DE102015212788A1

DE102015212788A1 - Katalytisch aktives Partikelfilter

Info

Publication number: DE102015212788A1
Application number: DE102015212788.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Thiele; Markus Paulovsky
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) aufweisend gasdurchlässige Filtersubstratwände (FW), die einen Filterkörper mit jeweils mindestens einem quer zu einer Durchflussrichtung (R) eines Abgases durch den Partikelfilter (400‘) benachbart angeordneten An- und Abströmkanal (K21, K12) bilden, wobei der Anströmkanal (K21) abströmseitig und der Abströmkanal (K12) anströmseitig gasdicht geschlossen sind. Es ist vorgesehen, dass die Filtersubstratwand (FW) des Anströmkanals (K21) zumindest in einem Eintrittsbereich des Abgases in den Partikelfilter (400‘) einen zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C, II-D) mit einer ersten katalytischen Schicht (1.) und einer zweiten katalytischen Schicht (2.) aufweist, während die Filtersubstratwand (FW) des Abströmkanals (K12) zumindest in einem Austrittsbereich des Abgases aus dem Partikelfilter (400‘) einen einschichtigen katalytischen Schichtaufbau (I; I-A, I-B) mit nur einer katalytischen Schicht (1) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein katalytisch aktives Partikelfilter, welches gasdurchlässige Filtersubstratwände aufweist, die einen Filterkörper mit jeweils mindestens einem quer zu einer Durchflussrichtung eines Abgases durch das Partikelfilter benachbart angeordneten An- und Abströmkanal bilden, wobei der Anströmkanal abströmseitig und der Abströmkanal anströmseitig gasdicht geschlossen sind, so dass das Abgas des Anströmkanals durch gasdurchlässige Poren der Filtersubstratwand unter Abscheidung von Partikeln an der Filtersubstratwand in den benachbarten Abströmkanal hinein gedrängt wird.
Die Druckschrift DE 10 2004 040 549 A1 offenbart ein katalytisch beschichtetes Partikelfilter sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung zur Entfernung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Rußpartikeln aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines mager betriebenen Benzinmotors oder eines Dieselmotors. Es wird eine katalytische Beschichtung vorgeschlagen, die zwei hintereinander angeordnete Katalysatoren enthält. Der erste Katalysator befindet sich im Gaseintrittsbereich des Filters und enthält einen Palladium/Platin-Katalysator. Der zweite Katalysator ist dahinter angeordnet und enthält bevorzugt nur Platin als katalytisch aktive Komponente. Die Kombination dieser beiden Katalysatoren soll dem beschichteten Filter eine gute Alterungsstabilität und Resistenz gegenüber einer Schwefelvergiftung verleihen.
Die Druckschrift EP 2 042 225 A1 erläutert einen mit überwiegend stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch betriebenen Verbrennungsmotor, dessen Abgas neben den gasförmigen Schadstoffen Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden auch feinste Partikel enthält. Es werden ein katalytisch aktives Partikelfilter, eine Abgasreinigungsanlage und ein Verfahren zur Reinigung der Abgase von überwiegend stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren vorgestellt, die geeignet sind, neben den gasförmigen Schadstoffen CO, HC und NO_x auch Partikel aus dem Abgas zu entfernen. Das Partikelfilter enthält einen Filterkörper und eine aus zwei Schichten bestehende katalytisch aktive Beschichtung. Die erste Schicht steht in Kontakt mit dem anströmenden Abgas, die zweite Schicht mit dem abströmenden Abgas. Beide Schichten enthalten Aluminiumoxid. Die erste Schicht ist palladiumhaltig. Die zweite Schicht enthält neben Rhodium ein Sauerstoff speicherndes Cer/Zirkon-Mischoxid.
Aus der Druckschrift EP 2 623 183 A1 ist ein katalytisch aktives Partikelfilter bekannt, das sich zum Einsatz in einem Abgasreinigungssystem für Dieselmotoren eignet. Das Partikelfilter entfernt Dieselrußpartikel aus dem Abgas und ist zudem wirksam, um Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und Stickstoffmonoxid wenigstens anteilig zu Stickstoffdioxid umzusetzen. Das Partikelfilter umfasst einen Filterkörper und zwei katalytisch aktive Beschichtungen, die Platin und Palladium beziehungsweise Platin oder Platin und Palladium enthalten, wobei der Platingehalt der zweiten katalytisch aktiven Beschichtung höher ist als der Platingehalt der ersten katalytisch aktiven Beschichtung.
Die Druckschrift DE 60 2005 005 022 T erläutert einen Dreiwegekatalysator zur Reinigung der Abgase von stöchiometrisch betriebenen Benzinmotoren. Der Drei-Wege-Katalysator soll gleichermaßen auf sogenannte mager verbrennende Motoren und Dieselmotoren anwendbar sein. Der Katalysator weist eine katalytische Beschichtung auf einem Wabenträger auf, wobei der Wabenträger ein stromaufwärts liegendes Ende und ein stromabwärts liegendes Ende und mehrere Durchflusskanäle aufweist, die von dem stromaufwärts liegenden Ende zu dem stromabwärts liegenden Ende führen, wobei die katalytische Beschichtung mindestens eine katalytisch aktive Edelmetallkomponente aufweist, die ein kontinuierlich variierendes Konzentrationsprofil entlang der Achse des Wabenträgers aufweist. Dabei ist der Wabenträger in drei aneinandergrenzende Regionen mit einer niedrigen Konzentration in der ersten oder stromaufwärts liegenden Region an der Einlassseite des Trägers und mit einem steilen Anstieg auf eine Spitzenkonzentration in der zweiten oder mittleren Region und einer dritten Konzentration in der dritten oder stromabwärts liegenden Region, die gleich oder kleiner als die Spitzenkonzentration in der zweiten Region ist, unterteilt.
Die Druckschriften DE 10 2004 040 549 A1 , EP 2 042 225 A1 und DE 60 2005 005 022 T beschäftigen sich mit der Problematik der thermischen Beschädigung der dort genannten Katalysatoren in Abhängigkeit ihrer Lebensdauer, das heißt mit der thermischen Alterungsstabilität.
Die Druckschriften DE 10 2004 040 549 A1 , EP 2 042 225 A1 und EP 2 623 183 A1 beschäftigen sich dabei mit katalytisch beschichteten Partikelfiltern, sogenannten Vier-Wege-Katalysatoren.
Von den zuletzt genannten Druckschriften beschreibt die EP 2 042 225 A1 eine Lösung, um die thermische Alterungsstabilität eines Partikelfilters in einer Abgasreinigungsanlage eines mit Benzin betriebenen Verbrennungsmotors zu verbessern. In der Druckschrift EP 2 042 225 A1 wird ausgeführt, dass es bei der Entfernung von Partikeln aus dem Abgas überwiegend stöchiometrisch betriebener Benzinmotoren wesentliche Unterschiede hinsichtlich der Abgastemperatur, der Abgaszusammensetzung und der Beschaffenheit der Partikel gibt. Mit Benzin betriebene Verbrennungsmotoren weisen dabei wesentlich höhere Abgastemperaturen auf als Magermotoren und mit Diesel betriebene Verbrennungsmotoren auf.
Deshalb muss sich ein katalytisch beschichtetes Partikelfilter, welches zur Reinigung von Abgasen von überwiegend stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren eignen soll, vor allem durch eine hohe thermische Alterungsstabilität auszeichnen.
Die weiteren Druckschriften DE 10 2004 040 549 A1 und EP 2 623 183 A1 beschreiben bekannte katalytisch aktivierte Dieselpartikelfilter, die den zuvor genannten Anforderungen in der Regel nicht genügen. Die Druckschrift EP 2 042 225 A1 stellt somit für die Anmelderin den nächstliegenden Stand der Technik dar.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die thermische Alterungsstabilität eines katalytisch beschichteten Partikelfilters für einen überwiegend stöchiometrisch mit Benzin betriebenen Verbrennungsmotor zur Entfernung von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden sowie Feinstaubpartikeln aus dem Abgas zu verbessern.
Außerdem wird nach einem katalytisch beschichteten Partikelfilter gesucht, der neben der verbesserten thermischen Alterungsstabilität die derzeitigen und künftigen Abgasnormen Euro5-Norm und Euro6-Norm einhält.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein katalytisch aktives Partikelfilter, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, aufweisend gasdurchlässige Filtersubstratwände, die einen Filterkörper mit jeweils mindestens einem quer zu einer Durchflussrichtung eines Abgases durch das Partikelfilter benachbart angeordneten An- und Abströmkanal bilden, wobei der Anströmkanal abströmseitig und der Abströmkanal anströmseitig gasdicht geschlossen sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Partikelfilter katalytisch beschichtet ist: Die Filtersubstratwand des Anströmkanals weist zumindest in einem Eintrittsbereich des Abgases in das Partikelfilter einen zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau, insbesondere einen genau zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau, mit einer ersten katalytischen Schicht und einer zweiten katalytischen Schicht auf. Der Vorteil besteht darin, dass zweischichtige katalytische Schichtaufbauten in Bezug auf die im Betrieb des Partikelfilters auf den jeweiligen Schichtaufbau wirkenden Temperaturen alterungsbeständiger sind als einschichtige Schichtenaufbauten.
Das Partikelfilter ist bevorzugt ein Ottopartikelfilter für einen Ottomotor.
Die Erfindung schlägt mehrere verschiedene Ausführungsvarianten der Beschichtungsart der Filtersubstratwände eines Katalysatorpaketes vor.
In einer ersten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer zweiten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus in der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer dritten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus teilweise in und auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Filtersubstratwand des Anströmkanals in dem Eintrittsbereich des Abgases in das Partikelfilter den zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau mit der ersten katalytischen Schicht und der zweiten katalytischen Schicht aufweist, während die Filtersubstratwand des Abströmkanals in einem Austrittsbereich des Abgases aus dem Partikelfilter einen einschichtigen katalytischen Schichtaufbau, insbesondere einen genau einschichtigen katalytischen Schichtaufbau, mit nur einer katalytischen Schicht aufweist.
Die Erfindung schlägt für diese zuvor genannte bevorzugte Ausgestaltung ebenfalls verschiedene Ausführungsvarianten der Beschichtungsart der Filtersubstratwände des Katalysatorpaketes vor.
In einer vierten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer fünften Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus in der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer sechsten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus teilweise in und auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer siebenten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus auf der Filtersubstratwand und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus in der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer achten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus auf der Filtersubstratwand und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus teilweise in und auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer neunten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus in der Filtersubstratwand und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer zehnten Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus in der Filtersubstratwand und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus teilweise in und auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer elften Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus teilweise in und auf der Filtersubstratwand und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus auf der Filtersubstratwand ausgebildet.
In einer zwölften Ausführungsvariante sind die Schichten des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus teilweise in und auf der Filtersubstratwand und die Schicht des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus in der Filtersubstratwand ausgebildet.
Bevorzugt ist, den wahlweise einsetzbaren zweischichtigen Schichtaufbau betreffend vorgesehen, dass

