JP2009521640A - 汎用エンジンの音及び排出物の減少用の装置、及び汎用エンジンの騒音レベルの低減及び排出物の軽減のための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音レベルと、排気ガス流から生じる炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物等の汚染物質とを同時に低減させるマフラー装置を提供すること。
【解決手段】
汎用エンジンの音及び排出物を減少させるために、マフラーケーシング、該マフラー２内に形成された内室１６、１８、該内室内に含まれる網状金属製発泡体マトリックス６０、及び前記網状金属製発泡体マトリックス６０、６２に結合した１種以上の貴金属触媒を装置に備える。これにより、エンジンの排気ガスが、連続的に、触媒的に被覆された金属製発泡体担体に流れ込み、続く１個又は２個以上のマフラー２の内室１６、１８を通り、従って、その方向が頻繁に変化し、排気ガス流がそれる、又は騒音が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マフラーの組立構造に関し、特に、触媒コンバーターを内部に有する排気音の低減用に使用されるマフラーアセンブリの１種に関する。

本発明は、廉価な触媒製品、及び触媒流体の流れ、例えば、ガス流を処理する方法に関する。特に、ここで開示される製品及び方法は、小型のエンジンにより生成される排気流中の汚染物質の成分を無害な成分に変化させることに適している。小型エンジンを含む内燃機関の排気ガスは、空気を汚染する炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含んでいることが知られている。

小型内燃機関により動力を得る装置に対してより厳しい排出規制が、次第に規制機関により命じられはじめている。小型エンジンとは、通常２ストロークや４ストロークの火花点火エンジンであり、７５立方センチメートル未満、好ましくは、３５立方センチメートル未満の排気量を有するものを意味する。このようなエンジン（“汎用エンジン”）は、特に、ガソリンエンジンを動力とする芝刈り機、電動チェーンソー、携帯用発電装置、除雪機、グラス（grass）／リーフブロア、弦型芝刈り機（string mower）、芝生の縁刈り機、ガーデントラクター（garden tractor）、モータスクーター、オートバイ、原動機付き自転車、及び同様の装置である。このようなエンジンは、触媒排気処理装置にとって厳しい状況を提供する。これは、小型エンジンにおいて、排気ガスが、燃焼されていない燃料と消費されていない酸素を高い濃度で含むからである。上述のような多くの装置（例えば、電動ソー、芝刈り機、弦カッター（string cutter））を使用する使用者は、その装置に対して近接した状態で作業を行うので、排出物を減少させることに関心が高まっている。

排気物を処理する触媒製品は、小型エンジンで駆動される装置からの排出物を減少させるための一つの解決策を提供する。しかしながら、小型エンジンの作動状況が困難な設計上の課題を提示するので、このような装置に、触媒製品を実際に合わせることは難しくなる可能性がある。

第１に、触媒製品は、耐性が高くなければならない。大型エンジンで駆動される装置（例えば、自動車）と比較して、小型エンジンで駆動される装置は、エンジンによる振動を吸収及び発散する能力が低い。２ストロークエンジンの振動の力は、４ストロークエンジンの３又は４倍となる可能性がある。例えば、小型エンジンにおいては、１５０ヘルツ（Ｈｚ）で７０Ｇから９０Ｇ（Ｇ＝重力加速度）の振動加速度が報告されている。不快な振動及び排気ガスの温度状況は、小型エンジンが導かれる排気ガス触媒処理装置における不具合のいくつかの態様に関連していた。この不具合は、触媒部材が装置内に固定される際の取り付け構造の欠陥、及び、機械的な振動及び高温条件下における排気ガスの流量変動に起因して触媒部材の損傷又は破壊を含む。更に、小型エンジンは、触媒製品の配置に関する設計上の柔軟性が低い。小型エンジンに駆動される装置においては、触媒製品がエンジンに近接していることで、振動が強くなる。また、小型エンジンは、エンジンにかかる負荷が増加及び減少した際に、大きく温度が変化する特徴がある。従って、小型エンジンの排気ガス処理に使用される触媒部材は、一般的に、自動車の触媒コンバーターよりも、大きな熱変化及び振動にさらされ、このような状況は、触媒材料の剥離をもたらす。

第２に、小型エンジンのプラット発泡体の多くは、このエンジンに使用されるマフラーの寸法の制限のため高い空間速度を示すので、触媒が高い流量に適用することが好ましい。例えば、最大８０００ｒｐｍで運転し５０立方センチメートルの排気量を有する小型エンジンは、一般的に、１２０００〜１５０００Ｌ／ｈの排気物を排出する。排気ガス流の流量を大きく制限する触媒は、排気系統内で背圧がより高くなり、エンジンの作動効率を低下させるので、望ましくない。更に、触媒を通す排気ガス流の高い流量の結果として、使用されている触媒組成が、大いに活性化し、その製品内で最適に処理され、十分な汚染物質の転換を確実なものとしなければならない。

第３に、小型エンジンで駆動される多くの装置が、草刈機やチェーンソー等の手で扱う道具であるので、触媒製品は、軽量で、占める体積が小さいことが望ましい。過度の重量、又はこのような装置からの使い勝っての悪い突起部は、これら装置の設計的用途を否定的に制限する。

