환기에 대한 압박대의 적합성은 매우 제한된다. 압박대는 유럽에서 자동차 메이커들 중에 인기가 있었지만, 북아메리카에서 언더플로어 위치로부터 엔진 근접 결합 위치로 이동된 자동차 전환기로서 더욱 보편화되었다. 압박대는 또한 중형 디젤 엔진용 대직경 촉매 전환기용으로도 적합하다. The rod method is the most common way to directly control the mounting pressure during the canning process. The pressure zones are not sensitive to the dimensional differences that may occur in the substrate monoliths, thereby producing the most robust catalytic converters. In practice, the pressure zone method is limited to catalyst substrates that are elliptical or circular in cross section or near circular. The suitability of the push rod for elliptical or flat elliptical car diverters used in the underfloor position is very limited. Pressure bars were popular among carmakers in Europe, but they became more common in North America as car changers moved from the underfloor position to the engine close coupling position. The press is also suitable for large diameter catalytic converters for medium diesel engines.

압박대 기법에서, 먼저 기재를 텅-그루브 형상의 매트 내에 싼다. 그런 다음, 둘러싼 모노리스를 길이 방향으로 갈라진 캔 내부에 설치한다. 상기 캔은 직사각형 금속판을 롤링하여 제작된다. 중첩부 밑에 오는 직사각형의 부분은 보통 테이퍼형으로 점차 얇아진다. 일부 설계에서, 캔의 중첩 부분은, 중첩부 밑의 캔 에지에 공간을 제공하기 위해 돌출되는 립(lip) 내로 추가적인 스탬핑 조작을 통해 형성된다. 그러한 설계는 캔의 내부 에지가 매트 내로 깎여 들어가거나, 특히 얇은 매트가 사용될 때 캔 형성부를 손상시킬 수 있는 국소적 압력 축적이 일어나는 것을 방지한다. 다음으로, 둘러싼 모노리스를 구비한 캔을, 어셈블리에 제어된 힘을 적용하는 압박대 제조기에 설치한다. 캔은 압력이 가해진 상태에서 가용접(tack weld)되고, 기계로부터 꺼내어져서 이음매 용접된다. 품질 보증 방법으로 서 푸시-아웃(push-out) 테스트가 때때로 실행된다. 특수한 시험 장치에서, 제어된 힘의 적용에 의해 일어나는 축 방향 모노리스 변위를 측정한다. 최종적으로, 별도의 조작으로 전환기 헤더 또는 말단 콘, 및 플랜지 및/또는 포트를 전환기 본체에 용접한다. 최종 어셈블리를 물에 담근 상태에서 공기로 가압하여 용접 품질에 대해 테스트한다.In the pressure zone technique, the substrate is first wrapped in a tongue-groove shaped mat. The surrounding monolith is then installed inside the can, which is split longitudinally. The can is produced by rolling a rectangular metal plate. The rectangular portion below the overlap is usually tapered and gradually thinner. In some designs, the overlapping portions of the cans are formed through additional stamping operations into protruding lips to provide space for can edges below the overlaps. Such a design prevents local pressure build-up from occurring that can cause the inner edge of the can to be scraped into the mat or damage the can formation, especially when a thin mat is used. Next, the cans with the enclosed monoliths are placed in press seat makers that apply a controlled force to the assembly. The can is tack welded under pressure, taken out of the machine and seam welded. As a quality assurance method, push-out tests are sometimes performed. In special test equipment, axial monolithic displacements caused by the application of controlled forces are measured. Finally, the diverter header or end cone, and the flange and / or port are welded to the diverter body in a separate operation. The final assembly is immersed in water and pressurized with air to test for weld quality.

압박대 제조기는 캔 형성부에 힘을 가하는 스틸 밴드로된 루프를 포함한다. 루프의 일단은 기계에 견고하게 부착되어 있고, 타단은 공압식 또는 수압식 액추에이터에 의해 당겨진다. 몇몇 기계에서는, 밀폐력을 최소화하고 보다 균일한 압력 분배를 보장하기 위해 캐닝 공정중에 진동을 적용한다.The pressure bar maker includes a loop of steel bands that exerts force on the can formation. One end of the loop is firmly attached to the machine and the other end is pulled by a pneumatic or hydraulic actuator. In some machines, vibration is applied during the canning process to minimize sealing forces and ensure a more even pressure distribution.

주어진 매트에 대한 목표 장착 밀도를 얻기 위해 실제로 요구되는 캐닝 힘은 일련의 테스트를 통해 결정될 수 있다. 여러 개의 전환기는 상이한 밀폐력을 이용하여 밀폐되어야 한다. 원하는 매트 밀도를 생성하는 캐닝 힘을 선택해야 한다. 매트 압력 이완으로 인해, 압박대 제조기가 재현성 있는 밀폐 속도와 시간 패턴을 생성하는 것이 중요하다. 목표 밀폐력에 도달한 후, 제조기는 가용접을 할 수 있도록 캔을 일정한 힘이 아니라 일정한 위치에 유지시켜야 한다. 매트 압력이 이완될 때 일정한 힘을 캔에 적용하는 것은 매트의 과도한 압축을 야기한다.The canning force actually required to achieve the target mounting density for a given mat can be determined through a series of tests. Several converters must be sealed using different sealing forces. The canning force must be chosen to produce the desired mat density. Due to the mat pressure relaxation, it is important for the pressure bar maker to produce reproducible closing speeds and time patterns. After reaching the target sealing force, the manufacturer must maintain the can in a constant position, not a constant force, to allow for tack welding. Applying a constant force to the can when the mat pressure is relaxed causes excessive mating of the mat.

슈박스 기법은 클램셸 방법과 유사한 갈라진 두 부분의 셸을 이용한다. 그러나, 상기 셸은 고정된 힘을 받아 하프-셸 중 하나의 에지가 다른 하나에 중첩된 상태로 밀폐된다. 따라서, 슈박스는 기재의 치수 공차에 대한 둔감성에 관해 압박대의 견실한 패키징 이점을 제공한다. The shoebox technique uses a two-part shell that is similar to the clamshell method. However, the shell is closed with a fixed force, with the edge of one of the half-shells superimposed on the other. Thus, the shoebox provides a robust packaging advantage of the press with respect to insensitivity to dimensional tolerances of the substrate.

슈박스 셸 상에 보강 리브를 스탬핑할 수 있다. 따라서, 이 기법에 의하면 압박대 기법이 적합하지 않은 경우에 평탄한 타원형 기재의 캐닝이 가능하다.Reinforcement ribs can be stamped onto the shoebox shell. Thus, this technique allows for the canning of a flat elliptical substrate when the compression band technique is not suitable.

스터핑Stuffing

스터핑 기법에서, 매트가 싸여진 모노리스를 원통형 캔에 밀어 넣는다. 캔은 보통 튜브의 섹션으로 만들어지지만, 금속판을 감아 용접할 수도 있다. 원통형이 아닌 형상(예컨대, 사다리꼴)도 가능하다. 이 방법은 소형 승용차 전환기와 중형 엔진용 대형 전환기에 모두 적용될 수 있다. 모노리스의 부드러운 삽입을 촉진하기 위해 도면에 나타낸 바와 같이 스터핑 콘을 사용한다(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). 상기 조작을 완료한 후, 캔 조립을 완성하기 위해 말단 콘을 실린더의 각 단부에 용접한다.In the stuffing technique, a monolith wrapped with a mat is pushed into a cylindrical can. The cans are usually made of sections of tubes, but can also be welded by winding a sheet of metal. Non-cylindrical shapes (eg, trapezoids) are possible. This method can be applied to both small car converters and large engines for medium engines. To facilitate smooth insertion of the monolith, a stuffing cone is used as shown in the figures (Li, FZ, 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). After completing the operation, the end cone is welded to each end of the cylinder to complete the can assembly.

스터핑된 전환기는 압박대 어셈블리와 유사한 외관을 갖지만, 기재를 홀딩하는 실제 메커니즘은 클램셸 디자인과 동일하다. 특히, 매트 장착 압력은 셸과 모노리스의 기하학적 치수에 의해 결정된다. 그 결과, 스터핑 기법을 사용할 때에는 기재 직경의 높은 재현성이 요구된다.The stuffed diverter has a similar appearance to the compression assembly, but the actual mechanism of holding the substrate is the same as the clamshell design. In particular, the mat mounting pressure is determined by the geometric dimensions of the shell and monolith. As a result, high reproducibility of the substrate diameter is required when using the stuffing technique.

SoftMount Technology로 지칭되는 변형된 스터핑 기법은 Corning사에 의해 제안되었다(Eisenstock, G., et al., 2002, "Evaluation of SoftMount Technology for Use in Packaging Ultra Thinwall Ceramic Susbstates", SAE 2002-01-1097). 그 목적은 낮은 강도를 특징으로 하는 초박형 벽 기재의 캐닝을 가능하게 하도록 스터핑 공정중에 피크 매트 압력을 최소화하는 것이다. 핵심 아이디어는 삽입 시 매트의 피크 압력 응답을 받도록 기재의 앞쪽에 위치한, 아버(arbor)라 불리는 테이퍼 상태의 원통형 공구를 사용하는 것이다.A modified stuffing technique called SoftMount Technology has been proposed by Corning (Eisenstock, G., et al., 2002, "Evaluation of SoftMount Technology for Use in Packaging Ultra Thinwall Ceramic Susbstates", SAE 2002-01-1097) . Its purpose is to minimize peak mat pressure during the stuffing process to enable canning of ultra thin wall substrates characterized by low strength. The key idea is to use a tapered cylindrical tool called an arbor, located in front of the substrate, to receive the peak pressure response of the mat upon insertion.

SoftMount 방법에서, 먼저 매트를 캔에 삽입하고, 공정중에 매트가 플랜지에 고정되도록 한다. 이어서, 매트가 정렬된 캔을 아버 및 기재 위로 밀어 내린다(즉, 아버는 기재 위에 위치한다). 아버는 캔-매트 어셈블리에 용이하게 미끌어져 들어가도록 단부에 안쪽으로 홈이 파여있다. 아버는 통과하여 이동하는 동안 매트를 캔에 압착시킨다. 기재가 캔에 있는 아버를 교체하는 위치로 이동하므로, 매트를 압축하는 데 필요한 순간적 피크 부하에 노출되지 않는다.In the SoftMount method, the mat is first inserted into the can and the mat is secured to the flange during the process. The can then aligns the can with the mat aligned over the arbor and the substrate (ie, the arbor is positioned over the substrate). The arbor is grooved inward at the end for easy sliding into the can-mat assembly. The arbor squeezes the mat into the can while moving through it. Since the substrate moves to the position where the arbor in the can is replaced, it is not exposed to the instantaneous peak load required to compress the mat.

스웨이징Swaging

스웨이징된 전환기에서, 전환기 셸은 매트로 싸인 기재가 삽입된 후 원하는 직경으로 기계 가공된다. 스웨이징은 승옹차 응용을 위한 대량 생산에 적합한, 완전 자동화된 CNC 제어 장치에서 실행되는 새로운 패키징 기법이다. 스웨이징된 전환기는 동일한 생산 기계에서 스핀 성형 프로세스로 얻어지는 말단 콘과 함께 튜브의 한 섹션으로부터 제조될 수 있다.In a swaged diverter, the diverter shell is machined to the desired diameter after the mated substrate is inserted. Swaging is a new packaging technique that runs on a fully automated CNC control unit, suitable for mass production for passenger car applications. Swaged converters can be made from one section of the tube with end cones obtained in a spin forming process on the same production machine.

갭 조절 메커니즘은, 스터핑의 경우와 같이, 일정한 갭 두께로 분류될 수 있지만, CNC 제어 생산 라인은 기재 직경의 차이를 자동적으로 감안할 수 있다. 스웨이징된 전환기는, 기계 가공 후 셸이 "스프링 백(spring back)"할 수 있도록, 초기에는 완성된 제품의 목표 직경보다 약간 작은 직경으로 형성되어야 한다. 이점은 이 방법의 단점이며, 캐닝중에 과도한 피크 압력 및 기재의 손상을 초래할 수 있다.The gap adjustment mechanism can be classified to a constant gap thickness, as in the case of stuffing, but the CNC controlled production line can automatically account for differences in substrate diameters. Swaged diverters should initially be formed with a diameter slightly smaller than the target diameter of the finished product so that the shell can "spring back" after machining. This is a disadvantage of this method and can result in excessive peak pressure and damage to the substrate during canning.

촉매 전환기 헤더는 유입 및 유출 파이프와 기재 단면 사이에 전이(transition)를 제공한다. 대부분의 전환기 헤더는 축 방향 가스 흐름과 함께 콘 또는 깔때기 형상을 갖는다. 다른 디자인, 예를 들면 끝이 잘린(truncated) 헤더(Wendland, E.W. et al., 1992, "Effect of Header Truncation on Monolith Converter Emission Control Performance", SAE 922340) 또는 접선 방향 가스 입구를 가진 헤더가 가능하지만 드물다. 유입 헤더의 기능은 유입 흐름을 확산시키는 것, 즉 가스 속도를 감소시키고 가능한 한 총압력의 손실을 적게 하면서 정압을 증가시키는 것이다. 실제로, 결합된 헤더 손실은 형태 및 유동 조건에 따라, 전환기 전체의 압력 강하의 10% 내지 50%에 달할 수 있다. 이러한 압력 손실은 보다 균일한 유동 분배를 제공하는 전환기 유입 헤더를 설계함으로써 최소화될 수 있다. 또한, 촉매 전환기 내의 균일한 유동 분배는 방출 성능 및/또는 내구성을 향상시킨다는 견해도 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 촉매 전환기 또는 입자 필터는 약 30%의 각도를 갖는 헤더를 가진다.Catalytic converter headers provide a transition between the inlet and outlet pipes and the substrate cross section. Most diverter headers have a cone or funnel shape with axial gas flow. Other designs are possible, for example truncated headers (Wendland, EW et al., 1992, "Effect of Header Truncation on Monolith Converter Emission Control Performance", SAE 922340) or headers with tangential gas inlets. rare. The function of the inlet header is to spread the inlet flow, i.e. increase the static pressure with reduced gas velocity and as little loss of total pressure as possible. In practice, combined header losses can range from 10% to 50% of the pressure drop across the converter, depending on the shape and flow conditions. This pressure loss can be minimized by designing a diverter inlet header that provides a more uniform flow distribution. There is also the view that uniform flow distribution within the catalytic converter improves discharge performance and / or durability. In one embodiment of the invention, the catalytic converter or particle filter has a header having an angle of about 30%.

매팅Matting

본 발명의 촉매 전환기 또는 입자 필터는 또한 선택적으로 매팅을 포함한다. 앞에서 언급하거나 이하에서 언급할 실시예는 어느 것이나 매팅을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 본 발명은 매트(또는 매팅이나 배팅)을 추가로 포함한다. 예를 들면, 본 발명의 촉매 전환기는 일 실시예에서 전술한 바와 같은 촉매 기재, 매트 및 캐니스터를 포함한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 매트는 해당 분야에 알 려져 있다.The catalytic converter or particle filter of the present invention also optionally includes matting. Any of the embodiments mentioned above or below will include matting. In one embodiment, the invention further comprises a mat (or matting or betting). For example, the catalytic converter of the present invention includes a catalyst substrate, mat and canister as described above in one embodiment. Mats that can be used in the present invention are known in the art.

