被包覆的顆粒過濾器、催化劑及具有所述過濾器和催化劑的設備的製作方法

2023-07-04 00:15:31 2

被包覆的顆粒過濾器、催化劑及具有所述過濾器和催化劑的設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種被包覆的顆粒過濾器(3)，特別是壁流式過濾器，所述過濾器具有長度(L)。根據本發明，具有不同包覆體的至少兩個區(4,5)被沿著所述長度提供。本發明還涉及一種催化劑(2)，其中所述催化劑(2)用包覆體形成，所述包覆體具有作為下部包覆層的塗層包覆層，在所述下部包覆層上沉積鈀。最後，本發明涉及一種用於排氣，特別是柴油機機動車輛的排氣，的淨化的設備(1)，所述設備(1)包括催化劑(2)和具有長度(L)的被包覆的顆粒過濾器(3)，所述被包覆的顆粒過濾器(3)被放置於所述催化劑(2)的下遊，其中所述顆粒過濾器(3)和所述催化劑(2)按照本發明被設計。
【專利說明】被包覆的顆粒過濾器、催化劑及具有所述過濾器和催化劑 的設備
[0001] 本發明涉及一種被包覆的顆粒過濾器，特別是壁流式過濾器，所述過濾器具有一 長度。
[0002] 進一步地，本發明涉及一種催化劑，所述催化劑可以被排氣流過。
[0003] 最後，本發明涉及一種用於淨化排氣，特別是柴油動力機動車輛的排氣，的設備， 所述設備包括催化劑和具有一長度的被包覆的顆粒過濾器，所述被包覆的顆粒過濾器被布 置在所述催化劑的下遊。
[0004] 操作期間，以汽油或柴油為燃料的機動車輛排放排氣，所述排氣可以包含多種對 環境有害且損害健康的組分。這些組分包括碳氫化合物（HC)、一氧化碳（CO)和氮的氧化物 (NOx)。而且，在柴油動力機動車輛的情況中，菸灰顆粒被排放。
[0005] 為了減少機動車輛的排氣中的有害組分的排放至最大可能程度，立法者不斷制定 新的排氣標準，所述標準指定了在排氣的淨化方面越來越多的嚴格的要求。因此，車輛和發 動機製造者不得不在機動車輛的排氣系統中提供淨化設備，所述設備確保遵守適用的排氣 標準。
[0006] 在大概二十年中，在在汽車工業方面已經有相當多的努力來淨化在機動車輛的排 氣系統中的機動車輛排氣。對於柴油動力機動車輛，由兩個組件構成的淨化設備被開發出 來，所述設備可以被安裝在排氣系統中，或者被整合在這樣的系統中。該淨化裝置被稱為持 續再生捕集系統（CRT系統）。第一組件包括催化劑，所述催化劑是被包覆的以便存在於排 氣中的一氧化氮（NO)被氧化為二氧化氮（NO2)。第二組件被布置於下遊，所述第二組件被 用作顆粒過濾器，並過濾掉存在於排氣中的菸灰顆粒。憑藉所述菸灰顆粒的燃燒，在顆粒過 濾器處被過濾掉的菸灰顆粒被先前形成於催化劑處的NO或已經存在於排氣中的NO轉化， 其中NO2被還原為N0。用該種類的設備，菸灰顆粒可以大體上適當地從柴油動力機動車輛 的排氣被移除。該類型的CRT系統可以被動地或自主地再生，前提是存在對於菸灰顆粒的 燃燒必要的溫度。此外，可以提供的是，顆粒過濾器可以通過例如在所述催化劑之前的燃料 的注入和燃燒來加熱顆粒過濾器並從而達到對於菸灰顆粒的燃燒的必要的溫度而被主動 地再生。當以走走停停的方式操作機動車輛時，這是首先必要的，因為這是城市交通中的經 常情況。在這種情況下，顆粒過濾器通常達不到對於自主的菸灰燒盡所必要的溫度。儘管 CRT系統可以有效地從排氣移除菸灰顆粒、一氧化碳和碳氫化合物，氮的氧化物，特別是高 含量的NO2，仍然殘留。
[0007] 使用選擇性催化還原（SCR)操作的排氣淨化設備也是已知的。在該類型的系統 中，通常在置於排氣系統中的催化劑之前注入尿素溶液。被注入的尿素溶液分解產生氨，氨 在催化劑處與NO和NO2反應，以致NOx量被減少。典型地，為此目的，在淨化設備的末端還 提供slip催化劑，所述催化劑被用來轉化過量的氨，否則氨將被排放。SCR系統通常被用在 柴油動力機動車輛上，但這導致具有很多組件的淨化設備的非常複雜的設計。
