JP6176672B2 - 排出物制御のための多構成要素フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、触媒物品、触媒物品を含む排出物処理システム、および排ガス流中の汚染物質を低減させるための方法に関する。より具体的には、本発明は、ディーゼルエンジンおよび希薄燃焼ガソリンエンジンを含む希薄燃焼エンジンとともに使用するための多構成要素フィルタ、システム、および方法に関する。

希薄燃焼エンジン、例えば、ディーゼルエンジンおよび希薄燃焼ガソリンエンジンの動作は、ユーザに優れた燃料節約を提供し、燃料希薄条件下での高い空気／燃料比におけるそれらの動作により、気相炭化水素および一酸化炭素の非常に低い排出物を有する。特に、ディーゼルエンジンはまた、それらの耐久性、および低速で高いトルクを生成する能力に関して、ガソリンエンジンと比べて有意な利点も提供する。

ディーゼルエンジン排気は、煤等の粒子状排出物と、一酸化炭素、未燃または部分的燃焼炭化水素、および酸化窒素（集合的にＮＯ_ｘと呼ばれる）等のガス状排出物とを含有するが、いわゆる粒子または粒子状物質を構成する凝固相物質（液体および固体）も含有する、不均一混合物である。しばしば、１つ以上の一体基材上に配置される触媒組成物が、あるまたは全てのこれらの排気構成要素を無害な化合物に変換するように、エンジン排気システムの中に置かれる。例えば、ディーゼル排気システムは、ディーゼル酸化触媒、煤フィルタ、およびＮＯ_ｘの還元のための触媒のうちの１つ以上を含有することができる。これらの構成要素は、高価であり、媒介物上のかなりの空間を占める。

したがって、排気処理システムのサイズおよび複雑性を増加させることなく、そのようなシステムの効率を向上させる継続的必要性がある。

本発明の実施形態は、煤、アンモニア、アンモニア前駆体ＮＯ_ｘ、ＣＯ、および炭化水素を含有するガス流から排出物を除去する触媒物品を対象とする。触媒物品は、ガス流中の煤を捕捉するための壁流フィルタを備える。フィルタは、全長を画定する入口端および出口端を有する。フィルタは、複数の軸方向に延在する入口チャネルおよび出口チャネルの中に形成される、ある厚さを有するガス透過性壁を有する。各入口チャネルは、入口壁と、開放入口端と、施栓出口端とを有し、各出口チャネルは、出口壁と、施栓入口端と、開放出口端とを有する。各入口チャネルは、隣接出口チャネルを有する。本物品は、アンモニア前駆体の加水分解を促進する、随意的な加水分解触媒を含む。加水分解触媒は、入口端から延在する入口チャネルの入口壁の一部分の上に被覆される。選択的触媒還元触媒は、過剰酸素の存在下でガス流中のＮＯ_ｘのＮ_２への変換を促進するように、ガス透過性壁に浸透する。アンモニア酸化触媒は、ガス流中のアンモニアのＮ_２への選択的酸化を促進するように、出口チャネルの出口壁の長さを被覆する。酸化触媒は、ＣＯおよび炭化水素のＣＯ_２への酸化を促進するように、出口端から入口端まで延在する出口チャネルの出口壁の一部分の上に被覆される。１つ以上の実施形態では、壁流フィルタは、高効率フィルタである。

いくつかの実施形態では、加水分解触媒が、存在し、入口端から壁流フィルタの長さの約５０％まで延在し、ガス流が最初に加水分解触媒に接触するように配設される。いくつかの実施形態では、加水分解触媒が、存在し、入口端から、約１／４インチから壁流フィルタの長さの約１０％の範囲内の長さまで延在する。１つ以上の実施形態では、加水分解触媒が、存在し、チタニアを含む。

１つ以上の実施形態では、選択的触媒還元触媒は、壁流フィルタの全長に沿って延在する。いくつかの実施形態では、選択的触媒還元触媒は、約０．２５ｇ／インチ^３から約２．５ｇ／インチ^３の範囲内の充填量を有する。１つ以上の実施形態では、選択的触媒還元触媒は、金属促進分子篩を備える。

触媒物品のいくつかの実施形態はさらに、ＳＣＲ触媒の前に煤酸化触媒を備える。１つ以上の実施形態では、煤酸化触媒は、ガス透過性壁を透過する。いくつかの実施形態では、煤酸化触媒は、ガス透過性壁の入口側を透過する層を備える。いくつかの実施形態によれば、層は、壁厚さの最大約５０％の深さまでガス透過性壁を透過する。明示的な実施形態では、煤酸化触媒は、入口壁上に層を備える。１つ以上の実施形態の煤酸化触媒は、ジルコニア安定化酸化セリウムを含む。

いくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒は、触媒物品の全長の最大約５０％まで延在する。いくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒は、酸化触媒から触媒物品の全長の最大約５０％まで延在する。

１つ以上の実施形態では、酸化触媒は、出口チャネルの出口端から最大約２インチの長さまで延在する。いくつかの実施形態では、酸化触媒は、アンモニア酸化触媒の一部分に重複する。１つ以上の実施形態では、アンモニア酸化触媒上に酸化触媒の重複が実質的にない。いくつかの実施形態の酸化触媒は、高表面積支持材上に白金族金属を含む。

