BRPI0803897A2 - sistema de tratamento de escapamento, e, método para tratar emissões de corrente de gás de escapamento de um motor a diesel - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESCAPAMENTO, E, MéTODO PARA TRATAR EMISSõES DE CORRENTE DE GáS DE ESCAPAMENTO DE UM MOTOR A DIESEL. A presente invenção é direcionada a um sistema de tratamento de emissão e/ou conversão de emissões do motor e matéria particulada de motores a diesel. O sistema de tratamento da emissão da presente invenção compreende um catalisador de oxidação a montante, uma seção de filtro particulado ou filtro de fuligem e opcionalmente um elemento catalítico a jusante ou um catalisador de limpeza para o tratamento e/ou conversão de quaisquer contaminantes da corrente de gás de emissão remanescentes.

Description

"SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESCAPAMENTO, E, MÉTODOPARA TRATAR EMISSÕES DE CORRENTE DE GÁS DEESCAPAMENTO DE UM MOTOR A DIESEL"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um sistema de tratamento deescapamento e um método para remover os poluentes de uma corrente gasosado gás de escapamento do motor a diesel. Mais particularmente, a presenteinvenção se refere a um sistema e um método de tratamento de escapamentopara remover a matéria particulada e óxidos de nitrogênio das correntesgasosas do gás de escapamento do motor a diesel.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Os motores a diesel de ignição por compressão têm grandeutilidade e vantagem como gerador de energia do veículo por causa de suaeficiência térmica elevada inerente (isto é, boa economia de combustível) ealto torque em baixa velocidade. Os motores a diesel funcionam em uma altarelação de A/F (ar para combustível) sob condições de combustível muitopobres. Por causa disso, motores a diesel têm emissões muito baixas dehidrocarbonetos em fase gasosa e de monóxido de carbono. Entretanto, gás deescapamento a diesel é caracterizado por emissões relativamente elevadas deóxidos de nitrogênio (NOx) e particulados. As emissões de particulado, quesão medidas como o material condensado a 52°C, são multifásicas sendocompreendido de partículas de fuligem de carbono (insolúveis) sólidas,hidrocarbonetos líquidos sob a forma de óleo lubrificante e de combustívelincombustível, a fração orgânica solúvel assim chamada (SOF), e de "sulfato"assim chamado sob a forma de SO3 +H2 O=H2SO^

Do ponto de vista das emissões, entretanto, os motores a dieselapresentam os problemas mais severos do que suas contrapartes de igniçãopor centelha. Os problemas de emissão relacionam-se à matéria particulada(PM), óxidos de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos incombustíveis (HC) emonóxido de carbono (CO). O NOx é um termo usado para descrever váriasespécies químicas de óxidos de nitrogênio, incluindo o monóxido denitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), entre outros. NO é deinteresse porque acredita-se ser submetido a um processo conhecido como aformação fotoquímica da poluição atmosférica, com uma série de reações napresença da luz solar e hidrocarbonetos, e é o contribuinte significativo para achuva ácida. NO2 por outro lado tem um potencial elevado como um oxidantee é um forte irritante do pulmão. Particulados (PM) são também conectados aproblemas respiratórios. Modificações de operação do motor são feitas parareduzir particulados e hidrocarbonetos incombustíveis nos motores a diesel, asemissões de NO2 tendem a aumentar.

Os dois componentes principais da matéria particulada são afração orgânica volátil (VOF) e uma fração de fuligem (fuligem). O VOFcondensa-se na fuligem em camadas, e é derivado do combustível diesel eóleo. O VOF pode existir em ou gás de escapamento de diesel como um vaporou como um aerossol (gotas finas de condensado líquido) dependendo datemperatura do gás de escapamento. A fuligem é compostapredominantemente de partículas de carbono. A matéria particulada do gás deescapamento de diesel é altamente respirável devido a seu tamanho departículas pequeno, o que gera riscos para a saúde em níveis mais elevados deexposição. Além disso, o VOF contem hidrocarbonetos aromáticospolicíclicos, alguns dos quais são suspeitos de ser carcinogênicos.

Os catalisadores de oxidação que contêm metais do grupoplatina, metais de base e combinações dos mesmos são conhecidos porfacilitar o tratamento de escapamento do motor a diesel promovendo aconversão de ambos poluentes gasosos de HC e CO e alguma proporção damatéria particulada com a oxidação destes poluentes em dióxido de carbono eágua. Tais catalisadores foram contidos geralmente em unidades chamadas decatalisadores de oxidação de diesel (DOCs), os quais são colocados no gás deescapamento dos motores a diesel para tratar o gás de escapamento antes deleexaurir para atmosfera. Em adição às conversões de HC, CO e matériaparticulada gasosa, os catalisadores de oxidação que contêm os metais dogrupo platina (que são dispersados tipicamente em um suporte de óxidorefratário) promovem a oxidação de óxido nítrico (NO) em NO2.

A fuligem, por outro lado, é reduzida convencionalmente pelaincorporação de um filtro da fuligem dentro do sistema de gás deescapamento do motor a diesel. O filtro de fuligem é composto de uma malhade arame, ou mais comumente uma estrutura cerâmica porosa. Como afuligem é capturada no filtro, entretanto, a retro-pressão no sistema de gás deescapamento aumenta. Uma estratégia para aliviar esta retro-pressão équeimar a fuligem depositada no filtro, assim desbloqueando o filtro. Algunsfiltros de fuligem incorporam catalisadores especificamente para a combustãoda fuligem (catalisadores de combustão de fuligem). As temperaturas em quea fuligem queima com ar (que contem o O2), entretanto, está em excesso de500°C, o que pode ser prejudicial ao filtro de fuligem dependendo da fuligemacumulada.

Um filtro conhecido na técnica para capturar matériaparticulada é um filtro de fluxo de parede. Tais filtros de fluxo de paredepodem compreender catalisadores no filtro e queimar matéria particuladafiltrada. Uma construção comum é uma estrutura em forma de colméia demulticanais que tem as extremidades dos canais alternados nos lados ajusantes e a montante da estrutura do colméia obstruída. Isto conduz aopadrão do tipo tabuleiro em uma ou outra extremidade. Os canais obstruídosna extremidade a montante ou de entrada são abertos na extremidade a jusanteou de saída. Isto permite que o gás entre nos canais a montante abertos, fluaatravés das paredes porosas e saia através dos canais que têm extremidades ajusante abertas. O gás a ser tratado passa através de uma estrutura catalíticaatravés da extremidade a montante aberta de um canal e é impedido de sairpela extremidade a jusante obstruída do mesmo canal. A pressão do gás forçao gás através das paredes estruturais porosas nos canais fechados naextremidade a montante e aberta na extremidade a jusante. Tais estruturas sãoconhecidas primariamente por filtrar partículas fora da corrente do gás deescapamento. Freqüentemente as estruturas têm catalisadores sobre substrato,que melhoram a oxidação das partículas. As patentes típicas que revelam taisestruturas catalíticas incluem Patentes US 3.904.551; 4.329.162; 4.340.403;4.364.760; 4.403.008; 4.519.820; 4.559.193; e 4.563.414.

Os catalisadores de oxidação que compreendem um grupo dometal platina dispersados em um suporte de óxido de metal refratário sãoconhecidos para uso em tratar a gás de escapamento dos motores a diesel afim de converter ambos poluentes gasosos de HC e CO e particulados, isto é,partículas de fuligem, catalisando a oxidação destes poluentes em dióxido decarbono e água.

