專(zhuān)利名稱(chēng)：用在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的后處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型總體上涉及有助于還原來(lái)自排氣的氮氧化物(N0X)和氨的催化劑系 統(tǒng)，更為具體地，涉及包括第一稀N0X捕集器、位于第一稀N0X捕集器下游的選擇性催化還原 催化劑、和位于選擇性催化還原催化劑下游的第二稀N0X捕集器的后處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
使用多種催化劑系統(tǒng)的后處理系統(tǒng)已經(jīng)在車(chē)輛的排氣系統(tǒng)中使用以將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸?N0X)轉(zhuǎn)化為無(wú)污染氣體例如二氧化碳、水 和氮。由于更為嚴(yán)格的燃料經(jīng)濟(jì)性和排放標(biāo)準(zhǔn)，日益需要在稀燃工況下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)以改善 燃料效率并降低二氧化碳排放。稀燃工況具有高于化學(xué)計(jì)量比(空燃比為14. 6)的空燃比。 盡管在稀燃工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)改善了燃料經(jīng)濟(jì)性，其增加了處理一些污染氣體(例如N0》的難 度。 已經(jīng)使用稀N0X捕集器(LNT)催化劑降低N0X排放。LNT在稀燃工況及富燃工況的 循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃工況下運(yùn)行時(shí)，LNT吸附NOx直至LNT達(dá)到其存儲(chǔ)容量。隨后 在富燃運(yùn)轉(zhuǎn)期間還原NO,?？商娲兀赏ㄟ^(guò)獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而向排氣中噴射入足夠量的 還原劑來(lái)實(shí)現(xiàn)N0X還原。合適的還原劑包括但不限于氫、碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?、柴油燃料?醇類(lèi)等。還原劑還原捕集器在稀燃周期吸附的N0,，凈化LNT，隨后其準(zhǔn)備好用于下一周期。 系統(tǒng)可包括富燃/稀燃周期并添加還原劑(如果需要的話(huà))。 然而，LNT中的N0X轉(zhuǎn)化通常較低。已知LNT具有"N(^泄漏(N0X slip)"問(wèn)題，其 包括在N0X捕集器運(yùn)轉(zhuǎn)的延長(zhǎng)的稀燃時(shí)期N0X的排出以及在稀燃周期向富燃周期轉(zhuǎn)換期間 產(chǎn)生的NO,峰值(N0X spike) 。 LNT中氨的產(chǎn)生是另一個(gè)問(wèn)題。 為了解決與稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的LNT相關(guān)的問(wèn)題， 一些系統(tǒng)包括其后有選擇性催化還 原(SCR)催化劑的LNT催化劑的組合。在該設(shè)置中，當(dāng)富燃運(yùn)轉(zhuǎn)期間LNT經(jīng)歷NO,還原時(shí)， 可產(chǎn)生NH3。這可用在下游的SCR中以還原泄漏穿過(guò)LNT的N0X。這些系統(tǒng)可包括噴射N(xiāo)H3 源例如尿素或原位產(chǎn)生朋3。名為"減低N0,和NH3排放的催化系統(tǒng)"(Catalyst System for the Reduction of N0X and NH3 Emissions)的美國(guó)專(zhuān)利7， 332， 135描述了一個(gè)這種系統(tǒng)， 其以引用方式合并入本文。 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了包括柴油氧化催化劑(DOC) 、 SCR和柴油微粒過(guò)濾器(DPF)催化劑 的組合的SCR系統(tǒng)。它們可設(shè)置為D0C-SCR-DPF或D0C-DPF-SCR催化劑。通常在這些系統(tǒng) 中，尿素在SCR之前定量供給入排氣中，并在SCR催化劑之前及其中轉(zhuǎn)化為NH3。測(cè)試數(shù)據(jù) 指示高NO,轉(zhuǎn)化(特別是在較低溫度下)需要在SCR催化劑表面存在大量NH3。 如果駕駛員在低溫運(yùn)轉(zhuǎn)后迅速加速(或者如果啟動(dòng)主動(dòng)DPF再生或類(lèi)似的主動(dòng)加 熱功能)，可從SCR催化劑釋放存儲(chǔ)的NH3。這可導(dǎo)致大量的NH3峰值，差不多大約1000卯m。 如果SCR之后為其它催化劑(例如DPF或NH3泄漏催化劑(slip catalyst) )，M^可取決于 催化劑和工況被轉(zhuǎn)化為N0X、 N20和/或N2。 然而，如果SCR是系統(tǒng)中最后的催化劑，NH3將被排放，其可在大氣中形成懸浮微粒
