催化剂制品及其用于过滤细小颗粒的用途制造技术

本发明专利技术提供了催化剂制品及其在用于内燃机的排气系统中的用途。该催化剂制品包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】催化剂制品及其用于过滤细小颗粒的用途


[0001]本公开涉及用于处理来自汽油发动机的废气排放物的催化剂制品，具体地涉及适用于处理尺寸小于23nm的细小颗粒排放物的壁流式过滤器。

技术介绍

[0002]强制点火发动机使用火花点火引起烃和空气混合物的燃烧。相比之下，压缩点火发动机通过将烃喷射到压缩空气中来引起烃的燃烧。强制点火发动机可以由汽油燃料、与含氧化合物(包括甲醇和/或乙醇)共混的汽油燃料、液化石油气或压缩天然气提供燃料。强制点火发动机可以是化学计量操作的发动机或贫燃操作的发动机。
[0003]三元催化剂(TWC)通常含有一种或多种铂族金属，特别是选自由铂、钯和铑组成的组的那些。
[0004]TWC旨在同时催化三个反应：
[0005](i)一氧化碳氧化成二氧化碳，
[0006](ii)未燃烧的烃氧化成二氧化碳和水；以及
[0007](iii)氮氧化物还原成氮气和氧气。
[0008]当TWC从在化学计量点处或其附近运行的发动机接收废气时，这三个反应最有效地发生。如本领域所熟知的，当汽油燃料在强制点火(例如火花点火)内燃发动机中燃烧时排放的一氧化碳(CO)、未燃烧的烃(HC)和氮氧化物(NO
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)的量主要受燃烧气缸中的空气燃料比的影响。具有化学计量平衡的组成的废气是其中氧化气体(NO
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和O2)的浓度和还原气体(HC和CO)的浓度基本上匹配的废气。产生该化学计量平衡的废气组成的空气燃料比通常为14.7∶1。
[0009]理论上，应当可以实现将化学计量平衡的废气组成中的O2、NO
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、CO和HC完全转化成CO2、H2O和N2(以及残余的O2)，这是TWC的任务。因此，理想的是，发动机应当以使得燃烧混合物的空气燃料比产生化学计量平衡的废气组成的方式操作。
[0010]限定废气的氧化气体和还原气体之间的组成平衡的方式是废气的λ值，其可以根据公式(1)被定义为：
[0011]实际的发动机空气燃料比/化学计量的发动机空气燃料比，(1)其中λ值为1表示化学计量平衡的(或化学计量的)废气组成，其中λ值＞1表示O2和NO
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过量并且组成被描述为“贫的”，并且其中λ值＜1表示HC和CO过量并且组成被描述为“富的”。在本领域中，还通常将发动机工作时的空气燃料比称为“化学计量的”、“贫的”或“富的”，具体取决于空气燃料比产生的废气组成：因此是化学计量操作的汽油发动机或贫燃汽油发动机。
[0012]应当理解，当废气组成为化学计量贫时，使用TWC将NOx还原成N2的效率较低。同样，当废气组成为富时，TWC不太能够氧化CO和HC。因此，挑战是将流到TWC中的废气的组成保持在尽可能接近化学计量组成。
[0013]当然，当发动机处于稳态时，相对容易确保空气燃料比是化学计量的。然而，当发动机用于推进车辆时，所需燃料的量根据驾驶员对发动机施加的负载需求而瞬时变化。这
使得控制空气燃料比以产生用于三元转换的化学计量废气特别困难。在实施过程中，通过发动机控制单元来控制空气燃料比，该发动机控制单元从废气氧气(EGO)(或λ)传感器接收关于废气组成的信息：所谓的闭环反馈系统。这种系统的特征在于，空气燃料比在化学计量(或控制设定)稍富的点与稍贫的点之间摇摆(或微扰)，这是因为存在与调节空气燃料比相关联的时滞。这种微扰由空气燃料比的振幅和响应频率(Hz)来表征。
[0014]典型TWC中的活性组分包括承载在高表面积氧化物上的与铑相结合的铂和钯中的一者或两者，或者甚至仅钯(没有铑)，以及储氧组分。
[0015]当废气组成比设定值稍富时，需要少量的氧气来消耗未反应的CO和HC，即，使反应更接近化学计量。相反地，当废气变得稍贫时，需要消耗过量的氧气。这通过开发在扰动期间释放或吸收氧气的储氧组分来实现。现代TWC中最常用的储氧组分(OSC)是铈氧化物(CeO2)或含铈的混合氧化物，例如Ce/Zr混合氧化物。
[0016]除了当汽油燃料在强制点火中燃烧时排放的一氧化碳(CO)、未燃烧的烃(HC)和氮氧化物(NO
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)(所有这些都可用TWC催化剂处理)之外，还存在需要考虑的颗粒排放物。
[0017]环境PM被大多数作者基于其空气动力学直径(空气动力学直径被定义为在空气中与所测量的颗粒具有相同沉降速度的1g/cm3密度球体的直径)分成以下类别：
[0018](i)PM
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空气动力学直径小于10μm的颗粒；
