JP2017526853A - 排気システム部品のための診断システム - Google Patents

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Abstract

内燃機関の排気システムのための診断システムは、開示される。診断システムは、触媒部品、及びマーカーの転移温度より上で物理的転移を経るマーカーを含む。内燃機関のための排気システム中の触媒部品が非活性温度にさらされたか否かを判定するための方法も、開示される。【選択図】なし

Description

本発明は、内燃機関の排気システムのための診断システムに関する。
内燃機関は、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物（「ＮＯｘ」）、硫黄酸化物及び微粒子物質を含む種々の汚染物質を含有する排気ガスを生じる。ますます厳重な国家及び地域の法規は、そのようなディーゼル又はガソリン機関から排出され得る汚染物質の量を低下させた。種々の触媒部品を含有する排気システムは、それらの低排出の水準に到達するために開発された。
触媒部品は、機関から生じる排気ガス組成物を化学的に代替することにより、大気に放出される汚染物質の量を低減するために作動する。例えば、「三元触媒」（ＴＷＣ）部品は、３つの主な機能：（１）ＣＯ２を生成するような、排気ガス中のＣＯの酸化と；（２）ＣＯ２及びＨ２Ｏを生成するような、不燃炭化水素の酸化と；（３）ＮＯｘからＮ２への還元と；を果たす。触媒の温度がある特定の範囲内で維持される場合、触媒部品は、典型的には、ピークの効率で作動する。特定の温度範囲を上回る温度においての触媒部品の継続的作動は、典型的には、触媒材料の変質をもたらすであろう。この変質は、低減した性能又は触媒失活をもたらす。
低減した性能又は失活（例えば、触媒被毒等）についての他の可能性のある解釈があるので、触媒が非常に高い温度にさらされたか否かを判定する方法を開発することは重要である。
我々は、不活性化及び可能性のある失活を引き起こし得る高いエージング温度を触媒部品が経たか否か検知し得る新たな診断システムを発見した。
本発明は、内燃機関の排気システムのための診断システムである。診断システムは、触媒部品、及び物理的転移をそれの転移温度より上で経るマーカーを含む。本発明は、内燃機関のための排気システム中の触媒部品が不活性化温度にさらされたか否かを判定するための方法も含む。方法は、触媒部品の極めて近接内に配置されるマーカーを視覚的に検査すること、及びマーカーの転移温度より上の温度にさらされることを示す物理的転移をマーカーが経たか否かを判定することを含む。
本発明の診断システムは、触媒部品を含む。これらの触媒部品は、当該技術分野でよく知られる。触媒部品は、典型的には、基材上にコーティングされる触媒コーティングを含む触媒コーティング基材である。好ましくは、触媒部品は、触媒コーティング基材を収容する被膜（ｃａｎ）又は外殻を含む。
基材は、好ましくは、セラミック基材又は金属基材である。セラミック基材は、任意の好適な耐火性材料、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニア、マグネシア、ゼオライト、ケイ素窒化物、ケイ素炭化物、ジルコニウムケイ酸塩、マグネシウムケイ酸塩、アルミノケイ酸塩及び金属アルミノケイ酸塩（コーディエライト及びｓｐｕｄｏｍｅｎｅのような）、又はそれらの任意の２以上の混合物若しくは混合酸化物で作製されてよい。コーディエライト、マグネシウムアルミノケイ酸塩及びケイ素炭化物は、特に好ましい。
金属製基材は任意の好適な金属から作製されてよく、特に、チタン及びステンレス鋼のような耐熱性の金属及び金属合金でも、他の微量金属に加えて、鉄、ニッケル、クロム、及び／又はアルミニウムを含むフェライト合金でもよい。
基材は、アプリケーションに依存して、フィルター基材又はフロースルー基材であってよい。基材がフロースルー基材である場合、それは、好ましくは、ハニカムモノリスである。基材は、典型的には、車両排気が通過する多くのチャネルを提供するように設計される。チャネルの表面は、触媒コーティングで担持される。
