專利名稱：降低稀燃碳?xì)浠衔锶剂蟿?dòng)力源的NO_X排放的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)領(lǐng)域總體上涉及對來自于以燃料稀燃燒混合物操作的碳?xì)浠衔锶剂蟿?dòng)力 源(例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī))的排氣的處理。更具體地，本發(fā)明闡述用于降低稀燃碳?xì)浠衔锶?料動(dòng)力源的NOx排放的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、一些汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和許多碳?xì)浠衔锶剂蟿?dòng)力設(shè)備以高于化學(xué)計(jì) 量空氣_燃料質(zhì)量比操作，用于改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性。然而，這種稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)和其它動(dòng)力源產(chǎn)生 具有相對高含量的氧氣和氮氧化物(NOx)的熱排氣。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，來自于升溫發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度通常在200攝氏度至400 攝氏度的范圍內(nèi)，且具有的典型成分按體積計(jì)約17%的氧氣、3%的二氧化碳、0. 的一氧 化碳、180ppm的碳?xì)浠衔铩?35ppm的NOx以及余額的氮?dú)夂退?。這些NOx氣體(通常包括 一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2))由于熱排氣流中的高氧氣(O2)含量而難以還原為氮?dú)?(N2)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，氧化催化劑組件可通過將鉬和NOx存儲(chǔ)材料的涂層涂覆 于基底材料的一部分而形成。用于形成雙區(qū)域氧化催化劑組件的示例性方法可通過將包括鉬或鈀或鉬和鈀的 混合物的涂層涂覆于基底材料的第一部分且將鉬和NOx存儲(chǔ)材料的第二涂層涂覆于基底材 料的第二部分而實(shí)現(xiàn)。一種示例性NOx還原系統(tǒng)包括催化還原反應(yīng)器、顆粒過濾器和催化氧化反應(yīng)器，所 述催化氧化反應(yīng)器包括氧化催化劑組件，在所述氧化催化劑組件中，基底材料的一部分包 括活性催化劑材料和NOx存儲(chǔ)材料。提供一種氧化催化劑組件，包括基底材料；涂層，所述涂層被涂覆于所述基底材料的一部分，所述涂層包括鉬和NOx存儲(chǔ)材 料。根據(jù)上述的氧化催化劑組件，其中，所述NOx存儲(chǔ)材料包括堿土金屬氧化物或堿金
屬氧化物。 根據(jù)上述的氧化催化劑組件，其中，所述堿土金屬氧化物包括氧化鋇。根據(jù)上述的氧化催化劑組件，其中，所述堿金屬氧化物包括氧化鉀。根據(jù)上述的氧化催化劑組件，其中，所述NOx存儲(chǔ)材料包括堿金屬氧化物和堿土金 屬氧化物的混合物。根據(jù)上述的氧化催化劑組件，其中，所述涂層還包括鈀，其中，鈀與鉬的重量比率 不超過大約1 1的比率。
根據(jù)上述的氧化催化劑組件，還包括第二涂層，所述第二涂層被涂覆于所述基底的另一部分，所述第二涂層包括鉬或 鈀中的至少一種。還提供一種催化氧化反應(yīng)器，包括根據(jù)上述的氧化催化劑組件。還提供一種排氣系統(tǒng)，包括根據(jù)上述的催化氧化反應(yīng)器。還提供一種用于形成氧化催化劑組件的方法，包括提供基底材料；涂覆第一涂層于所述基底材料的第一部分，所述第一涂層包括鉬或鈀或鉬和鈀的 混合物；涂覆第二涂層于所述基底材料的第二部分，所述第二涂層包括鉬和NOx存儲(chǔ)材料。根據(jù)上述的方法，其中，涂覆第二涂層包括制備漿料，所述漿料包括活性催化劑材料、NOx存儲(chǔ)材料和粘結(jié)劑材料；將所述漿料涂覆于所述基底上至期望負(fù)載；干燥所述漿料；以及焙燒所述干燥的漿料。根據(jù)上述的方法，其中，所述NOx存儲(chǔ)材料是堿金屬氧化物前體或堿土金屬前體或 者其混合物的形式。還提供一種NOx還原系統(tǒng)，包括催化還原反應(yīng)器；顆粒過濾器；和催化氧化反應(yīng)器，所述催化氧化反應(yīng)器包括氧化催化劑組件，所述氧化催化劑組 件包括基底材料，其中，所述基底材料的一部分用活性催化劑材料和NOx存儲(chǔ)材料涂覆。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，其中，所述NOx存儲(chǔ)材料包括堿土金屬氧化物或堿金屬 氧化物或其混合物。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，其中，所述堿土金屬氧化物包括氧化鋇。