專利名稱：催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)以及其用于凈化內(nèi)燃機(jī)的廢氣的應(yīng) 用，所述催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)包括位于共同的轉(zhuǎn)化器殼體中的至少兩個(gè)催化轉(zhuǎn) 化器，所述催化轉(zhuǎn)化器在廢氣的流動方向上串聯(lián)設(shè)置且彼此間隔開，而且 可以以催化反應(yīng)的方式燃燒稀薄的廢氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸肌４呋?轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)用于柴油發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中，以將廢氣加熱到煙塵點(diǎn)燃溫度， 從而可主動地更新恢復(fù)位于下游的煙塵過濾器。
背景技術(shù)：
由柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的煙塵必須通過煙塵過濾器從廢氣中去除，以防止 污染空氣。隨著過濾器中煙塵沉積的增加，由過濾器產(chǎn)生的排氣背壓增大， 從而降低了發(fā)動機(jī)的功率。因此，過濾器必須定期通過燃燒掉煙塵被更新 恢復(fù)。
該更新恢復(fù)特別是在現(xiàn)代柴油發(fā)動機(jī)中存在一個(gè)問題，這是因?yàn)樵谡?操作中所述發(fā)動機(jī)的廢氣太涼而不能點(diǎn)燃過濾器上的煙塵。為此，需要
500-700 。C的廢氣溫度。
現(xiàn)有用于更新恢復(fù)煙塵過濾器的被動和主動方法。在例如根據(jù) EP0341832A2的被動方法中，煙塵過濾器通過作為氧化劑的氧化氮連續(xù)地在 40(TC以下的廢氣溫度下被氧化。為此，氧化催化轉(zhuǎn)化器設(shè)置在煙塵過濾器 的上游，所述氧化催化轉(zhuǎn)化器將存在于廢氣中的一氧化氮轉(zhuǎn)化為二氧化氮。 所述方法需要廢氣包含足量的一氧化氮。不足在于，廢氣中存在的碳?xì)浠?合物阻止一氧化氮氧化變?yōu)槎趸?。根?jù)US6877313B1，這種缺點(diǎn)可通過 設(shè)置在煙塵過濾器的上游的兩個(gè)氧化催化轉(zhuǎn)化器得到補(bǔ)救，其中第一催化 轉(zhuǎn)化器主要燃燒廢氣中的碳?xì)浠衔?，第二催化轉(zhuǎn)化器將廢氣中的殘余的 一氧化氮氧化為二氧化氮。
被動方法不能確保煙塵過濾器的可靠工作。該過濾器必須至少時(shí)不時(shí)地被主動更新恢復(fù)。為此，燃料噴射到位于氧化催化轉(zhuǎn)化器的上游的廢氣 流中，并在氧化催化轉(zhuǎn)化器上燃燒，或廢氣中的未燃燒的碳?xì)浠衔锏臐?度通過發(fā)動機(jī)內(nèi)部的措施增加。根據(jù)發(fā)動機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)，氧化催化轉(zhuǎn)
化器中的催化燃燒必須將廢氣加熱200至400°C，以達(dá)到煙塵點(diǎn)燃溫度。在 此，高溫峰值出現(xiàn)在氧化催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)部，該溫度峰值可導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化 器的過早老化。這樣，隨著工作時(shí)間的增加，碳?xì)浠衔锖鸵谎趸荚谘?化催化轉(zhuǎn)化器上的轉(zhuǎn)化會惡化。
DE102005017378A1描述了一種具有催化轉(zhuǎn)化器本體的廢氣凈化裝置， 所述催化轉(zhuǎn)化器本體由多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器盤構(gòu)成，所述催化轉(zhuǎn)化器盤在廢氣 的流動方向上串聯(lián)設(shè)置。催化轉(zhuǎn)化器盤由用于將包含在廢氣中的碳?xì)浠?物、 一氧化碳和一氧化氮轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和氮的燒結(jié)的金屬粉末構(gòu)成。 催化轉(zhuǎn)化器盤之間的距離為近似3mm。
US2003/0099583A1描述了一種廢氣凈化裝置，其包括用于轉(zhuǎn)化定比的 廢氣中的碳?xì)浠衔铩?一氧化碳和一氧化氮的三元催化轉(zhuǎn)化器A和催化轉(zhuǎn) 化器B，所述催化轉(zhuǎn)化器B設(shè)置在下游，且具有用于吸收碳?xì)浠衔锏姆惺?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)，所述催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)在碳 氫化合物的催化燃燒過程中的老化降低，因此可有利地用于煙塵過濾器的 主動更新恢復(fù)。
