DE102015120904B4 - In Zonen eingeteiltes Katalysatorsystem zum Reduzieren von N2O-Emissionen - Google Patents

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    • Y02C20/10—Capture or disposal of greenhouse gases of nitrous oxide (N2O)

Abstract

Katalysatorsystem (50) zum Reduzieren von N2O-Emissionen in einem Abgassystem eines Fahrzeugs, umfassend einen Träger (52) in Verbindung mit einem Abgasstrom, wobei der Träger (52) einen Abgaseinlass (54) und einen Abgasauslass (56) umfasst und mindestens einen Abgaskanal dahindurch aufweist, wobei der Träger (52) eine erste katalytische Zone (58) und eine zweite katalytische Zone (60) umfasst, die stromabwärts von der ersten katalytischen Zone (58) positioniert ist, wobei die erste katalytische Zone (58) einen PGM-Katalysator (62) aufweist, der 50 bis 100 Gew.-% Rhodium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Palladium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst, und die zweite katalytische Zone (60) einen PGM-Katalysator (64) aufweist, der 50 bis 100 Gew.-% Palladium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Rhodium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst und wobei die zweite katalytische Zone (64) einen Nickel-Kupfer-Katalysator umfasst, ferner umfassend eine dritte katalytische Zone (68) stromabwärts von der zweiten katalytischen Zone (60), die einen Katalysator aufweist, der Nickel und Kupfer umfasst, wobei die erste katalytische Zone (58) im Abgaskanal einen Einlasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Einlasskanals mit dem Abgaseinlass (54) verbunden ist, die zweite katalytische Zone (60) einen Auslasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das zweite Ende des Auslasskanals mit dem Abgasauslass (56) verbunden ist, und die dritte katalytische Zone (68) einen Zwischenkanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Zwischenkanals mit dem zweiten Ende des Einlasskanals verbunden ist, und das zweite Ende des Zwischenkanals mit dem ersten Ende des Auslasskanals verbunden ist, wobei der Zwischenkanal derart ausgerichtet ist, dass die Strömung von Abgas durch den mindestens einen Abgaskanal umgekehrt zu der Strömungsrichtung in den Einlass- und Auslasskanälen ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Der hierin beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft ein Katalysatorsystem, das die Reduktion von Stickstoffoxiden in Fahrzeugabgasen erleichtert, und insbesondere ein Katalysatorsystem, das Distickstoffmonoxid (N2O)-Emissionen aus Fahrzeugabgasen reduziert.
  • Die Umweltvorschriften bezüglich der Reduktion von Emissionen aus Fahrzeugmotoren werden immer strenger, wodurch neue Konstruktionen erforderlich sind, um die Herausforderungen der Herstellung noch umweltfreundlicherer Fahrzeuge zu bewältigen. Katalysatoren werden in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen seit langem zum Umwandeln von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxid (NOx)-Kontaminanten in umweltfreundlichere Gase wie beispielsweise Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff, verwendet. Es ist seit Langem bekannt, dass sogenannte Dreiwege-Katalysatoren (TWC für engl. three-way catalysts) zum gleichzeitigen Umwandeln von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden in umweltfreundlichere Gase verwendet werden können. Im Allgemeinen umfassen solche TWCs mehrere oder eine Mehrzahl von Edelmetallen, wie beispielsweise Metalle der Platingruppe (PGM). Zum Beispiel wurden Katalysatoren, die aus Kombinationen von Rhodium (Rh) und Platinum (Pt) oder Palladium (Pd) bestanden, in TWC-Systemen verwendet. Im Allgemeinen wird angenommen, dass Pd zum Umwandeln von CO und HC wirksamer ist, währen Rh zum Reduzieren von NOx-Verbindungen wirksamer ist.
  • Stickstoffoxide werden zu einem immer größeren Umweltproblem. Zum Beispiel hat der National Research Council in einer Studie im Jahre 2010 geschätzt, dass N2O-Moleküle, die an die Atmosphäre abgegeben werden, im Durchschnitt 120 Jahre intakt bleiben, und die Umweltauswirkung von einem Pfund N2O auf die Erwärmung der Atmosphäre über 300-mal größer als die von einem Pfund Kohlendioxid ist. Immer strengere Kraftstoffökonomiestandards verschlimmern die Erzeugung von NOx in Fahrzeugen.
  • Demnach ist es vorzuziehen, Fahrzeugmotoren unter Magerbedingungen, d. h. Bedingungen, unter welchen das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis höher als stöchiometrisch ist, zu betreiben, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Obwohl Magerbetrieb die Kraftstoffökonomie verbessert, erschwert solch ein Betrieb jedoch die Behandlung und Entfernung von NOx-Gasen aus den Fahrzeug-Abgassystemen. Dies führte dazu, dass die Fahrzeughersteller sogenannte Mager-NOx-Fallen entwickelten, welche in einem Versuch, so viel NOx als möglich einzufangen und zu reduzieren, die Komplexität und Kosten von Abgassystemen erhöhen.
  • Auch andere Bedingungen, die während des Normalbetriebs von Motofahrzeugen anzutreffen sind, können zur Erzeugung von überschüssigen NOx-Gasen führen. Zum Beispiel werden während eines Kaltstarts von Motoren der Wirkungsgrad und die Wirksamkeit der Katalysatoren reduziert, bis die Katalysatoren ihre Anspringtemperatur erreichen. Während der Fahrzeugbeschleunigung führt der vermehrte Strom von Abgasen, die NOx und CO enthalten, zu unvollständiger Reduktion von NOx-Verbindungen zu N2 und bewirkt, dass zusätzliches N2O im katalytischen Konverter erzeugt wird.
