СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ С КАТАЛИЗАТОРАМИ TWC И КАТАЛИЗАТОРАМИ SCR-HCT Российский патент 2019 года по МПК F01N3/08 F01N3/20 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение направлено на системы очистки выбросов, применяя катализаторы очищения выхлопных газов, и особенно на комбинации таких катализаторов, имеющих разные функции и способы применения.

ПРЕДПОСЫЛКА СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Строгое регулирование выбросов в атмосферу маломощными автомобилями с бензиновым двигателем, такое как US LEV III и EURO 7 требуют продвинутых систем катализатора тройного превращения (TWC). К 2025, например, у автомобилей с низким уровнем выбросов (SULEV) как предполагается, будет существенная доля рынка в Северной Америке, требуя комбинированные неметановые углеводороды (NMHC) и выбросы NOx меньше, чем 30 мг/миль в соответствии с гарантией на 15 лет и 150K миль на среднее транспортное средство.

Как правило, признают, что системы катализатора TWC образуют аммиак. Патент США №6,109,024 Kinugasa et al. описывает прибор очистки выхлопного газа для двигателя внутреннего сгорания, который вмещает и катализатор адсорбции-деазотирования аммиака, и катализатор адсорбции-деазотирования NOx, расположенный ниже катализатора TWC. Патент США №8,661,788 Qi et al. описывает систему, которая размещает катализатор аммиак-SCR ниже катализатора TWC.

Для цели уменьшения выбросов углеводородов (НС) выхлопной трубой, были предложены компоненты адсорбента НС (обычно один или несколько микропористых материала на основе цеолита), чтобы замедлить выделение НС, в особенности, во время холодного запуска двигателя. Патент США №7,163,661 Yamamoto et al. рассматривает адресное выделение углеводородов холодного запуска (HCs), применяя систему очистки выбросов, включающую катализатор адсорбции/очистки НС, расположенный ниже первого катализатор тройного превращения и второго катализатора, расположенного ниже катализатор адсорбции/очистки НС.

Есть необходимость развивать высокоэффективные системы TWC, соответствующие ужесточению технических нормативов выбросов. В особенности, есть постоянная необходимость уменьшать и прорыв НС во время холодного запуска, и прорыв NOx при горячей стадии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное раскрытие, как правило, обеспечивает каталитические изделия и каталитические системы, содержащие такие каталитические изделия. В особенности, такие изделия и системы содержат катализатор SCR-HCT, который представляет собой комбинацию катализатора селективного каталитического восстановления (SCR - селективное каталитическое восстановление) с ловушкой углеводородов (НСТ - ловушка углеводородов), предпочтительно сформированную на одиночной монолитной подложке. Катализатор SCR-HCT, в некоторых вариантах осуществления, применяют в сочетании с одним или несколькими дополнительными типами катализаторов. Например, такие дополнительные катализаторы могут включать катализаторы, содержащие металл платиновой группы (PGM), предоставляя систему, которая способна к восстановлению и прорыва НС во время холодного запуска, и прорыва NOx при горячей стадии.

Один объект предоставляет систему очистки выбросов для потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, при этом поток выхлопных газов включает углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота, а система очистки выбросов, включает: выхлопной трубопровод гидравлически соединенный с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор; первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе; катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и третий катализатор катализатора SCR-HCT, расположенного ниже в выхлопном трубопроводе, при этом третий катализатор включает металл платиновой группы (PGM). PGM, в обычных вариантах осуществления, присутствует в количестве эффективном для окисления углеводородов.

Катализатор SCR-HCT может, в некоторых вариантах осуществления, включать каталитический материал SCR, который включает первое молекулярное сито, и материал НСТ включает второе молекулярное сито, которое отличается от первого молекулярного сита, где и каталитический материал SCR, и материал НСТ осаждены на монолитную подложку. В определенных вариантах осуществления, первое молекулярное сито может включать Cu-СНА цеолит и второе молекулярное сито может включать Beta цеолит. Каталитический материал SCR и материал НСТ, в некоторых вариантах осуществления, присутствует в массовом соотношении от 10:1 до 1:10. Монолитная подложка может быть, например, проточной подложкой или фильтром с проточными стенками.

Первое молекулярное сито может включать 8-членный кольцевой цеолит с малыми порами, содержащий металлический промотор и второе молекулярное сито может содержать 10-членный кольцевой цеолит со средними порами или 12-членный кольцевой цеолит с большими порами. В определенных вариантах осуществления, 10-членный кольцевой цеолит со средними порами или 12-членный кольцевой цеолит с большими порами содержит металлический промотор. 8-Членный кольцевой цеолит, в некоторых вариантах осуществления, может подвергаться обмену с одним или несколькими ионами меди и железа, имея СНА, SAPO, или AEI структуру. В определенных вариантах осуществления 10- или 12-членный кольцевой цеолит может включать металлический промотор, имеет структуру типа ZSM-5, Beta, или MFI в Н⁺, NH₄⁺, Cu-обменянной, или Fe-обменянной форме.

Материал НСТ и каталитический материал SCR может находиться, например, в гомогенно смешанном слое на монолитной подложке, в слоистой конфигурации на монолитной подложке, или в зонированной конфигурации на монолитной подложке.

Третий катализатор может, в различных вариантах осуществления, быть выбран из группы, включающей: второй катализатор тройного превращения (TWC-2), катализатор окисления (ОС), или накопитель оксидов азота (LNT - Lean NOx trap). Третий катализатор может быть нагрет внешним источником. Третий катализатор может содержать носитель, имеющий меньшую удельную теплоемкость относительно носителей для TWC-1. Удельная теплоемкость описывает способность поглощать и хранить тепло. В определенных таких вариантах осуществления, и третий катализатор и TWC-1 объединяются с носителем (например, монолитная подложка) и может обеспечиваться более низкая удельная теплоемкость носителя для третьего катализатора для более скорого отклика на изменения температуры (например, в облегчении выпуска выделяющихся HCs).

В определенных вариантах осуществления, TWC-1 может быть размещен в положении с глухим соединением; и катализатор SCR-HCT и третий катализатор может быть размещен в положении под полом. В некоторых вариантах осуществления, TWC-1, катализатор SCR-HCT, и третий катализатор могут все быть размещены в одном модуле. В некоторых вариантах осуществления, катализатор SCR-HCT и третий катализатор могут вместе быть размещены в одном модуле. Система очистки выбросов может необязательно дополнительно содержать компрессор, расположенный выше катализатора SCR-HCT.

Другой объект предоставляет систему очистки выбросов для потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, при этом поток выхлопных газов содержит углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота, а система очистки выбросов содержит: выхлопной трубопровод гидравлически соединенный с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор; первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе; катализатор SCR-HCT, содержащий катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе, катализатор SCR, содержащий первое молекулярное сито и катализатор НСТ, содержащий второе молекулярное сито, которое отличается от первого молекулярного сита; и второй катализатор тройного превращения (TWC-2) катализатора SCR-HCT расположенного ниже в выхлопном трубопроводе, который содержит металл платиновой группы (PGM) и компонент накопления кислорода. Как правило, TWC-1 эффективен для получения аммиака (например, в количестве достаточном для применения в контексте катализатора SCR расположенного ниже. PGM и компонент накопления кислорода могут, в некоторых вариантах осуществления, быть в скомбинированном количестве эффективными для окисления углеводородов. Первое молекулярное сито может, в некоторых вариантах осуществления, содержать 8-членный кольцевой цеолит, имеющий СНА, SAPO, или AEI структуру, которая является ионообменной с медью или железом, и второе молекулярное сито может содержать 10- или 12-членный кольцевой цеолит, имеющий ZSM-5, Beta, или MFI в Н⁺, NH₄⁺, Cu-обменянной, или Fe-обменянной форме, в которой 10- или 12-членный кольцевой цеолит необязательно является ионообменным. В определенных вариантах осуществления, НСТ и катализатор SCR может находиться в слоистой конфигурации на монолитной подложке. Первый цеолит может, в некоторых вариантах осуществления, содержать Cu-СНА и второй цеолит может содержать Beta цеолит.

В дополнительном объекте, данное описание обеспечивает способ обработки выхлопных газов, включающий контактирование потока газов, при этом способ включает контактирование потока газов, содержащего углеводороды (HCs), монооксид углерода (СО), и оксиды азота (NOx), с любыми системами очистки выбросов, раскрытыми здесь. Такой поток газов, как правило, может быть потоком выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания. В различных вариантах осуществления, в результате контакт с TWC-1, углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота превращаются в значительной степени одновременно, и образуется аммиак (например, в количестве эффективном для катализатора SCR); в результате контакта с катализатором SCR-HCT, аммиак накапливается в катализаторе SCR и применяется для уменьшения прорыва NOx, и углеводороды улавливаются в НСТ во время холодного запуска, и выделяются при более высоких температурах; и в результате контакта с третьим катализатором, углеводороды, выделяющиеся из НСТ, сжигаются. Когда третий катализатор представляет собой TWC-2, в результате контакта с TWC-2, углеводороды, выделяющиеся из НСТ, сжигаются и прорыв СО, НС, и NOx конвертируется.