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，其中，所述堿金屬氧化物包括氧化鉀。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，其中，所述活性催化劑材料包括鉬。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，其中，所述活性催化劑材料還包括鈀，在所述活性催化 劑材料中，鈀與鉬的重量比率不超過大約1 1的比率。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，還包括涂層，所述涂層被涂覆于所述基底的另一部分，所述涂層包括第二活性催化劑材 料，所述第二活性催化劑材料包括鈀或鉬中的至少一種。根據(jù)上述的NOx還原系統(tǒng)，其中，所述催化還原反應(yīng)器包括選擇性催化還原催化 劑。本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例從下文提供的詳細(xì)說明顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解的是，所 述詳細(xì)說明和具體示例雖然公開了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是僅僅旨在用于說明目的而 不旨在限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)說明和附圖將更充分地理解本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在附圖中圖1是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于稀燃碳?xì)浠衔锶剂显O(shè)備的排氣系統(tǒng)的示意性 流程圖；和圖2是根據(jù)示例性實(shí)施例的催化氧化反應(yīng)器的示意性透視圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例的以下說明本質(zhì)上僅僅是示例性的(說明性的)，且絕不旨在限制本發(fā)明、 其應(yīng)用或使用。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的用于碳?xì)浠衔锶紵l(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)10的流程圖在 圖1中示出。來自于以遠(yuǎn)高于化學(xué)計(jì)量比的空氣-燃料質(zhì)量比操作的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管的 排氣流12要被處理以將N0X(主要是NO和NO2的混合物，帶有一些N2O)內(nèi)容物還原為氮?dú)?(N2)和水(H2O)。當(dāng)排氣流12來自于以例如大于17的空氣-燃料比(即，A/F > 17)操作 的汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，排氣包含一些未燃燒的碳?xì)浠衔?HC)、N0x、一氧化碳(CO)、二氧化 碳(CO2)、水(H2O)和氮?dú)?N2)。來自于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流12包含相同的氣態(tài)成分加上 懸置的柴油顆粒(包括沉積在碳顆粒上的高分子重量碳?xì)浠衔?。這種含有碳?xì)浠衔锏呐艢饬?2可以首先經(jīng)過催化氧化反應(yīng)器14，所述催化氧 化反應(yīng)器14主要完成將一氧化碳氧化為二氧化碳以及將碳?xì)浠衔镅趸癁槎趸己?水。對于這些反應(yīng)，排氣流12中通常存在富余的氧氣。在示例性實(shí)施例中，催化氧化反應(yīng)器14可為具有氧化催化劑組件的催化氧化反 應(yīng)器14。在圖1和2示意性示出的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，氧化催化劑組件是雙區(qū)域型氧 化催化劑組件15。如圖2最佳地示意性示出，氧化催化劑組件15可包括常規(guī)陶瓷基底材料50，例如 堇青石。第一涂層52可被涂覆于基底材料50的前側(cè)16 (大約5 150g/ft3)，且可包括鉬、 鈀、和其它載體材料。在一組示例性實(shí)施例中，在第一涂層52中鉬與鈀的比率可在約100% 的鉬和約100%的鈀之間變化。此外，且也如圖2所示，第二涂層54可涂覆于基底材料50的后側(cè)18(大約5 150g/ft3)，且可包括鉬、鈀、儲(chǔ)材料24、和其它載體材料。在一組示例性實(shí)施例中，在 第二涂層54中鉬與鈀的比率可在約100%的鉬至約50%的鈀和50%的鉬之間變化。堿族金屬(即，在元素周期表上的IA族金屬)氧化物或堿土族金屬(即，在元素 周期表上的IIA族金屬)氧化物、或者堿族金屬氧化物和堿土族金屬氧化物的混合物，可作 為NOx存儲(chǔ)材料24添加到被涂覆于基底材料50的后側(cè)18的涂層54配方中。