所述目的通過這樣一種催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)包 括位于共同的轉(zhuǎn)化器殼體中的至少兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器，所述催化轉(zhuǎn)化器在 廢氣的流動方向上串聯(lián)布置并彼此間隔開，而且所述催化轉(zhuǎn)化器可以以催 化反應(yīng)的方式燃燒稀薄的廢氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?。該催化轉(zhuǎn)化器 系統(tǒng)的特征在于，兩個(gè)相鄰的催化轉(zhuǎn)化器之間的距離在2-30mra之間。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果催化轉(zhuǎn)化器分成至少兩個(gè)單獨(dú)的催化轉(zhuǎn)化器且所述單 獨(dú)的催化轉(zhuǎn)化器彼此之間僅以數(shù)毫米的小的距離間隔開，則所述催化轉(zhuǎn)化 器在催化燃燒過程中的老化可變慢。該結(jié)果是令人驚訝的，這是因?yàn)橄嗬^ 的催化轉(zhuǎn)化器之間的僅數(shù)毫米的小的距離并不能冷卻廢氣。顯然的情況是， 催化轉(zhuǎn)化器的分開對催化轉(zhuǎn)化器中的溫度分布具有積極的影響。這樣，避免了可導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器的快速老化的溫度峰值。
催化燃燒所需的碳?xì)浠衔锟梢酝ㄟ^設(shè)置在第一催化轉(zhuǎn)化器的上游的 配量裝置噴射到廢氣流中，或發(fā)動機(jī)的廢氣中的未燃燒的碳?xì)浠衔锏牟?分可以通過發(fā)動機(jī)內(nèi)部的措施、例如通過向發(fā)動機(jī)的汽缸中后補(bǔ)噴射燃料 得到增加。
對于催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)，可氧化稀薄的廢氣中的碳?xì)浠衔锏娜魏未呋?轉(zhuǎn)化器均是合適的；這些催化轉(zhuǎn)化器特別是包括氧化催化轉(zhuǎn)化器和三元催 化轉(zhuǎn)化器，它們也可組合起來使用。
催化轉(zhuǎn)化器優(yōu)選包括施加到陶瓷或金屬蜂窩體上的氧化活性催化劑涂 層，所述催化劑涂層包括從以下組中選擇的至少一種貴金屬鈾、鈀和銠， 所述貴金屬位于從以下組中選擇的基底材料上活性氧化鋁、氧化硅、氧 化鈦、氧化鋯、氧化鈰以及它們的混合物或混合氧化物。為了儲存碳?xì)浠?合物，催化轉(zhuǎn)化器涂層可另外具有沸石。這兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器可具有相同或 不同的成分。
催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)優(yōu)選用于柴油發(fā)動機(jī)的排氣區(qū)段中，以通過在催化轉(zhuǎn) 化器上燃燒燃料將稀薄廢氣在最后的催化轉(zhuǎn)化器的下游加熱到500-700°C 之間的溫度。為此所需的燃料可借助于配量裝置在第一催化轉(zhuǎn)化器的上游 噴射到廢氣流中，其中，應(yīng)當(dāng)確保，凈廢氣組分仍具有氧化性能。可選地， 廢氣中的未燃燒的碳?xì)浠衔锏谋壤赏ㄟ^發(fā)動機(jī)內(nèi)部措施、例如通過向 柴油發(fā)動機(jī)的汽缸中后補(bǔ)噴射燃料增加，其中，還應(yīng)確保，凈廢氣組分仍 具有氧化性能。設(shè)置在催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的下游的煙塵過濾器可通過以這種 方式加熱的廢氣被主動地更新恢復(fù)。
所提出的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的目的是通過廢氣中包含的或單獨(dú)供給的廢 氣可燃成分的燃燒將廢氣優(yōu)選加熱到500'C以上、最高為70(TC的溫度。包 含在廢氣中的可燃成分例如是來自柴油發(fā)動機(jī)燃料的未燃燒或未完全燃燒 的碳?xì)浠衔?、和一氧化碳?br> 兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器之間的距離令人驚訝地使得催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的老化更 慢，這顯現(xiàn)于在已發(fā)生老化之后的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏母倪M(jìn)轉(zhuǎn)化。因 此，與相應(yīng)的整體式催化轉(zhuǎn)化器或串聯(lián)設(shè)置但未間隔開的兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器 相比，根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)在已發(fā)生老化之后具有更低的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧拧?br> 一方面，催化轉(zhuǎn)化器之間的距離不能太小，以確保具有已觀察到的效
果；另一方面，由于空間和熱量方面的原因，應(yīng)避免過大的距離，這是因 為隨著距離的增大，廢氣會在催化轉(zhuǎn)化器之間冷卻。對于直徑為10-20厘 米的機(jī)動車輛廢氣催化轉(zhuǎn)化器的常規(guī)橫截面尺寸，兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器之間的 距離為2-30ram被證明是有利的。5-20mm的距離是優(yōu)選選擇的。
