JP6970662B2 - ガソリン・パティキュレート・フィルタ - Google Patents
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Description
(i)空気動力学径が10μm未満のPM−10粒子
(ii)径が2.5μm未満の微小粒子(PM−2.5)
(iii)径が0.1μm(すなわち100nm)未満の超微小粒子
(iv)径が50nm未満のナノ粒子
実際のエンジン空燃比/化学量論的エンジン空燃比 (1)
ここで、1のラムダ値は、化学量論的にバランスのとれた(または化学量論的な)排ガス組成を表し、>1のラムダ値は、O2およびNOxの過剰を表し、組成は「リーン」と記載され、1未満のラムダ値は、HCおよびCOの過剰を表し、組成は「リッチ」と記載される。また、当技術分野では、エンジンが運転される空燃比を、空燃比が生成する排ガス組成、したがって、化学量論的に運転されるガソリンエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジン、に応じて、「化学量論的」、「リーン」または「リッチ」と呼ぶことが一般的である。
多孔質フィルタ基材は、間に長手方向を定める第1の面および第2の面ならびに長手方向に延びる第1の複数のチャネルおよび第2の複数のチャネルを有し、
第1の複数のチャネルが、第1の面で開いており、第2の面で閉じており、第1の複数のチャネルのチャネルが、チャネル壁面によって部分的に画定されており、第2の複数のチャネルが、第2の面で開いており、第1の面で閉じており、第2の複数のチャネルのチャネルが、チャネル壁面によって部分的に画定されており、第1の複数のチャネルのチャネル壁面と第2の複数のチャネルのチャネル壁面との間のチャネル壁は、多孔質であり、
層厚を有し触媒材料を含む第1のオンウォールコーティングが、少なくとも第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在し、
第1の複数のチャネルのチャネル壁面上の触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、ならびに(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、
(a)第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティングの単位体積当たりの、1種以上の白金族金属の重量が、長手方向に沿って連続的に変化する、および/または
(b)第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティング、もしくは実質的にオンウォールのコーティングの層厚が、長手方向に沿って連続的に変化する。
層厚を有し触媒材料を含むオンウォールコーティングが、第2の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在し、
第2の複数のチャネルのチャネル壁面上の触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、
(i)第2の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティングの単位体積当たりの、1種以上の白金族金属の重量が、長手方向に沿って連続的に変化する、および/または
(ii)第2の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティングの層厚が、長手方向に沿って連続的に変化する。
(i)第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティングの単位体積当たりの1種以上の白金族金属の重量は、長手方向に沿って連続的に変化し、および/または
(ii)第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在する第2のオンウォールコーティングの層厚は、長手方向に沿って連続的に変化する。
間に長手方向を定める第1の面及び第2の面と、長手方向に延びる第1及び第2の複数のチャネルとを有する多孔質フィルタ基材を提供することであって、
第1の複数のチャネルは、第1の面で開いており、第2の面で閉じており、第1の複数のチャネルのチャネルは、チャネル壁面によって部分的に画定され、第2の複数のチャネルは、第2の面で開いており、第1の面で閉じており、第2の複数のチャネルのチャネルは、チャネル壁面によって部分的に画定され、第1の複数のチャネルのチャネル壁面と第2の複数のチャネルのチャネル壁面との間のチャネル壁が、多孔質である、提供することと、
多孔質フィルタ基材の第1の面を、触媒材料を含有する液体スラリーウォッシュコートと接触させることと、真空を適用することによって液体スラリーウォッシュコートを第1の複数のチャネルに引き込むことであって、触媒材料の少なくとも一部が、第1の複数のチャネルのチャネル壁面に残るように、または第1の複数のチャネルのチャネル壁面に残るのみならず、第1の複数のチャネルのチャネル壁に浸透するように、液体触媒ウォッシュコート固形分含有量;液体触媒ウォッシュコートレオロジー;多孔質フィルタ基材の多孔度;多孔質フィルタ基材の平均細孔径;液体触媒ウォッシュコートの体積平均粒径;液体触媒ウォッシュコートD90(体積基準)のうちの少なくとも一つが、予め選択されている、引き込むことと、コーティングされたフィルタ基材を乾燥およびか焼することと、を含み、液体スラリーウォッシュコート中の触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、ならびに(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、
(i)第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティングの単位体積当たりの1種以上の白金族金属の重量が、長手方向に沿って連続的に変化し、および/または
(ii)第1の複数のチャネルのチャネル壁面上に存在するオンウォールコーティングの層厚が、長手方向に沿って連続的に変化する。
