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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft einen Katalysator, der in einem Rohr aufgenommen und befestigt ist, das ein Abgasaustragsystem darstellt.
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2. Stand der Technik
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Weltweit werden in verschiedenen Industriezweigen vielfältige Bemühungen unternommen, die Umweltbelastung zu reduzieren. Darunter werden innerhalb der Automobilindustrie selbstverständlich Fahrzeuge mit Benzinmotoren entwickelt, die eine exzellente Kraftstoffeffizienz aufweisen, und bei der Popularisierung sogenannter Öko-Autos sowie der Entwicklung weiterer Verbesserungen der Leistung dieser Öko-Autos werden täglich Fortschritte gemacht. Beispiele solcher Öko-Autos sind Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge. Zusätzlich zu der Weiterentwicklung bezüglich solcher Öko-Autos, wird aktive Forschung im Bereich der Abgassteuerungskatalysatoren, die von Motoren emittierte Abgase steuern, betrieben. Beispiele dieser Abgassteuerungskatalysatoren sind Oxidationskatalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren und NOx-Okklusions-Reduktionskatalysatoren. Die Komponente, die die katalytische Aktivität bei diesen Abgassteuerungskatalysatoren realisiert, ist ein Edelmetallkatalysator, z. B. aus Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Rhodium (Rh). Allgemein werden Edelmetallkatalysatoren verwendet, indem sie auf einem aus einem porösen Oxid wie Aluminiumoxid (Al2O3) bestehenden Träger geträgert werden.
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Abgasaustragsysteme, die von einem Fahrzeugmotor zu einem Schalldämpfer führen, haben allgemein einen katalytischen Wandler bzw. Katalysator, der zum Reinigen von Abgasen dient. Motoren können umweltschädliche Stoffe, wie z. B. Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HCs) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs), emittieren. Um diese schädlichen Stoffe in akzeptable Stoffe umzuwandeln, werden die Abgase durch einen Katalysator geführt, der durch Anordnen einer durch Trägern eines Edelmetallkatalysators, z. B. Rh, Pd oder Pt auf einem Träger erhaltene Katalysatorschicht an der Oberfläche von Zellen eines Basismaterials erhalten wird. In dem Abgas vorhandenes CO, das durch den Katalysator geführt wird, wird in CO2 umgewandelt, in dem Abgas vorhandene NOx werden in N2 und O2 umgewandelt, und in dem Abgas vorhandene VOCs werden verbrannt, um CO2 und H2O zu bilden.
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Ein Beispiel eines Trägers, der zum Trägern eines Edelmetallkatalysators verwendet wird, ist eine feste CeO2-ZrO2-Lösung. Feste CeO2-ZrO2-Lösungen sind beispielsweise als CZ(„cubic zirconia”)-Materialien oder Ceriumoxid(Ceroxid)-Zirkonia-basierte Komplexoxide verfügbar. Diese sind auch als Co-Katalysatoren verfügbar. CeO2 ist eine essentielle Komponente von Drei-Wege-Katalysatoren, die gleichzeitig CO, NOx und HCs entfernen, welche schädliche, in Abgasen vorhandene Komponenten sind, und ist ebenso eine essentielle Komponente dieser Co-Katalysatoren. Die Oxidationszahl des in einem Co-Katalysator vorhandenen Ce verändert sich auf Ce3+ oder Ce4+, in Abhängigkeit von dem Sauerstoffpartialdruck in dem Abgas, dem das CeO2 ausgesetzt ist. Daher erzielt in einem Co-Katalysator vorhandenes CeO2 die Funktion Sauerstoff zu absorbieren und freizusetzen, um einen Überschuss oder einen Mangel an elektrischer Ladung auszugleichen, und die Funktion Sauerstoff zu speichern (Sauerstoffspeicherkapazität (OSC = „oxygen storage capacity”)). Daher kann CeO2 Fluktuationen in der Atmosphäre des Abgases absorbieren und verringern und kann ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Bereich eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufrechterhalten, um das Reinigungsfenster eines Drei-Wege-Katalysators aufrechtzuerhalten.
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Aus Perspektiven wie der Reduzierung von Materialrisiken seltener Metalle und dergleichen und der Sicherstellung der Kostenwettbewerbsfähigkeit ist es erwünscht, die Verbrauchsmenge von Edelmetallkatalysatoren in solchen Drei-Wege-Katalysatoren zu reduzieren. Wenn jedoch die Menge der Edelmetallkatalysatoren in einem Drei-Wege-Katalysator erheblich reduziert wird, wird die Katalysatoraktivität erheblich reduziert und die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC), Niedrigtemperaturaktivität und NOx-Reinigungsleistung in Hochtemperaturumgebungen verschlechtert sich deutlich. Das heißt, dass sich, wenn die Menge der Edelmetallkatalysatoren erheblich reduziert wird, die Anzahl der aktiven Zentren erheblich reduziert, die Anzahl der katalytischen Reaktionszentren erheblich reduziert, und sich die Reinigungsleistung daher deutlich verschlechtert.
