CN1205652A - 发动机废气处理装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

一种废气处理装置及其应用方法,其中包括上游催化剂和下游催化剂。上游催化剂含有一种至少能用于氧化废气流中的碳氢化合物的催化金属,它优选含有钯催化成分并基本上不含诸如铈、钴、铁、镁、钼、镍、镨、钨和钒的氧化物的氧气存储成分,但下游催化剂含有一种氧气存储成分。优选地,上游催化剂是一种一体化催化剂。下游催化剂可以是底架催化剂或一体化催化剂,在后一种情况下,优选具有附加的底架催化剂。

Description

发动机废气处理装置及应用方法

本申请是1994年12月6日提交的美国专利申请序列号08／350，297的部分接续申请。

本发明涉及用于处理发动机废气以减少其中所含污染物的装置及方法。更明确地说，本发明涉及含有两种不同类型催化剂的装置，其中一种可以是不含氧气存储成分的“一体化催化剂”。

诸如催化转化器的机动车废气处理装置通常都被置于车辆底架位置。但是，当发动机废气通过一根排放管到达底架位置时，其温度明显低于发动机出口或其附近的温度。于是在废气使催化剂加热至其半转化(light-off)温度之前，有一个明显的低转化活力阶段。因此，在发动机操作的低温启动阶段将明显地排出未被转化的废气。然而，日益严格的政府排放标准要求减少低温启动排放。特别地，加利福尼亚资源委员会(CARB)已经宣布了新的超低车辆废气排放标准，它将禁止车辆排放高于每英里0．04克的非甲烷碳氢化合物，每英里1．7克的一氧化碳及每英里0．2克的NO_X。对于大部分机动车来说，大部分(将近80％)的碳氢化合物排放发生在美国联邦检测规程(“FTP”)的第一阶段，其中包括发动机操作的低温启动阶段，该规程要求在一段特定的时间内模拟低温启动、加热、加速、行驶、减速以及相似的发动机操作方式。目前正在开发各种技术以减少低温启动阶段的碳氢化合物排放，其中包括已经公开的一体化催化剂的使用，例如参见Ball，D．J．，“Distribution ofWarm-Up and Underfloor Catalyst Volumes”，SAE 922338。已经有报道说一体化催化剂，特别是含Pt催化剂在FTP操作周期的低温启动阶段用于减少HC排放是有效的。

一体化催化剂，也被称作“precat”和“加热”催化剂的基本功能是在低温启动过程中减少碳氢化合物的排放。低温启动是将发动机从环境状态下启动后紧随的阶段。低温启动阶段的长短取决于环境温度、发动机的类型、发动机控制系统和发动机操作。通常，低温启动阶段发生在发动机于环境温度下发动后的前两分钟之内。FTP检测1975将低温启动规定为FTP驾驶操作周期的第一个包(即废气样品)，该周期的持续时间是发动机于室温下启动后的最初505秒，室温通常被认为是25℃。在一个含有一体化催化剂的排放装置中，至少排放系统的全部催化剂中有一部分被置于比传统“底架催化剂”更靠近发动机的地方。具体地说，一体化催化剂被置于发动机腔体中，即发动机罩的下面、接近排放歧管的部分。一体化催化剂可以是废气处理装置的全部催化剂材料，也可以将它与底架催化剂一同使用。设计选择取决于发动机结构、尺寸和可用的空间。由于与底架催化剂相比更接近于发动机，一体化催化剂比底架催化剂接收更高温度的废气。因此，一体化催化剂比底架催化剂能更快地达到其半转化温度，因而相对于低温启动阶段更早地减少了排放。在另一方面，位于一体化位置的催化剂接收操作温度下的废气，即后低温启动(post-cold-start)阶段的温度，比底架催化剂所接收的废气的温度高。其后果一体化催化剂必须有高的温度稳定性，其讨论参见Bhasin，M．等，“Novel Catalyst for Treating Exhaust Gases For InternalCombustion and Stationary Source Engines”，SAE 93054，1993。

一种典型的底架机动车催化剂是三相转化催化剂(“TWC”)，它催化未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的氧化并将氮的氧化物还原为氮。TWC催化剂有高活性和长寿命，它通常含有一种或几种铂族金属(例如铂或钯、铑、钌和铱)，任选含有一种或几种基底金属，这些金属被分散在具有高表面积的耐高温氧化物载体上，例如具有高表面积的氧化铝颗粒上以形成一种催化材料。催化材料被负载在一种合适的载体或基质上，例如含有耐高温陶瓷或金属蜂窝结构的整块载体，或是诸如球形的耐高温颗粒，或是某种合适耐高温材料的短的挤出小块。高表面积氧化铝载体材料也被称作“γ-氧化铝”(除γ外，它通常还含有氧化铝的其它相)或“活性氧化铝”，通常其BET表面积超过60平方米／克(“m²／g”)，一般达到大约200m²／g或更高。已知给定催化剂中的至少一些催化成分使用除活性氧化铝之外的耐高温金属氧化物作载体。举例来说，已知块状氧化铈、氧化锆、α-氧化铝和其它材料被用于这种用途。这些其它许多材料的缺点是与活性氧化铝相比BET表面积较低，但这一缺点可被所得催化剂更高的耐久性所弥补。

在行驶的车辆中，废气温度可达1000℃，这样高的温度导致活性氧化铝(或其它)载体材料的热降解，这是由伴随着体积缩小的相变造成的，尤其当蒸汽存在时，催化金属被包埋在缩小的载体介质中伴随着露出的催化剂表面积的减少，由此引起了催化活性的降低。为稳定氧化铝载体以防止热降解，本领域已知的权宜之计是是使用一些诸如氧化锆、二氧化钛、碱土金属氧化物如氧化钡，氧化钙或氧化锶，或稀土金属氧化物如氧化铈、氧化镧以及两种或更多种稀土金属氧化物的混合物。例如参见C．D．Keith等人的美国专利4，171，288。

美国专利4，504，598公开了一种用于生产耐高温TWC催化剂的方法。该方法包括形成一种活性氧化铝或γ-氧化铝颗粒的含水浆液，并用所选择金属的可溶性盐将氧化铝浸渍，这些金属包括铈，锆，铁和镍的至少一种以及铂、钯和铑的至少一种，并任选包括钕、镧和镨的至少一种。将被浸渍的氧化铝在600℃下煅烧后分散在水中以制成浆液，然后将其涂布在蜂窝载体上并干燥以得到最终的催化剂。

本发明涉及一种用于减少发动机废气流中所含污染物的发动机废气处理装置。该装置定义了排放通路并包括一种上游催化剂构件，该构件包括能有效地催化碳氢化合物氧化的上游催化材料并包括分散于耐高温金属氧化物一级载体上的铂族金属成分。上游催化材料基本上不含氧气存储成分。还有一种含有至少能有效地氧化碳氢化合物的下游催化材料的下游催化剂构件，其中包括分散在耐高温金属氧化物载体上的一种或多种催化金属成分和氧气存储成分。

