DE102017101486A1

DE102017101486A1 - Abgassystem

Info

Publication number: DE102017101486A1
Application number: DE102017101486.1A
Authority: DE
Inventors: Gavin Michael Brown; Andrew Francis Chiffey; Jonathan RADCLIFFE
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2017-07-27
Also published as: EP3408509B1; GB201601430D0; JP2019510152A; KR20180104107A; GB2546745A; EP3408509A1; CN108699936A; RU2018130657A; WO2017130131A1; BR112018015162A2; US20170211455A1

Abstract

Beschrieben ist ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, das eine Mager-NOX-Falle, eine NOX-Speicher- und -Reduktionszone auf einem Wandstrommonolithsubstrat einer Porosität vor der Beschichtung von 50 % oder mehr, wobei die NOX-Speicher- und -Reduktionszone ein auf einen oder mehrere erste(n) Träger geladenes Platingruppenmetall umfasst, wobei der oder jeder erste Träger ein oder mehrere Erdalkalimetallverbindung(en) umfasst, und eine selektive katalytische Reduktions-Zone auf einem Monolithsubstrat, wobei die selektive katalytische Reduktions-Zone Kupfer oder Eisen umfasst, das auf einen zweiten Träger geladen ist, wobei der zweite Träger ein Molekularsieb umfasst, umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Abgassysteme für Verbrennungsmotoren, vorzugsweise Kompressionszündungs(Diesel)-Motoren, katalysierte Substrate zur Verwendung in solchen Abgassystemen, Verfahren zur Herstellung solcher katalysierter Substrate und Verfahren zum Behandeln von Abgasen.
Verbrennungsmotoren sind eine potenzielle Quelle von Schadstoffen, einschließlich NO_X, Kohlenstoffmonoxid, partikelförmigem Material (Feinstaub), Kohlenwasserstoffen, Schwefelwasserstoff und Ammoniak.
Zunehmend strengere Umweltgesetzgebungen wurden in Volkswirtschaften wie der Europäischen Union und den USA und auf der ganzen Welt erlassen, um die Emission von Schadstoffen in die Atmosphäre aus verschiedenen Quellen, insbesondere Verbrennungs-(IC)-Motoren, zu verringern. Mehrere Lösungen wurden im Hinblick auf das Problem einer Verringerung von Emissionen aus IC-Motoren vorgeschlagen.
Die WO-A-2014/080220 offenbart einen zonierten Katalysator auf einem Monolithsubstrat zum Steuern von Schwefelwasserstoffgas, das in einer Mager-NO_X-Falle während der Desulfatierung gebildet wird.
Die WO-A-2010/004320 und die WO-A-2012/175948 offenbaren jeweils ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor zum Behandeln einer Reihe von Schadstoffen.
Die WO-A-2013/088128 offenbart ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, das einen Platin enthaltenden Katalysator in einer auf einem Substratmonolith angeordneten ersten Washcoatbeschichtung umfasst, wobei der Platin enthaltende Katalysator dazu neigt, bei hohen Temperaturen flüchtig zu werden, wobei der Platin enthaltende Katalysator stromauf eines Katalysators zum selektiven Katalysieren der Reduktion von Stickstoffoxiden zu Stickstoff mit einem stickstoffhaltigen Reduktionsmittel angeordnet ist.
Die WO-A-2005/5014146 offenbart eine Katalysatoranordnung unter Verwendung eines einzelnen Monoliths und ein Verfahren zur Reinigung des Abgases von Verbrennungsmotoren, die unter mageren Bedingungen betrieben werden.
Die WO-A-2011/154912 offenbart einen Stickstoffoxidspeicherkatalysator, der eine erste und eine zweite Washcoatschicht auf einem Substrat vom Wabentyp umfasst, wobei die erste Washcoatschicht im Wesentlichen kein Rh enthält und die zweite Washcoatschicht Rh umfasst.
Die EP-A-0 560 991 offenbart eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors unter Verwendung eines NO_X-Adsorptionsmittels.
Die EP-A-0 766 993 offenbart einen Filter vom Wandstromtyp zum Reinigen von Abgasen, das eine Reihe von Zellen, die in der Richtung der Strömung des Abgases ausgebildet sind, und einen Katalysator, der in den in den porösen Wänden der Zellen gebildeten Poren getragen wird.
Schadstoffe von besonderer Bedeutung sind Stickstoffoxide (NO_X), die beispielsweise produziert werden, wenn Stickstoff in der Luft mit Sauerstoff in einem IC-Motor reagiert. Solche Stickstoffoxide können Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid umfassen.
Ein katalytisches Verfahren zur Verringerung von NO_X-Emissionen ist die Mager-NO_X-Falle, die NO_X aus einem Verbrennungsmotor in effizienter Weise zu Stickstoff umwandelt, obgleich ein gewisser Teil des NO_X des Abgases mit zunehmender Sättigung der Falle durchschlüpfen kann. Es können auch einige Nebenprodukte durch eine Mager-NO_X-Falle produziert werden, beispielsweise können Reaktionswege einer nicht-selektiven Reduktion zur Produktion von Ammoniak führen. Mager-NO_X-Fallen werden auf dem einschlägigen Fachgebiet manchmal als NO_X-Fallen, NO_X-Adsorberkatalysatoren (NACs) oder NO_X-Sorber-Katalysatoren (NSC) bezeichnet. Solche Begriffe werden hierin austauschbar verwendet, vorausgesetzt, dass die Funktion darin besteht, NO_X aus magerem (Luft/Gas-Verhältnis mit einem Lambda-Wert > 1) Abgas zu adsorbieren und NO_X bei stöchiometrischem oder fettem Abgas (Lambda = 1 bzw. Lambda < 1) zu desorbieren oder zu reduzieren.
Darüber hinaus wurden eine Reihe von selektiven katalytischen Reduktions(SCR)-Verfahren bei dem Versuch entwickelt, NO_X-Emissionen durch Umwandeln von NO_X zu Stickstoff und Wasser zu verringern. Eine aktive SCR verwendet ein Reduktionsmittel (beispielsweise ein stickstoffhaltiges Reduktionsmittel, wie z.B. Ammoniak oder einem Ammoniakvorläufer, z.B. Harnstoff), das zu einem Abgasstrom zugegeben und auf einem Katalysator adsorbiert wird.
Die WO-A-2015/036797 offenbart ein Abgassystem, das eine aktive selektive katalytische Reduktion (in Form eines Harnstoff-Injektionssystems) zum Behandeln eines Abgases aus einem Verbrennungsmotor verwendet, sowie ein Verfahren zum Behandeln eines solchen Abgases.
