DE112017007871T5

DE112017007871T5 - Katalysator zur emissionssteuerung in autos

Info

Publication number: DE112017007871T5
Application number: DE112017007871.7T
Authority: DE
Inventors: Yisun Cheng; Giovanni Cavataio; Jeffrey Scott Hepburn; Mira Bumbaroska; Carolyn Parks Hubbard
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2020-05-14
Also published as: US20200276563A1; CN111032194A; US11583834B2; WO2019055040A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt einen Katalysator zur Emissionssteuerung in Autos bereit. Ein katalytischer Konverter für ein Auto beinhaltet einen Dreiwegekatalysator, der Rh als das einzige Edelmetall aufweist, das als vordere Zone konfiguriert ist, und einen Dreiwegekatalysator, der ein Gemisch aus Rh und Pd, Pt oder beidem aufweist, das als hintere Zone konfiguriert ist, sodass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die vordere Zone gelangt, bevor es durch die hintere Zone gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu minimieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft einen Dreiwegekatalysator (three-way catalyst - TWC) für ein Auto und ein Verfahren zum Herstellen von diesem.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Reduzierung von Auspuffemissionen ist ein herausforderndes Ziel in der Automobilindustrie. Da die zulässigen Werte für Auspuffemissionen immer weiter gesenkt werden, müssen Technologien kontinuierlich verbessert werden, um die Standards zu erfüllen. Viele Bemühungen fokussieren sich auf die Reduzierung der Emission von verschiedenen Kohlenwasserstoffen (KW), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Mono-Stickstoffoxiden NO und NO₂ (NOx). Verschiedene Katalysatoren, die in der Lage sind, KW-Arten, CO und NOx umzuwandeln, wurden entwickelt. Dennoch ist die Bereitstellung eines kostengünstigen TWC, der eine effiziente Umwandlung ermöglicht, eine Herausforderung geblieben.
KURZDARSTELLUNG
In mindestens einer Ausführungsform wird ein katalytischer Konverter für Autos offenbart. Der katalytische Konverter beinhaltet einen Dreiwegekatalysator, der Rh als das einzige Edelmetall beinhaltet, das als vordere Zone konfiguriert ist, und einen Dreiwegekatalysator, der ein Gemisch aus Rh und Pd, Pt oder beidem beinhaltet, das als hintere Zone konfiguriert ist, sodass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die vordere Zone gelangt, bevor es durch die hintere Zone gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu reduzieren. Die Rh-Beladung in der vorderen Zone kann etwa 4 bis 45 g/ft³ (0,14 bis 1,59 g/dm³) betragen, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats. Die Rh-Beladung in der vorderen Zone kann etwa das 5-Fache der Rh-Beladung in der hinteren Zone betragen. Der Konverter kann ferner eine zusätzliche Zone beinhalten, die einen Dreiwegekatalysator beinhaltet, der Rh als einziges Edelmetall beinhaltet, wobei die zusätzliche Zone derart angeordnet ist, dass die hintere Zone zwischen der vorderen Zone und der zusätzlichen Zone eingeschlossen ist. Ein Längen-Volumen-Verhältnis der vorderen Zone zur hinteren Zone kann von etwa 100 bis 1, aber nicht 50/50 betragen. Die vordere Zone kann etwa 5 % und die hintere Zone kann etwa 95 % eines gesamten Konvertervolumens bilden. Bei dem Konverter kann es sich um einen motornahen Konverter handeln. Der Konverter kann einen Träger beinhalten, der eine Porosität von etwa 50-80 % aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein katalytischer Konverter für Autos offenbart. Der Konverter kann einen Dreiwegekatalysator beinhalten, der Rh als das einzige Edelmetall beinhaltet und als eine obere Schicht angeordnet ist. Der Konverter kann ferner einen Dreiwegekatalysator beinhalten, der ein Gemisch aus Rh, Pd, Pt, Ru oder eine Kombination davon beinhaltet und als eine untere Schicht konfiguriert ist. Die obere und die untere Schicht können als einzelne Schichten konfiguriert sein, sodass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die obere Schicht gelangt, bevor es durch die untere Schicht gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu reduzieren. Der Konverter beinhaltet ferner einen Träger, der Aluminiumoxid und CZO beinhaltet, das Ce und Zr und einem Verhältnis von Ce:Zr von etwa 0 bis 100 aufweist. Die Rh-Beladung in der oberen Schicht kann etwa 4 bis 45 g/ft³ (0,14 bis 1,59 g/dm³) betragen, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats. Die untere Schicht kann Rh beinhalten, wobei die Rh-Beladung in der unteren Schicht etwa 5-mal geringer ist als die Rh-Beladung in der oberen Schicht. Die obere Schicht, die untere Schicht oder beide können mindestens eine erste Zone und eine zweite Zone aufweisen, wobei es sich bei den Zonen um einzelne Zonen mit unterschiedlichen PGM-Beladungen handelt. Eine erste Zone der oberen Schicht kann eine Rh-Beladung von etwa 4 bis 45 g/ft³ (0,14 bis 1,59 g/dm³) aufweisen, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats, und eine zweite Zone der oberen Schicht kann eine Rh-Beladung aufweisen, die etwa fünfmal geringer ist als die der ersten Zone. Die untere Schicht kann keine anderen Edelmetalle außer Pd beinhalten.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein katalytischer Konverter für Autos offenbart. Der Konverter kann einen ersten Dreiwegekatalysator, der ein einzelnes Edelmetall umfasst, das auf einem Träger angeordnet ist, als eine obere Schicht, und einen zweiten Dreiwegekatalysator, der mindestens Rh als Edelmetall umfasst, wobei der zweite Dreiwegekatalysator als eine untere Schicht konfiguriert ist, beinhalten. Die obere und die untere Schicht können derart konfiguriert sein, dass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die obere Schicht gelangt, bevor es durch die untere Schicht gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu reduzieren. Die obere Schicht und die untere Schicht können Rh als einziges Edelmetall beinhalten, sodass sich die Rh-Beladung in der oberen Schicht von der Rh-Beladung in der unteren Schicht unterscheidet. Das einzige Edelmetall kann Rh sein. Die untere Schicht kann Rh, Pd, Pt, Ru oder eine Kombination davon beinhalten. Der Konverter kann ferner einen dritten Dreiwegekatalysator beinhalten, der Rh als einziges Edelmetall beinhaltet, wobei der dritte Dreiwegekatalysator eine einzelne Schicht bildet, die derart konfiguriert ist, dass der erste und der dritte Dreiwegekatalysator den zweiten Dreiwegekatalysator dazwischen einschließen. Das Längen-Volumen-Verhältnis der oberen Schicht zur unteren Schicht kann von etwa 100 bis 1, jedoch nicht 50/50 betragen.
