DE69733702T2

DE69733702T2 - Katalysator zur Abgaskontrolle für Dieselmotoren

Info

Publication number: DE69733702T2
Application number: DE69733702T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Tanaka; Yoshio Fujimoto; Nobumoto Ohashi; Shinichi Takeshima; Kazuhiro Ito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: WO1998006492A1; EP0945178A1; EP1402946A3; DE69731663D1; EP0945178B1; JP3371427B2; EP0945178A4; US20010039242A1; EP1402946B1; US6426316B2; DE69733702D1; DE69731663T2; EP1402946A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHER BEREICH
Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasreinigungskatalysator für einen Motor mit Kompressionszündung gemäß des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
STAND DER TECHNIK
Ein Abgasreinigungskatalysator ist zum Reinigen von HC, CO und SOF, welche in einem Abgas enthalten sind, das von einem Motor mit Kompressionszündung ausgestoßen wird, bekannt (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 5-57191). Der Abgasreinigungskatalysator umfaßt ein Trägersubstrat und eine aktivierte Aluminiumoxidschicht trägt auf einer Oberfläche des Trägersubstrats katalytisches Metall zum Reinigen von HC, CO und SOF. Ferner ist SO₂ in dem Abgas enthalten, und toxisches SO₃ wird hergestellt, wenn SO₂ das katalytische Metall erreicht und oxidiert wird. Um daher, gemäß des vorstehenden Abgasreinigungskatalysators, zu verhindern, daß SO₂ das katalytische Metall erreicht, wird eine Abfangschicht zum Abfangen von SO₂ der aktivierten Aluminiumoxidschicht vorgeschaltet zur Verfügung gestellt. Die Abfangschicht ist aus einer Aluminiumoxidschicht hergestellt, welche zum Beispiel Mn-Oxid darin enthält.
In dem vorstehenden Abgasreinigungskatalysator ist die Menge von SO₂, das durch die Abfangschicht abgefangen wird, begrenzt. Ferner gibt es eine Möglichkeit, daß die Abfangschicht aufgrund ihrer Beeinträchtigung zum Abfangen von SO₂ untauglich wird. Folglich gibt es ein Problem, daß es leicht unmöglich wird, das SO₂ am Erreichen des katalytischen Metalls zu hindern. Daher ist es das Ziel der Erfindung, SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht zu hindern.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Abgasreinigungskatalysator für einen Motor mit Kompressionszündung umfaßt ein Trägersubstrat und eine poröse metalltragende Schicht, welche ein katalytisches Metall trägt, das auf der Oberfläche des Trägersubstrats gebildet wurde. Eine poröse Diffusionsbegrenzungsschicht, welche Poren mit einer kleineren Größe als jene der metalltragenden Schicht einschließt, ist auf der Oberfläche der metalltragenden Schicht gegenüber des Trägersubstrats zur Verfügung gestellt. Die Diffusionsbegrenzungsschicht, welche Poren aufweist, die eine kleinere Größe als jene der metalltragenden Schicht haben, verhindert ein Diffundieren von Substanzen, die in dem Abgas eingeschlossen sind, in die metalltragende Schicht.
Das katalytisches Metall, welches eine Oxidationsleistung niedriger als die des katalytischen Metalls, das auf der metalltragenden Schicht getragen wird, aufweist, wird auf der Diffusionsbegrenzungsschicht getragen.
Folglich werden die Substanzen, welche in dem Abgas enthalten sind, in der Diffusionsbegrenzungsschicht oxidiert.
Das katalytisches Metall fängt SO₂ ein. In dem Abgas enthaltenes SO₂ wird dann durch die Diffusionsbegrenzungsschicht abgefangen, so daß SO₂ ferner in der Diffusion in die metalltragende Schicht begrenzt wird.
Ein Bereich mit einer vorbestimmten Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht, welche sich von der Oberfläche der Diffusionsbegrenzungsschicht gegenüber der metalltragenden Schicht in die Diffusionsbegrenzungsschicht hinein ausdehnt, umfaßt eine thermische Beeinträchtigungsbegrenzungsschicht, welche thermischen Widerstand aufweist.
Zusätzlich kann die thermische Beeinträchtigungsbegrenzungsschicht aus Aluminiumoxid und die verbleibende Diffusionsbegrenzungsschicht aus Titanoxid hergestellt sein.
