КАТАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА Российский патент 2022 года по МПК F01N13/00 F01N3/10 F01N3/20 

Настоящее изобретение относится к каталитическому устройству для очистки выхлопного газа. В частности, изобретение относится к близко расположенному каталитическому устройству TWC для очистки выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания.

Предполагается, что тройные катализаторы (TWC) катализируют три одновременные реакции: (i) окисление монооксида углерода до диоксида углерода; (ii) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды; и (iii) восстановление оксидов азота до азота и кислорода. Активные компоненты типичного TWC содержат один или более металлов, выбранных из платины, палладия и родия, нанесенных на оксид с высокой площадью поверхности, и компонент для накопления кислорода. Эти три реакции протекают наиболее эффективно, когда к TWC поступает выхлопной газ из двигателя, работающего в стехиометрической точке или около нее. В данной области техники хорошо известно, что на количество монооксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (HC) и оксидов азота (NO_x), выделяемых при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, влияет, главным образом, отношение воздуха к топливу в камере сгорания цилиндра. Выхлопной газ со стехиометрически сбалансированным составом представляет собой газ, в котором концентрации окисляющих газов (NO_x и O₂) и восстанавливающих газов (HC и CO) по существу совпадают. Отношение воздуха к топливу, которое позволяет получать этот стехиометрически сбалансированный состав выхлопного газа, как правило, составляет 14,7:1.

Способ определения компонентного баланса между окисляющими газами и восстанавливающими газами выхлопного газа представляет собой значение лямбда (λ) выхлопного газа, которое может быть определено следующим образом: фактическое отношение воздуха к топливу в двигателе/стехиометрическое отношение воздуха к топливу в двигателе. Значение лямбда 1 соответствует стехиометрически сбалансированному (или стехиометрическому) составу выхлопного газа. Значение лямбда >1 соответствует избытку O₂ и NO_x, и состав описывается как «бедный». Значение лямбда <1 соответствует избытку HC и CO, и состав описывается как «богатый». В данной области техники также общепринято называть отношение воздуха к топливу, при котором работает двигатель, «стехиометрическим», «бедным» или « богатым» в зависимости от состава выхлопного газа, которой формируется при данном отношении воздуха к топливу.

Следует понимать, что восстановление NO_x до N₂ с использованием TWC менее эффективно, если состав выхлопного газа беднее стехиометрического. Аналогично, способность TWC содействовать окислению CO и HC снижается при обогащенном составе выхлопного газа. Таким образом, задача заключается в поддержании состава выхлопного газа внутри TWC как можно ближе к стехиометрическому составу. Если состав выхлопного газа немного богаче заданного значения, требуется небольшое количество кислорода, чтобы израсходовать непрореагировавшие CO и HC, т.е. чтобы сделать состав газа более стехиометрическим. И наоборот, когда выхлопной газ немного обеднен, необходимо израсходовать избыток кислорода. Этого удалось достичь за счет разработки накапливающего кислород компонента (OSC), который высвобождает кислород, когда состав выхлопного газа немного обогащен, или поглощает кислород, когда состав выхлопного газа немного обеднен. Наиболее часто применяемым OSC в современных TWC является оксид церия (CeO₂, также называемый диоксидом церия) или смешанный оксид, содержащий церий, например, смешанный оксид Ce/Zr.

Известны комбинации различных катализаторов TWC либо на одном, либо на разных блоках или зонах. В US 6497851 описано устройство для очистки выхлопного газа, содержащее расположенный выше по потоку катализатор и расположенный ниже по потоку катализатор. Катализатор, расположенный выше по потоку, содержит каталитический материал, который по существу не содержит накапливающего кислород компонента. Катализатор, расположенный ниже по потоку, содержит каталитический материал, который эффективен по меньшей мере для окисления углеводородов и содержит один или более каталитических металлических компонентов, диспергированных на подложке из тугоплавкого оксида металла, и компонент, накапливающий кислород. За счет исключения из расположенного выше по потоку катализатора компонентов, накапливающих кислород, в расположенном выше по потоку катализаторе снижается степень окисления CO и, таким образом, снижается рабочая температура. Соответственно, можно повысить долговечность катализатора, расположенного выше по потоку.

В US 8640440 описан каталитически активный фильтр для улавливания твердых частиц, предназначенный для удаления твердых частиц из выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания. Фильтр имеет каталитически активное покрытие, которое состоит из двух слоев, причем оба слоя содержат активный оксид алюминия. Оксид алюминия в первом слое каталитически активирован палладием. Второй слой содержит родий и накапливающий кислород смешанный оксид церия/циркония. Первый слой находится в прямом контакте с поступающим выхлопным газом, а второй слой находится в прямом контакте с выходящим выхлопным газом.

