CN101184909B - 内燃机废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机废气净化装置，它具有一个带有催化活性层(8)的微粒过滤器(4)。该催化活性层有一种载体材料(9)以及一种与载体材料连接至少位于其表面上的含铁材料(10)。载体材料为铝硅酸盐或者氧化硅。

Description

内燃机废气净化装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机废气净化装置。此外，本发明还涉及一种内燃机排气装置。
背景技术
编号为DE 37 16 446 A1的德国专利公布了一种柴油机烟灰催化过滤器，该过滤器具有一种金属掺杂的沸石所构成的催化活性涂层。沸石优选带有元素周期表IB、IIB、VB、VIB或者VIIB族中的一种金属或者这些金属的组合物，所使用的优选是镍、铜、锰、钒、银或者这些金属的组合物。
但这种已公布的过滤器仍然存在问题，即只有当添加还原剂的时候，才能发挥预期的作用，此方法花费比较大。这种已公布的微粒过滤器还有另一个弱点，即只有当温度高于400℃时，才会将废气中所含的一氧化氮(NO)分子转变成N2，这需要将这种微粒过滤器安装在非常靠近发动机的位置上，或者在排气管中产生高温。
为DE 37 31 889 A1所描述的是一种柴油机烟灰微粒过滤器，其中有一个过滤元件作为催化剂的载体，催化剂至少使用一种金属氧化物制成。载体由一种陶瓷或金属泡沫体制成，其微孔表面通常涂有Ib、Vb、Vib、VIIb族或者Fe族的一种或多种金属氧化物涂层。但这种微粒过滤器的NOx降低效果也不能令人满意。
在普通现有技术中公开的废气净化方法和装置通常均必须使用附加的还原剂，例如尿素或者碳氢化合物，以转化NOX，这不仅要额外的花费，成本也比较高。
发明内容
因此本发明的任务就是提供一种即使在较低温度下也能有极好净化效果的内燃机废气净化装置，并且无需附加还原剂。
本发明的任务已通过一种内燃机的废气净化装置加以解决，其配有带有催化活性层的微粒过滤器，且催化活性层具有载体材料以及与载体材料连接且至少位于其表面上的含铁材料，载体材料为铝硅酸盐或者氧化硅，借助粘结剂使载体材料与微粒过滤器连接，粘结剂是氧化铈。
意想不到的是，一种与载体材料连接且位于其表面上的含铁材料可作为催化活性物质，并且具有极好的转化废气的效果。因此可确定，在本发明所述的催化活性层化的作用下，可以促使氮氧化物与存在于废气中的碳黑微粒产生反应，并且当温度大约为220℃时，就已经将NOX还原成N2，即生成了氮气，排出净化装置的废气中几乎不再含有有害的NO分子，同时无需附加还原剂。
在此将废气中所含的碳黑微粒以公知的方式截留在微粒过滤器上，因此可阻止其从安装有本发明所述的净化装置的排气管中排出。被截留在微粒过滤器微孔上的碳黑微粒同时用于上述还原氮氧化物的作用，从而使得碳黑含量增加的程度远远低于已知的微粒过滤器，因此明显少地需要对其进行再生处理。具有含铁材料的催化层除了能够触发这些反应之外，还有能够降低碳黑点燃温度的优点。
其化学反应式如下：
2NO+C-＞N2+CO2
以及
2NO2+2C-＞N2+2CO2
尤其值得一提的是，本发明可以同时还原内燃机废气中的氮氧化物，并且使碳黑产生氧化反应，从而获得非常好的废气净化效果，因此能够满足严格的废气排放极限值要求。
载体材料是某种铝硅酸盐或者氧化硅，因此载体材料表面上含铁材料的分布极其细，从而使得反应活性显著提高。
当使用沸石作为载体材料时，碳黑-NOx的转化效果特别好。
此外也可将晶格结构类型为MCM41或者MCM48的氧化硅用作载体材料。这样也能实现非常好的碳黑-NOx转化效果。