• die erste katalytische Schicht eines ersten zweischichtigen Schichtaufbaus Rhodium enthält, während die zweite katalytische Schicht Palladium enthält oder
• die erste katalytische Schicht eines zweiten zweischichtigen Schichtaufbaus Palladium enthält, während die zweite katalytische Schicht Rhodium enthält oder
• die erste katalytische Schicht eines dritten zweischichtigen Schichtaufbaus Rhodium enthält, während die zweite katalytische Schicht Platin enthält oder
• die erste katalytische Schicht eines vierten zweischichtigen Schichtaufbaus Platin enthält, während die zweite katalytische Schicht Rhodium enthält.

Bevorzugt ist, den wahlweise einsetzbaren einschichtigen Schichtaufbau betreffend vorgesehen, dass

• die katalytische Schicht eines ersten einschichtigen Schichtaufbaus Palladium und Rhodium enthält oder
• die katalytische Schicht eines zweiten einschichtigen Schichtaufbaus Platin und Rhodium enthält.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich der im Abströmkanal ausgeführte einschichtige katalytische Schichtaufbau an den in Durchflussrichtung gesehen im Anströmkanal ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau überlappungsfrei anschließt. Der Vorteil besteht darin, dass ein Verbrauch an Edelmetallen so gering wie möglich gehalten wird.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der im Anströmkanal ausgeführte zweischichtige katalytische Schichtaufbau mit dem im Abströmkanal ausgeführten einschichtigen katalytischen Schichtaufbau in Durchflussrichtung gesehen überlappt. Der Vorteil besteht darin, dass der Herstellungsprozess vereinfacht wird, da die Schichten bei der Beschichtung mehr oder weniger überlappen können.
Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass die Schichtlänge des im Anströmkanal ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus in Durchflussrichtung variiert wird. Die Variation erfolgt in Abhängigkeit eines Temperaturniveaus entlang des Anströmkanals und/oder eines Rohemissionsniveaus eines vorgeschalteten Verbrennungsmotors und/oder der am durchflussseitigen Ende des Partikelfilters einzuhaltenden Abgasgrenzwerte einer Abgasnorm und/oder eines am durchflussseitigen Anfang anliegenden Gegendruckes des Partikelfilters innerhalb der Abgasreinigungsanlage, wobei sich dem zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau in Durchflussrichtung gesehen kein weiterer Schichtaufbau anschließt, oder der einschichtige katalytische Schichtaufbau an den zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau überlappungsfrei angrenzt oder mit dem zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau überlappt.
Insbesondere ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass der im Anströmkanal ausgeführte zweischichtige katalytische Schichtaufbau mit dem im Abströmkanal ausgeführten einschichtigen katalytischen Schichtaufbau in Durchflussrichtung gesehen innerhalb einer zwischen dem abströmseitigen Ende des Anströmkanals und dem anströmseitigen Ende des Abströmkanals gebildeten Überlappungszone des Partikelfilters teilweise oder vollständig überlappt.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweischichtige katalytische Schichtaufbau im Anströmkanal in Abhängigkeit des Temperaturniveaus entlang des Anströmkanals nur in einem motornahen Bereich des Anströmkanals ausgebildet ist, in dem eine Temperatur größer 800°C herrscht. Das heißt, die Schichtlänge des im Anströmkanal ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus wird in Durchflussrichtung gesehen in einem motornahen Bereich des Anströmkanals ausgebildet, in dem insbesondere eine Temperatur größer als 800°C vorherrscht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung der Abgase eines überwiegend stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotors ein katalytisch aktives Partikelfilter mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung umfasst.
Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage ist in einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch aktive Partikelfilter in der Abgasreinigungsanlage in motornaher Position, insbesondere vor einem Drei-Wege-Katalysator und/oder im Motorraum, angeordnet ist.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „motornah“ ein Abstand zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors und Stirnfläche der Abgasbehandlungseinrichtung von höchstens 120 cm, insbesondere höchstens 100 cm, vorzugsweise höchstens 80 cm verstanden. In einer konkreten Ausführung beträgt der Abstand etwa 75 cm. Eine motornahe Anordnung bedeutet insbesondere, dass die Abgasbehandlungseinrichtung im Motorraum und/oder aufgenommen an der Brennkraftmaschine („closed-coupled“) angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt werden, um die Arbeitstemperaturen der Katalysatoren in der Abgasbehandlungseinrichtung zu erreichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung zwei Kanäle eines bekannten Drei-Wege-Katalysators;
2 in einer schematischen Darstellung zwei Kanäle eines bekannten Vier-Wege-Katalysators;
3 in einer schematischen Darstellung zwei Kanäle eines erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysators;
4 einen Schnitt durch ein Katalysatorpaket des erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysators gemäß 3; und
5 eine Darstellung der Anordnung des erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysators hinter einem Verbrennungsmotor innerhalb einer Abgasreinigungsanlage.
1 zeigt stark schematisiert zwei Kanäle K; K1, K2 eines bekannten Drei-Wege-Katalysators 300, der eine Vielzahl solcher Kanäle K1, K2 in einem Katalysatorpaket umfasst, die üblicherweise geradlinig verlaufen. An sogenannten Substratwänden W, durch die die Kanäle gebildet sind, sind zweischichtig Edelmetalle aufgebracht, die für die katalytischen Reaktionen gemäß der nachfolgend genannten drei bekannten Reaktionsmechanismen im Drei-Wege-Katalysator 300 sorgen.
Die Schadstoffe Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden nach folgenden Gleichungen aus dem Abgas entfernt: 2 CO + O₂ → 2 CO₂ C_mH_n + (m + n4)O₂ → m CO₂ + n/2 H₂O 2 NO + 2 CO → N₂ + 2 CO₂
Die Edelmetalle werden den Substratwänden W als sogenannte katalytische Beschichtungen aufgebracht. Eine katalytische Beschichtung wird auch als Washcoat bezeichnet.
Die Wandungen der Substratwände W werden mit mindestens einer aktiven, porigen Washcoat-Schicht versehen. Sie wird/werden als zähflüssige Lösung, auch Washcoat-Slurry oder Washcoat-Lösung genannt, aufgebracht, anschließend getrocknet und dann in einem Ofen kalziniert.
Die jeweilige Washcoat-Schicht besteht vorwiegend aus Aluminiumoxid, sowie weiteren Oxydzusätzen und seltenen Erden. Als katalytisch aktives Material wird neben Palladium (Pd) überwiegend Platin (Pt) und Rhodium (Rh) zugesetzt. Die genannten Edelmetalle werden beispielsweise in Form wässriger Salzlösungen mit der Washcoat-Slurry in Lösung gebracht und anschließend aufgetragen und getrocknet, so dass sich auf den Substratwänden W eine Washcoat-Schicht ergibt. Die genannten Edelmetalle befinden sich schließlich feindispers verteilt in der auf den Substratwänden W aufgetragenen Washcoat-Schicht.
Gemäß 1 ist es insbesondere bekannt, dass die Wandungen der Substratwände W der Kanäle K1, K2 in Durchflussrichtung R von der Eintrittsseite des Katalysatorpaketes bis zur Austrittsseite des Katalysators über die gesamte Kanallänge der Kanäle K1, K2 einschichtig mit einer Washcoat-Schicht 1 oder zweischichtig mit zwei Washcoat-Schichten 1. und 2. versehen sind.
Einschichtige Ausgestaltung:
Eine mit der Kardinalzahl „1“ definierte Washcoat-Schicht bedeutet in der nachfolgenden Beschreibung, dass nur eine Washcoat-Schicht auf einer Wandung der jeweiligen Substratwand W eines Kanals K1, K2 vorhanden ist.
Zweischichtige Ausgestaltung:
In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet, dass eine mit der Ordnungszahl „1.“ definierte erste Washcoat-Schicht direkt an der Substratwand W des jeweiligen Kanals K1, K2 liegt und eine mit der Ordnungszahl „2.“ bezeichnete Washcoat- Schicht auf der ersten Schicht 1. des jeweiligen Kanals K1, K2 liegt.
Bei den nachfolgend erläuterten verschiedenen Schichtaufbauten wird nur auf die für die katalytische Reaktion verantwortlichen und vorwiegend verwendeten Edelmetalle in der jeweiligen Schicht eingegangen. Es versteht sich, dass die Schichten, wie oben erläutert, vorwiegend aus Aluminiumoxid sowie weiteren Oxydzusätzen und seltenen Erden bestehen sowie in einer vorgebbaren Menge mit den nachfolgend genannten Edelmetallen versehen sind.

Einschichtige Schichtaufbauten in allen Kanälen K (K1, K2) einheitlich:

Bezeichnung des Schichtaufbaus	Schicht	Enthaltenes Edelmetall
Schichtaufbau I-A:	1	Palladium und Rhodium
		(CO + CmHn + NOx)
oder
Schichtaufbau I-B:	1	Platin und Rhodium
		(CO + CmHn + NOx)

Zweischichtige Schichtaufbauten in allen Kanälen K (K1, K2) einheitlich:

Bezeichnung des Schichtaufbaus	Schicht	Enthaltenes Edelmetall
Schichtaufbau II-A:	1.	Rhodium (NOx)
	2.	Palladium (CO + CmHn)
oder
Schichtaufbau II-B:	1.	Palladium (CO + CmHn)
	2.	Rhodium (NOx)
oder
Schichtaufbau II-C:	1.	Rhodium (NOx)
	2.	Platin (CO + CmHn)
oder
Schichtaufbau II-D:	1.	Platin (CO + CmHn)
	2.	Rhodium (NOx)

