PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60304639T2 28.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001398069
Titel Abgasbehandlungseinrichtung
Anmelder Delphi Technologies, Inc., Troy, Mich., US
Erfinder Moliner, Michel, Broken Arrow, OK 74012, US;
Bailey, Owen H., Concord Township, OH 44077, US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60304639
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.08.2003
EP-Aktenzeichen 030774806
EP-Offenlegungsdatum 17.03.2004
EP date of grant 19.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.09.2006
IPC-Hauptklasse B01D 53/94(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01N 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F01N 3/023(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenlegung betrifft die Verringerung von NOx und Partikeln, insbesondere eine Verringerung von NOx und Partikeln in Abgasströmen, die von Kraftfahrzeugmotoren ausgestoßen werden.

Hintergrund der Erfindung

Um gesetzlich vorgeschriebene Abgasemissionsnormen zu erfüllen, müssen die Abgase eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor behandelt werden, bevor sie in die Umgebung abgegeben werden. Abgasströme werden typischerweise durch eine Vorrichtung geleitet, die ein katalytisches Element enthält, um unerwünschte gasförmige Emissionskomponenten wie z. B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide zu entfernen. Die Entfernung von NOx-Komponenten ist von besonderem Interesse und kann bewerkstelligt werden, indem eine Vorrichtung verwendet wird, die Elemente, die einen NOx-Adsorberkatalysator enthalten, verwendet. NOx-Adsorberkatalysatoren sind jedoch empfindlich gegenüber einer Schwefelvergiftung und müssen regelmäßig entschwefelt werden, da ansonsten ihre Leistung nach und nach abnimmt.

Zusätzlich zu den gasförmigen Komponenten enthalten Abgasströme auch Feststoffe wie z. B. Kohlenstoff enthaltende Partikel oder Ruß. Ein Partikelfilter, wie herkömmlicherweise auch bei Dieselmotoren verwendet, wird verwendet, um zu verhindern, dass die Kohlenstoffpartikel oder Ruß aus dem Endrohr entweichen. Der Partikelfilter ist typischerweise eine Stand-Alone-Vorrichtung, getrennt und verschieden von Vorrichtungen, die katalytische Elemente zum Entfernen unerwünschter gasförmiger NOx-Komponenten verwenden. Kohlenstoffpartikel werden in dem Partikelfilter abgefangen und kontinuierlich und/oder periodisch verbrannt, so dass der Filter regeneriert wird und wieder in der Lage ist, Kohlenstoffpartikel abzufangen.

Ein katalytischer Partikelfilter umfasst ein Substrat und eine Katalysatorzusammensetzung, die typischerweise aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall ausgebildet ist. Der katalytische Partikelfilter katalysiert die Entfernung von Schadstoffen aus Abgasen und entfernt auch Partikel aus dem Abgasstrom. Die Katalysatorzusammensetzung ist optimiert, um den Filter periodisch zu regenerieren.

Wenn das katalytische Element und der Partikelfilter (oder der katalytische Partikelfilter) getrennte Elemente sind, erfordern sie viel Platz zum Einbau in der Abgaslinie, der normalerweise nicht verfügbar ist, wie auch hohe Einbaukosten. Überdies, da die Vorrichtungen in der Abgaslinie in Serie montiert sind, würden Temperaturverluste, die einem Wärmeaufnahmevermögen innewohnen, die Regenerations- oder Entschwefelungsfähigkeiten der nachfolgenden Vorrichtung beeinträchtigen, da die Regeneration oder Entschwefelung der jeweiligen Vorrichtung thermisch gesteuert ist.

Die WO-A-01 012 320, EP-A-1 101 908, WO-A-O 032 911 und die EP-A-O 984 142 beziehen sich alle auf einen Abgasfilter mit vielen parallelen Kanälen, die abwechselnd verstopft sind, wobei die Einlassseite mit einem Rußoxidationskatalysator beschichtet ist und die Auslassseite mit einem NOx-Adsorber beschichtet ist.

Die Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nunmehr Bezug nehmend auf die Fig., in denen gleiche Elemente die gleiche Bezugsziffer besitzen, zeigt:

1 eine Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung;

2 eine Seitenansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung entlang der Linien A-A von 1;

3 eine Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;

4 eine Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;

5 eine Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform; und

6 eine Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform.

