ES2835948T3 - Filtros multifuncionales para el control de emisiones de diésel - Google Patents

Filtros multifuncionales para el control de emisiones de diésel Download PDF

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Abstract

Un filtro de partículas catalizado que comprende: una pluralidad de paredes porosas que se extienden longitudinalmente para formar una pluralidad de pasajes paralelos que se extienden desde un extremo de entrada a un extremo de salida, en donde una cantidad de los pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de los pasajes son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida; al menos tres revestimientos que crean al menos dos zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde un primer revestimiento es un primer revestimiento de catalizador SCR, un segundo revestimiento es un segundo revestimiento de catalizador SCR y un tercer revestimiento es un revestimiento de metal del grupo del platino; en donde los al menos tres revestimientos crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, y en donde: una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de las paredes porosas y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR; y una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de las paredes porosas y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el primer revestimiento de catalizador SCR; y en donde: una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.

Description

DESCRIPCIÓN
Filtros multifuncionales para el control de emisiones de diésel
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un filtro de partículas catalizado y a métodos para tratar los gases de escape. Se describen artículos catalizadores multizona, métodos de fabricación de artículos catalizadores multizona y métodos para controlar las emisiones en las corrientes de escape del motor diésel con artículos catalizadores multizona, donde el sistema de tratamiento de emisiones de varias modalidades trata eficazmente los gases de escape del motor diésel con el artículo catalizador multizona.
Antecedentes de la invención
El escape del motor, y en particular el escape del motor diésel, es una mezcla heterogénea que contiene no solo emisiones gaseosas como monóxido de carbono ("CO"), hidrocarburos no quemados ("HC") y óxidos de nitrógeno ("NOx"), sino materiales en fase condensada (líquidos y sólidos), comúnmente se refiere a partículas o material particulado (PM). Las especies reguladas de emisiones de escape incluyen CO, HC, NOx y PM.
A menudo, los sustratos y composiciones de catalizador sobre los que se disponen las composiciones se proporcionan en los sistemas de escape de los motores diésel para convertir algunos o todos estos componentes de escape en componentes inocuos. Por ejemplo, los sistemas de gases de escape diésel pueden contener uno o más de un catalizador de oxidación diésel, un filtro de hollín y un catalizador para la reducción de NOx.
Se sabe que los catalizadores de oxidación que contienen metales del grupo del platino, metales básicos y combinaciones de los mismos facilitan el tratamiento de los gases de escape de los motores diésel al promover la conversión de ambos contaminantes gaseosos HC y CO y alguna proporción de material particulado a través de la oxidación de estos contaminantes en dióxido de carbono y agua. Dichos catalizadores generalmente se contienen en unidades que se llaman catalizadores de oxidación diésel (DOC), que se colocan en el escape de los motores diésel para tratar el gas de escape antes de que se ventile a la atmósfera. Además de la conversión del material particulado, CO y HC gaseosos, los catalizadores de oxidación que contienen metales del grupo del platino (que típicamente se dispersan en un portador de óxido refractario) también promueven la oxidación del óxido nítrico (NO) a NO2.
Las emisiones totales de material particulado (TPM) de los gases de escape de diésel se componen de tres componentes principales. Un componente es la fracción carbonosa sólida, seca o la fracción de hollín. Esta materia carbonosa seca contribuye a las emisiones visibles de hollín comúnmente asociadas con los gases de escape de diésel. Un segundo componente del material particulado es la fracción orgánica soluble ("SOF"). La fracción orgánica soluble se refiere a veces a la fracción orgánica volátil ("VOF"), dicha terminología se usará en la presente descripción. La VOF puede existir en el gas de escape de diésel como un vapor o como un aerosol (gotas finas de condensado líquido) en dependencia de la temperatura del gas de escape del diésel. Por lo general, está presente como líquidos condensados a la temperatura estándar de recolección de partículas de 52 °C, en gases de escape diluidos, según lo prescrito por una prueba de medición estándar, como el Procedimiento de Prueba Federal Transitoria de Servicio Pesado de EE. UU. Estos líquidos surgen de dos fuentes: (1) aceite lubricante que se barre de las paredes de los cilindros del motor cada vez que los pistones suben y bajan; y (2) combustible diésel no quemado o parcialmente quemado. El tercer componente del material particulado es la denominada fracción de sulfato. La fracción de sulfato se forma a partir de pequeñas cantidades de componentes de azufre presentes en el combustible diésel y el aceite lubricante. Durante la combustión, los componentes de azufre del combustible diésel y el aceite forman SO2 y SO3 gaseosos. A medida que el gas de escape se enfría, el SO3 se combina rápidamente con el agua para formar ácido sulfúrico, H2SO4. El ácido sulfúrico forma un aerosol que se acumula como una fase condensada con las partículas de carbono, o se adsorbe sobre los otros componentes particulados y, por lo tanto, se agrega a la masa de TPM.
Una tecnología clave de postratamiento que se usa para una alta reducción de material particulado es el filtro de partículas diésel (DPF). Hay muchas estructuras de filtro que se conocen que son eficaces para eliminar el material particulado de los gases de escape de diésel, tales como filtros de flujo de pared de panal, filtros de fibra enrollada o empaquetada, espumas de celda abierta, filtros de metal sinterizado, etc. Sin embargo, los filtros de flujo de pared de cerámica, que se describen a continuación, reciben la mayor atención. Estos filtros son capaces de eliminar más del 90 % del material particulado carbonoso sólido del gas de escape de diésel. El filtro es una estructura física para eliminar partículas del escape y las partículas acumuladas aumentarán la contrapresión del filtro en el motor. Por tanto, las partículas acumuladas deben quemarse de forma continua o periódica fuera del filtro para mantener una contrapresión aceptable. Desafortunadamente, las partículas de hollín de carbono requieren temperaturas superiores a 500 °C para quemarse en condiciones de escape ricas (pobres) en oxígeno. Esta temperatura es más alta que la típicamente presente en los gases de escape de diésel.
Generalmente, se introducen disposiciones para aumentar la temperatura de escape con el fin de proporcionar una regeneración activa del filtro. La presencia de un catalizador proporciona la oxidación de CO, HC y NO dentro del filtro y un aumento en la velocidad de combustión del hollín. De esta manera, un filtro de hollín catalizado (CSF) o un filtro de partículas diésel catalizado (CDPF) es eficaz para proporcionar >90 % de reducción de material particulado junto con la quema activa del hollín acumulado.
Otro mecanismo para la eliminación de partículas es mediante el uso de NO2 en la corriente de escape como un oxidante. Por tanto, las partículas pueden eliminarse por oxidación al emplear NO2 como un oxidante a temperaturas superiores a 300 °C. El NO2 que ya se encuentra en el escape del motor puede complementarse adicionalmente mediante la oxidación de NO (también en el escape) mediante el uso de un catalizador de oxidación DOC aguas arriba. Este mecanismo de regeneración pasiva puede reducir aún más la carga de hollín en un filtro y disminuir el número de ciclos de regeneración activa.
Los futuros estándares de emisiones que se adoptan en todo el mundo también abordarán las reducciones de NOx de los gases de escape de diésel. Una tecnología probada de reducción de NOx que se aplica en sistemas de emisiones móviles de servicio pesado desde 2006 en Europa y desde 2010 en EE. UU. con condiciones de gases de escape de diésel pobre es la Reducción Catalítica Selectiva (SCR). En este proceso, el NOx se reduce con amoniaco (NH3) a nitrógeno (N2) sobre un catalizador que se compone típicamente de metales básicos. La tecnología es capaz de reducir el NOx en más del 90 % y, por lo tanto, representa uno de los mejores enfoques para lograr objetivos de reducción de NOx agresivo. La SCR para aplicaciones móviles usa urea (típicamente presente en una solución acuosa) como fuente de amoniaco. La SCR proporciona conversiones eficientes de NOx siempre que la temperatura de escape se encuentre dentro del intervalo de temperatura activa del catalizador.
Si bien pueden proporcionarse sustratos separados, cada uno de los cuales contiene catalizadores para abordar componentes discretos del escape, en un sistema de escape, es deseable el uso de menos sustratos para reducir el tamaño total del sistema, para facilitar el ensamblaje del sistema y para reducir el costo total del sistema. Un enfoque para lograr este objetivo es revestir el filtro de hollín con una composición catalizadora eficaz para la conversión de NOx en componentes inocuos (dando un "filtro de hollín catalizado por SCR" o "filtro de hollín revestido"). Con este enfoque, el filtro de hollín catalizado por SCR asume dos funciones de catalizador: eliminación del componente particulado de la corriente de escape y conversión del componente NOx de la corriente de escape en N2.
Los filtros de hollín revestidos que pueden lograr los objetivos de reducción de NOx requieren una carga suficiente de composición de catalizador s Cr en el filtro de hollín. La pérdida gradual de la eficacia catalítica de las composiciones que se produce con el tiempo a través de la exposición a ciertos componentes deletéreos de la corriente de escape aumenta la necesidad de cargas de catalizador más altas de la composición de catalizador SCR. Sin embargo, la preparación de filtros de hollín revestidos con mayores cargas de catalizador puede conducir a una contrapresión inaceptablemente alta dentro del sistema de escape. Por lo tanto, se desean técnicas de revestimientos que permitan cargas de catalizador más altas en el filtro de flujo de pared, pero que aún permitan que el filtro mantenga características de flujo que logren contrapresiones aceptables.
Un aspecto adicional a tener en cuenta al revestir el filtro de flujo de pared es la selección de la composición de catalizador SCR adecuada. En primer lugar, la composición del catalizador debe ser duradera de manera que mantenga su actividad catalítica SCR incluso después de una exposición prolongada a temperaturas más altas que son características de la regeneración del filtro. Por ejemplo, la combustión de la fracción de hollín del material particulado a menudo conduce a temperaturas superiores a 700 °C. Tales temperaturas hacen que muchas composiciones de catalizador SCR comúnmente usadas, tales como óxidos mixtos de vanadio y titanio, sean menos eficaces catalíticamente. En segundo lugar, las composiciones de catalizador SCR preferentemente tienen un intervalo de temperatura de funcionamiento suficientemente amplio de manera que puedan adaptarse a los intervalos de temperatura variables sobre los que funciona el vehículo. Las temperaturas por debajo de 300 °C se encuentran típicamente, por ejemplo, en condiciones de carga baja o al arrancar el motor. Las composiciones de catalizador SCR son preferentemente capaces de catalizar la reducción del componente NOx del escape para lograr los objetivos de reducción del NOx, incluso a temperaturas de escape más bajas, el documento US 2011/0271664 describe catalizadores para tratar corrientes de gas de escape.
Sigue existiendo una necesidad en la técnica de artículos, métodos y sistemas catalizadores para tratar el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y el material particulado de un motor diésel de una manera eficaz y económica mientras se minimiza simultáneamente el espacio que se requiere en el sistema de escape. Resumen de la invención
El filtro de partículas catalizado de la invención y el método para reducir los gases de escape de la invención se definen ambos en las reivindicaciones adjuntas. Varias modalidades se enumeran a continuación.
Las modalidades de la invención se dirigen a catalizadores de cinco e incluso seis vías para el control de las emisiones de gases de escape de diésel. Como su nombre lo indica, en estos catalizadores de cinco y seis vías, las cinco/seis de las principales emisiones en el escape (CO, HC, NOx, hollín, NH3 y H2S) se eliminan mediante un solo artículo catalítico.
Un problema al que se enfrenta es cómo equilibrar varias reacciones en competencia para proporcionar una reducción general de los componentes de contaminación de una corriente de gas de escape. La invención es un filtro de partículas catalizado que comprende una pluralidad de paredes porosas que se extienden longitudinalmente para formar una pluralidad de pasajes paralelos que se extienden desde un extremo de entrada a un extremo de salida, en donde una cantidad de los pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de pasajes son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida, al menos tres revestimientos que crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde un primer revestimiento es un primer revestimiento de catalizador SCR, un segundo revestimiento es un segundo revestimiento de catalizador SCR y un tercer revestimiento es un revestimiento de metal del grupo del platino. Una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, y una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el primer revestimiento de catalizador SCR. Una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
Una o más modalidades comprenden una tercera zona y una cuarta zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino y la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
En varias modalidades, el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona entre AEI, CHA y AFX, donde los tamices moleculares del primer y segundo revestimiento de catalizador SCR se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce y combinaciones de los mismos, y en donde el metal del grupo del platino está presente en la tercera y cuarta zonas con una carga en el intervalo de aproximadamente 1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En varias modalidades, el revestimiento de metal del grupo del platino en la segunda zona está en la superficie de las paredes porosas; y el revestimiento de metal del grupo del platino en la tercera zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
En varias modalidades, una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, y una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa que comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
Una o más modalidades comprenden una tercera zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
Una o más modalidades comprenden una tercera zona y una cuarta zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino y la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
En varias modalidades, el revestimiento de metal del grupo del platino en la tercera zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR; y el revestimiento de metal del grupo del platino se entremezcla con el segundo revestimiento de catalizador SCR en la cuarta zona, en donde el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR en la primera, segunda, tercera y cuarta zonas comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona de AEI, CHA y AFX, y en donde los tamices moleculares se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce y combinaciones de los mismos.
En varias modalidades, una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y comprende el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, y una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
En varias modalidades, una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, y una segunda zona se extiende axialmente desde el la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino.
En varias modalidades, una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el segundo revestimiento de catalizador SCR.
Una o más modalidades comprenden una tercera zona y una cuarta zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, y la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el segundo revestimiento de catalizador SCR, en donde el revestimiento de metal del grupo del platino en la primera zona está en la superficie de las paredes porosas, el revestimiento de metal del grupo del platino en la segunda zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR, y el revestimiento de metal del grupo del platino se entremezcla con el segundo revestimiento de catalizador SCR en la tercera zona.
En varias modalidades, el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona de AEI, CHA y AFX, en donde los tamices moleculares se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce y combinaciones de los mismos.
En varias modalidades, el material de estructura zeolítica se promueve por CHA con cobre o hierro.
