具有重整器催化劑的排氣系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】具有重整器催化劑的排氣系統(tǒng) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及用于處理來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的廢氣的排氣系統(tǒng)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生含有多種污染物的廢氣，污染物包括烴、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化 物和微粒物質(zhì)。日益嚴(yán)格的國(guó)家和地區(qū)法規(guī)已經(jīng)降低了這種內(nèi)燃機(jī)可以排放的污染物的 量。已經(jīng)將許多不同的技術(shù)應(yīng)用到排氣系統(tǒng)以清潔廢氣，然后再將它排放到大氣中。
[0004] -種提出的用于清潔廢氣的方法采用催化重整過(guò)程。參見(jiàn)例如 SAE-07NAPLES-175,其教導(dǎo)了使用聯(lián)合的重整器和三效催化劑在車輛上對(duì)汽油進(jìn)行廢氣重 整。美國(guó)專利申請(qǐng)公布2012/0117943也教導(dǎo)了車輛上氣體重整系統(tǒng)。
[0005] 據(jù)信，通過(guò)在內(nèi)燃機(jī)的燃料中包含來(lái)自催化重整器的氫，可以實(shí)現(xiàn)較少量的排放 污染物。例如，已經(jīng)建議可以重整柴油或汽油燃料以產(chǎn)生氫，以及可以將該氫添加回到供給 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，以直接減少發(fā)動(dòng)機(jī)的NO x和微粒排放。此外，對(duì)于重整還有現(xiàn)實(shí)利益，因?yàn)橥?過(guò)將廢氣組分轉(zhuǎn)化為較高熱值的燃料組分（H2和CO)，具有回收廢氣中的能量（即燃燒熱） 的潛力。這能夠使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的增提效率提高，和燃料消耗的關(guān)聯(lián)降低，以及〇) 2排放的降 低。
[0006] 對(duì)于任何機(jī)動(dòng)車系統(tǒng)和過(guò)程，需要取得廢氣處理系統(tǒng)中的更進(jìn)一步的改進(jìn)，特別 是那些采用催化重整的系統(tǒng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用燃料重整器催化劑的新的排氣系統(tǒng)。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 本發(fā)明是用于處理內(nèi)燃機(jī)廢氣的排氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三效催化劑（TWC)，位于 TWC下游的燃料重整器催化劑，和位于燃料重整器催化劑上游的燃料供給裝置。廢氣分成兩 部分。第一部分繞過(guò)TWC，并在從燃料供給裝置添加的燃料的存在下與燃料重整器催化劑接 觸，然后再循環(huán)回到發(fā)動(dòng)機(jī)入口。第二部分與TWC接觸，然后利用它來(lái)加熱燃料重整器催化 劑，之后排出到大氣。本發(fā)明獲得改進(jìn)的熱交換（更少的熱損失），用于更好的催化重整。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明第二實(shí)施方案的示意圖。
[0011] 發(fā)明詳述
[0012] 本發(fā)明是用于處理內(nèi)燃機(jī)廢氣的排氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三效催化劑（TWC)。
[0013] 三效催化劑系統(tǒng)是本領(lǐng)域中公知的。TWC通常執(zhí)行三個(gè)主要功能：（1)將CO氧化 為CO2;⑵將未燃燒的燃料氧化為CO 2和H 20 ;和⑶將NOx還原為N 2。三效催化劑優(yōu)選包 含一種或多種鉑族金屬和一種或多種無(wú)機(jī)氧化物載體。鉑族金屬（PGM)優(yōu)選為鉑、鈀、銠或 者其混合物。
