JP2007534483A - Nonwoven composite materials and related products and methods - Google Patents

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Abstract

本発明は、或る実施形態では、多くの用途、例えば触媒コンバーター中の基材として用いるのに適した触媒基材に向けられる。本発明の別の態様は、多くの用途、例えば粒子フィルター、例えばディーゼル粒子フィルター(DPF)又はディーゼル粒子トラップ(DPT)中の基材として用いるのに適した濾過基材である。本発明は、燃焼機関の排気から汚染物質を除去及び/又は排除するための改良型基材も提供する。触媒基材及び濾過基材は、或る実施形態では、排気ガスからの汚染物質の除去における改良を提供する。改良としては、以下のうちの1つ又は複数が挙げられる:より迅速な点火期間、PMの深層濾過、低背圧、目詰まりの低確率、マニホールド又は頭部それ自体を含めた排気系中の多くの位置に構成される能力、触媒反応の高い確率、NO、HC及びCOの高転化比、PMのより迅速な焼失、触媒材料使用の最小化等。
The present invention is directed, in one embodiment, to a catalytic substrate suitable for use as a substrate in many applications, such as catalytic converters. Another aspect of the present invention is a filtration substrate suitable for use as a substrate in many applications, for example, particle filters such as diesel particle filter (DPF) or diesel particle trap (DPT). The present invention also provides an improved substrate for removing and / or eliminating pollutants from combustion engine exhaust. The catalyst substrate and the filter substrate, in certain embodiments, provide an improvement in the removal of contaminants from the exhaust gas. Improvements may include one or more of the following: a faster ignition period, PM depth filtration, low back pressure, a low probability of clogging, in the exhaust system including the manifold or head itself Ability to be configured in many locations, high probability of catalytic reaction, high conversion ratio of NO x , HC and CO, faster burning of PM, minimization of catalyst material usage, etc.

Description

本発明は、特定の反応を触媒するために、そして粒子状物質を濾過するために有用な基材に、ならびにそれに関連した実施形態、例えば内燃機関からの排気物の処理、さらに詳細には排出制御及び関連方法に有用な触媒/基材組合せに、ならびに関連製品及び製造方法に関するが、これらに限定されない。   The present invention relates to substrates useful for catalyzing certain reactions and for filtering particulate matter, as well as related embodiments, such as the treatment of exhaust from internal combustion engines, and more particularly emissions. It relates to, but is not limited to, catalyst / substrate combinations useful for control and related methods, and related products and manufacturing methods.

本明細書中に記載される本発明の実施形態は、1つ又は複数の基本的生命維持天然因子、例えば空気、水及び/又は土壌の回復又は維持に寄与することにより、人類の環境の質を物質的に増強する、と考えられる。本発明及びその実施形態は、本発明の概要ならびに詳細な説明の節において、以下でさらに詳細に記載される。 Embodiments of the present invention described herein can improve the quality of the human environment by contributing to the restoration or maintenance of one or more basic life support natural factors such as air, water and / or soil. Is considered to be materially enhanced. The invention and its embodiments are described in further detail below in the Summary and Detailed Description section of the invention.

排気、工業及び汚染
エンジンは、地球全体で用いられる動力及び機械作用の多くを生じる。内燃機関は、それが外燃機関、例えば昔ながらの汽車及び蒸気船におけるものより効率的であるため、おそらく最も広まった装置である。内燃機関を用いると、燃料の燃焼は内部で起こる。このようなエンジンは、任意数の目的のために用いられる運動及び動力を生じる。例としては、自動車、機関車、船舶用途、レクリエーション用自動車、トラクター、建築設備、発電機、発電所、製造施設及び工業用設備が挙げられる。内燃機関に動力を供給するために用いられる燃料としては、ガソリン、圧縮ガス、ディーゼル、エタノール及び植物油が挙げられるが、これらに限定されない。エンジン機構及びそれらに動力を供給するのに用いられる燃料における固有の非能率性により、種々の汚染物質の排出が起こる。したがって、エンジンは大きな革新及び便益である一方、世界中で用いられる何百万ものエンジンは今日、大気汚染の実質的発生源を代表する。
Exhaust, industrial and pollution Engines produce much of the power and mechanical action used throughout the globe. The internal combustion engine is probably the most widespread device because it is more efficient than that in external combustion engines such as traditional trains and steam ships. With an internal combustion engine, fuel combustion occurs internally. Such engines produce motion and power that can be used for any number of purposes. Examples include automobiles, locomotives, marine applications, recreational vehicles, tractors, building equipment, generators, power plants, manufacturing facilities, and industrial equipment. Fuels used to supply power to the internal combustion engine include, but are not limited to, gasoline, compressed gas, diesel, ethanol and vegetable oil. Due to the inherent inefficiencies in engine mechanisms and the fuel used to power them, emissions of various pollutants occur. Thus, while engines are a major innovation and benefit, the millions of engines used around the world today represent a substantial source of air pollution.

内燃機関により生成される汚染物質には2つの主な種類:即ち粒子及び非粒子がある。粒子汚染は一般に、小固体及び液体粒子である。例としては、炭素含有煤及び灰、塵埃及びその他の関連粒子が挙げられる。非粒状汚染物質としては、ガス及び小分子、例えば一酸化炭素、酸化窒素、酸化イオウ、不焼成炭化水素及び揮発性有機化合物が挙げられる。粒状汚染物質は、排気から濾過され、そしてある状況では、さらに焼き払われる。非粒状汚染物質は、非汚染物質に転化される。両種類の汚染物質は、エンジンではない発生源、例えば「オフガス」化学反応及び蒸発性排出からも生成され得る。   There are two main types of pollutants produced by internal combustion engines: particles and non-particles. Particulate contamination is generally small solids and liquid particles. Examples include carbon-containing soot and ash, dust and other related particles. Non-particulate contaminants include gases and small molecules such as carbon monoxide, nitric oxide, sulfur oxide, unburned hydrocarbons and volatile organic compounds. Particulate contaminants are filtered from the exhaust and, in some situations, burned off further. Non-particulate contaminants are converted to non-pollutants. Both types of pollutants can also be generated from non-engine sources such as “off-gas” chemical reactions and evaporative emissions.

大気汚染は、ヒト及び環境に関する深刻な健康問題を引き起こす可能性がある。地表レベルオゾン及び空中浮遊粒子は、米国におけるヒトの健康に対する最大の脅威の1つを有する2つの汚染物質である。オゾン(O)は、呼吸器系を刺激して、咳、咽喉の刺激及び/又は呼吸気道の焼け付くような感覚を引き起こすおそれがある。オゾンは、スモッグの形成に関与する。オゾンはまた、肺機能を低減させ、胸部圧迫感、喘鳴及び息切れを引き起こして、喘息を悪化させるおそれがある。粒子汚染は、肺の深部に入り込み、重篤な健康問題を引き起こすのに十分に小さい微視的固体又は液体小滴から成る。これらの小粒子に曝露されると、人々は、鼻及び咽喉の刺激、肺損傷及び気管支炎を経験する可能性があり、人々の心臓又は肺疾患の危険を増大させるおそれがある。空気汚染の短期作用としては、眼、鼻及び咽喉への刺激が挙げられる。上気道感染、例えば気管支炎及び肺炎も生じる可能性がある。その他の症候としては、頭痛、吐き気及びアレルギー反応が挙げられる。長期健康作用としては、慢性呼吸器疾患、肺癌、心臓疾患、及び脳、神経、肝臓又は腎臓に対する損傷さえもが挙げられ得る。空気汚染への度重なる曝露は成長中の小児の肺に影響を及ぼし、高齢者における医学的症状を悪化するか又は複雑にする可能性がある。 Air pollution can cause serious health problems for humans and the environment. Ground level ozone and airborne particles are two pollutants that have one of the greatest threats to human health in the United States. Ozone (O 3 ) can irritate the respiratory system and cause coughing, throat irritation, and / or burning sensation of the respiratory tract. Ozone is involved in the formation of smog. Ozone can also reduce asthma by reducing lung function, causing chest tightness, wheezing and shortness of breath. Particle contamination consists of droplets of microscopic solids or liquids that are small enough to penetrate deep into the lungs and cause serious health problems. When exposed to these small particles, people can experience nasal and throat irritation, lung injury and bronchitis, which can increase their risk of heart or lung disease. The short-term effects of air pollution include irritation to the eyes, nose and throat. Upper respiratory tract infections such as bronchitis and pneumonia can also occur. Other symptoms include headache, nausea and allergic reactions. Long-term health effects can include chronic respiratory disease, lung cancer, heart disease, and even damage to the brain, nerves, liver or kidney. Repeated exposure to air pollution affects the lungs of growing children and can exacerbate or complicate medical symptoms in the elderly.

空気汚染から生じる医学的症状は、多くの費用を要しかねない。健康管理コスト、職場における生産性損失ならびにヒトの福祉への影響は、毎年数十億ドルの損失となる。汚染の健康への影響を理解し、そして汚染を改善、防止、又は排除するための手段を見出すことは、集団の全体的呼吸器の健康を増強するだけでなく、健康管理システムにより支えられる実質的負担及びコストも低減するであろう。   Medical symptoms resulting from air pollution can be costly. Health care costs, productivity loss in the workplace, and the impact on human welfare result in billions of losses each year. Understanding the health effects of pollution and finding a means to improve, prevent, or eliminate pollution not only enhances the overall respiratory health of the population, but also supports the health management system. Cost and cost will also be reduced.

これらの理由のすべてのために、政府、環境庁及び種々の生産業界は、種々の発生源から排出される大気汚染のレベルを低減すると誓約した。政府機関は、排出基準を設定し、そして規制を実行する主要団体である。欧州連合(EU)では、規制は欧州共同体法律制定に由来し、個々の国が規制を実施する。例えば大多くのEU国家は、過剰な大気汚染を生じる発生源に課税してきた。近年の成果は京都議定書で、これは温室効果ガスの世界的低減を命じたものである。EUを含めた多くの国が、議定書を批准した。EU、日本及び米国は世界中で最も厳しい基準のいくつかを定めたが、多くの他の国々、例えばアルゼンチン、ブラジル、メキシコ、韓国、タイ、インド、シンガポール及びオーストラリアは、大気汚染に関する規制をすべて成立させた。米国では、ある区域における規制に影響を及ぼす多くの異なるグループが存在する:例えば州の環境機関(例えばカリフォルニア大気資源局(CARB))、国立公園、森林局、ならびに鉱山安全衛生庁である。国家環境大気質基準(NAAQS)を達成できなかったいくつかの州及び首都圏は「非達成地域」として指摘されており、それら自体の基準を実施している。CARBは歴史的に、米国における大気汚染を規制する最も厳しい政府機関の1つであった。しかしながら第一の米国規制機関は、環境保護庁(EPA)である。それは、1963年の大気浄化法(CAA)に対する1970年の修正案でニクソン政権により創設された。大気浄化法は、地域、固定発生源及び移動発生源からの大気中排出を規制する包括的な連邦法である(例えば大気浄化法の42U.S.C.SS7401以下(1970)参照)。大気浄化法は5つの主な修正を有し、そのうちの最新のものは1990年である。大気浄化法の1990年の修正は、大部分が、検討されていなかったか又は十分に検討されていなかった問題、例えば酸性雨、地表レベルオゾン、成層圏オゾン層破壊、ならびに大気有毒物質に対処するよう意図された。これらの修正は、自動車の排気、ガソリンの改質、オゾン層破壊化学物質の使用等を含めた175の新規の規制を発行するようEPAに求めた。   For all of these reasons, governments, environmental agencies and various manufacturing industries have pledged to reduce the level of air pollution emitted from various sources. Government agencies are the main bodies that set emission standards and implement regulations. In the European Union (EU), regulations come from the legislation of the European Community, with individual countries implementing the regulations. For example, many EU states have taxed sources that cause excessive air pollution. A recent achievement was the Kyoto Protocol, which ordered a global reduction of greenhouse gases. Many countries, including the EU, have ratified the Protocol. The EU, Japan and the United States set some of the strictest standards in the world, but many other countries, such as Argentina, Brazil, Mexico, Korea, Thailand, India, Singapore and Australia, all have regulations on air pollution. Established. In the United States, there are many different groups that affect regulations in certain areas: state environmental agencies (eg, California Air Resources Board (CARB)), national parks, forest departments, and mines safety and health agencies. Some states and metropolitan areas that failed to meet the National Environmental Air Quality Standard (NAAQS) have been pointed out as “non-achieved areas” and have implemented their own standards. CARB has historically been one of the strictest government agencies regulating air pollution in the United States. However, the first US regulatory agency is the Environmental Protection Agency (EPA). It was created by the Nixon administration in a 1970 amendment to the Clean Air Act (CAA) of 1963. The Clean Air Act is a comprehensive federal law that regulates atmospheric emissions from regions, fixed sources and mobile sources (see, for example, 42 USC SS7401 and below (1970) of the Clean Air Act). The Clean Air Act has five major amendments, the latest of which is 1990. The 1990 amendments to the Clean Air Act will largely address issues that have not been considered or have been fully considered, such as acid rain, surface-level ozone, stratospheric ozone depletion, and air toxic substances. intended. These amendments called for the EPA to issue 175 new regulations, including automobile emissions, gasoline reform, the use of ozone-depleting chemicals, and more.

大気浄化法制定にしたがって、EPAは人々に害を与えるか又は与える可能性のある汚染物質の規定を定めている。この「基準汚染物質」の規定には、(1)オゾン(O)、(2)鉛(Pb)、(3)二酸化窒素(NO)、(4)一酸化炭素(CO)、(5)粒子状物質(PM)、及び(6)二酸化硫黄(SO)が含まれる。各基準汚染物質は、順に記載されている。 In accordance with the Clean Air Act enactment, the EPA has established regulations for pollutants that can or may harm people. The definition of “reference pollutant” includes (1) ozone (O 3 ), (2) lead (Pb), (3) nitrogen dioxide (NO 2 ), (4) carbon monoxide (CO), (5 ) Particulate matter (PM), and (6) sulfur dioxide (SO 2 ). Each reference pollutant is listed in turn.

地表レベルオゾン(スモッグの主要構成成分)は、依然として米国における環境汚染問題である。オゾンは大気中に直接的に排出されないが、熱及び日光の存在下で、揮発性有機化合物(VOC)又は反応性有機ガス(ROG)及び酸化窒素(NO)の反応により生成される。VOC/ROGは、種々の発生源、例えば燃焼燃料から、ならびに溶剤、石油精製及び殺虫剤から排出され、これらは、自動車、化学工場、精製所、製作所、消費者及び商業製品のような発生源、ならびにその他の工業発生源から生じる。酸化窒素は、自動車、発電所、ならびにその他の燃焼源から排出される。オゾン及びオゾンを生じる前駆体汚染物質は、風によりそれらの元の発生源から何マイルも運ばれる可能性がある。1997年、EPAは、1時間オゾン0.12百万分率(ppm)基準を新規の8時間0.08ppm基準に置き換えることにより、オゾンに関する国家環境大気質基準を改訂した。 Ground level ozone (a major component of smog) remains an environmental pollution problem in the United States. Ozone is not directly discharged to the atmosphere, in the presence of heat and sunlight, is produced by the reaction of volatile organic compounds (VOC) or a reactive organic gases (ROG) and nitrogen oxide (NO X). VOC / ROG is emitted from a variety of sources such as combustion fuels and from solvents, petroleum refining and pesticides, which are sources such as automobiles, chemical factories, refineries, manufactories, consumers and commercial products. , As well as from other industrial sources. Nitric oxide is emitted from automobiles, power plants, and other combustion sources. Ozone and precursor pollutants that produce ozone can be carried miles from their original source by the wind. In 1997, the EPA revised the national environmental air quality standards for ozone by replacing the 0.12 part per million (ppm) standard with the new 8-hour 0.08 ppm standard.

二酸化窒素(NO)は、一酸化窒素(NO)の酸化によって生成される可能性のある反応性の気体である。NO、NO、及び他の窒素の酸化物を記載するのに使われる用語である窒素酸化物(NO)は、オゾン及びスモッグの発生において主要な役割を果たしている。人為的なNOの排出の主要な原因として、自動車、建設用機器、及び発電所において生じるような高温燃焼プロセスが挙げられる。家庭用ヒーター及びガスストーブも、大量のNOを発生する。 Nitrogen dioxide (NO 2 ) is a reactive gas that can be generated by the oxidation of nitric oxide (NO). Nitrogen oxide (NO x ), the term used to describe NO, NO 2 , and other nitrogen oxides, plays a major role in the generation of ozone and smog. As a major cause of discharge of artificial NO X, automobiles, construction equipment, and include a high temperature combustion processes such as occur in power plants. Household heater and gas stove, to generate a large amount of NO 2.

一酸化炭素(CO)は、燃料中の炭素の不完全燃焼によって生成される可能性のある無色、無臭、及び有害な気体である。自動車の排気が、米国におけるCO排出の約60%を占めている。都市部では、CO排出の95%程度が自動車の排気によるものであると言われている。CO排出の他の原因として、工業プロセス、非輸送燃料燃焼、及び森林火災等の自然界の原因が挙げられる。   Carbon monoxide (CO) is a colorless, odorless, and harmful gas that can be generated by incomplete combustion of carbon in fuels. Automotive emissions account for about 60% of CO emissions in the United States. In urban areas, it is said that about 95% of CO emissions come from automobile exhaust. Other causes of CO emissions include natural processes such as industrial processes, non-transport fuel combustion, and forest fires.

粒子状物質(PM)は、大気中に見出される固体粒子及び液体小滴の混合物に関して用いられる用語である。いくつかの粒子は、煤又は煙として観察されるのに十分大きいか又は暗色である。他のものは、それらが電子顕微鏡でのみ検出され得るほど小さい。広範囲のサイズで生じるこれらの粒子(「微細」粒子は、直径2.5μm未満であり、より粗大な粒子は2.5μmより大きい)は、多くの異なる固定発生源及び移動発生源に、ならびに天然発生源に由来する。微細粒子(PM−2.5)は、自動車、発電及び工業施設から、ならびに住宅用暖炉及び薪ストーブからの燃料燃焼に起因する。粗大粒子(PM−10)は一般に、非舗装道路上を移動する車両、材料取扱設備、ならびに圧潰及び粉砕操作、ならびに風塵のような発生源から排出される。いくつかの粒子は、それらの発生源、例えば煙突及び自動車から直接排出される。他の場合には、一酸化イオウ、SO、NO及びVOCのようなガスは、大気中の他の化合物と相互作用して、微細粒子を形成する。それらの化学的及び物理的組成は、場所、時季及び天候によって変わる。1997年、EPAは2つの新しいPM−2.5基準を付け加え、年及び24時間基準に関して、それぞれ15μg/m(μGA)及び65μg/mに設定した。 Particulate matter (PM) is a term used for a mixture of solid particles and liquid droplets found in the atmosphere. Some particles are large enough or dark to be observed as soot or smoke. Others are so small that they can only be detected with an electron microscope. These particles that occur in a wide range of sizes (“fine” particles are less than 2.5 μm in diameter and coarser particles are greater than 2.5 μm) can be found in many different fixed and mobile sources, as well as natural Derived from the source. Fine particles (PM-2.5) result from fuel combustion from automobiles, power generation and industrial facilities, and from residential fireplaces and wood stoves. Coarse particles (PM-10) are generally emitted from vehicles traveling on unpaved roads, material handling equipment, and sources such as crushing and grinding operations and dust. Some particles are emitted directly from their sources, such as chimneys and automobiles. In other cases, gases such as sulfur monoxide, SO 2 , NO x and VOC interact with other compounds in the atmosphere to form fine particles. Their chemical and physical composition varies with location, season and weather. 1997, EPA is added two new PM-2.5 standards, with respect to the year and 24 hours reference was set to 15μg / m 3 (μGA) and 65 [mu] g / m 3, respectively.

二酸化イオウは、イオウを含有する燃料(例えば石炭及び油)が燃焼された場合に、例えば金属精錬中及びその他の工業プロセス中に生成される可能性がある。   Sulfur dioxide can be produced, for example, during metal refining and other industrial processes when sulfur-containing fuels (eg, coal and oil) are combusted.

最後の基準汚染物質である鉛は、歴史的に、自動車における有鉛燃料の使用から生じた。ガソリン中のPbの含量を低減するための規制努力の結果、運送部門からの関与は、過去10年間減少してきた。今日、金属加工は大気へのPb排出の主要発生源である。   The last reference pollutant, lead, has historically resulted from the use of leaded fuel in automobiles. As a result of regulatory efforts to reduce the content of Pb in gasoline, involvement from the transportation sector has decreased over the past decade. Today, metalworking is a major source of Pb emissions into the atmosphere.

大気浄化法はEPAに不可欠であり、これら6つの基準汚染物質に関する国家環境大気質基準を満たすような計画を練り上げるように記述している。6つのほかに、188個の「有毒大気汚染物質」の一覧が別に存在する。有毒大気汚染物質の例としては、ベンゼン(ガソリン中に見出される);ペルクロロエチレン(いくつかのドライクリーニング施設から排出される);ならびに塩化メチレン(多くの工業により溶剤及び塗料剥離剤として用いられる)が挙げられる。いくつかの大気中有毒物質は天然発生源から排出されるが、大半は、移動発生源(例えば乗用車、トラック及びバス)及び固定発生源(例えば製造所、精製所及び発電所)の両方を含めたヒトが原因の発生源から生じる。CAAは、これら188の汚染物質に関する二段階プログラムを示すようEPAに求めた。第一段階は、有毒汚染物質の発生源を同定し、それらを有意に低減するための技術ベースの基準を練り上げることから成る。EPAは900を上回る固定発生源の一覧を確定し、これにより、多くの工業的発生源、例えば化学工場、精油所、航空宇宙産業メーカー及び製鋼所、ならびにより小さな発生源、例えばドライクリーニング業者、殺菌消毒業者、鉛第二精錬所及びクロム電気めっき施設に影響を及ぼす新しい大気中有毒物質排出基準を作った。第二段階は、残留危険を評価し、そして全体的プログラムが実質的低減を達成したことを保証する戦略及びプログラムから成る;この段階は、依然として進行中である。   The Clean Air Act is indispensable for EPA, and is written to develop a plan to meet the national environmental air quality standards for these six reference pollutants. In addition to the six, there is a separate list of 188 “toxic air pollutants”. Examples of toxic air pollutants include benzene (found in gasoline); perchlorethylene (exhausted from some dry cleaning facilities); and methylene chloride (used by many industries as a solvent and paint stripper) ). Some atmospheric toxic substances are emitted from natural sources, but most include both mobile sources (eg passenger cars, trucks and buses) and stationary sources (eg factories, refineries and power plants) Arising from the source of the cause. The CAA asked EPA to provide a two-step program for these 188 contaminants. The first stage consists of identifying sources of toxic contaminants and developing technology-based standards to significantly reduce them. EPA has established a list of over 900 fixed sources, which allows many industrial sources such as chemical factories, refineries, aerospace manufacturers and steel mills, and smaller sources such as dry cleaners, Created new atmospheric toxic emission standards affecting sterilizers, lead smelters and chromium electroplating facilities. The second stage consists of strategies and programs that assess residual risk and ensure that the overall program has achieved substantial reductions; this stage is still ongoing.

内燃機関は、基準汚染物質を排出するため、上記の規制により直接影響を受ける。これらのエンジンは、2つの燃料で作動する。用いられる最も一般的な種類の燃料は、ガソリンとディーゼルである。各々の種類の燃料は、炭化水素化合物ならびに微量の多くのその他の物質、例えばイオウの複雑な混合物を含有する。完全に燃焼した場合でも、これらの燃料は汚染物質を生じる。さらに、エンジンは「完全」燃焼ができないため、不完全に酸化される燃料もあり、したがって付加的汚染物質を生じる。その他の種類の燃料、例えばエタノール混合物、植物油、ならびに当該技術分野で既知のその他の燃料も用いられ得る。   Internal combustion engines are directly affected by the above regulations because they emit standard pollutants. These engines operate 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 as well as trace amounts of many other substances such as sulfur. Even when completely burned, these fuels produce pollutants. In addition, because the engine cannot “completely” burn, some fuels are incompletely oxidized, thus creating additional pollutants. Other types of fuels may also be used, such as ethanol mixtures, vegetable oils, and other fuels known in the art.

ガソリンエンジンでは、排出を低減するために、現代車のエンジンはそれらが燃焼する燃料の量を注意深く制御する。それらは空気対燃料比を、空気対燃料の算定理想比である化学量論点に極く近づけて維持しようとする。理論的には、この比率で、空気中の酸素のすべてを用いて、燃料はすべて燃焼される。燃料混合物は実際には、運転中に理想比からかなり変化する。時として、混合物は低質(例えば14.7の典型比より高い空気対燃料比)であり得るし、他の場合には、混合物はリッチ(例えば14.7より低い空気対燃料比)であり得る。これらの偏差のために、種々の大気中排出が生じる。   In gasoline engines, in order to reduce emissions, modern car engines carefully control the amount of fuel they burn. They try to maintain the air to fuel ratio very close to the stoichiometric point, which is the calculated ideal ratio of air to fuel. Theoretically, at this ratio, all the fuel is burned using all of the oxygen in the air. The fuel mixture actually varies considerably from the ideal ratio during operation. Sometimes the mixture can be low quality (eg, an air to fuel ratio higher than a typical ratio of 14.7), and in other cases the mixture can be rich (eg an air to fuel ratio lower than 14.7). . Because of these deviations, various atmospheric emissions occur.

車のガソリンエンジンによる多くの排気として、窒素ガス(N)(大気の78%は、Nである)、燃焼産物である二酸化炭素(CO)、及び別の燃焼産物である水蒸気(HO)が挙げられる。これらの排気は、ヒトにはほとんど無害である(但し、大気中の過剰なレベルのCOは、地球温暖化の原因になっていると信じられている)。しかし、ガソリエンジンは、一酸化炭素、窒素酸化物、及び不燃成炭化水素(これらは全てEPAの基準汚染物質に含まれている)も生成する(不燃成炭化水素は、NOと共にオゾン形成機構の一部を形成する)。 Many emissions from car gasoline engines include nitrogen gas (N 2 ) (78% of the atmosphere is N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) as a combustion product, and water vapor (H 2 O). These exhausts are almost harmless to humans (although excessive levels of CO 2 in the atmosphere are believed to be responsible for global warming). However, gas warp engine are carbon monoxide, nitrogen oxides, and incombustible formed hydrocarbons (all of which are included in the reference pollutants EPA) also generates (noncombustible formed hydrocarbons, ozone forming mechanism with NO X Part of).

ディーゼルエンジンも、基準汚染物質に関与する。これらのエンジンは、酸素の存在下で十分に圧縮されると自己発火する炭化水素分画を用いる。概して、シリンダー内で燃焼するディーゼルは、ガソリンの場合より多量の粒子状物質ならびに汚染物質である窒素酸化物及びイオウ酸化物(それぞれNO及びSO)を生じる。それにしても、ディーゼル混合物は一般に低質で、相対的に多量の酸素が存在する。その結果、小分子の炭化水素の燃焼ほど通常はより完全で、生じる一酸化炭素がガソリンより少ない。鎖の長い炭化水素ほど完全に燃焼するのが難しく、炭素の「煤」のような粒状残渣の形成を生じる可能性がある。 Diesel engines are also involved in reference pollutants. These engines use a hydrocarbon fraction that self-ignites when fully compressed in the presence of oxygen. In general, diesel burning in a cylinder produces more particulate matter and pollutants nitrogen oxides and sulfur oxides (NO x and SO x, respectively) than in gasoline. Nevertheless, diesel mixtures are generally low quality and there is a relatively large amount of oxygen. As a result, the combustion of small molecule hydrocarbons is usually more complete and produces less carbon monoxide than gasoline. Longer chain hydrocarbons are more difficult to burn completely and can result in the formation of particulate residues such as carbon “soot”.

これらの欠点にもかかわらず、化石燃料は比較的豊富で、取扱いが容易で、そして経済的である。したがって、これらの燃料は、今後数年間、機械的動力及び汚染の有意の発生源の代表的なものであり続けるであろう。さらに内燃機関の広播性は、どのような形態で化石燃料がエネルギーの必要な供給源であり続けるか、ということを示す。   Despite these drawbacks, fossil fuels are relatively abundant, easy to handle, and economical. Therefore, these fuels will continue to be representative of significant sources of mechanical power and contamination over the next few years. Furthermore, the dissemination of internal combustion engines indicates how fossil fuels continue to be a necessary source of energy.

大気有意汚染を生じる内燃機関には少なくとも3つの市場がある:1)移動オンロードエンジン、設備及び車両、2)移動非ロードエンジン、設備及び車両、ならびに3)固定又は「ポイント」発生源。これらの市場の各々において、政府機関及びその他の組織は、大気汚染のレベルに関する制限を指示した。これらの制限は、使用中の内燃機関の数が増え、そしてその上、大気汚染により引き起こされる害について調べると、漸増的に厳しくなった。恒常的に厳しい規制は、エンジンデザイン変更のための燃料処方物から後処理装置まで、新しい排出制御技術において、継続的に研究し、開発し、そして運用することを産業に求めてきた。これらの技術は、有効性及びコストの両方を変えるが、企業が規制に従うためには不可欠になってきた。単一の排出制御技術はすべての関連汚染物質を除去することができなかったので、特定の種類の車両又は設備が規制排出制限を満たすようにするためには、多くの技術がしばしば一緒に用いられなければならない。これらの市場、それらの規制及びそれらが基づく技術は、以下の段落に記載される。それらの利点及び欠点を含めた技術は、この節の後にさらに詳細に記載される。本節は米国のエンジン、設備及び車両に着目しているが、他の区域も類似の製品及び規制を有する。例えばEUは類似の市場サイズを有するが、ディーゼル排出制御技術がほとんどの小型オフロードエンジンに触媒コンバーターを使用し、小型車両にほとんどの場合ディーゼルエンジンを有するため、排気ガス再循環よりも、選択的触媒還元に着目している。他の区域は、米国とは異なるそれら自体の特質を有するが、本質的には同様の種類の設備を使用し、同様の種類の大気汚染物質を制限する。   There are at least three markets for internal combustion engines that produce significant air pollution: 1) mobile on-road engines, equipment and vehicles, 2) mobile non-road engines, equipment and vehicles, and 3) fixed or “point” sources. In each of these markets, government agencies and other organizations directed restrictions on the level of air pollution. These limits have become increasingly severe as the number of internal combustion engines in use increases and, in addition, when examining the harm caused by air pollution. Constantly strict regulations have required the industry to continuously research, develop and operate on new emission control technologies, from fuel formulations for engine design changes to aftertreatment devices. These technologies change both effectiveness and cost, but have become essential for companies to comply with regulations. Since a single emission control technology could not remove all relevant pollutants, many technologies are often used together to ensure that certain types of vehicles or equipment meet regulatory emission limits. Must be done. These markets, their regulations and the technology on which they are based are described in the following paragraphs. Techniques including their advantages and disadvantages are described in more detail after this section. While this section focuses on US engines, equipment and vehicles, other areas have similar products and regulations. For example, the EU has a similar market size but is selective over exhaust gas recirculation because diesel emission control technology uses catalytic converters for most small off-road engines, and most vehicles have diesel engines. Focuses on catalytic reduction. Other areas have their own qualities that differ from the United States, but essentially use similar types of equipment and limit similar types of air pollutants.

移動オンロードエンジン、設備及び車両としては、乗用車、貨物トラック、ミニバン、スポーツ用途車(SUV)、バス、荷物配達トラック、セミトラック、乗用バン、ならびにオンロード使用のために設計された2又は3輪オートバイが挙げられるが、これらに限定されない。これらの市場は歴史的には排出制御の模範を示してきたし、低レベルの大気汚染を支持する規制に従って今日も引き続きそうしている。   Mobile on-road engines, equipment and vehicles include passenger cars, cargo trucks, minivans, sports vehicles (SUVs), buses, luggage delivery trucks, semi trucks, passenger vans, and 2 or 3 designed for on-road use Examples include, but are not limited to, wheeled motorcycles. These markets have historically set examples for emission control and continue to do so today in accordance with regulations that support low levels of air pollution.

乗用車及びトラック市場は、重量により分けられる。総車両重量(GVWR)3,856kg(8,500ポンド)以下のものは、小型車とみなされる。乗客輸送のために設計された3,856〜4,536kg(8,500〜10,000lbs)GVWRの車両は、中型車とみなされる。個人用に設計されていない3,856kg(8,500lbs)GVWRを上回る車両は、大型車と呼ばれる。   The passenger car and truck market is divided by weight. Those with a gross vehicle weight (GVWR) of 3,856 kg (8,500 pounds) or less are considered small cars. A 3,856-4,536 kg (8,500-10,000 lbs) GVWR vehicle designed for passenger transport is considered a medium-sized vehicle. Vehicles over 3,856 kg (8,500 lbs) GVWR that are not designed for personal use are referred to as large vehicles.

乗用車及び小型車は、従来、車両重量及び燃料の種類により規制されたが、将来的基準では1グループで規制される。米国で製造される新しい乗用車及び小型車両約1,700万台のうちの1%未満が、ディーゼルエンジンを使用する。乗用車及び小型車両としては、Ford、General Motors (GM)、Daimler Chrysler、BMW、本田技研工業(Honda)、Hyundai、Daewoo、First Automobile Group、トヨタ自動車(Toyota)、日産自動車(Nissan)、SAIC-Chevy及び富士重工業(Subaru)が挙げられる。   Conventionally, passenger cars and small cars have been regulated by vehicle weight and fuel type, but will be regulated by one group in future standards. Less than 1% of the approximately 17 million new passenger cars and small vehicles manufactured in the US use diesel engines. Passenger cars and small vehicles include Ford, General Motors (GM), Daimler Chrysler, BMW, Honda Motor (Honda), Hyundai, Daewoo, First Automobile Group, Toyota, Nissan, SAIC-Chevy And Fuji Heavy Industries (Subaru).

乗用車及び小型車両に関する規制は数十年間存在したが、近年、さらに厳しくなってきた。年式(MY)2004〜2009から段階的に導入するTier2基準は、ある種の「大箱」の基準にそれらの保有車両を保証するために、そしてNO排出に関する企業平均を維持するためには、相手先ブランド製造(OEM)を要する。2,722kg(6,000lbs)GVWR以下の車両は、2007年までに完全に従わなければならず、2,722〜3,856kg(6,000〜8,500lbs)のもの及びMDVは2009年までに従わなければならない。基準に含まれる汚染物質としては、以下のものが挙げられる:NO、ホルムアルデヒド(HCHO)、CO、PM及び非メタン有機ガス。カリフォルニア州は、歴史的に、EPAより厳しい規制を有してきたが、他の州、例えばニュージャージー、ニューヨーク、バーモント、メイン及びマサチューセッツ州は、新車及び中古車に関するカリフォルニアのより低い排出レベルに加わっている。基準を満たさないメーカーは本質的には、これらの市場において彼等の車両を製造することを禁止され、市場で発見されたものに関しては罰金を科せられる。アフターサービス市場では、州は、点検整備(I/M)プログラムにより自動車及び小型車両の排出を規制する。これらのプログラムはしばしば、国家環境大気質(NAAQ)基準非達成区域において必要とされる州実施計画(SIP)から作成される。新車基準及びアフターサービス市場基準の両方を満たすには、しばしば平衡して、排出制御技術の使用を要する。 Regulations on passenger cars and small vehicles have existed for decades, but in recent years they have become more stringent. Tier 2 standards, phased in from year (MY) 2004-2009, to guarantee their fleet to certain “big box” standards and to maintain a corporate average for NO x emissions Requires original equipment manufacturer (OEM). Vehicles under 2,722 kg (6,000 lbs) GVWR must be fully followed by 2007, 2,722-3,856 kg (6,000-8,500 lbs) and MDV up to 2009 Must follow. Contaminants included in the standards include: NO x , formaldehyde (HCHO), CO, PM and non-methane organic gases. California has historically been more stringent than EPA, but other states, such as New Jersey, New York, Vermont, Maine, and Massachusetts, have joined California's lower emission levels for new and used cars. . Manufacturers that do not meet the standards are essentially banned from making their vehicles in these markets and fined for those found in the market. In the after-service market, the state regulates emissions of cars and small vehicles through an inspection and maintenance (I / M) program. These programs are often created from State Implementation Plans (SIPs) required in areas that do not meet National Environmental Air Quality (NAAQ) standards. Meeting both new vehicle standards and after-service market standards often requires the use of emission control technology in equilibrium.

歴史的に、三元触媒コンバーターは、乗用車及び小型車両における広範な用途を有してきた。これらのコンバーターにおける近年の改良(例えば基材多孔度増大、ウォッシュコート最適化、触媒添加量の低減等)は、排出制御における漸増的改良を生じた。一連の最新米国規制を満たすために、メーカーはおそらくは車両当たりの触媒添加量又は基材の数を増大するであろう。点検/整備基準を満たさない使用中の車は、欠陥のある技術を取り替えるか又は追加装置を購入しなければならない。その他の排出制御装置としては、改良型噴射系(例えば噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、燃焼小室設計変更(例えばより高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)、可変性バルブタイミング、触媒コンバーター及びフィルターが挙げられるが、これらに限定されない。   Historically, three-way catalytic converters have had widespread use in passenger cars and small vehicles. Recent improvements in these converters (eg, increased substrate porosity, washcoat optimization, reduced catalyst loading, etc.) have resulted in incremental improvements in emissions control. In order to meet the latest set of US regulations, manufacturers will probably increase the amount of catalyst added or the number of substrates per vehicle. Cars in use that do not meet inspection / maintenance standards must replace defective technology or purchase additional equipment. Other emission control devices include improved injection systems (eg injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection and electronic control), combustion chamber design changes (eg higher compression ratio, piston shape and fuel injector position), Examples include, but are not limited to, variable valve timing, catalytic converters and filters.

大型車両(HDV)としては、3,856kg(8,500lbs)GVWRを上回る個人用及び商業用トラック及びバスの両方が挙げられる。これらのエンジンの大多数は、ディーゼル燃料で走行する;米国では、毎年300,000以上が生産される。メーカー及びエンジン供給業者としては、Cummins、Caterpillar、Detroit Diesel、GM、Mack/Volvo、International/Navistar、Sterling、Western Star、Kenworth及びPeterbitが挙げられるが、これらに限定されない。アフターサービス市場のために他の排出制御技術を提供する他の企業としては、Donaldson、Engelhard、Johnson Matthey、Lubrizol、Fleetguard、Cleaire、Clean Air Partners及びEngine Control Systemsが挙げられるが、これらに限定されない。   Heavy vehicles (HDV) include both personal and commercial trucks and buses that exceed 3,856 kg (8,500 lbs) GVWR. The majority of these engines run on diesel fuel; in the United States, more than 300,000 are produced each year. Manufacturers and engine suppliers include, but are not limited to, Cummins, Caterpillar, Detroit Diesel, GM, Mack / Volvo, International / Navistar, Sterling, Western Star, Kenworth and Peterbit. Other companies that provide other emission control technologies for the after-sales market include, but are not limited to, Donaldson, Engelhard, Johnson Matthey, Lubrizol, Fleetguard, Cleaire, Clean Air Partners, and Engine Control Systems.

大型トラックは、PM、NO、CO及び非メタン炭化水素(NMHC)に関する厳格な排出低減基準に直面している。PM基準は2007年に実施され、一方、NO及びNMHC基準は2007〜2010から段階的に導入される。小型車両と同様に、カリフォルニアは、その他のある州及び大都市圏とともに、EPAより厳しい排出基準をしばしば制定した。規準を満たさない車両に関しては、メーカーはそれらを販売することを禁じられる。NOに関する違約金は、サイズ及び遵守の取り組みに基づいて、一車両につき12,000ドルまでの範囲である。その他の産業、例えば機関車、水産業、農業及び建設業は、大型車両の場合と非常によく似たエンジンを用いるが、HDV市場は最も厳しい排出基準に直面している。一方では、いくつかの州及び大都市圏(例えばカリフォルニア、ニューヨークシティー及びシアトル)は、さらなる装備改良を要するか、又は装備改良に関する報奨金を提供して、汚染物質レベルをさらに下げさせている。これらの地域は、認可レベル及び必要条件を満たす技術を認証している。例としては、Donaldsonのディーゼル酸化触媒マフラー及びディーゼル粒子フィルター、Cleaireのディーゼル酸化触媒及びディーゼル粒子フィルター、ならびにJohnson Mattheyの連続再生技術粒子フィルターが挙げられる。 Heavy trucks face strict emission reduction standards for PM, NO x , CO and non-methane hydrocarbons (NMHC). PM standards will be implemented in 2007, while NO x and NMHC standards will be introduced in stages from 2007-2010. Like small vehicles, California, along with certain other states and metropolitan areas, often established emission standards that were more stringent than EPA. For vehicles that do not meet the criteria, manufacturers are prohibited from selling them. Penalties for NO x range up to $ 12,000 per vehicle based on size and compliance efforts. Other industries, such as locomotives, fisheries, agriculture and construction, use engines very similar to those for heavy vehicles, but the HDV market faces the most stringent emission standards. On the other hand, some states and metropolitan areas (eg California, New York City, and Seattle) require further equipment improvements or offer rewards for equipment improvements to further lower pollutant levels. These regions have certified technologies that meet the authorization level and requirements. Examples include Donaldson's diesel oxidation catalyst muffler and diesel particle filter, Cleaire's diesel oxidation catalyst and diesel particle filter, and Johnson Matthey's continuous regeneration technology particle filter.

これらの基準を満たすために、そして装備改良のために用いられる排出制御技術としては、改良型噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射、電子制御)、排気ガス再循環、燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び噴射装置位置)、改良型ターボチャージング、ACERT、ディーゼル粒子フィルター、NO吸着剤、選択的触媒低減、従来の触媒コンバーター、触媒排気マフラー及びディーゼル酸化触媒が挙げられるが、これらに限定されない。2007年基準を満たすことが、これらの排出制御技術の多くに関する新規の研究及び開発の口火となっている。莫大なコスト及び尽力が2007年HDVの排出制御解決法を決定させるために導入されている。 Emission control technologies used to meet these standards and to improve equipment include improved injection systems (injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection, electronic control), exhaust gas recirculation, and combustion chamber Engineering change (higher compression ratios, piston geometry, and injector location), improved turbocharging, ACERT, diesel particulate filters, NO x adsorbent, selective catalytic reduction, conventional catalytic converters, catalytic exhaust mufflers, and diesel oxidation catalyst However, it is not limited to these. Meeting the 2007 standards has sparked new research and development on many of these emission control technologies. Huge costs and efforts have been introduced to determine the 2007 HDV emission control solution.

オートバイは、別の種類の可動、オンロード車両であり、例としては、オンロード使用のために設計された2及び3輪オートバイの両方が挙げられる。オートバイは、主としてガソリン燃料を使用する。メーカーとしては、Harley Davidson、BMW、本田技研工業(Honda)、川崎重工業(Kawasaki)、Triumph、Tianjin Gangtian、Lifan Motorcycle及びヤマハ発動機(Yamaha)が挙げられるが、これらに限定されない。オンロード・オートバイに関する規制は1978年に採用され、カリフォルニアの規制に従った新規の基準が合意に達した時まで、2003年中は改訂されないままであった。新基準で監視される汚染物質としては、HC、NO及びCOが挙げられる。 Motorcycles are another type of mobile, on-road vehicle, examples include both two- and three-wheel motorcycles designed for on-road use. Motorcycles mainly use gasoline fuel. Manufacturers include, but are not limited to, Harley Davidson, BMW, Honda, Kawasaki Heavy Industries (Kawasaki), Triumph, Tianjin Gangtian, Lifan Motorcycle, and Yamaha. Regulations on on-road motorcycles were adopted in 1978 and remained unrevised during 2003 until new standards in accordance with California regulations were agreed. Contaminants monitored by the new standards include HC, NO x and CO.

オートバイに関する排出制御技術としては、2−ストロークエンジンの4−ストロークエンジンへの変換、改良型噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、パルスエア系、燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)、及び触媒コンバーターの使用が挙げられるが、これらに限定されない。オートバイの排出制御技術における制限は、小型又は大型車両のものとは異なる。装置を「隠す」場所がほとんどなく、そして乗客は発熱酸化反応に非常に接近するので、オートバイは、概観、構成、及び後処理装置の熱に、より着目している。   Emission control technology for motorcycles includes conversion of 2-stroke engine to 4-stroke engine, improved injection system (injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection and electronic control), pulse air system, combustion chamber design change ( Higher compression ratio, piston shape and fuel injector position), and use of a catalytic converter, but are not limited to these. Limitations in motorcycle emission control technology differ from those of small or large vehicles. Because there is little place to “hide” the equipment and passengers are very close to the exothermic oxidation reaction, motorcycles are more focused on the overview, configuration, and heat of the aftertreatment equipment.

可動、ノンロードエンジン、設備及び車両部類としては、農業、建設、採鉱、芝及び庭、個人船舶、船、商業用船、機関車、航空機、スノーモビル、オフロードオートバイ及びATV用のエンジンが挙げられるが、これらに限定されない。   Mobile, non-road engines, equipment and vehicle categories include engines for agriculture, construction, mining, turf and garden, personal ships, ships, commercial ships, locomotives, aircraft, snowmobiles, off-road motorcycles and ATVs. However, it is not limited to these.

小型エンジンは、それらのサイズの割りに有意レベルの大気汚染を排出する;それらは、ノンロードHC残留量の最大の一助である。小型エンジン装備としては、リーフブロワー、トリマー、刈払機、チェーンソー、芝刈り機、エンジン付芝刈りカート(riding mower)、木材スプリッター、除雪機及びチッパーが挙げられるが、これらに限定されない。エンジン及び装備メーカーとしては、John Deere、Komatsu、本田技研工業(Honda)、Ryobi、Electrolux(Husqvaruo及びPoulan;Craftsmanも供給)、Fuji、Tecumseh、Stihl、American Yard Products、ならびにBriggs and Strattonが挙げられるが、これらに限定されない。   Small engines emit significant levels of air pollution for their size; they are the largest contributor to non-road HC residues. Small engine equipment includes, but is not limited to, leaf blowers, trimmers, brush cutters, chainsaws, lawn mowers, engine mowing carts (riding mowers), wood splitters, snow plows and chippers. Engine and equipment manufacturers include John Deere, Komatsu, Honda Motor Co., Ltd. (Honda), Ryobi, Electrolux (Husqvaruo and Poulan; also supplied by Craftsman), Fuji, Tecumseh, Stihl, American Yard Products, and Briggs and Stratton. However, it is not limited to these.

EPAは、1993年に小型エンジンを規制し始め(I期)、その基準は1997年に効力を生じ、そして2002年に新基準により排出レベルを引き続き低減した(II期)。これらの基準は、装備を手持ち式及び非手持ち式部類に分け、異なるエンジン排気量に基づいて分類する。これらの規制は、炭化水素及び酸化窒素排出に着目している。   EPA began regulating small engines in 1993 (stage I), the standards came into effect in 1997, and continued to reduce emissions levels with new standards in 2002 (stage II). These standards divide equipment into hand-held and non-hand-held categories and classify based on different engine displacements. These regulations focus on hydrocarbon and nitric oxide emissions.

排出制御技術としては、触媒の使用(即ちJohn DeereのLE技術、及びKomatsuの「層状掃気」デザイン)、2−ストロークエンジンの4−ストロークエンジンへの変換、改良型噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、又は燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)が挙げられるが、これらに限定されない。   Emission control technologies include the use of catalysts (ie John Deere's LE technology and Komatsu's “stratified scavenging” design), conversion of 2-stroke engines to 4-stroke engines, improved injection systems (injection timing, injection pressure) , Rate shaping, common rail injection and electronic control), or combustion chamber design changes (higher compression ratio, piston shape and fuel injector position).

レクリエーション車両市場としては、オフハイウェイ・オートバイ、スノーモビル及び不整地走行車(ATV)が挙げられる。これらは、メーカー及びエンジン供給業者により製造されるが、その例を以下に示す:   The recreational vehicle market includes off-highway motorcycles, snowmobiles and rough terrain vehicles (ATVs). These are manufactured by manufacturers and engine suppliers, examples of which are given below:

本田技研工業(Honda)、John Deere、川崎重工業(Kawasaki)、三菱自動車(Mitsubishi Motors)、日産自動車(Nissan)、トヨタ自動車(Toyota)、ヤンマー(Yanmar)、Arctic Cat、Bombardier、Brunswisk、International Powercraft、Polaris、スズキ(Suzuki)、及びヤマハ発動機(Yamaha)。   Honda Motor Co., Ltd. (Honda), John Deere, Kawasaki Heavy Industries (Kawasaki), Mitsubishi Motors (Mitsubishi Motors), Nissan Motor (Nissan), Toyota Motor Corporation (Yanmar), Arctic Cat, Bombardier, Brunswisk, International Powercraft, Polaris, Suzuki, and Yamaha.

EPAは、多くのその他の市場より遅く、レクリエーション車両を規制し始めたが、カリフォルニア州は前もって適所に規制を有した。EPAは、スノーモビルに関しては2006〜2009から、オフハイウェイ・オートバイ及びATVに関しては2006〜2007からの段階的導入を有する。規制汚染物質としては、HC、CO及びNOが挙げられる。レクリエーション車両に関する排出制御技術としては、2−ストロークエンジンの4−ストロークエンジンへの変換、改良型噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、パルスエア又は燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)が挙げられるが、これらに限定されない。 EPA began to regulate recreational vehicles later than many other markets, but California had regulations in place in advance. EPA has a phased introduction from 2006-2009 for snowmobiles and from 2006-2007 for off-highway motorcycles and ATVs. The regulated pollutants, HC, CO and NO x and the like. Emission control technology for recreational vehicles includes conversion of 2-stroke engines to 4-stroke engines, improved injection systems (injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection and electronic control), pulse air or combustion chamber design changes ( Higher compression ratio, piston shape and fuel injector position), but are not limited to these.

採鉱においては、規制は鉱山安全衛生庁により確定される。高レベルの振動、衝撃及び粉塵のため、採鉱はしばしば、装備に関する最も厄介な環境の1つであると考えられている。温度及び可燃性も、採鉱における大きな問題である。ディーゼル酸化触媒は、いくつかの採鉱装備に関しては装備改良されてきたが、ディーゼル粒子フィルターがより一般的になってきている。   For mining, regulations are established by the Mine Safety and Health Agency. Due to the high levels of vibration, shock and dust, mining is often considered one of the most troublesome environments for equipment. Temperature and flammability are also major issues in mining. Diesel oxidation catalysts have been improved for some mining equipment, but diesel particle filters are becoming more common.

農業及び建設市場では、EPAは、火花点火及び圧縮点火エンジンの両方を規制する。これらは、トラクター、フォークリフト、ブルドーザー、発電機、舗装機械、ローラー、トレンチャー、掘削装置、ミキサー、クレーン、ベーラー、圧縮機等に用いられ得る。エンジン及び装備のメーカーとしては、Agco、Komatsu、CNH Global、Caterpillar、Cummins、Daewoo、John Deere & Co、Dueutz、Detroit Diesel、及びクボタ(Kubota)が挙げられるが、これらに限定されない。   In the agricultural and construction markets, EPA regulates both spark ignition and compression ignition engines. These can be used for tractors, forklifts, bulldozers, generators, paving machines, rollers, trenchers, excavators, mixers, cranes, balers, compressors and the like. Engine and equipment manufacturers include, but are not limited to, Agco, Komatsu, CNH Global, Caterpillar, Cummins, Daewoo, John Deere & Co, Dueutz, Detroit Diesel, and Kubota.

EPAは、1994年にこれらのエンジンのディーゼル部分を規制し始め(Tier1)、そしてさらに最近、Tier2で基準を増大した(2001〜2006から実行される)。基準は、2006〜2008年にTier3レベルで再び増大するよう予定されている。Tier3レベルは、大型車両(例えばトラクター・トレーラー)に用いられるものと類似の排出制御装置の使用を必要とすると思われる。農業及び建設用途に用いられるガソリン、液体プロパンガス、又は圧縮天然ガス(CNG)エンジンも、最近、規制に変化があった。Tier1レベルは2004年に始まって、CARBによってより早期に採用されたものに匹敵する;Tier2レベルは、2007年に開始すると予測される。基準より低い排出を示す車両に関する任意のプログラムが存在し、「ブルー・スカイ・シリーズ」と呼ばれる。エンジンサイズ及び燃料の種類に基づいて、粒子、一酸化炭素、酸化窒素及び非メタン炭化水素のレベルはすべて、通例の段階的導入のために、そして間近に迫っている基準のために、有意に低減されなければならない。   EPA began regulating the diesel portion of these engines in 1994 (Tier 1), and more recently, increased standards in Tier 2 (performed from 2001-2006). The standard is scheduled to grow again at the Tier 3 level in 2006-2008. The Tier 3 level may require the use of emission control devices similar to those used for heavy vehicles (eg, tractor trailers). Gasoline, liquid propane gas, or compressed natural gas (CNG) engines used for agricultural and construction applications have also recently changed in regulation. Tier 1 levels begin in 2004 and are comparable to those adopted earlier by CARB; Tier 2 levels are expected to start in 2007. There is a voluntary program for vehicles that show lower emissions than the standard and is called the “Blue Sky Series”. Based on engine size and fuel type, the levels of particles, carbon monoxide, nitric oxide and non-methane hydrocarbons are all significantly different for routine phased introduction and for upcoming standards. Must be reduced.

排出制御技術は、大型車両で用いられるものと類似であり、例としては改良型噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、排気ガス再循環、燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)、改良型ターボチャージング、ACERT、ディーゼル粒子フィルター、NO吸着装置、選択的触媒還元、従来の触媒コンバーター、触媒排気マフラー、及びディーゼル酸化触媒が挙げられるが、これらに限定されない。エンジンの吸い込み中の硫酸生成を生じる傾向のために、排気ガス再循環(EGR)は問題をはらんでいた。それは冷却も要し、これがより大きなラジエーターを必要とし、したがって車両上のより大きな車首を必然的に伴って、空気力学的及び燃費的制約を生じる。 Emission control technology is similar to that used in large vehicles, examples include improved injection systems (injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection and electronic control), exhaust gas recirculation, combustion chamber design changes ( higher compression ratios, piston geometry, and injector location), improved turbocharging, ACERT, diesel particulate filters, NO x adsorbers, selective catalytic reduction, conventional catalytic converters, catalytic exhaust mufflers, and diesel oxidation catalyst For example, but not limited to. Exhaust gas recirculation (EGR) has been problematic because of the tendency to produce sulfuric acid during engine suction. It also requires cooling, which requires a larger radiator and therefore entails a larger head on the vehicle, creating aerodynamic and fuel economy constraints.

海洋用途において、エンジンは一般的にガソリン若しくはディーゼル燃料の使用、個人使用若しくは商業的利用によって、又はエンジンの大きさによって、分類することができる。海洋用ユニットは、個人用の水上バイクからヨット、連絡船、曳船及び外航船までに及ぶ。メーカー及びエンジン供給業者には、Bombardier(Evinrude、Johnson、Ski Doo、Rotax等)、Caterpillar、Cummins、Detroit Diesel、GM、いすゞ自動車(Isuzu)、ヤンマー(Yanmer)、Alaska Diesel、Daytona Marine、Marine Power、Atlantic Marine、Bender Shipbuilding、Bollinger Shipyards、VT Halter Marine、Eastern Shipbuilding、Gladding-Hearn、JeffBoat、Main Iron Works、Master Boat、Patti Shipyard、Quality shipyards、及びVerret Shipyard、MAN B&W Diesel、Wartsila、三菱自動車(Mitsubishi)、Bath Iron Works、Electric Boat、Northrop Grumman(Avondale、Ingalls、及びNewport News Shipyardsを含む)が挙げられるが、これらに限定されない。   In marine applications, engines can generally be categorized by use of gasoline or diesel fuel, personal use or commercial use, or by engine size. Marine units range from personal water bikes to yachts, ferry ships, dredgers and ocean-going vessels. Manufacturers and engine suppliers include Bombardier (Evinrude, Johnson, Ski Doo, Rotax, etc.), Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel, GM, Isuzu, Yanmer, Alaska Diesel, Daytona Marine, Marine Power, Atlantic Marine, Bender Shipbuilding, Bollinger Shipyards, VT Halter Marine, Eastern Shipbuilding, Gladding-Hearn, JeffBoat, Main Iron Works, Master Boat, Patti Shipyard, Quality shipyards, and Verret Shipyard, MAN B & W Diesel, Wartsila, Mitsubishi Motors (Mitsubishi) , Bath Iron Works, Electric Boat, Northrop Grumman (including but not limited to Avondale, Ingalls, and Newport News Shipyards).

EPAは、レクリエーション用であれ、個人用であれ又は商業用であれ、船を規制する。主要部類区分は、レクリエーション車両からタンカーまで、エンジン排気量に基づいている。排気量30リットル(30L)以下のディーゼル海洋用非レクリエーション船、例えば釣り船、タグボート、引き船、浚渫船及び貨物船は、エンジンサイズに応じて、2004〜2007年に施行されるNO及びPMに関する新基準を有する。30Lを上回るディーゼル海洋用非レクリエーション船、例えばコンテナ船、タンカー、ばら積み貨物船及び巡航船は、2004年にNO基準(Tier1)が施行され、2007年にさらにHC、PM及びCOの基準(Tier2)が施行される。ディーゼル海洋用レクリエーション船、例えばヨット、クルーザー及びその他の種類のレクリエーション小船は、排気量30L以下のディーゼル海洋用非レクリエーション船のものに匹敵する基準を有するが、エンジンサイズに基づいて2006〜2009年の範囲のより遅い実行日を有する。ガソリン及びディーゼル船は、船外エンジン、個人用船舶及びジェットボートにおけるHC排出を一般的に適用する規制を有するだけである。スターンドライブ及び船内エンジンは、元々静浄であり、未だ規制されていない。 EPA regulates ships, whether recreational, personal or commercial. The main categories are based on engine displacement from recreational vehicles to tankers. Diesel marine non-recreational ships with a displacement of 30 liters (30L) or less, such as fishing boats, tugboats, tugboats, tugboats and cargo ships, are new to NO x and PM that will be enforced between 2004 and 2007, depending on engine size. Have standards. Diesel marine non-recreational vessels of more than 30L, for example, container ships, tankers, bulk carriers and cruise ships, is enforced NO x standard (Tier1) in 2004, in 2007 further HC, standards of PM and CO (Tier2 ) Is enforced. Diesel marine recreational vessels, such as yachts, cruisers and other types of recreational vessels, have standards comparable to those of diesel marine non-recreational vessels with a displacement of 30L or less, but are based on engine sizes in 2006-2009. Have a later run date in the range. Gasoline and diesel ships only have regulations that generally apply HC emissions in outboard engines, personal ships and jet boats. Sterndrives and inboard engines are inherently clean and not yet regulated.

排出制御技術は、大型車両に用いられるものと類似し、例としては、船がドックにある場合の「グリーンターミナル」の使用、2−ストロークエンジンの4−ストロークエンジンへの変換、水後冷却、排気ガス再循環、ディーゼル粒子フィルター、選択的触媒還元、ディーゼル酸化触媒、触媒コンバーター、改良型燃料噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、改良型ターボチャージング、可変バルブタイミング、ならびに燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)が挙げられるが、これらに限定されない。補助動力用の小型エンジン(例えば補助動力装置、APU)の使用も、排出を制御するのに役立つ。船に及ぼす塩水及びその関連汚染物質、ならびに冷却作用は後処理が困難であるが、APUは後処理装置とともに良好に働き得る。   Emission control technology is similar to that used for large vehicles, examples include the use of a “green terminal” when the ship is in the dock, conversion of a 2-stroke engine to a 4-stroke engine, cooling after water, Exhaust gas recirculation, diesel particulate filter, selective catalytic reduction, diesel oxidation catalyst, catalytic converter, improved fuel injection system (injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection and electronic control), improved turbocharging, variable Examples include, but are not limited to, valve timing, and combustion chamber design changes (higher compression ratio, piston shape and fuel injector position). The use of a small engine for auxiliary power (eg, auxiliary power unit, APU) also helps control emissions. Although salt water and its associated pollutants and cooling effects on ships are difficult to post-process, APU can work well with post-processing equipment.

機関車業界は、主にディーゼル燃料に依存しており(石炭及び薪の利用は限りがある)、貨物及び、旅客鉄道サービス、長距離輸送サービス、普通列車サービス、並びに操車場(switch yard)サービスで利用される列車を含む。米国では、毎年600を超える列車が製造されている。メーカー及びエンジン供給業者としては、GM's Electromotive Division、GE Transportation Systems、Caterpillar、Detroit Diesel、Cummins、MotovePower、Peoria Locomotive Works、Republic Locomotives、Trinity、Greenbrier、及びCSXが挙げられるが、これらに限定されない。   The locomotive industry relies primarily on diesel fuel (with limited use of coal and firewood), freight and passenger rail services, long-distance transportation services, regular train services, and switch yard services. Including trains used in In the United States, more than 600 trains are produced every 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.

列車の規制は2000年より始まり、重量車両に関するものを広く手本とした。その基準は、新しく製造されたエンジン並びに再製造されたエンジン(約4〜8年ごとに行う)のレベルを含み、エンジンがスイッチ用又は長距離輸送用かどうかによって、変わる。Tier0は年式(MY)が1973〜2001のエンジン、Tier1はMY2002〜2004のエンジン、及びTier2はMY2005以降のエンジンに適用される。違約金は、1日1エンジンにつき、最大$25,000に及ぶ可能性がある。規制される汚染物質には、粒子状物質、NO、HC、CO、及び煙による不透明度が含まれている。 Train regulation began in 2000 and was widely modeled on heavy vehicles. The standards include the level of newly manufactured engines as well as remanufactured engines (performed about every 4-8 years) and will vary depending on whether the engine is for switching or long-distance transportation. Tier 0 is applied to engines of year (MY) 1973-2001, Tier 1 is applied to engines MY 2002-2004, and Tier 2 is applied to engines MY 2005 and later. Penalties can range up to $ 25,000 per engine per day. The contaminants are regulated, it contains opacity by particulate matter, NO X, HC, CO, and smoke.

排出制御技術は、大型車両に用いられるものと類似し、例としては、改良型燃料噴射系(噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、コモンレール噴射及び電子制御)、排気ガス再循環、燃焼小室設計変更(より高い圧縮比、ピストン形状及び燃料噴射装置位置)、選択的触媒還元、ディーゼル酸化触媒、ならびにアフタークーラー、分割冷却、ゼオライト篩及びNO還元触媒が挙げられるが、これらに限定されない。小型補助動力装置、例えば後処理装置の使用中ずっと、より少ない制限を示すものの使用も排出制御戦略になりつつある。 Emission control technology is similar to that used for large vehicles, examples include improved fuel injection systems (injection timing, injection pressure, rate shaping, common rail injection and electronic control), exhaust gas recirculation, combustion chamber design changes (higher compression ratios, piston geometry, and injector location), selective catalytic reduction, diesel oxidation catalysts and aftercooler, split cooling, including but zeolite sieves and nO x reduction catalyst, and the like. Throughout the use of small auxiliary power devices, such as aftertreatment devices, the use of those that exhibit fewer limitations is also becoming an emission control strategy.

航空機市場としては、すべての種類の航空機、例えばBoeing、Airbus、Cessna、Gulfstream及びLockheed Martin等により製造される飛行機が挙げられる。EPA及び欧州連合はともに、国際民間航空機関(ICAO)排出基準に従う。EPAは、1997年にガスタービンエンジン中のCO及びNOに関してICAOの最新基準を採用し、1984年のそれらのHCレベルを採用した。米国では、FAAがこれらの基準を監視し、施行する。排出制御の多くは、エンジン技術及び燃料変更により実行される。 The aircraft market includes all types of aircraft, such as those manufactured by Boeing, Airbus, Cessna, Gulfstream and Lockheed Martin. Both the EPA and the European Union follow the International Civil Aviation Organization (ICAO) emission standards. EPA adopts the latest standards of ICAO regarding CO and NO x in the gas turbine during engine in 1997, was adopted their HC levels in 1984. In the United States, the FAA monitors and enforces these standards. Much of emission control is performed by engine technology and fuel changes.

固定汚染源は、非可動性の汚染物質源を含む。EPAは、主要な産業汚染源の80を越えるカテゴリー(例えば、発電所、化学プラント、石油精製所、航空宇宙業者及び製鉄所)並びにより小規模な汚染源のカテゴリー(例えば、ドライクリーナー、市販の滅菌器、二次鉛製錬所及びクロム電気メッキの施設)に適用されるルールを示してきた。発電所は、数ある汚染源のうち、固定ディーゼルエンジン、固定ガスタービン及び原子力を利用することができる。これらの汚染源はそれぞれ、異なる汚染物質を発生する(例えば、原子力プラントはヨウ素及び水素を発生し、ガスタービンはNOx、CO、SOx、CH及びVOCsを発生し、精製所は、ガス蒸気、CO、NOx、VOCs、CO、CH及びPMを発生する)。各産業には、大気排出を削減するために異なる制御技術が必要である。 Fixed sources include non-movable sources of contaminants. EPA has over 80 categories of major industrial sources (eg, power plants, chemical plants, oil refineries, aerospace and steelworks) and smaller categories of sources (eg, dry cleaners, commercial sterilizers). , Secondary lead smelters and chromium electroplating facilities). The power plant can utilize stationary diesel engines, stationary gas turbines and nuclear power, among other sources of pollution. Each of these sources produces different pollutants (eg, nuclear power plants produce iodine and hydrogen, gas turbines produce NOx, CO, SOx, CH 4 and VOCs, refineries produce gas steam, CO2 , NOx, VOCs, CO 2 , CH 4 and PM). Each industry requires different control technologies to reduce atmospheric emissions.

EPA規制は、6つの基準汚染物質及び付加的な188の有毒大気汚染物質を網羅する。実行される具体的なプログラムとしては、酸性雨プログラム(イオウ放出を低減するために意図された)、及びオゾン移動委員会のNO割当計画(NO排出を低減するために意図された)が挙げられる。RECLAIMは、NO及びSOクレジットを売買するために確立された計画である。さらに上限設定及び取引計画がいくつかの産業及び区域で履行され、企業にそれらの排出クレジットを売買させることを可能にした。 The EPA regulations cover six reference pollutants and an additional 188 toxic air pollutants. Specific programs executed, Acid Rain Program (intended to reduce the sulfur emission), and NO x allocation plan of the ozone mobile Committee (intended to reduce NO x emissions) is Can be mentioned. RECLAIM is an established plan for buying and selling NO x and SO x credits. In addition, capping and trading plans have been implemented in several industries and territories, allowing companies to buy and sell their emission credits.

固定汚染源からの排気を制御するのに用いられる技術は広く変化し、例にはフィルター、洗浄機、吸着剤、選択的触媒還元(SCR)、集塵器、ゼロスリップ(zero-slip)触媒、タービン用触媒、又は酸化触媒が挙げられる。固定汚染市場への幾つかの排気制御系の供給業者には、M+W Zander、Crystall、Jacobs E.、Takasogo、IDC、ADP、Marshall、Bechtel、Megte、Angui、Adwest、Eisenmann、Catalytic Products、LTG、Durr、Siemens、Alstonが挙げられる。触媒供給業者には、日揮(Nikki)、BASF、Cormetech、W. R. Grace、Johnson Matthey、UOP、及びSud Chemieが挙げられる。   The techniques used to control emissions from fixed sources vary widely, including filters, washers, adsorbents, selective catalytic reduction (SCR), dust collectors, zero-slip catalysts, Examples include a turbine catalyst or an oxidation catalyst. Some exhaust control system suppliers to the fixed pollution market include M + W Zander, Crystall, Jacobs E. , Takasogo, IDC, ADP, Marshall, Bechtel, Megte, Angui, Adwest, Eisenmann, Catalytic Products, LTG, Durr, Siemens, Alston. Catalyst suppliers include Nikki, BASF, Cormetech, WR Grace, Johnson Matthey, UOP, and Sud Chemie.

大気の質を改善すること及び関連の法律及び規制に従うことの重要性のため、排出を低減し得る技術にかなりの時間、お金及び努力が注がれてきた。技術の3つの一般的領域を以下に挙げる:a)エンジン改良;b)燃料改良;及びc)後処理。これらのアプローチは典型的には、相互排他的でないか又は独立型の解決策である。エンジン改良としては、改良型噴射系、排気ガス再循環、電子センサー及び燃料制御、燃焼室設計、改良型ターボチャージング、ならびに可変バルブタイミングのような技術が挙げられるが、これらに限定されない。燃料改良としては、高セタン、低芳香族化合物、低イオウ燃料、燃料添加触媒、液化石油ガス(LPG)、燃料の酸素添加、圧縮天然ガス(CNG)及びバイオディーゼルのような処方物が挙げられるが、これらに限定されない。後処理技術としては、触媒コンバーター(2、3及び4−ウェイ)、粒子トラップ、選択的触媒還元、NO吸着装置、HC吸着装置、NO還元触媒等が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの系は、これらの及びその他の技術の種々の部分を包含する:キャタピラー社によるACERT、又は触媒処理ディーゼル粒子トラップは、組合せ系及び装置の例である。技術的又は商業的制限により使用が現在は限定されるいくつかの技術もある。 Because of the importance of improving air quality and complying with relevant laws and regulations, considerable time, money and effort has been put into technologies that can reduce emissions. Three general areas of technology are listed below: a) engine improvements; b) fuel improvements; and c) aftertreatment. These approaches are typically not mutually exclusive or stand-alone solutions. Engine improvements include, but are not limited to, technologies such as improved injection systems, exhaust gas recirculation, electronic sensors and fuel control, combustion chamber design, improved turbocharging, and variable valve timing. Fuel improvements include formulations such as high cetane, low aromatics, low sulfur fuels, fuel addition catalysts, liquefied petroleum gas (LPG), fuel oxygenation, compressed natural gas (CNG) and biodiesel. However, it is not limited to these. Post-processing techniques include, but are not limited to, catalytic converters (2, 3, and 4-way), particle traps, selective catalytic reduction, NO x adsorbers, HC adsorbers, NO x reduction catalysts, and the like. Some systems include various parts of these and other technologies: ACERT from Caterpillar, or catalyzed diesel particle traps are examples of combination systems and equipment. There are also several technologies whose use is currently limited due to technical or commercial limitations.

改良型噴射系としては、噴射タイミング、噴射圧、レートシェーピング、エアアシスト燃料噴射、逐次マルチポイント噴射、コモンレール噴射、インジェクター・ホールのリサイジング及び移動、ならびにいくつかの電子制御の変更が挙げられる。コモンレール系では、マイクロコンピューター処理燃料ポンプは、燃料の流量及びタイミングを制御する(例えばMercedes−Benz E320はこの系を用いる)。二次空気噴射は、マニホールド中のHC及びCO燃焼を促進することができる。噴射系の変更は、種々の排出を低減することができ、且つ、燃費も良くすることができる;しかしながらこれは、効率を保証するためのエンジンに及ぼす有意の作業を要する。   Improved injection systems include injection timing, injection pressure, rate shaping, air-assisted fuel injection, sequential multipoint injection, common rail injection, injector hole resizing and movement, and some electronic control changes. In the common rail system, the microcomputer-treated fuel pump controls the flow rate and timing of the fuel (eg, Mercedes-Benz E320 uses this system). Secondary air injection can promote HC and CO combustion in the manifold. Changing the injection system can reduce various emissions and improve fuel economy; however, this requires significant work on the engine to ensure efficiency.

排気ガス再循環(EGR)は、多少の排気ガスをエンジンの吸入口に戻す。排気ガスを新鮮な取込み空気と混合することにより、エンジンに進入する酸素の量が低減されて、より低い酸化窒素排出を生じる。EGRは、定期的整備を必要とせず、高回転、高乱流燃焼室と組合せて、良好に働く。EGRは、低燃料効率及びエンジン寿命、車両冷却系に対するより大きな要求を有し、NO以外の汚染物質に及さない作用に限定され、そして制御アルゴリズム及びセンサーを要する、といったような欠点も有する。これらの理由のため、EGRはしばしば、別の制御技術と平行して用いられる。EGR技術に関与する企業としては、Doubletree Technologies、ETC、STT Emtec、Cummins、Detroit Diesel、Mack及びVolvoが挙げられる。 Exhaust gas recirculation (EGR) returns some exhaust gas to the intake of the engine. By mixing the exhaust gas with fresh intake air, the amount of oxygen entering the engine is reduced, resulting in lower nitric oxide emissions. EGR does not require regular maintenance and works well in combination with high rotation, high turbulent combustion chambers. EGR is low fuel efficiency and engine life, has greater demands vehicle cooling system, limited to the action not being及contaminants other than NO x, and control algorithms and require a sensor, also has disadvantages such as . For these reasons, EGR is often used in parallel with other control techniques. Companies involved in EGR technology include Doubletree Technologies, ETC, STT Emtec, Cummins, Detroit Diesel, Mack and Volvo.

燃焼室を最適化すること、又はそれに対する漸増的改善を行なうことは、メーカー及び開発者が排出を制御している別の方法である。隙間容積低減は、非燃焼燃料のトラッピング(したがってHC形成)を限定するが、一方、潤滑油量の低減もHC形成を低減し、触媒有毒化を限定し得る。その他の手段としては、以下のものが挙げられる:シリンダー及びピストンの表面仕上げの改善、ピストン環設計及び材料の改善、ならびに排気弁系シールの改善。さらにまた、「急速燃焼」燃焼室は、燃焼速度を増大し、点火進角を低減し、空気・燃料混合物に希釈剤を付加し、及び/又は小室中の乱流を増大することにより製造され得る。燃焼室最適化は排出低減をもたらし得るが、それは、エンジンの再生加工を要する別の技術であって、これは費用の掛かるプロセスであり得る。   Optimizing the combustion chamber, or making incremental improvements to it, is another way that manufacturers and developers control emissions. Gap volume reduction limits the trapping of non-combustion fuel (and thus HC formation), while reducing the amount of lubricating oil can also reduce HC formation and limit catalyst poisoning. Other means include: improved cylinder and piston surface finishes, improved piston ring design and materials, and improved exhaust valve system seals. Furthermore, “rapid burning” combustion chambers are manufactured by increasing the combustion rate, reducing the ignition advance, adding a diluent to the air / fuel mixture, and / or increasing the turbulence in the chamber. obtain. Combustion chamber optimization can result in reduced emissions, which is another technique that requires engine rework, which can be an expensive process.

可変バルブタイミングは、燃料及びエンジン効率を最大にするために開閉するようエンジン弁を調整することを包含する。しばしばセンサーを用いて、エンジン速度を検出し、それにしたがって弁を開閉するよう調整する。この技術は、エンジントルク及び馬力を増大し、回転及び吸入装填速度を改善し、したがって燃焼の効率を改善することができる。可変バルブ技術は、いくつかの他の技術と同じ量だけ排出を低減するわけではなく、且つしばしば燃料効率の低減をもたらす。   Variable valve timing includes adjusting the engine valve to open and close to maximize fuel and engine efficiency. Sensors are often used to detect engine speed and adjust the valves to open and close accordingly. This technique can increase engine torque and horsepower, improve rotation and intake charge speed, and thus improve combustion efficiency. Variable valve technology does not reduce emissions by the same amount as some other technologies, and often results in reduced fuel efficiency.

他のものよりも自然に効率を汚染する燃料もあり、一方、排気を清浄にするはずの触媒を有毒化する傾向を有する燃料もあるので、再処方又は異なる燃料の使用は、別の排出制御技術である。例えば米国における有鉛燃料から無鉛燃料への推移は、鉛排出を大いに低減した。燃料中のイオウ含量を低下することにより、SO排出を低減し、そしてイオウは触媒を有毒化し得るので、多くの触媒コンバーターの効率を増大する。別の種類の燃料である天然ガスは、典型的にはディーゼル燃料より少ない粒子汚染を生じ、そしてNO及び燃焼騒音も低減し得る。逆に、天然ガスは車両重量も増大し得る(高圧タンクを要するため)し、燃料補給制限も有する。 Some fuels naturally pollute efficiency more than others, while others tend to poison the catalyst that should clean the exhaust, so re-prescription or the use of a different fuel is another emission control. Technology. For example, the transition from leaded fuel to unleaded fuel in the United States has greatly reduced lead emissions. By lowering the sulfur content in the fuel, reducing SO x emissions, and because sulfur may poison the catalyst, increasing the efficiency of many catalytic converters. Natural gas is another type of fuel typically produce fewer particulate contamination diesel fuel, and can also reduce NO x and combustion noise. Conversely, natural gas can increase vehicle weight (because it requires a high pressure tank) and has refueling limitations.

後処理装置(燃料が燃焼された後に用いられる設備)の使用は、排出制御規制により影響を及ぼされるある種の産業においては非常に一般的である。後処理装置の一例は、触媒コンバーターである。触媒コンバーターは広範に変わり得るし、異なる機能を有し得るが、概括的説明は、触媒の使用により排気を処理する装置である。基材及びその上に存在する触媒の組成は、コンバーターの構成及び数と同様に、何年もの間に変化してきた。   The use of aftertreatment devices (equipment used after the fuel is burned) is very common in certain industries that are affected by emission control regulations. An example of an aftertreatment device is a catalytic converter. Although catalytic converters can vary widely and have different functions, a general description is an apparatus that treats exhaust by the use of a catalyst. The composition of the substrate and the catalyst present thereon has changed over the years, as well as the configuration and number of converters.

2−ウェイ触媒コンバーターは、ガス相汚染の酸化、例えばHC及びCOのCO及びHOへの酸化を実施する。ディーゼル酸化触媒(DOC)は、ディーゼルエンジンとともに用いられる別の種類の2−ウェイ触媒コンバーターである。これらのコンバーターはHC及びCOの制御に有効であり、ほとんど整備を要さないが、それらはNO排出を増大し得て、イオウに対して感受性である。 Two -way catalytic converters perform oxidation of gas phase contamination, such as oxidation of HC and CO to CO 2 and H 2 O. Diesel oxidation catalyst (DOC) is another type of 2-way catalytic converter used with diesel engines. These converters are effective in the control of HC and CO, but most requiring maintenance, they are obtained by increasing NO x emissions, it is sensitive to sulfur.

3−ウェイ触媒コンバーターは、酸化(CO及びHCのCO及びHOへの転化)及び還元(NOのNガスへの転化)反応をともに実施する。1970年代以来、3−ウェイ触媒コンバーターは、車両排出を低減してきた。これらの装置によるさらなる性能改善は、多くの因子、例えばそれらの基材の温度範囲及び表面積により、ならびに触媒有毒化により制限される。漸増する厳しい規制を満たすために、いくつかの自動車は多くの触媒コンバーターを要する。 A 3-way catalytic converter performs both oxidation (conversion of CO and HC to CO 2 and H 2 O) and reduction (conversion of NO x to N 2 gas) reactions. Since the 1970s, 3-way catalytic converters have reduced vehicle emissions. Further performance improvements with these devices are limited by a number of factors, such as the temperature range and surface area of their substrates, and by catalyst poisoning. Some vehicles require many catalytic converters to meet increasingly stringent regulations.

4−ウェイ触媒コンバーターは、酸化及び還元反応を実施し、粒子をトラップして、それらを燃え尽きさせる(再生は能動的又は受動的様式で起こり得る)。   The 4-way catalytic converter performs oxidation and reduction reactions, traps particles and burns them out (regeneration can occur in an active or passive manner).

触媒コンバーター及びそれらの関連部品の供給業者には、Corning、NGK、デンソー(Denso)、イビデン(Ibiden)、Emitec、Johnson Matthey、Engelhard、Catalytic Solutions、Delphi、Umicore、3M、Schwabische Hutten−Werke GmbH(SHW)、Hermann J.Schulte(HJS)、Clean Diesel Technology、Cleaire、Clean Air Systems、ArvinMeritor、Tenneco、Eberspacher、Faurecia、Donaldson、及びFleetguardが挙げられるが、これらに限定されない。   Suppliers of catalytic converters and their related parts include Corning, NGK, Denso, Ibiden, Emitec, Johnson Matthey, Engelhard, Catalytic Solutions, Delphi, Umcore, 3M, Hemicore ), Hermann J. et al. Schulte (HJS), Clean Diesel Technology, Cleare, Clean Air Systems, ArvinMeritor, Tenneco, Eberspacher, Faurecia, Donaldson, and Fleetguard.

ディーゼル燃料は、ガソリン又は何らかの代替的燃料より多い粒子状物質を生じるため、粒子トラップ又はフィルターは、ディーゼル用途に一般的に用いられる別の種類の後処理装置である。ディーゼル粒子トラップ(DPT)では、排気流中の粒子はそれらを集めるフィルターを通る。トラップ上に収集される粒子状物質の除去は「再生」と呼ばれ、多くのやり方で起こり得る。一方法は、PMが「燃え尽きる」のに必要なレベルにフィルターの温度を上げるための外部加熱器を用いる。別の方法は、排気流中に少量のディーゼル燃料を放出する。燃料粒子がフィルターと接触すると、燃料は高温で燃え尽きる。この高温は、同様にフィルターからPMを焼き払う。さらに別の手段は、再生を促すために燃料添加触媒を用いることである。「触媒処理ディーゼル粒子トラップ」と呼ばれる別のアプローチでは、触媒はフィルター自体に直接適用され、これがPMを焼き尽すのに必要な温度を下げる。最後として、酸化触媒は、PMの焼き尽くしを促すためにフィルターの前表面に用いられ得る。Johnson Mattheyの連続再生トラップ(CRT)は、このような系である。ディーゼル粒子トラップは、いくつかの用途において、85%もPMを低減し得る。触媒を利用するトラップは、触媒の使用により(上記と同様)、PMの他に他の汚染物質(例えばHC、CO及びPM)も低減し得る。逆に、これらのトラップはPM、煤及び灰で詰まるようになり、そして触媒処理バージョンが有毒化され得る。それらはコスト及び重量も車両に付加する。   Because diesel fuel produces more particulate matter than gasoline or some alternative fuel, particle traps or filters are another type of aftertreatment device commonly used in diesel applications. In a diesel particle trap (DPT), particles in the exhaust stream pass through a filter that collects them. Removal of particulate matter collected on the trap is called “regeneration” and can occur in many ways. One method uses an external heater to raise the temperature of the filter to the level necessary for PM to “burn out”. Another method releases a small amount of diesel fuel in the exhaust stream. When fuel particles come into contact with the filter, the fuel burns out at high temperatures. This high temperature also burns PM from the filter. Yet another means is to use a fuel addition catalyst to promote regeneration. In another approach, referred to as “catalyzed diesel particle trap”, the catalyst is applied directly to the filter itself, which lowers the temperature required to burn out PM. Finally, an oxidation catalyst can be used on the front surface of the filter to promote PM burnout. Johnson Matthey's continuous regeneration trap (CRT) is such a system. Diesel particle traps can reduce PM by as much as 85% in some applications. Traps that utilize a catalyst can reduce other contaminants (eg, HC, CO, and PM) in addition to PM by using the catalyst (as described above). Conversely, these traps become clogged with PM, soot and ash and the catalytic treatment version can be toxic. They also add cost and weight to the vehicle.

ディーゼル粒子トラップは、多くの異なる種類のフィルター、例えばセラミックモノリシックセルフィルター(Corning、NGK)、ファイバー・ワインド・フィルター(3M)、ニット繊維(BUCK)、織繊維(HUG、3M)、焼結金属繊維(SHW、HJS)、又は濾紙等を用い得る。これらの装置及びそれらの関連技術の供給業者としては、Donaldson、Engelhard、Johnson Matthey、HJS、Eminos、Deutz、Corning、ETG、Paas及びEngine Control Systemsが挙げられるが、これらに限定されない。   Diesel particle traps come in many different types of filters, such as ceramic monolithic cell filters (Corning, NGK), fiber wind filters (3M), knitted fibers (BUCK), woven fibers (HUG, 3M), sintered metal fibers (SHW, HJS), filter paper or the like may be used. Suppliers of these devices and their related technologies include, but are not limited to, Donaldson, Engelhard, Johnson Matthey, HJS, Eminos, Deutz, Corning, ETG, Paas, and Engine Control Systems.

選択的触媒還元(SCR)は、後処理系の別の例である。この技術では、還元剤として作用し得る化学物質、例えば尿素は、排気が触媒室に達する前に付加される。尿素は加水分解して、アンモニアを生じる。アンモニアは次に排気ガスのNOと反応してNガスを産生し、それによりNO排出を低減する。アンモニアは、直接注入されるか、又は固体尿素、尿素溶液の形態で、又は結晶形態で保持され得る。酸化触媒は、しばしばSCRと平行して用いられて、CO及びHCを低減する。残念ながら、SCRはNOを低減するのに有効であり、且つ良好な燃費で低触媒劣化を示すが、SCRは車両上の付加的タンク及びタンクを再充填するための下部構造を要する。それは、末端ユーザー応諾にも依存する;排出制御を維持するために、企業及び運転者は、タンクを再充填することを必要とされる。SCR又はその構成部分の供給業者としては、Engelhard、Johnson Matthey、Miratech Corporation、McDermott、ICT、Sud Chemie、SK Catalysts、及びPE Systemsが挙げられるが、これらに限定されない。限定的に米国で用いられているだけであるが、SCRは、特に大型トラック市場において、排出を低減するために欧州で広範に用いられることが期待される。 Selective catalytic reduction (SCR) is another example of an aftertreatment system. In this technique, a chemical that can act as a reducing agent, such as urea, is added before the exhaust reaches the catalyst chamber. Urea hydrolyzes to produce ammonia. Ammonia then reacts with the exhaust gas NO x to produce N 2 gas, thereby reducing NO x emissions. Ammonia can be injected directly or retained in the form of solid urea, urea solution, or in crystalline form. Oxidation catalysts are often used in parallel with the SCR to reduce CO and HC. Unfortunately, SCR is effective in reducing NO x, but and shows a low catalytic degradation with good fuel economy, SCR requires a substructure for refilling the additional tank and the tank on the vehicle. It also depends on end user compliance; in order to maintain emission control, companies and operators are required to refill the tank. Suppliers of SCR or components thereof include, but are not limited to, Engelhard, Johnson Matthey, Miratech Corporation, McDermott, ICT, Sud Chemie, SK Catalysts, and PE Systems. Although only limitedly used in the United States, SCR is expected to be widely used in Europe to reduce emissions, especially in the heavy truck market.