Una o más modalidades se refieren a una pluralidad de paredes porosas que tienen una longitud que se extiende longitudinalmente para formar una pluralidad de pasajes paralelos que se extienden desde un extremo de entrada a un extremo de salida, en donde una cantidad de los pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de pasajes diferente de los pasajes de entrada son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida, al menos tres zonas catalíticas a lo largo de la longitud y la penetración de las paredes porosas, incluyen, una primera zona que se extiende desde el extremo de entrada y que comprende un primer catalizador de reducción catalítica selectiva, una segunda zona aguas abajo de la primera zona, la segunda zona que comprende el primer catalizador de reducción catalítica selectiva y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino, o un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino, y una tercera zona aguas abajo de la segunda zona que comprende el primer catalizador de reducción catalítica selectiva y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino, o el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino, o el primer catalizador de reducción catalítica selectiva, el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino. En varias modalidades, la primera zona aguas arriba se extiende aproximadamente 1 % a aproximadamente 50 % de la longitud de la pared desde el extremo de entrada, en donde la carga de la primera zona aguas arriba está en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3; la segunda zona se extiende desde aproximadamente 1 % hasta aproximadamente 50 % de la longitud de la pared desde la primera zona aguas arriba, y el catalizador de oxidación del metal del grupo del platino comprende platino y/o paladio, en donde la carga del metal del grupo del platino en la segunda zona catalítica está en el intervalo de aproximadamente 0,1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3; y la tercera zona se extiende desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared, en donde la carga del segundo catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) en la tercera zona está en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3.
Una o más modalidades comprenden una cuarta zona aguas abajo de la tercera zona, que comprende el primer catalizador de reducción catalítica selectiva y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino; y en donde la cuarta zona se extiende desde la tercera zona hasta el extremo de salida de las paredes porosas, y en donde la carga de la cuarta zona está en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3. En varias modalidades, la porosidad de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 40 % a aproximadamente 75 %; y en donde el tamaño medio de los poros de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 30 pm.
Una o más modalidades se refieren a una pluralidad de paredes porosas que se extienden longitudinalmente para formar una pluralidad de pasajes paralelos que se extienden desde un extremo de entrada a un extremo de salida, en donde una cantidad de pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de pasajes son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida, al menos tres revestimientos crean al menos dos zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde un primer revestimiento es un primer revestimiento de catalizador SCR, un segundo revestimiento es un segundo revestimiento de catalizador SCR y un tercer revestimiento es un revestimiento de metal del grupo del platino.
En varias modalidades, una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, y una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
En varias modalidades, el revestimiento de metal del grupo del platino se entremezcla con el segundo revestimiento de catalizador SCR en la segunda zona.
En varias modalidades, la porosidad de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente un 40 % a aproximadamente un 75 %; y en donde el tamaño medio de los poros de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 15 pm a aproximadamente 25 pm.
En varias modalidades, el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona de AEI, CHA y AFX, en donde los tamices moleculares se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe y combinaciones de los mismos. La invención también es un método para reducir los gases de escape de un motor diésel de mezcla pobre, que comprende hacer fluir un gas de escape a través de cualquier modalidad de los filtros de partículas catalizados descritos en las reivindicaciones 1 a la 16, en donde al menos cinco de CO, HC, NOx, hollín, NH3 y H2S se eliminan al menos parcialmente de los gases de escape mediante el filtro de partículas catalizado.
Breve descripción de los dibujos
Otras características de la modalidad de la presente invención, su naturaleza y varias ventajas resultarán más evidentes al considerar la siguiente descripción detallada, tomada junto con los dibujos adjuntos, que también son ilustrativos del mejor modo contemplado por los solicitantes, y en los que los caracteres de referencia similares se refieren a partes similares en todo momento, donde:
La Figura 1 ilustra una vista externa de una modalidad de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene un extremo de entrada y un extremo de salida;
La Figura 2 ilustra una vista en sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas que se extienden longitudinalmente desde un extremo de entrada hasta un extremo de salida de un sustrato de filtro de flujo de pared;
La Figura 3 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que representa tres zonas;
La Figura 4 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por una pluralidad de revestimientos;
La Figura 5 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por una pluralidad de revestimientos;
La Figura 6 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por otra disposición de una pluralidad de revestimientos;
La Figura 7 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que representa cuatro zonas;
La Figura 8 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene cuatro zonas que se forman por al menos tres revestimientos;
La Figura 9 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene cuatro zonas que se forman por cuatro revestimientos;
La Figura 10 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene cuatro zonas que se forman por al menos tres revestimientos;
La Figura 11 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por una pluralidad de revestimientos;
La Figura 12 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene un revestimiento de tapón en la superficie exterior de los tapones de salida;
La Figura 13 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por una pluralidad de revestimientos;
La Figura 14 ilustra una modalidad ilustrativa de un sistema de motor que comprende un sistema de tratamiento de emisiones y un inyector de urea;
La Figura 15 ilustra otra modalidad ilustrativa de un sistema de motor que comprende un sistema de tratamiento de emisiones, un inyector de urea y otros componentes del motor.
Descripción detallada de la invención
Antes de describir varias modalidades ilustrativas de la invención, debe entenderse que la invención no se limita a los detalles de construcción o etapas del proceso expuestos en la siguiente descripción. La invención es susceptible de otras modalidades y de ser practicada o llevada a cabo de varias formas.
La referencia a lo largo de esta descripción a "una modalidad", "ciertas modalidades", "varias modalidades", "una o más modalidades" o "modalidad" significa que un rasgo, estructura, material, o característica particular descrita en relación con la modalidad puede incluirse en al menos una modalidad de la invención. Por lo tanto, la aparición de las frases como "en una o más modalidades", "en ciertas modalidades", "en varias modalidades", "en una modalidad" o "en la modalidad", en varios lugares a lo largo de esta descripción no se refieren necesariamente a la misma modalidad de la invención. Además, los rasgos, estructuras, materiales, o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más modalidades.
Como se usa en la presente descripción, el término "penetrar" cuando se usa para describir la dispersión del catalizador SCR y/o catalizador de oxidación en las paredes porosas, significa que la composición particular penetra en al menos la mayoría de las regiones huecas dentro del espesor de la pared, y se deposita sobre las superficies internas en todo el espesor de las paredes. De esta manera, el material se dispersa por toda la pared del filtro. Como se usa en la presente descripción, el término "carga local" cuando se usa para describir la cantidad de material catalítico (por ejemplo, PGM, catalizador SCR, catalizador de oxidación) presente en las paredes porosas, significa la cantidad promedio de material catalítico que se deposita en las paredes dentro de la zona o zonas, es decir, la carga indicada no se promedia en toda la longitud del sustrato.
Como se usa en la presente descripción, una carga revestimiento de lavado se define en g/pulg3, como el peso total de todos los componentes de revestimiento de lavado (es decir, PGM, soporte de óxido metálico refractario, zeolita, metales base, OSC, etc.) por unidad de volumen del sustrato monolítico. La carga de PGM se define en g/pie3, como el peso total de todos los metales de PGM en el catalizador (por ejemplo, Pt+Pd+Rh) por unidad de volumen del sustrato monolítico. Por lo tanto, los catalizadores TWC, DOC CSF y LNT que usan PGM pueden describirse de forma única tanto con la carga de revestimiento de lavado como con la carga de pGm , mientras que los catalizadores SCR que no tienen un componente de PGM pueden describirse solo por la carga de revestimiento de lavado. Los catalizadores AMOx que tienen tanto SCR como PGM pueden describirse mediante ambos criterios. Como se usa en la presente descripción, "carga" para el catalizador PGM es el peso real de PGM que se fija a las superficies internas y externas de la(s) pared(es) porosa(s) después de que se aplica el revestimiento de lavado, mientras que "carga" para el catalizador SCR es el peso combinado real del promotor metálico y el material de tamiz molecular que se fija a las superficies internas y externas de la(s) pared(es) porosa(s) después de aplicar el revestimiento de lavado. Además, puede usarse una carga de revestimiento de lavado o PGM localizada para describir específicamente el peso/volumen de los componentes del catalizador en la zona específica del catalizador. En una o más modalidades, el catalizador SCR y/o el catalizador de oxidación pueden permanecer esencialmente en la superficie de las paredes porosas del filtro. Como se usa en la presente descripción, el término "esencialmente en la superficie" cuando se usa para describir la dispersión del catalizador SCR y/o el catalizador de oxidación en las paredes porosas, significa que al menos la mayoría de las partículas de catalizador de la composición particular no penetran en regiones dentro del espesor de la pared y se depositan en las superficies internas a lo largo del espesor de las paredes. En cambio, el material catalítico se deposita en las superficies exteriores de las paredes, y una minoría de las partículas de catalizador penetra no más del 50 % aproximadamente en las regiones huecas dentro del espesor de la pared, o no más del 33 % aproximadamente en las regiones huecas dentro del espesor de pared, o no más de aproximadamente el 10 % en regiones huecas dentro del espesor de pared.
En una o más modalidades, la profundidad de penetración puede variarse para optimizar la contrapresión del filtro y la interacción con los componentes del catalizador que se aplican en etapas de revestimiento de lavado separadas, en donde la profundidad de penetración puede estar en el intervalo de aproximadamente 5 % a aproximadamente 50 % del espesor de la pared porosa, o en el intervalo de aproximadamente 10 % a aproximadamente 40 %, o en el intervalo de aproximadamente 5 % a aproximadamente 20 %, o en el intervalo de aproximadamente 20 % a aproximadamente 35 %.
El problema de equilibrar las diversas reacciones en competencia puede abordarse mediante la selección y disposición juiciosas de los materiales y componentes catalíticos en la corriente de escape, donde el material particulado (PM) puede reducirse mediante el uso de un filtro de partículas de pared porosa, los óxidos de nitrógeno (NOx ) puede reducirse con un catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) al utilizar un reductor (por ejemplo, urea, NH3), el deslizamiento de amoniaco puede reducirse mediante un catalizador de oxidación de amoníaco (AMOx).
Los principios y modalidades de la presente descripción se refieren en general a artículos filtrantes catalizados multizona, métodos de fabricación de artículos filtrantes catalizados multizona y métodos para controlar emisiones en corrientes de escape de motores de gasolina y diésel con artículos filtrantes catalizados multizona, donde el sistema de tratamiento de emisiones de varias modalidades trata eficazmente el escape del motor diésel con un solo artículo de filtro catalizado multizona.
Para eliminar el hollín, los artículos de filtro catalizados multizona tienen una alta capacidad de filtración. Para los revestimientos de catalizador en un filtro, dos consideraciones importantes son la minimización de la contrapresión y la prevención de la derivación del escape alrededor del catalizador dispuesto en el filtro. La minimización de la contrapresión se traduce directamente en ahorros de combustible y también en la vida útil del motor.
Para un artículo de filtro catalizado multizona que usa materiales catalizadores oxidativos y SCR separados para eliminar NOx por NH3 y CO y HC por O2, el primer escape pasa a través del catalizador SCR y luego pasa a través del catalizador de oxidación. Si el escape pasa por alto el catalizador SCR y primero se expone a la función de oxidación, entonces el reductor (por ejemplo, NH3) se oxidará a NOx y la función de reducción de NOx se verá comprometida, incluso hasta el punto de emitir más NOx que la cantidad que entró en el catalizador antes de que se añada NH3 como reductor.
La integración de las funciones de reducción de NOx y eliminación de material particulado (PM) en un solo artículo de catalizador se logra mediante el uso de un sustrato de flujo de pared revestido con una composición de catalizador SCR.
Los solicitantes han encontrado un método para aplicar una composición de catalizador SCR a un sustrato de flujo de pared para formar un sustrato que puede usarse en una aplicación donde se requiere una alta eficiencia de filtración. Por ejemplo, un sustrato que se forma con este método es adecuado para eliminar eficazmente el material particulado del escape (por ejemplo, más del 80 %, o 90 % o 99 %) en el sistema de tratamiento de emisiones de una modalidad de la invención. El método de revestimiento descrito en la presente descripción permite que los sustratos de flujo de pared se carguen con niveles prácticos de catalizador SCR sin causar una contrapresión excesiva a través del artículo revestido cuando se implementa en sistemas de tratamiento de emisiones.
En una o más modalidades, el catalizador SCR está dispuesto a lo largo de la pared del filtro a lo largo de toda la longitud y penetra toda la sección transversal de la pared. Esto permite que el catalizador SCR penetre todos los poros del filtro y se extienda sobre el volumen máximo del filtro, al minimizar así la contrapresión y asegurar que no se desvíe el catalizador SCR.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación se dispersa a lo largo de la pared del filtro a lo largo de al menos una porción de la longitud y penetra en toda la sección transversal de la pared. Esto permite que el catalizador de oxidación penetre en los poros del filtro y se extienda sobre el volumen máximo del filtro, al minimizar así la contrapresión y asegurar que no se desvíe el catalizador de oxidación.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación se dispersa a lo largo de la pared del filtro a lo largo de al menos una porción de la longitud donde el catalizador de oxidación penetra toda la sección transversal de la pared, y el catalizador de oxidación se dispersa en la superficie de la pared del filtro a lo largo de al menos una porción de la longitud en la que el catalizador de oxidación no penetra en toda la sección transversal de la pared. Esto permite que la mayor parte del catalizador de oxidación resida principalmente en la superficie del filtro, y una minoría de las partículas de catalizador no penetran más del 50 % en el espesor de la pared, o no más del 33 % en el espesor de la pared, o no más de aproximadamente el 10 % en el espesor de la pared, a lo largo de una porción de la longitud de la pared del filtro.
En varias modalidades, las diferentes zonas se distinguen entre sí por un cambio en la composición del revestimiento catalítico, un cambio en la carga del revestimiento catalítico, o ambos, cuando se observan axialmente a lo largo de la longitud de una pared porosa.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación se dispersa en la parte superior de la pared del canal o canales de salida del sustrato de filtro. En varias modalidades, el catalizador de oxidación forma una capa en la parte superior de la pared sobre el catalizador SCR disperso por toda la pared. El catalizador oxidativo permite un pasaje de gas a través de la pared directamente debajo de él, siempre que haya suficiente catalizador SCR en la pared para eliminar NOx antes de que el gas cruce el catalizador de oxidación.