В US 7922988 описана система очистки выхлопного газа, содержащая каталитический материал с расположенной выше по потоку зоной и расположенной ниже по потоку зоной. Каталитический материал содержит носитель, внутренний слой и наружный слой. Внутренний слой содержит подложку и палладиевый компонент. В расположенной выше по потоку зоне внутренний слой каталитического материала содержит первый компонент, накапливающий кислород. В расположенной ниже по потоку зоне внутренний слой каталитического материала содержит второй компонент, накапливающий кислород. Второй компонент, накапливающий кислород, присутствует в количестве, превышающем количество первого компонента, накапливающего кислород.

Когда двигатель работает в установившемся режиме, обеспечить стехиометрическое отношение воздуха к топливу относительно легко. Однако при использовании двигателя для приведения в движение транспортного средства количество необходимого топлива кратковременно изменяется в зависимости от нагрузки на двигатель, которая требуется водителю. Это делает регулирование отношения воздуха к топливу таким, что получать стехиометрический выхлопной газ для тройной конверсии становится особенно трудно. Известен способ регулирования отношения воздуха к топливу с помощью блока управления двигателем, который получает информацию о составе выхлопного газа от датчика кислорода (EGO) (или лямбда) в выхлопном газе: так называемая система обратной связи по замкнутому контуру. Особенностью такой системы является то, что отношение воздуха к топливу колеблется (или варьируется) между небольшим обогащением относительно стехиометрической точки (или контрольной установки) и небольшим обеднением, поскольку существует запаздывание, связанное с регулировкой отношения воздуха к топливу. Это нарушение характеризуется амплитудой отношения воздуха к топливу и частотой отклика (Гц). Датчики кислорода в выхлопном газе, используемые в системе обратной связи по замкнутому контуру для регулирования отношения воздуха к топливу, описаны в US 4202301A.

Соответственно, цель состоит в создании усовершенствованного катализатора TWC, в котором устранены недостатки катализатора, известного на предшествующем уровне техники, или по меньшей мере в создании для него коммерчески полезной альтернативы. Более конкретно, цель состоит в создании катализатора TWC, обеспечивающего эффективную очистку выхлопного газа, несмотря на запаздывание регулирования отношения воздуха к топливу.

Соответственно, в первом аспекте настоящего изобретения предложено близко расположенное каталитическое устройство для очистки выхлопного газа, содержащее расположенную выше по потоку подложку и расположенную ниже по потоку подложку,

причем расположенная выше по потоку подложка пространственно отделена от расположенной ниже по потоку подложки,

причем расположенная выше по потоку подложка содержит первую композицию тройного катализатора (TWC), а расположенная ниже по потоку подложка содержит вторую композицию TWC, причем каждая из первой и второй композиций TWC содержит накапливающий кислород компонент (OSC),

причем загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке больше загрузки OSC в расположенной выше по потоку подложке и составляет по меньшей мере 2,2 г/дюйм³.

Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже. В следующих разделах различные аспекты изобретения описаны более подробно. Каждый описанный аспект можно комбинировать с любым другим аспектом или аспектами, если явно не указано обратное. В частности, любой элемент, обозначенный как предпочтительный или преимущественный, можно комбинировать с любым другим элементом или элементами, указанными как предпочтительные или преимущественные.

Настоящее изобретение относится к близко расположенному каталитическому устройству для очистки выхлопного газа. В настоящем документе термин «каталитическое устройство» относится к компоненту системы выхлопного газа, в частности, к катализатору TWC для очистки выхлопного газа. Каталитическое устройство, описанное в настоящем документе, содержит множество подкомпонентов, описанных в настоящем документе.

Термин «близко расположенное» означает, что каталитическое устройство предназначено для установки в непосредственной близости к выпускному коллектору двигателя. Т.е. каталитическое устройство предпочтительно предназначено для установки в моторном отсеке, а не под полом транспортного средства. Каталитическое устройство предпочтительно представляет собой первое каталитическое устройство, расположенное ниже по потоку от коллектора двигателя. Близкое расположение может стать очень горячим из-за близости к двигателю.

Авторы изобретения обнаружили, что выбросы углеводородов (HC), NO_x и CO можно уменьшить, как правило, более чем на 25%, в результате установки подложки, расположенной ниже по потоку, которая пространственно отделена от подложки, расположенной выше по потоку, причем расположенная ниже по потоку подложка имеет композицию TWC, содержащую по меньшей мере 2,2 г/дюйм³ OSC, которая превышает загрузку OSC в композиции TWC подложки, расположенной выше по потоку. В результате установки подложки, расположенной выше по потоку, на некотором расстоянии от подложки, расположенной ниже по потоку, для отслеживания уровня кислорода в подложке, расположенной выше по потоку, можно использовать датчики кислорода. При этом можно точно регулировать отношение воздуха к топливу в выхлопном газе на основе уровней кислорода в подложке, расположенной выше по потоку. Из-за запаздывания, связанного с регулировкой, газ, поступающий в расположенную ниже по потоку подложку, все еще может иметь избыток NOX или HC/CO, которые не были обработаны расположенной выше по потоку подложкой. В TWC подложки, расположенной ниже по потоку, введено по меньшей мере 2,2 г/дюйм³ OSC. Такая загрузка OSC дает возможность поглощать/высвобождать достаточное количество кислорода, чтобы избежать дальнейшего выпуска нежелательных веществ в выхлопную систему до корректировки отношения воздуха к топливу в выхлопном газе двигателя. Таким образом, каталитическое устройство создает возможность эффективной очистки выхлопного газа, несмотря на запаздывание с регулированием отношения воздуха к топливу.

