包含三元催化剂的过滤器基底的制作方法_4

文档序号:9475408阅读:来源:国知局
位于(即渗透到)多孔 基底的多孔结构内。根据该具体的实施方案,制造过滤器的方法包括适当地配制本领域技 术人员已知的活化涂层,包括颗粒尺寸调整(例如通过研磨),粘度调整,选择低润湿特性 和施加适当的真空,随后活性涂覆多孔基底(也参见W099/47260)。
[0076] 在后者的实施方案中,其中活化涂层的至少一部分处于多孔结构中,活化涂层固 体颗粒的尺寸例如平均尺寸可以小于多孔过滤器基底的平均孔尺寸,例如是〇. 1-20 μ m,例 如1-18 μπι,1-16 μηι,2-15 μπι或3-12 μπι。在具体的实施方案中,上述活化涂层固体颗粒的 尺寸是D90,而非平均尺寸。
[0077] 多孔基底优选是整料基底,可以是金属,例如烧结的金属,或者陶瓷,例如碳化硅、 堇青石、氮化铝、氮化硅、钛酸铝、氧化铝、莫来石例如针状莫来石(参见例如W001/16050)、 铯植石、金属陶瓷(thermet)例如Al203/Fe、Al20 3/Ni或B4C/Fe,或者包含其任意两种或更 多种片段的复合物。在一个优选的实施方案中,过滤器是壁流式过滤器,其包括具有多个 入口通道和多个出口通道的陶瓷多孔过滤器基底,优选碳化硅、堇青石或钛酸铝,其中每个 入口通道和每个出口通道部分地通过多孔结构的陶瓷壁来限定,其中每个入口通道通过多 孔结构的陶瓷壁与出口通道隔开。这种过滤器布置也公开在SAE 810114中,并且可以在 该文献中参考进一步的细节。可选地,过滤器可以是泡沫体,或者所谓的部分过滤器,例如 EP1057519或TO01/080978中公开的那些。
[0078] 在一个非常优选的实施方案中,过滤器是壁流式过滤器和第一区包括壁流式过滤 器的入口通道和第二区包括其出口通道。
[0079] 在实际使用中的柴油壁流式过滤器的孔密度可以与用于本发明中的壁流式过滤 的不同,在于柴油壁流式过滤器的孔密度通常是300个孔/平方英寸(cpsi)或者更低,例 如100或200cpsi,以使得相对更大的柴油PM组分可以进入过滤器的入口通道,而不影响柴 油微粒过滤器的实心正面,由此在到开放通道的通路上结块和结垢,而用于本发明中的壁 流式过滤器可以高至300cpsi或更大,例如350cpsi,400cpsi,600cpsi,900cpsi或者甚至 1200cpsi〇
[0080] 使用较高孔密度的一个优点是过滤器相比于柴油微粒过滤器可以具有降低的横 截面例如直径,这是一个有用的实际优点,其增加将排气系统置于车辆上的设计选项。
[0081] 将理解的是,用于本发明中的过滤器的益处基本上独立于未涂覆的多孔基底的孔 隙率。孔隙率是多孔基底中空隙空间百分比的度量,并且与排气系统中的背压有关:通常, 孔隙率越低,背压越高。但是,用于本发明中的过滤器的孔隙率典型地>40%或>50%,并且 可以有利地使用45-75%例如50-65%或55-60%的孔隙率。活化涂层涂覆的多孔基底的平 均孔尺寸对于过滤是重要的。因此,具有相对高孔隙率的多孔基底也可能是差的过滤器,这 是因为平均孔尺寸也是相对高的。
[0082] 在实施方案中,例如多孔过滤器基底的多孔结构的表面孔的第一平均孔尺寸 是8-45 μπι,例如8-25 μπι,10-20 μπι或10-15 μπι。在具体实施方案中,第一平均孔尺寸 >18 μ m,例如€ 15-45 μ m,20-45 μ m,例如 20-30 μ m,25-45 μ m。
[0083] 根据第二方面,本发明提供一种用于强制点火内燃机的排气系统,其包括本剧本 发明第一方面的催化型过滤器,其中第一区位于第二区的上游。
[0084] 在一个优选的实施方案中,排气系统包括流通式整料基底,其包含位于催化型过 滤器上游的三元催化剂组合物。
[0085] 根据具体要求,本发明的过滤器明显可以与其他排气系统后处理组件组合使用, 来提供完整的排气系统后处理设备,例如过滤器上游的低热质量TWC和/或下游催化元件, 例如NOjf集阱或SCR催化剂。因此,在产生相对冷的驱动周期废气温度的车辆强制点火应 用中,我们意图使用位于本发明过滤器上游的低热质量TWC。对于车辆贫燃强制点火应用, 我们意图使用在NOjf集阱上游或下游的本发明的过滤器。在车辆化学计量运行的强制点 火发动机中,我们相信本发明的过滤器可以用作独立的催化排气系统后处理组件。即在某 些应用中,本发明的过滤器与发动机相邻和直接流体连通,在其之间不插入催化剂;和/或 从废气后处理系统到大气的出口与本发明的过滤器相邻和直接流体连通,在其之间不插入 催化剂。
