DE102022109662A1

DE102022109662A1 - Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022109662A1
Application number: DE102022109662.9A
Authority: DE
Inventors: Koji Sugiura; Takeshi Hirabayashi; Akemi Satou; Keisuke Murawaki; Takaya OTA; Masatoshi IKEBE; Kohei TAKASAKI; Takeshi Morishima
Original assignee: Cataler Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Cataler Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2022-04-21
Publication date: 2022-11-24
Also published as: JP2022178611A; US20220370997A1; US11679379B2; CN115387882A

Abstract

Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst ein Substrat, eine erste Katalysatorschicht, und eine zweite Katalysatorschicht. Das Substrat umfasst ein Stromaufwärtsende, ein Stromabwärtsende, und eine poröse Trennwand, welche eine Mehrzahl an Zellen definiert, welche sich zwischen dem Stromaufwärtsende und dem Stromabwärtsende erstreckt. Die Mehrzahl an Zellen umfasst eine Einlass-Zelle, welche am Stromaufwärtsende geöffnet und am Stromabwärtsende versiegelt ist, und eine zur Einlass-Zelle benachbarte Auslass-Zelle, welche am Stromaufwärtsende versiegelt ist und am Stromabwärtsende geöffnet ist. Die erste Katalysatorschicht ist auf einer Oberfläche der Trennwand in einem Stromaufwärtsbereich angeordnet. In einem Stromabwärtsbereich ist die zweite Katalysatorschicht im Inneren der Trennwand angeordnet, und eine den zweiten Katalysator enthaltende Wand, welche die Trennwand und die zweite Katalysatorschicht umfasst, weist eine Porosität von 35 % oder mehr auf.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung.
Stand der Technik
Ein Abgas, welches von einem in einem Fahrzeug, wie einem Automobil, verwendeten Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, enthält Feinstaub („particulate matter“, PM), was als eine Ursache der Luftverschmutzung bekannt ist. Das Abgas enthält ebenso schädliche Komponenten, wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff („hydrocarbon“, HC), und Stickoxide (NOx). Die Bestimmungen für die Emissionsmengen derselben wurden jedes Jahr verschärft.
Um den PM einzufangen und diesen vom Abgas zu entfernen, wird ein Partikelfilter, wie ein Diesel-Partikelfilter für einen Dieselmotor (DPF) und ein Benzin-Partikelfilter für einen Benzinmotor (GPF), in einem Abgasdurchlass des Verbrennungsmotors angeordnet. Bekannt ist ein Partikelfilter, welcher eine sogenannte Wand-Strömungsstruktur („wall-flow structure“) aufweist, in welcher ein poröses Substrat viele Zellen definiert, welche abwechselnd an Einlässen und Auslässen verschlossen sind.
Außerdem wird, um die schädlichen Komponenten, wie CO, HC, und NOx, welche im Abgas enthalten sind, zu entfernen, ein Edelmetall, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), und Rhodium (Rh), als ein Katalysator verwendet.
JP 2020-193569 A offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung, welche eine Wand-Strömungsstruktur aufweist. Die Abgasreinigungsvorrichtung in JP 2020-193569 A umfasst eine Trennwand, welche Zellen trennt und weist eine höhere Gas-Permeationsrate in einem Abgas-Ausströmseitenbereich als in einem Abgas-Einströmseitenbereich auf. Entsprechend JP 2020-193569 A durchströmt bzw. passiert der Hauptteil des Abgases, welches in die Abgasreinigungsvorrichtung eingeleitet wird, die Trennwand im Abgas-Ausströmseitenbereich, was einen Druckverlust verringert und Reinigungsleistung verbessert.
KURZFASSUNG
Wenn die Abgasreinigungsvorrichtung den PM einfängt, steigt in einigen Fällen der Druckverlust des Gases, welches durch die Abgasreinigungsvorrichtung strömt. Die vorliegende Erfindung sieht eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem geringen Druckverlust vor, nachdem der PM im Inneren der Vorrichtung angesammelt ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasreinigungsvorrichtung bereitgestellt, welche umfasst:

ein Substrat, umfassend ein Stromaufwärtsende, durch welches ein Abgas in die Vorrichtung eingeführt wird; ein Stromabwärtsende, durch welches das Abgas von der Vorrichtung abgegeben wird; und eine poröse Trennwand, welche eine Mehrzahl an Zellen, welche sich zwischen dem Stromaufwärtsende und dem Stromabwärtsende erstrecken, definiert;
eine erste Katalysatorschicht; und
eine zweite Katalysatorschicht,
wobei die Mehrzahl an Zellen umfasst:
- eine Einlass-Zelle, welche am Stromaufwärtsende geöffnet und am Stromabwärtsende versiegelt ist; und
- eine Auslass-Zelle, welche über die Trennwand, welche zwischen der Einlass-Zelle und der Auslass-Zelle angeordnet ist, zur Einlass-Zelle benachbart ist, wobei die Auslass-Zelle am Stromaufwärtsende versiegelt und am Stromabwärtsende geöffnet ist,
wobei die erste Katalysatorschicht auf einer Oberfläche der Trennwand in einem Stromaufwärtsbereich einschließlich dem Stromaufwärtsende des Substrats angeordnet ist, und
wobei, in einem Stromabwärtsbereich, umfassend das Stromabwärtsende des Substrats, die zweite Katalysatorschicht im Inneren der Trennwand angeordnet ist, und eine den zweiten Katalysator enthaltende Wand, umfassend die Trennwand und die zweite Katalysatorschicht, eine Porosität von 35 % oder mehr aufweist.