Una o más modalidades de la invención se dirigen a filtros de partículas catalizados que comprenden una pluralidad de pasajes que se extienden longitudinalmente que se forman por paredes porosas que se extienden longitudinalmente que delimitan y definen los pasajes y una longitud axial que se extiende entre un extremo de entrada y un extremo de salida. Los pasajes comprenden pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y los pasajes de salida se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida.
Como se usa en la presente descripción, los términos "extremo de entrada" y "extremo de salida" se refieren a la trayectoria prevista y aceptada de un gas de escape a través de un artículo catalítico, donde un gas de escape sin tratar pasa a un artículo catalítico en un extremo de entrada, y un gas de escape tratado sale por un extremo de salida del artículo catalítico. En varias modalidades, el extremo de salida del artículo catalítico está opuesto al extremo de entrada.
En varias modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de las paredes porosas y/o en las paredes de los pasajes de entrada que se extienden desde el extremo de entrada y menos que la longitud axial total del filtro de flujo de pared, en donde el catalizador de reducción catalítica selectiva comprende un tamiz molecular y un metal de transición, y un catalizador de oxidación que comprende un metal del grupo del platino (PGM) está dispuesto a lo largo de la pared del filtro y/o en las paredes de los pasajes de salida que se extienden desde el extremo de salida y menos que la longitud axial total del filtro de flujo de pared. En una o más modalidades, una porción del catalizador de oxidación puede penetrar en las paredes del filtro y mezclarse con el catalizador SCR. En algunas modalidades, el catalizador que se aplica a los canales de entrada o salida puede formar una fina capa de revestimiento de lavado sobre los tapones de entrada o salida, dentro de los canales de entrada o salida.
Como se usa en la presente descripción, "metal del grupo del platino" (PGM) se refiere a platino, paladio, rodio, rutenio, osmio e iridio, o combinaciones de los mismos, y sus óxidos.
Los principios y modalidades de la presente invención también se refieren a un filtro de partículas catalizado que comprende un sustrato que tiene paredes porosas y al menos tres zonas catalíticas que se forman por dos revestimientos catalíticos a lo largo de la longitud de las paredes porosas.
Los principios y modalidades de la presente invención se refieren a un filtro de partículas catalizado que comprende un sustrato que tiene paredes porosas y al menos dos zonas catalíticas que se forman por tres revestimientos catalíticos a lo largo de la longitud de las paredes porosas.
Los principios y modalidades de la presente invención se refieren en general al tratamiento eficaz de los gases de escape del motor diésel con un solo artículo catalizador que tiene tres o más zonas catalíticas.
Los principios y modalidades de la presente invención también se refieren en general al tratamiento eficaz de los gases de escape de los motores de gasolina que requieren el uso de un filtro de partículas con un solo artículo catalizador que tiene tres o más zonas catalíticas.
Los principios y modalidades de la presente invención también se refieren en general a un método para reducir los gases de escape de un motor de combustión pobre, en donde los gases de escape fluyen a través de una modalidad de un filtro de partículas catalizado como se describe en la presente descripción, en donde al menos cinco de CO, HC, NOx, hollín, NH3 y H2S, y preferentemente los seis de CO, HC, NOx, hollín, NH3 y H2S se eliminan parcialmente del gas de escape mediante el filtro de partículas catalizado.
Filtro particulado
Tenga en cuenta que 1 g/pulg3 corresponde a 0,061 g/cm3. Los principios y modalidades de la presente invención se refieren a un filtro de partículas catalizado que comprende un sustrato que tiene paredes porosas y al menos tres zonas catalíticas a lo largo de la longitud de las paredes porosas, donde cada una de las al menos tres zonas catalíticas puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva, un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino y un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva.
En una o más modalidades, el filtro de partículas comprende una pluralidad de paredes porosas que tienen una longitud que se extiende longitudinalmente para formar una pluralidad de pasajes paralelos que se extienden desde un extremo de entrada a un extremo de salida, en donde una cantidad de los pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de pasajes diferentes de los pasajes de entrada son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida. En varias modalidades, los pasajes se cierran con un tapón, en donde el tapón puede tener una longitud de aproximadamente %” de largo.
En una o más modalidades, el filtro de partículas tiene un extremo de entrada en el que los gases pueden entrar en los pasajes de entrada, y un extremo de salida desde el cual los gases pueden salir de los pasajes de salida, donde los gases pasan de un pasaje de entrada a un pasaje de salida moviéndose a través de las paredes porosas que forman los pasajes paralelos.
En una o más modalidades, las paredes porosas tienen una porosidad en el intervalo de aproximadamente 40 % a aproximadamente 75 %, o en el intervalo de aproximadamente 40 % a aproximadamente 60 %, o en el intervalo de aproximadamente 50 % a aproximadamente 70 %, o en el intervalo de aproximadamente 50 % a aproximadamente 65 %, o en el intervalo de aproximadamente 60 % a aproximadamente 70 %, o en el intervalo de aproximadamente 55 % a aproximadamente 65 %. En varias modalidades, las paredes porosas tienen una porosidad en el intervalo de aproximadamente 60 % a aproximadamente 65 %.
En una o más modalidades, el tamaño medio de los poros de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 30 pm, o de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 25 pm, o de aproximadamente 20 pm a aproximadamente 25 pm. En varias modalidades, el tamaño medio de los poros de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 15 pm a aproximadamente 25 pm.
En una o más modalidades, se forman al menos tres zonas catalíticas a lo largo de la longitud de la pared mediante la penetración de material catalítico en el espesor de las paredes porosas sobre al menos una parte de la longitud de la pared. En varias modalidades, las al menos tres zonas catalíticas incluyen una primera zona catalítica (también se refiere a una primera zona o primera zona aguas arriba) que se extiende desde el extremo de entrada, una segunda zona catalítica (también se refiere a una segunda zona) aguas abajo de la primera zona y una tercera zona catalítica (también se refiere a una tercera zona) aguas abajo de la segunda zona. En varias modalidades, cada una de las zonas se distingue de la zona inmediatamente aguas arriba y/o aguas abajo por un cambio en la composición del material catalítico, carga de material catalítico, colocación de material catalítico sobre o en la pared o paredes, o combinaciones de los mismos.
En una o más modalidades, se aplica un segundo revestimiento de SCR desde el extremo de entrada y, opcionalmente, puede penetrar las paredes por completo u opcionalmente una parte del canal de entrada completo. Este segundo revestimiento SCR puede ser igual o diferente al primer revestimiento SCR.
En varias modalidades, la referencia a un revestimiento "que se extiende desde" un extremo de entrada o un extremo de salida indica que el revestimiento comienza en un extremo de la pared y progresa a lo largo de la pared hacia el extremo opuesto, o donde una característica del revestimiento, tal como estando en la superficie, puede comenzar una distancia desde la abertura de entrada real, la referencia a la característica de revestimiento "que se extiende desde" un extremo de entrada o un extremo de salida indica que la característica de revestimiento progresa a lo largo de la pared hacia el extremo opuesto. Por ejemplo, una segunda zona entre una primera y una tercera zona puede incluir un revestimiento en la superficie que se extiende un porcentaje de la longitud de la pared desde el extremo de entrada o salida, pero no comienza en el extremo de entrada o salida, puede indicar la dirección en la que el revestimiento se extiende.
Como se usa en la presente descripción, "carga de material catalítico" se refiere a un peso de material que comprende uno o más componentes catalíticamente activos depositados sobre y/o dentro de las paredes de un artículo catalítico, donde los componentes catalíticamente activos pueden ser un metal del grupo del platino (por ejemplo, Pt, Pd, Rh) y/o un metal de transición (por ejemplo, Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce, Ag). El material catalítico puede comprender además un material de soporte sobre el que se dispersan el componente o componentes catalíticamente activos y/o en el que se impregnan el componente o componentes catalíticamente activos, en donde el material de soporte puede ser alúmina, titania, zirconia, sílice, sílice/alúmina, o una combinación de los mismos.
En una o más modalidades, la primera zona aguas arriba puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva en una primera carga. En varias modalidades, la primera carga del primer catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,1 g/pulg 3 a aproximadamente 3 g/pulg 3, o aproximadamente 0,5 g/pulg 3 a aproximadamente 2,5 g/pulg 3, o aproximadamente 0,5 g/pulg 3 a aproximadamente 2 g/pulg 3
En una o más modalidades, la segunda zona puede comprender un catalizador de reducción catalítica selectiva en una primera carga y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino en una primera carga o el catalizador de reducción catalítica selectiva en una segunda carga.
En una o más modalidades, la tercera zona puede comprender un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino y un catalizador de reducción catalítica selectiva en una de una primera carga y una segunda carga.
En una o más modalidades, la primera zona catalítica es una primera zona aguas arriba que se extiende desde el extremo de entrada del sustrato, la segunda zona es adyacente y aguas abajo de la primera zona aguas arriba, y la tercera zona es adyacente y aguas abajo de la segunda zona.
En una o más modalidades, el filtro de partículas catalizado puede comprender además una cuarta zona adyacente y que se extiende aguas abajo de la tercera zona.
En una o más modalidades, la primera zona aguas arriba se extiende de aproximadamente 1 % a aproximadamente un 98 % de la longitud de la pared desde el extremo de entrada del(los) pasaje(s); la segunda zona se extiende desde aproximadamente el 1 % hasta aproximadamente el 98 % de la longitud de la pared desde la primera zona aguas arriba, la tercera zona se extiende desde aproximadamente el 1 % hasta aproximadamente el 98 % de la longitud de la pared desde la segunda zona; y la cuarta zona extiende el resto de la longitud de la pared desde la tercera zona hasta el extremo de salida del o de los pasajes.
En una o más modalidades, la primera zona aguas arriba se extiende de aproximadamente 1 % a aproximadamente un 50 % de la longitud de la pared desde el extremo de entrada.
En una o más modalidades, la segunda zona se extiende desde aproximadamente el 1 % hasta aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared desde la primera zona aguas arriba.
En una o más modalidades, la tercera zona se extiende desde aproximadamente el 1 % hasta aproximadamente el 97 % de la longitud de la pared desde la segunda zona.
En una o más modalidades, la cuarta zona se extiende desde aproximadamente el 1 % hasta aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared desde la tercera zona.
En una o más modalidades, la longitud de la pared porosa que se impregna con un primer revestimiento está en el intervalo desde aproximadamente 1 % hasta aproximadamente 80 %, o aproximadamente 1 % hasta aproximadamente 70 %, o aproximadamente 10 % hasta aproximadamente 66 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de salida de los pasajes, y la longitud de la pared porosa que se impregna con un segundo revestimiento está en el intervalo desde aproximadamente 50 % hasta aproximadamente 100 %, o aproximadamente 50 % hasta aproximadamente 80 %, o aproximadamente 30 % hasta aproximadamente 70 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes. En varias modalidades, la longitud de la pared porosa que se impregna con el segundo revestimiento está en el intervalo de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 80 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes, y la longitud de la pared porosa que se impregna con un primer revestimiento está en el intervalo de aproximadamente 1 % a aproximadamente 70 %.
En una o más modalidades, el segundo revestimiento impregna las paredes porosas del filtro de partículas en esencialmente toda la longitud de las paredes porosas del filtro de partículas, y el primer revestimiento se entremezcla con el segundo revestimiento en aproximadamente 1 % hasta aproximadamente un 70 % de la longitud de la pared extendiéndose desde el extremo de salida de los pasajes.
Catalizador de reducción catalítica selectiva
En una o más modalidades, el segundo revestimiento es un catalizador de reducción catalítica selectiva que comprende un tamiz molecular y un metal. En una o más modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva comprende un tamiz molecular. En varias modalidades, el tamiz molecular puede tener una estructura zeolítica y la estructura zeolítica puede tener tamaños de anillo no mayores de 12.
En una o más modalidades, el material de estructura zeolítica comprende una unidad de doble anillo de seis (d6r). En una o más modalidades, el material de estructura zeolítica puede seleccionarse de AEI, AFT, AFX, CHA, EAB, EMT, ERI, FAU, GME, JSR, KFI, LEV, LTL, LTN, MOZ, MSO, MWW, OFF, SAS, SAT, SAV, SBS, SBT, SFW, SSF, SZR, TSC, WEN, y combinaciones de los mismos. En varias modalidades, el material de estructura zeolítica puede seleccionarse de AEI, CHA, AFX, ERI, KFI, LEV y combinaciones de los mismos. En varias modalidades, el material de estructura zeolítica puede seleccionarse entre AEI, CHA y AFX. En varias modalidades, el material de estructura zeolítica es CHA. En una o más modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva comprende además un metal, que puede ser un metal base (por ejemplo, en donde el catalizador SCR está en forma de un tamiz molecular que se promueve con el metal).
En varias modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva se promueve con un metal seleccionado de Cu, Fe, Co, Ni, La, Ce, Mn, V, Ag y combinaciones de los mismos. En varias modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva se promueve con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Ag y combinaciones de los mismos. En varias modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva se promueve con Cu y/o Fe.
En una o más modalidades, el material de estructura zeolítica se promueve por CHA con cobre o hierro.
En una o más modalidades, el tamiz molecular del tipo de estructura de CHA promovida por cobre o hierro puede mezclarse con una pluralidad de partículas de alúmina y/o sílice/alúmina impregnadas con metales del grupo del platino para formar una suspensión.
En una o más modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en una primera carga o en una segunda carga, en donde la primera carga puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, y la segunda la carga puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, donde la segunda carga puede ser la misma o diferente de la primera carga. En varias modalidades, la carga potencial en una zona de solapamiento puede estar en el intervalo de aproximadamente 1,0 g/pulg3 a aproximadamente 5,0 g/pulg3.
