ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР SCRF С ЗОНОЙ ОКИСЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F01N3/35 

Предпосылки создания изобретения

Необходимость сокращения выбросов вредных побочных продуктов и все более возрастающие требования к повышению экономии топлива представляют собой постоянно существующие проблемы, связанные с работой двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели производят выброс отработавших газов, которые, как правило, содержат по меньшей мере четыре типа загрязняющих веществ, которые запрещены в законодательном порядке межправительственными организациями во всем мире: монооксид углерода (CO), несгоревшие углеводороды (HC), оксиды азота (NOx) и твердые частицы (particulate matter, PM). Существует множество устройств снижения токсичности отработавших газов для очистки от одного или большего количества каждого типа загрязняющих веществ. Эти устройства снижения токсичности отработавших газов часто объединяются, входя в состав выхлопной системы, чтобы обеспечить очистку от всех четырех типов загрязняющих веществ перед выбросом отработавшего газа в окружающую среду.

Изложение сущности изобретения

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения система очистки отработавшего газа содержит: (a) первый инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ; (b) сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускной конец и выпускной конец, причем указанный фильтр содержит каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор окисления; (c) второй инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ, расположенный ниже по потоку от фильтра; и (d) расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора.

В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор окисления наносят на выпускной конец фильтра. Каталитический нейтрализатор окисления может содержать один или более металлов платиновой группы, таких как платина, палладий или их комбинации. Подходящий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления может иметь состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла, состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита или их смеси.

В некоторых вариантах осуществления расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор дополнительно содержит каталитический нейтрализатор окисления аммиака. В некоторых вариантах осуществления система дополнительно содержит расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор, расположенный выше по потоку от фильтра, причем расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор содержит дизельный каталитический нейтрализатор окисления, каталитический нейтрализатор-накопитель NO_x или их комбинации.

В некоторых вариантах осуществления соотношение NO₂:NO_x отработавшего газа, поступающего в расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, составляет более 10%.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения способ очистки отработавшего газа включает в себя: (a) добавление аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ посредством первого инжектора; (b) пропускание отработавшего газа через сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускной конец и выпускной конец, причем фильтр содержит каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор окисления; (c) добавление аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ посредством второго инжектора, расположенного ниже по потоку от фильтра; и (d) пропускание отработавшего газа через расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 показаны соотношения NO₂ после испытаний с использованием каталитических нейтрализаторов SCRF^TM в сравнительной системе 1 и системе 2.

Подробное описание изобретения

Системы и способы по настоящему изобретению относятся к очистке отработавшего газа, выходящего из двигателя внутреннего сгорания. Настоящее изобретение, в частности, относится к очистке отработавшего газа, выходящего из дизельного двигателя.

Системы и способы по настоящему изобретению могут содержать: (1) первый инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ, (2) сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (selective catalytic reduction, SCR) и каталитический нейтрализатор окисления, (3) второй инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ, и (4) расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора. Каталитический нейтрализатор окисления может быть расположен, например, на выпускной стороне сажевого фильтра дизельного двигателя. В некоторых вариантах осуществления такая система может содержать расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор, расположенный выше по потоку от сажевого фильтра дизельного двигателя, причем расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор содержит дизельный каталитический нейтрализатор окисления, каталитический нейтрализатор-накопитель NO_x или их комбинации.

Было обнаружено, что конфигурации системы по настоящему изобретению обеспечивают более низкие общие выбросы из выхлопной трубы. Включение каталитического нейтрализатора окисления в дополнение к каталитическому нейтрализатору SCR на сажевом фильтре дизельного двигателя может быть предназначено для очистки вторичных выбросов, таких как NH₃, CO и углеводороды, во время регенерации фильтра. Тем не менее, в вариантах осуществления настоящего изобретения каталитический нейтрализатор окисления на сажевом фильтре дизельного двигателя может также обеспечивать преимущество за счет выработки NO₂ для оптимизации характеристик расположенного ниже по потоку каталитического нейтрализатора SCR. Было также обнаружено, что включение второго восстановительного инжектора необходимо для реализации этих преимуществ с целью подачи восстановителя, необходимого для реакции SCR на расположенном ниже по потоку каталитическом нейтрализаторе SCR.

В настоящем документе подробно описаны компоненты, конфигурации и преимущества системы.

Фильтр

Системы по настоящему изобретению включают в себя фильтр, содержащий каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления. В настоящем документе такой фильтр также может называться каталитическим нейтрализатором SCRF^TM с каталитическим нейтрализатором окисления. В некоторых вариантах осуществления фильтр, содержащий каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления, может быть составлен и выполнен с возможностью обеспечения требуемого соотношения NO₂/NO_x для оптимизации реакции SCR на расположенном ниже по потоку каталитическом нейтрализаторе SCR.

Каталитический нейтрализатор SCR

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более каталитических нейтрализаторов SCR. Система содержит каталитический нейтрализатор SCR на сажевом фильтре дизельного двигателя, как описано выше, и каталитический нейтрализатор SCR, расположенный ниже по потоку от сажевого фильтра дизельного двигателя. Системы по настоящему изобретению также могут содержать один или более дополнительных каталитических нейтрализаторов SCR.

Выхлопная система по настоящему изобретению может содержать каталитический нейтрализатор SCR, который расположен ниже по потоку от инжектора для введения аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак с превращением в отработавший газ. Каталитический нейтрализатор SCR может быть расположен непосредственно ниже по потоку от инжектора для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак (например, между инжектором и каталитическим нейтрализатором SCR отсутствует промежуточный каталитический нейтрализатор).

Каталитический нейтрализатор SCR содержит подложку и каталитическую композицию. Подложка может представлять собой проточную подложку или фильтрующую подложку. В случае, когда каталитический нейтрализатор SCR содержит проточную подложку, подложка может содержать композицию каталитического нейтрализатора SCR (т. е. каталитический нейтрализатор SCR получают путем экструзии) или композиция каталитического нейтрализатора SCR может быть расположена или нанесена на подложке (т.е. композицию каталитического нейтрализатора SCR наносят на подложку методом нанесения покрытия из пористого оксида).

В случае, когда каталитический нейтрализатор SCR имеет фильтрующую подложку, он представляет собой каталитический нейтрализатор фильтра с селективным каталитическим восстановлением, который в настоящем документе обозначен термином с сокращением «каталитический нейтрализатор SCRF^TM» (selective catalytic reduction filter). Каталитический нейтрализатор SCRF^TM содержит фильтрующую подложку и композицию селективного каталитического восстановления (SCR). Упоминания применения каталитических нейтрализаторов SCR в данном применении, как известно, также включают в себя применение каталитических нейтрализаторов SCRF^TM, когда это применимо.

