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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Wandler der fest in einem Rohr aufgenommen ist, das ein Abgassystem für Abgas bildet.
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STAND DER TECHNIK
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In verschiedenen Industriezweigen werden auf globaler Ebene verschiedene Anstrengungen unternommen, um Auswirkungen auf die Umwelt und Umweltbelastungen zu verringern. Insbesondere ist in der Automobilbranche die Entwicklung von Technologien für die Verbreitung nicht nur von Fahrzeugen mit Benzinmotor mit überragender Kraftstoffeffizienz sondern auch von so-genannten Öko-Autos wie Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen, und zur weiteren Verbesserung der Leistung der Fahrzeuge vorangeschritten.
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Dabei ist grundsätzlich, in einem Abgassystem für Abgas, das eine Fahrzeugmaschine und einen Schalldämpfer miteinander verbindet, ein katalytischer Wandler zum Reinigen von Abgas vorgesehen,
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Die Maschine kann umweltschädliche Substanzen wie CO, NOx, oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) oder VOC ausstoßen. Um derart schädliche Substanzen in umweltverträgliche Substanzen umzuwandeln, sind Katalysatorschichten, die aus einem Edelmetallkatalysator wie Palladium oder Platin bestehen, an Zellwandflächen eines Substrats ausgebildet, das viele Zellen hat. Genauer gesagt sind die Katalysatorschichten auf den Zellwandflächen der vielen Zellen in eine Längsrichtung des Substrats ausgebildet, die eine Richtung darstellt, in welche das Abgas strömt. Wenn das Abgas durch einen katalytischen Wandler mit einem derartigen Substrat strömt, das wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, wird CO in CO2 umgewandelt, NOx in N2 und O2 umgewandelt und VOC verbrannt, um CO2 und H2O zu erzeugen.
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Jedoch wird als Substrat mit den Zellen, die beispielsweise einen wabenförmigen Aufbau haben, üblicherweise ein katalytischer Wandler mit einer einheitlichen Zelldichte des Substrats verwendet. Da jedoch die Abgasdurchflussmenge bzw. -geschwindigkeit in einem Mittelbereich eines Querschnitts des Substrats höher ist, als die in einem Peripheriebereich desselben besteht das Problem, dass die Katalysatorschichten des gesamten Substrats nicht ausreichend genutzt werden können. Daher kann, durch Verwenden eines katalytischen Wandlers, in welchem unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Variation bzw. Schwankung der Abgasdurchflussmenge bzw. -geschwindigkeit eine Zelldichte in einem Mittelbereich eines Substrats höher ist als die eines Peripheriebereichs desselben, eine Abweichung oder Schwankung der Durchflussmenge im Querschnitt eines Substrats möglichst stark verringert werden. Somit können Katalysatorschichten des gesamten katalytischen Wandlers effektiv zur Reinigung von Abgas genutzt werden.
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Hierzu offenbart die
JP 2002 -
177 794 A eine Technologie zum Verbessern der Abgasreinigungsleistung indem sich die Menge eines Edelmetallkatalysators, die beispielsweise in einem Mittelbereich (hier: mittlerer Abschnitt) eines Substrats mit einem wabenförmigen Aufbau, bei welchem die Zelldichte im gesamten katalytischen Wandler (hier: Katalysatorkorpus) einheitlich ist, getragen ist, von der unterscheidet, die in einem Peripheriebereich (hier: peripherer Abschnitt) getragen ist. Genauer gesagt ist bei dem Katalysatorkorpus die Menge des Katalysators pro Volumeneinheit, die im Mittelabschnitt getragen wird, bei dem eine große Menge Abgas strömt, um das 1,1-fache oder mehr größer eingestellt, als die im peripheren Abschnitt. Jedoch ist bei dieser Technologie die Zelldichte des gesamten Katalysators einheitlich und es ist somit schwierig, eine hohe Abgasreinigungsleistung zu erwarten. Zudem wohnt dieser Technologie das Problem inne, dass, wenn die Menge des Edelmetallkatalysators ansteigt, eine große Menge an Schwefelwasserstoff, der einen Geruch während der Abgasreinigung verursacht, erzeugt wird. Eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, aufweisend einen katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorkörper, und einem Zulaufrohr, in dem ein Drallerzeuger angeordnet ist, der einen zentralen Strömungsweg frei lässt, ist zudem aus der
DE 102 01 042 A1 bekannt. Hierbei hat der Katalysatorkörper - in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich, wobei die Zelldichte der Strömungskanäle in dem Innenbereich größer als in dem Außenbereich ist.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung wurde ausgehend von den vorstehend beschriebenen Problemen gemacht und es ist Aufgabe der Erfindung, einen katalytischen Wandler zu schaffen, in dem der gesamte Katalysator, der den katalytischen Wandler bildet, effektiv zum Reinigen von Abgas genutzt werden kann und der Ausstoß von Schwefelwasserstoff unterdrückt werden kann.
