Катализатор окисления выхлопных газов - RU2584420C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к катализатору окисления выхлопных газов, предназначенному для газопоглощения выхлопных газов, испускаемого из двигателей внутреннего сгорания, особенно из дизельных двигателей.

Катализаторы для очистки выхлопных газов используются для предотвращения загрязнения выхлопными газами, выпускаемыми из двигателей внутреннего сгорания, и катализаторы разработаны для дизельных двигателей, включающих окислительные катализаторы и поглотительно-восстановительные катализаторы для оксидов азота.

Окислительный катализатор делает ядовитые вещества, имеющиеся в выхлопном газе, такие как монооксид углерода (CO), непрореагировавшие углеводороды (УВ) и растворимые органические фракции (РОФ), безвредными за счет их разложения до диоксида углерода, воды, и т.д. В Патентах США №№ 5627124 и 5491120 раскрыты окислительные катализаторы, в которых использован слой катализатора, сформированный в каналах для выхлопного газа подложки сотовидной формы, снабженной многочисленными каналами для выхлопного газа, причем слой катализатора содержит оксиды металлов, такие как оксид церия, оксид алюминия, оксид титана, и оксид циркония и их комплексы, и которые дополнительно содержат благородные металлы, такие как платина и палладий. Поскольку окислительный катализатор обладает ограниченной функцией при окислении токсичных веществ, таких как УВ, если температура выхлопного газа низка, как при низкоскоростной работе, были разработаны различные средства для адсорбции УВ при низкой температуре и последующего окисления УВ, высвобождаемого при достижении выхлопным газом достаточно высокой температуры; и одно предложенное средство составляет слой катализатора, для повышения количества адсорбируемых УВ (см., например, публикацию Патента США № 2010/0180582).

Для повышения количества УВ, поглощаемого при низкой температуре выхлопного газа, слой катализатора, обеспечиваемый в каналах для выхлопного газа в окислительном катализаторе, раскрытом в публикации Патента США № 2010/0180582, составляют из трех слоев: нижнего слоя, содержащего, по меньшей мере, молекулярное сито, промежуточного слоя, который содержит благородный металл, нанесенный на огнеупорный оксид металла, но не содержит молекулярного сита, и верхнего слоя, содержащего, по меньшей мере, молекулярное сито. Однако, хотя окислительный катализатор, раскрытый в публикации Патента США № 2010/0180582, приводит к повышенной адсорбции УВ при низкоскоростной работе, такой катализатор создавал проблемы, состоящие в том, что эффективность адсорбции УВ имеет тенденцию к ослаблению при непрерывной работе при низкой температуре, как, например, при режиме холостого хода, и уровень удаления CO едва ли является удовлетворительным, поскольку способность катализатора к восстановлению после отравления серой, из-за воздействия соединений серы, содержащихся в выхлопном газе, нельзя считать адекватным. Настоящее изобретение было разработано для решения проблем, связанных с катализаторами окисления выхлопных газов согласно вышеупомянутому уровню техники, при этом его цель состоит в обеспечении катализатора для выхлопного газа, при существовании которого существующие проблемы можно решить.

Согласно первой особенности изобретение обеспечивает катализатор окисления выхлопных газов, характеризующийся тем, что содержит подложку катализатора, в которой было сформировано множество каналов для выхлопного газа, и слой катализатора, сформированный на поверхности каналов для выхлопного газа в подложке катализатора; в котором слой катализатора, состоящий из нижнего слоя катализатора, верхнего слоя катализатора с наружной стороной, обращенной внутрь каналов для выхлопного газа, и промежуточного слоя катализатора, расположенного между нижним слоем катализатора и верхним слоем катализатора, обеспечен таким образом, чтобы он покрывал не более 25% от поверхности канала для выхлопного газа, и в котором нижний слой катализатора содержит, по меньшей мере, кислородопоглощающий агент в качестве компонента катализатора, но не содержит адсорбента углеводорода, промежуточный слой содержит, по меньшей мере, металлический катализатор, нанесенный на носитель из оксида металла, и адсорбент углеводорода в качестве компонентов катализатора, а верхний слой катализатора содержит, по меньшей мере, кислородопоглощающий агент и адсорбент углеводорода в качестве компонентов катализатора.

