DE102007016123A1 - Katalytische Umwandlervorrichtung zur Reinigung von Abgas - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Umwandlervorrichtung zum Reinigen von Abgas aus einem Verbrennungsmotor für Fahrzeuge. Die katalytische Umwandlervorrichtung umfasst einen ersten katalytischen Umwandler, der einen ersten Katalysator trägt und der an eine Seite des Motors gekoppelt ist, und einen zweiten katalytischen Umwandler, der einen zweiten Katalysator trägt und hinter den ersten katalytischen Umwandler gekoppelt ist. Jeder des ersten und des zweiten Katalysators weist einen katalytischen Träger auf, auf welchem eine Wash-Coat-Schicht mit einer Dicke gleich oder kleiner als 0,2 mm ausgebildet ist. Diese Wash-Coat-Schicht umfasst eine erste Wash-Coat-Schicht und eine zweite Wash-Coat-Schicht und jede der ersten und der zweiten Wash-Coat-Schicht weist Lücken darin auf. Die katalytische Umwandlervorrichtung erreicht eine verbesserte Reinigungseigenschaft mit einer kleineren Anzahl an Zellen und einer kleineren Menge an Edelmetall.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Umwandlervorrichtung zur Reinigung von Abgas aus einem Verbrennungsmotor (nachfolgend als „Motor" bezeichnet) für Fahrzeuge. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine katalytische Umwandlervorrichtung, welche Abgas aus einem Motor mit einer kleinen Menge Edelmetall reinigt und welche konfiguriert ist, den Abgasdruck des Motors zu erniedrigen.
  • 2. Beschreibung des verwandten Fachgebietes
  • Unter Bezugnahme auf 7 wird unten ein Verfahren zum Reinigen von Abgas aus einem Motor 100a eines handelsüblichen Fahrzeugs X beschrieben.
  • Als Erstes gibt der Motor 100a Abgas durch Zylinder innerhalb eines Zylinderblocks 101 ab. Nachfolgend strömt das Abgas durch einen Motorkopfblock 102 und einen Abgasverteiler 103, wo mehrere Abgasleitungen miteinander verbunden sind. Anschließend erreicht das Abgas einen katalytischen Umwandler 109 und wird dort gereinigt.
  • Der katalytische Umwandler 109 trägt die Katalysatoren 106b und 107b. Bezug nehmend auf die 8A und 8B weist ein Abgaskatalysator 110 eine aus Keramik oder Metall hergestellte Wabenstruktur 111 auf, welche einen Katalysatorträger 113 und eine Wash-Coat-Schicht 114 umfasst. Zusätzlich trägt die Wash-Coat-Schicht 114 ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Rhodium (Rh), welches als Katalysator dient. Der Abgaskatalysator 110 wird insbesondere gebildet durch Beschichten und Backen der Wash-Coat-Schicht 114 auf der Wabenstruktur 111. Der Katalysatorträger 113 und die Wash-Coat-Schicht 114 definieren viele Zellen 112. Wenn Abgas durch die Zellen 112 strömt, wird organisches Gas, welches nicht Methan ist, (non methane organic gas) (NMOG) und NOx, etc., welche im Abgas enthalten sind, entfernt.
  • Andererseits werden, um eine Verringerung von Umweltverschmutzung zu erreichen, die Vorschriften gegen schädliche Substanzen, wie beispielsweise NMOG und NOx, von Jahr zu Jahr strenger. Um ein Beispiel zu geben, ist die „Partial Zero Emission Vehicle (PZEV)"-Vorschrift, welche von Kalifornien in den USA eingeführt wurde, gegenwärtig eine der strengsten Vorschriften für handelsübliche Fahrzeuge. Gegenwärtig erfüllen nur eine Handvoll Fahrzeuge diese Vorschrift. Entsprechend gibt es einen für katalytische Umwandlervorrichtungen, welche verbesserte Eigenschaften zur Reinigung von Abgas aufweisen.
  • Um derartigen strengen Vorschriften gegen schädliche Substanzen nachzukommen, wurden verschiedene Versuche zur Verbesserung der Reinigungseigenschaften von katalytischen Umwandlervorrichtungen durchgeführt. Einige dieser Beispiele sind die im Folgenden beschriebenen:
    • 1) eine Vergrößerung des Bereichs, in welchem Abgas mit der Wash-Coat-Schicht 114 (von 8B) in Kontakt kommt;
    • 2) eine Erhöhung der Zahl an Zellen 112 in der Wabenstruktur 111, das heißt Erhöhung der Dichte an Zellen in jedem der Katalysatoren 106b und 107b; und
    • 3) eine Erhöhung der Menge an Edelmetall in der Wash-Coat-Schicht 114.
