用於柴油車輛的後處理系統的製作方法

2023-10-17 00:14:14

本公開涉及柴油車輛的後處理系統(ATS)，並且更具體地，通過生成氫氣(H2)最大化氨(NH3)生產產率，並且能夠通過控制生產的氨(NH3)的氧化增加選擇性催化還原(SCR)催化劑的氮氧化物(NOx)淨化性能的後處理系統。

背景技術：

氮氧化物(NOx)是與一氧化碳(CO)和烴(HC)一同由車輛釋放的有害排放物。當NOx釋放入大氣中時，其導致呼吸問題和光化煙霧。

為了避免以上源自氮氧化物(NOx)的問題，在限制大氣汙染物的排放方面的規範已經越來越嚴格。

隨著如上所述越來越嚴格的汽車廢氣規範，汽車製造商已經開發了減少難以使用傳統催化劑去除的氮氧化物(NOx)的排放的廢氣後處理技術。

具體地，雖然為了由於漸增的油價而改善能效，以及減少二氧化碳(CO2)排放，越來越多的關注已經朝向稀燃(稀薄燃燒，lean burn)發動機的開發，由於廢氣中來自稀燃發動機的大量氧氣，難以使用傳統的後處理技術去除來自廢氣的氮氧化物(NOx)。

因此，已經開發的使用氨(NH3)和稀燃NOx捕集(lean NOx trap，LNT)技術的選擇性催化還原(SCR)技術作為，為了去除生成自稀燃發動機的氮氧化物(NOx)的代表性後處理技術。

然而，SCR技術需要用於儲存尿素並將其提供至SCR催化劑，以供應用作還原劑的氨(NH3)的另外的裝置。

LNT技術使用大量的金屬以活化催化劑且需要複雜的發動機控制。

因此，已經開發了三元催化劑(三效催化劑，three-way catalyst，TWC)轉化器以生成氨(NH3)，同時避免對車輛後處理系統的較大改變，並開發被動SCR(passive SCR，pSCR)技術，以通過用LNT催化劑吸收氮氧化物，並且然後將一些吸收的氮氧化物(NOx)在其中產生大量氫氣(H2)的富燃料環境下轉化為氨(NH3)來去除氮氧化物(NOx)。

常規的LNT催化劑包括二氧化鈰(CeO2)和其複合氧化物(complex oxide)等，以增加氮氧化物(NOx)的儲存性能，然而pSCR系統是有問題的，因為其淨化性能由於存在於二氧化鈰中的晶格氧將生成的氨(NH3)轉化為氮氣(N2)而劣化。

前述內容僅旨在幫助理解本公開內容的背景技術，而並非旨在表示本公開內容落在本領域技術人員已知的相關技術的範圍內。

技術實現要素：

考慮到以上出現在現有技術中的問題而完成本公開，並且本發明構思的方面提供了用於柴油車輛的後處理系統，其能夠通過選擇性催化還原(SCR)催化劑提高氮氧化物(NOx)淨化性能，同時防止氨(NH3)的氧化。

本發明構思的另一方面提供了用於柴油車輛的後處理系統，其能夠通過生成的氫氣(H2)改善氮氧化物(NOx)至氨(NH3)的轉化率。

根據本公開的示例性實施方式，用於柴油車輛的後處理系統包括，安裝在柴油發動機下遊的稀燃NOx捕集(LNT)催化劑，基於λ窗口在稀燃 氣氛中吸收氮氧化物(NOx)，在富燃氣氛中放出氮氧化物(NOx)，並且將一些放出的氮氧化物(NOx)轉化為氨(NH3)；以及安裝在LNT催化劑下遊的選擇性催化還原(SCR)催化劑，使用生成於LNT催化劑的氨(NH3)淨化通過LNT催化劑的氮氧化物(NOx)。

LNT催化劑可以是用選自包括鉑(Pt)、銠(Rh)、氧化鋇(BaO)、和它們的混合物的組的第一塗層金屬塗覆的氧化鋁(Al2O3)。

LNT催化劑可以不含包括二氧化鈰(CeO2)的複合氧化物(compound oxide)。

LNT催化劑可以在，其中空氣-燃料的當量比(λ)小於1並且溫度在至少250℃的驅動條件(driving conditions)下，將氮氧化物(NOx)轉化為氨(NH3)。

