DE102021107954A1

DE102021107954A1 - Drei-wege-katalysator-materialien und dazugehörige vorrichtungen und systeme

Info

Publication number: DE102021107954A1
Application number: DE102021107954.3A
Authority: DE
Inventors: Gongshin Qi; Wei Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-01-20
Also published as: CN113931724A; US11167269B1

Abstract

Eine Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtung (TWC-Vorrichtung) umfasst einen ersten katalytischen Brick und einen zweiten katalytischen Brick stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick. Der erste katalytische Brick weist einen ersten Washcoat auf, der auf einen ersten Trägerkörper aufgebracht ist, der Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pd-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst, und weist eine Pd-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,5 g/ft³ auf. Der zweite katalytische Brick weist einen zweiten Washcoat auf, der auf einen zweiten Trägerkörper aufgebracht ist, der Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pt-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst, und weist eine Pt-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,0 g/ft³ Rh auf. Der erste katalytische Brick kann 25 g/ft³ bis 35 g/ft³ Pd und 5,5 g/ft³ bis 7,5 g/ft³ Rh aufweisen und der zweite katalytische Brick kann 25 g/ft³ bis 35 g/ft³ Pt und 5,0 g/ft³ bis 7,0 g/ft³ Rh aufweisen. Der TWC kann Abgase von einem Verbrennungsmotor aufnehmen, der ein Fahrzeug antreibt.

Description

EINLEITUNG
Katalysatoren aus Platingruppenmetallen (PGM), insbesondere solche mit Rhodium, Platin und Palladium, werden häufig in Abgasnachbehandlungssystemen für Benzin- und Dieselfahrzeuge verwendet, um verschiedene Bestandteile des Abgases, wie z. B. Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte und teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide, umzuwandeln (z. B. zu oxidieren, zu reduzieren). Solche Katalysatoren umfassen typischerweise bi- und trimetallische Legierungen (z. B. Pt-Pd-, Pt-Rh- und Pt-Pd-Rh-Legierungen), die auf Trägern mit großer Oberfläche (z. B. Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Ceroxid) angeordnet sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Es sind Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtungen (TWC-Vorrichtungen) vorgesehen, die einen Kanister mit einem Einlass und einem Auslass, die einen Abgasströmungsweg definieren, einen ersten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem Kanistereinlass innerhalb des Kanisters angeordnet ist, und einen zweiten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick innerhalb des Kanisters angeordnet ist, umfassen. Der erste katalytische Brick kann einen ersten Washcoat umfassen, der auf einen ersten Trägerkörper aufgebracht ist, der Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pd-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst, und eine Pd-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,5 g/ft³ aufweisen. Der zweite katalytische Brick kann einen zweiten Washcoat umfassen, der auf einen zweiten Trägerkörper aufgebracht ist, der Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pt-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst, und kann eine Pt-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,0 g/ft³ Rh aufweisen. Der erste katalytische Brick kann eine Pd-Beladung von ungefähr 25 g/ft³ bis ungefähr 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,5 g/ft³ bis ungefähr 7,5 g/ft³ aufweisen, und der zweite katalytische Brick kann eine Pt-Beladung von ungefähr 25 g/ft³ bis ungefähr 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,0 g/ft³ bis ungefähr 7,0 g/ft³ aufweisen. Der erste katalytische Brick kann eine Pd-Beladung von ungefähr 29 g/ft³ bis ungefähr 31 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 6,25 g/ft³ bis ungefähr 6,75 g/ft³ aufweisen, und der zweite katalytische Brick kann eine Pt-Beladung von ungefähr 29 g/ft³ bis ungefähr 31 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,75 g/ft³ bis ungefähr 6,25 g/ft³ aufweisen. Der erste Trägerkörper und der zweite Trägerkörper können ein gemeinsamer Monolith sein. Die Pd-Teilchen in dem ersten Washcoat können eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 3 nm bis ungefähr 30 nm aufweisen, und die Rh-Teilchen in dem ersten Washcoat können eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm aufweisen. Die Pt-Teilchen in dem zweiten Washcoat können eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 3 nm bis ungefähr 15 nm aufweisen, und die Rh-Teilchen in dem zweiten Washcoat können eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm aufweisen. Der erste katalytische Brick und der zweite katalytische Brick können diskrete, zusammenhängende Körper sein. Die Keramik- und/oder Metalloxidpartikel des ersten und/oder zweiten Washcoats können Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Ceroxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Lanthanoxid, Zeolith und Kombinationen davon umfassen. Der zweite katalytische Brick kann weniger als 1 g/ft³ Pd aufweisen. Der zweite katalytische Brick kann ein Volumen von ungefähr 50 % bis ungefähr 150 % des Volumens des ersten katalytischen Bricks aufweisen.
