[发明专利]组合的逸失催化剂和烃放热催化剂

说明书

相关申请的参考

该申请主张于2010年9月15日提交的美国临时申请61/383,112号的优先权，通过参考以其完整的形式并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及贫燃发动机的排放控制，更具体地，涉及有助于烃的放热氧化并从尾气中除去含氮污染物气体两方面的催化剂。

发明背景

由于环境问题，所以一直需要减少内燃机的排放。本文中特别关注的是使用贫空气/燃料混合物运行的内燃机，称作“贫燃发动机”。普通的贫燃发动机是柴油机。在贫燃发动机的尾气中的排放物能够分为两类：一次排放物和二次排放物。一次排放物涉及通过燃料在发动机中的燃烧过程而直接形成的并在穿过尾气净化装置之前存在于原始排放物中的污染物气体。贫燃发动机的尾气包含一氧化碳(CO)、烃(HC)、氮氧化物(NOx)和烟粒(也称作微粒物质或PM)的普通一次排放物以及高达15体积%的相对高的氧气含量。二次排放物为在尾气净化单元中作为副产物形成的污染物气体。这种二次排放物可包括例如如下所述的“逸失（slip）”的氨(NH₃)和NOx。

排放物控制系统具有各种构造。例如参考图1，显示了柴油机的典型的排放物控制系统100。就在尾气离开发动机(未示出)之后，柴油机氧化催化剂(DOC)101对诸如未耗尽的燃料(烃)和一氧化碳的主要污染物进行氧化以使其无害。其他主要污染物如NOx不能被氧化，但改为必须将其还原成氮气。然而，还原NOx，因为尾气流股中的高氧气含量而更加困难。

在氧气存在下从尾气中除去NOx的已知方法是选择性催化还原(SCR)工艺。在如图1中所示的合适催化剂即SCR催化剂103上，SCR使用氨作为还原剂。使用注射喷嘴102将还原剂引入尾气气门机构（train）中。作为氨的替代，能够将易于分解成氨的化合物如脲用于该用途。

为了确保NOx的完全还原，必须以对氮氧化物至少为化学计量比的方式向尾气中添加氨，并优选过量的氨以提高NOx的转化率。然而，过量的氨显著提高了氨滑流过SCR催化剂并变为二次排放物的风险。将突破或滑流过SCR催化剂的氨称作“逸失氨”。由于氨是即使在低浓度下仍具有穿透性气味的气体，所以期望减少逸失氨。然而，因为机动车辆的波动运行条件(例如加速/减速)而在机动车辆的内燃机中难以对氨进行精确计量。因此，不可避免地向系统中注入过量的氨，导致在SCR催化剂下游造成大量的氨的逸失。

系统100还包含位于SCR103之后的柴油放热催化剂(DEC)105，以有助于周期性的放热反应以产生足以从催化的烟粒过滤器(CSF)106中再生烟粒的热。为此，烃注射器104仅靠着DEC位于其上游。在尾气温度超过DEC的起燃温度时，注射器104向尾气流股中注射燃料或HC。然后，所述DEC将HC氧化以放热，接着所述热对过滤器进行加热以从其中清除烟粒。因为DEC位于SCR之后，所以SCR不会经历与除去烟粒相关的有害高温。

尽管DEC善于氧化，但是仍存在非选择性地将从SCR催化剂逸失的所有氨氧化并将其转化成NOx的可能，由此提高了NOx的排放。为了解决该问题，一种方法涉及使用如图2中所示的氨逸失催化剂(ASC)201。在SCR催化剂103之后，但在HC注射器104之前，所述ASC在将NH₃氧化成NOx最少的条件下选择性地除去NH₃。典型地，ASC具有低铂族金属(PGM)载荷(例如0.5～10g/ft³)以最大化对N₂的选择性。该系统的劣势是在已经足够大的排放控制系统200中NH₃逸失催化剂所需要的额外的催化剂体积。

因此，申请人意识到，需要一种简化的尾气系统，所述系统在消除氨逸失的同时对尾气流股进行加热以周期性地从烟粒过滤器再生烟粒。本发明满足了其中的这种需要。

发明概述

下面提供了本发明的简要概述以提供本发明某些方面的基本含义。该概述不是本发明的详尽阐述。不往往确定本发明的核心/关键元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式提供本发明的某些概念以作为下述更详细说明的前奏。

本发明提供一种组合催化剂，所述组合催化剂不仅在足以产生足以再生烟粒的热量的放热反应中将逸失的氨和烃氧化，还将得自这种氧化的NOx还原。更具体地，申请人惊奇地发现，通过紧邻氧化催化剂的SCR催化剂抵消掉了为产生足以再生烟粒的热所需要的氧化催化剂中的高载荷浓度。这有助于传统DOC和ASC的集成，由此简化尾气系统以消除氨的逸失，并同时对尾气流股进行周期性地加热以从烟粒过滤器再生烟粒。