DE112013006490B4

DE112013006490B4 - Katalytischer Wandler

Info

Publication number: DE112013006490B4
Application number: DE112013006490.1T
Authority: DE
Inventors: Yuki Aoki; Hiromasa Suzuki; Hiroyuki Matsubara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: WO2014115419A1; JP5757297B2; BR112015017327A2; BR112015017327B1; CN104936694B; US20150352524A1; US10071365B2; JP2014140811A; CN104936694A; DE112013006490T5; ZA201505289B

Abstract

Katalytischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist:
ein Substrat (1), das eine Zellstruktur hat und ausgestaltet ist, um ein Hindurchströmen von Gas durch das Substrat zu ermöglichen; und
eine Katalysatorschicht, die aus einem Edelmetallkatalysator besteht und an einer Zellwandfläche des Substrats ausgebildet ist, wobei die Katalysatorschicht in eine Längsrichtung des Substrats verläuft, entlang der das Gas strömt, wobei:
das Substrat einen Mittelbereich (1A) und einen Peripheriebereich (1B) hat, und der Mittelbereich eine höhere Zelldichte als der Peripheriebereich hat;
die Katalysatorschicht eine erste Katalysatorschicht (2A), die in dem Mittelbereich ausgebildet ist, und eine zweite Katalysatorschicht (2B), die in dem Peripheriebereich ausgebildet ist, umfasst; und
eine Länge der zweiten Katalysatorschicht in Längsrichtung größer ist als eine Länge der ersten Katalysatorschicht in Längsrichtung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Wandler der fest in einem Rohr aufgenommen ist, das ein Abgassystem für Abgas bildet.
STAND DER TECHNIK
In verschiedenen Industriezweigen werden auf globaler Ebene verschiedene Anstrengungen unternommen, um Auswirkungen auf die Umwelt und Umweltbelastungen zu verringern. Insbesondere wird in der Automobilbranche die weit verteilte Verwendung von nicht nur Benzinmotorfahrzeugen mit einer hohen Kraftstoffeffizienzleistung sondern auch so-genannten öko-freundlichen Fahrzeugen wie Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen gefördert, und die Entwicklung zur weiteren Verbesserung der Leistung derartiger Fahrzeuge schreitet Tag für Tag voran.
Ein Abgassystem für Abgas, das eine Fahrzeugmaschine und einen Schalldämpfer miteinander verbindet, hat üblicherweise einen katalytischen Wandler zum Reinigen des Abgases.
Eine Maschine kann Substanzen ausstoßen, welche für die Umwelt schädlich sind, beispielsweise CO, NO_x, unverbrannter Kohlenwasserstoff (HC) und VOC. Um derartig giftige Substanzen in akzeptable Substanzen umzuwandeln, ist eine Katalysatorschicht aus einem Edelmetallkatalysator wie Palladium oder Platin an jeder von Zellwandflächen einer großen Anzahl von Zellen ausgebildet, die in einem Substrat enthalten sind. Genauer gesagt ist die Katalysatorschicht auf jeder der Zellwandflächen einer großen Anzahl von Zellen derart ausgebildet, dass sie in Längsrichtung des Substrats verläuft, die eine Richtung darstellt, entlang welcher 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, NO_x in N₂ und O₂ umgewandelt und VOC verbrannt um CO₂ und H₂O zu erzeugen.
In herkömmlich verwendeten katalytischen Wandlern ist die Zelldichte in einem Substrat, das beispielsweise einen wabenförmigen Aufbau hat, einheitlich. Derartige katalytische Wandler haben das Problem, dass es schwierig ist, die Katalysatorschichten des gesamten Substrats vollständig zu verwenden, da die Abgasströmungsgeschwindigkeit im Mittelbereich in einem Querschnitt des Substrats höher ist, als in einem Peripheriebereich im Querschnitt des Substrats. Wenn ein katalytischer Wandler, in dem die Zelldichte in einem Mittelbereich eines Substrats höher ist als in einem Peripheriebereich des Substrats unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Verteilung der Abgasströmungsgeschwindigkeit angeordnet wird, ist es möglich, eine Variation bzw. Schwankung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in einem Querschnitt des Substrats zu minimieren. Dies ermöglicht es, effektiv die Katalysatorschichten des gesamten katalytischen Wandlers zu verwenden, um das Abgas zu reinigen.