일 실시예에 있어서 매트는 본 명세서에 기재되어 있고 종래에 알려져 있는 바와 같은 여러 가시 속성을 기준으로 선택될 수 있다. 촉매 전환기 캐니스터는 주어진 촉매 기재 및 주어진 매트에 대해 요구되는 장착 압력을 제공하도록 설계되는 것이 바람직하다. 매트의 장착 압력은 초기 벌크 밀도로부터 최종 목표 밀도까지 압축되는 동안 지수적으로 증가된다. 장착 압력은 점탄성적 이완(viscoelastic relaxation)을 나타낸다. 즉, 캐닝 시에 일어나는 피크 초기 압력이 매트 섬유의 재정렬로 인해 그 후 처음 수초 또는 수분 동안 현저히 감소된다(Myers 2000). 상기 이완으로 인한 팽대성 매트의 장착 압력 손실은 초기 피크 장착 압력의 30%와 60% 사이에서 변동된다.In one embodiment, the mat may be selected based on several visible attributes as described herein and known in the art. The catalytic converter canister is preferably designed to provide the required mounting pressure for a given catalyst substrate and a given mat. The mounting pressure of the mat increases exponentially during compression from the initial bulk density to the final target density. Mounting pressure indicates viscoelastic relaxation. That is, the peak initial pressure that occurs during canning is significantly reduced for the first few seconds or minutes thereafter due to the rearrangement of the mat fibers (Myers 2000). The mounting pressure loss of the expandable mat due to this relaxation varies between 30% and 60% of the initial peak mounting pressure.

매트 이완 및 나중의 사용중 압력 손실로 인해, 장착 압력은 캐닝 공정 규격에 대한 편리한 파라미터가 아니다. 오히려, 장착 밀도 - 종종 갭 벌크 밀도(gap bulk density; GBD)라 지칭됨 - 가 그 목적으로 보편적으로 사용된다. 벌크(압축되지 않은) 밀도와 함께 전형적인 매트 장착 밀도를 표 2에 수록한다. 주어진 응용을 위한 정확한 밀도에 관해서는 매트 제조자에게 자문을 구해야 할 것이다. 중량/면적은 g/㎡ 또는 kg/㎡ 단위로 표현된다(왜냐하면, 이것들은 중량 단위가 아닌 질량 단위이며, 통상적인 용어 "중량/면적"은 엄밀하게 말하면 "질량/면적"으로 대체되어야 할 것이다). 활용 가능한 매트는 1,050～6,200 g/㎡ 범위의 중량/면적 및 1.5～10 mm 범위의 압축되지 않은 두께를 가진다. 자동차 전환기용으로는 3,000～4,000 g/㎡의 팽대성 매트가 전형적으로 사용된다. 보다 가중된 응용 또는 대형 전환기를 위해서는 이보다 더 높은 매트 중량, 예컨대 6,200 g/㎡(6.2 kg/㎡)이 권장된다.Due to mat relaxation and later loss of pressure during use, the mounting pressure is not a convenient parameter for the canning process specification. Rather, mounting density, often referred to as gap bulk density (GBD), is commonly used for that purpose. Typical mat mounting densities along with bulk (uncompressed) densities are listed in Table 2. Consult the mat manufacturer for the exact density for a given application. Weight / area is expressed in units of g / m 2 or kg / m 2 (because these are mass units, not weight units, and the generic term “weight / area” will have to be replaced strictly with “mass / area”). ). Available mats have a weight / area in the range of 1,050 to 6,200 g / m 2 and an uncompressed thickness in the range of 1.5 to 10 mm. For automotive converters, expandable mats of 3,000-4,000 g / m2 are typically used. Higher mat weights, such as 6,200 g / m 2 (6.2 kg / m 2), are recommended for heavier applications or large converters.

촉매 전환기 장착 매트의 또 다른 중요한 성질은 종종 기준 중량으로도 불리는 중량/면적 비이다. 중량/면적은 g/㎡ 또는 kg/㎡ 단위로 표현된다(왜냐하면, 이것들은 중량 단위가 아닌 질량 단위이며, 통상적인 용어 "중량/면적"은 엄밀하게 말하면 "질량/면적"으로 대체되어야 할 것이다). 활용 가능한 매트는 1,050～6,200 g/㎡ 범위의 중량/면적 및 1.5～10 mm 범위의 압축되지 않은 두께를 가진다. 자동차 전환기용으로는 3,000～4,000 g/㎡의 팽대성 매트가 전형적으로 사용된다. 보다 가중된 응용 또는 대형 전환기를 위해서는 이보다 더 높은 매트 중량, 예컨대 6,200 g/㎡(6.2 kg/㎡)이 권장된다.Another important property of the catalytic converter mounting mat is the weight / area ratio, often referred to as the reference weight. Weight / area is expressed in units of g / m 2 or kg / m 2 (because these are mass units, not weight units, and the generic term “weight / area” will have to be replaced strictly with “mass / area”). ). Available mats have a weight / area in the range of 1,050 to 6,200 g / m 2 and an uncompressed thickness in the range of 1.5 to 10 mm. For automotive converters, expandable mats of 3,000-4,000 g / m2 are typically used. Higher mat weights, such as 6,200 g / m 2 (6.2 kg / m 2), are recommended for heavier applications or large converters.

패키징 매트는 고온의 배기 가스의 충돌에 의해 야기되는 침식을 받을 수 있다. 침식에 대한 내구성은 매트의 중요한 특성이다. 침식에 대한 내구성은 갭 벌크 밀도에 크게 의존한다. (Rajadurai, S., et al., 1999, "Single Seam Stuffed Converter Design for Thinwall Substrates", SAE 1999-01-3628).The packaging mat may be subjected to erosion caused by the collision of hot exhaust gases. Resistance to erosion is an important property of the mat. Resistance to erosion is highly dependent on gap bulk density. (Rajadurai, S., et al., 1999, "Single Seam Stuffed Converter Design for Thinwall Substrates", SAE 1999-01-3628).

장착 매트의 많은 다른 속성이 규정되어 있고 및/또는 시험되어 있으며, 매트 제조자로부터 입수할 수 있다. 이러한 속성의 목록은 열 전도도, 가스 밀봉 속성, 마찰 계수, 등이 포함된다.Many other attributes of the mounting mat are defined and / or tested and are available from the mat manufacturer. The list of these properties includes thermal conductivity, gas sealing properties, friction coefficients, and so on.

장착 시스템을 설계하는 중에 일 실시예에 있어서 다음 고려 사항이 감안된다:In designing the mounting system, the following considerations are taken into account in one embodiment:

장착 압력: 장착 매트가 기재를 셸에 연결하는 유일한 수단이라고(즉, 전환 기는 말단 밀봉부 또는 지지 링을 갖고 있지 않다고) 가정하면, 기계적 연결은 매트 표면에서의 마찰과 함께 방사상 압력(radial pressure)에 의해 제공된다. 장착 압력은 기재를 정위치에 유지하는 데 필요한 최소의 압력이다.Mounting pressure: Assuming that the mounting mat is the only means of connecting the substrate to the shell (ie, the diverter does not have end seals or support rings), the mechanical connection is a radial pressure with friction on the mat surface. Provided by The mounting pressure is the minimum pressure necessary to hold the substrate in place.

피크 장착 압력: 앞에서 언급한 바와 같이, 매트는 점탄성 고체처럼 거동하여, 초기 압축 시에 높은 피크 장착 압력을 생성하고, 이어서 점진적으로 이완되어 잔류 장착 압력에 도달한다. 벽이 얇은 기재에서, 피크 압력은 패키징하는 동안 촉매 코어에 손상을 초래할 수 있다. 압박대와 같이 일정한 갭 크기와 반대되는 일정한 힘에 의존하는 캐닝 방법을 설계할 때, 매트의 일시적 거동(transient behavior)도 고려되어야 한다.Peak Mounting Pressure: As mentioned earlier, the mat behaves like a viscoelastic solid, creating a high peak mounting pressure upon initial compression and then gradually relaxing to reach the residual mounting pressure. In thin-walled substrates, the peak pressure can cause damage to the catalyst core during packaging. When designing a canning method that relies on a constant force, as opposed to a constant gap size, such as a compression zone, the transient behavior of the mat must also be taken into account.

온도 거동: 압박대 매트에 있어서, 매트 압력은 버미큘라이트를 활성화하기에 충분한 온도를 얻는 것에 의존한다. 버미큘라이트 활성화를 위해서는 적어도 500℃의 유입 온도가 필요하고; 특별한 시스템에서의 열 전달 조건에 따라 더 높은 유입 온도가 필요할 수 있다. 가솔린 응용에서, 매트는 차량에서 엔진 가동의 초기 시간 중에 활성화된다. 디젤 응용에서는 촉매 전환기의 오븐-처리가 필요할 수 있는데, 이 경우 배기 가스 온도는 정상적 차량 가동 중에는 결코 충분한 레벨에 도달할 수 없을 것이다. 버미큘라이트 팽창은 부분적으로 가역적이므로, 온도가 상승되면 매트를 팽창시키고, 전환기가 냉각되면 수축시킨다. 버미큘라이트의 이러한 성질은 전환기 셸의 팽창을 보상하는 것을 넘어서, 더 높은 온도에서 매우 높은 장착 압력을 생성한다. 이와는 대조적으로, 비-팽대성 매트는 상기 온도 범위에 걸쳐서 거의 일정한 장착 압력을 나타낸다. 도 4에서 볼 수 있는 온도 상승에 따른 압력의 적은 감소는 전환기 셸의 열 팽창으로 인한 갭 팽창에 기인할 수 있다. 500℃보다 높은 온도에서, 팽대성 매트는 비-팽대성 매트보다 더 높은 홀딩 압력을 제공한다. 그러나, 500℃보다 낮은 온도에서는, 팽대성 매트로부터의 장착 압력은 실제로 비-팽대성 매트로부터의 압력보다 훨씬 낮다. 따라서, 전환기 입구 온도가 500℃ 미만으로 유지되는 많은 디젤 응용에서는 배-팽대성 매트가 바람직한 장착 재료이다. 버미큘라이트 함량이 감소된 팽대성 매트는 종래의 팽대성 매트와 비-팽대성 매트 사이의 장착 압력을 생성한다. 혼성 매트는 비-팽대성 매트와 유사한 압력 레벨을 나타내지만, 이들 매트는 높은 온도에서 소정의 압력 부스트(boost)를 유지하며, 이것은 갭 팽창을 방해한다.Temperature Behavior: For the press mat, the mat pressure is dependent on obtaining a temperature sufficient to activate vermiculite. Inlet temperature of at least 500 ° C. is required for vermiculite activation; Higher inlet temperatures may be necessary depending on the heat transfer conditions in the particular system. In gasoline applications, the mat is activated during the initial time of engine operation in the vehicle. In diesel applications, oven-treatment of the catalytic converter may be required, in which case the exhaust gas temperature will never reach a sufficient level during normal vehicle operation. Vermiculite expansion is partially reversible, thus expanding the mat when the temperature rises and shrinking when the converter cools. This property of vermiculite goes beyond compensating expansion of the diverter shell, creating a very high mounting pressure at higher temperatures. In contrast, non-expandable mats exhibit a nearly constant mounting pressure over the temperature range. The small decrease in pressure with increasing temperature seen in FIG. 4 may be due to gap expansion due to thermal expansion of the diverter shell. At temperatures above 500 ° C., expandable mats provide a higher holding pressure than non-expandable mats. However, at temperatures below 500 ° C., the mounting pressure from the inflatable mat is actually much lower than the pressure from the non-expandable mat. Thus, in many diesel applications where the converter inlet temperature is maintained below 500 ° C., the double-expandable mat is the preferred mounting material. Expandable mats with reduced vermiculite content create a mounting pressure between conventional expandable mats and non-expandable mats. Hybrid mats exhibit pressure levels similar to non-expandable mats, but these mats maintain a certain pressure boost at high temperatures, which prevents gap expansion.

갭 팽창: 전환기가 고온에 노출되면, 기재와 셸 사이의 열팽창 계수의 차이로 인해 갭 두께가 증가된다. 갭의 열 팽창은 장착 압력 손실의 중요한 소스일 수 있다. 갭 팽창은 특히 비-팽대성 매트가 사용되는 응용에서 치명적인데, 그것은 버미큘라이트 팽창에 의해 보상될 수 없기 때문이다. 설계 가이드라인으로서, 갭 팽창은 10% 미만으로 유지되어야 한다(Olson, J.R., 2004, "Diesel Emission Control Devices - Design Factor Affecting Mounting Mat Selection," SAE 2004-01-1420).Gap Expansion: When the converter is exposed to high temperatures, the gap thickness increases due to the difference in coefficient of thermal expansion between the substrate and the shell. Thermal expansion of the gap can be an important source of mounting pressure loss. Gap expansion is particularly fatal in applications where non-expandable mats are used because they cannot be compensated by vermiculite expansion. As a design guideline, the gap expansion should be kept below 10% (Olson, J.R., 2004, "Diesel Emission Control Devices-Design Factor Affecting Mounting Mat Selection," SAE 2004-01-1420).

갭 팽창은 다음과 같은 설계 인자에 의존한다:Gap expansion depends on the following design factors:

기재 직경: 큰 기재일수록 큰 갭 팽창 퍼센트를 가져온다. 따라서, 갭 팽창은 전환기 온도가 비교적 낮음에도 불구하고 중형 디젤 응용에서 여전히 문제가 될 수 있다.Substrate Diameter: Larger substrates result in larger gap expansion percentages. Thus, gap expansion can still be a problem in medium diesel applications despite relatively low converter temperatures.

갭 두께; 두꺼운 갭이 적은 갭 팽창을 초래한다.Gap thickness; Thick gaps result in less gap expansion.

셸 온도: 온도가 높을수록 더 큰 갭 팽창을 일으킨다.Shell Temperature: Higher temperatures cause greater gap expansion.

셸 재료 CTE: 열 팽창 계수가 높은 스틸이 더 높은 갭 팽창을 일으킨다. 따라서, 갭 팽창은 페라이트계(오스테나이트계에 반대되는 것으로서) 스틸 등급을 사용하여 더 용이하게 제어된다.Shell material CTE: Steel with high coefficient of thermal expansion results in higher gap expansion. Thus, gap expansion is more easily controlled using ferritic (as opposed to austenitic) steel grades.

