DE60221936T2

DE60221936T2 - Abgasreinigungssystem

Info

Publication number: DE60221936T2
Application number: DE60221936T
Authority: DE
Inventors: Shinji Yokosuka-shi Yamamoto; Masahiro Yokosuka-shi Takaya
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP2003053152A; US20020197192A1; DE60221936D1; EP1262642A2; EP1262642B1; EP1262642A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem entsprechend der Oberbegriffabschnitte von Anspruch 1 und 3. Noch genauer betrifft die Erfindung ein Abgasreinigungssystem, das in der Lage ist eine große Menge von Kohlenwasserstoffen (HC), die von einem Fahrzeug bei einer niedrigen Temperatur zu einer Zeit des Startens des Motors abgegeben wird, effektiv zu reinigen.
Bisher ist allgemein ein Drei-Wege-Katalysator verwendet worden, um Abgas von einer Brennkraftmaschine eines Automobils oder dergleichen zu reinigen. Der Drei-Wege-Katalysator führt gleichzeitig die Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) und die Reduzierung von Stickoxiden (NOx) aus. Jedoch bei einer niedrigen Temperatur zu einer Zeit des Startens des Motors ist der Drei-Wege-Katalysator wegen der niedrigen Temperatur nicht aktiviert und somit kann eine große Menge von kaltem HC, das in dieser Zeit abgeben wird, nicht gereinigt werden.
In jüngster Zeit ist für den Zweck des Reinigens von solch kaltem HC ein HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator (ein Drei-Wege-Katalysator mit einer HC-Adsorbierungsfunktion), der Zeolit als ein Kohlenwasserstoff-Adsorbierungsmittel (HC-Adsorbierungsmittel) und einen Reinigungskatalysator, z. B. einen Drei-Wege-Katalysator enthält, entwickelt worden.
Der HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator adsorbiert und hält in einem niedrigen Temperaturbereich abgegebenes kaltes HC zur Zeit des Startens des Motors, in der der Drei-Wege-Katalysator nicht aktiviert ist. Dann desorbiert und reinigt sogar der Katalysator allmählich das HC, wenn der Drei-Wege-Katalysator infolge einer Temperaturerhöhung des Abgases aktiviert wird.
Als der Katalysator, der das von dem HC-Adsorbierungsmittel desorbierte HC reinigt, ist ein Katalysator, der Edelmetalle, z. B. Rhodium (Rh), Platin (Pt) und Palladium (Pd) auf der selben Schicht mischt, und ein Katalysator eines Mehrschichtaufbaus, der Rh- und Pd-Schichten aufweist, vorgeschlagen worden. Die offengelegte Japanische Patentveröffentlichung Hei 2-56247 (veröffentlicht im Jahre 1990) zeigt einen Abgasreinigungskatalysator, der eine zweite Schicht enthält, die hauptsächlich Edelmetalle, z. B. Pt, Pd und Rh enthält, die auf einer ersten Schicht gebildet ist, die hauptsächlich Zeolit enthält.
Andere Drei-Wege-Katalysatoren, die HC-Adsorbierungsmittel verwenden, sind in den offengelegten Japanischen Patentveröffentlichungen Hei 6-74019 (veröffentlicht im Jahre 1994), 7-144119 (veröffentlicht im Jahre 1995), 6-142457 (veröffentlicht im Jahre 1994), 5-59942 (veröffentlicht im Jahre 1993) und 7-102957 (veröffentlicht im Jahre 1995) gezeigt worden.
Zusätzlich ist aus der US 6,047,544 ein Motor Abgasreinigungssystem bekannt, das einen Drei-Wege-Katalysator und einen Kohlenwasserstoff-(HC-)adsorbierenden/reinigenden Katalysator aufweist, die beide in dem Abgaskanal angeordnet sind. Der HC-adsorbierende/reinigende Katalysator weist ein monolithisches Substrat auf, auf dem eine erste Schicht, die ein Zeolit aufweist, ein HC-Adsorbierungsmittel gebildet ist. Eine zweite Schicht, die Katalysatorschicht mit einem Drei-Wege-Katalysator, ist auf der ersten Schicht gebildet. Das monolithische Substrat des HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysators hat eine nicht-kreisförmige (eine elliptische) Form. Das Abgasreinigungssystem kann mit einem Drei-Wege-Katalysator versehen sein, der stromauf der zwei (oder mehrerer) HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysatoreinheiten in dem Abgaskanal vorgesehen ist.
Überdies betrifft die US 5,649,421 eine Abgasemission-Steuervorrichtung mit zwei HC-umwandelnden katalytischen Wandlern, die aufeinanderfolgend in dem Abgassystem angeordnet sind. Der zweite Wandler ist in zwei unabhängige Abschnitte aufgeteilt. In Bezug auf ein bestimmtes gezeigtes Ausführungsbeispiel sind die äußeren Abmessungen der wabenförmigen Teile der zwei katalytischen Wandler vorgegeben. Das wabenförmige Teil des ersten katalytischen Wandlers hat nämlich einen Außendurchmesser von 105 mm und eine Länge von 140 mm. Das wabenförmige Teil von jedem der zwei unabhängigen Abschnitte des zweiten katalytischen Wandlers hat einen Außendurchmesser von 105 mm und eine Länge von 812 mm.