三元触媒（ＴＷＣ）は、典型的には、単一装置でＮＯｘをＮ２に、一酸化炭素をＣＯ２に、かつ炭化水素をＣＯ２及びＨ２Ｏに変換するために、化学量論的な条件下で、ガソリン機関で使用される。ＴＷＣは、好ましくは、２以上の白金族金属（ＰＧＭ）の組合せ、一般的にはＰｔ／Ｒｈ、Ｐｄ／Ｒｈ又はＰｔ／Ｐｄ／Ｒｈ、を含む。使用されたＰＧＭ及び任意の触媒プロモーター、例えば、バリウムベースの化合物、は、典型的には、酸素貯蔵部品（ＯＳＣ）、例えば、Ｃｅ−Ｚｒ混合又は複合酸化物、及び高表面積無機酸化物、例えば、アルミナ、の一方又は双方で担持される。
ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）は、ＣＯをＣＯ２に酸化し、かつ気相の炭化水素（ＨＣ）及びディーゼル微粒子の有機画分（可溶有機画分）をＣＯ２及びＨ２Ｏに酸化するように、設計される。典型的なＤＯＣ部品は、アルミナ、シリカ−アルミナ及びゼオライトのような高表面積無機酸化物担体上に、白金及び任意選択的にパラジウムも含む。
触媒化スートフィルター（ＣＳＦ）は、ＤＯＣと同様な組成及び機能の触媒でコーティングされるフィルター基材である。それは、ディーゼル微粒子物質の燃焼においても促進し得る。典型的なＣＳＦ触媒部品は、白金、パラジウム及び高表面積無機酸化物を含む。
選択的触媒的還元（ＳＣＲ）触媒は、窒素化合物（アンモニア又は尿素のような）又は炭化水素（リーンＮＯｘ還元）との反応によりＮＯｘをＮ２に還元する触媒である。典型的なＳＣＲ触媒は、バナジア−チタニア触媒、バナジア−タングスタ−チタニア触媒、又は鉄／ベータゼオライト、銅／ベータゼオライト、銅／ＳＳＺ−１３、銅／ＳＡＰＯ−３４、Ｆｅ／ＺＳＭ−５若しくは銅／ＺＳＭ−５のような金属／ゼオライト触媒から構成される。ＳＣＲ触媒は、典型的には、フロースルー基材上にコーティングされる。
選択的触媒的還元フィルター（ＳＣＲＦ）は、微粒子フィルター及びＳＣＲの機能性を組み合わせる単一基材装置である。それらは、内燃機関からのＮＯｘ及び微粒子排出物を低減させるように使用される。ＳＣＲ触媒がフィルター基材上にコーティングされる場合、ＳＣＲＦが形成される。
リーンＮＯｘトラップ（又はＮＯｘ吸着材触媒）は、リーン排気条件下でＮＯｘを吸着し、リッチ条件下で吸着されたＮＯｘを放出し、かつ放出されたＮＯｘを還元してＮ２を形成する触媒である。ＮＯｘトラップは、典型的には、ＮＯｘ貯蔵成分（例えば、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ及びＮｄ）、酸化成分（好ましくはＰｔ）及び還元成分（好ましくはＲｈ）を含む。これらの成分は、１以上の無機酸化物担体上に含有される。
種々の触媒システムは、既知の方法により基材に加えられてよい。例えば、三元触媒において、複合酸化物又はＰＧＭ含有複合酸化物触媒は、基材の表面に接着されるウォッシュコート、多孔性、高表面積層として、基材に塗布及び接着されてよい。ウォッシュコートは、典型的には、水系スラリーにより基材に塗布され、その後、高温で乾燥及びか焼される。複合酸化物が基材上にウォッシュコーティングさえされれば、ＰＧＭ金属は、乾燥ウォッシュコート担体層上に（含浸、イオン交換等により）担持され、その後、乾燥及びか焼され、触媒コーティング基材を製造し得る。
本発明の診断システムは、それが転移温度にさらされた後に物理転移を経るマーカーを含む。転移温度は、マーカーが物理転移を経る温度であり、好ましくは、それの融点である。好ましくは、マーカーは、ホウ素化合物、チタン化合物、亜鉛化合物、ナトリウム化合物、ケイ素化合物、カリウム化合物、カルシウム化合物、アルミニウム化合物、クロム化合物、コバルト化合物、鉄化合物、ニッケル化合物、銅化合物、マンガン化合物、バナジウム化合物及びマグネシウム化合物からなる１以上の化合物を含むセラミック材料である。より好ましくは、セラミック材料は、金属炭酸塩、例えば、ニッケル炭酸塩（例えばＮｉＣＯ３）、コバルト炭酸塩（例えばＣｏＣＯ３）、クロム炭酸塩（例えばＣｒＣＯ３）、マンガン炭酸塩（例えばＭｎ（ＣＯ３）２若しくはＭｎ２（ＣＯ３）３）、又はそれらの混合物である。