NO吸着剤は、低質条件下でNOを蓄え、富燃料条件下ではそれを放出し(典型的には数分毎に)、触媒的に低減する物質である。この技術は、ガス及びディーゼル用途の両方で働かせ得るが、ガスはより良好な富燃料、高温環境を提供する。NO吸着剤は、HC、NO及びCOのレベルを低減するが、PMにはほとんど又はまったく影響を及ぼさない。NO吸着剤は、広範囲の温度下で機能し得る。逆にNO吸着能力は温度に基づいて低減し、エンジン制御及びセンサーを要し、そして燃料中のイオウ含量により機能的に妨害又は無力にされる。ディーゼル用途では、排気中に存在する酸素の量、HC利用率、温度範囲及び煙又は粒子生成を含めた付加的制約が存在する。 NO x adsorbents are substances that store NO x under low quality conditions, release it under fuel rich conditions (typically every few minutes), and catalytically reduce it. While this technology can work in both gas and diesel applications, gas provides a better fuel rich, high temperature environment. NO x adsorbents reduce the levels of HC, NO x and CO, but have little or no effect on PM. NO x adsorbents can function over a wide range of temperatures. Conversely, NO x adsorption capacity decreases based on temperature, requires engine control and sensors, and is functionally hindered or disabled by the sulfur content in the fuel. In diesel applications, there are additional constraints including the amount of oxygen present in the exhaust, HC utilization, temperature range and smoke or particle production.

NO還元触媒は、1)触媒の前に系に還元剤を積極的に注入し;及び/又は2)HCを吸着するゼオライトとともにウォッシュコートを用いて、したがってNOを還元するよう実施可能な酸化領域を作製することにより、排気を制御するためにも用いられ得る。この技術はNO及びPMを還元し得るが、それは多くのその他の技術よりコストがかかり、低燃費又は硫酸塩粒子をもたらし得る。 The NO x reduction catalyst can be implemented to 1) actively inject a reducing agent into the system before the catalyst; and / or 2) use a washcoat with zeolite adsorbing HC and thus reduce NO x. It can also be used to control exhaust by creating an oxidized region. This technique is capable of reducing NO x and PM, it is costly than many other techniques, may result in lower fuel consumption or sulfate particles.

HC吸着剤は、触媒が冷たい間にVOCをトラップし、次に触媒が加熱されるとそれらを放出するよう設計される。これは、1)触媒コンバーター基材上に直接吸着剤を被覆し、これが最小変化であるがしかし低制御を可能にすること、2)触媒コンバーター前にある、別々のしかし連結され、且つコンバーターが一旦加熱されると作用する空気切り替え溝を有する排気パイプ中に吸着剤を置くこと、及び/又は3)触媒の後に吸着剤を構成することにより実行され得る。最後の2つの選択肢は、吸着剤のための清浄化オプションを要する。この技術は低温出発排気物を還元するが、制御が難しく、付加的コストを要する。   HC adsorbents are designed to trap VOCs while the catalyst is cold and then release them when the catalyst is heated. This is: 1) coating the adsorbent directly on the catalytic converter substrate, which is minimal change but allows low control, 2) separate but connected and converters in front of the catalytic converter It can be carried out by placing the adsorbent in an exhaust pipe with an air switching groove that acts once heated and / or by configuring the adsorbent after the catalyst. The last two options require a cleaning option for the adsorbent. This technique reduces cold starting exhaust, but is difficult to control and requires additional costs.

排出は制御が難しいことが立証されているため、排出制御技術はしばしば、一系中で組み合わされる。組合せ系の例としては、以下のものが挙げられる:DeNO及びDPT(例えばHJSのSCRT系)、マフラー中に構成された触媒コンバーター、マフラーと一体化されたSCR、或いは触媒処理ディーゼル粒子フィルター。 Emission control technologies are often combined in a system because emissions have proven difficult to control. Examples of combination systems include: DeNO x and DPT (eg, HJS SCRT system), catalytic converter configured in the muffler, SCR integrated with the muffler, or catalytically treated diesel particulate filter.

ACERTは、多排出制御技術を組み入れる系の別の例である。ACERT(Caterpillar製)は、4つの領域を標的とする:吸入空気運搬処理、燃焼、電子工学、及び排気後処理。重要な構成部分としては、吸入空気を冷却するための単一の及びシリーズのターボチャージング;燃料燃焼を改善するための可変バルブ作動;コンピューター制御を一体化するための電子マニホールド;ならびに後部排気管粒子排気を還元するための触媒的転化が挙げられる。協力して働いて、これらの亜系は、企業の燃料節約を増大させる。この技術の顕著な欠点は、高容積の触媒が必要とされることである。   ACERT is another example of a system that incorporates multiple emission control technology. ACERT (from Caterpillar) targets four areas: intake air handling, combustion, electronics, and exhaust aftertreatment. Important components include single and series turbocharging to cool intake air; variable valve actuation to improve fuel combustion; electronic manifold to integrate computer control; and rear exhaust Catalytic conversion to reduce the particulate exhaust is mentioned. Working together, these sub-systems increase the company's fuel savings. A significant disadvantage of this technique is that a high volume of catalyst is required.

多くのその他の排気制御技術が存在し、そのうちのいくつかは未だ技術的に実現可能ではない。   There are many other emission control technologies, some of which are not yet technically feasible.

触媒コンバーター
一部は自動車により引き起こされる汚染の問題は、自動車の排気ガスの90%低減を要する1970年の大気浄化法をもたらした。義務的低減は論争の余地があると考える人もいたが、一般的には清浄な大気及びより良好な健康のための進歩と認識された。
Catalytic converters The problem of pollution, partly caused by automobiles, led to the 1970 Clean Air Act which required a 90% reduction in automobile exhaust. Some have considered the mandatory reduction to be controversial, but it was generally recognized as an advance for clean air and better health.

自動車産業は、最初は新規に提唱された規制に抵抗した。抵抗の一部は、改良型燃料の該産業発達に由来し得た。1920年代半ばから1980年代半ばまで、自動車ガソリン燃料は、添加剤であるテトラエチル鉛(TEL)を含有した。TELは、エンジンのシリンダー中での早期着火を防止することにより、燃料性能を改良した。早期着火は、燃料/空気混合物がエンジンの燃焼室内で時期尚早に点火する場合に起こる。これは、エンジンに対する損害を生み、ノッキングにより効率及び動力低減が引き起こされる。   The automotive industry initially resisted newly proposed regulations. Some of the resistance could have come from the industrial development of improved fuels. From the mid 1920s to the mid 1980s, automotive gasoline fuel contained the additive tetraethyl lead (TEL). TEL has improved fuel performance by preventing premature ignition in the engine cylinders. Pre-ignition occurs when the fuel / air mixture ignites prematurely in the combustion chamber of the engine. This causes damage to the engine and knocking causes efficiency and power reduction.

政府により定められた低減排出基準を達成するために、技術者らは触媒コンバーターを発明した。触媒コンバーターは、1976年頃に始まる車両排気系に付加された。触媒コンバーターは、ある程度まで排出を低減するのに有効であった。しかしながら、TELを含有する一般的ガソリン処方物は、触媒コンバーターの機能を妨げた。燃料中のTELが触媒コンバーターの金属触媒を害したため、TELは結局、燃料から除去された。   To achieve the reduced emission standards set by the government, engineers invented catalytic converters. Catalytic converters were added to vehicle exhaust systems starting around 1976. Catalytic converters were effective in reducing emissions to some extent. However, common gasoline formulations containing TEL hindered the function of the catalytic converter. The TEL was eventually removed from the fuel because the TEL in the fuel harmed the catalytic converter metal catalyst.

多くの人々は、多くの車両が触媒コンバーターを有するということに気づき得るが、それは一般的には正しく評価されていない技術部分である。触媒コンバーターの目的は、汚染物質である排気ガスを低有害化合物(例えば窒素(N、これは大気の約78%を構成する)、水(HO)及び二酸化炭素(CO、植物における光合成産物))に転化、若しくは変換することである。 Many people may notice that many vehicles have catalytic converters, which is a technical part that is generally not properly evaluated. The purpose of the catalytic converter is to remove pollutant exhaust gases from low hazardous compounds (eg nitrogen (N 2 , which constitutes about 78% of the atmosphere), water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 , in plants) Conversion or conversion into photosynthetic products)).

触媒コンバーターは、望ましくない汚染物質の、相対的に無害の分子(例えばN、HO及びCO)への転化を促すのに用いられる。基本的には、触媒コンバーターは、汚染物質が相対的に無害の物質に転化される表面を提供する。触媒は、必要とされる活性化エネルギーを下げることにより、反応をより速く(又はより低い温度で)進行させることができる。しかしながら触媒は、反応において使い果たされるわけではなく、再利用することができる(触媒が無力にされない限り)。 Catalytic converters are used to facilitate the conversion of unwanted pollutants to relatively innocuous molecules (eg, N 2 , H 2 O and CO 2 ). Basically, catalytic converters provide a surface where pollutants are converted to relatively harmless materials. The catalyst allows the reaction to proceed faster (or at a lower temperature) by reducing the required activation energy. However, the catalyst is not exhausted in the reaction and can be reused (unless the catalyst is disabled).

排気中の典型的汚染物質としては、窒素酸化物(NO)、不焼成炭化水素、一酸化炭素及び粒子状物質が挙げられる。窒素酸化物は、還元されて、窒素を生じる。NO又はNO分子が触媒と接触すると、触媒は分子からの窒素の除去を促して、酸素をOの形態で遊離する。次に触媒に付着している窒素原子は、反応してNガスを生じる:2NO→N+O及び2NO→N+2OTypical pollutants in the exhaust include nitrogen oxides (NO x ), unburned hydrocarbons, carbon monoxide and particulate matter. Nitrogen oxides are reduced to produce nitrogen. If NO or NO 2 molecule is in contact with the catalyst, the catalyst encourage the removal of nitrogen from the molecule, liberating oxygen in the form of O 2. The nitrogen atoms attached to the catalyst then react to produce N 2 gas: 2NO → N 2 + O 2 and 2NO 2 → N 2 + 2O 2 .

不焼成炭化水素、一酸化炭素、及び粒子状物質は、さらに酸化されて、非汚染物質を生じ得る。例えば一酸化炭素は、以下のように処理される:2CO+O→2COUnburned hydrocarbons, carbon monoxide, and particulate matter can be further oxidized to produce non-polluting materials. For example, carbon monoxide is treated as follows: 2CO + O 2 → 2CO 2 .

触媒コンバーターの全体的結果は、非汚染物質への燃料の燃焼を完了することである。   The overall result of the catalytic converter is to complete the combustion of fuel to non-pollutants.

従来の触媒コンバーターは、汚染物質の除去についての有効性に関して多くの制限を有する。例えば従来の触媒コンバーターがエンジンに近すぎる位置に置かれると、それらは、過熱又は温度の急変により熱分解する可能性がある。このようなものとして、従来の触媒コンバーターのフィルターは、排気パイプ材料の高熱伝導特性からの放射冷却のために温度が下がる前に、in situ高温を利用するのに最適位置であるエンジン排気マニホールドの直ぐ近く又は内側に置くことはできない。排気マニホールドの近く及び内側に存在するエンジン振動並びに温度の急変は、従来のフィルター材料を疲労させ、フィルターの寿命を劇的に短縮させる。さらに、従来のフィルターに適用されるいくつかの触媒は、高温(すなわち、500℃より高い温度)では、低効率的に、或いは働かなくなることさえある。したがって、従来の触媒コンバーターフィルターは、通常は、エンジンから離れた位置の排気経路中に構成される。   Conventional catalytic converters have many limitations regarding their effectiveness for contaminant removal. For example, if conventional catalytic converters are placed too close to the engine, they can thermally decompose due to overheating or sudden changes in temperature. As such, the conventional catalytic converter filter is an engine exhaust manifold that is optimally located to utilize in situ high temperatures before it cools down due to radiative cooling from the high heat transfer properties of the exhaust pipe material. It cannot be placed near or inside. Engine vibrations and temperature changes that are near and inside the exhaust manifold can fatigue conventional filter materials and dramatically shorten the life of the filter. In addition, some catalysts applied to conventional filters may be less efficient or even fail at high temperatures (ie, temperatures above 500 ° C.). Therefore, the conventional catalytic converter filter is usually configured in an exhaust path located away from the engine.

触媒コンバーター及び粒子フィルターの構造
触媒コンバーターの構成部分及び材料は、図4a及び図4bに模式的に示されている。触媒基材は、パッケージングマット(セラミック繊維製であることが最も多い)を用いて、コンバーター・シェル(キャニスターとも呼ばれる)内に保持される。コンバーターは、コンバーター・パッケージング技術によって、シェルに溶接され得るか又はシェルと一緒に一部品として形成され得るエンドコーンを介して、車両の排気系に接続される。模式図に示されたその他の構成部分−エンドシール及び/又はスチール製支持環−は、任意である;それらは通常は、現代風の乗用車コンバーター中に存在しないが、より多くの要求をする用途(例えば密着結合コンバーター、大型エンジン用の大型コンバーター、又はディーゼル粒子フィルター)においては必要とされ得る。触媒コンバーターは、特にガソリン用途におけるものは、過度の温度への曝露から隣接する車両構成部分を保護するために、スチール製の熱遮蔽体(模式図には示されていない)も装備し得る。
Catalytic Converter and Particle Filter Structure The components and materials of the catalytic converter are shown schematically in FIGS. 4a and 4b. The catalyst substrate is held in a converter shell (also called a canister) using a packaging mat (most often made of ceramic fibers). The converter is connected to the vehicle's exhaust system via an end cone that can be welded to the shell or formed as one piece with the shell by converter packaging technology. The other components shown in the schematic-end seals and / or steel support rings-are optional; they are usually not present in modern passenger car converters, but more demanding applications It may be required in (eg tightly coupled converters, large converters for large engines, or diesel particulate filters). Catalytic converters, particularly in gasoline applications, can also be equipped with a steel heat shield (not shown in the schematic) to protect adjacent vehicle components from exposure to excessive temperatures.

一般に触媒コンバーターは、少なくとも5つの主要構成部分から成る:1)基材;2)触媒コーティング;3)ウォッシュコート;4)マット;及び5)キャニスター。一般的な触媒コンバーターは、図Xに示されている。ある種の用途においては、以下でさらに詳細に考察されるように、触媒コーティングは任意である。   In general, a catalytic converter consists of at least five major components: 1) substrate; 2) catalyst coating; 3) washcoat; 4) mat; and 5) canister. A typical catalytic converter is shown in Figure X. For certain applications, the catalyst coating is optional, as will be discussed in more detail below.

基材
基材は、汚染物質が非汚染物質に転化され得る固体表面である。物理的には、基材は、任意の物理学的状態(例えば固体、液体又は気体)で、いくつかの分子種に界面を提供して、相互に反応する。基材は一般に、汚染物質が非汚染物質に転化され得る大面積を提供するために大表面積を有する。
Substrate A substrate is a solid surface on which contaminants can be converted to non-pollutants. Physically, the substrate reacts with each other in any physical state (eg solid, liquid or gas), providing an interface for several molecular species. The substrate generally has a large surface area to provide a large area where contaminants can be converted to non-pollutants.

過去数十年間にわたって、多くの異なる物質及び設計が、化学反応の基材として作用することを試験してきた。例えば主な物理学的構造としては、ハニカム モノリス及びビーズが挙げられる(図1参照)。ハニカム構造は、通常は基材の長さに沿って互いに平行に走行する多くの溝を含有する。基材は、基材の長さを走行する溝を有する。溝の幅はしばしば、基材の材料及びそれが用いられる用途によって、変化する。これらの溝は、排気ガスをエンジンから触媒コンバーターを通して流して、排気パイプを通して流出させることができる。排気ガスは基材の溝を通って流れる一方で、汚染物質分子は、化学反応及び物理学的変化により非汚染物質分子に転化される。   Over the past decades, many different materials and designs have been tested to act as substrates for chemical reactions. For example, main physical structures include honeycomb monoliths and beads (see FIG. 1). A honeycomb structure usually contains many grooves that run parallel to each other along the length of the substrate. The substrate has grooves that run the length of the substrate. The width of the groove often varies depending on the material of the substrate and the application in which it is used. These grooves allow exhaust gas to flow from the engine through the catalytic converter and out through the exhaust pipe. While the exhaust gas flows through the substrate groove, the pollutant molecules are converted to non-pollutant molecules by chemical reactions and physical changes.

ビーズ構造では、基材は小ビーズの集合から作られる(管中に一塊のゼリービーンズを入れるのと同様)。排気は(溝及び割れ目を通って)ビーズ周囲を流動し得る。排気ガスがビーズにぶつかると、汚染物質は非汚染物質に転化される。ビーズ構造は、排気分子が曝露される基材の表面積を最大にするための初期の試みの1つであった。   In the bead structure, the substrate is made from a collection of small beads (similar to putting a lump of jelly beans in a tube). The exhaust can flow around the beads (through grooves and cracks). When the exhaust gas hits the beads, the pollutants are converted to non-pollutants. The bead structure was one of the initial attempts to maximize the surface area of the substrate to which the exhaust molecules were exposed.

多くの異なる材料が、基材として用いられてきた。これらの例としては、セラミック、繊維強化セラミックマトリックス複合材料(FRCMC)、発泡体、粉末セラミック、ナノコンポジット、金属、及び繊維マット型基材が挙げられる。最も一般的に用いられるのはコージライトと呼ばれるセラミックで、これはCorningにより製造される。コージライトは、耐火性粉末から形成されるセラミックである。FRCMCは連続気泡発泡体であって、この場合、触媒はセルの壁上に構成され、排気ガスが存在する発泡体のセル経路を通過して出て行かなければならないよう、発泡体は触媒小室内に構成される。発泡体は、ガスからの泡及び焼成中空により形成される多くの孔を含有する固体である。粉末セラミック基材は、コージライト及び関連セラミックとは異なり、この場合、粉末セラミックは焼結セラミック粉末から形成される。ナノコンポジットは、ナノ粉末及び/又はナノ繊維を用いる材料である。金属も、基材として用いられ得る。一般にスチールのような波形金属箔の薄いシートは、ハニカム様構造に巻かれる。繊維マット型基材は、小規模に織られる材料である。ある種の繊維マット型基材は、3M製のNEXTEL繊維を利用する。さらに、「二次元」不織繊維複合材料も試みられてきたが、この場合、ハニカム構造は、プリーツ形成及び/又は波形化の巻き取りを用いて形成される(例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。   Many different materials have been used as substrates. Examples of these 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, which is manufactured by Corning. Cordierite is a ceramic formed from refractory powder. The FRCMC is an open cell foam where the catalyst is constructed on the cell walls and the foam is small so that it must exit through the cell path of the foam in which exhaust gas is present. Configured indoors. Foams are solids that contain many pores formed by bubbles from gas and fired hollows. Powder ceramic substrates are different from cordierite and related ceramics, in which case the powder ceramic is formed from sintered ceramic powder. A nanocomposite is a material that uses nanopowder and / or nanofibers. Metals can also be used as a substrate. In general, a thin sheet of corrugated metal foil such as steel is wound into a honeycomb-like structure. The fiber mat type substrate is a material woven on a small scale. Certain fiber mat type substrates utilize 3M NEXTEL fibers. Furthermore, “two-dimensional” nonwoven fiber composites have also been tried, but in this case the honeycomb structure is formed using pleat formation and / or corrugated winding (e.g. Patent Document 1, Patent Document 2). And Patent Document 3).

触媒コーティング
最新触媒コンバーターの第三の構成部分は、触媒コーティングである。名前が意味するように、触媒コーティングは、非汚染物質への汚染物質の転化を実際に触媒する構成部分である。
Catalytic coating The third component of modern catalytic converters is the catalytic coating. As the name implies, the catalyst coating is the component that actually catalyzes the conversion of contaminants to non-pollutants.

触媒は通常は、化学反応の速度に影響を及ぼすが、元の反応物質又は最終生成物の1つではない物質と定義され、すなわちそれは反応で消費又は変更されない。いくつかの既知の触媒反応メカニズムにおいて、触媒は反応物質を用いて中間化合物を生成するが、反応の経過中に回収される。多くのその他の触媒プロセスは十分に説明されているわけでも、或いはそれらの全体で理解されているわけでもない。特定の目的のための触媒の選択及び調製を支配する原理はない。この技術分野における発展の多くは、無数の材料の試験を含む周到な調査プログラムにより達成される。触媒は、そうでなければ遅すぎるか、或いは良好な効率を得るためには高温を要する反応を促進するために、化学的及び石油化学的処理に広範に用いられる。触媒は、エンジン排気ガスの有害構成成分(例えば炭化水素及び一酸化炭素)を、無害物質(例えば二酸化炭素及び水蒸気)に転化するためにも用いられる。   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 end products, ie it is not consumed or altered in the reaction. In some known catalytic reaction mechanisms, the catalyst uses the reactants to form an intermediate compound that is recovered during the course of the reaction. Many other catalytic processes are not fully described or understood in their entirety. There is no principle governing the selection and preparation of the catalyst for a particular purpose. Much of the development in this technical field is achieved through a thorough research program involving the testing of myriad materials. Catalysts are widely used in chemical and petrochemical processes to promote reactions that are otherwise too slow or require high temperatures to obtain good efficiency. Catalysts are also used to convert harmful components of engine exhaust gases (eg, hydrocarbons and carbon monoxide) into harmless materials (eg, carbon dioxide and water vapor).

触媒は、排気ガス構成成分間のある種の化学反応を加速する能力を有する物質である。排出制御触媒作用において、固体触媒はガス相反応を触媒するために用いられる。触媒効果及び観察される反応速度は、ガス相及び固体触媒間に良好な接触を提供することにより、最大化する。触媒反応器中では、これは通常は、高比表面積担体(支持体)上に触媒を細かく分散させることにより、高触媒表面積を提供することによって実現される。   A catalyst is a substance that has the ability to accelerate certain chemical reactions between exhaust gas components. In emission control catalysis, solid catalysts are used to catalyze gas phase reactions. Catalytic effects and observed reaction rates are maximized by providing good contact between the gas phase and the solid catalyst. In catalytic reactors, this is usually achieved by providing a high catalyst surface area by finely dispersing the catalyst on a high specific surface area support (support).

触媒コーティングは、基材が形成された後に基材に付加される。コーティングは、基材の表面に層を形成し、層は触媒を含有する。例えば化学反応、必要とされる用途、温度条件、経済的因子等によって、異なる種類の触媒が必要とされる。多くの金属触媒が、当該技術分野で既知である。例えば最も一般的に用いられるのは、白金、パラジウム及びロジウムである。新規の触媒を開発するために、有意の研究がなされてきた。   The catalyst coating is applied to the substrate after the substrate is formed. The coating forms a layer on the surface of the substrate, and the layer contains a catalyst. Different types of catalysts are required depending on, for example, 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. Significant research has been done to develop new catalysts.

触媒反応を含めた化学反応の速度は、一般に温度に伴って増大する。転化効率の温度に対する強い依存性は、すべての排出制御触媒の特有の特徴である。汚染物質の触媒転化率と温度との典型的関係は、図4中の実線(A)として示されている。転化(低温でほぼ0)は、最初は徐々に、そして次により迅速に増大して、高ガス温度でプラトーに達する。燃焼反応を考察する場合、点火温度という用語は一般に、この振舞いを特徴付けするために用いられる。触媒点火は、触媒反応を開始するために必要な最小温度である。反応速度の漸次増大のために、上記の定義は非常に的確であるというわけではない。より正確な定義によれば、点火温度は、転化が50%に達する温度である。その温度はしばしば、T50で示される。異なる触媒の活性を比較する場合、最も活性な触媒は、所与の反応に関して最低点火温度により特徴付けられる。 The rate of chemical reactions, including catalytic reactions, generally increases with temperature. The strong dependence of conversion efficiency on temperature is a unique feature of all emission control catalysts. A typical relationship between the catalyst conversion of pollutants and the temperature is shown as a solid line (A) in FIG. The conversion (nearly 0 at low temperature) increases gradually and then more rapidly, reaching a plateau at high gas temperatures. When considering the combustion reaction, the term ignition temperature is generally used to characterize this behavior. Catalytic ignition is the minimum temperature required to initiate a catalytic reaction. Due to the gradual increase in reaction rate, the above definition is not very accurate. According to a more precise definition, the ignition temperature is the temperature at which conversion reaches 50%. Its temperature is often represented by T 50. When comparing the activities of different catalysts, the most active catalyst is characterized by the lowest ignition temperature for a given reaction.

いくつかの触媒系において、図4に点線(B)で示されるように、温度増大は、ある点までのみ、転化効率を増大し得る。さらなる温度増大は、反応速度を増大するにもかかわらず、触媒転化効率の低減を引き起こす。効率低下は、通常は、反応物質の濃度を激減させるその他の競合反応により、或いは熱力学的反応平衡強制により説明される。   In some catalyst systems, as shown by the dotted line (B) in FIG. 4, increasing the temperature can only increase the conversion efficiency up to a certain point. Further temperature increases cause a decrease in catalyst conversion efficiency, despite increasing the reaction rate. The decrease in efficiency is usually explained by other competing reactions that drastically reduce the concentration of reactants, or by thermodynamic reaction equilibrium forcing.

高転化効率に対応する温度範囲は、しばしば、触媒温度ウインドウと呼ばれる。この種類の転化曲線は、選択的触媒プロセスに関して典型的である。良好な例としては、炭化水素又はアンモニアによるNOの選択的還元が挙げられる。   The temperature range corresponding to high conversion efficiency is often referred to as the catalyst temperature window. This type of conversion curve is typical for selective catalytic processes. Good examples include selective reduction of NO with hydrocarbons or ammonia.

転化効率に影響を及ぼす別の重要な変数は、反応器のサイズである。触媒反応器を通るガス流量は、反応器のサイズに応じて、空間速度(SV)として表わされる。空間速度は、以下に示すように、単位時間あたり、反応器の単位容積当たりの標準条件(STP)で測定されるガスの容積と定義される:(3)SV=V/V(式中、VはSTPでの容積ガス流量(m/h)であり;Vは反応器容積(m)であり;SVは一般に1/h又はh−1で表わされる時間の逆数の寸法を有する)。 Another important variable that affects the conversion efficiency is the size of the reactor. The gas flow rate through the catalytic reactor is expressed as space velocity (SV), depending on the size of the reactor. The space velocity is defined as the volume of gas measured per unit time at standard conditions (STP) per unit volume of the reactor, as shown below: (3) SV = V / V r where , V is located in the volumetric gas flow rate at STP (m 3 / h); V is the reactor volume (m 3); SV generally has a dimension of the reciprocal of the time represented by 1 / h or h -1 ).

種々の触媒排出制御用途において、空間速度は、10,000 1/h〜300,000 1/hの範囲である。モノリスク反応器に関する空間速度は、それらの外部寸法(例えば円筒セラミック触媒基材の直径及び長さ)に基づいて算出される。この方法は基材の幾何学的表面積、セル密度、壁厚又は触媒量を考慮に入れていないため、この方法は触媒の比較に常に適切であるわけではない。それにもかかわらず、この方法は一般的に用いられ、そして広範に受容される産業基準である。   In various catalyst emission control applications, the space velocity is in the range of 10,000 1 / h to 300,000 1 / h. The space velocity for the monorisk reactor is calculated based on their external dimensions (eg, the diameter and length of the cylindrical ceramic catalyst substrate). Since this method does not take into account the geometric surface area of the substrate, cell density, wall thickness or catalyst amount, this method is not always suitable for catalyst comparison. Nevertheless, this method is a commonly used and widely accepted industry standard.

1990年代を通してオフ・ロードエンジンに用いられたフィルター中の典型的白金量は、560.7〜801kg/m(35〜50g/ft)であった。相対的に高汚染エンジンに組み込まれたこれらのフィルターは、再生のために約400℃の最小温度を要した。後に、触媒フィルターが非常にクリーンな都市バス及びその他の高速道路車両エンジンに適用された時、これらのフィルターははるかに低い温度で再生し得るということが判明した。しかしながら低温再生を支持するためには、さらに高い白金量が必要とされた。クリーンエンジン低温用途に用いられるフィルターは、典型的には810〜1,201.5(50〜75g/ft)の白金量を有する。 Typical platinum amounts in filters used for off-road engines throughout the 1990s ranged from 560.7 to 801 kg / m 3 (35 to 50 g / ft 3 ). These filters incorporated in relatively high pollution engines required a minimum temperature of about 400 ° C. for regeneration. Later, it was found that when catalytic filters were applied to very clean city buses and other highway vehicle engines, these filters could be regenerated at much lower temperatures. However, higher platinum levels were required to support low temperature regeneration. Filters used for clean engine low temperature applications typically have platinum amounts of 810 to 1,201.5 (50 to 75 g / ft 3 ).

ウォッシュコート
ほとんどの場合、触媒コーティングは第四の構成部分としてウォッシュコートを含む。ウォッシュコートは基材の表面に適用され、それにより基材の表面積を増大する。ウォッシュコートは、触媒が付着する表面も提供する。金属触媒は、無機担体のこの多孔性高表面積層(即ちウォッシュコート−「触媒支持体」という用語は、セラミック/金属基材を、ならびに担体/ウォッシュコート材料を意味するために用いることができる)上に含浸され得る。
Washcoat In most cases, the catalyst coating includes a washcoat as a fourth component. The washcoat is applied to the surface of the substrate, thereby increasing the surface area of the substrate. The washcoat also provides a surface to which the catalyst adheres. Metal catalyst is this porous high surface laminate of inorganic support (ie washcoat—the term “catalyst support” can be used to mean ceramic / metal substrate as well as support / washcoat material) It can be impregnated on top.

多くの物質がウォッシュコートとして用いられ得る。触媒担体に広範に用いられる物質としては、活性化酸化アルミニウム及び酸化ケイ素(シリカ)が挙げられる。   Many materials can be used as washcoats. Substances widely used for the catalyst support include activated aluminum oxide and silicon oxide (silica).

ウォッシュコートは、支持体の表面に結合される多孔性高表面積層である。その正確な役割(これは確かに非常に複雑である)は、明白に理解又は説明されているわけではない。ウォッシュコートの主な機能は、触媒金属の分散に必要とされる非常に高い表面積を提供することである。さらにウォッシュコートは物理的に分離されて、複雑な触媒系の構成成分間の望ましくない反応を防止し得る。   The washcoat is a porous high surface laminate that is bonded to the surface of the support. Its exact role (which is indeed very complex) is not clearly understood or explained. The main function of the washcoat is to provide the very high surface area required for the dispersion of the catalytic metal. Furthermore, the washcoat can be physically separated to prevent undesired reactions between components of complex catalyst systems.

ウォッシュコート材料としては、無機塩基金属酸化物(例えばAl(酸化アルミニウム又はアルミナ)、SiO、TiO、CeO、ZrO、V、La及びゼオライト)が挙げられる。それらのうちのいくつかは、触媒担体として用いられる。他のものは、促進剤又は安定剤としてウォッシュコートに付加される。さらに他のものは、自身の触媒活性を示す。良好なウォッシュコート材料は、高比表面積及び熱安定性により特徴付けられる。比表面積は、窒素吸着測定技法を、Brunauer,Emmet and Teller(BET)法として既知の数学的モデリングと一緒に用いることにより測定される。熱安定性は、通常は酸素及び水蒸気の存在下で、制御大気中で高温に所与材料の試料を曝露することにより、評価される。試験中に異なる時間間隔で再測定されるBET表面積の損失は、試験材料の熱性劣化の程度を示す。 Examples of the washcoat material include inorganic base metal oxides (eg, 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 zeolite). It is done. Some of them are used as catalyst supports. Others are added to the washcoat as accelerators or stabilizers. Still others exhibit their own catalytic activity. A good washcoat material is characterized by a high specific surface area and thermal stability. Specific surface area is measured by using a nitrogen adsorption measurement technique together with mathematical modeling known as the Brunauer, Emmet and Teller (BET) method. 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. The loss of BET surface area remeasured at different time intervals during the test indicates the degree of thermal degradation of the test material.

ウォッシュコートは、水ベースのスラリーから触媒支持体に適用され得る。次に湿潤ウォッシュコート部分は乾燥され、高温でか焼される。触媒ウォッシュコートの質は、完成触媒の性能及び持続性に有意に影響し得る。その後、含浸(即ちウォッシュコート多孔性を触媒溶液に「浸漬する」こと)により、貴金属がウォッシュコート処理部分に適用され、ウォッシュコート量が、完成品中の貴金属触媒量を決定するであろう。したがって、ウォッシュコーティングプロセスが非常に反復可能且つ均一なウォッシュコート層を生じるということは非常に重要である。ウォッシュコーティングプロセス及びそのパラメーターに関する詳細は、すべての触媒メーカーにより企業秘密として保護される。   The washcoat can be applied to the catalyst support from a water-based slurry. The wet washcoat portion is then dried and calcined at an elevated temperature. The quality of the catalyst washcoat can significantly affect the performance and durability of the finished catalyst. Thereafter, by impregnation (ie, “dipping” the washcoat porosity in the catalyst solution), the precious metal will be applied to the washcoat treated portion and the amount of washcoat will determine the amount of precious metal catalyst in the finished product. Therefore, it is very important that the wash coating process yields a very repeatable and uniform washcoat layer. Details regarding the wash coating process and its parameters are protected as a trade secret by all catalyst manufacturers.

キャニスター
基材はキャニスター(例えばスチールシェル)中にパッケージされて、触媒コンバーターを形成する。キャニスターは、多くの機能を実施する。キャニスターは、触媒基材を保持し、外部環境から基材を保護する。さらにキャニスターは、排気ガスを触媒基材を通して及び/又はその上を流動させる。
The canister substrate is packaged in a canister (eg, a steel shell) to form a catalytic converter. The canister performs many functions. The canister holds the catalyst substrate and protects the substrate from the external environment. Furthermore, the canister allows the exhaust gas to flow through and / or over the catalyst substrate.

触媒基材は、マフラーの内側にもパッケージされ、これはその場合、「触媒マフラー」又は「触媒性マフラー」と呼ばれる。この場合、1つのスチールキャニスターは触媒と騒音吸収構成部分(例えばバッフル及び穿孔管)の両方を保持する。触媒マフラーは、触媒コンバーター及びマフラーの組合せと比較して、より大きな省スペース設計を提供し得る。   The catalyst substrate is also packaged inside the muffler, which is then referred to as a “catalytic muffler” or “catalytic muffler”. In this case, one steel canister holds both the catalyst and noise absorbing components (eg baffles and perforated tubes). Catalytic mufflers can provide a greater space saving design compared to catalytic converter and muffler combinations.

触媒基材は通常は、図28に示されるような、クラムシェル、ターニケット、靴箱、詰め物及び飾り綱を含む、いくつかの方法のうちの1つに従って作られる立体構成を有するキャニスターの内側に置かれる。   The catalyst substrate is typically placed inside a canister having a three-dimensional configuration made according to one of several methods, including clamshells, tourniquets, shoeboxes, padding and garments, as shown in FIG. It is burned.

マット
キャニスターのほかに、マット材料はしばしば、キャニスター中に触媒基材をパッケージするのに用いられる。通常セラミック繊維から作られるパッケージングマットは、基材を保護するために、及びシェルからの圧力を均一に分散するために用いられ得る。マットはしばしばバーミキュライトを含み、これは高温で膨張し、したがってシェルの熱膨張を補償して、すべての操作条件下で適切な保持力を提供する。
In addition to mat canisters, mat materials are often used to package catalyst substrates in canisters. Packaging mats usually made from ceramic fibers can be used to protect the substrate and to evenly distribute the pressure from the shell. The mat often contains vermiculite, which expands at high temperatures, thus compensating for the thermal expansion of the shell and providing adequate retention under all operating conditions.

例えばセラミックモノリスは、スチールハウジング中にしっかりと保持する特定のパッケージング材料中に包み、圧力を均一に分散して、クラッキングを防止する。セラミック繊維マットは、ガソリン及びディーゼル用途のための触媒コンバーターのパッケージングに最も一般的に用いられる。これらのパッケージングマットは、以下のように分類され得る:膨張(熱膨張性)マット;従来の(高バーミキュライト);減少バーミキュライト;非膨張性マット;又はハイブリッドマット。   For example, a ceramic monolith is encased in a specific packaging material that is held securely in a steel housing to evenly distribute the pressure and prevent cracking. Ceramic fiber mats are most commonly used in the packaging of catalytic converters for gasoline and diesel applications. These packaging mats can be classified as follows: expanded (thermally expandable) mats; conventional (high vermiculite); reduced vermiculite; non-expandable mats; or hybrid mats.

断熱材
多くの用途において、触媒コンバーターは、周囲の車両構成部分(例えば、プラスチック部、流体ホース)に対する損害を回避するために、又は、−エンジン近くに配備されるコンバーター中では−エンジン区画温度の増大を防止するために、断熱されなければならない。コンバーター熱管理の方法の1つは、コンバーター本体周囲に構成されるスチール熱遮蔽体を用いることである。代替的方法は、(1)構成マットの厚みを増大するか、又は(2)専用の低熱伝導性断熱材の付加的層を提供することにより、シェルの内側に断熱層を提供することである。熱遮蔽体は伝統的に床下位置に用いられてきたが、マット厚増大はエンジン区画中に組み込まれるコンバーターのための最良の解決を提供すると示唆されている(非特許文献1)。熱遮蔽体より厚いマットを用いることの利点の1つは、より低い平均マット温度で、これは密接に結合されたガソリンエンジン用途においてバーミキュライトマットを破壊するリスクを最小限にする。
Insulation In many applications, catalytic converters are used to avoid damage to surrounding vehicle components (eg, plastic parts, fluid hoses), or in converters deployed near the engine. In order to prevent the increase, it must be insulated. One method of converter thermal management is to use a steel heat shield constructed around the converter body. An alternative method is to provide a thermal insulation layer inside the shell by (1) increasing the thickness of the component mat or (2) providing an additional layer of dedicated low thermal conductivity thermal insulation. . Although heat shields have traditionally been used in the underfloor position, it has been suggested that increased mat thickness provides the best solution for converters incorporated into the engine compartment (1). One advantage of using a mat that is thicker than the thermal shield is the lower average mat temperature, which minimizes the risk of breaking the vermiculite mat in tightly coupled gasoline engine applications.

粒子トラップ
排気ガスから汚染物質を除去するための別の装置は、粒子トラップである。ディーゼルエンジンに用いられる一般的粒子トラップは、ディーゼル粒子トラップ(DPT)である。粒子トラップの主な目的は、排気ガス流のような流体の流れから種々のサイズの粒子状物質を濾過し、トラップすることである。粒子フィルターの有効性は一般に、異なるサイズのPM(例えばPM−2.5及びPM−10)を濾過する能力で測定される。
Particle Trap Another device for removing contaminants from exhaust gases is a particle trap. A common particle trap used in diesel engines is the diesel particle trap (DPT). The main purpose of the particle trap is to filter and trap various sizes of particulate matter from a fluid stream such as an exhaust gas stream. The effectiveness of a particle filter is generally measured by its ability to filter different sizes of PM (eg, PM-2.5 and PM-10).

ディーゼルトラップは、ディーゼルエンジンの排気から炭素煤を除去する点で相対的に有効である。最も広範に用いられるディーゼルトラップは、フィルター本体の多孔性壁上に煤を捕獲することによりディーゼル排気を濾過するウォールフローフィルターである。ウォールフローフィルターは、排気流を有意に妨げることなく、煤のほぼ完全な濾過を提供するよう設計される。   Diesel traps are relatively effective at removing carbon soot from diesel engine exhaust. The most widely used diesel trap is a wall flow filter that filters diesel exhaust by capturing soot on the porous wall of the filter body. Wall flow filters are designed to provide nearly complete filtration of soot without significantly hindering the exhaust flow.

煤の層はフィルターの流入口溝の表面に集まるので、煤層のより低い浸透性が、フィルターの圧力低下及びエンジンに対するフィルターの背圧における漸次増大を生じて、エンジンをより激しく働かせて、したがってエンジン操作効率に影響を及ぼす。結局、圧力低下は許容不可能となり、フィルターの再生が必要になる。従来の系では、再生プロセスは、フィルターを加熱して炭素煤の燃焼を開始することを包含する。ある状況では、再生は、エンジン管理の制御条件下で成し遂げられ、それによりゆっくりした燃焼が開始されて、数分間持続し、その間、フィルター中の温度は約400〜600℃から最大約800〜1,000℃まで上昇する。   As the soot layer collects on the surface of the inlet groove of the filter, the lower permeability of the soot layer causes the filter pressure drop and the gradual increase in the back pressure of the filter to the engine, causing the engine to work harder and thus the engine Affects operational efficiency. Eventually, the pressure drop is unacceptable and the filter needs to be regenerated. In conventional systems, the regeneration process involves heating the filter to begin burning carbon soot. In certain situations, regeneration is accomplished under engine management control conditions, whereby slow combustion is initiated and lasts for several minutes, during which time the temperature in the filter ranges from about 400-600 ° C. up to about 800-1 The temperature rises to 000 ° C.

ある種の用途では、排気流がフィルターの下方に燃焼熱を保有するので、フィルターの入口面から出口面に進行する煤燃焼の波の累積的作用のため、再生中の最高温度はフィルターの出口端近くで生じる傾向がある。ある状況下では、燃焼の開始が排気ガス中の高酸素含量及び低流量(例えばエンジンアイドリング状態)と同時に起こるか、又は直後である場合に、いわゆる「非制御再生」が起こり得る。非制御再生中、煤の燃焼は、熱衝撃及び熱分解、又は融解さえもし得るフィルター内の温度急変化を生じる。観察される最も一般的な温度勾配は、フィルターの中心温度が基材の残り部分より高い放射温度勾配、及びフィルターの出口端が基材の残り部分より高い軸性温度勾配である。   In certain applications, the exhaust stream carries the heat of combustion below the filter, so the maximum temperature during regeneration is at the outlet of the filter due to the cumulative effect of soot combustion waves traveling from the inlet face to the outlet face of the filter. Tends to occur near the edge. Under certain circumstances, so-called “uncontrolled regeneration” can occur when the start of combustion occurs at the same time as or immediately after the high oxygen content and low flow rate (eg, engine idling conditions) in the exhaust gas. During uncontrolled regeneration, soot combustion results in rapid temperature changes in the filter that can undergo thermal shock and pyrolysis, or even melting. The most common temperature gradients observed are the radiant temperature gradient where the center temperature of the filter is higher than the rest of the substrate and the axial temperature gradient where the outlet end of the filter is higher than the rest of the substrate.

炭素煤を捕獲するほかに、フィルターは、排気ガスに保有される金属酸化物「灰」粒子もトラップする。通常、これらの灰沈殿物は、ある種の条件下で排気ガスに付随する不焼成潤滑油に由来する。これらの粒子は燃焼性でなく、したがって再生中に除去されない。しかしながら非制御再生中の温度が十分高い場合、灰は結局はフィルターに焼結し得るか、又はフィルターと反応さえして、部分融解を生じる。   In addition to capturing carbon soot, the filter also traps metal oxide “ash” particles held in the exhaust gas. Typically, these ash deposits are derived from the unfired lubricating oil that accompanies the exhaust gas under certain conditions. These particles are not flammable and are therefore not removed during regeneration. However, if the temperature during uncontrolled regeneration is high enough, the ash can eventually sinter into the filter, or even react with the filter, resulting in partial melting.

フィルターが、その寿命にわたって、多数回の制御再生だけでなく、非常に低頻度だが、より厳密な非制御再生も切り抜けるように、融解及び熱衝撃損害に対する抵抗性改良を提供するフィルターを得ることは、当該技術分野における進歩であると考えられる。   Obtaining a filter that offers improved resistance to melting and thermal shock damage so that the filter survives very low frequency but more stringent uncontrolled regeneration as well as multiple controlled regenerations over its lifetime Is considered an advance in the technical field.

連続再生トラップ
触媒転化のための従来の一方法は、ディーゼル粒子トラップ(「DPT」)である。DPTは、排気中の粒子状物質を集めるフィルターである。その後、フィルターは詰まる前に収集粒子状物質は焼き尽くされなければならない。粒子状物質の燃焼は、「再生」と呼ばれる。いくつかの従来の方法は、DPTの再生のために存在する。第一に、フィルター表面への貴金属触媒又は卑金属触媒の適用は、粒子状物質の酸化に必要な温度を低減し得る。第二に、フィルターは、NOを生じる酸化触媒を含有する小室の前に置かれて、このことが、粒子状物質を焼き尽くすのに役立つ。第三に、該系は、燃料保有触媒を利用し得る。最後に、熱の外部発生源が用いられ、この場合、煤は、触媒を伴わずに550℃で、又は貴金属触媒を用いて約260℃で燃焼する。再生は、炭素の燃焼後に灰残渣を残し、フィルターを清浄にするために一定の整備を要する。
Continuous Regeneration Trap One conventional method for catalytic conversion is a diesel particle trap (“DPT”). The DPT is a filter that collects particulate matter in the exhaust gas. The collected particulate matter must then be burned out before the filter is clogged. The combustion of particulate matter is called “regeneration”. Some conventional methods exist for the regeneration of DPT. First, the application of a noble or base metal catalyst to the filter surface can reduce the temperature required for the oxidation of particulate matter. Secondly, the filter is placed in front of chamber containing an oxidizing catalyst to produce NO 2, this is helps to burn the particulate matter. Third, the system can utilize a fuel-carrying catalyst. Finally, an external source of heat is used, in which case the soot burns at 550 ° C. without a catalyst or at about 260 ° C. with a noble metal catalyst. Regeneration requires some maintenance to leave ash residues after carbon combustion and clean the filter.

さらに別の従来の方法は、ディーゼル酸化触媒(「DOS」)を利用する。DOSは、CO及び炭化水素を酸化する触媒コンバーターである。炭化水素活性は、粒子状物質の多環芳香族炭化水素(「PAH」)及び可溶性有機分画(「SOF」)に及ぶ。二酸化硫黄又は一酸化窒素の酸化を最小限にしながらSOFを選択的に酸化する触媒処方物が開発された。しかしながらDOCは硫酸を生じ、NOの排出を増大し得る。 Yet another conventional method utilizes a diesel oxidation catalyst (“DOS”). DOS is a catalytic converter that oxidizes CO and hydrocarbons. Hydrocarbon activity extends to particulate polycyclic aromatic hydrocarbons (“PAH”) and soluble organic fractions (“SOF”). Catalyst formulations have been developed that selectively oxidize SOF while minimizing the oxidation of sulfur dioxide or nitric oxide. However DOC produces a sulfate, may increase the emission of NO 2.

触媒処理ディーゼル粒子フィルター(CDPF)における触媒の機能は、典型的には300〜400℃の範囲で、エンジン/車両の通常操作中に経験される排気温度下でのディーゼル粒子状物質(DPM)の酸化によりフィルターの再生を促すために、煤燃焼温度を下げることである。触媒の非存在下では、DPMは、500℃を上回る温度で、容易に感知可能な速度で酸化され得るが、これは、実際のディーゼルエンジンにはめったに観察されない。これらの触媒用途に用いられる報告された基材としては、コージライト及び炭化ケイ素ウォールフローモノリス、金網、セラミック発泡体、セラミック繊維媒体等が挙げられる。CDPFの最も一般的な型は、触媒セラミックウォールフローモノリスである。   The function of the catalyst in the catalyzed diesel particulate filter (CDPF) is typically in the range of 300-400 ° C. of diesel particulate matter (DPM) at exhaust temperatures experienced during normal engine / vehicle operation. In order to promote the regeneration of the filter by oxidation, the soot combustion temperature is lowered. In the absence of a catalyst, DPM can be oxidized at temperatures above 500 ° C. at a readily appreciable rate, but this is rarely observed in real diesel engines. Reported substrates used for these catalytic applications include cordierite and silicon carbide wall flow monoliths, wire mesh, ceramic foam, ceramic fiber media, and the like. The most common type of CDPF is a catalytic ceramic wall flow monolith.

触媒セラミックトラップは、1980年代初頭に開発された。それらの最初の用途には、ディーゼル自動車、その後、地下採鉱機械が含まれた。触媒フィルターは、1985年にカリフォルニア州で販売されたメルセデス(Mercedes)車に商業的に導入された。ターボチャージエンジンを有するメルセデスモデル300SD及び300Dは、エンジン及びターボチャージャー間に取り付けられた直径143.76mm×152.40mm(5.66インチ×6インチ)のフィルターが装備された。   Catalytic ceramic traps were developed in the early 1980s. Their first use included diesel cars and then underground mining machinery. The catalytic filter was commercially introduced in a Mercedes vehicle sold in California in 1985. Mercedes models 300SD and 300D with turbocharged engines were equipped with a filter with a diameter of 143.76 mm x 152.40 mm (5.66 inches x 6 inches) mounted between the engine and the turbocharger.

自動車上のディーゼルトラップの使用は、不十分な耐久性、圧力低下の増大、及びフィルター目詰まりといったような問題のため、後に断念された。今日、これらの問題のすべてが解決されたわけではないとしても、触媒セラミックトラップは最も重要なディーゼルフィルター技術の1つである。CDPFは、多くの大型用途(例えば都市バス及び公営ディーゼルトラック)に漸増的に用いられている。長年に亘って、限定量の触媒フィルターは、地下採鉱(南米及びオーストラリア)に、及びある種の固定エンジン用途にも用いられてきた。   The use of diesel traps on automobiles was later abandoned due to problems such as inadequate durability, increased pressure drop, and filter clogging. Today, catalytic ceramic traps are one of the most important diesel filter technologies, although not all of these problems have been solved. CDPF is increasingly being used in many large applications (eg city buses and public diesel trucks). Over the years, limited amounts of catalytic filters have been used in underground mining (South America and Australia) and in certain stationary engine applications.

触媒セラミックフィルターは、OEM及びアフターマーケット(改良)製品の両方として、多くの高速道路、オフロード及び固定エンジン用途のために市販されている。供給業者のリストとしては、Engelhard、OMG dmc2ならびにいくつかのより小さな排気制御メーカー(主にオフロード市場を専門に扱う)が挙げられる。   Catalytic ceramic filters are commercially available for many highway, off-road and stationary engine applications, both as OEM and aftermarket products. The list of suppliers includes Engelhard, OMG dmc2, as well as several smaller emission control manufacturers (mainly dedicated to the off-road market).

従来のフィルターの主要構成部分は、セラミック(典型的にはコージライト又はSiC)ウォールフローモノリスである。モノリスの多孔性壁は、活性触媒で被覆される。ディーゼル排気エアロゾルは壁に浸透するので、煤粒子は壁孔ネットワーク内ならびに流入口溝表面上に沈着される。触媒は、排気ガス中に存在する酸素によるDPM酸化を促す。   The main component of conventional filters is a ceramic (typically cordierite or SiC) wall flow monolith. The porous wall of the monolith is coated with an active catalyst. As diesel exhaust aerosol penetrates the walls, soot particles are deposited in the wall pore network as well as on the inlet groove surface. The catalyst promotes DPM oxidation by oxygen present in the exhaust gas.

圧力低下
従来の触媒コンバーターを通過する排気ガスの流れは、実質量の背圧を生じる。触媒コンバーター中での背圧増大は、触媒コンバーターが首尾よく働くための重要な属性である。触媒コンバーターが部分的又は全体的に目詰まりすると、それは排気系に制限を引き起こす。背圧のその後の増大は、エンジン性能(例えば馬力及びトルク)及び燃料経済の激しい低下を生じ、遮断が重度である場合にはそれが始まった後にエンジンを止めさせることさえあり得る。材料のコスト、及び適切なフィルターを用いて元のエンジンを装備改良又は製造及び材料のコスト両方のため、汚染物質排出を低減するための従来の試みは非常にコストが掛かる。
Pressure drop The flow of exhaust gas through a conventional catalytic converter creates a substantial amount of back pressure. Increased back pressure in the catalytic converter is an important attribute for the successful operation of the catalytic converter. If the catalytic converter is partially or totally clogged, it causes a restriction in the exhaust system. Subsequent increases in back pressure can cause severe declines in engine performance (eg, horsepower and torque) and fuel economy, and can even cause the engine to stop after it has started if the shutoff is severe. Traditional efforts to reduce pollutant emissions are very costly, both due to the cost of the material and the retrofit of the original engine with appropriate filters or the cost of manufacturing and material.

ウォールフローフィルターの高濾過効率は、フィルター煤量に伴って増大する相対的に高い圧力低下を犠牲にして得られる。最初は、フィルターは清浄である。粒子がモノリス壁中の孔内に沈着し始める(深層濾過)と、圧力低下は非直線的に時間に伴って増大し始める。この段階は初期負荷相と呼ばれ、この間中、浸透性及びフィルター多孔性のような孔属性は、孔ネットワーク内部の漸増煤沈着のため絶えず変化する。孔の濾過能力は飽和になり、流入口モノリス溝内部の層として煤が沈着し始める(ケーク濾過相)。時間に伴う(及び煤量に伴う)圧力低下の線状増大は、この期間中に観察される。変化する一特性は、煤層の厚みである。著者の中には、煤層が十分に確立されるまで、粒子が溝表面に沈着し始める時点と中間短期遷移相とを区別する人もいる(非特許文献4及び非特許文献5)。   The high filtration efficiency of the wall flow filter is obtained at the expense of a relatively high pressure drop that increases with filter volume. Initially, the filter is clean. As the particles begin to deposit within the pores in the monolith wall (depth filtration), the pressure drop begins to increase with time in a non-linear manner. This phase is referred to as the initial loading phase, during which pore attributes such as permeability and filter porosity change constantly due to incremental soot deposition within the pore network. The pore filtration capacity becomes saturated and soot begins to deposit as a layer inside the inlet monolith groove (cake filtration phase). A linear increase in pressure drop with time (and with soot) is observed during this period. One characteristic that changes is the thickness of the heel layer. Some authors distinguish between the point at which particles begin to deposit on the groove surface and the intermediate short-term transition phase until the soot layer is well established (Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5).

清浄フィルター基材における圧力低下モデリングが実行された。開発された相対的に簡単なモデルは、実験結果と優れた一致を示す(非特許文献2及び非特許文献3)。しかしながら実用途におけるフィルター圧低下のほとんどは、煤沈着により引き起こされる。特定の用途においては、清浄ウォールフローフィルターの圧力低下は、1〜2kPaの範囲であり得るが、一方、10kPaの負荷フィルター圧力低下は、ある状況では、低〜中程度であると考えられ得る。   Pressure drop modeling in the clean filter substrate was performed. The developed relatively simple model shows excellent agreement with the experimental results (Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). However, most filter pressure drops in practical applications are caused by soot deposition. In certain applications, the pressure drop of a clean wall flow filter can be in the range of 1-2 kPa, while a load filter pressure drop of 10 kPa can be considered low to moderate in certain circumstances.

粒子負荷フィルターの総圧力低下は、以下の4つの構成部分に分けられ得る:フィルターからの流入口及び流出口での突然の収縮及び膨張のための圧力低下;溝壁摩擦のための圧力低下;粒子層の浸透性のための圧力低下;及び壁浸透性のための圧力低下。   The total pressure drop of the particle load filter can be divided into four components: pressure drop due to sudden contraction and expansion at the inlet and outlet from the filter; pressure drop due to groove wall friction; Pressure drop due to permeability of the particle layer; and pressure drop due to wall permeability.

フィルターからの流入口及び流出口での突然の収縮及び膨張のための圧力低下は、清浄フィルター中の同一構成部分と同様であるが、但し、有効溝サイズ(水圧直径)は、ここでは煤層のためより小さく、より多くのガス収縮を生じる。   The pressure drop due to sudden contraction and expansion at the inlet and outlet from the filter is similar to the same component in the clean filter, except that the effective groove size (hydraulic diameter) is Therefore, smaller and more gas shrinkage occurs.

溝壁摩擦のための圧力低下は、溝水圧直径の低減のため、清浄フィルターの一連の事柄に関しても増大する。厚い煤層に関しては、ΔP溝は総圧力低下に対する非常に有意の一助になり得る。   The pressure drop due to groove wall friction also increases with respect to the clean filter sequence due to the reduction of the groove hydraulic diameter. For thick ridges, the ΔP groove can be a very significant aid to the total pressure drop.

粒子層の浸透性のための圧力低下(ΔP粒子)は、総圧力低下に対する有意の一助であり得る。   The pressure drop due to the permeability of the particle layer (ΔP particles) can be a significant aid to the total pressure drop.

壁浸透性のための圧力低下(ΔP壁)も、ここでは、壁孔が一部煤で充填されるため、清浄フィルターの場合より高い。孔における初期煤負荷相に起因し得るΔP壁の増大は、図3においてはΔPIで表わされる。   The pressure drop (ΔP wall) for wall permeability is also higher here than in the case of a clean filter, since the wall holes are partially filled with soot. The increase in ΔP wall that can be attributed to the initial soot loading phase in the hole is represented by ΔPI in FIG.

総圧力低下は、以下のように表わされ得る:
ΔP=ΔP入口/出口+ΔP溝+ΔP粒子+ΔP壁
The total pressure drop can be expressed as:
ΔP = ΔP inlet / outlet + ΔP groove + ΔP particle + ΔP wall

煤負荷ディーゼルフィルターにおける圧力低下の数学的モデリングは、複雑で、難しい課題になる。煤の重要な特性(例えば浸透性及び実装密度)は、用途、エンジン操作条件及びその他のパラメーターに依存する。ウォールフローフィルターにおける圧力低下をシミュレートする努力が進行中であり、漸増的により精錬されたモデルが開発中である。実煤負荷の予測は、再生プロセス自体の理論的モデルを要し得る。   Mathematical modeling of pressure drop in heavy duty diesel filters is a complex and difficult task. Important characteristics of the soot (eg, permeability and packaging density) depend on the application, engine operating conditions and other parameters. Efforts to simulate pressure drop in wall flow filters are ongoing and incrementally more refined models are under development. Predicting the actual load may require a theoretical model of the regeneration process itself.

触媒コンバーター及び粒子フィルターの種類
触媒コンバーターは、以下の多くの因子に基づいて分類され得る:a)コンバーターが用いられる種類のエンジン、b)エンジンに応じたその位置、c)コンバーターに用いられる触媒の数及び種類、ならびにd)用いられる基材の種類及び構造。さらに、これらの触媒コンバーターの各々はしばしば、他の排出制御装置、例えばCRT、EGR、SCR、ACERT、ならびにその他の装置及び方法と一緒に用いられる。
エンジン
Types of catalytic converters and particle filters Catalytic converters can be classified based on a number of factors: a) the type of engine in which the converter is used, b) its position depending on the engine, c) the type of catalyst used in the converter. Number and type, and d) the type and structure of the substrate used. In addition, each of these catalytic converters is often used in conjunction with other emission control devices such as CRT, EGR, SCR, ACERT, and other devices and methods.
engine

触媒コンバーターは、少なくとも2種類のエンジン:即ちガソリンエンジン及びディーゼルエンジンで用いられる。これら2つの一般的クラスの中には、多くの種類の特別なガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが存在する。例えば、種々の排気量及び馬力を有するガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが製造される。ある種のエンジンは、ターボチャージャー及び/又はインタークーラーを装備される。ほとんどの乗用車エンジン及びトラックエンジンは水冷式であるが、一方、多くのオートバイエンジンは空冷式である。ある種のユーティリティーは、高い利用可能な馬力を要するが、一方、他のものは、燃費を最大にする。これらの変数はすべて、他のものに加えて、燃料の燃焼中に生成される汚染物質のレベルに影響を及ぼし得る。さらに例えばオンロード、オフロード又は固定でのエンジンの使用によって、排出基準に関して異なる規制要件が存在する。   Catalytic converters are used in at least two types of engines: gasoline engines and diesel engines. Within these two general classes, there are many types of special gasoline and diesel engines. For example, gasoline engines and diesel engines with various displacements and horsepower are manufactured. Some engines are equipped with turbochargers and / or intercoolers. Most passenger car and truck engines are water-cooled, while many motorcycle engines are air-cooled. Some utilities require high available horsepower, while others maximize fuel economy. All of these variables, in addition to others, can affect the level of pollutants that are produced during fuel combustion. In addition, there are different regulatory requirements regarding emission standards, for example by the use of engines on road, off road or stationary.

位置
触媒コンバーターは、理論的に、エンジンの排気流に沿ったどこにでも構成され得る。しかしながら従来の触媒コンバーターの物理的特性は、それらの位置を限定する。最も一般的には車両では、触媒コンバーターはエンジンブロックから多少離して、マフラー近くに、そして車の本体の真下に構成される。触媒コンバーターはいくつかの理由のために作動しなくなるおそれがあるため、触媒コンバーターは通常はエンジン付近には構成されない。このような理由としては、エンジン近くの極端な温度、熱衝撃、機械的振動、機械的応力、及び空間制限が挙げられる。さらにまた、固定エンジンの物理学的設定は、触媒コンバーター又は粒子フィルターの位置を限定し得る。
Position Catalytic converters can theoretically be configured anywhere along the engine exhaust flow. However, the physical properties of conventional catalytic converters limit their location. Most commonly in vehicles, the catalytic converter is constructed some distance from the engine block, near the muffler, and directly under the car body. Catalytic converters are usually not configured near the engine because catalytic converters can fail for several reasons. Such reasons include extreme temperatures near the engine, thermal shock, mechanical vibration, mechanical stress, and space limitations. Furthermore, the physical settings of the stationary engine may limit the position of the catalytic converter or particle filter.

例えば、その2004年FOCU.S.(登録商標)において、フォード・モーター・カンパニーは、その見本のうちの1つでホンダ・モーター・コーポレーションが行ったのと同様に、mani−触媒コンバーターを構成するよう取り扱った。これらの系は、マニホールドの一部というよりむしろそれに隣接して、実際に存在する。シリンダー急速燃焼及び動作部分により発生される高温エネルギー及び極度の振動エネルギーは、マニホールド中に置かれる場合、過度の熱及び物理的衝撃に一般的触媒コンバーターを曝す。さらに、mani−触媒コンバーターのための設計は、特許文献4でNorthup Grumman Corporationにより提案された。最新コージライト基材でも、このような環境に持ちこたえることに挑戦していると考えられる。   For example, the 2004 FOCU. S. In (registered trademark), Ford Motor Company handled mani-catalytic converters in the same way that Honda Motor Corporation did in one of its samples. These systems actually exist adjacent to rather than part of the manifold. The high temperature energy and extreme vibration energy generated by the cylinder rapid combustion and moving parts, when placed in the manifold, exposes a typical catalytic converter to excessive heat and physical shock. In addition, a design for the mani-catalytic converter was proposed by Northup Grumman Corporation in US Pat. Even the latest cordierite base material seems to be challenging to withstand such an environment.

例えばオートバイ(例えばHarley-Davidson)のようなその他の用途では、ある位置における触媒コンバーターの存在は、ユーザーに対する重篤な損傷を引き起こすおそれがある。触媒コンバーターの高い操作温度のため、ユーザーに対する損傷を生じにくい触媒コンバーター(例えば、小型触媒コンバーター、熱いと動かないコンバーター等)を用いるのが好ましいであろう。   In other applications, such as motorcycles (eg Harley-Davidson), the presence of a catalytic converter at a location can cause severe damage to the user. Due to the high operating temperature of the catalytic converter, it may be preferable to use a catalytic converter that is less susceptible to damage to the user (eg, a small catalytic converter, a converter that does not move when hot, etc.).

ある場合には、排気系(例えば、乗用車における)は、1つより多い触媒コンバーター又は粒子フィルターをその排気流に沿って含有し得る(図4参照)。例えば、排気系は、エンジン及び主触媒コンバーター間に付加的触媒コンバーターを有し得る。この立体構成は、前−触媒コンバーターと呼ばれる。前−触媒コンバーターは、より密な立体構成を有し得る。別の設定は、後−触媒コンバーターであり、これは、主触媒コンバーターの背後(後)に二次触媒コンバーターを有する。後−触媒コンバーターは、時としては、装備改良触媒コンバーターのためにも用いられる。
2−ウェイ対3−ウェイ対4−ウェイ
In some cases, the exhaust system (eg, in a passenger car) may contain more than one catalytic converter or particle filter along its exhaust stream (see FIG. 4). For example, the exhaust system may have an additional catalytic converter between the engine and the main catalytic converter. This configuration is called a pre-catalytic converter. The pre-catalytic converter may have a denser configuration. Another setting is a post-catalytic converter, which has a secondary catalytic converter behind (after) the main catalytic converter. Post-catalytic converters are sometimes also used for equipment modified catalytic converters.
2-way vs. 3-way vs. 4-way

触媒コンバーターは一般に、2−ウェイ、3−ウェイ又は4−ウェイコンバーターであると分類され得る。少なくとも以下の種類のコンバーターが市販されている:酸化コンバーター、3−ウェイコンバーター(空気なし)、3−ウェイプラス酸化コンバーター、ならびに4−ウェイコンバーター。   Catalytic converters can generally be classified as 2-way, 3-way or 4-way converters. At least the following types of converters are commercially available: oxidation converters, 3-way converters (without air), 3-way plus oxidation converters, and 4-way converters.

酸化(2−ウェイ)コンバーターは、炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)を酸化するよう設計された初期世代のコンバーターを表わす。これらのユニットはほとんどの基本形態の触媒コンバーター技術を表わすが、それらは、いくつかの地域では、依然として実行可能な環境汚染低減選択肢である。酸化コンバーターは通常は、白金又はパラジウムを含有する。しかしながら、その他の非貴金属が、同様に用いられ得る。   An oxidation (2-way) converter represents an early generation converter designed to oxidize hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO). Although these units represent most basic forms of catalytic converter technology, they are still viable environmental pollution reduction options in some areas. Oxidation converters usually contain platinum or palladium. However, other non-noble metals can be used as well.

1980年代初頭、ほとんどの車両メーカーは、HC及びCOを酸化するほかに、NOを還元するよう設計されたコンバーターを用い始めた。コンピューター制御エンジン系及び酸素センサーとともに用いられたこれらの3−ウェイコンバーターは、空気対燃料比をより的確に制御するために用いられた。3つの化合物:HC、CO及びNOを処理するため、これらのコンバーターは3−ウェイコンバーターと呼ばれる。 In the early 1980s, most vehicle manufacturers began using converters designed to reduce NO x in addition to oxidizing HC and CO. These 3-way converters used with computer controlled engine systems and oxygen sensors were used to more accurately control the air to fuel ratio. Three compounds: HC, for processing CO and NO x, these converters are called 3-way converter.

ほとんどの現代の乗用車は、典型的にはCorningのクレイ押出技術を用いて1つ又は複数の基材をタンデムで有する「3−ウェイ」触媒コンバーターを装備する。「3−ウェイ」とは、コンバーターが還元するのを助ける3つの規制排気物:一酸化炭素、揮発性有機化合物(VOC(例えば非燃焼炭化水素))及びNO分子を指す。このようなコンバーターは、2つの異なる種類の触媒、即ち還元触媒及び酸化触媒を用いる。 Most modern passenger cars are equipped with “3-way” catalytic converters that typically have one or more substrates in tandem using Corning clay extrusion technology. “3-way” refers to three regulated exhausts that help the converter reduce: carbon monoxide, volatile organic compounds (VOC (eg, non-burning hydrocarbons)) and NO x molecules. Such converters use two different types of catalysts: a reduction catalyst and an oxidation catalyst.

3−ウェイ触媒コンバーターでは、還元触媒は通常は、触媒コンバーターの第一段階で見出され、燃焼室中で生じた窒素の酸化物を戻すのに役立つ。それは一般的には、白金及びロジウムを用いて、NO排気物を還元するのを助ける。白金及び/又はパラジウムのような金属で構成され得る酸化触媒は一般に、触媒コンバーターの第二領域中に位置する。 In 3-way catalytic converters, the reduction catalyst is usually found in the first stage of the catalytic converter and serves to return the oxides of nitrogen produced in the combustion chamber. It generally uses platinum and rhodium to help reduce the NO x exhaust. The oxidation catalyst, which can be composed of a metal such as platinum and / or palladium, is generally located in the second region of the catalytic converter.

1つのハウジング中に還元触媒及び酸化触媒を一緒に有する3−ウェイコンバーターは、時として、3−ウェイプラス酸化コンバーターと呼ばれる。これらのコンバーターは、2つの基材間の空気注入を用いる。この空気注入は、酸化化学反応に助力する。   A 3-way converter having a reduction catalyst and an oxidation catalyst together in one housing is sometimes referred to as a 3-way plus oxidation converter. These converters use air injection between the two substrates. This air injection helps the oxidation chemical reaction.

4−ウェイコンバーターは、一酸化炭素、窒素酸化物、非燃焼炭化水素及び粒子状物質を処理する。これらの例としては、例えば、QuadCAT4−ウェイ触媒コンバーター(Ceryx製)が挙げられる。それは、そのメーカーによれば、大気汚染の主要発生源のうちの4つ(すなわち、NO、炭化水素、一酸化炭素及び粒子状物質)を、2002/2004排出基準をディーゼルエンジンが満たし得るレベルに還元する触媒コンバーターである。他の例としては、特許文献5および特許文献6に記載されたものが挙げられる。 The 4-way converter processes carbon monoxide, nitrogen oxides, non-burning hydrocarbons and particulate matter. Examples of these include QuadCAT 4-way catalytic converters (manufactured by Ceryx). According to the manufacturer, four of the major sources of air pollution (ie NO x , hydrocarbons, carbon monoxide and particulate matter), the level at which diesel engines can meet the 2002/2004 emission standards. It is a catalytic converter that reduces to Other examples include those described in Patent Document 5 and Patent Document 6.

当該触媒コンバーターは、他の触媒と同様、所望の反応を達成するのに必要とされる活性化エネルギーを低下させることにより反応を助長する。例えば、触媒の存在下で酸素と反応して燃焼しつくす前に粒子が550℃の温度を要する場合、この同一反応はたった260℃の温度を要するだけである。この低エネルギー閾値は、温度がより低い場合でも、空間がより十分に存在するエンジンから下流に触媒系を物理的に構成させ得る。そうでなければ、触媒系は、温度がより高い上流に構成される必要があるであろう。しかしながら、当該触媒系がエンジン付近に構成される場合、基材を損害する可能性が大きいため、これは最新技術をもってしても実行不可能である。   The catalytic converter, like other catalysts, facilitates the reaction by reducing the activation energy required to achieve the desired reaction. For example, if the particles require a temperature of 550 ° C. before reacting with oxygen and burning out in the presence of a catalyst, this same reaction only requires a temperature of 260 ° C. This low energy threshold can physically configure the catalyst system downstream from an engine with more space, even at lower temperatures. Otherwise, the catalyst system will need to be configured upstream with higher temperatures. However, if the catalyst system is configured near the engine, this is not feasible even with the latest technology, as it is likely to damage the substrate.

ディーゼルエンジンは、高い温度及び高い圧力のため、NO及び粒子状物質濃度が高い一方、相対的に低CO産生及び低炭化水素産生を示す排気物を生じる。圧縮燃焼は、ガソリンエンジンの火花を用いるものより低完全性である。しかしながら、高空気含量を有する相対的低質混合物のため、ディーゼルはガソリンエンジンより良好なガス走行距離を提供できる。3−ウェイ触媒は、過剰な空気のため、ディーゼル排気中で良好に働かない。NO還元触媒は典型的には、ディーゼル燃焼エンジン中で容易には実行され得ない燃料対空気の良好に保持された化学量論比を要する。 Diesel engines produce exhausts that exhibit relatively low CO production and low hydrocarbon production while having high NO x and particulate concentrations due to high temperature and high pressure. Compressive combustion is less complete than that using gasoline engine sparks. However, because of the relatively low quality mixture having a high air content, diesel can provide better gas mileage than a gasoline engine. 3-way catalysts do not work well in diesel exhaust due to excess air. NO x reduction catalysts typically require a well-maintained stoichiometric ratio of fuel to air that cannot be easily implemented in a diesel combustion engine.

触媒コンバーター技術は、内燃機関及び固定燃焼機関を含めた種々の用途に適用され得る。内燃機関は、車両用に用いられる最も一般的なエンジンである。触媒コンバーターは、車両の排気系中の装置として組み込まれ、したがって全排気ガス流は基材を通過して、触媒と接触した後、後部排気管から放出される。しかしながら、触媒コンバーターは、種々の能動的戦略(例えば、触媒前表面における反応物質の注入、又は複雑化エンジン制御アルゴリズム)を包含するかなり複雑な系の一部でもあり得る。例としては、NOの還元のために開発されている多くのディーゼル触媒系が挙げられる。触媒の利点の中で列挙されている簡易性特性及び受動的特性という属性は、それらの系にもはや適応し得ない。 Catalytic converter technology can be applied to various applications including internal combustion engines and stationary combustion engines. An internal combustion engine is the most common engine used for vehicles. The catalytic converter is incorporated as a device in the exhaust system of the vehicle so that the entire exhaust gas stream passes through the substrate and comes into contact with the catalyst before being discharged from the rear exhaust pipe. However, catalytic converters can also be part of a rather complex system that encompasses a variety of active strategies (eg, reactant injection at the catalyst front surface, or complex engine control algorithms). Examples include many of the diesel catalyst systems have been developed for the reduction of the NO x and the like. The attributes of simplicity and passive properties listed among the advantages of the catalyst can no longer be adapted to those systems.

汚染物質排出を低減する従来の試みは、一部は材料のコストと、ある種の用途においては、適切なフィルターを用いて元のエンジンを装備改良又は製造するために、非常にコストが掛かり得る。   Prior attempts to reduce pollutant emissions can be very costly, in part due to the cost of materials and, in some applications, to retrofit or manufacture the original engine with a suitable filter. .

触媒コンバーター及び粒子フィルター技術の進歩
触媒コンバーターの進歩をもたらす発明は、押出コージライト・ハニカム・モノリスについてのCorningの開発であった(特許文献7参照)。1970年代以降、エンジン排気系の極端な環境に耐え得る堅固な基材(一般的には、コージライト)の表面のウォッシュコート中にしっかり内蔵される貴金属及び卑金属ファミリーからの触媒(白金、パラジウム、ロジウム等)を使用するこのアプローチを用いて、10億ポンド以上の汚染物質が排気流から除去されてきた。この核心技術に対する変更及び改良は、触媒コンバーターの構成における、ならびにそれらの組成及び製造方法における変更を含めて、以来数年で発展してきた。しかしながら依然として、今日まで、克服されていない基本的な不十分な点が残っている。近年、技術状態は、物理的限界及び経済的限界に達しつつあり、小さな改良だけが多大の費用でなされているに過ぎない。
Advances in Catalytic Converter and Particle Filter Technology The invention that led to the advancement of catalytic converters was the development of Corning for extruded cordierite, honeycomb and monoliths (see Patent Document 7). Since the 1970s, catalysts from the noble and base metal families (platinum, palladium, Using this approach using rhodium, etc.) over a billion pounds of pollutants have been removed from the exhaust stream. Changes and improvements to this core technology have evolved over the years since, including changes in the construction of catalytic converters and in their composition and manufacturing methods. However, to date, there remains a fundamental deficiency that has not been overcome. In recent years, the state of the art has reached physical and economic limits, and only minor improvements have been made at great expense.

最新基材の限界
触媒コンバーター及び粒子状物質フィルター技術についての現在の状態は、ある程度まで排気物汚染を低減するのに有用であるが、一般的技術に不都合な点が確かに存在する。現在の触媒コンバーターによってはかなえられない特性も存在する。いくつかの欠点は、用いられる基材の種類に固有のものである。したがって、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いるために改良された基材は、触媒コンバーター中の触媒基材として用いられる材料の基本的物理学的及び化学的属性における有意の進歩である。さらに改良型基材は、その質を劇的に増大し、2007年及び2010年ならびにさらに後年の排出基準をメーカー及びユーザーがより容易に満たすのを可能にする。
Current substrate limitations While the current state of catalytic converter and particulate filter technology is useful to some extent to reduce exhaust pollution, there are certainly disadvantages to the general technology. There are also characteristics that cannot be achieved with current catalytic converters. Some disadvantages are inherent in the type of substrate used. Thus, improved substrates for use in catalytic converters or particle filters are a significant advance in the basic physical and chemical attributes of materials used as catalytic substrates in catalytic converters. Furthermore, the improved substrate dramatically increases its quality, allowing manufacturers and users to more easily meet 2007 and 2010 and even later emission standards.

従来のモノリス触媒コンバーター基材は一般に、押出し法により形成される。複雑で且つ相対的に高価でもあるこの方法は、過去25年間、用いられてきた。しかしながら、押出し法には制限がある。小溝が材料内に作製され、質制御を依然として保持し得る方法に関して、限界がある。押出し法はまた、触媒コンバーターの形状を円筒形又は平行四辺形に、或いは押出し軸と平行な側面を有する形状に限定する。この形状制限は、従来の排出基準では問題ではなかった。しかしながら、0に近い排出性能に到達し得る触媒コンバーター及び粒子フィルターを設計する必要性は、非線状及び/又は非円筒形フィルター設計及び車両一体性を要し得る。   Conventional monolithic catalytic converter substrates are generally formed by an extrusion process. This method, which is complex and relatively expensive, has been used for the last 25 years. However, the extrusion method has limitations. There is a limit as to how the grooving can be made in the material and still maintain quality control. The extrusion method also limits the shape of the catalytic converter to a cylindrical or parallelogram shape or a shape having side surfaces parallel to the extrusion axis. This shape limitation was not a problem with conventional emission standards. However, the need to design catalytic converters and particle filters that can reach near zero emission performance can require non-linear and / or non-cylindrical filter designs and vehicle integrity.

壁厚低減は表面積を増大し、ある場合には、0.006インチから0.002インチに壁厚を低減すると、表面積が54%増大する。表面積を増大することにより、より多くの粒子状物質が低容積中に沈着され得る。図1は、触媒コンバーターの表面積を増大するよう設計されたセラミックフィルター素子100内に形成された従来技術のハニカム立体構成102を示す。ハニカム立体構成102は、押出し作用と平行にそれらの主軸を有する長溝が作られる押出し法を用いて形成される。これらの溝の開口は、侵入排気空気流に面している。   Wall thickness reduction increases surface area, and in some cases reducing wall thickness from 0.006 inches to 0.002 inches increases surface area by 54%. By increasing the surface area, more particulate matter can be deposited in the low volume. FIG. 1 shows a prior art honeycomb configuration 102 formed in a ceramic filter element 100 designed to increase the surface area of a catalytic converter. The honeycomb structure 102 is formed using an extrusion method in which long grooves having their principal axes are formed in parallel with the extrusion action. These groove openings face the intruding exhaust air flow.

技術の進歩は、壁厚低減を有するセラミックコージライト基材の製造を可能にした。客車用途のかつての基準立体構成である400cpsiセル密度及び0.0065インチ(又は約0.17mm)の400/6.5は、次第により薄い壁(0.0055〜0.004mil)の基材に置き換えられた。しかしながら、この材料の物理学的限界が近づいてきた。セラミック、特にコージライトの物理学的特性のため、さらに薄い壁を有するコージライトセラミック製の基材の使用は、実用的でない。より薄い壁の材料は、他の必要な特性(例えば耐久性、耐熱性)を満たすことができない。   Advances in technology have made it possible to produce ceramic cordierite substrates with reduced wall thickness. 400 / 6.5 with 400 cpsi cell density and 0.0065 inches (or about 0.17 mm), the former standard configuration for passenger car applications, is becoming a thinner wall (0.0055 to 0.004 mil) substrate. Replaced. However, the physical limits of this material are approaching. Due to the physical properties of ceramics, especially cordierite, the use of a substrate made of cordierite ceramic with even thinner walls is impractical. Thinner wall materials cannot meet other required properties (eg, durability, heat resistance).

ディーゼル触媒は、1つにはそれらの大型サイズのため、しばしばそれらの自動車同等物より厚い壁を有する。ディーゼル壁フロー・フィルターは一般により厚い壁を有するため、これらのフィルターが有し得る溝/平方インチに関して物理的限界がある。一般に、200溝/平方インチより多くを有する市販のディーゼル壁フロー・フィルターは存在しない。   Diesel catalysts, in part due to their large size, often have thicker walls than their automotive equivalents. Because diesel wall flow filters generally have thicker walls, there is a physical limit on the grooves / square inch that these filters can have. In general, there are no commercial diesel wall flow filters with more than 200 grooves / square inch.

一般に利用可能な基材の別の限界は、低温でのそれらの触媒効率低下である。コンバーター系が冷たい場合、このようなエンジン始動では、温度は触媒反応を開始するほど十分高くない。触媒コンバーターに用いられ、Corning、NGK、Denso及びその他の企業により販売されるコージライト、炭化ケイ素、及び種々の金属基材は、今日、優れた機械強度ならびに熱衝撃及び振動に対する耐性を有する非常に丈夫で、密な材料から作り上げられる。しかしながら、これらの材料は、開始後、触媒反応に十分な温度に達するまで、熱を吸収するための時間を要する。触媒反応始動の遅延のため、現代のエンジンからのすべての排気物の約50%が、エンジン操作の最初の25秒間に大気に放出される、と推測される。これらの臨界「低温始動」秒中の小さい改善でも、年間に首尾よく処理される汚染物質の量を劇的に改善し得る。この問題を取り扱うために努力が注ぎ込まれてきたが、この低温始動期間中の排気物を低減し得る触媒コンバーターの必要性は依然として存在する。当該技術分野の最も進歩し且つコストのかかる状態でも、コージライト系の触媒コンバーターは始動に約20秒を要する。   Another limitation of commonly available substrates is their reduced catalytic efficiency at low temperatures. If the converter system is cold, at such an engine start, the temperature is not high enough to initiate a catalytic reaction. Cordierite, silicon carbide, and various metal substrates used in catalytic converters and sold by Corning, NGK, Denso and other companies today have excellent mechanical strength and resistance to thermal shock and vibration. Made from strong, dense material. However, these materials require time to absorb heat after initiation until a temperature sufficient for catalytic reaction is reached. Due to the delay in starting the catalytic reaction, it is estimated that about 50% of all exhaust from modern engines is released to the atmosphere during the first 25 seconds of engine operation. Even small improvements during these critical “cold start-up” seconds can dramatically improve the amount of contaminants that are successfully treated per year. Although efforts have been put into addressing this problem, there remains a need for a catalytic converter that can reduce emissions during this cold start period. Even in the most advanced and costly state of the art, cordierite-based catalytic converters require approximately 20 seconds to start.

反応温度をより迅速に達成するために、高温がより迅速に利用可能で、操作中により激しく反応を駆動するのにも役立つエンジン排気マニホールドの近くにコンバーターを移動する試みがなされてきた。車両のボンネット下の使用可能な空間は限定されるため、コンバーター系のサイズ、したがって首尾よく処理され得るスループット量は、制限される。一般的基材は、車両のエンジン区画中で有効に用いることができない。さらに、エンジン区画に付加的重量を加えることは望ましくなく、多くの一般的基材は高密度で、限定多孔度(約50%以下)を有し、大規模排気出力を処理するための大重量大容積の系を要する。さらに、コージライトのような基材は、多くの操作条件下で融解しやすく、それにより詰まりならびに背圧増大を引き起こす。   In order to achieve the reaction temperature more quickly, attempts have been made to move the converter closer to the engine exhaust manifold where higher temperatures are available more quickly and also help drive the reaction more intensely during operation. Because the available space under the vehicle hood is limited, the size of the converter system and thus the amount of throughput that can be successfully processed is limited. Common substrates cannot be used effectively in the vehicle's engine compartment. In addition, it is not desirable to add additional weight to the engine compartment, many common substrates are dense, have limited porosity (about 50% or less), and are heavy to handle large exhaust power Requires a large volume system. In addition, substrates such as cordierite are susceptible to melting under many operating conditions, thereby causing clogging and increased back pressure.

低温始動を補償するその他の方法としては、コンバーターが一旦臨界温度に達したら処理され得るように、NO及び/又は炭化水素を一時的に貯蔵する複雑な吸着系が挙げられる。これらの系のうちのいくつかは、平行パイプ及び複雑な吸着表面、付加的バルブ及び制御機構、或いは基材に触媒を付着させ、反応環境を隔離するのに用いられる多層の異なるウォッシュコートを要する。この問題は、大容積の煤粒子、NO及びSOがトラップされる必要があるディーゼルエンジンで特に検討中である。いくつかの大型工業用ディーゼルエンジンでは、ディーゼル粒子トラップの回転バンクが、粒子を収集し、貯蔵し、実質的に処理するために用いられる(さらに他の系では、NOは貯蔵され、酸化剤として用いられて、COをCOに転化するが、一方、NOはNに還元される)。 Other methods of compensating for cold start include complex adsorption systems that temporarily store NO x and / or hydrocarbons so that the converter can be processed once it reaches a critical temperature. Some of these systems require parallel pipes and complex adsorption surfaces, additional valves and control mechanisms, or multiple different washcoats used to attach the catalyst to the substrate and isolate the reaction environment. . This problem is particularly under consideration in diesel engines where large volumes of soot particles, NO x and SO x need to be trapped. In some large industrial diesel engines, a rotating bank of diesel particle traps is used to collect, store and substantially process the particles (in still other systems, NO x is stored and oxidant Used to convert CO to CO 2 while NO x is reduced to N 2 ).

総排出量に関する規制制限を仮定すると、低温始動中に生じる排気物の50%のうちの多少でも容易に節減し得る系は、上記のような高価で且つ複雑な回避方法(working-around)のいくつかに関する必要性をなくす。これらの回避方法と一緒に用いられると、このような系は実質的低減された排気物中にそれを生じ得る。しかしながら、上記の説明のように、従来の系は一般に複雑に且つ高価であり、点火しない及び/又は予測不可能に作動する傾向もある。   Assuming regulatory restrictions on total emissions, a system that can easily save some of the 50% of the emissions produced during cold start is an expensive and complex working-around as described above. Eliminate the need for some. When used in conjunction with these workarounds, such a system can produce it in a substantially reduced exhaust. However, as explained above, conventional systems are generally complex and expensive, and tend to not fire and / or operate unpredictably.

従来の系の別の固有の限界は、粒子を燃えつくすために必要とされる典型的「滞留時間」である。操作中の大容積の排気ガススループット、ならびにガスが流動しなければならない速度を考えた場合、コンバーターは迅速に点火し得ることが重要である。したがって、迅速に点火し、極端な熱及び振動衝撃に耐え得る、低温始動中に迅速な内部温度を増大し得る触媒コンバーターは、排出を低減するための産業の可能性を大いに増強し、2007年及び2010年に関する来るべき環境基準を満たし、よりクリーンに作動する自動車のエンジン、トラックのエンジン、バスのエンジン及び重工業エンジンを製造する。   Another inherent limitation of conventional systems is the typical “residence time” required to burn out the particles. Given the large volume exhaust gas throughput during operation, as well as the speed at which the gas must flow, it is important that the converter can ignite quickly. Thus, a catalytic converter that can ignite quickly and withstand extreme thermal and vibration shocks and increase the internal temperature quickly during cold start greatly enhances the industry's potential to reduce emissions, 2007 And it will meet the upcoming environmental standards for 2010 and produce cleaner engine engines, truck engines, bus engines and heavy industry engines.

