WO2009000667A2 - Herstellungsverfahren und katalysatorelement mit axial veränderlicher katalytischer beschichtung - Google Patents

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WO2009000667A2
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Definitions

  • the invention relates to a catalyst element for cleaning the exhaust gases of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a catalyst having a catalyst element according to the independent claim 11 and a method for producing a catalyst element according to the invention.
  • Such catalyst elements are used in the exhaust system of an internal combustion engine. Partly, the catalyst elements are also used at the same time as a soot filter for diesel internal combustion engines.
  • the term "catalyst element” is used hereafter, since the invention relates to the application of a coating to a catalyst element.
  • these catalyst elements can also be designed as a soot filter at the same time. Both embodiments are subsumed under the term "catalyst element".
  • Catalyst elements are typically prismatic bodies having a plurality of channels extending parallel to each other.
  • the gas to be cleaned flows through the catalyst element from a first end face in the longitudinal direction and exits again at a second end face.
  • the catalyst element is also to be used simultaneously as a filter element, two groups of channels are formed.
  • a first group, the so-called inlet channels, are closed at the second end face, while the second group of channels, the so-called outlet channels, are closed at the inlet side of the catalyst element.
  • the Walls of the catalyst element made of a porous material, so that the exhaust gas to be cleaned passes through the filter walls from the inlet channels into the outlet channels. This solid particles such as soot are deposited.
  • a catalytically active coating can be applied to the walls.
  • the object of the invention is to provide a catalyst element or a catalyst and filter element which has an improved conversion rate of the pollutants present in the exhaust gases, whose service life is increased compared to conventional catalyst elements and whose production costs are optimized.
  • This object is achieved according to the invention with a catalyst element, in particular for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine, with a longitudinal axis parallel to the main flow direction of the exhaust gas, with a multiplicity of channels, the channels being delimited by walls, the walls being provided with a catalytically active coating, achieved in that at least one catalytically active coating is distributed unevenly over the catalyst element in the axial direction and that the at least one catalytically active coating is distributed in the radial direction equal to the catalyst element.
  • the catalytically active coating claimed according to the invention it is possible to provide a region with a higher catalytic activity in the region of the highest operating temperatures.
  • the region of highest operating temperatures is often midway between the first face and the second face or slightly further downstream.
  • the combination of the higher operating temperatures prevailing there and the inventively increased concentration of catalytically active substances leads to a particularly high conversion rate of pollutants. This is especially true for carbon monoxide and hydrocarbons.
  • This means that very high conversion rates can be achieved by means of a locally limited but relatively highly concentrated catalytically active coating with a very low use of catalytically active substances.
  • the effectiveness of the catalyst element according to the invention increased while reducing its cost of material.
  • the catalyst element in the longitudinal direction into different segments and to apply different coatings in these different segments.
  • the coatings of adjacent segments overlap completely or partially. This makes it possible, for example in the region of a first end face, where the exhaust gas to be cleaned enters the catalyst element, to apply a different coating than in a central region of the catalyst element.
  • a coating containing zeolites can be applied to the inlet region so that hydrocarbons or nitrogen oxides NO x can be stored there in the zeolite in the cold start phase of the internal combustion engine. Since the operating temperatures in this front region are lower than in the middle region of the catalyst element, these zeolites are not destroyed by thermal effects during operation.
  • the segmentation of the catalyst element and the coating of the various segments with differently catalytically active coatings make it possible to provide a coating which is optimally effective for each temperature zone of the catalyst element.
  • the object mentioned at the outset is likewise achieved in a method according to the invention for the partial coating of a catalyst element by applying a temporary layer to the walls of the catalyst element in certain regions, providing the catalyst element at least in regions with a permanent coating and the at least one temporary layer Layer is then removed.
  • the catalyst element it is possible for the catalyst element to be provided only in regions with a permanently active catalytically active coating, thereby reducing the amount of catalytic substances used. Thereby, the manufacturing cost is reduced and at the same time, because the catalytically active substances are placed in the optimum temperature range, the conversion rate is increased. It has proved to be particularly advantageous if the temporary layer is produced by application of a hydrophobicizing solution to the catalyst element in regions. By hydrophobing various regions of the catalyst element, the adhesion of the catalytically active coating, which is generally carried out by applying an aqueous solution containing the catalytically active substances, is partially blocked. As a result, the catalytically active substances preferentially deposit in the region (s) in which the temporary layer is absent.
