CN110612152A - 免受缺氧废气的催化剂保护系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于减少废气流排放的排气净化系统，所述系统包括氧气检测系统；催化剂；和空气注射系统，其置于所述氧气检测系统与所述催化剂之间，用来在指定废气条件下将空气注入所述废气流，以保护所述催化剂免受缺氧条件。

Description

免受缺氧废气的催化剂保护系统
发明背景
对减少有害副产物排放的需要和提高燃料经济性不断增加的压力对于内燃机是持续的挑战。柴油发动机产生大体上含有至少四类被全世界的政府间组织立法针对的污染物的废气排放：一氧化碳(CO)，未燃烧烃(HC)，氮氧化物(NOx)和微粒物质(PM)。存在各种排放控制装置以处理每种类型的污染物中的一种或多种。这些排放控制装置通常被组合为排气系统的部分以确保所有四类污染物在废气排放入环境之前被处理。
在某些条件下，废气流可包括低氧气水平。然而，一些排放控制装置可能包括可在缺氧废气环境中受损害或失活的催化剂。因此，需要保护这类催化剂免受缺氧条件。
发明内容
根据本发明的一些实施方案，用于减少废气流排放的排气净化系统可包括氧气检测系统；催化剂；和空气注射系统，其置于氧气检测系统与催化剂之间，用来在指定废气条件下将空气注入废气流，以保护催化剂免受缺氧条件。在一些实施方案中，氧气检测系统包括氧气传感器。氧气检测系统可为安装于废气的。在一些实施方案中，氧气检测系统包括来源于发动机控制单元的信号。在一些实施方案中，催化剂包括诸如冷启动催化剂的NOx储存催化剂。
在一些实施方案中，指定废气条件包括低于最低氧水平的废气流氧水平。最低氧水平可包括高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需氧气水平的氧气水平。在一些实施方案中，最低氧水平包括约1重量％氧气或更高，或约10重量％氧气。在某些实施方案中，可运行空气注射系统以在催化剂的上游注入空气，从而防止催化剂内λ比低于约1.1。
根据本发明的一些实施方案，用于减少废气流排放的排气净化系统包括氧气检测系统；催化剂；空气注射系统，其置于氧气检测系统与催化剂之间；和控制器，其包括在检测到废气流氧水平低于最低氧水平时将空气注入废气流的指令，以便保护催化剂免受缺氧条件。
在一些实施方案中，最低氧水平包括高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需氧气水平的氧气水平。在一些实施方案中，最低氧水平包括约1重量％氧气或更高，或者约10重量％氧气或更高。
在某些实施方案中，控制器包括注入空气的指令，以使得在进入催化剂的废气流中维持高于约1.1的λ比。在一些实施方案中，控制器包括注入空气的指令，以使得进入催化剂的废气流氧水平被维持高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需的氧气水平。在一些实施方案中，控制器包括注入空气的指令，以使得在进入催化剂的废气流中维持高于最低氧水平的废气流氧水平。控制器可包括注入空气的指令，以使得在进入催化剂的废气流中维持高于约1重量％氧气的废气流氧水平，或使得在进入催化剂的废气流中维持高于约10重量％氧气的废气流氧水平。在一些实施方案中，空气注射系统包括阀，并且控制器包括响应于检测的废气流氧水平来操作阀的指令。
根据本发明的一些实施方案，减少废气流排放的方法包括检测催化剂上游的废气流中的氧水平；并且在指定废气条件下在催化剂的上游注入空气，以保护催化剂免受缺氧条件。在一些实施方案中，注入空气以调节催化剂上游的空燃比。例如，可注入空气以提供进入催化剂的废气流中的贫空燃比。在一些实施方案中，指定废气条件包括富空燃比。在一些实施方案中，注入空气以提供进入催化剂的废气流中高于最低氧水平的废气流氧水平。例如，可注入空气以提供进入催化剂的废气流中高于约1重量％氧气的氧水平，或提供进入催化剂的废气流中高于约10重量％氧气的氧水平。
附图简述
图1描绘出本发明的实施方案的系统构造。
发明详述
本发明的系统和方法涉及内燃机废气的净化。本发明具体而言涉及柴油发动机的废气的清洁化。
本发明的系统和方法包括用来监测废气流中氧水平的氧气检测系统、空气注射系统以及在暴露于缺氧废气条件时易于长期损害或失活的一种或多种催化剂。这些组件可一起工作以监测柴油发动机废气，并且在检测到废气流中的缺氧状态时，使空气注射到废气流中激活。这类系统和方法意图保护在暴露于缺氧条件时易于损害和/或失活的催化剂。如本文所述的催化剂保护系统和方法可用于补充发动机燃烧控制策略以防止富条件，或可用来使这些类型的催化剂适应原本未被设计成用它们运行的发动机(即，改型)。
