DE102016123565A1

DE102016123565A1 - Doppelschichtiger katalysator

Info

Publication number: DE102016123565A1
Application number: DE102016123565.2A
Authority: DE
Inventors: Shouxian Ren; Yong Miao; Se H. Oh
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20170157564A1; US10005031B2

Abstract

Ein doppelschichtiger Katalysator mit einem Substrat, einer ersten Schicht auf dem Substrat und einer zweiten Schicht auf der ersten Schicht. Die erste Schicht enthält einen ersten Katalysator zur Speicherung von NO_x, wenn der erste Katalysator eine Temperatur unterhalb einer aktiven Temperatur des zweiten Katalysators aufweist. Der erste Katalysator setzt das gespeicherte NO_x frei, wenn der erste Katalysator die aktive Temperatur des zweiten Katalysators erreicht hat. Die zweite Schicht hat einen zweiten Katalysator für die SCR-Behandlung des freigesetzten NO_x mit Ammoniak. Der doppelschichtige Katalysator ist in einen katalytischen Konverter und in ein Katalysatorsystem zur Reduktion von NO_x-Emissionen eines Dieselmotors zu integrieren, zu den NO_x-Emissionen gehört auch NO_x, das während einer vorbestimmten Zeit der Kaltstartphase ausgestoßen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die Reduzierung von NO_x bei Diesel.
HINTERGRUND
Einige vorhandene Fahrzeuge haben Systeme zur Abgasnachbehandlung zur Verringerung von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden (kollektiv, NO_x) die über das Abgas von Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen in die Atmosphäre gelangen. Existierende Systeme für die Abgasnachbehandlung sind am wirksamsten bei der Behandlung der Abgase eines aufgewärmten Motors, da die Katalysatormaterialien auf Temperaturen (z. B. 200 °C und mehr) aufgeheizt sind, bei denen der Katalysator wirkungsvoll Kohlenmonoxid und unvollständig verbrannte Kraftstoffbestandteile zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren und Stickoxide zu Stickstoff reduzieren können. Die vorhandenen Abgasnachbehandlungssysteme waren sowohl für Benzinmotoren und ihren Betrieb mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, als auch für Dieselmotoren (und andere Magermotoren) mit Luftüberschuss (manchmal als „magerlauffähige” Motoren bezeichnet) effektiv.
Schwierig wurde die Abgasbehandlung unmittelbar nach einem Kaltstart des Motors, bevor die Abgase den Katalysator oder Konverter auf effektive Temperaturen für designierte katalytische Reaktionen aufwärmen konnten. Mager-Motoren, wie Dieselmotoren, neigen aufgrund der Überschussluft in der Verbrennungsmischung, die in ihre Zylinder geladen wird, zur Erzeugung kühler Abgasströme. Unbehandelte Kaltstartemissionen können einen wesentlichen Teil der gesamten geregelten Emissionen am Endrohr eines Fahrzeugs ausmachen. Die Reduzierung von gemischten Stickoxiden in den Abgasen von Dieselmotoren hat sich als schwierig erwiesen. Diese Stickoxide enthalten Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂); die Mischung wird typischerweise als NO_x bezeichnet. Es besteht daher Bedarf für bessere Systeme zur Abgasbehandlung von Motoren nach einem Kaltstart.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein doppelschichtiger Katalysator hat ein Substrat, eine erste Schicht auf dem Substrat und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht. Die erste Schicht hat einen ersten Katalysator zur Speicherung von NO_x wenn der erste Katalysator eine Temperatur unterhalb einer aktiven Temperatur des zweiten Katalysators hat, der erste Katalysator gibt das gespeicherte NO_x frei, wenn der erste Katalysator auf die aktive Temperatur des zweiten Katalysators aufgewärmt ist. Die zweite Schicht hat einen zweiten Katalysator für die SCR-Behandlung des freigesetzten NO_x mit Ammoniak. Der doppelschichtige Katalysator muss Teil einer Katalysatoranordnung zur Reduktion von NO_x Emissionen eines Dieselmotors sein, die NO_x Emissionen enthalten NO_x, das während einer vorbestimmten Zeitdauer des Kaltstarts freigesetzt wurde.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen hervorgehen, in denen gleiche Bezugszeichen für ähnliche, obwohl vielleicht nicht identische Komponenten stehen. Der Kürze halber können Bezugszahlen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Bezug auf andere Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben werden oder auch nicht.