  • a particularly advantageous variant of the method according to the invention provides that the temporary layer is produced by partial immersion of the catalyst element in a hydrophobicizing solution. It is particularly advantageous if the temporary layer in the region of one or both end faces of the catalyst element is applied to this.
  • a further layer in particular a storage layer and / or a further catalytically active layer, is permanently applied to the catalyst element.
  • This further layer may contain, for example, zeolites and / or further catalytically active substances which are optimally matched to the operating temperatures prevailing in the applied region.
  • Substances contains for 1 s to 30 s, drying at 110 0 C and calcination at 300 - 600 0 C, preferably at 500 0 C.
  • the hydrophobic solutions were provided with a dye (Nile Blue).
  • Figure 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment device according to the invention.
  • Figure 2 shows an embodiment of a catalyst element according to the invention in longitudinal section
  • Figures 3 are schematic representations of various production steps of a method according to the invention for the production of catalyst elements.
  • an internal combustion engine carries the reference numeral 10.
  • the exhaust gases are discharged via an exhaust pipe 12, in which a filter device 14 is arranged.
  • This soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 to comply with legal requirements.
  • the filter device 14 comprises a cylindrical housing 16, in which a rotationally symmetrical in the present embodiment, a total also cylindrical catalyst and filter element 18.
  • the term "Katalysatorelemenf is used, regardless of whether additionally also one Filtering of the exhaust gases takes place.
  • the invention is not limited to the geometry shown in Figure 1.
  • FIG. 2 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a catalyst element 18 according to the invention.
  • the catalyst element 18 is produced as an extruded shaped body from a ceramic material, such as cordierite.
  • the catalyst element 18 is flowed through in the direction of the arrows 20 of not shown exhaust gas.
  • a first end face has the reference numeral 22 in FIG. 2, while a second end face in FIG. 2 has the reference numeral 24.
  • Parallel to a longitudinal axis 26 of the catalyst element 18 extend a plurality of inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30.
  • the inlet channels 28 are closed at the second end face 24.
  • the sealing plugs are shown in FIG. 2 without reference numerals.
  • the outlet channels 30 are open at the second end face 24 and closed in the region of the first end face 22. If the filter walls 31 do not have to be flowed through by the exhaust gas, the sealing plugs can be dispensed with.
  • the flow path of the untreated exhaust gas leads in a filter element in one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall 31 in one of the outlet channels 30. This is exemplified by the arrows 32. As it flows through the filter wall 31, the soot particles present in the exhaust gas are filtered out.
  • the filter walls 31 are at least partially catalytic with one or more catalytic coated active coatings whose arrangement will be explained in more detail below in connection with Figures 3 and 4. If there is no filtering of the exhaust gas, inlet channels 28 and outlet channels 30 can remain open.
  • catalyst elements 18 according to the invention can also be used in commercial vehicles or other mobile or stationary applications of internal combustion engines.
  • FIG. 3 shows various production steps of the method according to the invention for producing a catalyst element.
  • various embodiments of catalyst elements according to the invention are shown.
  • a catalyst element 18 is shown greatly simplified in an isometry.
  • the reference numerals correspond to those in FIGS. 1 and 2.
  • a first step which is illustrated in FIG. 3b, a part of the catalyst element 18 is provided with a first temporary coating 34.1. This happens, for example, in that the filter element 18 with the second end face 24 is dipped forwards into a solution (not shown) which forms the first temporary coating 34.1.
  • the catalyst element 18 with its first end face 22 is dipped in the same or a similar solution, so that a second temporary coating 34.2 is formed in the region of the second end face 24.
  • a highly hydrophobicizing layer 34.1 and a less hydrophobicizing layer 34.2 may consist of different materials, for example of paraffin (strongly hydrophobicizing) in combination with accrylates (strong to weakly hydrophobicizing).
  • a first segment 36 which is not provided with the temporary coating 34, remains between the first temporary coating 34.1 and the second temporary coating 34.2.
  • the purpose of the temporary coating 34 is to render the surface of the catalyst element 18 hydrophobic, so that a solution containing one or more catalytically active substances is present where the temporary Coating 34 was applied to the catalyst element, not at all or accumulates only to a reduced extent.
