BR112019001886B1 - Sistema de tratamento de emissões - Google Patents

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Abstract

A presente invenção se refere aos filtros em partículas catalisados que compreendem o material catalítico de conversão de três vias (TWC), que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina, que permeia as paredes de um filtro em partículas. Tais filtros em partículas catalisados podem estar localizados a jusante de compósitos de conversão de três vias de acoplamento fechado (TWC) em um sistema de tratamento de emissões a jusante de um motor de injeção direta a gasolina para o tratamento de uma corrente de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção, em geral, se refere aos sistemas de tratamento de emissões que possuem os catalisadores utilizados para o tratamento de correntes de gases de motores a gasolina contendo os hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio em conjunto com as partículas. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um conversor de quatro vias (FWC), que compreende um catalisador de conversão de três vias (TWC) que é monometálico, que compreende apenas o ródio e um filtro em partículas.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] As emissões de partículas para os motores a gasolina estão sujeitas às regulamentações, incluindo os padrões Euro 6 (2014). Determinados motores de injeção direta a gasolina (GDI) foram desenvolvidos, cujos regimes operacionais resultam na formação de partículas finas. Os sistemas de pós- tratamento para os motores a gasolina precisam alcançar os padrões de material em partículas. Em contraste com as partículas geradas através dos motores a diesel de queima pobre, as partículas geradas através dos motores a gasolina, tais como os motores de GDI, tendem a ser mais finos e em quantidades inferiores. Isto é devido às diferentes condições de combustão de um motor a diesel, em comparação com um motor a gasolina. Por exemplo, os motores a gasolina funcionam a uma temperatura mais elevada que os motores a diesel. Além disso, os componentes de hidrocarbonetos são diferentes nas emissões de motores a gasolina em comparação com os motores a diesel.
[003] As emissões de hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono e contaminantes de óxido de nitrogênio continuam a ser regulados. Os conversores catalíticos que contêm um catalisador de conversão de três vias (TWC) consequentemente estão localizados na linha de gás de exaustão dos motores de combustão interna. Tais catalisadores promovem a oxidação através do oxigênio na corrente de gases de exaustão de hidrocarbonetos não queimados e monóxido de carbono, bem como a redução de óxidos de nitrogênio em nitrogênio.
[004] Uma armadilha de partícula catalisada que compreende um catalisador de TWC revestido ou dentro de uma armadilha de partículas é fornecida na patente US 8.173.087 (Wei). Um sistema de tratamento de emissões de motores a gasolina que possui os filtros em partículas também é fornecido na patente US 8.815.189 (Arnold).
[005]As tecnologias de emissão são limitadas através das restrições de contrapressão e volume dos sistemas de exaustão. Isto é, dentro de contrapressões e volumes definidos, quaisquer novas tecnologias devem apresentar impacto mínimo ou nenhum impacto sobre ambas.
[006] Existe uma necessidade contínua de fornecer um filtro catalisado que forneça o TWC suficiente e de baixo custo em conjunto com um filtro eficiente sem indevidamente aumentar a contrapressão, de maneira que as conversões de HC, NOx e CO reguladas possam ser alcançadas enquanto atendem às emissões de material em partículas.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO
[007] São fornecidos os sistemas de exaustão e componentes adequados para a utilização em conjunto com os motores a gasolina para a captura de partículas, além do tratamento de emissões gasosas, tais como os hidrocarbonetos, óxidos de nitrogênio e monóxidos de carbono. É de interesse fornecer um filtro em partículas para os motores a gasolina (GPFs ou PFGs) para a utilização a jusante de uma conversão tradicional de três vias (TWC), de maneira que a combinação forneça a funcionalidade completa de TWC.
[008] Em um primeiro aspecto, é fornecido um sistema de tratamento de emissões a jusante de um motor de injeção direta a gasolina para o tratamento de uma corrente de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas, o sistema de tratamento de emissões compreende: - um compósito de conversão de três vias de acoplamento fechado (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante; e - um filtro em partículas catalisado localizado a jusante do compósito de TWC de acoplamento fechado, o filtro em partículas catalisado que compreende um segundo material catalítico de TWC que permeia as paredes de um filtro em partículas; - em que o segundo material catalítico de TWC compreende o ródio como o único metal do grupo de platina.
[009] O filtro em partículas pode compreender um diâmetro médio dos poros no intervalo a partir de cerca de 13 a cerca de 25. O filtro em partículas pode compreender uma espessura de parede no intervalo a partir de cerca de 152 μm (6 mils) a cerca de 356 μm (14 mils) e uma porosidade não revestida no intervalo a partir de 55 a 70%. O filtro em partículas catalisado pode possuir uma porosidade revestida que é inferior a uma porosidade não revestida do filtro em partículas.
[010] Em uma realização detalhada, não existe nenhuma camada do material catalítico na superfície das paredes do filtro em partículas, opcionalmente exceto em áreas de revestimento de lavagem de sobreposição. Em outra realização detalhada, a porosidade revestida é linearmente proporcional a uma carga de revestimento de lavagem do material catalítico de TWC. A porosidade revestida pode estar entre 75 e 98% da porosidade não revestida. A porosidade revestida pode estar entre 80 e 95% da porosidade não revestida. A porosidade revestida pode estar entre 80 e inferior a 93% da porosidade não revestida. Uma contrapressão revestida do filtro em partículas catalisado, em geral, não prejudica o desempenho do motor.
[011] O segundo material catalítico de TWC pode compreender um diâmetro médio de partícula d90 no intervalo a partir de cerca de 2,5 a cerca de 8. O segundo material catalítico de TWC pode ser formado a partir de uma única composição de revestimento de lavagem que permeia um lado da entrada, um lado da saída ou ambos os lados do filtro em partículas.
[012] Uma primeira camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da entrada ao longo de até cerca de 0 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a montante e uma segunda camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da saída até cerca de 0 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a jusante, em que, pelo menos, uma das primeiras e únicas camadas de revestimento de lavagem está presente em uma quantidade superior a 0%.
[013] Uma primeira camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da entrada ao longo de até cerca de 50 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a montante e uma segunda camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da saída até cerca de 50 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a jusante. A primeira camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da entrada até cerca de 50 a 55% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a montante e a segunda camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da saída até cerca de 50 a 55% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a jusante.
[014] Uma única camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da entrada ao longo de até cerca de 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a montante e não existe uma camada de revestimento de lavagem no lado da saída.
[015] Uma única camada de revestimento de lavagem pode estar presente no lado da saída ao longo de até cerca de 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a jusante e não existe uma camada de revestimento de lavagem no lado da entrada.
[016] O segundo material catalítico de TWC pode estar presente em uma quantidade no intervalo a partir de cerca de 0,17 a cerca de 5 g/in3 (cerca de 10 a cerca de 300 g/L).
[017] O segundo material catalítico de TWC essencialmente pode consistir em ródio, céria ou um compósito de céria e alumina.
[018] Outro aspecto fornece um filtro em partículas catalisado localizado em um sistema de tratamento de emissões a jusante de um motor de injeção direta a gasolina para o tratamento de uma corrente de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas e a jusante de um compósito de conversão de três vias (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante, o filtro em partículas catalisado compreende: - um filtro em partículas que compreende uma espessura de parede no intervalo a partir de cerca de 152 μm (6 mils) até cerca de 356 μm (14 mils) e uma porosidade no intervalo a partir de 55 a 70%; e - um segundo material catalítico de conversão de três vias (TWC) em uma quantidade no intervalo a partir de cerca de 0,17 a cerca de 5 g/in3 (10 a 300 g/L); - o segundo material catalítico de TWC que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina; - em que o filtro em partículas catalisado possui uma porosidade revestida que é inferior a uma porosidade não revestida do filtro em partículas e uma contrapressão revestida que é substancialmente a mesma que uma contrapressão não revestida do filtro em partículas.
