АВТОМОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2017 года по МПК B01D53/94 F01N3/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе дополнительной каталитической обработки, в частности, применяемой в автомобилях, например для дизельного двигателя. Более конкретно, изобретение относится к системе дополнительной каталитической обработки, включающей дизельный катализатор окисления (diesel oxidation catalyst - DOC) и регенерируемое устройство дополнительной обработки, расположенное ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC). Кроме того, изобретение относится к способу поддержания активности дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки устройства дополнительной обработки и к способу предотвращения ослабления активности дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки.

Уровень техники

Ответом на постоянно ужесточающиеся законодательные ограничения выбросов транспортных средств является сочетание технических решений, включая сложное управление двигателем, и разнообразных устройств дополнительной каталитической обработки.

В случае выхлопных газов двигателей с воспламенением от сжатия (далее именуемых «дизельные»), регулированию подлежат выбросы монооксида водорода (СО), углеводородов (НС), оксидов азота (NO_x) и твердых частиц. Частицы, хотя их часто называют «сажей», представляют собой твердую фазу сложного состава, в которой частицы углерода составляют основную часть. Когда-то выбросы твердых частиц рассматривали как параметр «дымности» газов, выбрасываемых дизельными двигателями, в частности, при работе в режиме с большой нагрузкой, например, при подъеме на возвышенности. Частицы углерода также несут на себе различные количества абсорбированных или адсорбированных углеводородов и побочные продукты окисления.

Дизельный катализатор окисления (DOC) был первым устройством каталитической дополнительной обработки, устанавливаемым на транспортных средствах с дизельным двигателем с небольшим рабочим объемом. DOC включает катализатор, почти исключительно основанный на металле платиновой группы (platinum group metal - PGM), в частности, платине, необязательно, в сочетании с другим PGM и/или каталитически активным основным металлом, осажденными на проточный носитель катализатора с большой удельной площадью поверхности. Массив носителя катализатора в разговорной речи называют «блок». DOC эффективен в отношении окисления СО и НС и уменьшения веса твердых частиц; в течение некоторого времени DOC адекватно обеспечивал удовлетворение требований в отношении выбросов для дизельных двигателей небольшого рабочего объема.

Когда были введены более жесткие ограничения на выбросы дизельных двигателей, появилась необходимость заняться твердыми частицами. Вообще, в дизельных двигателях образуется меньше NO_x, чем в двигателях с принудительным зажиганием или бензиновых двигателях, и дизельные двигатели можно сконструировать так, чтобы уменьшить образование твердых частиц, хотя и за счет увеличения образования NO_x или наоборот. При нормативах, уже действующих в Европе и вводимых в США, современный технический уровень в области дизельных двигателей представляет собой сочетание DOC и сажевого фильтра, также может быть включена система снижения выбросов NO_x. Сажевый фильтр часто, но не всегда, представляет собой катализируемый сажевый фильтр (catalyzed soot filter - CSF), и хотя детали могут отличаться, как правило, он включает керамический фильтр пристеночного течения или, реже, металлокерамический фильтр. На катализируемый фильтр наносят катализатор окисления сажи, такой как сочетание PGM или щелочного или щелочноземельного металла.

Такие фильтры отвечают требованиям по ограничению выбросов твердых частиц. Хотя во время нормальных ездовых циклов, включающих высокоскоростной отрезок, такие фильтры не страдают от накопления сажи, в реальных сценариях, например, в городах, могут иметь место длительные периоды езды на малой скорости и/или длительные периоды холостой работы, когда сажа может накапливаться на фильтре, но температуры выхлопного газа недостаточно для каталитического окисления этой сажи. Блокирование передней поверхности фильтра или накопление сажи в каналах внутри фильтра может быть настолько сильно, что может вызывать увеличение обратного давления до степени, когда снижается эффективность работы двигателя, или, в предельном случае, выходит из строя сам двигатель. Следовательно, необходимо проводить регенерацию фильтра в какой-либо форме с целью его очистки.

Пассивная регенерация включает эксплуатацию транспортного средства на высокой скорости, достаточной для того, чтобы выхлопные газы достигли температуры, при которой накопившаяся сажа окисляется.

Альтернативная активная регенерация описана, например, в GB 2406803А. В DOC подают топливо в форме дополнительного количества НС, где оно сгорает и вызывает повышение температуры выхлопных газов до величины, при которой начинается каталитическое сжигание накопившейся сажи на каталитическом сажевом фильтре. В GB 2406803А (Johnson Matthey), относящемся к активной регенерации, описан DOC, содержащий Pt компонент в верхнем по потоку газа конце блока и Pd компонент в нижнем конце блока. В единственном дополнительном описании размеров утверждается: «По существу, не содержащая Pd зона, содержащая Pt, может занимать до половины длины монолитной подложки или иметь полосчатую структуру». Следует отметить, что причиной введения различающихся композиций является сульфатирование, происходящее под действием серы, содержащейся в дизельных топливах. Хотя современные дизельные топлива в европейских странах характеризуются низким или очень низким содержанием серы, все еще остается проблема, связанная с более высоким содержанием серы, имеющаяся во многих других странах.

В WO 00/29726 (Engelhard), в одном из вариантов осуществления, описан проточный катализатор или DOC (ошибочно описываемый в некоторых местах как второй катализатор), находящийся по потоку до катализируемого сажевого фильтра. Этот DOC имеет однородный состав, однако CSF может включать конец, обогащенный Pt, длиной 4 дюйма (10,16 см). В ходе некоторых испытаний DOC подвергнут испытаниям вместе с CSF, а в некоторых экспериментах CSF использован один. В некоторых экспериментах с CSF обогащенный Pt конец находится выше по потоку, в некоторых экспериментах - ниже. В этом более раннем описании CSF не предусматривается активной регенерации CSF.

