CN101304800B - 耐热排放过滤方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种触媒催化清洁一排放气体的方法，包括于一入口通道接收排放气体，于入口通道封堵排放气体，经由入口通道的实质纤维性不织物多孔壁扩散排放气体，使排放气体与至少一触媒物质反应以从其中至少部份移除氮氧化物、碳氢化合物及一氧化碳，于多孔壁上处理所述的至少一触媒物质，于实质纤维性不织物多孔壁中陷获微粒物质，于一出口通道中接收扩散排放气体，并使排放气体自出口通道转换至外界。

Description

耐热排放过滤方法及装置

技术领域

本发明主要涉及一种用于减低排放气体中污染物含量的触媒装置。

背景技术

排放系统在现代引擎中发挥若干种功能。举例而言，排放系统系预定用以管理热量、减少污染物、控制噪声，有时并用以过滤微粒物质。通常，这些个别功能系由单独且不同的组件实施。以一典型的汽油引擎的排放系统为例，引擎排放系统可使用一组热交换器或外部挡板来获取及耗散热量。可将一单独的消声器耦接至排放出口来控制噪声，同时可将一触媒转化器总成置于排放路径中以减少非微粒污染物。尽管目前微粒通常并非汽油引擎中所关注的污染物，然而有可能很快就会采用更具限制性的法规。

现代汽油引擎的排放系统几乎都需要移除或消除排放气流中的非微粒污染物，且因此可采用一种已知的排放控制装置，例如三元触媒转化器。此种三元转化器利用化学氧化及还原过程来移除排放气流中的非微粒污染物。已知的触媒(或金属)转化器保有一种触媒材料，其在受到充分加热时与所排出的废气发生反应，藉以降低使非微粒污染物反应成为非污染物的化学势。更具体而言，已知的转化器使用直流式设计，其中排放气体进入转化器的一端，流经开放的平行通道，与触媒发生接触，以将排放气流中的某些污染物于最终流至大气前转化成非污染物。当排放气体流经该等通道时会形成层流，其造成排放气体沿通道向下流动，且根据浓度梯度及质传效应，排放气体将与留存于通道壁上的触媒发生接触。通道壁的表面上设置有触媒材料，且当热排放气体接触通道壁时，该等壁受到加热而使触媒材料升高至一临限温度，高于该临限温度时便容易发生催化反应，此温度俗称“熄灯(light-off)”温度。同样地，达到熄灯温度所需的时间称作“熄灯”周期。此后，随着排放气体持续流动，触媒材料与排放气体中的污染物反应，以利于将污染物转化成非污染性排放物。约有50％的污染系由配备有触媒转化器的现代引擎于转化器实质不运作时的该熄灯周期内所产生及排出。在某些交通工具的应用中，例如于城市内走走停停以及短途的交通中，由于转化器于大部分的时间中系处在低于触媒熄灯的温度下或者由于低转化效率之故，因而减低触媒转化器减少污染的总体效用。

使排放气体经由开放式通道移动并将污染物运送至通道壁的作用系藉由气体扩散机制来达成。一旦触媒已达到其活化温度，反应速率便相依于自气体流主体(气体层流的中心)至该等壁的质传速率。当侧壁与气体接口处(触媒通常所在之处)发生受催化的污染物消除反应时，于排放气流中将产生一污染物浓度梯度。在此等状态下的最慢过程中，发展出一边界层，且质传原理决定总体反应速率。由于主体扩散系一相当缓慢的过程，因而通常增大开放式通道的数量来补偿并提高总体反应速率。其效果实质上系减小气体分子自主体扩散至边界层内时所须经过的距离。另外，可藉由以一种蜂巢式设计形式制作转化器或者藉由以其它方式增大有效触媒表面积来补偿相当受限的主体扩散步骤。藉由同时减小开放式通道的尺寸并增大通道数量，可有效地提高主体扩散速率并改良转化器的效率。然而，制作此种“封闭单元”蜂巢式设计会导致单元壁的厚度减小，且因此使其强度降低，并导致引擎的背压升高。因此，将使转化器变得更加易于损坏，同时交通工具的燃油经济性亦同时降低。于是，开放式通道的最小尺寸存在实际的限制，其限制大幅改善传统整体蜂巢式转化器的主体传递速率高过一特定点的能力。

因此，由于主体传递过程的低效率，转化器通常制作得相当大，且因而笨重、庞大，且在加热至临限触媒运作温度时相当缓慢。通常，可安排若干个触媒转化器为一连续系列，以改良整体排放物的控制。