根据本发明的一个方面，上游催化剂构件可以包括一个一级一体化催化剂构件，其铂族金属成分可以包括钯成分。任选地，上游催化材料可以基本上不含铑。但是下游催化材料可选择性地含铑。

下游催化剂构件可以包括一个底架催化剂构件或一个二级一体化催化剂构件，其中可以含有钯成分和氧气存储成分。二级一体化催化剂构件和底架催化剂构件可同时存在。底架催化剂构件优选包含一种三相(three-way)催化材料。

根据本发明的一个方面，一级一体化催化剂构件和二级一体化催化剂构件可以具有不同的截面尺寸并可被放置在分开的容器中。可选择地，一级一体化催化剂构件和二级一体化催化剂构件可以具有相同的截面尺寸并可被放置在同一个容器中。

根据本发明的另一个方面，一级和二级催化剂构件可各自包含含有钯的催化材料，底架催化材料可以包含含有铑的催化材料。

可选地，上游催化材料可至少包括一种选自氧化钕或氧化镧的稀土金属氧化物。

根据本发明的发动机废气处理装置可包括(a)一个一级一体化催化剂构件，其中含有能有效催化碳氢化合物氧化的一级催化材料以及分布于耐高温金属氧化物一级载体上的钯催化成分，一级催化材料基本上不含铑和氧气存储成分；(b)一个二级一体化催化剂构件，其中含有至少能有效用于碳氢化合物氧化的二级催化材料；以及(c)一个底架催化剂构件，其中含有能有效用于污染物的三相降低的三级催化材料。二级一体化下游催化剂构件和底架催化剂构件中的至少一个可包含一种氧气存储成分。一级催化材料可含有至少一种碱土金属氧化物、一种除氧化铈或氧化镨以外的稀土金属氧化物，以及氧化锆。

在不同的实施方案中，一级一体化催化剂构件可包含约0．5至约3．5g／in³的活性氧化铝和至少约50g／ft³以钯金属计的钯成分，以及约0．05至约0．5g／in³的以氧化物计的至少一种碱土金属成分。选择性地，一级一体化催化剂构件可包含大约0．05g／in³至大约0．4g／in³的氧化锶；掺入载体材料中的不高于约0．5g／in³的氧化锆；以及约0．5g／in³的至少一种稀土金属氧化物，它选自氧化镧和氧化钕。

一级一体化催化剂构件可包含至少60g／ft³的铂族金属成分，例如从约75至300g／ft³，铂族金属成分可主要包括钯成分。

在不同的实施方案中，一级一体化催化剂构件可包含约0．75至约2．0g／in³的活性氧化铝载体材料；至少一种选自下列的成分：约0．05至约0．4g／in³的氧化锶；约0．05至约0．2g／in³的氧化钡；约0．025至约0．3g／in³的氧化镧；约0．025至约0．3g／in³的氧化钕；以及约0．05至约0．5g／in³的氧化锆。

在一个特定的实施方案中，本发明的废气处理装置可包括一个一级一体化催化剂构件，其中包含约300g／ft³钯，1．23g／in³氧化铝，0．19g／in³氧化镧，0．1g／in³氧化锆，0．1g／in³氧化锶和0．16g／in³氧化钕。该装置可进一步地包括一个二级一体化催化剂构件，其中含有约110g／ft³的钯，1．4g／ft³，1．4g／in³的氧化铝，0．8g／in³氧化铈，0．5g／in³氧化铈-氧化锆复合物，0．24g／in³氧化锆，0．2g／in³氧化镧，0．1g／in³氧化钕，0．1g／in³氧化锶，0．07g／in³氧化镍和0．06g／in³氧化钡。还可以有一种底架催化剂，它包含约91．9g／ft³钯，6．56g／ft³铑，6．56g／ft³铂，1．5g／in³氧化铝，1．7g／in³氧化铈-氧化锆复合物，0．1g／in³氧化钕，0．25g／in³氧化锶，0．125g／in³氧化锆，以及0．075g／in³氧化镧。

本发明还涉及处理来自具有排气出口的发动机的废气的方法。该方法包括使来自发动机排气出口的废气通过一个上面定义的废气处理装置。该方法可包括将废气中至少10％的一氧化碳在至少一种下游催化剂中转化。例如，该方法可包括将废气中至少25％，或至少30％，或至少40％的一氧化碳在至少一种下游催化剂中转化。

在此处和权利要求书中所使用的术语“氧气存储成分”是指一类多价的、可还原的过渡金属氧化物，据信它们可以在相对的富氧阶段从排放气流中吸收氧气，并在相对的缺氧阶段将氧气释放到气流中。这类氧气存储成分包括铈、钴、铁、镁、钼、镍、镨、钨和钒的氧化物。在此处和权利要求书中所使用的术语“氧气存储成分”不包括任何形式(包括氧化物形式)的铂族金属，或者氧化钕或氧化镧。

在此处和权利要求书中所使用的术语“一体化”与催化剂构件或包含催化剂构件的容器有关，它是指通过排放装置定义的流路中的一个位置，在稳定状态中等或高负荷发动机操作条件下，该处废气刚开始接触催化剂时温度至少约为600℃。通常，一体化催化剂被置于机动车的发动机腔体中，而且被放置在靠近发动机废气排放口的排放通路上，例如在废气的通路上离排放歧管出口约十二英寸之内或更近，这样废气在与催化剂接触之前不会明显地冷却。任选地，一体化催化剂可被置于排放歧管处或排放歧管中。这样，进入到一体化催化剂的入口废气温度一般在约600℃至1000℃，更一般在约600℃至800℃。任选地，一体化催化剂可被置于排放歧管自身之中。与催化剂有关的术语“底架”，是指被置于排放装置中上游催化剂的下游的一种催化剂，在稳态发动机操作状态下接收低于约600℃温度的废气，一般是从约200℃至600℃，更一般是从约300℃至550℃。尽管可以不必如此放置，但一般底架催化剂还是被置于车辆的地板下和发动机腔体外。

此处和权利要求书中催化剂构件或催化材料中的特定成分的量(“负载”)的单位是克／立方英尺(“g／ft³”)或克／立方英寸(“g／in³”)。这些每单位体积的重量单位被用于容纳由“载体构件”的气流通路所提供的空隙，此处和权利要求书中的“载体构件”是指具有通向外部的多个气流通路的物体，在它上面有催化材料的涂层。典型的载体构件在下面得到了描述。其中具有多个平行气流通路的类型在下面有时是指“蜂窝型”载体。