Darüber hinaus kann eine Diffusionsbegrenzungsschicht zwischen dem Trägersubstrat und der metalltragenden Schicht zur Verfügung gestellt sein. Folglich wird die Chance, daß Substanzen, die in dem Abgas enthalten sind, in der Nähe der metalltragenden Schicht bleiben, gesteigert.
Ebenso kann eine Absorptionsschicht zum Absorbieren von Kohlenwasserstoff zwischen dem Trägersubstrat und der metalltragenden Schicht zur Verfügung gestellt sein. Folglich wird die Chance, daß HC, das in dem Abgas enthalten ist, in der Nähe der metalltragenden Schicht bleibt, gesteigert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines unbeanspruchten Beispiels des Abgasreinigungskatalysators;
2 ist eine Ansicht, welche die Menge des hergestellten Sulfids und die Prozentsätze der Reinigung von HC und SOF in den verschiedenen Dicken der Diffusionsbegrenzungsschicht zeigt;
3 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht und dem Eigenschaftsverhältnis zeigt;
4 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht und dem Prozentsatz der Oxidationsreaktion zeigt;
5 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Katalysatortemperatur und der Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO, SOF und SO₂ zeigt;
6 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Katalysatortemperatur und dem Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ zeigt;
7 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten unbeanspruchten Beispiels des Abgasreinigungskatalysators;
8 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Abgasreinigungskatalysators;
9 ist eine Querschnittsansicht des Motors mit dem Abgasreinigungskatalysator gemäß der Ausführungsform; und
10 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasreinigungskatalysators.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
1 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines ersten unbeanspruchten Beispiels des Abgasreinigungskatalysators.
In 1 bezeichnet 10 ein Trägersubstrat zum Tragen von Schichten, welche ein Abgas reinigen. Das Substrat 10 ist ein Monolith wie ein Schaumfilter oder ein Wabenfilter oder ein Pellet-Typ. Das Material des Substrats 10 ist eine Keramik wie Cordierit oder ein Metall.
Eine metalltragende Schicht 12, welche katalytisches Metall zum Oxidieren von HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenstoffmonoxid) und SOF (lösliche organische Substanzen), welche in dem Abgas enthalten sind, trägt, ist auf der Oberfläche des Trägersubstrats 10 zur Verfügung gestellt. Die metalltragende Schicht 12 ist porös. Das Material der metalltragenden Schicht 12 ist ausgewählt aus zum Beispiel Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliciumoxid und Zirkoniumoxid. Andererseits ist das katalytische Metall, welches auf der metalltragenden Schicht 12 getragen wird, ausgewählt zum Beispiel aus Pt, Rh und Pd.
Eine Diffusionsbegrenzungsschicht 14, welche SO₂ (Schwefeldioxid), welches in dem Abgas enthalten ist, am Erreichen der metalltragenden Schicht 12 hindert, ist auf der Oberfläche der metalltragenden Schicht 12 gegenüber des Trägersubstrates 10 zur Verfügung gestellt.
Die Diffusionsbegrenzungsschicht 14 ist porös. Das Material der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 ist ausgewählt aus zum Beispiel Aluminiumoxid, Titanoxid und Siliciumoxid.
2 zeigt bei der Katalysatortemperatur von 550°C die Menge des hergestellten Sulfids und die Prozentsätze der Reinigung von HC und SOF ohne jegliche Diffusionsbeschränkungsschicht und mit Diffusionsbegrenzungsschichten, welche verschiedene Dicken aufweisen.
3 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 und den Eigenschaftsverhältnissen, welche auf der Grundlage von 2 berechnet wurden. In 3 schließt die Eigenschaft die Menge des hergestellten Sulfids ein, und die Prozentsätze der Reinigung von HC und SOF, die Eigenschaftsverhältnisse schließen Verhältnisse der Eigenschaften in dem Katalysator, welcher mit Diffusionsbegrenzungsschichten versehen ist, die verschiedene Dicken aufweisen, zu der Eigenschaft in dem Katalysator, welcher mit keiner Diffusionsbegrenzungsschicht versehen ist. Das heißt, in 3 stellt die durchgehende Linie das Verhältnis der Menge des hergestellten Sulfids im Fall, daß die Diffusionsbegrenzungsschicht 14 zur Verfügung gestellt ist, zu dem Fall, daß keine Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist, die gepunktete Linie stellt das Verhältnis des Reinigungsprozentsatzes von HC im Fall der Diffusionsbegrenzungsschicht 14, die zur Verfügung gestellt ist, zu dem Fall, daß keine Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist, und die gestrichelte Linie, welche einige Punkte einschließt, stellt das Verhältnis des Reinigungsprozentsatzes von SOF im Fall, daß die Diffusionsbegrenzungsschicht 14 zur Verfügung gestellt ist, zu dem Fall, daß keine Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist, dar.