已知的三元汽油触媒转化器并不过滤微粒物质，最近的研究已显示来自汽油内燃引擎(internal combustion engine，ICE)的微粒既可能有害健康，且产生大约等于经过柴油微粒过滤器(diesel particulate filter，DPF)后的微粒物质(particulate matter，PM)排放物水平的数量。随着PM排放物标准变得愈发严格，柴油引擎与汽油引擎均必须进一步加以改良，以减少PM排放物。某些欧洲机构已在考虑对汽油PM排放物作出规定。

大多数(若非全部)的触媒系统只有在达到临限运作温度之后才能有效率地或有效地运作。在此“熄灯”周期期间，大量的微粒及非微粒污染物将排放于大气中。因此，通常期待尽可能地将触媒装置放置于靠近引擎排放歧管之处-此处的排放气体最热，且因而熄灯时间最短。藉由此种方式，触媒可更快地自引擎排放气体中吸取充分的热量以达到其运作温度。然而，材料、设计及/或安全的约束条件可能会将触媒转化器的位置限制至远离歧管的位置。当触媒转化器远离歧管时，熄灯时间增加，且因此排至大气中的污染物将随的增多。

最普遍的触媒转化器设计系当前的整体蜂巢式设计，其中整体性材料系堇青石及碳化硅。为更加有效，已藉由将个别通道壁制作得更薄并增大每单位面积的通道数量来增大堇青石整体蜂巢式设计的单元密度。然而，侧壁的强度(且因此整体转化器的强度)会随壁厚的减小而降低，同时背压会随单元密度的增大而升高(且引擎效率及里程相应地降低)；因此，转化器效率的提高存在着实际极限，该实际极限系由一最低整体强度及装置所提供的一最高可容许背压来界定。另一种应对日益严格的排放物标准的方法系利用多级布置的已知三元汽油触媒转化器，达成对多种污染物的合理排放物控制。然而，此种方法会增加成本、重量、燃油代价及设计复杂度。因此，在排放物规定日益严格的环境中，实有必要找到一种减少典型ICE的有害排放物的有效途径。

因此，空气污染标准、尤其系交通工具排放气体方面的空气污染标准，正面临着来自政府及环保组织日益增大的压力。持续排放的后果已为众人所熟知，且在更积极地实行现有规定的同时，额外的法规正在增加。然而，由于必须花费更多的资金来满足更高的标准，因此减少污染物及实行更严格的排放物规定可能会对整个经济产生短期负面的冲击。的确，政府在采纳更严格规定时相当缓慢，其会提出竞争性及经济方面的后果。因此，一种更具成本有效性且有效的触媒装置可缓和转变至一更清洁的世界的冲击，而不会产生实质不利的经济效应。尤其是，期待提供可易于安装于汽车、小引擎及工业排气烟囱上的一种具成本有效性的触媒装置，来同时移除排放气流中的微粒污染物质及非微粒污染物。亦期待使此种装置可化学地催化可能不被视为污染控制的重要反应，例如化学合成、生物反应器反应、气体合成等等。本发明即满足此种需求。

发明内容

简言之，本发明提供一种内燃引擎排放系统，用于将一氧化碳、一氧化二氮、及烃类的污染物催化转化成非污染物(例如二氧化碳、氮气分子、及水)，并用于捕捉微粒物质。大体而言，该装置能够自一流体流中分离出凝聚材料、并同时支撑可增强该流体流中各成分反应速率的反应剂(例如薄膜、聚合物、疏水性材料、亲水性材料、触媒等等)。该引擎系统包含一内燃引擎排气口(例如接自汽油引擎、柴油引擎或其它燃料的引擎)、具有一外壳的一触媒转化器、形成于该外壳中并流体连接至该引擎排气口的一入口孔、及形成于该外壳中并流体连接至大气的一出口孔。该触媒转化器亦包含位于该外壳中的复数个入口通道、邻近入口通道布置的复数个出口通道、使入口通道与出口通道相分离的复数个实质纤维性不织物多孔壁、及通常置于该等多孔壁上的一涂层、置于该等多孔壁上的一第一反应剂或触媒材料、及置于该等多孔壁上的一第二反应剂或触媒材料。

在一更具体的实例中，该触媒装置自身构造为具有以一交错图案形式布置的复数个入口通道及出口通道、位于各个邻近入口通道与出口通道间的一实质纤维性不织物多孔壁、置于构成该实质纤维性不织物多孔壁的纤维上且具有稳定剂及添加剂的一表面加强涂层、置于该实质纤维性不织物多孔壁上的一触媒部分、耦接至入口通道的一入口孔、耦接至出口通道的一出口孔、位于至少某些入口通道中的一入口封堵块(各入口封堵块定位于相应入口通道中且入口孔与出口孔之间)、及位于至少某些出口通道中的一出口封堵块(各出口封堵块定位于相应出口通道中且在入口孔与出口孔之间)。