Die Patentliteratur 1 offenbart eine Technologie zum Verbessern der Abgasreinigungsleistung. Gemäß dieser Technologie wird, in einem Substrat eines katalytischen Wandlers (in diesem Fall eines Katalysatorkorpus) der beispielsweise eine wabenförmige Struktur hat, in der die Zelldichte als Ganzes einheitlich ist, die Menge der in einem Mittelbereich (in diesem Fall einem mittleren Abschnitt) des Substrats geträgerten Edelmetallkatalysatoren verschieden zu der Menge der Edelmetallkatalysatoren, die in einem Peripheriebereich (in diesem Fall einem äußeren Peripherieabschnitt) geträgert sind, ausgebildet. Genauer gesagt ist bei dem Katalysatorkorpus die Menge des Katalysators pro Volumeneinheit, die im Mittelabschnitt getragen wird, in welchem eine große Gasmenge strömt, zumindest um das 1,1-fache höher als die Menge des Katalysators pro Volumeneinheit die im äußeren Peripherieabschnitt getragen wird. Bei dieser Technologie jedoch ist die Zelldichte im gesamten Katalysator einheitlich, so dass keine hohe Abgasreinigungsleistung erwartet werden kann. Weiterer relevanter Stand der Technik ist in den Druckschriften JP 2010-005590 A , JP 2012-152702 A , DE 199 38 038 A1 , DE 102 01 042 A1 , WO 2009/016006 A1 und US 2007/0196248 A1 offenbart.
DRUCKSCHRIFTEN
Patentliteratur
PTL 1-3: japanische Offenlegungsschriften Nr. JP 2002-177794 A , JP 2010-005590 A und JP 2012-152702 A PTL 4: DE 199 38 038 A1 PTL 5: DE 102 01 042 A1 PTL 6: WO 2009/016006 A1 PTL 7: US 2007/0196248 A1
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von den vorstehend beschriebenen Problemen gemacht und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen katalytischen Wandler zu schaffen, der eine hohe Abgasreinigungsleistung bietet, indem er effektiv einen gesamten Katalysator ausnutzt, der den katalytischen Wandler bildet.
Lösung des Problems
Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen ist ein katalytischer Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung ein katalytischer Wandler, in dem Katalysatorschichten aus einem Edelmetallkatalysator an Zellwandflächen eines Substrats, das eine Zellstruktur hat, ausgebildet sind, wobei die Katalysatorschichten in eine Längsrichtung des Substrats verlaufen, entlang welcher Gas strömt, wobei das Substrat einen Mittelbereich mit einer relativ hohen Zelldichte und einen Peripheriebereich mit einer relativ niedrigen Zelldichte hat, und die Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Peripheriebereich länger ist, als die Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Mittelbereich.
In dem katalytischen Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Substrat mit einer großen Anzahl von Zellen den Mittelbereich und den Peripheriebereich, deren Zelldichte sich voneinander unterscheidet, wobei die Zelldichte im Mittelbereich relativ hoch eingestellt ist. Daher ist die Differenz der Abgasströmungsgeschwindigkeit zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich kleiner als bei einem Substrat mit einer einheitlichen Zelldichte. Dies ermöglicht es, effektiv den gesamten Katalysator auszunutzen, der den katalytischen Wandler bildet, um Abgas zu reinigen. Ferner ist die Länge (die Länge in eine Richtung, entlang der das Abgas im Substrat strömt) einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Peripheriebereich länger als die Länge einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Mittelbereich. Daher wird von dem katalytische Wandler daher vorteilhafte Abgasreinigungsleistung erwartet.