3并導(dǎo)致討厭的氣味。盡管目前沒(méi)有管制氨，環(huán)境保護(hù)局在監(jiān)測(cè)氨排放。因此，開(kāi)發(fā)出降低氨 排放的方法十分重要。 因此，需要提供高N0X轉(zhuǎn)化并降低或消除NH3排放的后處理系統(tǒng)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的包括在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中提供可改進(jìn)N0X轉(zhuǎn)化并降低氨排放的后處 理系統(tǒng)。 上述目的可通過(guò)一種用在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的后處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，該
系統(tǒng)包括與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流連通的第一催化劑、與排氣流連通并位于第一催化劑下游
的選擇性催化還原催化劑、和與排氣流連通并位于選擇性催化還原催化劑下游的稀N0X捕 集器，且其中第一催化劑限制為不是選擇性催化還原催化劑。第一催化劑中產(chǎn)生的或添加 至SCR的氨與來(lái)自第一催化劑的N0X反應(yīng)。任何來(lái)自SCR的過(guò)量的氨可將LNT上存儲(chǔ)的N0X 還原為K。 在另一實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流連通的可選第一催化劑、與 排氣流連通并位于可選第一催化劑下游的選擇性催化還原催化劑、與排氣流連通并位于選 擇性催化還原催化劑下游的可選第二催化劑、和與排氣流連通并位于可選第二催化劑和選 擇性催化還原催化劑下游的稀N0X捕集器。 通過(guò)在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道中提供后處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流 連通的第一催化劑、與排氣流連通并位于第一催化劑下游的選擇性催化還原催化劑、和與 排氣流連通并位于選擇性催化還原催化劑下游的稀N0X捕集器，且其中第一催化劑限制為 不是選擇性催化還原催化劑；并將該后處理系統(tǒng)暴露至含有NO,的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中，可以使得 至少一部分所述排氣中所含的所述N0X被轉(zhuǎn)化為N2，且至少一部分供應(yīng)至選擇性催化還原 催化劑或由其產(chǎn)生的NH3將LNT上存儲(chǔ)的N0X轉(zhuǎn)化為N2，從而提供高N0X轉(zhuǎn)化并降低或消除 NH3排放。

圖1為本實(shí)用新型后處理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1顯示了后處理系統(tǒng)5的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)10可由控制器15控制 以在發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生稀燃工況和富燃工況。 來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)10的排氣流至第一催化劑20。第一催化劑不是必需的，但如果需要的 話(huà)也可以包括。該系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)第一催化劑。如果包括有第一催化劑20，則其不 是SCR。合適的第一催化劑包括但不限于LNT、 DOC、 DPF、三元催化劑(TWC)、碳?xì)浠衔锊?集器、以及它們的組合。 LNT能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃料運(yùn)轉(zhuǎn)期間吸附來(lái)自排氣的NOx并存儲(chǔ)，隨后當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 改變?yōu)榛瘜W(xué)計(jì)量運(yùn)轉(zhuǎn)或富燃運(yùn)轉(zhuǎn)(A < 1)時(shí)將其釋放并轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。可替代地，可提高發(fā) 動(dòng)機(jī)溫度使得NOx被釋放。 LNT可為在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的任意類(lèi)型的常規(guī)LNT。 LNT通常包括包含一個(gè)
