DE102010039975A1

DE102010039975A1 - Multifunktionaler Katalysatorblock und Verfahren zu dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102010039975A1
Application number: DE102010039975A
Authority: DE
Inventors: Yinyan Northville Huang; Christine Kay Dearborn Lambert
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-03-17
Also published as: CN102019194A; US20110064633A1; CN102019194B

Abstract

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein multifunktionaler Katalysatorblock zum Reduzieren von Abfallstoffen in dem Abgas von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform enthält der multifunktionale Katalysatorblock ein Substrat, einen auf dem Substrat getragenen Ureahydrolysierenden Katalysator und einen auf dem Substrat getragenen SCR-Katalysator (selektive katalytische Reduktion). Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat ein als ein Partikelfilter konfigurierter Wandstrommonolith. Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat ein Durchflussmonolith.

Description

HINTERGRUND
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen multifunktionalen Katalysatorblock zum Reduzieren von Abfallstoffen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors.
2. Allgemeiner Stand der Technik
Dieselmotoren werden wie Benzinmotoren vielfach für Transport- und andere stationäre Anwendungen verwendet. Ein Verbrennungsabgas aus Dieselmotoren enthält oftmals eine Vielzahl von Verbrennungsabfallstoffen einschließlich unverbranntem Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Partikel (PM), Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), wobei NO und NO₂ kollektiv als Stickoxid oder NO_x bezeichnet werden. Das Beseitigen von CO, HC, PM und NO_x aus dem Verbrennungsabgas wird für sauberere Emissionen benötigt. Die Verbrennungsabgasbehandlung wird beim Erfüllen von bestimmten Emissionsanforderungen zunehmend wichtig.
Herkömmliche Abgasreinigungssysteme verwenden oftmals separate Einrichtungen für die Reduktion von NO_x und Partikeln. Beispielsweise wird ein einzelner SCR-Katalysator (selective catalytic reduction – selektive katalytische Reduktion) verwendet, um NO_x in Stickstoff (N₂) umzuwandeln, und ein einzelner Partikelfilter (PF) wird zum Entfernen von Partikeln verwendet.
Herkömmliche Abgasreinigungssysteme sind jedoch nur begrenzt eingesetzt worden, da es ihnen unter anderem an einer gleichzeitigen und ausgewogenen Betrachtung für die Abgasreinigungseffizienz und Raumeinsparung mangelt.
Es besteht ein fortdauernder Bedarf an der Bereitstellung eines Abgasreinigungssystems mit Merkmalen, die geeigneter sind, um zunehmend strenge Industrie- und Umweltnormen zu erfüllen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein multifunktionaler Katalysatorblock zum Reduzieren von Abfallstoffen in dem Abgas von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform enthält der multifunktionale Katalysatorblock ein Substrat, einen auf dem Substrat getragenen Ureahydrolysierenden Katalysator und einen auf dem Substrat getragenen SCR-Katalysator (selektive katalytische Reduktion).
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat als ein Wandstrompartikelfilter konfiguriert. Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat als eine Durchflusseinrichtung konfiguriert.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist der multifunktionale Katalysatorblock mit einer ersten Zone und einer zweiten Zone hinter der ersten Zone relativ zum Verbrennungsmotor ausgestattet, wobei sich mindestens 90 Gew.-% des Ureahydrolysierenden Katalysators in der ersten Zone befinden und sich mindestens 90 Gew.-% des SCR-Katalysators in der zweiten Zone befinden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform bilden der Ureahydrolysierende und der SCR-Katalysator auf dem Substrat ein Gemisch.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasreinigungssystem zum Reduzieren von in einer Abgaspassage von einem Verbrennungsmotor transportierten Abfallstoffen bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform enthält das Abgasreinigungssystem den hierin beschriebenen multifunktionalen Katalysatorblock. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält das Abgasreinigungssystem weiterhin einen hinter dem Motor und vor dem multifunktionalen Katalysatorblock angeordneten Oxidationskatalysator. Bei noch einer weiteren Ausführungsform enthält das Abgasreinigungssystem weiterhin einen hinter dem multifunktionalen Katalysatorblock angeordneten Oxidationskatalysator.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reduzieren von Abfallstoffen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Kontaktieren des Abgases mit einem Reduktionsmittel und einem multifunktionalen Katalysatorblock, wie hierin beschrieben, um ein behandeltes Abgas auszubilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch ein Abgasreinigungssystem mit einem multifunktionalen Katalysatorblock gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch ein Abgasreinigungssystem mit einem multifunktionalen Katalysatorblock, mit einem oder mehreren Oxidationskatalysatoren gekoppelt, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts des multifunktionalen Katalysatorblocks und
3B ist eine Ansicht ähnlich 3A, die eine weitere Ausführungsform des multifunktionalen Katalysatorblocks darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich werden hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis für die Ansprüche und/oder eine repräsentative Basis zum Lehren eines Fachmanns, die vorliegende Erfindung unterschiedlich anzuwenden.
Außer, wo etwas anderes ausdrücklich angegeben wurde, sind zudem alle Zahlengrößen in der Beschreibung und den Ansprüchen beim Beschreiben des breiteren Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort ”ungefähr” modifiziert zu verstehen. Eine Praxis innerhalb der angegeben Zahlengrenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben wird, impliziert außerdem die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Material als in Verbindung mit der Erfindung für einen gegebenen Zweck geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen aus beliebigen zwei oder mehr Gliedern der Gruppe oder der Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sein können.