Jedoch in dem Fall des Verwendens des herkömmlichen HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators kann das kalte HC, das in dem HC-Adsorbierungsmittel zu der Zeit des Startens des Motors, manchmal, bevor die Abgastemperatur erhöht wird, desorbiert werden. Solch ein früh desorbiertes HC wird wegen der unzureichenden Aktivierung des Drei-Wege-Katalysators in einem ungereinigten Zustand abgegeben.
Demzufolge sind Studien an einem Verfahren des Desorbierens und des Reinigens von durch den Drei-Wege-Katalysator adsorbierten HC vorgenommen worden, nachdem der Drei-Wege-Katalysator durch Verändern der Abgaskanäle, ein frühes Aktivierungsverfahren eines Drei-Wege-Katalysators durch den Gebrauch eines elektrischen Heizers, ein Beschleunigungsverfahren eines Aktivierungsstarts eines Drei-Wege-Katalysators durch Einleiten von Außenluft und dergleichen ausreichend aktiviert worden ist. Diese Verfahren sind jedoch wegen der komplexen Systemkonfiguration kostenaufwändig und die Effektivität, um das kalte HC zu reinigen, kann nicht ausreichend erhöht werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein einfaches Abgasreinigungssystem, wie oben angezeigt, zu schaffen, das in der Lage ist, die Effektivität der Reinigung des kalten HC zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasreinigungssystem mit den Merkmalen von jedem der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerer Ausführlichkeit in Bezug auf mehrere Ausführungsbeispiele derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und Tabellen erläutert, wobei:
die 1A und 1B Ansichten sind, die jeweils eine Basiskonfiguration eines Abgasreinigungssystems entsprechend eines Ausführungsbeispieles zeigen;
2 eine Ansicht ist, die einen HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator und eine Zelle des Ausführungsbeispieles jeweils in perspektivischer und in ausgebreiteter Schnittdarstellung zeigt;
die 3 und 4 perspektivischen Ansichten sind, die jeweils einen weiteren HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator des Ausführungsbeispieles zeigen;
5 eine Konfigurationsdarstellung des Abgasreinigungssystems entsprechend der Beispiele ist;
die Tabellen 1 bis 4 Zustände von Katalysatoren, die für das Abgasreinigungssystem entsprechend der Beispiele verwendet werden, zeigen;
die Tabellen 5 und 6 Merkmale des Abgasreinigungssystems entsprechend der Beispiele zeigen; und
die 6A und 6B Diagramme sind, die jeweils die Beziehung zwischen der HC-Reinigungsrate und L/d und der HC-Reinigungsrate und der L/A zeigen.
Als nächstes wird eine Beschreibung für ein Abgasreinigungssystem entsprechend eines Ausführungsbeispieles vorgenommen. In der vorliegenden Spezifikation repräsentiert „%" einen Massenprozentsatz, es sei denn, es ist andererseits spezifiziert.
Wie in der 1a gezeigt, enthält das Abgasreinigungssystem dieses Ausführungsbeispieles zumindest einen HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator 10 und einen Drei-Wege-Katalysator, und das System ist an einem Fahrzeug montiert, wie in der 1B gezeigt. In diesem Abgasreinigungssystem ist der Drei-Wege-Katalysator 20 stromauf an einem Kanal 40 für das Abgas, das von einer Brennkraftmaschine 30 abgegeben wird, angeordnet und der HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator 10 ist davon stromab angeordnet.
Wie in der 2 gezeigt, enthält der HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator 10 einen monolithischen Träger 1 mit einer Mehrzahl von Zellen und enthält HC-adsorbierende Schichten 2 und reinigende Katalysatorschichten 3, die auf dem monolithischen Träger 1 gebildet sind.
Eine große Menge von kalten HC wird von der Brennkraftmaschine 30 in einem niedrigen Temperaturbereich zu einer Zeit des Startens des Motors abgegeben. Dieses kalte HC wird jedoch in den HC-adsorbierenden Schichten 2 während des Durchgangs durch die Zellen des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 adsorbiert. Wenn die reinigenden Katalysatorschichten 3 aktiviert werden, reinigen die reinigenden Katalysatorschichten 3 das von den HC-adsorbierenden Schichten 2 desorbierte HC.
Es gibt keine besondere Begrenzungen für eine Querschnittsform des monolithischen Trägers 1, der für den HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator 10 verwendet wird. Ein kreisförmiger Abschnitt, der in der 2 gezeigt ist, ein elliptischer Querschnitt, der in der 3 gezeigt ist, oder ein flacher rechteckiger Querschnitt, der in der 4 gezeigt ist, kann verwendet werden.
Wenn der monolithische Träger 1 einen nahezu kreisförmigen Querschnitt hat, wie in der 2 gezeigt ist, hat der monolithische Träger 1 einen Durchmesser (d) mit einem Querschnitt und einer Länge (L), die im Verhältnis, repräsentiert durch 0,7 ≤ L/d, vorzugsweise 2,0 ≤ L/d ≤ 16,0, festgelegt worden sind. Es ist noch vorteilhafter, es in 4,0 ≤ L/d ≤ 14,0 festzulegen. Es ist zu beachten, dass der Durchmesser (d) der des Querschnittes ist, der zu einer Abgasströmungsrichtung rechtwinklig ist, und die Länge die ist, die in der Richtung der Abgasströmungsrichtung ist.
