[发明专利]用于柴油发动机排放控制的多功能过滤器

说明书

提供多区域催化剂制品、制造多区域催化剂制品的方法和用多区域催化剂制品控制柴油发动机排气料流中的排放的方法，其中各种实施方案的排放处理系统通过单个多区域催化剂制品有效处理柴油机排气。

发明技术领域

本发明涉及催化剂制品、排放处理系统和处理排气方法。提供多区域催化剂制品、制造多区域催化剂制品的方法和用多区域催化剂制品控制柴油机排气料流中的排放的方法，其中各种实施方案的排放处理系统通过单个多区域催化剂制品有效处理柴油机排气。

发明背景

发动机排气，特别是柴油机排气是多相混合物，其不仅含有气态排放物，如一氧化碳(“CO”)、未燃烃(“HCs”)和氮氧化物(“NO_x”)，还含有通常被称作微粒或颗粒物(PM)的凝相材料(液体和固体)。废气排放的限制物类包括CO、HC、NO_x和PM。

通常，在柴油机排气系统中提供催化剂组合物和将该组合物布置在其上的基底以将某些或所有这些排气组分转化成无害组分。例如，柴油机排气系统可含有柴油机氧化催化剂、烟炱过滤器和用于减少NOx的催化剂的一种或多种。

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而促进柴油机排气的处理。此类催化剂通常包含在置于柴油发动机的排气中的被称作柴油机氧化催化剂(DOCs)的单元中，以在排气排放到大气中之前处理该排气。除气态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一氧化氮(NO)氧化成NO₂。

柴油机排气的总颗粒物(TPM)排放物由三种主要组分构成。一种组分是干燥的固态碳质成分或烟炱成分。这种干燥碳质物造成通常与柴油机排气联系在一起的可见烟炱排放。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可以根据柴油机排气的温度以蒸气或以气溶胶(液体冷凝物的微滴)形式存在于柴油机排气中。其通常如标准测量试验，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排气中。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和润滑油中存在的少量硫组分形成。在燃烧过程中，柴油燃料和油的硫组分形成气态SO₂和SO₃。随着排气冷却，SO₃迅速与水结合形成硫酸H₂SO₄。硫酸形成气溶胶，其与碳微粒一起作为凝相收集，或吸附到其它微粒组分上，由此增加TPM的质量。

用于大量减少颗粒物的一种关键后处理技术是柴油发动机微粒过滤器(DPF)。有许多有效地从柴油机排气中除去颗粒物的已知过滤器结构，如蜂窝壁流式过滤器、缠绕或填充纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属过滤器等。但是，如下所述陶瓷壁流式过滤器受到最多关注。这些过滤器能从柴油机排气中除去超过90％的固体碳质微粒材料。该过滤器是用于从排气中除去粒子的物理结构，并且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。遗憾的是，烟炱粒子需要超过500℃的温度才能在富氧(稀燃)排气条件下燃烧。这一温度高于柴油机排气中典型存在的温度。

通常引入措施以提高排气温度，从而实现过滤器的主动再生。催化剂的存在提供过滤器内的CO、HC和NO氧化和烟炱燃烧速率的提高。由此，催化烟炱过滤器(CSF)或催化柴油发动机微粒过滤器(CDPF)随积聚烟炱的主动燃烧一起有效提供90％颗粒物减少。