紧密耦合的scr系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及燃烧发动机废气的净化。
【背景技术】
[0002]汽车废气最棘手的组分之一是N0X，它包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化亚氮(N2O)。叽的产生对于贫燃发动机，例如柴油机是特别成问题的。为了缓解废气中的NOJi于环境的影响，期望优选通过不会产生其他有害或者有毒物质的方法，减小这些不希望的组分。
[0003]除了 NOx气体的产生，贫燃燃烧发动机由于它们的燃烧特性具有产生颗粒物质或者烟灰的缺陷，各种有机物可以被吸收在其上，包括未燃烧的烃和由源于燃料或者润滑油中存在的硫物质的二氧化硫氧化生成的硫酸。柴油机废气相比于汽油发动机倾向于会产生更多的烟灰。
[0004]由于来自贫燃燃烧发动机的废气加剧了空气污染，处理系统对于减小运行贫燃燃烧发动机的污染影响起决定作用。
[0005]普遍采用两种方法来降低贫燃燃烧发动机废气中的污染物。第一种方法将柴油机废气中的NOxR化为更良性的物质，也称为选择性催化还原(SCR)。SCR过程包括在有催化剂和还原剂存在的情况下将NOx转化为单质氮(N2)和水，所述还原剂通常为无水氨、氨水或者尿素。第二种方法通过使含烟灰的废气通过颗粒过滤器来减少烟灰排放物。然而，烟灰颗粒在过滤器上的累积会使得在运行期间排气系统的背压不期望地升高，从而降低效率。为了再生过滤器，已经累积的碳基烟灰必须从过滤器上移除，例如通过在高温被动或者主动的氧化来定期燃烧烟灰。
[0006]从W099/39809已知，将多个单独的独立组件包括SCR催化剂结合在排气系统中，用于处理尤其是颗粒物质和氮氧化物。例如，合并有还原剂的发动机废气流可以首先流过掺入了 SCR催化剂的流通式整料，以减少NOx，然后气体再在下游被处理以通过经过颗粒物质过滤器去除颗粒物质。这种设计的缺点在于废气后处理组件的数量增多增加了排气系统的整体成本，同时还增大了整个系统的体积和重量，这对于车辆来说是特别不利的。车辆排气系统总体上越重，车辆用于运输它所需的燃料就越多。
[0007]为了克服上述缺陷，已经设计出能减少NOdP颗粒物质且具有单个组件的排气系统。美国专利公布2010/0180580公开了一种将SCR催化剂与壁流式过滤器结合的系统。壁流式过滤器包含多个相邻的、平行的一端封闭的通道，其中封闭以交替的模式在相邻通道的相对端进行。通道交替封闭端防止进入过滤器入口面的气体直接流过通道并且离开该通道。相反，废气进入基底的前部并且行进到通道的约一半，在这里被迫穿过通道壁，然后离开基底的出口面。催化剂通常以含水混合物或者活化涂层(washcoat)的形式应用在壁流式过滤器的壁上，然后煅烧以附在壁的表面上。
[0008]某些SCR壁流式过滤器的缺陷在于能够用于它的表面的催化剂的数量有限。厚的活化涂层将使通道变窄，并在一些情况下使气孔变窄，并且阻止有助于背压的气流，和消极地影响系统的效率。用于减小背压的已知方法包括限制采用的活化涂层的体积。活化涂层减少导致催化剂减少，并且使得过滤器转化NOx的能力降低。最后，将SCR催化剂涂覆到壁流式过滤器的表面增加了过滤器的总重量。增加的质量将需要更多的时间和能量来将壁流式过滤器加热到催化剂活化所需的温度，在起动时当发动机还没有达到它的正常稳定状态的操作温度时这是严重的缺陷。为了提高加热SCR壁流式过滤器的速率，过滤器可以靠近发动机设置。
[0009]一种克服与SCR壁流式过滤器相关的缺陷的已知方式是将SCR流通式整料放置在壁流式过滤器的上游。具有所谓的蜂窝状几何形状的流通式整料包括多个相邻的平行通道，所述通道两端开放并且通常从基底的入口面延伸到出口面。各通道典型地具有方形、圆形、六边形或者三角形的横截面。催化材料被用于基底，典型地作为活化涂层或者其他能够具体用于基底的壁上和/或壁内的浆料。