Bei den Schichtaufbauten I-A und I-B werden in einer Schicht 1 durch die katalytische Beschichtung Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert und gleichzeitig wird Stickstoffmonoxid reduziert.
Bei den Schichtaufbauten II-A und II-C werden in der zweiten Schicht 2. durch die katalytische Beschichtung Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert und in der ersten Schicht 1. wird gleichzeitig Stickstoffmonoxid reduziert.
Bei den Schichtaufbauten II-B und II-D werden in der ersten Schicht 1. durch die katalytische Beschichtung Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert und in der zweiten Schicht 2. wird gleichzeitig Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid reduziert.
Die 1 zeigt zur Verdeutlichung schematisiert einen bekannten zweischichtigen Schichtaufbau II eines Drei-Wege-Katalysators 300, während ein bekannter einschichtiger mit einem einschichtigen Schichtaufbau I versehener Drei-Wege-Katalysator 300 nicht dargestellt ist.
Die Schichten 1. und 2. beinhalten gemäß den genannten Schichtaufbauten II-A bis II-D die Edelmetalle Rhodium, Palladium und Platin.
Nicht dargestellt ist der einschichtige Schichtaufbau I des bekannten Drei-Wege-Katalysators 300 in zwei Alternativen. Die genannten Schichtaufbauten I-A und I-B enthalten jeweils zwei Edelmetalle der Edelmetalle Rhodium, Palladium und Platin in einer Schicht 1.
Die auch als Washcoat-Schichten bezeichneten Schichtaufbauten I-A und I-B sowie II-A bis II-D der bekannten Drei-Wege-Katalysatoren 300 sind auf den Substratwänden W ausgeführt und erstrecken sich über die gesamte Kanallänge K1, K2 der Kanäle der Drei-Wege-Katalysatoren 300.
Das Gas strömt wie in den Pfeilen gemäß 1 dargestellt ist, innerhalb eines Kanals K1, K2 von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite des Katalysatorpaketes.
In 2 ist stark schematisiert anhand von zwei Kanälen K; K21, K12 ein bekannter Vier-Wege-Katalysator 400 dargestellt, der ebenfalls eine Vielzahl von Kanälen K21, K12 in einem Katalysatorpaket umfasst.
Ein Vier-Wege-Katalysator 400 unterscheidet sich von dem Drei-Wege-Katalysator 300 dadurch, dass die quer zur Durchflussrichtung R gesehen benachbarten Kanäle K an jeweils einem Ende mit sogenannten Stopfen S verschlossen sind. Die benachbarten Kanäle K sind dabei in Durchflussrichtung R gesehen jeweils im Wechsel vorne verschlossen (in 2 links) und hinten verschlossen (in 2 rechts).
Die Wandungen der Substratwände der Kanäle K21, K12 des Vier-Wege-Katalysators 400 werden jetzt im Unterschied zum Drei-Wege-Katalysator 300 mit gasundurchlässigen Wandungen (1) mit gasdurchlässigen Wandungen (2) ausgebildet, wodurch als sogenannter – vierter Weg-Partikel in den Poren der Substratwände gefiltert und abgeschieden werden können.
Die abgeschiedenen Partikel werden im Betrieb des Verbrennungsmotors bei hohen Temperaturen im Abgasstrang mithin im Vier-Wege-Katalysator 400 zu Kohlendioxid verbrannt.
Die Substratwände werden bei Vier-Wege-Katalysatoren 400 wegen ihrer filternden Eigenschaft auch als gasdurchlässige Filtersubstratwände FW bezeichnet.
Somit kann mit einem Vier-Wege-Katalysator 400 neben Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden auch Feinstaub aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren entfernt werden.
Das Abgas strömt eintrittsseitig in diejenigen Kanäle K21, die vorne offen sind und hinten geschlossen sind. Da das Abgas durch den Kanal K21 durch die Anordnung eines Stopfens S am Ende des ersten Kanals K21 hinten nicht entweichen kann, wird es durch die Poren der Filtersubstratwand FW in den benachbarten Kanal K12 hinein gedrängt, welcher vorne durch einen Stopfen S geschlossen und hinten offen ist. Das Gas strömt, wie in den Pfeilen gemäß 2 dargestellt ist, über die Kanäle K21, K12 von der Eintrittsseite im sogenannten Anströmkanal K21 zur Austrittsseite des sogenannten Abströmkanals K12 des Katalysatorpaketes.
In 2 ist der Kanal K12 vorne geschlossen und bildet den Abströmkanal. Das Abgas wird somit in den Kanal K21 als Einströmkanal einströmen und unter Feinstaubabscheidung an der Filtersubstratwand FW in den benachbarten Kanal K12 gedrängt, wobei in den Beschichtungen des Anströmkanals K21 und den Beschichtungen des Abströmkanals K12 die entsprechend der gewählten katalytischen Beschichtung vorgesehenen Reaktionen stattfinden. Abgas im Anströmkanal K21 unterscheidet sich in Bezug auf Feinstaubpartikel vom Abgas im Abströmkanal K12 darin, dass das Abgas im Abströmkanal K12 weitgehend frei von Feinstaubpartikeln ist.
Die katalytischen Reaktionen finden bei einem bekannten Vier-Wege-Katalysator 400 gemäß 2 mit dem einschichtigen Schichtaufbau I-A oder dem einschichtigen Schichtaufbau I-B im Anströmkanal K21 und im Abströmkanal K12 statt, wobei aus den möglichen einschichtigen Schichtaufbauten I-A oder I-B wählbar ist, welcher Schichtaufbau zum Einsatz kommen soll.

Einschichtige Schichtaufbauten in allen Kanälen K (K21, K12) einheitlich:

Bei dem bekannten Vier-Wege-Katalysator 400 ist vorgesehen, dass der jeweilige einschichtige Schichtaufbau I-A oder I-B auf (wie in 2 dargestellt) oder in (nicht dargestellt) der Filtersubstratwand FW des Anströmkanals K21 und des Abströmkanals K12 ausgebildet ist.
Der jeweilige Schichtaufbau I-A oder I-B des Anströmkanals K21 und des Abströmkanals K12 ist in bekannter Weise nur teilweise, das heißt nicht über die Kanallänge der Kanäle K21, K12 ausgebildet, wie 2 ebenfalls verdeutlicht.
Der einschichtige Schichtaufbau I-A oder I-B innerhalb des Anströmkanals K21 erstreckt sich bei dem bekannten Vier-Wege-Katalysator 400 von der Eintrittsseite des Katalysatorpaketes beispielsweise bis zur Mitte M des Katalysatorpaketes, wobei die Mitte des Katalysatorpaketes als halbe Länge der Katalysatorgesamtlänge des Katalysatorpaketes zwischen der Eintrittsseite des Katalysatorpaketes und der Austrittseite des Katalysatorpaketes definiert ist.
Der einschichtige Schichtaufbau I-A oder I-B innerhalb des Abströmkanals K12 erstreckt sich bei dem bekannten Vier-Wege-Katalysator beispielsweise von der Mitte des Abströmkanals K12 bis zur Austrittseite des jeweiligen Abströmkanals K12.
Bezüglich der thermischen Alterungsstabilität ist in Bezug auf die bisher beschriebenen zweischichtigen Schichtaufbauten II-A bis II-D der Drei-Wege-Katalysatoren 300 (gemäß 1) bekannt, dass die Beschichtung die Schichtaufbauten II-A bis II-D erst oberhalb der für die Drei-Wege-Katalysatoren 300 üblichen Standardabgastemperaturen von 1000°C deutlich altert.
Die bisher beschriebenen einschichtigen Schichtaufbauten I-A und I-B der Vier-Wege-Katalysatoren 400 (gemäß 2) altern im Unterschied zu den zweischichtigen Schichtaufbauten II-A bis II-D der Drei-Wege-Katalysatoren 300 (gemäß 1) bereits bei Standardabgastemperaturen von größer 800°C.
Mit anderen Worten, die zweischichtigen Schichtaufbauten II-A bis II-D der bekannten Drei-Wege-Katalysatoren 300 sind, wenn man die gleiche Temperatur oder den gleichen Temperaturunterschied zugrunde legt, alterungsstabiler als die einschichtigen Schichtaufbauten I-A und I-B der bekannten Vier-Wege-Katalysatoren 400.
Der negative thermische Alterungseffekt der bekannten einschichtigen Schichtaufbauten I-A und I-B der Vier-Wege-Katalysatoren 400 gegenüber den Drei-Wege-Katalysatoren 300 mit einem zweischichtigen alterungsbeständigeren Schichtaufbau (1 und zugehörige Beschreibung) wurde bisher in Kauf genommen. Die Aufbringung der einschichtigen Schichtaufbauten I-A und/oder I-B auf oder in die Filtersubstratwand FW der bekannten Vier-Wege-Katalysatoren 400, gemäß 2, sind nämlich gegenüber der Aufbringung der gewählten zweischichtigen Schichtaufbauten II-A bis II-D auf die Substratwand W der bekannten Drei-Wege-Katalysatoren 300, gemäß 1, weniger aufwändig.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist es, die thermische Alterungsstabilität der Vier-Wege-Katalysatoren 400 zu verbessern, um die Lebensdauer der Katalysatoren zu erhöhen, wobei gleichzeitig als zweiter Aspekt zu beachten ist, dass die geforderten Grenzwerte der geltenden Euro5-Norm und der zukünftig geltenden Euro6-Norm von mit Benzin betriebenen Verbrennungsmotoren eingehalten werden sollen.
Um beiden Aspekten gerecht zu werden, wird folgender neuer erfindungsgemäßer Aufbau eines Vier-Wege-Katalysators 400‘ vorgeschlagen.
Ein möglicher neuer Aufbau des Vier-Wege-Katalysators 400‘, insbesondere dessen Schichtaufbau, ist stark schematisiert analog zu den 1, 2 und 3 dargestellt.
Ergänzend dazu wird in 4 analog zu 3 ein Katalysatorpaket des Vier-Wege-Katalysators 400‘ in einem in Durchflussrichtung R geführten Schnitt gezeigt. Die 3 und 4 werden nachfolgend in einer Zusammenschau erläutert.
Abweichend vom Stand der Technik werden wahlweise für die jeweiligen Kanäle K21 und K12 folgende Schichtaufbauten vorgesehen:

Zweischichtiger Schichtaufbau (wahlweise) nur in den Anströmkanälen K21.

Einschichtiger Schichtaufbau (wahlweise) nur in den Abströmkanälen K12.

Bezeichnung des Schichtaufbau	Schicht	Enthaltenes Edelmetall
Schichtaufbau I-A:	1	Palladium und Rhodium
		(CO + CmHn + NOx)
oder
Schichtaufbau I-B:	1	Platin und Rhodium
		(CO + CmHn + NOx)

Ein Vier-Wege-Katalysator 400‘ gemäß der Erfindung ist in der Schnittdarstellung in 4 grundsätzlich folgendermaßen aufgebaut.
Der Katalysator 400‘ umfasst eine Eintrittsöffnung 410 und eine Austrittsöffnung 420, über die das Abgas des Verbrennungsmotors in den Katalysator 400 eintritt und nach seiner Reinigung im Katalysator 400‘ wieder austritt.
Der Katalysator 400‘ weist eine Hülle 430 auf, wobei auf deren Innenseite eine Lagerungsmatte 440 angeordnet ist, die das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten der zumeist aus Stahlblech bestehenden Hülle 430 und dem aus einem abweichenden Material bestehenden Filtersubstratwänden FW des Katalysatorpaketes ausgleicht.
Die Filtersubstratwände FW bilden die Kanäle K; K21, K12 aus, wobei mehrere Kanäle K; K21, K12 das erläuterte Katalysatorpaket bilden. Die porösen Filtersubstratwände FW können aus Keramik oder Sintermetall oder aus keramischen oder metallischen Schaumstrukturen ausgebildet sein.
Wie vorne bereits erläutert, strömt das Abgas in diejenigen Kanäle K21 (Anströmkanäle), die vorne offen und hinten geschlossen sind. Da das Abgas durch die Kanäle K21 durch die Anordnung der Stopfen S am jeweiligen Ende des ersten Kanals K21 hinten nicht entweichen kann, wird es durch die Poren der Filtersubstratwände FW in die quer zur Durchflussrichtung R liegenden benachbarten Kanäle K12 (Abströmkanäle) hinein gedrängt, welche vorne durch einen Stopfen S geschlossen und hinten offen sind. Das Abgas strömt, wie mittels der Pfeile gemäß den 3 bis 4 dargestellt ist, über die Kanäle K21, K12 von der Eintrittsseite im Anströmkanal K21 zur Austrittsseite des Abströmkanals K12 des Vier-Wege-Katalysators 400‘.
Dabei bildet jeder Anströmkanal K21 und jeder Abströmkanal K12 zwischen Eintrittsseite und Austrittsseite des Katalysatorpaketes eine um die Breite des jeweiligen Stopfens S reduzierte Kanallänge.
Erste Ausführungsform:
Die erste Ausführungsform ist nicht dargestellt. Bei der ersten Ausführungsform weist die Filtersubstratwand FW des Anströmkanals K21 zumindest in einem Eintrittsbereich des Abgases in das Partikelfilter 400‘ einen zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau II; II-A, II-B, II-C, II-D mit einer ersten katalytischen Schicht 1. und einer zweiten katalytischen Schicht 2. auf. Bei der ersten Ausführungsform weist der Abströmkanal K12 keine Beschichtung auf. Bei der ersten Ausführungsform sind die Schichten des ausgewählten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus II; II-A, II-B, II-C, II-D auf der Filtersubstratwand FW (erste Ausführungsvariante) oder in der Filtersubstratwand FW (zweite Ausführungsvariante) oder teilweise in und auf der Filtersubstratwand FW (dritte Ausführungsvariante) ausgebildet. Hierdurch wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass zur Herstellung des Vier-Wege-Katalysators 400‘ alle derzeit bekannten Beschichtungsmethoden mit ihren jeweiligen Vorteilen zum Einsatz kommen können.
Die Schichtlänge des im Anströmkanal K21 ausgewählten und ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus II; II-A, II-B, II-C, II-D wird in Durchflussrichtung R gesehen in Abhängigkeit eines Temperaturniveaus entlang des Anströmkanals K21 und/oder eines Rohemissionsniveaus eines vorgeschalteten Verbrennungsmotors und/oder der am durchflussseitigen Ende des Partikelfilters 400‘ einzuhaltenden Abgasgrenzwerte einer Abgasnorm und/oder eines am durchflussseitigen Anfang anliegenden Gegendruckes des Partikelfilters 400‘ innerhalb einer Abgasreinigungsanlage 200 variiert.
Eine maximale Schichtlänge 100 % des ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus II; II-A, II-B, II-C, II-D im Anströmkanal K21 entspricht der Kanallänge zwischen Eintrittsseite und Austrittsseite des Katalysatorpaketes, die um die Breite des Stopfens S im Anströmkanal K12 reduziert ist. Um einen sparsamen Einsatz von Edelmetallen zu erreichen, wird die Schichtlänge in Abhängigkeit der genannten Randbedingungen verkürzt ausgeführt und beträgt beginnend mit der Eintrittsseite in das Katalysatorpaket vorzugsweise zwischen 20 % und 50 % der gesamten Kanallänge des Anströmkanals K21.
Jede der zweischichtigen Schichtaufbauten II-A, II-B, II-C oder II-D im Anströmkanal K21 macht in Kombination mit den porösen, gasdurchlässigen Filtersubstratwänden FW und den jeweils den An- und Abströmkanal K21, K12 wechselseitig verschließenden Stopfen S sowohl Kohlenmonoxid, als auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide unter Einhaltung der Euro5-Norm und Euro6-Norm unschädlich und beseitigt ebenfalls durch Filterung der Partikel an den Filtersubstratwänden FW unter Einhaltung der Euro5-Norm und Euro6-Norm außerdem die Feinstaubpartikel aus dem Abgas.
Zweite Ausführungsform:
Gemäß dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nun vorgesehen, dass ein alternativ zum Einsatz kommender zweischichtiger Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D im Anströmkanal K21 ausgeführt wird und ein alternativ zum Einsatz kommender einschichtiger Schichtaufbau I-A, I-B im Abströmkanal K12 ausgeführt wird, und zwar gemäß der zweiten Ausführungsform derart, dass der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D im Anströmkanal K21 mit dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B im Abströmkanal K12 nicht überlappt.
Mit anderen Worten, einer der gewählten zweischichtigen Schichtaufbauten II-A, II-B, II-C oder II-D wird im Anströmkanal K21 ausgeführt, während sich der andere alternativ zum Einsatz kommende einschichtige Schichtaufbau I-A oder I-B im Abströmkanal K12 in Durchflussrichtung R gesehen an den gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D anschließt.
Gemäß den 3 und 4 überlappen die ein- und zweischichtigen Schichtaufbauten nicht. Sie grenzen an eine sogenannte gedachte Trennlinie T an, die orthogonal zur Durchflussrichtung R durch das Katalysatorpaket ausgebildet und variabel innerhalb des Katalysatorpaketes örtlich festlegbar ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform in den 3 und 4 schließt sich der gewählte einschichtige Schichtaufbau I-A oder I-B im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Mitte M des Katalysatorpaketes des Vier-Wege-Katalysators 400‘ an den gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D an.
Die Schichtlänge des in den 3 und 4 beispielhaft dargestellten gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C oder II-D beträgt in der zweiten Ausführungsform 50 % der gesamten Kanallänge des Anströmkanals K21, wobei die Schichtlänge des sich in Durchflussrichtung R anschließenden einschichtigen Schichtaufbaus I-A oder I-B des Abströmkanals K12 ebenfalls 50 % der gesamten Kanallänge entspricht.