图1是本发明的一个实施方案中的废气处理装置的结构示意图；

图2是本发明的一个实施方案中的废气处理装置的示意图；

图3是包括一级和二级一体化催化剂容器的本发明另一个实施方案中的废气处理装置的示意图，所述容器中包括具有不同截面形状的一体化构件；以及

图4是包括具有相同截面形状的一级和二级一体化催化剂构件的一体化催化剂容器的示意图，该容器用于本发明的又一个实施方案中的一个装置。

根据本发明的一种废气处理装置包括至少两个位于废气通路上的催化剂构件，废气来自碳氢化合物燃料驱动的火花点火发动机。每个催化剂构件都含有能有效将废气中的有毒成分转化为无毒物质的催化材料。一种催化剂构件位于至少另一种催化剂构件的上游，而且催化剂构件的最上游含有一种基本上不含氧气存储成分的催化材料。

根据本发明，通过上游催化剂中不含氧气存储成分，控制了上游催化剂中CO到CO₂的转化速率、从而使CO到达下游催化剂处。在上游或一级催化剂构件中减少CO的氧化量将导致较低的操作温度和上游催化剂构件的更长的寿命。这是因为CO氧化的热量将使在上游位置占优势的高温条件更加严重，在此处废气成分被集中，所产生的放热催化活力将导致上游催化剂构件的过温破坏。通至下游催化剂构件的CO将促进该构件的功效，它接收污染物减少了的废气流，这股气流可由于通过了排放系统管路而被冷却。发生这种促进作用是因为在下游催化剂构件处CO很容易被氧化，氧化所释放的热量将下游催化剂构件加热至其“半转化”温度要比CO在上游就被氧化时快得多，原因是上游释放的一些热量在到达下游催化剂构件前将被散失掉。另外，CO可作为通过下游催化剂构件对NO_X进行催化还原的还原剂。

优选地，上游催化剂构件是一个一级一体化催化剂构件，即它是废气接触到的第一个催化剂构件并紧邻发动机的废气出口安装，因而它比传统的底架催化剂构件暴露于更高温度下的废气口。举例来说，一级一体化催化剂构件可以被连接在离发动机排放歧管的出口大约一英尺以内的废气排放通路上。一级一体化上游催化剂构件包含一个“上游”或一级催化材料，它至少可以氧化碳氢化合物，该构件在高的操作温度下是稳定的。上游催化材料除能在操作温度下用于氮氧化物(“NO_X”)的还原外还能用于一氧化碳的催化氧化，尽管这种三相转化能力对于一级一体化催化剂构件来说不是必需的。

上游或一级一体化催化剂的催化材料包含一种铂族金属成分，该成分优选含有钯成分，即元素金属形式、氧化物形式、合金或复合物或其它有效的催化形式的钯，该成分分散于耐高温无机氧化物载体材料上，例如氧化铝、硅石、二氧化钛和／或氧化锆。催化材料被放置在本技术领域公知的合适的载体上。

除了钯成分外，上游或一级一体化催化材料的铂族金属成分可以包括选自铂、钌和铱的一种或多种其它铂族金属，以元素金属为基准进行计算，钯成分的量要超过其它铂族金属成分的量的总和。换句话说，上游催化材料的铂族金属成分应主要包括钯成分。

由于上游催化剂构件暴露在如此高的温度下，上游催化材料的铂族金属成分可选择性地基本不含铑。为促进NO_X还原在下游催化材料中含有铑是有利的，它在上游催化剂构件的高温环境中将不起作用，因而可将其省略而没有明显的催化活力损失。还有，由于铑相当昂贵，当不将铑加入到上游催化材料中时将更加经济。

上游或一级催化材料优选地进一步含有至少一种碱土金属氧化物以及氧化钕和氧化镧的至少一种。

在一个优选的实施方案中，上游或一级一体化催化材料含有分散于活性氧化铝载体材料上的钯成分、氧化锶、氧化钕、氧化镧和氧化锆。

与现有技术中的启示(即暴露在高温下的催化剂中含有氧化铈)相反，根据本发明的启示，一级一体化催化剂包含的一种催化材料基本上不含氧气存储成分，即它含有不超过痕量的氧气存储成分，所述存储成分包括氧化铈和氧化镨在内。尽管氧化镧不被看作是一种氧气存储成分，商品级的氧化镧通常含有少量的作为污染物的氧化铈。不希望由于加入氧化镧而加入到一级催化材料中的氧化铈的量使催化剂具有明显的氧气存储能力。在这种情况下，氧化铈的量不超过催化材料重量的大约百分之5。更典型的，在催化材料中氧气存储成分的重量小于百分之1，优选小于百分之0．5，最优选小于百分之0．1。如上面所解释的，通过在一级一体化催化剂中基本不含氧气存储成分，延长了一级一体化催化剂的寿命，而且可提高下游催化剂的转化活力。另外，在上游催化材料中不含作为氧气存储成分的铈土避免了铈土和钯(它是优选的上游催化剂成分)之间的有害的相互作用，该作用可由于高温条件而加剧。

在上游或一级一体化催化剂构件下游的一个位置，该装置至少包括一个催化剂构件，该构件至少可用于碳氢化合物和一氧化碳的氧化，它优选含有三相催化剂和一种氧气存储成分。下游催化材料也优选含有数量足以促进NO_X还原的铑。下游催化剂构件可被放置在一级一体化催化剂构件下游的一个一体化位置。任选地，下游催化剂构件可位于底架位置。上游催化剂构件的下游可以有一个以上催化剂构件，例如下游或二级一体化催化剂构件可与底架催化剂构件同时存在。在这种情况下，二级一体化催化剂构件的作用是促进污染物转化能力，这方便了对催化能力的监控，对这种能力的监控是加利福尼亚空气资源委员会(“CARB”)涉及车上诊断的规章的中的规定。另外，通过升高废气的温度，二级一体化催化剂构件的活力促进了底架催化剂构件的性能，因而加快了底架催化剂构件达到其操作温度的速度。

本领域中已知的任何合适的三相催化材料都可用于下游催化剂构件中。这些催化材料通常含有一种铂族金属成分，它含有一种或多种选自铂、钯、铑、钌和铱的金属，例如该成分被分散在耐高温载体材料上，例如活性氧化铝、硅石、二氧化钛、硅石-氧化铝、氧化铝-硅酸盐、氧化铝-氧化锆、氧化铝-氧化铬和氧化铝-氧化铈中的一种或多种。

下游催化成分优选含有至少一种诸如镁、钡、钙和锶的氧化物的碱土金属氧化物成分，它们被加入到载体材料中作为载体材料稳定剂。钙和锶的氧化物是优选的。另外，下游催化剂可以包括稀土金属成分，优选是镧和钕成分，据信它们能促进碳氢化合物的氧化和NO_X的还原。用于本发明下游催化剂构件中的三相催化材料公开于美国序列号08／265，076中，其标题是“层状催化剂复合物”，其公开的内容被并入本文中作参考。对申请序列号08／265，076中的内容简要复述如下：它描述了一种分为两层的层状催化剂复合物，其中催化材料涂覆在载体构件上。第一层或底层含有被分散在例如氧化铝的第一种载体材料上的钯成分和例如铈土和／或氧化镨的第一种氧气存储成分，氧气存储成分与钯成分紧密接触；而且第二层或上层含有钯成分。为使氧气存储成分和钯在第一层中紧密接触，要用含有氧气存储成分的可溶性前体的溶液，例如硝酸铈的溶液浸渍含有钯成分的载体颗粒。然后将被浸渍的载体颗粒干燥和煅烧以除去溶剂并将前体转化为氧化物形式。在第二层中可以有氧气存储成分，但不是与其中的钯成分紧密接触；而是如果存在的话以大块颗粒的形式与含有钯的载体颗粒相混合。