[0086] TWC的另一需求是需要为它的有用寿命提供诊断功能,所谓的"车载诊断"或0BD。 在OBD中出现的一个问题是TWC中储氧能力不足,因为用于TWC的OBD方法使用了其余的 储氧能力来诊断其余的催化剂功能。但是,如果不足的活化涂层被负载到过滤器上时,例如 在US2009/0193796和W02009/043390所公开的具体实施例中,可能不存在足够的OSC来提 供用于OBD目的精确的0SC" δ "。因为本发明使得活化涂层负载量能够接近于现有技术的 TWC,因此用于本发明中的过滤器可以具有目前的OBD方法中的优点来使用。
[0087] 根据第三方面,本发明提供一种强制点火发动机,其包括根据本发明第二方面的 排气系统。
[0088]用于本发明该方面的强制点火内燃机,例如火花点火内燃机,可以通过汽油燃料, 与包括甲醇和/或乙醇的含氧物共混的汽油燃料,液化石油气或者压缩天然气来提供燃 料。强制点火发动机可以是化学计量运行的发动机或贫燃运行的发动机。
[0089] 根据第四方面,本发明提供一种使用催化型过滤器基底来保持废气中的一氧化 碳、烃、氮的氧化物和颗粒物质的同时转化率的方法,该废气排放自强制点火内燃机并且包 含一种或多种催化剂毒物,该催化型过滤器基底具有总基底长度和在使用中在老化期间涂 覆有三元催化剂活化涂层,该方法包括步骤:将废气与催化型过滤器基底接触,在第一区 和第二区中捕集一种或多种催化剂毒物中的至少一些,第一区包括第一基底长度的入口表 面,第一基底长度小于总基底长度,和第二区包括第二基底长度的出口表面,第二基底长度 小于总基底长度,其中第一区中的基底长度和第二区中的基底长度之和多100%,其中至少 第二区的活化涂层是三元催化剂活化涂层,该三元催化剂活化涂层包含负载在高表面积贱 金属氧化物上的一种或多种贵金属,和储氧组分,和其中:
[0090] (i)第一区中的活化涂层比表面积〉第二区;或者
[0091] (ii)第一区中的活化涂层负载量和活化涂层比表面积均〉第二区。
[0092] 为了能够更充分地理解本发明,参考附图,其中:
[0093] 图1的图显示了柴油发动机废气中PM的尺寸分布。作为对比,汽油尺寸分布显示 在 SAE 1999-01-3530 的图 4 中;
[0094] 图2是本发明的活化涂层涂覆的多孔过滤器基底的一个实施方案的示意图;和
[0095] 图3是本发明的排气系统的一个实施方案的示意图。
[0096] 图2显示了穿过包含表面孔12的多孔过滤器基底10的横截面。图2显示了一个 实施方案,其特征是包含实现活化涂层颗粒的多孔表面活化涂层14,限定孔的颗粒之间的 空间(颗粒间孔)。可以看到,活化涂层14基本上覆盖了多孔结构的孔12,并且颗粒间孔 16的平均孔尺寸小于多孔过滤器基底10的平均孔尺寸12。
[0097] 图3显示了本发明的设备11,其包括车辆强制点火发动机13和用于其的排气系 统15。排气系统15包括管道17,其连接催化后处理组分,即Pd-Rh基TWC,其涂覆到位于 接近发动机的废气集管(所谓的"紧连接(close coupled)"位置)的惰性堇青石流通式 基底18上。该"紧连接"催化剂18下游依次是分区的TWC活化涂层,其包含掺杂的二氧化 铈-氧化锆混合氧化物作为储氧组分和氧化镧稳定化的γ氧化铝高表面积贱金属氧化物, 二者均负载了贵金属Pd和Rh,并且涂覆到具有总长度的堇青石壁流式过滤器20上。入口 通道用TWC活化涂层涂覆到从壁流式过滤器的上游或入口端测量的总长度的三分之一长 度,并且活化涂层负载量是2. 8g in 3,其包含相对低的贵金属负载量18g ft 3 (16Pd: 2Rh) 和β (BEA)沸石,该涂层限定了第一区22。该β沸石用于相对于第二区,增加第一区的TWC 活化涂层的比表面积。在第一区中,负载的Pd/Rh贵金属预固定到掺杂的二氧化铈-氧化 错混合氧化物和氧化镧稳定化的γ氧化铝。出口通道用Pd-Rh基TWC (无 β沸石)涂覆 到从壁流式过滤器的下游或出口端测量的壁流式过滤器总长度的三分之二,并且活化涂层 负载量是1.0 g in3,其包含相对高的贵金属负载量60g ft3 (16Pd: IRh),该涂层限定了第二 区24。
[0098] 为了更充分地理解本发明,仅作为示例,提供了以下实施例。 实施例
[0099] 以下实施例不是根据本发明,但是说明了在涂覆到流通式基底上的三元催化剂组 合物和涂覆到蜂窝壁流式过滤器基底上的三元催化剂组合物二者中的入口涂层的中毒问 题,其促使本发明人提出了根据本发明第一方面的解决方案。
[0100] 实施例1 -制备三元催化的流通式基底和讨滤器
[0101] 用包含贵金属负载量为85g/ft3(80Pd:5Rh)的TWC活化涂层组合物均匀涂覆堇青 石壁流式(蜂窝)过滤器(即入口通道和出口通道)到总活化涂层负载量为2. 4g/in3,该 过滤器的尺寸是118. 4X 101. 6_,300个孔/平方英寸,壁厚度是千分之12英寸,并
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