经研究发现，当含铁材料中含有氧化铁时，对催化反应特别有利。氧化铁是一种非常好的碳黑氧化催化剂，并且没有毒性。
在此特别有利的是，含铁材料100％由氧化铁组成。
此外如果含铁材料有纯铁，预期也有很好的净化效果。
这里同样也可用100％的纯铁组成含铁材料。
当催化活性层含有贵金属时，能够观察到废气成份的反应可以得到改善，因此会有特别好的净化效果。
经研究发现，贵金属铂，尤其是钯的效果特别好。
本发明还提出一种内燃机排气装置，其上配有本发明所述的废气净化装置。
附图说明
以下是依据附图表述本发明的实施例。
其中：
附图1  一种具有排气管的内燃机，排气管中安装有本发明所述的内燃机废气净化装置；以及
附图2  本发明的优选设计型式的层结构示意图。
具体实施方式
一种装有排气装置2的内燃机1，排气装置上配有排气管2a，内燃机1中以已知方式所产生的废气通过排气管排出。在排气管2a中安装有内燃机1的废气净化装置3，详细说明如下。内燃机1优选是一种根据柴油机原理工作的内燃机，其废气中含有碳黑微粒以及其它有害物质。
装置3具有一种示意示出的微粒过滤器4，该过滤器优选由陶瓷组成，如碳化硅，但也可以由氧化铝或者其它合适的材料组成。微粒过滤器4本身具有多个交替侧封闭的进气道5和排气道6。因此所涉及的是一种交替通道系统。此外替换地也可选用具有任何通道形式和几何形状的开放式系统。进气道5和排气道6通过虚线所表示的相应管壁7相互隔开，使得废气7必须流过壁7，以从进气道5进入排气道6，并且以这种方式离开微粒过滤器4。微粒过滤器4的壁7的材料以已知方式制成微孔状，使得气体形式的废气成份能够流过壁7，但碳黑微粒被截留在此处，或者被分离出来。
如图2所示，微粒过滤器4或者构成该过滤器的壁7设有催化活性层8，该层具有一种载体材料9以及一种与载体材料9连接且位于其表面上的含铁材料10。催化活性层8的载体材料9借助一种粘结剂11与微粒过滤器4连接，所使用的粘结剂优选是氧化硅。粘结剂11一方面与微粒过滤器4的材料相结合，另一方面也使得催化活性层8具有充分的附着力，可作为粘结剂使用的例如也可以是氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)或者其它合适的材料。可以使用已知方法(以下将不再详细解释)，通过粘结剂11使催化活性层8与微粒过滤器4连接。也可以不使用粘结剂11。图2中所示的层厚仅是示例。
在装置3的一种设计形式中，含铁材料10可以含有氧化铁，在这种情况下，含铁材料10可以100％由氧化铁组成。替换地含铁材料10同样也可以有纯铁或者100％由纯铁组成。此外，也可以将氧化铁和纯铁的混合物用来构成含铁材料10。含铁材料10中还可以含有钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜、锌、锆、铌、钨和/或者铼，其中氧化铁或者纯铁始终是含铁材料10的主要成份
可以采用已知的离子交换法使含铁材料7与载体材料9连接，也可以借助涂层法使载体材料9与含铁材料10连接。
在本情况下，催化活性层8除了具有载体材料9和含铁材料10之外，还含有某种贵金属12，这种贵金属在本情况下被作为附加层涂覆在催化活性涂层8上。也可以用未示出的方式将贵金属12分布在催化活性涂层8之中。用作贵金属12的优选是钯或者铂，但也可以使用钌、铑、银、锇、铱或者金。贵金属12可以作为氧化物或者单质元素的形式存在。