Die Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt einen geringen Druckverlust, nachdem ein PM im Inneren der Vorrichtung angesammelt ist.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht, welche eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform schematisch darstellt;
2 ist eine vergrößerte Endansicht des Hauptteils der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform, aufgenommen entlang einer Oberfläche, welche parallel zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen ist, und stellt eine Konfiguration in der Nähe einer Trennwand schematisch dar;
3 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen einer Porosität einer den zweiten Katalysator enthaltenden Wand und einem anfänglichen Druckverlust zeigt; und
4 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen der Porosität der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand und einem Druckverlust nach der PM-Ansammlung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das Nachstehende beschreibt Ausführungsformen, gegebenenfalls mit Bezug zur Zeichnung. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehenden Ausführungsformen beschränkt, und kann verschiedenen Arten von Änderungen im Design unterzogen werden, ohne von dem in den Ansprüchen beschriebenen Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In der Zeichnung, auf welche sich die nachstehende Beschreibung bezieht, sind dieselben Bezugszeichen für dieselben Elemente oder Elemente, welche ähnliche Funktionen aufweisen, vergeben, und die wiederholte Beschreibung kann in einigen Fällen weggelassen sein. Es kann ein Fall vorliegen, in welchem ein dimensionales Verhältnis in einer Zeichnung von dem tatsächlichen Verhältnis zur Erleichterung der Erklärung abweicht, oder ein Teil des Elements in einer Zeichnung weggelassen ist. In dieser Anmeldung umfasst ein unter Verwendung des Zeichens „-“ausgedrückter Zahlenbereich, jeweils Werte, welche vor und nach dem Zeichen „-“ beschrieben sind, als ein unterer Grenzwert und ein oberer Grenzwert.
Es wird eine Abgasreinigungsvorrichtung 1, welche eine in den 1 und 2 dargestellte Wand-Strömungsstruktur aufweist, beschrieben. Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 umfasst ein Substrat 10, eine erste Katalysatorschicht 30, und eine zweite Katalysatorschicht 50.
(1) Substrat 10
Das Substrat 10 umfasst einen zylinderförmigen Rahmen 11 und eine Trennwand 12, welche einen Innenraum des Rahmens 11 in einer Waben-Form unterteilt. Der Rahmen 11 und die Trennwand 12 können einstückig ausgebildet sein. Während der Rahmen 11 von 1 die zylindrische Gestalt aufweist, ist die Gestalt bzw. Form nicht auf diese beschränkt, und es können jegliche Formen, wie eine elliptisch-zylindrische Gestalt und eine polygonale zylindrische Gestalt, verwendet werden. Die Trennwand 12 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende (eine erste Endfläche bzw. Endoberfläche) I und einem zweiten Ende (eine zweite Endfläche) J des Substrats 10, und definiert eine Mehrzahl an Zellen, welche sich zwischen dem ersten Ende I und dem zweiten Ende J erstrecken. Die Mehrzahl an Zellen umfasst erste Zellen 14 und zweite Zellen 16. Die ersten Zellen 14 sind am ersten Ende I geöffnet bzw. offen, und am zweiten Ende J durch Versiegelungsabschnitte 70 verschlossen (versiegelt). Die zweiten Zellen 16 sind am ersten Ende I durch die Versiegelungsabschnitte 70 verschlossen, und am zweiten Ende J offen. Die ersten Zellen 14 und die zweiten Zellen 16 sind über die Trennwand 12, welche zwischen den ersten Zellen 14 und den zweiten Zellen 16 angeordnet ist, benachbart zueinander angeordnet. Während die ersten Zellen 14 und die zweiten Zellen 16 quadrat-förmige Querschnittsformen, aufgenommen senkrecht zu den Oberflächen deren Erstreckungsrichtungen, aufweisen, sind die jeweiligen Gestalten nicht auf diese beschränkt, und können jegliche Gestalten, wie viereckige Gestalten, umfassend eine Parallelogramm-Form, eine rechteckige Gestalt, eine Trapezform; eine dreieckige Form; jegliche andere polygonale Gestalten (z.B. eine hexagonale Gestalt und eine oktogonale Gestalt); und eine Kreisform sein.
Die Trennwand 12 ist aus einem porösen Material gebildet, durch welches ein Abgas passieren kann. Die Trennwand 12 kann zum Beispiel aus einer Keramik, wie Kordierit (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂), Aluminiumtitanat, Siliziumcarbid, oder Mullit, oder einer Legierung (zum Beispiel, Edelstahl) gebildet sein. Die aus porösem Material hergestellte Trennwand 12 umfasst Poren, durch welche das Abgas strömen kann. Während das Material des Rahmens 11 nicht besonders beschränkt ist, kann der Rahmen 11 aus, zum Beispiel einem Material, welches ähnlich zu jenem der Trennwand 12 ist, gebildet sein.
