具有重整器催化剂的排气系统的制作方法
【专利说明】具有重整器催化剂的排气系统 发明领域
[0001] 本发明涉及用于处理来自内燃机的废气的排气系统。
[0002] 发明背景
[0003] 内燃机产生含有多种污染物的废气，污染物包括烃、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化 物和微粒物质。日益严格的国家和地区法规已经降低了这种内燃机可以排放的污染物的 量。已经将许多不同的技术应用到排气系统以清洁废气，然后再将它排放到大气中。
[0004] -种提出的用于清洁废气的方法采用催化重整过程。参见例如 SAE-07NAPLES-175,其教导了使用联合的重整器和三效催化剂在车辆上对汽油进行废气重 整。美国专利申请公布2012/0117943也教导了车辆上气体重整系统。
[0005] 据信，通过在内燃机的燃料中包含来自催化重整器的氢，可以实现较少量的排放 污染物。例如，已经建议可以重整柴油或汽油燃料以产生氢，以及可以将该氢添加回到供给 发动机的燃料，以直接减少发动机的NO x和微粒排放。此外，对于重整还有现实利益，因为通 过将废气组分转化为较高热值的燃料组分（H2和CO)，具有回收废气中的能量（即燃烧热） 的潜力。这能够使汽油发动机的增提效率提高，和燃料消耗的关联降低，以及〇) 2排放的降 低。
[0006] 对于任何机动车系统和过程，需要取得废气处理系统中的更进一步的改进，特别 是那些采用催化重整的系统。已经发现采用燃料重整器催化剂的新的排气系统。
[0007] 发明概述
[0008] 本发明是用于处理内燃机废气的排气系统。该系统包括三效催化剂（TWC)，位于 TWC下游的燃料重整器催化剂，和位于燃料重整器催化剂上游的燃料供给装置。废气分成两 部分。第一部分绕过TWC，并在从燃料供给装置添加的燃料的存在下与燃料重整器催化剂接 触，然后再循环回到发动机入口。第二部分与TWC接触，然后利用它来加热燃料重整器催化 剂，之后排出到大气。本发明获得改进的热交换（更少的热损失），用于更好的催化重整。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明一个实施方案的示意图。
[0010] 图2是本发明第二实施方案的示意图。
[0011] 发明详述
[0012] 本发明是用于处理内燃机废气的排气系统。该系统包括三效催化剂（TWC)。
[0013] 三效催化剂系统是本领域中公知的。TWC通常执行三个主要功能：（1)将CO氧化 为CO2;⑵将未燃烧的燃料氧化为CO 2和H 20 ;和⑶将NOx还原为N 2。三效催化剂优选包 含一种或多种铂族金属和一种或多种无机氧化物载体。铂族金属（PGM)优选为铂、钯、铑或 者其混合物。
[0014] 无机氧化物载体大多数情况下包含第2、3、4、5、6、13和14族以及镧系元素的氧化 物。有用的无机氧化物载体优选具有10至7〇〇m2/g的表面积，0. 1至4mL/g的孔体积，和约 10至1000埃的孔径。无机氧化物载体优选为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、二氧化 铈、氧化铌、钽氧化物、钼氧化物、钨氧化物，或者其任意两种或更多种的混合氧化物或复合 氧化物，例如二氧化硅-氧化铝、二氧化铈-氧化锆或氧化铝-二氧化铈-氧化锆。特别优 选氧化铝和二氧化铈。除了起到载体作用之外，含二氧化铈的载体，例如二氧化铈（CeO 2)或 二氧化铈-氧化锆混合氧化物还可以起到TWC内的储氧组分（OSC)的作用。无机氧化物载 体也可以是沸石，例如β沸石、ZSM沸石、镁碱沸石或菱沸石。
[0015] 三效催化剂优选涂覆在基底上。基底优选为陶瓷基底或金属基底；更优选地，基底 为金属基底，以更好地热交换和易于构造。陶瓷基底可以由任何适合的难溶材料制成，例如 氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化锆、氧化镁、沸石、氮化硅、碳化硅、硅酸锆、硅 酸镁、铝硅酸盐和金属铝硅酸盐（例如堇青石和锂辉石），或者其任意两种或更多种的混合 物或混合氧化物。特别优选堇青石、铝硅酸镁和碳化硅。
[0016] 金属基底可以由任何适合的金属制成，特别是耐热金属和金属合金，例如钛和不 锈钢以及含有铁、镍、铬和/或铝还有其他痕量金属的铁素体合金。
[0017] 基底可以为过滤器基底或流通式基底，最优选为流通式基底，尤其是蜂窝体整料。 基底通常经涉及以提供多个通道，车辆废气经过该通道。通道表面载有三效催化剂。