В одном варианте воплощения промежуточный слой катализатора содержит не более двух слоев с различными компонентами катализатора и/или различным содержанием катализатора.

В еще одном варианте воплощения, помимо кислородопоглощающего агента и адсорбента углеводорода, верхний слой катализатора содержит металлический катализатор, нанесенный на носитель из оксида металла.

В еще одном варианте воплощения адсорбент углеводорода представляет собой цеолит.

Согласно второй особенности изобретение обеспечивает систему выпуска для дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащего катализатор окисления выхлопных газов по любому из предыдущих пунктов.

Изобретенный катализатор окисления выхлопных газов обладает выдающейся эффективностью при удалении CO и УВ, стойкой к падению адсорбции УВ при низкоскоростном режиме работы, причем он быстро восстанавливается после отравления катализатора серой и может эффективно окислять токсичные вещества в выхлопном газе, делая их безвредными.

Для того чтобы изобретение можно было бы лучше понять, варианты воплощения настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1 представляет собой вид в продольном разрезе, показывающий вариант воплощения изобретенного катализатора окисления выхлопных газов;

Фигура 2 представляет собой увеличенный поперечный разрез, показывающий состав слоя катализатора; и

Фигура 3 представляет собой увеличенный поперечный разрез, показывающий состав слоя катализатора в другом варианте воплощения изобретенного катализатора окисления выхлопных газов.

Фигура 1 показывает вариант воплощения изобретенного катализатора окисления выхлопных газов; проиллюстрированный катализатор окисления выхлопных газов воплощает состав, в котором слой катализатора 5, как показано на Фигуре 2, был обеспечен на стенках 4 каналов для выхлопного газа 2 в подложке катализатора 3, содержащей множество каналов для выхлопного газа 2. Используемая подложка катализатора 3 содержит кордиерит, металл, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид алюминия, и т.п. Хотя, как правило, можно использовать подложку катализатора 3 сотовидной цилиндрической формы, которая имеет множество каналов для выхлопного газа 2, проходящих от одной поверхности насквозь до другой поверхности цилиндра, подложка также может иметь форму волокнистого пористого тела, форму листа, керамическую форму, и т.д.

Как указано на Фигуре 2, слой катализатора 5 состоит из трех слоев: из нижнего слоя катализатора 6, который содержит, по меньшей мере, кислородопоглощающий агент, но не содержит адсорбента углеводородов в качестве компонента катализатора, промежуточный слой катализатора 7, содержащий, по меньшей мере, металлический катализатор, нанесенный на носитель из оксида металла, и адсорбент углеводорода в качестве компонентов катализатора, и верхний слоя катализатора 8, содержащий, по меньшей мере, кислородопоглощающий агент и адсорбент углеводорода в качестве компонентов катализатора. Нижний слой катализатора 6 обеспечен таким образом, чтобы он покрывал стенки 4 каналов для выхлопного газа 2, верхний слой катализатора 8 обнажен внутри каналов для выхлопного газа 2, а промежуточный слой катализатора 7 расположен между нижним слоем катализатора 6 и верхним слоем катализатора 8.

Соответствующие слои катализатора могут быть сформированы путем нанесения покрытия в виде слоя катализатора, образующего суспензию, в которой компоненты катализатора были диспергированы в воде, а затем высушены и прокалены. Способы нанесения покрытия в виде суспензии на подложку катализатора 3 могут быть перечислены как включающие в себя погружение подложки катализатора 3 в суспензию или заливку суспензии в каналы для выхлопного газа 2 подложки катализатора 3. После того как суспензия была нанесена на подложку катализатора 3 и высушена, ее обычно можно прокаливать при температуре 700°C или менее, с образованием слоя катализатора.