Patente US 4.510.265 descreve um filtro autolimpante departiculado do gás de escapamento de diesel, que contem uma mistura decatalisador de um metal do grupo platina e vanadato de prata, a presença dequal é revelada para diminuir a temperatura em que a ignição e a incineraçãoda matéria particulada é iniciada. Os filtros são revelados para incluirestruturas espumadas ou em forma de colméia com paredes porosas(monólitos) através do qual os gases do gás de escapamento passam com umagota de pressão mínima. Os filtros úteis são revelados para ser feitos decerâmica, geralmente cristalina, cerâmica de vidro, vidros, metais, cimentos,resinas ou polímeros orgânicos, papéis, tecidos de matéria têxtil ecombinações dos mesmos.

Patente US 5.100.632 igualmente descreve um filtroparticulado de gás de escapamento do diesel e um método de remover osdepósitos do gás de escapamento de um motor a diesel. O método envolvepassar os gases de gás de escapamento através de um filtro catalisado que temas paredes porosas onde as paredes os tem como uma mistura de um metal dogrupo platina e de um metal alcalino terroso. A mistura do catalisador édescrita como servindo para diminuir a temperatura em que a ignição damatéria particulada coletada é iniciada.

Patente US 4.902.487 é dirigida a um processo onde o gás deescapamento do diesel é passado através de um filtro para removerparticulado do mesmo antes da descarga. Particulado depositado no filtro équeimado. De acordo com a revelação o particulado é queimado com um gásque contem NO2. E revelado que o NO2 é gerado cataliticamente no gás deescapamento antes que seja passado a jusante ao filtro em que o particuladode diesel é capturado. O oxidante de NO2 serve para eficazmente queimar oparticulado coletado em baixa temperatura e para reduzir a retro-pressãonormalmente causada pela disposição do particulado no filtro. Revela-se que,deve haver bastante NO2 no gás alimentado para o filtro para queimareficazmente as fuligens de carbono depositado e particulados semelhantes. Oscatalisadores conhecidos para formar NO2 de NO são revelados ser úteis. Taiscatalisadores são revelados para incluir metais do grupo platina tais como Pt,Pd, Ru, Rh ou suas combinações, e os óxidos de metal do grupo platina. Ofiltro a jusante pode ser qualquer filtro convencional. Em uma modalidadeespecífica, um monólito cerâmico em forma de colméia é revestido com umcomposição de revestimento reativo de alumina carregando um catalisador dePt. Um filtro particulado está a jusante do monólito. Particulados carbonáceossão revelados por ser queimados em uma temperatura geralmente na ordem de375°C a 500°C. EPO 835.684 A2 revela um sistema onde o catalisador amontante é seguido por um monólito de fluxo catalisado. Embora a PatenteUS 4.902.487 revele benefícios para produzir NO2, a Patente US 5.157.007ensina que suprimir NO2 devido ao fato de que a toxicidade de NO2 excedeaquele de NO.

Patente US 4.714.694 revela composições de catalisador decéria estabilizado de alumina. E revelado um método de produzir um materialque inclui a impregnação de céria em massa ou um precursor de céria emmassa com um composto de alumínio e calcinar a céria impregnada parafornecer uma céria estabilizada de alumínio. A composição ainda compreendeum ou vários componentes catalíticos do grupo platina dispersados na mesma.O uso de céria em massa como um suporte do catalisador para catalisadoresde metal do grupo platina outros que ródio, é também revelado na Patente US4.727.052 de CZ Wan, et'al, e na Patente US 4.708.946 de Ohata, et al.

Patente US 5.597.771 revela o uso de céria em composições decatalisador ambos na forma em massa, como um material particulado, e emcontato íntimo com os vários componentes da composição de catalisador. Ocontato íntimo pode ser realizado combinando um componente contendo cériacom pelo menos alguns dos outros componentes como um sal solúvel decério. Sob aplicação de calor, tal como calcinando o sal de cério se tornacéria.

Patentes US 4.624.940 e 5.057.483 referem-se a partículascontendo céria-zircônia. É revelado que céria pode ser dispersadahomogeneamente por toda a matriz de zircônia até 30% em peso do peso totaldo compósito de céria-zircônia para formar uma solução sólida. Umcompósito particulado de óxido de céria-zircônia (por exemplo, co-precipitado) co-formado pode melhorar a utilidade da céria em partículascontendo mistura de céria-zircônia. A céria fornece a estabilização da zircôniae também age como um componente de armazenamento de oxigênio. Apatente 483 'revela que neodímio e/ou ítrio pode ser adicionado ao compósitode céria-zircônia para modificar as propriedades do óxido resultante comodesejado.

Patente US 5.491.120 revela catalisadores de oxidaçãocontendo céria e um segundo óxido de metal em massa o qual pode ser um oumais de titânia, céria-zircônia, sílica, alumina-sílica e alfa-alumina.Patente US 5.627.124 revela catalisadores de oxidaçãocontendo céria e alumina. É revelado que cada tem uma área de superfície depelo menos cerca de 10 m2/g. A relação em peso de céria para alumina érevelada ser 1,5:1 a 1:1,5. E ainda revelado opcionalmente incluir platina. Aalumina é revelada preferivelmente ser alumina ativada. Patente US 5.491.120revela catalisadores de oxidação contendo céria e um segundo óxido de metalem massa, o qual pode ser um de titânia, zircônia, céria-zircônia, sílica,alumina-sílica e alfa-alumina.

Motores a diesel para pequenos gen-sets estacionários,aplicações marinhas, e 2/3 de veículos de rodas necessitam controle deemissão de particulados. A natureza dessas aplicações é tal que capturassofisticadas e estratégias de controle de regeneração não são viáveis. Essainvenção fornece um dispositivo simples e estático que captura particulados,opcionalmente auto-regenera e oxida emissões gasosas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção é direcionada a um sistema de tratamentoda emissão para tratar uma corrente de emissão de gás do gás de escapamentode um motor a diesel. O sistema de tratamento da emissão da presenteinvenção compreende, em combinação e em ordem, um catalisador deoxidação a montante, por exemplo, um catalisador de oxidação de diesel(DOC), um filtro particulado e opcionalmente um elemento catalítico ajusante ou um catalisador de limpeza para o tratamento e/ou conversão dequaisquer contaminantes da emissão remanescentes na corrente de gás deescapamento. Opcionalmente, o filtro particulado pode ser catalisado com umcatalisador de queima de fuligem para regeneração de sua função de captura.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Figura 1 é um esquema de um sistema de tratamento deemissão do motor, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

Figura 2 é um esquema de um sistema de tratamento deemissão integrado, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

Figura 3a é uma vista pictorial ilustrando a configuração geralde uma captura de espuma metálica de acordo com uma modalidade dapresente invenção;

Figura 3b é uma vista fragmentar esquemática ampliada deuma rede tridimensional da captura de espuma metálica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção é direcionada a um sistema de tratamentode emissão e método para tratar emissões da corrente de gás de escapamentodo motor de motores a diesel. Em uma modalidade, o sistema de tratamentoda emissão da presente invenção tem uso particular em pequenos motores adiesel. De acordo com a presente invenção, pequenos motores a dieselincluídos nos motores a diesel estacionários conhecidos e motores a dieselusados em veículos comerciais leves, os quais contem menos que 1 litro dedeslocamento do motor total. Exemplos de tais pequenos motores a dieselincluem, mas não são limitados a, motores estacionários, geradores marinhos,unidades de geração de energia elétrica (comumente referidos como Gensets),e motores de 2 ou 3 rodas. Mais especificamente, a presente invenção édirecionada a um sistema de tratamento de emissão para o tratamento e/ouconversão de contaminantes da emissão de gás de escapamento tais comohidrocarbonetos incombustíveis (HC), monóxido de carbono (CO), matériaparticulada, e óxidos de nitrogênio (NOx).