本発明の付加的な実施形態は、煤、尿素、アンモニア、ＮＯ_ｘ、ＣＯ、および炭化水素を含む排ガス流を処理する方法を対象とする。触媒物品の入口チャネルの入口端に位置する加水分解触媒は、尿素の加水分解を促進する。煤は、触媒物品の中のガス透過性壁にガス流を通過させ、入口チャネルの壁上にフィルタケーキを形成することによって、加水分解触媒の後にガス流から濾過される。アンモニアおよびＮＯ_ｘは、触媒物品のガス透過性壁を透過する選択的触媒還元触媒を用いた促進によって、Ｎ_２を形成するように反応させられる。アンモニアは、触媒物品の出口壁上に被覆されたアンモニア酸化触媒の促進によって、触媒物品のガス透過性壁から退出するガス流中で酸化させられる。ＣＯおよび炭化水素は、触媒物品の出口端において出口壁上に被覆された酸化触媒の促進によって、二酸化炭素および水を形成するように酸化させられる。

いくつかの実施形態では、煤は、選択的触媒還元触媒の前に、煤酸化触媒の促進により酸化させられる。１つ以上の実施形態では、煤は、フィルタケーキの形成後に酸化させられる。

本発明のさらなる実施形態は、エンジンと、エンジンの下流に位置し、かつエンジンと流体連通している、本明細書で説明されるような触媒物品とを備える、排出物処理システムを対象とする。いくつかの実施形態では、排出物処理システムはさらに、エンジンの下流および触媒物品の上流に位置付けられ、かつ両方と流体連通している、ディーゼル酸化触媒を備える。１つ以上の実施形態では、排出物処理システムはさらに、触媒物品の上流に位置付けられる還元剤注入器を備える。

本発明の１つ以上の実施形態による、触媒物品の斜視図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、壁流モノリスの概略断面図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、触媒物品の概略断面図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、触媒物品の概略断面図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、排気処理システムの略図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、排気処理システムの略図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、排気処理システムの略図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態による、排気処理システムの略図を示す。

本発明のいくつかの例示的実施形態を説明する前に、本発明は、以下の説明で記載される構造またはプロセスステップの詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態、および種々の方法で実践されること、または実行されることが可能である。

以下の用語は、本願の目的では、以下に記載されるそれぞれの意味を有するものとする。

「白金族金属成分」は、白金族金属またはそれらの酸化物のうちの１つを指す。白金族金属は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、およびイリジウムを含む。

「ウォッシュコート」は、処理されているガス流のそれを通した通過を可能にするように十分多孔性である、モノリス基材またはフィルタ基材を通るハニカム流等の、耐熱基材に適用される触媒または他の材料の薄い接着被覆の分野における、その通常の意味を有する。

「ウォッシュコート」という用語は、基材上の粉末状物質から成る触媒被覆を指し、粉末状物質は、典型的には水性媒体である、液状媒体中の不溶性酸化物または塩の乾燥スラリーから得られる。ウォッシュコートは、溶液含浸等によって基材に適用される可溶性前駆体の溶液の触媒物質の含浸と区別される。ウォッシュコートはまた、酸化物成長プロセスまたはゾルゲルプロセスによって薄膜を成長させるプロセスからも区別される。

それらが本明細書で出現する場合、「排気流」および「エンジン排気流」という用語は、エンジンからの流出物、ならびにディーゼル酸化触媒および／または煤フィルタを含むが、それらに限定されない、１つ以上の他の触媒システム構成要素の下流にある流出物を指す。

「流体連通」とは、排ガスまたは他の流体が構成要素および／または導管の間で流れることができるように、構成要素および／または導管が隣接することを意味する。

「下流」は、前の構成要素よりもエンジンからさらに遠く離れた経路内の排ガス流中の構成要素の位置を指す。例えば、ディーゼル粒子フィルタが、ディーゼル酸化触媒から下流にあると称されるとき、排気導管中のエンジンから発せられる排ガスは、ディーゼル粒子フィルタを通って流れる前に、ディーゼル酸化触媒を通って流れる。したがって、「上流」は、別の構成要素に関してエンジンのより近くに位置する構成要素を指す。

「削減する」という用語は、量の減少を意味し、「削減」とは、任意の手段によって引き起こされる量の減少を意味する。

「選択的触媒還元触媒」または「ＳＣＲ触媒」は、過剰酸素の存在下でガス流中のＮＯ_ｘの窒素への変換を促進するために効果的である触媒を指す。「ＳＣＲ機能」または「ＳＣＲ反応」という用語が、化学量論式１によって表される化学プロセスを指すために本明細書で使用されるであろう。ＳＣＲ触媒は、例えば、約１５０℃から約５００℃、または約２００℃から約４５０℃といった、希薄燃焼エンジンの動作温度範囲にわたって、反応を促進するために効果的である。したがって、白金族金属は、約２００〜２５０℃以上で、そのような物質がＳＣＲ反応を促進しないため、「ＳＣＲ触媒」としては除外される。

当業者によって良く理解されるように、触媒は、化学反応速度に影響を及ぼす物質である。触媒が種を変換する、または種と反応する、および同等物と称されるとき、触媒は、反応において消費されず、反応を促進している（例えば、触媒している）。例えば、ＳＣＲ触媒が過剰酸素の存在下でＮＯ_ｘを窒素に変換すると言われ得る。これは、ＳＣＲ触媒が過剰酸素の存在下でＮＯ_ｘの窒素への変換を促進することを意味すると、当業者によって理解されるであろう。