[019] A espessura da parede pode ser de cerca de 203 μm (8 mils); a quantidade do segundo material catalítico de conversão de três vias (TWC) pode estar no intervalo a partir de cerca de 0,17 a cerca de 1,5 g/in3 (10 a 90 g/L), o segundo material catalítico de TWC que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina; e o filtro em partículas pode compreender uma distribuição média de tamanho de poro no intervalo a partir de cerca de 13 a cerca de 25 μm.
[020] Outro aspecto é um método para o tratamento de um gás de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas, o método compreende: a obtenção de um filtro em partículas catalisado, de acordo com qualquer realização descrita no presente e a localização do filtro em partículas catalisado a jusante de um motor de injeção a gasolina e um compósito de conversão de três vias (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante; em que, após a operação do motor, o gás de exaustão do motor de injeção direta a gasolina entra em contato com o filtro em partículas catalisado.
[021] Um aspecto adicional é um método de fabricação de um sistema de tratamento de emissões para um motor de injeção direta a gasolina, o método compreende: o posicionamento de um compósito de conversão de três vias (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante a jusante do motor de injeção direta a gasolina; a obtenção de um filtro em partículas catalisado que compreende um segundo material catalítico de conversão de três vias (TWC) permeando as paredes de um filtro em partículas, o filtro em partículas que compreende uma espessura de parede no intervalo a partir de cerca de 152 μm (6 mils) até cerca de 356 μm (14 mils) e uma porosidade no intervalo a partir de 55 a 70% e o segundo material catalítico de TWC que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina; o posicionamento do filtro em partículas catalisado a jusante do compósito de TWC.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[022] A presente invenção pode ser mais completamente entendida considerando a seguinte Descrição Detalhada da Invenção de diversas realizações da presente invenção em conexão com as Figuras anexas, em que: A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra um sistema de tratamento de emissões do motor, de acordo com uma realização detalhada; A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um substrato de filtro de fluxo de parede; A Figura 3 é uma vista em corte de uma seção de um substrato de filtro de fluxo de parede; e As Figuras de 4 a 6 fornecem as vistas esquemáticas dos projetos de revestimento de FWC.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[023] São fornecidos os filtros para os motores de injeção direta a gasolina (GDI) que são projetados para alcançar a eficiência elevada de filtração de partículas e a conversão de emissões gasosas de baixo custo. Os sistemas de pós-tratamento catalítico de gasolina de última geração, em geral, incluem os dois catalisadores: um primeiro próximo ao motor (por exemplo, CC: posição de acoplamento fechado) e um segundo a jusante do primeiro ao longo do sistema de pós tratamento de exaustão (por exemplo, UF: posição subterrânea). Os catalisadores aplicados em tal configuração CC + UF possuem diferentes requisitos de estabilidade de temperatura e eficiência de conversão: o catalisador na posição CC, estando mais próximo do motor, requer uma resistência térmica superior ao catalisador colocado na posição UF. As formulações de catalisador para FWC são projetadas no presente para fornecer uma solução de baixo custo. É objeto da presente invenção, uma formulação FWC para a posição UF que apenas utiliza um metal monometálico do grupo de platina, ródio (Rh), como o metal precioso ativo, completamente evitando a utilização de paládio (Pd), por conseguinte, fornecendo a oportunidade de significativamente reduzir os custos.
[024] Historicamente, as formulações de TWC utilizadas na posição de UF compreendem, como metal precioso ativo, o Pd e Rh. O Pd, normalmente, é utilizado em conjunto com os componentes de armazenamento de alumina e oxigênio para catalisar a oxidação de hidrocarbonetos (HC) e para ativar a reação de redox Ce3+/Ce4+, respectivamente. Foi descoberto que a quantidade de Pd utilizada no catalisador de TWC na posição UF não é suficiente para significativamente reduzir as emissões de HC e que a reação de redox Ce3+/Ce4+ pode ser efetivamente ativada também através da utilização oportuna de apenas o Rh.
[025] As seguintes definições são utilizadas no presente.
[026] Conforme utilizado no presente, o termo "permeado" quando utilizado para descrever a dispersão do catalisador de TWC em paredes porosas de um filtro em partículas significa que a composição especial permeia, pelo menos, a maioria das regiões ocas dentro da espessura da parede, e é depositada nas superfícies internas ao longo da espessura das paredes. Desta maneira, o material se dispersa pela parede do filtro.
[027] A porosidade dos filtros em partículas é uma porcentagem do volume de poros do filtro em relação ao volume do filtro. Uma maneira de medir a porosidade é através da porosimetria de mercúrio. Um filtro pode ser seccionado e a porosidade de cada seção é medida, e os resultados são calculados. Por exemplo, um filtro pode ser seccionado em uma peça dianteira / de entrada, uma peça intermediária e uma peça traseira / saída, a porosidade de cada peça pode ser tomada e os resultados podem ser calculados. Uma porosidade não revestida é a porosidade do filtro, que não possui nenhum material catalítico aplicado a ela. Uma porosidade revestida é a porosidade de um filtro catalisado, que é a combinação de material catalítico e um filtro. Os filtros em partículas catalisados podem possuir uma porosidade revestida que é menor do que uma porosidade não revestida do filtro em partículas, o que indica que o revestimento de lavagem reside nos poros do filtro e não na superfície das paredes. Alguns métodos utilizados no presente resultam em uma porosidade revestida que é linearmente proporcional a uma carga de revestimento de lavagem do material catalítico de TWC uma vez que o material reside nos poros e não nas paredes do filtro. A porosidade revestida pode estar entre 75 e 98%, ou 80 e 95%, ou até mesmo 80 e 93% da porosidade não revestida.
[028] A contrapressão dos filtros é uma medida da resistência do fluxo através do filtro, por exemplo, expressa em unidades de mbar. Uma contrapressão não revestida é a contrapressão do filtro, que não possui nenhum material catalítico aplicado a ele. Uma contrapressão revestida é a contrapressão de um filtro catalisado, que é a combinação de material catalítico e um filtro. Os filtros em partículas catalisados podem possuir uma contrapressão revestida que não prejudica o desempenho do motor. Uma queda de pressão que não prejudica significa que o motor, em geral, irá desempenhar o mesmo (por exemplo, consumo de combustível) em um amplo intervalo de modos operacionais do motor na presença de um substrato de filtro que esteja em um estado revestido ou não revestido.
[029] O termo "FWC" se refere à conversão de quatro vias em que, além da funcionalidade de conversão de três vias (TWC), que é definida a seguir, existe uma função de filtragem.
[030] O termo "TWC" se refere à função de conversão de três vias em que os hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio são substancialmente convertidos de maneira simultânea. Um motor a gasolina normalmente opera sob condições de reação quase estequiométricas que oscilam ou são levemente perturbadas entre as proporções de combustível e ar pobre para o combustível (proporção A/ F) (À = 1 ± 0,01), em frequências de perturbação de 0,5 a 2 Hz. A utilização de "estequiométrico" se refere no presente às condições de um motor a gasolina, representando as oscilações ou perturbações das proporções A/F próximas da estequiometria. Os catalisadores TWC incluem os componentes de armazenamento de oxigênio (OSCs), tal como a céria, que possui estados multivolúveis que possibilitam que o oxigênio seja mantido e liberado sob diferentes proporções de ar para o combustível. Em condições ricas quando o NOx está sendo reduzido, o OSC fornece uma pequena quantidade de oxigênio para consumir o CO e HC não reagidos. Da mesma maneira, sob condições de intensidade baixa, quando o CO e HC estão sendo oxidados, o OSC reage com o excesso de oxigênio e/ou NOx. Como resultado, até mesmo na presença de uma atmosfera que oscila entre as proporções de combustível rico em combustível e de ar pobre em combustível, existe a conversão de HC, CO e NOx todos ao mesmo tempo (ou essencialmente ao mesmo tempo). Normalmente, um catalisador de TWC compreende um ou mais metais do grupo da platina, tais como o paládio e/ou ródio e opcionalmente a platina; um componente de armazenamento de oxigênio; e opcionalmente os promotores e/ou estabilizadores. Sob condições ricas, os catalisadores TWC podem gerar a amônia.