Композиция селективного каталитического восстановления может иметь состав или состоять по существу из каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла, каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита или их смеси. Такие составы каталитического нейтрализатора SCR известны в данной области техники.

Композиция селективного каталитического восстановления может иметь состав или состоять по существу из каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла. Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла содержит ванадий или вольфрам или их смесь, нанесенную на тугоплавкий оксид. Тугоплавкий оксид может быть выбран из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида титана, оксида циркония, оксида церия, и их комбинаций.

Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла может содержать или по существу состоять из оксида ванадия (например, V₂O₅) и/или оксида вольфрама (например, WO₃), нанесенного на тугоплавкий оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида титана (например, TiO₂), диоксида церия (например, CeO₂) и смешанного или сложного оксида церия и циркония (например, Ce_xZr_(1-x)O₂, где x = от 0,1 до 0,9, предпочтительно x = от 0,2 до 0,5).

В случае, когда тугоплавкий оксид представляет собой диоксид титана (например, TiO₂), предпочтительно концентрация оксида ванадия составляет от 0,5 мас.% до 6 мас.% (например, состав SCR на основе оксида металла) и/или концентрация оксида вольфрама (например, WO₃) составляет от 5 мас.% до 20 мас.%. Более предпочтительно оксид ванадия (например, V₂O₅) и оксид вольфрама (например, WO₃) нанесены на диоксид титана (например, TiO₂).

В случае, когда тугоплавкий оксид представляет собой диоксид церия (например, CeO₂), предпочтительно концентрация оксида ванадия составляет от 0,1 мас.% до 9 мас.% (например, состав SCR на основе оксида металла) и/или концентрация оксида вольфрама (например, WO₃) составляет от 0,1 мас.% до 9 мас.%.

Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла может содержать или состоять по существу из оксида ванадия (например, V₂O₅) и необязательно оксида вольфрама (например, WO₃), нанесенного на диоксид титана (например, TiO₂).

Композиция селективного каталитического восстановления может иметь состав или состоять по существу из каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита. Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита содержит молекулярное сито, которое необязательно представляет собой молекулярное сито с замещенным переходным металлом. Предпочтительно состав каталитического нейтрализатора SCR содержит молекулярное сито с замещенным переходным металлом.

В общем, состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита может содержать молекулярное сито, имеющее алюмосиликатную структуру (например, цеолит), алюмофосфатную структуру (например, AlPO), силикоалюмофосфатную структуру (например, SAPO), содержащую гетероатом алюмосиликатную структуру, содержащую гетероатом алюмофосфатную структуру (например, MeAlPO, где Me представляет собой металл) или содержащую гетероатом силикоалюмофосфатную структуру (например, MeAPSO, где Me представляет собой металл). Гетероатом (т. е. содержащую гетероатом структуру) можно выбирать из группы, состоящей из бора (B), галлия (Ga), титана (Ti), циркония (Zr), цинка (Zn), железа (Fe), ванадия (V) и комбинаций любых двух или более из них. Предпочтительно, чтобы гетероатом представлял собой металл (например, каждая из указанных выше содержащих гетероатом структур может представлять собой содержащую металл структуру).

Предпочтительно, чтобы состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита содержал или состоял по существу из молекулярного сита, имеющего алюмосиликатную структуру (например, цеолит) или силикоалюмофосфатную структуру (например, SAPO).

В случае, когда молекулярное сито имеет алюмосиликатную структуру (например, молекулярное сито представляет собой цеолит), как правило, молярное соотношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SAR) молекулярного сита составляет от 5 до 200 (например, от 10 до 200), предпочтительно от 10 до 100 (например, от 10 до 30 или от 20 до 80), например от 12 до 40, более предпочтительно от 15 до 30.

Как правило, молекулярное сито является микропористым. Микропористое молекулярное сито имеет поры с диаметром менее 2 нм (например, в соответствии с определением IUPAC термина «микропористый» [см. Pure & Appl. Chem., 66(8), (1994), 1739-1758)]).

Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита может содержать узкопористое молекулярное сито (например, молекулярное сито, максимальный размер кольца которого составляет восемь тетраэдральных атомов), среднепористое молекулярное сито (например, молекулярное сито, максимальный размер кольца которого составляет десять тетраэдральных атомов) или крупнопористое молекулярное сито (например, молекулярное сито, максимальный размер кольца которого составляет двенадцать тетраэдральных атомов) или комбинацию двух или более из них.

В случае, когда молекулярное сито представляет собой узкопористое молекулярное сито, узкопористое молекулярное сито может иметь каркасную структуру, представленную кодом типа структуры (Framework Type Code; FTC), выбранным из группы, состоящей из ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, LTA, KFI, MER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SFW, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG и ZON, или смеси и/или сростка двух или более из них. Предпочтительно узкопористое молекулярное сито имеет каркасную структуру, представленную FTC, выбранным из группы, состоящей из CHA, LEV, AEI, AFX, ERI, LTA, SFW, KFI, DDR и ITE. Более предпочтительно узкопористое молекулярное сито имеет каркасную структуру, представленную FTC, выбранным из группы, состоящей из CHA и AEI. Узкопористое молекулярное сито может иметь каркасную структуру, представленную FTC CHA. Узкопористое молекулярное сито может иметь каркасную структуру, представленную FTC AEI. В случае, когда узкопористое молекулярное сито представляет собой цеолит и имеет каркасную структуру, представленную FTC CHA, цеолит может представлять собой хабазит.

В случае, когда молекулярное сито представляет собой среднепористое молекулярное сито, среднепористое молекулярное сито может иметь каркасную структуру, представленную кодом типа структуры (Framework Type Code; FTC), выбранным из группы, состоящей из AEL, AFO, AHT, BOF, BOZ, CGF, CGS, CHI, DAC, EUO, FER, HEU, IMF, ITH, ITR, JRY, JSR, JST, LAU, LOV, MEL, MFI, MFS, MRE, MTT, MVY, MWW, NAB, NAT, NES, OBW, -PAR, PCR, PON, PUN, RRO, RSN, SFF, SFG, STF, STI, STT, STW, -SVR, SZR, TER, TON, TUN, UOS, VSV, WEI и WEN или смеси и/или сростка двух или более из них. Предпочтительно среднепористое молекулярное сито имеет каркасную структуру, представленную FTC, выбранным из группы, состоящей из FER, MEL, MFI и STT. Более предпочтительно среднепористое молекулярное сито имеет каркасную структуру, представленную FTC, выбранным из группы, состоящей из FER и MFI, в частности, MFI. В случае, когда среднепористое молекулярное сито представляет собой цеолит и имеет каркасную структуру, представленную FTC, FER или MFI, цеолит может представлять собой ферриерит, силикалит или ZSM-5.