本発明の実施形態は、排出制御のための複数の機能を伴う単フィルタ基材を対象とする。排出制御の複数の機能を得るために、ガス流が接触する触媒の順序が説明される。一実施形態では、ガスは、基材の入口端において入口チャネル壁上に被覆された加水分解触媒に接触する。したがって、フィルタのプラグ領域の中にあり、おそらく壁流領域の中へわずかに延在する、入口壁上の加水分解触媒のゾーンがある。ＳＣＲ触媒が、入口プラグと出口プラグとの間の壁の中に配置される。アンモニア酸化触媒が、プラグ領域の上流にある出口チャネル壁上に配置され、ＣＯ／炭化水素酸化触媒が、プラグゾーン中の出口チャネル壁上のゾーンとして被覆される。煤、尿素、アンモニア、イソシアン酸（アンモニア前駆体とも呼ばれる）、水、ＮＯ_ｘ、ＣＯ、および炭化水素を含有する排気流は、最初に、尿素（およびアンモニア前駆体）の分解が完了する加水分解触媒に接触し、次いで、煤がガス流から濾過されるフィルタ壁、次いで、アンモニアおよびＮＯ_ｘが反応してＮ_２を形成するＳＣＲ触媒、次いで、過剰または残留アンモニアが除去されるアンモニア酸化触媒、最終的に、任意の残留ＣＯまたは炭化水素が二酸化炭素および水に酸化させられるＣＯ／炭化水素酸化触媒に接触する。能動的再生中に、フィルタ上の煤の部分酸化から産生されるＣＯもまた、ＣＯ／炭化水素酸化触媒上で反応させられる。この種類の実施形態は、６方向触媒と呼ばれてもよい。

別の実施形態では、順序が同一であるが、入口チャネル壁の上または入口チャネルに直接隣接する壁の中のいずれかに配置された煤酸化触媒が追加される。煤酸化触媒は、通常動作中に煤の受動的再生に役立ち、煤酸化触媒は、概して、それより下側のＳＣＲ触媒と反応するであろう入射アンモニアと反応しないはずである。代替として、煤酸化触媒およびＳＣＲ触媒は、混合または混和され、同時に煤の酸化およびＮＯ_ｘの選択的還元を可能にするように壁の全体を通して広げることができる。この種類の実施形態は、７方向触媒と呼ばれてもよい。

本発明の一態様は、触媒に関する。１つ以上の実施形態によれば、触媒は、ウォッシュコート層として一体基材上に配置されてもよい。本明細書で使用されるように、かつＨｅｃｋ，Ｒｏｎａｌｄ ａｎｄ Ｒｏｂｅｒｔ Ｆａｒｒａｕｔｏ，Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．１８−１９で説明されるように、ウォッシュコート層は、一体基材または下層のウォッシュコート層の表面上に配置される、組成的に明確に異なる材料層を含む。触媒は、１つ以上のウォッシュコート層を含有することができ、各ウォッシュコート層は、独特の化学触媒機能を有することができる。

複数の排出制御機能を伴う単フィルタ基材を提供するために、ガス流が接触する触媒の順序を制御することが望ましい。本発明の１つ以上の実施形態は、煤、アンモニア、アンモニア前駆体ＮＯ_ｘ、ＣＯ、および炭化水素を含有するガス流から排出物を除去する、触媒物品１００を対象とする。図１−３を参照すると、触媒物品１００は、しばしば担体または担体基材と呼ばれる、基材５０を備える。１つ以上の実施形態では、基材５０は、壁流フィルタである。基材５０は、全長Ｌを画定する入口端５４および出口端５６を有する。基材５０はまた、複数の軸方向に延在する入口チャネル６４および出口チャネル６６の中に形成される、厚さＴを有するガス透過性壁５３も有する。各入口チャネル６４は、入口壁６５、開放入口端５４、および出口プラグ６０を伴う出口端５６を有する。各出口チャネル６６は、出口壁６７、入口プラグ５８を伴う入口端５４、および開放出口端５６を有する。各入口チャネル６４は、図２に示されるように、入口端５４および出口端５６において対向格子状パターンを形成する、隣接出口チャネル６６を有する。入口チャネル６４の抜栓入口端５４を通って進入するガス流は、出口プラグ６０によって停止され、ガス透過性壁５３を通って出口チャネル６６の中へ拡散する。ガスは、壁５３にわたる圧力降下により、入口チャネル６４に戻ることができない。一般に、入口プラグ５８は、ガスが出口チャネル６６に直接進入することを防止し、出口から入口まで壁を横断する流動を防止するのに役立ち得る。基材５０は、ガス流から粒子状物質のうちの少なくともいくらかを除去するために効果的である。

図３および４を参照すると、本発明のいくつかの実施形態は、アンモニア前駆体の加水分解を促進する、随意的な加水分解触媒１１０を含む。加水分解触媒がアンモニア前駆体を加水分解すると言われ得る一方で、加水分解触媒は、実際にはアンモニア前駆体を加水分解しないが、アンモニア前駆体の加水分解反応を促進することが、当業者によって理解されるであろう。加水分解触媒１１０は、しばしば尿素加水分解触媒と呼ばれる。しかしながら、いずれの動作理論によっても拘束されるわけではないが、尿素加水分解触媒は、イソシアン酸である、尿素の熱分解生成物の加水分解を触媒することが当業者によって理解される。加水分解触媒１１０は、基材５０の入口端５４から延在する入口壁６５の一部分の上に被覆される。１つ以上の実施形態では、加水分解触媒１１０は、ガス流が最初に（すなわち、他の触媒に接触する前に）加水分解触媒１１０に接触するように配設される（位置付けられる）。