4.66インチ(直径)×4.5インチ(長さ)の寸法、300/8のセル密度/壁厚(1平方インチ当たりのセル/ミル(1000分の1インチのチャネル壁の厚さ))を有する基材、ならびに22g/ft3で重量比10:1のPd/Rhを含み、さらにセリア−ジルコニア系混合酸化物OSCおよびアルミナ系耐熱酸化物担体を含み、2.4g/in3(146.5g/l)のローディング量で、第1の複数のチャネルと第2の複数のチャネルとの間で50:50に分割されている、完全に配合された三元触媒ウォッシュコートに基づいて、ウォールフローフィルタを作製した。ウォッシュコートは、4〜6ミクロンのD50および20ミクロン未満のD90を有した。使用したウォッシュコート固形分は32%であり、SC4−27スピンドルを50rpmのスピンドル速度で使用するBrookfield RV DVII+Extra Pro粘度計で20℃で測定した2200〜2300cPの目標粘度まで、当業者に知られている増粘剤を用いて増粘した。使用されたコーティング方法は、英国特許公報第2524662号に開示された第1の方法に従ったものであり、即ち、所定量の液体をフィルタ基材の上端の封じ込め手段に導入することと、フィルタ基材の下端に真空を適用することであった。使用された真空は、上記の説明の通りであるが、より短い持続時間およびより低い真空強度の組合せが使用された。コーティングされた生成物を、通常の方法で、乾燥させ、か焼した。
実施例1に記載されたような従来のフィルタおよび本発明によるフィルタを、ベンチ搭載の実験室用V8 Land Roverガソリンターボ直噴(GTDI)エンジンの排気システムに取り付け、10秒の燃料カット(運転者がアクセルペダルを持ち上げて、リーン排ガスの「スパイク」を発生させることを、シミュレーションする)、続いてラムダ1で180秒(5%ラムダ振幅および5秒のスイッチ時間で630℃の入口温度における摂動した化学量論的運転)を80時間繰り返すことを含む独自の試験方法を用いてエージングした。
コーティング且つエージングされたフィルタのコールドフロー背圧分析が、http://www.superflow.com/Flowbenches/sf1020.phpで商業的に入手可能なSuperflow SF1020装置を用いて行われた。
従来のコーティングされたガソリンパティキュレートフィルタ(GPF)=74.6mbar(7.46KPa)
くさびコーティングされたGPF(本発明による)=76.1mbar(7.61KPa)
4つのフロースルー基材(4×5インチおよび600/4セル密度)を、40g/ft−3/0:9:1[Pt:Pd:Rh重量比]の白金族金属(PGM)の組成を有するTWCでコーティングした。各TWCは、Al2O3とCeZrO4の異なる重量比を有した。
4つのウォールフローフィルタ(4.66×4.5インチおよび300/8セル密度)を、PGM60/0.57:3を有するTWCでコーティングした。各TWCは、Al2O3とCeZrO4の異なる重量比を有した。コーティングされたフィルタを、か焼し、エイジングした(熱水、10%H2Oを添加して空気中で1100℃、5時間)。
表からわかるように、CeZrO4:Al2O3の重量比が、1:2から3:1に増加するにつれて、相対的NOx排出量は減少した。
3つのウォールフローフィルタ(4.66×4.5インチおよび300/8セル密度)を、PGM22/0:20:2を有するTWCでコーティングした。各TWCは、Al2O3とCeZrO4の異なる重量比を有した。コーティングされたフィルターを、実施例7で用いたように、か焼し、エージングした。
各々が希土類元素でドープされ、以下の表に示す組成を有する2つのセリア−ジルコニア混合酸化物を、CATLAB−PCS統合マイクロリアクターおよび質量分析計実験装置(Riden Analytical)を用いて、スート燃焼活性について試験した。コーディエライトサンプルを、対照として試験した。セリア−ジルコニア混合酸化物およびコーディエライト対照サンプルを、500℃で2時間予備焼成した。
Claims (23)
- ポジティブ点火内燃機関の排出物処理システムで使用するための三元触媒活性を有する触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)であって、ウォールフローモノリスフィルタが、多孔質フィルタ基材を備え、
多孔質フィルタ基材が、間に長手方向を定める第1の面(15)および第2の面(25)ならびに長手方向に延びる第1の複数のチャネルおよび第2の複数のチャネル(5,10)を有し、
第1の複数のチャネル(5)が、第1の面(15)で開いており、第2の面(25)で閉じており、第1の複数のチャネル(5)のチャネルが、チャネル壁面によって画定されており、第2の複数のチャネル(10)が、第2の面(25)で開いており、第1の面(15)で閉じており、第2の複数のチャネル(10)のチャネルが、チャネル壁面によって画定されており、第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面と第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面との間のチャネル壁(35)が、多孔質であり、
層厚を有し触媒材料を含む第1のくさび形のオンウォールコーティング(43)が、少なくとも第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在し、
第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上の触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、ならびに(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、
第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在するくさび形のオンウォールコーティング(43)の層厚が、第1の面(15)から第2の面(25)までの長手方向に沿って連続的に減少し、
層厚を有し触媒材料を含むくさび形のオンウォールコーティング(44)が、第2の複数のチャネル(10)の壁面にさらに設けられ、