Kurzzusammenfassung

Hierin ist nachfolgend eine Abgasbehandlungsvorrichtung offen gelegt, die umfasst: eine Vielzahl von Filterelementen und Stopfen, die abwechselnd in einer serpentinenartigen Struktur angeordnet sind, um eine Vielzahl von Einlasskanälen und Auslasskanälen zu bilden, wobei die Stopfen an abwechselnden Enden der Filterelemente angeordnet sind und wobei eine Fluidverbindung von den Einlasskanälen zu den Auslasskanälen durch die Filterelemente erfolgt; eine NOx-Adsorberzusammensetzung, die an Oberflächen der Filterelemente oder Filterelementen und Stopfen, die die Einlasskanäle oder Auslasskanäle oder eine Kombination der Einlass- und Auslasskanäle bilden, angeordnet und/oder darin imprägniert ist; und eine Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung, die aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall gebildet ist und die auf Oberflächen der Filterelemente oder Filterelementen und Stopfen, die die Einlasskanäle bilden, angeordnet oder darin imprägniert ist.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abgasbehandlungsvorrichtung einen ersten Block in Fluidverbindung mit einem zweiten Block, wobei der erste Block eine Vielzahl von Filterelementen und Stopfen, die abwechselnd in einer serpentinenartigen Struktur angeordnet sind, um eine Vielzahl von Einlasskanälen und Auslasskanälen zu bilden, wobei die Stopfen an abwechselnden Enden der Filterelemente angeordnet sind und wobei eine Fluidverbindung von den Einlasskanälen zu den Auslasskanälen durch die Filterelemente erfolgt, eine Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung, die aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall gebildet ist und an Oberflächen, die die Einlasskanäle bilden, angeordnet oder darin imprägniert ist, und eine NOx-Adsorberzusammensetzung, die an Oberflächen der Filterelemente oder den Oberflächen der Filterelemente und Stopfen, die die Einlasskanäle oder Auslasskanäle oder eine Kombination derselben bilden, angeordnet oder darin imprägniert ist, umfasst; und der zweite Block umfasst eine Vielzahl von Filterelementen und Stopfen, die angeordnet sind, um eine Vielzahl von Durchgängen mit offenen Enden zu bilden, wobei die Filterelemente des zweiten Blocks eine Dicke umfassen, die geringer als eine Dicke der Filterelemente in dem ersten Block ist, und wobei die NOx-Adsorberzusammensetzung an Oberflächen der Filterelemente oder den Oberflächen der Filterelemente und Stopfen, die die Durchgänge mit offenen Enden bilden, angeordnet oder darin imprägniert ist;

Ein Verfahren zum Behandeln eines Abgasstroms umfasst das Montieren einer Abgasbehandlungsvorrichtung in einem Abgaskanal, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung umfasst: eine Vielzahl von Filterelementen und Stopfen, die abwechselnd in einer serpentinenartigen Struktur angeordnet sind, um eine Vielzahl von Einlasskanälen und Auslasskanälen zu bilden, wobei die Stopfen an abwechselnden Enden der Filterelemente angeordnet sind und wobei eine Fluidverbindung von den Einlasskanälen zu den Auslasskanälen durch die Filterelemente erfolgt, eine NOx-Adsorberzusammensetzung, die an Oberflächen der Filterelemente oder Filterelementen und Stopfen, die die Einlasskanäle oder Auslasskanäle oder eine Kombination derselben bilden, angeordnet und J oder darin imprägniert ist, und eine Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung, die aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall gebildet ist und die auf Oberflächen der Filterelemente oder Filterelementen und Stopfen, die die Einlasskanäle bilden, angeordnet oder darin imprägniert ist; Strömen des Abgasstroms in die Einlasskanäle der Abgasbehandlungsvorrichtung und Kontaktieren der Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung, der NOx-Adsorberzusammensetzung oder der Kombination derselben; Filtern des Abgasstromes durch Strömen durch das Filterelement; und Ausstoßen des Abgasstroms aus der Abgasbehandlungsvorrichtung, wobei der Abgasstrom die NOx-Adsorberzusammensetzung weiter kontaktiert.

Weitere Vorteile werden für den Fachmann im Licht der detaillierten Beschreibung und Fig. verständlich.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Hierin offen gelegt ist eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die die Funktionen eines katalytischen Partikelfilters und eines NOx-Absorberkatalysators in eine einzige integrierte Vorrichtung zur Verwendung unterstromig eines Motors, z. B. vorzugsweise an einem Krümmer montiert oder eng verbunden, kombiniert. Wie später im Detail beschrieben entfernt die Abgasbehandlungsvorrichtung effektiv Rußpartikel, verringert die Konzentration von NOx und verringert optional auch die Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und anderen unerwünschten Abgaskomponenten in Abgasen, die durch den Abgaskanal strömen.

Die 1 und 2 veranschaulichen eine Ausführungsform der Abgasbehandlungsvorrichtung 10, die allgemein eine Vielzahl poröser Filterelemente 12 umfasst. Stopfen 14 sind an und zwischen abwechselnden Enden der Filterelemente 12 angeordnet, um Einlasskanäle 16 und Auslasskanäle 18 zu bilden, d. h., in einer serpentinenartigen Querschnittsstruktur wie gezeigt. Vorzugsweise sind die Filterelemente 12 planar und von benachbarten Filterelementen gleich beabstandet. Obwohl die serpentinenartige Struktur wie gezeigt bevorzugt ist, können andere Wandströmungsformen verwendet werden wie z. B. eine Wabengeometrie, wobei die Waben eine beliebige vielseitige oder abgerundete Form aufweisen, wobei im Wesentlichen quadratische, dreieckige, fünfeckige, sechseckige, siebeneckige oder achteckige oder ähnliche Geometrien auf Grund der Einfachheit der Herstellung und der vergrößerten Oberfläche bevorzugt sind. In dieser Ausführungsform könnten die Stopfen 14 in einem regelmäßigen oder zufälligen Muster über die Waben verteilt angeordnet sein. Geeignete assemblierte Filterelemente und Stopfen sind im Handel erhältlich von NGK, Japan, Coming Inc., USA, und Ibiden Company Ltd., Japan.

