利用烃捕集器下游的GPF的制作方法

利用烃捕集器下游的gpf


背景技术：

1.作为一种解决来自发动机冷启动的烃排放物的方法，烃捕集器(hc捕集器)在汽油排放控制系统中已受到长期关注。冷启动烃排放物从发动机释放到废气中，然后三元催化剂(twc)可达到其起燃温度。hc捕集器可在低温下吸附烃，然后当twc高于其起燃温度时解吸烃，从而减少从排气系统释放到大气中的烃排放物的量。
2.对于hc捕集器，需要存在一种活性催化剂来转化解吸的烃，从而对总烃排放物有明显的影响。许多技术在hc捕集器的顶部上涂覆有twc层。另选地，twc被放置在hc捕集器的下游以转化解吸的烃。然而，包括附加的砖或催化剂层将必然增加系统中的背压。希望有效地减少烃排放物，同时使系统中的背压最小化。


技术实现要素：

3.根据本发明的方面，提供了一种用于内燃机的排气系统，该系统可包括：烃捕集器；以及汽油颗粒过滤器，所述汽油颗粒过滤器位于所述烃捕集器的下游。在一些方面，该系统不包括三元催化剂。在一些方面，该系统不包括烃捕集器下游的三元催化剂。在一些方面，该系统包括在烃捕集器上游处于紧密联接位置的三元催化剂。
4.烃捕集器可被配制成在至多约350℃的温度下吸附废气中所含的烃的一部分。烃捕集器也可配制成在约350℃或更高的温度下解吸烃。在一些方面，汽油颗粒过滤器被配制成氧化废气中所含的烃。在一些方面，烃捕集器和汽油颗粒过滤器包括单独的基底。
5.根据本发明的方面，处理来自内燃机的废气的方法包括使废气与以下部件接触：烃捕集器；以及汽油颗粒过滤器，所述汽油颗粒过滤器位于所述烃捕集器的下游。烃捕集器可在至多约350℃的温度下吸附废气中所含的烃的一部分。烃捕集器可在约350℃或更高的温度下解吸废气中所含的烃的一部分。汽油颗粒过滤器可氧化废气中所含的烃。在一些方面，废气不接触三元催化剂。在一些方面，废气不接触烃捕集器下游的三元催化剂。在一些方面，废气接触三元催化剂，该三元催化剂处于烃捕集器上游的紧密联接位置。
具体实施方式
6.本发明的系统和方法涉及对来自内燃机的废气的纯化。本发明尤其涉及对来自汽油发动机的废气的清洁。
7.本发明的系统和方法可包括烃捕集器(hc捕集器)，之后是汽油颗粒过滤器(gpf)。如下文更详细地描述，本发明各方面的系统已被构造、配制并可有利地操作，以便有效地减少不需要的排放物而不会不必要地增加背压。通过识别gpf和hc捕集器技术之间的协同作用，发现这些有益效果可通过使用gpf转化从hc捕集器解吸的烃来实现，而不需要系统内常规包括的附加的砖或催化剂层。
8.烃捕集器
9.本发明的系统可包括一个或多个hc捕集器。hc捕集器可用作解决来自发动机冷启动的烃排放物的工具，并且被设计成在较低温度下从废气中吸附或“捕集”烃，然后一旦催
化剂诸如三元催化剂(twc)达到其起燃温度，就将它们解吸。
10.hc捕集器可被配制成在低温下吸附废气中所含的烃的一部分。在一些方面，hc捕集器可被配制成在低于下游gpf的起燃温度的温度下吸附废气中所含的烃的一部分。在一些方面，hc捕集器可被配制成在至多约350℃；约20℃至约350℃；或约25℃至约350℃的温度下吸附废气中所含的烃的一部分；在一些方面，hc捕集器可被配制成然后在约350℃或更高，高于约350℃，或约350℃至约500℃的温度下解吸烃的一部分。
11.在一些方面，hc捕集器可为砖或整料(例如，挤出的整料)的形式，其包括层叠有一种或多种适当hc吸附剂的基础基底。在一些方面，hc捕集器可包括适当吸附剂的粒料。除此之外或另选地，hc捕集器可包括被配置成氧化烃的催化剂部分。因此，hc捕集器可包括涂覆有hc捕集器材料(例如沸石)的催化剂基底和涂覆有催化剂材料的hc捕集器材料。hc捕集器吸附剂可被选择成使得在hc储存期间可吸附最大量的hc，同时在hc吹扫期间在足够低的温度下允许hc的最大解吸而不使捕集器老化。所选择的吸附剂还可具有高耐久性以防止由于来自废气的热量或中毒而劣化。例如，hc捕集器可包括活性炭和催化的分子筛诸如沸石中的至少一种。
