КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА Российский патент 2017 года по МПК F01N3/35 F01N3/22 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к изделиям для обработки выхлопных (отработавших) газов горения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к фильтрам для твердых частиц, с покрытием из катализатора для уменьшения содержания сажи и других нежелательных компонентов выхлопных газов от сжигания бедной топливной смеси.

2. ОПИСАНИЕ ПРЕДЫДУЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Самые большие доли большинства выхлопных газов горения содержат относительно безопасный азот (N₂), пары воды (H₂O) и диоксид углерода (CO₂); но выхлопные газ содержат также в относительно малой доле опасные и/или токсичные вещества, такие как монооксид углерода (CO) от неполного сгорания, углеводороды (HC) из несгоревшего топлива, оксиды азота (NO_x) от избыточных температур горения и вещество в форме твердых частиц (в основном сажу). Для ослабления влияния высвобождаемых в атмосферу выхлопных газов на окружающую среду, является желательным устранение или уменьшение количества этих нежелательных компонентов, предпочтительно, с помощью способа, который не генерирует других опасных или токсичных веществ.

Определенные двигатели, работающие на обедненной топливной смеси, такие как дизельные двигатели, имеют тенденцию к образованию выхлопных газов со значительным количеством сажи и других веществ в форме твердых частиц. Выбросы сажи могут уменьшаться посредством прохождения выхлопных газов, содержащих сажу, через фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива (дизельный фильтр для частиц) (DFP), такой как фильтр с проточными стенками.

Для уменьшения количества пространства, необходимого для выпускной системы, часто желательно конструировать выхлопные индивидуальные компоненты, которые должны осуществлять несколько функций. Например, нанесение катализатора на подложку фильтра с проточными стенками служит для уменьшения общих размеров системы обработки выхлопа, позволяя одной подложке служить для двух функций, а именно удалять сажу и служить в качестве подложки для гетерогенного катализатора. Однако нанесение на фильтр покрытия с пригодным для работы количеством катализатора может нежелательным образом увеличить обратное давление на фильтре, которое, в свою очередь, ухудшает рабочие характеристики двигателя и экономию топлива. Это является особенно верным для покрытий из пористого оксида с высокопроизводительным катализатором, таким как селективный катализатор каталитического восстановления (SCR), содержащих цеолиты с промотором на основе переходного металла.

Осуществлялось множество попыток изготовления DPF с покрытием из пористого оксида, имеющего соответствующее высокое количество катализатора и соответствующее низкое обратное давление. Однако по-прежнему остается необходимость в DFP, который производит относительно низкое обратное давление, когда на него наносят покрытие с эффективным количеством катализатора SCR.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Авторы неожиданно обнаружили, что обратное давление на фильтре с проточными стенками может быть уменьшено с помощью нанесения на фильтр покрытия только с входной стороны покрытия из пористого оксида с катализатором, при условии, что покрытие из пористого оксида содержит частицы катализатора, которые являются малыми по сравнению со средним размером пор фильтра. Более конкретно, нанесение покрытия только на одну входную сторону фильтра покрытия из пористого оксида с малыми частицами неожиданно уменьшает обратное давление нагрузки сажи на фильтре по сравнению с таким же фильтром, имеющим эквивалентное количество такого же покрытия из катализатора, нанесенное только на выходной стороне фильтра, или имеющего эквивалентное количество такого же покрытия из катализатора, нанесенное равномерно, как на входной стороне, так и на выходной стороне фильтра. Этот результат также является неожиданным, поскольку покрытия из пористого оксида с большими частицами, нанесенные только на входной стороне такого же фильтра, не дают сравнимого выигрыша, и фактически, дают в результате более высокие обратные давления.

Соответственно, предлагается фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива (дизельный фильтр для частиц), содержащий (a) подложку фильтра с проточными стенками, имеющую некоторый средний размер пор, входную сторону, выходную сторону и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами; и (b) композицию катализатора, нанесенную в форме покрытия на входную сторону подложки, где композиция катализатора имеет d₅₀ распределения размеров частиц(распределение частиц по размеру), где указанное значение d₅₀ распределения размеров частиц меньше, чем средний размер пор, деленный на 4,9±0,1, и где выходная сторона по существу не содержит покрытия из катализатора.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается система для обработки выхлопных газов от сжигания бедной топливной смеси, содержащая (a) фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива, описанный в настоящем документе; и (b) по меньшей мере, один компонент выпускной системы в сообщении текучих сред с фильтром для улавливания твердых частиц дизельного топлива, где компонент выпускной системы выбирается из группы, состоящей из источника NO₂, расположенного перед фильтром для улавливания твердых частиц дизельного топлива, источника восстановителя, расположенного перед фильтром для улавливания твердых частиц дизельного топлива, катализатора AMOX, ловушки для NO_x, катализатора поглотителя NO_x, катализатора окисления дизельного топлива и катализатора SCR.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения, предлагается способ уменьшения содержания сажи в выхлопных газах от сжигания бедной топливной смеси, включающий стадии (a) приведения в контакт потока выхлопных газов, несущего сажу и необязательно содержащего NO_x, с фильтром для улавливания твердых частиц дизельного топлива, описанным в настоящем документе; (b) улавливания, по меньшей мере, части на сажи на и/или в фильтре для улавливания твердых частиц дизельного топлива, при этом, позволяя выхлопным газам проходить через фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива; (c) периодического и/или непрерывного сжигания улавливаемой сажи для регенерации фильтра; и необязательно, (d) приведения в контакт выхлопных газов с катализатором SCR, нанесенным на выходной стороне фильтра, для уменьшения концентрации NO_x в выхлопных газах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фигура 1A представляет собой фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива;

Фигура 1B представляет собой вид поперечного сечения фильтра для улавливания твердых частиц дизельного топлива;

Фигура 2A представляет собой схематическое изображение тонкой пористой стенки фильтра для улавливания твердых частиц дизельного топлива;

Фигура 2B представляет собой схематическое изображение тонкой пористой стенки фильтра для улавливания твердых частиц дизельного топлива, имеющего покрытие из катализатора, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения; и

Фигура 3 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения фильтра для улавливания твердых частиц дизельного топлива, имеющего покрытие из катализатора, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фигура 4 представляет собой график, изображающий кривую обратного давления нагрузки сажи одного из вариантов осуществления настоящего изобретения и сравнительные данные.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение, частично, направлено на каталитический фильтр для улучшения качества воздуха окружающей среды и, в частности, для улучшения выбросов выхлопных (отработавших) газов, генерируемых дизельными двигателями и другими двигателями, работающими на сгорании бедной топливной смеси. Выбросы выхлопных газов улучшаются, по меньшей мере, частично, посредством уменьшения содержания одного или нескольких газообразных компонентов, таких как NO_x и NH₃, и уменьшения концентраций вещества в форме твердых частиц в обедненных выхлопных газах. Соответственно, предпочтительные каталитические фильтры содержат пористую подложку, такую как фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива (дизельный фильтр для частиц) (DFP), которая служит как для механического удаления вещества в форме твердых частиц из потока выхлопных газов, проходящего через пористую подложку, так и для нанесения на нее композиции катализатора (каталитическую композицию), пригодной для использования при удалении нежелательных газообразных компонентов в выхлопных (отработавших) газах.