該後處理系統可以進一步包括氫催化劑，其安裝在LNT催化劑的上遊並生成氫氣(H2)。

該氫催化劑可以是用選自包括鉑(Pt)、金(Au)、和它們的混合物的組的第二塗層金屬塗覆的二氧化鈰(CeO2)。

該氫催化劑可以使用水煤氣變換反應(water gas shift reaction)生成氫氣(H2)。

該氫催化劑可以在低於200℃的溫度吸收氮氧化物(NOx)，並且可以在200℃或更高的溫度放出氮氧化物(NOx)。

根據本公開中的示例性實施方式，可以通過防止生成於LNT催化劑的氨(NH3)的氧化，在位於LNT催化劑下遊的SCR催化劑增加氮氧化物(NOx)的淨化性能。

此外，稀燃NOx捕集(LNT)催化劑上遊的氫催化劑，通過氫催化劑中的水煤氣變換反應生成氫氣(H2)，最大化在稀燃NOx捕集(LNT)催化劑的氨(NH3)生成，藉此其能夠改善氮氧化物(NOx)的淨化性能。

該氫催化劑能夠通過在低溫吸收氮氧化物(NOx)並在高溫放出氮氧化物(NOx)來增加氮氧化物(NOx)的淨化性能。

附圖說明

結合附圖時根據下面的詳細描述，將更為清晰地理解本公開的上述以及其他目的、特徵和其他優點，其中：

圖1是根據本公開的示例性實施方式的用於柴油車輛的後處理系統的示意圖；

圖2是根據本公開的示例性實施方式和比較例的稀燃NOx捕集(LNT)催化劑的氨(NH3)轉化率的圖；

圖3是描述根據本公開的示例性實施方式的在氫催化劑處的水煤氣變換反應的圖；

圖4是描述根據本公開的示例性實施方式的氫催化劑和LNT催化劑的反應的圖；

圖5是描述生成的氨(NH3)的氧化的圖；並且

圖6是示出通過根據本公開的示例性實施方式的氫催化劑的組合物的水煤氣變換反應生成的氫氣(H2)產率的圖。

具體實施方式

在下文中，雖然將結合示例性實施方式並參考附圖來詳細描述本發明，應理解的是，本說明書並非旨在將本發明限制為那些示例性實施方式。供參考，本說明書的相同數字基本上表示相同的要素，在此規則下，可以通過引用在其他附圖中描述的事物來描述，並且可以省略對本領域技術人員顯而易見或重複的事物。

本公開具有，通過在其中將被動SCR(pSCR)技術應用於柴油車輛的情況下防止在LNT催化劑生成的氨(NH3)的氧化，增加位於稀燃NOx捕集(LNT)催化劑下遊的選擇性催化還原(SCR)催化劑的氮氧化物(NOx)淨化性能的主要構思。

圖1是根據本公開的示例性實施方式的用於柴油車輛的後處理系統的示意圖。

如圖1中所示，根據示例性實施方式的用於柴油車輛的後處理系統20具有，安裝在柴油發動機下遊的稀燃NOx捕集(LNT)催化劑22，取決於溫度吸收或放出氮氧化物(NOx)，並將一些放出的氮氧化物(NOx)轉化為氨(NH3)。選擇性催化還原(SCR)催化劑23隨後安裝在LNT催化劑的下遊，並且使用生成的氨(NH3)淨化氮氧化物(NOx)。

LNT催化劑22是用選自包括鉑(Pt)、銠(Rh)、氧化鋇(BaO)、和它們的混合物的組的第一塗層金屬塗覆的氧化鋁(Al2O3)，並且在特定實施方式中不含二氧化鈰(CeO2)。

通常，作為氧儲存催化劑(OSC)用於常規LNT催化劑中的二氧化鈰(CeO2)通過在具有大量氧氣的稀燃氣氛(lean atmosphere)中儲存氧氣，並在具有很少量氧氣的富燃氣氛(rich atmosphere)放出氧氣，擴大λ窗口。存在於二氧化鈰(CeO2)中的晶格氧將生成的氨(NH3)氧化，從而阻止其到達SCR催化劑，並且因此劣化氮氧化物(NOx)淨化性能。

表1

表1示出了根據示例性實施方式和使用二氧化鈰作為載體的比較例的LNT催化劑的組成，並且圖2是示出根據示例性實施方式和比較例的LNT催化劑的氨(NH3)轉化率的圖。

如在表1和圖2中所示，雖然第一塗層金屬的組成是相同的，但是在250℃或更高的高溫、與在安裝於LNT催化劑下遊的SCR催化劑23的氮氧化物(NOx)淨化性能較高的示例性實施方式相比，當LNT催化劑包括二氧化鈰(CeO2)時，可以知道生成的氨(NH3)的產率大幅下降。