Bezüglich 3 nimmt jedes Eigenschaftsverhältnis ab, wenn die Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 verringert wird. Der Grad der Abnahme des Eigenschaftsverhältnisses ist jedoch für jedes Eigenschaftsverhältnis verschieden. Das heißt, der Grad der Abnahme des Eigenschaftsverhältnisses, welches sich auf die Menge des hergestellten Sulfids bezieht, ist größer als jenes, welches sich zu anderen Eigenschaftsverhältnissen bezieht. Folglich wird in dem Abgasreinigungskatalysator gemäß des ersten unbeanspruchten Beispiels die Menge des hergestellten Sulfids verringert, während eine Abnahme der Effizienz der Reinigung von HC und SOF verhindert wird.
4 zeigt eine Beziehung zwischen der Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht und der Effizienz der Oxidationsreaktion von SO₂. Die Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht bedeutet die Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 zu der der metalltragenden Schicht 12. Ferner ist in 4 die Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht eine Proportion relativ zu der etwa 170 μm Dicke der metalltragenden Schicht.
Bezüglich 4 wird der Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ verringert, wenn die Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht gesteigert wird. Ebenso werden die Prozentsätze der Reinigung von HC, CO und SOF verringert, wenn die Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht verringert wird. Ferner ist der Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ etwa Null, wenn die Proportion der Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht 100 % überschreitet, d.h. etwa 170 μm. Um folglich die Abnahme der Reinigungsprozentsätze von HC, CO und SOF zu verhindern und den Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ zu verringern, ist die Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht bevorzugt gleich oder kleiner als 170 μm und die Proportion der Diffusionsbegrenzungsschicht ist 3 % bis 98 %.
Ferner ist die Rate der Abnahmeänderung des Prozentsatzes der Oxidationsreaktion von SO₂ in dem Bereich der Proportion der Dicke zwischen 3 % und 20 % größer als der in dem Bereich der anderen Proportion der Dicke. Um folglich die Abnahme der Reinigungsprozentsätze von HC, CO und SOF zu verhindern und den Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ zu verringern, ist die Proportion der Diffusionsbegrenzungsschicht ferner bevorzugt 3 % bis 20 %.
Der Prozentsatz der Oxidationsreaktion wird gesteigert, so daß eine große Menge des toxischen SO₃ hergestellt wird, wenn die Katalysatortemperatur angehoben wird. 5 zeigt eine Beziehung zwischen der Katalysatortemperatur und dem Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂. Die Kurve A bezeichnet den Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ im Fall, daß keine Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist, und die Kurve B bezeichnet den Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ im Fall, daß die Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist. Bezüglich 5 wird in dem Abgasreinigungskatalysator gemäß des ersten unbeanspruchten Beispiels SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht gehindert, so daß die Neigung des Anstiegs von dem des Prozentsatzes der Oxidationsreaktion von SO₂, wenn die Katalysatortemperatur angehoben wird, kleiner ist als der in dem Abgasreinigungskatalysator, welcher ohne Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist.
Die Wirkung, jede Verbindung, d.h. HC, CO, SOF und SO₂, am Erreichen der metalltragenden Schicht zu hindern ist für jede Verbindung verschieden. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Katalysatortemperatur und der Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO, SOF und SO₂. Die Kurve C bezeichnet die Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO und SOF, und die Kurve D bezeichnet die Rate der Oxidationsreaktion von SO₂. Ferner bezeichnet die gestrichelte Linie die Rate der Oxidationsreaktion im Fall, daß keine Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist, und die durchgehende Linie bezeichnet die Rate der Oxidationsreaktion im Fall, daß die Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verfügung gestellt ist.
Bezüglich 6 ist die Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO und SOF in dem Katalysator, welcher mit der Diffusionsbegrenzungsschicht versehen ist, kleiner als die in dem Katalysator, welcher mit keiner Diffusionsbegrenzungsschicht versehen ist, wenn die Katalysatortemperatur eine vorbestimmte Temperatur T₁ übersteigt. Ferner ist der Prozentsatz der Oxidationsreaktion von SO₂ in dem Katalysator, welcher mit der Diffusionsbegrenzungsschicht versehen ist, kleiner als der in dem Katalysator, welcher mit keiner Diffusionsbegrenzungsschicht versehen ist, wenn die Katalysatortemperatur eine vorbestimmte Temperatur T₂ übersteigt.