В определенных вариантах осуществления, фильтр представляет собой подложку фильтра с проточными стенками, имеющую определенный средний размер пор, входную сторону, выходную сторону и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами, и композицию катализатора, имеющую некоторое значение d₅₀ распределения размеров частиц (распределение частиц по размеру), которая наносится в форме покрытия только на входную сторону подложки, где значение d₅₀ распределения размеров частиц меньше чем средний размер пор, деленный на 4,8, 4,9 или 5,0, и где выходная сторона по существу не содержит покрытия из катализатора.

Предпочтительные подложки фильтров включают фильтры для улавливания твердых частиц дизельного топлива, а предпочтительные фильтры для улавливания твердых частиц дизельного топлива для использования в автомобильных применениях включают фильтры с проточными стенками, такие как керамические монолиты с проточными стенками. Другие подложки фильтров включают проточные фильтры, такие как фильтры из металлической или керамической пены или волоконные фильтры. В дополнение к кордиериту, карбиду кремния и керамике, другие материалы, которые можно использовать для пористой подложки, включают, но, не ограничиваясь этим, оксид алюминия - кремния, нитрид алюминия, нитрид кремния, титанат алюминия, α-оксид алюминия, муллит, поллуцит, циркон, диоксид циркония, шпинель, бориды, полевой шпат, оксид титана, коллоидный диоксид кремния, бориды, композиты с керамическими волокнами, смеси любых из них или композиты, содержащие сегменты любых двух или более из них. Особенно предпочтительные подложки включают кордиерит, карбид кремния и титанат алюминия (AT), где AT находится в основном в кристаллической фазе.

Обращаясь к Фигуре 1A, здесь показана подложка 10 фильтра с проточными стенками в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Фильтр с проточными стенками имеет переднюю часть 20 и заднюю часть 22, где передняя часть 20 конструируется для приема выхлопных газов 21 перед фильтрованием и задняя часть 22 конструируется, чтобы позволить очищенным выхлопным газам 29 покидать фильтр 10.

На Фигура 1B, показано поперечное сечение части фильтра с проточными стенками. Подложка фильтра с проточными стенками имеет множество квадратных параллельных каналов 14, разделенных тонкими пористыми стенками 23, покрытыми на входной стороне покрытием 44 из пористого оксида с катализатором. Каналы 14 простираются в аксиальном направлении от передней части 20 подложки к задней части 22 подложки. Каналы 14 открыты только на одном краю. Противоположный край канала закрыт. Закрытые края располагаются в форме периодической шахматной структуры 12 между передней частью и задней частью, так что выхлопные газы 21 поступают в каналы 24, открытые с передней части подложки, проходит через тонкие пористые стенки 23, поступают в каналы 26, открытые с задней части подложки, а затем покидают подложку. Стенки 23 имеют пористость и размер пор, которые являются адекватными относительно проницаемости для газа, но являются эффективными при улавливании главной части вещества в форме твердых частиц, включая сажу, особенно, когда они объединяются с композицией катализатора, описанной в настоящем документе. То есть, когда выхлопные газы проходят через фильтр, вещество в форме твердых частиц, переносимое выхлопными газами, улавливается тонкой пористой стенкой, позволяя тем самым выхлопным газам, не содержащим твердых частиц, покидать фильтр. Вещество в форме твердых частиц аккумулируется на фильтре до тех пор, пока фильтр не регенерируется.

Форма поперечного сечения каналов не является как-либо ограниченной и может представлять собой, например, квадратную, круговую, овальную, прямоугольную, треугольную, шестиугольную форму, и тому подобное. Фильтр с проточными стенками подложки для дизельных двигателей, как правило, содержат примерно 100-800 cpsi (каналов на квадратный дюйм)(16-128 каналов/кв. см), например, примерно от 100 примерно до 400 cpsi (16-64 каналов/кв. см), примерно от 200 примерно до 300 cpsi (32-48 каналов/кв. см), или примерно от 500 примерно до 600 cpsi (80-96 каналов/кв. см). В определенных вариантах осуществления, стенки имеют среднюю толщину стенок примерно от 0,1 примерно до 1,5 мм, например, примерно от 0,15 примерно до 0,25 мм, примерно от 0,25 примерно до 0,35 мм, или примерно от 0,25 примерно до 0,50 мм.

Обращаясь к Фигурам 2A и 2B, здесь пористые стенки 23 имеют входную сторону 30 и выходную сторону 32 по отношению к типичному направлению потока выхлопных газов 34 через стенки. Входная сторона 30 имеет входную поверхность 40, которая экспонируется для каналов 24, открытых к передней части подложки, и выходная сторона 32 имеет выходную поверхность 42, которая экспонируется для каналов 26, открытых к задней части подложки. Фильтр также имеет центр 50, который находится на равном расстоянии от выходной поверхности 42 и входной поверхности 40. Как используется в настоящем документе, термин "входная сторона" 30 по отношению к тонкой пористой стенке означает входную поверхность 40 и часть стенки 23 от входной поверхности 40 на глубину не более примерно, чем на 10 процентов, а более предпочтительно, примерно на 10, примерно на 5 или примерно на 1 процент, от расстояния между входной поверхностью 40 и выходной поверхностью 42. Термин "выходная сторона" 32 по отношению к тонкой пористой стенке означает выходную поверхность 42 и часть стенки 23 от выходной поверхности 42 на глубину не более примерно, чем на 10 процентов, а более предпочтительно примерно на 10, примерно на5, или примерно на 1 процент, от расстояния между выходной поверхностью 42 и входной поверхностью 40. Пористая стенка также имеет внутреннюю часть, которая находится между входной стороной 30 и выходной стороной 32. В определенных вариантах осуществления, толщина внутренней части составляет примерно 80 процентов, а более предпочтительно, примерно 90 процентов, от всей толщины стенки. Покрытие из катализатора наносится на входной стороне подложки фильтра и образует градиент 44 покрытия из катализатора на входной стороне, во внутренней части и/или на входной поверхности, при этом самая высокая концентрация катализатора находится со стороны входной поверхности.

Фигура 3 показывает схематическое изображение поперечного сечения фильтра, нагруженного катализатором, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Здесь, можно увидеть, что выхлопные газы протекают в направлении 21 от входных каналов 24, через покрытие из катализатора 44 и в выходные каналы 26.