Figurenliste

1 zeigt einen schematischen katalytischen Konverter mit einem oder mehreren TWC gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
die 2A und 2B stellen schematische Konfigurationen für beispielhafte vordere und hintere TWC des in 1 dargestellten Konverters dar;
die 3A-3D stellen schematisch eine Konfiguration von einzelnen Zonen innerhalb eines TWC des in 1 dargestellten Konverters dar;
4 zeigt eine schematische Konfiguration von beispielhaften TWC des in 1 dargestellten Konverters;
die 5A und 5B zeigen schematische Beispiele für mehrschichtige TWC des in 1 dargestellten Konverters;
die 5C-5G zeigen schematisch eine Konfiguration von einzelnen Zonen innerhalb von Schichten des in 1 dargestellten Konverters;
6 zeigt ein schematisches Beispiel für einen Konverter, der eine zusätzliche TWC-Schicht aufweist;
7 zeigt FTP-75-Testergebnisse für kombinierte NMHC und NOx für TWC mit unterschiedlichen katalytisch aktiven Materialzusammensetzungen und Beladungen;
8 zeigt FTP-75-NOx-Ergebnisse für die TWC aus 7;
9 zeigt US-06-NOx-Testergebnisse für die TWC aus 7;
10 zeigt einen Verlauf der Lambda- gegen die Netto-NOx-Umwandlung für TWC mit unterschiedlichen katalytisch aktiven Materialzusammensetzungen und Beladungen;
11 zeigt einen Verlauf der Lambda- gegen die N₂O-Bildung für TWC in 10;
12 ist ein Verlauf der Lambda- gegen die Netto-NOx-Umwandlung für einen vorderen TWC nur mit Pd in Gegenwart und Abwesenheit von SO₂; und
13 ist ein Verlauf der Lambda- gegen die Netto-NOx-Umwandlung für einen vorderen TWC nur mit Rh in Gegenwart und Abwesenheit von SO₂.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in dieser Schrift beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Abmessungen oder Materialeigenschaften angeben, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
Es wird ausführlich auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei den offenbarten Ausführungsformen lediglich um Beispiele für die vorliegende Erfindung handelt, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Dementsprechend sind in dieser Schrift offenbarte konkrete Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann auf dem Gebiet die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet impliziert, dass Gemische aus beliebigen zwei oder mehreren der Glieder der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Fachbegriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht zwingend chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen des Gemisches aus, sobald sie vermischt sind. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
Die in der vorliegenden Schrift verwendeten Ausdrücke „PGM-Beladung“, „Beladung“ und „Edelmetallbeladung“ werden synonym verwendet, sodass sich beliebige der Ausdrücke auf die Beladung eines katalytisch aktiven Materials beziehen können, welches zusätzliche Materialien abgesehen von den Metallen der Platingruppe beinhaltet.
Das Abgas von Brennkraftmaschinen, einschließlich jener, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, enthält KW, CO und NOx in Konzentrationen, die mehr betragen, als möglicherweise in die Umwelt ausgestoßen werden kann. Die Konzentrationen der vorstehend genannten unerwünschten Abgasbestandteile werden typischerweise durch deren Interaktion mit einem oder mehreren geeigneten katalytischen Konvertern reduziert. zu einem typischen katalytischen Konverter kann ein TWC gehören. TWC können gleichzeitig und effizient arbeiten, um bei mäßigen Temperaturen (z. B. etwa 300 bis 500 °C) NO zu reduzieren und CO und KW zu oxidieren, wenn der Motor bei Stöchiometrie läuft, also wenn das Luft-KraftstoffVerhältnis (air-fuel ratio - AFR) das optimale Verhältnis von Luft zu Kraftstoff ist, bei dem der gesamte Kraftstoff ohne überschüssige Luft verbrannt wird. Bei Benzinmotoren beträgt das stöchiometrische AFR 14,7:1, was 14,7 Teile Luft zu einem Teil Kraftstoff bedeutet. Das stöchiometrische AFR hängt vom Typ des Kraftstoffs ab. Zum Beispiel beträgt das stöchiometrische AFR 6,4:1 für Alkohol und beträgt das stöchiometrische AFR 14,5:1 für Diesel. Im Allgemeinen schwankt ein Motor, der bei stöchiometrischem AFR betrieben wird, zwischen einem leicht fetten Zustand und einem leicht mageren Zustand bei Frequenzen in der Größenordnung von etwa 0,5 bis 3,0 Hz und mit Magnituden von etwa +/- 0,07 lambda, +/-0,05 lambda, +/- 0,03 lambda oder +/- 0,01 lambda, in Abhängigkeit von dem Motor und dem Steuersystem. Lambda = 1,006 bezieht sich auf ein Sauerstoffniveau von 0,74 % und einen stöchiometrischen Zustand. Lambda = 0,998 bezieht sich auf ein Sauerstoffniveau von 0,69 % und einen leicht fetten Zustand.
Unter einigen Fahrzeugbetriebsbedingungen, insbesondere unter Kaltstartbedingungen, kann Motorabgas durch einen katalytischen Konverter gelangen, während die Temperatur des Konverters unter der Anspringtemperatur einer oder mehrerer Abgasbestandteile liegt. Kaltstartemissionen beziehen sich auf die Emissionen von Benzin- und Dieselpersonenkraftwagen, welche durch Katalysatoren während der Aufwärmphase des Fahrzeugs nicht reduziert werden. Bevor der Motor die Temperatur erreicht, die ausreicht, um den Katalysator aufzuwärmen, nachdem ein Fahrzeug gestartet wurde, werden Emissionen nicht reduziert und stellen somit einen signifikanten Anteil der gesamten Auspuffemissionen dar. Die Dauer des Kaltstartzeitraums und die während dieser Phase produzierten Gesamtemissionen hängen von der Umgebungstemperatur, dem Typ des verwendeten Kraftstoffs, der Anfangstemperatur des Fahrzeugantriebssystems und anderen Faktoren ab. Unter derartigen Betriebsbedingungen ist der katalytische Konverter nicht in der Lage, die Konzentration einer oder mehrerer unerwünschter Abgasbestandteile effektiv zu reduzieren. Somit wäre es wünschenswert, einen Katalysator mit erhöhter Effizienz während des Kaltstarts zu entwickeln. Dies ist besonders wichtig, da mehr kraftstoffeffizientere Antriebsstränge, die Brennkraftmaschinen verwenden, niedrigere Betriebstemperaturen als heutige Antriebsstränge aufweisen können. Diese niedrigeren Betriebstemperaturen können Abgas mit Temperaturen unter dem aktuellen Aktivitätsfenster heutiger Dreiwegekatalysatoren erzeugen.