基材も軽量である場合、それはまた新車両における走行距離統計数値改良を生じる。しかしながら今日まで、これらの問題の多く又はすべてを取扱い得る基材は同定されていない。   If the substrate is also light, it also results in improved mileage statistics in the new vehicle. To date, however, no substrate has been identified that can handle many or all of these problems.

触媒コンバーター又は粒子フィルターのための基材に関する設計考察
触媒基材は、触媒コンバーター系の性能、強靭性及び耐久性に影響を及ぼすきわめて重要な構成部分である。さらに濾過基材は、粒子フィルターの操作性能に有意に影響を及ぼす。理想的には、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いられる基材は、多くの属性を有するべきである。これらの属性としては、1つ又は複数の以下の態様が挙げられるが、必ずしもこれらに限定されない:a)表面積;b)多孔性/浸透性;c)放射率;d)熱伝導度;f)熱属性(例えば、衝撃耐性、膨張及び伝導率);g)密度;h)構造保全性;i)汚染物質処理の効率;j)必要とされる触媒の量;及びk)系の重量。1つ又は複数の属性を最適化する触媒基材又は濾過基材は、流体を濾過し、反応を触媒する分野における進歩である。
米国特許第4,894,070号 米国特許第5,196,120号 米国特許第6,444,006号 米国特許第5,692,373号 米国特許第4,329,162号 米国特許第5,253,476号 米国特許第4,033,779号 米国特許第4,148,962号 米国特許第3,953,083号 米国特許第3,795,524号 米国特許第4,047,965号 米国特許第5,629,186号 米国特許第5,378,142号 米国特許第5,102,639号 米国特許第6,090,744号 米国特許第6,692,712号 米国特許第5,182,249号 米国特許第5,224,852号 米国特許第5,272,125号 米国特許第6,682,706号 米国特許第6,667,012号 米国特許第4,529,718号 米国特許第4,722,920号 米国特許第5,795,456号 米国特許第5,856,263号 米国特許第6,576,200号 米国特許第5,100,632号 米国特許第5,296,288号 米国特許第5,702,761号 米国特許第5,928,775号 米国特許第5,079,082号 米国特許第5,702,761号 米国特許第5,928,775号 米国特許第5,079,082号 米国特許第6,685,899号 米国特許第6,673,414号 米国特許第5,611,832号 米国特許第4,148,962号 米国特許第6,613,255号 米国特許第5,296,288号 米国特許第4,047,965号 米国特許第3,549,473号 米国特許第4,686,128号 米国特許第6,605,259号 米国特許第5,692,373号 欧州特許出願第0884459号 欧州特許第0912820号 米国特許第6,622,482号 米国特許第6,604,6004号 米国特許第6,341,662号 米国特許第4,457,895号 米国特許第5,983,631号 Said Zidat and Michael Parmentier, “Heat Insulation Methods for Manifold Mounted Converters,” Delphi Automotive Systems, Technical Centre Luxembourg,SAE Technical Paper Series 2000−01−0215 Masoudi, M.他, 2000, “Predicting Pressure Drop of Wall−Flow Diesel Particulate Filters Theory and Experiment”, SAE 2000−01−0184 Masoudi, M.他, 2001, “Validation of a Model and Development of a Simulator for Predicting the Pressure Drop of Diesel Particulate Filters,” SAE 2001−01−0911 Tan, J.C.他, 1996, “A Study on the Regeneration Process in Diesel Particulate Traps Using a Copper Fuel Additive”, SAE 960136 Versaevel, P.他, 2000, “Some Empirical Observations on Diesel Particulate Filter Modeling and Comparison Between Simulations and Experiments”,SAE 2000−01−0477 Leiser他, “Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields”, Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, No. 7−8, pp. 757−768 (1985) Leiser他, “Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials”, NASA CP 2357, pp. 231−244 (1984) http://www.epa.gov/otaq/inventory/r92009.pdfにより入手可能な、U.S.EPAで発行されている、文献番号EPA420−R−92−009 Ogyu, K.他, 2003. “Characterization of Thin Wall SiC−DPF”, SAE 2003−01−0377 Yuuki, K.他, 2003, “The Effect of SiC Properties on the Performance of Catalyzed Diesel Particulate Filter (DPF),” SAE 2003−01−0383 Ichikawa, S.他, 2003, “Material Development of High Porous SiC for Catalyzed Diesel Particulate Filters,” SAE 2003−01−0380) Leiser他, “Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields”, Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, No. 7−8, pp. 757−768 (1985) Leiser他, “Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials”, NASA CP 2357, pp. 231−244 (1984) Kuisell, R.C., 1996, “Butting Monoliths in Catalytic Converters,” SAE 960555 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 Eisenstock, G., 他, 2002, “Evaluation of SoftMount Technology for Use in Packaging Ultra Thinwall Ceramic Substrates”, SAE 2002−01−1097 Wendland, D.W., 他, 1992, “Effect of Header Truncation on Monolith Converter Emission Control Performance”, SAE 922340 Rajadurai, S., 他, 1999. “Single Seam Stuffed Converter Design for Thinwall Substrates”, SAE 1999−01−3628 Olson, J.R., 2004, “Diesel Emission Control Devices−Design Factors Affecting Mounting Mat Selection,” SAE 2004−01−1420
Design Considerations for Substrates for Catalytic Converters or Particle Filters Catalytic substrates are a critical component that affects the performance, toughness and durability of catalytic converter systems. Furthermore, the filtration substrate significantly affects the operational performance of the particle filter. Ideally, the substrate used in the catalytic converter or particle filter should have many attributes. These 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; f) Thermal attributes (eg, impact resistance, expansion and conductivity); g) density; h) structural integrity; i) efficiency of contaminant treatment; j) amount of catalyst required; and k) weight of system. Catalyst substrates or filtration substrates that optimize one or more attributes are an advance in the field of filtering fluids and catalyzing reactions.
U.S. Pat. No. 4,894,070 US Pat. No. 5,196,120 US Pat. No. 6,444,006 US Pat. No. 5,692,373 U.S. Pat. No. 4,329,162 US Pat. No. 5,253,476 US Pat. No. 4,033,779 U.S. Pat. No. 4,148,962 US Pat. No. 3,953,083 U.S. Pat. No. 3,795,524 U.S. Pat. No. 4,047,965 US Pat. No. 5,629,186 US Pat. No. 5,378,142 US Pat. No. 5,102,639 US Pat. No. 6,090,744 US Pat. No. 6,692,712 US Pat. No. 5,182,249 US Pat. No. 5,224,852 US Pat. No. 5,272,125 US Pat. No. 6,682,706 US Pat. No. 6,667,012 U.S. Pat. No. 4,529,718 U.S. Pat. No. 4,722,920 US Pat. No. 5,795,456 US Pat. No. 5,856,263 US Pat. No. 6,576,200 US Pat. No. 5,100,632 US Pat. No. 5,296,288 US Pat. No. 5,702,761 US Pat. No. 5,928,775 US Pat. No. 5,079,082 US Pat. No. 5,702,761 US Pat. No. 5,928,775 US Pat. No. 5,079,082 US Pat. No. 6,685,899 US Pat. No. 6,673,414 US Pat. No. 5,611,832 U.S. Pat. No. 4,148,962 US Pat. No. 6,613,255 US Pat. No. 5,296,288 U.S. Pat. No. 4,047,965 U.S. Pat. No. 3,549,473 US Pat. No. 4,686,128 US Pat. No. 6,605,259 US Pat. No. 5,692,373 European Patent Application No. 08484459 European Patent No. 091820 US Pat. No. 6,622,482 US Pat. No. 6,604,6004 US Pat. No. 6,341,662 U.S. Pat. No. 4,457,895 US Pat. No. 5,983,631 Said Zidat and Michael Parmentier, “Heat Insulation Methods for Manifold Mounted Converters,” Delphi AutoMomental Systems, Technical Center Lumin01, Technical CentreLux Masoudi, M.M. Et al., 2000, “Predicting Pressure Drop of Wall-Flow Diesel Particulate Filters Theory and Experiment”, SAE 2000-01-0184. Masoudi, M.M. 2001, “Validation of a Model and Development of a Simulator for Predicting the Pressure Drop of Diesel Particulate Filters,” SAE 2001-01-0911. Tan, J .; C. Et al., 1996, “A Study on the Regenerative Process in Diesel Particulate Trap Usage a Copper Fuel Additive”, SAE 960136. Versaevel, P.M. Et al., 2000, “Some Empirical Observations on Diesel Particulate Filter Modeling and Comparison Between Simulations and Experiments”, SAE 2000-01-0477. Leiser et al., “Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields”, Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, no. 7-8, pp. 757-768 (1985) Leiser et al., “Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials,” NASA CPp. 23. 231-244 (1984) http: // www. epa. gov / otaq / inventory / r92009. available from pdf. S. Document number EPA420-R-92-009 issued by EPA 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 Ichikawa, S .; Et al., 2003, “Material Development of High Porous SiC for Catalyzed Diesel Particulate Filters,” SAE 2003-01-0380) Leiser et al., “Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshields”, Ceramic Engineering and Science Proceedings, 6, no. 7-8, pp. 757-768 (1985) Leiser et al., “Effect of Fiber Size and Composition on Mechanical and Thermal Properties of Low Density Ceramic Composite Insulation Materials,” NASA CPp. 23. 231-244 (1984) Kuisell, R.A. C. , 1996, “Butting Monoliths in Catalytic Converters,” SAE 960555. Li, F.M. Z. , 2000, “The Assembly Deformation and Pressure of Stuffed Catalytic Converter Accounting for the Hysteresis Behavior of Pressure 23. Density of Density. Eisenstock, G.M. , Et al., 2002, “Evaluation of SoftMount Technology for Use in Packaging Ultra Thinwall Ceramic Substrates”, SAE 2002-01-1097 Wendland, D.W. W. , Et al., 1992, “Effect of Header Truncation on Monolith Converter Emission Control Performance”, SAE 922340. Rajadurai, S .; , Et al., 1999. “Single Sea Stuffed Converter Design for Thinwall Substrates”, SAE 1999-01-3628. Olson, J.M. R. , 2004, “Diesel Emission Control Devices-Design Factors Affecting Mounting Mat Selection,” SAE 2004-01-1420.

[発明の概要]
ここには、種々の実施の形態が記載される。本発明のこれらのならびに他の実施の形態は、以下の詳細な説明の節に記載される。
[Summary of Invention]
Various embodiments are described here. These as well as other embodiments of the present invention are described in the Detailed Description section below.

本明細書中に記載されるような不織焼結耐火性繊維性セラミック(nSiRF−C)複合材料は、触媒コンバーター、粒子フィルター及び関連装置の改良型基材として用いられ、それに合わせて造形される、ということを本発明者らは発見した。   Nonwoven sintered refractory fiber ceramic (nSiRF-C) composites as described herein are used as improved substrates for catalytic converters, particle filters and related equipment and are shaped accordingly. The present inventors have discovered that.

改良型触媒基材及び改良型濾過基材は、本明細書中に記載されるような特定の属性を有する材料から調製され得る、ということも本発明者らは発見した。例えば、好適な属性としては、高融点、低い熱伝導度、低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性が挙げられる。これらの属性を有する1つの実施の形態における例示的材料は、nSiRF−Cである。   The inventors have also discovered that improved catalyst substrates and improved filtration substrates can be prepared from materials having specific attributes as described herein. For example, suitable attributes include high melting point, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, ability to withstand thermal and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability. An exemplary material in one embodiment having these attributes is nSiRF-C.

好適な属性を有する材料の一例は、nSiRF−C複合材料である。nSiRF−Cの一例は、アルミナ強化型断熱(「AETB」)材料又は同様の材料であり、これは触媒基材又は濾過基材として本発明の実施形態に従って用いられ得る。AETB材料は当該技術分野で既知であり、アルミナボリアシリカ(アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知)繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維を含む。AETBに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入のための理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。AETBは、濾過基材又は触媒コンバーター基材として用いられたことはなかった。   An example of a material with suitable attributes is an nSiRF-C composite material. An example of nSiRF-C is an alumina reinforced thermal insulation (“AETB”) material or similar material, which can be used in accordance with embodiments of the present invention as a catalyst substrate or filtration substrate. AETB materials are known in the art and include alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate, and aluminoborosilicate) fibers, silica fibers, and alumina fibers. One generally known application for AETB is as an external tile on the space shuttle, which is ideal for shuttle reentry. AETB has never been used as a filtration substrate or a catalytic converter substrate.

AETBを宇宙産業に望ましいものにする属性は燃焼技術においても好ましい、ということが本発明者らにより実現された。他の属性の中で、AETBは高融点、低熱伝導度、低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。所望の属性のこの組合せは、一般的濾過基材及び触媒コンバーター基材に欠けている。   The inventors have realized that the attributes that make AETB desirable for the space industry are also preferred in combustion technology. Among other attributes, AETB has a high melting point, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, ability to withstand thermal and vibrational shock, low density, and very high porosity and permeability. This combination of desired attributes is lacking in common filtration substrates and catalytic converter substrates.

nSiRF−C複合材料(例えば、AETB及び類似の好適な基材)が、粒子フィルター基材及び触媒コンバーター基材として用いるのに適した新規の形態に、調製、造形、成形、切断及び/又は適合され得る(又は、そうでなければ物理的に修飾され得る)、ということも見い出した。   nSiRF-C composites (eg, AETB and similar suitable substrates) are prepared, shaped, molded, cut and / or adapted to new forms suitable for use as particle filter substrates and catalytic converter substrates It has also been found that it can be (or otherwise physically modified).

本発明は、一般的技術を上回る多くの利点を有する。第一に、本発明は、大気の質及び呼吸器健康の改善をもたらす。本発明は、一酸化炭素中毒の可能性を実質的に低減し得る。   The present invention has many advantages over general techniques. First, the present invention provides improved air quality and respiratory health. The present invention can substantially reduce the possibility of carbon monoxide poisoning.

本発明の実施形態は、一般的に用いられる触媒基材及び濾過基材、ならびに触媒コンバーター及び粒子フィルター、そして排気系及びエンジン系のための直接的な代替物として用いられ得る。以下の詳述に記載されるように、本発明の基材は、従来技術の基材を上回る多くの利点を提供し、さらに、従来技術の基材で解決されないまま残された多くの問題を解決する。これは、メーカーの一部に関する有意のコスト節減に言い換えることができる。一般技術のための直接的な代替物として本発明を用いることができるため、排気系を再設計する必要はない。したがって、排気濾過及び排気浄化の増強は、製造計画及びラインを再編成する必要もなく、時間内の最小限の投資のみで得られる。   Embodiments of the present invention can be used as a direct alternative for commonly used catalyst and filtration substrates, as well as catalytic converters and particle filters, and exhaust and engine systems. As described in the detailed description below, the substrate of the present invention provides many advantages over prior art substrates, and further eliminates many problems left unsolved by prior art substrates. Resolve. This translates into significant cost savings for some of the manufacturers. There is no need to redesign the exhaust system because the present invention can be used as a direct alternative to general technology. Thus, enhanced exhaust filtration and exhaust purification can be obtained with minimal investment in time, without the need to reorganize manufacturing plans and lines.

本発明の改良型触媒特性及び濾過特性は、或る実施形態では、少ない触媒の使用を要する。関連用途に用いられるほとんどの触媒が高価であるため、この利点は別のコスト節約をもたらす。   The improved catalytic and filtration characteristics of the present invention require the use of less catalyst in certain embodiments. This advantage provides another cost saving because most catalysts used in related applications are expensive.

本発明のいくつかの実施の形態の好ましい熱属性は、一般的触媒コンバーター及び粒子フィルターに関連した熱上昇に対処する排気系のある部分に対する必要性を低減及び/又は排除する。熱遮蔽及び断熱は、本発明の或る実施形態では必要とされ得ない。排気系及び車両からのこれらの構成部分の排除は、直接的にのみコストを低減する(構成部分は用いられず、したがって低コストの生産)が、間接的にも低減する(車両の重量は低減され、したがって燃料コストを低減する)。他の利益としては、より良好な性能、より良好な走行距離、及び/又はより良好な馬力が挙げられ得る。   The preferred thermal attributes of some embodiments of the present invention reduce and / or eliminate the need for certain portions of the exhaust system to address the heat rise associated with general catalytic converters and particulate filters. Thermal shielding and thermal insulation may not be required in certain embodiments of the present invention. The elimination of these components from the exhaust system and the vehicle only directly reduces costs (components are not used and thus low-cost production), but also indirectly (vehicle weight is reduced). Thus reducing fuel costs). Other benefits may include better performance, better mileage, and / or better horsepower.

或る実施形態では、従来の触媒コンバーター又は粒子フィルターは、より小型であるが、汚染物質を除去する同一の又はより良好な効率を有する本発明と置き換えられ得る。より小さな触媒コンバーター又は粒子フィルターを用いて、他の目的のために車両でより多くの空間が利用可能である。さらに本発明のフィルター又はコンバーターはより小さいため、車両の全体的重量が低減される。   In some embodiments, conventional catalytic converters or particle filters are smaller, but can be replaced with the present invention with the same or better efficiency of removing contaminants. With smaller catalytic converters or particle filters, more space is available in the vehicle for other purposes. Furthermore, the filter or converter of the present invention is smaller, which reduces the overall weight of the vehicle.

本発明のいくつかの実施形態の別の態様は、エンジンの頭部に、全体的に又は一部分、構成される触媒コンバーターに用いるのに適した触媒基材である。本明細書中でヘッド・触媒コンバーターと呼ばれる上記の触媒コンバーターは、従来技術を上回る多くの利点を有する。例えば、一般的に利用可能な触媒基材の制限のために、従来はこのようなヘッド・触媒コンバーターは実用的でない。一般的基材コージライトは、多すぎる熱を吸収するだろう。本発明の基材の好ましい熱特性のため、上記基材を含むヘッド触媒コンバーターは、存在する場合、ターボチャージャー及び/又はインタークーラー上のターボ熱応力を低減するだろう。   Another aspect of some embodiments of the present invention is a catalytic substrate suitable for use in a catalytic converter constructed in whole or in part on the engine head. The above-described catalytic converter, referred to herein as a head catalytic converter, has many advantages over the prior art. For example, conventionally, such head-catalytic converters are not practical due to the limitations of commonly available catalytic substrates. Common substrate cordierite will absorb too much heat. Because of the favorable thermal properties of the substrate of the present invention, a head catalytic converter comprising the substrate will reduce turbo thermal stress on the turbocharger and / or intercooler, if present.

ヘッド触媒コンバーターはまた、熱遮蔽体のような付加的外部ハードウエアを必要としない。ヘッド触媒コンバーターの使用は、例えばオートバイにおけるエンジン及び製品の好ましい外観の維持を可能にする。或る実施形態では、ヘッド触媒コンバーターの使用は、マフラー及びヘッダー・パイプのような排気系の外部変色も低減する。或る実施形態におけるヘッド触媒コンバーターの多くの付加的利点としては、以下の1つ又は複数のものが挙げられる:安全性増大;インタークーラーが、そうでなければ元どおりに動き始め、それゆえインタークーラーの寿命を改善し、コスト節減を提供するフィルター粒子;或る実施形態に必要とされるマットなし;熱遮蔽体のがたがた音(rattling sound)はヘッド触媒コンバーターの使用により低減又は排除され得る;そしてヘッド触媒コンバーターは必要なマフラーのサイズを低減し得る。   The head catalytic converter also does not require additional external hardware such as a heat shield. The use of a head catalytic converter makes it possible to maintain a favorable appearance of the engine and product, for example in a motorcycle. In some embodiments, the use of a head catalytic converter also reduces external discoloration of exhaust systems such as mufflers and header pipes. Many additional advantages of the head catalytic converter in certain embodiments include one or more of the following: increased safety; the intercooler would otherwise start moving back and hence the intercooler's Filter particles that improve life and provide cost savings; no mat required for certain embodiments; rattling sound in thermal shields can be reduced or eliminated by use of a head catalytic converter; and head Catalytic converters can reduce the required muffler size.

ヘッド触媒コンバーターの他の実施形態では、粒子状物質が小さいほど、効率的に燃え尽きる。ヘッド触媒コンバーターが故障の場合、1つの小型の触媒コンバーターのみが取替えを要し得る。ヘッド触媒コンバーターは、ボート、船、オートバイ、リーフブロワー等に関してもこれらの利点を提供する。   In other embodiments of the head catalytic converter, the smaller the particulate matter, the more efficiently it burns out. If the head catalytic converter fails, only one small catalytic converter may need to be replaced. Head catalytic converters also provide these advantages for boats, ships, motorcycles, leaf blowers and the like.

さらに、本発明の異なる実施形態は、従来技術を上回る以下の1つ又は複数の利点を提供する:外観の改良;付加的ハードウエアの回避;付加的ハードウエア(より厳しい規制のために必要とされ得る)は、本発明を用いれば必要ではない;発熱化学反応のためのマフラー及び排気管の変色の低減又は排除。本発明は、或る実施形態において、より小さい基材を、したがってある系におけるより小さいマフラー又はキャニスターを可能にする。本発明の基材は熱特性を改善し、ある従来の基材と同様の多くの熱を吸収しないため、本発明の基材は、触媒コンバーター又は粒子フィルターを用いた系に安全性の増大を提供する。さらに、本発明の基材は、多くの従来の基材より早く冷めて、安全性の増大をもたらす。本発明の或る実施形態は、温度変化に対する抵抗性改善を提供し、したがって突然の温度変化が生じた場合でも、ある従来の基材と同様に割れたり、折れたり、又は損傷を受けることはない。或る実施形態では、基材は従来の基材より容易に製造される(例えば、nSiRF−C壁流基材は、溝に栓をするというよりむしろ単一片の材料から製造され得る)。この属性は、時間だけでなくコストも節約する。   In addition, different 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 (necessary for more stringent regulations) Is not necessary with the present invention; reduction or elimination of muffler and exhaust pipe discoloration due to exothermic chemical reactions. The present invention, in certain embodiments, allows for smaller substrates and thus smaller mufflers or canisters in certain systems. Because the substrate of the present invention improves thermal properties and does not absorb as much heat as some conventional substrates, the substrate of the present invention provides increased safety for systems using catalytic converters or particle filters. provide. Furthermore, the substrate of the present invention cools faster than many conventional substrates, resulting in increased safety. Certain embodiments of the present invention provide improved resistance to temperature changes so that even if sudden temperature changes occur, they will not crack, bend, or be damaged like some conventional substrates. Absent. In some embodiments, the substrate is easier to manufacture than conventional substrates (eg, an nSiRF-C wall flow substrate can be manufactured from a single piece of material rather than plugging a groove). This attribute saves cost as well as time.

他の実施形態では、nSiRF−Cは、従来の後処理装置より重くない。この属性は、車にとって重要であるだけでなく、重量が一因子である市場(例えば、小型エンジン、オートバイ、個人用船舶、及び高性能車)においてもきわめて重要である。   In other embodiments, nSiRF-C is not heavier than conventional post-processing equipment. This attribute is not only important for cars, but also extremely important in markets where weight is a factor (eg, small engines, motorcycles, personal ships, and high performance vehicles).

いくつかの実施形態では、本発明の基材は競合する後処理装置より低い背圧を示す。このより低い背圧が、車両性能増大、馬力増大、及び燃費増大を生じる。   In some embodiments, the substrates of the present invention exhibit lower back pressure than competing aftertreatment devices. This lower back pressure results in increased vehicle performance, increased horsepower, and increased fuel economy.

本発明の他の実施形態は、例えば、反応を触媒する方法、流体を濾過する方法、触媒基材の調製方法、濾過基材の調製方法、上記方法に従って調製される基材、及び以下でさらに詳細に記載されるような他のものに向けられる。   Other embodiments of the invention include, for example, a method of catalyzing a reaction, a method of filtering a fluid, a method of preparing a catalyst substrate, a method of preparing a filtration substrate, a substrate prepared according to the above method, and further below. Directed to others as described in detail.

[本発明の実施形態の詳細な説明]
概観
本発明は、或る実施形態では、触媒コンバーター中の基材を含めた多くの用途に用いるのに適した触媒基材に向けられる。本発明の別の態様は、ディーゼル粒子フィルター(DPF)又はディーゼル粒子トラップ(DPT)のような粒子フィルター中の基材を含めた多くの用途に用いるのに適した濾過基材である。本発明は、燃焼エンジンの排気から汚染物質を除去及び/又は排除するための改良型基材も提供する。触媒基材及び濾過基材は、或る実施形態では、排気ガスから汚染物質を除去するのに際しての改良を提供する。改良としては、1つ又は複数の以下の:迅速点火期間、PMの深層濾過増大、低背圧、目詰まりの低確率、マニホールド又は頭部それ自体を含めた排気系中の多くの位置に構成される能力、触媒反応の高い確率、NO、HC及びCOの高転化比、PMのより迅速な焼失、触媒材料使用の最小化、後処理排気系の重量低減等が挙げられるが、これらに限定されない。
[Detailed Description of Embodiment of the Present Invention]
Overview The present invention is directed, in one embodiment, to a catalytic substrate suitable for use in many applications, including substrates in catalytic converters. Another aspect of the invention is a filtration substrate suitable for use in many applications, including substrates in particle filters such as diesel particle filters (DPF) or diesel particle traps (DPT). The present invention also provides an improved substrate for removing and / or eliminating pollutants from combustion engine exhaust. The catalyst substrate and filtration substrate provide improvements in removing contaminants from the exhaust gas in certain embodiments. Improvements include one or more of the following: rapid ignition period, increased PM depth filtration, low back pressure, low probability of clogging, and many locations in the exhaust system including the manifold or head itself Capacity, high probability of catalytic reaction, high conversion ratio of NO x , HC and CO, faster burning of PM, minimization of catalyst material use, weight reduction of aftertreatment exhaust system, etc. It is not limited.

本発明の他の実施形態としては、触媒コンバーター、粒子フィルター、ディーゼル粒子フィルター、ディーゼル粒子トラップ等が挙げられる。本発明は、触媒及びフィルター基材、触媒コンバーター、粒子フィルター、触媒マフラー及び排気系の製造及び調製方法も提供する。本発明の他の実施形態としては、その各々が本発明の基材を含む、前触媒コンバーター、後触媒コンバーター、ヘッド触媒コンバーター及びmani−触媒コンバーターが挙げられる。さらに本発明は、代替的実施形態において、本明細書中に記載される方法に従って製造される基材に向けられる。   Other embodiments of the present invention include catalytic converters, particle filters, diesel particle filters, diesel particle traps and the like. The present invention also provides methods for producing and preparing catalysts and filter substrates, catalytic converters, particle filters, catalyst mufflers and exhaust systems. Other embodiments of the present invention include pre-catalytic converters, post-catalytic converters, head catalytic converters and mani-catalytic converters, each of which includes a substrate of the present invention. Furthermore, the present invention is directed, in an alternative embodiment, to a substrate manufactured according to the methods described herein.

別の態様では、本発明は、1つ又は複数の以下の属性を提供する触媒基材又は濾過基材を包含する:迅速点火期間、PMの深層濾過増大、低背圧、目詰まりの低確率、マニホールド又は頭部それ自体を含めた排気系中の多くの位置に構成される能力、触媒反応の高い確率、NO、HC及びCOのような汚染物質の高転化比、PMのより迅速な焼失、必要とされる触媒材料の低量、冷始動のための迅速点火;基材の低い外部壁温度等。 In another aspect, the invention includes a catalytic or filtration substrate that provides one or more of the following attributes: rapid ignition period, increased PM depth filtration, low back pressure, low probability of clogging. , Ability to be configured at many locations in the exhaust system, including the manifold or head itself, high probability of catalytic reaction, high conversion ratios of pollutants such as NO x , HC and CO, faster PM Burnout, low amount of catalyst material required, quick ignition for cold start; low external wall temperature of substrate, etc.

本発明の基材、触媒コンバーター、粒子フィルター又は排気系の使用は、従来技術を上回る多くの利点及び改良を提供する。或る実施形態では、これらの改良型触媒コンバーター及び/又は粒子フィルターは、以下でさらに詳細に記載されるように、多くの特定の利点を有する燃焼エンジンの排気から汚染物質を除去及び/又は排除し得る。改良型排気系は、同様に、本明細書中に記載される本発明の付加的態様である。改良型排気系は、作動エンジンから排出される汚染物質の量を低減する。   The use of the substrate, catalytic converter, particle filter or exhaust system of the present invention provides many advantages and improvements over the prior art. In some embodiments, these improved catalytic converters and / or particle filters remove and / or eliminate pollutants from the exhaust of combustion engines having many specific advantages, as described in more detail below. Can do. An improved exhaust system is likewise an additional aspect of the invention described herein. The improved exhaust system reduces the amount of pollutants emitted from the working engine.

本発明は、非限定的実施形態及び実施例を含めて、以下でさらに詳細に記載される。本明細書中で考察される実施形態は、例示的目的のみのために提供される。本発明は、これらの実施形態に限定されない。   The invention is described in further detail below, including non-limiting embodiments and examples. The embodiments discussed herein are provided for illustrative purposes only. The present invention is not limited to these embodiments.

触媒基材
本発明は、触媒コンバーター、粒子フィルター及び関連装置に用いられ得る、本明細書中に記載されるような不織焼結耐火性繊維性セラミック(nSiRF−C)複合材料を含む、或いはそれらから成る、或いは本質的にそれらから成り;任意にさらに触媒金属のような有効量の触媒を含む触媒基材に向けられる。好ましくは触媒基材は、触媒を含む。nSiRF−C複合材料は、本明細書中に記載された使用に適した立体構成に造形され得る。
Catalytic Substrate The present invention comprises a non-woven sintered refractory fibrous ceramic (nSiRF-C) composite as described herein, which can be used in catalytic converters, particle filters and related equipment, or Consisting of or consisting essentially of them; optionally further directed to a catalyst substrate comprising an effective amount of catalyst such as a catalytic metal. Preferably the catalyst substrate comprises a catalyst. The nSiRF-C composite material can be shaped into a three-dimensional configuration suitable for use as described herein.

nSiRF−C複合材料は、不織性である。或る実施形態では、nSiRF−C合成材料は、限定的な剛性三次元形状を有する材料である。nSiRF−C複合材料の繊維は、組織化パターンで配列されないが、三次元的に、無作為、無計画、又は無指向性方式で配列される。いくつかの実施形態では、nSiRF−Cは、マトリクスの形態である。   The nSiRF-C composite is non-woven. In some embodiments, the nSiRF-C composite material is a material having a limited rigid three-dimensional shape. The fibers of the nSiRF-C composite material are not arranged in an organized pattern, but are arranged three-dimensionally in a random, unplanned or omnidirectional manner. In some embodiments, nSiRF-C is in the form of a matrix.

nSiRF−Cは、焼結複合材料である。一実施形態では、焼結複合材料は、融解を伴わずに加熱することにより形成される粘着性塊である。しかしながら、セラミック材料の焼結方法は当該技術分野で既知であり、したがって、本発明の範囲は本明細書中に記載される特定の実施形態及び説明に必ずしも限定されない。焼結は、樹脂残渣を伴わずに結合を生じる。本発明に関しては、焼結セラミックは、融解を伴わずに加熱することにより形成される分散繊維の粘着性塊である。   nSiRF-C is a sintered composite material. In one embodiment, the sintered composite material is a sticky mass formed by heating without melting. However, methods for sintering ceramic materials are known in the art, and therefore the scope of the present invention is not necessarily limited to the specific embodiments and descriptions described herein. Sintering produces bonds without resin residues. In the context of the present invention, a sintered ceramic is a sticky mass of dispersed fibers formed by heating without melting.

nSiRF−Cは、耐火性繊維性セラミック合成材料である。或る実施形態のnSiRF−Cは、本明細書中の非限定実施形態で例示されるような種々の長さ及び組成の高級耐火性繊維から成る。   nSiRF-C is a refractory fibrous ceramic composite material. Certain embodiments of nSiRF-C are comprised of high-grade refractory fibers of various lengths and compositions as exemplified in the non-limiting embodiments herein.

一実施形態では、本発明は、本明細書中に記載されるような多くの用途に用いるのに適した触媒基材に向けられる。このような基材としては、本明細書中に記載されるような1つ又はそれ以上の、好ましくは複数の属性を有する多くの材料が挙げられる。本発明の基材は、耐火等級繊維から作られる不織繊維セラミック複合材料から作製される。このような材料は、特許文献8(これは、参照により全体に本明細書中で援用される)に開示されている。他の適切な材料は特許文献9に開示されている。   In one embodiment, the present invention is directed to a catalyst substrate suitable for use in many applications as described herein. Such substrates include many materials having one or more, preferably multiple, attributes as described herein. The substrate of the present invention is made from a nonwoven fiber ceramic composite made from fire resistant grade fibers. Such materials are disclosed in U.S. Patent No. 6,057,028, which is hereby incorporated by reference in its entirety. Other suitable materials are disclosed in US Pat.

一実施形態では、本発明の触媒基材は、アルミナ強化断熱(「AETB」)材料又は当業者に既知の同様の材料を含む、或いはそれらから成る、或いは本質的にそれらから成る。AETB材料は当該技術分野で既知であり、非特許文献6及び非特許文献7(これらはともに、参照により本明細書中で援用される)でさらに全体に記載されている。   In one embodiment, the catalytic substrate of the present invention comprises, consists of, or consists essentially of an alumina reinforced thermal insulation (“AETB”) material or similar materials known to those skilled in the art. AETB materials are known in the art and are described more fully in Non-Patent Document 6 and Non-Patent Document 7, both of which are incorporated herein by reference.

別の実施形態では、触媒基材は、セラミックタイル、例えばアルミナ強化断熱(AETB)を、強化ユニピース繊維性断熱材(TUFI)及び/又は反応硬化ガラス(RCG)コーティングとともに含む。このような材料は、当該技術分野で既知である。   In another embodiment, the catalyst substrate comprises a ceramic tile, such as alumina reinforced insulation (AETB), with a reinforced uni-piece fibrous insulation (TUFI) and / or a reaction hardened glass (RCG) coating. Such materials are known in the art.

別の好適な材料は、繊維性耐火性セラミック断熱材(FRCI)である。一実施形態では、AETBは、アルミナボリアシリカ(アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知)繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維から製造される。AETBに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入に理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。AETBは、高融点、低熱伝導度及び低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。したがって、好ましい実施形態では、触媒基材は、高融点、低熱伝導度、低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、高多孔性及び高浸透性を有する。   Another suitable material is a fibrous refractory ceramic insulation (FRCI). In one embodiment, AETB is made from alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate, and aluminoborosilicate) fibers, silica fibers, and alumina fibers. One commonly known application for AETB is as an external tile on the space shuttle that is ideal for shuttle atmospheric reentry. AETB has a high melting point, low thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, ability to withstand thermal and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability. Thus, in a preferred embodiment, the catalyst substrate has a high melting point, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, ability to withstand thermal and vibration shock, low density, high porosity and high permeability.

一実施形態では、AETBの第1の構成部分はアルミナ繊維である。本発明の好ましい場合には、アルミナ(Al又は酸化アルミニウム(例えばSAFFIL))は、商業形態中に一般的には約95〜約97重量%アルミナ及び約3〜約5重量%シリカである。他の実施形態では、より低い純度(例えば90%、92%及び94%の純度)を有するアルミナも有用である。他の実施形態では、より高い純度を有するアルミナも有用である。アルミナは、押出し又はスピニングによっても生産され得る。先ず、前駆体種の溶液が調製される。遅く、漸進的な重合プロセスが、例えばpHの操作により開始され、それにより個々の前駆体分子が結合して、より大きな分子を形成する。このプロセスが進行すると、平均分子量/サイズが増大し、それにより溶液の粘度を経時的に増大させる。約10mPa・S(センチポアズ)の粘度では、溶液はわずかに粘着性になり、繊維を引き出させるか又は紡がせることが可能である。この状態では、繊維はダイを通しても押出され得る。或る実施形態では、平均繊維径は、約1〜6μm(ミクロン)であるが、より大きな直径の繊維及びより小さな直径の繊維も本発明に適している。例えば他の実施形態における繊維径は、1〜50μm(ミクロン)、好ましくは1〜25μm(ミクロン)、さらに好ましくは1〜10μm(ミクロン)の範囲である。 In one embodiment, the first component of the AETB is an alumina fiber. In the preferred case of the present invention, the alumina (Al 2 O 3 or aluminum oxide (eg, SAFFIL)) is typically about 95 to about 97 wt% alumina and about 3 to about 5 wt% silica in commercial form. is there. In other embodiments, alumina having a lower purity (eg, 90%, 92% and 94% purity) is also useful. In other embodiments, alumina with higher purity is also useful. Alumina can also be produced by extrusion or spinning. First, a solution of precursor species is prepared. A slow, gradual polymerization process is initiated, for example, by manipulation of pH, whereby individual precursor molecules combine to form larger molecules. As this process proceeds, the average molecular weight / size increases, thereby increasing the viscosity of the solution over time. At a viscosity of about 10 mPa · S (centipoise), the solution becomes slightly tacky and the fibers can be drawn or spun. In this state, the fiber can also be extruded through the die. In some embodiments, the average fiber diameter is about 1-6 μm (microns), although larger diameter fibers and smaller diameter fibers are also suitable for the present invention. For example, the fiber diameter in other embodiments is in the range of 1-50 μm (microns), preferably 1-25 μm (microns), more preferably 1-10 μm (microns).

一実施形態において、AETBの第2の成分はシリカ繊維である。或る実施形態では、シリカ(SiO、例えばQ−繊維又は石英繊維)は、非常に低い不純物レベルで非晶質シリカを99.5重量%超含有する。低純度のシリカ(例えば、90%、95%、及び97%)も、本発明において有用である。或る実施形態では、低密度(例えば、2.1〜2.2g/cm)、高耐熱性(1,600℃)、低熱伝導度(約0.1W/m−K)、及び0に近い熱膨張を有する非晶質シリカが用いられる。 In one embodiment, the second component of AETB is silica fiber. In some embodiments, silica (SiO 2, for example Q- fibers or quartz fibers) is very amorphous silica which contains more than 99.5 wt% at low impurity levels. Low purity silica (eg, 90%, 95%, and 97%) is also useful in the present invention. In some embodiments, low density (eg, 2.1-2.2 g / cm 3 ), high heat resistance (1,600 ° C.), low thermal conductivity (about 0.1 W / m-K), and zero Amorphous silica with near thermal expansion is used.

一実施形態において、AETBの第3の成分は、アルミナボリアシリカ繊維である。或る例では、アルミナボリアシリカ繊維(3Al・2SiO・B、例えばNEXTEL 312)は、一般的に62.5重量%のアルミナ、24.5重量%のシリカ、及び13重量%のボリアである。もちろん、アルミナボリアシリカの成分の正確な割合は、変更してもよい。主として、アルミナボリアシリカは非晶質産物であるが、結晶ムライトを含有していてもよい。好適なアルミナボリアシリカ繊維及びそれを製造する方法は、例えば、特許文献10に記載されており、この教示は参照により本明細書中にその全体が援用されている。 In one embodiment, the third component of AETB is alumina boria silica fiber. In an embodiment, an alumina board rear silica fibers (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 · B 2 O 3, for example, NEXTEL 312) is typically 62.5 weight percent alumina, 24.5 weight percent silica, and 13 % By weight of boria. Of course, the exact proportions of the components of alumina boria silica may be varied. Mainly alumina boria silica is an amorphous product, but it may contain crystalline mullite. Suitable alumina boria silica fibers and methods of making the same are described, for example, in US Pat. No. 6,057,096, the teachings of which are hereby incorporated by reference in their entirety.

本発明の基材として用いられる他の好適な物質として、Orbital Ceramics(Valencia、CA)から入手可能なOrbital Ceramics Thermal Barrier(OCTB)が挙げられる。   Other suitable materials for use as the substrate of the present invention include Orbital Ceramics Thermal Barrier (OCTB) available from Orbital Ceramics (Valencia, CA).

本発明のnSiRF−Cとして使用する他の好適な物質は、AETB−12(約20%Al、約12%NEXTEL(登録商標)繊維(14%B、72%Al、14%SiO)及び約68%SiOの組成を有する)、AETB−8(約20%Al、約12%NEXTEL(登録商標)繊維(14%B、72%Al、14%SiO)及び68%SiOの組成を有する)、FRCI−12(約78重量%のシリカ(SiO)及び22重量%のアルミノボロシリケート(62%Al、24%SiO、14%B)の組成を有する)及びFRCI−20(約78重量%のシリカ(SiO)及び約22重量%のアルミノボロシリケート(62%Al、24%SiO、14%B)の組成を有する)を含む。 Other suitable materials for use as the nSiRF-C of the present invention include AETB-12 (about 20% Al 2 O 3 , about 12% NEXTEL® fiber (14% B 2 O 3 , 72% Al 2 O 3 , 14% SiO 2 ) and about 68% SiO 2 ), AETB-8 (about 20% Al 2 O 3 , about 12% NEXTEL® fibers (14% B 2 O 3 , 72% Al 2 O 3 , 14% SiO 2 ) and 68% SiO 2 composition), FRCI-12 (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 )).

好ましい実施形態において、無機繊維の成分は、繊維状シリカ、アルミナ繊維、及びアルミノボロシリケート繊維から成るか、又は本質的にそれから成る。この実施形態では、繊維状シリカは無機繊維混合物の約50〜90%(パーセント)を含み、アルミナ繊維は無機繊維の約5〜50%(パーセント)を含み、及びアルミノボロシリケート繊維は無機繊維混合物の約10〜25%パーセントを含む。或る実施形態では、本発明の基材を調製するために用いられる繊維は、結晶相及びガラス相の両方を有していてもよい。   In a preferred embodiment, the inorganic fiber component comprises or consists essentially of fibrous silica, alumina fiber, and aluminoborosilicate fiber. In this embodiment, the fibrous silica comprises about 50-90% (percent) of the inorganic fiber mixture, the alumina fiber comprises about 5-50% (percent) of the inorganic fiber, and the aluminoborosilicate fiber is the inorganic fiber mixture. About 10-25% percent. In certain embodiments, the fibers used to prepare the substrate of the present invention may have both a crystalline phase and a glass phase.

他の好適な繊維としては、好ましくは約55〜約75重量%の範囲で酸化アルミニウム、0より大きく約45重量%未満の範囲で酸化ケイ素(好ましくは、0より大きく44重量%未満)、及び0より大きく25重量%未満の範囲で酸化ホウ素(好ましくは、約1〜約5重量%)を含有する(Al、SiO、及びBそれぞれの酸素ベースの理論値により算出される)アルミノボロシリケート繊維が挙げられる。アルミノボロシリケート繊維は、好ましくは少なくとも50重量%の結晶体、より好ましくは、少なくとも75重量%、最も好ましくは約100重量%の結晶体(いわゆる、結晶繊維)である。標準サイズのアルミノボロシリケートは、例えば、3MCompany製の商品コード「NEXTEL312」及び「NEXTEL440」として市販されている。さらに、好適なアルミノボロシリケート繊維は例えば、参照により本明細書中にその全体が援用されている特許文献10により開示されているように作製することができる。 Other suitable fibers preferably include aluminum oxide in the range of about 55 to about 75% by weight, silicon oxide in the range of greater than 0 and less than about 45% by weight (preferably greater than 0 and less than 44% by weight), and Contains boron oxide (preferably about 1 to about 5% by weight) in the range of more than 0 and less than 25% by weight (calculated by the oxygen-based theoretical values of Al 2 O 3 , SiO 2 , and B 2 O 3, respectively) Aluminoborosilicate fiber). The aluminoborosilicate fibers are preferably at least 50% by weight of crystals, more preferably at least 75% by weight and most preferably about 100% by weight of crystals (so-called crystal fibers). Standard size aluminoborosilicates are commercially available, for example, as product codes “NEXTEL 312” and “NEXTEL 440” manufactured by 3M Company. In addition, suitable aluminoborosilicate fibers can be made, for example, as disclosed by US Pat.

さらに好適な繊維はアルミノシリケート繊維を含有し、これは一般的に結晶体であり、約67〜約77重量%(例えば、69、71、73及び75重量%)の範囲で酸化アルミニウム及び約33〜約23重量%(例えば、31、29、27及び25重量%)の範囲で酸化ケイ素を含有する。標準サイズのアルミノシリケート繊維は、例えば、3MCompany製の商品コード「NEXTEL550」として市販されている。さらに、好適なアルミノシリケート繊維は例えば、開示が参照により本明細書中に援用されている特許文献11により開示されているように作製することができる。   Further suitable fibers include aluminosilicate fibers, which are generally crystalline and range from about 67 to about 77% by weight (eg, 69, 71, 73 and 75% by weight) aluminum oxide and about 33%. Contains silicon oxide in the range of ˜about 23 wt% (eg 31, 29, 27 and 25 wt%). The standard size aluminosilicate fiber is commercially available, for example, as a product code “NEXTEL550” manufactured by 3M Company. In addition, suitable aluminosilicate fibers can be made, for example, as disclosed by US Pat. No. 6,053,077, the disclosure of which is incorporated herein by reference.

別の実施形態において、本発明の基材を調製するために用いられる繊維は、Y及びZrOが付加されたα−Al並びに/又はSiOが付加されたα−Al(α−Al/ムライトを形成する)を含有する。 In another embodiment, the fibers used to prepare the substrate of the present invention are α-Al 2 O 3 with added Y 2 O 3 and ZrO 2 and / or α-Al with added SiO 2. 2 O 3 (forms α-Al 2 O 3 / mullite).

様々な具体的な物質は、触媒基材を調製するために用いることができる。一実施形態において、本発明の基材を調製するために用いられる物質は、耐熱性シリカ繊維及び耐熱性アルミニウムボロシリケート繊維を含有するか、或いはそれらから成るか、或いは本質的にそれらから成る。他の実施形態では、触媒基材を調製するために用いられる物質は、耐熱性シリカ繊維、耐熱性等級のアルミナ繊維、及び結合剤、好ましくは酸化ホウ素又は窒化ホウ素粉末を含む。他の実施形態では、繊維は、高級である。   A variety of specific materials can be used to prepare the catalyst substrate. In one embodiment, the materials used to prepare the substrates of the present invention contain, consist of, or consist essentially of heat resistant silica fibers and heat resistant aluminum borosilicate fibers. In other embodiments, the materials used to prepare the catalyst substrate include heat resistant silica fibers, heat resistant grade alumina fibers, and a binder, preferably boron oxide or boron nitride powder. In other embodiments, the fibers are high grade.

別の実施形態において、基材は、重量比が約19:1〜1:19の範囲であるアルミノシリケート繊維及びシリカ繊維並びに繊維の総重量に対して約0.5〜30%の酸化ホウ素から本質的に成る耐熱性複合物質を含む。或いは、アルミノシリケート繊維とシリカ繊維との重量比が、16:1、14:1、12:1、10:1、8:1、6:1、4:1、2:1、1:1、1:2、1:4、1:6、1:8、1:10、1:12、1:14、及び1:16から選択される。他の実施形態では、酸化ホウ素は、約5%、10%、15%、20%、25%、又は30%で存在する。さらなる実施形態では、酸化ホウ素及びアルミノシリケート繊維は、アルミノボロシリケート繊維の形態で存在する。さらなる実施形態では、触媒基材は、nSiRF−C複合物質を含有する(ここで、アルミノシリケート繊維とシリカ繊維との比は、1:9〜2:3の範囲に及び、酸化ホウ素含量は、繊維重量の約1〜6%である)。   In another embodiment, the substrate comprises aluminosilicate and silica fibers having a weight ratio in the range of about 19: 1 to 1:19 and about 0.5-30% boron oxide based on the total weight of the fibers. Includes essentially heat-resistant composite material. Alternatively, the weight ratio of aluminosilicate fiber to silica fiber is 16: 1, 14: 1, 12: 1, 10: 1, 8: 1, 6: 1, 4: 1, 2: 1, 1: 1, Selected from 1: 2, 1: 4, 1: 6, 1: 8, 1:10, 1:12, 1:14, and 1:16. In other embodiments, the boron oxide is present at about 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, or 30%. In a further embodiment, the boron oxide and aluminosilicate fibers are present in the form of aluminoborosilicate fibers. In a further embodiment, the catalyst substrate contains an nSiRF-C composite (wherein the ratio of aluminosilicate fibers to silica fibers ranges from 1: 9 to 2: 3 and the boron oxide content is About 1-6% of the fiber weight).

別の実施形態において、本発明の基材を調製するのに好適な繊維は、NEXTEL(登録商標)セラミック繊維312、NEXTEL(登録商標)セラミック繊維440、NEXTEL(登録商標)セラミック繊維550、NEXTEL(登録商標)セラミック繊維610、及びNEXTEL(登録商標)セラミック繊維720等の3M製の耐熱性繊維が含まれる。複合材料等級繊維である、Nextel(登録商標)繊維610、650、及び720は、より精製されたα−Alに基づく結晶構造を有し、ガラス相を全く含有しない。このことは、この繊維が、産業繊維よりもより高温で強度を維持することを可能にする。Nextel(登録商標)繊維610は、本質的にα−Alの単相複合物質を有する。Nextel(登録商標)繊維610は、室温では最も高い強度から始まるにもかかわらず、ある温度では最も低い保持強度を有する。Y及びZrOが付加されたα−AlであるNextel(登録商標)繊維650、並びにSiOが付加されたα−AlであるNextel(登録商標)繊維720の両方とも、ある温度でより高い保持強度及びより低いクリープを有する。 In another embodiment, suitable fibers for preparing the substrate of the present invention include: NEXTEL® ceramic fiber 312, NEXTEL® ceramic fiber 440, NEXTEL® ceramic fiber 550, NEXTEL ( 3M heat-resistant fibers, such as registered ceramic fiber 610 and NEXTEL® ceramic fiber 720 are included. Composite grade fibers Nextel® fibers 610, 650, and 720 have a crystal structure based on more refined α-Al 2 O 3 and do not contain any glass phase. This allows the fiber to maintain strength at higher temperatures than industrial fiber. Nextel® fibers 610 essentially comprise a single phase composite material of α-Al 2 O 3 . Nextel® fibers 610 have the lowest holding strength at certain temperatures, even though they start at the highest strength at room temperature. Nextel® fiber 650, which is α-Al 2 O 3 to which Y 2 O 3 and ZrO 2 are added, and Nextel® fiber 720, which is α-Al 2 O 3 to which SiO 2 is added. Both have higher holding strength and lower creep at certain temperatures.

別の好適な実施形態において、nSiRF−Cは、以下の特性を有する、Al、SiO、及びBを含有するセラミック繊維から製造されるか、又は含む(或いは、それらから成るか、若しくは本質的にそれらから成る):1)融点、約1,600℃〜約2,000℃、好ましくは約1,800℃;2)密度、約2〜約4g/cc、好ましくは約2.7〜約3g/cc、3)屈折率、約1.5〜約1.8、より好ましくは1.56、1.60、1.61、1.67、及び1.74から選ばれる;4)フィラメント引っ張り強度(測定基準、25.4mm)、約100〜約3,500MPa、より好ましくは約150〜約200MPa又は約2,000〜約3,000MPa、或いは150、190、193、2,100、又は3,100MPaから選らばれる、5)熱膨張(100〜1,100℃)、約2〜約10、好ましくは約3〜約9、より好ましくは3、4、5.3、6、及び8から選択される、及び6)表面積、約0.4m/g未満、より好ましくは、約0.2m/g未満。他の実施形態では、繊維の結晶相は、ムライト及び非晶質であり、実質的に非晶質なγ−Al、又は非晶質なSiOである。さらに他の実施形態では、本発明による基材の調製に用いるのに適した繊維の誘電率は、約5〜約9である(9.375GHzで)、又は好ましくは5.2、5.4、5.6、5.7、5.8、6、7、8、及び9から成る群から選択される。 In another preferred embodiment, nSiRF-C is made from or includes (or consists of) ceramic fibers containing Al 2 O 3 , SiO 2 , and B 2 O 3 having the following properties: 1) Melting point, about 1,600 ° C. to about 2,000 ° C., preferably about 1,800 ° C .; 2) Density, about 2 to about 4 g / cc, preferably About 2.7 to about 3 g / cc, 3) refractive index, about 1.5 to about 1.8, more preferably selected from 1.56, 1.60, 1.61, 1.67, and 1.74 4) Filament tensile strength (metric, 25.4 mm), 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, 2,100, Is selected from 3,100 MPa, 5) thermal expansion (100-1100 ° C.), 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 other embodiments, the crystalline phase of the fiber is mullite and amorphous, substantially amorphous γ-Al 2 O 3 , or amorphous SiO 2 . In still other embodiments, the dielectric constant of fibers suitable for use in preparing a substrate according to the present invention is from about 5 to about 9 (at 9.375 GHz), or preferably 5.2, 5.4. Selected from the group consisting of 5.6, 5.7, 5.8, 6, 7, 8, and 9.

或る実施形態において、本発明の基材は、実質的に繊維製造プロセスにおいて粒子状セラミック(いわゆる、結晶質セラミック、ガラス、又はガラス−セラミック)を含有しないことを意味する「ショット−フリー」である。   In certain embodiments, the substrate of the present invention is “shot-free” meaning that it is substantially free of particulate ceramic (so-called crystalline ceramic, glass, or glass-ceramic) in the fiber manufacturing process. is there.

或る実施形態において、nSiRF C複合材料は、「柔軟性がない」。一実施形態では、柔軟性がない基材とは、破壊、割れ、又は恒久的に変形若しくは奇形になることなく、(曲げ点に対して)1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、又は25°以上曲げることのできない基材を指す。   In some embodiments, the nSiRF C composite is “inflexible”. In one embodiment, an inflexible substrate is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 without breaking, cracking, or permanently deforming or deforming (relative to the bending point). , 8, 9, 10, 15, 20, or 25 ° or more.

本発明の異なる実施形態で使われる繊維径は、変化し得る。或る実施形態において、平均径は、約1〜約50μm(ミクロン)、好ましくは1〜約20μm(ミクロン)である。別の実施形態では、平均径は、約6、7、8、9、10、11、12、13、14、又は15μm(ミクロン)である。別の実施形態では、アルミニアボリアシリカ繊維の平均繊維径は、約10〜約12μm(ミクロン)である。   The fiber diameter used in different embodiments of the invention can vary. In some embodiments, the average diameter is about 1 to about 50 μm (microns), preferably 1 to about 20 μm (microns). In another embodiment, the average diameter is about 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, or 15 μm (microns). In another embodiment, the average fiber diameter of the aluminia boria silica fibers is about 10 to about 12 μm (microns).

別の実施形態において、本発明の触媒基材は、窒化ホウ素等の結合剤をさらに含有する。本発明の別の実施形態では、窒化ホウ素は、アルミナボロシリカ繊維を用いない場合、アルミナボロシリカ繊維に代わって付与される。つまり、幾つかの実施形態では、基材は、上記の重量%と同程度のシリカ繊維、アルミナ繊維、及び窒化ホウ素を含む(又はそれらから成る、或いは本質的にそれらから成る、或いはそれらから製造される)。さらなる実施形態では、基材はシリカ繊維、アルミナ繊維、及びホウ素結合剤を含む。或る実施形態では、これらはそれぞれ、有機結合剤、無機結合剤及び幾つかの繊維性又は非繊維性の不純物等の他の物質を少量含み得る。別の実施形態では、基材は、有機結合剤を含まない。さらに別の例では、nSiRF−Cを製造するために用いられる結合剤は、作製プロセス中に物質的に変更され、このことは当該技術分野において既知である。   In another embodiment, the catalyst substrate of the present invention further contains a binder such as boron nitride. In another embodiment of the present invention, boron nitride is applied in place of alumina borosilica fibers when no alumina borosilica fibers are used. That is, in some embodiments, the substrate comprises (or consists of, consists essentially of, or is made of) silica fiber, alumina fiber, and boron nitride as much as the weight percents described above. ) In a further embodiment, the substrate comprises silica fibers, alumina fibers, and a boron binder. In some embodiments, each of these may contain small amounts of other materials such as organic binders, inorganic binders and some fibrous or non-fibrous impurities. In another embodiment, the substrate does not include an organic binder. In yet another example, the binder used to produce nSiRF-C is materially altered during the fabrication process, as is known in the art.

本発明の基材の調製に使用するのに適する付加的な物質は、繊維重に対して2〜12%の窒化ホウ素を有する非晶質シリカ及び/又はアルミナ繊維から調製される低密度融解繊維状セラミック複合材料が記載されている、特許文献12に開示されている。別の実施形態では、増粘剤が添加される。好適な増粘剤は、当該技術分野において既知である。   Additional materials suitable for use in preparing the substrate of the present invention are low density fused fibers prepared from amorphous silica and / or alumina fibers having 2-12% boron nitride based on fiber weight. A ceramic composite material is described in US Pat. In another embodiment, a thickener is added. Suitable thickeners are known in the art.

別の実施形態において、nSiRF−Cを調製するために使用されるセラミック繊維は、約700MPa(100,000psi)より大きく、好ましくは約1,200MPa(200,000psi)より大きく、さらに好ましくは約1,800MPa(300,000psi)より大きく、最も好ましくは約2,100MPa(350,000psi)より大きい平均引っ張り強度を有する。   In another embodiment, the ceramic fibers used to prepare nSiRF-C are greater than about 700 MPa (100,000 psi), preferably greater than about 1,200 MPa (200,000 psi), more preferably about 1 , 800 MPa (300,000 psi), and most preferably greater than about 2,100 MPa (350,000 psi).

別の実施形態において、分散剤が添加される。好適な分散剤は、当該技術分野において既知である。   In another embodiment, a dispersant is added. Suitable dispersants are known in the art.

他の実施形態において、触媒基材は、本明細書中に記載されるような、及び/若しくは当該技術分野で既知であるような1つ又は複数の態様で処理、変更、修正、並びに/或いは強化される。   In other embodiments, the catalyst substrate is treated, altered, modified, and / or in one or more aspects as described herein and / or as known in the art. Strengthened.

さらに他の実施形態において、種々の発生源の少量の不純物が存在する。これらの場合、不純物はnSiRF−C及び/又はその属性に実質的に影響を及ぼさない。   In still other embodiments, there are small amounts of impurities from various sources. In these cases, the impurities do not substantially affect nSiRF-C and / or its attributes.

本発明の基材は、NEXTEL(登録商標)織布又はマットを含まない。   The substrate of the present invention does not include a NEXTEL® woven fabric or mat.

触媒
別の態様では、本発明は、触媒を含む上記のような基材に向けられる。任意数の触媒は、基材とともに用いられて、触媒基材を形成する。触媒は、基材の表面に被覆され得る。即ち触媒は、一実施形態では、触媒基材の表面(例えば溝の壁)に吸着される。触媒は、基材のコアの内側にも存在し、基材の個々の繊維に付着される。或る実施形態では、本発明は、現在の技術と比較して、同一の又はそれより良好なレベルで機能し得るが、より少量の触媒を要する。
Catalyst In another aspect, the invention is directed to a substrate as described above comprising a catalyst. Any number of catalysts are 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 is adsorbed on the surface of the catalyst substrate (eg, the groove wall). The catalyst is also present inside the core of the substrate and is attached to the individual fibers of the substrate. In some embodiments, the present invention may function at the same or better levels as compared to current technology, but requires a smaller amount of catalyst.

別の実施形態では、触媒は溝壁表面にのみ沈着され、溝壁内部には沈着されない。別の実施形態では、触媒は入口溝壁上、出口溝壁上、壁内、又はそれらの組合せに沈着される。さらに別の実施形態では、一次触媒は、溝壁の開始部位又は近位部分に一列に並び、被覆、又は浸透し;二次触媒は、溝壁の中間部分に一列に並び、被覆、又は浸透し;さらに溝壁の末端区域の三次触媒である。   In another embodiment, the catalyst is deposited only on the groove wall surface and not within the groove wall. In another embodiment, the catalyst is deposited on the inlet groove wall, on the outlet groove wall, in the wall, or a combination thereof. In yet another embodiment, the primary catalyst is aligned, coated or penetrated at the start or proximal portion of the groove wall; the secondary catalyst is aligned, coated or penetrated at the intermediate portion of the groove wall. And a tertiary catalyst in the end section of the groove wall.

一実施形態では、本発明の触媒基材は、好ましくは触媒金属を含有する。別の金属では、触媒基材は、触媒金属を含有しない。しかしながらある条件下では、基材は、別個の触媒金属を必要とせずに適切な反応を触媒し得る、例えば或る実施形態では、下記のようなウォッシュコートが触媒として機能し得る。   In one embodiment, the catalyst substrate of the present invention preferably contains a catalytic metal. For other metals, the catalyst substrate does not contain a catalyst metal. However, under certain conditions, the substrate can catalyze an appropriate reaction without the need for a separate catalytic metal, for example, in certain embodiments, a washcoat as described below can function as a catalyst.

基材に適用可能な任意の触媒を使用することが出来る。このような触媒は、白金、パラジウム(例えば、酸化パラジウム)、ロジウム、酸化物等のそれらの誘導体及びそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。また、触媒は貴金属、貴金属の組み合わせ又は酸化触媒のみに限定されない。他の好適な触媒として、クロム、ニッケル、レニウム、ルテニウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金及び金、イリジウム、それらの誘導体並びにそれらの混合物が挙げられる。他の好適な触媒として、特許文献13および特許文献14に開示されている(この開示は参照により本明細書中に援用される)、パラジウム及び希土類金属の二元酸化物が挙げられる。これらの二元酸化物は希土類金属酸化物と酸化パラジウムとの固相反応により得られ、例えば、SmPdO、NdPdO、PrPdO又はLa4PdOが製造され得る。本発明に使用することができる他の触媒は、特許文献15に開示されているものが挙げられる(マツダモーター株式企業に譲渡された)。他の好適な触媒としては、非金属触媒、有機触媒、卑金属触媒、貴金属触媒(precious metal catalysts)及び貴金属触媒が挙げられる。 Any catalyst applicable to the substrate can be used. Such catalysts include, but are not limited to, platinum, palladium (eg, palladium oxide), rhodium, derivatives thereof such as oxides, and mixtures thereof. Further, the catalyst is not limited to a noble metal, a combination of noble metals, or an oxidation catalyst. Other suitable catalysts include chromium, nickel, rhenium, ruthenium, silver, osmium, iridium, platinum and gold, iridium, derivatives thereof and mixtures thereof. Other suitable catalysts include binary oxides of palladium and rare earth metals, as disclosed in US Pat. These binary oxide is obtained by a solid phase reaction between palladium oxide and rare earth metal oxides, e.g., Sm 4 PdO 7, Nd 4 PdO 7, Pr 4 PdO 7 or La4PdO 7 can be manufactured. Other catalysts that can be used in the present invention include those disclosed in Patent Document 15 (assigned to Mazda Motor Corporation). Other suitable catalysts include non-metallic catalysts, organic catalysts, base metal catalysts, precious metal catalysts and noble metal catalysts.

他の好適な触媒は、(Johnson Matthey Public Limited Companyにより譲渡された)特許文献16に開示されている。貴金属を含有しない触媒は、本発明で用いることができる。このような触媒は特許文献17に見られる。   Other suitable catalysts are disclosed in U.S. Patent No. 6,057,034 (assigned by Johnson Matthey Public Limited Company). A catalyst containing no noble metal can be used in the present invention. Such a catalyst is found in US Pat.

Engelhardによって開発された別の好適な白金触媒は、5:1比でPt/Rh(約0.18〜5.30kg/m(約5〜150g/ft)の量で適用)及びMgO(1.06〜52.98kg/m(30〜1,500g/ft)の量で適用)から成る。 Another suitable platinum catalyst developed by Engelhard is a 5: 1 ratio of Pt / Rh (applied in an amount of about 0.18-5.30 kg / m 3 (about 5-150 g / ft 3 )) and MgO ( 1.06 to 52.98 kg / m 3 (applied in an amount of 30 to 1,500 g / ft 3 ).

他の実施形態では、バナジウム及びその誘導体(例えばV)は、特にディーゼル粒子フィルターのための有用な触媒である。このような触媒は、市販のディーゼル粒子フィルターに用いられてきた。 In other embodiments, vanadium and its derivatives (eg, V 2 O 5 ) are useful catalysts, particularly for diesel particulate filters. Such catalysts have been used in commercial diesel particle filters.

以外のバナジウム化合物、例えば銀又は銅バナジウム酸塩を利用する触媒が開発された。バナジウム酸銅卑金属触媒の一例は、Heraeus(Strutz 1989)により開発された。触媒は、約3:2:0.13のモル比のCu:V:Kで炭酸カリウムを用いてバナジウム酸銅Cuをドーピングし、焼成することにより調製され得る。触媒荷重は、10〜80g/m(濾過表面積)であった。別の適切な触媒はCu/ZSM5で、これはDeNox触媒として用いられ得る。 Catalysts have been developed that utilize vanadium compounds other than V 2 O 5 , such as silver or copper vanadate. An example of a copper vanadate base metal catalyst was developed by Heraeus (Strutz 1989). The catalyst can be prepared by doping and calcining copper vanadate Cu 3 V 2 O 8 with potassium carbonate at a molar ratio of Cu: V: K of about 3: 2: 0.13. The catalyst load was 10 to 80 g / m 2 (filtration surface area). Another suitable catalyst is Cu / ZSM5, which can be used as a DeNox catalyst.

貴金属(例えば白金、パラジウム及びロジウム)は最も一般的で且つ好ましいが、当該技術分野で既知の他の触媒も用いられ得る。これら3つの貴金属は、内燃機関排出に伴う優れた、高度に効率的な触媒として知られてきた。25年を超える触媒コンバーターにおいて、この三つ組に代わる有意の代替物は実際に存在しなかった。しかしながら本来の装備メーカー、車両、車両荷重、環境規制、エンジン、変速装置等により設計されるこれらの触媒の数千の組合せが存在する。トラック及び自動車製造産業全体を通して、触媒の種々の組合せ及び処方が用いられる。本発明による触媒基材は、任意の1つ又は複数のこれらの触媒の組合せを含む。多くの組合せは、熟慮された有標(proprietary)材料である。フォード、GM及びトヨタのようなメーカーは、種々の車両重量及びエンジン性能要求のため、各車両に関する独自の触媒処方を有する。メーカーはまた、車両が販売又は認可される場所(例えばカナダ、米国、カリフォルニア州、メキシコ)によって、同一車両に関して異なる触媒処方を有する。一般にこれらの処方物は、厳しい政府規制のため、モデル年当たりの車両当たりで2〜3回変わり得る。これらの理由のため、ほとんどのメーカーは、触媒コーティング自体の適用を取り扱う。   Noble metals such as platinum, palladium and rhodium are the most common and preferred, but other catalysts known in the art can also be used. These three precious metals have been known as excellent, highly efficient catalysts associated with internal combustion engine emissions. In catalytic converters over 25 years, there was actually no significant alternative to this triplet. However, there are thousands of combinations of these catalysts designed by the original equipment manufacturer, vehicle, vehicle load, environmental regulations, engine, transmission, etc. Various combinations and formulations of catalysts are used throughout the truck and automobile manufacturing industry. The catalyst substrate according to the present invention comprises any one or more combinations of these catalysts. Many combinations are contrived proprietary materials. Manufacturers such as Ford, GM and Toyota have their own catalyst formulations for each vehicle due to various vehicle weight and engine performance requirements. Manufacturers also have different catalyst formulations for the same vehicle, depending on where the vehicle is sold or licensed (eg, Canada, USA, California, Mexico). In general, these formulations may vary 2-3 times per vehicle per model year due to strict government regulations. For these reasons, most manufacturers deal with the application of the catalyst coating itself.

さらなる実施形態では、触媒基材は、市販触媒環境に用いられるnSiRF C及び触媒を含む。   In a further embodiment, the catalyst substrate comprises nSiRF C and a catalyst used in a commercial catalyst environment.

一態様では、基材が一旦その最終寸法に造形され、ウォッシュコートが適用、硬化されると、既知の技法及び方法(例えば、特許文献18及び特許文献19(これらの開示はともに、参照により本明細書中で全体に援用される))に開示されたようなパラジウム−白金系の触媒を適用するという方法)を用いて、1つ又は複数の触媒が適用される。   In one aspect, once the substrate has been shaped to its final dimensions, and the washcoat has been applied and cured, known techniques and methods (eg, US Pat. One or more catalysts are applied using a method) of applying a palladium-platinum-based catalyst as disclosed in)), which is incorporated herein in its entirety.

一実施形態では、触媒は、触媒作用が有効に起こるのに十分な量である。例えば十分な量とは、一実施形態では、例えば80%、85%、90%、95%、97%、98%及び99%等といったような、できるだけ多くの排気物と相互作用し、それらと反応するのに十分な排気物の経路中の触媒(例えば貴金属)の量を指す。   In one embodiment, the catalyst is in an amount sufficient for catalysis to occur effectively. For example, a sufficient amount, in one embodiment, interacts with as many exhausts as possible, such as 80%, 85%, 90%, 95%, 97%, 98% and 99%, and so on. Refers to the amount of catalyst (eg noble metal) in the exhaust path sufficient to react.

一実施形態では、触媒は、好ましくは個々の結晶として、ウォッシュコート上に沈着又はその中に含浸される。この実施形態では、触媒は(壁上の塗料のような)ウォッシュコート上のベニヤ様コーティングとして適用されない。触媒がウォッシュコートに含浸される場合、それらは、最終産物が、部分的に又は実質的に、個々の結晶のコロニーであるよう、適用される。これは、プレッツェル上の塩結晶のように可視化され得る。触媒間に十分な間隔が提供されるのが好ましい。同時に、流体経路(例えば排気経路)中に、最適触媒活性操作温度(即ち点火)で、十分な貴金属が存在すべきであり、貴金属は、車両及びエンジンの機能性及び設計により可能になる物理学的制約(即ち空間)内に適合しなければならない。   In one embodiment, the catalyst is deposited on or impregnated in the washcoat, preferably as individual crystals. In this embodiment, the catalyst is not applied as a veneer-like coating on the washcoat (such as paint on the wall). When the catalyst is impregnated into the washcoat, they are applied such that the final product is partially or substantially individual colonies of crystals. This can be visualized as a salt crystal on a pretzel. It is preferred that sufficient spacing is provided between the catalysts. At the same time, there should be sufficient noble metal in the fluid path (eg, exhaust path) at the optimum catalytically active operating temperature (ie, ignition) and the physics enabled by vehicle and engine functionality and design. Must fit within the physical constraints (ie space).

製造目標は、基材上に必要とされる触媒の量を最小限にしながら、除去する汚染物質を最大にすることである。各車両は異なる量の汚染物質を生じ、そのようなものとして、基材は、いくつかの実施形態では、そのレベルの汚染物質に取り組み、貴金属の量を最小限にするように特注される。   The manufacturing goal is to maximize the contaminants removed while minimizing the amount of catalyst required on the substrate. Each vehicle produces a different amount of contaminant, as such, in some embodiments, the substrate is tailored to address that level of contaminant and minimize the amount of precious metal.

別の実施形態では、触媒基材への触媒付加は、基材が製造される時のスラリープロセス中に起こり得て、或いはそれは機械加工プロセス(下記)後に起こり得る。この場合、触媒は、任意の加熱過程前に、繊維のスラリーと混合される。   In another embodiment, catalyst addition to the catalyst substrate can occur during the slurry process when the substrate is manufactured, or it can occur after a machining process (below). In this case, the catalyst is mixed with the fiber slurry prior to any heating process.

単一及び多くの触媒処方物は、単一基材に適用され得て、或いは存在する触媒コンバーター及び排気系に対してフィルターのサイズが小さいため、多基材の構成が可能である。したがって一実施形態における本発明の触媒基材は、1つ又は複数の帯域を含むか、又はそれらから成るか、又は本質的にそれらから成り、この場合、各帯域は異なる触媒を有する。或いは1つ又は複数の帯域は、触媒処理され得ない。例えば本発明の触媒基材は、基材の前表面を含有する一帯域中の酸化触媒、及び後表面を含有する別の帯域中の還元触媒を含み得る。   Single and many catalyst formulations can be applied to a single substrate, or because of the small size of the filter relative to existing catalytic converters and exhaust systems, multi-substrate configurations are possible. Thus, the catalyst substrate of the present invention in one embodiment comprises, consists of or consists essentially of one or more zones, where each zone has a different catalyst. Alternatively, one or more zones cannot be catalyzed. For example, the catalyst substrate of the present invention can include an oxidation catalyst in one zone containing the front surface of the substrate and a reduction catalyst in another zone containing the back surface.

基材がフロースルー立体構成として用いられるべきである場合には、触媒又は触媒の大多数が溝の表面に沿って存在するのが好ましいが、必要とされるわけではない。基材がウォールフロー立体構成に機械加工される場合には、ガスは基材のすべてを通って移動使用としているが、まさに通過中であるわけではないので、触媒が基材全体に均一に分布されるのが好ましい。   If the substrate is to be used in a flow-through configuration, it is preferred, but not required, that the catalyst or the majority of the catalyst be present along the surface of the groove. When the substrate is machined to a wall flow configuration, the gas is intended to travel through all of the substrate, but not exactly passing through, so the catalyst is evenly distributed throughout the substrate. Preferably it is done.

例えば本発明の基材は、触媒処理ディーゼル粒子フィルター(CDPF)中に用いられ得る。CDPFは、基材上に直接沈着される触媒を利用する。貴金属及び卑金属触媒(例えば白金、銀、銅、バナジウム、鉄、モリブデン、マンガン、クロム、ニッケル、それらの誘導体(例えば酸化物)等)が、ともに用いられ得る。フィルターの種類によって、触媒は媒体中に直接含浸され得るし、或いは中間体ウォッシュコート層が用いられ得る。CDPFは、エンジン技術(PM排気物)及び燃料の質(硫黄含量)によって、再生のために、約325〜420℃の排気温度を利用し得る。   For example, the substrate of the present invention can be used in a catalyzed diesel particulate filter (CDPF). CDPF utilizes a catalyst that is deposited directly on the substrate. Noble metal and base metal catalysts (eg, platinum, silver, copper, vanadium, iron, molybdenum, manganese, chromium, nickel, their derivatives (eg, oxides), etc.) can be used together. Depending on the type of filter, the catalyst can be impregnated directly into the medium or an intermediate washcoat layer can be used. CDPF may utilize an exhaust temperature of about 325-420 ° C. for regeneration, depending on engine technology (PM exhaust) and fuel quality (sulfur content).

白金は、最も活性な、そして最も一般的に用いられる貴金属触媒の1つであるが、パラジウム、ロジウム又はルテニウム触媒も、通常は混合物で、本発明に用いるのに適している。触媒コンバーター中に用いられる一般的非白金群金属としては、バナジウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、銅及び銀が挙げられる。一実施形態では、白金は、ディーゼルエンジンとともに用いるための好ましい触媒である。別の実施形態では、ガソリンエンジンとともに用いるのに適したパラジウム及びロジウムである。   Platinum is one of the most active and most commonly used noble metal catalysts, but palladium, rhodium or ruthenium catalysts are also usually mixtures and are suitable for use in the present invention. Common non-platinum group metals used in catalytic converters include vanadium, magnesium, calcium, strontium, barium, copper and silver. In one embodiment, platinum is a preferred catalyst for use with a diesel engine. In another embodiment, palladium and rhodium suitable for use with a gasoline engine.

触媒は、一般的には非常に高価である。したがって、用いられる触媒の最小量で汚染の最大低減を達成するのが望ましい。2つの一般的触媒である白金及びパラジウムは、ともに高価な貴金属である。均一分布結晶又は層として触媒が残存する大表面積を伴って多孔性浸透性を有する基材は、その目的達成を可能にしている。本発明の利点は、従来の基材と比較して、必要とされる触媒の量がより少ないことである。   Catalysts are generally very expensive. Therefore, it is desirable to achieve the maximum reduction in contamination with the minimum amount of catalyst used. Two common catalysts, platinum and palladium, are both expensive noble metals. A substrate having porous permeability with a large surface area in which the catalyst remains as uniformly distributed crystals or layers makes it possible to achieve that purpose. An advantage of the present invention is that less catalyst is required compared to conventional substrates.

1990年代を通してオフロードエンジンのために用いられたフィルター中の一般的白金含有量は、1,236〜1,766g/m(35〜50g/ft)であった。相対的に高汚染エンジンに組み込まれるこれらのフィルターは、再生のために約400℃の最小温度を要した。後に、触媒フィルターがはるかに清浄な都市バス及びその他の高速道路車両エンジンに適用された場合に、触媒フィルターははるかに低い温度で再生し得るということが判明した。しかしながら、低温再生を支持するためにはより高い白金量が必要とされた。クリーンエンジン低温用途に用いられるフィルターは、一般的には1,766〜2,648g/m(50〜75g/ft)の白金量を有する。 Typical platinum content in filters used for off-road engines throughout the 1990s was 1,236-1,766 g / m 3 (35-50 g / ft 3 ). These filters incorporated in relatively high pollution engines required a minimum temperature of about 400 ° C. for regeneration. Later, it was found that when applied to much cleaner city buses and other highway vehicle engines, the catalyst filter could be regenerated at a much lower temperature. However, higher platinum levels were required to support low temperature regeneration. Filters used for clean engine low temperature applications generally have platinum amounts of 1,766 to 2,648 g / m 3 (50 to 75 g / ft 3 ).

一実施形態では、触媒基材は、約35.32〜約3,532g/m(約1〜約100g/ft)、約35.32〜約1,766g/m(約1〜約50g/ft)、約35.32〜約1,236g/m(約1〜約30g/ft)又は約353.2〜約1,413g/m(約10〜約40g/ft)の量で触媒を含む。 In one embodiment, the catalyst substrate is about 35.32 to about 3,532 g / m 3 (about 1 to about 100 g / ft 3 ), about 35.32 to about 1,766 g / m 3 (about 1 to about 50 g / ft 3 ), about 35.32 to about 1,236 g / m 3 (about 1 to about 30 g / ft 3 ), or about 353.2 to about 1,413 g / m 3 (about 10 to about 40 g / ft 3). ) In the amount of catalyst.

別の実施形態では、触媒基材、好ましくはnSiRF−C(例えばAETB、OCTB及びFRCI)は、約5:1の比で、約1,236g/m(約30g/ft)の量で白金及びロジウムの触媒を含む。 In another embodiment, the catalyst substrate, preferably nSiRF-C (eg, AETB, OCTB, and FRCI) is used in an amount of about 1,236 g / m 3 (about 30 g / ft 3 ) in a ratio of about 5: 1. Contains platinum and rhodium catalysts.

濾過基材
本発明は、粒子フィルター及び関連装置に用いられ得る、本明細書中に記載されるような不織焼結耐火性繊維性セラミック(nSiRF−C)複合材料を含む触媒基材に向けられる。濾過基材は、濾過のために、特に粒子状物質を濾過するために有用である特定の形状、デザイン、サイズ及び立体構成に作り上げられる。濾過基材は、極端な条件(温度、圧力等)下で粒子状物質を濾過するために、例えば排気ガス流を濾過するために、特に有用である。濾過基材は、小粒子状物質の濾過が必要とされる付加的用途に用いられ得る。
Filtration substrate The present invention is directed to a catalyst substrate comprising a non-woven sintered refractory fibrous ceramic (nSiRF-C) composite material as described herein that can be used in particle filters and related equipment. It is done. The filtration substrate is made up to a specific shape, design, size and configuration that is useful for filtration, particularly for filtering particulate matter. Filter substrates are particularly useful for filtering particulate matter under extreme conditions (temperature, pressure, etc.), for example, for filtering an exhaust gas stream. The filtration substrate can be used for additional applications where filtration of small particulate matter is required.

一実施形態では、濾過基材は、触媒基材に関して上記されたようなnSiRF−C複合材料を含み、或いはそれらから成り、或いは本質的にそれらから成る。濾過基材は、触媒を含有しない。触媒基材の基材として用いるのに適した材料の変更、実施形態及び実施例はすべて、同様に本発明の濾過基材に適している。   In one embodiment, the filtration substrate comprises, consists of, or consists essentially of nSiRF-C composite materials as described above for the catalyst substrate. The filtration substrate does not contain a catalyst. All material modifications, embodiments and examples suitable for use as a catalyst substrate are equally suitable for the filtration substrate of the present invention.

濾過基材は、本明細書中に記載される使用に、特にディーゼル粒子トラップのような粒子トラップ及びディーゼル粒子フィルターに用いるのに適した立体構成に造形される。   The filtration substrate is shaped into a configuration suitable for use as described herein, particularly for use in particle traps and diesel particle filters, such as diesel particle traps.

一実施形態では、本発明の濾過基材は、アルミナ強化型断熱(「AETB」)材料又は当業者に既知の同様の材料である。AETBは、アルミナボリアシリカ(アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知)繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維から作られる。AETBに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入のための理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。独自の且つ宇宙産業に望ましいAETBを作り上げる属性は、有機燃焼技術においても選択される。AETBは、高融点、低い熱伝導度及び低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。   In one embodiment, the filtration substrate of the present invention is an alumina reinforced thermal insulation (“AETB”) material or similar material known to those skilled in the art. AETB is made from alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate, and aluminoborosilicate) fibers, silica fibers, and alumina fibers. One generally known application for AETB is as an external tile on the space shuttle, which is ideal for shuttle reentry. The attributes that create a unique and desirable AETB for the space industry are also selected in organic combustion technology. AETB has a high melting point, low thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, ability to withstand thermal and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability.

本発明の濾過基材は、任意に1つ又は複数の化学添加剤で処理される。   The filtration substrate of the present invention is optionally treated with one or more chemical additives.

別の実施形態では、本発明は、フィルターに適用される任意の触媒を伴わずに、本明細書中に記載されるようなフィルターを含むディーゼル粒子トラップに向けられる。   In another embodiment, the present invention is directed to a diesel particle trap comprising a filter as described herein without any catalyst applied to the filter.

別の実施形態では、本発明は、CRT(登録商標)ディーゼル粒子トラップ(NO、HC吸着剤)と組合せて、本明細書中に記載されるようなフィルターを含むディーゼル粒子トラップに向けられる。 In another embodiment, the present invention is directed to a diesel particle trap comprising a filter as described herein in combination with a CRT® diesel particle trap (NO x , HC adsorbent).

別の実施形態では、本発明は、SCRと組合せて、本明細書中に記載されるようなフィルターを含むディーゼル粒子トラップに向けられる。   In another embodiment, the present invention is directed to a diesel particle trap comprising a filter as described herein in combination with an SCR.

別の実施形態では、フィルター基材は、以下でさらに詳細に記載されるように複数の溝を含む。さらに濾過基材は、本明細書中に記載されるように及び/又は当該技術分野で既知であるように、1つ又は複数の態様において、修正、変更、及び/又は強化され得る。   In another embodiment, the filter substrate includes a plurality of grooves as described in further detail below. Further, the filtration substrate may be modified, altered, and / or enhanced in one or more aspects as described herein and / or as is known in the art.

触媒及び濾過基材の属性
本発明は、従来の触媒基材又は濾過基材より有益である、1つ又は複数の、好ましくは少なくとも3、4、5、6、7、8、9又は10個の属性を有する。
Catalyst and Filtration Substrate Attributes The present invention has one or more, preferably at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 which are more beneficial than conventional catalyst or filtration substrates. It has the attribute of.

使用の適性
本発明は、或る実施形態では、触媒コンバーターに用いるのに適したnSiRF−C及び触媒を含む触媒基材又は濾過基材に向けられる。基材は、任意数の触媒コンバーター、濾過装置及びその用途に用いるのに適している。
Suitability for use The present invention is directed, in one embodiment, to a catalytic or filtration substrate comprising nSiRF-C and a catalyst suitable for use in a catalytic converter. The substrate is suitable for use in any number of catalytic converters, filtration devices and applications.

例えば、本発明の触媒基材及び濾過基材は、従来技術の基材に一般的に用いられるどのような用途における使用にも適している。好適な使用とは、排気系での本発明の基材の使用を含み、その排気系は1)可動性オンロード(mobile on-road)のエンジン、装備及び車両(自動車及び軽トラック;公道用オートバイ及びストリート用オートバイ、三輪オートバイ(例えば、電動三輪車、オートリッチショー)、電動三輪車;トラック及びバス等の大型公道用エンジンを含む)、2)可動性オフロード用のエンジン、装備及び車両(圧縮燃焼エンジン(農場用、建設用、採鉱用等);小型のスパーク燃焼エンジン(芝刈り機、リーフブロワー、チェーンソー等);大型のスパーク燃焼エンジン(フォークリフト、発電機等);舶用ディーゼルエンジン(商業用船舶、レクリエーションディーゼル等);舶用スパーク燃焼エンジン(ボート、個人用帆船等);レクリエーション車両(スノーボービル、ダートバイク、オール・テラインビーグル等);機関車;航空機(飛行機、地上支援装置等)を含む)、3)固定汚染源(発電所、精製所及び製造工場等の数百の汚染源を含む)の任意の排気系であるが、それらに限定されない。   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 the use of the substrate of the present invention in an exhaust system, the exhaust system 1) mobile on-road engines, equipment and vehicles (automobiles and light trucks; for public roads) Motorcycles and street motorcycles, three-wheeled motorcycles (eg, electric tricycles, auto-rich shows), electric tricycles (including large public road engines such as trucks and buses), 2) mobile off-road engines, equipment and vehicles (compression) Combustion engine (for farm, construction, mining, etc.); Small spark combustion engine (lawn mower, leaf blower, chainsaw, etc.); Large spark combustion engine (forklift, generator, etc.); Marine diesel engine (commercial use) Ships, recreational diesel, etc.); marine spark combustion engines (boats, personal sailing vessels, etc.); recreational vehicles ( Snowboard building, dirt bike, all-terrain beagle, etc.); locomotive; aircraft (including airplanes, ground support equipment, etc.)), 3) stationary pollution sources (including hundreds of pollution sources such as power plants, refineries and manufacturing plants) ) Any exhaust system, but not limited thereto.

別の実施形態では、本明細書中に記載されるような基材が、触媒コンバーターの一部である場合、車両がEPAにより定義されるように1990、2007及び2010のいずれか1つの排出基準を満たすよう機能する場合には、本発明の触媒基材は特定車両に用いるのに適している。   In another embodiment, if the substrate as described herein is part of a catalytic converter, the emission criteria of any one of 1990, 2007 and 2010 as the vehicle is defined by EPA. When it functions so as to satisfy the above, the catalyst base material of the present invention is suitable for use in a specific vehicle.

