Зонированный каталитический нейтрализатор для снижения выбросов n2o

Предложен каталитический нейтрализатор для снижения выбросов N₂O в системе выпуска отработавших газов транспортного средства, содержащий носитель, сообщающийся с потоком отработавших газов, причем упомянутый носитель включает в себя вход отработавших газов и выход отработавших газов и имеет по меньшей мере один проход отработавших газов сквозь него, упомянутый носитель содержит первую каталитическую зону и вторую каталитическую зону, расположенную ниже по потоку от упомянутой первой каталитической зоны, при этом упомянутая первая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от 50 до 100 мас.% родия, с остатком, содержащим палладий и/или платину в любом массовом соотношении, а упомянутая вторая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от 50 до 100 мас.% палладия, с остатком, содержащим родий и/или платину в любом массовом соотношении, при этом упомянутая вторая каталитическая зона включает в себя никель-медный катализатор. Изобретение также относится к второму варианту каталитического нейтрализатора, в котором дополнительно упомянутая первая каталитическая зона в упомянутом проходе отработавших газов содержит входной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого входного канала сообщается с упомянутым входом отработавших газов, упомянутая вторая каталитическая зона содержит выходной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый второй конец упомянутого выходного канала сообщается с упомянутым выходом отработавших газов, и упомянутая третья каталитическая зона содержит промежуточный канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым вторым концом упомянутого входного канала, а упомянутый второй конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым первым концом упомянутого выходного канала, при этом упомянутый промежуточный канал ориентирован так, чтобы течение отработавших газов через упомянутый по меньшей мере один проход отработавших газов был обратным относительно направления течения в упомянутых входном и выходном каналах. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Описанный здесь объект изобретения относится к каталитическому нейтрализатору, который содействует восстановлению оксидов азота в отработавших газах транспортного средства, а конкретнее, к каталитическому нейтрализатору, который снижает выбросы закиси азота (N₂O) с отработавшими газами транспортного средства.

[0002] Природоохранное законодательство, относящееся к снижению выбросов из двигателей транспортных средств, становится все более и более строгим, требуя новых разработок для принятия мер в ответ на сложные задачи производства еще более чистых транспортных средств. Катализаторы долго использовались в системах выпуска отработавших газов автомобильных транспортных средств для преобразования загрязняющих веществ - монооксида углерода, углеводородов и оксидов азота (NO_X) - в экологически более безвредные газы, такие как углекислый газ, водяной пар и азот. Длительное время было известно, что так называемые трехкомпонентные катализаторы (ТКК) могут использоваться для одновременного преобразования (нейтрализации) монооксида углерода, углеводородов и оксидов азота в экологически более безвредные газы. Как правило, такие ТКК включают в себя множество или множественные благородные металлы, такие как металлы платиновой группы (МПГ). Например, в системах ТКК использовались катализаторы, в состав которых входят сочетания родия (Rh) и платины (Pt) или палладия (Pd). Как правило, считается, что Pd более эффективен для нейтрализации CO и HC, тогда как Rh более эффективен для восстановления соединений NO_X.

[0003] Оксиды азота вызывают возрастающую обеспокоенность состоянием окружающей среды. Например, Национальный научно-исследовательский совет в исследовании 2010 года оценил, что молекулы N₂O, выпущенные в атмосферу, остаются неповрежденными в среднем в течение 120 лет, и воздействие на окружающую среду одного фунта N₂O по атмосферному потеплению превосходит в 300 раз воздействие одного фунта углекислого газа. Все более и более строгие стандарты экономии топлива усугубляют проблему выработки NOx в транспортных средствах.

[0004] Таким образом, предпочтительно эксплуатировать двигатели транспортных средств в условиях бедной смеси, т.е. условиях, при которых отношение количества воздуха к количеству топлива (воздушно-топливное отношение) является большим, чем стехиометрическое, для улучшения эффективности использования топлива и более низких выбросов CO₂. Однако, несмотря на то, что работа на бедной смеси улучшает экономию топлива, такая работа повышает трудность обработки и удаления газов NO_X из систем выпуска отработавших газов транспортного средства. Это привело к разработке производителями транспортных средств так называемых уловителей обедненных NO_X, которые увеличивают сложность и себестоимость систем выпуска отработавших газов в стремлении захватить и восстановить как можно больше NO_Χ.