Als eine Frage der Definition und wenn in dieser ausführlichen Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet:
bedeutet ”SCR” eine selektive katalytische Reduktion und beinhaltet einen reduzierenden Katalysator, der eine chemische Reduktion von NO_x durch die Unterstützung eines Reduktionsmittels beim Magerbetrieb beschleunigt oder verstärkt;
bezieht sich ”DPF” oder ”DF” auf den zum Entfernen von Partikeln oder dergleichen verwendeten Partikelfilter;
bedeutet ”NO_x” Stickstoffoxid und beinhaltet veranschaulichend eine Mischung von Verbindungen von Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂);
bedeutet ”Ures-Vergiftung” eine Katalysatordeaktivierung aufgrund einer Akkumulation von Ureamolekülen auf dem Katalysator, was sich durch die Ausbildung von unerwünschten von Urea abgeleiteten Nebenprodukten manifestieren kann; und
bedeutet ”Katalysatordeaktivierung” eine Reduzierung der katalytischen Aktivität aufgrund von Urea-Vergiftung oder eine Reduktion bei der NO_x-Umwandlung im Fall für einen SCR-Katalysator.
Abgasreinigungssysteme verwenden in der Regel SCR-Katalysatoren (selective catalytic reduction – selektive katalytische Reduktion), um bestimmte Abfallstoffe wie etwa NO_x umzuwandeln, damit sie weniger schädliche Pendants wie etwa N₂ für sicherere Emissionen bilden. Ammoniak ist ein üblicherweise verwendetes Reduktionsmittel für eine mit einem SCR-Katalysator katalysierte NO_x-Umwandlung. Die Zersetzung von Urea und die nachfolgende Reduktion von NO_x erfolgt in der Regel gemäß dem folgenden Schema:
Ammoniak wird oftmals durch Hydrolyse von flüssigem Urea zugeführt. Die Zufuhr der Urea in das Abgasreinigungssystem sollte sowohl hinsichtlich Zeit als auch Menge gesteuert werden, so dass die Urea nicht in substantiellem Überfluss vorliegt. Überschüssige Urea kann für das Abgasreinigungssystem abträglich sein, da überschüssige Urea Ureaabscheidungen auf und um Katalysatoren herum, insbesondere SCR-Katalysatoren, bilden und eine Katalysatordeaktivierung induzieren kann.
Die vorliegende Erfindung kann Abfallstoffe aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors wie etwa eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors reduzieren. Zu Beispielen der Abfallstoffe zählen unverbrannter Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Partikel (PM), Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), wobei NO und NO₂ kollektiv als Stickstoffoxid oder NO_x bezeichnet werden.
Bezüglich der Figuren, die unten ausführlicher beschrieben werden, werden in den Figuren zum Bezeichnen gleicher Strukturen gleiche Zahlen verwendet.
Gemäß mindestens einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasreinigungssystem, wie allgemein bei 100 in 1 gezeigt, bereitgestellt, um Abfallstoffe aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors zu reduzieren. Das Abgasreinigungssystem 100 enthält eine Abgaspassage 102 und einen multifunktionalen Katalysatorblock 106. Wie in 1 und 3A–3B kollektiv gezeigt, enthält der multifunktionale Katalysatorblock 106 einen Ureahydrolysierenden Katalysator 314 und einen SCR-Katalysator 312, die beide auf einem Substrat getragen werden, allgemein bei 318 mit Wandabschnitten 316 gezeigt. Die Verwendung des multifunktionalen Katalysatorblocks 106, der eine eigenständige oder diskrete Einheit darstellt, wie unten ausführlicher beschrieben, soll mindestens einen der folgenden Vorteile liefern: reduzierte Katalysatordeaktivierung aufgrund von Urea-Vergiftung, erhöhte NO_x-Umwandlung bei niedrigeren Temperaturen, reduzierter Abgasgegendruck und bessere Kraftstoffeinsparung und reduzierte Gesamtsystemkomplexität und verbesserte Fahrzeugauslegung.
Wenngleich keine Beschränkung auf irgendeine Theorie beabsichtigt ist, kann ein möglicher Mechanismus, über den der multifunktionale Katalysatorblock gegenüber Urea-Vergiftung beständig ist, der sein, dass der SCR-Katalysator vor den schädlichen Effekten, wie etwa der Ausbildung von polymeren Nebenprodukten, von Ureaabscheidungen geschützt ist, da überschüssige Urea hydrolisiert und somit reduziert wird; und mehr katalytische Stellen des SCR-Katalysators werden für NO_x-Umwandlungsreaktionen zur Verfügung gestellt. Außerdem wird das Katalysatormaterial für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 vorteilhafterweise so gewählt und ausgelegt, dass es auf die katalytische Funktion des SCR-Katalysators 312 wenig oder keine Auswirkungen hat.