[0008] 對於柴油動力機動車輛，從現有技術中已知，CRT系統不僅過濾掉菸灰顆粒，而且 顯著減少HC量和CO量。進一步地，NOx的總量的NO2比例被減少至最小。為此目的，與上 遊催化劑組合提供的顆粒過濾器的特定包覆體是必要的，這被公開在EP2 335 809Al中。 即使事實上柴油動力機動車輛的排氣的所有有害組分可以從而被移除，然而不利的是，由 於NO2被還原為NO,NOx量保持幾乎恆定。因此，儘管滿足了提供對於NO2量的特定限制的 現有排氣標準，但並不滿足也會規定對於NO量的更加嚴格限制的未來的排氣標準。
[0009] 本發明的目的是公開一種屬於在前文中命名的類型的顆粒過濾器，所述顆粒過濾 器以簡單的方式構建，但其使得機動車輛，特別是柴油動力機動車輛，的排氣的有效淨化成 為可能。
[0010] 本發明的另一個目的是公開一種屬於在前文中命名的類型的催化劑，所述催化劑 使得有效的排氣淨化成為可能，特別是與下遊顆粒過濾器協力工作時。
[0011] 本發明的另一個額外的目的是公開一種屬於在前文中命名的類型的設備，使用所 述設備，機動車輛，特別是柴油動力機動車輛，的排氣可以以尤其有效的方式被淨化。
[0012] 本發明的第一目的被這樣達到：伴隨著屬於在前文中命名的類型的顆粒過濾器， 以不同的方式被包覆的至少兩個區沿著長度被提供。
[0013] 憑藉按照本發明提供的顆粒過濾器區域性的不同包覆體，可以創建過濾器上的不 同區域，所述不同區域針對排氣淨化分別執行不同的功能，或者所述不同區域分別以選擇 性的方式從排氣移除和/或轉化特定組分。因此，用簡單的設計，特別是用上遊催化劑來移 除機動車輛排氣的很多對環境有害的組分是可能的。
[0014] 原則上，可以提供任意數目的區，舉例來說，三個或更多個區。然而，由於顆粒過 濾器隨後可能在浸蘸過程中被包覆，因此如果提供兩個區，顆粒過濾器可以以特別簡單的 方式被包覆。為此目的，顆粒過濾器僅需要將其直至其長度的預先確定的部分浸蘸在浸浴 (immersionbath)中，以便包覆第一區。顆粒過濾器接著被旋轉180°並被再次浸蘸在不 同的浸浴中以創建第二區中的包覆體，其中過濾器被浸蘸至覆蓋尚未被包覆的長度。第二 區從而被具體體現為至少部分減少NO的區。鑑於存在於第二區中或形成於第二區中的NO 被至少部分地減少，這使得在第一區中催化燃燒菸灰顆粒成為可能。
[0015] 特別優選的是，第一區具有包含鉬和/或鈀的包覆體。鉬從而被用於將NO氧化為 NO2，這對菸灰顆粒的燃燒是必要的。對比於鉬，鈀具有這樣的作用：將NO2還原為N0。當同 時存在時，可以提供的是，所述兩種金屬因此產生固有的相反的作用。儘管如此，實踐中觀 察到優異的菸灰燒盡。對於在包覆體中組合使用鉬和鈀產生的這種優異的菸灰燒盡的準確 的原因尚不清楚。可以想到的是，由於包覆體由溶膠或溶液產生，反應性金屬顆粒被沉積， 所述顆粒有效地充當了用於催化反應的微中心，其中，在單個中心處，NO至NO2的氧化反應 或者相反方向的還原反應反覆發生。然而，特別地，包覆體僅包含鈕而不包含鉬和/或其他 金屬也是可能的。用僅基於鈀的這種方式（version)達到出奇好的結果是可能的。
[0016] 進一步地，有利的是，如果第一區包括底部包覆層，所述底部包覆層具體體現為塗 層（washcoat)包覆層，並且包含鉬和/或鈀的頂部包覆層被沉積在所述底部包覆層上。從 而，塗層包覆層促進金屬製成的包覆體或金屬顆粒對顆粒過濾器的良好附著。就這一點而 言，特別可以提供的是，用二氧化鈦、氧化鈰、氧化鑭和可選地氧化鐵形成塗層包覆層，或者 所述塗層包覆層由二氧化鈦、氧化鈰、氧化鑭和可選地氧化鐵構成。該類型的底部包覆層已 經證明對於顆粒過濾器的持久的裝載是特別有利的。從而，有利的是，塗層包覆層主要是用 二氧化鈦和氧化鈰包覆的，同時氧化鑭和氧化鐵可以以較小的量存在。特別地，可以提供的 是，塗層包覆層包含多於20重量百分數（wt% )的二氧化鈦和多於5wt%的氧化鈰。