В WO 2009/005910 (Cummins) описано устройство дополнительной обработки выхлопных газов, в котором передняя поверхность блока имеет физическую форму или химическое покрытие, эффективные с точки зрения предотвращения засорения или блокировки или закупоривания передней поверхности блока, открытой потоку содержащего твердые частицы выхлопного газа дизельного двигателя. Когда используют химическое покрытие, четко указано, что оно предназначено для нанесения на переднюю поверхность блока и не простирается внутрь каналов потока в блоке.

В WO 2007/077462 (Johnson Matthey) описан трехзонный DOC, предусматривающий усовершенствование параметров DOC с однородным составом или DOC с одной зоной с повышенным заполнением Pt на верхнем по потоку конце блока. Не описано активной регенерации системы, следовательно, отсутствует периодическое обогащение выхлопного газа. Хотя изобретение направлено на решение проблемы «затухания», эта проблема возникает на более холодных отрезках Нового европейского приводного цикла. Авторами WO 2007/077462 обнаружено, что однородное заполнение PGM на DOC, или DOC с относительно большим заполнением в передней части проявляет тенденцию к затуханию. Решение, защищаемое в WO 2007/077462, заключается во введении третьей зоны с большим заполнением в нижнем по потоку конце DOC. Проблема, на решение которой это направлено, отличается от решаемой настоящим изобретением.

Сущность изобретения

Авторами изобретения обнаружено, что активная регенерация фильтра в системе, сочетающей DOC/фильтр, все еще существенно зависит от температуры выхлопного газа на входе DOC. Это наблюдение особенно справедливо, когда DOC уже состарился. То есть, даже когда DOC «активирован», если температура выхлопного газа равна, примерно, 250°С, активация DOC все же может сойти на нет в ходе операции активной регенерации. Это неожиданный результат, если учитывать, что на DOC подается избыток НС топлива с целью увеличения температуры выхлопного газа для активации катализатора сажевого фильтра, и можно было бы ожидать, что сам DOC останется работоспособным с точки зрения его активации. То, что это может наблюдаться при температуре выхлопного газа 250°С, обычной для выхлопов дизельных двигателей, является источником проблем в области контроля подлежащих ограничению выбросов.

Значение термина «активация» в области каталитической дополнительной обработки выхлопных газов транспортных средств хорошо известно. Если не указано иное, катализатор считается активированным при той температуре, при которой 50% (например, 50% вес.) некоторого компонента подвергается каталитическому превращению.

Другие устройства, расположенные в выхлопной системе, также могут нуждаться в периодической регенерации или иной тепловой обработке. Например, катализаторные блоки селективного каталитического восстановления (selective catalytic reduction - SCR), например, катализаторные блоки на основе меди, могут нуждаться в десульфатировании, и это может быть без труда осуществлено посредством тепловой обработки. Следовательно, создание экзотермического эффекта путем подачи дополнительного количества топлива в выхлопную систему или в выхлопной газ пригодно для регенерации целого ряда устройств дополнительной обработки выхлопного газа.

Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение систем и способов повышения эффективности DOC в системе активной регенерации. Важной частью настоящего изобретения является обеспечение DOC с более активной первой зоной, чем, например, остальная часть DOC.

Следовательно, изобретением обеспечивается система каталитической дополнительной обработки для выхлопного газа дизельного двигателя, при этом, данная система включает дизельный катализатор окисления (DOC) и устройство дополнительной обработки, расположенное ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), при этом, данное устройство дополнительной обработки нуждается в периодической тепловой обработке, и средство повышения температуры в данном устройстве дополнительной обработки, при этом, в указанном дизельном катализаторе окисления (DOC) имеется зона, расположенная выше по потоку, длиной от 0,5 до 2 дюймов (12,7-50,81 мм) с более высокой окислительной активностью в отношении углеводородов (НС), чем остальной дизельный катализатор окисления (DOC).

Неожиданно, принимая во внимание WO 2007/077462, оказалось, что дизельный катализатор окисления именно с такими размерами зоны, расположенной выше по потоку не проявляет тенденции к «затуханию» в представляющей интерес области, напротив, остается в активированном состоянии в отличие от DOC однородного состава или с более узкой «полоской» с повышенной активностью, даже при сохранении того же общего заполнения PGM. Далее результаты экспериментов, иллюстрирующие неожиданные эффекты настоящего изобретения, описаны более подробно.

В данной области известны традиционные устройства дополнительной обработки, такие как регенерируемые устройства, основанные на проточных металлических или керамических носителях для катализаторов выхлопного газа и фильтров выхлопного газа, и настоящее изобретение будет описано со ссылкой на такие устройства. Однако, настоящее изобретение не следует рассматривать, как ограниченное такими устройствами, в объем настоящего изобретения также включается использование более необычных проточных носителей катализатора или конструкций фильтра.

Изобретением также обеспечивается способ поддержания активности дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC) в системе дополнительной обработки выхлопного газа дизельного двигателя при температуре выхлопного газа от 200 до 375°С путем пропускания выхлопного газа через дизельный катализатор окисления (DOC), в котором имеется зона, расположенная выше по потоку, длиной от 0,5 до 2 дюймов (от 12,7 до 50,81 мм) с более высокой окислительной активностью в отношении углеводородов (НС), чем у остальной части дизельного катализатора окисления (DOC).