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Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein katalytischer Wandler mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2 geschaffen.
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Der katalytische Wandler weist dabei auf: Katalysatorschichten aus einem Edelmetallkatalysator, die an Zellwandflächen eines Substrats ausgebildet sind, das eine Zellstruktur in einer Längsrichtung des Substrats hat, in welche Gas strömt, wobei das Substrat einen Mittelbereich mit einer relativ hohen Zelldichte und einen Peripheriebereich mit einer relativ niedrigen Zelldichte hat, und wobei Längen der Katalysatorschichten des Mittelbereichs und des Peripheriebereichs in Längsrichtung zueinander gleich sind oder die Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs in Längsrichtung kürzer ist, als die der Katalysatorschicht des Mittelbereichs.
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Im katalytischen Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Substrat, das beispielsweise viele Zellen hat, einen Mittelbereich und einen Peripheriebereich, die unterschiedliche Zelldichten aufweisen, wobei die Zelldichte des Mittelbereichs relativ hoch ist. Als Ergebnis kann eine Differenz zwischen Abgasdurchflussmengen im Mittelbereich und im Peripheriebereich im Vergleich zu einem Fall verringert werden, bei dem das Substrat einen einheitliche Zelldichte hat, und der gesamte Katalysator, der den katalytischen Wandler bildet, kann effektiv zur Reinigung von Abgas verwendet werden. Zudem sind die Längen der Katalysatorschichten des Mittelbereichs und des Peripheriebereichs in Längsrichtung (die Länge in die Richtung, in welche das Abgas durch das Innere des Substrats strömt) zueinander gleich, oder die Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs in Längsrichtung ist kürzer, als die der Katalysatorschicht des Mittelbereichs. Infolge dessen können eine überragende Abgasreinigungsleistung und ein starker Effekt zur Unterdrückung von Schwefelwasserstoffen erwartet werden.
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Der Grund hierfür ist wie folgt. In einer Querschnittansicht entlang eines Querschnitts in Längsrichtung eines Substrats ist, bei einem Substrat das eine relativ hohe Zelldichte in seinem Mittelbereich aufweist, die Abgasmenge, die zu einem Peripheriebereich strömt, der eine relativ niedrige Zelldichte aufweist, größer als bei einem Substrat mit einer einheitlichen Zelldichte pro Volumeneinheit. Bezüglich der Längen der an den Zellwandflächen in Längsrichtung des Substrats ausgebildeten Katalysatorschichten (die Längen der Katalysatorschichten haben verschiedene Verhältnisse zur Länge des Substrats in Längsrichtung) ist, wenn die Katalysatorschichten eines Substrats mit unterschiedlichen Zelldichten mit Katalysatorschichten eines Substrats aus dem Stand der Technik mit einheitlicher Zelldichte im gesamten Substrat verglichen werden, die Abgasmenge (Menge an zu reinigendem Abgas), die in den Peripheriebereich mit einer niedrigen Zelldichte strömt größer als die eines Substrats aus dem Stand der Technik mit einheitlicher Zelldichte. Daher kann keine ausreichende Reinigungsleistung erzielt werden. Durch Erzeugen unterschiedlicher Zelldichten zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich und Einstellen der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs in Längsrichtung derart, dass diese länger ist als die Katalysatorschicht des Mittelbereichs, kann der Kontaktbereich zwischen der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs und dem Abgas vergrößert werden und die Abgasreinigungsleistung kann verbessert werden.
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Jedoch verursacht ein Edelmetallkatalysator das Problem, dass Schwefelwasserstoff, der einen Geruch während der Abgasreinigung erzeugt, wahrscheinlich ausgestoßen wird. Daher wird, je länger die Längen der Katalysatorschichten sind, eine umso größere Menge an Schwefelwasserstoff ausgestoßen. Es wird also eine sich widersprechende Beziehung zwischen der Abgasreinigungsleistung und der Leistung zur Unterdrückung von Schwefelwasserstoffemissionen geschaffen.