在一種示例性配方中，可作為NOx存儲(chǔ)材料24添加到被涂覆于基底材料50的后 側(cè)18的涂層54配方中的堿土族金屬可為氧化鋇。替代地，在另一種示例性配方中，可作為 NOx存儲(chǔ)材料24添加到被涂覆于基底材料50的后側(cè)18的涂層54配方中的堿族金屬可為 氧化鉀。在又一種示例性配方中，氧化鋇和氧化鉀的混合物可被添加到涂層54配方中。在用于形成第二涂層54的示例性方法中，漿料可通過將氧化鋁、以一種或多種貴 金屬族前體(包括鉬和/或鈀前體)形式的活性催化劑材料、NOx存儲(chǔ)材料24 (堿族金屬氧 化物前體和/或堿土族金屬氧化物前體)、粘結(jié)劑材料和水或其它溶劑混合而制備。前體可
5包括以其原始形式的元素或化合物及其任何鹽。例如，鉬前體可包括元素鉬以及硝酸鉬或 氯化鉬。氧化鋁可用于為貴金屬族前體提供大的表面面積，且也可用作粘結(jié)劑(尤其是以 水軟鋁石(bohemite)形式)。漿料然后以多種常規(guī)方法(例如，浸漬、澆灌和真空抽吸)中的任一種來涂覆于基 底50的后部18至期望負(fù)載。負(fù)載可通過在涂覆漿料之前和之后將基底50稱重來確定。該 重量因而決定涂覆于基底50的漿料的每種成分的計(jì)算重量百分比。涂覆基底在升高溫度 下干燥和焙燒。在替代示例性方法中，貴金屬族前體和堿金屬(或堿土金屬)氧化物前體可以獨(dú) 立漿料的形式形成且分步涂覆于基底50。在又一種示例性方法中，貴金屬族前體可涂覆于氧化鋁，然后被干燥和焙燒。已干 燥和焙燒的材料然后被添加到包含堿金屬氧化物(或堿土金屬氧化物)前體和粘結(jié)劑材料 的漿料中，且被涂覆于基底50并被干燥?；氐綀D1的排氣系統(tǒng)10，因而，排氣流12首先經(jīng)過組件15的含有鉬和/或鈀的 前側(cè)16 (其將碳?xì)浠衔锖鸵谎趸佳趸癁槎趸?，隨后經(jīng)過組件15的富含鉬的后側(cè) 18 (其將NO氧化為NO2)。此外，后側(cè)18上的儲(chǔ)材料24可在冷啟動(dòng)時(shí)段(S卩，在系統(tǒng) 10的NOx還原部件可基本上在其最大容量附近工作之前的時(shí)間段)期間可存儲(chǔ)N02。排氣流12然后可進(jìn)入主要用以將Ν0、Ν20和NO2 ( S卩，NOx)基本上還原為N2和水的 催化還原反應(yīng)器30。催化還原反應(yīng)器30可包括選擇性催化還原(SCR)催化劑32。最后，含有N2和水的排氣流12進(jìn)入顆粒過濾器40，顆粒過濾器40可在排氣流12 被排出到大氣之前去除任何剩余的顆粒物質(zhì)。在替代示例性實(shí)施例中，顆粒過濾器40可聯(lián) 接到在催化還原反應(yīng)器30上游的位置處的排氣流12中，且仍然以大致相同的方式運(yùn)行。此 外，在其它示例性實(shí)施例中，具有SCR催化劑的催化還原反應(yīng)器和顆粒過濾器可組合成單 個(gè)單元，或者稱為2效(2-way)催化還原反應(yīng)器/顆粒過濾器(2效SCR/PF)，且仍落入本 發(fā)明的精神內(nèi)?？梢允褂玫囊环N示例性SCR/PF在2008年10月21日提交的美國專利申請 No. 12/255, 069中描述，且該專利申請作為參考引入本文。在排氣流12離開催化氧化反應(yīng)器14之后，氨(NH3)或尿素也可以被添加到排氣流 12中。氨可以合適的形式(例如，液體氨或尿素)存儲(chǔ)在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)車輛上或者在固定發(fā) 動(dòng)機(jī)附近(在本文一起稱為氨注射器裝置20)且作為流22添加到排氣流12中。氨或尿素 參與將NO和NO2還原為N2。對于包括SCR催化劑32的系統(tǒng)，如圖1所示，氨流22可在催 化還原反應(yīng)器30和顆粒過濾器40的上游引入。在被使用時(shí)，SCR催化劑32可由涂層形成，所述涂層包括賤金屬(base metal)作 為活性材料，所述活性材料包含在聯(lián)接到常規(guī)基底材料(例如堇青石)的沸石材料和其它 載體材料中。賤金屬有助于將NO轉(zhuǎn)化為NO2且隨后將NO2轉(zhuǎn)化為N2和水，N2和水通過尾管 (未示出)作為排放物排出。在示例性實(shí)施例中可以使用的賤金屬的示例包括但不限于聯(lián)接在沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)的 銅和鐵。一種示例性SCR催化劑包括含有大約2. 5%重量的銅的Cu/ZSM-5催化劑顆粒。包括SCR催化劑32的排氣系統(tǒng)10的最大還原性能通常在排氣流12中的大致等摩 爾比率(1 1的比率)的NO和NO2下實(shí)現(xiàn)，尤其是在較低溫度(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或暖 機(jī)狀況)時(shí)，在較低溫度下，SCR催化劑32不以其最大效率將NOx轉(zhuǎn)化為N2。