Es sind Abgasbehandlungssysteme vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor umfassen können, der dazu ausgelegt ist, ein Fahrzeug anzutreiben, das einen Abgasstrom durch eine Abgasleitung zu einer Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtung (TWC-Vorrichtung) führt. Der TWC kann einen Kanister mit einem Einlass und einem Auslass, die einen Abgasströmungsweg definieren, einen ersten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem Kanistereinlass innerhalb des Kanisters angeordnet ist, und einen zweiten katalytischen Brick, der stromabwärts des ersten katalytischen Bricks innerhalb des Kanisters angeordnet ist, umfassen. Der erste katalytische Brick kann einen ersten Washcoat umfassen, der auf einen ersten Trägerkörper aufgebracht ist, der Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pd-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst, und eine Pd-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,5 g/ft³ aufweisen. Der zweite katalytische Brick kann einen zweiten Washcoat umfassen, der auf einen zweiten Trägerkörper aufgebracht ist, der Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pt-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst, und kann eine Pt-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,0 g/ft³ Rh aufweisen. Der erste katalytische Brick kann eine Pd-Beladung von ungefähr 25 g/ft³ bis ungefähr 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,51 g/ft³ bis ungefähr 7,51 g/ft³ aufweisen, und der zweite katalytische Brick kann eine Pt-Beladung von ungefähr 25 g/ft³ bis ungefähr 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,0 g/ft³ bis ungefähr 7,0 g/ft³ aufweisen. Der erste katalytische Brick kann eine Pd-Beladung von ungefähr 29 g/ft³ bis ungefähr 31 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 6,25 g/ft³ bis ungefähr 6,75 g/ft³ aufweisen, und der zweite katalytische Brick kann eine Pt-Beladung von ungefähr 29 g/ft³ bis ungefähr 31 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,75 g/ft³ bis ungefähr 6,25 g/ft³ aufweisen. Der erste Trägerkörper und der zweite Trägerkörper können ein gemeinsamer Monolith sein. Der erste Trägerkörpers und/oder der zweite Trägerkörper können Cordierit Umfassen. Der erste katalytische Brick und der zweite katalytische Brick können diskrete, zusammenhängende Körper sein. Die Keramik- und/oder Metalloxidpartikel des ersten und/oder zweiten Washcoats können Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Ceroxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Lanthanoxid, Zeolith und Kombinationen davon umfassen. Der zweite katalytische Brick kann weniger als 1 g/ft³ Pd aufweisen. Der zweite katalytische Brick kann ein Volumen von ungefähr 50 % bis ungefähr 150 % des Volumens des ersten katalytischen Bricks aufweisen. Der TWC kann eng mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt sein.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der beispielhaften Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausgestaltungen und den begleitenden Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem, das zu einem Verbrennungsmotor gehört, nach einer oder mehreren Ausgestaltungen.
2 veranschaulicht eine Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtung nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in perspektivischer Ansicht.
3 veranschaulicht eine Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtung nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer Querschnittsansicht.
4 veranschaulicht einen Drei-Wege-Katalysator nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer schematischen Querschnittsansicht.
5A veranschaulicht Abgasumwandlungsdaten für zwei Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtungen nach einer oder mehreren Ausgestaltungen.
5B zeigt die Abgasumwandlung für zwei Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtungen nach einer oder mehreren Ausgestaltungen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden hierin Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausgestaltungen lediglich Beispiele sind und andere Ausgestaltungen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten größer oder kleiner sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hier offenbarten spezifischen konstruktiven und funktionellen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage dafür, einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise anzuwenden. Wie ein Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren der anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausgestaltungen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Merkmalskombinationen sehen repräsentative Ausgestaltungen für typische Anwendungen vor. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren dieser Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Ausführungen erwünscht sein.