Кроме того, изобретением обеспечивается способ предотвращения затухания активности дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки, проводимой в отношении устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), при температуре выхлопного газа от 200 до 375°С, путем пропускания выхлопного газа, обогащенного углеводородами (НС), через дизельный катализатор окисления (DOC), в котором имеется зона, расположенная выше по потоку, длиной от 0,5 до 2 дюймов (от 12,7 до 50,81 мм) с более высокой окислительной активностью в отношении углеводородов (НС), чем у остальной части дизельного катализатора окисления (DOC).

В другом аспекте настоящее изобретение относится к транспортному средству с дизельным двигателем и системой каталитической дополнительной обработки настоящего изобретения.

Кроме того, изобретение относится к использованию некоторой зоны в дизельном катализаторе окисления (DOC) для (а) поддержания активности дизельного катализатора окисления (DOC) и/или (b) исключения затухания активности дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки, проводимой в отношении устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), обычно, при температуре выхлопного газа от 200 до 375°С, путем пропускания выхлопного газа, обогащенного углеводородами (НС), через дизельный катализатор окисления (DOC), в котором имеется зона, расположенная выше по потоку, длиной от 0,5 до 2 дюймов (от 12,7 до 50,81 мм) с более высокой окислительной активностью в отношении углеводородов (НС), чем у остальной части дизельного катализатора окисления (DOC). Вообще, эта зона является верхней (т.е. находится в зоне, расположенной выше по потоку конце) дизельного катализатора окисления.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к использованию дизельного катализатора окисления (DOC) для регенерации устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), обычно, в системе каталитической дополнительной обработки выхлопного газа дизельного двигателя, при этом, в данном дизельном катализаторе окисления (DOC) имеется зона, расположенная выше по потоку, длиной от 0,5 до 2 дюймов (от 12,7 до 50,81 мм) с более высокой окислительной активностью в отношении углеводородов (НС), чем у остальной части дизельного катализатора окисления (DOC). Вообще, устройство дополнительной обработки нуждается в периодической тепловой обработке. В общем смысле, изобретение также относится к использованию дизельного катализатора окисления (DOC) для регенерации устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), в сочетании со средством повышения температуры в устройстве дополнительной обработки.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания изобретения делается ссылка на нижеследующие примеры, предназначенные только для пояснения, и на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 представляет собой график, на котором показана температура в трех зонах обычного дизельного катализатора окисления (DOC 1), когда через него пропускают выхлопной газ. DOC 1 имеет равномерное заполнение PGM.

Фиг. 2 представляет собой график, на котором показана температура в трех зонах внутри дизельного катализатора окисления, в котором имеется «полоска» шириной 10 мм с более высокой концентрацией PGM (DOC 2), когда через него пропускают выхлопной газ.

Фиг. 3 представляет собой график, на котором показана температура в трех зонах внутри дизельного катализатора окисления, соответствующего настоящему изобретению (DOC 3), когда через него пропускают выхлопной газ.

Подробное описание изобретения

Вообще, какая-либо ссылка на выхлопной газ в настоящем документе относится к выхлопному газу дизельного двигателя.

Как правило, температура выхлопного газа, пропускаемого через дизельный катализатор окисления (DOC), составляет от 200 до 375°С. Таким образом, аспекты настоящего изобретения, относящиеся к использованию или способу, могут включать стадию приведения выхлопного газа с температурой от 200 до 375°С в контакт с дизельным катализатором окисления (DOC) или пропускание выхлопного газа с температурой от 200 до 375°С через или сквозь дизельный катализатор окисления (DOC).

Настоящее изобретение относится к дизельному катализатору окисления (DOC), в котором имеется зона, расположенная выше по потоку, с более высокой окислительной активностью в отношении углеводородов (НС), чем у остальной части (например, в нижних по потоку зонах) DOC. Зона с более высокой реакционной способностью в отношении углеводородов может создавать экзотермический эффект (т.е. выделять тепло), когда температура выхлопного газа ниже температуры «активации» остальной части DOC. Выделенное тепло, например, может переноситься выхлопным газом через массив носителя, или блок, и повышать температуру остальной части DOC до температуры его «активации». Это тепло также может поддерживать температуру «активации» DOC, когда температура выхлопного газа снижается (например, когда двигатель работает в режиме малого газа). Окислительная активность зоны, расположенной выше по потоку и остальной части DOC в отношении окисления углеводородов (НС) может быть измерена при помощи любого традиционного способа, известного в данной области.

Окислительную активность зоны, расположенной выше по потоку и остальной части или нижних по потоку зон DOC в отношении окисления углеводородов (НС), предпочтительно, измеряют как Т₅₀ углеводородов. Так, Т₅₀ углеводородов зоны, расположенной выше по потоку меньше, чем Т₅₀ углеводородов остальной части или нижних по потоку зон DOC. Величина Т₅₀ хорошо известна в данной области и представляет собой наименьшую температуру, при которой превращению подвергается 50% некоторого компонента, в данном случае - углеводородов. Обычно, Т₅₀ относится к 50% превращению углеводородов в выхлопном газе дизельного двигателя, такого как дизельный двигатель, работающий на дизельном топливе (например, В7) в соответствии со стандартом EN590:1993, предпочтительно, на дизельном топливе, соответствующем EN590:1999, более предпочтительно, на дизельном топливе, соответствующем EN590:2004 или EN590:2009.

