МОНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ, СОДЕРЖАЩИЕ РОДИЙ, ЧЕТЫРЕХХОДОВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ КОНВЕРСИИ ДЛЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ВЫБРОСОВ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК B01D53/94 B01J23/46 F01N3/35 

Область изобретения

Настоящее изобретение в общем относится к системам обработки выбросов, имеющим катализаторы, применяемым для обработки газообразных потоков бензиновых двигателей, содержащих углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота, совместно с частицами. Более конкретно, настоящее изобретение относится к четырехходовому конвертеру (FWC), который содержит трехходовой каталитический нейтрализатор (TWC), который является монометаллическим, содержащим только родий, и фильтр для улавливания твердых частиц.

Уровень техники

Выбросы в виде твердых частиц для бензиновых двигателей подлежат регулированию, в том числе стандартам Евро 6 (2014). Были разработаны некоторые бензиновые двигатели с прямым впрыском (GDI), рабочие режимы которых приводят к образованию мелких частиц. Системы последующей обработки для бензиновых двигателей должны соответствовать стандартам по твердым частицам. В отличие от частиц, образующихся в дизельных двигателях, работающих при сгорании обедненной смеси, частицы, образующиеся в бензиновых двигателях, таких как двигатели GDI, имеют тенденцию быть более мелкими и в меньших количествах. Это связано с различными условиями сгорания дизельного двигателя по сравнению с бензиновым двигателем. Например, бензиновые двигатели работают при более высокой температуре, чем дизельные двигатели. Кроме того, углеводородные компоненты отличаются по выбросам бензиновых двигателей по сравнению с дизельными двигателями.

Выбросы загрязняющих веществ несгоревших углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота продолжают регулироваться. Каталитические конвертеры, содержащие трехходовой каталитический нейтрализатор (TWC), соответственно расположены в линии выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания. Такие катализаторы способствуют окислению кислородом в потоке выхлопных газов несгоревших углеводородов и монооксида углерода, а также восстановлению оксидов азота до азота.

Каталитическая ловушка для улавливания частиц, содержащая катализатор TWC, нанесенный на или внутри ловушки для улавливания частиц, обеспечивается в патенте США № 8,173,087 (Wei). Система обработки выбросов бензинового двигателя, имеющая фильтры для улавливания твердых частиц, также представлена ​​в патенте США № 8,815,189 (Arnold).

Технологии в отношении выбросов ограничены противодавлением и объемными ограничениями выхлопных систем. То есть, в пределах определенных противодавлений и объемов любые новые технологии должны иметь минимальное влияние на и то и другое.

Существует постоянная потребность в обеспечении катализируемого фильтра, который обеспечивает достаточный и экономически эффективный TWC в сочетании с эффективным фильтром без чрезмерного увеличения противодавления, так что регулированные превращения HC, NOx и CO могут быть достигнуты при удовлетворении требований в отношении выбросов твердых частиц.

Сущность изобретения

Обеспечиваются выхлопные системы и компоненты, подходящие для применения совместно с бензиновыми двигателями для улавливания твердых частиц в дополнение к обработке газообразных выбросов, таких как углеводороды, оксиды азота, и монооксиды углерода. Представляет интерес обеспечение фильтра для улавливания твердых частиц для бензиновых двигателей (GPFs или PFGs) для применения ниже по ходу потока от традиционного трехходового нейтрализатора (TWC), так что комбинация обеспечивает полную функциональность TWC.

Первым объектом настоящего изобретения является система обработки выбросов ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива для обработки выхлопного потока, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, и частицы, причем система для обработки выбросов содержит:

вплотную смонтированный композит трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащий первый каталитический материал TWC на проточной подложке; и

катализированный фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный ниже по ходу потока от вплотную смонтированного композита TWC, причем катализированный фильтр для улавливания твердых частиц содержит второй каталитический материал TWC, который проникает в стенки фильтра для улавливания твердых частиц;

где второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы.

Фильтр для улавливания твердых частиц может содержать средний диаметр пор в интервале от около 13 до около 25 мкм. Фильтр для улавливания твердых частиц может иметь толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и непокрытую пористость в интервале от 55 до 70 %. Катализированный фильтр для улавливания твердых частиц может иметь покрытую пористость, которая меньше чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц. В конкретном варианте выполнения настоящего изобретения, нет наслаивания каталитического материала на поверхности стенок фильтра для улавливания твердых частиц, за исключением необязательно в областях перекрывающего слоя "washcoat". В другом конкретном варианте выполнения настоящего изобретения, покрытая пористость линейно пропорциональна загрузке композиции "washcoat" каталитического материала TWC. Покрытая пористость может составлять от 75 до 98 % от непокрытой пористости. Покрытая пористость может составлять от 80 до 95 % от непокрытой пористости. Покрытая пористость может составлять от 80 до менее 93 % от непокрытой пористости. Покрытое противодавление катализированного фильтра для улавливания твердых частиц, как правило, не наносит ущерба производительности двигателя.

Второй каталитический материал TWC может содержать средний диаметр частиц d₉₀ в интервале от около 2,5 до около 8 мкм. Второй каталитический материал TWC может быть образован из одной композиции «washcoat», которая проникает во входную сторону, выходную сторону, или и ту и другую сторону фильтра для улавливания твердых частиц.

Первый один слой "washcoat" может присутствовать на входной стороне вдоль до около 0 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и второй один слой "washcoat" может присутствовать на выходной стороне вдоль до около 0 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца, где по меньшей мере один из первого и одного слоев "washcoat" присутствует в количестве > 0 %.

Первый один слой "washcoat" может присутствовать на входной стороне вдоль до около 50 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и второй один слой "washcoat" может присутствовать на выходной стороне вдоль до около 50 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца. Первый один слой "washcoat" может присутствовать на входной стороне вдоль до около 50 - 55 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и второй один слой "washcoat" может присутствовать на выходной стороне вдоль до около 50 - 55 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца.

Один слой "washcoat" может присутствовать на входной стороне вдоль до около 100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и на выходной стороне нет слоя "washcoat".

Один слой "washcoat" может присутствовать на выходной стороне вдоль до около 100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца, и на входной стороне нет слоя "washcoat".

Второй каталитический материал TWC может присутствовать в количестве в интервале от около 0,17 до около 5 г/дюйм³ (от около 10 до около 300 г/л).

Второй каталитический материал TWC может состоять по существу из родия, оксида церия и композита на основе оксида церия, и оксида алюминия.

Другим объектом настоящего изобретения является катализированный фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный в системе обработки выбросов ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива, для обработки выхлопного потока, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, и частицы, и ниже по ходу потока от композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке, причем катализированный фильтр для улавливания твердых частиц содержит:

фильтр для улавливания твердых частиц, имеющий толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и пористость в интервале от 55 до 70 %; и

второй каталитический материал трехходового каталитического нейтрализатора (TWC) в количестве в интервале от около 0,17 до около 5 г/дюйм³ (10 - 300 г/л), причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы;

где катализированный фильтр для улавливания твердых частиц имеет покрытую пористость, которая меньше чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц, и покрытое противодавление, которое является по существу таким же как непокрытое противодавление фильтра для улавливания твердых частиц.

Толщина стенки может составлять около 8 мил; количество второго каталитического материала трехходового каталитического нейтрализатора (TWC) может находиться в интервале от около 0,17 до около 1,5 г/дюйм³ (10 - 90 г/л), причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы; и фильтр для улавливания твердых частиц может содержать распределение среднего размера пор в интервале от около 13 до около 25 мкм.