Wenn der monolithische Träger 1 eine andere Querschnittsform als die kreisförmige Form hat, wie in der 3 oder in der 4 gezeigt ist, hat der monolithische Träger 1 eine Querschnittsfläche (A) und eine Länge (L), die im Verhältnis, das durch 0,01 ≤ L/A, vorzugsweise 0,035 ≤ L/A ≤ 0,3 repräsentiert wird, festgelegt worden ist. Es ist noch vorteilhafter, es in 0,07 ≤ L/A ≤ 0,25 festzulegen.
Da im Wesentlichen kein gesonderter Raum in dem Fahrzeug vorgesehen ist, ist eine Kapazität eines Katalysators, der an dem Fahrzeug montiert ist, begrenzt. Der monolithische Träger 1 des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 dieses Ausführungsbeispieles hat das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (d) und der Länge (L) oder zwischen der Querschnittsfläche (A) und der Länge (L), das festgelegt wird, um der zuvor beschriebenen Bedingung zu genügen. Folglich ist die Länge (L) länger, wenn mit der des herkömmlichen HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators derselben Kapazität verglichen wird.
Das HC in dem Abgas bewegt sich im Durchgang durch jede Zelle des monolithischen Trägers 1, wird wiederholt adsorbiert oder desorbiert. Demzufolge wird, wie die Länge (L) des monolithischen Trägers 1 länger wird, eine Frequenz der Adsorption oder Desorption erhöht, um es somit möglich zu machen, die HC-Reinigungsrate zu erhöhen.
Da die Länge (L) des monolithischen Trägers 1 länger ist, wird ein Temperaturgradient in einer Längsrichtung des monolithischen Trägers 1 erzeugt, um somit eine Temperatur in einem Auslass des monolithischen Trägers 1 zu vermindern. Da somit eine Temperaturerhöhung des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10, wenn mit dem in dem herkömmlichen Fall verglichen wird, sanfter wird, wird Desorption von adsorbierten HC verzögert und die HC-Reinigungsrate wird verbessert.
In dem HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator 10 gibt es keine Begrenzung für die Anordnung der HC-adsorbierenden und reinigenden Katalysatorschichten 2 und 3. Jedoch ist vorzugsweise, wie in der 2 gezeigt, jede reinigende Katalysatorschicht 3 auf der HC-adsorbierenden Schicht 2 gebildet. Da die reinigende Katalysatorschicht 3 in direkten Kontakt mit dem Abgas gebracht wird, wird die reinigende Katalysatorschicht 3 durch die Wärme des Abgases effektiv erwärmt. Demzufolge kann die reinigende Katalysatorschicht 3 früh aktiviert werden, um es somit möglich zu machen, die HC-Reinigungsrate zu verbessern.
Es ist möglich die HC-Desorption zu verzögern, wenn L/d gleich ist zu/höher ist als 0,70. Das Verzögern der HC-Desorption kann jedoch besser sichergestellt werden, wenn L/d höher ist als oder gleich zu 2,0 ist. Andererseits macht es eine längere Länge L schwierig, eine Temperatur der gesamten reinigenden Katalysatorschicht 3 zu erhöhen. Wenn jedoch L/d niedriger als oder gleich zu 16,0 ist, kann das verzögerte Starten der Aktivierung der reinigenden Katalysatorschicht 3 verhindert werden. Wenn demzufolge L und d dem Verhältnis, dass durch 2,0 ≤ L/d ≤ 16,0, vorzugsweise durch 4,0 ≤ L/d ≤ 14,0 repräsentiert wird, genügt wird, kann die Desorption des adsorbierten HC, ohne irgendeine Verzögerung der Startaktivierung der reinigenden Katalysatorschicht 3, verzögert werden. Demzufolge ist es möglich, die HC-Reinigungsrate effektiv zu erhöhen.
Wenn die Querschnittsfläche (A) und die Länge (L) des monolithischen Trägers 1 dem Verhältnis, repräsentiert durch 0,01 ≤ L/A, genügt, wird eine Wirkung, die zu der, wenn L/d höher ist als oder gleich zu 0,70 ist, erhalten. Wenn die Querschnittsfläche (A) und die Länge (L) des monolithischen Trägers 1 dem Verhältnis genügt, das durch L/A ≤ 0,3 repräsentiert wird, wird eine Wirkung ähnlich zu der, wenn L/d niedriger als oder gleich zu 16,0 ist, erhalten. Zum weiteren Sicherstellen einer Verbesserung in der HC-Reinigungsrate werden L und A festgelegt, um dem Verhältnis, das durch 0,035 ≤ L/A ≤ 0,3, vorzugweise 0,070 ≤ L/A ≤ 0,25 repräsentiert wird, genügt.
In dem Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator entsprechend dieses Ausführungsbeispieles kann ein weiterer HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysator an dem Abgaskanal hinzugefügt werden. Falls eine Mehrzahl von HC-Adsorbierungs-/Reinigungs-Katalysatoren an dem Abgaskanal angeordnet ist, dann sollte eine Summe (Σd) der Querschnittsdurchmesser und eine Summe (ΣL) der Längen der monolithischen Trägen Träger der HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren vorzugsweise dem Verhältnis, das durch 0,5 ≤ (ΣL)/(Σd) repräsentiert wird, genügen. Wenn (ΣL)/(Σd) höher ist als oder gleich ist zu 0,5, dann kann eine ausreichende HC-Desorptions-Verzögerungswirkung erhalten werden.