En una o más modalidades, la primera carga del primer catalizador de reducción catalítica selectiva en la primera zona aguas arriba puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
En una o más modalidades, la primera carga del primer catalizador de reducción catalítica selectiva en la segunda zona puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
En una o más modalidades, la primera carga del primer catalizador de reducción catalítica selectiva en la tercera zona puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
En una o más modalidades, la primera carga del primer catalizador de reducción catalítica selectiva en la cuarta zona puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
Un ejemplo no limitante de un catalizador de reducción catalítica selectiva es un material de estructura zeolítica CHA que se promueve con cobre que tiene una relación molar de sílice a alúmina en el intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 100, más específicamente, de aproximadamente 10 a aproximadamente 75, e incluso más específicamente alrededor de 10 a alrededor de 60. En varias modalidades, al menos 0,5 g/pulg3 de una composición SCR, o no más de aproximadamente 3 g/pulg3 de una composición SCR, y en particular, aproximadamente 1,0 g/pulg3 a aproximadamente 2,0 g/pulg3, pueden estar dispuesto sobre las paredes porosas del filtro. En varias modalidades, la primera carga de un catalizador de reducción catalítica selectiva en la segunda zona catalítica puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
Catalizador de oxidación
Los principios y modalidades de la presente invención se refieren a un catalizador de oxidación que comprende un PGM dispuesto en al menos una zona del filtro de partículas catalizado. En una o más modalidades, el primer revestimiento es un catalizador de oxidación que comprende platino, paladio o una combinación de los mismos. En varias modalidades, el catalizador de oxidación es un catalizador de oxidación de amoniaco.
En una o más modalidades, la PGM puede seleccionarse entre platino, paladio, rodio, rutenio, osmio e iridio, o combinaciones de los mismos. En varias modalidades, la PGM puede seleccionarse entre platino, paladio o combinaciones de los mismos.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación comprende al menos un metal del grupo del platino en una pluralidad de partículas, y la pluralidad de partículas del catalizador de oxidación puede tener una composición de alúmina, titania, zirconia, sílice, sílice/alúmina o una combinación de los mismos. En una o más modalidades, el metal del grupo del platino puede impregnarse en las partículas de alúmina, titania, zirconia, sílice y/o sílice/alúmina mediante la técnica de humedad incipiente seguida de un tratamiento térmico entre aproximadamente 400 °C y aproximadamente 600 °C. En varias modalidades, la carga de metal del grupo del platino sobre la longitud de la pared porosa que se impregna con la suspensión está en el intervalo de aproximadamente 0,1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En varias modalidades, la carga de metal del grupo del platino en la longitud de la pared porosa que se impregna con la suspensión está en el intervalo de aproximadamente 0,1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3, o en el intervalo de aproximadamente 1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En una o más modalidades, la carga de metales del grupo del platino en la segunda zona catalítica puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3, o en el intervalo de aproximadamente 1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación es una suspensión de PGM que tiene un D90 <3 micrones, o un D90 <5 micrones, o un D90 <10 micrones, o D90 “ 5-7 micrones. En varias modalidades, un tamiz molecular del tipo de estructura de CHA promovida por cobre o hierro puede mezclarse con la suspensión de catalizador de oxidación.
Métodos de fabricación
Los principios y modalidades de la presente descripción también se refieren a un método de fabricación de un artículo de filtro de partículas catalizado que tiene al menos tres zonas catalíticas, en donde las al menos tres zonas catalíticas se forman mediante el uso de al menos tres revestimientos catalíticos.
En una o más modalidades, puede introducirse un catalizador de oxidación en un extremo de salida de una pluralidad de pasajes paralelos que se forman por una pluralidad de paredes porosas cerradas por un tapón en un extremo de entrada opuesto al extremo de salida, en donde las partículas del catalizador oxidativo penetran a través de las paredes porosas, y en donde la longitud de la pared porosa que se impregna con el catalizador de oxidación está en el intervalo de aproximadamente 1 % a aproximadamente 80 % o en el intervalo de aproximadamente 10 % a aproximadamente 70 %, o aproximadamente 60 % a aproximadamente 70 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de salida de los pasajes.
En una o más modalidades, puede introducirse un catalizador de reducción catalítica selectiva que comprende una pluralidad de partículas en un extremo de entrada de una pluralidad de pasajes paralelos que se forman por una pluralidad de paredes porosas cerradas por un tapón en un lado de salida opuesto al lado de entrada, en donde las partículas del catalizador de reducción catalítica selectiva penetran a través de las paredes porosas, en donde la longitud de la pared porosa que se impregna con las partículas del catalizador de reducción catalítica selectiva está en el intervalo de aproximadamente 20 % a aproximadamente 100 %, o aproximadamente 50 % a aproximadamente 100 %, o aproximadamente 50 % a aproximadamente 80 %, o aproximadamente 60 % a aproximadamente 70 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes.
En varias modalidades, el catalizador de oxidación puede comprender una pluralidad de partículas, por ejemplo, como una suspensión de material de soporte inorgánico revestido y/o impregnado con una PGM, en donde el catalizador de oxidación puede ser un catalizador de oxidación de amoniaco.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación se introduce en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos antes de que el catalizador de reducción catalítica selectiva se introduzca en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos. En varias modalidades, se introduce un primer catalizador de reducción catalítica selectiva en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos antes de que el catalizador de oxidación se introduzca en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos.
En una o más modalidades, las partículas del catalizador de oxidación se intercalan con las partículas del catalizador de reducción catalítica selectiva dentro de la pluralidad de paredes porosas, en donde las partículas del catalizador de reducción catalítica selectiva y el catalizador de oxidación se intercalan en las superficies y/o dentro del espacio vacío de las paredes porosas. En varias modalidades, la porosidad de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 60 % a aproximadamente 65 %.
En una o más modalidades, la longitud de la pared porosa que se impregna con el catalizador de reducción catalítica selectiva está en el intervalo de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 80 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes, la longitud de la pared porosa que no se impregna con el catalizador de reducción catalítica selectiva, pero se impregna con el catalizador oxidativo, está en el intervalo de aproximadamente 25 % a aproximadamente 55 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de salida de los pasajes, y la longitud de la pared porosa que se impregna con el catalizador de reducción catalítica selectiva y el catalizador de oxidación superpuesto está en el intervalo de aproximadamente 5 % a aproximadamente 35 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, el catalizador de reducción catalítica selectiva en el extremo de entrada de la pared porosa forma una primera zona, el catalizador de oxidación en el extremo de salida de la pared porosa forma una tercera zona, y el catalizador de reducción catalítico superpuesto y el catalizador de oxidación forman una segunda zona en donde la segunda zona está entre y adyacente a la primera zona y la tercera zona.
En una o más modalidades, la longitud de la pared porosa que se impregna con el catalizador de oxidación está en el intervalo de aproximadamente el 25 % a aproximadamente el 55 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de salida de los pasajes. La longitud de la pared porosa que se impregna con el catalizador de reducción catalítica selectiva está en el intervalo de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 80 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes.
En una o más modalidades, el primer catalizador de reducción catalítica selectiva se introduce en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos antes de que el catalizador de oxidación se introduzca en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos.
En varias modalidades, el catalizador de oxidación permanece esencialmente sobre la superficie de la porción superpuesta de la pared porosa sin intercalar con el catalizador de reducción catalítica selectiva, que se ubica dentro de las paredes porosas.
En una o más modalidades, puede introducirse un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos, en donde el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva puede penetrar a través de la porción de las paredes porosas del filtro de partículas no impregnado previamente con el primer catalizador de reducción catalítica selectiva y/o se deposita esencialmente sobre la superficie de las paredes porosas previamente revestidas en la superficie con un catalizador de oxidación.
En una o más modalidades, el primer catalizador de reducción catalítica selectiva se introduce en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos antes de que el catalizador de oxidación se introduzca en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos, y se introduzca el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva en el extremo de salida de los pasajes paralelos después de que se introduzca el catalizador de oxidación en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos. En varias modalidades, se introduce un catalizador de oxidación en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos después de que se introduce el primer catalizador de reducción catalítica selectiva en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos.
En una o más modalidades, el catalizador de oxidación se introduce en el extremo de salida de la pluralidad de pasajes paralelos antes de que el primer catalizador de reducción catalítica selectiva se introduzca en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos, donde el primer catalizador de reducción catalítica selectiva se introduce a una distancia menor que la longitud total de las paredes porosas, y el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva se introduce en el extremo de salida de los pasajes paralelos después de que el primer catalizador de reducción catalítica selectiva se introduce en el extremo de entrada de la pluralidad de pasajes paralelos, donde el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva se solapa con el primer catalizador de reducción catalítica selectiva durante al menos una porción de la longitud de las paredes porosas. En varias modalidades, el catalizador de oxidación se solapa con el primer catalizador de reducción catalítica selectiva durante al menos una parte de la longitud de las paredes porosas. En varias modalidades, las partículas del catalizador de oxidación se intercalan con las partículas del primer catalizador de reducción catalítica selectiva dentro de la pluralidad de paredes porosas.
En una o más modalidades, la longitud de la pared porosa que se impregna con las partículas del catalizador de reducción catalítica selectiva está en el intervalo de aproximadamente el 95 % a aproximadamente el 100 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes, la longitud de la pared porosa revestida en la superficie con las partículas del catalizador de oxidación está en el intervalo de aproximadamente 1 % a aproximadamente 70 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de salida de los pasajes. En varias modalidades, el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva puede revestirse sobre las superficies de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 70 % de la longitud de la pared, en donde la longitud de la pared revestida con el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva se extiende desde el extremo de salida de los pasajes.
En una o más modalidades, un catalizador de reducción catalítica selectiva comprende una pluralidad de partículas que comprenden un tamiz molecular del tipo de estructura de CHA promovida por cobre o hierro.
En una o más modalidades, un metal del grupo del platino puede revestirse sobre la superficie exterior de un enchufe en el lado de salida de los pasajes paralelos. En varias modalidades, el metal del grupo del platino puede revestirse sobre las superficies de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 %, o no más del 5 %, o no más del 3 %, o no más del 2 %, o no más del 1 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de salida de los pasajes de salida, o no más del doble de la longitud del tapón.
En un ejemplo no limitante de un proceso para revestir los sustratos de flujo de pared con la composición de catalizador SCR y/o catalizador de oxidación, el sustrato puede sumergirse verticalmente en una porción de una suspensión de catalizador de partículas sólidas en un líquido de manera que la parte superior del sustrato se encuentra justo encima de la superficie de la suspensión. La muestra se deja en la suspensión durante unos 30 segundos. El sustrato se retira de la suspensión y el exceso de suspensión se retira del sustrato de flujo de pared primero dejándolo drenar de los canales, luego soplándolo con aire comprimido (en contra de la dirección de penetración de la suspensión). En dependencia del tamaño de poro del filtro, el tamaño medio de partícula de la suspensión de catalizador SCR y las etapas de procesamiento previas, la suspensión de catalizador SCR puede depositarse y/o penetrar en las paredes porosas del filtro, de manera que los poros no se obstruyen en la medida en que se acumule una contrapresión indebida en el sustrato terminado. En varias modalidades, la suspensión de catalizador de oxidación puede depositarse y/o penetrar en las paredes porosas del filtro. En varias modalidades, puede aplicarse un segundo catalizador SCR a los canales de entrada o salida para depositar y/o penetrar en las paredes porosas del filtro. En varias modalidades, puede aplicarse un segundo catalizador de oxidación a los canales de entrada y/o salida para depositarlo sobre la superficie de las paredes porosas del filtro.
Sistema de escape catalítico multizona y métodos de reducción de emisiones
Los principios y modalidades de la presente descripción también se refieren a sistemas de escape catalíticos que incorporan al menos un filtro de partículas catalizado, como se describe en la presente descripción. En varias modalidades, el sistema de escape catalítico puede comprender un filtro de partículas catalizado y uno o más componentes adicionales para reducir una pluralidad de contaminantes gaseosos y alguna proporción de la materia en partículas.
En una o más modalidades, puede proporcionarse un inyector de urea, también se refiere a un sistema de dosificación de reductor, aguas arriba del filtro de partículas catalizado para inyectar un reductor de NOx en la corriente de escape para facilitar el funcionamiento de un catalizador SCR que se incorpora en el filtro de partículas catalizado. Como se describe en la patente de EE.UU. Núm. 4,963,332, pueden detectarse NOx aguas arriba y aguas abajo del convertidor catalítico, y puede controlarse una válvula de dosificación pulsada mediante las señales aguas arriba y/o aguas abajo.
En configuraciones alternativas, los sistemas descritos en la patente de EE.UU. Núm. 5,522,218, el ancho de pulso del inyector reductor puede controlarse a partir de valores de sensor y/o mapas de temperatura de gas de escape y condiciones de funcionamiento del motor tales como rpm del motor, engranaje de transmisión y velocidad del motor. Los sistemas de medición de impulsos reductores se describen en la patente de EE.UU. Núm. 6,415,602,
En varias modalidades, el sistema de escape puede comprender un colector de escape, un tubo de escape (o un tubo de bajada o un tubo en Y), un silenciador y un tubo de escape. Puede insertarse un sistema de escape catalítico en el sistema de escape en el tubo en Y y/o el tubo de escape para tratar los gases de escape del motor de combustión interna antes de que los gases salgan del tubo de escape a la atmósfera.
En una o más modalidades, el sistema de escape catalítico comprende un sustrato catalítico monolítico que tiene una longitud, una anchura, una altura y una carga de metales preciosos. En varias modalidades, el sustrato catalítico monolítico tiene una forma que puede ser cilíndrica, con un diámetro que define un área de sección transversal y una longitud; elíptica, que tiene un eje mayor y un eje menor que define un área de sección transversal y una longitud; u oblongo, que tiene un eje principal y un diámetro transversal que define un área de sección transversal y una longitud, y en donde el sustrato catalítico monolítico tiene una carga de metales preciosos para proporcionar un nivel pretendido de actividad catalítica.
En una o más modalidades, la carga de metales preciosos puede comprender uno o más metales del grupo del platino, uno o más metales base, uno o más óxidos de metales preciosos y/o base, o una combinación de los mismos.