In Gegenwart des stickstoffhaltigen Reduktionsmittels und des SCR-Katalysators treten eine Reihe von Reaktionen auf, mit dem Ergebnis, dass NO_X zu elementarem Stickstoff und Wasser umgewandelt wird. Ein solches System ist hinsichtlich einer Verringerung von NO_X-Emissionen sehr effektiv, erhöht jedoch die Komplexität von Abgassystemen.
Eine passive SCR erfordert kein gesondertes System zur Zugabe von Reduktionsmittel zu dem Abgasstrom und kann eine Mager-NO_X-Adsorberfalle (LNT) zum Erzeugen von Ammoniak in situ und einen stromabseitigen selektiven katalytischen Reduktions-Katalysator verwenden. Wenn das Abgas unter mageren Motorbetriebsbedingungen (relativ niedriges Kraftstoff/Sauerstoff-Verhältnis) produziert wird, wird NO_X an der LNT adsorbiert. Die LNT wird durch intermittierendes In-Kontakt-bringen mit fettem (relativ hohes Kraftstoff/Sauerstoff-Verhältnis) Abgas regeneriert, das unter der Steuerung von Motormanagementsystemen produziert wird. Eine solche Anreicherung bzw. Anfettung fördert die Desorption von adsorbiertem NO_X und die Reduktion von NO_X an einem in der LNT vorhandenen Reduktionskatalysator. Das angefettete Abgas erzeugt ferner Ammoniak (NH₃) aus NO_X an der LNT, welches an dem stromabseitigen SCR-Katalysator adsorbiert werden kann und für eine Reduktion von NO_X, das durch die LNT unter mageren (Lambda > 1) Abgasbedingungen schlüpft, verfügbar ist. Die Effizienz des SCR-Katalysators hängt von dem NO₂/NO_X-Verhältnis und von der Temperatur ab.
Da neue Vorschriften das zulässige Niveau von NO_X-Emissionen aus IC-Motoren herabsetzen, besteht gleichwohl ein fortlaufender Bedarf, Abgassysteme bereitzustellen, die NO_X-Emissionen in effizienter, effektiver und billiger Weise verringern.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, dieses Problem anzugehen.
Die vorliegende Erfindung liefert dementsprechend in einem ersten Aspekt ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, wobei das Abgassystem eine Mager-NO_X-Falle, eine NO_X-Speicher- und -Reduktionszone auf einem monolithischen Wandstromsubstrat mit einer Porosität vor der Beschichtung von 50 % oder höher, wobei die NO_X-Speicher- und Reduktionszone ein auf einen oder mehrere erste(n) Träger geladenes Platingruppenmetall umfasst, wobei der oder jeder erste Träger ein oder mehrere Erdalkalimetallverbindung(en) umfasst, und eine selektive katalytische Reduktions-Zone auf einem monolithischen Substrat, wobei die selektive katalytische Reduktions-Zone auf einen zweiten Träger geladenes Kupfer oder Eisen umfasst, wobei der zweite Träger ein Molekularsieb, vorzugsweise einen Alumosilicatzeolith umfasst, umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist aktiv hinsichtlich einer Behandlung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid, partikelförmigem Material, Oxiden von Stickstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak (NH₃), die einzelnen oder in einer beliebigen Kombination während des Betriebszyklus einer stromaufseitigen Mager-NO_X-Falle (LNT) vorhanden sein können.
Dies ist in hohem Maße vorteilhaft, da ein solches System eine hohe Umwandlung von NO_X, das von einem IC-Motor pulsiert wird, einschließlich des aus der Mager-NO_X-Falle geschlüpften NO_X, ermöglicht und auch andere Emissionen, wie Feinstaub, CO und Kohlenwasserstoffe verringert. Insbesondere ermöglicht die relativ hohe Porosität des monolithischen Wandstromsubstrats eine wirksame katalytische Aktivität selbst bei den anspruchsvolleren neueren Testfahrzyklen für IC-Motoren in Fahrzeugen.
Die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone kann sich auf einem ersten monolithischen (Wandstrom-)Substrat (das hierin auch als ein "Wandstromfilter" bezeichnet wird) befinden und die selektive katalytische Reduktions-Zone kann sich auf einem zweiten (Wandstrom- oder Durchfluss-)Monolithsubstrat befinden. Somit können zwei gesonderte monolithische Substrate stromab der Mager-NO_X-Falle vorhanden sein. Dies ist vorteilhaft, da es die NO_X-Emissionen in wirksamer Weise verringert.
Vorzugsweise können die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und die selektive katalytische Reduktions-Zone jeweils auf Bereichen des gleichen monolithischen Substrats, d.h. des monolithischen Wandstromsubstrats, vorhanden sein. Am stärksten bevorzugt ist die Anordnung solcher Art, dass die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone durch Beschichten offener Kanäle des Wandstromsubstratmonoliths von einem ersten Ende von diesem her erhalten wird und die selektive katalytische Reduktions-Zone durch Beschichten von offenen Kanälen des Wandstromsubstratmonoliths von dessen zweitem Ende her erhalten wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn nur beschränkter Raum in einem Abgassystem, z.B. eines Fahrzeugs, vorhanden ist und ermöglicht die Bereitstellung von kompakten und weniger komplizierten Systemen.
Vorzugsweise, wenn die beiden Zonen auf dem gleichen monolithischen Wandstromsubstrat vorhanden sind, erstreckt sich die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone über zwischen 10 % und 90 % der axialen Länge des monolithischen Substrats und die selektive katalytische Reduktions-Zone erstreckt sich über zwischen 90 % und 10 % der axialen Länge des monolithischen Substrats. Bevorzugter erstreckt sich die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone über den gleichen, oder noch bevorzugter über einen größeren Bereich der axialen Länge des monolithischen Substrats als die selektive katalytische Reduktions-Zone. Die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone kann sich über zwischen 40 % und 90 % der axialen Länge des monolithischen Substrats erstrecken und die selektive katalytische Reduktions-Zone kann sich über zwischen 60 % und 10 % der axialen Länge des monolithischen Substrats erstrecken.
Es kann eine Lücke (über die axiale Länge des monolithischen Substrats) zwischen dem Ende der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und dem Anfang der selektiven katalytischen Reduktions-Zone vorhanden sein.
Vorzugsweise ist jedoch eine Überlappung (über die axiale Länge des monolithischen Substrats) zwischen den Zonen vorhanden. Eine geringe Überlappung ist vorteilhaft, da sie die N₂O-Erzeugung verringert und den Grad der Vergiftung, z.B. aus Kraftstoff- oder Schmiermitteladditiven, wie Phosphor, Schwefel und Alkalimetallen, und somit durch den Katalysator geschlüpftes NO_X einschränkt. Vorzugsweise können die axiale Länge der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und die axiale Länge der selektiven katalytischen Reduktions-Zone um 20 % oder weniger, bevorzugter 15 % oder weniger der gesamten axialen Länge des monolithischen Substrats überlappen. Ein höherer Umfang der Überlappung kann zu einer Verringerung der katalytischen Umwandlung führen.
