CN103362613B - 一氧化碳选择性氧化催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一氧化碳选择性氧化催化剂。具体地,铈、锆和铜的混合氧化物(CeZrCuOX)的颗粒可制备成催化剂并且用于优先地催化含CO和NH3的排出气流中的CO的氧化。在一个实践中,这种CeZrCuOX催化剂可与下述催化剂组合使用:促进浓燃运转期间排气中的NH3的形成的接近联接的PGM催化剂,以及至少一个地板下的NH3-SCR催化剂,所述NH3-SCR催化剂使用NH3作为还原剂在稀燃运转期间催化排出气流中的NOX的还原。在浓燃发动机运转期间,排出气流可在PGM催化剂的下游掺入氧气并且穿过并接触CeZrCuOX催化剂的颗粒,以便在NH3没有发生氧化或其他转换的情况下使排气中的剩余CO可氧化成CO2

Description

一氧化碳选择性氧化催化剂
技术领域
本发明涉及催化剂材料,所述氧化剂材料用于选择性地氧化包括一氧化碳、氨和氧气的流动气流中的一氧化碳。例如,这种催化剂可用于处理来自稀燃汽油燃料发动机的排出气体,该发动机被运转从而被动地提供氨以便还原排出气体中的氮氧化物。
背景技术
汽车上的汽油发动机被控制从而以接近化学计量的空气燃料比(AFR)运转,以便排出气流中的一氧化碳(CO)、未燃烧或部分燃烧的碳氢化合物(HC)以及氮氧化物(NOX)在通过并与适当的铂族金属(PGM)催化剂接触时可以同时转化成二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和水。在这种发动机运转模式中,催化剂的特征是三元催化剂(TWC)。随着不断增加的更高燃料经济性需求,人们目前的兴趣在于以比化学计量比更稀薄(即,稀薄燃料)的AFR值来运转汽油发动机-例如火花点火直接喷射(SIDI)发动机。汽油直接喷射到每个发动机气缸中允许可燃的空气燃料混合物在火花塞附近形成,以便在燃烧腔室中的其他位置用较稀薄的混合物起动燃烧。在某些有限的发动机运转时段,AFR可能稍微浓于化学计量比,但大部分发动机运转时段发动机都稀燃运转以便使燃料效率最大化。
与化学计量AFR发动机运转相比,稀燃发动机运转降低了排出气体中的CO和HC的量,但增加了NOX的量,所述NOX必须被去除。来自这种稀燃发动机的排出气体仍穿过含PGM催化剂的流通反应器以便将大部分CO和HC氧化成CO2和水。但随后还原剂材料被添加到排出气流并与NOX反应以便将其转化成N2和水。含还原剂材料的排出气体进一步穿过含还原催化剂的流通反应器,以便促进将NOX还原成N2和水。因为添加的还原剂材料和还原催化剂必须共同起作用来处理排出气体,所以该实践相对于NOX的去除被称为选择性催化还原(SCR)。
在公知的SCR实践(尤其是柴油发动机)中,通常在车辆上存储尿素的水溶液并且根据需要喷射受控量的尿素溶液到排出气流中。尿素快速地分解成氨(和二氧化碳),并且所述氨用作NOX还原反应的还原剂材料。流动气流随后穿过适当的还原催化剂-例如微粒铜交换沸石和/或离子交换沸石材料。这种NOX还原方法通常被称为NOX的NH3选择性催化还原(SCR)。
车载存储的还原剂材料-例如尿素以及其到来自发动机的流动排出气体中的受控喷射允许稀燃发动机运转的灵活性管理。排出气体的NOX含量可以通过NOX传感器测量,而还原剂材料的添加可以响应于NOX传感器的输出由计算机控制。但是车辆操作者必须持续补充尿素溶液源,并且还必须保持溶液不冻结。氨是车辆排出气流中的NOX的适当还原剂,但是如果该还原剂或其前体不需要独立存储在车辆上将是有利的。
标题为 “用于内燃发动机中的NOX控制的被动氨选择性催化还原”的美国专利申请公报No.2010/0107605(“605申请”)被转让给了本发明的受让人,并且公开了一种在多缸火花点火直接燃料喷射4冲程汽油发动机(主要在稀燃模式运转)的排出气流中被动生成NH3的方法。但是“稀燃”发动机具有在接近于化学计量AFR或者稍浓于化学计量AFR的燃料比下运转的阶段。这些阶段可包括例如发动机空转模式和车辆加速运转模式。'605申请的发明人认识到,氧气稀少的发动机排出气体含有足量并且成比例的NOX、CO和烃,以便随着排出气体流动通过接近联接到发动机的排气歧管的PGM流通反应器而形成氨。发明人进一步认识到并且公开了采用这种被动生成的氨来在含NH3-SCR催化剂的流通反应器中降低NOX的实践,所述反应器在排出气流中定位于PGM反应器的下游。发明人认识到,被动生成的氨可以免除尿素存储和喷射的需求,而不用添加尿素溶液到排出气体。