В случае, когда молекулярное сито представляет собой крупнопористое молекулярное сито, крупнопористое молекулярное сито может иметь каркасную структуру, представленную кодом типа структуры (Framework Type Code; FTC), выбранным из группы, состоящей из AFI, AFR, AFS, AFY, ASV, ATO, ATS, BEA, BEC, BOG, BPH, BSV, CAN, CON, CZP, DFO, EMT, EON, EZT, FAU, GME, GON, IFR, ISV, ITG, IWR, IWS, IWV, IWW, JSR, LTF, LTL, MAZ, MEI, MOR, MOZ, MSE, MTW, NPO, OFF, OKO, OSI, -RON, RWY, SAF, SAO, SBE, SBS, SBT, SEW, SFE, SFO, SFS, SFV, SOF, SOS, STO, SSF, SSY, USI, UWY и VET или смеси и/или сростка двух или более из них. Предпочтительно крупнопористое молекулярное сито имеет каркасную структуру, представленную FTC, выбранным из группы, состоящей из AFI, BEA, MAZ, MOR и OFF. Более предпочтительно крупнопористое молекулярное сито имеет каркасную структуру, представленную FTC, выбранным из группы, состоящей из BEA, MOR и MFI. В случае, когда крупнопористое молекулярное сито представляет собой цеолит и имеет каркасную структуру, представленную FTC, BEA, FAU или MOR, цеолит может представлять собой бета-цеолит, фожазит, цеолит Y, цеолит X или морденит.

В целом, предпочтительно, чтобы молекулярное сито представляло собой узкопористое молекулярное сито.

Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита предпочтительно содержит молекулярное сито с замещенным переходным металлом. Переходный металл может быть выбран из группы, состоящей из кобальта, меди, железа, марганца, никеля, палладия, платины, рутения и рения.

Переходный металл может представлять собой медь. Преимущество составов каталитического нейтрализатора SCR, содержащих молекулярное сито с замещенной медью, состоит в том, что такие составы обладают отличной низкотемпературной способностью снижения NO_x (например, они могут быть превосходить низкотемпературную способность снижения NO_x молекулярного сита с замещенным железом). Системы и способы по настоящему изобретению могут содержать любой тип каталитического нейтрализатора SCR, тем не менее, каталитические нейтрализаторы SCR, содержащие медь («каталитические нейтрализаторы Cu-SCR»), могут обладать более заметными преимуществами благодаря применению систем по настоящему изобретению, поскольку они особенно подвержены влиянию сульфатизации. Составы каталитического нейтрализатора Cu-SCR могут содержать, например, SAPO-34 с замещенной Cu, цеолит CHA с замещенной Cu, цеолиты AEI с замещенной Cu или их комбинации.

Переходный металл может присутствовать на дополнительном участке каркасной структуры на внешней поверхности молекулярного сита или внутри канала, полости или каркаса молекулярного сита.

Как правило, молекулярное сито с замещенным переходным металлом содержит от 0,10 мас.% до 10 мас.% молекулярного сита с замещенным переходным металлом, предпочтительно от 0,2 мас.% до 5 мас.%.

В общем, каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления содержит композицию селективного каталитического восстановления с общей концентрацией от 0,5 г/дюйм^-3 до 4,0 г/дюйм^-3, предпочтительно от 1,0 г/дюйм³ до 3,0 г/дюйм³.

Композиция каталитического нейтрализатора SCR может содержать смесь состава каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла и состава каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита. (a) Состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла может содержать или состоять по существу из оксида ванадия (например, V₂O₅) и необязательно оксида вольфрама (например, WO₃), нанесенного на диоксид титана (например, TiO₂) и (b) состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита может содержать молекулярное сито с замещенным переходным металлом.

В случае, когда каталитический нейтрализатор SCR представляет собой каталитический нейтрализатор SCRF^TM, фильтрующая подложка предпочтительно может представлять собой сплошную подложку фильтра с проточными стенками, такую как описанная в настоящем документе в связи с катализируемым сажевым фильтром. Плотность клеток сплошной подложки фильтра с проточными стенками (например, SCR-DPF), как правило, составляет от 60 клеток на квадратный дюйм до 400 клеток на квадратный дюйм (cells per square inch; cpsi). Предпочтительно, чтобы плотность клеток сплошной подложки фильтра с проточными стенками составляла от 100 cpsi до 350 cpsi, более предпочтительно от 200 cpsi до 300 cpsi.

Толщина стенок сплошной подложки фильтра с проточными стенками (например, средняя толщина внутренней стенки) может составлять от 0,20 мм до 0,50 мм, предпочтительно от 0,25 мм до 0,35 мм (например, около 0,30 мм).

В общем, пористость непокрытой сплошной подложки фильтра с проточными стенками составляет от 50% до 80%, предпочтительно от 55% до 75% и более предпочтительно от 60% до 70%.

Средний размер пор непокрытой сплошной подложки фильтра с проточными стенками, как правило, составляет по меньшей мере 5 пм. Предпочтительно, чтобы средний размер пор составлял от 10 мкм до 40 мкм, например от 15 мкм до 35 мкм, более предпочтительно от 20 мкм до 30 мкм.

Подложка фильтра с проточными стенками может иметь симметричную конструкцию клеток или асимметричную конструкцию клеток.

В общем, в случае каталитического нейтрализатора SCRF^TM композиция селективного каталитического восстановления расположена внутри стенки сплошной подложки фильтра с проточными стенками. Кроме того, композиция селективного каталитического восстановления может быть расположена на стенках впускных каналов и/или на стенках выпускных каналов.

Каталитический нейтрализатор окисления

Системы по настоящему изобретению могут включать в себя фильтр, содержащий каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления. В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор окисления наносят на выпускной конец фильтра. В некоторых вариантах осуществления фильтр, содержащий каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления, может быть составлен и выполнен с возможностью обеспечения требуемого соотношения NO₂/NO_x для оптимизации реакции SCR на расположенном ниже по потоку каталитическом нейтрализаторе SCR. Каталитический нейтрализатор окисления может быть 1) нанесен на фильтр таким образом, что он расположен на поверхности стенок, впускного конца или выпускного конца; 2) нанесен на пористые стенки таким образом, что он проникает в фильтр, т. е. он расположен внутри фильтра; или 3) нанесен таким образом, что он находится как внутри пористых стенок фильтра, так и на поверхности стенок.

В некоторых вариантах осуществления окисление включает в себя один или более металлов платиновой группы. В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор окисления составлен с фокусировкой на окислении NO до NO₂; это может быть связано с проскоком NO₂ каталитического нейтрализатора SCR на фильтре и получением более благоприятного соотношения NO₂:NO_x для реакции расположенного ниже по потоку SCR.