Es sind hierin Katalysatormaterialien und zugehörige Vorrichtungen vorgesehen, die eine hohe katalytische Aktivität und eine effiziente Nutzung der katalytischen Metalle aufweisen. Insbesondere sind Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtungen (TWC-Vorrichtungen) vorgesehen, die eine hohe Abgasumwandlungsleistung aufweisen.
1 zeigt einen TWC 60, der zu dem Abgasbehandlungssystem 50 gehört. Das System 50 ist dazu ausgelegt, das von dem Verbrennungsmotor 20 erzeugte Abgas 30 zu empfangen und zu behandeln. Das Abgas 30 kann z. B. über eine Leitung 51 von einem Abgaskrümmer 18 des Verbrennungsmotors 20 zu dem TWC 60 geleitet werden. Der TWC 60 kann eng gekoppelte TWC-Vorrichtungen, Unterflur-TWC-Vorrichtungen und weitere umfassen, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Ein eng gekoppelter TWC 60 weist höchstens ungefähr 5 Inch, höchstens ungefähr 3 Inch oder höchstens ungefähr 2 Inch einer Leitung auf, die zum Beispiel den Einlass 64 des Kanisters 62 mit dem Abgaskrümmer 18 verbindet.
Ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff 10 tritt in den Verbrennungsmotor 20 ein und verlässt ihn als Abgas 30. Der Abgasstrom 40 durchläuft dann das Abgasbehandlungssystem 50. Im Allgemeinen ist der TWC 60 dazu ausgelegt, in dem Abgas 30 vorhandenes Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser zu oxidieren und zusätzlich eine oder mehrere im Abgas vorhandene Stickoxidarten (NOx) zu reduzieren. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x-Arten können N_yO_x-Arten umfassen, wobei y>0 und x>0 sind. Nicht einschränkende Beispiele für Stickoxide können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄ und N₂O₅ umfassen.
Der Verbrennungsmotor 20 kann für den Antrieb eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) ausgelegt sein. Der Mehrzylinder-Hubkolben-Verbrennungsmotor 20 kann ein Verbrennungsmotor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (d. h. ein Benzin-Verbrennungsmotor, der eine Kraftstoffeinspritzung im Zylinder enthalten kann oder auch nicht) oder ein Verbrennungsmotor mit homogener Ladung und Kompressionszündung sein. Jeder dieser Verbrennungsmotortypen umfasst einen oder mehrere Zylinder 22, in denen sich Hubkolbenböden 24 befinden, die mit einer Kurbelwelle 26 verbunden sind. Oberhalb jedes Kolbenbodens 24 befindet sich ein Brennraum 28, der durch ein Einlassventil 12 in bestimmten Zeitintervallen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff 10 erhält. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs 10 in den Brennkammern 28 ruft eine schnelle lineare Abwärtsbewegung der jeweiligen Kolbenböden 24 hervor, um die Drehung der Kurbelwelle 26 anzutreiben. Durch die reaktive Aufwärtsbewegung jedes Kolbenkopfes 24 werden die Verbrennungsprodukte aus jeder Brennkammer 28 durch ein Auslassventil 14 ausgestoßen.
Der Verbrennungsmotor 20 wird mit einem kontinuierlichen Luftstrom mit variablem Massenstrom versorgt, der auf die Leistungsanforderungen des Verbrennungsmotors reagiert (z. B. Betätigung eines Fußpedals, das sich im fahrerseitigen Bereich befindet, um die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit und Beschleunigung zu erreichen). Eine gewünschte Kraftstoffmenge wird intermittierend in einen ankommenden Luftstrom unmittelbar stromaufwärts von dem Verbrennungsmotor 20 eingespritzt, wie es z. B. durch eine Strategie zum Steuern eines Verbrennungsmotors vorgegeben ist, um ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zu erzeugen, das das augenblicklich gewünschte Kraftstoff-Luft-Massenverhältnis aufweist (nicht gezeigt). Zum Beispiel kann die Menge des in den ankommenden Luftstrom eingespritzten Kraftstoffs so gesteuert werden, dass ein mageres Kraftstoff-Luft-Massenverhältnis oder ein fettes Kraftstoff-Luft-Massenverhältnis aufrechterhalten wird oder zwischen den beiden Zuständen umgeschaltet wird.