12.分子筛可为硅铝酸盐沸石或同种型诸如sapo。hc捕集器可包括一种或多种不同分子筛的混合物，该混合物包括两种或更多种不同sapo和/或两种或更多种不同硅铝酸盐沸石的共混物、两种或更多种不同硅铝酸盐沸石的共混物和/或两种或更多种不同sapo的共混物。
13.适用于hc捕集器的分子筛包括但不限于具有国际沸石协会骨架类型代码mfi、bea、fau、mor、fer、eri、ltl、aei和cha的那些。在一些方面，排列方式将硅铝酸盐沸石zsm
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5(mfi)和β(bea)组合。也可使用沸石y(fau)。
14.分子筛的二氧化硅与氧化铝比率(sar)可被适当地选择成反映hc捕集器在所关注的温度范围内的老化，也如氧储存容量的降低所反映，从而为obd提供更大的灵敏度。例如，适用于zsm
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5的sar为约80，而沸石β的优选sar为约150。
15.合适的催化的分子筛诸如沸石可包括多种离子交换的分子筛诸如铜交换的沸石和铁交换的沸石。
16.吸附剂的组合也可基于所需或预期的hc捕集器入口温度范围来配制。例如，基于活性炭的捕集器可用于较低入口温度(例如，不超过350℃)，而基于催化的沸石的捕集器可用于较高入口温度(例如，至多600℃)。
17.hc捕集器可由与twc相比，敏感的过渡和/或贵金属(例如，与pd相比的pt)组成。另外，hc捕集器可包含与twc相比更少量的贵金属。例如，hc捕集器可包含pt和pd物质，而twc可仅包含pd物质而不包含pt物质。pt和pd可有效氧化不同的hc。例如，pt可比pd更有效地与烷烃反应，而pd可比pt更有效地与芳族化合物反应。因此，pd和pt物质的共混物和/或混合物可比仅具有pd或仅具有pt的催化剂更多地减少排放物。这样，hc捕集器的催化剂部分可被优化以处理hc。在一些示例中，催化剂部分可包含碳载pd，其中碳被活化(具有减小的孔径)并增加暴露于气体的表面积。在一些示例中，对pt和pd进行预调理，使得pt涂层是贫的并且pd涂层是富的。这可增加催化剂与hc之间的反应性。
18.在一个示例中，将1∶1比率的pd/pt用于hc捕集器的催化部分。这可产生能够在贫燃、富燃和化学计量操作期间处理烃的优化合金。例如，pd可在贫暴露期间稳定pt，并且pt
可在富暴露期间稳定pd。应当理解，可使用其他比率的pd/pt。例如，可使用2∶1或更大比率的pd/pt。另选地，可使用1∶2或更大比率的pd/pt。在一些示例中，该比率可基于车辆操作，使得如果车辆倾向于比富燃更频繁地贫燃操作，则可包含更多的pd。因此，如果车辆倾向于比贫燃更频繁地富燃操作，则可包含更多的pt。除此之外或另选地，pd层和pt层可在hc捕集器的催化部分中分离。这可包括不同的催化剂砖区和/或不同的载体涂料层(例如，一侧上的载体涂层为pd，并且另一侧上的载体涂层为pt)。这样，第一金属(例如pt)可氧化烃(例如甲苯、苯、二甲苯等)，然后烃将降低第二金属(例如pd)的性能。
19.所用的吸附剂的孔隙度可不同，并且在一些方面，可基于排气条件相应地选择吸附剂。例如，捕集器组件入口附近的hc捕集器可包括较大孔隙度的吸附剂(例如，用于捕集较大链的hc)，而捕集器组件出口附近的hc捕集器可包括较小孔隙度的吸附剂(例如，用于捕集较小链的hc)。除此之外或任选地，所用的吸附剂的化学特性可不同。例如，捕集器组件入口附近的hc捕集器可包括对较长链的hc具有较高亲和力的吸附剂，而捕集器组件出口附近的hc捕集器可包括对较短链的hc具有较高亲和力的吸附剂。在一个示例中，通过将较大孔隙度的捕集器定位在较小孔隙度的捕集器之前，在储存操作期间在排气流的方向上，可减少与捕集器堵塞相关的潜在问题。