Im Betrieb tritt das Abgas in die Einlasskanäle 16 ein und wird durch in den Filterelementen 12 enthaltene Poren gezwungen und tritt dann aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 durch die Auslasskanäle 18 aus. Die äußersten Filterelemente können mit einem Befestigungsflansch (nicht gezeigt) oder dergleichen zum Anbringen an einem Abgaskanal versehen sein.

Ein Katalysatormaterial 22, das für eine Rußverbrennung entworfen ist, d. h., eine Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung, ist vorzugsweise auf Oberflächen der Filterelemente 12, die den Einlasskanal 16 bilden, angeordnet. In gleicher Weise ist ein Katalysatormaterial 24 zur Verringerung von NOx-Emissionen entworfen, d. h., eine NOx-Absorberzusammensetzung ist vorzugsweise auf Oberflächen der Filterelemente, die den Auslasskanal 18 bilden, angeordnet. Optional kann die NOx-Absorberzusammensetzung 24 auch auf den Oberflächen der Filterelemente 12, die den Einlasskanal 16 oder auf einer Kombination der Oberflächen der Filterelemente 12, die den Einlass- 16 und Auslasskanal 18 bilden, angeordnet sein. Die Dicke oder Beladung der Katalysatormaterialien 22, 24 auf irgendeiner Oberfläche der Filterelemente 12 ist vorzugsweise eine Dicke, die effektiv ist, um einen übermäßigen Druckabfall, d. h., einen Druckabfall auf weniger als oder gleich 30 kPa zu verhindern.

Optional können die Katalysatormaterialien 22 und/oder 24 auf einen Abschnitt des Stopfens 14 (d. h., Stopfenoberflächen, die den Einlasskanal 16 und/oder Auslasskanal 18 bilden) zusätzlich zu den Oberflächen der Filterelemente 12 aufgebracht werden. Auf diese Weise kann eine passive Regeneration des Filterelements über eine Rußverbrennung durch NO2 oder während der Fettbetriebs-Auslenkungen, die darauf gerichtet sind, den NOx-Adsorberkatalysator zu regenerieren, ablaufen.

Die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 ist vorzugsweise in einem Abgaskanal in nächster Nähe zu dem Motor angeordnet, um die Temperaturverluste des Abgases an die Umgebung, während es durch den Abgaskanal strömt, zu minimieren. Eine periodische Regeneration bei erhöhten Temperaturen der auf den Oberflächen der Filterelemente 12 angeordneten Katalysatormaterialien 22 oder 24 kann verwendet werden, um eine Rußbildung zu beseitigen, und/oder für eine Adsorption, Freisetzung und/oder Umwandlung von NOx-Gasen. Mit der oben beschriebenen integrierten Abgasbehandlungsvorrichtung 10 werden Temperaturverluste, die dem Wärmeaufnahmevermögen einer katalytischen Vorrichtung, die vor der anderen angeordnet ist, innewohnt, beseitigt. Im Ergebnis wird eine Steuerung der Temperatur von Abgasen einfach reguliert. Zum Beispiel kann ein elektrisches Heizgerät, ein Leichtölbrenner oder eine andere Heizvorrichtung oberstromig und in thermischer Verbindung mit der integrierten Abgasbehandlungsvorrichtung 10 angeordnet sein, um die Temperaturen zu erzeugen, die für eine periodische Regeneration und/oder für eine Adsorption, Freisetzung und/oder Umwandlung von NOx-Gasen effektiv ist.

3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Abgasbehandlungsvorrichtung 10, wobei die für eine Verminderung von NOx-Emissionen entworfene NOx-Absorberzusammensetzung 24 auf Oberflächen der Filterelemente 12 und optional den Oberflächen der Stopfen 14 benachbart zu den Kanälen 16 und 18 angeordnet ist (Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung 22 ist nicht vorhanden). Die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 kann in Abgasstromanwendungen verwendet werden, wo hohe Niveaus an NOx-Emissionsverringerung erforderlich sind, wie z. B. unter den US-Tier 2-Normen, die im Jahr 2004 schrittweise gültig werden sollen. In einer alternativen Ausführungsform sind sowohl die NOx-Absorberzusammensetzung 24, die zum Verringern von NOx-Emissionen entworfen ist, als auch die Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung 22, die für eine Rußverbrennung entworfen ist, als eine Mischung auf Oberflächen der Filterelemente benachbart zu dem Einlasskanal 16 angeordnet. Somit besitzen die Oberflächen der Filterelemente 12, die den Einlasskanal 16 formen, eine einzige Schicht, die eine Mischung der verschiedenen Katalysatormaterialien enthält. Im Fall von einzelnen Schichten kann die Reihenfolge und Anzahl von Schichten variieren. Die Anzahl und Gesamtdicke der Schichten wird jedoch so gewählt, dass ein übermäßiger Druckabfall während eines Betriebs vermieden wird.