[0005] Другие условия, встречаемые во время нормальной работы моторных транспортных средств, также приводят к выработке избыточных газов NO_X. Например, во время холодного запуска двигателей эффективность и производительность катализаторов понижена до тех пор, пока катализаторы не достигнут своей температуры розжига. Во время разгона транспортного средства усиленный поток отработавших газов, содержащих NO_X и CO, приводит к неполному восстановлению соединений NO_X до N₂ и вызывает образование дополнительного N₂O в каталитическом нейтрализаторе.

[0006] Соответственно, в данной области техники остается потребность в предложении более эффективных каталитических нейтрализаторов, которые способны устранять и регулировать выбросы загрязняющих газов в широком диапазоне условий эксплуатации.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Такие потребности удовлетворяются посредством вариантов осуществления настоящего изобретения, которые предусматривают каталитический нейтрализатор, содействующий восстановлению оксидов азота в отработавших газах транспортного средства, а конкретнее - каталитический нейтрализатор, который снижает выбросы закиси азота (N₂O) с отработавшими газами транспортного средства.

[0008] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрен каталитический нейтрализатор для снижения выбросов N₂O в системе выпуска отработавших газов транспортного средства, содержащий носитель, сообщающийся с потоком отработавших газов, причем носитель включает в себя вход отработавших газов и выход отработавших газов. Носитель имеет по меньшей мере один проход отработавших газов сквозь него. Носитель, который может быть в виде монолитной, многоячеистой сотовой конструкции, содержит первую каталитическую зону и вторую каталитическую зону, расположенную ниже по потоку от первой зоны. Первая каталитическая зона включает в себя катализатор из металлов платиновой группы (МПГ-катализатор), содержащий от примерно 50 до примерно 100 мас.% родия, с остатком, содержащим платину и/или палладий в любом массовом соотношении. Вторая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от примерно 50 до примерно 100 мас.% палладия, с остатком, содержащим платину и/или родий в любом массовом соотношении. Под «МПГ-катализатором» мы подразумеваем либо родий, либо платину, либо палладий, и их смеси. Предпочтительно, носитель содержит оксид церия, оксид циркония, оксид алюминия и их смеси в любом массовом соотношении.

[0009] В некоторых вариантах осуществления вторая каталитическая зона включает в себя никель-медный катализатор, который способствует дополнительному восстановлению любого N₂O, все еще присутствующего в системе выпуска отработавших газов. В некоторых вариантах осуществления никель-медный катализатор содержит примерно 50 мас.% никеля и примерно 50 мас.% меди.

[0010] В еще одном варианте осуществления каталитический нейтрализатор включает в себя третью каталитическую зону ниже по потоку от второй каталитической зоны, причем катализатор с никелем и медью расположен в третьей каталитической зоне. В тех вариантах осуществления, которые включают в себя три каталитических зоны, нейтрализатор может быть выполнен так, что первая каталитическая зона в проходе отработавших газов содержит входной канал с первым и вторым концами, причем первый конец входного канала сообщается с входом отработавших газов. Вторая каталитическая зона содержит выходной канал с первым и вторым концами, причем второй конец выходного канала сообщается с выходом отработавших газов. Третья каталитическая зона содержит промежуточный канал с первым и вторым концами, причем первый конец упомянутого промежуточного канала сообщается со вторым концом входного канала, а второй конец промежуточного канала сообщается с первым концом выходного канала. Промежуточный канал ориентирован так, чтобы поток отработавших газов через упомянутый по меньшей мере один проход отработавших газов был обратным относительно направления потока во входном и выходном каналах.