Ein großer Vorteil der Verwendung eines monolithischen Wandstromsubstrats besteht darin, dass das Substrat als ein Filtersubstrat wirkt, das partikelförmige Emissionen in sehr effektiver Weise verringert. Ein monolithisches Wandstromsubstrat umfasst gewöhnlich ein Einlassende, ein Auslassende, wobei sich eine axiale Länge zwischen dem Einlassende und dem Auslassende erstreckt, sowie eine Vielzahl von Kanälen, die durch die Innenwände des Wandstromsubstrats definiert sind. Die Kanäle des Wandstromfilters sind alternierend von entweder dem Einlassende oder dem Auslassende her blockiert, so dass die Kanäle Einlasskanäle mit einem offenen Einlassende und einem geschlossenen Auslassende und Auslasskanäle mit einem geschlossenen Einlassende und einem offenem Auslassende umfassen. Dies stellt sicher, dass der Abgasstrom in einen Kanal von dem Einlassende her eintritt, durch die porösen Kanalwände strömt und das Filter aus einem unterschiedlichen Kanal, der zu dem Auslassende führt, verlässt. Partikel in dem Abgasstrom werden in wirksamer Weise in dem Filter eingefangen.
Vorzugsweise beträgt die Porosität vor Beschichtung (pre-coated porosity) des monolithischen Wandstromsubstrats 52 % oder mehr, vorzugsweise 55 % oder mehr, stärker bevorzugt 60 % oder mehr und am stärksten bevorzugt 62 % oder mehr. Dies ist vorteilhaft, da solche relativ hohen Porositäten eine gute Abgasströmung durch die Kanalwände in dem monolithischen Substrat ermöglichen, wobei die Wechselwirkung zwischen der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und der selektiven katalytischen Reduktions-Zone in wirksamer Weise erhöht wird, wodurch die Gesamt-NO_X-Umwandlung verbessert wird, ohne jedoch den Rückdruck in nicht akzeptabler Weise zu erhöhen.
Es ist bevorzugt, dass die Poren des monolithischen Wandstromsubstrats einen Durchmesser (mittlere Porengröße (MPS)) in dem Bereich von 12 µm bis 25 µm aufweisen. Dieser Bereich des Porendurchmessers ist für eine Washcoatbeschichtung geeignet, durch die die Katalysatoren und Träger auf die Wände der Kanäle appliziert werden können, was eine relativ hohe Oberfläche für die katalytische Aktivität ermöglicht, ohne den Rückdruck in nicht akzeptabler Weise zu erhöhen. Die MPS kann durch Quecksilberporosimetrie bestimmt werden.
Die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone ist üblicherweise auf den Einlasskanälen des Einlassendes des monolithischen Wandstromsubstrats vorhanden und die selektive katalytische Reduktions-Zone ist auf den Auslasskanälen des Auslassendes des monolithischen Wandstromsubstrats vorhanden. Diese Orientierung ist insbesondere bei Abgassystemen mit höherer Temperatur bevorzugt, da es hinsichtlich der SCR-Zone vorteilhaft ist, dass sie sich an der kühleren Stelle relativ zu der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone befindet, um den Ammoniakschlupf zu verringern.
Die selektive katalytische Reduktions-Zone kann jedoch auf den Einlasskanälen des Einlassendes des monolithischen Wandstromsubstrats vorhanden sein und die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone kann auf den Auslasskanälen des Auslassendes des monolithischen Wandstromsubstrats vorhanden sein. Überraschenderweise ist diese Orientierung (mit der stromaufseitigen SCR-Zone) auch wirksam, wenn das Temperaturfenster des Betriebs der SCR-Zone nicht zu hoch ist (was zu einer Erhöhung des Ammoniakschlupfs führen kann).
Der erste Träger umfasst vorzugsweise ein oder mehrere partikelförmige anorganische Oxide. Beispiele, die geeignet sein können, umfassen Spinelle, Aluminiumoxid, Ceroxid, Ceroxid-Zirconiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Aluminiumoxid-Zirconiumoxid und Kombinationen hiervon. Ein bevorzugtes anorganisches Oxid umfasst ein Aluminat, vorzugsweise ein Erdalkalimetallaluminat, am stärksten bevorzugt Magnesiumaluminat, welches eine Erdalkalimetallverbindung gemäß der Erfindung ist. Vorzugsweise umfasst der partikelförmige erste Träger des Weiteren eine Cerverbindung, vorzugsweise Ceroxid oder ein Mischoxid von Cer und Zirconium. Die Cerverbindung wird vorzugsweise durch Imprägnieren des partikelförmigen ersten Trägers mit einem geeigneten Cersalz und Trocknen und Calcinieren des Produkts bereitgestellt. Der partikelförmige erste Träger kann Ceroxid-Zirconiumoxid-Mischoxid umfassen, die im Allgemeinen thermisch beständiger sind als Ceroxid alleine.
Vorzugsweise liegt die Cerbeladung (berechnet als Ceroxid, CeO₂) des partikelförmigen ersten Trägers in dem Bereich von 100 bis 4000 g/ft³, stärker bevorzugt 500 bis 3000 g/ft³, am stärksten bevorzugt 600 bis 2000 g/ft³.
Es ist bevorzugt, dass der erste Träger im Wesentlichen kein Mangan umfasst. Mit im Wesentlichen kein Mangan ist 0,1 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 0,05 Gew.-% oder weniger gemeint. Es ist auch bevorzugt, dass der erste Träger im Wesentlichen kein Zink umfasst. Mit im Wesentlichen kein Zink ist 0,1 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 0,05 Gew.-% oder weniger gemeint.