Другим объектом настоящего изобретения является способ обработки выхлопного газа, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, и частицы, причем способ включает: получение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц согласно любому варианту выполнения настоящего изобретения, раскрытому в настоящей заявке; и расположение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива и композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке; где при работе двигателя, выхлопной газ из бензинового двигателя прямого впрыска топлива контактирует с катализированным фильтром для улавливания твердых частиц.

Другим объектом настоящего изобретения является способ получения системы обработки выбросов для бензинового двигателя прямого впрыска топлива, причем способ включает: расположение композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива; получение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц, содержащего второй каталитический материал трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), проникающий в стенки фильтра для улавливания твердых частиц, причем фильтр для улавливания твердых частиц имеет толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и пористость в интервале от 55 до 70 %, и причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы; расположение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц ниже по ходу потока от композита TWC.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более полно понятно при рассмотрении следующего подробного описания различных вариантов выполнения настоящего изобретения в соответствии с приложенными чертежами, на которых:

Фиг. 1 показывает схематический вид, показывающий систему обработки выбросов двигателя согласно конкретному варианту выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 2 показывает перспективный вид подложки фильтра с проточными стенками;

Фиг. 3 показывает вид в разрезе части подложки фильтра с проточными стенками; и

Фиг. 4 - 6 обеспечивает схематические изобретения конструкций покрытий FWC.

Подробное описание

Обеспечиваются фильтры для бензиновых двигателей прямого впрыска топлива (GDI), которые предназначены для достижения высокой эффективности фильтрации частиц и экономически эффективного преобразования газовых выбросов. Современные бензиновые системы каталитической последующей обработки обычно включают в себя два катализатора: первый, расположенный рядом с двигателем (например, CC: вплотную смонтированное положение), и второй, расположенный ниже по ходу потока от первого, дальше вдоль выхлопной системы последующей обработки (например, UF: низлежащее положение). Катализаторы, применяемые в такой конфигурации CC + UF, предъявляют различные требования к температурной стабильности и эффективности преобразования: катализатор в положении CC, находящийся ближе к двигателю, требует более высокого теплового сопротивления, чем катализатор, помещенный в положение UF. Составы катализаторов для FWC в данной заявке разработаны для обеспечения экономически эффективного решения. Объектом данного изобретения является композиция FWC для положения UF, в которой в качестве активного благородного металла используется только монометаллический металл платиновой группы, родий (Rh), полностью исключая использование палладия (Pd), что дает возможность значительно снизить затраты.

Исторически композиции TWC, используемые в положении UF, содержат в качестве активного благородного металла как Pd, так и Rh. Pd обычно используется вместе как с оксидом алюминия, так компонентами накопления кислорода для катализа окисления углеводородов (HC) и для активации окислительно-восстановительной реакции Ce3+/Ce4+, соответственно. Было обнаружено, что количество Pd, используемого в катализаторе TWC в положении UF, недостаточно для значительного уменьшения выбросов HC, и что окислительно-восстановительная реакция Ce3+/Ce4+ может быть эффективно активирована также путем своевременного использования только Rh.

Применяются следующие определения.

Как применяется в настоящей заявке, термин "пермеат" при применении для описания дисперсии катализатора TWC в пористых стенках фильтра для улавливания твердых частиц, означает, что конкретная композиция проникает по меньшей мере в большинство полых областей в пределах толщины стенки и осаждается на внутренних поверхностях по всей толщине стенок. Таким образом, материал диспергируется по всей стенке фильтра.

Пористость фильтров для улавливания твердых частиц представляет собой процент объема пор фильтра относительно объема фильтра. Одним из способов измерения пористости является ртутная порозиметрия. Фильтр может быть поделен на секции, и пористость каждой секции измерена, и результаты усреднены. Например, фильтр может быть разделен на переднюю/входную часть, среднюю часть и заднюю/выходную часть, пористость каждой части может быть взята, и результаты могут быть усреднены. Непокрытая пористость представляет собой пористость фильтра, на который не наносится каталитический материал. Покрытая пористость представляет собой пористость каталитического фильтра, представляющего собой комбинацию каталитического материала и фильтра. Катализированные фильтры для улавливания твердых частиц могут иметь покрытую пористость, которая меньше, чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц, что указывает на то, что композиция «washcoat» остается в порах фильтра, но не на поверхности стенок. Некоторые способы, применяемые согласно настоящему изобретению, приводят к покрытой пористости, которая линейно пропорциональна загрузке композиции "washcoat" каталитического материала TWC, потому что материал остается в порах, но не на стенках фильтра. Покрытая пористость может составлять от 75 до 98 %, или от 80 до 95 %, или даже от 80 до 93 % от непокрытой пористости.

Противодавление фильтров является мерой сопротивления потоку через фильтр, выраженной, например, в единицах мбар. Непокрытое противодавление представляет собой противодавление фильтра, на который не нанесен каталитический материал. Покрытое противодавление представляет собой противодавление каталитического фильтра, представляющего собой комбинацию каталитического материала и фильтра. Катализированные фильтры для улавливания твердых частиц могут иметь противодавление, которое не наносит ущерба производительности двигателя. Безвредный перепад давления означает, что двигатель будет работать в целом одинаково (например, расход топлива) в широком диапазоне режимов работы двигателя в присутствии подложки фильтра, которая находится в состоянии с покрытием или без покрытия.

"FWC" относится к четырехходовому катализатору конверсии, где в дополнение к функциональности трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), которая определяется далее, имеется функция фильтрации.

"TWC" относится к функции трехходовой конверсии, где углеводороды, монооксид углерода, и оксиды азота, по существу, одновременно превращаются. Бензиновый двигатель, как правило, работает при почти стехиометрических условиях реакции, которые колеблются или слегка отклоняются между соотношениями воздуха и топлива для обогащенного топлива и обедненного топлива (соотношения A / F) (λ = 1 ± ~ 0,01), при частотах возмущений от 0,5 до 2 Гц. Использование термина «стехиометрические» в данном документе относится к условиям бензинового двигателя, учитывающим колебания или отклонения соотношений A / F вблизи стехиометрических. Катализаторы TWC включают компоненты накопления кислорода (OSC), такие как оксид церия, которые имеют многовалентные состояния, которые позволяют удерживать и выделять кислород при различных соотношениях воздуха и топлива. В обогащенных условиях, когда NOx снижается, OSC обеспечивает небольшое количество кислорода для потребления непрореагировавших CO и HC. Аналогично, в условиях работы на обедненной смеси, когда СО и НС окисляются, OSC реагирует с избытком кислорода и/или NOx. В результате, даже в присутствии атмосферы, которая колеблется между соотношениями воздуха и топлива для обогащенного топлива и обедненного топлива, происходит конверсия НС, СО и NOx в одно и то же время (или практически в одно и то же время). Как правило, катализатор TWC содержит один или более металлов платиновой группы, таких как палладий и/или родий, и, необязательно, платину; компонент накопления кислорода; и, необязательно, промоторы и/или стабилизаторы. В обогащенных условиях катализаторы TWC могут генерировать аммиак.