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Um sowohl die Abgasreinigungsleistung wie auch die Leistung zur Unterdrückung von Schwefelwasserstoffemissionen zu erfüllen ist der katalytische Wandler der vorliegenden Erfindung derart ausgestaltet, dass die Längen der Katalysatorschichten des Mittelbereichs und des Peripheriebereichs in Längsrichtung zueinander gleich sind oder die Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs in Längsrichtung kürzer ist, als die der Katalysatorschicht des Mittelbereichs.
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Bei einer Ausführungsform der an den Zellwandflächen ausgebildeten Katalysatorschichten kann eine Konfiguration verwendet werden, bei der: eine Zwei-Schicht-Struktur mit einer unteren Schicht, die auf einer Seite der Zellwandflächen angeordnet ist, und einer oberen Schicht, die über der unteren Schicht angeordnet ist, zur Anwendung kommt; und jede Schicht aus einem, zwei oder mehr Elementen von Pd, Pt und Rh gebildet ist, die Edelmetallkatalysatoren darstellen.
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Als das zu verwendende Substrat mit einem Zellaufbau kann nicht nur ein Keramikmaterial wie Kordierit oder Siliziumkarbid, das aus einem Kompositoxid aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid besteht, verwendet werden, sondern auch ein anderes Material als das Keramikmaterial, beispielsweise ein metallisches Material. Zudem kann bei dieser Konfiguration ein sogenannter wabenförmiger Aufbau genutzt werden, der Zellen umfasst, die mehrere gitterartige Konturen, beispielsweise in rechteckiger, hexagonaler oder oktogonaler Form, haben.
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Zudem kann, hinsichtlich der Verhältnisse der Katalysatorschichten, der katalytische Wandler einen Aufbau haben, bei welchem ein Verhältnis der Länge der Katalysatorschicht des Mittelbereichs in Längsrichtung zu einer Länge des Substrats in Längsrichtung 70% bis 90% ist.
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Zudem kann, bei einer anderen Ausführungsform hinsichtlich der Verhältnisse der Katalysatorschichten, der katalytische Wandler einen Aufbau haben, bei dem das Verhältnis der Länge der Katalysatorschicht des Mittelbereichs in Längsrichtung zu einer Länge des Substrats in Längsrichtung 80% ist; und ein Verhältnis der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs in Längsrichtung zu der Länge des Substrats in Längsrichtung 50% bis 80% ist.
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Zudem wird eine Konfiguration bevorzugt, bei der die Zelldichte des Mittelbereichs in einem Bereich liegt, der um das ein- bis zweifache, oder weniger, größer ist als die Zelldichte des Peripheriebereichs.
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Die Gründe für das Einstellen der oberen und unteren Grenzen derart, dass diese in dem numerischen Wertebereich liegen, sind wie folgt: wenn das Verhältnis der Zelldichte einfach oder weniger ist, ist die Steuerung der Menge an Abgas, die in die Zellen jedes Bereichs strömt, aufgrund einer Differenz der Zelldichte zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich ungenügend; wenn das Verhältnis der Zelldichte das Zweifache übersteigt, wird die Menge an Abgas, die in den Peripheriebereich strömt, übermäßig groß, wodurch die Reinigungsleistung verschlechtert werden kann.
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Der katalytische Wandler der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise einen aus Kordierit bestehenden Wabenträger mit überragendem Wärme- und Stoßwiderstand, kann jedoch auch ein elektrisch beheizter katalytischer Wandler (EHC: elektrisch beheizter Wandler) sein. Bei einem elektrisch beheiztem katalytischen Wandler ist beispielsweise ein Paar Elektroden an einem wabenförmigen Katalysator angebracht, der wabenförmige Katalysator wird erhitzt, indem Strom durch die Elektroden geschickt wird, und die Aktivität des wabenförmigen Katalysators wird verbessert, um das durch diesen strömende Abgas zu entgiften. Durch Verwenden des elektrisch beheizten Katalysators in einem Abgassystem für Abgas, das eine Fahrzeugmaschine und einen Schalldämpfer miteinander verbindet, kann Abgas nicht nur bei Raumtemperatur sondern auch bei kalter Temperatur gereinigt werde, indem der Katalysator durch das elektrische Heizen aktiviert wird.