Die weißen Pfeile in 1 geben eine Richtung des in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 eingeleiteten und von der Abgasreinigungsvorrichtung 1 abgegebenen Abgases an. Das Abgas, welches das erste Ende I in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 passierte, wird von der Abgasreinigungsvorrichtung 1 durch das zweite Ende J abgegeben. Deshalb wird hier nachstehend gegebenenfalls das erste Ende I auch als ein Stromaufwärtsende I bezeichnet, und das zweite Ende J wird auch als ein Stromabwärtsende J bezeichnet. Wie durch die gestrichelten Pfeile in 2 angezeigt, strömt das Abgas durch das Stromaufwärtsende I in die ersten Zellen 14, passiert die poröse Trennwand 12, welche die ersten Zellen 14 von den benachbarten zweiten Zellen 16 trennt, um in die zweiten Zellen 16 zu strömen, und wird von den zweiten Zellen 16 durch das Stromabwärtsende J abgegeben. Deshalb wird die erste Zelle auch als die Einlass-Zelle bezeichnet, und die zweite Zelle wird auch als die Auslass-Zelle bezeichnet.
(2) Erste Katalysatorschicht 30
Die erste Katalysatorschicht 30 ist angeordnet auf einer Oberfläche 12a der Trennwand 12 auf der Seite der Einlass-Zelle 14 (das heißt, eine Oberfläche, welche der Einlass-Zelle 14 zugewandt ist, welcher hier nachstehend gegebenenfalls als eine „erste Oberfläche 12a“ bezeichnet ist) in einem Bereich (hier als ein „Stromaufwärtsbereich“ bezeichnet) X von dem Stromaufwärtsende I des Substrats 10 bis zu einer ersten Position K, welche von dem Stromaufwärtsende I durch einen ersten Abstand Dx entlang der Erstreckungsrichtung der Einlass-Zelle 14 und der Auslass-Zelle 16 (das heißt, eine Erstreckungsrichtung der Trennwand 12 und wird hier nachstehend gegebenenfalls als eine „Erstreckungsrichtung“ bezeichnet) entfernt ist. Das heißt, die erste Katalysatorschicht 30 überzieht bzw. bedeckt die erste Oberfläche 12a der Trennwand 12 in dem Stromaufwärtsbereich X. Die erste Katalysatorschicht 30 muss nicht in dem Bereich außer dem Stromaufwärtsbereich X sein. Der Stromaufwärtsbereich X ist ein Bereich, welcher die Länge Dx in der Erstreckungsrichtung aufweist und das Stromaufwärtsende I als ein Ende umfasst. Die Länge Dx des Stromaufwärtsbereichs X in der Erstreckungsrichtung kann geeignet eingestellt sein, um eine gewünschte Abgasreinigungsleistung zu erhalten, und kann zum Beispiel von 10 % bis 90 %, und insbesondere von 10 % bis 50 %, des Abstandes D von dem Stromaufwärtsende I bis zum Stromabwärtsende J sein (das heißt, die Länge D des Substrats 10 in der Erstreckungsrichtung).
In dem Stromaufwärtsbereich X kann eine mit dem ersten Katalysator beschichtete Wand, umfassend die Trennwand 12 und die erste Katalysatorschicht 30, für Gas undurchlässig sein. Die erste Katalysatorschicht 30 kann die Poren in der Trennwand 12 verschließen, wodurch ermöglicht wird, dass die mit dem ersten Katalysator beschichtete Wand in dem Stromaufwärtsbereich X für Gas undurchlässig wird. Dementsprechend bewegt sich in dem Stromaufwärtsbereich X das Abgas entlang der ersten Katalysatorschicht 30 in der Einlass-Zelle 14 in Richtung eines Stromabwärtsbereichs Y, wie durch die gestrichelten Pfeile in 2 angezeigt, während es in Kontakt mit der ersten Katalysatorschicht 30 ist. Man beachte, dass „undurchlässig für Gas“ hier bedeutet, dass es im Wesentlichen für ein Gas unmöglich ist durchzuströmen bzw. zu passieren.
Die erste Katalysatorschicht 30 enthält einen ersten Metall-Katalysator. Der erste Metall-Katalysator kann als ein Katalysator funktionieren, um HC zu oxidieren, oder als ein Katalysator, um NOx zu reduzieren. Zum Beispiel kann der erste Metall-Katalysator eines oder mehrere sein, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Platin (Pt), Palladium (Pd), und Rhodium (Rh), und kann insbesondere Pt oder Pd sein. Die erste Katalysatorschicht 30 kann ferner andere Metalle enthalten, wie ein Edelmetall, z.B. Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Iridium (Ir), Silber (Ag), und Gold (Au), ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, und ein Übergangsmetall, solange die Funktion bzw. Wirkung des ersten Metall-Katalysators nicht beeinträchtigt wird.
Der erste Metall-Katalysator kann auf Trägerpartikel getragen bzw. geträgert sein. Der erste Metall-Katalysator kann auf den Trägerpartikeln durch jegliches Trägerverfahren, wie ein Imprägnierungs-Trägerverfahren, ein Adsorptions-Trägerverfahren, und ein Wasser-Adsorptions-Trägerverfahren geträgert sein.