Ссылка на “полную функциональность TWC” означает, что окисление HC и CO и восстановление NOx может быть достигнуто в соответствии с требованиями регулирующих органов и/или производителей машин. Таким образом, компоненты металлов платиновой группы, такие как платина, палладий и родий обеспечиваются для достижения превращения HC, CO, и NOx, и достаточные компоненты накопления кислорода (OSC) обеспечиваются для достижения достаточной емкости накопления кислорода, чтобы обеспечить достаточное превращение HC, NOx, и CO в среде варьирующихся соотношений A/F (воздуха и топлива). Достаточная емкость накопления кислорода обычно означает, что после полного срока полезного использования, определенного производителем автомобилей, катализатор может накапливать и выделять минимальное количество кислорода. В одном примере полезная емкость накопления кислорода может составлять 100 мг на литр кислорода. В другом примере достаточная емкость накопления кислорода может составлять 200 мг на литр кислорода после 80 часов экзотермического состаривания при 1050°C. Достаточная емкость накопления кислорода необходима для того, чтобы бортовые диагностические системы (OBD) обнаруживали работающий катализатор. При отсутствии достаточной емкости накопления кислорода, OBD вызовет сигнал тревоги о неработающем катализаторе. Высокая емкость накопления кислорода превышает достаточное количество, что расширяет рабочее окно катализатора и обеспечивает большую гибкость в управлении двигателем для производителя автомобилей.

Ссылка на компонент накопления кислорода (OSC) относится к объекту, который имеет мультивалентное состояние и может активно реагировать с окислителями, такими как кислород или оксиды азота в окислительных условиях, или реагирует с восстановителями, такими как монооксид углерода (CO) или водород, в условиях восстановления. Примеры подходящих компонентов накопления кислорода включают оксида церия. Оксид празеодима также может быть включен в качестве OSC. Доставка OSC к слою «washcoat» может быть достигнута с использованием, например, смешанных оксидов. Например, оксид церия может быть доставлен ​​смешанным оксидом церия и циркония и/или смешанным оксидом церия, циркония и неодима. Например, оксид празеодима может быть доставлен ​​смешанным оксидом празеодима и циркония и/или смешанным оксидом празеодима, церия, лантана, иттрия, циркония и неодима.

TWC катализаторы, которые проявляют хорошую активность и долгий срок службы, содержат один или более металлов платиновой группы (например, платину, палладий, родий, рений и иридий), нанесенный на носитель на основе оксида тугоплавкого металла с высокой площадью поверхности, например, покрытие оксида алюминия с высокой площадью поверхности. Нанесение осуществляют на подходящем носителе или подложке, такой как монолитный носитель, содержащий тугоплавкую керамическую или металлическую сотообразную структуру, или тугоплавкие частицы, такие как шарики или короткие, экструдированные сегменты подходящего тугоплавкого материала. Носители на основе оксида тугоплавкого металла могут быть стабилизированы от термического разложения материалами, такими как оксид циркония, оксид титана, оксиды щелочноземельных металлов, такие как оксид бария, оксид кальция или оксид стронция или, наиболее обычно, оксидами редкоземельных металлов, например, оксид церия, оксид и смеси одного или более оксидов редкоземельных металлов. Например, смотрите патент США № 4,171,288 (Keith). TWC также могут быть составлены так, чтобы включать компонент накопления кислорода.

Ссылка на “носитель” в слое «washcoat» катализатора относится к материалу, который получает благородный металлы, стабилизаторы, промоторы, связующие вещества и тому подобное посредством ассоциации, дисперсии, пропитки или других подходящих способов. Примеры носителей включают, но без ограничения к этому, оксиды тугоплавкого металла с высокой площадью поверхности и композиты, содержащие компоненты накопления кислорода. Носители на основе тугоплавких оксидов металлов с высокой площадью поверхности относятся к частицам носителя, имеющим поры более 20 Å и широкое распределение пор по размеру. Носители на основе оксида тугоплавкого металла с высокой площадью поверхности, такие как материалы-носители на основе оксида алюминия, также упоминаются как «гамма оксид алюминия» или «активированный оксид алюминия», как правило, имеют площадь поверхности по БЭТ, превышающую 60 метров квадратных 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 насыпной оксид церия, оксид циркония, альфа оксид алюминия и другие материалы. Хотя многие из этих материалов имеют недостаток, заключающийся в том, что они имеют значительно меньшую площадь поверхности по БЭТ, чем активированный оксид алюминия, этот недостаток, как правило, компенсируется большей долговечностью получаемого катализатора. «Площадь поверхности по БЭТ» имеет свое обычное значение, относящееся к методу Брунауэра-Эммета-Теллера для определения площади поверхности по адсорбции N₂.

Один или более вариантов выполнения настоящего изобретения включают носитель на основе оксида тугоплавкого металла с высокой площадью поверхности, содержащий активированное соединение, выбранное из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида алюминия-оксида циркония, оксида алюминия-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-оксида алюминия, оксида лантана-оксида циркония-оксида алюминия, оксида бария-оксида алюминия, оксида бария оксида лантана-оксида алюминия, оксида бария оксида лантана-оксида неодима оксида алюминия, и оксида алюминия-оксида церия. Примеры композитов, содержащих компоненты накопления кислорода, включают, но без ограничения к этому, оксид церия-оксид циркония и оксид церия-оксид циркония-оксида лантана. Ссылка на “оксид церия-оксид циркония композит” означает композит, содержащий оксид церия и оксид циркония, без уточнения количества каждого компонента. Подходящие композиты оксид церия-оксид циркония включают, но без ограничения к этому, композиты, имеющие, например, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 % или даже 95 % оксида церия. Определенные варианты выполнения настоящего изобретения обеспечивают, что носитель содержит насыпной оксид церия, имеющий номинальное содержание оксида церия 100 % (т. e., > 99 % чистота).

Перед описанием нескольких примерных вариантов выполнения настоящего изобретения необходимо понимать, что настоящее изобретение не ограничено деталями конструкции или стадиями способа, изложенными в следующем описании. Возможны другие варианты выполнения настоящего изобретения, и оно может быть реализовано или выполнено различными путями.

Обращаясь к Фиг. 1, система для обработки выбросов 3 содержит бензиновый двигатель 5, который передает выхлопные газы через трубопровод 7 к первому TWC катализатору 9, который находится в вплотную смонтированном положении (CC). Расположенный ниже по ходу потока, покрытый TWC фильтр для улавливания частиц (FWC) 13, который получает поток выхлопных газов по линии 11, находится в низлежащем положении (UF). Линия 15 может привести к дальнейшей обработке компонентов и/или к выпускной трубе и выходу из системы. Покрытый TWC фильтр TWC для улавливания твердых частиц 13 содержит катализатор TWC с загрузкой, который предназначен для работы в сочетании с CC TWC катализатором, чтобы в совокупности обеспечить полную функциональность TWC, тем самым удовлетворяя требованиям к выбросам.

Фильтр для улавливания твердых частиц

Ссылка на фильтр для улавливания твердых частиц означает подложку такого размера и конфигурации, чтобы улавливать частицы, образующиеся в результате реакций сгорания в бензиновом двигателе прямого впрыска. Улавливание частиц может происходить, например, посредством использования фильтра улавливания твердых частиц (или сажевого фильтра), посредством использования проточной подложки, имеющей внутренний извилистый путь, так что изменение направления потока частиц приводит к их выпадению из потока выхлопных газов, посредством использования металлической подложки, такой как гофрированный металлический носитель, или с помощью других способов, известных специалистам в данной области техники. Могут быть пригодны другие фильтрующие устройства, такие как труба с шероховатой поверхностью, которая может выбивать частицы из потока выхлопных газов. Труба с изгибом также может быть подходящей.