Ferner ist der Prozentsatz der Abnahme der Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO und SOF durch die Diffusionsbegrenzungsschicht kleiner als der Prozentsatz der Abnahme der Rate der Oxidationsreaktion von SO₂ durch die Diffusionsbegrenzungsschicht. Das heißt, die Wirkung der Diffusionsbegrenzungsschicht, SO₂ an der Diffusion zu hindern, ist größer als der der Diffusionsbegrenzungsschicht, HC, CO und SOF, zu verhindern. Dies wird hervorgerufen, da die Eigenschaft von SO₂, auf der Diffusionsbegrenzungsschicht zu adsorbieren, größer ist als jene von HC, CO und SOF, so daß eher SO₂ als HC, CO und SOF nicht leicht die metalltragende Schicht erreichen kann.
Folglich wird in dem Katalysator, welcher mit der Diffusionsbegrenzungsschicht versehen ist, die Rate der Oxidationsreaktion von SO₂ relativ klein gehalten und die Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO und SOF werden relativ groß gehalten, wenn die Katalysatortemperatur kleiner ist als die vorbestimmte Temperatur T₂, und daher wird die Oxidation von SO₂ verhindert, während HC, CO und SOF ausreichend gereinigt werden. Selbst wenn andererseits die Katalysatortemperatur höher ist als die vorbestimmte Temperatur T₂, wird der Anstieg der Rate der Oxidationsreaktion von SO₂, welches weitgehend in dem Bereich der Temperatur höher als die vorbestimmte Temperatur 2 angehoben wird, weitgehend verhindert, während die Rate der Oxidationsreaktion von HC, CO und SOF relativ groß gehalten wird. Selbst wenn folglich die Katalysatortemperatur höher ist als die vorbestimmte Temperatur T₂, wird die Oxidation von SO₂ verhindert, während HC, CO und SOF ausreichend gereinigt werden.
Folglich wird die Oxidation von SO₂ verhindert, während HC, CO und SOF ausreichend gereinigt werden, ungeachtet der Katalysatortemperatur.
HC, CO und SOF können von dem Katalysator zu seiner Außenseite ausgestoßen werden, ohne in der metalltragenden Schicht gereinigt worden zu sein, wenn die Zeiten, die HC, CO und SOF in der metalltragenden Schicht bleiben, kurz sind.
Folglich ist es das Ziel des Abgasreinigungskatalysators gemäß des zweiten unbeanspruchten Beispiels, die Zeit, die HC, CO und SOF in der metalltragenden Schicht verbleiben, zu verlängern.
7 ist eine Querschnittsansicht des Abgasreinigungskatalysators gemäß des zweiten unbeanspruchten Beispiels. In dem Abgasreinigungskatalysator gemäß dieses Beispiels ist eine zweite Diffusionsbegrenzungsschicht 16 zum Verhindern der Diffusion von HC, CO und SOF zwischen dem Trägersubstrat 10 und der metalltragenden Schicht 12 zur Verfügung gestellt. Die zweite Diffusionsbegrenzungsschicht 16 ist porös. Das Material der zweiten Diffusionsbegrenzungsschicht 16 ist ausgewählt aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliciumoxid und Zirkoniumoxid.
In dem Abgasreinigungskatalysator gemäß des zweiten unbeanspruchten Beispiels verlangsamt die zweite Diffusionsbegrenzungsschicht 16 HC, CO und SOF, welche die metalltragende Schicht 12, ohne gereinigt zu werden, durchlaufen, durch das katalytische Metall, welches durch die metalltragende Schicht 12 in der Nähe der metalltragenden Schicht 12 getragen wird. Folglich wird die Chance, daß HC, CO und SOF in der Nähe des katalytischen Metalls verlangsamt werden, angehoben, so daß die Reinigungsprozentsätze von HC, CO und SOF angehoben werden.