Die Trägerpartikel können Oxid-Partikel sein und können insbesondere Metalloxid-Partikel sein. Insbesondere können die Trägerpartikel Partikel eines Oxids oder eines Kompositoxids von mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Metall der Gruppe 3, der Gruppe 4, und der Gruppe 13 im Periodensystem der Elemente und ein Lanthanoid-basiertes Metall, oder eine Mischung derselben sein. Zwei oder mehrere von diesen können zusammen bzw. in Kombination verwendet werden. Zum Beispiel können die Trägerpartikel mindestens ein Oxid oder Kompositoxid eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Lutetium (Lu), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), und Aluminium (Al), oder eine Mischung von diesen, sein. Die Trägerpartikel können Partikel von mindestens einem Oxid oder Kompositoxid eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Y, La, Ce, Ti, Zr, und Al, oder eine Mischung von diesen, sein.
Die erste Katalysatorschicht 30 kann ferner jegliche andere Komponenten enthalten. Beispiele von jeglichen anderen Komponenten umfassen ein Sauerstoff-Speicherkapazitäts („Oxygen Storage Capacity“, OSC)-Material, welches Sauerstoff in der Atmosphäre unter einer Sauerstoffüberschuss-Atmosphäre einschließt bzw. okkludiert und den Sauerstoff unter einer Sauerstoff unterschuss-Atmosphäre abgibt bzw. freisetzt, ein Bindemittel, und einen Zusatz bzw. ein Additiv.
Beispiele des OSC-Materials umfassen Ceroxid, ein Kompositoxid, welches Cer (zum Beispiel ein Kompositoxid von Ce und Zr (CZ-Kompositoxid), und ein Kompositoxid von Al, Ce, und Zr (ACZ-Kompositoxid)) enthält. Zwei oder mehrere von diesen können zusammen bzw. in Kombination verwendet werden. Da das CZ-Kompositoxid eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität aufweist und vergleichsweise kostengünstig ist, kann das CZ-Kompositoxid als das OSC-Material verwendet werden. Ein Material, welches durch weiteres Kombinieren des CZ-Kompositoxids mit Lanthanoxid (La₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃), und ähnlichem hergestellt wird, kann als das OSC-Material verwendet werden.
Beispiele des Bindemittels und des Additivs umfassen Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO), Titandioxid (TiO₂), und ein Komposit derselben. Zwei oder mehrere von diesen können zusammen bzw. in Kombination verwendet werden.
Die erste Katalysatorschicht 30 kann auf der ersten Oberfläche 12a der Trennwand 12 in dem Stromaufwärtsbereich X durch das nachstehend dargestellte Verfahren angeordnet werden bzw. sein. Zuerst wird eine Schlämme, enthaltend Trägerpartikel, welche den ersten Metall-Katalysator tragen, hergestellt. Alternativ kann eine Schlämme, welche die Trägerpartikel und einen Vorläufer des ersten Metall-Katalysators enthält, hergestellt werden. Die Schlämme kann ferner zum Beispiel das OSC-Material, das Bindemittel, und das Additiv enthalten. Die hergestellte Schlämme wird über die erste Oberfläche 12a der Trennwand 12 in dem Stromaufwärtsbereich X aufgetragen. Zum Beispiel wird das Substrat 10 von dem Stromaufwärtsende I bis zu einer Tiefe, welche dem ersten Abstand Dx entspricht, in die Schlämme getaucht, und nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist, wird das Substrat 10 aus der Schlämme gezogen, wodurch ermöglicht wird, dass die erste Oberfläche 12a der Trennwand 12 mit der Schlämme beschichtet bzw. bedeckt bzw. überzogen wird. Alternativ kann die Schlämme durch das Stromaufwärtsende I des Substrats 10 in die Einlass-Zelle 14 gegossen werden, anschließend kann das Stromaufwärtsende I mit einem Gebläse abgeblasen werden, wodurch die Schlämme in Richtung des Stromabwärtsendes J verteilt wird, wodurch ermöglicht wird, dass die erste Oberfläche 12a der Trennwand 12 mit der Schlämme beschichtet wird. Als nächstes wird die Schlämme getrocknet und bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitspanne gesintert. Dies bildet die erste Katalysatorschicht 30 auf der ersten Oberfläche 12a der Trennwand 12 durch den Stromaufwärtsbereich X hindurch.
Man beachte, dass die Eigenschaften der Schlämme, wie die Viskosität und ein Partikeldurchmesser einer Feststoff-Komponente geeignet eingestellt werden kann, sodass die erste Katalysatorschicht 30 auf der ersten Oberfläche 12a der Trennwand 12 in dem Stromaufwärtsbereich X gebildet wird. Zum Beispiel ermöglicht das Erhöhen der Partikelgröße der Feststoff-Komponente in der Schlämme die Bildung der ersten Katalysatorschicht 30 auf der ersten Oberfläche 12a der Trennwand 12.
(3) Zweite Katalysatorschicht 50
Die zweite Katalysatorschicht 50 ist im Inneren der Trennwand 12 in einem Bereich (hier als der „Stromabwärtsbereich“ bezeichnet) Y von dem Stromabwärtsende J des Substrats 10 bis zu einer zweiter Position L, welche von dem Stromabwärtsende J durch einen zweiten Abstand Dy entlang der Erstreckungsrichtung entfernt ist, angeordnet. Die zweite Katalysatorschicht 50 muss nicht in einem Bereich außer dem Stromabwärtsbereich Y angeordnet sein. Der Stromabwärtsbereich Y ist ein Bereich, welcher die Länge Dy in der Erstreckungsrichtung aufweist und das Stromabwärtsende J als ein Ende umfasst. Die Länge Dy des Stromabwärtsbereichs Y in der Erstreckungsrichtung kann geeignet eingestellt werden, um die gewünschte Abgasreinigungsleistung zu erhalten, und kann zum Beispiel von 30 % bis 100 % des Abstands D vom Stromaufwärtsende I bis zum Stromabwärtsende J sein.