  • FIG. 3d shows a third production step of the method according to the invention.
  • the entire catalyst element 18 was immersed in a solution containing one or more catalytically active substances.
  • the first segment 36 between the temporary coatings 34 is provided with a catalytically active coating 38.
  • a fourth production step which is shown in FIG. 3e, the temporary coatings 34 are removed again.
  • This can be done for example by means of a heat treatment, in particular by hot air, or wet-chemical.
  • the heat or the wet-chemical attack by means of, for example, a dilute acid, decomposes the temporary coating 34, so that the surface of the walls 31 of the catalyst element 18 is exposed again.
  • a first exemplary embodiment of a catalyst element 18 according to the invention is shown in FIG. 3e.
  • a catalytically active coating 38 is present substantially in the first segment 36. At the beginning and at the end of the catalyst element, no catalytically active coating is present.
  • This catalyst element 18 can be installed in a filter device 16.
  • a further coating 42 may for example be applied in a second segment 40 which adjoins the first end face 22.
  • This further coating 42 may contain, for example, zeolites or metal oxides based on barium (Ba) and / or strontium (Sr), which are suitable for the storage of hydrocarbons and / or NO x .
  • Ba barium
  • Sr strontium
  • no coating 46 is provided on a third segment 44, which extends between the first segment 36 and the second end face 34.
  • a coating with transition-metal-exchanged zeolites or with transition metal oxides based on vanadium (V), titanium (Ti), tungsten (W) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides by means of a reducing agent added in the upstream direction would be conceivable.
  • the coating 44 has such an SCR function, it is advisable to apply the coatings 38 or 42 such that the ratio of NO 2 -: NO is optimally designed for the coating 44.
  • the optimum ratio depends, besides many parameters, mainly on the type of SCR catalyst. Thus, when using zeolites, other NO 2 : NO ratios are required than is the case with the use of transition metal oxides.
  • the coating 38 may contain little platinum, the coating 42 may contain much platinum, and the coating 46 may not contain platinum.
  • the coating 38 may include zeolites, BaO and SrO for HC and NOx storage) and / or P1 / Pd while the coating 42 contains Pt, Pd for oxidation catalysis of HC, CO and / or NO.
  • the Coating 42 may be designed such that the ratio NO: NO 2 is optimally adjusted for the downstream coating 44.
  • Coating 46 may contain Fe / Cu exchanged zeolites or V, W, Ti oxides for Selective Catalytic Reduction (SCR) plus PVPd as a barrier catalyst for NH 3 and / or N 2 O.
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • the filter element 18 can also be immersed horizontally in the hydrophobicizing solutions, so that not only an axial, but also a radial gradient is formed.

Abstract

Es wird ein Katalysatorelement (18) und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Katalysatorelements beschrieben, bei dem eine katalytisch aktive Beschichtung (38) nicht über die gesamte Länge des Katalysatorelements (18) aufgetragen wird.

Description

Beschreibung
Titel
Katalysatorelement, Katalysator zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysatorelements
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Katalysatorelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Katalysator mit einem Katalysatorelement nach dem nebengeordneten Anspruch 11 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysatorselements nach dem Anspruch 12.
Derartige Katalysatorelemente werden in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Teilweise werden die Katalysatorelemente auch gleichzeitig als Rußfilter für Diesel- Brennkraftmaschinen genutzt. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird nachfolgend der Begriff "Katalysatorelement" verwandt, da die Erfindung das Aufbringen einer Beschichtung auf ein Katalysatorelement betrifft. Allerdings können diese Katalysatorelemente gleichzeitig auch als Rußfilter ausgebildet sein. Beide Ausführungsfor- men sind unter dem Begriff "Katalysatorelement" zu subsumieren.