Другим объектом, который предоставляет данное описание, является способ изготовления системы очистки выбросов, при этом способ включает: обеспечение первого катализатора тройного превращения (TWC-1), расположенного ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе; размещение катализатора SCR-HCT, включающего катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и размещение третьего катализатора ниже катализатора SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, третий катализатор, включающий металл платиновой группы (PGM). PGM, в определенных вариантах осуществления, может быть обеспечен, в количестве, эффективном для окисления углеводородов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Раскрытие можно более полно понять путем рассмотрения следующего детального описания различных вариантов осуществления изобретения вместе с прилагаемыми рисунками, в которых:

ФИГ. 1A-1D обеспечивают функциональные диаграммы примерного SCR-HCT объединенных систем TWC, расположенных ниже стехиометрических бензиновых двигателей;

ФИГ. 2 обеспечивает функциональную диаграмму примерного SCR-HCT объединенных систем TWC, расположенных ниже двигателя, работающего на обедненных смесях системы непосредственного впрыска;

ФИГ. 3 представляет собой схему примерного катализатора SCR-HCT;

ФИГ. 4А и 4В представляют собой схемы других примерных катализаторов SCR-HCT;

ФИГ. 5А и 5В представляют собой схемы еще других примерных катализаторов SCR-HCT;

ФИГ. 6 представляет собой график, показывающий характеристики NOx, НС и СО в реакторе, моделирующем ездовой испытательный цикл FTP-72;

ФИГ. 7 представляет собой график, показывающий профиль накопления NOx;

ФИГ. 8 представляет собой график, показывающий профиль накопления аммиака (NH₃); и

ФИГ. 9 представляет собой график, показывающий профиль накопления НС.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Перед описанием нескольких примерных вариантов осуществления изобретения следует понимать, что изобретение не ограничивается деталями конструкции или этапами процессов, изложенных в последующем описании. Изобретение допускает другие варианты осуществления, и будет применяться на практике или будет осуществляться различными путями. Хотя изобретение здесь было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, следует понимать, что эти варианты осуществления являются лишь иллюстрацией принципов и применений данного изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные модификации и вариации могут быть сделаны к способу и устройству данного изобретения, не отходя от сути и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение включает модификации и вариации, которые находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Ссылка в данном описании на "один вариант осуществления," "конкретные варианты осуществления", "один или несколько вариантов осуществления" или "вариант осуществления" означает, что конкретный признак, структура, материал или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления включили, по меньшей мере, в один вариант осуществления изобретения. Таким образом, присутствие фраз, таких как "в одном или нескольких вариантах осуществления", "в конкретном варианте осуществления", "в одном варианте осуществления" или "в варианте осуществления" в различных местах этого описания не обязательно со ссылкой на тот же вариант осуществления данного изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры, материалы или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах осуществления. Артикли "а" и "an" применены здесь для ссылки на один или больше, чем один (т.е., по меньшей мере, на один) грамматический объект статьи. Включены любые диапазоны, указанные в этом документе. Термин "приблизительно", примененный в этом описании, применен для описания и учета средних отклонений. Например, термин "приблизительно" может относиться к меньше, чем или равно ±5%, так как меньше, чем или равно ±2%, меньше, чем или равно ±1%, меньше, чем или равно ±0.5%, меньше, чем или равно ±0.2%, меньше, чем или равно ±0.1% или меньше, чем или равно ±0.05%. Все числовые значения в этом документе модифицированы при помощи термина "приблизительно," и явно, или не явно указанные. Величина, модифицированная при помощи термина "приблизительно" конечно, включает конкретную величину. Например, "приблизительно 5.0" должно включать 5.0.

Обычный выхлопной скруббер для бензинового двигателя системы сгорания стехиометрической смеси обычно имеет последовательную систему двух катализаторов TWC. Первый/расположенный выше катализатор TWC устанавливают в положение возле выхлопного трубопровода двигателя и моторного отсека (положение с глухим соединением, СС) и второй/расположенный ниже катализатор TWC размещают в положение или вплотную после первого TWC (второе положение с глухим соединением, СС2) или под кузовом (положение под полом, UF). Первый TWC быстро нагревается во время холодного запуска и обеспечивает большинство превращений загрязнений, включая NOx, НС и СО; второй TWC усиливает каталитические превращения главным образом после зажигания. Хорошо известно, что в условиях обогащенной смеси, в присутствии избытка остаточного топлива и недостатка воздуха, доля NOx чрезмерно восстанавливается на первом катализаторе TWC до образования аммиака.

Данное описание предполагает катализатор SCR-HCT, который представляет собой комбинацию катализатора селективного каталитического восстановления (SCR) с ловушкой углеводородов (НСТ). В некоторых вариантах осуществления, катализатор SCR-HCT может быть помещен ниже катализатора TWC и, в таких вариантах осуществления, является эффективным в превращении аммиака, полученного на катализаторе TWC. В некоторых вариантах осуществления, в комбинации с катализатором SCR-HCT и/или катализатором TWC, могут быть применены различные другие катализаторы, как будет здесь описано более подробно.

В этом документе применены следующие определения.

"В значительной степени" относится к количеству, по меньшей мере, приблизительно 90%, например, по меньшей мере, приблизительно 95%, по меньшей мере, приблизительно 98%, по меньшей мере, приблизительно 99%, или, по меньшей мере, приблизительно 99.5%.

Металлический компонент платиновой группы (PGM) относится к любому соединению, которое включает PGM, более особенно, Pt, Pd, и/или Rh. Например, в определенных вариантах осуществления, PGM может быть в значительной степени (например, по меньшей мере, приблизительно 90 мас. %) или полностью в металлической форме (нулевая валентность), или PGM может быть в окисленной форме. Ссылка на компонент PGM допускает присутствие PGM в любом валентном состоянии.

"Удельная поверхность БЭТ" имеет свое обычное значение, относящееся к методу Брунауэра, Эммета и Теллера для определения удельной поверхности измерениями N₂-адсорбции. Если не указано иное, "удельная поверхность" относится к удельной поверхности БЭТ.

"Основа" в каталитическом материале или катализаторе с покрытием из пористого оксида относится к материалу, который вмещает катализатор (включая, например, драгоценные металлы, стабилизаторы, промоторы, связующие вещества и подобное) путем осаждения, объединения, диспергирования, пропитывания или других подходящих способов.

"Основы из тугоплавкого оксида металла" представляют собой примерные типы основ, которые могут быть применены согласно данному описанию, и включают крупноразмерный оксид алюминия, оксид церия, оксид циркония, оксид титана, диоксид кремния, оксид магния, оксид неодима, и другие материалы известные для такого применения. Такие материалы рассматриваются, как обеспечивающие надежность полученного каталитического изделия.

Как применено в этом документе, термин "молекулярные сита," такие как цеолиты и другие цеолитные каркасные материалы (например, изоморфно замещенные материалы), относятся к материалам, которые могут, в определенной форме, быть основой определенных каталитических материалов, например, металлов группы платины. Молекулярные сита представляют собой материалы на основе масштабной трехмерной сети ионов кислорода, содержащих, как правило, участки тетраэдрического типа и имеющих в значительной степени однородное распределение пор. Молекулярные сита для примера, подходящие здесь, представляют собой микропористые материалы, со средним размером пор, составляющим не больше чем 20 Å. Размеры пор молекулярных сит определяются размером кольца.

Как применено в этом документе, термин "цеолит" относится к конкретному примеру молекулярного сита, включающему атомы кремния и алюминия. Цеолиты представляют собой кристаллические материалы, которые имеют достаточно однородные размеры пор, которые в зависимости от типа цеолита, и от типа и количества катионов, включенных в пространственную решетку цеолита, имеют размер в диапазоне от приблизительно 3 до 10 Ангстрем в диаметре. Цеолиты главным образом включают молярные соотношения диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR - диоксид кремния к оксиду алюминия) 2 или больше.

Выражение "8-кольцевые" цеолиты относится к цеолитам, которые имеют 8-кольцевые отверстия пор и двойные шестикольцевые вторичные строительные блоки, которые имеют сеткоподобную структуру, получающуюся в результате соединения двойных шестикольцевых (d6r) строительных блоков 4 кольцами (s4r). Цеолиты состоят из вторичных строительных блоков (SBU) и композитных строительных блоков (CBU), и фигурируют во многих различных каркасных структурах. Вторичные строительные блоки содержат до 16 тетраэдрических атомов и являются нехиральными. Композитные строительные блоки не обязаны быть ахиральными, и необязательно могут быть применены для построения целого каркаса. Например, одна группа цеолитов имеет одинарный 4-кольцевой (s4r) композитный строительный блок в ее каркасной структуре. В 4-кольцевой, "4" означает положения тетраэдрических атомов кремния и алюминия, и атомы кислорода размещены между тетраэдрическими атомами. Другие композитные строительные блоки включают, например, одинарный 6-кольцевой (s6r) блок, двойной 4-кольцевой (d4r) блок, и двойной 6-кольцевой (d6r) блок. d4r Блок создается путем объединения двух s4r блоков. d6r блок создается путем объединения двух s6r блоков. В d6r блоке есть двенадцать тетраэдрических атомов. Цеолитовые типы структур, которые имеют d6r вторичный строительный блок включают AEI, AFT, AFX, СНА, ЕАВ, ЕМТ, ERI, FAU, GME, JSR, KFI, LEV, LTL, LTN, MOZ, MSO, MWW, OFF, SAS, SAT, SAV, SBS, SBT, SFW, SSF, SZR, TSC, и WEN.

Термин "алюмофосфаты" относится к другому конкретному примеру молекулярного сита, которое включает атомы алюминия и фосфата. Алюмофосфаты представляют собой кристаллические материалы, которые имеют достаточно однородные размеры пор. Алюмофосфаты таким образом включают молярные соотношения диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR) 1 или меньше.

Термин "основы из тугоплавкого оксида металла с высокой удельной поверхностью" особенно относится к частицам основы, имеющим поры больше чем 20 Å и широкое распределение пор. Основы из тугоплавкого оксида металла с высокой удельной поверхностью, например, материалы основы оксида алюминия, также упоминается как "гамма оксид алюминия" или "активированный оксид алюминия," обычно показывает удельную поверхность БЭТ свежего материала больше, чем 60 квадратных метров на грамм (м²/г), часто до приблизительно 200 м²/г или выше. Такой активированный оксид алюминия обычно представляет собой смесь гамма и дельта фаз оксида алюминия, но также может содержать значительные количества эта, каппа и тета фаз оксида алюминия.