20.在一个示例中，第一hc捕集器可包括大孔活性炭(例如，整料形式或粒料形式)，而第二hc捕集器可包括微孔活性炭(例如，整料形式或粒料形式)。在另一个示例中，第一hc捕集器可包括大孔催化的沸石(例如，整体形式或粒料形式)，而第二hc捕集器可包括微孔催化的沸石(例如，整体形式或粒料形式)。在其他示例中，可使用基于活性炭的捕集器和基于沸石的捕集器的组合，例如大孔活性炭的第一hc捕集器和微孔沸石的第二hc捕集器。
21.汽油颗粒过滤器
22.本发明的系统可包括一个或多个gpf。在一些方面，gpf位于hc捕集器的下游。本发明的系统可以包括一个或多个附加的gpf，该gpf可以包括一个或多个催化剂涂层。
23.gpf可被配制成氧化废气中所含的烃。gpf可包括壁流式颗粒过滤器，该壁流式颗粒过滤器适于处理汽油发动机废气流，具体地为来源于直接喷射汽油发动机的那些。gpf可用于捕集汽油发动机中由燃烧反应产生的颗粒。
24.gpf
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基底可为壁流式整料或壁流式过滤器，诸如具有蜂窝结构的壁流式过滤器。合适的壁流式基底可包括具有沿着基底的纵向轴线延伸的多个细小的、基本上平行的气流通道的那些。优选地，每个通道在基底主体的一端被阻挡，而交替的通道在相反的端面被阻挡。美国专利no.4,329,162关于可用于本发明方面的合适壁流式基底的公开内容以引用方式并入本文。
25.可以将gpf基底设想为允许过滤汽油发动机废气中所含的颗粒物而不妨碍与gpf流体连通的汽油发动机的功能的任何合适的材料或材料组合。为此，多孔材料优选地用作基底材料，具体地为陶瓷样材料，诸如堇青石、α
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氧化铝、碳化硅、钛酸铝、氮化硅、氧化锆、莫来石、锂辉石、氧化铝
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二氧化硅
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氧化镁和硅酸锆，以及多孔难熔金属及其氧化物。“难熔金属”是指选自由ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo、w和re组成的组的一种或多种金属。gpf基底也可以由陶瓷纤维复合材料形成。在一些方面，gpf基底优选地由堇青石、碳化硅和/或钛酸铝形成。一般来讲，当用于汽油发动机废气处理时，能够承受gpf所暴露的高温的材料是优选的。
26.在一些方面，gpf包括颗粒过滤器基底、设置在过滤器基底的一个表面之上或之中的第一催化剂层，以及设置在过滤器基底的一个表面之上或之中的任选的第二催化剂层。在一些方面，催化剂涂层完全或至少主要地布置在壁流式过滤器基底的多孔壁内。可基于条件和所需功能将催化剂层配制成合适的，并且可包括例如已知的gpf催化剂涂层、twc涂层或氧化催化剂(诸如氧化铝载pt)中的一种或多种。
27.三元催化剂
28.本发明的系统可包括twc。在一些方面，系统包括hc捕集器上游的twc。在一些方面，系统包括在hc捕集器上游处于紧密联接位置的twc。当twc和hc捕集器紧密联接时，应当理解意指hc捕集器被定位成靠近twc和/或直接位于其下游。
29.三元催化剂体系是本领域熟知的。twc通常执行三个主要功能：(1)将co氧化成co2；(2)将未燃烧的燃料氧化成co2和h2o；以及(3)将nox还原成n2。三元催化剂优选地包含一种或多种铂族金属和一种或多种无机氧化物载体。铂族金属(pgm)优选地为铂、钯、铑或它们的混合物。