層厚を有し触媒材料を含むくさび形のオンウォールコーティング(44)が、第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上に存在し、
第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上の触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、ならびに(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、
第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上に存在するくさび形のオンウォールコーティング(44)の層厚が、第2の面(25)から第1の面(15)までの長手方向に沿って連続的に減少し、
第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在する最大層厚が、第1の複数のチャネル(5)の開いた端部にあり、
第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上に存在する最大層厚が、第2の複数のチャネル(10)の開いた端部にある、
触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。 - 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在するくさび形のオンウォールコーティング(43)の単位体積当たりの、1種以上の白金族金属の重量が、第1の面(15)から第2の面(25)までの長手方向に沿って連続的に減少する、および/または
第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面に存在するくさび形のオンウォールコーティング(44)の単位体積あたりの1つまたは複数の白金族金属の重量は、第2の面(25)から第1の面(15)までの長手方向に沿って連続的に減少する、
請求項1に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。 - 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在する触媒材料の最大オンウォール層厚が、長手方向の任意の点で150ミクロンまでである、請求項1または2に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在する1種以上の白金族金属の最大重量が、第1の複数のチャネル(5)の開いた端部にある、請求項1から3のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上の触媒材料が、Pd:Rhを1:1またはそれより大きい比で含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上の触媒材料が、唯一の白金族金属としてPdを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上の触媒材料が、唯一の白金族金属としてRhを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上の触媒材料が、酸素貯蔵成分(OSC)を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- OSCが、セリア、セリアを含む混合酸化物、セリウムとジルコニウムとの混合酸化物、セリウムとジルコニウムとネオジムとの混合酸化物、プラセオジムとジルコニウムとの混合酸化物、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとの混合酸化物、またはプラセオジムとセリウムとランタンとイットリウムとジルコニウムとネオジムとの混合酸化物を含む、請求項8に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- プラセオジムが、混合酸化物の総含有量に対して2〜10wt%で存在する、請求項9に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上に存在する1種以上の白金族金属の最大重量が、第2の複数のチャネル(10)の開いた端部にある、請求項1から10のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 多孔質のチャネル壁(35)が、触媒材料を含むインウォールコーティングを含み、インウォール触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、ならびに(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、触媒材料を含むインウォールコーティングが、第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在するくさび形のオンウォールコーティングの触媒材料と同じである、または異なる、請求項1から10のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上の触媒材料、または第1の複数のチャネル(5)に設けられた第2のくさび形のオンウォールコーティングにおける触媒材料が、Pd:Rhを1:1またはそれより大きい比で含み、該第2のくさび形のオンウォールコーティングの層厚が第2の面(25)から第1の面(15)までの長手方向に沿って連続的に減少し、該第2のくさび形のオンウォールコーティングの最大層厚が第1の複数のチャネル(5)の閉じた端部にある、請求項1から12のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上の触媒材料、または第1の複数のチャネル(5)に設けられた第2のくさび形のオンウォールコーティングにおける触媒材料が、唯一の白金族金属としてPdを含み、第1の複数のチャネル(5)の第1のくさび形のオンウォールコーティング(43)における白金族金属もしくは白金族金属の組合せとは異なり、該第2のくさび形のオンウォールコーティングの層厚が第2の面(25)から第1の面(15)までの長手方向に沿って連続的に減少し、該第2のくさび形のオンウォールコーティングの最大層厚が第1の複数のチャネル(5)の閉じた端部にある、請求項1から5および7から12のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上の触媒材料が、唯一の白金族金属としてRhを含み、第1の複数のチャネル(5)の第1のくさび形のオンウォールコーティング(43)における白金族金属もしくは白金族金属の組合せとは異なる、請求項1から6、8から11、および13のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第1の複数のチャネル(5)における第1のくさび形のオンウォールコーティング(43)の触媒材料の組成が、第2の複数のチャネル(10)における触媒材料の組成、または第1の複数のチャネル(5)に設けられた第2のくさび形のオンウォールコーティングの触媒材料の組成と同じであり、該第2のくさび形のオンウォールコーティングの層厚が第2の面(25)から第1の面(15)までの長手方向に沿って連続的に減少し、該第2のくさび形のオンウォールコーティングの最大層厚が第1の複数のチャネル(5)の閉じた端部にある、請求項1から13のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面上の触媒材料が、酸素貯蔵成分(OSC)を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- OSCが、セリア、セリアを含む混合酸化物、セリウムとジルコニウムとの混合酸化物、セリウムとジルコニウムとネオジムとの混合酸化物、プラセオジムとジルコニウムとの混合酸化物、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとの混合酸化物、またはプラセオジムとセリウムとランタンとイットリウムとジルコニウムとネオジムとの混合酸化物である、請求項17に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- 耐熱金属酸化物担体が、アルミナまたはドープされたアルミナを含む、請求項1から18のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)。
- ポジティブ点火内燃機関からの燃焼排ガスの流れを処理するための排出物処理システムであって、請求項1から19のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)を含み、第1の面(15)が、第2の面(25)の上流に配置される、排出物処理システム。
- 請求項1から19のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローモノリスフィルタ(1)を製造する方法であって、
間に長手方向を定める第1の面(15)および第2の面(25)ならびに長手方向に延びる第1の複数のチャネル(5)および第2の複数のチャネル(10)を有する多孔質フィルタ基材を提供することであって、
第1の複数のチャネル(5)が、第1の面(15)で開いており、第2の面(25)で閉じており、第1の複数のチャネル(5)のチャネルが、チャネル壁面によって画定されており、第2の複数のチャネル(10)が、第2の面(25)で開いており、第1の面(15)で閉じており、第2の複数のチャネル(10)のチャネルが、チャネル壁面によって画定されており、第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面と第2の複数のチャネル(10)のチャネル壁面との間のチャネル壁(35)が、多孔質である、提供することと、
多孔質フィルタ基材の第1の面(15)を、触媒材料を含有する液体スラリーウォッシュコートと接触させることと、真空を適用することによって液体スラリーウォッシュコートを第1の複数のチャネル(5)に引き込むことであって、触媒材料の少なくとも一部が、第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面に残るように、または第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面に残るのみならず、第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁に浸透するように、液体触媒ウォッシュコート固形分含有量、液体触媒ウォッシュコートレオロジー、多孔質フィルタ基材の多孔度、多孔質フィルタ基材の平均細孔径、液体触媒ウォッシュコートの体積平均粒径、および液体触媒ウォッシュコートのD90(体積基準)のうちの少なくとも一つが、予め選択されている、引き込むことと、コーティングされたフィルタ基材を乾燥およびか焼することと、
を含み、
液体スラリーウォッシュコート中の触媒材料が、(i)ロジウム(Rh)のみ、(ii)パラジウム(Pd)のみ、(iii)白金(Pt)およびロジウム(Rh)、(iv)パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)、ならびに(v)白金(Pt)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)からなる群から選択された1種以上の白金族金属ならびに耐熱金属酸化物担体を含み、
第1の複数のチャネル(5)のチャネル壁面上に存在するくさび形のオンウォールコーティング(43)の層厚が、第1の面(15)から第2の面(25)までの長手方向に沿って連続的に減少する
ようにする、方法。 - 第1の面(15)が、最上部に配置され、液体スラリーウォッシュコートが、第1の面(15)に塗布され、真空が、第2の面(25)から適用される、請求項21に記載の方法。
- 窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、未燃焼炭化水素燃料(HC)およびパティキュレートマター(PM)を含有するポジティブ点火内燃機関からの燃焼排ガスを処理する方法であって、排ガスを、請求項1から19のいずれか一項に記載の触媒ウォールフローフィルタ(1)と接触させることを含む、方法。
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