第４に、排出物処理システムのコストは、装置の全体的なコストを大きく増加させることがなく、装置を市場の競争に確実に留めることができる。小型エンジンは、一般的に、中程度の価格の装置に動力を供給する。従って、予測される基準を満たしつつ、追加コストを最小限にできるように小型エンジンで駆動される装置の排出物を処理する触媒製品を設計する必要が生じている。

小型エンジン装置において使用される触媒は、特許文献１に記載されている。簡潔には、このような触媒は、１種以上の白金族の金属化合物、又は複合体を含み、この金属化合物、又は複合体は、適切な担体材料上に存在することが可能である。適切な担体材料は、アルミナ、シリカ、チタニア、シリカ―アルミナ、アルミノケイ酸塩、アルミニウム―ジルコニウム酸化物、アルミニウム―クロム酸化物等の耐火性酸化物を含む。触媒材料は一般的に、スラリー状に形成され担体材料にウォッシュコート（washcoat）として塗布できるように、例えば、直径１０から２０ミクロンのミクロサイズ範囲の粒子とともに粒状の形態で使用される。担体の入り口又は出口面を通って細かく並列されている、開放された複数のガス流路を有するハニカムタイプ触媒等の、適切な触媒部材を使用しても良い。被覆担体は、従来から知られているように、触媒部材を保護し、その触媒部材を通るガス流路の形成を促進するために適切な容器内に配置される。

同一出願人による２００４年５月６日に発行されたアメリカ公開公報２００４／００８７４３９（特許文献１）には、オートバイ、芝刈り機、チェーンソー、雑草除去機（weed trimmer）等に適用される小型エンジンの排気システムの一部として有用な触媒作用をおよぼす金属製の基体が開示されている。

同一出願人による２００４年２月２６日に発行されたアメリカ公開公報２００４／００３８８１９（特許文献２）には、柔軟で耐火性の金属担体が開示されており、この担体は、触媒被覆物の担体への接着を改善するアンカー層によって被覆されていても良い。好適な触媒部材は、設置される屈曲又は曲がった排気管に適合するように、曲がったもので良い。

同一出願人による２００２年９月１２日に発行されたアメリカ公開公報２００２／０１２８１５１（特許文献３）には、金属を発泡体基体に電気アーク溶射し、その上に配置される触媒材料のための驚くほど優れた中間層として機能するアンカー層を基体上に形成することが記載されている。たとえ、小型エンジン又は大型エンジンと近接した位置において課せられる厳しい条件にさらされた場合であっても、触媒材料は、剥離に対する耐性がある。更に、触媒被覆物を、発泡体、波箔、又はスクリーンのような基体に適用することが記載されている。

一般的に、２個の分割された装置、マフラー及び触媒コンバーターは、排気システムにおけるそれぞれ分割した２段階で、排気音及び大気汚染を最小限にするためにエンジン内に設けられる。一般的にマフラーは、３種の態様で設計される。その態様は、（ａ）スタッガーバッフル（staggered baffle）を備えたもの、（ｂ）サウンドディフィートアングリング（sound defeat angling）を備えたもの、（ｃ）グラスファイバーでパッキングされたもの、である。スタッガーバッフルマフラーは、効率が良く、廉価で製造が容易なので、工業上、最もよく使用されている。

一方、触媒コンバーターは、一般的に２種の態様で設計される。その態様は、（ａ）ハニカム材料を有するもの、又は（ｂ）ビーズを有するもの、である。このハニカム材料とビーズは、排気ガス流中における望ましくない有害な化合物を予め定められた触媒反応により害の無い成分に変換する触媒物質によって被覆される担体として使用される。

従って、慣例的に、騒音、及び排気ガスの放出流における空気汚染物の処理を、各々独立に作動するこれら２個の装置により達成する。従って、従来の触媒コンバーターは、実質的に、排出音を静めず、また、従来のマフラーは、触媒的に排出物を処理しない。

騒音と汚染排出物の両方を同時に低減することが、芝や庭を維持する装置、オートバイ、スクーター、スノーブロア及びリーフブロア、及び排気物や騒音レベルの削減が要求されている他の動力装置等の小型内燃機関エンジンを製造することにおいて特に重要である。このような小型エンジンの多くが、騒音レベルを制御する小型マフラーを備えている。現存している小型エンジンの製造において、マフラーの設計の変更は望まれていないので、このような装置に対する一般的な設計は、マフラー内の有害な排気物を制御するための小型の金属基体触媒が含まれるべきである。この場合、マフラーと触媒は、それぞれ独立である。

特許文献４には、音響バッフル／触媒発泡体担体材料、及び音響バッフル／触媒発泡体担体材料を製造する方法が開示されている。従って、特許されたポリウレタンでは、１０−１００ｐｐｉの濃度の連続気泡発泡体が提供されている。このポリウレタン発泡体には、含浸発泡体を製造するために樹脂材料が浸潤される。含浸発泡体は、熱分解されて、炭素発泡体を形成する炭素骨格が形成されている。炭素発泡体骨格は、４０〜５０％の相対密度を有する以下の１種以上の材料のグループで被覆される。材料のグループは、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭＯ₂Ｓｉ₂、又は高温金属である。そして、白金族の金属触媒が、金属被覆された発泡体上にコーティングされる。