Компонент катализатора - кислородопоглощающий агент, диспергированный в воде, можно использовать в качестве суспензии для формирования нижнего слоя катализатора 6. Хотя любой из оксидов - оксид церия, сложный оксид церия и циркония, и соединения, в которых к упомянутым оксидам был добавлен такой элемент, как La, Pr или Nd, можно использовать в качестве кислородопоглощающего агента, предпочтительным является сложный оксид церия и циркония. Поскольку нижний слой катализатора 6 формируют с использованием суспензии, которая не содержит адсорбента углеводорода или металлических катализаторов, в нижнем слое катализатора 6 не содержится никаких адсорбентов углеводорода, но в нем может содержаться металлический катализатор, который мигрировал из промежуточного слоя катализатора 7, сформированного поверх нижнего слоя катализатора 6. Если металлический катализатор, который мигрировал из промежуточного слоя катализатора 7, содержится в нижнем слое катализатора 6, его доля обычно составляет не более 5 мас.% от общего содержания металлического катализатора.

Промежуточный слой катализатора 7 может быть сформирован путем нанесения покрытия в виде суспензии соединений металлического катализатора на носитель из оксида металла, предназначенный для удерживания металлического катализатора, а адсорбент углеводорода, диспергированный в воде, или суспензию носителя из оксида металла, на который был нанесен металлический катализатор, и адсорбент углеводорода, диспергированный в воде, нанесенный поверх нижнего слоя катализатора 6 на подложку катализатора 3, на которой был сформирован нижний слой катализатора 6, затем высушивают и прокаливают. Металлический катализатор в промежуточном слое катализатора 7 существует в виде металлического катализатора, нанесенного на оксид металла. Для формирования промежуточного слоя катализатора 7 в качестве соединения металлического катализатора в суспензии используют нитрат, ацетат, гидрохлорид, амин, и т.д., такого металла, как платина, палладий, иридий, золото или серебро; но нитрат платины, амины платины и нитрат палладия являются предпочтительными. Оксид алюминия, такой как α-оксид алюминия или γ-оксид алюминия, оксид циркония, оксид кремния, оксид титана, их смеси и их сложные оксиды используются в качестве носителя из оксида металла; предпочтительными являются оксид алюминия и смеси или сложные оксиды, содержащие оксид алюминия, а γ-оксид алюминия и смеси или сложные оксиды, содержащие γ-оксид алюминия, являются особо предпочтительными. Является предпочтительным, чтобы содержание других оксидов металлов в смесях или сложных оксидах с γ-оксидом алюминия попадало в диапазон 1-30 мас.%. Является предпочтительным, чтобы в качестве носителя из оксида металла был использован порошок со средним размером частиц 1-10 мкм. Для суспензии, в которой соединения металлического катализатора и оксидный носитель катализатора находятся в диспергированном состоянии, является предпочтительным, чтобы отношение соединений металлического катализатора к носителю из оксида металла находилось в диапазоне 0,2-5,0 мас.% соединения оксида металла, применительно к комбинированной массе их обоих. Адсорбенты углеводородов, которые можно использовать, включают мезопористые материалы или микропористые материалы, такие как цеолитовые или металлосиликатные структуры, в которых кремний или алюминий в кристаллической решетке цеолита заменен переходным металлом, хотя цеолит является предпочтительным. В качестве цеолита можно перечислить цеолиты типа BEA, FAU, MFI, FER, CHA, и т.д., из которых один или два или более можно использовать вместе, хотя предпочтительным является цеолит с трехмерной пористостью. Является предпочтительным, чтобы в качестве адсорбента углеводорода был выбран для использования адсорбент углеводорода, который обладает функцией ловушки, подходящей для видов углеводородов, содержащихся в выхлопном газе.

Верхний слой катализатора 8 может быть сформирован путем нанесения покрытия в виде суспензии, содержащей кислородопоглощающий агент и адсорбент углеводорода, поверх промежуточного слоя катализатора 7, с последующим высушиванием и отжигом. Кислородопоглощающий агент и адсорбент углеводорода, которые можно использовать, являются теми же, что и для нижнего слоя катализатора 6 и промежуточного слоя катализатора 7.

