[0001] 本
發(fā)明涉及一種用于車輛壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(例如
柴油發(fā)動(dòng)機(jī))的排氣系統(tǒng)，特別是，本發(fā)明涉及一種用于包含所謂的發(fā)動(dòng)機(jī)“停止-啟動(dòng)”系統(tǒng)的車輛的排氣系統(tǒng)。
[0002] 來(lái)自車輛和內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排放通常為全世界日益緊縮的規(guī)章的主題。對(duì)與CO2排放相關(guān)的
全球變暖的關(guān)注在許多國(guó)家導(dǎo)致財(cái)政鼓勵(lì)，以降低來(lái)自車輛的CO2排放。因此，越來(lái)越多的私人
汽車和輕型商用車輛由輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)
力，輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有相對(duì)低的
燃料消耗和相對(duì)低的CO2排放。
[0003] 對(duì)于
汽油火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮點(diǎn)火(例如，柴油)發(fā)動(dòng)機(jī)兩者，用于改進(jìn)燃料消耗和排放兩者的策略之一是“停止-啟動(dòng)(stop-start)”。使用停止-啟動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)車輛停止多于幾秒時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)完全停止。當(dāng)司機(jī)需要再次起動(dòng)時(shí)，例如，壓下
離合器、移動(dòng)
齒輪桿、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力
方向盤、或者在自動(dòng)或半自動(dòng)車輛中轉(zhuǎn)換到“行駛”時(shí)，引起發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)。雖然這引起對(duì)
電池和起動(dòng)
電機(jī)更大的
載荷，因此這些需要升級(jí)，但存在顯著的節(jié)省。取決于采用的停止-啟動(dòng)系統(tǒng)，在新歐洲行駛循環(huán)(New European Drive Cycle)下的測(cè)試中，該節(jié)省可達(dá)到燃料消耗的最多5%和CO2排放的最多8%。城市權(quán)力機(jī)構(gòu)熱衷于降低城鎮(zhèn)排放，并且遠(yuǎn)離繁重的交通，因此停止-啟動(dòng)系統(tǒng)可能包括在許多新的車輛中。
[0004] 輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)變得日益有效，其中
電子控
制模塊和噴射技術(shù)與機(jī)械改進(jìn)相組合。這意味著廢氣
溫度遠(yuǎn)低于
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或重型(
卡車和公共汽車)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。在輕型載荷下，例如在城市應(yīng)用中，并且當(dāng)齒輪“
滑行”時(shí)，這種最近設(shè)計(jì)的輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用很少燃料或不使用燃料，并且廢氣溫度可能不大于約100-200℃。且不論這些低溫度，在新歐洲行駛循環(huán)期間、在真實(shí)城市行駛狀態(tài)、低速
加速和穩(wěn)態(tài)行駛狀態(tài)期間，先進(jìn)的催化劑技術(shù)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火(light-off)?！包c(diǎn)火”可定義為催化劑以期望的轉(zhuǎn)化活性催化反應(yīng)的溫度。例如“CO T50”為具體的催化劑以至少50%的效率引起進(jìn)料氣體中的一
氧化
碳轉(zhuǎn)化為例如CO2的溫度。類似地，“HC T50”為