Zusätzlich sollte, wenn die Mehrzahl der HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren in Längsrichtung angeordnet ist, eine Summe (ΣA) der Querschnittsflächen und die Summe (ΣL) der Längen der monolithischen Träger vorzugsweise dem Verhältnis, das durch 0,5 ≤ (ΣL)/(ΣA) repräsentiert wird, genügen und demzufolge kann eine viel höhere HC-Reinigungsrate realisiert werden.
Noch genauer, wenn (ΣL)/(ΣA) höher als oder gleich zu 0,5 ist, dann kann eine zu der zuvor erwähnten ähnliche Wirkung erhalten werden.
Der Drei-Wege-Katalysator 20 enthält eine Funktion von gleichzeitiger Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) und der Reduzierung von Stickoxiden (NOx). Noch genauer, der Drei-Wege-Katalysator 20 dieses Ausführungsbeispieles hat ein Merkmal, das eine Menge von adsorbierten Kohlenwasserstoffen des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators, die niedriger als eine gesättigte Adsorptionsmenge sein soll, steuert.
Insbesondere wird es, um das Merkmal des Drei-Wege-Katalysators 20 zu schaffen, bevorzugt, eine Aktivierung desselben durch die folgenden mittel zu beschleunigen: 1) Verdünnen der Wand des monolithischen Trägers des Drei-Wege-Katalysators 20, um eine Wärmekapazität desselben zu vermindern, 2) Vergrößern einer Kontaktoberfläche des Abgases, 3) Steuern einer Menge der Edelmetalle, die in dem Drei-Wege-Katalysator 20 enthalten ist, 4) Steuern des Verbrennungszustandes in einem Motor, um einen geeigneten Ausgleich der verschiedenen Gase, die Sauerstoff und HC enthalten, zu schaffen, und 5) Beschleunigen der Zeit für das Stabilisieren des Verbrennungszustandes in dem Motor.
Wenn die Menge von HC, die in dem HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator 10 adsorbiert wird, die gesättigte Adsorptionsmenge überschreitet, wird ungereinigtes HC direkt nach außen abgegeben. Wenn jedoch die Menge von HC durch den Drei-Wege-Katalysator 20 gesteuert wird, um nicht die gesättigte Adsorptionsmenge zu überschreiten, kann der HC-adsorbierende/reinigende Katalysator 10 das ungereinigte HC in dem Abgas erneut speichern.
Kaltes HC in dem Abgas wird wiederholt adsorbiert und desorbiert, wenn das kalte HC durch die Zellen des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 hindurchgeht. Wenn die HC-Adsorptionsmenge der HC-adsorbierenden Schichten 2 des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 nicht die gesättigte Adsorptionsmenge überschreitet, kann das ungereinigte HC, das von jeder HC-adsorbierenden Schicht 2 deorbiert wird, gegen die unterschiedlichen Positionen der HC-adsorbierenden Schicht 2 beim Durchgang durch die Zelle erneut desorbiert werden. Somit wird eine HC-Haltekraft des Katalysators als ein ganzes erhöht und die HC-Desorption wird verzögert.
Wenn die Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 20, der stromauf angeordnet ist, erhöht wird und somit der Drei-Wege-Katalysator 20 aktiviert wird, wird Sauerstoff in dem Abgas in einer Reaktion verwendet, die durch den Drei-Wege-Katalysator 20 hervorgerufen wird. Somit vermindert sich die Konzentration von Sauerstoff, die in den HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator 10 strömt, der stromab angeordnet ist, beträchtlich. Demzufolge tritt ein Sauerstoffmangel in der reinigenden Katalysatorschicht 3 zum Reinigen des HC, das von der HC-adsorbierenden Schicht 2 desorbiert worden ist, auf. Wenn jedoch die adsorbierte HC-Menge festgelegt wird, um niedriger als oder um gleich zu 70% zu sein, dann kann der Sauerstoffmangel gemildert werden, um es somit möglich zu machen, die HC-Reinigungsrate weiter zu verbessern.
Als nächstes wird eine Beschreibung für die Komponenten des zuvor erwähnten adsorbierenden/reinigenden Katalysators vorgenommen.
Wenn Zeolite als ein HC-Adsorptionsmittel für die HC-adsorbierende Schicht 2 verwendet wird, wird die Adsorptionsfähigkeit für kaltes HC durch eine Korrelation zwischen den HC-Spezieszusammensetzung in dem Abgas und der Porengröße des Zeolits beeinträchtigt. Folglich ist es notwendig, Zeolit, das eine optimale Verteilung der Porengröße und einen skelettartigen Aufbau hat, auszuwählen und zu verwenden.
Im Wesentlichen wird ein MFI-Typ verwendet. Andere Zeolite (z. B. USY) mit einer großen Porengröße können einzeln verwendet werden, oder die Verteilung der Porengröße von Zeolit kann durch Mischen solcher mehrerer Typen von Zeoliten gesteuert werden. Jedoch wird nach einem Langzeitgebrauch, wegen der Differenzen in der Verdrehung der Poren und der Adsorptions-/Desorptions-Merkmalen in Abhängigkeit von den Typen der Zeolite, die Adsorption der HC-Spezies in dem Abgas unzureichend.