加水分解触媒１１０が基材５０の長さＬに沿って延在する長さは、結果として生じた触媒物品１００の要件に応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、加水分解触媒１１０は、入口端５４から基材５０の長さの約５０％まで延在する。１つ以上の実施形態では、加水分解触媒１１０は、隣接ガスチャネルの入口プラグ５８と同一の長さに延在する。種々の実施形態では、加水分解触媒１１０は、入口端５４から、基材５０の長さの約５％から約５０％の範囲内の長さ、約１／４インチから基材５０の長さの約５０％の範囲内の長さ、基材５０の長さの約５％から約１０％の範囲内の長さ、または約１／４インチの長さ、または約１／４インチより大きい長さ、または基材５０の長さの約５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、あるいは４５％より大きい長さ、または基材５０の長さの約７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、あるいは１０％未満の長さまで延在する。１つ以上の実施形態では、加水分解触媒１１０は、基材５０の入口端５４から、約１／４インチから基材の長さＬの約１０％の範囲内の長さまで延在する。

加水分解触媒１１０は、加水分解触媒１１０の実質的に全てが入口壁６５の表面上に残存することを確実にするために効果的である、粒径を有する。本明細書および添付の請求項で使用されるように、「加水分解触媒の実質的に全てが表面上に残存する」という用語は、加水分解触媒１１０の約２０％未満が基材５０の多孔性壁５３を透過することを意味する。

加水分解触媒は、当業者に公知である任意の好適な加水分解触媒であり得る。いくつかの実施形態では、加水分解触媒は、チタニア、ガンマアルミナ、および遷移金属酸化物のうちの１つ以上を含む。これらの物質のうちのいずれかを、安定化または非安定化させることができる。安定化剤は、セリア、ジルコニア、ランタナ、チタニア、タングステン、およびシリカを含むが、それらに限定されない、任意の好適な安定化剤であり得る。

基材５０は、ガス透過性壁５３を透過する選択的触媒還元触媒１２０（ＳＣＲ触媒）を含む。ＳＣＲ触媒１２０は、過剰酸素の存在下でガス流中のＮＯ_ｘの窒素への変換を促進するために効果的である。「ＳＣＲ機能」または「ＳＣＲ反応」という用語が、化学量論方程式１によって表される化学プロセスを指すために本明細書で使用されるであろう。

より一般的に、これは、ＮＯ_ｘおよびＮＨ_３または他の還元剤が、好ましくはＮ_２を産生するように組み合わせられる、任意の化学プロセスを指すであろう。「ＳＣＲ組成物」という用語は、ＳＣＲ機能を触媒するために効果的、またはＮＯ_ｘの変換を促進するために効果的な材料組成物を指す。本明細書で使用されるように、「透過する」という用語は、基材上の触媒の分散を表すために使用されるときに、触媒組成物が基材の壁の全体を通して分散されることを意味する。壁を透過する組成物は、壁の外部を被覆し、基材の壁の全体を通して細孔内に存在しない組成物と区別される。いくつかの実施形態では、ＳＣＲ組成物は、煤酸化機能を有する。

排ガス流全体がＳＣＲ触媒１２０を通過することを確実にするために（すなわち、触媒を迂回することを回避するために）、ＳＣＲ触媒は、壁流フィルタの実質的な全長に沿って延在する。本明細書で使用されるように、「実質的な全長」という用語は、基材５０の長さに沿った任意の場所に位置する、ＳＣＲ触媒１２０を含まない任意の部分（複数可）を伴って、ＳＣＲ触媒１２０が全長の少なくとも約９５％に延在することを意味する。

いくつかの実施形態では、ＳＣＲ構成要素は、金属促進分子篩を含む。つまり、周期表のＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩＢ、ＩＢ、またはＩＩＢ族のうちの１つからの金属が、外面上、あるいは分子篩のチャネル、空洞、またはケージ内の骨格外部位上に堆積させられている、分子篩である。金属は、ゼロ価金属原子またはクラスタ、単離カチオン、単核または多核オキシカチオン、または拡張金属酸化物としての形態を含むが、それらに限定されない、いくつかの形態のうちの１つであってもよい。１つ以上の実施形態では、金属は、鉄、銅、およびそれらの混合物または組み合わせを含む。

分子篩は、国際ゼオライト学会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ；ＩＺＡ）によって出版されたＤａｔａｂａｓｅ ｏｆ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓに記載される骨格構造のうちのいずれか１つを有する、微孔性アルミノケイ酸塩ゼオライトであってもよい。骨格構造は、ＣＨＡ、ＦＡＵ、ＢＥＡ、ＭＦＩ、ＭＯＲ型のものを含むが、それらに限定されない。これらの構造を有するアルミノケイ酸塩ゼオライトの非限定的実施例は、菱沸石、フォージャサイト、ゼオライトＹ、超安定ゼオライトＹ、ベータゼオライト、モルデナイト、シリカライト、ゼオライトＸ、およびＺＳＭ−５を含む。

１つ以上の実施形態では、ＳＣＲ構成要素は、ＣＨＡ結晶骨格型、約１５より大きいＳＡＲ、および約０．２重量％を超える銅含有量を有する、アルミノケイ酸塩分子篩を含む。より具体的な実施形態では、ＳＡＲは、少なくとも約１０であり、銅含有量は、約０．２重量％から約５重量％である。ＣＨＡ構造を有するゼオライトは、天然菱沸石、ＳＳＺ−１３、ＬＺ−２１８、Ｌｉｎｄｅ Ｄ、Ｌｉｎｄｅ Ｒ、Ｐｈｉ、ＺＫ−１４、およびＺＹＴ−６を含むが、それらに限定されない。他の好適なゼオライトもまた、その内容全体が参照することにより本明細書に組み込まれる、「Ｃｏｐｐｅｒ ＣＨＡ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ」と題された米国特許第７，６０１，６６２号で説明される。１つ以上の実施形態では、ＳＣＲ組成物は、銅菱沸石を含む。

