DE69927718T2 - Katalysator und verfahren zur reduzierung der abgasemissionen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend ein katalytisches Element in Verbindung mit einem katalysierten Filterelement, zur Oxidation von oxidierbaren Bestandteilen eines Gas getragenen Stroms, d.h., zur Behandlung eines Dieselabgases, und insbesondere die Behandlung solch eines Dieselabgases, um den darin enthaltenen Feststoffteilchenanteil zu verringern. Hierbei sind das katalysierte Element und der katalysierte Filter in einem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet, wobei das katalysierte Element zwischen dem Motor und dem katalysierten Filterelement angeordnet ist.
  • Stand der Technik
  • Es ist gut bekannt, dass Gas getragene Ströme aus industriellen Verfahren oder Motorabgase häufig oxidierbare Schmutzstoffe enthalten, wie unverbrannten Brennstoff und verdampfte oder kondensierte Öle. Zum Beispiel enthält Dieselabgas nicht nur gasförmige Schmutzstoffe, wie Kohlenstoffmonoxid („CO") und unverbrannte Kohlenwassserstoffe („HC"), sondern auch Rußpartikel, welche im Detail unten beschrieben werden, die sowohl einen trockenen kohlenstoffhaltigen Anteil und eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit enthalten, welche manchmal als der flüchtige organische Anteil („VOF"), bezeichnet wird, wobei diese Terminologie hier verwendet wird, oder als ein löslicher organischer Anteil. Demzufolge ist das Abgas eines Dieselmotors, obwohl manchmal einfach als ein „Abgas" bezeichnet, tatsächlich ein heterogenes Material, umfassend gasförmige, flüssige und feste Bestandteile. Der VOF kann in einem Dieselabgas entweder als ein Dampf oder als ein Aerosol (feine Tröpfchen eines flüssigen Kondensats) existieren, abhängig von der Temperatur des Dieselabgases.
  • Oxidationskatalysatoren, welche ein Metall der Platingruppe umfassen, das auf einem Träger aus einem feuertesten Metalloxid dispergiert ist, sind zur Verwendung bei der Behandlung des Abgases von Dieselmotoren bekannt, um sowohl die gasförmigen HC und CO Schmutzstoffe und Festkörper umzuwandeln, d.h. Rußteilchen, indem die Oxidation dieser Schmutzstoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser katalysiert wird. Ein Problem, das die Behandlung des Dieselabgases betrifft, wird durch die Anwesenheit von Schwefel in dem Dieselbrennstoff gestellt. Bei der Verbrennung bildet Schwefel Schwe feldioxid und der Oxidationskatalysator katalysiert das SO2 zu SO3 („Sulfate") mit der nachfolgenden Bildung von kondensierbaren Schwefelverbindungen, wie Schwefelsäure, welches sich auf der Masse der Feststoffteilchen kondensiert und dadurch zu diesen beiträgt. Die Sulfate reagieren auch mit den aktivierten Aluminiumoxidträgern, um Aluminiumsulfate zu bilden, welche dazu führen, dass die aktivierten Aluminiumoxid-haltigen Katalysatoren inaktiv werden. In diesem Zusammenhang wird auf U.S. Patent 4,171,289, Spalte 1, Zeile 39 und folgende Bezug genommen. Frühere Versuche, das Sulfatierungsproblem zu behandeln, umfassen die Beimischung von großen Mengen an sulfatbeständigen Materialien, wie Vanadiumoxid, in die Beschichtung des Trägers, oder die Verwendung von alternativen Trägermaterialien wie Alpha-Aluminiumoxid (α-Aluminiumoxid), Siliziumdioxid und Titandioxid, welche sulfatierungsbeständige Materialien sind.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,462,907 betrifft einen Cerdioxid-Aluminiumoxid-Oxidationskatalysator. Dieses Patent offenbart Oxidationskatalysatorzusammensetzungen einschließlich eines katalytischen Materials enthaltend Cerdioxid und Aluminiumoxid, jeweils mit einer Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g, z.B. Cerdioxid und aktiviertes Aluminiumoxid in einem Gewichtsverhältnis von zwischen 1,5:1 bis 1:1,5. Wahlweise kann Platin in dem katalytischen Material in Mengen vorhanden sein, welche ausreichend sind, um die Gasphasenoxidation von CO und HF zu beschleunigen, welche jedoch begrenzt sind, um die übermäßige Oxidation von SO2 zu SO3 auszuschließen. Alternativ kann Palladium in jeder gewünschten Menge in das katalytische Material eingeführt werden. Es ist offenbart, dass die Katalysatorzusammensetzungen eine Eignung als Oxidationskatalysatoren für die Schmutzstoffabnahme von Abgasen, weiche unverbrannten Brennstoff oder Öl enthalten, geeignet sind. Zum Beispiel können die Katalysatorzusammensetzungen in einem Verfahren verwendet werden, um Dieselabgas zu behandeln, indem das heiße Abgas mit der Katalysatorzusammensetzung in Kontakt gebracht wird, um die Oxidation des Bestandteils der flüchtigen organischen Anteile dieses Feststoffes in dem Abgas zu beschleunigen. Das verwandte U.S. Patent Nr. 5,491,120 betrifft einen Oxidationskatalysator mit Schüttgut-Cerdioxid und einem zweiten Schüttgut-Metalloxid. Dieses Patent offenbart, dass das zweite Schüttgut-Metalloxid eines oder mehrere sein kann, aus Titandioxid, Zirkondioxid, Cerdioxid-Zirkondioxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid und α-Aluminiumoxid. Es gibt Offenbarungen, wie die U.S. Patente Nr. 4,714,694 und 5,057,483, welche eine Vielzahl von Katalysatorzusammensetzungen offenbaren, die Cerdioxid in Schüttgutform, mit Aluminiumoxid stabilisiertes Cerdioxid und Cerdioxid-Zirkondioxid-Bestandteile enthalten.
  • Katalysierte Rußfilter sind aus Quellen, wie die U.S. Patente Nr. 4,510,265 und 5,100,632, bekannt. Diese Quellen offenbaren die Verwendung von katalysierten Rußfiltern in Dieselabgasen. Bezug wird auch auf die SAE Technical Paper Series Nr. 860298 genommen, eine Bewertung bezüglich der Entwicklung von Dieselfeststofffiltern für den Untertage-Bergbau von A. Lawson et al.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,902,487 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Dieselabgasen, wobei die Dieselabgase durch einen Filter geleitet werden, um vor dem Ausstoß Feststoffteilchen daraus zu entfernen und die auf dem Filter abgeschiedenen Feststoffteilchen werden verbrannt. Bei diesem Verfahren ist offenbart, dass ein NO2-haltiges Gas katalytisch in dem Abgas erzeugt wird. Es ist offenbart, dass dies erzielt wird, indem ein Katalysator stromaufwärts bzw. vorgeschaltet des Filters angeordnet wird. Es ist offenbart, dass der vorgeschaltete Katalysator NO2 in einem Dieselabgas erzeugt, welches NO enthält.
  • Ein herkömmliches Verfahren der Schutzstoffbekämpfung von Gasströmen umfasst die Verwendung eines katalytischen Gegenstandes in der Form von mehrkanaligen Durchflussstrukturen. Diese Strukturen umfassen mehrkanalige Wabenkörperstrukturen, wobei der Wabenkörper aus Metall, Keramik oder einer einem Katalysator enthaltenden Zusammensetzung hergestellt sein kann. Der Wabenkörper kann zum Beispiel durch Extrusion, Kalandrieren oder Riffelung hergestellt werden. Der Katalysator kann auf der Oberfläche des Wabenkörpers angeordnet sein oder kann ein Teil der Wabenkörperzusammensetzung sein. Zum Beispiel offenbart das U.S. Patent Nr. 4,157,375 eine Zeolithkatalysierte Reduktion von Stickstoffoxiden in den Abgasen, durchgeführt mit katalytischen Gegenständen in der Form von mehrkanaligen Strukturen, wobei parallele Kanäle durch dünne Wände definiert werden, die aus feuerfesten Oxiden bestehen, auf denen Zeolithe dispergiert sind und welche für Diffusion von der Oberfläche der Kanalwände zugänglich sind. Die Reaktionsrate für diese Art von mehrkanaligen parallelen Durchfluss-Katalysatorkonfigurationen ist häufig durch den Schüttgutmassetransfer und die Porendiffusionsbeschränkungen eingeschränkt.
  • Ein anderes Verfahren der Schadstoffbekämpfung betrifft das Filtrieren des Feststoffteilchenmaterials aus den Dieselabgasen unter Verwendung eines katalysierten Filters. Viele Quellen offenbaren die Verwendung von Wandflussfiltern, welche Katalysatoren an oder in dem Filter umfassen, um die Feststoffteilchenmaterie zu filtrieren und zu verbrennen. Ein üblicher Aufbau ist eine mehrkanalige Wabenkörperstruktur, wobei die Enden der alternierenden Kanäle auf der vorgeschalteten und nachgeschalteten Seite bzw. der stromaufwärts gelegenen und stromabwärts gelegenen Seite der Wabenkörperstruktur verstopft sind. Dies führt zu einem schachbrettartigen Muster auf jeder Seite. Die Kanäle, welche an dem vorgeschalteten oder Einlassende verstopft sind, sind an dem nachgeschalteten oder Auslassende geöffnet. Dies ermöglicht, dass das Gas in die offenen vorgeschalteten Kanäle eintritt, durch die porösen Wände fließt und die Kanäle durch die offenen nachgeschalteten Enden verlässt. Das zu behandelnde Gas wird durch das offene vorgeschaltete Ende eines Kanals in die katalytische Struktur eingeführt und wird darin gehindert, durch das verstopfte nachgeschaltete Ende des gleichen Kanals auszutreten. Der Gasdruck drängt das Gas durch die porösen Strukturwände in die Kanäle, welche an dem vorgeschalteten Ende geschlossen sind und an dem nachgeschalteten Ende geöffnet sind. Es ist offenbart, dass diese Strukturen in erster Linie Teilchen aus dem Abgasstrom filtrieren. Häufig weisen die Strukturen Katalysatoren auf oder in dem Substrat auf, welche die Oxidation der Teilchen steigert. Typische Patente, welche solche katalytischen Strukturen offenbaren, umfassen die U.S. Patente Nr. 3,904,551; 4,329,162; 4,340,403; 4,364,760; 4,403,008; 4,519,820; 4,559,193 und 4,563,414.
  • Von Interesse ist das U.S. Patent Nr. 3,904,551, welches ein System offenbart, bei welchem das Substrat eine katalytische Beschichtung aufweist. In dem U.S. Patent Nr. 4, 329,162 ist offenbart, dass eine katalytische Substanz auf den Wänden der Wabenkörperstruktur angeordnet werden kann, um die Regenerationsverbrennung in dem Körper dieser Struktur zu vereinfachen. Das U.S. Patent Nr. 4,559,193 bemerkt, dass ein keramischer Wabenkörper Katalysatoren tragen kann. Das U.S. Patent Nr. 4,340,403 offenbart, dass wenn Wabenkörper als Filter verwendet werden, ein separates Wabenkörpersubstrat vorhanden sein sollte, welches Katalysatoren nachgeschaltet bzw. stromabwärts zur Entfernung von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden tragen sollte. Der Wabenkörperfilter, welcher stromaufwärts bzw. vorgeschaltet verwendet wird, wird nur dahingehend betrachtet, dass er Feststoffteilchenmaterie filtert, um das Verstopfen des katalytischen Wabenkörpers zu verhindern, welcher zur Entfernung von gasförmigen Schmutzstoffen verwendet wird. Ähnlich offenbart das U.S. Patent Nr. 4,364,760 die Verwendung eines vorgeschalteten keramischen Wabenkörperfilters, welcher die feinen Teilchen zu Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe verbrennen kann, welche durch eine separate Drei-Wege-Katalysatoreinrichtung behandelt werden kann. Andere Patente offenbaren Filter vom Wabenkörpertyp, welche als Fallen für Fest stoffteilchen aus Diesel geeignet sind, einschließlich die U.S. Patente Nr. 4,411,856; 4,427,728; 4,455,180; 4,557,962; 4,576,774; 4,752,516 und 4,759,892.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,510,265 beschreibt einen selbstreinigenden Dieselabgasfilter für Feststoffteilchen, welcher eine katalytische Mischung aus einem Platinmetall und Silbervanadat enthält, wobei offenbart ist, dass die Anwesenheit desselben die Temperatur verringert, bei welchem die Zündung und Verbrennung der Feststoffmaterie initiiert wird. Es ist offenbart, dass Filter poröse dünnwandige Wabenkörper (Monolithe) oder geformte Strukuren einschließen, durch welche das Abgas mit einem minimalen Druckverlust geleitet wird. Es ist offenbart, dass geeignete Filter aus Keramiken, im Allgemeinen kristalliner Glaskeramik, Gläsern, Metallen, Zementen, Harzen oder organischen Polymeren, Papieren, Textilgeweben und deren Kombinationen hergestellt werden.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,100,632 beschreibt auch einen katalysierten Dieselabgasfilter für Feststoffteilchen und ein Verfahren zum Entfernen von Abscheidungen aus dem Abgas eines Dieselmotors. Das Verfahren umfasst das Durchleiten der Abgase durch einen katalysierten Filter mit porösen Wänden, auf den Wände als einen Katalysator eine Mischung aus einem Platinmetall und einem Erdalkalimetall aufgebracht ist. Es ist beschrieben, dass die Katalysatormischung dazu dient, die Temperatur zu verringern, bei welcher die Zündung der gesammelten Feststoffmaterie begonnen wird. Man hat herausgefunden, dass das Filterelement zu einem Verbrennen der Teilchen von dem katalysierten Filter resultiert. Zusätzlich wurden die gasförmigen Emissionen aus dem Dieselabgas mit dem katalysierten Filter gegenüber der Verwendung keines Filters aufgezeichnet. Die Resultate zeigten, dass die katalysierten Filter, im Vergleich zu der Verwendung von keinem Filter, zu 113 Teilen je Millionen Kohlenstoffmonoxid gegenüber 5 Teilen je Millionen Kohlenstoffmonoxid für einen katalysierten Filter resultierten. Die gesamten Kohlenwasserstoffe ohne Filter betrugen 84 ppm und mit einem Filter 41 ppm. Stickstoffoxid betrug zwischen 417 ppm ohne Filter und 326 ppm mit einem katalysierten Filter. Das gesamte NOx fiel von 460 ppm ohne Filter auf 403 ppm mit einem katalysierten Filter; und Stickstoffdioxid betrug 43 ppm ohne Filter und 77 ppm mit einem katalysierten Filter. Es wurde beobachtet, dass die Anwesenheit des katalysierten Filters für Feststoffteilchen in dem Abgassystem eines Dieselmotors eine im Allgemeinen positive Wirkung bezüglich der Reduktion der gasförmigen Emission des Systems aufwies.