Diese beispielhaft erläuterte Ausgestaltung hat zur Folge, dass der erfindungsgemäße Vier-Wege-Katalysator 400‘ aufgrund seines Anteils des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C oder II-D im Eintrittsbereich des Partikelfilters 400‘ eine verbesserte thermische Alterungsstabilität aufweist, da zweischichtige Schichtaufbauten II-A, II-B, II-C oder II-D, wie vorne erläutert, bezüglich einer hohen thermischen Belastung bei gleicher Temperatur unempfindlicher sind als die einschichtigen Schichtaufbauten I-A oder I-B.
Aus diesem Grund liegt der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D in Durchflussrichtung R gesehen motornah, das heißt vor dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B. Mit anderen Worten, der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D wird in einem Bereich der Abgasreinigungsanlage 200 angeordnet, in dem bei Zulassungstests und im Betrieb der Vier-Wege-Katalysatoren 400‘ die höchsten Temperaturen, insbesondere größer 800°C vorliegen.
Jede der zweischichtigen Schichtaufbauten II-A, II-B, II-C oder II-D macht außerdem in Kombination mit jedem einschichtigen Schichtaufbau I-A oder I-B sowie den porösen, gasdurchlässigen Filtersubstratwänden FW und den jeweils den An- und Abströmkanal K21, K12 wechselseitig verschließenden Stopfen S sowohl Kohlenmonoxid, als auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide unter Einhaltung der Euro5-Norm und Euro6-Norm unschädlich und beseitigt ebenfalls durch Filterung der Partikel an den Filtersubstratwänden FW unter Einhaltung der Euro5-Norm und Euro6-Norm außerdem die Feinstaubpartikel aus dem Abgas.
Insofern steht jetzt durch eine derartige Ausgestaltung gemäß der zweiten Ausführungsform ein weiterer Vier-Wege-Katalysator 400‘ zur Verfügung, der die derzeitige und die zukünftige Abgasnorm Euro5-Norm und Euro6-Norm erfüllt und gegenüber bekannten Vier-Wege-Katalysatoren 400 alterungsbeständiger ist.
Zur Abstimmung der Schichtlänge des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C oder II-D und der Schichtlänge des gewählten einschichtigen Schichtaufbaus I-A oder I-B in Bezug auf die jeweilige Kanallänge des An- und Abströmkanals K21, K12 wird nachfolgend auf weitere verschiedene Ausführungsformen eingegangen.
Dritte Ausführungsform:
Gemäß der dritten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D im Anströmkanal K21 und der gewählte einschichtige Schichtaufbau I-A, I-B im Abströmkanal K12 weiterhin nicht überlappen.
Jedoch ist abweichend zu der zweiten Ausführungsform vorgesehen, die gedachte Trennlinie T zwischen dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A oder I-B ausgehend von der Mitte M des Katalysatorpaketes unter Veränderung des verbesserten Alterungseffektes nach links zum Motor hin (Verkürzung des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C und II-D kleiner 50 % im Vergleich zu 4) oder nach rechts vom Motor weg (Verlängerung des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C und II-D größer 50 % im Vergleich zu 4) zu verschieben.
Mit anderen Worten, wird die Schichtlänge des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C und II-D unter Verschiebung der gedachten Trennlinie T nach links reduziert oder unter Verschiebung der Trennlinie T nach rechts vergrößert, während die Schichtlänge des gewählten einschichtigen Schichtaufbaus I-A, I-B entsprechend vergrößert oder reduziert wird. Dadurch wird der Effekt erzielt, dass die Wirkungsweise des alterungsbeständigeren zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C und II-D in vorteilhafter Weise über die Schichtlänge innerhalb der Kanallänge der Anströmkanäle K21 des Vier-Wege-Katalysators 400‘ in Abhängigkeit und Beachtung folgender Randbedingungen, nämlich einem Rohemissionsniveau des Verbrennungsmotors und/oder der einzuhaltenden Abgasnorm und/oder einem Gegendruckverhalten am durchflussseitigen Anfang des Katalysatorpaketes und/oder der Kosten und insbesondere in Abhängigkeit der auftretenden Temperatur beziehungsweise in Abhängigkeit einer Temperaturkennlinie variabel beinflussbar ist.
Die gedachte Trennlinie T lässt sich somit erfindungsgemäß gemäß der 4 nach links beziehungsweise nach rechts verschieben, wobei prinzipiell möglich ist, dass ausgehend von der in 4 dargestellten Lage der Trennlinie T in der Mitte M des Katalysatorpaketes eine Verschiebung der Trennlinie T zwischen dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B von +/–50 % bezogen auf die Kanallänge der An- und Abströmkanäle K21, K12 nach links in Richtung Eintrittsseite des Katalysatorpaketes oder eine Verschiebung der Trennlinie T zwischen dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B nach rechts in Richtung Austrittsseite des Katalysatorpaketes erfolgt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ausgehend von der in 4 dargestellten Lage der gedachten Trennlinie T in der Mitte M des Katalysatorpaketes eine Verschiebung der gedachten Trennlinie T zwischen dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B von +/–30 % bezogen auf die Kanallänge der An- und Abströmkanäle K21, K12 nach links in Richtung Eintrittsseite des Katalysatorpaketes oder eine Verschiebung der Trennlinie T zwischen dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B nach rechts in Richtung Austrittsseite des Katalysatorpaketes erfolgt.
Die gedachte Trennlinie T zwischen dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B verschiebt sich somit ausgehend von einer 100 % Kanallänge der An- und Abströmkanäle K21, K12 im Bereich zwischen 20 % und 80 %, wie zur Verdeutlichung der Erfindung in den 3 und 4 angetragen ist. Im Minimum sind beginnend mit der Eintrittsseite in das Katalysatorpaket 20 % der Kanallänge des Anströmkanals K21 mit einem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C und II-D versehen. In dem Bereich zwischen 0 und 20 % der Kanallänge des Anströmkanals K21 liegen die Temperaturen bei den meisten Anwendungsfällen über 800°C. Durch diese Ausgestaltung in diesem Bereich ist eine alterungsbeständigere Beschichtung mittels einer der gewählten zweischichtigen Schichtaufbauten II-A, II-B, II-C und II-D gewährleistet. Liegen die Temperaturen in anderen Anwendungsfällen über dem Bereich zwischen 0 und 20 % hinaus noch oberhalb von 800°C, wird die gedachte Trennlinie T entsprechend nach rechts verschoben, so dass die alterungsbeständigere Beschichtung mittels eines ausgewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C und II-D beginnend mit der Eintrittsseite in das Katalysatorpaket auch im Bereich zwischen 20 % und 80 % der gesamten Kanallänge gewährleistet ist.
Vierte Ausführungsform:
Gemäß der vierten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D im Anströmkanal K21 und der gewählte einschichtige Schichtaufbau I-A, I-B im Abströmkanal K12 vollständig auf der gesamten Kanallänge der An- und Abströmkanäle zu 100 % überlappen. Mit anderen Worten, der Anströmkanal K21 und der Abströmkanal K12 sind auf der gesamten Kanallänge mit dem gewählten zweischichtigen Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D beziehungsweise dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B beschichtet.
Bevorzugt wird eine Überlappungszone ÜZ definiert, die zur Verdeutlichung der Erfindung in den 3 und 4 dargestellt ist. Die Überlappungszone ÜZ ist ausgehend von der Eintrittsseite in das Katalysatorpaket zwischen den Innenseiten der jeweiligen Stopfen S der Anströmkanäle K21 und der Abströmkanäle K12 des Katalysatorpaketes des Vier-Wege-Katalysators 400‘ ausgebildet und definiert.
Wie erwähnt ist es prinzipiell möglich, dass der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C oder II-D im Anströmkanal K21 und der gewählte einschichtige Schichtaufbau I-A, I-B im Abströmkanal K12 innerhalb der Überlappungszone ÜZ zu 100 % überlappen.
Zur Einsparung von Beschichtungsmaterial, insbesondere von Edelmetallen, und wegen des Gegendruckverhaltens am durchflussseitigen Anfang des Katalysatorpaketes sowie der Herstellungsprozesssicherheit ist es wie in den 3 und 4 dargestellt bevorzugt vorgesehen, nur eine Überlappung des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C oder II-D im Anströmkanal K21 und dem gewählten einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B im Abströmkanal K12 bezogen auf die Überlappungszonenlänge von 100 % zwischen minimal 20 % und maximal 80 % unter Berücksichtigung der Einhaltung der genannten Abgasnormen einzuhalten.
Die Überlappung von minimal 20 % bis maximal 80 % innerhalb der Überlappungszone ÜZ ist dabei durch die Wahl der Schichtlänge des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C oder II-D und/oder durch die Wahl der Schichtlänge des gewählten einschichtigen Schichtaufbaus I-A, I-B möglich. Die Überlappung hat den Vorteil, dass Schichten im Anströmkanal K21 und im Abströmkanal K12 nicht scharf aneinander angrenzen müssen, sondern um ein gewisses Maß überlappen können.
Zur Erhöhung der thermischen Alterungsbeständigkeit des Vier-Wege-Katalysators 400‘ wird bei einer vorgesehenen Überlappung der Beschichtung in den An- und Abströmkanälen K21, K12 die Schichtlänge des gewählten zweischichtigen Schichtaufbaus II-A, II-B, II-C oder II-D unter Berücksichtigung der oben genannten Randbedingungen in den Anströmkanälen K21 so lang wie nötig gewählt.
Ein Beispiel:
Der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C, II-D wird beispielsweise ausgehend von der Eintrittsseite auf 60 % der gesamten Kanallänge des Anströmkanals K21 ausgeführt. Der einschichtige Schichtaufbau I-A, I-B wird beispielsweise, wie in den 3 und 4 dargestellt, von der Mitte M bis zur Austrittsseite des Abströmkanals K12 ausgeführt. Der gewählte zweischichtige Schichtaufbau II-A, II-B, II-C, II-D überlappt mit dem einschichtigen Schichtaufbau I-A, I-B zwischen 50 % und 60 % der möglichen Überlappungszonenlänge von 100 %.
In Bezug auf die zweite bis vierte Ausführungsform ist es ferner vorgesehen, dass die alternativ zum Einsatz kommenden zweischichtigen Schichtaufbauten II-A, II-B, II-C oder II-D und die alternativ zum Einsatz kommenden einschichtigen Schichtaufbauten I-A oder I-B gemäß den in der Beschreibungseinleitung genannten Ausführungsvarianten (vierte bis zwölfte Ausführungsvariante) in, auf oder teilweise in und auf der Filtersubstratwand FW beziehungsweise den Filtersubstratwänden FW des Vier-Wege-Katalysators 400‘ beschichtet werden. Hierdurch wird es analog zu der ersten Ausführungsform und den zugehörigen Ausführungsvarianten (erste bis dritte Ausführungsvariante) in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass zur Herstellung des Vier-Wege-Katalysators 400‘ alle derzeit bekannten Beschichtungsmethoden mit ihren jeweiligen Vorteilen zum Einsatz kommen können.
Anordnung des erfindungsgemäßen Katalysators 400 in einer Abgasreinigungsanlage 200:
Je Ausgestaltung der Abgasreinigungsanlage 200 und der zu reinigenden Rohemission des Kraftfahrzeuges kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysator 400‘ einen Drei-Wege-Katalysator 300 zu verwenden. Der zusätzliche Drei-Wege-Katalysators 300 kann anströmseitig oder abströmseitig des erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysators 400‘ angeordnet sein.
Die 5 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen motornahen Vier-Wege-Katalysators 400‘ hinter einem Verbrennungsmotor 100 in einer ersten Position innerhalb einer Abgasreinigungsanlage 200 vor einem Drei-Wege-Katalysator 300 in einer zweiten Position. Der Drei-Wege-Katalysator 300 ist dabei innerhalb der Abgasreinigungsanlage 200 motorfern im Unterboden eines Kraftfahrzeuges angeordnet.
Es wird bevorzugt vorgeschlagen, den erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysator 400‘ motornah und den Drei-Wege-Katalysator 300 abströmseitig des Vier-Wege-Katalysators 400 anzuordnen, weil der erfindungsgemäße Vier-Wege-Katalysator 400‘ wie erläutert bei motornaher Anordnung und einhergehender hoher Temperaturbeanspruchung alterungsbeständiger ist und weil bei den motornahen höheren Temperaturen eine bessere Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 400‘ möglich ist.
Eine Anordnung in einer zweiten Position (nicht dargestellt) ist möglich. Aufgrund geringerer Temperaturen ist bei motorferner Anordnung innerhalb der Abgasreinigungsanlage 200 in der zweiten Position des Vier-Wege-Katalysators 400‘ hinter einem Drei-Wege-Katalysator 300, die aufwändige erfindungsgemäße Ausgestaltung des in Durchflussrichtung R gesehen unterschiedlichen Schichtaufbaus in den An- und Abströmkanälen K21, K12 nicht zwingend erforderlich.
Es besteht auch die Möglichkeit (nicht dargestellt), den erfindungsgemäßen Vier-Wege-Katalysator 400‘ in der Abgasreinigungsanlage 200 allein ohne einen Drei-Wege-Katalysator 300 anzuordnen. Auch dann bedarf es zur gewünschten Erhöhung der thermischen Alterungsstabilität einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vier-Wege-Katalysators 400‘ nach einer der beschriebenen Ausführungsformen und deren erläuterten Ausführungsvarianten.
Abschließend ist noch anzumerken, dass es durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermisch alterungsbeständigeren Vier-Wege-Katalysators 400‘ gelingt, die Mengen der für die Beschichtungen benötigten Edelmetalle ausgehend von der Erhöhung der Mengen im Vergleich der bekannten Drei-Wege-Katalysatoren 300 zu den bekannten Vier-Wege-Katalysatoren 400 wieder auf das Niveau der Drei-Wege-Katalysatoren 300 zurückzuführen. Neben der erhöhten Alterungsstabilität kommt es damit zu dem weiteren vorteilhaften Effekt der Einsparung von Edelmetallen gegenüber den bekannten Vier-Wege-Katalysatoren 400.
Bezugszeichenliste