烴(可能是特定的烴例如辛烷或丙烯)以80%或更大的效率轉(zhuǎn)化為例如
水蒸汽和CO2的溫度。
[0005] 然而，在某些情況下，低廢氣溫度可意味著柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)可能不能有效操作。也就是，DOC可能不能實(shí)現(xiàn)或保持“點(diǎn)火”。
[0006] 對(duì)于未配備發(fā)動(dòng)機(jī)“停止-啟動(dòng)”系統(tǒng)的車輛，在這種輕型載荷狀態(tài)下由于發(fā)動(dòng)機(jī)的操作引起的另外的問(wèn)題在于，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)在操作，相對(duì)冷的廢氣(包含大多數(shù)空氣)持續(xù)從發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)DOC或其它催化劑。該冷氣體的流動(dòng)可冷卻DOC至低于點(diǎn)火溫度。當(dāng)再次施加載荷時(shí)，例如當(dāng)加速時(shí)，催化劑不能立即滿足污染物氣體的期望的轉(zhuǎn)化，結(jié)果是污染物的排放可能超過(guò)規(guī)定的水平一段時(shí)間。不久以后，較高溫度廢氣再次使催化劑溫度升高超過(guò)點(diǎn)火溫度。
[0007] 一種已知的DOC設(shè)計(jì)公開于我們的WO 2007/077462，并且包含流通式整料，包括(從上游到下游計(jì)數(shù))第一、第二和第三含鉑族金屬的載體涂層(washcoat)區(qū)。在第一和第三區(qū)中的每一個(gè)的鉑族金屬負(fù)載大于在第二區(qū)的鉑族金屬負(fù)載，第二區(qū)在空間上置于第一和第三區(qū)之間。第三區(qū)(當(dāng)使用時(shí)置于最遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū))可包括比起第一和第二區(qū)具有更高熱
質(zhì)量的載體涂層，例如通過(guò)使用更厚的載體涂層或具有固有較高熱質(zhì)量的載體涂3
層材料，例如致密氧化鋯。致密氧化鋯的
密度可為3.5 g/cm。該三區(qū)排列設(shè)計(jì)成以在總體降低的總鉑族金屬成本下保持催化劑性能。
[0008] 相對(duì)于在空閑時(shí)保持運(yùn)轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于配備“停止/啟動(dòng)”技術(shù)的車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在行駛循環(huán)期間，由于催化劑在空閑時(shí)未通過(guò)與相對(duì)冷的廢氣
接觸而冷卻，通常催化劑溫度變化更小。本
發(fā)明人現(xiàn)已設(shè)計(jì)用于處理來(lái)自配備這種“停止/啟動(dòng)”技術(shù)的柴油
機(jī)車輛的廢氣的具有改進(jìn)的活性的柴油機(jī)氧化催化劑。特別是，本發(fā)明人已設(shè)計(jì)平衡以下競(jìng)爭(zhēng)需求的排列：低催化劑點(diǎn)火溫度以盡可能快地處理冷-啟動(dòng)排放，和“滅火(light out)”，其中在冷-啟動(dòng)后催化劑已“滅火”之后在行駛循環(huán)的冷卻器階段期間，催化劑可能下降低于期望的活性。
[0009] 本發(fā)明提供包含
壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，所述車輛提供有發(fā)動(dòng)機(jī)管理裝置并且具有用于廢氣后處理的催化劑，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)管理裝置設(shè)置成當(dāng)使用時(shí)用于檢測(cè)空閑狀態(tài)，并且當(dāng)確定存在空閑狀態(tài)時(shí)，完全停止發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述催化劑包含涂有包含一種或多種貴金屬的催化載體涂層的蜂窩狀基材整料，所述催化載體涂層排列在第一上游載體涂層區(qū)和第二下游載體涂層區(qū)之間，其中第一載體涂層區(qū)中的熱質(zhì)量與第二載體涂層區(qū)中的熱質(zhì)量不同，并且其中在第一上游載體涂層區(qū)中的載體涂層與在第二下游載體涂層區(qū)中的載體涂層實(shí)質(zhì)上鄰接。