Bezüglich des multifunktionalen Katalysatorblocks 106 kann es je nach den anstehenden jeweiligen Anwendungsbedürfnissen mehrere geeignete Variationen geben. Beispielsweise, und wie in 3A–3B dargestellt, kann der multifunktionale Katalysatorblock 106 als ein Wandstrompartikelfilter mit dem Ureahydrolysierenden Katalysator 314 und dem SCR-Katalysator 312 darauf konfiguriert sein, wobei bei dem Substrat 318 relevante Enden 308 verstopft sind, um zu erzwingen, dass ein Abgas 117 in der Richtung von AA über die Wandabschnitte 316 strömt. Alternativ kann der multifunktionale Katalysatorblock 106 als Durchfluss mit dem SCR-Katalysator 312 und dem Ureahydrolysierenden Katalysator 314 darauf konfiguriert sein. Bei dieser letzteren Variation können ein oder mehrere Partikelfilter entweder vor oder hinter dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 an diesen gekoppelt sein, um Partikel zu entfernen.
Es hat sich herausgestellt, dass der multifunktionale Katalysatorblock 106, wie hier in Betracht gezogen, einen synergistisch verbreiteten katalytischen Temperaturbereich und somit eine verbesserte NO_x-Reduktionseffizienz im Vergleich zu existierenden Konfigurationen liefert, und zwar teilweise aufgrund der Tatsache, dass es weniger Auswirkung der Urea-Vergiftung und somit weniger Reduktion davon auf die NO_x-Umwandlung gibt. Zudem wird der SCR-Katalysator für die NO_x-Umwandlungsreaktionen stärker verfügbar gemacht und die Verwendung braucht nicht länger zur Urea-Hydrolyse verdünnt zu werden, da letztere nun durch die Aufnahme eines Ureahydrolysierenden Katalysators in den Katalysatorblock 106 kompensiert wird.
Es hat sich weiter herausgestellt, dass der multifunktionale Katalysatorblock 106, wie in einem Abgasreinigungssystem wie etwa einem bei 100 in 1 gezeigten angewendet, relativ zu herkömmlichen Systemen eine substantielle Raumreduzierung in einem Bereich von 10 bis 40% liefern kann.
Bei mindestens einer Ausführungsform, und wie in 1 und 3A–3B gezeigt, ist der multifunktionale Katalysatorblock 106 ein Wandstrompartikelfilter mit dem Ureahydrolysierenden Katalysator 314 und dem SCR-Katalysator 312 darauf.
Beide Katalysatoren können auf unterschiedliche Weisen auf dem Partikelfilter angeordnet sein. Beispielsweise, und wie veranschaulichend in 3A dargestellt, wird eine vergrößerte Querschnittsansicht des multifunktionalen Katalysatorblocks 106 in einer Variation bereitgestellt. Wie in 3A gezeigt, weist der multifunktionale Katalysatorblock 106 eine erste Zone 302 und eine zweite Zone 304 auf. Die zweite Zone 304 befindet sich bei Betrachtung von dem Ort des Motors 112 aus hinter der ersten Zone 302. Die erste und zweite Zone 302, 304 sind bevorzugt sequenziell entlang der Strömungsrichtung AA ausgerichtet und deshalb von einander getrennt. Jedoch ist zwischen den beiden Zonen 302, 304 keine saubere Grenze notwendigerweise erforderlich, und eine zufällige Überlappung der Katalysatorzusammensetzung an der Grenze beeinflusst nicht die allgemeine Praxis der Erfindung.
Bei einer Variation befinden sich mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-% oder 90 Gew.-% des Ureahydrolysierenden Katalysators 314, wie er auf dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 vorliegt, in der ersten Zone 302. Bei einer weiteren Variation befinden sich mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder 90 Gew.-% des SCR-Katalysators 312, wie er auf dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 vorliegt, in der zweiten Zone 304.
Das Volumenverhältnis zwischen der ersten Zone 302 und der zweiten Zone 304 kann derart eingestellt werden, dass die Ureahydrolysierenden Aktivitäten des Ureahydrolysierenden Katalysators 314 und die NO_x-Umwandlungsaktivitäten des SCR-Katalysators 312 je nach einer vorliegenden jeweiligen Abgasabfallentfernungsanwendung koordiniert werden kann. Bei einer Variation liegt das Volumenverhältnis zwischen 1:10 und 10:1; zwischen 1:5 und 5:1, zwischen 3:10 und 10:3, zwischen 2:5 und 5:2 oder zwischen 1:2 und 2:1.
Das Abgas 117 tritt zusammen mit einem eingeleiteten Reduktionsmittel 119 wie etwa beispielsweise Urea über Eintrittskanäle 306 in den multifunktionalen Katalysatorblock 106 ein und tritt über die Wandabschnitte 316 und danach über Austrittskanäle 310 aus, um ein behandeltes Abgas 117' zu bilden, da jeweilige Enden 308 verstopft sind.
Weil der in der ersten Zone angeordnete Ureahydrolysierende Katalysator 314 vorteilhafterweise vor dem in der zweiten Zone 304 angeordneten SCR-Katalysator 312 positioniert ist und weil bei dieser bestimmten Konfiguration der Strom des Abgases 117 wie oben beschrieben über die Wandabschnitte 316 eintritt und austritt, wird der größte Teil des Reduktionsmittels 119, wie innerhalb des Abgases 117 enthalten, dazu gezwungen, den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 in der ersten Zone 302 zu kontaktieren, um über eine erzwungene Wechselwirkung zwischen dem Reduktionsmittel 119 und dem Hydrolysekatalysator Ammoniak auszubilden.