1A ist ein schematisches Diagramm eines geprüften Abgasnachbehandlungssystems für Diesel;
1B ist ein Diagramm, auf Koordinaten für NO_x Speicherungs- und Freigabewirkungsgrade (S-R, links, in Prozent) und NO_x-Reduktionswirkungsgrad (RE, rechts, in Prozent) beide als eine Funktion der SCR-Einlasstemperatur (T, in ºC) eine Temperaturlücke zwischen dem Anfang der NO_x-Freigabe von einem NO_x-Speicherkatalysator und dem Beginn der NO_x-Reduktion durch einen SCR-Katalysator des Abgasnachbehandlungssystems indizierend, dargestellt in 1A;
2A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen katalytischen Konverter mit einem doppelschichtigen Katalysator gemäß der vorliegenden Offenbarung, praktisch in Verbindung mit einem Diesel-Abgasnachbehandlungssystem;
2B ist eine schematische Querschnittsansicht eines detaillierten Teils aus 2A, in der Beispielschichten des doppelschichtigen Katalysators gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt werden;
3A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Diesel-Abgasnachbehandlungssystem mit einem katalytischen Konverter, der ein Beispiel des doppelschichtigen Katalysators gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
3B–3E sind weitere Beispiele für Abgasnachbehandlungssysteme mit mindestens einem katalytischen Konverter, der ein Beispiel des doppelschichtigen Katalysators gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält; und
4 zeigt ein Diagramm mit einem Koordinatensystem der NO_x Konzentration (C, links, in ppm) und akkumulierten NO_x Mengen (A, rechts, in g) sowohl in Abhängigkeit von Zeit (t, in Sekunden), im Vergleich der NO_x-Emissionen des getesteten Systems in 1A mit den Emissionen eines Abgasnachbehandlungssystems mit einem Beispiel des doppelschichtigen Katalysators gemäß der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
SCR-Systeme zur Reduzierung von NO_x verwenden Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel für NO_x-Abgasemissionen aus Dieselmotoren, die heutige Fahrzeuge und stationäre Maschinen antreiben. Im bestehenden SCR-Verfahren reagiert NO_x mit einem Reduktionsmittel, wie beispielsweise reines, wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak und/oder Ammoniak aus Harnstoffzersetzung. Das Reduktionsmittel (beispielsweise Harnstoff) wird in den Abgasstrom vor einem Mischer (z.B. ein Harnstoffmischer) stromaufwärts eines SCR-Katalysators eingespritzt. Die vorhandenen SCR-Technologien mit Ammoniak werden als eine wirksame Methode zur Verminderung von NO_x-Dieselemissionen angesehen.
Bestehende SCR-Prozesse benötigen möglicherweise eine präzise Steuerung der Einspritzrate des Reduktionsmittels. Eine unzureichende Einspritzung kann die NO_x-Umwandlung reduzieren. Eine zu hohe Einspritzrate ist eine Verschwendung von Reduktionsmittel. Das aktuelle Steuersystem für die Dosierung verwendet Open-Loop-Dosiertabellen basierend auf Motordrehzahl und -last, bei denen Temperatur-Modifikatoren die erforderliche Dosiermenge ermitteln. Ein Harnstoff-Dosiersystem nach dem Closed-Loop-Prinzip wäre ein Fortschritt gegenüber den aktuellen Open-Loop-Dosiertabellen.
In einem untersuchten Diesel-Abgasnachbehandlungssystem mit einem NO_x-Speicherkatalysator (NS), separiert von einem SCR-Katalysator, besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen einer NO_x-Freisetzungstemperatur aus dem NO_x-Speicherkatalysator und einer NO_x-Reduzierungstemperatur über den SCR-Katalysator im Filter (SCRF). Im Ergebnis werden beispielsweise bei Verwendung eines NO_x-Speicherkatalysators 40 % des gespeicherten NO_x vorzeitig freigesetzt, bevor der SCR-Katalysator die aktive Temperatur für die effektive NO_x-Reduktion durch Ammoniak (NH₃) erreicht, das durch die eingespritzte Harnstofflösung entsteht.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines solchen geprüften Diesel-Abgasnachbehandlungssystems 10. Das Abgas 12 aus einem Dieselmotor (nicht dargestellt) gelangt über einen Turbolader 14 in einen NO_x-Speicherkatalysator (NS) 16. Abgase aus dem Speicherkatalysator 16 strömen über ein Transferrohr 20 zu einem kombinierten SCR-Katalysator mit Filter, hier auch bezeichnet als ein SCR-Katalysator im Filter oder SCR im Filter (SCRF) 18. Harnstoff, auch als AdBlue oder DEF (Diesel Exhaust Fluid) 22 bekannt, wird in den Auslassgasstrom im Transferrohr 20 eingespritzt. Das behandelte Abgas verlässt das Abgasnachbehandlungssystem 10 durch das Endrohr 24.