Katalytische Konverter beinhalten einen Kern, der aus einem einzelnen oder zwei Monolithen besteht. Das Zwei-Katalysator-System bietet gewisse Vorteile im Vergleich zu den katalytischen Konvertern mit einem Monolithen, da es eine sinnvolle Platzierung der Edelmetalle und die Auswahl von Washcoat-Technologien ermöglicht, um die Emissionsleistung besser zu optimieren als bei den katalytischen Konvertern mit einem Monolithen.
Ein monolithischer Katalysatorträger ist typischerweise ein extrudiertes Substrat aus Materialien, wie etwa Keramik, synthetischem Cordierit, Metall oder anderen Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der Monolith beinhaltet eine hohe Anzahl an Kanälen, die durch dünne Wände getrennt sind, um einen großen Oberflächenbereich bereitzustellen. Katalytische Konverter mit zwei Monolithen sind aufgrund der optimalen Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur, der NOx-Kontrolle und der ausgewogenen Verwendung von Edelmetallen (PGM) eine effektive Lösung für die Emission von Unterboden- und motornahen Anwendungen bei Fahrzeugen mit niedrigen Emissionen (low emission vehicle - LEV)/Fahrzeugen mit ultraniedrigen Emissionen (ultra low emission vehicle - ULEV).
TWC bestehen typischerweise aus einem Gemisch aus Edelmetallen, wie etwa Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh), die allgemein als Metalle der Platingruppe (PGM) bezeichnet werden, als katalytisch aktive Bestandteile auf einem Träger, wie etwa Materialien auf Aluminiumoxid(Al₂O₃)- und Ceroxid (CeO₂)-Basis. Während das Katalysatormaterial selbst aus einem Gemisch aus Edelmetallen, wie etwa den vorstehend genannten, Pt, Pd und Rh, besteht, haben reine Pd-Systeme eine LEV/ULEV-Emissionsleistung gezeigt, und das erste kommerzielle ULEV-Emissionssystem verwendete reine Pd-Unterbodenkatalysatoren. Im Allgemeinen bieten Optionen mit zwei Katalysatoren und einem Gemisch aus Edelmetallen niedrigere Emissionen bei wesentlich geringerer PGM-Beladung und ausgewogenerer Nutzung. Beispielsweise haben Systeme mit zwei Monolithen, die an der Vorderseite nur Pd enthalten, gefolgt von hinteren Pd/Rh-TWC, eine zufriedenstellende LEV-Leistung für motornahe Doppelauspuffkrümmer-V6-Anwendungen gezeigt. Anschließend haben Technologien mit zwei Katalysatoren, einschließlich Pd an der Vorderseite, gefolgt von Pt/Rh-TWC, eine gleichwertige Leistung wie Katalysatorsysteme mit [Pd + Pd/Rh] für Unterboden-V6-Anwendungen gezeigt.
Derzeit sind typische katalytische Konverter in Benzinfahrzeugen für LEV/ULEV-Emissionsniveaus katalytische Konverter mit zwei Monolithen. Derartige katalytische Konverter enthalten einen vorderen motornahen Pd/Rh-TWC mit hohem Pd/Rh-Verhältnis und hoher PGM-Beladung und einen hinteren Unterboden-Pd/Rh-TWC mit niedrigem Pd/Rh-Verhältnis und niedriger PGM-Beladung.
Wenngleich die Technologien der TWC bewährt sind, ist eine weitere Verbesserung der katalytischen Effizienz und Stabilität immer noch erforderlich, da die Emissionsvorschriften für Autos weltweit immer strenger werden. Eine beispielhafte Klassifizierung für Emissionen von Personenkraftwagen ist das Super Ultra-Low Emission Vehicle SULEV20 und SULEV30. Die SULEV-Klassifizierung basiert auf der Erzeugung von 90 % weniger Emissionen als ein äquivalentes benzinbetriebenes Fahrzeug. Die SULEV-Fahrzeuge sind somit 90 % sauberer als das durchschnittliche neue Fahrzeug für das Modelljahr. Um die SULEV- und ähnliche Klassifizierungen einzuhalten, wurden verschiedene Strategien umgesetzt, zum Beispiel das Verbessern von TWCs, die in katalytischen Konvertern integriert sind.
Außerdem wurde erkannt, dass das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßene SO₂ mit dem Katalysator interagieren kann, was zu einer Katalysatorvergiftung führen kann. SO₂ kann oxidiert oder reduziert werden, um unerwünschte, unregulierte Schadstoffe zu erzeugen. Trotz des Aufkommens von Kraftstoffen mit geringem Schwefelgehalt ist seit langem bekannt, dass selbst Spuren von SO₂ grundlegend mit Washcoat-Bestandteilen, wie etwa den Edelmetallen, Aluminiumoxid und Ceroxid, interagieren können und den Reaktionsweg selektiv unterdrücken sowie die TWC-Leistung deaktivieren. Eine Schwefelvergiftung kann auch die N₂O-Bildung erhöhen, insbesondere bei den reinen Pd-TWC.
Die Schwefelvergiftung stellt in Kombination mit den laufenden Zielen zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz eine zusätzliche Herausforderung dar. Da der Kraftstoff effizienter genutzt wird, um nützliche Arbeit zu leisten, anstatt in den Abgasen verschwendet zu werden, haben die Verbesserungen zu niedrigeren Abgastemperaturen geführt. Daher müssen die TWC-Systeme so angepasst werden, dass sie auch bei niedrigeren Temperaturen arbeiten können. Eine Schwefelvergiftung deaktiviert jedoch Katalysatoren auf Pd-Basis bei niedrigeren Temperaturen schneller, da die Pd-Schwefelregeneration unter Bedingungen mit niedrigeren Temperaturen langsamer erfolgt.
Zusätzliche Verbindungen können zur Desaktivierung des Katalysators beitragen. Zum Beispiel kann eine Phosphorvergiftung eine negative Wirkung haben. Die vollständige Entfernung von Phosphor ist möglicherweise nicht bei allen Kraftstoffarten eine Option.