Bei dieser Ausführungsform können verschiedene Designparameter eingestellt werden, um sicherzustellen, dass der Ureahydrolysierende Katalysator 314 wesentlich auf das Abgas 117 eingewirkt hat, bevor es den SCR-Katalysator 312 kontaktiert. Zu diesen Parametern zählen unter anderem ein Gesamtseitenverhältnis zwischen Länge und Durchmesser des multifunktionalen Katalysatorblocks 106, Porosität der Substratwände 316, Filterkanaldurchmesser, Filterkanalzahl und Beschichtungsverhältnis zwischen der ersten und zweiten Zone 302, 304.
Das resultierende Ammoniak ist dann für die NO_x-Umwandlungsreaktionen verfügbar, die in der zweiten Zone 304 stattfinden, die sich weiter hinter der ersten Zone 302 befindet. Da das Abgas 117 durch die Wandabschnitte 316 in die Austrittkanäle 310 eintritt, wurde der größte Teil der Urea, beispielsweise mindestens 50 Gew.-%, 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder 90 Gew.-%, über die erzwungene Wechselwirkung in der Richtung der gezeigten Pfeile in Ammoniak umgewandelt.
Aus diesem Design ergeben sich mehrere Vorteile. Beispielsweise wird das Ammoniak aus dem Reduktionsmittel 119 genau dort, wo es für die von dem SCR-Katalysator unterstützte NO_x-Umwandlung benötigt wird, ”frisch” ”vor Ort” hergestellt. Zweitens wird das Reduktionsmittel 119 in Kontakt mit dem Ureahydrolysierenden Katalysator 314 innerhalb der begrenzten offenen Bereiche der Kanäle 306 gezwungen, und folglich wird der größte Teil, beispielsweise mindestens 50 Gew.-%, 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder 90 Gew.-%, wenn nicht sogar alles des Reduktionsmittels 119 für die Urea-Hydrolyse in Ammoniak effektiv genutzt. Die Menge an unbenutzter Urea wird effektiv reduziert, und der SCR-Katalysator 312 ist vor dem schädlichen Effekt der unverwendeten Urea relativ geschützt. Zudem brauchen die katalytischen Stellen des SCR-Katalysators nicht zu Urea-Hydrolysezwecken verwendet zu werden, mehr katalytische Stellen des SCR-Katalysators werden für NO_x-Umwandlungsreaktionen zur Verfügung gestellt und der Katalysatorblock 106 kann kleiner als ein herkömmlicher SCR-Katalysator ausgeführt werden.
Der multifunktionale Katalysatorblock 106 kann mit einer beliebigen geeigneten SCR-Katalysator-Beladekonzentration in Gramm pro Kubik-Inch eines Beladevolumens bereitgestellt werden, in 1 allgemein bei ”A” gezeigt. Die Beladekonzentration kann von der Porosität des Substrats abhängen, auf dem der Ureahydrolysierende Katalysator und der SCR-Katalysator abgeschieden sind. Beispielsweise kann der SCR-Katalysator eine Beladekonzentration von 0,5 g/in³ (Gramm pro Kubik-Inch) für geringer poröse Filter und eine Beladekonzentration von 2 g/in³ für höher poröse Filter aufweisen. Allgemein und gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die SCR-Katalysator-Beladekonzentration unabhängig ausgewählt in einem Bereich von mindestens 0,1 g/in³, 0,2 g/in³, 0,3 g/in³ oder 0,4 g/in³ bis höchstens 4,0 g/in³, 3,5 g/in³, 3,0 g/in³ oder 2,5 g/in³.
Der multifunktionale Katalysatorblock 106 kann mit einer beliebigen geeigneten Beladekonzentration des Ureahydrolysierenden Katalysators in Gramm pro Kubik-Inch eines Beladevolumens bereitgestellt werden, in 1 allgemein bei ”A” gezeigt. In bestimmten Fällen liegt die Beladekonzentration des Ureahydrolysierenden Katalysators 314 in einem unabhängig ausgewählten Bereich ausgewählt aus mindestens 0,1 g/in³, 0,2 g/in³, 0,3 g/in³ oder 0,4 g/in³ bis höchstens 4,0 g/in³, 3,5 g/in³, 3,0 g/in³ oder 2,5 g/in³.
Bei einer weiteren Variation und wie in 3B dargestellt, können der Ureahydrolysierende Katalysator 314 und der SCR-Katalysator 312 kombiniert werden, um eine Mischung zu bilden, in gewissen Fällen eine homogene Mischung, wobei die Katalysatormischung auf dem Substrat 318 getragen wird.
Nunmehr wieder unter Bezugnahme auf 1 kann bei der dargestellten Ausführungsform das Reduktionsmittel 119 innerhalb der Abgaspassage 102 hinter einem Motor 112 angeordnet sein. Eine Öffnung 118 befindet sich optional auf der Abgaspassage 102 und zwischen dem Motor 112 und dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 angeordnet, wie hierin beschrieben, um die Einleitung des Reduktionsmittels 119 in die Abgaspassage 102 zu erleichtern. Das Reduktionsmittel 119 zum Reduzieren von NO_x in Stickstoff N₂ wird optional durch eine nichtgezeigte Düse in die Abgaspassage 102 eingeleitet. Die Einleitung des Reduktionsmittel 119 wird optional durch die Verwendung eines Ventils 120 erreicht, das dazu eingesetzt werden kann, die gewünschte Menge des Reduktionsmittels 119 von einer Quelle 104 in das Abgas 117 zu dosieren. Das Abgas 117 mit dem Reduktionsmittel 119 wird dann für die Reduktion von NO_x und das Entfernen der Partikel weiter stromabwärts zu zusammen mit dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 befördert.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann der Bereich des Abstands zwischen der Öffnung 118 und dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 unabhängig ausgewählt werden aus einem Bereich von mindestens 0,5 Zentimetern, 10 Zentimetern, 20 Zentimetern, 30 Zentimetern, 40 Zentimetern, 50 Zentimetern, 60 Zentimetern oder 70 Zentimetern bis zu höchstens 140 Zentimetern, 130 Zentimetern, 120 Zentimetern, 110 Zentimetern, 100 Zentimetern, 90 Zentimetern oder 80 Zentimetern.