在另一具体实例中，该触媒装置构造为一不织物实质纤维性整体块，其具有一入口端及一出口端。该等入口通道与出口通道以一交错图案形式布置于该块中，且一多孔壁定位于邻近的入口通道与出口通道之间。入口通道与出口通道可相互平行地、相互垂直地、或以其它组态延伸。触媒置于该等多孔壁上，以使多孔壁内的孔壁包含与气体及固体微粒发生反应的触媒，且一入口封堵块包含于每一相应入口通道中并定位于出口端处，同时一出口封堵块包含于每一相应出口通道中并定位于入口端处。该等封堵块迫使流体流经过实质纤维性不织物多孔耐热材料。

最好该触媒装置提供一种用于移除引擎排放气流中的微粒物质和一氧化碳、一氧化二氮、及烃类污染物，并用于陷获微粒物质的方法。此系藉由如下方式来达成：引导引擎的排放气流穿过一实质纤维性不织物过滤器，催化烃类污染物转化为二氧化碳及水，催化一氧化碳转化为二氧化碳，催化氧化氮转化为氮气分子，及藉由过滤而自排放气流中析出微粒物质。微粒物质可随后于具有或不具触媒、加热器及其它装置的情况下的再生过程中燃尽。

本发明的该等及其它特征在阅读下文说明后将显而易见，且可藉助在随附申请专利范围中所具体指出的手段及组合来达成。

附图说明

图式构成本说明书的一部分且包含本发明的实例性实施例，该等实例性实施例可实施为不同的形式。应可了解的是，在某些情形中，可故意夸大或放大地显示本发明的各种态样，以利于了解本发明。

图1为根据本发明触媒装置的示意图。

图2为根据本发明触媒装置的示意图。

图3为根据本发明触媒装置的示意图。

图4A、4B、4C及4D为因使用根据本发明触媒装置而缩短熄灯时间的图表。

图5A为根据本发明具有整体式基板的触媒装置的端视图。

图5B为图5A的放大局部端视图。

图5C为图5A触媒装置的中间剖面图。

图5D为图5A触媒装置中邻近通道的延伸剖视图。

图5E为图5A触媒装置中邻近通道的平面剖视图。

图5F为图5A中放置于自一气体引擎排放至外界的一排放气流的装置示意图。

图6A及6B为根据本发明触媒排气系统的示意图。

图7为根据本发明替代触媒装置的示意图。

图8为根据本发明交叉流动式触媒装置的示意图。

图9为根据本发明触媒装置的示意图。

图10为根据本发明触媒装置的示意图。

图11为根据本发明触媒装置的通道的剖面图。

具体实施方式

于此提供本发明实施例的详细说明。然而，应了解的是，可按不同形式来例示本发明。因此，本文所揭示的具体细节不应视为限定性内容，而应视为代表性内容，用于教示熟习此项技术者如何以实际上任何详细系统、结构或方式来实施本发明。

本文中的图式图解说明并涉及一种排放系统路径，其被具体描述为内燃引擎排放系统的一组件。然而，应了解的是，该排放路径亦可用于其它类型的排放系统。举例而言，该排放系统路径可用于石化、空气过滤、热气体过滤、化学合成、生物医学、化学处理、油漆车间、自助洗衣店，工业排放、发电厂、或商业厨房的排放应用。

大体而言，一触媒转化装置系由一基质或一结构基板支撑件、及至少部分地涂覆该支撑件的一触媒组成。触媒成分常常留存于一涂层上，该涂层包含表面积增强剂、表面改性剂、稳定剂及储氧成分。一触媒装置包含适当类型及质量的支撑件及触媒，以使其可在所预期的运作条件及环境中完成一精确的触媒功能。举例而言，触媒装置可有利于化学转化，例如将一第一气态物质化学转化成一第二气态物质、将一第一液体物质化学转化成另一液体物质、将一液体物质化学转化成一气态物质等等。通常，化学转化反应或一系列的化学转化反应系经过仔细考虑的且在一特定应用背景中明确界定之，例如同时将NOx、HC、及CO转化成N2、H2O、及CO2，将MTBE转化成CO2及水蒸汽，将煤灰转化成CO2及水蒸汽等等。

