[发明专利]用于稀薄排气NOX减少的双功能催化剂材料

说明书

技术领域

本发明总体涉及处理由稀薄燃烧发动机所产生的排气的排气后处理系统，且更具体地涉及可用于有助于除去NO_X的催化剂材料。

背景技术

稀薄燃烧发动机供给有并且燃烧空气和燃料（富氧混合物）的稀薄燃料，以获得更有效的燃料经济性。稀薄燃烧发动机的几种著名例子包括充量压缩点燃（柴油）发动机，以及某些火花点燃（汽油）发动机如火花点燃式直喷（SIDI）发动机和均质充气压缩燃烧式（HCCI）发动机。这些和其他类型的稀薄燃烧发动机因为尤其与节气门和热损失的减少有关的热效率而比常规的富燃火花点燃式发动机总体具有更好的燃料功率。

稀薄燃烧发动机在稀薄燃烧操作周期过程中所排放的排气可包括相对高含量的氮（N₂）和氧（O₂）、相对低含量的一氧化碳（CO）以及未燃烧/部分燃烧的碳氢化合物（HC）、可能地某些悬浮颗粒物质（即在柴油发动机中）、以及少量的主要由NO和NO₂构成的氮氧化合物（统称为NO_X）。排气中的NO_X成分可在大约50和大约1500ppm之间波动，且可包含多于90mol%的NO和少于10mol%的NO₂，以及可忽略不计的N₂O。可达到约900℃的热发动机排气通常需要在其可被释放到大气之前被处理，以降低CO、HC、NO_X以及颗粒悬浮物的浓度。

排气后处理系统可设置在稀薄燃烧发动机的下游，以管理发动机的排气中所包含的任何有害的气态排放物和可能的颗粒物质。典型的排气后处理系统通常渴求协作地：（1）将CO氧化成为二氧化碳（CO₂），（2）将HC氧化成为CO₂和水（H₂0）,(3)将NO_X气体转化成为氮（N₂）和O₂，以及（4）滤出或以其他方式消除任何悬浮的颗粒物质。应用特殊催化部件的许多排气后处理系统架构已经被构思并且能够有效地促进这些反应，使得排放到环境中的排气包含更多可期望的化学组分。构成排气后处理系统的各种部件尤其取决于所操作的稀薄燃烧发动机类型可改变。

例如，SIDI发动机可连接到催化转化器，其容纳由铂族金属（PGM）如铂、钯和铑组成的三效催化剂。催化转化器已经在传统的火花点燃式汽油发动机中使用了很长时间，该火花点燃式汽油发动机燃烧近似化学计量的空气-燃料混合物，以从发动机排气中除去有害的CO、HC和NO_X。但是，SIDI发动机在稀薄燃烧操作周期过程中所产生的排气的特性导致与除去NO_X有关的挑战。一个具体困难在于热排气中的相对高含量的O₂和相对低含量的CO和HC致使对于从NO_X到N₂的转化在PGM上的反应动力学相当不令人满意。作为另一实例，柴油发动机可连接到柴油颗粒过滤器和柴油氧化转化器，其容纳由如铂和钯的PGM构成的柴油氧化催化剂。柴油颗粒过滤器以及柴油氧化转化器可以除去有害的CO、HC以及悬浮颗粒物，但是非常类似催化转化器，由于相对高的O₂浓度通常不适于用于除去NO_X。因此，额外措施通常集成到SIDI和柴油发动机以及所有其他类型的稀薄燃烧发动机的排气后处理系统中，以助于除去NO_X。

可在稀薄燃烧发动机的排气后处理系统中采用以有助于将NO_X转化成为N₂的一种可用选择是选择性催化还原（SCR）催化剂。SCR催化剂可被涂敷（washcoat）在布置于排气流动通道中的支撑基体上。如碳氢化合物或氨（NH₃）的还原剂，可被引入并且混合于SCR催化剂上游的从稀薄燃烧发动机排出的排气中。还原剂，一旦暴露于SCR催化剂，在存在O₂下选择性地将NO_X还原成N₂。SCR催化剂可设置在氧化催化剂下游的排气后处理系统中，氧化催化剂将多于微量的NO氧化成NO₂。SCR催化剂的这种定位会是非常有帮助的，因为SCR催化剂通常更有效地将NO_X转化成N₂，特别是在较低温度下，由于NO到NO₂的摩尔比率从由稀薄燃烧发动机所原始产生的比率下降到大约1的比率。