Katalysatorelemente sind in der Regel prismatische Körper mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen. Dabei durchströmt das zu reinigende Gas das Katalysatorelement von einer ersten Stirnfläche in Längsrichtung und tritt an einer zwei- ten Stirnfläche wieder aus. Wenn das Katalysatorelement gleichzeitig auch als Filterelement eingesetzt werden soll, werden zwei Gruppen von Kanälen gebildet. Eine erste Gruppe, die so genannten Eintrittskanäle, sind an der zweiten Stirnfläche verschlossen, während die zweite Gruppe von Kanälen, die so genannten Austrittskanäle, an der Eintrittsseite des Katalysatorelements verschlossen sind. Gleichzeitig bestehen die Wände des Katalysatorelements aus einem porösen Werkstoff, so dass das zu reinigende Abgas durch die Filterwände hindurch von den Eintrittskanälen in die Austrittskanäle gelangt. Dabei werden feste Partikel wie Ruß abgeschieden. Gleichzeitig kann auf den Wänden eine katalytisch aktive Beschichtung aufgebracht werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Katalysatorelement beziehungsweise ein Katalysator- und Filterelement bereitzustellen, das eine verbesserte Umwandlungsrate der in den Abgasen vorhandenen Schadstoffe aufweist, dessen Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Katalysatorelementen erhöht ist und dessen Herstellungskosten optimiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Katalysatorelement insbesondere zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse, mit einer Vielzahl von Kanälen, wobei die Kanäle durch Wände begrenzt werden, wobei die Wänden mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, dadurch gelöst, dass mindestens eine katalytisch aktive Beschichtung in axialer Richtung ungleich über das Katalysatorelement verteilt ist und dass die mindestens eine katalytisch aktive Beschichtung in radialer Richtung gleich über das Katalysatorelement verteilt ist.
Bei der erfindungsgemäß beanspruchten Anordnung der katalytisch aktiven Beschichtung ist es möglich, im Bereich der höchsten Betriebstemperaturen einen Bereich mit einer höheren katalytischen Aktivität vorzusehen. Der Bereich der höchsten Betriebstemperaturen befindet sich oft in der Mitte zwischen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche oder etwas weiter stromabwärts. Die Kombination aus den dort herrschenden höheren Betriebstemperaturen und der erfindungsgemäß erhöhten Konzentration katalytisch wirksamer Substanzen führt zu einer besonders hohen Umwandlungsrate von Schadstoffen. Dies gilt insbesondere für Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe. Dies bedeutet, dass durch eine örtlich begrenzte, aber dort relativ hoch konzentrierte katalytisch aktive Beschichtung mit einem sehr geringen Einsatz an katalytisch wirksamen Substanzen sehr hohe Umwandlungsraten erreicht werden können. Dadurch wird die Effektivität des erfindungsgemäßen Katalysatorelements erhöht und gleichzeitig dessen Material kosten reduziert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Katalysatorelement in Längsrichtung in verschiedene Segmente zu unterteilen und in diesen ver- schiedenen Segmenten unterschiedliche Beschichtungen aufzutragen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass sich die Beschichtungen benachbarter Segmente ganz oder teilweise überlappen. Dadurch ist es möglich, beispielsweise im Bereich einer ersten Stirnfläche, dort wo das zu reinigende Abgas in das Katalysatorelement eintritt, eine andere Beschichtung aufzutragen als in einem mittleren Bereich des Katalysator- elements.
Beispielsweise kann am Eintrittsbereich eine Beschichtung aufgetragen werden, die Zeolithe enthält, so dass in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine dort in den Zeo- lithen Kohlenwasserstoffe oder Stickoxide NOx gespeichert werden können. Da in die- sem vorderen Bereich die Betriebstemperaturen niedriger sind als im mittleren Bereich des Katalysatorelements werden diese Zeolithe auch während des Betriebs nicht durch thermische Einwirkungen zerstört. Außerdem ist es durch die Segmentierung des Katalysatorelements und die Beschichtung der verschiedenen Segmente mit unterschiedlich katalytisch wirksamen Beschichtungen möglich, für jede Temperaturzone des Katalysa- torelements eine jeweils optimal wirksame Beschichtung vorzusehen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur partiellen Beschichtung eines Katalysatorelements dadurch gelöst, dass bereichsweise auf die Wände des Katalysatorelements eine temporäre Schicht aufge- bracht wird, dass das Katalysatorelement mindestens bereichsweise mit einer dauerhaften Beschichtung versehen wird und dass die mindestens eine temporäre Schicht anschließend entfernt wird.