Die Filterelemente 12 besitzen vorzugsweise eine Größe und Geometrie, die so gewählt ist, dass die Oberfläche in einem gegebenen Partikelfilteraufbau optimiert ist. Die Filterelemente 12 können ein beliebiges Material umfassen, das für eine Verwendung in einer Fremdzündungs- oder Dieselmotorumgebung entworfen ist, und vorzugsweise die folgenden Eigenschaften aufweist: (1) Es ist in der Lage, bei Temperaturen bis zu ungefähr 1000 °C zu arbeiten, je nach Anordnung der Position der Vorrichtung innerhalb des Abgassystems; (2) Es ist in der Lage, eine Exposition gegenüber Kohlenwasserstoffen, Stickstoffoxiden, Kohlenstoffmonoxid, Feststoffen (z. B. Ruß und dergleichen), Kohlenstoffdioxid und/oder Schwefel standzuhalten; und (3) es stellt eine ausreichende Oberfläche und strukturelle Integrität bereit, um einen Katalysator, z. B. einen Washcoat, eine Beschichtung oder dergleichen zu tragen. Einige mögliche geeignete Materialien umfassen Cordierit, Siliziumkarbid, Mullit, feuerfeste Oxide (z. B. Alkalizirkoniumphosphat), Metall, Metalloxide (z. B. Aluminiumoxid und dergleichen), Gläser und dergleichen sowie Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen. Diese Materialien können in der Form von Folien, poröser Materialien, Schwämmen und dergleichen wie z. B. Metallfolien, offenporigen Aluminiumoxidschwämmen und porösen Gläser mit extrem niedriger Ausdehnung vorliegen.

Die NOx-Adsorberzusammensetzung 24 umfasst vorzugsweise einen Washcoat, der einen porösen Träger, eine katalytische Metallkomponente und ein oder mehrere darauf angeordnete/s NOx-Abfangmaterial/ien (wie z. B. Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und dergleichen und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden) umfasst. Die katalytische Metallkomponente und die NOx-Abfangmaterialien können imprägniert, beladen, getränkt, beschichtet oder sonst wie auf und/oder innerhalb des porösen Trägers angeordnet sein.

Der poröse Träger umfasst vorzugsweise Ceroxid (CeO2), Zirkoniumoxid (ZrO2) Lantanoxid (La2O3), Yttriumoxid (Y2O3) und Neodymoxid (Nd2O3) und dergleichen, wie auch Kombinationen, die zumindest eines dieser Metalloxide umfassen.

Der poröse Träger umfasst optional ein oder mehrere weitere/s Trägermaterialien, das/die für eine Verwendung bei den hohen Betriebstemperaturen, die mit einem Verbrennungsmotor verbunden sind (z. B. bis zu 1000 °C) geeignet ist/sind. Solche Materialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Zeolit, Aluminiumoxid und dergleichen wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, wobei Gamma-Aluminiumoxid, Theta-Aluminiumoxid, Delta-Aluminiumoxid und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen, bevorzugt sind. Der poröse Träger kann bis zu 50 Gew.-% eines Cerhaltigen Mischoxids umfassen, wobei der Rest aus anderen Trägermaterialien besteht, wobei 3 Gew.-% bis 25 Gew.-% Cer-haltiges Mischoxid, wobei der Rest aus anderen Trägermaterialien besteht, bevorzugter ist.

Der Washcoat besitzt eine katalytische Metallkomponente, die in der Lage ist, NOx zu Stickstoff umzuwandeln, der sich auf und/oder in dem porösen Träger befindet. Die katalytische Metallkomponente umfasst Metalle der Platingruppe wie z. B. Platin (Pt), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir) und Osmium (Os) wie auch Legierungen und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Vorzugsweise ist der Washcoat mit der katalytischen Metallkomponente in einer Menge von weniger als oder gleich 5 Gewichtsprozent (Gew.-%) des Washcoats auf Der Basis des Gesamtgewichts der Washcoat-Feststoffe beladen, wobei eine Menge von 0,2 Gew.-% bis 3 Gew.-% bevorzugter ist und eine Menge von 0,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% besonders bevorzugt ist.

Wenn die katalytische Metallkomponente eine Kombination von Platin mit einem oder mehreren weiteren Metallen ist, sind die anderen Metalle, z. B. Palladium, Rhodium und dergleichen typischerweise in einer geringeren Menge vorhanden als das Platin. Im Spezielleren kann die katalytische Metallkomponente bei einer Platin/Palladium-Kombination bis zu 85 Gew.-% Platin und bis zu 45 Gew.-% Palladium (oder ein anderes Metall) umfassen; wobei 55 Gew.-% bis 80 Gew.-% Platin und 20 Gew.-% bis 45 Gew.-% Palladium auf Der Basis des Gesamtgewichts der Katalysatorkombination bevorzugt sind. Bei einer Platin/Rhodium-Kombination kann die katalytische Metallkomponente z. B. bis zu 95 Gew.-% Platin und bis zu 30 Gew.-% Rhodium umfassen, wobei 70 Gew.-% bis 85 Gew.-% Platin und 2,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% Rhodium bevorzugt sind; und wobei 70 Gew.-% bis 80 Gew.-% Platin und 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Rhodium auf der Basis des Gesamtgewichts der Katalysatorkombination besonders bevorzugt sind.