米国特許公報２００４／００８７４３９ 米国特許公報２００４／００３８８１９ 米国特許公報２００４／０１２８１５１ 米国特許第６０４０２６６号

本発明の目的は、騒音レベルと、排気ガス流から生じる炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物等の汚染物質とを同時に低減させるマフラー装置を提供することにある。

本発明にしたがえば、小型エンジン又は汎用エンジンからの排気ガス流が、マフラーケーシング、該マフラー内に形成された内室、及び、音及び炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等の放出汚染物質を軽減するために触媒的に被覆された担体材料を有する二重機能マフラーに導かれる。より詳細には、マフラーの内室及び補助室が、触媒的に被覆された担体材料、例えば、２種以上の貴金属触媒で被覆された網状金属製発泡体マトリックスを含む。本発明のマフラーにおいて、エンジンの排気ガスが、連続的に、触媒的に被覆された金属製発泡体担体に流れ込み、続く１個又は２個以上のマフラーの内室を通り、従って、その方向が頻繁に変化し、排気ガス流がそれる、又は騒音が低減される。

他の側面として、本発明は、熱アーク溶射によってその上に接着される金属製の層を有する金属製発泡体触媒担体に関する。これにより、触媒の接着力が改善される。このように施される熱アーク溶射された金属製の層は、中間金属層、又はアンカー層であり、小型エンジンの圧力下であっても適所に貴金属触媒層を保持する。

本発明のさらなる側面として、触媒的に被覆された金属製発泡体は、エンジンの排気ガス用の曲がりくねった流路を有し、従来のセラミック製や金属製の熱交換器を含む他の装置と比較してより高い効率で無機堆積物を大いに集める傾向にある。従って、触媒を汚染し得る無機種を捕捉する上流の触媒の無い捕捉領域、及び炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物等の汚染物資を軽減するための下流の触媒領域を提供するために、金属製発泡体をゾーンコーティングしても良い。直線路状担体により、しばしば、無機種が予備触媒に迂回し、これによって、時期尚早な下流位置における貴金属触媒の汚染が発生する。

本発明の他の目的及び利益は、以下の記述及び添付された請求項により明らかになるであろう。

本発明は、内燃機関エンジン用の装置に関し、特に、排気音の低減と触媒的に制御された汚染物質の放出の両方を一個の装置で同時に行うことのできる小型エンジン、及び特に４サイクルエンジンに関する。より詳細には、本発明は、小型エンジンからの排気ガス流とともにある有害排出物を減少させるために、触媒的に被覆された基体が設けられたマフラーシステムに関し、触媒の基体が、中空の空間内、又はマフラー内に含まれる内室内に含まれることを特徴とする。

本発明のマフラーは、好ましくは、２枚以上の相互に並置されたバッフル板を、マフラーケーシング、又は排気ガス流の並流を妨げる容器内に有している。これにより、ガス流速度が減少され、デシベルレベルが弱められる。バッフル板は、その中に、触媒的に被覆された基体を含む中空の空間又は部屋を有する。しかしながら、断面構造は、都合の良い形状のものの内のいずれかである。好ましくは、バッフル板は、従来の製造技術によって、金属で形成されるが、セラミックのような非金属で形成されても良い。

本発明で例示するマフラーのデザインは、図１〜３に示されている。図１〜３によれば、有用なマフラー２は、上部外殻４、下部外殻６、その中には、排気導入部８、及び排気出口１０が含まれている。また、マフラー２は、上部インナーバッフル板１２、及び下部インナーバッフル板１４を有している。上部及び下部インナーバッフル板１２、１４は、それぞれ、並列に位置合わせされ、マフラー２内で組み立てられた際に鏡の像のように互いに向かい合うように並べられている。並置されたバッフル板１２及び１４は、マフラー２の中央に位置して、マフラー２を２つの主の部屋、上部室１６と下部室１８に分割している（図２ｂ参照）。

図１及び２ｂの位置づけにおける構成要素の組立品は、上部外殻４、上部室１６、上部インナーバッフル板１２、内室２０、下部インナーバッフル板１４、下部室１８、及び排気出口１０を含む下部外殻６の順で垂直軸方向に整列した組立品を有している。図２ｂに示されているように、上部室１６は、上部外殻４と下部インナーバッフル板１２の間に形成されている。内室２０は、以下でより詳細に説明するが、上部インナーバッフル板１２と下部インナーバッフル１４の間に形成されている。下部室１８は、下部インナーバッフル板１４と下部外殻６の間に形成されている。

図１及び２ｂに示されているように、上部インナーバッフル板１２は、大きな引出部２４、及び引出部２４より小さい引出部２６を有している。同様に、下部インナーバッフル板１４は、大きな引出部２８、及び引出部２８より小さい引出部３０を有している。バッフル板１２、１４のそれぞれのより大きい引出部２４、２８、及びより小さい引出部２８、３０は、並置されている。図２ａに示すように、マフラー２が組み立てられた場合、バッフル板１２のそれぞれの大きい及び小さい引出部２４、２６は、第１補助室３２を形成する。同様に、下部インナーバッフル板１４において、大きい及び小さい引出部２８、３０によって第２補助室３４が形成される。上部インナーバッフル板１２の補助室３２は、上部外殻４に向かって軸方向の上方に延在し、下部インナーバッフル板１４の補助室３４は、下部外殻６に向かって軸方向の下方に延在する。図１及び２ｂに示されているように、これら補助室３２及び３４は、互いに並列され、マフラー２の組立状態で内室２０を形成する。好ましくは、チャンバー２０は、例えば、触媒的に被覆された金属製発泡体等の触媒的に被覆された基体２２で満たされている。