  • Es ist den oben beschriebenen Versuchen zu verdanken, dass die Eigenschaft zur Abgasreinigung durch katalytische Umwandlervorrichtungen verbessert werden konnte. Als ein Ergebnis weist beispielsweise in einem Testfahrzeug Y (siehe 3), das mit einem Motor mit 2,4 l Hubraum ausgerüstet ist, ein Katalysator 900 Zellen/in2 auf und der andere weist 600 Zellen/in2 auf. Darüber hinaus enthält das Fahrzeug 12 g Edelmetall.
  • Ferner offenbart die japanische, nicht geprüfte Veröffentlichung der Patentanmeldung 2004-330025 einen Katalysator, welcher mit einer Wash-Coat-Schicht versehen ist, die mehrere Lücken aufweist. Wenn diese Lücken in der Wash-Coat-Schicht präsentiert werden, wird das Abgas weit verbreitet und ein Bereich, in welchem das Abgas mit dem Katalysator in Kontakt kommt, wird groß. Dies führt zu einer Verbesserung der Reinigungseigenschaft.
  • Wenn jedoch die Zelldichte in einem Katalysator aus dem obigen Grund steigt, neigt der Widerstand für das Abgas des Katalysators dazu, hoch zu sein. Dies kann den Anstieg des Abgasdrucks verursachen, wodurch die Ausgabeleistung des Motors erniedrigt wird. Darüber hinaus kann die Menge an Edelmetall im Katalysator steigen, was zu höheren Herstellungskosten für ein Fahrzeug führt.
  • Die Verwendung des Katalysators, welcher von JP2000-330025 offenbart wird, macht es möglich, die Reinigungseigenschaft von katalytischen Umwandlervorrichtungen zu verbessern. Jedoch lehrt dieses Dokument nicht oder schlägt nicht vor, dass der Katalysator eine kleine Menge an Edelmetall trägt oder dass er angepasst ist, um den Abgasdruck des Motors zu erniedrigen, wenn er in einem Motor verwendet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung der oben dargelegten Beschreibung zu verstehen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine katalytische Umwandlervorrichtung zum Reinigen von Abgas aus einem Motor bereitzustellen, welche eine verbesserte Reinigungseigenschaft mit einer kleinen Menge an Edelmetall erreicht und welche konfiguriert ist, den Widerstand für das Abgas zu erniedrigen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine katalytische Umwandlervorrichtung bereitgestellt, welche umfasst einen ersten katalytischen Umwandler, der einen ersten Katalysator trägt und der mit einer Seite des Motors gekoppelt ist, und einen zweiten katalytischen Umwandler, der einen zweiten Katalysator trägt und der hinter den ersten katalytischen Umwandler gekoppelt ist. Jeder der ersten und zweiten Katalysatoren weist einen katalytischen Träger auf, auf welchem eine Wash-Coat-Schicht mit einer Dicke gleich oder weniger als 0,2 mm ausgebildet ist. Die Wash-Coat-Schicht umfasst eine erste Wash-Coat-Schicht und eine zweite Wash-Coat-Schicht und jede der ersten und zweiten Wash-Coat-Schichten weist in sich Lücken auf.
  • Die wie oben beschriebene katalytische Umwandlervorrichtung erreicht eine verbesserte Reinigungseigenschaft mit einer kleinen Zahl an Zellen und einen kleinen Menge an teurem Edelmetall. Darüber hinaus ist die katalytische Umwandlervorrichtung konfiguriert, um den Widerstand für das Abgas zu erniedrigen.
  • Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung und Ansprüche offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gesehen werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile, wird nun in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug auf die folgende Beschreibung genommen, wobei:
  • 1 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine katalytische Umwandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt:
  • 2 eine Querschnittsansicht eines katalytischen Trägers und einer Wash-Coat-Schicht, welche darauf ausgebildet ist, in einer Zellenstruktur eines Katalysators, der von einem katalytischen Umwandler in der katalytischen Umwandlervorrichtung getragen wird, ist;
  • 3 eine perspektivische Ansicht, welche ein Motorabgassystem in einem Testfahrzeug Y darstellt, ist;
  • 4 eine perspektivische Ansicht, welche ein Motorabgassystem in einem Testfahrzeug Z darstellt, ist;
  • 5 Graph und eine Tabelle sind, welche alle ein Vergleichsergebnis für Reinigungseigenschaften in einer Abgasstruktur vom G-Typ zeigen:
  • 6 Graph und eine Tabelle sind, welche alle ein Vergleichsergebnis für Reinigungseigenschaften in einer Abgasstruktur von H-Typ zeigen:
  • 7 eine perspektivische Ansicht ist, welche ein Motorabgassystem in einem Testfahrzeug X darstellt;
  • 8A eine perspektivische Ansicht ist, welche einen Katalysator, der durch eine katalytische Umwandlervorrichtung getragen wird, darstellt; und
  • 8B eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Innenstruktur des Katalysators ist.