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Unter den in Drei-Wege-Katalysatoren verwendeten Edelmetallkatalysatoren, wie beispielsweise Pt, Pd und Rh, weist Rh die beste NOx-Reinigungsleistung auf, doch der Marktpreis pro Gewichtseinheit ist für Rh am höchsten. Zudem ist erkennbar, dass Rh durch das Trägern auf einem Träger, der Ceriumoxid (Ceroxid) enthält, eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) aufweist. Dabei ist erkennbar, dass ein Konflikt besteht, da sich die NOx-Reinigungsleistung des Rh verschlechtert wenn die Menge an Ceriumoxid in einem Träger zunimmt. Daher ist es bei Verwendung von Rh als ein Edelmetallkatalysator in einem Drei-Wege-Katalysator erwünscht, einen Drei-Wege-Katalysator herzustellen, bei dem sowohl die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) als auch die NOx-Reinigungsleistung optimiert ist.
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Die Leistung eines Edelmetallkatalysators und Trägers variiert in Abhängigkeit von den verwendeten Komponenten. Daher wurde hinsichtlich der Herstellung optimaler Drei-Wege-Katalysatoren sorgfältige Forschung von zonenbeschichteten Katalysatoren betrieben, bei denen verschiedene Komponenten auf der stromaufwärtigen Seite und stromabwärtigen Seite eines Basismaterials vorgesehen sind, um die Eigenschaften jeder Komponente effektiv zu nutzen.
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Die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
JP 2012-040547 A betrifft solch einen zonenbeschichteten Katalysator und offenbart einen Abgasreinigungskatalysator, der ein Basismaterial hat, bei dem dort wo ein Abgas durchströmt ein Gasdurchlass ausgebildet ist, und bei dem eine Katalysatorschicht an dem Basismaterial ausgebildet ist. Die Katalysatorschicht besteht insbesondere aus einer unteren Katalysatorschicht, einer vorderen oberen Katalysatorschicht und einer hinteren oberen Katalysatorschicht. Die untere Katalysatorschicht ist an dem Basismaterial ausgebildet. Die vordere obere Katalysatorschicht bedeckt die stromaufwärtige Seite der Oberfläche der unteren Katalysatorschicht in der Abgasströmungsrichtung. Die hintere obere Katalysatorschicht bedeckt die Oberfläche der unteren Katalysatorschicht in der Richtung des Gasstroms weiter bis zu der stromabwärtigen Seite als die vordere obere Katalysatorschicht. Die untere Katalysatorschicht ist mindestens mit einem von Pd und Pt geträgert, die hintere obere Katalysatorschicht ist mit Rh geträgert, und die vordere obere Katalysatorschicht ist mit Pd geträgert. Der Pd-geträgerte Träger der vorderen oberen Katalysatorschicht ist ein Y
2O
3 enthaltendes ZrO
2-Komplexoxid. Durch Verwendung dieser Konfiguration ist es möglich, die Reinigungseigenschaften der katalytischen Edelmetalle zufriedenstellend zu nutzen, und es ist ebenso möglich, die Niedrigtemperatur-Reinigungsleistung des Katalysators zu erhöhen. Zudem ist es durch Verwendung eines Y
2O
3 enthaltenden ZrO
2-Komplexoxids, das eine geringe spezifische Wärmekapazität hat und exzellente Wärmebeständigkeit aufweist, als das Trägermaterial für die vordere obere Katalysatorschicht möglich, die Wärmebeständigkeit sicherzustellen, während die Temperaturerhöhungseigenschaften des Katalysators verbessert werden und es ist ebenso möglich, nachhaltige Katalysator-Erwärmungseigenschaften zu erzielen.
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Die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
JP 2012-152702 A offenbart derweil einen Abgasreinigungskatalysator, der ein Substrat hat, eine untere Katalysatorschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist und mindestens Pd oder Pt enthält, und eine obere Katalysatorschicht, die an der unteren Katalysatorschicht ausgebildet ist und Rh enthält. Die Abgasaufströmseite des Abgasreinigungskatalysators hat einen Bereich, der die obere Katalysatorschicht nicht einschließt. Die untere Katalysatorschicht besteht auf einer vorderen unteren Katalysatorschicht auf der Abgasaufströmseite und eine hintere untere Katalysatorschicht auf der Abgasabströmseite. Die vordere untere Katalysatorschicht hat ein sauerstoffabsorbierendes/-freisetzendes Material. Durch Verwendung dieser Konfiguration ist es möglich, das Partikelwachstum durch die jeweiligen Katalysatormetalle, die an den jeweiligen Katalysatorschichten geträgert sind, deutlich zu hemmen, und insbesondere an der hinteren unteren Katalysatorschicht und oberen Katalysatorschicht, die sich auf der Abgasabströmseite befinden. Ferner ist es durch Bereitstellen eines Bereichs, der die obere Katalysatorschicht an der Abgasaufströmseite nicht einschließt, möglich, das Diffusionsvermögen der HCs in das Innere der vorderen unteren Katalysatorschicht zu erhöhen und es ist ebenso möglich, die HC-Reinigung an der vorderen unteren Katalysatorschicht zu fördern und daher eine zufriedenstellende Katalysatorerwärmungsleistung zu erreichen.