  • Aus der DE 11 2012 002 601 T5 ist ein katalysiertes Substrat für ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors bekannt, welches eine erste Zone und eine zweite Zone aufweist. Die erste Zone umfasst ein auf einen Träger geladenes Platingruppenmetall, die zweite Zone auf einen Zeolith geladenes Kupfer oder Eisen. Die erste Zone oder die zweite Zone umfassen zusätzlich ein Oxid eines unedlen Metalls oder ein unedles Metall, das auf ein anorganisches Oxid geladen ist.
  • Die US 2004 / 0 001 781 A1 beschreibt einen Katalysator, der auf ein einzelnes Substrat beschichtet ist, wie z. B. eine monolithische Wabe mit einer Vielzahl von Kanälen entlang der axialen Länge des Katalysators. Verschiedene Washcoat-Zusammensetzungen werden entlang der Länge der Kanalwände des Substrats abgelagert, beginnend entweder am axialen Einlass- oder Auslassende des Substrats, um Einlass- bzw. Auslass-Katalysatorschichten zu bilden. Bei dem Beschichtungsverfahren werden die Kanalwände mit Katalysator-Washcoat-Zusammensetzungen auf Längen beschichtet, die geringer sind als die axiale Länge der Substrate. Die Architektur der resultierenden Katalysatorschichten definiert eine Vielzahl von Zonen entlang der Länge des Substrats.
  • Demgemäß besteht auf diesem Fachgebiet nach wie vor ein Bedarf an der Bereitstellung von wirksameren Katalysatorsystemen, die imstande sind, Emissionen von Schadstoffgasen über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen zu behandeln und zu kontrollieren.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Bedarf wird durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Katalysatorsystem bereitstellen, das die Reduktion von Stickstoffoxiden in Fahrzeugabgasen erleichtert, und insbesondere ein Katalysatorsystem gedeckt, das Distickstoffmonoxid (N2O)-Emissionen aus Fahrzeugabgasen reduziert.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Katalysatorsystem zum Reduzieren von N2O-Emissionen im Abgassystem eines Fahrzeugs bereitgestellt, das einen Träger in Verbindung mit dem Abgasstrom umfasst, wobei der Träger einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass umfasst. Der Träger weist mindestens einen Abgaskanal dadurch auf. Der Träger, der in der Form einer monolithischen, mehrzelligen Wabenstruktur sein kann, umfasst eine erste katalytische Zone und eine zweite katalytische Zone, die stromabwärts von der ersten Zone positioniert ist. Die erste katalytische Zone umfasst einen Platingruppenmetall (PGM)-Katalysator, der etwa 50 bis etwa 100 Gew.-% Rhodium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Palladium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst. Die zweite katalytische Zone umfasst einen PGM-Katalysator, der etwa 50 bis etwa 100 Gew.-% Palladium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Rhodium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst. Unter „PGM-Katalysator“ sind entweder Rhodium, Platin oder Platin oder Mischungen davon zu verstehen. Vorzugsweise umfasst der Träger Ceroxid, Zirconiumoxid, Aluminiumoxid und Mischungen davon in einem beliebigen Gewichtsverhältnis.
  • Außerdem umfasst die zweite katalytische Zone einen Nickel-Kupfer-Katalysator, der dabei hilft, jegliches N2O, das noch im Abgassystem vorhanden ist, weiter zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen umfasst der Nickel-Kupfer-Katalysator etwa 50 Gew.-% Nickel und etwa 50 Gew.-% Kupfer.
  • Ferner umfasst das Katalysatorsystem eine dritte katalytische Zone stromabwärts von der zweiten katalytischen Zone, die einen Katalysator aufweist, der Nickel und Kupfer umfasst, wobei die erste katalytische Zone im Abgaskanal einen Einlasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Einlasskanals mit dem Abgaseinlass verbunden ist, die zweite katalytische Zone einen Auslasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das zweite Ende des Auslasskanals mit dem Abgasauslass verbunden ist, und die dritte katalytische Zone einen Zwischenkanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Zwischenkanals mit dem zweiten Ende des Einlasskanals verbunden ist, und das zweite Ende des Zwischenkanals mit dem ersten Ende des Auslasskanals verbunden ist, wobei der Zwischenkanal derart ausgerichtet ist, dass die Strömung von Abgas durch den mindestens einen Abgaskanal umgekehrt zu der Strömungsrichtung in den Einlass- und Auslasskanälen ist.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst das Katalysatorsystem eine dritte katalytische Zone stromabwärts von der zweiten katalytischen Zone, wobei der Nickel-Kupfer-Katalysator in der dritten katalytischen Zone angeordnet ist. Die zweite katalytische Zone weist keinen Katalysator auf, der Nickel und Kupfer umfasst. Hierbei kann das System derart ausgelegt sein, dass die erste katalytische Zone im Abgaskanal einen Einlasskanal mit ersten und zweiten Enden umfasst, wobei das erste Ende des Einlasskanals mit dem Abgaseinlass in Verbindung steht. Die zweite katalytische Zone umfasst einen Auslasskanal mit ersten und zweiten Enden, wobei das zweite Ende des Auslasskanals mit dem Abgasauslass in Verbindung steht. Die dritte katalytische Zone umfasst einen Zwischenkanal mit ersten und zweiten Enden, wobei das erste Ende des Zwischenkanals mit dem zweiten Ende des Einlasskanals verbunden ist, und das zweite Ende des Zwischenkanals mit dem ersten Ende des Auslasskanals verbunden ist. Der Zwischenkanal ist derart ausgerichtet, dass die Strömung von Abgas durch den mindestens einen Abgaskanal umgekehrt von der Strömungsrichtung in den Einlass-und Auslasskanälen ist.