本发明的下游催化材料优选含有一种氧气存储成分，即铈、钴、铁、镁、钼、镍、镨、钨和钒中一种或多种的氧化物，而最优选的氧气存储成分是氧化铈和氧化镨。以氧化物的干重为基准，氧气存储成分的含量至少占催化材料重量的百分之5，优选是至少占百分之10，更优选是至少占百分之15。通过如下所述的本领域已知的方法可将氧气存储成分掺入到载体颗粒或催化材料的其它颗粒组分中。如上所述，氧气存储成分在富氧阶段吸收氧气并在缺氧阶段释放氧气，这样就减少了氧化转化性能的波动。

除了上面列出的组分外，下游催化材料可包括由氧化锆和至少一种稀土金属氧化物“共形成的”的块状复合物。这类材料可被选择性地用作载体材料，它们被公开于例如美国专利4，624，940和5，057，483中，其内容被并入本文作参考。在这些专利中，上述复合物可通过共沉淀、共凝胶或其它合适的技术形成，其中所得产物中所含的稀土金属氧化物基本上分散于最终产物的整个氧化锆基质中，而不仅仅是在氧化锆颗粒的表面或仅仅在其表层而使氧化锆基质的大体中心部位未分散有稀土金属氧化物。在Luccini，E．，Mariani，S．，and Sbaizaro，O．(1989)“Preparation of ZirconiaCerium Carbonate in Water  With Urea”，Int．J．of Materials andProducts Technology，Vol．4，No．2，pp．167-175中列举了一种合适的技术，其公开的内容被并入本文作参考。从文章开始的第169页所公开的内容是，制备一种一定配比的二氯氧化锆和硝酸铈的蒸馏水稀溶液(0．1molar)以使最终产物中的配比为ZrO₂-10mole％CeO₂，用硝酸铵作为缓冲剂来控制pH值。在不断搅拌下使该溶液沸腾两个小时，在任何阶段都不使pH高于6．5的话就可以得到完全沉淀。可将共沉淀物洗涤后喷雾干燥或冷冻干燥以除去水分，然后在大约500℃下的空气中煅烧以形成共形成的稀土金属氧化物-氧化锆载体。特别优选的是含氧化锆的重量比为百分之50以上的颗粒，优选氧化锆的重量比为百分之60至90，氧化铈的重量比为百分之10至30，以及任选含有约百分之0．1至约百分之10非氧化铈稀土金属氧化物，这些氧化物选自氧化钇、氧化镧和氧化钕。

下游催化剂的组成中可以包括诸如硫化物抑制剂的其它的传统添加剂，例如镍或铁成分。如果使用氧化镍，占催化材料第一层的大约1％至25％的重量百分比将是有效的，这公开于共同拥有的专利申请序列号07／787，192，申请日为1991年11月4日，标题为“高效热稳定性催化剂”，现在公开于1993年5月18日的美国专利5，212，142，其内容被并入本文作参考。其中所描述和要求保护的催化材料通常含有(a)含有稳定氧化铝的一级载体，(b)分散于一级载体上的催化有效量的一级铂催化成分，(c)基本上由稀土金属氧化物组成的二级载体，以及(d)分散于二级载体上的催化有效量的铑催化成分和钯催化成分，其中铑和钯催化成分在催化材料中的存在量以金属计的重量比为大约50∶1至1∶50。用于本发明的底架催化剂构件可有利地含有铑成分，在较低温度占主体的底架位置它可提供NO_X还原活力，而此时一体化催化剂的温度将使铑对NO_X的还原活力失活。

当根据FTP 1975进行检测时，在上游或一级一体化催化剂中，初始(预催化处理)包含于废气中的一氧化碳被氧化的摩尔百分比小于百分之90，优选小于百分之75，更优选小于百分之70，最优选小于百分之60。换句话说，当根据FTP 1975进行检测时，在初始一氧化碳的摩尔百分含量中，至少百分之10，优选至少百分之25，更优选至少百分之30，最优选至少百分之40没有在上游催化剂中被氧化，将被从上游催化剂传递至下游催化剂。

当制备催化材料时，可使用诸如铂族金属的任何催化成分的合适的化合物和／或配合物以将该成分分散到块状载体材料上。这里所使用诸如用于“铂族金属化合物”中的术语“化合物”是指任何化合物、配合物或类似的物质，它们在经煅烧或使用催化剂后被分解或转化成具有催化活性的形态，该形态通常是金属氧化物。只要用于将催化化合物浸渍或沉积于载体材料上的液体不与催化金属的其它成分进行有害的反应并且该液体可通过加热和／或使用真空使其挥发或降解而除掉，就可以使用一种或多种催化成分的水溶性化合物或者水分散性化合物或复合物。在一些情况下，只有在使用该催化剂并使其在操作过程中接触高温后，液体(例如它可以以结晶水的形式存在)才会被完全除去。通常，从经济和环境两方面来看，可溶性化合物或复合物的水溶液是优选的。例如，合适的水溶性铂族金属化合物有氯铂酸、胺加溶的氢氧化铂、三氯化铑、硝酸铑、六胺三氯化铑、硝酸钯或氯化钯等。含有化合物的液体被浸渍入催化剂的块状载体颗粒的孔中，将被浸渍的材料干燥并优选地煅烧以将铂族金属结合到载体材料中。在煅烧步骤中，或至少在催化剂使用的初始阶段，这些化合物被转化成铂族金属的具有催化活性的形态或其化合物。可使用一种类似的方法将其它的成分掺入到催化材料中。例如，可以以一种水溶液的形态将氧气存储成分掺入含有铂族金属的耐高温氧化物载体中去。可用于这一目的的可溶于水的、可降解的氧气存储成分的例子包括醋酸铈、醋酸镨、硝酸铈、硝酸镨等，但不仅仅限于这些。然后将被浸渍的材料干燥并在空气中煅烧以产生第一层，它含有与铂族金属紧密接触的氧气存储成分的氧化物。

氧气存储成分可以以块状掺入催化材料中。“块状”是指氧化铈和／或氧化镨以分散的颗粒形式存在，其直径可以是1至15微米或更小并与载体材料颗粒相混合，参见美国专利4，71 4，694和4，727，052中的描述，其内容被并入本文作参考。在这些专利中，氧化铈颗粒可与活性氧化铝颗粒相混合，这样氧化铈以固体或块状形式存在。与之对比的是用氧化铈化合物溶液浸渍氧化铝颗粒，通过煅烧它可转化为分散于氧化铝颗粒中的氧化铈。