Man beachte, dass die Summe der Länge Dx des Stromaufwärtsbereichs X in der Erstreckungsrichtung und die Länge Dy des Stromabwärtsbereichs Y in der Erstreckungsrichtung gleich wie oder größer als der Abstand D vom Stromaufwärtsende I bis zum Stromabwärtsende J sein kann. Dies ermöglicht, dass mindestens eine von der ersten Katalysatorschicht 30 oder der zweiten Katalysatorschicht 50 auf der Trennwand 12 oder im Inneren der Trennwand 12 irgendwo durch den gesamten Bereich von dem Stromaufwärtsende I bis zum Stromabwärtsende J hindurch ausgebildet werden kann, wodurch verlässlicher Kontakt des in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 eingeleiteten Abgases mit der ersten Katalysatorschicht 30 und der zweiten Katalysatorschicht 50 in dieser Reihenfolge ermöglicht wird. Die Summe der Länge Dx des Stromaufwärtsbereichs X in der Erstreckungsrichtung und die Länge Dy des Stromabwärtsbereichs Y in der Erstreckungsrichtung kann größer als der Abstand D von dem Stromaufwärtsende I bis zum Stromabwärtsende J sein. In diesem Fall überlappt der Stromaufwärtsbereich X mit dem Stromabwärtsbereich Y. Dies ermöglicht, dass das in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 eingeleitete Abgas in Kontakt mit der ersten Katalysatorschicht 30 und der zweiten Katalysatorschicht 50 in dieser Reihenfolge sicherer bzw. mit zuverlässiger gebracht werden kann.
Hier bedeutet „Die zweite Katalysatorschicht 50 ist im Inneren der Trennwand 12 angeordnet“, dass die Komponenten, welche die zweite Katalysatorschicht 50 bilden (nämlich zum Beispiel der Katalysator, der Träger, das Bindemittel, und das Additiv), hauptsächlich im Inneren der Trennwand 12 (typischerweise im Inneren der Poren in der Trennwand 12) vorliegen, nicht außen bzw. außerhalb der Trennwand 12 (typischerweise auf der äußeren Oberfläche). Insbesondere bedeutet dies zum Beispiel, dass 80 % oder mehr, in einigen Ausführungsformen 85 % oder mehr, 90 % oder mehr, in einigen Ausführungsformen 99 % oder mehr, oder in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen 100 % des Gesamtgewichts der Komponenten, welche die zweite Katalysatorschicht 50 bilden, liegt im Inneren der Trennwand 12 vor. Dementsprechend ist die im Inneren der Trennwand 12 angeordnete zweite Katalysatorschicht 50 offensichtlich von einem eingedrungenen Abschnitt einer Katalysatorschicht, welche in einem Versuch die Katalysatorschicht auf der Oberfläche der Trennwand 12 anzuordnen unbeabsichtigt in die Trennwand 12 eingedrungen ist, getrennt bzw. eigenständig.
Die Komponenten, welche die zweite Katalysatorschicht 50 bilden, können auf einer inneren Oberfläche bzw. Innenfläche der Trennwand 12, welche die Poren umgibt, liegen, ohne alle Poren im Inneren der Trennwand 12 zu blockieren. Dies ermöglicht, dass die den zweiten Katalysator enthaltende Wand, umfassend die Trennwand 12 und die zweite Katalysatorschicht 50 in dem Stromabwärtsbereich Y, für Gas durchlässig ist. Wenn der Stromabwärtsbereich Y mit dem Stromaufwärtsbereich X überlappt, blockiert die auf der ersten Oberfläche 12a der Trennwand 12 ausgebildete erste Katalysatorschicht 30 möglicherweise den Durchlass des Gases in dem überlappenden Teil bzw. Abschnitt.
Die den zweiten Katalysator enthaltende Wand, umfassend die Trennwand 12 und die zweite Katalysatorschicht 50, weist die Porosität von 35 % oder mehr auf. Die Porosität kann durch Erhalten eines Rasterelektronenmikroskop („scanning electron microscope“, SEM)-Bildes eines Querschnitts der den zweiten Katalysator enthaltende Wand und Erhalten eines Verhältnisses von einer Fläche von Poren zu einer Fläche der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand, umfassend die Fläche der Poren in dem SEM-Bild, gemessen werden. Wie nachstehend in den Beispielen beschrieben, ermöglicht die Porosität von 35 % oder mehr das Verringern eines Druckverlusts aufgrund der Ansammlung des PM im Inneren der Abgasreinigungsvorrichtung 1. Die Porosität der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand kann 70 % oder weniger sein, oder kann 60 % oder weniger sein, wodurch ermöglicht wird, dass die den zweiten Katalysator enthaltende Wand eine hohe Festigkeit aufweist.
