[发明专利]用于柴油机的排气处理系统

说明书

发明领域

本发明涉及一种排气处理系统和用于除去来自柴油机排放气流的污染物的方法。更特别地，本发明涉及一种排气处理系统和用于除去来自柴油机排放气流的颗粒物和氮氧化物的方法。

发明背景

压缩点火柴油机作为车辆动力设备具有重要的实用性和优点，这是因为它们的内在高热效率(即良好的燃料经济性)和在低速时的高扭矩。柴油机在高A/F(空气对燃料)比以及在非常贫燃料的条件下运转。因此这种柴油机具有非常低的气相烃和一氧化碳的排放。但是柴油排气的特征在于相对高的氮氧化物(NO_x)和颗粒的排放。作为在52℃下的冷凝物测量的颗粒排放物为含有固体(不可溶)碳烟尘颗粒、润滑油形式的液态烃和未燃烧的燃料、所谓的可溶形有机部分(SOF)以及所谓的SO₃+H₂O＝H₂SO₄形式的“硫酸盐”的多相。

但是，从排放的观点来看，柴油机存在的问题比它们的火花点火对立面更严重。排放问题涉及颗粒物(PM)、氮氧化物(NO_x)、未燃烧的烃(HC)和一氧化碳(CO)。NO_x是用来描述不同氮氧化物的化学物种的词语，包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)，其中NO是受关注的，因为认为它通过一系列的日光和烃存在下的反应经历被称为光化学烟雾形成的过程，且它对酸雨有显著的贡献。另一方面NO₂具有作为高潜力的氧化剂且有很强的肺部刺激性。颗粒(PM)还涉及呼吸问题。随着人们对发动机运转进行的旨在减少柴油机上的颗粒和未燃烧的烃的改进，NO₂的排放倾向于增加。

颗粒物的两个主要的组分为挥发性有机部分(VOF)和烟尘部分(烟尘)。VOF冷凝物在烟尘上的层中，并且衍生自柴油燃料和石油。VOF作为蒸气或作为气溶胶(液态冷凝物的微细液滴)可以存在于柴油排放气体中，这取决于排放气体的温度。烟尘大部分由碳颗粒组成。由于其微细的颗粒尺寸，来自柴油排放气体的颗粒物是高度可吸入的，在高度暴露的水平上造成健康危险。此外，VOF含有稠环芳烃，其中有些怀疑为致癌物质。

含有铂系金属、碱金属和它们的组合的氧化催化剂已知通过促进HC和CO气态污染物的转化和一部分颗粒物通过这些污染物氧化为二氧化碳和水而方便了柴油机排放气体的处理。这种催化剂通常包含在称为柴油氧化催化剂(DOC)的单元中，其放置在柴油机的排放气体中以在排放气体排入大气之前对其进行处理。除了转化气态HC、CO和颗粒物，含有铂系金属(其典型地分散于耐高温氧化物载体上)的氧化催化剂促进了一氧化氮(NO)氧化为NO₂。

另一方面，烟尘常规上通过与柴油机排气系统中的烟尘过滤器结合而减少。烟尘过滤器由金属丝网或更普通地由多孔性陶瓷结构组成。但是，烟尘一进入过滤器，排气系统中的背压就增加。减轻这一背压的策略是燃烧沉积在过滤器上的烟尘，因此使过滤器畅通，一些烟尘过滤器与特别用于烟尘燃烧的催化剂(烟尘燃烧催化剂)结合。但是烟尘与空气(含O₂)燃烧的温度超过了500℃，取决于积聚在其上的烟尘，这可以破坏烟尘过滤器。

用于捕集颗粒物的现有技术中已知的过滤器为壁流式过滤器。这种壁流式过滤器可以含有过滤器上的并且燃烧掉过滤的颗粒物的催化剂。通常的构造是多通道蜂窝结构，其在蜂窝状结构的上游和下游侧的交替通道的末端被堵塞。这就导致在任一末端为棋盘型图案。在上游或进口端堵塞的通道在下游或出口处开放。这就允许气体进入开放的上游通道，流过多孔性壁并从具有开放下游末端的通道流出。要处理的气体由通道开放的上游末端通过催化结构且通过堵塞住相同通道的下游末端防止了流出。气体压力使气体强制通过多孔型结构壁中的在上游末端关闭的通道和在下游末端开放的通道。这种结构主要已知从排气流中过滤器颗粒。通常这种结构具有在基质上增强颗粒氧化的催化剂。公开这种催化结构的典型的专利包括美国专利3,904,551，4,329,162，4,340,403，4,364,760，4,403,008，4,519,820，4,559,193和4,563,414。

为了将HC和CO气态污染物和颗粒，即烟尘颗粒通过催化这些污染物氧化而转化为二氧化碳和水，已知含有分散在耐高温金属氧化物载体上的铂系金属的氧化催化剂用于处理柴油机的排气中。