図１〜３に示されているように、矢印３６で表されるエンジン（図示せず）からの排気ガス流は、排気導入部８を通ってマフラー２に入り込む。排気流３６は、排気導入部８に流れ込み、内室２０に入る。そして、排気ガス流は、矢印３６で示したように、触媒的に被覆された基体２２、例えば、触媒的に被覆された金属製発泡体等を通って進行する。その後、排気流３６は、矢印４２で示したように（図２ｂ参照）、インナーバッフル板１２の大きな引出部２４に配置されている第１の孔群４０を通って、内室２０及び触媒的に被覆された基体２２から抜け出て、上部室１６に入り込む。そして、排気流３６は、矢印４６で示したように（図２ｂ参照）、上部室１６内を通って、上部室１６の左後方側に進み、下部バッフル板１４に配置されている第２の孔群４４を通って、上部バッフル板１２に配置されている適用されている切り取り部４５から抜け出る。その後、排気流３６は、矢印４８示したように（図１及び図２ｂ参照）、下部室１８に進み、排気出口１０を通ってマフラーを抜け出る。

本発明は、触媒の被覆された基体、又は触媒の基体を提供する。本発明の触媒的に被覆された基体を形成するために有用な基体は、高い流速（好ましくは、５０ｃｃのエンジンに対して２００００Ｌ／ｈより大きい）に適合するこが可能で、軽量且つ低質量の金属製基体を含む。例えば、基体は、金属製発泡体、穿孔された金属箔、焼結金属、織り金網、又は不織金網（non-woven wire mesh）である。好ましくは、基体の表面には、例えば、以下で説明するような熱アーク溶射された金属製の層のような金属アンカー層が適用される。

特に有用な基体は、金属製発泡体である。本発明の金属製発泡体は、セルの壁部（図４参照）の支柱からなる金属製のセルや孔を有する開いた網状の構造を形成する。金属製発泡体の基体は、排気ガスが発泡体の上流から下流に進み際にランダムに屈曲するように複数の不規則な形状の路を有する多孔質マトリックス（porous matrix）でも良い。この乱れた又は曲がりくねった流路は、液体及び／又はガスをランダムに又は実質的に非層流とし、基体に流入する流路の全体的な体積あたりに対する大きな表面積領域を与えるような、多数の孔、微細孔、溝、又は同様の構造の特徴によって画定される。この特徴は、例えば、基体内に流入するための多大な移送領域を生み出すものである。対照的に、密度の高い基体、板、管、箔等は、穿孔の有る無し又は基体に流れ込む層流が実質的に崩壊しているかどうかにかかわらず、基体に流入する流路の全体的な体積あたりに対する表面積が相対的に小さい。金属製発泡体の開いた又は網状の基体構造は、重要なことに、多大な移送領域を提供するだけでなく、背圧を減少させるそのような開放構造も提供する。

本発明の金属製発泡体は、図４により、より明確に理解される。図４は、金属製発泡体の３次元網状組織の部分拡大図である。図４には、エンジンの排気ガス流のために、曲がりくねった路を形成する金属支柱６０及び孔６２の開放網状組織（open network）が示されている。金属製発泡体は、気相中の有毒物を第１に優先的に集め、有毒物が下流のモノリシック貴金属触媒に接触することを防止するために、物的障壁として機能する。

この金属製発泡体構造は、密度の高い基体よりも大きな表面積を有しており、そこにガス流が流入するので、それは触媒担体としての使用に適している。更に、金属製発泡体を、貴金属触媒を汚染する可能性のある生成される液体又はガスを捕捉する捕捉部材をして使用しても良い。例えば、金属製発泡体の上流部分を捕捉用として使用される熱アーク溶射層（以下で説明するように）で覆うとともに、触媒で覆われている下流部分を排気流中の炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物等の汚染物質の軽減のために使用することができるように、触媒発泡体を分離した領域で被覆しても良い。熱アーク溶射層の高い表面積は、活性物質の改善された大きな移送を提供し、これによって、金属製発泡体の捕捉領域の効率性が改善される。