Der Grund hierfür wird nachfolgend beschrieben. Bei dem Substrat, in welchem die Zelldichte im Mittelbereich relativ hoch in einer vertikalen Schnittansicht ist, die durch Schneiden des Substrats entlang der Längsrichtung des Substrats erhalten wird, ist die Menge des Abgases, das in den Peripheriebereich strömt, der eine relativ niedrige Zelldichte hat, größer als bei dem Substrat das eine einheitliche Zelldichte pro Volumeneinheit hat. Hinsichtlich der Längen der an den Zellwandflächen in Längsrichtung des Substrats ausgebildeten Katalysatorschichten (das Verhältnis der Länge der Katalysatorschicht in Längsrichtung zur Länge der Katalysatorschicht in Längsrichtung ist auf verschiedene Verhältnisse eingestellt) kann, wenn die Katalysatorschichten des herkömmlichen Substrats mit der einheitlichen Zelldichte im gesamten Substrat als Katalysatorschichten des Substrats verwendet werden, in welchem die Zelldichte variiert wird, keine ausreichende Reinigungsleistung erhalten werden, da die Menge des Abgases (Abgas das gereinigt werden soll), das in den Peripheriebereich mit der niedrigen Zelldichte strömt, größer ist als beim Substrat mit der einheitlichen Zelldichte. Daher sind die Zelldichte im Mittelbereich und die Zelldichte im Peripheriebereich verschieden voneinander eingestellt und die Länge einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Peripheriebereich ist länger eingestellt als die Länge einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Mittelbereich. Die Kontaktfläche zwischen den Katalysatorschichten und dem Abgas im Peripheriebereich wird somit erhöht. Als Ergebnis wird die Abgasreinigungsleistung verbessert.
Als eine Ausführungsform der Katalysatorschicht, die an der Zellwandfläche ausgebildet ist, kann eine Ausführungsform verwendet werden, bei welcher die Katalysatorschicht eine Zwei-Schicht-Struktur hat, die aus einer unteren Schicht besteht, die auf die Zellwandfläche aufgebracht ist, sowie einer oberen Schicht, die auf die untere Schicht aufgebracht ist, wobei jede der Schichten aus einem, zwei oder mehr Elementen ausgewählt aus Pd, Pt und Rh besteht, die Edelmetallkatalysatoren darstellen.
Als das zu verwendende Substrat mit einem Zellaufbau können Substrate aus keramischen Materialien wie Kordierit, das aus einem Kompositoxid aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid besteht, und Siliziumkarbid sowie Substrate, die aus anderen Materialien als keramischen Materialien ausgebildet sind, beispielsweise metallischen Materialien, verwendet werden. Das Substrat kann einen wabenförmigen Aufbau mit einer großen Anzahl von Zellen haben, die eine Kontur eines rechteckigen Gitters, eines hexagonalen Gitters, eines oktagonalen Gitters, oder dergleichen haben.
Im katalytischen Wandler ist, hinsichtlich eines Verhältnisses einer jeden Katalysatorschicht, ein Verhältnis der Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Mittelbereich zu einer Länge des Substrats in Längsrichtung vorzugsweise gleich oder größer als 65%.
Die Erfinder haben bestätigt, dass, wenn das Verhältnis der Länge einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Mittelbereich zur Länge des Substrats in Längsrichtung gleich oder größer als 65% ist, eine hohe Leistung erzielt wird.
Im katalytischen Wandler ist ein Verhältnis der Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Mittelbereich zur Länge des Substrats in Längsrichtung vorzugsweise 80%, und ein Verhältnis der Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Peripheriebereich zur Länge des Substrats in Längsrichtung ist vorzugsweise 85% bis 100%.
Die Erfinder haben bestätigt, dass, wenn das vorstehend beschriebene Verhältnis der Länge einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Mittelbereich und das Verhältnis der Länge einer jeden Katalysatorschicht in Längsrichtung im Peripheriebereich verwendet werden, eine hohe Leistung erzielt wird.
Zudem ist ein Verhältnis der Zelldichte im Mittelbereich zur Zelldichte im Peripheriebereich vorzugsweise in einem Bereich von 1:1 bis 2:1, wobei 1:1 aus dem Bereich ausgeschlossen ist und 2:1 im Bereich enthalten ist.
Die Erfinder haben bestätigt, dass, wenn das Verhältnis der Zelldichte im Bereich von 1:1 bis 2:1 liegt, wobei 1:1 aus dem Bereich ausgeschlossen und 2:1 im Bereich enthalten ist, die Leistung höher ist als bei einem Beispiel, bei dem die Länge einer jeden Katalysatorschicht auf 80% im Mittelbereich und Peripheriebereich eingestellt ist und die Zelldichte nicht variiert wird. Somit wird bei dem katalytischen Wandler einer bevorzugten Ausführungsform das Verhältnis der Zelldichte im Mittelbereich zur Zelldichte im Peripheriebereich auf in den Bereich von 1:1 bis 2:1 liegend eingestellt, wobei 1:1 aus dem Bereich ausgeschlossen und 2:1 in dem Bereich enthalten ist.
