JP2015500140A - 面取り隅を有する流路を備えるパス・スルー触媒基材および製造方法 - Google Patents
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Abstract
パス・スルー触媒基材は、触媒基材の入口端と出口端との間に延在する流路を画定する複数の多孔性セラミック基材壁を含むことができる。パス・スルー触媒基材は、流路内の基材壁の交差隅に配置された複数の多孔性セラミック面取り隅部分を備えることができる。多孔性セラミック面取り隅部分は各々、約１．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋ未満の熱容量を有する。触媒ウォッシュコート層が、多孔性セラミック基材壁および多孔性セラミック面取り隅部分の上にコーティングされる。また、パス・スルー触媒基材を製造するための方法は、多孔性セラミック面取り隅部分を提供する。
Description
本出願は、２０１１年１１月３０日に出願された米国特許出願第１３／３０７，８１８号（その内容に依拠し、その全体を参照によって本明細書に組み込む）の米国法典第３５編第１２０条の下の優先権の利益を主張する。
本開示は一般に、パス・スルー触媒基材を製造するための装置および方法、より詳しくは、多孔性セラミック面取り隅部分を備えるパス・スルー触媒基材を製造するための装置および方法に関する。
ガソリンおよびディーゼル燃料内燃機関からの排気ガスを処理するためのパス・スルー触媒基材を製造する装置および方法は公知である。基材の流路内に触媒コーティングを有するハニカム基材を提供することは公知である。運転時に、排気ガスを強制的に基材の流路を通過させるようにする。流路を通過するとき、未燃炭化水素、一酸化炭素、一酸化窒素および亜酸化窒素のような汚染物質がウォッシュコーティング中の触媒と反応して、排気ガスが大気中に放出される前に窒素、二酸化炭素、および水のような無害な種を形成する。
典型的なエンジン始動の間、触媒が活性になり汚染物質を処理することができる温度にパス・スルー触媒基材が加熱されるまでにかなりの時間が経過する場合がある。従って、エンジンが始動された直後且つ基材がライトオフ温度に達する前にかなりの量の汚染物が逃散する。それ故、エンジン始動の間、過剰な汚染を低減するために、急速に加熱されてライトオフ温度に達するために必要な時間を低減し得る触媒ウォッシュコーティングを担持するパス・スルー触媒基材を提供することが望ましい。
以下に、詳細な説明において説明されるいくつかの例示的態様の基本的理解を提供するために開示の簡単な要約を示す。
一例示的態様において、パス・スルー触媒基材は、触媒基材の入口端と出口端との間に延在する流路を画定する複数の多孔性セラミック基材壁を含む。パス・スルー触媒基材は、流路内の基材壁の交差隅に配置された、約１．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋ未満の熱容量を各々有する複数の多孔性セラミック面取り隅部分をさらに備える。また、パス・スルー触媒基材は、多孔性セラミック基材壁と多孔性セラミック面取り隅部分とをコーティングする触媒ウォッシュコート層を備える。
別の例示的態様において、パス・スルー触媒基材を製造する方法は、セラミック成形バッチ材料をダイに通して押出して、セラミック成形基材の入口端と出口端との間に延在する流路を画定する複数の基材壁を備えるセラミック成形基材を成形する工程を含み、そこで複数の面取り隅部分が複数の基材壁と共に同時押出される。方法は、セラミック成形基材を多孔性セラミック基材に焼成する工程をさらに包含し、そこで面取り隅部分が、約１．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋ未満の熱容量を有する多孔性セラミックを含む。また、方法は、多孔性セラミック基材壁と多孔性セラミック面取り隅部分とを触媒ウォッシュコート層でコーティングする工程を包含する。
本発明の上記およびその他の特徴、態様および利点は、本発明の以下の詳細な説明を添付した図面を参照して読むとより良く理解される。
本発明は、請求された発明の実施例の実施形態が示される添付した図面を参照してここで以下により完全に説明される。可能なときはいつでも、同じ参照符号は、同じかまたは同様な部分を指すために図面全体にわたって使用される。しかしながら、請求された発明は多くの異なった形態において具体化されてもよく、本明細書に示された実施形態に限定されるとして解釈されるべきでない。本開示が十分かつ完全であるように、そして請求された発明の範囲を当業者に十分に伝えるようにこれらの実施例の実施形態が提供される。
図１は、パス・スルー触媒基材１０２の略斜視図を示す。パス・スルー触媒基材１０２は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、パス・スルー触媒基材１０２の実施例の略図を一つだけ示す。パス・スルー触媒基材１０２は、入口端１０４と入口端１０４の反対側に配置された出口端１０６とを備える。複数の流路１０８が入口端１０４と出口端１０６との間に延在する。一実施例において、流路１０８の実質的に全てが塞がれているわけではなく、したがって、パス・スルー触媒基材１０２の入口端１０４から出口端１０６への遮られない通過流を提供する。
図２に示されるように、流路１０８は、パス・スルー触媒基材１０２の入口端１０４と出口端１０６との間に長さ方向に延在する複数の多孔性セラミック基材壁１１０によって形成され得る。多孔性セラミック基材壁１１０は、約３０μｍ〜約１５０μｍ、例えば約５０μｍ〜約１００μｍの範囲の断面壁厚を備えることができる。さらに別の実施例において、多孔性セラミック基材壁１１０は、パス・スルー触媒基材１０２の長さにわたって入口端１０４から出口端１０６まで実質的に同じ壁厚を備えることができる。