通常以微米尺寸的颗粒形式使用催化材料，例如其直径为10至20微米，这样它就可以形成浆液以用作载体构件的修补基面涂层(washcoat)，这在本技术领域内是众所周知的。可以使用任何合适的载体构件，例如蜂窝型的载体，有许多细密的、平行的气流通道延伸于这种载体的进口或出口面，这样这些通路对流过的流体来说是敞开的。从流体进口到流体出口，这些通路通常基本上是直的，其由壁限定，壁上涂着催化材料作为“修补基面涂层”，这样流过通路的气体就与催化材料相接触。载体构件的流路是薄壁孔道，其可以有任何合适的截面形状和大小，例如梯形、矩形、正方形、正弦形、六角形、椭圆形或圆形。在每平方英寸的截面上，这种结构可包含从大约60到大约700或更多的气体入口(“小管”)(“cpsi”)，更典型的是200到400cpsi。这些蜂窝型载体可由任何合适的耐高温材料制成，例如它可由陶瓷样材料制成，例如堇青石、堇青石-α-氧化铝、四氮化三硅、锆富铝红柱石、锂辉石、氧化铝-硅镁、硅酸锆、硅线石、硅酸镁、氧化锆、透锂长石、α-氧化铝和硅酸铝等。任选地，蜂窝型载体可由耐高温金属制成，例如不锈钢或其它合适的铁基耐腐蚀合金。将涂覆后的载体放置于一个容器中，其结构是为了保护催化剂构件和便于通过催化剂构件的气流通路的形成，这在本技术领域内是众所周知的。

当被作为修补基面涂层沉积于蜂窝型载体上时，催化材料中各种催化成分的量通常以单位体积的克数为基准，例如对于铂族金属成分来说是克／立文英尺(g／ft³)，对于一般催化材料来说是克／立方英寸(g／in³)，这些单位包容了在不同蜂窝型载体基质中不同气体流路的眼孔大小。对于典型的汽车废气催化转化器来说，催化剂构件的载体上通常含有从大约0．5到大约6g／in³，优选是从大约1到大约5g／in³的催化材料修补基面涂层。用于本发明的典型的下游催化材料可以以1∶14∶1的比例含有铂、钯和铑，总的铂族金属负载量是3．76g／ft³。对于上游催化剂构件来说，各种成分的优选量是至少大约50g／ft³，例如从大约50g／ft³至大约400g／ft³，优选含有75到400g／ft³的钯成分，从0到20g／ft³的选自铑、钌和铱成分的铂族金属成分，以及从0到60g／ft³的铂成分，所有这些都以金属计算。为达到理想的碳氢化合物氧化并控制一氧化碳的氧化，在催化材料中钯的量应超过其它铂族金属的量。优选的载体材料即活性氧化铝的量优选是从0．5到大约3．5g／in³，掺入其中的氧化锆稳定剂的量约达0．5g／in³，优选是从0．05至大约0．2g／in³。以氧化物计，碱土金属成分的量是从0到0．6g／in³，优选是从约0．05到约0．5g／in³。以氧化物计，稀土金属成分的量优选是0．0-0．6g／in³，更优选0．05-0．5g／in³，氧化镧和氧化钕是优选的。催化材料通常以大约0．5到大约6g／in³的负载量涂覆在载体构件上。

一级一体化催化剂构件的体积，即含有催化材料的流通载体所占的体积，可以是产生由催化剂构件所接收的废气的发动机汽缸总体积的大约百分之10到30。通常，一级一体化催化剂构件的体积占装置中全部催化剂体积的大约二十分之一到大约二分之一。例如，当装置只包括两个催化剂构件时，例如，只有一个一级和，一级一体化催化剂构件的体积大约是二级一体化催化剂构件的五分之一。

当本发明的废气处理装置含有一级和二级一体化催化剂构件和一个底架催化剂构件时，一级一体化催化剂构件的体积优选大约是二级一体化催化剂构件的二分之一，而且一级和二级催化剂构件的总体积与底架催化剂构件的体积比优选为从大约1∶1至1∶3。

对图1进行了标注，该图简要地画出了本发明中废气处理装置的特定结构。图1显示了用于机动车(未显示)的发动机腔体14(以虚线表示)中汽油发动机12(以虚线表示)的废气处理装置10。汽油发动机12装备有一个发动机排气歧管16，它从发动机汽缸中收集废气并将其导入共同的歧管出口18。废气处理装置10包括一个一体化的上游催化剂容器20，它有一个入口，该入口通过短管22收集来自歧管16的废气。容器20包含至少一个、优选两个催化剂构件，废气通过它流动。由于容器20接近发动机12，其中的任何催化剂构件都包含一体化催化剂。装置20还包括一个底架下游容器24，它通过排放管26与上游容器20相连。底架容器24含有下游催化剂构件，其中含有如上所述的合适的三相催化材料。管22，容器20，管26和容器24共同限定了废气流经的部分通路。下游容器24通常通过管28与消声器30(以虚线表示)相连，该消声器不被看作是本发明的处理装置的一部分。消声器30与尾管32相连，该尾管有一个尾管出口42与外部环境相通。

图2显示了一个本发明的废气处理装置10a的简单实施方案的简图。装置10a包括一个与底架下游容器24相连的一体化上游容器20a，两者通过管26连接。一体化容器20a包括一个单一的一体化催化剂构件120a，其中含有基本上不含氧气存储成分的上游催化材料。底架容器24含有下游催化剂构件124，其中含有包含氧气存储成分的三相催化材料。

本发明的一个更优选的实施方案示于图3。在这个实施方案中，装置10b包含两个一体化容器20b和20c，其中分别含有一级一体化催化剂构件120b和二级一体化催化剂构件120c。这两个容器被用来容纳具有不同直径和／或截面形状的两种一体化催化剂构件。例如，一级一体化催化剂构件120b可能具有一个环形截面，而二极一体化催化剂构件120c具有跑道状截面(即两个平行的边将两个半圆分开)。在一个特定的实施方案中，与中型卡车双歧管中的一个歧管中排放的废气相连的催化剂构件120b是环形，直径3英寸，长3英寸，有350cpsi和300g／ft³的Pd；催化剂构件120c可具有椭圆的形状，其尺寸为3．4英寸×5．0英寸×3．84英寸，它具有350cpsi的孔密度并负载有100g／ft³的Pd。在容器24中的底架催化剂构件可具有一个跑道形形式，尺寸为3．18英寸×6．68英寸×5英寸，它具有350cpsi的孔密度和100g／ft³的铂族金属，Pt∶Pd∶Rh的比值为1∶14∶1。为减少废气流经催化剂构件时压力降，载体构件可被设计成比传统载体构件具有更薄的孔壁。

