DE102009051228B4

DE102009051228B4 - Abgasreinigungskatalysator und Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009051228B4
Application number: DE102009051228.4A
Authority: DE
Inventors: Kinichi Iwachido; Takayuki Onodera; Masanori Ide; Hiroaki Ohhara; Mariko ONO; Akihisa Okumura; Masao Hori
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Umicore Shokubai Japan Co Ltd; Umicore Shokubai USA Inc
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Umicore Shokubai Japan Co Ltd; Umicore Shokubai USA Inc
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: CN101721996A; US20100101220A1; JP5004925B2; US8263009B2; DE102009051228A1; JP2010104898A

Abstract

Abgasreinigungskatalysator, der in einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei der Abgasreinigungskatalysator aufweist: ein Substrat; und eine Katalysatorschicht, die im Substrat geträgert ist und aufweist: Edelmetalle, darunter Platin (Pt) und Palladium (Pd); ein wärmebeständiges anorganisches Oxid; und ein NOx-Speichermaterial, das Kalium (K) ist, wobei der Abgasreinigungskatalysator so ausgebildet ist, dass er NOx in einem Abgas adsorbiert, wenn ein Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen mageren Zustand hat, und das adsorbierte NOx desorbiert und reduziert, wenn das Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand hat, und (Pt/Pd), was ein Verhältnis der Platin-(Pt)Menge zur Palladium-(Pd)Menge ist, mindestens 0,7 beträgt und unter 1,0 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasreinigungskatalysator zum Reinigen von Abgasen, die aus einem Verbrennungsmotor abgegeben werden, indem NOx darin entfernt wird.
Bekannt als Verbrennungsmotoren mit vorteilhafter Senkung des Kraftstoffverbrauchs sind Verbrennungsmotoren mit magerer Verbrennung, bei denen ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis so gesteuert wird, daß es auf der mageren Seite des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegt, und Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung, in denen Kraftstoff zur mageren Verbrennung direkt in Brennräume eingespritzt wird (im folgenden allgemein Magermotoren genannt). Im Magermotor, der zum sparsameren Kraftstoffverbrauch überstöchiometrisch arbeitet (Magerbetrieb) ist ein Abgasreinigungskatalysator (ein NOx-Speicherkatalysator) zum Reinigen von Abgasen durch Reduktion von NOx (Stickoxiden) darin vorgesehen.
In Übereinstimmung mit NOx-Speicherkatalysatoren der verwandten Technik wurden verschiedene NOx-Speicherkatalysatoren vorgeschlagen (siehe z. B. die JP-A-2006-26635 ). Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind als Katalysator mit Kennwerten hergestellt, wobei NOx in Abgasen als Nitrat X-NO₃ in einer Oxidationsatmosphäre (einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis) adsorbiert wird, in der die Konzentration von Reduktionsmitteln niedrig ist, und das adsorbierte NOx in einer Reduktionsatmosphäre (einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis) zu N₂ reduziert wird, in der eine große Menge von Reduktionsmitteln, z. B. CO (Kohlenmonoxid) und HC (Kohlenwasserstoffe), vorhanden ist.
Im NOx-Speicherkatalysator der verwandten Technik dieser Art wird NOx in Abgasen adsorbiert, um zu verhindern, daß es durch den mit dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitenden Motor in die Atmosphäre abgegeben wird, und danach wird das adsorbierte NOx zur Reduktion desorbiert, indem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so gesteuert wird, daß es periodisch zur fetten Seite verschoben wird. Um eine solche Funktion zu erhalten, sind im NOx-Speicherkatalysator Katalysatorschichten in einem Wabensubstrat geträgert, das aus einem Keramikmaterial gebildet ist, und die Katalysatorschichten enthalten jeweils beispielsweise Edelmetalle, z. B. Platin (im folgenden kurz Pt), Palladium (im folgenden kurz Pd) und Rhodium (im folgenden kurz Rh), ein wärmebeständiges anorganisches Oxid und ein Alkalimetall oder Erdalkalimetall als NOx-Speichermaterial.
