降低有贫燃混合的碳氢源的排气NO_x和微粒的方法和结构的制作方法

专利名称：降低有贫燃混合的碳氢源的排气NO_x和微粒的方法和结构的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及来自碳氢燃料动力源，例如用贫燃料燃烧混合物运转的柴油机
的排气的处理。更具体地说，本发明关于一种处理排气的结构。
背景技术：
柴油机、一些汽油机和许多碳氢燃料动力装置在比理论空燃质量比高的情况下运 转以获得改进的燃料经济性。然而，这种稀燃发动机及其他动力源产生带有较高氧含量 和氮氧化物含量的高温排气。就柴油机而言，从暖机发动机排出的排气的温度通常在200 摄氏度至400摄氏度之间，并且具有典型组成，按体积算，约17%的氧气、3%的二氧化碳、 0. 1 %的一氧化碳、180卯m的碳氢化合物、235卯m的N0X以及剩余的氮气和水。由于高温排 气流中高的氧(02)含量，通常包含氧化氮(N0)和二氧化氮(N02)的N0x气体难以还原成氮 气(N2)。

发明内容
—种用于降低排气流中N0X和微粒排放的示例性方法和相关结构可包括使排气流 经过催化氧化反应器；使该排气流经过位于该催化氧化反应器下游的双效选择性还原催化 剂微粒过滤器，其中，该双效选择性还原催化剂微粒过滤器可包括壁流式过滤器基底，其具 有涂有第一选择性催化还原催化剂的内壁；以及使该排气流经过位于该双效选择性还原催 化剂微粒过滤器下游的催化还原反应器，其中，该催化还原反应器可包括第二选择性催化 还原催化剂。 从下面提供的详细描述中将更明显地看出本发明的其它示例性实施例。应当理 解，尽管公开了本发明的示例性实施例，但详细说明和特定例子只是起到举例的作用，而不 意图限制本发明的范围。


通过详细说明和附图将更完整地理解本发明的示例性实施例，其中 图1是对于贫燃的排气系统的示意流程图； 图2是根据一个示例性实施例的SCR/PF的侧视图；以及 图3是图2所示SCR/PF的剖视图。
具体实施例方式
下列单个(多个)实施例的描述本质上只是示例性的(说明性的)并且决不意图 限制本发明、其应用或用途。 图1示出了根据一个示例性实施例的对于碳氢燃烧发动机的排气系统10的流程 图。对来自在空燃比大大高于理论比的情况下工作的发动机的排气歧管的排气流12进行 处理以将N(U主要是N0和N02的混合物，带有一些N20)成分还原成氮气(N2)。当排气流12是来自于例如在空燃比大于17 (即A/F > 17)的情况下工作的汽油机时，这排气包含一
些未燃的碳氢化合物(HC)、N0"—氧化碳(CO)、二氧化碳(CO》、水(H20)以及氮气(N2)。所
用燃料可包括，但不局限于汽油和柴油。来自柴油机的排气流12包括相同的气态成分，再
加上悬浮的柴油机微粒(由沉积在碳颗粒上的高分子量碳氢化合物组成)。含有这种碳氢化合物的排气流12可经过催化氧化反应器14，该反应器基本上完
成将一氧化碳氧化成二氧化碳以及将碳氢化合物氧化成二氧化碳和水。排气流12中通常
有充足的氧气用于这些反应。 根据图1所示的一个示例性实施例，催化氧化反应器14是双区型催化氧化反应
器，其中，排气流首先流过含有铂、钯的前侧16，其可将碳氢化合物和一氧化碳氧化成二氧
化碳，并且随后流过富含铂的后侧18，其可将一氧化氮(NO)氧化二氧化氮(N02)。 选择性地，当排气流12流过催化氧化反应器14时，碳氢化合物喷射器装置11可
引入碳氢化合物流13从而产生放热。这个放热提高排气流12的温度，这有助于位于下游
的选择性催化还原(SCR)催化剂34、42。碳氢化合物喷射器装置ll可以是发动机的燃料喷
射器，或者可以是外部的碳氢化合物喷射器装置。 然后，还可向排气流12中加入氨(NH3)或尿素。氨以适当形式(例如氨水或尿素 溶液，或固态氨盐)储存在贫燃发动机车辆上，或在固定式发动机附近，在本文都称作氨喷 射器装置20，并且氨作为流22在微粒过滤器30和催化还原反应器40的上游加入排气流 12中。氨或尿素可参与N0和N02至N2的还原。 然后，被NH3处理了的排气流12可进入微粒过滤器30，其包括SCR催化剂34。因 此，具有SCR催化剂34的微粒过滤器30可被称作双效选择性还原催化剂/微粒过滤器或 SCR/PF 30。 