Daher wäre es wünschenswert, einen TWC zu entwickeln, der in der Lage ist, die Emissionen aus Autoabgasen umzuwandeln, darunter unter anderem Ethylen (C₂H₄), Propylen (C₃H₆), Ethan (C₂H₆), Butylen (C₄H₈), Mesitylen (C₉H₁₂), Toluol (C₆H₅-CH₃), Isooctan (C₈H₁₈), Cyclopentan (C₅H₁₀), Isohexan (C₆H₁₄), Pentylen (C₅H₁₀), Dimethylbutan (CH₃)₃CCH₂CH₃, Benzol (C₆H₆), Durol (C₁₀H₁₄), Propan (C₃H₈), Methan (CH4), Stickstoffoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂), wodurch NH₃- und N₂O-Emissionen reduziert werden, was zu einer verbesserten Netto-NOx-Umwandlung zu N₂ führt, während die Schwefeltoleranz und der Phosphor des TWC verbessert werden. Außerdem wäre es wünschenswert, einen TWC mit den genannten Eigenschaften zu entwickeln und gleichzeitig Materialkosteneinsparungen zu ermöglichen.
Die derzeitige Offenbarung löst eines oder mehrere der vorstehend genannten Probleme, indem sie einen katalytischen Konverter mit einem TWC bereitstellt, der mindestens einen Teil aufweist, der Rh als einziges Edelmetall oder eine exklusive Quelle für katalytisch aktives Material enthält. Anders formuliert, enthält der Teil des TWC keine anderen Edelmetalle als Rh. Somit kann der Teil der TWC im Wesentlichen aus Edelmetallen oder vorzugsweise aus Rh bestehen, was die Edelmetalle betrifft. Der Rh enthaltende TWC kann die erste katalytisch aktive Zone bilden, auf die das Abgas nach dem abgeschlossenen Verbrennungsvorgang trifft. Das Abgas trifft zunächst auf den reinen Rh-TWC, bevor es zu anderen Teilen des Konverters, wie z. B. einem weiteren TWC, weitergeführt wird.
Neben dem Rh enthaltenden TWC kann der katalytische Konverter mindestens einen zweiten Teil beinhalten, der ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien, wie etwa Edelmetalle, vorzugsweise auch Rh, beinhaltet. Der katalytische Konverter kann neben den TWC zusätzliche Anteile beinhalten.
Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen katalytischen Konverter 20 ist in 1 schematisch dargestellt. Der katalytische Konverter 20 kann eine optionale Falle 22 beinhalten, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des Dreiwegekatalysators (TWC) 24 angeordnet ist. Die Falle 22 kann eine vorübergehende Speicherung von Verbrennungsgas ermöglichen, bis der katalytische Konverter Temperaturen erreicht, die eine Umwandlung des Verbrennungsgases ermöglichen. Der katalytische Konverter 20 kann als Durchflusskanäle oder eine Wandflusskonfiguration aufweisend konfiguriert sein. Die in der Offenbarung beschriebenen TWC können Teil eines katalytischen motornahen oder Unterbodenkatalysators sein.
Die Abmessungen und Ausrichtung der dargestellten Schichten 22, 24 für den katalytischen Konverter 20 sind lediglich schematisch, um die Hauptrichtung des Abgasstroms zu veranschaulichen. Gleichermaßen können die in den Figuren dieser Offenbarung dargestellten Abmessungen nur zur Veranschaulichung dienen. Der Pfeil in den Figuren gibt die Richtung des Abgasstroms an.
Nicht einschränkende Beispiele für einzelne Teile eines katalytischen Konverters 20 sind in den 2A-4 schematisch dargestellt. Die 2A und 2B zeigen eine schematische Anordnung von zwei TWC 24, wobei ein erster TWC 26 Rh als einziges Edelmetall aufweist. Der TWC 24 beinhaltet somit Rh als einziges katalytisch aktives Material. Der TWC 26 ist als vordere Zone konfiguriert, sodass ein Abgas aus der Brennkraftmaschine durch die vordere Zone gelangt, bevor es durch einen zusätzlichen TWC 24 gelangt.
In der Vergangenheit war die Verwendung von Rh in TWC im Vergleich zu Pd aufgrund von Kostenunterschieden sehr gering. In den letzten 7 Jahren sind die Kosten für Rh pro Feinunze stetig gesunken und entsprechen nun ungefähr dem Preis für Pd, der gestiegen ist. Dies bietet die Möglichkeit, mehr Rh in das TWC-Design zu integrieren und gleichzeitig die Herstellung des Konverters kostengünstig zu halten.
Wie die 3A-3D veranschaulichen, kann der TWC 26 ferner in einzelne Zonen 30, 30' und/oder 30" unterteilt werden, die jeweils unterschiedliche Rh-Beladungen enthalten. Zusätzliche Zonen werden in Erwägung gezogen. Die Zonen 30, 30' und/oder 30" können im Wesentlichen die gleichen Abmessungen, wie etwa Länge, Höhe, Dicke, Volumen, aufweisen, wie 3A zeigt. Alternativ kann sich jede Zone von den anderen Zonen um mindestens eine Abmessung unterscheiden. Das Länge-Volumen-Verhältnis der Zonen 3:30':30" kann etwa 98:1:1, 90:5:5, 80:10:10, 70:20:10, 60:20:20, 50:25:25, 45:45:10, 38:31:31, 33,3:33,3:33,3, 20:55:25, 10:50:40 oder dergleichen betragen.
Die Rh-Beladung kann in jeder Zone unterschiedlich sein, sodass die Rh-Beladung in Richtung des Verbrennungsgasstroms zu- oder abnehmen kann. Beispielsweise kann die höchste Beladung in Zone 30, die niedrigere Rh-Beladung in Zone 30' und die niedrigste Rh-Beladung in Zone 30" liegen. Die Zone mit der höchsten Beladung kann die größte Länge aufweisen, wie in 3B dargestellt ist. Alternativ dazu kann die Zone mit der höchsten Beladung die kleinste Länge aufweisen, wie in 3C dargestellt ist. In einer weiteren alternativen Ausführung, die in 3D gezeigt ist, können sich die Zonen 30 und 30' so abwechseln, dass sich die Zone 30 mit der Rh-Beladung (a) wiederholt und die Zone 30' mit der Rh-Beladung (b) wiederholt, wobei die Rh-Beladung (a) höher oder niedriger als die Rh-Beladung (b) ist.
Die Rh-Beladung des TWC 26, jede Zone 30, 30', 30" oder eine zusätzliche Zone kann mindestens etwa 4 g/ft³ (0,14 g/dm³) betragen. Die Rh-Beladung kann etwa 4, 4,25, 4,5, 4,75, 5, 5,5, 6, 6,5, 7, 7,5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100 g/ft³ oder mehr oder 0,14, 0,15, 0,16, 0,17, 0,18, 0,19, 0,2, 0,23, 0,25, 0,28, 0,32, 0,35, 0,39, 0,42, 0,46, 0,5, 0,53, 0,64, 0,71, 0,88, 1,06, 1,24, 1,41, 2,00, 1,77, 1,94, 2,12, 2,48, 2,83, 3,18, 3,53 g/dm³ betragen, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats. Die Rh-Beladung kann etwa 4 bis 30, 4,2 bis 20 oder 4,5 bis 10 g/ft³ betragen was 0,14 bis 1,06, 0,15 bis 0,7 oder 0,16 bis 0,36 g/dm³ entspricht, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats.