图1显示一四元触媒转化装置10，其能利于多种受催化反应，且能过滤一流体流中的微粒或凝聚物质。触媒装置10具有外壳12，其具有入口孔14及出口孔16。为方便起见，将结合汽油内燃引擎来说明触媒装置10，但应了解的是，其亦可用于其它类型的引擎及工业、商业、或民用排放应用中。触媒装置10的特征在于外壳12中的侧壁25。侧壁25通常具有多孔，且更通常在其表面上设置一层触媒材料26。安排壁25的位置使其定位于入口通道19邻近出口通道21处。当来自一排放气源(即汽油引擎或类似设备)的排放气体(即污染物含量相当高的气体)进入入口孔14时，在入口通道19中接收该气体，且至少该气体的某些部分移动穿过多孔壁25。排放气体通常为汽油燃烧的产物，且因此通常相当热。在其它情形中，为使触媒达到运作温度，可在外部加热该气体。排放气体因而首先充分加热多孔壁25以活化触媒26，且在已达到活化温度之后，排放气体中的污染物随后在接触触媒层26时发生催化反应。更具体而言，非微粒气体藉由因气体流过壁25而产生的孔扩散30机制与触媒26产生交互作用。由于排放气体受迫穿过该等壁，因而主体流动对反应的限制得以消除，且气体反应速率主要受限于气体在孔中的扩散，而该距离远小于通道直径。排放气体于其自入口通道19流至出口通道21时，以及在出口通道21中流动时亦可出现层流。出口通道21中的该等层流会引起主体扩散过程32，此会进一步消除非微粒污染物。在某些构造中，外壳12的侧壁可包含多孔壁材料27(如壁材料25)及一触媒层26，此会进一步改善转化效率，并因此能减低或甚至实质上完全消除将多个过滤器/转化器串行排列藉以充分移除排放气流中污染物质的需要。

某些构造可在入口通道19与出口通道21间具有间隙29。间隙29能形成自入口孔14至出口孔16的直流式排放路径。相应地，触媒装置10可使用壁流(即气体穿过一多孔壁)与直流(即气体与壁交互作用但不穿过壁)过程的组合来形成触媒效应。可根据背压要求、所需过滤效率、预期的气体流、及所需的转化水平来设定任意间隙29的尺寸及位置。

侧壁25及侧壁27中的孔尺寸可经选择以捕获微粒物质及触媒特定反应。总体孔隙率、孔形状及孔尺寸的分布亦可依据涂层及用于涂覆实质纤维性不织物多孔耐热材料壁的触媒材料而定。侧壁25、27可具有一孔尺寸梯度。侧壁25、27的高度多孔及纤维性质得使装置10能以较小且较轻于先前技术转化器的方式制作，并得使加热及“熄灯”变快。构成侧壁25、27的缠结性耐热纤维进一步提升侧壁25、27的刚性，从而使其能够耐受机械性严酷的条件，例如靠近引擎处的条件。此种特性组合能使装置10的位置较习知转化器装置更接近引擎，以使装置10可由引擎气体更快地加热至其“熄灯”温度，并由此更快地发挥作用，以减少其熄灯阶段期间未经转化地穿过其的污染物。

利用孔扩散壁流动能显著提高触媒装置10的效率，尤其在熄灯期间。由于侧壁流动设计的结果，排放气体被迫穿过此种壁，且因而使得主体扩散限制大大减轻。因此，排放气体仅需在孔中扩散以接触留存于孔壁上的触媒。此距离要短得多，且因而总体转化效率得提高许多。由于高度多孔性壁25、27的热质量降低，使其能够更快速地加热，因而效率得进一步提高。升高的效率及降低的热质量使触媒装置能够制作得更小，或者具有更少的触媒材料，且仍维持有效的催化过程。此种尺寸及质量的减小能节省空间、材料及成本，同时因熄灯延迟缩短而可显著减少污染物排放。另外，可例如藉由涂覆辐射剂，例如影响转化效率及/或用于热管理，材料的辐射强度/辐射率得以改变。

图2显示一触媒装置50，其类似于触媒装置10，只是入口通道59由纤维壁65完全封堵。藉由此种方式，自入口54至出口56的唯一排放路径系藉由一壁流动、孔扩散机制70穿过多孔壁65。可改变栓塞或封堵材料的长度及孔隙率来满足应用要求。