Die Erdalkalimetallverbindung des ersten Trägers gemäß der Erfindung kann ferner vorzugsweise ein Oxid, ein Carbonat und/oder ein Hydroxid von Barium, Strontium, Calcium oder Magnesium oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehr dieser Verbindungen umfassen. Am bevorzugtesten liegt die Erdalkalimetallverbindung in Form eines Oxids oder in Form von Oxiden vor. Obwohl die Erdalkalimetallverbindung während der Herstellung des Katalysators in Form eines Oxids vorhanden sein kann, kann in Gegenwart von Luft oder magerem Motorabgas ein gewisser Teil oder der Hauptteil der Erdalkalimetallverbindung, beispielsweise Barium, in Form des Carbonats oder möglicherweise des Hydroxids vorliegen. Falls es in Form eines Oxid, eines Carbonats und/oder eines Hydroxids vorhanden ist, kann die Beladung an Erdalkalimetall, z.B. Barium, über 150 g/ft³ betragen. Alternativ kann bei Vorhandensein in Form eines Oxids, eines Carbonats und/oder eines Hydroxids die Beladung an Erdalkalimetall, z.B. Barium, in dem Bereich von 90 bis 150 g/ft³, vorzugsweise 100 bis 145 g/ft³, stärker bevorzugt 120 bis 140 g/ft³, am stärksten bevorzugt 133 ± 5 g/ft³ liegen. Der erste Träger kann mehr als eine Erdalkalimetallverbindung umfassen. Beispielsweise umfasst der erste Träger bevorzugt Magnesiumaluminat, das wiederum das Oxid, das Carbonat und/oder das Hydroxid von Barium, Strontium, Calcium oder Magnesium oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehr dieser Verbindungen trägert.
Vorzugsweise umfasst der partikelförmige erste Träger des Weiteren eine Cerverbindung in einer solchen Menge, dass das Gewichtsverhältnis von Cer zu Erdalkalimetall (vorzugsweise Barium) (vorzugsweise das Cer-zu-Barium-Verhältnis) in dem Bereich von 1,1:1 bis 40:1, vorzugsweise in dem Bereich von 5:1 bis 30:1 und am stärksten bevorzugt in dem Bereich von 10:1 bis 20:1 liegt, wobei das Gewichtsverhältnis für Ceroxid und Erdalkalioxid berechnet ist.
Vorzugsweise umfasst die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone mehr als einen ersten Träger, der die Erdalkalimetallverbindung umfasst. Beispielsweise kann ein erster erster Träger in Form von Magnesium enthaltendem Aluminiumoxid, beispielsweise einem mit Mg dotierten Aluminiumoxid, das Ceroxid und optional eine Bariumerdalkalimetallverbindung umfasst, vorliegen. Stärker bevorzugt kann die Erdalkalimetallverbindung in einem mit Mg dotierten Aluminiumoxid, das mit Ceroxid beschichtet ist (welches aus einer löslichen Cerquelle, z.B. einem Cersalz, herrührt und somit eine Nano-Größe aufweisende Ceroxidkristalle, geträgert auf dem mit Mg dotierten Aluminiumoxid, umfasst), enthalten sein. Ein zweiter erster Träger kann Ceroxid und Barium (in Form von partikelförmigem Ceroxid oder Ceroxid-Zirconiumoxid und einer Erdalkalimetallverbindung, z.B. einem Oxid, einem Carbonat und/oder einem Hydroxid von Barium, Strontium, Calcium oder Magnesium oder einem Gemisch von beliebigen zwei oder mehr dieser Verbindungen, vorzugsweise Barium, das auf das Ceroxid geladen ist, z.B. aus einem Bariumsalz imprägniert) umfassen.
Das mit Magnesium dotierte Aluminiumoxid kann variierende Verhältnisse von Mg und Aluminiumoxid aufweisen und/oder kann Magnesium in Form einer Magnesiumaluminatzusammensetzung oder -verbindung, beispielsweise einem Magnesiumaluminiumspinell, umfassen.
Vorzugsweise ist das Molekularsieb ein Alumosilicatzeolith, der aus einem Beta-Zeolith (BEA), einem Faujasit (FAU) (wie z.B. einem X-Zeolith oder einem Y-Zeolith, einschließlich NaY und USY), einem L-Zeolith, einem Chabasit, einem ZSM-Zeolith (z.B. ZSM-5 (MFI), ZSM-48 (MRE)), einem sogenannten kleinporigen Molekularsieb mit einer maximalen Porenöffnung von acht tetraedrischen Atomen, vorzugsweise CHA, ERI oder AEI, einem SSZ-Zeolith (z.B. SSZ-13 (ein CHA), SSZ-41, SSZ-33, SSLZ-39), einem Ferrierit (FER), einem Mordenit (MOR), einem Offretit (OFF), einem Clinoptilolit (HEU), einem Silicalit oder einem Aluminophosphat-Molekularsieb (einschließlich Metalloaluminophosphaten), wie z.B. SAPO-34 (einem CHA), einem mesoporösen Zeolith (z.B. MCM-41, MCM-49, SBA-15) oder Gemischen von beliebigen zwei oder mehr hiervon ausgewählt sein kann; stärker bevorzugt ist der Zeolith ein Beta-Zeolith (BEA), ein Ferrierit (FER) oder ein kleinporiges Molekularsieb, das aus CHA, ERI und AEI, am stärksten bevorzugt Alumosilicat-CHA oder AEI, ausgewählt ist.
Vorzugsweise ist das Platingruppenmetall Platin, Palladium oder Gemische hiervon. Das bevorzugte Platingruppenmetall umfasst ein Gemisch von Platin und Palladium in einem Pt:Pd-Gewichtsverhältnis von größer als 3:1, vorzugsweise größer als 4:1 und stärker bevorzugt von 3:1 bis 7:1, am stärksten bevorzugt von 3:1 bis 6:1. Es wurde gezeigt, dass dies ein wirksamer Katalysator für die NO_X-Speicher- und Reduktions-Zone ist. Überraschenderweise kann das Platingruppenmetall 0,05 Gew.-% oder weniger Rh enthalten und dennoch sogar in dem eine NO_X-Reduktion umfassenden Teil der katalytischen Speicher- und Reduktionsreaktion wirksam sein. Stärker bevorzugt umfasst das Platingruppenmetall kein Rhodium. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet versteht, dass dies nicht die völlige Abwesenheit von Rhodium bedeutet, sondern dass Spurenmengen von Rhodium, die nicht absichtlich zu dem Katalysator zugegeben wurden, vorhanden sein können.
Es ist bevorzugt, dass die Gesamtbeladung an Platingruppenmetall in der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone in dem Bereich von 5 bis 100 g·ft^–3, vorzugsweise 10 bis 50 g·ft^–3, bevorzugter in dem Bereich von 15 bis 40 g·ft^–3, stärker bevorzugt in dem Bereich von 15 bis 35 g·ft^–3 und am stärksten bevorzugt in dem Bereich von 15 bis 30 g·ft^–3 liegt.
Üblicherweise enthält das Abgassystem kein Injektionssystem eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels oder eines Vorläufers hiervon (z.B. Harnstoff und/oder Ammoniak), was vorteilhaft ist, da solche Injektionssysteme die Kosten und die Komplexität des Systems erhöhen können.
Die Washcoatbeladung der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone kann einen Wert in dem Bereich von 0,5 bis 3,0 g/Zoll³, wie z.B. 0,8 bis 2,0 g/Zoll³, aufweisen.