Alternativ kann eine Adsorptionsschicht zum Adsorbieren von HC als zweite Diffusionsbegrenzungsschicht 16 zwischen dem Trägersubstrat 10 und der metalltragenden Schicht 12 zur Verfügung gestellt sein. Das Material der Adsorptionsschicht ist Zeolith, welcher zum Beispiel Aluminiumoxid und Siliziumoxid umfaßt. HC, welches die metalltragende Schicht, ohne gereinigt zu werden das katalytische Metall durchläuft, wird auf der Adsorptionsschicht adsorbiert. Folglich wird die Chance des Verbleibens von HC in der Nähe der metalltragenden Schicht 12 weiter gesteigert, so daß der Reinigungsprozentsatz von HC angehoben wird, verglichen mit dem in dem Katalysator mit der zweiten Diffusionsbegrenzungsschicht. Ferner ist die Adsorptionsschicht porös, so daß die Diffusion von CO und SOF verhindert wird, und die Reinigungsprozentsätze von CO und SOF werden im wesentlichen gleich zu denen in dem Katalysator mit der zweiten Diffusionsbegrenzungsschicht gehalten.
Um alternativ SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht 12 zu hindern, kann der mittlere Porenradius in der Diffusionsbegrenzungsschicht 14, welche in der Außenseite relativ zu dem Trägersubstrat zur Verfügung gestellt ist, kleiner sein als der der metalltragenden Schicht 12, so daß die Wirkung der Verhinderung von SO₂ an der Diffusion gesteigert wird.
Um SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht 12 zu hindern, kann eine Komponente, welche eine hohe Affinität zu SO₂ aufweist, zu der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 zugegeben werden, welche in der Außenseite relativ zu dem Trägersubstrat vorgesehen ist, so daß SO₂ in der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 abgefangen wird, um die Wirkung der Verhinderung der Diffusion von SO₂ weiter zu steigern. Die Komponente, welche eine hohe Affinität zu SO₂ aufweist, kann zum Beispiel ein Übergangsmetall wie Zirkonium oder ein Seltenerdelement oder ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall sein.
Die Schichten des Abgasreinigungskatalysators sind der Hitze des Abgases ausgesetzt. Insbesondere die Diffusionsbegrenzungsschicht des Abgasreinigungskatalysators gemäß der vorstehenden Beispiele sind weitgehend der Hitze des Abgases ausgesetzt. Folglich wird jede Schicht des Abgasreinigungskatalysators, insbesondere die Diffusionsbegrenzungsschicht, durch die Hitze des Abgases beeinträchtigt.
Ferner ist es bevorzugt, Titanoxid, welches einen relativ große Vergiftungswiderstand gegen Schwefel aufweist, als Material für die Diffusionsbegrenzungsschicht zu verwenden, aber Titanoxid weist ein Problem auf, daß es leicht durch Hitze beeinträchtigt wird.
Folglich ist es das Ziel des Abgasreinigungskatalysators gemäß der Ausführungsform die Wärmebeeinträchtigung jeder Schicht des Abgasreinigungskatalysators, insbesondere der Diffusionsbegrenzungsschicht, zusätzlich zu verhindern.
8 ist eine Querschnittsansicht des Abgasreinigungskatalysators gemäß der Ausführungsform. In dem Abgasreinigungskatalysator gemäß der Ausführungsform ist in Ergänzung zu dem Abgasreinigungskatalysator gemäß des ersten unbeanspruchten Beispiels eine Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18, welche ein vorbestimmte Dicke zum Verhindern der Beeinträchtigung der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 durch die Wärme des Abgases aufweist, auf der Oberfläche der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 zur Verfügung stellt, welche sich gegenüber der metalltragenden Schicht 12 befindet. Das Material für die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 kann zum Beispiel Aluminiumoxid oder Zeolith sein, welche einen großen Widerstand gegen Hitze aufweisen. Die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 ist porös. Folglich hindert die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht. Das heißt, gemäß der Ausführungsform dienen die Diffusionsbegrenzungsschicht 14 und die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 als Diffusionsbegrenzungsschicht zur Verhinderung von SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht. In anderen Worten ist ein Anteil, welcher eine vorbestimmte Dicke von der Oberfläche der Diffusionsbegrenzungsschicht gegenüber der metalltragenden Schicht zum Inneren der Diffusionsbegrenzungsschicht aufweist, die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18, und der verbleibende Anteil ist die Diffusionsbegrenzungsschicht 14. Die Dicke der Diffusionsbegrenzungsschicht 14, welche durch die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 hinzugefügt wird, ist kleiner als etwa 170 μm, so daß HC, CO und SOF nicht daran gehindert werden, die metalltragende Schicht 12 zu erreichen, bevorzugt mehrere μm bis mehrere Größenordnungen von μm.