Dadurch ist es möglich, dass das Katalysatorelement nur bereichsweise mit einer dau- erhalten katalytisch aktiven Beschichtung versehen wird und dadurch die Menge der eingesetzten katalytischen Substanzen reduziert wird. Dadurch werden die Herstellungskosten verringert und gleichzeitig, weil die katalytisch aktiven Substanzen in dem optimalen Temperaturbereich angeordnet werden, die Umwandlungsrate erhöht. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die temporäre Schicht durch bereichsweises Aufbringen einer hydrophobierenden Lösung auf das Katalysatorelement erzeugt wird. Durch die Hydrophobierung verschiedener Bereiche des Katalysatorelements wird das Anhaften der katalytisch aktiven Beschichtung, die in der Regel durch Auftragen einer wässrigen Lösung erfolgt, welche die katalytisch aktiven Substanzen enthält, bereichsweise unterbunden. Infolgedessen lagern sich die katalytisch aktiven Substanzen bevorzugt in dem oder den Bereichen ab, in denen die temporäre Schicht nicht vorhanden ist.
Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die temporäre Schicht durch partielles Eintauchen des Katalysatorelements in eine hydrophobierende Lösung erzeugt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die temporäre Schicht im Bereich einer oder beider Stirnseiten des Katalysatorelements auf dieses aufgebracht wird.
Zum Entfernen der temporären Schicht hat sich eine Wärmebehandlung als einfach und prozesssicher erwiesen. In vielen Fällen ist es ausreichend, wenn das Katalysatorelement mit Hilfe von warmer Luft von der temporären Schicht befreit wird. Aber auch andere Behandlungen, wie Auflösen in wässrigen Säuren, neutralen oder basischen Lösungen oder Auswaschen, sind denkbar.
In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Entfernen der temporären Schicht eine weitere Schicht, insbesondere eine Speicherschicht und/oder eine weitere katalytisch aktive Schicht, dauerhaft auf dem Katalysatorelement aufgebracht wird. Diese weitere Schicht kann beispielsweise Zeolithe und/oder weitere katalytisch aktive Substanzen enthalten, die optimal auf die in dem aufgebrachten Bereich herrschenden Betriebstemperaturen abgestimmt sind.
Mit folgenden Stoffen wurden erfolgreich Untersuchungen durchgeführt: Paraffin, PVP- Copolymer, Poly-fethylen-co-acrylsäure), Ethylen-Heteropolymer, Isobam -600, -04, - 104, -110 der Firma Kuraray, MP 5930 RE der Firma Michelman, Klaraid PL 1194 der Fa. Alco Chemicals, Sokolan PA HOS, Pluriol A 5010 E der Fa. BASF, Stearinsäure und Stearylalkohol. Die Untersuchungen wurden wie folgt durchgeführt: Eintauchen von Teilbereichen des Katalysatorelements in die hydrophobierende Lösung für 1 bis 30 Sekunden [s], Trocknen bei 60 bis 1500C, bevorzugt bei 120 0C, für 0,5 bis 4 h, bevorzugt 2h, Eintauchen des gesamten Körpers in eine Suspension, die katalytisch aktive
Substanzen enthält für 1 s bis 30 s, Trocknen bei 1100C und Kalzinieren bei 300 - 6000C, bevorzugt bei 5000C. Zur besseren Visualisierung wurden die hydrophobierenden Lösungen mit einem Farbstoff (Nilblau) versehen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Katalysatorelements im Längsschnitt und
Figuren 3 schematische Darstellungen von verschiedenen Herstellungsschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Katalysatorelementen.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten. Gleichzeitig erfolgt auch eine Umwandlung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe mit Hilfe katalytisch wirksamer Beschichtungen.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Katalysator- und Filterelement 18. Im Folgenden wird der Begriff „Katalysatorelemenf verwandt, unabhängig davon , ob zusätzlich auch noch eine Filterung der Abgase erfolgt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in Figur 1 dargestellte Geometrie beschränkt.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Katalysatorelements 18. Das Katalysatorelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt. Das Katalysatorelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von nicht dargestelltem Abgas durchströmt. Eine erste Stirnfläche hat in Figur 2 das Bezugszeichen 22, während eine zweite Stirnfläche in Figur 2 das Bezugszeichen 24 hat.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Katalysatorelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der zweiten Stirnfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in Figur 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der zweiten Stirnfläche 24 offen und im Bereich der ersten Stirnfläche 22 verschlossen. Wenn die Filterwände 31 nicht vom Abgas durchströmt werden müssen, kann auf die Verschlussstopfen verzichtet werden.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt bei einem Filterelement in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 31 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt. Beim Durchströmen durch die Filterwand 31 werden die in dem Abgas vorhandenen Rußpartikel herausgefiltert. Die Filterwände 31 sind mindestens bereichsweise mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Beschichtungen beschichtet, deren Anordnung nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 noch näher erläutert wird. Erfolgt keine Filterung des Abgases, können Eintrittskanäle 28 und Austrittskanäle 30 offen bleiben.
