具有增加的沸石担载量和提高的吸附能力的碳氢化合物捕集器的制造方法
【专利说明】具有増加的沸石担载量和提高的吸附能力的碳氢化合物捕 集器
【背景技术】
[0001] 本发明描述的实施例涉及一种具有提高的排放物吸附的碳氢化合物捕集 器（hydrocarbon trap)，并且更具体地，涉及一种包括以流通式基底（flow-through substrate)形式的高孔隙率载体材料的碳氢化合物捕集器，其中流通式基底允许大担载量 (loading)的沸石提供提高的碳氢化合物的吸附。
[0002] 近年来，已经做出了相当多的努力来降低来自于车辆发动机的碳氢化合物（HC) 排放物的水平。像三效催化剂这样的传统尾气处理催化剂实现将碳氢化合物转化为水并帮 助阻止来自车辆的未燃烧或部分燃烧的碳氢化合物排放物的逃逸。然而，在发动机的冷启 动期间，在尾气的潜热加热催化剂且允许催化剂起作用之前，即，在催化剂达到其"点燃"温 度之前，碳氢化合物排放物含量很高。
[0003] 已经开发出了碳氢化合物捕集器用于通过在低温时捕集/吸附碳氢化合物（HC) 排放物并且在对于在例如三效催化剂这样的催化剂上氧化来说足够高的温度下将它们从 捕集器中释放/脱附，从而降低冷启动过程中的排放物。HC捕集器定位在车辆的尾气流中。 目前，沸石已广泛地用作碳氢化合物捕集器的吸附材料。沸石采用支承在整体式基底上的 涂层（washcoat)的形式典型地与三效催化剂结合。
[0004] 尽管增加沸石涂层担载量（loading)典型地提供了提高的转化效率，但要在不产 生HC捕集器中不期望的背压增加和降低的转化效率的情况下，可以增加的总涂层担载量 是有限的。
[0005] 令人期望的是，通过最大化冷启动期间的碳氢化合物吸附能力并最小化碳氢化合 物从捕集器中的脱附速率直到催化剂达到其"点燃"温度来提高整体HC捕集器功能。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例提供一种碳氢化合物捕集器，其利用以流通式整体式基底形式的 高孔隙率载体材料来允许高担载量的沸石。基底还包括在其上的转化碳氢化合物排放物的 三效催化剂。通过利用高孔隙率载体材料，基底上的沸石担载量可以增加，而没有不期望的 背压增加，产生提高的转化效率。
[0007] 捕集器使用壁流式基底，其中交替插头已被去除来形成流通式基底，其增加了孔 隙率，并且有增加基底上的沸石担载量的能力。因此，流通式整体式基底不同于传统的流通 式整料一一其尽管没有包括插头，但也不是高孔隙度的。
[0008] 根据本发明的一个方面，提供一种用于降低车辆尾气排放物的碳氢化合物捕集 器，其包含整体式流通式基底，该整体式流通式基底具有至少60 %的孔隙率并包括在基底 内或基底上的至少4g/in3沸石的担载量。
[0009] 在一个实施例中，碳氢化合物捕集器具有至少65%的孔隙率。孔隙率是材料中的 开放空间或空隙空间的量度，并且表示为材料的空隙体积对总体积的比值。
[0010] 在一个实施例中，碳氢化合物捕集器包括在基底内或基底上的至少5g/in3的沸石 担载量。在另一个实施例中，碳氢化合物捕集器具有从大约5. O到大约8. Og/in3的沸石担 载量。在基底内的沸石优选具有从大约20到大约500的SiAl2的比值。沸石从具有结 构BEA，FAU，MOR，MFI，FER，CHA，LTL，LTA或它们的混合的沸石中选择。优选地，沸石包含 β-沸石。
[0011] 在一个实施例中，碳氢化合物捕集器进一步包括沸石上的三效催化剂。捕集器可 以包括大约2g/in3的担载量的三效催化剂。三效催化剂优选包含从铂，钯，铑和它们的混 合物组成的群组中选择的贵金属。
[0012] 整体式流通式基底从堇青石，碳化硅和莫来石组成的群组中优选地选择。通过"流 通式基底"，意味着整料不包括插头，使得气体很容易流过整料通道而不是被迫流过通道的 多孔壁。流通式基底优选具有大约5到20密耳的壁厚，和每平方英寸大约300至900个孔 道的孔道密度（cell density) (cpsi)。
[0013] 优选地，整体式流通式基底具有大约60到80%的开口率（OFA)。通过"开口率"， 或0FA，意味着可以用于气体的流动的总基底横截面面积的一部分。OFA表示为总的基底的 横截面或基底空隙率的百分比。
[0014] 在一个实施例中，捕集器进一步包括催化剂，其中催化剂包含流通式基底内或流 通式基底上的镍和铜的混合物。
[0015] 碳氢化合物捕集器进一步包括提供碳氢化合物氧化需要的额外的氧气的储氧能 力（OSC)材料。储氧能力材料可以从二氧化铈-氧化锆，二氧化铈-镨，或它们的混合物中 选择。碱金属氧化物一一比如镍-铜（氧化镍-氧化铜）和二氧化锰一一也可以使用作为 储氧材料。优选地，OSC材料用碱金属或贵金属浸渍且包括在沸石涂层浆料中。