[031] A referência à “funcionalidade TWC completa” significa que a oxidação de HC e CO e a redução de NOx podem ser alcançadas de acordo com os requisitos das agências reguladoras e/ou fabricantes de automóveis. Desta maneira, os componentes de metal do grupo da platina, tais como a platina, paládio e ródio, são fornecidos para obter as conversões de HC, CO e NOx e componentes de armazenamento de oxigênio suficientes (OSC) são fornecidos para alcançar capacidade suficiente de armazenamento de oxigênio para assegurar a conversão adequada de HC, NOx e CO em um ambiente de proporções variáveis de A/F (ar para combustível). A capacidade suficiente de armazenamento de oxigênio, em geral, significa que, após um envelhecimento de vida útil completo, conforme definido por um fabricante de automóveis, o catalisador pode armazenar e liberar uma quantidade mínima de oxigênio. Em um exemplo, uma capacidade útil de armazenamento de oxigênio pode ser de 100 mg por litro de oxigênio. Por outro exemplo, uma capacidade suficiente de armazenamento de oxigênio pode ser de 200 mg por litro de oxigênio após 80 horas de envelhecimento exotérmico a 1.050° C. A capacidade suficiente de armazenamento de oxigênio é necessária para garantir que os sistemas de diagnóstico on-board (OBD) detecte um catalisador funcional. Na ausência de capacidade suficiente de armazenamento de oxigênio, o OBD irá acionar um alarme de um catalisador que não funciona. A capacidade elevada de armazenamento de oxigênio é superior à quantidade suficiente, o que amplia a janela de operação do catalisador e possibilita mais flexibilidade no gerenciamento do motor para um fabricante de automóveis.
[032] A referência ao componente de armazenamento de oxigênio (OSC) se refere a uma entidade que possui estado de multivalência e pode reagir ativamente com os oxidantes tal como o oxigênio ou óxidos de nitrogênio sob condições oxidativas, ou reage com os redutores tal como o monóxido de carbono (CO) ou hidrogênio sob condições de redução. Os exemplos de componentes de armazenamento de oxigênio adequados incluem céria. A praseodímia também pode ser incluída como um OSC. A entrega de um OSC à camada de revestimento de lavagem pode ser alcançada através da utilização, por exemplo, de óxidos mistos. Por exemplo, a céria pode ser administrada por um óxido misto de cério e zircônio e/ou um óxido misto de cério, zircônio e neodímio. Por exemplo, a praseodímia pode ser administrada por um óxido misto de praseodímio e zircônio e/ou um óxido misto de praseodímio, cério, lantânio, ítrio, zircônio e neodímio.
[033] Os catalisadores de TWC que exibem boa atividade e longa vida compreendem um ou mais metais do grupo da platina (por exemplo, a platina, paládio, ródio, rénio e irídio) dispostos em uma área de superfície elevada, suporte de óxido de metal refratário, por exemplo, um revestimento de alumina de área de superfície elevada. O suporte é transportado em um veículo ou substrato adequado, tal como um veículo monolítico que compreende uma estrutura refratária de cerâmica ou de metal em favo de mel, ou partículas refratárias, tais como as esferas ou segmentos curtos, extrudidos, de um material refratário adequado. Os suportes de óxido de metal refratário podem ser estabilizados contra a degradação térmica por materiais tais como a zircônia, titânia, óxidos de metais alcalino terrosos tais como a bária, cálcia ou estrôncia ou, mais comumente, os óxidos de metal de terras raras, por exemplo, céria, lantânia e misturas de dois ou óxidos de metais mais raros. Por exemplo, vide a Patente 4.171.288 (Keith). Os catalisadores TWC também podem ser formulados para incluir um componente de armazenamento de oxigênio.
[034] A referência a um "suporte" em uma camada de revestimento de lavagem de catalisador se refere a um material que recebe os metais preciosos, estabilizadores, promotores, aglutinantes e similares por meio de associação, dispersão, impregnação ou outros métodos adequados. Os exemplos de suportes incluem, mas não estão limitados aos óxidos de metal refratários de área de superfície elevada e compósitos contendo os componentes de armazenamento de oxigênio. Os suportes de óxido de metal refratário de superfície elevada se referem às partículas de suporte que possuem poros maiores que 20 A e uma ampla distribuição de poros. Os suportes de óxido de metal refratário de área de superfície elevada, por exemplo, os materiais de suporte de alumina, também denominados de “gama alumina” ou “alumina ativada”, normalmente exibem uma área de superfície BET superior a 60 metros quadrados por grama (“m2/g”), muitas vezes até cerca de 200 m2/g ou superior. Tal alumina ativada normalmente é uma mistura das fases gama e delta da alumina, mas também pode conter quantidades substanciais das fases eta, kapa e teta da alumina. Os óxidos de metal refratários diferentes da alumina ativada podem ser utilizados como suporte para, pelo menos, alguns dos componentes catalíticos em um determinado catalisador. Por exemplo, céria a granel, zircônia, alfa-alumina e outros materiais são conhecidos para tal utilização. Embora muitos destes materiais sofram da desvantagem de possuírem uma área de superfície BET consideravelmente mais baixa do que a alumina ativada, essa desvantagem tende a ser compensada por uma maior durabilidade do catalisador resultante. O termo “área de superfície BET” possui seu significado usual de referência ao método de Brunauer, Emmett, Teller para determinar a área de superfície por adsorção de N2.
[035] Uma ou mais realizações incluem um suporte de óxido de metal refratário de área de superfície elevada que compreende um composto ativado selecionado a partir do grupo que consiste em alumina, alumina-zircônia, alumina-céria-zircônia, lantânia-alumina, lantânia-zircônia-alumina, bária- alumina, bária lantânia-alumina, bária lantânia-neodímia alumina e alumina- céria. Os exemplos de compósitos contendo os componentes de armazenamento de oxigênio incluem, mas não estão limitados ao céria-zircônia e céria-zircônia-lantânia. A referência a um “compósito de céria-zircônia” significa um compósito que compreende céria e a zircônia, sem especificar a quantidade de qualquer um dos componentes. Os compósitos adequados de céria-zircônia incluem, mas não se limitam aos compósitos com, por exemplo, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% ou até mesmo 95% de teor de céria. Determinadas realizações fornecem que o suporte compreende céria a granel que possui um teor de céria nominal de 100% (isto é, > 99% de pureza).
[036] Antes de descrever diversas realizações exemplares da presente invenção, deve ser entendido que a presente invenção não está limitada aos detalhes da construção ou etapas do processo estabelecidas na seguinte descrição. A presente invenção é capaz de outras realizações e de ser praticada ou realizada de diversas maneiras.
