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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines katalytischen Konverters zur Reinigung von
Abgasen aus dem Motor eines Fahrzeugs.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines
katalytischen Konverters, welches in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 4-346837 beschrieben wird, umfasst ein Verfahren einschließlich des Aufbeschichtens
einer Aufschlämmung
aus einer Mischung aus einem Perowskit-Mischoxid, einem Zirkoniumoxidbindemittel
und Wasser auf ein keramisches wabenförmiges Substrat sowie des Trocknens und
Kalzinierens der Mischung auf dem wabenförmigen Substrat. Typischerweise
wird in katalytischen Konvertern zur Reinigung von Abgasen aus Kraftfahrzeugmotoren
ein Edelmetall als katalytisches Material verwendet, das von einem
Trägermaterial getragen
wird, und Aluminiumoxidsol wird als ein Bindemittel verwendet.
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Da ein katalytischer Konverter dann
beginnt, eine effektive katalytische Wirkung zu zeigen, wenn er
eine Aktivierungstemperatur erreicht, ist es wirkungsvoll, eine
elektrische Heizung zu verwenden, um die Temperatur des katalytischen
Konverters so schnell wie möglich
zu erhöhen.
Der Einbau einer elektrischen Heizung bei einem katalytischen Konverter,
der in ein Fahrzeug eingebaut ist, resultiert in einer Erhöhung der
Kosten des katalytischen Konverters und des Ablösens der Katalysatorschicht
aufgrund der Wärmeschocks
und Schwingungen. Darüber
hinaus werden der katalytische Konverter und die elektrische Heizung
in eine Umgebung mit hoher Temperatur gebracht, wodurch ihre Zuverlässigkeit herabgesetzt
wird. Deshalb wird es bevorzugt, die Temperatur eines katalytischen
Konverters rasch zu erhöhen,
ohne von einer Heizung Gebrauch zu machen.
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Es ist im Stand der Technik als eine
der Techniken zur raschen Erhöhung
der Temperatur eines katalytischen Konverters bekannt, ein wabenförmiges Substrat
mit einer Wärmekapazität zu verwenden,
welche durch die Bildung einer dünnen
Trennwand zwischen jeder der nebeneinander liegenden Zellen gesenkt
wurde. Dieses dünnwandi ge
wabenförmige
Substrat stellt einerseits eine Erhöhung des Oberflächenbereichs
dar, welche zur Reaktion des Katalysators beiträgt, was für die Verbesserung der Aktivierung
des Katalysators vorteilhaft ist. Allerdings ist das dünnwandige
wabenförmige
Substrat spröde und
erfordert andererseits das Vorhandensein dichter Trennwände, um
eine Verringerung der strukturellen Festigkeit des wabenförmigen Substrats
aufgrund der dünnen
Wände herbei
zu führen.
Allerdings führt
die Bildung dünner
Trennwände
zu einer Verminderung der Oberflächenunebenheiten
der Trennwände,
oder sie macht Poren kleiner, die der Luft der Trennwände ausgesetzt
sind, was in einer Verminderung der Haftung einer Katalysatorschicht an
dem wabenförmigen
Substrat resultiert und folglich dazu führt, dass sich die Katalysatorschicht
aufgrund von Schwingungen und zyklischen Temperaturveränderungen
leicht ablöst
und die katalytische Leistung aufgrund des Ablösens der katalytischen Schicht
abnimmt.
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Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung,
ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Konverters bereit
zu stellen, das eine Erhöhung
der Haftung einer katalytischen Schicht an einem Substrat vorsieht.
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Das obige Ziel der Erfindung wird
erreicht durch Anwenden einer speziellen Rührbehandlung, um Bindemittelteilchen
eine gleichmäßige Größe oder
Form zu verleihen.