[0010] 優(yōu)選的壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)柴油機(jī)燃料提供動(dòng)力，但是其它形式的燃料也是可能的，包括
天然氣(NG)和柴油和
生物燃料或費(fèi)-托過(guò)程衍生燃料的共混物。
[0011] 蜂窩狀基材整料可由陶瓷材料制成，例如堇青石或碳化
硅或金屬例如Fecralloy?。該排列優(yōu)選為所謂的流通式構(gòu)造，其中多個(gè)通道平行地從敞開的入口端延伸至敞開的出口端。然而，蜂窩狀基材整料還可采用過(guò)濾基材的形式，例如所謂的壁流
過(guò)濾器或陶瓷
泡沫。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在第一上游載體涂層區(qū)中的熱質(zhì)量大于在第二下游載體涂層區(qū)中的熱質(zhì)量。然而，在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，在第一上游載體涂層區(qū)中的熱質(zhì)量小于在第二下游載體涂層區(qū)中的熱質(zhì)量。
[0013] 在前述實(shí)施方案的任一個(gè)中，蜂窩狀基材整料具有總長(zhǎng)度。在實(shí)施方案中，第一上游載體涂層區(qū)在上游端通過(guò)蜂窩狀基材整料的入口端限定，并且在下游端通過(guò)從入口端測(cè)量的基材整料總長(zhǎng)度的10%-90%，任選15%-80%，例如20%-30%或20%-40%的點(diǎn)限定。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，入口區(qū)的長(zhǎng)度小于出口區(qū)的長(zhǎng)度。
[0014] 低載體涂層負(fù)載的期望的特征在于，其相對(duì)低的熱質(zhì)量能使其更快速加熱，因此在冷-啟動(dòng)后更有效地“點(diǎn)火”。然而，由于較低的熱質(zhì)量，催化劑還可更快速地冷卻，關(guān)于這一點(diǎn)，在初始加溫之后(即，“點(diǎn)火”后)在行駛循環(huán)中間“滅火”是不期望的特征。較高的載體涂層負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)在于，存在更多的負(fù)載材料來(lái)負(fù)載貴金屬，并且更高的貴金屬分散是可能的。較高的載體涂層負(fù)載可提供使用時(shí)對(duì)熱老化更大的抗性，即，更高的耐熱性。
[0015] 在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，第一或第二區(qū)分別相對(duì)于第二或第一區(qū)不同的熱質(zhì)量通過(guò)比其它區(qū)中所使用的更厚的載體涂層提供。在該實(shí)施方案中，在較厚的載體涂層中的-3 -3載體涂層負(fù)載可為4-10 gin ，例如5-8 gin 。相反，在其它區(qū)中，在相對(duì)較薄的載體涂層-3 -3
中的載體涂層負(fù)載可為1-3.5 gin ，例如2-3 gin 。
[0016] 或者，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，第一或第二區(qū)分別相對(duì)于第二或第一區(qū)不同的熱質(zhì)-3量可通過(guò)密度為至少3.50 gcm 的載體涂層組分提供。具有合適密度的材料可選自致密α氧化
鋁、致密氧化鑭、致密氧化鈰II、致密氧化鈰III和致密氧化鋯。
[0017] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，按單位重量的貴金屬/單位體積的載體涂層測(cè)量，在第一上游載體涂層區(qū)中的總貴金屬負(fù)載大于在第二下游載體涂層區(qū)中的總貴金屬負(fù)載。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，第一上游載體涂層區(qū)占蜂窩狀基材整料的總貴金屬負(fù)載的55-90%。在另一個(gè)實(shí)施方案中，第一上游載體涂層區(qū)占蜂窩狀基材整料的總貴金屬負(fù)載的60-80%。
[0019] 在蜂窩狀基材整料上的總貴金屬負(fù)載可為15-300 gft-3，例如30-150 gft-3，例如，-340-120 gft 。
