用于TWC转化器系统的铑‑铁催化剂技术方案

公开了根据不同的材料组成和催化剂构造制造的紧耦合(CC)和地板下(UF)三元催化剂。CC催化剂和UF催化剂包括提供更大催化功能的Fe活化的Rh组合物。这些CC催化剂和UF催化剂作为TWC转化器的组成部分集成到发动机系统中，作为控制和降低发动机废气排放的TWC系统的一部分。这些TWC系统的转化性能在涡轮汽油直喷发动机内采用美国联邦测试程序(FTP‑75)和补充FTP US06协议进行评估和比较。与TWC应用中使用的基于高PGM的原始设备制造商(OEM)催化剂的催化性能相比，这些TWC系统表现出改进的催化性能。

For rhodium iron catalyst TWC converter system

The tightly coupled (CC) and underfloor (UF) three element catalysts made from different material composition and catalyst structure are disclosed. The CC catalyst and the UF catalyst include a Fe activated Rh composition that provides a greater catalytic function. These CC catalysts and UF catalysts are integrated into the engine system as part of the TWC converter as part of the TWC system to control and reduce engine exhaust emissions. The conversion performance of TWC system in Turbo direct injection gasoline engine in the United States Federal Test Procedure (FTP 75) and FTP US06 protocol are evaluated and compared. These TWC systems exhibit improved catalytic performance compared to the catalytic performance of a high PGM based original equipment manufacturer (OEM) catalyst used in TWC applications.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于TWC转化器系统的铑-铁催化剂
本公开总体涉及三元催化剂(TWC)系统应用，并且更具体地涉及包括用于减少来自发动机排气系统的排放的Rh-Fe材料组合物的TWC系统。
技术介绍
三元催化剂(TWC)系统位于内燃式燃气发动机的排气系统内，以促进未燃烧的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，并且减少排气流内的氮氧化物(NOX)。用于控制/减少HC、CO和NOX排放的常规TWC系统的成本上升主要是由于(a)在催化剂系统内存在复杂的金属化合物组和(b)获得所述金属的成本。TWC系统内的催化剂通常含有铂族金属(PGM)，例如铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)等等。Pt和Pd通常用于HC和CO的转化，而Rh对NOX的还原更有效。尽管Rh的价格趋于波动，但其在NOX转化中更高的性能使Rh成为TWC系统中最常用的元素。有三个因素影响用于减少汽车尾气排放的PGM消耗的增长趋势。第一个因素是与世界人口增长部分有关的汽车制造不断增加，要求满足其个人交通需求。第二个因素是全球排放标准的收紧，因为政府采用更严格的NOX、碳氢化合物和颗粒物排放法规。通过美国环境保护局(EPA)的加强Tier3排放标准和加州空气资源委员会实施的低排放车辆(LEVIII)计划，在美国对车辆排放标准的最近修订确认了这一因素。第三个因素是当前减少二氧化碳排放的动力，这将引导汽车制造商采用因为发动机热效率提高而降低发动机排气温度的发动机技术。由于PGM的供应有限，需求增加可能导致供应中断，以及PGM及依赖其独特性质的技术的定价过高。因此，一直需要提供一种TWC系统，其中每单位质量的PGM的催化性能被最大化并且能够提供改进的转化水平，从而可以经济有效地实现排放限制。
技术实现思路
本公开描述了根据不同的材料组成和催化剂构造制造的紧耦合(CC)和地板下(UF)三元催化剂。在一些实施例中，PGM组合物包括铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)和铑(Rh)本身或其采用不同加载量的组合。在一个实例中，PGM组合物包含单独地或与Ba加载量组合的约10g/ft3至约100g/ft3范围内的Pd加载量。在另一个实例中，PGM组合物包含单独地或者用Fe2O3活化的约1g/ft3至约10g/ft3的范围内的Rh加载量。在一些实施例中，根据美国联邦测试程序(FTP-75)和美国附加FTPUS06(SFTP-US06)测试协议，通过测量中间床和尾管排放物来构造各种TWC系统以评估其催化性能。在这些实施例中，TWC系统被构造成包括CC催化剂和UF催化剂或仅包括CC催化剂。