[0019](ii)直径低于2.5μm的细小颗粒(PM
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2.5)；
[0020](iii)直径低于0.1μm(或100nm)的超细颗粒；以及
[0021](iv)纳米颗粒，其特征在于直径小于50nm。
[0022]自1990年代中期以来，由于细小和超细颗粒可能对健康产生不利影响，从内燃机排放的颗粒的粒度分布已受到越来越多的关注。美国法律规定了环境空气中PM
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10颗粒的浓度。1997年，作为健康研究的结果，美国引入了PM
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2.5的新的附加环境空气质量标准，该健康研究指示人类死亡率和低于2.5μm的细小颗粒浓度之间的强相关性。
[0023]现在关注已转向由柴油和汽油发动机产生的纳米颗粒，因为它们被理解为比较大尺寸的颗粒更深地渗透到人肺中，并且因此它们被认为比较大的颗粒更有害，这从研究的发现外推至2.5μm
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10.0μm范围内的颗粒。
[0024]柴油颗粒的尺寸分布具有对应于颗粒成核和附聚机制的公认的双峰特征。柴油PM由许多保持非常小质量的小颗粒组成。几乎所有柴油颗粒具有显著小于1μm的尺寸，即，它们包含细小(即落入1997美国法律下)、超细和纳米颗粒的混合物。
[0025]应当理解，柴油颗粒过滤器诸如陶瓷壁流式整料可通过深层过滤和表面过滤的组合来工作：当深层过滤能力饱和并且颗粒层开始覆盖过滤表面时，在较高的烟尘负载下形成滤饼。深层过滤的特征在于比滤饼过滤稍微更低的过滤效率和更低的压降。
[0026]与柴油(压缩点火)发动机产生的PM相比，由强制点火发动机产生的PM具有显著更高比例的超细颗粒，超细颗粒具有可忽略的积聚和粗略模式，并且这对将其从强制点火发动机废气中去除以防止其排放到大气中提出了挑战。具体地，由于来源于强制点火发动机的大部分PM与柴油PM的尺寸分布相比相对较小，实际上不可能使用促进强制点火PM表面型滤饼过滤的过滤器基底，因为将需要的过滤器基底的相对低的平均孔径将在系统中产生不切实际的高背压。
[0027]此外，通常不可能使用设计用于捕集柴油PM的常规壁流式过滤器来促进来自强制
点火发动机的PM的表面型过滤以满足相关排放标准，因为在强制点火废气中通常存在较小的PM，所以不太可能形成烟尘饼；并且强制点火废气温度通常更高，这可导致通过氧化更快地去除PM，从而防止通过滤饼过滤增加PM去本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于处理来自强制点火内燃机的废气的催化剂制品，所述制品包括：基底，所述基底为壁流式过滤器，所述壁流式过滤器具有入口端和出口端以及两者间的轴向长度L、从所述入口端延伸的多个入口通道和从所述出口端延伸的多个出口通道，其中所述多个入口通道包括从所述入口端或所述出口端延伸L的至少50％的第一催化剂组合物，并且所述多个出口通道包括从所述出口端或所述入口端延伸L的至少50％的第二催化剂组合物，其中所述第一催化剂组合物和所述第二催化剂组合物重叠L的至多80％，并且其中所述第一催化剂组合物和所述第二催化剂组合物各自独立地包含具有第一D90的颗粒储氧组分(OSC)和具有第二D90的颗粒无机氧化物，并且：i)所述第一D90小于1微米并且所述第二D90为1微米至20微米；或者ii)所述第二D90小于1微米并且所述第一D90为1微米至20微米。2.根据权利要求1所述的催化剂制品，其中所述颗粒OSC具有第一D10并且所述颗粒无机氧化物具有第二D10，其中：i)当所述第一D90小于1微米并且所述第二D90为1微米至20微米时，所述第一D10为至少100nm并且所述第二D10为至少500nm；或者ii)当所述第二D90小于1微米并且所述第一D90为1微米至20微米时，所述第二D10为至少100nm并且所述第一D10为至少500nm。3.根据权利要求1或权利要求2所述的催化剂制品，其中：i)所述第一D90小于1微米并且所述第二D90为5微米至20微米，或者ii)所述第二D90小于1微米并且所述第一D90为5微米至20微米。4.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂制品，其中所述第一催化剂组合物和所述第二催化剂组合物重叠L的至多20％、最优选地L的至多10％。5.根据前述权利要求中任一项所述的催化剂制品，其中所述颗粒OSC选自由以下项组成的组：铈氧化物、锆氧化物、二氧化铈
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【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：庄信万丰股份有限公司，
类型：发明
国别省市：