In 1A enthält der Speicherkatalysator 16 enthält einen EO_x-Speicherkatalysator, der ebenfalls die Funktionalität eines Diesel-Oxidationskatalysators (DOC) hat und Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) oxidieren kann. Im Abgasnachbehandlungssystem 10 wird ein Großteil der NO_x zu Stickstoffgas reduziert und Dieselpartikel werden aus dem Abgas 12 ausgefiltert.
Der Speicherkatalysator 16 ist eng mit dem Turbolader 14 eines Dieselmotors verbunden und speichert passiv NO_x-Emissionen bis zur Freigabe von NO_x bei einer höheren Temperatur. Der SCR-Katalysatorteil im SCRF (SCR im Filter) 18 reduziert freigesetztes NO_x mit Ammoniak vom eingespritzten AdBlue 22 und der Filterteil des SCRF 18 filtert Rußpartikel aus dem Abgasstrom.
1B zeigt ein Diagramm mit der Temperaturlücke zwischen dem Beginn der NO_x-Freigabe vom Speicherkatalysator 16 und dem Beginn der NO_x-Reduktion durch den nachgelagerten SCR-Katalysator im SCRF 18. Die Abszisse repräsentiert die SCRF-Einlasstemperatur („T”) in ºC. Die linke Ordinatenachse zeigt die NO_x-Wirkungsgrade bei Speicherung und Freigabe („S-R”) in Prozent. Die Kurve 30 ist der NO_x-Speicherbereich, die Kurve 32 der NO_x-Freigabebereich. Die rechte Ordinatenachse zeigt den Wirkungsgrad der SCRF-NO_x-Reduktion („RE”) in Prozent. Die Kurve 34 bildet die NO_x-Reduktion durch den SCRF 18 ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die NO_x-Reduktion durch den SCRF 18 nicht vor Beginn der Einspritzung von AdBlue 22 beginnt, angezeigt durch die Vertikale Linie bei 36. Die Einspritzung von AdBlue 22 beginnt typischerweise erst dann, wenn der SCRF eine Einlasstemperatur von 200 ºC erreicht hat. Im Vergleich dazu beginnt die NO_x-Freigabe bei etwa 145 ºC. Somit existiert eine Lücke 38 von etwa 55 ºC zwischen dem Beginn der NO_x-Freigabe aus dem Speicherkatalysator 16 und dem Beginn der NO_x-Reduktion durch den SCRF 18.
In Übereinstimmung mit den hier präsentierten Lehren wird die NO_x-Emissionssteuerung beim Kaltstart durch eine erhebliche Verringerung der Temperaturlücke zwischen der NO_x-Freisetzung vom NO_x-Speicherkatalysator und der NO_x-Reduktion durch den SCR-Katalysator verbessert. Die Reduzierung der Temperaturlücke wird durch einen doppelschichtigen Katalysator erreicht, der einen NO_x-Speicherkatalysator mit einem Ammoniak-SCR-Katalysator koppelt/integriert.
Beispiele für einen doppelschichtigen Katalysator der vorliegenden Offenbarung können die Reduktion von NO_x-Emissionen eines Dieselmotors speziell bei einem Kaltstart sein. Ein Beispiel für einen doppelschichtigen Katalysator enthält ein Substrat, eine erste Schicht, die auf dem Substrat liegt und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht. Die erste Schicht enthält einen ersten Katalysator zur Speicherung von NO_x, wenn der erste Katalysator eine Temperatur unterhalb einer aktiven Temperatur des zweiten Katalysators aufweist. Der erste Katalysator setzt das gespeicherte NO_x frei, wenn der erste Katalysator die aktive Temperatur des zweiten Katalysators erreicht hat. Die zweite Schicht enthält den zweiten Katalysator für die selektive katalytische Reduktion des freigesetzten NO_x. Der doppelschichtige Katalysator ist in einen katalytischen Konverter und in ein Katalysatorsystem zur Reduktion von NO_x-Emissionen eines Dieselmotors zu integrieren, zu den NO_x-Emissionen gehört auch NO_x, das während einer vorbestimmten Zeit der Kaltstartphase ausgestoßen wird.