[0011] Соответственно, признак настоящего изобретения состоит именно в восстановлении оксидов азота в отработавших газах транспортного средства, а конкретнее, в каталитическом нейтрализаторе, который снижает выбросы закиси азота (N₂O) с отработавшими газами транспортного средства. Таким образом, предложен каталитический нейтрализатор для снижения выбросов N₂O в системе выпуска отработавших газов транспортного средства, содержащий носитель, сообщающийся с потоком отработавших газов, причем упомянутый носитель включает в себя вход отработавших газов и выход отработавших газов и имеет по меньшей мере один проход отработавших газов сквозь него, упомянутый носитель содержит первую каталитическую зону и вторую каталитическую зону, расположенную ниже по потоку от упомянутой первой зоны, при этом упомянутая первая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от примерно 50 до примерно 100 мас.% родия, с остатком, содержащим палладий и/или платину в любом массовом соотношении, а упомянутая вторая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от примерно 50 до примерно 100 мас.% палладия, с остатком, содержащим родий и/или платину в любом массовом соотношении. Предпочтительно, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутый носитель содержит оксид церия, оксид циркония, оксид алюминия и их смеси. Предпочтительно, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутый МПГ-катализатор в упомянутой первой каталитической зоне имеет удельное содержание катализатора от примерно 0,5 до примерно 300 грамм/фут³. Предпочтительно, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутый МПГ-катализатор в упомянутой второй каталитической зоне имеет удельное содержание катализатора от примерно 0,5 до примерно 300 грамм/фут³. Предпочтительно, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутая вторая каталитическая зона включает в себя никель-медный катализатор. Предпочтительнее, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутый никель-медный катализатор имеет удельное содержание катализатора от примерно 0,5 до примерно 2000 грамм/фут³. Предпочтительнее, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутый никель-медный катализатор имеет отношение никеля к меди >1. Предпочтительно, предложенный каталитический нейтрализатор дополнительно включает в себя третью каталитическую зону ниже по потоку от упомянутой второй каталитической зоны, включающую в себя катализатор, содержащий никель и медь. Предпочтительнее, в предложенном каталитическом нейтрализаторе упомянутая первая каталитическая зона в упомянутом проходе отработавших газов содержит входной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого входного канала сообщается с упомянутым входом отработавших газов, упомянутая вторая каталитическая зона содержит выходной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый второй конец упомянутого выходного канала сообщается с упомянутым выходом отработавших газов, и упомянутая третья каталитическая зона содержит промежуточный канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым вторым концом упомянутого входного канала, а упомянутый второй конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым первым концом упомянутого выходного канала, при этом упомянутый промежуточный канал ориентирован так, чтобы течение отработавших газов через упомянутый по меньшей мере один проход отработавших газов был обратным относительно направления течения в упомянутых входном и выходном каналах. Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] Последующее подробное описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения может быть лучше всего понято при прочтении в сочетании со следующими чертежами, где подобная конструкция указана аналогичными ссылочными номерами и на которых:

[0013] фиг.1 - вид сбоку в перспективе с частичным разрезом двухбрикетного катализатора уровня техники для системы выпуска отработавших газов транспортного средства;

[0014] фиг.2 - вид по линии 2-2 на фиг.2, изображающий нанесенные поверх покрытия из пористого оксида («washcoated») слои катализатора на стенках носителя;

[0015] фиг.3 - вид сбоку в перспективе с частичным разрезом одного варианта осуществления двухзонного каталитического нейтрализатора по настоящему изобретению; фиг.3A - увеличенный вид сбоку по линии 3-3 на фиг.3;

[0016] фиг. 4 - схематический вид сбоку противоточного варианта осуществления изобретения, при котором используется третья каталитическая зона;

[0017] фиг.5 - график нейтрализации NO_X в зависимости от температуры газа на входе для чисто Pd-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах;

[0018] фиг.6 - график образования N₂O в зависимости от температуры газа на входе для чисто Pd-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах;

[0019] фиг.7 - график нейтрализации CO в зависимости от температуры газа на входе для чисто Pd-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах;

[0020] фиг.8 - график образования NH₃ в зависимости от температуры газа на входе для чисто Pd-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах;

[0021] фиг.9 - график нейтрализации NO_Χ в зависимости от температуры газа на входе для чисто Rh-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах;

[0022] фиг.10 - график образования N₂O в зависимости от температуры газа на входе для чисто Rh-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах;

[0023] фиг.11 - график нейтрализации CO в зависимости от температуры газа на входе для чисто Rh-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах; и

[0024] фиг.12 - график образования NH₃ в зависимости от температуры газа на входе для чисто Rh-го катализатора при меняющемся содержании CO в отработавших газах.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0025] Газы, обнаруживаемые в отработавших газах большинства автомобильных транспортных средств, содержат всего лишь небольшие количества закиси азота (N₂O), вырабатываемой во время сгорания топлива в двигателе. Скорее, проблема состоит в том, что N₂O образуется на катализаторах в системе выпуска отработавших газов транспортного средства во время разных режимов работы. Закись азота образуется, когда транспортное средство эксплуатируется в условиях бедной смеси, т.е. углеводородное топливо сжигается при избытке кислорода/воздуха. Несмотря на то, что условия эксплуатации при бедной смеси дают преимущества, такие как улучшенная эффективность использования топлива и более низкие выбросы CO₂, такая работа усиливает образование оксидов азота (NO_X). Типично, производители использовали уловители обедненных NO_X, содержащие катализаторы для поглощения соединений NO_X, сопровождаемого восстановлением NO_X, когда двигатель эксплуатируется в условиях богатой смеси (т.е. при избытке топлива по отношению к воздуху/кислороду). В качестве альтернативы, восстановление NO_X достигается посредством впрыска восстановителя, такого как аммиак, в поток отработавших газов.

