СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК F01N3/10 F01N3/20 

Область изобретения

Настоящее изобретение в общем относится к области систем пост-обработки выхлопов бензинового двигателя.

Уровень техники

Выхлопной газ транспортных средств, приводимых в действие бензиновыми двигателями, обычно обрабатывают одним или более автомобильными трехходовыми катализаторами превращения (TWC), которые эффективны для уменьшения оксидов азота (NO_x), монооксида углерода (СО) и углеводородных (НС) загрязняющих веществ в выхлопных газов двигателей, работающих в стехиометрических условиях воздух/топливо или вблизи них. Точная пропорция воздуха к топливу, которая приводит к стехиометрическим условиям, зависит от относительных пропорций углерода и водорода в топливе. Соотношение воздух-топливо (A/F) является стехиометрическим, когда происходит полное сжигание углеводородного топлива, такого как бензин, до углекислого газа (СО₂) и воды. Символ λ используется для представления результата деления конкретного отношения A/F на стехиометрическое отношение A/F для данного топлива, так что: λ=1 представляет собой стехиометрическую смесь, λ>1 представляет собой смесь с избытком окислителя, и λ<1 представляет собой смесь, обогащенную топливом.

Бензиновые двигатели с электронными системами впрыска топлива обеспечивают постоянно изменяющуюся воздушно-топливную смесь, которая быстро и непрерывно циркулирует между обедненным и богатым выхлопом. В последнее время для улучшения экономии топлива заправляемые бензином двигатели разрабатываются для работы при обедненных условиях. Обедненные условия относятся к поддержанию соотношения воздуха и топлива в горючих смесях, подаваемых на такие двигатели, выше стехиометрического соотношения, так что полученные выхлопные газы являются «обедненными», то есть выхлопные газы относительно высоки по содержанию кислорода. Двигатели с экономичной системой прямого впрыска топлива (GDI) предлагают преимущества эффективности использования топлива, которые могут способствовать сокращению выбросов парниковых газов, осуществляя сжигание топлива в избытке воздуха. Основным побочным продуктом сжигания бедной топливной смеси является NO_x, последующая обработка которого остается серьезной проблемой.

Выбросы оксидов азота (NO_x) должны быть уменьшены в соответствии со стандартами регулирования выбросов. Катализаторы TWC обычно содержат металл платиновой группы, поддерживаемый на компоненте накопления кислорода и/или подложке на основе оксида тугоплавкого металла, а также необязательно дополнительный компонент металла платиновой группы, поддерживаемый на второй подложке на основе оксида тугоплавкого металла, или второго компонент накопления кислород. Катализаторы TWC, однако, не эффективны для сокращения выбросов NO_x, когда бензиновый двигатель работает в обедненном режиме из-за избытка кислорода в выхлопных газах. Две из наиболее перспективных технологий для снижения содержания NO_x в среде, богатой кислородом, представляют собой селективное каталитическое восстановление мочевины (SCR) и ловушку обедненных NO_x (LNT). Системы SCR для мочевины требуют дополнительного резервуара для жидкости с системой впрыска, что приводит к дополнительной сложности системы. Другие проблемы SCR мочевины включают инфраструктуру мочевины, потенциальное замораживание раствора мочевины и необходимость того, чтобы водители периодически заполняли резервуар для раствора мочевины.

Бензиновые двигатели, в частности бензиновые двигатели, работающие на обедненной смеси, предлагают значительный потенциал для повышения эффективности топлива и сокращения выбросов CO₂. Трехходовые катализаторы превращения (TWC), работающие при обедненных условиях, могут в общем осуществлять окисление НС, но температура выключения обычно выше 300°C. Температура неработающего двигателя во время обедненного режима может быть намного ниже, чем при стехиометрической работе, что создает проблему превращения углеводородов (НС). Катализаторы TWC не эффективно превращают углеводороды при низких температурах (например, ниже 250°C). Кроме того, в бензиновых двигателях, работающих на обедненных смесях, сокращение NO_x является проблемой, потому что катализаторы TWC не могут превращать NO_x при обедненных условиях. Одной из выхлопных систем для применений с обедненным бензином является пассивная система NH₃-SCR, которая включает использование катализатора выше по ходу потока для получения аммиака (NH₃) (в условиях обогащенной смеси) для использования расположенным ниже по ходу потока NH₃-SCR для уменьшения NO_x. Образование NH₃ над катализатором выше по ходу потока является наиболее важным аспектом пассивного NH₃ подхода, и повышение эффективности преобразования NO_x в NH₃ при неработающем двигателе является ключевым фактором для повышения эффективности снижения NO_x. Максимизация конверсии NO_x в NH₃ при неработающем двигателе также имеет решающее значение для повышения эффективности использования топлива, поскольку образование NH₃ потребляет топливо.

Для соответствия действующим государственным правилам в отношении выбросов существует потребность в технологии, которая направлена как на превращение углеводородов (НС) при обедненных условиях при низкой температуре, так и на выбросы NO_x, и не оказывает отрицательного воздействия на образование NH₃ в применениях бензинового двигателя.

Сущность изобретения

Первым объектом настоящего изобретения является система обработки выхлопного газа бензинового двигателя. В первом варианте выполнения настоящего изобретения система обработки выхлопного газа бензинового двигателя содержит: катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, содержащий подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины, и компонент палладия, где компоненты платины и палладия присутствуют при соотношении платины к палладию (Pt/Pd) более чем около 1: 1, и где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x; трехходовый катализатор превращения (TWC) ниже по ходу потока катализатора образования аммиака и окисления углеводородов; и катализатор селективного каталитического восстановления аммиака (SCR) ниже по ходу потока трехходового катализатора превращения.

Во втором варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения модифицирована, где подложку на основе оксида тугоплавкого металла выбирают из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида титана, диоксида циркония и их комбинаций.

В третьем варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому и второму вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где соотношение Pt/Pd составляет от около 2/1 до около 100/1.

В четвертом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому - третьему вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где соотношение Pt/Pd составляет от около 4/1 до около 20/1.

В пятом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-четвертому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор TWC расположен ниже по ходу потока катализатора образования аммиака и окисления углеводородов.

В шестом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-пятому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов и катализатор TWC находятся на отдельных подложках.

В седьмом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-шестому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов и катализатор TWC находятся на одной подложке.

В восьмом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-седьмому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор SCR содержит один или более из материала молекулярного сита и смешанного оксида.

В девятом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно восьмому варианту выполнения настоящего изобретения модифицирована, где материал молекулярного сита имеет двойной блок с 6-членными кольцами (d6r).

В десятом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно шестому и седьмому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где материал молекулярного сита имеет тип каркасной структуры, выбранный из группы, состоящей из AEI. СНА, и AFX.

В одиннадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно шестому-десятому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где материал молекулярного сита имеет тип каркасной структуры СНА.

В двенадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно шестому-одиннадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где материал молекулярного сита имеет соотношение диоксида кремния и оксида алюминия от около 2 до около 100.

В тринадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно шестому-двенадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где материал молекулярного сита промотирован металлом, выбранным из группы, состоящей из Cu, Fe, Со, Ni, La, Се, Mn, V, Ag, и их комбинаций.

В четырнадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-тринадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор SCR расположен на фильтре с проточными стенками.

В пятнадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-тринадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор SCR расположен на проточной подложке.

В шестнадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-пятнадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где фильтр с проточными стенками располагается выше по ходу потока от катализатора SCR, причем фильтр с проточными стенками имеет трехходовый катализатор превращения (TWC) на нем.

В семнадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-шестнадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где фильтр с проточными стенками располагается выше по ходу потока от катализатора SCR, причем фильтр с проточными стенками имеет катализатор образования аммиака и окисления углеводородов на нем.

В восемнадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-шестнадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, так, что она дополнительно содержит катализатор окисления аммиака ниже по ходу потока катализатора SCR.

В девятнадцатом варианте выполнения настоящего изобретения, система согласно первому-восемнадцатому вариантам выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор TWC содержит один или более металлов платиновой группы, компонент накопления кислорода и подложку на основе оксида тугоплавкого металла.

Вторым объектом настоящего изобретения является система обработки выхлопного газа. В двадцатом варианте выполнения настоящего изобретения система обработки выхлопного газа содержит: катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, который по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия, где компоненты платины и палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 2 к 1; трехходовый катализатор превращения (TWC); и катализатор селективного каталитического восстановления аммиака (SCR, содержащий материал молекулярного сита, имеющий двойной блок с 6-членными кольцами (d6r) ниже по ходу потока катализатора образования аммиака и окисления углеводородов и катализатора TWC.

В двадцать первом варианте выполнения настоящего изобретения, система обработки выхлопного газа согласно двадцатому варианту выполнения настоящего изобретения модифицирована, где катализатор TWC расположен ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов.

Третьим объектом настоящего изобретения является способ обработки потока выхлопного газа бензинового двигателя из бензинового двигателя. В двадцать втором варианте выполнения настоящего изобретения способ обработки потока выхлопного газа бензинового двигателя из бензинового двигателя содержит: протекание потока выхлопного газа бензинового двигателя над катализатором образования аммиака и окисления углеводородов; и направление потока выхлопного газа через трехходовый катализатор превращения (TWC), расположенный ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов, и катализатор селективного каталитического восстановления (SCR), расположенный ниже по ходу потока от катализатора TWC, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия, и где компонент платины и компонент палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 1 к 1.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает схему системы обработки выхлопного газа, сконструированную для применения в бензиновых двигателях согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 2 показывает вид поперечного сечения части подложки фильтра с проточными стенками;

Фиг. 3 показывает изображение с частным разрезом поперечного сечения системы каталитического изделия согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 4A-4F оказывают изображение с частным разрезом поперечного сечения систем каталитического изделия согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 5 показывает схему примерной системы для обработки выхлопного газа, сконструированной для применения в бензиновых двигателях согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 6 показывает схему примерной системы для обработки выхлопного газа, сконструированной для применения в бензиновых двигателях согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 7 показывает график, показывающий превращение НС для образцов, полученных согласно примерам;

Фиг. 8 показывает график, показывающий превращение НС для образцов, полученных согласно примерам;

Фиг. 9 показывает график, показывающий концентрации NO_x входа и NH₃ выхода для образцов, полученных согласно примерам;

Фиг. 10 показывает график, показывающий концентрации NO_x входа и NH₃ выхода для образцов, полученных согласно примерам;

Фиг. 11А показывает столбцовую диаграмму, показывающую объемы сгорающего Н₂ на грамм для образцов, полученных согласно примерам; и

Фиг. 11В показывает столбцовую диаграмму, показывающую объемы сгорающего Н₂ на грамм для образцов, полученных согласно примерам.