  • Die Japanische Kokai 3-130522 offenbart die Behandlung von Dieselabgasen, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Ammoniak-Einspritzers und eines porösen kera mischen Filters mit einem Denitrierungskatalysator innerhalb der Poren. Der Filter wird in dem Nachströmung des Dieselabgases eingebaut. Der keramische poröse Filter umfasst vorgeschaltet eine feine Porenwegschicht und an der nachgeschalteten Seite eine grobe keramische Teilchenschicht, auf welcher der Denitrierungskatalysator gelagert war. Die feine Schicht kann ein Platin- oder Palladium- oder einen anderen Kohlenwasserstoff-Verbrennungskatalysator tragen. Das Dieselabgas, welches unverbrannten Kohlenstoff enthält, fließt durch den porösen keramischen Filter und die Kohlenstoffteilchen werden auf der Oberfläche gefiltert. Das Stickstoffoxide-haltige Gas und das Ammoniak wird durch den Denitrierungskatalysator geleitet, welcher an der Seite des Filters angeordnet ist, und die Stickstoffoxide werden zu Stickstoff und Wasser reduziert. Der Oxidationskatalysator an der vorgeschalteten Seite bewirkt, dass der Feststoffbestandteil katalytisch verbrennt.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,404,007 betrifft eine keramische Wabenkörperstruktur, wobei eine Vielzahl von Vorsprüngen über die gesamte Wandoberfläche der Zellen des Strukturkörpers bereitgestellt sind.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,114,581 betrifft eine hintere wegspülbare Filtriereinrichtung. Die Einrichtung umfasst einen Monolith aus einem porösen Material mit einem Einlass- und einem Auslassende. Die Durchgänge des Monoliths sind abwechselnd an den Einlass- und den Auslassenden des Monoliths verstopft, wodurch ein direkter Durchgang des Einsatzmaterials durch die Durchgänge von dem Einlass- zu dem Auslassende verhindert wird. Eine mikroporöse Membran mit einer mittleren Porengröße von weniger als die mittlere Porengröße des Monolithmaterials bedeckt die Oberfläche der Durchgänge. Das U.S. Patent Nr. 5,221,484, welches eine continuation-in-part des U.S. Patents Nr. 5,114,581 ist, betrifft eine katalytische Filtriereinrichtung zur Trennung des Feststoffteilcheneinsatzmaterials in ein Filtrat und in Feststoffteilchen, welche den Filterkuchen enthalten. Die katalytische Filtriereinrichtung ist geeignet, um eine Gasphasenreaktion zu katalysieren. Reaktionen, welche katalysiert werden können, umfassen die Reduktion von Stickstoffoxiden, die Oxidation von Schwefeldioxid und die Oxidation von flüchtigen organischen Dämpfen.
  • Die JP Patentanmeldung Nr. 63-242324 beschreibt die wirksame Entfernung von NOx und Mikrokohlenstoffteilchen in einem Abgas aus einem Dieselmotor, unter Verwendung von inter alia Ce und Ni auf einem thermisch beständigen Filter.
  • Die DE-A-3337903 beschreibt die Behandlung des Abgases aus einem Dieselmotor durch das Durchleiten durch einen Katalysatorfilter. Der Katalysatofilter kann einen Cerdioxidbestandteil enthalten.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,053,378 beschreibt einen Katalysator zur Behandlung des Abgases aus einem Verbrennungskraftmotor. Der Katalysator enthält inter alia einen Cerbestandteil, einen Zirkoniumbestandteil und einen Platinmetallbestandteil.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche insbesondere zum Oxidieren von oxidierbaren Bestandteilen eines Gas-getragenen Stromes geeignet ist, insbesondere zur Behandlung eines Dieselabgases.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, umfassend einen katalysierten Filter. Der katalysierte Filter umfasst einen ersten Katalysator, der erste Katalysator umfasst ein erstes Platinmetall und einen ersten Cerbestandteil. Es gibt einen zweiten Katalysator, welcher mit dem ersten Katalysator in Verbindung steht. Der katalysierte Filter kann jedes geeignete Filtersubstrat sein. Zur Behandlung des Dieselabgases wird der Filter im Allgemeinen als ein Rußfilter bezeichnet, wobei ein bevorzugter Rußfilter ein Wabenkörpersubstrat mit Wanddurchfluss umfasst. Der zweite Katalysator wird vorzugsweise auf einem Fluss durch das Wabenkörpersubstrat getragen.
  • Die Vorrichtung ist besonders wirksam in Bezug auf die Verringerung der gesamten Feststoffteilchen in den Abgasströmen, insbesondere den Dieselabgasströmen. Die kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen („Ruß")-Bestandteile des Dieselabgases bestehen, wie gut bekannt ist, aus zwei Hauptbestandteilen. Ein Bestandteil sind die relativ trockenen kohlenstoffhaltigen Teilchen und die andere, im Allgemeinen als eine flüchtige organische Fraktion („VOF") bezeichnet, oder auch als eine lösliche organische Fraktion („SOF") bezeichnet, ist eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen mit hohem Molekulargewicht bestehend aus unverbranntem und teilweise verbranntem Dieselkraftstoff und Schmieröl. Die flüchtige organische Fraktion ist in dem Dieselabgas entweder als eine Dampfphase oder als eine flüssige Phase vorhanden oder als beide, abhängig von der Temperatur des Abgases. Um die gesamten Feststoffteilchen, welche abgegeben werden zu reduzieren, um so die jetzigen und bevorstehenden Regulierungen des Staates bezüglich der maximal genehmigten gesamten Feststoffteilchen zu erfüllen, wird die flüchtige organische Fraktion, oder wenigstens ein Teil dieser, zu unschädlichem CO2 und H2O oxidiert, indem es mit einem Oxidationskatalysator unter geeigneten Reaktionsbedingungen in Kontakt gebracht wird. Die Feststoffteilchenmaterie kann zusätzlich auf einem Rußfilter gefiltert werden. Der Rußfilter kann katalylsiert werden, um ihn in die Lage zu versetzen, die gefangenen Teilchen zu verbrennen, wenn sich die Abgastemperatur erhöht, auf oberhalb der „Anspring"-Temperatur des Katalysators. Das ist die Temperatur, bei welcher die katalytische Verbrennung auftritt. Die Abgleichpunkttemperatur (balance point temperature)(BPT) ist die Temperatur, bei welcher die durch den katalytischen Rußfilter erzielte Rußverbrennungsrate der Rußansammlungsrate auf dem Filter entspricht. Eine niedrigere BPT ist bevorzugt. Die spezifische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass niedrigere BPT's erzielt werden, während die Platinmetallkatalysatorbestandteile wirksam verwendet werden.
  • Eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Behandlung von Dieselabgas umfasst, in Kombination, einen Dieselmotor mit einem Abgasauslass, einen katalysierten Filter in Verbindung mit dem Abgasauslass und einen zweiten Katalysator in Verbindung mit dem ersten Katalysator. Der katalysierte Filter umfasst einen ersten Katalysator, welcher ein erstes Platinmetall und einen ersten Cerbestandteil enthält. Der zweite Katalysator umfasst einen zweiten Cerbestandteil.
  • Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst einen Dieselmotor mit einem Abgasauslass, wobei der katalysierte Filter einen ersten Katalysator umfasst, umfassend das erste Platinmetall, einen ersten Cerbestandteil und einen ersten Zirkoniumbestandteil.
  • Der Aufbau der Vorrichtung kann variiert werden. Vorzugsweise ist der zweite Katalysator zwischen dem Motorauslass und dem ersten Katalysator angeordnet. Alternativ kann der zweite Katalysator zwischen dem Motorauslass und dem katalysierten Filter angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform kann der zweite Katalysator auf einem getrennten Substrat als der katalysierte Filter getragen werden, wie ein Durchflusswabenkörpersubstrat. Alternativ kann der zweite Katalysator auf dem katalysierten Filter angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform weist der katalysierte Filter eine axiale Länge, welche sich von einem vorgeschalteten Filterende zu einem nachgeschalteten Filterende erstreckt, auf und der zweite Katalysator ist auf wenigstens einem Teil der axialen Länge von dem vorgeschalteten Ende aus angeordnet. Der zweite Katalysator kann sich für von 0,635 bis 20,32 cm (0,25 bis 8 inch) und vorzugsweise zwischen 1,524 bis 12,7 cm (0,5 bis 5 inch) von dem vorgeschalteten Ende aus erstrecken.
  • In noch einer anderen Ausführungsform kann der zweite Katalysator dem ersten Katalysator nachgeschaltet angeordnet sein. Alternativ ist der zweite Katalysator dem ersten Katalysator nachgeschaltet. In dieser Ausführungsform kann der zweite Katalysator auf einem anderen Substrat angeordnet sein als der katalysierte Filter, wie auf einem Durchflusswabenkörpersubstrat. Alternativ kann der zweite Katalysator an dem katalysierten Filter angeordnet sein. In dieser Ausführungsform weist der katalysierte Filter eine axiale Länge auf, welche sich von einem vorgeschalteten Filterende zu einem nachgeschalteten Filterende erstreckt, und der zweite Katalysator ist über wenigstens einem Teil der axialen Länge von dem nachgeschalteten Ende aus angeordnet. Der zweite Katalysator kann sich für zwischen 0,635 bis 20,32 cm und vorzugsweise zwischen 1,524 bis 12,7 cm (0,5 bis 5 inch) von dem nachgeschalteten Ende aus erstrecken.
  • Die erste Katalysatorzusammensetzung des ersten Katalysators, welcher für den katalysierten Rußfilter geeignet ist, umfasst einen ersten Platinmetallbestandteil, einen ersten Cerbestandteil und vorzugsweise einen ersten Zirkoniumbestandteil.
  • Der zweite Katalysator wird in Kombination mit dem ersten Katalysator verwendet, als ein separates katalytisches Element oder als ein Teil des Rußfilters, eine bevorzugte zweite Katalysatorzusammensetzung umfasst einen zweiten Cerbestandteil und vorzugsweise einen zweiten Platinmetallbestandteil. Vorzugsweise umfasst die zweite Katalysatorzusammensetzung ein zweites Metalloxid gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid und Cerdioxid-Zirkondioxid.
  • In einer geeigneten zweiten Katalysatorzusammensetzung ist der zweite Cerbestandteil Schüttgut-Cerdioxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g und das zweite Metalloxid ist ein Schüttgut-Metalloxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g. Die zweite Katalysatorzusammensetzung umfasst Cerdioxid und ein Metalloxid in einem Gewichtsverhältnis von zwischen 5:95 bis 95:5.
  • Der zweite Katalysator kann wenigstens einen zweiten Platinbestandteil enthalten. Ein geeigneter zweiter Platinmetallbestandteil kann gewählt werden aus Platin-, Palladium- und Rhodiumbestandteilen. Die zweiten Platinmetallbestandteile sind vorzugsweise in einer Menge von zwischen 8,5 bis 7.062 g/m2 (0,1 bis 200 g/ft3) vorhanden, bezogen auf das Gewicht des Metalls.
  • Der zweite Platinmetallbestandteil ist ein Platinbestandteil mit einer Menge von 3,5 bis 529 g/m3 (0,1 bis 15 g/ft3), vorzugsweise zwischen 3,5 bis 176 g/m3 (0,1 bis 5 g/ft3), bezogen auf das Gewicht des Metalls. In einem geeigneten zweiten Platinmetallbestandteil kann der zweite Platinbestandteil vorhanden sein in einer Menge von zwischen 3,5 bis 17,6 g/m3 (0,1 bis 0,5 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Metalls.
  • Die erste Katalysatorzusammensetzung kann ein erstes Metalloxid umfassen, gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid und Cerdioxid-Zirkondioxid.
  • Bei einer geeigneten ersten Katalysatorzusammensetzung ist der erste Cerbestandteil Schüttgutcerdioxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g und das erste Metalloxid ist ein Schüttgutmetalloxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g. Die erste Katalysatorzusammensetzung umfasst Cerdioxid und ein Metalloxid in einem Gewichtsverhältnis von zwischen 5:95 bis 95:5.
  • Der erste Katalysator kann wenigstens einen ersten Platinmetallbestandteil enthalten. Ein geeigneter erster Platinmetallbestandteil kann gewählt werden aus Platin-, Palladium- und Rhodiumbestandteilen. Die ersten Platinmetallbestandteile sind vorzugsweise in einer Menge von zwischen 3,5 bis 7.062 g/m3 (0,1 bis 200 g/ft3) vorhanden, bezogen auf das Gewicht des Metalls.
  • Definitionen
  • Wie hier und in den Ansprüchen verwendet, sollen die folgenden Ausdrücke die angegebenen Bedeutungen besitzen.
  • Der Ausdruck „Gas getragener Strom" bedeutet ein gasförmiger Strom, welcher nichtgasförmige Bestandteile enthalten kann, wie feste Feststoffteilchen und/oder Dämpfe, feuchten Dampf oder Tröpfchen, und/oder feste Feststoffteilchen, welche von einer Flüssigkeit benetzt sind.