图4显示了另外一个实施方案，其中一体化容器20d含有两个相邻催化剂构件，即上游一级一体化催化剂构件120d和下游二级一体化催化剂构件120d＇。一级一体化催化剂构件120d含有不含氧气存储成分的一体化催化材料。二级一体化催化剂构件50被放置在催化剂构件48的下游，其中优选地含有包括氧气存储成分的三相催化材料。一级和二级一体化催化剂构件120d和120d＇彼此紧紧相邻并优选地具有相同的截面尺寸。因此，它们可被方便地置于一个容器中。相邻的催化剂构件也优选地具有相同的截面气流通道密度。

提供下述实施例是为了对本发明更全面的理解。为了表明本发明的原理和实施所提出的特定的技术、条件、材料、配比和所报告的数据是示范性的，不能将它们解释为对本发明范围的限制。

                      实施例1

用含有34．5克钯的硝酸钯水溶液浸渍七百三十八克表面积为大约160平方米／克(160m²／g)的γ-氧化铝粉末。将含钯的氧化铝和足以形成60．1克ZrO₂的乙酸锆溶液与无离子水一同在球磨机中研磨以形成一种浆液。向浆液中加入足以形成114克La₂O₃的硝酸镧溶液、足以形成95．9克Nd₂O₃的硝酸钕溶液、足以形成54克BaO的氧化钡和足以形成60克SrO的硝酸锶晶体，这样就形成了修补基面涂层浆液。该浆液含有重量比大约为48％的固体。将每平方英寸截面的通道数(“cpsi”)为大约400的堇青石载体浸入修补基面涂层浆液中。用压缩空气将多余的浆液从载体上吹走。在450℃下煅烧后，得到的催化剂构件含有100g／ft³的钯，1．23g／in³的氧化铝，0．19g／in³的La₂O₃，0．1g／in³的ZrO₂，0．1g／in³的氧化锶，1．09g／in³的BaO和0．16g／in³的Nd₂O₃，称它为催化剂构件A。

                      实施例2

                      (对比例)

制备了一种催化剂构件，它使用两层催化材料修补基面涂层，这两层一起的负载与实施例1中所述的催化成分相同。在该对比例中，修补基面涂层另外含有0．4g／in³的共形成的氧化铈-氧化锆复合物，以硝酸铈的形式向浆液中加入0．3g／in³的氧化铈以硝酸铈形式向浆液中加入0．23g／in³氧化铈，并以氢氧化铈的形式向其中加入0．23g／in³的氧化铈。将所得的催化剂构件称为催化剂构件B。

                      实施例3

                      (检测)

样品检测圆柱(直径为1．5英寸，长度为3英寸)取自催化剂构件A和B。该圆柱的轴平行于催化剂构件中蜂窝型通道的轴。分别将每一个芯在含10％水蒸汽的950℃的空气中老化12个小时。老化后，在50，000 VHSV(每小时每体积基质的气体体积)下，用具有模拟废气组成(原料气)的实验室反应器对催化的芯进行评价。稳定状态下的气体组成为0．33mole％CO，0．41mole％O₂，16mole％CO₂，10mole％H₂O，百万分之(“ppm”)540的碳氢化合物(HC)，1，540ppmNO_X，以及余量的N₂。微扰组成为0．76mole％，0．67mole％O₂，15．8mole％CO₂，10mole％H₂O，528ppmHC，1500ppmNO_X，45ppmSO_X以及余量的N₂。当反应器的温度逐渐从室温升至500℃时测定HC／CO／NO_X的转化率。使用火焰离子化检测器(FID)测定碳氢化合物浓度，用红外分析仪测定一氧化碳的浓度，用化学发光分析仪测定NO_X的浓度。半转化温度的结果示于表Ⅰ中。半转化温度是指转化率为50％时的温度。

                      表Ⅰ

                   半转化温度催化剂构件      HC     CO     NO_XA               252℃    228℃    213℃B(对比)         287      258      236

汇总于表Ⅰ中的结果显示，与催化剂构件B相比，催化剂构件A对于CO、HC和NO_X有较低的半转化温度。这表明用于处理冷启动废气时，在较低温度下，不含氧气存储成分的催化材料比含有氧气存储成分的催化材料更为有效，因而它适于放置在一体化位置，优选是在上游的一体化位置。

实施例4

按照实施例1制备一种催化材料修补基面涂层，所不同的是其中不含氧化钡。将该修补基面涂层涂到直径为三英寸、长为三英寸并具有350cpsi的堇青石蜂窝型载体上，将所得到的催化剂构件称为催化剂构件C。以与制备催化剂构件B相同的方法制备一个对比催化剂构件，称它为催化剂构件D。将催化剂构件C和D装入罐中后用4．6升发动机的废气老化85小时。在催化剂入口处的发动机废气的最高温度是920℃。老化后，根据联邦检测规程(FTP)1975，使用1．9升的车辆对该催化剂构件进行评价。CO／HC／NO_X的转化率结果示于表Ⅱ中。

                      表Ⅱ

                 FTP 1975-车辆检测

                    转化效率催化剂              摩尔百分转化率构件          CO        HC        NO_XC             58．6％    89．1％    53．4％D(对比)       69％       86．5％    47．2％

汇总于表Ⅱ中的结果显示，催化剂构件C比对比催化剂构件D有更高的HC和NO_X转化率以及更低的CO转化率。对比催化剂构件D有更高的CO转化率是因为向它的修补基面涂层中掺入了氧化铈，已知这可以提高CO转化率。表Ⅱ的数据显示，通过不向催化剂构件C中加入氧气存储成分氧化铈，就可以控制一体化催化剂中的转化反应以使CO通至下游催化剂。在一体化催化剂中较少的CO氧化将导致更低的操作温度和更长的寿命，因为CO氧化的热量将使在上游一体化位置占主体的高温条件加剧。通至下游催化剂的CO，例如通至底架催化剂的CO将氧化，它能使下游催化剂在否则会较冷的下游位置处在更温暖的条件下操作并更有效地减少废气污染物。对比催化剂构件D在作为底架催化剂时是有用的。

实施例5

A．不含氧气存储成分的上游一体化催化材料的制备

用含有103．5克钯的硝酸钯水溶液浸渍七百三十八克表面积为大约160平方米／克(160m²／g)的γ-氧化铝粉末。将含钯的氧化铝和足以形成60．1克ZrO₂的醋酸锆溶液与无离子水一同在球磨机中研磨以形成一种浆液。向浆液中加入足以形成114克La₂O₃的硝酸镧溶液、向浆液中加入足以形成95．9克Nd₂O₃的硝酸钕溶液以及向浆液中加入足以形成60克SrO的硝酸锶晶体。所得浆液含有重量比大约为48％的固体。将含有大约400cpsi、体积为26．7in³的堇青石载体浸入修补基面涂层浆液中，用压缩空气将多余的浆液从载体上吹走。在450℃下煅烧后，得到的催化剂载体的形状为直径3．37英寸、长度3英寸的圆柱形，它上面有1．78g／in³的催化材料，其中含有300g／ft³的钯，1．23g／in³的氧化铝，0．19g／in³的La₂O₃，0．1g／in³的ZrO₂，0．1g／in³的氧化锶和0．16g／in³的Nd₂O₃，称它为催化剂构件E。B下游一体化催化材料的制备