別の実施形態において、触媒基材は、高いレベルで汚染物質の非汚染物質への反応を触媒する。例えば、汚染物質の非汚染物質への変換は50%より大きい効率で触媒される。別の実施形態では、汚染物質の非汚染物質への変換は60%より大きい効率で触媒される。さらに他の実施形態では、変換率は70%、80%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、及び99.9%から成る群から選択される。或る実施形態では、変換率は非粒子状汚染物質の総変換を示す。別の実施形態では、変換率は特定の非粒子状汚染物質の変換(例えばNOxのNへの変換、COのCOへの変換、又はHCsのCO及びHOへの変換)を示す。別の実施形態では、変換率は排気ガスから取り除かれた粒子状物質の割合を示す。 In another embodiment, the catalyst substrate catalyzes the reaction of contaminants to non-pollutants at a high level. For example, the conversion of pollutants to non-pollutants is catalyzed with an efficiency greater than 50%. In another embodiment, the conversion of pollutants to non-pollutants is catalyzed with an efficiency greater than 60%. In still other embodiments, the conversion is 70%, 80%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, and 99.9. Selected from the group consisting of%. In some embodiments, the conversion rate represents the total conversion of non-particulate contaminants. In another embodiment, the conversion rate is a conversion of certain non-particulate contaminants (eg, conversion of NOx to N 2 , conversion of CO to CO 2 , or conversion of HCs to CO 2 and H 2 O). Show. In another embodiment, the conversion rate indicates the percentage of particulate matter removed from the exhaust gas.

別の実施形態において、本発明の触媒基材は米国連邦政府試験プロトコル75(U.S.FTP75)等の或るOEMで規定された、好ましい試験にパスした場合、特定用途における使用に適している。このような試験は、当該技術分野において既知である(例えば、非特許文献8を参照のこと、これは、参照によりその全体が本明細書中に援用されている)。さらに、レトロフィット用途におけるバックキャット(back-cat)又はDPTとして、EPA及び/又は州/出先機関によって、本明細書中で包含される基材を含有する産物の利用は承認されるべきである。   In another embodiment, the catalytic substrate of the present invention is suitable for use in a particular application if it passes a preferred test as defined by some OEMs such as the US Federal Test Protocol 75 (US FTP75). Yes. Such tests are known in the art (see, eg, Non-Patent Document 8, which is incorporated herein by reference in its entirety). Further, the use of products containing the substrate included herein should be approved by the EPA and / or state / department agency as back-cat or DPT in retrofit applications. .

表面積
基材の利用可能な表面積は、濾過基材又は触媒基材の重要な特質である。触媒コンバーターのための適切な基材の一特質は、それが高幾何学表面積(GSA)を有することである。高GSAは、最大反応確率を可能にする。
Surface area The available surface area of a substrate is an important attribute of a filtration substrate or a catalyst substrate. One characteristic of a suitable substrate for a catalytic converter is that it has a high geometric surface area (GSA). A high GSA allows for maximum response probability.

大開放前表面積(OFA)は、より多量のガスを、その流れを閉塞することなく、そして背圧を生じることなく、通過させる。開放前表面積(OFA)は、ガスの流動のために利用可能である総基材横断面積(即ちフィルター吸入口溝の横断面積)の部分と定義される。それは典型的には、総基材横断面に関して表わされる。   Large open front surface area (OFA) allows more gas to pass through without blocking the flow and creating back pressure. The pre-open surface area (OFA) is defined as the portion of the total substrate cross-sectional area (ie, the cross-sectional area of the filter inlet groove) that is available for gas flow. It is typically expressed in terms of the total substrate cross section.

本発明の基材の1つの属性は、その高表面積又は高GSAである。基材の表面積は、触媒適用のための重要な特質である。表面積は、排気排気物が排気フィルターを通して移動する場合に通過しなければならない表面の総量である。表面積増大は、化学反応が汚染物質と触媒及び熱プロセスとの間に起こる表面増大に転換され、触媒コンバータープロセスをより迅速に且つより効率的にする。速度及び効率は、排気系の故障を生じ得る目詰まりをほとんど又は全く引き起こさない。さらに或る実施形態の基材の表面積増大は、濾過効率及び/又は能力増大も包含する。   One attribute of the substrate of the present invention is its high surface area or high GSA. The surface area of the substrate is an important attribute for catalyst applications. The surface area is the total amount of surface that must pass through as exhaust exhaust moves through the exhaust filter. The surface area increase translates into a surface increase where chemical reactions occur between contaminants and the catalyst and thermal processes, making the catalytic converter process faster and more efficient. Speed and efficiency cause little or no clogging that can cause exhaust system failures. Furthermore, increasing the surface area of the substrate of certain embodiments also includes increasing filtration efficiency and / or capacity.

幾何学表面積は、貴金属が1立方インチ上に含浸され得る総表面積である。高総表面積を有する基材が好ましい。本発明の或る実施形態は、従来の基材、例えばコージライト及びSiCと比較して、触媒で含浸され得る非常に高い幾何学表面積を有する。   The geometric surface area is the total surface area on which noble metals can be impregnated on 1 cubic inch. A substrate having a high total surface area is preferred. Certain embodiments of the present invention have a very high geometric surface area that can be impregnated with a catalyst compared to conventional substrates such as cordierite and SiC.

総壁容積は、1立方インチの設計基材中に存在する壁容積の総量である。総壁容積は、各壁表面積にそれぞれの各厚みを掛けたものとして算定され、合計される。低総壁容積を有する基材が好ましい。或る実施形態では、本発明の基材の総壁容積は、従来の基材材料、例えばコージライト及びSiCのものより低い。   Total wall volume is the total amount of wall volume present in a 1 cubic inch design substrate. The total wall volume is calculated and summed as each wall surface area multiplied by each thickness. A substrate having a low total wall volume is preferred. In certain embodiments, the total wall volume of the substrate of the present invention is lower than that of conventional substrate materials such as cordierite and SiC.

或る実施形態では、触媒基材の総壁容積は、約0.5〜約0.1、約0.4〜約0.2、或いは約0.3in/in(立方インチ/立方インチ)である。好ましい実施形態では、総壁容積基材は、約0.25〜約0.28、さらに好ましくは約0.27、さらに好ましくは約0.272in/inである。 In some embodiments, the total wall volume of the catalyst substrate is about 0.5 to about 0.1, about 0.4 to about 0.2, or about 0.3 in 3 / in 3 (cubic inch / cubic inch). ). In a preferred embodiment, the total wall volume substrate is about 0.25 to about 0.28, more preferably about 0.27, more preferably about 0.272 in 3 / in 3 .

或る実施形態における本発明のより低い総壁容積のため、類似のサイズのコージライトより少ない量の触媒、例えばパラジウムが、本発明を用いて触媒作用を実施するために必要とされる。   Because of the lower total wall volume of the present invention in certain embodiments, less catalyst, such as palladium, than a similarly sized cordierite is required to perform catalysis using the present invention.

多孔性及び浸透性
孔属性も、基材の機械的及び熱属性に影響を及ぼす。交換条件は、多孔性と機械的強度との間に存在し得る:孔サイズがより小さく、低多孔性の基材は、ある種の従来の基材に関してより高い多孔性を有するものより強い。比熱能力及び熱伝導度の両方の熱属性は、ある種の材料における多孔性増大に伴って低減し得る(Yuuki 2003)。
Porosity and permeability Pore attributes also affect the mechanical and thermal properties of the substrate. Exchange conditions can exist between porosity and mechanical strength: pore sizes are smaller and low porosity substrates are stronger than those with higher porosity for certain conventional substrates. Thermal properties of both specific heat capacity and thermal conductivity can be reduced with increasing porosity in certain materials (Yuuki 2003).

1980年代後半に導入された一次ウォールフロー・モノリスは、直径35μmという大きさの溝を有した。濾過効率を最大にするために、溝はより小さく、典型的には1990年代に用いられたフィルターでは10〜15μmの範囲に作られた。新材料の開発において、フィルターメーカーは、主に適用されるべき触媒系を考慮して、それらの目標孔属性を区別する(非特許文献9及び非特許文献10)。用途は以下のように分類され得る:   Primary wall flow monoliths introduced in the late 1980s had grooves with a diameter of 35 μm. To maximize filtration efficiency, the grooves were smaller and were typically made in the 10-15 μm range for filters used in the 1990s. In the development of new materials, filter manufacturers distinguish their target pore attributes mainly considering the catalyst system to be applied (Non-Patent Document 9 and Non-Patent Document 10). Applications can be classified as follows:

非触媒フィルター、例えば燃料添加剤再生系に用いられるもの:主要件は、高煤保持能力である。ある種の従来のフィルターは、約40〜45%である多孔率を有し、孔は10〜20μmである。   Non-catalytic filters, such as those used in fuel additive regeneration systems: the main issue is the ability to retain high soot. Some conventional filters have a porosity that is about 40-45% and the pores are 10-20 μm.

触媒フィルター、例えば受動的再生系におけるものは、漸増的により複雑な触媒系によるコーティングを可能にするために、より多くの多孔性を、そしておそらくはより大きな孔サイズを要する(しばしば非常に小さいウォッシュコート材料を有するか又は全く有さない1990年代に用いられた簡単な触媒とは対照的)。基材は、約50g/dmの量で触媒/ウォッシュコート系で被覆された後に、許容可能的に低い圧力損失を有するべきである。ある種の従来技術フィルターは、約45〜55%範囲の多孔度を有する。付加的加熱器も適用され得る。 Catalytic filters, such as those in passive regeneration systems, require more porosity and possibly larger pore sizes (often very small washcoats) to allow coating with increasingly more complex catalyst systems. In contrast to simple catalysts used in the 1990s with or without material). The substrate should have an acceptable low pressure drop after being coated with the catalyst / washcoat system in an amount of about 50 g / dm 3 . Certain prior art filters have a porosity in the range of about 45-55%. Additional heaters can also be applied.

フィルター/NO吸着剤装置、例えばDPNRシステム又はCRT(連続再生トラップ)は、NO貯蔵/還元系を組み込み、そしておそらくは100g/dmを上回る高いウォッシュコート量を要する。ある種の従来技術基材は、約60%の多孔度を有する(多孔度65%の基材が報告されており、機械的強度は多孔度増大における主要制限である(非特許文献11)。 Filter / NO x adsorber devices, such as DPNR systems or CRTs (continuous regeneration traps), incorporate NO x storage / reduction systems and require high washcoat amounts, possibly above 100 g / dm 3 . Certain prior art substrates have a porosity of approximately 60% (substrates with a porosity of 65% have been reported and mechanical strength is a major limitation in increasing porosity (11).

本発明の触媒基材又は濾過基材の或る実施形態の別の属性は、その高多孔度である。或る実施形態では、本発明の基材の多孔度は、約60%、70%、80%又は90%からである。その他の実施形態では、基材は、約91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%又は99%の多孔度を有する(固体基材に関して孔空間のパーセントとして表わされる)。   Another attribute of certain embodiments of the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention is its high porosity. In certain embodiments, the porosity of the substrate of the present invention is from about 60%, 70%, 80% or 90%. In other embodiments, the substrate has a porosity of about 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, or 99% (pore space relative to the solid substrate). Expressed as a percentage).

一実施形態では、本発明の例示的実施形態の多孔度は、約97.26%である。比較すると、コージライトは、約18〜42%である。この実施形態では、本発明の材料は、排気ガスの流れを遮断するためにわずか約2.74%の材料を有する。この微細織布の材料は、粒子を能動的に捕獲し、そして非常に有効にそれを焼き尽くす。深層濾過方式での、そして溝壁に沿っただけでない粒子のトラッピングのため、再生時間がPM増大時間より長い状況下では、多量のPM増大は起きない。高多孔度は、汚染物質と触媒基材又は非触媒基材表面との間のより良好でより効果的な相互作用に転換する。同時に、ガス流増大は、側面的に、ならびに意図されたガス流方向に沿って放出され得る。   In one embodiment, the porosity of an exemplary embodiment of the invention is about 97.26%. By comparison, cordierite is about 18-42%. In this embodiment, the material of the present invention has only about 2.74% material to block the exhaust gas flow. This fine woven material actively captures the particles and burns them out very effectively. Due to trapping of the particles in the depth filtration mode and not only along the groove walls, a large amount of PM increase does not occur under conditions where the regeneration time is longer than the PM increase time. High porosity translates into better and more effective interactions between contaminants and catalytic or non-catalytic substrate surfaces. At the same time, the gas flow augmentation can be released laterally as well as along the intended gas flow direction.

図22a及び図22bを参照して、本発明の例示的な基材2200、基材2205が示される。基材2200、基材2205は、約97%多孔質の基材である。図2a及び図2bのコージライト並びに図3の炭化ケイ素の試料と比較すると、全て実質的に同じスケールであり、基材1200、基材1205はより多孔質で、より低密度である。図22bでは、粒子状物質PM−10 2210及び粒子状物質PM−2.5 2225は、一定のスケールで図示されている。図2bで例示されるコージライト試料205と比較すると、粒子状物質PM−10 2210及び粒子状物質PM−2.5 2225は、基材2205の繊維を容易に浸透することができる。また、図3の炭化ケイ素300と比較すると、炭化ケイ素の密度は基材2200、基材2205のものの約30〜50倍である。   With reference to FIGS. 22a and 22b, an exemplary substrate 2200, substrate 2205 of the present invention is shown. The substrate 2200 and the substrate 2205 are approximately 97% porous substrates. Compared to the cordierite of FIGS. 2a and 2b and the silicon carbide sample of FIG. 3, they are all at substantially the same scale, and the substrate 1200 and substrate 1205 are more porous and less dense. In FIG. 22b, particulate matter PM-10 2210 and particulate matter PM-2.5 2225 are illustrated on a constant scale. Compared to the cordierite sample 205 illustrated in FIG. 2 b, the particulate material PM-10 2210 and the particulate material PM-2.5 2225 can easily penetrate the fibers of the substrate 2205. Compared with the silicon carbide 300 of FIG. 3, the density of silicon carbide is about 30 to 50 times that of the base material 2200 and the base material 2205.

本発明の或る実施形態におけるより高い多孔度は、より広い表面積及びより低い背圧を提供する。その結果、本発明は、NO還元、炭化水素及びCO酸化、ならびに粒子状物質トラッピングでより効率的である。 Higher porosity in certain embodiments of the present invention provides a larger surface area and lower back pressure. As a result, the present invention is more efficient for NO x reduction, hydrocarbon and CO oxidation, and particulate trapping.

孔特質、例えば容積パーセント多孔度、サイズ分布、構造及び相互連絡性は、粒子を濾過するモノリス能力を決定する。さらに、ガス分子が多孔性基材中に拡散し得る場合、触媒反応の確率は劇的に増大する。セル構造とともに、多孔性特質も、流れに対するモノリスの通水抵抗及び圧力低下に影響を及ぼす。高濾過効率のために所望されるいくつかの属性(例えば低多孔度及び小孔サイズ)は、低い圧力低下のために必要とされるものと反対である。その他のもの、例えば良好な孔相互連絡性及び閉鎖「行き止まり」孔の非存在は、低い圧力低下及び高効率の両方のために所望される。別の実施形態における本発明の基材は、高濾過効率及び低い圧力低下の両方を提供する。   Pore properties such as volume percent porosity, size distribution, structure and interconnectivity determine the monolithic ability to filter particles. Furthermore, if gas molecules can diffuse into the porous substrate, the probability of catalysis increases dramatically. Along with the cell structure, the porous nature also affects the flow resistance and pressure drop of the monolith against flow. Some attributes desired for high filtration efficiency (eg low porosity and small pore size) are opposite to those required for low pressure drop. Others, such as good hole interconnectivity and the absence of closed “dead end” holes, are desirable for both low pressure drop and high efficiency. The substrate of the present invention in another embodiment provides both high filtration efficiency and low pressure drop.

放射率及び熱伝導度
触媒コンバーター及び粒子フィルターに用いられる基材の別の特性は、放射率である。放射率は、熱を放出する傾向;放出のし易さの比較、或いは加熱体の表面からの熱として、放出が起こる比率である。
Emissivity and thermal conductivity Another characteristic of substrates used in catalytic converters and particle filters is emissivity. Emissivity is the rate at which release occurs as a tendency to release heat; a comparison of the ease of release or as heat from the surface of the heating element.

理想的基材は、(1)高変換効率への最速傾向;(2)熱害(例えば熱衝撃のため、或いは基材の高温融解/クラッキングのため)から最も安全である;(3)最小量の補助エネルギーを使用する;ならびに(4)生成するのが安価である温度を考慮に入れる。温度漸増は、付加的エネルギー及びコストを要する。さらにある量のエネルギー源は、熱伝導性により伝導し、取込まれ、或いは運び去られる。   Ideal substrates are (1) the fastest trend towards high conversion efficiency; (2) safest from heat damage (eg due to thermal shock or due to high temperature melting / cracking of the substrate); (3) minimal Use an amount of auxiliary energy; and (4) take into account the temperature at which it is cheap to produce. Increasing temperature requires additional energy and cost. In addition, a certain amount of energy source is conducted, taken in or carried away by thermal conductivity.

放射率は、0〜1の値を有する反射率の割合であり、1が完全反射である。触媒コンバーター及び粒子フィルターのために用いられる基材は、異なる放射率値を有する。高放射率は、系から触媒基材への熱移動を最小限にさせ、それにより触媒コンバーター又は粒子フィルター内部の空気をより迅速に加熱する。放射率は、材料の熱反射率特性の測定値であり、高い値が望ましい。   Emissivity is the ratio of reflectivity having a value between 0 and 1, with 1 being perfect reflection. The substrates used for catalytic converters and particle filters have different emissivity values. High emissivity minimizes heat transfer from the system to the catalyst substrate, thereby heating the air inside the catalytic converter or particle filter more quickly. The emissivity is a measured value of the thermal reflectance characteristics of the material, and a high value is desirable.

或る実施形態において、本発明の基材は好ましくは、放射率を約0.8〜1.0有する。別の実施形態では、本発明の基材の放射率は、約0.82、0.84、0.86、0.88、及び0.9である。本発明の基材の放射率にさらに好適な値は、0.81、0.83、0.85、0.87、及び0.89が含まれる。別の実施形態では、放射率は約0.9、0.92、0.94、0.96、又は0.98である。基材物質自身がほとんど熱を保持しないので、熱反射率で多孔質中の気体物質を非常に迅速に加熱することができる。このことは、より迅速な点火をもたらし、基材外表面の温度はほとんど上昇しない。   In certain embodiments, 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. Further suitable values for the emissivity of the substrate of the present invention include 0.81, 0.83, 0.85, 0.87, and 0.89. In other embodiments, the emissivity is about 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, or 0.98. Since the substrate material itself retains little heat, the gaseous material in the porous can be heated very quickly with thermal reflectivity. This results in a quicker ignition and the temperature of the substrate outer surface hardly increases.

対面が単位温度勾配に従っている場合、物質の熱伝導度は、単位時間当たりプレートの単位面積を通過する熱量である(例えば、1単位の厚さを通過する1℃の温度差)。熱伝導度は、厚さ(メーター)及び変換したケルビン当たりのエネルギー(ワット)を単位(W/m−K)として有する。好ましい実施形態では、本発明の基材は、低熱伝導度を有する。例えば、一実施形態では、本発明の基材の熱伝導度は、約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、又は0.9よりも低い。別の実施形態では、本発明の基材の熱伝導度は、約0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、又は0.09よりも低い。別の実施形態では、本発明の基材の熱伝導度は、約0.1〜約0.01、約0.2〜約0.02、約0.3〜約0.03、約0.4〜約0.04、約0.5〜約0.05、約0.6〜約0.06、約0.7〜約0.07、約0.8〜約0.08、又は約0.9〜約0.09である。別の実施形態では、本発明の熱伝導度は、約0.0604W/m−Kである。   If the facing is following a unit temperature gradient, the thermal conductivity of the material is the amount of heat that passes through the unit area of the plate per unit time (eg, a 1 ° C. temperature difference through a unit thickness). Thermal conductivity has thickness (meter) and converted energy per kelvin (watts) as units (W / m-K). 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 about 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8. Or lower than 0.9. In another embodiment, the substrate has a thermal conductivity of about 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, Or lower than 0.09. In another embodiment, the substrate of the present invention has a thermal conductivity of about 0.1 to about 0.01, about 0.2 to about 0.02, about 0.3 to about 0.03, about 0.0. 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 another embodiment, the thermal conductivity of the present invention is about 0.0604 W / m-K.

比較すると、コージライトの試料は、約1.3〜1.8W/m−Kである。これらの結果は、具体的実施形態の例として、1,000ワットの熱エネルギーが所定容積のコージライト材料から失われる場合、同一体積の本発明の材料から失われるのは33ワットに過ぎない。したがって本発明の材料は、コージライトより30倍大きい熱伝導度を有する。   In comparison, cordierite samples are about 1.3-1.8 W / m-K. These results show that, as an example of a specific embodiment, if 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 the inventive material. Therefore, the material of the present invention has a thermal conductivity 30 times greater than cordierite.

さらにその他の実施形態では、基材の調製方法は、放射率強化剤をさらに含む触媒基材又は濾過基材を調製することをさらに含み、上記方法は、上記基材に、好ましくはnSiRF−Cに、さらに好ましくはAETB、OCTB又はFRCI材料に輻射強化剤を適用することを包含する。その他の好ましい基材は、本明細書中に開示される特定の基材のいずれかを包含する。さらなる実施形態では、触媒基材は、放射率強化剤ならびにパラジウム、白金、ロジウム、それらの誘導体及びそれらの混合物から成る群から選択される触媒をさらに含む。本明細書中に記載されるようなその他の物理学的及び化学的修飾が、このような実施形態に適用され得る。放射率強化剤は、当該技術分野で既知である。   In still other embodiments, the substrate preparation method further comprises preparing a catalyst substrate or a filtration substrate further comprising an emissivity enhancer, wherein the method is applied to the substrate, preferably nSiRF-C. More preferably, including applying a radiation enhancer to the AETB, OCTB or FRCI material. Other preferred substrates include any of the specific substrates disclosed herein. In a further embodiment, the catalyst substrate further comprises an emissivity enhancer and a catalyst selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, their derivatives and mixtures thereof. Other physical and chemical modifications as described herein may be applied to such embodiments. Emissivity enhancers are known in the art.

熱属性
低係数の熱膨張を示す基材は、有意の膨張又は収縮を伴わずに、温度の急速変化を耐容できる。適切な係数の熱膨張はまた、その周囲の保護マット及びキャニスターと同一比率の熱で基材を膨張させる。
Thermal Attributes Substrates that exhibit a low coefficient of thermal expansion can tolerate rapid changes in temperature without significant expansion or contraction. A suitable coefficient of thermal expansion also causes the substrate to expand with the same rate of heat as the surrounding protective mat and canister.

例えば時折の燃料燃焼中に温度が高い値に上昇する場合、触媒コンバーター又は粒子フィルターを溶融させないよう、基材材料が広範囲の温度に耐えさせるのも好ましい。さらに基材材料が高温に耐え得る場合、触媒コンバーター又はフィルターはエンジンのより近くに置かれ得る。   For example, if the temperature rises to a high value during occasional fuel combustion, it is also preferred that the substrate material withstand a wide range of temperatures so as not to melt the catalytic converter or particle filter. Further, if the substrate material can withstand high temperatures, the catalytic converter or filter can be placed closer to the engine.

関連特性としては、低熱質量及び熱容量が上げられる。低熱質量及び熱容量を有する材料は、触媒基材の温度を上げるに際して浪費される熱エネルギーを少なくする。触媒基材が急速に加熱されると、より多くの排気ガスにより生じる熱エネルギーが触媒構成成分の点火を誘発するために用いられる。   Related properties include low thermal mass and heat capacity. A material having a low thermal mass and heat capacity reduces the heat energy wasted in raising the temperature of the catalyst substrate. As the catalyst substrate is heated rapidly, the thermal energy generated by more exhaust gas is used to trigger ignition of the catalyst components.

熱伝導度は、分子運動の結果として熱を伝導する物質の能力である。さらに具体的には、熱伝導度は、その反対表面が1℃だけ温度が異なる場合、その厚みが均一であるプレートの単位面積を単位時間で通過する熱の量の測定値でもある。材料が熱を伝達するほど、損失を克服し、必要な温度を達成するために必要とされるエネルギーが多くなる。好ましくは材料は、熱を伝導するよりむしろ反射する。より低い熱伝導性値が好ましく、そこでより多くの熱エネルギーが孔空間に利用され、基材による吸収によって損失されない。異なる物質の化学は、熱伝導度のレベルを確定する。さらに、温度損失は反応性に負の影響を及ぼすため、フィルター媒質の熱伝導度は、排気排出フィルターの効率に及ぼす大きな影響である。生成される熱エネルギーの多くは粒子に反射され、そして孔空間中に残存するため、低熱伝導度が好ましい。言い換えれば、熱伝導度が低いほど、熱損失は低い。より低い熱損失は、触媒コンバーターに関する所望の温度範囲を得るのに必要とされる低エネルギー及びより高いエネルギー効率に転換する。   Thermal conductivity is the ability of a substance to conduct heat as a result of molecular motion. More specifically, thermal conductivity is also a measure of the amount of heat that passes through a unit area of a plate of uniform thickness in unit time when the opposite surfaces differ in temperature by 1 ° C. The more the material conducts heat, the more energy is needed to overcome losses and achieve the required temperature. Preferably the material reflects rather than conducts heat. Lower thermal conductivity values are preferred, where more thermal energy is utilized in the pore space and is not lost by absorption by the substrate. The chemistry of the different materials determines the level of thermal conductivity. In addition, since temperature loss has a negative effect on reactivity, the thermal conductivity of the filter medium is a significant effect on the efficiency of the exhaust exhaust filter. Low thermal conductivity is preferred because much of the generated thermal energy is reflected by the particles and remains in the pore space. In other words, the lower the thermal conductivity, the lower the heat loss. Lower heat loss translates to the lower energy and higher energy efficiency needed to achieve the desired temperature range for the catalytic converter.

比熱は、1グラムの物質の温度を1℃上げるために要する熱(カロリー)である。高比熱を有する基材は、例えば排気又は補助発生源からの周囲熱を孔空間に反射し、この場合、燃焼又は触媒還元及び酸化プロセスが熱を要する。例えば極端な条件下、例えば北極では、低比熱フィルターを加熱し、熱フィルターを冷却するにはより長い時間がかかり、外部熱損害の機会が増大する。低エネルギーでより迅速に操作温度を達成するため、低比熱が好ましい。   Specific heat is the heat (calories) required to raise the temperature of a gram of material by 1 ° C. A substrate with a high specific heat reflects, for example, ambient heat from exhaust or auxiliary sources to the pore space, where the combustion or catalytic reduction and oxidation processes require heat. For example, under extreme conditions, such as the Arctic, it takes longer to heat the low specific heat filter and cool the heat filter, increasing the chance of external heat damage. Low specific heat is preferred in order to achieve operating temperatures more quickly with low energy.

或る実施形態では、本発明の基材は、多くの好ましい熱属性を有する。好ましくは材料は、孔空間中の空気の加熱が、基材の加熱と比較して優先的に起こるようなものである。好ましくは本発明の基材は、高融点を有し、そして或る実施形態では、従来の基材より高い融点を有する。一部は触媒基材又は濾過基材が曝露される極端な温度のため、高融点が好ましい。   In certain embodiments, the substrates of the present invention have many favorable thermal attributes. Preferably the material is such that heating of the air in the pore space occurs preferentially compared to heating of the substrate. Preferably, the substrate of the present invention has a high melting point, and in certain embodiments has a higher melting point than conventional substrates. A high melting point is preferred due in part to extreme temperatures to which the catalyst or filtration substrate is exposed.

好ましい実施形態において、本発明の基材は好ましくは、高い融点を有する。一実施形態では、融点は約1,500度(華氏)より大きい。別の実施形態では、融点は約2,000度(華氏)より大きい。別の実施形態では、融点は約2,500度(華氏)より大きい。さらなる実施形態では、基材の融点は約2,000〜約4,000度(華氏)である。更なる実施形態では、基材の融点は約3,000〜約4,000度(華氏)である。他の好適な融点の範囲は、約3,000〜約3,100度(華氏)、約3,100〜約3,200度(華氏)、約3,200〜約3,300度(華氏)、約3,300〜約3,400度(華氏)、約3,400〜約3,500度(華氏)、約3,500〜約3,600度(華氏)、約3,600〜約3,700度(華氏)、約3,700〜約3,800度(華氏)、約3,800〜約3,900度(華氏)及び約3,900〜約4,000度(華氏)を含む。別の好ましい実施形態では、基材は約3,632度(華氏)の融点を有する。   In a preferred embodiment, the substrate of the present invention preferably has a high melting point. In one embodiment, the melting point is greater than about 1,500 degrees (Fahrenheit). In another embodiment, the melting point is greater than about 2,000 degrees (Fahrenheit). In another embodiment, the melting point is greater than about 2500 degrees (Fahrenheit). In a further embodiment, the substrate has a melting point of about 2,000 to about 4,000 degrees Fahrenheit. In a further embodiment, the melting point of the substrate is from about 3,000 to about 4,000 degrees (Fahrenheit). Other suitable melting point ranges are about 3,000 to about 3,100 degrees Fahrenheit, about 3,100 to about 3,200 degrees Fahrenheit, about 3,200 to about 3,300 degrees Fahrenheit About 3,300 to about 3,400 degrees (Fahrenheit), about 3,400 to about 3,500 degrees (Fahrenheit), about 3,500 to about 3,600 degrees (Fahrenheit), about 3,600 to about 3 , 700 degrees (Fahrenheit), about 3,700 to about 3,800 degrees (Fahrenheit), about 3,800 to about 3,900 degrees (Fahrenheit) and about 3,900 to about 4,000 degrees Fahrenheit . In another preferred embodiment, the substrate has a melting point of about 3,632 degrees (Fahrenheit).

本発明の一実施形態では、基材は華氏約3,632度の融点を有する。例えば車両が凍結温度以下に置かれる場合、一吹きの華氏1,500度の排気煙霧では、基材は熱分解又は破断しない。同様に、基材の或る実施形態では、過熱及び熱分解しない。コージライトのある種の試料は約1,400℃の融点を有する。   In one embodiment of the present invention, the substrate has a melting point of about 3,632 degrees Fahrenheit. For example, if the vehicle is placed below the freezing temperature, a blow of 1,500 degrees Fahrenheit will not thermally decompose or break the substrate. Similarly, certain embodiments of the substrate do not overheat and decompose. Certain samples of cordierite have a melting point of about 1,400 ° C.

本発明の例示的実施形態の比熱は、約640J/kg−K(ジュール/キログラム−ケルビン)である。コージライトの試料は、約750J/kg−Kである。コージライトがより大きい比熱を有するとしても、コージライトフィルターは加熱のためより大きい質量を有する。結果は、コージライトを低効率にする操作温度を達成するのにより多くの熱量が必要とされる、ということである。   The specific heat of an exemplary embodiment of the present invention is about 640 J / kg-K (joules / kilogram-kelvin). The cordierite sample is about 750 J / kg-K. Even though cordierite has a higher specific heat, the cordierite filter has a larger mass due to heating. The result is that more heat is needed to achieve operating temperatures that make cordierite less efficient.

多重使用の温度限界は、大幅な劣化もなく基材が、数回実施することができる最高温度である。基材が、ミクロの破断又は破砕なく操作し続けることができる温度が高ければ高いほど、時間が経つにつれて基材の破損又は亀裂の機会が少なくなる。これは、基材がより広い温度範囲で、より耐久性があることを意味する。より高い多重使用の温度限界が好ましい。本発明の触媒基材又は濾過基材の或る実施形態に好適な多重使用の温度限界は、約2,000℃、2,100℃、2,200℃、2,300℃、2,400℃、2,500℃、2,600℃、2,700℃、2,800℃、2,900℃、3,000℃、及び3100℃から成る群から選ばれるものである。   The temperature limit for multiple use is the maximum temperature at which the substrate can be run several times without significant degradation. The higher the temperature at which the substrate can continue to operate without micro-breaking or crushing, the less chance of substrate breakage or cracking over time. This means that the substrate is more durable over a wider temperature range. Higher multiple use temperature limits are preferred. Suitable multiple use temperature limits for 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. , 2500 ° C, 2,600 ° C, 2,700 ° C, 2,800 ° C, 2,900 ° C, 3,000 ° C, and 3100 ° C.

本発明の例示的実施形態の多重使用の温度限界は、2,980℃である。コージライトの試料は、約1,400℃である。本発明の実施形態は、破損する前にコージライトの2倍以上の温度に耐え得る。これが、より広い範囲の排気環境で材料を機能させる。   The multiple use temperature limit of the exemplary embodiment of the present invention is 2,980 ° C. The cordierite sample is about 1400 ° C. Embodiments of the invention can withstand more than twice the temperature of cordierite before failure. This allows the material to function in a wider range of exhaust environments.

熱膨張係数は、所定の温度上昇(通常は0が1℃に)につき、本体の長さ(線形係数)、面積(平方)又は容積のそれぞれの元の長さ、面積又は容積に対して増大した割合である。これら3つの係数は、およそ1:2:3の比である。特別に表現されない場合、立方体係数が通常は意図される。加熱された時に膨張する基材が少ないほど、フィルター・アセンブリに漏出し、破断し又は損傷する機会が低い。加熱又は冷却された場合に基材がその寸法を保持することを保証するためには、より低い熱膨張が好ましい。   The coefficient of thermal expansion increases with respect to the original length, area or volume of the body length (linear coefficient), area (square) or volume for a given temperature rise (usually 0 to 1 ° C.) This is the ratio. These three factors are in a ratio of approximately 1: 2: 3. Cubic coefficients are usually intended unless specifically expressed. The less the substrate that expands when heated, the lower the chance of leaking, breaking or damaging the filter assembly. Lower thermal expansion is preferred to ensure that the substrate retains its dimensions when heated or cooled.

本発明の例示的実施形態に関する熱膨張係数は、約2.65×10−6W/m−K(ワット/メーターケルビン)である。コージライトの試料は、約2.5×10−6W/m−K〜3.0×10−6W/m−Kである。本発明の材料の熱膨張は、コージライトの10倍未満である。 The coefficient of thermal expansion for an exemplary embodiment of the present invention is about 2.65 × 10 −6 W / m-K (watts / meter Kelvin). Samples of cordierite is about 2.5 × 10 -6 W / m- K~3.0 × 10 -6 W / m-K. The thermal expansion of the material of the present invention is less than 10 times that of cordierite.

基材の熱膨張係数は、好ましくは任意のウォッシュコートの熱膨張係数に匹敵する。   The coefficient of thermal expansion of the substrate is preferably comparable to that of any washcoat.

一実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、コージライトのようなある種の従来技術基材と比較して、熱又は機械的応力による損害に対する抵抗増大を示し;煤及び/又は灰による目詰まりの危険性が少なく;燃料付加的再生とともに用いられる場合付加的灰蓄積に対してより耐容性であり;そして粒子数低減のための良好な効率を有する。   In one embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention exhibits increased resistance to damage due to thermal or mechanical stress compared to certain prior art substrates such as cordierite; Or less clogged by ash; more tolerant to additional ash build-up when used with fuel additional regeneration; and has good efficiency for particle count reduction.

密度
触媒コンバーター又はディーゼル粒子フィルターに用いられるべき基材を考慮する場合、低密度を有する基材を用いるのが好ましい。低密度を有する材料は基材の重量を低減し、それゆえ車両の全体的重量を低減する。さらに低密度は、高多孔度及び浸透性と相補的(complimentary)である。
Density When considering the substrate to be used in a catalytic converter or diesel particulate filter, it is preferable to use a substrate having a low density. A material having a low density reduces the weight of the substrate and therefore the overall weight of the vehicle. Furthermore, the low density is complementary to the high porosity and permeability.

高密度であるほど、高重量になる。重量は、運転中の任意のエンジンに関係のある大きな因子である。部品が重いほど、それを移動するために必要とされるエネルギーは大きくなる。これらのフィルターがエンジンにより生成された増大容積の粒子を収容するために、フィルターサイズが増大しなければならず、これが車両重量、ならびに製造及び操作コストに加わる。したがって低密度材料が望ましい。もちろん密度は、構造的保全性が不十分であるほど低くない。   The higher the density, the higher the weight. Weight is a major factor related to any engine in operation. The heavier the part, the greater the energy required to move it. In order for these filters to accommodate the increased volume of particles produced by the engine, the filter size must increase, which adds to vehicle weight and manufacturing and operating costs. Therefore, low density materials are desirable. Of course, the density is not so low that structural integrity is insufficient.

本発明の基材の別の属性は、その密度である。基材の密度は、濾過のためにそして触媒基材として用いられるある種の従来のフィルター及び基材のものより低い。密度は、物質の一部分の質量対その容積の比である。密度が大きいほど、操作温度に達するためにより多くのエネルギーを要する。言い換えれば、高密度物質を加熱するほうが、低密度材料より多くのエネルギーを要する。容積を決めるにあたって、密度が大きいほど、より質量が大きいと言える。エンジンはより重い装備を動かすためにはより激しく働かなければならないので、重量は車両の走行距離及び性能にとって有害である。密度増大は、触媒活性又は「点火」が起こる適正な温度を達成するためにより多くの熱が必要とされるということにもなる。基材又はフィルターとして現在用いらていれるいくつかの材料の密度は、最適よりも高い。例えばコージライトの試料は、約2.0〜2.1g/cmである。したがってより低い密度を有する基材及びフィルターが必要とされる。本発明の基材の密度は、コージライトより低い。 Another attribute of the substrate of the present invention is its density. The density of the substrate is lower than that of certain conventional filters and substrates used for filtration and as a catalyst substrate. Density is the ratio of the mass of a portion of a substance to its volume. The higher the density, the more energy is required to reach the operating temperature. In other words, heating a high density material requires more energy than a low density material. In determining the volume, it can be said that the greater the density, the greater the mass. Since the engine must work harder to move heavier equipment, weight is detrimental to vehicle mileage and performance. The increase in density also means that more heat is required to achieve the proper temperature at which catalytic activity or “ignition” occurs. The density of some materials currently used as substrates or filters is higher than optimal. For example, a cordierite sample is about 2.0-2.1 g / cm 3 . Accordingly, a substrate and filter having a lower density is needed. The density of the substrate of the present invention is lower than that of cordierite.

一実施形態では、本発明の触媒基材は好ましくは低密度を有する。本発明の基材の密度は、約2〜約50ポンド/立方フィート(lb/ft)の範囲であり得る。好ましい実施形態では、基材の密度は、約5〜約30ポンド/立方フィート、さらに好ましくは約8〜16ポンド/立方フィートの範囲である。その他の好ましい実施形態としては、約8、9、10、11、12、13、14、15又は16lb/fgの密度を有する触媒基材が挙げられる。依然として構造保全性を付与する低密度が好ましい。 In one embodiment, the catalyst substrate of the present invention preferably has a low density. The density of the substrate of the present invention can range from about 2 to about 50 pounds / cubic foot (lb / ft 3 ). In a preferred embodiment, the density of the substrate ranges from about 5 to about 30 pounds / cubic foot, more preferably from about 8 to 16 pounds / cubic foot. Other preferred embodiments include catalyst substrates having a density of about 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 or 16 lb / fg 3 . A low density that still provides structural integrity is preferred.

一実施形態では、本発明の基材は、約8lbs/ft〜22lbs/ft、好ましくは約8lbs/ft〜約22lbs/ftの密度を有する。別の実施形態では、基材は、それぞれ約8lbs/ft及び約16lbs/ftの密度を有するAETB−8又はAETB−16を含む。その他の適切な密度としては、約9、10、11、12、13、14、15及び16lb/fgから選択される密度が挙げられる。 In one embodiment, the substrate of the present invention is about 8lbs / ft 3 ~22lbs / ft 3 , preferably has a density of about 8 lbs / ft 3 ~ about 22 lbs / ft 3. In another embodiment, the substrate comprises a AETB-8 or AETB-16 having a density of about 8 lbs / ft 3 and about 16 lbs / ft 3, respectively. Other suitable densities include densities selected from about 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, and 16 lb / fg 3 .

別の実施形態では、基材の密度は約0.10〜約0.25g/cm(グラム/立方センチメートル)である。 In another embodiment, the density of the substrate is from about 0.10 to about 0.25 g / cm 3 (grams / cubic centimeter).

構造保全性
基材材料の構造保全性は、考察することが重要である一特質である。構造保全性は、振動及び機械的応力、即ち振盪及び焼き固めに耐える材料の能力を指す。例えば基材強度は、パッケージ量、ならびに種々の応力、例えばエンジン振動、道路衝撃及び温度勾配を含むその後のエンジン排気流中の使用に耐えるために重要である。高強度基材は、強固な触媒コンバーター系及び粒子フィルターのために望ましい。基材材料の強度は、結晶内及び結晶間結合の種類、多孔度、孔サイズ分布及び欠陥の数(flaw population)により制御され得る。さらに基材は、外側の内側に化学的/材料コーティングを適用することにより強化され得る。基材のセル構造の強度はさらに、その寸法、横断面対称性及びそのセル属性、例えばセル密度、溝形状及び壁厚により確定され得る。基材強度は、包装及び操作の両方の間中、材料が曝される応力を上回らなければならない。応力が強度を上回る場合には、基材は亀裂を生じる。
Structural integrity The structural integrity of the substrate material is one characteristic that is important to consider. Structural integrity refers to the ability of a material to withstand vibration and mechanical stress, i.e. shaking and baking. For example, substrate strength is important to withstand package volume and use in subsequent engine exhaust flows including various stresses such as engine vibration, road impact and temperature gradients. High strength substrates are desirable for robust catalytic converter systems and particle filters. The strength of the substrate material can be controlled by the type of intra- and inter-crystal bonds, porosity, pore size distribution, and flaw population. Furthermore, the substrate can be reinforced by applying a chemical / material coating on the outside inside. The strength of the cell structure of the substrate can be further determined by its dimensions, cross-sectional symmetry and its cell attributes such as cell density, groove shape and wall thickness. The substrate strength must exceed the stress to which the material is exposed during both packaging and operation. If the stress exceeds the strength, the substrate will crack.

材料の構造保全性は、材料の引張り弾性率により測定され得る。引張り弾性率は、破裂に対する材料の抵抗性である。特定的には、ばらばらに引き裂くことなく、ある材料は大きな縦軸方向応力を引き出し得る。引張り弾性率は通常は、破裂を生じるために必要な横断面の単位面積、ポンド数/立方インチ、又はキログラム/平方センチメートルに関して表わされる。引張り弾性率は、激しい排気ガス流圧により発生する力に基材が耐え得るか否かに関連する。   The structural integrity of a material can be measured by the tensile modulus of the material. Tensile modulus is the resistance of a material to bursting. In particular, certain materials can draw large longitudinal stresses without tearing apart. Tensile modulus is usually expressed in terms of cross-sectional unit area, pounds / cubic inch, or kilogram / square centimeter required to cause rupture. Tensile modulus is related to whether the substrate can withstand the forces generated by intense exhaust gas flow pressures.

さらに、ウォッシュコート及び/又は触媒被膜が基材に適応され得るよう、基材は良好な被覆性を有するべきである。同様に基材は、ウォッシュコート適合性を有して、系の正常の磨耗及び引裂き中のそれらの位置から触媒が追い出されないよう、基材上に触媒を良好に載せさせる。良好な被覆性及びウォッシュコート適合性は、触媒コンバーター系の長期有効性も強化する。良好な被覆性及びウォッシュコート適合性は、触媒の寿命も増大させる。   Furthermore, the substrate should have good coverage so that a washcoat and / or catalyst coating can be applied to the substrate. Similarly, the substrate has washcoat compatibility and provides good loading of the catalyst on the substrate so that the catalyst is not driven out of their position during normal wear and tearing of the system. Good coverage and washcoat compatibility also enhances the long-term effectiveness of the catalytic converter system. Good coverage and washcoat compatibility also increases the life of the catalyst.

本発明の基材の別の属性は、その構造保全性である。材料の構造保全性は、材料の引張り弾性率により測定され得る。引張り弾性率は、破裂に対する材料の抵抗性である。特定的には、ばらばらに引き裂くことなく、ある材料は大きな縦軸方向応力を引き出し得る。引張り弾性率は通常は、破裂を生じるために必要な横断面の単位面積、ポンド数/平方インチ、又はキログラム/平方センチメートルに関して表わされる。引張り弾性率は、激しい排気ガス流圧により発生する力に基材が耐え得るか否かに関連する。   Another attribute of the substrate of the present invention is its structural integrity. The structural integrity of a material can be measured by the tensile modulus of the material. Tensile modulus is the resistance of a material to bursting. In particular, certain materials can draw large longitudinal stresses without tearing apart. Tensile modulus is usually expressed in terms of cross-sectional unit area, pounds per square inch, or kilogram per square centimeter required to cause a rupture. Tensile modulus is related to whether the substrate can withstand the forces generated by intense exhaust gas flow pressures.

本発明の触媒基材は、好ましくはより高い引張り弾性率を有する。例えば一実施形態では、本発明の基材は、約2.21MPaの軸方向強さを有する。もちろん、より高い軸方向強さが同様に適している。その他の適切な値としては、1、2、3、4、5、6、7、8、9及び10MPaが挙げられる。   The catalyst substrate of the present invention preferably has a higher 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 strengths are equally suitable. Other suitable values include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 MPa.

さらに本発明の触媒基材の構造保全性は、商業用車両中の触媒コンバーターにおけるその使用中に遭遇する条件にそれが耐え得るようなものである。   Furthermore, the structural integrity of the catalytic substrate of the present invention is such that it can withstand the conditions encountered during its use in catalytic converters in commercial vehicles.

別の実施形態では、本発明の基材、例えばnSiRF−Cは、好ましくは高構造保全性及び低密度を有する。   In another embodiment, the substrate of the present invention, such as nSiRF-C, preferably has high structural integrity and low density.

汚染物質の低減
基材は、その上に被覆される触媒材料の触媒活性を強化するに際して重要な役割を演じる。さらに基材は、粒子材料をトラップするのに用いられ、この粒子材料は次に揮発性ガスとして焼き尽くされる。
Contaminant Reduction The substrate plays an important role in enhancing the catalytic activity of the catalyst material coated thereon. In addition, the substrate is used to trap particulate material, which is then burned out as a volatile gas.

本発明の基材の別の利点は、排気ガス中の汚染物質の量を低減するその能力増大である。本発明は、ある種の従来の技術と比較して、触媒及び濾過能力増強を有する。   Another advantage of the substrate of the present invention is its increased ability to reduce the amount of pollutants in the exhaust gas. The present invention has enhanced catalyst and filtration capabilities compared to certain conventional techniques.

或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのCO排出を少なくとも約50%低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのCO排出を少なくとも約60%、70%、80%又は90%低減し得る。別の実施形態では、基材は、CO排出を少なくとも91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%又は100%低減し得る。   In certain embodiments, the substrates of the present invention can reduce CO emissions from exhaust gases by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce CO emissions from exhaust gases by at least about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has a CO emission of at least 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%. Or it can be reduced by 100%.

或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのNOx排出を少なくとも約50%低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのNOx排出を少なくとも約60%、70%、80%又は90%低減し得る。別の実施形態では、基材は、NOx排出を少なくとも91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%又は100%低減し得る。   In certain embodiments, the substrates of the present invention can reduce NOx emissions from exhaust gases by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce NOx emissions from exhaust gases by at least about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has at least 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9% NOx emissions. Or it can be reduced by 100%.

或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのHC排出を少なくとも約50%低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのHC排出を少なくとも約60%、70%、80%又は90%低減し得る。別の実施形態では、基材は、HC排出を少なくとも91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%又は100%低減し得る。   In certain embodiments, the substrates of the present invention can reduce HC emissions from exhaust gases by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce HC emissions from exhaust gases by at least about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has at least 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9% HC emissions. Or it can be reduced by 100%.

或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのVOC排出を少なくとも約50%低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのVOC排出を少なくとも約60%、70%、80%又は90%低減し得る。別の実施形態では、基材は、VOC排出を少なくとも91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%又は100%低減し得る。   In certain embodiments, the substrates of the present invention can reduce VOC emissions from exhaust gases by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce VOC emissions from exhaust gases by at least about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has a VOC emission of at least 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%. Or it can be reduced by 100%.

或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのPM−10排出を少なくとも約50%低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのPM−10排出を少なくとも約60%、70%、80%又は90%低減し得る。別の実施形態では、基材は、PM−10排出を少なくとも91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%又は100%低減し得る。   In certain embodiments, the substrates of the present invention can reduce PM-10 emissions from exhaust gases by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce PM-10 emissions from exhaust gases by at least about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has a PM-10 emission of at least 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.99. It can be reduced by 9% or 100%.

或る実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのPM−2.5排出を少なくとも約50%低減し得る。一実施形態では、本発明の基材は、排気ガスからのPM−2.5排出を少なくとも約60%、70%、80%又は90%低減し得る。別の実施形態では、基材は、PM−2.5排出を少なくとも91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%又は100%低減し得る。   In certain embodiments, the substrates of the present invention can reduce PM-2.5 emissions from exhaust gases by at least about 50%. In one embodiment, the substrate of the present invention may reduce PM-2.5 emissions from exhaust gases by at least about 60%, 70%, 80% or 90%. In another embodiment, the substrate has a PM-2.5 emission of at least 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, It can be reduced by 99.9% or 100%.

重量低減
車両の燃費及びエンジン効率を改良するために車両の全体重量を低減することは、車両メーカーの一目標である。重い基材は、車両に不必要な重量を付加する。さらに基材が汚染を低減するのに十分効率的でない場合、標的汚染レベルに到達するために、1つより多い基材が協力して働くことが必要とされ得る。これは、車両の全体重量を大幅に増す。
Weight reduction Reducing the overall weight of the vehicle to improve vehicle fuel economy and engine efficiency is one goal of vehicle manufacturers. A heavy substrate adds unnecessary weight to the vehicle. Furthermore, if the substrate is not efficient enough to reduce contamination, more than one substrate may need to work together to reach the target contamination level. This greatly increases the overall weight of the vehicle.

さらに現在の触媒コンバーターは、しばしば重く且つ不細工である付加的装置の使用を要する。これらの装置のいくつか、例えば熱遮蔽体及び粒子マットは、触媒コンバーターの温度に対処するために用いられる。酸素センサーのようなその他のものは、一定の行政規制を満たす必要がある。   Furthermore, current catalytic converters require the use of additional equipment, which is often heavy and unwieldy. Some of these devices, such as heat shields and particle mats, are used to address the temperature of the catalytic converter. Others like oxygen sensors need to meet certain administrative regulations.

本発明の或る実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、従来の触媒基材又は濾過基材と比較して、重量低減を示す。これは、部分的に、ある種の従来の基材と比較して本発明の基材のより低い密度のためである。或いは低重量は、従来の技術と比較して本発明のいくつかの実施形態の改良された濾過及び触媒機能のため、必要とされる触媒基材又は濾過基材が少量であるためであり得る。触媒基材又は濾過基材の低重量は、多くの利益を有する。例えば基材の低重量は、車両に関する燃料効率改良に転換する。さらに低重量は、取扱いが容易で、潜在的により安全な手で持てる大きさのエンジン装置に転換する。   In some embodiments of the invention, the catalyst substrate or filtration substrate exhibits a weight reduction compared to a conventional catalyst substrate or filtration substrate. This is due in part to the lower density of the substrate of the present invention compared to certain conventional substrates. Alternatively, the low weight may be due to the small amount of catalyst substrate or filtration substrate required due to the improved filtration and catalytic function of some embodiments of the present invention compared to the prior art. . The low weight of the catalyst substrate or filtration substrate has many benefits. For example, the low weight of the substrate translates into improved fuel efficiency for the vehicle. The lower weight translates into an engine device that is easy to handle and potentially safer to hold.

好ましい実施形態では、基材の外表面は、使用中に従来の触媒コンバーター基材と同程度まで熱くならない。いくつかの実施形態では、熱遮蔽体及び/又は断熱材の必要性が低減される。   In a preferred embodiment, the outer surface of the substrate does not become as hot during use as a conventional catalytic converter substrate. In some embodiments, the need for heat shields and / or insulation is reduced.

音響属性
音響減衰は、厚み減少、薄さ、痩削;密度減少;力又は強度の減少;或いは音響エネルギー(音)の弱化と定義され得る。本発明の一実施形態では、音響減衰は、エンジン排気中の音響エネルギーを減衰するか又は消す、基材の能力である。本発明の基材は、本明細書中に開示されるように、エンジンのマフラーアセンブリに取って代わるか又は補足し、したがって排気騒音及び排気系コストを低減し得る。より高い音響減衰が好ましい。
Acoustic attributes Acoustic attenuation can be defined as thickness reduction, thinning, grinding; density reduction; force or intensity reduction; or acoustic energy (sound) weakening. In one embodiment of the invention, acoustic attenuation is the ability of the substrate to attenuate or extinguish acoustic energy in the engine exhaust. The substrate of the present invention can replace or supplement an engine muffler assembly, as disclosed herein, and thus reduce exhaust noise and exhaust system costs. Higher sound attenuation is preferred.

別の実施形態では、基材の多孔度、密度及びサイズは、所望の用途のために音響減衰を「調製する」よう変更され得る。   In another embodiment, the porosity, density and size of the substrate can be altered to “prepare” acoustic attenuation for the desired application.

別の実施形態では、基材の音響減衰は、排気系中に存在する音を消すか及び/又は「調整する」ために標準金属マフラーベースの技術と結び付けられ得る。   In another embodiment, the acoustic attenuation of the substrate may be combined with standard metal muffler-based techniques to mute and / or “tune” the sound present in the exhaust system.

流動型
フロースルー
一態様では、基材はフロースルー使用のために構築される。フロースルー構成は、当該技術分野で既知である。一実施形態では、溝(又は孔)は、本質的には基材の全長に亘って互いに平行に並べられる。ガス流は、基材の一端に進入して、基材の全長に亘って溝を通って流れ、他側に出る。
Flow-through flow-through In one aspect, the substrate is constructed for flow-through use. Flow-through configurations are known in the art. In one embodiment, the grooves (or holes) are aligned parallel to each other over essentially the entire length of the substrate. The gas stream enters one end of the substrate, flows through the groove over the entire length of the substrate, and exits to the other side.

本発明の触媒基材には、任意数のフロースルー構成が有用であり、適している。当該技術分野で既知であるフロースルー構成は、本発明の触媒基材に適用され得る。   Any number of flow-through configurations are useful and suitable for the catalyst substrate of the present invention. Flow-through configurations known in the art can be applied to the catalyst substrate of the present invention.

一実施形態では、フロースルー構成は、基材の長さの端から端まで全体に延びる複数の実質的に平行な溝を含む。   In one embodiment, the flow-through configuration includes a plurality of substantially parallel grooves that extend across the length of the substrate.

別の実施形態では、溝の壁は基材の側面又は表面と平行でない。   In another embodiment, the groove walls are not parallel to the sides or surface of the substrate.

ウォールフロー
本発明の別の実施形態は、ウォールフロー構成に構成された本発明の触媒基材又は濾過基材である。驚くべきことに、本発明のnSiRF−Cを含む触媒基材はウォールフロー構成に構成され得る、ということが確定された。
Wall Flow Another embodiment of the present invention is the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention configured in a wall flow configuration. Surprisingly, it has been determined that a catalyst substrate comprising nSiRF-C of the present invention can be configured in a wall flow configuration.

本発明の別の態様では、基材はウォールフロー構成を有する。例えば基材は、ウォールフロー触媒コンバーター又はウォールフロー粒子フィルター中で用いられる。ウォールフロー構成は、多くの物理学的配列のいずれか1つを採り得る。ウォールフロー構成を有する基材は、本明細書中に記載される1つ又は複数の属性を有し得る。さらにウォールフロー構成を有する基材は、1つ又は複数の以下のものをさらに含み得る:触媒、ウォッシュコート、酸素貯蔵酸化物及び放射率強化剤。さらにウォールフロー構成から成る基材は、本明細書中に記載されるようにさらに修正され、強化され、又は変更され得る。   In another aspect of the invention, the substrate has a wall flow configuration. For example, the substrate is used in a wall flow catalytic converter or wall flow particle filter. The wall flow configuration can take any one of a number of physical arrangements. A substrate having a wall flow configuration may have one or more attributes as described herein. In addition, the substrate having a wall flow configuration may further include one or more of the following: catalyst, washcoat, oxygen storage oxide and emissivity enhancer. Further, the substrate comprising a wall flow configuration can be further modified, strengthened, or altered as described herein.

一実施形態では、溝壁厚は、以下の任意の値である。約2ミル〜約6ミルの溝壁厚が好ましい。他の実施形態では、溝壁厚は、約10ミル〜約17ミルの範囲である。その他の適切な値としては、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19及び20ミルが挙げられる。   In one embodiment, the groove wall thickness is any of the following values: A groove wall thickness of about 2 mils to about 6 mils is preferred. In other embodiments, the groove 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.

ウォールフロー基材のその他の実施形態では、基材のセル密度は約400cpsi(セル/平方インチ)で、壁厚約6ミルであるか、或いはセル密度は約900cpsiで、溝壁厚が約2ミルである。付加的実施形態としては、cpsiが約50、100、150、200、250、300又は350であるものが挙げられる。   In other embodiments of the wall flow substrate, the cell density of the substrate is about 400 cpsi (cells per square inch) and the wall thickness is about 6 mils, or the cell density is about 900 cpsi and the groove wall thickness is about 2 It is a mill. Additional embodiments include those where the cpsi is about 50, 100, 150, 200, 250, 300, or 350.

触媒コンバーターのために用いられるフロースルー・セル支持体由来のセラミックウォールフローモノリスは、ディーゼルフィルター基材の最も一般的な型になった。それらは、高表面積/単位容積により、そして高濾過効率により、その他のディーゼルフィルターデザインとは区別される。モノリスディーゼルフィルターは、当該部分全体を軸に沿って走る、典型的には正方形横断面を有する多くの小さな平行溝から成る。ディーゼルフィルターモノリスは、溝に栓をすることによりフロースルーモノリスから得られる。機械的フィルターとして作用する多孔性基材壁を通してディーゼルエアロゾルを推し進めるために、隣接する溝は、各末端で交互に栓で塞がれる。この流動パターンを表わすために、基材はウォールフローモノリスと呼ばれる。ウォールフローモノリスは、円筒形状で最も一般的に利用されるが、楕円形横断面部品も空間束縛用途に関しては可能である。   Ceramic wall flow monoliths derived from flow-through cell supports used for catalytic converters have become the most common type of diesel filter substrate. They are distinguished from other diesel filter designs by high surface area / unit volume and by high filtration efficiency. A monolith diesel filter consists of a number of small parallel grooves, typically having a square cross-section, that run along the axis throughout the part. A diesel filter monolith is obtained from a flow-through monolith by plugging the groove. Adjacent grooves are plugged alternately at each end to propel the diesel aerosol through the porous substrate wall acting as a mechanical filter. To represent this flow pattern, the substrate is called a wall flow monolith. Wall flow monoliths are most commonly used in cylindrical shapes, but elliptical cross-section parts are also possible for space constrained applications.

ウォールフローフィルター壁は、製造工程で制御されなければならない微細孔の分布を有する。モノリスウォールフローフィルターに関する濾過メカニズムは、ケーク及び深層濾過の組合せである。粒子が孔の内側に沈着されるので、深層濾過は清浄フィルター上の優勢なメカニズムである。煤の量が増大すると、粒子層が吸込口溝壁に発達し、ケーク濾過が広く用いられるメカニズムになる。ある種の従来のモノリスフィルターは、総粒子状物質(TPM)の約70%という濾過効率を有する。固体PM分画、例えば元素炭素及び金属灰に関して、より高い効率が観察され得る。   Wall flow filter walls have a fine pore distribution that must be controlled in the manufacturing process. The filtration mechanism for monolith wall flow filters is a combination of cake and depth filtration. As the particles are deposited inside the pores, depth filtration is the dominant mechanism on the clean filter. As the amount of soot increases, a particle layer develops in the inlet groove wall, making cake filtration a widely used mechanism. Some conventional monolith filters have a filtration efficiency of about 70% of total particulate matter (TPM). Higher efficiencies can be observed for solid PM fractions such as elemental carbon and metal ash.

本発明の或る実施形態によれば、多孔性であり、したがってより多くのガスが孔を容易に通過することができ、繊維性複合材料のコア中に沈着された触媒と相互作用する材料を有することが好ましい。さらに多孔性壁を有すると、或る実施形態では、望ましい属性でもあり得るより高度の深層濾過が可能になる。   In accordance with certain embodiments of the present invention, a material that is porous and therefore allows more gas to pass through the pores and interacts with the catalyst deposited in the core of the fibrous composite material. It is preferable to have. In addition, having a porous wall allows higher depth filtration in certain embodiments, which may also be a desirable attribute.

ウォールフロー構成での本発明の基材は、排気ガスとはるかに多く、直接接触するようになる。材料孔特質(サイズ、多孔度%、孔連結性、開放対閉鎖孔等)は、ガス及びフィルター材料間の物理学的相互作用に影響を及ぼし、そして濾過効率及び圧力低下といった属性に作用する。さらに基質耐久性は、排気ガス構成成分による化学的攻撃に対する材料耐性に応じる。特に材料は、ディーゼル粒子の一部であり得る金属灰による腐食に耐性である必要がある。特にフィルターが高イオウ含量の燃料とともに用いられる場合、硫酸腐食に対する耐性も必要とされる。さらにフィルター再生中の多量の熱の放出の可能性のため、フィルター材料は高温及び高温勾配の両方に対する耐性の観点から、優れた熱属性を示すことが必要とされる。不十分な温度耐容性は材料の融解を生じ得るが、一方、不十分な熱衝撃耐性は、クラッキングを引き起こす。その他の潜在的問題としては、マイクロクラッキング及び破砕が挙げられる。特定の実施形態では、本発明の濾過基材及び触媒基材は、1つ又は複数のこれらの問題を解決する。   The substrate of the present invention in the wall flow configuration is much more in direct contact with the exhaust gas. Material pore characteristics (size, porosity%, pore connectivity, open versus closed pores, etc.) affect the physical interaction between the gas and the filter material and affect attributes such as filtration efficiency and pressure drop. Furthermore, the substrate durability depends on the material resistance to chemical attack by the exhaust gas constituents. In particular, the material needs to be resistant to corrosion by metal ash, which can be part of the diesel particles. Resistance to sulfuric acid corrosion is also required, especially when the filter is used with a high sulfur content fuel. Furthermore, due to the possibility of releasing large amounts of heat during filter regeneration, the filter material is required to exhibit excellent thermal properties in terms of resistance to both high temperatures and high temperature gradients. Insufficient temperature tolerance can result in melting of the material, while insufficient thermal shock resistance causes cracking. Other potential problems include microcracking and crushing. In certain embodiments, the filtration substrate and catalyst substrate of the present invention solve one or more of these problems.

ウォールフローモノリスの正確な幾何学形状を設計するに際しての重要な考慮事項としては、以下のパラメーターが挙げられる:セル密度、反復距離(全ウォールフローフィルター上の圧力低下の均一分布)、壁厚、解放前表面積、特定濾過面積、及び機械的保全性因子。   Important considerations when designing the exact geometry of a wall flow monolith include the following parameters: cell density, repeat distance (uniform distribution of pressure drop across all wall flow filters), wall thickness, Surface area before release, specific filtration area, and mechanical integrity factors.

本発明の具体的な実施形態では、ウォールフロー構成の溝の半分は遮断されている。別の構成では、本発明の基材は、溝の遮断壁が溝の開始部又は末端に構成されるウォールフロー構成を有する。別の構成では、遮断壁は、溝の中間に置かれ、或いは代替的には、溝の開始部及び末端間の任意の場所に置かれる。   In a specific embodiment of the invention, half of the walls of the wall flow configuration are blocked. In another configuration, the substrate of the present invention has a wall flow configuration in which the groove blocking wall is configured at the beginning or end of the groove. In another configuration, the barrier wall is placed in the middle of the groove, or alternatively, anywhere between the beginning and end of the groove.

さらに任意のパーセンテージの、例えば10%、25%、50%、75%、90%、95%等の溝が、ウォールフロー構成中に含まれ得る。   Furthermore, any percentage of grooves, such as 10%, 25%, 50%, 75%, 90%, 95%, etc. may be included in the wall flow configuration.

溝及び溝開口
一実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、基材の長さの端から端まで延びる複数の溝を含有しない。或る実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、その多孔性及び浸透性を考えると、その意図された用途において、例えば触媒コンバーターにおいて基材が機能するように、基材中に置かれる溝を有する必要がない。任意の潜在的背圧は、触媒基材の経路に排気物を置くだけで、多孔性及び浸透性により軽減される。溝を有さない膜構成が用いられる場合、構造的基材破損の機会を低減するために、好ましい使用は低流量環境中である。薄膜構成は、好ましくは「低流量」環境で、例えば暖炉又はおそらくは発電所で用いられる。ここでは流量は低く、そしていくつかの場合には、一定である(発電所)。もちろん、このような構成は同様にその他の用途に、例えば車両及び固定エンジンに用いるのに適している、と理解される。
Grooves and groove openings In one embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate does not contain a plurality of grooves extending across the length of the substrate. In certain embodiments, the catalyst substrate or filtration substrate is placed in the substrate such that, in view of its porosity and permeability, the substrate functions in its intended application, for example, in a catalytic converter. There is no need to have grooves. Any potential back pressure is mitigated by porosity and permeability by simply placing the exhaust in the catalyst substrate path. If a membrane configuration without grooves is used, the preferred use is in a low flow environment to reduce the chance of structural substrate failure. The thin film configuration is preferably used in a “low flow” environment, for example in a fireplace or perhaps a power plant. Here the flow rate is low and in some cases constant (power plant). Of course, it will be appreciated that such a configuration is suitable for other uses as well, such as for vehicles and stationary engines.

別の実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、一実施形態では、基材の少なくとも一部分を通して縦方向に延びる複数の溝を有する。複数の溝は、流体媒質、例えばガス又は液体を基材を通して流動させる。複数の溝は、前表面から後表面に延びる。その他の溝は、後表面から前表面に延びる。   In another embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention, in one embodiment, has a plurality of grooves extending longitudinally through at least a portion of the substrate. The plurality of grooves cause a fluid medium, such as a gas or liquid, to flow through the substrate. The plurality of grooves extend from the front surface to the rear surface. The other groove extends from the rear surface to the front surface.

溝は、基材の全長を通して延びることができる。このような実施形態では、溝は基材の前表面上に第一溝開口及び後表面上に第二溝開口を有する。或いは溝は、基材の一部分を通して延びる。或る実施形態では、溝は、基材の長さの約99%、97%、95%、90%、85%、80%、70%、60%又は50%を通して延びる。   The groove can extend through the entire length of the substrate. In such an embodiment, the groove has a first groove opening on the front surface of the substrate and a second groove opening on the rear surface. Alternatively, the groove extends through a portion of the substrate. In some embodiments, the groove extends through about 99%, 97%, 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60% or 50% of the length of the substrate.

基材の溝穴又は溝開口は、任意数の形状で形成され得る。例えば溝開口は、円形、三角形、正方形、六角形等であり得る。好ましい実施形態では、溝開口は三角形、正方形又は六角形である。   The slot or slot opening in the substrate can be formed in any number of shapes. For example, the groove openings can be circular, triangular, square, hexagonal, etc. In a preferred embodiment, the groove openings are triangular, square or hexagonal.

一実施形態では、溝開口は、隣接溝間の基材材料の厚みが基材全体で実質的に均一であるよう形成される。壁厚の変動は、或る実施形態では、約1%〜約50%であり得る。   In one embodiment, the groove openings are formed such that the thickness of the substrate material between adjacent grooves is substantially uniform across the substrate. The wall thickness variation may be about 1% to about 50% in some embodiments.

別の実施形態では、溝は、隣接溝の壁が互いに平行であるよう整列される。例えば三角形、正方形又は六角形の溝は、隣接溝の壁が互いに平行であるよう形成され得る。   In another embodiment, the grooves are aligned so that the walls of adjacent grooves are parallel to each other. For example, triangular, square or hexagonal grooves can be formed such that the walls of adjacent grooves are parallel to each other.

本発明の基材中の溝の直径又は横断面距離は、変わり得る。或る実施形態では、溝は、約5cm〜約100nmの直径又は横断面距離を有する。或る実施形態では、溝は約100ナノメートルの直径を有する。その他の適切な値としては、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19及び20ミルから選択される距離又は直径が挙げられる。   The diameter or cross-sectional distance of the grooves in the substrate of the present invention can vary. In some embodiments, the groove has a diameter or cross-sectional distance of about 5 cm to about 100 nm. In some embodiments, the groove has a diameter of about 100 nanometers. Other suitable values are from about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and 20 mils. The distance or diameter selected is mentioned.

溝は、その長さに沿ってサイズを変え得る。例えば溝は、その開口での横断面距離は約0.04インチであり、次いで溝の末端壁又は点に、或いは溝の末端の開口に近づくにつれ次第にサイズを低減する。一実施形態では、溝は、約10ミルの辺を有する前表面での正方形開口である。溝は、基材の長さの端から端まで延びて、後表面に第二開口を有する。後表面の溝開口は、約4ミルの辺を有する正方形を有する。溝は、前表面から後表面に、その長さに沿って次第に小さくなる。他の類似の構成も、もちろん、意図される。   The groove can vary in size along its length. For example, the groove has a cross-sectional distance at its opening of about 0.04 inches and then gradually reduces in size as it approaches the groove's end wall or point, or the groove's end opening. In one embodiment, the groove is a square opening at the front surface having sides of about 10 mils. The groove extends from end to end in the length of the substrate and has a second opening on the rear surface. The rear surface groove opening has a square shape with sides of about 4 mils. The groove gradually decreases along its length from the front surface to the rear surface. Other similar configurations are of course contemplated.

溝開口のサイズは、同様に変わり得る。例えば或る実施形態では、直径(又は横断面距離)は、約1ミル〜約100ミルである。溝開口のサイズに関するその他の適切な範囲としては、約1〜約500ミル、約1〜約100ミル、約1〜約10ミルが挙げられるが、これらに限定されない。その他の適切なサイズとしては、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19及び20ミルから選択される距離又は直径が挙げられる。本発明の基材はまた、種々のサイズの溝を有する。即ち、基材の一実施形態のいくつかの溝は、第一直径又は横断面距離を有する第一複数溝、ならびに第二直径又は横断面距離を有する第二複数溝を有する。例として、本発明の基材は、一実施形態では、約5ミルの横断面距離を有する1つ又は複数の溝を含み、さらに約7ミルの横断面距離を有する1つ又は複数の溝を含む。これらの実施形態のその他の変更は、本発明の範囲内であると理解される。   The size of the groove opening can vary as well. For example, in certain embodiments, the diameter (or cross-sectional distance) is from about 1 mil to about 100 mils. Other suitable ranges for the size of the groove 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 include from about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and 20 mils. The distance or diameter selected is mentioned. The substrate of the present invention also has grooves of various sizes. That is, some grooves of an embodiment of the substrate have a first plurality of grooves having a first diameter or cross-sectional distance and a second plurality of grooves having a second diameter or cross-sectional distance. By way of example, the substrate of the present invention, in one embodiment, includes one or more grooves having a cross-sectional distance of about 5 mils, and further includes one or more grooves having a cross-sectional distance of about 7 mils. Including. It will be understood that other variations of these embodiments are within the scope of the present invention.

その他の実施形態では、溝直径又は横断面距離は、約5cm、4cm、3cm、2cm又は1cmであり得る。直径が1フィート又はそれ以上の排気管を有し得る大型排気系に関しては、より大きな直径又は横断面距離の溝を有する基材が好ましい。   In other embodiments, the groove diameter or cross-sectional distance can be about 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm, or 1 cm. For large exhaust systems that can have exhaust pipes that are one foot or more in diameter, substrates with larger diameter or cross-sectional distance grooves are preferred.

溝壁の厚みは、同様に変わり得る。例えば溝壁は、1ミル厚未満であり得る。溝壁厚に関するその他の適切な値としては、1、2、3、4、5、6、7、8、9及び10ミルが挙げられる。   The groove wall thickness can vary as well. For example, the groove wall can be less than 1 mil thick. Other suitable values for groove wall thickness include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 mils.

溝は、溝数/平方インチに換算して測定され得る。或る実施形態では、本発明の基材は、約50〜約100,000個/平方インチの溝を有する。他の適切な値としては、100、200、300、400、500、600、700、800、900及び1,000が挙げられる。その他の実施形態としては、2,000個/平方インチの溝を有する触媒基材又は濾過基材が挙げられる。   Grooves can be measured in terms of grooves / square inch. In some embodiments, the substrate of the present invention has about 50 to about 100,000 grooves per square inch. Other suitable values include 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 and 1,000. Other embodiments include catalyst substrates or filtration substrates having 2,000 / in 2 grooves.

一実施形態では、本発明の基材は、600cpsi及び壁厚6ミルを含む。本発明の試料基材のセル密度が、2つのコージライト試料と比較される。第一及び第二のコージライト試料は、それぞれ、100cpsiで、壁厚17ミル、及び200cpsiで壁厚12ミルである。比較して、本発明の基材は、この実施形態では、600cpsi及び6ミルの壁を有する。   In one embodiment, the substrate of the present invention comprises 600 cpsi and a wall thickness of 6 mils. The cell density of the sample substrate of the present invention is compared with two cordierite samples. The first and second cordierite samples are 100 cpsi, wall thickness 17 mil, and 200 cpsi, wall thickness 12 mil, respectively. In comparison, the substrate of the present invention has 600 cpsi and 6 mil walls in this embodiment.

例示的実施形態では、基材は、フィルター全体に0.06インチ間隔で直径0.04インチの溝を穿孔される。これらの溝は、従来のコージライトウォールフロー溝より小さい。結果として、基材材料の大きな孔空間中に存在する表面積を考慮に入れなくても、コージライトと比較して、非常に大きく増大された表面積を生じる。溝は、好ましくは「盲」溝である。排気排気物は、触媒との反応を伴わずに溝中を及び溝から流動するというよりむしろ、溝壁を通って押し流される。   In an exemplary embodiment, the substrate is perforated with 0.04 inch diameter grooves at 0.06 inch intervals throughout the filter. These grooves are smaller than conventional cordierite wall flow grooves. As a result, a much larger and increased surface area is produced compared to cordierite without taking into account the surface area present in the large pore space of the substrate material. The groove is preferably a “blind” groove. Rather than flowing through and out of the groove without reaction with the catalyst, the exhaust exhaust is swept through the groove wall.

さらなる実施形態は、ピラミッド形状を有する複数の溝を含む触媒基材又は濾過基材に向けられる。ピラミッド形状の溝は、それらが任意数の基材材料、例えば本発明の基材のほかに、例えばnSiRF−Cに適用され得るようなものである。ピラミッド形状溝は、各溝が2つの溝開口を有するように、例えば基材の前表面に1つと基材の後表面に1つを有するフロースルー構成に構成され得る。或いはピラミッド形状溝は、各溝が開口を1つだけ有するよう、例えばウォールフロー構成に構成され得る。この実施形態では、ある溝の開口は前表面に位置するが、一方、他の溝の開口は後表面に位置する。好ましくは溝は、溝開口の位置に関して隣接溝が反対の構成を有するよう置かれる。さらに、ピラミッド状ウォールフロー構成の或る実施形態では、溝は、基材の非穿孔部分で終結する。基材のこの非穿孔部分は、平坦であるか又は先端が尖っている。非穿孔部分が平坦である場合、溝の縦方向横断面は台形に見える。非穿孔部分が尖っている場合、溝の縦方向横断面は三角形に見える。   Further embodiments are directed to catalyst substrates or filtration substrates that include a plurality of grooves having a pyramid shape. The pyramid-shaped grooves are such that they can be applied to any number of substrate materials, such as, for example, nSiRF-C in addition to the substrate of the present invention. The pyramid shaped grooves can be configured in a flow-through configuration, for example with one on the front surface of the substrate and one on the back surface of the substrate, such that each groove has two groove openings. Alternatively, the pyramid shaped grooves can be configured, for example, in a wall flow configuration so that each groove has only one opening. In this embodiment, certain groove openings are located on the front surface, while other groove openings are located on the rear surface. Preferably the grooves are positioned such that the adjacent grooves have the opposite configuration with respect to the position of the groove opening. Further, in certain embodiments of the pyramidal wall flow configuration, the groove terminates at a non-perforated portion of the substrate. This non-perforated portion of the substrate is flat or pointed. If the non-perforated part is flat, the longitudinal cross section of the groove appears trapezoidal. When the non-perforated part is pointed, the longitudinal cross section of the groove looks like a triangle.

形状及び形態
触媒及び濾過基材は、多くの適切な、したがって未知の構成を含む。基材は、三次元であり、そして一般的に、基材本体により1つ又は複数の側面と連結される前表面(又は領域又は面)及び後表面(又は領域又は面)を有する。前及び後表面は、本明細書中に記載されるような任意数の形状であり得る。前表面は、それを通って流体が基材に進入する表面を指す。後表面は、それを通って流体が基材から出て行く表面を指す。一般に表面は平坦であるが、或る実施形態では、非平坦であり得る。
Shapes and forms Catalysts and filtration substrates include many suitable and thus unknown configurations. The substrate is three-dimensional and generally has a front surface (or region or surface) and a back surface (or region or surface) that are connected to one or more side surfaces by the substrate body. The front and back surfaces can be any number of shapes as described herein. The front surface refers to the surface through which fluid enters the substrate. The back surface refers to the surface through which fluid exits the substrate. In general, the surface is flat, but in some embodiments it may be non-planar.

或る実施形態では、基材は円筒形を有する。基材を構成する円筒形は、例えば排気ガス中のNOの還元を触媒するために用いられる。   In some embodiments, the substrate has a cylindrical shape. The cylindrical shape constituting the substrate is used, for example, to catalyze the reduction of NO in the exhaust gas.

任意数の適切な長さ及び幅又は直径が、本発明の基材に適している。適切な長さとしては、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19及び20インチが挙げられる。もちろん、ディーゼル用途においては、そして固定エンジン、例えば製薬及び化学工場、製造工場、発電所等に用いるためには、より長い長さが好ましいであろう。別の点では、基材の形状は、その前表面形状に基づいて記載され得る。本発明の基材は、前表面がいくつかの物理学的構成のうちの1つを有するよう、調製され得る。前表面形状は、任意数の形状であり、その例としては円形、三角形、正方形、楕円形、台形、長方形等が挙げられるが、これらに限定されない。三次元では、基材は円筒形又は実質的に平坦な円板形であり得る。市販の基材は一般に、これら3つのデザインのうちの1つとして存在する。基材は、角張った隅又は丸みを帯びた隅を有し得る。丸みを帯びた隅は、基材の前表面形状において好ましい。したがって一実施形態では、本発明の基材は、丸みを帯びた隅を有する正方形形状を有する。別の実施形態では、基材は、丸みを帯びた隅を有する長方形前表面形状を有する。別の実施形態では、基材は、丸みを帯びた隅を有する台形前表面形状を有する。   Any number of suitable lengths and widths or diameters are suitable for the substrate of the present invention. Suitable lengths include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and 20 inches. . Of course, longer lengths may be preferred in diesel applications and for use in stationary engines such as pharmaceutical and chemical factories, manufacturing factories, power plants, and the like. In another respect, the shape of the substrate can be described based on its front surface shape. The substrate of the present invention can be prepared such that the front surface has one of several physical configurations. The front surface shape is an arbitrary number of shapes, and examples thereof include, but are not limited to, a circle, a triangle, a square, an ellipse, a trapezoid, and a rectangle. In three dimensions, the substrate can be cylindrical or substantially flat disk shaped. Commercially available substrates generally exist as one of these three designs. The substrate can have angular corners or rounded corners. Rounded corners are preferred in 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 another embodiment, the substrate has a rectangular front surface shape with rounded corners. In another embodiment, the substrate has a trapezoidal front surface shape with rounded corners.

本発明の触媒基材の例示的寸法としては、円形横断面形状を有し、そして約3.66、約4.00、約4.16、約4.66、約5.20、約5.60又は約6.00インチの直径を有するものが挙げられるが、これらに限定されない。その他の実施形態では、触媒基材は、約3.15×約4.75インチ、約3.54×5.16インチ、又は約4.00×約6.00インチの横断面寸法(それぞれ短軸及び長軸)を有する楕円形円筒形の形状を有する。   Exemplary dimensions of the catalyst substrate of the present invention have a circular cross-sectional shape and are about 3.66, about 4.00, about 4.16, about 4.66, about 5.20, about 5. Examples include, but are not limited to, those having a diameter of 60 or about 6.00 inches. In other embodiments, the catalyst substrate has a cross-sectional dimension of about 3.15 × about 4.75 inches, about 3.54 × 5.16 inches, or about 4.00 × about 6.00 inches (each short An elliptical cylindrical shape having an axis and a major axis.

別の実施形態では、触媒基材は、ヘッド触媒コンバーターに用いるのに適した形状及びサイズを有する。一般にヘッド触媒コンバーターは、エンジンの排気系に見出される従来の触媒コンバーターよりサイズが小さいであろう。ヘッド触媒コンバーターの適切なサイズ及び形状の決定は、当業者の能力の範囲内である。ヘッド触媒コンバーターのサイズ及び形状は、ヘッド触媒コンバーターが用いられるであろう特定のヘッド及びエンジンに基づいて構成される。例えば直径が約4と1/2インチである丸みを帯びた従来のコージライト基材は、約28.27平方インチの前表面積を有する。例えばフォード4.6V−8に関しては、ほぼこの寸法の基材を有する2つの前触媒コンバーターが存在する。これら2つの従来の前触媒コンバーターは、直径約1.13インチのnSiRF−C基材を含む8つのヘッド触媒コンバーターに取り替えることができる。   In another embodiment, the catalytic substrate has a shape and size suitable for use in a head catalytic converter. In general, head catalytic converters will be smaller in size than conventional catalytic converters found in engine exhaust systems. Determination of the appropriate size and shape of the head catalytic converter is within the ability of one skilled in the art. The size and shape of the head catalytic converter is configured based on the specific head and engine in which the head catalytic converter will be used. For example, a conventional round cordierite substrate having a diameter of about 4 and 1/2 inches has a front surface area of about 28.27 square inches. For Ford 4.6V-8, for example, there are two pre-catalytic converters having a substrate of approximately this size. These two conventional pre-catalytic converters can be replaced by an eight-head catalytic converter that includes an nSiRF-C substrate about 1.13 inches in diameter.

或いは円筒は、排気ガス中の一酸化炭素及び非燃焼炭化水素の酸化を触媒するために用いられる。円筒の長さは、円筒の直径より長いか、等しいか又は短いこともある。   Alternatively, the cylinder is used to catalyze the oxidation of carbon monoxide and non-burning hydrocarbons in the exhaust gas. The length of the cylinder may be longer, equal to or shorter than the diameter of the cylinder.

濾過基材及び触媒基材の異なる形状及び構成は、特定の用途、例えば固定エンジン、オンロード車両、オフロード車両等に基づいて用いられ得る。   Different shapes and configurations of the filtration substrate and the catalyst substrate can be used based on a particular application, such as stationary engines, on-road vehicles, off-road vehicles, and the like.

別の実施形態では、触媒基材は、市販の触媒コンバーターの商業的に用いられる基材に取って代わるために造形される。この実施形態では、本発明の基材は、異なる基材を用いる利用可能な触媒コンバーターの基材と実質的に同一である形状及び寸法を有する。例えば一般に用いられる多くの触媒コンバーターは、コージライトから製造される基材を含有する。触媒コンバーターのコージライトの形状及びサイズは既知であり、或いは分析により確定され得る。次に、本発明の基材の形状及びサイズが既知のコージライト基材のものと実質的に同一であるよう、以下に記載されるように機械加工により、又は成形によって、本発明の基材が調製される。   In another embodiment, the catalytic substrate is shaped to replace the commercially used substrate of a commercial catalytic converter. In this embodiment, the substrate of the present invention has a shape and dimensions that are substantially the same as the substrate of an available catalytic converter that uses a different substrate. For example, many commonly used catalytic converters contain a substrate made from cordierite. The shape and size of the catalytic converter cordierite is known or can be determined by analysis. The substrate of the present invention is then machined or molded as described below so that the shape and size of the substrate of the present invention is substantially the same as that of known cordierite substrates. Is prepared.

膜構成
或いは基材は、膜構成を有する。このような構成においては、基材の長さは、基材の幅又は直径より実質的に短い。基材を通る排気に関するより長い移動長さは、ある種の従来の触媒コンバーター及び粒子フィルター中の背圧の増強に対応する。本発明の或る実施形態の薄い基材では、背圧は最小化され、そして排気ガスは、低作用力及び増大濾過能力を有するフィルター系を通って移動するであろう。背圧のこの低減はより効率的なエンジン作動を生じ、これはより良好なガス走行距離及びより大きな仕事率を意味する。
The membrane configuration or the substrate has a membrane configuration. In such a configuration, the length of the substrate is substantially shorter than the width or diameter of the substrate. The longer travel length for exhaust through the substrate corresponds to increased back pressure in certain conventional catalytic converters and particle filters. In a thin substrate of an embodiment of the present invention, back pressure is minimized and the exhaust gas will travel through a filter system with low working force and increased filtration capacity. This reduction in back pressure results in more efficient engine operation, which means better gas mileage and greater power.

本発明の一実施形態では、基材は直径2インチ、厚み1/16インチであり、そして4インチの直径及び6インチの長さを有する従来のコージライトフィルターの表面積の400倍の表面積を有する。基材それ自体がサイズを低減されてきたため、キャニスターもサイズを縮小することができ、排気ラインにほんの小さな膨らみを生じただけである。或いは基材は、排気マニホールド中に収納され得る。   In one embodiment of the present invention, the substrate is 2 inches in diameter, 1/16 inch in thickness, and has a surface area 400 times that of a conventional cordierite filter having a diameter of 4 inches and a length of 6 inches. . Since the substrate itself has been reduced in size, the canister can also be reduced in size, producing only a small bulge in the exhaust line. Alternatively, the substrate can be housed in an exhaust manifold.

別の実施形態では、基材は膜の形態である。この場合、膜は、上記のような任意数の形状を有する本明細書中に記載されるような基材材料を含み、そしてこの場合、基材の長さは幅又は直径より実質的に短い。寸法は、例えば幅対長さ、又は直径対長さの比として記載され得る。適切な直径対幅比としては、約20:1、19:1、18:1、17:1、16:1、15:1、14:1、13:1、12:1、11:1、10:1、9:1、8:1、7:1、6:1及び5:1が挙げられるが、これらに限定されない。   In another embodiment, the substrate is in the form of a membrane. In this case, the membrane comprises a substrate material as described herein having any number of shapes as described above, and in this case the length of the substrate is substantially shorter than the width or diameter. . The dimension can be described, for example, as a width-to-length or diameter-to-length ratio. Suitable diameter to width ratios are about 20: 1, 19: 1, 18: 1, 17: 1, 16: 1, 15: 1, 14: 1, 13: 1, 12: 1, 11: 1, Examples include, but are not limited to 10: 1, 9: 1, 8: 1, 7: 1, 6: 1 and 5: 1.