最好参照图2和图3，SCR/PF 30由具有多个通道33的壁流式过滤器基底31形成。 这些通道33被过滤器基底31的内壁35围起。基底31具有进口端37和出口端39。交替 的通道33在进口端37用进口塞41堵住和在出口端39用出口塞43堵住。排气流12通过 未堵住的通道进口端37流入，被出口塞43阻止并且通过通道壁35(其为多孔的)扩散到 出口端39。因此，流过内壁35的排气12被过滤从而清除颗粒物质，这作为通道壁35的多 孔功能。 此外，通道33的壁，并且尤其是内壁35，可涂有SCR催化剂34。因此，流过内壁35 或非常接近内壁35的排气12还与SCR催化剂颗粒34反应从而充分地将NO和N02 (即N0X) 还原成K和水。 示例性壁流式过滤器基底31由类似陶瓷的材料构成，例如堇青石、a -氧化铝、碳 化硅、氮化硅、氧化锆、莫来石、锂辉石、氧化铝-硅-氧化镁或硅酸锆，或由多孔的耐熔金 属。壁流式基底31还可由陶瓷纤维复合材料形成。这种材料能够承受在处理排气流时所 遇到的高温。此外，基底材料31在装载了催化剂之后应具有足够的孔隙度，以保持足够的 排气流动特征，用可接受的背压表示。 在一个示例性实施例中，由堇青石或碳化硅形成的陶瓷壁流式基底可具有在约50 到75%之间的孔隙度，同时具有在约5到30微米之间的平均孔径。 SCR催化剂34可由包含作为活性物质的包含在沸石材料中的贱金属及其他支撑 材料的涂层形成。在示例性实施例中，可用于SCR催化剂34配方中的贱金属的例子包括但不局限于铜和铁。贱金属可以结合在沸石结构中。在一个实施例中，活性物质与沸石材料 的重量百分比可以在约1到约10重量百分比之间。 一个示例性SCR催化剂34包括具有约 2. 5重量百分比的铜的Cu/ZSM-5催化剂粒子。ZSM-5沸石以氢形式(H-ZSN-5)从Zeolyst 公司获得。 回看图l，排气流12离开SCR/PF 30并之后可在进入催化还原反应器40之前进 入双管或大直径管或任何带有冷却特征的管(都被称作冷却管37)。在微粒过滤器再生期 间，冷却管37可用在SCR/PF30与SCR催化剂42之间以冷却排气流12。冷却管37的加入 可有助于保护下游SCR催化剂42不暴露于高温，该高温在过滤器再生期间会遇到。
排气流12然后可进入冷却管37下游的具有选择性催化还原(SCR)催化剂42的 催化还原反应器40。如上所述，选择性催化还原(SCR)催化剂42可主要起的作用是充分地 将NO,还原成^和水。 SCR催化剂42可包括作为活性物质的包含在沸石材料中的贱金属和与常规载体 材料例如堇青石相连的支撑材料。贱金属可有助于使NO转化成N02并且随后使N02转化成 ^和水，它们然后通过尾管(未示出)作为排放物排出。 从配方角度来看，SCR催化剂42的配方与SCR催化剂34的配方可以相同或不同。 在本文的示例性实施例中，SCR催化剂42的配方可以配制成在较低环境温度下更有效地工 作以储存氨，因此当作氨逸出调节体。此外，这个配方提供了较低温度下额外的N0X还原。 此外，在较高温度下，SCR催化剂42可以配制成使氨转化成氮气。 在示例性实施例中，可用于SCR催化剂42配方中的贱金属的例子包括但不局限于 铜和铁。这些贱金属可以结合在沸石结构中。在一个实施例中，活性物质与沸石材料的重 量百分比可在约1到约10重量百分比之间。 一个示例性SCR催化剂42包括具有约2. 5重 量百分比的铜的Cu/ZSM-5催化剂粒子。ZSM-5沸石以氢形式(H-ZSN-5)从Zeolyst公司获 得。 微粒过滤器30和催化还原反应器40的尺寸随着其所处理的排气流12的发动机 尺寸而变。在一个示例性实施例中，微粒过滤器30和催化还原反应器40的尺寸在发动机排 量的约0. 2到2倍之间变化。因此，例如，对于3公升柴油机，这个尺寸可在约1. 5到6公升 之间变化，其中，SCR/PF与发动机排量的比约为l-2，而SCR与发动机排量的比约为0. 2-1。