其原因是，生成的氨(NH3)被二氧化鈰(CeO2)的晶格氧氧化為氮氣(N2)。細節在下文指出。

此外，LNT催化劑22可以在空氣-燃料當量比(λ)低於1和250或更高的高溫的條件下將氮氧化物(NOx)轉化為氨(NH3)，因為位於LNT催化劑下遊的SCR催化劑在250℃或更高的高溫最大化了氮氧化物(NOx)淨化性能。

因此，LNT催化劑22通過在最大化氮氧化物(NOx)淨化性能的高溫，將氮氧化物(NOx)轉化為氨(NH3)，並且向位於其下遊的SCR催化劑23提供氨(NH3)，改善氮氧化物(NOx)淨化性能。

根據示例性實施方式的用於柴油車輛的後處理系統20可以進一步包括，位於LNT催化劑22上遊，並且生成氫氣(H2)的氫催化劑21。

氫催化劑21可以是用選自包括鉑(Pt)、金(Au)、和它們的混合物的組的第二塗層金屬塗覆的二氧化鈰(CeO2)。

由於大量的氫氣(H2)對於將在富燃氣氛中放出自LNT催化劑22的氮氧化物(NOx)還原為氨(NH3)是必需的，因此可以通過在氫催化劑21的水煤氣變換反應生成所需的氫氣(H2)來最大化在稀燃NOx捕集(LNT)催化劑處的氮氧化物(NOx)至氨(NH3)的轉化率。

圖3是描述根據本公開的示例性實施方式的在氫催化劑處的水煤氣變換反應的圖，並且圖4是描述根據本公開的示例性實施方式的氫催化劑和LNT催化劑的反應的圖。

如圖3中所示，當來自廢氣的水(H2O)在氫催化劑21的晶格缺陷上經受分離吸收(dissociative absorption)，吸收的氫(H2)重排，之後其與來自廢氣的一氧化碳(CO)反應以生成二氧化碳(CO2)和氫氣(H2)。

如圖4中所示，在上述過程中生成的氫氣(H2)在塗覆在LNT催化劑22上的第一塗層金屬上轉變為水(H2O)和氨(NH3)。

圖5是描述生成的氨(NH3)的氧化的圖。

如圖5中所示，在塗覆在LNT催化劑22上的第一塗層金屬上生成的氨(NH3)與二氧化鈰(CeO2)的晶格氧反應，然後還原為水(H2O)和氮氣(N2)。

因此，氫催化劑21可以位於LNT催化劑22的上遊，並且對於LNT催化劑22而言不含二氧化鈰(CeO2)。

因此，根據本公開，安裝在LNT催化劑22的下遊的SCR催化劑23的效率是通過防止生成的氨(NH3)再氧化來建立的。

LNT催化劑22可以在低於200℃的溫度吸收氮氧化物(NOx)，並在200℃或更高的溫度將其放出。

SCR催化劑23在200℃開始淨化並在300℃達到最佳性能，並且因此可以通過使氮氧化物(NOx)在200℃或更高的、氮氧化物(NOx)淨化開始的溫度從LNT催化劑22放出，防止氮氧化物(NOx)在低於200℃的低溫以未淨化的狀態釋放入空氣。

圖6是示出通過根據本公開的示例性實施方式的氫催化劑的組合物的水煤氣變換反應生成的氫氣(H2)產率的圖。H2產率的計算公式為：H2產率＝H2的摩爾數/CO2的摩爾數。條件：1.3％CO+3.1％H2O+0.5％CO2，餘量H2。

如圖6中所示，可以知道生成的氫氣(H2)的產率，通過在施加第二塗層金屬的情況下水煤氣變換反應的活性發生，相比不施加其的情況增加。

此外，可以知道，生成的氫氣(H2)的產率在其中將二氧化鈰(CeO2)用作載體的情況下，相比其中使用氧化鋁(Al2O3)的情況增加。

因此，氫催化劑21可以是用選自包括鉑(Pt)、金(Au)、和它們的混合物的組的第二塗層金屬塗覆的二氧化鈰(CeO2)。

雖然為了說明目的已經描述了實施方式，但是本領域技術人員應理解，在沒有背離如所附權利要求中公開的本發明的範圍和精神的情況下，可以做出各種修改、增加以及替換。