  • Demgemäß ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung die Reduktion von Stickstoffoxiden in Fahrzeugabgasen und insbesondere ein Katalysatorsystem, das Distickstoffmonoxid (N2O)-Emissionen aus Fahrzeugabgasen reduziert. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den beiliegenden Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Die folgende ausführliche Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist bei Lektüre in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen am besten zu verstehen, wobei ähnliche Strukturen mit ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und wobei:
    • 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Seitenansicht eines Zweiblock-Katalysators des Standes der Technik für ein Fahrzeug-Abgassystem ist;
    • 2 eine Ansicht entlang der Linie 2-2 in 2 ist, welche die Washcoat-Schichten des Katalysators auf den Wänden des Trägers darstellt;
    • 3 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform des katalytischen Zweizonensystems der vorliegenden Erfindung ist; 3A eine vergrößerte Seitenansicht entlang der Linie 3-3 in 3 ist;
    • 4 eine schematische Ansicht einer Gegenströmungs-Ausführungsform der Erfindung ist, die eine dritte katalytische Zone verwendet;
    • 5 eine Grafik der NOx-Umwandlung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Pd-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 6 eine Grafik der N2O-Bildung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Pd-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 7 eine Grafik der CO-Umwandlung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Pd-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 8 eine Grafik der NH3-Bildung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Pd-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 9 eine Grafik der NOx-Umwandlung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Rh-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 10 eine Grafik der N2O-Bildung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Rh-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 11 eine Grafik der CO-Umwandlung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Rh-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist;
    • 12 eine Grafik der NH3-Bildung in Abhängigkeit von der Einlassgastemperatur für einen reinen Rh-Katalysator unter variierendem CO-Gehalt in einem Abgas ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die Gase, die in den meisten Kraftfahrzeugabgasen vorzufinden sind, enthalten nur sehr kleine Mengen von Distickstoffmonoxid (N2O), das während der Kraftstoffverbrennung im Motor erzeugt wird. Das Problem ist vielmehr, dass während verschiedener Betriebsmodi N2O durch die Katalysatoren im Fahrzeugabgassystem erzeugt wird. Distickstoffmonoxid wird gebildet, wenn ein Fahrzeug unter Magerbedingungen betrieben wird, d. h. Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in einem Überschuss von Sauerstoff/Luft verbrannt wird. Obwohl Magerbetriebsbedingungen Vorteile bereitstellen, wie beispielsweise verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad und geringere CO2-Emissionen, verstärkt solch ein Betrieb die Bildung von Stickstoffoxiden (NOx). Typischerweise verwendeten Hersteller Mager-NOx-Fallen mit Katalysatoren zum Absorbieren von NOx-Verbindungen, gefolgt von NOx-Reduktion, wenn der Motor unter Fettbedingungen (d. h. Überschuss von Kraftstoff gegenüber Luft/Sauerstoff) betrieben wird. Alternativ wird NOx-Reduktion durch Einspritzen eines Reduktionsmittels, wie beispielsweise Ammoniaks, in den Abgasstrom erreicht.
  • Wir haben festgestellt, dass sowohl der Betrieb unter Mager- als auch unter Fettbedingungen zur N2O-Bildung durch herkömmliche Dreiwege-Katalysatoren beiträgt, die typischerweise in Fahrzeug-Abgassystem verwendet werden. Die NOx-Verbindungen, die behandelt werden, wenn der Motor unter Magerbedingungen betrieben wird, werden durch die Katalysatoren nur teilweise reduziert, wenn Fettbedingungen oder ein Reduktionsmittel eingeführt werden. Da die Bedingungen im Fahrzeug-Abgassystem variieren können, wird der Fortschritt der NOx-Reduktion durch die relativen Mengen und Typen des Reduktionsmittels (H2 und CO), die Verweilzeit der Reaktion (Raumgeschwindigkeit des Abgases, definiert als Abgasdurchsatz geteilt durch Katalysatorvolumen) und die Temperatur des Abgases beeinflusst. Wenn das Fahrzeug nicht voll aufgewärmt ist, oder wenn das Fahrzeug beschleunigt und die Raumgeschwindigkeit des Abgases zunimmt, wird N2O statt N2 gebildet, da die Katalysatoren die NOx-Gase nur teilweise reduzieren können.
  • Wenn ein Fahrzeug beschleunigt, ändern sich die Bedingungen im Abgassystem. Diese Änderungen umfassen einen höheren Abgasdurchsatz, eine größere Masse von NO und höhere CO-Konzentrationen. Bei solchen schwierigen Vorgängen sind die typischen Dreiwege-Katalysatoren (TWC) -Formulierungen, die gegenwärtig in Verwendung sind, überfordert. Die Folge ist, dass der TWC NO nur teilweise reduzieren kann und mehr N2O erzeugt, statt das NO vollständig zu N2 zu reduzieren.
  • Auch die erhöhte Raumgeschwindigkeit des Abgases während der Beschleunigung des Fahrzeugs trägt durch Senken der Temperatur der Katalysators auf unter seinen optimalen Aktivzustand zur Bildung N2O bei. Während dieses suboptimalen Aktivzustands des Dreiwege-Katalysators wird der Großteil von N2O erzeugt wird. Gegenwärtige TWC-Formulierungen bestehen in erster Linie aus Pd. CO im Abgasstrom kann jedoch das Pd verunreinigen und dazu führen, dass die Anspringtemperatur des Katalysators (definiert als die Temperatur, bei welcher der Katalysator mindestens 50 % von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffemissionen umwandelt) erhöht wird. Dies verlängert die Zeit, während der der TWC in solch einem suboptimalen Aktivzustand ist, und führt zur Erzeugung von N2O über einen größeren Temperaturbereich zusammen mit einer erheblichen Akkumulation von N2O in den Abgasen, die das System verlassen.