HC wird auf der Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 adsorbiert, wenn das Material der Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 Zeolith ist, welcher eine Eigenschaft zum Adsorbieren von HC aufweist. Wenn folglich die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators eine Katalysatoraktivierungstemperatur nicht erreicht, wird HC auf der Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 adsorbiert, bis die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators die Katalysatoraktivierungstemperatur erreicht. Folglich wird der Reinigungsprozentsatz von HC in dem Abgasreinigungskatalysator angehoben. Ferner werden die Tropfen des SOF-Dampfes gasförmig, nachdem das SOF auf der Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 adsorbiert wurde. Gasförmiges SOF kann leicht gereinigt werden. Folglich wird der Reinigungsprozentsatz von SOF in dem Abgasreinigungskatalysator angehoben.
Alternativ kann eine sehr kleine Menge des Edelmetalls auf der Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 getragen werden. Die Edelmetalle oxidieren HC, CO, SOF und SO₂. Die Raten der Oxidationsreaktion von HC, CO und SOF sind jedoch größer als die des SO₂. Folglich wird die Herstellung des Sulfids verhindert, während die Reinigungsprozentsätze von HC, CO und SOF angehoben werden.
Gemäß der Ausführungsform wird folglich die Beeinträchtigung jeder Schicht des Abgasreinigungskatalysators durch die Wärme des Abgases verhindert. Insbesondere wird in den Abgasreinigungskatalysator gemäß der Ausführungsform die Beeinträchtigung der Diffusionsbegrenzungsschicht durch die Wärme des Abgases verhindert.
Der Reinigungsprozentsatz des Abgasreinigungskatalysators ist größer als ein vorbestimmter Prozentsatz, wenn die Katalysatortemperatur höher ist als eine vorbestimmte Temperatur (die Katalysatoraktivierungstemperatur). Um folglich den Reinigungsprozentsatz des Abgasreinigungskatalysators anzuheben, ist es notwendig, die Katalysatortemperatur sehr schnell auf die Katalysatoraktivierungstemperatur anzuheben und die Katalysatortemperatur höher als die Katalysatoraktivierungstemperatur zu halten. Wenn der Abgasreinigungskatalysator dichter an dem Motor positioniert ist, wird die Katalysatortemperatur sehr schnell auf die Katalysatoraktivierungstemperatur angehoben. Wenn die Wärmewiderstandseigenschaft des Abgasreinigungskatalysators jedoch niedrig ist, wird der Abgasreinigungskatalysator durch die Wärme des Abgases beeinträchtigt. Ferner wird die Rate der Oxidationsreaktion von SO₂ angehoben, wenn die Katalysatortemperatur des Abgasreinigungskatalysators hoch ist, und daher gibt es ein Problem, daß eine große Menge des toxischen SO₃ hergestellt wird.
Folglich ist das Ziel eines Motors, die Wärmebeeinträchtigung des Abgasreinigungskatalysators und die Oxidation von SO₂ zu verhindern, und die Katalysatortemperatur des Abgasreinigungskatalysators sehr schnell auf die Katalysatoraktivierungstemperatur anzuheben.
9 ist eine Querschnittsansicht des Motors. In 9 bezeichnet 21 einen Motorkörper. Verbrennungskammern 22 sind in dem Motorkörper 21 gebildet. Ein Kolben 23 ist in jeder Verbrennungskammer 22 positioniert. Ferner umfaßt der Motorkörper 21 Treibstoffeinspritzer 24 zum Einspritzen von Treibstoff in die Verbrennungskammer 22. Ferner sind Einlaß- und Auslaßanschlüsse 25 und 26 in dem Motorkörper 21 gebildet. Ein Einlaßdurchgang 27 ist mit dem Einlaßanschluß 25 verbunden. Ferner sind Einlaßventile 28 in den Öffnungen des Einlaßanschlusses 25 positioniert, welcher sich zu der Verbrennungskammer 22 hin öffnet. Andererseits ist ein Auslaßdurchgang 29 mit dem Auslaßanschluß 26 verbunden. Ferner sind Auslaßventile 30 in den Öffnungen des Auslaßanschlusses 26 positioniert, welcher sich zu den Verbrennungskammern 22 hin öffnet.
Ferner ist ein Abgasreinigungskatalysator 31 in dem Auslaßanschluß 26 zum Reinigen des Abgases positioniert. Der Abgasreinigungskatalysator ist jener gemäß der Ausführungsform.