En varias modalidades, el sistema de escape catalítico puede comprender catalizadores de dos vías, catalizadores de tres vías (TWC) (que se usan principalmente en motores de gasolina de combustión estequiométrica), catalizadores de oxidación diésel (DOC) (que se usan principalmente en motores diésel de combustión pobre), catalizadores de reducción catalítica selectiva (SCR), catalizadores de óxido nitroso pobre (LNCS), catalizadores de amoniaco de deslizamiento (ASC), catalizadores de oxidación de amoniaco (AMOx), absorbentes de NOx que también se llaman catalizadores de liberación/almacenamiento de NOx (NSR) y trampa de NOx pobre (LNT), filtros de partículas diésel (DPF), filtros de partículas de gasolina (GPF), catalizadores de oxidación parcial (POC) y filtros de hollín catalizados (CSF), así como combinaciones de los mismos. En varias modalidades, el sistema de escape catalítico puede incluir, entre otros, un Catalizador de Oxidación Diésel (DOC), una trampa de NOx pobre (LNT), un absorbente de NOx pasivo (PNA), una Reducción Catalítica Selectiva (SCR) con una inyección de amoniaco asociada y catalizador de oxidación de amoniaco (AMOx).
En varias modalidades, un sustrato catalítico monolítico puede revestirse con al menos una capa de revestimiento de lavado que contiene uno o más materiales catalíticos que pueden seleccionarse entre los metales del grupo del platino, metales base y óxidos metálicos, y el sustrato alojado dentro de una carcasa.
En una o más modalidades, el convertidor catalítico puede comprender un sustrato catalítico monolítico que se encierra dentro de una carcasa que tiene una entrada y una salida, en donde la carcasa puede estar alojada dentro de un recipiente que puede estar operativamente asociado y en comunicación fluida con un sistema de escape de un motor de combustión interna.
Las Figuras 1 y 2 ilustran un sustrato de filtro de flujo de pared típico 10 (también se refiere a un filtro de flujo de pared) que tiene una pluralidad de pasajes 12. Los pasajes se forman y se encierran de forma tubular por las paredes internas 13 del sustrato de filtro. La Figura 1 representa una vista externa de una modalidad de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene un extremo de entrada 14 y un extremo de salida 16. Los pasajes alternativos están tapados en el extremo de entrada con tapones de entrada 18 (mostrados en negro), y en el extremo de salida con tapones de salida 20 para formar patrones de tablero de ajedrez opuestos en los extremos de entrada 14 y salida 16 del sustrato. Los tapones de salida 20 tienen una superficie interior 21 que mira hacia el pasaje y una superficie exterior 23 que mira hacia fuera.
La Figura 2 ilustra una vista en sección transversal de una modalidad de una pluralidad de paredes porosas que se extienden longitudinalmente desde un extremo de entrada hasta un extremo de salida de un sustrato de filtro de flujo de pared. Se muestra una vista en sección transversal parcial de una modalidad de una pluralidad de paredes porosas 13 que se extienden longitudinalmente desde un extremo de entrada 14 hasta un extremo de salida 16, y que forman una pluralidad de pasajes 12 paralelos. Una corriente de gas 22 (mostrada como flechas) entra a través del extremo abierto y desenchufado de los pasajes de entrada 24, se detiene en el extremo cerrado por el tapón de salida 20 y se difunde a través de las paredes porosas 13 que forman los pasajes hacia los pasajes de salida 26. La corriente de gas 22 sale del filtro al fluir a través del extremo abierto y desenchufado de los pasajes de salida 26, y se detiene en el extremo cerrado mediante el tapón de entrada 18. Se evita que el gas fluya hacia atrás al extremo de entrada del filtro desde los pasajes de salida mediante los tapones de entrada 18, y se evita que vuelva a entrar en los pasajes de entrada desde el extremo de salida mediante los tapones de salida 20. De esta manera, una cantidad de los pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de pasajes son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida, donde los pasajes de salida son pasajes diferentes que los pasajes de entrada.
La Figura 3 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas. El artículo catalizador mostrado comprende un filtro de flujo de pared 10 que tiene una pluralidad de pasajes 12 que se extienden longitudinalmente formados por paredes porosas 13 que se extienden longitudinalmente que delimitan y definen los pasajes 24 y 26, donde las paredes tienen una longitud axial 'Lw' que se extiende entre un extremo de entrada 14 y un extremo de salida 16 del filtro de flujo de pared que tiene una longitud 'Lf'. En varias modalidades, la longitud de filtro 'Lf' > longitud de pared axial 'Lw'. En varias modalidades, las paredes porosas tienen una porosidad sustancialmente uniforme en todas partes. Los pasajes 24 y 26 comprenden pasajes de entrada 24 que se abren en el extremo de entrada 14 y se cierran en el extremo de salida 16, y los pasajes de salida 26 que se cierran en el extremo de entrada 14 y se abren en el extremo de salida 16.
En una o más modalidades, un sustrato catalítico puede configurarse para tener al menos tres zonas catalíticas, en donde las zonas catalíticas se distinguen entre sí por la disposición espacial de dos o más componentes catalíticos. En varias modalidades, los componentes catalíticos pueden ser un catalizador SCR y un catalizador AMOx.
En una o más modalidades, al menos tres zonas catalíticas 30, 32, 34, se forman por al menos tres revestimientos catalíticos a lo largo de la longitud 'Lw' de las paredes porosas 13, en donde el revestimiento o revestimientos pueden penetrar el espesor de las paredes porosas 13. En varias modalidades, los al menos tres revestimientos catalíticos están dispuestos a lo largo de la longitud 'Lw' de las paredes porosas 13 en diferentes disposiciones espaciales.
En varias modalidades, las diferentes zonas pueden distinguirse entre sí por un cambio en la composición del revestimiento catalítico, un cambio en la carga del revestimiento catalítico, un cambio en la combinación de uno o más revestimientos catalíticos, o cualquier combinación de los mismos, a lo largo de la longitud de una pared porosa.
En varias modalidades, un primer revestimiento es un primer revestimiento de catalizador SCR, un segundo revestimiento es un segundo revestimiento de catalizador SCR y un tercer revestimiento es un revestimiento de metal del grupo del platino.
En una o más modalidades, una primera zona 30 se extiende axialmente desde el extremo de entrada 14 de las paredes porosas 13 una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y una segunda zona 32 se extiende axialmente desde la primera zona 30 una distancia menor que la distancia al extremo de salida 16 de la pared porosa 13. En varias modalidades, una primera zona 30 comprende o consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, y una segunda zona 32 comprende o consiste esencialmente en el revestimiento de metal del grupo del platino y el primer revestimiento de catalizador SCR.
En una o más modalidades, una tercera zona 34 se extiende axialmente desde la segunda zona 32 hasta el extremo de salida 16 de la(s) pared(es) porosa(s) 13. En varias modalidades, la tercera zona 34 comprende o consiste esencialmente en un revestimiento de metal del grupo del platino y un segundo revestimiento de catalizador SCR. En una o más modalidades, la primera zona 30 puede comprender un catalizador SCR para reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) en un gas de escape, la segunda zona 32 puede comprender un catalizador de oxidación de amoniaco ("AMOx") para prevenir el amoniaco (NH3) que se usa con el catalizador SCR que sale del sustrato catalítico en la corriente de escape, y/o un catalizador de oxidación diésel ("DOC") para reducir la cantidad de componentes de monóxido de carbono ("CO") e hidrocarburos no quemados ("HC") en el gas de escape, la tercera zona puede comprender un catalizador AMOx y/o DOC y un segundo catalizador SCR para reducir o eliminar el NOx que queda en el gas de escape o que se produce por oxidación del NH3 por los catalizadores de oxidación, y las paredes porosas del sustrato catalítico reducen o eliminan el material particulado (PM) en el gas de escape.
La referencia a una zona que consiste esencialmente en un revestimiento específico, dentro de esta aplicación, significa que solo el revestimiento especificado fue depositado intencionalmente dentro de la zona especificada, y mientras que otros componentes pueden depositarse o migrar inadvertidamente a la zona, la mayoría del material en la zona es el material depositado específicamente.
La Figura 4 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas. Mientras que la figura 4 puede representar los revestimientos al ocupar una porción del espesor de las paredes porosas en las zonas, esto es solo como una representación y en varias modalidades los revestimientos pueden penetrar en todo el espesor de la pared porosa, o penetrar una distancia en la pared porosa al depender según la viscosidad del(los) revestimiento(s) y/o el tamaño de las partículas y los poros.
En una o más modalidades, se forman al menos tres zonas catalíticas a lo largo de la longitud 'Lw' de las paredes porosas 13, y penetran el espesor de las paredes porosas 13. En una o más modalidades, una primera zona 30 puede extenderse axialmente desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13, donde la primera zona puede extenderse una distancia desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13 menos que la longitud total de la pared porosa 13. En varias modalidades, la primera zona 30 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) 40 en una primera carga. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la(s) pared(es) porosa(s) en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la primera carga 41 del catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3. Tenga en cuenta que 1 g/pie3 corresponde a 3,53 * 10-5 g/cm3. En una o más modalidades, una segunda zona 32 aguas abajo de la primera zona 30 puede extenderse axialmente al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13, donde la segunda zona puede extenderse una distancia desde la primera zona menos que la longitud de las paredes porosas 13 hasta el extremo de salida 16 de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la segunda zona 32 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una primera carga y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en una primera carga 46, o un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una segunda carga y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en una primera carga 46. En varias modalidades, la segunda carga del segundo catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3. En varias modalidades, la segunda carga del catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3. En varias modalidades, la segunda carga de SCR puede ser en una cantidad que sea igual o diferente de la primera carga de SCR 42. En varias modalidades, la primera carga del catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 46 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En varias modalidades, el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 puede estar dispuesto dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13, y/o en al menos una longitud de las paredes 13 de los pasajes de salida 26 que se extienden desde el extremo de salida 16 por menos de la longitud axial 'Lw' de las paredes del filtro de flujo de la pared.
En una o más modalidades, el primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 puede tener la misma o una composición diferente que el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43. En varias modalidades, la segunda carga de SCR puede ser en una cantidad que sea igual o diferente de la primera carga de SCR.
En una o más modalidades, el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador pueden comprender cada uno un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona entre AEI, CHA y AfX, donde el primer catalizador SCR y el segundo catalizador pueden promoverse independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, Ce, Mn, V, Ag o combinaciones de los mismos.
En una o más modalidades, el primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 puede tener la misma o una composición diferente que el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43. En varias modalidades, la segunda carga de SCR puede ser en una cantidad que sea igual o diferente de la primera carga de SCR. En varias modalidades, la primera carga del catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 46 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En una o más modalidades, la segunda zona puede comprender un catalizador de oxidación de amoniaco (AMOx).
En una o más modalidades, una tercera zona 34 aguas abajo de la segunda zona 32 puede extender la longitud de las paredes porosas 13 desde la segunda zona 32 hasta el extremo de salida de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la tercera zona 34 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una de la primera carga y/o el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una segunda carga, y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en la primera carga 46. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la pared porosa en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la segunda carga del catalizador de reducción catalítica selectiva 42 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
En varias modalidades, un catalizador de oxidación 45 puede estar dispuesto dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13, y/o en al menos una longitud de la superficie de las paredes 13 de los pasajes de salida 26 que se extienden desde el extremo de salida 16 por menos de la longitud axial 'Lw' de las paredes del filtro de flujo de la pared.
De acuerdo con una o más modalidades, se apreciará que el catalizador de oxidación 45 puede estar en las paredes 13 en lugar de penetrar las paredes, sin embargo, una porción del catalizador de oxidación 45 puede penetrar una profundidad en la(las) pared(es) 13 menos que el espesor de la(s) pared(es) 13, pero la mayor parte del catalizador de oxidación 45 está sobre o sobre la pared, y no incrustado en la pared.
La Figura 5 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por una pluralidad de revestimientos.
En una o más modalidades, se forman al menos tres zonas catalíticas a lo largo de la longitud 'Lw' de las paredes porosas 13, y penetran el espesor de las paredes porosas 13. En una o más modalidades, una primera zona 30 puede extenderse axialmente desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13, donde la primera zona puede extenderse una distancia desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13 menos que la longitud total de la pared porosa 13. En varias modalidades, la primera zona 30 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) 40 en una primera carga. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la(s) pared(es) porosa(s) en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la primera carga del catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg 3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
En una o más modalidades, una segunda zona 32 aguas abajo de la primera zona 30 puede extenderse axialmente al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13, donde la segunda zona puede extenderse una distancia desde la primera zona menos que la longitud de las paredes porosas 13 hasta el extremo de salida 16 de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la segunda zona 32 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una primera carga y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en una primera carga 46. En varias modalidades, la segunda zona 32 puede comprender un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una segunda carga y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en una primera carga 46. En varias modalidades, la segunda carga del segundo catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3. En varias modalidades, la segunda carga del catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3. En varias modalidades, la segunda carga de SCR puede ser en una cantidad que sea igual o diferente de la primera carga de SCR 42. En varias modalidades, la primera carga del catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 46 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3, o en el intervalo de aproximadamente 1,0 g/pie3 a aproximadamente 10 g/pie3, o en el intervalo de aproximadamente 2,5 g/pie3 a aproximadamente 5 g/pie3.
En una o más modalidades, una tercera zona 34 aguas abajo de la segunda zona 32 puede extender la longitud de las paredes porosas 13 desde la segunda zona 32 hasta el extremo de salida de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la tercera zona 34 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una de la primera carga y el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una segunda carga, y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en la primera carga 46. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la pared porosa en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la segunda carga del catalizador de reducción catalítica selectiva 42 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
La Figura 6 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por otra disposición de una pluralidad de revestimientos.
En una o más modalidades, se forman al menos tres zonas catalíticas a lo largo de la longitud 'Lw' de las paredes porosas 13, y penetran el espesor de las paredes porosas 13. En una o más modalidades, una primera zona 30 puede extenderse axialmente desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13, donde la primera zona puede extenderse una distancia desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13 menos que la longitud total de la pared porosa 13. En varias modalidades, la primera zona 30 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) 40 en una primera carga. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la(s) pared(es) porosa(s) en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la primera carga del catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 1,0 g/pulg3 a aproximadamente 2,0 g/pulg3.
En una o más modalidades, una segunda zona 32 aguas abajo de la primera zona 30 puede extender la longitud de las paredes porosas 13 desde la primera zona menos que la longitud de las paredes porosas 13 hasta el extremo de salida 16 de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la segunda zona 32 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una de la primera carga y el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una segunda carga, y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en la primera carga 46. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la pared porosa en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una primera carga puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,3 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,4 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3.
En una o más modalidades, una tercera zona 34 aguas abajo de la segunda zona 32 puede extender la longitud de las paredes porosas 13 desde la segunda zona 32 hasta el extremo de salida de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la tercera zona 34 puede comprender un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una segunda carga, y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en la primera carga 46. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la pared porosa en aproximadamente 1 % a aproximadamente 98 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la primera carga del segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,3 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,4 g/pulg3 a aproximadamente 2,5 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 2 g/pulg3, o en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3.
En una o más modalidades, la composición del primer catalizador de reducción catalítica selectiva 40 y el segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 pueden ser iguales o diferentes, por ejemplo, la primera composición del catalizador de reducción catalítica selectiva 40 puede ser Cu-CHA con una primera carga de aproximadamente 2,5 g/pulg3, y la segunda composición de catalizador de reducción catalítica selectiva 43 puede ser Fe-ZSM-5 con una primera carga de aproximadamente 2,0 g/pulg3. En otro ejemplo, la primera composición de catalizador de reducción catalítica selectiva 40 puede ser Cu-CHA con una primera carga de aproximadamente 3,0 g/pulg3, y la segunda composición de catalizador de reducción catalítica selectiva 43 puede ser Cu-CHA con una primera carga de aproximadamente 2,0 g/pulg3.
La Figura 7 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que representa cuatro zonas. En una o más modalidades, al menos cuatro zonas catalíticas se forman por al menos tres revestimientos catalíticos a lo largo de la longitud 'Lw' de las paredes porosas 13.
En una o más modalidades, una primera zona 30 se extiende axialmente desde el extremo de entrada 14 de las paredes porosas 13 una distancia menor que la longitud total de la pared porosa 13, una segunda zona 32 se extiende axialmente desde la primera zona 30 una distancia menor que la distancia al extremo de salida 16 de la(s) pared(es) porosa(s) 13, una tercera zona 34 se extiende axialmente desde la segunda zona 32 una distancia menor que la distancia hasta el extremo de salida 16 de la(s) pared(es) porosa(s) 13, y una cuarta zona 36 se extiende axialmente desde la tercera zona 34 hasta el extremo de salida 16 de la(s) pared(es) porosa(s) 13. En varias modalidades, los al menos tres revestimientos catalíticos están dispuestos a lo largo de la longitud "Lw" de las paredes porosas 13 en diferentes disposiciones espaciales. En varias modalidades, se disponen cuatro revestimientos catalíticos a lo largo de la longitud "Lw" de las paredes porosas 13 en diferentes disposiciones espaciales.
En varias modalidades, la primera zona consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR; y la segunda zona comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el primer o segundo revestimiento de catalizador SCR. En varias modalidades, el metal del grupo del platino está presente en la segunda zona con una carga en el intervalo de aproximadamente 1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En varias modalidades, la tercera zona consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; y la cuarta zona comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR. En varias modalidades, el metal del grupo del platino está presente en la tercera y cuarta zonas con una carga en el intervalo de aproximadamente 1 g/pie3 a aproximadamente 50 g/pie3.
En varias modalidades, una primera zona 30 puede extenderse desde el extremo de entrada 14 de la pared 13, y está aguas arriba de las zonas subsiguientes. En varias modalidades, la primera zona 30 puede comprender un catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una primera carga. En una o más modalidades, una composición de catalizador SCR puede disponerse dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la pared porosa sobre esa porción de la longitud de la pared.
En una o más modalidades, una segunda zona 32 aguas abajo de la primera zona 30 puede extenderse al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 desde la primera zona y menos que la longitud total de las paredes 13 hasta el extremo de salida 16 de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la segunda zona 32 puede comprender un catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una primera carga y un catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en una primera carga 46, o un catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una segunda carga 42 y un catalizador de oxidación de metales del grupo platino 45 en una primera carga 46. En varias modalidades, la segunda carga puede ser en una cantidad igual o diferente a la primera carga. En una o más modalidades, una tercera zona 34 aguas abajo de la segunda zona 32 puede extenderse al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 desde la segunda zona, y menos que la longitud de la pared 13 hasta el extremo de salida 16 de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la tercera zona 34 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva en una de la primera carga y/o la segunda carga 42, y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en la primera carga 46. En varias modalidades, la tercera zona 34 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva en una primera carga y un catalizador de oxidación de metal del grupo del platino 45 en una primera carga 46, o un catalizador de reducción catalítica selectiva en una segunda carga 42 y un metal del grupo del platino catalizador de oxidación 45 en una primera carga 46. En varias modalidades, la segunda carga 42 puede ser en una cantidad igual o diferente a la primera carga.
De acuerdo con una o más modalidades, se apreciará que el catalizador de oxidación 45 puede estar en las paredes 13 en la tercera zona en lugar de penetrar las paredes, sin embargo, una porción del catalizador de oxidación 45 puede penetrar una profundidad en la(s) pared(es) 13 menos que el espesor de la(s) pared(es) 13, pero la mayor parte del catalizador de oxidación está en o sobre la pared, y no incrustado dentro de la pared.
En una o más modalidades, una cuarta zona 36 aguas abajo de la tercera zona 34 puede extender la longitud de las paredes porosas 13 desde la tercera zona 34 hasta el extremo de salida de las paredes porosas 13. En varias modalidades, la cuarta zona 34 puede comprender un catalizador de reducción catalítica selectiva 40 en una de la primera carga y/o la segunda carga 42, y el catalizador de oxidación de metales del grupo del platino 45 en la primera carga 46.
En una o más modalidades, una primera zona 30 puede extenderse axialmente desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13, donde la primera zona puede extenderse una distancia desde el extremo de entrada 14 de la pared porosa 13 menos que la longitud total de la pared porosa 13. En varias modalidades, la primera zona 30 puede comprender un primer catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR) 40 en una primera carga. En una o más modalidades, puede disponerse una composición de catalizador SCR dentro de al menos una porción de la longitud de la pluralidad de paredes porosas 13 y penetrar a través de la pared porosa en aproximadamente 1 % a aproximadamente 97 % de la longitud de la pared. En varias modalidades, la primera carga del catalizador de reducción catalítica selectiva puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 g/pulg3 a aproximadamente 3 g/pulg3.
En una o más modalidades, al menos un revestimiento catalítico penetra el espesor de las paredes porosas 13. En varias modalidades, un primer revestimiento catalítico de SCR penetra el espesor de las paredes porosas 13, en donde el revestimiento catalítico de SCR penetra al menos una primera zona. En varias modalidades, un primer revestimiento catalítico SCR y un primer revestimiento catalítico PGM penetran en el espesor de las paredes porosas 13, en donde el revestimiento catalítico SCR y el revestimiento catalítico PGM penetran al menos una segunda zona.
La Figura 8 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene cuatro zonas que se forman por al menos tres revestimientos.
En una o más modalidades, una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa 13 y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR 40; y una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y comprende el primer revestimiento de catalizador SCR 40 y el segundo revestimiento de catalizador SCR 43; y una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR 40, el segundo revestimiento de catalizador SCR 43 y el revestimiento de metal del grupo del platino 45; y la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende una combinación o mezcla 49 del revestimiento de metal del grupo del platino 45 y el segundo revestimiento de catalizador SCR 43. En varias modalidades, la combinación 49 puede formarse al introducir el segundo catalizador SCR y las partículas del catalizador de oxidación secuencialmente en el extremo de salida de los canales del filtro de partículas.
La Figura 9 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene uno o más catalizadores en la superficie de las paredes en una o más zonas, donde los catalizadores pueden formar capas intercaladas.
En una o más modalidades, el filtro de partículas catalizado 10 puede comprender tres zonas catalíticas o cuatro zonas catalíticas. En varias modalidades, la primera zona puede comprender un primer catalizador SCR 40 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes, y un catalizador oxidativo 47 en una primera carga 48 que recubre la superficie de las paredes en la primera zona. Una segunda zona puede comprender un primer catalizador SCR 40 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde la primera zona, donde la primera zona termina en la interfaz donde comienza la segunda zona, y un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una primera carga que recubre la superficie de las paredes en la segunda zona que se extiende desde la primera zona aguas arriba de la segunda zona. Una tercera zona puede comprender un primer catalizador SCR 40 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde la segunda zona, un catalizador oxidativo 45 en una primera carga 46 que recubre la superficie de las paredes en la tercera zona, y un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una primera carga que cubre el catalizador de oxidación 45. Una cuarta zona puede comprender una combinación 49 de composiciones catalizadoras que incluyen un catalizador oxidativo 45 en una primera carga 46 y un segundo catalizador SCR 43 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente 5 % a aproximadamente 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde la tercera zona hasta el extremo de salida, donde la tercera zona termina en la interfaz donde comienza la cuarta zona, y un catalizador oxidativo en una primera carga 46 que penetra las paredes de la cuarta zona que se extiende desde la tercera zona a la salida, donde el catalizador de oxidación se intercala con el catalizador SCR dentro de las paredes porosas.
En varias modalidades, el filtro de partículas catalizado puede comprender más de cuatro zonas catalíticas al reducir la longitud de una o más de las cuatro zonas individuales, y/o al incorporar material catalítico adicional como revestimientos adicionales que se aplican desde la entrada del filtro a las paredes porosas y/o en las superficies de las paredes. En varias modalidades, las zonas adicionales pueden estar aguas abajo de la cuarta zona.
La Figura 10 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de una modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene un catalizador al menos en la superficie de las paredes en una zona, donde los catalizadores pueden formar capas intercaladas.
En una o más modalidades, el filtro de partículas catalizado 10 puede comprender cuatro zonas catalíticas. En varias modalidades, la primera zona puede comprender un primer catalizador SCR 40 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde el extremo de entrada de los pasajes. Una segunda zona puede comprender un primer catalizador SCR 40 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde la primera zona, donde la primera zona termina en la interfaz donde comienza la segunda zona, y un catalizador oxidativo 45 en una primera carga 46 que recubre la superficie de las paredes en la segunda zona que se extiende desde la primera zona aguas arriba de la segunda zona. Una tercera zona puede comprender un primer catalizador SCR 40 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde la segunda zona, un catalizador oxidativo 45 en una primera carga 46 que recubre la superficie de las paredes en la tercera zona, y un segundo catalizador de reducción catalítica selectiva 43 en una primera carga que cubre el catalizador de oxidación 45, en donde el catalizador oxidativo 45 se intercala entre el primer catalizador SCR 40 y el segundo catalizador SCR 43. Una cuarta zona puede comprender una combinación 49 de composiciones catalizadoras que incluyen un catalizador oxidativo 45 en una primera carga 46 y un segundo catalizador SCR 43 en una primera carga que penetra una longitud de las paredes porosas en el intervalo de aproximadamente 5 % a aproximadamente 50 % de la longitud de la pared que se extiende desde la tercera zona hasta el extremo de salida, donde la tercera zona termina en la interfaz donde comienza la cuarta zona, y un catalizador oxidativo en una primera carga 46 que penetra las paredes de la cuarta zona que se extiende desde la tercera zona a la salida, donde el catalizador de oxidación se intercala con el catalizador SCR dentro de las paredes porosas. En varias modalidades, la combinación 49 puede formarse mediante una suspensión mezclada de SCR y partículas de catalizador de oxidación que se introducen en el extremo de salida de los canales del filtro de partículas.
La Figura 11 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene un catalizador al menos en la superficie de las paredes de una zona frontal.
En una o más modalidades, una corriente de gas de escape 22 entra en los pasajes de entrada 24 y fluye hacia el extremo de salida 16 del filtro de flujo de pared 10. El gas puede tomar múltiples trayectorias 54, 56, 58 a través del filtro 10, incluyendo pasar a través de 54 las paredes porosas 13 desde los pasajes de entrada 24 hasta los pasajes de salida 26, donde puede salir a través del extremo de salida 16 del filtro. En otra trayectoria de flujo 56, parte del gas de escape 22 puede seguir la trayectoria 54 a través de la pared porosa del filtro 13 que contiene el catalizador SCR 40 y luego entrar en contacto con el catalizador de oxidación 45 cuando sale del filtro. Para otra trayectoria alternativa 58, parte del gas de escape 22 puede difundirse a través de la pared porosa 13 que contiene el catalizador SCR 40 y a través del catalizador de oxidación 45.
Una o más modalidades comprenden un revestimiento de tapón en la superficie exterior 23 de un tapón 20 en el extremo de salida cerrado de los pasajes de entrada 24, en donde el revestimiento del tapón comprende un metal del grupo del platino, y donde el revestimiento del tapón puede envolver alrededor de la esquina de las paredes porosas. En una o más modalidades, un revestimiento de metal del grupo del platino 51 puede revestirse sobre la superficie interior de los pasajes de salida 26 cerca de la salida 16 de los pasajes paralelos. En una o más modalidades, el revestimiento de metal del grupo del platino 51 puede extenderse en el extremo de salida de los pasajes de salida 26 un 5 % o menos de la longitud de la pared, o 3 % o menos de la longitud de la pared, o 1 % o menos de la longitud de la pared. En varias modalidades, el revestimiento de metal del grupo del platino 51 puede extenderse en el extremo de salida de los pasajes de salida 26 una longitud en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 2,5 mm.
La Figura 12 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene un revestimiento de tapón en la superficie exterior de los tapones de salida.
En una o más modalidades, la pared porosa de filtro 13 que contiene el catalizador SCR 40 puede tener uno o más revestimientos adicionales que penetran en la pared porosa del filtro 13 y/o revestida sobre la superficie de la pared porosa del filtro 13, como se describe en la presente descripción, y puede comprender además un revestimiento de tapón en la superficie exterior 23 de un tapón 20 en el extremo de salida cerrado de los pasajes de entrada 24, en donde el revestimiento del tapón comprende un metal del grupo del platino, y donde el revestimiento del tapón puede envolver la esquina de las paredes porosas.