O sistema de tratamento da emissão da presente invenção podeser um sistema integrado compreendendo, em combinação e em ordem, umcatalisador de oxidação a montante, por exemplo, um elemento catalítico ouum catalisador de limpeza para o tratamento e/ou conversão de quaisquercontaminantes de emissão remanescentes na corrente de gás de escapamento.Nessa modalidade, o sistema de tratamento da emissão é "integrado" em queo catalisador de oxidação a montante, filtro particulado e elemento catalítico ajusante ou catalisador de limpeza são todos contidos dentro de uma caixa, pormeio disso compreendendo um único dispositivo de tratamento de emissão. Ocatalisador de oxidação, filtro particulado e elemento catalítico a jusante estãoem comunicação fluida um com outro permitindo que gases de gás deescapamento do motor fluam seqüencialmente do motor através do catalisadorde oxidação, através do filtro do particulado e finalmente através do elementocatalítico a jusante e fora do sistema de tratamento de emissão.

Em uma modalidade da presente invenção, o filtro particuladopode opcionalmente ser catalisado com um catalisador de queima de fuligempara regeneração do filtro. Na prática dessa invenção, o catalisador deoxidação a montante aumenta a temperatura da corrente de gás deescapamento por meio disso auxiliando no escoamento do catalisador no filtroparticulado a jusante.

O sistema de tratamento de emissão da presente invenção podeser mais facilmente apreciado por referência figura 1, a qual mostra umarepresentação esquemática de um sistema de tratamento de emissão 2, deacordo com uma modalidade da presente invenção. Referindo-se a figura 1,uma corrente de gás de escapamento que contêm os poluentes gasosos (porexemplo, hidrocarbonetos, monóxido de carbono e NOx incombustível) ematéria particulada são transportados através da linha 6 de um motor 4 a umcatalisador 8 de oxidação. No catalisador 8 de oxidação, os hidrocarbonetosgasosos e não voláteis incombustíveis (isto é, o VOF) e monóxido de carbonosão queimados amplamente para formar o dióxido de carbono e água. Aremoção de proporções substanciais do VOF usando o catalisador deoxidação, em particular, ajuda a impedir um depósito demasiadamente grandeda matéria particulada no filtro particulado 12 (isto é, obstruindo), o que éposicionada a jusante no sistema de tratamento de emissão. Além disso, umaproporção do NO do componente de NOx é oxidada em NO2 no catalisadorde oxidação. A corrente do gás de escapamento é transportada em seguidaatravés da linha 10 para um filtro particulado 12, que captura os resíduos docatalisador e/ou matéria particulada presentes dentro da corrente do gás deescapamento. Opcionalmente, o filtro particulado pode ser catalisado com umcatalisador de queima de fuligem para a regeneração do filtro particulado 12.

Após a remoção da matéria particulada, através do filtro particulado 12, acorrente do gás de escapamento é transportada através da linha 14 para umelemento catalítico a jusante 16 para o tratamento e/ou a conversão de todosos contaminantes restantes da emissão na corrente do gás de escapamento. Oelemento catalítico a jusante 16 pode ser catalisado, por exemplo, com umacomposição de revestimento reativo do catalisador de oxidação ou umcatalisador de conversão de três vias.

Em uma outra modalidade, o sistema de tratamento da emissãoda presente invenção pode ser integrado em uma caixa ou alojamento. Afigura 2 descreve uma representação esquemática de um sistema detratamento integrado 20 de emissão. O sistema de tratamento integrado 20 deemissão compreende uma seção a montante 22 do catalisador de oxidação,uma seção média 24 do filtro particulado, e um elemento catalítico a jusante26. Durante o tratamento da corrente de emissão de gás de escapamento o gásde escapamento passa de um motor pelo sistema de tratamento integrado 20de emissão para o tratamento e/ou a conversão de contaminantes de emissãodo gás de escapamento tais como os hidrocarbonetos incombustíveis (HC), omonóxido de carbono (CO), a matéria particulada, e os óxidos de nitrogênio(NOx) e a matéria particulada. O gás de escapamento flui seqüencialmenteatravés da seção de catalisador de oxidação a montante 22, uma seção média24 do filtro particulado, e um elemento catalítico a jusante 26.

Geralmente, o catalisador de oxidação da presente invençãopode ser qualquer catalisador conhecido de oxidação (por exemplo, umcatalisador de oxidação de diesel (DOC), que fornece a combustão eficaz dehidrocarbonetos não voláteis e gasosa incombustíveis (isto é, o VOF) e demonóxido de carbono. Preferivelmente, o catalisador de oxidação usado napresente invenção é um catalisador de oxidação tolerante ao enxofre Alémdisso, o catalisador de oxidação pode ser eficaz em converter uma proporçãosubstancial do NO do componente de NOx em NO2. Como usado aqui, otermo "conversão substancial do NO do componente do NOx em NO2"significa pelo menos 20%, e preferivelmente entre 30 e 60%. As composiçõesde catalisador que têm estas propriedades são conhecidas na técnica, eincluem as composições de metal do grupo platina e composições baseadasem metal.

Os catalisadores de oxidação que compreendem um metal dogrupo platina dispersados em um suporte de óxido de metal refratário sãoconhecidos para o uso em tratar a gás de escapamento dos motores a diesel afim de converter poluentes gasosos de monóxido de carbono e hidrocarbonetoe catalisar a oxidação destes poluentes em dióxido de carbono e água. Taiscatalisadores foram contidos geralmente nas unidades chamadas catalisadoresde oxidação de diesel, ou os conversores mais simplesmente catalíticos ou oscatalisadores, que são colocados no trajeto do fluxo do gás de escapamentodos sistemas de fornecimento de diesel para tratar a gás de escapamento antesdele sair para atmosfera. Tipicamente, os catalisadores de oxidação de dieselsão formados nos veículos cerâmicos ou metálicos (tais como veículo demonólito de fluxo livre, como descrito aqui abaixo) sob as quais ascomposições catalíticas de composição de revestimento reativo sãodepositadas. Como usado aqui, o termo "composição de revestimento reativo"tem seu significado usual na técnica de um revestimento fino, aderente de ummaterial catalítico ou outro aplicado a um material veicular do substrato, talcomo um membro veicular do tipo colméia.

A composição de revestimento reativo do catalisador deoxidação da presente invenção pode conter agentes catalíticos de metal debase, agentes catalíticos de metal do grupo platina ou combinações de ambosque são suportados em óxidos de metal refratários, por exemplo, aluminaativada. Os agentes catalíticos do metal de base podem incluir óxidos demetal da terra rara, particularmente óxido de lantânio, óxido de cério e óxidode praseodímio. Os agentes catalíticos preferidos de metal do grupo platinapodem incluir a platina, o paládio, o ródio e as combinações dos mesmos. Osóxidos de metal refratários úteis podem incluir a sílica, a alumina, a gama-alumina, a titânia, a zircônia, a sílica-alumina e a céria-zircônia.Opcionalmente, a composição catalítica da composição de revestimentoreativo pode também conter outros aditivos tais como promotores eestabilizantes.