[0014] 無(wú)機(jī)氧化物載體大多數(shù)情況下包含第2、3、4、5、6、13和14族以及鑭系元素的氧化 物。有用的無(wú)機(jī)氧化物載體優(yōu)選具有10至7〇〇m2/g的表面積，0. 1至4mL/g的孔體積，和約 10至1000埃的孔徑。無(wú)機(jī)氧化物載體優(yōu)選為氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化 鈰、氧化鈮、鉭氧化物、鉬氧化物、鎢氧化物，或者其任意兩種或更多種的混合氧化物或復(fù)合 氧化物，例如二氧化硅-氧化鋁、二氧化鈰-氧化鋯或氧化鋁-二氧化鈰-氧化鋯。特別優(yōu) 選氧化鋁和二氧化鈰。除了起到載體作用之外，含二氧化鈰的載體，例如二氧化鈰（CeO 2)或 二氧化鈰-氧化鋯混合氧化物還可以起到TWC內(nèi)的儲(chǔ)氧組分（OSC)的作用。無(wú)機(jī)氧化物載 體也可以是沸石，例如β沸石、ZSM沸石、鎂堿沸石或菱沸石。
[0015] 三效催化劑優(yōu)選涂覆在基底上?；變?yōu)選為陶瓷基底或金屬基底；更優(yōu)選地，基底 為金屬基底，以更好地?zé)峤粨Q和易于構(gòu)造。陶瓷基底可以由任何適合的難溶材料制成，例如 氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、二氧化鈰、氧化鋯、氧化鎂、沸石、氮化硅、碳化硅、硅酸鋯、硅 酸鎂、鋁硅酸鹽和金屬鋁硅酸鹽（例如堇青石和鋰輝石），或者其任意兩種或更多種的混合 物或混合氧化物。特別優(yōu)選堇青石、鋁硅酸鎂和碳化硅。
[0016] 金屬基底可以由任何適合的金屬制成，特別是耐熱金屬和金屬合金，例如鈦和不 銹鋼以及含有鐵、鎳、鉻和/或鋁還有其他痕量金屬的鐵素體合金。
[0017] 基底可以為過(guò)濾器基底或流通式基底，最優(yōu)選為流通式基底，尤其是蜂窩體整料。 基底通常經(jīng)涉及以提供多個(gè)通道，車輛廢氣經(jīng)過(guò)該通道。通道表面載有三效催化劑。
[0018] 三效催化劑可以通過(guò)任何已知手段添加到基底。例如無(wú)機(jī)氧化物載體或含PGM載 體材料可以作為活化涂層（washcoat)施加和結(jié)合到基底，其中多孔、高表面積層結(jié)合到基 底表面?；罨繉油ǔ乃鶟{料施加到基底，然后在高溫干燥和煅燒。只要無(wú)機(jī)氧化物 載體活化涂覆到基底上，PGM金屬就可以負(fù)載到干燥的活化涂層載體層上（通過(guò)浸漬、離子 交換等），然后干燥和煅燒。負(fù)載到基底上的PGM的優(yōu)選負(fù)載量為0. 02至I. 7g/升（1至 300g/ft3)催化劑體積。
[0019] 本發(fā)明的系統(tǒng)還包括位于TWC下游的燃料重整器催化劑。燃料重整器催化劑如此 定位，因而它能夠利用由放熱的TWC反應(yīng)產(chǎn)生的熱。適合的燃料重整器催化劑包括能夠重 整燃料以形成合成氣（H2和CO)的那些。
[0020] 優(yōu)選的燃料重整器催化劑包括基于鉑、鈀、銠、鎳及其混合物的催化劑。優(yōu)選地，用 于本發(fā)明的系統(tǒng)中的燃料重整器催化劑包含分散在難熔氧化物載體材料上的高至5wt %、 更優(yōu)選0. 5至4wt%的鉑、鈀、銠和/或鎳，參見(jiàn)例如美國(guó)專利6, 887, 455,其教導(dǎo)在此引入 作為參考。優(yōu)選的催化劑包括包含高至3wt % Rh的Rh催化劑，包含高至5wt % Pt的Pt催 化劑，和包含高至3wt % Rh和高至5wt % Pt的Rh-Pt催化劑。用于PGM和含Ni重整器催 化劑的載體包括無(wú)機(jī)氧化物載體，最通常包括第2、3、4、5、13和14以及鑭系元素的氧化物， 特別是氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鋪、氧化錯(cuò)、二氧化娃、二氧化娃-氧化鋁，以及含有其任 意兩種或更多種的混合物和混合氧化物。燃料重整器催化劑優(yōu)選為常規(guī)蜂窩體基底（適宜 地為金屬蜂窩體）上的沉積物的形式。