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Die Erfindung ist auf ein Verfahren
zur Herstellung eines Katalysators zur Reinigung von Abgasen gerichtet,
welches eine Katalysatorschicht umfasst, die katalytische Teilchen
enthält,
welche katalytische Metallteilchen umfassen, die von einem Trägermaterial
getragen werden und auf ein Substrat aufbeschichtet sind. Gemäß der Erfindung
umfasst das Verfahren die Schritte des Pulverisierens einer Aufschlämmung einer
Wasser enthaltenden Mischung aus den katalytischen Teilchen und
Zirkoniumoxidbindemittelteilchen in einer Kugelmühle mit darin eingefüllten Zirkoniumoxidkugeln,
des Aufbeschichtens der pulverisierten Mischungsaufschlämmung auf
das Substrat und des Trocknens und Kalzinierens der Mischung aus
den geformten Zirkoniumoxidbindemittelteilchen und den katalytischen
Teilchen, welche auf das Substrat aufbeschichtet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen
Konverters mit einem katalytischen Material, das zur Reinigung von
Abgasen zusammen mit einem Bindemittel auf einem Substrat aufgetragen
wurde, die Schritte des Pulverisierens einer Aufschlämmung einer
Mischung von katalytischen Teilchen, Wasser und Zirkoniumoxidteilchen durch
eine Kugelmühle,
um sie so zu formen, dass sie für
Bindemittelteilchen geeignet sind, sowie des Beschichtens einer
Mischung der Zirkoniumoxidbindemittelteilchen und katalytischen
Teilchen auf dem Substrat. Die von einer Kugelmühle pulverisierten Zirkoniumoxidbindemittelteilchen
werden in Teilchen umgewandelt, die einen geringen Durchmesser haben
oder kugelförmig
sind. Diese Bindemittelteilchen werden wirksam nicht nur in Räume zwischen
den Katalysatorteilchen gefüllt,
sondern auch in einen Raum zwischen dem Katalysator und der Oberfläche eines
Substrats. Als Konsequenz daraus wird eine auf einem Substrat gebildete
Katalysatorschicht (eine Schicht aus einer Mischung von Katalysatorteilchen
und Bindemittelteilchen) dicht und erhöht die Zahl der Kontaktpunkte
zwischen den Bindemittelteilchen und der Substratoberfläche mit
der Wirkung, dass verhindert wird, dass sie sich selbst aufgrund von
Schwingungen von dem Substrat ablöst. Außerdem schneiden Bindemittelteilchen
geringer Größe leicht
in das Substrat, selbst wenn die Substratoberfläche dicht ist. So wird eine
hafterzeugende Wirkung deutlich, um die Haftung der Katalysatorschicht
an dem Substrat zu verbessern.
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Während
Aluminiumoxid als ein Bindematerial verwendet werden kann, werden
die Zirkoniumoxidteilchen von einer Kugelmühle effektiver in kleine kugelförmige Teilchen
pulverisiert als die Aluminiumoxidteilchen. Das liegt daran, dass
das Aluminiumoxidteilchen eine nadelähnliche Form annimmt, die typischerweise
ein hohes Seitenverhältnis
aufweist, und folglich auch eher nadelähnlich als kugelförmig bleibt,
selbst nachdem es von der Kugelmühle
pulverisiert worden ist; die Fülleffizienz,
mit der die Aluminiumoxidteilchen in die Räume zwischen den Katalysatorteilchen
gefüllt
werden, ist nicht so hoch, und der Grad, mit dem die Aluminiumoxidteilchen
in das Substrat schneiden, ist nicht so stark. Im Vergleich zu den
Aluminiumoxidteilchen weist das Zirkoniumoxidteilchen von Natur
aus nur ein niedriges Seitenverhältnis
auf und wird von der Kugelmühle
pulverisiert, um sich in ein nahezu kugelförmiges Teilchen umzuwandeln.
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Zirkoniumoxidbindemittelteilchen
werden zusammen mit katalytischen Teilchen und Wasser von der Kugelmühle gerührt und
pulverisiert, welche eine katalytische Aufschlämmung herstellt mit dem Effekt einer
Erhöhung
der Dispersion des Katalysators und der Bindemittelteilchen. Die
Katalysatoraufschlämmung
kann auf ein Substrat, so wie es ist, aufbeschichtet werden, und
es wird dann getrocknet und kalziniert, um einen katalytischen Konverter
zu vervollständigen.
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Katalysatorteilchen nehmen die Form
von katalytischen Metallteilchen an, die auf Teilchen eines Trägermaterials
getragen werden. Edelmetalle wie Pt, Pd und Rh oder Übergangsmetalle
wie Cu können
als katalytisches Metall eingesetzt werden, und anorganische Verbindungen,
insbesondere poröse
anorganische Verbindungen wie Aluminiumoxid, Ceroxid und Zeolith,
können
als Trägermaterial
eingesetzt werden. Es ist vorzugsweise ein Substrat aus Keramik
zu verwenden.