[0018] 三效催化剂可以通过任何已知手段添加到基底。例如无机氧化物载体或含PGM载 体材料可以作为活化涂层（washcoat)施加和结合到基底，其中多孔、高表面积层结合到基 底表面。活化涂层通常从水基浆料施加到基底，然后在高温干燥和煅烧。只要无机氧化物 载体活化涂覆到基底上，PGM金属就可以负载到干燥的活化涂层载体层上（通过浸渍、离子 交换等），然后干燥和煅烧。负载到基底上的PGM的优选负载量为0. 02至I. 7g/升（1至 300g/ft3)催化剂体积。
[0019] 本发明的系统还包括位于TWC下游的燃料重整器催化剂。燃料重整器催化剂如此 定位，因而它能够利用由放热的TWC反应产生的热。适合的燃料重整器催化剂包括能够重 整燃料以形成合成气（H2和CO)的那些。
[0020] 优选的燃料重整器催化剂包括基于铂、钯、铑、镍及其混合物的催化剂。优选地，用 于本发明的系统中的燃料重整器催化剂包含分散在难熔氧化物载体材料上的高至5wt %、 更优选0. 5至4wt%的铂、钯、铑和/或镍，参见例如美国专利6, 887, 455,其教导在此引入 作为参考。优选的催化剂包括包含高至3wt % Rh的Rh催化剂，包含高至5wt % Pt的Pt催 化剂，和包含高至3wt % Rh和高至5wt % Pt的Rh-Pt催化剂。用于PGM和含Ni重整器催 化剂的载体包括无机氧化物载体，最通常包括第2、3、4、5、13和14以及镧系元素的氧化物， 特别是氧化铝、二氧化钛、二氧化铺、氧化错、二氧化娃、二氧化娃-氧化铝，以及含有其任 意两种或更多种的混合物和混合氧化物。燃料重整器催化剂优选为常规蜂窝体基底（适宜 地为金属蜂窝体）上的沉积物的形式。
[0021] 本发明的系统还包括位于燃料重整器催化剂上游的燃料供给装置。燃料供给装置 将燃料添加到绕过TWC的废气的第一部分中。优选地，燃料供给装置与用来将燃料注入发 动机的那些相同。燃料供给装置优选包括燃料注射器，用于将燃料注入紧邻燃料重整器催 化剂上游的废气中。燃料供给装置优选由适当编程的控制装置控制，该控制装置任选地为 发动机控制单元（ECU)的一部分，其输入值包括催化剂温度和/或进入和离开燃料重整器 单元的气体的温度。
[0022] 燃料供给装置通常为燃料注射器，优选具有泵，或者其他适合的计量装置，其入口 侧与燃料泵相连。该泵又与注射器连通，该注射器可以具有位于燃料重整器催化剂上游的 一个或多个喷嘴。
[0023] 由燃料供给装置添加到废气的第一部分的燃料优选与用在发动机中的燃料相同。 燃料优选为烃（例如柴油或汽油），但是也可以采用其他燃料例如醇和醚。
[0024] 排气系统将内燃机废气分成两部分。废气的第一部分绕过TWC，由此废气的第一部 分不接触TWC催化材料。绕过TWC之后，第一部分同从燃料供给装置添加的燃料一起与燃 料重整器催化剂接触，以形成重整产物气流。重整产物气流然后再循环回到发动机入口。
[0025] 优选地，重整产物冷却器位于燃料重整器催化剂下游，由此它位于燃料重整器催 化剂和发动机入口之间。重整产物冷却器降低重整产物气流的温度，然后添加到发动机入 口。重整产物冷却器优选通过使发动机冷却剂经冷却剂管线循环来冷却。
[0026] 废气的第一部分可以在接触燃料重整器催化剂之前绕过TWC和/或途经TWC。"途 经TWC"意思是废气的第一部分穿过TWC内的空间而不接触TWC催化材料。"绕过TWC"优 选的意思是第一部分与TWC基底的外部接触而不接触TWC催化材料。
[0027] 通过使废气的第一部分途经或绕过TWC，第一部分将被TWC反应放热加热，然后接 触燃料重整器催化剂。接触燃料重整器催化剂的气体温度越高，将使得重整反应更有效率。 优选地，废气的第一部分少于废气总量的一半（优选1至30vol %，更优选10至30vol % )。
[0028] 废气的第二部分与TWC接触。优选地，废气的第二部分为废气总量的大部分（优 选70至99vol %，更优选70至90vol % )。通过接触TWC，由在废气中CO氧化为CO2，未燃 烧的燃料氧化物〇)2和H 20,和NOx还原为N2生成热。经加热的废气的第二部分然后用来加 热燃料重整器催化剂，然后排出到大气中。排气系统允许从废气的最大热交换，得到估计温 度高出70-100°C的重整器催化剂。
[0029] 优选地，重整器催化剂安装在排气系统中TWC的下游，从而增大与废气的第二部 分的热交换。优选地，重整器催化剂可以位于排气系统中TWC下游的环隙中，由此重整器催 化剂被内部气体通道和外部气体通道围绕。废气的第二部分流过内部和外部气体通道，从 而向重整器提供外部热。
[0030] 另外，由于绕过TWC的废气的第一部分将含有未反应的02、CO和NOx，这些气体可 以在燃料重整器催化剂上反应，在重整器中产生放热。放热可以用来辅助重整器点火，并提 高温度用于预热性能。本发明人还展示了