Wenn das Verhältnis der Zelldichte gleich oder niedriger als 1:1 ist, kann die Steuerung der Abgasmenge, die in jeden Bereich strömt, die basierend auf der Differenz der Zelldichte zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich ausgeführt wird, nicht ausreichend wirksam sein. Wenn dagegen das Verhältnis der Zelldichte 2:1 übersteigt, kann die Abgasmenge, die in den Peripheriebereich strömt, übermäßig groß werden, so dass die Reinigungsleistung abnimmt. Dies sind Gründe für das Einstellen der oberen und unteren Grenzen auf die vorstehend genannten nummerischen Werte.
Der katalytische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise einen aus Kordierit bestehenden Wabenträger mit einer hohen Wärme- und Stoßwiderstandsfähigkeit. Alternativ kann der katalytische Wandler ein elektrisch beheizter katalytischer Wandler sein (EHC). Der elektrisch beheizte katalytische Wandler wird beispielsweise durch Montieren eines Paars Elektroden an einen wabenförmigen Katalysator erhalten. Wenn die Elektroden bestromt werden, wird der wabenförmige Katalysator aufgeheizt, die Aktivität des wabenförmigen Katalysators wird erhöht und das Abgas, das durch den katalytischen Wandler strömt, wird auf diese Weise in harmloses Gas umgewandelt. Wenn ein derartiger katalytischer Wandler bei einem Abgassystem für Abgas verwendet wird, das eine Fahrzeugmaschine und einen Schalldämpfer miteinander verbindet, wird das Abgas bei Raumtemperatur gereinigt und durch Aktivieren des Katalysators durch das elektrische Heizen gereinigt, wenn das Abgas kalt ist.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Wie anhand der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, hat bei dem katalytischen Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung das Substrat, das ein Bestandteil des katalytischen Wandler ist, einen Mittelbereich mit einer relativ hohen Zelldichte, und einen Peripheriebereich mit einer relativ niedrigen Zelldichte, und die Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Peripheriebereich ist größer als die Länge einer jeden der Katalysatorschichten in Längsrichtung im Mittelbereich. Somit wird ein katalytischer Wandler mit einer hohen Abgasreinigungsleistung geschaffen.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines katalytischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2(a) zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung und der Längen einer oberen Schicht und einer unteren Schicht einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung im Peripheriebereich eines Substrats, und 2(b) zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung und der Länge einer oberen Schicht und einer unteren Schicht einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung im Mittelbereich des Substrats;
3 zeigt einen Graph, der eine Verteilung einer Abgasströmungsgeschwindigkeit in einem Substrat mit einer einheitlichen Zelldichte und eine Verteilung einer Abgasströmungsgeschwindigkeit in einem Substrat, in welchem ein Mittelbereich und ein Peripheriebereich voneinander unterschiedliche Zelldichten haben, zeigt;
4 ist ein Graph, der Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Temperatur darstellt, bei welcher die NO_x-Entfernungsrate in den Beispielen und Vergleichsbeispielen 50% erreicht.
5 ist ein Graph, der durch Umwandeln der Ergebnisse der Experimente bezüglich der Temperatur, bei der die NO_x-Entfernungsrate bei den in 4 gezeigten Beispielen und Vergleichsbeispielen 50% erreicht, in Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Länge einer Katalysatorschicht in einem Peripheriebereich (ein Verhältnis bezüglich der Länge eines Substrats) und der Temperatur bei welcher die NO_x-Entfernungsrate 50% erreicht, erhalten wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird ein katalytischer Wandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnung beschrieben.