Por exemplo, as composições baseadas em metal do grupoplatina apropriadas para o uso em formar o catalisador de oxidação sãodescritas também na Patente US 5.100.632 (a patente '632) incorporada pormeio deste por referência. A patente '632 descreve as composições que têmuma mistura da platina, paládio, ródio, e rutênio e um óxido de metal alcalinoterroso tais como o óxido de magnésio, o óxido de cálcio, o óxido deestrôncio, ou o óxido de bário com uma relação atômica entre o metal dogrupo platina e o metal alcalino terroso de cerca de 1:250 a cerca de 1:1, epreferivelmente de cerca de 1:60 a cerca de 1: 6.

Outra composição do catalisador de oxidação que pode serusada no sistema de tratamento da emissão contém um componente do grupoplatina (componentes, por exemplo, da platina, do paládio ou do ródio)dispersado em uma área de superfície elevada, suporte de óxido refratário (porexemplo, gama-alumina), opcionalmente, pode ser combinado com umcomponente do zeólito (por exemplo, um beta zeólito). As composiçõesbaseadas em metal do grupo platina apropriadas para o uso em formar ocatalisador de oxidação são descritas na Patente US 5.100.632 (a patente'632) incorporada por meio deste por referência. A patente '632 descreve ascomposições que têm uma mistura de uma ou várias de platina, paládio, ródio,e rutênio e/ou um óxido de metal alcalino terroso tais como o óxido demagnésio, o óxido de cálcio, o óxido de estrôncio, ou o óxido de bário comuma relação atômica entre o metal do grupo platina e o metal alcalino terrosode cerca de 1: 250 a cerca de 1:1, e preferivelmente cerca de 1: 60 a cerca de1:6.

As composições do catalisador apropriadas para o catalisadorde oxidação podem igualmente ser formadas usando metais de base comoagentes catalíticos. Por exemplo, a Patente US 5.491.120 incorporada aqui porreferência, revela as composições do catalisador de oxidação que incluem ummaterial catalítico que tem uma área de superfície BET pelo menos de cercade 10 m2/g e consistem essencialmente em um segundo óxido de metal emmassa, que podem ser um ou mais de titânia, zircônia, céria-zircônia, sílica,alumina-sílica, alumina, e alfa-alumina.

Também úteis são as composições do catalisador reveladas naPatente US 5.462.907 (a patente '907) incorporada aqui por referência. Apatente '907 ensina as composições que incluem um material catalíticocontendo céria e uma alumina cada um tendo uma área de superfície pelomenos de cerca de 10 m /g, por exemplo, de céria e de alumina ativada emuma relação em peso de cerca de 1.5:1 a 1: 1.5. Opcionalmente, a platina podeser incluída nas composições descritas na patente '907 nas quantidadeseficazes para promover a oxidação da fase gasosa de CO e hidrocarbonetosincombustíveis, mas que são limitados por impossibilitar a oxidação excessivade SO em SO2. Alternativamente, o paládio em uma qualquer quantidadedesejada pode ser incluído no material catalítico.

Um catalisador tolerante ao enxofre pode ser preferido.Geralmente, qualquer catalisador de oxidação tolerante ao enxofre conhecido,tal como o catalisador de oxidação revelado na Patente US 5.145.825, podeser usado. A patente '825 revela um catalisador de oxidação que é resistente àdesativação por óxidos de enxofre e que é útil na oxidação do monóxido decarbono e hidrocarbonetos tais como aqueles presentes correntes de gás degás de escapamento e residuais que contêm SOx. De acordo com a patente'825, a base refratária da alumina usada tipicamente em catalisadores deoxidação disponíveis comercialmente é substituída com a sílica que éestabilizada pela adição de titânia ou de zircônia para produzir uma base quepode eficazmente fixar o componente de metal precioso e é resistente àdegradação e à desativação do SOx.

Tipicamente, o catalisador de oxidação é revestido em veículoscerâmicos ou metálicos (tais como substratos de monólito de fluxo livre emforma de um colméia descritos mais detalhadamente abaixo) sob os quais ascomposições catalíticas da composição de revestimento reativo podem serdepositadas. Como discutido acima, os revestimentos aquosos catalíticoscontêm geralmente um ou mais agentes catalíticos do metal de base, agentescatalíticos do metal do grupo platina ou combinações de ambos que sãosuportados em um ou mais óxidos de metal refratários, por exemplo, aluminaativada. Estes catalisadores de oxidação, em virtude do substrato em que sãorevestidos, e/ou em virtude de sua atividade de oxidação catalítica intrínsecapodem fornecer algum nível de remoção de particulado. A remoção dealguma matéria particulada da corrente de gás de escapamento a montante dofiltro particulado pode ser preferida, desde que a redução na massa departiculado no filtro particulado possa melhorar a eficiência do filtroparticulado para capturar resíduos do catalisador e/ou matéria particulada.

O veículo usado nessa invenção deve ser relativamente inertecom relação à composição catalítica dispersada no mesmo. Os veículospreferidos são compreendidos de materiais tipo cerâmica tais como cordierita,a-alumina, nitreto de silício, zircônia, mulita, espodumeno, alumina-sílica-magnésia ou silicato de zircônio, ou de metais refratários como açoinoxidável. Os veículos são preferivelmente do tipo algumas vezes referidoscomo veículos monolíticos ou em forma de colméia, compreendendo umcorpo cilíndrico unitário tendo uma pluralidade de passagens de fluxo de gásparalelas, finas que se estendem através do mesmo e conectando ambas face-extremidade do veículo para fornecer um tipo de "fluxo livre" do veículo.Tais veículos monolíticos podem conter até cerca de 700 ou mais canais defluxo ("células") por polegada quadrada de seção transversal, embora bemmenos possa ser usado. Por exemplo, o veículo pode ter de cerca de 7 a 600,mais usualmente de cerca de 200 a 400, células por polegada quadrada("cpsi") (6,45 cm ). Veículos de fluxo livre são preferidos como substratospara o catalisador.

Em uma modalidade preferida, o catalisador de oxidação amontante da presente invenção é revestido em um veículo de fluxo livre debaixa densidade celular tendo de cerca de 50 a cerca de 200 cpsi. O uso de umveículo de fluxo livre de baixa densidade celular evita obstrução dos canais defluxo pela fuligem e outra matéria particulada contida na corrente de gás deescapamento. As células podem ter seções transversais que são retangulares,quadradas, circulares, ovais, triangulares, hexagonais, ou são de outras formaspoligonais.

O sistema de tratamento de escapamento da presente invençãotambém contém um filtro particulado ou filtro de fuligem para capturar amatéria particulada e/ou os resíduos do catalisador desse modo evitando que afuligem e/ou os resíduos sejam liberados do elemento catalítico a jusante oucatalisador de limpeza e/ou diretamente para atmosfera. Geralmente, qualquerfiltro particulado conhecido na técnica pode ser usado, incluindo, porexemplo, um filtro estruturado em tela ou de arame ou um filtro de fluxo livreem forma de colméia, filtro de fibra empacotada ou enrolada, espuma decélula aberta, filtros de pó de metal sintetizado; filtros de folha de metalperfurado; ou filtros de compósito de fibra cerâmica, etc.

Filtros de fuligem ou de particulados são formados tipicamentede materiais refratários, tais como cerâmica ou metais. Na prática da presenteinvenção, o filtro particulado pode ser colocado em uma caixa (igualmentereferida como um alojamento), que direciona a corrente de fluido a ser tratadaatravés da entrada da caixa no lado da entrada do filtro, através do filtro esubseqüentemente fora da caixa do filtro. Os filtros de particulado úteis paraos propósitos desta invenção incluem as estruturas através de que a correntedo gás de escapamento passa sem causar um aumento demasiado grande daretro-pressão ou queda de pressão através do artigo. O substrato cerâmicopode ser produzido de qualquer material refratário apropriado, por exemplo,cordierita, cordierita-alumina, nitreto de silício, mulita de zircônia,espodumeno, alumina-sílica, magnésia, silicato de zircônia, silimanita, silicatode magnésio, zircônia, petalita, alumina, alfa-alumina, aluminossilicato e osemelhante.