  • Zunächst ist unter Bezugnahme auf 1 und 2 eine typische Konfiguration eines Zweiblock-Katalysators des Standes der Technik für ein Fahrzeug-Abgassystem 10 dargestellt, das stromabwärts von einem Motor (nicht dargestellt) angeordnet ist. Unter „Block“ ist ein monolithisches Trägersubstrat in Wabenbauweise zu verstehen, das auf den Innenflächen davon mit Katalysator beschichtet wurde. Das System 10 umfasst ein Gehäuse 12, das Katalysatorträger 14 und 16 umgibt und enthält. Das System umfasst außerdem einen Einlass 18 für heiße Abgase, die vom Motor kommen, und einen Auslass 20, an dem behandelte Gase austreten. Wie in 2 am besten zu erkennen ist, ist der Dreiwege-Katalysator 20 auf dem ersten Träger 14 so ausgelegt, dass er gleichzeitig CO und sämtliche nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe oxidiert sowie NOx-Verbindungen reduziert. Typischerweise werden Verbindungen von Metallen der Platingruppe (PGM), wie beispielsweise Platin, Palladium und Rhodium, verwendet und auf die Innenflächen der Wabenstruktur des Trägers aufgetragen.
  • Der erste Träger 14 weist typischerweise eine hohe Edelmetallbeladung, wie beispielsweise etwa 2,40 kg/m3 (68 g/ft3) Pd und 0,07 kg/m3 (2 g/ft3) Rh für eine Edelmetallbeladung von insgesamt 2,47 kg/m3 (70 g/ft3) auf. Wie in 2 dargestellt, ist typischerweise ein erster Pd-haltiger Basiskatalysator 20 auf die Wände des Trägers 14 aufgetragen. Der Rh-haltige Katalysator 22 ist dann auf die Pd-Schicht aufgetragen, um einen zweischichten Washcoat (zweischichtige Grundierung) zu bilden. Es wird angenommen, dass Pd zum Oxidieren von CO und nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgasstrom besser ist, während Rh zur NOx-Reduktion besser ist. Typischerweise weist das monolithische Substrat etwa 400 bis etwa 1200 und vorzugsweise etwa 900 Zellen pro Quadratmeter auf, um die geometrische Oberfläche des Washcoats (der Grundierung) zu vergrößern.
  • Der zweite Träger 16 ist stromabwärts vom ersten Träger 14 angeordnet und vorhanden, um beim Kontrollieren von Emissionen in Situationen hohen Massenstroms zu helfen, die bei Beschleunigung und Langstreckenbetrieb eintreten. Der zweite Träger 24 ist so ausgelegt, dass er zusätzliche NOx-Umwandlung bereitstellt. Typischerweise sind die Edelmetallbeladungen des zweiten Trägers im Allgemeinen wesentlich niedriger, zum Beispiel 0,35 kg/m3 (10 g/ft3) Pd und 0,07 kg/m3 (2 g/ft3) Rh.
  • Wir haben festgestellt, dass bei solch einer typischen Katalysatorträgerkonfiguration und -zusammensetzung der Katalysator auf dem ersten Träger bei Fahrzeugbeschleunigung infolge der unvollständigen Reduktion von NOx-Verbindungen durch den Dreiwege-Katalysator und des Vorhandenseins höherer Konzentrationen von Kohlenmonoxid, das die Aktivität des Dreiwege-Katalysators hemmt, N2O erzeugt. Der Katalysator auf dem zweiten Träger ist nicht wirksam, um den N2O-Gehalt des Abgases wesentlich zu reduzieren.
  • Zur Beseitigung der Nachteile von aktuellen katalytischen Abgassystemen verwenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein in Zonen eingeteiltes Katalysatorsystem, das eine erste Zone, die Rhodium oder einen mit Rhodium angereicherten Katalysator umfasst, und eine zweite Zone aufweist, die stromabwärts von der ersten Zone positioniert ist und Palladium oder einen mit Palladium angereicherten Katalysator umfasst. Die Katalysatorzonen können auf getrennten Katalysatorträgerstrukturen angeordnet sein, die hintereinander positioniert sind. Alternativ können die Katalysatorzonen der Reihe nach auf einem einzigen Katalysatorträger positioniert sind.
  • Der oder die Katalysatorträger sind vorzugsweise dicht am Abgaskrümmer des Motors positioniert, um die Abgase davon zu empfangen. Diese Konfiguration ist auf dem Fachgebiet als „motornah eingebauter“ Katalysator bekannt und so ausgelegt, dass sie nach einem Kaltstart des Fahrzeugs ein schnelleres Anspringen des Katalysators bereitstellt (z. B. wird der Katalysator schneller erwärmt und erreicht schneller seine Anspringtemperatur). Optional kann die zweite katalytische Zone einen Nickel-Kupfer-Katalysator umfassen. Alternativ kann der Nickel-Kupfer-Katalysator in einer dritten katalytischen Zone angeordnet sein, die sich stromabwärts von der zweiten katalytischen Zone befindet.