Подробное описание изобретения

Прежде чем описывать несколько иллюстративных вариантов выполнения настоящего изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается деталями конструкции или стадий способа, изложенными в следующем описании. Настоящее изобретение имеет другие варианты выполнения настоящего изобретения и осуществления на практике или выполняется различными способами.

Фиг. 1 показывает систему обработки выхлопного газа, сконструированную для применения в бензиновых двигателях согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения. В частности, Фиг. 1 показывает систему обработки выхлопного газа 100, содержащую катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 120, расположенный ниже по ходу потока от бензинового двигателя 110 через выпускной трубопровод 115, трехходовый катализатор превращения (TWC) 130, расположенный ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 120 через выпускной трубопровод 125, и SCR каталитическое изделие 140, расположенное ниже по ходу потока от катализатора TWC 130 через выпускной трубопровод 135.

Выхлопной газ из транспортных средств, работающих на бензиновых двигателях, как правило, обрабатывают одним или более катализаторами TWC, которые являются эффективными для уменьшения NO_x, монооксида углерода (СО) и углеводородных загрязнителей (НС) в выхлопе двигателей, работающих при или около стехиометрических условиях воздух/топливо. Чтобы улучшить экономию топлива, однако, заправляемый бензином двигатель сконструирован для работы в обедненных условиях. При обедненных условиях температуры в общем составляют 250°C и ниже, и применение катализатора TWC приводит к прорыву НС (т.е. недостаток катализатора), даже при очень высоких количествах Pd. Соответственно, существует потребность в окислении углеводородов при очень низких температурах (например, 250°C). Изначально, полагали, что очень высокая загрузка катализатора необходима для окисления углеводородов при низкой температуре при обедненных условиях. Неожиданно было обнаружено, что применение катализатора образования аммиака и окисления углеводородов, который по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x, показывает высокую эффективность превращения углеводородов при обедненных условиях при низкой температуре и высокую эффективность превращения NO_x в NH₃ при работе на богатой топливной смеси.

Таким образом, согласно вариантам выполнения настоящего изобретения, обеспечивается система обработки выхлопного газа для обработки потока выхлопного газа бензинового двигателя, содержащая: катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, содержащий подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия, где компонент платины и компонент палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 1 к 1, и где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x; трехходовый катализатор превращения (TWC); и катализатор селективного каталитического восстановления аммиака (SCR) ниже по ходу потока от трехходового катализатора превращения.

Что касается терминов, используемых в этом раскрытии изобретения, то предоставляются следующие определения.

Как применяется в настоящей заявке, термины «катализатор» или «каталитическая композиция» или «каталитический материал» относятся к материалу, который ускоряет реакцию.

Как применяется в настоящей заявке, термин «каталитическое изделие» относится к элементу, который используется для ускорения желаемой реакции. Например, каталитическое изделие может содержать тонкое покрытие, содержащее каталитическое соединение, например, каталитическую композицию, на подложке, например, сотовой подложке.

Как применяется в настоящей заявке, термины "слой" и "наслоенный" относится к структуре, которая поддерживается на поверхности, например подложке.

Как применяется в настоящей заявке, термин "бензиновый двигатель" относится к любому двигателю внутреннего сгорания с электрозажиганием, предназначенному для работы на бензине. В одном или более конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, двигателем является двигатель, работающий на обедненной топливной смеси, с системой прямого впрыска топлива. Двигатели с системой прямого впрыска топлива (GDI) могут иметь условия работы на обедненной топливной смеси и неоднородного сгорания, приводя к образованию частиц. В отличие от частиц, образуемых дизельными двигателями, работающими на обедненных топливных смесях, частицы, образуемые двигателями GDI, склонны быть более тонкими и в меньших количествах.

Как принято в настоящей заявке, термин «тонкое покрытие» имеет свое обычное значение в области техники тонкого, адгезивного покрытия каталитического или другого материала, нанесенного на материал подложку-носитель, такой как несущий элемент сотового типа, которое является достаточно пористым, чтобы обеспечить прохождение обрабатываемого газового потока. Как понятно из уровня техники, тонкое покрытие получают из дисперсии частиц в суспензии, которую наносят на подложку, сушат и кальцинируют с получением тонкого покрытия.

В контексте данного документа термин «поток» в широком смысле относится к любой комбинации протекающего газа, который может содержать твердые или жидкие частицы. Термин «газообразный поток» или «поток выхлопных газов» означает поток газообразных компонентов, таких как выхлопные газы двигателя, работающего на обедненной топливной смеси, который может содержать захваченные не газообразные компоненты, такие как капли жидкости, твердые частицы и тому подобное. Поток выхлопных газов двигателя, работающего на обедненной топливной смеси, обычно дополнительно содержит продукты сгорания, продукты неполного сгорания, оксиды азота, горючие и/или углеродистые твердые частицы (сажу) и непрореагировавший кислород и азот.

Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов:

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия, где компонент платины и компонент палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 1 к 1, и где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x.

Как применяется в настоящей заявке, термины «подложка на основе оксида тугоплавкого металла» и «подложка» относятся к основному материалу с высокой площадью поверхности, на который наносятся дополнительные химические соединения или элементы. Частицы носителя имеют поры более 20 и широкое распределение пор. Как определено в настоящей заявке, такие носители, например, носители на основе оксидов металлов, исключают молекулярные сита, в частности цеолиты. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения может быть использована подложка на основе оксида тугоплавкого металла с высокой площадью поверхности, например, материалы-носители на основе оксида алюминия, также называемый «гамма оксид алюминия» или «активированный оксид алюминия», которые обычно имеют площадь поверхности по БЭТ, превышающую 60 квадратных метров на грамм («м²/г»), часто до коло 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 тугоплавких металлов, отличные от активированного оксида алюминия, могут быть использованы в качестве носителя по меньшей мере для некоторых каталитических компонентов в данном катализаторе. Например, для такого использования известны сыпучие оксид церия, диоксид циркония, альфа оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана и другие материалы.

Один или более вариантов выполнения настоящего изобретения включают подложку на основе оксида тугоплавкого металла, содержащую активированное соединение, выбранное из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида циркония, оксида алюминия-диоксида циркония, оксида лантана-оксида алюминия, оксида лантана-диоксида циркония-оксида алюминия, оксида бария-оксида алюминия, оксида бария-оксида лантана-оксида алюминия, оксида бария-оксида лантана-оксида неодимия-оксида алюминия, оксида алюминия-оксида хрома, и их комбинаций. Хотя многие из этих материалов имеют недостаток, заключающийся в том, что они имеют значительно более низкую площадь поверхности по БЭТ, чем активированный оксид алюминия, этот недостаток, как правило, компенсируется большей прочностью или повышением эффективности полученного катализатора. Как применяется в настоящей заявке, термин «площадь поверхности по БЭТ» имеет свое обычное значение, относящееся к методу Брунауэра-Эммета-Теллера для определения площади поверхности по адсорбции N₂. Диаметр пор и объем пор также могут быть определены с использованием экспериментов по адсорбции или десорбции БЭТ-типа N₂.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка на основе оксидов тугоплавкого металла независимо содержит соединение, которое является активированным, стабилизированным, или и то и другое, выбранное из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида циркония, оксида алюминия-диоксида циркония, оксида лантана-оксида алюминия, оксида лантана-диоксида циркония-оксида алюминия, оксида бария-оксида алюминия, оксида бария-оксида лантана-оксида алюминия, оксида бария-оксида лантана-оксида неодимия-оксида алюминия, оксида алюминия-оксида хрома, и их комбинаций. Необходимо отметить, что когда подложка на основе оксида тугоплавкого металла стабилизирована диоксидом церия, стабилизатор диоксид церия присутствует в количестве менее 1 мас. %, на основе массы катализатора образования аммиака и окисления углеводородов. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка на основе оксида тугоплавкого металла содержит менее 1 мас. % стабилизатора диоксида церия, включая менее 0.75 мас. %, менее 0.5 мас. %, менее 0.25 мас. %, и менее 0.1 мас. %. В одном или более конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка на основе оксида тугоплавкого металла содержит оксид алюминия.

Как применяется в настоящей заявке, термин «компонент накопления кислорода» (OSC) относится к субстанции, которая имеет многовалентное состояние и может активно реагировать с восстановителями, такими как монооксид углерода (СО) или водород, в восстановительных условиях и затем реагировать с окислителями, такими как кислород или оксиды азота в окислительных условиях. Примерами компонента накопления кислорода являются оксиды редкоземельных элементов, в частности диоксид церия, оксид лантана, оксид празеодимия, оксид неодимия, оксид ниобия, оксид европия, оксид самария, оксид иттербия, оксид иттрия, диоксид циркония и их смеси в дополнение к диоксиду церия.

Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия. Как применяется в настоящей заявке, термин «по существу свободен от диоксида церия" означает, что в общем присутствует менее около 1 мас. %, включая менее около 0.75 мас. %, менее около 0.5 мас. %, менее около 0.25 мас. %, или менее около 0.1 мас. %, диоксида церия в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, диоксид церия умышленно не добавляется катализатору образования аммиака и окисления углеводородов. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, "по существу свободен от диоксида церия" включает "свободен от диоксида церия." Специалисту в данной области техники, однако, очевидно, что в ходе загрузки/покрытия, следовые количества диоксида церия могут мигрировать из одного покрытия из компонента пористого оксида в другое, так что следовые количества диоксида церия могут присутствовать в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов.