Selbstverständlich können erfindungsgemäße Katalysatorelemente 18 auch in Nutzfahrzeugen oder anderen mobilen oder stationären Anwendungen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
In Figur 3 sind verschiedene Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Katalysatorelements dargestellt. Außerdem sind verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Katalysatorelemente dargestellt.
In Figur 3a ist ein Katalysatorelement 18 in einer Isometrie stark vereinfacht dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen den in den Figuren 1 und 2 verwandten. In einem ersten Schritt, der in Figur 3b dargestellt ist, wird ein Teil des Katalysatorelements 18 mit einer ersten temporären Beschichtung 34.1 versehen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass das Filterelement 18 mit der zweiten Stirnfläche 24 voran in eine Lösung (nicht dargestellt) getaucht wird, welche die erste temporäre Beschichtung 34.1 bildet.
In einem zweiten Schritt, der in der Figur 3c dargestellt ist, wird das Katalysatorelement 18 mit seiner ersten Stirnfläche 22 voran in die gleiche oder eine ähnliche Lösung getaucht, so dass sich im Bereich der zweiten Stirnfläche 24 eine zweite temporäre Beschichtung 34.2 ausbildet. Es ist beispielsweise denkbar, eine stark hydrophobieren- de Schicht 34.1 und eine weniger stark hydrophobierende Schicht 34.2 aufzubringen. Diese Schichten 34.1 und 34.2 können aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise aus Paraffin (stark hydrophobierend) in Kombination mit Accrylaten (stark bis schwach hydrophobierend), bestehen.
Dabei verbleibt zwischen der ersten temporären Beschichtung 34.1 und der zweiten temporären Beschichtung 34.2 ein erstes Segment 36, das nicht mit der temporären Beschichtung 34 versehen ist. Die temporäre Beschichtung 34 hat die Aufgabe, die Oberfläche des Katalysatorelements 18 zu hydrophobieren, so dass sich eine Lösung, welche eine oder mehrere katalytisch aktive Substanzen enthält, dort, wo die temporäre Beschichtung 34 auf dem Katalysatorelement aufgebracht wurde, gar nicht oder nur in reduziertem Umfang anlagert.
Danach erfolgt eine Trocknung, um das organische Substrat auszuhärten.
In Figur 3d ist ein dritter Fertigungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei diesem Fertigungsschritt wurde das gesamte Katalysatorelement 18 in eine Lösung getaucht, welche eine oder mehrere katalytisch aktive Substanzen enthält. Infolgedessen ist das erste Segment 36 zwischen den temporären Beschichtungen 34 mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 38 versehen.
In einem vierten Fertigungsschritt, der in Figur 3e dargestellt ist, werden die temporären Beschichtungen 34 wieder entfernt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Wärmebehandlung, insbesondere durch Warmluft, oder nass-chemisch erfolgen. Die Wärme oder der nass-chemische Angriff mittels beispielsweise einer verdünnten Säure, zer- setzt die temporäre Beschichtung 34, so dass die Oberfläche der Wände 31 des Katalysatorelements 18 wieder freigelegt wird. Gleichzeitig ist in Figur 3e ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Katalysatorelements 18 dargestellt. Bei diesem Katalysatorelement 18 ist im Wesentlichen in dem ersten Segment 36 eine katalytisch aktive Beschichtung 38 vorhanden. Am Anfang und am Ende des Katalysatorele- ments ist keine katalytisch aktive Beschichtung vorhanden. Wenn jedoch die temporären Beschichtungen 34 nicht vollständig die Anlagerung von katalytisch aktiven Substanzen verhindern, kann dort auch eine katalytisch aktive Beschichtung ausbilden, deren Konzentration jedoch sehr viel geringer als im ersten Segment ist. Dieses erfindungsgemäße Katalysatorelement 18 kann in einer Filtereinrichtung 16 verbaut werden.