Каталитический нейтрализатор окисления аммиака

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более каталитических нейтрализаторов окисления аммиака, также называемых каталитическим нейтрализатором проскока аммиака (ammonia slip catalyst, ASC). Один или более ASC могут быть включены ниже по потоку от каталитического нейтрализатора SCR для окисления избытка аммиака и предотвращения его выделения в атмосферу. В некоторых вариантах осуществления ASC может быть включен на той же подложке, что и каталитический нейтрализатор SCR. В некоторых вариантах осуществления материал каталитического нейтрализатора окисления аммиака можно выбрать таким образом, чтобы он способствовал окислению аммиака вместо образования NO_x или N₂O. Предпочтительные каталитические материалы включают в себя платину, палладий или их комбинацию, причем предпочтительной является комбинация платины или платины/палладия. Предпочтительно каталитический нейтрализатор окисления аммиака содержит платину и/или палладий, нанесенные на оксид металла. Предпочтительно каталитический нейтрализатор расположен на носителе с высокой площадью поверхности, включая, помимо прочего, оксид алюминия.

В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор окисления аммиака содержит металл платиновой группы на содержащей диоксид кремния подложке. Содержащий диоксид кремния материал может представлять собой следующий материал: (1) диоксид кремния; (2) цеолит с соотношением диоксида кремния к оксиду алюминия, составляющим по меньшей мере 200; и (3) аморфный оксид алюминия, легированный диоксидом кремния, с содержанием SiO₂ ≥40%. В некоторых вариантах осуществления содержащий диоксид кремния материал может представлять собой такой материал, как цеолит с соотношением диоксида кремния к оксиду алюминия, составляющим по меньшей мере 200; по меньшей мере 250; по меньшей мере 300; по меньшей мере 400; по меньшей мере 500; по меньшей мере 600; по меньшей мере 750; по меньшей мере 800; или по меньшей мере 1000. В некоторых вариантах осуществления металл платиновой группы присутствует на носителе в количестве от около 0,5 мас.% до около 10 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; от около 1 мас.% до около 6 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; от около 1,5 мас.% до около 4 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 10 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 0,5 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 1 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 2 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 3 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 4 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 5 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 6 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 7 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 8 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; около 9 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя; или около 10 мас.% от общей массы металла платиновой группы и носителя.

В некоторых вариантах осуществления содержащий диоксид кремния носитель может содержать молекулярное сито, имеющее тип структуры BEA, CDO, CON, FAU, MEL, MFI или MWW.

Инжектор восстановителя/мочевины

Как описано в настоящем документе, системы по настоящему изобретению могут содержать по меньшей мере два восстановительных инжектора. Система может содержать средство для введения азотистого восстановителя в выхлопную систему выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR и/или SCRF^TM. Может быть предпочтительно, чтобы средства для введения азотистого восстановителя в выхлопную систему находились непосредственно выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR или SCRF^TM (например, между средствами для введения азотистого восстановителя и каталитического нейтрализатора SCR или SCRF^TM отсутствует промежуточный каталитический нейтрализатор).

Восстановитель добавляют в протекающий отработавший газ с помощью любых подходящих средств для введения восстановителя в отработавший газ. Подходящие средства включают в себя инжектор, распылитель или питающий элемент. Такие средства хорошо известны в данной области техники.

Азотистый восстановитель для применения в системе может представлять собой аммиак как таковой, гидразин или предшественник аммиака, выбранный из группы, состоящей из мочевины, карбоната аммония, карбамината аммония, гидрокарбоната аммония и формиата аммония. Мочевина является особенно предпочтительной.

Выхлопная система может также содержать средство для управления введением восстановителя в отработавший газ для снижения содержания в нем NO_x. Предпочтительные средства управления могут включать в себя электронный блок управления, необязательно блок управления двигателем и могут дополнительно включать в себя датчик NO_x, расположенный ниже по потоку от каталитического нейтрализатора восстановления NO.

Подложка

Каждый из каталитических нейтрализаторов и поглотителей по настоящему изобретению может дополнительно содержать проточную подложку или фильтрующую подложку. В одном варианте осуществления каталитический нейтрализатор/поглотитель может быть нанесен на проточную или фильтрующую подложку и предпочтительно нанесен на проточную или фильтрующую подложку методом нанесения покрытия из пористого оксида.

Комбинация каталитического нейтрализатора SCR и фильтра известна как фильтр с селективным каталитическим восстановлением (каталитический нейтрализатор SCRF^TM). Каталитический нейтрализатор SCRF^TM представляет собой устройство на одной подложке, объединяющее в себе функциональные возможности SCR и сажевого фильтра и при необходимости подходящее для вариантов осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что описание и упоминания каталитического нейтрализатора SCR в настоящей заявке также подразумевают каталитический нейтрализатор SCRF^TM, где это применимо.

Проточная или фильтрующая подложка представляет собой подложку, которая способна содержать каталитические/адсорбирующие компоненты. Подложка предпочтительно представляет собой керамическую подложку или металлическую подложку. В вариантах осуществления, в которых каталитическое изделие содержит керамическую подложку, керамическая подложка может быть изготовлена из любого подходящего тугоплавкого материала, например оксида алюминия, диоксида кремния, оксида титана, оксида церия, оксида циркония, оксида магния, цеолитов, нитрида кремния, карбида кремния, силикатов циркония, силикатов магния, алюмосиликатов и металлоалюмосиликатов (таких как кордиерит и сподумен) или смеси или смеси оксидов любых двух или более из них. Наиболее предпочтительны кордиерит, алюмосиликат магния и карбид кремния.

Металлические подложки могут быть изготовлены из любого подходящего металла, и в частности из термостойких металлов и металлических сплавов, таких как титан и нержавеющая сталь, а также из ферритных сплавов, содержащих железо, никель, хром и/или алюминий в дополнение к другим примесям металлов.

Проточная подложка предпочтительно представляет собой проточную сплошную подложку, имеющую пористую структуру с множеством мелких параллельных тонкостенных каналов, проходящих в осевом направлении через подложку и проходящих сквозным образом от впускного конца или выпускного конца подложки. Поперечное сечение канала подложки может иметь любую форму, но предпочтительно является квадратным, синусоидальным, треугольным, прямоугольным, шестиугольным, трапециевидным, круглым или овальным. Проточная подложка также может иметь высокую пористость, что позволяет каталитическому нейтрализатору проникать в стенки подложки.

Фильтрующая подложка предпочтительно представляет собой фильтр сплошной подложки с проточными стенками. Каналы фильтра с проточными стенками попеременно блокируются, что позволяет потоку отработавших газов входить в канал из впускного конца, а затем протекать через стенки канала и выходить из фильтра через другой канал, ведущий к выпускному концу. Таким образом, частицы в потоке отработавших газов захватываются фильтром.