此外，在1 1的比率下，可以最小化高空間速度和SCR催化劑32老化的有害效果。在另一個(gè)替代實(shí)施例中，NOx傳感器25可聯(lián)接到氨注射器裝置20，且在催化氧化 反應(yīng)器14下游的排氣流12內(nèi)引入，所述NOx傳感器25引導(dǎo)來自于注射器裝置20的氨流 22的引入和量。因而，氨注射器裝置20基于NOx傳感器25讀數(shù)而僅僅以足以實(shí)現(xiàn)氨與NOx 的期望比率的量來引導(dǎo)氨或尿素引入排氣流。雖然圖1中的NOx傳感器25示出為位于催 化還原反應(yīng)器30的上游，但是在其它替代示例性實(shí)施例中，可以位于催化還原反應(yīng)器30和 顆粒過濾器40的下游。在又一個(gè)替代示例性實(shí)施例中，溫度傳感器27可聯(lián)接到SCR催化劑32和氨注射 器裝置20。因而，氨注射器裝置20僅僅在溫度傳感器27指示SCR催化劑32的溫度高于 預(yù)定溫度閾值時(shí)引導(dǎo)氨或尿素引入排氣流12。該溫度閾值是這樣的溫度低于該溫度時(shí)， SCR催化劑32可能不會(huì)在其最大效率下工作以將NO、N2O和NO2 (即，NOx)基本上還原為N2 和水。在冷啟動(dòng)狀況期間，SCR催化劑32通常低于閾值溫度。在又一個(gè)示例性實(shí)施例中，NOx傳感器25和溫度傳感器27兩者都可以被使用。因 而，氨注射器裝置20將僅僅在SCR催化劑32的溫度高于預(yù)定閾值溫度時(shí)且進(jìn)一步基于NOx 傳感器25讀數(shù)以氨和NOxW 1 1摩爾正比例來將氨或尿素注射到排氣流12中。NOx存儲(chǔ)材料24可用于在冷啟動(dòng)期間存儲(chǔ)N02。在正常操作溫度下的正常SCR催 化劑操作期間，所存儲(chǔ)的NO2可從NOx存儲(chǔ)材料24去除，且可在周期性過濾器再生期間以其 它方式去除。因而，排氣系統(tǒng)10可在冷啟動(dòng)時(shí)段期間以減少的燃料消耗和碳?xì)浠衔锱欧?提供改進(jìn)的NOx還原性能。本發(fā)明的實(shí)施例的上述說明本質(zhì)上僅僅是示例性的，因而，其變型不認(rèn)為是偏離 本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種氧化催化劑組件，包括基底材料；涂層，所述涂層被涂覆于所述基底材料的一部分，所述涂層包括鉑和NOX存儲(chǔ)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化催化劑組件，其中，所述NOx存儲(chǔ)材料包括堿土金屬氧化 物或堿金屬氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化催化劑組件，其中，所述堿土金屬氧化物包括氧化鋇。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化催化劑組件，其中，所述堿金屬氧化物包括氧化鉀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化催化劑組件，其中，所述NOx存儲(chǔ)材料包括堿金屬氧化物 和堿土金屬氧化物的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化催化劑組件，其中，所述涂層還包括鈀，其中，鈀與鉬的 重量比率不超過大約11的比率。
7.一種催化氧化反應(yīng)器，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化催化劑組件。
8.一種排氣系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的催化氧化反應(yīng)器。
9.一種用于形成氧化催化劑組件的方法，包括 提供基底材料；涂覆第一涂層于所述基底材料的第一部分，所述第一涂層包括鉬或鈀或鉬和鈀的混合物；涂覆第二涂層于所述基底材料的第二部分，所述第二涂層包括鉬和NOx存儲(chǔ)材料。
10.一種NOx還原系統(tǒng)，包括 催化還原反應(yīng)器；顆粒過濾器；和催化氧化反應(yīng)器，所述催化氧化反應(yīng)器包括氧化催化劑組件，所述氧化催化劑組件包 括基底材料，其中，所述基底材料的一部分用活性催化劑材料和NOx存儲(chǔ)材料涂覆。
全文摘要
本發(fā)明涉及降低稀燃碳?xì)浠衔锶剂蟿?dòng)力源的NOX排放的方法和設(shè)備。一個(gè)實(shí)施例包括氧化催化劑組件，所述氧化催化劑組件通過將鉑和NOX存儲(chǔ)材料的涂層涂覆于基底材料的一部分而形成。
文檔編號B01D53/94GK101912730SQ20101012399
公開日2010年12月15日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者D·B·布朗, J·H·李, M·J·小帕拉托爾, Y·何 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司