[0020] 用于本發(fā)明的貴金屬包括選自鉑、鈀、銠、金、
銀中的一種或多種或它們的任意兩種或更多種的混合物。用于本發(fā)明的貴金屬的優(yōu)選的實(shí)施方案子集為鉑族金屬。
[0021] 貴金屬的特別優(yōu)選的選擇包括鉑本身、鈀本身、鉑和鈀二者的混合物(任選作為
合金存在)或鈀和金的組合，作為混合物、合金或混合物和合金二者。
[0022] 在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，在第一上游區(qū)中的貴金屬或貴金屬的組合與在第二下游區(qū)中的貴金屬或貴金屬的組合不同。
[0023] 通常，所述或每一種貴金屬在高表面積耐火氧化物組分上負(fù)載。合適的貴金屬載體組分包括氧化鋁、
二氧化硅、無(wú)定形硅鋁酸鹽、分子篩例如硅鋁酸鹽沸石、二氧化
鈦、氧化鎂、鋁酸鎂、二氧化鈰、氧化鋯等，以及它們的任意兩種或更多種的混合物、復(fù)合氧化物和混合氧化物，任選被一種或多種稀土元素穩(wěn)定。特別優(yōu)選的混合氧化物包括二氧化鈰-氧化鋯，其(取決于二氧化鈰的含量)還可包括一種或多種
稀土金屬和摻雜二氧化硅的氧化鋁。
[0024] 用于本發(fā)明的催化劑可在車輛上位于任何方便的點(diǎn)，考慮在車輛上的
包裝和空間限制。常見(jiàn)的
位置是在盡可能接近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣集管的緊密連接位置，以利用可能的最熱廢氣溫度。常見(jiàn)的備選的位置包括所謂的“地板下”位置。
[0025] 為了可更充分地理解本發(fā)明，僅通過(guò)舉例的方式并且參考
附圖，提供以下
實(shí)施例，其中：圖1為比較在MVEG-B歐洲行駛循環(huán)上運(yùn)行的來(lái)自2.4升歐IV臺(tái)式安裝的車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的計(jì)算機(jī)模型化質(zhì)量流量、緊密連接的DOC入口溫度、
一氧化碳和烴含量相對(duì)時(shí)間繪制的圖。
實(shí)施例
[0026] 以下實(shí)施例代表計(jì)算機(jī)模型的結(jié)果，其中尺寸為143×98×135 mm并且體積為1.50 L的圓柱形400胞孔/平方英寸堇青石流通式蜂窩狀整料基材整個(gè)涂有具有低-3 -3(2.5gin )或高(7.0gin )載體涂層負(fù)載和均勻鉑負(fù)載(比較實(shí)施例)的均質(zhì)柴油機(jī)氧化催化劑載體涂層。使用相同的空蜂窩狀基材整料制備本發(fā)明的分區(qū)的柴油機(jī)氧化催化劑，并且示于表1。
[0027] 制備分區(qū)的蜂窩狀基材整料的方法為本領(lǐng)域已知的，并且包括本
申請(qǐng)人的WO99/47260，即，包括以下步驟：(a) 在載體頂上
定位容納裝置，(b) 在所述容納裝置內(nèi)投入預(yù)定量的液體組分，順序?yàn)?a)然后(b)或者(b)然后(a)，和(c) 通過(guò)施加壓力或
真空，將所述液體組分吸入至少一部分載體中，和在載體內(nèi)保留實(shí)質(zhì)上所有的所述量。
[0028] 在表1的“載體涂層負(fù)載”欄中所示的百分比數(shù)字代表從基材整料的入口端測(cè)量的相對(duì)于總基材長(zhǎng)度的第一上游區(qū)(遠(yuǎn)左手欄)和第二下游區(qū)的長(zhǎng)度?！癙t負(fù)載”欄從左到右分別代表第一上游區(qū)(左手欄)和第二下游區(qū)的鉑金屬負(fù)載。CO(g)和HC(g)數(shù)字用于在柴油機(jī)氧化催化劑的出口處測(cè)量的存在的一氧化碳和烴?！皻w一化CO(g)轉(zhuǎn)化”和“歸-3一化HC(g)轉(zhuǎn)化”為相對(duì)于均質(zhì)涂布的負(fù)載的低載體涂層40gft (比較實(shí)施例2)。在所有實(shí)施例中的總鉑含量恒定。