Das Reduktionsmittel 119 kann aus einem beliebigen Material bestehen, das sich zum Reduzieren von NO_x in eine harmlose freisetzbare Substanz wie etwa Stickstoff N₂ eignet. Das Reduktionsmittel 119 kann Ammoniak, flüssige Urea, feste Urea oder Kombinationen davon enthalten. Wie bekannt ist, zersetzt sich Urea, wenn sie einem warmen oder heißem Abgas ausgesetzt wird, ohne weiteres zu Ammoniak. Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein Molverhältnis NH₃/NO_x in der Regel auf einem Wert gehalten, der im Voraus so ausgelegt ist, dass der NH₃-Slip an den Katalysatoren vorbei und in die Luft minimiert wird. Ein beispielhaftes Molverhältnis von NH₃/NO_x liegt bei oder nahe eins.
Das Substrat 318, wie innerhalb des multifunktionalen Katalysatorblocks 106 zum Tragen des Ureahydrolysierenden Katalysators 314 und des SCR-Katalysators 312 enthalten, kann ein Monolith sein, der allgemein als ein Keramikblock beschrieben wird, der aus einer Anzahl von im Wesentlichen parallelen Strömungskanälen hergestellt ist. Der Monolith kann aus Keramikmaterialien wie etwa Cordierit-, Mullit- und Siliziumcarbid- oder metallischen Materialien wie etwa Eisen-Chrom-Legierung, rostfreiem Stahl und Inconel^® hergestellt sein. Die Strömungskanäle des Monolithen können von beliebiger geeigneter Größe sein und weisen in bestimmten Fällen eine Größe von 0,5 bis 10 Millimeter Durchmesser auf. Die Kanäle können im Wesentlichen gerade, hohl und parallel zu der Strömung des Abgases sein, weshalb eine Strömungsbehinderung für das Abgas minimiert wird. Falls das Substrat 318 als ein Wandstrompartikelfilter zum zusätzlichen Entfernen der Partikel konfiguriert ist, kann das Substrat weiterhin Cordierit, Siliziumcarbid, Metallfaser, Papier oder Kombinationen davon enthalten.
Bei mindestens einer Ausführungsform basiert der SCR-Katalysator 312 allgemein auf Zeolith. Der Ausdruck ”Zeolith” bezieht sich allgemein auf einen Aluminosilicat-Rahmen, der Atome von Sauerstoff, Aluminium und/oder Silizium enthält. Ein Beispiel für einen natürlichen Zeolithen ist Mordenit oder ein Chabasit. Zu synthetischen Zeolithen zählen als Veranschaulichung Typ A als synthetische Formen von Mordenit, Typ B als ZSM-5^®-Zeolithe und Typ Y als ultrastabilisierte Beta-Zeolithe. Die Rahmenstruktur der Zeolithe nimmt oftmals eine negative Gesamtladung auf, die durch austauschbare Kationen kompensiert wird, die ohne weiteres durch andere Kationen wie etwa Metallkationen durch Verfahren einschließlich Ionenaustausch ersetzt werden können.
Der SCR-Katalysator 312 kann einen mit erdalkalimetallausgetauschten Zeolithen, edelmetallausgetauschten Zeolithen wie etwa platinbasierte und/oder einen basismetallausgetauschten Zeolithen wie etwa kupfer- und eisenbasierte Zeolithe enthalten. Wenngleich ein beliebiger Typ von Zeolith verwendet werden kann, zählen zu einigen geeigneten Zeolithen Zeolith vom X-Typ, Zeolith vom Y-Typ und/oder Zeolith vom ZSM-5-Typ.
Bei Verwendung in dem SCR-Katalysator 312 enthält das Erdalkalimetall veranschaulichend Barium, Strontium und Calcium. Zu geeigneten Calciumquellen für das Erdalkalimetall zählen Calciumsuccinat, Calciumtartrat, Calciumcitrat, Calciumacetat, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, Calciumoxylat, Calciumoleat, Calciumpalmitat und Calciumoxid. Zu geeigneten Strontiumquellen für das Erdalkalimetall zählen Strontiumcitrat, Strontiumacetat, Strontiumcarbonat, Strontiumhydroxid, Strontiumoxylat und Strontiumoxid. Zu geeigneten Bariumquellen für das Erdalkalimetall zählen Bariumbutyrat, Bariumformiat, Bariumcitrat, Bariumacetat, Bariumoxylat, Bariumcarbonat, Bariumhydroxid und Bariumoxid.