Длина зоны, расположенной выше по потоку составляет от 0,5 до 2 дюймов (от 12,7 до 50,81 мм). Является предпочтительным, чтобы длина зоны, расположенной выше по потоку составляла от 0,5 до 1,75 дюймов, например, от 0,5 до 1,5 дюймов или от 0,6 до 1,75 дюймов, более предпочтительно, от 0,75 до 1,25 дюймов. Обычно, длина зоны, расположенной выше по потоку равна, приблизительно, 1 дюйм (2,54 см). Ссылка на длину в контексте зоны, расположенной выше по потоку в настоящем документе относится к ее средней длине. Как хорошо известно в данной области, точная длина зоны может немного отличаться в зависимости от способа, используемого для ее изготовления. В нормальных условиях, длина не отклоняется более, чем на 10%, от средней величины, предпочтительно, не более, чем на 5%, более предпочтительно, не более, чем на 1%, от средней величины длины. Чтобы исключить сомнения, длина зоны, расположенной выше по потоку вообще, измеряется параллельно продольной оси DOC от его входного конца.

Обычно, DOC может иметь диаметр от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм), например, от 4 до 15 дюймов (101,6-381 мм), предпочтительно, от 5 до 12,5 дюймов (127-317,5 мм), например, от 6 до 10 дюймов (152,4-254 мм).

Длина DOC (в целом), обычно, составляет от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм), например, от 3 до 12,5 дюймов (76,2-317,5 мм), предпочтительно, от 4 до 11 дюймов (101,6-279,4 мм) (например, от 5 до 10 дюймов).

Вообще, размеры DOC являются обычными. Например, DOC может иметь диаметр от 4 до 15 дюймов (101,6-381 мм) и длину от 2,5 до 10 дюймов (63,5-254 мм). Любая ссылка на длину или диаметр в контексте DOC в настоящем документе относится к средней длине или среднему диаметру. В нормальных условиях, длина или диаметр не отклоняются более, чем на 10%, от средней величины, предпочтительно, не более, чем на 5%, более предпочтительно, не более, чем на 1%, от средней величины длины или диаметра, соответственно.

Хотя природа (т.е. длина и/или окислительная активность) зоны, расположенной выше по потоку и важна, оставшаяся часть или нижние по потоку зоны DOC могут иметь различный состав. Так, например, остальная часть DOC может иметь неоднородный состав (например, остальная часть DOC может включать множество зон и/или слоев, например, две или три зоны или слоя). Однако, из-за нехватки PGM и вытекающей из этого их высокой цены, является предпочтительным сводить к минимуму общее количество PGM в DOC. Настоящее изобретение может обеспечить улучшенное функционирование DOC без увеличения общего заполнения PGM, а в определенных обстоятельствах может оказаться возможным использование уменьшенного общего заполнения PGM в DOC.

Вообще, DOC включает каталитическую композицию, нанесенную на массив носителя (например, блок). Каталитическая композиция, обычно, включает, по меньшей мере, один PGM, предпочтительно, по меньшей мере, два PGM.

Является предпочтительным, чтобы каталитическая композиция включала, по меньшей мере, один, более предпочтительно, по меньшей мере, два различных PGM, подобранных из группы, состоящей из платины, палладия, родия и смеси или сплава двух или нескольких из них. Более предпочтительно, каталитическая композиция включает платину и палладий.

Обычно, DOC содержит PGM общим количеством (например, общее количество платины (Pt) и палладия (Pd)) от 15 до 400 г/фут³ (530-14132 г/м³). Предпочтительно, общее количество PGM составляет от 20 до 300 г/фут³ (707-10599 г/м³), более предпочтительно, от 25 до 250 г/фут³ (883-8830 г/м³), еще более предпочтительно, от 35 до 200 г/фут³ (1237-7066 г/м³) и еще более предпочтительно, от 50 до 175 г/фут³ (1766-6183 г/м³).

Когда DOC содержит платину и палладий, весовое отношение Pt к Pd (и в зоне, расположенной выше по потоку, и в оставшейся части дизельного катализатора окисления (DOC)), обычно, составляет от 1:3 до 5:1, предпочтительно, от 1:2 до 3:1, более предпочтительно, от 1:1,5 до 2:1 (например, от 1:1,5 до 1,5:1).

Обычно, концентрация PGM в зоне, расположенной выше по потоку составляет от 10 до 150 г/фут³ (353-5299 г/м³). Предпочтительно, концентрация PGM в зоне, расположенной выше по потоку составляет от 15 до 135 г/фут³ (530-4770 г/м³), более предпочтительно, от 20 до 125 г/фут³ (707-4416 г/м³), например, от 25 до 100 г/фут³ (883-3533 г/м³).

В общем варианте осуществления изобретения зона, расположенная выше по потоку содержит платину (Pt) и палладий (Pd). Так, зона, расположенная выше по потоку может содержать композицию верхнего по потоку катализатора, каковая композиция верхнего по потоку катализатора включает PGM, состоящий из платины (Pt) и палладия (Pd). В этом варианте осуществления изобретения платина и палладий могут быть единственными PGM в верхней зоне, расположенной выше по потоку DOC.

Обычно, концентрация платины (Pt) в зоне, расположенной выше по потоку больше, чем концентрация платины (Pt) в оставшейся части или нижних по потоку зонах DOC. Более предпочтительно, концентрация палладия (Pd) в зоне, расположенной выше по потоку меньше, чем концентрация палладия (Pd) в оставшейся части или нижних по потоку зонах DOC.