In einem Beispiel können sich „Kaltstartemissionen” auf eine Zeitspanne unter Bedingungen gemäß 40 CFR § 86.137-90 (a) (2) beziehen, das Dokument ist als Referenz komplett beigefügt. Wie in 40 CFR § 86.137-90 (a) (2) erwähnt, wird der Kaltstarttest in zwei Zeiträume geteilt. Die erste Periode, die „vorübergehende” Kaltstartphase endet bei etwa 505 Sekunden des Fahrzeitplans, der in 40 CFR § 86.137-90 erwähnt wird. Die zweite Periode, die „stabilisierte” Phase, umfasst den Rest des Kaltstartbetriebs im Zeitplan (einschließlich das Ausschalten des Motors).
Beispiele des doppelschichtigen Katalysators der vorliegenden Offenbarung können durch eine doppelte Washcoat-Beschichtung der beiden Schichten erreicht werden, dabei wird der Ammoniak-SCR-Katalysator über dem NO_x-Speicherkatalysator (NS) gebildet.
2A zeigt schematisch ein Beispiel eines Katalysators 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Abgas 42 wird am Einlass des Katalysators 40 eingebracht; das behandelte Abgas 44 tritt am Auslass des Katalysators 40 gegenüber dem Einlass aus. Der Katalysator 40 kann ein Durchstrommodell sein oder ein Wall-Flow-Monolith. 2B zeigt eine Vergrößerung eines Teils der Innenwandung 46 des Katalysators 40 im Querschnitt, welcher schematisch ein Beispiel des doppelschichtigen Katalysators 50 der vorliegenden Offenbarung ist. Eine Schicht 54 des Speicherkatalysators wird auf einem monolithischen Substrat 52 gebildet. Eine Schicht 56 des Ammoniak-SCR-Katalysators wird auf der Schicht des Speicherkatalysators 54 gebildet.
Das monolithische Substrat 52 kann jedes geeignete Material für einen Katalysator zur Regulierung von Dieselemissionen sein, zu den Beispielen gehören Cordierit oder eine metallische Legierung (z.B. Edelstahl mit Cr, Al oder Ti) und Kombinationen aus diesen.
Der Speicherkatalysator in Schicht 54, hier auch als NO_x-Adsorber bezeichnet, ist ein Adsorbent, beispielsweise ein Zeolith-enthaltender Katalysator, der die NO und NO₂ Moleküle bei niedrigeren Temperaturen bindet, und wie ein molekularer Schwamm funktioniert. Sobald der Abscheider voll ist (wie ein Schwamm voll Wasser), kann kein NO_x mehr aufgenommen werden. Die NO_x-Speicherkapazität der Speicherkatalysatorschicht 54 ist eine Temperaturfunktion. Während der Speicherkatalysator auf seine NO_x-Freisetzungstemperatur aufgewärmt wird, werden NO und NO₂ Moleküle thermisch desorbiert. In den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Material für den Speicherkatalysator der Schicht 54 ein zusammengesetzter Katalysator aus den folgenden Materialien sein: Pd/Zeolith, Pd/Fe/Zeolith, Pd/Cu/Zeolith, Pd/Cr/Zeolith, Pd/Mn/Zeolith, Pd/CeO₂, Pd/CeZrO_x, Ag/Al₂O₃ und dergleichen.
In den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann der Ammoniak-SCR-Katalysator der Schicht 56 ein Katalysator auf Zeolithbasis sein, beispielsweise Kupfer-Zeolith (Cu-Z) oder Eisen-Zeolith (Fe-Z). In anderen Beispielen kann der Ammoniak-SCR-Katalysator der Schicht 56 aus einem Träger und einer aktiven katalytischen Komponente bestehen, die auf den Oxidmaterialien des Trägers fein verteilt wird. Der Träger kann Titanoxid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid sein. Die aktive katalytische Komponente kann ein Oxid eines Basismetalls sein, beispielsweiseVanadiumoxid,Molybdänoxid oder Wolframoxid. Der Ammoniak-SCR-Katalysator der Schicht 56 ist porös, damit die Abgase Zugang zur Speicherkatalysatorschicht 54 für die Speicherung (und die Freigabe) von NO_x in/aus der Speicherkatalysatorschicht 54 erhalten.