[0017] 還優選的是，除了鉬和/或鈀，頂部包覆層本質上不包含任何其他過渡金屬。所提 及的兩種金屬元素對於實現按照本發明的效果是充分的。然而，顯然可能存在生產相關的 汙染物。如果兩種元素都存在，鉬和鈀相對於彼此的濃度從而被選定，以便鉬的濃度優選地 大於鈀的濃度。在測試中，這被證明是有利的，並且可以被解釋為菸灰顆粒的燃燒在功能方 面是第一區中的主要焦點，並因此倚重於提供NO氧化的鉬部分。
[0018] 第二區的包覆體可以以任何符合期望的方式被具體體現，前提是按照本發明的效 果，特別是NO被至少部分地減少，以便減少離開的排氣中的NOx量的效果被實現。然而，相 當出乎意料地被示出的是，第二區可以僅用一單層包覆體來具體體現。從而，第二區的包覆 體可以包含二氧化鈦、氧化鐵、氧化釩和氧化鎢，或者可以由二氧化鈦、氧化鐵、氧化釩和氧 化鎢構成。氧化釩和氧化鎢還可以單獨地或者共同地被氧化錳和/或氧化銅代替。如果必 要，也可以存在至少一種稀土金屬。第二區中此類型的單層（single-ply)包覆層確保有效 的NO減少。
[0019] 為了應用的特定目的，可以調整單個的包覆體區段的長度，或第一區和第二區的 長度。有利的是，第一區的長度是第二區的長度的50%至200%。
[0020] 本發明的第二個目的這樣被達到：屬於在前文中命名的類型的催化劑用一包覆體 具體體現，所述包覆體具有作為底部包覆層的塗層包覆層，鈀被沉積在所述塗層包覆層上。
[0021] 按照本發明的催化劑的優勢特別可以見於：催化劑與按照本發明的下遊顆粒過濾 器協力工作可以確保排氣的有效的淨化。特別是當催化劑被用於柴油動力機動車輛的排氣 系統中時，HC量、CO量和NO2量的減少在所述催化劑處被實現。碳氫化合物以及CO被氧化。 同時，NOx的量以大約5%的幅度被減少。
[0022] 優選地，相對於催化劑體積，在催化劑處的鈀的濃度特別高，並且所述濃度優選地 是多於150gnT3。這樣高的濃度已經被證明對於排氣淨化是有利的。特別地，雖然有雜質， 鈀可以被提供為單一的金屬。
[0023] 優選地，提供的是，塗層包覆體包含氧化鋯或主要由氧化鋯構成。從而，可以提供 的是，塗層包覆層包含多於50wt%的氧化鋯，並且餘量由氧化矽和氧化鋁構成。
[0024] 按照本發明的催化劑優選地與下遊的顆粒過濾器一起使用，但是還可以被用於內 燃發動機的排氣的系統中，特別是柴油發動機的排氣系統中，所述內燃發動機的排氣的系 統被排氣流流過，其中顆粒過濾器和/或SCR設備被提供在排氣系統中的催化劑之前。在該 布置中，使用上遊的顆粒過濾器和/或上遊的SCR設備，旨在按照本發明的催化劑提供NO2 減少，並且因此充當slip催化劑。
[0025] -般而言，催化劑可以被用在內燃發動機的排氣系統中，特別是柴油發動機的排 氣系統中，以便減少排氣系統中的NO2量，所述內燃發動機的排氣系統被排氣流流過。
[0026] 如果在屬於在前文中命名的類型的設備中，顆粒過濾器和催化劑按照本發明被具 體體現，則本發明的另一個目的被達到。
[0027] 從而，還可以可能地在催化劑處提供區包覆體，其中不同的區可以用相同材料但 以不同濃度被包覆。
[0028] 用按照本發明的設備獲得的優勢可見於：HC量、CO量和菸灰顆粒可以從柴油動力 機動車輛的排氣被有效地移除，並且，進一步地，可見於：離開的排氣中的NOx量也被顯著減 少。總之，有效的排氣淨化因此被確保。
[0029] 如果NOx儲存催化劑被布置催化劑的上遊，是有利的.
