[发明专利]含有SCR催化剂的部分过滤器基底和排放处理系统和处理发动机废气的方法

说明书

背景

本发明涉及在使柴油机的典型气态排放物进入大气之前处理它们的催化制品、方法和系统。该系统包括具有通常低于壁流过滤器的粒子过滤效率的部分过滤器。

柴油机废气是不仅含有气态排放物，如一氧化碳(“CO”)、未燃烃(“HC”)和氮氧化物(“NO_x”)，还含有构成所谓微粒或颗粒物的凝相材料(液体和固体)的多相混合物。常常在柴油机排气系统中提供催化剂组合物和其上存在该组合物的基底以将某些或所有这些废气组分转化成无害组分。例如，柴油机排气系统可以含有柴油机氧化催化剂、烟灰过滤器和用于还原NO_x的催化剂中的一种或多种。

含有铂族金属、贱金属及其组合的氧化催化剂已知通过促进HC和CO气态污染物以及一定比例的颗粒物经由这些污染物的氧化转化成二氧化碳和水来促进柴油机废气的处理。这类催化剂通常包含在被称作柴油机氧化催化剂(diesel oxidation catalyst，“DOC”)的单元中，所述单元位于柴油机排气装置中以便在废气排放到大气中之前处理该废气。除了气态HC、CO和颗粒物的转化外，含有铂族金属(其通常分散在耐火氧化物载体上)的氧化催化剂还促进氧化一氮(NO)氧化成NO₂。

柴油机废气的总颗粒排放物由三种主要组分构成。一种组分是固态、干燥的固体碳质成分或烟灰成分。这种干燥的碳质物引起常与柴油机废气联系在一起的可见烟灰排放物。颗粒物的第二组分是可溶有机成分(“SOF”)。可溶有机成分有时被称作挥发性有机成分(“VOF”)，在本文中将使用这一术语。VOF可以根据柴油机废气的温度以蒸气或以气溶胶(液体冷凝物的细滴)形式存在于柴油机废气中。其通常如标准测量试验，例如U.S.Heavy Duty Transient Federal Test Procedure所规定，在52℃的标准微粒收集温度下以冷凝液形式存在于稀释废气中。这些液体来自两个来源：(1)活塞每次上下时从发动机汽缸壁上扫除的润滑油；和(2)未燃烧或部分燃烧的柴油燃料。

颗粒物的第三组分是所谓的硫酸盐成分。硫酸盐成分由柴油燃料中存在的少量硫组分形成。在柴油燃烧过程中形成小比例的SO₃，其又迅速与废气中的水结合形成硫酸。硫酸作为凝相与气溶胶形式的微粒一起收集或吸附到其它微粒组分上，由此增加总颗粒物的质量。

用于大量减少颗粒物的一种后处理技术是柴油机微粒过滤器。有许多有效地从柴油机废气中除去颗粒物的已知过滤器结构，如蜂窝壁流过滤器、缠绕或填充纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属过滤器等。但是，下述陶瓷壁流过滤器受到最多关注。这些过滤器能从柴油机废气中除去超过90％的微粒材料。该过滤器是用于从废气中除去粒子的物理结构，积聚的粒子会增加发动机上来自该过滤器的背压。因此，必须从过滤器上连续或定期烧除积聚的粒子以维持可接受的背压。

氨选择性催化还原(SCR)是用于达到柴油机和贫燃(lean-burn)发动机中的严格NO_x排放目标的NO_x消除技术。在氨SCR法中，在通常由贱金属构成的催化剂上使NO_x(是指NO+NO₂之和)与氨(或氨前体，如脲)反应以形成双氮(N₂)。

含有促进NO_x的SCR的催化壁流过滤器发挥两种功能：除去废气流的微粒组分和将废气流的NO_x组分转化成N₂。可实现NO_x还原目标的SCR涂布的壁流过滤器要求在车辆中的一般空间限制下该壁流过滤器上充足的SCR催化剂组合物载量。由于暴露在废气流的某些有害组分或高温中而随时间发生的该组合物的催化效率的逐渐损失增强了对SCR催化剂组合物的更高催化剂载量的需要。但是，具有更高催化剂载量的涂布壁流过滤器的制备会造成排气系统内不可接受的高背压。背压的提高对燃料效率具有不利影响。