Das Gemisch aus Luft und Kraftstoff 10 tritt in einen Ansaugkrümmer 16 des Verbrennungsmotors 20 ein und tritt als Abgas 30 durch den Abgaskrümmer 18 aus. Der Ansaugkrümmer 16 fördert das Kraftstoff-Luft-Gemisch 10 durch das Einlassventil 12 in die Brennräume 28 und dann zu den Zylindern 22 des Verbrennungsmotors 20. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch 10 wird komprimiert, erhitzt und dadurch gezündet, um die Hubkolbenböden 24 in den Zylindern 22 des Verbrennungsmotors 20 anzutreiben. Die verbrauchten Verbrennungsprodukte werden durch die Auslasshübe der Kolben 24 aus den Zylindern 22 des Verbrennungsmotors 20 ausgestoßen und durch das Auslassventil 14 in den Abgaskrümmer 18 geleitet. Der Abgaskrümmer 18 liefert die Verbrennungsprodukte als Abgas 30 an das Abgasbehandlungssystem 50. Das Behandlungssystem 50 leitet das Abgas 30 an den TWC 60 zur effektiven Umwandlung der Bestandteile des Abgases 30 (z. B. CO, HC und NOx) weiter.
Wie in 1-3 gezeigt, tritt der Abgasstrom 40 in den TWC 60 ein und durchströmt den Trägerkörper 70, der z. B. durch Wände 74 definierte Durchflusskanäle 72 umfassen kann. Der TWC 60 umfasst Katalysatormaterial, das als Washcoat 80 auf dem Trägerkörper 70 angeordnet ist. Der Trägerkörper 70 umfasst im Allgemeinen ein katalytisch inertes Gerüst oder Substrat (z. B. ein Cordierit-Gerüst) oder andere in der Technik bekannte Materialien, die für die Aufnahme eines Washcoats 80 geeignet sind. Der Washcoat 80 umfasst Teilchen aus porösen, nichtmetallischen (d. h. nicht aus einem elementaren Metall oder einer Metalllegierung bestehenden) Materialien, wie z. B. einem Metalloxid oder einem Keramikmaterial. Bei einigen Ausgestaltungen umfasst der Washcoat 80 Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Ceroxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Lanthanoxid und/oder Zeolith. Bei einigen Ausgestaltungen können Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Ceroxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Lanthanoxid und/oder Zeolith mit La und Nd dotiert sein. Der Washcoat 80 umfasst ferner ein oder mehrere katalytisch aktive Teilchen, wie z. B. Teilchen aus Platingruppenmetallen (PGM), wie unten beschrieben wird. Die große Oberfläche der Kanalwände 74 schafft einen ausreichenden Kontakt zwischen dem Abgas 30 und dem Katalysatormaterial, damit die gewünschten Oxidations- und Reduktionsreaktionen stattfinden können. Das Abgasbehandlungssystem 50 leitet dann den Abgasstrom 40 von dem TWC 60 als behandelten Abgasstrom 42 weiter. Das behandelte Abgas 32 wird aus dem Behandlungssystem 50 durch eine Entlüftung 52 (z. B. ein Fahrzeugauspuffrohr) z. B. in die Umgebungsatmosphäre ausgestoßen.