"Оксиды редкоземельных металлов" относится к одному или нескольким оксидам скандия, иттрия, и семейства лантана, как определено в Периодической таблице элементов. Оксиды редкоземельных металлов могут быть типичными компонентами накопления кислорода и/или промотирующими материалами. Примеры подходящих компонентов накопления кислорода включают оксид церия, оксид празеодимия, или их комбинации. Подача оксида церия может быть достигнута применением, например, оксида церия, смешанного оксида церия и циркония, и/или смешанного оксида церия, циркония и другого редкоземельного элемента(ов). Подходящие промоторы включают один или несколько невосставливаемых оксидов одного или нескольких редкоземельных металлов, выбранных из группы, включающей лантан, вольфрам, церий, неодим, гадолиний, иттрий, празеодимий, самарий, гафний, и их смеси.

"Оксиды щелочноземельных металлов" относится к оксидам металлов II группы, которые являются типичными материалами стабилизатора. Подходящие стабилизаторы включают, но не ограничены, невосставливаемые оксиды металлов, в которых металл выбирают из группы, включающей барий, кальций, магний, стронций и их смеси. В определенных вариантах осуществления, стабилизатор включает один или несколько оксидов бария и/или стронция.

"Покрытие из пористого оксида" является тонким адгезивным покрытием каталитического или другого материала, нанесенного на тугоплавкую подложку, такую как сотообразная проточная монолитная подложка или подложка-фильтр, которая является в значительной степени пористой, чтобы позволять проход через нее газовому потоку, который обрабатывается. "Слой покрытия из пористого оксида," поэтому, определяют как покрытие, которое включает частицы основы. "Слой каталитического покрытия из пористого оксида" представляет собой покрытие, содержащее частицы основы, с осажденным каталитическим компонентом.

"Монолитная подложка" представляет собой цельную структуру, которая является гомогенной и непрерывной, и не формируется присоединением отдельных кусочков подложки вместе.

"Селективное каталитическое восстановление" (SCR) применяет каталитическое восстановление оксидов азота восстановителем в присутствии подходящего количества кислорода. Восстановителями могут быть, например, углеводород, водород, и/или аммиак. Реакции SCR в присутствии аммиака проходят с образованием преимущественно азота и водяного пара соответственно следующим двум реакциям:

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O.

"Ловушка углеводородов" (НСТ) относится к функции улавливания углеводородов, которая означает, что углеводороды удерживаются одним или несколькими материалами (например, материалами на основе цеолитов) при температурах окружающей среды и выделяются при рабочих температурах.

"Катализатор SCR-HCT" представляет собой отдельный модуль, который обеспечивает и SCR и НСТ функциональные возможности.

"TWC" относится к функции тройного превращения, где углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота в значительной степени одновременно превращаются. Обычно, катализатор TWC включает один или несколько металлов платиновой группы, таких как палладий и/или родий и необязательно платина; компонент накопления кислорода; и, необязательно, промоторы и/или стабилизаторы. Под условиями обогащенной смеси катализаторы TWC образуют аммиак.

"LNT" относится к накопителю оксидов азота, который, как правило, содержит металлы группы платины и компоненты, улавливающие Nox, например, содержащие оксид церия и/или оксиды щелочноземельных металлов. Катализатор LNT способен абсорбировать NOx в условиях обедненной смеси и уменьшать накопленный NOx до азота в условиях обогащенной смеси.

"GDI" относится к прямому впрыску топлива, технологии впрыска топлива, которой впрыскивают сильно сжатый бензин через топливную систему высокого давления топливопровода прямо в камеру сгорания цилиндров двигателя (как противоположный обычному многоточечному впрыску топлива, которым впрыскивают бензин в приемный канал или окно цилиндра).

"АМОх" относится к катализатору окисления аммиака, который представляет собой катализатор, содержащий один или несколько металлов подходящих для превращения аммиака, и которые, как правило, удерживаются на материале основы.

Системы потока выхлопных газов

Как указано выше, в одном варианте осуществления, раскрытие обеспечивает комбинацию двух или больше катализаторов и, в особенности, комбинацию катализатора TWC с катализатором SCR-HCT расположенным ниже катализатора TWC. "Расположенным ниже", как правило, применяется здесь, означает относительное расположение двух или больше компонентов в системе относительно друг друга, и описывает такое расположение с помощью обычного направления газа через систему (то есть, поток газа контактирует с "расположенным ниже" компонентом, после того, как он контактирует с "расположенный выше" компонентом).

Для применений в системах нейтрализации выхлопных газов маломощных автомобилей с бензиновым двигателем, катализатор SCR-HCT, описанный здесь обеспечивает дополнительные превращения углеводородов (НС) и оксидов азота (NOx), чтобы приобщить традиционные системы выхлопных газов к дополнительной цели соблюдения все более и более строгих инструкций. Аммиак, как вторичный выброс, образуемый расположенным выше катализатором TWC, предпочтительно в значительной степени превращается на катализаторе SCR-HCT. Такая многосерийная система катализаторов обеспечивает улучшенные характеристики для углеводородов (НС) во время холодного запуска и для оксидов азота (NOx) после сжиганий в результате пассивных реакций NH₃-SCR.

Такие комбинации катализатора TWC с катализатором SCR-HCT могут дополнительно содержать один или несколько дополнительных компонентов катализатора, по меньшей мере, один из которых может быть размещен ниже катализатора SCR-HCT. Один или несколько дополнительных компонентов катализатора могут содержать любые компоненты эффективные для уменьшения любого нежелательного выброса (прямой выброс и/или пассивный выброс). Такие дополнительные компоненты катализатора включают, но не ограничены, дополнительные катализаторы TWC, катализаторы окисления (ОС), катализаторы накопители оксидов азота (LNT) и подобное, и их комбинации. Например, катализатор TWC и катализатор SCR-HCT в такой конфигурации могут быть применены в комбинации с расположенным ниже катализатором, имеющим металл платиновой группы (PGM), эффективным для окисления углеводородов. Эффективные содержания PGM, как правило, известны специалисту в данной области техники и дополнительно описаны здесь ниже. В таких вариантах осуществления, катализатор SCR-HCT может эффективно накоплять углеводороды во время холодного запуска и превращать NOx во время горячей стадии. В результате выделения углеводородов из катализатора SCR-HCT на горячей стадии, расположенный ниже катализатор может превращать углеводороды.

Возвращаясь к фигурам, ФИГ. 1-2 изображают примерные системы TWC, объединенные с катализатором SCR-HCT. В контексте этих систем, положение "с глухим соединением" понимают, как обычно положено в области техники, то есть, будучи ближе к двигателю, чем в традиционных положениях "под полом" (которые находится ниже этажа транспортного средства). Как правило, такие положения "с глухим соединением" находятся в моторном отсеке, то есть, ниже капота транспортного средства, и смежные с выхлопным трубопроводом двигателя и, в таком положении, катализаторы с глухим соединением обычно подвергаются воздействию выхлопного газа высокой температуры, немедленно выходящего из двигателя после того, как двигатель нагрелся (и таким образом часто служит для уменьшения выбросов углеводородов во время холодного запуска, то есть, в период немедленно после запуска двигателя от внешних условий).

На ФИГ. 1, представлены различные системы, направленные на стехиометрический бензиновый двигатель. ФИГ. 1А изображает первый/расположенный выше катализатор тройного превращения (TWC-1) в положении с глухим соединением и катализатор SCR-HCT за которым следует второй катализатор тройного превращения (TWC-2) в положении под полом, беря преимущество более низкие температуры старения для катализатора на основе цеолита. Необязательно, воздушный инжектор снабжает воздухом расположенный выше катализатор SCR-HCT.

ФИГ. 1В изображает первый/расположенный выше катализатор тройного превращения (TWC-1) за которым следует катализатор SCR-HCT, за которым следует второй катализатор тройного превращения (TWC-2), все в положении с глухим соединением. Необязательно, воздушный инжектор снабжает воздухом расположенную выше комбинацию SCR-HCT.

ФИГ. 1С изображает первый/расположенный выше катализатор тройного превращения в положении с глухим соединением, за которым следует катализатор SCR-HCT в положении под полом вместе со вторым катализатором тройного превращения (TWC-2), которым является катализатор SCR-HCT, и TWC-2 находятся в том же модуле (или могут быть в отдельных модулях). "Модуль", как применено в этом документе, предназначен, чтобы иметь его обычное значение, то есть, блок, который имеет один или несколько катализаторов объединенных вместе (например, содержащихся в нем или размещенных на нем). Необязательно, воздушный инжектор снабжает воздухом расположенный выше катализатор SCR-HCT/TWC-2.

ФИГ. 1D изображает расположенный выше катализатор тройного превращения (TWC) в положении с глухим соединением за которым следует комбинация SCR-HCT в положении под полом, где воздушный инжектор снабжает воздухом, расположенный выше катализатора SCR-HCT, за которым следует катализатор окисления (ОС), где второй компрессор способствует росту активности SCR и превращению НС. Дополнительное средство состоит в том, чтобы разместить TWC-1, катализатор SCR-HCT, и третий PGM катализатора, все в одном модуле или контейнере. Если необходимо, катализатор SCR-HCT может быть размещен на бензиновом сажевом фильтре (GPF) чтобы отвечать требованиям для удаления твердых примесей в атмосфере.