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Wie anhand der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, hat bei dem katalytischen Wandler der vorliegenden Erfindung das Substrat, das ein Bestandteil davon ist, einen Mittelbereich mit einer relativ hohen Zelldichte, und einen Peripheriebereich mit einer relativ niedrigen Zelldichte, und die Längen Katalysatorschichten des Mittelbereichs und des Peripheriebereichs in Längsrichtung sind zueinander gleich, oder die Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs in Längsrichtung ist kürzer, als die der Katalysatorschicht des Mittelbereichs. Infolge dessen kann ein katalytischer Wandler mit einer überragenden Abgasreinigungsleistung und Leistung zur Unterdrückung von Schwefelwasserstoff geschaffen werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines katalytischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2A zeigt eine schematische Ansicht die, in einem Peripheriebereich eines Substrats, die Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung desselben und die Längen von oberen und unteren Schichten einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung darstellt;
- 2B zeigt eine schematische Ansicht, die, in einem Mittelbereich des Substrats, die Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung und die Längen von oberen und unteren Schichten einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung darstellt;
- 3 zeigt einen Graph, der die Verteilung der Abgasdurchflussmenge eines Substrats mit einer einheitlichen Zelldichte und des Substrats mit unterschiedlichen Zelldichten im Mittelbereich und im Peripherieberiech darstellt;
- 4 zeigt einen Graph, der Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs (deren Verhältnis zur Länge des Substrats) und der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff, sowie Ergebnisse von Experimenten (Beispiele 1 bis 4 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3) bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs und der Emissionsmenge von NOx darstellt;
- 5 zeigt einen Graph, der Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs (deren Verhältnis zur Länge des Substrats) und der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff, sowie Ergebnisse von Experimenten (Beispiel 5 und Vergleichsbeispiele 1 und 4) bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs und der Emissionsmenge von NOx darstellt;
- 6 zeigt einen Graph, der Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs (deren Verhältnis zur Länge des Substrats) und der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff, sowie Ergebnisse von Experimenten (Beispiel 6 und Vergleichsbeispiele 1 und 5) bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs und der Emissionsmenge von NOx darstellt; und
- 7 zeigt einen Graph, der Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs (deren Verhältnis zur Länge des Substrats) und der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff, sowie Ergebnisse von Experimenten (Vergleichsbeispiele 1, 6 und 7) bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs und der Emissionsmenge von NOx darstellt.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines katalytischen Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben.
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Abgassystem für Abgas
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Zunächst wird kurz ein Abgassystem für Abgas beschrieben, in welchem der katalytische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Im Abgassystem für Abgas, bei welchem der katalytische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, sind eine Maschine, ein Drei-Wege-Katalysator, ein Nebenschalldämpfer sowie ein Hauptschalldämpfer in einem Systemrohr angeordnet und miteinander durch dieses verbunden, und Abgas, das von der Maschine erzeugt wird, strömt durch jede Einheit durch das Systemrohr und wird ausgestoßen. Nachfolgend wird die Ausführungsform des katalytischen Wandlers beschrieben.
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Ausführungsform des katalytischen Wandlers
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1 ist eine schematische Darstellung, welche die Ausführungsform des katalytischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 2A ist eine schematische Darstellung, die in einem Peripheriebereich eines Substrats die Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung desselben und die Längen von oberen und unteren Schichten einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung darstellt, und 2B ist eine schematische Ansicht die in einem Mittelbereich des Substrats die Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung und die Längen von oberen und unteren Schichten einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung darstellt. Zudem zeigt 3 einen Graph, der die Verteilung der Abgasdurchflussmenge eines Substrats mit einer einheitlichen Zelldichte und des Substrats mit unterschiedlichen Zelldichten im Mittelbereich und Peripheriebereich darstellt.
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Kurz gesprochen umfasst ein katalytischer Wandler 10 aus 1: ein zylindrisches Substrat 1 mit mehreren Zellen; und Katalysatorschichten mit einer Zwei-Schicht-Struktur, die an Zellwandflächen ausgebildet sind, welche die Zellen bilden.