あるいは、マーカーは、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、バナジウム、モリブデン、ニッケル、コバルト及びランタンを含む１以上の混合金属酸化物を含んでよい。より好ましくは、混合金属酸化物は、Ｍｇ３（ＶＯ４）２、Ｎｉ２（ＶＯ４）２、Ｎａ３（ＶＯ４）又はそれらの混合物である。Ｍｇ３（ＶＯ４）２の融点は１２１０℃であり、Ｎｉ２（ＶＯ４）２の融点は＞９００℃であり、かつＮａ３（ＶＯ４）の融点は８５０℃である。
好ましくは、マーカーは、一連のマーカーを含む。好ましい態様では、マーカーは、種々の温度において着色ガラスを形成するセラミックグレーズから構成される一連のストライプからなる。例えば、各ストライプは、特定の温度（〜６００℃、〜８１５℃及び１２００℃）において融解する個々のグレーズからなり得る。あるいは、好ましくは、マーカーは、規定された温度において融解する一連の混合金属酸化物からなってよい。例えば、ストライプは、それらの融解温度より上で融解してかつ色付く白色又はオフホワイト混合金属酸化物からなり得る。あるいは、他の好ましいことは、規定された温度で分解してかつ色を変化させる金属炭酸塩からマーカーが構成され得るということである。
本発明の診断システムは、好ましくは、排気システム内に配置される触媒部品の潜在的な熱的悪化を見知するように使用される。触媒部品の熱的悪化を検知するように使用される場合、マーカーは、マーカーが触媒部品と同様な温度にさらされるように、触媒部品の極めて近接に好ましくは配置されるであろう。好ましくは、マーカーは、１２インチ（３０．５ｃｍ）以内に、より好ましくは、６インチ（１５．２５ｃｍ）以内に、最も好ましくは、触媒部品自体の上か又は内に、配置されるであろう。
例えば、マーカーは、触媒コーティング基材の基材上に配置されてよい。例えば、マーカーは、触媒部品のチャネル内に配置されてよい。より好ましくは、マーカーは、触媒部品の被膜又は外殻上に配置される。触媒部品の外側に（すなわち、被膜若しくは外殻の膜上に、又は触媒部品の出口面上に）マーカーを配置することにより、それは、排気システムの被膜／外殻を開かなくとも容易に見られるであろう。加えて、マーカーは、触媒部品の出口の上か又は近くに塗布される。
本発明の診断システムは、優先的には、排気管も含む。排気管は、典型的には、排気ガスが大気に出る前に触媒部品と接触するように触媒部品を通って排気ガスを機関から大気に運ぶ。診断システムが排気管も含む場合、マーカーは、排気システムの排気管の内側又は外側にも塗布され得る。例えば、マーカーは、排気管内に配置された個々のプローブ上に配置されてよい。それは、触媒部品の極めて近接中、好ましくは、触媒部品の１２インチ（３０．５ｃｍ）以内、より好ましくは、触媒部品の６インチ（１５．２５ｃｍ）以内の個々のプローブ上にも配置されてよい。触媒部品の極めて近接中に配置される場合、個々のプローブは、排気ガスが個々のプローブと接触する前にまず触媒部品と接触するように、好ましくは、触媒部品の下流に配置される。
本発明は、内燃機関のための排気システム中の触媒部品の診断のための方法も包含する。方法は、触媒部品の極めて近接内に配置されるマーカーを視覚的に検査することと、マーカーの転移温度より上の温度にさらされることを示す物理的転移をマーカーが経たか否かを判定することとを含む。例えば、マーカーは、混合金属酸化物又は金属炭酸塩マーカーの分解により色付くように色が白色（又はオフホワイト）から変化してよい。
以下の例は、本発明を例示するものにすぎない。当業者は、本発明の精神及び特許請求の範囲内にある多くの変形例を認識するであろう。
診断システムは、三元触媒（ＴＷＣ）部品をセラミックマーカーでコーティングすることにより製造されてよい。ＴＷＣ部品は、ＴＷＣ組成物でウォッシュコートされたフロースルーコーディエライト基材を収容する被膜（金属覆い）を含む。セラミックマーカーは、１以上の混合金属酸化物（例えば、１２１０℃のｍｐを有するＭｇ３（ＶＯ４）２；Ｎｉ２（ＶＯ４）２、ｍｐ＞９００℃；及びＮａ３（ＶＯ４）、ｍｐ ８５０℃）のストライプを塗布することにより被膜上にコーティングされてよい。ＴＷＣ部品及びセラミックマーカーを含む診断システムは、その後、排気システムの排気管に診断システムを接続することにより試験車両の排気システム中に配置されてよい。