Die zweite Katalysatorschicht 50 enthält einen zweiten Metall-Katalysator. Der zweite Metall-Katalysator kann als ein Katalysator funktionieren, um HC zu oxidieren, oder als ein Katalysator funktionieren, um NOx zu reduzieren. Zum Beispiel kann der zweite Metall-Katalysator einer oder mehrere, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Platin (Pt), Palladium (Pd), und Rhodium (Rh) sein, und kann insbesondere Rh sein. Die zweite Katalysatorschicht 50 kann ferner zum Beispiel andere Metalle, wie ein Edelmetall, z.B. Palladium (Pd), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Iridium (Ir), Silber (Ag), und Gold (Au), ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, und ein Übergangsmetall enthalten, solange die Funktion bzw. Wirkung des zweiten Metall-Katalysators nicht beeinträchtigt wird.
Der zweite Metall-Katalysator kann auf Trägerpartikel geträgert sein bzw. werden. Der zweite Metall-Katalysator kann auf den Trägerpartikeln durch jegliches Trägerverfahren, wie ein Imprägnierungs-Trägerverfahren, ein Adsorptions-Trägerverfahren, und ein Wasser-Adsorptions-Trägerverfahren geträgert sein
Die zweite Katalysatorschicht 50 kann ferner jegliche andere Komponenten enthalten. Beispiele von jeglichen anderen Komponenten umfassen ein OSC-Material, welches Sauerstoff in der Atmosphäre unter einer Sauerstoffüberschuss-Atmosphäre einschließt bzw. okkludiert, und den Sauerstoff unter einer Sauerstoffunterschuss-Atmosphäre freisetzt bzw. abgibt, ein Bindemittel, und einen Zusatz bzw. ein Additiv.
Beispiele der Trägerpartikel, des OSC-Materials, des Bindemittels, und des Additivs sind ähnlich zu denen in der ersten Katalysatorschicht 30, und deshalb ist die Beschreibung derselben weggelassen.
Die zweite Katalysatorschicht 50 kann im Inneren der Trennwand 12 in dem Stromabwärtsbereich Y durch das nachstehend dargestellte Verfahren angeordnet sein. Zuerst wird eine Schlämme, enthaltend Trägerpartikel, welche den zweiten Metall-Katalysator tragen, hergestellt. Alternativ kann eine Schlämme, welche die Trägerpartikel und einen Vorläufer des zweiten Metall-Katalysators enthält, hergestellt werden. Die Schlämme kann ferner zum Beispiel das OSC-Material, das Bindemittel, und das Additiv enthalten. Die hergestellte Schlämme wird in die Trennwand 12 im Stromabwärtsbereich Y infiltriert. Zum Beispiel wird das Substrat 10 von dem Stromabwärtsende J bis zu einer Tiefe, welche dem zweiten Abstand Dy entspricht, in die Schlämme getaucht, und nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen bzw. verstrichen ist, wird das Substrat 10 von der Schlämme herausgezogen, wodurch ermöglicht wird, dass die Schlämme in die Trennwand 12 infiltriert wird. Als nächstes wird die Schlämme getrocknet und bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitspanne gesintert. Dies bildet die zweite Katalysatorschicht 50 im Inneren der Trennwand 12 durch den Stromabwärtsbereich Y hindurch.
Man beachte, dass Eigenschaften der Schlämme, wie Viskosität und ein Partikeldurchmesser einer Feststoffkomponente, geeignet eingestellt werden können, sodass die zweite Katalysatorschicht 50 im Inneren der Trennwand 12 im Stromabwärtsbereich Y ausgebildet wird. Zum Beispiel ermöglicht das Verringern der Partikelgröße der Feststoffkomponente in der Schlämme das Bilden der zweiten Katalysatorschicht 50 im Inneren der Trennwand 12, ohne die Poren in der Trennwand 12 zu blockieren.
Wie durch die gestrichelten Pfeile in 2 angezeigt, strömt das in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform eingeleitete Abgas durch das Stromaufwärtsende I des Substrats 10 in die Einlass-Zelle 14. Im Stromaufwärtsbereich X bewegt sich das Abgas im Inneren der Einlass-Zelle 14 in Richtung des Stromabwärtsbereichs Y entlang der ersten Katalysatorschicht 30, während das Abgas im Kontakt mit der ersten Katalysatorschicht 30 ist, und eine Menge der schädlichen Komponenten im Abgas aufgrund eines Agierens des in der ersten Katalysatorschicht 30 enthaltenen ersten Metall-Katalysators verringert wird. Als nächstes strömt das Abgas im Stromabwärtsbereich Y durch das Innere der Trennwand 12 in die Auslass-Zelle 16, während der PM im Abgas auf der Oberfläche der Trennwand 12 und im Inneren der Poren eingefangen wird. Außerdem ist das Abgas mit der zweiten Katalysatorschicht 50 im Inneren der Trennwand 12 in Kontakt, und die Menge an schädlichen Komponenten im Abgas wird aufgrund eines Agierens des in der zweiten Katalysatorschicht 50 enthaltenen zweiten Metall-Katalysators weiter verringert. Das Abgas, welches in die Auslass-Zelle 16 im Stromabwärtsbereich Y geströmt ist, bewegt sich im Inneren der Auslass-Zelle 16 in Richtung des Stromabwärtsendes J entlang der Trennwand 12, und passiert bzw. strömt durch das Stromabwärtsende J, um an die Umgebung der Abgasreinigungsvorrichtung 1 abgegeben zu werden.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 ist auf verschiedene Arten von Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor anwendbar. Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 kann als ein Anlass-Wandler („start-up converter“, S/C), welcher unmittelbar stromabwärts des Verbrennungsmotors in einer Strömungsrichtung des Abgases angeordnet ist, oder ein Unterboden-Wandler („underfloor converter“, UF/C), welcher stromabwärts des S/C in der Strömungsrichtung des Abgases angeordnet ist, verwendet werden.