然而，兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器之間的距離僅對在廢氣流上位于下游的催化轉(zhuǎn) 化器的老化有影響。因此，為了改善上游催化轉(zhuǎn)化器的老化穩(wěn)定性，應(yīng)盡 可能選擇在溫度方面穩(wěn)定的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)。由經(jīng)驗(yàn)可知，包括鉑和鈀的 催化轉(zhuǎn)化器可比純鉑的催化轉(zhuǎn)化器更好地承受高溫。第一或上游催化轉(zhuǎn)化 器的鉑/鈀比應(yīng)優(yōu)選位于4: l至l: l之間。第二催化轉(zhuǎn)化器具有盡可能完 全地燃燒第一催化轉(zhuǎn)化器未完全轉(zhuǎn)化的一氧化碳和碳?xì)浠衔铩１鹊谝淮?化轉(zhuǎn)化器具有更低的鈀含量的鉑/鈀催化轉(zhuǎn)化器、或純鉑的催化轉(zhuǎn)化器適合 于該目的。
因此，兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的催化轉(zhuǎn)化器涂層彼此可具有不同的組分，以 最優(yōu)地在催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)中執(zhí)行它們各自的功能。然而，優(yōu)選地，兩個(gè)催 化轉(zhuǎn)化器涂層是相同的。
在冷啟動階段柴油發(fā)動機(jī)的未經(jīng)處理的排放物主要由未燃燒的碳?xì)浠?合物組成。在冷啟動階段，所述組分不能由仍冷的催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化。為了 阻止所述排放，根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的上游和/或下游催化轉(zhuǎn)化器 可包含臨時(shí)儲存碳?xì)浠衔锏姆惺ｋS著廢氣的溫度的增大，儲存的碳?xì)?化合物再次被釋放，然后可由在較高的溫度下激活的催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化。


下面，基于示例和兩幅圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，附圖包括
圖1示出了具有煙塵過濾器并具有用于過濾器的主動更新恢復(fù)的根據(jù)
本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；以及
圖2示出了三個(gè)不同的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的排放量的對比。
具體實(shí)施方式
附圖示出了柴油發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)1。該排氣系統(tǒng)包括第一轉(zhuǎn)化器殼體
2，兩個(gè)氧化活性催化轉(zhuǎn)化器3和4位于所述第一轉(zhuǎn)化器殼體2中，且彼此 間隔開。兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器之間的距離d在2-30mm之間的范圍內(nèi)。兩個(gè)催 化轉(zhuǎn)化器可以具有相同或不同的長度。具有煙塵過濾器6的第二轉(zhuǎn)化器殼 體5位于催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的下游。下游的煙塵過濾器可通過在催化轉(zhuǎn)化器 系統(tǒng)中的附加燃料的燃燒主動地被更新恢復(fù)。
示例
在具有2.2升排量的柴油車上，以新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)對三個(gè)催 化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的殘余排放量進(jìn)行相互比較。作為催化轉(zhuǎn)化器載體，均使用 的是由堇青石構(gòu)成的蜂窩體，所述蜂窩體具有62cn^的單元密度和0.17mm 的管壁厚度，所述蜂窩體以每升的蜂窩體體積3.18g鉑涂覆傳統(tǒng)的柴油機(jī)氧 化催化劑。
系統(tǒng)l:整體式蜂窩體
直徑14.4cm;長度8.9cm
系統(tǒng)2:兩個(gè)蜂窩體
直徑14.4cm;每個(gè)蜂窩體的長度為4.45cm;蜂窩體之間的距
離
d: O.OOcm
系統(tǒng)3:兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的蜂窩體
直徑14.4cm;每個(gè)蜂窩體的長度為4.45cm;蜂窩體之間的距
離
d- lcm
催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)在接近真實(shí)的條件下通過后補(bǔ)噴射老化21個(gè)小時(shí)。所 述催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的殘余排放隨后以NEDC在柴油車上測量。圖2示出了 結(jié)果。
與傳統(tǒng)的整體式系統(tǒng)1和具有兩個(gè)蜂窩體但蜂窩體之間無間隔的系統(tǒng) 2相比，根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)3在試驗(yàn)過程中具有明顯減少的CO 和HC排放量。
權(quán)利要求