Als ein HC-Adsorptionsmittel, das für die HC-adsorbierende Schicht 2 dieses Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist ein H-Typ, β-Zeolit mit einem Si/2Al-Verhältnis, das in einen Bereich von 10 bis 100 festgelegt worden ist, verfügbar. Da dieses H-Typ, β-Zeolit eine breite Verteilung der Porengröße und einen hohen Wärmewiderstand hat, schafft es eine hohe Effektivität der HC-Adsorption und ein hoher Wärmewiderstand kann erhalten werden.
Zusätzlich sollte als ein HC-Adsorptionsmittel vorzugsweise das H-Typ, β-Zeolit in Kombination mit einem ausgewählten aus MFI, einem Y-Typ-Zeolit, USY, Mordenit und Ferrit oder einem optimalen Gemisch derselben verwendet werden. Durch das mischen mehrerer Typen von Zeolit, kann die Verteilung der Porengröße ausgebreitet werden. Somit ist es möglich, die Effektivität der HC-Adsorption der HC-adsorbierenden Schicht 2 weiter zu verbessern.
Für die HC-adsorbierende Schicht 2 kann außer den zuvor erwähnten Zeolit-Serienmaterialien ein ausgewähltes aus der Gruppe, die aus Palladium (Pd), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Silber (Ag), Yttium (Y), Lanthan (La), Cerium (Ce), Neodym (Nd), Phosphor (P), Bor (B) und Zirkonium (Zr) und einem Gemisch derselben besteht, hinzugefügt werden. Da die Adsorptionsfähigkeit und der Wärmewider stand von Zeolit demzufolge weiter verstärkt werden können, ist es möglich, die Desorption von adsorbierten HC zu verzögern.
Die HC-adsorbierende Schicht kann auch durch Verwenden des Zeolits als eine Hauptkomponente und durch Zusetzen eines ausgewählten von Pt, Rh und Pd oder eines Gemischs derselben, einem Zirkoniumoxid, das 1 bis 40 Mol-% in Metall enthält, ein ausgewähltes von Ce, Nd, Prasedym (Pr) und La oder eines Gemischs derselben, und Aluminium gebildet werden. Da demzufolge die Größe der reinigenden katalytischen Komponenten zu der HC-adsorbierenden Schicht 2 hinzugefügt werden, ist es möglich, die HC-Reinigungsrate der oberen reinigenden Katalysatorschicht 3 zu verbessern.
Mittlerweile kann für die reinigende Katalysatorschicht 3 des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 ein Edelmetall, das aus Pt, Rh und Pd oder einem Gemisch derselben ausgewählt wird, verwendet werden. Außerdem ist es möglich, Aluminium, das 1 bis 10 Mol-% in Metall enthält, ein ausgewähltes von Ce, Zr und La oder ein Gemisch derselben, und 1 bis 50 Mol-% in Metall eines Ceriumoxids, das ein ausgewähltes von Zr, Nd, Pr und La oder ein Gemisch derselben enthält, hinzuzufügen.
Der Drei-Wege-Katalysator 20 der reinigenden Katalysatorschicht 3 funktioniert effektiv in einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Luft/Kraftstoff = 14,6) und reduziert Nox. Da jedoch die Atmosphäre der reinigenden Katalysatorschicht 3 an Sauerstoff knapp wird, wenn HC von der HC-adsorbierenden Schicht 2 desorbiertes HC gereinigt wird, ist eine gut-ausgeglichene Behandlung für HC, Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) nicht möglich und demzufolge kann das adsorbierte HC nicht ausreichend gereinigt werden. Wenn andererseits ein Ceriumoxid zu der reinigenden Katalysatorschicht 3 hinzugefügt wird, kann, da die Ceriumoxide Sauerstoff bei der Desorption des adsorbierten HC abgeben, die Reinigungsrate der reinigenden Katalysatorschicht 3 verbessert werden.
Zusätzlich kann ein Zirkoniumoxid, das 1 bis 40 Mol-% im Metall enthält, eines von Ce oder La oder eines Gemischs derselben zu der reinigenden Katalysatorschicht 3 hinzugefügt werden. Demzufolge kann die HC-Reinigungsrate der reinigenden Katalysatorschicht 3 weiter verbessert werden.
Mittlerweile wenn die reinigende Katalysatorschicht 3 unter Verwendung in Kombination von Edelmetall, z. B. Pt, Rh und Pd und Alkali-Metall und/oder Erdalkali-Metall verwendet wird, der Wärmewiderstand verbessert werden. Demzufolge kann die HC-Reinigung verbessert werden.
Es gibt keine spezielle Begrenzung für die Materialien des zuvor beschriebenen monolithischen Trägers 1 und es können herkömmlich bekannte Materialien verwendet werden. Besonders kann Corderit, Metall-und Siliziumkarbid verwendet werden.
Andererseits können einige Komponenten, die eine Drei-Wege-Reinigungsleistung zeigen, für den Drei-Wege-Katalysator 20 verwendet werden. Z. B. können Platin, Palladium, Rhodium, Aluminium und weitere wärmebeständige anorganische Oxide verwendet werden.
Wie in dem Fall des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 können verschiedene monolithische Träger für den Drei-Wege-Katalysator 20 verwendet werden und es gibt keine Begrenzungen in Form und Abmessung derselben. Ein weiterer Drei-Wege-Katalysator kann stromab des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators 10 an dem Abgaskanal angeordnet werden.