Um bei den Magermotoren deren Vorteil bezogen auf den sparsamen Kraftstoffverbrauch aufzuzeigen, bemühte man sich in den letzten Jahren um die Erweiterung des mageren Betriebsbereichs. Daher wurden verschiedene NOx-Speicherkatalysatoren entwickelt, die eine hohe NOx-Entfernungs- oder Reduktionsleistung auch bei erweitertem magerem Betriebsbereich erhalten können. Da andererseits teure Edelmetalle in den NOx-Speicherkatalysatoren zum Adsorbieren von NOx als Nitrat verwendet werden, gelten die NOx-Speicherkatalysatoren als eines von teuren Automobilteilen.
Aufgrund der o. g. Umstände besteht derzeit Bedarf an NOx-Speicherkatalysatoren, die ihre maximale NOx-Reduktionsleistung aufrecht erhalten können, während gleichzeitig die Herstellungskosten gedrosselt werden, indem der aktuelle Nutzungsgrad der teuren Edelmetalle verbessert wird. Obwohl ein solcher Nutzungsgrad von Edelmetallen in der verwandten Technik gemäß der Beschreibung in der JP-A-2006-26635 offenbart ist, offenbart die Technik nichts zu einer Art der Verwendung von Edelmetallen, die Herstellungskosten mit Leistung in Einklang bringen kann.
Die EP 1 039 104 A2 betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei der Katalysator neben einem Trägermaterial beispielsweise eine ersten Gruppe, die aus den Alkalimetallen, Calcium und Strontium besteht, eine zweiten Gruppe, die aus Seltenerdmetallen besteht, eine dritten Gruppe, die aus Platingruppenmetallen besteht und eine vierten Gruppe, die aus Silicium und Titan besteht, aufweist.
Die US 6 887 444 B1 betrifft einen Abgas-Reinigungskatalysator mit einem monolithischen Substrat, einer Kohlenwasserstoffe (HC) adsorbierenden Schicht und einer katalytischen Schicht, die beispielsweise Platin und Palladium enthält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasreinigungskatalysator bereitzustellen, der die maximale NOx-Reduktionsleistung wahren kann, während zugleich Herstellungskosten gedrosselt werden. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Verbrennungsmotor mit dem erfindungsgemäßen Abgasreinigungskatalysator wird in Anspruch 2 angegeben.
1 ist eine schematische Blockdarstellung eines Verbrennungsmotors, der einen NOx-Speicherkatalysator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.
2 ist eine Konzeptdarstellung einer Abgasleitung.
3 ist eine erläuternde Darstellung eines Metallsubstrats.
4 ist eine Schnittansicht einer Zelle im Metallsubstrat.
5 ist eine exemplarische und erläuternde Darstellung einer Katalysatorschicht des NOx-Speicherkatalysators gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
6 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen NOx-Reduktionsrate (%) und Katalysatoreinlaßtemperatur.
7 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen NOx-Reduktionsrate (%) und Katalysatoreinlaßtemperatur.
8 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen NOx-Emissionsmenge und einem Trägermengenverhältnis von Edelmetallen.
9 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen NOx-Reduktionsrate (%) und Katalysatoreinlaßtemperatur.
1 zeigt eine schematische Konfiguration eines Verbrennungsmotors, der einen Abgasreinigungskatalysator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist, 2 zeigt ein Konzept einer Abgasleitung, 3 veranschaulicht die Konfiguration eines Metallsubstrats, 4 zeigt einen Schnitt durch eine Zelle des Metallsubstrats, und 5 veranschaulicht exemplarisch eine Katalysatorschicht im Abgasreinigungskatalysator gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
Anhand von 1 und 2 wird ein Verbrennungsmotor schematisch beschrieben, der einen Abgasreinigungskatalysator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Gemäß 1 ist ein Verbrennungsmotor (Motor) 1 als Mehrzylinder-Ottomotor mit Zylinderdirekteinspritzung und Fremdzündung konfiguriert. Eine Zündkerze 2 und ein Kraftstoffeinspritzventil 3 sind für jeden Zylinder in einem Zylinderkopf des Motors 1 angeordnet, und Kraftstoff wird aus dem Kraftstoffeinspritzventil 3 direkt in einen Brennraum eingespritzt. Ein Einlaßkanal 4 ist für jeden Zylinder im Zylinderkopf im wesentlichen in senkrechter Richtung gebildet, und der Einlaßkanal 4 ist über einen Einlaßkrümmer mit einer Drosselklappe 5 verbunden.