Der Washcoat für die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone kann lediglich einmal appliziert werden. Somit kann die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone in einer einzelnen Schicht vorhanden sein. Dies weist Vorteile auf, insbesondere bei porösen Wandstromfiltern wie in der vorliegenden Erfindung, da eine einzelne Schicht den Rückdruck verringern kann.
Die Washcoatbeladung der selektiven katalytischen Zone kann in dem Bereich von 0,2 bis 3,0 g/Zoll³, vorzugsweise 0,5 bis 2,0 g/Zoll³ oder 0,8 g/Zoll³ bis 1,6 g/Zoll³ (bezogen auf Cu oder Fe), liegen. Cu ist in der selektiven katalytischen Zone bevorzugt.
Wie hier diskutiert, kann überraschenderweise das Platingruppenmetall der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone verringerte Niveaus (vorzugsweise 0,05 Gew.-% oder weniger Rh) von Rh enthalten und noch bevorzugter kann das Platingruppenmetall im Wesentlichen kein Rh enthalten. Wenn das Platingruppenmetall der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone ein verringertes (Niveau) oder im Wesentlichen kein Rh enthält, dann umfasst vorzugsweise der erste Träger Erdalkalimetall, vorzugsweise Barium, mit einer Beladung in dem Bereich von 90 bis 150 g/ft³, vorzugsweise 100 bis 145 g/ft³, bevorzugter 120 bis 140 g/ft³, am stärksten bevorzugt 133 ± 5 g/ft³ Barium. Es ist auch bevorzugt, wenn das Platingruppenmetall ein verringertes (Niveau) oder im Wesentlichen kein Rh enthält, dass der Washcoat für die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone lediglich einmal appliziert wird. Somit liegt die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone vorzugsweise in einer einzelnen Schicht vor.
In dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein monolithisches Wandstromsubstrat mit einer NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und einer selektiven katalytischen Zone bereitgestellt.
Somit liefert die vorliegende Erfindung dementsprechend in einem zweiten Aspekt ein monolithisches Wandstromsubstrat mit einer Porosität vor der Beschichtung von 50 % oder mehr, wobei das Substrat eine NO_X-Speicher- und -Reduktionszone, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone ein auf einen oder mehrere erste(n) Träger geladenes Platingruppenmetall umfasst, wobei der erste Träger ein oder mehrere Alkalimetallverbindung(en) umfasst, sowie eine selektive katalytische Reduktions-Zone, wobei die selektive katalytische Reduktions-Zone auf einem zweiten Träger geladenes Kupfer oder Eisen umfasst, wobei der zweite Träger ein Molekularsieb, vorzugsweise einen Alumosilicatzeolith, umfasst, umfasst.
Die optionalen und bevorzugten Merkmale des zweiten Aspekts der Erfindung entsprechen den optionalen und bevorzugten Merkmalen des ersten Aspekts.
Üblicherweise können die Zonen auf dem Substrat unter Verwendung von Washcoatverfahren abgelagert werden. Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung des Monolithsubstrats unter Verwendung eines Washcoatverfahrens wird nachfolgend dargelegt. Die Reihenfolge der Zugabe, beispielsweise der ersten, z.B. NO_X-Speicher- und -Reduktionszone, und der zweiten, z.B. selektiven katalytischen Reduktions-Zone, auf das Substrat wird nicht als kritisch erachtet. Somit kann die erste Zone auf das Substrat in Form eines Washcoats aufgetragen werden, bevor die zweite Zone in Form eines Washcoats aufgetragen wird, oder die zweite Zone kann auf das Substrat als Washcoat aufgetragen werden, bevor die erste Zone als Washcoat aufgetragen wird.
Ein Auftragen in Form eines Washcoats (Washcoating) wird vorzugsweise durch Aufschlämmen (z.B. in Wasser) von den Träger bildenden festen Partikeln durchgeführt, so dass sie eine Partikelgröße mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 20 µm aufweisen. Die Aufschlämmung enthält vorzugsweise 4 bis 40 Gewichtsprozent Feststoffe, stärker bevorzugt 6 bis 30 Gewichtsprozent Feststoffe. Zusätzliche Komponenten, wie Stabilisatoren oder Promotoren, können auch in die Aufschlämmung in Form eines Gemischs von wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren Verbindungen oder Komplexen eingearbeitet werden. Das Substrat kann anschließend einmal oder mehrere Male mit der Aufschlämmung so beschichtet werden, dass die gewünschte Beladung der katalytischen Materialien auf dem Substrat abgelagert wird.
Das Platingruppenmetall kann zu dem mit Träger beschichteten Substratmonolith mittels beliebiger bekannter Mittel, einschließlich Imprägnierung, Adsorption oder Ionenaustausch einer Platinverbindung (wie beispielsweise Platinnitrat) zugegeben werden, wird jedoch zweckdienlicherweise in Form eines löslichen Platingruppenmetallsalzes oder löslicher Platingruppenmetallsalze zu der Washcoataufschlämmung zugegeben. Unedle Metalle (z.B Cu oder Fe) können zweckdienlichererweise der Washcoataufschlämmung in Form eines löslichen Metallsalzes oder löslicher Metallsalze (z.B. Kupfernitrat) zugesetzt werden.
Somit liefert die vorliegende Erfindung in einem dritten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines katalysierten monolithischen Substrats, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines monolithischen Wandstromsubstrats mit einer Porosität vor der Beschichtung von 50 % oder höher, Herstellen eines Washcoats einer NO_X-Speicher- und -Reduktionszone, der eine Quelle eines Platingruppenmetalls und eine Erdalkalimetallverbindung umfasst, Applizieren des Washcoats einer NO_X-Speicher- und -Reduktionszone auf einen ersten Bereich des monolithischen Substrats, Herstellen eines Washcoats einer selektiven katalytischen Reduktions-Zone, der ein Molekularsieb, vorzugsweise einen Alumosilicatzeolith, und eine Quelle von Kupfer oder eine Quelle von Eisen umfasst, und Applizieren des Washcoats einer selektiven katalytischen Reduktions-Zone auf einen zweiten Bereich des monolithischen Substrats.