Ein geeigneter TWC 60 für die hierin offenbarten katalysierten Reaktionen ist in 2 gezeigt und ist innerhalb des Abgasbehandlungssystems 50 verrohrt, um einen kontinuierlichen Durchgang des Abgasstroms 40 durch dasselbe zu ermöglichen. Der TWC 60 kann ferner einen Mantel oder Kanister 62 umfassen, der ein relativ zu den Abgasbestandteilen im Wesentlichen inertes Material umfasst, wie z. B. Edelstahl oder andere Metalllegierungen. Der Kanister 62 ist mit einem stromaufwärts gelegenen Einlass 64 für den Eintritt von Abgas 30 und einem stromabwärts gelegenen Auslass 66 für den Austritt von Abgas 30 geformt. Der Körper des Kanisters 62 kann im Querschnitt rund oder elliptisch sein, obwohl auch andere Auslegungen realisierbar sind, und ist so bemessen, dass er einen Trägerkörper 70 aufnehmen kann, auf den Katalysatormaterial aufgebracht ist. In 2 ist ein keilförmiger Teil des Kanisters 62 und des Trägerkörpers 70 abgeschnitten, um die inneren Kanäle 72, die sich durch sie hindurch erstrecken, besser sichtbar zu machen.
Der Trägerkörper 70 ist in 2 als wabenförmiger Monolith mit einer Einlassfläche 76 und einer Auslassfläche 78 quer zu dem Abgasstrom 40 (d. h. entlang der Strömungsachse A) gezeigt und umfasst mehrere kleine, quadratische, parallele Durchflusskanäle 72, die durch Wände 74 definiert sind, die sich in Längsrichtung von der Einlassfläche 76 zu der Auslassfläche 78 des Trägerkörpers erstrecken. Da jeder Kanal 72 einen kleinen Querschnitt aufweist, um den Abgasstrom 40 einzulassen, ist die Einlassfläche 76 des Trägerkörpers so bemessen, dass eine geeignete Anzahl von Kanälen 72 vorhanden ist, um gemeinsam eine gewünschte Durchflussrate für den Abgasstrom 40 unterzubringen. Zum Beispiel kann der Trägerkörper 70 ungefähr 400 bis 900 Kanäle 72 pro Quadrat-Inch der Querschnittsfläche der Einlassfläche 76 enthalten. Während sich extrudierte keramische, wabenförmige Monolithen für Katalysatoren als effektiv und haltbar erwiesen haben, können auch andere Katalysatorträgerkörper aus unterschiedlichen Materialien und mit anderen geometrischen Auslegungen verwendet werden und eignen sich für die hierin beschriebenen Ausgestaltungen.
Wie oben beschrieben und wie in 3 gezeigt, ist ein Washcoat 80 auf die Wände 74 der Durchflusskanäle 72 des Trägerkörpers 70 aufgebracht. Im Allgemeinen fördern TWC-Vorrichtungen, wie der TWC 60, die Oxidation und Reduktion von Zielarten (z. B. CO, HC, NOx), zum Beispiel zwischen katalytischen Metallen (z. B. Pt, Pd, Rh), die in einem Washcoat 80 vorhanden sind. 4 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines TWC 60, der einen Kanister 62 mit einem Einlass 64 und einem Auslass 64, die einen Abgasströmungsweg 30 definieren, einen ersten katalytischen Brick 601, der stromabwärts von dem Kanistereinlass 64 innerhalb des Kanisters 62 angeordnet ist, und einen zweiten katalytischen Brick 602, der stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick 601 innerhalb des Kanisters 62 angeordnet ist, umfasst. Bei einigen Ausgestaltungen ist der TWC 60 so ausgelegt, dass keine katalytischen Bricks stromaufwärts von dem ersten katalytischen Brick 601 angeordnet sind. In ähnlicher Weise ist der TWC 60 bei einigen dieser Ausgestaltungen so ausgelegt, dass keine katalytischen Bricks zwischen dem ersten katalytischen Brick 601 und dem zweiten katalytischen Brick 602 angeordnet sind.