4或多個(gè)貴金屬(包括但不限于鉑、鈀、銠以及其組合)的催化劑。LNT也可包括NOx吸附材料 或NOx存儲(chǔ)成分/材料，例如堿金屬或堿土金屬(例如鋇、銫)或稀土金屬(例如鈰、和/或 鈰鋯復(fù)合物)。也可使用不含有NOx存儲(chǔ)材料的催化劑材料。這些材料支撐在粘合材料(例 如氧化鋁)上?？商娲兀部墒褂闷渌麹NT(包括但不限于基于氧化鋁的LNT)。已經(jīng)顯示出 在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中需要使用采用氧化鋁作為NO,吸附材料的LNT，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@種發(fā)動(dòng)機(jī)中遇 到的低溫下有效地存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)化NO,，在長(zhǎng)期使用中保持它們的活性，并經(jīng)歷有效的脫硫。基 于氧化鋁的LNT總體上包括催化劑、包含氧化鋁的NOx吸附材料和可選地0至4wt %的堿土 金屬氧化物。2005年12月9日申請(qǐng)的名為"基于氧化鋁的LNT和使用方法"(Alumina-Based Lean N0X Tr即System AndMethod Of Use)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/298， 805中描述了基于氧 化鋁的LNT，其以引用方式合并入本文。 另一種類(lèi)型的第一催化劑為D0C，其能夠?qū)O轉(zhuǎn)化為N02。其還將氧化和/或存儲(chǔ) 氣態(tài)碳?xì)浠衔镱?lèi)(species)和一些更重的碳?xì)浠衔镱?lèi)，它們?cè)谄渌闆r下會(huì)以在下游 LNT、 SCR和微粒過(guò)濾器上被吸附來(lái)結(jié)束?？墒褂贸Ｒ?jiàn)類(lèi)型和其它類(lèi)型的DOC。常規(guī)的DOC 在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，且通常包括載體(su卯ort)上的基于貴金屬的催化劑。貴金屬 總體上為Pt、 Pd、 Rh、 Ag、 Au等中的一個(gè)或多個(gè)。載體通常為氧化鋁、硅石、氧化鋯、氧化鈦 等或它們的組合。如果需要的話(huà)，可包括一個(gè)或多個(gè)助催化劑，例如Mn、 Mg、 Ce、 Ba等。使 用硅石-氧化鋯載體的合適的D0C的一個(gè)示例是2004年11月9日授權(quán)的名為"處理柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的方法"(Method Of TreatingDiesel Exhaust Gases)的美國(guó)專(zhuān)利6813884，其 以引用方式合并入本文。 第一催化劑可為DPF，其捕獲含碳微粒材料并轉(zhuǎn)化N0X化合物?？墒褂萌我忸?lèi)型的 常見(jiàn)DPF。 在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中TWC可用作第一催化劑。TWC能夠?qū)O和碳?xì)浠衔镅趸癁镃02 和1120。 TWC還可將N0x轉(zhuǎn)化為N2或可選地將N0x轉(zhuǎn)化為NH3。可使用任意類(lèi)型的常見(jiàn)TWC。 常見(jiàn)TWC在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，且通常包括Pt、 Pd、 Rh、 Ag、 Au、 Ir等中的一個(gè)或多個(gè)。 載體通常為氧化鋁、硅石、氧化鋯、氧化鈦等或其組合。如果需要的話(huà)，可包括一個(gè)或多個(gè)助 催化齊U，例如Mn、 Mg、 Ce、 Ba等。 排氣從第一催化劑20流向SCR 25。 SCR 25能夠存儲(chǔ)NH3并將氮氧化物例如NO 和冊(cè)2還原為氮?dú)?N2)或一氧化二氮(N20)。如果需要的話(huà)，可在SCR 25之前的30處噴射 還原劑例如氨、尿素、氫、醇類(lèi)、碳?xì)浠衔锖?或柴油燃料以協(xié)助還原。可替代地，可在原 位(例如在LNT上)產(chǎn)生氨。常見(jiàn)SCR在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知。