流路１０８および多孔性セラミック基材壁１１０は各々、入口端１０４と出口端１０６との間に長さ方向に略平行な向きに延在することができる。外表面１１２は流路１０８と多孔性セラミック基材壁１１０とを囲むことができる。外表面１１２は入口端１０４と出口端１０６との間に長さ方向に延在することができる。図示されるように、外表面１１２は、円形断面プロファイルを有する円筒形形状を含むことができる。さらに別の実施例において、外表面１１２は、楕円、多角形または他の形状を有してもよい。例えば、示されないが、外表面１１２は、三角形、矩形（例えば、四角形）などの多角形形状または他の多角形形状を有してもよい。さらに、図示されるように、パス・スルー触媒基材１０２は単一モノリシック基材を含むことができるが、基材は、多くの基材を互いに平行に取り付けて所望の全断面形状を提供するセグメント基材を含んでもよい。単一モノリシックであってもセグメント基材であっても、開示の態様に従って様々な幾何学形状を導入してもよい。例えば、基材は、矩形（例えば、四角形）の断面外周または３つ以上の辺を有する他の多角形形状を含んでもよい。さらに別の実施例において、基材は、円形、楕円形、または他の曲線形状である断面外周を有してもよい。
図２は、図１の線２−２に沿うパス・スルー触媒基材１０２の実施例の概略断面図を示す。パス・スルー触媒基材１０２は様々なセル密度を有することができ、単位面積当たりより大きいかまたはより小さい数の流路１０８が提供されるようにすることができる。例えば、セル密度は、約１００〜１０００路／インチ２（約１５．５〜１５５路／ｃｍ２）のパス・スルー触媒基材１０２横断面、の範囲であり得る。それ故、図１および２に示された実施例は限定的であることを意図せず、広範囲のセル密度が想定される。
さらに別の実施例において、流路を形成するセル構造物は、異なった構成を有することができる。例えば、図３および４に示されるように、図２に示されるセルの配列は略矩形、例えば四角形の構成であるが、さらなる実施例は、三角形、または他の多角形の構成を有するセル構造を有してもよい。本開示の実施例には、流路内の基材壁の交差隅に配置された複数の多孔性セラミック面取り隅部分が含まれる。
図３は、流路１０８のあり得る構造を１つだけ示す図２の一部の拡大図である。図で示された実施例において、多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、流路１０８内の多孔性セラミック基材壁１１０の交差隅に配置される。多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、隣接した多孔性セラミック基材壁１１０の第１の壁面１１６ａから第１の平面１１４ａを投影することと、別の隣接した多孔性セラミック基材壁１１０の第２の壁面１１６ｂから第２の平面１１４ｂを投影することとによって画定され得る。第１および第２の平面１１４ａ、１１４ｂは軸１１４ｃに沿って互いに交差し、そこで相当する多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、第１の平面１１４ａ、第２の平面１１４ｂおよび面取り内表面１１８の間の面積によって画定される。
図４は、上述の流路１０８と同様な流路２０８の多くのあり得る構造の別の１つを示す図２の一部の別の拡大図である。図４は、流路２０８内の多孔性セラミック基材壁１１０の交差隅に配置された実施例の多孔性セラミック面取り隅部分２１４を示す。図で示された実施例の多孔性セラミック面取り隅部分２１４は、隣接した多孔性セラミック基材壁１１０の第１の壁面１１６ａから第１の平面２１４ａを投影することと別の隣接した多孔性セラミック基材壁１１０の第２の壁面１１６ｂから第２の平面２１４ｂを投影することによって画定され得る。第１および第２の平面２１４ａ、２１４ｂは軸２１４ｃに沿って互いに交差し、そこで相当する多孔性セラミック面取り隅部分２１４は、第１の平面２１４ａ、第２の平面２１４ｂおよび面取り内表面２１８の間の面積によって画定される。
説明の目的のために、図３および４は、４つの相当する隣接した流路１０８、２０８の各々の１つの多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を示す。説明の目的のために、各々の相当する流路１０８、２０８の全ての４つの多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４が互いに実質的に同じであってもよいという理解のもとに、単一の多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４が、各々の相当する流路１０８、２０８と関連づけられて示される。さらに、図示されるように、各々の相当する流路１０８、２０８の４つの多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４は、多くの流路の相当する４つの多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４と実質的に同じであってもよく、例えば、残りの相当する流路１０８、２０８の多孔性セラミック面取り隅部分の実質的に全てと実質的に同じであってもよい。さらに別の実施例において、いくつかの流路の面取り隅部分は他の流路の面取り隅部分に数学的に類似していてもよい。例えば、いくつかの実施例において、中央流路の断面積は、いくつかの外周流路の断面積よりも大きくてもよい。例えば、一実施例において、多孔性セラミック基材壁１１０は、これらの面積の基材の強度を増すのを助けるために、基材の中央部分と比べて基材の外周部分において比較的厚くてもよい。このような実施例において、多孔性セラミック面取り隅部分はさらに、互いに数学的に類似している断面積を有してもよい。
多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４は、パス・スルー触媒基材１０２の全長に沿って入口端１０４と出口端１０６との間で部分的にまたは完全に延在することができる。さらに、多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を多孔性セラミック基材壁１１０と一体に形成することができ、多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を多孔性セラミック基材壁１１０と同じ材料から形成するようにすることができる。