Die Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht 18 ist in dem Abgasreinigungskatalysator 31 zur Verhinderung der Wärmebeeinträchtigung der Diffusionsbegrenzungsschicht 14 zur Verfügung gestellt. Folglich kann der Abgasreinigungskatalysator 31 in dem Auslaßanschluß 25 positioniert werden. Daher kann die Katalysatortemperatur des Abgasreinigungskatalysators 31 sehr schnell auf die Katalysatoraktivierungstemperatur angehoben werden. Ferner ist die Diffusionsbegrenzungsschicht 14 in dem Abgasreinigungskatalysator 31 zur Verhinderung der SO₂ am Erreichen der metalltragenden Schicht 12 zur Verfügung gestellt. Selbst wenn folglich die Katalysatortemperatur des Abgasreinigungskatalysators angehoben wird, wird SO₂ an der Oxidation in der metalltragenden Schicht 12, so daß Schwefeloxid gebildet wird, gehindert.
Folglich werden in dem Motor die Wärmebeeinträchtigung des Abgasreinigungskatalysators und die Oxidation von SO₂ verhindert, während die Katalysatortemperatur des Abgasreinigungskatalysators sehr schnell auf die Katalysatoraktivierungstemperatur angehoben wird.
Ferner wird die Reinigungsleistung des Abgasreinigungskatalysators verringert, wenn SOF auf dem Abgasreinigungskatalysator adsorbiert. In dem Motor wird jedoch die Katalysatortemperatur des Abgasreinigungskatalysators hoch gehalten, so daß SOF oxidiert wird, ohne auf dem Abgasreinigungskatalysator adsorbiert zu werden. Folglich wird in dem Motor die Vergiftung des Abgasreinigungskatalysators durch SOF verhindert.
Ein Abgasturbinenrad 32 eines Turboladers wird in dem Auslaßdurchgang 29 positioniert. Das Abgasturbinenrad 32 absorbiert die Wärmeenergie, so daß die Temperatur des Abgases stromabwärts von dem Abgasturbinenrad 32 niedriger ist als stromaufwärts des Abgasturbinenrades 32. Die Temperatur des Abgases stromaufwärts des Abgasturbinenrades 32 ist für den Abgasreinigungskatalysator ohne Wärmebeeinträchtigungsbegrenzungsschicht hoch, so daß der Abgasreinigungskatalysator durch die Wärme beeinträchtigt wird. Folglich sollte der Abgasreinigungskatalysator ohne Diffusionsbegrenzungsschicht stromabwärts von dem Abgasturbinenrad 32 positioniert werden. Die Temperatur des Abgases stromabwärts von dem Abgasturbinenrad 32 ist jedoch niedrig, so daß die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators nicht auf die Katalysatoraktivierungstemperatur angehoben wird.
Andererseits kann in dem Motor der Abgasreinigungskatalysator 31 stromaufwärts von dem Abgasturbinenrad 32 positioniert sein. Das heißt, der Abgasreinigungskatalysator 31 kann in dem Abgassystem zwischen der Verbrennungskammer 22 und dem Abgasturbinenrad 23 positioniert sein. Folglich wird die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators auf die Katalysatoraktivierungstemperatur angehoben.
Es sollte berücksichtigt werden, daß die Wörter "stromaufwärts" und "stromabwärts" entlang des Flusses des Abgases verwendet werden, und die Phrase "Abgassystem" den Auslaßdurchgang oder den Auslaßanschluß bedeutet. Abgaspartikel wie SOF und Ruß sind in dem Abgas enthalten, welches von dem Motor mit Kompressionszündung ausgestoßen wird. Die Größe der Abgaspartikel wird groß, wenn die Abgaspartikel abwärts fließen. Das heißt, die Größe der Abgaspartikel ist auf der stromaufwärtigen Seite klein. In dem Motor ist der Abgasreinigungskatalysator in dem Auslaßanschluß 26 relativ nah zu den Verbrennungskammern 22 positioniert. Folglich ist die Größe der Abgaspartikel in dem Abgas, welches durch den Abgasreinigungskatalysator 31 läuft, relativ klein, so daß es eine Möglichkeit gibt, daß der Abgasreinigungskatalysator 31 die Abgaspartikel nicht einfangen kann, um sie zu reinigen. Folglich ist es das Ziel des Abgasreinigungskatalysators gemäß einer weiteren Ausführungsform, die Abgaspartikel zu reinigen, selbst wenn der Abgasreinigungskatalysator in dem Abgassystem nahe zu den Verbrennungskammern positioniert ist.