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Beispiele für ein Material des Substrats 1 umfassen ein Keramikmaterial wie Kordierit oder Siliziumkarbid, das aus einem Kompositoxid aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid gebildet ist, sowie ein anderes Material als das Keramikmaterial, beispielsweise ein metallisches Material. Zudem umfassen Beispiele eines Trägers, der die Katalysatorschichten bildet, die auf den Zellwandflächen des Substrats angeordnet sind Oxide mit zumindest einem porösen Oxid ausgewählt aus CeO2, ZrO2, und Al2O3 als Hauptbestandteil; einem Oxid ausgewählt aus Ceroxid (CeO2), Zirkonoxid (ZrO2) und Aluminiumoxid (Al2O3); und/oder einem Kompositoxid bestehend aus zwei oder mehr Oxiden ausgewählt aus roxid (CeO2), Zirkonoxid (ZrO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) (beispielsweise ein CeO2-ZrO2-Verbund, der ein CZ-Material darstellt, oder ein Al2O3-CeO2-ZrO2-Tertiärkompositoxid (ACZ-Material) in welchem Al2O3 als Diffusionsbarnere eingesetzt ist).
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Das Substrat 1 hat eine Wabenstruktur mit Zellen, die mehrere gitterartige Konturen haben, z.B. rechteckige, hexagonale oder oktagonale Formen und Abgas strömt durch das Innere einer jeden Zelle (X1-Richtung).
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Das Substrat 1 hat zwei Bereiche umfassend: einen Mittelbereich 1A mit einer relativ hohen Zelldichte; und einem Peripheriebereich 1B mit einer relativ niedrigen Zelldichte.
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Nachfolgend werden die Verteilungen der Abgasdurchflussmenge Bezug nehmend auf 3 beschrieben. Bei den in 3 gezeigten Verteilungen der Abgasdurchflussmenge werden zwei Endpunkte eines Durchmessers der auf die Mitte 0 eines Querschnittskreises des Substrats zentriert ist als -1 und 1 eingestellt, und Zwischenpositionen zwischen diesen werden als Verhältnisse bezüglich eines Radius abgebildet. Die Abgasdurchflussmenge an jeder Stelle wird als Verhältnis bezüglich der Durchflussmenge in der Mitte eines Substrats eines katalytischen Wandlers mit einer einheitlichen Zelldichte des Substrats dargestellt.
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Im katalytischen Wandler mit einer einheitlichen Zelldichte des Substrats ist, wie durch die gestrichelte Linie in 3 dargestellt, die Abgasdurchflussmenge des Mittelbereichs des Querschnitts des Substrats deutlich höher als die des Peripheriebereichs desselben. Daher besteht das Problem, dass es schwierig ist, ausreichend die Katalysatorschichten des gesamten Substrats zu nutzen. Dagegen kann, bei dem katalytischen Wandler 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, durch Ausbilden des Substrats 1 unter Verwendung zweier Bereiche mit unterschiedlichen Zelldichten und Einstellen der Zelldichte des Peripheriebereichs 1B auf einen relativ niedrigen Wert, wie durch die durchgezogene Linie in der gleichen Zeichnung dargestellt ist, eine Differenz der Durchflussmenge zwischen dem Mittelbereich 1A und dem Peripheriebereich 1B des Substrats deutlich verringert werden und alle Katalysatorschichten im katalytischen Wandler 10 können effektiv zur Reinigung des Abgases verwendet werden.
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Darüber hinaus variiert bei dem katalytischen Wandler 10 in den Zeichnungen die Länge der Katalysatorschicht, die an der Zellwandfläche eines jeden Bereichs ausgebildet ist, zwischen dem Peripheriebereich 1B und dem Mittelbereich 1A des Substrats 1.
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Hierbei hat eine Katalysatorschicht 2B, die auf einer Fläche einer Zellwandfläche 1Ba des Peripheriebereichs 1B ausgebildet ist, wie in 2A gezeigt, eine Zwei-Schicht-Struktur mit einer unteren Schicht 2Ba, die auf Seiten der Zellwandfläche 1Ba ausgebildet ist, und einer oberen Schicht 2Bb, die über der unteren Schicht 2Ba ausgebildet ist und direkt mit Abgas in Kontakt gelangt, wobei jede Schicht aus einem, zwei oder mehr Elementen ausgewählt aus Pd, Pt und Rh ausgebildet ist, die Edelmetallkatalysatoren darstellen. In gleicher Weise hat eine Katalysatorschicht 2A, die auf einer Fläche einer Zellwandfläche 1Aa des Mittelbereichs 1A ausgebildet ist, wie in 2B gezeigt, eine Zwei-Schicht-Struktur mit einer unteren Schicht 2Aa, die auf Seiten der Zellwandfläche 1Aa ausgebildet ist, und einer oberen Schicht 2Ab, die über der unteren Schicht 2Aa angeordnet ist, wobei jede Schicht aus einem, zwei oder mehr Elementen ausgewählt aus Pd, Pt und Rh ausgebildet ist, die Edelmetallkatalysatoren darstellen.