Der erste katalytische Brick 601 umfasst einen ersten Washcoat 801, der auf einen ersten Trägerkörper 701 aufgebracht ist. Der erste Washcoat 701 umfasst Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, wie oben beschrieben, und zusätzlich Pd- und Rh-Teilchen. Bei einigen Ausgestaltungen beträgt die katalytische Beladung des ersten katalytischen Bricks 601 höchstens 35 g/ft³ Pd und höchstens 7,5 g/ft³ Rh. Bei einigen Ausgestaltungen beträgt die katalytische Beladung des ersten katalytischen Bricks 601 ungefähr 25 g/ft³ Pd bis ungefähr 35 g/ft³ Pd und ungefähr 5,5 g/ft³ Rh bis ungefähr 7,5 g/ft³ Rh, ungefähr 27,5 g/ft³ Pd bis ungefähr 32,5 g/ft³ Pd und ungefähr 6,0 g/ft³ Rh bis ungefähr 7,0 g/ft³ Rh, ungefähr 29 g/ft³ Pd bis ungefähr 31 g/ft³ Pd und ungefähr 6,25 g/ft³ Rh bis ungefähr 6,75 g/ft³ Rh oder ungefähr 30 g/ft³ Pd und ungefähr 6,5 g/ft³ Rh. Bei einigen Ausgestaltungen weisen die Pd-Teilchen in dem ersten Washcoat 801 eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 3 nm bis ungefähr 30 nm, ungefähr 4 nm bis ungefähr 20 nm oder ungefähr 5 nm bis ungefähr 10 nm auf, und die Rh-Teilchen in dem ersten Washcoat 801 weisen eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm, ungefähr 7 nm bis ungefähr 23 nm oder ungefähr 10 nm bis ungefähr 15 nm auf.
Der zweite katalytische Brick 602 umfasst einen zweiten Washcoat 802, der auf einen zweiten Trägerkörper 702 aufgebracht ist. Der zweite Washcoat 702 umfasst Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, wie oben beschrieben, und zusätzlich Pt- und Rh-Teilchen. Bei einigen Ausgestaltungen beträgt die katalytische Beladung des zweiten katalytischen Bricks 602 höchstens 35 g/ft³ Pt und höchstens 7,0 g/ft³ Rh. Bei einigen Ausgestaltungen beträgt die katalytische Beladung des zweiten katalytischen Bricks 602 ungefähr 25 g/ft³ Pt bis ungefähr 35 g/ft³ Pt und ungefähr 5,0 g/ft³ Rh bis ungefähr 7,0 g/ft³ Rh, ungefähr 27,5 g/ft³ Pt bis ungefähr 32,5 g/ft³ Pt und ungefähr 5,5 g/ft³ Rh bis ungefähr 6,5 g/ft³ Rh, ungefähr 29 g/ft³ Pt bis ungefähr 31 g/ft³ Pt und ungefähr 5,75 g/ft³ Rh bis ungefähr 6,25 g/ft³ Rh oder ungefähr 30 g/ft³ Pt und ungefähr 6 g/ft³ Rh. Bei dem TWC 60 ist vorteilhafterweise Pt in dem zweiten katalytischen Brick 702 anstelle von Pd verwendet, wie es von Fachleuten üblicherweise verwendet wird. Insbesondere umfasst der zweite katalytische Brick 702 weniger als 1 g/ft³ Pd, weniger als 0,1 g/ft³ Pd oder weniger als 0,01 g/ft³ Pd. Bei einigen Ausgestaltungen weisen die Pt-Teilchen in dem zweiten Washcoat 802 eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 3 nm bis ungefähr 15 nm, ungefähr 4 nm bis ungefähr 13 nm oder ungefähr 5 nm bis ungefähr 10 nm auf, und die Rh-Teilchen in dem zweiten Washcoat 802 weisen eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm, ungefähr 7 nm bis ungefähr 23 nm oder ungefähr 10 nm bis ungefähr 15 nm auf.
4 zeigt einen Spalt 603 zwischen dem ersten katalytischen Brick 601 und dem zweiten katalytischen Brick 602; bei einigen derartigen Ausgestaltungen kann der Spalt 603 höchstens 3 Inch, höchstens 2 Inch oder höchstens 1 Inch umfassen. Bei anderen Ausgestaltungen sind der erste katalytische Brick 601 und der zweite katalytische Brick 602 diskrete, aber zusammenhängende Körper. Bei anderen Ausgestaltungen sind der erste Trägerkörper 701 und der zweite Trägerkörper 702 ein gemeinsamer Monolith. Der erste katalytische Brick 601 und der zweite katalytische Brick 602 können im Allgemeinen ähnliche Volumina aufweisen. Bei einigen Ausgestaltungen weist der zweite katalytische Brick 602 beispielsweise ein Volumen von ungefähr 50 % bis ungefähr 150 % oder ungefähr 90 % bis ungefähr 110 % des Volumens des ersten katalytischen Bricks 601 auf.