本文中所使用的“上游”和“下游”是相对于从发动机且到大气的废气流动的方向。
氧气检测系统
本发明的系统可包括氧气检测系统，用来检测和监测废气流中的氧水平。废气流中的氧水平可通过任何合适的方法来检测，包括一种或多种传感器、诸如氧气传感器。氧气传感器可为安装于废气的(exhaust-mounted)。氧气检测可由具有氧气测量或检测能力的其他安装于废气的传感器来进行。氧气检测系统可包括来源于发动机控制单元的信号，其中可使用来自传感器和/或控制台的输入来计算氧水平。
氧气传感器可测量并提供关于废气流中氧水平的数据，所述数据可用来测定何时使空气注射到废气流中激活和/或失活。
氧气检测系统可以使得能够检测并监测在暴露于缺氧条件时易于损害和/或失活的催化剂的上游的废气流氧水平的方式定位并运行。
空气注射系统
本发明的系统包括空气注射系统。通过任何合适的方法将空气注入在暴露于缺氧条件时易于损害和/或失活的催化剂的上游。空气源可为例如周围空气、来自发动机进气歧管的空气和/或来自车辆压缩空气罐和/或系统的空气。
可使用气泵来提供环境空气。可通过受阀控制的注入管线将空气注入废气流。阀可受控制器控制，控制器可基于来自氧气检测系统的信息提供将空气注入废气流和停止空气注射的指令。例如，在检测到废气流氧水平低于最低氧水平时，控制器可提供指令以打开阀将空气注入废气流，以便保护催化剂免受缺氧条件。
催化剂
本发明的系统包括在暴露于缺氧条件时易于损害和/或失活的一种或多种催化剂。缺氧条件可被定义为可能使系统中的一种或多种催化剂损害和/或失活的氧水平。在一些实施方案中，缺氧条件可被定义为富空燃比条件。在一些实施方案中，缺氧条件可被定义为进入催化剂的废气流中低于约1重量％氧气、或进入催化剂的废气流中低于约10重量％氧气的氧水平。
在暴露于缺氧条件时可能易于损害和/或失活的催化剂的实例可包括NOx储存催化剂，诸如冷启动催化剂、被动NOx吸附器、NOx捕集器，和类似物。
NOx储存催化剂
NOx储存催化剂可包括根据大体取决于温度和/或富/贫废气条件的某些条件，吸附、释放和/或还原NOx的设备。NOx储存催化剂可包括例如被动NOx吸附器、冷启动催化剂、NOx捕集器和类似物。
被动NOx吸附器
本发明的系统可包括一种或多种被动NOx吸附器。被动NOx吸附器是处于低温或低于低温有效吸附NOx、并在高于低温的温度释放所吸附NOx的设备。被动NOx吸附器可包括贵金属和小孔分子筛。贵金属优选钯、铂、铑、金、银、铱、钌、锇或它们的混合物。优选地，低温为约200℃、约250℃或介于约200℃至约250℃之间。合适的被动NOx吸附器的实例描述于美国专利公布号20150158019中，所述专利以引用方式整体并入本文。
小孔分子筛可为任何天然或合成的分子筛，包括沸石，并优选由铝、硅和/或磷组成。分子筛通常具有通过共用氧原子连接的SiO4、AlO4和/或PO4的三维排列，但也可为二维结构。分子筛骨架通常为阴离子型，其被通常为碱金属和碱土金属元素(例如，Na、K、Mg、Ca、Sr和Ba)、铵离子以及质子的电荷补偿阳离子平衡。其他金属(例如，Fe、Ti和Ga)可被并入小孔分子筛的骨架以产生并入金属的分子筛。
优选地，小孔分子筛选自铝硅酸盐分子筛、金属取代的铝硅酸盐分子筛、铝磷酸盐分子筛或金属取代的铝磷酸盐分子筛。更优选地，小孔分子筛是具有以下骨架类型的分子筛：ACO、AEI、AEN、AFN、AFT、AFX、ANA、APC、APD、ATT、CDO、CHA、DDR、DFT、EAB、EDI、EPI、ERI、GIS、GOO、IHW、ITE、ITW、LEV、KFI、MER、MON、NSI、OWE、PAU、PHI、RHO、RTH、SAT、SAV、SIV、THO、TSC、UEI、UFI、VNI、YUG和ZON以及任意两种或更多种的混合物或共生物。小孔分子筛的特别优选的共生物包括KFI-SIV、ITE-RTH、AEW-UEI、AEI-CHA和AEI-SAV。最优选地，小孔分子筛是AEI或CHA，或AEI-CHA共生体。
合适的被动NOx吸附器可通过任何已知方式来制备。例如，可通过任何已知方式将贵金属加入小孔分子筛以形成被动NOx吸附器。例如，贵金属化合物(诸如硝酸钯)可通过浸渍、吸附、离子交换、初湿含浸、沉淀或类似方式负载于分子筛上。也可将其他金属加入被动NOx吸附器。优选地，被动NOx吸附器中贵金属中的一些(多于1％的所加总贵金属)位于小孔分子筛的孔内。更优选地，多于5％的贵金属的总量位于小孔分子筛的孔内；且甚至更优选可为大于10％或大于25％或大于50％的贵金属的总量位于小孔分子筛的孔内。