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Wenn die Länge des Substrats 1 in Längsrichtung (die Länge in die Richtung, in welche das Abgas strömt) durch t1 dargestellt ist, sind die Längen der Zellwandflächen 1Aa und 1Ba t1 und die Längen der oberen Schichten 2Ab, 2Bb der Katalysatorschichten 2A, 2B sind t1. Dagegen sind die Längen der unteren Schichten 2Aa, 2Ba der Katalysatorschichten 2A, 2B jeweils t3 und t2. Es gilt eine Beziehung t1 > t3 > t2.
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Auf diese Weise kann, durch Erzeugen einer Differenz der Zelldichte zwischen dem Mittelbereich 1A und dem Peripheriebereich 1B und Einstellen der Länge der (unteren Schicht 2Ba der) Katalysatorschicht 2B des Peripheriebereichs 1B in Längsrichtung derart, dass sie kürzer ist als die der (unteren Schicht 2Aa der) Katalysatorschicht 2A des Mittelbereichs 1A eine überragende Abgasreinigungsleistung sowie ein hoher Effekt zur Unterdrückung von Schwefelwasserstoffen mittels des katalytischen Wandlers 10 erzielt werden.
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Darüber hinaus ist hinsichtlich der Zelldichte bevorzugt, dass die Zelldichte des Mittelbereichs 1A derart eingestellt ist, dass sie in einem Bereich liegt, der um das ein- oder zweifache, oder weniger, größer ist als die Zelldichte des Peripheriebereichs 1B. Die Gründe für das Einstellen der oberen und unteren Grenzen derart, dass sie in diesem nummerischen Wertebereich liegen, sind wie folgt: wenn das Verhältnis der Zelldichte ein 1-faches oder weniger ist, ist die Steuerung der Menge des Abgases, das in die Zellen eines jeden Bereichs strömt, aufgrund einer Differenz der Zelldichte zwischen dem Mittelbereich 1A und dem Peripheriebereich 1B ungenügend; wenn das Verhältnis der Zelldichte das 2-fache übersteigt, ist die Menge des Abgases das in dem Peripheriebereich 1B strömt übermäßig groß, was die Abgasreinigungsleistung verschlechtert.
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Anstelle der in dem Beispiel der Zeichnungen gezeigten Zwei-Schicht-Struktur können die Katalysatorschichten beispielsweise eine Konfiguration mit einer Ein-Schicht-Struktur oder eine Konfiguration mit einer Drei-Schicht-Struktur aufweisen.
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Experiment bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs (deren Verhältnis zur Länge des Substrats) und der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff, Experiment bezüglich der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs und der Emissionsmenge von NOx, sowie Ergebnisse der Experimente
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Die Erfinder haben wabenförmige Substrate für Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 bis 7 vorbereitet, Experimente zum Messen der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff beim Variieren der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs (des Verhältnisses derselben zur Länge des Substrats) durchgeführt und Experimente zum Messen der Emissionsmenge von NOx beim Variieren der Länge der Katalysatorschicht des Peripheriebereichs durchgeführt.
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Beispiel 1
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Ein wabenförmig ausgebildetes Substrat aus Kordierit wurde durch Extrusion ausgebildet und eine Differenz in der Zelldichte wurde zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich erzeugt. Hinsichtlich der Größe des wabenförmigen Aufbaus war der Durchmesser eines kreisförmigen Querschnitts senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Abgases φ = 103 mm und die Länge t1 in Längsrichtung desselben war 105 mm. Die Zelldichte eines Peripheriebereichs mit einer relativ niedrigen Zelldichte war 400 cpsi (62 Zellen/cm2), die Zelldichte eines Mittelbereichs mit einer relativ hohen Zelldichte war 600 cpsi (93 Zellen/cm2), eine Wechsellinie zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich war an einer Stelle von φ = 70 mm und eine Gitterform der Zellen war rechteckig. Darüber hinaus hatten die Katalysatorschichten eine Zwei-Schicht-Struktur, die Trägermengen der unteren Schichten als Pt-geträgerte Schichten war 0,7 g/L und die Trägermenge der oberen Schichten als Rh-geträgerte Schichten war 0,2 g/L. Bezüglich der Längen der Katalysatorschichten waren die Längen der oberen Schichten der Katalysatorschichten des Mittelbereichs und des Peripheriebereichs gleich der Länge des Substrats (das Verhältnis derselben zur Länge t1 des Substrats war 100%), und die Länge der unteren Schicht des Peripheriebereichs war 70% der Länge des Substrats und die Länge der unteren Schicht des Mittelbereichs war 80% der Länge des Substrats.