Пригодные для использования диапазон пористости и средний размер пор фильтра не являются как-либо ограниченными, но коррелируют с размером частиц покрытия из катализатора или используются для его определения. Как описано в настоящем документе, пористость и средний размер пор подложки фильтра определяются на основе пустого фильтра (например, без покрытия из катализатора). Как правило, пористость подложки составляет, по меньшей мере, примерно 40%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 50%, например, примерно от 50 примерно до 80%, примерно от 50 примерно до 70 процентов или примерно от 55 примерно до 65 процентов. Пористость может измеряться с помощью любых пригодных для использования средств, включая ртутную порозиметрию. Как правило, средний размер пор подложки составляет примерно от 8 примерно до 40 мкм, например, примерно от 8 примерно до 12 мкм, примерно от 12 примерно до 20 мкм или примерно от 15 примерно до 25 мкм. В определенных вариантах осуществления, по меньшей мере, примерно 50%, а более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 75% пор находится в этом диапазоне, по отношению к общему объему пор и/или к общему количеству пор. Средний размер пор может определяться с помощью любых пригодных для использования средств, включая ртутную порозиметрию. В определенных вариантах осуществления, подложка фильтра имеет размеры пор примерно от 12 примерно до 15 мкм и пористость примерно от 50 примерно до 55%. В предпочтительных вариантах осуществления, подложка фильтра имеет средние размеры пор примерно от 18 примерно до 20 и пористость примерно от 55 примерно до 65%. Эти пределы соответствуют предпочтительному значению d₅₀ распределения частиц композиции катализатора примерно от 3,75 примерно до 5 микрон.

В определенных вариантах осуществления, подложки с проточными стенками представляют собой высокоэффективные фильтры. Эффективность определяется с помощью процента массового вещества в форме твердых частиц, имеющих конкретный размер, удаляемых из необработанных выхлопных газов, проходящих через подложку с проточными стенками. По этой причине, эффективность определяется по отношению к саже и другим частицам сходных размеров и к концентрациям вещества в форме твердых частиц, как правило, обнаруживаемых в обычных выхлопных газах от дизельного топлива. Вещества в форме твердых частиц в выхлопных газах от дизельного топлива могут иметь размеры в пределах от 0,05 микрона до 2,5 микрона. Таким образом, эффективность основывается на этом диапазоне. Фильтры с проточными стенками для использования в настоящем изобретении предпочтительно имеют эффективность, по меньшей мере, 70%, по меньшей мере, примерно 75%, по меньшей мере, примерно 80% или, по меньшей мере, примерно 90%. В определенных вариантах осуществления, эффективность будет предпочтительно составлять примерно от 75 примерно до 99%, примерно от 75 примерно до 90%, примерно от 80 примерно до 90% или примерно от 85 примерно до 95%.

Взаимосвязанность пор, измеренная как процент от общего объема пустот подложки, представляет собой степень, до которой поры, пустоты и/или каналы соединяются с формированием непрерывных путей через пористую подложку, то есть, от входной лицевой стороны до выходной лицевой стороны. Противоположностью взаимосвязанности пор является сумма закрытого объема пор и объема пор, которые имеют выход только на одну из поверхностей подложки. Предпочтительно, пористая подложка имеет объем взаимосвязанности пор, по меньшей мере, примерно 30%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 40%.

В определенных вариантах осуществления, подложка фильтра с проточными стенками представляет собой экструдированную каталитическую массу. Экструдированные каталитические массы отличаются от некаталитических подложек тем, что первая содержит композицию катализатора как часть пористых стенок подложки, в то время как последняя содержит инертную подложку, необязательно, имеющую покрытие из катализатора, нанесенное на ее пористые стенки. Таким образом, в определенных вариантах осуществления, тонкие пористые стенки подложки фильтра содержат один или несколько катализаторов, но не содержат покрытия из катализатора. В определенных других вариантах осуществления, тонкие пористые стенки фильтра не содержат катализатора за исключением покрытия из катализатора. В определенных вариантах осуществления, инертные подложки являются предпочтительными благодаря их структурным свойствам и рабочим характеристикам и их универсальности.

В очень общем смысле, получение экструдированной твердой массы, содержащей источник катализатора, включает смешивание материала катализатора, связующего, необязательного органического соединения, повышающего вязкость, в форме гомогенной массы, которую затем добавляют к компоненту связующего/матрицы или его предшественника и, необязательно, к одному или нескольким компонентам из стабилизированного оксида церия и неорганических волокон. Смесь компактируется в устройстве для смешивания или замешивания или в экструдере. Смеси имеют органические добавки, такие как связующие, порообразующие вещества, пластификаторы, поверхностно-активные вещества, смазывающие вещества, дисперсанты, в качестве технологических добавок для усиления смачиваемости и тем самым получения однородной загрузки. Затем полученный в результате пластичный материал формуют, в частности, с использованием экструзионного пресса или экструдера, содержащего головку экструдера, и полученные в результате формованные изделия сушат и кальцинируют. Органические добавки "выжигают" во время кальцинирования экструдированной твердой массы.

Подложки фильтра с проточными стенками по настоящему изобретению содержат композицию катализатора, нагруженную на входной стороне фильтра, предпочтительно, только на входе, и предпочтительно, в форме покрытия. Чтобы исключить сомнения, композиция катализатора на входной стороне фильтра означает, что, по меньшей мере, 90 процентов массовых композиции катализатора находится на входной стороне и во внутренней части фильтра. В определенных вариантах осуществления, по меньшей мере, примерно 95 процентов массовых композиции катализатора находится на выходной стороне и во внутренней части фильтра. Предпочтительно, в основном, вся композиция катализатора находится на выходной стороне и во внутренней части фильтра.

Предпочтительно, композиция катализатора образует градиент концентраций между входной поверхностью фильтра и выходной стороной фильтра, где концентрация самая большая рядом с входной поверхностью. В определенных вариантах осуществления, по меньшей мере, 50, 75, 90, 95 или 99 процентов массовых композиции катализатора находится между входной поверхностью и центром стенки фильтра.

Подложка фильтра с проточными стенками предпочтительно имеет выходную сторону, которая по существу не содержит покрытия из катализатора. Термин "по существу не содержит" по отношению к конкретной зоне фильтра означает, что зона не содержит покрытия из катализатора, или, если покрытие из катализатора присутствует, нагрузка является достаточно низкой, с тем, чтобы не увеличивать обратное давление на фильтр более чем на 5% при медианной нагрузке сажи, образующейся при типичных рабочих условиях, по сравнению с пустым фильтром или с фильтром без такого покрытия. Например, фильтр, имеющий входную сторону, по существу не содержащую катализатора, может содержать покрытие на входной стороне меньше чем 0,1 г/дюйм³ (6,4 мг/куб. см), более предпочтительно, меньше чем 0,05 г/дюйм³ (3,2 мг/куб. см), а еще более предпочтительно меньше чем 0,01 г/дюйм³ (0,64 мг/куб. см). В определенных вариантах осуществления входная сторона фильтра по существу не содержит покрытия из катализатора, общее количество покрытия из катализатора на входной стороне меньше примерно, чем 5 процентов массовых, а более предпочтительно, меньше примерно, чем 1 процент массовый, и еще более предпочтительно, меньше чем 0,1 процента массового от всего покрытия из катализатора на фильтре, а предпочтительно, меньше примерно, чем 5 процентов массовых, и более предпочтительно, меньше примерно, чем 1 процент массовый, а еще более предпочтительно, меньше чем 0,1 процента массового от покрытия из катализатора на выходной стороне фильтра. Чтобы исключить сомнения, покрытие из катализатора, упоминаемое в настоящем документе, не включает материал катализатора, который образует часть подложки (например, экструдированную каталитическую массу).