Enquanto será aparente àqueles de especialidade comum natécnica que NO2 pode queimar a matéria particulada sem o auxílio docatalisador, os filtros de fluxo de parede podem conter agentes catalíticos emvários suportes de catalisador ou no filtro. Em uma modalidade, o filtroparticulado pode ser revestido com um ou mais agentes catalíticos, que podempromover a combustão da matéria particulada em temperaturas mais baixas,por exemplo, em 150-300° C. Os agentes catalíticos podem, por exemplo, serdepositados no filtro particulado usando revestimentos aquosos catalíticos. Osagentes catalíticos eficazes em queimar a matéria particulada com dióxido denitrogênio incluem a platina em um suporte de catalisador (por exemplo,alumina, zircônia ativadas). Outros agentes catalíticos eficazes em promover acombustão da fuligem incluem V2O5, WO3, Ag2O, Re2O7, CeO2, FeO2, MnO2,ΝΙΟ, CuO e combinações dos mesmos. Estes agentes catalíticos podem serusados sozinhos ou em suportes tais como a alumina ou a zircônia.

Em algumas modalidades é preferível depositar um catalisadorpobre em NOx no filtro de fuligem para promover a combustão dehidrocarbonetos incombustíveis com NO2 ou O2. Em temperaturas mais altas,preferivelmente em temperaturas acima de pelo menos de 150°C, o NO2 servecomo um oxidante eficaz para hidrocarboneto incombustível. Os catalisadorespobres em NOx são conhecidos na técnica, e incluem os materiais de zeólitodopados com platina ou ródio. Um catalisador pobre preferido em NOx éplatina dopada com ZSM-5.

Em uma outra modalidade da presente invenção, o filtroparticulado é um filtro particulado parcial, por exemplo, um filtro particuladodo substrato de espuma. Visto que pequenas correntes de gás de escapamentodo motor a diesel têm tipicamente níveis inferiores de particulados, aexigência de redução de particulado não pode ser tão elevada quanto aquelade um motor a diesel do automóvel. O filtro particulado parcial é um filtroparticulado parcial no sentido que alguma, mas não toda a matéria particuladana corrente do gás de escapamento é capturada. Em uma modalidade,tipicamente menos de 90% da matéria particulada em uma corrente do gás deescapamento é capturada. Entretanto, os filtros de particulados parciais quecapturam menos de 85%, e menos de 60%, da matéria particulada em umcorrente do gás de escapamento, são exemplificados também. Os exemplos detais filtros de particulados parciais incluem, mas não são limitados a, filtrostela, filtros de malha, filtros de espuma, filtros de folha, filtros de metalcorrugado, filtros não-permeáveis, e outros filtros de fluxo de parede (ver, porexemplo, Patentes US 4.597.262; 6.576.032; 6.773.479; e 6.857.188; quaissão incorporadas aqui por referência). O uso de um filtro particulado dosubstrato da espuma pode ser particularmente útil em pequenos motores adiesel, tais como, por exemplo, os motores estacionários, os geradoresmarinhos, as unidades de geração de energia elétrica (referidas geralmentecomo Gen-sets), ou veículos de 2 ou 3 rodas, onde o uso de um filtroparticulado altamente eficiente de alto custo, tal como o filtro particulado defluxo de parede pode não ser exigido. Devido à estrutura interna e a naturezado fluxo livre de um filtro particulado de espuma, um substrato de espuma,por exemplo, um substrato de espuma metálica, permite suficiente captura damatéria particulada e/ou resíduos do catalisador sem criar preocupaçõessignificativas com a retro-pressão e potencialmente sem exigir a regeneraçãodo filtro particulado através da queima da fuligem capturada.

O substrato de espuma metálica da presente invenção forma auma estrutura do substrato reticulada ou aberta que compreende células ouporos metálicos que consistem em suportes para as paredes celulares, verfiguras 3a e 3b. O substrato de espuma metálica pode ser ainda descrito comouma matriz porosa que tem uma pluralidade de passagens irregularmenteformadas onde o gás de escapamento se submete a múltiplos giros e voltasaleatórias no movimento do lado a jusante da captura, ver figura 3b. Estetrajeto turbulento ou tortuoso do fluxo é definido por várias aberturas, poros,canais ou características estruturais similares que fazem com que o líquidoe/ou o gás fluam através do mesmo na forma turbulenta ou substancialmentenão-laminar e forneçam um substrato uma área de superfície elevada porvolume total do trajeto do fluxo do líquido através do substrato, por exemplo,as características que criam uma zona de transferência de alta massa para olíquido no mesmo. Ao contrário, um substrato denso, tal como uma placa,tubo, folha e o semelhante, tem uma área de superfície relativamente pequenapor volume total do trajeto do fluxo através do substrato com relação a se éperfurada ou não, e não substancialmente interrompe o fluxo laminar atravésdo mesmo. A estrutura do substrato reticulado ou aberto da espuma metálica,de forma importante fornece não somente uma zona de transferência de altamassa, mas tal estrutura aberta reduz a retro-pressão.

A captura de espuma metálica da presente invenção pode aindamais facilmente ser apreciada pela referência outra vez à figura 3 a, quedescreve uma vista de em perspectiva esquemática de uma captura de espumametálica, e a figura 3b, que descreve uma vista fragmentar esquemáticaampliada da rede tridimensional da captura de espuma metálicas, ambasmodalidades não limitantes da invenção. Referindo-se as figuras 3a e 3b, umacaptura de espuma metálica 30 é alojada dentro de uma unidade dealojamento 32. A figura mostra uma rede aberta dos suportes metálicos 34 eporos 36, que tomam um caminho tortuoso para uma corrente do gás deescapamento do motor. A espuma metálica potencialmente coleta matériaparticulada primariamente na fase gasosa e serve como uma barreira físicapara impedir que a espécie residual contate o catalisador monolítico a jusantede metal precioso.

Já que estas estruturas de espuma metálica têm umas áreas desuperfície maiores do que substratos densos e já que permitem o fluxo fluiratravés das mesmas, elas são bem adequadas para o uso em preparar membrosdo filtro para a captura materiais particulados de origem gasosa ou líquidae/ou resíduos do catalisador. Além disso, a área de superfície maior prevêtransferência de massa melhorada da espécie ativa que melhora desse modo aeficiência da espuma metálica para capturar matéria particulada e/ou resíduodo catalisador.