[037] Voltando para a Figura 1, um sistema de tratamento de emissões (3) compreende um motor a gasolina (5) que transporta a exaustão através da linha (7) para um primeiro catalisador de TWC (9), que está em uma posição de acoplamento fechado (CC). Um filtro em partículas revestido de TWC a jusante (FWC) (13), que recebe a corrente de exaustão através da linha (11), está em uma posição de base (UF). A linha (15) pode conduzir a outros componentes de tratamento e/ou ao tubo de escape e fora do sistema. O filtro em partículas revestido de TWC (13) contém uma carga catalítica TWC projetada para funcionar em conjunto com o catalisador CC TWC, a fim de fornecer coletivamente a funcionalidade TWC completa, por conseguinte, atendendo aos requisitos de emissão.
FILTRO EM PARTÍCULAS
[038] Referência ao filtro em partículas significa um substrato dimensionado e configurado dessa maneira para aprisionar as partículas geradas pelas reações de combustão no motor de injeção direta a gasolina. O aprisionamento de partículas pode ocorrer, por exemplo, através da utilização de um filtro em partículas (ou fuligem), através da utilização de um substrato de fluxo que possui um caminho tortuoso interno, de tal maneira que uma mudança na direção do fluxo das partículas faz com que elas caiam fora da corrente de exaustão, através da utilização de um substrato de metal, tal como um veículo de metal corrugado, ou através de outros métodos conhecidos dos técnicos no assunto. Outros dispositivos de filtragem podem ser adequados, tal como um tubo com uma superfície rugosa que pode derrubar partículas da corrente de exaustão. Um tubo com uma curvatura também pode ser adequado.
[039] Com referência aos filtros, a Figura 2 representa uma vista em perspectiva de um substrato de filtro de fluxo de parede exemplificativo adequado para um filtro em partículas. Os substratos de fluxo de parede úteis para suportar as composições de catalisador de TWC ou de oxidação possuem uma pluralidade de passagens de fluxo de gás finas e substancialmente paralelas que se estendem ao longo do eixo longitudinal (ou comprimento axial) do substrato. Normalmente, cada passagem é bloqueada em uma extremidade do corpo do substrato, com passagens alternadas bloqueadas nas faces terminais opostas. Tais veículos monolíticos podem conter até cerca de 300 passagens de fluxo (ou “células”) por polegada quadrada de seção transversal, embora muito menos possa ser utilizado. Por exemplo, o veículo pode possuir de cerca de 7 a 300, mais usualmente de cerca de 200 a 300 células por polegada quadrada (“cpsi”). As células podem possuir seções transversais retangulares, quadradas, circulares, ovais, triangulares, hexagonais ou de outros formatos poligonais. Os substratos de fluxo de parede para o FWC normalmente possuem uma espessura de parede entre 6 a 14 mils ou 152 a 356 μm. O zoneamento axial pode ser desejado de tal maneira que um revestimento é fornecido ao longo de um comprimento axial do filtro. No lado da entrada, conforme medido a partir da extremidade a montante (54), um revestimento pode se estender até 50% do comprimento axial (por exemplo, de 1 a 49,9%, ou 10 a 45%), 50 a 75% do comprimento axial, ou até 100% do comprimento axial. No lado da saída, medido a partir da extremidade a jusante (56), um revestimento pode se estender até 50% do comprimento axial (por exemplo, de 1 a 49,9% ou 10 a 45%), 50 a 75% do comprimento axial, ou até 100% do comprimento axial.
[040] As Figuras de 2 e 3 ilustram um substrato de filtro de fluxo de parede (50) que possui uma pluralidade de passagens (52). As passagens são tubularmente fechadas pelas paredes internas (53) do substrato de filtro. O substrato possui uma extremidade de entrada ou a montante (54) e uma saída ou extremidade a jusante (56). As passagens alternativas estão ligadas na extremidade de entrada com tomadas de entrada (58) e na extremidade de saída com tomadas de saída (60) para formar os padrões de tabuleiro de damas opostos na entrada (54) e saída (56). Uma corrente de gás (62) entra na extremidade a montante (54) através da entrada de canal desconectada (64), é parada pela tomada de saída (60) e difunde através das paredes de canal (53) (que são porosas) para o lado da saída (66). Um revestimento no lado da entrada do filtro significa que o revestimento reside sobre ou dentro das paredes (53), de tal maneira que a corrente de gás (62) entra em contato com o revestimento de saída após o revestimento de entrada. Um revestimento no lado da saída do filtro significa que o revestimento reside sobre ou dentro das paredes (53) de tal maneira que a corrente de gás (62) entra em contato com o revestimento de saída após o revestimento de entrada. O gás não pode passar de volta para o lado da entrada das paredes devido às tomadas de entrada (58).
[041] Na Figura 4, é fornecido um primeiro revestimento de lavagem (102) com 50 a 55% do comprimento do lado da entrada e é fornecido um segundo revestimento de lavagem (104) com 50 a 55% do comprimento do lado da saída. A realização da Figura 4 pode ser adequado para cargas elevadas de revestimento de lavagem, em que a carga total do revestimento de lavagem é > 1,5 g/in3 (91,5 g/L), por exemplo: de 1,5 a 3 g/in3 (91,5 a 183 g/L), ou até mesmo 2,5 g/in3 (152,6 g/L). Na Figura 5, um único revestimento de lavagem (102) é fornecido até 100% do comprimento do lado da entrada, que inclui > 0% a 100% e todos os valores intermediários, e não existe um revestimento de lavagem fornecido no lado da saída. A realização da Figura 5 pode ser adequada para as cargas baixas de revestimento de lavagem, em que a carga geral do revestimento de lavagem é < 1,5 g/in3 (91,5 g/L), por exemplo: - de 0,25 a <1,5 g/in3 (15,3 a < 91,5 g/L), ou até mesmo de 0,5 a 1,0 g/in3 (30,5 a 61 g/L). Na Figura 6, um único revestimento de lavagem (104) é fornecido até 100% do comprimento do lado da saída, o qual inclui > 0% a 100% e todos os valores intermediários, e não existe um revestimento de lavagem fornecido no lado da entrada. A realização da Figura 6 também pode ser adequado para cargas baixas de revestimento de lavagem, em que a carga total do revestimento de lavagem é < 1,5 g/in3 (91,5 g/L), por exemplo: de 0,25 a <1,5 g/in3 (15,3 a < 91,5 g/L), ou até mesmo de 0,5 a 1,0 g/in3 (30,5 a 61 g/L). Nas Figuras de 4 a 6, os revestimentos de lavagem podem estar localizados e/ou permear as paredes. Em uma realização de preferência, o revestimento de lavagem permeia as paredes e não está localizado nas paredes.
[042] Os substratos do filtro de fluxo de parede podem ser compostos por materiais similares à cerâmica, tai como a cordierita, alumina, carboneto de silicone, titanato de alumínio, mulita ou metal refratário. Os substratos de fluxo de parede também podem ser formados por materiais compósitos de fibra cerâmica. Os substratos de fluxo de parede específicos são formados a partir de cordierita, carboneto de silicone e titanato de alumínio. Tais materiais são capazes de resistir ao ambiente, especialmente em temperaturas elevadas, encontradas no tratamento das correntes de exaustão.
[043] Os substratos de fluxo de parede para a utilização no sistema da presente invenção podem incluir os favos de mel de paredes porosas finas (monólitos) através dos quais a corrente de fluido passa sem provocar um aumento muito grande na contrapressão ou pressão através do artigo. Os substratos de fluxo de parede cerâmicos utilizados no sistema podem ser formados por um material que possui uma porosidade (também referida como porosidade não revestida) de, pelo menos, 40% (por exemplo, de 40 a 70% ou até mesmo de 55 a 70%). Os substratos de fluxo de parede úteis podem possuir um tamanho de poro médio de 10 ou mais micros, de preferência, de 13 a 25 micros. Quando os substratos com estas porosidades e estes tamanhos médios de poro são revestidos com as técnicas descritas abaixo, níveis adequados de composições de TWC podem ser carregados nos substratos para alcançar uma excelente eficiência de conversão de hidrocarbonetos, CO e/ou NOx. Estes substratos ainda são capazes de reter as características de fluxo de exaustão adequadas, isto é, as contrapressões aceitáveis, apesar da carga do catalisador.