  • Der Ausdruck „BET-Oberfläche" besitzt seine normale Bedeutung in Bezug auf das Brunauer, Emmett, Teller Verfahren zur Bestimmung der Oberfläche durch N2-Adsorption. Es sei denn, es ist anders angegeben, betreffen alle Bezugnahmen bezüglich der Oberfläche von Schüttgut-Cerdioxid, des zweiten Metalloxids oder anderer Bestandteile die BET-Oberfläche.
  • Der Ausdruck „aktiviertes Aluminiumoxid" besitzt seine normale Bedeutung eines Aluminiumoxids mit hoher BET-Oberfläche, umfassend primär ein oder mehrere gewählt aus Gamma-, Theta- und Delta-Aluminiumoxiden (γ-, θ- und δ-Aluminiumoxiden).
  • Der Ausdruck „katalytisch wirksame Menge" bedeutet, dass die Menge des vorhandenen Materials ausreichend ist, um die Reaktionsrate der Oxidation der Schadstoffe in dem zu behandelnden Abgas zu beeinflussen.
  • Der Ausdruck „Einlasstemperatur" bedeutet die Temperatur des Abgases, Testgases oder eines anderen Stromes, welches(r) behandelt wird, unmittelbar vor dem ersten Kontakt des Abgases, Testgases oder anderen Stromes mit der Katalysatorzusammensetzung.
  • Der Ausdruck „katalytisches Cerdioxid-Metalloxidmaterial" bedeutet eine Kombination aus Cerdioxid und Metalloxiden gewählt aus der Klasse bestehend aus einem oder mehreren von Titandioxid, Zirkondioxid, Cerdioxid-Zirkondioxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, wobei das Cerdioxid eine BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g aufweist und die mittlere Oberfläche der Kombination des Cerdioxids mit hoher Oberfläche und des Metalloxids wenigstens 10 m2/g beträgt.
  • Der Ausdruck „Kombination", wenn unter Bezugnahme auf die Kombination von (a) Schüttgut-Cerdioxid und (b) zweites Schüttgut-Metalloxid oder (c) der vorgenannten und aktiviertem Schüttgut-Aluminiumoxid verwendet wird, umfasst Kombinationen, die durch Mischungen oder Gemischen von (a) und (b) und/oder (c) und dazwischen liegenden diskreten Schichten (a) 5 und (b) und/oder (c) erzielt werden.
  • „Mit Zirkonium-stabilisiertes Cerdioxid" oder „Aluminium-stabilisiertes Cerdioxid" bedeutet Cerdioxid, welches gegen die thermische Verschlechterung stabilisiert wurde, indem darin eine Zirkonium- oder eine Aluminiumverbindung eingebaut wurde. Wie gut bekannt ist, werden feuerfeste Oxide mit hoher Oberfläche, wie Cerdioxid und aktiviertes Aluminiumoxid, einem Verlust der Oberfläche (thermische Verschlechterung) und der nachfolgenden Reduktion der katalytischen Wirksamkeit unterworfen, wenn sie fange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Ein geeignetes Cerdioxid-Stabilisierungsverfahren ist in dem U.S. Patent Nr. 4,714,694 von C. Z. Wan et al., ausgestellt am 22. Dezember 1991 beschrieben. Wie in dem U.S. Patent Nr. 4,714,694 beschrieben, werden die Cerdioxidteilchen zum Beispiel mit einer wässrigen Lösung einer löslichen Aluminiumverbindung, wie Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid, Aluminiumoxychlorid, Aluminiumacetat etc. getränkt. Nach dem Trocknen und Kalzinieren des getränkten Cerdioxids in Luft bei einer Temperatur von zum Beispiel zwischen ungefähr 300°C bis 600°C für einen Zeitraum von einer ½ bis 2 Stunden, hat sich die in die Cerdioxidteilchen getränkte Aluminiumverbindung in einen wirksamen thermischen Stabilisator für Cerdioxid umgewandelt.
  • Wie oben angegeben, ist die Abgleichpunkttemperatur („BPT") die Temperatur, bei welcher die Rußverbrennungsrate, die von dem katalytischen Rußfilter erzielt wird, der Rußsammelrate in dem Filter identisch.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines katalytischen Wanddurchfluss-Wabenkörpers.
  • 3 zeigt eine Teilansicht des Elements, wobei die abwechselnd verstopften Kanäle dargestellt sind.
  • 4 zeigt einen Querschnitt eines Bereichs einer Wanddurchfluss-Wabenkörperwand.
  • 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines anderen katalytischen Wanddurchfluss-Wabenkörpers.
  • 6 zeigt eine schematische Zeichnung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen dieser
  • Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Oxidierung von oxidierbaren Bestandteilen eines Gas getragenen Stromes in einem Dieselabgas wird von Fachleuten auf diesem Gebiet unter Bezugnahme auf die begleitenden 1 bis 5 und die in dieser Beschreibung bereitgestellte Erläuterung verstanden.
  • Abgasströme, wie die Abgase von Verbrennungsmotoren, bewirken Verschmutzung und daher ist ihre Abgabe an die Atmosphäre unerwünscht. Diese gasförmigen Ströme bestehen aus unerwünschten Bestandteilen umfassend solche, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ozon, Stickstoffoxiden, Ammoniak, kohlenstoffhaltigen Materialien und deren Mischungen.
  • Die Vorrichtung ist insbesondere wirksam in Bezug auf die Verringerung der gesamten Feststoffteilchen in den Abgasströmen, insbesondere des Abgases eines Dieselmotors. Der kohlenstoffhaltige Feststoffteilchen (Ruß) enthaltende Bestandteil von Dieselabgas umfasst, wie gut bekannt ist, drei Hauptbestandteile. Ein Bestandteil sind die relativ trockenen festen kohlenstoffhaltigen Teilchen und der zweite wird im Allgemeinen als eine flüchtige organische Fraktion („VOF") und auch als eine lösliche organische Fraktion („SOF") bezeichnet und ist eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen in flüssiger Phase mit hohem Molekulargewicht umfassend unverbranntes und teilweise verbranntes Dieselkraftstoff und Schmieröl. Der dritte Bestandteil ist das sogenannte „Sulfat", welches ein Oxidationsprodukt von Schwefel in dem Brennstoff SO3 ist, welches sich wiederum in dem Abgas mit Wasser kombiniert, um kondensierbares H2SO4 zu bilden. Die flüchtige organische Fraktion ist im Dieselabgas entweder als eine Dampfphase oder als eine flüssige Phase vorhanden oder als beide, abhängig von der Temperatur des Abgases. Um die gesamten Feststoffteilchen zu reduzieren, welche abgegeben werden, um so die jetzigen und bevorstehenden Regulierungen des Staates bezüglich der maximal genehmigten Grenze der gesamten Feststoffteilchen zu erfüllen, wird die flüchtige organische Fraktion oder wenigstens ein Teil dieser, zu unschädlichen CO2 und H2O oxidiert, indem sie unter geeigneten Reaktionsbedingungen mit einem Oxidationskatalysator in Kontakt gebracht wird. Der katalysierte Filter kann gefangene Teilchen verbrennen, wenn sich die Abgastemperatur oberhalb der „Anspring"-Temperatur des Katalysators erhöht. Das ist die Temperatur, bei welcher die katalytische Verbrennung auftritt. Die Abgleichpunkttemperatur (BPT) ist die Temperatur, bei welcher die Rußverbrennungsrate, die von dem katalytischen Rußfilter erzielt wird, der Rußsammelrate in dem Filter entspricht. Eine niedrigere BPT ist bevorzugt. Die spezifische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass niedrigere BPT's erzielt werden, während wirksam Katalysatorbestandteile der Platingruppe eingesetzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung umfassend einen katalysierten Filter zur Verfügung. Der katalysierte Filter umfasst einen ersten Katalysator, der erste Katalysator umfasst ein erstes Platinmetall und einen ersten Cerbestandteil. Es gibt einen zweiten Katalysator in Verbindung mit dem ersten Katalysator. Der zweite Katalysator umfasst einen zweiten Cerbestandteil. Der katalysierte Filter kann jedes geeignete Filtersubstrat sein. Zur Behandlung von Dieselabgas wird der Filter im Allgemeinen als ein Rußfilter bezeichnet, wobei ein bevorzugter Rußfilter ein Wanddurchfluss-Wabenkörpersubstrat umfasst. Der zweite Katalysator ist vorzugsweise auf einem Durchfluss durch das Wabenkörpersubstrat angeordnet.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist schematisch unter Bezugnahme auf 1 dargestellt. Das Abgas wird von einem Dieselmotor 2 abgeleitet. Die Vorrichtung umfasst einen katalysierten Filter 4. Der katalysierte Filter 4 umfasst einen ersten Katalysator, der erste Katalysator umfasst ein erstes Platinmetall und einen ersten Cerbestandteil. Es gibt ein zweites katalysiertes Element umfassend einen zweiten Katalysator 6 in Verbindung mit dem ersten Katalysator. Der zweite Katalysator umfasst einen zweiten Cerbestandteil. In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird das Abgas von dem Dieselmotor 2 durch eine Abgasleitung 8, durch das katalytische Element 6 zu dem katalysierten Rußfilter 4 geleitet. Wahlweise kann ein Abschnitt der Abgasleitung 8 zwischen dem katalytischen Element 6 und dem katalysierten Rußfilter 4 vorhanden sein. Alternativ können der katalysierte Filter 4 und das katalytische Element 6 nebeneinander in benachbarten Gehäusen (bezeichnet als kanister (cans)) oder einander benachbart innerhalb des gleichen Gehäuses angeordnet sein. Das Gas kann von dem katalysierten System zu dem Abgasrohr 10 geleitet werden und dann in die Umwelt.
  • Der katalysierte Filter kann jedes geeignete Filtersubstrat umfassen. Zur Behandlung von Dieselabgas wird der Filter im Allgemeinen als ein Rußfilter bezeichnet, wobei ein bevorzugter Rußfilter ein Wanddurchfluss-Wabenkörpersubstrat umfasst, siehe 2 und 3. Der zweite Katalysator wird vorzugsweise auf einem Durchfluss des Wabenkörpersubstrats getragen, siehe 4.
  • Der Aufbau der Vorrichtung kann variiert werden. Vorzugsweise, wie angeführt, ist das zweite katalytische Element 6, welches den zweiten Katalysator umfasst, zwischen dem Dieselabgasauslass 3 und dem ersten Katalysator des katalysierten Filters 4 angeordnet. In dieser Ausführungsform kann der zweite Katalysator auf einem anderen Substrat als der katalysierte Filter getragen werden, wie dem Durchfluss-Waben-körpersubstrat, 4. Alternativ kann der zweite Katalysator, wie in 5 dargestellt, auf dem katalysierten Filter 50 angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform weist der katalysierte Filter 50 eine axiale Länge auf, welche sich von einem vorgeschalteten Filterende 52 zu einem nachgeschalteten Filterende 54 erstreckt. Der zweite Katalysator ist über wenigstens einen Teil der axialen Länge 56 von dem vorgeschalteten Ende 52 angeordnet. Der zweite Katalysator kann sich von zwischen 0,635 bis 20,32 cm (0,25 bis 8 inch) und vorzugsweise zwischen 1,524 bis 12,7 cm (0,5 bis 5 inch) von dem vorgeschalteten Ende aus erstrecken. Der erste Katalysator kann sich über wenigstens einen Teil der axialen Länge 58 von dem nachgeschalteten Ende 54 zu dem vorgeschalteten Ende 52 erstrecken. Es kann eine Spalte zwischen den Längen 56 und 58 vorhanden sein.
  • In noch einer anderen Ausführungsform kann der zweite Katalysator dem ersten Katalysator nachgeschaltet angeordnet sein. Es wird Bezug genommen auf die 1 und 5. In entsprechenden Ausführungsformen sind die Elemente 4 und 6 der 1 umgekehrt und das erste und das zweite, welche Elementenlängen 56 und 58 aufweisen, sind in 5 entlang der Abgasleitung 8 umgekehrt. In dieser Ausführungsform kann der zweite Katalysator auf einem anderen Substrat als der katalysierte Filter getragen werden, wie einem Durchfluss-Wabenkörpersubstrat. Alternativ kann der zweite Katalysator auf dem katalysierten Filter angeordnet sein. In dieser Ausführungsform weist der katalysierte Filter eine axiale Länge auf, welche sich von einem vorgeschalteten Filterende zu einem nachgeschalteten Filterende erstreckt, und der zweite Katalysator ist über wenigstens einen Teil der axialen Länge von dem nachgeschalteten Ende aus angeordnet. Der zweite Katalysator kann sich von ungefähr 0,635 bis 20,32 cm (0,25 bis 8 inch) und vorzugsweise zwischen 1,524 bis 12,7 cm (0,5 bis 5 inch) von dem nachgeschalteten Ende aus erstrecken.
  • In 6, bei welcher die Bezugszeichen denen in 1 für entsprechende Elemente entsprechen, umfasst die erste Katalysatorzusammensetzung für den ersten Katalysator, die für den katalysierten Rußfilter 4' geeignet ist, ein erstes Platinmetallbestandteil, einen ersten Cerbestandteil und vorzugsweise einen ersten Zirkoniumbestandteil. Das Abgas wird von dem Dieselmotor 2 aus abgeleitet. Die Vorrichtung umfasst einen katalysierten Filter 4'. Der katalysierte Filter 4' umfasst einen ersten Katalysator, der erste Katalysator umfasst ein erstes Platinmetall und einen ersten Cerbestandteil. Diese Ausführungsform kann in dem katalysierten Rußfilter 4 verwendet werden, der in 1 dargestellt ist. In 6 wird das Abgas von dem Dieselmotor 2 durch die Abgasleitung 8 zu dem katalysierten Rußfilter 4' geleitet. Das Gas kann dann von dem katalysierten System zu dem Abgasrohr 10 und anschließend in die Umgebung geleitet werden.