下游NH3-SCR催化剂用于暂时存储在浓燃运转期间被动生成的NH3。在随后的稀燃发动机运转时段期间,NH3-SCR催化剂使用存储的NH3将排出气流中的NOX有效地转化成N2和水。但是,这种被动的NH3生成方法需要有效地管理发动机的运转模式来在浓燃运转期间提供足够的NH3到NH3-SCR催化剂,以便在稀燃运转期间NH3-SCR催化剂上有适当量的NH3可用来从排出气体去除NOX
应当认识到,在浓燃运转期间当发动机的可燃混合物的AFR为大约14到14.2时,能改善PGM催化剂上的NH3生成。然而,当发动机在该浓燃范围内运转时,由于暂时降低氧的供应,会导致PGM催化剂随后不能用于有效地氧化排出气体中的CO。并且在NH3选择性还原反应器中CO也不可能被氧化。
从这些浓燃时段生成的排出气流中去除CO的一种方法包括使排出气流穿过并且接触第二氧化催化剂并且接触PGM催化剂下游的辅助空气喷射以便促进排出气体中的剩余CO氧化成CO2和水。然而,这种氧化催化剂必须能够在不额外氧化将被下游含还原催化剂的流通反应器使用的NH3的情况下氧化剩余的CO。
发明内容
本申请公开了一种可用于优先对至少包括一氧化碳、氨和氧气的气流中的CO的氧化进行催化的催化剂。如将进一步描述的,所述氧化催化剂通常以涂覆在流通反应器的壁表面上的铈、锆和铜(CeZrCuOX)的混合氧化物的小颗粒的形式使用。当气流的温度在适当范围内时,所述催化剂在对气流的氨含量的影响最小的情况下将一氧化碳有效地氧化成二氧化碳。虽然公开的催化剂通常适用于选择性地处理CO和氨的气流,但是当含CO的浓燃发动机排出气体(随后流过PGM催化剂)中生成氨时其尤其适用于CO的选择性氧化。在本发明的该重要实施方式中,一氧化碳转化成二氧化碳,但保持了排出气流的氨含量以便在NH3-SCR反应器中用于NOX。相应地,这种氧化催化剂在此可被称为CO选择性氧化催化剂。
在一个实施方式中,这种CO选择性氧化催化剂可与下述催化剂一起用于稀燃发动机的排气处理***:(1)优选地接近联接到排气歧管的PGM催化剂,以及(2)在排气流中定位于所述PGM催化剂下游的至少一个沸石基NH3-SCR催化剂。在该***中,CO选择性氧化催化剂定位在PGM催化剂的下游以及至少一个NH3-SCR催化剂反应器的上游。在该布置中,CO选择性氧化催化剂使在浓燃发动机运转期间排气气流中的PGM催化剂生成的NH3的氧化最小化。因此,一个或多个NH3-SCR催化剂反应器将可得到NH3以便NH3参与稀燃运转期间的NOX还原反应。
在另一个实施方式中,排气处理***可包括O2定量供给或喷射装置,所述O2定量供给或喷射装置定位在CO选择性氧化催化剂的上游以在排出气流中提供适当量的氧气以便在混合氧化物催化剂上选择性地氧化CO。所述O2定量供给装置应当定位在PGM催化剂的下游以便不与PGM催化剂的NH3生成性能相干涉。
根据公开的实施方式,微粒混合氧化物CeZrCuOX催化剂可用于有效地并且选择性地催化含NH3和O2的排出气流(在大约200-400℃的温度范围内)中的CO的氧化。在该温度范围内,所述混合氧化物颗粒具有氧化氨的最小趋势。
CeZrCuOX混合氧化物颗粒可使用共沉淀方法制备以便用作CO选择性氧化催化剂。在某些优选实施方式中,可将CO选择性氧化催化剂中Ce、Zr和Cu的摩尔比控制为落入下述范围内:Ce/(Ce-Zr-Cu)=0.50-0.70,Zr /(Ce-Zr-Cu)=0.10-0.20,并且Cu /(Ce-Zr-Cu)=0.15-0.35,其中Ce、Zr和Cu的摩尔比的总和等于1。x的值取决于金属元素的比率和氧化状态,但通常在大约1到2+或3的范围内。这些组分可以通过将铈、锆和铜的适当前体化合物以期望的摩尔比溶解在共同的溶剂中来形成。优选地,所述前体化合物含有氧。例如,铈、锆和铜的硝酸盐可以溶解在水中。
在相应硝酸盐的水溶液的示例中,可添加沉淀剂-例如氨或氢氧化钠以便增加溶液的pH值并且触发铈、锆和铜混合氢氧化物的共沉淀。干燥的沉淀物可在空气中以大约400℃到500℃的温度焙烧4到6小时,以便铈、锆和铜氢氧化物脱水并且形成相应基础金属的混合氧化物。术语“混合氧化物”在本说明书中用于意指可含有一种以上基础金属元素的阳离子或者阳离子可以一种以上氧化状态存在的氧化物。
在本发明的多个实施方式中混合氧化物催化剂将与其他催化反应器组合使用,以便动态地处理来自车辆发动机(主要以稀燃模式运转但穿插浓燃模式运转时段)的排气组分。实际上,当管理发动机运转来提供被动供应的氨以便催化还原稀燃发动机运转中产生的NOX时,所述混合氧化物催化剂将尤其适用。总体而言,稀燃或浓燃发动机排出气体首先穿过接近联接到发动机排气歧管的含PGM催化剂的反应器(用于较高排出气体温度),并且随后穿过一个或多个下游NH3-SCR反应器。因此,本发明的混合氧化物催化剂将通常紧接在排出气体已穿过PGM反应器之后使用。