Как применяется в настоящей заявке, термин "компонент накопления NO_x" относится к оксидам или карбонатам щелочноземельных металлов, таким как оксиды или карбонаты Mg, Са, Sr. и Ва, и оксидам или карбонатам щелочных металлов, таких как оксиды или карбонаты Li, Na, K, Rb, и Cs. Более конкретно, термин "компонент накопления NO_x" относится к оксиду или карбонату одного или более из цезия, бария, магния, кальция и стронция. Для накопления NO_x, оксид барий, как правило, является предпочтительным, потому что он образует нитраты при обедненной работе двигателя и высвобождает нитраты относительно легко в условиях работы на богатой топливной смеси. Таким образом, в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, термин "компонент накопления NO_x" относится к оксиду или карбонату бария.

Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от компонентов накопления NO_x. Как применяется в настоящей заявке, термин "по существу свободен от компонентов накопления NO_x" означает, что в общем присутствует менее около 5 мас. %, включая менее около 2 мас. %, менее около 1 мас. %, менее около 0.75 мас. %, менее около 0.5 мас. %, менее около 0.25 мас. %, и менее около 0.1 мас. %, компонента накопления NO_x в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, компоненты накопления NO_x умышленно не добавлялись к катализатору образования аммиака и окисления углеводородов.

В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, "по существу свободен от компонентов накопления NO_x" включает "свободен от компонентов накопления NO_x." Специалисту в данной области техники, однако, очевидно, что в ходе загрузки/покрытия, следовые количества компонента накопления NO_x могут мигрировать из одного покрытия из компонента пористого оксида в другое, так что следовые количества компонента накопления NO_x могут присутствовать в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов.

Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от бария. Как применяется в настоящей заявке, термин «по существу свободен от бария" означает, что присутствует в общем менее около 5 мас. %, включая менее около 2 мас. %, менее около 1 мас. %, менее около 0.75 мас. %, менее около 0.5 мас. %, менее около 0.25 мас. %, или менее около 0.1 мас. %, бария в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, барий умышленно не добавляется в катализатор образования аммиака и окисления углеводородов. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, "по существу свободен от бария" включает "свободен от бария." Специалисту в данной области техники, однако, очевидно, что в ходе загрузки/покрытия, следовые количества бария могут мигрировать из одного покрытия из компонента пористого оксида в другое, так что следовые количества бария могут присутствовать в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов.

Как применяется в настоящей заявке, термин «металл платиновой группы» или «PGM» относится к одному или более химическим элементам, определенным в Периодической таблице элементов, включая платину (Pt), палладий, родий, осмий, иридий и рутений и их смеси.

Как применяется в настоящей заявке, "компонент металла платиновой группы," "компонент платины," "компонент родия," "компонент палладия, "компонент иридия" и тому подобное, относятся к соответствующим соединениям, комплексам металлов платиновой группы или тому подобному, которые, при кальцинировании или применении катализатора, распадаются или иным образом превращаются в каталитически активную форму, как правило, металл или оксид металла.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит компонент платины и компонент палладия, нанесенные на подложку на основе оксида тугоплавкого металла. Изначально, полагали, что очень высокие загрузки PGM необходимы, в частности загрузки PGM, превышающие 200 г/фут³, 250 г/фут³, или 275 г/фут³, чтобы превращать углеводороды при низкой температуре. Неожиданно, однако, было обнаружено, что очень высокие загрузки PGM не требуются. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, общая загрузка PGM находится в интервале от около 50 г/фут³ до около 400 г/фут³, включая около от 50 г/фут³ до около 300 г/фут³, от около 50 г/фут³ до около 250 г/фут³, от около 50 г/фут³ до около 150 г/фут³, от около 50 г/фут³ до около 100 г/фут³, и от около 50 г/фут³ до около 75 г/фут³. В одном или более конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, общая загрузка PGM составляет от около 250 г/фут³ до около 300 г/фут³ (например, около 270 г/фут³), от около 175 г/фут³ до около 200 г/фут³ (например, около 198 г/фут³), от около 125 г/фут³ до около 150 г/фут³ (например, около 132 г/фут³), и от около 100 г/фут³ до около 125 г/фут³ (например, около 120 г/фут³).

Как правило, особых ограничений в отношении содержания палладия и платины в катализаторе образования аммиака и окисления углеводородов нет. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения загрузка платины находится в диапазоне от около 1 г/фут³ до около 300 г/фут³, включая от около 10 г/фут³ до около 300 г/фут³, и от около 10 г/фут³ до около 100 г/фут³, и загрузка палладия находится в диапазоне от 0 г/фут³ до около 150 г/фут³, включая от около 1 г/фут³ до около 100 г/фут³, и от 0 до около 30 г/фут³.

Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, компонент платины и компонент палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем 1 к 1. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения палладий не присутствует. Как будет понятно специалисту в данной области, платина и/или палладий могут быть в форме сплава. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, соотношение Pt/Pd находится в интервале от около 2/1 до около 100/1, включая интервалы от около 2/1 до около 50/1, от около 2/1 до около 25/1, от около 2/1 до около 20/1, от около 3/1 до около 100/1, от около 3/1 до около 50/1, от около 3/1 до около 25/1, от около 3/1 до около 20/1, от около 4/1 до около 100/1, от около 4/1 до около 50/1, от около 4/1 до около 25/1, от около 4/1 до около 20/1, от около 5/1 до около 100/1, от около 5/1 до около 50/1, от около 5/1 до около 25/1, от около 5/1 до около 20/1, от около 6/1 до около 100/1, от около 6/1 до около 50/1, от около 6/1 до около 25/1, от около 7/1 до около 100/1, от около 7/1 до около 50/1, от около 7/1 до около 25/1, от около 8/1 до около 100/1, от около 8/1 до около 50/1, от около 8/1 до около 25/1, от около 9/1 до около 100/1, от около 9/1 до около 50/1, от около 9/1 до около 25/1, от около 10/1 до около 100/1, от около 10/1 до около 50/1, и от около 10/1 до около 25/1.

Катализатор TWC:

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов находится выше по ходу потока от трехходового катализатора превращения (TWC). В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов находится ниже по ходу потока от трехходового катализатора превращения (TWC). Как применяются в настоящей заявке, термины «выше по ходу потока» и «ниже по ходу потока» относятся к относительным направлениям в соответствии с потоком потока выхлопных газов двигателя от двигателя к выхлопной трубе, где двигатели расположен выше по ходу потока, и выхлопная труба и любые изделия для борьбы с загрязнениями, такие как фильтры и катализаторы, расположены ниже по ходу потока от двигателя. Когда катализатор или зона катализатора находится «ниже по ходу потока» или «выше по ходу потока» от другого катализатора или зоны, он может находиться на отдельной подложке или модуле или на другой области той же подложки или модуля. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения имеется один или более дополнительных каталитических материалов, расположенных между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов и катализатором TWC. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов находится непосредственно выше по ходу потока от катализатора TWC. Как применяется в настоящей заявке, термин «непосредственно выше по ходу потока» относится к относительному направлению в соответствии с потоком выхлопного газа из двигателя к выхлопной трубе и означает, что нет никакого другого каталитического материала между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов и катализатором TWC.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, нет никаких конкретных требований в отношении катализатора TWC; любой катализатор TWC, известный в данной области техники, может применяться. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC содержит металл платиновой группы, нанесенный на компонент накопления кислорода и/или подложку на основе оксида тугоплавкого металла, и, необязательно, дополнительный компонент металла платиновой группы, нанесенный на вторую подложку на основе оксида тугоплавкого металла или второй компонент накопления кислорода.

Примеры подходящих компонентов накопления кислорода для катализатора TWC содержат оксиды редкоземельных металлов, в частности диоксид церия. OSC может содержать один или более из оксида лантана, оксида празеодимия, оксида неодимия, оксид неодимия, оксид ниобия, оксид европия, оксид самария, оксид иттербия, оксид иттрия, диоксид циркония и их смеси в дополнение к диоксиду церия. Оксид редкоземельного металла может быть в сыпучей форме (например, в форме частиц). Компонент накопления кислорода может включать оксид церия (диоксид церия, CeO₂) в форме, которая проявляет свойства накопления кислорода. Кислород в решетке диоксида церия может реагировать с монооксидом углерода, водородом или углеводородами в обогащенных условиях A/F. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, компонент накопления кислорода для катализатора TWC содержит композит диоксид церия-диоксид циркония или стабилизированный редкоземельным элементом диоксид церия-диоксид циркония.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложки на основе оксида тугоплавкого металла для катализатора TWC независимо содержат соединение, которое является активированным, стабилизированным, или и то и другое, выбранным из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида циркония, оксида алюминия-диоксида циркония, оксида лантана-оксида алюминия, оксида лантана-диоксида циркония-оксида алюминия, оксида алюминия-оксида хрома, диоксида церия, оксида алюминия-диоксида церия, и их комбинаций.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, компонент металла платиновой катализатора TWC выбирают из платины, палладия, родия или их смесей. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, компонент металла платиновой группы катализатора TWC содержит палладий. В общем, нет никаких конкретных ограничений в отношении содержания палладия в катализаторе TWC.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC не содержит дополнительный металл платиновой группы (т.е., TWC содержит только один металл платиновой группы). В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC содержит дополнительный металл платиновой группы. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, если присутствует, дополнительный металл платиновой группы выбирают из платины, родия и их смесей. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, дополнительный компонент металла платиновой группы содержит родий. В общем, нет никаких конкретных ограничений в отношении содержания родия в катализаторе TWC. В одном или более конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC содержит смесь палладия и родия. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC содержит смесь платины, палладия и родия.