Ohne Bindung an eine Theorie wird allgemein angenommen, dass der Speicherkatalysator und der Ammoniak-SCR-Katalysator der Schichten 54 und 56 eine übereinstimmende Transportleistung (Porendiffusität) aufweisen sollten, damit ein doppelschichtiger Katalysator 50 mit dem höchsten Wirkungsgrad für die NO_x-Reduzierung arbeiten kann. Um jedoch ein bestimmtes Niveau von NO_x-Reduktion zu erreichen, aber trotzdem Herstellungsunterschiede zu ermöglichen, sollte eine vorgegebene Überschusskapazität (ein Beispiel könnte von 1 % bis 5 % sein) für den Ammoniak-SCR-Katalysator der Schicht 56 vorgesehen werden. Falls gewünscht, könnte der Ammoniak-SCR-Katalysator der Schicht 56 die Kapazität für die Behandlung des vom Speicherkatalysator der Schicht 54 freigegebenen NO_x plus einer vorbestimmten Menge haben. Wenn die Diffusität jeder der beiden Schichten 54 und 56 nicht gleich oder etwa gleich ist, kann die NO_x-Reduktion in einigen Fällen negativ beeinträchtigt sein.
In einem Beispiel ist die Porendiffusität der Schicht 54 des Speicherkatalysators und der Schicht 56 des Ammoniak-SCR-Katalysators ausreichend, um eine Porendiffusität für Gas im Bereich von ungefähr 1 × 10^–7 m²/s bis 9 × 10^–5 m²/s zu erlauben. In einem weiteren Beispiel ist die Porendiffusität der Schicht 54 des Speicherkatalysators und der Schicht 56 des Ammoniak-SCR-Katalysators ausreichend, um eine Porendiffusität für Gas im Bereich von ungefähr 2 × 10^–7 m²/s bis ungefähr 5 × 10^–5 m²/s zu erlauben. In noch einem weiteren Beispiel ist die Porendiffusität der Schicht 54 des Speicherkatalysators und der Schicht 56 des Ammoniak-SCR-Katalysators ausreichend, um eine Porendiffusität für Gas im Bereich von ungefähr 1 × 10^–6 m²/s bis ungefähr 1 × 10^–5 m²/s zu erlauben.
Die Speicherkatalysatorschicht 54 und die Schicht des Ammoniak-SCR-Katalysators 56 kann sequentiell mit jedem geeigneten Verfahren auf das monolithische Substrat 52 aufgebracht werden. In einem Beispiel werden die Schicht des Speicherkatalysators 54 und die Schicht des Ammoniak-SCR-Katalysators 56 nacheinander durch mehrfache Washcoat-Beschichtung (z.B. duales Washcoat-Beschichten) aufgebracht. Je nach Art eines gegebenen Substrats 52 sind geeignete Stärken der Speicherkatalysatorschicht 54 und der Schicht 56 des Ammoniak-SCR-Katalysators ausreichend, um bei der Regulierung des Motorgegendrucks einen vorgegebenen Druckabfall halten zu können.
In einem Beispiel liegt die Stärke von jeder der Schichten 54 und 56 für den Speicherkatalysator und den Ammoniak-SCR-Katalysator jeweils zwischen etwa 5 Mikrometer bis etwa 150 Mikrometer. In einem weiteren Beispiel liegt die Stärke von jeder der Schichten 54 und 56 für den Speicherkatalysator und den Ammoniak-SCR-Katalysator jeweils zwischen etwa 20 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer. Es versteht sich, dass die Stärke der Speicherkatalysatorschicht 54 die gleiche sein kann wie die der Schicht 56 des Ammoniak-SCR-Katalysators, oder sich von dieser unterscheiden kann.
3A zeigt schematisch ein Beispiel für ein Doppelkonverter-System 60 gemäß der vorliegenden Offenbarung. In dem System 60 gelangt das Abgas 42 von einem Dieselmotor 58 in einen ersten Konverter, der ein DieselOxidationskatalysator (DOC) 72 ist. Das Abgas 74 verlässt den Diesel-Oxidationskatalysator 72 und strömt in einen Ammoniak-SCRF-Konverter 76, der einen doppelschichtigen Katalysator 50 enthält. Es ist selbstverständlich, dass sich alle Beispiele des Ammoniak-SCRF-Konverters 76 der vorliegenden Offenbarung von dem oben beschriebenen SCRF 18 mit Bezug auf 1A unterscheiden. Der Ammoniak-SCRF-Konverter 76 der vorliegenden Offenbarung enthält ein Beispiel für einen doppelschichtigen Katalysator 50; während der SCRF 18 aus 1A keinen doppelschichtigen Katalysator 50 enthält. Nach der Aufbereitung im Ammoniak-SCRF-Konverter 76 verlässt das behandelte Abgas 78 das System.