Abgassystem für Abgas
Zunächst wird ein Abgassystem für Abgas, das den katalytischen Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, beschrieben. Im Abgassystem für Abgas, bei dem der katalytische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sind eine Maschine, der katalytische Wandler, ein Drei-Wege-Katalysator, ein Nebenschalldämpfer und ein Hauptschalldämpfer miteinander in einer Systemleitung angeordnet und über diese miteinander verbunden. Das durch die Maschine erzeugte Abgas strömt über die Systemleitung durch diese Bestandteile und wird dann ausgestoßen. Nachfolgend wird der katalytische Wandler gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Katalytischer Wandler gemäß der Ausführungsform
1 ist eine schematische Ansicht, die den katalytischen Wandler gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 2(a) ist eine schematische Ansicht, zur Veranschaulichung der Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung und der Längen einer oberen Schicht und einer unteren Schicht einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung in einem Peripheriebereich eines Substrats, und 2(b) zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Länge einer Zellwandfläche in Längsrichtung und der Länge einer oberen Schicht und einer unteren Schicht einer Katalysatorschicht mit einer Zwei-Schicht-Struktur in Längsrichtung im Mittelbereich des Substrats. 3 ist ein Graph, der eine Verteilung einer Abgasströmungsgeschwindigkeit in einem Substrat mit einer einheitlichen Zelldichte und eine Verteilung einer Abgasströmungsgeschwindigkeit in einem Substrat, in welchem ein Mittelbereich und ein Peripheriebereich voneinander unterschiedliche Zelldichten haben, zeigt.
Ein in 1 gezeigter katalytischer Wandler 10 umfasst hauptsächlich ein röhrenförmiges Substrat 1 mit einer großen Anzahl von Zellen und Katalysatorschichten, die an den Zellwandflächen, welche die Zellen definieren, ausgebildet sind, wobei die Katalysatorschichten eine Zwei-Schicht-Struktur haben.
Beispiele für das Material des Substrats umfassen keramische Materialien wie Kordierit, das aus einem Kompositoxid aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid besteht, und Siliziumkarbid sowie Substrate, die aus anderen Materialien als keramischen Materialien ausgebildet sind, beispielsweise metallischen Materialien. Beispiele eines Trägers, der die Katalysatorschicht bildet, die an jeder Zellwandfläche des Substrats ausgebildet ist umfassen ein Oxid, das, als Hauptbestandteil, zumindest eines von CeO₂, ZrO₂, und Al₂O₃ umfasst, die poröse Oxide darstellen. Beispiele des Trägers umfassen ein Oxid bestehend aus Ceroxid (CeO₂), Zirkonoxid (ZrO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) und ein Kompositoxid bestehend aus zwei oder mehr der vorstehend genannten Oxide (ein CeO₂-ZrO₂-Verbund, der ein sogenanntes CZ-Material darstellt, ein Drei-Wege-Kompositoxid wie beispielsweise Al₂O₃-CeO₂-ZrO₂ (ein ACZ-Material) in das Al₂O₃ als Diffusionsbarriere eingebracht wurde, und dergleichen).
Das Substrat 1 hat einen wabenförmigen Strukturkörper mit einer großen Anzahl von Zellen mit einer quadratischen Gitterstruktur, einer hexagonalen Gitterstruktur, einer oktagonalen Gitterstruktur oder dergleichen und Abgas strömt in jede dieser Zellen (in eine Richtung X1).
Das Substrat 1 hat zwei Bereiche, das bedeutet, einen Mittelbereich 1A mit einer relativ hohen Zelldichte sowie einen Peripheriebereich 1B mit einer relativ niedrigen Zelldichte.
Die Verteilung der Abgasströmungsgeschwindigkeit wird Bezug nehmend auf 3 beschrieben. Die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung aus 3 wird auf folgende Weise erhalten. Bei jedem Substrat mit einem kreisförmigen Querschnitt ist die Mitte durch 0 ausgedrückt, die beiden Endpunkten eines Durchmessers, der durch die Mitte geht, werden durch 1 und -1 ausgedrückt, und eine Position zwischen den beiden Endpunkten wird durch ein Verhältnis der Entfernung zwischen der Position und der Mitte des Substrats zum Radius des Substrats ausgedrückt. Dann wird, um die Verteilung der Abgasströmungsgeschwindigkeit zu erhalten, die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an jeder der vorstehend beschriebenen Positionen durch ein Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit an der Position zur Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte des Substrats eines katalytischen Wandlers, bei welchem das Substrat eine einheitliche Zellverteilung hat, ausgedrückt.