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Ferner offenbart die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
JP 2012-020276 A einen Abgasreinigungskatalysator, bei dem eine Katalysatorschicht, die den Abgasreinigungskatalysator darstellt, aus einer unteren Katalysatorschicht, einer vorderen oberen Katalysatorschicht und einer hinteren oberen Katalysatorschicht besteht. Die untere Katalysatorschicht ist auf einem Substrat ausgebildet. Die vordere obere Katalysatorschicht bedeckt die stromaufwärtige Seite der Oberfläche des unteren Katalysators in der Abgasströmungsrichtung. Die hintere obere Katalysatorschicht bedeckt die Oberfläche der unteren Katalysatorschicht in der Richtung des Gasstroms weiter bis zur stromabwärtigen Seite als die vordere obere Katalysatorschicht. Hierin ist die untere Katalysatorschicht mindestens mit Pd oder Pt geträgert. Zudem ist die vordere obere Katalysatorschicht mit Pd geträgert und die hintere obere Katalysatorschicht ist mit Rh geträgert. Die Pd-Beladungsdichte bei der vorderen oberen Katalysatorschicht ist 4,5 bis 12 Massenprozent. Durch Verwendung dieser Konfiguration ist es möglich, die katalytischen Eigenschaften der katalytischen Edelmetalle zufriedenstellend zu nutzen und es ist ebenso möglich, die Niedrigtemperatur-Reinigungsleistung des Katalysators zu erhöhen.
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Wie vorstehend gezeigt ist, gibt es mit Bezug auf zonenbeschichtete Katalysatoren viele Merkmale. Die Erfinder dieser Erfindung haben jedoch die Konfiguration zonenbeschichteter Katalysatoren erneut untersucht, und es ist ihnen gelungen, einen Katalysator vorzuschlagen, der eine exzellente OSC-Leistung und NOx-Reinigungsleistung aufweist.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung sieht einen Katalysator vor, der eine exzellente OSC-Leistung und NOx-Reinigungsleistung aufweist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat ein Katalysator ein Basismaterial und eine Katalysatorschicht. Das Basismaterial hat eine Zellstruktur, durch die Abgase strömen. Die Katalysatorschicht ist auf einer Oberfläche einer Zellwand an dem Basismaterial ausgebildet. Die Katalysatorschicht hat eine untere Katalysatorschicht und eine obere Katalysatorschicht. Die untere Katalysatorschicht ist auf einer Oberfläche des Basismaterials entlang der gesamten Länge des Basismaterials vorgesehen. Die obere Katalysatorschicht besteht aus einer ersten oberen Katalysatorschicht und einer zweiten oberen Katalysatorschicht. Die erste obere Katalysatorschicht ist an einer stromaufwärtigen Seite einer Oberfläche der unteren Katalysatorschicht in einer Richtung des Abgasstroms ausgebildet. Ein stromaufwärtiges Ende des Basismaterials ist ein Ausgangspunkt der ersten oberen Katalysatorschicht. Die zweite obere Katalysatorschicht ist an einer stromabwärtigen Seite der Oberfläche der unteren Katalysatorschicht in der Richtung des Abgasstroms ausgebildet. Ein stromabwärtiges Ende des Basismaterials ist ein Ausgangspunkt der zweiten oberen Katalysatorschicht. Die untere Katalysatorschicht ist aus einem Träger gebildet ist und Palladium ist auf dem Träger geträgert. Die erste obere Katalysatorschicht ist aus einem ersten Träger gebildet, der aus einem ceroxidhaltigen Oxid gebildet ist, und Rhodium ist auf dem ersten Träger geträgert. Die zweite obere Katalysatorschicht ist aus einem zweiten Träger gebildet, und Rhodium ist auf dem zweiten Träger geträgert, wobei der zweite Träger aus einem Oxid gebildet ist, das aus Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid ausgewählt wird, und kein Ceroxid enthält. Eine Länge der ersten oberen Katalysatorschicht in der Richtung des Abgasstroms ist 30% bis 70% einer Gesamtlänge des Basismaterials ist. Eine Länge der zweiten oberen Katalysatorschicht in der Richtung des Abgasstroms ist eine Länge, die durch Subtrahieren der Länge der ersten oberen Katalysatorschicht von der Gesamtlänge des Basismaterials erhalten wird.