  • Ausführliche Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend wird ausführlich eine katalytische Umwandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
  • Als erstes wird eine Struktur einer katalytischen Umwandlervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
  • 1 zeigt eine katalytische Umwandlervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform, welche zur Reinigung von Abgas aus einem Motor angepasst ist. Diese Vorrichtung umfasst einen ersten katalytischen Umwandler 2, einen zweiten katalytischen Umwandler 3 und eine Abgasleitung 6. Diese Abgasleitung koppelt den ersten und den zweiten katalytischen Umwandler 2 und 3. Die katalytische Umwandlervorrichtung 1 ist an eine Seite eines Motors zu koppeln, wo die Abgasleitungen gekoppelt sind, das heißt an der Stelle, an welcher ein Abgasverteiler positioniert ist. Der erste katalytische Umwandler 2 ist relativ nahe am Hauptkörper eines Motors, dort wo Brennstoff verbrennt, zu platzieren. Der zweite katalytische Umwandler 3 ist unter einem Fahrzeugboden zu lokalisieren.
  • Der erste und der zweite katalytische Umwandler 2 und 3 umfassen einen Katalysator 4 bzw. einen Katalysator 5.
  • Die katalytische Umwandlervorrichtung 1 unterscheidet sich vom katalytischen Umwandler 109 eines handelsüblichen Fahrzeugs X, wie in 7 gezeigt, dadurch, dass die beiden katalytischen Umwandler, das heißt der erste und der zweite katalytische Umwandler 2 und 3, voneinander getrennt sind. Obwohl der katalytische Umwandler 109 unter einem Fahrzeugboden zu platzieren ist, ist der erste katalytische Umwandler 2 der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 relativ nahe am Hauptkörper eines Motors, wie oben beschrieben, zu platzieren. Deshalb ist in der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 der Abstand zwischen einem Hauptkörper eines Motors und dem ersten katalytischen Umwandler 2 im Hinblick auf eine Abgasleitung 6 relativ kurz. Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaft ist der Wärmeverlust des Abgases dazwischen verringert. Das heißt, Abgas mit hoher Temperatur wird dem ersten katalytischen Umwandler 2 zugeführt. Im Ergebnis arbeitet der Katalysator 4 des ersten katalytischen Umwandler 2 bei einer hohen Temperatur, wodurch die Verbesserung der Reinigungseigenschaft ermöglicht wird.
  • Die Katalysatoren 106b und 107b des katalytischen Umwandlers 109 im handelsüblichen Fahrzeug X gemäß 7 weisen 900 bzw. 600 Zellen/in2 auf. Jedoch kann die Zahl an Zellen in jedem der Katalysatoren 4 und 5 der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 verringert werden. Dies führt zur Erniedrigung des Abgasdrucks der katalytischen Umwandlervorrichtung 1.
  • Aufgrund der Anordnung, in welcher der erste katalytische Umwandler 2 nahe am Hauptkörper eines Motors positioniert ist und einer Verbesserung eines jeden Katalysators, wie sie nachfolgend beschrieben wird, wird die Reinigungseigenschaft der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 verbessert. Aus diesem Grund kann die Zahl an Zellen in jedem Katalysator verringert werden.
  • Jeder der Katalysatoren 4 und 5 weist eine Wabenstruktur auf, welche ähnlich zu der des Abgaskatalysators 110 gemäß 8 ist.
  • 2 zeigt eine Struktur für jeden der Katalysatoren 4 und 5 in der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 gemäß 1. Eine Wash-Coat-Schicht 11 in einer Zelle 16 wird gebildet auf einem Katalysatorträger 10, welcher die Wabenstruktur des Katalysators bildet. Die Wash-Coat-Schicht 11 ist zusammengesetzt aus Wash-Coat-Schichten 11a (gerade Bereiche) und Wash-Coat-Schichten 11b (Eckbereiche). Die Wash-Coat-Schicht 11b ist dicker als die Wash-Coat-Schicht 11a. Insbesondere beträgt die durchschnittliche Dicke der Wash-Coat-Schicht 11a 0,06 mm, während die durchschnittliche Dicke der Wash-Coat-Schicht 11b 0,15 mm beträgt und gleich oder weniger als 0,2 mm maximale Dicke ist. Die Wash-Coat-Schicht 11 ist etwa 30 % dünner als die Wash-Coat-Schicht des Katalysators 106b oder 107b gemäß 7.
  • Die Wash-Coat-Schicht 11 eines jeden der Katalysatoren 4 und 5 ist aus zwei Schichten zusammengesetzt. Eine ist eine erste Wash-Coat-Schicht 12, welche auf dem Katalysatorträger 10 ausgebildet ist und die andere ist eine zweite Wash-Coat-Schicht 13, welche auf der ersten Wash-Coat-Schicht 12 ausgebildet ist (siehe 2). Jede der ersten und der zweiten Wash-Coat-Schichten 12 und 13 ist ausgebildet aus einer porösen Struktur 14, deren Hauptkomponente Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Ceroxid umfasst. Die poröse Struktur 14 trägt Edelmetall 17, welches aus wenigstens einem Element von Pt, Pd und Rh ausgewählt ist. Dieses Edelmetall 17 dient als Katalysator.