Der SCRF im SCRF-Konverter 76 kann durch Aufbringung des SCR-Washcoats auf die Wände eines hoch porösen Partikelfiltersubstrats (z.B. ein Dieselpartikelfilter (DPF) Konverter) gebildet werden. In der hier verwendeten Form können der SCR-Konverter und der DPF-Konverter zum Ammoniak-SCRF-Konverter 76 kombiniert werden (siehe beispielsweise 3A–3C) oder getrennt auftreten (siehe beispielsweise 3D–3E).
In 3B–3E werden weitere Beispiele für Diesel-Abgasnachbehandlungssysteme 160, 260, 360, 460 mit Beispielen des doppelschichtigen Katalysators 50 schematisch dargestellt. Jedes der Diesel-Abgasnachbehandlungssysteme 160, 260, 360, 460 umfasst eine Vielzahl von Katalysatoren, von denen der erste ein Diesel-Oxidationskatalysator 72 ist.
Im Beispiel des Diesel-Abgasnachbehandlungssystems 160 in 3B strömt das Abgas 74 aus dem Diesel-Oxidationskatalysator 72 in einen Ammoniak-SCR-Konverter 80, der den ersten Teil des doppelschichtigen Katalysators 50 enthält. Es versteht sich, dass alle Beispiele des Ammoniak-SCR-Konverters 80 der vorliegenden Offenbarung ein Beispiel des doppelschichtigen Katalysators 50 enthalten. Das behandelte Abgas 178 gelangt vom Ammoniak-SCR-Konverter 80 in den Ammoniak-SCRF-Konverter 76, der den zweiten Teil des doppelschichtigen Katalysators 50 enthält. Das behandelte Abgas 186 vom Ammoniak-SCRF-Konverter 76 verlässt das Endrohr (nicht dargestellt).
Im Beispiel des Diesel-Abgasnachbehandlungssystems 260 in 3C ist der Ammoniak-SCR-Konverter 80 hinter dem Ammoniak-SCRF-Konverter 76 angeordnet. In 3C gelangt das behandelte Abgas 78 vom Ammoniak-SCRF-Konverter 76 in den Ammoniak-SCR-Konverter 80. Das behandelte Abgas 286 vom Ammoniak-SCR-Konverter 80 verlässt das Endrohr (nicht dargestellt).
Im Beispiel des Diesel-Abgasnachbehandlungssystems 360 in 3D ist der zweite Konverter ein DPF-Konverter 88, während der dritte Konverter der Ammoniak-SCR-Konverter 80 mit einem doppelschichtigen Katalysator 50 ist. Das behandelte Abgas 378 gelangt vom DPF-Konverter 88 in den Ammoniak-SCR-Konverter 80. Das behandelte Abgas 386 vom Ammoniak-SCR-Konverter 80 verlässt das Endrohr (nicht dargestellt).
Im Beispiel des Diesel-Abgasnachbehandlungssystems 460 in 3E ist der DPF-Konverter 88 hinter dem Ammoniak-SCR-Konverter 80 angeordnet. In 3E gelangt behandeltes Abgas 478 vom Ammoniak-SCR-Konverter 80 in den DPF-Konverter 88. Das behandelte Abgas 486 vom DPF-Konverter 88 verlässt das Endrohr (nicht dargestellt).
Einige der Vorteile eines Beispiels für den hier offenbarten doppelschichtigen Katalysator werden in 4 gezeigt, einem Diagramm von NO_x-Konzentration am Endrohr, links Teile pro Million (ppm; „C”) (linke Ordinate), akkumulierten NO_x am Endrohr in Gramm (g; „A”) (rechte Ordinate), beide als eine Funktion der Zeit in Sekunden („t”). Das Diagramm beruht auf einem Vergleich der NO_x-Emissionen während eines Kaltstart-Tests FTP75, FTP75 bezieht sich auf United States Environmental Protection Agency Federal Test Procedure 75 in der Version von 2008.
