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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Offenlegung betrifft die Verringerung von NOx und Partikeln,
insbesondere eine Verringerung von NOx und Partikeln in Abgasströmen, die
von Kraftfahrzeugmotoren ausgestoßen werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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 kata lytische 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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten wie in
den beiliegenden Ansprüchen
dargelegt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nunmehr
Bezug nehmend auf die Fig., in denen gleiche Elemente die gleiche
Bezugsziffer besitzen, zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung;
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2 eine
Seitenansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung entlang der Linien
A-A von 1;
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3 eine
Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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4 eine
Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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5 eine
Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer
vierten Ausführungsform;
und
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6 eine
Querschnittsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer
fünften
Ausführungsform.
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Kurzzusammenfassung
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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.
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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 Auslass kanäle
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 Aus stoßen
des Abgasstroms aus der Abgasbehandlungsvorrichtung, wobei der Abgasstrom
die NOx-Adsorberzusammensetzung weiter kontaktiert.
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Weitere
Vorteile werden für
den Fachmann im Licht der detaillierten Beschreibung und Fig. verständlich.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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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.
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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, sie beneckige
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 veranschaulicht
eine Ausführungsform
der Abgasbehandlungsvorrichtung 10, wobei die für eine Verminderung
von NOx-Emissionen entworfene NOx-Absorberzusammensetzung 24 auf Oberflächen der
Filter elemente 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.
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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.
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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.
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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.
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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 Kombi nationen, 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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Washcoat ist auf den Filterelementen 12 getragen, die eine
geeignete Stabilität
in der Hochtemperatur-Abgasumgebung (z. B. bis zu 1.000 °C) aufweisen.
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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 aufge bracht 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.
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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.
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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 Misch oxids 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.
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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.
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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).
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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, A luminiumhydroxids 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.
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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.
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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.
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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.
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Optional
kann die Mischung aus Alkalimetall-Aluminat, Alkalimetall-Katalysatormetalloxid
und katalytischem Metall erneut für eine ausrei chende 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.
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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.
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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.
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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 Filterele menten 12 in einer Menge abgeschieden
wird, die einen Gegendruckabfall-Anstieg
von weniger als oder gleich 30 kPa ergibt.
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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.
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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.