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Gemäß dem Verfahren zur Herstellung
eines katalytischen Konverters der Erfindung werden Bindemittelteilchen
von einer Kugelmühle
gerührt,
um in Teilchen umgewandelt zu werden, die von der Form und/oder
Größe her als
Bindemittel geeignet sind, um Katalysatorteilchen fest auf einem
Substrat zu tragen. Dies führt
dazu zu verhindern, dass der Katalysator sich von dem Substrat ablöst und zur
Erhaltung der beabsichtigten Leistung des katalytischen Konverters über einen
langen Zeitraum. Außerdem
wird, wenn Bindemittelteilchen zusammen mit katalytischen Teilchen
und Wasser von der Kugelmühle
gerührt
werden, eine Katalysatoraufschlämmung
zur gleichen Zeit zubereitet, in der sowohl katalytische Teilchen
als auch Bindemittelteilchen pulverisiert werden, um in kleine Teilchen
umgewandelt zu werden. Während
dadurch die Dispersion der katalytischen und Bindemittel-Teilchen
erhöht
wird und dies die Leistung eines katalytischen Konverters vorteilhafterweise
verbessert, erhöht
dies die Effizienz zur Herstellung eines katalytischen Konverters.
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Die Kugelmühle kann mit Zirkoniumoxidkugeln
gefüllt
werden.
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Das obige und andere Ziele und Merkmale der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer
speziellen Ausführungsform hiervon
deutlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
betrachtet werden, in denen:
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die 1 ein
Graph ist, der das Ablöseverhältnis von
Beispiel-Katalysator E-I und einem Probe-Katalysator E-II und den
Vergleichsbeispiel-Katalysatoren C-I–C-IV zeigt;
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sdie 2 ein
Graph ist, welcher die T-50-Temperatur des Beispiel-Katalysators
E-I und des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-IV darstellt;
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die 3 ein
Graph ist, welcher die C-500-Reinigungseffizienz des Beispiel-Katalysators E-I
und des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-IV darstellt;
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die 4 ein
Graph ist, welcher die T-50-Temperatur der Vergleichsbeispiel-Katalysatoren C-I–C-III darstellt;
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die 5 ein
Graph ist, welcher die C-500-Reinigungseffizienz der Vergleichsbeispielkatalysatoren
C-I–C-III
ist; und
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die 6 ein
Graph ist, welcher das Verhältnis
eines Ablöseverhältnisses
zu einem Bindemittelinhalt darstellt.
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Der Begriff „T-50-Temperatur", wie er hierin verwendet
wird, soll eine Einlasstemperatur eines Abgases bedeuten und sich
darauf beziehen, bei der ein Katalysator es zu 50% von den schädlichen
Bestandteilen in dem Abgas reinigt, und der Begriff „C-300-Reinigungseffizienz" und "C-500-Reinigungseffizienz", wie er hierin verwendet
wird, soll eine Abgasreinigungseffizienz bei einer Einlasstemperatur von
300°C eines
Abgases bzw. einer Einlasstemperatur von 500°C eines Abgases bedeuten und
sich darauf beziehen. Darüber
hinaus soll der Begriff „Bindemittelinhalt", wie er hierin verwendet
wird, ein Verhältnis
in Gew.-% des Gewichts eines Bindemittels im Verhältnis zum
Gesamtgewicht des Bindemittels und eines Katalysatormaterials bedeuten
und sich darauf beziehen, wobei diese Bindemittel und das Katalysatormaterial
als eine Mischungsaufschlämmung
gemischt werden, die als Katalysatorschicht auf ein Substrat aufbeschichtet
wird.
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Die vorliegende Erfindung wird speziell
mit Bezug auf Beispiele und Vergleichsbeispiele hierin nachfolgend
beschrieben, allerdings sollte festgestellt werden, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf diese speziellen Beispiele beschränkt ist.
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Jeder Beispiel-Katalysator oder jeder
Vergleichsbeispiel-Katalysator wurde so hergestellt, dass er unten
und oben Katalysatorschichten umfasst, die auf einer porösen Wand
eines wabenförmigen
Substrats gebildet werden, und sie haben so ein Gesamtgewicht von
7 g/L (7 g pro Liter Substrat) von Edelmetallen einschließlich Platin
(Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) mit einem Gewichtsverhältnis von
1 : 14 : 2,5, und sie enthalten weniger als 1% Verunreinigungen.