Nachstehend wird eine Beschreibung für Beispiele des Abgasreinigungssystems dieses Ausführungsbeispieles gegeben.
Beispiele
Katalysator 1: HC-adsorbierender/reinigender Katalysator
(Vorbereitung des „Katalysators-a")
Eine Aufschlämmungslösung wurde durch Eingießen 2125 g von β-Zeolit-Pulver (H-Typ, Si/2Al = 25), 1875 g von Kieselerdesalz (fester Teil 20%) und 3000 g von reinem Wasser in eine Magnetkugelmühle und Mischen und Mahlen dieser Komponenten erhalten. Diese Aufschlämmungslösung wurde auf einen monolithischen Träger (200 Zellen/10 mm, Durchmesser 99,2 mm × 1229 mm Länge, Katalysatorkapazität 1,0 L), Trocknen nach dem Entfernen der Extra-Aufschlämmung durch einen Luftstrom und Backen bei 400°C für eine Stunde beschichtet. Nach dem Backen wurde der Beschichtungsschritt wiederholt, bis eine Menge des Beschichtens 250 g/L erreichte und somit ein „Katalysator-a" erhalten wurde.
(Vorbereitung des „Katalysators-b")
Aluminiumpulver (Al 97 Maol-%), das 3 Mol-% von Ce enthält, wurde mit einer wässrigen Palladium-Nitrat-Lösung imprägniert, oder die wässrige Palladium-Nitrat-Lösung wurde aufgesprüht, während das Aluminiumpulver bei einer hohen Drehzahl gerührt wurde. Nachdem das Aluminiumpulver bei 150°C für 24 Stunden getrocknet worden ist, wurde das Aluminiumpulver bei 400°C für eine Stunde und dann bei 600°C für eine Stun de gebacken, und dann wurde Pd-gestütztes Aluminiumpulver („Pulver a") erhalten. Die Pd-Konzentration dieses „Pulvers a" betrug 4,0%.
Ceriumoxidpulver (67 Mol-% von Ce), das 1 Mol-% von La und 32 Mol-% von Zr enthält, wurde mit der wässrigen Palladium-Nitrat-Lösung imprägniert, oder die wässrige Palladium-Nitrat-Lösung wurde aufgesprüht, während das Ceriumoxidpulver bei einer hohen Drehzahl gerührt wurde. Nachdem das Ceriumoxidpulver bei 150°C für 24 Stunden getrocknet worden ist, wurde das Ceriumoxidpulver bei 400°C für eine Stunde und dann bei 600°C für eine Stunde gebacken und dann wurde Pd-gestütztes Aluminiumpulver („Pulver b") erhalten. Die Pd-Konzentration dieses „Pulvers b" betrug 2,0%.
Eine Aufschlämmungslösung wurde durch Eingießen von 314 g des Pd-gestützten Aluminiumpulvers (Pulver a"), 314 g des Pd-gestützten Ceriumoxidpulvers („Pulver b"), 320 g von Salpetersäure-Aluminiumsalz (32 g in Al₂O₃ des Salzes, erhalten durch das Addieren von Salpetersäure von 10% zu Boehmit-Aluminium von 10%), 51,5 g von Bariumkarbonat (40 g von BaO) und 200 g von reinem Wasser in eine Magnetkugelmühle und Mischen und Mahlen dieser Komponenten erhalten. Diese Aufschlämmungslösung wurde auf den „Katalysator a" beschichtet, durch einen Luftstrom nach dem Entfernen der Extra-Aufschlämmung in der Zelle getrocknet und bei 400°C für eine Stunde gebacken. Somit wurde ein „Katalysator b" einer beschichteten Schicht mit einem Gewicht von 70 g/L erhalten.
(Vorbereitung des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators)
Aluminiumpulver (Al 97 Mol-%), das 3 Mol-% von Zr enthält, wurde mit einer wässrigen Rhodium-Nitrat-Lösung imprägniert, oder eine wässrige Palladium-Nitrat-Lösung wurde aufgesprüht, während das Aluminiumpulver bei einer hohen Drehzahl gerührt wurde. Nachdem das Aluminiumpulver bei 150°C für 24 Stunden getrocknet war, wurde das Aluminiumpulver bei 400°C für eine Stunde und dann bei 600°C gebacken und Rh-gestütztes Aluminiumpulver („Pulver c") wurde erhalten. Die Rh-Konzentration dieses „Pulvers c" betrug 2,0%.
Das Aluminiumpulver (Al 97 Mol-%) von Ce wurde mit einer wässrigen Dinitrodiamin-Platinlösung imprägniert, oder die wässrige Dinitrodiamin-Platinlösung wurde aufgesprüht, während das Aluminiumpulver bei einer hohen Drehzahl gerührt wurde. Nachdem das Aluminiumpulver bei 150°C für 24 Stunden getrocknet war, wurde das Aluminiumpulver bei 400°C für eine Stunde und dann bei 600°C gebacken und Pt-gestütztes Alumini umpulver („Pulver d") wurde erhalten. Die Pt-Konzentration dieses „Pulvers d" betrug 4,0%.
Eine Aufschlämmungslösung wurde durch Eingießen von 118 g des Rh-gestützten Aluminiumpulvers (Pulver c"), 177 g des Pt-gestützten Aluminiumpulvers („Pulver d"), 175 g des Zirkoniumoxidpulvers, das 1 Mol-% von La und 20 Mol-% von Ce und 300 g von Salpetersäure-Aluminiumsalz enthält, in eine Magnetkugelmühle und Mischen und Mahlen dieser Komponenten erhalten. Diese Aufschlämmungslösung wurde auf den „Katalysator b" beschichtet, durch einen Luftstrom nach dem Entfernen der Extra-Aufschlämmung in der Zelle getrocknet und bei 400°C für eine Stunde gebacken und durch ein beschichtetes Schicht mit einem Gewicht von 50 g/L erhalten. Somit wurde ein „Katalysator 1" (ein HC- adsorbierender/reinigender Katalysator) erhalten.