Катализатор SCR:

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов находится выше по ходу потока от катализатора селективного каталитического восстановления (SCR). В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов находится выше по ходу потока от катализатора TWC и выше по ходу потока от катализатора селективного каталитического восстановления (SCR). В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения присутствует один или более дополнительных каталитических материалов, расположенных между катализатором TWC и катализатором SCR. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC находится непосредственно выше по ходу потока катализатора SCR. Как применяется в настоящей заявке, термин "непосредственно выше по ходу потока" относится к относительному направлению в соответствии с потоком выхлопного газа двигатели газа от двигателя к выхлопной трубе. Непосредственно выше по ходу потока означает, что нет дополнительного каталитического материала между катализатором TWC и катализатором SCR.

Как применяется в настоящей заявке, термин «селективное каталитическое восстановление» (SCR) относится к каталитическому процессу восстановления оксидов азота до диазота (N₂) с использованием азотистого восстановителя. Как применение в настоящей заявке, термины «оксиды азота» и «NO_x» обозначают оксиды азота.

Катализатор SCR может представлять собой смешанный оксид, молекулярное сито или их комбинации. Как применяется в настоящей заявке, термин "смешанный оксид" относится к оксиду, который содержит катионы более чем одного химического элемента или катионы одного элемента в нескольких состояниях окисления. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, смешанный оксид выбирают из Fe/диоксида титана (например FeTiO₃), Fe/оксида алюминия (например FeAl₃O₃), Mg/диоксида титана (например MgTiO₃), Mg/оксида алюминия (например MgAl₂O₃), Mn/оксида алюминия, Mn/диоксида титана (например MnO_x/TiO₂) (например MnО_х/Аl₂О₃), Cu/диоксида титана (например CuTiO₃), Ce/Zr (например CeZrO₂), Ti/Zr (например TiZrO₂), оксида ванадия/диоксида титана (например V₂O₅/TiO₂), и их смесей. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, смешанный оксид содержит оксид ванадия/диоксид титана. Оксид ванадия/диоксид титана может быть активирован или стабилизирован вольфрамом (например, WO₃) с получением "V₂O₅/TiO₂/WO₃.

В контексте настоящей заявки формулировка «молекулярные сита» относится к каркасным материалам, таким как цеолиты и другие каркасные материалы (например, изоморфно замещенные материалы), которые в форме частиц в комбинации с одним или несколькими промотирующими металлами могут использоваться в качестве катализаторов. Молекулярные сита представляют собой материалы, основанные на обширной трехмерной сети ионов кислорода, содержащей в основном центры тетраэдрического типа и имеющие в основном равномерное распределение пор, причем средний размер пор не превышает 20. Размеры пор определяются размером кольца. В контексте данного документа термин «цеолит» относится к конкретному примеру молекулярных сит, включающих атомы кремния и алюминия. В соответствии с одним или несколькими вариантами исполнения следует понимать, что, при определении молекулярных сит в соответствии с их структурным типом, предполагается включать этот структурный тип и любые и все изотопные структурные материалы, такие как материалы SAPO, ALPO и МеАРО, имеющие такой же структурный тип, как и цеолитные материалы.

В более конкретных вариантах исполнения ссылка на структурный тип алюмосиликатного цеолита ограничивает этот материал молекулярными ситами, которые не включают фосфор или другие металлы, замещенные в каркасе. Однако, чтобы было понятно, в контексте данного документа «алюмосиликатный цеолит» исключает алюмофосфатные материалы, такие как материалы SAPO, ALPO и МеАРО, а более широкий термин «цеолит» предполагает включение алюмосиликатов и алюмофосфатов. Цеолиты представляют собой кристаллические материалы, имеющие довольно однородные размеры пор, которые в зависимости от типа цеолита и типа и количества катионов, включенных в решетку цеолита, варьируются в пределах от 3 до 10 Ангстрем в диаметре. Цеолиты обычно содержат молярные соотношения диоксида кремния и оксида алюминия (SAR), составляющие 2 или больше.

Термин «алюмофосфаты» относится к другому конкретному примеру молекулярных сит, включающему атомы алюминия и фосфора. Алюмофосфаты представляют собой кристаллические материалы, имеющие достаточно однородные размеры пор.

Как правило, молекулярные сита, например, цеолит, определяются как алюмосиликаты с открытыми трехмерными каркасными структурами, состоящими из имеющих общие углы тетраэдров ТО₄, где Т представляет собой алюминий (Al) или кремний (Si) или при желании фосфор (Р). Катионы, которые уравновешивают заряд анионного каркаса, слабо ассоциированы с каркасными атомами кислорода, а оставшийся объем пор заполняется молекулами воды. Катионы, не входящие в каркас, обычно могут заменяться, а молекулы воды могут удаляться.

В одном или более вариантах выполнения первый и второй материал молекулярных сит, независимо, содержат тетраэдры SiO₄/AlO₄ и связаны общими атомами кислорода с образованием трехмерной сети. В других вариантах исполнения первый и второй материал молекулярных сит содержат тетраэдры SiO₄/AlO₄/PO₄. Первый и второй материалы молекулярных сит из одного или нескольких вариантов исполнения могут различаться в основном в соответствии с геометрией пустот, которые образованы жесткой сетью тетраэдров (SiO₄)/AlO₄ или SiO₄/AlO₄/PO₄. Входы в эти пустоты сформированы из 6, 8, 10 или 12 атомов кольца в соответствии с атомами, которые образуют это входное отверстие. В одном или нескольких вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит включают размеры колец не более 12, включая 6, 8, 10 и 12.

Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, материалы молекулярных сит могут быть основаны на каркасной топологии, посредством которой идентифицируются структуры. Как правило, любой тип каркасной структуры цеолита может применяться, такой как типы каркасной структуры ABW, АСО, AEI, AEL, AEN, AET, AFG, AFI, AFN, AFO, AFR, AFS, AFT, AFX, AFY, АНТ, ANA, АРС, APD, AST, ASV, ATN, ATO, ATS, ATT, ATV, AWO, AWW, ВСТ, BEA, ВЕС, BIK, BOG, BPH, BRE, CAN, CAS, SCO, CFI, SGF, CGS, СНА, CHI, CLO, CON, CZP, DAC, DDR, DFO, DFT, DOH, DON, EAB, EDI, EMT, EON, EPI, ERI, ESV, ETR, EUO, FAU, FER, FRA, GIS, GIU, GME, GON, GOO, HEU, IFR, IHW, ISV, ITE, ITH, ITW, IWR, IWW, JBW, KFI, LAU, LEV, LIO, LIT, LOS, LOV, LTA, LTL, LTN, MAR, MAZ, MEI, MEL, МЕР, MER, MFI, MFS, MON, MOR, MOZ, MSO, MTF, MTN, MTT, MTW, MWW, NAB, NAT, NES, NON, NPO, NSI, OBW, OFF, OSI, OSO, OWE, PAR, PAU, PHI, PON, RHO, RON, RRO, RSN, RTE, RTH, RUT, RWR, RWY, SAO, SAS, SAT, SAV, SBE, SBS, SBT, SFE, SFF, SFG, SFH, SFN, SFO, SGT, SOD, SOS, SSY, STF, STI, STT, TER, THO, TON, TSC, UEI, UFI, UOZ, USI, UTL, VET, VFI, VNI, VSV, WIE, WEN, YUG, ZON, или их комбинации.

В одном или нескольких вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит содержат мелкопористые алюмосиликатные цеолиты с 8-мичленными кольцами. В контексте данного документа термин «мелкопористые» относится к отверстиям пор, которые меньше чем около 5 Ангстрем, например, порядка ~3,8 Ангстрема. Фраза «цеолиты с 8-членными кольцами» относится к цеолитам, имеющим отверстия пор в форме 8-членных колец и вторичные строительные блоки из сдвоенных шестичленных колец и имеющим структуру, подобную клетке, получающуюся в результате соединения строительных блоков из сдвоенных шестичленных колец с помощью строительных блоков из 4-членных колец. Цеолиты состоят из вторичных строительных блоков (SBU) и составных строительных блоков (CBU) и обнаруживаются во многих различных каркасных структурах. Вторичные строительные блоки содержат до 16 тетраэдрических атомов и являются не хиральными. Составные строительные блоки не должны быть ахиральными и не обязательно должны использоваться для построения всей структуры. Например, группа цеолитов имеет в своей каркасной структуре один составной строительный блок 4-членного кольца (s4r). В этом 4-членном кольце «4» обозначает положения атомов тетраэдрического кремния и алюминия, а атомы кислорода расположены между тетраэдрическими атомами.

Другие составные строительные блоки включают в себя, например, один блок с 6-членным кольцом (s6r), двойной блок с 4-членными кольцами (d4r) и двойной блок с 6-членными кольцами (d6r). Блок d4r создается путем соединения двух блоков s4r. Блок d6r создается путем соединения двух блоков s6r. В блоке d6r имеется двенадцать тетраэдрических атомов. Типы структур цеолитов, которые имеют вторичный строительный блок d6r, 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.

В одном или нескольких вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит содержат блок d6r. Следовательно, в одном или нескольких вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит имеют каркасный тип, 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. В других конкретных вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит имеют каркасный тип, выбранный из группы, состоящей из СНА, AEI, AFX, ERI, KFI, LEV и их комбинаций. В других конкретных вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит имеют каркасный тип, выбранный из СНА, AEI и AFX. В одном или нескольких очень конкретных вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит имеют тип каркасной структуры СНА.

Молекулярные сита цеолитного каркаса типа СНА включают природный тектосиликатный минерал природного происхождения из цеолитной группы с приблизительной формулой: (Ca, Na₂, K₂, Mg)Al₂Si₄O₁₂⋅6Н₂О (например, гидратированный алюмосиликат кальция). Три синтетические формы молекулярных сит цеолитного каркаса типа СНА описаны в издании «Zeolite Molecular Sieves» D.W. Breck, опубликованном в 1973 году John Wiley & Sons, которое включено в данный документ посредством ссылки. Эти три синтетические формы, представленные Breck, представляют собой Zeolite K-G, описанный в J. Chem. Soc., стр. 2822 (1956), Barrer et al.; Zeolite D, описанный в патенте Великобритании №868,846 (1961); и Zeolite R, описанный в патенте США №3030181, которые включены в данный документ посредством ссылки.