Со ссылкой на фильтры, Фиг. 2 показывает перспективный вид примерной подложки фильтра с проточными стенками, подходящей для фильтра для улавливания твердых частиц. Подложки с проточными стенками, полезные, чтобы нести TWC или композиции катализатора окисления имеют множество мелких по существу параллельных проходов для газового потока, простирающихся вдоль продольной оси (или длины по оси) подложки. Как правило, каждый проход блокирован на одном конце тела подложки, причем чередующиеся проходы блокированы на противоположных торцах. Такие монолитные носители могут содержать до около 300 проходов для потока (или ячеек) на квадратный дюйм поперечного сечения, хотя может применяться намного меньше. Например, носитель может иметь от около 7 до 300, более обычно от около 200 до 300, ячеек на квадратный дюйм (“cpsi”). Ячейки могут иметь поперечные сечения прямоугольной, квадратной, круглой, овальной, треугольной, шестиугольной или другой многоугольной формы. Подложки с проточными стенками для FWC обычно имеют толщину стенки от 6 до 14 мил или от 152 до 356 мкм. Осевое зонирование может быть желательным, так чтобы покрытие было нанесено вдоль осевой длины фильтра. На входной стороне, как измерено от расположенного выше по ходу потока конца 54, покрытие может простираться до 50% длины по оси (например, от 1 до 49,9% или от 10 до 45%), от 50 до 75% длины по оси, или даже 100% длины по оси. На выходной стороне, как измерено от расположенного ниже по ходу потока конца 56, покрытие может простираться до 50% длины по оси (например, от 1 до 49,9% или от 10 до 45%), от 50 до 75% длины по или даже 100% длины по оси.

Фиг. 2 и 3 иллюстрируют подложку фильтра с проточными стенками 50, которая имеет множество проходов 52. Проходы цилиндрически закрыты внутренними стенками 53 подложки фильтра. Подложка имеет вход или расположенный выше по ходу потока конец 54 и выход или расположенный ниже по ходу потока конец 56. Альтернативные проходы закупорены на входном конце заглушкой входа 58, и на выходном конце - заглушкой выхода 60, с образованием противоположной шахматной конфигурации на входном конце 54 и выходном конце 56. Газовый поток 62 поступает при расположенном выше по ходу потока конце 54 через вход 64 незакупоренного канала, останавливается заглушкой выхода 60 и диффундирует через стенки канала 53 (которые являются пористыми) на выходную сторону 66. Покрытие на входной стороне фильтра означает, что покрытие остается на или внутри стенок 53, так что поток газа 62 контактирует сначала с покрытием входа. Покрытие на выходной стороне стенок фильтра означает, что покрытие остается на или внутри стенок 53, так что поток газа 62 контактирует покрытием выхода после покрытия входа. Газ не может вернуться к входной стороне стенок из-за заглушки выхода 58.

На Фиг. 4 первый слой «washcoat» 102 обеспечивается на 50 - 55 % длины входной стороны, и второй слой «washcoat» 104 обеспечивается на 50 - 55% длины выходной стороны. Вариант выполнения настоящего изобретения на Фиг. 4 может быть подходящим для высоких загрузок «washcoat», где общая загрузка «washcoat» составляет ≥ 1,5 г/дюйм³, например: 1,5 - 3 г/дюйм³, или даже 2,5 г/дюйм³. На Фиг. 5, один слой «washcoat» 102 обеспечивается на до 100 % длины входной стороны, что включает > 0 % до 100 % и все значения между, и «washcoat» не обеспечивается на выходной стороне. Вариант выполнения настоящего изобретения на Фиг. 5 может быть подходящим для низких загрузок «washcoat», где общая загрузка «washcoat» составляет< 1,5 г/дюйм³, например: 0,25 - < 1,5 г/дюйм³, или даже 0,5 - 1,0 г/дюйм³. На Фиг. 6, один слой «washcoat» 104 обеспечивается на до 100 % длины выходной стороны, что включает > 0 % до 100 % и все значения между, и «washcoat» не обеспечивается на входной стороне. Вариант выполнения настоящего изобретения согласно Фиг. 6 также может быть подходящим для низких загрузок «washcoat», где общая загрузка «washcoat» составляет < 1,5 г/дюйм³, например: 0,25 - < 1,5 г/дюйм³, или даже 0,5 - 1,0 г/дюйм³. На Фиг. 4 - 6, слои «washcoat» могут быть расположены на стенках и/или проникать в стенки. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, композиция «washcoat» проникает в стенки и не расположена на стенках.

Подложки фильтра с проточными стенками могут быть изготовлены из керамико-подобных материалов, таких как кордиерит, оксид алюминия, карбид кремния, титанат алюминия, муллит или тугоплавкий металл. Подложки с проточными стенками также могут быть выполнены из керамоволоконных композитных материалов. Конкретные подложки с проточными стенками формируются из кордиерита, карбида кремния и титаната алюминия. Такие материалы способны противостоять окружающей среде, особенно высоким температурам, возникающим при обработке потоков выхлопных газов.

Подложки с проточными стенками, предназначенные для использования в системе согласно изобретению, могут включать сотообразные монолиты с тонкими пористыми стенками (монолиты), через которые проходит поток жидкости, не вызывая слишком сильного повышения противодавления или давления в изделии. Керамические подложки с проточными стенками, используемые в системе, могут быть выполнены из материала, имеющего пористость (также называемую непокрытая пористость) по меньшей мере 40% (например, от 40 до 70% или даже от 55 до 70%). Подходящие подложки с проточными стенками могут иметь средний размер пор 10 или более микрон, предпочтительно от 13 до 25 микрон. Когда на подложки с такими пористостями и такими средними размерами пор наносят покрытие методиками, описанными ниже, на подложки могут быть нанесены адекватные уровни композиций TWC для достижения превосходной эффективности превращения углеводородов, СО и/или NOx. Эти подложки все еще способны сохранять адекватные характеристики потока выхлопных газов, то есть приемлемые противодавления, несмотря на загрузку катализатора.

Фильтр с пористыми проточными стенками, применяемый согласно настоящему изобретению, катализируют тем, что стенка элемента имеет на себе или содержит один или более каталитических материалов. Каталитические материалы могут присутствовать только на входной стороне стенки элемента, только на стороне выхода, как на входной, так и на выходной стороне, или сама стенка может состоять полностью или частично из каталитического материала. Настоящее изобретение включает применение одного или более слоев «washcoat» каталитических материалов и комбинаций одного или более слоев «washcoat»каталитических материалов на входной и/или выходной стенках элемента.

Со ссылкой на металлическую подложку, полезная подложка может состоять из одного или более металлов или сплавов металлов. Металлические носители могут использоваться в различных формах, таких как гофрированный лист или монолитная форма. Конкретные металлические подложки включают жаропрочные металлы и металлические сплавы, такие как титан и нержавеющая сталь, а также другие сплавы, в которых железо является существенным или основным компонентом. Такие сплавы могут содержать один или более из никеля, хрома и/или алюминия, и общее количество этих металлов может преимущественно составлять по меньшей мере 15 мас. % сплава, например, 10 - 25 мас. % хрома, 3 - 8 мас. % алюминия и до 20 мас. % никеля. Сплавы могут также содержать небольшие или незначительные количества одного или более других металлов, таких как марганец, медь, ванадий, титан и тому подобное. Поверхность металлических носителей может быть окислена при высоких температурах, т.е. g., 1000°C и выше, чтобы улучшить устойчивость к коррозии сплавов путем образования оксидного слоя на поверхностях носителей. Такое высокотемпературное окисление может улучшить прикрепление каталитического материала к носителю.