Gemäß 1 und 2 ist ein Auslaßkanal 6 im Zylinderkopf im wesentlichen in waagerechter Richtung gebildet, und ein vorgeschaltetes Abgasrohr 7 ist über einen Auslaßkrümmer mit dem Auslaßkanal 6 verbunden. Ein vorgeschalteter Katalysator 8 ist auf einer vorgeschalteten Seite eines nachgeschalteten Abgasrohrs 7 angeordnet, und ein NOx-Speicherkatalysator 9 ist auf einer nachgeschalteten Seite des nachgeschalteten Abgasrohrs 7 angeordnet.
Im NOx-Speicherkatalysator 9 ist eine Katalysatorschicht in einem Keramik- oder Metallsubstrat geträgert, und die Katalysatorschicht weist Edelmetalle, z. B. Pt und Pd, ein wärmebeständiges anorganisches Oxid, z. B. Aluminiumoxid, und ein NOx-Speichermaterial auf. Nach der Erfindung kommt als NOx-Speichermaterial K zum Einsatz, das ein Alkalimetall ist.
Der NOx-Speicherkatalysator 9 funktioniert so, daß er NOx in Abgasen als Nitrat X-NO₃ adsorbiert, wenn das AbgasLuft/Kraftstoff-Verhältnis ein mageres Luft/KraftstoffVerhältnis ist, und das adsorbierte NOx desorbiert, um das NOx zu N₂ zu reduzieren, wenn das AbgasLuft/Kraftstoff-Verhältnis ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder fettes Luft/KraftstoffVerhältnis ist, bei dem eine große Menge von Reduktionsmitteln vorhanden ist.
Ein Dreiwegekatalysator 10 ist dem NOx-Speicherkatalysator 9 nachgeschaltet. Im Dreiwegekatalysator 10 ist eine Katalysatorschicht in einem Keramik- oder Metallsubstrat geträgert. Die Katalysatorschicht weist Edelmetalle, z. B. Pt, Rh und Pd, sowie Zeolith als Speichermaterial für K auf, das das NOx-Speichermaterial ist. Der Dreiwegekatalysator 10 funktioniert so, daß er Abgase reinigt, um CO, HC und NOx zu entfernen, die in den Abgasen vorhanden sind, wenn das Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis liegt.
Anhand von 3 bis 5 wird der NOx-Speicherkatalysator 9 näher beschrieben.
Gemäß 3 und 4 ist ein Substrat für den NOx-Speicherkatalysator 9 durch Wickeln von Flachfolien 11 und Wellfolien 12 gebildet, die beide aus einem Edelstahl oder SUS nach JIS-Festlegung hergestellt sind, in Spiralkonfiguration laminiert sind, so daß eine große Anzahl von Zellen 13 im Substrat gebildet ist. Daher sind Eckenabschnitte mit einem spitzen Winkel in einer Zelle 13 erzeugt. Eine Katalysatorschicht 14 ist in einem Innenraum der Zelle 13 gebildet, und infolge der Erzeugung der spitzwinkligen Eckenabschnitte in der Zelle 13 wird die Katalysatorschicht 14 an den Eckenabschnitten dick (siehe einen Teil, der in 4 mit einem Pfeil angegeben ist).
In der Katalysatorschicht 14 sind winzige Poren in der Größenordnung von z. B. 1 μm bis 10 μm gebildet. Durch die so gebildeten winzigen Poren kann das Diffusionsvermögen von Abgasen gefördert werden, obwohl die Katalysatorschicht 14 an den spitzwinkligen Eckenabschnitten der Zelle 13 dick wird, wodurch die NOx-Reduktionsleistung an den Eckenabschnitten der Zelle 13 hoch bleiben kann.
Bei der Bildung winziger Poren in der Größenordnung von 1 μm bis 10 μm in der Katalysatorschicht 14 ist bevorzugt, Magnesiumoxid (MgO) Schlämme zuzugeben, aus der eine Katalysatorschicht 14 gebildet wird, so daß nach Kalzinieren winzige Poren in einer resultierenden Katalysatorschicht 14 gebildet werden, indem das MgO schrumpft.