La Figura 13 ilustra una vista ampliada de una sección transversal de otra modalidad ilustrativa de una pluralidad de paredes porosas de un sustrato de filtro de flujo de pared que tiene una pluralidad de zonas que se forman por una pluralidad de revestimientos, en donde al menos algunos revestimientos catalíticos pueden estar en la superficie de las paredes porosas del filtro de flujo de la pared.
En una o más modalidades, una corriente de gas de escape 22 entra en los pasajes de entrada 24 y fluye hacia el extremo de salida 16 del filtro de flujo de pared 10. El gas puede tomar múltiples trayectorias 54, 56, 58 a través del filtro 10, incluyendo pasar a través de 54 las paredes porosas 13 desde los pasajes de entrada 24 hasta los pasajes de salida 26, donde puede salir a través del extremo de salida 16 del filtro. En una trayectoria de flujo particular 54, el gas de escape puede fluir a través del segundo catalizador SCR 43 en la superficie del lado de entrada de las paredes porosas 13 y a través del primer catalizador SCR 40 que penetra en las paredes porosas 13. En otra trayectoria de flujo 56, parte del gas de escape 22 puede seguir la trayectoria 54 a través de la pared porosa del filtro 13 que contiene el catalizador SCR 40 y luego entrar en contacto con el catalizador de oxidación 45 en la superficie del lado de salida de las paredes porosas del filtro 13 cuando sale del filtro. Para otra trayectoria alternativa 58, parte del gas de escape 22 puede difundirse a través de la pared porosa 13 que contiene el catalizador SCR 40 y a través del catalizador de oxidación 45.
En una o más modalidades, cada uno de los componentes catalíticos penetra las paredes porosas del sustrato catalítico y se intercalan dentro de las paredes. En varias modalidades, el catalizador SCR se mezcla con el catalizador PGM dentro de las paredes porosas. En varias modalidades, el catalizador SCR penetra las paredes porosas y la mayor parte del catalizador PGM reside en la superficie de las paredes porosas que se impregnan con SCR. En varias modalidades, la mayor parte del catalizador de PGM reside en la superficie de las paredes porosas que se impregnan de SCR y se intercala entre las paredes porosas que penetran del catalizador SCR y una capa superpuesta de catalizador SCR.
En varias modalidades, el revestimiento de metal del grupo del platino en la segunda zona está en la superficie de las paredes porosas; y el revestimiento de metal del grupo del platino en la tercera zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
La Figura 14 ilustra una modalidad ilustrativa de un sistema de motor que comprende un sistema de tratamiento de emisiones 140 y un inyector de urea que comprende una línea de alimentación de precursor de amoniaco 148, una línea de alimentación de aire 149 y una estación de mezcla 146 que se conecta a una comunicación fluida con el sistema de tratamiento de emisiones. Como puede verse en la figura 14, el escape que contiene contaminantes gaseosos (que incluyen hidrocarburos no quemados, monóxido de carbono y NOx) y material particulado se transporta desde el motor 141 a través de un conector 142 a un filtro de partículas catalizado 143, como se describe en la presente descripción. Después del filtro de partículas catalizado 143, el gas de escape sale del sistema a través del tubo de escape 144. Aguas abajo del motor 141 puede inyectarse un reductor, por ejemplo, urea, en forma de pulverización a través de una boquilla (no mostrada) en la corriente de escape. La urea acuosa que se muestra en una línea 148 puede servir como precursor de amoniaco que puede mezclarse con aire en otra línea 149 en una estación de mezcla 146. La válvula 145 puede usarse para medir cantidades precisas de urea acuosa que se convierte en amoniaco en la corriente de escape. La corriente de escape con el amoniaco añadido se transporta al filtro de partículas catalizado 143, multifuncional, donde el NH3 puede interactuar con un catalizador SCR.
El conector 142 puede no ser necesario cuando no se usan componentes adicionales antes del filtro de partículas catalizado 143. En estas modalidades, el filtro de partículas catalizado 143 se acopla directamente al motor 141. La distancia entre el motor y el catalizador puede ser bastante corta, lo que da como resultado una disposición catalítica denominada de "acoplamiento cerrado". Alternativamente, la distancia entre el motor y el catalizador puede ser mayor, lo que resulta en una configuración "bajo piso".
La Figura 15 ilustra otra modalidad ilustrativa de un sistema de motor que comprende un sistema de tratamiento de emisiones, un inyector de urea y otros componentes del motor. Como se muestra en la figura 15, algunas modalidades del sistema de tratamiento incluyen uno o más componentes separados 147. Estos componentes opcionales 147 pueden incluir uno o más de un catalizador de oxidación diésel, una trampa pobre de NOx, un adsorbente parcial de NOx o un catalizador de tres vías. En dependencia del nivel deseado de eliminación de NOx, puede disponerse el catalizador SCR adicional 150 aguas arriba del filtro de partículas catalizado multifuncional 143. Por ejemplo, el catalizador SCR adicional puede disponerse sobre un sustrato de flujo a través de panal de abeja monolítico o sustrato de espuma cerámica aguas arriba del filtro de hollín. En dependencia del nivel deseado de eliminación de NOx, puede disponerse un catalizador SCR adicional 152 aguas abajo del filtro de partículas catalizado multifuncional 143, y también puede contener un catalizador AMOx adicional. Incluso en estas varias modalidades, el uso del filtro de hollín SCR revestido multifuncional aún logra una reducción en el volumen total de catalizador que se requiere para cumplir los objetivos de reducción de NOx. En dependencia del nivel deseado de eliminación de hidrocarburos, pueden disponerse catalizadores de oxidación adicionales aguas arriba del componente de escape 147 o aguas abajo con el componente de escape 152. En varias modalidades, no se proporcionaría un catalizador de oxidación con el componente 150, porque esto también oxidaría la urea inyectada a NOx.
Ejemplos de catalizadores:
Los ejemplos no limitativos descritos ilustran disposiciones espaciales particulares y cargas de material o materiales catalíticos sobre un sustrato catalítico. Debe entenderse que la invención no se limita a las disposiciones enumeradas, los detalles de construcción o las etapas del proceso que se establecen en la siguiente descripción de los ejemplos, y que la invención es susceptible de otras modalidades y de practicarse o llevarse a cabo de varias maneras.
Los Ejemplos no limitantes de 1 al 7 se resumen en la Tabla 1. El sustrato de filtro en blanco es un segmento de filtro de SiC (34 mm x 34 mm x 150 mm) con un 63 % de porosidad y un tamaño medio de los poros de 23 pm. El catalizador SCR es zeolita de chabacita intercambiada con cobre (Cu-CHA) con una carga de CuO del 3,25 % y una relación molar SiO2/AhO3 de 30.
Tabla 1: Diseño de filtro catalizado para los ejemplos 1 al 7
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Preparación de muestras para las muestras 1 a la 7:
Para un primer revestimiento de catalizador SCR, se dispersó Cu-CHA en agua con acetato de Cu al 1 % y acetato de Zr al 5 %. La suspensión se trituró hasta que el 90 % de las partículas tenían un tamaño inferior a 5 |jm, y el contenido de la suspensión se ajustó al 23 % de sólidos. La suspensión se recubre con lavado sobre el sustrato del filtro al sumergir el sustrato en la suspensión con el extremo de entrada del sustrato hacia abajo y el extremo de salida justo encima (aproximadamente % de pulgada) del nivel de la suspensión. Se extrajo el sustrato de la suspensión y se insufló una corriente de aire desde el lado de salida de los canales hasta que no saliera suspensión del revestimiento de lavado por el lado de entrada. La muestra revestida se secó luego a 110 °C durante 2 horas y se calcinó al aire a 450 °C durante 1 hora.
Para el revestimiento de Pt, se suspendió en agua un polvo de SiO2/AhO3 molido previamente (en donde el 90 % de las partículas son menos de 5 jm ) para proporcionar una suspensión con aproximadamente un 40 % de sólidos. Se añadió gota a gota a la suspensión mientras se agitaba una cantidad calculada de solución de platino amina (para lograr el contenido final de Pt deseado). La suspensión resultante se diluyó adicionalmente con agua para lograr aproximadamente un 5 % de sólidos en peso. La suspensión de Pt se revistió desde el extremo de salida al sumergir la salida del sustrato de filtro en la suspensión en una posición premarcada de manera que la cobertura del revestimiento alcanzara un nivel predeterminado. Se extrajo el sustrato de la suspensión y se insufló una corriente de aire desde el lado de entrada de los canales hasta que no salió ninguna suspensión del revestimiento de lavado por el lado de salida. La muestra revestida se secó luego a 110 °C durante 2 horas y se calcinó al aire a 450 °C durante 1 hora.
Para algunas muestras, un filtro revestido se recubrió adicionalmente con una suspensión de Cu-CHA suplementaria desde el extremo de salida con un contenido de sólidos precalculado y una cobertura predeterminada.
Rendimiento de las muestras 1 a la 7:
Para las Muestras 1 a la 7 de los Ejemplos 1 al 7, la evaluación se realizó con un reactor de laboratorio que es capaz de hacer fluir 150 litros de gas por minuto. La muestra se colocó en el centro de un portamuestras calentado. La temperatura deseada de la entrada de CSF se logró parcialmente a partir del gas precalentado a través de un precalentador y parcialmente por el propio portamuestras calentado. La reacción de SCR y la oxidación de CO se evaluaron por separado. La alimentación de SCR consta de 500 ppm de NO, 550 ppm de NH3, 10 % de O2 , 5 % de H2O, 5 % de CO2 y el resto de N2. La velocidad espacial horaria del gas (GHSV) fue de 60000/h. La temperatura se elevó de 200 a 500 °C a una velocidad de aumento de 2,5 °C/min. La reacción de oxidación de CO se realizó a 600 °C con una alimentación que constaba de 500 ppm de CO, 10 % de O2, 5 % de H2O, 5 % de CO2 y el resto de N2 a una GHSV = 60000 h-1. Antes de la evaluación del rendimiento, cada filtro catalizado se envejeció térmicamente a 800 °C durante 16 horas con una alimentación que constaba de 10 % de O2 , 10 % de H2O y 80 % de N2.
La Tabla 2A muestra la conversión de NOx para las Muestras 1 a la 7. A temperaturas más bajas (200-300 °C), todas las muestras de 2-revestimientos y 3-revestimientos tienen conversiones de NOx más altas en comparación con la referencia de SCR (Muestra 1). A 500 °C, algunas muestras muestran una conversión de NOx superior o comparable (Muestras 3 y 5), pero otras muestran conversiones de NOx más bajas (Muestra 2, 4, 6 y 7). La Tabla 2B compara las conversiones de NH3 para las Muestras 1 a la 7. Todas las muestras (Muestras 2 a la 7) muestran conversiones de NH3 comparables o superiores a las de referencia (Muestra 1), especialmente a temperaturas más altas. La Tabla 2C muestra el pico de formación de N2O durante la prueba SCR y la conversión de CO a 600 °C para las Muestras 1 a la 7. A excepción de la Muestra 6, que tiene una formación de N2O significativamente más alta que la de referencia, la formación de N2O en todas las demás muestras es comparable o ligeramente más alta que la de referencia (Muestra 1). Sin embargo, las conversiones de CO a 600 °C para las Muestras 2 a la 7 son aproximadamente 2 a 3 veces mayores que las de la referencia.
Tabla 2A: Conversión de NOx (%) para las Muestras 1 a la 7
Figure imgf000025_0001
Tabla 2B: Conversión de NH3 (%) para las muestras 1 a la 7
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Tabla 2C: Formación de pico de N2O y conversión de CO a 600 °C Muestras 1 a 7
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Preparación de muestras para las muestras 8 a la 11:
Los Ejemplos no limitantes 8 al 11 se resumen en la Tabla 3. Todos estos ejemplos son ejemplos de 3-revestimiento con las mismas suspensiones de catalizador. Estos Ejemplos pueden considerarse variaciones del Ejemplo 7, en donde la variación deriva de la longitud de revestimiento individual de cada revestimiento de catalizador sobre el sustrato.
La Tabla 4 es un análisis de la zonificación resultante de las Muestras 7 a la 11. Al cambiar la cobertura del revestimiento, pueden crearse filtros catalizados de 3 o 4 zonas debido a cambios en la superposición de los revestimientos. Los materiales, la preparación de la suspensión y la metodología de revestimiento son los mismos que para las Muestras 1 a la 7. Después de cada revestimiento, el filtro se secó a 110 °C durante 2 horas y luego se calcinó a 450 °C durante 1 hora.
Tabla 3: Diseño de filtro catalizado para las muestras 8 a la 11
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Tabla 4: Análisis de zonificación para las muestras 7 a la 11
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Evaluación de desempeño para las Muestras 7 a la 11:
La Tabla 5A resume las conversiones de NOx para las Muestras 7 a la 11 y la referencia de SCR (Muestra 1). En comparación con la referencia SCR, la mayoría de las muestras de 3-revestimientos muestran una mayor conversión de NOx a bajas temperaturas pero una conversión comparable o menor a 500 °C. No existe una diferenciación clara entre la Muestra 7 y las Muestras 8 a la 11 en la conversión de NOx . La Tabla 5B muestra las conversiones de NH3 durante la prueba. Todas las muestras de 3-revestimientos son claramente más activas que la referencia SCR (Muestra 1) para la conversión de NH3 en todo el intervalo de temperatura. La Tabla 5C muestra el pico de formación de N2O y la conversión de CO a 600 °C para las Muestras 7 a la 11. Las muestras 7 a 9 produjeron N2O ligeramente más alto durante la prueba, mientras que las muestras 10 y 11 fueron aproximadamente equivalentes a la referencia SCR (muestra 1) en la formación de N2O. Todas las muestras de 3-revestimientos tienen una conversión de CO mucho más alta en comparación con la referencia SCR (Muestra 1), siendo la Muestra 10 la más activa (40 % vs. 12 %).
