[发明专利]催化颗粒过滤器及涂覆颗粒过滤器的方法

说明书

本发明涉及一种催化发动机尾气的多效颗粒过滤器。特别地，本发明是一种壁流式颗粒过滤器，使用三元催化剂(TWC)在其入口侧进行催化，该催化剂对去除残余烃和一氧化碳具有活性，并且在富燃发动机操作条件下催化氮氧化物与氢气和/或一氧化碳生成氨的反应。在其出口侧，过滤器涂覆通过已知的NH3-选择性催化还原(SCR)过程去除氮氧化物的催化剂，并任选涂覆对过量氨氧化成氮有活性的催化剂。

此外，本发明提供了一种制备根据本发明的催化颗粒过滤器(多效催化颗粒过滤器)的方法。

所述多效催化过滤器特别可用于稀燃汽油机尾气的净化，例如汽油直接喷射式发动机(GDI)的尾气。

GDI发动机比汽油预混喷射发动机产生更多的含碳烟尘。在欧洲，欧5+柴油的法规预期未来将用于GDI，将颗粒物质限度为4.5mg/km，这就要求对发动机尾气过滤以满足上述限制。

一般地，壁流类型的过滤器为蜂窝状壁流式过滤器，其中，颗粒物在蜂窝过滤器的间壁上或里面被捕获。这些过滤器具有被可透气间壁隔开的多个纵向流动通道。气体入口通道在其气体入口侧打开和在相对的出口端堵塞，气体出口通道在出口端打开和在入口端堵塞，从而迫使进入壁流式过滤器的气流在进入出口通道之前通过间壁。

来自稀燃汽油发动机的尾气除了含有烟尘，还含有氮氧化物(NOx)、一氧化碳和未燃烧的烃，其为呈现健康和环境风险的化合物，必须从尾气里还原或消除。

对NOx、一氧化碳和未燃烧的烃的去除或还原为无害的化合物的过程有活性的催化剂本身为本领域已知的。

专利文献公开了许多包括分离催化剂单元用于从发动机尾气中去除有害化合物的净化系统。

涂覆有催化剂的尾气颗粒过滤器在本领域也是已知的，所述催化剂催化未燃烧的烃和颗粒物质的氧化以及NOx与氨(作为氨或其前体加入)反应的选择性催化还原(SCR)。

本发明利用特定催化剂的能力，通过与烃和未燃烧的烃反应生成氨，将氨的SCR与从汽油发动机尾气中脱除颗粒相结合。

因此，本发明提供了一种壁流式催化过滤器，其由被气体可渗透的多孔间壁分隔的多个纵向入口流动通道和出口流动通道组成，每个入口流动通道具有开放的入口端和封闭的出口端，并且每个出口流动通道具有封闭的入口端和开放的出口端，其中

每个入口流动通道包括对氮氧化物与一氧化碳和氢生成氨的反应有活性的第一催化剂；

每个出口通道包括对氮氧化物与氨反应生成氮的选择还原有活性的第二催化剂；

并且其中，第一或第二催化剂的众数粒径小于气体可渗透多孔间壁的平均孔径，而不具有较小众数粒径的催化剂的众数粒径大于气体可渗透间壁的平均孔径。

第一或第二催化剂具有比间壁平均孔直径更小的粒径，而另一种催化剂颗粒具有比壁的平均孔直径更大的粒径的优点是，使得其中一种催化剂有效地扩散进入间壁而防止另一催化剂扩散进入不期望特定催化活性的通道。

可用于通过以下反应由NOx生成氨的反应的催化剂是钯、铂、钯和铑的混合物以及钯、铂和铑的混合物。

NOx+H₂/CO=NH₃+CO₂+H₂O

在汽油发动机富燃操作条件下(即入<1)，这些催化剂催化氨生成。钯是优选的催化剂，具有最高的氨生成。

在入口通道内通过上述反应如此形成的氨通过过滤器的间壁渗透至出口通道内，并且在富操作条件下被出口流动通道中的SCR催化剂吸收。

生成氨的催化剂和SCR催化剂两者优选分别沉积在面向入口通道和出口通道侧的间壁上。

在随后的发动机贫燃操作周期中，废气中存在的NOx通过下述反应与存储在SCR催化剂中的氨反应。

NOx+NH₃=N₂+H₂O

如上已讨论，SCR催化剂本身在本领域是已知的。为了本发明的应用，在选择性还原氮氧化物中具有活性的优选催化剂包括以下中的至少一种：沸石、硅铝磷酸盐、离子交换沸石、利用铁和/或铜促进的硅铝磷酸盐和一种或多种碱金属氧化物。

进一步优选的用于本发明的SCR催化剂是具有菱沸石结构的硅铝磷酸盐，例如SAPO34，用铜和/或铁促进。

为了去除未与NOx反应的过量氨，本发明的一个实施方案中的壁流式过滤器另外包含氨氧化催化剂，所述催化剂布置在每个出口通道或至少在过滤器的出口端的区域。

优选的氨氧化催化剂包括钯、铂或它们的混合物。