Anhand von 5 wird ein Zustand beschrieben, in dem eine Schlämmbeschichtung, aus der eine Katalysatorschicht 14 gebildet wird, auf die Zelle 13 aufgebracht ist.
Gemäß 5 weist eine Schlämmschicht (eine Auftragsschicht) 15, die auf die Zelle 13 aufgetragen ist, ein wärmebeständiges anorganisches Oxid, z. B. Aluminiumoxid, Edelmetalle, u. a. Pt und Pd, und ein NOx-Speichermaterial, z. B. ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall, auf.
Vorzugsweise liegt die Menge der Edelmetalle im Bereich von 0,1 g/l bis 15 g/l und stärker bevorzugt im Bereich von 0,5 g/l bis 5 g/l. Vorzugsweise liegt die Menge des wärmebeständigen anorganischen Oxids im Bereich von 10 g/l bis 400 g/l und stärker bevorzugt im Bereich von 50 g/l bis 300 g/l. Vorzugsweise liegt die Menge des NOx-Speichermaterials im Bereich von 5 g/l bis 50 g/l, und in dieser Ausführungsform beträgt die Menge des zugegebenen NOx-Speichermaterials z. B. 25 g/l.
Nach der Erfindung wird K als NOx-Speichermaterial verwendet. Durch den Gebrauch von K kann eine Leistung insbesondere in einem hohen Temperaturbereich erhöht sein. Zudem migriert in einem aus einem Keramikmaterial, z. B. Cordierit, gebildeten Substrat K so, daß es sich bei hohen Temperaturen mit Cordierit kombiniert, was die Festigkeit des Substrats reduziert. Daher kann bei Verwendung von K ein Substrat, das aus einem Edelstahl oder SUS nach JIS-Festlegung gebildet ist, zum Einsatz kommen, um das Problem zu vermeiden, daß sich K mit Cordierit kombiniert.
Der Auftragsschicht 15 kann Zeolith zur K-Stabilisierung zugegeben sein, und 5 g/l bis 50 g/l Zeolith können der Auftragsschicht 15 zugegeben sein.
Titandioxid (TiO₂) kann der Auftragsschicht 15 zur Unterdrückung der Vergiftung durch Schwefel (S) zugegeben sein, und 1 g/l bis 50 g/l TiO₂ können der Auftragsschicht 15 zugegeben sein. Allgemein hat TiO₂ unzureichende Wärmebeständigkeit, weshalb zu befürchten ist, daß seine spezifische Oberfläche verkleinert ist, nachdem es einen starken Erwärmungszustand ertragen hat, was zu einer Aktivitätsverringerung führt. Daher wird für TiO₂, das dem NOx-Speicherkatalysator zuzugeben ist, ein TiO₂-Material mit hoher Wärmebeständigkeit bevorzugt verwendet.
In der Katalysatorschicht 14 ist ein Trägermengenverhältnis von Pt zu Pd, die beide Edelmetalle sind, (Pt/Pd) so festgelegt, daß es in einem Bereich von mindestens 0,7 bis unter 1,0 liegt. Da Pt teurer als Pd ist, kann durch Festlegung des Verhältnisses von Pt zu Pd auf mindestens 0,7 und unter 1,0 die Emissionsmenge von NOx über einen breiten Temperaturbereich unterdrückt werden, ohne die Herstellungskosten zu steigern.
Ist das Verhältnis von Pt zu Pd unter 0,7 reduziert, steigt die Emissionsmenge von NOx drastisch, und beträgt das Verhältnis von Pt zu Pd mindestens 1,0 (auch im Fall von erhöhtem Pt), nimmt die Emissionsmenge von NOx etwas zu. Daher kann durch Festlegung des Verhältnisses von Pt zu Pd, die in der Katalysatorschicht 14 geträgert sind, auf mindestens 0,7 und unter 1,0 die NOx-Reduktionsleistung mit ihrem maximalen Wert gewahrt bleiben, während die in der Katalysatorschicht 14 verwendete Menge von Pt, das teuer ist, minimiert werden kann.