ゼオライト骨格構造を有するが、他の構成要素、例えば、リンを骨格構造に含有する、分子篩組成物を、本発明の実施形態に従って、ＳＣＲ構成要素において利用することができる。ＳＣＲ構成要素として好適な他の分子篩組成物の非限定的実施例は、シリコアルミノリン酸塩ＳＡＰＯ−３４、ＳＡＰＯ−３７、ＳＡＰＯ−４４を含む。ＳＡＰＯ−３４の合成形態の合成は、参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第７，２６４，７８９号で説明される。

選択的触媒還元触媒１２０は、システム背圧に有意な悪影響を引き起こすことなく、ガス流からのＮＯ_ｘの除去を効果的に促進するために好適である、任意の充填量で存在し得る。種々の実施形態では、ＳＣＲ触媒１２０は、約０．２５ｇ／インチ^３から約２．５ｇ／インチ^３の範囲内、または約０．３８ｇ／インチ^３から約２．０ｇ／インチ^３の範囲内、または約０．５ｇ／インチ^３から約１．５ｇ／インチ^３の範囲内、または約０．６３ｇ／インチ^３から約１．２５ｇ／インチ^３の範囲内の充填量を有する。

図３および４を再び参照すると、触媒物品１００は、出口チャネル６６の出口壁６７上にアンモニア酸化触媒１３０を含む。アンモニア酸化組成物とも呼ばれる、アンモニア酸化触媒１３０は、ガス流中のアンモニアの酸化を促進するために効果的である。「ＮＨ_３酸化機能」という用語が、方程式２によって表される化学プロセスを指すために本明細書で使用されるであろう。

より一般的に、それは、ＮＨ_３が、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏ、または好ましくはＮ_２を産生するように酸素と反応させられる、プロセスを指すであろう。「ＮＨ_３酸化組成物」または「アンモニア酸化触媒」という用語は、ＮＨ_３酸化機能を触媒するために効果的な材料組成物を指す。

アンモニア酸化触媒１３０は、出口壁６７の全長または長さの一部分を被覆する。ガス流中のアンモニアの酸化を効果的に促進するように、出口壁６７の全長を被覆するアンモニア酸化触媒１３０を有することは必要でなくてもよい。出口壁６７の全長を被覆するとき、本システム内の背圧は、望ましくないレベルまで上昇し得る。いくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒１３０は、触媒物品の全長の最大約５０％まで延在する。アンモニア酸化触媒１３０は、いくつかの実施形態では、酸化触媒１４０（以下で論議される）から触媒物品の全長の最大約５０％まで延在する。種々の実施形態では、アンモニア酸化触媒１３０は、基材５０の全長の約５％から約７５％、または約１０％から約６５％、または約１５％から約６０％、または約２０％から約５５％の範囲内、または約２５％から約５０％の範囲内の長さに延在する。種々の実施形態では、アンモニア酸化触媒１３０は、基材５０の長さの約１／１２から約１／４の範囲内で延在する。

アンモニア酸化触媒１３０は、当業者に公知である任意の好適な触媒であり得る。１つ以上の実施形態によれば、アンモニア酸化触媒１３０は、国際ゼオライト学会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ；ＩＺＡ）によって出版されたＤａｔａｂａｓｅ ｏｆ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓに記載される骨格構造のうちのいずれか１つを有し得る、ゼオライトまたは非ゼオライト分子篩を含む。骨格構造は、ＣＨＡ、ＦＡＵ、ＢＥＡ、ＭＦＩ、およびＭＯＲ型のものを含むが、それらに限定されない。いくつかの実施形態では、分子篩は、外面上、あるいは分子篩のチャネル、空洞、またはケージ内に分配された金属構成要素と交換されてもよい。

アンモニア酸化触媒は、ＳＣＲ触媒構成要素および酸化触媒構成要素といった、２つの構成要素を有する。２つの構成要素は、概して、ＳＣＲ触媒構成要素であるトップコート（すなわち、ガス流に接触する第１の層）、および酸化触媒構成要素を有する底層（すなわち、ガス流に接触する第２の層）を伴って、２つの層の中に存在する。しかしながら、ＳＣＲ触媒構成要素および酸化触媒構成要素の混合物を含む、単層アンモニア酸化触媒を提供することも可能である。いくつかの実施形態では、酸化構成要素層は、アルミナ、または他の支持材上、基材上に直接、白金族金属を含有する。いくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒は、ＳＣＲ触媒および白金族金属含有触媒の両方を含み、いずれか一方を実質的に欠くことができない。本明細書および添付の請求項で使用されるように、「実質的に欠くことができない」という用語は、アンモニア酸化触媒を指すときに、問題となっている構成要素が、組成物の中に意図的に存在することを意味する。例えば、組成物が白金族金属を有することが知られている場合には、白金族金属が意図的に追加されているか、または本質的に存在するかどうかにかかわらず、組成物が実質的に欠けていない。

白金族金属のみの使用は、アンモニア酸化活性を伴う組成物をもたらす。しかしながら、この種類の組成物は、窒素分子の産生のために選択的ではなく、望ましくない生成物を生成し得る。いくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒は、３００℃で約７０％より大きいＮ_２の選択性を有する。種々の実施形態では、アンモニア酸化触媒は、３００℃で測定されたときに、約５０％、５５％、６０％、６５％、７５％、８０％、８５％、または９０％より大きいＮ_２の選択性を有する。