Каталитическое устройство содержит расположенную выше по потоку подложку и расположенную ниже по потоку подложку, каждая из которых содержит каталитическую композицию TWC. Термин «расположенная выше по потоку» означает, что в процессе работы подложка находится ближе к коллектору двигателя, напротив потока выхлопного газа, выходящего из двигателя. Аналогичным образом, каждая подложка будет иметь конец, находящийся «выше по потоку», поскольку при использовании он находится ближе к коллектору двигателя. Это означает, что выхлопной газ, выходящий из двигателя, сначала вступает в контакт с верхним по потоку концом расположенной выше по потоку подложки. Нижний по потоку конец подложки, расположенной ниже по потоку, находится там, где выхлопной газ выходит из каталитического устройства и проходит через выхлопную систему.

Каждая из расположенных выше и ниже по потоку подложек может содержать совокупность каналов (например, для протекания выхлопного газа). Каждая из расположенных выше и ниже по потоку подложек может представлять собой металлическую или керамическую подложку.

Каждая из расположенных выше и ниже по потоку подложек может представлять собой монолит. Монолиты хорошо известны в данной области. Монолит может представлять собой проточный монолит или фильтрующий монолит, подходящий для фильтрации твердых частиц из выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, такого как выхлопной газ дизельного двигателя.

Предпочтительно каждая из расположенных выше и ниже по потоку подложек представляет собой проточный монолит. Проточные монолиты хорошо известны в данной области и обычно содержат множество каналов, через которые в процессе использования проходит выхлопной газ. В каналах находится каталитический материал для очистки выхлопного газа. Каналы могут иметь пористые стенки для увеличения площади поверхности катализатора, с помощью которого можно производить очистку выхлопного газа. Проточный монолит предпочтительно представляет собой кордиерит, кордиерит-α-глинозем, нитрид кремния, муллит циркона, сподумен, оксид алюминия-кремния-магния, силикат циркония, силлиманит, силикат магния, циркон, петалит, α-глинозем или алюмосиликат. Подложки могут иметь пористость от 20 до 75%, такую как от 30 до 70% (например, от 45 до 65%) или от 35 до 60%.

Предпочтительно каталитическое устройство выполнено в одном контейнере или корпусе. Иными словами, расположенные выше и ниже по потоку подложки удерживаются относительно друг друга как единый компонент, так что можно сохранять их ориентацию и пространственное разделение относительно потока газа. Это особенно важно для надежного определения кислорода. Альтернативно, расположенные выше и ниже по потоку подложки могут быть выполнены в отдельных корпусах.

Расположенная выше по потоку подложка пространственно отделена от расположенной ниже по потоку подложки. Предпочтительно, верхняя по потоку подложка пространственно отделена от расположенной ниже по потоку подложки на расстояние от 1 до 5 см, предпочтительно от 2 до 3 см. Расстояние измеряется по пути движения потока газа между нижней по потоку поверхностью верхней по потоку подложки и верхней по потоку поверхностью нижней по потоку подложки. Это расстояние помогает свести к минимуму размеры каталитического устройства, одновременно обеспечивая возможность проведения надежных измерений для определения содержания кислорода.

Первая и вторая подложки могут быть описаны с привязкой к их объемам. Предпочтительно, верхняя по потоку подложка имеет объем, аналогичный объему расположенной ниже по потоку подложки, так как относительное отношение размеров расположенной выше по потоку подложки и расположенной ниже по потоку подложки составляет от 2:1 до 1:2, предпочтительно от 3:2 до 2:3, а наиболее предпочтительно около 1:1.

Расположенная выше по потоку подложка содержит первую композицию тройного катализатора (TWC), а расположенная ниже по потоку подложка содержит вторую композицию TWC. Композиции TWC хорошо известны в данной области, и специалист в данной области может легко выбрать конкретные компоненты. Обычно TWC содержит один или более металлов платиновой группы (PGM), нанесенных на носитель с высокой площадью поверхности, вместе с накапливающим кислород компонентом (OSC), который обычно содержит оксид церия. В общем случае, композиции TWC наносят на носитель в виде покрытий из пористого оксида.