Cerdioxid (CeO₂) kann der Katalysatorschicht 14 zur Erhöhung der Aktivität von Pt zugegeben sein. Durch die Zugabe von CeO₂ kann die Aktivität von Pt erhöht werden, wo der Pt-Anteil auf den festgelegten Bereich begrenzt ist. Hierbei ist als zuzugebendes CeO₂ ein CeO₂-Material bevorzugt, dessen Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC(oxygen storage capacity)) gering ist, da ein solches CeO₂-Material wenig Reduktionsmittel verbraucht, wenn der Motor von einem mageren Betrieb auf einen fetten Betrieb umgeschaltet wird. Außerdem ist ein CeO₂-Material, dessen Teilchendurchmesser wie bei einem klein ist, dessen Primärteilchen einen einzelnen Nanogrößendurchmesser hat, zum Gebrauch für die Katalysatorschicht 14 bevorzugt, da ein solches CeO₂-Material die Dispersion von Abgasen in der Katalysatorschicht 14 erhöhen und die Agglomeration der Edelmetalle verhindern kann.
Ein Herstellungsverfahren für den NOx-Speicherkatalysator entspricht z. B. der folgenden Beschreibung.
Wasserlösliche Edelmetallsalze, wärmebeständiges anorganisches Oxid und wasserlösliches Alkalimetallsalz und/oder wasserlösliches Erdalkalimetallsalz werden in Wasser gelöst oder dispergiert, und die Lösung oder Dispersion wird zu Schlämme naßvermahlen. Ein Metallsubstrat wird in die Schlämme getaucht, und das Metallsubstrat, das von übermäßiger Schlämme befreit wurde, wird getrocknet und kalziniert, um einen NOx-Speicherkatalysator zu erhalten. Eine Trocknungstemperatur im Bereich von 100°C bis 250°C und eine Kalzinierungstemperatur im Bereich von 350°C bis 650°C können verwendet werden.
Anhand von 6 bis 9 werden Ergebnisse von Bewertungen des NOx-Speicherkatalysators 9 beschrieben, der zuvor dargestellt wurde.
6 zeigt eine Beziehung zwischen NOx-Reduktionsrate und Katalysatoreinlaßtemperatur. 6 stellt eine Beziehung zwischen einer erhöhten Menge von Edelmetallen und der NOx-Reduktionsrate relativ zu einem Vergleichsbeispiel (Referenz) dar.
In der Darstellung bezeichnet eine Folge von Markierungen o einen Basiskatalysator, in dem Trägermengen (g/l) von Pt, Pd und Rh mit 2,0 g/l, 0,9 g/l bzw. 0,2 g/l angegeben sind. In der Darstellung bezeichnet eine Folge von Markierungen ☐ einen Katalysator, in dem Pt um 1,0 g/l erhöht ist, so daß Trägermengen von Pt, Pd und Rh mit 3,0 g/l, 0,9 g/l bzw. 0,2 g/l angegeben sind. In der Zeichnung bezeichnet eine Folge von Markierungen Δ einen Katalysator, in dem Pd um 1,0 g/l erhöht ist, so daß Trägermengen von Pt, Pd und Rh mit 2,0 g/l, 1,9 g/l bzw. 0,2 g/l angegeben sind.
Außerdem bezeichnet eine Folge von Markierungen V einen Katalysator, in dem Rh um 1,0 g/l erhöht ist, so daß Trägermengen von Pt, Pd und Rh mit 2,0 g/l, 0,9 g/l bzw. 1,2 g/l angegeben sind.
Aus 6 geht hervor, daß die NOx-Reduktionsrate so erhöht ist, daß sie in einem Temperaturbereich von 300°C bis 400°C in dem Katalysator (mit den Markierungen ☐ angegeben), in dem Pt erhöht ist, und dem Katalysator (mit den Markierungen Δ angegeben), in dem Pd erhöht ist, höher als im Basiskatalysator (mit den Markierungen o angegeben) wird. Außerdem wird deutlich, daß die NOx-Rate so reduziert ist, daß sie in einem Temperaturbereich von 300°C bis 400°C in dem Katalysator (mit den Markierungen ∇ angegeben), in dem Rh erhöht ist, niedriger als im Basiskatalysator (mit den Markierungen o angegeben) wird.