多孔性セラミック基材壁１１０と多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４とをコージエライトなどの多数の異なった材料から形成することができる。さらに、多孔性セラミック基材壁１１０と多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４とが、実質的に同じ細孔分布特性を有してもよい同じ材料（例えば、コージエライト材料）によって形成されてもよいが、さらなる実施例は、多孔性セラミック基材壁１１０の細孔分布とは異なった細孔分布を有する多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を提供し得る。
いくつかの実施例において、多孔性セラミック基材壁１１０と多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４との両方が、約５０％〜約７５％、例えば約５５％〜約６５％の範囲の気孔率を有し得る。さらに、多孔性セラミック基材壁１１０と多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４との両方が、約０．５μｍ〜約７μｍ、例えば約１μｍ〜約５μｍの範囲のメジアン細孔径を有し得る。
多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４の面取り内表面１１８、２１８は、広範囲の表面構成を備えることができる。例えば、図３に示されるように、多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、凹形状を有する丸い、弧状表面１１８を備えることができるが、弧状表面１１８は、さらなる実施例において凸状または不規則な表面トポグラフィーを備えてもよい。図で示された実施例において、弧状表面１１８は、約４０μｍ〜約４００μｍの範囲の曲率半径（「Ｒ」）を備えることができるが、曲率半径は、さらなる実施例においてこの範囲外に及んでいてもよい。
一実施例において、パス・スルー触媒基材１０２の多孔性セラミック面取り隅部分１１４の弧状表面１１８は、約４０μｍ〜約４００μｍの範囲の実質的に同じ曲率半径を有することができる。さらに別の実施例において、曲率半径は、１つの流路から別の流路へと変化することができる。例えば、弧状表面１１８の曲率半径「Ｒ」は、外表面１１２に向かって延びる放射軸に沿って増加または減少することができ、その結果、１つの流路は、第２の隣接した流路とは異なった曲率半径を有する。この実施例において、弧状表面１１８の曲率半径は、パス・スルー触媒基材１０２の長さの中央により近い流路１０８と比べて、外表面１１２により近い流路１０８において、より大きいかまたはより小さくなり得る。
ここで図４を参照して、多孔性セラミック基材壁１１０の交わりの第２の実施例の拡大図が示される。図示されるように、多孔性セラミック面取り隅部分２１４の面取り内表面２１８は、多孔性セラミック基材壁１１０の交差する壁面１１６ａ、１１６ｂの間に延在する略平面表面２１８をさらに包含することができる。この実施例において、多孔性セラミック面取り隅部分２１４は、斜辺が面取り内表面２１８の平面表面を形成する流路２０８の隅に配置された略三角形形状の構造物を画定することができる。平面表面の断面プロファイルが多孔性セラミック基材壁１１０の交差する壁面１１６ａ、１１６ｂの間でほぼ直線に延びるように平面表面は実質的に線状であり得る。
一実施例において、多孔性セラミック面取り隅部分２１４の面取り内表面２１８の平面表面の全てが、実質的に同じ大きさおよび形状の平面表面を有することができる。さらに別の実施例において、平面表面の大きさは、異なった流路２０８についてより大きいかまたはより小さくなり得る。したがって、平面表面の大きさは、外表面１１２に向かって延びる放射軸に沿って増加または減少してもよく、その結果、１つの流路は、第２の隣接した流路より大きい平面表面を有する。この実施例において、平面表面の大きさは、パス・スルー触媒基材１０２の長さの中央により近い流路２０８と比べて、外表面１１２により近い流路２０８において、より大きいかまたはより小さくなり得る。
他の実施例において、パス・スルー触媒基材１０２は、多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４の組合せを含有し得る。それ故、弧状表面１１８と平面表面２１８との両方が、同じパス・スルー触媒基材１０２において提供され得る。例えば、１つまたは複数の流路が、図示された弧状表面として面取り内表面１１８を有する４つの多孔性セラミック面取り隅部分１１４を備えることができ、他方、別のまたはさらなる複数の流路が、図示された平面表面を有する４つの面取り隅部分２１８を備えることができる。さらに別の実施例において、パス・スルー触媒基材１０２内の複数の流路の各々は、それぞれ弧状および平面表面を有する面取り内表面１１８、２１８の組合せを含有し得る。したがって、多孔性セラミック面取り隅部分と単一のパス・スルー触媒基材１０２との様々な組合せが想定されることが理解されなければならない。
図３および４をさらに参照して、触媒ウォッシュコート層１２０が、多孔性セラミック基材壁１１０と多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４との両方の上にコーティングとして提供され得る。触媒ウォッシュコート層１２０は、排気ガスがパス・スルー触媒基材１０２を通って流れるときにそれが接触する表面を画定することができる。触媒ウォッシュコート層１２０がライトオフ温度まで十分に加熱されると、清浄化されたガスが大気中に放出される前にウォッシュコート層内の触媒は、排気ガスからの望ましくない炭化水素および／または酸化窒素放出物と反応することができる。