10 ist eine Querschnittsansicht des Abgasreinigungskatalysators gemäß der weiteren Ausführungsform. In dem Abgasreinigungskatalysator gemäß der weiteren Ausführungsform ist ein Filter 35 zum Einfangen der Abgaspartikel im wesentlichen in dem Zentralbereich des Abgasreinigungskatalysators 31 zwischen den Eingangs- und Ausgangsenden 33 und 34 des Abgasreinigungskatalysators 31 positioniert. Der Filter 35 ist zum Beispiel ein Schaumfilter oder ein metallisches nichtgewebtes Gewebe.
Der Filter 35 kann relativ kleine Abgaspartikel einfangen. Die in dem Filter 35 eingefangenen Abgaspartikel werden durch die Wärme, welche von dem Abgas und durch die Reinigungsreaktion des Abgases in dem Abgasreinigungskatalysator 31 aufwärts des Filters 35 erzeugt wird, verbrannt. Folglich können in dem Abgasreinigungskatalysator gemäß der weiteren Ausführungsform die Abgaspartikel gereinigt werden, selbst wenn der Abgasreinigungskatalysator in dem Abgassystem dicht zu den Verbrennungskammern positioniert ist.
Ferner wird NO₂ hergestellt in dem Abgasreinigungskatalysator, wenn das Abgas gereinigt wird. NO₂ dient als ein Katalysator zum Fördern der Verbrennung des Rußes. Folglich fließt NO₂, welches in dem Abgasreinigungskatalysator 31 stromaufwärts des Filters 35 hergestellt wurde, in den Filter 35, so daß der Ruß in den Abgaspartikeln leicht verbrannt wird. Das heißt, der Ruß, welcher in dem Filter 35 eingefangen wurde, wird früh verbrannt. Folglich wird der Anstieg des Flußwiderstandes des Filters 35 verhindert, und die Eigenschaft des Ausstoßens des Abgases wird hoch gehalten, selbst wenn der Filter 35 in dem Abgasreinigungskatalysator 31 positioniert ist.
Alternativ kann der Filter 35 ein katalytisches Metall zur Verbesserung der Eigenschaften der Reinigung der Abgaspartikel tragen.

Claims

Abgasreinigungskatalysator für einen Motor mit Kompressionszündung, welcher umfaßt: – ein Trägersubstrat (10), welches durch ein Abgas aus dem Motor durchflossen wird, – eine poröse metalltragende Schicht (12), welche ein katalytisches Metall trägt, das auf der Oberfläche des Trägersubstrats (10) gebildet wurde, und – eine poröse Diffusionsbegrenzungsschicht (14), welche Poren einschließt, die eine Größe haben, welche kleiner ist als jene der metalltragenden Schicht, und welche auf der Oberfläche der metalltragenden Schicht (12) gegenüber des Trägersubstrats (10) bereitgestellt ist, wobei ein katalytisches Metall, welches eine niedrigere Oxidationskraft aufweist als das katalytische Metall, das auf der metalltragenden Schicht getragen wird und SO₂ einfängt, auf der Diffusionsbegrenzungsschicht getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Diffusionsbegrenzungsschicht (14) mit einer vorbestimmten Dicke sich von der Oberfläche der Diffusionsbegrenzungsschicht (14) gegenüber der metalltragenden Schicht (12) in die Diffusionsbegrenzungsschicht (14) hinein erstreckt und eine Begrenzungsschicht für die thermische Beeinträchtigung (18) bildet, welche zusätzlich einen thermischen Widerstand aufweist.
Der Abgasreinigungskatalysator für einen Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschicht für die thermische Beeinträchtigung (18) aus Aluminiumoxid und die verbleibende Diffusionsbegrenzungsschicht (14) aus Titanoxid hergestellt ist.
Der Abgasreinigungskatalysator für einen Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Diffusionsbegrenzungsschicht (16) zwischen dem Trägersubstrat (10) und der metalltragenden Schicht (12) bereitgestellt ist.
Der Abgasreinigungskatalysator für einen Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Adsorbtionsschicht (16) zum Adsorbieren von Kohlenwasserstoff zwischen dem Trägersubstrat (10) und der metalltragenden Schicht (12) bereitgestellt ist.