Определенные варианты осуществления (включая катализатор TWC, катализатор SCR-HCT, и катализатор, содержащий PGM) могут функционировать следующим образом. В эксплуатации стехиометрического бензинового двигателя соотношения топлива к воздуху колеблются между обогащенными и обедненными стехиометрическими условиями. Катализатор TWC с глухим соединением превращает большинство выбросов загрязнителей и, при обогащенных условиях с избытком восстановителей и недостатком кислорода, пассивно образует аммиак через сверхвосстановление NOx. Катализатор SCR-HCT улавливает прорыв углеводородов во время холодного запуска и выделяет накопленные НС при относительно высокой температуре выхлопных газов. Одновременно, катализатор SCR-HCT накапливает аммиак, образующийся расположенным выше катализатором TWC и превращает прорыв NOx с помощью реакций NH₃-SCR. Расположенный ниже катализатор, содержащий PGM, превращает углеводороды, выделяющиеся из катализатора SCR-HCT, при относительно высокой температуре выхлопных газов и уменьшает дополнительный прорыв выброса загрязнителей.

ФИГ. 2 изображает систему двигателя, работающего на обедненных смесях, с прямым впрыском топлива (GDI), включающую расположенный выше катализатор тройного превращения (TWC) в положении с глухим соединением и катализатор SCR-HCT за которым следует катализатор-накопитель оксидов азота в положении под полом. Если необходимо, катализатор SCR-HCT может быть размещен на бензиновом сажевом фильтре (GPF) чтобы отвечать требованиям для удаления твердых примесей в атмосфере.

В эксплуатации двигателя, работающего на обедненных смесях, с прямым впрыском топлива соотношение топлива к воздуху прежде всего поддерживается обедненным относительно стехиометрических условий, с периодической регенерацией тактов, которые находятся при обогащенных стехиометрических условиях. Таким образом, катализатор-накопитель оксидов азота (LNT) размещают ниже катализатора SCR-HCT для превращения углеводородов, выделяющихся из катализатора SCR-HCT и для накопления NOx при обедненных условиях и для уменьшения накопленного NOx при обогащенных условиях.

Катализаторы SCR-HCT

Катализаторы SCR-HCT, описанные здесь, могут быть обеспечены независимо или могут содержать часть каталитической системы. Комбинация SCR-HCT может содержать, например, каталитический материал SCR, включающий первый цеолит и материал НСТ, включающий второй цеолит, который отличается от первого цеолита. В некоторых вариантах осуществления, каталитические материалы и SCR и НСТ осаждают на монолитной подложке. Этот двойной компонент конструкций предусмотрен для настройки в широком диапазоне функций SCR и НСТ разнообразным массовым соотношением первого и второго цеолитов. В одном или нескольких вариантах осуществления, соотношение первого цеолита ко второму цеолиту находится в диапазоне от 10:1 до 1:10. Способность настраивать это соотношение может быть выгодной, поскольку это допускает больший акцент в некоторых вариантах осуществления на функции SCR (например, с массовым соотношением первого цеолита ко второму цеолиту выше, чем 1:1, например, от 1:1 до 10:1) и, в других вариантах осуществления, на функцию НСТ (например, с массовым соотношением первого цеолита ко второму цеолиту меньше, чем 1:1, например, от 1:10 до 1:1). В некоторых вариантах осуществления, подходящим является в значительной степени равное массовое соотношение, например, имея соотношение первого цеолита ко второму цеолиту приблизительно от 2:1 до 1:2 или от 1.5:1 до 1:1.5 (например, приблизительно 1:1). Катализатор SCR-HCT преимущественно, в значительной степени, (включая полностью) не содержит PGM. Катализатор SCR-HCT может необязательно включать другие компоненты, такие как оксиды простых металлов. Такие дополнительные компоненты могут быть, например, добавлены или к каталитическому материалу или могут быть включены, как отдельный слой или зона, чтобы снабдить дополнительными функциональными возможностями по желанию.

Материалы катализаторов SCR и НСТ могут быть расположены различными способами относительно друг друга. Как показано на ФИГ. 3, в одном варианте осуществления, типичный катализатор SCR-HCT 10 включает материалы и SCR и НСТ как гомогенную смесь и осажден в один слой 14 на подложке 12. В других вариантах осуществления, каждый каталитический материал может быть отдельно нанесен в любом порядке на подложку. На ФИГ. 4А, катализатор SCR-HCT 20 включает внешний слой 28, включающий каталитический материал SCR на внутренний слой 26, включающий материал НСТ, который осаждают на подложку 22. На ФИГ. 4В, катализатор SCR-HCT 30 включает внешний слой 36, включающий каталитический материал НСТ на внутреннем слое 38, включающий каталитический материал SCR, который осаждают на подложку 32. В других вариантах осуществления, каждый каталитический материал может быть зонированным (в любом порядке). На ФИГ. 5А, катализатор SCR-HCT 40 включает расположенную выше зону 48, включающую каталитический материал SCR и расположенную ниже зону 46, включающую материал НСТ, который осаждают на подложку 42. Каталитический материал SCR может находиться в первой зоне, которая может охватывать любой процент в диапазоне 10-90% подложки от расположенного выше конца и материал НСТ может охватывать любой процент в диапазоне 90-10% подложки от расположенного ниже конца. На ФИГ. 5В, комбинация SCR-HCT 50 включает расположенную выше зону 56, включающую материал НСТ и расположенную ниже зону 58, включающую каталитический материал SCR, который осаждают на подложку 52. Материал НСТ может, в некоторых вариантах осуществления, находиться в первой зоне, которая может охватывать любой процент в диапазоне 10-90% поверхности подложки от расположенного выше конца и каталитический материал SCR может охватывать любой процент в диапазоне 90-10% поверхности подложки от расположенного ниже конца.

Комбинация катализатора селективного каталитического восстановления (SCR) с ловушкой углеводородов (НСТ), или катализатором SCR-HCT, является эффективной для накопления углеводородов во время холодного запуска и для превращения оксидов азота (NOx) во время горячей стадии. В отдельных вариантах осуществления, выгодно применять катализатор окисления, расположенный ниже катализатора SCR-HCT для превращения углеводородов, выделяющихся из катализатора SCR-HCT во время горячей стадии.

Эффективное количество катализатора, объединенное с катализатором SCR-HCT, как правило, понятно специалисту в данной области техники. В одном особенном варианте осуществления, применяют катализатор SCR-HCT, включающий Cu-СНА и H-Beta, например, нанесением такой композиции катализатора как покрытия из пористого оксида на керамическую подложку. Эти компоненты могут присутствовать в различных соотношениях по отношению друг к другу, например, массовое соотношение приблизительно от 10:1 до 1:10, например, массовое соотношение приблизительно от 2:1 до 1:2, включая грубо массовое соотношение 1:1. В определенных вариантах осуществления, общая загрузка катализатора может быть такой, что SCR-HCT включает загрузку покрытия из пористого оксида (после прокаливания) от приблизительно 1 до приблизительно 10 г/дюйм³ (например, приблизительно 1-6 или приблизительно 2-4 г/дюйм³), где покрытие из пористого оксида может содержать, например, приблизительно 1-6 мас. % CuO, например, от приблизительно 2 до приблизительно 4 мас. % CuO.

Каталитический материал SCR

В определенных вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает один или несколько материалов молекулярного сита. В некоторых вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает 8-членные молекулярные сита с малыми порами, содержащие металлический промотор. Как применено в этом документе, "малая пора" относится к поровым отверстиям, которые меньше, чем приблизительно 5 Ангстрем (например, приблизительно 2-5Å, приблизительно 2-4 Å, приблизительно 3-5 Å, или приблизительно 3-4 Å, например, примерно ~3.8 Ангстрем. Одно конкретное 8-членное молекулярное сито с малыми порами представляет собой 8-членный кольцевой цеолит с малыми порами.

В некоторых вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает цеолит, включающий d6r блок. Таким образом, в одном или нескольких вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает цеолит, имеющий тип структуры, выбранный из AEI, AFT, AFX, СНА, ЕАВ, ЕМТ, ERI, FAU, GME, JSR, KFI, LEV, LTL, LTN, MOZ, MSO, MWW, OFF, SAS, SAT, SAV, SBS, SBT, SFW, SSF, SZR, TSC, WEN, и их комбинаций. IB других конкретных вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает цеолит с типом структуры, выбранным из группы, включающей СНА, AEI, AFX, ERI, KFI, LEV, и их комбинации. В еще дополнительных конкретных вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает цеолит с типом структуры, выбранным из СНА и AEI. В одном или нескольких очень конкретных вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает цеолит с типом структуры СНА.

В определенных вариантах осуществления, каталитический материал SCR включает цеолитный шабазит, который представляет собой тектосиликатный минерал природного происхождения группы цеолита с приближенной формулой, представленной (Ca,Na₂,K₂,Mg)Al₂Si₄O₁₂⋅6H₂O (например, гидратированный силикат алюминия и кальция). Три синтетических формы цеолитного шабазита, которые могут найти применение в катализаторах SCR, раскрытых здесь, описаны в "Zeolite Molecular Sieves,"" by D.W. Breck, опубликованном в 1973 by John Wiley & Sons, который включен этим документом посредством ссылки. Три синтетических формы, по данным Breck представляют собой Цеолит K-G, описанный в J. Chem. Soc, p. 2822 (1956), Barrer et al; Цеолит D, описанный в British Patent No. 868,846 (1961); и Цеолит R, описанный в Патент США №3,030,181 to Milton, которые все включены этим документом посредством ссылки. Синтез других синтетических форм цеолитного шабазита, SSZ-13, описан в U.S. Pat. No. 4,544,538 to Zones, который включен этим документом посредством ссылки. Способ изготовления еще одного синтетического молекулярного сита, имеющего структуру шабазита, SAPO-44, описан в Патент США №6,162,415 to Liu et al., который включен этим документом посредством ссылки.