Покрытие фильтров с проточными стенками

Чтобы покрыть стенки с проточными стенками с TWC или композицией катализатора окисления с применением традиционной методики, смесь ингредиентов получили с применением солей металлов, которые, как правило, представляют собой смесь органических и неорганических солей, с образованием суспензии катализатора. Такие суспензии могут, как правило, иметь динамическую вязкость от 14 до 400 мПа⋅с при 20°C или более с содержанием твердых веществ в интервале от 25 % до 0 % твердых веществ. Подложки погружали вертикально в часть суспензии катализатора, так что вершина подложки находится чуть выше поверхности суспензии. Таким образом, суспензия контактирует с входной стороной каждой сотообразной стенки, но предотвращается контакт с выходной стороной каждой стенки. Образец оставляют в суспензии примерно на 30 - 60 секунд. Фильтр удаляют из суспензии, и избыток суспензии удаляют из фильтра с проточными стенками, сначала позволяя ей стекать из каналов, затем продувая сжатым воздухом (против направления проникновения суспензии). При использовании этого традиционного метода суспензия катализатора проникает через стенки фильтра, но поры не закупориваются до такой степени, что чрезмерное противодавление будет накапливаться в готовом фильтре. Ожидается, что при использовании этого традиционного метода покрытая пористость фильтра будет практически такой же, как и его непокрытая пористость. Фильтры с покрытием обычно сушат при температуре около 100°С и прокаливают при более высокой температуре (например, от 300 до 450°С и до 590°С). После прокаливания загрузка катализатора может быть определена путем расчета массы фильтра с покрытием и без покрытия. Как будет очевидно специалистам в данной области техники, загрузка катализатора может быть модифицирована путем изменения содержания твердых веществ в суспензии для нанесения покрытия. Альтернативно, могут быть проведены повторные погружения фильтра в суспензию покрытия с последующим удалением избыточной суспензии, как описано выше.

Чтобы покрыть фильтры с проточными стенками с TWC или композицией катализатора окисления, применяя улучшенную методику, смесь ингредиентов получают с применением только неорганических солей металлов, с образованием суспензии катализаторов, которая имеет низкую вязкость, по сравнению с традиционной методикой. Такие суспензии могут, как правило, иметь динамическую вязкость в интервале от ~ 5 до менее 40 мПа⋅с при 20°C, или ~5 до менее 30 мПа⋅с, с содержанием твердых веществ в интервале от 25 % до 0 %. Вязкость суспензии намного ниже, чем в случае традиционной методики, на по меньшей мере 50 % или даже более, как например 75 - 90 %. Количество стадий обработки уменьшается по сравнению с традиционным способом. Подложки погружают вертикально в часть суспензии катализатора на длину подложки, равную целевой длине наносимого покрытия. Таким образом, суспензия контактирует с входной стороной каждой сотообразной стенки и полностью проникает в стенку на протяжении погружения. Образец оставляют в суспензии примерно на 1-6 секунд. Фильтр удаляется из суспензии, и избыток суспензии удаляют из фильтра с проточными стенками, сначала позволяя ей стекать из каналов, затем продувая сжатым воздухом (против направления проникновения суспензии). При использовании этой улучшенной технологии суспензия катализатора проникает сквозь стенки фильтра, но поры не закупориваются до такой степени, что чрезмерное противодавление будет накапливаться в готовом фильтре. При использовании этой улучшенной методики, покрытая пористость фильтра ниже, чем его непокрытая пористость в том смысле, что слой «washcoat» находится в основном полностью в порах фильтра, а не на поверхности стенок. Кроме того, по сравнению с традиционной методикой, улучшенная однородность распределения суспензии по длине покрытия достигается благодаря более эффективному проникновению суспензии с низкой вязкостью в стенки. Наконец, с использованием такой методики и в результате улучшенного проникновения суспензии в стенку и однородности достигается более низкое повышение противодавления в отношении готового фильтра по сравнению с традиционной методикой, описанной выше. Фильтры с покрытием обычно сушат при температуре около 100°С и прокаливают при более высокой температуре (например, от 300 до 450°С и до 590°С). После прокаливания загрузка катализатора может быть определена путем расчета массы фильтра с покрытием и без покрытия. Как будет очевидно специалистам в данной области техники, загрузка катализатора может быть модифицирована путем изменения содержания твердых веществ в суспензии для нанесения покрытия. Альтернативно, могут быть проведены повторные погружения фильтра в суспензию покрытия с последующим удалением избыточной суспензии, как описано выше.

Получение слоев «washcoat» каталитического композита

Каталитические композиты могут быть образована в виде одного слоя или множества слоев. В некоторых случаях, может быть подходящим получить одну суспензию каталитического материала и применять эту суспензию для образования множества слоев на носителе. Композиты могут быть легко получены способами, известными в данной области техники. Примерный способ изложен ниже. Как применяется в настоящей заявке, термин “washcoat” имеет свое обычное значение в области тонкого прилегающего покрытия каталитического или другого материала, нанесенного на материал подложки-носителя, такой как носитель сотообразного типа, который является достаточного пористым, чтобы позволить проходить через него потоку газа, подлежащему обработке. Термин “слой «washcoat»” поэтому определяется как покрытие, которое состоит из частиц носителя. Термин “катализированный слой «washcoat»” представляет собой покрытие, которое состоит из частиц носителя, импрегнированных каталитическими компонентами.

Каталитические композиты могут быть легко получены в виде слоев на носителе. Для первого слоя специального слоя «washcoat», тонкоизмельченные частицы оксида тугоплавкого металла с большой площадью поверхности, такого как гамма-оксид алюминия, суспендируют в подходящем носителе, например в воде. Для включения таких компонентов, как благородные металлы (например, палладий, родий, платина и / или их комбинации), стабилизаторов и / или промоторов, такие компоненты могут быть включены в суспензию в виде смеси растворимых в воде или диспергируемых в воде соединения или комплексы. Обычно, когда требуется палладий, палладиевый компонент используют в форме соединения или комплекса для достижения дисперсии компонента на подложке на основе тугоплавкого оксида металла, например, активированный оксид алюминия. Термин «палладиевый компонент» означает любое соединение, комплекс или тому подобное, которое при его прокаливании или использовании разлагается или иным образом превращается в каталитически активную форму, обычно металл или оксид металла. Растворимые в воде соединения или диспергируемые в воде соединения или комплексы компонента металла могут быть использованы при условии, что жидкая среда, используемая для пропитки или нанесения металлического компонента на частицы носителя на основе тугоплавкого оксида металла, не вступает в неблагоприятную реакцию с металлом или его соединением или его комплексом или другими компонентами, которые могут присутствовать в каталитической композиции, и может быть удалена из компонента металла путем испарения или разложения при нагревании и / или применении вакуума. В некоторых случаях завершение удаления жидкости может не происходить до тех пор, пока катализатор не будет введен в эксплуатацию и не будет подвергнут воздействию высоких температур, возникающих во время работы. Как правило, как с точки зрения экономики, так и с точки зрения окружающей среды, используются водные растворы растворимых соединений или комплексов благородных металлов. Например, подходящими соединениями являются нитрат палладия или нитрат родия.

Подходящим способом получения любого слоя слоистого каталитического композита согласно изобретению является получение смеси раствора желаемого соединения благородного металла (например, соединения палладия) и, по меньшей мере, одного носителя, такого как тонкоизмельченная носитель на основе тугоплавкого оксида металла с большой площадью поверхности, например, гамма-оксид алюминия, который является достаточно сухим, чтобы абсорбировать практически весь раствор с образованием влажного твердого вещества, которое затем объединяют с водой с образованием суспензии для покрытия. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения суспензия является кислотной, имеющей, например, значение pH от около 2 до менее около 7, или предпочтительно в интервале от 3 - 5. Значение pH суспензии может быть снижено посредством добавления адекватного количества неорганической или органической кислоты в суспензию. Комбинации обеих могут применяться, когда рассматривается совместимость кислоты и сырья. Неорганические кислоты включают, но без ограничения к этому, азотную кислоту. Органические кислоты включают, но без ограничения к этому, уксусную, пропионовую, щавелевую, малоновую, янтарную, глутаминовую, адипиновую, малеиновую, фумаровую, фталевую, винную, лимонную кислоту и тому подобное. Поэтому, желательно, растворимые в воде или диспергируемые в воде соединения компонентов накопления кислорода, например, композит церия-циркония, стабилизатор, например, ацетат бария, и промотор, например, нитрат лантана, могут быть добавлены в суспензию.