OSC представляет собой вещество, которое имеет многовалентное состояние и может активно реагировать с окислителями, такими как кислород или оксиды азота, в окислительных условиях или реагировать с восстановителями, такими как монооксид углерода (CO) или водород, в восстановительных условиях. Подходящие компоненты для накопления кислорода включают церийсодержащие соединения, например, оксид церия или смешанные церийсодержащие оксиды. Оксид празеодима также можно использовать в качестве OSC. Предпочтительно, OSC содержит или состоит из одного или более смешанных оксидов. OSC может представлять собой оксид церия или смешанный оксид, содержащий церий. OSC может содержать смешанный оксид церия и циркония; смешанный оксид церия, циркония и неодима; смешанный оксид празеодима и циркония; смешанный оксид церия, циркония и празеодима; или смешанный оксид празеодима, церия, лантана, иттрия, циркония и неодима. Каждый из OSC первого и второго TWC может независимо содержать оксид церия или церийсодержащий смешанный оксид. Предпочтительно, OSC каждого из первого и второго TWC независимо выбраны из группы, состоящей из оксида церия, смешанного оксида церия-циркония и смешанного оксида алюминия-церия-циркония.

Загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке больше загрузки OSC в расположенной выше по потоку подложке и составляет по меньшей мере 2,2 г/дюйм³. Предпочтительно, загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке составляет от 2,2 до 4 г/дюйм³, предпочтительно от около 2,4 до около 2,6 г/дюйм³ и наиболее предпочтительно около 2,5 г/дюйм³. Предпочтительно, загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке составляет от 0,5 до 2 г/дюйм³, предпочтительно от около 1 до около 1,5 г/дюйм³ и наиболее предпочтительно около 1,3 г/дюйм³. Предпочтительно, загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке по меньшей мере на 0,4 г/дюйм³ выше, чем загрузка в расположенной выше по потоку подложке. Более предпочтительно, загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке по меньшей мере на 1 г/дюйм³ выше, чем загрузка в расположенной выше по потоку подложке.

Если загрузка OSC в расположенной выше по потоку подложке ниже 0,5 г/дюйм³, характеристики TWC верхней по потоку подложки могут быть недостаточными для успешной очистки выхлопного газа, когда двигатель работает в режиме обогащенной или обедненной смеси. Если загрузка OSC в расположенной выше по потоку подложке превышает 1,5 г/дюйм³, снижается экономическое преимущество заявленной компоновки.

Когда загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке ниже 2,2 г/дюйм³, нижняя по потоку подложка может оказаться неспособной реагировать должным образом на изменения стехиометрии в двигателе, поскольку накопление кислорода будет недостаточным. Если загрузка OSC в расположенной выше по потоку подложке превышает 4 г/дюйм³, снижается экономическое преимущество заявленной компоновки.

Общее содержание каталитического компонента на подложке может быть определено соотнесением объема носителя и загрузки каталитического компонента. Предпочтительно, общее содержание (т.е. общая масса) OSC в расположенной ниже по потоку подложке превышает общее содержание OSC в расположенной выше по потоку подложке.

Если каждый из OSC первого и второго TWC независимо содержит оксид церия или церийсодержащий смешанный оксид, общее содержание церия (т.е. общая масса присутствующих атомов церия) в расположенной ниже по потоку подложке может быть больше общего содержания церия в расположенной выше по потоку подложке. Предпочтительно, общее содержание церия в расположенной ниже по потоку подложке по меньшей мере на 35% больше общего содержания церия в расположенной выше по потоку подложке, более предпочтительно по меньшей мере на 40% больше, наиболее предпочтительно по меньшей мере на 45% больше.

Каждая из первой и второй композиций TWC содержит компонент, накапливающий кислород (OSC). Предпочтительно, компоненты, образующие OSC, одинаковы, хотя загрузка отличается, как описано выше.

Для снижения сложности производства, помимо компонента OSC и загрузки PGM (как описано ниже), первый и второй TWC предпочтительно могут быть по существу одинаковыми.

Предпочтительно, каждая из первой и/или второй композиций TWC содержит один или более металлов платиновой группы (PGM), выбранных из Pd, Pt и Rh, на носителе, причем предпочтительно первая и/или вторая композиции TWC содержат Pd и Rh, которые находятся в отдельных слоях. Палладиевый компонент и родиевый компонент могут иметь массовое отношение от 200:1 до 1:200. Предпочтительно палладиевый компонент и родиевый компонент содержатся в массовом соотношении от 100:1 до 1:100. Более предпочтительно, палладиевый компонент и родиевый компонент имеют массовое отношение от 50:1 до 1:50. Более предпочтительно, палладиевый компонент и родиевый компонент имеют массовое отношение от 15:1 до 1:15. Предпочтительно, первая композиция TWC имеет более высокую загрузку палладия, чем вторая композиция TWC.