它們通常包括高表面積 載體(例如氧化鋁、硅石、氧化鈦、氧化鋯、碳化硅、堇青石、沸石或其組合)上的賤金屬催化 劑。例如，其可為包括但不限于Cu、Fe、Ce、Mn的賤金屬或其組合。可替代地，可使用通常 含有Ti和W的基于釩的SCR催化劑。賤金屬通常能夠使用氨實(shí)現(xiàn)N0X轉(zhuǎn)化同時(shí)賤金屬和 高表面積載體材料均用于存儲(chǔ)NH3。 排氣從SCR 25流向一個(gè)或多個(gè)第二催化劑35。第二催化劑不是必需的，但如果需 要的話(huà)可以包括。該系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)第二催化劑。合適的第二催化劑包括但不限于 D0C、 DPF、 LNT、 NH3泄漏催化劑、碳?xì)浠衔锊都骷捌浣M合。 在一個(gè)實(shí)施例中，第一催化劑為DOC，其后為SCR，再其后為第二催化劑，其為DPF。 在另一實(shí)施例中，可以有兩個(gè)第一催化劑，其可為一個(gè)DOC和一個(gè)DPF。它們均可位于SCR25的上游。 排氣從第二催化劑35流向LNT 40。 LNT作用為選擇用于氮?dú)獾陌毙孤┐呋瘎Ｔ?正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間LNT 40捕集任何泄漏穿過(guò)SCR 25的N0X。另外，在從SCR 25發(fā)生NH3泄漏時(shí) 的迅速瞬間，NH3可將LNT存儲(chǔ)的N0X還原為N2。這改善了 N0X轉(zhuǎn)化并降低或消除了 NH3排 放。可使用任意常見(jiàn)或非常見(jiàn)LNT(如上所述)。LNT(第一和/或第二)希望為在非常低 的溫度下(例如低至大約室溫)存儲(chǔ)N0X的LNT。以這種類(lèi)型的LNT比以其它類(lèi)型的LNT 常常更容易去除存儲(chǔ)的硫。 LNT可不需要以富燃運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)歷N0X還原，因?yàn)槟康脑谟诖鎯?chǔ)N0X直至釋放NH3。然 而，如果需要的話(huà)也可使用通常用于LNT系統(tǒng)的任何方式的富化。 總體上LNT的一個(gè)問(wèn)題在于硫中毒。在該系統(tǒng)中，在上游DOC和SCR中將至少部 分捕集硫。催化劑將在加熱時(shí)釋放硫，其可在例如滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)或主動(dòng)DPF再生的工況下發(fā) 生?？蛇x擇LNT存儲(chǔ)材料(例如Ce或氧化鋁)使得其甚至在稀排氣中在DPF再生溫度下 脫附硫。這是可能的因?yàn)閮H需要LNT的NOx存儲(chǔ)功能僅要求在低溫運(yùn)轉(zhuǎn)下可用。朋3釋放 發(fā)生于從冷工況向熱工況的轉(zhuǎn)換中?？商娲兀绻枰脑?huà)也可采用如常見(jiàn)LNT運(yùn)轉(zhuǎn)中 使用的熱/富SOj兌附模式。 后處理系統(tǒng)不必要包括第二催化劑。在那種情況下，SCR位于LNT之前。任何存 儲(chǔ)在SCR中或由其產(chǎn)生的NH3可將LNT上存儲(chǔ)的N0X還原為N2，從而降低或消除NH3排放， 并改善N0X轉(zhuǎn)化。 催化劑可以任意已知方法制成，包括但不限于將催化劑涂覆在載體上，或擠壓催 化劑。 可分離或組合多種催化劑。例如，SCR和LNT可放置在分離的催化劑基質(zhì) (substrate)上，或者它們可合并入單個(gè)基質(zhì)和/或單個(gè)轉(zhuǎn)化器罐內(nèi)?？赏ㄟ^(guò)對(duì)SCR和LNT 基質(zhì)切片(slicing)來(lái)組合催化劑以產(chǎn)生分離區(qū)域。可替代地，可將催化劑化合物合并入 相同基質(zhì)上的分離層或組合層內(nèi)?？稍趩螇K基質(zhì)的小孔內(nèi)作出這些組合，其將允許SCR和 LNT催化劑與DPF相組合。美國(guó)專(zhuān)利7， 332， 135和7， 225， 613中描述了合適的組合催化劑， 其以引用的方式合并入本文。其它類(lèi)型的組合由于在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知因而也是可以 的。 后處理系統(tǒng)可用在所有類(lèi)型的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，包括汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、和氫 發(fā)動(dòng)機(jī)。 盡管出于說(shuō)明本實(shí)用新型的目的已經(jīng)顯示了某些代表性實(shí)施例和細(xì)節(jié)，對(duì)于本領(lǐng) 域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是可對(duì)本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的裝置作出多種改變而不脫離由權(quán)利要求限 定的本實(shí)用新型的范圍。
