JPH09504474A - 触媒的方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 斜めに取付けられたモノリス触媒（１１）から成る排気ガス汚染物の制御のための触媒コンバータ。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒的方法 本発明は自動車排出物の制御のための改良された触媒コンバータに関する。１ つの特別の側面において、本発明は迅速着火、低圧力低下触媒コンバータに関す る。本発明はまた非常に高い浄化を達成するためのコンバータに関する。 先行技術の簡単な説明 自動車排出物は触媒コンバータの使用によってもたらされた大きな進歩にもか かわらず、尚大きな環境問題である。触媒コンバータの実施を制限する１つの要 因は、そのコンバータを作動温度に達するために必要とされる３０秒又はそれ以 上の時間の間の汚染が制御されないことである。本発明によるコンバータでは、 ウオームアップは熱い機関排気ガスによる触媒の加熱に依存する。電気的加熱が 機関作動の前の触媒の予熱に利用されることができたが、本発明による触媒構造 、セラミック又は金属による出力及び時間遅延は許容できないものである。 触媒着火に従って、触媒コンバータにおいて使用されている従来のモノリス触 媒への表面反応は物質移動に制限されている。こうして、所定の浄化基準のため に必要とされる触媒量は、所定の作動条件で物質移動制限がない場合よりも高い 。要求される浄化水準のために必要な高い触媒量は電気的加熱によっても、比較 的長い加熱時間を生じた。 他の問題は、触媒の直径が排気入口管の直径よりも大きいことである。その結 果排気ガスは、流動を拡げるためのディヒューザ入口でも、使用されるモノリス の内方通孔を通って優先的に流れようとする。 ウオームアップ期間の間の排出量を減少させるために従来のセラミックモノリ ス自動車触媒の触媒ウオームアップ時間を減少させる必要性は金属モノリス触媒 における興味の増大をもたらした。しかし、従来のモノリス構造におけるセラミ ックによる単なる代替金属は尚高過ぎる熱質量を有する触媒に劣る。先行技術で ある米国特許明細書５０５１２４１のダクト長さの短い触媒は低い熱質量と要求 される高い浄化を提供する。自動車への適用のために、流動脈動のあるアセンブ リへのそのような触媒の装填は新たな１００，０００マイル耐久条件に合致する ことを要求される。 本発明は上に参照した特許及び１９９４年２月２３日（代理人 ｄｏｃｋｅｔ 井２８８５−２３）に提出された同時出願に記載されたような通孔の長さの短 い触媒を利用する自動車機関排気制御のためのむらのある着火触媒コンバータの 改良された触媒利用を可能にするのみでなく、従来のモノリス触媒の利用をも可 能にする。 本発明の要点 用語の定義 本発明において用語「モノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）」及び「モノリス触媒」 は従来の触媒コンバータに使用された従来のモノリス構造の触媒を示すのみでな く、織成ストレーナのような物質移動効率のよい長さの短い構造物をも示す。 本発明において、「ミニリス（ｍｉｎｉｌｉｔｈ）」は３ｍｍよりも短く１ｃ ｍ²当たり４０個以上の流動通孔を有するモノリスの触媒要素に関する。 本発明の目的として、用語「触媒れんが（ｃａｔａｌｙｓｔ ｂｒｉｃｋ）」 は長さ３ｍｍよりも短い通孔流路を有し、１ｃｍ²当たり４０個以上の通孔を有 しかつ大きな通孔寸法のモノリス要素によって分離されているミニリス触媒要素 のアセンブリを示す。 本発明で使用される用語「炭素化合物（ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｃｏｍｐ ｏｕｎｄ）」及び「炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）」は、一酸化炭素、有 機化合物又は炭素含有化合物の部分酸化物のような形の有機化合物及びガス流動 物を含む燃料を示す。 用語「着火（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）」は通常の運転温度で達成される清浄度の 略５０％を触媒が達成する温度に関する。 本発明 本発明は、触媒流動通孔を通るディストリビューションの改良のみならず、前 方触媒面積を増大させる、排気ガス流入方向に対する斜めの位置に触媒れんが又 はモノリス触媒を取りつけることを見出した。両者は所定の浄化効率のための圧 力低下の減少をもたらす。 本発明のコンバータにより達成可能な触媒前方面積の増大は、圧力低下を制限 された適用における大きな浄化効率を達成するために、特別の圧力低下のための 大きな触媒量又は非常に高い通孔密度の使用を可能にする。先行技術である米国 特許明細書第５０５１２４１及び１９９４年２月２３日に出願された前記出願の 触媒は、本発明において本質的に有利である。 