  • Wie in 3 und 3A dargestellt, umfasst das Katalysatorsystem 50 in einer Ausführungsform einen Katalysatorträger 52 in einem Gehäuse 53. Der Träger 52 ist in der Form einer monolithischen Wabenstruktur mit mehreren Abgaskanälen dadurch veranschaulicht. Vorzugsweise ist der Träger aus Ceroxid, Zirconiumoxid, Aluminiumoxid und Mischungen davon gebildet. Das System umfasst einen Abgaseinlass 54 und einen Abgasauslass 56. Der Träger 52 umfasst eine erste katalytische Zone 58 und eine zweite katalytische Zone 60, die der ersten Zone unmittelbar nachgelagert positioniert ist. Die erste Zone 58 weist einen Platingruppenmetall (PGM)-Katalysator auf, der einen Rhodium- oder mit Rhodium angereicherten Katalysator 62 umfasst, der auf die Wände des Trägers 52 aufgetragen ist, während die zweite Zone 60 einen PGM-Katalysator aufweist, der einen Palladium- oder mit Palladium angereichten Katalysator 64 umfasst, der auf die Wände des Trägers aufgetragen ist. Unter „PGM-Katalysator“ sind entweder Rhodium, Platin oder Palladium zu verstehen.
  • Im Allgemeinen umfasst die erste Katalysatorzone etwa 5 bis etwa 35 % der Länge des Trägers. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Katalysatorzone etwa 8 bis etwa 30 % der Länge. Wenn die zwei Katalysatorzonen auf getrennten Trägern positioniert sind, sind die relativen Längen im gleichen Verhältnis. Der Katalysator in der ersten Zone umfasst etwa 50 bis etwa 100 Gew.-% Rhodium, wobei der Rest Palladium und/oder Platin in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst. Demnach kann die Menge von Palladium in der ersten katalytischen Zone von 0 bis etwa 50 Gew.-% variieren, und die Menge von Platin in der ersten katalytischen Zone kann von 0 bis etwa 50 Gew.-% variieren. Die Katalysatorbeladung für die erste Zone beträgt etwa 0,02 bis 10,59 kg/m3 (0,5 bis 300 gm/ft3).
  • Der Katalysator in der zweiten Zone umfasst etwa 50 bis etwa 100 Gew.-% Palladium, wobei der Rest Platin und/oder Rhodium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst. Demnach kann die Menge von Rhodium in der zweiten katalytischen Zone von 0 bis etwa 50 Gew.-% variieren, und die Menge von Platin in der zweiten katalytischen Zone kann von 0 bis etwa 50 Gew.-% variieren. Die Katalysatorbeladung für die zweite Zone beträgt etwa 0,02 bis 10,59 kg/m3 (0,5 bis 300 gm/ft3).
  • Durch derartiges Anordnen des Rhodium- oder mit Rhodium angereicherten Katalysators, dass die Motorabgase zuerst auf ihn treffen, wird die NOx-Umwandlung verbessert, während die N2O-Bildung minimiert wird. Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, sind Fahrzeugbeschleunigungsereignisse durch höhere Abgasdurchsatzraten gekennzeichnet, wobei die Abgase verhältnismäßig größere Mengen von NOx und CO enthalten. Unter Bedingungen niedriger Temperatur und COreicher Reaktion weist Rhodium eine niedrigere Anspringtemperatur als Palladium auf, wobei eine 50%ige NOx-Reduktion bei etwa 300 °C für Rhodium gegenüber etwa 400 °C für Palladium stattfindet.
  • Rhodium hat den zusätzlichen Vorteil, dass es ein guter Wassergasverschiebungsreaktionskatalysator ist, der das im Abgas vorhandene CO in CO2 und H2 umwandelt. Die katalytische Aktivität von Rhodium wird durch das CO nicht beeinträchtigt, es wird mehr CO umgewandelt, und im abströmenden Abgas ist weniger CO vorhanden, was eine Beeinträchtigung der katalytischen Aktivität der Palladiumkatalysatorzone vermeidet. Ferner wird H2, der in der Rhodiumkatalysatorzone erzeugt wird, durch den stromabwärts gelegenen Palladium- oder mit Palladium angereicherte Katalysator verwendet, um die Umwandlung von jeglichem verbleibendem N2O im Abgasstrom zu verbessern.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst die zweite katalytische Zone 60 einen Nickel-Kupfer-Katalysatorverstärker, der die Umwandlung von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, NOx, N2O und NH3 verbessert. Die Katalysatorbeladung für den Nickel-Kupfer-Katalysator beträgt etwa 0,02 bis 70,63 kg/m3 (0,5 bis 2000 gm/ft3) Nickel und Kupfer insgesamt. Das Gewichtsverhältnis von Nickel zu Kupfer kann von etwa 1:99 bis etwa 99:1 stark variieren. Vorzugsweise ist das Nickel-zu-Kupfer-Gewichtsverhältnis (Ni/Cu) > 1.
  • Alternativ kann der Nickel-Kupfer-Katalysator in einer dritten Katalysatorzone stromabwärts von der zweiten Zone positioniert sein. In einer vereinfachten Dreizonen-Ausführungsform, die in 4 veranschaulicht ist, ist der Katalysatorträger so konfiguriert, dass er eine Gegenströmungsanordnung bildet. Wie dargestellt, tritt Abgas (dargestellt durch Pfeile) aus dem Motor (nicht dargestellt) durch den Gaseinlass 54 in den Träger 52 ein und strömt durch den Gaskanal 55. Das Abgas wird anfänglich der ersten Rhodium- oder mit Rhodium angereicherten Katalysatorzone 58 ausgesetzt, die als ein Washcoat (Grundierung) auf den Wänden des Trägers 52 dargestellt ist. Wenn das Abgas entlang des Abgaskanals 55 weiterströmt, wird es dann der zweiten Palladium- oder mit Palladium angereicherten Katalysatorzone 60 ausgesetzt, die als ein Washcoat auf den Wänden des Trägers 52 dargestellt ist. Wenn das Abgas durch den Kanal 55 weiterströmt, wird es dann der dritten Nickel-Kupfer-Katalysatorzone 68 ausgesetzt, bevor es durch den Auslass 56 austritt. Für Fachleute ist zu erkennen, dass durch die Verwendung von Krümmern ein Mehrkanal-Wabenträger für die Gegenströmungs- Ausführungsform konfiguriert werden kann. Zum Beispiel kann durch die geeignete Verwendung von Krümmern Abgas in den inneren Kern eines Wabenträgers geleitet und durch die Kanäle im inneren Kern strömen gelassen werden. Nach dem Austritt aus dem Träger leiten Krümmer den Abgasstrom in Gegenströmungsrichtung durch eine Zwischenzone um den inneren Kern. Schließlich leiten Krümmer das Abgas nach dem Austritt aus der Zwischenzone durch eine Zone benachbart zur Außenfläche des katalytischen Trägers. Die in 4 dargestellte Ausführungsform erreicht die gleichen Vorteile wie die vorherigen Ausführungsformen, nämlich dass die NOx-Umwandlung verbessert wird, während die N2O-Bildung minimiert wird.