Носитель для PGM может быть независимо выбран из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния-оксида алюминия, алюмосиликатов, оксида алюминия-диоксида циркония, оксида алюминия-диоксида церия и оксида алюминия-лантана. Такие носители хорошо известны в данной области техники. Предпочтительно, носитель с высокой площадью поверхности имеет площадь поверхности по меньшей мере 70 м²/г, например по меньшей мере 80 м²/г, по меньшей мере 150 м²/г или по меньшей мере 200 м²/г.

В соответствии с дополнительным аспектом предложена система очистки выхлопного газа, содержащая близко расположенное каталитическое устройство, описанное в настоящем документе.

При необходимости выхлопная система может также содержать дополнительные компоненты, такие как дополнительные катализаторы или фильтры. Примеры дополнительных компонентов включают ловушку NO_x, углеводородную ловушку, катализатор селективного каталитического восстановления (SCR), катализируемый фильтр сажи (CSF), фильтр селективного каталитического восстановления (SCRF™), катализатор проскока аммиака (ASC), бензиновый фильтр для твердых частиц (GPF) и комбинации двух или более из них. Такие средства хорошо известны в данной области техники.

Предпочтительно, система очистки выхлопного газа дополнительно содержит первый и второй датчики кислорода, выполненные с возможностью мониторинга уровней кислорода вдоль расположенной выше по потоку подложки. Иными словами, первый датчик кислорода размещен выше по потоку от подложки, расположенной выше по потоку, а второй датчик кислорода размещен ниже по потоку от подложки, расположенной выше по потоку. Это означает, что уровни кислорода в выхлопных газах можно оценивать до и после очистки в расположенной выше по потоку подложке. Датчики кислорода хорошо известны, и подходящим образом можно использовать любой традиционный датчик кислорода.

По желанию, после выхода из описанного в настоящем документе каталитического устройства поток выхлопного газа необязательно можно транспортировать к дополнительным компонентам выхлопной системы через соответствующую выхлопную трубу.

В одном варианте осуществления после выхода из каталитического устройства, описанного в настоящем документе, поток выхлопного газа можно далее направлять в расположенную ниже по потоку ловушку NO_x для адсорбции любых оставшихся выбросов загрязнителей NO_x в потоке выхлопного газа. Из ловушки NO_x поток выхлопного газа выходит через расположенную далее выхлопную трубу, за которой для приема потока из ловушки NO_x может быть расположен катализатор SCR, который обеспечивает дополнительную очистку выбросов любого аммиака, выделяемого ловушкой NO_x, путем восстановления оксидов азота с образованием азота и воды с использованием аммиака в качестве восстановителя. Из катализатора SCR выхлопная труба может приводить в выводящую трубу и на выход из системы.

В соответствии с дополнительным аспектом предложен бензиновый двигатель, содержащий систему выхлопного газа, описанную в настоящем документе. Кроме того, настоящее изобретение может включать транспортное средство, такое как пассажирское транспортное средство, содержащее двигатель, описанный в настоящем документе.

В соответствии с дополнительным аспектом предложен способ очистки выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания, включающий систему очистки выхлопного газа, описанную в настоящем документе, и дополнительно включающий средство регулирования отношения воздуха к топливу внутри двигателя, причем способ включает:

мониторинг уровней кислорода вдоль расположенной выше по потоку подложки и регулирование отношения воздуха к топливу в ответ на изменения наблюдаемых уровней кислорода. Отношение воздуха к топливу в современных бензиновых двигателях обычно регулируют с помощью регулятора.

Далее настоящее изобретение будет описано с обращением к фигурам, не имеющим ограничительного характера, на которых:

на фиг. 1 показано каталитическое устройство, описанное в настоящем документе;

на фиг. 2 показана система очистки выхлопных газов, содержащая каталитическое устройство, описанное в настоящем документе, и двигатель.

На фиг. 1 показано каталитическое устройство 1, содержащее корпус 5, который формирует часть системы очистки выхлопного газа. Корпус 5 содержит расположенный выше по потоку блок 10 и расположенный ниже по потоку блок 15 (в настоящем документе также называемый расположенными выше по потоку и ниже по потоку подложками). Корпус 5 имеет по существу цилиндрическую форму, а расположенные выше и ниже по потоку блоки 10 и 15 имеют соответствующую форму для заполнения корпуса 5. Корпус 5 имеет впускное отверстие 6 для приема выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания (не показан на фиг. 1). Корпус 5 имеет выпускное отверстие 7 для очищенного выхлопного газа, проходящего дальше по системе очистки выхлопного газа (например, к углеводородной ловушке).