图3显示一触媒装置75，其类似于触媒装置10，只是在入口通道79与出口通道81间定位有多个多孔壁83、84、85、86。

图4系为一图表100，其将一典型习知的触媒转化器，例如上文先前技术部分中所述的触媒转化器，与例如触媒装置50的一触媒装置相比较。应可了解的是，该图表可能未按比例绘制，并可夸大地显示某些效果以易于解释。图表100具有一y轴108，其显示“％转化百分比”，而x轴106显示时间。将熄灯时间定义为使触媒达到转化效率的一定义值(例如50％或90％)所需的时间。或者，x轴106可指示所排放出口气体的温度。更具体而言，当不具备外部加热组件时，使用初始排放气体将触媒转化器加热至完全运作温度。在其它情形中，可能需要使用外部加热组件将触媒温度升高至工作范围。当触媒转化器达到完全运作温度时，会获得一稳态温度-其中流入系统内的热量等于流出系统的热量。若触媒转化器中进行的反应为放热反应，则出口温度可高于入口气体的温度。为达一致性的解释，将以时间为基准来说明图4。

参见图4A，其显示该图表的三个区域。在一第一区域101中，转化速率大体为触媒66的特性函数，尤其是其活化温度的函数。当然，基板65的热特性(热质量、热传导率、热容量等等)亦有其作用，当加热一愈大的热质量以使沉积的触媒66达到活化温度将需要愈长的时间。在区域101中，随着排放气体加热触媒66，接触触媒66的污染物分子开始经历转化成非污染物质的转化反应；然而，总体上，在熄灯温度临限值之下，此种转化的效率相当低。随着排放气体继续加热基板65，转化反应速率变成受限于区域103中的孔扩散。随着排放气体被推入基板65的孔内，有更多的污染物接触触媒66，且受催化反应的速率增大。随着基板65的更多部分受到加热，此过程继续变得更为有效。随着基板65变得完全受热，污染物转化过程在区域105中开始受限于主体扩散。随着排放气体流经典型的触媒装置50，使层流完全达到平衡状态将需要一定时间。随着时间的进行，将产生足够浓度的梯度以推动污染物分子接触通道壁65、67。换言之，靠近壁65、67的排放气体已与触媒66发生反应，且因此相较靠近排放通道中心的气体而言，邻近壁65、67的排放气体具有更低的污染物浓度。此种浓度梯度会形成有效的推动力，以使中心处具有较高污染物浓度的气体部分朝污染物浓度较低的壁区域移动。层流状态中的此主体扩散效应需要一定时间以达稳定状态，因而曲线缓慢地接近其转化极限。

图4A将一典型先前技术的触媒转化器达到完全运作温度110所用的时间与一触媒装置50达到完全运作温度111所用的时间相比较。其差值显示为时间缩短量115。

图4B将一典型先前技术的转化器中使触媒首先活化所用的时间117与触媒装置50中使触媒66首先活化所用的时间116相比较。其差值显示为时间缩短量118。所缩短的时间118主要系触媒装置50中多孔壁基板的热质量减小的功效或效果，此使触媒材料66能够更有效地达到活化温度。

在触媒首先活化之后，一触媒转化器经历一时间周期，其间受催化反应的速率主要受限于孔扩散过程。换言之，一旦达到触媒第一部分的温度临限值，受催化反应的速率此时即受限于加热触媒的气体进入孔中后有多快速地被运送至其余触媒，以及有多快速地将欲在触媒介面处发生反应的气态物质穿过多孔壁运送至触媒介面。孔扩散效应主导反应速率，直至基板/触媒已有足够的量受到加热为止；此时，污染物质至基板表面上的触媒的主体扩散变为主导性及限制性过程。图4C将一典型转化器中主体扩散占主导的时间125与在触媒装置50中孔扩散占主导的时间131相比较。其差值显示为时间缩短量132。所缩短的时间132主要归因于穿过多孔壁达成的排放路径。在触媒装置50中，所有排放气体皆需要穿过多孔壁65。由于多孔壁65中的各纤维涂覆有触媒66，因而在污染物质藉由孔扩散穿过多孔壁65运送时，反应速率明显提高。进一步，由于侧壁65为高度多孔性并具有低的热质量，其可更快速地加热至触媒活化温度。

当有足够的基板材料65、67已受到加热时，触媒装置50的主体转移特性将主导及限制转化效率。然而，主体转移速率的影响通常极小。由于典型的触媒转化器具有相当大的热质量，因而需花费时间141以几近达到其最终转化效率。由于触媒装置50具有一较低的热质量及一更有效的孔扩散过程，因而其几近达到其最终转化效率所用的时间139将较为缩短。其差值显示为时间缩短量149。总时间缩短量115(图4A)系时间缩短量118(图4B)、时间缩短量132(图4C)、及时间缩短量149(图4D)的和。达到最高转化效率的时间缩短量能明显防止污染，并使排放物控制工程师能够设计更小且更廉价的装置来满足排放法规。