Синтез другой синтетической формы цеолитного каркасного типа СНА, SSZ-13, описан в патенте США №4544538, который включен в данный документ посредством ссылки. Синтез синтетической формы молекулярного сита, имеющего каркасный тип СНА, силикоалюмофосфата 34 (SAPO-34), описывается в патентах США №4,440,871 и 7,264,789, которые включены в данный документ путем ссылки. Способ изготовления еще одного синтетического молекулярного сита, имеющего каркасный тип СНА, SAPO-44, описывается в патенте США №6,162,415, который включен в данный документ посредством ссылки.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, материалы молекулярных сит могут включать все алюмосиликаты, боросиликаты, галлосиликаты, композиции MeAPSO и МеАРО. Они включают, однако без ограничения только ими, SSZ-13, SSZ-62, природный шабазит, Zeolite K-G, Linde D, Linde R, LZ-218, LZ-235, LZ-236, ZK-14, SAPO-34, SAPO-44, SAPO-47, ZYT-6, CuSAPO-34, CuSAPO-44 и CuSAPO-47.

Соотношение диоксида кремния и оксида алюминия компонента алюмосиликатного молекулярного сита может варьироваться в широких пределах. В одном или нескольких вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит, независимо, имеют молярное соотношение диоксида кремния и оксида алюминия (SAR) в диапазоне от около 2 до около 300, включая, от около 5 до около 250; от около 5 до около 200; от около 5 до около 100; и от около 5 до около 50. В одном или нескольких конкретных вариантах исполнения первый и второй материалы молекулярных сит, независимо, имеют молярное соотношение диоксида кремния и оксида алюминия (SAR) в диапазоне от около 10 до около 200, от около 10 до около 100, от около 10 до около 75, от около 10 до около 60 и от около 10 до около 50; от около 15 до около 100, от около 15 до около 75, от около 15 до около 60 и от около 15 до около 50; от около 20 до около 100, от около 20 до около 75, от около 20 до около 60 и от около 20 до около 50.

Как применяется в настоящей заявке, термин «промотированный» относится к компоненту, который намеренно добавляется к материалу молекулярного сита, в отличие от примесей, присущих молекулярному ситу. Таким образом, промотор намеренно добавляют для повышения активности катализатора по сравнению с катализатором, который не имеет намеренно добавленного промотора. Чтобы промотировать SCR оксидов азота в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения подходящий металл(ы) независимо заменяется на молекулярное сито. Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения молекулярное сито промотируется одним или более из меди (Cu), железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), лантана (La), церия (Се), марганца (Mn), ванадия (V) или серебра (Ag). В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения молекулярное сито промотируется одним или несколькими из меди (Cu) или железа (Fe). В очень конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения молекулярное сито промотировано Cu.

Содержание промотирующего металла в катализаторе, рассчитанного как оксид, составляет, в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, по меньшей мере около 0,1 мас. %, как сообщается на основе отсутствия летучих веществ. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения содержание промотирующего металла, рассчитанного как оксид, находится в диапазоне от 0,1 мас. % до около 10 мас. %, включая 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0,5, 0,25 и 0,1 мас. % В каждом случае в расчете на общую массу прокаленного молекулярного сита, как сообщается на основе отсутствия летучих веществ.

В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, промотирующий металл содержит Cu, и содержание Cu, вычисленное как CuO, находится в диапазоне от около 0.1 мас. % до около 5 мас. %, включая около 5, около 4, около 3, около 2, около 1, около 0.5, около 0.25, и около 0.1 мас. %, в каждом случае, в расчете на общую массу прокаленного молекулярного сита, как сообщается на основе отсутствия летучих веществ. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, содержание Cu молекулярного сита, вычисленное как CuO, находится в диапазоне от около 2 до около 5 мас. %.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, система обработки выхлопного газа дополнительно содержит катализатор окисления аммиака (АМОх) ниже по ходу потока катализатора SCR. Катализатор окисления аммиака может быть обеспечен ниже по ходу потока катализатора SCR для удаления любого проскакивающего аммиака из компонентов выше по ходу потока системы обработки выхлопного газа. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор SCR находится на подложке, имеющей вход и выход, и включает катализатор окисления аммиака (АМОх) при выходе. В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор АМОх может содержать металл платиновой группы, такой как платина, палладий, родий или их комбинации. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор АМОх может содержать нижний слой с одним или более PGM компонентами и верхний слой с функциональностью SCR.

Такие катализаторы АМОх являются полезными в системах обработки выхлопных газов, которые уже включают катализатор SCR. Как обсуждается в принадлежащем тому же правообладателю патенте США №5,516,497, полное содержание которого включено в данный документ посредством ссылки, газообразный поток, содержащий кислород, оксиды азота и аммиак, может последовательно проходить через первый и второй катализаторы, причем первый катализатор способствует снижению содержания оксидов азота, а второй катализатор способствует окислению или разложению избытка аммиака. Таким образом, первым катализатором может быть катализатор SCR, а второй катализатор может представлять собой катализатор АМОх и/или комбинацию интегрированных катализаторов SCR и АМОх, при желании содержащих цеолит.

Композиция (композиции) катализатора АМОх могут наноситься в виде покрытия на фильтр с проточным течением или проточными стенками. Если используется подложка с проточными стенками, получающаяся в результате система будет способна удалять твердые частицы вместе с газообразными загрязняющими веществами. Подложка фильтра с проточными стенками может быть изготовлена из материалов, общеизвестных в данной области, таких как кордиерит, титанат алюминия или карбид кремния. Понятно, что содержание каталитической композиции на подложке с проточными стенками будет зависеть от свойств подложки, таких как пористость и толщина стенки, и, как правило, будет ниже, чем содержание на проточной подложке.

Подложка:

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и катализатор SCR располагаются на отдельных подложках. Как применяется в настоящей заявке, термин "подложка" относится к монолитному материалу, на который помещен каталитический материал, как правило, в форме тонкого покрытия. Тонкое покрытие образуется посредством получения суспензии, имеющей специфическое содержание твердых веществ (например, 30-90 мас. %) катализатора в жидкости, которую затем наносят в виде покрытия на подложку и высушивают с получением слоя тонкого покрытия. Как применяется в настоящей заявке, термин "тонкое покрытие" имеет обычное значение в данной области техники тонкого, адгезивного покрытия каталитического или другого материала, нанесенного на материал подложки, такой как носитель сотообразного типа, который является достаточно пористым, чтобы обеспечить возможность прохождения обрабатываемого потока газа.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложку выбирают из одного или более проточных сотообразных монолитов или фильтра для улавливания частиц, и каталитический материал (материалы) наносят на подложку в виде тонкого покрытия.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка представляет собой керамическую или металлическую подложку, имеющую сотовую структуру. Может быть использована любая подходящая подложка, такая как монолитная подложка типа, имеющего мелкие параллельные проходы для газового потока, проходящие через нее от входной или выходной стороны подложки, так что проходы открыты для потока текучей через них. Проходы, которые являются по существу прямыми путями от их входа жидкости к их выходу жидкости, определяются стенками, на которых каталитический материал нанесен в виде покрытия как тонкое покрытие, так что газы, протекающие через проходы, контактируют с каталитическим материалом. Проходы потока монолитной подложки представляют собой тонкостенные каналы, которые могут иметь любую подходящую форму и размер поперечного сечения, такие как трапециевидные, прямоугольные, квадратные, синусоидальные, шестиугольные, овальные, круглые и т.д. Такие структуры могут содержать от около 60 до около 900 или более отверстий для входа газа (т.е. ячеек) на квадратный дюйм поперечного сечения

Металлическая подложка может включать любую металлическую подложку, такую как с отверстиями или «пробивками» в стенках каналов. Керамическая подложка может быть изготовлена из любого подходящего жаропрочного материала, например, кордиерита, кордиерита-α-оксида алюминия, нитрида кремния, муллита циркона, сподумена, оксида алюминия-диоксида кремния-оксида магния, силиката циркона, силлиманита, силиката магния, циркона, петалита, α-оксида алюминия, алюмосиликата и тому подобного.

Подложки, пригодные для каталитических материалов из вариантов исполнения настоящего изобретения, также могут быть металлическими по своей природе и могут быть составлены из одного или нескольких металлов или металлических сплавов. Металлические подложки могут быть использованы в различных формах, таких как гранулы, гофрированный лист или монолитная форма. Конкретные примеры металлических подложек включают термостойкие сплавы неблагородных металлов, особенно такие, в которых железо является существенным или основным компонентом. Такие сплавы могут содержать один или несколько из никеля, хрома и алюминия, а общее количество этих металлов, предпочтительно, может содержать по меньшей мере примерно 15 мас. % сплава, например, примерно от 10 до примерно 25 мас. % хрома, примерно от 1 до примерно 8 мас. % алюминия и примерно от 0 до примерно 20 мас. % никеля.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, в котором подложка представляет собой фильтр для улавливания частиц, фильтр для улавливания частиц может быть выбран из бензинового фильтра для улавливания частиц и сажевого фильтра. Как применяется в настоящей заявке, термины "фильтр для улавливания частиц" и «сажевый фильтр" относятся к фильтру, предназначенному для удаления материала в форме частиц из потока выхлопного газа, такого как сажа. Фильтры для улавливания частиц включают, но без ограничения к этому, сотовые фильтры с проточными стенками, фильтр неполной фильтрации, сеточные фильтры, фильтры из витого волокна, металлокерамические фильтры и поролоновые фильтры.