In einem vierten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor bereit, wobei das Verfahren ein Strömenlassen des Abgases durch ein Abgassystem gemäß ersten Aspekt umfasst, wobei das Abgas ein mageres Abgas, das intermittierend fett wird, umfasst. Die Begriffe "mager" und "fett" beziehen sich auf den stöchiometrischen Punkt der Kraftstoffverbrennung in dem Motor, d.h. auf das Luft-zu-Kraftstoff-Gewichtsverhältnis, bei dem der Kraftstoff vollständig als Kohlenwasserstoff plus Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser verbrennt. Magere Abgase werden gebildet, wenn oxidierende Spezies (O₂ und NO_X) im Überschuss relativ zu diesem stöchiometrischen Punkt vorhanden sind, fette Abgase werden gebildet, wenn die reduzierenden Spezies (unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid) bezüglich des stöchiometrischen Punkts im Überschuss vorhanden sind. Die Zusammensetzung des Abgases kann auch durch Bezugnahme auf einen Output ("Lambda-Wert") eines Sauerstoffsensors bezeichnet werden. Ein Lambda-Wert von 1 ist das Produkt einer stöchiometrischen Verbrennung, ein Lambda-Wert von > 1 ist das Produkt einer mageren Verbrennung (relativ zu dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis) und ein Lambda-Wert von < 1 ist das Produkt einer fetten Verbrennung (relativ zu dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis).
Die obigen und weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen und den Beispielen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, ersichtlich.
Eine Bezugnahme in dieser Beschreibung auf "einen Aspekt" bedeutet, dass ein spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur oder eine spezielle Eigenschaft, das bzw. die in Verbindung mit dem Aspekt beschrieben ist, in mindestens einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ist. Somit beziehen sich die Erscheinungsformen des Ausdrucks "in einem Aspekt" an unterschiedlichen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise alle auf den gleichen Aspekt, sondern können sich auf verschiedene Aspekte beziehen. Des Weiteren können die speziellen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften eines beliebigen Aspekts der Erfindung in einer beliebigen geeigneten Weise, wie es für einen Fachmann mit durchschnittlichen Kenntnissen auf dem einschlägigen Fachgebiet aus dieser Offenbarung offenkundig wäre, in einem oder mehreren Aspekten kombiniert werden.
In der hier bereitgestellten Beschreibung werden zahlreiche spezielle Details dargelegt. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden gut bekannte Verfahren, Strukturen und Techniken nicht detailliert aufgezeigt, um das Verständnis dieser Beschreibung nicht zu behindern.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 schematisch ein erstes Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und
2 schematisch ein zweites Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
1 zeigt schematisch ein erstes Abgassystem 2 der vorliegenden Erfindung. Das Abgassystem 2 umfasst ein erstes monolithisches Substrat 4, das einen Mager-NO_X-Falle-(LNT)-Katalysator bildet. Die Abgase aus dem Motor (nicht dargestellt) stromauf des ersten monolithischen Substrats / Mager-NO_X-Falle 4 treten in das erste monolithische Substrat 4 durch den Einlass 10 ein und verlassen das erste monolithische Substrat 4 durch das Rohr 8. Die Abgase treten dann in ein zweites monolithisches Substrat 6 ein, bevor sie durch den Auslass 12 austreten. Stromab von Auslass 12 können weitere katalytische Zonen vorhanden sein oder die Abgase können in die Atmosphäre freigesetzt werden.
Das zweite monolithische Substrat 6 ist ein Filter, insbesondere ein Wandstrommonolithsubstrat mit einer Wabenstruktur mit zahlreichen kleinen, parallelen dünnwandigen Kanälen, die axial durch das Substrat verlaufen, wobei die Kanäle des Wandstromsubstrats alternierend blockiert sind, was ermöglicht, dass der Abgasstrom in einen Kanal von dem Einlass her eintritt, dann durch die porösen Kanalwände strömt und das Filter aus einem unterschiedlichen Kanal, der zu dem Auslass führt, verlässt. Das zweite monolithische Substrat 6 enthält zwei Zonen, eine NO_X-Speicher- und -Reduktions-(NSC)-Zone eines Platingruppenmetalls und eines ersten ersten Trägers von Mg-dotiertem Aluminiumoxid, das mit Ceroxid beschichtet ist (welches von einer löslichen Cerquelle, z.B. einem Cersalz, herrührt und daher Ceroxidkristalle von Nano-Größe, die auf dem Mg-dotierten Aluminiumoxid geträgert sind, umfasst), und eines zweiten ersten Trägers von Ceroxid und Barium (in Form von partikelförmigem Ceroxid, das eine Bariumverbindung trägert, die z.B. aus einem löslichen Bariumsalz imprägniert wird), die auf und/oder in den Wänden der Einlasskanäle an dem Einlassende des zweiten monolithischen Substrats 6 bereitgestellt ist, sowie eine selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Zone, die auf und/oder in den Wänden der Auslasskanäle an dem Auslassende des zweiten monolithischen Substrats 6 bereitgestellt ist. Das Abgassystem von 1 kann gemäß der nachfolgenden Beschreibung in den Beispielen ausgebildet sein.
2 zeigt schematisch ein zweites Abgassystem 13 der vorliegenden Erfindung. Das Abgassystem 13 umfasst ein erstes monolithisches Substrat 14, das einen Mager-NO_X-Falle-Katalysator bildet. Wie bei 1 treten die Abgase aus dem Motor (nicht dargestellt) stromauf des ersten monolithischen Substrats / Mager-NO_X-Falle 14 in das erste monolithische Substrat 14 durch den Einlass 20 ein und verlassen das erste monolithische Substrat 14 durch das Rohr 18. Die Abgase treten dann in ein zweites monolithisches Substrat 16 ein, bevor sie durch das Rohr 19 zu einem dritten monolithischen Substrat 17 und anschließend durch Auslass 22 austreten. Stromab von Auslass 22 können weitere katalytische Zonen vorhanden sein oder die Abgase können in die Atmosphäre freigesetzt werden.
Das zweite monolithische Substrat 16 ist ein Filter, Wandstrom-Monolith-Substrat mit einer NO_X-Speicher- und -Reduktionszone, die auf den Wänden der Kanäle bereitgestellt ist. Das dritte monolithische Substrat 17 ist ein monolithisches Durchflusssubstrat, das eine gleichförmige Beschichtung über eine selektive katalytische Reduktions-Zone hinweg aufweist.
Die nachfolgenden Beispiele sind lediglich zur Veranschaulichung bereitgestellt.
Beispiel 1
Ein Standard-Mager-NO_X-Falle(LNT)-Katalysator wurde auf einem keramischen Substrat mit einem Volumen von 1,4 Litern, das 400 Zellen pro Quadratzoll aufwies, hergestellt. Der Katalysator wies eine PGM-Gesamtbeladung von 118 g/ft^–3 und ein Pt:Pd:Rh-Gewichtsverhältnis von 94:19:5 auf.