  • In einer geeigneten ersten Katalysatorzusammensetzung ist der erste Cerbestandteil vorzugsweise und typischerweise auf dem Rußfilter als ein lösliches Salz, wie Cernitrat abgeschieden. Ebenfalls geeignet für den mit Aufschlämmung beschichteten Rußfilter ist Schüttgut-Cerdioxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g, und das erste Metalloxid ist ein Schüttgut-Metalloxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g. Die erste Katalysatorzusammensetzung umfasst Cerdioxid und ein Metalloxid in einem Gewichtsverhältnis von 5:95 bis 95:5. Geeignete Cerbestandteile sind in dem U.S. Patent Nr. 4,714,694 und 5,057,483 beschrieben. Diese umfassen Schüttgut-Cerdioxid, mit Zirkonium stabilisiertes Cerdioxid, mit Aluminium stabilisiertes Cerdioxid, und Cerdioxidverbindungen umfassend Seltenerdoxide wie Lanthan-, Praseodym- und Neodymverbindungen. Die letzteren können Verbindungen sein, die mit dem Cerbestandteil co-geformt werden.
  • Der erste Katalysator umfasst wenigstens einen ersten Platinmetallbestandteil. Geeignete erste Platinbestandteile können gewählt werden aus Platin-, Palladium- und Rhodiumbestandteilen. Der erste Platinbestandteil ist vorzugsweise in einer Menge von zwischen 3,53 bis 7.062,92 g/m3 (0,1 bis 200 g/ft3), vorzugsweise zwischen ungefähr 176 bis 5.297 g/m3 (5 bis 150 g/ft3) und noch bevorzugter zwischen ungefähr 353 bis 3.531 g/m3 (10 bis 100 g/ft3) vorhanden, bezogen auf das Gewicht des Metalls. Wenn das Platinmetall Platin ist, liegt die bevorzugte Menge des Platinbestandteils bezogen auf das Platinmetall zwischen ungefähr 353 bis 3.531 g/m3 (10 bis 100 g/ft3) und noch bevorzugter zwischen ungefähr 529 bis 2.648 g/m3 (15 bis 75 g/ft3) für den katalysierten Rußfilter. Wenn das Platinmetall Palladium ist, liegt die bevorzugte Menge des Palladiumbestandteils bezogen auf das Palladiummetall zwischen ungefähr 882 bis 7.062 g/m3 (25 bis 200 g/ft3) und noch bevorzugter zwischen ungefähr 882 bis 5.297 g/m3 (25 bis 150 g/ft3) für den katalysierten Rußfilter. Mischungen der Platinmetallbestandteile können verwendet werden.
  • Die erste Katalysatorzusammensetzung kann ein erstes Metalloxid umfassen, gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid und Cerdioxid-Zirkondioxid.
  • In 6 umfasst der erste Katalysator einen ersten Platinmetallbestandteil, einen ersten Cerbestandteil und vorzugsweise einen ersten Zirkoniumbestandteil. In dieser Anordnung sind die relativen Mengen der Bestandteile in einem Gewichtsverhältnis von 1–60% Zirkondioxid bezogen auf das Gewicht des Zirkondioxid plus Zirkonium, vorzugsweise 5–50% und noch bevorzugter 10–40% vorhanden. Die gesamte Beladung der Katalysatorbestandteile auf dem Rußfiltersubstrat ist typischerweise in einer Menge von zwischen ungefähr 706 bis 88.286 g/m3 (20 g/ft3 bis 2.500 g/ft3) und vorzugsweise zwischen ungefähr 1.765 bis 52.972 g/m3 (50 g/ft3 bis 1.500 g/ft3) und noch bevorzugter 3.531 bis 52.972 g/m3 (100 g/ft3 bis 1.500 g/ft3) vorhanden.
  • Im Allgemeinen kann innerhalb des ersten Katalysators, welcher als katalysierter Rußfilter geeignet ist, der Katalysator zusätzliche andere Bestandteile enthalten, welche zur Verwendung in katalysierten Rußfiltern bekannt sind, wie Erdalkalimetalloxide, wie in dem U.S. Patent Nr. 5,100,632 offenbart.
  • Ein zweiter Katalysator wird in Verbindung mit dem ersten Katalysator verwendet, als ein separates katalytisches Element oder als ein Teil des Rußfilters und die zweite Katalysatorzusammensetzung umfasst einen zweiten Cerbestandteil und gegebenenfalls einen zweiten Platinmetallbestandteil. Vorzugsweise umfasst die zweite Katalysatorzusammensetzung ein zweites Metalloxid gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Zeolit- und Cerdioxid, Zirkondioxid.
  • In einer geeigneten zweiten Katalysatorzusammensetzung ist der zweite Cerbestandteil Schüttgut-Cerdioxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g und das zweite Metalloxid ist ein Schüttgut-Metalloxid mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g. Die zweite Katalysatorzusammensetzung umfasst Cerdioxid und ein Metalloxid in einem Gewichtsverhältnis von zwischen 5:95 bis 95:5.
  • Der zweite Katalysator kann wenigstens einen zweiten Bestandteil der Platinmetalle enthalten. Ein geeigneter Platinbestandteil kann gewählt werden aus Platin-, Palladium- und Rhodiumbestandteilen. Die zweiten Platinbestandteile sind vorzugsweise vorhanden in einer Menge von zwischen 3,53 bis 7.062,92 g/m3 (0,1 bis 200 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Metalls. Wenn der zweite Platinmetallbestandteil ein Platinbestandteil in einer Menge von zwischen 3,53 bis 529,72 g/m3 (0,1 bis 15 g/ft3), vorzugsweise zwischen 3,5 bis 105 g/m3 (0,1 bis 3 g/ft3), noch bevorzugter zwischen 3,53 bis 176,6 g/m3 (0,1 bis 5 g/ft3) und noch bevorzugter zwischen 3,5 bis 353 g/m3 (0,1 bis 10 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Metalls. In einem geeigneten zweiten Platinmetallbestandteil kann der zweite Platinbestandteil in einer Menge von zwischen 3,53 bis 17,66 g/m3 (0,1 bis 0,5 g/ft3) vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des Metalls.
  • Geeignete zweite Katalysatoren sind in den U.S. Patenten Nr. 4,714,694 und 5,057,483 beschrieben.
  • Der zweite Katalysator ist ausgebildet, um die Feststoffteilchenemission des Dieselabgases durch Oxidation der flüchtigen organischen Fraktion zu reduzieren. Dies wird durch ein katalytisches Material erzielt, welches einen Cerbestandteil enthält. Vorzugsweise wird der Cerbestandteil als eine Mischung mit einem oder mehreren ausgewählten zweiten Metalloxiden verbunden. Die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften des zweiten Katalysators der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung der definierten Kombination von Cerdioxid und vorzugsweise einem zweiten Metalloxid, als ein Oxidationskatalysator, ohne die Zugabe der Platinmetallbestandteile dazu. Wie jedoch oben angegeben, können in dem genannten Patent Platinmetallbestandteile als Teil des zweiten Katalysators enthalten sein.
  • Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, liegen Cerdioxid wie auch die zweiten Metalloxide in Schüttgutform vor und besitzen vorzugsweise eine Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g, vorzugsweise wenigstens ungefähr 20 m2/g. Zum Beispiel kann das Schüttgut des Cerdioxid eine Oberfläche von zwischen ungefähr 70 bis 150 m2/g besitzen. Die Kombination von Cerdioxid und den zweiten Metalloxiden sollten eine BET-Oberfläche von 10 m2/g oder mehr aufweisen. Gegebenenfalls können bis zu ungefähr 90 Gew.-%, zum Beispiel zwischen ungefähr 5 bis 90 Gew.-%, des gesamten Gewichts des Schüttgut-Cerdioxids, des zweiten Metalloxids und des aktivierten Aluminiumoxids durch aktiviertes Aluminiumoxid bereitgestellt werden, mit einer BET-Oberfläche von 10 m2/g oder mehr, vorzugsweise wenigstens ungefähr 20 m2/g zum Beispiel einer Oberfläche von zwischen ungefähr 120 bis 180 m2/g. Wenn Aluminiumoxid vorhanden ist, ist Aluminiumoxid und das andere Metalloxid vorzugsweise in einer Menge von wenigstens 5 Gew.-% des Gesamtgewichtes der vorhandenen Metalloxide vorhanden.
  • Eine Katalysatorzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung katalysiert wirksam die Oxidation des flüchtigen organischen Anteils, um so eine beträchtliche Reduktion der gesamten Feststoffteilchen in Dieselmotorabgasen bereitzustellen und zeigt eine gute Beständigkeit, das heißt lange Lebensdauer. Es sollte festgehalten werden, dass der Stand der Technik im Allgemeinen feuerfeste unedle Metalloxide, die in Diesel-Oxidationskatalysatoren verwendet werden, vorschlägt, um darauf katalytisch aktive Metalle zu verteilen, wie Metalle der Platingruppe. Im Gegensatz dazu lehrt die vorliegende Erfindung, dass ein katalytisches Cerdioxid-zweites Metalloxid Material, welches im Wesentlichen nur aus Schüttgut-Cerdioxid bestehen kann, und einem oder mehreren ausgewählten zweiten Schüttgut-Metalloxiden, welche eine Mischung mit ausreichend hoher Oberfläche bereitstellen, z.B. wenigstens 10 m2/g, vorzugsweise wenigstens 20 m2/g und welche auf geeigneten Trägem dispergiert sind, einen beständigen und wirksamen Dieseloxidationskatalysator bereitstellen.
  • Man hat des Weiteren herausgefunden, dass in einigen Fällen vorteilhafte Wirkungen durch den wahlweisen Einbau von Platin oder Palladium in die zweite Katalysatorzusammensetzung erzielt werden. Das Platin kann mit Beladungen von weniger als denen verwendet werden, die herkömmlicher Weise in Oxidationskatalysatoren verwendet werden.
  • Wenn ein katalytisches Material, wie Platin, zu der katalytischen Zusammensetzung zugegeben wird, dient es zur Katalysierung der Oxidation von Gasphasen HC und CO Schmutzstoffen, als ein zusätzlicher Vorteil. Solch ein katalytisches Metall wird jedoch nicht benötigt, um die Wirkung des katalytischen Cerdioxid-zweites Metalloxid-Materials zur Verringerung der Emission der gesamten Feststoffteilchen zu ergänzen. Das katalytische Material, ob Platin oder Palladium, scheint keine Rolle bei der Steuerung der Feststoffteilchen zu spielen insofern, dass die Quantität oder die Art des Metalls (Platin oder Palladium), welches in dem katalytischen Material eingesetzt wird, die Rate der Umwandlung der Feststoffteilchen nicht bedeutend beeinflusst.
  • Die Katalysatoren des zweiten katalytischen Elements der vorliegenden Erfindung können die Form eines Trägers oder eines Substrats annehmen, wie eine monolithische Wabenkörperstruktur (ein Körper mit einer Vielzahl von Gasdurchflusskanälen, welche sich dadurch erstrecken), auf welcher eine Beschichtung aus dem katalytischen Material aufgebracht wird, umfassend eine Mischung aus einem Cerdioxid mit hoher Oberfläche und einem oder mehreren zweiten Metalloxiden und gegebenenfalls aktiviertem Alumini umoxid und wahlweise Platin oder Palladium. Das bevorzugte Substrat ist ein Durchfluss-Wabenkörpersubstrat. Wie oben diskutiert, können diskrete Beschichtungen aus Cerdioxid, zweiten Metalloxid und Aluminiumoxid eingesetzt werden.
  • Es folgt ein allgemeines Verfahren der Herstellung der Katalysatorzusammensetzung, welche auf die Ausführungsformen des ersten und zweiten Katalysators angewendet werden können. Das cerdioxidhaltige katalytische Material, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann in der Form einer wässrigen Aufschlämmung aus Cerdioxidteilchen und anderen Bestandteilen, wie Metalloxidteilchen hergestellt werden, wobei die Teilchen gegebenenfalls mit dem katalytischen Platin oder Palladium Metallbestandteil getränkt werden, wenn eines eingesetzt werden soll. Die Aufschlämmung wird anschließend auf den Träger aufgebracht, getrocknet und kalziniert, um eine katalytische Materialbeschichtung zu bilden („washcoat"). Typischerweise werden das Cerdioxid und die Teilchen des zweiten Metalloxids mit Wasser vermischt und mit einem Ansäuerer wie Essigsäure, Salpetersäure oder Schwefelsäure und auf die gewünschte Teilchengröße kugelgemahlen.
  • Der optionale katalytische Bestandteil, z.B. Platin oder Palladium, ist, wenn er verwendet wird, vorzugsweise auf den Cerdioxidteilchen oder auf den Metalloxidteilchen dispergiert oder sowohl auf dem Cerdioxid wie auch auf den Teilchen des zweiten Metalloxids. Wenn aktiviertes Aluminiumoxid als ein Teil der Kombination des katalytischen Materials vorhanden ist, kann etwas oder der gesamte katalytische Metallbestandteil darauf dispergiert sein. In diesen Feilen wirken das Cerdioxid und/oder die zweiten Metalloxide und/oder aktiviertes Aluminiumoxid beide als katalytisches Material und als ein Träger für den optionalen katalytischen Metallbestandteil. Solch ein Einbau kann durchgeführt werden, nachdem das katalytische Cerdioxid-zweite Metalloxid-Material als eine Washcoat auf einem geeigneten Träger aufgebracht wurde, durch Tränken des beschichteten Trägers mit einer Lösung einer Verbindung des Metalls, gefolgt durch Trocknen und Kalzinieren. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Cerdioxidteilchen oder die Cerdioxidteilchen und die Metalloxidteilchen mit einer Verbindung des katalytischen Platin- oder Palladiummetalls getränkt werden, bevor eine Beschichtung des Cerdioxid-zweiten Metailoxidkatalytischen Materials auf den Träger aufgebracht wird. In jedem Fall kann das optionale Platin- oder Palladiummetall auf das katalytische Cerdioxid-Metalloxid-Material als eine Lösung aus einer löslichen Verbindung des Metalls zugegeben werden, wobei die Lösung dazu dient, das Cerdioxid und Metalloxidteilchen zu tränken, welche anschließend getrocknet werden können und das Platin oder Palladium wird darauf befestigt.