權(quán)利要求一種用在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的后處理系統(tǒng)，其特征在于，包含與來(lái)自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流連通的第一催化劑；與所述排氣流連通并位于所述第一催化劑下游的選擇性催化還原催化劑；和與所述排氣流連通并位于所述選擇性催化還原催化劑下游的稀NOx捕集器；其中所述第一催化劑限制為不是選擇性催化還原催化劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一催化劑選自稀NO,捕集器、柴油 氧化催化劑、柴油微粒過(guò)濾器、三元催化劑、碳?xì)浠衔锊都骷捌浣M合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包含與所述排氣流連通并位于所 述選擇性催化還原催化劑下游和所述稀N0X捕集器上游的第二催化劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二催化劑選自稀N0X捕集器、柴油 氧化催化劑、柴油微粒過(guò)濾器、三元催化劑、碳?xì)浠衔锊都鳌H3泄漏催化劑及其組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一催化劑為柴油微粒過(guò)濾器，且所 述第二催化劑為柴油氧化催化劑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一催化劑為柴油微粒過(guò)濾器和柴 油氧化催化劑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述稀N0X捕集器包含載體、所述載體上 的貴金屬催化劑、及可選地所述載體上的一個(gè)或多個(gè)堿金屬氧化物或堿土金屬氧化物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述選擇性催化還原催化劑包含載體、和 在所述載體上的包含賤金屬氧化物或沸石的催化劑。
9. 一種用在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的后處理系統(tǒng)，其特征在于，包含 與來(lái)自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流連通的可選第一催化劑；與所述排氣流連通并位于所述可選第一催化劑下游的選擇性催化還原催化劑； 與所述排氣流連通并位于所述選擇性催化還原催化劑下游的可選第二催化劑；禾口 與所述排氣流連通并位于所述可選第二催化劑和所述選擇性催化還原催化劑下游的 稀NO,捕集器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可選第一催化劑選自稀N0X捕集器、 柴油氧化催化劑、柴油微粒過(guò)濾器、三元催化劑、碳?xì)浠衔锊都骷捌浣M合，且所述可選 第二催化劑選自稀N0X捕集器、柴油氧化催化劑、柴油微粒過(guò)濾器、三元催化劑、碳?xì)浠衔?捕集器、NH3泄漏催化劑及其組合。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用在稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的后處理系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，后處理系統(tǒng)包括與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流連通的第一催化劑、與排氣流連通并位于第一催化劑下游的選擇性催化還原催化劑、和與排氣流連通并位于選擇性催化還原催化劑下游的稀NOx捕集器，且其中第一催化劑限制為不是選擇性催化還原催化劑。通過(guò)本實(shí)用新型可以改進(jìn)NOx轉(zhuǎn)化并降低氨排放。
文檔編號(hào)F01N3/08GK201513221SQ20092017475
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者喬瓦尼·卡瓦泰奧, 徐立峰, 約翰·威廉·霍德 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司