[0030] 本發明的額外的特徵、益處和效果由下文中描述的示例性實施方案可見。從而被 參考的附圖示於下方：
[0031] 圖1是按照本發明的設備的示意圖；
[0032] 圖2是關於柴油動力機動車輛的排氣中的NOx量的減少的圖表。
[0033] 在圖1中，圖示說明了按照本發明的設備1的示意性的設計。設備1被典型地布 置在示意性地揭示的柴油動力機動車輛的排氣系統中。設備1本質上包括兩個組件，即催 化劑2和在流動的排氣的方向上布置在所述催化劑2下遊的顆粒過濾器3。顆粒過濾器3 屬於壁流式類型。這意味著過濾器用在排氣的流動的方向上延伸的多個平行的通道來具體 體現，其中在顆粒過濾器3的末端的所述通道被輪流閉合。然而，由於所述過濾器是用在內 部通道區域中的多孔壁結構來具體體現的，流動的排氣可以通過過濾器，以便排氣首先進 入通道，隨後經過通道壁，並且最後再次在所述過濾器的末端離開。壁流式類型的這樣的 組件典型地由陶瓷製成，並且同樣地，所述壁流式類型的這樣的組件在現有技術已知。然 而，按照本發明的概念並不限於類似的過濾器，而是如果顆粒過濾器3由可以經受直至大 約500°C的排氣溫度的不同的材料（舉例來說，金屬編結物、金屬泡沫體（foams)或絨頭織 物（fleeces))構成，按照本發明的概念也可以被使用。
[0034] 催化劑2包括氣體可透過的金屬箔的基本結構或者特別是包括開孔的 (open-pore)陶瓷和塗層包覆層的基本結構，所述塗層包覆層具有多於50wt%的氧化鉳以 及作為餘量的氧化矽和氧化鋁，其中氧化矽量超過氧化鋁量。本質上由鈀構成的頂部包覆 層被沉積在該底部塗層包覆層上。鈀的濃度是多於150gnT3。
[0035] 如所提及的，布置在催化劑2的下遊的顆粒過濾器3屬於壁流式類型並且包括第 一區4和跟隨在下遊的第二區5。顆粒過濾器3具有長度L，其中所述第一區4延伸覆蓋長 度L1，而第二區5延伸覆蓋長度L2。在示意性的示例性實施方案中，長度LI、L2組合以形 成（總）長度L。然而，還可以被提供的是，第一區4被布置在與第二區5相距一距離處，其 中區4、5之間的區域和區4、5本身可以被包覆。第一區4包括具體體現為塗層包覆層的底 部包覆層。該底部包覆層包括一組合物，所述組合物具有多於20wt%的氧化鈦和多於5% 的氧化鈰。舉例來說，底部包覆層的剩餘部分是由氧化鑭以及，可選地，氧化鐵形成。除汙 染物外，僅由鉬和鈀構成的頂部包覆層被沉積在底部包覆層或者塗層包覆層上。舉例來說， 鉬的濃度從而是大約等於直至2000gnT3。舉例來說，鈀的濃度典型地小於鉬的濃度，並且等 於直至1500gnT3。相反地,第二區5僅包括單一的包覆層,所述包覆層由二氧化鈦、氧化鐵、 氧化釩和鎢構成。二氧化鈦量典型地大於6〇Wt%。氧化鐵、氧化釩和氧化鎢優選地各自以 直至IOwt%的量存在。氧化釩和氧化鎢還可以單獨地或者共同地被氧化錳和/或氧化銅代 替，其中這些可替換的組分的量被相應調整。進一步地，至少一種稀土金屬還有利地以直至 2wt%的量存在。
[0036] 在圖1中圖示說明的設備1中，催化劑2主要被用於氧化HC量和將CO氧化為CO2。 催化劑2還可以被作為NO2Slip催化劑來單獨使用。儘管沒有圖示說明，可以提供的是，設 備1額外地包括所謂HC配量（dosing)系統。HC配量系統被用於根據燃燒所述燃料的需 要，注入來自機動車輛油箱（tank)的燃料，以便加熱顆粒過濾器3,並且因此引入顆粒過濾 器3的主動再生。如果提供HC配量系統，燃料的注入發生在催化劑2和顆粒過濾器3之前。 進一步地，還可能的是，圖1中圖示說明的設備1包括NOx儲存催化劑，所述NOx儲存催化劑 將氮的氧化物短暫地與鋇化合物或鉀化合物鍵合，並且所述NOx儲存催化劑也是用貴金屬 (例如鉬）包覆的。NOx儲存催化劑隨後被優選地布置在催化劑2之前。總體來說，NOjJt 化劑和顆粒過濾器3憑藉HC注入而被定期再生。
[0037] 針對排氣淨化，基於發動機測試標準，研究或測試如圖1中圖示說明的並具有HC 配量系統的設備1。所述測試在OM904LA梅賽德斯奔馳（MercedesBenz)實用車輛發動機 上執行。從而得到下方表1中可見的測得的值。
[0038] 表1排氣值
[0039]
【權利要求】