Соотношение диоксида кремния к оксиду алюминия в молекулярных ситах пригодных как каталитические материалы SCR могут варьироваться в широком диапазоне. В одном или нескольких вариантах осуществления, молекулярные сита пригодные как каталитические материалы SCR имеют молярное соотношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR) в диапазоне от 2 до 300, включая 5 - 250; 5 - 200; 5 - 100; и 5 - 50. В одном или нескольких конкретных вариантах осуществления, молекулярное сито имеет молярное соотношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR) в диапазоне от 10 до 200, 10 - 100, 10 - 75, 10 - 60, 10 - 50, 15 - 100, 15 - 75, 15 - 60, 15 - 50, 20 - 100, 20 - 75, 20 - 60, и 20 - 50. В более конкретных вариантах осуществления, по отношению к молекулярному ситу, имеющему любые непосредственно предшествующий диапазоны SAR, сферическая частица молекулярного сита имеет размер частицы d50 в диапазоне от приблизительно 1.0 до приблизительно 5 микрон, и более конкретно, приблизительно 1.0 - приблизительно 3.5 микрон, и отдельные кристаллы компонента молекулярного сита имеют размер кристалла в диапазоне от приблизительно 100 до приблизительно 250 нм.

Для селективного каталитического восстановления оксидов азота аммиаком, также подходят катализаторы из цеолита, промотированного металлом включающие, в том числе, катализаторы из цеолита, промотированного железом и промотированного медью. Промотирующий металл может быть выбран из Cu, Fe, Со, Ni, La, Се, Mn, V, Ag, и их комбинаций. В конкретных вариантах осуществления, промотирующий металл является Cu, Fe, или их комбинациями. Алюмосиликатный цеолит, промотированный металлом, особенно промотированный медью, имеющий тип структуры СНА, и молярное соотношение диоксида кремния к оксиду алюминия больше, чем 1, с недавних пор привлекли высокий уровень интереса как катализаторы для SCR оксидов азота в двигателях, работающих на обедненных смесях, применяя азотсодержащие восстановители. Содержание промотирующего металла в таких катализаторах, рассчитанное в виде оксида, составляет, в одном или нескольких вариантах осуществления, по меньшей мере приблизительно 0.1 мас. %, относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. В конкретных вариантах осуществления, промотирующий металл включает Cu, и содержание Cu, рассчитанное в виде CuO находится в диапазоне до приблизительно 10 мас. %, включая 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, и 0.1 мас. %, в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. В конкретных вариантах осуществления, содержание Cu, рассчитанное в виде CuO, находится в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 4 мас. %.

Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 2 до 300, содержание Cu может быть в диапазоне 0.1-10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 5 до 250, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 5 до 200, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 5 до 100, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 5 до 50, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 10 до 200, содержание Cu может быть в диапазоне 0.1-10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 10 to 100, содержание Cu может быть в диапазоне 0.1-10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 10 до 75, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ.

Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 10 до 60, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 10 до 50, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 15 до 100, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 15 до 75, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 15 до 60, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 15 до 50, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ.

Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 20 до 100, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ. Для конкретных катализаторов из цеолита, промотированного металлом, имеющих SAR от 20 до 75, содержание Cu может быть в диапазоне от 0.1 до 10 мас. %, или 0.5-8 мас. %, или 0.8-6 мас. %, или 1-4 мас. %, или даже 2-3 мас. % в каждом случае в пересчете на общую массу прокаленного компонента цеолита относительно основного компонента, не содержащего низкокипящих веществ.

Другое типичное молекулярное сито, которое может быть подходящим как каталитический материал SCR представляет собой алюмофосфат. Типы алюмофосфатов включают: кремнийалюмофосфат (SAPO), металлический алюмофосфат (МеАРО), и металлический кремнийалюмофосфат (MeSAPO). Синтез синтетической формы типичного алюмофосфатного молекулярного сита, кремнийалюмофосфата 34 (SAPO-34), описан в U.S. Patents 4,440,871 to Lok et al. и 7,264,789 to Van Den et al., которые включены этим документом посредством ссылки. Способ изготовления еще одного синтетического молекулярного сита, SAPO-44, описан в Патент США №6,162,415 to Liu et al., который включен этим документом посредством ссылки.

Материал НСТ

Материалы, улавливающие углеводороды, в различных вариантах осуществления, представляют собой, как правило, различные типы цеолитов, таких как силикаты, модениты, Y-тип, ZSM-5, MFI и/или beta-цеолит. Типичный каталитический материал НСТ представляет собой цеолит канальной структуры, включающий 10-членные кольца или 12-членные кольца (которые необязательно могут быть обменянными ионами). Поскольку углеводороды двигателя имеют различные размеры, одна конструкция компонента НСТ включает комбинацию множества материалов (например, множества цеолитов) с разной пористостью для того, чтобы улавливать большинство видов НС. Типичные материалы НСТ могут обладать соотношением диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR), находящимся в диапазоне от 5 до 1000. Цеолиты с относительно низким SAR (то есть 5-100) имеют больше кислотных участков в цеолитном каркасе и известны олигомеризированием ненасыщенных углеводородов, особенность, желательная для удерживания определенных видов НС. С другой стороны, цеолиты с относительно высоким SAR (100-1000) термически более устойчивы и, таким образом, могут быть идеальными для улавливания более крупных видов НС. Соответственно, преимущественно применяют комбинацию двух или больше цеолитов (то есть, многокомпонентная НСТ) и, в некоторых вариантах осуществления, такая комбинация может содержать первый цеолит с SAR 5-100 и второй цеолит с SAR 100-1000. Цеолиты в Fe или Cu-обменянных формах также могут быть применены как материалы НСТ.

Катализаторы, содержащие металл платиновой группы (PGM)

Металлы платиновой группы (PGMs) могут быть применены в различных типах катализаторов, применяемых в системах и способах раскрытых здесь. Например, в определенных вариантах осуществления, каталитические материалы PGM могут быть включены в катализатор TWC, расположенный выше катализатора SCR-HCT и/или, в определенных вариантах осуществления, каталитический материал PGM может быть включен в третий катализатор, расположенный ниже катализатора SCR-HCT (который может быть, например, катализатором TWC, накопителем оксидов азота (LNT), катализатором окисления, или подобным). Специалист в данной области техники может легко понять подходящие каталитические количества PGM для включения в такие катализаторы, содержащие PGM. Например, в разнообразных вариантах осуществления, количества PGM могут быть в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 50 мас. % данной композиции катализатора (например, покрытия из пористого оксида), таком как от приблизительно 1 до приблизительно 25 мас. % или от приблизительно 1 до приблизительно 10 мас. % в пересчете на все покрытие из пористого оксида.

Расположенные выше катализаторы TWC

Расположенный выше катализатор TWC обычно включает один или несколько металлов платиновой группы, таких как палладий (Pd) и/или родий (Rh) и необязательно платина (Pt); компонент накопления кислорода (OSC); и необязательно, один или несколько промоторов и/или стабилизаторов. Катализаторы TWC могут быть сконструированы слоями с конкретным расположением компонентов, чтобы увеличить определенные химические составы и приспособить различные конструкции двигателей. Определенные системы, раскрытые здесь, применяют преимущества производства аммиака расположенным выше катализатором TWC, в положении с глухим соединением (TWC как CC1) (если аммиак может участвовать в SCR в катализаторе SCR-HCT). Типичные конструкции, чтобы увеличить образование аммиака, расположенным выше катализатором SCR-HCT, включают, но не ограничены, катализатор TWC с Pd в верхнем покрытии (Т/С); катализатор TWC, включающий Pt; и катализатор TWC и с Pt и с ВаО (подобно TWC-LNT) для применения в GDI, работающего на обедненных смесях. Одна возможная конструкция представляет собой катализатор TWC только с Pd.

Специалист в данной области техники придет к выводу, что каталитические загрузки катализаторов TWC могут варьироваться. Например, в одном особенном варианте осуществления, катализатор TWC, расположенный выше, может содержать один или несколько металлов платиновой группы, один или несколько оксидов простых металлов, и один или несколько оксидов редкоземельных металлов, например, с общей загрузкой покрытия из пористого оксида приблизительно 1-10 г/дюйм³, такой как приблизительно 1-5 г/дюйм³ (включая любые количества слоев, например, приблизительно 1-5 слоев или приблизительно 1-3 слоя), например, имеющие общее содержание металлов платиновой группы от приблизительно 1 до приблизительно 6 мас. % покрытия из пористого оксида, такое как от приблизительно 1 до приблизительно 3 мас. % покрытия из пористого оксида, общее содержание металлов платиновой группы (такого как оксид церия, оксид циркония, и оксид бария) от приблизительно 50 до приблизительно 80 мас. % покрытия из пористого оксида, такое как от приблизительно 50 до приблизительно 70 мас. % покрытия из пористого оксида, и содержание оксидов редкоземельных металлов от приблизительно 7.5 до приблизительно 15 мас. %, такое как от приблизительно 7.5 до приблизительно 12.5 мас. % покрытия из пористого оксида, например, с от приблизительно 15 до приблизительно 40 мас. % носителя (например, оксида алюминия).

Расположенные ниже катализаторы, содержащие PGM

Обычно расположенные ниже катализаторы, содержащие металл платиновой группы (PGM) содержат каталитический материал, который является эффективным, по меньшей мере, для окисления углеводородов. Такие катализаторы могут быть сконструированы как обычные катализаторы тройного превращения (TWC), которые содержат OSC, которые являются эффективными, в значительной степени, для одновременного превращения углеводородов, монооксидов углерода, и оксидов азота. Катализаторы TWC с улучшением в сжигании и паровом риформинге (например, таковые, имеющие все три металла (Pd, Rh, и Pt) и/или таковые, имеющие дополнительное количество Rh), могут быть желательными в отдельных вариантах осуществления.