  • Das Befestigen kann durch Kalzinieren oder eine Behandlung mit Wasserstoffsulfid oder andere bekannte Einrichtungen durchgeführt werden, so dass das Metall in die wasserunlösliche Form übergeführt wird.
  • Im Allgemeinen wird die Aufschlämmung aus Cerdioxid und den Metalloxidteilchen und aktiviertem Aluminiumoxid, sofern dies vorhanden ist, unabhängig davon ob es mit der Platin- oder Palladiummetalllösung imprägniert ist oder nicht, auf das Trägersubstrat abgeschieden und getrocknet und kalziniert, um das katalytische Material an dem Träger zu befestigen und, wenn die katalytische Metallverbindung vorhanden ist, um die Platin- oder Palladiumverbindung in das elementare Metall oder dessen Oxid umzuwandeln. Geeignete Platin- oder Palladiumverbindungen, welche in den vorgenannten Verfahren eingesetzt werden können, umfassen Kaliumplatiumchlorid, Ammoniumplatinthiocyanat, amingelöstes Platinhydroxid, Chloroplatinsäure, Palladiumnitrat und Palladiumchlorid, wie im Stand der Technik bekannt ist. Während des Kalzinierens, oder wenigstens während der anfänglichen Phase der Verwendung des Katalysators, werden diese Verbindungen, sofern sie vorhanden sind, in das katalytisch aktive elementare Metall oder dessen Oxid umgewandelt.
  • Bei einem alternativen Katalysatorzusammensetzungsaufbau können getrennte, diskrete Schichten aus Schüttgut-Cerdioxid, Schüttgut-Metalloxid und gegebenenfalls aktiviertem Schüttgut-Aluminiumoxid eingesetzt werden. Diese diskreten Schichten werden als separate Beschichtungen aufgebracht, welche übereinander auf dem Träger angeordnet sind. Die Reihenfolge der Aufbringung dieser diskreten Schichten ist nicht wichtig und jede Schicht (Cerdioxid, zweites Metalloxid und gegebenenfalls aktiviertes Aluminiumoxid) kann entweder die zuerst aufgebrachte oder die innere Beschichtung oder Schicht, die zuletzt aufgebrachte oder Außenschicht oder Beschichtung oder sofern eine dritte Schicht vorhanden ist, die Zwischenschicht oder Beschichtung bilden. Mehr als drei Schichten können verwendet werden, z.B. eine Schicht aus einem gegebenen Material kann zweimal wiederholt werden oder es kann mehr des zweiten Metalloxids als diskrete Schicht des sich unterscheidenden zweiten Metalloxids vorhanden sein. Wenn ein katalytisches Material in einer Katalysatorzusammensetzung vorhanden ist, wobei das katalytische Material in zwei oder mehr diskreten Schichten oder Beschichtungen des Materials vorhanden ist, kann das katalytische Material in einer oder mehreren der diskreten Schichten oder Beschichtungen dispergiert sein.
  • Wenn das katalytische Material als eine dünne Beschichtung oder Beschichtungen auf einen geeigneten Träger aufgebracht wird, wie oben beschrieben, werden die Anteile der Bestandteile herkömmlicher Weise als Gewicht des Materials pro Einheitsvolumen des Katalysators ausgedrückt, da diese Maßeinheit den Unterschied der unterschiedlichen Größen der Leerräume der Katalysatorzusammensetzung berücksichtigt, die von unterschiedlichen Trägerwanddicken bereitgestellt werden, Gasdurchflussdimensionen etc. Gramm je Kubikzentimeter („g/cm3")(Gramm je Kubikinch („g/in3")) Einheiten werden verwendet, um die Menge der relativ reichlichen Bestandteile wie Cerdioxid-Metalloxid katalytisches Material auszudrücken und Gramm je Kubikmeter („g/m3")(„g/ft3")) Einheiten werden verwendet, um die Menge der sparsam verwendeten Bestandteile, wie Platin oder Palladiummetall auszudrücken. Für typische Dieselabgasanwendungen kann das Cerdioxid-zweite Metalloxid katalytische Material der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen zwischen ungefähr 0,015 (0,25) bis ungefähr 0,25 g/cm3 (4,0 g/in3), vorzugsweise zwischen ungefähr 0,015 (0,25) bis ungefähr 0,183 g/cm3 (3,0 g/in3) des beschichteten Trägersubstrats, gegebenenfalls einschließlich zwischen ungefähr 0 bis 882 (25) vorzugsweise zwischen ungefähr 0 bis 529 g/m3 (15 g/ft3) Platin oder 0 bis 7.062 g/m3 (200 g/ft3), vorzugsweise zwischen ungefähr 0 bis 4.237 g/m3 (120 g/ft3) Palladium.
  • Im Allgemeinen können andere Bestandteile zu der Katalysatorzusammensetzung der vorliegenden Erfindung zugegeben werden, wie herkömmliche thermische Stabilisatoren für das aktivierte Aluminiumoxid, wenn dieses vorhanden ist, z.B. Seltenerdmetalloxide, wie Cerdioxid. Thermische Stabilisierung des Cerdioxids mit hoher Oberfläche und Aluminiumoxid, um die Phasenumwandlung in weniger katalytisch wirksame niedrige Oberflächenformen zu beeinträchtigen, ist im Stand der Technik gut bekannt, obwohl, wie oben angeführt, die thermische Stabilisierung von Aluminiumoxid normalerweise nicht für die Behandlung von Dieselabgasen benötigt wird. Solche thermischen Stabilisatoren können in Cerdioxid (oder aktiviertes Aluminiumoxid, wenn dieses verwendet wird) eingebaut werden, durch das Tränken der Teilchen mit, z.B., einer Lösung einer löslichen Verbindung des Stabilisatormetalls, z.B., einer Aluminiumnitratlösung in dem Fall des Stabilisierens von Cerdioxid, und anschließend Trocknen und Kalzinieren des imprägnierten Cerdioxids, um das darin getränkte Aluminiumnitrat in Aluminiumoxid umzuwandeln. In einer Ausführungsform besteht die Katalysatorzusammensetzung im Wesentlichen nur aus dem Cerdioxid mit hoher Oberfläche und einem zweiten Metalloxid mit hoher Oberfläche, welches vorzugsweise in einem Gewichtsverhältnis von 1,5:1 bis 1:1,5 vorhanden ist, mit oder ohne thermische Stabilisatoren, und gegebenenfalls, Platin in einer begrenzten Menge, oder Palladium. Eine grundlegende und neuartige Eigenschaft dieser Erfindung liegt in der Verwendung des kombinierten Cerdioxids und des zweiten Metalloxids als ein zweiter Katalysator ohne die Notwendigkeit, Edelmetall oder andere katalytische Metalle einzuschließen, mit der Ausnahme der möglichen Einschließung von Platin und Palladium.
  • Der Träger (Substrat)
  • Der in dieser Erfindung verwendete Träger sollte vorzugsweise relativ inert in Bezug auf die katalytische Zusammensetzung sein, die darauf dispergiert ist. Die bevorzugten Träger umfassen keramikartige Materialien, wie Cordierit, α-Aluminiumoxid, Silikonnitrid, Zirkondioxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Magnesiumdioxid oder Zirkoniumsilikat, oder aus feuerfesten Metallen, wie rostfreiem Stahl. Die Träger bestehen vorzugsweise aus der Art, welche manchmal als Wabenkörper oder monolithische Träger bezeichnet werden, umfassend einen einheitlichen zylindrischen Körper mit einer Vielzahl von feinen, im Wesentlichen parallelen Gasdurchflusskanälen, welche sich dadurch erstrecken und beide Endflächen des Trägers miteinander verbinden, um einen Träger des „Durchfluss"-Typs bereitzustellen (s. 4). Solche monolithische Träger können bis zu ungefähr 108 (700) oder mehr Durchflusskanäle („Zellen") pro Quadratzentimeter (pro Quadratinch) im Querschnitt aufweisen, obwohl sehr viel weniger verwendet werden können. Zum Beispiel kann der Träger zwischen ungefähr 1 bis 93 (7 bis 600) normalerweise zwischen ungefähr 31 bis 62 (200 bis 400) Zellen je Quadratzentimeter („cpsc")(Quadratinch („cpsi")) aufweisen. Durchflussträger sind als Substrate für den zweiten Katalysator bevorzugt.
  • 4 zeigt einen Durchflusswabenkörper 10, welcher eine Vielzahl von Kanälen 12 aufweist. Der Wabenkörper 10 weist ein Einlassende 14 und ein Einlassende 16 auf. Jeder Kanal 12 ist an der Einlassseite 14 offen und an der Auslassseite 16 offen. Gase, die durch den Wabenkörper geleitet werden, angedeutet durch die Pfeile 18, treten durch das Einlassende 14 ein und treten durch das Auslassende 16 aus. Die Gase werden durch die Kanäle 12 geleitet. Die Kanäle weisen Kanalwände 20 auf. Die Kanalwände sind mit einer Schicht einer Katalysatorzusammensetzung 22 beschichtet, die wie oben beschrieben aufgebracht wurde. Die Katalysatorzusammensetzung befindet sich auf jeder Seite der Kanalwände 20, so dass jeder Wabenkörperkanal mit dem Katalysator beschichtet ist. Die durch den Wabenkörper geleiteten Gase kommen mit dem Kanal in Kontakt, indem sie in die Katalysatoroberfläche in einer senkrechten Richtung zu der Richtung des Flusses diffundieren.
  • Wanddurchflussträger, welche in den 2 und 3 dargestellt sind, weisen eine ähnliche Struktur wie die Durchflussträger auf, mit dem Unterschied, dass jeder Kanal an einem Ende des Trägerkörpers blockiert ist, wobei die Kanäle abwechselnd an entgegengesetzten Oberflächen blockiert sind. Wanddurchfluss-Trägersubstrate und die Trägerbeschichtungen, die darauf abgeschieden sind, müssen porös sein, da das Abgas durch die Wände der Träger geleitet werden muss, um aus der Trägerstruktur auszutreten. Wanddurchflussträger sind als Substrate für katalytische Filter bevorzugt, die als Substrat für den ersten Katalysator dienen.
  • Wie oben angegeben, bedeutet ein Wanddurchflussgegenstand und umfasst herkömmliche Gegenstände vom Filtertyp der Art hergestellt aus Kordierit, Mullit, Aluminiumoxid und/oder anderen feuerfesten Metalloxiden, die herkömmlicher Weise für diesen Zweck verwendet werden. Das Element kann aus jedem porösen Material gebildet werden, welches in der Lage ist, der Umgebung zu widerstehen, insbesondere hohen Temperaturen, die bei der Behandlung der Fluidströme von Interesse auftreten. Bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung wird der katalysierte Filter in ein Gehäuse eingeführt, welcher die Fluidströme, welche behandelt werden sollen, durch den Einlass zu der Einlassseite des Elementes richtet. Das Fluid wird durch die poröse Wand geleitet, umfassend den Katalysator zu der Auslassseite und aus dem Auslass heraus. Katalytische Wanddurchlassfilter, welche zu dem Zweck dieser Erfindung geeignet sind, umfassen dünne, poröswandige Wabenkörper (Monolith) oder Schaumstrukturen, durch welche der Fluidstrom geleitet wird, ohne eine zu hohe Zunahme des hinteren Drucks oder einen Druckverlust über das Erzeugnis zu bewirken. Normalerweise erzeugt die Anwesenheit eines reinen Wanddurchflusserzeugnisses einen hinteren Druck von 2,54 cm (1 inch) Wassersäule bis 1,5 cpsc (10 cpsi). Wanddurchflussgegenstände können schlitzförmige Kanäle enthalten, die durch parallele Wände getrennt sind, sinuidale Kanäle, die aus abwechselnd flachen und sinusförmigen Bögen zusammengesetzt sind oder parallele Kanäle mit rechteckigen, quadratischen, runden, ovalen, dreieckigen, hexagonalen oder anderen polygonalen Querschnitten. Vorzugsweise umfassen Banddurchflussgegenstände dieser Art eine Vielzahl von quadratischen Kanälen mit zwischen 1,2 und 93 (8 und 600) Kanälen je Quadratzentimeter (square inch) im Querschnitt, eine Wanddicke von zwischen 0,005 bis 0,254 cm (0,002 und 0,2 inch) und ein Wasserabsorptionsporenvolumen von zwischen 10% und 70% in Bezug auf das Gewicht. Bevorzugte Konfigurationen liegen zwischen 7,7 und 31 (50 und 200) Kanälen je Quadratzentimeter (Quadratinch), eine Wanddicke von zwischen 0,017 und 0,0762 cm (0,007 und 0,03 inch), ein Wasserabsorptionsporenvolumen von zwischen 15% und 50%. Besonders geeignet für den Zweck dieser Erfindung sind die Vielzahl der Feststoffteilchenfilter für Dieselabgase des Standes der Technik, welche katalysiert werden können. Das U.S. Patent 4,329,162 offenbart geeignete Filterelemente.