Aus diesen Tatsachen wird ersichtlich, daß die NOx-Rate durch Erhöhen der Mengen von Pt und Pd verbessert werden kann.
7 zeigt eine Beziehung zwischen NOx-Reduktionsrate und Katalysatoreinlaßtemperatur. 7 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Verhältnis von Pt zu Pd und der NOx-Reduktionsrate in den Katalysatoren, die 40 Stunden mit mager und fett arbeitendem Motor bei einer Katalysatortemperatur von 800°C in Betrieb waren.
In der Zeichnung bezeichnen Folgen von Markierungen o, ∇ und ☐ Katalysatoren, in denen die Trägermenge von Edelmetallen (Pt + Pd) auf 4,5 g/l festgelegt ist. Eine Folge von Markierungen o bezeichnet in der Darstellung einen Katalysator, in dem (Pt/Pd) auf 0,73 festgelegt ist, eine Folge von Markierungen ∇ bezeichnet einen Katalysator, in dem (Pt/Pd) auf 0,36 verringert ist, und eine Folge von Markierungen ☐ bezeichnet einen Katalysator, in dem (Pt/Pd) auf 0,13 verringert ist. 7 zeigt, daß die NOx-Reduktionsrate mit sinkendem Pt-Anteil abnimmt.
Daraus wird deutlich, daß auch bei großer Trägermenge von Edelmetallen (Pt + Pd) die NOx-Reduktionsrate abnimmt, wenn der Pt-Anteil auf unter 0,73 reduziert wird.
Außerdem bezeichnet in 7 eine Folge von Markierungen • einen Katalysator, in dem die Trägermenge von Edelmetallen (Pt + Pd) auf 2,7 g/l reduziert und (Pt/Pd) auf 0,73 festgelegt ist. Darstellungsgemäß ist auch bei reduzierter Trägermenge von Edelmetallen (Pt + Pd) eine Verringerung der NOx-Reduktionsrate klein, indem der Pt-Anteil auf 0,73 festgelegt ist, und die NOx-Reduktionsrate bleibt höher als bei den Katalysatoren (mit den Markierungen ∇ und ☐ angegeben), in denen die Trägermenge von Edelmetallen (Pt + Pd) auf dem höheren Wert bleibt, während der Pt-Anteil verringert ist.
Daraus geht hervor, daß die NOx-Reduktionsrate verbessert werden kann, indem der Pt-Anteil auf 0,73 festgelegt ist, ohne die Trägermenge von Edelmetallen (Pt + Pd) stark zu erhöhen.
8 zeigt eine Beziehung zwischen NOx-Emissionsmenge und einem Trägermengenverhältnis von Edelmetallen. 8 veranschaulicht die Wirkung, die das Verhältnis von Pt zu Pd auf die NOx-Reduktionsmenge hat. In der Darstellung entsprechen Punkte, an denen Markierungen o, ∇ und ☐ aufgetragen sind, den Verhältnissen von Pt zu Pd (Pt/Pd) gemäß 7.
Wie in 8 gezeigt, wird deutlich, daß die NOx-Emissionsmenge in Bereichen drastisch steigt, in denen das Verhältnis von Pt zu Pd, d. h. (Pt/Pd), bei dem es sich um das Verhältnis von Pt zu Pd handelt, die in den Katalysatoren geträgert sind, unter 0,7 liegt (die Punkte, an denen Markierungen o, ∇ und ☐ aufgetragen sind). Weiterhin ändert sich die NOx-Emissionsmenge nicht stark, sondern nimmt nur etwas zu, auch wenn das Verhältnis von Pt zu Pd mindestens 1,0 beträgt (auch bei Zunahme von Pt).
Daraus geht hervor, daß eine maximale NOx-Reduktionsleistung mit einem minimalen Verhältnis von Pt zu Pd erhalten werden kann, indem (Pt/Pd), bei dem es sich um das Verhältnis von Pt zu Pd handelt, die in den Katalysatoren geträgert sind, so festgelegt ist, daß es in einen Bereich von mindestens 0,7 bis unter 1,0 fällt.