図３および４を再び参照すると、触媒物品１００は、基材５０の出口チャネル６６の出口壁６７の一部分の上に被覆された酸化触媒１４０を含む。酸化触媒１４０は、基材５０の出口端５６から入口端に向かって延在する基材の一部分の上に被覆される。いくつかの実施形態の酸化触媒１４０は、ガス流中の一酸化炭素および炭化水素の酸化を促進するために効果的である。

酸化触媒１４０の長さは、触媒物品１００の必要性に応じて変化し得る。種々の実施形態では、酸化触媒１４０は、出口チャネル６７の出口端５６から、最大約３インチ、または約２インチ、または約１インチ、または約１／２インチ、または約１／４インチの長さまで延在する。１つ以上の実施形態では、酸化触媒１４０は、出口プラグ６０が延在する長さにほぼ等しい、基材５０の長さに延在する。これは、多孔性壁５３を通って拡散するガス流が、酸化触媒１４０の前にアンモニア酸化触媒１３０に接触することを確実にする。

いくつかの実施形態では、アンモニア酸化触媒１３０上に酸化触媒１４０の重複が実質的にない。本明細書および添付の請求項で使用されるように、「重複が実質的にない」という用語は、酸化触媒１４０を指すときに、酸化触媒１４０の長さの約１０％未満または約５％がアンモニア酸化触媒１３０に重複することを意味する。１つ以上の実施形態では、酸化触媒１４０は、アンモニア酸化触媒１３０の一部分に重複する。

酸化触媒１４０は、当業者に公知である任意の好適な酸化触媒であり得る。いくつかの実施形態では、酸化触媒１４０は、高表面積支持材（例えば、耐熱金属酸化物）上で支持される白金族金属を含む。１つ以上の実施形態では、高表面積耐熱金属酸化物は、アルミナまたは安定化アルミナである。酸化触媒１４０は、単一のゾーン、または各ゾーンが基材の異なる長さを占有する複数のゾーンであり得る。１つ以上の実施形態では、酸化触媒は、入口ゾーンおよび出口ゾーンといった、２つのゾーンを備える。

図４を参照すると、いくつかの実施形態では、触媒物品１００は、ＳＣＲ触媒１２０の前に煤酸化触媒１５０を含むことができる。煤酸化触媒１５０は、名前が暗示するように、排ガス流が触媒物品１００を通過するにつれて、入口チャネル６４の入口壁６５の上で形成する、煤層または煤ケーキの酸化を促進するために効果的である。

煤酸化触媒１５０は、入口チャネル６４の入口壁６５の上に被覆することができ、または基材５３の壁５３の入口チャネル６４側を透過することができる。いくつかの実施形態では、煤酸化触媒１５０は、入口チャネル６４の入口壁６５の上に被覆される。入口壁６５の上に被覆されたとき、煤酸化触媒１５０は、基材の全長または基材の部分的な長さに延在することができる。煤酸化触媒１５０が基材の全長に延在するとき、それは、加水分解触媒１１０より下側に層を形成する。煤酸化触媒１５０が基材の部分的な長さに延在するとき、それは、加水分解触媒１１０の端部あたりから出口プラグ６０、またはその間の任意の部分まで延在することができる。

いくつかの実施形態では、多孔性壁５３を透過する層を形成する煤酸化触媒１５０は、ＳＣＲ触媒１２０とは異なる組成を有する。煤酸化触媒１５０が基材５０の壁５３を透過するとき、それは、壁５３の入口側に層を形成することができ、またはＳＣＲ触媒１２０と密接に混合することができ、またはＳＣＲ触媒１２０と同一の組成であり得る。いくつかの実施形態では、煤酸化触媒１５０層は、壁厚さＴの約５０％未満の深さまでガス透過性壁５３の入口側を透過する。種々の実施形態では、煤酸化触媒１５０層は、壁厚さＴの約４５％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、または５％未満の深さまで壁５３の入口側を透過する。種々の実施形態では、煤酸化触媒１５０層は、壁厚さＴの約１０％から約４０％の範囲内、または約２０％から約３０％の範囲内の深さに延在する。１つ以上の実施形態では、煤酸化触媒１５０層は、壁厚さＴの約２５％の深さに延在する。

煤酸化触媒１５０は、任意の好適な煤酸化触媒組成であり得る。概して、煤酸化触媒１５０は、高度に選択的な物質である。白金族金属が、煤を酸化させることが可能である一方で、これらの物質はまた、望ましくないアンモニアを酸化させることもできる。したがって、いくつかの実施形態では、煤酸化触媒１５０は、約４０％未満の白金族金属、または約３０％未満の白金族金属、または約２０％未満の白金族金属、または約１０％未満の白金族金属を含む。

１つ以上の実施形態では、煤酸化触媒１５０は、ジルコニア安定化酸化セリウムである。煤酸化触媒は、バナジア等のいくつかの煤酸化性質を伴うＳＣＲ触媒であり得る。いくつかの実施形態では、煤酸化触媒１５０は、チタニアまたは安定化チタニア、あるいはセリウム／ジルコニウム混合物、あるいはリン酸セリウムまたはスピネル上で支持されたバナジアである。