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Bei einem Katalysator, der einen Aspekt dieser Erfindung darstellt, wird ein zonenbeschichteter Katalysator als eine Katalysatorschicht, die an einer Zellwand eines Basismaterials mit einer Zellstruktur ausgebildet ist, verwendet. Zudem ist eine untere Katalysatorschicht an der Oberfläche des Basismaterials entlang dessen gesamter Länge vorgesehen. Darüber hinaus wird bei diesem Aspekt der Erfindung eine Katalysatorschicht mit einer zweischichtigen Struktur durch Laminieren einer oberen Katalysatorschicht auf die Oberfläche der unteren Katalysatorschicht ausgebildet. Eine erste obere Katalysatorschicht ist an der stromaufwärtigen Seite des Basismaterials in der Richtung des Abgasstroms ausgebildet, und eine zweite obere Katalysatorschicht ist an der stromabwärtigen Seite des Basismaterials in der Richtung des Abgasstroms ausgebildet. Das heißt, eine zonenbeschichtete Katalysatorschicht wird bei der Katalysatorschicht mit der zweischichtigen Struktur in der oberen Katalysatorschicht verwendet. Die erste obere Katalysatorschicht hat einen ersten Träger, der aus einem ceroxidhaltigen Oxid gebildet ist. Die zweite obere Katalysatorschicht hat einen zweiten Träger, der aus einem zwischen Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid ausgewählten Oxid gebildet ist. Der erste Träger und der zweite Träger sind jeweils mit Rhodium geträgert. Ferner ist es durch Einstellen der Länge der ersten oberen Katalysatorschicht auf 30% bis 70% der Gesamtlänge des Basismaterials möglich, einen Katalysator mit exzellenter OSC-Leistung und NOx-Reinigungsleistung zu erhalten. Bei diesem Aspekt der Erfindung kann der erste Träger aus einem ceroxidhaltigen Zirkoniumkomplexoxid gebildet sein und der zweite Träger kann aus einem Zirkoniumkomplexoxid gebildet sein, das kein Ceroxid enthält.
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind die erste obere Katalysatorschicht und die zweite obere Katalysatorschicht bei diesem Aspekt der Erfindung Träger, auf denen Rhodium als ein Edelmetallkatalysator geträgert ist. Gemäß Untersuchungen der Erfinder dieser Erfindung ist ermittelt worden, dass es, wenn die Länge der ceroxidhaltigen ersten oberen Katalysatorschicht 30% bis 70% der Gesamtlänge des Basismaterials ist, wobei die Ceroxid-freie zweite obere Katalysatorschicht die restliche Basismateriallänge ausmacht, möglich ist, einen Katalysator zu erhalten, der eine gute OSC-Leistung und NOx-Reinigungsleistung erreicht, welche gegensätzliche Anforderungen darstellen.
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Wie aus den vorstehend gegebenen Beschreibungen erkennbar ist, kann der Katalysator, der einen Aspekt dieser Erfindung darstellt, einen Katalysator bereitstellen, der hinsichtlich der OSC-Leistung und der NOx-Reinigungsleistung exzellent ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen werden nachstehend mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in der gilt:
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1A ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Katalysators dieser Erfindung, und 1B ist ein Diagramm, das eine Vergrößerung eines Teils einer Zelle zeigt;
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2A und 2B sind längslaufende Querschnittsdiagramme, die Ausführungsformen einer Katalysatorschicht zeigen;
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3 ist ein Graph, der experimentelle Ergebnisse zeigt, die die Sauerstoffspeichermenge und NOx-Reinigungsrate einer Ausführungsform des Katalysators dieser Erfindung bestätigen;
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4 ist ein Graph, der experimentelle Ergebnisse zeigt, die den optischen Wertebereich der Katalysatorbeschichtungsweite bei der ersten oberen Katalysatorschicht aus der Perspektive der NOx-Reinigungsrate vorschreiben; und
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5 ist ein Graph, der experimentelle Ergebnisse zeigt, die den optischen Wertebereich der Katalysatorbeschichtungsweite aus der Perspektive der Sauerstoffspeichermenge vorschreiben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform des katalytischen Wandlers bzw. Katalysators dieser Erfindung wird nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung erklärt.