  • Die poröse Struktur 14 weist mehrere Lücken 15 auf, das heißt Luftlücken in der Schicht. Im Gegensatz dazu weist die Wash-Coat-Schicht der Katalysatoren 106b und 107b gemäß 7 keine Lücken auf.
  • Jede Lücke 15 misst 0,004 mm ± 0,002 mm im Durchmesser und die Lücken 15 besetzen etwa 20 % des Gesamtvolumens einer jeden der ersten und zweiten Wash-Coat-Schichten 12 und 13. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Alternativ kann das Besetzungsverhältnis der Lücken 15 im Bereich von 10 % bis 60 % liegen. Die Lücken 15 erleichtern die Verteilung des Abgases, so dass die Reinigungseigenschaft der Katalysatoren 4 und 5 erhöht ist. Aufgrund der Lücken 15 liegt das Edelmetall 17 im Hinblick auf die Zelle 16 ausreichend aufgedeckt vor. Deshalb ist das Verhältnis des Edelmetalls 17, welches als Katalysator dient, hoch ausgestaltet, wobei dies zur Verbesserung der Reinigungseigenschaft führt.
  • Gesintertes Aluminiumoxid in der porösen Struktur 14 (siehe 2) ist bei hohen Temperaturen stabil und weist eine große Oberfläche auf. Deshalb ist das Edelmetall 17 in der porösen Struktur 14 weit verbreitet. In der Folge ist ein Verhältnis, bei welchem das Edelmetall 17 als Katalysator in der Wash-Coat-Schicht 11 dient, relativ hoch.
  • Ceroxid in der porösen Struktur 14 weist in Abhängigkeit der Wertigkeit der darin enthaltenen Ceroxidionen die Oxidations-Reduktions-Eigenschaft auf. Wenn im Abgas übermäßig Sauerstoff vorliegt, erniedrigt Ceroxid den Sauerstoffpartialdruck dadurch, dass es an die Sauerstoffatome im überschüssigen Sauerstoff gebunden wird. Indessen werden, wenn eine kleine Menge Sauerstoff im Abgas enthalten ist, die an Ceroxid gebundenen Sauerstoffatome freigesetzt, wodurch der Sauerstoffpartialdruck im Abgas erhöht wird. Diese Eigenschaft von Ceroxid verringert eine schnelle Veränderung des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas für den Fall, dass die katalytische Umwandlervorrichtung 1 in einem Motor eingesetzt wird, welche ein Luft-Brennstoff-Verhältnis bezogen auf Stöchiometrie kontrolliert (z.B. ein Motor vom Stöchiometrietyp). Im Ergebnis wird der Sauerstoffpartialdruck im Abgas auf einem bestimmten Niveau gehalten, bei welchem reduzierender Kohlenwasserstoff, Stickoxid und oxidierende Stickstoffoxide gleichzeitig entfernt werden.
  • Zirkoniumoxid in der porösen Struktur 14 weist die Eigenschaft auf, die thermische Stabilität von Ceroxid zu erhöhen. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Oxidations-Reduktions-Eigenschaft von Ceroxid, sogar dann beibehalten, wenn die poröse Struktur 14 in der Wash-Coat-Schicht 11 für eine lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
  • Das Edelmetall 17 auf der ersten Wash-Coat-Schicht 12 im Katalysator 4 ist das gleiche wie das in der ersten Wash-Coat-Schicht 12 im Katalysator 5. Insbesondere werden Barium (Ba) und Palladium (Pd) durch die oben beschriebene poröse Struktur 14 getragen. In diesem Fall wirkt Ba steigernd für die thermische Stabilität von Pd, indem eine grobe Vergrößerung von Pd-Partikeln verhindert wird.
  • Andererseits unterscheidet sich das Edelmetall 17 der zweiten Wash-Coat-Schicht 12 im Katalysator 4 von dem der zweiten Wash-Coat-Schicht 12 im Katalysator 5. Das Edelmetall 17 in der zweiten Wash-Coat-Schicht 13 des Katalysators 4 ist Rh, während das Edelmetall 17 auf der zweiten Wash-Coat-Schicht 13 des Katalysators 5 Pt und Rh ist.
  • Wie oben beschrieben, ist die Wash-Coat-Schicht 11 dieser Ausführungsform etwa 30 % dünner als die Wash-Coat-Schicht des handelsüblichen Fahrzeugs X der 7. Deshalb ist die Dichte des Edelmetalls 17, welches durch die Wash-Coat-Schicht 11 getragen wird, in jedem der Katalysatoren 4 und 5 höher als in jedem der Katalysatoren 106b und 107b in dem handelsüblichen Fahrzeug X. Deshalb ist die Reinigungseigenschaft der Katalysatoren 4 und 5 der Reinigungseigenschaft der Katalysatoren 106b und 107b überlegen. Da die Wash-Coat-Schicht 11 dünn ist, nimmt die Öffnung in jeder Zelle 16 den großen Teil der Zelle 16 ein. Der Widerstand für das Abgas in jedem der Katalysatoren 4 und 5 ist deshalb niedriger als der des Katalysators für ein Testfahrzeug Y gemäß 3.