在替换示例性布置中，还如图l所示，可以选择性地从第二氨喷射器装置33(或从 第一氨喷射器装置20)将氨(NH3)或尿素加入排气流12中，并且作为流35加入SCR催化 剂42上游但SCR/PF30和冷却管37下游的排气流12中。可以采用第二氨喷射器装置33， 其中，可希望获得更高的N0X转化率。 通常在排气流12中的NO与N02的大致等摩尔比(1 : 1的比值)下能够获得SCR 催化剂34、42的最大还原性能，尤其是在SCR催化剂34、42不以其最高效率将N0X转化成 K的较低温度(例如发动机的启动或暖机状态)下。此外，在l : l的比值下，能最小化高 空速和SCR催化剂34老化的不利影响。 例如，在SCR催化剂34或42采用铜或铁作为贱金属的情况下，例如Cu/ZSM_5催 化剂材料，直到SCR催化剂34或42被加热到约250摄氏度才可获得SCR催化剂34或42 的最高效率。在大 250摄氏度及以上时，SCR催化剂34或42以足够高的效率起作用，使 所有N0X转化成N"
在一个示例性实施例中，喷射器装置20、33可连接到传感器例如N0X传感器80或 类似装置，其在排气进入催化还原反应器22之前确定N0x中的冊与冊2的相对量。此外或 是替换性地，喷射器装置20、33可连接到温度传感器90，其测量微粒过滤器30和/或催化 还原反应器40中的SCR催化剂34、42的温度。 因此，可以单独控制从第一喷射器装置20或可选的第二喷射器装置33添加到排 气流12中的氨的量，从而引入足够量的氨来尽量使NO和N02还原成K。
与传统的后处理系统相比，这些示例性实施例为贫燃发动机提供了很多优点，典 型地包括DOC、SCR催化剂和微粒过滤器(DPF)，它们按照特定顺序串联布置，从而获得所需 的减排性能(即D0C+SCR+PF或D0C+PF+SCR)。特别地，这些示例性实施例与传统的后处理 系统相比，提供了成本优势并且在冷启动期间需要更少的燃料使SCR催化剂变热。而且，因 为在过滤器再生期间只有催化氧化反应器14和SCR/PF30被加热到高温，因此，这些示例性 实施例可需要更低的燃料量并且有助于保护SCR催化剂42不受到过量的热暴露，这个过量 的热照射会降低NOx排放的还原，尤其是在再生期间。因此，可以修改SCR催化剂42的配 方以在低温启动时提供改进的低温N0X排放控制(即SCR催化剂42能被配制成更有效地 使N0X转化成N2和水并且储存多余的NH3)，只要SCR催化剂42在高温时受到冷却管37的 保护。 本发明的实施例的上述描述本质上只是示例性的，因此，其变化并不认为是偏离 了本发明的精神和范围。
权利要求
一种用于降低排气流中NOx和微粒排放的系统，包括催化氧化反应器；位于所述催化氧化反应器下游的双效选择性还原催化剂微粒过滤器，该双效选择性还原催化剂微粒过滤器包括壁流式过滤器基底，其具有涂有第一选择性催化还原催化剂的内壁；以及具有第二选择性催化还原催化剂的催化还原反应器，其位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的下游。
2. 如权利要求1所述的系统，还包括位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器与所述第二选择性催化还原催化剂之间 的冷却管。
3. 如权利要求1所述的系统，还包括用于向排气流喷射氨或尿素的喷射器装置，其位于所述催化氧化反应器与所述双效选 择性还原催化剂微粒过滤器之间。
4. 如权利要求3所述的系统，还包括用于向排气流喷射氨或尿素的第二喷射器装置，其位于所述双效选择性还原催化剂微 粒过滤器与所述第二选择性催化还原催化剂之间。
5. 如权利要求l所述的系统，还包括 位于所述催化氧化反应器上游的碳氢化合物喷射器。
6. 如权利要求3所述的系统，还包括容纳在排气流中且与所述喷射器装置相连的NOx传感器，所述NOj专感器位于所述双效 选择性还原催化剂微粒过滤器的上游。
7. 如权利要求4所述的系统，还包括容纳在排气流中且与所述喷射器装置和所述第二喷射器装置相连的N0X传感器，所述 N0X传感器位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游。
8. 如权利要求3所述的系统，还包括与所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器和所述喷射器装置相连的温度传感器，所述 温度传感器测量容纳在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器中的选择性催化还原催化 剂的温度。