Если необходимо, в суспензию, используемую для формирования нижнего слоя катализатора 6, промежуточного слоя катализатора 7 и верхнего слоя катализатора 8, можно внедрять связующее вещество, неорганическое волокно, и т.д. В качестве связующего вещества обычно используют оксид алюминия, который также функционирует как носитель из оксида металла, хотя также можно использовать оксид титана, оксид кремния, и т.д. В качестве неорганического волокна можно использовать волокно из муллита, волокно из оксида титана, волокно из оксида кремния, волокнистый бемит, и т.д.

Вышеупомянутый пример иллюстрирует случай, когда нижний слой катализатора 6 сформирован путем нанесения покрытия в виде суспензии, содержащей соединения металлического катализатора и носителя из оксида металла (или носитель из оксида металла, поддерживающий металлический катализатор), на стенки 4 каналов для выхлопного газа 2 в подложке катализатора 3, с последующей сушкой и прокаливанием, но также можно формировать подложку катализатора 3 и нижний слой катализатора 6 таким образом, чтобы они составляли одно целое, например, путем прессования суспензии нижнего слоя катализатора в сотовидный цилиндр, например, с последующей сушкой и прокаливанием.

Хотя вышеупомянутый пример иллюстрирует случай, когда промежуточный слой катализатора 7 образован в виде одиночного слоя, промежуточный слой катализатора 7 также может быть образован в виде двух слоев, первого слоя 7a и второго слоя 7b, или множества из двух или более слоев, как показано на Фигуре 3. Когда промежуточный слой катализатора 7 образован в виде множества из двух или более слоев, каждый слой (первый слой 7a, второй слой 7b, и так далее) может быть образован из суспензии из другого металлического катализатора и иметь другое содержание, из другого носителя из оксида металла и т.д., или из суспензии из того же металлического катализатора, но с другим содержанием. Эксплуатационная гибкость в обработке выхлопного газа, содержащего токсичные вещества при различных содержаниях, может быть повышена за счет формирования промежуточного слоя катализатора 7 в виде множества слоев, в которых металлические катализаторы, носители из оксида металла и их содержания, и т.д., различны.

Изобретенный катализатор окисления выхлопных газов 1 может содержать металлический катализатор, а также кислородопоглощающий агент и адсорбент углеводорода в верхнем слое катализатора 8. Когда металлический катализатор внедрен указанным образом, его наносят на носитель из оксида металла. Внедрение металлического катализатора в верхний слой катализатора 8 не только повышает эффективность в подавлении падения функции улавливания УВ в ходе низкоскоростного режима, но может также улучшить свойства сжигания топлива в ходе принудительной регенерации фильтра твердых частиц дизельного двигателя.

Является предпочтительным, чтобы содержания вышеупомянутого кислородопоглощающего агента, адсорбента углеводородов и металлического катализатора в изобретенном катализаторе окисления выхлопных газов 1 относительно объема (л) катализатора окисления выхлопных газов 1 составляли 10-20 г/л для кислородопоглощающего агента, 5-30 г/л для адсорбента углеводорода и 0,1-5,0 г/л для металлического катализатора. Является предпочтительным, чтобы содержание кислородопоглощающего агента было таково, чтобы оно составляло 20-50 мас.% от общего содержания кислородопоглощающего агента, имеющегося в нижнем слое катализатора 6, и 50-80 мас.% от общего содержания кислородопоглощающего агента, имеющегося в верхнем слое катализатора 8. Является предпочтительным, чтобы содержание адсорбента углеводородов было таково, чтобы оно составляло 30-50 мас.% от общего содержания адсорбента углеводородов, имеющегося в промежуточном слое катализатора 7, и 50-70 мас.% от всего адсорбента углеводородов, имеющегося в верхнем слое катализатора 8. Там, где металлический катализатор дополнительно содержится в верхнем слое катализатора 8, является предпочтительным, чтобы содержание имеющегося в нем металлического катализатора было задано на уровне 1-10 мас.% от общего содержания металлического катализатора.