Beispiel 1:
Ein erster herkömmlicher TWC und ein zweiter TWC, der Katalysatormaterial gemäß den hier offenbarten Ausgestaltungen umfasst, wurden gealtert und Abgasströmen ausgesetzt, um die katalytische Leistung jedes TWC zu bestimmen. Der erste TWC war ein herkömmlicher Pd/Rh-Referenz-TWC und umfasste einen ersten katalytischen Brick und einen zweiten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick angeordnet war. Jeder Brick umfasste einen katalytischen Washcoat, der auf die Wände eines Cordierit-Substrats mit 750 Zellen/lnch² aufgetragen war. Der erste Brick war mit einem stromaufwärts gelegenen Washcoat, der von Al₂O₃-basiertem Material getragenes Pd und CeO₂-ZrO₂-Mischoxid und/oder von Aluminiumoxid getragenes Rh umfasste, um eine katalytische Beladung von 90,9 g/ft³ Pd und 4,51 g/ft³ Rh zu erreichen, und einen stromabwärts gelegenen Washcoat, der von Al₂O₃-basiertem Material getragenes Pd und CeO₂-ZrO₂-Mischoxid und/oder Aluminiumoxid getragenes Rh umfasste, um eine katalytische Beladung von 30,3 g/ft³ Pd und 8,5 g/ft³ Rh zu erreichen, zonenbeschichtet. Der zweite katalytische Brick war mit einem Washcoat, der von Al₂O₃-basiertem Material getragenes Pd und CeO₂-ZrO₂-Mischoxid und/oder von Aluminiumoxid getragenes Rh umfasste, versehen, um eine katalytische Beladung von 30 g/ft³ Pd und 6,5 g/ft³ Rh zu erreichen.
Der zweite TWC umfasste einen ersten katalytischen Brick und einen zweiten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick angeordnet war. Jeder Brick umfasste einen katalytischen Washcoat, der auf die Wände eines Cordierit-Substrats mit 750 Zellen/Inch² aufgetragen war. Der erste Brick war mit einem Washcoat, der von Al₂O₃-basiertem Material getragenes Pd und CeO₂-ZrO₂-Mischoxid und/oder von Aluminiumoxid getragenes Rh umfasste, versehen, um eine katalytische Beladung von 30 g/ft³ Pd und 6,5 g/ft³ Rh zu erreichen, sowie mit einem stromabwärts gelegenen Washcoat, der von Al₂O₃- und/oder CeO2-ZrO2-basiertem Material getragenes Pd und CeO₂-ZrO₂-Mischoxid und/oder von Aluminiumoxid getragenes Rh umfasste, um eine katalytische Beladung von 30 g/ft³ Pt und 6 g/ft³ Rh zu erreichen.
Der erste herkömmliche TWC umfasste 3,20 g Pd und 0,46 g Rh. Die zweite TWC umfasste 1,06 g Pd, 1,06 g Pt und 0,46 g Rh. Jeder TWC wurde 50 Stunden lang bei 1050 C° gealtert, bevor er unter zwei Bedingungen einem Abgasstrom ausgesetzt wurde. 5A zeigt die Umwandlungsleistung jedes TWC unter FTP-72-Bedingungen. 5B zeigt die Umwandlungsleistung jedes TWC unter US06-Bedingungen. Es ist zu erkennen, dass der zweite TWC („Neues System CC1‟) in fast allen Umwandlungskategorien gleich oder besser abschneidet als der erste TWC („Referenz-CC1‟).