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BEISPIEL I
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In diesem Beispiel wurde eine untere
Katalysatorschicht des Beispielkatalysators E-I wie folgt gebildet.
Es wurde eine Pulvermischung aus γ-Aluminiumoxid,
Ceroxid und Ce-Pr-Verbundoxid in Wasser aufgelöst, um eine Aufschlämmung bereit
zu stellen. Die Mischungsaufschlämmung
wurde mit einer Lösung
aus Dinitro-diaminpalladium gemischt und erwärmt und getrocknet, um eine
feste Mischung bereit zu stellen. Anschließend wurde die feste Mischung pulverisiert
als Material für
eine untere Katalysatorschicht. Das Katalysatormaterial, ein Zirkoniumoxidbindemittel
und Wasser wurden in eine Trommel einer vibrierenden Kugelmühle gegeben
und pulverisiert und mit Schwingungen gemischt. Die katalytischen
Teilchen und die Zirkoniumbindemittelteilchen wurden zusammen mit
Kugeln in der Trommel in Schwingung versetzt, so dass die katalytischen
Teilchen und die Zirkoniumoxidbindemittelteilchen gegen die Kugeln
und die Kugelwand prallten und mit Scher- und Reibungswirkungen
pulverisiert wurden, um eine einheitliche Größe oder Form zu erhalten. Auf
diese Weise wurde eine Mischungsaufschlämmung der katalytischen Teilchen
und Zirkoniumoxidbindemittelteilchen hergestellt. Die Behandlung
des Rührens
in der Kugelmühle
wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Trommelkapazität: 3,2 l
Kugel:
1,3 l Y2O3-Zirkoniumoxidkugel
(Durchmesser: 10 mm, relative Dichte des Schüttguts: 3,4)
katalytisches
Material: 675 g
Zirkoniumoxidbindemittel: 75 g (Bindemittelgehalt:
10 Gew.-%)
Wasser: 1 l
Schwingungskraft: 840 kgf
Schwingungsfrequenz:
1750 vpm
Rührdauer:
1 Std.
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Die Gesamtmenge eines katalytischen
Materials und des Zirkoniumoxidbindemittels lag vorzugsweise zwischen
700 und 800 g.
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Eine Aufbeschichtung der Mischungsaufschlämmung wurde
als untere Katalysatorschicht auf ein wabenförmiges Substrat aus Cordierit
angewendet, indem das wabenförmige
Substrat in die Mischungsaufschlämmung
getaucht wurde, wieder hochgezogen wurde und ein Überschuss
an Mischungsaufschlämmung
mit Luft abgeblasen wurde. Das wabenförmige Substrat mit der Beschichtung wurde
für eine
Stunde bei 150°C
getrocknet und dann für
zwei Stunden bei 500°C
kalziniert. Das in diesem Beispiel verwendete wabenförmige Substrat hatte
eine Größe von 1'' (25,4 mm) im Durchmesser und 50 mm
in der Länge
und wies 400 Zellen pro Quadrat-Inch auf. Die Wanddicke jeder Zelle
betrug 0,006'' (0,152 mm).
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Während
die Zirkoniumoxidkugeln in Erwartung besonderer Wirkungen verwendet
wurden, wie verbesserte Haftfähigkeit
der Beschichtung und verbesserte Wärmestabilität eines katalytischen Materials
wie Aluminiumoxid und Ceroxid, die als Resultat zum Beispiel von
einer Ionenaustauschreaktion zwischen den Zirkoniumoxidkugeln und
den Zirkoniumoxidbindemittelteilchen erzeugt wurden, können selbstverständlich auch
Kugeln aus anderen Materialien verwendet werden.
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Ein Katalysatormaterial für eine obere
Katalysatorschicht des Beispielkatalysators E-I wurde durch Abdampfen
einer Mischung aus wassersuspendiertem Ceroxid, einer sauren Lösung aus
Dinitro-diaminplatin(II)salpetersäure und einer Lösung aus
Rhodiumnitrat, sowie durch Trocknen und Festwerdenlassen der Mischung.
Die feste Mischung und die Zirkoniumoxidteilchen wurden gemischt
und mit Wasser in der Trommel der schwingenden Kugelmühle zusammengerührt und
pulverisiert, um eine Mischungsaufschlämmung bereit zu stellen. Die
Behandlung des Rührens
in der Kugelmühle
wurde für ein
Katalysatormaterial der oberen Katalysatorschicht unter den gleichen
Bedingun gen durchgeführt
wie für
das Katalysatormaterial der unteren Katalysatorschicht beschrieben.