発泡金属の形成方法は、従来技術により知られている（例えば、U.S.３１１１３９６Ｂ１を参照）。触媒材料用の担体としての発泡金属の使用は、従来技術により提案されている（例えば、“A New Catalyst Support Structure For Automotive Catalytic Converters”Arun D. Jatkar ＳＡＥ技術論文９７１０３２を参照）。なお、当文献は、国際会議、Exposition Detroit Michigan（１９９７年２月２４日〜２７日）、及びPestryakov等、Journal Advanced Materials（１（５）、４７１−４７６（１９９４））で提示された。金属製発泡体は、様々な点で特徴がある。その特徴の内のいくつかは、金属から処理される初期の有機マトリックスの性質に関連する。この分野の技術から認識される発泡金属基体のいくつかの特徴は、セルの大きさ、密度、空隙率、及び比表面積を含む。例えば、表面積は、発泡体基体と同じ体積を有する固体基体の１５００倍でも良い。Pestryakov等に記載されているように、触媒部材用の担体として有用な発泡金属基体では、セルの平均径が０．５から５ｍｍでも良く、約８０から９８％の空隙率を有し、例えば、発泡体基体の占める３から１５％の体積が、金属で構成されている。基体の孔隙率は、ppi (pores per inch)、例えば、３から３０ppi、又は３から１０ppi、又は３から５ppiである。１０から８０ppiの実例として、平方インチ当たりのセルは、１００から６４００に亘り、網の径は、０．０１インチから０．００４インチに変化する。このような発泡体は、網状の／相互接続した網状先駆物質に基づいて連続気泡の網状構造を有している。一般的にそれらは、およそ１０ppiで、発泡体の立方フート当たり７００平方メートル（ｍ²／ｆｔ³）から、６０ppiで４０００ｍ²／ｆｔ³に増加する孔隙率とともに増加する表面積を有する。他の適切な金属製発泡体基体は、１０ｐｐｉで発泡金属の立方フートあたり約２００平方フィート（ｆｔ²／ｆｔ³）から、８０ｐｐｉで１９００ｆｔ²／ｆｔ³に亘る範囲の表面積を有する。そのような１個の基体は、１１０ｐｐｉの孔隙率、およそ１．６＋／−０．２ｍｍの厚さで、明確に５００ｇ／ｍの重さを有する。基体は、０．１から０．３グラムパー立方センチメートル（g/cc）の範囲の体積密度を有する。

金属製発泡体基体は、鉄、チタン、タンタル、タングステン貴金属、（銅、ニッケル、青銅等の）一般的な焼結金属、アルミニウム、ジルコニウム等、及びそれらの組み合わせ及び合金、例えば、鋼鉄、ステンレス鋼、Hast合金、Ｎｉ／Ｃｒ、インコネル（ニッケル／クロム／鉄）、モネル（ニッケル／銅）、及びフェクラロイ（Fecralloy）（鉄／クロム／アルミニウム／イットリウム）を含む様々な金属で形成することができる。一つの実施の形態として、金属製発泡体基体は、ステンレス鋼、チタニウム、フェクラロイ、ジルコン酸アルミニウム、チタン酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、コージライト、ムライト、及びコランダムからなる群から選択される。他の実施の形態として、フェクラロイ（ＦｅＣｒ／Ｙ）が、挙げられる。本発明で使用される適切な金属発泡体基体は、約３から約１２％の体積が発泡基体により占められている。

本発明の好ましい実施の形態において、本発明の金属製発泡体基体を、触媒組成物の配置の前に予備処理する。基体上の組成物の接着力が改善されるように、触媒スラリーが適用される前に、基体の予備処理を、知られている熱アーク溶射法で金属アンカー層を基体に溶着することで行っても良い。そのような層は、熱アーク溶射された金属製の層として言及される。これらの技術は、プラズマ溶射、シングルワイヤスプレー（single wire spraying）高速酸素スプレー、燃焼線(combustion wire)及び／又は粉末スプレー、電気アーク溶射等を含む。金属アンカー層は、電気アーク溶射で溶着されることが好ましい。

金属の、孔を有する金属基体への電気アーク溶射、例えば、２線のアーク溶射は、触媒部材の領域において触媒材料用の基体としてより有用な構造を生み出す。なお、ここで使用される上記金属という表現は、限定されることなく、金属の混合物、金属合金、擬合金、及び他の金属の組み合わせを含む。２線のアーク溶射（ここでは、“ワイヤアーク溶射”、及びより広い“電気アーク溶射”という言葉に含まれる。）は、上記文献に示されている知られた方法である。簡潔に説明すると、２線のアーク溶射法においては、材料のワイヤが２個の消費電極として作用する。これらワイヤは、溶線フレームガンと同様にスプレーガンのスプレーノズルに送られている際には、互いに絶縁されている。これらワイヤは、ノズル内で発生するガス流の中央に位置する。電気アークが、ワイヤ間で開始され、ワイヤを流れる電流がそれらのチップを溶かし始める。圧縮され霧化されたガス、通常は空気が、ノズルに導かれ、アーク領域を横切り、溶解した液滴を裂いて基体に進ませる噴霧を形成する。材料は導電性を備えていなければならないので、アーク噴霧システムにおいては、金属ワイヤの材料のみが使用される。スプレーガンにより生成される高い粒子温度により、金属製基体上の衝突地点に極僅かな溶接領域が形成される。結果として、このような電気アーク溶射コーティング（ここでは、“アンカー層”とも記す）は、基体との強い接着力を維持する。

孔質基体上のアンカー層を形成するためのワイヤアーク溶射における実行のパラメータは、同時係属のＵＳ０９／３０１６２６（１９９９年４月２９日出願）に開示されている。現在、この出願は、２００２年の９月１２日に公開され、公開番号は、ＵＳ２００２／０１２８１５１である。