В конкретном варианте выполнения настоящего изобретения, фильтр для улавливания частиц является катализированным сажевым фильтром (CSF). Катализированный CSF содержит подложку, покрытую слоем тонкого покрытия, содержащим металл платиновой группы, для сжигания уловленной сажи и/или окисления NO до NO₂. Катализированный CSF покрыт металлом платиновой группы и одной или более подложками с высокой площадью поверхности на основе оксидов тугоплавкого металлов (например, оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид кремния оксид алюминия, диоксид циркония, диоксид циркония оксид алюминия, и диоксид церия-диоксид циркония) для сгорания несгоревших углеводородов и, в некоторой степени, материала из частиц.

Подложки с проточными стенками, пригодные для поддержки каталитического материала согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, имеют множество мелких, по существу параллельных проходов газового потока, проходящих вдоль продольной оси подложки. Как правило, каждый проход блокируется на одном конце тела подложки, причем чередующиеся каналы блокируются на противоположных торцевых поверхностях. Такие монолитные подложки могут содержать до около 900 или более проточных каналов (или «ячеек») на квадратный дюйм поперечного сечения, хотя гораздо меньше можно использовать. Например, подложка может иметь от около 7 до 600, чаще от около 100 до 400, ячейки на квадратный дюйм («cpsi»). Пористый фильтр с проточными стенками, используемый в вариантах выполнения настоящего изобретения, может быть катализирован тем, что стенка упомянутого элемента имеет на ней или содержит в себе металл платиновой группы. Каталитические материалы могут присутствовать только на входной стороне стенки элемента, только на выходной стороне, как на входе, так и на выходе, или сама стенка может состоять полностью или частично из каталитического материала. В другом варианте выполнения настоящее изобретение может включать использование одного или более слоев тонкого покрытия каталитических материалов и комбинаций одного или более слоев тонкого покрытия каталитических материалов на входной и/или выходной стенках элемента.

Фиг. 2 иллюстрирует подложку фильтра с проточными стенками 50, которая имеет множество проходов 52. Проходы являются трубчатыми закрытыми стенками каналов 53 подложки фильтра. Подложка имеет входной конец 54 и выходной конец 56. Чередующиеся каналы закупорены при входном конце входными заглушками 58, и при выходном конце выходными заглушками 60 с образованием противоположных шахматных конфигураций при входном конце 54 и при выходном конце 56. Поток газа 62 входит через незакупоренный вход канала 64, останавливается выходной заглушкой 60 и диффундирует через стенки канала 53 (которые являются пористыми) к выходной стороне 66. Газ не может возвращаться к входной стороне стенок из-за входных заглушек 58.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и катализатор SCR располагаются на отдельных подложках. Например, в таких вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов может быть расположен на проточной подложке, катализатор TWC может быть расположен на второй и отдельной проточной подложке, и катализатор SCR может быть расположен на третьей и отдельной проточной подложке. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов может быть расположен на проточной подложке, катализатор TWC может быть расположен на второй и отдельной проточной подложке, и катализатор SCR может быть расположен на фильтре с проточными стенками (т.е. SCR на фильтре). В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов может быть расположен на фильтре для улавливания частиц, катализатор TWC может быть расположен на проточной подложке, и катализатор SCR может быть расположен на второй и отдельной проточной подложке. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор TWC может быть расположен на фильтре для улавливания частиц.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор SCR расположен на фильтре с проточными стенками. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор SCR расположен на проточной подложке.

Варианты выполнения настоящего изобретения, в которых катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и катализатор SCR находятся на отдельных подложках, более конкретно проиллюстрированы на Фиг. 3. Ссылаясь на Фиг. 3, показанная часть системы обработки выхлопного газа 300 зонирована по оси, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 310 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 320, который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 340, и эти катализаторы находятся на отдельных подложках, первая подложка 305, вторая подложка 325, и третья подложка 335. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 310 расположен на первой подложке 305, катализатор TWC 320 расположен на отдельной второй подложке 325, и катализатор SCR 340 расположен на отдельной третьей подложке 335. Первая, вторая и третья подложки 305, 325, и 335, соответственно, могут состоять из одного и того же материала или из разных материалов. Первая подложка 305 имеет входной конец 315 и выходной конец 316, определяющие длину по оси L1. Вторая подложка 325 имеет входной конец 332 и выходной конец 334, определяющие длину по оси L2. Третья подложка 335 имеет входной конец 345 и выходной конец 346, определяющие длину по оси L3. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, первая, вторая и третья подложки 305, 325, и 335, соответственно, в общем содержат множество каналов 350 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 310 простирается от входного конца 315 первой подложки 305 через всю длину по оси L1 первой подложки 305 до выходного конца 316. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 310 определяется длиной первой зоны 305а на Фиг. 3. Катализатор TWC 320 простирается от входного конца 332 второй подложки 325 через всю длину по оси L2 второй подложки 325 до выходного конца 334. Катализатор SCR 340 простирается от выходного конца 346 третьей подложки 335 через всю длину по оси L3 третьей подложки 335 до входного конца 344. Катализатор SCR 340 определяет длину третьей зоны 335а на Фиг. 3. Очевидно, что длина зоны подложки 305а, длина зоны второй подложки 325а, и длина зоны третьей подложки 335а могут варьироваться.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и катализатор SCR могут быть расположены на одной подложке. На одной подложке конструкции могут включать зонированные и слоистые структуры.

В других вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов и катализатор TWC находятся на первой подложке, и катализатор SCR расположен на отдельной подложке ниже по ходу потока от первой подложки. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов является зонированным по оси, находится выше по ходу потока от катализатора TWC на той же подложке, причем катализатор SCR находится ниже по ходу потока на отдельной подложке.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и катализатор SCR располагаются в виде зонированной по оси конфигурации на одной подложке. Как применяется в настоящей заявке, термин «зонированный по оси» относится к местоположению зоны выше по ходу потока и зоны ниже по ходу потоку относительно друг друга. По оси означает бок о бок, так что зона выше по ходу потока и зона ниже по ходу потока расположены одна рядом с другой. Такие варианты выполнения настоящего изобретения могут быть более понятны со ссылкой на фиг. 4A-4F.

Ссылаясь на Фиг. 4А, примерный вариант выполнения зонированной по оси системы 400 показан. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 410 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 420 который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 430 на общей подложке 460. Подложка 460 имеет входной конец 440 и выходной конец 470, определяющие длину по оси L. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка 460 в общем содержит множество каналов 450 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 410 простирается от входного конца 440 подложки 460 через менее чем всю длину по оси L подложки 460. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 410 определяется длиной первой зоны 410а на Фиг. 4. Катализатор TWC 420 простирается между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 410 и катализатором SCR 430 через менее чем всю длину по оси L подложки 460. Длина катализатора TWC 420 определяется как длина второй зоны 420а на Фиг. 4А. Катализатор SCR 430 простирается от выходного конца 470 подложки 460 через менее чем всю длину по оси L подложки 460. Длина катализатора SCR 430 определяется как длина второй зоны 430а на Фиг. 4А. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 4А, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 410 непосредственно примыкает к катализатору TWC 420, который непосредственно примыкает к катализатору SCR 430.

В других вариантах выполнения настоящего изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 4В, имеются промежутки (пространственные промежутки) между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов, катализатором TWC, и/или катализатором SCR. Ссылаясь на Фиг. 4В, примерный вариант выполнения зонированной по оси системы 401 показан. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 411 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 421, который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 431 на общей подложке 461. Подложка 461 имеет входной конец 441 и выходной конец 471, определяющие длину по оси L1. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка 461 в общем содержит множество каналов 451 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 411 простирается от входного конца 441 подложки 461 через менее чем всю длину по оси L1 подложки 461. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 411 определяется длиной первой зоны 411а на Фиг. 4В. Катализатор TWC 421 простирается между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 411 и катализатором SCR 431 через менее чем всю длину по оси L1 подложки 461. Длина катализатора TWC 421 определяется как длина второй зоны 421а на Фиг. 4В. Как проиллюстрировано, имеется промежуток, g1, между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 411 и катализатором TWC 421. Катализатор SCR 431 простирается от выходного конца 471 подложки 461 через менее чем всю длину по оси L1 подложки 461. Длина катализатора SCR 431 определяется как длина второй зоны 431а на Фиг. 4А. Как проиллюстрировано, имеется промежуток, g2, между катализатором TWC 421 и катализатором SCR 431.

В других вариантах выполнения настоящего изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 4C-4F, специалисту в данной области техники очевидно, что катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и/или катализатор SCR могут быть по меньшей мере частично перекрывающимися. Например, как проиллюстрировано на Фиг. 4С, в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 412 по меньшей мере частично перекрывает катализатор TWC 422. Более конкретно, ссылаясь на Фиг. 4С, примерный вариант выполнения зонированной по оси системы 402 показан. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 412 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 422, который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 432 на общей подложке 462. Подложка 462 имеет входной конец 442 и выходной конец 472, определяющие длину по оси L2. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка 462 в общем содержит множество каналов 452 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 412 простирается от входного конца 442 подложки 462 через менее чем всю длину по оси L2 подложки 462. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 412 определяется длиной первой зоны 412а на Фиг. 4С. Катализатор TWC 422 простирается между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 412 и катализатором SCR 432 через менее чем всю длину по оси L2 подложки 462. Длина катализатора TWC 422 определяется как длина второй зоны 422а на Фиг. 4 В. Как проиллюстрировано, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 412 по меньшей мере частично перекрывает катализатор TWC 422. Длина перекрытия, o1, может варьироваться. Катализатор SCR 432 простирается от выходного конца 472 подложки 462 через менее чем всю длину по оси L2 подложки 462. Длина катализатора SCR 432 определяется как длина второй зоны 432а на Фиг. 4С.