В одном вариант выполнения настоящего изобретения, после этого суспензию измельчают, чтобы получить практически все твердые вещества с размерами частиц менее около 30 микрон, то есть около 0,1 - 15 микрон в среднем диаметре. Примерный средний диаметр частиц d₉₀ находится в интервале от 2,5 до 8 мкм. Измельчение может быть выполнено в шаровой мельнице, круглой мельнице или другом подобном оборудовании, и содержание твердых веществ в суспензии может составлять, например, около 20 - 60 мас.%, более конкретно около 30 - 40 мас.%.

Дополнительные слои, то есть второй и третий слои, могут быть получены и нанесены на первый слой таким же образом, как описано выше для нанесения первого слоя на носитель.

Варианты выполнения настоящего изобретения

Различные варианты выполнения настоящего изобретения перечислены ниже. Понятно, что варианты выполнения настоящего изобретения, перечисленные ниже, могут быть объединены с другими аспектами и другими вариантами выполнения настоящего изобретения в соответствии с объемом настоящего изобретения.

Вариант выполнения настоящего изобретения 1. Система обработки выбросов ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива для обработки выхлопного потока, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, и частицы, причем система для обработки выбросов содержит:

вплотную смонтированный композит трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащий первый каталитический материал TWC на проточной подложке; и

катализированный фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный ниже по ходу потока от вплотную смонтированного композита TWC, причем катализированный фильтр для улавливания твердых частиц содержит второй каталитический материал TWC, который проникает в стенки фильтра для улавливания твердых частиц;

где второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы.

Вариант выполнения настоящего изобретения 2. Система для обработки выбросов согласно варианту выполнения настоящего изобретения 1, где фильтр для улавливания твердых частиц имеет средний диаметр пор в интервале от около 13 до около 25 мкм.

Вариант выполнения настоящего изобретения 3. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 2, где фильтр для улавливания твердых частиц имеет толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и непокрытую пористость в интервале от 55 до 70 %.

Вариант выполнения настоящего изобретения 3.5: Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 3, где непокрытая пористость представляет собой процент объема пор фильтра для улавливания твердых частиц относительно объема фильтра для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 4. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 3.5, где катализированный фильтр для улавливания твердых частиц имеет покрытую пористость, которая меньше чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 5. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 4, где нет наслаивания каталитического материала на поверхности стенок фильтра для улавливания твердых частиц, за исключением необязательно в областях перекрывающего слоя "washcoat".

Вариант выполнения настоящего изобретения 5.5. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 5, где нет каталитического материала вне пор стенок фильтра для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 6. Система для обработки выбросов согласно варианту выполнения настоящего изобретения 4 или 5 или 5.5, где покрытая пористость линейно пропорциональна загрузке композиции "washcoat" каталитического материала TWC.

Вариант выполнения настоящего изобретения 7. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 4 - 6, где покрытая пористость составляет от 75 до 98 % от непокрытой пористости.

Вариант выполнения настоящего изобретения 8. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 4 - 7, где покрытая пористость составляет от 80 до 95 % от непокрытой пористости.

Вариант выполнения настоящего изобретения 9. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 8, где покрытое противодавление катализированного фильтра для улавливания твердых частиц не наносит ущерба производительности двигателя.

Вариант выполнения настоящего изобретения 10. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 9, где второй каталитический материал TWC имеет средний диаметр частиц d₉₀ в интервале от около 2,5 до около 8 мкм.

Вариант выполнения настоящего изобретения 11. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 10, где второй каталитический материал TWC образован из одной композиции "washcoat", которая проникает во водную сторону, выходную сторону, или и ту и другую сторону фильтра для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 12. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 11, где первый один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 0 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и второй один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 0 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца, где по меньшей мере один из первого и одного слоев "washcoat" присутствует в количестве > 0 %.

Вариант выполнения настоящего изобретения 13. Система для обработки выбросов согласно варианту выполнения настоящего изобретения 12, где первый один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 50 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и второй один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 50 - 100 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца.

Вариант выполнения настоящего изобретения 14. Система для обработки выбросов согласно варианту выполнения настоящего изобретения 13, где первый один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 50 - 55 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и второй один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 50 - 55 % длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца.

Вариант выполнения настоящего изобретения 15. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 11, где один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца, и на выходной стороне нет слоя "washcoat".

Вариант выполнения настоящего изобретения 16. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 11, где один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца , и на входной стороне нет слоя "washcoat".

Вариант выполнения настоящего изобретения 17. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 16, содержащая второй каталитический материал TWC в количестве в интервале от около 0,17 до около 5 г/дюйм³ (от около 10 до около 300 г/л).

Вариант выполнения настоящего изобретения 18. Система для обработки выбросов согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 17, где второй каталитический материал TWC по существу состоит из родия, оксида церия и композита на основе оксида церия, и оксида алюминия.

Вариант выполнения настоящего изобретения 19. Катализированный фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный в системе обработки выбросов ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива, для обработки выхлопного потока, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, и частицы, и ниже по ходу потока от композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке, причем катализированный фильтр для улавливания твердых частиц содержит:

фильтр для улавливания твердых частиц, имеющий толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и пористость в интервале от 55 до 70 %; и

второй каталитический материал трехходового каталитического нейтрализатора (TWC) в количестве в интервале от около 0,17 до около 5 г/дюйм³ (10 - 300 г/л), причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы;

где катализированный фильтр для улавливания твердых частиц имеет покрытую пористость, которая меньше чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц, и покрытое противодавление, которое является по существу таким же как непокрытое противодавление фильтра для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 19.5. Катализированный фильтр для улавливания твердых частиц согласно варианту выполнения настоящего изобретения 19, где пористость представляет собой процент объема пор фильтра для улавливания твердых частиц относительно объема фильтра для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 20. Катализированный фильтр для улавливания твердых частиц согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 19 - 19.5, где:

толщина стенки составляет около 8 мил;

количество второго каталитического материала трехходового каталитического нейтрализатора (TWC) находится в интервале от около 0,17 до около 1,5 г/дюйм³ (10 - 90 г/л), причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы; и

фильтр для улавливания твердых частиц имеет распределение среднего размера пор в интервале от около 13 до около 25 мкм.

Вариант выполнения настоящего изобретения 21. Способ обработки выхлопного газа, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, и частицы, причем способ включает:

получение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц согласно любому из вариантов выполнения настоящего изобретения 1 - 19.5; и

расположение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива и композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке;

где при работе двигателя, выхлопной газ из бензинового двигателя прямого впрыска топлива контактирует с катализированным фильтром для улавливания твердых частиц.

Вариант выполнения настоящего изобретения 22. Способ получения системы обработки выбросов для бензинового двигателя прямого впрыска топлива, причем способ включает:

расположение композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива;

получение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц, содержащего второй каталитический материал трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), проникающий в стенки фильтра для улавливания твердых частиц, причем фильтр для улавливания твердых частиц имеет толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и пористость в интервале от 55 до 70 %, и причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы;

расположение катализированного фильтра для улавливания твердых частиц ниже по ходу потока от композита TWC.

Вариант выполнения настоящего изобретения 23. Способ согласно варианту выполнения настоящего изобретения 22, где пористость представляет собой процент объема пор фильтра для улавливания твердых частиц относительно объема фильтра для улавливания твердых частиц.