Der Konverter 20 beinhaltet ferner eine zweite einzelne Zone, die einen TWC 28 beinhaltet. Der TWC 28 beinhaltet ein Gemisch aus katalytisch aktivem Material, wie etwa Edelmetalle. Das Gemisch kann Rh, Pd, Pt, Ru, Ir, Co, Au, Ag oder eine Kombination davon beinhalten. Der TWC 28 bildet einen TWC der hinteren Zone, sodass die Abgase zunächst durch den TWC 26 gelangen, bevor sie in den TWC 28 gelangen.
Der TWC 28 kann, wie in Bezug auf den TWC 26 beschrieben, in einzelne Zonen unterteilt werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der TWC 28 Rh als einziges Edelmetall beinhalten. In einer derartigen Ausführungsform kann die Rh-Beladung des TWC 26 und des TWC 28 gleich oder unterschiedlich sein. Die TWC 26 und 28 können sich daher beispielsweise bezüglich der Art des Trägermaterials unterscheiden, jedoch können beide reine Rh-TWC sein, welche dieselbe Rh-Beladung beinhalten. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass der TWC 28 ein Gemisch aus Edelmetallen, insbesondere Pd und Rh oder Pd, Rh und Pt, beinhalten wird, sodass sich die Rh-Beladung des TWC 26 von der des TWC 28 unterscheidet.
Die Edelmetallbeladung des TWC 28 kann etwa 1 bis 300, 5 bis 200, 10 bis 100, 15 bis 50 oder 20 bis 25 g/ft³ oder 0,04 bis 10,6, 0,18 bis 7,06, 0,35 bis 3,53, 0,53 bis 1,77 oder 0,7 bis 0,88 g/dm³ für jede Edelmetall- oder Gesamtbeladung betragen. Die PGM-/Edelmetallbeladung des TWC 28 kann 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9-, 10-, 11-, 12-, 13-, 14-, 15-, 16-, 17-, 18-, 19-, 20-, 21-, 22-, 23-, 24-, 25- oder 26-mal höher oder geringer sein als die PGM-/Edelmetallbeladung des TWC 26. Beispielsweise kann die Rh-Beladung des TWC 28 5-mal höher sein als die Rh-Beladung des TWC 26.
Wie 4 veranschaulicht, kann der katalytische Konverter 20 einen zusätzlichen TWC 32 beinhalten. Der zusätzliche TWC 32 kann ein reiner Rh-TWC sein, sodass der TWC 32 Rh als einziges Edelmetall oder katalytisch aktives Material beinhaltet. Die Beladung von Rh im TWC 32 kann gleich wie oder anders als die Rh-Beladung in den TWC 26 und 28 sein. Die Rh-Beladung im TWC 32 kann etwa 1, 1,25, 1,5, 1,75, 2, 2,25, 2,5, 2,75, 3, 3,25, 3,5, 3,75, 4, 4,25, 4,5, 4,75, 5, 5,5, 6, 6,5, 7, 7,5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100 g/ft³ oder mehr oder 0,035, 0,044, 0,053, 0,06, 0,07, 0,08, 0,09, 0,10, 0,11, 0,11, 0,12, 0,13, 0,14, 0,15, 0,16, 0,17, 0,18, 0,19, 0,2, 0,23, 0,25, 0,28, 0,32, 0,35, 0,39, 0,42, 0,46, 0,5, 0,53, 0,64, 0,71, 0,88, 1,06, 1,24, 1,41, 2,00, 1,77, 1,94, 2,12, 2,48, 2,83, 3,18, 3,53 g/dm³ betragen, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats. Die Rh-Beladung kann etwa 4 bis 30, 4,2 bis 20 oder 4,5 bis 10 g/ft³ betragen was 0,14 bis 1,06, 0,15 bis 0,7 oder 0,16 bis 0,36 g/dm³ entspricht, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats.
Der zusätzliche TWC 32 befindet sich in Bezug auf die Strömung des Verbrennungsgases hinter dem TWC 28. Infolgedessen ist die hintere Zone, der TWC 28, zwischen dem TWC 26 und dem TWC 32 eingeschlossen.
Das Länge-Volumen-Verhältnis des TWC 26 zum TWC 28 kann von etwa 100 bis 0 betragen. Das Länge-Volumen-Verhältnis des TWC 26 zum TWC 28 kann etwa 99:1, 80:20, 70:30, 64:46, 40:60, 30:70, 25:75, 20:80, 10:90 oder dergleichen betragen. In einer Ausführung, die zusätzliche TWC beinhaltet, wie etwa der in 4 dargestellten Ausführungsform mit dem TWC 32, kann das Längen-Volumen-Verhältnis des TWC 26:TWC 28:TWC 32 von etwa 100 bis 0 betragen. Das Verhältnis von TWC 26:TWC 28:TWC 32 kann etwa 98:1:1, 90:5:5, 80:10:10, 70:20:10, 60:20:20, 50:25:25, 45:45:10, 38:31:31, 33,3:33,3:33,3, 20:55:25, 10:50:40 oder dergleichen betragen. Das Verhältnis von TWC 26 zu TWC 28 kann von 50:50 abweichen.
Der TWC 26, der TWC 28 und der TWC 32 können 100 % des Volumens des katalytischen Konverters ausmachen. Jede Zone kann etwa 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 33,3, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 98, 99, 100 % des Volumens des katalytischen Konverters bilden. Der TWC 28 und der TWC 32 sind womöglich nicht vorhanden, sodass der TWC 26 100 % des Volumens des katalytischen Konverters bildet. In mindestens einer Ausführung kann die vordere Zone, der TWC 26, etwa 5 % des gesamten Volumens des Konverters ausmachen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der katalytische Konverter 200 ein geschichtetes System aus TWC 240 beinhalten, wie etwa die in den 5A-5G und in 6 schematisch dargestellten nicht einschränkenden Beispiele. Der katalytische Konverter 200 kann einen ersten TWC, der eine obere Schicht 210 bildet, und gegebenenfalls einen zweiten TWC, der eine untere Schicht 220 bildet, beinhalten.
Die obere und die untere Schicht 210, 220 sind derart konfiguriert, dass das Abgas aus der Brennkraftmaschine durch die obere Schicht 210 gelangt, bevor es durch die untere Schicht 220 gelangt. Die obere Schicht beinhaltet Rh als einziges katalytisch aktives Material, Edelmetall oder PGM, sodass die obere Schicht 210 keine andere Art von Edelmetall und/oder katalytisch aktivem Material beinhaltet.