优选地，被动NOx吸附器进一步包括流通式基材或过滤器基材。被动NOx吸附器被涂布于流通式基材或过滤器基材上，并优选使用载体涂布程序沉积于流通式基材或过滤器基材上以产生被动NOx吸附器系统。
冷启动催化剂
本发明的系统可包括一种或多种冷启动催化剂。冷启动催化剂是处于低温或低于低温有效吸附NOx和烃(HC)、并在高于低温的温度转化并释放所吸附NOx和HC的设备。优选地，低温为约200℃、约250℃或介于约200℃至约250℃之间。合适的冷启动催化剂的实例描述于WO 2015085300中，所述专利以引用方式整体并入本文。
冷启动催化剂可包括分子筛催化剂和负载型铂族金属催化剂。分子筛催化剂可包括或基本上由贵金属和分子筛组成。负载型铂族金属催化剂包括一种或多种铂族金属和一种或多种无机氧化物载体。贵金属优选钯、铂、铑、金、银、铱、钌、锇或它们的混合物。
分子筛可为任何天然或合成的分子筛，包括沸石，并优选由铝、硅和/或磷组成。分子筛通常具有通过共用氧原子连接的SiO4、AlO4和/或PO4的三维排列，但也可为二维结构。分子筛骨架通常为阴离子型，其被通常为碱金属和碱土金属元素(例如，Na、K、Mg、Ca、Sr和Ba)、铵离子以及质子的电荷补偿阳离子平衡。
分子筛可优选为具有八个四面体原子的最大环尺寸的小孔分子筛，具有十个四面体原子的最大环尺寸的中孔分子筛，或具有十二个四面体原子的最大环尺寸的大孔分子筛。更优选地，分子筛具有AEI、MFI、EMT、ERI、MOR、FER、BEA、FAU、CHA、LEV、MWW、CON、EUO或它们的混合物的骨架结构。
负载型铂族金属催化剂包括一种或多种铂族金属(“PGM”)和一种或多种无机氧化物载体。PGM可为铂、钯、铑、铱或它们的组合，且最优选铂和/或钯。无机氧化物载体最常包括第2、3、4、5、13和14族元素的氧化物。可用的无机氧化物载体优选具有10至700m2/g范围内的表面积，0.1至4mL/g范围内的孔隙体积，以及约10至1000埃的孔隙直径。无机氧化物载体优选氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、二氧化铈、氧化铌、钽氧化物、钼氧化物、钨氧化物或者它们的任意两种或更多种的混合氧化物或复合氧化物，例如二氧化硅-氧化铝、二氧化铈-氧化锆或氧化铝-二氧化铈-氧化锆。特别优选氧化铝和二氧化铈。
负载型铂族金属催化剂可通过任何已知方式来制备。优选地，通过任何已知方式将一种或多种铂族金属装载于一种或多种无机氧化物上以形成负载型PGM催化剂，添加方式被认为并不特别关键。例如，铂化合物(诸如硝酸铂)可通过浸渍、吸附、离子交换、初湿含浸、沉淀或类似方式负载于无机氧化物上。还可将诸如铁、锰、钴和钡的其他金属加入负载型PGM催化剂。
本发明的冷启动催化剂可通过本领域众所周知的方法来制备。可以物理方式混合分子筛催化剂和负载型铂族金属催化剂而产生冷启动催化剂。优选地，冷启动催化剂进一步包括流通式基材或过滤器基材。在一个实施方案中，分子筛催化剂和负载型铂族金属催化剂被涂布于流通式基材或过滤器基材上，并优选使用载体涂布程序沉积于流通式基材或过滤器基材上以产生冷启动催化剂系统。
NOx捕集器
本发明的系统可包括一种或多种NOx捕集器。NOx捕集器是在贫废气条件下吸附NOx、在富条件下释放所吸附NOx并使释放的NOx还原形成N2的设备。
本发明的实施方案的NOx捕集器可包括用于储存NOx的NOx吸附剂和氧化/还原催化剂。通常，在氧化催化剂的存在下一氧化氮与氧气反应产生NO2。第二，NO2以无机硝酸盐形式被NOx吸附剂吸附(例如，在NOx吸附剂上BaO或BaCO3被转化成Ba(NO3)2)。最后，当发动机在富条件下运行时，储存的无机硝酸盐分解以形成NO或NO2，NO或NO2随后在还原催化剂的存在下通过与一氧化碳、氢气和/或烃(或经由NHx或NCO中间体)的反应被还原形成N2。通常，在废气流中烃、一氧化碳和热量的存在下，氮氧化物被转化成氮气、二氧化碳和水。
NOx吸附剂组分优选为碱土金属(诸如Ba、Ca、Sr和Mg)、碱金属(诸如K、Na、Li和Cs)、稀土金属(诸如La、Y、Pr和Nd)或它们的组合。这些金属通常被发现呈氧化物的形式。氧化/还原催化剂可包括一种或多种贵金属。合适的贵金属可包括铂、钯和/或铑。优选地，铂被包括以执行氧化功能，并且铑被包括以执行还原功能。氧化/还原催化剂和NOx吸附剂可被装载于诸如无机氧化物的载体材料上以用于排气系统中。
系统
本发明的系统被配置成减少废气流的排放。系统可包括氧气检测系统；催化剂；和空气注射系统，其置于氧气检测系统与催化剂之间，用来在指定废气条件下将空气注入废气流，以保护催化剂免受缺氧条件。如本文所描述的，催化剂可包括在暴露于缺氧废气条件时易于长期失活的配方。例如，催化剂可包括NOx储存催化剂，诸如冷启动催化剂、被动NOx吸附器、NOx捕集器，和类似物。