100: Verbrennungsmotor
200: Abgasreinigungsanlage
300: Drei-Wege-Katalysator (Stand der Technik)
K1: Kanal eines Drei-Wege-Katalysators
K2: Kanal eines Drei-Wege-Katalysators
W: Substratwand
400: Vier-Wege-Katalysator (Stand der Technik)
400‘: Vier-Wege-Katalysator (Erfindung)
410: Eintrittsöffnung
420: Austrittsöffnung
430: Hülle
440: Lagerungsmatte
K21: Anströmkanal eines Vier-Wege-Katalysators
K12: Abströmkanal eines Vier-Wege-Katalysators
FW: Filtersubstratwand
T: Trennlinie
M: Mitte
ÜZ: Überlappungszone
R: Durchflussrichtung
1: einschichtige Beschichtung I
1.: erste Schicht einer zweischichtigen Beschichtung II
2.: zweite Schicht einer zweischichtigen Beschichtung II
I: einschichtiger Schichtaufbau
I-A: erster einschichtiger Schichtaufbau
I-B: zweiter einschichtiger Schichtaufbau
II: zweischichtiger Schichtaufbau
II-A: erster zweischichtiger Schichtaufbau
II-B: zweiter zweischichtiger Schichtaufbau
II-C: dritter zweischichtiger Schichtaufbau
II-D: vierter zweischichtiger Schichtaufbau