触媒ウォッシュコート層１２０は、パス・スルー触媒基材１０２の全長に沿って入口端１０４と出口端１０６との間で部分的にまたは完全に延在することができる。触媒ウォッシュコート層１２０は、触媒作用促進材料の堆積のための比較的高い表面積を提供することができ、多数の異なった組成物および材料を含有することができる。例えば、一実施例において、触媒ウォッシュコート層１２０は、約７５％のアルミナ、２１％のセリアジルコニア、および３〜４％の貴金属の組成物を含有することができる。しかしながら、触媒ウォッシュコート層１２０は、さらなる実施例において異なった組成物を含有することができることが理解されなければならない。触媒ウォッシュコート層１２０は、多数の異なったウォッシュコート配合量においてパス・スルー触媒基材１０２上に配合され得る。一実施例においては、ウォッシュコート配合量は約０．２ｇ／ｃｍ３を含んでもよいが、ウォッシュコートの他の配合量がさらなる実施例において提供されてもよい。
パス・スルー触媒基材１０２の多孔性セラミック基材壁１１０および多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４は、触媒ウォッシュコート層１２０を構成することができる様々な材料のための担体として使用され得る。例えば、一実施例において、パス・スルー触媒基材１０２を使用して、ガソリン駆動車からの排気ガスを処理するために使用される三元触媒材料を含有する触媒ウォッシュコート層１２０を担持することができる。別の実施例において、パス・スルー触媒基材１０２を使用して、ディーゼルエンジン後処理システムにおいて使用され得るディーゼル酸化触媒を含有する触媒ウォッシュコート層１２０を担持することができる。さらに別の実施例において、パス・スルー触媒基材１０２を使用して、酸化窒素（ＮＯｘ）の処理のために選択された触媒還元（ＳＣＲ）触媒を含有する触媒ウォッシュコート層１２０を担持することができる。
本開示のパス・スルー触媒基材１０２を使用して、エンジン放出物をより毒性の少ない物質に変換するのを助けることができる。さらに、本開示のパス・スルー触媒基材は、パス・スルー触媒基材１０２を比較的急速に触媒ライトオフ温度に加熱するのを可能にし、そこで触媒ウォッシュコート層１２０内の触媒は、エンジン放出物をより毒性の少ない物質により有効に変換する。
本開示に関して、流路１０８の隅に多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を備えることと共に多孔性セラミック基材壁１１０および多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４の気孔率を増加させることが多数の利点をもたらし得ることが見出された。利点には、パス・スルー触媒基材１０２の全熱容量の低減およびパス・スルー触媒基材１０２において使用されるウォッシュコート材料の総量の低減などがあるがそれらに限定されない。気孔率の増加とウォッシュコート配合量の低減とは両方とも、全熱容量の低減に寄与することができる。熱容量の低減は、パス・スルー触媒基材１０２を急速に加熱することを可能にし、それによってライトオフ温度に達するのに必要な時間を低減する。さらに、ウォッシュコート材料の低減は、パス・スルー触媒基材１０２の全熱容量の低減にも寄与しながら材料費を低減することができる。
図５は、モデル化されたデータのグラフであり、そこでＹ軸はウォッシュコート全配合量（ｇ／ｃｍ３）であり、Ｘ軸は、図３において説明された多孔性セラミック隅部分１１４の面取り内表面１１８の弧状表面の曲率半径「Ｒ」（μｍ）である。それ故、図５は、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の弧状表面の曲率半径（μｍ）の関数としてパス・スルー触媒基材１０２内の触媒ウォッシュコート層１２０のウォッシュコート全配合量（ｇ／ｃｍ３）を示す。図５のグラフは、約２．８５ミル（７２．４μｍ）の多孔性セラミック基材壁１１０の壁厚および約６００流路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）のセル密度を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２のモデル化されたデータに基づいている。図示されるように、弧状表面１１８の曲率半径「Ｒ」が増加するとき、パス・スルー触媒基材１０２内のウォッシュコート全配合量が減少する。ウォッシュコート配合量の低減は、少なくとも部分的には、流路１０８の隅を占める多孔性セラミック面取り隅部分１１４のためである。例えば、図３を参照すると、触媒ウォッシュコート層１２０は流路１０８内の多孔性セラミック基材壁１１０の交差隅に堆積する傾向があり、その結果、交差隅内の触媒ウォッシュコート層１２０の厚さ「Ｔ１」は多孔性セラミック基材壁１１０の中間部分のウォッシュコート層１２０の厚さ「Ｔ２」より大きい。
したがって、多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、多孔性セラミック面取り隅部分１１４が無いときに（すなわち、０μｍの曲率半径「Ｒ」）流路１０８の隅部分に通常は堆積したであろうウォッシュコート材料を移動させることができる。それ故、ウォッシュコート材料は、多孔性セラミック基材壁１１０の隅から中間点位置に向かって移動させられる、すなわち、壁面１１６ａ、１１６ｂに沿う多孔性セラミック基材壁１１０の領域の厚さは、面取り表面１１８、２１８とのその交わりによって境界を定められる。
図５によって、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の無い（すなわち、０μｍの曲率半径「Ｒ」）パス・スルー触媒基材１０２上のウォッシュコート配合量は約０．２ｇ／ｃｍ３である。しかしながら、約２００μｍの曲率半径についてウォッシュコート配合量は約０．１３１ｇ／ｃｍ３まで低下し、約３４．５％のウォッシュコート配合量の低減である。それ故、多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２を提供することによってより低いウォッシュコート配合量をもたらすことができる。より具体的には、ウォッシュコート配合量は、より大きい曲率半径を有する多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２において徐々に減少する。一実施例において、ウォッシュコート材料は、約２５％の気孔率のパス・スルー触媒基材１０２全体の熱容量の約４２％を占めることができる。したがって、ウォッシュコート全配合量のこの低下は、パス・スルー触媒基材１０２の全熱容量を低減することができ、そして次に、それは、有効温度およびライトオフをより速く達成することを可能にする。さらに、ウォッシュコート全配合量の低下は、ウォッシュコートの成分が一般に費用がかかるため、著しいコスト低減となり得る。