Während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene Änderungen innerhalb des Umfangs, welcher nicht vom in den Ansprüchen beschriebenen Konzept der vorliegenden Erfindung abweicht, möglich.
BEISPIELE
Das Nachstehende beschreibt insbesondere die vorliegende Erfindung mit den Beispielen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(1) Herstellung der Abgasreinigungsvorrichtung
Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 und 2
Es wurde ein Substrat, welches eine Wand-Strömungsstruktur aus Kordierit aufweist, hergestellt. Dimensionen und eine Struktur des Substrats sind wie folgt.

Äußerer Durchmesser des Substrats: 117 mm
Länge des Substrats in einer Erstreckungsrichtung einer Zelle: 122 mm
Dicke einer Trennwand: ungefähr 200 µm
Zelldichte: 300 Stücke pro Quadratzoll

Pt wurde auf ein Träger-Pulver geträgert. Das erhaltene Pulver, Ceroxid-Pulver, und ionengetauschtes Wasser wurden gemischt, um eine erste Katalysatorschlämme herzustellen.
Rh wurde auf ein Pulver eines Ceroxid-Zirkoniumoxid-Kompositoxids (CZ-Kompositoxid) geträgert, um Rh-geträgertes CZ-Kompositoxid-Pulver herzustellen. Das erhaltene Pulver, Aluminiumoxid-Pulver, und ionengetauschtes Wasser wurden gemischt, um eine zweite Katalysatorschlämme herzustellen.
Die zweite Katalysatorschlämme, welche das Rh-geträgerte CZ-Kompositoxid-Pulver und das Aluminiumoxid-Pulver mit den in Tabelle 1 beschriebenen Mengen enthält, wurde auf die Auslass-Zellen durch das Stromabwärtsende des Substrats aufgetragen, um in das Innere der Trennwand einzudringen bzw. zu infiltrieren. Als nächstes wurde die zweite Katalysatorschlämme getrocknet und gesintert. Dadurch wurde eine zweite Katalysatorschicht im Inneren der Trennwand gebildet. Das heißt, es wurde eine den zweiten Katalysator enthaltende Wand, welche die Trennwand und die zweite Katalysatorschicht umfasst, gebildet. Die zweite Katalysatorschicht wurde in einem Bereich (ein Stromabwärtsbereich) von dem Stromabwärtsende des Substrats bis zu einer Position, welche von dem Stromabwärtsende in Richtung des Stromaufwärtsendes des Substrats durch einen Abstand von 70 % der Länge des Substrats in der Erstreckungsrichtung entfernt ist, gebildet.
Die erste Katalysatorschlämme (enthaltend 29,24 g Feststoffgehalt) wurde auf die Einlass-Zellen durch das Stromaufwärtsende des Substrats aufgetragen, wodurch eine Schicht der ersten Katalysatorschlämme auf der Oberfläche der Trennwand, welche der Einlass-Zelle zugewandt ist, gebildet wurde. Als nächstes wurde die erste Katalysatorschlämme getrocknet und gesintert. Deshalb wurde eine erste Katalysatorschicht auf der Oberfläche der Trennwand, welche der Einlass-Zelle zugewandt ist, gebildet. Die erste Katalysatorschicht wurde in einem Bereich (einem Stromaufwärtsbereich) von dem Stromaufwärtsende des Substrats bis zu einer Position, welche von dem Stromaufwärtsende in Richtung des Stromabwärtsendes des Substrats durch einen Abstand von 50 % der Länge des Substrats in der Erstreckungsrichtung entfernt ist, gebildet. Somit wurde eine Abgasreinigungsvorrichtung hergestellt.
Beispiel 3
Außer, dass das CZ-Kompositoxid-Pulver, welches eine kleinere spezifische Oberfläche als jene des in Beispiel 1 verwendeten CZ-Kompositoxid-Pulvers aufweist, verwendet wurde, wurde eine Abgasreinigungsvorrichtung ähnlich zu Beispiel 1 hergestellt.