触媒れんがを使用する本発明による、低い圧力低下で、むらのある高い浄化効 率と迅速な熱的応答の触媒コンバータは従来のモノリス触媒を使用する炭化水素 の物質移動の制限された反応と同様な浄化を達成することを要求される触媒量の １０倍又はそれ以上の減少を可能にしかつ従って本発明において使用するための 好適な触媒である。上記の参照された特許で述べたように、モノリス触媒の通孔 直径に対する通孔長さの比率としての特別な物質移動速度の増加が５対１又はそ れ以上、好ましくは２対１及び特に１対１かに減少されることが分かった。表面 に対する反応物質の物質移動は従来のモノリス触媒における、セラミック又は金 属のような厚い層流境界層を通る拡散速度によって制限されるよりもむしろ流入 流量に対して敏感となる。従来のモノリス触媒において、排気ガス流量及び酸化 汚染物の量は本質的に流量の増加による浄化速度の減少に依存する。対照的に、 ミニリス触媒アセンブリにおいて、酸化反応物の量は典型的に流量の増大と共に 増大する。流入流量が充分に高い場合、反応速度は許容できない圧力低下なしに も、所定の触媒温度で本質的な動力学的反応速度に接近することができる。この ことは、従来の触媒コンバータによって実行可能であるよりも高い浄化基準のた めの自動車触媒コンバータが実際に設計されることを意味する。９９．９％又は それ以上の浄化基準は低い浄化基準の従来の触媒コンバータよりも寸法の小さい 自動車コンバータで達成可能である。有毒の工業排煙の減少のために充分高い基 準の浄化さえコンパクトな反応器で達成可能である。 短い流動路、触媒が分離されたことによって、圧力低下は所定の圧力低下のた めの小さい通孔直径の使用を可能にし、更に必要な触媒量を減少させる。本発明 に使用される触媒れんがの剛固な構造は低い周囲温度での機関の始動時の迅速な 加熱のために機関排気ポートの直ぐ近くにコンバータを配置することを可能にす る。０．１ｍｍ又は０．０３ｍｍよりも薄い通孔壁厚は実際に小さい通孔直径に よっても高い開口面積を可能にする。こうして１ｃｍ²当たり数千の流動通孔が 又はそれ以上さえが６０％以下の流動方向における開口面積の減少なしに実施可 能である。６５、７０又は８０％以上の開口面積は高い通孔密度のミニリス触媒 によって実現可能である。 伝熱及び物質移動が機能的に関連している限り、物質移動の増加は伝熱の相応 した増加をもたらす。こうして触媒量が本発明によるミニリス触媒の使用によっ て減少するばかりではなく、自動車排気触媒が機関排気によって加熱される度合 い強められる。 伝熱速度の増加と共に減少する触媒量は従来の自動車触媒よりも速く作動温度 に到達する短い通孔触媒を可能にする。機関排気マニホールドの充分近くに配置 される場合、ミニリス触媒要素は電気的加熱の必要なしに１０秒以下で作動温度 に到達することができる。多くの合金が商業的に使用可能であり、それらの合金 はハイネス合金２５、インコネル６００を含む本発明による金属ミニリスに適し かつステンレススチールでもよい。金属ミニリス触媒によって、合金断面は度々 第１に所定の使用によって必要とされる最高作動温度での酸化抵抗によって決定 される。 本発明を基礎とした触媒コンバータによって可能な低い圧力低下は、１インチ の長さに２００個、小さい直径の要素を多数を利用することを可能にし、その結 果コンバータ直径は機関排気管よりも大して大きくない。このことは、出口にお いても機関排気マニホールドにコンバータ触媒を容易に配置することを可能にし 、電気的加熱なしに迅速な触媒ウオームアップを可能にし、そして炭化水素及び ＮＯＸ制御を達成するための相異なる組成のストレーナの使用を可能にする。煙 減少適用において、９９．９９９％又はそれ以上の浄化水準を達成するための多 数の実施可能な手段が高く要求される。 本発明は自動車排出物の用語を先ず記載するが、本発明の基礎とする触媒反応 器は、反応器直径が有利に減少され又は反応器直径が触媒床深さを減少させるた めに記載された触媒浄化システムにおいて有利である。 図１は流動方向に対して斜めの角度でコンジット内に設けられている従来のモノ リス触媒の横断面図である。 図２はコンバータを通る流動方向に平行な流動路を有する斜めに設けられてい るモノリスを備えたコンバータの横断面図である。 発明及び好適な実施形態の詳細な説明 本発明を図面と関連して説明する。図１で断面で示されるように、１つの好適 な実施形態において、モノリス触媒１１が流入ガス流動方向に対して斜めの角度 でハウジング１０に設けられている。有利に、触媒は流動方向に対して略１０° と４０°の間の角度に取りつけられる。 図２の断面図において、モノリス触媒２１はコンバータ２０におけるコンバー タ流動の方向に対して実質的に平行な流動路を有し、その結果コンバータ２１を 通る流体は、モノリス触媒２１を５°程度の傾斜角φで取りつけることを可能に して、流動矢印で示される方向に最小の変化の流動通孔に入る。このことは圧力 損失を減少させる。有利に、モノリス２１は好ましくは１９９４年２月２３日に 出願された特許出願（代理人ドラフト 井２８８５−２３）に記載されたような 触媒れんがの形のモノリス触媒アセンブリーである。 