30.无机氧化物载体最常见地包括第2、3、4、5、6、13和14族元素以及镧系元素的氧化物。可用的无机氧化物载体优选地具有在10m2/g至700m2/g范围内的表面积，在0.1ml/g至4ml/g范围内的孔体积，以及约10埃至1000埃的孔径。无机氧化物载体优选地为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、二氧化铈、氧化铌、氧化钽、氧化钼、氧化钨或它们中任两种或更多种的混合氧化物或复合氧化物，例如，二氧化硅
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氧化铝、二氧化铈
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氧化锆或氧化铝
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二氧化铈
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氧化锆。特别优选的是氧化铝和二氧化铈。除了用作载体之外，含二氧化铈的载体(诸如二氧化铈(ceo2)或混合的二氧化铈
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氧化锆)氧化物也可用作twc内的储氧组分(osc)。无机氧化物载体也可为沸石，诸如β沸石、zsm沸石、镁碱沸石、或菱沸石。
31.三元催化剂优选地涂覆在基底上。基底优选为陶瓷基底或金属基底。更优选地，基底为金属基底，以实现更好的热交换并易于构造。陶瓷基底可由任何合适的难熔材料制成，例如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化锆、氧化镁、沸石、氮化硅、碳化硅、硅酸锆、硅酸镁、硅铝酸盐、和金属硅铝酸盐(诸如堇青石和锂辉石)、或它们中的任两种或更多种的混合物或混合氧化物。堇青石、铝硅酸镁和碳化硅是特别优选的。
32.金属基底可由任何合适的金属制成，并且具体地讲由耐热金属和金属合金制成，诸如钛和不锈钢以及除其他痕量金属之外还含有铁、镍、铬和/或铝的铁素体合金。
33.基底可为过滤器基底或流通式基底，并且最优选地为流通式基底，尤其是蜂窝整料。基底通常被设计成提供车辆排气通过的多个通道。通道的表面装载有三元催化剂。
34.可通过任何已知的方式将三元催化剂加入到基底中。例如，无机氧化物载体或含pgm的载体材料可作为载体涂层施加并粘结到基底，其中多孔的高表面积层粘结到基底的表面。通常将载体涂层从水基浆液施加到基底，然后干燥并在高温下煅烧。如果仅无机氧化物载体被洗涂在基底上，则pgm金属可(通过浸渍、离子交换等)装载到干燥的载体涂层支撑层上，然后干燥并煅烧。装载到基底上的pgm的优选载量为0.02至1.7g/l(1至300g/ft3)催化剂体积。
35.方面/系统
36.本发明的系统包括hc捕集器，其中gpf定位在hc捕集器的下游。在一些方面，hc捕集器和gpf包括单独的基底。在一些方面，系统不包括twc。在一些方面，系统不包括hc捕集
器下游的twc。在一些方面，系统包括hc捕集器上游(例如，与hc捕集器处于紧密联接位置)的twc。当twc和hc捕集器紧密联接时，应当理解意指hc捕集器被定位成靠近twc和/或直接位于其下游。
37.术语“下游”和“上游”描述催化剂或基底的取向，其中废气的流动是从基底或制品的入口端到出口端。如本文所用，“上游”和“下游”相对于从发动机到大气环境的排气流的方向。
38.方法
39.处理来自内燃机的废气的方法可包括使废气与hc捕集器接触，然后使废气与gpf接触。hc捕集器可在低温下吸附废气中所含的烃的一部分。例如，hc捕集器可在至多约350℃；约20℃至约350℃；或约25℃至约350℃的温度下吸附废气中所含的烃的一部分。hc捕集器然后可在高温下解吸烃的一部分。此类高温可对应于gpf的起燃温度，使得gpf然后可氧化/转化烃。例如，hc捕集器然后可在高于350℃或350℃
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500℃的温度下解吸烃的一部分。