Zusätzlich zu der katalytischen Metallkomponente kann der poröse Träger ferner mit einem oder mehreren NOx-Abfangmaterial/ien wie z. B. Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, beladen sein. Geeignete Abfangmaterialien umfassen Barium (Ba), Lithium (Li), Kalium (K), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Cäsium (Cs), Strontium (Sr) und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, wobei eine Mischung aus Ba und K bevorzugt ist. Im Allgemeinen umfasst der Washcoat weniger als oder gleich 50 Gew.-% Abfangmaterial, wobei auf Basis des Gesamtgewichts des Washcoats eine Menge von 1 Gew.-% bis 40 Gew.-% bevorzugt ist und eine Menge von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% besonders bevorzugt ist. Zum Beispiel ist in dem Fall eines Abfangmaterials mit einer Ba- und K-Mischung das Ba in einer Menge von bis zu 30 Gew.-% des Washcoats vorhanden und K in einer Menge von bis zu 10 Gew.-% vorhanden. Bevorzugter umfasst das Abfangmaterial Ba in einer Menge von 7 Gew.-% bis 20 Gew.-% des Washcoats und K in der Menge von 2 Gew.-% bis 5 Gew.-% des Washcoats.

Der Washcoat ist auf den Filterelementen 12 getragen, die eine geeignete Stabilität in der Hochtemperatur-Abgasumgebung (z. B. bis zu 1.000 °C) aufweisen.

Die Ausbildung der Nox-Adsorberzusammensetzung auf dem Filterelement 12 umfasst das Aufbringen des Washcoats als eine Mischung. Zum Beispiel können der poröse Träger, die katalytische Metallkomponente und/oder Abfangmaterialien kombiniert werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung kann dann auf die Filterelemente 12 aufgebracht werden. Vorzugsweise wird der Washcoat jedoch zuerst auf die Filterelemente 12 aufgebracht, gefolgt von Trocknen und einer Kalzinierung. Die katalytische Metallkomponente und die Abfangmaterialien können dann auf oder innerhalb des Washcoats auf eine beliebige geeignete Art und Weise wie z. B. durch Imprägnierungsverfahren abgeschieden werden. Zum Beispiel können die katalytischen Metallkomponenten und die Abfangmaterialien einzeln oder gemeinsam als lösliche Vorläufer (z. B. als ein Salz wie Kaliumnitrat) in einem wässrigen oder organischen Lösungsmittel gelöst werden, welches dann in den porösen Träger imprägniert wird. Vorzugsweise werden die katalytischen Metallkomponenten vor den Abfangmaterialien imprägniert.

Alternativ können das Trägermaterial und die Vorläufer der katalytischen Metallkomponente auch zusammen in einer gemeinsamen Lösung gelöst werden und in einem einzigen Schritt in den Washcoat imprägniert werden. Zum Beispiel kann das Laden der katalytischen Metallkomponente auf den Washcoat mit einer katalytischen Metallvorläuferlösung bewerkstelligt werden. Geeignete Vorläuferlösungen sind wässrige Lösungen, die eine effiziente Chemisorption des katalytischen Metalls auf den Washcoat ermöglichen. Geeignete Vorläuferlösungen umfassen eine Platinnitratlösung, eine Platinchloridlösung und ähnliche Materialien und Kombinationen derselben, wobei eine Platinnitratlösung bevorzugt ist.

Die katalytische Metallvorläuferlösung kann auf das Cer-haltige Mischoxid vor dem Mischen mit anderen Washcoat-Komponenten aufgebracht werden. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform, bei der der Washcoat Aluminiumoxid und ein Cer-haltiges Mischoxid umfasst, Aluminium hinzugefügt, nachdem die Vorläuferlösung auf das Mischoxid aufgebracht wurde. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht die selektive Abscheidung eines katalytischen Metalls auf die Oberfläche des Cer-haltigen Mischoxids anstatt auf andere Komponenten des porösen Trägers (z. B. die anderen Trägermaterialien wie z. B. BaCO3 und Al2O3). Eine selektive Abscheidung von Platin kann die Widerstandsfähigkeit des NOx-Adsorberkatalysators gegenüber einer Schwefelvergiftung verbessern.

Die Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung 22 umfasst vorzugsweise eine Katalysatorzusammensetzung, die aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall gebildet ist. Der Katalysator ist ein katalytisch aktives Metall, das mit Schadstoffen (z. B. HC, CO und/oder NOx und dergleichen) reagiert und diese zu Wasser, CO2, N2 und dergleichen umwandelt. Die Katalysatormaterialien verringern die Konzentration von zumindest einer der Komponenten des Abgases.

Eine bevorzugte Russoxidationskatalysatorzusammensetzung ist eine, die auf den Oberflächen der Filterelemente 12 derart angeordnet werden kann, dass ein minimaler Druckabfall-Anstieg beobachtet wird, wenn Abgas durch das Filterelement 12 strömt. Der Druckabfall, wenn das Abgas durch das Filterelement 12 strömt, erhöht sich mit der Menge von Partikel, die in der Abfangvorrichtung gesammelt ist. Wenn der Druckabfall zu hoch ist, kann die Motorleistung auf Grund eines erhöhten Gegendrucks behindert werden. Somit sollte das Filterelement 12 den Druckabfall bei einem minimalen Niveau zu Beginn einer Verwendung wie auch nachdem sich eine große Menge von Partikeln in der Abfangvorrichtung angesammelt hat, halten. Ein bevorzugter Druckabfall ist gleich oder weniger als 30 kPa (Kilopascal).