В некоторых вариантах осуществления, подложка фильтра с проточными стенками имеет внутреннюю часть, которое по существу не содержит покрытия из катализатора. Например, фильтр, имеющий внутреннюю часть, по существу не содержащую катализатора, может содержать покрытие внутренней части меньше чем 0,2 г/дюйм³ (12,5 мг/куб. см), а более предпочтительно, меньше чем 0,05 г/дюйм³(32 мг/куб. см). В определенных вариантах осуществления, в которых присутствует покрытие из катализатора на внутренней стенке фильтра, общее количество покрытия из катализатора меньше примерно, чем 5 процентов массовых, более предпочтительно, меньше примерно, чем 1 процент массовый и еще более предпочтительно, меньше чем 0,1 процента массового от всего покрытия из катализатора на фильтре, а предпочтительно, меньше примерно, чем 5 процентов массовых, предпочтительно, меньше примерно, чем 1 процент массовый, и еще более предпочтительно, меньше чем 0,1 процента массового от всего покрытия из катализатора на выходной стороне фильтра. Чтобы исключить сомнения, покрытие из катализатора, упоминаемое в настоящем документе, не включает материал катализатора, который образует часть подложки (например, экструдированную каталитическую массу).

Покрытие из катализатора, упоминаемое в настоящем документе, не включает некаталитических мембран или иных некаталитических тонкослойных покрытий, которые могут наноситься на стенку фильтра в качестве технологической добавки (например, для улучшения адгезии каталитического покрытия на стенке фильтра), пассивирующего слоя, или для армирования, упрочнения или стабилизации стенки фильтра. Предпочтительно, некаталитический слой, если он присутствует, имеет толщину и/или нагрузку, которая не влияет значительно на обратное давление фильтра, например, не увеличивает или не уменьшает обратное давление более примерно, чем на 5% по сравнению со сходной подложкой фильтра без некаталитического покрытия. Таким образом, в определенных вариантах осуществления, подложка фильтра содержит некаталитический слой в дополнение к покрытию из катализатора (например, покрытию из катализатора, наносимого для пассивирования подложки). В других вариантах осуществления, подложка фильтра содержит покрытие из катализатора, но не содержит некаталитических покрытий (например, покрытия из катализатора, наносимого на непассивированную подложку).

В определенных вариантах осуществления, композиция катализатора, нагруженная на входную сторону фильтра, располагается в форме одного слоя или зоны. В других вариантах осуществления, композиция катализатора на входной стороне фильтра располагается как два или более слоев или зон, где каждый слой или зона содержит одинаковые или различные композиции катализаторов. Для вариантов осуществления, в которых композиция катализатора содержит два или более слоев, d₅₀ распределения размеров частиц относится к композиции катализатора в целом.

В определенных предпочтительных вариантах осуществления, покрытие из катализатора содержит последовательно первый каталитический слой и второй каталитический слой на выходной стороне подложки. Как используется в настоящем документе, термин "последовательно" по отношению к слоям означает, что каждый слой находится в контакте с его соседним слоем (слоями) и что слои как целое располагаются один поверх другого на подложке. Как используется в настоящем документе, термины "первый слой" и "второй слой" используются для описания относительных положений слоев катализатора в изделии катализатора по отношению к нормальному направлению потока выхлопных газов через них, мимо них и/или над изделием катализатора. При нормальных условиях протекания выхлопных газов, выхлопные газы вступают в контакт с первым слоем перед вступлением в контакт со вторым слоем. В определенных вариантах осуществления, первый слой наносится на инертную подложку в качестве нижнего слоя, и второй слой представляет собой верхний слой, который наносится поверх первого слоя.

Композиция катализатора предпочтительно имеет малый размер частиц по сравнению со средним размером пор фильтра. Предпочтительно, композиция катализатора имеет d₅₀ распределение размеров частиц (распределение частиц по размеру), которое меньше чем средний размер пор, деленный на 4,9. Термин "d₅₀ распределения размеров частиц", означает медианный диаметр или среднее значение распределения размеров частиц. Он представляет собой значение диаметра частиц для 50% в кумулятивном распределении. Как используется в настоящем документе, термин "распределение размеров частиц" означает количество частиц, которые попадают в данный диапазон размеров, как процент от общего количества всех размеров в образце.

В определенных вариантах осуществления, распределение размеров частиц композиции катализатора измеряется по отношению к размерам частиц каталитически активного компонента. В других вариантах осуществления, размер частиц композиции катализатора измеряется по отношению к композиции катализатора в целом. В определенных вариантах осуществления, композиция катализатора представляет собой часть покрытия из пористого оксида, а в других вариантах осуществления, композиция катализатора представляет собой покрытие из пористого оксида (то есть, содержит другие некаталитические компоненты) или покрытие из катализатора. То есть, измерение распределения размеров частиц не ограничивается частицами катализатора в покрытии, но вместо этого включает все частицы в покрытии, такие как связующие вещества, модификаторы реологии, и тому подобное. В определенных вариантах осуществления, частицы в распределении содержат, по меньшей мере, 50%, а более предпочтительно, по меньшей мере, 75%, (по количеству и/или по массе) частиц катализатора.

Распределение размеров частиц может измеряться с помощью любых обычных средств. В определенных вариантах осуществления, покрытие из катализатора имеет d₅₀ распределения размеров частиц примерно от 0,1 примерно до 5, предпочтительно, примерно от 0,5 примерно до 3 мкм, например, примерно от 1,0 примерно до 2,0 мкм. Предпочтительно, подложка фильтра имеет относительно большой средний размер пор (например, больший примерно, чем 10 мкм) и покрытие из катализатора имеет относительно малое значение d₅₀ распределения размеров частиц (например, больше примерно, чем 3). В определенных вариантах осуществления, фильтр имеет средний размер пор примерно от 10 примерно до 25, например, примерно от 12 примерно до 15 или примерно от 17 примерно до 21 мкм, пористость примерно от 55 примерно до 70%, и покрытие из катализатора имеет d₅₀ распределения размеров частиц примерно от 0,5 примерно до 2,0 мкм.

Определенные покрытия из катализаторов для настоящего изобретения имеют d₁₀ распределения размеров частиц примерно от 0,1 примерно до 1,0, например, примерно 0,2, 0,5 или 0,7. Определенные покрытия из катализаторов для настоящего изобретения имеют d₉₀ распределения размеров частиц меньше примерно, чем 8 мкм, предпочтительно, меньше примерно, чем 5 мкм, например, примерно 4 мкм, 3 мкм или 2. Как используется в настоящем документе, "d₁₀ распределения размеров частиц" означает, что 90 процентов частиц в образце являются большими, чем сформулированное значение. Как используется в настоящем документе, "d₉₀ распределения размеров частиц" означает, что меньше чем 90 процентов частиц в образце являются меньшими, чем сформулированное значение.