[0026] Мы определили, что работа в условиях бедной, а также богатой смеси вносит вклад в образование N₂O традиционными трехкомпонентными катализаторами, типично используемыми в системах выпуска отработавших газов транспортного средства. Соединения NO_X, которые перерабатываются, когда двигатель эксплуатируется в условиях бедной смеси, лишь частично восстанавливаются катализаторами, когда наступают условия богатой смеси или подается восстановитель. Так как условия в системе выпуска отработавших газов транспортного средства могут меняться, на ход восстановления NO_X влияют относительные количества и типы восстановителя (H₂ и CO), время пребывания в реакции (объемная скорость отработавших газов, определяемая как расход отработавших газов, деленный на объем катализатора) и температура отработавших газов. Когда транспортное средство прогрето не полностью, или когда транспортное средство разгоняется и объемная скорость отработавших газов возрастает, образуется N₂O, а не N₂, так как катализаторы имеют возможность лишь частично восстановить газы NO_X.

[0027] Когда транспортное средство разгоняется, условия в системе выпуска отработавших газов изменяются. Эти изменения включают в себя более высокий расход отработавших газов, более высокую массу NO и более высокие уровни CO. Во время таких трудных ситуаций используемые в настоящее время типичные составы трехкомпонентного катализатора (ТКК) «переполняются». Результат состоит в том, что ТКК способен всего лишь частично восстанавливать NO, вырабатывая больше N₂O вместо полного восстановления NO в N₂.

[0028] Повышенная объемная скорость отработавших газов во время разгонов транспортного средства также вносит вклад в проблему образования N₂O при понижении температуры катализатора до уровня ниже его оптимального активного состояния. Это происходит во время такого пониженного активного состояния трехкомпонентного катализатора, где вырабатывается большая часть N₂O. Современные составы ТКК главным образом содержат Pd. Однако, CO в потоке отработавших газов может отравлять Pd и приводить в результате к повышению температуры розжига катализатора (определяемой как температура, при которой катализатор нейтрализует по меньшей мере 50% выбросов несгоревших углеводородов). Это дополнительно продлевает то время, в течение которого ТКК находится в таком пониженном активном состоянии, и приводит к выработке N₂O в более широком диапазоне температур наряду со значительным накоплением N₂O в отработавших газах, покидающих систему.

[0029] Обращаясь вначале к фиг.1 и 2, там показана типичное строение двухбрикетного каталитического нейтрализатора уровня техники для системы 10 выпуска отработавших газов транспортного средства, расположенной ниже по потоку от двигателя (не показан). Под «брикетом» мы подразумеваем основу монолитного сотового носителя, которая была подвергнута нанесению катализатора поверх покрытия из пористого оксида на ее внутренние поверхности. Система 10 включает в себя корпус 12, который окружает и содержит в себе носители 14 и 16 катализатора. Система также включает в себя вход 18 для горячих отработавших газов, проступающих из двигателя, и выход 20, где выходят очищенные газы. Как лучше всего показано на фиг.2, трехкомпонентный катализатор 20 на первом носителе 14 предназначен для одновременного окисления CO и любых несгоревших углеводородов, а также для восстановления соединений NO_X. Типично, используются соединения металлов платиновой группы (МПГ), таких как платина, палладий и родий, нанесенные поверх покрытия из пористого оксида на внутренние поверхности сотовой конструкции носителя.

[0030] Первый носитель 14 типично имеет высокое удельное содержание благородного металла, такое как, например, 68 г/фут³ Pd и 2 г/фут³ Rh, при совокупном удельном содержании благородных металлов в 70 г/фут³. Как показано на фиг.2, типично, первый основной Pd-содержащий катализатор 20 нанесен поверх покрытия из пористого оксида на стенки носителя 14. Содержащий Rh катализатор 22 затем наносится на Pd-ое покрытие с образованием двухслойного покрытия на пористом оксиде. Считается, что Pd лучше для окисления CO и несгоревших углеводородов в потоке отработавших газов, тогда как Rh лучше для восстановления NO_X. Типично, монолитная подложка имеет от примерно 400 до примерно 1200, а предпочтительнее примерно 900, ячеек на квадратный дюйм для повышения геометрической площади поверхности покрытия из пористого оксида.