매트 에이징(aging): 전환기가 사용에 들어가면, 팽대성 매트가 팽창하여 장착 압력의 증가를 야기한다. 하기와 같은 여러 가지 다른 에이징 인자가 장착 압력의 점진적인 비가역적 손실의 원인이다: 열적 사이클링(thermal cycling); 진동 가속 및 기타 기계적 인자; 물에 의한 매트의 침지(soaking)(응축, 차량 세척); 및 매트가 처음 가열될 때의 유기 바인더 소각.Mat aging: When the diverter enters use, the expandable mat expands causing an increase in mounting pressure. Several other aging factors are responsible for the gradual irreversible loss of mounting pressure: thermal cycling; Vibration acceleration and other mechanical factors; Soaking of the mat with water (condensation, vehicle wash); And organic binder incineration when the mat is first heated.

현재 사용중인 매트의 이점과 단점Advantages and disadvantages of the mats currently in use

종래의 응용은 캐니스터에 벌집형 기재를 장착하기 위한 팽대성 및 비-팽대성 섬유상 매트를 활용하며, 그러한 예는 Locker의 유럽 특허 제EP0884459 및 Hwang의 유럽 특허 제ep0912820에 제시되어 있다. 하나의 종래 시스템에 따르면, 섬유상 매트에 의해서 대형 촉매 부재를 캐니스터에 장착하는 것이 가능하다.Conventional applications utilize expandable and non-expandable fibrous mats for mounting honeycomb substrates in canisters, examples of which are given in Locker's European Patent EP0884459 and Hwang's European Patent EP0912820. According to one conventional system, it is possible to mount a large catalyst member to the canister by means of a fibrous mat.

팽대성Swelling 매트 mat

팽대성 매트는 본래 가솔린 전환기용으로 개발되었다. 1990년대 초까지, 그러한 매트는 디젤을 포함한 모든 내연기관 응용을 위한 촉매 전환기에 사용된 가장 보편적 형태의 세라믹 매트가 되었다. 팽대성 매트는 고온에 노출되면 부분적으로 비가역 팽창하는 성질을 가진다. 팽대성 매트에 대한 열 팽창 곡선은 3M 및 Unifrax를 포함하는 여러 제조자로부터 입수할 수 있다. 팽대성 매트는 일단 팽창되면 기재에 대한 홀딩 압력을 증가시켜 매우 확고한 장착 시스템을 제공한다. 그러한 온도 팽창 특성 때문에, 팽대성 매트는 고온에서 장착 압력을 실제로 증가시켜, 스틸 하우징의 열 팽창으로 인한 장착 압력 손실을 보상할 수 있다.Inflatable mats were originally developed for gasoline converters. By the early 1990s, such mats became the most common type of ceramic mats used in catalytic converters for all internal combustion engine applications, including diesel. Intumescent mats have the property of partially irreversible expansion upon exposure to high temperatures. Thermal expansion curves for inflatable mats are available from various manufacturers, including 3M and Unifrax. The expandable mat, once inflated, increases the holding pressure on the substrate to provide a very firm mounting system. Because of such temperature expansion properties, the expandable mat can actually increase the mounting pressure at high temperatures, thereby compensating for the mounting pressure loss due to thermal expansion of the steel housing.

팽대성 매트는 알루미나-실리카 세라믹 섬유로 만들어지고, 버미큘라이트를 함유하며, 이러한 재료가 열 팽창을 제공한다. 전형적인 조성은 30～50%의 알루미나-실리카 섬유, 40～60%의 버미큘라이트, 및 4～9%의 유기 바인더(전형적으로 아크릴 라텍스)를 갖는다. 전환기가 조립된 후, 매트는 초기 팽창을 얻기 위해 약 500℃ 수준의 온도에 노출되어야 하고, 이것은 차량에서 보통 엔진 가동의 초기 수 시간 중에 달성된다. 고온에서 분해되는 유기 매트 바인더는 매트가 최초 가열될 때 방출되는 특징적인 냄새의 원인이다.The expandable mat is made of alumina-silica ceramic fibers, contains vermiculite, and this material provides thermal expansion. Typical compositions have 30-50% alumina-silica fibers, 40-60% vermiculite, and 4-9% organic binder (typically acrylic latex). After the converter is assembled, the mat must be exposed to a temperature of about 500 ° C. in order to obtain initial expansion, which is usually achieved during the initial hours of engine operation in a vehicle. Organic mat binders that decompose at high temperatures are the cause of the characteristic odor released when the mat is first heated.

버미큘라이트 성분은 팽대성 매트에 대해 비교적 낮은 최대 가동 온도 한계를 부여한다. 매트는 약 750℃의 온도에서 홀딩 압력을 급격히 상실한다. 상기 온도를 보통 평균 매트 온도라고 정의한다. 따라서, 매트는 외부 전환기 셸로부터의 열 손실로 인해 매트를 가로질러 온도 구배가 있다면, 더 높은 배기 온도에서 사용될 수 있다. 팽대성 매트의 사용은 전환기 벽을 통해 열 손실이 전혀 일어나지 않는 고온의 등온 응용에서는 제한된다. 그러한 상황은, 예를 들면 오토바이 응용에 있어서 머플러 내부에 장착된 촉매를 포함한다.The vermiculite component imposes a relatively low maximum operating temperature limit for the expandable mat. The mat rapidly loses the holding pressure at a temperature of about 750 ° C. This temperature is usually defined as the average mat temperature. Thus, the mat can be used at higher exhaust temperatures if there is a temperature gradient across the mat due to heat loss from the external converter shell. The use of expandable mats is limited in high temperature isothermal applications where no heat loss occurs through the converter walls. Such situations include catalysts mounted inside mufflers, for example in motorcycle applications.

버미큘라이트 성분의 높은 함량도, 특히 높은 배기 온도에서의 높은 장착 압력의 원인이다. 팽대성 매트로부터의 압력은 초박형 벽 기재에 있어서 지나쳐서 부품에 대해 손상을 초래할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 응용에 있어서, 매트 제조자들은 버미큘라이트를 감소시킨 팽대성 매트(때대로 "진보된" 또는 "제2 세대" 팽대성 매트라 지칭됨)를 도입했으며, 이것이 종래의 설계보다 낮은 장착 압력을 제공한다.The high content of vermiculite components is also the cause of the high mounting pressure, especially at high exhaust temperatures. It has been found that the pressure from the expandable mat may be excessive in the ultra-thin wall substrate and cause damage to the part. In these applications, mat manufacturers have introduced expandable mats (sometimes referred to as "advanced" or "second generation" expandable mats) with reduced vermiculite, which provides lower mounting pressures than conventional designs. .

비-ratio- 팽대성Swelling 매트 mat

비-팽대성 매트는 버미큘라이트를 함유하지 않는다. 따라서, 이 매트는 약 1,250℃에 달하는 훨씬 높은 온도 한계를 제공한다. 비-팽대성 매트의 주성분은 유기 바인더가 첨가된 알루미나 섬유이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 촉매 전환기 또는 입자 필터는 전술한 바와 같은 기재를 포함하며, 비-팽대성 매트는 섬유상 재료를 포함할 때 더 양호할 수 있다.Non-expandable mats do not contain vermiculite. Thus, this mat provides a much higher temperature limit of about 1,250 ° C. The main component of the non-expandable mat is alumina fibers to which an organic binder is added. In one embodiment of the invention, the catalytic converter or particle filter comprises a substrate as described above, and the non-expandable mat may be better when it comprises a fibrous material.

지개 지지체는 내장된 압축 또는 섬유 "스프링"에 의존하며, 이것이 적용 온도 범위에 걸쳐 일정한 홀딩 압력을 공급한다. 전환기 셸은 온도에 따라 팽창하므로, 효과적인 전환기 장착 압력의 감소는 더 높은 온도에서 관찰된다. 따라서, 비-팽대성 매트는 버미큘라이트 매트와는 크게 상반되게 저온에서 촉매 기재를 매우 확고하게 유지한다. 온도가 상승함에 따라, 전환기 내부의 기재는 감소된 힘으로 유지된다.The dorsal support relies on embedded compression or fiber "spring", which supplies a constant holding pressure over the application temperature range. Since the diverter shell expands with temperature, an effective decrease in diverter mounting pressure is observed at higher temperatures. Thus, non-expandable mats hold the catalyst substrate very firm at low temperatures, in stark contrast to vermiculite mats. As the temperature rises, the substrate inside the converter is maintained at a reduced force.

비-팽대성 매트는 높은 장착 압력을 견디지 못하는 고온 응용(벽이 얇은 기재)에서 뿐 아니라, 디젤 엔진의 경우와 같이 저온 전환기에서도 사용될 수 있다. 비-팽대성 매트는 버미큘라이트 팽창에 좌우되지 않으므로, 저온 디젤 전환기에서 오븐 처리를 필요로 하지 않는다.Non-expandable mats can be used in low temperature converters, such as in diesel engines, as well as in high temperature applications (thin walled substrates) that do not withstand high mounting pressures. Non-expandable mats do not depend on vermiculite expansion and therefore do not require oven treatment in low temperature diesel converters.

혼성 매트Hybrid mat

본 발명의 개선된 촉매 전환기 또는 입자 필터는 혼성 매트를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 매트는 해당 분야에 알려져 있다. 혼성 매트는 일 실시예에서, 2층 디자인을 내포한다: 비-팽대성 매트의 층 상부에 팽대성 매트의 층. 혼성 매트의 속성 및 성능은 중간적이며, 팽대성 매트보다 저온 장착 압력은 양호하지만 비-팽대성 매트보다 고온 압력은 더 높다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 개선된 디젤 입자 필터는 경량급 및 중량급 응용 모두에 사용될 수 있는 혼성 매트를 포함한다. The improved catalytic converter or particle filter of the present invention may further comprise a hybrid mat. Such mats are known in the art. Hybrid mats, in one embodiment, incorporate a two-layer design: a layer of expandable mats on top of the layer of non-expandable mats. The properties and performance of the hybrid mats are intermediate and the cold mounting pressure is better than the expandable mats, but the hot temperature is higher than the non-expandable mats. In a preferred embodiment, the improved diesel particulate filter of the present invention comprises a hybrid mat that can be used for both light weight and heavy weight applications.

와이어wire 메쉬Mesh

세라믹 촉매 기재의 패키징에 매트 대신에 편직된(knitted) 스테인레스강 와이어 메쉬를 사용할 수 있다. 와이어 메쉬는 종종 매트보다 덜 바람직한 장착 압력 특성을 나타내는 것으로 생각되지만, 일부 촉매 전환기에서는 여전히 사용된다(전통적으로, 와이어 메쉬는 Ford사가 사용해 왔다). 와이어 메쉬에서는 가스가 기재를 바이패스하지 못하도록 항상 말단 밀봉부가 필요하다.Knitted stainless steel wire mesh may be used in place of the mat in the packaging of the ceramic catalyst substrate. Wire mesh is often thought to exhibit less desirable mounting pressure properties than mats, but is still used in some catalytic converters (traditionally, wire mesh has been used by Ford). In wire mesh, end seals are always needed to prevent gas from bypassing the substrate.

보조 assistant 가열원Heating source

앞에서 개시한 것과는 또 다른 구성 또는 실시예로서, 필터 엘리먼트는 촉매 적용 후에 기재에 첨가되는 일련의 전기적 가열 봉을 포함할 수 있다. 바람직하기로는, 상기 가열 엘리먼트는 경화 공정이 모든 전기적 컨택트에 해를 끼지는 것을 방지하기 위해 촉매 이후에 적용된다. 일 실시예에서, 가열 엘리먼트 또는 봉은 각각의 에지로부터 약 1/4 in 또는 원하는 임의의 거리에 설치된다. 일 실시예에 있어서, 가스 흐름 방향에 수직으로 설치되고 섬유 블랭크를 형성하는 동안 설치되는, 와이어 메쉬 구성 또는 그 밖에 전술한 다른 가열 엘리먼트를 사용할 수도 있다. 전기적 컨택트는 예비 가열기로서 엔진이 시동되기 전에 작동될 수 있고, 배기 온도가 보조 가열 엘리먼트에 의해 얻어지는 온도보다 높아질 때까지 부분적 또는 완전 가동 중 어느 하나의 가동 상태로 유지한다.As another configuration or embodiment from the one previously disclosed, the filter element may comprise a series of electrical heating rods added to the substrate after catalyst application. Preferably, the heating element is applied after the catalyst to prevent the curing process from harming all electrical contacts. In one embodiment, the heating element or rod is installed about 1/4 inch or any distance desired from each edge. In one embodiment, a wire mesh configuration or other heating elements described above may be used that are installed perpendicular to the gas flow direction and installed while forming the fiber blank. The electrical contact can be operated before the engine is started as a preheater and remains in either partial or full operation until the exhaust temperature is higher than the temperature obtained by the auxiliary heating element.

필터 기초에 적용되는 보조 가열원의 사용은 필터 기초(filter foundation)의 내부 온도를 증가시키는 데 및/또는 필터 기초 전체에 걸쳐 효율성을 더 양호하게하도록 부가적 열을 균일하게 분배하는 데 유용하다. 보조 열원은 탄성적 전기 가열 엘리먼트로 이루어질 수 있다. 가열 엘리먼트는 필터 기초가 형성된 후 또는 졸-겔 프로세스 중에 삽입될 수 있는 봉 형상을 가질 수 있다. 필터 기초에는 하나 이상의 전기적 가열 엘리먼트가 적용될 수 있고, 가열 엘리먼트는 동시에, 독립적으로, 순환식으로, 패턴을 이루어, 또는 무작위 순서로 가열될 수 있다. 가열 엘리먼트는 필터 기초를 형성하는 동안 또는 형성한 후에 삽입될 수 있는 와이어 메쉬 구성의 형태로 되어 있을 수 있다. 필터는 단일 와이어 메쉬 또는 복수의 와이어 메쉬 가열 엘리먼트를 이용할 수 있고, 이들 가열 엘리먼트는 동시에 또는 독립적으로 가열될 수 있다. 또한, 메쉬 가열 엘리먼트는 순환식으로, 패턴을 이루어, 또는 무작위 순서로 가열될 수 있다. 가열 엘리먼트는 또한 형성하는 동안 또는 형성 후에 삽입되는 봉 형상, 나선 형상을 이용할 수 있다. 필터 기초는 순환식으로, 패턴을 이루어, 또는 무작위 순서의 이용을 포함하여 동시에 또는 독립적으로 가열될 수 있는 하나 이상의 나선형 가열 엘리먼트를 결합할 수 있다. 마지 막으로, 필터 기초는 앞에서 기재한 임의의 가열 엘리먼트들의 조합을 결합할 수 있다.The use of an auxiliary heating source applied to the filter foundation is useful for increasing the internal temperature of the filter foundation and / or for evenly distributing additional heat to better efficiency throughout the filter foundation. The auxiliary heat source may consist of an elastic electrical heating element. The heating element may have a rod shape that can be inserted after the filter base has been formed or during the sol-gel process. One or more electrical heating elements can be applied to the filter base, and the heating elements can be heated simultaneously, independently, cyclically, in a pattern, or in a random order. The heating element may be in the form of a wire mesh configuration that can be inserted during or after forming the filter foundation. The filter can use a single wire mesh or a plurality of wire mesh heating elements, and these heating elements can be heated simultaneously or independently. In addition, the mesh heating elements may be heated in a circulatory, patterned, or random order. The heating element can also use rod-shaped, spiral-shaped inserts during or after formation. The filter base may combine one or more helical heating elements that may be heated simultaneously or independently, cyclically, in a pattern, or using a random order. Finally, the filter base may combine a combination of any of the heating elements described above.