Нагруженная концентрация покрытия из катализатора не является как-либо ограниченной при условии, что композиция катализатора присутствует в количестве эффективном для катализа целевого компонента выхлопных газов. Предпочтительно, композиция катализатора присутствует при концентрации, по меньшей мере, примерно 0,1, а предпочтительно, по меньшей мере, примерно 0,3 г/дюйм³ ((6,4-19,2 мг/куб. см). В определенных вариантах осуществления, композиция катализатора имеет нагрузку примерно от 0,5 примерно до 4 г/дюйм³ (32–256 мг/куб. см), более предпочтительно, примерно от 0,75 примерно до 2 г/дюйм³ (46–128 мг/куб. см), а еще более предпочтительно, примерно от 1,0 примерно до 1,5 г/дюйм³ (64 -96 мг/куб. см) или примерно от 1,5 примерно до 2,5 г/дюйм³ (96-160 мг/куб. см). Нагруженная концентрация предпочтительно измеряется по отношению к активному каталитическому компоненту, но может относиться и к покрытию из катализатора в целом.

Предпочтительные композиции катализаторов включают композиции, пригодные для использования при уменьшении концентрации NO_x, NH₃, SO_x, CO и/или углеводородов выхлопных газов. Другие пригодные для использования катализаторы включают поглотители NO_x и ловушки для NO_x. Предпочтительно, катализатор представляет собой гетерогенный катализатор, который содержит металл на и/или в материале с высокой удельной площадью поверхности, такой как молекулярное сито или оксид тугоплавкого металла. Металл предпочтительно импрегнируется, допируется или наносится на носитель из материала с высокой удельной площадью поверхности.

Предпочтительные металлы представляют собой переходной металл и/или металл платиновой группы. Примеры пригодных для использования металлов включают медь, никель, цинк, железо, олово, вольфрам, молибден, кобальт, висмут, титан, цирконий, сурьма, марганец, хром, ванадий, платина, иридий, рений и их смеси, при этом медь, марганец и железо являются особенно предпочтительными. Катализаторы могут также включать другие стабилизирующие металлы, такие как кальций, магния, калий, и/или редкоземельные металлы, такие как церий и лантан. Эти материалы являются особенно хорошо пригодными для использования в качестве катализатора SCR, катализатора AMOX, ловушек для NO_x, поглотителей NO_x, катализаторов окисления, и тому подобное.

Предпочтительно, материал с высокой удельной площадью поверхности находится в форме частиц, кристаллов или агломерации частиц или кристаллов, где частицы, кристаллы или агломерации имеют d₅₀ распределение размеров частиц, как описано в настоящем документе. Другие примеры материалов с высокой удельной площадью поверхности включают оксиды металлов, такие как оксид алюминия, оксид титана, диоксид циркония, оксид церия, диоксид кремния, оксиды вольфрама, оксиды молибдена, и их смеси. Эти материалы, когда используются в качестве носителей, являются особенно пригодными для использования для катализатора на основе PGM и для катализаторов на основе ванадия. Например, катализатор SCR на не цеолитной основе может включать V₂O₅ на носителе из TiO₂/2WO₃. В другом варианте осуществления, катализатор окисления, катализатор AMOX, катализатор поглотителя NO_x, или ловушка для NO_x могут содержать металл PGM, такой как Pt, Pd, Rh, и их сочетания на носителе из оксида алюминия, оксида титана, и тому подобное.

Другие примеры пригодного для использования материала с высокой удельной площадью поверхности включают молекулярные сита, такие как алюмосиликаты (цеолиты), кремнийалюминофосфаты (SAPO), ферросиликаты, и тому подобное. Примеры предпочтительных молекулярных сит включают цеолиты и SAPO, имеющие сетку из малых пор (то есть, имеющие максимальный размер кольца 8). Примеры молекулярных сит с малыми порами включают сита, имеющие Framework Type Code, выбранные из группы, состоящей из: ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, KFI, M ER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNi, YUG и ZON. Особенно предпочтительные сетки включают AEI, AFT, AFX, CHA, DDR, RHO, MER, LTA, UFI, RTH, SAV, PAU, LEV, ERI, и KFI, при этом CHA и AEI является особенно предпочтительными. Будет понятно, что цеолиты, имеющие конкретный Framework Type Code, включают все материалы с изотипными сетками, определяемые с помощью Framework Type Code.

Предпочтительные цеолиты имеют молярное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR) меньше примерно, чем 30, более предпочтительно, примерно от 5 примерно до 30, например, примерно от 10 примерно до 25, примерно от 14 примерно до 20, примерно от 20 примерно до 30 или примерно от 15 примерно до 17. Отношение диоксида кремния к оксиду алюминия для цеолитов может определяться с помощью обычного анализа. Это отношение, как считается, представляет настолько близко, насколько это возможно, отношение в жесткой атомной сетке кристалла цеолита и исключает кремний или алюминий в связующем или в каналах, в катионной или другой форме. Поскольку прямое измерение отношения диоксида кремния к оксиду алюминия цеолита может быть сложным после того как он объединяется с материалом связующего, в частности, со связующим на основе оксида алюминия, эти отношения диоксида кремния к оксиду алюминия выражаются в терминах SAR самого цеолита, то есть, измеряются перед объединением цеолита с другими компонентами катализатора.

В определенных вариантах осуществления, молекулярное сито с малыми порами содержит, по существу состоит или состоит из неупорядоченной сетки, выбранной из группы, состоящей из ABC-6, AEI/CHA, AEI/SAV, AEN/UEI, AFS/BPH, BEC/ISV, бета, фуаязита, ITE/RTH, KFI/SAV, ловдарита, монтесоммаита, MTT/TON, пентасилса, SBS/SBT, SSF/STF, SSZ-33 и ZSM-48. В предпочтительном варианте осуществления, одно или несколько из молекулярных сит с малыми порами может содержать CHA Framework Type Code, выбранный из SAPO-34, AIPO-34, SAPO-47, ZYT-6, CAL-1, SAPO-40, SSZ-62 или SSZ-13, и/или AEI Framework Type Code, выбранный из AIPO-18, SAPO-18, SIZ-8 или SSZ-39. В одном из вариантов осуществления, смешанная фазовая композиция представляет собой смешанную фазовую композицию AEI/CHA. Отношение каждого типа сетки в молекулярном сите не является как-либо ограниченным. Например, отношение AEI/CHA может находиться в пределах примерно от 5/95 примерно до 95/5, предпочтительно, примерно 60/40-40/60. В иллюстративном варианте осуществления, отношение AEI/CHA может находиться в пределах примерно от 5/95 примерно до 40/60.

Примеры катализаторов, пригодных для применений при SCR, включают медь или железо на цеолите, имеющем сетку с малыми порами, таком как CHA, AEI, и тому подобное. В определенных вариантах осуществления, в частности, включающих медь и/или железо, металл катализатора присутствует на и/или в материале молекулярного сита при концентрации примерно от 0,1 примерно до 10 процентов массовых (% масс) по отношению к общей массе молекулярного сита, например, примерно от 0,5% масс примерно до 5% масс, примерно от 0,5 примерно до 1% масс, примерно от 1 примерно до 5% масс, примерно 2% масс примерно до 4% масс и примерно 2% масс примерно до 3% масс. Металл может включаться в молекулярные сита для использования в настоящем изобретении с использованием технологий, хорошо известных в данной области, включая жидкофазный обмен или твердотельный ионный обмен, или с помощью пропитки по влагоемкости. Другие сетки молекулярных сит, пригодные для использования в качестве катализаторов SCR в настоящем изобретении, включают BEA, MOR и MFI, в частности, когда включаются вместе с одним или несколькими молекулярными ситами с малыми порами.