[0031] Второй носитель 16 расположен ниже по потоку от первого носителя 14 и присутствует для того, чтобы способствовать снижению токсичности выбросов во время ситуаций высокого массового потока, которые возникают во время разгона и вождения по скоростным автомагистралям. Второй носитель 24 предназначен для обеспечения дополнительной нейтрализации NO_X. Типично, удельные содержания благородных металлов у второго носителя, как правило, являются гораздо более низкими, например, 10 г/фут³ Pd и 2 г/фут³ Rh.

[0032] При таких типичных строении и составе носителей катализатора мы определили, что во время разгона транспортного средства катализатор на первом носителе вырабатывает N₂O вследствие неполного восстановления соединений NO_X трехкомпонентным катализатором и присутствия более высоких уровней монооксида углерода, которые подавляют активность трехкомпонентного катализатора. Катализатор на втором носителе не эффективен в отношении значительного снижения содержания N₂O отработавших газов.

[0033] Чтобы устранить недостатки современных каталитических систем выпуска отработавших газов, варианты осуществления настоящего изобретения используют зонированный каталитический нейтрализатор, который включает в себя первую зону, которая содержит родиевый или обогащенный родием катализатор, и расположенную ниже по потоку от первой зоны вторую зону, которая содержит палладиевый или обогащенный палладием катализатор. Зоны с катализаторами могут быть размещены на отдельных конструкциях носителя катализатора, расположенных последовательно. В качестве альтернативы, зоны с катализаторами могут быть расположены последовательно на едином носителе катализатора.

[0034] Носитель или носители катализатора предпочтительно расположены близко к газовыпускному коллектору двигателя для приема раскаленных отработавших газов из него. Эта конфигурация называется в данной области техники «близкорасположенным» (англ. “close-coupled”) катализатором и предназначена для обеспечения более быстрого розжига катализатора (например, катализатор быстрее прогревается и достигает своей температуры розжига) после холодного запуска двигателя. Необязательно, вторая каталитическая зона может включать никель-медный катализатор. В качестве альтернативы, никель-медный катализатор может быть расположен в третьей каталитической зоне, расположенной ниже по потоку от второй каталитической зоны.

[0035] Как показано на фиг.3 и 3A, в одном варианте осуществления каталитический нейтрализатор 50 включает в себя носитель 52 катализатора в корпусе 53. Носитель 52 проиллюстрирован в виде монолитной сотовой структуры с многочисленными проходами отработавших газов сквозь нее. Предпочтительно, носитель выполнен из оксида церия, оксида циркония, оксида алюминия и их смесей. Нейтрализатор включает в себя вход 54 отработавших газов и выход 56 отработавших газов. Носитель 52 включает в себя первую каталитическую зону 58 и вторую каталитическую зону 60, расположенную непосредственно ниже по потоку от первой зоны. Первая зона 58 имеет катализатор из металлов платиновой группы (МПГ), содержащий родиевый или обогащенный родием катализатор 62, нанесенный на стенки носителя 52, тогда как вторая зона 60 имеет МПГ-катализатор, содержащий палладиевый или обогащенный палладием катализатор 64, нанесенный на стенки носителя. Под «МПГ-катализатором» мы подразумеваем либо родий, либо платину, либо палладий.

[0036] Как правило, первая каталитическая зона составляет от примерно 5 до примерно 35% длины носителя. В предпочтительном варианте осуществления первая каталитическая зона составляет от примерно 8 до примерно 30% длины. Если две каталитических зоны расположены на отдельных носителях, их относительные длины будут в таком же соотношении. Катализатор в первой зоне содержит от примерно 50 до примерно 100 мас.% родия с остатком, содержащим палладий и/или платину в любом массовом соотношении. Таким образом, количество палладия в первой каталитической зоне может меняться от 0 до примерно 50 мас.%, и количество платины в первой каталитической зоне может меняться от 0 до примерно 50 мас.%. Удельное содержание катализатора для первой зоны находится между примерно 0,5 и примерно 300 грамм/фут³.

[0037] Катализатор во второй зоне содержит от примерно 50 до примерно 100 мас.% палладия с остатком, содержащим платину и/или родий в любом массовом соотношении. Таким образом, количество родия во второй каталитической зоне может меняться от 0 до примерно 50 мас.%, и количество платины во второй каталитической зоне может меняться от 0 до примерно 50 мас.%. Удельное содержание катализатора во второй зоне составляет от примерно 0,5 до примерно 300 грамм/фут³.