Während oben beispielhafte Ausgestaltungen beschrieben werden, ist damit nicht gemeint, dass diese Ausgestaltungen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Patentschrift verwendeten Worte sind eher beschreibende als einschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Wie bereits beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausgestaltungen kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht sind. Während verschiedene Ausgestaltungen hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften möglicherweise so beschrieben worden sind, dass sie Vorteile bieten oder gegenüber anderen Ausgestaltungen oder Ausführungen nach dem Stand der Technik bevorzugt werden, erkennen Durchschnittsfachleute, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften ausgeglichen werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Ausführung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. umfassen. Als solche befinden sich Ausgestaltungen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausgestaltungen oder Ausführungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtung (TWC-Vorrichtung), umfassend: einen Kanister mit einem Einlass und einem Auslass, die einen Abgasströmungsweg definieren, einen ersten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem Kanistereinlass innerhalb des Kanisters angeordnet ist und einen ersten Washcoat umfasst, der auf einen ersten Trägerkörper aufgebracht ist, wobei der erste Washcoat Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pd-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst und wobei der erste katalytische Brick eine Pd-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,5 g/ft³ aufweist, und einen zweiten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick innerhalb des Kanisters angeordnet ist und einen zweiten Washcoat umfasst, der auf einen zweiten Trägerkörper aufgebracht ist, wobei der zweite Washcoat Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pt-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst und wobei der zweite katalytische Brick eine Pt-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,0 g/ft³ Rh aufweist.
Abgasbehandlungssystem, umfassend: einen Verbrennungsmotor, der dazu ausgelegt ist, ein Fahrzeug anzutreiben, das einen Abgasstrom durch eine Abgasleitung zu einer Drei-Wege-Katalysator-Vorrichtung (TWC-Vorrichtung) führt, wobei der TWC Folgendes umfasst: einen Kanister mit einem Einlass und einem Auslass, die einen Abgasströmungsweg definieren, wobei der Einlass dazu ausgelegt ist, Abgas aus der Abgasleitung aufzunehmen, einen ersten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem Kanistereinlass innerhalb des Kanisters angeordnet ist und einen ersten Washcoat umfasst, der auf einen ersten Trägerkörper aufgebracht ist, wobei der erste Washcoat Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pd-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst und wobei der erste katalytische Brick eine Pd-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,51 g/ft³ aufweist, und einen zweiten katalytischen Brick, der stromabwärts von dem ersten katalytischen Brick innerhalb des Kanisters angeordnet ist und einen zweiten Washcoat umfasst, der auf einen zweiten Trägerkörper aufgebracht ist, wobei der zweite Washcoat Keramik- und/oder Metalloxidteilchen, Pt-Teilchen und Rh-Teilchen umfasst und wobei der zweite katalytische Brick eine Pt-Beladung von höchstens 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von höchstens 7,0 g/ft³ Rh aufweist.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste katalytische Brick eine Pd-Beladung von ungefähr 25 g/ft³ bis ungefähr 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,5 g/ft³ bis ungefähr 7,5 g/ft³ aufweist und der zweite katalytische Brick eine Pt-Beladung von ungefähr 25 g/ft³ bis ungefähr 35 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,0 g/ft³ bis ungefähr 7,0 g/ft³ aufweist.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste katalytische Brick eine Pd-Beladung von ungefähr 29 g/ft³ bis ungefähr 31 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 6,25 g/ft³ bis ungefähr 6,75 g/ft³ aufweist und der zweite katalytische Brick eine Pt-Beladung von ungefähr 29 g/ft³ bis ungefähr 31 g/ft³ und eine Rh-Beladung von ungefähr 5,75 g/ft³ bis ungefähr 6,25 g/ft³ aufweist.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Trägerkörper und der zweite Trägerkörper ein gemeinsamer Monolith sind.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pd-Teilchen in dem ersten Washcoat eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 3 nm bis ungefähr 30 nm aufweisen und die Rh-Teilchen in dem ersten Washcoat eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm aufweisen.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste katalytische Brick und der zweite katalytische Brick diskrete, zusammenhängende Körper sind.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik- und/oder Metalloxidpartikel des ersten und/oder zweiten Washcoats Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Ceroxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Lanthanoxid, Zeolith und Kombinationen davon umfassen.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite katalytische Brick weniger als 1 g/ft³ Pd umfasst.
TWC-Vorrichtungen und Abgasbehandlungssysteme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite katalytische Brick ein Volumen von ungefähr 50 % bis ungefähr 150 % des Volumens des ersten katalytischen Bricks aufweist.