Композиция катализатора может находиться в форме покрытия из пористого оксида, содержащего катализатор, предпочтительно, покрытия из пористого оксида, которое является пригодным для нанесения покрытия на подложку фильтра покрытия для улавливания твердых частиц дизельного топлива. В дополнение к каталитически активному компоненту, покрытие из пористого оксида может включать каталитически неактивные компоненты, такие как связующие вещества, модификаторы реологии, порообразующие агенты, дисперсанты, смачивающие агенты, и тому подобное. Как используется в настоящем документе, "каталитически активный" компонент покрытия из пористого оксида представляет собой компонент, который легко включается в качестве молекулярного компонента в желаемый каталитический процесс, такой как каталитическое восстановление NO_x и/или окисление NH₃, или другие восстановители для SCR на основе азотистых соединений. Как следствие, "каталитически неактивным" является компонент в покрытии из пористого оксида, который не включается непосредственно в качестве молекулярного компонента в желаемый каталитический процесс. Предпочтительные неактивные компоненты включают связующие вещества, такие как оксид алюминия, диоксид кремния, (нецеолитный) оксид кремния-алюминия, природные глины, TiO₂, ZrO₂ и SnO₂. Хотя материалы сходной композиции могут также использоваться в качестве каталитически активного компонента, каталитически неактивная форма материала, как правило, различается на основе физического свойства, такого как размер частицы.

Покрытие из катализатора может осаждаться на выходной стороне подложки фильтра посредством формирования сначала суспензии функционального катализатора и приведения в контакт подложки фильтра с суспензией, чтобы дать возможность суспензии для покрытия выходной поверхности и/или инфильтрации в фильтр на желаемую глубину которая, предпочтительно, не больше чем глубина выходной стороны фильтра. Более конкретно, суспензия дозируется на заднюю часть фильтра или задняя часть фильтра погружается в суспензию, так что суспензия поступает в выходные каналы фильтра. Затем суспензия образует покрытие типа мембраны на выходной поверхности и/или частично проникает в открытую пористую структуру стенки фильтра, тем самым формируя покрытие из катализатора на выходной стороне фильтра. В определенных вариантах осуществления, вакуумная система может присоединяться к передней части фильтра для твердых частиц с целью частичного втягивания покрытия из пористого оксида с катализатором через стенки каналов. Избыток суспензии удаляется из фильтра для твердых частиц посредством дренирования, воздушного ножа или другой технологии. В определенных вариантах осуществления, сжатая текучая среда, такая как сжатый воздух, может инжектироваться в каналы фильтра, чтобы помочь в удалении оставшейся суспензии. После этого, фильтр для твердых частиц сушат.

В определенных вариантах осуществления, катализатор экспонируется для температур до 950°C. В определенных вариантах осуществления, катализатор может работать при температуре примерно от 150°C примерно до 850°C. В конкретном варианте осуществления, диапазон температуры составляет от 175 до 550°С. В другом варианте осуществления, диапазон температуры составляет от 175 до 400°C.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ удаления вещества в форме твердых частиц, включая сажу, из выхлопных газов и катализа реакции для влияния на концентрацию, по меньшей мере, одного компонента в выхлопных газах. При поступлении во входные каналы, выхлопные газы вступают с ними в контакт и проходят через тонкие пористые стенки фильтра, которые удаляют сажу из выхлопных газов, предпочтительно, перед вступлением в контакт выхлопных газов с покрытием из катализатора. Когда вещество в форме твердых частиц (например, сажа) осаждается на стенках и в пористых стенках, проницаемость стенок каналов уменьшается, вызывая, таким образом, увеличение обратного давления. Проницаемость фильтра для твердых частиц может быть восстановлена посредством регенерации фильтра, которая, как правило, включает выжигание осажденной сажи. Регенерация может осуществляться активно пассивно. При активной регенерации количество выхлопных газов перед фильтром периодически увеличивается, например, посредством дозирования углеводородов в поток выхлопных газов и преобразования углеводородов в тепло над катализатором окисления перед фильтром. Этот подвод тепла заставляет сажу гореть для удаления сажи из фильтра и понижения тем самым обратного давления.

При пассивной регенерации, сажа, осажденная на стенках каналов, взаимодействует с NO₂, присутствующим в потоке выхлопных газов, заставляя сажу гореть с получением NO. Когда сажа аккумулируется на стенках каналов фильтра для твердых частиц, реакция между сажей и NO₂, присутствующим в потоке выхлопных газов, уравновешивает скорость загрузки сажи, когда загрузка сажи достигает точки равновесия ниже заданного рабочего предела фильтра для твердых частиц.

В дополнение к уменьшению концентрации вещества в форме твердых частиц, в определенных вариантах осуществления, изделие катализатора уменьшает концентрацию NO_x в выхлопных газах. В других вариантах осуществления, изделие катализатора увеличивает концентрацию NO, NO₂ или модифицирует отношение NO:NO₂. В определенных вариантах осуществления, катализатор уменьшает концентрацию NH₃ в выхлопных газах.

В определенных очень предпочтительных вариантах осуществления, композиции катализаторов, описанные в настоящем документе, могут способствовать реакции, включающей восстановитель, предпочтительно, аммиак и оксиды азота, с селективным образованием элементарного азота (N₂) и воды (H₂O) на фоне конкурирующей реакции кислорода и аммиака. В одном из вариантов осуществления, может быть приготовлен катализатор, благоприятствующий восстановлению оксидов азота с помощью аммиака (то есть, катализатора SCR). В другом варианте осуществления, катализатор может быть приготовлен катализатор, благоприятствующий окислению аммиака с помощью кислорода (то есть, катализатор окисления аммиака (AMOX)). Источники аммиака включают восстановитель на основе аммиака, который не потребляется процессом SCR (то есть, проскок аммиака). Еще в одном варианте осуществления, катализатор SCR и катализатор AMOX используются последовательно, при этом оба катализатора содержат цеолит, содержащий металл, описанный в настоящем документе, и при этом катализатор SCR находится перед катализатором AMOX. В определенных вариантах осуществления, катализатор AMOX располагается как верхний слой на окислительном нижнем слое, где нижний слой содержит катализатор на основе металла платиновой группы (PGM) (например, Pt или Pt/Pd) или катализатор отличный от PGM на носителе с высокой площадью поверхности, таком как оксид алюминия. Катализатор AMOX может наноситься на подложку в форме покрытия из пористого оксида, предпочтительно, с достижением нагрузки примерно от 0,3 до 2,3 г/дюйм³ (21–131 мг/куб. см).

Восстановитель (известный также как восстановительный агент) для процесса SCR в широком смысле означает любое соединение, которое облегчает восстановление NO_x в выхлопных газах. Примеры восстановителей, пригодных для использования в настоящем изобретении, включают аммиак, гидразин или любой пригодный для использования предшественник аммиака, такой как мочевина ((NH₂)₂CO), карбонат аммония, карбамат аммония, аммоний бикарбонат или аммоний формиат, и углеводороды, такие как дизельное топливо, и тому подобное. Особенно предпочтительный восстановитель получается на основе азота, при этом аммиак является особенно предпочтительным. В определенных вариантах осуществления, восстановитель может представлять собой углеводород, такой как метан, дизельное топливо или что-то подобное.