1．第一层

用含有31．9克钯的硝酸钯水溶液浸渍700克表面积为大约160平方米／克(160m²／g)的γ-氧化铝粉末。将含钯的氧化铝、用硝酸稳定的氧化铈胶体分散液(其中含有300克由直径大约为100埃的CeO₂颗粒制备的CeO₂)、足以形成500克CeO₂的硝酸铈晶体、足以形成100克La₂O₃的硝酸镧晶体、足以形成60克BaO的醋酸钡晶体、足以形成140克ZrO₂的醋酸锆晶体以及500克共形成的氧化铈-氧化锆粉末(表面积50m²／g，CeO₂重量百分比为百分之20)与醋酸一同在球磨机中研磨以形成一种浆液。将该浆液与70克预磨的NiO颗粒在无离子水中进一步混合以形成一种修补基面涂层浆液，其中含有重量比大约为48％的固体。将每平方英寸截面的通道数为大约400的堇青石载体浸入修补基面涂层浆液中，用压缩空气将多余的浆液从载体上吹走。在450℃下煅烧后，得到的催化构件含有55g／in³的钯，0．7g／in³的氧化铝，0．8g／in³的CeO₂，0．1g／in³的La₂O₃，0．14g／in³的ZrO₂，0．06g／in³的BaO，0．5g／in³的氧化铈-氧化锆复合物以及0．07g／in³的NiO。

2．第二层

用含有31．9克钯的硝酸钯水溶液浸渍700克与第一部分相同的氧化铝粉末。将含钯的氧化铝、足以形成100克La₂O₃的硝酸镧晶体、足以形成100克Nd₂O₃的硝酸钕晶体、足以形成100克ZrO₂的硝酸锆晶体以及足以形成100克SrO的硝酸锶晶体与无离子水一同在球磨机中研磨以形成一种修补基面涂层浆液，其中含有重量比大约为30％的固体。将涂有第一部分中第一涂层的载体浸入第二层浆液中。用压缩空气将多余的浆液从载体上吹走并在450℃下煅烧后，载体上附着了附加的1．13g／in³的修补基面涂层，其中含有55g／ft³的钯，0．7g／in³的氧化铝，0．1g／in³的La₂O₃，0．1g／in³的Nd₂O₃，0．1g／in³的ZrO₂和0．1g／in³的SrO。最终含有110g／in³钯的载体被称为催化剂构件F。C．底架催化材料的制备

1．第一层

用含有37．2克钯的硝酸钯水溶液浸渍700克表面积为160平方米／克(160m²／g)的γ-氧化铝粉末。用含有0．81克铂的铂胺氢氧化物(platinum amine hydroxide)水溶液浸渍350克表面积为50平方米／克的氧化铈-氧化锆复合物(CeO₂的重量百分比为20％)粉末。全部0．81克的铂都被浸渍上去。将含钯的氧化铝、含铂的氧化铈-氧化锆复合物、足以形成52．5克La₂O₃的硝酸镧晶体、足以形成70克Nd₂O₃的硝酸钕晶体、足以形成35克ZrO₂的醋酸锆溶液和足以形成175克SrO的硝酸锶晶体与无离子水一同在球磨机中研磨以形成一种修补基面涂层浆液，其中含有重量比大约为45％的固体。将每平方英寸截面的通道数为大约400的堇青石载体浸入修补基面涂层浆液中并用压缩空气将多余的浆液从载体上吹走。得到的催化载体的直径为4英寸，长度为10英寸，在450℃下煅烧后，它含有91．88g／ft³的钯，2．0g／ft³的铂，1．0g／in³的氧化铝，0．5g／in³的氧化铈-氧化锆复合物，0．075g／in³的La₂O₃，0．1g／in³的Nd₂O₃，0．05g／in³的ZrO₂和0．25g／in³的SrO。

2．第二层

用含有铑的铂胺氢氧化物水溶液浸渍600克与第一部分相同的氧化铈-氧化锆复合物粉末。将含铂和铑的氧化铈-氧化锆复合物、250克与A部分相同的氧化铝粉末、足以形成37．5克ZrO₂的醋酸锆溶液与无离子水一同在球磨机中研磨以形成一种修补基面涂层浆液，其中含有重量比大约为30％的固体。将涂有第一部分中第一涂层的该催化剂载体浸入第二层浆液中。用压缩空气将多余的浆液从载体上吹走、干燥并在450℃下煅烧后，载体上附着了附加的1．78g／in³的修补基面涂层，其中含有4．56g／ft³的铂，6．56g／ft³的铑，0．5g／in³的氧化铝，1．2g／in³的氧化铈-氧化锆复合物以及0．075g／in³的ZrO₂。最终的催化载体占据125．6in³并含有91．875g／ft³的钯，6．56g／ft³的铑和6．56g／ft³的铂，它被称为催化剂构件G。

                      实施例6

将催化剂构件E和G在发动机废气中老化75小时，废气的温度为800℃。老化后，装配本发明的废气处理装置，其中催化剂构件E被放置在一级一体化位置，催化剂构件F被放置在二级一体化位置，催化剂构件G被放置在底架催化剂位置。这样，本发明的这个实施方案的废气处理装置包括基本上不含氧气存储成分的一级一体化催化剂E(催化剂构件E)以及含有氧气存储成分的下游底架催化剂构件G。将该装置连在具有2．4升发动机的车辆上并使该车辆接受联邦检测规程(“FTP”)1975。对尾管排放物进行检测，发现其指标低于加利福尼亚低排放物汽车(“ULEV”)的标准，结果示于下面的表Ⅲ中。

                      表Ⅲ

            NMHC^*     CO        NO_X

          克／英里      克／英里    克／英里ULEV最大值          0．04        1．75       0．2检测E+G         0．027       0．745      0．044

^*非甲烷碳氢化合物

表Ⅲ的数据显示，本发明的废气处理装置符合新的加利福尼亚空气资源委员会ULEV排放物的要求。

                      实施例7

按照与实施例6中制备催化剂构件E、F和G相同的方法分别制备催化剂构件H、I和J。催化剂构件H的大小为21in³，催化剂构件I的大小为55in³，催化剂构件J的大小为92in³。在进行检测前，将催化剂构件H和I在发动机废气中老化75小时，废气的进口温度为820℃。将催化剂构件J在发动机废气中老化5小时，废气的进口温度为800℃。将废气处理装置装配在具有4．7升发动机的车辆上，所述处理装置中包括作为一体化催化剂的催化剂构件H和I以及作为底架催化剂的催化剂构件J，然后根据联邦检测规程(“FTP”)1975进行检测。转化结果列于下面的表Ⅳ中。