进一步对于这些实施例，所构造的TWC系统机械地耦合到内燃机(诸如，例如Tier2bin4型涡轮汽油直接喷射(TGDI)发动机等)并且与其流体连通，用于根据FTP-75和SFTP-US06协议的排放认证测试。在其它实施例中，常规TWC系统构造有市售的基于高PGM的原始设备制造商(OEM)CC催化剂和OEMUF催化剂作为参考催化剂系统。在这些实施例中，常规的TWC系统机械地耦合到用于根据FTP-75和SFTP-US06协议测试上述TWC系统的基本上类似的发动机并且与其流体连通。在进一步的实施例中并且在根据FTP-75和SFTP-US06协议的排放测试之前，使用改进的快速老化测试(RAT)循环协议对TWC系统内的上述CC催化剂和UF催化剂进行老化。在这些实施例中，CC催化剂使用改进的RAT循环协议在约1000℃的床温下老化约50小时。进一步对于这些实施例，使用改进的RAT循环协议在约900℃的床温下将UF催化剂老化约50小时。在一些实施例中，根据FTP-75和SFTP-US06协议评估在TWC系统的中间床和尾管处测量的前述CC催化剂和UF催化剂的催化效率(加权袋结果)，并进一步与对基于高PGM的OEMCC催化剂和UF催化剂测的量的加权排放进行比较。在一个实施例中，本专利技术提供了一种用于处理燃烧发动机的排气流的催化剂系统，包括：燃烧发动机；紧耦合催化转化器，其被构造为接收来自所述燃烧发动机的至少一个排气流，所述紧耦合催化转化器包括：基材；活化涂层，其覆盖在所述基材上；分区浸渍层，其浸渍到所述活化涂层上，所述分区浸渍层包括含有铂族金属的第一区域和含有铂族金属的第二区域，其中，所述第一区域中的所述铂族金属的加载量小于所述第二区域中的所述铂族金属的加载量；以及外涂层，其覆盖所述分区浸渍层并且包含铁活化的铑和基于稀土元素的储氧材料。在一个实施例中，分区浸渍层中的铂族金属选自包括铂、钯、钌、铱和铑的组，并且优选钯具有约10g/ft3至100g/ft3、优选约49g/ft3的加载量。在根据前两段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，分区浸渍层可以还包含钡。在根据前面三个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，分区浸渍层的第一区域朝向催化转化器的入口端设置，分区浸渍的第二区域层朝向催化转化器的出口端设置。在根据前面四个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，第二区域中的铂族金属的量为第一区域中的铂族金属的量的约2.5至4倍。在根据前面五个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，第二区域中的铂族金属的加载量是第一区域中的铂族金属的加载量的约3倍。在根据前面六个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，外涂层包含具有约1至10g/ft3的加载量的铑。在根据前面七个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，外涂层包含具有4.25g/ft3的加载量的铑。在根据前面七个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，外涂层中的铁的量基于外涂层的总重量为约1至10重量百分比。在根据前面八个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，外涂层中铁的量为基于外涂层总重量的约7重量百分比。在根据前面九个段中的至少一个或多个段的催化剂系统中，活化涂层包含基于稀土元素的储氧材料和载体氧化物，所述载体氧化物选自包括氧化铝、掺杂氧化铝、氧化锆、掺杂氧化锆、氧化铈、氧化钛、氧化铌、二氧化硅和它们组合的组。在根据前面十个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，掺杂的载体氧化物掺杂有氧化物，所述氧化物选自包括钙、锶、钡、钇、镧、钕、镨、铌、硅、钽和它们组合的组。在根据前面十一个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，外涂层和活化涂层中的稀土元素选自包括镨、铈、钕和它们组合的组。在根据前面十二个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，活化涂层包含镧掺杂的氧化铝(La-Al2O3)和铈基储氧材料(Ce-basedOSM)。在根据前面十三个段中的至少一个或多个段的催化剂系统的一个实施例中，该系统可以还包括地板下催化转化器，所述地板下催化转化器在所述紧耦合催化转化器下游且与所述紧耦合催化转化器流体连通，所述地板下催化转化器包括：基材；活化涂层，其覆盖在所述基材上；浸渍层，其浸渍到所述活化涂层上；以及外涂层，其包含铁活化的铑和基于稀土元素的储氧材料。在一个实施例中，地板下催化转化器的活化涂层包含基于稀土元素的储氧材料和载体氧化物，所述载体氧化物选自包括氧化铝、掺杂氧化铝、氧化锆、掺杂氧化锆、氧化铈、氧化钛、氧化铌、二氧化硅和它们组合的组。在一个实施例中，掺杂的载本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理燃烧发动机的排气流的催化剂系统，包括：燃烧发动机；紧耦合催化转化器，其被构造为接收来自所述燃烧发动机的至少一个排气流，所述紧耦合催化转化器包括：基材；活化涂层，其覆盖在所述基材上；分区浸渍层，其浸渍到所述活化涂层上，所述分区浸渍层包括含有铂族金属的第一区域和含有铂族金属的第二区域，其中，所述第一区域中的所述铂族金属的加载量小于所述第二区域中的所述铂族金属的加载量；以及外涂层，其覆盖所述分区浸渍层并且包含铁活化的铑和基于稀土元素的储氧材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.18 US 62/163,2311.