  • Die Wash-Coat-Schicht 11 wird durch das folgende Verfahren hergestellt. Materialpulver der porösen Struktur 14, eine Komponente des Edelmetalls 17 und pyrolytische und brennbare kugelförmige Formmasse werden in einem Lösungsmittel (z.B. Wasser) dispergiert, wodurch eine Aufschlämmung gebildet wird. Es ist anzumerken, dass das Material der Formmasse 14 ein Schäumungsharz und Aktivkohle umfasst. Als nächstes wird ein Wabenbasismaterial, das aus Cordierit hergestellt ist und welches zur Herstellung des Katalysatorträgers 10 gedacht ist, in die Aufschlämmung eingetaucht. Im Anschluss daran wird es daraus entfernt und getrocknet. Abschließend wird das Basismaterial gesintert, wodurch die erste Wash-Coat-Schicht 12 auf dem Katalysatorträger 10 gebildet wird. Die Dichte der Aufschlämmung wird so angepasst, dass die Wash-Coat-Schicht eine vorherbestimmte Dicke aufweist. Während des Sintervorgangs wird die Formmasse zersetzt, wodurch die Lücken 15 in der ersten Wash-Coat-Schicht 12 gebildet werden. Durch Wiederholen des oben beschriebenen Verfahrens wird auch die zweite Wash-Coat-Schicht 13, welche die Lücken 15 aufweist, auf der ersten Wash-Coat-Schicht 12 gebildet. Der durch die oben beschriebenen Verfahren hergestellte Katalysator weist eine Hitzebeständigkeit gleich oder größer als 800 °C auf, da alle seine Materialien eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen.
  • Als nächstes werden nachfolgend das Verhalten und die Wirkung der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
  • Der Reinigungseigenschaft der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 wurde mittels der Menge an NMOG und NOx bewertet. Darüber hinaus wurde die Reinigungseigenschaft auf Grundlage der drei folgenden Parameter getestet.
    • 1) CS (mg/km): Es wurde der Motor eines Fahrzeugs gestartet; das Fahrzeug wurde über eine vorbestimmte Strecke gefahren, während der Motor kalt war; es wurde eine Menge an zurückbleibenden schädlichen Substanzen gemessen, die im Abgas aus dem Motor enthalten waren; und die gemessene Menge wurde durch Multiplikation mit einer vorbestimmten Konstante korrigiert, wodurch CT bestimmt wurde. Es ist anzumerken, dass die vorbestimmte Konstante entsprechend einem bestimmten Fahrzustand „Kaltstart" bei modellmäßigem Fahren zur Bewertung des Abgassystems bestimmt wurde.
    • 2) CS (mg/km): Es wurde der Motor eines Fahrzeugs gestartet und erwärmt; das Fahrzeug wurde über eine vorbestimmte Distanz gefahren, nachdem der Motor vollständig warm war; es wurde eine Menge an zurückbleibenden schädlichen Substanzen gemessen, welche im Abgas aus dem Motor enthalten waren; und die gemessene Menge wurde durch Multiplikation mit einer vorbestimmten Konstante korrigiert, wodurch CS bestimmt wurde. Es ist anzumerken, dass die vorbestimmte Konstante gemäß einem bestimmten Fahrzustand „Warmstart" bei modellmäßigem Fahren zur Bewertung des Abgassystems bestimmt wurde.
    • 3) HT (mg/km): Es wurde der Motor eines Fahrzeugs gestartet und erwärmt; der Motor wurde gestoppt, nachdem der Motor vollständig erwärmt war; der Motor wurde wieder gestartet; das Fahrzeug wurde über eine vorbestimmte Distanz gefahren, während der Motor warm war; es wurde eine Menge an zurückbleibenden schädlichen Substanzen gemessen, welche im Abgas aus dem Motor enthalten waren; und die gemessene Menge wurde durch Multiplikation mit einer vorbestimmten Konstante korrigiert. Es ist anzumerken, dass die vorbestimmte Konstante gemäß einem bestimmten Fahrzustand „Warm-Neustart" bei modellmäßigem Fahren zur Bewertung des Abgassystems bestimmt wurde.
  • Die Summe der Parameter „CT + CS + HT" wurde definiert als Referenz zur Bestimmung einer Menge an schädlicher Substanz. Durch Verwendung dieses Parameters wurden die Reinigungseigenschaften der Beispiele und der Vergleichsbeispiele bestimmt. Wenn der Wert „CT + CS + HT" niedriger war, wurde davon ausgegangen, dass die Reinigungseigenschaft verbessert war.
