包含镍铜催化剂的微粒过滤器制造技术

本发明专利技术提供了一种用于车辆发动机排气装置中的微粒过滤器，该微粒过滤器包括含有镍和铜的混合物的催化剂。催化剂浸渍到过滤器基板里，过滤器基板与镍和铜无反应。当在车辆尾气处理系统中使用时，过滤器上的催化剂改进了碳烟在低温下的烧尽，对减少CO和NOX排放物提供了胜于使用传统的三元催化剂涂层的增加的效率，并且提供了增强的储氧能力(OSC)以及水煤气变换(WGS)功能。

【技术实现步骤摘要】
包含镍铜催化剂的微粒过滤器
这里描述的实施例涉及一种用于捕获汽油或柴油发动机的排气装置中的微粒的微粒过滤器，以及更具体地涉及一种包括含镍和铜的混合物的催化剂的微粒过滤器。
技术介绍
最近几年中，美国的政府法规已经限制了颗粒排放，这已经迫使从柴油和汽油发动机排放物中去除微粒的改进。这样的微粒总体上由碳烟形式的碳质微粒组成。当前，从发动机排气装置中去除碳烟的最常用方法是使用放置在发动机排气装置中的微粒过滤器，该微粒过滤器收集碳烟，同时允许尾气通过。收集的微粒物质然后在高温下烧尽(氧化)以清洁和再生过滤器。为了防止过滤器变得堵塞，必须发生沉积微粒的再生，过滤器堵塞可以引起至发动机的背压的不良上升。然而，目前使用的大多数商用过滤器在正常操作条件下所遇到的温度下燃烧沉积微粒是不起作用的。为了降低烧尽温度，已经对过滤器施加催化剂涂层(washcoat)以促进碳烟在较低温度下燃烧，典型地在大约300℃至400℃的范围内。这样的涂层典型地包含比如铂、钯和铑这样的贵金属，以及由例如氧化铝、二氧化铈或二氧化铈-氧化锆组成的支承材料。然而，由于铂系金属的高成本，生产这样的催化碳烟过滤器通常是昂贵的。这样的催化过滤器的另一个缺点是涂层的大部分是由支承材料组成，活性催化剂金属主要存在于支承物的内部孔隙中。因此，限制了活性金属和沉积微粒之间的直接接触。虽然涂层的量可以增加以增强接触，但这导致了发动机中增加的背压的不良影响。此外，在发动机排气装置的温度足够高到用于再生的情况下，发动机可以在存在用于沉积微粒的完全烧尽的氧气不足的条件下操作。尽管比如铈基氧化物这样的储氧能力(OSC)材料的加入可以提供额外的氧气，但是在一些车辆操作中，传统的OSC材料不产生为完全烧尽所需要的足够量的氧气。因此，本领域需要一种微粒过滤器，该微粒过滤器包括在其上的催化剂，该催化剂提供在低温下的改进的碳烟氧化，该微粒过滤器不需要使用铂系金属，该微粒过滤器提供用于微粒烧尽的足够的储氧能力并且不引起发动机背压的增加。
技术实现思路
通过提供包括浸渍在过滤器基板中的、包含镍和铜的混合物的催化剂(这里也称为镍铜催化剂)的微粒过滤器，本专利技术的实施例满足了那些需要。当放置在车辆排气装置中时，包含催化剂的过滤器提供了在从大约200℃至1000℃的低温下的改进的碳烟/碳的烧尽、提高的CO的氧化比率以及提高的氮氧化合物的还原，并且为碳烟和CO的氧化提供了足够的储氧能力。包含镍铜催化剂的过滤器通过起催化作用的水煤气变换(WGS)，还提供了一氧化碳和NOX的去除。根据本专利技术的一个方面，提供用于柴油或汽油发动机的微粒过滤器，该微粒过滤器包含过滤器基板和包含浸渍在过滤器基板中的镍和铜的混合物的催化剂，其中过滤器基板与镍和铜不反应。通过“与镍和铜不反应”，意味着过滤器基板不包含比如氧化铝或铝酸镁这样的材料，该材料能够与铜或镍不利地反应并降低催化剂作用或引起催化剂的去活化。通过“浸渍”，我们的意思是催化剂渗透过滤器，即，它放置在过滤器的壁内并且也可以存在于壁的表面。Ni-Cu的这种分布提供了Ni-Cu颗粒与碳烟微粒在过滤器壁上的直接接触，这增强了碳烟燃烧的效率。还使背压增加减到最小，因为不存在可能堵塞过滤器的气体渗透孔隙的块体支承材料。在一个实施例中，催化剂实质上无贵金属。过滤器基板优选地包含选自由金属氧化物、堇青石、钛酸铝、碳化硅以及多铝红柱石组成的群组中的材料。镍铜催化剂优选地以大约0.1和100wt％之间的担载量浸渍在过滤器基板中，以及更优选地，从大约1.0至大约50wt％(基于相对于基板的重量的催化剂的重量)。镍优选地以大约0.1和99wt％之间的担载量浸渍在基板中，以及更优选地，大约10wt％，并且铜优选地以大约0.1和99wt％之间的担载量浸渍，以及更优选地，大约10wt％。在一个实施例中，混合物中的镍与铜的重量比是从大约99：1至50：50。在另一个实施例中，镍与铜的重量比是从大约50：50至1：99。优选地，镍与铜的重量比是从大约99：1至50：50。