さらに、膜構成を有する基材は、1つ又は複数の基材実施形態と一緒に積み重ねられ得る。膜構成に関しては、膜構成を有する多くの触媒基材又は濾過基材が一緒に積み重ねられ得る。例えば、直径約1インチ、長さ約0.2インチの円筒(又は円板)形状を有する複数の、例えば5つの触媒基材又は濾過基材が一緒に積み重ねられて、ある長さ、例えば約1インチの長さを有する基材パイルを形成し得る。   Further, a substrate having a membrane configuration can be stacked together with one or more substrate embodiments. With respect to the membrane configuration, many catalyst substrates or filtration substrates having a membrane configuration can be stacked together. For example, a plurality of, for example, five catalyst substrates or filtration substrates having a cylindrical (or disk) shape with a diameter of about 1 inch and a length of about 0.2 inch are stacked together to form a length, for example about A substrate pile having a length of 1 inch may be formed.

膜構成の場合、一実施形態では、触媒基材は、基材を通して走行する複数の溝を含有しない。ガスが移動しなければならないより短い距離のため、そして一部は本発明の高多孔度及び本発明により引き起こされる低い圧力低下のため、膜構成を有する複数の触媒基材を含む基材パイルを形成し得る。   In the case of a membrane configuration, in one embodiment, the catalyst substrate does not contain a plurality of grooves that travel through the substrate. A substrate pile comprising a plurality of catalyst substrates having a membrane configuration due to the shorter distance that the gas must travel, and in part due to the high porosity of the present invention and the low pressure drop caused by the present invention. Can be formed.

さらに積重ね膜構成は、個々の基材が触媒コンバーター又は粒子フィルターの床と垂直でない積重ね膜構成も包含する。この実施形態では、基材の側面(単数又は複数)(外側面)及び面(前又は後表面)の間の角度が約90°であるか、又はそれ未満であるか、又は90°より大きいか、例えば80°、70°等であるよう、基材は機械加工され、或いは成形され得る。   Stack membrane configurations also include stacked membrane configurations where the individual substrates are not perpendicular to the catalytic converter or particle filter bed. In this embodiment, the angle between the side (s) (outer side) and the side (front or back surface) of the substrate is about 90 °, less than or greater than 90 °. Alternatively, the substrate can be machined or molded to be, for example, 80 °, 70 °, etc.

触媒の焼結前付加
別の実施形態では、本明細書中に記載されるような触媒基材は触媒をさらに含み、この場合、触媒は、焼結プロセス前に基材材料に付加される。この場合、触媒は一般に、未焼結ビレットが生成される前にスラリーに付加される。他の実施形態では、触媒は、ミキサー中で繊維に付加される。或いは触媒は、液体形態である場合には、或る実施形態においてスラリーに付加される。基材は、1つ又は複数の触媒を含むスラリーから形成され得る。一実施形態では、触媒は、焼結時に、基材の繊維に付着する。別の実施形態では、触媒は、溝壁の表面に主に付着されるものとは対照的に溝壁の孔内に位置する。
Pre-sintering addition of catalyst In another embodiment, a catalytic substrate as described herein further comprises a catalyst, wherein the catalyst 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 other embodiments, the catalyst is added to the fibers in a mixer. Alternatively, the catalyst, if in liquid form, is added to the slurry in some embodiments. The substrate can be formed from a slurry containing one or more catalysts. In one embodiment, the catalyst adheres to the substrate fibers during sintering. In another embodiment, the catalyst is located in the pores of the groove wall as opposed to those that are primarily attached to the surface of the groove wall.

基材の帯状分布
別の実施形態では、本明細書中に記載されるような触媒基材は、基材中の異なる帯域が異なる属性を有するよう調製される。言い換えれば、触媒基材の1つ又は複数の物理学的特質又は属性は、基材の全体を通して、均一ではないか、或いは同一でない。例えば、或る実施形態では、基材の異なる帯域又は領域は、異なる密度、異なる触媒、異なる触媒混合物、異なる溝構成、異なる多孔性、異なる浸透性及び/又は異なる熱属性を有する。例として、一実施形態では、本発明の触媒基材は、nSiRF−C複合材料、ならびに第一及び第二触媒を含み、この場合、上記第一触媒は上記基材の第一帯域に適用され、そして上記第二触媒は上記基材の第二帯域に適用される。さらなる実施形態では、基材は、基材の本体全体で異なる程度の構造保全性を有する。例えば本明細書中に記載されるように、圧縮強化コーティングが基材の表面に付加されて、その表面の硬度を増大し、これが考え得る損害を減らす。
Substrate Band Distribution In another embodiment, a catalyst substrate as described herein is prepared such that different zones in the substrate have different attributes. In other words, one or more physical characteristics or attributes of the catalyst substrate are not uniform or identical throughout the substrate. For example, in certain embodiments, different zones or regions of the substrate have different densities, different catalysts, different catalyst mixtures, different groove configurations, different porosity, different permeability and / or different thermal attributes. By way of example, in one embodiment, the catalyst substrate of the present invention comprises an nSiRF-C composite material and first and second catalysts, wherein the first catalyst is applied to the first zone of the substrate. And the second catalyst is applied to the second zone of the substrate. In further embodiments, the substrate has different degrees of structural integrity across the entire body of the substrate. For example, as described herein, a compression toughening coating is added to the surface of the substrate to increase the hardness of the surface, which reduces possible damage.

ウォッシュコート
本発明の別の態様は、ウォッシュコートをさらに含む本明細書中に記載されるような触媒基材又は濾過基材に向けられる。その他の実施形態では、触媒基材はさらに触媒ウォッシュコートを含み、例えば触媒ウォッシュコートはウォッシュコート材料のほかに触媒を含む。或いは別の実施形態では、ウォッシュコート材料は触媒活性を有する。
Washcoat Another aspect of the present invention is directed to a catalyst substrate or filtration substrate as described herein further comprising a washcoat. In other embodiments, the catalyst substrate further includes a catalyst washcoat, eg, the catalyst washcoat includes a catalyst in addition to the washcoat material. Alternatively, in another embodiment, the washcoat material has catalytic activity.

適切なウォッシュコートとしては、シリカ、チタニア、非含浸ジルコニア、希土類金属酸化物で含浸されたジルコニウム、セリア、同時生成希土類金属酸化物−ジルコニア、及びそれらの組合せが挙げられる。その他の適切なウォッシュコートは、例えば、特許文献20、特許文献21、特許文献22、特許文献23、特許文献24及び特許文献25(これらの記載内容はすべて、参照により本明細書中で援用される)に開示されている。   Suitable washcoats include silica, titania, unimpregnated zirconia, zirconium impregnated with rare earth metal oxide, ceria, co-generated rare earth metal oxide-zirconia, and combinations thereof. Other suitable washcoats are described in, for example, Patent Document 20, Patent Document 21, Patent Document 22, Patent Document 23, Patent Document 24, and Patent Document 25, all of which are incorporated herein by reference. Are disclosed.

一般にウォッシュコートは、或る実施形態では、水性スラリーから適用され得る。アルミナ粉末及び/又はその他のウォッシュコート酸化物は、必要な粒子サイズに粉砕される。ウォッシュコート粉末の粒子サイズ分布は、完成ウォッシュコートの機械的強度及び基材へのその接着、ならびにウォッシュコートプロセス中のスラリーの流動学的属性に影響を及ぼす。非常に硬い材料であるアルミナは、或る実施形態では、エアジェット又はボールミルを用いて粉砕される。   In general, the washcoat may be applied from an aqueous slurry in certain embodiments. 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 of the finished washcoat and its adhesion to the substrate, as well as the rheological attributes of the slurry during the washcoat process. Alumina, which is a very hard material, is ground in some embodiments using an air jet or ball mill.

次の工程では、材料は、高剪断ミキサーを用いてタンク中の酸性化水中に分散される。スラリー中の固体含量は、典型的には30〜50%である。長時間混合後、アルミナ懸濁液は安定コロイド系になる。   In the next step, the material is dispersed in acidified water in a tank using a high shear mixer. The solids content in the slurry is typically 30-50%. After mixing for a long time, the alumina suspension becomes a stable colloidal system.

基材上に沈着されるウォッシュコートの量は、スラリーの流動学的属性(粘性)に応じ、且つそれにより制御され得る。酸化アルミニウムスラリーは、ある場合には、非ニュートン流体であって、これは時間に伴って、そして系に供給される機械的エネルギーの量(剪断速度)に伴って、その粘度を変える。任意の定常剪断速度では、スラリーの粘度は、そのpHの一関数である。或る実施形態では、粘度はpH調整により制御され得る。しかしながらアルミナ系の非ニュートン特質のため、精確な粘度制御は、おそらくは、ウォッシュコート・プロセスにおける最大の挑戦である。   The amount of washcoat deposited on the substrate depends on and can be controlled by the rheological attributes (viscosity) of the slurry. The aluminum oxide slurry is in some cases a non-Newtonian fluid that changes its viscosity with time and with the amount of mechanical energy (shear rate) supplied to the system. At any steady shear rate, the viscosity of the slurry is a function of its pH. In certain embodiments, the viscosity can be controlled by pH adjustment. However, due to the non-Newtonian nature of the alumina system, precise viscosity control is probably the biggest challenge in the washcoat process.

ウォッシュコート・スラリーは、任意の既知の方法及び手法、例えば浸漬又は部品上への注ぎ入れにより、及び/又は特殊コーティング機械で、基材に適用され得る。余分量のスラリーは圧縮空気で溝から掃去される。次に基材は乾燥され、焼成されて、ウォッシュコートをモノリス壁に結合し得る。   The washcoat slurry can be applied to the substrate by any known method and technique, such as by dipping or pouring onto parts and / or with a special coating machine. Excess slurry is swept from the groove with compressed air. The substrate can then be dried and fired to bond the washcoat to the monolith wall.

或る実施形態では、ウォッシュコートは、1、2又はそれより多い層で適用され得る。各層は乾燥され、焼成された後、次の層が処理される。多層ウォッシュコートの適用には、いくつかの理由がある:(1)触媒設計は各層に関して異なる化学的処方を要すること、そして(2)コーティング/プロセス装備制約、例えば1回の操作に厚いウォッシュコートを適用する必要がある高粘性スラリーを取扱いできないことである。   In some embodiments, the washcoat may be applied in one, two or more layers. After each layer is dried and fired, the next layer is processed. There are several reasons for the application of multi-layer washcoats: (1) catalyst design requires different chemical formulations for each layer, and (2) coating / process equipment constraints, such as a thick washcoat in a single operation It is not possible to handle highly viscous slurries that need to be applied.

ウォッシュコート層の典型的厚みは20〜40μmであるが、範囲外の値も本発明においては用いられ得る。これらの数値は、例えば200cpsi基材上の約100g/Lの、400cpsi基材上の約200g/Lまでのウォッシュコート量に対応する。触媒ウォッシュコート材料の比表面積は、或る実施形態では、100〜200m/gである。もちろん、その他の値も本明細書においては有用である。 The typical thickness of the washcoat layer is 20-40 μm, but values outside the range can also be used in the present invention. These numbers correspond to, for example, a washcoat amount of about 100 g / L on a 200 cpsi substrate to 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 some embodiments. Of course, other values are useful herein.

複合触媒系中の貴金属及びその他の触媒は、互いに、ウォッシュコート構成成分と、又は支持体材料と反応して、望ましくない触媒的に不活性な化合物を生じ得る。このような反応が所定の触媒系で起きる場合、それらは、従来のウォッシュコート技術で防止するのは難しい。触媒金属は完成ウォッシュコート層上に含浸されるため、反応構成成分間の接触は避けられない。   The noble metals and other catalysts in the composite catalyst system can react with each other, with the washcoat components, or with the support material to produce undesirable catalytically inert compounds. If such reactions occur with a given catalyst system, they are difficult to prevent with conventional washcoat techniques. Since the catalytic metal is impregnated on the finished washcoat layer, contact between the reaction components is inevitable.

分離ウォッシュコート技術は、ウォッシュコートが基材上に適用される前に、ウォッシュコートの特定の卑金属酸化物上に貴金属を固定することにより、貴金属を物理的に分離するために開発された。異なる酸化物及び/又は貴金属を有するウォッシュコート層の使用により、触媒系の構成成分が分離され得る。この技術の付加的利益としては、貴金属/卑金属比の制御及び貴金属分散改良が挙げられる。このような技術は、本発明に適用され得る。したがって好ましい一実施形態では、本発明は、nSiRF−C、少なくとも2つの触媒金属、ならびにウォッシュコートを含む触媒基材に向けられるが、この場合、上記2つの触媒金属は物理的に分離される。   Separation washcoat technology was developed to physically separate noble metals by immobilizing the noble metal on a particular base metal oxide of the washcoat before the washcoat is applied onto the substrate. By using washcoat layers with different oxides and / or noble metals, the components of the catalyst system can be separated. Additional benefits of this technique include control of the noble metal / base metal ratio and improved noble metal dispersion. Such a technique can be applied to the present invention. Thus, in a preferred embodiment, the present invention is directed to a catalyst substrate comprising nSiRF-C, at least two catalytic metals, and a washcoat, wherein the two catalytic metals are physically separated.

分離ウォッシュコート模式図(Segregated Washcoat Schematic):分離ウォッシュコートは、自動車の3元触媒に適用された。このような触媒の例としては、白金、パラジウム及びロジウムを含むトリメタル系である。触媒の第1の層は、Pd/Alから成る。第2の層(表面層)は、Rh/Pt/Ce−Zrから成る。この設計は、もしこの設計でなければ触媒の不活性化を引き起こす恐れのある、パラジウム−ロジウム合金の形成を防ぐ。 Segregated Washcoat Schematic: A separate washcoat was applied to a three-way catalyst for automobiles. Examples of such catalysts are trimetallic systems containing platinum, palladium and rhodium. The first layer of catalyst consists of Pd / Al 2 O 3 . The second layer (surface layer) is made of Rh / Pt / Ce-Zr. This design prevents the formation of palladium-rhodium alloys that could otherwise cause catalyst deactivation.

酸化アルミニウム又はアルミナは、排気制御触媒ウォッシュコート用の基本材料である。高い表面積のγ結晶構造(γ−Al)は、触媒用途に用いられる。これは、高純度において特性を示す。Al中の或る成分の存在は、その熱安定性に、良くも悪くも影響を与え得る。Al中に存在する少量のNaOは、溶剤として働き、アルミナの焼結を促進する。対して、La、SiO、BaO、及びCeOを含む幾つかの酸化金属は、アルミナ表面積に安定効果を有し、その焼結率が減少する。安定化したアルミナは、市販されている。 Aluminum oxide or alumina is the basic material for the exhaust control catalyst washcoat. The high surface area γ crystal structure (γ-Al 2 O 3 ) is used for catalyst applications. This is characteristic at high purity. The presence of certain components in Al 2 O 3 can affect its thermal stability for better or worse. A small amount of Na 2 O present in Al 2 O 3 acts as a solvent and promotes sintering of 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 their sintering rate is reduced. Stabilized alumina is commercially available.

別の実施形態において、二酸化セリウム、又はセリアは、例えば最大25%の量で添加される、触媒ウォッシュコートの構成成分である。別の実施形態では、セリアは約5%、10%、15%、20%、及び25%の量で添加される。セリアは、自動車の排気制御触媒において、重要なプロモーターである。3元触媒中のセリアの一機能は、Ce4+及びCe3+の間の循環により可能である酸素の貯蔵である。セリアによる他の効果には、アルミナの安定化、水蒸気改質反応の促進、貴金属の分散促進、及び貴金属の還元促進が含まれる。 In another embodiment, cerium dioxide, or ceria is a component of the catalyst washcoat that is added, for example, in an amount up to 25%. In another embodiment, ceria is added in amounts of about 5%, 10%, 15%, 20%, and 25%. Ceria is an important promoter in automobile exhaust control catalysts. One function of ceria in the three-way catalyst is oxygen storage, which is possible by circulation between Ce 4+ and Ce 3+ . Other effects of ceria include stabilization of alumina, promotion of steam reforming reaction, promotion of precious metal dispersion, and precious metal reduction.

或るディーゼル酸化触媒処方物には、高い添加量のセリアが含まれる。セリアの機能は、ディーゼル粒子の可溶性有機分画の触媒の酸化/割れである。   Some diesel oxidation catalyst formulations contain high loadings of ceria. The function of ceria is the oxidation / cracking of the catalyst of the soluble organic fraction of diesel particles.

高い表面積の酸化セリウムは、例えば、セリウム化合物の焼成によって、生成することができる。セリアのBET表面積は、270m/gもの大きさであり得る。別の実施形態では、例えば、3元触媒で、約150m/gの表面積のセリアが用いられる。900〜1,000℃で耐えることのできる、高温で安定化するタイプは、約6〜60m/gの表面積を有し、本発明での使用に適している。 High surface area cerium oxide can be produced, for example, by firing a cerium compound. The BET surface area of ceria can be as large as 270 m 2 / g. In another embodiment, for example, ceria with a surface area of about 150 m 2 / g is used with a three-way catalyst. High temperature stabilized types that can withstand 900-1,000 ° C. have a surface area of about 6-60 m 2 / g and are suitable for use in the present invention.

別の実施形態での本発明の触媒基材又は濾過基材は、さらに酸化ジルコニウムを含有する。或る実施形態では、酸化ジルコニウムは基材の熱安定性を増大する。   In another embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further contains zirconium oxide. In some embodiments, zirconium oxide increases the thermal stability of the substrate.

二酸化チタンは、不活性非硫化担体として、幾つかのディーゼル触媒と共に用いられる。2つの二酸化チタンの重要な結晶構造には、アナターゼ及びルチルが含まれる。アナターゼ形態は、触媒用途に重要である。それは、最大50〜120m/gの表面積を有し、最大500℃までの熱安定性がある。ルチル構造は、10m/g未満の小さい表面積を有する。アナターゼのルチルへの変換は、約550℃で行われ、触媒の不活性化を導く。本発明の別の実施形態では、触媒基材はnSiRF−C、好ましくはAETB又はOCTB、触媒、及び酸化チタンを含有する。 Titanium dioxide is used with some diesel catalysts as an inert non-sulfurized support. Two important crystal structures of titanium dioxide include anatase and rutile. The anatase form is important for catalytic applications. It has a surface area of up to 50~120m 2 / g, there is a thermally stable up to 500 ° C.. The rutile structure has a small surface area of less than 10 m 2 / g. The conversion of anatase to rutile is performed at about 550 ° C., leading to catalyst deactivation. In another embodiment of the invention, the catalyst substrate contains nSiRF-C, preferably AETB or OCTB, a catalyst, and titanium oxide.

酸化ジルコニウムは、自動車の3元触媒でセリアの熱安定剤及びプロモーターとして、又はディーゼル酸化触媒ウォッシュコートの非硫化構成成分としても用いることができる。酸化ジルコニウムは、100〜150m/gのBET表面積を有する。500〜700℃でその表面積が急速に広がる(loose)。良好な熱安定性は、La、Si、Ce、及びYを含むドーパントの広範囲の使用によって達成することができる。 Zirconium oxide can be used as a three-way catalyst for automobiles as a ceria heat stabilizer and promoter, or as a non-sulfurized component of a diesel oxidation catalyst washcoat. Zirconium oxide has a BET surface area of 100 to 150 m 2 / g. At 500-700 ° C its surface area looses rapidly. Good thermal stability can be achieved by extensive use of dopants including La, Si, Ce, and Y.

ゼオライトは、明確な結晶構造及び孔径を有する、合成による又は自然に発生するアルミナ−ケイ酸化合物である。ゼオライト孔の寸法は、一般的には3〜8Åであり、分子サイズの範囲内になる。より大きい横断面積を有する任意の分子は、ゼオライトケージの溝に入るのを妨げられる。この理由により、ゼオライトは、度々分子篩と称される。ゼロライトは、大きい比表面積によって、特徴付けられる。例えば、ZSM−5ゼオライトは、約400m/gの表面積を有する。ゼオライトモルデナイトは、約400〜500m/gの表面積を有する。ほとんどのゼオライトは、最大500℃まで熱安定性がある。 Zeolites are synthetic or naturally occurring alumina-silicate compounds that have a well-defined crystal structure and pore size. The size of the zeolite pore is generally 3 to 8 mm and falls within the molecular size range. Any molecules with a larger cross-sectional area are prevented from entering the groove of the zeolite cage. For this reason, zeolites are often referred to as molecular sieves. Zerolite is characterized by a large specific surface area. 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.

幾つかの触媒用途のゼオライトは、金属カチオンとイオン交換される。ゼオライトの酸形態(HZ)は、初めにNH4+(NHNO)を含む水溶液で処理され、アンモニウム交換ゼオライト(NH4+)を形成する。それから、触媒カチオンを含む塩溶液で処理され、金属交換ゼオライト(MZ)を形成する。 Some catalytic zeolites are ion exchanged with metal cations. The acid form (HZ) of the zeolite is first treated with an aqueous solution containing NH 4+ (NH 4 NO 3 ) to form an ammonium exchanged zeolite (NH 4+ Z ). It is then treated with a salt solution containing catalytic cations to form a metal exchanged zeolite (MZ).

ゼオライトは、それらの反復性のそして明確な孔構造のため、優れた吸着材料である。それらは、乾燥、精製及び分離を含めた多くの用途において、吸着剤として用いられてきた。合成ゼオライトも、石油化学加工処理における触媒として用いられる。   Zeolites are excellent adsorbent materials because of their repetitive and well-defined pore structure. They have been used as adsorbents in many applications, including drying, purification and separation. Synthetic zeolites are also used as catalysts in petrochemical processing.

近年、ゼオライトは、触媒(SCR、低質NO触媒)として、及び吸着剤(ディーゼル酸化触媒中の炭化水素トラップ)として、ディーゼル排気制御のために漸増的に用いられてきた。 Recently, zeolite, as catalyst (SCR, low quality the NO x catalyst), and as an adsorbent (hydrocarbon traps in diesel oxidation catalyst), have been used increasingly for the diesel exhaust control.

本発明のさらなる実施形態は、特定ウォッシュコート実施形態のいずれかをさらに含む、本明細書中に記載される特定基材実施形態のいずれかを包含する、と理解される。   It is understood that further embodiments of the invention include any of the specific substrate embodiments described herein, further including any of the specific washcoat embodiments.

酸素貯蔵酸化物
別の実施形態において、本発明の触媒基材又は濾過基材は、酸素貯蔵酸化物をさらに含む。酸素貯蔵酸化物(例えば、CeO)は、酸素貯蔵能(以下、「OSC」と略記する)を有し、つまり、これは気体の酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素を排出する能力である。さらに詳しくは、NへとNOxを還元する触媒コンバーターを補助するために、酸素リッチ状態(すなわち、単に「低質状態」と称してもよい燃料低質(fuel-lean)状態)で気体雰囲気中の過剰な酸素をCeOの結晶構造に吸蔵するように、CeOが気体雰囲気の酸素濃度を調整するのに加えられる一方、CO及びHCをCO及びHOに酸化させる触媒コンバーターを補助するために、CO−及び/又はHC−リッチ状態(すなわち、単に「リッチ状態」と称してもよい燃料リッチ状態)で、吸蔵した酸素を気体雰囲気中に排出する。したがって、触媒基材の触媒活性は、CeOの添加によって増大する。特許文献26で開示されているように、他の酸化貯蔵酸化物にはPr11等が含まれる。さらなる実施形態には、酸素貯蔵酸化物(例えば、CeO)をさらに含む、本明細書中に記載されている任意の具体的な基材の実施形態が含まれる。
Oxygen storage oxide In another embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further comprises an oxygen storage oxide. An oxygen storage oxide (for example, CeO 2 ) has an oxygen storage capacity (hereinafter abbreviated as “OSC”), that is, an ability to occlude gaseous oxygen and to exhaust the occluded oxygen. More specifically, in an oxygen-rich state (ie, a fuel-lean state, which may be referred to simply as a “low-quality state”) in a gaseous atmosphere to assist the catalytic converter that reduces NOx to N 2 . CeO 2 is added to adjust the oxygen concentration in the gas atmosphere so as to occlude excess oxygen into the crystal structure of CeO 2 , while assisting the catalytic converter to oxidize CO and HC to CO 2 and H 2 O Therefore, in the CO- and / or HC-rich state (that is, the fuel-rich state that may be simply referred to as “rich state”), the stored oxygen is discharged into the gas atmosphere. Thus, the catalytic activity of the catalyst substrate is increased by the addition of CeO 2. As disclosed in Patent Document 26, other oxide storage oxides include Pr 6 O 11 and the like. Further embodiments include any specific substrate embodiments described herein further comprising an oxygen storage oxide (eg, CeO 2 ).

SO酸化
ある種の金属触媒、特に白金の存在下では、燃料、例えばディーゼル燃料中に存在するイオウはSOに転化され、これは次に環境に有害なイオウ化合物、例えば硫酸ガスを排気中に生じ得る。ほとんどの硫酸塩は、典型的には、約350〜450℃の相対的に高い排気温度で、白金触媒上に生成される。ガソリン及びディーゼル燃料処方物からイオウを除去する極度の必要性が存在するが、その間に、触媒処方物はそれらの可能な限りの程度にその問題を低減しようとしてきた。
SO x oxidation In the presence of certain metal catalysts, especially platinum, the sulfur present in the fuel, eg diesel fuel, is converted to SO x , which in turn exhausts sulfur compounds that are harmful to the environment, eg sulfuric acid gas. Can occur. Most sulfates are typically produced on platinum catalysts at relatively high exhaust temperatures of about 350-450 ° C. While there is an extreme need to remove sulfur from gasoline and diesel fuel formulations, catalyst formulations have sought to reduce that problem to the extent possible.

Engelhardにより開発された例示的白金触媒は、5:1比での5〜150g/ftのPt/Rh、ならびに30〜1,500g/ftのMgOから成る(特許文献27)。触媒は、水ベースの溶液により基材上に含浸され得る。触媒で被覆されたフィルターは、好ましくは、375〜400℃の排気温度で用いて、再生させる。上記の処方物中のロジウムの機能は、SOの触媒的酸化、したがって硫酸塩が触媒中をおおうことを抑制する。 An exemplary platinum catalyst developed by Engelhard consists of 5 to 150 g / ft 3 of Pt / Rh in a 5: 1 ratio, and 30 to 1,500 g / ft 3 of MgO (US Pat. The catalyst can be impregnated on the substrate with a water-based solution. The filter coated with the catalyst is preferably regenerated using an exhaust temperature of 375 to 400 ° C. Function of rhodium in the above formulation, catalytic oxidation of SO 2, thus suppresses the sulphate cover the catalyst.

本発明の触媒基材は、或る実施形態では、例えば改良型熱プロフィールを有すること、且つそれにより触媒の熱分解を低減することにより、これらの問題の解決策を提供する。   The catalyst substrate of the present invention provides a solution to these problems in certain embodiments, for example, by having an improved thermal profile and thereby reducing catalyst pyrolysis.

触媒有害化は、触媒失活の有意の発生源である。それは、排気ガス中に存在する物質が化学的に触媒部位を失活させるか、或いは触媒表面に付着物を生じる場合に起こり得る。内燃機関からの排気ガス中の毒は、潤滑油構成成分に、或いは燃料に由来し得る。   Catalyst poisoning is a significant source of catalyst deactivation. It can occur when substances present in the exhaust gas chemically deactivate the catalytic site or cause deposits on the catalyst surface. Poisons in exhaust gases from internal combustion engines can originate from lubricating oil components or from fuel.

異なる触媒種間の、或いは触媒種と担体構成成分間の相互作用は、別の温度誘導性方式の触媒失活である。一例は、自動車の3−ウェイ触媒中のロジウムとCeO間の反応である。この種類の問題は、代替的担体、ならびに反応構成成分を物理的に分離し、且つ当該技術分野で既知である特殊なウォッシュコート技術を用いることにより低減され得る。 The interaction between different catalyst species or between the catalyst species and the support component is another temperature-induced mode of catalyst deactivation. An example is the reaction between rhodium and CeO 2 in an automotive 3-way catalyst. This type of problem can be reduced by using an alternative support, as well as special washcoat techniques known in the art, which physically separate the reaction components.

本発明のさらなる利点は、nSiRF−Cが異なる帯域でポンプ送入されて非相溶性構成成分を物理的に分離し得る点、或いは別個の膜基材中の非相溶性構成成分を用いた積重ね膜構成として利用され得るという点である。   A further advantage of the present invention is that nSiRF-C can be pumped in different zones to physically separate incompatible components, or stacking with incompatible components in separate membrane substrates. It can be used as a film configuration.

触媒失活は、腐食及び磨耗による物理的ウォッシュコート損失のためにも起こり得る。高ガス速度、温度変化、ならびにウォッシュコート及び基材材料間の熱膨張の差のため、そのメカニズムは排出制御触媒のためにも重要であり得る。   Catalyst deactivation can also occur due to physical washcoat loss due to corrosion and wear. The mechanism may also be important for emission control catalysts due to high gas velocities, temperature changes, and differences in thermal expansion between washcoat and substrate materials.

触媒被覆
ある種の用途では、吸着剤触媒はNOを塩に転化するために用いられるが、この塩は次に再生プロセスで手動で除去され得る。しかしながら燃料中のイオウの存在は、不溶性SO塩、例えば硫酸バリウムの生成をもたらし、これが触媒の上部に保護コーティングを形成して、それらの効率を低減し得る。本発明の或る実施形態の利点は、硫酸塩からのコーティングによる効率低減を、触媒基材が受け難いという点である。
Catalyst coating In certain applications, an adsorbent catalyst is used to convert NO to a salt, which can then be manually removed in a regeneration process. However, the presence of sulfur in the fuel can result in the formation of insoluble SO 4 salts, such as barium sulfate, which can form a protective coating on top of the catalyst, reducing their efficiency. An advantage of certain embodiments of the present invention is that the catalyst substrate is less susceptible to reduced efficiency due to coating from sulfate.

別の実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、セラミックに適した保護コーティングをさらに含む。例えばこのような適切な保護コーティングは特許文献28(参照によりその全体が本明細書中で援用される)に開示されている。このコーティングは、セラミック材料のための保護コーティング(PCC)としても既知である。別の適切な且つ関連するコーティングは、Emisshield(登録商標)コーティング(Wessex Incorporated, Blacksburg, VA)として入手可能である。Emisshield(登録商標)中の放射率作用物質は、特に高温で、材料中の放射率を増強する。さらに保護コーティングは、外部衝撃及び磨耗力による損害を小さくし得る。適切なコーティングは、特許文献29、特許文献30及び特許文献31(これらの開示は、参照により本明細書中で援用される)に開示されている。上記のコーティングは、本明細書中に記載される1つ又は複数の特定の濾過及び触媒基材とともに用いられ得る。   In another embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further comprises a protective coating suitable for ceramic. For example, such a suitable protective coating is disclosed in US Pat. This coating is also known as a protective coating (PCC) for ceramic materials. Another suitable and related coating is available as an Emissshield (R) coating (Wessex Incorporated, Blacksburg, VA). The emissivity agent in Emissiel® enhances the emissivity in the material, especially at high temperatures. In addition, the protective coating can reduce damage from external impacts and wear forces. Appropriate coatings are disclosed in US Pat. Nos. 6,099,069 and 3,057,037, the disclosures of which are hereby incorporated by reference. The above coatings can be used with one or more specific filtration and catalyst substrates described herein.

或る実施形態では、触媒基材又は濾過基材は、熱衝撃及び熱循環による損害に対して耐性である。しかしながらある種の基材は相対的に軟質であり、外部衝撃及び磨耗力により損害を受け得る。このような損害を小さくするために、好ましい実施形態では、本発明の触媒基材又は濾過基材は、基材の表面、好ましくは外表面への、1つ又は複数の保護コーティングをさらに含む。適切な保護コーティングの例は、特許文献32、特許文献33及び特許文献34(これらの開示は、参照により本明細書中で援用される)に開示されている。したがって好ましい実施形態では、本発明は、他の属性の中でも、従来の基材と比較して、より高い多孔度、より高い浸透性、及び十分な硬度を有する基材を提供する。上記のコーティングは、本明細書中に記載される1つ又は複数の特定の濾過及び触媒基材とともに用いられ得る。   In certain embodiments, the catalyst substrate or filtration substrate is resistant to damage from thermal shock and thermal cycling. However, certain substrates are relatively soft and can be damaged by external impacts and wear forces. In order to reduce such damage, in a preferred embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention further comprises one or more protective coatings on the surface of the substrate, preferably the outer surface. Examples of suitable protective coatings are disclosed in US Pat. Thus, in a preferred embodiment, the present invention provides a substrate having higher porosity, higher permeability, and sufficient hardness, compared to conventional substrates, among other attributes. The above coatings can be used with one or more specific filtration and catalyst substrates described herein.

圧力低下
本発明は、触媒コンバーター及び粒子フィルターに関する圧力低下改良を備えた基材も提供する。したがって或る実施形態では、本発明の基材は、背圧の実質的増大を伴わずに、或いは従来の触媒及び粒子フィルターと比較してより低い背圧増大を用いて、排気ガスを除去及び/又は濾過するための手段を提供させる。
Pressure Drop The present invention also provides a substrate with pressure drop improvements for catalytic converters and particle filters. Thus, in certain embodiments, the substrate of the present invention removes exhaust gases without substantial increase in back pressure or with a lower back pressure increase compared to conventional catalysts and particle filters. Means for filtering are provided.

従来の触媒コンバーターを介する排気ガスの流れは、実質量の背圧を生じる。触媒コンバーターにおける背圧増大は、触媒コンバーターの成功のための重要な属性である。触媒コンバーターが部分的に又は全体的に目詰まりすると、それは排気系に制限を生じるであろう。背圧のその後の増大は、エンジン性能(例えば馬力及びトルク)及び燃費の猛烈な低下を引き起こし、そして遮断が重度である場合、エンジンが始動した後にエンジンを止めさせることさえある。材料のコスト、ならびに適切なフィルターを有するオリジナルエンジンを装備改良するか又は製造するコストの両方のため、汚染物質排出を低減するための従来の試みは非常にコストが掛かる。   Exhaust gas flow through conventional catalytic converters creates a substantial amount of back pressure. Increased back pressure in catalytic converters is an important attribute for the success of catalytic converters. If the catalytic converter is partially or totally clogged, it will limit the exhaust system. Subsequent increases in back pressure cause a dramatic drop in engine performance (eg, horsepower and torque) and fuel economy, and if the shut-off is severe, it can even cause the engine to stop after it starts. Conventional efforts to reduce pollutant emissions are very costly, both because of the cost of the material, as well as the cost of retrofitting or manufacturing an original engine with appropriate filters.

本発明の基材は、或る実施形態では、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いられる従来の基材より低いか又はより小さい圧力低下を生じるという属性を有する。本発明は、いくつかの実施形態では、従来の粒子フィルターと比較して、粒子フィルター中の煤の積重なりがより低く、そしていくつかの場合、フィルターの取替えの必要性を低頻度にさせる。   The substrate of the present invention has the attribute that, in certain embodiments, it produces a lower or less pressure drop than conventional substrates used in catalytic converters or particulate filters. The present invention, in some embodiments, has lower soot stacking in the particle filter compared to conventional particle filters, and in some cases, the need for filter replacement is less frequent.

具体的実施形態
本発明は、上記の触媒及び濾過基材の具体的実施形態にも向けられる。具体的実施形態としては、nSiRF−C及び触媒を含むか、或いはそれらから成るか、或いは本質的にそれらから成る基材が挙げられる。付加的実施形態は、nSiRF−C及び複数の溝を含む濾過基材である。
Specific Embodiments The present invention is also directed to specific embodiments of the above catalyst and filtration substrate. Specific embodiments include a substrate comprising, consisting of, or consisting essentially of nSiRF-C and a catalyst. An additional embodiment is a filtration substrate that includes nSiRF-C and a plurality of grooves.

例えば基材の或る実施形態は、上記の属性を複数有する。他の実施形態では、本発明の基材は、上記の属性を2、3、4、5、6、7、8、9又は10個有する。具体的実施形態は、属性の任意の組合せを含み得る。触媒基材は、以下の非限定的具体的実施形態によりさらに例証される。   For example, an embodiment of the substrate has a plurality of the above attributes. In other embodiments, the substrate of the present invention has 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 attributes as described above. Specific embodiments may include any combination of attributes. The catalyst substrate is further illustrated by the following non-limiting specific embodiments.

一実施形態では、本発明の基材は、約96%〜約99%の多孔度;約10〜約14lb/ftの密度;ウォールフロー構成を有する複数の溝;及び任意に触媒を有する、nSiRF−C複合材料を含む。 In one embodiment, the substrate of the invention has a porosity of about 96% to about 99%; a density of about 10 to about 14 lb / ft 3 ; a plurality of grooves having a wall flow configuration; and optionally a catalyst. Includes nSiRF-C composite.

一実施形態では、本発明の基材は、約96%〜約99%の多孔度;約10〜約16lb/ftの、好ましくは約10、11、12、13、14、15又は16lb/ftの密度;ウォールフロー構成を有する複数の溝を有する、アルミナボリアシリカ繊維、シリカ繊維及びアルミナ繊維;ならびに任意に触媒を有する、nSiRF−C複合材料を含む。他の実施形態では、基材は、好ましくはアルミナオキシド又はその誘導体のウォッシュコートをさらに含む。 In one embodiment, the substrate of the present invention has a porosity of about 96% to about 99%; about 10 to about 16 lb / ft 3 , preferably about 10, 11, 12, 13, 14, 15 or 16 lb / An nSiRF-C composite having a density of ft 3 ; alumina boria silica fibers, silica fibers and alumina fibers having a plurality of grooves with a wall flow configuration; and optionally a catalyst. In other embodiments, the substrate preferably further comprises a washcoat of alumina oxide or derivative thereof.

別の実施形態では、本発明の基材は、1つ又は複数の以下の属性を有する基材を含む:約100〜約150、好ましくは約130〜140、さらに好ましくは133psiの引張り強さ;約0.5〜約0.9、好ましくは約0.7〜約0.8、さらに好ましくは約0.770のBTU−ft/hr ft °Fの熱伝導度;約1〜約5×10−6、約1〜約3×10−6、さらに好ましくは約1.95×10−6の熱膨張係数(77°F〜1,000°Fで試験);約15.5〜約17、好ましくは約16〜約16.8、さらに好ましくは約16.30/lb/ftの平均密度;ならびに任意に触媒。 In another embodiment, the substrate of the present invention comprises a substrate having one or more of the following attributes: tensile strength of about 100 to about 150, preferably about 130 to 140, more preferably 133 psi; BTU-ft * / hr ft 2 ° F. thermal conductivity of about 0.5 to about 0.9, preferably about 0.7 to about 0.8, more preferably about 0.770; about 1 to about 5 × 10 -6, about 1 to about 3 × 10 -6, more preferably the thermal expansion coefficient of about 1.95 × 10 -6 (tested at 77 ° F~1,000 ° F); about 15.5~ about 17, an average density of about 16 to about 16.8, more preferably about 16.30 / lb / ft 3 ; and optionally a catalyst.

別の実施形態では、本発明の基材は、1つ又は複数の以下の属性を有する基材を含む:約50〜約70、好ましくは約60〜65、さらに好ましくは63psiの引張り強さ;約0.5〜約0.9、好ましくは約0.7〜約0.8、さらに好ましくは約0.770のBTU−ft/hr ft °Fの熱伝導度;約1〜約5×10−6、約1〜約3×10−6、さらに好ましくは約1.77×10−6の熱膨張係数(77°F〜1,000°Fで試験);約7〜約9、好ましくは約8.2〜約8.6、さらに好ましくは約8.40/lb/ftの平均密度;ならびに任意に触媒。 In another embodiment, the substrate of the present invention comprises a substrate having one or more of the following attributes: a tensile strength of about 50 to about 70, preferably about 60 to 65, more preferably 63 psi; BTU-ft * / hr ft 2 ° F. thermal conductivity of about 0.5 to about 0.9, preferably about 0.7 to about 0.8, more preferably about 0.770; about 1 to about 5 × 10 -6, (tested at 77 ° F~1,000 ° F) from about 1 to about 3 × 10 -6, more preferably the thermal expansion coefficient of about 1.77 × 10 -6; about 7 to about 9, Preferably an average density of about 8.2 to about 8.6, more preferably about 8.40 / lb / ft 3 ; and optionally a catalyst.

別の実施形態では、本発明の基材は、1つ又は複数の以下の属性を有する基材を含む:約60〜約80、好ましくは約70〜79、さらに好ましくは74psiの引張り強さ;約0.5〜約0.9、好ましくは約0.7〜約0.8、さらに好ましくは約0.765のBTU−ft/hr ft °Fの熱伝導度;約1〜約5×10−6、約1〜約3×10−6、さらに好ましくは約1.84×10−6の熱膨張係数(77°F〜1,000°Fで試験);約9〜約11、好ましくは約9.5〜約10.5、さらに好ましくは約10lb/ftの平均密度;ならびに任意に触媒。 In another embodiment, the substrate of the present invention comprises a substrate having one or more of the following attributes: tensile strength of about 60 to about 80, preferably about 70 to 79, more preferably 74 psi; A thermal conductivity of BTU-ft * / hr ft 2 ° F. of about 0.5 to about 0.9, preferably about 0.7 to about 0.8, more preferably about 0.765; × 10 -6, about 1 to about 3 × 10 -6, more preferably the thermal expansion coefficient of about 1.84 × 10 -6 (tested at 77 ° F~1,000 ° F); from about 9 to about 11, Preferably an average density of about 9.5 to about 10.5, more preferably about 10 lb / ft 3 ; and optionally a catalyst.

本発明の別の適切な触媒基材は、本明細書中に記載されるようなnSiRF−C;ならびに以下のものを含む触媒:酸化銅(CuO)で前ドープされた担体;白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)及びレニウム(Re)から成る群から選択される主触媒としての少なくとも1つの貴金属(この場合、少なくとも1つの貴金属が前ドープ化担体の表面でドープされる);ならびに三酸化アンチモン(Sb)、三酸化ビスマス(Bi)、二酸化スズ(SnO)及びそれらの混合物から成る群から選択される補助触媒としての少なくとも1つの金属酸化物(ここで、少なくとも1つの金属酸化物が前ドープ化担体の表面上でドープされる)である。このような触媒は、特許文献35(参照によりその全体が本明細書中で援用される)に記載されている。 Another suitable catalyst substrate of the present invention is nSiRF-C as described herein; as well as a catalyst comprising: a support pre-doped with copper oxide (CuO); platinum (Pt) At least one noble metal as a main catalyst selected from the group consisting of palladium, Pd, rhodium (Rh) and rhenium (Re), where at least one noble metal is doped on the surface of the pre-doped support And at least one metal oxide as a co-catalyst 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 ( Where at least one metal oxide is doped on the surface of the pre-doped carrier). Such a catalyst is described in US Pat. No. 6,057,034 (incorporated herein by reference in its entirety).

一実施形態では、基材は、排気ガスの流れに関連して排気マニホールド前のエンジンヘッドの内側に構成される触媒コンバーター中に用いられるのに適している。   In one embodiment, the substrate is suitable for use in a catalytic converter configured inside the engine head in front of the exhaust manifold in connection with the exhaust gas flow.

触媒基材の付加的実施形態としては、以下の表に示されるおおよその属性を有するnSiRF−Cを含む触媒基材が挙げられる。   Additional embodiments of the catalyst substrate include catalyst substrates comprising nSiRF-C having the approximate attributes shown in the table below.

Figure 2007534483
Figure 2007534483

別の具体的実施形態は、表1に記載されたようなnSiRF−Cを含む触媒基材;ならびにパラジウム、白金、ロジウム、その誘導体及びその組合せから成る群から選択される触媒を含む、触媒基材に向けられる。   Another specific embodiment is a catalytic group comprising 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. Directed to the material.

高級不織耐火性繊維を含む好ましい基材は、多孔度90%〜98%であり、0.8〜1.0の放射率値を有する。   Preferred substrates comprising high-grade nonwoven refractory fibers have a porosity of 90% to 98% and an emissivity value of 0.8 to 1.0.

一実施形態では、本発明の濾過基材は、nSiRF−Cを含み、或いは本質的にそれから成り、そしてさらに、前表面入口端及び出口端、薄く、多孔性の交差して垂直に延びる壁及び水平に延びる壁(これらは、前表面入口端及び出口端間で実質的に縦方向にそして相互に平行に延びている複数の溝を規定する)を包含し;前表面入口端は、非碁盤縞模様でその長さの一部に沿って目詰まりしたセルの第一セクション、ならびに碁盤縞模様で目詰まりしセルの第二セクションを含み、非碁盤縞模様目詰まりセルの第一セクションは碁盤縞模様目詰まりセルの第二セクションより小さい。このような構成は、特許文献36(参照によりその全体が本明細書中で援用される)にさらに記載されている。第一セクションのセルの4分の3までは、目詰まりされ得ない。或いは第一セクションのセルの半分までは目詰まりされ得ない。或いは第一セクションのセルの4分の1までは目詰まりされ得ない。   In one embodiment, the filtration substrate of the present invention comprises or consists essentially of nSiRF-C, and further includes a front surface inlet end and outlet end, thin, porous intersecting and vertically extending walls and Including horizontally extending walls (which define a plurality of grooves extending substantially longitudinally and parallel to each other between the front surface inlet end and the outlet end); It includes a first section of cells that are clogged along a portion of its length with stripes, and a second section of cells that are clogged with board stripes, and the first section of non-board stripe clogged cells is a board Smaller than the second section of the striped clogged cell. Such a configuration is further described in US Pat. No. 6,057,036 (incorporated herein by reference in its entirety). Up to three quarters of the cells in the first section cannot be clogged. Or up to half of the cells in the first section cannot be clogged. Or up to a quarter of the cells in the first section cannot be clogged.

本発明は、種々の実施形態の限定から成るか、或いは本質的にそれらから成る実施形態に向けられる、とさらに理解される。したがって例えば一実施形態がnSiRF−C及び触媒を含む触媒基材として記載される場合、本発明は、nSiRF−C及び触媒から成るか又は本質的にそれらから成る触媒基材をさらに包含する、と理解される。   It is further understood that the present invention consists of, or is directed to, embodiments consisting essentially of limitations of various embodiments. Thus, for example, if one embodiment is described as a catalyst substrate comprising nSiRF-C and a catalyst, the present invention further includes a catalyst substrate consisting of or consisting essentially of nSiRF-C and a catalyst. Understood.

反応の触媒方法及び濾過方法
本発明の別の態様は、反応の触媒方法であって、本発明の触媒基材を提供すること;及び上記の反応を触媒するのに十分な温度で触媒基材の上の及び/又は触媒基材を通る流体の流れを方向付けることを包含する方法に向けられる。好ましくは反応は、汚染物質を非汚染物質に転化する。例えば一実施形態における触媒基材は、一酸化炭素を二酸化炭素に転化する。
Catalytic Method of Reaction and Filtration Method Another aspect of the present invention is a catalytic method of reaction, providing the catalyst substrate of the present invention; and a catalyst substrate at a temperature sufficient to catalyze the above reaction. Directed to a method comprising directing fluid flow over and / or through a catalyst substrate. Preferably the reaction converts pollutants to non-pollutants. For example, the catalyst substrate in one embodiment converts carbon monoxide to carbon dioxide.

触媒方法は、本明細書中に記載されるようなアルミナ強化断熱を含む基材を用いて実施される。   The catalytic process is carried out using a substrate comprising an alumina reinforced insulation as described herein.

好ましい一実施形態では、基材は適切な触媒を含有する。   In a preferred embodiment, the substrate contains a suitable catalyst.

一実施形態では、本発明は、排気ガスの濾過方法であって、上記のような本発明の濾過又は触媒基材を提供すること、及び基材を通る流体、例えばガス又は液体の流れを方向付けることを包含し、この場合、上記ガスが粒子状物質を含有する方法に向けられる。   In one embodiment, the present invention is an exhaust gas filtration method, providing a filtration or catalyst substrate of the present invention as described above, and directing a flow of fluid, eg, gas or liquid, through the substrate. In which case the gas is directed to a process containing particulate matter.

別の実施形態では、方法は、濾過粒子状物質を焼き尽くすことをさらに包含する。濾過粒子状物質の焼き尽くしは、蓄積粒子状物質を主に非汚染物質に転化する。   In another embodiment, the method further includes burning out the filtered particulate material. Burning out the filtered particulate matter converts the accumulated particulate matter primarily into non-contaminating materials.

本発明のこの態様は、ディーゼルエンジンでの特定の使用である。別の態様では、本発明は、濾過方法であって、濾過がディーゼル粒子フィルターを利用する方法に向けられる。   This aspect of the invention is a specific use in diesel engines. In another aspect, the present invention is directed to a filtration method, wherein the filtration utilizes a diesel particulate filter.

ディーゼルエンジン(この場合、圧縮は単独で燃料を点火する)は、有毒ガスのほかに多くの有害粒子を含有するそれらの排気排出に関して、近年、世界的監視下に置かれた。メーカーの反応は、既知の触媒コンバーター技術をディーゼルエンジンに適用することであった。残念ながら、排出基準に関する規制は、従来の触媒コンバーターの物理的及び経済的限界を超えていた。ディーゼル排気物は、より多量の粒子状物質が生成される、という点でガソリン排気物とは異なる。この理由のため、排気排出捕獲、燃焼及び酸化に関する現行技術は、最も厳しい排出基準を十分には満さないであろう。   Diesel engines (in this case, compression alone ignite fuel) have been under global surveillance in recent years for their exhaust emissions, which contain many harmful particles in addition to toxic gases. The manufacturer's reaction was to apply known catalytic converter technology to diesel engines. Unfortunately, regulations on emission standards have exceeded the physical and economic limits of conventional catalytic converters. Diesel exhaust differs from gasoline exhaust in that a greater amount of particulate matter is produced. For this reason, current technologies for exhaust emission capture, combustion and oxidation will not fully meet the most stringent emission standards.

大多くのバスは、85%効率ディーゼル粒子トラップ[「DPT」]を用いて製造されるか、或いは装備改良される。DPTは、高コストを有し、非常に複雑で、低燃費であり、低耐久性を有する。さらに規制は2010年までに100%遵守を求めており、DPT単独ではこれらの規制要件を満たし得ない。エンジン又は排気ガスの高温は、粒子状物質をより短い滞留時間で燃焼させる。エンジンの燃焼室により近くフィルターを移動するか、或いは補助熱源を付加すると、熱増大が提供され得る。したがって必要とされるものは、(1)燃焼室付近のような極高温、即ち500℃以上におかれ得る;(2)振動分解に対してより耐性であり;そして(3)粒子状物質燃焼作用を依然として保持するか又は改良する、フィルターである。触媒を用いない場合でも粒子状物質燃焼を達成する能力は、触媒及びコーティングコストに関する有意の節約も提供するであろう。   Most buses are manufactured or retrofitted with 85% efficient diesel particle traps [“DPT”]. DPT has high cost, is very complicated, has low fuel consumption, and has low durability. Furthermore, regulations require 100% compliance by 2010, and DPT alone cannot meet these regulatory requirements. The high temperature of the engine or exhaust gas causes the particulate matter to burn with a shorter residence time. Moving the filter closer to the engine's combustion chamber or adding an auxiliary heat source can provide increased heat. Therefore, what is needed is (1) extremely high temperatures, such as near the combustion chamber, ie above 500 ° C .; (2) more resistant to vibrational decomposition; and (3) particulate matter combustion A filter that still retains or improves its action. The ability to achieve particulate combustion even without a catalyst will also provide significant savings regarding catalyst and coating costs.

一旦フィルターが粒子状物質(例えば煤)を捕獲すると、粒子状物質は、酸素の存在下で十分にその温度を上げることにより完全に燃焼される必要がある。粒子状物質の燃焼は、出てくる排気の現在温度を利用すること、及び/又は補助熱源を提供することにより成し遂げられ得る。この温度で粒子状物質を焼くために要する時間は、必要「滞留時間」、「再生時間」又は「焼失」期間と呼ばれる。基材孔中の粒子のより短い滞留時間は、孔目詰まり積重なりの発生低減に言い換えられる(この積重なりは、効率的に作動するために余分量のエネルギーを要するガス流背圧を生じ得る)。したがって滞留時間は短いほど好ましい。   Once the filter captures particulate matter (eg, soot), the particulate matter needs to be completely combusted by raising its temperature sufficiently in the presence of oxygen. Combustion of particulate matter can be accomplished by utilizing the current temperature of the outgoing exhaust and / or providing an auxiliary heat source. The time required to bake particulate matter at this temperature is called the necessary “residence time”, “regeneration time” or “burn-out” period. The shorter residence time of the particles in the substrate holes translates to a reduced occurrence of clogged stacking (this stacking can result in a gas flow back pressure that requires extra energy to operate efficiently. ). Therefore, the shorter the residence time, the better.

一従来のDPTは特許文献37に例示されており、これは、ディーゼルエンジンから放出される排気ガスから粒子を収集するためのDPTを開示する。DPTフィルターは、炭化ケイ素セラミックで被覆された不織無機フィルター及びその間に構成される金網で構成される。   One conventional DPT is illustrated in U.S. Patent No. 6,057,077, which discloses a DPT for collecting particles from exhaust gas emitted from a diesel engine. The DPT filter is composed of a non-woven inorganic filter coated with silicon carbide ceramic and a wire mesh formed therebetween.

濾過基材又は触媒基材の付加的使用は、流体流から、例えば塵埃/煤、煙、花粉、流体、細菌/ウイルス、臭気、油、揮発性有機化合物、液体、メタン、エチレン、及び広範な種々のその他の化学物質、例えばEPAの188に「有毒大気汚染物質」として列挙された化学物質のような、汚染物質及び不純物を清浄化し、又は濾過する能力を包含する。   Additional uses of filtration substrates or catalyst substrates include from fluid streams such as dust / soot, smoke, pollen, fluids, bacteria / viruses, odors, oils, volatile organic compounds, liquids, methane, ethylene, and extensive Includes the ability to clean or filter contaminants and impurities, such as various other chemicals, for example those listed as “toxic air pollutants” in 188 of EPA.

反応を触媒する及び/又は液体を濾過する方法は、いくつもの産業又は用途において有用であり、特には、以下のもののうち1つ以上に有用である。航空宇宙産業;アスベスト;アスファルト・ルーフィング及びアスファルト加工;自動軽トラック(表面コーティング);ベンゼン廃棄物操作;ボート製造;レンガ及び構造体への適用;クレイ産物製造;セルロース産物製造;カロキシメチルセルロース生産;セルロースエーテル生産;セルロース食料包装材製造;セロハン生産;クロム電気メッキ;コークス炉:圧縮、急冷及び電池搭載;コークス炉;燃焼タービン;脱脂有機クリーナー;ドライクリーニング;エンジン試験セル/スタンド;布のプリント、コーティング、染色;フェロ合金生産;柔軟性ポリウレタンフォーム;製造作業;柔軟性ポリウレタンフォーム生産;摩擦産物製造;ガソリン分別(ステージ1);一般規定;一般MACT;有害廃棄物燃焼;有害有機物NESHAP;塩酸生産;工業的、商業的及び公共のボイラー;工業用クーリングタワープロセスヒーター;融和鉄及び融和スチール;製鉄所(表面コーティング);革の仕上げ操作;石灰製造;磁気テープ;栄養イースト菌製造;船舶の積み込み操作;水銀電池塩素−アルカリプラント;金属コイル(表面コーティグ);金属カン(表面コーティング);金属製家具(表面コーティング);ミネラルウール産物;その他のコーティング製造;その他の金属部品及び金属産物;都市の固形廃棄物による埋め立て;天然ガス輸送及び貯蔵;敷地外の廃棄物再生操作;石油及び天然ガス生産;有機液体の分別(ガソリンを除く);紙及び他のウェブ(表面コーティング);殺菌剤活性成分生産;製油所;医薬品生産;リン酸/リン酸エステル肥料;プラスチック部品(表面コーティング);ポリマー及び樹脂;ポリエーテルポリオール産物;ポリブタジエンゴム;ポリ硫化ゴム;フェノール樹脂;ポリエチレンテレフタレート;ポリ塩化ビニル及びそのコポリマー生産;ポルトランドセメント製造;一次アルミニウム生産;一次鉛精錬;一次銅;一次マグネシウム精製;印刷/出版;公共処理施設(POTW);パルプ及び紙(不燃性)MACT I;パルプ及び紙(非化学反応)MACT III;パルプ及び紙(燃焼源)MACT II;パルプ及び紙ミル;往復動内燃機関;耐熱性産物製造;強化プラスチック複合物生産;二次アルミニウム;二次鉛精錬;半導体製造;船製造及び船修理;現場改善;植物油生産のための溶媒抽出;スチール塩酸洗い工程;タコナイト鉄鉱石処理;テトラヒドロベンズアルデヒド製造;タイヤ製造;湿式形成グラスファイバー、マット生産;木造建築産物;木製家具;及びウールグラスファイバー製造。このような産業及び用途は、EPAによって規定された排出固定汚染源を度々使用する。   Methods for catalyzing reactions and / or filtering liquids are useful in a number of industries or applications, and are particularly useful for one or more of the following. Aerospace industry; asbestos; asphalt roofing and asphalt processing; automatic light truck (surface coating); benzene waste handling; boat manufacturing; brick and structure application; clay product manufacturing; cellulose product manufacturing; Cellulose ether production; Cellulose food packaging production; Cellophane production; Chromium electroplating; Coke oven: Compression, quenching and battery loading; Coke oven; Combustion turbine; Degreasing organic cleaner; Dry cleaning; Engine test cell / stand; Coating, dyeing; Ferroalloy production; Flexible polyurethane foam; Manufacturing operations; Flexible polyurethane foam production; Friction product production; Gasoline fractionation (Stage 1); General regulations; General MACT; Hazardous waste combustion; P; hydrochloric acid production; industrial, commercial and public boilers; industrial cooling tower process heaters; fused iron and fused steel; ironworks (surface coating); leather finishing operations; lime production; magnetic tape; Loading operation; mercury battery chlor-alkali plant; metal coil (surface coating); metal can (surface coating); metal furniture (surface coating); mineral wool product; other coating production; other metal parts and metal products; Landfill with municipal solid waste; Natural gas transportation and storage; Off-site waste recycling operation; Oil and natural gas production; Organic liquid separation (except gasoline); Paper and other webs (surface coating); Active ingredient production; refinery; pharmaceutical production; phosphate / phosphate fertilizer; plus Polymers and resins; polyether polyol products; polybutadiene rubber; polysulfide rubber; phenolic resins; polyethylene terephthalate; polyvinyl chloride and its copolymers production; Portland cement production; primary aluminum production; primary lead refining; Primary copper; Primary magnesium refining; Printing / publishing; Public processing facility (POTW); Pulp and paper (non-combustible) MACT I; Pulp and paper (non-chemical reaction) MACT III; Pulp and paper (combustion source) MACT II; Pulp Reciprocating internal combustion engine; refractory product production; reinforced plastic composite production; secondary aluminum; secondary lead refining; semiconductor production; ship production and ship repair; field improvement; solvent extraction for vegetable oil production; Hydrochloric acid washing process; taconite iron ore treatment; tetrahydride Robbenzaldehyde production; tire production; wet-formed glass fiber, mat production; wooden construction products; wooden furniture; and wool glass fiber production. Such industries and applications often use fixed emission sources defined by EPA.

他の好適な使用は、以下の1つ以上の用途における濾過過程又は触媒過程を含む。自動車(煤塵/煤煙、臭気、オイル濾過、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));ウォータージェット(煤塵/煤煙、臭気、オイル濾過、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));スノーモービル(煤塵/煤煙、臭気、オイル濾過、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));小型エンジン(煤塵/煤煙、臭気、オイル濾過、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));オートバイ(煤塵/煤煙、臭気、オイル濾過、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));可動性ディーゼルエンジン(煤塵/煤煙、臭気、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));固定ディーゼルエンジン(煤塵/煤煙、臭気、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));動力装置(煤塵/煤煙、臭気、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));精製所(VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));及び化学薬品及び医薬品の製造(煤塵/煤煙、細菌/ウイルス、臭気、オイル濾過、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状)。   Other suitable uses include filtration processes or catalytic processes in one or more of the following applications. Automotive (dust / smoke, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); water jet (dust / smoke, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals Substances (gaseous, solid or liquid)); snowmobiles (dust / smoke, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); small engines (dust / solid) Smoke, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); motorcycle (dust / smoke, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals (gaseous, Solid diesel or liquid)); mobile diesel engines (dust / smoke, odor, VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); stationary diesel engines (dust / smoke, odor, OC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); power equipment (dust / smoke, odor, VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); purification (VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); and chemical and pharmaceutical production (dust / smoke, bacteria / virus, odor, oil filtration, VOC, methane, other chemicals ( Gaseous, solid or liquid).

さらに、付加的な触媒用途及び/又は濾過用途は、以下の1つ以上の領域における、本発明による基材の使用を含む。農業及び森林の焼却による排出;ベーカリー(煤塵/煤煙、煙、臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));生物医学的液体の濾過;醸造所及びワイナリー(臭気);キャビンエアー(自動車、潜水艦、宇宙産業、飛行機)(煤塵/煤煙、煙、花粉、細菌/ウイルス、臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));無菌室用途(煤塵/煤煙、煙、花粉、細菌/ウイルス、臭気、オイル、VOC、メタン、他の化学物質));商業的燃焼による排出(臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));商業的毒性有機物の排出;ドライクリーナー(VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));蒸発ガス(燃料蒸発管理等);暖炉);加熱調理(ファーストフード)(煤塵/煤煙、煙、臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));フィットネスセンター);一般的な液体濾過(飲料水処理));食品加工及び食品貯蔵(臭気、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));鋳造工場(臭気);燃料電池(VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));ガスマスク(煤塵/煤煙、煙、花粉、細菌/ウイルス、臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));一般的な処理/製造用のVOC用途(木製品、コーティング産業、繊維工業等);ガラス/セラミック;温室;家電用電気製品−冷却(再充電式器具)(臭気、オイル、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));家電用電化製品−加熱(温水器及び家庭用加熱器具)(臭気、オイル、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));HVAC公衆衛生);水素改質(VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));医学用成長培地;オフィスビル;オイル/ガソリン輸送;他の電磁気絶縁体(電磁気遮蔽体);塗装使用;給油所(臭気、VOC);ポリマー処理(臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));高温のガス及び液体からの貴金属/触媒の回収;飲食店の蒸気;汚水及び生物由来廃棄物(細菌/ウイルス、臭気、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));食肉処理場;燻製場(煤塵/煤煙、煙);防音材;スイミングプール;日焼けサロン;トンネル及び駐車場(煤塵/煤煙、臭気、VOC、メタン、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状));及び廃却物焼却(煤塵/煤煙、臭気、VOC、他の化学物質(気体状、固体状又は液体状))。   In addition, additional catalyst applications and / or filtration applications include the use of substrates according to the present invention in one or more of the following areas. Emissions from agriculture and forest incineration; bakery (dust / smoke, smoke, odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); filtration of biomedical liquids; breweries and wineries (odor) Cabin air (car, submarine, space industry, airplane) (dust / smoke, smoke, pollen, bacteria / virus, odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); Soot / smoke, smoke, pollen, bacteria / virus, odor, oil, VOC, methane, other chemicals); emissions from commercial combustion (odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid) )); Commercially toxic organic emissions; Dry cleaner (VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); Evaporating gas (fuel evaporation control, etc.); Fireplace); Cooking (fast food) ( Soot / smoke, , Odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); fitness center); general liquid filtration (drinking water treatment)); food processing and food storage (odor, other chemicals (gas) , Solid or liquid)); foundry (odor); fuel cell (VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); gas mask (dust / smoke, smoke, pollen, Bacteria / virus, odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); VOC applications for general processing / manufacturing (wood products, coating industry, textile industry, etc.); glass / ceramics; greenhouse Electrical appliances for home appliances-Cooling (rechargeable appliances) (odor, oil, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); Electrical appliances for household appliances-Heating (water heaters and household appliances for household use) ) (Odor, oil, VOC, etc. Chemicals (gaseous, solid or liquid)); HVAC public health); Hydrogen reforming (VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid)); Medical growth media; Office buildings Oil / gasoline transport; other electromagnetic insulation (electromagnetic shielding); paint use; gas station (odor, VOC); polymer treatment (odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)) Recovery of precious metals / catalysts from hot gases and liquids; restaurant vapors; sewage and biological waste (bacteria / viruses, odors, VOCs, methane, other chemicals (gaseous, solid or liquid) ); Slaughterhouse; smokehouse (dust / smoke, smoke); soundproofing material; swimming pool; tanning salon; tunnel and parking (dust / smoke, odor, VOC, methane, other chemicals (gaseous, solid) Or liquid))); and Waste incineration (dust / smoke, odor, VOC, other chemicals (gaseous, solid or liquid)).

触媒基材又は濾過基材の調製方法
別の態様では、本発明は、本明細書中に記載されるような基材(触媒又は濾過)のいずれか1つの調製方法に向けられる。本発明は、本発明の触媒基材の調製方法にも向けられる。別の態様では、本発明は、ディーゼル粒子フィルターの調製方法に向けられる。以下に記載されるような多くの方法を用いて、基材を調製し得る。
Method for Preparing a Catalyst Substrate or Filtration Substrate In another aspect, the present invention is directed to a method for preparing any one of the substrates (catalyst or filtration) as described herein. The present invention is also directed to a method for preparing the catalyst substrate of the present invention. In another aspect, the present invention is directed to a method for preparing a diesel particulate filter. A number of methods, such as those described below, can be used to prepare the substrate.

本発明の一態様では、本明細書中に記載されるような触媒基材は、nSiRF−Cの市販のビレットを用いて調製され得る。nSiRF−Cの市販のビレットは、適切な形状、形態及びサイズに機械加工される。本発明の基材は、ブリックを本発明に用いるのに適した形状に機械加工することにより、適切な基材材料の大型ブリックとして調製され得る。粗製塊は、予備成形形状に容易に切断されるか又は挽き切られて、次にサンダー仕上げされ、旋削され、又は機械加工されて、最終所望形状「スラグ」となる。基材材料の組成は、化学、熱、温度及び振動衝撃に対して非常に回復力があるが、基材材料における硬度は低い。この低硬度は、工具に対する抵抗性又は耐久性がほとんどなしに、又は少量で、機械加工を可能にする。塊が低硬度を有し、軟質であるという事実にもかかわらず、それは非常に耐久性があり、そして機械加工、彫刻、又は造形するのが容易である。例えば、或る実施形態では、基材材料は、モースの硬度スケールで、通常は0.5〜1.0(又はヌープ硬度計で1〜22)であり、タルクは1(ヌープ硬度1〜22)で最も柔らかく、そしてダイヤモンドは10(ヌープ硬度8,000〜8,500)で最も硬い。その他の適切な値のある種の従来技術基材材料は、より硬い。例えば炭化ケイ素は、9〜10(ヌープ硬度2,000〜2,950)のモース硬度を有する。   In one aspect of the invention, a catalyst substrate as described herein can be prepared using a commercial billet of nSiRF-C. A commercial billet of nSiRF-C is machined to the appropriate shape, form and size. The substrate of the present invention can be prepared as a large brick of a suitable substrate material by machining the brick into a shape suitable for use in the present invention. The coarse mass is easily cut or ground into a preformed shape and then sanded, turned or machined to the final desired shape “slag”. The composition of the substrate material is very resilient to chemistry, heat, temperature and vibrational impact, but the hardness in the substrate material is low. This low hardness allows machining with little or no resistance or durability to the tool. Despite the fact that the mass has a low hardness and is soft, it is very durable and easy to machine, engrave, or shape. For example, in one embodiment, the substrate material is on the Mohs hardness scale, typically 0.5-1.0 (or 1-22 on a Knoop hardness scale), and talc is 1 (Knoop hardness 1-22). ) Is the softest and diamond is the hardest at 10 (Knoop hardness 8,000-8,500). Certain other prior art substrate materials with suitable values are harder. For example, silicon carbide has a Mohs hardness of 9 to 10 (Knoop hardness of 2,000 to 2,950).

ある種の従来の基材、例えばコージライトと比較して低減された作業で、ビレットが造形され、サンダー仕上げされ、旋削され、又は機械加工されて、スラグ成形の非限定造形能力を提供する。機械加工は、旋盤上の円筒を旋削すること、鍵穴鋸、帯鋸又は糸鋸で挽き切って造形すること、輪郭をサンダー仕上げするか又は表面を平滑にすること、又は他の固体材料に一般に用いられ且つ当該技術分野で既知の任意のその他の機械加工方法までの範囲であり得る。ビレットは、金属、木材又はプラスチックを機械加工するのと同じ精度で非常に厳格な許容誤差に機械加工され得る。ビレットが、最終形状の所望の直径を有する円筒形金型中で注入成形される場合、機械加工は、円筒形ビレットを所望の厚みに切断し、サンダー仕上げをすることを単に必要とする。このプロセスはまた、過剰な機械加工による基材損失を低減し、且つ同様にプロセス実施をスピードアップさせる。   Billets are shaped, sanded, turned, or machined with reduced work compared to certain conventional substrates, such as cordierite, to provide unrestricted shaping capabilities for slag molding. Machining is commonly used for turning cylinders on lathes, shaping with keyhole saws, band saws or thread saws, sanding contours or smoothing surfaces, or other solid materials And can range up to any other machining method known in the art. Billets can be machined to very tight tolerances with the same precision as machining metal, wood or plastic. If the billet is cast in a cylindrical mold having the desired diameter of the final shape, machining simply requires cutting the cylindrical billet to the desired thickness and sanding. This process also reduces substrate loss due to excessive machining and speeds up the process implementation as well.

或る実施形態では、基材の前表面形状は、図5に示したように、円形510、楕円形520及び競走場形530である。容易に理解されるように、形状は正確でなければならないというわけではない。三次元的には、基材は円筒又は実質的に平坦な円板の形態であり得る。角張った隅を有するデザインは、ある種の用途では、有効ではない。機械加工することは容易であるが、正方形又は角のあるデザインは、錆及び腐食物、例えば道路塩のトラップになることが立証されている。したがって、或る実施形態におけるスラグの前表面形状においては、丸みのある隅が好ましい。   In some embodiments, the front surface shape of the substrate is a circle 510, an ellipse 520, and a racetrack shape 530, as shown in FIG. As will be readily appreciated, the shape does not have to be accurate. In three dimensions, the substrate can be in the form of a cylinder or a substantially flat disk. Designs with square corners are not effective in certain applications. Although easy to machine, square or angular designs have proven to be traps for rust and corrosion, such as road salt. Accordingly, rounded corners are preferred in the front surface shape of the slag in certain embodiments.

ビレットは、帯鋸、糸鋸、CNC、又は当業者に既知のその他の方法により造形され得る。ビレットはさらに、手で擦ること、旋盤サンダー仕上げ、ベルト・サンダー仕上げ、又はオービタル・サンダー仕上げにより造形され得る。浮遊粒子は好ましくは、材料の孔を目詰まりさせるのを防ぐために真空掃去される。さらにこれらの粒子は、穿孔盤のベアリングに進入して、それを壊し、研削して、ベアリングに筋をつける。セラミックダストも非常に微細であり、運転者に容易に吸引され得る。   The billet can be shaped by a band saw, yarn saw, CNC, or other method known to those skilled in the art. The billet can be further shaped by hand rubbing, lathe sanding, belt sanding, or orbital sanding. The suspended particles are preferably vacuumed to prevent clogging of the material pores. In addition, these particles enter the bearing of the drilling machine, break it, grind it, and streak the bearing. Ceramic dust is also very fine and can be easily sucked by the driver.

別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材又は濾過基材の調製方法であって、nSiRF−C複合材料のビレットを調製すること;及び任意に上記ビレットを機械加工して本発明の基材を成形することを包含する方法に向けられる。ビレットが本発明の1つ又は複数のプロセスに用いるのに適した形状で調製される場合、ビレットは必ずしも異なる形状に機械加工される必要はない。この場合、ビレットは、適切な形状を有する下記のような金型を用いて調製される。或いはビレット又は基材は、適切な形状に機械加工され得る。さらに、以下でさらに詳細に記載されるように、複数の溝が基材中に機械加工される。   In another embodiment, the present invention provides a method for preparing a catalyst substrate or filtration substrate of the present invention comprising preparing a billet of nSiRF-C composite; and optionally machining the billet to The present invention is directed to a method comprising molding a substrate of the invention. If the billet is prepared in a shape suitable for use in one or more processes of the present invention, the billet need not necessarily be machined into a different shape. In this case, the billet is prepared using the following mold having an appropriate shape. Alternatively, the billet or substrate can be machined into a suitable shape. In addition, a plurality of grooves are machined into the substrate, as described in more detail below.

ビレット(又は基材)を調製する工程は、これらの材料の既知の調製方法を包含する。適切なビレット又は基材を調製する任意の既知の方法が用いられ得る。例えば適切な方法は、特許文献38及び特許文献39(参照によりその全体が本明細書中で援用される)に開示されている。   The step of preparing the billet (or substrate) includes known methods for preparing these materials. Any known method of preparing a suitable billet or substrate can be used. For example, suitable methods are disclosed in US Pat.

非限定例として、一実施形態では、適切な基材を調製する工程は、以下の工程を包含する:
複数の耐火性シリカ繊維、耐火性アルミナ繊維、及び耐火性アルミノボロシリケート繊維を加熱する工程;
上記繊維を混合する工程;
上記繊維を洗浄する工程;
任意に上記繊維を1つ又は複数の長さに短く切る工程;
切断繊維をスラリーに配合するか又は混合する工程;
好ましくは増粘剤を付加することにより、上記スラリーの粘度を調整する工程;
分散剤を付加する工程;
スラリーを金型に付加する工程;
水をスラリーから除去して、それにより未焼結ビレットを形成する工程;
未焼結ビレットを金型から取り出す工程;
好ましくは約250°F〜約500°Fの温度で、炉中で未焼結ビレットを乾燥する工程;及び
好ましくは約2,000〜2,500°Fで炉中で未焼結ビレットを、好ましくは予備加温し、且つ漸増的に加熱する工程。
By way of non-limiting example, in one embodiment, preparing a suitable substrate includes the following steps:
Heating a plurality of refractory silica fibers, refractory alumina fibers, and refractory aluminoborosilicate fibers;
Mixing the fibers;
Washing the fibers;
Optionally cutting the fiber into one or more lengths;
Blending or mixing the cut fibers into the slurry;
A step of adjusting the viscosity of the slurry, preferably by adding a thickener;
Adding a dispersant;
Adding the slurry to the mold;
Removing water from the slurry, thereby forming a green billet;
Removing the green billet from the mold;
Drying the green billet in a furnace, preferably at a temperature of about 250 ° F. to about 500 ° F .; and preferably, the green billet in the furnace at about 2,000-2,500 ° F. Preferably pre-warming and incremental heating.

上記のように、ビレットは次に任意に機械加工されて、本発明の基材を形成する。   As mentioned above, the billet is then optionally machined to form the substrate of the present invention.

別の実施形態では、該方法はさらに、基材中に複数の溝を機械加工することを包含する。   In another embodiment, the method further includes machining a plurality of grooves in the substrate.

別の実施形態では、本発明はさらに、基材にウォッシュコートを付加することを包含する。   In another embodiment, the present invention further includes adding a washcoat to the substrate.

別の実施形態では、本発明はさらに、基材に触媒コーティング剤を付加することを包含する。   In another embodiment, the present invention further includes adding a catalyst coating to the substrate.

別の実施形態では、該方法はさらに、を包含する。   In another embodiment, the method further comprises:

さらなる実施形態では、繊維の混合は、繊維の洗浄及び加熱後に実施される。   In a further embodiment, fiber mixing is performed after washing and heating the fibers.

さらなる実施形態では、本発明の基材の製造方法において、窒化ホウ素が用いられる。BN→B+NIn a further embodiment, boron nitride is used in the method of manufacturing a substrate of the present invention. BN → B + N 2 .

さらなる実施形態では、増粘剤が用いられる。好ましくは該方法に用いられる増粘剤及び分散剤は、加熱工程中に基材から実質的に除去される。例えば増粘剤及び分散剤は、焼結工程中に燃焼され得る。   In a further embodiment, a thickener is used. Preferably the thickener and dispersant used in the process are substantially removed from the substrate during the heating step. For example, thickeners and dispersants can be burned during the sintering process.

基材2510は、切断及び/又は不織無機繊維及び結合剤の剛性構成を形成することにより作製されるビレットに由来する。ビレットは、基材2510のための所望の外部寸法に機械加工されるか又は細工される。次に基材2510の内側が機械加工されるか又は細工されて、所望の表面積増強構成、例えば溝、ウォッシュコート又は触媒を提供する。耐久性無機硬化コーティング2511は、ブラッシング、噴霧、浸漬、又は任意のその他の一般的適用方法により、基材2510に適用され得る。さらに、基材2510は、ブラッシング、噴霧、浸漬又は任意のその他の一般的適用方法により適用される酸化又は還元触媒を包含し得る。   The substrate 2510 is derived from a billet made by cutting and / or forming a rigid configuration of non-woven inorganic fibers and binder. The billet is machined or crafted to the desired external dimensions for the substrate 2510. The inside of the substrate 2510 is then machined or crafted to provide the desired surface area enhancing configuration, such as grooves, washcoats or catalysts. The durable inorganic curable coating 2511 may be applied to the substrate 2510 by brushing, spraying, dipping, or any other common application method. Further, the substrate 2510 can include an oxidation or reduction catalyst applied by brushing, spraying, dipping or any other common application method.

一実施形態において、本発明の触媒基材又は濾過基材は、nSiRF−Cと、23.0〜44.0重量%の量の二酸化ケイ素粉末、25.0〜45.0重量%の量のコロイド状(collodial)二酸化ケイ素、19.0〜39.0重量%の量の水及びテトラホウ化ケイ素、ヘキサホウ化ケイ素、炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、ケイ化タングステン及び二ホウ化ジルコニウムから選択される1つ以上の放射剤を混合して有するコーティング剤とを含有する。ここで、上記保護コーティング剤は、45〜55重量%の固形成分含有量を有し、このようなコーティング剤は特許文献40に開示されている。   In one embodiment, the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention comprises nSiRF-C and silicon dioxide powder in an amount of 23.0-44.0% by weight, in an amount of 25.0-45.0% by weight. Colloidal silicon dioxide, water in an amount of 19.0 to 39.0% by weight and 1 selected from silicon tetraboride, silicon hexaboride, silicon carbide, molybdenum silicide, tungsten silicide and zirconium diboride And a coating agent having a mixture of two or more radioactive agents. Here, the protective coating agent has a solid component content of 45 to 55% by weight, and such a coating agent is disclosed in Patent Document 40.

本発明は、AETB中に存在しているような、複数の不織の焼結された高級無機耐火繊維を利用する。本発明のnSiRF−Cとして使用する他の好適な物質は、AETB−12(約20%Al、約12%NEXTEL(登録商標)繊維(14%B、72%Al、14%SiO)及び約68%SiOの組成を有する)、AETB−8(約20%Al、約12%NEXTEL(登録商標)繊維(14%B、72%Al、14%SiO)及び68%SiOの組成を有する)、FRCI−12(約78重量%のシリカ(SiO)及び約22重量%のアルミノボロシリケート(62%Al、24%SiO、14%B)の組成を有する)及びFRCI−20(約78重量%のシリカ(SiO)及び約22重量%のアルミノボロシリケート(62%Al、24%SiO、14%B)の組成を有する)を含む。 The present invention utilizes a plurality of non-woven sintered high grade inorganic refractory fibers, such as present in AETB. Other suitable materials for use as the nSiRF-C of the present invention include AETB-12 (about 20% Al 2 O 3 , about 12% NEXTEL® fiber (14% B 2 O 3 , 72% Al 2 O 3 , 14% SiO 2 ) and about 68% SiO 2 ), AETB-8 (about 20% Al 2 O 3 , about 12% NEXTEL® fibers (14% B 2 O 3 , 72% Al 2 O 3 , 14% SiO 2 ) and 68% SiO 2 composition), FRCI-12 (about 78 wt% silica (SiO 2 ) and about 22 wt% aluminoborosilicate (62% Al 2 O 3, 24% SiO 2, 14 % B 2 O 3) having the composition) and FRCI-20 (about 78 wt% silica (SiO 2) and approximately 22 wt% of aluminoborosilicate (62% Al 2 O 3 , 24% SiO 2 , 14% B 2 O 3 )).

好ましい実施形態において、無機繊維の構成成分は、繊維状シリカ、アルミナ繊維及びアルミノボロシリケート繊維から成るか、又は本質的に成る。この実施形態では、繊維状シリカは、無機繊維混合物を約50〜90パーセント(%)含有し、アルミナ繊維は、無機繊維を約5〜50パーセント(%)含有し、アルミノボロシリケートは、無機繊維混合物を約10〜25パーセント(%)含有する。本発明の基材を調製するために使用される繊維は、或る実施形態において結晶相及びガラス相の両方を有してもよい。   In a preferred embodiment, the constituents of the inorganic fibers consist or consist essentially of fibrous silica, alumina fibers and aluminoborosilicate fibers. In this embodiment, the fibrous silica contains about 50-90 percent (%) of the inorganic fiber mixture, the alumina fiber contains about 5-50 percent (%) of the inorganic fiber, and the aluminoborosilicate is the inorganic fiber. Contains about 10-25 percent (%) of the mixture. The fibers used to prepare the substrate of the present invention may have both a crystalline phase and a glass phase in certain embodiments.

好ましくは、他の好適な繊維は、約55〜約75重量%の範囲の酸化アルミニウム、0より大きく約45重量%より小さい範囲の(好ましくは、0より大きく、44重量%より小さい)酸化ケイ素及び0より大きく25重量%より小さい範囲の(好ましくは、約1〜約5重量%)酸化ホウ素を有するアルミノボロシリケート繊維を含有する(Al、SiO及びBそれぞれの酸素ベースの理論値により算出される)。アルミノボロシリケート繊維は、好ましくは少なくとも50重量%の結晶体、より好ましくは、少なくとも75重量%、最も好ましくは約100重量%の結晶体(いわゆる、結晶繊維)である。標準サイズのアルミノボロシリケートは、例えば、取引表示である3M Company製の「NEXTEL312」及び「NEXTEL440」として商業的に利用可能である。さらに、好適なアルミノボロシリケート繊維は例えば、参照により本明細書中にその全体が援用されている特許文献10により開示されているように作製することができる。 Preferably, other suitable fibers are aluminum oxide in the range of about 55 to about 75% by weight, silicon oxide in the range of greater than 0 and less than about 45% by weight (preferably greater than 0 and less than 44% by weight). And aluminoborosilicate fibers with boron oxide in the range greater than 0 and less than 25% by weight (preferably about 1 to about 5% by weight) (the oxygen of each of Al 2 O 3 , SiO 2 and B 2 O 3 Calculated by the theoretical value of the base). The aluminoborosilicate fibers are preferably at least 50% by weight of crystals, more preferably at least 75% by weight and most preferably about 100% by weight of crystals (so-called crystal fibers). Standard size aluminoborosilicates are commercially available, for example, “NEXTEL 312” and “NEXTEL 440” from 3M Company, which are trade indications. In addition, suitable aluminoborosilicate fibers can be made, for example, as disclosed by US Pat.

さらに好適な繊維はアルミノシリケート繊維を含有し、これは一般的に結晶体であるが、約67〜約77重量%(例えば、69、71、73及び75重量%)の範囲の酸化アルミニウム及び約33〜約23重量%(例えば、31、29、27及び25重量%)の範囲の酸化ケイ素を含有する。標準サイズのアルミノシリケートは、例えば、取引表示である3MCompany製の「NEXTEL550」として商業的に利用可能である。さらに、好適なアルミノシリケート繊維は例えば、特許文献41(その開示が参照により本明細書中に援用されている)により開示されているように作製することができる。   Further suitable fibers include aluminosilicate fibers, which are generally crystalline, but in the range of about 67 to about 77 wt% (eg, 69, 71, 73 and 75 wt%) aluminum oxide and about Contains silicon oxide in the range of 33 to about 23% by weight (eg, 31, 29, 27 and 25% by weight). The standard size aluminosilicate is commercially available, for example, as “NEXTEL 550” from 3M Company, which is a trade designation. In addition, suitable aluminosilicate fibers can be made, for example, as disclosed by US Pat. No. 6,057,097, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.

別の実施形態において、本発明の基材を調製するのに用いられる繊維には、Y及びZrOが付加された、α−Al及び/又はSiOが付加されたα−Alが含まれる(α−Al/ムライトを形成する)。 In another embodiment, the fibers used to prepare the substrate of the present invention have α 2 Al 3 O 3 and / or SiO 2 added to Y 2 O 3 and ZrO 2 added α. -Al 2 O 3 is included (forms α-Al 2 O 3 / mullite).

種々の特定の材料を用いて、触媒基材を調製し得る。一実施形態では、本発明の基材を調製するために用いられる材料は、耐火性シリカ繊維及び耐火性アルミニウムボロシリケート繊維を含み、或いはそれらから成り、或いは本質的にそれらから成る。別の実施形態では、触媒基材を調製するために用いられる材料は、耐火性シリカ繊維、耐熱等級アルミナ繊維及び結合剤、好ましくは酸化ホウ素又は窒化ホウ素粉末を含む。   A variety of specific materials can be used to prepare the catalyst substrate. In one embodiment, the material used to prepare the substrate of the present invention comprises, consists of, or consists essentially of refractory silica fibers and refractory aluminum borosilicate fibers. In another embodiment, the material used to prepare the catalyst substrate comprises refractory silica fibers, heat resistant grade alumina fibers and a binder, preferably boron oxide or boron nitride powder.

一実施形態では、本発明の触媒基材は、アルミナ強化型断熱(「AETB」)材料又は当業者に既知の同様の材料を含み、或いはそれらから成り、或いは本質的にそれらから成る。AETB材料は当該技術分野で既知であり、非特許文献12及び非特許文献13(これらはともに、参照により本明細書中で援用される)でさらに詳細に記載されている。   In one embodiment, the catalytic substrate of the present invention comprises, consists of, or consists essentially of alumina reinforced thermal insulation (“AETB”) material or similar materials known to those skilled in the art. AETB materials are known in the art and are described in more detail in Non-Patent Document 12 and Non-Patent Document 13, both of which are incorporated herein by reference.