Métodos para produzir um metal espumado são conhecidos natécnica, vê, por exemplo, Patente US 3.111.396, a qual é incorporada aqui porreferência, e o uso do metal espumado como um veículo para um materialcatalítico foi sugerido na técnica, ver, por exemplo, SAE Technical Paper971032, intitulado "A New Catalyst Support Structure For AutomotiveCatalytic Converters" por Aran D. Jatkar, que foi apresentado no InternationalCongress and Exposition, Detroit, Michigan, Feb. 24027, 1997, e Pestryakovet al, Journal of Advanced Materials, 1 (5), 471-476 (1994). Espumasmetálicas podem ser caracterizadas em várias maneiras, algumas das quais sereferem às propriedades da matriz orgânica inicial a qual o metal é disposto.Algumas características dos substratos do metal espumado reconhecidas natécnica incluem o tamanho de célula, a densidade, o volume livre, e a área desuperfície específica. Por exemplo, a área de superfície pode ser 1500 vezesaquela de um substrato sólido que tem as mesmas dimensões que o substratoespumado. Como mencionado por Pestryakov et al, substratos de metalespumado úteis como veículos para membros do catalisador podem ter odiâmetro médio da célula na faixa de 0,5 a 5 milímetros, e eles podem ter umvolume livre de cerca de 80 a 98%, por exemplo, 3 a 15 % do volumeocupado pelo substrato espumado podem constituir o metal. A porosidade dosubstrato pode variar de 3 a 80 poros por polegada (2,54 cm) (ppi), porexemplo, 3 a 30 ppi, ou 3 a 10 ppi, ou 3 a 5 ppi. Em uma faixa ilustrativa de10 a 80 ppi, outras características tais como células por a polegada quadradapodem variar de 100 a 6400 e o diâmetro aproximado da rede pode variar de0:01 polegada a 0.004 polegadas. Tais espumas podem ter as estruturasreticuladas de célula aberta, baseadas em um precursor de redereticulado/interconectado. Elas têm tipicamente as áreas de superfície queaumentam com porosidade na faixa de cerca de 700 metros quadrados por pécúbico de espuma (m2/ft3) (m2/0,03 m3) a cerca de 10 aos 4000 m2/ft3 (m2/0,03m ) em cerca de 60 ppi, etc. Outros substratos de espuma metálicaapropriados têm as áreas de superfície variando de cerca de 200 pésquadrados por pé cúbico (929 cm2/0,03 m3) do metal espumado (ft2/ft3) emcerca de 10 ppi a cerca de 1900 ft2/ft3 (929 cm2/0,03 m3) em cerca de 80 ppi.Um tal substrato tem um peso específico de 500 g/m em uma espessura decerca de l,6+/-0,2 milímetros com uma porosidade de 110 ppi. Eles podem terdensidades do volume dentro da faixa de 0,1 a 0,3 gramas por centímetrocúbico (g/cm3).

Os substratos espumados metálicos podem ser formados deuma variedade de metais, incluindo o ferro, o titânio, o tântalo, metais nobresdo tungstênio, metais sinterizáveis comuns tais cobre, níquel, bronze, etc,alumínio, zircônio, etc., e combinações e suas ligas tais como aço, açoinoxidável, Hastalloy, Ni/Cr, Inconel (níquel/cromo/ferro), Monel(níquel/cobre), e Fecralloy (ferro/cromo/alumínio, ítrio). Em uma modalidade,o substrato de espuma metálica é selecionado do grupo que consiste de açoinoxidável, titânio, Fecralloy, zirconato de alumínio, titanato de alumínio,fosfato de alumínio, cordierita, mulita e corundo. Em outra modalidade,Fecralloy (FeCrAlY) é exemplificado. Um substrato de espuma metálicaadequado para uso com a presente invenção tem um volume ocupado pelosubstrato espumado de cerca de 3% a cerca de 10%. De cerca de 6 a cerca de8% é também exemplificado.

A captura de espuma metálica é revestida preferivelmente comum componente de área de superfície elevada, dito componentecompreendendo uma camada pulverizada em arco térmica metálica de pré-tratamento e opcionalmente uma camada de composição de revestimentoreativo, tal como o óxido de alumínio, o óxido de cério, e o óxido de zircônio.

A camada pulverizada em arco térmica metálica pode ser útil para facilitar aadesão da camada de composição de revestimento reativo. A camadapulverizada em arco térmica metálica da presente invenção pode ser aplicadacom processos de pulverização térmica em geral, incluindo a pulverização aplasma, pulverização a plasma do arame, a pulverização oxi-combustível emalta velocidade, pulverização do pó e/ou arame em combustão, a pulverizaçãoa arco elétrico, etc.

Em um aspecto da presente invenção, pulverização a arcoelétrico, por exemplo, pulverização a arco de arame duplo, de um metal (cujotermo, como usado aqui e nas reivindicações, inclui as misturas dos metais,incluindo sem limitação, ligas de metal, pseudoligas, e outras combinaçõesintermetálicas) sobre substrato de espuma metálica que produz uma estruturaque tem utilidade inesperada superior como um substrato para uma camada dede revestimento reativo, por exemplo, um óxido de metalrefratário. Pulverização a arco de arame duplo (incluído aqui pelo termo"pulverização a arco de arame e pelo termo mais amplo "pulverização a arcoelétrico) é um processo conhecido, ver, por exemplo, Patente US 4.027.367,que é incorporada aqui por referência. Descrito resumidamente, no processode pulverização a arco de arame duplo, dois arames de carga de alimentaçãoagem como dois eletrodos consumíveis. Estes arames estão isolados um dooutro conforme eles são alimentados ao bocal de pulverização de injetor cepulverização em uma forma similar aos injetores de chama de arame. Osarames se encontram no centro de uma corrente de gás gerada no bocal. Umarco elétrico é iniciado entre os arames, e a corrente correndo através dosarames faz com que suas extremidades se fundam. Um gás de atomizaçãocomprimido, geralmente ar, é direcionado através do bocal e através da zonado arco, cisalhando as gotas fundidas para formar um pulverizador que épropelido sobre o substrato. Somente a carga de alimentação de arame demetal pode ser usada em um sistema de pulverização a arco porque a carga dealimentação deve ser condutiva. As altas temperaturas da partícula criadaspelo injetor de pulverização produzem zonas de solda minuciosas no ponto deimpacto em um substrato metálico. Em conseqüência, tais revestimentos depulverização a arco elétrico (referidos às vezes aqui como "camadas deancoragem") têm boa resistência coesiva e uma ligação adesiva muito boa aosubstrato.

Camadas pulverizadas a arco térmico de uma variedade decomposições podem ser depositadas em um substrato de espuma metálica deacordo com a presente invenção utilizando, sem limitação, cargas dealimentação dos seguintes metais e misturas de metal: Ni, Ni/Al, Ni/Cr,Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al,Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fé/Ni/Cr, aço inoxidável da série 300 e 400, eopcionalmente, misturas de um ou mais dos mesmos. Em uma modalidade, acamada pulverizada a arco térmico pode compreender níquel e alumínio. Oalumínio pode compreender de cerca de 3 a 10%, opcionalmente de cerca de 6a 8 por cento, do peso combinado de níquel e de alumínio na camadapulverizada em arco térmico.Em uma modalidade da presente invenção, uma camadarefratária resistente em alta temperatura da área de superfície elevada pode serrevestida sobre uma camada pulverizada a arco térmico. As camadasrefratárias de área de superfície elevada úteis incluem um ou mais óxidosrefratários. Estes óxidos incluem, por exemplo, sílica e óxido de metal talcomo alumina, incluindo formas de óxido misturado tais como silício-alumina, aluminossilicatos que podem ser amorfos ou cristalinos, alumina-zircônia, alumina-cromo, alumina-céria e o semelhante. Em uma outramodalidade, o suporte pode substancialmente ser compreendido de aluminaque inclui preferivelmente os membros da família alumina ativada ou gama,tais como aluminas eta e gama, e, se presente, de uma quantidade menor dooutro óxido refratário, por exemplo, até cerca de 20% em peso.Desejavelmente, a alumina ativada tem uma área de superfície específica de30 a 300 m2/g.