Im katalytischen Wandler, bei welchem das Substrat eine einheitliche Zellverteilung hat, wie durch eine gestrichelte Linie in 3 angedeutet ist, ist die Abgasströmungsgeschwindigkeit im Mittelbereich im Querschnitt des Substrats deutlich höher als im Peripheriebereich im Querschnitt des Substrats. Dies macht es schwierig, die Katalysatorschichten des gesamten Substrats vollständig zu nutzen. Im Gegensatz hierzu ist, beim katalytischen Wandler 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, das Substrat 1 in zwei Bereiche unterteilt, die zueinander verschiedene Zelldichten haben, und die Zelldichte im Peripheriebereich 1B ist relativ niedrig eingestellt. Somit ist, wie durch eine durchgezogene Linie in 3 angedeutet, die Differenz der Strömungsgeschwindigkeit zwischen dem Mittelbereich 1A und dem Peripheriebereich 1B des Substrats vergleichsweise gering. Dies macht es möglich, effektiv die gesamten Katalysatorschichten des katalytischen Wandlers 10 zu verwenden, um das Abgas zu reinigen.
Zudem unterscheidet sich bei dem in der Zeichnung dargestellten katalytischen Wandler 10 die Länge der Katalysatorschicht, die an jeder Zellwandfläche im Peripheriebereich 1B ausgebildet ist, von der im Mittelbereich 1A des Substrats 1.
Eine Katalysatorschicht 2B, die an einer Zellwandfläche 1Ba im Peripheriebereich 1B in 2(a) dargestellt ist, hat eine Zwei-Schicht-Struktur bestehend aus einer unteren Schicht 2Ba, die an der Zellwandfläche 1Ba ausgebildet ist, und einer oberen Schicht 2Bb, die auf der unteren Schicht 2Ba abgelagert ist und somit direkt mit dem Abgas in Kontakt gelangt. Eine jede der Schichten besteht aus einem, zwei oder mehr von Pd, Pt und Rh, die Edelmetallkatalysatoren darstellen. Auf gleiche Weise hat eine Katalysatorschicht 2A, die an einer Zellwandfläche 1Aa im Mittelbereich 1A von 2(b) ausgebildet ist eine Zwei-Schicht-Struktur bestehend aus einer unteren Schicht 2Aa, die an der Zellwandfläche 1Aa ausgebildet ist, und einer oberen Schicht 2Ab, die auf der unteren Schicht 2Aa abgelagert ist. Jede dieser Schichten besteht aus einem, zwei oder mehr von Pd, Pt und Rh, die Edelmetallkatalysatoren darstellen.
Wenn die Länge des Substrats 1 in Längsrichtung (die Länge in eine Richtung, entlang welcher das Abgas strömt) durch t1 ausgedrückt wird, wird die Länge einer jeden der Zellwandflächen 1Aa, 1Ba auch durch t1 ausgedrückt. Im Gegensatz hierzu erfüllen eine Länge t4 der oberen Schicht 2Ab der Katalysatorschicht 2A und eine Länge t2 der oberen Schicht 2Bb der Katalysatorschicht 2B eine Beziehung t1 > t2 > t4 und eine Länge t5 der unteren Schicht 2Aa der Katalysatorschicht 2A sowie eine Länge t3 der unteren Schicht 2Ba der Katalysatorschicht 2B erfüllen eine Beziehung t1 > t3 > t5.
Wie vorstehend beschrieben ist, unterscheiden sich die Zelldichte im Mittelbereich 1A und die Zelldichte im Peripheriebereich 1B voneinander, und die Länge (einer jeden der oberen Schicht 2Bb und der unteren Schicht 2Ba) der Katalysatorschicht 2B in Längsrichtung im Peripheriebereich 1B ist länger eingestellt als die Länge (einer jeden der oberen Schicht 2Ab und der unteren Schicht 2Aa) der Katalysatorschicht 2A in Längsrichtung im Mittelbereich 1A. Daher wird davon ausgegangen, dass der Katalysator 10 eine bessere Abgasreinigungsleistung zeigt.
Hinsichtlich der Zelldichte ist das Verhältnis der Zelldichte im Mittelbereich 1A zur Zelldichte im Peripheriebereich 1B auf einen Wert innerhalb eines Bereichs von 1:1 bis 2:1 eingestellt, wobei 1:1 vom Bereich ausgeschlossen und 2:1 im Bereich enthalten ist. Wenn das Verhältnis der Zelldichte gleich oder niedriger als 1:1 ist, kann die Steuerung der Menge des Abgases, das in jeden Bereich strömt, die basierend auf der Differenz der Zelldichte zwischen dem Mittelbereich 1A und dem Peripheriebereich 1B ausgeführt wird, nicht ausreichend wirksam sein. Wenn dagegen das Verhältnis der Zelldichte 2:1 übersteigt, kann die Menge des Abgases, das in den Peripheriebereich 1B strömt, übermäßig groß sein, so dass die Reinigungsleistung verringert werden kann. Dies sind die Gründe zum Einstellen der oberen und unteren Grenzen auf die vorstehend genannten nummerischen Bereiche.