Примеры

Следующие неограничивающие примеры должны служить для иллюстрации вариантов выполнения настоящего изобретения. В каждом из примеров, носителем является кордиерит с проточными стенками. В каждом примере, пористость представляет собой процент объема пор фильтра для улавливания твердых частиц относительно объема фильтра для улавливания твердых частиц. Примеры получали согласно улучшенной методике покрытия, которая обсуждалась ранее, с применением суспензий, имеющих динамическую вязкость в интервале от около 5 до менее 40 мПа⋅с при 20°C.

Пример 1

Сравнительный

Сравнительный фильтр для улавливания твердых частиц с низкой пористостью, имеющий трехходовой каталитический нейтрализатор (TWC) внутри стенок подложки, получили при загрузке «washcoat» 1 г/дюйм³ (61 г/л). Подложка фильтра имела: овальную фронтальную сторону с основной осью 184,9 мм и малой осью 89,9 мм, общей длиной 120 мм, 300 CPSI с толщиной стенки 8 мил (204 мкм). Загрузка благородного металла фиксирована на 30 г/фут³ при соотношении благородных металлов Pt/Pd/Rh, равном 0/25/5. Pd был нанесен на оксид церия-оксид циркония компонент накопления кислорода, содержащий 40 % оксида церия, и Rh был нанесен на компонент оксида алюминия. Подложка фильтра имела пористость 48 % и средний диаметр пор 13 мкм.

Пример 2

Фильтр согласно настоящему изобретению для улавливания твердых частиц, имеющий трехходовой каталитический нейтрализатор (TWC) внутри стенок подложки, получали при загрузке «washcoat» 1 г/дюйм³ (61 г/л). Подложка фильтра имела такие же характеристики, как в примере 1. Загрузка монометаллического металла платиновой группы была фиксирована при 7 г/фут³ при соотношении благородных металлов Pt/Pd/Rh, равном 0/0/7, таким образом, получая покрытую подложку фильтров, имеющую только Rh в качестве благородного металла. Rh нанесли на оксид алюминия. Оксид церия-оксид циркония компонент накопления кислорода, содержащий 40 % оксида церия, также присутствовал в катализаторе.

Пример 3

Фильтры для улавливания твердых частиц согласно примерам 1 и 2, каждый имеющий 1г/дюйм³ (61г/л) слоя «washcoat» состаривали при 830°C температуре слоя в течение 50 часов на двигателе. Фильтры для улавливания твердых частиц измеряли согласно New European Drive Cycle (NEDC) в низлежащем положении после такого же проточного TWC катализатора во вплотную смонтированном положении (CC). Вплотную смонтированный катализатор относится к уровню техники катализатора TWC с общей загрузкой благородного металла 95г/фут³ и соотношением металлов Pt/Pd/Rh, равным 0/90/5. Загрузка «washcoat» катализатора TWC во вплотную смонтированном положении составляла 3,8 г/дюйм³. Катализатор TWC состаривали при температуре 1030°C в течение 150 часов на двигателе. Выбросы общего углеводорода (HC), монооксида углерода (CO), оксидов азота (NOx), а также твердых частиц согласно протоколу PMP измеряли для вплотную смонтированного положения и низлежащего положения катализатора и привели в Таблице 1.

Таблица 1

Положение Сравнительный пример 1 Пример 2 Euro 6 Std* HC (г/км) CC 0,0417 0,0360 - CO (г/км) CC 1,4282 1,3565 - NOx (г/км) CC 0,0685 0,0645 - HC (г/км) Выхлопная труба 0,0370 0,0341 0,1 CO (г/км) Выхлопная труба 1,0391 0,8926 1,0 NOx (г/км) Выхлопная труба 0,0219 0,0238 0,068 Количество твердых частиц (#/км) Выхлопная труба 6,85E+11 5,62E+11 6,00E+11 HC (%) UF 11,3 5,2 - CO (%) UF 27,2 34,2 - NOx (%) UF 68,0 63,2 - Эффективность фильтрации твердых частиц (%) - 52,3 60,9 -

^* Комиссия Европейского союза.

Эффективность конверсии фильтра для улавливания твердых частиц согласно Примеру 2 является по существу такой же, как у сравнительного фильтра для улавливания твердых частиц согласно Примеру 1 в отношении превращения газообразных выбросов, а также количественных выбросов твердых частиц, но при более низкой загрузке металла платиновой группы и стоимости. Специалисту в данной области техники очевидно, что на эффективность фильтрации твердых частиц не влияет природа металла платиновой группы, применяемого в примерах, но скорее характеристики фильтра и количество загрузки «washcoat». Таким образом, для примера 3 важно, что превращение гвазообразных выбросов HC, CO и NOx является по существу одинаковым для Примера 1 и Примера 2.

Пример 4

Сравнительный

Сравнительный фильтр для улавливания твердых частиц с низкой пористостью, имеющий трехходовой каталитический нейтрализатор (TWC) внутри стенок подложки, получили при загрузке «washcoat» 0,83 г/дюйм³ (50 г/л). Подложка фильтра имела: круглую фронтальную сторону с диаметром 143,8 мм и длиной 152,4 мм, 300 CPSI с толщиной стенки 8 мил (204 мкм). Загрузка благородного металла фиксирована на 3 г/фут³ при соотношении благородных металлов Pt/Pd/Rh, равном 0/1/2. Pd был нанесен на оксид церия-оксид циркония компонент накопления кислорода, содержащий 40 % оксида церия, и Rh был нанесен на компонент оксида алюминия. Подложка фильтра имела пористость 65 % и средний диаметр пор 20 мкм.

Пример 5

Фильтр согласно настоящему изобретению для улавливания твердых частиц, имеющий трехходовой каталитический нейтрализатор (TWC) внутри стенок подложки, получали при загрузке «washcoat» 1,16 г/дюйм³ (70 г/л). Подложка фильтра имела такие же характеристики, как в примере 4. Загрузка монометаллического металла платиновой группы была фиксирована при 3 г/фут³ при соотношении благородных металлов Pt/Pd/Rh, равном 0/0/3, таким образом, получая покрытую подложку фильтров, имеющую только Rh в качестве благородного металла. Rh нанесли на оксид алюминия. Оксид церия-оксид циркония компонент накопления кислорода, содержащий 40 % оксида церия, также присутствовал в катализаторе.

Пример 6

Фильтры для улавливания твердых частиц согласно Примерам 4 и 5 протестировали в их свежем состоянии. Фильтры для улавливания твердых частиц измерили согласно New European Drive Cycle (NEDC) в низлежащем положении после такого же проточного TWC катализатора во вплотную смонтированном положении (CC). Вплотную смонтированный катализатор был таким же, как применяется в Примере 3. Выбросы в общем углеводорода (HC), монооксида углерода (CO), оксидов азота (NOx), также твердых частиц согласно протоколу PMP измеряли для вплотную смонтированного положения и низлежащего положения катализатора и привели в Таблице 2.

Таблица 2

Положение Сравнительный пример 4 Пример 5 Euro 6 Std* HC (г/км) CC 0,030 0,035 - CO (г/км) CC 1,042 1,226 - NOx (г/км) CC 0,063 0,083 - HC (г/км) Выхлопная труба 0,027 0,032 0,1 CO (г/км) Выхлопная труба 0,652 0,605 1,0 NOx (г/км) Выхлопная труба 0,020 0,027 0,068 Количество твердых частиц (#/км) Выхлопная труба 3,89E+11 5,2E+11 6,00E+11 HC (%) UF 10 8,5 - CO (%) UF 41,6 50,7 - NOx (%) UF 68,2 67,4 - Эффективность фильтрации твердых частиц (%) - 72,9 63,8 -

^* Комиссия Европейского союза.