Слой катализатора 5, содержащий нижний слой катализатора 6, промежуточный слой катализатора 7 и верхний слой катализатора 8 в изобретенном катализаторе окисления выхлопных газов 1, не должен быть расположен поверх всего канала для выхлопного газа 2, простирающегося от входного конца для выхлопного газа до выходного конца для выхлопного газа: хотя он может быть обеспечен непрерывно или прерывисто, до тех пор пока он обеспечен на поверхности, не превышающей 25% от общей длины поверхности канала для выхлопного газа 2, причем является предпочтительным, чтобы он был обеспечен на поверхности, не превышающей 30%, более предпочтительно, не превышающей 40%, а особо предпочтительно, не превышающей 50% от поверхности всей длины канала для выхлопного газа 2. Является предпочтительным, чтобы слой катализатора 5 был обеспечен на поверхности, составляющей не менее 25% от поверхности общей длины канала для выхлопного газа 2, простирающегося от конца для входа выхлопного газа канала для выхлопного газа 2 до конца для выхода выхлопного газа, и в частности, является предпочтительным, чтобы он был обеспечен на ней непрерывно. Если слой катализатора 5 обеспечен на длине менее 100% от общей длины канала для выхлопного газа 2, простирающегося от конца для входа выхлопного газа канала для выхлопного газа 2 до конца для выхода выхлопного газа, известный до сих пор слой катализатора может быть, как правило, обеспечен на той части канала для выхлопного газа 2, которая не снабжена слоем катализатора 5, и в этом случае является допустимым, чтобы промежуточный слой катализатора в слое катализатора 5 простирался по части, не снабженной слоем катализатора 5, содержащим нижний слой катализатора 6, промежуточный слой катализатора 7 и верхний слой катализатора 8.

Только в качестве иллюстрации, изобретение будет более подробно описано ниже в виде рабочих моделей.

Рабочая модель 1

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Нижний слой катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, а также оксид алюминия (63 мас.% кислородопоглощающего агента, 37 мас.% оксида алюминия).

2) Промежуточный слой суспензии катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платина и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленных в качестве нитрата платины и нитрата палладия), и оксид алюминия (адсорбент углеводородов 11,2 мас.%, платина 1,6 мас.%, палладий 0,8 мас.%, оксид алюминия 86,4 мас.%).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, платину в качестве металлического катализатора (добавленного в качестве нитрата платины), β-цеолит в качестве адсорбента углеводорода и оксид алюминия (27 мас.% кислородопоглощающего агента, 45 мас.% β-цеолита - адсорбента углеводорода, 0,1 мас.% платины, 27,9 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 49 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 110 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 50 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Рабочая модель 2

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Нижний слой катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, а также оксид алюминия (63 мас.% кислородопоглощающего агента, 37 мас.% оксида алюминия).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит и цеолит ZSM5 в качестве адсорбентов углеводорода, платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленных в виде нитрата платины и нитрата палладия), и оксид алюминия (5 мас.% β-цеолита и 5 мас.% цеолита ZSM5 в качестве адсорбентов углеводородов, 1,1 мас.% платины, 0,5 мас.% палладия, 88,4 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, платину в качестве металлического катализатора (добавленного в виде нитрата платины), β-цеолит и цеолит ZSM5 в качестве адсорбентов углеводородов, и оксид алюминия (27,4 мас.% кислородопоглощающего агента, 22,5 мас.% β-цеолита и 22,5 мас.% цеолита ZSM5 в качестве адсорбентов углеводородов, 0,1 мас.% платины, 27,5 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 49 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 110 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 60 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Рабочая модель 3

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Нижний слой катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, а также оксид алюминия (63 мас.% кислородопоглощающего агента, 37 мас.% оксида алюминия).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленных в виде нитрата платины и нитрата палладия), и оксид алюминия (9 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 1,1 мас.% платины, 0,5 мас.% палладия, 89,4 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов и оксид алюминия (31 мас.% кислородопоглощающего агента, 36 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 33 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 55 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 110 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 60 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 1

Был получен катализатор окисления выхлопных газов, без формирования нижнего слоя катализатора, содержащего кислородопоглощающий агент, с использованием следующих взвесей для формирования слоя металлического катализатора и верхнего слоя катализатора.

