緊密耦合的scr系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的凈化。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車廢氣最棘手的組分之一是N0X，它包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化亞氮(N2O)。嘰的產(chǎn)生對于貧燃發(fā)動(dòng)機(jī)，例如柴油機(jī)是特別成問題的。為了緩解廢氣中的NOJi于環(huán)境的影響，期望優(yōu)選通過不會(huì)產(chǎn)生其他有害或者有毒物質(zhì)的方法，減小這些不希望的組分。
[0003]除了 NOx氣體的產(chǎn)生，貧燃燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)由于它們的燃燒特性具有產(chǎn)生顆粒物質(zhì)或者煙灰的缺陷，各種有機(jī)物可以被吸收在其上，包括未燃燒的烴和由源于燃料或者潤滑油中存在的硫物質(zhì)的二氧化硫氧化生成的硫酸。柴油機(jī)廢氣相比于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)傾向于會(huì)產(chǎn)生更多的煙灰。
[0004]由于來自貧燃燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣加劇了空氣污染，處理系統(tǒng)對于減小運(yùn)行貧燃燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的污染影響起決定作用。
[0005]普遍采用兩種方法來降低貧燃燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的污染物。第一種方法將柴油機(jī)廢氣中的NOxR化為更良性的物質(zhì)，也稱為選擇性催化還原(SCR)。SCR過程包括在有催化劑和還原劑存在的情況下將NOx轉(zhuǎn)化為單質(zhì)氮(N2)和水，所述還原劑通常為無水氨、氨水或者尿素。第二種方法通過使含煙灰的廢氣通過顆粒過濾器來減少煙灰排放物。然而，煙灰顆粒在過濾器上的累積會(huì)使得在運(yùn)行期間排氣系統(tǒng)的背壓不期望地升高，從而降低效率。為了再生過濾器，已經(jīng)累積的碳基煙灰必須從過濾器上移除，例如通過在高溫被動(dòng)或者主動(dòng)的氧化來定期燃燒煙灰。
[0006]從W099/39809已知，將多個(gè)單獨(dú)的獨(dú)立組件包括SCR催化劑結(jié)合在排氣系統(tǒng)中，用于處理尤其是顆粒物質(zhì)和氮氧化物。例如，合并有還原劑的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流可以首先流過摻入了 SCR催化劑的流通式整料，以減少NOx，然后氣體再在下游被處理以通過經(jīng)過顆粒物質(zhì)過濾器去除顆粒物質(zhì)。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于廢氣后處理組件的數(shù)量增多增加了排氣系統(tǒng)的整體成本，同時(shí)還增大了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，這對于車輛來說是特別不利的。車輛排氣系統(tǒng)總體上越重，車輛用于運(yùn)輸它所需的燃料就越多。
[0007]為了克服上述缺陷，已經(jīng)設(shè)計(jì)出能減少NOdP顆粒物質(zhì)且具有單個(gè)組件的排氣系統(tǒng)。美國專利公布2010/0180580公開了一種將SCR催化劑與壁流式過濾器結(jié)合的系統(tǒng)。壁流式過濾器包含多個(gè)相鄰的、平行的一端封閉的通道，其中封閉以交替的模式在相鄰?fù)ǖ赖南鄬Χ诉M(jìn)行。通道交替封閉端防止進(jìn)入過濾器入口面的氣體直接流過通道并且離開該通道。相反，廢氣進(jìn)入基底的前部并且行進(jìn)到通道的約一半，在這里被迫穿過通道壁，然后離開基底的出口面。催化劑通常以含水混合物或者活化涂層(washcoat)的形式應(yīng)用在壁流式過濾器的壁上，然后煅燒以附在壁的表面上。
[0008]某些SCR壁流式過濾器的缺陷在于能夠用于它的表面的催化劑的數(shù)量有限。厚的活化涂層將使通道變窄，并在一些情況下使氣孔變窄，并且阻止有助于背壓的氣流，和消極地影響系統(tǒng)的效率。用于減小背壓的已知方法包括限制采用的活化涂層的體積?；罨繉訙p少導(dǎo)致催化劑減少，并且使得過濾器轉(zhuǎn)化NOx的能力降低。最后，將SCR催化劑涂覆到壁流式過濾器的表面增加了過濾器的總重量。增加的質(zhì)量將需要更多的時(shí)間和能量來將壁流式過濾器加熱到催化劑活化所需的溫度，在起動(dòng)時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)還沒有達(dá)到它的正常穩(wěn)定狀態(tài)的操作溫度時(shí)這是嚴(yán)重的缺陷。為了提高加熱SCR壁流式過濾器的速率，過濾器可以靠近發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置。