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004040549 A1 [0002, 0006, 0007, 0010]
EP 2042225 A1 [0003, 0006, 0007, 0008, 0008, 0010]
EP 2623183 A1 [0004, 0007, 0010]
DE 602005005022 [0005, 0006]

Claims

Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) aufweisend gasdurchlässige Filtersubstratwände (FW), die einen Filterkörper mit jeweils mindestens einem quer zu einer Durchflussrichtung (R) eines Abgases durch das Partikelfilter (400‘) benachbart angeordneten An- und Abströmkanal (K21, K12) bilden, wobei der Anströmkanal (K21) abströmseitig und der Abströmkanal (K12) anströmseitig gasdicht geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtersubstratwand (FW) des Anströmkanals (K21) zumindest in einem Eintrittsbereich des Abgases in das Partikelfilter (400‘) einen zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C, II-D) mit einer ersten katalytischen Schicht (1.) und einer zweiten katalytischen Schicht (2.) aufweist.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtersubstratwand (FW) des Anströmkanals (K21) in dem Eintrittsbereich des Abgases in das Partikelfilter (400‘) den zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C, II-D) mit der ersten katalytischen Schicht (1.) und der zweiten katalytischen Schicht (2.) aufweist, während die Filtersubstratwand (FW) des Abströmkanals (K12) in einem Austrittsbereich des Abgases aus dem Partikelfilter (400‘) einen einschichtigen katalytischen Schichtaufbau (I; I-A, I-B) mit nur einer katalytischen Schicht (1) aufweist.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die erste katalytische Schicht (1.) eines ersten zweischichtigen Schichtaufbaus (II-A) Rhodium enthält, während die zweite katalytische Schicht (2.) Palladium enthält oder • die erste katalytische Schicht (1.) eines zweiten zweischichtigen Schichtaufbaus (II-B) Palladium enthält, während die zweite katalytische Schicht (2.) Rhodium enthält oder • die erste katalytische Schicht (1.) eines dritten zweischichtigen Schichtaufbaus (II-C) Rhodium enthält, während die zweite katalytische Schicht (2.) Platin enthält oder • die erste katalytische Schicht (1.) eines vierten zweischichtigen Schichtaufbaus (II-C) Platin enthält, während die zweite katalytische Schicht (2.) Rhodium enthält.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die katalytische Schicht (1) eines ersten einschichtigen Schichtaufbaus (I-A) Palladium und Rhodium enthält oder • die katalytische Schicht (1) eines zweiten einschichtigen Schichtaufbaus (I-B) Platin und Rhodium enthält.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der im Abströmkanal (K12) ausgeführte einschichtige katalytische Schichtaufbau (I; I-A, II-B) an den in Durchflussrichtung (R) gesehen im Anströmkanal (K21) ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C; II-D) überlappungsfrei anschließt.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Anströmkanal (K21) ausgeführte zweischichtige katalytische Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C; II-D) mit dem im Abströmkanal (K12) ausgeführten einschichtigen katalytischen Schichtaufbau (I; I-A, II-B) in Durchflussrichtung (R) gesehen überlappt.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtlänge des im Anströmkanal (K21) ausgeführten zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus (II; II-A, II-B, II-C; II-D) in Durchflussrichtung (R) gesehen in Abhängigkeit eines Temperaturniveaus entlang des Anströmkanals (K21) und/oder eines Rohemissionsniveaus eines vorgeschalteten Verbrennungsmotors (100) und/oder der am durchflussseitigen Ende des Partikelfilters (400‘) einzuhaltenden Abgasgrenzwerte einer Abgasnorm und/oder eines am durchflussseitigen Ende anliegenden Gegendruckes des Partikelfilters (400‘) innerhalb einer Abgasreinigungsanlage (200) variiert.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweischichtige katalytische Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C, II-D) im Anströmkanal (K21) in Abhängigkeit des Temperaturniveaus entlang des Anströmkanals (K21) nur in einem motornahen Bereich des Anströmkanals (K21) ausgebildet ist, in dem eine Temperatur größer 800°C herrscht.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der im Anströmkanal (K21) ausgeführte zweischichtige katalytische Schichtaufbau (II; II-A, II-B, II-C; II-D) mit dem im Abströmkanal (K12) ausgeführten einschichtigen katalytischen Schichtaufbau (I; I-A, II-B) in Durchflussrichtung (R) gesehen innerhalb einer zwischen dem abströmseitigen Ende des Anströmkanals (K21) und dem anströmseitigen Ende des Abströmkanals (K12) gebildeten Überlappungszone (ÜZ) des Partikelfilters (400‘) teilweise oder vollständig überlappt.
Katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (1., 2.) des zweischichtigen katalytischen Schichtaufbaus (II; II-A, II-B, II-C, II-D) und/oder die Schicht (1) des einschichtigen katalytischen Schichtaufbaus (I; I-A, I-B) wahlweise • auf der Filtersubstratwand (FW) oder • in der Filtersubstratwand (FW) oder • teilweise in und auf der Filtersubstratwand (FW) ausgebildet ist/sind.
Abgasreinigungsanlage (200) zur Reinigung der Abgase eines überwiegend stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotors (100) umfassend ein katalytisch aktives Partikelfilter (400‘) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10.
Abgasreinigungsanlage (200) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch aktive Partikelfilter (400‘) in motornaher Position angeordnet ist.