Mindestens einer der TWC 240 kann in mindestens zwei oder mehr einzelne Zonen unterteilt werden. Wie in den 5B und 5C dargestellt, kann der TWC 210 beispielsweise zwei Zonen, 212 und 212', beinhalten, die jeweils Rh als einziges Edelmetall beinhalten. Die Beladung in jeder Zone kann unterschiedlich sein. In einer weiteren Ausführungsform, die in 5D dargestellt ist, kann eine zusätzliche reine Rh-Zone, 212", hinzugefügt werden.
Alternativ kann die untere Schicht 220 in einzelne Zonen 214, 214', 214" oder dergleichen unterteilt werden. Während die 5E und 5F zwei oder drei einzelne Zonen darstellen, werden zusätzliche Zonen innerhalb der unteren Schicht 220 in Betracht gezogen. Jede Zone kann sich durch die Zusammensetzung der Edelmetalle und/oder der PGM-Beladung unterscheiden. Beispielsweise kann nur eine der Zonen Rh, Pr, Pt, Ru, Ir, Au, Ag oder Co enthalten, während die übrigen Zonen ein Gemisch aus zwei weiteren der genannten Edelmetalle beinhalten können. Beispielsweise kann die mittlere Zone 214', die zwischen den Zonen 214 und 214" eingeschlossen ist, Rh als einziges Edelmetall enthalten. Alternativ können die Zonen 214 und 214" Pd als einziges Edelmetall enthalten, während die Zone 214' Rh als einziges Edelmetall oder ein Gemisch aus Edelmetallen enthalten kann. Jede Zone kann Rh als einziges Edelmetall enthalten, unterscheidet sich aber hinsichtlich der Rh-Beladung.
In mindestens einer Ausführungsform kann der Konverter 200 mindestens zwei Zonen in der oberen Schicht 210 und mindestens zwei Zonen in der unteren Schicht 220 beinhalten. Ein Ausführungsbeispiel, das dies zeigt, ist in 5G dargestellt. Während die einzelnen Zonen der Schichten 210 und 220 in Bezug auf Volumen/Höhe/Länge als gleichmäßig dargestellt werden, kann jede Schicht mehrere Zonen aufweisen, die sich hinsichtlich Volumen/Länge/Höhe voneinander unterscheiden.
Zusätzliche Schichten werden in Erwägung gezogen. Wie 6 zeigt, kann der Konverter 200 drei TWC in der geschichteten Konfiguration, 210, 220 und 230, enthalten. Der TWC 220 ist zwischen den TWC 210 und 230 eingeschlossen. Das Abgas gelangt durch die Schicht 210, bevor es durch die Schicht 220 gelangt, bevor es durch die Schicht 230 gelangt.
Die vorstehend beschriebenen Längen-Volumen-Verhältnisse, Rh- und PGM-Beladungen in Bezug auf den Konverter 20 mit vorderen und hinteren Zonen gelten gleichermaßen für die Ausführungsformen des Konverters 200 mit dem geschichteten System. Die Rh-Beladung in der oberen Schicht 210 kann anders als 4, 4,25, 4,5, 4,75, 5, 5,5, 6, 6,5, 7, 7,5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100 g/ft³ oder mehr oder 0,14, 0,15, 0,16, 0,17, 0,18, 0,19, 0,2, 0,23, 0,25, 0,28, 0,32, 0,35, 0,39, 0,42, 0,46, 0,5, 0,53, 0,64, 0,71, 0,88, 1,06, 1,24, 1,41, 2,00, 1,77, 1,94, 2,12, 2,48, 2,83, 3,18, 3,53 g/dm³ sein, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats. Die Rh-Beladung kann etwa 4 bis 30, 4,2 bis 20 oder 4,5 bis 10 g/ft³ betragen was 0,14 bis 1,06, 0,15 bis 0,7 oder 0,16 bis 0,36 g/dm³ entspricht, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats.
Die TWC können einen Träger aufweisen, der Übergangsaluminiumoxid, -siliciumoxid, - titanoxid, -zirkonoxid, -lanthanoxid, -bariumoxid oder eine Kombination davon beinhaltet. Das Trägermaterial kann mit etwa 1 bis 15 Gew.-%, 2 bis 13 Gew.-% oder 5 bis 10 Gew.-% Silicium, Lanthan, Barium oder einer Kombination davon basierend auf dem Gesamtgewicht des Katalysators weiter modifiziert werden. Der Träger kann Übergangsaluminiumoxid mit einem anfänglichen Oberflächenbereich von mehr als etwa 200 m²/g beinhalten, das in der Lage ist, einen großen Oberflächenbereich von mindestens etwa 100 bis 150 m²/g in Gegenwart von Automobilabgasen bei Temperaturen bis zu etwa 1000 °C aufrechtzuerhalten. Der Träger kann CZO mit Ce und Zr in einem Verhältnis von Ce:Zr von etwa 0 bis 100 beinhalten. Der Träger kann Aluminiumoxid und CZO in einem Verhältnis von Aluminiumoxid:CZO von etwa 0 bis 100 aufweisen.
Um die Widerstandsfähigkeit gegen Phosphorvergiftung des Konverters 20, 200 weiter zu verbessern, kann die vordere/obere reine Rh-TWC-Schicht einen Träger mit hoher Porosität mit einer Porosität von etwa 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85 % oder höher aufweisen. Das Substrat mit hoher Porosität kann z. B. aus Keramik bestehen. Der TWC mit hoher Porosität kann mit anderen TWC mit hoher Porosität in einem Konverter 20, 200 kombiniert werden. Alternativ kann ein Konverter 20, 200 nur einen TWC mit hoher Porosität, wie etwa die vordere/oberste TWC-Schicht, beinhalten, und die übrigen TWC können eine Porosität von weniger als 40 %, wie etwa 35, 30, 35, 20 % oder weniger, aufweisen.
Die Aufnahme des reinen Rh-TWC 26 als vordere Zone/obere Schicht des Konverters 20, 200 hat zu einer besseren Kontrolle der N₂O-Bildung, einer Verbesserung des prozentualen NOx-Nettowertes und einer erhöhten Toleranz gegenüber der Schwefelvergiftung geführt. Ohne die Offenbarung auf eine einzige Theorie zu beschränken, wird angenommen, dass Rh in dem TWC 26 gegenüber einer Schwefel- und Phosphorvergiftung widerstandsfähiger ist und somit die in dem TWC 28 vorhandenen Pd, Pt, Ru besser vor dem Einströmen von Verbindungen geschützt sind, die eine Schwefel- und/oder Phosphorvergiftung verursachen können.