1) Суспензия для формирования слоя, содержащего металлический катализатор: суспензия, содержащая платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленные в виде нитрата платины и нитрата палладия), а также оксид алюминия (1,0 мас.% платины, 0,5 мас.% палладия, 98,5 мас.% неорганического носителя).

2) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), и оксид алюминия (63,9 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 0,1 мас.% платины, 36 мас.% оксида алюминия).

A сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии для формирования слоя, содержащего металлический катализатор, который был нанесен для получения осадка, при высушивании при 178 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием металлического слоя, содержащий катализатор. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх металлического слоя, содержащего катализатор, с получением осадка, при высушивании при 60 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид двухслойного катализатора (100%-ное покрытие двухслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 2

Суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленные в виде нитрата платины и нитрата палладия), а также оксид алюминия (47,72 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 1,44 мас.% платины и 0,72 мас.% палладия в качестве металлических катализаторов, 50,12 мас.% оксида алюминия) был нанесен на сотовидную подложку катализатора (продукция компании NGK, 1 л), для получения осадка при высушивании при 180 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием слоя катализатора; таким образом, был получен катализатор окисления выхлопных газов с одним слоем катализатора, содержащим металлические катализаторы (100%-ное покрытие однослойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 3

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Суспензия нижнего слоя катализатора: 100 мас.% суспензии, содержащей оксид алюминия (не содержащей никакого кислородопоглощающего агента).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленные в виде нитрата платины и нитрата палладия), а также оксид алюминия (11,2 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 1,6 мас.% платины, 0,8 мас.% палладия, 86,4 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), а также оксид алюминия (не содержит никакого кислородопоглощающего агента; 63,9 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 0,1 мас.% платины, 36 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 49 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 110 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 50 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 4

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Нижний слой катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, а также оксид алюминия (63 мас.% кислородопоглощающего агента, 37 мас.% оксида алюминия).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленные в виде нитрата платины и нитрата палладия), а также оксид алюминия (11,2 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 1,6 мас.% платины, 0,8 мас.% палладия, 86,4 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), а также оксид алюминия (не содержит никакого кислородопоглощающего агента; 63,9 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 0,1 мас.% платины, 36 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 49 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 110 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 50 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 5

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Нижний слой катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, оксид алюминия, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины) и β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов (47 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 29 мас.% кислородопоглощающего агента, 23,9 мас.% оксида алюминия, 0,1 мас.% платины).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленные в виде нитрата платины и нитрата палладия), а также оксид алюминия (2,4 мас.% платины, 1,2 мас.% палладия, 96,4 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит в качестве адсорбента углеводородов, комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), а также оксид алюминия (37,5 мас.% кислородопоглощающего агента, 37,5 мас.% β-цеолита в качестве адсорбента углеводородов, 0,1 мас.% платины, 24,9 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 52 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 72 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 81 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 6

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Нижний слой катализатора: суспензия, содержащая комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, а также оксид алюминия (63 мас.% кислородопоглощающего агента, 37 мас.% оксида алюминия).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая платину и палладий в качестве металлических катализаторов (добавленные в виде нитрата платины и нитрата палладия), и оксид алюминия (1,1 мас.% платины, 0,5 мас.% палладия, 98,4 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая β-цеолит и ZSM-5 в качестве адсорбента углеводородов, комплекс оксида церия и оксида циркония в качестве кислородопоглощающего агента, платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), а также оксид алюминия (27,4 мас.% кислородопоглощающего агента; 25 мас.% β-цеолита и 20 мас.% цеолита ZSM5 в качестве адсорбентов углеводородов, 0,1 мас.% платины, 27,5 мас.% оксида алюминия).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 49 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 110 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 67 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Сравнительный пример 7

Были приготовлены следующие взвеси для формирования соответствующих слоев катализатора.