Bei Verwendung in dem SCR-Katalysator 312 kann das Seltenerdmetall veranschaulichend Lanthan, Cer und/oder Neodym enthalten. Zu geeigneten Neodymquellen für das Seltenerdmetall zählen Neodymacetat, Neodymcitrat, Neodymoxylat, Neodymsalicylat, Neodymcarbonat, Neodymhydroxid und Neodymoxid. Zu geeigneten Cerquellen für das Seltenerdmetall zählen Cerformiat, Cercitrat, Ceracetat, Cersalicylat, Cercarbonat, Cerhydroxid und Ceroxid. Zu geeigneten Lanthanquellen für das Seltenerdmetall zählen Lanthanacetat, Lanthancitrat, Lanthansalicylat, Lanthancarbonat, Lanthanhydroxid und Lanthanoxid.
Der SCR-Katalysator 312 kann durch beliebige geeignete Verfahren hergestellt werden. In dem Fall, dass hydrogenionenausgetauschte saure Zeolithe verwendet werden, können aktive Bestandteile auf eine veranschaulichend wie folgt gezeigte Weise in die Zeolithe eingearbeitet werden. Ein Ausgangsmaterial wird hergestellt, das die Zeolithe enthält, durch Mischen, Mahlen und/oder Kneten der individuellen Komponenten oder ihrer Vorläuferverbindungen (beispielsweise wasserlösliche Salze für die angegebenen Metalloxide) und falls angebracht unter Zusatz von herkömmlichen Keramikfüllstoffen und Hilfsstoffen und/oder Glasfasern. Das Ausgangsmaterial wird dann entweder weiter verarbeitet, um trägerlose Extrudate auszubilden, oder wird als eine Beschichtung auf einen Keramik- oder Metallträger in Waben- oder Plattenform aufgetragen.
Optional wird ein Bindemittel verwendet, um zum Ausbilden des SCR-Katalysators alle Bestandteile zusammenzubringen. Das Bindemittel wird verwendet, um eine Auflösung und Umverteilung der Bestandteile zu verhindern. Zu möglichen Bindemitteln zählen saures Aluminiumoxid, alkalisches Aluminiumoxid und Ammoniumaluminiumoxid.
Bei gewissen bestimmten Fällen wird ein lösliches alkalisches Aluminiumoxid mit einem pH-Wert von mindestens 8 als das Bindemittel verwendet.
Beispiele für geeignete SCR-Katalysatoren werden in dem US-Patent 4,961,917 an Byrne beschrieben, dessen ganzer Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Zu einigen geeigneten Zusammensetzungen zählen ein Eisen- und/oder ein Kupfermetallatom, das in einem Zeolith in einer Menge von etwa 0,1 bis 30 Gew.-% des Gesamtgewichts der Metallatome plus Zeolith vorliegt. Zeolithe sind gegenüber Schwefelvergiftung relativ beständig und bleiben in der Regel während einer SCR-Katalysatorreaktion aktiv. Zeolithe weisen in der Regel eine Porengröße auf, die groß genug ist, um eine adäquate Bewegung von NO_x, Ammoniak und Produktmolekülen N₂ und H₂O zu gestatten. Die kristalline Struktur von Zeolithen weist eine komplexe Porenstruktur mit mehr oder weniger regelmäßig wiederauftretenden Verbindungen, Kreuzungsstellen und dergleichen auf. Als Beispiel sind geeignete Zeolithe aus kristallinem Aluminiumsilicat hergestellt, mit einem Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Verhältnis im Bereich von 5 bis 400 und einer mittleren Porengröße von 3 bis 20 Angström.
Ein geeigneter SCR-Katalysator 312 zur Verwendung in dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 kann eine Zusammensetzung wie etwa eine Zusammensetzung aus kupferhaltigem Zeolith oder eisenhaltigem Zeolith aufweisen und es kann sich bei ihm auch um eine physikalische Mischung aus zwei oder mehr Katalysatoren in einem beliebigen geeigneten Verhältnis handeln. Beispielsweise kann der SCR-Katalysator 312 eine Mischung aus Fe und Cu mit einem beliebigen geeigneten Gewichtsverhältnis beispielsweise von 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1 bis 10:1 aufweisen. Alternativ kann der hierin verwendete SCR-Katalysator 312 ein eisenhaltiger Zeolith oder ein kupferhaltiger Zeolith sein, der mit einem oder mehreren anderen Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Chrom, Molybdän, Wolfram oder beliebigen Kombinationen davon kombiniert ist.
Der SCR-Katalysator 312 und der Ureahydrolysierende Katalysator 314 kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens auf das Substrat aufgetragen werden. Ein beispielhaftes Verfahren eines derartigen Auftragens ist in dem US-Patent 7,229,597 an Patchett et al. dargestellt, dessen ganzer Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Im Wesentlichen wird der Partikelfilter mit einer gewünschten Porosität in eine Katalysatoraufschlämmung getaucht, die dann unter Druckluft trocknen gelassen wird. Dieser Prozess des Tauchens und Trocknens kann wiederholt werden, bis der gewünschte Auftragslevel erreicht ist. Nach dem Auftragen kann der Partikelfilter bei einer Temperatur wie etwa 100 Grad Celsius getrocknet und danach bei einer relativ höheren Temperatur wie etwa im Bereich von 300 bis 500 Grad Celsius kalziniert werden.