Tabla 5A: Conversión de NOx (%) para las Muestras 7 a la 11
Figure imgf000027_0002
Tabla 5B: Conversión de NH3 (%) para las muestras 7 a la 11
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Tabla 5C: Formación de pico de N2O y conversión de CO a 600 °C Muestras 7 a la 11
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Preparación de muestras para las muestras 12 a la 16:
Los Ejemplos no limitantes 12 al 16 se resumen en la Tabla 6. Estas son muestras de 2-revestimientos, con el primer revestimiento que es una mezcla de Pt y Cu-CHA recubierta desde el extremo de salida con una cobertura variable y el segundo revestimiento está recubierto de Cu-CHA desde el extremo de entrada con una cobertura total (100 %). El polvo de Pt/soporte se hizo mediante la impregnación de una sílice/alúmina en polvo (5 % de SiO2) con la solución de amina de platino mediante el uso de la técnica de humedad incipiente. El polvo se secó a 110 °C durante la noche y luego se calcinó a 500 °C durante 2 horas. El polvo resultante tiene una composición de metal Pt del 2,81 % en peso. A continuación, el polvo de Pt calcinado se suspendió en agua para alcanzar un contenido de sólidos de aproximadamente el 40 % y se molió mediante el uso de un molino continuo para obtener el 90 % de las partículas de tamaño inferior a 5 pm. La suspensión de Pt molida se mezcló luego con la suspensión de Cu-CHA molida con una relación de diseño. La carga local de Pt en un filtro revestido fue de 5 g/pie3 y 2,5 g/pie3 o 0,1 g/pulg3 y 0,05 g/pulg3 de Pt/polvo, respectivamente. Se prepararon dos muestras de referencia (Muestras 15 y 16) sin el Pt (soporte zeolita) para el primer revestimiento. Se llevaron a cabo las etapas de secado (110 °C durante 1 hora) y calcinación (450 °C durante 2 horas) después de aplicar cada revestimiento.
Tabla 6: Diseño de filtro catalizado para las muestras 12 a la 16
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Evaluación de desempeño para las muestras 12 a la 16:
La Tabla 7A muestra la conversión de NOx para las muestras 12 a la 16 y la referencia SCR (Muestra 1). Las muestras 12 y 13 muestran conversiones de NOx ligeramente más altas que la referencia SCR de 1-revestimiento en todo el intervalo de temperatura, pero una conversión ligeramente menor en comparación con la referencia sin Pt de 2-revestimientos. La muestra 14 tiene una conversión de NOx ligeramente más baja a 500 °C que la referencia SCR de 1-revestimiento. La Tabla 7B muestra las conversiones de NH3 para las Muestras 12 a la 16. Todas las muestras de 2-revestimientos son más activas en la conversión de NH3 que la referencia SCR (Muestra 1), siendo la Muestra 12 la más activa. La Tabla 7C muestra la formación máxima de N2O y la conversión de CO a 600 °C para las Muestras 12 a la 16. Las formaciones pico de N2O para todas las muestras son comparables a las de referencia (Muestra 1). La muestra 14 muestra la conversión de CO más alta (46 %) seguida de la muestra 12 (28 %).
Tabla 7A: Conversión de NOx (%) para las muestras 12 a la 16
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Tabla 7B: Conversión de NH3 (%) para las muestras 12 a la 16
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Tabla 7C: Formación de pico de N2O y conversión de CO a 600 °C de las Muestras 12 a la 16
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Preparación de muestras para las muestras 17 a la 22:
Los Ejemplos no limitantes 17 al 22 se resumen en la Tabla 8. Esta matriz de ejemplos implica "pintura facial" de materiales catalíticos. A diferencia del revestimiento de lavado, donde los materiales catalíticos penetran en los medios porosos del filtro, la pintura facial aplica catalizador solo en la cara (o borde expuesto) del filtro al pintar la pasta catalizadora con una brocha o un rodillo. Por lo tanto, no se espera que los materiales del catalizador penetren en el filtro más allá de los tapones del filtro. Para los Ejemplos 18, 20 y 22, la suspensión de pintura de cara de Pd se preparó al impregnar primero un soporte de AhO3 con solución de nitrato de Pd para alcanzar una carga de Pd del 5,5 % en peso; el polvo de Pd/AhO3 se suspendió luego en agua con la adición de 5 % de aglutinante de alúmina y 2,5 % de acetato de Zr. La suspensión final tiene un contenido de sólidos del 9 %. La carga de Pd para la pintura facial que se muestra en la Tabla 8 con base en todo el volumen del filtro. Sin embargo, las cargas de catalizador para otros revestimientos se basan en la zona aplicada (carga local). Después de cada revestimiento se aplicaron secado (110 °C durante 1 hora) y calcinación (450 °C durante 2 h), incluida la pintura de la cara.
Tabla 8: Diseño de filtro catalizado para las muestras 17 a la 22
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Evaluación del desempeño para las muestras 17 a la 22:
Las muestras 17 al 22 de los ejemplos 17 al 22 se evaluaron con una alimentación diferente, que consta de 500 ppm de NO, 550 ppm de NH3 , 500 ppm de CO, 10 % de O2, 5 % de H2O, 5 % de CO2 y el resto de N2. Dado que la alimentación contenía CO, no se realizó ninguna prueba de CO por separado. La Tabla 9A resume las conversiones de NOx para las Muestras 17 a la 22. La muestra 17 es la referencia de SCR y tiene la misma composición que la muestra 1. Las muestras 18 y 21 muestran conversiones de NOx comparables o ligeramente superiores a todas las temperaturas en comparación con la referencia de SCR (muestra 17). Otras muestras muestran conversiones de NOx ligeramente más bajas a 500 °C. La Tabla 9B compara las conversiones de NH3 de las Muestras 17 a la 22. Todas las muestras muestran una conversión de NH3 sustancialmente mayor en comparación con la referencia SCR (Muestra 17), siendo la Muestra 20 la más activa. La Tabla 9C muestra el pico de formación de N2O y la conversión de CO a 500 °C para las Muestras 17 a la 22. Las formaciones máximas de N2O para todas las muestras son comparables a las de la referencia SCR (6-8 ppm). La conversión de CO de la referencia SCR es cercana a cero a 500 °C, mientras que las muestras 19, 20 y 22 son mucho más activas (49 - 76 %) para la conversión de CO.
Tabla 9A: Conversión de NOx (%) para las muestras 17 a la 22
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Tabla 9B: Conversión de NH3 (%) para las muestras 17 a la 22
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Tabla 9C: Formación de pico de N2O y conversión de CO a 500 °C Muestras 17 a la 22
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Claims (17)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un filtro de partículas catalizado que comprende:
    una pluralidad de paredes porosas que se extienden longitudinalmente para formar una pluralidad de pasajes paralelos que se extienden desde un extremo de entrada a un extremo de salida, en donde una cantidad de los pasajes son pasajes de entrada que se abren en el extremo de entrada y se cierran en el extremo de salida, y una cantidad de los pasajes son pasajes de salida que se cierran en el extremo de entrada y se abren en el extremo de salida;
    al menos tres revestimientos que crean al menos dos zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde un primer revestimiento es un primer revestimiento de catalizador SCR, un segundo revestimiento es un segundo revestimiento de catalizador SCR y un tercer revestimiento es un revestimiento de metal del grupo del platino;
    en donde los al menos tres revestimientos crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, y en donde:
    una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de las paredes porosas y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR; y
    una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de las paredes porosas y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el primer revestimiento de catalizador SCR; y
    en donde:
    una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  2. 2. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 1, que comprende, además, una tercera zona y una cuarta zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde:
    la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; y la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de las paredes porosas y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  3. 3. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 2, en donde el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona entre AEI, CHA y AFX, y en donde los tamices moleculares del primer y segundo revestimientos de catalizador SCR se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce y sus combinaciones; y en donde el metal del grupo del platino está presente en la tercera y cuarta zonas con una carga en el intervalo de aproximadamente 35 g/m3 (1 g/pie3) a aproximadamente 1766 g/m3 (50 g/pie3) preferentemente, en donde el revestimiento de metal del grupo del platino en la segunda zona está sobre la superficie de las paredes porosas; y el revestimiento de metal del grupo del platino en la tercera zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  4. 4. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 1, en donde los al menos tres revestimientos crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, y en donde:
    una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR; y
    una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de las paredes porosas que comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  5. 5. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 4, que además comprende una tercera zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde:
    la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de las paredes porosas y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  6. 6. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 4, que además comprende una tercera zona y una cuarta zona axialmente a lo largo de la pluralidad de las paredes porosas, en donde:
    la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de las paredes porosas y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; y la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de las paredes porosas y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR, preferentemente,
    en donde el revestimiento de metal del grupo del platino en la tercera zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR; y el revestimiento de metal del grupo del platino se entremezcla con el segundo revestimiento de catalizador SCR en la cuarta zona, en donde el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR en la primera, segunda, tercera y cuarta zonas comprenden cada uno un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona de AEI, CHA y AFX, y en donde los tamices moleculares se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce y sus combinaciones.
  7. 7. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 1, en donde los al menos tres revestimientos crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, y en donde:
    una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de las paredes porosas y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR;
    una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y comprende el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; y
    una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de las paredes porosas y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  8. 8. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 1, en donde los al menos tres revestimientos crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, y en donde:
    una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; y
    una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino.
  9. 9. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 8, en donde:
    una tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  10. 10. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 8, que comprende, además, una tercera zona y una cuarta zona axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, en donde:
    la tercera zona se extiende axialmente desde la segunda zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; y
    la cuarta zona se extiende axialmente desde la tercera zona hasta el extremo de salida de la pared porosa y consiste esencialmente en el segundo revestimiento de catalizador SCR,
    en donde el revestimiento de metal del grupo del platino en la primera zona está sobre la superficie de las paredes porosas; el revestimiento de metal del grupo del platino en la segunda zona se intercala entre el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR, y el revestimiento de metal del grupo del platino se entremezcla con el segundo revestimiento de catalizador SCR en la tercera zona, preferentemente,
    en donde el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR en la primera, segunda, tercera y cuarta zonas comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona de AEI, CHA y AFX, en donde los tamices moleculares se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe, Co, Ni, La, V, Mo, W, Mn, Ce y sus combinaciones, con mayor preferencia,
    en donde el material de estructura zeolítica se promueve por CHA con cobre o hierro.
  11. 11. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 1,
    en donde los al menos tres revestimientos crean al menos tres zonas axialmente a lo largo de la pluralidad de paredes porosas, y en donde las al menos tres zonas penetran en las paredes porosas, que incluyen: una primera zona que se extiende desde el extremo de entrada y que comprende el primer revestimiento de catalizador SCR;
    una segunda zona aguas abajo de la primera zona, la segunda zona que comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, o el segundo catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, y
    una tercera zona aguas abajo de la segunda zona que comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, o el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino, o el primer revestimiento de catalizador SCR, el segundo revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino.
  12. 12. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 11, en donde la primera zona aguas arriba se extiende alrededor de 1 % a aproximadamente 50 % de la longitud de la pared del extremo de entrada, en donde la carga de la primera zona aguas arriba está en el intervalo de aproximadamente 0,03 g/cm3 (0,5 g/pulg3) a aproximadamente 0,18 g/cm3 (3 g/pulg3) la segunda zona se extiende desde aproximadamente el 1 % hasta aproximadamente el 50 % de la longitud de la pared desde la primera zona aguas arriba, y el revestimiento de metal del grupo del platino comprende platino y/o paladio, en donde la carga de metal del grupo del platino en la segunda zona catalítica está en el intervalo de aproximadamente 3,5 g/m3 (0,1 g/pie3) a aproximadamente 1766 g/m3 (50 g/pie3) y la tercera zona se extiende desde la segunda zona hasta el extremo de salida de la pared, en donde la carga del segundo catalizador SCR en la tercera zona está en el intervalo de aproximadamente 0,03 g/cm3 (0,5 g/pulg3) a aproximadamente 0,18 g/cm3 (3 g/pulg3).
  13. 13. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 11, que comprende, además, una cuarta zona aguas abajo de la tercera zona, que comprende el primer revestimiento de catalizador SCR y el revestimiento de metal del grupo del platino; en donde la cuarta zona se extiende desde la tercera zona hasta el extremo de salida de las paredes porosas, y en donde la carga de la cuarta zona está en el intervalo de aproximadamente 0,03 g/cm3 (0,5 g/pulg3) a aproximadamente 0,12 g/cm3 (2 g/pulg3)
  14. 14. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 11, en donde la porosidad de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 40 % a aproximadamente 75 %; y en donde el tamaño medio de los poros de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 30 pm.
  15. 15. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 1, en donde:
    una primera zona se extiende axialmente desde el extremo de entrada de las paredes porosas una distancia menor que la longitud total de la pared porosa y consiste esencialmente en el primer revestimiento de catalizador SCR; y
    una segunda zona se extiende axialmente desde la primera zona una distancia menor que la distancia al extremo de salida de la pared porosa y comprende el revestimiento de metal del grupo del platino y el segundo revestimiento de catalizador SCR.
  16. 16. El filtro de partículas catalizado de la reivindicación 15, en donde el revestimiento de metal del grupo del platino se entremezcla con el segundo revestimiento de catalizador SCR en la segunda zona, preferentemente,
    en donde la porosidad de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 40 % a aproximadamente 75 %; y
    en donde el tamaño medio de los poros de las paredes porosas está en el intervalo de aproximadamente 15 pm a aproximadamente 25 pm, con mayor preferencia,
    en donde el primer revestimiento de catalizador SCR y el segundo revestimiento de catalizador SCR comprenden cada uno independientemente un tamiz molecular con un material de estructura zeolítica que se selecciona entre AEI, CHA y AFX, en donde los tamices moleculares se promueven independientemente con un metal que se selecciona de Cu, Fe y sus combinaciones.
  17. 17. Un método para reducir los gases de escape de un motor diésel de mezcla pobre, que comprende hacer fluir los gases de escape a través del filtro de partículas catalizado de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 16, en donde al menos cinco de CO, HC, NOx, hollín, NH3 y H2S se eliminan al menos parcialmente de los gases de escape mediante el filtro de partículas catalizado.
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