  • Zum besseren Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung wird auf die folgenden Beispiele Bezug genommen, welche die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen sollen und den Schutzbereich davon nicht einschränken sollen.
  • Beispiel
  • Es wurden Laborversuche durchgeführt, um Fahrzeugbeschleunigungsbedingungen für ein Abgas mit hohen CO-Konzentrationen, d. h. höheren Konzentrationen von CO als stöchiometrisch, für die Reaktion 2NO + CO → N2 + CO2 zu simulieren. Zwei verschiedene Katalysatoren wurden verglichen. Der erste Katalysator umfasste Rhodium bei einer Konzentration von 0,92 kg/m3 (26 g/ft3). Der zweite Katalysator umfasste Pd bei einer Konzentration von 0,92 kg/m3 (26 g/ft3). In jedem Fall wurden die Katalysatoren auf die Wände eines Cerdioxid-/Zirconiumdioxid-Wabenträgers mit einem Durchmesser von 25,4 mm (1 Zoll), einer Länge von 12,7 mm (0,5 Zoll), mit 400 Zellen pro 645,16 mm2 (Quadratzoll) und einer Wanddicke von 1,016 mm (0,004 Zoll) aufgetragen. Die Beurteilungsparameter waren simuliertes Gas bei einer Raumgeschwindigkeit von 60.000/h und ein Reaktor-Gesamtdurchsatz von 6,44 Liter/min. Beide Katalysatoren wurden für 16 h bei 900 °C unter hydrothermalen Bedingungen gealtert.
  • Es wurden drei verschiedene Konzentrationen von CO verwendet, eine stöchiometrische Konzentration von CO (2000 ppm sowohl von NO als auch CO), eine hohe Konzentration 1 von CO (2000 ppm NO und 3000 ppm CO), und eine hohe Konzentration 2 von CO (2000 ppm NO und 5000 ppm CO). Die Versuche verglichen die NOx-Umwandlung, die N2O-Bildung, die CO-Umwandlung und die NH3-Bildung unter Verwendung der beiden verschiedenen Katalysatoren bei zunehmenden Gaseinlasstemperaturen. Wie in 5 bis 8 dargestellt, hemmen für den Pd-Katalysator hohe Konzentrationen von CO, die typischerweise in einem Magermotor vorhanden sind, die NOx-Umwandlung (5), bewirken N2O-Bildung über einen größeren Temperaturbereich (6), hemmen die CO-Umwandlung (7) und erzeugen nur niedrige Konzentrationen von NH3 (8). Wie dagegen in 9 bis 12 dargestellt, erreichte der Rh-Katalysator im Wesentlichen eine 100%ige NOx-Umwandlung bei 220 °C für alle CO-Konzentrationen (9), bildete kein N2O bei einer Katalysatortemperatur über 350 °C (10), führte zu einer höheren CO-Umwandlung bei niedrigeren Temperaturen (11), und erzeugte verhältnismäßig größere Mengen von NH3 (12).
  • Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der Rh-Katalysator 50 % der NOx-Verbindungen bei niedrigeren Temperaturen (220 °C gegenüber 270 °C für Pd) umwandelte und von hohen CO-Konzentrationen nicht beeinträchtigt wurde, während der Pd-Katalysator durch 130 °C gehemmt wurde (vergleiche 5 und 9). Ferner führten CO-reiche Bedingungen zu N2O-Bildung für den Pd-Katalysator über einen großen Temperaturbereich, während der Rh-Katalysator zu keiner N2O-Bildung über 350 °C führte (vergleiche 6 und 10). CO-Umwandlung unter Fettbedingungen verschob sich für den Pd-Katalysator 330 °C, für den Rh-Katalysator dagegen nur 15 °C (vergleiche 7 und 11). Hohe CO-Konzentrationen wirkten sich auf die Anspringtemperatur für den Rh-Katalysator nicht aus, während der Pd-Katalysator durch 130 °C gehemmt wurde. Schließlich erzeugte der Rh-Katalysator größere Mengen von NH3 durch H2-Bildung aus der Wassergasverschiebungsreaktion (vergleiche 8 und 12). Solche erhöhten NH3-Konzentrationen helfen dem stromabwärts gelegenen Palladium- oder mit Palladium angereicherten Katalysator, die Umwandlung von jeglichem verbleibendem N2O im Abgasstrom zu verbessern.
  • Es ist zu erwähnen, dass Begriffe wie „vorzugsweise“, „üblicherweise“ und „typischerweise“ hierin nicht verwendet werden, um den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu insinuieren, dass bestimmte Merkmale entscheidend, wesentlich oder sogar unerlässlich für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen die Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
  • Sofern die Bedeutung nicht eindeutig im Widerspruch dazu steht, sind alle hierin dargelegten Bereiche so zu betrachten, dass sie alle Werte innerhalb des erwähnten Bereichs sowie die Endpunkte miteinbeziehen.