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Zunächst wird eine kurze Erklärung eines Abgasaustragsystems gegeben, in dem eine Ausführungsform des Katalysators dieser Erfindung vorliegt. Bei dem Abgasaustragsystem, in dem die Ausführungsform des Katalysators dieser Erfindung verwendet wird, sind ein Motor, ein Katalysator, ein Drei-Wege-Katalysator, ein Nachschalldämpfer und ein Hauptschalldämpfer mittels eines Rohrsystems miteinander verbunden. Von dem Motor produziertes Abgas durchtritt mittels des Rohrsystems die verschiedenen Bauteile und wird dann ausgetragen.
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1A ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Katalysators dieser Erfindung, und 1B ist ein Diagramm, das eine Vergrößerung eines Teils einer Zelle zeigt. 2A und 2B sind längslaufende Querschnittsdiagramme, die Ausführungsformen einer Katalysatorschicht zeigen.
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Der in 1A gezeigte Katalysator 10 besteht aus einem zylindrischen Basismaterial 1 mit einer Vielzahl von Zellen und einer Katalysatorschicht 3, die auf der Oberfläche von Zellwänden 2, die die Zellen bilden, ausgebildet ist.
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Hierin kann das Material des Basismaterials 1 Cordierit sein, das ein Komplexoxid aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid ist, ein Keramikmaterial wie Siliziumkarbid, oder ein anderes Material als Keramik, wie beispielsweise einem Metallmaterial.
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Das Basismaterial 1 hat eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Zellen, die ein Gitterprofil haben, das tetragonal, hexagonal, oktagonal, oder dergleichen ist. Das Abgas, das in der Abgasströmungsrichtung in die stromaufwärtigen (Fr-Seite) Endzellen des Basismaterials 1 strömt, tritt durch den inneren Teil des Basismaterials 1 und wird während des Durchströmens gereinigt, und das gereinigte Abgas wird an dem stromabwärtigen (Rr-Seite) Ende des Basismaterials 1 in der Abgasströmungsrichtung (die durch X angezeigte Richtung) ausgetragen.
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Nachstehend wird eine Erklärung einer Ausführungsform einer Katalysatorschicht mit Bezugnahme auf 2A und 2B gegeben. Die in 2A gezeigte Katalysatorschicht 3 besteht aus einer unteren Katalysatorschicht 4, die auf der Oberfläche des Basismaterials 1 ausgebildet ist, und einer oberen Katalysatorschicht 5, die auf der Oberfläche der unteren Katalysatorschicht 4 ausgebildet ist. Die obere Katalysatorschicht 5 besteht aus einer ersten oberen Katalysatorschicht 6 auf der stromaufwärtigen Seite in der Abgasströmungsrichtung und einer zweiten oberen Katalysatorschicht 7 auf der stromabwärtigen Seite in der Abgasströmungsrichtung. Daher ist die obere Katalysatorschicht 5 eine zonenbeschichtete Katalysatorschicht.
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Die untere Katalysatorschicht 4 bedeckt die gesamte Länge des Basismaterials 1 und wird durch Trägern von Palladium, das ein Edelmetallkatalysator ist, auf einen Oxidträger, gebildet.
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Hierin kann der Oxidträger, der die untere Katalysatorschicht 4 bildet, ein Oxid sein, das aus Ceroxid (CeO2), Zirkoniumoxid (ZrO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) gebildet ist, oder ein Komplexoxid, das aus zwei oder mehr Arten von Oxiden (beispielsweise einer CeO2-ZrO2-Verbindung, die ein sogenanntes CZ-Material ist oder ein ternäres Al2O3-CeO2-ZrO2-Komplexoxid, das Al2O3 als Diffusionssperre enthält (ACZ(„alumina ceria zirconia”)-Material)) gebildet ist.
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Die erste obere Katalysatorschicht 6, die in dem in 2A gezeigten Aspekt die obere Katalysatorschicht 5 bildet, hat derweil eine Länge, die 30% der Gesamtlänge des Basismaterials 1 entspricht. Die erste obere Katalysatorschicht 6 wird durch Trägern von Rhodium, das ein Edelmetallkatalysator ist, auf einen Oxidträger gebildet. Zudem hat die zweite obere Katalysatorschicht 7 eine Länge, die 70% der Gesamtlänge des Basismaterials 1 entspricht. Die zweite obere Katalysatorschicht 7 wird durch Trägern von Rhodium, das ein Edelmetallkatalysator ist, auf einen Oxidträger gebildet.
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Hierin ist der Oxidträger, der die erste obere Katalysatorschicht 6 bildet, ein Träger, der zumindest Ceroxid (CeO2) enthält, und kann ein Oxid sein, das Ceroxid (CeO2) oder ein Komplexoxid enthält, das zwei oder mehr Metalloxide wie Ceroxid (CeO2) und Zirkoniumoxid (ZrO2) enthält (beispielsweise eine CeO2-ZrO2-Verbindung, die ein sogenanntes CZ-Material ist oder ein ternäres Al2O3-CeO2-ZrO2-Komplexoxid, das Al2O3 als Diffusionssperre enthält (ACZ-Material)).