Der anorganische Vorläufer kann einen Alkalimetall-Aluminatvorläufer umfassen. Der Alkalimetall-Aluminatvorläufer wird vorzugsweise gemäß der Vorschrift des z. B. US-Patents Nr. 5 614 596 gebildet. Ein Alkalimetall-Aluminatvorläufer kann durch die Reaktion eines Alkalihydroxids, Aluminiumhydroxids und eines Komplexbildners gebildet werden. Bevorzugte Komplexbildner sind Triethanolamin (TEA), und Trisopropanolamin (TIPA). Ein weiterer bevorzugter Alkalimetall-Aluminatvorläufer wird gebildet durch eine Reaktion (z. B. Destillation) von Lithiumhydroxid, Aluminiumhydroxid und TEA. Ein weiterer Alkalimetall-Aluminatvorläufer wird gebildet durch eine Reaktion (z. B. Destillation) von Kaliumhydroxid, Aluminiumhydroxid und TEA. Ein noch weiterer bevorzugter Alkalimetall-Aluminatvorläufer wird gebildet durch eine Reaktion (z. B. Destillation) von Cäsiumhydroxid, Aluminiumhydroxid und TEA. Der Alkalimetall-Aluminatvorläufer ist vorzugsweise ein Polymer, das Metall-Triethanolamin-Komplexe enthält. Die resultierende Lösung wird als ein Alkalimetall-Aluminatvorläufer bezeichnet, da eine Kalzinierung dieser Lösung (z. B. bei Temperaturen von 500 bis 800 °C) in der Erzeugung des entsprechenden Alkalimetall-Aluminats resultiert. Einige mögliche Alkalimetall-Aluminate umfassen Lithiumaluminat, Kaliumaluminat und Cäsiumaluminat. Die Bildung eines Alkalimetall-Aluminats kann durch Röntgenbeugung bestätigt werden.

Der Katalysator ist ein katalytisch aktives Metall, das mit Schadstoffen (z. B. HC, CO und/oder NOx und dergleichen) reagiert und diese zu Wasser, CO2, N2 und dergleichen umwandelt. Typische katalytisch aktive Metalle umfassen Platin (Pt), Palladium, Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Tantal, Zirkonium, Yttrium, Cer, Nickel, Kupfer und dergleichen wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Metalle umfassen, und andere Katalysatoren, wobei Platin bevorzugt ist.

Das katalytische Metall ist vorzugsweise in dem anorganischen Vorläufer enthalten, um einen atomar isolierten und im Wesentlichen gleichförmig verteilten Katalysator bereitzustellen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Verteilen des katalytischen Metalls in dem anorganischen Vorläufer besteht in einer Kalzinierung eines Alkalimetall-Aluminatvorläufers und eines katalytischen Metallsalzes, um eine Mischung aus einem Alkalimetall-Aluminat und einem Alkalimetall-Katalysatormetalloxid zu erzeugen. Bevorzugte katalytische Metallsalze sind Platinnitrat, Platinsulfit und Platinhydroxide wie z. B. Pt(OH)6 (Ethanolamin)2 (Platinethanolaminhydroxid) und Pt (NH3)4 (OH)2 (Platinaminohydroxid). Platinnitrat und Platinhydroxide sind besonders bevorzugt.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung der Mischung aus Alkalimetall-Aluminat und Alkalimetall-Katalysatormetalloxid ist eine Kalzinierung eines Alkalimetall-Aluminatvorläufers in Gegenwart eines katalytischen Metallsalzes. Ein bevorzugtes Verfahren ist ein Erhitzen der Mischung auf eine Temperatur, die ausreicht, um Triethanolamin (TEA), das nicht reagiert hat, zu entfernen. Sobald das TEA entfernt ist, wird die Temperatur auf eine Temperatur erhöht, die ausreicht, um Metall-Triethanolamin-Komplexe zu zerlegen. Schließlich wird die Temperatur auf eine dritte Temperatur erhöht, die ausreicht, um die Mischung aus Alkalimetall-Aluminat und Alkalimetall-Katalysatormetalloxid zu bilden. Zum Beispiel kann eine Mischung aus einem Lithiumaluminatvorläufer und Platinnitrat auf 150 °C erhitzt werden, um jegliches TEA, das nicht reagiert hat, zu entfernen, dann auf bis zu 400 °C erhitzt werden, um Metall-Triethanolamin-Komplexe zu zerlegen, und dann auf 450 bis 650 °C erhitzt werden, um die Mischung aus Alkalimetall-Aluminat und Alkalimetall-Katalysatormetalloxid zu bilden. Ein Erhitzen auf 450 °C bis 650 °C reicht aus, um eine Mischung aus Alkalimetall-Aluminat und Alkalimetall-Katalysatormetalloxid wie auch eine gewisse Menge an katalytischem Metall, das nicht reagiert hat, zu bilden.