Каталитический нейтрализатор/адсорбер можно добавлять в проточную или фильтрующую подложку с помощью любых известных средств, таких как метод нанесения покрытия из пористого оксида.

Расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор

Системы по настоящему изобретению могут содержать расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор, расположенный выше по потоку от фильтра, содержащего каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления. В некоторых вариантах осуществления расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор может содержать дизельный каталитический нейтрализатор окисления, каталитический нейтрализатор-накопитель NO_x или их комбинации.

Дизельный каталитический нейтрализатор окисления

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более дизельных каталитических нейтрализаторов окисления. Каталитические нейтрализаторы окисления, в частности дизельные каталитические нейтрализаторы окисления (diesel oxidation catalyst; DOC), хорошо известны в данной области техники. Каталитические нейтрализаторы окисления выполнены с возможностью окисления CO до CO₂ и газофазных углеводородов (HC) и органической фракции дизельных частиц (растворимой органической фракции) до CO₂ и H₂O. Типичные каталитические нейтрализаторы окисления содержат платину, а также необязательно палладий на подложке из неорганического оксида с высокой площадью поверхности, такой как оксид алюминия, диоксид кремния-оксид алюминия и цеолит.

Нейтрализатор-накопитель NO_x

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более нейтрализаторов-накопителей NO_x. Нейтрализаторы-накопители NO_x могут включать в себя устройства, которые поглощают, выделяют и/или снижают NO_x в соответствии с определенными условиями, в целом зависимыми от температуры и/или условий выброса насыщенных/обедненных отработавших газов. Нейтрализаторы-накопители NO_x могут включать в себя, например, пассивные поглотители NO_x, каталитические нейтрализаторы холодного запуска, уловители NO_x и т.п.

Пассивные поглотители NO

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более пассивных поглотителей NO_x. Пассивный поглотитель NO_x представляет собой устройство, которое эффективно поглощает NO_x при низкой температуре или ниже низкой температуры и высвобождает поглощенный NO_x при температурах выше низкой температуры. Пассивный поглотитель NO_x может содержать благородный металл и узкопористое молекулярное сито. Благородный металл предпочтительно представляет собой палладий, платину, родий, золото, серебро, иридий, рутений, осмий или их смеси. Предпочтительно низкая температура составляет около 200°C, около 250°C или от около 200°C до около 250°C. Пример подходящего пассивного поглотителя NО_x описан в публикации патента США № 20150158019, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.

Узкопористое молекулярное сито может представлять собой любое натуральное или синтетическое молекулярное сито, включая цеолиты, и предпочтительно состоит из алюминия, кремния и/или фосфора. Молекулярные сита обычно имеют трехмерное расположение SiO₄, AlO₄, и/или PO₄, которые соединены распределением атомов кислорода, но также могут представлять собой и двухмерные структуры. Структуры молекулярного сита обычно являются анионными, которые уравновешены зарядово-компенсирующими катионами, обычно щелочными металлами и щелочноземельными элементами (например, Na, K, Mg, Ca, Sr и Ba), ионами аммония, а также протонами. Другие металлы (например, Fe, Ti и Ga) могут быть включены в структуру узкопористого молекулярного сита с получением молекулярного сита с включенным металлом.

Предпочтительно узкопористое молекулярное сито выбрано из алюмосиликатного молекулярного сита, алюмосиликатного молекулярного сита с замещенным металлом, алюмофосфатного молекулярного сита или алюмофосфатного молекулярного сита с замещенным металлом. Более предпочтительно узкопористое молекулярное сито представляет собой молекулярное сито, имеющее тип структуры ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, KFI, MER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG и ZON, а также смеси или сростки любых двух или более из них. Особенно предпочтительные сростки узкопористых молекулярных сит включают в себя KFI-SIV, ITE-RTH, AEW-UEI, AEI-CHA и AEI-SAV. Наиболее предпочтительно узкопористое молекулярное сито представляет собой AEI или CHA или сросток AEI-CHA.

Подходящий пассивный поглотитель NO_x можно получить любым известным способом. Например, в узкопористое молекулярное сито можно добавить благородный металл с образованием пассивного поглотителя NO_x с помощью любого известного способа. Например, соединение благородного металла (такого как нитрат палладия) может быть нанесено на молекулярное сито путем пропитки, поглощения, ионного обмена, влагоемкости, осаждения и т.п. В пассивный поглотитель NO_x также можно добавить другие металлы. Предпочтительно некоторая доля благородного металла (более 1 процента от общего количества добавленного благородного металла) в пассивном поглотителе NO_x находится внутри пор узкопористого молекулярного сита. Более предпочтительно больше чем 5 процентов общего количества благородного металла находится внутри пор узкопористого молекулярного сита; и еще более предпочтительно может составлять более 10 процентов, или более 25 процентов, или более 50 процентов общего количества благородного металла, находящегося внутри пор узкопористого молекулярного сита.

Предпочтительно пассивный поглотитель NO_x дополнительно содержит проточную подложку или фильтрующую подложку. Пассивный поглотитель NO_x нанесен на проточную или фильтрующую подложку и предпочтительно нанесен на проточную или фильтрующую подложку методом нанесения покрытия из пористого оксида с получением системы пассивного поглотителя NO_x.

Каталитический нейтрализатор холодного запуска

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более каталитических нейтрализаторов холодного запуска. Каталитический нейтрализатор холодного запуска представляет собой устройство, которое эффективно поглощает NO_x и углеводороды (HC) при низкой температуре или ниже низкой температуры, а также превращает и высвобождает поглощенный NO_x и HC при температурах выше низкой температуры. Предпочтительно низкая температура составляет около 200°C, около 250°C или от около 200°C до около 250°C. Пример подходящего каталитического нейтрализатора холодного запуска описан в документе WO 2015085300, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки.

Каталитический нейтрализатор холодного запуска может содержать каталитический нейтрализатор молекулярного сита и каталитический нейтрализатор с нанесенным металлом платиновой группы. Каталитический нейтрализатор молекулярного сита может содержать благородный металл и молекулярное сито или по существу состоять из них. Каталитический нейтрализатор с нанесенным металлом платиновой группы содержит один или более металлов платиновой группы и один или более носителей неорганического оксида. Благородный металл предпочтительно представляет собой палладий, платину, родий, золото, серебро, иридий, рутений, осмий или их смеси.