Beispiel 2
Herstellung einer Beschichtung einer katalytischen PGM/NO_X-Speicher- und -Reduktionszone (NSC)
Ein Ce/Magnesiumaluminatspinell wurde in Wasser aufgeschlämmt und auf einen d90 von weniger als 10 µm vermahlen. Lösliche Salze von Pt und Pd wurden zugegeben, gefolgt von Ceroxid und Bariumacetat. Die Aufschlämmung wurde zum Homogenisieren verrührt und auf die Einlasskanäle eines SiC-Wandstromfiltersubstrats eines Volumens von 3,0 Litern, das 300 Zellen pro Quadratzoll, eine Wanddicke von 12,5 Mil (Tausendstel eines Zolls) und eine Porosität von 63 % aufwies, appliziert. Die Beschichtung wurde unter Verwendung eines Druckluftstroms getrocknet. Die Beschichtungstiefe betrug 55 % der gesamten Substratlänge bei Messung von der Einlassseite.
Herstellung einer 3 Gew.-% Cu/CHA-Zeolith-Beschichtung als passiver selektiver katalytischer Reduktions-(SCR)-Katalysator
Im Handel erhältlicher CHA-Alumosilicatzeolith (ein Chabasit) wurde zu einer wässrigen Lösung von Cu(NO₃)₂ unter Rühren zugegeben. Die Aufschlämmung wurde filtriert, anschließend gewaschen und getrocknet. Das Verfahren kann, falls erforderlich, wiederholt werden, um eine gewünschte Metallbeladung zu erreichen. Das Endprodukt wurde calciniert. Nach einem Vermischen wurden Bindemittel und die Rheologie modifizierende Mittel zugegeben, um eine Washcoatzusammensetzung zu bilden. Dieser Washcoat wurde auf das Auslassende des SiC-Filtersubstrats appliziert. Er wurde anschließend getrocknet und bei 500 °C calciniert. Die Beschichtungstiefe betrug 55 % der gesamten Substratlänge, wenn von der Auslassseite her gemessen wurde.
Die fertiggestellte Katalysatorbeschichtung auf dem Filter wies ein Pt:Pd-Gewichtsverhältnis von 5:1 und eine PGM-Gesamtbeladung von 24 g∙f^–3t auf.
Beispiel 3
Ce/Magnesiumaluminatspinell wurde in Wasser aufgeschlämmt und auf einen d90 von weniger als 10 µm vermahlen. Lösliche Salze von Pt und Pd wurden zugegeben, gefolgt von Ceroxid und Bariumacetat. Die Aufschlämmung wurde zur Homogenisierung verrührt und auf das gesamte Volumen eines ein Volumen von 3,0 Litern aufweisenden SiC-Wandstromfiltersubstrats mit 300 Zellen pro Quadratzoll, einer Wanddicke von 12,5 Mil (Tausendstel eines Zolls) und einer Porosität von 63 % appliziert. Die Beschichtung wurde unter Verwendung eines Druckluftstroms getrocknet und bei 500 °C calciniert.
Die fertiggestellte Katalysatorbeschichtung auf dem Filter wies ein Pt:Pd-Gewichtsverhältnis von 5:1 und eine PGM-Gesamtbeladung von 48 g∙ft^–3 auf.
Beispiel 4
Im Handel erhältlicher CHA-Alumosilicatzeolith (ein Chabasit) wurde zu einer wässrigen Lösung von Cu(NO₃) unter Rühren zugegeben. Die Aufschlämmung wurde filtriert, anschließend gewaschen und getrocknet. Das Verfahren kann zum Erreichen einer gewünschten Metallbeladung wiederholt werden. Das Endprodukt wurde calciniert. Nach dem Vermischen wurden Bindemittel und die Rheologie modifizierende Mittel zugegeben, um eine Washcoatzusammensetzung zu bilden. Dieser Washcoat wurde auf ein ein Volumen von 1,25 L aufweisendes keramisches Durchflusssubstrat mit 350 Zellen pro Quadratzoll appliziert. Die Beschichtung wurde getrocknet und bei 500 °C calciniert.
Motortest
Der Katalysator von Beispiel 1 wurde 5 Stunden bei 800 °C hydrothermal gealtert. Die Katalysatoren von Beispiel 2 und Beispiel 3 wurden 16 Stunden bei 800 °C hydrothermal gealtert. Der Katalysator von Beispiel 4 wurde 24 Stunden bei 750 °C hydrothermal gealtert. Die gealterten Katalysatoren der Beispiele 1, 2, 3 und 4 wurden an einem 1,6-L-Motor unter Verwendung einer Niederdruckabgasrückführung getestet, wobei simulierte Common AR-TEMIS-(Assessment and Reliability of Transport Emissions Models and Inventory Systems)-Fahrzyklen (CADC) ausgeführt wurden. Der Motor war in der Lage, fette Spülungen an festgelegten Punkten über den Zyklus hinweg auszuführen. Insgesamt wurden 12 fette Spülungen über den gesamten Zyklus durchgeführt. Die prozentuale NO_X-Umwandlung über den CADC-Zyklus hinweg ist in Tabelle 1 für die Beispiele 1 und 2 gezeigt. Ebenfalls in Tabelle 1 enthalten sind die Ergebnisse für ein System der Beispiele 1, 3 und 4, wobei die PGM/NO_X-Speicher- und -Reduktions-(NSC)-Beschichtung auf Beispiel 3 vorhanden ist und die SCR-Beschichtung auf Beispiel 4 in Form eines separaten Monoliths stromab der PGM/NO_X-Speicher- und -Reduktionsbeschichtung vorhanden ist, wie in 2 gezeigt,. Tabelle 1: NO_X-Umwandlung über CADC

System % NO_X-Umwandlung

Beispiel 1 38

Beispiel 1 und Beispiel 2 51

Beispiel 1 + Beispiel 3 + Beispiel 4 76
Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass Beispiel 2 eine signifikante zusätzliche NO_X-Umwandlung liefert, wenn es in Kombination mit Beispiel 1 getestet wird. Eine weitere zusätzliche NO_X-Umwandlung wird von dem System erreicht, das die Beispiele 1, 3 und 4 kombiniert, wobei die SCR-Beschichtung auf einem separaten Monolith stromab der PGM/NO_X-Speicher und -Reduktionsbeschichtung lokalisiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/080220 A [0004]
WO 2010/004320 A [0005]
WO 2012/175948 A [0005]
WO 2013/088128 A [0006]
WO 2005/5014146 A [0007]
WO 2011/154912 A [0008]
EP 0560991 A [0009]
EP 0766993 A [0010]
WO 2015/036797 A [0014]

Claims

Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, wobei das Abgassystem a) eine Mager-NO_X-Falle, b) eine NO_X-Speicher- und -Reduktionszone auf einem monolithischen Wandstromsubstrat, das eine Porosität vor Beschichtung von 50 % oder höher aufweist, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone ein Platingruppenmetall umfasst, das auf einen oder mehrere erste(n) Träger geladen ist, wobei der oder jeder erste Träger eine oder mehrere Erdalkalimetallverbindung(en) umfasst, und c) eine selektive katalytische Reduktions-Zone auf einem monolithischen Substrat, wobei die selektive katalytische Reduktions-Zone Kupfer oder Eisen umfasst, das auf einen zweiten Träger geladen ist, wobei der zweite Träger ein Molekularsieb umfasst, umfasst.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone sich auf einem ersten monolithischen Wandstromsubstrat befindet und die selektive katalytische Reduktions-Zone sich auf einem zweiten monolithischen Substrat befindet.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und die selektive katalytische Reduktions-Zone sich jeweils auf Bereichen des gleichen monolithischen Wandstromsubstrats befinden.