전술한 탄성적 전기적 가열 엘리먼트에 더하여, 보조 가열원은 또한 적외선 또는 마이크로웨이브 가열 엘리먼트를 사용할 수도 있다. 다양한 가열원을 필터 기초의 내부에 나장하거나, 외부 가열 엘리먼트로서 필터 기초를 가열하는 데 이용할 수 있다. 이 경우에도 다양한 가열원을 독립적으로, 또는 임의의 다른 가열 엘리먼트 또는 가열원과 함께 적용할 수 있다.In addition to the elastic electrical heating elements described above, the auxiliary heating source may also use infrared or microwave heating elements. Various heating sources may be mounted inside the filter base or may be used to heat the filter base as an external heating element. Even in this case, various heating sources can be applied independently or in conjunction with any other heating element or heating source.

필터 기초는 차량 수송 시에 겪게 되는 통상적인 충격으로부터 필터 기초를 보호하기에 충분한 내구성을 가진 케이싱 내에 넣어진다. 그러한 케이싱은 스테인레스강, 스틸 또는 다른 금속 합금과 같은 보편적인 금속 케이싱을 포함할 수 있다. 케이싱 재료는 세라믹계 케이싱을 포함하는 비금속일 수도 있다. 필터 기초는 케이싱 내에 수용되기 이전에 단열체 또는 배팅(batting) 내에 캡슐화될 수 있다. 본 발명은 열 차폐물을 결합할 수도 있다.The filter base is encased in a casing with sufficient durability to protect the filter base from the typical impacts encountered during vehicle transport. Such casings may include universal metal casings such as stainless steel, steel or other metal alloys. The casing material may be a nonmetal including a ceramic casing. The filter base may be encapsulated in an insulator or batting prior to being received in the casing. The present invention may combine heat shields.

필터 기초의 유입 및 유출 튜브는 산화성 촉매로 코팅될 수 있다. 상기 촉매는 시스템 전체의 배기 처리를 훨씬 빠른 시간에 달성시키는 방사 프로세스(radiation process)를 가속화할 수 있다. 상기 촉매는 백금, 팔라듐, 또는 로듐계를 포함하는 귀금속 촉매 및 그 밖의 것일 수 있다. 상기 촉매는 필터 기초 표면에 직접 적용될 수 있다. 촉매의 적용은 필터 표면에 분무하거나, 필터 기초를 용액 중에 침지하여 적용되거나, 필터 기초 자체 내에 주입하는 방식일 수 있다. 산화성 촉매의 사용은 더 낮은 온도에서 입자상 물질의 점화를 촉진할 것이 다. 부가적으로, 촉매는 필터 기초 자체 내부의 보충적인 히터로서 사용될 수도 있다.The inlet and outlet tubes of the filter base may be coated with an oxidative catalyst. The catalyst can speed up the radiation process, which achieves exhaust treatment of the entire system at a much faster time. The catalyst may be a noble metal catalyst including platinum, palladium, or rhodium-based and others. The catalyst can be applied directly to the filter base surface. Application of the catalyst may be by spraying on the filter surface, by dipping the filter base in solution, or by pouring into the filter base itself. The use of oxidative catalysts will promote ignition of particulate matter at lower temperatures. In addition, the catalyst may be used as a supplemental heater inside the filter base itself.

배기 필터 시스템은 엔진 자체의 배기 매니폴드 내부에 일체화하는 것을 포함하여 엔진 배기 경로와 일체화시킬 수 있다. 필터 기초는 열과 진동에 대해 매우 내구성이 높기 때문에, 엔진 블록을 빠져나가는 엔진 배기의 바로 옆에 설치될 수 있다. 높은 열과 증가되는 진동 응력에 견디는 필터 기초의 독특한 능력에 의해 본 발명의 배치는 엔진에 훨씬 근접할 수 있다. 근접한 배치는 그 만큼 높은 열이나 진동 응력을 견디지 못하는 종래의 배기 필터 또는 촉매 전환기에 비해 이점을 제공한다.The exhaust filter system may be integrated with the engine exhaust path, including integration within the exhaust manifold of the engine itself. Since the filter foundation is very durable against heat and vibration, it can be installed next to the engine exhaust exiting the engine block. The unique ability of the filter base to withstand high heat and increasing vibrational stress allows the arrangement of the present invention to be much closer to the engine. Proximity arrangements offer advantages over conventional exhaust filters or catalytic converters that do not withstand such high thermal or vibrational stresses.

본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 구체적으로 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화와 변경이 이루어질 수 있음을 당업자는 명백히 알 것이다. 따라서, 첨부하는 청구의 범위 및 그 등가물 내에 포함되는 것이라면 본 발명의 변형 및 변경은 본 발명에 포함되어야 한다.While the invention has been described in detail with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made therein without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, modifications and variations of the present invention should be included in the present invention as long as it is included in the appended claims and their equivalents.

촉매 전환기의 특수한 Specialty of catalytic converter 실시예Example

본 발명의 촉매 전환기 및 입자 필터는 이하의 비제한적 특수한 실시예에 의해 추가로 설명된다. 여기에 인용되는 여러 가지 특수한 실시예는 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 반드시 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 촉매 전환기는 임의 개수의 엔진 및 차량에 탑재되어 사용될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 본 발명의 촉매 전환기는 하기 회사 중 어느 하나에 의해 생산되는 차량 또는 엔진에 탑재되어 적합하게 사용된다: Daimler-Chrysler; Chrysler; Dodge; Eagle; Jeep; Plymouth; General Motors; AM General(예, HUMMERs); 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; Honda; Mitsubishi; Renault; Peugeot; Toyota; 및 Volkswagen Group. 그 밖에 다음이 포함된다: Holden; Lightburn; Hartnett; Alpha Sports; Finch; Amuza; Australian Kitcar; FPV; Bavariacars; Birchfleld; G-Force; Bomac; Bullet; Homebush; Carbontech; HSV; Classic Glass; Kiaftwerkz; 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; Gordon-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; Peerless/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; Daihatsu; Honda(또한 Acura); Isuzu; Mazda; Mitsubishi; Mitsuoka; Nissan aka. Datsun(또한 Infiniti); Subaru; Suzuki; Toyota(또한 Lexus); Proton; ACE; AME; 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; SsangYong Motor Company; Nilsson; Nordic Uhr; S.A.M.; Saab; Scania; Thulin; Tidaholm; Tjorven(수출 시장에서는 Kalmar로서 판매됨); Volvo; 및 Yugo.The catalytic converter and particle filter of the present invention are further illustrated by the following non-limiting special examples. The various specific embodiments cited herein are exemplary and do not necessarily limit the scope of the invention. The catalytic converter of the present invention can be mounted and used in any number of engines and vehicles. Thus, in one embodiment, the catalytic converter of the present invention is suitably used in a vehicle or engine produced by any of the following companies: Daimler-Chrysler; Chrysler; Dodge; Eagle; Jeep; Plymouth; General Motors; AM General (eg HUMMERs); 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; Honda; Mitsubishi; Renault; Peugeot; Toyota; And Volkswagen Group. Others include: Holden; Lightburn; Hartnett; Alpha Sports; Finch; Amuza; Australian Kitcar; FPV; Bavariacars; Birchfleld; G-Force; Bomac; Bullet; Homebush; Carbontech; HSV; Classic Glass; Kiaftwerkz; 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; Gordon-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; Peerless / 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 from 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; Daihatsu; Honda (also Acura); Isuzu; Mazda; Mitsubishi; Mitsuoka; Nissan aka. Datsun (also Infiniti); Subaru; Suzuki; Toyota (also Lexus); Proton; ACE; AME; 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; SsangYong Motor Company; Nilsson; Nordic Uhr; S.A.M .; Saab; Scania; Thulin; Tidaholm; Tjorven (sold as Kalmar in the export market); Volvo; And Yugo.

촉매 또는 여과 머플러Catalyst or filtration muffler

또 다른 실시예에서, 본 발명은 또한 본 발명의 촉매 기재 또는 여과 기재를 포함하는 촉매 머플러를 제공하려는 것이다. 전술한 바와 같이, 촉매 기재 또는 여과 기재는 단일 캐니스터 내에 머플러와 함께 수용된다.In another embodiment, the present invention also seeks to provide a catalyst muffler comprising the catalyst substrate or filtration substrate of the invention. As mentioned above, the catalyst substrate or filtration substrate is housed together with the muffler in a single canister.

일 실시예에서, 본 발명의 촉매 머플러는, 종래 기술의 촉매 기재를 본 발명의 촉매 기재로 대체한, 공지된 설계의 촉매 머플러를 포함한다. 공지된 촉매 머플러로 적합한 것은 미국 특허 제6,622,482호; 제6,604,600호; 제6,341,662호; 및 제4,457,895호에 개시되어 있는 것을 포함한다.In one embodiment, the catalyst muffler of the present invention comprises a catalyst muffler of known design, replacing the prior art catalyst substrate with the catalyst substrate of the present invention. Suitable catalyst mufflers are known from US Pat. No. 6,622,482; 6,604,600; 6,604,600; No. 6,341,662; And 4,457,895.

배기 시스템Exhaust system

또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 촉매 기재를 포함하는 배기 시스템을 제공하려는 것이다. 배기 시스템은 일반적으로 소정 개수의 구성 요소를 포함한다. 배기 시스템은 엔진 및 배기 가스를 엔진으로부터 이격되도록 인도하는 적절한 수단을 포함한다.In yet another embodiment, the present invention is directed to providing an exhaust system comprising the catalyst substrate of the present invention. The exhaust system generally includes a certain number of components. The exhaust system includes suitable means for directing the engine and exhaust gas away from the engine.

배기 시스템은 내연기관 및 배기 가스를 연소 챔버의 배기 포트로부터 이격되도록 인도하기 위한 도관(conduit)을 포함한다. 배기 시스템의 다른 선택적 구성 요소에는 배기 매니폴드, 머플러 및 배기 파이프가 포함된다.The exhaust system includes a conduit for guiding the internal combustion engine and exhaust gas away from the exhaust port of the combustion chamber. Other optional components of the exhaust system include exhaust manifolds, mufflers and exhaust pipes.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 여과 기재를 포함하는 배기 시스템을 제공하려는 것이다.In yet another embodiment, the present invention is directed to providing an exhaust system comprising the filtration substrate of the present invention.

또 다른 태양에서, 본 발명은 본 발명의 촉매 기재를 활용하는 개선된 배기 시스템을 제공하려는 것이다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 본 발명의 여과 기재를 활용하는 개선된 배기 시스템을 제공하려는 것이다.In another aspect, the present invention seeks to provide an improved exhaust system utilizing the catalyst substrate of the present invention. In another aspect, the present invention seeks to provide an improved exhaust system utilizing the filtration substrate of the present invention.

본 발명의 배기 시스템은 하기 분야 중 임의의 것과 함께 사용하는 데 적합하다: The exhaust system of the present invention is suitable for use with any of the following fields:

1) 승용차 및 경량 트럭; 하이웨이 및 차도 오토바이; 트럭 및 버스와 같은 중형 하이웨이 엔진을 포함하는 이동형, 도로 상 엔진, 장치 및 차량, 2) 압축 점화 엔진(농장, 건설, 탄광 등); 소형 스파크 점화 엔진(잔디 깎는 기계, 잎 송풍기, 전기톱, 등); 대형 스파크 점화 엔진(포크리프트, 발전기, 등); 해양 디젤 엔진(상선, 레크리에이션 디젤, 등); 해양 스파크 점화 엔진(보트, 개인용 선박, 등); 레크리에이션 차량(스노우모빌, 산악용 오토바이, 전지형 만능차, 등); 기관차; 항공기(비행기, 지상 지지 장치, 등)를 포함하는 이동형, 비도로 엔진, 장치 및 차량, 및 3) 발전소, 정유 설비 및 제조 시설과 같은 수백 종의 소스를 포함하는 정지형 소스. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 기재, 촉매 전환기, 입자 필터 또는 촉매 머플러를 포함하는 배기 시스템을 제공하려는 것이다.1) passenger cars and light trucks; Highway and driveway motorcycles; Mobile, on-road engines, devices and vehicles, including medium highway engines such as trucks and buses; 2) compressed ignition engines (farm, construction, coal mine, etc.); Small spark ignition engines (grass mowers, blade blowers, chainsaws, etc.); Large spark ignition engines (forklifts, generators, etc.); Marine diesel engines (merchant marine, recreational diesel, etc.); Marine spark ignition engines (boats, personal vessels, etc.); Recreational vehicles (snowmobiles, mountain motorcycles, all-rounder vehicles, etc.); locomotive; Stationary sources including mobile, non-road engines, devices and vehicles, including aircraft (airplanes, ground support devices, etc.), and 3) hundreds of sources such as power plants, refineries, and manufacturing facilities. In another embodiment, the present invention is directed to providing an exhaust system comprising the substrate, catalytic converter, particle filter, or catalyst muffler of the present invention.

본 발명의 배기 시스템으로 적합한 다른 시스템으로는 특정한 해양 운송 수단에 사용되는 것이 포함된다. 촉매는 전형적으로 엔진으로부터 연결된 배기 파이프에 위치한다. 이러한 배기 파이프는 선박의 선체 내 챔버를 통해 선미 근방의 출구로 연결된다. 이 배열은 특히 종래의 기재에 있어서, 배기 파이프가 진동의 영향을 받도록 만든다. 또한, 개인용 선박에서는, 선박의 크기를작게 유지하고 중력의 중심을 낮게 하기 위해서 엔진이 설치될 수 있는 공간의 크기가 제한된다. 또한, 코디어라이트와 같은 특정한 종래의 기재는 엔진에 너무 가까이 설치되지 않아야 한다(과열 및 용융의 가능성이 있으므로). 본 발명의 촉매 전환기 또는 입자 필터를 포함하는 해양 운송 수단의 배기 시스템은 이러한 문제 중 하나 이상을 극복할 수 있다. 촉매 전환기 또는 입자 필터는 종래의 전환기나 필터가 위치한 것과 동일한 곳에 해양 배기 시스템에 설치되거나, 또는 또 다른 위치에 설치될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 촉매 전환기는 종래의 촉매 전환기보다 작지만, 오염물의 제거 및/또는 여과에 있어서는 실질적으로 동일한 효율을 가진다. 그 예를 미국 특허 제5983631호에서 볼 수 있다(Yamaha hatsudoki Kabushiki Kaisha).Other systems suitable for the exhaust system of the present invention include those used in certain marine vehicles. The catalyst is typically located in an exhaust pipe connected from the engine. These exhaust pipes are connected to the outlet near the stern through the inboard chamber of the ship. This arrangement makes the exhaust pipe susceptible to vibration, in particular in conventional substrates. In addition, in personal vessels, the size of the space in which the engine can be installed is limited in order to keep the size of the vessel small and to lower the center of gravity. In addition, certain conventional substrates such as cordierite should not be installed too close to the engine (as there is a possibility of overheating and melting). Exhaust systems for offshore vehicles comprising catalytic converters or particle filters of the present invention may overcome one or more of these problems. The catalytic converter or particle filter may be installed in the marine exhaust system at the same location where the conventional converter or filter is located, or at another location. For example, in one embodiment, the catalytic converter is smaller than a conventional catalytic converter, but has substantially the same efficiency in removing and / or filtering contaminants. An example can be found in US Pat. No. 5,936,313 (Yamaha hatsudoki Kabushiki Kaisha).