В других вариантах выполнения настоящего изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 4D, катализатор TWC 423 по меньшей мере частично перекрывает катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 413. Более конкретно, ссылаясь на Фиг. 4D, примерный вариант выполнения зонированной по оси системы 403 показан. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 413 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 423, который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 433 на общей подложке 463. Подложка 463 имеет входной конец 443 и выходной конец 473, определяющие длину по оси L3. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка 463 в общем содержит множество каналов 453 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 413 простирается от входного конца 443 подложки 463 через менее чем всю длину по оси L3 подложки 463. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 413 определяется длиной первой зоны 413а на Фиг. 4D. Катализатор TWC 423 простирается между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 413 и катализатором SCR 433 через менее чем всю длину по оси L3 подложки 463. Длина катализатора TWC 423 определяется как длина второй зоны 423а на Фиг. 4D. Как проиллюстрировано, катализатор TWC 423 по меньшей мере частично перекрывает катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 413. Длина перекрытия, о2, может варьироваться. Катализатор SCR 433 простирается от выходного конца 473 подложки 463 через менее чем всю длину по оси L3 подложки 463. Длина катализатора SCR 433 определяется как длина второй зоны 433а на Фиг. 4D.

В других вариантах выполнения настоящего изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 4Е, катализатор TWC 424 по меньшей мере частично перекрывает катализатор SCR 434. Более конкретно, ссылаясь на Фиг. 4Е, примерный вариант выполнения зонированной по оси системы 404 показан. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 414 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 424, который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 434 на общей подложке 464. Подложка 464 имеет входной конец 444 и выходной конец 474, определяющие длину по оси L4. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка 464 в общем содержит множество каналов 454 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 414 простирается от входного конца 444 подложки 464 через менее чем всю длину по оси L4 подложки 464. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 414 определяется длиной первой зоны 414а на Фиг. 4Е. Катализатор TWC 424 простирается между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 414 и катализатором SCR 434 через менее чем всю длину по оси L4 подложки 464. Длина катализатора TWC 424 определяется как длина второй зоны 424а на Фиг. 4Е. Как проиллюстрировано, катализатор TWC 424 по меньшей мере частично перекрывает катализатор SCR 434. Длина перекрытия, о3, может варьироваться. Катализатор SCR 434 простирается от выходного конца 474 подложки 464 через менее чем всю длину по оси L4 подложки 409. Длина катализатора SCR 434 определяется как длина второй зоны 434а на Фиг. 4Е.

В других вариантах выполнения настоящего изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 4F, катализатор SCR 435 по меньшей мере частично перекрывает катализатор TWC 425. Более конкретно, ссылаясь на Фиг. 4F, примерный вариант выполнения зонированной по оси системы 405 показан. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 415 располагается выше по ходу потока от катализатора TWC 425, который расположен выше по ходу потока от катализатора SCR 435 на общей подложке 465. Подложка 465 имеет входной конец 445 и выходной конец 475, определяющие длину по оси L5. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, подложка 465 в общем содержит множество каналов 455 сотообразной подложки, из которых только один канал показан в поперечном сечении для ясности. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 415 простирается от входного конца 445 подложки 465 через менее чем всю длину по оси L5 подложки 465. Длина катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 415 определяется длиной первой зоны 415а на Фиг. 4F. Катализатор TWC 425 простирается между катализатором образования аммиака и окисления углеводородов 415 и катализатором SCR 435 через менее чем всю длину по оси L5 подложки 465. Длина катализатора TWC 425 определяется как длина второй зоны 425а на Фиг. 4F. Как проиллюстрировано, катализатор SCR 435 по меньшей мере частично перекрывает катализатор TWC 425. Длина перекрытия, о4, может варьироваться. Катализатор SCR 435 простирается от выходного конца 475 подложки 465 через менее чем всю длину по оси L5 подложки 465. Длина катализатора SCR 435 определяется как длина второй зоны 435а на Фиг. 4F.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC, и катализатор SCR находятся на одной подложке, которая содержит фильтр с проточными стенками. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, катализатор образования аммиака и окисления углеводородов покрыт на входных проходах фильтра с проточными стенками, и TWC и катализатор SCR покрыты на выходных проходах фильтра с проточными стенками.

Ссылаясь на Фиг. 5, система обработки выхлопного газа согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения может дополнительно содержать катализатор окисления аммиака, расположенный ниже по ходу потока от катализатора SCR, в отношении любого проскакивающего аммиака. В частности, Фиг. 5 показывает систему обработки выхлопного газа 500, содержащую катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 520, расположенный ниже по ходу потока от бензинового двигателя 510 через выпускной трубопровод 515, катализатор TWC 530, расположенный ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 530 через выпускной трубопровод 525, и SCR каталитическое изделие 540, расположенное ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 520, и катализатор TWC 530 через выпускной трубопровод 535. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, система обработки выхлопного газа 500 дополнительно содержит необязательный катализатор 550 (например катализатор окисления аммиака, катализатор окисления СО и т.д.), расположенный ниже по ходу потока от катализатора SCR 540 через выпускной трубопровод 545. Специалисту в данной области техники очевидно, что один или более катализаторов образования аммиака и окисления углеводородов 520, катализаторов TWC 530 и катализаторов SCR 540 могут быть на фильтре.

Ссылаясь на Фиг. 6, система обработки выхлопного газа двигателя согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения может дополнительно содержать фильтр с проточными стенками, расположенный выше по ходу потока от катализатора SCR. В частности, Фиг. 6 показывает систему обработки выхлопного газа 600, содержащую катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 620, расположенный ниже по ходу потока от бензинового двигателя 610 через выпускной трубопровод 615, необязательный фильтр с проточными стенками 650 выше по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 620 через необязательный выпускной трубопровод 625, катализатор TWC 630 ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов 620 через выпускной трубопровод 635, и катализатор SCR 640, расположенный ниже по ходу потока от катализатора TWC 630 через выпускной трубопровод 645. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, фильтр с проточными стенками 650 имеет второй трехходовый катализатор превращения (TWC), расположенный на нем. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, фильтр с проточными стенками 650 имеет катализатор TWC 630, расположенный на нем, а также катализатор образования аммиака и окисления углеводородов 620, расположенный на нем. В таких вариантах выполнения настоящего изобретения, необязательный выпускной трубопровод 625 отсутствует, а также выпускной трубопровод 635, из системы обработки выхлопного газа 600.

Без ограничения, в Таблице 1 представлены различные конфигурации системы согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения. Необходимо отметить, что каждый компонент соединен со следующим компонентом через выпускной трубопровод, так что двигатель находится выше по ходу потока от компонента А, который находится выше по ходу потока от компонента В, который находится выше по ходу потока от компонента С, который находится выше по ходу потока от компонента D, который находится выше по ходу потока от компонента Е (когда присутствует):

Как очевидно специалисту в данной области техники на основании конфигураций, приведенных в Таблице 1, любой из компонентов А, В, С, D, или Е может располагаться на фильтре для улавливания частиц.

Способ обработки выхлопного газа:

Другим объектом настоящего изобретения является способ обработки потока выхлопного газа двигателя. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, способ обработки потока выхлопного газа бензинового двигателя содержит протекание потока выхлопного газа бензинового двигателя над катализатором образования аммиака и окисления углеводородов согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения; и направление потока выхлопного газа через трехходовый катализатор превращения (TWC), расположенный ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов, и через катализатор селективного каталитического восстановления (SCR), расположенный ниже по ходу потока от катализатора TWC.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу обработки потока выхлопного газа. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, способ обработки потока выхлопного газа бензинового двигателя содержит протекание потока выхлопного газа над катализатором образования аммиака и направление потока выхлопного газа через трехходовый катализатор превращения (TWC) ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака; направление потока выхлопного газа через катализатор образования аммиака и окисления углеводородов согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, расположенный ниже по ходу потока от катализатора TWC; и затем через катализатор селективного каталитического восстановления (SCR), расположенный ниже по ходу потока от катализатора TWC.

Настоящее изобретение далее описано со ссылкой на следующие примеры. Прежде чем описывать несколько иллюстративных вариантов осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается деталями конструкции или стадий способа, изложенными в следующем описании. Настоящее изобретение может иметь другие варианты выполнения и осуществляться на практике или выполняться различными способами.

Примеры

Пример 1 - Получение катализаторов 1А-1Е, 3В, 3С

Катализатор содержал активированный γ-оксид алюминия, платину и палладий при различных загрузках платины и палладия, как указано в таблице 2. Pd в виде нитрата палладия и Pt в форме раствора амина платины вводили на γ-Al₂О₃ обычными методиками пропитки по влагоемкости. Катализаторы наносили в виде покрытия на носитель монолитную проточную подложку, имеющую плотность 900 ячеек на квадратный дюйм (cpsi) и толщину стенки 2,5 мил. Общая загрузка тонкого покрытия после прокаливания при 550°C в течение одного часа на воздухе составляла около 1,8 г/ дюйм³.

Пример 2 - Получение сравнительного примера 1F

Катализатор содержал активированный γ-оксид алюминия, диоксид циркония, оксид лантана, оксид неодимия, стронций и палладий при концентрациях приблизительно 67%, 5%, 10%, 9%, 5% и 3,8%, соответственно, на основе прокаленной массы катализатора. Pd в виде нитрата палладия вводили на γ-Аl₂О₃ обычными методиками пропитки по влагоемкости. Катализаторы наносили в виде покрытия на носитель монолитную проточную подложку, имеющую плотность 900 ячеек на квадратный дюйм (cpsi) и толщину стенки 2,5 мил. Общая загрузка тонкого покрытия после прокаливания при 550°C в течение одного часа на воздухе составляла около 1,8 г/ дюйм³.

Пример 3 - Эффективность превращения НС

Эффективность превращения НС для образцов 1A-1F примера 1 испытывали после старения при 950°C в течение 40 часов. Измеряли эффективность превращения НС в условиях работы на обедненной смеси при температуре от 215 до 275°C, и результаты представлены на Фиг. 7. Превращение НС увеличивалось с увеличением соотношения Pt/Pd. Образцы с только Pd показали низкое превращение НС. Пример 1А при Pt/Pd около 10/1 и пример 1В при Pt/Pd, равном 4/1, показал самое высокое превращение НС. Оба образца достигли превращения НС 99,5% при 215°C.

Эффективность превращения НС в условиях работы на обедненной смеси, как в Примере 2, измеряли для образцов, представленных в Таблице 3 ниже, которые имели варьирование общих загрузок PGM 270, 198, или 132 г/фут³, и соотношение Pt/Pd около 10/1.