[0029] 使用在實(shí)際盡可能接近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣集管(考慮車輛上的空間限制)的所謂的緊密連接的位置中安裝的車輛測(cè)力計(jì)，記錄來(lái)自2.4升歐IV臺(tái)式安裝的車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的質(zhì)量流量、溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)外一氧化碳(CO(g))和總烴(HC(g))含量，并且使用模型化的催化劑構(gòu)造，用這些數(shù)據(jù)構(gòu)造計(jì)算機(jī)模型。雖然所用的發(fā)動(dòng)機(jī)未配備“停止-啟動(dòng)”技術(shù)，通過(guò)無(wú)論何時(shí)MVEG-B歐洲行駛循環(huán)達(dá)到空閑時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)模仿這種系統(tǒng)的效果。廢氣中的質(zhì)量流量、催化劑入口溫度、一氧化碳(CO)和總烴(THC)含量的結(jié)果示于圖1。
[0030] 結(jié)果示于表1，由該表可見(jiàn)，在整個(gè)MVEG-B循環(huán)期間，使用均質(zhì)高載體涂層負(fù)載(比較實(shí)施例1)代替均質(zhì)低載體涂層負(fù)載(比較實(shí)施例2)降低CO和HC轉(zhuǎn)化。該結(jié)果的一個(gè)似是而非的解釋是，由于催化劑提高的熱質(zhì)量，在測(cè)試開始時(shí)，對(duì)于CO和HC轉(zhuǎn)化，催化劑點(diǎn)火較慢表1
。
[0031] 當(dāng)基材整料的上半部分涂有低載體涂層負(fù)載而下半部分保持涂有高載體涂層負(fù)載，不調(diào)節(jié)區(qū)之間的相對(duì)鉑金屬負(fù)載(實(shí)施例3)時(shí)，實(shí)現(xiàn)CO氧化的改進(jìn)。對(duì)于測(cè)試的車輛，該構(gòu)造的反向排列(其中上游50%區(qū)負(fù)載高載體涂層，而下半部分負(fù)載低載體涂層(即，實(shí)施例4))得到比對(duì)照更差的活性。然而，測(cè)試的車輛具有特別冷-運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，本發(fā)明人仍相信實(shí)施例4的構(gòu)造可特別用于具有更熱運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛(不同的車輛制造商提供的產(chǎn)品的MVEG-B循環(huán)廢氣溫度可不同)。因此，仍認(rèn)為實(shí)施例4的構(gòu)造落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。然而，表1中所示的其余的結(jié)果(即，對(duì)于實(shí)施例5-8(含))集中于特征為低負(fù)載的上游區(qū)但是上游區(qū)的長(zhǎng)度和鉑金屬負(fù)載不同的構(gòu)造。
[0032] 可見(jiàn)，通過(guò)將上游低載體涂層負(fù)載區(qū)的長(zhǎng)度縮短至25% (實(shí)施例5)，比起實(shí)施例4的構(gòu)造，得到CO氧化的進(jìn)一步改進(jìn)。其余的實(shí)施方案(實(shí)施例6-8(含))保持25%長(zhǎng)度入口區(qū)低載體涂層負(fù)載/75%長(zhǎng)度出口區(qū)高載體涂層負(fù)載排列，并且研究了改變兩個(gè)區(qū)之間的鉑金屬負(fù)載劃分。
[0033] 相對(duì)于較低的(20g/ft3)出口區(qū)鉑負(fù)載，較高(100g/ft3)入口區(qū)鉑負(fù)載得到改進(jìn)的CO轉(zhuǎn)化，但是HC轉(zhuǎn)化比均質(zhì)負(fù)載的實(shí)施方案稍差(參見(jiàn)表1對(duì)于實(shí)施例6的結(jié)果)。然3 3 3
而，進(jìn)一步
迭代鉑劃分(70g/ft 上游區(qū)/30g/ft 下游區(qū)(實(shí)施例7)；以及85g/ft 上游區(qū)
3
/25g/ft 下游區(qū)(實(shí)施例8))得到與均質(zhì)負(fù)載的催化劑類似的HC轉(zhuǎn)化結(jié)果，但是，相對(duì)于
3
較高PGM負(fù)載的上游區(qū)實(shí)施方案(即，100g/ft 上游區(qū)實(shí)施方案)，出乎意料地改進(jìn)CO轉(zhuǎn)化。
[0034] 為了避免任何疑惑，本文引用的文件的整個(gè)內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合到本文中。