Другой катализатор, содержащий PGM, может быть накопителем оксидов азота (LNT), который содержит компоненты, улавливающие NOx, такие как оксид бария (ВаО) и/или оксид церия (СеО₂) и, необязательно, один или несколько компонентов OSC.

Другим типичным катализатором, содержащим PGM является катализатор окисления (ОС). Конкретные катализаторы, содержащие PGM могут, в некоторых вариантах осуществления, быть эффективными только как катализаторы окисления, не содержащими один или несколько из следующего: любой вид компонентов накопления кислорода (OSC), компонентов, улавливающих NOx, и компонентов, улавливающих НС. Один типичный ОС для применения в системах раскрытых здесь представляет собой конструкцию с платиной. В некоторых вариантах осуществления может быть желательным катализатор окисления платина-палладий. Катализатор окисления аммиака (АМОх) катализатор, включающий медный цеолит в сочетании с нанесенным на основу металлом платиновой группы (например, Pt-Al₂O₃) также может быть желательным, в определенных вариантах осуществления.

Расположенный ниже катализатор, содержащий PGM, может быть слоистым или зонированным, по желанию, чтобы обеспечить дополнительный полезные функциональные возможности. Снова, специалист в данной области техники может легко понять подходящие каталитические количества PGM для включения в такие разнообразные типы катализаторов, содержащих PGM. Например, в разнообразных вариантах осуществления, количества PGM могут быть в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 50 мас. % данной композиции катализатора (например, покрытие из пористого оксида), таким как приблизительно 1 - приблизительно 25 мас. % или приблизительно 1 - приблизительно 10 мас. % в пересчете на все покрытие из пористого оксида.

Композиты катализатора

Композиты катализатора могут быть получены из каталитических материалов в один или несколько слоев на носителе. Дисперсия любого одного или нескольких каталитических материалов, как описано здесь, может быть применена, чтобы сформировать взвесь для покрытия из пористого оксида. К взвеси могут быть добавлены любые желательные дополнительные компоненты, такие как другие металлы платиновой группы, другие основы, другие стабилизаторы и промоторы, и, обычно, для катализаторов TWC, один или несколько компонентов накопления кислорода.

В одном или нескольких вариантах осуществления, взвесь является кислотной, имеющей pH от приблизительно 2 до приблизительно 7. pH взвеси может быть снижено добавлением соответствующего количества неорганических или органических кислот к взвеси. Могут быть применены комбинации и неорганической и органической кислоты для изменения pH взвеси, если принято во внимание совместимость кислоты и сырьевых материалов. Неорганические кислоты включают, но не ограничены, азотную кислоту. Органические кислоты включают, но не ограничены, уксусную, пропионовую, щавелевую, малоновую, янтарную, глутаминовую, адипиновую, малеиновую, фумаровую, фталевую, винную, лимонную кислоту и подобные. Отмечено, что выбор кислоты может быть соответствующим таким образом, что добавление кислоты не должно вводить элементы, которые являются нежелательными в контексте каталитических материалов. Впоследствии, если желательно, к взвеси могут быть добавлены растворимые в воде или диспергируемые в воде соединения компонентов накопления кислорода, например, композит церий-цирконий, стабилизатор, например, ацетат бария, и промотор, например, нитрат лантана. Взвесь, впоследствии, могут измельчать до получения в значительной степени всех твердых частиц, имеющих размеры частицы меньше, чем приблизительно 20 микрон, то есть, приблизительно 0.1-15 микрон, в среднем диаметре. Измельчение может быть выполнено в шаровой мельнице или другом похожем приборе, и содержание твердых частиц взвеси составляет, например, приблизительно 10-50 мас. %, более особенно приблизительно 10-40 мас. %. Носитель потом может быть погружен один или несколько раз в такую взвесь или взвесь может быть нанесена на носителе таким образом, что она будет осаждена на носитель желательной загрузкой покрытия из пористого оксида/композит оксида металла, например, приблизительно 1.0 приблизительно 6.5 г/дюйм³. Впоследствии покрытый носитель прокаливают нагреванием, например, при 500-600°C в течение периода времени достаточного, чтобы обеспечить прокаливание (например, приблизительно 1 - приблизительно 3 часа).

Обычно, если металл платиновой группы является желательным как компонент композита катализатора, металлический компонент применяют в форме соединения или комплекса, чтобы достичь дисперсии компонента на основе из тугоплавкого оксида металла, например, активированный оксид алюминия или композит оксид церия-оксид циркония. Для целей изобретения, термин "металлический компонент" означает любое соединение, комплекс или подобное, которое, в результате прокаливания или его применения, разлагается или иначе превращается в каталитически активную форму, обычно металл или оксид металла. Растворимые в воде или диспергируемые в воде соединения или комплексы металлического компонента могут быть применены пока жидкая среда, применяемая, чтобы пропитать или осадить металлический компонент на основу из частиц тугоплавкого оксида металла, не будет отрицательно реагировать с металлом или его соединением или его комплексом или другими компонентами, которые могут присутствовать в композиции катализатора. Дополнительно, в таких вариантах осуществления, жидкая среда должна, дополнительно, быть способной удаляться из металлического компонента испарением или разложением в результате нагревания и/или применения вакуума. В некоторых случаях, окончание удаления жидкости может не произойти до тех пор, пока катализатор не поместят в место применения и подвергнут высоким температурам, встречающимся во время эксплуатации. Как правило, и с экономической точки зрения и экологических аспектов, успешно применяют водные растворы растворимых соединений или комплексов благородных металлов. Во время этапа прокаливания, или, по меньшей мере, во время начальной фазы применения композита, такие соединения превращаются в каталитически активную форму металла или его соединения.

Дополнительные слои могут быть получены и осаждены на предыдущие слои таким же способом, как описанный выше, для осаждения любого слоя на носитель.

Носитель

Каталитические материалы всех типов, в предпочтительных вариантах осуществления, размещают на носителе, например, в областях применения для выхлопного газа. Один типичный тип носителя подходящий в контексте данного раскрытия представляет собой монолитную подложку.

Носитель может быть любым из таковых материалов, обычно применяемых для получения композитов катализатора, и будет предпочтительно включать керамическую или металлическую сотообразную структуру. Может быть применен любой подходящий носитель, такой как монолитная подложка типа, имеющего тонкие, параллельные проходы для потока газа простирающиеся через него от входной до выходной поверхности подложки, таким образом, что проходы открыты потоку жидкости через него (называемый сотообразной проточной подложкой). Проходы, которые являются чрезвычайно прямыми путями от их входа для жидкости до их выхода для жидкости, определены стенками, на которых каталитический материал нанесен как покрытие из пористого оксида таким образом, что газы, текущие через проходы контактируют с каталитическим материалом. Проходы потока монолитной подложки являются тонкостенными каналами, которые могут быть любой подходящей формы поперечного сечения и размера, такой как трапециевидная, прямоугольная, квадратная, синусоидальная, гексагональная, овальная, круглая, и т.д.. Такие структуры могут содержать от приблизительно 60 до приблизительно 900 или больше входных отверстий для газа (то есть, ячеек) на квадратный дюйм поперечного сечения.

Носитель также может, в некоторых вариантах осуществления, быть подложкой-фильтром с проточными стенками, где каналы поочередно блокируются, позволяя потоку газов входить в каналы с одного направления (входное направление), течь через стенки каналов и выходить из каналов с другого направления (выходное направление). Катализатор, такой как композиция двойного катализатора окисления, может быть нанесен на фильтр с проточными стенками. Если применяют такой носитель, полученная в результате система преимущественно способна к удалению твердых примесей в атмосфере наряду с газообразными загрязнителями. Носитель-фильтр с проточными стенками может быть изготовлен из материалов обычно известных в области техники, таких как кордиерит или карбид кремния.

Носители, подходящие соответственно данному раскрытию могут быть изготовлены из любого подходящего тугоплавкого материала, например, кордиерита, кордиерит-оксид алюминия, нитрида кремния, цирконового муллита, сподумена, оксид алюминия-диоксид кремния-оксид магния, силиката циркония, силлиманита, силиката магния, циркона, петалита, оксида алюминия, алюмосиликата или подобного, и их комбинаций. Носители подходящие для катализаторов данного изобретения также могут быть металлической природы и состоять из одного или нескольких металлов или сплавов металлов. Металлические носители могут быть применены в разнообразных формах, таких как гофрированный лист или монолитная форма. Предпочтительные металлические основы включают устойчивые к теплу металлы и сплавы металлов, такие как титан и нержавеющая сталь, а также другие сплавы, в которых железо является значительным или главным компонентом. Такие сплавы могут включать один или несколько из никеля, хрома и/или алюминия, и общее количество этих металлов может преимущественно составлять, по меньшей мере, 15 мас. % сплава, например, 10-25 мас. % хрома, 3-8 мас. % алюминия и до 20 мас. % никеля. Сплавы также могут содержать малые или следовые количества одного или нескольких других металлов, таких как марганец, медь, ванадий, титан и подобное. Поверхность металлических носителей может, в некоторых вариантах осуществления, быть окисленной при высоких температурах, например, 1000°C и выше, чтобы улучшить устойчивость к коррозии сплавов, формированием оксидного слоя на поверхностях носителей. Такое вызванное высокой температурой окисление может увеличить адгезию основы из тугоплавкого оксида металла и каталитически промотировать металлическими компонентами носитель.

В некоторых вариантах осуществления, один или несколько каталитических материалов могут быть осаждены на подложку из поропласта с открытыми порами. Такие подложки хорошо известны в уровне техники, и обычно формируются из тугоплавких керамических или металлических материалов.