一种用于处理燃烧发动机的排气流的催化剂系统，包括：燃烧发动机；紧耦合催化转化器，其被构造为接收来自所述燃烧发动机的至少一个排气流，所述紧耦合催化转化器包括：基材；活化涂层，其覆盖在所述基材上；分区浸渍层，其浸渍到所述活化涂层上，所述分区浸渍层包括含有铂族金属的第一区域和含有铂族金属的第二区域，其中，所述第一区域中的所述铂族金属的加载量小于所述第二区域中的所述铂族金属的加载量；以及外涂层，其覆盖所述分区浸渍层并且包含铁活化的铑和基于稀土元素的储氧材料。2.根据权利要求1所述的催化剂系统，其中，所述分区浸渍层中的所述铂族金属选自包括铂、钯、钌、铱和铑的组。3.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述分区浸渍层中的所述铂族金属是具有约10g/ft3至100g/ft3的加载量的钯。4.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述分区浸渍层中的所述铂族金属是具有约49g/ft3的加载量的钯。5.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述分区浸渍层还包含钡。6.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述分区浸渍层的所述第一区域朝向所述催化转化器的入口端设置，并且所述分区浸渍层的所述第二区域朝向所述催化转化器的出口端设置。7.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述第二区域中的所述铂族金属的量为所述第一区域中的所述铂族金属的量的约2.5至4倍。8.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述第二区域中的所述铂族金属的加载量是所述第一区域中的所述铂族金属的加载量的约3倍。9.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述外涂层包含具有约1至10g/ft3的加载量的铑。10.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述外涂层包含具有约4.25g/ft3的加载量的铑。11.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述外涂层中的铁的量基于所述外涂层的总重量为约1重量百分比至10重量百分比。12.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述外涂层中的铁的量基于所述外涂层的总重量为约7重量百分比。13.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述活化涂层包含基于稀土元素的储氧材料和载体氧化物，所述载体氧化物选自包括氧化铝、掺杂氧化铝、氧化锆、掺杂氧化锆、氧化铈、钛氧化物、氧化铌、二氧化硅和它们组合的组。14.根据权利要求13所述的催化剂系统，其中，掺杂的载体氧化物掺杂有氧化物，所述氧化物选自包括钙、锶、钡、钇、镧、钕、镨、铌、硅、钽和它们组合的组。15.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述外涂层和所述活化涂层中的稀土元素选自包括镨、铈、钕和它们组合的组。16.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述活化涂层包含镧掺杂的氧化铝(La-Al2O3)和铈基储氧材料(Ce-basedOSM)。17.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂系统，其中，所述系统还包括地板下催化转化器，所述地板下催化转化器在所述紧耦合催化转化器下游且与所述紧耦合催化转化器流体连通，所述地板下催化转化器包括：基材；活化涂层，其覆盖在所述基材上；浸渍层，其浸渍到所述活化涂层上；以及外涂层，其覆盖在浸渍层上并包含铁活化的铑和基于稀土元素的储氧材料。18.根据权利要求17所述的催化剂系统，其中，所述地板下催化转化器的活化涂层包含基于稀土元素的储氧材料和载体氧化物，所述载体氧化物选自包括氧化铝、掺杂氧化铝、氧化锆、掺杂氧化锆、氧化铈、氧化钛、氧化铌、二氧化硅和它们组合的组。19.根据权利要求18所述的催化剂系统，其中，掺杂的载体氧化物掺杂有氧化物，所述氧化物选自包括钙、锶、钡、钇、镧、钕、镨、铌、硅、钽和它们组合的组。20.根据权利要求17至19中任一项所述的催化剂系统，其中，所述地板下催化转化器的所述外涂层和所述活化涂层中的稀土元素选自包括镨、铈、钕和它们组合的组。21.根据权利要求17至20中任一项所述的催化剂系统，其中，所述地板下催化转...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰道尔·L·哈特菲尔德，斯蒂芬·J·高登，约翰尼·T·吴，
申请(专利权)人：克林迪塞尔技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US