種々の組成物からなるアンカー層を、限定することなく、以下の金属又は金属混合物、：Ｎｉ、Ｎｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ｃｒ、Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｃｏ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｆｅ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｒ、３００及び４００シリーズのステンレス鋼、及び、付随的に、それらの１種以上の混合物、を有効利用することによって基体上に配置しても良い。ＵＳ０９／３０１６２６にしたがって、基体へのワイヤアーク溶射に有用な金属の一つの例は、一般的に少なくとも約９０質量％のニッケルを含み、３から１０質量％のアルミニウム、好ましくは、４から６質量％のアルミニウムニッケル／アルミニウム合金である。ここで、このような合金は、“不純物”として言及される他の金属を少量（最高でも全体で合金の約２％）含んでいても良い。好ましい特定の材料合金は、およそ９５％のニッケルと５％のアルミニウムを含み、２６４２°Ｆの融点を有していても良い。数種の上述のような不純物は、種々の目的で、この合金に含まれていても良い。この目的とは、例えば、ワイヤアーク溶射又はアンカー層の形成を促進すること、又は好ましい性質をアンカー層に提供することである。

電気アーク溶射による金属の金属基体への溶射によって、他の方法により施された金属アンカー層を有する基体と比較して、触媒材料用により優れた基体が生成される。触媒材料は、中間層を有していない基体、及びプラズマ溶射により金属層が溶着された基体よりも、電気アーク溶射されたアンカー層を有する基体の方により良好に接着すると考えられている。金属基体に配置される触媒材料は、しばしば、基体と触媒材料の間の中間層があって、はじめて基体に十分に良好に接着し、商業的に受けいれられる製品となる。他の熱溶射法により接着された中間層を有する金属基体では、一般的に、同じ不利益を被る。例えば、プラズマ溶射により接着された中間層、及びこの中間層に接着された触媒材料を有する金属基体は、基体への中間層の接着が明らかに失敗したために、指定の保持状態から剥がれ落ち、触媒材料を維持することができなかった。他の基体上の触媒材料は、高いガス流速、温度サイクリング、高温流及び他の排気ガス成分の侵食接触、振動等にさらされた結果として、通常の使用によって破砕することが明確に確認された。従って、電気アーク溶射による中間層の接着によって、孔質基体上で担持される触媒材料を含む触媒部材の耐久力が改善される。

金属製発泡体基体上における使用に適切な触媒材料は、化合物及び／又は任意の触媒活性成分の複合物を、相対的に不活性なバルク担体材料上で分散させることにより製造することができる。触媒活性成分は、例えば、１種以上の白金族の金属化合物又は複合物である。ここで使用される“白金族金属化合物”の“化合物”という用語は、任意の塩、複合物、又は触媒的に活性な成分（又は“触媒成分”）を意味する。なお、この触媒的に活性な成分（又は“触媒成分”）は、焼成又は触媒の使用時に、分解されるか、そうでなければ触媒活性形態に変換する。この触媒活性形態は、しばしば、酸化物であるが、必ずしもそうである必要はない。１種以上の触媒化合物の化合物又は複合物は、担体材料を湿潤させるか又はそれを含む任意の液体中で分解され、懸濁されても良い。この担体材料は、逆に触媒材料の他の成分とは反応せず、加熱及び／又は排気による気化又は分解により触媒から除去することができる。一般的に、経済的及び環境的な側面の両方の視点で、溶解可能な化合物又は複合物の水性溶液が好ましい。例えば、適切な水溶性の白金族の金属化合物は、塩化白金酸、アミン可溶化水酸化白金（amine-solubilizedう-platinum hydroxide）、塩化ロジウム、硝酸ロジウム、ヘキサアミン塩化ロジウム、硝酸パラジウム又は塩化パラジウム等である。化合物含有液体は、バルク担体の孔隙に含有させる。触媒の粒子、及び入り込んだ材料を、乾燥させ、好ましくは、焼成して、液体を除去し、白金族の金属を担体材料に結合させる。場合によっては、触媒が使用され高温の排気ガスにさらされるまで、液体の除去が完了しない可能性がある。焼成工程の間、又は少なくとも触媒を使用する初期段階の間に、上述のような化合物が、白金族金属又はその化合物の触媒的に活性な形態に変化する。他の成分を触媒材料に含ませるために、類似的なアプローチがとられている。付随的に、不活性担体材料は、省略され、触媒材料は、孔質基体に、従来の方法により直接溶射された触媒成分により実質的に構成される。

本発明の製品の使用のための好ましい白金族の金属成分は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及びイリジウム成分を含む。白金、パラジウム、及びロジウム成分が、特に好ましい。このような成分が、孔質基体（例えば、金属スクリーン）に、付着される場合、この成分は、典型的に有用なエンジン用途に対しては、一般的に０．００１から０．０１ｇ／ｉｎ２の濃度で付着される。