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Beispiel 2
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Beispiel 2 war gleich zum Beispiel 1 abgesehen davon, dass, bezüglich der Länge der Katalysatorschichten, die Länge der unteren Schicht des Peripheriebereichs 60% der Länge des Substrats war.
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Beispiel 3
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Beispiel 3 war gleich zu Beispiel 1 abgesehen davon, dass, bezüglich der Länge der Katalysatorschichten, die Länge der unteren Schicht des Peripheriebereichs 80% der Länge des Substrats war (dementsprechend die Längen der unteren Schichten der Katalysatorschichten des Peripheriebereichs und des Mittelbereichs zueinander gleich waren).
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Beispiel 4
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Beispiel 4 war gleich zu Beispiel 1 abgesehen davon, dass, bezüglich der Länge der Katalysatorschichten, die Länge der unteren Schicht des Peripheriebereichs 50% der Länge des Substrats war
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Vergleichsbeispiel 1
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Ein wabenförmig strukturiertes Substrat aus Kordierit wurde durch Extrusion ausgebildet und die Zelldichte im Querschnitt war einheitlich. Hinsichtlich der Größe des wabenförmigen Aufbaus war der Durchmesser eines kreisförmigen Querschnitts senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases φ = 103 mm und die Länge t1 desselben in Längsrichtung war 105 mm. Die Zelldichte war 400 cpsi (62 Zellen/cm2) und die Gitterform der Zellen war rechteckig. Darüber hinaus hatten die Katalysatorschichten eine Zwei-Schicht-Struktur und die Trägermengen der unteren Schichten als Pt-geträgerte Schichten war 0,7 g/L und die Trägermengen der oberen Schichten als Rh-geträgerte Schichten war 0,2 g/L. Bezüglich der Längen der Katalysatorschichten waren die Längen der oberen Schichten gleich (100%) den Länge des Substrats und die Längen der unteren Schichten waren 80% der Länge des Substrats.
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Vergleichsbeispiel 2
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Vergleichsbeispiel 2 war gleich zu Beispiel 1 abgesehen davon, dass, bezüglich der Länge der Katalysatorschichten, die Länge der unteren Schicht des Peripheriebereichs 90% der Länge des Substrats war.
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Vergleichsbeispiel 3
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Vergleichsbeispiel 3 war gleich zu Beispiel 1 abgesehen davon, dass, bezüglich der Länge der Katalysatorschichten, die Länge der unteren Schicht des Peripheriebereichs 100% der Länge des Substrats war.
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Zudem werden Details anderer Beispiele 5 und 6 und Vergleichsbeispiele 4 bis 7 in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt.
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Versuchsmethode
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Bei einem Bewertungstest der Reinigungsleistung wurde eine Maschine aus dem Stand der Technik verwendet, ein A/F-Verhältnis wurde von einer Magerseite (15,1) auf eine fette Seite (14,1) umgekehrt und die Maschine wurde in der fetten Atmosphäre gehalten. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Emissionsmenge von NOx gemessen. Wenn die Emissionsmenge des Vergleichsbeispiels 1 durch 100% dargestellt ist, werden die Verhältnisse der Emissionsmengen der anderen Proben hierzu erhalten.
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Bei einem Test zur Messung der Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff jedoch wurde ein Fahrzeug bei einer konstanten Geschwindigkeit von 40 km/h betrieben, um Schwefel zu absorbieren, und mit einer weit geöffneten Drosselklappe auf 100 km/h beschleunigt. Nach Erreichen der Geschwindigkeit von 100 km/h wurde die Drosselklappe geschlossen, um das Fahrzeug anzuhalten. Wenn ein Maschinenleerlaufzustand für eine vorgegebene Zeitspanne beibehalten wurde, wurde die Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff gemessen. Wenn die Emissionsmenge des Vergleichsbeispiels 1 durch 100% dargestellt ist, werden die Verhältnisse der Emissionsmenge der anderen Proben hierzu erhalten.