  • Die Reinigungseigenschaft des katalytischen Umwandlers 109 im handelsüblichen Fahrzeug X gemäß 7 wurde mit der der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform im Hinblick auf die Verwendung des gleichen Motors verglichen. Das Ergebnis offenbarte, dass „CT + CS + HT" beliebiger NMOGs und NOxs in der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 niedriger war als das des katalytischen Umwandlers 109. Deshalb war die katalytische Umwandlervorrichtung 1 dem katalytischen Umwandler 109 überlegen. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Unterschied hinsichtlich der Leistungsfähigkeit auf zwei Faktoren zurückzuführen ist: einer ist die Struktur des katalytischen Umwandlers und der andere ist die physikalische Eigenschaft der Wash-Coat-Schicht.
  • Als nächstes wird nachfolgend eine Wirkung der Wash-Coat-Schicht 11 des Katalysators 4 oder 5 beschrieben.
  • Die Reinigungseigenschaft der katalytischen Umwandlervorrichtung 1 wurde unter Verwendung von zwei Motorabgassystemen getestet. Eines dieser Systeme ist in 3 gezeigt (Abgasstruktur vom G-Typ).
  • Unter Bezugnahme auf diese Figur arbeitet eine Abgasstruktur vom G-Typ 100 wie nachfolgend beschrieben. Abgas wird von Zylindern eines Zylinderblocks 101 abgeführt. Anschließend passiert das Abgas einen Motorkopfblock 102 und einen Abgasverteiler 103. Abschließend erreicht das Abgas die katalytische Umwandlervorrichtung 108. Die katalytische Umwandlervorrichtung 108 ist hinsichtlich ihrer Struktur identisch zur katalytischen Umwandlervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform. Ferner umfasst die Vorrichtung 108 einen ersten katalytischen Umwandler 104, welcher einen Katalysator 106a trägt, und einen zweiten katalytischen Umwandler 105, welcher einen Katalysator 107a trägt.
  • Das andere Motorabgassystem ist in 4 gezeigt (Abgasstruktur vom H.-Typ)
  • Unter Bezugnahme auf diese Figur ist die Abgasstruktur von H-Typ im Testfahrzeug Z ein verbessertes Modell der Abgasstruktur vom G-Typ im Testfahrzeug Z. Die Abgasstruktur vom G-Typ 201 arbeitet wie nachfolgend beschrieben. Abgas wird von Zylindern des Zylinderblocks 202 abgeführt. Das Abgas passiert ein Abgassystem, welches einen einzigen Zwischenraum im Motorkopfblock 203 bildet. Anschließend passiert das Abgas ein Abgasrohr 206, welches an einen Auslass 208 eines ausgeweiteten Abschnitts 203a gekoppelt ist, welcher an einer Seite des Motorkopfblocks 203 ausgebildet ist. Abschließend erreicht das Gas eine katalytische Umwandlervorrichtung 210. Diese katalytische Umwandlervorrichtung 210 ist hinsichtlich ihrer Struktur identisch zur katalytischen Umwandlervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform. Ferner weist die Vorrichtung 210 einen ersten katalytischen Umwandler 204 auf, welcher einen Katalysator 209a trägt, sowie einen zweiten katalytischen Umwandler 205, welcher einen Katalysator 209b trägt.
  • Im H-Typ der Abgasstruktur sind der Motorkopfblock 202 und der erste katalytische Umwandler 204 durch eine Abgasleitung 206 gekoppelt. Diese Leitung ist kürzer als die des Abgasverteilers 103 der Abgasstruktur gemäß G-Typ, welche in 3 gezeigt ist. Deshalb ist der Wärmeverlust zwischen den Zylindern und der katalytischen Umwandlervorrichtung 210 niedrig im Vergleich zur Abgasstruktur des G-Typs. In anderen Worten ist die Temperatur des Katalysators 209a im ersten katalytischen Umwandler 204 höher als in der Abgasstruktur vom G-Typ. Entsprechend kann der Katalysator 209a in der Abgasstruktur vom H-Typ wirksamer arbeiten als in der Abgasstruktur vom G-Typ. Das bedeutet, dass die katalytische Umwandlervorrichtung 210 eine verbesserte Reinigungseigenschaft aufweist.
  • Nachfolgend wird eine Wirkung der katalytischen Umwandlervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform beschrieben, wobei Bezug auf ein Testergebnis genommen wird, welches für den Fall erhalten wurde, dass die Vorrichtung in Verbindung mit einer Abgasstruktur vom G-Typ verwendet wird.