40.有益效果
41.已惊奇地发现，本发明的系统和方法可提供与从废气中有效去除烃相关的有益效果，而不增加背压。此类有益效果可通过利用新识别的gpf和hc捕集器技术之间的协同作用来实现，从而允许利用gpf来转化从hc捕集器解吸的烃，并从而避免系统中将不必要地增加背压的额外砖或催化剂层。例如，传统排气系统可包括位于单独砖上的或涂覆在hc捕集器上的twc以便转化解吸的烃，这可从本发明的系统中潜在地消除。在本发明的一些方面，系统不包括twc。在一些方面，本发明的系统不包括hc捕集器下游的twc。
42.术语
43.在本公开中，除非内容另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代，并且对特定数值的指代包括至少该特定值。因此，例如，提及“材料”是指此类材料中的至少一种以及本领域技术人员已知的其等同物等。
44.当通过使用描述符“约”将值表示为近似值时，应当理解，该特定值形成另一个实施方案。一般来讲，术语“约”的使用表示近似值，这些近似值可根据本发明所公开的主题试图获得的所需特性而变化，并且基于其功能在使用该近似值的特定内容中进行解释。本领域的技术人员将能够将此解释为例行程序。在一些情况下，用于特定值的有效数字的数量可以是确定字词“约”的程度的一种非限制性方法。在其他情况下，在一系列值中使用的梯度可用于确定可用于每个值的术语“约”的预期范围。当存在时，所有范围是包括端值在内的并且是可组合的。也就是说，对范围内规定的值的引用包括该范围内的每个值。
45.应当理解，为清楚起见，本文在不同实施方案的内容中描述的本发明的某些特征也可在单个实施方案中以组合方式提供。也就是说，除非明显不相容或明确排除在外，否则认为每个单独实施方案可与任何其他实施方案组合，并且此类组合被认为是另一个实施方案。反之，为简化起见，在单个实施方案的内容中描述的本发明的多个特点也可以分别提供或以任何子组合提供。最后，虽然实施方案可被描述为一系列步骤的一部分或更一般结构的一部分，但是每个所述步骤本身也可被认为是可与其他步骤组合的独立实施方案。
46.过渡术语“包含”、“基本上由...组成”和“由...组成”旨在暗示它们在专利词汇中的普遍接受的含义；也就是说，(i)与“包括”、“含有”或“特征在于”同义的“包含”是包含性的或开放式的，并且不排除另外的未列举的要素或方法步骤；(ii)“由...组成”不包括未在
权利要求中指定的任何要素、步骤或成分；以及(iii)“基本上由...组成”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤以及那些不会实质上影响受权利要求书保护的本发明的基本特征和新型特征的材料或步骤。以短语“包含”(或其等同形式)描述的实施方案还提供以“由...组成”和“基本上由...组成”独立描述的那些作为实施方案。对于以“基本上由...组成”提供的那些实施方案，基本特征和新型特征是系统高效地燃烧燃料的能力，而不需要单独的点火器或在燃料混合物引入到催化剂中之前将其加热到高于点火温度。不减损此类可操作性的材料或步骤将被认为在此类实施方案的范围内。
47.除非另行指出，否则当呈现列表时，应当理解，该列表的每个单独要素以及该列表的每个组合是不同的实施方案。例如，呈现为“a、b或c”的实施方案的列表将被解释为包括实施方案“a”、“b”、“c”、“a或b”、“a或c”、“b或c”或“a、b或c”。
48.在整个说明书中，相关领域的技术人员将会理解，字词被赋予它们的正常含义。然而，为了避免误解，某些术语的含义将被具体地定义或阐明。
[0049]“任选的”或“任选地”是指随后描述的情况可发生或可不发生，使得所述描述包括其中情况发生的实例和其中情况不发生的实例。类似地，涉及“任选地存在”组分或步骤的实施方案，那些实施方案包括其中存在或不存在所述步骤或组分的单独的独立实施方案。描述“任选的”允许但不需要发生任选的条件。