Die gelagerten Edelmetallmengen des so erhaltenen Katalysators betrugen 0,71 g/L für Pt, 1,88 g/L für Pd und 0,24 g/L für Rh. Die Tabellen 1 und 2 zeigen Spezifikationen des so erhaltenen „Katalysators 1".
Katalysator 22: Drei-Wege-Katalysator
(Vorbereitung des „Katalysators-e")
Eine Aufschlämmungslösung wurde durch Eingießen von 432 g des Pd-gestützten Aluminiumpulvers (Pulver a"), 314 g des Pd-gestützten Ceriumoxidpulvers („Pulver b"), 140 g von salpetersauren Aluminiumsalz (32 g in Al₂O₃ von Salz, erhalten durch Hinzufügen von Salpetersäure von 10% zu Boehmit-Aluminium von 10%), 51,5 g von Bariumkarbonat (40 g von BaO), und 2000 g von reinem Wasser in eine Magnetkugelmühle und Mischen und Mahlen dieser Komponenten erhalten. Diese Aufschlämmungslösung wurde auf einen monolithischen Träger (1200 Zellen/2 mil, 0,5 L) beschichtet, durch einen Luftstrom nach dem Entfernen der Extra-Aufschlämmung in der Zelle getrocknet und bei 400°C für eine Stunde gebacken. Dann wurde die Aufschlämmlösung einer beschichteten Schicht mit einem Gewicht von 80 g/L beschichtet und somit ein „Katalysator-e" erhalten.
Eine Aufschlämmungslösung wurde durch Eingießen von 118 g des Rh-gestützten Aluminiumpulvers (Pulver c"), 177 g des Pt-gestützten Aluminiumpulvers („Pulver d"), 175 g des Zirkoniumoxidpulvers, das 1 Mol-% von La und 20 Mol-% von Ce und 300 g von Salpetersäure-Aluminiumsalz enthält, in eine Magnetkugelmühle und Mischen und Mahlen dieser Komponenten erhalten. Diese Aufschlämmungslösung wurde auf den „Katalysator-e" beschichtet, durch einen Luftstrom nach dem Entfernen der Extra-Aufschlämmung in der Zelle getrocknet und bei 400°C für eine Stunde gebacken. und durch ein beschichtetes Schicht mit einem Gewicht von 50 g/L erhalten. Dann wurde die Aufschlämmlösung einer beschichteten Schicht mit einem Gewicht von 50 g/L beschichtet und somit ein „Katalysator-22" erhalten.
Die gelagerten Edelmetallmengen des so erhaltenen Katalysators betrugen 0,71 g/L für Pt, 2,36 g/L für Pd und 0,24 g/L für Rh. Die Tabellen 1 und 2 der 6 und 7 zeigen Spezifikationen des so erhaltenen „Katalysators 22".
Katalysator 2 bis 20: Weitere HC-adsorbierende/reinigende Katalysatoren
Durch das Verwenden eines Herstellungsverfahrens, das zu dem der „Katalysatoren 1" ähnlich ist, wurden die „Katalysatoren 2 bis 20" (HC-adsorbierende/reinigende Katalysatoren) der in den Tabellen 1 und 2 der 6 und 7 vorbereitet.
Katalysator 21: Drei-Wege-Katalysator
Ein Drei-Wege-Katalysator, der Katalysator 21 der in den Tabellen 1 und 2 der 6 und 7 gezeigten Spezifikation, wurde entsprechend eines allgemeinen Verfahrens vorbereitet.
Abgasreinigungssystem
Ein in der 5 gezeigtes katalytisches Abgasreinigungssystem wurde durch Gebrauch der HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren (Katalysatoren 1 bis 20) und des Drei-Wege-Katalysators (der Katalysatoren 21 und 22), die unter den zuvor beschriebenen Bedingungen vorbereitet wurden, hergestellt. Wie in der 5 gezeigt, wurden in dem katalytischen Abgasreinigungssystem die ersten und zweiten Drei-Wege-Katalysatoren 21 und 22 und die ersten und zweiten HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren an einem Abgaskanal 41 von dem Motor 31 angeordnet. Einer oder beide der ersten und zweiten HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren 11 und 12 wurde verwendet. Entsprechend der in den Tabellen 3 und 4 gezeigten Bedingungen wurden die katalytischen Abgasreinigungssysteme der Beispiele 1 bis 39 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 hergestellt.
[Leistungsbewertung]
Die Leistungsbewertung wurde für das Abgasreinigungssystem von jedem der Beispiele und der Vergleichsbeispiele unter den folgenden Bedingungen vorgenommen. Die Tabellen 5 und 6 zeigen die erhaltenen Resultate. Das Beispiel 17 hat ein bestes Ergebnis im Hinblick auf sowohl die Adsorbierungsleistung für kalte HC, als auch die desorbierte HC-Reinigungsleistung und auf die Kosten.
Weiter zeigen die Diagramme der 6A, 6B jeweils das Verhältnis zwischen der HC-Reinigungsrate und L/d, und der HC-Reinigungsrate und L/A. Entsprechend der 6A kann mehr als 20% der HC-Reinigung erhalten werden, wenn L/d dem Verhältnis genügt, das durch 2,0 ≤ L/d ≤ 16,0 repräsentiert wird, und mehr als 40% der HC-Reinigung kann erhalten werden, wenn L/d dem Verhältnis genügt, das durch 4,0 ≤ L/d ≤ 14,0 repräsentiert wird. Entsprechend der 6B kann mehr als 20% der HC-Reinigung erhalten werden, wenn L/A dem Verhältnis genügt, das durch 0,035 ≤ L/A ≤ 0,3 repräsentiert wird, und mehr als 40% der HC-Reinigung kann erhalten werden, wenn L/A dem Verhältnis genügt, das durch 0,07 ≤ L/d ≤ 0,25 repräsentiert wird. (Standfestigkeitsbedingung)