图5A及图5B显示一触媒装置150，其将纤维性整体蜂巢式结构155整合于外壳151中。蜂巢式结构155具有以交错图案形式布置的一组入口通道157与出口通道159。在此实施例中，该交错图案系一棋盘图案，尽管其它实施例可整合其它图案。每一相应通道157、159皆界定一开放端及一相对设置的封堵端。封堵端分别包含一置于其中的相应封堵部件或封堵块156，以阻碍气体经其流过。图5A显示触媒装置150的入口侧153。藉由此种方式，由开放式单元充当入口通道157。在入口侧上，以一封堵材料封堵其它通道159，以便不会有排放气体自入口侧进入。在出口154侧，则封堵入口通道157，而出口通道159则为开放。图5B更详细地显示通道157、159及分离并界定通道157、159的侧壁161、置于出口通道159端部中的封堵材料163、及构成封堵块155的纤维性材料。通常，封堵块155及封堵材料163二者皆由实质纤维性不织物材料制成；更通常地，封堵块155与封堵材料163具有实质相同的成分。然而，封堵块155与封堵材料163亦可具有不同的成分及/或甚至实质上不同的结构。

图5C显示在入口侧153与出口侧154间一点处的剖面图。此处，入口通道157邻近出口通道159布置，在其间设置有多孔壁160。藉由此种方式，将来自入口通道157的气体穿过壁160推入邻近出口通道159内，并随后运送出出口孔154。

图5D显示藉由多孔壁173A-E将入口通道167、168与邻近出口通道170、171分开。封堵块175、177亦在出口侧154处封堵入口通道167、168，同时封堵块179、181于入口侧153处封堵出口通道170、171。此种构造使气体能够实质地在纤维性封堵块155的整个长度内自一相应入口通道167、168移至一邻近出口通道170、171。

图5E显示在通道167、168、170、171内形成层流以利于主体扩散，同时在各通道之间形成壁流或孔扩散以利于升高反应速率。

应了解的是，可按诸多种实体布局来设计触媒装置150。可针对具体应用的需要来调整直径、长度、通道密度、封堵图案、封堵材料、封堵材料布置、触媒材料、触媒布置、壁孔隙率、孔尺寸、孔形状、及壁厚度。各该特性可影响转化速率、背压、及熄灯时间。以下将大致论述各该特性的影响。

a.在触媒装置150中，藉由提高效率及提高总体反应速率对孔扩散速率的依赖，改良的壁流可使熄灯时间明显缩短。相应地，对通道壁160的特性加以选择，以利于达成所需的孔扩散行为速率。举例而言，已发现，当排放气体穿过通道壁160所用的时间为约几微秒至约2秒时，排放气体能得到更有效的催化。在通常的汽油引擎排放中，气体可以约每分钟180立方英尺的速率流动。相应地，若通道壁160系由孔隙率介于约60％至约90％之间且厚度约为20密尔(mil)的实质纤维性不织物材料形成，则气体穿过通道壁160所用的时间将为微秒数量级。当然，应了解的是，在确定壁厚时将考虑诸多因素，例如壁孔隙率、渗透性、背压限制、所需转化速率、及总体长度。气体穿过转化器10的较长驻留时间结合气体穿过转化器时的曲折度，可增加污染物质接触触媒166的机率，并因而转化成非污染物质。然而，过大的曲折性亦可使背压明显增大。

b.选择侧壁160的孔隙率及渗透性，以适应背压限制，并提供一足够曲折的路径以便迫使排放气体接触触媒166。实际上，介于约60％与约90％间的孔隙率可提供有效的转化速率，并且同时仍能达成足够低的背压特性。此孔隙率范围亦有益于一相当低的热质量，而此又会促成更快的加热及更短的熄灯时间。应了解的是，亦可选择其它孔隙率来支持特定背压及转化要求。

c.对平均孔尺寸及孔尺寸分布加以选择，以适应所要求的背压限制，并捕获特定预定尺寸的微粒污染物(若需要)。通常，将涂层与触媒放置于孔内，且更通常地使其不会封堵该等孔。在一特定构造中，对孔直径加以选择，以最佳地捕获在汽油引擎排放中所发现具一尺寸特征的微粒物质-其通常介于约5奈米至约1微米范围内。另外，在确定多孔基板155、161捕获一既定粒径的微粒物质的能力时，平均孔长度亦系一考虑因素。而且，可操纵孔尺寸分布，以求捕获不同粒径微粒的最大值。举例而言，若排放气体含有由两种离散平均粒径所表征的微粒群体，则可操纵孔尺寸分布，以使存在两种孔群体，其中每一孔群体的尺寸适于最佳地捕获一相应平均粒径的微粒。此种孔结构可形成一种更有效的深度过滤器，在该过滤器中，系在基板的壁内捕获微粒，而非仅在基板的壁上捕获。典型的孔尺寸介于1微米至100微米范围内，且更通常系介于20-50微米范围内。