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Eine Überbeschichtung der Mischungsaufschlämmung wurde
als die obere Katalysatorschicht über die untere Katalysatorschicht
aufgebracht, indem das wabenförmige
Substrat in die Mischungsaufschlämmung
getaucht wurde, dieses wieder hochgenommen wurde und ein Überschuss
an Mischungsaufschlämmung
durch Luft abgeblasen wurde. Das wabenförmige Substrat mit der Überbeschichtung
wurde für
eine Stunde bei 150°C
getrocknet und dann für
zwei Stunden bei 500°C
kalziniert.
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Beispiel II
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In diesem Beispiel war der Muster-Katalysator
E-II ähnlich
dem Vergleichsbeispiel-Katalysator E-I
mit der Ausnahme, dass ein Aluminiumoxidbindemittel anstelle des
Zirkoniumoxidbindemittels eingesetzt wurde und untere sowie obere
Schichten des Musterkatalysators E-II wurden auf einem wabenförmigen Substrat
aus Cordierit auf die gleiche Weise und unter den gleichen Bedingungen
gebildet wie jene des Beispiel-Katalysators
E-I.
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Vergleichsbeispiel I
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Im Vergleichsbeispiel I wurde eine
Mischungsaufschlämmung
für jede
der unteren und oberen Katalysatorschichten durch Rühren einer
Mischung aus Wasser, Zirkoniumoxidteilchen und katalytischen Teilchen
in einem Rührer
hergestellt, wie einem Mischer mit Drehflügeln (Ultra-Homo-Mixer U-3: vertrieben
von Nihon Seiki Manufacturing Co., Ltd.) für 20 min bei 12.000 U/min.
Die unteren und oberen Katalysatorschichten des Vergleichsbeispiel-Katalysators
C-I wurden auf einem wabenförmigen
Substrat aus Cordierit auf die gleiche Weise und unter den gleichen
Bedingungen gebildet wie jene des Beispiel-Katalysators E-I.
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Vergleichsbeispiel II
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Im Vergleichsbeispiel II wurde eine
Mischungsaufschlämmung
für jede
der unteren und oberen Katalysatorschichten durch Rühren einer
Mischung aus Wasser, Alumiumoxidteilchen als Bindemittel und katalytischen
Teilchen in dem gleichen Rührer
wie oben beschrieben auf die gleiche Weise wie die Mischungsaufschlämmung aus
Vergleichsbeispiel I hergestellt. Die unteren und oberen Katalysatorschichten
des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-II wurden auf einem wabenförmigen Substrat
aus Cordierit auf die gleiche Weise und unter den gleichen Bedingungen
gebildet wie jene des Beispiel-Katalysators
E-I.
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Vergleichsbeispiel
III
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Im Vergleichsbeispiel III wurde eine
Mischungsaufschlämmung
für jede
der unteren und oberen Katalysatorschichten durch Rühren einer
Mischung aus Wasser, Siliciumoxidteilchen als Bindemittel und katalytischen
Teilchen in dem gleichen Rühren
wie oben beschrieben auf die gleiche Weise wie die Mischungsaufschlämmung aus
Vergleichsbeispiel I hergestellt. Die unteren und oberen Katalysatorschichten
des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-III wurden auf einem wabenförmigen Substrat
aus Cordierit auf die gleiche Weise und unter den gleichen Bedingungen
gebildet wie jene des Beispiel-Katalysators
E-I.
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Vergleichsbeispiel
IV
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Im Vergleichsbeispiel IV wurde vor
der Herstellung einer Mischungsaufschlämmung für jede der unteren und oberen
Katalysatorschichten eine Mischung aus Wasser und einem Aluminiumoxidbindemittel
eine Stunde lang bei 7.000 U/min in einem Ultra-Dispergierer (ULTRA-TURRAX T50: vertrieben von
der IKA Company, Deutschland) gemischt, welcher eine Art Mischer
mit Drehflügeln
war, die eine Scherfunktion hatten, und dann wurde sie mit Ultraschallwellen
dispergiert und gerührt.