9. 如权利要求3所述的系统，还包括与所述催化还原反应器和所述喷射器装置相连的温度传感器，所述温度传感器测量容 纳在所述催化还原反应器中的选择性催化还原催化剂的温度。
10. 如权利要求3所述的系统，还包括与所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器和所述喷射器装置相连的温度传感器，所述 温度传感器测量容纳在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器中的选择性催化还原催化 剂的温度；以及与所述催化还原反应器和所述喷射器装置相连的第二温度传感器，所述第二温度传感 器测量容纳在所述催化还原反应器中的选择性催化还原催化剂的温度。
11. 如权利要求3所述的系统，还包括容纳在排气流中且与所述喷射器装置相连的NOJ专感器，所述NOJ专感器位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游；与所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器和所述喷射器装置相连的温度传感器，所述 温度传感器测量容纳在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器中的选择性催化还原催化 剂的温度；以及与所述催化还原反应器和所述喷射器装置相连的第二温度传感器，所述第二温度传感 器测量容纳在所述催化还原反应器中的选择性催化还原催化剂的温度。
12. 如权利要求4所述的系统，还包括容纳在排气流中且与所述喷射器装置和所述第二喷射器装置相连的N0X传感器，所述 N0X传感器位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游；与所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器和所述喷射器装置相连的温度传感器，所述 温度传感器测量容纳在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器中的选择性催化还原催化 剂的温度；以及与所述催化还原反应器和所述喷射器装置相连的第二温度传感器，所述第二温度传感 器测量容纳在所述催化还原反应器中的选择性催化还原催化剂的温度。
13. 如权利要求1所述的系统，其中，所述第一选择性催化还原催化剂的成分基本上与 所述第二选择性催化还原催化剂的成分相同。
14. 如权利要求1所述的系统，其中，所述第一选择性催化还原催化剂的成分基本上与 所述第二选择性催化还原催化剂的成分不相同。
15. 如权利要求15所述的系统，其中，所述第二选择性催化还原催化剂的成分与所述 第一选择性催化还原催化剂相比有改进的低温N0X还原活性。
16. —种用于降低排气流中NOx和微粒排放的方法，包括 使排气流经过催化氧化反应器；使排气流经过位于所述催化氧化反应器下游的双效选择性还原催化剂微粒过滤器，所 述双效选择性还原催化剂微粒过滤器包括壁流式过滤器基底，其具有涂有第一选择性催化 还原催化剂的内壁；以及使排气流经过位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器下游的催化还原反应器，所 述催化还原反应器具有第二选择性催化还原催化剂。
17. 如权利要求16所述的方法，还包括使排气流经过位于所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的下游且位于所述第二选 择性催化还原催化剂的上游的冷却管，所述冷却管在所述排气流进入所述第二选择性催化 还原催化剂之前对其进行冷却。
18. 如权利要求16所述的方法，还包括在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器和所述第二选择性催化还原催化剂上游向 排气流中引入氨或尿素流。
19. 如权利要求18所述的方法，还包括在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的下游并且所述第二选择性催化还原催化 剂的上游，向排气流中引入第二氨或尿素流。