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Der Oxidträger, der die zweite obere Katalysatorschicht 7 bildet, ist derweil ein Träger, der kein Ceroxid enthält, und kann ein Oxid sein, das mindestens Zirkoniumoxid (ZrO2) und Aluminiumoxid (Al2O3), ein binäres Al2O3-ZrO2-Komplexoxid (ein AZ(„alumina zirconia”)-Material), oder dergleichen enthält.
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Durch Trägern von Rhodium auf einem ceroxidhaltigen Träger, kann eine hohe OSC-Leistung erreicht werden. Es besteht jedoch ein Konflikt, da sich die NOx-Reinigungsleistung des Rhodiums verschlechtert, wenn die Menge des Ceroxids in dem Träger erhöht wird. Mit Hinblick auf diesen Konflikt, kann, da bei der in dem Diagramm gezeigten Ausführungsform eine zonenbeschichtete Konfiguration verwendet wird, die Ceroxid in der Katalysatorschicht enthält, und die kein Ceroxid in der Katalysatorschicht enthält, eine Katalysatorschicht gebildet werden, die eine gute OSC-Leistung und eine gute NOx-Reinigungsleistung aufweist.
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Bei einer oberen Katalysatorschicht 5A, die eine in 2B gezeigte Katalysatorschicht 3A darstellt, sind die Längen einer ersten oberen Katalysatorschicht 6A und einer zweiten oberen Katalysatorschicht 7A jeweils 70% und 30% der Gesamtlänge des Basismaterials 1, was eine Umkehrung der verwendeten oberen Katalysatorschichtlängen in dem in 2A gezeigten Aspekt ist.
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Wie zu einem späteren Zeitpunkt erwähnt wird, haben Überprüfungen des Erfinder dieser Erfindung ergeben, dass wenn die Länge der ersten oberen Katalysatorschicht 30% bis 70% der Gesamtlänge des Basismaterials 1 (und die Länge der zweiten oberen Katalysatorschicht 70% bis 30% der Gesamtlänge des Basismaterials 1 ist) ist, eine Katalysatorschicht gebildet wird, die eine gute OSC-Leistung und eine gute NOx-Reinigungsleistung aufweist.
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Nachstehend werden Erklärungen von Leistungsbeurteilungstests gegeben, die unter Verwendung von Katalysatoren, die Ausführungsformen dieser Erfindung sind, ausgeführt werden, Tests zur Ermittlung des optimalen Bereichs der Beschichtungsweite der ersten oberen Katalysatorschicht, und den Ergebnissen dieser Tests. Die Erfinder dieser Erfindung stellten unter Verwendung der nachstehend beschriebenen Verfahren Katalysatorschlämme und Katalysatoren her, werteten die Leistung der Katalysatoren durch Ausführung von Dauertests und Motorprüfstandtests aus, und ermittelten den optimalen Bereich der Beschichtungsweite der ersten oberen Katalysatorschicht. Sieben Arten von Katalysatorschichten wurden in den Arbeitsbeispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 4, die in Tabelle 1 gezeigt sind, hergestellt, und Katalysatoren, die mit diesen Katalysatoren versehen waren, wurden hergestellt und den Dauertests unterzogen. Zudem wurden die NOx-Mengen unter gleichbleibenden fetten Bedingungen gemessen, und die Sauerstoffspeichermengen wurden ebenso gemessen.
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Nachstehend wird eine Erklärung des Verfahrens zur Herstellung des Katalysatorschlamms gegeben. Bei der Herstellung eines Schlamms zur Bildung einer unteren Katalysatorschicht (eine Pd-Katalysatorschicht) wurde durch Imprägnieren eines aus einem Al2O3-Komplexoxid bestehenden Trägers mit einer Lösung aus Palladiumnitrat mit einer Rate von 65 g/L ein Pulver hergestellt, das 1,0 Massenprozent eines Katalysators trägt. Anschließend wurde durch Mischen eines CeO2-ZrO2-Komplexoxids (CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3 = 30/60/5/5 (Massenprozent)) in einer Menge entsprechend 85 g/L, Bariumacetat in einer Menge entsprechend 10 g/L, und vorgeschriebenen Mengen an Wasser, eines Al2O3-Bindemittels, Essigsäure, eines Verdickungsmittels, und dergleichen, ein Pd-Katalysatorschlamm erhalten.