[0016] 在本发明的另一实施例中，提供一种形成用于尾气处理系统中的碳氢化合物捕集 器的方法，其包含提供具有至少60%的孔隙率的整体式流通式基底；提供包含沸石的碳氢 化合物捕集材料的浆料；以及涂覆浆料到整体式基底内和/或整体式基底上使得沸石担载 量至少是4g/in 3。方法可以包括在沸石涂覆层上涂覆包含三效催化剂的浆料。方法可以进 一步包括在基底内或基底上涂覆包含储氧能力材料的浆料。
[0017] 随着尾气通过车辆的排气系统，碳氢化合物捕集器提供提高的未燃烧的碳氢化合 物排放物的吸附并保留碳氢化合物直到尾气加热捕集器到用于催化转化的足够的温度， 即，大约200°C到400°C，此时，碳氢化合物通过捕集器中的三效催化剂脱附和氧化。捕集器 定位在车辆的排气系统中使得气体以30, 000/h的气体空间速度通过捕集器，并且捕集器 在大约-40°C和大约200°C之间的温度下在尾气中吸附和保留大约50到90wt. %的未燃烧 的碳氢化合物。
[0018] 根据本发明，提供一种尾气处理系统，其包含定位在车辆排气管道中的如上所述 的碳氢化合物捕集器。
[0019] 根据本发明，提供一种用于降低来自于车辆发动机的冷启动碳氢化合物排放物的 方法，其包含：
[0020] 提供定位在车辆排气管道中的碳氢化合物捕集器，所述碳氢化合物捕集器包含整 体式壁流式基底，所述整体式壁流式基底具有至少60 %孔隙率并包括至少4g/in3沸石的担 载量；以及
[0021] 使尾气以大约30, 000/小时的气体空速通过所述捕集器，其中所述捕集器在大 约-40和200°C之间温度下吸附所述尾气中大约50%到90%的或未燃烧的碳氢化合物。
[0022] 因此，本发明的实施例的特征是，提供一种用于降低冷启动车辆尾气排放物的碳 氢化合物捕集器。通过以下【具体实施方式】、附图和权利要求，本发明的其它特征和优点将显 而易见。
【附图说明】
[0023] 图1是根据本发明的实施例的碳氢化合物捕集器的示意图；
[0024] 图2是图1的碳氢化合物捕集器的一个孔道的放大局部剖视图；
[0025] 图3是包括根据本发明的实施例的碳氢化合物捕集器的尾气处理系统的示意图；
[0026] 图4A和图4B是说明了包含高孔隙率基底的碳氢化合物捕集器的碳氢化合物吸附 和脱附与包含标准孔隙率基底的捕集器对比的曲线图；以及
[0027] 图5A和图5B是说明了包含高孔隙率基底的碳氢化合物捕集器的碳氢化合物吸附 和脱附与包含标准孔隙率基底的捕集器对比的曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 本发明描述的碳氢化合物捕集器的实施例利用具有高孔隙率的整体式流通式基 底来允许其中的增加的沸石担载量。高孔隙率整体式流通式基底不同于传统的壁流式基 底一一比如用来捕集气体微粒的那些，因为它不包括迫使气体流过多孔孔道壁的交替孔道 插头。相反地，它充当流通式基底，其中气体直接沿通过孔道壁形成的通道流动。通过使用 不具有交替插头的基底，内部多孔壁体积可以至少部分地充满沸石。此外，由于基底不包括 插头，所以尾气不会被迫来流过壁并且尾气容易地流过整料通道。
[0029] 因此，不具有插头的高孔隙率基底的使用允许更高担载量的沸石被包括，而没有 不期望的背压增加，即，实现每单元体积更大的沸石容量。进一步地，这个较高有效的担载 量被实现而无需使用挤压技术一一比如在共同转让的申请序列号为13/569, 472中描述的， 其整个主题通过引入结合于此。整体式基底提供优于挤压的沸石整料的进一步优点在于可 以施加分开的涂层的层来提供涂覆层的战略放置。例如，可以施加一个或多个涂覆层以便 沸石浸渍在多孔壁中，随后在壁上形成涂覆层来实现期望的担载量。此外，高孔隙率的壁流 式基底的使用允许金属（比如铯，钾，铜，银，镍，铁，或它们的混合物）的使用来增强HC吸 附或氧化，而没有离开沸石的金属离子迀移的问题，正因如此，金属可以先于额外的涂层的 施加首先被浸渍到高孔隙率基底中。
[0030] 本发明的实施例还提供一种现有沸石涂层的堇青石整料的使用改进，其当沸石担 载量增加时，受到增加的背压问题。例如，用于涂覆堇青石整料的典型的背压的限制许可最 多5到6g/in 3的浆料（即，3到5g/in 3的沸石加1到2g/in 3的三效催化剂层）。通过利用 高孔隙率流通式基底，较高含量的沸石可以超出这些涂层限制被并入到碳氢化合物捕集器 中。
[0031] 除另有说明外，说明书和权利要求书中的任何范围的公开内容应当理解为包括范 围本身和其中包括的任意值以及端点。
[0032] 使用的合适的高孔隙率流通式基底包括堇青石，碳化硅和莫来石。优选使用的是 堇青石或碳化硅。市售微粒过滤器也可以使用，只要它们已被修改来去除任何交替的插头。 使用金属网或能够保持涂层的多孔金属基底也是可行的。基底优选具有拥有足够的孔尺寸 (大于20微米）的从大约60至90 %