Эффективность превращения композита согласно Примеру 5 является по существу такой же как у композита из уровня техники согласно Примеру 4 в отношении превращения газообразных выбросов, а также выбросов числа частиц, но с применением только Rh в качестве единственного металла платиновой группы.

Ссылка в описании настоящего изобретения на “один вариант выполнения настоящего изобретения,” “определенные варианты выполнения настоящего изобретения,” “один или более варианты выполнения настоящего изобретения” или “вариант выполнения настоящего изобретения” означает, что конкретный признак, структура, материал или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения настоящего изобретения, включен в по меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, фразы, такие как “в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения,” “в определенных вариантах выполнения настоящего изобретения,” “в одном варианте выполнения настоящего изобретения” или “в варианте выполнения настоящего изобретения” в различных местах в описании настоящего изобретения не обязательно обеспечивают ссылку на один и тот же вариант выполнения настоящего изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры, материалы или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения.

Настоящее изобретение было описано с конкретной ссылкой на варианты выполнения настоящего изобретения и их модификации, описанные выше. Дальнейшие модификации и изменения могут происходить до других после прочтения и понимания описания настоящего изобретения. Предполагается включение всех таких модификаций и изменений до тех пор, пока они входят в объем настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к системам обработки газообразных потоков бензиновых двигателей, содержащих углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота, совместно с частицами. Система содержит вплотную смонтированный композит трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащий первый каталитический материал TWC на проточной подложке и каталитический фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный ниже по ходу потока от вплотную смонтированного композита TWC, причем каталитический фильтр для улавливания твердых частиц содержит второй каталитический материал TWC, который проникает в стенки фильтра для улавливания твердых частиц, где второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы. Выхлопные системы и компоненты обеспечивают эффективную обработку газообразных выбросов и улавливание твердых частиц. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 6 пр.

1. Система обработки выбросов ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива для обработки выхлопного потока, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота и твердые частицы, причем система для обработки выбросов содержит:

вплотную смонтированный композит трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащий первый каталитический материал TWC на проточной подложке; и

каталитический фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный ниже по ходу потока от вплотную смонтированного композита TWC, причем каталитический фильтр для улавливания твердых частиц содержит второй каталитический материал TWC, который проникает в стенки фильтра для улавливания твердых частиц;

где второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы.

2. Система для обработки выбросов по п. 1, где фильтр для улавливания твердых частиц имеет средний диаметр пор в интервале от около 13 до около 25 мкм.

3. Система для обработки выбросов по п. 1, где фильтр для улавливания твердых частиц имеет толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и непокрытую пористость в интервале от 55 до 70%, где непокрытая пористость представляет собой процент объема пор фильтра для улавливания твердых частиц относительно объема фильтра для улавливания твердых частиц.

4. Система для обработки выбросов по п. 1, где каталитический фильтр для улавливания твердых частиц имеет покрытую пористость, которая меньше, чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц.

5. Система для обработки выбросов по п. 4, где нет наслаивания каталитического материала на поверхности стенок фильтра для улавливания твердых частиц, за исключением необязательно в областях перекрывающего слоя "washcoat".

6. Система для обработки выбросов по п. 4, где покрытая пористость линейно пропорциональна загрузке композиции "washcoat" каталитического материала TWC.

7. Система для обработки выбросов по п. 4, где покрытая пористость составляет от 75 до 98% от непокрытой пористости.

8. Система для обработки выбросов по п. 7, где покрытая пористость составляет от 80 до 95% от непокрытой пористости.

9. Система для обработки выбросов по п. 4, где покрытое противодавление каталитического фильтра для улавливания твердых частиц не наносит ущерба производительности двигателя.

10. Система для обработки выбросов по п. 1, где второй каталитический материал TWC содержит средний диаметр частиц d₉₀ в интервале от около 2,5 до около 8 мкм.

11. Система для обработки выбросов по п. 1, где второй каталитический материал TWC образован из одной композиции "washcoat", которая проникает во входную сторону, выходную сторону или и ту и другую стороны фильтра для улавливания твердых частиц.

12. Система для обработки выбросов по п. 1, где первый один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 0-100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца и второй один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 0-100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца, где по меньшей мере один из первого и одного слоев "washcoat" присутствует в количестве > 0%.

13. Система для обработки выбросов по п. 12, где первый один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 50-100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца и второй один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 50-100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца.

14. Система для обработки выбросов по п. 13, где первый один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 50-55% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца и второй один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 50-55% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца.

15. Система для обработки выбросов по п. 1, где один слой "washcoat" присутствует на входной стороне вдоль до около 100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного выше по ходу потока конца и на выходной стороне нет слоя "washcoat".

16. Система для обработки выбросов по п. 1, где один слой "washcoat" присутствует на выходной стороне вдоль до около 100% длины по оси фильтра для улавливания твердых частиц от расположенного ниже по ходу потока конца и на входной стороне нет слоя "washcoat".

17. Система для обработки выбросов по п. 1, содержащая второй каталитический материал TWC в количестве в интервале от около 0,17 до около 5 г/дюйм³ (от около 10 до около 300 г/л).

18. Система для обработки выбросов по п. 1, где второй каталитический материал TWC по существу состоит из родия, оксида церия и композита на основе оксида церия и оксида алюминия.

19. Каталитический фильтр для улавливания твердых частиц, расположенный в системе обработки выбросов ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива, для обработки выхлопного потока, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота и частицы, и ниже по ходу потока от композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке, причем каталитический фильтр для улавливания твердых частиц содержит:

фильтр для улавливания твердых частиц, имеющий толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и пористость в интервале от 55 до 70%; и

второй каталитический материал трехходового каталитического нейтрализатора (TWC) в количестве в интервале от около 0,17 до около 5 г/дюйм³ (10 - 300 г/л), причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы;

где каталитический фильтр для улавливания твердых частиц имеет покрытую пористость, которая меньше, чем непокрытая пористость фильтра для улавливания твердых частиц, и покрытое противодавление, которое является по существу таким же, как непокрытое противодавление фильтра для улавливания твердых частиц.

20. Каталитический фильтр для улавливания твердых частиц по п. 19, где:

толщина стенки составляет около 8 мил;

количество второго каталитического материала трехходового каталитического нейтрализатора (TWC) находится в интервале от около 0,17 до около 1,5 г/дюйм³ (10-90 г/л), причем второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы; и

фильтр для улавливания твердых частиц имеет распределение среднего размера пор в интервале от около 13 до около 25 мкм.

21. Способ обработки выхлопного газа, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота и твердые частицы, причем способ включает:

получение каталитического фильтра для улавливания твердых частиц по п. 19 или 20; и

расположение каталитического фильтра для улавливания твердых частиц ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива и композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке;

где при работе двигателя выхлопной газ из бензинового двигателя прямого впрыска топлива контактирует с каталитическим фильтром для улавливания твердых частиц.

22. Способ получения системы обработки выбросов для бензинового двигателя прямого впрыска топлива, причем способ включает:

расположение композита трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), содержащего первый каталитический материал TWC на проточной подложке, ниже по ходу потока от бензинового двигателя прямого впрыска топлива; получение каталитического фильтра для улавливания твердых частиц, содержащего второй каталитический материал трехходового каталитического нейтрализатора (TWC), проникающий в стенки фильтра для улавливания твердых частиц, причем фильтр для улавливания твердых частиц имеет толщину стенки в интервале от около 6 мил (152 мкм) до около 14 мил (356 мкм) и пористость в интервале от 55 до 70%, и второй каталитический материал TWC содержит родий в качестве единственного металла платиновой группы;

расположение каталитического фильтра для улавливания твердых частиц ниже по ходу потока от композита TWC.