[0021] 本發(fā)明的系統(tǒng)還包括位于燃料重整器催化劑上游的燃料供給裝置。燃料供給裝置 將燃料添加到繞過(guò)TWC的廢氣的第一部分中。優(yōu)選地，燃料供給裝置與用來(lái)將燃料注入發(fā) 動(dòng)機(jī)的那些相同。燃料供給裝置優(yōu)選包括燃料注射器，用于將燃料注入緊鄰燃料重整器催 化劑上游的廢氣中。燃料供給裝置優(yōu)選由適當(dāng)編程的控制裝置控制，該控制裝置任選地為 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU)的一部分，其輸入值包括催化劑溫度和/或進(jìn)入和離開(kāi)燃料重整器 單元的氣體的溫度。
[0022] 燃料供給裝置通常為燃料注射器，優(yōu)選具有泵，或者其他適合的計(jì)量裝置，其入口 側(cè)與燃料泵相連。該泵又與注射器連通，該注射器可以具有位于燃料重整器催化劑上游的 一個(gè)或多個(gè)噴嘴。
[0023] 由燃料供給裝置添加到廢氣的第一部分的燃料優(yōu)選與用在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料相同。 燃料優(yōu)選為烴（例如柴油或汽油），但是也可以采用其他燃料例如醇和醚。
[0024] 排氣系統(tǒng)將內(nèi)燃機(jī)廢氣分成兩部分。廢氣的第一部分繞過(guò)TWC，由此廢氣的第一部 分不接觸TWC催化材料。繞過(guò)TWC之后，第一部分同從燃料供給裝置添加的燃料一起與燃 料重整器催化劑接觸，以形成重整產(chǎn)物氣流。重整產(chǎn)物氣流然后再循環(huán)回到發(fā)動(dòng)機(jī)入口。
[0025] 優(yōu)選地，重整產(chǎn)物冷卻器位于燃料重整器催化劑下游，由此它位于燃料重整器催 化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)入口之間。重整產(chǎn)物冷卻器降低重整產(chǎn)物氣流的溫度，然后添加到發(fā)動(dòng)機(jī)入 口。重整產(chǎn)物冷卻器優(yōu)選通過(guò)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑經(jīng)冷卻劑管線循環(huán)來(lái)冷卻。
[0026] 廢氣的第一部分可以在接觸燃料重整器催化劑之前繞過(guò)TWC和/或途經(jīng)TWC。"途 經(jīng)TWC"意思是廢氣的第一部分穿過(guò)TWC內(nèi)的空間而不接觸TWC催化材料。"繞過(guò)TWC"優(yōu) 選的意思是第一部分與TWC基底的外部接觸而不接觸TWC催化材料。
[0027] 通過(guò)使廢氣的第一部分途經(jīng)或繞過(guò)TWC，第一部分將被TWC反應(yīng)放熱加熱，然后接 觸燃料重整器催化劑。接觸燃料重整器催化劑的氣體溫度越高，將使得重整反應(yīng)更有效率。 優(yōu)選地，廢氣的第一部分少于廢氣總量的一半（優(yōu)選1至30vol %，更優(yōu)選10至30vol % )。
[0028] 廢氣的第二部分與TWC接觸。優(yōu)選地，廢氣的第二部分為廢氣總量的大部分（優(yōu) 選70至99vol %，更優(yōu)選70至90vol % )。通過(guò)接觸TWC，由在廢氣中CO氧化為CO2，未燃 燒的燃料氧化物〇)2和H 20,和NOx還原為N2生成熱。經(jīng)加熱的廢氣的第二部分然后用來(lái)加 熱燃料重整器催化劑，然后排出到大氣中。排氣系統(tǒng)允許從廢氣的最大熱交換，得到估計(jì)溫 度高出70-100°C的重整器催化劑。
[0029] 優(yōu)選地，重整器催化劑安裝在排氣系統(tǒng)中TWC的下游，從而增大與廢氣的第二部 分的熱交換。優(yōu)選地，重整器催化劑可以位于排氣系統(tǒng)中TWC下游的環(huán)隙中，由此重整器催 化劑被內(nèi)部氣體通道和外部氣體通道圍繞。廢氣的第二部分流過(guò)內(nèi)部和外部氣體通道，從 而向重整器提供外部熱。
[0030] 另外，由于繞過(guò)TWC的廢氣的第一部分將含有未反應(yīng)的02、CO和NOx，這些氣體可 以在燃料重整器催化劑上反應(yīng)，在重整器中產(chǎn)生放熱。放熱可以用來(lái)輔助重整器點(diǎn)火，并提 高溫度用于預(yù)熱性能。本發(fā)明人還展示了