[0038] За счет расположения родиевого или обогащенного родием катализатора так, что отработавшие газы двигателя встречают его первым, нейтрализация NO_X усиливается, а образование N₂O минимизируется. Не желая ограничиваться какой бы то бы ни было конкретной теорией, события разгона транспортного средства характеризуются более высокими расходами отработавших газов, причем отработавшие газы содержат относительно большие количества NO_X и CO. В условиях более низкой температуры и богатой CO реакции, родий имеет более низкую температуру розжига, чем палладий, причем восстановление 50% NO_X происходит при примерно 300°C для родия против примерно 400°C для палладия.

[0039] Родий имеет дополнительное преимущество по той причине, что он является хорошим катализатором реакции конверсии водяного газа, превращая присутствующий в отработавших газах CO в CO₂ и H₂. CO не оказывает неблагоприятного влияния на каталитическую активность родия, нейтрализуется больше CO, и меньше CO присутствует в находящихся ниже по потоку отработавших газов, что исключает неблагоприятное влияние на каталитическую активность зоны с палладиевым катализатором. Кроме того, H₂, вырабатываемый в каталитической зоне с родием, используется находящимся ниже по потоку палладиевым или обогащенным палладием катализатором для усиления нейтрализации любого оставшегося N₂O в потоке отработавших газов.

[0040] В еще одном варианте осуществления вторая каталитическая зона 60 включает в себя усилитель с никель-медным катализатором, который усиливает превращение (нейтрализацию) несгоревших углеводородов, монооксида углерода, NO_Χ, N₂O и NH³. Удельное содержание катализатора у никель-медного катализатора составляет от примерно 0,5 до примерно 2000 грамм/фут³ никеля и меди в сумме. Массовое отношение никеля к меди может меняться в широких пределах от примерно 1:99 до примерно 99:1. Предпочтительно, массовое отношение никеля к меди (Ni/Cu) имеет значение >1.

[0041] В качестве альтернативы, никель-медный катализатор может быть расположен в третьей каталитической зоне ниже по потоку от второй зоны. В одном упрощенном трехзонном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4, носитель катализатора выполнен с возможностью создавать компоновку с обратным потоком (противотоком). Как показано, отработавшие газы (изображенные стрелками) из двигателя (не показан) поступают в носитель 52 через вход 54 газов и текут через проход 55 газов (газоход). Отработавшие газы в начале подвергаются воздействию первой каталитической зоны 58 с родиевым или обогащенным родием катализатором, показанной в виде покрытия из пористого оксида на стенках носителя 52. По мере того, как отработавшие газы продолжают движение вдоль прохода 55 газов, они затем подвергаются воздействию второй каталитической зоны 60 с палладиевым или обогащенным палладием катализатором, показанной в виде покрытия из пористого оксида на стенках носителя 52. По мере того, как отработавшие газы продолжают движение через проход 55, они затем подвергаются воздействию третьей каталитической зоны 68 с никель-медным катализатором перед выпусканием через выход 56. Специалисты в данной области техники, что посредством использования коллекторов может быть построен многопроходный сотовый носитель для этого варианта осуществления с обратным потоком. Например, посредством надлежащего использования коллекторов отработавшие газы могут направляться во внутреннюю сердцевину сотового носителя и течь через проходы во внутренней сердцевине. По выходу из носителя, коллекторы направляют поток отработавших газов в обратном направлении течения через промежуточную зону вокруг внутренней сердцевины. В заключение, по выходу из промежуточной зоны, коллекторы направляют отработавшие газы через зону, прилегающую к наружной поверхности каталитического носителя. Вариант осуществления, показанный на фиг.4, добивается идентичных предыдущим вариантам преимуществ, а именно того, что нейтрализация NO_X усиливается, а образование N₂O минимизируется.

[0042] Для того чтобы варианты осуществления изобретения могли быть лучше поняты, обратимся к следующим примерам, которые предназначены для иллюстрации различных вариантов осуществления изобретения, но не предназначены для ограничения его объема.