如本说明书中在上面描述的,当来自车辆发动机的浓燃运转的排气组分穿过并且接触PGM催化剂时,将形成一氧化碳与氨的混合物。所述PGM催化剂可包括支撑在氧化铝(Al2O3)和/或氧化铈(CeO3)的颗粒上的一种或多种铂族金属(PGM)-例如铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)的颗粒。然而,可优选地使用下列PGM材料,所述PGM材料在稀燃运转期间不存储在浓燃运转期间用于氧化的氧以便使氨的氧化最小化。例如,所述PGM催化剂可包括Al2O3支撑的Pt和Rh的颗粒,其中Pd与Rh的摩尔比是6:1。下游NH3-SCR催化剂可包括铜(Cu)或铁(Fe)离子交换的适当沸石或磷酸铝硅组分(silicoaluminophosphate composition)的颗粒。
PGM催化剂、CeZrCuOX混合氧化物催化剂以及NH3-SCR催化剂的颗粒可分散在一个或多个高表面积支撑体(一个或多个涂覆层的形式)上。这些支承催化剂的支撑体可容纳在流通反应器内并且沿着来自发动机的排出气流的流动路径定位。这些反应器中的每个在排气处理***中的特定位置都可取决于每种催化剂材料的运转温度范围。总体而言,PGM催化剂的颗粒可容纳在接近联接到发动机的流通反应器内,而NH3-SCR催化剂的颗粒可在排气流路径中的下游容纳在定位于车辆地板下方的一个或多个流通反应器中。CO选择性氧化催化剂可在PGM反应器的下游位置定位在排气***中,并且适于氧化CO并且保持用于NH3-SCR反应器的氨。
通常发现,可以管理车辆发动机使其在发动机空转、车辆加速以及其他运转模式期间浓燃运转,甚至当发动机被管理而使其在其大部分运转模式期间稀燃运转时。只要NH3-SCR催化剂颗粒具有充分的NH3供应,就可以从排出气流连续去除NOX-甚至在很长的稀燃发动机运转时段期间。为了确定将何时起动这种浓燃时段或循环,排气***可包括定位在一个或多个NH3-SCR反应器下游的至少一个NOX传感器。如果NOX传感器指示NOX从一个或多个NH3-SCR反应器逸出,那么可以触发浓燃发动机运转循环来补充NH3-SCR催化剂颗粒上的NH3存储位置。另外,每个NH3-SCR反应器都可配备以NH3传感器来发送NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置何时NH3饱和的信号,以便可以快速地恢复稀燃运转。
此外,通过利用在正常的日常行驶条件期间不可避免并且反复发生的浓燃时段,被动NH3-SCR***可补充NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置。
方案1. 一种将还含有氨(NH3)和氧气的气体中的一氧化碳(CO)氧化成CO2的方法,所述气体在大约200-400℃的温度范围内;所述方法包括:
使含CO的气流穿过并接触包括铈(Ce)、锆(Zr)和铜(Cu)的混合氧化物的催化剂颗粒,所述含CO的气体与所述催化剂颗粒接触的时间适于将至少一部分CO氧化成CO2,而大体上不会氧化气体中的氨内容物。
方案2. 如方案1所述的方法,其中铈、锆和铜的混合氧化物CeaZrbCucO形成为具有在0.50到0.70范围内的a值、具有在0.10-0.20范围内的b值、并且具有在0.15-0.35范围内的c值,其中Ce、Zr和Cu的这些摩尔比的总和等于1。
方案3. 如方案1所述的方法,其中铈、锆和铜的混合氧化物是通过包括从共用溶液中共沉淀它们相应的化合物以及氧化所述共沉淀物的过程来形成的。
方案4. 如方案1所述的方法,其中在其一氧化碳内容物的至少一部分被氧化之后,所述气流被引导到另一个使用其氨内容物的反应***。
方案5. 一种从内燃发动机的排出气流中去除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)的方法,所述内燃发动机构造并且控制成主要稀燃运转但也周期性地浓燃运转以便在排出气流中生成氨(NH3),所述方法包括:
在浓燃运转期间控制发动机,使得来自发动机的排出气流含有氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)和氢气(H2),但几乎没有或没有氧气(O2);
使来自发动机的排出气流穿过并且接触铂族金属(PGM)催化剂的颗粒,从而将排出气流中的一定量的NOX、CO和/或H2转化成氨(NH3);并且此后
添加氧气到排出气流并且使所述排出气流穿过并且接触CO选择性氧化催化剂的颗粒以便在没有氧化NH3的情况下将排出气流中的CO氧化成二氧化碳(CO2),所述CO选择性氧化催化剂包括铈(Ce)、锆(Zr)和铜(Cu)的混合氧化物的颗粒。