  • Zum Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung ist zu erwähnen, dass der Begriff „im Wesentlichen“ hierin verwendet wird, um den inhärenten Unsicherheitsgrad darzustellen, der quantitativen Vergleichen, Werten, Messungen oder anderen Darstellungen zugeschrieben werden kann. Der Begriff „im Wesentlichen“ wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um welchen eine quantitative Darstellung von einer angegeben Referenz abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Erfindungsgegenstands zu führen.
  • Nach der ausführlichen Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon ist zu erkennen, dass Modifikationen und Abwandlungen möglich sind, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der in den angehängten Ansprüchen definiert ist. Genauer gesagt ist, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft aufgezeigt werden, vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims (8)

  1. Katalysatorsystem (50) zum Reduzieren von N2O-Emissionen in einem Abgassystem eines Fahrzeugs, umfassend einen Träger (52) in Verbindung mit einem Abgasstrom, wobei der Träger (52) einen Abgaseinlass (54) und einen Abgasauslass (56) umfasst und mindestens einen Abgaskanal dahindurch aufweist, wobei der Träger (52) eine erste katalytische Zone (58) und eine zweite katalytische Zone (60) umfasst, die stromabwärts von der ersten katalytischen Zone (58) positioniert ist, wobei die erste katalytische Zone (58) einen PGM-Katalysator (62) aufweist, der 50 bis 100 Gew.-% Rhodium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Palladium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst, und die zweite katalytische Zone (60) einen PGM-Katalysator (64) aufweist, der 50 bis 100 Gew.-% Palladium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Rhodium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst und wobei die zweite katalytische Zone (64) einen Nickel-Kupfer-Katalysator umfasst, ferner umfassend eine dritte katalytische Zone (68) stromabwärts von der zweiten katalytischen Zone (60), die einen Katalysator aufweist, der Nickel und Kupfer umfasst, wobei die erste katalytische Zone (58) im Abgaskanal einen Einlasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Einlasskanals mit dem Abgaseinlass (54) verbunden ist, die zweite katalytische Zone (60) einen Auslasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das zweite Ende des Auslasskanals mit dem Abgasauslass (56) verbunden ist, und die dritte katalytische Zone (68) einen Zwischenkanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Zwischenkanals mit dem zweiten Ende des Einlasskanals verbunden ist, und das zweite Ende des Zwischenkanals mit dem ersten Ende des Auslasskanals verbunden ist, wobei der Zwischenkanal derart ausgerichtet ist, dass die Strömung von Abgas durch den mindestens einen Abgaskanal umgekehrt zu der Strömungsrichtung in den Einlass- und Auslasskanälen ist.
  2. Katalysatorsystem (50) zum Reduzieren von N2O-Emissionen in einem Abgassystem eines Fahrzeugs, umfassend einen Träger (52) in Verbindung mit einem Abgasstrom, wobei der Träger (52) einen Abgaseinlass (54) und einen Abgasauslass (56) umfasst und mindestens einen Abgaskanal dahindurch aufweist, wobei der Träger (52) eine erste katalytische Zone (58) und eine zweite katalytische Zone (60) umfasst, die stromabwärts von der ersten katalytischen Zone (58) positioniert ist, wobei die erste katalytische Zone (58) einen PGM-Katalysator (62) aufweist, der 50 bis 100 Gew.-% Rhodium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Palladium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst, und die zweite katalytische Zone (60) einen PGM-Katalysator (64) aufweist, der 50 bis 100 Gew.-% Palladium umfasst, wobei der Rest Platin und/oder Rhodium in einem beliebigen Gewichtsverhältnis umfasst, ferner umfassend eine dritte katalytische Zone (68) stromabwärts von der zweiten katalytischen Zone (60), die einen Katalysator aufweist, der Nickel und Kupfer umfasst, während die zweite katalytische Zone (60) keinen Katalysator aufweist, der Nickel und Kupfer umfasst.
  3. Katalysatorsystem (50) nach Anspruch 2, wobei die erste katalytische Zone (58) im Abgaskanal einen Einlasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Einlasskanals mit dem Abgaseinlass (54) verbunden ist, die zweite katalytische Zone (60) einen Auslasskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das zweite Ende des Auslasskanals mit dem Abgasauslass (56) verbunden ist, und die dritte katalytische Zone (68) einen Zwischenkanal mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende des Zwischenkanals mit dem zweiten Ende des Einlasskanals verbunden ist, und das zweite Ende des Zwischenkanals mit dem ersten Ende des Auslasskanals verbunden ist, wobei der Zwischenkanal derart ausgerichtet ist, dass die Strömung von Abgas durch den mindestens einen Abgaskanal umgekehrt zu der Strömungsrichtung in den Einlass- und Auslasskanälen ist.
  4. Katalysatorsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Träger (52) Ceroxid, Zirconiumoxid, Aluminiumoxid oder Mischungen davon umfasst.
  5. Katalysatorsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der PGM-Katalysator (62) in der ersten katalytischen Zone (58) eine Katalysatorbeladung von etwa 0,02 bis etwa 10,59 kg/m3 aufweist.
  6. Katalysatorsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der PGM-Katalysator (64) in der zweiten katalytischen Zone (60) eine Katalysatorbeladung von etwa 0,02 bis etwa 10,59 kg/m3aufweist.
  7. Katalysatorsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Nickel-Kupfer-Katalysator eine Katalysatorbeladung von etwa 0,02 bis etwa 70,63 kg/m3 aufweist.