Молекулярное сито может представлять собой любое натуральное или синтетическое молекулярное сито, включая цеолиты, и предпочтительно состоит из алюминия, кремния и/или фосфора. Молекулярные сита обычно имеют трехмерное расположение SiO₄, AlO₄ и/или PO₄, которые соединены распределением атомов кислорода, но также могут представлять собой и двухмерные структуры. Структуры молекулярного сита обычно являются анионными, которые уравновешены зарядово-компенсирующими катионами, обычно щелочными металлами и щелочноземельными элементами (например, Na, K, Mg, Ca, Sr и Ba), ионами аммония, а также протонами.

Молекулярное сито может предпочтительно представлять собой узкопористое молекулярное сито, максимальный размер кольца которого составляет восемь тетраэдральных атомов, среднепористое молекулярное сито, максимальный размер кольца которого составляет десять тетраэдральных атомов, или крупнопористое молекулярное сито, максимальный размер кольца которого составляет двенадцать тетраэдральных атомов. Более предпочтительно молекулярное сито имеет каркасную структуру из AEI, MFI, EMT, ERI, MOR, FER, BEA, FAU, CHA, LEV, MWW, CON, EUO или их смесей.

Каталитический нейтрализатор с нанесенным металлом платиновой группы содержит один или более металлов платиновой группы (platinum group metals, PGM) и один или более носителей неорганического оксида. PGM может представлять собой платину, палладий, родий, иридий или их комбинации, а наиболее предпочтительно платину и/или палладий. Носители неорганического оксида, как правило, включают оксиды элементов групп 2, 3, 4, 5, 13 и 14. Носители неорганического оксида предпочтительно имеют площадь поверхности в диапазоне от 10 м²/г до 700 м²/г, объемы пор в диапазоне от 0,1 мл/г до 4 мл/г и диаметр пор от около 10 ангстрем до 1000 ангстрем. Носитель неорганического оксида предпочтительно представляет собой оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана, оксид циркония, оксид церия, оксид ниобия, оксиды тантала, оксиды молибдена, оксиды вольфрама или смешанные оксиды или сложные оксиды любых двух или большего количества из них, например диоксид кремния-оксид алюминия, оксид церия-оксид циркония или оксид алюминия-оксид церия-оксид циркония. Особенно предпочтительными являются оксид алюминия и оксид церия.

Каталитический нейтрализатор с нанесенным металлом платиновой группы можно получить любым известным способом. Предпочтительно один или более металлов платиновой группы загружают в один или более неорганических оксидов любыми известными способами с образованием каталитического нейтрализатора с нанесенным PGM, причем способ добавления не считается особенно критическим. Например, соединение платины (такое как нитрат платины) может быть нанесено на неорганический оксид путем пропитки, поглощения, ионного обмена, влагоемкости, осаждения и т.п. В каталитический нейтрализатор с нанесенным PGM могут быть также добавлены другие металлы, такие как железо, марганец, кобальт и барий.

Каталитический нейтрализатор холодного запуска по настоящему изобретению может быть получен с помощью процессов, хорошо известных в данной области техники. Каталитический нейтрализатор молекулярного сита и каталитический нейтрализатор с нанесенным металлом платиновой группы можно физически смешивать с получением каталитического нейтрализатора холодного запуска. Предпочтительно каталитический нейтрализатор холодного запуска дополнительно содержит проточную подложку или фильтрующую подложку. В одном варианте осуществления каталитический нейтрализатор молекулярного сита и каталитический нейтрализатор с нанесенным металлом платиновой группы нанесен на проточную или фильтрующую подложку и предпочтительно нанесен на проточную или фильтрующую подложку методом нанесения покрытия из пористого оксида с получением каталитической системы холодного запуска.

Уловители NO_x

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более уловителей NO_x. Уловители NO_x представляют собой устройства, которые поглощают NO_x в условиях выброса обедненных отработавших газов, выделяют поглощенный NO_x в условиях выброса насыщенных отработавших газов и уменьшают выделяющийся NO_x с образованием N₂.

Уловитель NO_x из вариантов осуществления по настоящему изобретению может содержать поглотитель NO_x для накопления NO_x и каталитический нейтрализатор окисления/восстановления. Обычно оксид азота вступает в реакцию с кислородом с получением NO₂ в присутствии каталитического нейтрализатора окисления. Во-вторых, NO₂ поглощается поглотителем NO_x в виде неорганического нитрата (например, BaO или BaCO₃ превращается в Ba(NO₃₎₂ на поглотителе NO_x). И наконец, при работе двигателя в условиях выброса насыщенных отработавших газов накопленные неорганические нитраты разлагаются с образованием NO или NO₂, которые затем восстанавливаются с образованием N₂ в результате реакции с монооксидом углерода, водородом и/или углеводородами (или посредством промежуточных соединений NHX или NCO) в присутствии каталитического нейтрализатора восстановления. Обычно оксиды азота превращаются в азот, диоксид углерода и воду в присутствии тепла, монооксида углерода и углеводородов в выхлопном потоке.

Поглощающий компонент NO_x предпочтительно представляет собой щелочноземельный металл (такой как Ba, Ca, Sr и Mg), щелочной металл (такой как K, Na, Li и Cs), редкоземельный металл (такой как, La, Y, Pr и Nd) или их комбинации. Эти металлы обычно находятся в виде оксидов. Каталитический нейтрализатор окисления/восстановления может содержать один или более благородных металлов. Подходящие благородные металлы могут включать в себя платину, палладий и/или родий. Предпочтительно для выполнения функции окисления используют платину, а для выполнения функции восстановления используют родий. Каталитический нейтрализатор окисления/восстановления и поглотитель NO_x можно загрузить на материал-носитель, такой как неорганический оксид, для применения в выхлопной системе.

Фильтры

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более сажевых фильтров в дополнение к фильтру, содержащему каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления, как описано выше. Сажевые фильтры представляют собой устройства, которые восстанавливают частицы из отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Сажевые фильтры включают в себя катализируемые сажевые фильтры и непокрытые (не катализируемые) сажевые фильтры. Для окисления углеводородов и монооксида углерода в дополнение к разрушению сажи, захваченной фильтром, катализируемые фильтры для улавливания сажи, также называемые катализируемыми сажевыми фильтрами (для применения с дизельными и бензиновыми двигателями), включают в себя компоненты металла и оксида металла (такие как Pt, Pd, Fe, Mn, Cu и оксид церия).

Топливный инжектор

Системы по настоящему изобретению могут содержать один или более топливных инжекторов. Например, система может содержать вторичный топливный инжектор, расположенный выше по потоку от дизельного каталитического нейтрализатора окисления. В системах по настоящему изобретению можно использовать любой подходящий тип топливного инжектора.

Варианты осуществления/системы

Системы по настоящему изобретению могут содержать: (1) первый инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ; (2) сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускной конец и выпускной конец, причем указанный фильтр содержит каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор окисления; (3) второй инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ, расположенный ниже по потоку от фильтра; и (4) расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора.