基材
本発明の実施形態とともに使用するための好適な基材は、壁流フィルタを含む。図１および２に示され、上記で説明されるような、これらのフィルタは、概して、基材の縦軸に沿って延在する、複数の細い実質的に平行なガス流通路を有する。典型的には、各通路が基材本体の一方の端部で遮断され、代替的な通路が反対の端面で遮断される。通路は、長方形、正方形、円形、楕円形、三角形、六角形、または他の多角形を含むが、それらに限定されない任意の形状を有することができる。壁の厚さは、結果として生じた触媒物品の所望の性質に応じて変化し得る。一般に、細孔径が類似する場合、より大きい壁厚さが、システム背圧により大きく影響を及ぼすであろう。壁厚さは、典型的には、約０．００２から約０．１インチに及ぶ。

好適な壁流フィルタ基材は、菫青石、アルファアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ムライト、リシア輝石、アルミナシリカマグネシア、またはケイ酸ジルコニウム等のセラミック様材料、あるいは多孔性耐熱金属から成る。壁流基材はまた、セラミック繊維複合材料で形成されてもよい。好適な壁流基材は、菫青石および炭化ケイ素から形成される。そのような材料は、排気流を処理する際に接触する環境、特に高温に耐えることができる。

本発明の実施形態とともに使用するための好適な壁流フィルタは、種々の多孔率および平均細孔径を有することができる。種々の実施形態では、壁流フィルタは、少なくとも約４０％または約４０％から約８０％の範囲内の多孔率を有する。いくつかの実施形態の壁流フィルタは、少なくとも５ミクロンまたは約５ミクロンから約３０ミクロンの範囲内の平均細孔径を有する。１つ以上の実施形態では、基材は、高濾過効率フィルタである。高濾過効率フィルタは、質量基準で、煤粒子の８５％以上を除去する。

排出物処理システム
本発明の態様は、排ガスを処理するための排出物処理システムを対象とする。図５は、上記で説明される触媒物品１００が、エンジン１０の下流に位置し、かつエンジン１０と流体連通している、本発明の実施形態を示す。本発明の１つ以上の実施形態では、排出物処理システムは、エンジン１０の下流で、かつエンジン１０と流体連通して表される、触媒物品１００を伴うエンジン１０から本質的に成る。本明細書および添付の請求項で使用されるように、「本質的に成る」という用語は、他の触媒を追加しない限り、付加的な構成要素が含まれてもよいことを意味する。例えば、図６は、上記で説明されるような下流触媒物品１００を伴うエンジン１０から本質的に成る、排出物処理システムを示す。還元剤注入器１１システムが、エンジン１０と触媒物品１００との間に位置し、かつその間の排気流と流体連通している。還元剤注入器１１の包含は、他の触媒を本システムに追加せず、反応物を追加するにすぎない。

図７は、ディーゼル酸化触媒１２が、エンジン１０の下流に位置付けられ、かつエンジン１０と流体連通している、本発明の別の実施形態を示す。ディーゼル酸化触媒１２は、触媒物品１００の上流に位置付けられ、かつ触媒物品１００と流体連通している。エンジン１０から退出する排ガスは、上記で説明されるように、触媒物品１００までディーゼル酸化触媒１２を通過する。１つ以上の実施形態では、排出物処理システムは、エンジンの下流および本明細書で説明されるような触媒物品の上流にあり、かつ両方と流体連通している、ディーゼル酸化触媒から本質的に成る。

図８は、本発明の実施形態を示す。エンジン１０からの排ガスは、エンジン１０の下流に位置付けられ、かつエンジン１０と流体連通している、ディーゼル酸化触媒１２を通過する。ディーゼル酸化触媒１２から退出する排ガスは、ディーゼル酸化触媒１２の下流および本明細書で説明される触媒物品１００の上流に位置付けられる、還元剤注入器１１からの還元剤と組み合わせられる。この流出物は、排気システムから排出される前に、触媒物品１００を通過する。還元剤注入器１１は、例えば、炭化水素、内蔵燃料、還元剤、空気、尿素、またはアンモニアを注入するように構成することができる。加熱器、燃焼器、または点火源もまた、還元剤注入器１１に含まれてもよい。いくつかの実施形態では、還元剤注入器１１は、触媒物品１００の上流で排ガス流に注入される物質の量を制御するように構成される、計量デバイス１３を含む。

排気流の処理
本発明の付加的な実施形態は、煤、尿素、アンモニア、ＮＯ_ｘ、ＣＯ、および炭化水素を含む、排ガス流を処理する方法を対象とする。図３および４を再び参照すると、尿素の加水分解は、触媒物品１００の入口チャネル６４の入口端５４に位置する加水分解触媒１１０によって促進される。煤は、ガス透過性壁５３にガス流を通過させることによって、加水分解触媒１１０の後にガス流から濾過される。ガス流を濾過することにより、入口チャネル６４の入口壁６５の上でフィルタケーキの形成をもたらす。アンモニアおよびＮＯ_ｘは、触媒物品１００のガス透過性壁５３を透過する選択的触媒還元触媒１２０の存在下で、それによって促進されて、Ｎ_２を形成するように反応させられる。ガス透過性壁５３から退出するガス流中のアンモニアは、出口壁６７の上に被覆されたアンモニア酸化触媒１３０の存在下で、それによって促進されて、酸化させられる。ＣＯおよび炭化水素は、触媒物品の出口端５６において出口壁６７の上に被覆された酸化触媒１４０の存在下で、それによって促進されて、二酸化炭素および水を形成するように酸化させられる。いくつかの実施形態では、図４を参照すると、煤のうちのいくらかは、選択的触媒還元触媒１２０の前の煤酸化触媒１５０の存在下で、それによって促進されて、酸化させられる。いくつかの実施形態では、煤は、フィルタケーキの形成後に酸化させられる。