需周期性间隔地移除过滤器中自排放气流过滤出的微粒(即过滤器需要再生)，以保持过滤器的清洁、保持其高渗透性及高转化效率。在此等情形中，可采用「主动式」或「被动式」再生策略。在被动式再生中，当温度升至高于煤灰燃点时，于存在氧化性触媒的情况下燃尽所捕获的微粒。于主动式再生中，则须为此种触媒转化器提供热量，以将煤灰的温度升高至足以燃烧而使其大部分变成CO2及H2O。主动式再生亦采用由燃料携带式触媒及机械装置，例如热收集器、压力阀等等。倘若已藉助深度过滤来捕获微粒，微粒、触媒与输入气体间的有效接触能够快速、高效且更彻底地燃尽微粒及达成再生。

在一种组态中，触媒装置150流体连接至来自汽油引擎190的排放气流，且亦流体连接至一燃料注入口152，燃料注入口152系不时地用于注入燃料于触媒蜂巢式结构整体155内(参图5F)。所注入的燃料立即燃烧并充分加热触媒装置150，以实质氧化或燃尽所收集的微粒物质。此种再生过程可周期性地实施，或者可因应于一量测参数而启动，例如一临限温度或背压。由蜂巢式结构整体155的材料的缠结纤维性质所促成的强化刚性有利于更频繁地再生；蜂巢式结构整体155材料的刚性及高度耐热性质使装置150能较习知转化器装置原本所可放置的位置更靠近引擎(及在排放气流中温度更高的部分中或者预计材料可经受更大热冲击之处)放置。此使装置150的熄灯时间加快且因此使所排放的污染减少。

d.依照触媒装置150的实体布局，以及由其运作环境所决定的背压及转化要求来选择封堵图案及封堵块位置。藉由调整封堵图案或封堵位置，可调整输出入通道157、159的相对空间或形状。举例而言，藉由提供更大的入口通道空间，可减小背压。在另一实例中，可安排封堵块156以调整使用多大面积的壁流，及使用多大面积的通道流。此使装置设计者能够调整与主体扩散相比的孔扩散相对水平。就此而言，设计者可，例如，以一种能提供更大通道流及更小壁流的布局来定位各封堵块156。此会提供较多的层流(主体扩散)及较少的壁流(孔扩散)，而可减小背压。同样地，依据背压、反应性质、及所需的灰储存容量，通道可具有各种各样的尺寸及形状。

e.对通道密度加以选择，以使排放气体通过量最大化并使通往触媒介面的污染物质层流运送最佳化，同时使背压升高量最小化。整体材料(亦即，在其大多数(若非实质上全部)交叉点处烧结或以其它方式相结合的缠结、互连的纤维)的纤维性质能够达成一种具有一相当的高孔隙度(至少约为50％孔隙率，且更通常系介于约60％与约90％孔隙率之间)且异常坚固及坚韧，同时仍保持轻质且界定一相当低的热质量的基板材料。该等特性会形成一种坚韧且相当不易毁损的材料，其具有足够的固有孔隙率及渗透性，从而不像传统的烧结堇青石基板(尤其系当采用壁流种类的堇青石基板时)一样明显地提高背压。同样，通道长度可相当短，乃因壁流与高孔隙率相结合使得更有可能暴露至触媒。因此，可在本材料中以相当高的通道密度(即许多具有更小截面积的通道)形成相当短的通道157、159，而不会增大与其流体连接的引擎的背压。同样，亦可构造具有更厚的壁而通道密度更小的基板(单元密度)，以增大排放气体在壁的孔中的驻留时间。

f.对触媒材料加以选择，以利于使污染物质在低温下以相当高的速率如期反应成为非污染物质。通常，对于内燃引擎应用而言，彼等物质系存在于汽油ICE或其它ICE排放气流中的氧化氮(NOx)、一氧化碳(CO)、及各种碳氢化合物(HC)。通常，所存在个别触媒的数量等于期待自排放气流中消除的污染物数量，尽管若一种触媒即可将两种或更多种污染物催化反应成为非污染物，则所需的触媒数量可减少。举例而言，在基板表面及/或孔壁上可存在铂与铑的组合，以催化NOx反应成为N2及O2、催化CO反应成为CO2、及催化碳氢化合物反应成为CO2及H2O。亦可使用包含钙钛矿(perovskite)结构、贵金属、碱金属氧化物、稀土及类似材料的更复杂的触媒。为促成其它反应，触媒甚至可由例如酵素等生物分子组成。可按分离且相间的涂层形式、物理混合形式、分离条纹或条带形式、或以任何使触媒介面存在于侧壁或孔表面上的方便方式来涂敷触媒。因此，特定通道或通道部分可涂覆一种类型的触媒，而其它通道或通道部分可涂覆另一种类型的触媒。涂层及触媒亦可通常置于各个别纤维上及基板壁中个别纤维间的接面处。