Optional, und wie in 2 gezeigt, kann ein Oxidationskatalysator 214 innerhalb der Abgaspassage 102 hinter dem Motor 112 und vor dem multifunktionalen Katalysatorblock 106 angeordnet sein. Oxidationskatalysatoren, die Platingruppenmetalle, Basismetalle und Kombinationen davon enthalten, helfen, die Umwandlung sowohl von Kohlenwasserstoff-(HC-) als auch Kohlenmonoxid-(CO-)Abfallstoffen und mindestens eines Teils der Partikel durch Oxidation dieser Schadstoffe zu Kohlendioxid und Wasser zu fördern. Der Oxidationskatalysator 214 unterstützt im Allgemeinen die Zerlegung der Abfallstoffe in dem Abgas in weniger schädliche Komponenten. Insbesondere nutzt ein beispielhafter Oxidationskatalysator 214 Palladium- und Platinkatalysatoren, um den unverbrannten Kohlenwasserstoff und das unverbrannte Kohlenmonoxid gemäß der folgenden Reaktionsformel zu reduzieren: CO + O₂ → CO₂. Das Entfernen des HC und CO unter Verwendung des Oxidationskatalysators 214 hilft, einen Teil der Bürde auf die nachgeschaltete Katalysatoreinheit 106 zu reduzieren, indem das Abgas korrigiert wird.
Außerdem wandelt der Oxidationskatalysator 214 auch einen bestimmten Teil des Stickoxids (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂) um, so dass das NO/NO₂-Verhältnis für nachgeschaltete SCR-Katalysatorreaktionen geeigneter ist. Ein erhöhter Anteil von NO₂ in dem NO_x verbessert aufgrund der katalytischen Wirkung des vorgeschalteten Oxidationskatalysators 214 die Reduktion von NO_x im Vergleich zu Abgasströmen, die kleinere Anteile von NO₂ in der NO_x-Komponente enthalten. Weiterhin hilft der Oxidationskatalysator 214, das Entfernen von Ruß und die Regeneration des Partikelfilters für fortdauernden Motorbetrieb zu ermöglichen. Das Abgasreinigungssystem 100 kann weiterhin hinsichtlich seiner Konfiguration abgeändert werden, ohne seine beabsichtigte Funktion wesentlich zu verändern. Beispielsweise kann ein zweiter Oxidationskatalysator 224 hinter dem multifunktionalen Block 106 angeordnet sein, wie in 2 gezeigt. Bei Verwendung in Verbindung mit dem ersten Oxidationskatalysator 214 dient der zweite Oxidationskatalysator 224 hauptsächlich dem Oxidieren von Ammoniakmolekülen, die durch die Abgaspassage 102 gerutscht sein können, und der Umwandlung der durchgerutschten Ammoniakmoleküle in N₂. Außerdem kann etwaiger unverbrannter Kohlenwasserstoff, der unbehandelt geblieben ist, an diesem Punkt vor der endgültigen Freisetzung in die Luft oxidiert werden.
Bei mindestens einer Ausführungsform enthält der Ureahydrolysierende Katalysator 314 mindestens ein Oxid. Zu Beispielen für geeignete Oxide zählen Titandioxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Schwefeloxid (SO₃), Wolframoxid (WO₃), Nioboxid (Nb₂O₅), Molybdänoxid (MoO₃), Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid oder Kombinationen davon. Ohne durch irgendeine Theorie beschränkt werden zu wollen, funktioniert das in dem Ureahydrolysierenden Katalysator 314 enthaltene Oxid mindestens teilweise als Hydrolysierungsmoleküle, die die Hydrolysierung und somit die Zerlegung der überschüssigen Urea und somit die resultierende Milderung der deaktivierenden Effekte der überschüssigen Urea induzieren.
Der Ureahydrolysierende Katalysator 314 kann durch beliebige geeignete Verfahren auf den multifunktionalen Katalysatorblock 106 aufgebracht werden. Beispielsweise wird eine Vorläufersubstanz zum Ausbilden des Ureahydrolysierenden Katalysators 314 pulverisiert, zu einer wässrigen Aufschlämmung gemacht und dann gemahlen. Die Vorläufersubstanz wird bevorzugt in einer derartigen Menge bereitgestellt, dass eine stöchiometrische Menge an Ammoniak auf der Basis der Wirkung des Ureahydrolysierenden Katalysators 314 in Ausrichtung auf die NO_x-Umwandlungsreaktionen hergestellt werden kann. Die Menge für die Vorläufersubstanz kann durch Experiment bestimmt oder ansonsten auf der Basis der relativen Molekülmasse und/oder Löslichkeit der verwendeten jeweiligen Vorläufersubstanz berechnet werden. Als Ergebnis wird der Ureahydrolysierende Katalysator 314 derart ausgebildet, dass eine vorbestimmte Effektivität des SCR-Katalysators 312 bei der Reduktion von NO_x in NO_x-haltigen Abfallstoffen erreicht wird.
Der auf diese Weise hergestellte Ureahydrolysierende Katalysator 314 hilft, dem SCR-Katalysator 312 gegenüber dem Einfluss von Urea-Vergiftung eine erhebliche langfristige hydrothermische Stabilität zu verleihen. Beispielsweise wird die SCR-Aktivität des multifunktionalen Katalysatorblocks 106 selbst nach einer Alterung von 18 bis 36 Stunden bei 800 Grad Celsius oder höher nicht durch Urea-Vergiftung beeinträchtigt.