系统可包括氧气检测系统；催化剂；空气注射系统，其置于氧气检测系统与催化剂之间；和控制器，其包括在检测到废气流氧水平低于最低氧水平时将空气注入废气流的指令，以便保护催化剂免受缺氧条件。
系统的运行
减少废气流排放的方法可包括检测催化剂上游的废气流中的氧水平；并且在指定废气条件下在催化剂的上游注入空气以保护催化剂免受缺氧条件。在一些实施方案中，控制器可在检测到指定废气条件时提供将空气注入废气流的指令。
氧水平可通过氧气检测系统来检测，如上文所述，并且控制器可在检测到指定废气条件时向空气注射系统提供指令以将空气注入废气流，从而保护催化剂免受缺氧条件。
在一些实施方案中，指定废气条件包括富空燃比。可注入空气以调节催化剂上游的空燃比。例如，可注入空气以提供进入催化剂的废气流中的贫空燃比。在一些实施方案中，注入空气以使得在进入催化剂的废气流中维持低于约1.1的λ比。
在一些实施方案中，指定废气条件包括低于最低氧水平的废气流水平。在一些实施方案中，最低氧水平包括高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需氧气水平的氧气水平。在一些实施方案中，最低氧水平包括约1重量％或更高、约2重量％或更高、约5重量％或更高、约7重量％或更高、约10重量％或更高、约15重量％或更高、约20重量％或更高、约0.5重量％至约20重量％、约1重量％至约18重量％、约1重量％至约16重量％、约1重量％至约14重量％、约1重量％至约12重量％、约1重量％至约10重量％、约0.5重量％、约1重量％、约2重量％、约3重量％、约4重量％、约5重量％、约6重量％、约7重量％、约8重量％、约9重量％、约10重量％、约12重量％、约14重量％、约15重量％、约16重量％、约18重量％或约20重量％的量的氧气。
在一些实施方案中，可注入空气以使得在进入催化剂的废气流中维持高于最低氧水平的废气流氧水平。在一些实施方案中，可注入空气，以使得进入催化剂的废气流氧水平被维持高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需的氧气水平。
另外的组件
本发明的系统可包括适合实现针对特定废气流条件的所需排放控制的另外的组件。这类组件是本领域已知的，并且可包括选择性催化还原催化剂、还原剂注射器、氨泄漏催化剂、柴油氧化催化剂、颗粒物过滤器和类似物。

Claims (41)

1.用于减少废气流排放的排气净化系统，所述系统包括：
a.氧气检测系统；
b.催化剂；和
c.空气注射系统，其置于所述氧气检测系统与所述催化剂之间，用来在指定废气条件下将空气注入所述废气流，以保护所述催化剂免受缺氧条件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述氧气检测系统包括氧气传感器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述氧气检测系统是安装于废气的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述氧气检测系统包括来源于发动机控制单元的信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述催化剂包括NOx储存催化剂。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述催化剂包括冷启动催化剂。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述指定废气条件包括低于最低氧水平的废气流氧水平。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述最低氧水平包括高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需氧气水平的氧气水平。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述最低氧水平包括约1重量％氧气或更高。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述最低氧水平包括约10重量％氧气。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中运行所述空气注射系统以在所述催化剂的上游注入空气，从而防止所述催化剂内λ比低于约1.1。
