[发明专利]柴油机排气装置和因此的催化剂组合物

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求了申请日为2005年8月5日、题目为“柴油机排气装置和因此的催化剂组合物”的美国临时申请No.60/705,823的优先权。

发明领域

本发明涉及一种用于降低来自柴油机的有害排放物的装置和催化剂组合物，更特别涉及一种用于提高排放物中颗粒组分的氧化效率的装置。

发明背景

柴油机排气是一种非均相的混合物，其中不仅含有气态的排放物例如一氧化碳(“CO”)、未燃烧的烃(“HC”)和氧化氮(“NO_x”)，还含有冷凝相物质(液体和固体)，所述冷凝相物质由所谓的颗粒或颗粒物质组成。总的颗粒物质(“TPM”)排放物包含三种主要组分。一个组分为含碳部分或烟尘部分，这种干燥的含碳物质提供了一般与柴油机排气相关的可视烟尘排放物。

TPM的第二中组分为可溶的有机部分(“SOF”)。这种可溶的有机部分有时指的是挥发性的有机部分(“VOF”)(将用在这里的术语)。VOF可以或者作为蒸气或者作为气溶胶(冷凝液体的微小液滴)而存在于柴油机的排气中，这取决于柴油机排气的温度，并且一般以冷凝的液体形式在52℃的标准颗粒收集温度下存在于在稀释的排气中，正如标准的测量实验，例如U.S.Heavy Duty Transient Federal Test Procedure中所建议的那样。这些液体源自两个来源：(1)每次活塞上下运动由发动机圆柱壁扫下的润滑油；以及(2)未燃烧的或部分燃烧的柴油机燃料。

颗粒的第三种组分为所谓的硫酸盐部分。这种硫酸盐部分由少量的存在于柴油机燃料中的硫组分形成。柴油燃烧期间形成了少部分的SO₃，这反过来又快速地与在排气中的水结合以形成硫酸。硫酸作为冷凝相与颗粒一起收集成为气溶胶，或者吸收于其他颗粒组分上，并且因此加入到TPM物质中。

一种当前用于高水平的颗粒降低的关键的后处理技术为柴油机颗粒物过滤器。有许多已知的过滤器结构可用于从柴油机排气中除去颗粒，包括蜂窝壁流过滤器、绕线式或填充式纤维过滤器、开放小室泡沫过滤器，烧结金属过滤器等。然而下述的陶瓷壁流过滤器得到了最多的关注。这些过滤器能够除去超过90％的来自于柴油机排气的颗粒物质，所述过滤器为用于除去来自排气的颗粒的物理结构，随着颗粒积聚在过滤器上，使来自于柴油机上过滤器的背压增加，因此，积聚的颗粒必须连续或间歇从过滤器中燃尽以保持可接受的背压。不幸的是，碳烟尘颗粒要求超过500到550℃的温度以在富氧(贫)排气的条件下燃烧。这是比典型的柴油机排气温度更高的温度，为了给过滤器提供钝态的再生，通常引入供给物以降低烟尘的燃烧温度。已经发现催化剂的存在促进了烟尘的燃烧且因此过滤器在实际负荷循环下柴油机排气中可以达到的温度下再生。在这种方法中催化的烟尘过滤器(CSF)或催化的柴油颗粒过滤器(CDPF)可以是有效的提供与积聚烟尘钝态燃尽一起的大于90％的颗粒降低，且由过滤器再生的方法。

困扰低孔CSF使用的经常发生的问题是由于在过滤器上过快形成颗粒物质所导致的，特别是在较低的柴油机排气温度下。例如在低负载和启动的条件下观察到了较低的柴油机排气温度，在较低的柴油机排气温度下，位于过滤器上的催化剂催化在过滤器上收集的颗粒物质燃烧的效率较低，排气系统中的背压增加。过去采用了不同的应对在CSFs上颗粒形成以及后来建立背压的策略，如下所述。

例如美国专利No.4,902487公开了一种用于柴油机排气处理的方法，其中在排出前，排气穿过过滤器以除去那里的颗粒，且沉积在过滤器上的颗粒与在排气流中催化形成的含有氧化氮(NO₂)的气体一起燃烧。其公开了将催化剂放入过滤器的上游以达到这一目的。公开的上游催化剂在柴油机排气流中生成含有一氧化氮(NO)的NO₂。

GB1,014,498公开了用于过滤和纯化含有固体颗粒的内燃机排气的方法和装置。通过气体快速向外穿过适合保持更大的颗粒的小球型氧化催化剂的第一过滤器且之后快速向外穿过周围的并适合保持更小尺寸颗粒的第二过滤器，排气的速率逐渐降低。第一过滤器由小球组成，所述小球是难熔且耐磨损的，并用活性催化剂物质浸渍(例如，氧化铝颗粒通过具有1.5至5mm直径的氧化钴(Co₂O₄)浸渍)。虽然其他的物质也可用于形成第二过滤器，但是第二过滤器由合成纤维组成。