Zu geeigneten Zirkoniumquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Zirkoniumdioxid, Zirkoniumoxychlorid, Zirkonium-tert-butoxid, Zirkoniumethoxid, Zirkoniumisopropoxid und kolloidales Zirkoniumoxid.
Zu geeigneten Titanquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Titandioxid, Titanoxychlorid, Titanoxynitrat, Titanisobutoxid, Titan-n-butoxid, Titan-tert-butoxid, Titanethoxid, Titanisopropoxid, Titanmethoxid, Titan-n-propoxid und kolloidales Titanoxid.
Zu geeigneten Aluminiumquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Aluminiummethoxid, Aluminium-n-butoxid, Aluminiumethoxid und Aluminiumisopropoxid.
Zu geeigneten Siliziumquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Siliziumoxid und kolloidales Siliziumoxid.
Zu geeigneten Yttriumquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Yttriumoxid, kolloidales Yttriumoxid und Yttriumisopropoxid.
Zu geeigneten Nickelquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Nickeloxid und Nickelhydroxid.
Zu geeigneten Kobaltquellen der Vorläufersubstanz für den Ureahydrolysierenden Katalysator 314 zählen allgemein Kobaltoxid und Kobalthydroxid.
Gemäß mindestens einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reduzieren von Abfallstoffen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Kontaktieren des Abgases mit dem multifunktionalen Katalysatorblock 106, wie hierin beschrieben. Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren weiterhin das Kontaktieren des Abgases mit einem Oxidationskatalysator 214, 224 vor und/oder nach dem Schritt des Kontaktierens des Abgases mit dem multifunktionalen Katalysatorblock 106.
Wenngleich Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Weiterhin sind die in der Spezifikation verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken oder Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4961917 [0050]
US 7229597 [0052]

Claims

Multifunktionaler Katalysatorblock zum Reduzieren von Abfallstoffen in dem Abgas von einem Verbrennungsmotor, umfassend: ein Substrat; einen auf dem Substrat getragenen Ureahydrolysierenden Katalysator und einen auf dem Substrat getragenen SCR-Katalysator (selektive katalytische Reduktion).
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 1, wobei das Substrat als ein Wandstrompartikelfilter konfiguriert ist.
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Durchflussmonolith ist.
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine erste Zone und eine zweite Zone hinter der ersten Zone aufweist, wobei sich mindestens 90 Gew.-% des Ureahydrolysierenden Katalysators in der ersten Zone befindet und sich mindestens 90 Gew.-% des SCR-Katalysators in der zweiten Zone befindet.
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 4, wobei ein Volumenverhältnis zwischen der ersten und zweiten Zone zwischen 1:10 und 10:1 liegt.
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 1, wobei der Ureahydrolysierende Katalysator und der SCR-Katalysator auf dem Substrat ein Gemisch bilden.
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 1, wobei der SCR-Katalysator ein eisenhaltiger Zeolith, ein kupferhaltiger Zeolith oder eine Kombination davon ist.
Multifunktionaler Katalysatorblock nach Anspruch 2, wobei das Substrat mit einer Porosität in einem Bereich von 40 bis 85 Vol.-% versehen ist.
Abgasreinigungssystem zum Reduzieren von in einer Abgaspassage von einem Verbrennungsmotor transportierten Abfallstoffen, wobei das System Folgendes umfasst: einen multifunktionalen Katalysatorblock mit einem Substrat, einen auf dem Substrat getragenen ureahydrolysierenden Katalysator und einen auf dem Substrat getragenen SCR-Katalysator.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei das Substrat als ein Wandstrompartikelfilter konfiguriert ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei das Substrat ein Durchflussmonolith ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei der multifunktionale Katalysatorblock eine erste Zone und eine zweite Zone hinter der ersten Zone aufweist und wobei sich mindestens 90 Gew.-% des Ureahydrolysierenden Katalysators in der ersten Zone befinden und sich mindestens 90 Gew.-% des SCR-Katalysators in der zweiten Zone befinden.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 12, wobei ein Volumenverhältnis zwischen der ersten und zweiten Zone zwischen 1:10 und 10:1 liegt.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei der Ureahydrolysierende Katalysator und der SCR-Katalysator auf dem Substrat ein Gemisch bilden.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei der SCR-Katalysator ein eisenhaltiger Zeolith, ein kupferhaltiger Zeolith oder eine Kombination davon ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei das Substrat mit einer Porosität in einem Bereich von 40 bis 85 Vol.-% versehen ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, weiterhin umfassend einen hinter dem Motor und vor dem multifunktionalen Katalysatorblock angeordneten Oxidationskatalysator.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, weiterhin umfassend einen hinter dem multifunktionalen Katalysatorblock angeordneten Oxidationskatalysator.
Verfahren zum Reduzieren von Abfallstoffen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Kontaktieren des Abgases mit einem Reduktionsmittel und einem multifunktionalen Katalysatorblock, um ein behandeltes Abgas auszubilden, wobei der multifunktionale Katalysatorblock einen Ureahydrolysierenden Katalysator, einen SCR-Katalysator und ein Wandstrommonolithsubstrat zum Tragen des Ureahydrolysierenden Katalysators und des SCR-Katalysators und zum Entfernen von Partikeln enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, weiterhin umfassend das Kontaktieren des Abgases mit einem Oxidationskatalysator vor dem Kontaktieren des Abgases mit dem multifunktionalen Katalysatorblock.