包括NOx儲存催化劑和催化煙灰濾清器的排氣系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】包括NOx儲存催化劑和催化煙灰濾清器的排氣系統(tǒng)
[0001]本申請為一項發(fā)明專利申請的分案申請，其母案的申請日為2011年3月7日、申請?zhí)枮?01180012610.8 (PCT/GB2011/050443)、發(fā)明名稱為“包括NOx儲存催化劑和催化煙灰濾清器的排氣系統(tǒng)”。
[0002]本發(fā)明涉及用于柴油發(fā)動機車輛的排氣后處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括NOx儲存催化器(NSC)和跟隨在其下游方向的催化煙灰濾清器(CSF)。
[0003]柴油發(fā)動機以某些優(yōu)點而聞名，這些優(yōu)點包括低燃料消耗量、高扭矩、以及低一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)排放。然而，雖然柴油發(fā)動機傾向于比汽油發(fā)動機產(chǎn)生更少量的管制排放物，但它們也與一些更難處理的排放物聯(lián)系一起，特別是氮氧化物(N0X，主要是NO和NO2)和顆粒物(PM)。內(nèi)燃發(fā)動機的另一種管制污染物是非燃燒的或未燃燒的(包括部分燃燒的)經(jīng)(HC)。
[0004]減少發(fā)動機排放的方法主要有兩種，第一種是發(fā)動機設(shè)計和管理，第二種是排氣后處理。通過研究與開發(fā)處理管制排放物的催化方法，排氣后處理已經(jīng)有了很大的發(fā)展，并且在與電子發(fā)動機管理一起使用時通常能夠滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，不斷提高的排放規(guī)定，結(jié)合從環(huán)境和全球變暖角度而言要減少燃料消耗和相關(guān)的CO2排放的壓力，仍不斷對發(fā)動機和后處理系統(tǒng)的設(shè)計提出挑戰(zhàn)。
[0005]歷史上，為車用柴油發(fā)動機引入的最早催化后處理是包括沉積在流通式陶瓷或金屬蜂窩基材上的鉑族金屬催化劑(通常為鉑)的柴油機氧化催化劑(D0C)。這類DOC能有效地氧化CO和HC，目前被廣泛使用。另外，這類DOC可通過同時氧化吸附在碳質(zhì)顆粒上的(烴的)揮發(fā)性有機組分而有效地減少大部分PM。
[0006]往往被稱作稀燃^,阱或NO x吸附催化劑(NAC)的串接(in-line) NO x儲存催化劑(NSC)的使用目前在稀燃內(nèi)燃發(fā)動機的排氣后處理系統(tǒng)中是眾所周知的?？赡茏钤绲膶＠_是Toyota的EP0560991，其記述了怎樣通過引入與NOxK應(yīng)形成硝酸鹽的材料(如氧化鋇)和^,轉(zhuǎn)化催化劑(如鉑)來構(gòu)造NO x儲存單元。通過調(diào)節(jié)燃料/空氣比(通常稱作“拉姆達(dá)”或λ )到化學(xué)計量比例(λ =1)或濃燃比例(λ〈I)來周期性地再生所述NSC。在濃燃偏移(rich excurs1n)期間，發(fā)動機管理提供高濃度的HC，以清除所述NSC中儲存的N0X。同時通過與所述催化劑接觸將釋放的NOx還原成氮氣。濃燃清除事件(rich purge event)也可稱作NSC再生事件。
[0007]PM從柴油機排氣中的去除通常由某種形式的濾清器或部分濾清器(partialfilter)來實現(xiàn)。在專利文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了大量的濾清器設(shè)計。目前，現(xiàn)有技術(shù)的濾清器是載有PM燃燒催化劑的陶瓷或陶瓷樣壁流濾清器，通常稱作催化煙灰濾清器(CSF)。人們提出了 CSF的許多變體，包括用NO3JIS催化劑涂覆濾清器?，F(xiàn)有技術(shù)的CSF在濾清器前部帶有DOC型涂層區(qū)而在濾清器后部帶有輕負(fù)載區(qū)(lower-loaded zone)。通常，兩個區(qū)都是Pt基的。
[0008]已經(jīng)提出了用于柴油機發(fā)動機車輛的后處理系統(tǒng)的一種設(shè)計，其包括NSC和在其之后的CSF。這種設(shè)計在我們的W02008/075111中有說明，其內(nèi)容連同其中的參考文獻(xiàn)都并入本文。但是，實驗證明很難以比較簡單和比較便宜的系統(tǒng)滿足即將到來的EU6和US Tier2 Bin 5的排放規(guī)定。