Die Kurve 90 bildet die NO_x-Konzentration des untersuchten Abgasnachbehandlungssystem (ANS) ab, wie in 1A gezeigt, gemessen wird am Endrohr, während die Kurve 92 eine simulierte NO_x-Konzentration eines exemplarischen ANS (dargestellt in 3A) mit einem Beispiel des hier offenbarten doppelschichtigen Katalysators 50 abbildet, gemessen am Endrohr, beide bezogen auf die linke Ordinate. Die Kurve 94 bildet das kumulierte NO_x des untersuchten ANS ab, wie in 1A gezeigt, gemessen wird am Endrohr, während die Kurve 96 das simulierte kumulierte NO_x eines exemplarischen ANS (dargestellt in 3A) mit einem Beispiel des hier offenbarten doppelschichtigen Katalysators 50 abbildet, gemessen am Endrohr, beide bezogen auf die rechte Ordinate.
Die Ergebnisse der Simulation des Systems aus 3A mit dem doppelschichtigen Katalysator 50 aus der vorliegenden Offenbarung, wie in 4 dargestellt, belegen deutlich den Vorteil des doppelschichtigen Katalysators 50 für die NO_x-Emissionssteuerung beim Kaltstart, wie hier beschrieben. Dieser doppelschichtige Katalysator bietet auch den zusätzlichen Vorteil der effektiven Ammoniak-(NH₃)Schlupfregelung. „Ammoniak-Schlupf” ist ein Begriff zur Beschreibung einer Situation, in der Ammoniak unverarbeitet durch den SCR-Katalysator geht.
Die Erläuterung des SCR-Katalysators wurde bereits zuvor bei einigen Beispielen hinsichtlich des Harnstoffs als Reduktionsmittel gemacht, dass in das Abgassystem zur Reaktion im SCR-Katalysator für die Reduktion von NO_x zu Stickstoff und Wasser eingespritzt wird. Anstatt von AdBlue (DEF) können jedoch auch andere Reduktionsmittel zum Einsatz kommen, beispielsweise wasserfreies Ammoniak und wässriges Ammoniak. Bei Verwendung von Harnstoff entsteht durch die Reaktion auch Kohlendioxid.
Die Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „ein Beispiel”, „ein weiteres Beispiel”, „Beispiel” usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), die in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in zumindest einem hier beschriebenen Beispiel enthalten ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus versteht es sich, dass die beschriebenen Elemente für jedes Beispiel in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Es ist selbstverständlich, dass die hierin dargestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Teilbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. So sollte beispielsweise ein Bereich von etwa 5 bis etwa 150 Mikrometer dahingehend interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von 5 bis 150 Mikrometer enthält, sondern auch Einzelwerte, wie beispielsweise 12 Mikrometer, 50,7 Mikrometer usw., sowie auch Unterbereiche, wie etwa von 40 bis 80 Mikrometer usw. Weiterhin bedeutet die Verwendung von „etwa” bei der Benennung eines Wertes, dass geringfügige Variationen des angegebenen Wertes darin enthalten sind (bis zu +/–10 %).
Beim Beschreiben und Beanspruchen der hier offenbarten Beispiele schließen die Singularformen „ein”, „eine” und „der/die/das” Mehrzahlbezüge ein, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Zwar wurden mehrere Beispiele im Detail beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Beispiele abgewandelt werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung als nicht einschränkend anzusehen.

Claims

Doppelschichtiger Katalysator, umfassend: ein Substrat; eine erste Schicht auf dem Substrat und mit einem ersten Katalysator zur Speicherung von NO_x, wenn der erste Katalysator eine Temperatur unterhalb einer aktiven Temperatur des zweiten Katalysators hat, der erste Katalysator gibt das gespeicherte NO_x ab, wenn der erste Katalysator auf die aktive Temperatur des zweiten Katalysators aufgewärmt ist; und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht und mit dem zweiten Katalysator, der zweite Katalysator für die selektive katalytische Reduktion mit Ammoniak (SCR) des freigesetzten NO_x; worin der doppelschichtige Katalysator in einen Katalysator zur Reduktion von NO_x-Emissionen eines Dieselmotors zu integrieren ist, die NO_x-Emissionen enthalten NO_x, das während einer vorbestimmten Zeitdauer des Kaltstarts freigesetzt wird.