【发明内容】
[0010]申请人已经发现了一种用于处理贫燃燃烧发动机废气的系统，该系统减少NOx*烟灰。该系统包括位于紧密耦合的SCR壁流式过滤器上游的紧凑SCR流通式整料。
[0011]如本文所采用的，术语“紧密耦合(close-coupled)”表示在发动机的废气处理系统中的组件位置，其在发动机的废气歧管或者涡轮增压器的下游小于约I米处，优选约
0.05至约0.5米。在重负荷中的发动机起动或者运行期间，在紧密耦合位置的组件相比于位于下游更远位置的组件通常暴露在更高的废气温度。已经发现，紧凑SCR流通式整料和单独的下游的紧密耦合SCR壁流式过滤器的组合具有协同作用，这在较大的SCR流通式整料与下游的SCR壁流式过滤器或者未与发动机紧密耦合的SCR壁流式过滤器的组合中无法实现。此外，这种作用在单个SCR壁流式过滤器中无法实现，该单个SCR壁流式过滤器具有等于本发明的SCR流通式整料和SCR壁流式过滤器的组合的体积和催化剂负载量。具体地，SCR组件的协同组合取得了高于常规的SCR流通式整料和SCR壁流式过滤器的组合的烟灰燃烧效率。而且，组件的协同组合与具有与组件的协同组合相当的体积和催化剂负载量的单个的、紧密耦合的SCR壁流式过滤器相比，产生更高的NOxR化率。也就是说，本发明的组件的协同组合改进了 SCR/烟灰过滤系统的整体NOxR化效率，而不需要另外的催化剂，因而降低了系统的成本，同时还提供了壁流式过滤器的高温稳定性从而有助于稳定的过滤器再生。
[0012]紧凑SCR流通式整料特征在于相比于下游的SCR壁流式过滤器具有更低的热容。更低的热容能够由相比于SCR壁流式过滤器具有更低的比热容和/或更小的体积或质量的SCR流通材料产生。
[0013]因此，本发明的一个方面提供了一种用于处理来自发动机的包含NOx的废气的系统，所述系统包括(a)流通式整料，其具有用于选择催化还原NOx的第一催化组合物，且具有第一体积；(b)紧密耦合的颗粒物质过滤器，其具有用于还原颗粒物质和选择催化还原NOx的第二催化组合物，且具有第二体积；和(c)第一体积与第二体积的体积比小于约
I: 2;其中，所述流通式整料与所述颗粒物质过滤器流体流通，且并入所述颗粒物质过滤器的上游。
[0014]根据本发明的另一方面，提供了一种用于处理包含NOx和烟灰的发动机废气流的方法，该方法包括:在还原剂的存在下，使所述废气流与流通式整料接触以生成中间气体流，所述流通式整料具有第一 SCR催化组合物负载量和第一体积，其中所述NOx的第一部分被转化为队和02;使所述中间气体流与紧密耦合的催化颗粒物质过滤器接触以捕获部分烟灰和生成清洁的气体流，所述催化颗粒物质过滤器具有第二 SCR催化组合物负载量和第二体积，其中所述第二体积是第一体积的至少约二倍，其中所述NOx的第二部分被转化为化和O2;在烟灰氧化温度氧化所述部分烟灰以再生所述催化颗粒物质过滤器；将所述催化紧密耦合的流通式整料加热到SCR点火温度，然后将所述催化颗粒物质过滤器加热到SCR点火温度；并且在低负荷条件下，与具有与所述第一和第二体积之和相等的体积的催化颗粒物质过滤器相比，将所述催化颗粒物质过滤器保持在所述烟灰氧化温度更长的时间。
【附图说明】
[0015]图1是根据本发明的发动机废气处理系统的一个实施方案的图示；和
[0016]图2以图表的方式示出了在发动机起动时通过仅包括SCR壁流式过滤器的系统和根据本发明的系统所转化的NOx的总质量。
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