В определенных вариантах осуществления, азотистый восстанавливающий агент или его предшественник вводится в поток выхлопных газов, предпочтительно, перед катализатором SCR и перед катализатором окисления дизельного топлива. Введение этого восстанавливающего агента может осуществляться с помощью инжектора, распылительного сопла или сходного устройства. В определенных вариантах осуществления, весь восстановитель на основе азота, в частности NH₃, или, по меньшей мере, его часть может подаваться с помощью катализатора поглотителя NO_x (NAC), ловушки для обедненных NO_x (LNT) или катализатора накопления/восстановления NO_x (NSRC), расположенного перед катализатором SCR, например, перед катализатором SCR по настоящему изобретению, расположенным на фильтре с проточными стенками. Компоненты NAC пригодные для использования в настоящем изобретении включают сочетание катализаторов из основного материала (такого как щелочной металл, щелочноземельный металл или редкоземельный металл, включая оксиды щелочных металлов, оксиды щелочноземельных металлов и их сочетания) и благородного металла (такого как платина), и необязательно, компонента катализатора восстановления, такого как родий. Конкретные типы основного материала, пригодного для использования в NAC, включают оксид цезия, оксид калия, оксид магния, оксид натрия, оксид кальция, оксид стронция, оксид бария и их сочетания. Благородный металл предпочтительно присутствует в количестве примерно от 10 примерно до 200 г/фут³(37-740 г/куб. м), например, 20-60 г/фут³ (74-214 г/куб. м). Альтернативно, благородный металл катализатора отличается средней концентрацией, которая может составлять примерно от 40 примерно до 100 грамм/фут³ (141-370 г/куб. м).

При определенных условиях, во время частых периодических случаев регенерации, NH₃ может генерироваться над катализатором поглотителя NO_x. Катализатор SCR после катализатора поглотителя NO_x может улучшить общую эффективность системы восстановления NO_x. В объединенной системе катализатор SCR способен накапливать высвобождаемый NH₃ из катализатора NAC во время частых случаев регенерации и использует накопленный NH₃ для селективного восстановления некоторой части или всех NO_x, которые проскакивают через катализатор NAC, во время нормальных условий работы при обеднении.

Способы по настоящему изобретению могут включать одну или несколько из следующих стадий: (a) аккумулирования и/или сжигания сажи, которая находится в контакте с входом каталитического фильтра; (b) введения азотистого восстановительного агента в поток выхлопных газов перед вступлением в контакт с каталитическим фильтром, предпочтительно, без промежуточных каталитических стадий, включающих обработку NO_x и восстановителя; (c) генерирования NH₃ над катализатором поглотителя NO_x, и предпочтительно, использования такого NH₃ в качестве восстановителя следующей далее реакции SCR; (d) вступления в контакт потока выхлопных газов с DOC для окисления растворимой органической фракции на основе углеводородов (SOF) и/или монооксида углерода до CO₂, и/или окисления NO до NO₂, который, в свою очередь, можно использовать для окисления вещества в форме твердых частиц в фильтре для твердых частиц и/или для восстановления вещества в форме твердых частиц (PM) в выхлопных газах; (e) приведения в контакт выхлопных газов с одним или несколькими проточными устройствами с катализатором SCR в присутствии восстановительного агента для уменьшения концентрации NO_x в выхлопных газах и (f) вступления в контакт выхлопных газов с катализатором AMOX, предпочтительно, после катализатора SCR, для окисления большей части, если не всего аммиака перед выбросом выхлопных газов в атмосферу или прохождения выхлопных газов через контур рециркуляции перед поступлением/повторным поступлением выхлопных газов в двигатель.

Способы по настоящему изобретению могут осуществляться на выхлопных газах, полученных из процесса горения, например, от двигателя внутреннего сгорания (либо мобильного, либо стационарного), газовой турбины и электростанций на сжигании угля или нефти. Способ можно также использовать для обработки газа от промышленных процессов, таких как переработка, нагревателей и бойлеров переработки, печей, химической перерабатывающей промышленности, коксовых батарей, установок для переработки муниципальных отходов и инсинераторов, и тому подобное. В одном из конкретных вариантов осуществления, способ используется для обработки выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, работающего на сжигании бедной топливной смеси, такого как дизельный двигатель, бензиновый двигатель, работающий на сжигании бедной топливной смеси, или двигатель, работающий на жидком нефтяном газе или природном газе.

В соответствии с дополнительным аспектом, настоящее изобретение предлагает выпускной систему для двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, работающего на сжигании бедной топливной смеси, эта система содержит проход для переноса протекающих выхлопных газов, источник азотистого восстановителя и смесь катализаторов, описанную в настоящем документе. Система может включать контроллер для отмеривания азотистого восстановителя в протекающие выхлопные газы, только тогда, когда она определяет, что смесь катализаторов может катализировать восстановление NO_x при желательной эффективности или выше нее, например, выше 100°C, выше 150°C или выше 175°C. Отмеривание азотистого восстановителя может осуществляться таким образом, что присутствует от 60% до 200% от теоретического количества аммиака в выхлопных газах, поступающих в катализатор SCR, которое вычисляется при 1:1 NH₃/NO и 4:3 NH₃/NO₂. Средства контроля могут включать предварительно программируемый процессор, такой как узел электронного контроля (ECU).

В другом варианте осуществления, катализатор для окисления монооксида азота в выхлопных газах до диоксида азота может располагаться перед точкой отмеривания азотистого восстановителя в выхлопные газы. В одном из вариантов осуществления, катализатор окисления дизельного топлива (DOC) адаптирован для получения потока газа, поступающего в катализатор SCR на цеолите, имеющего отношение NO к NO₂ примерно от 4:1 примерно до 1:3 объем, например при температуре выхлопных газов на входе катализатора окисления от 250°C до 450°C. В другом варианте осуществления, отношение NO к NO₂ поддерживается примерно от 1:2 примерно до 1:5 по объему. Катализатор окисления дизельного топлива может включать, по меньшей мере, один металл платиновой группы (или некоторое их сочетание), такой как платина, палладий или родий, нанесенный в форме покрытия на носитель из проточного монолита. В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере, один металл платиновой группы представляет собой платину, палладий или сочетание, как платины, так и палладия. Металл платиновой группы может быть нанесен на компонент покрытия из пористого оксида с высокой удельной площадью поверхности, такой как оксид алюминия, цеолит, такой как алюмосиликатный цеолит, диоксид кремния, нецеолитный оксид кремния - алюминия, оксид церия, диоксид циркония, оксид титана или смешанный или композитный оксид, содержащий как оксид церия, так и диоксид циркония. В другом варианте осуществления, цеолитный катализатор для использования в настоящем изобретении наносится в форме покрытия на фильтр, расположенный после катализатора окисления. Когда фильтр включает цеолитный катализатор для использования в настоящем изобретении, точка отмеривания азотистого восстановителя предпочтительно располагается между катализатором окисления и фильтром.