또 다른 실시예에서, 본 발명의 배기 시스템은 배기 시스템으로부터 방출되는 오염물을 감소시키거나 제한하는 데 사용되는 하나 이상의 부가적인 후처리 장치 또는 방법을 포함한다. 적합한 장치 및 방법에는 CRT, EGR, SCR, ACERT 등이 포함된다. 예로서, 일 실시예에서, 상기 배기 시스템은 본 발명의 촉매 전환기 및 CRT를 포함한다. 상기 배기 시스템은 추가로 SCR 시스템을 포함할 수 있다. 부가적인 조합 및 변경이 가능하며, 이러한 조합 및 변경은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해된다.In yet another embodiment, the exhaust system of the present invention includes one or more additional aftertreatment devices or methods used to reduce or limit contaminants emitted from the exhaust system. Suitable devices and methods include CRT, EGR, SCR, ACERT, and the like. By way of example, in one embodiment, the exhaust system comprises the catalytic converter and CRT of the present invention. The exhaust system may further comprise an SCR system. Additional combinations and variations are possible and are understood to be included within the scope of the present invention.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 nSiRF-C 복합체 및 촉매를 포함하는 촉매 기재를 가진 NO_x 흡착기를 포함하는 배기 시스템을 제공하려는 것이다. 엔진의 헤드 내에 메인-캣이 부분적으로 또는 전체적으로 설치되어 있다. 일 실시예에서, 메인 -캣은 본 발명의 촉매 기재를 포함하고, 상기 기재는 약 12 lb/ft³의 밀도, 약 97%의 다공도, 낮은 열 팽창, 높은 구조적 일체성 및 낮은 열 전도도를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 약 600 cpsi를 가지며, 약 6 mil의 벽 두께를 가진다. 이 실시예에서, 메인-캣은 벽-유동 구조를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣은 채널을 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 메인-캣의 촉매 기재의 채널들은 빗질 방법을 이용하여 제조된다. 또한 이 실시예에서, 촉매 기재는 선택적인 워쉬코트를 포함한다. 이 실시예에서, 상기 메인-캣은 오염물의 산화 및 환원 모두에 촉매작용을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 메인-캣은 오염물을 산화시키는 능력 및 오염물을 환원시키는 능력을 가진다. 바람직한 실시예에서, NO_x 조합 배기 시스템은 팽대성 매팅을 포함한다. 메인-캣은 모든 내연기관에서 사용될 수 있다. NO_x 조합 시스템은 연료 동반 촉매가 없이 사용되는 것이 바람직하다. 일반적으로, NO_x 조합 배기 시스템은 머플러 근방에 위치한 기재를 가지며, 다른 위치도 가능하다.In another embodiment, the present invention seeks to provide an exhaust system comprising an NO _x adsorber having a catalyst substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. The main-cat is installed in part or in whole in the head of the engine. In one embodiment, the main-cat comprises a catalyst substrate of the present invention, the substrate having a density of about 12 lb / ft ³ , porosity of about 97%, low thermal expansion, high structural integrity, and low thermal conductivity. . In a preferred embodiment, the main-cat has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. In this embodiment, the main-cat has a wall-flow structure. In a preferred embodiment, the main-cat has a channel. In a preferred embodiment, the catalyst-based channels of the main-cat are prepared using a combing method. Also in this embodiment, the catalyst substrate comprises an optional washcoat. In this embodiment, the main-cat can catalyze both oxidation and reduction of contaminants. For example, the main-cat has the ability to oxidize contaminants and reduce contaminants. In a preferred embodiment, the NO _x combination exhaust system includes an expandable mating. The main-cat can be used in all internal combustion engines. The NO _x combination system is preferably used without a fuel entrained catalyst. In general, the NO _x combination exhaust system has a substrate located near the muffler, and other locations are possible.

차량vehicle

또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명에 따른 촉매 전환기 또는 여과 필터를 포함하는 개선된 차량을 제공하려는 것이다. 상기 개선된 차량은 전술한 다양한 실시예, 촉매 전환기의 임의의 특수한 실시예 및 입자 필터를 포함한다.In another embodiment, the present invention is to provide an improved vehicle comprising a catalytic converter or filtration filter according to the present invention. The improved vehicle includes the various embodiments described above, any particular embodiment of the catalytic converter and the particle filter.

적합한 예로 들 수 있는 개선된 차량에는 하기 회사 중 하나 이상에 의해 제조된 차량이 포함된다: Daimler-Chrysler; Chryssler; Dodge; Eagle; Jeep; Plymouth; General Motors; AM General(예컨대, HUMMERs); Buick; Cadillac; Chevrolet; Geo; GMC; Hummer; LaSalle; Oldsmobile; Poniac; Saturn; Ford; Continental; Lincoln; Mercury; Ace Motor Corp; American Motors; Avanti BMW; Fiat; GAZ; Honda; Mitsubishi; Renault; Peugeot; Toyota; Volkswagen Group; 및 Yugo. Suitable examples of improved vehicles include vehicles manufactured by one or more of the following companies: Daimler-Chrysler; Chryssler; Dodge; Eagle; Jeep; Plymouth; General Motors; AM General (eg, HUMMERs); Buick; Cadillac; Chevrolet; Geo; GMC; Hummer; LaSalle; Oldsmobile; Poniac; Saturn; Ford; Continental; Lincoln; Mercury; Ace Motor Corp; American Motors; Avanti BMW; Fiat; GAZ; Honda; Mitsubishi; Renault; Peugeot; Toyota; Volkswagen Group; And Yugo.

실시예Example

실시예Example 1 One

체류 시간 또는 소각 시간은 배기 방출로부터의 탄화수소가 방출 필터 내에서 완전히 연소되거나 산화될 때까지 머무르는 시간이다. 본 발명의 체류 시간은 종래의 시스템보다 월등히 양호하다. 도 19는 각각 600도 Kelvin, 900도 Kelvin, 1,000도 Kelvin, 및 1,200도 Kelvin의 온도에서 검댕을 연소 또는 소각시키는 데 필요한 체류 시간(1902, 1904, 1906, 1908)의 그래프를 제공한다. 입자가 운동 에너지를 많이 가질수록, 반응이 성공적으로 이루어질 확률이 더 높다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 600도 Kelvin에서 0.9 검댕 질량을 가진 검댕을 연소 또는 소각하기 위한 체류 시간(1902)은 1,200도 Kelvin에서의 체류 시간(1908)보다 훨씬 길다. 체류 시간이 길수록, 허용가능한 처리 체적이 더 작고 필터 기공에 더 많은 입자가 축적되어 폐쇄시킬 위험성이 더 크다. 폐쇄는 용융점까지 세라믹 재료가 과열됨으로써 기공을 블로킹 또는 폐쇄하는 결과일 수도 있다. 체류 시간 값(1902, 1904, 1906)은 코디어라이트 샘플을 나타낸다. 체류 시간(1902, 1904, 1906)은 연소를 완결시키는 데 약 2분 내지 20시간의 범위가 걸린다. 체류 시간(1908)은 본 발명 의 실시예를 나타내며, 연소를 완결시키는 데 단지 약 0.75초가 걸린다.The residence time or incineration time is the time that the hydrocarbons from the exhaust emission stay until completely combusted or oxidized in the emission filter. The residence time of the present invention is much better than conventional systems. FIG. 19 provides a graph of the residence times 1902, 1904, 1906, and 1908 required to burn or incinerate soot at temperatures of 600 degrees Kelvin, 900 degrees Kelvin, 1,000 degrees Kelvin, and 1,200 degrees Kelvin, respectively. The more kinetic energy the particle has, the higher the probability that the reaction will be successful. As shown in FIG. 19, the residence time 1902 for burning or incineration of soot with 0.9 soot mass at 600 degrees Kelvin is much longer than the residence time 1908 at 1200 degrees Kelvin. The longer the residence time, the smaller the allowable treatment volume and the greater the risk that more particles will accumulate and close in the filter pores. The closure may be the result of blocking or closing the pores by overheating the ceramic material to the melting point. Retention time values 1902, 1904, 1906 represent cordierite samples. Retention times 1902, 1904, 1906 range from about 2 minutes to 20 hours to complete combustion. Retention time 1908 represents an embodiment of the present invention and takes only about 0.75 seconds to complete combustion.

실시예Example 2 2

기재materials

전술한 바와 같이 기재(1～7)를 제조했다. AETB-12는 COI Ceramics로부터 구입하였고, 12 lb/ft³의 밀도를 선택하여 nSiRF-C로서 사용했다. 본 명세서에 기재된 가공 방법으로 표준 카바이드 드릴 비트를 사용하여 치수가 8×8×4인 AETB-12 빌릿으로부터 기재/필터를 가공했다. 상기 기재는 다음 치수를 가진 원통형 형상으로 가공되었다: 반경 2 in, 길이 1 in.As mentioned above, the base materials 1-7 were manufactured. AETB-12 was purchased from COI Ceramics and used as nSiRF-C with a density of 12 lb / ft ³ selected. Substrates / filters were machined from AETB-12 billets with dimensions 8 × 8 × 4 using standard carbide drill bits using the processing methods described herein. The substrate was processed into a cylindrical shape with the following dimensions: radius 2 in, length 1 in.

본 명세서에 기재되고 해당 분야에 공지되어 있는 표준 CNC 드릴링 방법을 이용하여 상기 기재에 플로우-스루 채널, 벽-유동 채널 및 혼합된 플로우-스루/벽-유동 채널을 드릴 가공했다. 상기 채널의 드릴에는 직경 0.042"의 스테인레스강 드릴 비트를 10,000 RPM으로 사용했다. 드릴링 공정중에, 높은 열 방사 및 재료의 전도성으로 인해, 드릴 비트가 고온 환경에 노출됨으로써 드릴 비트의 손상 및 궁극적인 용융이 초래되는 것이 관찰되었다. 벽 두께는 측정되지 않았다.The substrates were drilled with flow-through channels, wall-flow channels, and mixed flow-through / wall-flow channels using standard CNC drilling methods described herein and known in the art. The drill in this channel used a stainless steel drill bit with a diameter of 0.042 "at 10,000 RPM. During the drilling process, due to the high heat radiation and conductivity of the material, the drill bit is exposed to a high temperature environment resulting in damage and ultimate melting of the drill bit. This was observed, the wall thickness was not measured.

기재(1, 2)는 플로우-스루 구조를 가졌다. 기재(3～6)는 벽-유동 구조를 가졌다. 기재(3)는 플로우-스루로서 약 25%의 채널, 및 벽-유동으로서 약 50%의 채널을 가졌다. 기재(4)는 플로우-스루로서 약 50%의 채널, 및 벽-유동으로서 약 50%의 채널을 가졌다. 기재(5, 6)는 플로우-스루로서 약 75%의 채널, 및 벽-유동으로서 약 25%의 채널을 가졌다. The substrates 1 and 2 had a flow-through structure. Substrates 3-6 had wall-flow structures. The substrate 3 had about 25% of the channel as flow-through and about 50% of the channel as wall-flow. The substrate 4 had about 50% of the channel as flow-through and about 50% of the channel as wall-flow. The substrates 5, 6 had about 75% of the channels as flow-through and about 25% of the channels as wall-flow.

기재들 중 일부는 알루미나 워쉬코트로 코팅하였고, 이어서 Pt:Rh 비가 5:1인 촉매 코팅을 실시했다. 구체적으로, 기재(1, 2, 7)는 어떠한 화학물질로도 코팅하지 않았다. 기재(3, 4, 5, 6)는 공지된 표준 기법을 활용하여 균일한 워쉬코팅이 제공되었다. 각 기재에 적용된 워쉬코트의 질량은 Mass of Washcoat라 명명된 컬럼에서 제공되었다. 워쉬코팅에 이어서, 5:1 Pt/Rh를 포함하는 촉매 혼합물을 표준 방법을 이용하여 기재(3, 4, 5, 6)에 적용했다. 각각의 기재/필터에 적용된 촉매 혼합물의 질량은 Mass of Catalyst라 명명된 컬럼에서 제공되었다(g/ft³). 워쉬코트 및 귀금속 촉매 부하를 가진 기재를 해당 분야에 공지된 기법을 이용하여 캐닝했다.Some of the substrates were coated with alumina washcoat followed by a catalyst coating with a Pt: Rh ratio of 5: 1. Specifically, the substrates 1, 2, 7 were not coated with any chemicals. Substrates 3, 4, 5, 6 were provided with uniform wash coating utilizing known standard techniques. The mass of washcoat applied to each substrate was provided in a column named Mass of Washcoat. Following washcoating, a catalyst mixture comprising 5: 1 Pt / Rh was applied to the substrates 3, 4, 5, 6 using standard methods. The mass of catalyst mixture applied to each substrate / filter was given in a column named Mass of Catalyst (g / ft ³ ). Substrates with washcoat and precious metal catalyst loads were canned using techniques known in the art.

실시예Example 3 3

촉매 기재 및 여과 기재의 제조Preparation of Catalyst Substrate and Filter Substrate

명백히 언급하지 않은 한 실시예 2에 기재된 바와 정확히 동일하게 기재/필터를 제조했다.The substrate / filter was prepared exactly as described in Example 2 unless explicitly stated.