  • Unter Bezugnahme auf 5 wird die katalytische Umwandlervorrichtung eines Beispiels gemäß dieser Ausführungsform als katalytische Umwandlervorrichtung C bezeichnet. Als Vergleichsbeispiel 1 wird eine katalytische Umwandlervorrichtung A bezeichnet, welche äquivalent zu der katalytischen Umwandlervorrichtung 108 für das Testfahrzeug Y gemäß 3 war. Diese katalytische Umwandlervorrichtung A war hinsichtlich ihrer Struktur dahingehend ähnlich zur katalytischen Umwandlervorrichtung C, dass sie den ersten katalytische Umwandler 104 und den zweiten katalytischen Umwandler 105 umfasste. Jedoch waren die Katalysatoren 106a und 107a, welche vom katalytischen Umwandler getragen wurden, ähnlich zu den Katalysatoren des handelsüblichen Fahrzeugs X gemäß 7. Insbesondere war ihre Wash-Coat-Schicht dicker als die Wash-Coat-Schicht 11 gemäß dieser Ausführungsform und wies keine Lücken 15 auf (siehe 2). Als Vergleichsbeispiel 2 wird eine katalytische Umwandlervorrichtung B bezeichnet. Die Vorrichtung B war im wesentlichen ähnlich zu der katalytischen Umwandlervorrichtung A, aber sie unterschied sich darin, dass die Menge an Edelmetall in der Vorrichtung B niedriger war als die der Vorrichtung A.
  • Bezug nehmend auf 5 wies die katalytische Umwandlervorrichtung C des Beispiels halb so viele Zellen auf, wie es die katalytische Umwandlervorrichtung A des Vergleichsbeispiels 1 tat. Darüber hinaus trug die Vorrichtung C ein Drittel der Menge an Edelmetall, welche die Vorrichtung A trug.
  • Jedoch war die verbleibende Menge an NMOG und NOx im Abgas aus der katalytischen Umwandlervorrichtung C nahezu die gleiche, wie die Menge, welche aus der katalytischen Umwandlervorrichtung A kam.
  • Deshalb bestätigt dieses Ergebnis, dass die katalytische Umwandlervorrichtung C nahezu die gleiche Reinigungseigenschaft wie die katalytische Umwandlervorrichtung A aufweist, wobei nur ein Drittel des Edelmetalls wie in Vorrichtung A vorliegt. Darüber hinaus erniedrigt die katalytische Umwandlervorrichtung C erfolgreich den Widerstand für das Abgas.
  • Entsprechend dem Testergebnis der katalytischen Umwandlervorrichtung B mit einem Drittel Edelmetall (siehe 5(a) und 5(b)) war die verbleibende Menge an NMOG und NOx im Abgas größer als in der Vorrichtung A. Dies zeigt, dass die katalytische Umwandlervorrichtung A die Menge des Edelmetalls im Katalysator ohne Abnahme der Reinigungseigenschaft nicht erniedrigen kann. Im Gegensatz dazu erhält die katalytische Umwandlervorrichtung C die Reinigungseigenschaft mit einer kleineren Zahl an Zellen und einer kleineren Menge an Edelmetall erfolgreich aufrecht. Dies liegt in der dünnen Wash-Coat-Schicht 11 und den Lücken der Wash-Coat-Schicht 11 begründet.
  • Wenn die Zahl der Zellen und die Menge des Edelmetalls in der katalytischen Umwandlervorrichtung C ansteigen, zeigt die katalytische Umwandlervorrichtung C eine noch ausgezeichnetere Reinigungseigenschaft als die katalytische Umwandlervorrichtung A.
  • Als nächstes wird nachfolgend eine Wirkung der katalytischen Umwandlervorrichtung des Beispiels beschrieben, wobei Bezug auf ein Testergebnis genommen wird, welches für den Fall erhalten wurde, dass die Vorrichtung im Hinblick auf eine Abgasstruktur vom H-Typ verwendet wird.
  • In den 6(a) und 6(b) wird die katalytische Umwandlervorrichtung eines Beispiels als katalytische Umwandlervorrichtung C bezeichnet. Als Vergleichsbeispiel 1 dient eine katalytische Umwandlervorrichtung A. Ein Vergleichsbeispiel 3 war eine katalytische Umwandlervorrichtung D, welche weniger Zellen aufwies als die katalytische Umwandlervorrichtung A.
  • Bezug nehmend auf 6 wies die katalytische Umwandlervorrichtung C des Beispiels halb soviel Zellen auf wie es die katalytische Umwandlervorrichtung A des Vergleichsbeispiels 1 tat. Darüber hinaus trug die Vorrichtung C ein Drittel soviel Edelmetall wie es die Vorrichtung A tat. Jedoch waren die verbleibenden Mengen an NMOG und NOx im Abgas aus der katalytischen Umwandlervorrichtung C nahezu die gleichen Mengen wie die der katalytischen Umwandlervorrichtung A.
  • Das Ergebnis bestätigt deshalb, dass die katalytische Umwandlervorrichtung C nahezu die gleiche Reinigungseigenschaft aufweist wie die katalytische Umwandlervorrichtung A, wobei ein Drittel soviel Edelmetall wie in der Vorrichtung A vorliegt. Darüber hinaus erniedrigt die Umwandlervorrichtung C erfolgreich den Widerstand für das Abgas.