Der Grund dafür, daß die maximale NOx-Reduktionsleistung erhalten werden kann, indem (Pt/Pd), bei dem es sich um das Verhältnis von Pt zu Pd handelt, die in den Katalysatoren geträgert sind, so festgelegt ist, daß es in den Bereich von mindestens 0,7 bis unter 1,0 fällt, wird anhand von 9 erläutert. 9 zeigt eine Beziehung zwischen NOx-Reduktionsrate und Katalysatoreinlaßtemperatur. In 9 sind eine Temperatureigenschaft eines Pt-Katalysators (mit einer Folge von Markierungen o angegeben) und eine Temperatureigenschaft eines Pd-Katalysators (mit einer Folge von Markierungen Δ angegeben) dargestellt.
Insgesamt ist die NOx-Reduktionsleistung des Pt-Katalysators (mit der Folge von Markierungen o angegeben) teilweise erhöht, da CeO₂ zur Erhöhung der Aktivität von Pt darin geträgert ist. Daher wird aus der Darstellung in einem Abschnitt (a) in 8 deutlich, daß die NOx-Emissionsmenge reduziert ist, um die NOx-Reduktionsleistung zu erhöhen, indem das Verhältnis von Pt zu Pd erhöht ist.
Wird beim Dispergieren von Pt und Pd auf dem wärmebeständigen anorganischen Oxid die Trägermenge von Pt zu groß, schreitet die Agglomeration von Pt fort, nachdem es dem Katalysator gelungen ist, Erwärmung zu überstehen, was zu einer Aktivitätsreduzierung führt. Das heißt, im Vergleich mit Pd agglomeriert Pt schneller, wenn es einer steigenden Wärmebelastung ausgesetzt ist. Ist daher gemäß einem Abschnitt (b) in 8 das Verhältnis von Pt zu Pd erhöht, sinkt die Leistung etwas, wenngleich der Rückgang klein ist. Anders gesagt führt eine übermäßige Zunahme des Pt-Anteils, wobei Pt teuer ist, nicht unbedingt zu einer Leistungsverbesserung.
Daraus wird deutlich, daß die maximale NOx-Reduktionsleistung erhalten werden kann, indem (Pt/Pd) so festgelegt ist, daß es in den Bereich von mindestens 0,7 bis unter 1,0 fällt, während die verwendete Menge von Pt, das teuer ist, auf den minimalen Wert unterdrückt ist.
Wie in 9 mit der Folge von Markierungen Δ angegeben, zeigt der Pd-Katalysator eine im wesentlichen konstante NOx-Reduktionsrate von niedrigeren bis höheren Temperaturen mit einer Tendenz, daß die NOx-Reduktionsrate mit steigender Temperatur etwas abnimmt. Wie mit der Folge von Markierungen o in 9 angegeben, ist beim Pt-Katalysator die NOx-Reduktionsrate in einem niedrigen Temperaturbereich unter 300°C niedrig, und eine hohe NOx-Reduktionsrate erhält man in einem hohen Temperaturbereich von mindestens 300°C.
Daher trägt Pd zur Aktivierung im niedrigen Temperaturbereich bei, und Pt trägt zur Aktivierung im hohen Temperaturbereich bei. Daraus geht hervor, daß zum Erhalten einer guten Aktivierungsbedingung über einen breiten Temperaturbereich bei einer Einschränkung für die Gesamtmenge von Edelmetallen in der Katalysatorschicht (Pt/Pd) vorzugsweise so festgelegt ist, daß es in den Bereich von mindestens 0,7 bis unter 1,0 fällt.
Folglich kann beim NOx-Speicherkatalysator 9 die maximale NOx-Reduktionsleistung gewahrt bleiben, während die Herstellungskosten gedrosselt sind.