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Bei der Herstellung eines Schlamms zur Bildung einer oberen Katalysatorschicht (eine Rh-Katalysatorschicht) wurden Schlämme derart zusammengesetzt, dass sie 65 g/L eines CeO2-ZrO2-Komplexoxids (Al2O3/CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3/Nd2O3 = 30/20/44/2/2/2 (Massenprozent)) und ein ZrO2-Komplexoxid (Al2O3/ZrO2/La2O3/Nd2O3 = 50/46/2/2 (Massenprozent)) enthalten. Zudem wurde Rh in einer Menge von 0,3 Massenprozent auf jedem Träger geträgert. Ferner wurde ein Rh-Katalysatorschlamm durch Mischen eines La-haltigen Al2O3 in einer Menge entsprechend 25 g/L, Bariumacetat in einer Menge entsprechend 10 g/L, und vorgeschriebene Mengen an Wasser, eines Al2O3-Bindemittels, Essigsäure, eines Verdickungsmittels, und dergleichen, erhalten. Darüber hinaus wurden bei der Katalysatorschicht im Vergleichsbeispiel 3 ein CeO2-ZrO2-Komplexoxid und ein ZrO2-Komplexoxid mit einem Verhältnis von 1:1 gemischt, wobei die Gesamtmenge des Oxids gleich war wie bei den anderen Vergleichsbeispielen.
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875 cm
3 eines monolithischen Basismaterials wurde hergestellt, und die Schlämme, die wie vorstehend beschrieben hergestellt wurden, wurden unter Verwendung eines Aspirationsverfahrens auf das Basismaterial geschichtet. Die Länge der Pd-Katalysatorschicht entsprach 100% der Länge des Basismaterials und die Längen der Rhodium-Katalysatorschichten waren wie nachstehend in der Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
| | Länge der oberen Katalysatorschicht (Fr/Rr) (%) | Erster oberer Katalysatorschichtträger | Zweiter oberer Katalysatorschichtträger | Menge (g) an CeO2 in oberer Katalysatorschicht |
| Vergleichsbeispiel 1 | 100/0 | AZLCNY | 11,4 |
| Vergleichsbeispiel 2 | 100/0 | AZLNY | 0 |
| Vergleichsbeispiel 3 | 100/0 | AZLCNY + AZLNY | 5,7 |
| Vergleichsbeispiel 1 | 50/50 | AZLCNY | AZLNY | 5,7 |
| Vergleichsbeispiel 4 | 50/50 | AZLNY | AZLCNY | 5,7 |
| Vergleichsbeispiel 2 | 30/70 | AZLCNY | AZLNY | 3,4 |
| Vergleichsbeispiel 3 | 70/30 | AZLCNY | AZLNY | 8,0 |
Hinweis: AZLCNY bezeichnet Al
2O
3/CeO
2/ZrO
2/La
2O
3/Y
2O
3/Nd
2O
3 und AZLNY bezeichnet Al
2O
3/ZrO
2/La
2O
3/Y
2O
3/Nd
2O
3.
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Nachstehend wird eine Erklärung des Dauertests gegeben. Der erhaltene Katalysator wurde direkt unterhalb eines tatsächlichen Motors angebracht. Der angebrachte Katalysator wurde einem Dauertest von 50 Stunden bei einer Betttemperatur von 1000°C unter Verwendung eines komplexen Musters, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) periodisch verändert wurde, unterzogen.
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Nachstehend wird eine Erklärung des Motorprüfstandtests gegeben. Nach dem Dauertest wurde der Katalysator an einem anderen tatsächlichen Motor angebracht, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) wurde auf solche Weise zwischen fett und mager variiert, dass der A/F-Graph in rechteckiger Form verlief, und wenn Bedingungen eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für 120 Sekunden aufrechterhalten wurden, wurde die Reinigungsleistung als die Durchschnittsmenge ausgetragener NOx berechnet. Die Testergebnisse sind nachstehen in der Tabelle 2 und den
3 bis
5 gezeigt. [Tabelle 2]
| | Fette NOx-Reinigungsrate (%) | Sauerstoffspeichermenge (g) |
| Vergleichsbeispiel 1 | 92,4 | 0,32 |
| Vergleichsbeispiel 2 | 99,2 | 0,12 |
| Vergleichsbeispiel 3 | 94,8 | 0,24 |
| Vergleichsbeispiel 1 | 97,2 | 0,29 |
| Vergleichsbeispiel 4 | 97,0 | 0,26 |
| Vergleichsbeispiel 2 | 97,9 | 0,21 |
| Vergleichsbeispiel 3 | 95,4 | 0,31 |
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Bei 3 ist die gepunktet-gestrichelte Linie, die sich durch die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 zieht, die Trade-off-Linie für verwandte Technologien. Die gepunktet-gestrichelte Linie, die durch die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 verläuft, zeigt die Tendenz der Sauerstoffspeichermenge an, sich bei einer Erhöhung der NOx-Reinigungsrate zu verringern.