Optional kann die Mischung aus Alkalimetall-Aluminat, Alkalimetall-Katalysatormetalloxid und katalytischem Metall erneut für eine ausreichende Zeit und bei einer ausreichenden Temperatur kalziniert werden, um jegliches verbliebenes katalytische Metall zu dem Alkalimetall-Katalysatormetalloxid umzuwandeln (z. B. bei bis zu 750 bis 900 °C für bis zu 16 Stunden). Die Mischung aus Alkalimetall-Aluminat und Alkalimetall-Katalysatormetalloxid, die nun im Wesentlichen frei von katalytischem Metall, das nicht reagiert hat, ist, kann auch für katalytische Dieselpartikelfilter-Anwendungen verwendet werden. Eine Mischung aus Alkalimetall-Aluminat und Alkalimetall-Katalysatormetalloxid, die im Wesentlichen frei von Metall ist, das nicht reagiert hat, umfasst vorzugsweise weniger als oder gleich 5 % katalytisches Metall, das nicht reagiert hat, noch bevorzugter weniger als oder gleich 2 % katalytisches Metall, das nicht reagiert hat.

Das in dieser Offenlegung beschriebene Verfahren sieht eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung des Alkalimetall-Kataysatormetalloxid in dem Alkalimetall-Aluminat vor. Eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung von katalytischem Metalloxid zeigt eine kristalline Domänengröße, die unter Verwendung der Scherergleichung der ganzen Spaltbreite bei maximaler Intensität des (003)-Röntgenbeugungs-Peaks mit weniger als 500 Angstrom berechnet wird. Die Mischung des Alkalimetall-Aluminats und Alkalimetall-Katalysatormetalloxids kann auch gebildet werden, indem z. B. ein Alkalimetallkarbonat und eine metallische Platinverbindung (JCPDS Card Nr. 29-0820) reagieren. Die Bildung des anorganischen Vorläufers und des Katalysators in der gleichen Reaktion wie in der vorliegenden Offenlegung beschrieben besitzt jedoch den Vorteil, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung des Katalysators erzeugt wird. Eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung des katalytischen Metalls kann einen effektiveren Katalysator bereitstellen. Ein zusätzliches Merkmal des hierin offen gelegten Katalysators ist, dass das katalytische Metall in dem Alkalimetall-Katalysatormetalloxid seine katalytische Aktivität in dem Komplex behält.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahren kann das Alkalimetall-Katalysatormetalloxid auch hergestellt werden, indem ein katalytisches Metallsalz wie z. B. Pt-Nitrat auf ein Alkalimetall-Aluminat-Pulver imprägniert wird. Das resultierende Pulver kann für eine ausreichende Zeit und bei einer ausreichenden Temperatur kalziniert werden, um das Alkalimetall-Katalysatormetalloxid zu erzeugen, z. B. durch Kalzinieren bei 500 bis 800 °C für 16 Stunden an der Luft.

Auf den oder über die gesamten Filterelemente/n 12 befindet sich das Rußoxidationskatalysatormaterial 22 (z. B. das Alkalimetall-Aluminat und das Alkalimetall-Katalysatormetalloxid). Das Katalysatormetall 22 kann beschichtet, getränkt, imprägniert, physisorbiert, chemisorbiert, abgeschieden oder anderweitig auf die Filterelemente 12 aufgebracht werden. Das Aufbringen des Katalysatormaterials 22 auf das Filterelement 12 kann durch solche Verfahren wie z. B. Sprühen, Tauchen oder Lackieren bewerkstelligt werden. Eine bevorzugte Menge der Alkalimetall-Aluminat-/Alkalimetall-Katalysatormetalloxidzusammensetzung ist jene, die ausreicht, um eine Verringerung der Konzentration von zumindest einer Abgaskomponente zu katalysieren. Eine bevorzugte Katalysatorzusammensetzungsbeladungsdichte beträgt 0,01 bis 0,5 g/in3 (Gramm/Kubikzoll) (0,00061 bis 0,031 g/cm3) (Gramm pro Kubikzentimeter)), wobei 0,1 bis 0,2 g/in3 (0,0061 bis 0,12 g/cm3) bevorzugter ist. Eine bevorzugte Beladung mit katalytischem Metall ist 0,0011 bis 0,058 g/in3 (0,000067 bis 0,0035 g/cm3), wobei 0,0058 bis 0,041 g/in3 (0,00035 bis 0,0025 g/cm3) bevorzugter ist. Zusätzlich ist bevorzugt, dass die Alkalimetall-Aluminat-/Alkalimetall-Katalysatormetalloxidzusammensetzung auf den Filterelementen 12 in einer Menge abgeschieden wird, die einen Gegendruckabfall-Anstieg von weniger als oder gleich 30 kPa ergibt.

Ein Verfahren zur Verwendung der Abgasbehandlungsvorrichtung 10, 30 oder 50 umfasst die Montage der Abgasbehandlungsvorrichtung 10, 30 oder 50 in einem Abgaskanal, so dass ein aus dem Motor ausgestoßenes Abgas durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 10, 30 oder 50 strömt, bevor es in die Außenumgebung ausgestoßen wird. Die Abgasbehandlungsvorrichtung beseitigt Ruß, Feststoffe und entfernt NOx aus dem Abgasstrom. Unter mageren Betriebsbedingungen wird NOx durch die NOx-Adsorberkatalysatorzusammensetzung adsorbiert, während unter fetten Betriebsbedingungen NOx freigesetzt und zu Stickstoff umgewandelt wird.