Motorverdrängung 3000 cc

Kraftstoff Benzin (Nisseki Dash)

Katalysatoreinlasstgasemperatur 650°C

Testdauer 100 Stunden

(Fahrzeugleistungstest)

Motorverdrängung Vierzylinder-2,0 L-Reihenmotor

(hergestellt durch Nissan Motor Co., Ltd.)

Bewertungsverfahren A-Tasche des LA4-CH des Nordamerikamodus-Gasprüfverfahrens
Wie zuvor beschrieben, wird entsprechend der Lehre des vorliegenden Ausführungsbeispieles eine Einstellung für die Form des monolithischen Trägers des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators vorgenommen, der stromab des Katalysators mit einer Drei-Wege-Funktion angeordnet ist, um es somit möglich zu machen, ein Abgasreinigungssystem zu schaffen, das eine ausgezeichnete Reinigungsrate von kalten HC anbietet.
Tabelle 2

1) elliptische Form

Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6

Claims

Abgasreinigungssystem für ein Fahrzeug, aufweisend: einen Abgaskanal (40), einen HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator (10), angeordnet in dem Abgaskanal (40), mit einem monolithischen Träger (1) und einer Kohlenwasserstoff-adsorbierenden Schicht (2) und einer reinigenden Katalysatorschicht (3), gebildet auf dem monolithischen Träger, und einen Dreiwege-Katalysator (20), angeordnet stromauf des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators (10) in dem Abgaskanal (40), dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Träger (1) einen Querschnittsdurchmesser (d) und eine Länge (L) hat, festgelegt in einer Bezeichnung, gegeben durch 2,0 ≤ L/d ≤ 16,0.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator mit einem monolithischen Träger und Kohlenwasserstoff-adsorbierenden und reinigenden Katalysatorschichten, gebildet auf dem monolithischen Träger, und stromab des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators (10) in dem Abgaskanal (40) angeordnet, wobei für alle HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren eine Summe (Σd) der Querschnittsdurchmesser der monolithischen Träger und eine Summe (ΣL) der Längen der monolithischen Träger festgelegt sind, in eine Beziehung, repräsentiert durch 0,5 ≤ (ΣL)/(Σd).
Abgasreinigungssystem für ein Fahrzeug, aufweisend: einen Abgaskanal (40), einen HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator (10), angeordnet in dem Abgaskanal (40), mit einem monolithischen Träger (1) und einer Kohlenwasserstoff-adsorbierenden Schicht (2) und einer reinigenden Katalysatorschicht (3), gebildet auf dem monolithischen Träger (1), und einen Dreiwege-Katalysator (20), angeordnet stromauf des HC-adsorbierenden 1 reinigenden Katalysators (10) in dem Abgaskanal (40), dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Träger (1) eine Querschnittsfläche (A) und eine Länge (L) hat, festlegt in einer Beziehung, repräsentiert durch 0,035 ≤ L/A ≤ 0,3.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysator mit einem monolithischen Träger und Kohlenwasserstoff-adsorbierenden und reinigenden Katalysatorschichten, gebildet auf dem monolithischen Träger und stromab des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators (10) in dem Abgaskanal (40) angeordnet, wobei für alle der HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysatoren eine Summe (ΣA) der Querschnittsflächen der monolithischen Träger und eine Summe (ΣL) der Längen der monolithischen Träger in eine Beziehung festgelegt ist, repräsentiert durch 0,05 ≤ (ΣL)/(ΣA).
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreiwege-Katalysator (20) vorgesehen ist, eine Menge von adsorbierenden Kohlenwasserstoffen des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators zu steuern, um niedriger als eine gesättigte Adsorptionsmenge zu sein.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreiwege-Katalysator (20) vorgesehen ist, die Menge der adsorbierenden Kohlenwasserstoffe des HC-adsorbierenden/reinigenden Katalysators (10) zu steuern, um niedriger oder gleich zu 70% der gesättigten Adsorptionsmenge zu sein.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kohlenwasserstoff-adsorbierende Schicht (2) H-Typ β-Zeolit mit einem Si/2Al-Verhältnis, festgelegt in einem Bereich von 10 bis 1000, enthält.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kohlenwasserstoff-adsorbierende Schicht (2) Zeolit von zumindest einem Typ enthält, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus MFI, einen Y-Typ-Zeolit, USY, Mordenit und Ferrit enthält.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kohlenwasserstoff-adsorbierende Schicht (2) zumindest eines enthält, ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend aus Palladium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Silber, Yttrium. Lanthan, Zer, Neodym, Phosphor, Bor oder Zirkonium.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoff-adsorbierende Schicht (2) aufweist: Zeolit als eine Hauptkomponente, Edelmetall von zumindest einem Typ, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Platin, Rhodium und Palladium, und Zirkoniumoxid, das 1 bis 40 Mol-% von Metall von zumindest einem Typ enthält, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zer, Neodym, Praseodym und Lanthan und Aluminium besteht.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoff-reinigende Schicht (3) aufweist: Edelmetall von zumindest einem Typ, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Palladium, Platin und Lanthan, Aluminium, das 1 bis 10 Mol-% aus Metall von zumindest einem Typ, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zer, Zirkonium oder Lanthan besteht, und Zeroxid, das 1 bis 50 Mol-% aus Metall von einem Typ enthält, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zirkonium, Neodym, Praseodym und Lanthan besteht.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die reinigende, Katalysatorschicht (3) außerdem Zirkoniumoxid aufweist, das 1 bis 40 Mol-% aus Metall von zumindest ein ausgewähltes von Zer oder Lanthan enthält.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die reinigende Katalysatorschicht (3) Edelmetall von einem Typ aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Palladium, Platin und Rhodium und zumindest einem enthält, ausgewähltes aus alkalischem Metall oder alkalischem Erdmetall.