別の実施形態では、触媒基材は、セラミックタイル(例えばアルミナ強化型断熱(AETB))を、強化ユニピース繊維性断熱材(TUFI)及び/又は反応硬化ガラス(RCG)コーティングとともに含む。このような材料は、当該技術分野で既知である。   In another embodiment, the catalyst substrate comprises ceramic tiles (eg, alumina reinforced thermal insulation (AETB)) with a reinforced unipiece fibrous insulation (TUFI) and / or a reaction-cured glass (RCG) coating. Such materials are known in the art.

別の好適な材料は、繊維性耐火性セラミック断熱材(FRCI)である。一実施形態では、AETBは、アルミナボリアシリカ(アルミナ−ボリア−シリカ、アルミノボロシリケート、及びアルミノボリアシリケートとしても既知)繊維、シリカ繊維、及びアルミナ繊維から製造される。AETBに関する一般的に既知の一用途は、シャトル大気圏再突入のための理想であるスペースシャトル上の外部タイルとしてである。AETBは、高融点、低熱伝導度及び低熱膨張係数、熱及び振動衝撃に耐える能力、低密度、ならびに非常に高い多孔性及び浸透性を有する。   Another suitable material is a fibrous refractory ceramic insulation (FRCI). In one embodiment, AETB is made from alumina boria silica (also known as alumina-boria-silica, aluminoborosilicate, and aluminoborosilicate) fibers, silica fibers, and alumina fibers. One generally known application for AETB is as an external tile on the space shuttle, which is ideal for shuttle reentry. AETB has a high melting point, low thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, ability to withstand thermal and vibration shock, low density, and very high porosity and permeability.

一実施形態では、AETBの第一の構成成分はアルミナ繊維である。本発明の好ましい場合には、アルミナ(Al又は酸化アルミニウム(例えばSAFFIL))は、商業形態中に一般的には約95〜約97重量%アルミナ及び約3〜約5重量%シリカである。他の実施形態では、より低い純度(例えば90%、92%及び94%の純度)を有するアルミナも有用である。他の実施形態では、より高い純度を有するアルミナも有用である。アルミナは、押出し又はスピニングによっても生産され得る。先ず、前駆体種の溶液が調製される。遅く、漸進的な重合プロセスが、例えばpHの操作により開始され、それにより個々の前駆体分子が結合して、より大きな分子を形成する。このプロセスが進行すると、平均分子量/サイズが増大し、それにより溶液の粘度を経時的に増大させる。約10mPa・s(センチポアズ)の粘度では、溶液はわずかに粘着性になり、繊維を引き出させるか又は紡がせる。この状態では、繊維はダイを通しても押出される。或る実施形態では、平均繊維径は、約1〜6μm(ミクロン)であるが、より大きな直径の繊維及びより小さな直径の繊維も本発明に適している。 In one embodiment, the first component of AETB is alumina fiber. In the preferred case of the present invention, the alumina (Al 2 O 3 or aluminum oxide (eg, SAFFIL)) is typically about 95 to about 97 wt% alumina and about 3 to about 5 wt% silica in commercial form. is there. In other embodiments, alumina having a lower purity (eg, 90%, 92% and 94% purity) is also useful. In other embodiments, alumina with higher purity is also useful. Alumina can also be produced by extrusion or spinning. First, a solution of precursor species is prepared. A slow, gradual polymerization process is initiated, for example, by manipulation of pH, whereby individual precursor molecules combine to form larger molecules. As this process proceeds, the average molecular weight / size increases, thereby increasing the viscosity of the solution over time. At a viscosity of about 10 mPa · s (centipoise), the solution becomes slightly tacky and allows the fiber to be drawn or spun. In this state, the fiber is also extruded through the die. In some embodiments, the average fiber diameter is about 1-6 μm (microns), although larger diameter fibers and smaller diameter fibers are also suitable for the present invention.

一実施形態では、AETBの第二の構成成分は、シリカ繊維である。シリカ(SiO、例えばQ−繊維又は石英繊維)は、或る実施形態では、99.5%を上回る非晶質シリカを、極低レベルの不純物を伴って含有する。低純度(例えば90%、95%及び97%)のシリカも、本発明に有用である。或る実施形態では、低密度(例えば2.1〜2.2g/cm)、高耐火性(1,600℃)、低熱伝導度(約0.1W/m−K)及びゼロに近い熱膨張率を有する非晶質シリカが用いられる。 In one embodiment, the second component of AETB is silica fiber. Silica (SiO 2 , eg Q-fiber or quartz fiber), in some embodiments, contains more than 99.5% amorphous silica with very low levels of impurities. Low purity (eg, 90%, 95% and 97%) silica is also useful in the present invention. In some embodiments, low density (eg, 2.1-2.2 g / cm 3 ), high fire resistance (1,600 ° C.), low thermal conductivity (about 0.1 W / m-K) and near zero heat. Amorphous silica having an expansion coefficient is used.

一実施形態では、AETBの第三の構成成分は、アルミナボリアシリカ繊維である。ある場合には、アルミナボリアシリカ繊維(3Al・2SiO・B(例えばNEXTEL312))は、一般的には62.5重量%アルミナ、24.5重量%シリカ、及び13重量%ボリアである。もちろん、アルミナボリアシリカの構成成分の正確な割合は変わり得る。それはおおむね非晶質物質であるが、結晶ムライトを含有し得る。好適ななアルミナボリアシリカ繊維及びその製造方法は、例えば特許文献10(この教示は、参照により本明細書中で全体に援用される)に開示されている。 In one embodiment, the third component of AETB is alumina boria silica fiber. In some cases, alumina boria silica fibers (3Al 2 O 3 .2SiO 2 .B 2 O 3 (eg, NEXTEL 312)) are typically 62.5 wt% alumina, 24.5 wt% silica, and 13 wt%. % Boria. Of course, the exact proportions of the components of alumina boria silica can vary. It is largely an amorphous material, but can contain crystalline mullite. Suitable alumina boria silica fibers and methods for their production are disclosed, for example, in US Pat.

本発明のnSiRF−Cとして使用する他の好適な物質は、AETB−12(約20%Al、約12%NEXTEL(登録商標)繊維(14%B、72%Al、14%SiO)及び約68%SiOの組成を有する)、AETB−8(約20%Al、約12%NEXTEL(登録商標)繊維(14%B、72%Al、14%SiO)及び68%SiOの組成を有する)、FRCI−12(約78重量%のシリカ(SiO)及び約22重量%のアルミノボロシリケート(62%Al、24%SiO、14%B)の組成を有する)及びFRCI−20(約78重量%のシリカ(SiO)及び約22重量%のアルミノボロシリケート(62%Al、24%SiO、14%B)の組成を有する)を含む。 Other suitable materials for use as the nSiRF-C of the present invention include AETB-12 (about 20% Al 2 O 3 , about 12% NEXTEL® fiber (14% B 2 O 3 , 72% Al 2 O 3 , 14% SiO 2 ) and about 68% SiO 2 ), AETB-8 (about 20% Al 2 O 3 , about 12% NEXTEL® fibers (14% B 2 O 3 , 72% Al 2 O 3 , 14% SiO 2 ) and 68% SiO 2 composition), FRCI-12 (about 78 wt% silica (SiO 2 ) and about 22 wt% aluminoborosilicate (62% Al 2 O 3, 24% SiO 2, 14 % B 2 O 3) having the composition) and FRCI-20 (about 78 wt% silica (SiO 2) and approximately 22 wt% of aluminoborosilicate (62% Al 2 O 3 , 24% SiO 2 , 14% B 2 O 3 )).

好ましい実施形態では、無機繊維の構成成分は、繊維性シリカ、アルミナ繊維及びアルミノボロシリケート繊維から成るか、又は本質的にそれらから成る。この実施形態では、繊維性シリカは、無機繊維混合物の約50〜90%(パーセント)を構成し、アルミナ繊維は無機繊維混合物の約5〜50%(パーセント)を構成し、アルミナボロシリケート繊維は無機繊維混合物の約10〜25%(パーセント)を構成する。   In a preferred embodiment, the constituents of inorganic fibers consist of or consist essentially of fibrous silica, alumina fibers and aluminoborosilicate fibers. In this embodiment, the fibrous silica comprises about 50-90% (percent) of the inorganic fiber mixture, the alumina fiber comprises about 5-50% (percent) of the inorganic fiber mixture, and the alumina borosilicate fiber is It constitutes about 10-25% (percent) of the inorganic fiber mixture.

本明細書中に記載されるようなAETBの繊維と類似の繊維は、AETB繊維に加えて、又はその代わりに利用され得る。   Fibers similar to those of AETB as described herein may be utilized in addition to or instead of AETB fibers.

融解による繊維製造は、2つの一般的方法で実施され得る。第一の方法は、遠心紡糸及び気体減衰の組合せを包含する。適切な粘度のガラス流は、炉から、数千回転/分で回転するスピナー・プレート上に絶えず流れる。遠心力は、数千の孔を含有するスピナー壁から外側にガラスを噴出する。ガラスは孔を通過して、再び遠心力により駆動され、収集される前に一吹きの加熱ガスにより減衰される。   Fiber production by melting can be carried out in two general ways. The first method involves a combination of centrifugal spinning and gas damping. A glass stream of appropriate viscosity constantly flows from the furnace onto a spinner plate that rotates at thousands of revolutions / minute. Centrifugal force ejects glass outward from a spinner wall containing thousands of holes. The glass passes through the hole, is again driven by centrifugal force, and is attenuated by a blow of heated gas before being collected.

第二の融解技法では、溶融ガスは加熱タンクに供給されるが、その底面は、用途によって、数百又は数千の孔により穿孔されている。ガラスはこれらの孔を通って流動し、引き抜かれて、個々の繊維を形成する。繊維は紐に併合され、マンドレル上に集められる。   In the second melting technique, the molten gas is supplied to a heated tank, whose bottom surface is perforated with hundreds or thousands of holes, depending on the application. The glass flows through these holes and is drawn to form individual fibers. The fibers are merged into a string and collected on a mandrel.

一実施形態では、スラリー中のAETB繊維混合物は、好ましくは3つの成分(例えばガラス繊維、アルミナ繊維及びアルミナボリアシリカ繊維)を含む。繊維性シリカは、無機繊維混合物の約50〜90パーセントを構成し、アルミナ繊維は無機繊維混合物の約5〜50パーセントを構成し、アルミナボリアシリカは無機繊維混合物の約10〜25パーセントを構成する。他の実施形態では、スラリーは、上記のような本発明の基材を製造するために用いられ得る繊維の任意の混合物を含む。   In one embodiment, the AETB fiber mixture in the slurry preferably includes three components (eg, glass fiber, alumina fiber and alumina boria silica fiber). Fibrous silica comprises about 50 to 90 percent of the inorganic fiber mixture, alumina fibers comprise about 5 to 50 percent of the inorganic fiber mixture, and alumina boria silica comprises about 10 to 25 percent of the inorganic fiber mixture. . In other embodiments, the slurry comprises any mixture of fibers that can be used to produce a substrate of the invention as described above.

好ましい実施形態では、基材の繊維性構成成分は、64%の非晶質シリカ、21%のアルミナ、及び15%のアルミナボリアシリカ繊維の混合物であり、注入成形前又は中にスラリー中のばら繊維(bulk fiber)の分散を手助けするために用いられる微量の(例えば0.3〜1.0mg/m)の界面活性剤を伴う。 In a preferred embodiment, the fibrous component of the substrate is a mixture of 64% amorphous silica, 21% alumina, and 15% alumina boria silica fibers, and the looseness in the slurry before or during injection molding. With trace amounts of surfactant (e.g. 0.3-1.0 mg / m < 2 >) used to help disperse the bulk fiber.

一実施形態では、スラリー中の繊維は、主としては無機繊維だけである。好ましくは、一実施形態では、本発明は、基材の形成にいかなる炭素も使用しない。   In one embodiment, the fibers in the slurry are primarily inorganic fibers only. Preferably, in one embodiment, the present invention does not use any carbon to form the substrate.

アルミナ−ジルコニア繊維は、第四の構成成分又は他の繊維に代わる構成成分として、無機繊維混合物に付加され得る。   Alumina-zirconia fibers can be added to the inorganic fiber mixture as a fourth component or a component that replaces other fibers.

繊維混合
本発明の一実施形態の一工程では、繊維は混合される。任意数の既知の繊維混合方法が、繊維を混合するために用いられ得る。一例は、用いられ得る高剪断混合である。
Fiber Mixing In one step of one embodiment of the present invention, the fibers are mixed. Any number of known fiber mixing methods can be used to mix the fibers. One example is high shear mixing that can be used.

繊維加熱
本発明の一工程において、繊維は、既知の方法に従って加熱される。繊維は、先ず加熱されて、繊維をより均一に切り刻む。熱処理繊維は洗浄されて、すべての塵埃、破砕屑及びばら粒子を除去して、繊維のみを残して加工処理する。
Fiber heating In one step of the invention, the fibers are heated according to known methods. The fiber is first heated to chop the fiber more uniformly. The heat treated fibers are washed to remove all dust, shredded debris and loose particles and leave the fibers alone for processing.

好ましい実施形態では、繊維は加熱浄化される。   In a preferred embodiment, the fiber is heat purified.

繊維洗浄
本発明の一工程において、繊維は洗浄される。好ましい実施形態では、繊維が塵埃及び粒子を実質的に含有しないように繊維は洗浄される。一実施形態では、シリカ繊維は酸中で洗浄されて不純物を除去し、リンスされ、乾燥されて、その後、構造保全性を付与するために加熱処理される。
Fiber washing In one step of the invention, the fibers are washed. In a preferred embodiment, the fibers are washed so that the fibers are substantially free of dust and particles. In one embodiment, the silica fibers are washed in acid to remove impurities, rinsed, dried, and then heat treated to provide structural integrity.

繊維切断
本発明の別の工程では、繊維は切り刻まれる。本発明に用いるための繊維は一般的には、ばら繊維の又は切り刻まれた繊維として得られる。繊維の切断方法は、当該技術分野で既知である。ほとんどの方法が、複数の繊維又は紐を同時に取扱い得る連続プロセスである。一般的には、生成物は一組の回転ホイール又はドラム間に供給され、その一方が一定間隔切断翼を支持する。繊維が切断機を通って引き出されると、特定の長さに切断される。特定製造細目は依然として切断繊維からのブランクを生じるため所有権が解決されないままであるが、当該技術分野は一般的には、2つの生産機構、即ち融解及びゾル・ゲルのうちの一方を包含する。好ましくは繊維は、最終切断前に熱処理される。
Fiber Cutting In another process of the present invention, the fiber is chopped. Fibers for use in the present invention are generally obtained as loose or chopped fibers. Fiber cutting methods are known in the art. Most methods are continuous processes that can handle multiple fibers or strings simultaneously. In general, the product is fed between a set of rotating wheels or drums, one of which supports regularly spaced cutting blades. As the fiber is drawn through the cutter, it is cut to a specific length. Although specific manufacturing details still result in blanks from cut fibers, ownership remains unresolved, but the art generally involves one of two production mechanisms: melting and sol-gel . Preferably the fibers are heat treated before final cutting.

好ましくは繊維は次にあるサイズに切断される。繊維の適切な長さとしては、約2.54、5.08、7.62、10.16、12.70又は15.24mm(約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5又は0.6インチ)が挙げられるが、これらに限定されない。他の適切な長さとしては、3.175mm(1/8インチ)、6.35mm(1/4インチ)及び12.7mm(1/2インチ)が挙げられる。繊維は相対的にサイズが均一であるのが好ましい。別の実施形態では、触媒基材又は濾過基材を構成する繊維は、長さが平均1/4インチ(約100分の1メートル)で、直径が約1〜12μm(ミクロン)であるか、或いは1〜6又は10〜12μm(ミクロン)であり、中央値繊維直径が3μm(ミクロン)である。好ましい実施形態では、粒子材料は、孔空間を目詰まりさせ得るので、付加されない。本発明に用いるための好適な繊維は、例えば3Mから市販されている。もちろん、他の実施形態では、より長い繊維が用いられる。   Preferably the fibers are then cut to a certain size. Suitable lengths of fiber include about 2.54, 5.08, 7.62, 10.16, 12.70 or 15.24 mm (about 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 , 0.5 or 0.6 inches), but is not limited to these. Other suitable lengths include 3.175 mm (1/8 inch), 6.35 mm (1/4 inch), and 12.7 mm (1/2 inch). The fibers are preferably relatively uniform in size. In another embodiment, the fibers comprising the catalyst substrate or filtration substrate have an average length of ¼ inch (about 1/100 meter) and a diameter of about 1 to 12 μm (microns), Alternatively, it is 1 to 6 or 10 to 12 μm (micron), and the median fiber diameter is 3 μm (micron). In preferred embodiments, particulate material is not added as it can clog the pore space. Suitable fibers for use in the present invention are commercially available, for example from 3M. Of course, in other embodiments, longer fibers are used.

スラリー化
本発明の方法の別の工程では、繊維を含むスラリーが調製される。セラミックを押出す、又は貫通管周囲に糸又は布を巻きつけるというよりむしろ、基材は、一般的ゾル・ゲル法により作製される。これは、先ず無機繊維及びコロイド溶液の十分に混合されたゾルを、ゾル・ブランク又は未焼結ビレット又はビレットを作製する繊維型中に引き抜く(真空又は重力引抜きによる)。
Slurry In another step of the method of the present invention, a slurry containing fibers is prepared. Rather than extruding a ceramic or wrapping a thread or fabric around a through tube, the substrate is made by a common sol-gel process. This first draws a well-mixed sol of inorganic fibers and colloidal solution into a sol blank or a fiber mold making a green billet or billet (by vacuum or gravity drawing).

或いはスクイズ鋳造加圧法(この場合、圧力は負の値に下げられる)、又は真空法が用いられ得る。真空法は、その強度を保持しながら、超低密度で無機繊維ブランクを形成させる。ゾル・ゲル法は、加圧法又は真空法と一緒に用いて、例外的に低い密度を生じるのを助け、これは、粒子の濾過に非常に有益である。   Alternatively, a squeeze casting pressurization method (in this case the pressure is reduced to a negative value) or a vacuum method can be used. The vacuum method forms an inorganic fiber blank with ultra-low density while maintaining its strength. The sol-gel method is used in conjunction with the pressure method or vacuum method to help produce exceptionally low density, which is very beneficial for particle filtration.

繊維は、スラリー中で一緒に配合される。或る実施形態では、スラリーは1〜2重量%の固体を含有し得るが、ほとんど水のような流体である。或いはスラリーは、約0.5〜約5重量%の固体を含有し得る。当該技術分野で既知であるように、他の重量%も同様に許容可能である。   The fibers are blended together in a slurry. In some embodiments, the slurry may contain 1-2% by weight solids, but is almost a fluid such as water. Alternatively, the slurry can contain about 0.5 to about 5 weight percent solids. Other weight percentages are equally acceptable as is known in the art.

切断繊維は、高剪断ミキサーを用いてスラリー中で一緒に混合される。使用中に繊維を溶かしたり又は不安定にするよう作用し得る不純物を回避するために、好ましくは脱イオン水がスラリー中に用いられる。一実施形態では、スラリーは、遠心サイクロンにより汲み上げられて、ボロボロのガラス(shot glass)及び他の夾雑物(例えば高ナトリウム化合物粒子)を除去し得る。   The cut fibers are mixed together in the slurry using a high shear mixer. Deionized water is preferably used in the slurry to avoid impurities that can act to dissolve or destabilize the fiber during use. In one embodiment, the slurry can be pumped with a centrifugal cyclone to remove shot glass and other contaminants (eg, high sodium compound particles).

或いは有機繊維又は粒子は、30重量%までの比率で繊維スラリーに付加され得る。製造の燃焼段階中、有機繊維は製品から揮発又は焼失される。繊維を燃焼すると、ガスが脱出するための経路を作る空隙が残る。高分子繊維の種類及び割合を変えることにより、タイルの浸透性が適合される。この方法により作られるブランクは多孔性であり、したがって放出空気の導入により能動的冷却を可能にする。   Alternatively, organic fibers or particles can be added to the fiber slurry in a proportion of up to 30% by weight. During the combustion phase of manufacture, organic fibers are volatilized or burned out of the product. Burning the fiber leaves a void that creates a path for the gas to escape. By changing the type and proportion of the polymer fibers, the permeability of the tile is adapted. Blanks made by this method are porous and thus allow active cooling by the introduction of discharge air.

粘度調整
別の実施形態では、粘度は適切な範囲に調整される。より高い粘度は、繊維が「レイ・ダウン」(即ち平らに施工されるか、実質的に水平方向にのみ配向されるようになること)を防止する。窒化ホウ素は、高強度焼結のために調製に際して繊維を被覆するための増粘剤として付加され得る。本発明の一実施形態では、窒化ホウ素が付加され、アルミナボリアシリカ繊維はスラリー中に利用されない。
Viscosity Adjustment In another embodiment, the viscosity is adjusted to an appropriate range. Higher viscosities prevent the fibers from “laying down” (ie, being laid flat or becoming oriented only substantially in the horizontal direction). Boron nitride can be added as a thickener to coat the fiber during preparation for high strength sintering. In one embodiment of the invention, boron nitride is added and alumina boria silica fibers are not utilized in the slurry.

分散剤付加
一実施形態では、方法は、1つ又は複数の分散剤を混合物又はスラリーに付加することを包含する。
Dispersant Addition In one embodiment, the method includes adding one or more dispersants to the mixture or slurry.

本発明の一実施形態では、1つ又は複数の界面活性剤が、本発明の方法の間にスラリーに付加される。界面活性剤は、約5〜約10重量%の量で用いられる。界面活性剤は、繊維が一緒に束になるのを防ぐために、注入成形前又は中に、スラリー中のばら繊維の分散を助けるために用いられる。   In one embodiment of the present invention, one or more surfactants are added to the slurry during the process of the present invention. Surfactants are used in amounts of about 5 to about 10% by weight. Surfactants are used to help disperse the loose fibers in the slurry before or during casting to prevent the fibers from being bundled together.

本発明の一実施形態では、上記のような1つ又は複数の触媒がスラリーに付加される。方法のこの段階での触媒の付加により、多孔性材料内に含浸された触媒を有する基材が作製される。一実施形態では、この構成は、さらなるウォッシュコーティング又は触媒処理の必要性を排除する。   In one embodiment of the invention, one or more catalysts as described above are added to the slurry. The addition of the catalyst at this stage of the process creates a substrate having the catalyst impregnated within the porous material. In one embodiment, this configuration eliminates the need for further wash coating or catalyst treatment.

成形
一実施形態では、スラリーは、ビレットを形成するために金型に注入される。金型の形状は、所望の任意の形状をとり得る。或る実施形態では、金型の形状は、触媒コンバーター又は粒子フィルターに用いられるのに適した形状を有する基材を生じる。例えば金型は、円筒形の形状であり得る。或いは金型は、五角形の形状である。繊維はレイ・ダウンし得るため、好ましくはスラリーは金型中で沈殿することはできない。一実施形態では、繊維が沈殿を維持し、ビレット全体の材料の均一多孔度及び密度を保持するため、真空吸引法が用いられる。真空吸引技法は、未焼結ビレットに関して繊維配列及び密度を制御するための任意数の指示により、用いられ得る。
Molding In one embodiment, the slurry is poured into a mold to form a billet. The shape of the mold can take any desired shape. In some embodiments, the shape of the mold results in a substrate having a shape suitable for use in a catalytic converter or particle filter. For example, the mold can be cylindrical in shape. Alternatively, the mold has a pentagonal shape. Preferably the slurry cannot settle in the mold because the fibers can lay down. In one embodiment, vacuum suction is used to keep the fibers settling and maintain the uniform porosity and density of the material throughout the billet. The vacuum suction technique can be used with any number of instructions to control fiber alignment and density for the green billet.

例として、触媒基材又は濾過基材の材料のビレットは、丸みを帯びた隅を有する609.6mm(24インチ)×609.6mm(24インチ)(371.612mm(576in))×101.6mm(4インチ)の金型中で作られる。もちろん、より大きなサイズ又はより小さなサイズを有するビレットが作られ得る。 As an example, a billet of catalyst or filtration substrate material is rounded corners 609.6 mm (24 inches) × 609.6 mm (24 inches) (371.612 mm 2 (576 in 2 )) × 101. Made in a 6 mm (4 inch) mold. Of course, billets with larger or smaller sizes can be made.

金型の材料は、水中で安定であり、例としては金属又はプラスチックが挙げられるが、これらに限定されない。他の好適な材料としては、アルミニウム、PLEXIGLAS、及び他の合成材料が挙げられる。アルミニウムは長期間に亘って非常に耐久性があり、一方、PLEXIGLAS材料は安価で、機械加工が容易である。好適な透過性表面は、微細金属メッシュスクリーンの形態で利用可能である。約32.258mm(約50in)より大きい半透性表面は、ある条件下では、好ましくはたるみ(sagging)を防止するために、裏張り又は支持構造を用いる。 Mold materials are stable in water, examples include but are not limited to metals or plastics. Other suitable materials include aluminum, PLEXIGLAS, and other synthetic materials. Aluminum is very durable for a long time, while PLEXIGLAS material is inexpensive and easy to machine. Suitable permeable surfaces are available in the form of fine metal mesh screens. A semi-permeable surface greater than about 32.258 mm 2 (about 50 in 2 ), under certain conditions, preferably uses a backing or support structure to prevent sagging.

注入成形中に嫌気性(即ち酸素無含有)環境が望ましい実施形態が存在する。無酸素大気は、金属酸化を最小限にし、繊維結合を独自に強くする環境を作る。浸漬ビレットは、アンモニアガスを充填された小室(例えば大型プラスチック袋)中に入れられる。その低コスト及び低利用可能性のため、アンモニアは最も一般的に用いられる。窒素ガス及び/又は水素ガスも導入され得る。水素は揮発性であるため、窒素が水素より好まれる。実際、還元及び無酸素環境が保持される限り、任意のガスが導入され得る。好ましくはガスは、浸漬ゾルビレットがゲルビレットを形成するまで、一定流量で提供される。その時点で、ガスは止められ、ゲルビレットが開放空気に曝露されて、ガスを脱出させる。   There are embodiments in which an anaerobic (ie, oxygen-free) environment is desirable during injection molding. Anoxic atmosphere creates an environment that minimizes metal oxidation and uniquely strengthens fiber bonds. The immersion billet is placed in a small chamber (for example, a large plastic bag) filled with ammonia gas. Ammonia is most commonly used because of its low cost and low availability. Nitrogen gas 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 immersed sol billet forms a gel billet. At that point, the gas is turned off and the gel billet is exposed to open air, causing the gas to escape.

炭素又は有機系の造形体は、成形段階中に未焼結ビレット中に導入される穴形成ロッドとして用いられ得る。高温焼結時に、これらのロッドは崩壊し、後に所望の複数の溝を残し得る。   Carbon or organic shaped bodies can be used as hole-forming rods that are introduced into the green billet during the molding stage. During high temperature sintering, these rods can collapse, leaving behind the desired plurality of grooves.

スラリーの脱水
ビレット製造の一実施形態では、スラリーは、少なくとも1つの寸法が調整可能であり、少なくとも1つの壁が半透性である密閉式金型中に入れられる。圧縮力は、調節可能な壁を介して適用され、繊維が集まり、フェルト状になる半透性壁を介してスラリーから水が押出される。所望の予備成形(即ちビレット寸法)が達成されるまで、圧縮が継続される。この方法は一般に、ブロック又は円筒形のような簡単な幾何学形状に限定される。
Slurry Dehydration In one embodiment of billet manufacture, the slurry is placed in a closed mold that is adjustable in at least one dimension and is at least one wall semi-permeable. The compressive force is applied through an adjustable wall and water is extruded from the slurry through a semi-permeable wall where the fibers gather and become felt. Compression continues until the desired preform (ie billet size) is achieved. This method is generally limited to simple geometric shapes such as blocks or cylinders.

重力は、一般的には十分な駆動力ではなく、したがって真空ポンプの使用を要する。真空ポンプは、ごくわずかの圧力を用いるか又は全く圧力を用いない。いくつかの場合、真空は脱水するために用いられるが、吸引の使用は非常にわずかである。真空は、乾燥プロセスを加速するための一手段として用いられ、密度増大を回避するための大きな感度を伴う。好ましくは軽度の真空補助のみが用いられる。   Gravity is generally not a sufficient driving force and therefore requires the use of a vacuum pump. Vacuum pumps use very little or no pressure. In some cases, vacuum is used to dehydrate, but the use of suction is very slight. Vacuum is used as a means to accelerate the drying process, with great sensitivity to avoid increased density. Preferably only mild vacuum assistance is used.

より複雑に造形されたビレットは、例えばスラリーのヘッドが半透性金型形態上に置かれ、保持される代替的方法により、調製され得る。低圧は、真空ポンプにより透過性形態の外側に確立される。差圧は、繊維が収集されフェルト状になる透過性形態を通して水を動かす。差圧は、所望の厚みが達成されるまで持続される。ビレットはほぼ網目状形状で又はそれらの最終形態に近づけて作られ得るので、このプロセスは所望の基材が高度に湾曲される用途に都合がよい。   More complex shaped billets can be prepared, for example, by alternative methods in which a slurry head is placed and held on a semi-permeable mold form. A low pressure is established outside the permeable form by a vacuum pump. The differential pressure moves the water through the permeable form where the fibers are collected and felted. The differential pressure is sustained until the desired thickness is achieved. This process is advantageous for applications where the desired substrate is highly curved, since the billets can be made in a generally reticulated shape or close to their final form.

複数の(2つ又はそれ以上)スラリー・レシピの注入又は混合、ならびに引っ張りの真空率の変化(複数時間)は、他のものより密ないくつかの領域及び/又は異なる物理学的特性の領域を有するビレットを提供する。ビレットは、異なる化学組成及び密度を有する漸増的若しくは異なる層又はコアを有し得る。ビレットは、1つ又は複数の帯域を有し、その各々は、独自の形状、位置及び物理学的特性を必要に応じて有する。強度、熱又は電気伝導率、触媒付着能力、熱膨張、振動若しくは熱衝撃、重量、多孔性及び浸透性、音減衰、又は任意の他の好ましい特性を変更する必要がある場合に、各帯域は変わり得る。   Multiple (two or more) slurry recipe injections or mixings, as well as changes in tensile vacuum rate (multiple hours) may result in several areas that are denser than others and / or areas of different physical properties A billet is provided. Billets can have incremental or different layers or cores with different chemical compositions and densities. The billet has one or more zones, each of which has a unique shape, position and physical properties as required. Each band is where it is necessary to change strength, thermal or electrical conductivity, catalyst adhesion capacity, thermal expansion, vibration or thermal shock, weight, porosity and permeability, sound attenuation, or any other preferred property It can change.

異なるスラリー・レシピ及び成形技法を用いることにより、ビレットは、層状にもなり得る。さらにビレットは、平行平面層(例えばケーク上の層)にのみ限定されないが、ビレットは、水平の層、角度のある層、球形層、ピラミッド状層及び自由形状層、又は当該技術分野で既知の任意の他の構成を用いて形成され得る。またビレットの密度は、このプロセス中に、所望により、化学的及び物理学的に変更され得るということに留意すべきである。   By using different slurry recipes and molding techniques, the billet can also be layered. In addition, billets are not limited to parallel plane layers (eg, layers on cake), but billets are horizontal layers, angled layers, spherical layers, pyramidal and free-form layers, or known in the art. It can be formed using any other configuration. It should also be noted that the billet density can be changed chemically and physically as desired during this process.

ビレットは、別のビレットの内側又は内部に、硬化されているか否かにかかわらず、任意の構成で、異なる化学的性質の複数のビレットを構成することによっても、形成され得る。コア・ビレットは、コア中にビレットを手動で入れるか又は注入され得る。結果は、多少の密度を有するコア又は複数のコアである。コア層状化の組合せであるので、これらのコア及びビレットの形状又は形態は限定されない。コアは、コアの内側に作られることさえある。プロセスは、必要に応じて非限定数回反復されて、非限定形状でビレットの独自の数の組合せを生じる。   A billet can also be formed by configuring multiple billets of different chemistry in any configuration, whether or not cured inside or inside another billet. The core billet can be manually placed or injected into the core. The result is a core or cores with some density. Since it is a combination of core layering, the shape or form of these cores and billets is not limited. The core may even be made inside the core. The process is repeated an unlimited number of times as needed to produce a unique number of billet combinations in an unlimited shape.

未焼結ビレットの乾燥
一実施形態の一工程では、金型中のスラリーは、脱水する(即ちスラリーが含有する任意の水を追い出す)のに十分な時間、炉乾燥される。水は、重力により排出される。わずかな真空補助が利用され得る。当該技術分野で既知の他の方法は、もちろん、用いられ得る。
Drying the green billet In one step of one embodiment, the slurry in the mold is oven dried for a time sufficient to dehydrate (i.e., expel any water contained in the slurry). Water is discharged by gravity. A slight vacuum assistance may be utilized. Other methods known in the art can of course be used.

金型からの未焼結ビレットの取り出し及び未焼結ビレットの乾燥
本発明の一実施形態の一工程では、未焼結ビレットが金型から取り出される。一般に、ビレットは、取り扱うのに十分乾燥した時に、取り出され得る。或いはビレットは、機械により操作されるのに十分に乾燥した時に、取り出される。
Removing the green billet from the mold and drying the green billet In one step of one embodiment of the present invention, the green billet is removed from the mold. Generally, the billet can be removed when it is sufficiently dry to handle. Alternatively, the billet is removed when it is sufficiently dry to be manipulated by the machine.

例えばビレットが取り扱われるのに十分に乾燥すると、金型から取り出される。次にビレットは、炉中で乾燥される。脱水プロセスを完了し、繊維が依然としてそれらの意図された構成のままにさせるために十分な低温が用いられる。最も好ましくは、温度は、必要な場合にビレットを乾燥するために十分であるが、ビレットの任意の焼結又は実質的に任意の焼結を引き起こすには不十分である。別の好ましい実施形態では、約250〜500°Fの温度が、この工程で用いられる。さらなる実施形態では、ビレットは、約180℃の温度で約2〜約6時間、好ましくは約4時間、乾燥される。当該技術分野で既知であるその他の時間及び温度が用いられ得る。   For example, when the billet is sufficiently dry to be handled, it is removed from the mold. The billet is then dried in an oven. Sufficient low temperature is used to complete the dehydration process and leave the fibers still in their intended configuration. Most preferably, the temperature is sufficient to dry the billet if necessary, but is insufficient to cause any or substantially any sintering of the billet. In another preferred embodiment, a temperature of about 250-500 ° F. is used in this step. In a further 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 can be used.

次に、ビレットはビレット中に結合溶液を「吸い上げる」(即ち、吸込む)ので、乾燥ビレットは任意に、当該技術分野で既知である、ゾル・ゲル結合剤、好ましくはアルミナゾルゲル結合剤中に、例えば2〜3日の期間、種々の温度で浸漬される。好適な結合剤は当該技術分野で既知であり、予備成形構造保全性を付与するためにならびに焼結を促すために必要とされ得る。ビレットは、単一又は複数の結合剤プロセスを利用して、ビレットの強度及び伝導性を変更し得る。また数回の結合剤の適用は、ビレットの強度を増大するが、孔空間を低減するか又は塞ぎ得る。任意の好適な結合剤が用いられ得る。結合剤は、酸化物結合剤(例えばSiO又はAl)であり得る。酸化物結合剤は、ガラス構成、結晶構成、又は他の無機結合剤でもあり得る。結合剤は、既知の技法及び方法(例えば特許文献42(これは、参照により本明細書中で援用される)に開示されたもの等)を用いて、適用され得る。 The billet then “sucks” (ie, sucks) the binding solution into the billet, so that the dry billet is optionally in a sol-gel binder, preferably an alumina sol-gel binder, known in the art. For example, it is immersed at various temperatures for a period of 2 to 3 days. Suitable binders are known in the art and may be required to impart preformed structural integrity as well as to promote sintering. Billets can utilize single or multiple binder processes to alter the strength and conductivity of the billet. Also, several times the application of the binder increases the strength of the billet but can reduce or plug the pore space. Any suitable binder can be used. The binder can be an oxide binder (eg, SiO 2 or Al 2 O 3 ). The oxide binder can also be a glass configuration, a crystalline configuration, or other inorganic binder. Binders can be applied using known techniques and methods, such as those disclosed in US Pat. No. 6,057,032, which is hereby incorporated by reference.

未焼結ビレットの乾燥(焼結)
本発明の一実施形態の別の工程では、未焼結ビレットが加熱硬化される。加熱・硬化又は焼結のための温度は、一般に未焼結ビレットを乾燥するために用いられる温度よりも高温である。一実施形態では、温度は、所望の温度に達するまで、1又は複数時間、好ましくは数時間に亘って漸増的に増大される。一実施形態では、炉は予め温められ、そして漸増的に約2,000〜2,500°Fに加熱される。当該技術分野で既知の他の温度も適している。
Drying the green billet (sintering)
In another step of one embodiment of the present invention, the green billet is heat cured. The temperature for heating / curing or sintering is generally higher than the temperature used to dry the green billet. In one embodiment, the temperature is increased incrementally over one or more hours, preferably over several hours, until the desired temperature is reached. In one embodiment, the furnace is pre-warmed and heated incrementally to about 2,000-2,500 ° F. Other temperatures known in the art are also suitable.

好ましい実施形態では、結合剤をゲル化後、約4時間、約200°Fにビレットを加熱し、そして次に約5時間に亘って温度を約600°Fに徐々に増大することにより、ビレットは硬化される。最大温度を達成し、保持した後、ビレットは急冷される。最終結果は、剛性無機繊維ビレットである。さらにまた、ブランクを熱硬化するプロセスは、用いられる温度、硬化するための時間の長さ、急冷の温度及び時間、温度漸増的増大、ならびに増分温度増大時機で変わり得る。   In a preferred embodiment, after gelling the binder, the billet is heated to about 200 ° F. for about 4 hours and then gradually increased to about 600 ° F. over about 5 hours. Is cured. After achieving and holding the maximum temperature, the billet is quenched. The end result is a rigid inorganic fiber billet. Furthermore, the process of thermosetting the blank can vary with the temperature used, the length of time to cure, the quenching temperature and time, the incremental temperature increase, and the incremental temperature increase.

ビレットは、繊維−繊維接触物を焼結するために必要なエネルギーを供給し、それにより基材に強度を付与する結合を形成するために燃やされる。例えば強度は、繊維−繊維接触物の数を増大することにより増大され得る。接触物の数の増大は、密度及びくねり係数を増大する。孔網目構造のくねりが多くなるほど、浸透性は低い。焼結は繊維を一緒に融解させないが、その代わり、それらを化学的に結合する。ビレットは、高温炉中で漸進的に加熱される。ビレットは予め温められ、そして所望の密度及び融合が得られるまで、漸増的に約2,000〜2,500°Fに加熱される。二次化学物質、例えば増粘剤は、好ましい実施形態において焼失される。焼結繊維を含み、或いは代替的にそれらから成るか或いは本質的にそれらから成る基材が残る。   The billet is burned to provide the energy necessary to sinter the fiber-fiber contact, thereby forming a bond that imparts strength to the substrate. For example, strength can be increased by increasing the number of fiber-fiber contacts. Increasing the number of contacts increases density and bend coefficient. The more the pore network bends, the lower the permeability. Sintering does not melt the fibers together, but instead bonds them chemically. The billet is gradually heated in a high temperature furnace. The billet is pre-warmed and heated incrementally to about 2,000-2,500 ° F. until the desired density and fusion is obtained. Secondary chemicals such as thickeners are burned out in a preferred embodiment. There remains a substrate comprising, or alternatively consisting of, or consisting essentially of sintered fibers.

好ましい実施形態では、粘性(増粘剤)化学物質及び分散剤が焼失される。   In a preferred embodiment, the viscous (thickener) chemical and dispersant are burned out.

他の実施形態では、多くの硬化工程が実施される。これは、基材の硬度を増大するために実行され得る。   In other embodiments, a number of curing steps are performed. This can be done to increase the hardness of the substrate.

乾燥及び硬化プロセスにおける変数は、繊維ブランクの所望の密度、強度、多孔度又は浸透性、或いは高温に対する耐性によって調整され得る。或る実施形態では、硬化プロセスは複数の硬化適用を使用し、そして加熱及び冷却間隔及びアプローチを変更し得る。ビレットはまた、ビレットを急冷し又は焼き戻すために急速に冷却され得る。スラリーは、付加的加熱又はその他の処理、例えば高密度化コーティング又は多重硬化及び焼結を受け得る。   Variables in the drying and curing process can be adjusted by the desired density, strength, porosity or permeability of the fiber blank, or resistance to high temperatures. In some embodiments, the curing process uses multiple curing applications and can vary the heating and cooling intervals and approaches. The billet can also be rapidly cooled to quench or temper the billet. The slurry may be subjected to additional heating or other treatments such as densified coating or multiple curing and sintering.

物理学的修飾
該プロセスの或る実施形態では、ビレットは触媒で被覆される。基材に触媒を適用する一方法では、基材は、触媒を含有するスラリーから形成され得る。触媒を適用するその他の適切な方法が用いられ得る。本発明の別の利点は、触媒を他の材料に適用し得る方法を用いて、触媒がnSiRF−C材料に適用され得る、ということが意外にも発見されたという点である。
Physical Modification In one embodiment of the process, the billet is coated with a catalyst. In one method of applying a catalyst to a substrate, the substrate can be formed from a slurry containing the catalyst. Other suitable methods of applying the catalyst can be used. Another advantage of the present invention is that it has been surprisingly discovered that the catalyst can be applied to nSiRF-C materials using methods that can apply the catalyst to other materials.

本発明の別の実施形態では、触媒は、成形前にスラリーに付加される。この場合、基材を構成する個々の繊維上に触媒が直接存在する触媒基材が形成される。基材に触媒を付加するこの方法は、或る実施形態では、触媒基材のコア中に触媒を分散するが、溝壁に沿って存在する触媒を有さない効率的方法を提供する。この実施形態では、ウォッシュコートは必要でない。   In another embodiment of the invention, the catalyst is added to the slurry prior to shaping. In this case, a catalyst base material in which the catalyst exists directly on the individual fibers constituting the base material is formed. This method of adding the catalyst to the substrate, in certain embodiments, provides an efficient method of dispersing the catalyst in the core of the catalyst substrate, but having no catalyst present along the groove walls. In this embodiment, a washcoat is not necessary.

機械加工
粗製ブロックの形態のビレットは、特定の形状に切断されるか又は挽き切られ、次にサンダー仕上げされ、旋削され、又は機械加工されて、最終所望形状「スラグ」となる。材料の組成は、化学物質、熱、温度及び振動衝撃に対して非常に回復力があるが、好ましい実施形態では、硬度は非常に低い。この低硬度は、工具に対する抵抗性又は耐久性がほとんどなしに、又は少量で、機械加工を可能にする。ビレットが、或る実施形態では、低硬度を有し、そして軟質であるという事実にもかかわらず、それは非常に耐久性があり、そして機械加工し、彫刻し、又は造形するのが容易である。モースの硬度計で、材料は通常は0.5〜1.0(又はヌープ硬度計で1〜22)であり、タルクは1(ヌープ硬度1〜22)で最も柔らかく、そしてダイヤモンドは10(ヌープ硬度8,000〜8,500)で最も硬い。例えば炭化ケイ素は、9〜10(ヌープ硬度2,000〜2,950)のモース硬度を有する。その他の既知の基材に関して、ビレットは、スタイロフォーム又はバルサ材のように、非常に軟質で、機械加工又は彫刻するのに努力を要さない。
Machining A billet in the form of a rough block is cut or ground to a specific shape and then sanded, turned or machined to the final desired shape “slag”. The composition of the material is very resilient to chemicals, heat, temperature and vibrational impact, but in a preferred embodiment the hardness is very low. This low hardness allows machining with little or no resistance or durability to the tool. Despite the fact that the billet, in certain embodiments, has low hardness and is soft, it is very durable and easy to machine, sculpt, or shape . Mohs hardness meter, material is usually 0.5-1.0 (or 1-22 Knoop hardness meter), talc is 1 (Knoop hardness 1-22) and softest, and diamond is 10 (Knoop) Hardness is 8,000 to 8,500). For example, silicon carbide has a Mohs hardness of 9 to 10 (Knoop hardness of 2,000 to 2,950). With respect to other known substrates, billets are very soft, such as styrofoam or balsa material, and require no effort to machine or engrave.

ビレットは、造形され、サンダー仕上げされ、旋削され、或いは機械加工されて、スラグ成形の非限定造形能力を提供する。機械加工は、旋盤上の円筒を旋削し、鍵穴鋸、帯鋸又は糸鋸で挽き切って造形し、輪郭をサンダー仕上げするか又は表面を平滑にし、或いは他の固体材料に一般に用いられそして当該技術分野で既知の任意のその他の機械加工方法までの範囲であり得る。ビレットは、金属、木材又はプラスチックを機械加工するのと同じ精度で非常に厳密な許容誤差で機械加工され得る。ビレットが、最終形状の所望の直径を有する円筒形金型中で注入成形される場合、機械加工は、円筒形ビレットを所望の厚みに切断し、サンダー仕上げをすることを単に必要とする。このプロセスはまた、過剰機械加工による基材損失を低減し、同様にプロセスの実施をスピードアップする。   Billets are shaped, sanded, turned, or machined to provide unrestricted shaping capabilities for slag molding. Machining is commonly used for turning a cylinder on a lathe, shaping with a keyhole saw, band saw or yarn saw, sanding the contour or smoothing the surface, or other solid materials and the art Can range up to any other machining method known. Billets can be machined with very close tolerances with the same precision as machining metal, wood or plastic. If the billet is cast in a cylindrical mold having the desired diameter of the final shape, machining simply requires cutting the cylindrical billet to the desired thickness and sanding. This process also reduces substrate loss due to excessive machining and speeds up the process as well.

図5に示したように、円形510、楕円形520及び競走場形530を含む多くの考え得る前表面及び後表面形状が存在する。三次元的には、基材は円筒又は実質的に平坦な円板の形態であり得る。従来の基材は、これら3つのデザインのうちの1つとして存在する。角張った隅を有するデザインは、有効ではない。機械加工することは容易であるが、正方形又は角のあるデザインは、錆及び腐食物、例えば道路塩のためのトラップになることが立証されている。したがってスラグの前表面形状においては、丸みのある隅が好ましい。   As shown in FIG. 5, there are many possible front and back surface shapes, including a circle 510, an ellipse 520, and a racetrack shape 530. In three dimensions, the substrate can be in the form of a cylinder or a substantially flat disk. Conventional substrates exist as one of these three designs. A design with square corners is not effective. Although easy to machine, square or angular designs have proven to be traps for rust and corrosion, such as road salt. Therefore, a rounded corner is preferable in the front surface shape of the slag.

ビレット、基材、又はスラグは、帯鋸、糸鋸、CNC、又は当業者に既知のその他の方法により造形され得る。スラグはさらに、手で擦る、旋盤サンダー仕上げ、ベルト・サンダー仕上げ、又はオービタル・サンダー仕上げにより造形され得る。浮遊粒子は、材料の孔を目詰まりさせるのを防ぐために真空掃去されなければならない。さらにこれらの粒子は、穿孔盤のベアリングに進入して、それを壊し、研削して、ベアリングに筋をつける。セラミックダストも非常に微細であり、作業者が容易に吸引し得る。   The billet, substrate, or slag can be shaped by a band saw, yarn saw, CNC, or other methods known to those skilled in the art. The slag can also be shaped by hand rubbing, lathe sander finish, belt sander finish, or orbital sander finish. Airborne particles must be vacuumed away to prevent clogging of material pores. In addition, these particles enter the bearing of the drilling machine, break it, grind it, and streak the bearing. Ceramic dust is also very fine and can be easily sucked by an operator.

造形スラグは、本発明において基材として利用される。基材の表面積は、触媒適用のための重要な特質である。表面積は、排気排気物が排気フィルターを通して移動する場合に通過しなければならない表面の総量である。表面積増大は、化学反応が汚染物質と触媒及び熱プロセスとの間に起こる表面増大に転換され、触媒コンバータープロセスをより迅速に且つより効率的にする。速度及び効率は、排気系の故障を引き起こし得る目詰まりをほとんど又は全く生じない。   The modeling slag is used as a base material in the present invention. The surface area of the substrate is an important attribute for catalyst applications. The surface area is the total amount of surface that must pass through as exhaust exhaust moves through the exhaust filter. The surface area increase translates into a surface increase where chemical reactions occur between contaminants and the catalyst and thermal processes, making the catalytic converter process faster and more efficient. Speed and efficiency produce little or no clogging that can cause exhaust system failure.

一実施形態では、本発明の基材は、83.58平方インチ/立方インチの総表面積を有する。これは、匹敵するマクロ寸法(例えば直径、長さ及び幅)を有するコージライト試料と比較して、貴金属で含浸され得るさらに広い面積に転換される。しかしながら、この総表面積計算は、異なる材料の密度、多孔度及び浸透性を一様に含むわけではない、ということに留意されたい。   In one embodiment, the substrate of the present invention has a total surface area of 83.58 square inches / cubic inch. This translates to a larger area that can be impregnated with noble metals compared to cordierite samples with comparable macro dimensions (eg diameter, length and width). However, it should be noted that this total surface area calculation does not uniformly include the density, porosity and permeability of different materials.

本発明の例示的一実施形態では、基材は、ディーゼルエンジン用の排気フィルター系で用いられる。基材は、AETB処方物を用いて作られ、8〜25ポンド/立方フィートの密度を有する約13インチ×13インチ×5インチのビレットに形成される。ビレットから、高さ5インチの円筒形スラグ(直径6インチ)、又は楕円形状のスラグが、先端にダイヤモンドを付けた又はタングステン・カーバイド帯鋸を用いて、ビレットから切断される。このスラグはさらに、回転旋盤上で(直円柱用)又はベルト研磨機で、正確な許容誤差に機械加工されて、基材を形成する。   In an exemplary embodiment of the invention, the substrate is used in an exhaust filter system for a diesel engine. The substrate is made using an AETB formulation and is formed into billets of about 13 inches × 13 inches × 5 inches having a density of 8-25 pounds / cubic foot. From the billet, a 5 inch tall cylindrical slag (6 inches in diameter) or an elliptical slag is cut from the billet with a diamond on the tip or a tungsten carbide band saw. This slag is further machined to precise tolerances on a rotating lathe (for right cylinders) or with a belt grinder to form a substrate.

基材中の孔及び溝の調製
本発明の一実施形態では、意図されたガス流に対して実質的に縦方向に濾過又は触媒基材中に複数の溝が形成される。溝は、部分的に又は全体的に、基材の長さを通して延びる。図5〜図14は、複数の溝を有する本発明の或る実施形態を例示する模式図を示す。或る実施形態では、溝は流体の流れに対してある角度で延びる。
Preparation of Holes and Grooves in the Substrate In one embodiment of the present invention, a plurality of grooves are formed in the filtered or catalytic substrate substantially longitudinally with respect to the intended gas flow. The groove extends partially or entirely through the length of the substrate. 5-14 show schematic diagrams illustrating certain embodiments of the present invention having a plurality of grooves. In some embodiments, the groove extends at an angle to the fluid flow.

これらの溝の内表面は、小容積の基材中により多くの汚染物質を捕獲し、処理するために、化学的にコーティングされ得る。溝が基材中に形成される場合、高表面積を保有するためには、より小さな直径、例えば200、400、500、600、700、800、900、1,000、1,100、1,200、1,300、1,400、1,500、1,600、1,700、1,800、1,900、2,000、2,100、2,200、2,300、2,400又は2,500cpsiを有する小さな溝が好ましい。   The inner surface of these grooves can be chemically coated to capture and treat more contaminants in a small volume of substrate. When grooves are formed in the substrate, in order to retain a high surface area, a smaller diameter, eg, 200, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,100, 1,200. 1,300, 1,400, 1,500, 1,600, 1,700, 1,800, 1,900, 2,000, 2,100, 2,200, 2,300, 2,400 or 2 A small groove with 500 cpsi is preferred.

別の実施形態では、溝は、基材の全長を通って延びる。このような基材は、フロースルー構成を有する。   In another embodiment, the groove extends through the entire length of the substrate. Such a substrate has a flow-through configuration.

或いは溝は、基材の全長を通して延びないが、しかし基材の長さを通して約50%から約99%まで延びる。このような基材は、ウォールフロー構成とみなされる。ウォールフロー基材の溝中に残存する非穿孔部分は、種々の厚みを有し得る。図8は、種々の壁厚の非穿孔部分840及び845を有する本発明の一実施形態によるウォールフローパターン基材820を示す。この実施形態では、交互の進入溝は、他の進入溝ならびに出口溝より厚い壁厚を有する。しかしながら種々の非穿孔部分厚は、進入又は出口溝がより薄い又はより厚い非穿孔部分を有するよう、任意の組合せで構成され、この場合、非穿孔部分はすべて、厚みが実質的に同様であっても、そうでなくてもよい。壁厚は、排気ガス830が排気進入溝から壁を通って出口溝に通過し、排出粒子をトラップするよう薄く、多孔性である。非穿孔部分の内側縁850及び855間の長さは、交差領域として既知である。非穿孔部分840がいくつかの又はすべての進入溝でより厚い場合、排出流830は交差領域で基材の溝壁を通して流れ、基材820を出ると思われる。排出流830は依然として、より薄い非穿孔部分845を通過する。本発明の別の実施形態では、触媒の量が溝壁上の量とは異なるよう、溝の非穿孔部分は触媒の選択的含浸を有する。   Alternatively, the groove does not extend through the entire length of the substrate, but extends from about 50% to about 99% through the length of the substrate. Such a substrate is considered a wall flow configuration. The non-perforated portions remaining in the grooves of the wall flow substrate can have various thicknesses. FIG. 8 illustrates a wall flow pattern substrate 820 according to one embodiment of the present invention having non-perforated portions 840 and 845 of varying wall thickness. In this embodiment, the alternating entry grooves have a thicker wall thickness than the other entry grooves as well as the exit grooves. However, the various non-perforated portion thicknesses can be configured in any combination such that the entry or exit groove has a thinner or thicker non-perforated portion, where all non-perforated portions are substantially similar in thickness. But it doesn't have to be. The wall thickness is thin and porous so that the exhaust gas 830 passes from the exhaust entry groove through the wall to the exit groove and traps the exhaust particles. The length between the inner edges 850 and 855 of the non-perforated portion is known as the intersecting region. If the non-perforated portion 840 is thicker in some or all of the entry grooves, the exhaust stream 830 will flow through the substrate groove wall at the intersection region and exit the substrate 820. The exhaust stream 830 still passes through the thinner non-perforated portion 845. In another embodiment of the invention, the non-perforated portion of the groove has a selective impregnation of the catalyst so that the amount of catalyst is different from the amount on the groove wall.

この非穿孔部分の厚みは限定される。ガス流は、等価の厚みを有する壁の表面積を増大することにより増大する。非穿孔部分が薄すぎる場合、それは過度の背圧により破裂し得る。   The thickness of this non-perforated part is limited. The gas flow is increased by increasing the surface area of the wall having an equivalent thickness. If the non-perforated part is too thin, it can burst due to excessive back pressure.

機械的穿孔
基材の一実施形態が一旦ビレットから切り離され、機械加工されると、それは穿孔のために穿孔ホルダー中に挿入され得る。シリンダーの長軸及び排気排気物の流れと実質的に平行した方向で、複数の溝が基材中に穿孔され得る。溝の直径が小さいほど、より多くの溝が基材に適合し得る。
Mechanical drilling Once an embodiment of the substrate is cut from the billet and machined, it can be inserted into a drilling holder for drilling. A plurality of grooves may be drilled in the substrate in a direction substantially parallel to the major axis of the cylinder and the flow of exhaust exhaust. The smaller the groove diameter, the more grooves can fit into the substrate.

代替的実施形態では、溝は基材中に穿孔される。基材は、穿孔のための金属ホルダー中に置かれる。ホルダーは、例えば基材スラグを適所にしっかり保持し、基材を破砕しないようにしながら移動しないようにする一対の大型金属アームであり得る。ホルダーは基材を固定し、穿孔のためにそれをしっかり保持する。基材の一側を穿孔した後、ホルダーは正確に180度回転して、基材の反対側の穿孔を可能にする。回転が正確に180度でない場合、穿孔溝は適正に整列されないか又は平行でないであろう。さらに入口の圧力は、出口の圧力と実質的に同一であるか又は同様である必要がある。好ましくは、平行壁を保証するために、ホルダーは、任意の望ましくない方向に0.0001インチより大きく、基材を移動してはいけない。   In an alternative embodiment, the groove is drilled in the substrate. The substrate is placed in a metal holder for drilling. The holder can be, for example, a pair of large metal arms that hold the substrate slug securely in place and prevent it from moving while not breaking the substrate. The holder secures the substrate and holds it firmly for drilling. After drilling one side of the substrate, the holder rotates exactly 180 degrees to allow drilling on the opposite side of the substrate. If the rotation is not exactly 180 degrees, the drill grooves will not be properly aligned or parallel. Further, the inlet pressure should be substantially the same as or similar to the outlet pressure. Preferably, to ensure parallel walls, the holder should not move the substrate greater than 0.0001 inches in any undesired direction.

本発明の基材の溝は、機械的穿孔プロセスを用いて調製され得る。一実施形態では、コンピューター数値制御(「CNC」)穿孔が用いられ、これは機械工場の間では一般的であり、好ましい方法である。CNC穿孔は、非常に遅く、1日当たり数千のフィルターの生産を要する大規模製造環境では経済的に実現可能であるとはいえない。CNC穿孔は、高精度及び正確さで実施される。CNC穿孔は、ドリルビットを用いて複数の経路を作ることにより実行される。CNCドリルは、各経路で基材にさらにほんの少し穿孔して、ビットが出たときに繊維性材料を除去する。   The substrate grooves of the present invention can be prepared using a mechanical drilling process. In one embodiment, computer numerical control (“CNC”) drilling is used, which is common among machine shops and is the preferred method. CNC drilling is very slow and is not economically feasible in large scale manufacturing environments that require the production of thousands of filters per day. CNC drilling is performed with high precision and accuracy. CNC drilling is performed by creating multiple paths using a drill bit. The CNC drill will drill a bit more in the substrate in each path to remove the fibrous material as the bit comes out.

ドリルビットは、その強靭性及び脆性のため炭化タングステンであり得るし、或いは当業者に既知の類似の材料であり得る。   The drill bit can be tungsten carbide because of its toughness and brittleness, or it can be a similar material known to those skilled in the art.

ドリルビットは、約10フィート/分の送り速度で貫通する。ドリルビットが融解しないようにするためには、遅い送り速度が必要である。ドリルビットが25フィート/分の送り速度で貫通すると、ドリルビットは融解する。さらに途方もなく大きい孔空間のため、ドリルビットは、「歩き回る」か又は動き回る傾向を有する。より遅い貫通速度がこの問題を取り除く。   The drill bit penetrates at a feed rate of about 10 feet / minute. A slow feed rate is necessary to prevent the drill bit from melting. As the drill bit penetrates at a feed rate of 25 feet / minute, the drill bit melts. In addition, because of the tremendously large hole space, drill bits have a tendency to “walk around” or move around. Slower penetration speeds eliminate this problem.

遅い速度でドリルビットを回転することが好ましい。ドリルビットは、約200回転/分で回転すべきである。より高速で、例えば約10,000回転/分でドリルビットを回転すると、トリルビットの融解を引き起こし得る。水、アルコール又はグリセリンのような潤滑剤で、穿孔中ずっと、ドリルビットは冷却保持される。   It is preferable to rotate the drill bit at a slow speed. The drill bit should rotate at about 200 revolutions / minute. Rotating the drill bit at a higher speed, for example about 10,000 revolutions / minute, can cause melting of the trillbit. The drill bit is kept cool throughout the drilling with a lubricant such as water, alcohol or glycerin.

基材が一旦切断され、最終寸法にサンダー仕上げされると、基材に溝が切られ又は穿孔される。この例示的実施形態では、溝は、DPSSLを用いて切られる。基材は非常に多孔性且つ浸透性であるため、基材は従来のフィルターと同じほど厚い必要はない。さらに、1つのビレットの切断は多くの基材を産生し、且つ適用されるべき任意のコーティング又は触媒の量の低減を要するため、基材が薄いか又は小さいほど、生産コストは低い。   Once the substrate is cut and sanded to the final dimensions, the substrate is grooved or perforated. In this exemplary embodiment, the groove is cut using DPSSL. Since the substrate is very porous and permeable, the substrate need not be as thick as a conventional filter. Furthermore, the thinner or smaller the substrate, the lower the production cost, as cutting one billet produces many substrates and requires a reduction in the amount of any coating or catalyst to be applied.

湿式穿孔
別の実施形態では、湿式切断(又は湿式穿孔)は、溝を形成するために用いられる。湿式切断は、極高圧の水の微細噴霧を用い、基材に穴を開ける。しかしながらウォータージェットは、盲穴(即ち基材を完全に通り抜けない溝)を残すために切断プロセス中に停止することができない。ウォータージェットの物理的特質は、開口する溝のサイズをジェットの直径より小さくない直径に限定する。或る実施形態では、長方形穴がジェットで作られ得た。
Wet drilling In another embodiment, wet cutting (or wet drilling) is used to form the grooves. Wet cutting uses a very fine spray of water at very high pressure to make holes in the substrate. However, the water jet cannot be stopped during the cutting process to leave a blind hole (ie a groove that does not pass completely through the substrate). The physical nature of the water jet limits the size of the open groove to a diameter that is not smaller than the diameter of the jet. In some embodiments, a rectangular hole could be made with a jet.

ガス穿孔
本発明の別の態様では、ガス穿孔法を用いて基材を調製する。ガス穿孔は当該技術分野で既知であり、基材中に溝を調製するために本発明の基材に適用され得る。
Gas perforation In another aspect of the invention, a substrate is prepared using a gas perforation method. Gas perforation is known in the art and can be applied to the substrate of the present invention to prepare grooves in the substrate.

コーミング
別の実施形態では、溝は、コームプロセスを用いて形成されるか又は造形される。コームは好ましくは、基材中に押し込まれ得る(穴を開ける)複数のつめを有する金属装置である。穴開けのために用いられるコームは、複数のつめを含む。つめの長さ、幅、厚み及び形状は、溝の所望の特性、構成及び寸法によって種々であり得る。
Combing In another embodiment, the grooves are formed or shaped using a comb process. The comb is preferably a metallic device having a plurality of pawls that can be pushed into the substrate. The comb used for drilling includes a plurality of pawls. The length, width, thickness and shape of the pawl can vary depending on the desired characteristics, configuration and dimensions of the groove.

或る実施形態では、コームは、基材の表面に対して実質的に垂直に、基材中に押し込まれる。他の実施形態では、コームは、基材の表面に対して或る角度で基材中に押し込まれる。コームの使用は、特に盲溝を形成するためには、好ましい方法である。適切なコームはまた、例えば4×4又は16×16の横列及び縦列からコームが作られるように製造され得る、と理解される。   In some embodiments, the comb is pushed into the substrate substantially perpendicular to the surface of the substrate. In other embodiments, the comb is pushed into the substrate at an angle to the surface of the substrate. The use of combs is a preferred method, especially for forming blind grooves. It is understood that suitable combs can also be manufactured such that the combs are made from, for example, 4 × 4 or 16 × 16 rows and columns.

概して、コームプロセスは、溝のほとんど又はすべてが造形されるまで、複数回、基材材料中にコームを反復的に押し込むことを包含する。このプロセスは、本明細書中では、ペッキングと呼ばれる。任意にコームは、例えば空気により余分量の基材材料が溝から掃去され得るよう、各押し入れ後に溝から取り除かれ得る。ペッキング/穴明け工程中、繊維の積み重なりを防止するのが好ましい。繊維の積み重なりは、壁を破裂させるか又は全部を破裂させ得る。この特性を上手く利用するために、真空及び/又は圧縮空気を用いて、溝及びドリルビット表面を清浄にし得る。   In general, the comb process involves repeatedly pushing the comb into the substrate material multiple times until most or all of the grooves are shaped. This process is referred to herein as pecking. Optionally, the comb can be removed from the groove after each indentation so that excess substrate material can be removed from the groove, for example by air. It is preferred to prevent fiber stacking during the pecking / drilling process. Fiber stacks can rupture the wall or rupture the whole. To take advantage of this property, vacuum and / or compressed air can be used to clean the groove and drill bit surface.

一実施形態では、コームは、溝壁からある量の基材材料を追い出すか又は取り除くために十分な力を用いて基材中に押し込まれる。好ましい実施形態では、つめが溝中に約0.1インチ延びるよう、十分量の力がコームに適用される。他の適切な値としては、0.05、0.15及び0.2が挙げられる。好ましくは溝を形成するか又は造形するために適用される力の量は、溝壁に実質的損害を伴わずに、溝を形成するか又は造形するのに十分な量である。該プロセスは、溝が所望の長さ及び形状に作られるまで、反復的に基材中につめを押し込むことを包含する。   In one embodiment, the comb is pushed into the substrate with sufficient force to drive or remove an amount of substrate material from the groove wall. In a preferred embodiment, a sufficient amount of force is applied to the comb so that the pawl extends about 0.1 inch into the groove. Other suitable values include 0.05, 0.15 and 0.2. Preferably, the amount of force applied to form or shape the groove is an amount sufficient to form or shape the groove without substantial damage to the groove wall. The process involves repeatedly pushing the pawl into the substrate until the groove is made to the desired length and shape.

つめの形状は、溝の形状を指図する。例えばコーム上の長方形のつめを用いて、長方形溝開口を有する長方形溝を作製する。   The shape of the pawl dictates the shape of the groove. For example, a rectangular groove with a rectangular groove opening is made using a rectangular pawl on a comb.

コーム上の楔形つめは、楔形溝を作製するために用いられる。楔形つめの使用は、壁が正方形開口と平行である溝を生じる。図17に示されるように、基材1700は、平行楔形「盲」溝1702、即ち出口穴を有さない溝を組み入れる。盲溝1702は、ガス1704を、出る前に、孔空間溝壁に通過させる。   A wedge-shaped pawl on the comb is used to make a wedge-shaped groove. Use of a wedge-shaped pawl results in a groove whose wall is parallel to the square opening. As shown in FIG. 17, substrate 1700 incorporates a parallel wedge-shaped “blind” groove 1702, ie, a groove that does not have an exit hole. Blind groove 1702 allows gas 1704 to pass through the pore space groove wall before exiting.

コーム上の4辺ピラミッド形つめを用いて、ピラミッド形溝を作製する。壁は平行であり、開口は実質的に正方形である。しかしながら溝は、平坦前表面を有する壁に隣接されるというよりむしろ、一点で交わるので、溝開口の壁厚は最小である。これは、前表面積の低減を、したがって背圧の低減を生じる。4辺ピラミッド形造形つめを用いると、コームを分離するために楔シムは必要とされない。この実施形態では、図16を参照すると、適切なコームは、平坦端を有するというよりむしろ一点に達するつめを有する。もちろん、つめの種々のその他の形状も、本発明に包含される。   A pyramidal groove is made using a four-sided pyramidal pawl on the comb. The walls are parallel and the openings are substantially square. However, since the grooves meet at a single point rather than being adjacent to a wall having a flat front surface, the wall thickness of the groove opening is minimal. This results in a reduction in the front surface area and thus a reduction in back pressure. With a four-sided pyramidal shaped pawl, no wedge shims are required to separate the combs. In this embodiment, referring to FIG. 16, a suitable comb has a pawl that reaches a point rather than having a flat end. Of course, various other shapes of nails are also encompassed by the present invention.

コーム上のテント形つめは、多角形溝を作製するために用いられる。多角形溝により前表面積が最小化される。   A tent pawl on the comb is used to make a polygonal groove. The polygonal groove minimizes the front surface area.

図16を参照すると、例示的コーム1600の寸法は、本発明の一実施形態に従って示される。コーム1600は、およそ、長さ6.000インチ及び幅0.0308インチである。コーム1600は、基部1610を含み、ここから複数のつめ1620が延びる。基部1610は、高さ0.4375である。複数のつめ1620は、長さ1.250、幅0.0308で、0.010インチの間隔を置く。   Referring to FIG. 16, the dimensions of an exemplary comb 1600 are shown according to one embodiment of the present invention. Comb 1600 is approximately 6.000 inches long and 0.0308 inches wide. Comb 1600 includes a base 1610 from which a plurality of pawls 1620 extend. The base 1610 has a height of 0.4375. The plurality of pawls 1620 are 1.250 long and 0.0308 wide and are spaced 0.010 inches apart.

コームプロセスの一実施形態では、溝は先ず、ドリルビットにより形成され、円形である。本発明の一実施形態により、平行壁を有する造形溝を生成するために、コームのつめは円形溝に穴を開けて(即ち圧縮又は型押し)、造形溝を作製する。コーム1500の一実施形態は、図15に示されている。好ましくは穴開けは、CNCプレスで実行される。後に残される形が、造形溝及び溝開口である。セル壁厚は、上記のように種々であり得る。或る実施形態では、コーミングプロセスは、約4ミル〜約20ミル、好ましくは約6ミル〜約10ミルの溝壁厚を有する触媒基材又は濾過基材を生成する。   In one embodiment of the comb process, the groove is first formed by a drill bit and is circular. In accordance with one embodiment of the present invention, a comb pawl pierces a circular groove (ie, compression or embossing) to create a shaping groove in order to produce a shaping groove with parallel walls. One embodiment of a comb 1500 is shown in FIG. Preferably the drilling is performed with a CNC press. The shapes left behind are the shaping grooves and the groove openings. The cell wall thickness can vary as described above. In certain embodiments, the combing process produces a catalyst or filtration substrate having a groove wall thickness of about 4 mils to about 20 mils, preferably about 6 mils to about 10 mils.

コームプロセスでは、金属コームは、ジグと呼ばれる箱に入れられて、穴開けのためにCNCプレスに載せられる。ジグ内では、コームは楔シムにより分離される。コーム間の空間は低許容度であり、穴開け中の動きを制限するためにジグにしっかりコームが保持される必要がある。図16を参照すると、楔シム1630はコーム1600のためのスペーサーとして利用される。楔シム1630は、幅0.010インチ、長さ6.000インチ及び高さ0.4375インチの寸法を有する。   In the comb process, a metal comb is placed in a box called a jig and placed on a CNC press for drilling. Within the jig, the combs are separated by wedge shims. The space between the combs is low tolerance and the combs need to be held firmly in the jig to limit movement during drilling. Referring to FIG. 16, wedge shim 1630 is utilized as a spacer for comb 1600. The wedge shim 1630 has dimensions of 0.010 inches wide, 6.000 inches long and 0.4375 inches high.

好ましくは少なくとも1つのスクリーンがコーム上に提供されて、つめの整列を保持する。好ましくはスクリーンは、必要に応じて整列を配分するために浮遊している。さらにスクリーンは、種々の長さの、例えば約0.5インチ〜約6.0インチ長のつめの役に立つ。少なくとも1つのスクリーンが、例えば浮遊して、ばねで留められて、或いは固定されて、つめに沿ったどこにでも構成され得る。少なくとも1つのスクリーンが、つめに沿って浮遊して存在し得る。つめは、少なくとも1つのスクリーンに固着されず、むしろスクリーンは、スクリーンが調整可能であるよう、つめの上に構成される。少なくとも1つのスクリーンは、つめの上にばねで留められ得る。スクリーンをばね留めすることにより、スクリーン対する基材の圧力が、ほぼ基材の縁でのつめ間の距離を維持する。少なくとも1つのスクリーンはまた、つめの長さに沿った任意の位置で、つめに固定され得る。   Preferably at least one screen is provided on the comb to maintain pawl alignment. Preferably the screen is floating to distribute the alignment as needed. In addition, the screen is useful for pawls of various lengths, for example about 0.5 inches to about 6.0 inches long. At least one screen can be configured anywhere along the pawl, eg, floating, spring-loaded, or fixed. At least one screen may be present floating along the pawl. The pawl is not affixed to at least one screen, but rather the screen is configured on the pawl so that the screen is adjustable. At least one screen may be spring-loaded on the pawl. By springing the screen, the pressure of the substrate against the screen maintains the distance between the pawls at approximately the edge of the substrate. The at least one screen can also be secured to the pawl at any position along the pawl length.

本発明の別の実施形態は、複数の溝を有する触媒基材又は濾過基材の製造プロセスであって、基材を突ついて複数の溝を形成するためにコームを用いることを包含するプロセスに対象とする。このプロセスは、好ましい実施形態では、段階的プロセスである。即ち、コームのつめの1回の挿入で、溝全体が形成されるわけではない。むしろ、所望の長さの溝が得られるまで、コームのつめは、反復的に挿入されて、段階的に少しずつ増量しながら取り出される。好ましくは溝は、各突つきの間又は他の突つき毎に、取り除かれた基材材料を掃去される。   Another embodiment of the present invention is a process for manufacturing a catalyst substrate or filtration substrate having a plurality of grooves, including using a comb to strike the substrate to form a plurality of grooves. set to target. This process is a stepwise process in the preferred embodiment. That is, the entire groove is not formed by a single insertion of the comb pawl. Rather, the comb pawl is repeatedly inserted and removed in incremental increments until the desired length of the groove is obtained. Preferably, the grooves are cleaned of removed substrate material between each bump or at every other bump.

別の実施形態では、コームプロセスは、機械及び/又はロボットを利用して溝を形成する自動プロセスである。   In another embodiment, the comb process is an automated process that utilizes a machine and / or robot to form the grooves.

コームの製造方法
本発明に用いるためのコームの製造方法が多数存在する。コームは、ステンレススチール、タングステン又は鍵素材(これらに限定されない)を含めた材料から作られ得る。コームの造形方法としては、レーザー切断、湿式切断、及び電子放電機械加工、或いは当業者に利用可能なその他の造形方法の使用が挙げられる。
Comb Manufacturing Methods There are many methods of manufacturing combs for use in the present invention. The comb may be made from materials including but not limited to stainless steel, tungsten or key material. Comb modeling methods include the use of laser cutting, wet cutting, and electrodischarge machining, or other modeling methods available to those skilled in the art.

DPSSLは、コームを製造するために用いられ得る。湿式切断も、コームを製造するために用いられ得る。例えば一実施形態では、湿式切断法を用いた1回の切断で、30〜40個のコームが作られる。   DPSSL can be used to make combs. Wet cutting can also be used to produce combs. For example, in one embodiment, 30-40 combs are made in a single cut using a wet cutting method.

電子放電機械加工(「EDM」)は、コームを製造するための代替的方法である。EDMは、誘電性流体の存在下で、電極及び伝導性工作物間の一連の繰り返し起こる電子放電より、伝導性材料が除去される熱腐食法である。基材が電気伝導性にされる場合、EDMは、基材上で同様に用いられ得る。少なくとも2つの型のEDM:(1)ラム及び(2)ワイヤが存在する。   Electrodischarge machining (“EDM”) is an alternative method for producing combs. EDM is a thermal corrosion process in which conductive material is removed from a series of repetitive electron discharges between an electrode and a conductive workpiece in the presence of a dielectric fluid. If the substrate is made electrically conductive, EDM can be used on the substrate as well. There are at least two types of EDM: (1) ram and (2) wire.

EDMラム、即ち型彫盤を用いて、電極/ツールがラムに取り付けられ、これは、パルス電源の一方の極、通常は陽極に接続される。工作物は、陰極に接続される。工作物は次に、工作物と電極との間に間隙が存在するよう構成される。次に間隙は、誘電性流体で満たされる。電源が一旦オンになると、1秒間に数千の直流又はDCインパルスが間隙を横断して、腐食プロセスを開始する。発生されるスパーク温度は、14,000°F〜21,000°Fの範囲であり得る。腐食が継続すると、電極は、一定間隙寸法を保持しながら、作業に前進する。   Using an EDM ram, or engraving machine, an electrode / tool is attached to the ram, which is connected to one pole, usually the anode, of a pulsed power supply. The workpiece is connected to the cathode. The workpiece is then configured such that a gap exists between the workpiece and the electrode. The gap is then filled with a dielectric fluid. Once the power is turned on, thousands of direct current or DC impulses per second cross the gap and start the corrosion process. The generated spark temperature can range from 14,000 ° F to 21,000 ° F. As corrosion continues, the electrode advances to work while maintaining a constant gap size.

好ましくはワイヤEDM法が、コーム製造のために好ましい。工作物周囲の予備設定パターン中で消耗帯電ワイヤが移動するのに従って複雑な切片を作るために、ワイヤ法は、電極として消耗帯電ワイヤを用いる。   The wire EDM method is preferred for comb production. The wire method uses a consumable charged wire as an electrode in order to make complex sections as the consumable charged wire moves in a preset pattern around the workpiece.

壁が薄すぎると、穴開け中に出入りする壁を、つめ上の任意のきめの粗い縁が引き裂き得る。したがってコームは、繊維上に捕獲され得る任意のまくれ又は鋭い縁を除去するために研磨されるべきである。コームの切断及び研磨は熱を発生し、これがコームをねじれさせ得る。生じた穴が平行であり、そして破裂されないことを保証するために、許容誤差は約0.0001インチに好ましくは保持される。   If the wall is too thin, any rough edges on the pawl can tear the wall that comes and goes during drilling. Thus, the comb should be polished to remove any curl or sharp edges that can be trapped on the fiber. Comb cutting and polishing generates heat, which can twist the comb. To ensure that the resulting holes are parallel and not ruptured, the tolerance is preferably kept at about 0.0001 inches.

穴開けのために用いられるコームは、複数のつめを含む。つめの長さ、幅、厚み及び形状は、溝の所望の属性によって変更され得る。図16を参照すると、コーム1600の寸法は、本発明の一実施形態に従って示される。コーム1600は、およそ長さ6.000インチ及び幅0.0308インチである。コーム1600は、基部1610を含み、ここから複数のつめ1620が延びる。基部1610は、高さ0.4375である。複数のつめ1620は、長さ1.250、幅0.0308で、0.010インチの間隔を置く。   The comb used for drilling includes a plurality of pawls. The length, width, thickness and shape of the pawl can be varied depending on the desired attributes of the groove. Referring to FIG. 16, the dimensions of the comb 1600 are shown according to one embodiment of the present invention. Comb 1600 is approximately 6.000 inches long and 0.0308 inches wide. Comb 1600 includes a base 1610 from which a plurality of pawls 1620 extend. The base 1610 has a height of 0.4375. The plurality of pawls 1620 are 1.250 long and 0.0308 wide and are spaced 0.010 inches apart.

レーザー機械加工
他の方法としては、ダイオード励起固体レーザー(「DPSSL」)穿孔;化学レーザー、例えばCO;電子線(「EB」)穿孔;又は電極穿孔機械(「EDM」)、或いは当業者に既知の野の他の方法の利用が挙げられる。コームの材料を切断するのに適した任意のレーザーが用いられ得る。
Laser machining Other methods include diode pumped solid state laser (“DPSSL”) drilling; chemical lasers such as CO 2 ; electron beam (“EB”) drilling; or electrode drilling machine (“EDM”), or to those skilled in the art Use of other methods of known fields. Any laser suitable for cutting the comb material can be used.

基材は、レーザー穿孔、例えばDPSSL穿孔を用いて切断され得る。この方法は、CADプログラムを用いてプログラムされたレーザーを用いて穿孔する。CADプログラムは、CAMプログラムにロードされる。レーザーは、微小パルスの酸素、又は好ましくは窒素を用いて切断する。DPSSLは、約2,000溝/分の速度で溝を切断することを可能にする。一実施形態では、溝は、約100ナノメートルの直径を有する。レーザー穿孔は、特許文献43(この教示内容は、参照によりその全体が本明細書中で援用される)に開示されるような既知の技術及び方法を用いて使用され得る。一実施形態では、該プロセスは、約0.5インチ又はそれ未満の深さ(又は長さ)を有する溝を調製するために、レーザー穿孔を用いる。   The substrate can be cut using laser drilling, such as DPSSL drilling. This method drills using a laser programmed using a CAD program. The CAD program is loaded into the CAM program. The laser is cut using a minute pulse of oxygen, or preferably nitrogen. DPSSL makes it possible to cut grooves at a rate of about 2,000 grooves / minute. In one embodiment, the groove has a diameter of about 100 nanometers. Laser drilling can be used using known techniques and methods such as those disclosed in US Pat. No. 6,057,037, the teachings of which are hereby incorporated by reference in their entirety. In one embodiment, the process uses laser drilling to prepare a groove having a depth (or length) of about 0.5 inches or less.

一実施形態では、作られた溝は、粒子が進入するには十分に大きいが、しかし大多くの粒子が排気ガス流から除去されるには十分に小さい。   In one embodiment, the created groove is large enough for particles to enter, but small enough for a large number of particles to be removed from the exhaust gas stream.

さらに一実施形態では、基材材料は約97多孔度であり、これは、ガスが基材を通過するための途方もなく大量の空間が存在する、ということを意味する。この大多孔性は、粒子がその上に沈着するための付加的表面積も提供する。   Furthermore, in one embodiment, the substrate material is about 97 porosity, which means that there is a tremendous amount of space for gas to pass through the substrate. This large porosity also provides additional surface area for the particles to deposit on.

Figure 2007534483
Figure 2007534483

1)10kHzでの繰り返し率の測定; 1) Measurement of repetition rate at 10 kHz;

2)0〜15,000Hzの外部誘発(パワーの減衰)。7,500Hz〜15,000Hzの内部誘発。全出力モードでの0〜1,5000Hzの外部誘発用のリアルランダム発火モード(Real Random Firing Mode)が任意である;3)ゲーターレーザーは、温度制御用のクローズドループ水系(closed loop water system)を利用する。 2) External triggering (power decay) between 0 and 15,000 Hz. Internal induction from 7,500 Hz to 15,000 Hz. Real Random Firing Mode for external triggering from 0 to 1 000 Hz in all power modes is optional; 3) Gator laser has a closed loop water system for temperature control Use.

好ましくは基材材料は、レーザーにより機械加工される場合、不純物、例えば炭素を実質的に含有しない。   Preferably, the substrate material is substantially free of impurities such as carbon when machined by a laser.

穴成形
代替的実施形態では、本発明の基材は、ビレット中に予備形成される溝を有して調製される。この実施形態では、溝形成機の使用は、ビレット中に溝を生じる。溝形成機は、未焼結ビレットが形成される場合、所望の溝を形成するための適切なサイズ及び形状を有するロッドである。
Hole Forming In an alternative embodiment, the substrate of the present invention is prepared with grooves pre-formed in the billet. In this embodiment, the use of a groove forming machine creates a groove in the billet. A groove forming machine is a rod having an appropriate size and shape for forming a desired groove when a green billet is formed.

上記の溝形成機のために、種々の種類の材料が用いられ得る。例えば溝形成機は、乾燥プロセスの温度に耐え得る強耐久性材料、例えば金属又はポリマーであり得る。未焼結ビレット又は完成ビレットが一旦形成されると、ロッドは取り除かれて、溝が残る。溝は、上記のようにさらに機械加工され得る。   Various types of materials can be used for the groove forming machine described above. For example, the grooving machine can be a strong durable material that can withstand the temperature of the drying process, such as a metal or polymer. Once the green or finished billet is formed, the rod is removed, leaving a groove. The groove can be further machined as described above.

或いはその他の実施形態では、ロッドは、放射線又は熱、例えばレーザー又は熱の適切な発生源に曝露されると、蒸発するか又は崩壊し得る物質から作られる。別の実施形態では、溝形成機は、炭素、炭素誘導体等から作られる。   Alternatively, in other embodiments, the rod is made of a material that can evaporate or collapse when exposed to a suitable source of radiation or heat, eg, laser or heat. In another embodiment, the groove forming machine is made from carbon, carbon derivatives and the like.

具体的実施形態
或る実施形態では、以下に記載されるように、均一性を保持するためにコンピューター制御されるCNCドリルを用いて、溝が穿孔される。穿孔プロセスは、OSHA危険物質であり、ドリルのベアリングに付着してそれを壊す恐れがある塵埃が浮遊するのを防ぐために、一定水シャワー下で実施される。
Specific Embodiments In some embodiments, the grooves are drilled using a computer controlled CNC drill to maintain uniformity, as described below. The drilling process is performed under a constant water shower to prevent the floating of dust that is an OSHA hazardous material and can adhere to and break the drill bearing.

穿孔基材は、任意に、孔空間中に残留し得る任意の水又はその他の液体を追い出すか又は焼き尽くすために炉乾燥された後、任意の触媒を適用される。焼き時間は重要ではない。大多くの又は実質的にすべての水が除去されるのに十分な時間が用いられる。水の蒸発は、基材を単に計量することにより確定され得る。焼き時間は、主に脱水プロセスを加速する。異なる間隔で数回フィルター素子を加熱後、重量は一様に下がり、基材は任意の触媒又はコーティングの適用が容易になる。   The perforated substrate is optionally applied with any catalyst after being oven dried to drive out or burn out any water or other liquid that may remain in the pore space. The baking time is not important. Sufficient time is used to remove most or substantially all of the water. Water evaporation can be determined by simply weighing the substrate. The baking time mainly accelerates the dehydration process. After heating the filter element several times at different intervals, the weight decreases uniformly and the substrate is easy to apply any catalyst or coating.

好ましい実施形態では、基材の溝が先ず穿孔により調製され、次にコーム法を用いて造形される。好ましい基材の低熱伝導性のため、基材が穿孔されると、穿孔及び切断プロセス中に発生されるほとんどの熱が、ドリルビットに照り返されて、基材から逃げる。この理由のため、ドリルビットは、いくらかの熱を吸収し、膨張、過熱及び/又は融解し得る。好ましくはドリルビットの冷却は、好ましくは水を用いて実施される。別の実施形態では、熱の発生を最小限にするために、ドリルは、低ドリル速度、例えば200RPMで作動する。もちろん、より速いか又はより遅い他のドリル速度も適している。別の好ましい実施形態では、穿孔は、変形ツイスト及びヘッド(ドリル先端)構成を有する2又は4又は6面ドリルを用いる。   In a preferred embodiment, the substrate grooves are first prepared by drilling and then shaped using the comb method. Because of 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 reflected back to the drill bit and escapes from the substrate. For this reason, the drill bit can absorb some heat and expand, overheat and / or melt. Preferably the cooling of the drill bit is preferably carried out with water. In another embodiment, the drill operates at a low drill rate, eg, 200 RPM, to minimize heat generation. Of course, other drill speeds that are faster or slower are also suitable. In another preferred embodiment, the drilling uses a 2 or 4 or 6 face drill with a modified twist and head (drill tip) configuration.