方案6. 如方案5所述的方法进一步包括:
使所述排出气流穿过并且接触NH3-SCR催化剂的颗粒以便去除并且暂时将NH3存储在NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置上。
方案7. 如方案6所述的方法进一步包括:
在稀燃运转期间控制发动机,使得来自发动机的排出气流含有NOX、和O2
使来自发动机的排出气流穿过并且接触NH3-SCR催化剂的颗粒以便使用存储的NH3将所述排出气流中的NOX还原成N2和水。
方案8. 如方案6所述的方法进一步包括:
控制发动机浓燃运转以便用NH3补充NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置;以及
当NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置的NH3饱和时控制发动机稀燃运转。
方案9. 如方案5所述的方法,其中通过为发动机供应混合物的AFR在大约14到14.2之间的空气与汽油燃料的混合物来控制发动机浓燃运转。
方案10. 如方案7所述的方法,其中通过为发动机供应混合物的AFR大于14.7的空气与汽油燃料的混合物来控制发动机稀燃运转。
方案11. 一种用于从内燃发动机的排出气流中去除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)的排气处理***,所述内燃发动机构造并且控制成主要稀燃运转但也周期性地浓燃运转以便在排出气流中生成氨(NH3),所述***包括:
铂族金属(PGM)催化剂;
包括铈(Ce)、锆(Zr)和铜(Cu)的混合氧化物颗粒的一氧化碳(CO)选择性氧化催化剂;
氧气定量供给装置,所述氧气定量供给装置用于向所述排出气流周期性地定量供给氧气,所述氧气定量供给装置相对于来自发动机的排出流体的流动路径定位在所述CO选择性氧化催化剂的上游以及所述PGM催化剂的下游;以及
至少一个NH3-SCR催化剂,所述至少一个NH3-SCR催化剂相对于来自发动机的排出气流的流动路径定位在PGM催化剂和CO选择性氧化催化剂的下游。
方案12. 如方案11所述的排气***,其中CO选择性氧化催化剂中的Ce与Ce-Zr-Cu的摩尔比在0.5到0.7的范围内。
方案13. 如方案11所述的排气***,其中CO选择性氧化催化剂中的Zr与Ce-Zr-Cu的摩尔比在0.1到0.2的范围内。
方案14. 如方案11所述的排出气体,其中CO选择性氧化催化剂中的Cu与Ce-Zr-Cu的摩尔比在0.15到0.35的范围内。
方案15. 如方案11所述的排气***,其中所述PGM催化剂包括铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)中的至少一种。
方案16. 如方案11所述的排气***,其中所述NH3-SCR催化剂包括基础金属离子替代的沸石以及基础金属离子替代的磷酸硅铝中的至少一种。
方案17. 如方案15所述的排气***,其中所述基础金属离子包括铁(Fe)、铜(Cu)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一种。
方案18. 如方案11所述的排气***,其中所述CO选择性氧化催化剂在所述排气处理***中定位于距发动机预定距离处,以便在正常发动机运转期间所述CO选择性氧化催化剂的温度通常落入大约200-400℃的范围内。
附图说明
图1是汽车的内燃发动机、燃料供应***、进气***以及排气***的示意图。在该图中,排气***包括3个串联布置的催化流通反应器,所述反应器形成为协作地并且成功地处理来自发动机并在排出到大气之前的排出气流。
图2是图1中描绘的示意性示出的催化流通反应器中的一个的剖视图。该催化流通反应器包括具有适当的高温能力并且耐氧化的金属容器,所述金属容器容纳通过安装材料保持在适当位置的支承催化剂的支撑体。在该图中,支撑体是挤制陶瓷蜂窝状整料并且包括通过壁限定的多个小的方形平行流通通道,所述壁从入口面纵向延伸到支撑体的出口面。在该图中已切除了容器的一部分、安装材料和支撑体,以便更好地显示支撑体的内部结构。
图2A是图2描绘的挤制陶瓷蜂窝状支撑体的入口面的一部分的放大图,该图更好地显示了支撑体的内部流通通道以及壁。