1.一種用于凈化內(nèi)燃機(jī)的廢氣的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)，包括位于共同的轉(zhuǎn)化器殼體(2)中的至少兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)和(4)，所述催化轉(zhuǎn)化器在廢氣的流動方向上串聯(lián)布置且彼此間隔開距離d，而且所述催化轉(zhuǎn)化器可以以催化反應(yīng)的方式燃燒稀薄的廢氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?，其特征在于，兩個(gè)相鄰的催化轉(zhuǎn)化器之間的距離d在2-30mm之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，用于將燃料噴射到廢氣中的配量裝置設(shè)置在第一催化轉(zhuǎn)化器(3)的上
3. 如權(quán)利要求1或2所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，所述催化轉(zhuǎn)化器(3， 4)是氧化催化轉(zhuǎn)化器、或是氧化催化轉(zhuǎn)化器和 三元催化轉(zhuǎn)化器的組合。
4. 如權(quán)利要求3所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，所述氧化催化轉(zhuǎn)化器包括施加到陶瓷或金屬蜂窩體上的氧化活性催化 劑涂層。
5. 如權(quán)利要求4所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，所述催化劑涂層包括從以下組中選擇的至少一種貴金屬鉑、鈀和銠， 所述貴金屬位于從以下組中選擇的基底材料上活性氧化鋁、氧化硅、氧 化鈦、氧化鋯、氧化鈰以及它們的混合物或混合氧化物。
6. 如權(quán)利要求5所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，在廢氣的流動方向上位于上游的催化轉(zhuǎn)化器(3)的催化劑涂層包括拍 和鈀。
7. 如權(quán)利要求6所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)，其特征在于，在廢氣的流動方向上位于下游的催化轉(zhuǎn)化器(4)的催化劑涂層包括鉑 和鈀，其中，鈀的含量低于上游催化轉(zhuǎn)化器中的鈀的含量。
8. 如權(quán)利要求6所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，在廢氣的流動方向上位于下游的催化轉(zhuǎn)化器(4)的催化劑涂層僅包括 鉑作為催化活性成分。
9.如權(quán)利要求5-8中任一所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)， 其特征在于，第一和/或第二催化轉(zhuǎn)化器的催化劑涂層還包括沸石。
10.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)在柴油發(fā)動機(jī)的 排氣區(qū)段(1)中的應(yīng)用，以用于通過在催化轉(zhuǎn)化器上燃燒燃料或來自發(fā)動 機(jī)的未燃燒的碳?xì)浠衔锍煞謱⑾”〉膹U氣在最后的催化轉(zhuǎn)化器(4)的下 游加熱到500-70(TC之間的溫度。
11.如權(quán)利要求10所述的應(yīng)用， 其特征在于，燃料借助于配量裝置在第一催化轉(zhuǎn)化器(3)的上游噴射到廢氣流中。
12.如權(quán)利要求10所述的應(yīng)用， 其特征在于，廢氣中的未燃燒的燃料成分通過向柴油發(fā)動機(jī)的汽缸中后補(bǔ)噴射燃料 產(chǎn)生。
13.如權(quán)利要求10至12中任一所述的應(yīng)用，其用于通過由催化轉(zhuǎn)化器 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱的廢氣流來更新恢復(fù)設(shè)置在催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的下游的煙塵過 濾器(6)。
全文摘要
用于從稀薄的燃燒發(fā)動機(jī)的廢氣中去除煙塵的煙塵過濾器(6)由于煙塵的沉積而隨著操作工作時(shí)間的增長會變得堵塞，因此必須定期進(jìn)行更新恢復(fù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只有時(shí)不時(shí)地通過將廢氣溫度增大到煙塵點(diǎn)燃溫度執(zhí)行主動的更新恢復(fù)時(shí)才可以使煙塵過濾器可靠地工作。為此，氧化催化轉(zhuǎn)化器(2)通常設(shè)置在煙塵過濾器(6)的上游，且廢氣溫度通過附加噴射的燃料的催化燃燒得到增大。氧化催化轉(zhuǎn)化器(2)因此經(jīng)受高的熱負(fù)荷，因此加快老化。已經(jīng)驚訝地發(fā)現(xiàn)，如果所述氧化催化轉(zhuǎn)化器分成至少兩個(gè)分離的催化轉(zhuǎn)化器且所述分離的催化轉(zhuǎn)化器之間的距離在2-30mm之間，氧化催化轉(zhuǎn)化器(2)的老化可變慢。
文檔編號F01N3/035GK101631935SQ200880007950
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月21日
發(fā)明者G·耶斯克, O·泰塞特, P·施普克, S·弗朗茨, T·勒塔萊克, W·米勒 申請人:烏米科雷股份兩合公司