  • Der poröse Wanddurchflussgegenstand, welcher in dieser Erfindung verwendet wird, wird so katalysiert, dass die Wand des Elementes darauf ein oder mehrere katalytische Materialien aufweist, oder darin enthält. Katalytische Materialien können nur an der Einlassseite der Elementwand, nur an der Auslassseite, sowohl an der Einlass- wie auch an der Auslassseite enthalten sein, oder die Wand kann selbst das ganze katalytische Material, oder einen Teil des katalytischen Materials besitzen. Die Erfindung schließt die Verwendung einer oder mehrerer Schichten aus katalytischen Materialien und Kombinationen von einem oder mehreren Schichten aus katalytischen Materialen auf der Einlass- und/oder Auslasswand des Elements ein.
  • Die 2 und 3 zeigen eine schematische Ansicht eines Wanddurchflusswabenkörpergegenstandes 30. Abwechselnd sind Kanäle an dem Einlass mit Einlassstopfen 38 verstopft und an dem Auslass mit Auslassstopfen 40, um einander gegenüberliegende schachbrettartige Muster an dem Einlass 34 und dem Auslass 36 zu erzeugen. Ein Gasstrom 42 tritt in den nicht verstopften Kanaleinlass 44 ein, wird von dem Auslasstopfen 40 gestoppt und diffundiert durch die Kanalwände 33 zu dem Kanalauslass 46. Das Gas kann aufgrund der Einlassstopfen 38 nicht zu der Einlassseite der Wände 33 zurückdringen. Wie in 3 dargestellt, sind die Einlassseiten 32 der Wände 33 mit einer porösen Katalysatorzusammensetzung 55 beschichtet.
  • BEISPIELE
  • Verschiedene Beispiele dieser Erfindung wurden reduziert, um einen Abgasstrom in der Form eines katalysierten Rußfilters mit voller Größe mit einem Durchflussoxidationskatalysator, welcher in dem Abgas zwischen dem Motor und dem Filter angeordnet ist, zu betreiben. Dieses System wurde in Motoruntersuchungen getestet und unter kontrollierten Bedingungen überprüft, um die Leistung zu bestimmen. Die Proben und die Testergebnisse sind unten beschrieben.
  • Das Testprogramm wurde unter Verwendung eines Cummins L-10 (10 Liter Versetzung) Motors durchgeführt. Dieser Motor, MY'87 ist repräsentativ für ältere Busmotoren, z.B. Pre-Euro I (1993) in Europa und führt zu einer gesamten Feststoffteilchenemission von ca. 0,186–0,223 g/MJ (0,5–0,6 g/bhp-hr) während des U.S. HD Transient-Tests. Dieser Motor wurde verwendet, um Abgleichpunkttemperatur (BPT)-Messungen an den Testproben durchzuführen. Eine Beschreibung der Testprotokolle und Verfahren zur Bestimmung des BPT für eine Probe folgt:
    • 1. Zu Beginn des Tests wurde ein Druckverlust über den Fallenbereich für eine vollregenerierte Falle (trap) mit einer eingestellten Kraft erzielt. Dieser Delta P-Bereich sollte ein verlässlicher Mittelwert einiger Tests der gleichen Art von Substraten sein, gemessen an einem vollständig aufgewärmten Motor mit eingestellter Kraft. Dieser Delta P-Wert dient als Referenzpunkt für alle weiteren BPT-Tests. Es ist wichtig, dass jedes Substrat vor den Delta P-Messungen gealtert ist.
  • Testprotokoll:
    • 2. Aufwärmung des Motors für 30 Minuten.
    • 3. Messe des Delta P's der Falle mit eingestellter Kraft. Innerhalb des sauberen Bereichs, setze mit dem Verfahren zur Beladung der Falle fort. Wenn Delta P zu hoch ist, schreite mit dem Regenerationsverfahren fort. Dies ist notwendig, um eine gute Wiederholbarkeit von Test-zu-Test sicherzustellen.
    • 4. Regenerationsverfahren: Regeneriere eine Falle mit Spitzenkraft, dann bestätige Delta P gemäß Punkt 3. Sofern notwendig, setze das Regenerationsverfahren fort. Während der Regeneration kann die Falle variieren.
    • 5. Wenn Delta P innerhalb des reinen Bereichs liegt, dann lege alle Motorparameter fest, um sicherzustellen, dass der Motor noch richtig betrieben ist (die Leistung nicht verschoben wird).
    • 6. Verfahren zur Beladung der Falle: Die Falle wird nun mit 238J (176 ft/lb) @ 2100 rpm (ungefähr 25% Ventil) 20 Minuten beladen. Andere Bedingungen können verwendet werden, solange die Abgastemperatur an dem Einlass der Falle unter 315°C (600°F) liegt. Das Delta P am Beginn und am Ende des Beladungsverfahrens wird aufgezeichnet und berichtet. Dies stellt eine relative Indikation hinsichtlich der Menge des belade nen Rußes bereit, welche wichtig ist, um die Testergebnisse richtig zu interpretieren, da eine Menge des Rußes BPT beeinflussen kann. In unserem Fall bei ETS, ist eine typische Zunahme von Delta P während der Beladung 344 Pa (0,05 psi).
    • 7. BPT-Testverfahren Der BPT-Test wird immer in fünf aufeinanderfolgenden Belastungsschritten durchgeführt (ungefähr 20°C je Schritt), wobei der Schritt 3 ungefähr bei der BP-Temperatur liegt, 1 und 2 darunter und 4 und 5 darüber. Dies zeigt unsere besten Bemühungen, um die gleiche Rußbeladung für unterschiedliche getestete Fallen beizubehalten. Die Motorbeladung kann jedoch aufgrund verschiedener BPT's variieren und so die Menge an Ruß. Diese Annäherung erfordert einen sogenannten Vortest, welcher im Wesentlichen eine vorläufige Definierung eines BPT-Wertes umfasst, im Allgemeinen einen kurzen BPT-Test. Die Dauer jedes Belastungsschrittes beträgt 10 Minuten. Delta P während der letzten 6 Minuten wird verwendet, um eine Neigung unter Verwendung einer linearen Regression zu berechnen. Jeder Neigungswert entspricht einer bestimmten Abgastemperatur. Dies führt zu 5 Wertepunkten.
    • 8. Das gesamte Verfahren, beginnend mit Punkt 3, muss dreimal durchgeführt werden. Dies führt zu insgesamt 15 Wertepunkten (Neigung gegen Temperatur).
    • 9. Behandlung der Werte Alle 15 Punkte werden zusammen ausgedruckt und eine lineare Regression durchgeführt. Die BPT wird bei einer Neigung von „Null" bestimmt.
  • Beschreibung der Durchflusskatalysatorzusammensetzungen:
  • Dieser Katalysator bestand aus 7.062 g/m3 (200 g/ft3) Pt auf Schüttgut-Gammaaluminiumoxid (0,15 g/cm3 (0,2 g/in3)).
  • Dieser DOC #2 Katalysator umfasste 176 g/m3 (5,0 g/ft3) Pt auf Schüttgut-Gammaaluminiumoxid (0,05 g/cm3)(0,8 g/in3)) plus Zirkondioxid-stabilisiertes Schüttgut- Cerdioxid (0,05 g/cm3)(0,83 g/in3)) plus Eisen-ausgetauschtes Schüttgut-Beta-Zeolit (0,05 g/cm3 (0,83 g/in3)). Die gesamte Beladung der nicht Pt-Washcoatbestandteile betrug 0,15 g/cm3 (2,5 g/in3)).
  • Der DOC Nr. 3 Katalysator umfasste 17,6 g/m3 (0,5 g/ft3) Pt auf Schüttgut-Gamma-Aluminiumoxid 0,05 g/cm3 (0,83 g/in3)), plus Zirkondioxid-stabilisiertes Schüttgut-Cerdioxid 0,05 g/cm3 (0,83 g/in3)) plus Eisen-ausgetauschtes Schüttgut-Beta-Zeolit 0,05 g/cm3 (0,83/in3). Die gesamte Beladung der nicht Pt-Washcoatbestandteile betrug 0,15 g/cm3 (2,5 g/in3).
  • Das CSF Nr. 2 Rußfiltersubstrat wurde mit 176 g/m3 (5,0 g/ft3) Pt und 17.657 g/m3 (500 g/ft3) CeO2 katalysiert. Beide Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern aufgebracht.
  • Der CSF Nr. 3 Rußfilter wurde mit 1.766 g/m3 (50,0 g/ft3) Pt und 17.657 g/m3 (500 g/ft3) CeO2 katalysiert. Beide Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern aufgebracht.
  • Der CSF Nr. 4 Rußfilter wurde mit 2.317 g/m3 (65,6 g/ft3) Pt, 17.657 g/m3 (500 g/ft3) CeO2 und 8.828 g/m3 (250 g/ft3) ZrO2 katalysiert. Diese Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern aufgebracht. Das Pt wurde als 176 g/m3 (5,0 g/ft3) gleichmäßig über das Rußfiltersubstrat verteilt und der Rest wurde in unterschiedlichen Schritten bis zu einer Tiefe (Länge) von 10 cm (4'') nach innen von einem Ende (Fläche) des Substrates abgeschieden. Dieses stellt ein Ptangereichertes Ende zur Verfügung.
  • Der CSF Nr. 5 Rußfilter wurde mit 1.766 g/m3 (50,0 g/ft3) Pt, 17.657 g/m3 (500 g/ft3) CeO2 und 8.828 g/m3 (250 g/ft3) ZrO2 katalysiert. Die Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern abgeschieden.
  • Der CSF Nr. 6 Rußfilter wurde mit 176 g/m3 (5,0 g/ft3) Pt, 17.657 g/m3 (500 g/ft3 CeO2 und 5.297 g/m3 (150 g/ft3) ZrO2 katalysiert. Diese Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern aufgebracht. Zusätzlich wurde eine Washcoataufschlämmung auf ein Ende des Rußfiltersubstrates mit einer Tiefe (Länge) von ca. 10 cm (4'') nach innen von einer Fläche des Substrates aufgebracht. Diese Washcoat umfasste 12,4 Gew.-% Pt auf Gamma-Aluminiumoxid und wurde auf ein Ende des Filtersubstrates aufgebracht, um zu einer Pt-Beladung von 2.140 g/m3 (60,6 g/ft3) zu führen. Daher betrug die gesamte Pt-Beladung auf dem CSF 2.316 g/m3 (65,6 g/ft3).
  • Der CSF Nr. 7 Rußfilter wurde mit 7.062 g/m3 (200 g/ft3) Pt, 17.657 g/m3 (500 g/ft3) CeO2 und 8.828 g/m3 (250 g/ft3) ZrO2 katalysiert. Die Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern aufgebracht.
  • Die Abgleichpunkttemperatur wurden bei drei Geschwindigkeiten des Motors durchgeführt (1.300, 1.700 und 2.100) und stufenweise Belastungsschritte wurden verwendet, um unterschiedliche Abgastemperaturen zu erzielen. Auf diese Weise wurde ein Bereich an Bedingungen unter der Drehmomentkurve des Motors überprüft. Die niedrigeren Geschwindigkeiten (1.300 und 1.700 UpM) sind wahrscheinlich repräsentativer für den Zyklus des Betriebes eines Busses, wohingegen 2.100 UpM eine erhöhte Geschwindigkeit für den Motor darstellt.
  • Sieben der Rußfilterbeispiele, die für die Tests verwendet wurden, sind in Tabelle 1 beschrieben, welche folgt: Tabelle 1 – Bestimmung der Dieselrußfilterproben
    Figure 00290001
    Anmerkung: Rußfiltersubstrat, Corning Cordierit-Wanddurchfluss 28,6 cm Durchmesser × 35,5 cm Länge/15,5 cpsc (11,25'' Durchmesser × 14,0'' Länge/100 cpsi).
  • Die katalysierten Rußfilter (CSF) wurden durch Lösungstränkung der Rußfiltersubstrate hergestellt. Lösliche Vorläufersalze von Platin (Platinaminsalz), Cersalz (Ceriumnitrat) und Zirkoniumsalz als Zirkoniumacetat. Wenn Aluminiumoxid verwendet wurde, war es Platin α-Aluminiumoxidaufschlämmung in Probe 6. Das CSF Nr. 2 Rußfiltersubstrat wurde mit 176 g/m3 (5,0 g/in3) Pt und 17.657 g/m3 (500 g/ft3) CeO2 katalysiert. Beide Bestandteile wurden auf das Rußfiltersubstrat über Lösungstränkung mit löslichen Vorläufern aufgebracht. Beispiele 2 und 3 wurden mit Pt und CeO2 katalysiert und das Maß der Pt-Beladung variierte. Beispiele 5 und 7 wurden mit einer verbesserten Zusammensetzung katalysiert, basierend auf Pt, CeO2 und ZrO2. Der ZrO2-Bestandteil wurde eingeschlossen, um eine bessere katalytische Aktivität und Stabilität zu erzielen. Diese zwei CSF's unterschieden sich in den Pt-Beladungsleveln. Beispiel 4 enthielt auch Pt, CeO2 und ZrO2; das Pt auf diesem CSF wurde jedoch als 176 g/m3 (5,0 g/ft3) fast gleichmäßig über das Rußfiltersubstrat verteilt und der Rest der gesamten Pt-Beladung wurde auf der 10 cm (4 in) Länge von einem Ende des Rußfiltersubstrats konzentriert. Das gesamte Pt in dem Beispiel 4 wurde über Lösungstränkung aufgebracht. Beispiel 6 war mit 176 g/m3 (5,0 g/ft3) Pt, plus CeO2 und ZrO2 auf die gleiche Weise wie Beispiel 4 lösungsgetränkt, der Rest des Pt's wurde jedoch auf die 10 cm (4'') Länge eines Endes als eine Pt/Al2O3/CeO2-ZrO2-Aufschlämmungs-Washcoat aufgebracht.
  • Drei Durchflusskatalysatoren, die in den Untersuchungen verwendet wurden, sind in der nachfolgenden Tabelle 2 beschrieben: Tabelle II – Bestimmung der Durchflusskatalysatorproben
    Figure 00300001
    Anmerkung: Durchfluss-Substrat, Corning 24,13 cm Durchmesser × 15,24 cm Länge/46,5 cpsc (9,5'' Durchmesser × 6,0'' Länge/300 cpsi).