Vorteilhafterweise stellen die Abgasbehandlungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenlegung eine gleichzeitige Verringerung von Feststoffen und unerwünschten Gasen aus einem Abgas, das durch die Abgasbehandlungsvorrichtung strömt, bereit. Darüber hinaus kann eine Regeneration (Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung 22) und Entschwefelung (NOx-Adsorberzusammensetzung 24) der Abgasbehandlungsvorrichtungen 10, 30, 50 erfolgen, da Temperaturverluste, die dem Wärmeaufnahmevermögen einer katalytischen Vorrichtung, die vor der anderen angeordnet ist, innewohnen, beseitigt werden.


Anspruch[de]
  1. Abgasbehandlungsvorrichtung mit:

    einer Vielzahl von Filterelementen (12) und Stopfen (14), die abwechselnd in einer serpentinenartigen Struktur angeordnet sind, um eine Vielzahl von Einlasskanälen (16) und Auslasskanälen (18) zu bilden, wobei die Stopfen (14) an abwechselnden Enden der Filterelemente (12) angeordnet sind, und wobei eine Fluidverbindung von den Einlasskanälen (16) zu den Auslasskanälen (18) durch die Filterelemente (12) erfolgt;

    einer NOx-Adsorberzusammensetzung, die an Oberflächen der Filterelemente (12) oder Filterelementen (12) und Stopfen (14), die die Einlasskanäle (16) oder Auslasskanäle (18) oder eine Kombination der Einlass- und Auslasskanäle (16, 18) bilden, angeordnet und/oder darin imprägniert ist; und

    einer Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung, die aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall ausgebildet ist und die auf Oberflächen der Filterelemente (12) oder Filterelementen (12) und Stopfen (14), die die Einlasskanäle (16) bilden, angeordnet oder darin imprägniert ist, und wobei die NOx-Adsorberzusammensetzung und die Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung eine Mischung bilden und an Oberflächen der Filterelemente (12) oder den Oberflächen der Filterelemente (12) und Stopfen (14), die die Auslasskanäle (18) und/oder Einlasskanäle (16) bilden, angeordnet oder darin imprägniert sind.
  2. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die NOx-Adsorberzusammensetzung und die Rußoxidationskatalysatorzusammensetzung eine Dicke umfassen, die effektiv ist, um einen Druckabfall über die Filterelemente (12) auf weniger als oder gleich 30 kPa zu minimieren.
  3. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die NOx-Adsorberzusammensetzung einen Washcoat umfasst, wobei der Washcoat ein Trägermaterial, ein Cer-haltiges Mischoxid, eine Katalysatormetallkomponente und ein Abfangmaterial umfasst.
  4. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Cer-haltige Mischoxid ferner ein Oxid umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die Zirkoniumdioxid, Lanthanoxid, Yttriumoxid, Neodymoxid und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Oxide umfassen, besteht.
  5. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Katalysatormetallkomponente aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Legierungen und Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
  6. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Katalysatormetallkomponente in einer Menge von bis zu 5 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoat vorhanden ist.
  7. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Katalysatormetallkomponente in einer Menge von 0,2 Gew.-% bis 3 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoats vorhanden ist.
  8. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Abfangmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, umfasst.
  9. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Abfangmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die Barium, Lithium, Natrium, Cäsium, Kalium, Magnesium, Strontium und Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, umfasst.
  10. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Abfangmaterial in einer Menge von bis zu 50 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoat vorhanden ist.
  11. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Abfangmaterial in einer Menge von bis zu 40 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoats vorhanden ist.
  12. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Abfangmaterial in einer Menge von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoats vorhanden ist.
  13. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Abfangmaterial ferner 7 Gew.-% bis 20 Gew.-% Barium und 2 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kalium auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoats umfasst.
  14. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Cer-haltige Mischoxid in einer Menge von bis 50 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoats vorhanden ist.
  15. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Cer-haltige Mischoxid in einer Menge von 3 Gew.-% bis 25 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Washcoats vorhanden ist.
  16. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Cer-haltige Mischoxid ferner ein Oxid umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die Zirkoniumdioxid, Lanthanoxid, Yttriumoxid, Neodymoxid und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Oxide umfassen, umfasst.
  17. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die katalytische Metallkomponente aus der Gruppe gewählt ist, die Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Legierungen und Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, umfasst.
  18. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung, die aus einem anorganischen Vorläufer und einem katalytischen Metall gebildet wird, ein Alkalimetall-Katalysatormetalloxid umfasst, das im Wesentlichen gleichförmig in einem Alkalimetall-Aluminat verteilt ist.
  19. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei das Alkalimetall-Aluminat aus der Gruppe gewählt ist, die Lithiumaluminat, Kaliumaluminat, Cäsiumaluminat und Mischungen, die ein oder mehrere der vorhergehenden Aluminate umfassen, umfasst.
  20. Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei Alkalimetall-Katalysatormetalloxid Lithium-Platin-Oxid umfasst.
  21. Verfahren zum Behandeln eines Abgasstromes unter Verwendung der Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com