Расположенные выше и ниже по потоку блоки 10 и 15 представляют собой монолитные проточные сотовые носители, изготовленные из кордиерита. Расположенный выше по потоку блок 10 имеет, в общем случае, плоскую круглую обращенную вверх по потоку поверхность 20 и, в общем случае, плоскую круглую обращенную вниз по потоку поверхность 25. Расположенный ниже по потоку блок 15 имеет, в общем случае, плоскую круглую обращенную вверх по потоку поверхность 30 и, в общем случае, плоскую круглую обращенную вниз по потоку поверхность 35. Обращенная вниз по потоку поверхность 25 расположенного выше по потоку блока 10 отделена от обращенной вверх по потоку поверхности 35 расположенного ниже по потоку блока расстоянием X.

Расположенный выше по потоку блок 10 содержит композицию TWC. Например, композиция содержит Pd, Rh, оксид алюминия и компонент OSC. Расположенный ниже по потоку блок 15 также содержит композицию TWC. Например, композиция содержит Pd, Rh, оксид алюминия и компонент OSC. Загрузка компонента OSC в расположенном выше по потоку блоке 10 меньше загрузки в расположенном ниже по потоку блоке 15.

Расстояние X составляет около 2–3 см. Поскольку обращенная вниз по потоку поверхность 25 расположенного выше по потоку блока 10 и обращенная вверх по потоку поверхность 30 по существу параллельны, расстояние X является по существу постоянным.

Каталитическое устройство 1 содержит первый датчик 40 кислорода и второй датчик 45 кислорода. Первый датчик 40 кислорода размещен выше по потоку от расположенного выше по потоку блока 10. Хотя первый датчик 40 кислорода показан как часть корпуса 5, он также может быть предусмотрен отдельно выше по потоку. Второй датчик 45 кислорода расположен выше по потоку от расположенного ниже по потоку блока 15 и ниже по потоку от расположенного выше по потоку блока 10.

Датчики 40 и 45 кислорода являются стандартными устройствами и служат для определения уровня кислорода, присутствующего в газе, подаваемом на датчик. Поэтому датчикам 40 и 45 необходим доступ к газам, проходящим через корпус 5. Датчик может быть удален от корпуса 5 при условии, что он может использоваться для измерения соответствующих газов. Промежуток X служит для создания области выхлопных газов между расположенным выше по потоку блоком 10 и расположенным ниже по потоку блоком 15, в которой можно производить измерение кислорода.

На фиг. 2 показан двигатель 50 внутреннего сгорания, находящийся в газовом сообщении с каталитическим устройством 1. Кроме того, каталитическое устройство 1 находится в газовом сообщении с остальной частью 55 системы 8 очистки выхлопного газа, которая содержит по меньшей мере выпускное отверстие в окружающую среду, но может также содержать другие каталитические устройства (такие как бензиновый фильтр для твердых частиц, углеводородная ловушка и/или катализатор SCR).

В процессе применения выхлопной газ из двигателя 50 внутреннего сгорания выходит из двигателя 50 и поступает к каталитическому устройству 1, проходя по пути первый датчик 40 кислорода. Первый датчик 40 кислорода отслеживает уровень кислорода и передает эту информацию регулятору отношения воздуха к топливу в двигателе 50.

Затем выхлопной газ вступает в контакт с расположенным выше по потоку блоком 10, где катализатор TWC производит очистку по меньшей мере части выхлопного газа. Затем выхлопной газ выходит из расположенного выше по потоку блока 10 и поступает в промежуток X между расположенными выше по потоку и ниже по потоку блоками 10 и 15. Первый датчик 45 кислорода отслеживает уровень кислорода и передает эту информацию регулятору отношения воздуха к топливу в двигателе 50.

Затем выхлопной газ проходит в расположенный ниже по потоку блок 15, где

катализатор TWC производит очистку по меньшей мере части выхлопного газа. Затем

выхлопной газ выходит из расположенного ниже по потоку блока 15 через выходное

отверстие 7 и поступает в остальную часть системы 55 очистки выхлопного газа.

Регулятор управляет отношением воздух/топливо на основе данных об уровнях кислорода, полученных от датчиков 40 и 45 кислорода. На основе полученной информации можно динамично управлять отношением воздух/топливо в двигателе для устранения нежелательных условий обеднения или обогащения. Наличие расположенного ниже по потоку блока 15 после второго датчика 45 кислорода дает возможность каталитическому устройству 1 сглаживать любые пики обогащения или обеднения, возникающие во время регулировки отношения воздух/топливо.

Управление впрыском топлива, необходимое для работы двигателей с принудительным воспламенением топлива, осуществляется с помощью обычных систем впрыска в аккумуляторных топливных системах высокого давления, и эти двигатели называют бензиновыми двигателями с системой прямого впрыска (GDI), в альтернативном варианте их называют двигателями с прямым впрыском топлива и принудительным зажиганием (SIDI) или двигателями с послойным впрыском топлива (FSI).