실시예 1의 기재/필터와의 두드러진 차이로서, 빗형 어셈블리의 1 in 슬러그 내부로 3/4 in의 최종 깊이를 CNC로 제거하고, 마주보는(거울상) 빗형 어셈블리를 CNC 펀치에 장착하고, 브로칭의 페킹 방법과 동일한 공정을 사용했다. 이 가공 방법의 최종 결과는 6 mil의 벽 및 1/2 in의 벽-유동 중첩을 구비한 600 cpsi이다. 도 28에 나타낸 바와 같이, 벽-유동 구조에서의 기재/필터의 치수는 직경 1"×두께 1"였고, 슬러그 내측 패턴은 0.8"×0.8" 정사각형이었다. 이 기재를 사용하여, 벽-유동 구조에 의해 야기되는 유동에서의 장애로 인해 N₂ 가스 흐름에서 관찰되는 압력 강하를 관찰하기 위해 초기 단계의 성공적인 Delta P-테스트를 수행했다. 도 29는 27℃, 29℃, 및 400℃의 온도에 대한 가스 유속의 함수로서 반응기-튜브 유량 측정 시스템에서의 압력 강하를 나타낸다. 도 30은 동일한 반응기에서 125 SLPM의 일정한 유속에서의 온도의 함수로서 측정한 압력 강하를 나타낸다. 이들 초기의 결과는 긍정적인 것으로, nSiRF-C 기재/필터가 벽-유동 구조에서 높은 역압력을 발생하지 않는다는 것을 나타낸다.As a significant difference from the substrate / filter of Example 1, the CNC removes the final depth of 3/4 in into the 1 in slug of the comb assembly, mounts the opposing (mirror) comb assembly to the CNC punch, and The same process as the peking method was used. The final result of this processing method is 600 cpsi with a wall of 6 mils and wall-flow overlap of 1/2 in. As shown in FIG. 28, the dimensions of the substrate / filter in the wall-flow structure were 1 ″ × thickness 1 ″ in diameter, and the slug inner pattern was 0.8 ″ × 0.8 ″ square. Using this substrate, an early stage successful Delta P-test was performed to observe the pressure drop observed in the N ₂ gas flow due to the disturbance in flow caused by the wall-flow structure. FIG. 29 shows the pressure drop in a reactor-tube flow measurement system as a function of gas flow rate for temperatures of 27 ° C., 29 ° C., and 400 ° C. FIG. 30 shows the pressure drop measured as a function of temperature at a constant flow rate of 125 SLPM in the same reactor. These initial results are positive, indicating that the nSiRF-C substrate / filter does not generate high back pressure in the wall-flow structure.

실시예Example 4 4

실시예 1의 기재와의 두드러진 차이로서, COI Ceramics로부터 구입한, 각각 11, 12, 및 16 lb/ft³의 밀도를 가진 AETB-11, AETB-12, 및 AETB-16을 사용하여 3개 의 상이한 기재를 제조했다.As a noticeable difference from the substrate of Example 1, ^three were obtained using AETB-11, AETB-12, and AETB-16 with densities of 11, 12, and 16 lb / ft ³ purchased from COI Ceramics, respectively. Different substrates were prepared.

AETB-11로부터 생성된 기재/필터에 있어서, 빗형 어셈블리의 1 in 슬러그 내부로 3/4 in의 최종 깊이를 CNC로 제거하고, 마주보는(거울상) 빗형 어셈블리를 CNC 펀치에 장착하고, 브로칭의 페킹 방법과 동일한 공정을 사용했다. 이 가공 방법의 최종 결과는 6 mil의 벽 및 1/2 in의 벽-유동 중첩을 구비한 600 cpsi이다. AETB-12 및 AETB-16으로부터 생성된 기재/필터에 있어서, 빗형 어셈블리의 1 in 슬러그 내부로 7/8 in의 최종 깊이를 CNC로 제거하고, 마주보는(거울상) 빗형 어셈블리를 CNC 펀치에 장착하고, 브로칭의 페킹 방법과 동일한 공정을 사용했다. 이 가공 방법의 최종 결과는 6 mil의 벽 및 3/4 in의 벽-유동 중첩을 구비한 600 cpsi이다. For substrates / filters generated from AETB-11, the final depth of 3/4 in is removed by CNC into the 1 in slug of the comb assembly, the opposing (mirror) comb assembly is mounted on the CNC punch, and the broaching The same process as the method was used. The final result of this processing method is 600 cpsi with a wall of 6 mils and a wall-flow overlap of 1/2 in. For substrates / filters produced from AETB-12 and AETB-16, the final depth of 7/8 in is removed by CNC into the 1 in slug of the comb assembly, and the opposing (mirror) comb assembly is mounted on the CNC punch. The same process as the peking method of broaching was used. The final result of this processing method is 600 cpsi with 6 mil walls and 3/4 in wall-flow overlap.

이 단계에서 테스트한 모든 기재/필터의 치수는 직경 1" 및 두께 1"였다. 시간당 공간 속도의 함수로서 기재 재료의 밀도 및 벽-유동 구조에 대해 관찰되는 압력 강하를 관찰하기 위해, 상기 기재를 또 다른 초기 단계 Delta P-테스트에 노출시켰다. 이 특별한 테스트는 932℉의 온도에서 수행되었다. 본 테스트의 결과를 도 31에 종합한다. AETB-11, AETB-12 및 AETB-16 기재/필터에 대해 관찰된 데이터에 더하여, 상기 결과로서 Corning사가 자사의 400/6.6 플로우-스루 코디어라이트 기재/필터 및 200/12 코디어라이트 DPT(벽-유동 구조)에 대해 보고하였다. Corning 데이터는 Corning Technical Reports를 통해 입수되었다. 본 발명의 결과는, 벽-유동 구조에서 Corning DPT는 코디어라이트 플로우-스루 필터에 비해 과도한 역압력을 야기하지만, 본 발명의 niRF-C 필터는 벽-유동 구조로 사용될 때에도 코디어라이트 플로우-스루 기재와 동등한 역압력을 발생한다는 것을 나타낸다. 역압력은, 도 31에서 관찰되는 바와 같이, 벽-유동 DPT에서는 큰 문제이기 때문에, 본 특허에서의 발명과 같은, nSiRF-C 재료로 만들어진 벽-유동 DPT를 사용하는 것이 우수한 대안이 된다는 것을 추론할 수 있다. 부가적으로, AETB-11 대비 AETB-12 및 AETB-16 기재/필터에서 관찰된 역압력을 비교함으로써 '중첩' 채널 길이를 증가시키면 역압력 성능이 양호해진다고 추론할 수 있는 것으로 관찰된다.The dimensions of all substrates / filters tested at this stage were 1 "in diameter and 1" in thickness. The substrate was exposed to another initial stage Delta P-test to observe the pressure drop observed for the wall material and the density of the substrate material as a function of space velocity per hour. This particular test was performed at a temperature of 932 ° F. The results of this test are summarized in FIG. 31. In addition to the data observed for AETB-11, AETB-12 and AETB-16 substrates / filters, the results indicate that Corning has incorporated its 400 / 6.6 flow-through cordierite substrates / filters and 200/12 cordierite DPT ( Wall-flow structure). Corning data was obtained through Corning Technical Reports. The results of the present invention show that Corning DPT in the wall-flow structure causes excessive back pressure compared to the cordierite flow-through filter, while the niRF-C filter of the present invention is used as a cordierite flow- It indicates that back pressure is generated equivalent to through substrate. Since back pressure is a big problem for wall-flow DPTs, as observed in FIG. 31, it is inferred that using wall-flow DPTs made of nSiRF-C materials, such as the invention in this patent, is an excellent alternative. can do. In addition, it can be inferred that increasing the 'overlap' channel length by comparing the back pressures observed in AETB-12 and AETB-16 substrates / filters versus AETB-11 results in better back pressure performance.

도 32는 1,100℉의 가동 온도에서 실행한 동일한 테스트이며, 결과의 추세는 거의 동일하다.32 is the same test run at an operating temperature of 1,100 ° F., and the trend of the results is nearly identical.

실시예Example 5 5

명백히 언급하지 않은 한 실시예 2에 기재된 바와 같이 기재/필터를 제조했다.Substrates / filters were prepared as described in Example 2 unless explicitly stated.

AETB-12는 COI Ceramics로부터 구입하였으며, 12 lb/ft³의 밀도를 가진 nSiRF-C 선택 재료로서 사용했다. 3,000 cpsi 및 30,000 cpsi로 홀을 형성하기 위해 레이저 기반 채널 드릴링 기법을 테스트했다. 상기 홀들은 본 명세서 및 관련 종래 기술에서 기재되어 있는 DPSS 레이저 시스템을 이용하여 드릴링했다. 펄스형, 고에너지 레이저 시스템에 의해 생성된 홀들은 정사각형 형상이었고, 상기 특별한 형상으로 인해 높은 전방 표면적을 나타냈다. 높은 전방 표면적(채널의 벽 두께에 대한 큰 체적으로 초래됨)의 존재는, 실시예 3에 기재된 바와 동일한 테스 트-유동 반응기를 사용하여 수행된 Delta-P 테스트에서 명백했다. 레이저 기반 드릴링 기법에 의해 생성된 초기 단계 프로토타입이 성공하기 위해서는, Delta 역압력이 수주(水柱) 10 in 미만의 값이 되어야 하는 것으로 관찰되었다. 응용 분야의 필요에 의해 규정되는 바와 같이 셀 밀도를 감소(또는 증가)시키고 벽 두께를 변동하기 위해서 추가적 변경을 행할 수 있다.AETB-12 was purchased from COI Ceramics and used as nSiRF-C selection material with a density of 12 lb / ft ³ . Laser-based channel drilling techniques were tested to form holes at 3,000 cpsi and 30,000 cpsi. The holes were drilled using the DPSS laser system described in this specification and related prior art. The holes produced by the pulsed, high energy laser system were square in shape and showed a high front surface area due to this particular shape. The presence of a high front surface area (resulting in a large volume for the wall thickness of the channel) was evident in the Delta-P test performed using the same test-flow reactor as described in Example 3. In order for the early stage prototype produced by the laser-based drilling technique to be successful, it was observed that the Delta back pressure should be less than 10 inches of water column. Further changes can be made to reduce (or increase) the cell density and to vary the wall thickness as defined by the needs of the application.

도 33은 27℃와 400℃에서 30,000 cpsi 셀 밀도를 가진 AETB-12 기재/필터에 대한 N₂ 가스 유속의 함수로서 압력의 변화를 나타낸다. 도 34는 30,000 cpsi 셀 밀도를 가진 AETB-12 기재/필터에 있어서 다양한 N₂ 가스 유속에 대한 가동 온도의 함수로서 압력의 변화를 나타낸다.FIG. 33 shows the change in pressure as a function of N ₂ gas flow rate for AETB-12 substrate / filter with 30,000 cpsi cell density at 27 ° C. and 400 ° C. FIG. 34 shows the change in pressure as a function of operating temperature for various N ₂ gas flow rates for an AETB-12 substrate / filter with a 30,000 cpsi cell density.

도 35는 29℃와 400℃에서 3,000 cpsi 셀 밀도를 가진 AETB-12 기재/필터에 대한 N₂ 가스 유속의 함수로서 압력의 변화를 나타낸다. FIG. 35 shows the change in pressure as a function of N ₂ gas flow rate for AETB-12 substrate / filter with 3,000 cpsi cell density at 29 ° C. and 400 ° C. FIG.

실시예Example 6 6

디젤 입자 필터Diesel particle filter

AETB 포뮬레이션을 이용하여 기재를 제조하고, 약 13in×약 13in×약 5in의 치수와 약 8 lb/ft³의 밀도를 가진 빌릿으로 성형했다. 상기 빌릿으로부터, 다이아몬드 팁이 장착된 톱을 사용하여, 직경이 약 6 in이고 길이 5 in인 원통형 슬러그를 절단했다. 이 기재를 스피닝 선반에서 정확한 허용공차(0.001 in 이내)로 추가 가공했다.The substrate was prepared using an AETB formulation and molded into billets having dimensions of about 13 inches by about 13 inches by about 5 inches and a density of about 8 lb / ft ³ . From the billet, a cylindrical slug of about 6 inches in diameter and 5 inches in length was cut using a saw equipped with a diamond tip. The substrate was further processed on a spinning lathe with accurate tolerances (within 0.001 in).

다음으로, 평방 인치당 600개 채널을 수용하고 벽-유동 구조를 가진 기재를 형성하기 위해 상기 기재에 복수의 채널을 형성한다. 상기 채널은 전술한 드릴링과 빗질 기법의 조합을 이용하여 형성된다. 채널은 약 6 mil×약 6 mil의 치수를 가진 정사각형 형상이다. 인접 채널들의 인접한 벽은 서로 실질적으로 평행하다. 상기 채널들은 기재의 전장을 통과하여 연장되지 않고, 약 4.9 in의 길이이다.Next, a plurality of channels are formed in the substrate to accommodate 600 channels per square inch and to form a substrate having a wall-flow structure. The channel is formed using a combination of the drilling and combing techniques described above. The channel has a square shape with dimensions of about 6 mil x about 6 mil. Adjacent walls of adjacent channels are substantially parallel to each other. The channels do not extend through the full length of the substrate and are about 4.9 in long.

실시예Example 7 7

그로스 Gross 표면적의Surface area 측정 Measure

제1 및 제2 코디어라이트 샘플은 각각 33.2 in²/in³ 및 46.97 in²/in³의 그로스 표면적을 가진다. 따라서, 제1 코디어라이트 샘플의 1 in³ 내에 귀금속 부하를 부여하기 위한 33.20 in²의 표면이 있다. 본 발명에 따른 기재의 샘플은 83.58 in²/in³의 그로스 표면적을 가진다.The first and second cordierite samples have a gross surface area of 33.2 in ² / in ³ and 46.97 in ² / in ³ , respectively. Thus, there is a surface of 33.20 in ² for imparting a precious metal load within 1 in ³ of the first cordierite sample. Samples of the substrate according to the invention have a gross surface area of 83.58 in ² / in ³ .

제1 및 제2 코디어라이트 샘플 모두에 대한 그로스 벽 체적은 0.311 in³/in³이다. 본 발명에 따른 기재의 그로스 벽 체적은 0.272 in³/in³이다. 이 값은 제1 및 제2 코디어라이트 샘플보다 작지만, 본 발명은 훨씬 높은 다공도와 투과성을 가짐으로써, 작은 그로스 벽 체적을 더 효율적이 되도록 한다.The gross wall volume for both the first and second cordierite samples is 0.311 in ³ / in ³ . The gross wall volume of the substrate according to the invention is 0.272 in ³ / in ³ . This value is smaller than the first and second cordierite samples, but the present invention has much higher porosity and permeability, making the small gross wall volume more efficient.

실시예Example 8 8

활성도 테스트Activity test

활성도 테스트는 필터에 유입 및 유출되는 오염물의 양을 측정한다. 활성도 테스트에서, 샘플 필터를 반응기에 넣고, 유량과 온도를 알고 있는 가스를 펌핑하여 재료를 통과시킨다. 이어서, 활성도 테스트는 필터로부터 유출되는 오염물의 양을 측정한다. 도 24를 참조하면, 본 발명의 예시적인 기재(2410) 및 코디어라이트의 샘플(2420)의 활성도 테스트가 나타나 있다. 상기 테스트는 500 ppm의 농도 및 40,000/hr의 공간 속도로 톨루엔의 활성도를 측정했다. 상기 두 샘플의 셀 밀도는 모두 400 cpsi였다.Activity tests measure the amount of contaminants entering and exiting the filter. In the activity test, a sample filter is placed in a reactor and the material is pumped through a gas of known flow and temperature. The activity test then measures the amount of contaminants flowing out of the filter. Referring to FIG. 24, an activity test of an exemplary substrate 2410 of the present invention and a sample 2420 of cordierite is shown. The test measured the activity of toluene at a concentration of 500 ppm and a space velocity of 40,000 / hr. The cell density of both samples was 400 cpsi.