Möglich ist, als Edelmetall Rh zu trägern, das eine hohe Leistung als NOx-Reduktionsbestandteil hat. Während ferner der NOx-Speicherkatalysator 9 der Erfindung so beschrieben wurde, daß er in der Abgasleitung des Motors mit Zylinderdirekteinspritzung vorgesehen ist, kann der NOx-Speicherkatalysator 9 auch so verwendet werden, daß er in einer Abgasleitung eines Dieselmotors zur NOx-Entfernung vorgesehen ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann durch solches Festlegen des Verhältnisses von Pt zu Pd, die in der Katalysatorschicht geträgert sind, daß es in den Bereich von mindestens 0,7 bis unter 1,0 fällt, die NOx-Emissionsmenge über den breiten Temperaturbereich unterdrückt werden, ohne die Herstellungskosten zu steigern. Das heißt, fällt das Verhältnis von Pt zu Pd unter 0,7, steigt die NOx-Emissionsmenge drastisch, und auch wenn das Verhältnis von Pt zu Pd mindestens 1,0 wird, liegt keine starke Änderung der NOx-Emissionsmenge vor. Aufgrund dessen kann durch Festlegen des Verhältnisses von Pt zu Pd auf mindestens 0,7 und unter 1,0 die Menge von Pt, das teuer ist, auf den minimalen Wert in einem solchen Zustand unterdrückt sein, daß die maximale NOx-Reduktionsleistung gewahrt bleiben kann.
Obwohl die JP-A-3724708 ein Verhältnis von Pt zu Pd offenbart, wenn das Pt und das Pd in einem Abgasreinigungskatalysator geträgert sind, liegt das Verhältnis von Pt zu Pd unter 0,7, und die erforderliche NOx-Reduktionsleistung läßt sich nicht erhalten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Dreiwegekatalysator für die NOx-Reduktionswirkung auch dann zuständig sein, wenn die Menge von Edelmetallen mit der Leistung als NOx-Reduktionsbestandteile verringert ist, wodurch verhindert wird, daß die gesamte Abgasreinigungsleistung sinkt.
Cerdioxid (CeO₂), das eine niedrige Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) hat und dessen Teilchendurchmesser winzig ist, kann im Abgasreinigungskatalysator zur Verstärkung der Aktivität von Pt geträgert sein, was es ermöglicht, die Aktivität von Pt bei Festlegung des Pt-Anteils durch CeO₂ zu verstärken, dessen Teilchendurchmesser winzig ist.
Kommt zudem ein Katalysator als Abgasreinigungskatalysator zur Anwendung, in dem ein Metallsubstrat verwendet wird, das Zellen mit jeweiligen Eckenabschnitten aufweist, die spitzwinklig ausgebildet sind, und winzige Poren in den Katalysatorschichten vorgesehen sind, wobei diese winzigen Poren durch Zugabe eines Porenbildung fördernden Mittels und Kalzinieren gebildet sind, diffundieren Abgase durch die in den Katalysatorschichten gebildeten winzigen Poren, wodurch auch dann, wenn die Katalysatorschicht an den spitzwinkligen Eckenabschnitten der einzelnen Zelle dick wird, das Diffusionsvermögen von Abgasen verbessert ist, was es ermöglicht, die NOx-Reduktionsleistung auch bei Verwendung des Metallsubstrats zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die maximale NOx-Reduktionsleistung gewahrt bleiben, während die Herstellungskosten gedrosselt sind.
Anwenden läßt sich die Erfindung auf das gewerbliche Gebiet von Abgasreinigungskatalysatoren zum Reinigen von Abgasen, die aus Verbrennungsmotoren abgegeben werden, durch Entfernen von NOx darin.

Claims

Abgasreinigungskatalysator, der in einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei der Abgasreinigungskatalysator aufweist: ein Substrat; und eine Katalysatorschicht, die im Substrat geträgert ist und aufweist: Edelmetalle, darunter Platin (Pt) und Palladium (Pd); ein wärmebeständiges anorganisches Oxid; und ein NOx-Speichermaterial, das Kalium (K) ist, wobei der Abgasreinigungskatalysator so ausgebildet ist, dass er NOx in einem Abgas adsorbiert, wenn ein Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen mageren Zustand hat, und das adsorbierte NOx desorbiert und reduziert, wenn das Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand hat, und (Pt/Pd), was ein Verhältnis der Platin-(Pt)Menge zur Palladium-(Pd)Menge ist, mindestens 0,7 beträgt und unter 1,0 liegt.
Verbrennungsmotor mit einem Abgasreinigungskatalysator nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor ein Verbrennungsmotor vom Typ mit Direkteinspritzung ist, in dem Kraftstoff zur mageren Verbrennung direkt in einen Brennraum eingespritzt wird, und ein Dreiwegekatalysator dem Abgasreinigungskatalysator nachgeschaltet ist.