Пример

[0043] Лабораторные испытания проводили, чтобы смоделировать условия разгона транспортного средства для отработавших газов, имеющих богатые уровни CO, то есть уровни CO, большие, чем стехиометрические для реакции 2NO + CO → N₂ + CO₂. Сравнивали два разных катализатора. Первый катализатор содержал родий на уровне 26 г/фут³. Второй катализатор содержал Pd на уровне 26 г/фут³. В каждом случае катализаторы были нанесены поверх покрытия из пористого оксида на стенки сотового носителя из оксида церия/оксида циркония диаметром 1 дюйм и 0,5 дюйма в длину, имевшего 400 ячеек на квадратный дюйм и толщину стенки 0,004 дюйма. Параметры оценки моделировали отработавшие газы с объемной скоростью 60000/час и общем расходе через реактор 6,44 литров/минуту. Оба катализатора подвергались старению в течение 16 часов при 900°C в гидротермальных условиях.

[0044] Использовали три разных уровня CO: стехиометрический уровень CO (2000 млн^-1 как NO, так и CO), богатый уровень 1 CO (2000 млн^-1 NO и 3000 млн^-1 CO) и богатый уровень 2 CO (2000 млн^-1 NO и 5000 млн^-1 CO). В испытаниях сравнивали нейтрализацию NO_X, образование N₂O, нейтрализацию CO и образование NH₃ с использованием двух разных катализаторов при возрастающих температурах газа на входе. Как показано на фиг.5-8, для Pd-го катализатора, богатые уровни CO, которые типично присутствуют в работающем на бедных смесях двигателе, сдерживают нейтрализацию NO_X (фиг.5), вызывают образование N₂O в более широком диапазоне температур (фиг.6), сдерживают нейтрализацию CO (фиг.7) и приводят к выработке всего лишь низких уровней NH³ (фиг.8). Для сравнения, как показано на фиг.9-12, Rh-ый катализатор добивался практически 100% нейтрализации NO_Χ при 220°C для всех уровней CO (фиг.9), не образовал N₂O при температуре катализатора выше 350°C (фиг.10), давал в результате большую нейтрализацию CO при более низких температурах (фиг.11) и вырабатывал относительно большие количества NH³ (фиг.12).

[0045] Результаты испытания показывают, что Rh-ый катализатор преобразовывал 50% соединений NO_X при более низких температурах (220°C против 270°C для Pd) и не находился под влиянием богатых уровней CO, тогда как Pd-ый катализатор был подавлен на 130°C (сравните фиг.5 и 9). Кроме того, богатые CO условия приводили к образованию N₂O для Pd-го катализатора в широком диапазоне температур, тогда как Rh-ый катализатор не приводил к образованию N₂O выше 350°C (сравните фиг.6 и 10). Нейтрализация CO в богатых условиях сдвигалась на 330°C для Pd-го, но всего лишь на 15°C для Rh-го катализатора (сравните фиг.7 и 11). Богатые уровни CO не оказывали влияния на температуру розжига Rh-го катализатора, тогда как Pd-ый катализатор подавлялся на 130°C. Наконец, Rh-ый катализатор вырабатывал большие количества NH₃ за счет образования H₂ из реакции конверсии водяного газа (сравните фиг.8 и 12). Такие повышенные уровни NH₃ помогают находящемуся ниже по потоку палладиевому или обогащенному палладием катализатору усиливать нейтрализацию любой оставшейся N₂O в потоке отработавших газов.

[0046] Отметим, что термины, подобные «предпочтительно», «как правило» и «типично», не используются здесь для ограничения объема заявленного изобретения или в предположении, что некоторые признаки являются критическими, существенными или даже важными для конструкции или функционирования заявленного изобретения. Скорее, эти термины предназначены только для подчеркивания альтернативных или дополнительных признаков, которые могут быть или не быть использованы в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения.

[0047] Если только смысл не является явно противоположным, все приведенные здесь диапазоны считаются включающими все значения в пределах указанного диапазона, а также конечные точки.

[0048] В целях описания и характеристики настоящего изобретения заметим, что термин «практически» употребляется здесь для обозначения той присущей степени неопределенности, которая может быть приписана любому количественному сравнению, значению, измерению или другому представлению. Термин «практически» также употребляется здесь для обозначения той степени, с которой количественное представление может отклоняться от установленного опорного значения, не приводя к изменению основной функции рассматриваемого объекта изобретения.

[0049] Имея в наличии подробно описанное изобретение и при обращении к его частным вариантам осуществления, будет очевидно, что возможны модификации и варианты без отступления от объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Более точно, хотя некоторые аспекты настоящего изобретения идентифицированы здесь как предпочтительные или особенно выгодные, предполагается, что настоящее изобретение не обязательно ограничено этими предпочтительными аспектами изобретения.

[0050] Ниже приведена формула изобретения.