Abgassystem nach Anspruch 3, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone in Kanälen des monolithischen Wandstromsubstrats von einem Ende hiervon angeordnet ist und die selektive katalytische Reduktions-Zone in Kanälen des monolithischen Wandstromsubstrats von dem anderen Ende hiervon angeordnet ist.
Abgassystem nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone sich über zwischen 10 % und 90 % der axialen Länge des monolithischen Substrats erstreckt und die selektive katalytische Reduktions-Zone sich über zwischen 90 % und 10 % der axialen Länge des monolithischen Substrats erstreckt.
Abgassystem nach Anspruch 5, wobei eine axiale Länge der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone und eine axiale Länge der selektiven katalytischen Reduktions-Zone um 20 % oder weniger einer gesamten axialen Länge des monolithischen Substrats überlappen.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Porosität vor Beschichtung des monolithischen Wandstromsubstrats 52 % oder mehr, vorzugsweise 55 % oder mehr, bevorzugter 60 % oder mehr und am stärksten bevorzugt 62 % oder mehr beträgt.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Poren des monolithischen Wandstromsubstrats einen Durchmesser in dem Bereich von 12 µm bis 25 µm aufweisen.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone sich auf und/oder in den Wänden der Einlasskanäle des Einlassendes des monolithischen Substrats befindet und die selektive katalytische Reduktions-Zone sich auf und/oder in den Wänden der Auslasskanäle des Auslassendes des monolithischen Substrats befindet.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder jeder erste Träger eine Cerverbindung, vorzugsweise Ceroxid oder ein Mischoxid von Cer und Zirconium umfasst.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Erdalkalimetallverbindung ein Oxid, ein Carbonat und/oder ein Hydroxid von Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehr von diesen Verbindungen umfasst.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder jeder erste Träger des Weiteren Aluminiumoxid und/oder ein Aluminat umfasst.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Molekularsieb aus einem Beta-Zeolith (BEA), einem Faujasit (FAU), einem L-Zeolith, einem Chabasit, einem ZSM-Zeolith, einem kleinporigen Molekularsieb mit einer maximalen Porenöffnung von acht tetraedrischen Atomen, vorzugsweise CHA, ERI oder AEI, einem SSZ-Zeolith, einem Ferrierit (FER), einem Mordenit (MOR), einem Offretit (OFF), einem Clinoptilolit (HEU), einem Silicalit, einem Aluminophosphat-Molekularsieb, einem mesoporösen Zeolith oder Gemischen von beliebigen zwei oder mehr hiervon ausgewählt ist.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Platingruppenmetall Platin, Palladium oder Gemische hiervon ist.
Abgassystem nach Anspruch 14, wobei das Platingruppenmetall ein Gemisch von Platin und Palladium in einem Pt:Pd-Gewichtsverhältnis in dem Bereich von 2:1 bis 7:1, vorzugsweise von 3:1 bis 6:1, umfasst.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Platingruppenmetall 0,05 Gew.-% oder weniger Rh enthält.
Abgassystem nach Anspruch 16, wobei das Platingruppenmetall im Wesentlichen kein Rh enthält.
Abgassystem nach entweder Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei der erste Träger ein Erdalkalimetall mit einer Beladung in dem Bereich von 90 bis 150 g/ft³ umfasst.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone in Form einer einzelnen Schicht appliziert ist.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtbeladung an Platingruppenmetall in der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone in dem Bereich von 5 bis 100 g·ft^–3 liegt.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone sich stromauf der selektiven katalytischen Zone befindet.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Washcoatbeladung der NO_X-Speicher- und -Reduktionszone in dem Bereich von 0,5 bis 3,0 g·in^–3 liegt.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Washcoatbeladung der selektiven katalytischen Zone in dem Bereich von 0,5 bis 3,0 g·in^–3 liegt.
Katalytisches Wandstrommonolithsubstrat, das eine Porosität vor der Beschichtung von 50 % oder höher aufweist, wobei das Substrat eine NO_X-Speicher- und -Reduktionszone, wobei die NO_X-Speicher- und -Reduktionszone ein Platingruppenmetall umfasst, das auf einen oder mehrere erste(n) Träger geladen ist, wobei der oder jeder erste Träger eine Erdalkalimetallverbindung umfasst, und eine selektive katalytische Reduktions-Zone, wobei die selektive katalytische Reduktions-Zone Kupfer oder Eisen umfasst, das auf einen zweiten Träger geladen ist, wobei der zweite Träger einen Zeolith umfasst, umfasst.
Katalytischer Wandstrommonolith nach Anspruch 24, wobei der oder jeder erste Träger eine Cerverbindung umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines katalysierten Monolithsubstrats, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: a) Bereitstellen eines monolithischen Wandstromsubstrats, das eine Porosität vor der Beschichtung von 50 % oder höher aufweist, b) Herstellen eines NO_X-Speicher- und -Reduktions-Zonen-Washcoats, der eine Quelle eines Platingruppenmetalls und eine Erdalkalimetallverbindung umfasst, c) Applizieren des NO_X-Speicher- und -Reduktions-Zonen-Washcoats auf einen ersten Bereich des monolithischen Substrats, d) Herstellen eines Washcoats einer selektiven katalytischen Reduktions-Zone, der ein Molekularsieb und eine Quelle von Kupfer oder eine Quelle von Eisen umfasst, und e) Applizieren des Washcoats einer selektiven katalytischen Reduktions-Zone auf einen zweiten Bereich des monolithischen Substrats.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Washcoat in Stufe b) eine Cerverbindung umfasst.
Verfahren zum Behandeln von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren ein Strömenlassen des Abgases durch ein Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23 umfasst, wobei das Abgas ein mageres Abgas, das intermittierend fett wird, umfasst.
Kompressionszündungsmotor, der mit einem Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23 ausgestattet ist.
Fahrzeug, das einen Kompressionszündungsmotor und ein Abgassystem nach Anspruch 29 umfasst.