さらに、好ましい実施形態では、溝は複数の穿孔試行に亘って穿孔される。例えば約1インチ長の溝は、最終長が得られるまで、一度に約0.1インチの深さで基材中に穿孔することにより調製され得る。溝は、穿孔試行間に、穿孔基材材料から掃去され得る。   Further, in a preferred embodiment, the groove is drilled over multiple drilling trials. For example, a groove about 1 inch long can be prepared by drilling into the substrate at a depth of about 0.1 inch at a time until the final length is obtained. The grooves can be cleared from the drilled substrate material between drilling attempts.

中心打ち抜き及びパイロットホール Center punch and pilot hole

切断繊維の真空掃去は除去されなければならないため、ペッキング法が利用される。   Since vacuum scavenging of the cut fibers must be removed, a pecking method is utilized.

好ましい実施形態では、コーミングプロセスの間にその余分領域に繊維を詰め込ませるために、盲溝は、われわれの意図された深さより一区画深く穿孔された。指示されたウォールフロー構成の深さに達するようコームはプログラムされ、そして余分空間は溝中に残存する任意のばら基材物質を収容する。   In the preferred embodiment, the blind groove was drilled a section deeper than our intended depth to allow the extra area to be stuffed with fibers during the combing process. The comb is programmed to reach the depth of the indicated wall flow configuration, and the extra space contains any loose substrate material remaining in the groove.

プロセスによる製品
別の実施形態では、本発明は、本明細書中に記載される方法に従って調製される製品に向けられる。具体的には本発明は、本明細書中に記載される具体的実施形態のいずれか1つに従って調製される触媒基材に向けられる。別の態様では、本発明は、本明細書中に記載される具体的実施形態のいずれか1つに従って調製される濾過基材に向けられる。
Product by Process In another embodiment, the present invention is directed to a product prepared according to the methods described herein. Specifically, the present invention is directed to a catalyst substrate prepared according to any one of the specific embodiments described herein. In another aspect, the present invention is directed to a filtration substrate prepared in accordance with any one of the specific embodiments described herein.

用途
本発明の種々の実施形態及び用途は、以下で考察される。これらの用途例は、説明のために示すだけであって、本発明の範囲を限定するものではない。上記の触媒基材及び濾過基材の実施形態のいずれかが、種々の用途に用いられ得る。
Applications Various embodiments and applications of the present invention are discussed below. These example applications are given for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention. Any of the catalyst substrate and filtration substrate embodiments described above can be used in a variety of applications.

触媒コンバーター
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材を含む触媒コンバーターに向けられる。本発明の触媒コンバーターは、既知の触媒コンバーターが用いられるのと同様の方法で、エンジン排気系で用いられ得る。もちろん、本発明の触媒コンバーターは、従来技術のコンバーターを上回る利点を有する。これらの利点のため、該触媒コンバーターは、既知の触媒コンバーターが用いられ得ないやり方で用いられ得る。
Catalytic Converter In another embodiment, the present invention is directed to a catalytic converter comprising the catalytic 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 used for known catalytic converters. Of course, the catalytic converter of the present invention has advantages over prior art converters. Because of these advantages, the catalytic converter can be used in a manner where known catalytic converters cannot be used.

上記のような本発明の基材の具体的実施形態のいずれかは、1つ又は複数の具体的用途、例えば触媒コンバーターに用いられる。具体的実施形態では、触媒コンバーターは、本発明の触媒基材;上記触媒基材周囲のマット;及びキャニスター、好ましくは金属キャニスターを含み、ならびに任意にウォッシュコートをさらに含み、そして任意に、を含む。   Any of the specific embodiments of the substrate of the present invention as described above are used in one or more specific applications, such as catalytic converters. In a specific embodiment, the catalytic converter comprises a catalyst substrate of the present invention; a mat around the catalyst substrate; and a canister, preferably a metal canister, and optionally further comprises a washcoat, and optionally. .

本発明の別の態様は、エンジンの排気系の排気マニホールドに位置する、又はそれに隣接する触媒コンバーターであって、本発明の触媒基材を含むコンバーターに向けられる。このような触媒コンバーターは、マニホールド触媒コンバーター(他の用語としては、マニ−触媒コンバーター、マニホールドコンバーター等)と呼ばれる。本発明のマニ−触媒コンバーターとしては、当該技術分野で既知のマニ−触媒コンバーターが挙げられるが、この場合、本発明の触媒基材が従来技術の基材の代わりに用いられる。このようなマニ−触媒コンバーターは、例えば特許文献44及び特許文献45に開示されている。   Another aspect of the present invention is directed to a converter that includes or is adjacent to an exhaust manifold of an engine exhaust system and that includes the catalytic substrate of the present invention. Such a catalytic converter is called a manifold catalytic converter (in other terms, a manifold-catalyst converter, a manifold converter, etc.). The manifold-catalyst converter of the present invention includes a manifold-catalyst converter known in the art, in which case the catalyst substrate of the present invention is used in place of the substrate of the prior art. Such a manifold-catalyst converter is disclosed in, for example, Patent Document 44 and Patent Document 45.

別の実施形態では、本発明は、改良型触媒コンバーターであって、改良が本明細書中に記載されるような新規の基材を含むコンバーターに向けられる。基材の具体的実施形態のいずれか1つが、改良型触媒コンバーターに用いられ得る。   In another embodiment, the present invention is directed to an improved catalytic converter, wherein the improvement comprises a novel substrate as described herein. Any one of the specific embodiments of the substrate can be used in the improved catalytic converter.

別の実施形態では、本発明は、基材、金属酸化物ウォッシュコート及び金属酸化物粒子に付着する少なくとも1つの触媒を含む、内燃機関排気を処理するための改良型触媒コンバーターであって、改良がnSiRF−C複合材料及び触媒金属を含む基材を包含するコンバーターに向けられる。   In another embodiment, the present invention is an improved catalytic converter for treating internal combustion engine exhaust comprising at least one catalyst adhered to a substrate, a metal oxide washcoat and metal oxide particles, Is directed to a converter comprising a substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalytic metal.

別の実施形態では、本発明は、基材、金属酸化物ウォッシュコート及び金属酸化物粒子に付着する少なくとも1つの触媒を含む、内燃機関排気を処理するための改良型触媒コンバーターであって、改良がnSiRF−C複合材料及び触媒金属を含む基材を包含するコンバーターに向けられる。   In another embodiment, the present invention is an improved catalytic converter for treating internal combustion engine exhaust comprising at least one catalyst adhered to a substrate, a metal oxide washcoat and metal oxide particles, Is directed to a converter comprising a substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalytic metal.

別の実施形態では、本発明は、基材、金属酸化物ウォッシュコート及び金属酸化物粒子に付着する少なくとも1つの触媒を含む、内燃機関排気を処理するための改良型触媒コンバーターであって、改良がAETB複合材料を含む基材を包含するコンバーターに向けられる。   In another embodiment, the present invention is an improved catalytic converter for treating internal combustion engine exhaust comprising at least one catalyst adhered to a substrate, a metal oxide washcoat and metal oxide particles, Is directed to a converter that includes a substrate comprising an AETB composite.

別の実施形態では、本発明は、nSiRF−C複合材料及び触媒を含む触媒基材を有するマニ−触媒コンバーターに向けられる。マニ−触媒コンバーター(時として、床下式触媒コンバーターと呼ばれる)は、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、mani−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約12lb/ftの密度を有し、約97%の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、約600cpsiを有し、且つ約6ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるmani−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、実質的に正方形の開口(又は穴)を有する実質的に箱形(基材を貫く種々の長さ)の溝形状を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。さらに、この実施形態では、触媒基材は、アルミナウォッシュコートを含む。この実施形態では、mani−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。mani−触媒コンバーターのキャニスターは、スエージ加工法により調製される。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、2つの基材ユニットを含む。mani−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、膨張性マットを含む。mani−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。mani−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。さらにmani−触媒コンバーターの基材は、保護強化され得る。 In another embodiment, the present invention is directed to a manifold-catalytic converter having a catalytic substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. A manifold-catalytic converter (sometimes referred to as an underfloor catalytic converter) is partially or entirely placed in the engine head. In one embodiment, the mani-catalytic converter comprises a catalytic substrate of the present invention, wherein the substrate has a density of about 12 lb / ft 3 , a porosity of about 97%, and a low thermal expansion And has high structural integrity and low thermal conductivity. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. The mani-catalytic converter in this embodiment has a wall flow configuration. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter has a substantially box-shaped (various length through the substrate) groove shape with a substantially square opening (or hole). In a preferred embodiment, the catalyst substrate of the mani-catalytic converter is made using a comb method. Further, in this embodiment, the catalyst substrate includes an alumina washcoat. In this embodiment, the mani-catalytic converter can catalyze both the oxidation and reduction of pollutants, for example, it has a catalyst that can oxidize pollutants and has a catalyst that can reduce pollutants. The cani of the mani-catalytic converter is prepared by swage processing. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter comprises two substrate units. The mani-catalytic converter is used in some embodiments alone or in combination with a pre-catalytic converter. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter includes an expandable mat. The mani-catalytic converter can be used for all internal combustion engines. The mani-catalytic converter can be used with a fuel addition catalyst. Further, the substrate of the mani-catalytic converter can be reinforced.

上記のような本発明の主触媒コンバーターはまた、或る実施形態では、1つ又は複数の後処理系とともに用いられる。このような後処理系としては、NO吸着剤、HC吸着剤、SCR系等が挙げられる。 The main catalytic converter of the present invention as described above is also used in one embodiment with one or more aftertreatment systems. Such post-processing system, NO x adsorbent, HC adsorbent, SCR systems, and the like.

さらに、上記の主触媒コンバーターと同一又は類似の構成及び属性を有する一実施形態は、膜触媒のために用いられ得る。膜触媒は、上記のような膜構成を有する触媒基材を含む。   Furthermore, an embodiment having the same or similar configuration and attributes as the main catalytic converter described above can be used for the membrane catalyst. A membrane catalyst contains the catalyst base material which has the above film | membrane structures.

別の実施形態では、本発明は、nSiRF−C複合材料及び触媒を含む触媒基材を有するヘッド−触媒コンバーターに向けられる。ヘッド−触媒コンバーターは、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約12lb/ftの密度を有し、約97%の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、約600cpsiを有し、且つ約6ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるヘッド−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、実質的に正方形の開口(又は穴)を有する実質的にピラミッド形の溝形状を有する。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。この実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。ヘッド−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、ヘッド−触媒コンバーターは、ハイブリッドマットを含む。ヘッド−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。ヘッド−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。 In another embodiment, the present invention is directed to a head-catalytic converter having a catalytic substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. The head-catalytic converter is located in part or in whole in the engine head. In one embodiment, the head-catalytic converter comprises a catalytic substrate of the present invention, wherein the substrate has a density of about 12 lb / ft 3 , a porosity of about 97%, and a low thermal expansion. And has high structural integrity and low thermal conductivity. In a preferred embodiment, the head-catalytic converter has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. The head-catalytic converter in this embodiment has a wall flow configuration. In a preferred embodiment, the head-catalytic converter has a substantially pyramidal groove shape with a substantially square opening (or hole). In a preferred embodiment, the catalytic substrate of the head-catalytic converter is made using a comb method. In this embodiment, the head-catalytic converter can catalyze both oxidation and reduction of pollutants, for example, it has a catalyst that can oxidize pollutants and has a catalyst that can reduce pollutants. The head-catalytic converter is used in some embodiments alone or in combination with a pre-catalytic converter. In a preferred embodiment, the head-catalytic converter includes a hybrid mat. The head-catalytic converter can be used for all internal combustion engines. The head-catalytic converter can be used with a fuel addition catalyst.

1つ又は複数のヘッド触媒コンバーターは、同一エンジンとともに用いられ得る。本発明に従ったヘッド触媒コンバーターの使用は、1つ又は複数の以下の利点も有する:床下式排気系の重量低減;インタークーラーが拾い上げるであろう排気粒子状物質の濾過増大による、インタークーラーの寿命の改善;マットの必要なし;熱遮蔽体のがたがた音低減;マフラーサイズ低減;粒子状物質の焼失増強;1つのヘッド触媒コンバーターの故障の場合でも、或る実施形態では、排気ガスは他の機能中ヘッド触媒コンバーター(例えば4気筒エンジンにおける他の3つ)で有効に処理される。ヘッド触媒コンバーターは、ボート、船舶、オートバイ、小型手持ち式エンジン、リーフブロワー及び関連エンジンのために、ならびに非曝露触媒コンバーターが好ましい他の用途に置いて、有益である。   One or more head catalytic converters may be used with the same engine. The use of a head catalytic converter in accordance with the present invention also has one or more of the following benefits: reduced weight of the underfloor exhaust system; increased intercooler lifetime due to increased filtration of exhaust particulate matter that the intercooler will pick up Improved; no need for mats; reduced rattling noise in heat shield; reduced muffler size; increased particulate burnout; in one embodiment, even in the event of failure of one head catalytic converter, exhaust gas is in other functions It is effectively processed by a head catalytic converter (eg, the other three in a four cylinder engine). Head catalytic converters are beneficial for boats, ships, motorcycles, small hand held engines, leaf blowers and related engines, and in other applications where non-exposed catalytic converters are preferred.

別の実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、図41に示されるように、ヘッド及び排気マニホールド間に置かれ得る。この実施形態では、触媒コンバーターセクションは、エンジンヘッド及び排気マニホールド間に置かれる。従来の系を上回る利点は、コンバーターが燃焼室に非常に近く、したがって効率を増大する、という点である。例えばこの実施形態は、Ford4.6リットル上にこれらを載せることができ、そしてそれはそれらのエンジンすべてに適合するであろう。これは次に、それがFord Explorer、Mustang、Crown Victoria、Econoline、150/250/350ピックアップ、Expedition及びFordがエンジンを載せるすべてのその他の製品、例えばLincoln製品に適合する、ということを意味する。それは、或る実施形態では、それを用いた種々のモデル年において長年用いられたものにも適合する。その4.6キャスティングの1つは、米国だけで数百万の車両に有用である。同様に酸素センサーが入るのも好都合である。   In another embodiment, the catalytic converter of the present invention can be placed between the head and the exhaust manifold, as shown in FIG. In this embodiment, the catalytic converter section is placed between the engine head and the exhaust manifold. An advantage over conventional systems is that the converter is very close to the combustion chamber and thus increases efficiency. For example, this embodiment can place them on a Ford 4.6 liter and it will fit all of their engines. This in turn means that it is compatible with Ford Explorer, Mustang, Crown Victoria, Econoline, 150/250/350 pickups, Expedition and Ford all other products that carry engines, such as Lincoln products. It also fits in some embodiments that has been used for many years in various model years using it. One of its 4.6 castings is useful for millions of vehicles in the United States alone. Similarly, it is convenient to include an oxygen sensor.

別の実施形態では、本発明は、nSiRF−C複合材料及び触媒を含む触媒基材を有する後−触媒コンバーターに向けられる。別の実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、後−触媒コンバーターである。後−触媒コンバーターは、mani−触媒コンバーターの後に置かれる。一実施形態では、後−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約12lb/ftの密度を有し、約97%の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターは、約600cpsiを有し、且つ約6ミルの壁厚を有する。この実施形態における後−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターは、種々の形状の、例えば三角形、正方形及び六角形の溝穴を有する。同様に溝穴は、変わり得る。この実施形態では、後−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。後−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、後−触媒コンバーターは、非膨張性マットを含む。後−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。別の実施形態では、後−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。一般に、本実施形態の後−触媒コンバーターは、標準マフラー位置付近に置かれるが、しかし他の位置も考え得る。代替的実施形態では、後−触媒コンバーターは、マフラー中に組み込まれる。このような実施形態は、a)マフラーとして作用し、そしてマフラーに取って代わる基材それ自体、又はb)基材が典型的金属マフラーアセンブリの内側に置かれ、したがってそれがマフラー中に組み込まれるものを含み得る。 In another embodiment, the present invention is directed to a post-catalytic converter having a catalytic substrate comprising an nSiRF-C composite and a catalyst. In another embodiment, the catalytic converter of the present invention is a post-catalytic converter. The post-catalytic converter is placed after the mani-catalytic converter. In one embodiment, the post-catalytic converter comprises a catalytic substrate of the present invention, wherein the substrate has a density of about 12 lb / ft 3 , a porosity of about 97%, and a low thermal expansion And has high structural integrity and low thermal conductivity. In a preferred embodiment, the post-catalytic converter has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. The post-catalytic converter in this embodiment has a wall flow configuration. In a preferred embodiment, the catalyst substrate of the post-catalytic converter is made using a comb method. In a preferred embodiment, the post-catalytic converter has variously shaped, for example, triangular, square and hexagonal slots. Similarly, the slot can vary. In this embodiment, the post-catalytic converter can catalyze both oxidation and reduction of pollutants, for example, it has a catalyst that can oxidize pollutants and has a catalyst that can reduce pollutants. The post-catalytic converter is used in some embodiments alone or in combination with the pre-catalytic converter. In a preferred embodiment, the post-catalytic converter includes a non-intumescent mat. The post-catalytic converter can be used for all internal combustion engines. In another embodiment, a post-catalytic converter can be used with a fuel addition catalyst. In general, the post-catalytic converter of this embodiment is placed near the standard muffler position, but other positions are possible. In an alternative embodiment, the post-catalytic converter is incorporated into the muffler. Such an embodiment can be a) acting as a muffler and replacing the muffler itself, or b) the substrate being placed inside a typical metal muffler assembly, so that it is incorporated into the muffler. Things can be included.

別の実施形態では、本発明は、ディーゼル酸化触媒(DOC)に向けられ、この場合、DOCの基材は、本明細書中に記載されるような触媒基材である。好ましい実施形態では、本発明のDOCの基材は、AEBT又はOCBT、好ましくはAEBT−10、AEBT−12、AEBT−16又はOCBT−10である。DOCの実施形態は、パラジウム、白金、ロジウム、その混合物、及びその誘導体から成る群から選択される触媒を有する。   In another embodiment, the present invention is directed to a diesel oxidation catalyst (DOC), wherein the DOC substrate is a catalyst substrate as described herein. In a preferred embodiment, the substrate of the DOC of the present invention is AEBT or OCBT, preferably AEBT-10, AEBT-12, AEBT-16 or OCBT-10. Embodiments of DOC have a catalyst selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, mixtures thereof, and derivatives thereof.

他の適切な実施形態としては、本発明の触媒基材、好ましくはAETB材料、例えばAEBT−12を含む基材を含み、ならびにさらに触媒を含む触媒化DPFが挙げられる。   Other suitable embodiments include a catalyzed DPF comprising a catalyst substrate of the invention, preferably a substrate comprising an AETB material, such as AEBT-12, and further comprising a catalyst.

粒子フィルター(DPF、DPT)
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材を含む粒子フィルターに向けられる。本発明の粒子フィルターは、既知の触媒コンバーターが用いられるのと同様の方法で、エンジン排気系で用いられ得る。もちろん、本発明の粒子フィルターは、従来技術の触媒コンバーターを上回る利点を有する。これらの利点のため、該触媒コンバーターは、既知の触媒コンバーターが用いられ得ないやり方で用いられ得る。
Particle filter (DPF, DPT)
In another embodiment, the present invention is directed to 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 in which a known catalytic converter is used. Of course, the particle filter of the present invention has advantages over prior art catalytic converters. Because of these advantages, the catalytic converter can be used in a manner where known catalytic converters cannot be used.

別の実施形態では、本発明は、改良型粒子フィルターであって、改良が本明細書中に記載されるような新規の基材を含むフィルターに向けられる。基材の具体的実施形態のいずれか1つが、改良型粒子フィルターに用いられ得る。   In another embodiment, the present invention is directed to an improved particle filter, the improvement comprising a novel substrate as described herein. Any one of the specific embodiments of the substrate can be used in the improved particle filter.

別の実施形態では、本発明は、濾過基材を含む内燃機関排気を処理するための改良型粒子フィルターであって、改良が、基材中に延びるそして任意に基材を貫く複数の溝を有するnSiRF−C複合材料を含む基材を包含するフィルターに向けられる。溝の構成は、上記のように変わり得る。   In another embodiment, the present invention is an improved particle filter for treating internal combustion engine exhaust comprising a filtration substrate, wherein the improvement extends into the substrate and optionally includes a plurality of grooves through the substrate. Directed to a filter comprising a substrate comprising an nSiRF-C composite. The configuration of the grooves can vary as described above.

別の実施形態では、本発明は、濾過基材を含む内燃機関排気を処理するための改良型粒子フィルターであって、改良が、部分的に基材を通して延びる約100〜約1,000、好ましくは約600個の溝を有するnSiRF−C複合材料を含む基材を含み、この場合、上記基材がウォールフロー構成を有するフィルターに向けられる。   In another embodiment, the present invention is an improved particle filter for treating internal combustion engine exhaust comprising a filtration substrate, wherein the improvement extends from about 100 to about 1,000, preferably extending partially through the substrate. Includes a substrate comprising an nSiRF-C composite having about 600 grooves, wherein the substrate is directed to a filter having a wall flow configuration.

別の実施形態では、本発明は、基材及び金属酸化物ウォッシュコートを含む内燃機関排気を処理するための改良型粒子フィルターであって、改良がAETBを含む基材を含むフィルターに向けられる。   In another embodiment, the present invention is directed to an improved particle filter for treating internal combustion engine exhaust comprising a substrate and a metal oxide washcoat, wherein the improvement is a filter comprising a substrate comprising AETB.

別の実施形態では、本発明は、上記のようなnSiRF−C複合材料を含む濾過基材を有するディーゼル粒子フィルター(DPF)に向けられる。濾過基材は、DPF中に用いるのに適しているように構成される。DPFは、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、DPFは本発明の濾過基材を含み、この場合、上記基材は、約12lb/ftの密度を有し、約97%の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、約600cpsiを有しそして約6ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるmani−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、実質的に正方形の開口(又は穴)を有する実質的に箱形(基材を貫く種々の長さ)の溝形状を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターの触媒基材は、コーム法を用いて作られる。さらにこの実施形態では、触媒基材はアルミナウォッシュコートを含む。この実施形態では、mani−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。mani−触媒コンバーターのキャニスターは、スエージ加工法により調製される。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、2つの基材ユニットを含む。mani−触媒コンバーターは、或る実施形態では、単独で用いられるし、或いは前−触媒コンバーターと組合せて用いられる。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、膨張性マットを含む。mani−触媒コンバーターは、すべての内燃機関に用いられ得る。mani−触媒コンバーターは、燃料添加触媒とともに用いられ得る。さらにmani−触媒コンバーターの基材は、保護強化され得る。保護コーティングは、基材の内側に又はその外表面に適用され得る。 In another embodiment, the present invention is directed to 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 partially or wholly placed in the engine head. In one embodiment, the DPF comprises a filtration substrate of the present invention, wherein the substrate has a density of about 12 lb / ft 3 , has a porosity of about 97%, exhibits low thermal expansion, Has high structural integrity and low thermal conductivity. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. The mani-catalytic converter in this embodiment has a wall flow configuration. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter has a substantially box-shaped (various length through the substrate) groove shape with a substantially square opening (or hole). In a preferred embodiment, the catalyst substrate of the mani-catalytic converter is made using a comb method. Further in this embodiment, the catalyst substrate comprises an alumina washcoat. In this embodiment, the mani-catalytic converter can catalyze both the oxidation and reduction of pollutants, for example, it has a catalyst that can oxidize pollutants and has a catalyst that can reduce pollutants. The cani of the mani-catalytic converter is prepared by swage processing. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter comprises two substrate units. The mani-catalytic converter is used in some embodiments alone or in combination with a pre-catalytic converter. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter includes an expandable mat. The mani-catalytic converter can be used for all internal combustion engines. The mani-catalytic converter can be used with a fuel addition catalyst. Further, the substrate of the mani-catalytic converter can be reinforced. The protective coating can be applied to the inside of the substrate or to its outer surface.

缶密封型
本発明の触媒コンバーターは、キャニスターを有する。キャニスターは、当該技術分野で既知の方法に従って調製され得る。さらに本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターのキャニスターは、当該技術分野で既知の材料、例えばスチールを用いて、キャニスターを製造し得る。
Can-sealed type The catalytic converter of the present invention has a canister. The canister can be prepared according to methods known in the art. Further, the catalytic converter or particle filter canister of the present invention can be manufactured using materials known in the art, such as steel.

好ましい実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、市販の車両の後部排気管に取り付けられ得る出口管を有する。好ましくは触媒コンバーターは、約2と1/2又は3インチの直径を有する後部排気管に適合する。   In a preferred embodiment, the catalytic converter of the present invention has an outlet pipe that can be attached to the rear exhaust pipe of a commercial vehicle. Preferably, the catalytic converter is compatible with a rear exhaust pipe having a diameter of about 2 and 1/2 or 3 inches.

例えば適切なキャニスターとしては、以下の方法のいずれか1つに従って製造されるものが挙げられる:クラムシェル、ターニケット、シューボックス、スタッフィング及びスエージ加工。上記の缶密封法は、2つの異なる間隙制御メカニズムを利用する:(1)固定間隙、及び(2)固定缶密封力。溶接プロセスの観点から、該方法は、1つ又は複数の継ぎ目を有するコンバーターを生成する。これらの分類は、表3に例示される(Rajadurai 1999)。   For example, suitable canisters include those made according to any one of the following methods: clamshell, tourniquet, shoebox, stuffing and swaging. The above can sealing method utilizes two different gap control mechanisms: (1) fixed gap and (2) fixed can sealing force. From the viewpoint of the welding process, the method produces a converter having one or more seams. These classifications are illustrated in Table 3 (Rajadurai 1999).

Figure 2007534483
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固定力を用いた缶の密閉は、基材、缶及びマットそれ自体の寸法許容誤差影響を排除することにより、より正確な間隙密度制御を提供する。固定間隙まで缶を閉じることは、固定最終寸法のコンバーターを生じるという利点を有し、これは、主として完成缶への円錐部分の溶接に関して、コンバーターデザインを簡単にする。   Sealing the can with a locking force provides more accurate gap density control by eliminating the dimensional tolerance effects of the substrate, can and mat itself. Closing the can to the fixed gap has the advantage of producing a fixed final size converter, which simplifies the converter design, primarily with respect to the welding of the conical portion to the finished can.

低アスペクト比の円形又は楕円形コンバーターのためには、単一継ぎ目デザインが通常は好ましく、この場合、それは均一間隙密度分布を提供し得る。単一継ぎ目シェルは、より多くの製造適応性も提供し、高価な道具を必要としない。二重継ぎ目デザインは通常は、高アスペクト比を有する楕円形コンバーターに必要とされる。この場合、補強リブが、シェルに型押しされて、その変形及びその結果生じる間隙不均一性を防止する。二重継ぎ目シェルは型押しプロセスで製造され、これは、非常に高価な道具を要し、そして高生産容積により位置調節されなければならない。   For low aspect ratio circular or elliptical converters, a single seam design is usually preferred, in which case it can provide a uniform gap density distribution. A single seam shell also provides more manufacturing flexibility and does not require expensive tools. Double seam designs are usually required for elliptical converters with high aspect ratios. In this case, the reinforcing rib is embossed by the shell to prevent its deformation and the resulting gap non-uniformity. Double seam shells are manufactured by an embossing process, which requires very expensive tools and must be aligned with a high production volume.

クラムシェル
一実施形態では、本発明の触媒コンバーターは、クラムシェル技術で製造されるキャニスターを含む。別の実施形態では、粒子フィルターは、クラムシェル技術で作られるキャニスターを含む。北米では、クラムシェルは、伝統的に、乗用車及び軽トラックにおける床下式コンバーターの最も一般的デザインであった。クラムシェル触媒コンバーターの構築は、図6に示されている。セラミック触媒基材(単数又は複数)は、マットに包まれて、シェルの底部に置かれる。次にシェルの別の対称的部分が上部に構成され、一緒に圧縮されて、溶接される。
Clamshell In one embodiment, the catalytic converter of the present invention comprises a canister manufactured with clamshell technology. In another embodiment, the particle filter includes a canister made with clamshell technology. In North America, clamshells have traditionally been the most common design for underfloor converters in passenger cars and light trucks. The construction of the clamshell catalytic converter is shown in FIG. The ceramic catalyst substrate (s) is wrapped in a mat and placed on the bottom of the shell. Then another symmetrical part of the shell is constructed on top, compressed together and welded.

排気ガスによる基材の迂回を回避するために、取付けマットにタング及びグルーブ・デザインが用いられる。上記のコンバーターは、末端封止装置も含む。封止装置は、ここでは、漏出を防止するというよりむしろ、ガス衝突及び腐食に対してマットを保護するために用いられる。マットを利用するほとんどのコンバーターが、末端封止装置を有さない。マットの代わりに金網マウントが用いられる場合はいつも、少なくとも基材の入口面に、末端封止装置が必要とされる。   To avoid bypassing the substrate by exhaust gas, tongue and groove designs are used on the mounting mat. The converter also includes an end capping device. The sealing device is used here to protect the mat against gas collisions and corrosion rather than preventing leakage. Most converters that utilize mats do not have end capping devices. Whenever a wire mesh mount is used instead of a mat, a terminal sealing device is required, at least on the entry surface of the substrate.

クラムシェル・コンバーターはしばしば、外部熱遮蔽体を装備される。内部断熱デザインも開発され、クラムシェル型押しの内側は断熱材の余分の層で裏打ちされる。   Clamshell converters are often equipped with external heat shields. An internal insulation design has also been developed and the inside of the clamshell embossing is lined with an extra layer of insulation.

旧型デザインの触媒コンバーターは、缶内の基材の軸移動を防止するために、クラムシェル型押し中に支持環又は深いポケットを包含した。高保持圧の膨張性マットを利用する適正に設計されたコンバーターでは、このような方策は必要とされない。基材の軸支持を用いない多くの自動コンバーターが存在し、これは依然として印象的な耐久性記録を示す。しかしながら軸支持は、より大きな且つより重い基材に関しては、或いは低保持圧の非膨張性マットが用いられる場合には、必要とされ得る。もう一つの考慮すべき事柄は、マットの腐食である。コンバーター・シェル・プロフィール又は末端円錐は、熱い排気ガスの直接衝突からマットを保護するような様式で設計されるべきである。いくつかのコンバーターメーカーはマット縁を含浸するが、これはガスに曝露され、それらの腐食耐性を改良するために化学物質を用いる。現代のコンバーター中の高保持圧も、腐食に対するマット耐性を改良する。   Older design catalytic converters included support rings or deep pockets in the clamshell embossing to prevent axial movement of the substrate within the can. Such a strategy is not required for a properly designed converter that utilizes a high holding pressure inflatable mat. There are many automatic converters that do not use the shaft support of the substrate, which still shows impressive durability records. However, shaft support may be required for larger and heavier substrates or if a low holding pressure non-inflatable mat is used. Another consideration is mat corrosion. The converter shell profile or end cone should be designed in a manner that protects the mat from direct impact of hot exhaust gases. Some converter manufacturers impregnate the mat edges, which are exposed to gases and use chemicals to improve their corrosion resistance. The high holding pressure in modern converters also improves the mat resistance to corrosion.

デュアル・モノリス・コンバーターは、多くの自動車用途で用いられる。モノリス長製造制約に応じて、又は1つのコンバーター中で異なる仕様を有する触媒を併合するため、2又はそれ以上のモノリスが用いられ得る。ほとんどのデュアル・モノリス・コンバーターでは、クラムシェル型押し中に別個のポケットを形成することにより保持される空間により、基材は分離される。いくつかのデザインにおいて、基材間の空間は、金属又はセラミック環により保持される。間に空間を有さない突合せモノリス位置も考え得る。間隔を有するデザインより低い圧力低下を提供する突合せデザインは、ガソリンエンジンのためのいくつかの商業用コンバーターで用いられてきた(非特許文献14)。   Dual monolith converters are used in many automotive applications. Two or more monoliths can be used depending on monolith length manufacturing constraints or to merge catalysts with different specifications in one converter. In most dual monolith converters, the substrates are separated by the space held by forming separate pockets during clamshell embossing. In some designs, the space between the substrates is retained by a metal or ceramic ring. A butt monolith position with no space in between is also conceivable. A butt design that provides a lower pressure drop than a spaced design has been used in some commercial converters for gasoline engines (14).

コンバーター・シェル・幾何学形状は、必要なマット圧縮を提供しなければならない。クラムシェル・プロフィールは、必要な堅さ及び均一な圧力分布を提供するための型押し補強リブを包含する。これは、平坦楕円形触媒基材に関して特に重要である。リブを設計する際、基材又はマットに対する損害を引き起こし得る過剰圧力域が存在しないよう注意しなければならない。クラムシェル法は、モノリスの寸法許容誤差ならびにクラムシェル型押しに高要件を課す。クラムシェル缶密封中のマット圧縮は、ハーフシェルが閉じるまで進行して、ある間隙厚を生じる。間隙厚は、モノリス及びシェルの寸法により確定される。したがってモノリスサイズの任意の変動は、マット密度の変動を、そして結果的に、コンバーター耐久性問題を引き起こし得る缶密封圧の変動を生じる。   The converter, shell, and geometry must provide the necessary mat compression. The clamshell profile includes embossed reinforcing ribs to provide the required stiffness and uniform pressure distribution. This is particularly important for flat elliptical catalyst substrates. When designing the ribs, care must be taken that there are no overpressure zones that can cause damage to the substrate or mat. The clamshell method imposes high requirements on monolith dimensional tolerances as well as clamshell embossing. Mat compression during clamshell can sealing proceeds until the half shell is closed, resulting in some gap thickness. The gap thickness is determined by the monolith and shell dimensions. Thus, any variation in monolith size results in variations in mat density and, consequently, can sealing pressure variations that can cause converter durability problems.

ターニケットは、缶密封プロセス中の取付け圧の直接制御を可能にする最も一般的方法である。ターニケットは基材モノリスの間で起こり得る寸法差の影響を受けないため、最も強固な触媒コンバーターの製造を可能にする。実際、ターニケット法は、円形又は円形に近い形の触媒基材横断面に限定される。床下位置で用いられる楕円形又は扁平楕円形自動式コンバーターに対するその適性は、非常に限定される。ターニケットは、かつては欧州における自動車メーカーの間でよりポピュラーであったが、しかしそれは、床下位置からエンジン密着位置に移動された自動コンバーターとして、北米でより一般的になった。ターニケットは、大型ディーゼルエンジン用の大直径触媒コンバーターにも適している。ターニケット触媒コンバーターは、に示されている。   Tourniquet is the most common method that allows direct control of the mounting pressure during the can sealing process. Since tourniquet is not affected by the dimensional differences that can occur between the substrate monoliths, it allows the production of the strongest catalytic converters. Indeed, the tourniquet method is limited to catalyst substrate cross-sections that are circular or nearly circular. Its suitability for elliptical or flat elliptical automatic converters used in the underfloor position is very limited. Tourniquet was once more popular among automakers in Europe, but it has become more common in North America as an automatic converter moved from the underfloor position to the engine close position. Tourniquet is also suitable for large diameter catalytic converters for large diesel engines. A tourniquet catalytic converter is shown in FIG.

ターニケット技法では、基材は先ずトング・アンド・グルーブ形マットにくるまれる。次にくるまれたモノリスは、縦方向に割られた缶の内側に置かれる。缶は、金属シートの長方形片を巻くことにより、二次加工され得る。重複部分の下に来る長方形の部分は、通常は先細にされる。いくつかのデザインでは、付加的型押し操作により、缶の重複部分が突出リップに形成されて、重複部分の下の缶の縁に空間を提供する。このようなデザインは、缶の内縁がマットに切断されたり又は、特に薄いマットが用いられる場合に、缶密封部分が損害され得る局所圧増大が生じるのを防ぐ。次に、くるまれたモノリスを有する缶は、アセンブリに制御力を適用するターニケット機械中に置かれる。缶は、依然として圧力下にある場合、タック溶接されて、機械から取り出され、シーム溶接される。品質保証測定として、プッシュアウト試験が時々実行される。制御力を適用することにより引き起こされる軸モノリス置換は、特殊試験装置で測定される。最後に、コンバーター・ヘッダー又は末端円錐、ならびにフランジ及び/又は口は、別個の操作でコンバーター本体に溶接される。水中に沈めながら空気で加圧することにより、溶接の質に関して最終アセンブリが試験され得る。   In the tourniquet technique, the substrate is first wrapped in a tong and groove mat. The wrapped monolith is then placed inside a can that is split vertically. The can can be fabricated by rolling a rectangular piece of metal sheet. The rectangular part that comes under the overlap is usually tapered. In some designs, an additional stamping operation forms an overlapping portion of the can into the protruding lip to provide space at the edge of the can below the overlapping portion. Such a design prevents an increase in local pressure that can damage the can seal, especially when the inner edge of the can is cut into a mat or a particularly thin mat is used. The can with the wrapped monolith is then placed in a tourniquet machine that applies control force to the assembly. If the can is still under pressure, it can be tack welded, removed from the machine and seam welded. Push-out testing is sometimes performed as a quality assurance measurement. The axial monolith displacement caused by applying the control force is measured with special test equipment. Finally, the converter header or end cone and the flange and / or mouth are welded to the converter body in a separate operation. By pressing with air while submerged in water, the final assembly can be tested for weld quality.

ターニケット機械は、缶密封部品に動力を適用するスチール・バンドのループを包含する。ループの一端は機械にしっかり取り付けられ、一方、他端は空気又は水力作動装置により引張られる。いくつかの機械では、振動が缶密封中に適用されて、密閉力を最小限にし、そして圧力のより均一な分布を保証する。   The tourniquet machine includes a steel band loop that applies power to the can-sealing parts. One end of the loop is securely attached to the machine, while the other end is pulled by air or hydraulic actuators. In some machines, vibration is applied during can sealing to minimize sealing force and ensure a more even distribution of pressure.

所定マットに関する目標固定密度に達するために実際に必要な缶密封力は、一連の試験により確定され得る。いくつかのコンバーターは、異なる密閉力を用いて密閉されるべきである。所望のマット密度を生じた缶密封力は、選択されるべきである。マット圧減少のため、ターニケット機械が反復密閉速度及び時間パターンを生じることが重要である。目標密閉力が達成された後、機械は、一定不変の力というよりむしろ、タック溶接を可能にするために定位置に缶を保持すべきである。マット圧が低減した時に缶に一定の力を適用すると、マットの過剰圧縮を生じる。   The actual can sealing force required to reach the target fixed density for a given mat can be determined by a series of tests. Some converters should be sealed using different sealing forces. The can sealing force that produced the desired mat density should be selected. It is important for the tourniquet machine to produce repeated sealing speeds and time patterns due to the reduction in mat pressure. After the target sealing force is achieved, the machine should hold the can in place to allow tack welding rather than a constant force. Applying a constant force to the can when the mat pressure is reduced results in over-compression of the mat.

シューボックス技法は、クラムシェル法に類似した分割2部シェルを利用する。しかしながらシェルは、他方のシェルと重複する半シェルの一方の縁で、固定力下で密閉される。したがってシューボックスは、基材の寸法許容誤差に対するその無感応性に関連して、ターニケットの強固なパッケージング利益を提供する。   The shoebox technique utilizes a split two-part shell similar to the clamshell method. However, the shell is sealed under a clamping force at one edge of the half shell that overlaps the other shell. The shoe box thus provides a strong packaging benefit for tourniquets in connection with its insensitivity to substrate dimensional tolerances.

補強リブが、シューボックス・シェル上に型押しされ得る。したがってこの技法は、ターニケットが不適切である場合の扁平楕円形基材の缶密封を可能にする。   Reinforcing ribs can be embossed on the shoebox shell. This technique thus enables can sealing of oblate oval substrates when a tourniquet is inappropriate.

スタッフィング
スタッフィング技法では、マット巻き付けモノリスは、円筒缶中に押し込まれる。缶は通常は管の一区分から作られるが、しかしそれは金属シートを巻かれ、そして溶接され得る。非円筒形(例えば台形)も考え得る。この方法は小型乗用車コンバーター及び大型エンジン用の大型コンバーターの両方に適用可能である。図に示されているように、スタッフィング・コーンは、モノリスの平滑挿入を促すために用いられる(非特許文献15)。操作完了後、末端円錐はシリンダーの各末端と溶接されて、缶アセンブリを完了する。
Stuffing In the stuffing technique, the mat-wrapped monolith is pushed into a cylindrical can. The can is usually made from a section of tubing, but it can be rolled and welded with a metal sheet. Non-cylindrical shapes (eg, trapezoidal shapes) are also conceivable. This method is applicable to both small passenger car converters and large converters for large engines. As shown in the figure, the stuffing cone is used to facilitate smooth insertion of the monolith (Non-Patent Document 15). After operation is complete, the end cone is welded to each end of the cylinder to complete the can assembly.

詰め込まれたコンバーターはターニケットアセンブリと類似の外観を有するが、しかし基材保持の実際のメカニズムは、クラムシェル・デザインと同じである。特にマット固定圧は、シェルの及びモノリスの幾何学的寸法により確定される。その結果として、スタッフィング技法が用いられる場合、基材直径の高反復性が必要とされる。   The packed converter has a similar appearance as the tourniquet assembly, but the actual mechanism of substrate retention is the same as the clamshell design. In particular, the mat fixing pressure is determined by the geometric dimensions of the shell and the monolith. Consequently, high repeatability of the substrate diameter is required when stuffing techniques are used.

スタッフィング技法の変法(ソフトマウント技法と呼ばれる)は、コーニング(非特許文献16)により提唱された。目的は、スタッフィング中のピークマット圧を最小にして、低強度により特性化される超薄壁基材の缶密封を可能にすることであった。重要な考え方は、基材の前方に構成されるアーバと呼ばれる先細円筒形工具を用いて、挿入中のマットのピーク圧応答を捕らえることである。   A variation of the stuffing technique (referred to as soft mounting technique) was proposed by Corning (Non-Patent Document 16). The objective was to allow can sealing of ultra-thin wall substrates characterized by low strength with minimal peak mat pressure during stuffing. An important idea is to use a tapered cylindrical tool called an arbor constructed in front of the substrate to capture the peak pressure response of the mat during insertion.

ソフトマウント法では、マットは先ず缶中に挿入され、そこでそれはプロセス中にフランジ上に保持される。次にマット裏打ち間がアーバ及び基材上に押し下げられる(即ち、アーバは基材上に構成される)。アーバは末端で内側に向けて溝を付けられて、缶−マットアセンブリ中に容易に滑り込む。アーバは、それが移動する缶に対してマットを圧縮する。缶中のアーバに取って代わる位置に基材が移動すると、それは、マットを圧縮するために必要とされる瞬間ピーク量に曝露されない。   In the soft mount method, the mat is first inserted into the can where it is held on the flange during the process. The mat backing is then pushed down over the arbor and the substrate (ie, the arbor is configured on the substrate). The arbor is slotted inwardly at the end and easily slides into the can-mat assembly. The arbor compresses the mat against the can in which it moves. As the substrate moves to a position that replaces the arbor in the can, it is not exposed to the instantaneous peak amount required to compress the mat.

スエージ加工
スエージ加工コンバーターでは、コンバーター・シェルは、マット巻き付け基材が挿入された後に、所望の直径に規格化される。スエージ加工は、乗用車用途のための大量生産に適した全自動CNC制御装備で実施されるより新しいパッケージング技法である。スエージ加工コンバーターは、それらの末端円錐と一緒に、管の一区画から製造されることができ、これらは、同一製造機械で紡糸成形工程で得られる。
Swaging In a swaging converter, the converter shell is normalized to the desired diameter after the mat wrapping substrate is inserted. Swage processing is a newer packaging technique implemented with fully automatic CNC control equipment suitable for mass production for passenger car applications. Swage converters, together with their end cones, can be manufactured from a section of tubing that is obtained in a spinning process on the same manufacturing machine.

間隙制御メカニズムは、それがスタッフィングを用いる場合と同様に、一定間隙厚として分類され得るが、しかしCNC制御生産ラインは、基材直径の差を自動的に説明し得る。スエージ加工コンバーターは、最初に、完成品の目標直径よりわずかに小さい直径に成形されて、機械加工後にシェルを「後ろに跳ぶ(spring back)」ようにさせなければならない。これがこの方法の欠点であり、これは、缶密封中の過剰ピーク圧及び基材損害をもたらし得る。   The gap control mechanism can be classified as a constant gap thickness, as it does with stuffing, but the CNC controlled production line can automatically account for the difference in substrate diameter. The swage converter must first be molded to a diameter slightly smaller than the target diameter of the finished product, causing the shell to “spring back” after machining. This is a disadvantage of this method, which can lead to excessive peak pressure and substrate damage during can sealing.

触媒コンバーター・ヘッダーは、入口及び出口管と基材横断面との間に転移を提供する。ほとんどのコンバーター・ヘッダーが、軸ガス流を有する円錐又は漏斗として造形される。他のデザイン、例えば切頭化ヘッダー(非特許文献17)又は接線方向ガス入口を有するヘッダーが考え得るが、しかし一般的でない。入口ヘッダーの機能は、入口流を拡散すること、即ち、ガス速度を低減し、そしてできるだけ少ない総圧力損失でその静圧を増大することである。実際、併合ヘッダー損失は、幾何学的及び流動条件によって、全コンバーター圧低下の10%〜50%を構成し得る。これらの圧力損失は、より多くの均一流動分布を提供するコンバーター入口ヘッダーを設計することにより、最小限にされ得る。触媒コンバーターにおける均一流動分布がその排出性能及び/又は耐久性を改良する、という概念も存在する。本発明の一実施形態では、触媒コンバーター又は粒子フィルターは、約30%の角度を有するヘッダーを有する。   The catalytic converter header provides a transition between the inlet and outlet tubes and the substrate cross section. Most converter headers are shaped as cones or funnels with axial gas flow. Other designs, such as truncated headers (17) or headers with tangential gas inlets are conceivable, but are not common. The function of the inlet header is to diffuse the inlet flow, ie reduce the gas velocity and increase its static pressure with as little total pressure loss as possible. In fact, the merged header loss can constitute 10% to 50% of the total converter pressure drop, depending on the geometry and flow conditions. These pressure losses can be minimized by designing a converter inlet header that provides a more uniform flow distribution. There is also the concept that a uniform flow distribution in a catalytic converter improves its discharge performance and / or durability. In one embodiment of the invention, the catalytic converter or particle filter has a header with an angle of about 30%.

マット
本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターは、任意にマットも含む。上記又は下記に列挙される実施形態のいずれかは、マットを含み得る。或る実施形態では、本発明はマット(又はマット又はバッティング)をさらに含む。例えば本発明の触媒コンバーターは、一実施形態では、上記のような触媒基材、マット及びキャニスターを含む。本発明で用いるのに有用なマットは、当該技術分野で既知である。
Mat The catalytic converter or particle filter of the present invention optionally includes a mat. Any of the embodiments listed above or below may include a mat. In some embodiments, the present invention further includes a mat (or mat or batting). For example, the catalytic converter of the present invention, in one embodiment, includes a catalytic substrate, mat and canister as described above. Mats useful for use in the present invention are known in the art.

或る実施形態におけるマットは、本明細書中に記載されるような、そして当該技術分野で既知である多くの属性に基づいて選択され得る。触媒コンバーターキャニスターは、好ましくは所定の触媒基材及び所定のマットのために必要とされる固定圧を提供するような方式で設計される。マットの固定圧は、圧縮中に、その初期嵩密度から最終目標密度に幾何級数的に増大する。固定圧は、粘弾性緩和を示し、即ち缶密封時に生じるピーク初期圧は、マット繊維の再編成のため最初の数秒又はその後の数分間、有意に低減する(Myers 2000)。緩和のための膨張性マットの固定圧損失は、初期ピーク固定圧の30〜60%変化する。   The mat in certain embodiments may be selected based on a number of attributes as described herein and known in the art. The catalytic converter canister is preferably designed in such a way as to provide the fixed pressure required for a given catalyst substrate and a given mat. The mat's fixed pressure increases geometrically from its initial bulk density to its final target density during compression. Fixed pressure indicates viscoelastic relaxation, ie the peak initial pressure that occurs during can sealing is significantly reduced for the first few seconds or subsequent minutes due to the reorganization of the mat fibers (Myers 2000). The fixed pressure loss of the expandable mat for relaxation varies by 30-60% of the initial peak fixed pressure.

マット緩和、ならびにその後の使用中の圧力損失のため、固定圧は、缶密封プロセス明記のための便利なパラメーターではない。代わりに、固定密度(しばしば間隙嵩密度(GBD)と呼ばれる)が、その目的のために一般的に用いられる。典型的マット固定密度は、それらの嵩(非圧縮)密度と一緒に、表2に列挙される。所定の用途に関する正確な密度は、マットメーカーに指導を求めるべきである。所定の用途に関する正確な密度は、基本重量を伝えて、マットメーカーに指導を求めるべきである。重量/面積は、g/m又はkg/mで表わされる(これらは重量というよりむしろ質量の単位であり、慣例的用語「重量/面積」は、厳密に言えば、「質量/面積」と取り替えられるべきである)。利用可能なマットは、1,050〜6,200g/mの範囲のそれらの重量/面積を有し、そして非圧縮厚は1.5〜10mmである。3,000〜4,000g/mの膨張性マットは、典型的には自動車コンバーターのために用いられる。より高いマット重量、例えば6,200g/m(6.2kg/m)が、より厳しい用途のために又は大型コンバーター用に推奨される。 Due to mat relaxation as well as subsequent pressure loss during use, fixed pressure is not a convenient parameter for specifying the can-sealing process. Instead, a fixed density (often referred to as interstitial bulk density (GBD)) is commonly used for that purpose. Typical mat fixed densities are listed in Table 2 along with their bulk (uncompressed) densities. The exact density for a given application should seek guidance from the mat manufacturer. The exact density for a given application should convey the basis weight and seek guidance from the mat manufacturer. Weight / area is expressed in g / m 2 or kg / m 2 (these are units of mass rather than weight, and the conventional term “weight / area” is, strictly speaking, “mass / area”. Should be replaced with). Available mats have their weight / area in the range of 1,050 to 6,200 g / m 2 and the uncompressed thickness is 1.5 to 10 mm. An inflatable mat of 3,000 to 4,000 g / m 2 is typically used for automotive converters. Higher mat weights, such as 6,200 g / m 2 (6.2 kg / m 2 ), are recommended for more demanding applications or for large converters.

触媒コンバーター固定マットの別の重要な特性は、時に基本重量とも呼ばれる、それらの重量/面積である。重量/面積は、g/m又はkg/mで表わされる(これらは重量というよりむしろ質量の単位であり、慣例的用語「重量/面積」は、厳密に言えば、「質量/面積」と取り替えられるべきである)。利用可能なマットは、1,050〜6,200g/mの範囲のそれらの重量/面積を有し、そして非圧縮厚は1.5〜10mmである。3,000〜4,000g/mの膨張性マットは、典型的には自動車コンバーターのために用いられる。より高いマット重量、例えば6,200g/m(6.2kg/m)が、より厳しい用途のために又は大型コンバーター用に推奨される。 Another important characteristic of catalytic converter fixing mats is their weight / area, sometimes referred to as basis weight. Weight / area is expressed in g / m 2 or kg / m 2 (these are units of mass rather than weight, and the conventional term “weight / area” is, strictly speaking, “mass / area”. Should be replaced with). Available mats have their weight / area in the range of 1,050 to 6,200 g / m 2 and the uncompressed thickness is 1.5 to 10 mm. An inflatable mat of 3,000 to 4,000 g / m 2 is typically used for automotive converters. Higher mat weights, such as 6,200 g / m 2 (6.2 kg / m 2 ), are recommended for more demanding applications or for large converters.

パッケージングマットは、熱排気ガスの衝突により引き起こされる腐食を受け得る。腐食に対する耐性は、マットの重要な特質である。腐食に対する耐性は、間隙嵩密度に大いに依っている(非特許文献18)。   Packaging mats can be subject to corrosion caused by hot exhaust gas collisions. Resistance to corrosion is an important property of the mat. Resistance to corrosion depends greatly on the pore bulk density (Non-patent Document 18).

固定マットの多くのその他の属性は特定され及び/又は試験されており、そしてマットメーカーから入手可能である。これらの属性の一覧としては、熱伝導度、ガス封止属性、摩擦係数等が挙げられる。   Many other attributes of fixed mats have been identified and / or tested and are available from the mat manufacturer. The list of these attributes includes thermal conductivity, gas sealing attributes, coefficient of friction, and the like.

固定系の設計中、以下の考察が、或る実施形態で、説明される。   During the design of the stationary system, the following considerations are described in certain embodiments.

固定圧:固定マットがシェルに基材を連結する唯一の手段であると仮定すると(即ち、コンバーターは末端封止装置又は支持環を有さない)、マット表面の摩擦と組合せた放射圧により、機械的連結が提供される。固定圧は、基材を適所に保持するために必要とされる最小圧である。   Fixed pressure: Assuming that the fixed mat is the only means of connecting the substrate to the shell (ie, the converter does not have an end seal or support ring), due to the radiation pressure combined with the friction of the mat surface, Mechanical linkage is provided. The fixed pressure is the minimum pressure required to hold the substrate in place.

ピーク固定圧。 上記のように、マットは粘弾性固体のように振る舞い、初期圧縮中に高いピーク固定圧を生じ、その後、漸次緩和して、残留固定圧に達する。薄い壁基材では、ピーク圧は、パッケージング中に触媒コアに対する損害を生じ得る。マットの一過性行動は、ターニケットとのような一定間隙サイズと対照的に、一定の力によっている缶密封法を設計する場合にも考慮されなければならない。   Peak fixed pressure. As described above, the mat behaves like a viscoelastic solid, producing a high peak fixing pressure during initial compression and then gradually relaxing to reach a residual fixing pressure. For thin wall substrates, the peak pressure can cause damage to the catalyst core during packaging. The transient behavior of the mat must also be taken into account when designing a can sealing method with a constant force, as opposed to a constant gap size like a tourniquet.

温度挙動。膨張性マットに関して、マット圧は、バーミキュライトを活性化するために到達する十分な温度に依っている。少なくとも500℃の入口温度が、バーミキュライト活性化のために必要とされる;特定の系における熱転移状態によって、より高い入口温度が必要とされ得る。ガソリン用途では、マットはエンジン作動の初期時間中に車両上で活性化される。触媒コンバーターの炉処理がディーゼル用途においては必要とされ得るが、この場合、排気ガス温度は通常車両操作中は十分なレベルに到達し得ない。バーミキュライト膨張は、一部は可逆的であり、温度が増大するとマットを膨張させ、コンバーターが冷却されると収縮させる。バーミキュライトのこの特性は、コンバーターシェルの膨張をさらに補償して、高温で非常に高い固定圧を生じる。これとは対照的に、非膨張性マットは、温度範囲全体を通してほぼ一定の固定圧を示す。図4に見られる温度増大に伴う圧力のわずかな低減は、コンバーターシェルの熱膨張のための間隙膨張に寄与し得る。500℃を超える温度では、膨張性マットは、非膨張性マットより高い保持圧を提供する。しかしながら500℃より低い温度では、膨張性マットからの固定圧は、非膨張性マットからのものより実際に非常に低い。したがって非膨張性マットは、コンバーター入口温度が500℃より低いままである多くのディーゼル用途において好ましい固定材料である。低バーミキュライト含量の膨張性マットは、従来の膨張性マットと非膨張性マットとの間の固定圧を生じる。ハイブリッドマットは、非膨張性マットと同様の圧力レベルを示すが、しかしそれらは高温での一定圧力引き上げを保持し、これが間隙膨張を相殺する。   Temperature behavior. For inflatable mats, the mat pressure depends on the temperature reached to activate the vermiculite. An inlet temperature of at least 500 ° C. is required for vermiculite activation; higher inlet temperatures may be required depending on the thermal transition conditions in a particular system. In gasoline applications, the mat is activated on the vehicle during the initial hours of engine operation. Catalytic converter furnace treatment may be required in diesel applications, but in this case the exhaust gas temperature cannot usually reach a sufficient level during vehicle operation. Vermiculite expansion is partially reversible, causing the mat to expand when the temperature increases and contract when the converter is cooled. This property of vermiculite further compensates for the expansion of the converter shell, resulting in a very high fixed pressure at high temperatures. In contrast, non-intumescent mats exhibit a substantially constant fixed pressure throughout the temperature range. The slight decrease in pressure with increasing temperature seen in FIG. 4 can contribute to the gap expansion due to the thermal expansion of the converter shell. At temperatures above 500 ° C., the expandable mat provides a higher holding pressure than the non-expandable mat. However, at temperatures below 500 ° C., the fixing pressure from the expandable mat is actually much lower than that from the non-expandable mat. Non-intumescent mats are therefore a preferred anchoring material in many diesel applications where the converter inlet temperature remains below 500 ° C. An inflatable mat with a low vermiculite content creates a fixed pressure between a conventional inflatable mat and a non-inflatable mat. Hybrid mats exhibit pressure levels similar to non-inflatable mats, but they retain a constant pressure increase at high temperatures, which counteracts gap expansion.

間隙膨張。コンバーターが高温に曝されると、間隙厚は、基材及びシェル間の熱膨張係数の差のために増大する。間隙の熱膨張は、固定圧損失の有意の発生源であり得る。間隙膨張は、それがバーミキュライト膨張により補償され得ないので、非膨張性マットが用いられる用途では、特に重要である。設計指針として、間隙膨張は10%より低く保たれるべきである(非特許文献19)。   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. The thermal expansion of the gap can be a significant source of fixed pressure loss. Gap expansion is particularly important in applications where non-intumescent mats are used because it cannot be compensated by vermiculite expansion. As a design guide, the gap expansion should be kept below 10% (Non-Patent Document 19).

間隙膨張は、以下の設計因子に依っている:   Gap expansion depends on the following design factors:

基材直径:大きい基材ほど、より高いパーセンテージの間隙膨張を生じる。したがって間隙膨張は、相対的に低いコンバーター温度にもかかわらず、大型ディーゼル用途では依然として問題であり得る。   Substrate diameter: Larger substrates produce a higher percentage of gap expansion. Thus, gap expansion can still be a problem in large diesel applications despite the relatively low converter temperature.

間隙厚:間隙が厚いほど、間隙膨張は低い。   Gap thickness: The thicker the gap, the lower the gap expansion.

シェル温度:高温であるほどより大きな間隙膨張を生じる。   Shell temperature: The higher the temperature, the greater the expansion of the gap.

シェル材料CTE:熱膨張係数が高いスチールほど、より高い間隙膨張を生じる。したがって間隙膨張は、フェライト(オーステナイトと対照して)スチール等級を用いて制御することが容易である。   Shell material CTE: Steel with higher coefficient of thermal expansion results in higher gap expansion. Thus, the gap expansion is easy to control using ferrite (as opposed to austenite) steel grade.

マット・エージング。コンバーターが一旦運転されると、膨張性マットは膨張して、固定圧増大を生じる。以下に示すような多くのその他のエージング因子が、固定圧の漸次不可逆的損失に関与する:熱循環;振動加速及びその他の機械的因子;水によるマットの浸漬(凝縮液、車両洗浄液);ならびにマットが最初に加熱された場合の有機結合剤焼失。   Matt aging. Once the converter is operated, the inflatable mat expands resulting in a fixed pressure increase. Many other aging factors, such as the following, are involved in the gradual irreversible loss of fixed pressure: thermal cycling; vibration acceleration and other mechanical factors; mat immersion in water (condensate, vehicle wash); and Organic binder burnout when the mat is first heated.

一般マットの利点及び欠点
従来の用途は、特許文献46及び特許文献47に例示されているようなキャニスター中にハニカム基材を固定するための膨張性及び非膨張性繊維性マットを利用する。一従来の系によれば、繊維性マットはキャニスター中に大型触媒成員を固定し得るだけである。
Advantages and Disadvantages of General Mat Conventional applications utilize expandable and non-expandable fibrous mats for fixing honeycomb substrates in canisters as exemplified in US Pat. According to one conventional system, the fibrous mat can only fix large catalyst members in the canister.

膨張性マット
膨張性マットは、最初はガソリンコンバーター用に開発された。1990年代初頭までに、それらは、ディーゼルを含めて全ての内燃機関用途のための触媒コンバーター中に用いられる最も一般的な種類のセラミックマットになった。膨張性マットは、一旦高温に曝されると、部分的非可逆的膨張という特性を有する。マットに関する熱膨張曲線は、3M及びユニフラックスを含めたいくつかのメーカーから入手可能である。一旦膨張すると、それらは基材上の保持圧を増大して、非常に安定した固定系を提供する。それらの温度膨張特質のため、膨張性マットは実際に高温でのそれらの固定圧を増大して、スチール・ハウジングの熱膨張のための固定圧損失を補償し得る。
Inflatable mats Inflatable mats were first developed for gasoline converters. By the early 1990s, they became the most common type of ceramic mat used in catalytic converters for all internal combustion engine applications, including diesel. Inflatable mats have the property of partially irreversible expansion once exposed to high temperatures. Thermal expansion curves for mats are available from several manufacturers including 3M and Uniflux. Once expanded, they increase the holding pressure on the substrate, providing a very stable fixation system. Due to their thermal expansion characteristics, inflatable mats can actually increase their fixed pressure at high temperatures to compensate for the fixed pressure loss due to the thermal expansion of the steel housing.

膨張性マットはアルミナ−シリカセラミック繊維から製造され、それらの熱膨張を提供するバーミキュライトを含有する。典型的組成物は、30〜50%のアルミナ−シリカ繊維、40〜60%のバーミキュライト、及び4〜9%の有機結合剤(典型的にはアクリルラテックス)を有する。コンバーターが組み立てられた後、通常はエンジン作動の最初の時間中に車両で達成される初期膨張を達成するために、マットは約500℃のオーダーの温度に曝されなければならない。高温で分解する有機マット結合剤が、マットが最初に加熱されると排出される特徴的臭気に関与する。   Intumescent mats are made from alumina-silica ceramic fibers and contain vermiculite that provides their thermal expansion. A typical composition has 30-50% alumina-silica fiber, 40-60% vermiculite, and 4-9% organic binder (typically acrylic latex). After the converter is assembled, the mat must be exposed to a temperature on the order of about 500 ° C. in order to achieve the initial expansion normally achieved in the vehicle during the first hours of engine operation. Organic matte binders that decompose at high temperatures are responsible for the characteristic odor emitted when the mat is first heated.

バーミキュライト構成成分は、膨張性マットに関する相対的に低い最大運転温度限界を課す。マットは、約750℃の温度でそれらの保持圧を劇的に失う。その温度は通常は、平均マット温度と定義される。したがってマットはより高い排気温度で用いられ得るが、但し、コンバーターシェルの外側からの熱損失のため、マット全体に温度勾配が存在する。膨張性マットの使用は、熱損失がコンバーター壁を通して起こらない熱等温用途に限定される。このような状況としては、例えばオートバイ用途のためにマフラー内側に固定される触媒が挙げられる。   The vermiculite component imposes a relatively low maximum operating temperature limit for the expandable mat. The mats dramatically lose their holding pressure at a temperature of about 750 ° C. That temperature is usually defined as the average mat temperature. Thus, the mat can be used at higher exhaust temperatures, but there is a temperature gradient across the mat due to heat loss from the outside of the converter shell. The use of inflatable mats is limited to thermal isothermal applications where heat loss does not occur through the converter wall. Such situations include, for example, a catalyst that is fixed inside the muffler for motorcycle applications.

高含量のバーミキュライト構成成分は、特により高い排気温度での高固定圧にも関与する。膨張性マットからの圧力は、超薄壁基材に関して過剰であり、部品に対する潜在的損害を生じることが判明した。これらの用途に関して、マットメーカーは、低バーミキュライト膨張性マット(時として、「改良型」又は「第二世代」膨張性マットと呼ばれる)を導入したが、これは従来の設計より低い固定圧を提供する。   A high content of vermiculite constituents is also responsible for the high fixed pressure, especially at higher exhaust temperatures. It has been found that the pressure from the inflatable mat is excessive for the ultra-thin wall substrate, causing potential damage to the part. For these applications, mat manufacturers have introduced low vermiculite inflatable mats (sometimes referred to as “modified” or “second generation” inflatable mats), which provide a lower fixed pressure than previous designs. To do.

非膨張性マット
非膨張性マットは、バーミキュライトを含有しない。したがってそれらは、約1,250℃という非常に高い温度限界を提供し得る。非膨張性マットの主要構成成分は、アルミナ繊維であり、有機結合剤の付加を伴う。本発明の或る実施形態では、触媒コンバーター又は粒子フィルターは、本明細書中に記載されるような基材を含み、そして非膨張性マットは繊維性材料を用いてより良好になり得る。
Non-intumescent mat The non-intumescent mat does not contain vermiculite. They can therefore provide very high temperature limits of about 1,250 ° C. The main component of the non-intumescent mat is alumina fibers with the addition of an organic binder. In certain embodiments of the invention, the catalytic converter or particle filter includes a substrate as described herein, and the non-intumescent mat can be better with a fibrous material.

基材支持は、組込み式圧縮又は繊維「スプリング」に依っており、これは適用温度範囲全体に一定保持圧を提供する。コンバーターシェルは温度に伴って膨張するため、有効コンバーター固定圧の低減が高温で観察される。したがって非膨張性マットは、バーミキュライトマットとは全く逆に、低温で最も安定して触媒基材を保持する。温度が増大すると、コンバーター内側の基材は、力の漸減に伴って保持される。   Substrate support relies on built-in compression or fiber “springs”, which provide a constant holding pressure throughout the application temperature range. Since the converter shell expands with temperature, a reduction in effective converter fixing pressure is observed at high temperatures. Therefore, the non-intumescent mat holds the catalyst substrate most stably at a low temperature, contrary to the vermiculite mat. As the temperature increases, the substrate inside the converter is held as the force decreases.

非膨張性マットは、高固定圧に耐え得ない(薄壁基材)高温用途だけでなく、ディーゼルエンジンの場合のような低温コンバーターでも用いられ得る。それらはバーミキュライト膨張に依らないため、それらは低温ディーゼルコンバーターにおける炉処理を要しない。   Non-intumescent mats can be used not only in high temperature applications that cannot withstand high fixed pressures (thin wall substrates), but also in low temperature converters as in the case of diesel engines. Since they do not depend on vermiculite expansion, they do not require furnace treatment in low temperature diesel converters.

ハイブリッドマット
本発明の改良型触媒コンバーター又は粒子フィルターは、ハイブリッドマットをさらに含み得る。このようなマットは、当該技術分野で既知である。ハイブリッドマットは、一実施形態では、2層デザイン:即ち非膨張性マットの層の上に膨張性マットの層:を組み入れる。それらの属性及び性能は中間的なもので、膨張性マットより良好な低温度固定圧を有するが、しかし非膨張性マットより高い高温圧を有する。好ましい実施形態では、本発明の改良型ディーゼル粒子フィルターは、小型及び大型適用の両方に用いるために、ハイブリッドマットを含む。
Hybrid Mat The improved catalytic converter or particle filter of the present invention can further comprise a hybrid mat. Such mats are known in the art. The hybrid mat, in one embodiment, incorporates a two-layer design: an inflatable mat layer on top of a non-inflatable mat layer. Their attributes and performance are intermediate and have better low temperature fixed pressure than inflatable mats but higher hot pressure than non-inflatable mats. In a preferred embodiment, the improved diesel particulate filter of the present invention includes a hybrid mat for use in both small and large applications.

金網
セラミック触媒基材をパッケージングするために、マットの代わりにニット・ステンレススチール金網が用いられ得る。金網はしばしば、マットより好ましくない固定圧特質を示すとされているが、しかし依然としていくつかの触媒コンバーターに用いられている(伝統的に、金網はFordにより用いられてきた)。ガスによる基材の迂回を防止するために、金網には常に末端封止装置が必要とされる。
Wire mesh Knit stainless steel wire mesh can be used in place of the mat to package the ceramic catalyst substrate. Wire mesh is often said to exhibit less favorable pressure characteristics than mats, but is still used in some catalytic converters (traditionally, wire mesh has been used by Ford). In order to prevent the gas from bypassing the base material, the wire mesh always requires a terminal sealing device.

補助熱源
以前に開示されたものに対する別の構成又は例示的実施形態として、フィルター素子は、触媒適用後に基材に付加される一連の電気加熱ロッドの付加を包含し得る。好ましくは加熱素子は、硬化プロセスが任意の電気的接触を害することのないよう、触媒後に適用される。一実施形態では、加熱素子又はロッドは、各縁から約1/4インチ離れて、又は所望される任意の距離に構成される。或る実施形態では、ガス流方向と垂直に置かれ、そして繊維ブランクの形成中に組み込まれる金網構成又は本明細書中に記載されるその他の熱素子も用いられ得る。電気的接触は、Nextel布帛又は類似の材料で保護され得る。加熱素子は、プレウォーマーとしてエンジンが始動する前に活性化され、そして排気温度が補助加熱素子により達成される温度を超えるまで、部分的に又は全開運転で作動し続ける。
Auxiliary Heat Source As another configuration or exemplary embodiment over that previously disclosed, the filter element may include the addition of a series of electric heating rods that are added to the substrate after the catalyst application. Preferably, the heating element is applied after the catalyst so that the curing process does not harm any electrical contact. In one embodiment, the heating elements or rods are configured about a quarter inch away from each edge or at any desired distance. In some embodiments, wire mesh configurations or other thermal elements described herein that are positioned perpendicular to the gas flow direction and incorporated during the formation of the fiber blank may also be used. The electrical contact can be protected with Nextel fabric or similar material. The heating element is activated before the engine is started as a pre-warmer and continues to operate partially or fully open until the exhaust temperature exceeds the temperature achieved by the auxiliary heating element.

フィルター基盤に適用される補助熱源の使用は、フィルター基盤の内側の温度を上げるために、及び/又はフィルター基盤全体に付加的熱を均一に分布させて、それをより効率的にするために、有用であり得る。補助熱源は、抵抗性電気加熱素子で構成され得る。加熱素子は、フィルター基盤形成後に、又はゾル・ゲルプロセス中に挿入され得るロッド構成を有し得る。フィルター基盤は、適用される1つ又は複数の電気加熱素子を有し、そして加熱素子は、同時に、独立して、ならびに循環化された、パターン化された又は無作為の連続系で加熱され得る。加熱素子は、フィルター基盤形成中に又は形成後に挿入され得る金網構成の形態であり得る。フィルターは、単一金網又は複数の金網加熱素子の使用を用い得るし、それらの加熱素子は、同時に又は独立して加熱され得る。さらに金網加熱素子は、循環化された、パターン化された又は無作為の連続系で加熱され得る。加熱素子は、形成中又は形成後に挿入されるロッド、渦巻き又はらせん構成も利用し得る。フィルター基盤は、循環化された、パターン化された又は無作為の連続系の使用を含めて、同時に又は独立して加熱され得る、1つ又は複数の渦巻き又はらせん加熱素子を組み入れ得る。最後に、フィルター基盤は、上記の加熱素子のいずれかの組合せを組み入れ得る。   The use of an auxiliary heat source applied to the filter base can be used to increase the temperature inside the filter base and / or to distribute the additional heat evenly throughout the filter base and make it more efficient. Can be useful. The auxiliary heat source may be composed of a resistive electric heating element. The heating element can have a rod configuration that can be inserted after formation of the filter substrate or during the sol-gel process. The filter substrate has one or more electric heating elements applied, and the heating elements can be heated simultaneously, independently and in a circulated, patterned or random continuous system. . The heating element can be in the form of a wire mesh configuration that can be inserted during or after the filter substrate formation. The filter may use the use of a single wire mesh or multiple wire mesh heating elements, which may be heated simultaneously or independently. Furthermore, the wire mesh heating element can be heated in a circulated, patterned or random continuous system. The heating element may also utilize a rod, spiral or helical configuration that is inserted during or after formation. The filter substrate may incorporate one or more spiral or helical heating elements that can be heated simultaneously or independently, including the use of a circulated, patterned or random continuous system. Finally, the filter substrate can incorporate any combination of the heating elements described above.

上記の抵抗性電気加熱素子に加えて、補助熱源は、赤外線又はマイクロ波熱加熱素子も用い得る。種々の熱源が、フィルター基盤それ自体の内側に補われるか、或いは外部加熱素子としてフィルター基盤を加熱するために用いられ得る。さらにまた、種々の熱源が、独立して、又はその他の加熱素子又は熱源のいずれかと組合せて適用され得る。   In addition to the resistive electrical heating elements described above, the auxiliary heat source can also use infrared or microwave heating elements. Various heat sources can be supplemented inside the filter base itself, or used to heat the filter base as an external heating element. Furthermore, various heat sources can be applied independently or in combination with any of the other heating elements or heat sources.

フィルター基盤は、車両輸送に伴って遭遇する通常衝撃からフィルター基盤を保護するために十分な耐久性を有するケーシング中に入れられる。このようなケーシングとしては、一般的金属ケーシング、例えばステンレススチール、スチール又は別の合金が挙げられ得る。材料は、非金属、例えばセラミックベースのケーシングでもあり得る。フィルター基盤は、ケーシングに包まれる前に、断熱材又は詰め物の中に封入され得る。本発明は、熱遮蔽体も包含する。   The filter base is placed in a casing that is sufficiently durable to protect the filter base from the normal impacts encountered with vehicle transport. Such casings may include common metal casings such as stainless steel, steel or another alloy. The material can also be a non-metallic, eg ceramic based casing. The filter base can be encapsulated in insulation or padding before being wrapped in the casing. The present invention also includes a heat shield.

フィルター基盤の入口及び出口管は、酸化触媒で被覆され得る。触媒は、非常に短い時間で排気を全体として処理する系を生じる放射線プロセスをより迅速に作り得る。触媒は、貴金属触媒であり得るが、これらの例としては白金、パラジウムであるもの、又はロジウムベースのもの、ならびにその他のものが挙げられる。触媒は、フィルター基盤表面に直接適用され得る。触媒の適用は、フィルター基盤上に噴霧される、溶液中にフィルター基盤を浸漬することにより適用される、或いはフィルター基盤それ自体に注入されるものであり得る。酸化触媒の使用は、低温での粒子状物質の点火を促進するであろう。さらに触媒は、フィルター基盤それ自体の内部の補足ヒーターとしても用いられ得る。   The filter substrate inlet and outlet tubes may be coated with an oxidation catalyst. The catalyst can make the radiation process more quickly resulting in a system that treats the exhaust as a whole in a very short time. The catalyst can be a noble metal catalyst, examples of which include platinum, palladium, or rhodium based, as well as others. The catalyst can be applied directly to the filter substrate surface. Application of the catalyst can be sprayed onto the filter substrate, applied by immersing the filter substrate in a solution, or injected into the filter substrate itself. The use of an oxidation catalyst will promote ignition of particulate matter at low temperatures. Furthermore, the catalyst can also be used as a supplemental heater inside the filter substrate itself.

排気フィルター系は、エンジンそれ自体の排気マニホールドの内側への一体化を含めて、エンジン排気経路とともに一体化され得る。フィルター基盤は、熱及び振動に対して非常に耐久性であるため、排気がエンジンブロックを出る時に、エンジン排気の直ぐ隣に構成され得る。高熱及び増大振動応力に耐えるフィルター基盤の独特の能力は、本発明の構成をエンジンの直ぐ近くにさせる。密接構成は、このような高熱又は振動応力に耐えることができない従来の排気フィルター又は触媒コンバーターを上回る利点を提供する。   The exhaust filter system can be integrated with the engine exhaust path, including integration inside the exhaust manifold of the engine itself. Since the filter base is very resistant to heat and vibration, it can be configured right next to the engine exhaust as it leaves the engine block. The unique ability of the filter base to withstand high heat and increased vibrational stress makes the configuration of the present invention in close proximity to the engine. The close arrangement provides advantages over conventional exhaust filters or catalytic converters that cannot withstand such high heat or vibrational stress.

本発明を、詳細にそしてその具体的実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更及び修正がなされ得ることは、当業者には明らかである。したがって本発明は本発明の修正及び変更を網羅するが、但し、それらは添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内であると意図される。   Although the invention has been described in detail and with reference to specific embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. . Accordingly, the invention is intended to cover modifications and variations of the invention provided that they fall within the scope of the appended claims and their equivalents.

触媒コンバーターの具体的実施形態
本発明の触媒コンバーター及び粒子フィルターを、以下の非限定的な具体的な実施形態によって、さらに例示する。本明細書中に列挙される多くの具体的な実施形態は、本発明の範囲を例示するが、必ずしも限定するものではない。本発明の触媒コンバーターは、いくつものエンジン及び車両において用いることができる。したがって、一実施形態において、本発明の触媒コンバーターは、以下の企業の中の任意の1つにより生産される車両又はエンジンにおける使用に適している。Daimler−Chrysler;Chrysler;Dodge;Eagle;Jeep;Plymouth;General Motors;AM General(例えば、HUMMER);Buick;Cadillac;Chevrolet;Geo;GMC;Hummer;LaSalle;Oldsmobile;Pontiac;Saturn;Ford;Continental;Lincoln;Mercury;Ace Motor Corp;American MOTORS;Avanti BMW;Daimler−Chrysler;Fiat;Ford;GAZ;General MOTORS;本田技研工業(Honda);三菱自動車(Mitsubishi);Renault;Peugeot;トヨタ自動車(Toyota);及びVolkswagen Group。他には、Holden;Lightburn;Hartnett;Alpha Sports;Finch;Amuza;Australian Kitcar;FPV;Bavariacars;Birchfield;G−Force;Bomac;Bullet;Homebush;Carbontech;HSV;Classic Glass;Kraftwerkz;Classic Revival;Cobra Craft;Piper;Daktari;PRB;Daytona;Python;Deuce Customs;RCM;Devaux;RMC;DRB;Roaring Forties;Elfin;Robnell;Evans;Austro−Daimler;OAF;Puch;Steyr;Steyr−Daimler−Puch;FN;Germain;Miesse;Minerva;Nagant;Vivinus;Gurgel;Puma;A−E;AC;Allard;Alvis;Ariel;Armstrong Siddeley;Ashley;Aston Martin;Austin;Austin−Healey;Bentley;Berkeley;Bond;Bristol;BSA;Caterham;Clan;Daimler;Dellow;De Lorean;Elva;F−L;Fairthorpe;Ford;Frazer Nash;Gilbern;Ginetta;Grodon−Keeble;Hillman;Humber;Jaguar;James and Browne;Jensen;Jowett;Lagonda;Lanchester;Land Rover;Lea−Francis;Lister;Locost;Lotus;M−R;Marcos;McLaren;MG;Morgan;Morris;Mini;Ogle;Panther;Peerlees/Warwick;Piper;Range Rover;Reliant;Riley;Rochdale;Rolls−Royce;Rover;S−W;Singer;Standard;Sterling;Sunbeam;Swallow;Talbot;Tornado;Trident;Triumph;Turner;TVR;Vanden Plas;Vauxhall;Wolseley;Bricklin;McLaughlin;Aero;Jawa;Laurin&Klement;Praga;Skoda;Tatra;Walter;Kewet;Elcat;Valmet;RaceAbout;Amilcar;Alpine,aka.Alpine−Renault;Bonnet;Bugatti;CD;CG;Citroen;DB;De Dion−Bouton;Delage;Delahaye;Delaunay−Belleville;Facel Vega;Gordini;Hispano−Suiza;Hotchkiss;Peugeot;Renault;Rosengart;Simca;Sizaire−Naudin;Talbot;Tracta;Venturi;Voisin;A−G;Amphicar;Audi;Auto−Union;BMW;Fendt;Glas;Goggomobil;H−P;Heinkel(Heinkel Trojan);Horch;Kasbohrer−Setra;Kleinschnittger;MAN;Magirus;Maybach;Mercedes−Benz;Merkur;Messerschmitt;Neoplan;NSU;Opel;Porsche;S−W;Smart;Stoewer;Titan;Trabant;Volkswagen(VW);Wartburg;Wanderer;Thomond;Bajaj Tempo;Hindustan;Mahindra;Maruti;Premier;Reva;San Storm;Sipani;Tata;Abarth;Alfa Romeo;Autobianchi;Bugatti Automobili SpA;De Tomaso;Dino;Ferrari;Fiat;Iso;Innocenti;Isotta Fraschini;Itala;Lamborghini;Lancia;Maserati;OM;Piaggio;Qvale;Vespa;Zust;ダイハツ工業(Daihatsu);本田技研工業(Honda)(Acuraを含む);いすゞ自動車(Isuzu);マツダ(Mazda);三菱自動車(Mitsubishi);光岡自動車(Mitsuoka);日産自動車(Nissan aka. Datsun)(Infinitiを含む);富士重工業(Subaru);スズキ(Suzuki);トヨタ自動車(Toyota)(Lexusを含む);Proton;ACE;AMI;AMM;Bufori;Inokom;Naza;Perodua;Swedish Assembly;Tan Chong;TD 2000;Donkervoort;Spyker;DAF;Pyonghwa;Tokchon;Kewet;Think aka. Pivco;Troll;Syrena;UMM;Aro;Dacia;Marta;Oltcit;Volga;Moskvitch;GM Daewoo MOTORS;Hyundai Motor Company;Kia MOTORS;Renault Samsung MOTORS;Ssang Yong Motor Company;Nilsson;Nordic Uhr;S.A.M.;Saab;Scania;Thulin;Tidaholm;Tjorven(輸出市場では、Kalmarとして販売されている);Volvo;及びYugo。
Specific Embodiments of Catalytic Converter The catalytic converter and particle filter of the present invention are further illustrated by the following non-limiting specific embodiments. Many specific embodiments recited herein are intended to illustrate but not necessarily limit the scope of the invention. The catalytic converter of the present invention can be used in any number of engines and vehicles. Thus, in one embodiment, the catalytic converter of the present invention is suitable for use in a vehicle or engine produced by any one of the following companies: Daimler-Chrysler; Chrysler; Dodge; Eagle; Jeep; Plymouth; General Motors; AM General (for example, HUMMER); Bick; Cadillac; Chevrolet; Geo; Mercury; Ace Motor Corp; American MOTORS; Avanti BMW; Daimler-Chrysler; Fiat; Ford; GAZ; General MOTORS; Honda Motor Co., Ltd .; Honda Motor; Car (Toyota); and Volkswagen Group. Others include: Holden; Lightburn; Hartnett; Alpha Sports; Finch; Amuza; Australian Kitcar; FPV; Bavariacars; Birchfield; G-Force; Bomach; Homb; Piper; Daktari; PRB; Daytona; Python; Deuce Customs; RCM; Devax; RMC; DRB; Roaring Forties; Elfin; Robnell; Evans; FN; German; Miesse; Minerva; Nagant; Vivinus; Gurgel; Puma; AE; AC; Allard; Alvis; Ariel; Armstrong Aidle; Ashley; Bond; Bristol; BSA; Caterham; Clan; Daimler; Delow; De Lorian; Elva; FL; Fairthorpe; Ford; Fraser Nash; Gilbern; Ginetta; Hil; J Langer; Lanchester; Land Rover; Lea-Francis; Lister; Locost; Lotus; MR; Marcos; McLaren; MG; Morgan; Morris; Mini; Oreg; Wer; Rolly-Rochdale; Rolls-Royce; Rover; SW; Singer; Standard; Sterling; Sunbeam; Swallow; Talbot; Tornado; Trident; Triumph; Turner; Vland; TVR; ero; Jawa; Laurin &Klement;Praga;Skoda;Tatra;Walter;Kewet;Elcat;Valmet;RaceAbout;Amilcar; Alpine, aka. Bonnet; Bugatti; CD; CG; Citroen; DB; De Dion-Bouton; Delage; Delahaye; Delaunay-Beleville; Sigue; Rheete; Sugit; Talbot; Tracta; Venturi; Voisin; AG; Amphicar; Audi; Auto-Union; BMW; Fendt; Glas; Goggomobil; HP; Heinkel (Heinkel Trojan); Horch; MAN; Magirus; Maybach; Mercedes-Benz; Merku; Messerschmitt; Neoplan; NSU; Opel; Porsche; SW; Smart; Stewer; Twer; T; Hindustan; Mahindra; Maruti; Premier; Reva; San Storm; Sipani; Tata; Abarth; Alfa Romeo; Autobianti; I. Bentati Automobile SpA; De Tomaso; Ita; Lamborghini; Lancia; Maserati; OM; Piaggio; Qvale; Vespa; Zust; Daihatsu Industries (Daihatsu); Honda Motor Co., Ltd. (including Honda); Automobile (Mitsubishi); Mitsuoka Motor (Mitsuboka); Nissan Motor (Datsun) (including Infiniti); Fuji Heavy Industries (Subaru); Suzuki (Toyota) (including Lexus); E Proton; AMI; AMM; Bufori; Inokom; Naza; Perodua; Swedish Assembly; Tan Cong; TD 2000; onkervoort; Spyker; DAF; Pyonghwa; Tokchon; Kewet; Think aka. Pollco; Troll; Syrena; UMM; Aro; Dacia; Marta; Oltcit; Volga; Moskvich; A. M.M. Saab; Scania; Thulin; Tidaholm; Tjorven (sold in the export market as Kalmar); Volvo; and Yugo.

触媒又は濾過マフラー
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材又は濾過基材を含む触媒マフラーにも向けられる。本明細書中に記載されるように、触媒基材又は濾過基材は、単一キャニスター中にマフラーと一緒に収容される。
Catalyst or filtration muffler In another embodiment, the present invention is also directed to a catalyst muffler comprising the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention. As described herein, the catalyst substrate or filtration substrate is housed together with the muffler in a single canister.

一実施形態では、本発明の触媒マフラーは、従来技術の触媒基材が本発明の触媒基材に取って代わられる既知のデザインの触媒マフラーを含む。適切な既知の触媒マフラーとしては、特許文献48、特許文献49、特許文献50及び特許文献51に開示されるものが挙げられる。   In one embodiment, the catalyst muffler of the present invention comprises a catalyst muffler of known design in which a prior art catalyst substrate is replaced by the catalyst substrate of the present invention. Suitable known catalyst mufflers include those disclosed in Patent Literature 48, Patent Literature 49, Patent Literature 50, and Patent Literature 51.

排気系
別の実施形態では、本発明は、本発明の触媒基材を含む排気系に向けられる。排気系は一般に、多くの構成部分を含む。排気系は、エンジン、ならびに排気ガスをエンジンとは別方向に向けるための適切な手段を含む。
Exhaust System In another embodiment, the present invention is directed to an exhaust system comprising the catalyst substrate of the present invention. The exhaust system generally includes a number of components. The exhaust system includes an engine as well as suitable means for directing the exhaust gas in a direction away from the engine.