В некоторых вариантах осуществления система содержит расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий дизельный каталитический нейтрализатор окисления, каталитический нейтрализатор-накопитель NO_x или их комбинации.

В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления сконфигурированы на фильтре таким образом, что отработавший газ вступает в контакт с каталитическим нейтрализатором SCR перед вступлением в контакт с каталитическим нейтрализатором окисления. В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор окисления наносят на выпускной конец фильтра. В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор SCR расположен на впускном конце фильтра.

В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор SCR включен в слой, который проходит от впускного конца фильтра к выпускному концу, но не перекрывается с каталитическим нейтрализатором окисления. В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор SCR включен в слой, который проходит от впускного конца фильтра и по меньшей мере частично покрывает каталитический нейтрализатор окисления. В некоторых вариантах осуществления слой, содержащий каталитический нейтрализатор SCR, полностью покрывает каталитический нейтрализатор окисления. В некоторых вариантах осуществления слой, содержащий каталитический нейтрализатор SCR, частично покрывает каталитический нейтрализатор окисления. В некоторых вариантах осуществления слой, содержащий каталитический нейтрализатор SCR, покрывает около 0%; 5%; 7%; 10%; 15%; 20%; 25%; 30%; 35%; 40%; 45%; 50%; 55%; 60%; 65%; 70%; 75%; 80%; 85%; 90%; 95%; 100%; вплоть до около 10%; от около 5% до около 50%; от около 20% до около 50%; от около 25% до около 75%; или от около 30% до около 70% длины каталитического нейтрализатора окисления.

В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор окисления включен в нижний слой, который проходит по всей длине подложки фильтра; и каталитический нейтрализатор SCR включен в верхний слой, который проходит от впускного конца подложки, покрывая весь слой или часть слоя каталитического нейтрализатора окисления.

Способы

Способ очистки отработавшего газа может включать в себя: (1) добавление аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ посредством первого инжектора; (2) пропускание отработавшего газа через сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускное отверстие и выпускное отверстие, причем фильтр содержит каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления; (3) добавление аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ посредством второго инжектора, расположенного ниже по потоку от сажевого фильтра дизельного двигателя; и (4) пропускание отработавшего газа через расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора.

В некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор SCR и каталитический нейтрализатор окисления на фильтре могут быть составлены и выполнены с возможностью обеспечения требуемого соотношения NO₂/NO_x для оптимизации реакции SCR на расположенном ниже по потоку каталитическом нейтрализаторе SCR. В некоторых вариантах осуществления соотношение NO₂/NO_x в отработавшем газе, выходящем из фильтра с каталитическим нейтрализатором SCR и каталитическим нейтрализатором окисления, составляет более 10%; предпочтительно по меньшей мере 15%; более предпочтительно по меньшей мере 20%. В некоторых вариантах осуществления соотношение NO₂/NO_x в отработавшем газе, выходящем из фильтра с каталитическим нейтрализатором SCR и каталитическим нейтрализатором окисления, составляет от 10% до 70%; предпочтительно от 15% до 65%; более предпочтительно от 20% до 60%. В некоторых вариантах осуществления соотношение NO₂/NO_x в отработавшем газе, выходящем из фильтра с каталитическим нейтрализатором SCR и каталитическим нейтрализатором окисления, составляет от 15% до 40% или от 25% до 35%. В некоторых вариантах осуществления соотношение NO₂/NO_x в отработавшем газе, выходящем из фильтра с каталитическим нейтрализатором SCR и каталитическим нейтрализатором окисления, составляет от 40% до 70% или от 40% до 60%.

Преимущества

Было обнаружено, что конфигурации системы по настоящему изобретению обеспечивают более низкие общие выбросы из выхлопной трубы. Включение каталитического нейтрализатора окисления вместе с каталитическим нейтрализатором SCR на фильтре может быть предназначено для очистки вторичных выбросов, таких как NH₃, CO и углеводороды, во время регенерации фильтра. Тем не менее, в вариантах осуществления настоящего изобретения каталитический нейтрализатор окисления на сажевом фильтре дизельного двигателя может также обеспечивать преимущество за счет выработки NO₂ для оптимизации характеристик расположенного ниже по потоку каталитического нейтрализатора SCR. Как правило, соотношение NO₂/NO_x в выхлопном потоке, выходящем из сажевого фильтра дизельного двигателя с каталитическим нейтрализатором SCR (т. е. каталитическим нейтрализатором SCRF^TM), может быть очень низким, тогда как реакция SCR лучше всего проходит с соотношением NO₂/NO_x, составляющим около 50%. В системах по настоящему изобретению каталитический нейтрализатор окисления на сажевом фильтре дизельного двигателя может окислять NO, проскакивающий в каталитическом нейтрализаторе SCR на фильтре, до NO₂ для получения более благоприятного соотношения NO₂/NO_x и таким образом повышения эффективности расположенного ниже по потоку каталитического нейтрализатора SCR.

Также было обнаружено, что включение второго восстановительного инжектора необходимо для реализации этих преимуществ с целью подачи восстановителя, необходимого для реакции SCR на расположенном ниже по потоку каталитическом нейтрализаторе SCR.

Примеры

Сравнительная система 1: DOC + каталитический нейтрализатор SCRF^TM

Система, состоящая из DOC, за которым следует каталитический нейтрализатор SCRF^TM, содержащий каталитический нейтрализатор на основе Cu-цеолита, нанесенный на фильтр с проточными стенками из карбида кремния (DPF), со значением клеток на квадратный дюйм (cpsi), составляющим 300, и толщиной стенок (ТС), составляющей приблизительно 12 мил.

Система 2: DOC + каталитический нейтрализатор SCRF^TM, содержащий компонент DOC

Система, состоящая из DOC, за которым следует каталитический нейтрализатор SCRF^TM со слоем окисления, состоит из аналогичного каталитического нейтрализатора на основе Cu-цеолита в сравнительной системе 1 и композиции подложки с добавлением компонента окисления, как изложено в описании.

Стендовое испытание двигателя V6-3L

Как показано в таблице 1, целевые температуры в контрольных точках для оценки двигателя составляли 200°C, 250°C и 300°C. При достижении этих температурных точек двигатель создавал различные воздушные потоки, NO_x, HC и CO. Значение мочевины, дозировано подаваемой через каталитический нейтрализатор SCRF^TM, составило альфа 1,1.