图3是转化率(%)与温度(℃)的图表,图中示出了作为气流中的温度的函数的常规Pd/Rh三元催化剂的CO(实曲线)与NH3(虚曲线)的转化性能,所述气流包括5000ppmvCO、1500ppmvNH3、5vol.%CO2、0.5vol.%O2、5vol.%H2O,其余均为N2并且SV=30000h-1。CO和NH3的转化率百分数值是通过比较石英管状反应器的入口([CO]入口或[NH3]入口)与出口([CO]出口或[NH3]出口)处的气流中的CO和NH3浓度来计算的。
图4是转化率(%)与温度(℃)的图表,图中示出了作为气流中温度的函数的Ce0.6Zr0.15Cu0.25O2催化剂的CO(实曲线)与NH3(虚曲线)的转化性能,所述气流包括5000ppmvCO、1500ppmvNH3、5vol.%CO2、0.5vol.%O2、5vol.%H2O,其余均为N2并且SV=30000h-1。CO和NH3的转化率百分数值是通过比较石英管状反应器的入口([CO]入口或[NH3]入口)与出口([CO]出口或[NH3]出口)处的气流中的CO和NH3浓度来计算的。还通过具有箭头的水平线来指示的200℃与400℃处的黑色纵向线之间的区域代表可有效地使用CeZrCuOX催化剂来选择性地氧化排出气流中的CO而非NH3的温度范围。
具体实施方式
图1是汽车10的发动机和排气通道***的示意图,所述汽车10包括内燃发动机12、燃料供应***14、进气***16和排气***18。在现代发动机中,这些***中的每个的运转和协调都是被作为总体发动机管理***的一部分由计算机来电子控制的。多缸往复活塞内燃发动机12可以是压缩点火发动机(即,柴油发动机)、火花点火发动机(即,汽油发动机)或它们的组合。在它的运转期间,发动机12通过进气***16来引入或吸入空气流20,所述进气***16包括空气滤清器22、节气门体阀24以及联接到发动机12的进气歧管26。发动机12通过燃料供应***14被供以燃料,所述燃料供应***14包括燃料容器28、燃料泵30和燃料过滤器32,这些部件通过燃料管路输送燃料到覆盖发动机的气缸36的发动机进气歧管区域34。
在图1中,进气歧管区域34是发动机的可以定位多个燃料喷射器或喷嘴(未示出)的区域。燃料喷射***的燃料喷射器或喷嘴被构造并且控制以打开一定量的时间,以便将期望量的加压燃料分送或喷洒到进气阀开口(未示出)附近或直接喷入发动机气缸36的燃烧腔室中。备选地,燃料喷射***可包括定位在进气歧管区域34内的适当位置处的单个燃料喷射器。可控制该单个喷射器来分送预定量的燃料到进入的空气流20中,以便随着气缸36的相应进气阀打开而接纳仔细控制的空气和燃料充量,期望量的燃料顺序地供应到发动机12的每个气缸36。
响应于驾驶员对节气门和制动器的致动而进行的到发动机的空气流以及燃料喷射的量与正时的管理通过至少一个电子控制模块(ECM)38来提供。ECM38通过经由多个信号引线接收输入数据来监测某些发动机运转参数,所述信号引线附接到发动机以及发动机的相关***(未示出)上的各种传感器。ECM38处理所述输入数据并且生成输出数据,所述输出数据通过另一组信号引线发送给各种发动机及车辆部件上的致动器。在图1中,未示出从任何发动机***到ECM38的引线并且未示出到发动机上或车辆部件上的任何致动器的引线。然而,通常将存在多条引线作为车辆电子管理***的一部分。
具体地,ECM负责发送信号到运转车辆10的燃料喷射器和/或节气门体阀24的致动器,以便供应到发动机的可燃混合物具有立即期望的空气燃料质量比(AFR)。以此方式,ECM能够连续管理根据发动机控制策略供应到发动机12的空气与燃料的混合物的AFR。可以控制喷射到气缸中或进入的空气流中的燃料的量,以便维持预定的稀AFR或预定的浓AFR,或者在两种发动机运转模式之间切换。或者说,可以控制喷射的燃料的量,使得可燃混合物的AFR在窄的范围内波动-例如高于与低于化学计量AFR。
空气与燃料的可燃混合物供应到发动机12的气缸36(通常4到8个)并且各种燃烧产物从发动机12的气缸36通过排气歧管40作为流出的排出气流42排出。车辆10的排气***18包括封闭并且被包含的排气管道以及排气处理部件,所述排气处理部件相互配合以从发动机12接收排出气流42并且将处理过的排出气流44从尾管46排放到环境大气中。燃烧产物的处理是通过使排出气流42穿过各种流通装置来完成的。例如,汽车10的典型排气***18包括消音器48和谐振器50,它们用于降低所述排气***18发出的噪音的量。大部分发动机的排气***18还包括至少一个催化流通反应器,所述催化流通反应器促进:(1)CO到CO2的氧化,(2)HC到CO2和水的氧化,以及(3)来自发动机12的流出的排出气流42中NOX到N2和水的还原。