Примеры

Далее настоящее изобретение будет описано с обращением к примерам, не имеющим ограничительного характера.

Три каталитических устройства (примеры 1-3) испытывали на их эффективность в очистке выхлопного газа из бензинового двигателя. Каждое из изделий имело два каталитических блока, покрытых пористым оксидом с катализаторами TWC. Блоки были изготовлены из кордиерита и имели одинаковые размеры и пористость. В каждом каталитическом изделии расстояние между двумя блоками составляло 1 дюйм (25,4 мм).

Каталитические блоки, расположенные выше по потоку, были идентичными в каждом из трех каталитических изделий. В каждом примере расположенный выше по потоку блок был покрыт пористым оксидом с тройным (Pd-Rh) катализатором со смешанным оксидом CeZr в качестве OSC, причем Pd и Rh присутствовали в отдельных слоях. Каждый блок, расположенный выше по потоку, имеет общую загрузку пористого оксида, общую загрузку OSC и общую загрузку церия 2,75 г/дюйм³, 1,3 г/дюйм³ и 750 г/фут³ соответственно, а соотношение PGM (Pt: Pd: Rh) составляло 0:63:6,5 г/фут³.

Каждый из расположенных ниже по потоку блоков имел покрытие из пористого оксида с тройным (Pd-Rh) катализатором со смешанным оксидом CeZr в качестве OSC, причем Pd и Rh находились в отдельных слоях, а соотношение PGM (Pt:Pd:Rh) составляло 0:27:6,5 г/фут³. Однако загрузка OSC в расположенном ниже по потоку блоке изменялась в каждом примере.

В примере 1 (сравнительный) расположенный ниже по потоку блок имел общую загрузку покрытия из пористого оксида, общую загрузку OSC и общую загрузку церия 2,75 г/дюйм³, 1,3 г/дюйм³ и 750 г/фут³ соответственно.

В примере 2 (сравнительный) расположенный ниже по потоку блок имел общую загрузку покрытия из пористого оксида, общую загрузку OSC и общую загрузку церия 3,23 г/дюйм³, 1,8 г/дюйм³ и 1100 г/фут³ соответственно.

В примере 3 (по изобретению) расположенный ниже по потоку блок имел общую загрузку покрытия из пористого оксида, общую загрузку OSC и общую загрузку церия 3,93 г/дюйм³, 2,5 г/дюйм³ и 1400 г/фут³ соответственно.

Каталитические устройства (примеры 1–3) подвергали ускоренному старению до эквивалента пробегу 150000 миль. После старения каталитические устройства испытывали с использованием совместимого с GTDI SULEV30 пассажирского автомобиля 2018 1,5 л в соответствии с процедурой федерального испытания (FTP).

Уровни кислорода измеряли, в каждом случае, с использованием блока, расположенного выше по потоку, и использовали эти данные для регулировки отношения воздуха к топливу. Во время процесса очистки измеряли уровни NO_x, не содержащих метан углеводородов (NMHC) и CO, выходящих из блока, расположенного ниже по потоку.

Анализ

Примеры Испытание FTP

NMHC (г/миля) NO_x (г/миля) NMHC & NO_x (г/миля) CO (г/миля)

1 (сравнительный) 0,017 0,006 0,023 0,57

2 (сравнительный) 0,013 0,011 0,024 0,53

3 (по изобретению) 0,012 0,006 0,018 0,42

Как показывают приведенные выше результаты, с помощью хвостового катализатора, имеющего высокие уровни OSC, выбросы NMHC+NO_x и CO могут быть снижены более чем на 20%. Это решает проблему запаздывания обратной связи по замкнутому контуру по соотношению В/Т, которое в противном случае приводило бы к всплескам обеднения/обогащения, поступающим в хвостовой блок с избытком NO_x или HC/CO.

Если не указано иное, все процентные значения в настоящем документе приведены по массе.

Хотя в настоящем документе предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны подробно, специалистам в данной области будет понятно, что в них могут быть внесены изменения без отступления от объема изобретения или прилагаемой формулы изобретения.