상기 테스트는 본 발명의 기재(2410)가 코디어라이트 샘플(2420)에 비해 더 빠른 착화 시간 및 현저히 낮은 착화 온도를 갖는다는 것을 나타낸다. 기재(2410)는 약 335℉의 온도에서 약 3～4초 내에 85%가 파괴되었다. 코디어라이트(2420)는 약 380℉에서 85%가 파괴되었다. 다음으로, 기재(2410)는 약 360℉의 온도에서 약 4～5초 내에 90%가 파괴되었다. 코디어라이트(2420)는 약 450℉에서 약 8초 내에 90%가 파괴되었다. 기재(2410)는 약 425℉의 온도에서 약 5초 내에 100%가 파괴되었다. 코디어라이트(2420)는 약 800℉의 온도에서 약 28초 내에 실질적으로 100%의 파괴가 이루어지는 것으로 예측되었다The test indicates that the substrate 2410 of the present invention has a faster ignition time and significantly lower ignition temperature than the cordierite sample 2420. The substrate 2410 was destroyed 85% in about 3-4 seconds at a temperature of about 335 ° F. Cordierite 2420 was 85% destroyed at about 380 ° F. Subsequently, 90% of the substrate 2410 was destroyed in about 4 to 5 seconds at a temperature of about 360 ° F. Cordierite 2420 was 90% destroyed in about 8 seconds at about 450 ° F. Substrate 2410 was 100% destroyed in about 5 seconds at a temperature of about 425 ° F. Cordierite 2420 was expected to experience substantially 100% destruction in about 28 seconds at a temperature of about 800 ° F.

실시예Example 9 9

촉매 기재의 투과성Permeability of catalyst substrate

본 발명의 실시예 2의 실시형태의 투과성은 약 1,093 cd(centidarcies)이다. 다른 시험 값은 테스트 장치에 의해 측정되는 최고 수치를 초과했다. 종래의 시스템에 대한 비교에서, 코디어라이트의 샘플은 약 268 cd의 투과성을 갖는다.The permeability of the embodiment of Example 2 of the present invention is about 1,093 cd (centidarcies). Other test values exceeded the highest values measured by the test apparatus. In comparison to conventional systems, the sample of cordierite has a permeability of about 268 cd.

실시예Example 9 9

실시예Example 2의 촉매 전환기의 시험 2, the test of catalytic converter

활성도 테스트와 유사하게, EPA는 Federal Test Procedure("FTP") 75로 알려진 테스트로서, 필터를 차량의 테일파이프에 실제로 장착하고 특정 조건 하에서 차량을 구동하는 테스트를 활용한다. EPA는 차량의 방출 인증을 위해 이 테스트를 사용한다. FTP 75는 3 단계(phase)로 차량의 상태를 테스트한다. 제1 단계는 크랭크 및 논-아이들 홀드(non-idle hold) 및 505초 동안의 구동을 포함한다. 이 단계는 엔진 및 방출 제어 시스템이 주변 온도에서 작동을 개시하고 주행을 통해 파트 웨이 상태까지 최적 레벨(즉, 촉매가 냉각되어 있어 엔진으로부터 나오는 방출물을 효과적으로 제어하는 데 필요한 "착화" 온도에 도달하지 않은 상태)에서 실행하고 있지 않을 때, 주행의 시작 시점에 겪게 되는 상태를 반영한다. 제2 단계는 논-아이들 홀드로 864초 구동, 가동 중지, 및 여분 5초의 샘플링을 포함한다. 이 단계는 모든 시스템이 안정적인 가동 온도를 갖기에 충분히 긴 시간 연속적으로 차량이 가동했을 때 엔진의 상태를 반영한다. 다음으로, 차량은 540초 내지 660초의 침지 시간(soak time)을 갖는다. 이 침지 시간은 시동이 꺼지고 주변 조건까지 냉각되지 않은 엔진의 상태를 반영한다. 제3 단계는 크랭크 및 논-아이들 홀드 및 505초 동안의 구동을 포함한다. 이러한 상황 하에서, 엔진과 촉매는 따뜻해지고, 시작 시 피크 가동 효율에 있지 않지만, 여전히 콜드 스타트 모드에 비해 현저히 향상된 방출 성능을 가진다.Similar to the activity test, EPA is a test known as the Federal Test Procedure ("FTP") 75, which utilizes a test that actually mounts a filter into the tailpipe of a vehicle and drives the vehicle under certain conditions. EPA uses this test to verify vehicle emissions. FTP 75 tests the vehicle's condition in three phases. The first step includes crank and non-idle hold and drive for 505 seconds. This stage allows the engine and emission control system to start operating at ambient temperature and reach the optimum level (ie the "ignition" temperature required to effectively control emissions from the engine as the catalyst is cooled down to the partway state through driving). When not running, the state experienced at the start of driving is reflected. The second stage includes 864 seconds of drive, shutdown, and an extra 5 seconds of sampling with non-idle hold. This step reflects the state of the engine when the vehicle has been running continuously long enough for all systems to have a stable operating temperature. Next, the vehicle has a soak time of 540 seconds to 660 seconds. This immersion time reflects the condition of the engine when the ignition is off and not cooled to ambient conditions. The third step includes crank and non-idle hold and drive for 505 seconds. Under these circumstances, the engine and catalyst warm up and are not at peak running efficiency at startup, but still have significantly improved emission performance compared to cold start mode.

실시예Example 11 11

촉매 기재의 열적 시험Thermal test of catalyst substrate

본 발명에 따른 실시예의 열 전도도는 약 0.0604 W/m-K(두께 1 m 및 1도 Kelvin 변화에 대한 에너지, Watt)이다. 이에 비해, 코디어라이트의 샘플은 약 1.3～1.8 W/m-K이다. 이러한 결과는, 1,000 Watt의 열 에너지가 코디어라이트 재료의 주어진 체적으로부터 손실될 경우, 본 발명으로 만들어진 재료의 동일한 체적으로부터는 단지 33 Watt가 손실되는 것을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 재료는 코디어라이트보다 30배 더 큰 열 전도도를 가진다.The thermal conductivity of the embodiment according to the present invention is about 0.0604 W / m-K (energy for 1 m thickness and 1 degree Kelvin change, Watt). In comparison, the sample of cordierite is about 1.3-1.8 W / m-K. This result indicates that when 1,000 Watts of thermal energy is lost from a given volume of cordierite material, only 33 Watts are lost from the same volume of material made with the present invention. Thus, the material of the present invention has a thermal conductivity of 30 times greater than cordierite.

본 발명에 따른 실시예의 비열은 약 640 J/kg-K이다. 코디어라이트의 샘플의 비열은 약 750 J/kg-K이다. 코디어라이트가 더 큰 비열을 갖지만, 코디어라이트 필터는 가열할 더 큰 질량을 갖는다. 그 결과, 가동 온도에 도달하는 데 더 많은 열 에너지가 필요하므로 코디어라이트의 효율을 더 낮게 한다.The specific heat of an embodiment according to the invention is about 640 J / kg-K. The specific heat of the sample of cordierite is about 750 J / kg-K. Cordierite has a greater specific heat, but cordierite filters have a greater mass to heat. As a result, more thermal energy is required to reach the operating temperature, making cordierite less efficient.

다중 사용 온도 한계는 어느 물질이 전혀 열화되지 않고 복수 회 노출될 수 있는 최고 온도이다. 기재가 미세파열 또는 파쇄되지 않고 가동을 계속할 수 있는 온도가 높을수록, 시간 경과에 따라 기재가 파괴되거나 균열을 일으킬 가능성이 적다. 이것은 기재가 넓은 온도 범위에서 더 내구성이라는 것을 의미한다. 상기 온도 한계는 높은 것이 바람직하다.The multiple use temperature limit is the highest temperature at which a substance can be exposed multiple times without any degradation. The higher the temperature at which the substrate can continue operation without microburst or fracture, the less likely the substrate is to break or crack over time. This means that the substrate is more durable over a wide temperature range. The temperature limit is preferably high.

본 발명에 따른 실시예의 다중 사용 온도 한계는 2,980℃이고, 코디어라이트의 샘플은 약 1,400℃이다. 따라서, 본 발명의 재료는 파괴되기 전까지 코디어라이트보다 2배의 온도를 견딜 수 있다. 이로써 본 발명의 재료는 더 큰 범위의 배기 환경에서 기능할 수 있다.The multiple use temperature limit of the examples according to the invention is 2,980 ° C and the sample of cordierite is about 1,400 ° C. Thus, the material of the present invention can withstand twice the temperature of cordierite until broken. This allows the materials of the present invention to function in a larger range of exhaust environments.

열 팽창 계수는 원래의 길이, 면적 또는 체적에 대한, 주어진 온도 상승(보 통, 0℃에서 1℃로의 상승)에 대해 물체의 길이(선형 계수), 면적(표면) 또는 체적의 증가의 비이다. 상기 세 가지 계수의 비율은 대략 1:2:3이다. 구체적으로 표현되지 않았을 때, 보통은 입방 계수가 사용된다. 가열되었을 때 팽창이 적은 기재는 필터 어셈블리에 대한 누설, 파열 또는 손상의 가능성이 적다. 기재가 가열되거나 냉각되었을 때에도 치수를 유지하려면 열 팽창이 적은 것이 바람직하다.The coefficient of thermal expansion is the ratio of the increase in length (linear coefficient), area (surface), or volume of an object over a given temperature rise (usually from 0 ° C to 1 ° C) over the original length, area, or volume. . The ratio of these three coefficients is approximately 1: 2: 3. Unless specifically expressed, cubic coefficients are usually used. Substrates with less expansion when heated have less chance of leakage, rupture or damage to the filter assembly. Low thermal expansion is desirable to maintain dimensions even when the substrate is heated or cooled.

본 발명에 따른 실시예에 대한 열 팽창 계수는 약 2.65×10^-6 W/m-K이고, 코디어라이트의 샘플은 약 2.5×10^-6 W/m-K 내지 3.0×10^-6 W/m-K이다. 본 발명의 재료의 열 팽창이 코디어라이트의 열 팽창의 10배 미만이다.The coefficient of thermal expansion for an embodiment according to the invention is about 2.65 × 10 ⁻⁶ W / mK, and the sample of cordierite is about 2.5 × 10 ⁻⁶ W / mK to 3.0 × 10 ⁻⁶ W / mK. The thermal expansion of the material of the invention is less than 10 times the thermal expansion of cordierite.

기재의 열 팽창 계수는, 일 실시예에서, 워쉬코트의 열 팽창 계수와 조화를 이루는 것이 바람직하다. 열팽창 계수가 비슷하지 않으면, 워쉬코트는 파쇄되거나, 층분리되거나, 기재를 "플레이크" 즉 박리시키게 되어 귀금속이 불려 나가거나 기공 공간을 메우는 결과를 초래할 것이다. 이것은 결국 역압력을 증가시켜 과열 및 시스템 고장을 가져오게 된다.The thermal expansion coefficient of the substrate, in one embodiment, is preferably matched to the thermal expansion coefficient of the washcoat. If the coefficients of thermal expansion are not similar, the washcoat will fracture, delaminate, or "flake", ie, peel off the substrate, resulting in noble metals being blown out or filling the pore space. This eventually increases the back pressure, resulting in overheating and system failure.

실시예Example 13 13

구조적 일체성Structural integrity

AETB-12의 인장 게수는 약 2.21 MPa(메가-파스칼(mega-Pascal), 1기압의 약 100,000배와 같은 압력)이다. 코디어라이트의 샘플은 약 25.0 MPa이다. 코디어라이트는 약 10배 더 강하지만, 본 발명의 재료는 파열되기 전에 200,000 기압의 압력을 견딜 수 있다. 이 값은 전술한 용도를 위해 충분하다.The tensile constant of AETB-12 is about 2.21 MPa (mega-Pascal, pressure equal to about 100,000 times one atmosphere). The sample of cordierite is about 25.0 MPa. Cordierite is about 10 times stronger, but the material of the present invention can withstand 200,000 atmospheres of pressure before it bursts. This value is sufficient for the applications described above.

실시예Example 13 13

음향 시험Acoustic test

음향적 속성은 두께의 감소, 얕음, 가늘어짐; 밀도의 감소, 힘 또는 세기의 감소; 또는 약화 중 어느 하나로 정의될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 음향 감쇠는 엔진 배기에서의 음향 에너지를 감쇠시키거나 무디게 하는 기재의 능력이다. 본 발명의 기재는 전술한 바와 같이 엔진의 머플러 어셈블리를 대체 또는 보완할 수 있으며, 따라서 배기 소음 및 배기 시스템 비용을 감소시킬 수 있다. 보다 높은 음향 감쇄가 바람직하다.Acoustical properties include reduced thickness, shallowness, tapering; Decrease in density, decrease in force or strength; Or attenuation. In one embodiment of the present invention, acoustic attenuation is the ability of the substrate to dampen or blunt the acoustic energy in the engine exhaust. The description of the present invention may replace or supplement the muffler assembly of the engine as described above, thus reducing exhaust noise and exhaust system costs. Higher acoustic attenuation is desirable.

현재, 어떠한 구성에서든 본 발명에 적용될 수 있는 공인된 실험실 테스트는 없다. 미국 재료 시험 규격("ASTM")의 모든 음향 시험은 재료가 아닌 방음실과 같은 대형 공간에 대해 적용된다. 그러나, 사운드 미터를 이용한 단단한 시험에서, 자동차로부터의 소음은 본 발명의 기재가 배기 시스템에 장착되어 있을 때, 종래의 머플러가 장착된 차량보다 적어도 데시벨 더 적은 것으로 밝혀졌다. 참고로, 110 데시벨이 사람의 귀에 영구적 손상을 일으킬 수 있는 수준이고, 60 데시벨은 윈도우를 닫은 상태에서 고급 자동차에서 나는 소음의 크기이다.At present, there are no approved laboratory tests that can be applied to the present invention in any configuration. All acoustic tests of the US Material Test Specification ("ASTM") apply to large spaces such as soundproof rooms, not materials. However, in a solid test with a sound meter, the noise from the automobile was found to be at least decibels less than a vehicle equipped with a conventional muffler when the substrate of the present invention is mounted in an exhaust system. For reference, 110 decibels can cause permanent damage to a person's ear, and 60 decibels is the amount of noise produced by a luxury car with the windows closed.

실시예Example 14 14

종래 기술의 기재에 대한 비교Comparison to Prior Art Substrates

적합한 nSiRF-C(AETB-12)의 샘플을 속성의 수치를 측정하여 코디어라이트 및 SiC와 비교했다.Samples of a suitable nSiRF-C (AETB-12) were compared with cordierite and SiC by measuring numerical values of the properties.