排気系は、内燃機関、ならびに排気ガスを燃焼室の排気口とは別方向に向けるための導管を含む。排気系のその他の任意の構成部分としては、排気マニホールド、マフラー及び排気管が挙げられる。   The exhaust system includes an internal combustion engine and a conduit for directing exhaust gas in a direction away from the exhaust port of the combustion chamber. Other optional components of the exhaust system include an exhaust manifold, a muffler, and an exhaust pipe.

別の実施形態では、本発明は、本発明のフィルター基材を含む排気系に向けられる。   In another embodiment, the present invention is directed to an exhaust system comprising the filter substrate of the present invention.

別の態様では、本発明は、本発明の触媒基材を利用する改良型排気系に向けられる。別の態様では、本発明は、本発明のフィルター基材を利用する改良型排気系に向けられる。   In another aspect, the present invention is directed to an improved exhaust system that utilizes the catalytic substrate of the present invention. In another aspect, the present invention is directed to an improved exhaust system that utilizes the filter substrate of the present invention.

本発明の排気系は、以下のうちの任意の1つに使用するのに適している。1)可動性オンロードエンジン、装備及び車両(自動車及び軽トラック;公道用オートバイ及びストリート用オートバイ;トラック及びバス等の大型公道用エンジン)、2)可動性オフロード用のエンジン、装備及び車両(圧縮燃焼エンジン(農場用、建設用、採鉱用等);小型のスパーク燃焼エンジン(芝刈り機、リーフブロワー、チェーンソー等);大型のスパーク燃焼エンジン(フォークリフト、発電機等);舶用ディーゼルエンジン(商業用船舶、レクリエーションディーゼル等);舶用スパーク燃焼エンジン(ボート、個人用帆船等);レクリエーション車両(スノーモービル、ダートバイク、オール・テラインビーグル等);機関車;航空機(飛行機、地上支援装置等))、及び3)固定汚染源(発電所、精製所及び製造工場等の数百の汚染源を含む)。別の実施形態では、本発明は、本発明の基材、触媒コンバーター、粒子フィルター又は触媒マフラーを含む排気系を対象とする。   The exhaust system of the present invention is suitable for use in any one of the following. 1) Movable on-road engines, equipment and vehicles (automobiles and light trucks; public road motorcycles and street motorcycles; large public road engines such as trucks and buses) 2) Movable off-road engines, equipment and vehicles ( Compression combustion engine (for farm, construction, mining, etc.); Small spark combustion engine (lawn mower, leaf blower, chainsaw, etc.); Large spark combustion engine (forklift, generator, etc.); Marine diesel engine (commercial) Ships, recreational diesel, etc.); marine spark combustion engines (boats, personal sailing vessels, etc.); recreational vehicles (snowmobiles, dirt bikes, all-terrain beagle, etc.); locomotives; , And 3) fixed pollution sources (power plants, refineries, manufacturing plants, etc. Including hundreds of pollution sources). In another embodiment, the present invention is directed to an exhaust system comprising a substrate, catalytic converter, particle filter or catalytic muffler of the present invention.

本発明のその他の適切な排気系としては、ある種の船舶用途に用いられるものが挙げられる。触媒は、典型的には、エンジンから導かれる排気管中に置かれる。この排気管は、小型船の船体を通って船尾近くの出口に導く。この配列は、特に従来技術の基材に関して、排気管が振動を受けやすくされる。さらに個人用船舶では、船の寸法を小さく保持し、重心を低くするために、エンジンが構成され得る空間の量が限定される。さらにある種の従来技術の基材、例えばコージライトは、エンジンに近すぎる位置に置かれるべきではない(過熱及び融解が考えられる)。本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターを含む船舶用途排気系は、1つ又は複数のこれらの問題を克服し得る。触媒コンバーター又は粒子フィルターは、伝統的コンバーター又はフィルターが置かれるのと同じ場所で海上用排気系中に構成され得るし、或いはそれは別の場所に置かれ得る。例えば或る実施形態では、触媒コンバーターは、従来技術の触媒コンバーターより小さいが、しかし汚染物質の除去及び/又は濾過に際しては実質的に同一効率を有する(例えば特許文献52参照)。   Other suitable exhaust systems of the present invention include those used for certain marine applications. The catalyst is typically placed in an exhaust pipe leading from the engine. This exhaust pipe leads to the exit near the stern through the hull of the small ship. This arrangement makes the exhaust pipe susceptible to vibrations, particularly with respect to prior art substrates. Furthermore, in personal ships, the amount of space in which the engine can be configured is limited in order to keep the dimensions of the ship small and lower the center of gravity. In addition, certain prior art substrates, such as cordierite, should not be placed too close to the engine (overheating and melting are possible). A marine exhaust system that includes the catalytic converter or particle filter of the present invention may overcome one or more of these problems. The catalytic converter or particle filter can be configured in the marine exhaust system at the same location where the traditional converter or filter is located, or it can be located elsewhere. For example, in some embodiments, the catalytic converter is smaller than the prior art catalytic converter, but has substantially the same efficiency in removing and / or filtering contaminants (see, for example, US Pat.

その他の実施形態では、本発明の排気系は、排気系から排出される汚染物質を低減するか又は制限するために用いられる1つ又は複数の付加的後処理装置又は方法を包含する。適切な装置及び方法としては、CRT、EGR、SCR、ACERT等が挙げられる。例えば一実施形態では、排気系は、本発明の触媒コンバーター、及びCRTを含む。排気系は、SCR系をさらに含み得る。さらなる組合せ及び変更が考えられ、そして本発明の範囲内であると理解される。   In other embodiments, the exhaust system of the present invention includes one or more additional aftertreatment devices or methods that are used to reduce or limit pollutants emitted from the exhaust system. Suitable devices and methods include CRT, EGR, SCR, ACERT and the like. For example, in one embodiment, the exhaust system includes a catalytic converter of the present invention and a CRT. The exhaust system may further include an SCR system. Further combinations and modifications are contemplated and are understood to be within the scope of the present invention.

別の実施形態では、本発明は、nSiRF−C複合材料及び触媒を含む触媒基材を有するNO吸着剤を含む排気系に向けられる。mani−触媒コンバーターは、一部分又は全体的に、エンジンヘッド内に置かれる。一実施形態では、mani−触媒コンバーターは本発明の触媒基材を含み、この場合、上記基材は、約12lb/ftの密度を有し、約97%の多孔度を有し、低熱膨張を示し、高構造保全性を有し、そして低熱伝導度を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは、約600cpsiを有し且つ約6ミルの壁厚を有する。この実施形態におけるmani−触媒コンバーターは、ウォールフロー構成を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターは1つの溝を有する。好ましい実施形態では、mani−触媒コンバーターの触媒基材の溝は、コーム法を用いて作られる。さらにこの実施形態では、触媒基材は任意のウォッシュコートを含む。この実施形態では、mani−触媒コンバーターは、汚染物質の酸化及び還元の両方を触媒し得るし、例えばそれは、汚染物質を酸化し得る触媒を有し、且つ汚染物質を還元し得る触媒を有する。好ましい実施形態では、NO組合せ排気系は、膨張性マットを含む。mani−触媒コンバーターは、すべての内燃機関で用いられ得る。NO組合せ系は、好ましくは燃料添加触媒を伴わずに用いられる。一般にNO組合せ排気系は、マフラー近くに置かれる基材を有するが、しかし他の位置も考え得る。 In another embodiment, the present invention is directed to an exhaust system comprising the NO x adsorbing agent having a catalytic substrate comprising a nSiRF-C composite and a catalyst. The mani-catalytic converter is placed in part or entirely in the engine head. In one embodiment, the mani-catalytic converter comprises a catalytic substrate of the present invention, wherein the substrate has a density of about 12 lb / ft 3 , a porosity of about 97%, and a low thermal expansion And has high structural integrity and low thermal conductivity. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter has about 600 cpsi and has a wall thickness of about 6 mils. The mani-catalytic converter in this embodiment has a wall flow configuration. In a preferred embodiment, the mani-catalytic converter has one groove. In a preferred embodiment, the catalyst substrate groove of the mani-catalytic converter is made using a comb method. Further, in this embodiment, the catalyst substrate includes an optional washcoat. In this embodiment, the mani-catalytic converter can catalyze both the oxidation and reduction of pollutants, for example, it has a catalyst that can oxidize pollutants and has a catalyst that can reduce pollutants. In a preferred embodiment, NO x combined exhaust system includes an intumescent mats. The mani-catalytic converter can be used in all internal combustion engines. The NO x combination system is preferably used without a fuel addition catalyst. Generally NO x combined exhaust system has a substrate to be placed near the muffler, but possible also other locations.

車両
別の実施形態では、本発明は、改良型車両であって、上記改良が、本発明の触媒コンバーター又は粒子フィルターを含む車両に向けられる。改良型車両は、種々の実施態様において、本明細書中に記載される触媒コンバーター及び粒子フィルターの具体的実施形態のいずれかを含む。
Vehicle In another embodiment, the invention is an improved vehicle, wherein the improvement is directed to a vehicle comprising the catalytic converter or particle filter of the invention. The improved vehicle, in various embodiments, includes any of the specific embodiments of the catalytic converter and particle filter described herein.

改良型車両の好適な例としては、以下の1つ又は複数の企業製の車両を含む:Daimler−Chrysler;Chrysler;Dodge;Eagle;Jeep;Plymouth;General Motors;AM General(例えば、HUMMER等);Buick;Cadillac;Chevrolet;Geo;GMC;Hummer;LaSalle;Oldsmobile;Pontiac;Saturn;Ford;Continental;Lincoln;Mercury;Ace Motor Corp;American Motors;Avanti BMW;Daimler−Chrysler;Fiat;Ford;GAZ;General Motors;本田技研工業(Honda);三菱自動車(Mitsubishi);Renault;Peugeut;トヨタ自動車(Toyota);Volkswagen Group;及びYugo。   Suitable examples of improved vehicles include vehicles made by one or more of the following: Daimler-Chrysler; Chrysler; Dodge; Eagle; Jeep; Plymouth; General Motors; AM General (eg, HUMMER, etc.); Bilick; Cadillac; Chevrolet; Geo; GMC; Hummer; LaSalle; Oldsmobile; Pontiac; Saturn; Ford; Continental; ; Honda Motor Co., Ltd. (Honda); Mitsubishi car (Mitsubishi); Renault; Peugeut; Toyota (Toyota); Volkswagen Group; and Yugo.

滞留時間、又は焼失時間は、排気排気物からの炭化水素が排出フィルター内に留まって、燃焼又は酸化を完了する時間の量である。本発明の滞留時間は、従来の系より有意に良好である。図19は、それぞれ600ケルビン、900ケルビン、1,000ケルビン及び1,200ケルビンの温度で、煤を燃焼又は焼失するために要する滞留時間1902、1904、1906、1908のグラフを提示する。粒子がより多くの運動エネルギーを有するほど、反応が成功する見込みは高い。図19に示したように、0.9煤煙質量を有する煤を600度ケルビンで燃焼又は焼失するための滞留時間1902は、1200度ケルビンでの滞留時間1908よりはるかに長い。滞留時間が長いほど、許容可能な処理量容積は小さく、そしてより多くの粒子がフィルター上に蓄積し、フィルター孔を目詰まりさせる危険が大きくなる。目詰まりは、セラミック材料が融点にまで過熱し、それにより孔を遮断するか又は目詰まりさせた結果でもあり得る。滞留時間値1902、1904、1906は、コージライト試料を示す。滞留時間1902、1904、1906は、燃焼を完了するために約2分〜約20分の範囲にわたる。滞留時間1908は、本発明の一実施形態を表わし、燃焼を完了するために約0.75秒を要するだけである。   Residence time or burn-out time is the amount of time that hydrocarbons from the exhaust exhaust stay in the exhaust filter and complete combustion or oxidation. The residence time of the present invention is significantly better than conventional systems. FIG. 19 presents graphs of residence times 1902, 1904, 1906, 1908 required to burn or burn soot at temperatures of 600 Kelvin, 900 Kelvin, 1,000 Kelvin and 1,200 Kelvin, respectively. The more particles have kinetic energy, the more likely the reaction will be successful. As shown in FIG. 19, the residence time 1902 for burning or burning out 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 acceptable throughput volume, and the greater the risk that more particles will accumulate on the filter and clog the filter pores. Clogging can also be the result of the ceramic material overheating to the melting point, thereby blocking or clogging the pores. Residence time values 1902, 1904, 1906 indicate cordierite samples. Residence times 1902, 1904, 1906 range from about 2 minutes to about 20 minutes to complete the combustion. Residence time 1908 represents one embodiment of the present invention and only takes about 0.75 seconds to complete combustion.

基材
本明細書中に記載したように、基材1〜7を調製した。AETB−12はCOI Ceramics Inc.から購入し、12lbs/ftの密度を有する選択nSiRF−C材料として用いた。基材/フィルターを、本特許に記載した標準カーバイドドリルビット先細機械加工法を用いて、8×8×4の寸法のAETB−12ビレットから機械加工した。以下の寸法を有する円筒形状に基材を機械加工した:半径2インチ、縦方向長1インチ。
Substrates Substrates 1-7 were prepared as described herein. AETB-12 is available from COI Ceramics Inc. And used as a selected nSiRF-C material having a density of 12 lbs / ft 3 . The substrate / filter was machined from an AETB-12 billet with dimensions of 8x8x4 using the standard carbide drill bit taper machining method described in this patent. The substrate was machined into a cylindrical shape with the following dimensions: radius 2 inches, longitudinal length 1 inch.

本明細書中に記載され、当該技術分野でも既知である標準CNC穿孔法を用いて、フロースルー、ウォールフロー及び混合型フロースルー/ウォールフロー溝を基材中に穿孔した。直径0.042インチのステンレススチールドリルビットを10,000RPMで用いて、溝を穿孔した。穿孔プロセス中、材料の高熱排出性及び伝導性のため、ドリルビットを損害し、最終的に融解する高温環境にドリルビットが曝される、ということが観察された。壁厚は測定しなかった。   Flow through, wall flow and mixed flow through / wall flow grooves were drilled into the substrate using standard CNC drilling methods described herein and also known in the art. The grooves were drilled using a stainless steel drill bit with a diameter of 0.042 inches at 10,000 RPM. It was observed that during the drilling process, the high heat dissipation and conductivity of the material exposes the drill bit to a high temperature environment that damages the drill bit and eventually melts. Wall thickness was not measured.

基材1及び2は、フロースルー構成を有した。基材3〜6は、ウォールフロー構成を有した。基材3は、フロースルーとして約25%、及びウォールフローとして約75%の溝を有した。基材4は、フロースルーとして約50%、及びウォールフローとして約50%の溝を有した。基材5及び6は、フロースルーとして約75%、及びウォールフローとして約25%の溝を有した。   Substrates 1 and 2 had a flow-through configuration. Substrates 3-6 had a wall flow configuration. Substrate 3 had about 25% grooves as flow through and about 75% as wall flow. The substrate 4 had about 50% grooves for flow through and about 50% for wall flow. Substrates 5 and 6 had about 75% grooves as flow through and about 25% as wall flow.

基材のいくつかをアルミナウォッシュコートでコーティングし、その後、5:1のPt:Rh比触媒コーティングを施した。具体的には、基材1、2及び7はいかなる化学物質でもコーティングしなかった。基材3、4、5及び6は、従来技術で既知の標準技法を利用して、均一ウォッシュコートを施した。各基材に適用したウォッシュコートの質量は、「ウォッシュコートの質量」という表題の欄に示されている。ウォッシュコートに続いて、5:1のPt/Rhを含む触媒混合物を、標準方法を用いて基材3、4、5及び6に適用した。各基材/フィルターに適用した触媒混合物の質量は、「触媒の質量(g/ft)」という表題の欄に示されている。ウォッシュコート及び貴金属触媒量を有する基材を、従来技術で既知の技法を用いて缶密封した。 Some of the substrates were coated with an alumina washcoat followed by a 5: 1 Pt: Rh ratio catalyst coating. Specifically, substrates 1, 2 and 7 were not coated with any chemical. Substrates 3, 4, 5 and 6 were applied with a uniform washcoat using standard techniques known in the prior art. The weight of the washcoat applied to each substrate is shown in the column titled “Washcoat Weight”. Following the washcoat, a catalyst mixture containing 5: 1 Pt / Rh was applied to substrates 3, 4, 5 and 6 using standard methods. The mass of the catalyst mixture applied to each substrate / filter is indicated in the column entitled “Mass of catalyst (g / ft 3 )”. A substrate having a washcoat and a noble metal catalyst amount was canned using techniques known in the art.

Figure 2007534483
Figure 2007534483

触媒及び濾過基材の調製
明記しない限り、実施例2に記載したものと全く同様に、基材/フィルターを調製した。
Preparation of catalyst and filter substrate A substrate / filter was prepared exactly as described in Example 2 unless otherwise stated.

実施例1における基材/フィルターとは顕著に異なり、最終奥行き3/4インチ×1インチスラグを、コームアセンブリをCNCから取り出し、逆(鏡像)コームアセンブリをCNCパンチ上に載せて、穴開けの突つき法と同じプロセスを用いた。この機械加工法の最終結果は、600cpsiで、6ミル壁及び1/2インチウォールフロー・重複である。図28に示したように、ウォールフロー構成での基材/フィルターの寸法は、直径1インチ×厚み1インチで、そのスラグの内側のパターンは0.8インチ×0.8インチ(平方インチ)であった。この基材を用いて、初期段階デルタP試験を首尾よく実行して、ウォールフロー構成により引き起こされる流れの閉塞によるNガス流中に認められる圧力低下を観察した。図29は、27℃、29℃及び400℃の温度に関するガス流量の一関数として、反応器−試験管流動測定系で測定された圧力の低下を示す。図30は、125SLPMの一定流量での温度の一関数として同一反応器中で測定された圧力の低下を示す。これらの初期結果は正であり、nSiRF−C基材/フィルターが高背圧をウォールフロー構成においては生じないことを示す。 Remarkably different from the substrate / filter in Example 1, the final depth 3/4 inch x 1 inch slag was removed from the CNC, the reverse (mirror image) comb assembly was placed on the CNC punch, The same process as the butt method was used. The end result of this machining method is 600 cpsi, 6 mil wall and 1/2 inch wall flow overlap. As shown in FIG. 28, the dimensions of the substrate / filter in the wall flow configuration are 1 inch diameter by 1 inch thick, and the pattern inside the slug is 0.8 inch by 0.8 inch (square inch). Met. Using this substrate, an early stage Delta P test was successfully performed to observe the pressure drop observed in the N 2 gas flow due to flow blockage caused by the wall flow configuration. FIG. 29 shows the pressure drop measured in the reactor-tube flow measurement system as a function of gas flow for temperatures of 27 ° C., 29 ° C. and 400 ° C. FIG. 30 shows the pressure drop measured in the same reactor as a function of temperature at a constant flow rate of 125 SLPM. These initial results are positive, indicating that the nSiRF-C substrate / filter does not produce high back pressure in the wall flow configuration.

触媒及び濾過基材の調製
明記しない限り、実施例12に記載したものと全く同様に、基材/フィルターを調製した。
Catalyst and Filtration Substrate Preparation A substrate / filter was prepared exactly as described in Example 12 unless otherwise noted.

実施例1における基材と顕著に異なり、それぞれ11、12及び16lbs/ftの密度を有するAETB−11、AETB−12及びAETB−16ビレット(COI Ceramics Inc.から購入)を用いて、3つの異なる基材を生成した。 Using AETB-11, AETB-12 and AETB-16 billets (purchased from COI Ceramics Inc.) significantly different from the substrate in Example 1 and having densities of 11, 12, and 16 lbs / ft 3 respectively Different substrates were produced.

最終奥行き3/4インチ×1インチスラグであるAETB−11から作製した基材/フィルターに関して、コームアセンブリをCNCから取り出し、逆(鏡像)コームアセンブリをCNCパンチ上に載せて、穴開けの突つき法と同じプロセスを用いた。この機械加工法の最終結果は、600cpsiで、6ミル壁及び1/2インチウォールフロー・重複である。最終奥行き7/8インチ×1インチスラグであるAETB−12及びAETB−16から作製した基材/フィルターに関しては、コームアセンブリをCNCから取り出し、逆(鏡像)コームアセンブリをCNCパンチ上に載せて、穴開けの突つき法と同じプロセスを用いた。この機械加工法の最終結果は、600cpsiで、6ミル壁及び3/4インチウォールフロー・重複である。   For substrates / filters made from AETB-11 with a final depth of 3/4 inch x 1 inch slag, the comb assembly is removed from the CNC and the reverse (mirror image) comb assembly is placed on the CNC punch to pierce the hole The same process as the law was used. The end result of this machining method is 600 cpsi, 6 mil wall and 1/2 inch wall flow overlap. For substrates / filters made from AETB-12 and AETB-16 with a final depth of 7/8 inch x 1 inch slag, the comb assembly is removed from the CNC and the reverse (mirror image) comb assembly is placed on the CNC punch, The same process as the piercing method of drilling was used. The end result of this machining method is 600 cpsi, 6 mil wall and 3/4 inch wall flow overlap.

この段階で試験したすべての基材/フィルターの寸法は、直径1インチ×厚み1インチであった。基材を別の初期段階デルタP試験に曝露して、時間当たりの速度を空間の一関数として、基材材料密度及びウォールフロー構成に関して観察される圧力低下を観察した。この特定の試験を、932°Fの温度で実行した。試験結果を図31にまとめる。われわれのAETB−11、AETB−12及びAETB−16基材フィルターに関して観察されたデータのほかに、Corningにより報告された彼等の400/6.6フロースルー・コージライト基材/フィルター及び200/12コージライトDPT(ウォールフロー構成)に関する結果も示す。Corningのデータは、Corning Technical Reportsにより得た。ウォールフロー構成のCorningDPTはコージライトフロースルーフィルターと比較して過剰背圧を生じるが、われわれのnSiRF−Cフィルターは、それらをウォールフロー構成で用いた場合でさえ、コージライトフロースルー基材と等価の背圧を生じる、ということをわれわれの結果は示す。図31で観察されるように、背圧はウォールフローDPTにおける大きな問題であったため、本特許で発明されたようなnSiRF−C材料から作られるウォールフローDPTの使用は、優れた代替物をもたらす、と推測される。さらに、AETB−11基材/フィルター対AETB−12及びAETB−16基材/フィルターで観察された背圧の比較は、「重複」溝長の増大がより良好な背圧性能をもたらすと推測される、ということも観察された。   All substrate / filter dimensions tested at this stage were 1 inch diameter by 1 inch thick. The substrate was exposed to another early stage Delta P test to observe the pressure drop observed for substrate material density and wall flow configuration as a function of time per hour as a function of space. This particular test was performed at a temperature of 932 ° F. The test results are summarized in FIG. In addition to the data observed for our AETB-11, AETB-12 and AETB-16 substrate filters, their 400 / 6.6 flow-through cordierite substrate / filter and 200 / reported by Corning The results for 12 cordierite DPT (wall flow configuration) are also shown. Corning data was obtained from Corning Technical Reports. While Corning DPT in the wall flow configuration produces excessive back pressure compared to cordierite flow-through filters, our nSiRF-C filters are equivalent to cordierite flow-through substrates even when they are used in wall flow configurations Our results show that this creates a back pressure of. As observed in FIG. 31, the use of wall flow DPT made from nSiRF-C material as invented in this patent provides a good alternative because back pressure was a major problem in wall flow DPT. , Is estimated. Furthermore, the comparison of back pressure observed with the AETB-11 substrate / filter vs. AETB-12 and AETB-16 substrate / filter, it is speculated that an increase in “overlapping” groove length results in better back pressure performance. It was also observed.

図32は、1,100°Fの作動温度で実施した同一試験であり、結果における傾向はほとんど同じである。   FIG. 32 is the same test performed at an operating temperature of 1,100 ° F., and the trend in results is almost the same.

触媒及び濾過基材の調製
明記しない限り、実施例2に記載したものと全く同様に、基材/フィルターを調製した。
Preparation of catalyst and filter substrate A substrate / filter was prepared exactly as described in Example 2 unless otherwise stated.

AETB−12をCOI Ceramics Inc.から購入し、12lbs/ftの密度を有する選択nSiRF−C材料として用いた。レーザーベースの溝穿孔技法を試験して、3,000cpsi及び30,000cpsiで穴を作製した。本明細書中に記載され、そして関連従来技術でもどこかに記載されたようなDPSSレーザー系を用いて、穴を穿孔した。パルス高エネルギーレーザー系を用いて作製した穴は正方形の形状で、特定構成のため、高前表面積を示した。高前表面積(溝の壁厚に関する大きな数値により生じた)の存在は、実施例3に記載したのと同一の試験流動反応器を用いて実行したデルタP試験で明らかであった。レーザーベースの穿孔技法を用いて首尾よく作製された初期段階原型に関して、デルタ背圧は10インチ未満という値の水がもたらされなければならない、ということが観察された。適用の必要性により指示されるように、セル密度を低減(又は増大)し、壁厚を変更するために、さらなる修正を成すことができる。 AETB-12 was purchased from COI Ceramics Inc. and used as a selected nSiRF-C material having a density of 12 lbs / ft 3 . Laser-based groove drilling techniques were tested and holes were made at 3,000 cpsi and 30,000 cpsi. The holes were drilled using a DPSS laser system as described herein and as described elsewhere in the related prior art. The holes made using a pulsed high energy laser system were square in shape and showed a high front surface area due to the specific configuration. The presence of a high front surface area (caused by large values for groove wall thickness) was evident in the Delta P test performed using the same test flow reactor described in Example 3. It was observed that for early stage prototypes successfully created using laser-based drilling techniques, the delta back pressure should result in a water value of less than 10 inches. Further modifications can be made to reduce (or increase) cell density and change wall thickness, as dictated by application needs.

図33は、27℃及び400℃で30,000cpsiのセル密度を有するAETB−12基材/フィルターに関するNガス流量の一関数としての圧力の変化を示す。図34は、30,000cpsiのセル密度を有するAETB−12基材/フィルターに関する種々のNガス流量に関する作動温度の一関数としての圧力の変化を示す。 FIG. 33 shows the change in pressure as a function of N 2 gas flow for an AETB-12 substrate / filter having a cell density of 30,000 cpsi 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 AETB-12 substrates / filters with a cell density of 30,000 cpsi.

図35は、29℃及び400℃で30,000cpsiのセル密度を有するAETB−12基材/フィルターに関するNガス流量の一関数としての圧力の変化を示す。 FIG. 35 shows the change in pressure as a function of N 2 gas flow for an AETB-12 substrate / filter having a cell density of 30,000 cpsi at 29 ° C. and 400 ° C.

ディーゼル粒子フィルター
AETB処方物を用いて基材を作製し、約8ポンド/立方フィートの密度を有する約13インチ×約13インチ×約5インチの寸法を有するビレットに形成する。ビレットから、高さ5インチの円筒形スラグ(直径6インチ)を先端にダイヤモンドを付けた鋸を用いて、ビレットから切断する。この基材をさらに、回転旋盤上で正確な許容誤差(.001インチ以内)に機械加工する。
A diesel particulate filter AETB formulation is used to make a substrate and formed into billets having dimensions of about 13 inches x about 13 inches x about 5 inches with a density of about 8 pounds / cubic foot. A 5 inch tall cylindrical slug (6 inches in diameter) is cut from the billet using a saw with a diamond at the tip. This substrate is further machined to accurate tolerances (within 0.001 inches) on a rotating lathe.

次に基材中に複数の溝を形成して、600個/立方インチの溝を含有し、ウォールフロー構成を有する基材を形成する。本明細書中に記載した複合穿孔及びコーム技法を用いて、溝を形成する。溝は、約6ミル×6ミルの寸法を有する正方形である。隣接溝の隣接壁は、実質的に互いに平行である。溝は基材の全長を通って延びるわけではなく、長さは約4.9インチである。   Next, a plurality of grooves are formed in the substrate to form a substrate containing 600 / cubic inch grooves and having a wall flow configuration. Grooves are formed using the composite drilling and combing techniques described herein. The grooves are square with dimensions of about 6 mils × 6 mils. Adjacent walls of adjacent grooves are substantially parallel to each other. The grooves do not extend through the entire length of the substrate and are approximately 4.9 inches long.

総表面積の測定
第一及び第二コージライト試料は、それぞれ33.2及び46.97平方インチ/立方インチの総表面積を有する。したがって第一コージライト試料の1立方インチ中には、貴金属負荷を置くための33.20平方インチの表面が存在する。本発明の基材の一試料は、83.58平方インチ/立方インチの総表面積を有する。
Measurement of Total Surface Area The first and second cordierite samples have a total surface area of 33.2 and 46.97 square inches / cubic inch, respectively. Thus, within 1 cubic inch of the first cordierite sample, there is a 33.20 square inch surface for placing a precious metal load. One sample of the substrate of the present invention has a total surface area of 83.58 square inches / cubic inch.

第一及び第二コージライト試料に関する総壁容積は、ともに0.311in/in(立方インチ/立方インチ)である。本発明の基材の総壁容積は、0.272立方インチ/立方インチである。この値は第一及び第二コージライト試料より低いが、しかし本発明は、非常に高い多孔性及び浸透度を有するので、より小さい総壁容積をさらに効率的にする。 The total wall volume for the first and second cordierite samples is both 0.311 in 3 / in 3 (cubic inch / cubic inch). The total wall volume of the substrate of the present invention is 0.272 cubic inches / cubic inch. This value is lower than the first and second cordierite samples, but the present invention has a much higher porosity and permeability, making the smaller total wall volume more efficient.

活性試験
活性試験は、フィルターを出入りする汚染物質の量を測定する。一活性試験では、試料フィルターを反応器に入れて、既知の流量及び温度のガスをポンプで材料に送り込む。次いで、活性試験は、フィルターを出る汚染物質の量を測定する。図24を参照して、本発明の例示的基材2410及びコージライトの一試料2420の活性試験を示す。試験は、濃度500ppm及び空間速度40,000/時でのトルエンの活性を測定した。2つの試料のセル密度は、ともに400cpsiであった。
Activity test The activity test measures the amount of contaminants entering and exiting the filter. In one activity test, a sample filter is placed in the reactor and a gas of known flow rate and temperature is pumped through the material. The activity test then measures the amount of contaminant that exits the filter. Referring to FIG. 24, an activity test of an exemplary substrate 2410 and cordierite sample 2420 of the present invention is shown. The test measured the activity of toluene at a concentration of 500 ppm and a space velocity of 40,000 / hour. The cell density of the two samples was both 400 cpsi.

本発明の基材2410は、コージライト試料2420より速い点火時間(有意に低い温度で)を有する、ということを試験は例証する。基材2410は、約3〜4秒で、約335°Fの温度で、85%破壊を達成した。コージライト2420は、約380°Fで85%破壊を達成した。基材2410は、約4〜5秒で、約360°Fで、90%破壊を達成した。コージライト2420は、約8秒で、約450°Fで90%破壊を達成した。基材2410は、約5秒で、約425°Fで、ほぼ100%破壊を達成した。コージライト2420は、約28秒で、約800°Fでほぼ100%破壊を達成すると予想される。   The test illustrates that the substrate 2410 of the present invention has a faster ignition time (at a significantly lower temperature) than the cordierite sample 2420. The substrate 2410 achieved 85% failure at a temperature of about 335 ° F. in about 3-4 seconds. Cordierite 2420 achieved 85% failure at about 380 ° F. Substrate 2410 achieved 90% failure at about 360 ° F. in about 4-5 seconds. Cordierite 2420 achieved 90% failure at about 450 ° F. in about 8 seconds. Substrate 2410 achieved nearly 100% failure at about 425 ° F. in about 5 seconds. Cordierite 2420 is expected to achieve nearly 100% failure at about 800 ° F. in about 28 seconds.

触媒基材の浸透度
本発明の実施例2の例示的実施形態の浸透度は、約1,093cd(センチダルシー)である。他の試験値は、試験設備により測定された最大数を上回った。従来の系との比較に際して、コージライトの試料は、約268cdの浸透度を有する。
The Permeability of the Catalyst Substrate The permeability of the exemplary embodiment of Example 2 of the present invention is about 1,093 cd (centipalcy). Other test values exceeded the maximum number measured by the test facility. In comparison with conventional systems, the cordierite sample has a permeability of about 268 cd.

実施例2の触媒コンバーターの試験
活性試験と同様に、EPAは、車の後部排気管にフィルターを実際に固定し、特定条件下で車を運転する連邦試験手法(「FTP」)75として既知の試験を利用する。EPAは、車両の排気物証明のためにこの試験を用いる。FTP75は、3段階で車両の状態を試験する。第一段階は、クランク及び非アイドリング保持、ならびに505秒間運転を含む。この段階は、エンジン及び排出制御系が周囲温度で作動するが、移動の途中まで、最適レベルで遂行しない(即ち触媒は冷たく、エンジンからの排気物を効率的に制御するのに必要な「点火」温度に達していない)、移動の開始時に経験される状態を反映している。第二段階は、非アイドリング保持で864秒間の運転、一時停止、ならびに5秒間の臨時サンプリングを含む。この段階は、車両が、すべての系が安定操作温度を獲得するのに十分長い連続操作稼動中である場合のエンジンの状態を反映する。次に車両は、540秒〜660秒間の浸漬時間を有する。この浸漬時間は、停止され、周囲条件に冷却されなかったエンジンの状態を反映する。第三段階は、クランク及び非アイドリング保持及び505秒間運転である。これらの環境下で、エンジン及び触媒が温められ、始動時のピーク操作効率ではないが、低温始動方式に比して、依然として十分に改良された排出性能を有する。
Example 2 Catalytic Converter Test Similar to the activity test, EPA is known as the Federal Test Procedure (“FTP”) 75 which actually secures the filter in the rear exhaust of the car and drives the car under certain conditions. Take advantage of the test. EPA uses this test for vehicle emissions certification. The FTP 75 tests the state of the vehicle in three stages. The first stage includes crank and non-idling hold and operation for 505 seconds. This stage operates at ambient temperature, but the engine and emission control system does not perform at an optimal level until the middle of the move (ie, the catalyst is cold and the “ignition” required to efficiently control the exhaust from the engine. "The temperature has not been reached), reflecting the condition experienced at the beginning of the move. The second phase includes 864 seconds of operation with no idling, pause, and 5 seconds of temporary sampling. This stage reflects the state of the engine when the vehicle is in continuous operation running long enough for all systems to achieve a stable operating temperature. The vehicle then has an immersion time of 540 seconds to 660 seconds. This immersion time reflects the condition of the engine that was stopped and not cooled to ambient conditions. The third stage is crank and non-idling hold and operation for 505 seconds. Under these circumstances, the engine and catalyst are warmed and not at peak operating efficiency at start-up, but still have sufficiently improved emissions performance compared to the cold start mode.

触媒基材の熱試験
本発明の例示的実施形態の熱伝導度は、約0.0604W/m−K(厚み(メートル)及びケルビン変化当たりのエネルギーのワット数)である。比較として、コージライトの試料は、約1.3〜1.8W/m−Kである。これらの結果は、1,000ワットの熱エネルギーが所定容積のコージライト材料から失われる場合、本発明からの同一容積の材料から失われるのは33ワットに過ぎない、ということを示す。したがって本発明の材料は、コージライトより30倍大きい熱伝導度を有する。
Thermal Testing of Catalyst Substrate The thermal conductivity of an exemplary embodiment of the present invention is about 0.0604 W / m-K (thickness (meter) and wattage of energy per Kelvin change). For comparison, cordierite samples are about 1.3-1.8 W / m-K. These results show that if 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 from the present invention. Therefore, the material of the present invention has a thermal conductivity 30 times greater than cordierite.

本発明の例示的実施形態の比熱は、約640J/kg−K(ジュール/キログラム−ケルビン)である。コージライトの試料は約750J/kg−Kである。コージライトがより大きな比熱を有するとしても、コージライトフィルターは加熱するためにより大きな質量を有する。結果は、コージライトを低効率にする作動温度を達成するためには、より多くの熱エネルギーが必要である、ということである。   The specific heat of an exemplary embodiment of the present invention is about 640 J / kg-K (joules / kilogram-kelvin). The cordierite sample is about 750 J / kg-K. Even though cordierite has a higher specific heat, the cordierite filter has a larger mass to heat. The result is that more thermal energy is needed to achieve operating temperatures that make cordierite less efficient.

多くの使用温度限界は、物質がいかなる分解も伴わずに、何回も使用され得る最大温度である。基材が微小破断又は破砕を伴わずに作動し続け得る温度が高いほど、経時的に破壊したり分割する機会は低い。これはしたがって、基材は広範な温度範囲に亘ってより大きな耐久性を有する、ということを意味する。高温限界が好ましい。   Many service temperature limits are the maximum temperatures at which a material can be used many times without any decomposition. The higher the temperature at which the substrate can continue to operate without microfracture or fracture, the lower the chance of breaking or splitting over time. This therefore means that the substrate has greater durability over a wide temperature range. High temperature limits are preferred.

本発明の例示的実施形態の多くの使用温度限界は、2,980℃である。コージライトの試料は約1,400℃である。したがって本発明の材料は、壊れる前に、コージライトの2倍より高い温度に耐え得る。これは、より広範囲の排気環境で材料を機能させる。   Many service temperature limits of exemplary embodiments of the present invention are 2,980 ° C. The cordierite sample is at about 1400 ° C. Thus, the material of the present invention can withstand more than twice the temperature of cordierite before breaking. This allows the material to function in a wider range of exhaust environments.

熱膨張係数は、所定の温度上昇(通常はゼロ対1℃)につき、本体の長さ(線形係数)、面積(平方)又は容積のそれぞれの元の長さ、面積又は容積に対して増大比である。これら3つの係数は、およそ1:2:3の比である。特定的に表現されない場合、立方体係数が通常は意図される。加熱された時に膨張する基材が少ないほど、漏出、破断、又はフィルター・アセンブリに損傷の機会が少ない。加熱又は冷却された場合でも基材がその寸法を保持することを保証するためには、より低い熱膨張が好ましい。   The coefficient of thermal expansion is the ratio of increase over the original length, area or volume of the body length (linear coefficient), area (square) or volume for a given temperature rise (usually zero to 1 ° C.) It is. These three factors are in a ratio of approximately 1: 2: 3. If not specifically expressed, cubic coefficients are usually intended. The fewer substrates that expand when heated, the less chance of leakage, breakage, or damage to the filter assembly. A lower thermal expansion is preferred to ensure that the substrate retains its dimensions even when heated or cooled.

本発明の例示的実施形態に関する熱膨張係数は、約2.65×10−6W/m−K(ワット/メーターケルビン)である。コージライトの試料は、約2.5×10−6W/m−K〜3.0×10−6W/m−Kである。本発明の材料の熱膨張は、コージライトの10倍未満である。 The coefficient of thermal expansion for an exemplary embodiment of the present invention is about 2.65 × 10 −6 W / m-K (watts / meter Kelvin). Samples of cordierite is about 2.5 × 10 -6 W / m- K~3.0 × 10 -6 W / m-K. The thermal expansion of the material of the present invention is less than 10 times that of cordierite.

基材の熱膨張係数は、好ましくは、一実施形態では、ウォッシュコートの熱膨張係数に匹敵する。熱膨張係数が類似しない場合、ウォッシュコートは破砕し、離層し、「薄片」になり、又は基材から剥がれ落ちるようになり、貴金属が吹き飛ぶ(blown away)か孔空間をふさぐことになる。これは、最終的には背圧増大、過熱及び系故障をもたらす。   The coefficient of thermal expansion of the substrate is preferably comparable to that of the washcoat in one embodiment. If the coefficients of thermal expansion are not similar, the washcoat breaks, delaminates, becomes “flakes”, or begins to flake off the substrate and blows away precious metal or fills the pore space. This ultimately results in increased back pressure, overheating and system failure.

構造保全性
AETB−12の引張り弾性率は、約2.21MPa(メガパスカル圧、これは1大気圧の約100,000倍に等しい)である。コージライトの試料は、約25.0MPaである。コージライトは約10倍強いが、しかし本発明の材料は、破裂前に、200,000大気圧に耐え得る。この値は、本明細書中に記載された使用のためには十分である。
Structural integrity The tensile modulus of AETB-12 is about 2.21 MPa (megapascal pressure, which is equal to about 100,000 times one atmospheric pressure). The cordierite sample is about 25.0 MPa. Cordierite is about 10 times stronger, but the material of the present invention can withstand 200,000 atmospheric pressure prior to rupture. This value is sufficient for the uses described herein.

音響試験
音響減衰は、厚み減少、薄さ、痩削;密度減少;力又は強度の減少;或いは弱化と定義され得る。本発明の一実施形態では、音響減衰は、エンジン排気中の音響エネルギーを減衰するか又は消す基材の能力である。本発明の基材は、本明細書中に開示されるようなエンジンのマフラーアセンブリを取り替えるか又は補足し、したがって排気騒音及び排気系コストを低減し得る。より高い音響減衰が好ましい。
Acoustic testing Acoustic attenuation can be defined as thickness reduction, thinning, grinding; density reduction; force or strength reduction; or weakening. In one embodiment of the present invention, acoustic attenuation is the ability of the substrate to attenuate or extinguish acoustic energy in the engine exhaust. The substrate of the present invention can replace or supplement an engine's muffler assembly as disclosed herein, thus reducing exhaust noise and exhaust system costs. Higher sound attenuation is preferred.

現在、任意の構成で本発明に適用され得る公認実験室試験が存在しない。米国材料試験協会(「ASTM」)公認試験が、防音室のような大空間に適用されるが、一材料には適用されない。しかしながら音量計を用いた簡単な試験で、本発明の基材が排気系中に存在する場合、自動車からの騒音は少なくとも25デシベルで、従来の消音車両より低いことが判明した。参照のため、110デシベルは、人の耳に恒久的損害を引き起こすレベルであり、そして60デシベルは窓を閉めてアイドリング中の高級車における騒音量である。   Currently, there are no official laboratory tests that can be applied to the present invention in any configuration. The American Society for Testing and Materials (“ASTM”) official test applies to large spaces such as soundproof rooms, but not to one material. However, a simple test using a volume meter has revealed that when the substrate of the present invention is present in an exhaust system, the noise from the automobile is at least 25 decibels, which is lower than that of a conventional silencing vehicle. For reference, 110 dB is a level that causes permanent damage to the human ear, and 60 dB is the amount of noise in a luxury car that is idling with the window closed.

従来技術の基材との比較
適切なnSiRF−C(AETB−12)の試料を、コージライト及びSiCと比較して、多くの属性を測定した。
Comparison with prior art substrates A sample of the appropriate nSiRF-C (AETB-12) was compared to cordierite and SiC to determine a number of attributes.

Figure 2007534483
Figure 2007534483

一実施形態では、本発明の基材は、6ミル壁で、600cpsiを有する。本発明の試料基材のセル密度を、コージライトの2つの試料と比較する。比較に際して、第一及び第二コージライト試料は、それぞれ17ミル壁厚で100cpsi及び12ミル壁厚で200cpsiである。比較に際して、本発明の基材は、この実施形態では、600cpsiで、6ミル壁を有する。   In one embodiment, the substrate of the present invention is 6 mil walls and has 600 cpsi. The cell density of the sample substrate of the present invention is compared with two samples of cordierite. For comparison, the first and second cordierite samples are 100 cpsi at 17 mil wall thickness and 200 cpsi at 12 mil wall thickness, respectively. For comparison, the substrate of the present invention, in this embodiment, is 600 cpsi and has 6 mil walls.

この例示的実施形態では、基材は、フィルター全面に0.06インチ間隔で溝直径0.04インチで穿孔される。これらの溝は、従来のコージライト溝より小さい。結果として、基材材料の大きな孔空間中に存在する表面積を考慮に入れなくても、コージライトと比較して、非常に大きく増大された表面積を生じる。溝は、好ましくは「盲」溝である。排気排気物は、触媒との反応を伴わずに溝中を及び溝から流動するというよりむしろ、溝壁を通って押し流される。   In this exemplary embodiment, the substrate is perforated with a groove diameter of 0.04 inches at 0.06 inch intervals across the filter. These grooves are smaller than conventional cordierite grooves. As a result, a much larger and increased surface area is produced compared to cordierite without taking into account the surface area present in the large pore space of the substrate material. The groove is preferably a “blind” groove. Rather than flowing through and out of the groove without reaction with the catalyst, the exhaust exhaust is swept through the groove wall.

均一性を保持するためにコンピューター制御されるCNCドリルを用いて、溝が穿孔される。穿孔プロセスは、OSHA危険物質であり、ドリルのベアリングに付着してそれを壊す恐れがある塵埃が浮遊されるのを防ぐために、一定水シャワー下で実施される。   Grooves are drilled using a computer controlled CNC drill to maintain uniformity. The drilling process is performed under a constant water shower to prevent the floating of dust that is an OSHA hazardous material and can adhere to and destroy the drill's bearings.

穿孔基材は、孔空間中に残留し得る任意の水又はその他の液体を追い出すか又は焼き尽くすために炉乾燥された後、任意の触媒を適用される。焼き時間は調節可能ではなく、水の蒸発は、基材を単に計量することにより確定され得る。焼き時間は、主に脱水プロセスを加速する。異なる間隔で数回フィルター素子を加熱後、重量は一様に下がり、基材は任意の触媒又はコーティングの適用が容易になる。   After the perforated substrate is oven dried to drive out or burn off any water or other liquid that may remain in the pore space, any catalyst is applied. The baking time is not adjustable and water evaporation can be determined by simply metering the substrate. The baking time mainly accelerates the dehydration process. After heating the filter element several times at different intervals, the weight decreases uniformly and the substrate is easy to apply any catalyst or coating.

用語解説
「基材」という用語は、本明細書中で用いる場合、汚染物質が非汚染物質に転化され得る固体表面を指す。基材は、フィルター素子、触媒基材又は濾過基材を含むと理解される。
Glossary The term “substrate” as used herein refers to a solid surface on which contaminants can be converted to non-contaminant. Substrate is understood to include filter elements, catalyst substrates or filtration substrates.

「高級耐火性繊維」という用語は、本明細書中で用いる場合、を指す。   The term “high grade refractory fiber” as used herein refers to.

「焼結された」という用語は、本明細書中で用いる場合、融解を伴わずに加熱された物質を指す。   The term “sintered” as used herein refers to a material that has been heated without melting.

「不織」という用語は、本明細書中で用いる場合、繊維の交錯又は織合わせパターンが存在しないことを意味する。   The term “nonwoven” as used herein means that there is no interlacing or interwoven pattern of fibers.

「ビレット」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材材料の非造形又は非機械加工ブロックを指す。   The term “billette” as used herein refers to an unshaped or non-machined block of substrate material.

「未焼結ビレット」という用語は、本明細書中で用いる場合、硬化されていないビレットを指す。   The term “green billet” as used herein refers to an uncured billet.

「前表面」という用語は、本明細書中で用いる場合、流体が基材に進入する表面を指す。或る実施形態では、溝は前表面に開口を有し、そして溝は、前表面と垂直である。   The term “front surface” as used herein refers to the surface through which fluid enters the substrate. In some embodiments, the groove has an opening in the front surface and the groove is perpendicular to the front surface.

「後表面」という用語は、本明細書中で用いる場合、流体が基材から出る表面を指す。或る実施形態では、溝は後表面に開口を有し、そして溝は、後表面と垂直である。   The term “back surface” as used herein refers to the surface from which fluid exits the substrate. In some embodiments, the groove has an opening in the back surface and the groove is perpendicular to the back surface.

「ミル」という用語は、本明細書中で用いる場合、測定の単位を指し、1,000分の1インチと等しい。   The term “mil” as used herein refers to a unit of measurement and is equal to one thousandth of an inch.

「点火温度」という用語は、本明細書中で用いる場合、触媒コンバーター中の反応の転化率が50%である温度を指す。即ち点火温度は、1つ又は複数の汚染物質の、或いは総汚染物質の50%が非汚染物質に転化される温度である。   The term “ignition temperature” as used herein refers to the temperature at which the conversion of the reaction in the catalytic converter is 50%. That is, the ignition temperature is the temperature at which 50% of one or more pollutants or total pollutants are converted to non-pollutants.

「焼失する」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材により濾過される粒子状物質及びその他の物質を燃焼するプロセスを指す。例えば焼失は、ディーゼル粒子フィルター(DPF)中で起こり得る。   The term “burn out” as used herein refers to the process of burning particulate matter and other materials filtered by a substrate. For example, burnout can occur in a diesel particulate filter (DPF).

「溝」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材の少なくとも一部分を通って延び、明確な形状及び長さを有する基材中の三次元開口を指す。   The term “groove” as used herein refers to a three-dimensional opening in a substrate that extends through at least a portion of the substrate and has a well-defined shape and length.

「平方インチ当たりの溝」という用語は、本明細書中で用いる場合、基材の横断面の平方インチ中に存在する溝の数を指す。平方インチ当たりのセルという用語は同義語である。   The term “grooves per square inch” as used herein refers to the number of grooves present in a square inch of a substrate cross-section. The term cells per square inch is a synonym.

「溝形状」という用語は、本明細書中で用いる場合、溝の三次元形状を指す。   The term “groove shape” as used herein refers to the three-dimensional shape of the groove.

「PM」という用語は、本明細書中で用いる場合、粒子状物質を指す。PMの一般測定値は、PM−10及びPM−2.5を含む。   The term “PM” as used herein refers to particulate matter. General measurements of PM include PM-10 and PM-2.5.

「総表面積」という用語は、本明細書中で用いる場合、全表面積であり、貴金属が1立方インチ中で含浸され得る全表面積を表わす。   The term “total surface area”, as used herein, is the total surface area and represents the total surface area that a precious metal can be impregnated in 1 cubic inch.

「2−ウェイ触媒コンバーター」という用語は、本明細書中で用いる場合、気相汚染のHC及びCOをCO及びHOの酸化のみを行う触媒コンバーターを指す。 The term “2-way catalytic converter” as used herein refers to a catalytic converter that only oxidizes CO 2 and H 2 O to HC and CO in the gas phase contamination.

「3−ウェイ触媒コンバーター」という用語は、本明細書中で用いる場合、CO及びHCをCO及びHOに酸化し、そしてまたNOをNに還元する触媒コンバーターを指す。 The term “3-way catalytic converter” as used herein refers to a catalytic converter that oxidizes CO and HC to CO 2 and H 2 O and also reduces NO x to N 2 .

「4−ウェイ触媒コンバーター」という用語は、本明細書中で用いる場合、3−ウェイ触媒コンバーターに関して上記したように酸化及び還元を実施し、また、粒子をトラップして、それらを焼失させる(再生が能動的又は受動的様式で起こり得る)触媒コンバーターを指す。   The term “4-way catalytic converter” as used herein performs oxidation and reduction as described above for 3-way catalytic converters and also traps particles and burns them out (regeneration). Refers to a catalytic converter (which can occur in an active or passive manner).

「使用に適している」という用語は、本明細書中で用いる場合、特定の規制ガイドラインの要件を満たすことを指す。   The term “suitable for use” as used herein refers to meeting the requirements of certain regulatory guidelines.

「熱伝導度」という用語は、本明細書中で用いる場合、その反対面が単位温度勾配(例えば1単位の厚み全体で1度の温度差)を受けた時に、単位時間に所定の材料のプレートの単位面積を通過する熱の量を指す。   The term “thermal conductivity” as used herein refers to a given material per unit time when its opposite surface is subjected to a unit temperature gradient (eg, a temperature difference of 1 degree across a unit thickness). Refers to the amount of heat that passes through the unit area of the plate.

「マット」という用語は、本明細書中で用いる場合、一般的に、基材に対して断熱及び/又は保護を提供するために用いられる任意の材料を指す。マットは、時としては、詰め物とも呼ばれる。   The term “mat” as used herein generally refers to any material used to provide thermal insulation and / or protection to a substrate. The mat is sometimes called stuffing.

「ホウ素結合剤」という用語は、本明細書中で用いる場合、焼結プロセス後にnSiRF−C中に存在し、ホウ素結合作用物質に由来する作用物質を指す。   The term “boron binder” as used herein refers to an agent that is present in the nSiRF-C after the sintering process and is derived from the boron binding agent.

「突つく」という用語は、本明細書中で用いる場合、所望の長さの溝が得られるまで、基材材料に反復的に尖った先端を出し入れさせることにより基材に溝を形成するか又は再成形にするプロセスを指す。   The term “sticking” as used herein refers to whether a groove is formed in a substrate by causing the substrate material to repeatedly move the pointed tip in and out until a groove of the desired length is obtained. Or refers to the process of reshaping.

本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲又はその任意の実施形態に影響を及ぼさずに、広範な且つ等価の範囲の条件、処方、及びその他のパラメーター内で、同じことが実行可能であると、当業者は理解するであろう。本明細書中に引用した特許及び出版物はすべて、参照によりその全体が本明細書中に援用される。   Having described the invention in detail, the same can be done within a broad and equivalent range of conditions, formulations, and other parameters without affecting the scope of the invention or any embodiment thereof. Would be understood by those skilled in the art. All patents and publications cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.

ハニカム構造を組み入れている従来のコージライト基材の横断面図である。ハニカム構成302は、コージライトフィルター素子300内に形成される。ハニカム構造302は、押出しプロセスを用いて形成されるが、この場合、押出し作用に平行な主軸を有する長い溝(又は管)が作られる。これらの溝の開口部は、流入排気空気流に面している。排気物が溝に入ると、粒子は管の内部隔壁に沿って沈着するであろう。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 honeycomb structure 302 is formed using an extrusion process, in which case a long groove (or tube) with a major axis parallel to the extrusion action is created. The openings in these grooves face the incoming exhaust air flow. As the exhaust enters the groove, the particles will deposit along the internal partition of the tube. 顕微鏡写真を示す。A micrograph is shown. 顕微鏡写真を示す。図2bでは、球210はPM−10サイズの粒子を表わし、球225はPM−2.5サイズの粒子を表わす。A micrograph is shown. In FIG. 2b, sphere 210 represents PM-10 size particles and sphere 225 represents PM-2.5 size particles. PM10粒子を表わす球210を伴うコージライト205の顕微鏡写真であり、第二の球225はPM2.5粒子を表わす。FIG. 2 is a photomicrograph of cordierite 205 with a sphere 210 representing PM10 particles, with a second sphere 225 representing PM2.5 particles. 典型的触媒コンバーター模式図の縦方向横断面図である。触媒コンバーター400は、還元触媒402及び酸化触媒404を含む。排気流406が触媒コンバーター400に進入すると、それは濾過されて、還元触媒102に、次に酸化触媒404に曝露される。排気流406は次に酸化触媒404により処理され、これが非燃焼炭化水素及び一酸化炭素をさらに燃焼させる。1 is a longitudinal cross-sectional view of a typical catalytic converter schematic. The catalytic converter 400 includes a reduction catalyst 402 and an oxidation catalyst 404. As exhaust stream 406 enters catalytic converter 400, it is filtered and exposed to reduction catalyst 102 and then to oxidation catalyst 404. The exhaust stream 406 is then treated by an oxidation catalyst 404, which further burns non-burning hydrocarbons and carbon monoxide. 触媒コンバーターの模式図を示す。The schematic diagram of a catalytic converter is shown. 3つの異なる前表面形状を有する3つの基材の模式図の横断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a schematic diagram of three substrates having three different front surface shapes. 触媒基材又は濾過基材のフロースルー構成の一例の模式図である。基材は、溝壁620により形成される複数の溝610を有する。流体流630は前表面に侵入xし、溝610を通って移動して、後表面から出る。It is a schematic diagram of an example of the flow through structure of a catalyst base material or a filtration base material. The base material has a plurality of grooves 610 formed by the groove walls 620. The fluid stream 630 enters the front surface x, moves through the groove 610, and exits the rear surface. 触媒基材又は濾過基材のウォールスルー構成の一例の模式図である。ウォールフローパターンは、同一基材材料720及び溝710で構成されるが、但し、溝710は他方側面と完全に連結されるわけではない。その代わり、溝710は盲穴として形成されて、溝710の末端に基材720の非穿孔部分740を残す。次に流体流730は溝壁720を通過した後、基材の後表面から出る。本発明の特定の一利点は、ウォールフローパターン中の流体流730がフロースルーパターンと実質的に同一の特質を有することである。It is a schematic diagram of an example of the wall through structure of a catalyst base material or a filtration base material. The wall flow pattern is composed of the same base material 720 and grooves 710, provided that the grooves 710 are not completely connected to the other side. Instead, the groove 710 is formed as a blind hole, leaving a non-perforated portion 740 of the substrate 720 at the end of the groove 710. The fluid stream 730 then passes through the groove wall 720 and then exits the back surface 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 through pattern. 触媒基材又は濾過基材のウォールスルー構成の一例の模式図である。この場合、流体流830は基材の前表面に進入する。非穿孔部分845を通って流動することにより基材の後表面から出る流体もある。It is a schematic diagram of an example of the wall through structure of a catalyst base material or a filtration base material. In this case, the fluid stream 830 enters the front surface of the substrate. Some fluid exits the back surface of the substrate by flowing through the non-perforated portion 845. ウォールフロー溝を用いる基材900の実施形態の末端図である。交互の溝が、入り口又は出口に非穿孔部分920を有する。穿孔溝910は、反対側から穿孔される溝の非穿孔部分920と交互に並ぶ。その結果、基材は溝の「碁盤縞」パターンを有するように見える。FIG. 5 is an end view of an embodiment of a substrate 900 using wall flow grooves. The alternating grooves have non-perforated portions 920 at the entrance or exit. The perforated grooves 910 alternate with the non-perforated portions 920 of the grooves perforated from the opposite side. As a result, the substrate appears to have a “grid” pattern of grooves. 前表面積1020、1021、1022、1023の比較を示し、そしてセル数1010、1011、1012、1012が示されている。図10a及び図10cの比較では、各実施形態は同一のセル密度、即ち溝又はセルの数を有する。しかしながら図10cは、非常に大きな前表面積を有する。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図10a〜図10dに関して、図10bの実施形態は好ましい構造を有する;セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。A comparison of front surface areas 1020, 1021, 1022, 1023 is shown, and cell numbers 1010, 1011, 1012, 1012 are shown. In the comparison of FIGS. 10a and 10c, each embodiment has the same cell density, i.e. the number of grooves or cells. However, FIG. 10c has a very large front surface area. Ideally, the front surface area is minimized so that structural integrity still remains. 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. 前表面積1020、1021、1022、1023の比較を示し、そしてセル数1010、1011、1012、1012が示されている。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図10b及び図10dの実施形態間で、類似の比較がなされ得る。図10a〜図10dに関して、図10bの実施形態は好ましい構造を有する;セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。A comparison of front surface areas 1020, 1021, 1022, 1023 is shown, and cell numbers 1010, 1011, 1012, 1012 are shown. Ideally, the front surface area is minimized so that structural integrity still remains. Similar comparisons 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. 前表面積1020、1021、1022、1023の比較を示し、そしてセル数1010、1011、1012、1012が示されている。図10a及び図10cの比較では、各実施形態は同一のセル密度、即ち溝又はセルの数を有する。しかしながら図10cは、非常に大きな前表面積を有する。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図10a〜図10dに関して、図10bの実施形態は好ましい構造を有する;セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。A comparison of front surface areas 1020, 1021, 1022, 1023 is shown, and cell numbers 1010, 1011, 1012, 1012 are shown. In the comparison of FIGS. 10a and 10c, each embodiment has the same cell density, i.e. the number of grooves or cells. However, FIG. 10c has a very large front surface area. Ideally, the front surface area is minimized so that structural integrity still remains. 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. 前表面積1020、1021、1022、1023の比較を示し、そしてセル数1010、1011、1012、1012が示されている。理想的には前表面積は、構造一体性が依然として残存するよう、最小限にされる。図10b及び図10dの実施形態間で、類似の比較がなされ得る。図10a〜図10dに関して、図10bの実施形態は好ましい構造を有する;セル密度は最大にされ、前表面積は最小にされている。A comparison of front surface areas 1020, 1021, 1022, 1023 is shown, and cell numbers 1010, 1011, 1012, 1012 are shown. Ideally, the front surface area is minimized so that structural integrity still remains. Similar comparisons 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. 寸法測定するための正方形の溝の一実施形態を示す。この実施形態では、セル空隙1110対セル壁1120比は31.83:1.5又は約20:1である。Fig. 4 shows an embodiment of a square groove for dimensioning. In this embodiment, the ratio of cell void 1110 to cell wall 1120 is 31.83: 1.5 or about 20: 1. 寸法測定するために示された例示的セル空隙対セル壁比を有する基材1210の一実施形態を示す。基材1210は、長さ掛ける幅が4平方インチで、1と1/8インチ掛ける1と1/8インチの4つの正方形1220、1221、1222、1223を含む。4つの正方形1220、1221、1222、1223は各々、3,600の総基材セル密度のために900のセル密度を有するよう穿孔される。セル間の壁厚は、1.5ミルである。基材1210上の正方形1220、1221、1222、1223の各々の間の間隔は7/8インチで、正方形1220、1221、1222、1223は各々、基材1210の最も近い縁から約7/16インチである。12 illustrates one embodiment of a substrate 1210 having an exemplary cell void to cell wall ratio shown for sizing. The substrate 1210 includes four squares 1220, 1221, 1222, 1223 that are 4 square inches long and 1 and 1/8 inch wide by 1 and 1/8 inch. Each of the four squares 1220, 1221, 1222, 1223 is perforated to have a cell density of 900 for a total substrate cell density of 3,600. The wall thickness between the cells is 1.5 mil. The spacing between each of the squares 1220, 1221, 1222, 1223 on the substrate 1210 is 7/8 inch, and each of the squares 1220, 1221, 1222, 1223 is about 7/16 inch from the nearest edge of the substrate 1210. It is. 溝構造のいくつかの実施形態を示す。図13aは、六角形溝1310を示す。溝1310の壁1315が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。Fig. 4 shows some embodiments of a groove structure. FIG. 13 a shows a hexagonal groove 1310. All of these embodiments can implement the present invention because the walls 1315 of the grooves 1310 are substantially parallel to each other. 溝構造のいくつかの実施形態を示す。図13bは、三角形溝1320を示す。溝1320の壁1325が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。Fig. 4 shows some embodiments of a groove structure. FIG. 13 b shows a triangular groove 1320. All of these embodiments can implement the present invention because the walls 1325 of the grooves 1320 are substantially parallel to each other. 溝構造のいくつかの実施形態を示す。図13cは、正方形溝1330を示す。溝1320の壁1335が互いに実質的に平行であるため、これらの実施形態はすべて本発明を実行することができる。Fig. 4 shows some embodiments of a groove structure. FIG. 13 c shows a square groove 1330. All of these embodiments can implement the present invention because the walls 1335 of the grooves 1320 are substantially parallel to each other. 本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材1415、1416、1417、1418中の実質的に類似の寸法の長方形溝1410、1411、1412、1413を示す。図14c及び14dは、材料中に存在する繊維1420、1421を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。1 illustrates one embodiment of the present invention. The micrograph shows rectangular grooves 1410, 1411, 1412, 1413 of substantially similar dimensions in the substrates 1415, 1416, 1417, 1418. Figures 14c and 14d illustrate fibers 1420, 1421 present in the material. These fibers are porous, which is superior to the platelet-shaped cordierite in conventional systems. 本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材1415、1416、1417、1418中の実質的に類似の寸法の長方形溝1410、1411、1412、1413を示す。1 illustrates one embodiment of the present invention. The micrograph shows rectangular grooves 1410, 1411, 1412, 1413 of substantially similar dimensions in the substrates 1415, 1416, 1417, 1418. 本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材1415、1416、1417、1418中の実質的に類似の寸法の長方形溝1410、1411、1412、1413を示す。図14cは、材料中に存在する繊維1420を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。1 illustrates one embodiment of the present invention. The micrograph shows rectangular grooves 1410, 1411, 1412, 1413 of substantially similar dimensions in the substrates 1415, 1416, 1417, 1418. FIG. 14c illustrates fibers 1420 present in the material. These fibers are porous, which is superior to the platelet-shaped cordierite in conventional systems. 本発明の一実施形態を示す。顕微鏡図は、基材1415、1416、1417、1418中の実質的に類似の寸法の長方形溝1410、1411、1412、1413を示す。図14dは、材料中に存在する繊維1421を例示する。これらの繊維は多孔性を示し、これは、従来の系中の小板状のコージライトより優れている。1 illustrates one embodiment of the present invention. The micrograph shows rectangular grooves 1410, 1411, 1412, 1413 of substantially similar dimensions in the substrates 1415, 1416, 1417, 1418. FIG. 14d illustrates the fibers 1421 present in the material. These fibers are porous, which is superior to the platelet-shaped cordierite in conventional systems. 本発明の触媒基材又は濾過基材を調製する組合せ方法に用いられ得るコーム1500の二次元図である。2 is a two-dimensional view of a comb 1500 that can be used in a combined method of preparing the catalyst substrate or filtration substrate of the present invention. 本発明の或る実施形態に用いられ得るコーム1600(又はその部分)の種々の図を示す。図16は、コーム1600の例示的物理的寸法(インチで)も提示する。FIG. 9 shows various views of a comb 1600 (or portion thereof) that may be used with certain embodiments of the invention. FIG. 16 also presents exemplary physical dimensions (in inches) of the comb 1600. 本発明の実施形態のフィルター素子中に形成され得る表面積拡大、ならびに流入口及び流出口の模式図である。図17は、前表面の溝開口1702に進入する流体流1704を提供する。流体は1704の基材の後表面の右手側から出る。図17に示された基材は、ウォールフロー構成を有する基材を例示するが、この場合、溝が、溝開口から基材を通って溝末端に延びるにつれて、溝は次第にサイズを低減する。It is a schematic diagram of the surface area expansion which can be formed in the filter element of embodiment of this invention, and an inflow port and an outflow port. FIG. 17 provides a fluid flow 1704 that enters the groove opening 1702 on the front surface. The fluid exits from the right hand side of the back surface of the 1704 substrate. The substrate shown in FIG. 17 illustrates a substrate having a wall flow configuration, where the grooves gradually reduce in size as the grooves extend from the groove openings through the substrate to the groove ends. 本発明の一基材実施形態の縦方向図(写真)である。本発明のフィルター基材1800が示されている。基材1800は、外側壁1802上に硬質コーティング1804を有する。図18に示された試料に関して、硬質コーティングは、微粉砕コージライト及び無機繊維から成る。粉末もフィルター基礎1800上に塗られて、本明細書中に記載されるように硬化された。硬質コーティングは、寸法を変えることなく、フィルター基礎を保護し、断熱する。It is a longitudinal direction figure (photograph) of one base material embodiment of this invention. A filter substrate 1800 of the present invention is shown. The substrate 1800 has a hard coating 1804 on the outer wall 1802. For the sample shown in FIG. 18, the hard coating consists of finely ground cordierite and inorganic fibers. The powder was also applied on the filter base 1800 and cured as described herein. The hard coating protects and insulates the filter foundation without changing dimensions. 種々の温度で粒子状物質を焼くために必要とされる滞留時間を示すグラフである。このグラフは、種々の温度で粒子状物質(煤煙質量)を燃焼するか又は焼くために必要とされる滞留時間を提示する。図示されているように、600ケルビンで初期0.9煤煙質量を有する煤煙質量を燃焼するか又は焼くために必要とされる滞留時間は、1,200ケルビンでの滞留時間よりはるかに長い。Fig. 6 is a graph showing the residence time required to bake particulate matter at various temperatures. This graph presents the residence time required to burn or bake particulate matter (smoke mass) at various temperatures. As shown, the residence time required to burn or bake the soot mass with an initial 0.9 soot mass at 600 Kelvin is much longer than the residence time at 1200 Kelvin. 金網加熱素子2004と組合された基材2002を含めた排気基材系2000を提示する。基材2002及び金網加熱素子2004は、排気流に対して或る角度で排気ケーシング2006中に挿入される。金網加熱素子2004が当該角度の結果として基材2002の背後及び下に構成されるため、基材2002はより効率的に加熱され、熱が上昇する既知の原理を均一に利用し得る。上記のように、より均一且つ効率的加熱は、基材2002が粒子をより完全に燃焼させるか又は引火させて、より清浄な排気を生じる。An exhaust substrate system 2000 including a substrate 2002 combined with a wire mesh heating element 2004 is presented. The substrate 2002 and the wire mesh heating element 2004 are inserted into the exhaust casing 2006 at an angle with respect to the exhaust flow. Since the wire mesh heating element 2004 is configured behind and below the substrate 2002 as a result of this angle, the substrate 2002 can be heated more efficiently and the known principle of increasing heat can be uniformly utilized. As described above, more uniform and efficient heating causes the substrate 2002 to more completely burn or ignite the particles, resulting in cleaner exhaust. 図9と関連して記載され、考察されたフィルター素子2102及び金網加熱素子2104の前表面図である。図からわかるように、フィルター素子2102及び金網加熱素子2104は或る角度でケーシング中に適合するよう楕円形に造形される。ケーシングの形状、フィルター素子2102の形状、加熱素子2104の型、ならびに角度はすべて、意図された排気系用途の要件及び制限に合うよう修正され得る。FIG. 10 is a front view of filter element 2102 and wire mesh heating element 2104 described and discussed in connection with FIG. As can be seen, the filter element 2102 and the wire mesh heating element 2104 are shaped oval to fit within the casing at an angle. The casing shape, filter element 2102 shape, heating element 2104 type, and angle can all be modified to meet the requirements and limitations of the intended exhaust system application. 本発明の基材、特にAETBの顕微鏡写真である。It is the microscope picture of the base material of this invention, especially AETB. 本発明の基材、特にAETBの顕微鏡写真である。繊維2205が観察され得る。球2210はPM−10サイズの粒子を例示し、そして球2225はPM−2.5サイズの粒子を例示する。It is the microscope picture of the base material of this invention, especially AETB. Fiber 2205 can be observed. The sphere 2210 illustrates PM-10 size particles, and the sphere 2225 illustrates PM-2.5 size particles. 7つの試験材料について1時間あたり(hr−1)の気体空間速度の関数として、圧力低下(ΔP)を示すグラフである:Corning 200/12 DPT 932F(2340)のAETB−11:600cpsi、壁の厚さ0.1524mm(6mil)及び176.22kg/m(11lb/ft);1100F(2310)のAETB−11;600cpsi、壁の厚さ0.1524mm(6mil)及び176.22kg/m(11lb/ft);932F(2320)のAETB−11:600cpsi、壁の厚さ0.1524mm(6mil)及び176.22kg/m(11lb/ft)、662F(2330);1100F(2350)のコージライト;932F(2360)のコージライト;及び662F(2370)のコージライト。FIG. 7 is a graph showing pressure drop (ΔP) as a function of gas space velocity per hour (hr −1 ) for seven test materials: Corning 200/12 DPT 932F (2340) AETB-11: 600 cpsi, wall Thickness 0.1524 mm (6 mil) and 176.22 kg / m 3 (11 lb / ft 3 ); 1100 F (2310) AETB-11; 600 cpsi, wall thickness 0.1524 mm (6 mil) and 176.22 kg / m 3 (11 lb / ft 3 ); 932 F (2320) AETB-11: 600 cpsi, wall thickness 0.1524 mm (6 mil) and 176.22 kg / m 3 (11 lb / ft 3 ), 662 F (2330); 1100 F (2350) ) Cordierite; 932F (2360) cordierite; and And cordierite of 662F (2370). 破壊%対温度を示すグラフである。本発明の基材2410は、コージライト基材2420より大きいパーセンテージの低温での材料の破壊を示す。It is a graph which shows% destruction versus temperature. The substrate 2410 of the present invention exhibits a material breakdown at a lower temperature that is greater than the cordierite substrate 2420 percentage. 本発明の改良型触媒コンバーターの一実施形態の横断面図である。この実施形態では、触媒コンバーターは、耐熱性及び耐火性ケーシング2502を含む。ケーシング2502は、吸入口2504及び排気口2506を有する。改良型基材2510は、1つ又は複数の帯域2512、2514を有する。改良型基材2510は、マット/断熱材2515の1つ又は複数の層中に包まれるか又は取り囲まれる。マット層2515は、フィルター基礎2510に適用されて、エンジン及び自動車の環境振動衝撃から基礎2510を遮蔽し、ならびにフィルター基礎2510の内部熱温度から外部環境を断熱し得る。1 is a cross-sectional view of one embodiment of an improved catalytic converter of the present invention. In this embodiment, the catalytic converter includes a heat and fire resistant casing 2502. The casing 2502 has a suction port 2504 and an exhaust port 2506. The improved substrate 2510 has one or more zones 2512, 2514. The modified substrate 2510 is encased or surrounded in one or more layers of mat / insulation 2515. A mat layer 2515 can be applied to the filter foundation 2510 to shield the foundation 2510 from environmental vibration shocks of engines and automobiles and to insulate the external environment from the internal thermal temperature of the filter foundation 2510. 平行に整列された4つの基材2601a、2601b、2601c及び2601dを有する触媒コンバーター又は粒子フィルター2600の模式図である。フィルター又はコンバーターは、前開口2604及び後出口2605を有する。2 is a schematic diagram of a catalytic converter or particle filter 2600 having four substrates 2601a, 2601b, 2601c, and 2601d aligned in parallel. FIG. The filter or converter has a front opening 2604 and a rear outlet 2605. aは、積重ね膜構成基材2710を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター2700を示す。流入口2720及び流出口2730は、異なる高さで作製される。bは、積重ね膜形状構成2710を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター2700を示す。流入口2720及び流出口2730は、異なる高さで作製される。図27b及び27cは、代替的実施形態を示す。cは、積重ね膜形状構成2710を有する触媒コンバーター又は粒子フィルター2700を示す。流入口2720及び流出口2730は、異なる高さで作製される。図27b及び27cは、代替的実施形態を示す。a shows a catalytic converter or particle filter 2700 having a stacked membrane-constituting substrate 2710. Inlet 2720 and outlet 2730 are made at different heights. b shows a catalytic converter or particle filter 2700 having a stacked membrane configuration 2710. Inlet 2720 and outlet 2730 are made at different heights. Figures 27b and 27c show an alternative embodiment. c shows a catalytic converter or particle filter 2700 having a stacked membrane configuration 2710. Inlet 2720 and outlet 2730 are made at different heights. Figures 27b and 27c show an alternative embodiment.

Claims (47)

不織焼結耐火性繊維性セラミック複合材料、及び触媒を含む触媒基材又は濾過基材であって、任意にウォッシュコートをさらに含み、且つ、複数の溝をさらに含む触媒基材又は濾過基材。   Non-woven sintered refractory fibrous ceramic composite material and catalyst substrate or filtration substrate comprising a catalyst, optionally further comprising a washcoat and further comprising a plurality of grooves . 前記複合材料がアルミナ−ボリア−シリカ繊維を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 1, wherein the composite material comprises alumina-boria-silica fibers. 前記複合材料がアルミナ−ジルコニア繊維を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 1, wherein the composite material comprises alumina-zirconia fibers. 前記複合材料がアルミナ−ボリア−シリカ繊維及びアルミナ繊維を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 1, wherein the composite material comprises alumina-boria-silica fibers and alumina fibers. 前記複合材料が酸化アルミナ繊維を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to claim 1, wherein the composite material includes alumina oxide fibers. 前記複合材料が酸化シリカ繊維を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to claim 1, wherein the composite material includes oxidized silica fiber. 前記複合材料がアルミナボリアシリカ繊維、シリカ繊維及びアルミナ繊維を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst base according to claim 1, wherein the composite material includes alumina boria silica fiber, silica fiber, and alumina fiber. 前記複合材料が約50〜約90%のシリカ、約5〜約50%のアルミナ及び約10〜約25%のアルミノボロシリケートを含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 1, wherein the composite material comprises about 50 to about 90% silica, about 5 to about 50% alumina, and about 10 to about 25% aluminoborosilicate. 前記複合材料がアルミナ強化断熱(AETB)複合材料である、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 1, wherein the composite material is an alumina reinforced thermal insulation (AETB) composite material. 前記AETBがAETB−8、AETB−12及びAETB−14及びAETB−16から成る群から選択される、請求項9記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 9, wherein the AETB is selected from the group consisting of AETB-8, AETB-12 and AETB-14 and AETB-16. 前記複合材料がオービタルセラミック断熱(OCTB)複合材料を含む、請求項1記載の触媒基材。   The catalyst substrate of claim 1, wherein the composite material comprises an orbital ceramic thermal insulation (OCTB) composite material. 前記複合材料がホウ素結合剤を含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 11, wherein the composite material comprises a boron binder. 前記触媒が金属触媒を含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst base according to any one of claims 1 to 12, wherein the catalyst comprises a metal catalyst. 前記触媒がパラジウム、白金、ロジウム、それらの混合物及びそれらの誘導体から成る群から選択される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 13, wherein the catalyst is selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, mixtures thereof and derivatives thereof. さらに前記触媒が約0.035〜約1.77kg/m(約1〜約50g/ft)の量で存在する、請求項1〜14のいずれか一項に記載の触媒基材。 Additionally present in an amount of said catalyst is about 0.035~ about 1.77 kg / m 3 (about 1 to about 50g / ft 3), the catalyst substrate according to any one of claims 1 to 14. 前記ウォッシュコートが酸化アルミナを含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst base according to any one of claims 1 to 15, wherein the washcoat contains alumina oxide. 前記基材に縦方向に沿って延びる複数の溝を含み、ウォールフロー構成、フロースルー構成、又はその組合せを包含する、請求項1〜16のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 16, comprising a plurality of grooves extending along the longitudinal direction in the substrate and including a wall flow configuration, a flow-through configuration, or a combination thereof. 0.45cm(1平方インチ)当たり約100〜約100,000個の溝を有する、請求項1〜17のいずれか一項に記載の触媒基材。 0.45 cm 2 having a (1 square inch) from about 100 to about 100,000 groove per the catalyst substrate according to any one of claims 1 to 17. 0.45cm(1平方インチ)当たり約600個の溝を有する、請求項1〜18のいずれか一項に記載の触媒基材。 0.45 cm 2 (1 square inch) with about 600 grooves per catalyst substrate according to any one of claims 1 to 18. 前記溝が正方形、三角形、六角形であり、そしてさらに実質的に長方形、台形又は三角形の縦断面形状を有する、請求項1〜19のいずれか一項に記載の触媒基材。   20. The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 19, wherein the groove is square, triangular, hexagonal and further has a substantially rectangular, trapezoidal or triangular longitudinal cross-sectional shape. 約6.45cm〜約323cm(約1平方インチ〜約50平方インチ)の正面表面積を有する、請求項1〜20のいずれか一項に記載の触媒基材。 Has a front surface area of about 6.45 cm 2 to about 323 cm 2 (about 1 in2 to about 50 in2), the catalyst substrate according to any one of claims 1 to 20. 市販触媒コンバーター又はディーゼル酸化触媒(DOC)に用いるのに適する、請求項1〜21のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 21, suitable for use in a commercial catalytic converter or a diesel oxidation catalyst (DOC). 定置エンジンとともに用いるのに適する、請求項1〜21のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 21, suitable for use with a stationary engine. 主触媒コンバーター、mani−触媒コンバーター(mani-cat)又は前触媒コンバーターに用いるのに適する、請求項1〜21のいずれか一項に記載の触媒基材。   The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 21, suitable for use in a main catalytic converter, a mani-catalytic converter (mani-cat) or a pre-catalytic converter. 約0.37〜約1.00kg/m(約6〜約16lb/ft)の密度を有する、請求項1〜21のいずれか一項に記載の触媒基材。 About 0.37~ having a density of about 1.00 kg / m 3 (about 6 to about 16lb / ft 3), the catalyst substrate according to any one of claims 1 to 21. 約0.8〜約0.95の放射率を有する、請求項1〜25のいずれか一項に記載の触媒基材。   26. The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 25, having an emissivity of about 0.8 to about 0.95. 約90%〜約99%の多孔率を有する、請求項1〜26のいずれか一項に記載の触媒基材。   27. The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 26, having a porosity of about 90% to about 99%. 酸素貯蔵酸化物をさらに含む、請求項1〜27のいずれか一項に記載の触媒基材。   28. The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 27, further comprising an oxygen storage oxide. コージライトにより引き起こされる圧力降下より低い圧力降下を生じる、請求項1〜28のいずれか一項に記載の触媒基材。   29. The catalyst substrate according to any one of claims 1 to 28, which produces a pressure drop that is lower than the pressure drop caused by cordierite. 請求項1〜29のいずれか一項に記載の触媒基材を含む触媒コンバーター。   A catalytic converter comprising the catalyst substrate according to any one of claims 1 to 29. 商業用自動車に用いるのに適する、請求項30記載の触媒コンバーター。   31. A catalytic converter according to claim 30 suitable for use in a commercial vehicle. 主触媒コンバーター、前触媒コンバーター、後触媒コンバーター又はmani−触媒コンバーターから成る群から選択される、請求項31記載の触媒コンバーター。   32. The catalytic converter of claim 31 selected from the group consisting of a main catalytic converter, a pre-catalytic converter, a post-catalytic converter or a mani-catalytic converter. 請求項1〜29のいずれか一項に記載の触媒基材又は濾過基材を含む粒子フィルター。   A particle filter comprising the catalyst substrate or the filtration substrate according to any one of claims 1 to 29. ディーゼル粒子フィルターである、請求項33記載の粒子フィルター。   34. The particle filter of claim 33, wherein the particle filter is a diesel particle filter. 請求項1〜32のいずれか一項に記載の触媒基材又は触媒コンバーターに1つ又は複数の流体の流れを曝露することを含む、反応を触媒する方法。   35. A method of catalyzing a reaction comprising exposing one or more fluid streams to a catalytic substrate or catalytic converter according to any one of claims 1-32. 前記流体が内燃機関からの排気ガスである、請求項35記載の反応を触媒する方法。   36. The method of catalyzing a reaction according to claim 35, wherein the fluid is exhaust gas from an internal combustion engine. 前記排気ガスが6つの基準汚染物質の1つ又は複数を含む、請求項36記載の反応を触媒する方法。   38. The method of catalyzing a reaction according to claim 36, wherein the exhaust gas comprises one or more of six reference pollutants. 請求項1〜34のいずれか一項に記載の濾過基材、触媒基材、粒子フィルター又は触媒コンバーターに1つ又は複数の流体の流れを曝露することを含む、ガスを濾過する方法。   35. A method of filtering a gas comprising exposing one or more fluid streams to a filtration substrate, catalyst substrate, particle filter or catalytic converter according to any one of claims 1-34. 前記流体が内燃機関からの排気ガスである、請求項38記載のガスを濾過する方法。   39. A method for filtering gas according to claim 38, wherein the fluid is exhaust gas from an internal combustion engine. 前記排気ガスが6つの基準汚染物質の1つ又は複数を含む、請求項39記載のガスを濾過する方法。   40. The method of filtering gas according to claim 39, wherein the exhaust gas includes one or more of six reference contaminants. 請求項1〜29のいずれか一項に記載の触媒基材又は濾過基材を製造する方法であって、複数の耐火性シリカ繊維、耐火性アルミナ繊維及び耐火性アルミノボロシリケート繊維を加熱すること;前記繊維を混合すること;前記繊維を洗浄すること;任意に前記繊維を1つ又は複数の長さに切り刻むこと;該切り刻んだ繊維を配合するか又は混合してスラリーとすること;好ましくは増粘剤を付加することにより、前記スラリーの粘度を調整すること;分散剤を付加すること;前記スラリーを金型に加えること;水を前記スラリーから除去し、それにより未焼結ビレットを形成すること;前記金型から該未焼結ビレットを取り出すこと;炉中で前記未焼結ビレットを、好ましくは約250°F〜約500°Fの温度で乾燥すること;約2,000〜2,500°Fの炉中で前記未焼結ビレットを加熱すること、好ましくは予熱して漸増的に加熱すること;任意に前記ビレットを機械加工すること;任意に前記ビレット中に複数の溝を形成すること;任意に触媒を付加すること;及び任意にウォッシュコートを付加し、それにより前記基材を形成することを含む、触媒基材又は濾過基材を製造する方法。   A method for producing a catalyst substrate or a filtration substrate according to any one of claims 1 to 29, wherein a plurality of refractory silica fibers, refractory alumina fibers and refractory aluminoborosilicate fibers are heated. Mixing the fibers; washing the fibers; optionally chopping the fibers into one or more lengths; blending or mixing the chopped fibers into a slurry; preferably Adjusting the viscosity of the slurry by adding a thickener; adding a dispersant; adding the slurry to the mold; removing water from the slurry, thereby forming a green billet Removing the green billet from the mold; drying the green billet in a furnace, preferably at a temperature of about 250 ° F. to about 500 ° F .; about 2,000 Heating the green billet in a 2500 ° F. furnace, preferably preheating and incrementally heating; optionally machining the billet; optionally, a plurality of grooves in the billet Forming a catalyst substrate, optionally adding a catalyst; and optionally adding a washcoat, thereby forming the substrate. 不織焼結耐火性繊維性セラミック複合材料中に複数の溝を機械加工することを含み、前記機械加工することが前記溝を形成するか又は造形するコーミング方法を使用することを含む、請求項1〜29のいずれか一項に記載の濾過基材を製造する方法。   The method includes machining a plurality of grooves in a nonwoven sintered refractory fibrous ceramic composite, wherein the machining includes using a combing method to form or shape the grooves. The method to manufacture the filtration base material as described in any one of 1-29. 請求項42又は43記載の方法に従って調製される濾過基材。   44. A filtration substrate prepared according to the method of claim 42 or 43. 耐火等級アルミナ繊維、耐火等級シリカ繊維、耐火等級アルミナボリアシリカ繊維、水及び触媒を含む組成物。   A composition comprising fireproof grade alumina fiber, fireproof grade silica fiber, fireproof grade alumina boria silica fiber, water and catalyst. 前記繊維が約10μmの平均長を有した、請求項44記載の組成物。   45. The composition of claim 44, wherein the fibers have an average length of about 10 [mu] m. 前記アルミナが前記無機繊維混合物の約50〜90%;前記アルミナ繊維が前記無機繊維混合物の約5〜50%;そしてアルミナボリアシリカが約10〜25%を含有する、請求項44記載の組成物。   45. The composition of claim 44, wherein the alumina comprises about 50-90% of the inorganic fiber mixture; the alumina fiber comprises about 5-50% of the inorganic fiber mixture; and alumina boria silica comprises about 10-25%. . 請求項1〜34のいずれか一項に記載の触媒基材、濾過基材、触媒コンバーター又は粒子フィルターを含む改良型エンジン排気系。
An improved engine exhaust system comprising the catalyst substrate, filtration substrate, catalytic converter or particle filter according to any one of claims 1 to 34.
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