診断システムは、延長された時間の間、通常の作動条件下で試験車両を走らせることにより、試験されてよい。試験期間に続き、セラミックマーカーは、ＴＷＣが高温非活性化温度にさらされた否かを判定するために、色の変化について視覚的に検査されてよい。例えば、Ｎａ３（ＶＯ４）セラミックマーカーの変色は、ＴＷＣが８５０℃より上の温度にさらされたことを示すであろう。Ｍｇ３（ＶＯ４）２セラミックマーカーの変色は、ＴＷＣが１２１０℃より上の温度にさらされたことを示すであろう。

Claims (15)

  1. 内燃機関の排気システムのための診断システムであって、触媒部品、及びマーカーの転移温度より上で物理的転移を経るマーカーを含む、診断システム。
  2. マーカーが、ホウ素化合物、チタン化合物、亜鉛化合物、ナトリウム化合物、ケイ素化合物、カリウム化合物、カルシウム化合物、アルミニウム化合物、クロム化合物、コバルト化合物、鉄化合物、ニッケル化合物、銅化合物、マンガン化合物、バナジウム化合物、マグネシウム化合物及びそれらの混合物からなる群から選択される１以上の化合物を含むセラミック材料である、請求項１に記載の診断システム。
  3. セラミック材料が、ニッケル炭酸塩、コバルト炭酸塩、クロム炭酸塩、マンガン炭酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される金属炭酸塩である、請求項２に記載の診断システム。
  4. マーカーが、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、バナジウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、ランタン及びそれらの混合物からなる群から選択される金属を含む１以上の混合金属酸化物を含む、請求項１に記載の診断システム。
  5. １以上の混合金属酸化物が、Ｍｇ３（ＶＯ４）２、Ｎｉ２（ＶＯ４）２、Ｎａ３（ＶＯ４）及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項４に記載の診断システム。
  6. 触媒部品が、三元触媒、ディーゼル酸化触媒、リーンＮＯｘトラップ、ＳＣＲ触媒、触媒化スートフィルター（ＣＳＦ）及びコーティングＳＣＲからなる群から選択される、請求項１から５の何れか一項に記載の診断システム。
  7. 触媒部品が、基材上にコーティングされる触媒コーティングを含む、請求項１から６の何れか一項に記載の診断システム。
  8. 触媒部品が、触媒コーティング基材を収容する被膜又は外殻を含む、請求項７に記載の診断システム。
  9. マーカーが触媒部品の１２インチ以内に配置される、請求項１から８の何れか一項に記載の診断システム。
  10. マーカーが触媒部品の被膜又は外殻上に配置される、請求項８の診断システム。
  11. マーカーが触媒コーティング基材の基材上に配置される、請求項８に記載の診断システム。
  12. マーカーが触媒部品の出口において又は近くに配置される、請求項１から８の何れか一項に記載の診断システム。
  13. 更に排気管を含み、マーカーが排気管の内側又は外側に配置される、請求項１から８の何れか一項に記載の診断システム。
  14. マーカーが排気管内の個々のプローブ上に配置される、請求項１３に記載の診断システム。
  15. 内燃機関のための排気システム中の触媒部品が不活性化温度にさらされたか否かを判定するための方法であって、
    （ａ）触媒部品の極めて近接内に配置されるマーカーを視覚的に検査することと、
    （ｂ）マーカーが、マーカーの転移温度より上の温度にさらされたことを示す物理的転移を経たか否かを判定することと、
    を含む方法。
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