1) Суспензия нижнего слоя катализатора: 100 мас.% суспензии, содержащей оксид алюминия в качестве связующего вещества (не содержит никакого кислородопоглощающего агента).

2) Суспензия промежуточного слоя катализатора: суспензия, содержащая платину в качестве металлического катализатора (добавленную в виде нитрата платины), а также оксид алюминия (не содержит никакого адсорбента углеводорода; 3,3 мас.% платины, 97,9 мас.% оксида алюминия).

3) Суспензия верхнего слоя катализатора: суспензия, содержащая 100 мас.% оксида алюминия (не содержит никакого кислородопоглощающего агента и никакого адсорбента углеводорода).

Сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена для получения осадка при высушивании при 73 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх нижнего слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 55 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх промежуточного слоя катализатора, с образованием осадка при высушивании при 47 г/л, высушена, а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора, что придавало катализатору окисления выхлопных газов вид трехслойного катализатора (100%-ное покрытие трехслойным катализатором как доля относительно поверхности канала для выхлопного газа).

Катализаторы окисления выхлопных газов согласно Рабочим моделям 1-2 и Сравнительным примерам 1-6 были подвергнуты термообработке в течение 50 часов в печи при 700°C, а затем закреплены в выхлопной трубе встроенного в линию четырехцилиндрового дизельного двигателя. Испытание на отравление катализатора серой было проведено при 300°C, с использованием легкого дистиллятного топлива, с добавлением 500 частиц на миллион органосульфидного соединения. Пропускная способность по сере была задана на уровне 4,6 г/л. Катализатор был затем восстановлен путем принудительной регенерации в течение 15 мин при 600°C, с использованием промышленного легкого масла (JIS2).

Затем было проведено испытание смоделированного режима оценки катализатора, и были оценены рабочие характеристики катализатора. Результаты показаны в Таблице 1.

Из результатов, приведенных в Таблице 1, видно, что в Рабочей модели 1 происходит более высокая конверсия CO, чем в Сравнительных примерах 1-5, а в Рабочей модели 2 происходит более высокая конверсия CO, чем в Сравнительном примере 5, что подтверждает, что катализатор окисления выхлопных газов согласно изобретению обладает более высокой эффективностью очистки выхлопного газа, чем катализаторы согласно уровню техники.

Катализаторы окисления выхлопных газов согласно Рабочей модели 3 и Сравнительному примеру 7 были подвергнуты термообработке в течение 50 часов в печи при 700°C, а затем закреплены в трубе для выхлопного газа встроенного четырехцилиндрового дизельного двигателя. При использовании промышленного легкого масла (JIS 2) испытания смоделированного режима были проведены при реальном выхлопном газе и при температуре (COT50), при которой конверсия CO достигала 50%. Результаты приведены в Таблице 2.

Из результатов, приведенных в Таблице 2, видно, что катализатор окисления выхлопных газов согласно Рабочей модели 3 обладает более низкой COT50, чем катализатор окисления выхлопных газов согласно Сравнительному примеру 6, что подтверждает, что изобретение обладает наилучшей эффективностью очистки выхлопного газа.

Рабочая модель 4

Катализатор окисления выхлопных газов с тройным слоем катализатора (80%-ное покрытие тройным слоем катализатора как доля поверхности канала для выхлопного газа) был получен с использованием той же суспензии нижнего слоя катализатора, суспензии промежуточного слоя катализатора и суспензии верхнего слоя катализатора, что и в Рабочей модели 1: сначала сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена до достижения 80%-ного покрытия суспензией нижнего слоя катализатора по длине канала для выхлопного газа в подложке катализатора, высушена (осадок был высушен при 49 г/л), а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх этого слоя, до достижения 100%-ного покрытия канала для выхлопного газа по его длине, высушена (осадок был высушен при 110 г/л), а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх этого слоя по длине, равной 80% от длины канала для выхлопного газа, в положении, перекрывающем положение покрытия суспензией нижнего слоя катализатора, высушена (осадок был высушен при 50 г/л), а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора.