일 실시예에서, 본 발명의 기재는 6 mil의 벽 두께로 600 cpsi를 갖는다. 본 발명의 샘플 기재의 셀 밀도를 2개의 코디어라이트 샘플과 비교한다. 비교에서, 제1 및 제2 코디어라이트 샘플은 각각 17 mil의 벽 두께로 100 cpsi 및 12 mil의 벽 두께로 200 cpsi이다. 이에 비하여, 본 발명의 기재는 6 mil의 벽 두께로 600 cpsi를 갖는다. In one embodiment, the substrate of the present invention has 600 cpsi with a wall thickness of 6 mils. The cell density of the sample substrate of the present invention is compared with two cordierite samples. In comparison, the first and second cordierite samples were 100 cpsi with a wall thickness of 17 mils and 200 cpsi with a wall thickness of 12 mils, respectively. In comparison, the substrate of the present invention has 600 cpsi with a wall thickness of 6 mils.

이 실시예에서, 상기 기재는 필터 전체를 가로질러 0.06 in 간격마다 직경 0.04 in의 채널이 뚫려있다. 이들 채널은 종래의 코디어라이트 채널보다 작다. 그 결과, 기재 재료의 많은 기공 공간에 존재하는 표면적을 고려하지 않아도, 코디어라이트에 비해 엄청나게 증가된 표면적이 얻어진다. 상기 채널은 "블라인드" 채널인 것이 바람직하다. 배기 방출은 촉매와 반응하지 않은 채 채널을 유입 및 유출하는 것이 아니고, 강제로 채널을 통과하게 된다.In this embodiment, the substrate is perforated with a 0.04 in diameter channel at 0.06 in intervals across the filter. These channels are smaller than conventional cordierite channels. As a result, a greatly increased surface area is obtained compared to cordierite without considering the surface area present in many pore spaces of the base material. The channel is preferably a "blind" channel. Exhaust emissions do not enter and exit the channel without reacting with the catalyst and are forced through the channel.

채널은 CNC 드릴을 이용하여 드릴링되고, CNC 드릴은 균일성을 유지하도록 컴퓨터 제어된다. 드릴링 공정은, OSHA 유해물로서 드릴의 베어링에 유입되어 베어링을 파손할 수 있는 분진이 공기 중에 날리는 것을 방지하기 위해 일정하게 물을 분사시키면서 실행된다.The channel is drilled using a CNC drill, which is computer controlled to maintain uniformity. The drilling process is carried out with constant spraying of water to prevent dust from entering the bearings of the drill as OSHA pests, which can break the bearings, into the air.

드릴 처리된 기재는 일체의 촉매 적용이 이루어지기 전에, 기공 공간에 잔존할 수 있는 모든 수분 또는 기타 액체를 밀어내거나 베이킹 제거하기 위해 오븐에서 건조된다. 베이킹 시간은 변수가 아니며, 물의 증발은 간단히 기재의 무게를 측정함으로써 결정될 수 있다. 베이킹 시간은 주로 탈수 공정을 가속시킨다. 필터 엘리먼트를 여러 가지 상이한 간격으로 가열한 후, 중량이 일정해지면, 기재는 임의의 촉매 또는 코팅 적용에 대한 준비가 된 상태이다.The drilled substrate is dried in an oven to push or bake out any moisture or other liquid that may remain in the pore space before any catalyst application is made. The baking time is not a variable and the evaporation of water can be determined by simply measuring the weight of the substrate. Baking time mainly accelerates the dehydration process. After the filter elements have been heated at various different intervals and the weight is constant, the substrate is ready for any catalyst or coating application.

용어 해설Glossary of Terms

본 명세서에서 사용한 "기재"라는 용어는 오염물이 비오염물로 전환될 수 있는 고체 표면을 의미한다. 기재는 필터 엘리먼트, 촉매 기재 또는 여과 기재를 포함하는 것으로 이해된다.As used herein, the term "substrate" means a solid surface from which contaminants can be converted to non-contaminants. The substrate is understood to include a filter element, a catalyst substrate or a filtration substrate.

본 명세서에서 사용한 "고등급 내화성 섬유"라는 용어는.The term "high grade fire resistant fiber" as used herein.

본 명세서에서 사용한 "소결된 재료"라는 용어는 용융되지 않고 가열된 재료를 의미한다.As used herein, the term "sintered material" means a material that is heated without melting.

본 명세서에서 사용한 "부직포형"이라는 용어는 섬유의 얽히거나 직조되는 패턴이 존재하지 않음을 의미한다.The term "nonwoven" as used herein means that there is no entangled or woven pattern of fibers.

본 명세서에서 사용한 "빌릿"이라는 용어는 성형되지 않거나 가공되지 않은 기재 재료의 블록을 의미한다.As used herein, the term " billlet " means a block of unmolded or unprocessed base material.

본 명세서에서 사용한 "그린 빌릿"이라는 용어는 경화되지 않은 빌릿을 의미한다.As used herein, the term "green billet" refers to an uncured billet.

본 명세서에서 사용한 "전면"이라는 용어는 유체가 통과하여 기재로 유입되는 표면을 의미한다. 일 실시예에 있어서, 채널은 전면에 개구부를 가지며, 또한 채널은 전면에 수직이다.As used herein, the term "front" means a surface through which fluid enters the substrate. In one embodiment, the channel has an opening in the front, and the channel is perpendicular to the front.

본 명세서에서 사용한 "후면"이라는 용어는 유체가 통과하여 기재로부터 유출되는 표면을 의미한다. 일 실시예에 있어서, 채널은 후면에 개구부를 가지며, 또한 채널은 후면에 수직이다.The term "back side" as used herein refers to the surface through which fluid flows out of the substrate. In one embodiment, the channel has an opening in the back, and the channel is perpendicular to the back.

본 명세서에서 사용한 "mil"이라는 용어는 측정 단위를 의미하며, 1/1000 in와 동일하다.As used herein, the term "mil" refers to a unit of measurement and is equal to 1/1000 in.

본 명세서에서 사용한 "착화 온도(light off temperature)"라는 용어는 촉매 전환기에서 반응의 전환율이 50%일 때의 온도를 의미한다. 즉, 는 하나 이상의 오염물, 또는 전체 오염물의 50%가 비오염물로 전환되는 온도이다.The term "light off temperature" as used herein refers to the temperature at which the conversion of the reaction in the catalytic converter is 50%. That is, is the temperature at which one or more contaminants, or 50% of the total contaminants, are converted to non-contaminants.

본 명세서에서 사용한 "소각(burn off)"이라는 용어는 기재에 의해 여과된 입자상 물질 및 그 밖의 재료를 연소시키는 공정을 의미한다. 예를 들면, 소각은 디젤 입자 필터(DPF)에서 일어날 수 있다.As used herein, the term "burn off" refers to the process of burning particulate matter and other materials filtered by a substrate. For example, incineration can occur in diesel particulate filters (DPF).

본 명세서에서 사용한 "채널"이라는 용어는 기재 내의 3차원 개구부로서, 기재의 적어도 일부분을 통해 연장되고 명확한 형상과 길이를 가진 개구부를 의미한다.As used herein, the term "channel" refers to a three-dimensional opening in a substrate that extends through at least a portion of the substrate and has a clear shape and length.

본 명세서에서 사용한 "평방 인치당 채널(cpsi)"이라는 용어는 기재의 단면 1평방 인치에 존재하는 채널의 수를 의미한다. 평방 인치당 셀이라는 용어와 같은 뜻이다.As used herein, the term "channels per square inch (cpsi)" refers to the number of channels present in one square inch of cross section of a substrate. It is synonymous with the term cell per square inch.

본 명세서에서 사용한 "채널 형상"이라는 용어는 채널의 3차원 형상을 의미한다.The term "channel shape" as used herein refers to the three-dimensional shape of the channel.

본 명세서에서 사용한 "PM"이라는 용어는 입자상 물질을 의미한다. PM의 공통적 측정치에는 PM-10 및 PM-2.5가 포함된다.The term "PM" as used herein refers to particulate matter. Common measurements of PM include PM-10 and PM-2.5.

본 명세서에서 사용한 "그로스 표면적"이라는 용어는 총 표면적을 의미하며, 귀금속이 1 입방 인치에 함침될 수 있는 총 표면적을 나타낸다.The term "gross surface area" as used herein refers to the total surface area and refers to the total surface area where the precious metal can be impregnated in one cubic inch.

본 명세서에서 사용한 "2원 촉매 전환기"라는 용어는 기상 오염물인 HC와 CO만을 CO₂와 H₂O로 산화시키는 촉매 전환기를 의미한다.As used herein, the term "binary catalytic converter" refers to a catalytic converter that oxidizes only gaseous contaminants, HC and CO, to CO ₂ and H ₂ O.

본 명세서에서 사용한 "3원 촉매 전환기"라는 용어는 CO와 HC를 CO₂와 H₂O로 산화시키고 또한 NO_x를 N₂로 환원시키는 촉매 전환기를 의미한다.The term "three-way catalytic converter" as used herein refers to a catalytic converter which oxidizes CO and HC to CO ₂ and H ₂ O and also reduces NO _x to N ₂ .

본 명세서에서 사용한 "4원 촉매 전환기"라는 용어는 3원 촉매 전환기에 대해 설명한 바와 같은 산화 및 환원을 실행함과 아울러, 소각시킬 입자상 물질을 포착하는 촉매 전환기를 의미한다(능동적 또는 수동적 방식으로 재생이 일어날 수 있다).As used herein, the term "four-way catalytic converter" refers to a catalytic converter that performs oxidation and reduction as described for a three-way catalytic converter, as well as captures particulate matter for incineration (regeneration in an active or passive manner). This can happen).

본 명세서에서 사용한 "사용에 적합하다"라는 용어는 특별한 규정 가이드라인의 요건에 합당함을 의미한다.As used herein, the term "suitable for use" means compliance with the requirements of specific regulatory guidelines.

본 명세서에서 사용한 "단면 거리"라는 용어는 을 의미한다.As used herein, the term "section distance" means.

본 명세서에서 사용한 "후처리 시스템"이라는 용어는 을 의미한다.As used herein, the term "aftertreatment system" means.

본 명세서에서 사용한 "열 전도도"라는 용어는 주어진 재료로 된 플레이트의 마주보는 면에 단위 온도 구배(즉, 1 단위의 두께를 가로질러 1도의 온도차)가 있을 때, 상기 플레이트의 단위 면적을 통해 단위 시간에 통과하는 열량을 의미한다.The term "thermal conductivity" as used herein refers to the unit through the unit area of the plate when there is a unit temperature gradient (i.e., a 1 degree temperature difference across a unit thickness) on the opposite side of the plate of a given material. It means the amount of heat passing through time.

본 명세서에서 사용한 "매팅(matting)"이라는 용어는 기재에 대한 단열 및/또는 보호를 제공하는 데 사용되는 임의의 재료를 의미한다. 매팅은 종종 배팅(batting)이라고도 지칭된다.As used herein, the term "matting" refers to any material used to provide thermal insulation and / or protection for a substrate. Matting is also sometimes referred to as batting.

본 명세서에서 사용한 "붕소 바인더"라는 용어는 소결 공정 후 nSiRF-C에 존재하는, 붕소 결합제로부터 유도되는 작용물을 의미한다.As used herein, the term "boron binder" refers to an agent derived from a boron binder present in nSiRF-C after a sintering process.

본 명세서에서 사용한 "페킹(pecking)"이라는 용어는 채널의 원하는 길이가 얻어질 때까지 빗살(tine)에 힘을 가하여 반복적으로 기재에 넣고 빼는 방식으로 기재에 채널을 형성하거나 재성형하는 공정을 의미한다.As used herein, the term "pecking" refers to the process of forming or reshaping a channel in a substrate in a manner that is repeatedly inserted into and removed from the substrate by applying force to the tine until the desired length of the channel is obtained. do.

이상으로 본 발명을 설명하였는바, 당업자는 본 발명 또는 본 발명의 실시예의 범위에 영향을 주지 않고 폭 넓은 동등한 범위의 조건, 포뮬레이션 및 기타 파라미터에서 본 발명을 실행할 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 인용한 모든 특허 및 문헌은 전체가 원용되어 본 명세서에 포함된다.Having described the invention above, it will be understood by those skilled in the art that the invention can be practiced over a wide range of equivalent conditions, formulations and other parameters without affecting the scope of the invention or embodiments of the invention. All patents and documents cited herein are incorporated by reference in their entirety.

Claims

내연기관의 배기물의 여과 또는 촉매작용을 위한 여과 기재(filtering substrate)로서, A filtering substrate for the filtration or catalysis of the exhaust of an internal combustion engine,

상기 기재는,The above description,

견고한 매트릭스를 형성하는 접합된 세라믹 섬유;Bonded ceramic fibers forming a rigid matrix;

기재 내의 60%보다 큰 기공 공간(pore space); 및Greater than 60% pore space in the substrate; And

기재 내의 복수의 채널Multiple channels in the substrate

을 포함하며,Including;

상기 세라믹 섬유는 소결(sintering) 공정에 의해 접합되고, 부직포형 소결 내화성 세라믹 복합체(nonwoven sintered refractory ceramic composite)를 추가로 포함하고, The ceramic fibers are joined by a sintering process, further comprising a nonwoven sintered refractory ceramic composite,

상기 채널은 셀 구조인 것을 특징으로 하는 여과 기재.And said channel is a cell structure.

제1항에 있어서,The method of claim 1,

상기 세라믹 섬유가 알루미나 및 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 기재.A filtration substrate, wherein the ceramic fiber comprises alumina and silica.

제1항에 있어서,The method of claim 1,

상기 세라믹 섬유가 멀라이트(mullite)를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 기재.Filtration substrate, characterized in that the ceramic fiber comprises mullite (mullite).

제1항에 있어서,The method of claim 1,

상기 세라믹 섬유가 복수의 섬유 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 기재.A filtration substrate according to claim 1, wherein the ceramic fiber comprises a plurality of fiber forms.

제1항에 있어서,The method of claim 1,

촉매를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 기재.A filtration substrate, further comprising a catalyst.

제5항에 있어서,The method of claim 5,

상기 촉매가, 산화성 촉매, 환원성 촉매, 2원(two-way) 촉매, 3원 촉매, 4원 촉매, NO_x 흡착제(adsorber), 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 여과 기재.A filtration substrate, wherein the catalyst is selected from the group consisting of oxidative catalysts, reductive catalysts, two-way catalysts, three-way catalysts, four-way catalysts, NO _x adsorbers, and mixtures thereof .

제1항에 있어서,The method of claim 1,

상기 복수의 채널이 1 평방 인치당 50～1,000개의 셀 밀도를 가진 것을 특징으로 하는 여과 기재.And wherein said plurality of channels have a cell density of 50 to 1,000 cells per square inch.

제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein

상기 기재가 벽 유동 구조(wall flow configuration)를 가진 것을 특징으로 하는 여과 기재.And the substrate has a wall flow configuration.

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제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 8,

상기 기재가, 결정질 상(crystalline phase) 및 유리질 상(glassy phase)을 모두 가진 것을 특징으로 하는 여과 기재.A filtration substrate, characterized in that the substrate has both a crystalline phase and a glassy phase.

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