(2) Messung der Porosität
Ein Querschnitt der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand an der Position, welche von dem Stromabwärtsende des Substrats 15 mm entfernt ist, wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet. Aus dem SEM-Bild wurde ein Verhältnis von einer Fläche von Poren zu einer Fläche der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand, umfassend die Fläche der Poren, das heißt, eine Porosität der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand, erhalten. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
(3) Auswertung des anfänglichen Druckverlusts
Es wurde veranlasst, dass eine Luft die Abgasreinigungsvorrichtung passiert bzw. durchströmt, um einen anfänglichen Druckverlust der Abgasreinigungsvorrichtung zu messen. Insbesondere wurde die Luft bei 25 °C in die Abgasreinigungsvorrichtung durch das Stromaufwärtsende bei einer Strömungsrate von 7 m³/Minute eingeleitet und durch das Stromabwärtsende abgegeben. Ein Druck der Luft am Stromaufwärtsende und ein Druck der Luft am Stromabwärtsende wurden gemessen, und eine Differenz zwischen diesen Drücken wurde berechnet, um den anfänglichen Druckverlust zu erhalten. Tabelle 1 und 3 zeigen die Ergebnisse. Eine bemerkenswerte Differenz bei dem anfänglichen Druckverlust wurde bei den Beispielen und den Vergleichsbeispielen nicht beobachtet. Außerdem wurde ein klarer Zusammenhang zwischen der Porosität der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand und dem anfänglichen Druckverlust nicht beobachtet.
(4) Messung des Druckverlusts nach PM-Ansammlung

Eine jede von den Abgasreinigungsvorrichtungen der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden mit einem Abgassystem eines Dieselmotor-Prüfstands verbunden, und es wurde veranlasst, dass ein Abgas eine jede von den Abgasreinigungsvorrichtungen passiert. Wenn 3,9 g des PM auf der Abgasreinigungsvorrichtung angesammelt war, wurden ein Druck des Abgases am Stromaufwärtsende und ein Druck des Abgases am Stromabwärtsende gemessen. Eine Differenz zwischen diesen Drücken wurde durch eine Strömungsrate (g/s) des Abgases dividiert, um den Wert des Druckverlusts nach der PM-Ansammlung zu erhalten. Tabelle 1 und 4 zeigen die Ergebnisse. Wie in 4 dargestellt, hängt der Druckverlust nach der PM-Ansammlung von der Porosität der den zweiten Katalysator enthaltenden Wand ab. Die Abgasreinigungsvorrichtungen der Beispiele 1 bis 3, in welchen die Porositäten der den zweiten Katalysator enthaltenden Wände 35 % oder mehr waren, zeigten den geringen Druckverlust nach der PM-Ansammlung. [Tabelle 1]

	Zweite Katalysatorschicht		Porosität [%]	Anfänglicher Druckverlust [kPa]	Druckverlust nach PM-Ansammlung [kPa·g^-1·s]
	Katalysator-tragendes CZ Kompositoxid-Pulver [g]	Aluminiumoxid-Pulver [g]	Porosität [%]	Anfänglicher Druckverlust [kPa]	Druckverlust nach PM-Ansammlung [kPa·g^-1·s]
Vergleichsbeispiel 1	77,08	20,25	32,0	3,52	0,267
Beispiel 1	63,70	20,25	38,5	3,45	0,243
Vergleichsbeispiel 2	77,08	24,71	29,5	3,67	0,273
Beispiel 2	77,08	15,79	41,5	3,52	0,232
Beispiel 3	77,08	20,25	38,5	3,50	0,237

Bezugszeichenliste

1: Abgasreinigungsvorrichtung
10: Substrat
11: Rahmen
12: Trennwand
14: Einlass-Zelle (erste Zelle)
16: Auslass-Zelle (zweite Zelle)
30: Erste Katalysatorschicht
50: Zweite Katalysatorschicht
70: Versiegelungsabschnitt
I: Stromaufwärtsende (erstes Ende)
J: Stromabwärtsende (zweites Ende)
K: Erste Position
L: Zweite Position
X: Stromaufwärtsbereich
Y: Stromabwärtsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020193569 A [0005]

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung, umfassend: ein Substrat, aufweisend: ein Stromaufwärtsende, durch welches ein Abgas in die Vorrichtung eingeleitet wird; ein Stromabwärtsende, durch welches das Abgas von der Vorrichtung abgegeben wird; und eine poröse Trennwand, welche eine Mehrzahl an Zellen definiert, welche sich zwischen dem Stromaufwärtsende und dem Stromabwärtsende erstrecken; eine erste Katalysatorschicht; und eine zweite Katalysatorschicht, wobei die Mehrzahl an Zellen umfasst: eine Einlass-Zellöffnung, welche an dem Stromaufwärtsende geöffnet und am Stromabwärtsende versiegelt ist; und eine Auslass-Zelle, welche zur Einlass-Zelle mit der Trennwand, welche zwischen der Einlass-Zelle und der Auslass-Zelle eingefügt ist, benachbart ist, wobei die Auslass-Zelle an dem Stromaufwärtsende versiegelt ist und an dem Stromabwärtsende geöffnet ist, wobei die erste Katalysatorschicht auf einer Oberfläche der Trennwand in einem Stromaufwärtsbereich, welcher das Stromaufwärtsende des Substrats umfasst, angeordnet ist, und wobei, in einem Stromabwärtsbereich, welcher das Stromabwärtsende des Substrats umfasst, die zweite Katalysatorschicht im Inneren der Trennwand angeordnet ist, und eine den zweiten Katalysator enthaltende Wand, umfassend die Trennwand und die zweite Katalysatorschicht, eine Porosität von 35 % oder mehr aufweist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei in einem Stromaufwärtsbereich eine mit dem ersten Katalysator beschichtete Wand, umfassend die Trennwand und die erste Katalysatorschicht, gasundurchlässig ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromaufwärtsbereich mit dem Stromabwärtsbereich überlappt.