[发明专利]具有膜的催化壁流式过滤器

说明书

技术领域

本发明涉及适用于排放处理系统(例如汽车内燃排气系统)的催化壁流式整料(monolith)。该整料提供了一种用于处理发动机废气流的有效方法。

背景技术

包括柴油发动机在内的内燃机的排放受到全球政府正在实施的法规的限制。制造商正在寻求通过发动机设计和废气后处理的组合来满足这些立法要求。用于进行废气后处理的排气系统通常包括一系列催化剂和/或过滤器，这些催化剂和/或过滤器被设计成进行用于降低这种法规所限制的废气种类的比例的某些反应。

柴油发动机废气流是一种不均匀混合物，其不仅包含气态排放物如一氧化碳(“CO”)、未燃烧的烃(“HC”)和氮氧化物(“NO_x”)，而且还包含构成所谓颗粒或颗粒物质的冷凝相材料(液体和固体)。常常在柴油发动机排气系统中提供催化剂组合物以及在其上布置组合物的基底，以将这些废气组分中的一些或全部转化为无害组分。例如，柴油机排气系统可以包含柴油机氧化催化剂、烟灰过滤器和用于还原NO_x的催化剂中的一种或多种。

柴油机废气流的总颗粒物质排放物包括固态干燥的碳质级分，即所谓的烟灰级分。这种干燥的碳质物质为通常与柴油机废气相关联的可见烟灰排放物作出了贡献。

用于高颗粒物质减少的一项关键后处理技术是柴油机颗粒过滤器。存在许多已知的可从柴油机废气流中有效除去颗粒物质的过滤器结构，例如蜂窝壁流式过滤器、缠绕或填充式纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属过滤器等。但是，下面描述的陶瓷壁流式过滤器受到最多关注。这些过滤器能够从柴油机废气流中除去超过90％的颗粒物质。该过滤器是用于从废气流中除去颗粒的物理结构，并且累积的颗粒将增加对发动机的来自过滤器的背压。因此必须连续地或周期性地从过滤器烧除累积的颗粒，以保持可接受的背压。遗憾的是，碳烟灰颗粒需要超过500℃的温度以在富(贫)氧排气条件下燃烧。这个温度高于柴油机废气流中所典型存在的温度。

因此需要主动燃烧累积的烟灰以促进过滤器再生。主动过滤器再生的一种形式是间歇地将额外的烃类燃料引入到废气中并使其燃烧以便提高过滤器温度。额外的烃类燃料的燃烧可以通过用合适的助燃催化剂涂覆过滤器而在过滤器本身上进行。经适当催化的过滤器通常被称为催化烟灰过滤器或CSF。

在主动再生期间，CSF可能需要达到大约600℃的温度以允许以足够的速率除去(燃烧)颗粒物质。但是，如果在主动再生事件期间出现低废气流量的周期，例如当发动机/车辆空转时，减少的气体流量阻止了热量从CSF中移除。这可导致过滤器的一些部分达到超过1000℃的温度。这样的高温可导致两个主要问题。首先，催化剂会烧结，从而降低了其表面积并且因此催化剂活性丧失。其次，在基底中可出现高的热梯度，导致由热膨胀差异引起的机械应力。在极端条件下，所述热梯度和应力会导致基底破裂，从而导致CSF的完整性的丧失。

因此，挑战在于控制CSF的主动再生，以使得其可以达到足够高的温度以除去颗粒物质，但不会高到对催化剂和/或过滤器基底造成损害。

如上所述，柴油机废气流还包含NO_x。经过验证的应用于贫排气条件下的固定来源的NO_x减少技术是选择性催化还原(SCR)。在此过程中，在通常由贱金属组成的催化剂上，用氨(NH₃)将NO_x还原成氮气(N₂)。该技术能够进行大于90％的NO_x还原，因此它是实现积极的NO_x还原目标的最佳途径之一。只要排气温度在催化剂的主动温度范围内，SCR就能提供有效的NO_x转化。

可在排气系统中提供分开的基底，所述分开的基底各自包含催化剂以处理废气的离散组分。但较少基底的使用是所希望的，以减小系统的整体尺寸，以易于系统的组装，并且降低系统的总成本。实现此目标的一个方法是利用对将NO_x转化为无害组分有效的催化剂组合物涂覆烟灰过滤器。采用这种方法，催化烟灰过滤器承担两个催化剂功能：除去废气流中的颗粒组分，并且将废气流中的NO_x组分转化为氮气。