  • Beim Vergleich #1 enthielt der erste Durchflusskatalysator (bezeichnet als Cat #1) eine hohe Beladung an Pt auf Gamma-Aluminiumoxid. Dieser Katalysator umfasste 7.062 g/m3 (200 g/ft3) Pt auf Schüttgut Gamma-Aluminiumoxid (0,15 g/cm3)(2,5 g/in3)). Dieser Katalysator ist ein starker Oxidationskatalysator, von welchem berichtet wurde, dass er wirksam zur Verbrennung von Ruß ist und hierdurch zur Filterregeneration. Dieser Kata lysator wurde stromaufwärts des nichtkatalysierten Rußfilters #1 (Tabelle 1) als eine Kontrollprobe angeordnet. Die Vergleich #1 Probe erforderte, dass sie in einem Motor betrieben wird, welcher mit einem Brennstoff mit ultrawenig Schwefel betrieben wird (<50 ppm) aufgrund der Hemmung der katalytischen NO zu NO2-Oxidationsreaktion durch das NOx in dem Abgas und als ein Resultat die Hemmung der Filterregeneration. Die anderen Durchflusskatalysatoren (bezeichnet als DOC #2 und #3) waren Dieseloxidationskatalysatoren, welche für die VOF-Umwandlung wirksam sind. Dieser DOC #2 Katalysator umfasste 176 g/m3 (5,0 g/ft3) Pt auf Schüttgut Gamma-Aluminiumoxid, 0,05 g/cm3 (0,83) g/in3)), plus Zirkondioxid stabilisiertes Schüttgut-Cerdioxid 0,05 g/cm3 (0,83 g/in3)), plus Eisenausgetauschtes Schüttgut-Beta-Zeolit (0,05 g/cm3 (0,82 g/in3)). Die gesamte Beladung der Nicht-Pt-Washcoatbestandteile betrug 0,15 g/cm3 (2,5 g/in3). Dieser DOC #3 Katalysator umfasste 17,6 g/m3 (0,5 g/ft3) Pt auf Schüttgut-Gamma-Aluminiumoxid (0,05 g/cm3 (0,83 g/in3)), plus Zirkondioxid stabilisiertes Schüttgut-Cerdioxid (0,05 g/cm3)(0,83 g/in3)) plus ionenausgetauschtes Schüttgut-Beta-Zeolit (0,05 g/cm3 (0,82 in3)). Die gesamte Beladung der Nicht-Pt-Washcoatbestandteile betrug 0,15 g/cm3 (2,5 g/in3).
  • Die Untersuchungen der Ausgleichspunkttemperatur (BPT)) wurden an dem Motor mit unterschiedlichen CSF und DOC + CSF Kombinationen durchgeführt. Niedrigere PBT zeigt eine niedrigere Temperatur, bei welcher die Rate der Rußoxidation der Rate der Rußsammlung aus dem Motorabgas entspricht. Eine Zusammenfassung der Testdurchläufe des Beispielmotors waren wie folgt:
  • Vergleich #1:
  • Dieser Durchlauf ermittelte die Probe, welche aus dem Pt/Al2O3-Durchfluss (Cat #1) bestand, stromaufwärts des nicht-katalysierten Rußfilters (Rußfilter #1). Dieser Probenaufbau stellte einen Kontrollfall dar und stimmt mit dem Stand der Technik überein. Diese Probe wurde ermittelt, wobei der Motor mit einem Brennstoff mit ultrawenig Schwefel betrieben wurde, entsprechend den Empfehlungen dieser Art der Rußfiltertechnologie.
  • Vergleich #2:
  • Dies war eine Wiederholung des Durchlaufs der Probe des Durchlaufs Nr. 1, wobei der Motor mit normalem Schwefelbrennstoff betrieben wurde.
  • Vergleich #3:
  • Dieser Durchlauf ermittelte nur CSF #5, welcher mit Pt und CeO2 katalysiert wurde und welcher ein Pt-Beladungslevel von 176 g/m3 (5,0 g/ft3) aufwies. Diese Probe wurde durchgeführt unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Beispiel #4:
  • Dieser Durchlauf war eine Wiederholung des Vergleichs #3 unter Verwendung von CSF #2, jedoch mit dem Durchfluss DOC #3 (Pt-Beladung von 17,6 g/m3 (0,5 g/in3)), angeordnet stromaufwärts des Rußfilters. Diese Probe ist ein Beispiel dieser Erfindung und wurde unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff betrieben.
  • Beispiel #5:
  • Dieser Durchlauf war eine Wiederholung von Beispiel #4 unter Verwendung von CSF 2, jedoch mit dem Durchfluss DOC #2 (Pt-Beladung von 176 g/m3 (5,0 g/ft3)) angeordnet stromaufwärts des Rußfilters anstelle von DOC #3. Diese Probe ist ein Beispiel dieser Erfindung und wurde betrieben unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Vergleich #6:
  • Dieser Durchlauf ist eine Ermittlung von CSF #3 allein. Dieser Filter wurde Pt/CeO2 katalysiert, wie CSF #5, das Pt-Beladungsmaß betrug 1.765 g/m3 (50,0 g/ft3). Diese Probe wurde durchgeführt unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Beispiel #7:
  • Dieser Durchlauf war eine Ermittlung von CSF #5 alleine. Dieser Filter wurde mit einer verbesserten Katalysatorzusammensetzung katalysiert, bestehend aus Pt/CeO2/ZrO2 und wies ein Pt-Beladungsmaß von 1.765 g/m3 (50 g/ft3) auf. Diese Probe ist ein Beispiel dieser Erfindung und wurde durchgeführt unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Beispiel #8:
  • Dieser Durchlauf war auch eine Ermittlung von CSF #5, jedoch mit dem Durchfluss DOC #2 (Pt-Beladung von 176 g/m3 (5,0 g/ft3)) befestigt stromaufwärts des Rußfilters. Diese Probe ist ein Beispiel dieser Erfindung und wurde unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff durchgeführt.
  • Beispiel #9:
  • Dieser Durchlauf war eine Überprüfung von CSF #6 allein. Dieser Filter wurde durch Lösungstränkung mit Pt/CeO2/ZrO2 über das gesamte Filtersubstrat katalysiert und die Pt-Beladung für dieses betrug 176 g/m3 (5,0 g/ft3). Zusätzlich wurde eine Länge von 10 cm (4 inch) von einem Ende des Rußfiltersubstrats mit einer Aufschlämmungs-Washcoat katalysiert, umfassend Pt/CeO2-ZrO2/Al2O3-Pulver. Die Pt-Beladung auf dieser Washcoat zählte für den Ausgleich der gesamten Pt-Beladung von 2.316 g/m3 (65,6 g/ft3). Diese Probe ist ein Beispiel dieser Erfindung. Es war ein Durchlauf mit dem 10 cm (4 inch) Washcoat und Pt angereicherten Ende, welches stromaufwärts angeordnet war in dem Abgas (dem Einlass) und es war ein Durchlauf unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Beispiel #10:
  • Dieser Durchlauf war eine Ermittlung von CSF #4 allein. Dieser Filter wurde katalysiert, ähnlich wie CSF #6, durch Lösungstränkung mit einer Base aus Pt/CeO2/ZrO2 und mit einem Pt-Beladungsmaß von 176 g/m3 (5,0 g/ft3) über das gesamte Filtersubstrat, jedoch zusätzlich mit 10 cm (4 inch) Länge von einem Ende des Filtersubstrats, welches des Weiteren durch Lösungstränkung mit zusätzlichem Pt in einer Menge katalysiert war, um die gesamte Beladung auf 2.316 g/m3 (65,6 g/ft3) zu erbringen. Diese Probe ist ein Beispiel dieser Erfindung. Für diesen Durchlauf wurde es mit dem 10 cm (4 inch) Ptangereicherten Ende stromaufwärts in dem Abgas (als dem Einlass) angeordnet und es war ein Durchlauf unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Beispiel #11:
  • Dieser Durchlauf war eine Wiederholung von Beispiel Nr. 10, wobei CSF #4 das Ptangereicherte Ende als Einlass aufwies, jedoch auch mit DOC #2 (Pt-Beladungsmaß 176 g/m3 (5,0 g/ft3)) angeordnet stromaufwärts des CSF in dem Abgas. Diese Probenanordnung ist ein Beispiel dieser Erfindung und wurde betrieben unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff.
  • Beispiel #12:
  • Dieser Durchlauf, wie Beispiel Nr. 10, war eine Ermittlung von CSF #4 allein. Bei diesem Durchgang wurde CSF #7 mit dem Pt angereicherten Ende an der stromabwärts gelegenen Position (als Auslass) angeordnet oder der Fluss war dem in Beispiel #10 verwendeten entgegengesetzt. Diese Probenanordnung ist ein Beispiel dieser Erfindung und der Durchgang wurde unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff durchgeführt.
  • Vergleich #13:
  • Dieser Durchgang war eine Ermittlung von CSF #7 allein. Dieser Filter wurde mit Pt/CeO2/ZrO2 wie Beispiel CSF #5 durchgeführt, in diesem Fall betrug die Pt-Beladung jedoch 7.062 g/m3 (200 g/ft3). Dieses Beispiel ist ein Beispiel der Erfindung und wurde unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff durchgeführt.
  • Die BPT-Ergebnisse für diese 13 Durchgänge sind in der nachfolgenden Tabelle III angegeben. Dies zeigt, dass die erzielte BPT (°C) bei jeder der Motorgeschwindigkeiten (1.300, 1.700 und 2.100 UpM), die für jeden einzelnen Durchgang verwendet wurden. Ausgewählte Ergebnisse sind auch in grafischer Form in 4 dargestellt, welche beigefügt ist.
  • Tabelle III – Regenerationsleistung des Rußfilters, Ausgleichspunkt-Temperaturmessungen an 10 Liter, Vor-Euro I Dieselmotor
    Figure 00340001
  • Es wird deutlich, dass die Ausgleichspunkt-Ergebnisse für jeden Durchgang (Tabelle III) eine Tendenz zu höheren BPT mit zunehmender Geschwindigkeit zeigen. Dieses Verhalten kann als Trendlinie in 4 entnommen werden. Dies ist ein allgemeines Merkmal aller Ergebnisse und zeigt die Wirkung der gesamten Abgasmassedurchflussrate und der Feststoffteilchen-Sammelrate auf das BPT. Bei jedem Durchgang ist der Katalysatoraufbau und das Volumen konstant, so dass eine höhere Temperatur notwendig ist, damit die Rußverbrennungsrate mit den höheren Abgasraten Schritt hält. Basierend auf diesen Werten kann die Leistung der Beispiele für die einzelnen Durchgänge bewertet werden und je niedriger das BPT ist, desto besser ist das Beispiel.
  • Bei dem Vergleich Nr. 1 zeigte das Vergleichsbeispiel (Vergleich) eine sehr gute BPT-Leistung von 340°C, 373°C und 422°C bei 1.300, 1.700 und 2.100 UpM, wobei der Motor mit Brennstoff mit ultrawenig Schwefel betrieben wurde. Wenn in Vergleich #2 der Brennstoff auf das normale Schwefelmaß geändert wurde, litt die BPT-Leistung und erhöhte sich auf 357°C, 417°C und 458°C.
  • In Vergleich #3 zeigte das CSF #5 mit niedriger Pt-Beladung (176 g/m3)(5,0 g/ft3)) eine sehr schlechte Leistung mit BPT's von 418°C und 448°C bei 1.300 und 1.700 UpM. Das BPT für diese Probe bei 2.100 UpM war oberhalb der maximalen Abgastemperatur des Motors ca. 460°C. Ein CSF dieser Art mit diesem Maß an Pt-Beladung ist in der Lage, tolerierbare BPT's zu erzielen und passive Regeneration bei neueren Motoren mit niedrigeren Feststoffteilchenemissionsmaßen, aber bei diesem älteren Motor mit höheren Emissionen wäre das Maß der Leistung von Vergleich # in aller Wahrscheinlichkeit nicht akzeptierbar.
  • Verbesserte Leistung mit dieser Art von CSF wurde erzielt mit einer Zunahme der Pt-Beladung (1.765 g/m3)(50 g/ft3), CSF #3) wie in Vergleich #6 dargestellt, im Vergleich mit Vergleich #3 (367°C, 427°C, und 437°C). Diese BPT's waren nur etwas höher als für die Vergleichsbeispiele, wenn es mit einem normalen Schwefelbrennstofff in Comp #2 betrieben wurde. Daher ist die Pt-Beladung auf dem Rußfiltersubstrat eine wichtige Variable und die Erhöhung kann zu einer verbesserten BPT-Leistung führen.
  • In Beispiel #4 führt die Anordnung von DOC #3 (17,6 g/m3)(0,5 g/ft3) Pt) stromaufwärts des CSF #2 führte zu BPT's von 359°C und 421°C bei 1.300 und 1.700 RPM. Für diese Anordnung lag das BPT bei 2.100 UpM oberhalb der maximalen Motorabgastemperatur, ca. 460°C. Das Beispiel #4 zeigte jedoch eine Verbesserung von 59°C und 57°C nied rigerem BPT bei 1.300 und 1.700 UpM, relativ zu dem CSF #2 alleine. Dieses Beispiel der Erfindung stützt das Konzept, dass die gesamte Feststoffteilchenmaterie (TPM) Verringerung durch die DOC's, die Leistung der Rußverbrennung des CSF steigert. Des Weiteren waren die BPT's, welche für diese Anordnung der Erfindung im Beispiel #4 bei 1.300 und 1.700 UpM erzielt wurden, vergleichbar mit den von Vergleich #2, welche auch Cat #1 einschloss und mit normalen Schwefelbrennstoff betrieben wurde. Es sollte auch festgehalten werden, dass das BPT von Vergleich #2 bei 2.100 UpM 458°C betrug, was in der Nähe der maximalen Abgastemperatur (ungefähr 460°C) des Motors lag.