Outros materiais apropriados para a camada refratária de óxidode metal incluem a alumina, o silício, a titânia, a titânia-alumina, o silício-alumina, aluminossilicatos, a zircônia, titânia-zircônia, o óxido de alumínio-zircônio, o óxido de alumínio-cromo, a bário-alumina, etc. Tais materiais sãousados preferivelmente em suas formas de área de superfície elevada. Porexemplo, a gama-alumina é preferida sobre a alfa-alumina. Alternativamente,a camada refratária pode ser produzida de quaisquer materiais refratáriosapropriados tais como a cordierita, a alumina de alfa-cordierita, o nitreto desilício, a mulita de zircônia, o espodumeno, a magnésia de alumina-silício, osilicato de zircônio, a esilimanita, os silicatos de magnésio, o óxido dezircônio, a petalita, a alfa alumina e os aluminossilicatos. Em uma modalidadeda presente invenção a camada refratária pode ser selecionada do grupo queconsiste em óxidos refratários tais como a alumina, a titânia, a zircônia, azircônia-alumina, a zircônia-titânia, a titânia-alumina, o lantana-alumina, abária-zircônia-alumina, o nióbia-alumina, e a cordierita lixiviada com sílica.A camada refratária do óxido de metal é preferivelmenteporosa na natureza e tem uma área de superfície elevada tal como a alumina,preferivelmente gama-alumina. A escolha do material de suporte não é críticaà invenção. Desejavelmente, o suporte de óxido de metal refratário tem umaárea de superfície entre cerca de 5 a cerca de 350 m2/g. Tipicamente, osuporte irá estar presente na quantidade de cerca de 1,5 a cerca de 5,0 g/in3,preferivelmente 2 a 4 g/in .

Opcionalmente, a jusante do filtro particulado o sistema detratamento da emissão da presente invenção pode incluir um elementocatalítico adicional ou catalisador de limpeza para o tratamento e/ou aconversão de quaisquer contaminantes restantes da emissão na corrente do gásde escapamento. Geralmente, qualquer catalisador conhecido para tratar e/ouconverter contaminantes da emissão pode ser usado como o elementocatalítico a jusante ou catalisador de limpeza. Por exemplo, o componente docatalisador de limpeza pode ser, por exemplo, um catalisador de oxidação ouum catalisador de conversão de três vias (TWC). Tipicamente, o elementocatalítico a jusante ou catalisador de limpeza é revestido como umcomposição de revestimento reativo em um veículo do substrato, porexemplo, um monólito de fluxo livre.

Os catalisadores de oxidação úteis como o elemento catalíticoa jusante ou catalisador de limpeza são descritos acima. Resumidamente, acomposição de revestimento reativo do catalisador de oxidação pode conteragentes catalíticos do metal de base, agentes catalíticos de metal do grupoplatina ou combinações de ambos que são suportados em óxidos de metalrefratários, por exemplo, alumina ativada. Os agentes catalíticos do metal debase podem incluir óxidos de metal de terra rara, particularmente óxido delantânio, óxido de cério e óxido de praseodímio. Os agentes catalíticospreferidos do metal do grupo platina podem incluir a platina, o paládio, oródio e as combinações dos mesmos. Os óxidos de metal refratários úteispodem incluir a sílica, a alumina, a gama-alumina, a titânia, a zircônia, asílica-alumina e a céria-zircônia. Opcionalmente, a composição catalítica decomposição de revestimento reativo igualmente pode conter outros aditivostais como promotores e estabilizantes.

Em outra modalidade, o elemento catalítico a jusante doelemento ou catalisador de limpeza da presente invenção pode ser umcatalisador de conversão de três vias (TWC). Os catalisadores de TWC sãoconhecidos na técnica e podem simultaneamente catalisar a oxidação doshidrocarbonetos e o monóxido de carbono e a redução de óxidos de nitrogênioe de óxidos de enxofre em uma corrente de gás de escapamento. Catalisadoresconhecidos que exibem uma boa atividade e longa duração compreende umou mais metais do grupo da platina (por exemplo, platina, paládio, ródio,rênio e índio) dispostos em uma área de superfície elevada, suporte refratáriode óxido de metal, por exemplo, revestimento de alumina da área desuperfície elevada. O suporte é realizado em um veículo ou substrato tal comoum veículo monolítico que compreende uma estrutura em forma de colméiade metal ou cerâmica refratária, ou partículas refratárias tais como as esferasou pequenos segmentos extrudados de um material refratário apropriado. Ossuportes de óxido de metal refratário podem ser estabilizados contra adegradação térmica por materiais tais como a zircônia, titânia, óxidos demetal alcalino tais como a bário, cálcio ou estrôncio ou, o mais geralmente,óxidos de metal de terra rara, por exemplo, céria, lantana e misturas de 2 oumais óxidos de metal de terra rara. Por exemplo, ver Patente US 4.171.288 deC.D. Keith et al.

Os catalisadores de TWC são formulados atualmente com ascomposições complexas de composição de revestimento reativo que contêmAl2O3 estabilizado, um componente do armazenamento de oxigênio,primeiramente uma céria, e componentes catalíticos de metal precioso. Taiscatalisadores são projetados para ser eficazes sobre uma faixa defuncionamento específica dos ambos condições pobres de, e ricas de,estequiométricas. O termo "componente de armazenamento do oxigênio" éusado para designar um material que acredita-se ser capaz de ser oxidadodurante ciclos (pobres) rico em oxigênio do gás que é tratado e que libera ooxigênio durante ciclos (ricos) pobres em oxigênio. Os componentes dearmazenamento do oxigênio assim como materiais de suporte de alumina sãosuscetíveis à degradação térmica em altas temperaturas de funcionamentogeradas pelos pequenos motores automotivos e pela direção em rodovias emalta velocidade, e tal degradação térmica afeta adversamente a estabilidade docatalisador e a eficácia dos metais preciosos usados aqui. Além disso,tentativas de melhorar a economia de combustível usando relações de ar paracombustível ("A/F") maiores que as características estequiométricas, e/ou deretirada do combustível, geram uma gás de escapamento (rico em oxigênio)pobre. As altas temperaturas do gás de escapamento e as condições do gáspobre aceleram a deterioração da platina e os catalisadores do ródio, visto quea platina é aglomerada mais facilmente, e o ródio interage mais fortementecom os materiais de suporte tal como a alumina, em tais condições.

O outro catalisador de TWC conhecido na técnica pode serusado na prática da presente invenção. Por exemplo, as Patentes US4.476.246, 4.591.578 e 4.591.580, incorporados aqui por referência, revelamas composições do catalisador de três vias que compreendem a alumina, acéria, um promotor de óxido de metal alcalino, e metais nobres. Patentes US3.993.572 e 4.157.316, incorporadas aqui por referência, descrevem tentativasde melhorar a eficiência do catalisador de sistemas TWC baseados em Pt/Rhincorporando uma variedade de óxidos de metal, por exemplo, terra rara taiscomo céria e óxidos de metal de base tais como óxidos de níquel. Patente US4.591.578 revela um catalisador compreendendo um suporte de alumina comcomponentes catalíticos consistindo essencialmente de um componentelantana, céria, um óxido de metal alcalino, um metal do grupo platina. PatenteUS 4.591.580 revela um catalisador de metal do grupo platina suportado emalumina modificado para incluir estabilização do suporte por lantana ouóxidos de terra rara ricos em lantana, promoção dupla por céria e óxidos demetal alcalino e opcionalmente óxido de níquel.