ここで図６を参照して、約６００流路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）のセル密度、約６０％の気孔率、および約０．２ｇ／ｃｍ３のウォッシュコート配合量を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２についての２つの別個のプロットを示すモデル化されたデータのグラフが提供される。第１のプロット１２２は、グラフのＸ軸上に示される多孔性セラミック面取り隅部分１１４の弧状表面の曲率半径（μｍ）の関数として基材壁厚（μｍ）が第一Ｙ軸（左端のＹ軸）上に示される。図示されるように、（図３に示される）弧状表面の曲率半径「Ｒ」が増加するとき、多孔性セラミック基材壁１１０の断面の厚さが減少する。この実施例において、多孔性セラミック基材壁１１０の断面の厚さが、多孔性セラミック基材壁１１０の対向した隅の間のほぼ中間の多孔性セラミック基材壁１１０の中間点位置において測定される。
多孔性セラミック基材壁１１０の断面の厚さの低減は、少なくとも部分的には、流路１０８の隅を占める多孔性セラミック面取り隅部分１１４の存在のためである。以下により詳細に説明されるように、押出プロセスの間、多孔性セラミック基材壁１１０を形成するセラミック成形バッチ材料を多孔性セラミック基材壁１１０から部分的に逸して流路１０８の隅を埋め、多孔性セラミック面取り隅部分１１４を形成することができる。これは、中間点においてより薄い断面の厚さを有する多孔性セラミック基材壁１１０をもたらす。したがって、弧状表面の曲率半径が増加するとき、多孔性セラミック面取り隅部分１１４はより大きい断面積を有することができ、したがって、基材を押し出すために使用される材料の同じ量を使用して多孔性セラミック基材壁１１０の断面の厚さを減少させることができる。
さらに図６を参照して、第２のプロット１２４が、グラフのＸ軸上に示される多孔性セラミック面取り隅部分１１４の弧状表面の曲率半径（μｍ）の関数として第二Ｙ軸（右端のＹ軸）上に触媒ウォッシュコート層１２０の厚さ（μｍ）を示すグラフ上に表わされる。また、グラフは約６００流路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）のセル密度、約６０％の気孔率、および約０．２ｇ／ｃｍ３のウォッシュコート配合量を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２に基づいている。図示されるように、（図３に示される）弧状表面の曲率半径「Ｒ」が増加するとき、多孔性セラミック基材壁１１０上のウォッシュコート厚さもまた増加する。この実施例において、触媒ウォッシュコート層１２０の断面の厚さが、多孔性セラミック基材壁１１０の対向した隅の間のほぼ中間の多孔性セラミック基材壁１１０の中間点位置において測定される。
多孔性セラミック基材壁１１０の中間点位置においての触媒ウォッシュコート層１２０の断面の厚さの増加は、少なくとも部分的には、流路１０８の隅を占める多孔性セラミック面取り隅部分１１４の存在のためである。多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、多孔性セラミック面取り隅部分１１４が無いときに（すなわち、０μｍの曲率半径「Ｒ」）流路１０８の隅部分に堆積したであろうウォッシュコート材料を移動させることができる。結果として、多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、ウォッシュコート材料を流路１０８の隅部分から多孔性セラミック基材壁１１０の中間点位置に向かって再分配させる。このため、ウォッシュコート材料は多孔性セラミック基材壁１１０の中間点位置に向かって堆積することができ、したがって、ウォッシュコート層１２０の相応する増加した断面の厚さをもたらす。したがって、弧状表面の曲率半径が増加するとき、多孔性セラミック面取り隅部分１１４はより大きい断面積を有することができ、したがって、多孔性セラミック基材壁１１０の中間点においてのウォッシュコート層１２０のより大きい断面の厚さをもたらす。例えば、約１５０μｍの曲率半径を有する弧状表面を有する多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２において、中間点位置においての触媒ウォッシュコート層１２０の断面の厚さは、多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有さないパス・スルー触媒基材１０２と比較して約８５％大きい。
過剰なウォッシュコートを隅から移動させる結果として、ウォッシュコート層１２０の厚さプロファイル全体がより均一になり得るため、所望のウォッシュコート層の厚さを達成するために全体的により少ないウォッシュコートが必要とされる。さらにまたは代わりに、ウォッシュコート材料をより多く流路１０８の隅から離れて置くことができ、その結果、ウォッシュコート材料が汚染物質ガスにより多く接触可能であり、定常状態およびライトオフの間の触媒変換を改良する。これは、少なくとも部分的には、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の曲率半径の増加によって触媒ウォッシュコート層１２０がより厚くなると共に中間点位置において多孔性セラミック基材壁１１０がより薄くなるためである可能性がある。