载体材料9优选由非晶体或者晶体铝硅酸盐组成，例如β-沸石、Y类型的沸石或者ZSM5类型的沸石。用含铁材料10对这种表面积极大的微孔载体材料9进行改性，从而含铁材料10就会细地分布在至少几乎于载体材料9的整个表面上。实践证明，晶型β-沸石特别适用，因为其置于废气中的时间即使较长，也不会发生分解，且能够与含铁材料10共同促使催化活性层8发挥极好的效果。此外也可将非晶体氧化硅(SiO2)用于载体材料9，其中例如其晶格结构可以是MCM41类型。
装置3的作用原理如下：废气中所含的碳黑微粒沉积在微粒过滤器4上，并且在催化活性层8的作用下将废气中所含的NO2和NO分子还原成N2分子，同时还可将构成碳黑微粒主要成份的碳氧化成为CO2。适用下列反应方程式，或者至少其中某一个反应方程式：
2NO+C-＞N2+CO2
以及
2NO2+2C-＞N2+2CO2
这就意味着，离开装置3的废气中NOX分子含量明显减少，且主要包含N2分子，同时可在微粒过滤器4上分离出碳黑微粒，并且可通过NO和NO2使之氧化。在催化活性层8中的含铁材料7的作用下，上述反应过程在温度大约为220℃时就已发生，因此无需将装置3安装在特别靠近内燃机1之处或在排气管2a之中额外加入还原剂。只借助一个装置3，即可从内燃机1的废气中去除有有害物质NOX和碳黑。
此外，如图1所示，还可以在装置3前端再连接一个附加的市场上能够买到的氧化催化转换器13，例如基于铂和/或者钯的催化转换器，用来使存在于废气中的NO变为更具活性的NO2。氧化催化转换器13的另外一个作用就在于使碳氢化合物和CO发生氧化反应。由于碳氢化合物可能会蓄积在沸石中，因此这种方法可防止出现沸石失效的风险。

Claims (17)

1.内燃机(1)的废气净化装置(3)，配有带有催化活性层(8)的微粒过滤器(4)，且催化活性层(8)具有载体材料(9)以及与载体材料(9)连接且至少位于其表面上的含铁材料(10)，载体材料(9)为铝硅酸盐或者氧化硅，其特征为：借助粘结剂(11)使载体材料(9)与微粒过滤器(4)连接，粘结剂(11)是氧化铈。
2.权利要求1所述的装置，
其特征为：载体材料(9)是沸石。
3.权利要求1所述之装置，
其特征为：载体材料(9)是晶格结构类型为MCM41或者MCM48的氧化硅。
4.权利要求1、2或者3所述的装置，
其特征为：含铁材料(10)含有氧化铁。
5.权利要求4所述的装置，
其特征为：含铁材料(10)为100％的氧化铁。
6.权利要求1、2或者3所述的装置，
其特征为：含铁材料(10)含有纯铁。
7.权利要求6所述的装置，
其特征为：含铁材料(10)为100％的纯铁。
8.权利要求1～3之一所述的装置，
其特征为：借助涂层使含铁材料(10)与载体材料(9)连接。
9.权利要求1～3之一所述的装置，
其特征为：通过离子交换法使含铁材料(10)涂覆在载体材料(9)上。
10.权利要求1～3之一所述的装置，
其特征为：催化活性层(8)含有某种贵金属(12)。
11.权利要求10所述的装置，
其特征为：将贵金属(12)作为附加层施加在催化活性层(8)上。
12.权利要求10所述的装置，
其特征为：贵金属(12)分布在催化活性层(8)之中。
13.权利要求10所述的装置，
其特征为：贵金属(12)为铂或者钯。
14.权利要求2所述的装置，
其特征为：沸石(9)是β-沸石。
15.权利要求1～3之一所述的装置，
其特征为：陶瓷或者金属制成的微粒过滤器(4)具有一种交替通道系统或者开放式系统。
16.内燃机(1)的排气装置(2)，设有排气管(2a)以及权利要求1～15之一所述的用于净化废气的安装于排气管(2a)中的装置(3)。
17.权利要求16所述的排气装置，
其特征为：装置(3)前端连接有氧化催化转换器(13)。
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