Эффективность превращения НС для примеров 1А, 3В, 3С и 1F протестировали после старения при 950°C в течение 40 часов. Как проиллюстрировано на Фиг. 8, уменьшение общей загрузки PGM от 270 до 198 или до 132 г/фут³, при поддержании соотношения Pt/Pd при около 10/1 лишь слегка уменьшило превращение НС. При 215°C, пример 3В при 198 г/фут³ превращал 98.7% НС, и Пример 3С при 132 г/фут³ превращал 97.6% НС. Превращения НС, показанные этими образцами, было значительно выше, чем для сравнительного Примера 1F, не содержащего платину.

Пример 4 - Эффективность превращения NO_x в NH₃

Эффективность превращения NO_x в NH₃ Примеров 1A-1F оценили после старения при 750°C в течение 2.5 часов и после выдерживания при 950°C в течение 40 часов. Катализаторы оценивали на испытательной установке реактора с аналитическим устройством FTIR. Оценки проводились с циклами 60-секундного воздействия обедненного газа с последующим 60-секундным воздействием богатого газа. Подаваемые газы содержали NO, углеводороды, СО, СО₂, Н₂О и N₂. Коэффициент избытка воздуха богатого газа составлял 0,953. Температура составляла 355°C в обедненном режиме и 450°C в богатом режиме.

При той же общей загрузки PGM 270 г/фут³ превращение NO_x в NH₃ увеличивалось с увеличением соотношения Pt/Pd. После старения при 950°C оба примера 1А (Pt/Pd~10/1) и Пример 1B (Pt/Pd равно 4/1) достигли почти 100% превращения NO_x в NH₃, когда коэффициент избытка воздуха богатой смеси составлял 0,97 (Фиг. 9). После старения при 750°C оба примера 1А (Pt/Pd~10/1) и Пример 1B (Pt/Pd равно 4/1) превращали 100% NO_x в NH₃ при коэффициенте избытка воздуха 0.97 (Фиг. 10). Катализаторы Pt/Pd/Al₂О₃, богатые Pd, или катализаторы с только Pd, не только показали низкую эффективность превращения NO_x в NH₃, но также показали замедленное образование NH₃ при переходе от работы на обедненной смеси к работе на богатой смеси, поскольку PdO потребляет восстановители (Н₂/СО).

Пример 5 - Получение Pt/Al₂О₃, Pd/Al₂O₃ и Pt, Pd/Al₂O₃ порошковых образцов

Pt в форме раствора амина платины и Pd в форме нитрата палладия в соответствии с количествами, указанными в таблице 2, импрегнировали на γ-Al₂О₃ с помощью обычных методов пропитки по влагоемкости. Образцы сушили при 120°C в течение 8 часов с последующим прокаливанием при 550°C в течение 4 часов.

Пример 6 - Измерение Н₂ температурно-программированного восстановления (TPR)

Восстанавливаемость образцов примера 1 измеряли посредством Н₂ TPR. Перед измерением образцы обрабатывали при 450°C в 4% О₂/Не в течение 20 минут, а затем охлаждали до -50°C в Не (г). TPR измеряли в присутствии 1% H₂/N₂ с температурой, повышающейся от -50 до 700°C со скоростью 10°C/мин. Объемы Н₂, потребляемые для восстановления на грамм каждого образца, были нанесены на Фиг. 11А и 11В. Каждый образец измеряли после деградации при 750°C в течение 2,5 часов (Фиг. 11А), а также после старения при 950°C в течение 40 часов (Фиг. 7В), в 2% О₂ и 10% Н₂О, сбалансированных с N₂ (Фиг. 11В).

Как проиллюстрировано на Фиг. 11А и 11В, H₂-TPR исследование на образцах примера 5 при различных соотношениях Pt/Pd показывает, что образцы Pt/Al₂O₃ и Pt/Pd/Al₂O₃, которые богаты Pt (соотношение Pt/Pd при 10/1 и 4/1), потребляют минимальное количество Н₂. С другой стороны, Рd/Аl₂O₃ и Pt/Pd/Al₂O₃, богатые Pd (соотношение Pt/Pd при 1/1 и 1/4), потребляют большое количество Н₂. Объемы Н₂, потребляемые созревшими Рd/Al₂O₃, Pt/Pd/Al₂O₃ при 1/1 и 1/4, аналогичны рассчитанным объемам потребления Н₂, исходя из предположения, что весь PdO восстановлен до Pd. Объемы Н₂, потребляемые состаренными Рd/Al₂О₃ и Pt/Pd/Al₂O₃ при 1/4, ниже расчетных значений, но они значительно выше, чем у Pt/Pd/Al₂O₃, богатого Pt, и потребление Н₂ линейно увеличивается при увеличении загрузки Pd. Потребление Н₂ Pt/Pd/Al₂O₃ при другом соотношении Pt/Pd соответствовало задержке образования NH₃, которая наблюдалась при испытании превращения NO_x в NH₃.

Ссылка в описании настоящего изобретения на «один вариант выполнения настоящего изобретения», «определенные варианты выполнения настоящего изобретения», «один или более вариантов выполнения настоящего изобретения" или «вариант выполнения настоящего изобретения" означает, что конкретный признак, структура, материал или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения настоящего изобретения, включены, по меньшей мере, в один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз, таких как «в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения», «в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения», «в одном варианте выполнения настоящего изобретения» или «в варианте выполнения настоящего изобретения» в разных местах описания настоящего изобретения необязательно является ссылкой на тот же вариант выполнения настоящего изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры, материалы или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения.

Хотя изобретение в настоящей заявке описано со ссылкой на конкретные варианты выполнения, следует понимать, что эти варианты выполнения настоящего изобретения просто иллюстрируют принципы и применения настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные модификации и вариации могут быть внесены в способ и устройство согласно настоящему изобретению без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение включает модификации и варианты, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения, и их эквиваленты.

Описываются системы обработки выхлопного газа для обработки потока выхлопного газа бензинового двигателя. Системы обработки выхлопного газа содержат катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, катализатор TWC и катализатор селективного каталитического восстановления аммиака (SCR) ниже по ходу потока катализатора TWC. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия. Катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x. Компоненты платины и палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 1 к 1. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 табл., 17 ил.

1. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя, содержащая:

катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, содержащий подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия, где компоненты платины и палладия присутствуют при соотношении платины и палладия (Pt/Pd) более чем 1 к 1, и где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонента накопления NO_x;

трехходовый катализатор превращения (TWC); и

катализатор селективного каталитического восстановления аммиака (SCR) ниже по ходу потока трехходового катализатора превращения.

2. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где подложку на основе оксида тугоплавкого металла выбирают из оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида титана, диоксида циркония и их комбинаций.

3. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где соотношение Pt/Pd составляет от около 2/1 до около 100/1.

4. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 3, где соотношение Pt/Pd составляет от около 4/1 до около 20/1.

5. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор TWC расположен ниже по ходу потока катализатора образования аммиака и окисления углеводородов.

6. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов и катализатор TWC находятся на отдельных подложках.

7. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов и катализатор TWC находятся на одной подложке.

8. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор SCR содержит один или более из материала молекулярного сита и смешанного оксида.

9. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 8, где материал молекулярного сита имеет двойной блок с 6-членными кольцами (d6r).

10. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 9, где материал молекулярного сита имеет тип каркасной структуры, выбранный из группы, состоящей из AEI, СНА и AFX.

11. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 10, где материал молекулярного сита имеет тип каркасной структуры СНА.

12. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 8, где материал молекулярного сита имеет соотношение диоксида кремния и оксида алюминия в интервале от около 2 до около 100.

13. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 8, где материал молекулярного сита промотирован металлом, выбранным из группы, состоящей из Cu, Fe, Со, Ni, La, Се, Mn, V, Ag и их комбинаций.

14. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор SCR располагается на фильтре с проточными стенками.

15. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор SCR располагается на проточной подложке.

16. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где фильтр с проточными стенками располагается выше по ходу потока от катализатора SCR, причем фильтр имеет трехходовый катализатор превращения (TWC) на нем.

17. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где фильтр с проточными стенками располагается выше по ходу потока от катализатора SCR, причем фильтр имеет катализатор образования аммиака и окисления углеводородов на нем.

18. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, дополнительно содержащая катализатор окисления аммиака ниже по ходу потока катализатора SCR.

19. Система обработки выхлопного газа бензинового двигателя по п. 1, где катализатор TWC содержит один или более металлов платиновой группы, компонент накопления кислорода и подложку на основе оксида тугоплавкого металла.

20. Система обработки выхлопного газа, содержащая:

катализатор образования аммиака и окисления углеводородов, который по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины и компонент палладия, где компоненты платины и палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 2 к 1;

трехходовый катализатор превращения (TWC); и

катализатор селективного каталитического восстановления аммиака (SCR), содержащий материал молекулярного сита, имеющий двойной блок с 6-членными кольцами (d6r), ниже по ходу потока катализатора образования аммиака и окисления углеводородов и катализатора TWC.

21. Система обработки выхлопного газа по п. 20, где катализатор TWC расположен ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов.

22. Способ обработки потока выхлопного газа двигателя из бензинового двигателя, содержащий:

протекание потока выхлопного газа двигателя над катализатором образования аммиака и окисления углеводородов; и

направление потока выхлопного газа через трехходовый катализатор превращения (TWC), расположенный ниже по ходу потока от катализатора образования аммиака и окисления углеводородов, и катализатор селективного каталитического восстановления (SCR), расположенный ниже по ходу потока от катализатора TWC,

где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов по существу свободен от диоксида церия и по существу свободен от компонентов накопления NO_x, где катализатор образования аммиака и окисления углеводородов содержит подложку на основе оксида тугоплавкого металла, компонент платины, и компонент палладия, и где компонент платины и компонент палладия присутствуют при соотношении платины и палладия более чем около 1 к 1.