[044] O filtro de fluxo de parede porosa utilizado na presente invenção é catalisado pelo fato de que a parede do elemento possui ou contém um ou mais materiais catalíticos. Os materiais catalíticos podem estar presentes no lado da entrada da parede do elemento isoladamente, do lado da saída isoladamente, ambos os lados de entrada e saída, ou a própria parede pode consistir em todo ou em parte, do material catalítico. A presente invenção inclui a utilização de um ou mais revestimentos de lavagem de material catalítico e combinações de um ou mais revestimentos de lavagem de material catalítico nas paredes de entrada e/ou saída do elemento.
[045] Com referência a um substrato de metal, um substrato útil pode ser composto por um ou mais metais ou ligas de metal. Os veículos de metal podem ser utilizados em diversos formatos, tais como a folha ondulada ou forma monolítica. Os suportes de metal específicos incluem os metais resistentes ao calor e as ligas de metal, tais como o titânio e o aço inoxidável, bem como outras ligas nas quais o ferro é um componente substancial ou principal. Tais ligas podem conter um ou mais de níquel, cromo e/ou alumínio, e a quantidade total destes metais, de maneira vantajosa, pode compreender pelo menos, 15% em peso da liga, por exemplo, de 10 a 25% em peso de cromo, de 3 a 8% em peso de alumínio e até 20% em peso de níquel. As ligas também podem conter quantidades pequenas ou vestigiais de um ou mais outros metais tais como o manganês, cobre, vanádio, titânio e similares. A superfície dos veículos de metal pode ser oxidada a temperaturas elevadas, por exemplo, 1.000 °C e superiores, para aprimorar a resistência à corrosão das ligas formando uma camada de óxido nas superfícies dos veículos. Tal oxidação induzida por temperatura elevada pode aumentar a aderência de um material catalítico ao veículo.
FILTROS DE FLUXO DE PAREDE DE REVESTIMENTO
[046] Para revestir os filtros de fluxo de parede com o TWC ou composição de catalisador de oxidação utilizando uma técnica tradicional, uma mistura de ingredientes é preparada utilizando os sais de metal, que normalmente são uma mistura de sais orgânicos e inorgânicos, para formar uma suspensão de catalisador. Tais suspensões normalmente podem possuir uma viscosidade dinâmica de 14 a 400 mPa.s a 20 °C ou mais com um teor de sólidos no intervalo de 25% a 0% de sólidos. Os substratos são imersos verticalmente em uma porção da suspensão de catalisador, de tal maneira que a parte superior do substrato está localizada imediatamente acima da superfície da suspensão. Desta maneira, a suspensão entra em contato com a face de entrada de cada parede de favo de mel, mas é impedida de entrar em contato com a face de saída de cada parede. A amostra é deixada na suspensão durante cerca de 30 a 60 segundos. O filtro é removido da suspensão, e o excesso de suspensão é removido do filtro de fluxo da parede em primeiro lugar, permitindo que ele drene dos canais, em seguida, soprando com ar comprimido (contra a direção da penetração da suspensão). Utilizando esta técnica tradicional, a suspensão de catalisador permeia as paredes do filtro, mas os poros não são ocluídos na medida em que a contrapressão indevida se acumule no filtro acabado. Utilizando esta técnica tradicional, se espera que a porosidade revestida do filtro seja substancialmente a mesma que a sua porosidade não revestida. Os filtros revestidos são secados normalmente a cerca de 100 °C e calcinados a uma temperatura mais elevada (por exemplo, de 300 a 450 °C e até 590 °C). Após a calcinação, a carga do catalisador pode ser determinada através do cálculo dos pesos revestidos e não revestidos do filtro. Conforme será evidente para os técnicos no assunto, a carga do catalisador pode ser modificada alterando o teor de sólidos da suspensão de revestimento. De maneira alternativa, imersões repetidas do filtro na suspensão de revestimento podem ser conduzidas, seguido pela remoção do excesso de suspensão, conforme descrito acima.
[047] Para revestir os filtros de fluxo de parede com o TWC ou composição de catalisador de oxidação utilizando uma técnica aprimorada, uma mistura de ingredientes é preparada utilizando os sais de metal inorgânicos apenas para formar uma suspensão de catalisador que possua uma viscosidade baixa em relação à técnica tradicional. Essas suspensões normalmente podem possuir uma viscosidade dinâmica no intervalo de cerca de 5 a inferior a 40 mPa^s a 20 °C, ou de cerca de 5 a inferior a 30 mPa^s, com um teor de sólidos no intervalo de 25% a 0%. A viscosidade da suspensão é muito mais baixa que a técnica tradicional em, pelo menos, 50% ou superior, tal como de 75 a 90%. O número de etapas de processamento é reduzido em comparação com a técnica tradicional. Os substratos são imersos verticalmente em uma porção da suspensão de catalisador para o comprimento do substrato igual ao comprimento alvo do revestimento a ser aplicado. Desta maneira, a suspensão entra em contato com a face de entrada de cada parede de favo de mel e penetra completamente na parede durante o período de imersão. A amostra é deixada na suspensão durante cerca de 1 a 6 segundos. O filtro é removido da suspensão, e o excesso de suspensão é removido do filtro de fluxo da parede em primeiro lugar, permitindo que ele drene dos canais, em seguida, soprando com ar comprimido (contra a direção da penetração da suspensão). Utilizando esta técnica aprimorada, a suspensão de catalisador permeia as paredes do filtro, mas os poros não são ocluídos na medida em que a contrapressão indevida se acumule no filtro acabado. Utilizando esta técnica aprimorada, a porosidade revestida do filtro é inferior à sua porosidade não revestida, na medida em que o revestimento de lavagem principalmente e completamente reside nos poros do filtro e não na superfície das paredes. Além disso, em relação à técnica tradicional, a homogeneidade aprimorada da distribuição da suspensão ao longo do comprimento revestido é alcançada devido à penetração mais eficiente da suspensão de viscosidade baixa nas paredes. Finalmente, ao utilizar tal técnica e como resultado da penetração da suspensão aprimorada na parede e homogeneidade, é alcançado um menor aumento da contrapressão em relação ao filtro acabado em relação à técnica tradicional descrita acima. Os filtros revestidos são secados normalmente a cerca de 100 °C e calcinados a uma temperatura mais elevada (por exemplo, de 300 a 450 °C e até 590 °C). Após a calcinação, a carga do catalisador pode ser determinada através do cálculo dos pesos revestidos e não revestidos do filtro. Conforme será evidente para os técnicos no assunto, a carga do catalisador pode ser modificada alterando o teor de sólidos da suspensão de revestimento. De maneira alternativa, imersões repetidas do filtro na suspensão de revestimento podem ser conduzidas, seguidas pela remoção do excesso de suspensão, conforme descrito acima.