Рабочая модель 5

Катализатор окисления выхлопных газов с тройным слоем катализатора (50%-ное покрытие тройным слоем катализатора как доля поверхности канала для выхлопного газа) был получен, с использованием той же суспензии нижнего слоя катализатора, суспензии промежуточного слоя катализатора и суспензии верхнего слоя катализатора, что и в Рабочей модели 1: сначала сотовидная подложка катализатора (продукция компании NGK, 1 л) была пропитана в суспензии нижнего слоя катализатора, которая была нанесена до достижения 50%-ного покрытия суспензией нижнего слоя катализатора по длине канала для выхлопного газа в подложке катализатора, высушена (осадок был высушен при 49 г/л), а затем прокалена при 500°C, с образованием нижнего слоя катализатора. Суспензия промежуточного слоя катализатора была затем нанесена поверх этого слоя, до достижения 100%-ного покрытия канала для выхлопного газа по его длине, высушена (осадок был высушен при 110 г/л), а затем прокалена при 500°C, с образованием промежуточного слоя катализатора. Суспензия верхнего слоя катализатора была затем нанесена поверх этого слоя по длине, равной 50% от длины канала для выхлопного газа, в положении, перекрывающем положение покрытия суспензией нижнего слоя катализатора, высушена (осадок был высушен при 50 г/л), а затем прокалена при 500°C, с образованием верхнего слоя катализатора.

Катализаторы окисления выхлопных газов согласно Рабочим моделям 4 и 5 были подвергнуты испытанию при тех же условиях, что и в Рабочей модели 1. Результаты показаны в Таблице 3.

Из результатов, приведенных в Таблице 3, видно, что катализаторы окисления выхлопных газов согласно Рабочим моделям 4 и 5 обладают более высокой конверсией CO, чем катализатор окисления выхлопных газов согласно Сравнительному примеру 1, что подтверждает, что они обладают наилучшей эффективностью очистки выхлопного газа.

Во избежание сомнений, любые и все патентные или иные публикации, упомянутые в настоящей работе, полностью включены в настоящую работу в виде ссылки.

Подписи к чертежам:

1 Катализатор окисления выхлопных газов

2 Канал для выхлопного газа

3 Подложка катализатора

4 Поверхность канала для выхлопного газа

5 Слой катализатора

6 Нижний слой катализатора

7 Промежуточный слой катализатора

8 Верхний слой катализатора.

Реферат

Изобретение относится к катализатору окисления выхлопных газов, предназначенному для газопоглощения выхлопных газов, испускаемых из двигателей внутреннего сгорания. Катализатор содержит подложку катализатора, в которой сформировано множество каналов для выхлопного газа, и слой катализатора, сформированный на поверхности каналов для выхлопного газа в подложке катализатора; в котором слой катализатора состоит из нижнего слоя катализатора, верхнего слоя катализатора, обращенного наружной стороной внутрь каналов для выхлопного газа, и промежуточного слоя катализатора, расположенного между нижним слоем катализатора и верхним слоем катализатора, и при этом данный слой катализатора выполнен таким образом, чтобы он покрывал не менее 25% от поверхности канала для выхлопного газа, и в котором нижний слой катализатора содержит, по меньшей мере, кислородопоглощающий агент в качестве компонента катализатора, но не содержит адсорбента углеводорода, причем промежуточный слой катализатора содержит, по меньшей мере, металлический катализатор, нанесенный на носитель из оксида металла, и адсорбент углеводорода в качестве компонентов катализатора, а верхний слой катализатора содержит, по меньшей мере, кислородопоглощающий агент и адсорбент углеводорода в качестве компонентов катализатора. Также изобретение относится к системе выпуска для дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащей катализатор окисления выхлопных газов. Технический результат заключается в увеличении эффективности очистки выхлопного газа. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 7 пр.

Формула