[发明专利]用于TWC应用的协同的PGM紧耦合催化剂

说明书

背景技术

发明领域

本发明通常涉及用于三效催化剂(three-way catalyst，TWC)应用的催化剂材料，并且更具体地，涉及用于降低来自于发动机排气系统的排放的协同的铂族金属(PGM)TWC催化剂构造。

背景信息

用于处理发动机废气的三效催化剂(TWC)转化器的效率受到供给到发动机的空气与燃料比(A/F)的影响。在化学计量比A/F比时，燃烧会产生燃料的完全消耗，这是因为对于氧化和还原转化二者来说催化转化效率都是高的。保持有效的燃料消耗需要使用燃料控制系统，其被设计用来将A/F比保持在接近于化学计量比的窄的范围。A/F比的波动称作A/F扰动(perturbation)。

标准TWC系统

图1是一个方块图，其显示了发动机系统的常规的三效催化剂(TWC)系统部分，其包括具有PGM和Ce基储氧的标准铂族金属(PGM)紧耦合催化剂(close-coupled catalyst，CCC)和PGM地板下催化剂(underfloor catalyst)。在图1中，发动机系统100包括发动机104和TWC系统110。TWC系统110进一步包括标准PGM CCC102、PGM地板下催化剂106和分析点P108。在图1中，发动机104机械耦合到TWC系统110上并与之流体连通。在TWC系统110中，标准PGM CCC102机械耦合到PGM地板下催化剂106上并与之流体连通。

在图1中，点P108位于标准PGM CCC102的入口端口。在点P108处，当初始贫含间隔的A/F比大于化学计量比值时，产生了空气-燃料(A/F)扰动。这个初始贫含间隔之后是一系列的富含间隔的A/F比，其低于化学计量比值。所述系列的富含间隔的A/F比与贫含间隔的A/F比交替，这是因为发动机控制系统对位于TWC系统之前的废气传感器(未示出)做出反应。

在常规的TWC系统中，标准PGM CCC102的催化转化能力的效率值是基于初始贫含间隔之后的A/F扰动的数目来确定的。因为A/F扰动典型地在分析点P108在低频率时具有高的振幅，因此标准PGM CCC102的催化转化效率受到来自于发动机104的A/F比的这些宽的波动的影响。

因此，需要这样的TWC系统，其具有改进的性能来满足对于汽车排气系统的严格的政府法规。还需要以成本有效方式来这样做。

发明内容

本发明描述了用于协同的铂族金属(SPGM)催化剂系统的三效催化剂(TWC)系统构造。

在一些实施方案中，TWC系统被配置为包括：SPGM系统，其具有充当了预催化剂的前尖晶石区，其目的是增加SPGM系统作为预储氧材料的储氧功能，和标准紧耦合催化剂(CCC)，其含有铂族金属(PGM)和Ce基储氧材料；和地板下或者清除催化剂，其包括PGM材料。在另一实施方案中，该TWC系统被配置为包括SPGM系统，其具有充当了预催化剂的前尖晶石区，其同样目的是增加SPGM系统作为预储氧材料的储氧功能，和标准紧耦合催化剂(CCC)，其包括PGM和Ce基储氧材料。

在这些实施方案中，在到达标准CCC之前，该前尖晶石区将空气/燃料(A/F)比振荡衰减到在前尖晶石区输出处所测量的低振幅A/F比振荡。A/F比振荡的衰减显示了前尖晶石区对于标准CCC的作用，因为标准CCC的催化转化效率明显增强，甚至与含有低PGM负载量的标准CCC相比也是如此。除了这些实施方案之外，可以产生包括多个二元尖晶石组合物的前尖晶石区。可以产生这些二元尖晶石结构的合适材料的实例是铝、镁、锰、镓、镍、铜、银、钴、铁、铬、钛、锡或者其混合物。仍然除了这些实施方案之外，该前尖晶石区体现为约1或2英寸的涂层，其采用任何常规的合成方法使用可以提供明显热稳定性的尖晶石材料组合物的配料来制备。在一个示例性实施方案中，该前尖晶石区包含Cu-Mn尖晶石结构。

在一些实施方案中，A/F比的λ振荡波形显示了所公开的包括前尖晶石区和标准CCC的TWC系统的协同效应。

在其他实施方案中，SPGM系统样品是使用对于标准CCC的各种PGM负载量来制备的。该SPGM系统样品包括但不限于钯(Pd)和铑(Rh)的PGM材料组合物的组合，或者单独的Pd的PGM材料组合物。在这些实施方案中，所公开的SPGM系统的CCC被配置为包括PGM催化剂材料层和Ce基储氧材料层。在一个示例性实施方案中，前尖晶石区是使用对于高热稳定性的二元尖晶石来说合适的负载量的Cu和Mn溶液来制备的，其可以使用任何常规的化学技术来合成，并随后涂覆到CCC上。