Когда зона, расположенная выше по потоку содержит платину (Pt) и палладий (Pd), то типичное весовое отношение платины (Pt) к палладию (Pd) составляет ≥1:1. Является предпочтительным, чтобы весовое отношение платины (Pt) к палладию (Pd) составляло ≥1,1:1, более предпочтительно, ≥1,25:1, в частности, ≥1,5:1, например, ≥1,75:1 (как то ≥2:1), еще более предпочтительно, ≥2,5:1 (например, ≥5:1). Так, зона, расположенная выше по потоку DOC содержит платину (Pt) и палладий (Pd) в весовом отношении от 10:1 до 1:1 (например, от 2:1 до 1,1:1 или от 7,5:1 до 5:1), более предпочтительно, от 8:1 до 1,25:1 (например, от 7:1 до 1,5:1), еще более предпочтительно, от 6:1 до 2,5:1.

При необходимости, каталитическая композиция может дополнительно содержать адсорбент углеводородов (например, цеолит) и/или один или несколько материалов-носителей. Адсорбенты углеводородов хорошо известны в данной области. К примерам пригодных материалов-носителей относятся оксид алюминия, алюмосиликат, оксид церия, оксид церия-циркония и оксид титана.

Удобно, но необязательно, если DOC нанесен на обычный керамический проточный блок. Он может содержать 100 или более, например, 400 ячеек на квадратный дюйм (62 ячейки на см²).

Так, массив носителя, или блок, обычно представляет собой проточный блок, такой как проточный монолит. Проточный монолит обычно имеет сотовую структуру (например, металлический или керамический сотовый монолит) с множеством каналов, проходящих внутри него, каковые каналы открыты с обоих концов.

Вообще, носитель представляет собой керамический материал или металлический материал. Является предпочтительным, чтобы носитель был изготовлен или состоял из кордиерита (SiO₂-Al₂O₃-MgO), карбида кремния (SiC), сплава Fe-Cr-Al, сплава Ni-Cr-Al или сплава нержавеющей стали.

Обычно, устройство дополнительной обработки (расположенное ниже по потоку от DOC) представляет собой сажевый фильтр или катализаторный блок селективного каталитического восстановления (SCR) (например, каталитический блок для селективного каталитического восстановления).

Когда устройство дополнительной обработки представляет собой сажевый фильтр, не подразумевается, что конкретный тип, форма или конструкция сажевого фильтра имеет критическое значение для настоящего изобретения; он может быть катализируемым или некатализируемым.

Вообще, сажевый фильтр включает массив носителя, который представляет собой фильтрующий монолит или проточный монолит, такой как проточный монолит, описанный выше. Предпочтительно, массив носителя представляет собой фильтрующий монолит. На массив носителя может быть нанесена каталитическая композиция.

Фильтрующий монолит, вообще, включает множество входных каналов и множество выходных каналов, при этом, входные каналы открыты с верхнего по потоку конца (т.е. со стороны поступления выхлопного газа) и закупорены или герметизированы с нижнего по потоку конца (т.е. со стороны выхода выхлопного газа), выходные каналы закупорены или герметизированы с верхнего по потоку конца и открыты с нижнего по потоку конца, при этом, каждый входной канал отделен от выходного канала пористой структурой.

Когда массив носителя в сажевом фильтре представляет собой фильтрующий монолит, является предпочтительным, чтобы фильтрующий монолит представлял собой фильтр пристеночного течения. В фильтре пристеночного течения каждый входной канал попеременно отделен от выходного канала стенкой пористой структуры, и наоборот. Является предпочтительным, чтобы входные и выходные каналы имели сотовое расположение. При сотовом расположении является предпочтительным, чтобы каналы, соседствующие с входным каналом по вертикали и сбоку, были закупорены с верхнего по потоку конца и наоборот (т.е. каналы, соседствующие с выходным каналом по вертикали и сбоку, закупорены с нижнего по потоку конца). При взгляде с любого конца, попеременно закупоренные и открытые концы каналов имеют вид шахматной доски.

Когда сажевый фильтр включает каталитическую композицию, эта каталитическая композиция может быть пригодной для окисления (i) твердых частиц (particulate matter - РМ) и/или (ii) монооксида углерода (СО) и углеводородов (НС). Когда каталитическая композиция пригодна для окисления РМ, образующееся в результате устройство дополнительной обработки представляет собой известный катализируемый сажевый фильтр (CSF). Обычно, каталитическая композиция содержит платину и/или палладий.

Устройство дополнительной обработки может представлять собой катализатор SCR. Катализаторы SCR также хорошо известны в данной области.

Когда система каталитической дополнительной (последующей) обработки настоящего изобретения включает в качестве устройства дополнительной (последующей) обработки катализатор SCR, эта система каталитической дополнительной обработки может дополнительно включать инжектор для впрыскивания азотистого восстановителя, такого как аммиак или мочевина, в выхлопной газ ниже по потоку от DOC или по потоку до катализатора SCR. В качестве альтернативы или дополнительно к инжектору, система каталитической дополнительной обработки может также включать средство управления двигателем для обогащения выхлопного газа углеводородами. Катализатор SCR может использовать эти углеводороды в качестве восстановителя для восстановления NO_x. Когда подложка катализатора SCR представляет собой фильтрующий монолит, этот катализатор называют катализатором SCRF.

Средство повышения температуры в данном устройстве дополнительной обработки (например, посредством активной тепловой обработки с целью регенерации этого устройства) не является критически важным для настоящего изобретения и может быть подобрано из известных в данной области. Следовательно, это средство может быть подобрано из системы управления двигателем, которая облегчает поздний впрыск топлива или впрыск топлива во время такта выхлопа, топливной форсунки после турбо-резистивной нагревательной спирали и инжектора углеводородов или топлива. Инжектор может быть расположен по потоку до DOC или ниже от DOC и до устройства дополнительной обработки.