Outro catalisador de TWC útil é revelado na Patente US4.294.726, incorporada aqui por referência, o qual revela uma composição decatalisador de TWC contendo platina e ródio obtida impregnando um materialveicular de gama-alumina com uma solução aquosa de sais de céria, zircônioe ferro ou mistura de alumina com óxidos de, respectivamente, cério, zircônioe ferro, e então calcinar o material a 500 a 700°C em ar após o qual o materialé impregnado com uma solução aquosa de um sal de platina e um sal de ródioseco e subseqüentemente tratado em um gás contendo hidrogênio em umatemperatura de 250 a 650°C. A alumina pode ser termicamente tratada comcompostos de cálcio, estrôncio, magnésio ou bário. O tratamento com óxidode céria-zircônia-ferro é seguido impregnando o material veicular tratado comsais aquosos de platina e ródio e então calcinar o material impregnado.

Em outro exemplo, Patente US 4.965.243, incorporada aquipor referência, revela um método para melhorar a estabilidade térmica de umcatalisador de TWC contendo metais preciosos incorporando um composto debário e um composto de zircônio junto com céria e alumina. Isso é reveladopara formar uma porção catalítica para melhorar a estabilidade da composiçãode revestimento reativo de alumina sob exposição à alta temperatura.

Tipicamente, o elemento catalítico a jusante ou catalisador delimpeza é revestido sobre veículos metálicos ou de cerâmica (tais comosubstratos de monólito de fluxo livre em forma de colméia descritos em maisdetalhe aqui abaixo) sob os quais as composições de revestimento reativacatalíticas podem ser depositadas. Como discutido acima, o veículo usadonesse aspecto da invenção deve ser relativamente inerte com relação àcomposição catalítica dispersa no mesmo. Os veículos preferidos sãocompreendidos de materiais tipo cerâmica tais como cordierita, a-alumina,nitreto de silício, zircônia, mulita, espodumeno, alumina-sílica-magnésia ousilicato de zircônio, ou de metais refratários tal como aço inoxidável. Osveículos são preferivelmente do tipo algumas vezes referidos como veículosmonolíticos ou em forma de colméia, compreendendo um corpo cilíndricounitário tendo uma pluralidade de passagens de fluxo de gás substancialmenteparalelas, finas que se estendem através do mesmo e conectando ambasextremidade-faces do veículo para fornecer um tipo de "fluxo livre" deveículo. Tais veículos monolíticos podem conter até cerca de 700 ou maiscanais de fluxo ("células") por polegada quadrada de seção transversal,embora bem menos possa ser usado. Por exemplo, o veículo pode ter cerca de7 a 600, mais usualmente de cerca de 200 a 400, células por polegadaquadrada (6,45 cm ) ("cpsi"). Veículos de fluxo livre são preferidos comosubstratos para o segundo catalisador. Em uma modalidade preferida, oelemento catalítico a jusante ou catalisador de limpeza da presente invenção érevestido em um veículo de fluxo livre tendo uma densidade celular de cercade 100 a 400 cpsi (6,45 cm ). O uso de um veículo de fluxo livre de densidadecelular mais alta é possível porque o elemento catalítico ou catalisador delimpeza está a jusante do filtro particulado ou filtro de fuligem, e desse modo,obstrução dos canais de fluxo livre pela matéria particulada não é mais umapreocupação principal. As células podem ter seções transversais que sãoretangulares, quadradas, circulares, voais, triangulares, hexagonais, ou são deoutras formas poligonais.

Claims (14)

1. Sistema de tratamento de escapamento para tratar umacorrente de gás de escapamento produzida por um motor a diesel,caracterizado pelo fato de que compreende:(a) um catalisador de oxidação a montante;(b) um elemento catalítico de oxidação a jusante para posteriortratamento de contaminantes de emissão gasosa remanescente na corrente degás de escapamento e(c) um filtro particulado localizado a jusante de ditocatalisador de oxidação a jusante e a montante de dito elemento catalítico deoxidação a jusante.

2. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito filtro particulado é umsubstrato de espuma, malha ou tela.

3. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 2, caracterizado pelo fato de que dito filtro particulado é umfiltro particulado de espuma metálico e em que dito filtro de espuma metálicoé revestido com uma camada metálica pulverizada a arco térmico e umacamada de óxido refratário selecionada do grupo que consiste de óxidosrefratários tais como alumina, gama-alumina, titânia, zircônia, zircônia-alumina, zircônia-titânia, titânia-alumina, lantana-alumina, bária-zircônia-alumina, nióbia-alumina, e cordierita lixiviada com sílica.

4. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito filtro particulado érevestido com um catalisador de queima de fuligem para regeneração dafunção de captura de dito filtro particulado.

5. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito elemento catalítico deoxidação a jusante compreende um catalisador para posterior tratamento decontaminantes de emissão gasosa remanescentes na corrente de gás deescapamento e segundo o qual dito catalisador é depositado em um substratode fluxo livre em colméia metálico ou cerâmico.

6. Sistema de tratamento de escapamento para tratar umacorrente de gás de escapamento produzida por um pequeno motor a diesel,caracterizado pelo fato de que compreende:(a) um catalisador de oxidação a jusante depositado em umsubstrato de fluxo livre em colméia metálico ou cerâmico;(b) um filtro particulado parcial localizado a jusante de ditocatalisador de oxidação.

7. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 6, caracterizado pelo fato de que dito filtro particulado parcial éum filtro particulado de espuma, malha ou tela.

8. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que dito filtro particulado parcial éum filtro particulado de espuma metálico.

9. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 8, caracterizado pelo fato de que ainda compreende umelemento catalítico localizado a jusante de dito filtro particulado parcial, esegundo o qual dito elemento catalítico compreende um catalisador paraposterior tratamento de contaminantes de emissão gasosa remanescentes nacorrente de gás de escapamento e segundo o qual dito catalisador é depositadoem um substrato de fluxo livre em colméia metálico ou cerâmico.

10. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 8, caracterizado pelo fato de que dita espuma metálica érevestida com uma camada metálica pulverizada a arco térmico e uma camadade óxido refratário selecionada do grupo que consiste de óxidos refratáriostais como alumina, gama-alumina, titânia, zircônia, zircônia-alumina,zircônia-titânia, titânia-alumina, lantana-alumina, bária-zircônia-alumina,nióbia-alumina, e cordirerita de sílica lixiviada.

11. Sistema de tratamento de escapamento de acordo com areivindicação 6, caracterizado pelo fato de que dito filtro particulado parcial érevestido com um catalisador de queima de fuligem para regeneração dafunção de captura de dito filtro particulado.

12. Método para tratar emissões de corrente de gás deescapamento de um motor a diesel, em que dita corrente de gás deescapamento compreende óxidos de nitrogênio (NOx) e matéria particulada,caracterizado pelo fato de que dito método compreende as etapas de:(a) fornecer um sistema de tratamento de emissãocompreendendo um catalisador de oxidação a montante, uma seção central dofiltro particulado parcial e um elemento catalítico de oxidação a jusante;(b) escoar dito gás de escapamento de dito motor a dieselseqüencialmente através de dito catalisador de oxidação a montante, dito filtroparticulado e dito elemento catalítico de oxidação a jusante.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que dito filtro particulado é um filtro particulado de espumametálico.

14. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que dita corrente de gás de escapamento é de um pequeno motora diesel selecionado do grupo que consiste de motores estacionários,geradores marinhos, unidades de geração de energia elétrica, ou motores deveículo de 2 ou 3 rodas e segundo o qual dito sistema de tratamento deemissão é um sistema integrado.