具有重整器催化劑的排氣系統的制作方法
【專利說明】具有重整器催化劑的排氣系統 發明領域
[0001] 本發明涉及用于處理來自內燃機的廢氣的排氣系統。
[0002] 發明背景
[0003] 內燃機產生含有多種污染物的廢氣，污染物包括烴、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化 物和微粒物質。日益嚴格的國家和地區法規已經降低了這種內燃機可以排放的污染物的 量。已經將許多不同的技術應用到排氣系統以清潔廢氣，然后再將它排放到大氣中。
[0004] -種提出的用于清潔廢氣的方法采用催化重整過程。參見例如 SAE-07NAPLES-175,其教導了使用聯合的重整器和三效催化劑在車輛上對汽油進行廢氣重 整。美國專利申請公布2012/0117943也教導了車輛上氣體重整系統。
[0005] 據信，通過在內燃機的燃料中包含來自催化重整器的氫，可以實現較少量的排放 污染物。例如，已經建議可以重整柴油或汽油燃料以產生氫，以及可以將該氫添加回到供給 發動機的燃料，以直接減少發動機的NO x和微粒排放。此外，對于重整還有現實利益，因為通 過將廢氣組分轉化為較高熱值的燃料組分（H2和CO)，具有回收廢氣中的能量（即燃燒熱） 的潛力。這能夠使汽油發動機的增提效率提高，和燃料消耗的關聯降低，以及〇) 2排放的降 低。
[0006] 對于任何機動車系統和過程，需要取得廢氣處理系統中的更進一步的改進，特別 是那些采用催化重整的系統。已經發現采用燃料重整器催化劑的新的排氣系統。
[0007] 發明概述
[0008] 本發明是用于處理內燃機廢氣的排氣系統。該系統包括三效催化劑（TWC)，位于 TWC下游的燃料重整器催化劑，和位于燃料重整器催化劑上游的燃料供給裝置。廢氣分成兩 部分。第一部分繞過TWC，并在從燃料供給裝置添加的燃料的存在下與燃料重整器催化劑接 觸，然后再循環回到發動機入口。第二部分與TWC接觸，然后利用它來加熱燃料重整器催化 劑，之后排出到大氣。本發明獲得改進的熱交換（更少的熱損失），用于更好的催化重整。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明一個實施方案的示意圖。
[0010] 圖2是本發明第二實施方案的示意圖。
[0011] 發明詳述
[0012] 本發明是用于處理內燃機廢氣的排氣系統。該系統包括三效催化劑（TWC)。
[0013] 三效催化劑系統是本領域中公知的。TWC通常執行三個主要功能：（1)將CO氧化 為CO2;⑵將未燃燒的燃料氧化為CO 2和H 20 ;和⑶將NOx還原為N 2。三效催化劑優選包 含一種或多種鉑族金屬和一種或多種無機氧化物載體。鉑族金屬（PGM)優選為鉑、鈀、銠或 者其混合物。
[0014] 無機氧化物載體大多數情況下包含第2、3、4、5、6、13和14族以及鑭系元素的氧化 物。有用的無機氧化物載體優選具有10至7〇〇m2/g的表面積，0. 1至4mL/g的孔體積，和約 10至1000埃的孔徑。無機氧化物載體優選為氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化 鈰、氧化鈮、鉭氧化物、鉬氧化物、鎢氧化物，或者其任意兩種或更多種的混合氧化物或復合 氧化物，例如二氧化硅-氧化鋁、二氧化鈰-氧化鋯或氧化鋁-二氧化鈰-氧化鋯。特別優 選氧化鋁和二氧化鈰。除了起到載體作用之外，含二氧化鈰的載體，例如二氧化鈰（CeO 2)或 二氧化鈰-氧化鋯混合氧化物還可以起到TWC內的儲氧組分（OSC)的作用。無機氧化物載 體也可以是沸石，例如β沸石、ZSM沸石、鎂堿沸石或菱沸石。
[0015] 三效催化劑優選涂覆在基底上。基底優選為陶瓷基底或金屬基底；更優選地，基底 為金屬基底，以更好地熱交換和易于構造。陶瓷基底可以由任何適合的難溶材料制成，例如 氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、二氧化鈰、氧化鋯、氧化鎂、沸石、氮化硅、碳化硅、硅酸鋯、硅 酸鎂、鋁硅酸鹽和金屬鋁硅酸鹽（例如堇青石和鋰輝石），或者其任意兩種或更多種的混合 物或混合氧化物。特別優選堇青石、鋁硅酸鎂和碳化硅。
[0016] 金屬基底可以由任何適合的金屬制成，特別是耐熱金屬和金屬合金，例如鈦和不 銹鋼以及含有鐵、鎳、鉻和/或鋁還有其他痕量金屬的鐵素體合金。
[0017] 基底可以為過濾器基底或流通式基底，最優選為流通式基底，尤其是蜂窩體整料。 基底通常經涉及以提供多個通道，車輛廢氣經過該通道。通道表面載有三效催化劑。