  8. Katalysatorsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Nickel-Kupfer-Katalysator ein Verhältnis von Nickel zu Kupfer von > 1 aufweist.
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US14/558,820 2014-12-03

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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6372513B2 (ja) * 2016-04-13 2018-08-15 トヨタ自動車株式会社 触媒コンバーター
CA3061311A1 (en) * 2017-04-28 2019-10-23 Umicore Shokubai Japan Co., Ltd. Exhaust gas purification catalyst and exhaust gas purification method using the same
US11583834B2 (en) 2017-09-18 2023-02-21 Ford Global Technologies, Llc Catalyst for automotive emissions control
EP3756759A4 (de) 2018-02-21 2021-03-31 Cataler Corporation Katalysatorvorrichtung zur abgasreinigung
US20220025796A1 (en) * 2018-12-19 2022-01-27 Basf Corporation Catalytic article and methods of manufacturing and using the same
CN113924163B (zh) * 2019-06-20 2024-04-19 巴斯夫公司 包含尾管催化剂的汽车三元催化剂系统
CN110508133B (zh) * 2019-09-26 2021-11-12 宁夏三元中泰冶金有限公司 工业烟气脱硫脱硝、除尘一体化系统及其工艺方法
US20210213425A1 (en) * 2020-01-13 2021-07-15 Umicore Ag & Co. Kg Three-way-catalyst
US11224861B2 (en) 2020-06-08 2022-01-18 Umicore Ag & Co. Kg Layered TWC
CN113847123B (zh) * 2020-06-28 2022-11-25 长城汽车股份有限公司 车辆及其尾气后处理系统
CN114607491B (zh) * 2020-12-07 2023-09-08 长城汽车股份有限公司 一种氧化亚氮的后处理装置、车辆后处理系统和车辆
CN115487859B (zh) * 2022-09-30 2024-01-30 东风商用车有限公司 一种n2o催化剂及车辆尾气处理系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040001781A1 (en) 2002-06-27 2004-01-01 Engelhard Corporation Multi-zone catalytic converter
DE112012002601T5 (de) 2011-06-21 2014-03-20 Johnson Matthey Plc Katalysiertes Substrat und Abgassystem für Verbrennungsmotoren

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4172047A (en) 1978-09-18 1979-10-23 Ford Motor Company Catalyst of rhodium on alpha alumina-coated substrate
EP0098702A3 (de) 1982-07-02 1987-08-26 Ti Cox Limited Gleitaufbau für einen Fahrzeugsitz
US5057483A (en) * 1990-02-22 1991-10-15 Engelhard Corporation Catalyst composition containing segregated platinum and rhodium components
US6087298A (en) * 1996-05-14 2000-07-11 Engelhard Corporation Exhaust gas treatment system
EP0899002A2 (de) 1997-08-26 1999-03-03 General Motors Corporation Aktivierter Dreiwegkatalysator und Verfahren zur Mager-NOx-Reduktion
US7332135B2 (en) 2002-10-22 2008-02-19 Ford Global Technologies, Llc Catalyst system for the reduction of NOx and NH3 emissions
DE602005005022T2 (de) * 2004-02-11 2009-03-12 Umicore Ag & Co. Kg Abgasreinigungskatalysator mit axial variierender edelmetallkonzentration und herstellungsverfahren dafür
US7795172B2 (en) 2004-06-22 2010-09-14 Basf Corporation Layered exhaust treatment catalyst
US7870724B2 (en) 2004-11-09 2011-01-18 Ford Global Technologies, Llc Lean NOx trap with PGM zoned axially
US7718150B2 (en) 2007-04-17 2010-05-18 Ford Global Technologies, Llc Reverse platinum group metal zoned lean NOx trap system and method of use
DE102009010711A1 (de) 2009-02-27 2010-09-30 Umicore Ag & Co. Kg Stickoxid-Speicherkatalysator zum Einsatz im Kraftfahrzeug in motornaher Position
US8637426B2 (en) * 2009-04-08 2014-01-28 Basf Corporation Zoned catalysts for diesel applications
DE102009017347A1 (de) 2009-04-14 2010-10-28 Audi Ag Katalytische Reduktion von Stickstoffdioxid
EP2308596B1 (de) * 2009-10-07 2016-09-21 Ford Global Technologies, LLC Cu/Zeolith SCR Katalysator zur NOx Reduzierung in Abgasen und Verfahren zu deren Herstellung
US8323599B2 (en) 2010-11-22 2012-12-04 Umicore Ag & Co. Kg Three-way catalyst having an upstream multi-layer catalyst
US8557204B2 (en) 2010-11-22 2013-10-15 Umicore Ag & Co. Kg Three-way catalyst having an upstream single-layer catalyst
US8617496B2 (en) 2011-01-19 2013-12-31 Basf Corporation Three way conversion catalyst with alumina-free rhodium layer
JP2014522725A (ja) 2011-08-10 2014-09-08 クリーン ディーゼル テクノロジーズ インコーポレーテッド パラジウム固溶体触媒および製造方法
CN102400745B (zh) * 2011-10-26 2013-10-16 浙江吉利汽车研究院有限公司 一种三元催化器及其催化层的涂覆方法
CN102513165A (zh) * 2011-12-14 2012-06-27 刘碧兰 一种高效尾气净化三元催化剂涂敷方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040001781A1 (en) 2002-06-27 2004-01-01 Engelhard Corporation Multi-zone catalytic converter
DE112012002601T5 (de) 2011-06-21 2014-03-20 Johnson Matthey Plc Katalysiertes Substrat und Abgassystem für Verbrennungsmotoren

Also Published As

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