[0009]一種克服與SCR壁流式過濾器相關(guān)的缺陷的已知方式是將SCR流通式整料放置在壁流式過濾器的上游。具有所謂的蜂窩狀幾何形狀的流通式整料包括多個(gè)相鄰的平行通道，所述通道兩端開放并且通常從基底的入口面延伸到出口面。各通道典型地具有方形、圓形、六邊形或者三角形的橫截面。催化材料被用于基底，典型地作為活化涂層或者其他能夠具體用于基底的壁上和/或壁內(nèi)的漿料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種用于處理貧燃燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)減少NOx*煙灰。該系統(tǒng)包括位于緊密耦合的SCR壁流式過濾器上游的緊湊SCR流通式整料。
[0011]如本文所采用的，術(shù)語“緊密耦合(close-coupled)”表示在發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣處理系統(tǒng)中的組件位置，其在發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣歧管或者渦輪增壓器的下游小于約I米處，優(yōu)選約
0.05至約0.5米。在重負(fù)荷中的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或者運(yùn)行期間，在緊密耦合位置的組件相比于位于下游更遠(yuǎn)位置的組件通常暴露在更高的廢氣溫度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，緊湊SCR流通式整料和單獨(dú)的下游的緊密耦合SCR壁流式過濾器的組合具有協(xié)同作用，這在較大的SCR流通式整料與下游的SCR壁流式過濾器或者未與發(fā)動(dòng)機(jī)緊密耦合的SCR壁流式過濾器的組合中無法實(shí)現(xiàn)。此外，這種作用在單個(gè)SCR壁流式過濾器中無法實(shí)現(xiàn)，該單個(gè)SCR壁流式過濾器具有等于本發(fā)明的SCR流通式整料和SCR壁流式過濾器的組合的體積和催化劑負(fù)載量。具體地，SCR組件的協(xié)同組合取得了高于常規(guī)的SCR流通式整料和SCR壁流式過濾器的組合的煙灰燃燒效率。而且，組件的協(xié)同組合與具有與組件的協(xié)同組合相當(dāng)?shù)捏w積和催化劑負(fù)載量的單個(gè)的、緊密耦合的SCR壁流式過濾器相比，產(chǎn)生更高的NOxR化率。也就是說，本發(fā)明的組件的協(xié)同組合改進(jìn)了 SCR/煙灰過濾系統(tǒng)的整體NOxR化效率，而不需要另外的催化劑，因而降低了系統(tǒng)的成本，同時(shí)還提供了壁流式過濾器的高溫穩(wěn)定性從而有助于穩(wěn)定的過濾器再生。
[0012]緊湊SCR流通式整料特征在于相比于下游的SCR壁流式過濾器具有更低的熱容。更低的熱容能夠由相比于SCR壁流式過濾器具有更低的比熱容和/或更小的體積或質(zhì)量的SCR流通材料產(chǎn)生。
[0013]因此，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種用于處理來自發(fā)動(dòng)機(jī)的包含NOx的廢氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)流通式整料，其具有用于選擇催化還原NOx的第一催化組合物，且具有第一體積；(b)緊密耦合的顆粒物質(zhì)過濾器，其具有用于還原顆粒物質(zhì)和選擇催化還原NOx的第二催化組合物，且具有第二體積；和(c)第一體積與第二體積的體積比小于約
I: 2;其中，所述流通式整料與所述顆粒物質(zhì)過濾器流體流通，且并入所述顆粒物質(zhì)過濾器的上游。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于處理包含NOx和煙灰的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流的方法，該方法包括:在還原劑的存在下，使所述廢氣流與流通式整料接觸以生成中間氣體流，所述流通式整料具有第一 SCR催化組合物負(fù)載量和第一體積，其中所述NOx的第一部分被轉(zhuǎn)化為隊(duì)和02;使所述中間氣體流與緊密耦合的催化顆粒物質(zhì)過濾器接觸以捕獲部分煙灰和生成清潔的氣體流，所述催化顆粒物質(zhì)過濾器具有第二 SCR催化組合物負(fù)載量和第二體積，其中所述第二體積是第一體積的至少約二倍，其中所述NOx的第二部分被轉(zhuǎn)化為化和O2;在煙灰氧化溫度氧化所述部分煙灰以再生所述催化顆粒物質(zhì)過濾器；將所述催化緊密耦合的流通式整料加熱到SCR點(diǎn)火溫度，然后將所述催化顆粒物質(zhì)過濾器加熱到SCR點(diǎn)火溫度；并且在低負(fù)荷條件下，與具有與所述第一和第二體積之和相等的體積的催化顆粒物質(zhì)過濾器相比，將所述催化顆粒物質(zhì)過濾器保持在所述煙灰氧化溫度更長的時(shí)間。
【附圖說明】
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的圖示；和
[0016]圖2以圖表的方式示出了在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通過僅包括SCR壁流式過濾器的系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)所轉(zhuǎn)化的NOx的總質(zhì)量。
【