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Die Messergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 sowie in den
4 bis
7 dargestellt. [Tabelle 1]
| Probe | Zellaufbau (Ob die Zelldichten des Mittelbereichs und Peripheriebereichs zueinander gleich oder voneinander verschieden sind) | Länge der Katalysatorschicht des Bereichs mit hoher Zelldichte (Verhältnis (%) zur Länge des Substrats) | Länge der Katalysatorschicht des Bereichs mit niedriger Zelldichte (Verhältnis (%) zur Länge des Substrats) | Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff (Verhältnis (%) zum Vergleichsbeispiel 1) | Emissionsmenge von NOx (Verhältnis (%) zum Vergleichsbeispiel 1) |
| Beispiel 1 | Verschieden | 80 | 70 | 96,8 | 93,4 |
| Beispiel 2 | Verschieden | 80 | 60 | 94,1 | 97,1 |
| Beispiel 3 | Verschieden | 80 | 80 | 99,6 | 89,7 |
| Beispiel 4 | Verschieden | 80 | 50 | 91,4 | 100,8 |
| Vergleichsbeispiel 1 | Gleich | 80 | 80 | 100 | 100 |
| Vergleichsbeispiel 2 | Verschieden | 80 | 90 | 102,3 | 86,0 |
| Vergleichsbeispiel 3 | Verschieden | 80 | 100 | 105,0 | 82,3 |
[Tabelle 2]
| Probe | Zellaufbau (Ob die Zelldichten des Mittelbereichs und Peripheriebereichs zueinander gleich oder voneinander verschieden sind) | Länge der Katalysatorschicht des Bereichs mit hoher Zelldichte (Verhältnis (%) zur Länge des Substrats) | Länge der Katalysatorschicht des Bereichs mit niedriger Zelldichte (Verhältnis (%) zur Länge des Substrats) | Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff (Verhältnis (%) zum Vergleichsbeispiel 1) | Emissionsmenge von NOx (Verhältnis (%) zum Vergleichsbeispiel 1) |
| Vergleichsbeispiel 4 | Verschieden | 90 | 80 | 102,7 | 86,8 |
| Beispiel 5 | Verschieden | 90 | 60 | 96,6 | 92,2 |
| Beispiel 6 | Verschieden | 70 | 70 | 93,4 | 97,3 |
| Vergleichsbeispiel 5 | Verschieden | 70 | 50 | 87,3 | 105,5 |
| Vergleichsbeispiel 6 | Verschieden | 60 | 90 | 96,4 | 94,8 |
| Vergleichsbeispiel 7 | Verschieden | 60 | 60 | 87,2 | 106,8 |
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Aus Tabelle 1 und 4 werden die folgenden Ergebnisse erhalten: in den Beispielen 1 bis 4 wurde die Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff verglichen zu Vergleichsbeispiel 1 verringert; und in den Beispielen 1 bis 3 wurde die Emissionsmenge von NOx ebenfalls verringert und sowohl ein die Emission von Schwefelwasserstoff unterdrückender Effekt wie auch ein Abgasreinigungseffekt wurden erfüllt.
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Zudem wurde anhand der 5 und 6 festgestellt, dass in effektiven Bereichen der Zeichnungen die Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff und die Emissionsmenge von NOx der Beispiele 5 und 6 verglichen zum Vergleichsbeispiel 1 verringert werden konnte.
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Aus 7 wurde ferner festgestellt, dass, wenn die Länge der Katalysatorschicht des Mittelbereichs 60% war, es keinen Bereich gab, in welchem sowohl die Emissionsmenge von Schwefelwasserstoff als auch die Emissionsmenge von NOx im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 verringert werden konnten.
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Anhand der 4 bis 7 wurde festgestellt, dass der Verhältnisbereich der Länge der Katalysatorschicht des Mittelbereichs vom Substrat zwischen 70% bis 90% definiert werden konnte, in welchem das Beispiel dem Vergleichsbeispiel 1 überlegen war.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 1A
- Mittelbereich
- 1Aa
- Zellwandfläche
- 1B
- Peripheriebereich
- 1Ba
- Zellwandfläche
- 2A
- Katalysatorschicht (Katalysatorschicht im Mittelbereich)
- 2Aa
- untere Schicht
- 2Ab
- obere Schicht
- 2B
- Katalysatorschicht (Katalysatorschicht im Peripheriebereich)
- 2Ba
- untere Schicht
- 2Bb
- obere Schicht
- 10
- katalytischer Wandler