1. 被包覆的顆粒過濾器（3)，特別是壁流式過濾器，所述過濾器具有長度（L)，其特徵 在於，至少兩個區（4, 5)沿著所述長度（L)被提供，所述兩個區以不同的方式被包覆。
2. 如權利要求1所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，第一區（4)和第二區 (5)被提供，其中所述第二區（5)是至少NO減少區（5)。
3. 如權利要求1或2所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述第一區（4)具 有包含鉬和/或鈀的包覆體。
4. 如權利要求3所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述第一區（4)包括底 部包覆層，所述底部包覆層具體體現為塗層包覆層，並且在所述底部包覆層上沉積包含鉬 和/或鈀的頂部包覆層。
5. 如權利要求4所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述塗層包覆層是用二 氧化鈦、氧化鈰、氧化鑭，以及，可選地，氧化鐵形成的，或者由二氧化鈦、氧化鈰、氧化鑭，以 及，可選地，氧化鐵構成。
6. 如權利要求5所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述塗層包覆層包含多 於20wt%的二氧化鈦和多於5wt%的氧化鋪。
7. 如權利要求4至6之一所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，除了鉬和/或 鈀，所述頂部包覆層不包含任何其他過渡金屬。
8. 如權利要求4至7之一所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，存在鉬和鈀， 並且鉬的濃度優選地大於鈀的濃度。
9. 如權利要求1至8之一所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述第二區 (5)用單層包覆體具體體現。
10. 如權利要求9所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述第二區（5)的所 述包覆體包含二氧化鈦、氧化鐵、氧化釩和氧化鎢，或者由二氧化鈦、氧化鐵、氧化釩和氧化 鎢構成，其中氧化釩和氧化鎢可以用氧化錳和/或氧化銅代替。
11. 如權利要求1至10之一所述的被包覆的顆粒過濾器（3)，其特徵在於，所述第一區 (4)的長度（L1)是所述第二區（5)的長度（L2)的50%至200%。
12. 催化劑（2)，所述催化劑（2)可以被排氣流過，其特徵在於，所述催化劑（2)用一包 覆體具體體現，所述包覆體包括作為底部包覆層的塗層包覆層，鈀被沉積在所述底部包覆 層上。
13. 如權利要求12所述的催化劑（2)，其特徵在於，所述塗層包覆層包含氧化鋯，或者 主要由氧化鋯構成。
14. 如權利要求12或13所述的催化劑（2)在內燃發動機的排氣系統中，特別是柴油發 動機的排氣系統中的應用，所述催化劑（2)被排氣流流過，其中顆粒過濾器和/或SCR設備 被提供於所述排氣系統的所述催化劑（2)之前。
15. 如權利要求12或13所述的催化劑（2)在內燃發動機的排氣系統中，特別是柴油 發動機的排氣系統中，以減少所述排氣系統中的N02量的應用，所述催化劑（2)被排氣流流 過。
16. 用於淨化排氣，特別是柴油動力機動車的排氣的設備（1)，所述設備（1)包括催化 劑（2)和具有長度（L)的被包覆的顆粒過濾器（3)，所述顆粒過濾器（3)被布置在所述催化 劑（2)的下遊，其特徵在於，所述顆粒過濾器（3)按照權利要求1至11之一具體體現，並且 所述催化劑（2)按照權利要求12或13具體體現。
17.如權利要求14所述的設備（1)，其特徵在於，N0X存儲催化劑被布置於所述催化劑 的上遊。
【文檔編號】F01N3/022GK104411927SQ201380033990
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年4月26日 優先權日:2012年4月26日
【發明者】伯恩哈德·卡勒特 申請人:伯恩哈德·卡勒特