Операция активной тепловой обработки может быть запущена, когда в системе имеет место определенное (т.е. неприемлемое) обратное давление, либо она может быть инициирована компьютерным устройством, следящим за рабочими условиями двигателя, связанными с образованием твердых частиц, сульфатированием и т.п. НС дополнительно к уже имеющимся в выхлопном газе могут быть поданы путем управления впрыском топлива непосредственно или косвенно в один или несколько цилиндров, например, как дополнительный или избыточный впрыск топлива; впрыска дожигания или впрыска в выхлопной коллектор или выхлопную трубу.

Система каталитической дополнительной обработки может дополнительно включать дизельный двигатель тяжелого режима работы. Изобретение хорошо подходит для применения в дизельных двигателях тяжелого режима работы, однако, также может быть применено в других двигателях, когда это необходимо или когда дает преимущества.

В случае применения для тяжелых режимов работы, температура выхлопного газа на входе DOC, обычно, составляет от, примерно, 225 до 275°С.

Кроме того, изобретение относится к автомобилю с дизельным двигателем и системой каталитической дополнительной обработки. Этот автомобиль, предпочтительно, представляет собой автомобиль с дизельным двигателем тяжелого режима работы (heavy-duty diesel vehicle - HDV), такой как дизельный автомобиль общим весом >8500 фунтов США (3855 кг), как определено в законодательстве США.

В одном из аспектов, изобретение также относится к исключению затухания активности DOC, особенно, во время активной тепловой обработки (т.е. обработки с целью регенерации устройства дополнительной обработки). Ссылка на исключение затухания в настоящем контексте относится к уменьшению или предотвращению затухания. Затухание происходит, когда Т₅₀ DOC, обычно, Т₅₀ углеводородов и/или монооксида углерода, превосходит температуру DOC и, обычно, также температуру выхлопного газа.

Предпочтительно, DOC, используемый в настоящем изобретении, производят путем нанесения на весь блок первого покрытия, содержащего компонент, увеличивающий площадь поверхности, такой как термостойкий оксид алюминия с большой площадью поверхности, и раствор или суспензию необходимого каталитически активного металла, необязательно, уже нанесенного на носитель, такой как оксид алюминия. Предпочтительным способом нанесения покрытия является нанесение первого каталитического раствора способом вакуумного нанесения Precision Coating (товарный знак Johnson Matthey), разработанным на основе устройства и способа, описанных в WO 99/47260. Затем, второй каталитический раствор наносят тем же способом Precision Coating (точного нанесения) в таком количестве и в таких условиях, чтобы получить необходимую зону, расположенную выше по потоку. Нижний по потоку край этой зоны не обязательно должен быть прямым при условии, что он обеспечивает среднюю или минимальную длину 0,5 дюйма (13 мм). Возможно использование альтернативных способов нанесения покрытия при условии, что они обеспечивают адекватное равномерное нанесение покрытия. Такие альтернативные способы известны специалистам и могут включать пропитку, нанесение грунтовки и химическое осаждение из паровой фазы, хотя в настоящее время полагают, что предпочтительные способы наиболее просты в управлении и наиболее рентабельны.

Зону, расположенную выше по потоку, обычно, изготавливают или получают путем: (а) дополнительной стадии нанесения второго каталитического покрытия способом Precision Coating (точного нанесения) на часть блока, который уже равномерно покрыт катализатором, (b) пропитки части блока, который уже равномерно покрыт катализатором, (с) нанесения каталитически активной грунтовки на часть блока, который уже равномерно покрыт катализатором, (d) химического осаждения из паровой фазы одного или нескольких каталитически активных металлов на часть блока, который уже равномерно покрыт катализатором.

Концентрация каталитически активного металла, используемого в первом и втором растворе, может быть надлежащим образом рассчитана специалистами с получением заданной концентрации или заполнения каталитически активным металлом. Например, первый раствор может иметь такую концентрацию PGM, чтобы получать заполнение PGM от 10 до 100 г/фут³ (353-3533 г/м³), более конкретно, смеси или сплава Pt и Pd в весовом отношении от 1:2 до 2:1. Второй раствор может иметь такую концентрацию PGM, чтобы получать заполнение PGM от 10 до 150 г/фут³ (353-5300 г/м³) с отношением Pt:Pd от 1:3 до 5:1, например, от 1:2 до 2:1.

Нижняя по потоку часть DOC, предпочтительно, по причинам простоты и стоимости изготовления, имеет равномерное заполнение каталитически активным металлом. Тем не менее, различные концентрации, например, одна или несколько дополнительных «полос» катализатора могут быть дополнительно введены без выхода за рамки объема настоящего изобретения.

Примеры

Далее изобретение поясняется на нижеследующих не имеющих ограничительного характера примерах.

Изготовление дизельных катализаторов окисления

Три DOC изготовили с использованием идентичных блоков, все они имели одинаковое общее заполнение PGM 40 г/фут³ (1413 г/м³). Диаметр каждого DOC был равен 10,5 дюймов (266,7 мм), а длина - 4 дюйма (101,6 мм). Все DOC были подвергнуты обычной процедуре состаривания путем нагревания в печи при 750°С в течение 12,5 часов, так что эти DOC были типичными образцами уже использованных DOC.

DOC 1: Обычный выпускаемый серийно дизельный катализатор окисления с равномерным заполнением Pt:Pd в соотношении 7:6.

DOC 2: Дизельный катализатор окисления (DOC 2) с равномерным заполнением, примерно, 40 г/фут³ (1413 г/м³) и «полосой» 10 мм с более высокой концентрацией PGM. DOC 2 изготовили путем погружения DOC с первым покрытием в суспензию/раствор дополнительного катализатора с отношением Pt:Pd 1:1 с получением полосы с заполнением 100 г/фут³ (3533 г/м³).