12.用于减少废气流排放的排气净化系统，所述系统包括：
a.氧气检测系统；
b.催化剂；
c.空气注射系统，其置于所述氧气检测系统与所述催化剂之间；和
d.控制器，其包括在检测到废气流氧水平低于最低氧水平时将空气注入所述废气流的指令，以便保护所述催化剂免受缺氧条件。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述最低氧水平包括高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需氧气水平的氧气水平。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述最低氧水平包括约1重量％氧气或更高。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述最低氧水平包括约10重量％氧气。
16.根据权利要求12-15所述的系统，其中所述控制器包括注入空气的指令，以使得在进入所述催化剂的废气流中维持高于约1.1的λ比。
17.根据权利要求12-15所述的系统，其中所述控制器包括注入空气的指令，以使得进入所述催化剂的废气流氧水平维持高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需的氧气水平。
18.根据权利要求12-15所述的系统，其中所述控制器包括注入空气的指令，以使得在进入所述催化剂的废气流中维持高于所述最低氧水平的废气流氧水平。
19.根据权利要求12-15所述的系统，其中所述控制器包括注入空气的指令，以使得在进入所述催化剂的废气流中维持高于约1重量％氧气的废气流氧水平。
20.根据权利要求12-15所述的系统，其中所述控制器包括注入空气的指令，以使得在进入所述催化剂的废气流中维持高于约10重量％氧气的废气流氧水平。
21.根据权利要求12-20所述的系统，其中所述空气注射系统包括阀，并且其中所述控制器包括响应于检测的废气流氧水平来操作所述阀的指令。
22.根据权利要求12-21所述的系统，其中所述氧气检测系统包括氧气传感器。
23.根据权利要求12-22所述的系统，其中所述氧气检测系统是安装于废气的。
24.根据权利要求12-23所述的系统，其中所述氧气检测系统包括来源于发动机控制单元的信号。
25.根据权利要求12-24所述的系统，其中所述催化剂包括NOx储存催化剂。
26.根据权利要求12-25所述的系统，其中所述催化剂包括冷启动催化剂。
27.减少废气流排放的方法，所述方法包括：
a.检测催化剂的上游的废气流中的氧水平；
b.在指定废气条件下在所述催化剂的上游注入空气，以保护所述催化剂免受缺氧条件。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述氧水平通过安装于废气的氧气传感器来检测。
29.根据权利要求27-28所述的方法，其中所述氧水平通过来源于发动机控制单元的信号来检测。
30.根据权利要求27-29所述的方法，其中所述催化剂是NOx储存催化剂。
31.根据权利要求27-30所述的方法，其中所述催化剂是冷启动催化剂。
32.根据权利要求27-31所述的方法，其中注入所述空气以调节所述催化剂的上游的空燃比。
33.根据权利要求27-32所述的方法，其中注入所述空气以提供进入所述催化剂的废气流中的贫空燃比。
34.根据权利要求27-33所述的方法，其中所述指定废气条件包括富空燃比。
35.根据权利要求27-34所述的方法，其中所述指定废气条件包括低于最低氧水平的废气流氧水平。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述最低氧水平包括高于所有注入发动机和排气系统的燃料完全燃烧所需氧气水平的氧气水平。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述最低氧水平包括约1重量％氧气或更高。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述最低氧水平包括约10重量％氧气。
39.根据权利要求27-38所述的方法，其中注入所述空气以提供进入所述催化剂的废气流中高于所述最低氧水平的废气流氧水平。
40.根据权利要求27-38所述的方法，其中注入所述空气以提供进入所述催化剂的废气流中高于约1重量％氧气的氧水平。
41.根据权利要求27-38所述的方法，其中注入所述空气以提供进入所述催化剂的废气流中高于约10重量％氧气的氧水平。
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