20. 如权利要求16所述的方法，还包括在所述催化氧化反应器的上游向排气流中引入碳氢化合物流以在排气流中产生放热。
21. 如权利要求16所述的方法，还包括在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游将N0X传感器连接在排气流内；使所述N0X传感器连到第一氨喷射器装置； 使用所述N0X传感器测量排气流的成分；根据来自所述NOJ专感器的所述测得成分，确定从所述第一氨喷射器装置引入排气流 中的氨或尿素量，其中，所述氨或尿素量足以与排气流中的NO量反应以形成N02，并且由此 在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游的排气流中实现大约等摩量的NO和N02。
22. 如权利要求16所述的方法，还包括在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游将N0X传感器连接在排气流内；使所述N0X传感器连到氨喷射器装置； 使用所述N0X传感器测量排气流的成分；根据所述测得的排气流成分，确定引入排气流中的氨或尿素量，其中，所述确定的氨或尿素量足以与排气流中的NO量反应以形成N02，并且由此在所述双效选择性还原催化剂微 粒过滤器上游的排气流中实现大约等摩量的NO和N02 ;以及从所述氨喷射器装置向所述微粒过滤器上游的排气流引入所述确定的氨或尿素量，作 为第一流。
23. 如权利要求16所述的方法，还包括在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游将N0X传感器连接在排气流内； 使所述N0X传感器连到第一氨喷射器装置和第二氨喷射器装置； 使用所述N0X传感器测量排气流的成分；根据所述测得的排气流成分，确定引入排气流中的氨或尿素量，其中，所述确定的氨或尿素量足以与排气流中的NO量反应以形成N02，并且由此在所述双效选择性还原催化剂微 粒过滤器上游的排气流中实现大约等摩量的NO和N02 ;从所述第一氨喷射器装置向所述微粒过滤器上游的排气流引入所述确定的氨或尿素量的第一量，作为第一流；以及从所述第二氨喷射器装置向在所述微粒过滤器下游且在所述第二选择性催化还原催 化剂上游的排气流引入所述确定的氨或尿素量的第二量，作为第二流。
24. 如权利要求16所述的方法，还包括在所述双效选择性还原催化剂微粒过滤器的上游将N0X传感器连接在排气流内； 使所述N0X传感器连到氨喷射器装置； 使温度传感器连到所述第二选择性催化还原催化剂； 使所述温度传感器连到所述氨喷射器装置； 使用所述N0X传感器测量排气流的成分； 测量所述第二选择性催化还原催化剂的温度；根据所述测得的排气流成分，确定引入排气流中的氨或尿素量，其中，所述确定的氨或 尿素量足以与排气流中的NO量反应以形成N02，并且由此在所述双效选择性还原催化剂微 粒过滤器上游的排气流中实现大约等摩量的NO和N02 ;以及当所述测得的温度低于阈值温度时，从所述氨喷射器装置向所述微粒过滤器上游的排 气流引入所述确定的氨或尿素量，作为第一流，以基本上实现所述等摩量的NO和叫，其中，所述阈值温度是所述温度传感器所测的温度，当低于这个温度时，所述第二选择性催化还 原催化剂基本上以其最大效率将排气流中的N0X气体转化成氮气和水。
全文摘要
本发明涉及降低有贫燃混合的碳氢源的排气NOx和微粒的方法和结构。一种用于降低排气流中NOx和微粒排放的示例性方法和相关结构包括使排气流流过催化氧化反应器；使该排气流流过位于该催化氧化反应器下游的双效选择性还原催化剂微粒过滤器，其中，该双效选择性还原催化剂微粒过滤器可包括壁流式过滤器基底，其具有涂有第一选择性催化还原催化剂的内壁；以及使该排气流流过位于该双效选择性还原催化剂微粒过滤器下游的催化还原反应器，其中，该催化还原反应器包括第二选择性催化还原催化剂。
文档编号F01N3/28GK101725394SQ20091020618
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者D·B·布朗, J·H·李, M·J·小帕拉托尔, Y·何 申请人:通用汽车环球科技运作公司