图1所示的排气***18示出了3个串联布置的催化流通反应器52、54、56,所述催化流通反应器52、54、56定位在来自发动机12的排出气流42的路径内。然而,对于排气***18的至少一个催化流通反应器来说多种位置和布置都是可能的。例如,被动NH3-SCR排气处理***的催化材料中的每种都可以定位在独立流通反应器中,或者多于一种的所述催化材料可以容纳在单个流通反应器内。另外,流通反应器不必布置在一系列渐进的流动路径中。例如,流通反应器可以平行布置,并且可以控制来自发动机的排出气流的一部分穿过一个流通反应器,而排出气流的剩余部分穿过另一个流通反应器。备选地,可以控制来自发动机的排出气流在给定时间穿过某些但不是所有流通反应器。
在图1所示的实施方式中,PGM催化剂粉末可以涂覆在第一流通整料反应器52内,所述反应器52接近联接到发动机12的排气歧管40。CO选择性氧化催化剂粉末可以涂覆在第二流通整料反应器54内,所述反应器54相对于来自发动机12的排出气流42的流动方向定位在第一流通反应器52的下游。并且NH3-SCR催化剂粉末可涂覆在第三流通整料反应器56内,所述反应器56在地板下的位置定位在第一和第二反应器52、54的下游。在该实施方式中,氧气定量供给或喷射装置58可定位在第二流通反应器54的上游,但定位在第一流通(PGM)反应器52的下游。氧气定量供给装置58优选地构造成在排出气流经过CO选择性氧化催化剂的颗粒之前喷射一定量的氧气到流动的排出气流42中。
在另一个实施方式中,第一NH3-SCR催化剂的颗粒可涂覆在第二流通整料反应器54内,所述反应器54在地板下的位置定位在第一流通整料反应器52的下游。并且CO选择性氧化催化剂以及额外NH3-SCR催化剂的颗粒可涂覆在第三流通整料反应器56内,所述反应器56在地板下的位置定位在第一和第二整料反应器52、54的下游。在该实施方式中,氧气定量供给装置58可定位在第三流通整料反应器56的上游,但定位在第一和第二流通整料反应器52、54的下游。
在又一个实施方式中,第一NH3-SCR催化剂的颗粒可涂覆在第二流通整料反应器54内,所述反应器54在地板下的位置定位在第一流通整料反应器52的下游。并且CO选择性氧化催化剂以及额外NH3-SCR催化剂的颗粒可涂覆在平行布置并且在地板下的位置定位在两个第一和第二整料反应器52、54下游的两个流通反应器内(未示出)。
这些催化剂中的每种在典型车辆行驶条件期间的运转温度范围都可以通过调节每个涂覆了催化剂的转化器在排气***中与发动机的定位距离来控制。总体而言,每个支承催化剂的支撑体与发动机的热排气出口越近,其运转温度将越高。在一个实施方式中,PGM催化剂可保持在接近联接到发动机的反应器内,以便在正常行驶条件期间,PGM催化剂的平均温度在大约350-550℃的范围内。另一方面,CO选择性氧化催化剂和NH3-SCR催化剂可保持在至少一个反应器内,所述至少一个反应器定位在PGM催化剂的下游并且车辆地板下方,以便在正常行驶条件期间这些催化剂的平均温度在大约200-400℃的范围内。
另外,这些催化剂材料中的任一种的颗粒都可容纳在多个串联布置的反应器(其中某些反应器比其他反应器更靠近发动机)内,以便催化剂颗粒中的某些经历相对高温的运转范围并且其他催化剂颗粒经历相对低温的运转范围。以此方式,排气处理***的结构可构造成覆盖很大范围的行驶条件。
通过图示的方式,图2示出了用于被动NH3-SCR排气处理***的适当催化流通反应器60。催化流通反应器60包括合金钢容器62,所述合金钢容器62构形成具有上游开口64和下游开口66。上游开口64构造成接收排出气流42并且下游开口66构造成排放排出气流42。容器62的本体通常具有圆形或椭圆形横截面并且大小设置成保持支承催化剂的支撑体68。该支撑体具有入口面70和出口面72,所述入口面70和出口面72与排出气流42的流动方向成横向。支撑体68通过热绝缘并且物理上耐用的安装材料74保持在容器62内的适当位置。
图2所示的支撑体68是挤制陶瓷蜂窝状整料。然而,其他热稳定材料-例如不锈钢可用于形成其他适当高表面积支撑体。如图2所示,挤制陶瓷支撑体68包括通过壁78限定的多个小的方形平行流通通道76,所述壁78从入口面70纵向延伸到支撑体68的出口面72。支撑体68的入口面70大小设置成提供适当数量的通道76(优选地,每平方英寸至少400个)以共同提供期望流率的排出气流42,并且因此提供排出气体在支撑体68内的期望停留时间。在图2中,已切除了容器62的一部分、安装材料74和支撑体68,以便更好地显示许多内部通道开口76以及从所述入口延伸到所述支撑体的出口的通道壁78。
在本发明的实践中,细小的催化剂颗粒以一个或多个薄涂覆层的形式沉积到小的流通通道76的壁78上。多个通道壁78的高的总表面积在排出气流42与催化剂颗粒之间提供足够的接触表面积,以便发生期望的氧化、还原和存储反应。