Перед тем как описать некоторые типичные варианты осуществления изобретения, должно быть понятно, что изобретение не ограничено деталями конструкции или этапами способа, изложенными в следующем описании. Изобретение способно иметь другие варианты осуществления и быть осуществлено на практике различными путями. В следующих, предпочтительных конструкциях обеспечивают, включая такие комбинации как перечисленные, применяемые самостоятельно или в неограниченных комбинациях, применения для которых включают катализаторы, системы, и способы других объектов данного изобретения.

Конкретные варианты осуществления

Ниже перечислены различные варианты осуществления. Должно быть понятно, что варианты осуществления, перечисленные ниже, могут комбинироваться со всеми объектами и другими вариантами осуществления в соответствии с объемом изобретения.

Вариант осуществления 1 представляет собой катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления и ловушку углеводородов. Каталитический материал SCR и НСТ могут быть осаждены на монолитную подложку, например, в гомогенной смеси на ней, в слоистой конфигурации, или в зонированной конфигурации.

Вариант осуществления 2 представляет собой систему очистки выбросов для потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, включающего углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота, при этом система очистки выбросов включает: выхлопной трубопровод в канале для движения флюидов с двигателем внутреннего сгорания через выхлопной трубопровод двигателя; первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе; катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления и ловушку углеводородов ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и третий катализатор ниже комбинации SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, при этом третий катализатор включает металл платиновой группы (PGM) в количестве эффективном для окисления углеводородов. Отмечено, что "выхлопной трубопровод двигателя" как применено в этом документе предназначен, чтобы иметь свое общее значение, то есть, блок, который накапливает выхлопные газы двигателя и, где присутствует множество выходов выхлопных газов двигателя, служит, чтобы объединять такие газы в нем, чтобы получить объединенный поток выхлопных газов. Обычно, этот объединенный поток выхлопных газов движется к "выхлопному трубопроводу," который гидравлически соединен с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор. "Выхлопной трубопровод" также имеет свое общее значение, то есть, канал, через который выхлопной газ (например, объединенный поток выхлопных газов) движется из выхлопного трубопровода двигателя перед тем, как будет выделяться.

Вариант осуществления 3 представляет собой систему очистки выбросов для потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, включая углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота, при этом система очистки выбросов включает: выхлопной трубопровод гидравлически соединенный с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор; первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе, который эффективен для получения аммиака; катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе, катализатор SCR, включающий первое молекулярное сито и катализатор НСТ, включающий второе молекулярное сито, которое отличается от первого молекулярного сита; и второй катализатор тройного превращения (TWC-2) ниже катализатора SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, который включает металл платиновой группы (PGM) и компонент накопления кислорода в объединенном количестве эффективном для окисления углеводородов.

Вариант осуществления 4 представляет собой способ обработки выхлопных газов, включающий контактирование потока газов, при этом способ, включающий углеводороды (HCs), монооксид углерода (СО), и оксиды азота (NOx), включает движение потока газов через любую из систем очистки выбросов, раскрытых здесь, где: в результате контакта с TWC-1, углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота превращаются в значительной степени одновременно и образуется аммиак в количестве эффективном для катализатор SCR; в результате контакта с катализатором SCR-HCT, аммиак накапливается в катализаторе SCR и применяется для уменьшения прорыва NOx, и углеводороды улавливаются в НСТ во время холодного запуска и выделяются при более высоких температурах; и в результате контакта с третьим катализатором, углеводороды, выделяющиеся из НСТ, сжигаются.

Вариант осуществления 5 представляет собой способ изготовления системы обработки выбросов, при этом способ включает: обеспечение первого катализатора тройного превращения (TWC-1), расположенного ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе; размещение катализатора SCR-HCT, включающего катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ), расположенного ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и размещение третьего катализатора, расположенного ниже комбинации SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, при этом третий катализатор включает металл платиновой группы (PGM) в количестве эффективном для окисления углеводородов.

Каждый из вариантов осуществления от первого по пятый здесь могут иметь следующие особенности конструкции, отдельно или в комбинации:

Катализатор SCR-HCT, в некоторых вариантах осуществления, включает каталитический материал SCR, который включает первое молекулярное сито и материал НСТ включает второе молекулярное сито, которое отличается от первого молекулярного сита, оба каталитических материала осаждены на монолитную подложку;

Первое молекулярное сито, в некоторых вариантах осуществления, включает Cu-СНА цеолит;

Второе молекулярное сито, в некоторых вариантах осуществления, включает Beta цеолит;

Массовое соотношение каталитического материала SCR к материалу НСТ, в некоторых вариантах осуществления, находится в диапазоне от 10:1 до 1:10 (или от 4:1 до 1:4 или от 1.5:1 до 1:1.5 или даже составляет 1:1);

Монолитная подложка, в некоторых вариантах осуществления, представляет собой проточную подложку или фильтр с проточными стенками;

Первое молекулярное сито, в некоторых вариантах осуществления, включает 8-членный кольцевой цеолит с малыми порами, содержащий металлический промотор и второе молекулярное сито включает 10-членный кольцевой цеолит со средними порами или 12-членный кольцевой цеолит с большими порами, который необязательно включает металлический промотор;

8-Членный кольцевой цеолит, в некоторых вариантах осуществления, подвергается обмену с одним или несколькими ионами меди и железа, имея СНА, SAPO, или AEI структуру;

10- или 12-Членный кольцевой цеолит, в некоторых вариантах осуществления, включает металлический промотор и тип структуры ZSM-5, Beta, или MFI в Н⁺, NH₄⁺, Cu-обменянной или Fe-обменянной форме;

Материал НСТ и каталитический материал SCR находятся, в некоторых вариантах осуществления, в гомогенно смешанном слое на монолитной подложке;

Материал НСТ и каталитический материал SCR находятся, в некоторых вариантах осуществления, в слоистой конфигурации на монолитной подложке;

Материал НСТ и каталитический материал SCR находятся, в некоторых вариантах осуществления, в зонированной конфигурации на монолитной подложке;

Третий катализатор, в некоторых вариантах осуществления, включает один из следующих: второй катализатор тройного превращения (TWC-2), катализатор окисления (ОС), или накопитель оксидов азота (LNT);

Третий катализатор, в некоторых вариантах осуществления, нагревается внешним источником;

Третий катализатор, в некоторых вариантах осуществления, включает носитель, который имеет меньшую удельную теплоемкость относительно носителей для TWC-1;

TWC-1, в некоторых вариантах осуществления, размещен в положении с глухим соединением; и комбинация SCR-HCT и третий катализатор размещены в положении под полом;

TWC-1, катализатор SCR-HCT, и третий катализатор, в некоторых вариантах осуществления, все размещены в одном модуле;

Катализатор SCR-HCT и третий катализатор, в некоторых вариантах осуществления, оба размещены в одном модуле;

Система очистки выбросов, в некоторых вариантах осуществления, дополнительно включает компрессор, расположенный выше катализатора SCR-HCT; и

В некоторых вариантах осуществления, когда третий катализатор представляет собой TWC-2, в результате контакта с TWC-2, углеводороды, выделяющиеся из НСТ, сжигаются и прорыв СО, НС, и NOx превращаются.

ПРИМЕРЫ

Следующие неограничивающие примеры подаются для иллюстрации различных вариантов осуществления данного изобретения. В каждом из примеров, носитель был кордиеритом.

ПРИМЕР 1

Этот пример описывает получение катализатора SCR-HCT, содержащего Cu-СНА и H-Beta. Cu-SSZ-13 (SAR - 30, 3% CuO) и H-Beta (SAR=250), в массовом соотношении 1:1, составляли во взвеси и наносили на керамическую подложку, имеющую плотность упаковки 400 ячеек на квадратный дюйм и толщину стенок 4 мил (приблизительно 100 мкм). Загрузка покрытия из пористого оксида составляла 3.2 г/дюйм³ после прокаливания при 550°C. Катализатор SCR-HCT состаривали при 850°C в течение 10 часов в потоке воздуха и 10% водяного пара.

ПРИМЕР 2

Этот пример описывает получение расположенного выше катализатора TWC-1, содержащего структуру двухслойного покрытия из пористого оксида. Нижнее покрытие, с загрузкой покрытия из пористого оксида 2.08 г/дюйм³, содержащего 1.53 мас. % палладия, 20.7 мас. % гамма-оксида алюминия с высокой удельной поверхностью (удельная поверхность БЭТ: 150 м²/г), 20.9 мас. % оксида церия, 40.8 мас. % оксида циркония, 4.8 мас. % оксида бария, и 11.3 мас. % оксидов редкоземельных металлов в качестве стабилизаторов. Верхнее покрытие, с загрузкой покрытия из пористого оксида 1.60 г/дюйм³, содержащего 0.18 мас. % родия, 31.3 мас. % такого же гамма-оксида алюминия с высокой удельной поверхностью, 6.2 мас. % оксида церия, 50.0 мас. % оксида циркония, 3.1 мас. % оксида бария, и 9.4 мас. % оксидов редкоземельных металлов в качестве стабилизаторов. Взвеси измельчали для уменьшения среднего размера частиц и потом наносили на керамическую подложку, имеющую плотность упаковки 600 ячеек на квадратный дюйм и толщину стенки 4 мил (приблизительно 100 мкм). Катализатор TWC-1 состаривали в бензиновом двигателе в течение 50 часов с максимальной температурой 1050°C.

ПРИМЕР 3

Пример представляет катализатор, расположенный ниже TWC-2, который имеет такую же композицию, как таковую ПРИМЕРА 2. Катализатор состаривали при 850°C в течение 10 часов в потоке воздуха и 10% водяного пара.