図７は、約４００流路／インチ２（約６２流路／ｃｍ２）のセル密度を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２のモデル化されたデータのグラフを示し、そこでＹ軸は面取り隅部分の熱容量（Ｊ／ｃｍ３／Ｋ）を構成し、Ｘ軸は弧状表面の曲率半径「Ｒ」（μｍ）を構成する。グラフは、触媒ウォッシュコート層１２０を導入しない多孔性セラミック面取り隅部分１１４の熱容量を表わす。図７のグラフは、約２．８５ミル（７２．４μｍ）の多孔性セラミック基材壁１１０の壁厚を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２に基づいている。さらに、図７のグラフは、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の４つの別個の気孔率を表わす。プロット１２６は、２５％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１２８は、４０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１３０は、５０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１３２は、６０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。
説明されるように、曲率半径「Ｒ」が増加するとき、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の各々の熱容量もまた増加する。しかしながら、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の熱容量は、気孔率の増加によって低くなる。例えば、熱容量は、曲線１２６によって表わされる２５％の気孔率によって最も高く、約３００μｍの曲率半径を有する多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２においてほぼ０．１０Ｊ／ｃｍ３／Ｋである。しかしながら、熱容量は気孔率の増加によって徐々に減少する。すなわち、３００μｍの曲率半径によって、４０％の気孔率、５０％の気孔率、および６０％の気孔率について、それぞれ、約０．０８Ｊ／ｃｍ３／Ｋ、約０．０７Ｊ／ｃｍ３／Ｋ、および約０．０５Ｊ／ｃｍ３／Ｋである。したがって、気孔率を増加させることによって多孔性セラミック面取り隅部分１１４の熱容量の低減をもたらすことができる。さらなる実施例において、多孔性セラミック面取り隅部分が各々、約５０％〜約７５％の範囲の気孔率および約０．６９Ｊ／ｃｍ３Ｋ〜約１．３８Ｊ／ｃｍ３Ｋの範囲の熱容量を有する。
図８は、約６００流路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）のセル密度を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２の別のモデル化されたデータのグラフを示し、そこでＹ軸は面取り隅部分の熱容量（Ｊ／ｃｍ３／Ｋ）を構成し、Ｘ軸は弧状表面の曲率半径「Ｒ」（μｍ）を構成する。グラフは、触媒ウォッシュコート層１２０を導入しない多孔性セラミック面取り隅部分１１４の熱容量を表わす。図８のグラフは、約２．８５ミル（７２．４μｍ）の多孔性セラミック基材壁１１０の壁厚を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２に基づいている。さらに、図８のグラフはまた、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の４つの別々の気孔率を表わす。プロット１３４は、２５％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１３６は、４０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１３８は、５０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４０は、６０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。
図７に示されるグラフと同様に、図８に示されるグラフもまた、弧状表面１１８の曲率半径「Ｒ」が増加するとき、約６００路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）のセル密度において多孔性セラミック面取り隅部分１１４の各々の熱容量もまた増加することを実証する。しかしながら、同じく、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の熱容量は気孔率の増加によって低くなる。例えば、プロット１３４によって示されるように、熱容量は２５％の気孔率で最も高く、約３００μｍの曲率半径を有する多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２においてほぼ０．１５Ｊ／ｃｍ３／Ｋである。しかしながら、熱容量は気孔率の増加によって徐々に減少する。すなわち、３００μｍの曲率半径によって、４０％の気孔率、５０％の気孔率、および６０％の気孔率について、それぞれ、約０．１２Ｊ／ｃｍ３／Ｋ、約０．１０Ｊ／ｃｍ３／Ｋ、および約０．０８Ｊ／ｃｍ３／Ｋである。したがって、気孔率を増加させることによって、４００路／インチ２（約６２流路／ｃｍ２）および６００路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）の両方のセル密度において多孔性セラミック面取り隅部分１１４の熱容量の低減をもたらすことができる。さらなる実施例において、多孔性セラミック面取り隅部分が各々、約５０％〜約７５％の範囲の気孔率および約０．６９Ｊ／ｃｍ３／Ｋ〜約１．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋの範囲の相当する熱容量を有する。