Andererseits wurde eine Mischung aus Wasser und katalytischen Teilchen
in dem Ultra-Dispergierer gemischt und dann mit Ultraschallwellen
dispergiert und gerührt. Diese
Mischungen wurden zusammengeführt,
um eine Mischungsaufschlämmung
für untere
und obere Katalysatorschichten des Vergleichsbeispiel-Katalysators
C-IV bereit zu stellen. Die unteren und oberen Katalysatorschichten
wurden auf einem wabenförmigen
Substrat aus Cor dierit auf die gleiche Weise und unter den gleichen
Bedingungen gebildet wie die des Beispiel-Katalysators E-1.
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Verschiedene Tests, wie ein Ultraschall-Ablösetest,
ein Wärmeschock-Ablösetest,
Abgasreinigungstests und ein Emissionstest wurden für die Beispiel-Katalysatoren
und die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren durchgeführt, um
die Wirkung von Kombinationen aus Bindemittel und Rührbehandlung
auf diese Katalysatoren zu bewerten.
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Der Ultraschall-Ablösetest wurde
durch Anwendung von Ultraschallwellen für drei Stunden auf den Katalysator
in Wasser durchgeführt,
nachdem der Katalysator für
24 Stunden einer Atmosphären-Wärmebehandlung
bei 1.000°C
unterzogen und auf Raumtemperatur gekühlt worden war. Es wurden Messungen
vorgenommen, um das Ablöseverhältnis eines
Katalysators, der auf Trockenmasse (X) des Katalysators vor dem
Ultraschall-Ablösetest
basiert, und der Trockenmasse (Y) des Katalysators nach dem Ultraschall-Ablösetest zu
bestimmen. Die 1 stellt
das Ablöseverhältnis (X – Y) × 100/X
dar.
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Wie aus der 1 zu entnehmen ist, zeigen der Beispiel-Katalysator
E-I und der Muster-Katalysator E-II, die aus den in der Kugelmühle gemahlenen
katalytischen Materialien und Bindermaterialien hergestellt wurden,
signifikant niedrigere Ablöseverhältnisse
als entsprechend im Vergleich zu den Vergleichsbeispiel-Katalysatoren
C-I und C-II, die aus dem einfach gerührten Katalysatormaterial hergestellt
wurden. Dies macht deutlich, dass ein Katalysatormaterial, welches
der Rührbehandlung
in der Kugelmühle
unterzogen worden ist, die Haftung der Katalysatorbeschichtung an
dem aus Cordierit hergestellten wabenförmigen Substrat verbessert.
Insbesondere der Beispiel-Katalysator E-I weist ein Ablöseverhältnis auf,
das ein Drittel so niedrig oder niedriger ist als jene des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-I
und des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-IV, welcher das Aluminiumoxidbindemittel
enthält,
das ein relativ hohes Ablöseverhältnis zeigt.
Aus dem Ergebnis des Ultraschall-Ablösetests kann geschlossen werden,
dass die Rührbehandlung
in der Kugelmühle
eines Katalysatormaterials mit einem Zirkoniumoxidbindemittel wünschenswert
ist, um das Ablöseverhältnis des
Katalysators zu verbessern.
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Der Vergleichsbeispiel-Katalysator
C-III, in dem ein Siliciumoxidbindemittel eingesetzt wurde, weist
das niedrigste Ablöseverhältnis unter
den Beispielkatalysatoren und den Vergleichsbeispiel-Katalysatoren
auf. Das liegt daran, dass das Siliciumoxidbindemittel so gläsern umgewandelt
wird, dass die Katalysatorschicht eine signifikant genaue Struktur hat
mit dem Resultat, dass sie die katalytische Leistung des Katalysators
erschwert, wie weiter unten beschrieben wird.
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Der Wärmeschock-Ablösetest wurde
so durchgeführt,
dass, nachdem die Katalysatoren E-I und C-IV für 6 Stunden bei 1.000°C in einem
Elektroofen erwärmt
wurden, diese in Wasser abgekühlt wurden.
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Es wurden Messungen vorgenommen,
um das Ablöseverhältnis eines
Katalysators, der auf Trockenmasse des Katalysators basiert, vor
und nach dem Wärmeschock-Ablösetest zu
bestimmen. Der Beispiel-Katalysator E-I zeigt ein Ablöseverhältnis von
3,22%, und der Katalysator C-IV weist ein Ablöseverhältnis von 4,34% auf. Dies macht
deutlich, dass der Beispiel-Katalysator E-I eine starke Temperaturwechselbeständigkeit
aufweist.