PREPARAÇÃO DE REVESTIMENTOS DE LAVAGEM DE COMPÓSITOS CATALÍTICOS
[048] Os compósitos catalíticos podem ser formados em uma única camada ou em múltiplas camadas. Em alguns casos, pode ser adequado preparar uma suspensão de material catalítico e utilizar esta suspensão para formar múltiplas camadas no veículo. Os compósitos facilmente podem preparados através de processos bem conhecidos no estado da técnica anterior. Um processo representativo é apresentado abaixo. Conforme utilizado no presente, o termo "revestimento de lavagem" possui o seu significado usual no estado da técnica de um revestimento fino, aderente de um catalisador ou outro material aplicado a um material veículo de substrato, tal como um membro de veículo do tipo favo de mel, que é suficientemente poroso para possibilitar a fluxo contínuo até através da corrente de gás a ser tratada. Uma "camada de revestimento de lavagem", por conseguinte, é definida como um revestimento que compreende as partículas de suporte. Uma “camada de revestimento de lavagem catalisado” é um revestimento que compreende as partículas de suporte impregnadas com os componentes catalíticos.
[049] O compósito catalisador facilmente pode ser preparado em camadas em um veículo. Para uma primeira camada de um revestimento de lavagem específico, as partículas finamente divididas de um óxido de metal refratário de área de superfície elevada, tal como a gama alumina, são suspensas em um veículo adequado, por exemplo, a água. Para incorporar os componentes tais como os metais preciosos (por exemplo, o paládio, ródio, platina e/ou suas combinações), estabilizadores e/ou promotores, tais componentes podem ser incorporados na suspensão como uma mistura de compostos ou complexos hidrossolúveis ou dispersáveis. Normalmente, quando o paládio é desejado, o componente de paládio é utilizado na forma de um composto ou complexo para alcançara dispersão do componente no suporte de óxido de metal refratário, por exemplo, a alumina ativada. O termo "componente de paládio" significa qualquer composto, complexo ou similar que, após a calcinação ou sua utilização, se decompõe ou se converte de outra maneira a uma forma cataliticamente ativa, usualmente o metal ou o óxido de metal. Podem ser utilizados os compostos hidrossolúveis ou compostos ou complexos dispersíveis em água do componente de metal, desde que o meio líquido utilizado para impregnar ou depositar o componente de metal nas partículas de suporte de óxido de metal refratário não reaja negativamente com o metal ou o seu composto ou o seu complexo ou outros componentes que podem estar presentes na composição de catalisador e é capaz de ser removido do componente de metal através da volatilização ou de composição após o aquecimento e/ou aplicação de vácuo. Em alguns casos, a conclusão da remoção do líquido pode não ocorrer até que o catalisador seja colocado em utilização e submetido às temperaturas elevadas encontradas durante a operação. Em geral, tanto do ponto de vista econômico quanto ambiental, são utilizadas as soluções aquosas de compostos solúveis ou complexos de metais preciosos. Por exemplo, os compostos adequados são o nitrato de paládio ou nitrato de ródio.
[050] Um método adequado de preparação de qualquer camada do compósito de catalisador em camadas da presente invenção é preparar uma mistura de uma solução de um composto de metal precioso desejado (por exemplo, o composto de paládio) e, pelo menos, um suporte, tal como uma área de superfície altamente dividida, o suporte de óxido de metal refratário, por exemplo, a gama alumina, que é suficientemente seca para absorver substancialmente toda a solução para formar um sólido úmido que posteriormente é combinado com a água para formar uma suspensão revestível. Em uma ou mais realizações, a suspensão é ácida, por exemplo, possui um pH de cerca de 2 a inferior a cerca de 7, ou de preferência, no intervalo a partir de 3 a 5. O pH da suspensão pode ser diminuído pela adição de uma quantidade adequada de um ácido inorgânico ou orgânico à suspensão. As combinações de ambos podem ser utilizadas quando a compatibilidade de ácidos e materiais brutos é considerada. Os ácidos inorgânicos incluem, mas não estão limitados ao ácido nítrico. Os ácidos orgânicos incluem, mas não se limitam ao ácido acético, propiônico, oxálico, malônico, succínico, glutâmico, adípico, maleico, fumárico, ftálico, tartárico, cítrico e similares. Em seguida, caso desejado, os compostos hidrossolúveis ou dispersáveis em água de componentes de armazenamento de oxigênio, por exemplo, o compósito de cério-zircônio, um estabilizador, por exemplo, o acetato de bário e um promotor, por exemplo, o nitrato de lantânio, podem ser adicionados à suspensão.
[051] Em uma realização, a suspensão, em seguida, é fragmentada para resultar substancialmente em todos os sólidos que possuem tamanhos de partícula inferiores a cerca de 30 mícron, isto é, entre cerca de 0,1 a 15 mícron, em um diâmetro médio. Um exemplo de diâmetro médio de partícula d90 está no intervalo a partir de cerca de 2,5 a cerca de 8 μm. A fragmentação pode ser realizada em um moinho de esferas, moinho circular ou outro equipamento similar, e o teor de sólidos da suspensão, por exemplo, pode ser de cerca de 20 a 60% em peso, mais especialmente de cerca de 30 a 40% em peso.
[052] As camadas adicionais, isto é, a segunda e terceira camadas podem ser preparadas e depositadas na primeira camada da mesma maneira conforme descrito acima para a deposição da primeira camada sobre o veículo.
REALIZAÇÕES
[053] Diversas realizações estão listadas abaixo. Será entendido que as realizações listadas abaixo podem ser combinadas com todos os aspectos e outras realizações, de acordo com o âmbito da presente invenção.
[054] Realização 1. O sistema de tratamento de emissões a jusante de um motor de injeção direta a gasolina para o tratamento de uma corrente de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas, um sistema de tratamento de emissões que compreende: - um compósito de conversão de três vias de acoplamento fechado (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante; e - um filtro em partículas catalisado localizado a jusante do compósito de TWC de acoplamento fechado, o filtro em partículas catalisado que compreende um segundo material catalítico de TWC que permeia as paredes de um filtro em partículas; - em que o segundo material catalítico de TWC compreende o ródio como o único metal do grupo de platina.
[055] Realização 2. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com a realização 1, em que o filtro em partículas compreende um diâmetro médio dos poros no intervalo a partir de cerca de 13 a cerca de 25 μm.
[056] Realização 3. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com a realização 1 ou 2, em que o filtro em partículas compreende uma espessura de parede no intervalo a partir de cerca de 152 μm (6 mils) a cerca de 356 μm (14 mils) e uma porosidade não revestida no intervalo a partir de 55 a 70%.
[057] Realização 3.5: O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 3, em que a porosidade não revestida é uma porcentagem do volume de poros do filtro em partículas em relação ao volume do filtro em partículas.
[058] Realização 4. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 3.5, em que o filtro em partículas catalisado possui uma porosidade revestida que é inferior a uma porosidade não revestida do filtro em partículas.
[059] Realização 5. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 4, em que não existe nenhuma camada de material catalítico na superfície das paredes do filtro em partículas, opcionalmente exceto em áreas de revestimento de sobreposição.
[060] Realização 5.5. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 5, em que não existe nenhum material catalítico fora dos poros das paredes do filtro em partículas.
[061] Realização 6. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com a realização 4 ou 5 ou 5.5, em que a porosidade revestida é linearmente proporcional a uma carga de revestimento de lavagem do material catalítico de TWC.
[062] Realização 7. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 4 a 6, em que a porosidade revestida está entre 75 e 98% da porosidade não revestida.
[063] Realização 8. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 4 a 7, em que a porosidade revestida está entre 80 e 95% da porosidade não revestida.
[064] Realização 9. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 8, em que uma contrapressão revestida do filtro em partículas catalisado não prejudica o desempenho do motor.
[065] Realização 10. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 9, em que o segundo material catalítico de TWC compreende um diâmetro médio de partícula d90 no intervalo a partir de cerca de 2,5 a cerca de 8 μm.
[066] Realização 11. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com as realizações de 1 a 10, em que o segundo material catalítico de TWC é formado a partir de uma única composição de revestimento de lavagem que permeia um lado da entrada, um lado da saída ou ambos os lados do filtro de partículas.