Таблица 1. Условия испытаний в установившемся режиме

Температура (°C) Массовый расход воздуха (кг/ч) NO_x (ч/млн) HC (ч/млн) CO (ч/млн) Предв. соотношение NO₂ катал. нейтр. SCRF^TM (%) Альфа 200 182 100 225 375 20 1,1 250 90 55 200 600 18 1,1 300 129 125 105 285 12 1,1

Как показано на фиг. 1, в сравнительной системе 1 последующее соотношение NO₂ каталитического нейтрализатора SCRF^TM (без зоны окисления) составляло <10% (сплошная линия) в условиях испытаний в установившемся режиме в соответствии с таблицей 1. В отличие от этого, при тех же условиях испытаний с системой 2, при температуре от 250°C и выше, соотношение NO₂ последующего каталитического нейтрализатора SCRF^TM составляло >10% (пунктирная линия). Поскольку более высокое соотношение NO₂ приводит к улучшению превращения NO_x (после быстрой реакции SCR), это приводит к улучшению превращения NO_x на расположенном ниже по потоку SCR.

В настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Таким образом, например, упоминание «каталитического нейтрализатора» включает смесь двух или более каталитических нейтрализаторов и т.п.

Термин «проскок аммиака» означает количество не вступившего в реакцию аммиака, которое проходит через каталитический нейтрализатор SCR.

Термин «носитель» означает материал, к которому прикреплен каталитический нейтрализатор.

Термин «прокаливать» или «прокаливание» означает нагревание материала в воздухе или кислороде. Это определение согласуется с определением прокаливания по IUPAC. (IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Составили: A. D. McNaught и A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Исправленная версия XML онлайн: http://goldbook.iupac.org (2006-), подготовлена: M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; обновления составил A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. doi: 10.1351/ goldbook.) Прокаливание выполняют для разложения соли металла и стимулирования обмена ионов металлов в каталитическом нейтрализаторе, а также для прикрепления каталитического нейтрализатора к подложке. Температура, используемая при прокаливании, зависит от компонентов в прокаливаемом материале и преимущественно составляет от около 400°C до около 900°C в течение примерно 1-8 часов. В некоторых случаях прокаливание можно выполнять вплоть до температуры около 1200°C. В вариантах применения, включающих описанные в настоящем документе процессы, прокаливание преимущественно выполняют при температурах от около 400°C до около 700°C в течение примерно 1-8 часов, предпочтительно при температурах от около 400°C до около 650°C в течение примерно 1-4 часов.

В случае, когда указан диапазон или диапазоны для различных числовых элементов, указанный диапазон или диапазоны могут включать в себя значения, если не указано иное.

Термин «селективность N₂» означает процентное превращение аммиака в азот.

Термины «дизельный каталитический нейтрализатор окисления» (DOC), «дизельный экзотермический каталитический нейтрализатор» (diesel exotherm catalyst, DEC), «поглотитель NO_x», «SCR/PNA» (селективное каталитическое восстановление/пассивный поглотитель NO_x; passive NO_x adsorber), «каталитический нейтрализатор холодного запуска» (cold-start catalyst, CSC) и «трехкомпонентный каталитический нейтрализатор» (three-way catalyst, TWC) хорошо известны в данной области техники и используются для описания различных типов каталитический нейтрализаторов, используемых для очистки отработавших газов в результате процессов сгорания.

Термин «металл платиновой группы» или PGM (platinum group metal) обозначает платину, палладий, рутений, родий, осмий и иридий. Металлы платиновой группы предпочтительно представляют собой платину, палладий, рутений или родий.

Термины «расположенный ниже по потоку» и «расположенный выше по потоку» описывают ориентацию каталитического нейтрализатора или подложки, при которой поток отработавшего газа поступает от впускного конца к выпускному концу подложки или изделия.

Системы и способы по настоящему изобретению, относящиеся к системе очистки отработавшего газа, содержащей: (a) первый инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ; (b) сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускной конец и выпускной конец, причем указанный фильтр содержит каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор окисления; (c) второй инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого на аммиак, в отработавший газ, расположенный ниже по потоку от фильтра; и (d) расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Система очистки отработавшего газа, содержащая:

a) первый инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого с выделением аммиака, в отработавший газ;

b) сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускной конец и выпускной конец, причем указанный фильтр содержит каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор окисления;

c) второй инжектор для впрыскивания аммиака или соединения, разлагаемого с выделением аммиака, в отработавший газ, расположенный ниже по потоку от фильтра; и

d) расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора; и

причем каталитический нейтрализатор окисления наносят на фильтр со стороны выпускного конца.

2. Система очистки отработавшего газа по п. 1, отличающаяся тем, что каталитический нейтрализатор окисления содержит один или более металлов платиновой группы.

3. Система очистки отработавшего газа по п. 1, отличающаяся тем, что каталитический нейтрализатор окисления содержит платину, палладий или их комбинации.

4. Система очистки отработавшего газа по п. 1, отличающаяся тем, что каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления содержит состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла, состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита или их смеси.

5. Система очистки отработавшего газа по п. 1, отличающаяся тем, что расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор дополнительно содержит каталитический нейтрализатор окисления аммиака.

6. Система очистки отработавшего газа по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение NO₂:NO_x отработавшего газа, поступающего в расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, составляет более 10%.

7. Система очистки отработавшего газа по п. 1, дополнительно содержащая расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор, расположенный выше по потоку от фильтра, причем расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор содержит дизельный каталитический нейтрализатор окисления, каталитический нейтрализатор-накопитель NO_x или их комбинации.

8. Способ очистки отработавшего газа, включающий:

a) добавление аммиака или соединения, разлагаемого с выделением аммиака, в отработавший газ посредством первого инжектора;

b) пропускание отработавшего газа через сажевый фильтр дизельного двигателя, содержащий впускной конец и выпускной конец, причем фильтр содержит каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор окисления;

c) добавление аммиака или соединения, разлагаемого с выделением аммиака, в отработавший газ посредством второго инжектора, расположенного ниже по потоку от фильтра; и

d) пропускание отработавшего газа через расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, содержащий каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления, расположенный ниже по потоку от второго инжектора; и

причем каталитический нейтрализатор окисления наносят на фильтр со стороны выпускного конца.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что каталитический нейтрализатор окисления содержит один или более металлов платиновой группы.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что каталитический нейтрализатор окисления содержит платину, палладий или их комбинации.

11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления содержит состав каталитического нейтрализатора SCR на основе оксида металла, состав каталитического нейтрализатора SCR на основе молекулярного сита или их смеси.

12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор дополнительно содержит каталитический нейтрализатор окисления аммиака.

13. Способ по п. 8, отличающийся тем, что соотношение NO₂:NO_x отработавшего газа, поступающего в расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор, составляет более 10%.

14. Способ по п. 8, дополнительно включающий расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор, расположенный выше по потоку от фильтра, причем расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор содержит дизельный каталитический нейтрализатор окисления, каталитический нейтрализатор-накопитель NO_x или их комбинации.