BEISPIELE
Beispiele 1-6

Kommerzielle TWC-Substrate wurden für die Beispiele 1-6 erhalten und anschließend mit Katalysatoren, die PGM-/Washcoat-Bestandteile enthalten, gemäß Tabelle 1 beladen.Tabelle 1 führt die Abmessungen und PGM-Beladungen von jedem Beispiel auf. Die Beispiele 1-4 wurden als einzelne Monolithen getestet. Die Beispiele 5 und 6 wurden beide als zweifache Monolithen mit zonierten TWC vorbereitet, die einen vorderen reinen Rh-TWC und einen hinteren TWC aufweisen. Die Beispiele 5 und 6 hatten unterschiedliche Volumina der vorderen und hinteren TWC. Tabelle 1 - TWC-Abmessungen und PGM-Beladungen der Beispiele 1-6

Beispiel Nr.	TWC-Abmessung [in³/dm³]	Gesamt-PGM [g/ft³/g/dm³]	Pt-Beladung [g/ft³/g/dm³]	Pd-Beladung [g/ft³/g/dm³]	Rh-Beladung [g/ft³/g/dm³]
Einzelner Monolith
1	75/1,23	30/1,06	0	0	30/1,06
2	75/1,23	50/1,77	0	42/1,48	8/0,28
3	75/1,23	50/1,77	0	48/1,70	2
4	75/1,23	50/1,77	0	50/1,77	0/0,07

Zwei Monolithen
5 vorderer TWC	37,5/0,61	30/1,06	80/2,83	0	0	30/1,06
5 hinterer TWC	37,5/0,61	50/1,77	80/2,83	0	42/1,48	8/0,28
6 vorderer TWC	18,5/0,30	30/1,06	80/2,83	0	0	30/1,06
6 hinterer TWC	56,25/0,92	50/1,77	80/2,83	0	42/1,48	8/0,28

Alle Beispiele 1-6 wurden auf einem Motorprüfstand 100 Stunden lang bei 1720 °F (937,8 °°C) gealtert, was 150.000 Meilen (241.401,6 km) auf der Straße entsprach. Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung der Beispiele 1-6 mit Hilfe von FTP-75- und US-06-Zyklen beurteilt. FTP-75 ist das Federal Test Procedure der US Environmental Protection Agency für den städtischen Fahrzyklus zur Messung der Auspuffemissionen und der Kraftstoffeffizienz von Personenkraftwagen. Es wurde für die Emissionszertifizierung und die Prüfung der Kraftstoffeffizienz von leichten Nutzfahrzeugen in den USA verwendet. Das US-06 ist ein Supplemental Federal Test Procedure (SFTP), das entwickelt wurde, um die Mängel des FTP-75-Testzyklus bei der Darstellung von aggressivem Fahrverhalten mit hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Beschleunigung, schnellen Geschwindigkeitsschwankungen und Fahrverhalten nach dem Anfahren zu beheben.
Die FTP-75-Ergebnisse bei Kaltstart für die Beispiele 1-6 sind in 7 gezeigt. Wie 7 veranschaulicht, lieferten die zonierten TWC mit vorderem reinem Rh-TWC aus Beispiel 1 und den Beispielen 5 und 6 die besten Ergebnisse für die kombinierte NOx- und NMHC-Umwandlung bei der FTP-75-Prüfung. Gleichermaßen zeigt 8, dass das vordere reine Rh-TWC-System aus Beispiel 1 und der doppelte Monolith mit vorderen Rh-TWC aus den Beispielen 5 und 6 bei der Kaltstart-NOx-Umwandlung im Rahmen der FTP-75-Prüfung am besten abschneiden. 9 zeigt ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die US-06-NOx-Umwandlungsprüfung, da die Beispiele 1, 5, 6, die jeweils den vorderen reinen Rh-TWC aufweisen, die besten Ergebnisse erzielten.
Beispiele 7-9

Kommerzielle TWC-Substrate wurden für die Beispiele 7-9 erhalten und anschließend mit Katalysatoren, die PGM-/Washcoat-Bestandteile enthalten, gemäß Tabelle 1 beladen. Tabelle 2 - TWC-Länge und PGM-Beladungen der Beispiele 7-9

Beispiel Nr.	TWC-Länge [in/cm]	Gesamt-PGM [g/ft³/g/dm³]	Pt-Beladung [g/ft³/g/dm³]	Pd-Beladung [g/ft³/g/dm³]	Rh-Beladung [g/ft³/g/dm³]
Einzelner Monolith
7	1/2,54	54/1,91	0	48/1,70	6/0,21

Zwei Monolithen
8 vorderer TWC	0,5/1,27	50/1,77	56/2,00	0	50/1,77	0
8 hinterer TWC	0,5/1,27	6/0,21	56/2,00	0	0	6/0,21
9 vorderer TWC	0,5/1,27	6/0,21	56/2,00	0	0	6/0,21
9 hinterer TWC	0,5/1,27	50/1,77	56/2,00	0	50/1,77	0

Ein 1 Zoll (2,54 cm) langer Kern mit einem Durchmesser von 0,375 Zoll (0,95 cm) wurde vor der Alterung aus Stein Ziegel entnommen. Die Kerne für die Beispiele 7-9 wurden in einem 4-Modus-Alterungszyklus gealtert. Die Alterungstemperatur betrug 900 °C (1652 °F) am Einlass und die Gesamtalterungszeit betrug 25 Stunden. Nach der Alterung wurde von jedem gealterten Katalysatorkern ein Stück in einen Durchflussreaktor im Labormaßstab für Tests der Katalysatoraktivität geladen. Die in den Experimenten verwendeten Reaktanten simulierten Motorabgase, CO, H₂, HC (C₃H₆), NO, CO₂, H₂O und in einem N₂-Träger. Die Beispiele 7-9 wurden dann unter Verwendung von Labor-Lambda-Sweep-Tests bei 450 °C (842 °F) getestet und die Umwandlungen von CO, C₃H₆ und NOx wurden von Lambda 0,998 auf Lambda 1,006 gemessen.
10 zeigt die Ergebnisse der Netto-NOx-Umwandlung für die Beispiele 7-9. Wie aus dem Verlauf in 10 ersichtlich ist, hatte der vordere reine Rh-TWC aus Beispiel 9 die beste prozentuale Netto-NOx-Umwandlung. 11 veranschaulicht die N₂O-Bildung. Der vordere reine Rh-TWC aus Beispiel 9 zeigte eine signifikant geringere prozentuale N₂O-Bildung als die Beispiele 7 und 8.