ПРИМЕР 4

Этот пример представляет другой катализатор, расположенный ниже TWC-2, который имеет такую же композицию, как таковую ПРИМЕРА 3, если не считать того, что 18.2 мас. % палладия в нижнем покрытии заменили таким же количеством платины. Катализатор состаривали при 850°C в течение 10 часов в потоке воздуха и 10% водяного пара. Этот пример содержит добавление платины для улучшения сжигания НС и парового риформинга.

ПРИМЕР 5 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Для сравнения формировали систему катализатора с контролем эмиссии получением, в соответствии со способами, излагаемыми в данном документе, катализатор TWC-1 согласно Примеру 2 в положении с глухим соединением, и катализатор TWC-2 согласно Примеру 3 в положении под полом.

ПРИМЕР 6

Изобретательскую систему катализатора с контролем эмиссии формировали получением, в соответствии со способами, излагаемыми в данном документе, и с ФИГ. 1, Системой 1А, катализатор TWC-1 согласно с Примером 2 в положение с глухим соединением, и катализатор SCR-HCT согласно с Примером 1 за которым следует катализатор TWC-2 согласно Примеру 3 в положении под полом.

ПРИМЕР 7

Систему катализатора с контролем эмиссии формировали получением, в соответствии со способами, излагаемыми в данном документе, и с ФИГ. 1, Системой 1А, катализатор TWC-1 согласно Примером 2 в положение с глухим соединением, и катализатор SCR-HCT согласно Примером 1 за которым следует катализатор TWC-2 согласно Примеру 4 в положении под полом.

ПРИМЕР 8 (ТЕСТИРОВАНИЕ)

Системы Сравнительного Примера 5 и Примеров 6 и 7 тестировали на лабораторном реакторе способном моделировать ездовой испытательный цикл FTP-72. Все тестированные катализаторы были цилиндрическими сердцевинами, высверленными из соответствующих полноразмерных монолитных катализаторов. Размеры сердцевин катализаторов составлял 1 дюйм в диаметре и 1.5 дюйма в длину.

Результаты тестирования остатка NOx, НС и СО выбросов подытожены на ФИГ. 6. По сравнению со Сравнительным Примером 5, изобретательская система Примера 6 превращает дополнительные 10.2% NOx и 5.4% НС. Преимущество NOx понимают, как результат от пассивной реакции NH₃-SCR, происходящей в катализаторе SCR-HCT, если выхлопы и NOx и NH₃ уменьшаются в коррелируемой форме, как показано на ФИГ. 7 и ФИГ. 8. Преимущество НС состоит частично из холодного запуска и частично из горячей стадии. Как показано на ФИГ. 9, эффект улавливания НС катализатором SCR-HCT явствует из замедления выделения НС во время холодного запуска. Эффект, расположенного под полом TWC-2, на характеристики системы также изучили. Например, Пример 7, применяющий катализатор TWC-2, содержащий Pt, который дополнительно улучшил НС на 2% по сравнению с Примером 6 в области холодного запуска.

В то время как это изобретение было описано с акцентом на предпочтительные варианты осуществления, будет очевидным для специалистов данной области техники, что могут быть применены изменения в предпочтительных устройствах и способах и, это предназначено, чтобы изобретение могло быть осуществлено иначе, чем, как конкретно описано здесь. Соответственно, это изобретение включает все модификации, охваченные сутью и объемом изобретения, как определено пунктами формулы изобретения, которые следуют.

Предложена система очистки выбросов для потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, включающего углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота. Раскрытая система может включать выхлопной трубопровод, гидравлически соединенный с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор; первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе; катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления и ловушку углеводородов ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и третий катализатор ниже комбинации SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, при этом третий катализатор включает металл платиновой группы (PGM) например, в количестве, эффективном для окисления углеводородов. Также предоставлены способы изготовления и применения таких систем и их компонентов. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система очистки выбросов для потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, где поток выхлопных газов включает углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота, включающая:

выхлопной трубопровод, гидравлически соединенный с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор;

первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе;

катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и

третий катализатор, расположенный ниже катализатора SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, при этом третий катализатор включает металл платиновой группы (PGM).

2. Система очистки выбросов по п. 1, в которой катализатор SCR-HCT включает каталитический материал SCR, который включает первое молекулярное сито и материал НСТ, который включает второе молекулярное сито, которое отличается от первого молекулярного сита, где и каталитический материал SCR и материал НСТ осаждены на монолитную подложку.

3. Система очистки выбросов по п. 2, в которой первое молекулярное сито включает Cu-СНА цеолит и второе молекулярное сито включает Beta цеолит.

4. Система очистки выбросов по п. 2, в которой каталитический материал SCR и материал НСТ присутствуют в массовом соотношении от 10:1 до 1:10.

5. Система очистки выбросов по п. 2, в которой монолитная подложка представляет собой проточную подложку или фильтр с проточными стенками.

6. Система очистки выбросов по п. 2, в которой первое молекулярное сито включает 8-членный кольцевой цеолит с малыми порами, содержащий металлический промотор, и второе молекулярное сито включает 10-членный кольцевой цеолит со средними порами или 12-членный кольцевой цеолит с большими порами.

7. Система очистки выбросов по п. 6, в которой 10-членный кольцевой цеолит со средними порами или 12-членный кольцевой цеолит с большими порами включает металлический промотор.

8. Система очистки выбросов по п. 6, в которой 8-членный кольцевой цеолит подвергается обмену с одним или несколькими ионами меди и железа, имея СНА, SAPO или AEI структуру.

9. Система очистки выбросов по п. 7, в которой 10- или 12-членный кольцевой цеолит имеет тип структуры ZSM-5, Beta, или MFI в Н⁺, NH⁴⁺, Cu-обменянной или Fe-обменянной форме.

10. Система очистки выбросов по п. 2, в которой материал НСТ и каталитический материал SCR находятся в гомогенно смешанном слое на монолитной подложке.

11. Система очистки выбросов по п. 2, в которой материал НСТ и каталитический материал SCR находятся в слоистой конфигурации на монолитной подложке.

12. Система очистки выбросов по п. 2, в которой материал НСТ и каталитический материал SCR находятся в зонированной конфигурации на монолитной подложке.

13. Система очистки выбросов по п. 1, в которой третий катализатор выбран из группы, включающей второй катализатор тройного превращения (TWC-2), катализатор окисления (ОС) и накопитель оксидов азота (LNT).

14. Система очистки выбросов по п. 1, в которой третий катализатор нагревается внешним источником.

15. Система очистки выбросов по п. 1, в которой и TWC-1, и третий катализатор включают носители и в которой носитель для третьего катализатора имеет меньшую удельную теплоемкость относительно носителя для TWC-1.

16. Система очистки выбросов по п. 1, в которой TWC-1 размещен в положении с глухим соединением; и катализатор SCR-HCT и третий катализатор размещены в положении под полом.

17. Система очистки выбросов по п. 1, в которой TWC-1, катализатор SCR-HCT и третий катализатор все размещены в одном модуле.

18. Система очистки выбросов по п. 1, в которой катализатор SCR-HCT и третий катализатор оба размещены в одном модуле.

19. Система очистки выбросов по п. 1, которая дополнительно включает компрессор, расположенный выше катализатора SCR-HCT.

20. Система очистки выбросов по п. 1, включающая:

выхлопной трубопровод, гидравлически соединенный с двигателем внутреннего сгорания через выпускной коллектор;

первый катализатор тройного превращения (TWC-1), расположенный ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе;

катализатор SCR-HCT, включающий катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе, катализатор SCR, включающий первое молекулярное сито, и катализатор НСТ, включающий второе молекулярное сито, которое отличается от первого молекулярного сита; и

второй катализатор тройного превращения (TWC-2) ниже катализатора SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, при этом TWC-2 включает металл платиновой группы (PGM) и компонент накопления кислорода.

21. Система очистки выбросов по п. 20, в которой первое молекулярное сито включает 8-членный кольцевой цеолит, имеющий СНА, SAPO или AEI структуру, которую подвергают обмену с ионами меди или железа, и второе молекулярное сито включает 10- или 12-членный кольцевой цеолит, имеющий ZSM-5, Beta или MFI структуру в Н⁺, NH⁴⁺, Cu-обменянной или Fe-обменянной форме, где 10- или 12-членный кольцевой цеолит необязательно подвергается обмену с ионами и где катализатор НСТ и SCR находятся в слоистой конфигурации на монолитной подложке.

22. Система очистки выбросов по п. 20, в которой первое молекулярное сито включает Cu-СНА цеолит и второе молекулярное сито включает Beta цеолит.

23. Способ обработки выхлопных газов, включающий контактирование потока газов, включающего углеводороды (HCs), монооксид углерода (СО) и оксиды азота (NOx) с системой очистки выбросов по любому из пп. 1-22.

24. Способ по п. 23, в котором:

в результате контакта с TWC-1 углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота превращаются в значительной степени одновременно и образуется аммиак;

в результате контакта с катализатором SCR-HCT аммиак накапливается в катализаторе SCR и применяется для уменьшения прорыва NOx и углеводороды улавливаются в НСТ во время холодного запуска и выделяются при более высоких температурах; и

в результате контакта с третьим катализатором углеводороды, выделяющиеся из НСТ, сжигаются.

25. Способ изготовления системы очистки выбросов, при этом способ включает:

обеспечение первого катализатора тройного превращения (TWC-1), расположенного ниже двигателя внутреннего сгорания в выхлопном трубопроводе;

размещение катализатора SCR-HCT, включающего катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и ловушку углеводородов (НСТ) ниже TWC-1 в выхлопном трубопроводе; и

размещение третьего катализатора ниже катализатора SCR-HCT в выхлопном трубопроводе, при этом третий катализатор включает металл платиновой группы (PGM).