В другом аспекте, предлагается двигатель транспортного средства, работающий на сжигании бедной топливной смеси, содержащий выпускной систему в соответствии с настоящим изобретением. Двигатель внутреннего сгорания транспортного средства, работающий на сжигании бедной топливной смеси, может представлять собой дизельный двигатель, бензиновый двигатель, работающий на сжигании бедной топливной смеси или двигатель, работающий на жидком нефтяном газе или природном газе.

Как используется в настоящем документе, термин "состоит в основном из", по отношению к каталитической композиции, означает, что композиция содержит указанные каталитические компоненты, но не содержит дополнительных компонентов, которые существенно влияют на основные и новые характеристики заявляемого изобретения. То есть, каталитическая композиция не включает дополнительных компонентов, которые могли в ином случае служит в качестве катализатора для предполагаемой реакции или служить для усиления основной каталитической природы заявляемого катализатора.

ПРИМЕРЫ

ПРИМЕР 1: Фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива с катализатором, нанесенным в форме покрытия на входе

Каталитическое покрытие из пористого оксида, имеющее импрегнированное медью молекулярное сито, имеющее сетку CHA, наносят в качестве покрытия из пористого оксида на входной стороне фильтра с проточными стенками сотового типа, сконструированного в основном из кордиерита и имеющего 300 cpsi (48 каналов/кв. см) и толщину стенок 12 мил (0,3 мм), а затем его сушат. Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), подтверждает, что покрытие из катализатора остается на входной стороне и на внутренней части стенки фильтра. Входная сторона стенки фильтра остается без покрытия из катализатора.

Покрытие из пористого оксида наносится в количестве достаточном для формирования нагрузки катализатора примерно на 1 г/дюйм³ (64 мг/куб. см). Нагрузка катализатора имеет d₅₀ распределения размеров частиц примерно от 1,5.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ A-B: Фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива с покрытием из катализатора на выходе и как на входе, так и на выходе

Получают два дополнительных образца, следуя общей процедуре, описанной в Примере 1, за исключением того, что эквивалентное количество катализатора наносят в форме покрытия только на выходную сторону (Пр. A) и как на входную, так и на выходную сторону в равной степени (Пр. B).

Обратное давление нагруженной сажи Примера 1 и Сравнительных примеров A и пустого фильтра показаны на Фигуре 4. Обратное давление нагруженной сажи Сравнительных Примеров A и B значительно выше, чем в Примере 1.

Изобретение относится к области очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Предлагается фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива. Фильтр содержит подложку фильтра с проточными стенками (23), имеющими некоторый средний размер пор, входную сторону (30), выходную сторону (32) и пористую внутреннюю часть (23) между входной и выходной сторонами. Также фильтр содержит композицию (44) катализатора, нанесенного в форме покрытия на входной стороне стенки подложки, где композиция катализатора имеет d₅₀ распределения размеров частиц. При этом d₅₀ распределения размеров частиц меньше, чем средний размер пор, деленный на 4,9, и где выходная сторона стенки подложки, по существу, не содержит покрытия из катализатора. Предложенный фильтр способен удалять сажу из выхлопных газов, работая при этом при низком обратном давлении. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Дизельный фильтр для частиц, содержащий:

a) подложку фильтра с проточными стенками, имеющую средний размер пор, входную сторону, выходную сторону и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами; и

b) каталитическую композицию, нанесенную на входную сторону подложки, причем каталитическая композиция имеет значение распределения частиц по размеру d₅₀ ,

причем указанное распределение частиц по размеру d₅₀ меньше, чем средний размер пор, деленный на 4,9, и

причем выходная сторона, по существу, не содержит покрытия из катализатора.

2. Фильтр по п. 1, в котором средний размер пор равен, по меньшей мере, примерно 10 мкм.

3. Фильтр по п. 1, в котором средний размер пор равен, по меньшей мере, примерно 15 мкм.

4. Фильтр по п. 1, в котором подложка фильтра с проточными стенками дополнительно имеет пористость, по меньшей мере, примерно 45%.

5. Фильтр по п. 1, в котором подложка фильтра с проточными стенками дополнительно имеет пористость, по меньшей мере, примерно 55%.

6. Фильтр для улавливания твердых частиц дизельного топлива по п. 1, в котором подложка фильтра с проточными стенками дополнительно имеет пористость, по меньшей мере, примерно 65%.

7. Фильтр по п. 1, в котором указанное значение d₅₀ распределения размеров частиц не больше примерно чем 2,5 микрона.

8. Фильтр по п. 1, в котором указанное значение d₅₀ распределения размеров частиц не больше примерно чем 2 микрона.

9. Фильтр по п. 1, в котором указанное значение d₅₀ распределения размеров частиц составляет примерно от 1 примерно до 2 микрон.

10. Фильтр по п. 1, в котором пористая внутренняя часть, по существу, не содержит покрытия из катализатора.

11. Фильтр по п. 1, в котором каталитическая композиция присутствует в количестве примерно от 0,5–3,0 г/дюйм³.

12. Фильтр по п. 1, в котором каталитическая композиция присутствует в количестве примерно от 0,9–1,8 г/дюйм³.

13. Фильтр по п. 1, в котором каталитическая композиция присутствует в форме одного слоя.

14. Фильтр по п. 1, дополнительно содержащий дополнительные слои катализатора, нанесенные на входной стороне фильтра.

15. Фильтр по п. 1, в котором слой покрытия из катализатора содержит селективный катализатор восстановления.

16. Фильтр по п. 15, в котором указанный селективный катализатор восстановления содержит Cu или Fe на и/или в молекулярном сите с малыми порами.

17. Фильтр по п. 1, в котором слой покрытия из катализатора содержит катализатор проскока аммиака.

18. Система обработки отработавшего газа сгорания бедного топлива, содержащая:

a) дизельный фильтр для частиц по п. 1; и

b) по меньшей мере один компонент выпускной системы, находящийся в сообщении по текучей среде с дизельным фильтром для частиц, причем компонент выпускной системы выбирается из группы, состоящей из источника NO₂, расположенного выше по потоку от дизельного фильтра для частиц, источника восстановителя, расположенного выше по потоку от дизельного фильтра для частиц, катализатора AMOX, ловушки для NO_x, катализатора поглотителя NO_x, катализатора окисления дизельного топлива и катализатора SCR.

19. Способ уменьшения количества сажи в отработавшем газе сгорания бедного топлив, включающий:

a) обеспечение контакта потока отработавшего газа, несущего сажу и опционно содержащего NO_x с дизельным фильтром для частиц по п. 1;

b) улавливание по меньшей мере части сажи на и/или в дизельном фильтре для частиц при одновременном обеспечении прохождения отработавшего газа через дизельный фильтр для частиц; и

c) периодическое и/или непрерывное сжигание улавливаемой сажи для регенерации фильтра.

20. Способ по п. 19, дополнительно включающий стадию:

a) обеспечения контакта отработавшего газа с катализатором SCR, нанесенным на входной стороне фильтра для уменьшения концентрации NO_x в отработавшем газе.