Doppelschichtiger Katalysator nach Anspruch 1, worin: das Substrat ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cordierit oder einer metallischen Legierung; der erste Katalysator ein Adsorptionsmittel-Katalysator ist der NO und NO₂ Moleküle zurückhalten soll; und das katalytische Adsorptionsmittel ein Verbund-Katalysator ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Pd/Zeolith, Pd/Fe/Zeolith, Pd/Cu/Zeolith, Pd/Cr/Zeolith, Pd/Mn/Zeolith, Pd/CeO₂, Pd/CeZrO_x und Ag/Al₂O₃.
Doppelschichtiger Katalysator nach Anspruch 1, worin der zweite Katalysator einen Träger und eine aktive, katalytische, auf dem Träger dispergierte Komponente hat und bei dem der Träger ein Material aus der Gruppe bestehend aus Titanoxid, Siliziumoxid, und Aluminiumoxid ist, und worin die aktive katalytische Komponente ein Oxid eines Grundmetalls ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Molybdän und Wolfram.
Doppelschichtiger Katalysator nach Anspruch 1, worin der zweite Katalysator aus einem Ammoniak-SCR-Katalysator auf Zeolithbasis besteht, das Zeolith ausgewählt aus der Gruppe Eisen-Zeolith oder Kupfer-Zeolith.
Doppelschichtiger Katalysator nach Anspruch 1, worin: die erste Schicht eine erste Porendiffusität für Gase hat und die zweite Schicht eine zweite Porendiffusität für Gase und bei dem die erste Diffusität der zweiten Diffusität gleicht; und jede der ersten und der zweiten Porendiffusitäten für Gase im Bereich von etwa 1 × 10^–7 m²/s bis 9 × 10^–5 m²/s liegt.
Doppelschichtiger Katalysator nach Anspruch 1, worin: jede der ersten und der zweiten Porendiffusitäten für Gase im Bereich von etwa 1 × 10^–7 m²/s bis 9 × 10^–5 m²/s liegt; oder jede der ersten und der zweiten Porendiffusitäten für Gase im Bereich von etwa 2 × 10^–7 m²/s bis ungefähr 5 × 10^–5 m²/s liegt.
Doppelschichtiger Katalysator nach Anspruch 1, worin: die Stärke der ersten Schicht zwischen etwa 5 Mikrometer und etwa 150 Mikrometer liegt, und bei dem die Stärke der zweiten Schicht zwischen etwa 5 Mikrometer und etwa 150 Mikrometer liegt; oder die Stärke der ersten Schicht zwischen etwa 20 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer liegt, und bei dem die Stärke der zweiten Schicht zwischen etwa 20 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer liegt.
Katalysator zur Behandlung von Abgasen des Dieselmotors, wobei das Katalysatorsystem Folgendes beinhaltet: einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC); und einen Ammoniak-SCR-Katalysator im Filter (SCRF) einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Diesel-Oxidationskatalysator verbaut.
Katalysator zur Behandlung von Abgasen des Dieselmotors, wobei das Katalysatorsystem Folgendes beinhaltet: einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC); einen Ammoniak-SCR-Konverter einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Diesel-Oxidationskatalysator verbaut; und einen Ammoniak-SCR-Katalysator im Filter (SCRF) einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Ammoniak-SCR-Katalysator verbaut.
Katalysator zur Behandlung von Abgasen des Dieselmotors, wobei das Katalysatorsystem Folgendes beinhaltet: einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC); einen Ammoniak-SCR-Katalysator im Filter (SCRF) einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Diesel-Oxidationskatalysator verbaut; und einen Ammoniak-SCR-Konverter einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Ammoniak-SCRF-Konverter verbaut.
Katalysator zur Behandlung von Abgasen des Dieselmotors, wobei das Katalysatorsystem Folgendes beinhaltet: einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC); einen Dieselpartikelfilter (DPF), in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Diesel-Oxidationskatalysator verbaut; und einen Ammoniak-SCR-Konverter einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem DPF verbaut.
Katalysator zur Behandlung von Abgasen des Dieselmotors, wobei das Katalysatorsystem Folgendes beinhaltet: einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC); einen Ammoniak-SCR-Konverter einschließlich des doppelschichtigen Katalysators nach Anspruch 1, in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Diesel-Oxidationskatalysator verbaut; und einen Dieselpartikelfilter (DPF), in einem Abgasnachbehandlungssystem hinter dem Ammoniak-SCR-Konverter verbaut.