  • Beispiel #5 verwendet den gleichen Aufbau wie Beispiel #4 mit der Ausnahme, dass die Pt-Beladung auf dem DOC #2 176 g/m3, (5,0 g/ft3) anstelle von 17,6 g/m3 (0,5 g/ft3) betrug. Die bei diesem Beispiel der Erfindung in Beispiel 5 erzielten BPT's betrugen 356°C, 403°C und 452 °C. Diese Ergebnisse waren etwas besser als für Beispiel #4 bei 1.300 und 1.700 UpM. Die Zunahme der Pt-Beladung auf den DOC's bei diesen relativ niedrigen Pt-Beladungen wies jedoch nur eine geringe Wirkung auf die Verringerung des BPT's auf.
  • Beispiel #4 und 5 zeigten, dass eine verbesserte BPT-Leistung erzielt werden kann, indem ein DOC vor einem CSF angeordnet wird und diese Verbesserung kann mit sehr niedrigen Edelmetallbeladungen erzielt werden. Des Weiteren wird erwartet, dass die Leistung dieser Anordnung der Erfindung noch viel besser bei neueren Dieselmotoren mit niedrigerer Emission ist.
  • Beispiel #7, ein Beispiel dieser Erfindung (CSF #5) mit einer verbesserten Katalysatorzusammensetzung (Pt/CeO2/ZrO2) erzielte BPT's von 351°C, 391°C und 433°C. Dies zeigt eine wesentliche Verbesserung der BPT-Leistung relativ zu CSF #3 (Vergleich #6), welches die gleiche Pt-Beladung aufwies (1.765 g/m3)(50 g/ft3)), welches jedoch kein ZrO2 enthielt. Die BPT's wurden bei CSF #5 um 16°C, 36°C und 4°C verringert. CSF #5 wird mit normalem Schwefelbrennstoff betrieben und war auch beträchtlich besser als das (Kontroll) Beispiel des Standes der Technik, welches auch mit normalen Schwefelbrennstoff betrieben wurde (Vergleich #2). Des Weiteren war die Leistung von CSF #5 nur etwas höher als die von Vergleich #1, wenn dieses mit Brennstoff mit ultrawenig Schwefel betrieben wurde (Durchgang #1).
  • Beispiel #13 (CSF #7), welche die gleiche verbesserte Katalysatorzusammensetzung wie CSF #5 aufwies (Pt/CeO2/ZrO2), jedoch mit einer Pt-Beladung von 7.062 g/m3 (200 g/ft3) wurde überprüft. Für diesen Durchgang wurden BPT's von 373°C, 384°C und 413°C erhalten. Relativ zu der CSF #5 (Beispiel #7) war diese Leistung bei 1.300 UpM schlechter, etwas besser bei 1.700 UpM und mit ca. 20°C besser bei 2.100 UpM. Dies zeigt, dass eine Zunahme der Pt-Beladung (z.B. 1.765 g/m3 bis 7.062 g/m3)(50 g/ft3 bis 200 g/ft3) die BPT-Leistung nicht wesentlich steigert.
  • Beispiel #8, auch ein Beispiel dieser Erfindung, mit DOC #2 176 g/m3 (5,0 g/ft3) stromaufwärts des CSF #5 wurden BPT's von 334°C, 361°C und 428°C erzielt. Dies zeigt eine weitere Verbesserung relativ zu CSF #5 allein und die BPT's wurden um 17°C, 30°C und 5°C relativ zum Beispiel #7 verringert. Dies zeigt die kombinierte Wirkung auf den stromaufwärts gelegenen DOC und einen verbesserten Katalysator auf dem Rußfilter. Des Weiteren zeigte die BPT-Leistung für die Anordnung in Beispiel 8 mit normalen Schwefelöl eine Verbesserung relativ zu Vergleich #1.
  • In Beispiel #9 wurden die BPT-Ergebnisse für CSF #6 erzielt. Dieser Rußfilter, welcher eine Washcoatlänge von 10 cm (4 inch) an einem Ende aufwies, welcher im Durchgang stromaufwärts lag, an dem Einlass zu dem Rußfilter, erzielte BPT's von 351°C, 401°C und 445°C. Diese Leistung war besser als die von CSF #2 (Vergleich #3) und CSF #2 mit stromaufwärts angeordneten DOC's (Beispiele #4 und 5). Es war jedoch nicht besser und etwas schlechter als CSF #5, auch mit einer etwas höheren Pt-Beladung über die stromaufwärts gelegenen 10 cm (4 inch)(2.316 g/m3 vs 1.765 g/m3)(65,6 g/ft3 vs 50 g/ft3)). Dies kann an der Washcoatdicke liegen, welche eine Länge von 10 cm (4 inch) von einem Ende des Rußfilters bedeckte. Dies Washcoat bedeckte die porösen Keramikwände dieser Fläche des Rußfiltersubstrats, was zu einem verringerten Abgasfluss führte. Dies reduzierte wiederum effektiv die Filtrationsfläche (Volumen) des Rußfilters, was zu höheren BPT's führt.
  • Beispiel #10 mit BPT-Ergebnissen für CSF #4 allein wurden erhalten. Dieser Rußfilter, welcher eine angereicherte Pt-Beladung auf 10 cm (4 inch) der Länge an einem Ende aufwies, welcher mit dem Pt-angereicherten Ende stromaufwärts betrieben wurde, an dem Einlass. Die BPT's für diesen Aufbau betrugen 349°C, 385°C und 337°C. Diese Leistung war vergleichbar mit CSF #5 in Beispiel #7. Dies zeigt, dass die Pt-Beladungen auf die CSF an dem Einlass angeordnet werden können oder gleichmäßig über das Volumen des Rußfiltersubstrats verteilt werden können und die gleichen Ergebnisse erzielt werden können. In einem zusätzlichen Durchgang von CSF #4 wurde ein Brennstoff mit ultrawenig Schwefel anstelle des normalen Schwefelbrennstoffes verwendet und die BPT-Ergebnisse waren vergleichbar und zeigen, dass die CSF's der vorliegenden Erfindung auf den Schwefelanteil in dem Brennstoff nicht empfindlich reagieren, im Gegensatz zu den Vergleich #1 und #2.
  • Beispiel #11, DOC #2 (176 g/m3)(5,0 g/ft3 Pt)) wurde stromabwärts von CSF #4 angeordnet. Dieser Aufbau, ein Beispiel dieser Erfindung, führte zu BPT's von 339°C, 378°C und 428°C. Dies war eine Verbesserung relativ zu CSF #4 allein und BPT's waren 10°C, 7°C und 9°C niedriger. Des Weiteren war die Leistung dieses Aufbaus in Beispiel #11 unter Verwendung von normalem Schwefelbrennstoff vergleichbar mit Vergleich #1, welches Brennstoff mit ultrawenig Schwefel verwendete.
  • In Beispiel #12 wurde CSF #4 alleine in umgekehrter Flussrichtung verwendet in Bezug auf das Abgas im Vergleich mit dem Weg, mit welchem es in Beispiel 10 ermittelt wurde. In diesem Aufbau, einem Beispiel der Erfindung, wurde das Ende des Rußfilters mit Pt-angereichertem 10 cm (4'') Länge stromabwärts an dem Auslass angeordnet. Die in Beispiel 12 erhaltenen BPT's betrugen 338°C, 377°C und 409°C. Dies zeigt eine Verbesserung der Leistung im Vergleich mit dem Fall, wenn CSF #4 mit dem Pt-angereicherten Ende stromaufwärts angeordnet an dem Einlass (Beispiel #10) betrieben wurde. Dies war eine Überraschung und zeigte, dass die Anordnung von Pt an dem Rußfiltersubstrat wichtig für die Leistung sein könnte und dass die Verteilung von Pt an dem Auslassende des Filtersubstrats einen Vorteil zeigte. Des Weiteren war die Leistung von CSF #4 angeordnet in dieser Richtung und unter Verwendung von normalen Schwefelbrennstoff vergleichbar mit Vergleich #1.

Claims (33)

  1. Vorrichtung umfassend: einen Dieselmotor (2) mit einem Abgasauslaß (3); einen katalysierten Filter (4) in Verbindung mit dem Abgasauslaß (3), wobei der katalysierten Filter (4) einen ersten Katalysator umfasst, wobei der erste Katalysator umfasst: ein erstes Platinmetall, einen ersten Cerbestandteil; und gekennzeichnet ist, durch einen zweiten Katalysator (6) in Verbindung mit dem ersten Katalysator (4), wobei der zweite Katalysator (6) umfasst: einen zweiten Cerbestandteil.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator (4) des weiteren einen ersten Zirkoniumbestandteil enthält.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Katalysator (6) zwischen dem Motorauslaß und dem ersten Katalysator (4) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der zweite Katalysator (6) von einem getrennten bzw. anderen Substrat getragen wird, als der katalysierte Filter (4).
  5. Vorrichtung nach Ansprach 3, wobei der zweite Katalysator an dem katalysierten Filter (4) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der katalysierte Filter (4) eine axiale Länge aufweist, welche sich von einem vorgeschalteten Filterende bis zu einem nachgeschalteten Filterende erstreckt, und wobei sich der zweite Katalysator über wenigstens einen Teil der axialen Länge des vorgeschalteten Endes erstreckt
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zweite Katalysator für zwischen 0,635 bis 20,32 cm (0,25 bis 8 inch) von dem vorgeschalteten Ende angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zweite Katalysator für zwischen 1,524 bis 12,7 cm (0,5 bis 5 inch) von dem vorgeschalteten Ende angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Katalysator (6) dem ersten Katalysator (4) nachfolgend angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der zweite Katalysator von einem getrennten bzw. anderen Substrat getragen wird als der katalysierte Filter(4).
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der zweite Katalysator an dem katalysierten Filter (4) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der katalysierte Filter (4) eine axiale Länge aufweist, welche sich von einem vorgeschalteten Filterende bis zu einem nachgeschalteten Filterende erstreckt, und wobei sich der zweite Katalysator über wenigstens einem Teil der axialen Länge des vorgeschalteten Endes erstreckt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der zweite Katalysator für zwischen 0,635 bis 20,32 cm (0,25 bis 8 inch) von dem vorgeschalteten Ende angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 13, wobei eine Spalte zwischen der axialen Länge (56), in welcher der zweite Katalysator angeordnet ist und der zweiten axialen Länge (58), in welcher der erste Katalysator angeordnet ist, vorhanden ist
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der zweite Katalysator für zwischen 1,524 bis 12,7 cm (0,5 bis 5 inch) von dem vorgeschalteten Ende angeordnet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Katalysator eine zweite Katalysatorzusammensetzung umfasst, welche ein zweites Metalloxid umfasst, gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und Zirkonoxid.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die zweite Katalysatorzusammensetzung ein katalytisches Material umfasst, umfassend wenigstens ein zweites Metalloxid, ge wählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und Zirkonoxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid und Cerdioxid-Zirkonoxid.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der zweite Cerbestandteil Schüttgut-Cerdioxid ist, mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g und wobei das zweite Metalloxid ein Schüttgut-Metalloxid ist, mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die zweite Katalysatorzusammensetzung Cerdioxid und ein Metalloxid in einem Gewichtsverhältnis von 5:95 bis 95:5 umfasst.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der zweite Katalysator (6) wenigstens einen zweiten Platinmetallbestandteil umfasst.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der zweite Platinmetallbestandteil gewählt ist aus Platin-, Palladium- und Rhodiumbestandteilen.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die zweiten Platinmetallbestandteile in einer Menge von 3,35 bis 7062,92 g/m3 (0,1 bis 200 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Platinmetalls des Platinmetallbestandteils vorhanden sind.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der zweite Platinmetallbestandteil ein Platinbestandteil ist, in einer Menge von 3,35 bis 529,72 g/m3 (0,1 bis 15 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Platinmetalls des Platinmetallbestandteils.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der zweite Platinmetallbestandteil in einer Menge von 3,35 bis 176,57 g/m3 (0,1 bis 5 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Platinmetalls des Platinmetallbestandteils vorhanden ist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der zweite Platinmetallbestandteil ein Platinbestandteil ist in einer Menge von 3,35 bis 17,66 g/m3 (0,1 bis 0,5 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Platinmetalls des Platinmetallbestandteils.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Katalysator (4) eine erste Katalysatorzusammensetzung umfasst, welche ein erstes Metalloxid umfasst, gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und Zirkonoxid.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die erste Katalysatorzusammensetzung wenigstens ein erstes Metalloxid umfasst, gewählt aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und Zirkonoxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid und Cerdioxid-Zirkonoxid.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der erste Cerbestandteil Schüttgut-Cerdioxid ist, mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g und wobei das erste Metalloxid ein Schüttgut-Metalloxid ist, mit einer BET-Oberfläche von wenigstens ungefähr 10 m2/g.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die erste Katalysatorzusammensetzung Cerdioxid und ein Metalloxid in einem Gewichtsverhältnis von 5:95 bis 95:5 umfasst.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die zweite Katalysatorzusammensetzung wenigstens einen zweiten Platinmetallbestandteil umfasst, gewählt aus Platin-, Palladium- und Rhodiumbestandteilen.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die zweiten Platinmetallbestandteile in einer Menge von 3,35 bis 7062,92 g/m3 (0,1 bis 200 g/ft3) bezogen auf das Gewicht des Platinmetalls des Platinmetallbestandteils vorhanden sind.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der katalysierte Rußfilter (4) ein Wanddurchflusswabenkörpersubstratumfasst.
  33. Vorrichtung nach Ansprach 1 oder 2, wobei der zweite Katalysator auf einem Durchfluss durch das Wabenkörpersubstrat getragen wird.
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