[发明专利]用于氮氧化物的选择性催化还原的催化活性材料和催化转化器

说明书

本发明涉及用于在烃类存在下使氮氧化物与氨反应的一种催化活性材料。该材料由一个内部的芯（1）组成，该内芯是由用一种或多种过渡金属交换的一种沸石或用一种或多种过渡金属交换的一种类沸石化合物构成。该催化活性材料的内芯由一个外壳（2）包围，该外壳是由一种或多种氧化物构成，这些氧化物选自下组，该组由以下各项组成：二氧化硅、二氧化锗、氧化铝、氧化钛、氧化锡、氧化铈、二氧化锆以及它们的混合氧化物。

本发明涉及一种催化活性材料和一种以其生产的催化剂，并且涉及其用于清洁柴油排气，尤其在汽车应用中的用途，该催化剂用于在柴油发动机排气中的氮氧化物的选择性催化还原，并且具有对同样存在于该柴油排气中烃类的改进的耐受性。

柴油发动机的排气包括炭烟颗粒（PM）和氮氧化物（NO_x），连同由燃料的不完全燃烧产生的一氧化碳（CO）和烃（HC）污染气体。另外，柴油发动机的排气包含高达按体积计15%的氧。已知，这些可氧化的CO和HC污染物气体可以通过将它们传送经过一种适合的氧化催化剂而转化为无害的二氧化碳（CO₂），并且微粒通过将该排气穿过一个适合的炭烟颗粒过滤器。在氧存在时从排气中去除氮氧化物的方法学在现有技术中也是众所周知的。这些“去氮氧方法”的一种是所谓的SCR方法（SCR=选择性催化还原），即，这些氮氧化物与还原剂氨在一种对其适合的催化剂（SCR催化剂）上进行选择性催化还原。在这个方法中，氨可以按原样或者以环境条件下可分解成氨的前体化合物的形式来添加到该排气流中，“环境条件”被理解为是指在SCR催化剂上游的排气流中该化合物可分解成氨的环境。该SCR方法的完成要求一个用于提供还原剂的来源、一种用于将该还原剂经计量后该如所要求地添加到排气中的注射装置、以及布置在该排气的流动路径中的SCR催化剂。被布置在该SCR催化剂的流入侧上的一种还原剂源、SCR催化剂、以及注射装置的整体还被称为一个SCR系统。

考虑到今后将会应用的法律限制，用于去除由发动机排放的所有污染气体的一种排气后处理通常将会对于所有新登记的柴油车辆是不可或缺的。因此，将柴油氧化催化剂、柴油微粒过滤器以及SCR系统进行组合对于柴油排气后处理的当前应用是必须的，并且这些单元的组合将必然引起尤其该SCR催化剂的改变的工作条件。目前，正在测试这种类型的三个系统：在根据EP1 054 722的“系统”中，一种柴油氧化催化剂、一种柴油微粒过滤器和一个SCR系统被串联地安排在该排气的流动方向上。可替代地，该SCR系统还可能被安排在一种紧密联接的柴油催化剂与在机动车辆底部的一个柴油微粒过滤器之间（DOC-SCR-DPF）或在一个由柴油氧化催化剂和柴油微粒过滤器组成的单元的上游（SCR-DOC-DPF）。

在一个排气线中柴油微粒过滤器和SCR系统的组合意味着该SCR催化剂，在特殊的工作点上，被显著长时间地暴露于比在现有应用中的情况的更高的HC浓度。对于这些增加的HC浓度，存在几个原因：

首先，发动机内燃烧现在不再是以省去昂贵的排气后处理阶段为目标而进行校准，而是从功率最优化的角度来看，具有对于作为排放物的微粒和HC类以及氮氧化物的相等的耐受性。这导致该排气后处理系统的HC污染的某一个基础水平，该排气已经具有比在使用SCR系统的迄今为止常规的应用中高得多的HC浓度。第二，该柴油微粒过滤器必须定期进行再生，并且在一种方式中，这是通过该微粒负载的受控烧尽而完成的。为此目的，该过滤器必须被加热至一个高于该碳烟点燃温度的温度。这个加热通过将燃料后注射至该缸的输出活塞冲程中或至该排气线中，并且通过在一种氧化催化剂（被称为“加热催化剂”）上的未燃烧的烃类的催化转化而进行的。通常，一种上游柴油氧化催化剂承担该加热催化剂的功能。如果这是不存在的，则该SCR催化剂可能在某些情况下也承担加热功能。在每个情况下，在该过滤器再生过程中在该SCR催化剂的上游存在较高的HC浓度，因为在点火后注入的烃类在该加热过程中是不完全催化燃烧的。在一个系统中，在其中柴油氧化催化剂和柴油微粒过滤器是在该SCR催化剂的上游，在一定的使用寿命后，存在该SCR催化剂的额外地永久的HC负载，这可归因于在柴油氧化催化剂和任选地催化涂覆的过滤器中氧化功能的水热老化。