[0009]EP1536111公開了一種在內(nèi)燃機工作期間，特別是在所述發(fā)動機的濃燃操作期間，從排氣中除去甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)的設(shè)備和方法，其中所述設(shè)備包括用于發(fā)動機參數(shù)調(diào)整的裝置、用于NOx還原的包括NO x還原催化劑的裝置、和用于還原發(fā)動機排氣中的甲烷和一氧化二氮的催化劑。在一個優(yōu)選實施方案中，使用了包括鈀和二氧化鈰或二氧化鋯組分作為顆粒濾清器上的氧存儲組分的氮存儲還原型催化劑，其中鈀用于還原甲烷。
[0010]本發(fā)明的發(fā)明人注意到，用于現(xiàn)代的輕型柴油發(fā)動機的排氣后處理的一個困難來自低排氣溫度，特別是在渦輪增壓機下游，所述渦輪增壓機從排氣流中抽取能量從而進(jìn)一步降低所述氣體溫度，這將導(dǎo)致催化劑起燃(Iight-Off )困難。他們還注意到，這樣的低溫度會加重CSF氧化總HC的困難，特別是由于NSC再生所產(chǎn)生的HC有一部分為甲烷，且甲烷構(gòu)成在再生期間離開NSC的HC的一大部分。
[0011]在正常工作條件下甲烷由于其高起燃溫度而難以在NSC和CSF上氧化。對于具有位于通道上的Pt催化劑的傳統(tǒng)CSF，起燃溫度(定義為50%濃度的甲烷反應(yīng)了的溫度)在400°C左右。輕型柴油發(fā)動機一般在CSF中不產(chǎn)生這樣的溫度。輕型柴油機車輛的排氣溫度只在高速或高負(fù)荷行車條件下才到達(dá)此區(qū)域。因此仍需控制NSC和CSF型系統(tǒng)中的總HC。為避免疑義，NSC用在這里不包括被稱作被動NOx吸附器的設(shè)備:我們將例如W02008/047170作為對這樣一種被動NOx吸附器的舉例說明。
[0012]因此，本發(fā)明提供一種用于柴油發(fā)動機車輛的排氣后處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括^^/諸存催化劑(NSC)和跟隨在其下游方向的催化煙灰濾清器(CSF)，其中所述CSF包括氧化催化劑，所述氧化催化劑包括富鈀重量比的鉑和鈀。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將可理解，位于傳統(tǒng)CSF上的DOC型涂層在發(fā)生NSC再生事件的條件下不會氧化大量的甲烷。
[0013]此外，本發(fā)明還提供一種用于在NSC再生事件期間后處理來自包括排氣后處理系統(tǒng)的車用柴油發(fā)動機的排氣的方法，其中所述排氣后處理系統(tǒng)包括NOx儲存催化劑(NSC)和跟隨在其下游方向的催化煙灰濾清器(CSF)，所述方法包括在所述再生事件期間使來自所述NSC的排氣從包括富鈀重量比的鉑和鈀的氧化催化劑之上通過。
[0014]可取地，將所述氧化催化劑作為部分的、分層的或分區(qū)的涂層施加到所述CSF，不過在整個所述CSF上(例如向所有出口通道)施加涂層也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。就分區(qū)的涂層來說，可取的是所述涂層的其余部分為能夠在普通的稀燃工作條件下(即不是在濃燃再生事件期間)氧化CO和HC的傳統(tǒng)的CSF催化劑。
[0015]在優(yōu)選實施方案中，所述CSF包括含入口通道和出口通道的壁流濾清器。在一個實施方案中，所述入口通道包括鉑基氧化催化劑而所述出口通道包括富鈀的Pt: Pd氧化催化劑。
[0016]或者，可以將所述氧化催化劑布置在一個由所述濾清器的出口端在下游端限定的下游區(qū)域，其中所述濾清器的入口端包括一個由所述濾清器的入口端限定的上游區(qū)域且其中所述上游區(qū)域為鉑基氧化催化劑。這種配置可以與壁流濾清器或任何其它濾清器配置結(jié)合使用。
[0017]布置在入口區(qū)域或涂覆在壁流濾清器的入口通道上的傳統(tǒng)的鉑基CSF催化劑位于布置在出口區(qū)域或涂覆在出口通道上的富Pd催化劑上游的配置是有利的，原因在于它能提供更好的熱管理并由此提高所述排氣后處理系統(tǒng)的效率。特別是，濃燃再生事件產(chǎn)生升高的排氣溫度。相應(yīng)地，由于所述濾清器總體上與溫度升高的排氣接觸，所以富Pd催化劑的位置不受溫度限制。但是，在一般的稀燃發(fā)動機操作(即，再生事件之間)期間排氣溫度較低，因此鉑基催化劑的活性受溫度限制。從而，優(yōu)選將Pt基催化劑設(shè)置在一個其在冷啟動之后可以盡可能快地實現(xiàn)一氧化碳和烴起燃