DOC 3: Дизельный катализатор окисления (DOC 3) с равномерным заполнением, примерно, 40 г/фут³ (1413 г/м³) и зоной глубиной 1 дюйм (25,4 мм) с более высоким заполнением PGM 100 г/фут³ (3533 г/м³) с отношением Pt:Pd 1:1 изготовлен способом, описанным для DOC 2.

Метод испытания

Термоанализ каждого из дизельных катализаторов окисления проводили путем пропускания выхлопного газа из дизельного двигателя, в котором топливо EUV В7 (7% биотоплива) используется и для работы двигателя, и для обогащения, работающего на 2200 об/мин. Двигатель представлял собой 6-цилиндровый EUVI двигатель объемом 7 литров, генерирующий 235 кВт при 2500 об/мин, снабженный 7-м инжектором, установленным в выхлопной трубе по потоку до DOC.

Вдоль центральной линии блока DOC на глубине, измеренной от верхней по потоку поверхности, были установлены термопары: 7,6 мм (Т1), 25,6 мм (Т5), 94,6 мм (Т9). Т5, следовательно, расположена в начале нижней по потоку зоны, хотя далее она описывается как находящаяся в «среднем» положении. После 1700 или 1800 секунд рабочего режима выхлопной газ обогащали, чтобы смоделировать обогащенный НС газ с температурой 250°С во время операции регенерации фильтра, и пропускали его через DOC.

Результаты

Результаты приведены на Фиг. 1-3, которые представляют собой графики изменения температуры во времени (в секундах) для каждого из испытываемых DOC.

На Фиг. 1 показано, что имеется только небольшой экзотермический эффект в передней части обычного DOC (DOC 1). Немного больший экзотермический эффект наблюдается в «средней» части, и хотя достигается максимальная температура 450°С, этот подъем длится недолго. Изначальная активация полностью затухает через 2100 секунд.

Результаты для DOC 2 представлены на Фиг. 2. Когда через 1800 секунд начинается обогащение, пиковые температуры во всех положениях выше, чем в DOC 1. Однако ясно, что активация неустойчивая, и экзотермический эффект полностью исчезает через 2100 секунд.

Результаты для DOC 3 представлены на Фиг. 3. Когда обогащение начинается через 1700 секунд, графики температуры для термопар во всех положениях очень отличаются от результатов для DOC 1 и DOC 2. Обнаружено, что сначала температуры резко возрастают, затем, через 2000 секунд наступает стабилизация температуры для всех термопар. Эти температуры сохраняются до тех пор, пока через 3000 секунд не прекращается обогащение.

Эти испытания ясно демонстрируют преимущества изобретения в условиях испытаний. В случае тяжелых режимов работы двигателя температуры выхлопных газов на входе DOC, обычно, составляют, примерно, от 225 до 275°С.

Кроме того, были проведены испытания, направленные на обнаружение НС в газе на выходе каждого DOC. Возможно, учитывая описанные выше испытания, неудивительно, что зафиксирован значительный проскок НС после исчезновения активации и DOC 1, и DOC 2, тогда как DOC 3 эффективно удалял НС, и это одновременно с созданием заданного экзотермического эффекта, адекватного с точки зрения регенерации фильтра.

Для исключения каких-либо сомнений все содержание какого-либо и всех документов, цитируемых в настоящей заявке, включается в нее путем ссылки.

Изобретение относится к системе дополнительной каталитической обработки, которая может быть применена в частности в автомобилях для выхлопного газа дизельного двигателя. Система содержит дизельный катализатор окисления, имеющий диаметр от 2,5 до 15 дюймов и длину от 2,5 до 15 дюймов, и устройство дополнительной обработки, расположенное ниже по потоку от дизельного катализатора окисления, которое нуждается в периодической тепловой обработке, и средство для генерирования повышения температуры в устройстве дополнительной обработки, при этом дизельный катализатор окисления содержит зону, расположенную выше по потоку, и каталитическую композицию, включающую платину и палладий, нанесенную на носитель, и имеет концентрацию платины, которая больше, чем концентрация платины в оставшейся части дизельного катализатора окисления, причем длина зоны, расположенной выше по потоку, составляет от 0,5 до 1,75 дюймов и имеет более высокую окислительную активность в отношении углеводородов, чем остальная часть дизельного катализатора окисления, и причем носитель представляет собой проточный монолит. Изобретение обеспечивает повышение эффективности дизельного катализатора окисления в системе активации регенерации. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система каталитической дополнительной обработки для выхлопного газа дизельного двигателя, при этом данная система содержит:

дизельный катализатор окисления (DOC), имеющий диаметр от 2,5 до 15 дюймов (63, 5-381 мм) и длину от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм); и

устройство дополнительной обработки, расположенное ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), при этом данное устройство дополнительной обработки нуждается в периодической тепловой обработке, и средство для генерирования повышения температуры в данном устройстве дополнительной обработки;

при этом дизельный катализатор окисления (DOC) содержит зону, расположенную выше по потоку, и каталитическую композицию, включающую платину (Pt) и палладий (Pd), нанесенную на носитель, и имеет концентрацию платины (Pt), которая больше, чем концентрация платины (Pt) в оставшейся части дизельного катализатора окисления (DOC);

причем длина зоны, расположенной выше по потоку, составляет от 0,5 до 1,75 дюймов (12,7-44,45 мм) и имеет более высокую окислительную активность в отношении углеводородов (НС), чем остальная часть дизельного катализатора окисления (DOC); и

причем носитель представляет собой проточный монолит.