本発明は、好ましい実施形態を強調して説明されているが、好ましいデバイスおよび方法における変形例が使用され得ること、および本発明が本明細書で具体的に説明される以外に実践され得ることが意図されることが、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明は、以下の請求項によって定義されるような本発明の精神および範囲内に包含される、全ての修正を含む。

Claims (22)

1. 煤、アンモニア、アンモニア前駆体、ＮＯ_ｘ、ＣＯ、及び炭化水素を含有するガス流から排出物を除去する触媒物品であって、
   前記ガス流中の煤を捕捉するための壁流フィルタであり、前記フィルタは、全長を画定する入口端及び出口端と、軸方向に延在する複数の入口チャネルおよび出口チャネルの中に形成される、厚さを有するガス透過性壁とを有し、各入口チャネルが、入口壁と、開放入口端と、施栓出口端とを有し、各出口チャネルが、出口壁と、施栓入口端と、開放出口端とを有し、各入口チャネルが隣接出口チャネルを有する、壁流フィルタ、
   前記アンモニア前駆体の加水分解を促進する加水分解触媒であり、前記入口端から延在する前記入口チャネルの前記入口壁の一部に被覆される加水分解触媒、
   前記ガス透過性壁に浸透する選択的触媒還元触媒（ＳＣＲ触媒）であり、過剰酸素の存在下で前記ガス流中のＮＯ_ｘのＮ_２への変換を促進する選択的触媒還元触媒、
   前記ガス流中のアンモニアのＮ_２への選択的酸化を促進する、前記出口チャネルの前記出口壁の所定長さ範囲を被覆するアンモニア酸化触媒、及び
   ＣＯ及び炭化水素のＣＯ_２への酸化を促進する、前記出口端から前記入口端に向けて延在する前記出口チャネルの前記出口壁の一部に被覆される酸化触媒、
   を含み、
   前記選択的触媒還元触媒が、前記壁流フィルタの全長に亘って延在し、
   前記酸化触媒は、少なくとも出口チャネルに被覆され、及び前記出口端から前記入口端に向けて被覆され、及び
   前記酸化触媒の前記出口チャンネルにおける範囲は、前記出口端に施される栓の長さ範囲の少なくとも一部を含み、及び
   前記アンモニア酸化触媒は、前記出口壁の前記酸化触媒よりも入口側に被覆されていることを特徴とする触媒物品。
2. 前記加水分解触媒が存在し、且つ前記入口端から前記壁流フィルタの長さの５０％まで延在し、前記ガス流が最初に前記加水分解触媒に接触するように配設される請求項１に記載の触媒物品。
3. 前記加水分解触媒が存在し、且つ前記入口端から、６．３５ｍｍ（１／４インチ）から前記壁流フィルタの長さの１０％の範囲内の長さまで延在する請求項１に記載の触媒物品。
4. 前記加水分解触媒が存在し、且つチタニアを含む請求項１に記載の触媒物品。
5. 前記選択的触媒還元触媒が、０．０１５ｇ／ｃｍ^３ （０．２５ｇ／インチ^３）から０．１５ｇ／ｃｍ^３ （２．５ｇ／インチ^３）の範囲内の充填量を有する請求項１に記載の触媒物品。
6. 前記選択的触媒還元触媒が、金属促進分子篩を含む請求項１に記載の触媒物品。
7. 前記選択的触媒還元触媒の前に、煤酸化触媒をさらに含む請求項１に記載の触媒物品。
8. 前記煤酸化触媒が、ガス透過性壁に浸透する請求項７に記載の触媒物品。
9. 前記煤酸化触媒が、前記ガス透過性壁の入口側に浸透する層を含む請求項８に記載の触媒物品。
10. 前記層が、前記壁厚さの最大５０％の深さまで前記ガス透過性壁に浸透する請求項９に記載の触媒物品。
11. 前記煤酸化触媒が、前記入口壁上に層を含む請求項７に記載の触媒物品。
12. 前記煤酸化触媒が、ジルコニア安定化酸化セリウムを含む請求項７に記載の触媒物品。
13. 前記アンモニア酸化触媒が、前記触媒物品の全長の最大５０％まで延在する請求項１に記載の触媒物品。
14. 前記アンモニア酸化触媒が、前記酸化触媒から前記触媒物品の全長の最大５０％まで延在する請求項１に記載の触媒物品。
15. 前記酸化触媒が、前記出口チャネルの出口端から最大５０．８ｍｍ（２インチ）の長さまで延在する請求項１に記載の触媒物品。
16. 前記酸化触媒が、前記アンモニア酸化触媒の一部に重複する請求項１に記載の触媒物品。
17. 前記アンモニア酸化触媒上に、実質的に前記酸化触媒の重複がない請求項１に記載の触媒物品。
18. 前記酸化触媒が、高表面積支持材上に白金族金属を含む請求項１に記載の触媒物品。
19. 前記壁流フィルタが、質量基準で煤粒子の８５％以上を除去する高効率フィルタである請求項１に記載の触媒物品。
20. エンジンと、前記エンジンの下流に位置し、且つ前記エンジンと流体連通している請求項１に記載の触媒物品とを含む排出物処理システム。
21. 前記エンジンの下流、前記触媒物品の上流に位置付けられ、かつ両方と流体連通しているディーゼル酸化触媒をさらに含む請求項２０に記載の排出物処理システム。
22. 前記触媒物品の上流に、還元剤注入器をさらに含む請求項２０に記載の排出物処理システム。

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