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Die Abgasreinigungsleistung wurde
bewertet, indem die T-50-Temperatur und die C-500-Reinigungswirksamkeit des Beispiel-Katalysators
E-I und des Vergleichsbeispiel-Katalysators
C-IV nach der Wärmebehandlung
für 6 Stunden
bei 1.000°C
im Elektroofen auf dem Prüfstand
gemessen wurde. Das auf dem Prüfstand
verwendete Abgas wurde als ein Gas vorgetäuscht, das beim Verbrennen
einer Kraftstoffmischung erzeugt wurde, die gesteuert wurde, um
ein Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis
häufig
zwischen einem schwachen Zustand bei + 0,9 aus einem stoichiometrischen
Verhältnis
von 14,7 und einem starken Zustand bei – 0,9 aus einem stoichiometrischen
Verhältnis
von 14,7 zu variieren. Das vorgetäuschte Abgas wurde bei einer
Raumgeschwindigkeit von 6.000 h–1 umgewälzt und
hatte die folgenden Bestandteile:
HC: 1500 ppmC
CO: 0,6
%
NOx: 0,1
C2: 0,6%
CO2: 14%
N2: übrige Bestandteile
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Die 2 und 3 zeigen eine T-50-Temperatur-
bzw. eine C-500-Reinigungswirksamkeit.
Wie aus der 2 zu ersehen
ist, hat der Beispiel-Katalysator E-I T-50-Temperaturen für HC und
CO, die ein paar Grad Celsius niedriger sind als jene des Vergleichsbeispiel-Katalysators
C-IV, und er weist allerdings eine T-50-Temperatur für NOx auf,
die ein paar Grad Celsius höher
liegt als die des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-IV. Außerdem besteht,
wie man aus der 3 ersieht,
fast kein Unterschied in der C-500-Reinigungswirksamkeit zwischen
dem Beispiel-Katalysator E-I und dem Vergleichsbeispiel-Katalysator
C-IV. Dies macht deutlich, dass der Katalysator, der ein Zirkoniumoxidbindemittel
enthält,
fast die gleiche katalytische Leistung zeigt wie der Katalysator,
der ein Aluminiumoxidbindemittel enthält.
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Es wurden von dem gleichen Prüfstand Messungen
für den
Vergleichsbeispiel-Katalysator C-I–C-III wie
für den
Beispiel-Katalysator E-I und den Vergleichsbeispiel-Katalysator C-I vorgenommen, um
die Abgasreinigungsleistung, wie die T-50-Temperatur- und die C-300 Reinigungswirksamkeit,
zu bewerten. Das Ergebnis ist in den 4 und 5 dargestellt.
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Wie aus den 4 und 5 zu
ersehen ist, besteht kein signifikanter Unterschied sowohl in den T-50-Temperaturen
und der C-300-Reinigungsleistung zwischen dem Vergleichsbeispiel-Katalysator C-I,
der ein Zirkoniumoxidbindemittel enthält, und dem Vergleichsbeispiel-Katalysator
C-II, der ein Aluminiumoxidbindemittel enthält. Allerdings zeigt der Vergleichsbeispiel-Katalysator
C-III, der ein Siliciumoxidbindemittel enthält, T-50-Temperaturen, die höher sind
als die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren C-I und C-II für HC und
CO und die C-300-Reinigungsleistung, die niedriger ist als die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren
C-I und C-II. Wie eingangs beschrieben wurde, liegt dies daran,
dass das Siliciumoxidbindemittel so glasig wird, dass es das Abgas
daran hindert, mit den Katalysator-Bestandteilen in Kontakt zu kommen.
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Um das Verhältnis zwischen Ablöseverhältnis und
Zirkoniumoxidbindemittelgehalt zu bestimmen, wurden die gleichen
Ablösetests
wie oben beschrieben für
die Beispiel- Katalysatoren
E-I und den Vergleichsbeispiel-Katalysator C-IV vorgenommen, deren
Bindemittelgehalt unterschiedlich war. Speziell wurden Ablöseverhältnis-Messungen
für die
Beispiel-Katalysatoren E-I vorgenommen, die unterschiedliche Zirkoniumbindemittelgehalte
von 3 Gew.-%, 10 Gew.-% bzw. 15 Gew.-% aufwiesen und deren Mischungsaufschlämmung der
Kugelmühle-Rührbehandlung
unterzogen wurde, sowie die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren C-IV
mit unterschiedlichen Aluminiumoxid-Bindemittelgehalten von 10 Gew.-%, 15
Gew.-%, 17 Gew.-% bzw. 20 Gew.-%, und deren Mischungsaufschlämmung der
Ultraschallwellen-Rührbehandlung
unterzogen wurde. Das Ergebnis ist in der 6 dargestellt.