Falls gewünscht kann jedoch beispielsweise in einem zweiten Segment 40, der sich an die erste Stirnfläche 22 anschließt, eine weitere Beschichtung 42 aufgebracht werden. Diese weitere Beschichtung 42 kann beispielsweise Zeolithe oder Metalloxide auf Basis von Barium (Ba) und/oder Strontium (Sr) enthalten, die für die Speicherung von Kohlenwasserstoffen und/oder NOx geeignet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, in dieser weiteren Beschichtung 42 katalytisch aktive Substanzen vorzusehen. Da im zweiten Segment 40 andere Betriebstemperaturen als im ersten Segment 36 auftreten, können in dem zweiten Segment 40 andere Beschichtungen und/oder andere katalytisch aktive Substanzen auf das Katalysatorelement 18 aufgebracht werden als in dem ersten Segment 36. Dadurch wird erstens die Umwandlungsrate entsprechend verbessert und es besteht die Möglichkeit, für jede katalytisch aktive Substanz die optimale Betriebstemperatur einzustellen. Bei dem in Figur 3f dargestellten Ausführungsbeispiel ist an einem dritten Segment 44, welches sich zwischen dem ersten Segment 36 und der zweiten Stirnfläche 34 erstreckt, keine Beschichtung 46 vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, bei Bedarf auch in dem dritten Segment 44 eine weitere Beschichtung 46 vorzusehen. Auch hier ist es möglich, die Beschichtung 46 entsprechend den dort herrschenden Betriebstemperaturen und den noch im Abgas befindlichen Schadstoffen anzupassen und dadurch eine optimale Effizienz des Katalysatorelements zu erreichen.
Denkbar wäre eine Beschichtung mit Übergangsmetall-ausgetauschten Zeolithen oder mit Übergangsmetalloxiden auf der Basis von Vanadium (V), Titan (Ti), Wolfram (W) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden durch ein stromaufwärts zudosiertes Reduktionsmittel.
Besitzt die Beschichtung 44 eine solche SCR-Funktion, bietet es sich an, die Beschichtungen 38 bzw. 42 derart aufzubringen, dass das Verhältnis von NO2 -: NO optimal für die Beschichtung 44 ausgelegt ist. Das optimale Verhältnis hängt neben vielen Parametern hauptsächlich von der Art des SCR-Katalysators ab. So sind bei Verwendungen von Zeolithen andere NO2 : NO- Verhältnisse nötig, als dies bei Verwendung von Übergangsmetalloxiden der Fall ist.
Wichtig ist, dass durch die Hydrophobierung eine katalytische Beschichtung axial oder radial verschieden sein kann. So kann beispielsweise die Beschichtung 38 wenig Platin enthalten, die Beschichtung 42 viel Platin enthalten und die Beschichtung 46 kein Platin enthalten.
Zum anderen ist es möglich, unterschiedliche katalytische Beschichtungen lokal voneinander zu trennen.
Beispielsweise kann die Beschichtung 38 Zeolithe, BaO und SrO zur HC- und NOx- Speicherung) und/oder P1/Pd enthalten, während die Beschichtung 42 Pt, Pd für eine Oxidationskatalyse von HC, CO und/oder NO enthält. So kann zum Beispiel die Beschichtung 42 derart ausgelegt werden, dass das Verhältnis NO:NO2 optimal für die stromabwärts angeordnete Beschichtung 44 eingestellt wird.
Die Beschichtung 46 kann Fe/Cu ausgetauschte Zeolithe oder V, W, Ti-Oxide für eine selektive katalytische Reduktion (SCR) plus PVPd als Sperrkatalysator für NH3 und/oder N2O enthalten.
Übrigens kann das Filterelement 18 bei Bedarf auch waagerecht in die hydrophobierenden Lösungen eingetaucht werden, so dass nicht nur ein axialer, sondern auch ein radialer Gradient entsteht.

Claims

Ansprüche
1. Katalysatorelement, insbesondere zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von Kanälen (28, 30) wobei die Kanäle (28, 30) durch Wände (34) begrenzt werden, und wobei die Wände (34) mit mindestens einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine katalytische Beschichtung 0 in axialer und/oder radialer Richtung ungleich über das Katalysatorelement (18) verteilt ist.
2. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Katalysatorelement in Längsrichtung in verschiedene
Segmente (36, 40, 44 ) unterteilt ist, und dass die verschiedenen Segmente (36, 40, 44) unterschiedliche Beschichtungen aufweisen.
3. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorelement in den Bereichen (40, 44) niedriger bzw. anderer katalytischer Aktivität als in dem Segment (36) mit temporären Beschichtungen vor Aufbringen der katalytisch aktiven Beschichtungen versehen ist.
4. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die temporären Beschichtungen hydrophobierende Substanzen bestehend aus Silanen, Siloxanen, Lacken, Ölen, Wachsen, Fettalkoholen, mit hydrophobierenden Gruppen funktionalisierten Polymeren, insbesondere Po- lyacrylaten, Polystyrolen, Polyacrylamiden, Polyrinylpyrrolidonen, Polymaleaten, Polyacrylamiden, Polymeren auf Epoxidbasis, enthält.
5. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein fließender Übergang , ein gestufter Übergang oder ein ab- rupter Übergang zwischen Bereichen mit höherer katalytischer Aktivität (36) und
Bereichen mit anderer katalytischer Aktivität (40, 44), bevorzugt mit geringerer ka- talystischer Aktivität, ausgebildet ist.
6. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper in einem oder allen Bereichen mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46) enthaltend Oxide aus der Gruppe Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Ceroxid und Mischungen oder Mischoxiden beschichtet ist.
7. Katalysatorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46) nach Anspruch 6 beschichtet ist, die mit Oxiden seltener Erden (La, Ce, Pr) und/oder Erdalkalioxiden (Ba, Mg) und/oder Siliziumoxid dotiert ist.
8. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper in einem oder allen Bereichen mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46), enthaltend Edelmetalle aus der Gruppe der Platinelemente, insbesondere Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), beschichtet ist.
9. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper in einem oder allen Bereichen mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46) enthaltend mit Übergangsmetallen angetauschte Zeolithe und/oder mit Übergangsmetalloxiden auf Basis der 3. - 6. Gruppe, insbesondere Vanadium (V), Titan (Ti), Wolfram (W), beschichtet ist.
10. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper in einem oder allen Bereichen mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46) enthaltend Metalloxide auf Basis der 2. Gruppe, insbesondere Barium (Ba) und/oder Strontium ( Sr), beschichtet ist.
11. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Katalysatorkörper in einem oder allen Bereichen mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46) ... enthaltend Alumosilikate, insbesondere Zeolithe, beschichtet ist.
12. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper in einem oder allen Bereichen mit einer katalytischen Beschichtung (38, 42, 46) enthaltend Mischoxide auf Basis der 3. und 4. Gruppe sowie der Lanthanoiden, insbesondere Cer (Ce), Zirkonium (Zr) und Praseodymium (Pr) und Mischungen aus diesen, beschichtet ist.
13. Katalysatorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper aus Cordierit, Siliziumcarbid, Alumini- umtitanat oder Mullit besteht.
14. Katalysator mit einem Katalysatorelement (18), mit einem Gehäuse (16) und mit einem Abgasrohr (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorelement ein Katalysatorelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
15. Verfahren zur partiellen Beschichtung eines Katalysatorelements (18), dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise auf die Wände (31) des Katalysatorele- ments (18) eine temporäre Schicht (34) aufgebracht wird, dass das Katalysatorelement (18) mindestens bereichsweise mit mindestens einer dauerhaften kataly- tisch aktiven Beschichtung (38) versehen wird, und dass die temporäre Schicht (34) anschließend entfernt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die temporäre Schicht (34) durch bereichsweises Aufbringen einer hydrophobierenden Lösung auf das Katalysatorelement (18) erzeugt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die temporäre Schicht (34) durch partielles Eintauchen des Katalysatorelements (18) in eine hydrophobierende Lösung erzeugt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die temporäre Schicht (34) im Bereich einer oder beider Stirnseiten (22, 24) auf das Katalysatorelement (18) aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die temporäre Schicht (34) durch eine Wärmebehandlung oder eine nass- chemische Ablösung entfernt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen der temporären Schicht (34) eine weitere Schicht (42) dauerhaft aufgebracht wird.
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