ここで図９を参照して、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の弧状表面の曲率半径（μｍ）の関数としてパス・スルー触媒基材１０２の全熱容量（Ｊ／ｃｍ３／Ｋ）を示すモデル化されたデータのグラフが示される。Ｙ軸は、触媒ウォッシュコート層１２０を形成する触媒材料を含有するパス・スルー触媒基材１０２の全熱容量（Ｊ／ｃｍ３／Ｋ）を表わす。Ｘ軸は、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の弧状表面の曲率半径（μｍ）を表わす。図９のグラフは、約６００流路／インチ２（約９３流路／ｃｍ２）のセル密度を有する実施例のパス・スルー触媒基材１０２に基づいている。さらに、グラフは、２５％〜６０％の範
囲の、パス・スルー触媒基材１０２の多数の異なった気孔率に基づいたプロットを含む。プロット１４２は、２５％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４４は、４０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４６は、５０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４８は、６０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。
囲の、パス・スルー触媒基材１０２の多数の異なった気孔率に基づいたプロットを含む。プロット１４２は、２５％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４４は、４０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４６は、５０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。プロット１４８は、６０％の気孔率を有する多孔性セラミック面取り隅部分を表わす。
最初に、２５％の気孔率を有するパス・スルー触媒基材１０２を示すプロット１４２を参照すると、弧状表面の曲率半径が０μｍから３００μｍに増加されるときにパス・スルー触媒基材１０２は全熱容量のわずかな減少だけを示す。それと区別して、次に、４０％の気孔率を有するパス・スルー触媒基材１０２を示すプロット１４４を参照すると、パス・スルー触媒基材１０２は、パス・スルー触媒基材１０２の全熱容量の著しい減少を示す。例えば、多孔性セラミック面取り隅部分１１４の無い（すなわち、０μｍの曲率半径）パス・スルー触媒基材１０２において全熱容量は約０．４２Ｊ／ｃｍ３／Ｋであるが、他方、約３００μｍの曲率半径によって全熱容量は約０．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋである。同様に、全熱容量はまた、プロット１４６、１４８によってそれぞれ表わされるように５０％および６０％の気孔率において曲率半径の増加とともに次第により大きな減少を示す。
一実施例において、０の曲率半径を有するパス・スルー触媒基材１０２（すなわち、多孔性セラミック面取り隅部分１１４が無い）に対して約２００μｍの曲率半径を有する多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２を提供することによって、多孔性セラミック面取り隅部分１１４を有するパス・スルー触媒基材１０２の全熱容量は、約０．３４９Ｊ／ｃｍ３／Ｋから約０．３１６Ｊ／ｃｍ３／Ｋに減少することができ、約１０．２％の改良がある。したがって、弧状表面の曲率半径「Ｒ」が増加するとき、パス・スルー触媒基材１０２の全熱容量が減少し、気孔率がより高くなると減少がより著しい。この減少は少なくとも部分的には、流路１０８の隅を占める多孔性セラミック面取り隅部分１１４に帰することができる。多孔性セラミック面取り隅部分１１４は、多孔性セラミック面取り隅部分１１４が無いときに流路１０８の隅部分に堆積したであろうウォッシュコート材料を移動させることができる。ウォッシュコート材料は多孔性セラミック面取り隅部分１１４よりも高い熱容量を有するので、高い気孔率の面取り隅部分を有する流路１０８の隅にウォッシュコート材料に代わるものがあると、全熱容量の減少をもたらすことができる。パス・スルー触媒基材はより短時間で所望のライトオフ温度に達することができる場合があるので、全熱容量のこの減少は有益であり得る。
さらに図９を参照して、表１（以下に示す）は、パス・スルー触媒基材１０２の一実施例において使用され得る材料の熱容量に関するデータを示す。表１の実施例において、触媒ウォッシュコート層１２０の組成は、約７５％のアルミナ、２１％のセリアジルコニア、および３〜４％の貴金属であり得る。図示されるように、基材の熱容量（この実施例においてコージエライト）は、パス・スルー触媒基材１０２全体の熱容量の約５８％に相当する。しかしながら、基材の気孔率を２５％から５５％に増加させると、パス・スルー触媒基材１０２全体の熱容量を約０．４７９Ｊ／ｃｍ３Ｋ（図９において２５％の気孔率のプロット曲線１４２を参照）から約０．３６５Ｊ／ｃｍ３Ｋに低下させることができ、約２４％の低減がある。
次に、方法３００は、セラミック成形バッチ材料を押出してセラミック成形基材３０４を形成する工程３０４を包含することができる。例えば、図１１に示されるように、押出装置４０６は、セラミック成形バッチ材料のバッチをダイ部材４０８に通して押出して、無制限の長さであり得るセラミック成形基材を形成するように構成される。所望の長さが達せられると、カッター（図示せず）を使用して押出セラミック成形基材を切断し、所望の長さを有する基材を提供することができる。
図示されるように、一実施例において、押出装置４０６は、各モーター４１２ａ、４１２ｂによって回転させられてセラミック成形バッチ材料のバッチが通路４１４に沿ってダイ部材４０８の方向に移動するときにそれを混合および圧縮するように構成された二軸スクリュー４１０ａ、４１０ｂを備える二軸スクリュー押出機を備えることができる。押出装置４０６は押出軸を有し、セラミック成形基材を押出軸に略平行な押出方向に沿ってダイ部材４０８から押出すことができる。