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Wie aus der 6 hervorgeht, zeigt der Beispiel-Katalysator
E-I das geringste Ablöseverhältnis bei
einem Bindemittelgehalt von 10 Gew.-% und soll erwartungsgemäß ein Ablöseverhältnis zeigen,
das niedriger ist als 1,5% in einem Bereich von Bindemittelgehalten
zwischen 4 und 14 Gew.-% und einem Ablöseverhältnis, das niedriger ist als
1% in einem Bereich von Bindemittelgehalten zwischen 5 und 12 Gew.-%.
Während
der Vergleichsbeispiel-Katalysator C-IV ein relativ niedriges Ablöseverhältnis zum
Bindemittelgehalt im Vergleich zu den Beispiel-Katalysatoren zeigt,
obwohl er ein Aluminiumoxid-Bindemittel enthält, zeigt er ein Band von Bindemittelgehalten
zur Bereitstellung eines Ablöseverhältnisses
von niedriger als 1,5%, das ungefähr zweimal so schmal ist wie der
Beispiel-Katalysator E-I. Dies macht deutlich, dass der Beispiel-Katalysator
E-I, der ein Zirkoniumoxid-Bindemittel enthält und dessen Mischungsaufschlämmung der
Kugelmühle-Rührbehandlung
unterzogen wurde, ein breites Band von Bindemittelgehalten für ein Ablöseverhältnis von
niedriger als 1,5% besitzt. Entsprechend lässt sich sagen, dass sich die Kombination
von Zirkoniumoxid-Bindemittel und Kugelmühle-Rührbehandlung
trotz der Erzeugung von Variationen weniger auf Katalysatoren auswirkt
und dass sie für
den Katalysator eine Beschichtung mit hoher Haftfähigkeit
an einem Substrat vorsieht.
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Ein katalytischer Bord-Leistungstest
wurde für
den Beispiel-Katalysator E-I und den Vergleichsbeispiel-Katalysator
C-IV durchgeführt.
Ein katalytischer Beispiel-Konverter wurde unter Anwendung des Beispiel-Katalysators
E-I auf ein wabenförmiges Substrat
aus Cordierit hergestellt, das 900 Zellen pro Quadrat-in. (6,45
cm2) und eine Wanddicke von 0,006 in. (0,152
mm) hat, und ein katalytischer Vergleichsbeispiel-Konverter wurde unter
Anwendung des Vergleichsbeispiel-Katalysators C-IV auf ein wabenförmiges Substrat
aus Cordierit mit 900 Zellen pro Quadrat-In. (6,45 cm2)
und eine Wanddicke von 0,006 in. (0,152 mm) hergestellt. Nach einem 100-Stunden-Haltbarkeitstest,
in dem jeder katalytische Konverter einem Abgas aus einem Vierzylinder-Reihenmotor
mit einem Hubraum von 1500 ccm ausgesetzt war, wurde ein von der
US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA vorgeschriebener FTP-Test
für die
entsprechenden katalytischen Konverter durchgeführt, um die Emissionsgehalte
von HC und NOx zu messen. Als Ergebnis wies der katalytische Beispiel-Konverter
einen HC-Emissionsgehalt von 0,019 g/km (0,03 g/Meile) und einen NOx-Emissionsgehalt
von 0,028 g/km (0,045 g/Meile) auf, und der katalytische Vergleichsbeispiel-Konverter
wies einen HC-Emissionsgehalt
von 0,016 g/km (0,025 g/Meile) und einen NOx-Emissionsgehalt von
0,122 g/km (0,195 g/Meile) auf. Dies zeigt, dass die Kombination
eines Zirkoniumbindemittels und einer Kugelmühle-Rührbehandlung den katalytischen
Konverter mit einer ausgezeichneten katalytischen Bordleistung versorgt.
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Es ist davon auszugehen, dass, obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben worden ist, verschiedene andere Ausführungsformen und Varianten den
Fachleuten auf diesem Gebiet begegnen können, die innerhalb des Umfangs
der Erfindung liegen, und es ist beabsichtigt, diese anderen Ausführungsformen
und Varianten über
die Ansprüche
im Anhang abzudecken.