触媒成分用の適切な担体材料は、アルミナ、シリカ、チタニア、シリカ―アルミナ、アルミノ珪酸塩、アルミニウム―ジルコニウム酸化物、アルミニウム―クロム酸化物等を含む。このような材料は、高い表面積を形成するように使用されることが好ましい。例えば、γアルミナは、αアルミナよりも好ましい。安定剤類を材料に含浸させることによって、高い表面積の担体材料を安定させることは知られている。例えば、材料にセリウム成分の溶液を含浸させ、その後、含浸後の材料を焼成して、溶液を除去し、セリウム成分をセリウム酸化物に変化させることで、γアルミナを熱劣化に対して安定させることができる。安定剤類は、例えば、約５質量％の量から存在しても良い。触媒材料は、一般的に、例えば、直径１０から２０ミクロンの微小サイズの粒子で形成される微粒子の形態で使用され、スラリー状にされて、基体に施される。

小型エンジン用の触媒部材で使用される一般的な触媒材料は、アルミナに分散する白金、パラジウム、及びロジウムを含み、更に、ネオジム、ストロンチウム、ランタン、バリウム、及びジルコニウムを含む。数種の適切な触媒が、ＵＳ０８／７６１５４４Ａ（出願日：１９９６年１２月６日）に記載されている。この文献に記載されている一つの実施の形態として、触媒材料が第１の耐火性物質の成分、及び少なくとも１種の第１の白金族成分、好ましくは、第１のパラジウム成分及び適宜、パラジウム以外の少なくとも１種の第１の白金族の金属成分、好ましくは第１層において白金族の金属成分と密に接触する酸素貯蓄成分を含む。酸素貯蓄成分（“OSC”）は、リーンエンジン作動の間において効率的に過度の酸素を吸収し、燃料リッチのエンジン作動状態の間では酸素を開放する。従って、燃料リッチ作動状態とリーン（すなわち、酸素過多）作動状態との間のエンジン作動状態の変化による、排気ガス流の酸素／炭化水素の化学量論においての変化が改善される。バルクセリアが、ＯＳＣとして使用されることは知られているが、他の希土類酸化物を同様に使用しても良い。更に、上述のように、共生成（co‐formed）希土類酸化物―ジルコニアをＯＳＣとして使用しても良い。共生成希土類酸化物―ジルコニアを、共沈殿、共ゲル化等の任意の適切な技術により生成しても良い。共生成シリア―ジルコニアを製造するための一つの適切な技術は、Luccini, E., Mariani, S., 、及びSbaizero, O. による“Preparation of Zirconia Cerium Carbonate in Water With Urea”（１９８９）Int. J. of Materials and Product Technology, vol. 4, no. 2, pp. 167-175に開示されている。この文献の１６９ページの初めに記載されているように、最終生成物の促進のために相応の低濃度（０．１Ｍ）の塩化ジルコニア及び硝酸セリウムの蒸留水溶液を、ｐＨを制御するための緩衝材として、硝酸アンモニウムを用いて製造する。溶液を、２時間の間の一定の攪拌とともに沸騰させると、任意の段階においてｐＨが６．５を越えないような完全な沈殿が達成される。

結果として得られる生成物が、単にジルコニアの表面や表面層内だけでなく最終生成物内におけるほぼ全てのジルコニアマトリックスを通して分散される希土類酸化物を含むならば、共生成希土類酸化物―ジルコニアを製造するための任意の適切な技術を採用しても良い。これにより、ジルコニアマトリックスの実質的なコアは、希土類酸化物がコアに分散されることなく放置される。従って、共沈殿ジルコニウム及びセリウム（又は他の１種の希土類金属）塩は、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩等を含んでも良い。洗浄の後に、共沈殿物を吹き付け乾燥、又は凍結乾燥して水分を除去し、その後、約５００℃で空気中にて焼成して、共生成希土類酸化物ジルコニア担体を形成しても良い。また、前述のＵＳ０８／７６１５４４Ａの触媒材料は、第１のジルコニウム成分、及び少なくとも１種の第１アルカリ土類金属を含んでいても良く、そして、適宜、好ましくは、白金、ロジウム、ルテニウム、及びイリジウム成分からなる群から選択される少なくとも１種の付加的な白金族の金属成分を含んでいても良い。なお、付加的な第１層白金族の金属成分は、白金、及びロジウム、及びそれらの混合物からなる群から選択されることが好ましい。

他の好ましい触媒材料としては、アルミナ、共生成シリア―ジルコニア、バリア、及びジルコニアを含む耐火性酸化物の担体成分に分散される白金及びロジウムを含む白金族の金属成分がある。この触媒材料の製造は、以下の実施例１で例示される。孔質基体における触媒材料の種々の析出法には、例えば、液体溶媒中の触媒材料を処理してスラリーを形成し、孔質基体をこのスラリーに浸すことで、スラリーによって孔質基体を湿潤させる方法や、スラリーを孔質基体に吹き付ける方法等が含まれる。他の方法として、触媒材料を溶媒中に溶解させて、そして、孔質基体の表面上をその溶媒により湿潤させ、その後に、溶媒を除去し、触媒材料又はその先駆物質を孔質基板上に残すようにしても良い。除去手順では、湿潤した基体の加熱、及び／又は湿潤した基体を真空状態して蒸発により溶媒を除去することが必要である。

孔質基体上における触媒材料の他の析出法としては、触媒材料を粉末状にして、それを静電沈着する方法である。この方法であれば、液相化学反応における使用のための触媒部材の製造に適しているであろう。