Es sei angemerkt, dass die Katalysatorschicht anstelle einer Zwei-Schicht-Struktur wie bei dem vorstehend genannten Beispiel der Zeichnung in Form einer Ein-Schicht-Struktur oder in Form einer Drei- oder Mehr-Schicht-Struktur ausgeführt sein kann.
Experimente bezüglich der Länge der Katalysatorschicht in einem Peripheriebereich (einem Verhältnis bezüglich der Länge eines Substrats) und der Temperatur, bei welcher die NO_x-Entfernungsrate 50% erreicht, und Ergebnisse der Experimente.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Substrate mit einer Wabenstruktur vorbereitet, die in den Beispielen 1 bis 3 sowie in den Vergleichsbeispielen 1 und 2, die nachfolgend beschrieben werden, verwendet wurden. Diese Substrate unterscheiden sich voneinander in der Länge einer Katalysatorschicht in einem Peripheriebereich (in einem Verhältnis der Länge der Katalysatorschicht im Peripheriebereich zur Länge des Substrats). Dann führten die Erfinder mit den Beispielen 1 bis 3 sowie den Vergleichsbeispielen 1 und 2 Experimente zum Messen der Temperaturen aus, bei welchen die NO_x-Entfemungsrate 50% erreichte.
Beispiel 1
Ein Substrat mit einer Wabenstruktur aus Kordierit wurde durch Extrusionsformen vorbereitet, und die Zelldichte in einem Mittelbereich und die Zelldichte in einem Peripheriebereich wurden voneinander verschieden ausgebildet. Hinsichtlich der Größe des wabenförmigen Strukturkörpers ist der Durchmesser eines ringförmigen Querschnitts orthogonal zu einer Richtung entlang der das Abgas strömt ϕ = 103 mm; die Länge t1 in Längsrichtung ist 105 mm; die Zelldichte im Peripheriebereich mit einer relativ niedrigen Zelldichte ist 400 cpsi (62 Zellen/cm²); die Zelldichte im Mittelbereich mit einer relativ hohen Zelldichte ist 600 cpsi (93 Zellen/cm²); eine Grenzlinie zwischen dem Mittelbereich und dem Peripheriebereich ist bei einer Position bei einem Durchmesser von ϕ = 70 mm und die Zellen haben eine rechteckige Gitterform. Darüber hinaus hat jede Katalysatorschicht eine Zwei-Schicht-Struktur bestehend aus einer unteren Schicht als eine Pt-Trägerschicht, welche Pt in einer Menge von 0,3 g/L trägt, und einer oberen Schicht als Rh-Trägerschicht, welche Rh in einer Menge von 0,1 g/L trägt. De Länge einer jeden der oberen und unteren Schichten im Mittelbereich 80% der Länge t1 des Substrats, und die Länge einer jeden der oberen und unteren Schichten im Peripheriebereich ist 90% der Länge t1 des Substrats.
Beispiel 2
Der Aufbau ist der gleiche wie bei Beispiel 1 abgesehen davon, dass bezüglich der Länge einer Katalysatorschicht die Länge einer jeden der oberen und unteren Schichten im Peripheriebereich 85% der Länge des Substrats ist.
Beispiel 3
Der Aufbau ist der gleiche wie bei Beispiel 1 abgesehen davon, dass bezüglich der Länge einer Katalysatorschicht die Länge einer jeden der oberen und unteren Schichten im Peripheriebereich 100% der Länge des Substrats ist.
Vergleichsbeispiel 1
Der Aufbau ist der gleiche wie bei Beispiel 1 abgesehen davon, dass bezüglich der Länge einer Katalysatorschicht die Länge einer jeden der oberen und unteren Schichten im Peripheriebereich 80% der Länge des Substrats ist (also die Länge (einer jeden der oberen und unteren Schichten) der Katalysatorschicht in einem Mittelbereich gleich der Länge (einer jeden der oberen und unteren Schichten) der Katalysatorschichten im Peripheriebereich ist).