平行に取りつけられた触媒床、斜めの取りつけは触媒入口面に対して略等しい 割合で流動横断面積減少に寄与する。 本発明の触媒は、公知の触媒剤を使用して既に作られている。次の実施例はミ ニリス触媒を製造する手段を示すが、これに限定されるものではない。本発明に よるミニリス触媒は空気中で７５０°Ｋに加熱することによって清浄にされたス テンレススチールストレーナ上へのプラチナの真空蒸着によって作られる。プラ チナコーテングは代表的には、１００オングストロームよりも薄いが、触媒寿命 を長くするためには厚くする。パラジウム、イリジウム、ロジウム又は他の金属 を含む触媒は同様に好適である。多くの使用において、プラチナをドープ（ｄｏ ｐｅ）された合金のような触媒合金から形成されたワイヤストレーナはコーテン グの追加なしに充分活性のある触媒である。金属ミニリス触媒は好適ではあるが 、セラミックミニリス触媒は火炎処理の前にセラミックハニカム押し出し成形物 のスライスによって作られることができる。そのようなセラミックハニカム押し 出し成形物は有利に薄いスライスの製造を容易にするために有機バインダを含む 。しかし、セラミックミニリス触媒は大抵有利に所望のセラミック組成、好適に は触媒セラミックスから紡がれた長い繊維から構成された繊維マット又はストレ ーナの形である。充分低い温度の触媒的活性の必要物として、セラミックミニリ ス触媒及び金属ミニリス触媒が技術分野で周知の種々の技術を使用して触媒にさ れる。 実施例１ １ｃｍ²当たり２５０の流動通孔の４０のミニリス触媒を有する多重要素触媒 マイクロリス自動排気反応器は０．１０ｍｍの直径を有するプラチナコートステ ンレススチールワイヤの７０％開口面積のストレーナの５ｃｍ幅の帯材を使用し て構成されており、各ストレーナは、ガス流動に対して略９°の傾斜角で容器中 に取りつけられた称呼的に３０ｃｍの長さの触媒れんがを形成するために、１ｃ ｍ²当たり１つの通孔を有する１．５ｍｍの直径のワイヤの２つのストレーナの 間にクランプされたアセンブリーを備えた直径０．２５ｍｍのプラチナコートワ イヤを備えた１ｃｍ²当たり４つの通孔を有する下流ストレーナによって分離さ れている。４気筒自動車機関の排気マニホールド出口に設置される場合、触媒着 火は機関始動の１０秒以内でありかつこうして排気物は機関の初期操作の間中制 御されている。 実施例２ 噴煙軽減反応器は１ｃｍ当たりプラチナコーテングされた０．０５０ｍｍのニ クロム線略３０本を備えたストレーナの要素１００を有する触媒れんがによって 構成されている（１ｃｍ²当たり称呼的に９００流動通孔）。各要素は１ｃｍ当 たり０．１０ｍｍのワイヤ９本を有するストレーナによって先行するものから分 離している。触媒れんがは最小反応器直径による圧力損失を最小にするためにガ ス流動に対して５°の傾斜角度で取りつけされている。空気中にベンゼンの容積 によって５０ｐｐｍ含む煙は７００°Ｋに予熱されかつマイクロリス反応器を通 る。二酸化炭素及び水に対するベンゼンの浄化の９９．９％より良好に実施され る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体流動中に搬送される炭素の触媒による浄化のための反応器にして、 １）アキシャル流動路上に流体流動中の炭素を搬送するための所定の有効直径及 び所定の流動横断面積のコンジットが設けられ、 ２）次のものを備えた、複数の要素を有する触媒本体は、 ａ）コンジットの有効直径よりも厚さが少なく、 ｂ）触媒本体を通って多重流動通孔が設けられ、前記触媒本体はアキシャル方向 流動路に対して傾斜角をもってコンジットに取りつけられた前記触媒本体、前記 通孔は３ｍｍよりも短い長さを有し、かつ１ｃｍ²当たり４０個よりも大きい通 孔密度を有することを特徴とする前記反応器。 ２．触媒本体がモノリスである、請求の範囲第１項記載の反応器。 ３．触媒本体がミニリス触媒のアセンブリーである、請求の範囲第１項記載の反 応器。 ４．触媒本体が触媒れんがである、請求の範囲第１項記載の反応器。 ５．触媒本体が軸線流動に対して５°から４０°までの角度で取りつけられてい る、請求の範囲第１項記載の反応器。 ６．触媒流動通孔が軸線流動の方向に整列している、請求の範囲第１項記載の反 応器。 ７．流体が内燃機関の排気である、請求の範囲第１項記載の反応器。 ８．触媒本体が軸線流動の方向において触媒本体を通る流動通孔を備えるように 取りつけられている、請求の範囲第１項記載の反応器。 ９．流体流動路に沿って流体中を搬送される有機化合物の触媒反応のための方法 において、 複数の開放された流動通孔を通る流体流動中に有機化合物を通過させ、各開放 された流動通孔は触媒本体中で３ｍｍよりも短い長さを有し、 流動路に対して傾斜した角度で触媒本体を位置決めし、 前記触媒本体は流動路の有効直径よりも小さい流動方向の厚さを有し、 前記通孔は１ｃｍ²当たり４０個よりも大きい通孔密度を有することを特徴と する前記方法。