  • Unter Berücksichtigung des Ergebnisses für die katalytische Umwandlervorrichtung D des Vergleichsbeispiels 3 (siehe 6(a) und 6(b)) wird deutlich, dass die verbleibende Menge an NMOG und NOx im Abgas erhöht ist. Es ist deshalb unmöglich, die Menge des Edelmetalls im Katalysator ohne Abnahme der Reinigungseigenschaft zu erniedrigen. Im Gegensatz dazu behält die katalytische Umwandlervorrichtung C die Reinigungseigenschaft mit einer kleinen Anzahl an Zellen und einer kleinen Menge Edelmetall erfolgreich bei. Dies wird der dünnen Wash-Coat-Schicht 11 und den Lücken der dünnen Wash-Coat-Schicht 11 zugeschrieben.
  • Bezug nehmend auf die 5 und 6 zeigte die katalytische Umwandlervorrichtung C der Beispiele die noch bessere Reinigungseigenschaft, wenn sie Verbindung mit einer Abgasstruktur vom H-Typ als in Verbindung mit dem G-Typ eingesetzt wurde. Dies liegt daran, dass der katalytische Umwandler 204 in der Abgasstruktur vom H-Typ bei einer höheren Temperatur betrieben wird als im G-Typ, wobei dies vorausgehend beschrieben ist.
  • Es ist unnötig zu erwähnen, dass, wenn die Anzahl der Zellen und die Menge an Edelmetall in der katalytischen Umwandlervorrichtung C steigt, die Vorrichtung eine noch bessere Reinigungseigenschaft aufweist als die katalytische Umwandlervorrichtung A.
  • Unter Berücksichtigung des Ergebnisses der Tests unter Verwendung der Abgasstrukturen vom G- und H-Typ, wies die katalytische Umwandlervorrichtung C dieser Ausführungsform einen niedrigen Abgasdruck auf und trug eine kleinere Menge Edelmetall im Vergleich mit der katalytische Umwandlervorrichtung A, welche im Testfahrzeug Y verwendet wurde. Jedoch waren die Reinigungseigenschaften der katalytischen Umwandlervorrichtungen C und A nahezu gleich. Dies ist der Wash-Coat-Schicht 11 der katalytischen Umwandlervorrichtung C zuzuschreiben.
  • Im Allgemeinen wurde die Reinigungseigenschaft der katalytischen Umwandlervorrichtungen durch Erhöhung der Anzahl an Zellen im Katalysator oder einer Menge an Edelmetall verbessert. Jedoch kann in der katalytischen Umwandlervorrichtung C des Beispiels gemäß dieser Ausführungsform die Reinigungseigenschaft ohne deren Erhöhung verbessert werden.
  • Schließlich kann die katalytische Umwandlervorrichtung 1 es ermöglichen, die verbesserte Reinigungseigenschaft zu präsentieren, den Abgasdruck eines Motors zu erniedrigen, die Ausgabeleistung eines Motors zu erhöhen und die Gesamtkosten für ein Fahrzeug zu erniedrigen.
  • Im Beispiel betrug die Zahl der Zellen pro Quadratzoll im ersten und im zweiten katalytischen Umwandler 400 bzw. 350. Darüber hinaus betrug die Menge an Edelmetall in der katalytischen Umwandlervorrichtung 4g. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Es ist offensichtlich, dass die Anzahl der Zellen oder die Menge des Edelmetalls in der katalytischen Umwandlervorrichtung variiert werden kann, ohne vom Gedanken oder dem Bereich der Ansprüche abzuweichen.

Claims (4)

  1. Katalytische Umwandlervorrichtung zur Reinigung von Abgas aus einem Verbrennungsmotor für Fahrzeuge, umfassend: einen ersten katalytischen Umwandler zum Tragen eines ersten Katalysators, wobei der erste katalytische Umwandler an eine Seite des Verbrennungsmotors gekoppelt ist; einen zweiten katalytischen Umwandler zum Tragen eines zweiten Katalysators, wobei der zweite katalytische Umwandler hinter den ersten katalytischen Umwandler gekoppelt ist; wobei jeder des ersten und des zweiten Katalysators einen katalytischen Träger aufweist, auf welchem eine Wash-Coat-Schicht mit einer Dicke gleich oder weniger als 0,2 mm ausgebildet ist; wobei die Wash-Coat-Schicht eine erste Wash-Coat-Schicht und eine zweite Wash-Coat-Schicht umfasst; und jede der ersten und der zweiten Wash-Coat-Schichten eine Vielzahl von Lücken darin aufweist.
  2. Die katalytische Umwandlervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei jede der Lücken im Durchmesser 0,004 mm ± 0,002 mm ist.
  3. Die katalytische Umwandlervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Lücken 10 % bis 60 % eines Gesamtvolumens von jeder der ersten und der zweiten Wash-Coat-Schichten einnehmen.
  4. Die katalytische Umwandlervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Lücken 10 % bis 60 % eines Gesamtvolumens von jeder der ersten und der zweiten Wash-Coat-Schichten einnehmen.
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