Beispiele 10 13
Kommerzielle TWC-Substrate wurden für die Beispiele 10-13 erhalten und anschließend auf dieselbe Weise wie die Beispiele 8 und 9 vorbereitet. Insbesondere stellten die Beispiele 10 und 12 den vorderen reinen Pd-TWC mit der gleichen PGM-Beladung in dem vorderen und hinteren TWC wie Beispiel 8 dar. Die Beispiele 11 und 13 stellten die vorderen reinen Rh-TWC mit der gleichen PGM-Beladung in dem vorderen und hinteren TWC wie in Beispiel 9 dar. Nach der Alterung wurden die Beispiele 10 und 11 mit den vorstehend beschriebenen Lambda-Sweep-Tests in Abwesenheit von SO₂ getestet. Die Beispiele 12 und 13 wurden mit den vorstehend beschriebenen Lambda-Sweep-Tests in Gegenwart von 4 ppm SO₂ getestet. Die Testergebnisse für die Beispiele 10-13 sind in den 12 und 13 dargestellt. Wie die 12 und 13 zeigen, waren die Beispiele 11 und 13, die vordere reine Rh-TWC aufwiesen, bei Vorhandensein oder Fehlen von SO₂ gleich gut. Somit hatte das Vorhandensein von SO₂ keinen negativen Einfluss auf die NOx-Leistung der TWC. Im Gegensatz dazu hatte die Anwesenheit von SO₂ einen signifikant negativen Einfluss auf Beispiel 12. Die prozentuale Netto-NOx-Umwandlung für das System mit vorderem reinen Pd-TWC nahm ab, wenn SO₂ vorhanden war.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und nicht einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.

Claims

Katalytischer Konverter für ein Auto, umfassend: einen Dreiwegekatalysator, der Rh als einziges Edelmetall umfasst, das als vordere Zone konfiguriert ist; und einen Dreiwegekatalysator, umfassend ein Gemisch aus Rh und Pd, Pt oder beidem, das als hintere Zone konfiguriert ist, sodass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die vordere Zone gelangt, bevor es durch die hintere Zone gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu reduzieren.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei die Rh-Beladung in der vorderen Zone etwa 4 bis 45 g/ft³ (0,14 bis 1,59 g/dm³) beträgt, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei die Rh-Beladung in der vorderen Zone etwa das 5-Fache der Rh-Beladung in der hinteren Zone beträgt.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei der Konverter ferner eine zusätzliche Zone beinhaltet, die einen Dreiwegekatalysator beinhaltet, der Rh als einziges Edelmetall umfasst, wobei die zusätzliche Zone derart angeordnet ist, dass die hintere Zone zwischen der vorderen Zone und der zusätzlichen Zone eingeschlossen ist.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei ein Längen-Volumen-Verhältnis der vorderen Zone zur hinteren Zone von etwa 100 zu 1, aber nicht 50/50 beträgt.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei die vordere Zone etwa 5 % und die hintere Zone etwa 95 % eines gesamten Konvertervolumens bildet.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei der Konverter ein motornaher Konverter ist.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei der Konverter einen Träger beinhaltet, der eine Porosität von etwa 50-80 % aufweist.
Katalytischer Konverter für ein Auto, umfassend: einen Dreiwegekatalysator, der Rh als das einzige Edelmetall umfasst, das als eine obere Schicht angeordnet ist; einen Dreiwegekatalysator, der ein Gemisch aus Rh, Pd, Pt, Ru oder einer Kombination davon umfasst, das als untere Schicht konfiguriert ist, wobei die obere und die untere Schicht als einzelne Schichten konfiguriert sind, sodass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die obere Schicht gelangt, bevor es durch die untere Schicht gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu reduzieren; und einen Träger, der Aluminiumoxid und CZO beinhaltet, das Ce und Zr und einem Verhältnis von Ce:Zr von etwa 0 bis 100 aufweist.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 9, wobei die Rh-Beladung in der oberen Schicht etwa 4 bis 45 g/ft³ (0,14 bis 1,59 g/dm³) beträgt, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 9, wobei die untere Schicht Rh beinhaltet, wobei die Rh-Beladung in der unteren Schicht etwa 5-mal geringer ist als die Rh-Beladung in der oberen Schicht.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 9, wobei die obere Schicht, die untere Schicht oder beide mindestens eine erste Zone und eine zweite Zone aufweisen, wobei es sich bei den Zonen um einzelne Zonen mit unterschiedlichen PGM-Beladungen handelt.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 12, wobei eine erste Zone der oberen Schicht eine Rh-Beladung von etwa 4 bis 45 g/ft³ (0,14 bis 1,59 g/dm³) aufweist, und zwar basierend auf einer gesamten PGM-Beladung pro Volumen des monolithischen Substrats, und eine zweite Zone der oberen Schicht eine Rh-Beladung aufweist, die etwa fünfmal geringer ist als die der ersten Zone.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 9, wobei die untere Schicht keine anderen Edelmetalle außer Pd beinhaltet.
Katalytischer Konverter für ein Auto, umfassend: einen ersten Dreiwegekatalysator, umfassend ein einzelnes Edelmetall, das auf einem Träger angeordnet ist, als obere Schicht; und einen zweiten Dreiwegekatalysator, umfassend mindestens Rh als Edelmetall, wobei der zweite Dreiwegekatalysator als eine untere Schicht konfiguriert ist, wobei die obere und die untere Schicht derart konfiguriert sind, dass ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine durch die obere Schicht gelangt, bevor es durch die untere Schicht gelangt, um die Schwefelvergiftung des katalytischen Konverters zu reduzieren.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 15, wobei die obere Schicht und die untere Schicht Rh als einziges Edelmetall beinhalten, sodass sich die Rh-Beladung in der oberen Schicht von der Rh-Beladung in der unteren Schicht unterscheidet.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 15, wobei das einzelne Edelmetall Rh ist.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 15, wobei die untere Schicht Rh, Pd, Pt, Ru oder eine Kombination davon umfasst.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 15, wobei der Konverter ferner einen dritten Dreiwegekatalysator beinhaltet, der Rh als einziges Edelmetall umfasst, wobei der dritte Dreiwegekatalysator eine einzelne Schicht bildet, die derart konfiguriert ist, dass der erste und der dritte Dreiwegekatalysator den zweiten Dreiwegekatalysator dazwischen einschließen.
Katalytischer Konverter nach Anspruch 15, wobei ein Längen-Volumen-Verhältnis der oberen Schicht zur unteren Schicht etwa 100 bis 1, jedoch nicht 50/50 beträgt.