1. Каталитический нейтрализатор для снижения выбросов N₂O в системе выпуска отработавших газов транспортного средства, содержащий носитель, сообщающийся с потоком отработавших газов, причем упомянутый носитель включает в себя вход отработавших газов и выход отработавших газов и имеет по меньшей мере один проход отработавших газов сквозь него, упомянутый носитель содержит первую каталитическую зону и вторую каталитическую зону, расположенную ниже по потоку от упомянутой первой каталитической зоны, при этом упомянутая первая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от 50 до 100 мас.% родия, с остатком, содержащим палладий и/или платину в любом массовом соотношении, а упомянутая вторая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от 50 до 100 мас.% палладия, с остатком, содержащим родий и/или платину в любом массовом соотношении, при этом упомянутая вторая каталитическая зона включает в себя никель-медный катализатор.

2. Каталитический нейтрализатор по п.1, в котором упомянутый носитель содержит оксид церия, оксид циркония, оксид алюминия и их смеси.

3. Каталитический нейтрализатор по п.1, в котором упомянутый МПГ-катализатор в упомянутой первой каталитической зоне имеет удельное содержание катализатора от примерно 0,5 до примерно 300 г/фут³.

4. Каталитический нейтрализатор по п.1, в котором упомянутый МПГ-катализатор в упомянутой второй каталитической зоне имеет удельное содержание катализатора от примерно 0,5 до примерно 300 г/фут³.

5. Каталитический нейтрализатор по п.1, в котором упомянутый никель-медный катализатор имеет удельное содержание катализатора от примерно 0,5 до примерно 2000 г/фут³.

6. Каталитический нейтрализатор по п.1, в котором упомянутый никель-медный катализатор имеет отношение никеля к меди >1.

7. Каталитический нейтрализатор по п.1, дополнительно включающий в себя третью каталитическую зону ниже по потоку от упомянутой второй каталитической зоны, включающую в себя катализатор, содержащий никель и медь.

8. Каталитический нейтрализатор по п.7, в котором упомянутая первая каталитическая зона в упомянутом проходе отработавших газов содержит входной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого входного канала сообщается с упомянутым входом отработавших газов, упомянутая вторая каталитическая зона содержит выходной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый второй конец упомянутого выходного канала сообщается с упомянутым выходом отработавших газов, и упомянутая третья каталитическая зона содержит промежуточный канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым вторым концом упомянутого входного канала, а упомянутый второй конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым первым концом упомянутого выходного канала, при этом упомянутый промежуточный канал ориентирован так, чтобы течение отработавших газов через упомянутый по меньшей мере один проход отработавших газов был обратным относительно направления течения в упомянутых входном и выходном каналах.

9. Каталитический нейтрализатор для снижения выбросов N₂O в системе выпуска отработавших газов транспортного средства, содержащий:

носитель, сообщающийся с потоком отработавших газов, причем упомянутый носитель включает в себя вход отработавших газов и выход отработавших газов и имеет по меньшей мере один проход отработавших газов сквозь него, причем упомянутый носитель содержит:

первую каталитическую зону и вторую каталитическую зону, расположенную ниже по потоку от упомянутой первой каталитической зоны, при этом упомянутая первая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от примерно 50 до примерно 100 мас.% родия, с остатком, содержащим палладий и/или платину в любом массовом соотношении, а упомянутая вторая каталитическая зона включает в себя МПГ-катализатор, содержащий от примерно 50 до примерно 100 мас.% палладия, с остатком, содержащим родий и/или платину в любом массовом соотношении, и

дополнительно включает в себя третью каталитическую зону ниже по потоку от упомянутой второй каталитической зоны, включающую в себя катализатор, содержащий никель и медь,

при этом упомянутая первая каталитическая зона в упомянутом проходе отработавших газов содержит входной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого входного канала сообщается с упомянутым входом отработавших газов, упомянутая вторая каталитическая зона содержит выходной канал с первым и вторым концами, причем упомянутый второй конец упомянутого выходного канала сообщается с упомянутым выходом отработавших газов, и упомянутая третья каталитическая зона содержит промежуточный канал с первым и вторым концами, причем упомянутый первый конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым вторым концом упомянутого входного канала, а упомянутый второй конец упомянутого промежуточного канала сообщается с упомянутым первым концом упомянутого выходного канала, при этом упомянутый промежуточный канал ориентирован так, чтобы течение отработавших газов через упомянутый по меньшей мере один проход отработавших газов был обратным относительно направления течения в упомянутых входном и выходном каналах.