2. Система каталитической дополнительной обработки по п. 1, в которой длина зоны, расположенной выше по потоку, составляет от 0,5 до 1,5 дюймов (12,7-38,1 мм).

3. Система каталитической дополнительной обработки по п. 2, в которой длина зоны, расположенной выше по потоку, составляет примерно 1 дюйм (25,4 мм).

4. Система каталитической дополнительной обработки по любому из предшествующих пунктов, в которой диаметр дизельного катализатора окисления (DOC) составляет от 4 до 15 дюймов (101,6-381 мм), а его длина составляет от 2,5 до 10 дюймов (63,5-254 мм).

5. Система каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-3, в которой дизельный катализатор окисления содержит смесь Pt и Pd или сплав Pt и Pd.

6. Система каталитической дополнительной обработки по п. 5, в которой весовое отношение Pt к Pd составляет от 1:3 до 5:1 и в зоне, расположенной выше по потоку, и в остальной части дизельного катализатора окисления (DOC).

7. Система каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-3 или 6, в которой остальная часть дизельного катализатора окисления содержит множество зон и/или слоев.

8. Система каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-3 или 6, в которой весовое отношение платины (Pt) к палладию (Pd) в зоне, расположенной выше по потоку, составляет ≥1:1.

9. Система каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-3 или 6, в которой концентрация PGM в зоне, расположенной выше по потоку, составляет от 10 до 150 г/фут³ (353-5297 г/м³).

10. Система каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-3 или 6, в которой устройство дополнительной обработки представляет собой сажевый фильтр.

11. Система каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-3 или 8, в которой устройство дополнительной обработки представляет собой катализаторный блок для селективного каталитического восстановления (SCR).

12. Транспортное средство, содержащее дизельный двигатель и систему каталитической дополнительной обработки по любому из пп. 1-11.

13. Способ поддержания активности дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC) в системе дополнительной обработки выхлопного газа дизельного двигателя при температуре выхлопного газа от 200 до 375°C, путем пропускания выхлопного газа через дизельный катализатор окисления (DOC), причем дизельный катализатор окисления (DOC) имеет диаметр от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм) и длину от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм); и

устройство дополнительной обработки расположено ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), при этом данное устройство дополнительной обработки нуждается в периодической тепловой обработке, и средство для генерирования повышения температуры в данном устройстве дополнительной обработки;

при этом дизельный катализатор окисления (DOC) содержит зону, расположенную выше по потоку, и каталитическую композицию, включающую платину (Pt) и палладий (Pd), нанесенную на носитель;

причем зона, расположенная выше по потоку, содержит каталитическую композицию, расположенную выше по потоку, содержащую металлы платиновой группы, состоящей из платины (Pt) и палладия (Pd), и имеет концентрацию платины (Pt), которая больше, чем концентрация платины (Pt) в оставшейся части дизельного катализатора окисления (DOC);

причем длина зоны, расположенной выше по потоку, составляет от 0,5 до 1,7 5 дюймов (12,7-4 4,45 мм) и имеет более высокую окислительную активность в отношении углеводородов (НС), чем остальная часть дизельного катализатора окисления (DOC); и

причем носитель представляет собой проточный монолит.

14. Способ исключения затухания дизельного катализатора окисления (DOC) во время активной тепловой обработки, проводимой в отношении устройства дополнительной обработки, расположенного ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC) при температуре выхлопного газа от 200 до 375°C путем пропускания выхлопного газа, обогащенного углеводородами (НС), через дизельный катализатор окисления (DOC), причем дизельный катализатор окисления (DOC) имеет диаметр от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм) и длину от 2,5 до 15 дюймов (63,5-381 мм); и

устройство дополнительной обработки расположено ниже по потоку от дизельного катализатора окисления (DOC), при этом, данное устройство дополнительной обработки нуждается в периодической тепловой обработке, и средство для генерирования повышения температуры в данном устройстве дополнительной обработки;

при этом дизельный катализатор окисления (DOC) содержит зону, расположенную выше по потоку, и каталитическую композицию, включающую платину (Pt) и палладий (Pd), нанесенную на носитель;

причем зона, расположенная выше по потоку, содержит каталитическую композицию, расположенную выше по потоку, содержащую металлы платиновой группы, состоящей из платины (Pt) и палладия (Pd), и имеет концентрацию платины (Pt), которая больше, чем концентрация платины (Pt) в оставшейся части дизельного катализатора окисления (DOC);

причем длина зоны, расположенной выше по потоку, составляет от 0,5 до 1,7 5 дюймов (12,7-4 4,45 мм) и имеет более высокую окислительную активность в отношении углеводородов (НС), чем остальная часть дизельного катализатора окисления (DOC); и

причем носитель представляет собой проточный монолит.

15. Способ по п. 13 или 14, в котором зона, расположенная выше по потоку, изготовлена на дополнительной стадии точного нанесения покрытия путем нанесения второго каталитического покрытия на часть блока, которая уже была равномерно покрыта катализатором.

16. Способ по п. 13 или 14, в котором зона, расположенная выше по потоку, изготовлена путем пропитки части блока, которая уже была равномерно покрыта катализатором.

17. Способ по п. 13 или 14, в котором зона, расположенная выше по потоку, изготовлена путем нанесения каталитически активной грунтовки на часть блока, которая уже была равномерно покрыта катализатором.

18. Способ по п. 13 или 14, в котором зона, расположенная выше по потоку, изготовлена путем химического осаждения из паровой фазы одного или более каталитически активных металлов на часть блока, которая была уже равномерно покрыта катализатором.