排出气流可暴露到并未在图1中清楚地示出的其他装置或机械设备,所述其他装置或机械设备可以或可以不帮助处理排出气体组分。这些装置包括例如柴油微粒过滤器、三元催化剂、稀NOX捕集器、排气再循环管路和/或涡轮增压器涡轮。所属领域技术人员将肯定知晓和理解排出气流可暴露的这些和许多其他装置。
上面参照图1和2的论述描述了本发明的选择性一氧化碳氧化催化剂在汽车中的位置,其中发动机总体以稀薄燃料运转但具有周期性浓燃循环时段,以便生成使用氨选择性催化还原反应器将NOX还原的足量的氨。下述公开内容涉及混合氧化物催化剂的制备并且涉及该催化剂在还含有氨和氧气的气流中在CO的氧化方面的使用。
示例
在该示例中,CeZrCuOX混合氧化物的颗粒是通过共沉淀方法来制备的。制备好的CeZrCuOX颗粒的CO和NH3氧化活性随后与常规Pd/Rh TWC催化剂的CO和NH3氧化活性相比。Pd/Rh催化剂是通过BASF获得的并且Pd与Rh具有6:1的摩尔比。
前体溶液是通过在室温下将(NH4)2Ce(NO3)6、Zr(NO3)4和Cu(NO3)2的金属硝酸盐以0.6:0.15:0.25的摩尔比溶解在去离子水中来制备的。一旦金属硝酸盐溶解在溶液中,前体溶液保持搅动大约0.5小时。
接下来,一摩尔氢氧化钠溶液随着猛烈的搅动添加到前体溶液直到它的pH值达到10并且形成基础金属的悬浮共沉淀物。悬浮液在室温下轻微搅动18小时。此后,将悬浮液加热到80℃达2小时,并且从液相中过滤出共沉淀物。过滤出的沉淀物以热的去离子水冲洗、在110℃干燥一整夜,并且随后在400℃焙烧4小时。
制备好的CeZrCuOX混合氧化物颗粒以及Pd/Rh颗粒的CO和NH3氧化活性是通过在独立包装的床石英管状反应器中放置0.1056cc的相应催化剂粉末来测量的,所述反应器每个都具有3/8英寸的外径。在独立测试中通过加热的不锈钢管线以每次测试SV=30000h-1的气时空速供应包括5000ppmvCO、1500ppmvNH3、5vol.%CO2、0.5vol.%O2、5vol.%H2O并且其余均为N2的气流到每个充装以氧化催化剂的管状反应器。
CeZrCuOX催化剂以及Pd/Rh催化剂的CO和NH3转化性能各自在100°到550℃的温度范围内独立测量。CO和NH3的转化百分数值是通过比较每个管状反应器的入口([CO]入口或[NH3]入口)与出口([CO]出口或[NH3]出口)处的气流中的CO和NH3的浓度来计算的。因此,CO或NH3的转化率(%)等于[CO]入口/[CO]出口或[NH3]入口/[NH3]出口
Pd/Rh催化剂(对于常规三元催化剂)的CO(实曲线)和NH3(虚曲线)的转化百分数值与气流温度在图3中图解地示出。CeZrCuOX的类似数据在图4中示出。如图3和4所示,Pd/Rh催化剂和CeZrCuOX催化剂在大约150℃开始氧化CO(在两个图中均为实线)并且在大约225℃达到了>90%的CO转化率。Pd/Rh催化剂在大约210℃开始氧化NH3(在两个图中均为虚线)并且在225℃达到>90%的NH3转换。但是,CeZrCuOX催化剂在大约375℃之前没有开始氧化NH3,并且在大约475℃之前没有达到>90%的NH3转化率。
已发现以类似方式制备的类似CeZrCuOX催化剂组分在大约200℃到大约400℃的温度范围内同样有效地选择性氧化还含有氨和氧气的气流中的一氧化碳。总体而言,优选的是,控制共沉淀混合氧化物的颗粒中的Ce、Zr和Cu的摩尔比使其落入下述范围内:CeaZrbCucOX ,其中a具有在0.50到0.70范围内的值,b具有在0.10-0.20范围内的值,并且c具有在0.15-0.35范围内的值,其中Ce、Zr和Cu的这些摩尔比的总和等于1。x的值取决于金属元素的比率和氧化状态,但通常在大约1到3的范围内。
因此,可有效地使用CeZrCuOX混合氧化物的颗粒来选择性地氧化包括一氧化碳、氨和氧气并且具有在大约200℃到400℃的温度范围内的排出气流中的CO,上述氧化在图4中示出为“CO选择性氧化区域”。所述气流可含有其他非干涉组分-例如水、二氧化碳和氮气。在这些状态下,大部分一氧化碳被氧化成二氧化碳而大部分氨未受影响。
已使用说明性示例描述了本发明的实践,所述说明性示例将不限制本发明的范围。

Claims (16)

1.一种从内燃发动机的排出气流中去除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)的方法,所述内燃发动机构造并且控制成主要稀燃运转但也周期性地浓燃运转以便在排出气流中生成氨(NH3),所述方法包括:
在浓燃运转期间控制发动机,使得来自发动机的排出气流含有氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)和氢气(H2),但几乎没有或没有氧气(O2);
使来自发动机的排出气流穿过并且接触铂族金属(PGM)催化剂的颗粒,从而将排出气流中的一定量的NOX、CO和/或H2转化成氨(NH3);并且此后
添加氧气到排出气流并且使所述排出气流穿过并且接触CO选择性氧化催化剂的颗粒以便在没有氧化NH3的情况下将排出气流中的CO氧化成二氧化碳(CO2),所述CO选择性氧化催化剂包括铈(Ce)、锆(Zr)和铜(Cu)的混合氧化物的颗粒。
2.如权利要求1所述的方法,其中铈、锆和铜的混合氧化物CeaZrbCucOX形成为具有在0.50到0.70范围内的a值、具有在0.10-0.20范围内的b值、并且具有在0.15-0.35范围内的c值,其中a、b和c值的总和等于1。
3.如权利要求1所述的方法,其中铈、锆和铜的混合氧化物是通过包括从共用溶液中共沉淀它们相应的化合物以及氧化所述共沉淀物的过程来形成的。
4.如权利要求1所述的方法,进一步包括:
使所述排出气流穿过并且接触NH3-SCR催化剂的颗粒以便去除并且暂时将NH3存储在NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置上。
5.如权利要求4所述的方法,进一步包括:
在稀燃运转期间控制发动机,使得来自发动机的排出气流含有NOX、和O2
使来自发动机的排出气流穿过并且接触NH3-SCR催化剂的颗粒以便使用存储的NH3将所述排出气流中的NOX还原成N2和水。
6.如权利要求4所述的方法,进一步包括:
控制发动机浓燃运转以便用NH3补充NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置;以及
当NH3-SCR催化剂上的NH3存储位置的NH3饱和时控制发动机稀燃运转。
7.如权利要求1所述的方法,其中通过为发动机供应混合物的空气燃料比在14到14.2之间的空气与汽油燃料的混合物来控制发动机浓燃运转。
8.如权利要求5所述的方法,其中通过为发动机供应混合物的空气燃料比大于14.7的空气与汽油燃料的混合物来控制发动机稀燃运转。
9.一种用于从内燃发动机的排出气流中去除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)的排气处理***,所述内燃发动机构造并且控制成主要稀燃运转但也周期性地浓燃运转以便在排出气流中生成氨(NH3),所述***包括:
铂族金属(PGM)催化剂;
包括铈(Ce)、锆(Zr)和铜(Cu)的混合氧化物颗粒的一氧化碳(CO)选择性氧化催化剂;
氧气定量供给装置,所述氧气定量供给装置用于向所述排出气流周期性地定量供给氧气,所述氧气定量供给装置相对于来自发动机的排出流体的流动路径定位在所述CO选择性氧化催化剂的上游以及所述PGM催化剂的下游;以及
至少一个NH3-SCR催化剂,所述至少一个NH3-SCR催化剂相对于来自发动机的排出气流的流动路径定位在PGM催化剂和CO选择性氧化催化剂的下游。
10.如权利要求9所述的排气处理***,其中CO选择性氧化催化剂中的Ce与Ce-Zr-Cu的摩尔比在0.5到0.7的范围内。
11.如权利要求9所述的排气处理***,其中CO选择性氧化催化剂中的Zr与Ce-Zr-Cu的摩尔比在0.1到0.2的范围内。
12.如权利要求9所述的排气处理***,其中CO选择性氧化催化剂中的Cu与Ce-Zr-Cu的摩尔比在0.15到0.35的范围内。
13.如权利要求9所述的排气处理***,其中所述PGM催化剂包括铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)中的至少一种。
14.如权利要求9所述的排气处理***,其中所述NH3-SCR催化剂包括基础金属离子替代的沸石以及基础金属离子替代的磷酸硅铝中的至少一种。
15.如权利要求14所述的排气处理***,其中所述基础金属离子包括铁(Fe)、铜(Cu)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一种。
16.如权利要求9所述的排气处理***,其中所述CO选择性氧化催化剂在所述排气处理***中定位于距发动机预定距离处,以便在正常发动机运转期间所述CO选择性氧化催化剂的温度通常落入200-400℃的范围内。
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