以下の実施例で、本発明をさらに説明するが、この実施例は発明の範囲を限定するように構成されたものではない。

−白金とロジウムを５：１の比で含む触媒組成物の製造
本発明の特定の触媒製品に有用な好ましい触媒組成物は、白金とロジウムの成分を約５：１の比（質量による）で含む。その組成物は、以下に記載されているように製造される。

第１に、白金、及びロジウムの成分を、大きい表面積（１５０ｍ２／ｇ）で、γアルミナ担体に分散させる。アルミナ（３０７９ｇ、９７％固体）の水性スラリーを、アミンで可溶化した水酸化白金を７４ｇ含有する水性溶液に入れる。その後、そのスラリーを、硝酸ロジウムを１４．７ｇ含む水性溶液に入れる。スラリーを、オクタノール（全固体に対して０．３質量％）の混合物、９０％の酢酸、及び水と組み合わせる。粒子の９０％が１２ミクロン又はそれ未満の粒径を有するように、生成されたスラリー（４７質量％の固体）を混合し、ボールミルにかける。

セリア―ジルコニア混合材料（２３２９ｇで、セリアとジルコニアの質量比が５０：５０である）を含む水性スラリー、酢酸ジルコニウム（２３８ｇ）、酢酸バリウム（２９９ｇ）、及び酢酸を、上述のミルにかけられたスラリーに添加する。粒子の９０％が７ミクロン又はそれ未満の粒径を有するように、得られたスラリー（４７質量％の固体）を混合してミルにかける。擬ベーマイト（６０ｇ）を、ミルにかけられたスラリーに添加し、４５質量％の固体を含む被覆スラリーを得る。

本発明にしたがって構成されたマフラーの概略展開図である。 （ａ）は、本発明にしたがうマフラーの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図１のマフラー構造の内室のバッフル板を示す概略図である。 本発明に関する金属製発泡体の概略拡大図である。

符号の説明

２ マフラー
４ 上部外殻
６ 下部外殻
８ 排気導入部
１０ 排気出口
１２ 上部インナーバッフル
１４ 下部インナーバッフル
１６ 上部室
１８ 下部室
６０ 金属支柱
６２ 孔

Claims (11)

1. マフラーケーシング、該マフラー内に形成された内室、該内室内に含まれる網状金属製発泡体マトリックス、及び前記網状金属製発泡体マトリックスに結合した１種以上の貴金属触媒を有することを特徴とする、汎用エンジンの音及び排出物の減少用の装置。
2. 前記内室が、
   前記マフラー内に含まれる複数の相互に並置されたバッフル板により形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記網状金属製発泡体マトリックスが、
   ステンレス鋼、チタニウム、ＦｅＣｒ合金、ジルコン酸アルミニウム、チタン酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、コージライト、ムライト、及びコランダムからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記網状金属製発泡体マトリックスが、
   ＦｅＣｒ合金発泡体であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記網状金属製発泡体マトリックスが、熱アーク溶射された金属層により被覆され、
   前記触媒が、前記熱アーク溶射された金属層に施されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記熱アーク溶射された金属層が、
   Ｎｉ、Ｎｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ｃｒ、Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｃｏ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｆｅ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ／Ｙ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｒ、３００及び４００シリーズのステンレス鋼からなる群から選択されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記熱アーク溶射された金属層が、
   アルミナ、γアルミナ、チタニア、ジルコニア、ジルコニア―アルミナ、ジルコニア―チタニア、チタニア―アルミナ、ランタナ―アルミナ、バリア―ジルコニア―アルミナ、ニオビア―アルミナ、及びシリカろ過されたコージライト等の耐火性酸化物からなる群から選択される耐火性酸化物層で被覆されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記網状金属製発泡体マトリックスが、前記触媒でゾーンコーティングされ、
   これにより、上流の触媒が無い捕捉領域、及び別の下流の触媒領域が提供されることを特徴する請求項１に記載の装置。
9. （ａ）排気ガス流をマフラーに導く工程を有し、該マフラーが、
   （ｉ）少なくとも２枚のバッフル板、
   （ｉｉ）汎用エンジンの排出物の軽減用の１種以上の貴金属触媒で被覆され前記バッフル板内に含まれている網状金属製発泡体マトリックス、及び
   （ｉｉｉ）前記バッフル板に隣接して位置する１個以上の部屋、を有し、
   （ｂ）前記エンジンの排気ガス流を前記発泡体マトリックスに導いて、次に、前記１個以上の部屋に導き、それによって、エンジンの排出物、及び騒音を低減させる工程、及び
   （ｃ）前記エンジンの排気ガス流を前記１個以上の部屋から前記マフラーの外に導く工程、
   を有することを特徴とする、汎用エンジンの騒音レベルの低減、及び排出物の軽減のための方法。
10. 前記バッフル板が、内部に内室を形成するように相互に並置され、
    １種以上の貴金属触媒で被覆された前記網状金属製発泡体マトリックスが、前記内室内に含まれ、及び、
    前記エンジンの排気ガス流を、前記内室に導くことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記１個以上の部屋が、前記並置されたバッフル板の両側に分離した上部及び下部室を有し、
    前記エンジンの排気ガス流を、前記網状金属製発泡体、前記上部室、及び前記下部室に連続して導入することを特徴とする請求項９又は１０記載の方法。

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