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Bei 3 fällt das Ergebnis des Arbeitsbeispiels 1 in einen Bereich, bei dem sowohl die Sauerstoffspeichermenge als auch die NOx-Reinigungsrate besser ist als die Trade-off-Linie. Es wird angenommen, dass dies darin begründet ist, dass das Arbeitsbeispiel 1 eine zonenbeschichtete obere Katalysatorschicht hat.
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Zudem ist, wenn die durchgezogene Linie in 4 und 5, die durch die Vergleichsbeispiele 1 und 2 verläuft, als Grenzwertlinie betrachtet wird, erkennbar, dass bei allen Arbeitsbeispielen 1 bis 3 eine bessere Leistung erreicht wird als die Grenzwertlinie.
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Zudem ist aus 4 und 5 erkennbar, dass wenn die Beschichtungsweite der ersten oberen Katalysatorschicht 30% bis 70% ist, eine Katalysatorschicht gebildet wird, die eine exzellente OSC-Leistung und NOx-Reinigungsleistung aufweist.
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Wie vorstehend erwähnt ist, kann das Basismaterial mit einer Zellstruktur Cordierit sein, das aus einem Komplexoxid aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid gebildet ist, oder einem Keramikmaterial wie Siliziumkarbid. Alternativ kann das Basismaterial mit einer Zellstruktur ein anderes Material sein als Keramik, wie beispielsweise ein Metallmaterial. Zudem kann das Basismaterial mit einer Zellstruktur eine sogenannte Wabenstruktur haben, bei der eine Vielzahl von Zellen mit einem tetragonalen, hexagonalen, oktagonalen, oder dergleichen, Gitterprofil angeordnet ist.
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Zudem kann bei der unteren Katalysatorschicht, die auf der Oberfläche der Zellenwände des Basismaterials ausgebildet ist, ein Oxid, das aus Ceroxid (CeO2), Zirkoniumoxid (ZrO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) gebildet ist, oder ein Komplexoxid, das aus zwei oder mehr Arten von Oxiden (beispielsweise einer CeO2-ZrO2-Verbindung, die ein sogenanntes CZ-Material ist oder ein ternäres Al2O3-CeO2-ZrO2-Komplexoxid, das Al2O3 als Diffusionssperre enthält (ACZ-Material)) gebildet ist, als der Träger verwendet werden.
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Zudem kann bei den oberen Katalysatorschichten eine Oxid, das aus Ceroxid (CeO2) gebildet ist oder ein Komplexoxid, das zwei oder mehr Metalloxide, wie Ceroxid (CeO2) und Zirkoniumoxid (ZrO2) enthält (beispielsweise eine CeO2-ZrO2-Verbindung, die ein sogenanntes CZ-Material ist oder ein ternäres Al2O3-CeO2-ZrO2-Komplexoxid, das Al2O3 als Diffusionssperre enthält (ACZ-Material)) als der in der ersten oberen Katalysatorschicht an der stromaufwärtigen Seite verwendete Träger verwendet werden. Zudem kann ein Oxid, das mindestens Zirkoniumoxid (ZrO2) und Aluminiumoxid (Al2O3), ein binäres Al2O3-ZrO2-Komplexoxid (ein AZ-Material), oder dergleichen enthält, in dem in der zweiten oberen Katalysatorschicht an der stromabwärtigen Seite verwendeten Träger als ein Oxid verwendet werden, das kein Ceroxid (CeO2) enthält.
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Wie vorstehend erwähnt ist, kann der Katalysator vorzugsweise einen Cordierit-Waben-Träger sein, der eine exzellente Beständigkeit gegen einen Thermoschock aufweist. Alternativ kann der Katalysator ein elektrisch beheizbarer Katalysator (EHC = „electrically heated catalytic converter”)) sein. Bei dieser Art von elektrisch beheizbarem Katalysator wird ein Wabenkatalysator beispielsweise durch Anbringen eines Elektrodenpaars an den Wabenkatalysator und Durchführen eines elektrischen Stroms zwischen den Elektroden erwärmt. Hierdurch nimmt die Aktivität des Wabenkatalysators zu und Abgase, die durch den Katalysator treten, werden effizient entgiftet. Durch Verwendung dieser Art von elektrisch beheizbarem Katalysator in einem Abgasaustragsystem, das mit einem Fahrzeugmotor und einem Schalldämpfer verbunden ist, ist es möglich, Abgase bei normalen Temperaturen zu reinigen und es ist ebenso möglich, die Abgase bei Kälte durch Aktivierung des Katalysators durch elektrisches Beheizen zu reinigen.
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Ausführungsformen dieser Erfindung sind vorstehend unter Verwendung der Zeichnung detailliert beschrieben worden, doch die genaue Gestaltung dieser Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Konstruktionsänderungen und dergleichen, die nicht vom Hauptinhalt dieser Erfindung abweichen, können als von dieser Erfindung eingeschlossen betrachtet werden.