Vergleichsbeispiel 2
Der Aufbau ist der gleiche wie bei Beispiel 1 abgesehen davon, dass bezüglich der Länge einer Katalysatorschicht die Länge einer unteren Schicht im Peripheriebereich 70% die Länge des Substrats ist.
Versuchsmethode
Bei jedem Test zum Evaluieren der Reinigungsleistung wurde eine echte Maschine verwendet und eine Temperatur, bei der NO_x um 50% bei einem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis entfernt wurde, wurde gemessen.

Die Testergebnisse werden in Tabelle 1, die nachfolgend dargestellt ist, und in den 4 und 5 abgebildet. 4 zeigt einen Graph, der Ergebnisse von Experimenten hinsichtlich der Temperatur darstellt, bei welcher die NO_x-Entfernungsrate in den Beispielen und Vergleichsbeispielen 50% erreicht. 5 ist ein Graph, der durch Umwandeln der Ergebnisse der Experimente bezüglich der Temperatur, bei der die NO_x-Entfernungsrate bei den in 4 gezeigten Beispielen und Vergleichsbeispielen 50% erreicht, in Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Länge einer Katalysatorschicht in einem Peripheriebereich (das Verhältnis bezüglich der Länge des Substrats) und der Temperatur bei welcher die NO_x-Entfernungsrate 50% erreicht, erhalten wird. [Tabelle 1]

Probe	Länge der Katalysatorschicht im Bereich mit einer hohen Zelldichte (Verhältnis (%) bezüglich der Länge des Substrats)	Länge der Katalysatorschicht im Bereich mit einer niedrigen Zelldichte (Verhältnis (%) bezüglich der Länge des Substrats)	Temperatur, bei welcher die NO_x-Entfemungsrate 50% erreicht (°C)
Beispiel 1	80	90	327,7
Beispiel 2	80	85	332,9
Beispiel 3	80	100	327,1
Vergleichsbeispiel 1	80	80	335,1
Vergleichsbeispiel 2	80	70	342,8

Aus Tabelle 1 und den 4 und 5 kann bestätigt werden, dass in den Beispielen 1 bis 3 die Temperatur um 2°C bis 8°C im Vergleich zu Vergleichsbeispiele 1 verringert werden kann, und um 10°C bis 16°C im Vergleich mit zu Vergleichsbeispiel 2 verringert werden kann.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde vorstehend im Detail Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Gleichwohl ist der spezifische Aufbau nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform begrenzt. Abwandlungen im Umfang der vorliegenden Erfindung sind von der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Katalytischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist: ein Substrat (1), das eine Zellstruktur hat und ausgestaltet ist, um ein Hindurchströmen von Gas durch das Substrat zu ermöglichen; und eine Katalysatorschicht, die aus einem Edelmetallkatalysator besteht und an einer Zellwandfläche des Substrats ausgebildet ist, wobei die Katalysatorschicht in eine Längsrichtung des Substrats verläuft, entlang der das Gas strömt, wobei: das Substrat einen Mittelbereich (1A) und einen Peripheriebereich (1B) hat, und der Mittelbereich eine höhere Zelldichte als der Peripheriebereich hat; die Katalysatorschicht eine erste Katalysatorschicht (2A), die in dem Mittelbereich ausgebildet ist, und eine zweite Katalysatorschicht (2B), die in dem Peripheriebereich ausgebildet ist, umfasst; und eine Länge der zweiten Katalysatorschicht in Längsrichtung größer ist als eine Länge der ersten Katalysatorschicht in Längsrichtung.
Katalytischer Wandler nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Länge der ersten Katalysatorschicht in Längsrichtung zu einer Länge des Substrats in Längsrichtung gleich oder höher als 65% ist.
Katalytischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei: ein Verhältnis der Länge der ersten Katalysatorschicht in Längsrichtung zu einer Länge des Substrats in Längsrichtung 80% ist; und ein Verhältnis der Länge der zweiten Katalysatorschicht in Längsrichtung zu einer Länge des Substrats in Längsrichtung 85% bis 100% ist.
Katalytischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zelldichte des Mittelbereichs gleich der Zelldichte im Peripheriebereich oder weniger als das Zweifache derselben ist.