[0018] 三效催化劑可以通過任何已知手段添加到基底。例如無機氧化物載體或含PGM載 體材料可以作為活化涂層（washcoat)施加和結合到基底，其中多孔、高表面積層結合到基 底表面。活化涂層通常從水基漿料施加到基底，然后在高溫干燥和煅燒。只要無機氧化物 載體活化涂覆到基底上，PGM金屬就可以負載到干燥的活化涂層載體層上（通過浸漬、離子 交換等），然后干燥和煅燒。負載到基底上的PGM的優選負載量為0. 02至I. 7g/升（1至 300g/ft3)催化劑體積。
[0019] 本發明的系統還包括位于TWC下游的燃料重整器催化劑。燃料重整器催化劑如此 定位，因而它能夠利用由放熱的TWC反應產生的熱。適合的燃料重整器催化劑包括能夠重 整燃料以形成合成氣（H2和CO)的那些。
[0020] 優選的燃料重整器催化劑包括基于鉑、鈀、銠、鎳及其混合物的催化劑。優選地，用 于本發明的系統中的燃料重整器催化劑包含分散在難熔氧化物載體材料上的高至5wt %、 更優選0. 5至4wt%的鉑、鈀、銠和/或鎳，參見例如美國專利6, 887, 455,其教導在此引入 作為參考。優選的催化劑包括包含高至3wt % Rh的Rh催化劑，包含高至5wt % Pt的Pt催 化劑，和包含高至3wt % Rh和高至5wt % Pt的Rh-Pt催化劑。用于PGM和含Ni重整器催 化劑的載體包括無機氧化物載體，最通常包括第2、3、4、5、13和14以及鑭系元素的氧化物， 特別是氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鋪、氧化錯、二氧化娃、二氧化娃-氧化鋁，以及含有其任 意兩種或更多種的混合物和混合氧化物。燃料重整器催化劑優選為常規蜂窩體基底（適宜 地為金屬蜂窩體）上的沉積物的形式。
[0021] 本發明的系統還包括位于燃料重整器催化劑上游的燃料供給裝置。燃料供給裝置 將燃料添加到繞過TWC的廢氣的第一部分中。優選地，燃料供給裝置與用來將燃料注入發 動機的那些相同。燃料供給裝置優選包括燃料注射器，用于將燃料注入緊鄰燃料重整器催 化劑上游的廢氣中。燃料供給裝置優選由適當編程的控制裝置控制，該控制裝置任選地為 發動機控制單元（ECU)的一部分，其輸入值包括催化劑溫度和/或進入和離開燃料重整器 單元的氣體的溫度。
[0022] 燃料供給裝置通常為燃料注射器，優選具有泵，或者其他適合的計量裝置，其入口 側與燃料泵相連。該泵又與注射器連通，該注射器可以具有位于燃料重整器催化劑上游的 一個或多個噴嘴。
[0023] 由燃料供給裝置添加到廢氣的第一部分的燃料優選與用在發動機中的燃料相同。 燃料優選為烴（例如柴油或汽油），但是也可以采用其他燃料例如醇和醚。
[0024] 排氣系統將內燃機廢氣分成兩部分。廢氣的第一部分繞過TWC，由此廢氣的第一部 分不接觸TWC催化材料。繞過TWC之后，第一部分同從燃料供給裝置添加的燃料一起與燃 料重整器催化劑接觸，以形成重整產物氣流。重整產物氣流然后再循環回到發動機入口。
[0025] 優選地，重整產物冷卻器位于燃料重整器催化劑下游，由此它位于燃料重整器催 化劑和發動機入口之間。重整產物冷卻器降低重整產物氣流的溫度，然后添加到發動機入 口。重整產物冷卻器優選通過使發動機冷卻劑經冷卻劑管線循環來冷卻。
[0026] 廢氣的第一部分可以在接觸燃料重整器催化劑之前繞過TWC和/或途經TWC。"途 經TWC"意思是廢氣的第一部分穿過TWC內的空間而不接觸TWC催化材料。"繞過TWC"優 選的意思是第一部分與TWC基底的外部接觸而不接觸TWC催化材料。
[0027] 通過使廢氣的第一部分途經或繞過TWC，第一部分將被TWC反應放熱加熱，然后接 觸燃料重整器催化劑。接觸燃料重整器催化劑的氣體溫度越高，將使得重整反應更有效率。 優選地，廢氣的第一部分少于廢氣總量的一半（優選1至30vol %，更優選10至30vol % )。
[0028] 廢氣的第二部分與TWC接觸。優選地，廢氣的第二部分為廢氣總量的大部分（優 選70至99vol %，更優選70至90vol % )。通過接觸TWC，由在廢氣中CO氧化為CO2，未燃 燒的燃料氧化物〇)2和H 20,和NOx還原為N2生成熱。經加熱的廢氣的第二部分然后用來加 熱燃料重整器催化劑，然后排出到大氣中。排氣系統允許從廢氣的最大熱交換，得到估計溫 度高出70-100°C的重整器催化劑。
[0029] 優選地，重整器催化劑安裝在排氣系統中TWC的下游，從而增大與廢氣的第二部 分的熱交換。優選地，重整器催化劑可以位于排氣系統中TWC下游的環隙中，由此重整器催 化劑被內部氣體通道和外部氣體通道圍繞。廢氣的第二部分流過內部和外部氣體通道，從 而向重整器提供外部熱。
[0030] 另外，由于繞過TWC的廢氣的第一部分將含有未反應的02、CO和NOx，這些氣體可 以在燃料重整器催化劑上反應，在重整器中產生放熱。放熱可以用來輔助重整器點火，并提 高溫度用于預熱性能。本發明人還展示了