在本专利技术的另一个实施例中，提供一种在微粒过滤器上提供催化剂的方法，该方法包括提供与镍和铜不反应的过滤器基板；以及用包含以下溶液的混合物的催化剂：选自硝酸镍、醋酸镍、碳酸镍、硫酸镍以及其组合的镍溶液；以及选自硝酸铜、醋酸铜、碳酸铜、硫酸铜以及其组合的铜溶液。在该方法中，镍和铜溶液在被分散到过滤器基板中之前混合在一起，使得溶液适宜浸渍到过滤器中。在本专利技术的又一个实施例中，提供包含放置在排气流中的微粒过滤器的车辆尾气处理系统，其中微粒过滤器包括入口、出口和多个多孔壁。过滤器包含基板，该基板包括浸渍在其中的镍铜催化剂，其中过滤器基板与镍和铜不反应。微粒过滤器优选地包括多个由多孔壁隔开的通道，其中通道在一端开口并且在相对端塞紧，以在尾气通过多孔过滤器壁的同时在其中捕捉颗粒。包括过滤器的尾气处理系统在从大约200℃至1000℃的温度下烧尽碳和碳烟。包括过滤器/催化剂的尾气处理系统还显示出在大约200℃至大约1000℃之间的温度下至少90％的CO转化效率。此外，过滤器中的镍铜催化剂提供大约0.3摩尔O/ft3至大约350摩尔O/ft3的补充储氧能力。催化剂还提供在大约200℃至800℃的温度下的50至100％的平衡转化率的水煤气变换活性。在发动机操作中，过滤器可以通过被动再生而再生，在被动再生中维持足够的氧气水平和温度，使得碳烟不断地从过滤器中去除。在使用Ni-Cu催化剂的情况下，碳烟氧化的温度范围比先前系统所用的温度范围更宽广，是大约200℃到1000℃。此外，由于Ni-Cu催化剂的储氧能力，甚至可在富燃发动机条件下提供使碳烟氧化的氧气的来源。包括Ni-Cu催化剂的处理系统烧尽从大约90至100％的沉积在过滤器上的碳烟，以及更优选地，实质上提供CO2的完全氧化。Ni-Cu催化剂还为碳烟和CO在200℃和1000℃之间的温度下的缺氧条件下的氧化提供足够的储氧能力，并且为NOX在大约250℃至1000℃之间的温度下的去除提供足够的储氧能力。因此，本专利技术的实施例的一特征是提供一种包括镍铜催化剂的微粒过滤器，该微粒过滤器提供在低温下的颗粒的提高的碳烟氧化、提供用于减少来自车辆尾气中的CO和NOX的补充的氧气容量、提供低的背压增加并且通过水煤气变换(WGS)反应提供CO和NOX的进一步去除。根据下述说明书、附图和权利要求，本专利技术的其它特征和优点将显而易见。附图说明图1是根据本专利技术的一实施例的微粒过滤器的示意图，该微粒过滤器包括浸渍在其中的镍铜催化剂；图2是根据本专利技术的一实施例的包括放置在尾气处理系统中的镍铜催化剂的微粒过滤器的示意图；图3A是说明根据本专利技术的一实施例的堇青石上的镍铜催化剂的CO转化效率的图表；图3B是说明堇青石上包含镍的催化剂的CO转化效率的图表(比较示例)；图4是说明包含镍铜催化剂的过滤器的储氧能力(OSC)与包含传统的TWC涂层的过滤器的储氧能力(OSC)的比较的图表；图5A是说明包含镍铜催化剂的过滤器的CO2排放和再生的图表；图5B是说明包含TWC催化剂的过滤器的CO2排放和再生的图表；以及图6是说明Ni-Cu催化剂和商用TWC催化剂之间的压力下降对比的图表。具体实施方式包括镍铜催化剂的微粒过滤器的使用提供超过包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微粒过滤器，其特征在于，包含：过滤器基板；包含浸渍在所述基板中的镍和铜的混合物的催化剂；其中所述过滤器基板与镍和铜无反应。

【技术特征摘要】
2013.06.03 US 13/908,4751.一种微粒过滤器，其特征在于，包含：过滤器基板；包含浸渍在所述基板中的镍和铜的混合物的催化剂；其中所述过滤器基板与镍和铜无反应，并且其中所述催化剂在没有金属氧化物涂层的情况下被直接装载。2.根据权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述催化剂实质上无贵金属。3.根据权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述过滤器基板包含选自由堇青石、钛酸铝、碳化硅以及多铝红柱石组成的群组中的材料。4.根据权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述镍和铜的混合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·罗伯特·沃纳，道格拉斯·艾伦·多布森，洪温·珍，乔瓦尼·卡瓦塔约，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US