[067] Realização 12. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com as realizações de 1 a 11, em que uma primeira camada de revestimento de lavagem está presente no lado da entrada ao longo de cerca de 0 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a montante e uma segunda camada única de revestimento de lavagem está presente no lado da saída ao longo de cerca de 0 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a jusante, em que, pelo menos, uma das primeiras e únicas camadas de revestimento de lavagem está presente em uma quantidade > 0%.
[068] Realização 13. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com a realização 12, em que uma primeira camada de revestimento de lavagem está presente no lado da entrada ao longo de cerca de 50 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a montante e uma segunda camada única de revestimento de lavagem está presente no lado da saída ao longo de até cerca de 50 a 100% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a jusante.
[069] Realização 14. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com a realização 13, em que a primeira camada de revestimento de lavagem está presente no lado da entrada até cerca de 50 a 55% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a montante e a segunda camada de revestimento de lavagem está presente no lado da saída ao longo de até cerca de 50 a 55% do comprimento axial do filtro em partículas a partir da extremidade a jusante.
[070] Realização 15. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com as realizações de 1 a 11, em que uma única camada de revestimento de lavagem está presente no lado da entrada ao longo de até cerca de 100% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a montante e não existe nenhuma camada de revestimento de lavagem no lado da saída.
[071] Realização 16. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com as realizações de 1 a 11, em que uma única camada de revestimento de lavagem está presente no lado da saída em até cerca de 100% do comprimento axial do filtro em partículas da extremidade a jusante e não existe uma camada de revestimento de lavagem no lado da entrada.
[072] Realização 17. O sistema de tratamento de emissões, de acordo com as realizações de 1 a 16, que compreende o segundo material catalítico de TWC em uma quantidade no intervalo a partir de cerca de 0,17 a cerca de 5 g/in3 (cerca de 10 a cerca de 300 g/L).
[073] Realização 18. O sistema de tratamento de emissão, de acordo com as realizações de 1 a 17, em que o segundo material catalítico de TWC essencialmente consiste em ródio, céria ou compósito de céria e alumina.
[074] Realização 19. O filtro em partículas catalisado localizado em um sistema de tratamento de emissões a jusante de um motor de injeção direta a gasolina para o tratamento de uma corrente de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas e a jusante de um compósito de conversão de três vias (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo, o filtro em partículas catalisado compreende: - um filtro em partículas que compreende uma espessura de parede no intervalo a partir de cerca de 152 μm (6 mils) a cerca de 356 μm (14 mils) e uma porosidade no intervalo a partir de 55 a 70%; e - um segundo material catalítico de conversão de três vias (TWC) em uma quantidade no intervalo a partir de cerca de 0,17 a cerca de 5 g/in3 (10 a 300 g/L), o segundo material catalítico de TWC que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina; - em que o filtro em partículas catalisado possui uma porosidade revestida que é inferior a uma porosidade não revestida do filtro em partículas e uma contrapressão revestida que é substancialmente a mesma que uma contrapressão não revestida do filtro em partículas.
[075] Realização 19.5. O filtro em partículas catalisado, de acordo com a realização 19, em que a porosidade é uma porcentagem do volume de poros do filtro em partículas em relação ao volume do filtro em partículas.
[076] Realização 20. O filtro em partículas catalisado, de acordo com as realizações de 19 a 19.5, em que: - a espessura da parede é de cerca de 203 μm (8 mils); - a quantidade do segundo material catalítico de conversão de três vias (TWC) está no intervalo a partir de cerca de 0,17 a cerca de 1,5 g/in3 (10 a 90 g/L), o segundo material catalítico de TWC que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina; e - o filtro em partículas compreende uma distribuição média de tamanho de poro no intervalo a partir de cerca de 13 a cerca de 25.
[077] Realização 21. O método para o tratamento de um gás de exaustão que compreende os hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas, o método compreende: - a obtenção de filtro em partículas catalisado, de acordo com as realizações de 1 a 19.5; e - a localização do filtro em partículas catalisado a jusante de um motor de injeção direta a gasolina e um compósito de conversão de três vias (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante; - em que, após a operação do motor, o gás de exaustão do motor de injeção direta a gasolina entra em contato com o filtro em partículas catalisado.
[078] Realização 22. Um método de fabricação de um sistema de tratamento de emissão para um motor de injeção direta a gasolina, o método compreende: - o posicionamento de um compósito de conversão de três vias (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC em um substrato de fluxo passante a jusante do motor de injeção direta a gasolina; - a obtenção de um filtro em partículas catalisado que compreende um segundo material catalítico de conversão de três vias (TWC) permeando as paredes de um filtro em partículas, o filtro em partículas que compreende uma espessura de parede no intervalo a partir de cerca de 152 μm (6 mils) até cerca de 356 μm (14 mils) e uma porosidade no intervalo a partir de 55 a 70% e o segundo material catalítico de TWC que compreende o ródio como o único metal do grupo de platina; - o posicionamento do filtro em partículas catalisado a jusante do compósito de TWC.
[079] Realização 23. O método, de acordo com a realização 22, em que a porosidade não revestida é uma porcentagem do volume de poros do filtro em partículas em relação ao volume do filtro em partículas.
EXEMPLOS
[080] Os seguintes Exemplos não limitantes irão servir para ilustrar as diversas realizações da presente invenção. Em cada um dos Exemplos, o veículo é uma cordierita de fluxo de parede. Em cada um dos Exemplos, a porosidade é uma porcentagem do volume de poros do filtro em partículas em relação ao volume do filtro em partículas. Os Exemplos foram realizados de acordo com a técnica de revestimento aprimorada previamente discutida utilizando as suspensões que possuem uma viscosidade dinâmica no intervalo a partir de cerca de 5 a inferior a 40 mPa.s a 20 °C.
EXEMPLO COMPARATIVO 1
[081] Um filtro em partículas comparativo de porosidade inferior que possui um catalisador de conversão de três vias (TWC) na parede do substrato foi preparado a uma carga de revestimento de lavagem de 1 g/in3 (61 g/L). O substrato do filtro possuía: uma face frontal oval com eixo superior de 184,9 mm e eixo inferior a 89,9 mm, um comprimento total de 120 mm, 300 CPSI com espessura de parede de 204 μm (8 mil). O carregamento de metais preciosos foi fixado em 30 g/ft3 com uma proporção de metais preciosos Pt/Pd/Rh de 0/25/5. O Pd foi suportado em um componente de armazenamento de oxigênio de céria-zircônia que compreende 40% de céria, e o Rh foi suportado em um componente de alumina. O substrato do filtro possuía uma porosidade de 48% e um diâmetro médio dos poros de 13 μm.
EXEMPLO 2
[082] Um filtro em partículas da presente invenção que possui um catalisador de conversão de três vias (TWC) na parede do substrato foi preparado em uma carga de revestimento de lavagem de 1 g/in3 (61 g/L). O substrato do filtro possuía as mesmas características que no Exemplo 1. O carregamento do metal do grupo de platina monometálico foi fixado em 7 g/ft3 com uma proporção de metais preciosos Pt/Pd/Rh de 0/0/7, por conseguinte, resultando em um substrato de filtro revestido que possuía apenas o Rh como metal precioso. O Rh foi suportado em alumina. Um componente de armazenamento de oxigênio de céria-zircônia que compreende 40% de céria também estava presente no catalisador.