図１２は、開示の態様に従って使用されてもよい図１１の１２に関してとられた実施例のダイ部材４０８の拡大概略断面図である。図示されるように、ダイ部材４０８は、複数のダイピン４２０に向かって通路４１４に沿って方向４１８にバッチ材料を供給するように構成された供給孔４１６を備える。セラミック成形バッチ材料が、図２に示されたハニカム横断面を有する押出セラミック成形基材に延伸されるときにパス・スルー触媒基材１０２の多孔性セラミック基材壁１１０（図２に最も良く見られる）を形成するように設計されたスロット４２２を画定するようにダイピン４２０は互いに離隔されている。
図１２に示されるダイピン４２０は、一実施例において、四角形形状の流路１０８（図２に最も良く見られる）を画定する四角形形状を有し得るが、所望の路構成に応じて他のダイピン構成（例えば、三角形、六角形、八角形等）を選択することができる。例えば、一実施例において、ダイピン４２０は、上述の多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を製造し得る、面取りされた例えば実質的に丸みのある隅部分を備えることができる。一実施例において、ダイピン４２０は、約４０μｍ〜約４００μｍの範囲の凸状の曲率半径を有することができる。さらに別の実施例において、ダイピン４２０は、多孔性セラミック面取り隅部分２１４の平らな面取り内表面２１８を製造する平らな面取りした部分を備えることができる。さらに別の実施例において、ダイピン４２０は、多孔性セラミック面取り隅部分の所望の面取り内表面を提供するように設計された他の隅構成を有してもよい。
図１０に戻ると、方法３００は、セラミック成形基材を多孔性セラミック基材３０６に焼成する工程３０６をさらに包含することができる。一実施例において、バッチ材料を提供する工程３０２は、パス・スルー触媒基材１０２に所望の気孔率を達成するための細孔形成材料を有するバッチ材料を提供してもよい。細孔形成材料は多数の異なった有機材料または組成物を含有することができ、一実施例において、スターチを含有することができる。細孔形成材料を焼成工程の間に焼尽して多孔性セラミック基材内に細孔を生じさせることができる。パス・スルー触媒基材１０２の所望の気孔率は、少なくとも部分的には、セラミック成形バッチ材料中に与えられた細孔形成材料の量によって制御され得る。例えば、パス・スルー触媒基材１０２の気孔率は、約５０％〜約７５％の範囲または、より詳しくは、約５５％〜約６５％の範囲であり得る。さらに、パス・スルー触媒基材１０２は、約０．５μｍ〜約７μｍの範囲または、より詳しくは、約１μｍ〜約５μｍの範囲のメジアン細孔径を有する細孔分布を有するように形成され得る。
また、方法３００は、多孔性セラミック基材壁１１０および多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４を触媒ウォッシュコート層１２０でコーティングして、図１に示されたパス・スルー触媒基材１０２を達成する工程３０８を包含することができる。触媒ウォッシュコート層１２０を多数の方法で適用することができる。例えば、一実施例において、多孔性セラミック基材を所望の触媒ウォッシュコートからなるスラリー中に導入することができる。スラリーは、例えば、限定されないが、アルミナ、セリア−ジルコニア、白金、ロジウム、およびパラジウムなどの貴金属を含有することができる。一実施例において、触媒ウォッシュコートは、約７５％のアルミナ、２１％のセリアジルコニア、および３〜４％の貴金属を含有し得る。触媒ウォッシュコートの浸潤後、多孔性セラミック基材を激しく動かして過剰なウォッシュコート材料を除去することができる。乾燥後に、パス・スルー触媒基材１０２に触媒ウォッシュコート層１２０を設けて多孔性セラミック基材壁１１０および多孔性セラミック面取り隅部分１１４、２１４上にコーティングを形成する。
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に様々な改良および変更が実施できることは当業者には明らかであろう。従って、本発明は、添付された特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある場合本発明の改良形態および変形形態に及ぶものとする。
Claims (6)
- 触媒基材の入口端と出口端との間に延在する流路を画定する複数の多孔性セラミック基材壁と、
前記流路内の前記基材壁の交差隅に配置された複数の多孔性セラミック面取り隅部分であって、約１．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋ未満の熱容量を各々有する複数の多孔性セラミック面取り隅部分と、
前記多孔性セラミック基材壁と前記多孔性セラミック面取り隅部分とをコーティングする触媒ウォッシュコート層と、
を含むことを特徴とする、パス・スルー触媒基材。 - 前記多孔性セラミック面取り隅部分が、約５０％〜約７５％、例えば約５５％〜約６５％の範囲の気孔率を有することを特徴とする、請求項１に記載のパス・スルー触媒基材。
- 前記多孔性セラミック面取り隅部分の各々の前記熱容量が約０．６９Ｊ／ｃｍ３／Ｋ〜約１．３８Ｊ／ｃｍ３／Ｋの範囲であることを特徴とする、請求項１または２に記載のパス・スルー触媒基材。
- 前記多孔性セラミック面取り隅部分が、約４０μｍ〜約４００μｍの範囲の曲率半径を有する弧状表面を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパス・スルー触媒基材。
- 前記多孔性セラミック面取り隅部分の細孔分布が、約０．５μｍ〜約７μｍ、例えば約１μｍ〜約５μｍの範囲のメジアン細孔径を包含することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパス・スルー触媒基材。
- 複数の前記多孔性セラミック基材壁の中央部分が各々、約３０μｍ〜約１５０μｍ、例えば約５０μｍ〜約１００μｍの範囲の断面壁厚を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパス・スルー触媒基材。
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