                      表Ⅳ

    NMHC^*％       CO％      NO_X％

     98．3            97．1        96．2

^*非甲烷碳氢化合物

表Ⅳ的数据显示，对于一辆典型的排放2．0克／英里碳氢化合物、10克／英里一氧化碳以及3克／英里NO_X的汽车，含有催化剂构件H、I和J的装置即使在老化后也具有足够的转化活力以达到严格的CARB标准。

尽管参照上述特定的实施方案对本发明进行了详细的描述，但显而易见的是，通过对上述内容的阅读和理解，本领域的技术人员可对所描述的实施方案进行许多改变，下面试图将这些改变包括在所附权利要求书的范围中。

Claims (24)

1．用于减少发动机废气流中所含污染物的发动机废气处理装置，它限定了废气的流路并包括：

(a)一个上游催化剂构件，它含有能用于催化碳氢化合物氧化的上游催化材料并含有分散在耐高温金属氧化物一级载体上的铂族金属成分，所述上游催化剂基本上不含氧气存储成分；以及

(b)一个下游催化剂构件，它含有至少能用于碳氢化合物氧化的下游催化材料并含有一种或多种分散在耐高温金属氧化物载体上的催化金属成分而且进一步含有氧气存储成分。

2．权利要求1的装置，其中上游催化剂构件包括一个一级一体化催化剂构件，而且其中上游催化材料的铂族金属成分含有钯成分。

3．权利要求2的装置，其中下游催化材料含有铑成分。

4．权利要求3的装置，其中上游催化材料基本上不含铑。

5．权利要求2的装置，其中下游催化剂构件包括一个底架催化剂构件。

6．权利要求1或2的装置，其中下游催化剂构件包括一个二级一体化催化剂构件，而且其中下游催化材料含有钯成分和氧气存储成分。

7．权利要求6的装置，进一步包括一个含有三相催化材料的底架催化剂构件。

8．权利要求7的装置，其中一级一体化催化剂构件和二级一体化催化剂构件具有不同的截面尺寸并被放置在分开的容器中。

9．权利要求7的装置，其中一级一体化催化剂构件和二级一体化催化剂构件具有相同的截面尺寸并被放置在同一个容器中。

10．权利要求7的装置，其中一级和二级催化剂构件各自含有包含钯的催化材料，而且其中底架催化剂构件的三相催化材料含有铑。

11．权利要求1或2的装置，其中上游催化材料包含至少一种选自氧化钕和氧化镧的稀土金属氧化物。

12．用于减少发动机废气流中所含污染物的发动机废气处理装置，它限定了废气的流路并包括：

(a)一个一级一体化催化剂构件，它含有能用于催化碳氢化合物氧化的一级催化材料并含有分散在耐高温金属氧化物一级载体上的钯催化成分，所述一级催化材料基本上不含铑和氧气存储成分；

(b)一个二级一体化催化剂构件，它含有至少能用于碳氢化合物氧化的二级催化材料；以及

(c)一个底架催化剂构件，它含有能用于污染物的三相减少的三级催化材料；

其中二级一体化下游催化剂构件和底架构件中的至少一个含有氧气存储成分。

13．权利要求12的装置，其中一级催化材料含有至少一种碱土金属氧化物、一种除氧化铈或氧化镨之外的稀土金属氧化物，以及氧化锆。

14．权利要求12的装置，其中一级一体化催化剂构件含有大约0．5到大约3．5g／in³的活性氧化铝，至少大约50g／ft³的以钯金属计的钯成分，以及大约0．05到0．5g／in³的以氧化物计的至少一种碱土金属成分。

15．权利要求14的装置，其中一级一体化催化剂构件含有大约0．05g／in³到大约0．4g／in³的氧化锶；

掺入到载体材料中的不超过大约0．5g／in³的氧化锆；以及

不超过大约0．5g／in³的至少一种稀土金属氧化物，它选自氧化镧和氧化钕。

16．权利要求15的装置，其中一级一体化催化剂构件含有至少60g／ft³的铂族金属成分，而且其中铂族金属成分主要含有钯成分。

17．权利要求15的装置，其中一级一体化催化剂构件含有大约75到大约300g／ft³的铂族金属成分。

18．权利要求16的装置，其中一级一体化催化剂构件含有大约0．75到大约2．0g／in³的活性氧化铝载体材料；以及至少一种选自下组的成分：

从大约0．05到大约0．4g／in³的氧化锶；

从大约0．05到大约0．2g／in³的氧化钡；

从大约0．025到大约0．3g／in³的氧化镧；

从大约0．025到大约0．3g／in³的氧化钕；以及

从大约0．05到大约0．5g／in³的氧化锆。

19．权利要求14、15或16的装置，其中一级一体化催化剂构件含有大约300g／ft³的钯、1．23g／in³的氧化铝、0．19g／in³的氧化镧、0．1g／in³的氧化锆、0．1g／in³的氧化锶以及0．16g／in³的氧化钕；以及

其中二级一体化催化剂构件含有大约110g／ft³的钯、1．4g／ft³、1．4g／in³的氧化铝、0．8g／in³的氧化铈、0．5g／in³的氧化铈-氧化锆复合物、0．24g／in³的氧化锆、0．2g／in³的氧化镧、0．1g／in³的氧化钕、0．1g／in³的氧化锶、0．07g／in³的氧化镍以及0．06g／in³的氧化钡；以及

其中底架催化剂含有大约91．9g／ft³的钯、6．56g／ft³的铑、6．56g／ft³的铂、1．5g／in³的氧化铝、1．7g／in³的氧化铈-氧化锆复合物、0．1g／in³的氧化钕、0．25g／in³的氧化锶、0．125g／in³的氧化锆以及0．075g／in³的氧化镧。

20．用于处理具有废气出口的发动机的废气的方法，包括使废气从发动机的废气出口流向上游催化剂，所述催化剂含有至少能用于碳氢化合物氧化的上游催化材料，并包括分散在耐高温无机氧化物载体上的铂族金属成分，所述上游催化材料基本上不含氧气存储成分；然后使废气流向一级一体化催化剂构件下游的至少一个催化剂构件，所述至少一个下游催化剂构件含有至少能用于碳氢化合物氧化的下游催化材料，含有至少一种氧气存储成分。

21．权利要求20的方法，其中上游催化剂是一体化催化剂，它包括在所述至少一个下游催化剂上转化废气中至少10％的一氧化碳。

22．权利要求21的方法，包括在所述至少一个下游催化剂上转化废气中至少25％的一氧化碳。

23．权利要求21的方法，包括在所述至少一个下游催化剂上转化废气中至少30％的一氧化碳。

24．权利要求21的方法，包括在所述至少一个下游催化剂上转化废气中至少40％的一氧化碳。

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