EXEMPLO 3
[083] Os filtros em partículas dos Exemplos 1 e 2, cada um possui um revestimento de lavagem de 1 g/in3 (61 g/L), foram envelhecidos a 830 °C de temperatura do leito durante 50 horas no motor. Os filtros em partículas foram medidos sob o New European Drive Cycle (NEDC) na posição subterrânea após o mesmo catalisador de TWC de fluxo contínuo na posição de acoplamento fechado (CC). O catalisador de acoplamento fechado era um catalisador de TWC de última geração com uma carga de metal precioso total de 95 g/ft3 e proporção de Pt/Pd/Rh de metal de 0/90/5. A carga do revestimento de lavagem do catalisador de TWC na posição de acoplamento fechado foi de 3,8 g/in3 (231,9 g/L). O catalisador de TWC foi envelhecido a uma temperatura de 1.030 °C durante 150 horas no motor. As emissões de hidrocarbonetos totais (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), bem como o número de partículas de acordo com o protocolo PMP foram medidas para o catalisador de acoplamento fechado e subterrâneo e relatadas na Tabela 1. TABELA 1
*Comissão Europeia.
[084] A conversão de eficiência do filtro em partículas do Exemplo 2 é substancialmente a mesma que aquela do filtro em partículas comparativo do Exemplo 1 em relação à conversão de emissões gasosas bem como emissões de número de partículas mas em carga e custo inferior de metal do grupo platina. Para um técnico no assunto, é evidente que a eficiência da filtração de partículas não é afetada através da natureza do metal do grupo de platina utilizado nos Exemplos, mas sim pelas características do filtro e quantidade de carga do revestimento de lavagem. Por conseguinte, é relevante no Exemplo 3 que a conversão de emissões gasosas HC, CO e NOx sejam substancialmente as mesmas entre o Exemplo 1 e o Exemplo 2.
EXEMPLO COMPARATIVO 4
[085] Um filtro em partículas comparativo de porosidade elevada que possui um catalisador de conversão de três vias (TWC) na parede de substrato foi preparado a uma carga de revestimento de lavagem de 0,83 g/in3 (50 g/L). O substrato do filtro possuía: uma face redonda com diâmetro de 143,8 mm e comprimento de 152,4 mm, 300 CPSI com espessura de parede de 204 μm (8 mil). O carregamento de metais preciosos foi fixado em 3 g/ft3 com uma proporção de metais preciosos Pt/Pd/Rh de 0/1/2. O Pd foi suportado em um componente de armazenamento de oxigênio de céria-zircônia que compreende 40% de céria, e o Rh foi suportado em alumina. O substrato do filtro possuía uma porosidade de 65% e um diâmetro médio dos poros de 20 μm.
EXEMPLO 5
[086] Um filtro em partículas da presente invenção que possui um catalisador de conversão de três vias (TWC) na parede do substrato foi preparado a uma carga de revestimento de lavagem de 1,16 g/in3 (70 g/L). O substrato do filtro possuía as mesmas características do Exemplo 4. O carregamento de metal do grupo de platina monometálico foi fixado em 3 g/ft3 com uma proporção de metal precioso Pt/Pd/Rh de 0/0/3, por conseguinte, resultando em um substrato de filtro revestido que possui apenas o Rh como metal precioso. O Rh foi suportado em um componente de alumina. Um componente de armazenamento de oxigênio de céria- zircônia que compreende 40% de céria também estava presente no catalisador.
EXEMPLO 6
[087] Os filtros em partículas dos Exemplos 4 e 5 foram testados como no estado fresco. Os filtros em partículas foram medidos sob o New European Drive Cycle (NEDC) na posição subterrânea após o mesmo catalisador de TWC de fluxo contínuo na posição de acoplamento fechado (CC). O catalisador de acoplamento fechado foi o mesmo utilizado no Exemplo 3. As emissões de hidrocarboneto total (HC), monóxido de carbono (CO), óxido de nitrogênio (NOx) bem como o número de partículas de acordo com o protocolo PMP foram medidos para o acoplamento fechado e catalisador subterrâneo e relatados na Tabela 2. TABELA 2
*Comissão Europeia.
[088] A conversão de eficiência do compósito é o Exemplo 5 é substancialmente a mesma que aquela do compósito do estado da técnica do Exemplo 4 em relação à conversão de emissões gasosas bem como as emissões de número de partículas, mas utilizando apenas o Rh como o metal do grupo de platina.
[089] A referência ao longo desta especificação a “uma realização”, “determinadas realizações”, “uma ou mais realizações” ou “uma realização” significa que um aspecto, estrutura, material ou característica especial descrita em relação à realização está incluída em, pelo menos, uma realização da presente invenção. Por conseguinte, as aparências das frases tais como “em uma ou mais realizações”, “em determinadas realizações”, “em uma realização” ou “em uma realização” em diversos lugares ao longo desta especificação não estão necessariamente se referindo à mesma realização da presente invenção. Além disso, os aspectos, estruturas, materiais ou características particulares podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.
[090] Embora as realizações reveladas da invenção tenham sido mostradas nos desenhos e totalmente descritas acima com particularidades e detalhes em conexão com várias realizações, será aparente para os técnicos no assunto que muitas modificações, mudanças e omissões são possíveis sem materialmente partir dos ensinamentos, princípios e conceitos novos estabelecidos aqui, e as vantagens da invenção recitada nas reivindicações anexadas. Assim, o escopo adequado das inovações divulgadas deve ser determinado pela interpretação das reivindicações anexas, de modo a englobar todas essas modificações, mudanças e omissões.

Claims (7)

1. SISTEMA DE TRATAMENTO DE EMISSÕES (3) a jusante de um motor de injeção direta a gasolina (5) para o tratamento de uma corrente de exaustão que compreende hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas, o sistema de tratamento de emissões (3) compreendendo: um compósito (9) de conversão de três vias de acoplamento fechado (TWC) que compreende um primeiro material catalítico de TWC suportado em um substrato de fluxo passante; e um filtro em partículas catalisado (13) localizado a jusante do compósito de TWC (9) de acoplamento fechado, o filtro em partículas catalisado (13) compreendendo um segundo material catalítico de TWC que permeia as paredes de um filtro em partículas; caracterizado pelo segundo material catalítico de TWC compreender ródio como o único metal do grupo de platina, em que a porosidade revestida do filtro em partículas catalisado (13) está em um intervalo de 75% a 98% da porosidade não revestida; em que o segundo material catalítico de TWC compreende um diâmetro médio de partícula d90 no intervalo de 2,5 μm a 8 μm, em que filtro em partículas (13) possui uma distribuição média de tamanho de poro no intervalo de 13 μm a 25 μm, em que o segundo material catalítico de TWC está em uma quantidade no intervalo de 10 g/L a 300 g/L.
2. SISTEMA (3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo filtro em partículas (13) possuir uma espessura de parede no intervalo de 152 μm a 356 μm e uma porosidade não revestida no intervalo de 55% a 70%, em que a porosidade não revestida é uma porcentagem do volume de poros do filtro em partículas (13) em relação ao volume do filtro em partículas (13).
3. SISTEMA (3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por não existir nenhuma camada de material catalítico na superfície das paredes do filtro em partículas (13), opcionalmente exceto em áreas de revestimento de lavagem sobreposto (102, 104).
4. SISTEMA (3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela porosidade revestida estar em um intervalo de 80% a 95% da porosidade não revestida.
5. SISTEMA (3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma contrapressão revestida do filtro em partículas catalisado (13) não ser prejudicial ao desempenho do motor (5).
6. SISTEMA (3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo segundo material catalítico de TWC ser formado a partir de uma única composição de revestimento de lavagem que permeia um lado da entrada, um lado da saída ou ambos os lados do filtro em partículas.
7. SISTEMA (3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo segundo material catalítico de TWC consistir em ródio, céria ou um compósito de céria e alumina.
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