Раскрыто близко расположенное к выхлопному коллектору двигателя каталитическое устройство и его применение в системе выпуска для двигателей внутреннего сгорания. Спаренное каталитическое устройство для очистки выхлопного газа, содержащее: расположенную выше по потоку подложку и расположенную ниже по потоку подложку, причем расположенная выше по потоку подложка пространственно отделена от расположенной ниже по потоку подложки, при этом расположенная выше по потоку подложка содержит первую композицию тройного катализатора (TWC), а расположенная ниже по потоку подложка содержит вторую композицию TWC, при этом каждая из первой и второй композиций TWC содержит компонент, накапливающий кислород (OSC), причем загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке больше загрузки OSC в расположенной выше по потоку подложке и составляет по меньшей мере 2,2 г/дюйм³. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Близко расположенное к выпускному коллектору каталитическое устройство для очистки выхлопного газа, содержащее расположенную выше по потоку подложку и расположенную ниже по потоку подложку, причем расположенная выше по потоку подложка пространственно отделена от расположенной ниже по потоку подложки, причем расположенная выше по потоку подложка содержит первую композицию тройного катализатора (TWC), а расположенная ниже по потоку подложка содержит вторую композицию TWC, причем каждая из первой и второй композиций TWC содержит накапливающий кислород компонент (OSC), причем загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке больше загрузки OSC в расположенной выше по потоку подложке и составляет по меньшей мере 2,2 г/дюйм³.

2. Близко расположенное каталитическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что загрузка OSC в расположенной ниже по потоку подложке составляет от 2,2 до 4 г/дюйм³, предпочтительно от около 2,4 до около 2,6 г/дюйм³ и наиболее предпочтительно около 2,5 г/дюйм³.

3. Близко расположенное каталитическое устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что загрузка OSC в расположенном выше по потоку носителе составляет от 0,5 до 2 г/дюйм³, предпочтительно от 1 до 1,5 г/дюйм³ и наиболее предпочтительно около 1,3 г/дюйм³.

4. Близко расположенное каталитическое устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что загрузка OSC в расположенной выше по потоку подложке по меньшей мере на 0,4 г/дюйм³ ниже загрузки в расположенной ниже по потоку подложке.

5. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что расположенная выше по потоку подложка пространственно отделена от расположенной ниже по потоку подложки расстоянием от 1 до 5 см, предпочтительно от 2 до 3 см.

6. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что отношение объема расположенной выше по потоку подложки к объему расположенной ниже по потоку подложки составляет от 2:1 до 1:2, предпочтительно от 1,5:1 до 1:1,5, более предпочтительно около 1:1.

7. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что общее содержание OSC в расположенной ниже по потоку подложке больше общего содержания OSC в расположенной выше по потоку подложке.

8. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что каждая из первой и/или второй композиций TWC содержит один или более металлов платиновой группы, выбранных из Pd, Pt и Rh, на носителе, причем предпочтительно первая и/или вторая композиции TWC содержат Pd и Rh, которые находятся в отдельных слоях.

9. Близко расположенное каталитическое устройство по п. 8, отличающееся тем, что носитель для металлов платиновой группы независимо выбран из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния-оксида алюминия, алюмосиликатов, оксида алюминия-диоксида циркония, оксида алюминия-диоксида церия и оксида алюминия-лантана.

10. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что OSC в каждом из первого и второго катализаторов TWC независимо содержит диоксид церия или церийсодержащий смешанный оксид.

11. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что OSC в каждом из первого и второго катализаторов TWC независимо выбраны из группы, состоящей из оксида церия, смешанного оксида церия-циркония и смешанного оксида алюминия-церия-циркония.

12. Близко расположенное каталитическое устройство по п. 10 или 11, отличающееся тем, что общее содержание диоксида церия в расположенной ниже по потоку подложке больше общего содержания диоксида церия в расположенной выше по потоку подложке.

13. Близко расположенное каталитическое устройство по п. 12, отличающееся тем, что общее содержание диоксида церия в расположенной ниже по потоку подложке по меньшей мере на 35% больше общего содержания диоксида церия в расположенной выше по потоку подложке, предпочтительно по меньшей мере на 40% больше, более предпочтительно по меньшей мере на 45% больше.

14. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что каждый из первого и второго носителей представляет собой проточный монолит, предпочтительно содержащий кордиерит, кордиерит-α-глинозем, нитрид кремния, муллит циркона, сподумен, оксид алюминия-диоксид кремния-диоксид магния, силикат циркона, силлиманит, силикат магния, циркон, петалит, α-глинозем или алюмосиликат.

15. Близко расположенное каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов, представленное в одном контейнере или корпусе.

16. Система очистки выхлопного газа, содержащая близко расположенное к выхлопному коллектору каталитическое устройство по любому из предшествующих пунктов.

17. Система очистки выхлопного газа по п. 16, которая дополнительно содержит первый и второй датчики кислорода, выполненные с возможностью мониторинга уровней кислорода вдоль расположенной выше по потоку подложки.

18. Бензиновый двигатель, содержащий систему очистки выхлопного газа по п. 16 или 17.

19. Способ очистки выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания, содержащего систему очистки выхлопного газа по п. 17 и дополнительно содержащего средство регулирования отношения воздуха к топливу внутри двигателя, включающий: мониторинг уровней кислорода вдоль расположенной выше по потоку подложки и регулирование отношения воздуха к топливу в ответ на изменения наблюдаемых уровней кислорода.