g.应了解的是，上述a-f中所述的设计标准仅供作为一组通用导则。应了解的是，在设计触媒装置过程中通常要作出诸多权衡及折衷。触媒装置150系一种高度灵活的设计，并可按诸多种具体构造形式加以构建。

图6A及6B显示一排放系统200，其在运作上耦接至一如上文所述运作的触媒装置202。排放气体由引擎201产生后受迫穿过排放气体路径203及触媒装置202，其系流体连接以作为路径203的一部分。外壳206界定排放气体入口204及排放气体出口205。排放气体经由排放气体入口204进入触媒装置202，与其中的纤维壁207交互作用，并经由排放气体出口205排出。

图7显示一触媒装置225，其配置作为一售后或维修装置的应用。装置225包含限定于一外壳228内的一内纤维壁227。外壳228界定一排放入口231及一排放出口233。外壳228更界定一入口耦接器235及一出口耦接器237，其二者经配置以连接至一现存的排放系统。耦接器235、237可经构造以支持任何方便的耦接类型，例如焊接耦接、摩擦耦接及/或螺纹耦接。

图8绘示具有分层多组垂直通道252的一交叉流动过滤器250的示意图。一组入口通道254接收具有至少两种成分(此处表示为‘A’+‘B’)的液体或气体。入口通道254与出口通道262间的侧壁系由实质纤维性多孔材料构造而成，且涂覆一触媒，以利分离出物质B，或使物质B反应成为一种非B的新物质，而同时物质A则实质不发生变化地穿过其中。藉由此种方式，经由过滤器250移除流体流中的至少某些B材料。因此，自过滤器出口260流出的流体中因而具有一较低浓度的B物质以及一浓度较高的A物质。应了解的是，可藉由增加过滤器的长度、增加通道的数量、或增加反应性涂层的数量来移除多余的B材料(即可更进一步降低B的浓度)。

图9显示一触媒装置275，除其随机地提供入口通道及出口通道外，其与触媒装置10相类似。更具体而言，一纤维封堵块285已定位于一外壳277内，且其特征在于具有一高孔隙率，藉以使气体随机地流过封堵块285。外壳277可视需要地具有一连接至外壳内侧的纤维壁279(与封堵块285具有相同或不同的成分)为其特征。封堵块285通常具有一孔隙率梯度，以促成一更长或更乱的气体流动路径。外壳277更包含一气体入口孔281及一相间的气体出口孔283，其界定穿过封堵块285的气体流动路径的端点。

图10显示一触媒装置300，除其入口通道310大于出口通道311外，其与触媒装置10相类似。外壳302包含一内纤维壁涂层204并界定相间的入口孔306及出口孔308，其更进一步界定穿过装置300的气流路径端点，包括穿过位于其中的纤维壁315。藉由提供较出口通道311更大、或更多的入口通道310，可减小背压。

图11显示一触媒装置350，除相应出口通道371、370的封堵块379、381的位置远离通道端/排放出口354外，其与触媒装置150相类似。通道367、368、370及371仍由侧壁373界定，并流体连接于排放入口353与排放出口354间。然而，藉由使封堵块379、381的位置远离通道端，可在邻近入口通道367、368中提供额外的容量，从而能够减小背压。此外，针对层流及主体扩散所提供的区域亦得以增加。

除本文所用触媒支撑基板材料的纤维性质及多孔性质可达成较快速的熄灯时间及更有效污染物转化为非污染物外，上文所述装置的纤维性质及多孔性质亦有助于抑制及减弱由相关引擎及气流所产生的声音及噪音。因此，由于使用该等装置亦有助于减低或最小化对于外部消音或挡板装置的使用需求，因而使本发明该等装置更加具有吸引力。

尽管在图式及上文说明中已图解说明及详细阐述了本发明，然而应将图式及上文说明视为例示性而非限定性质。应了解的是，在上文说明书中显示及阐述该等实施例系为了满足最佳模式及授权要求。应了解的是，此项技术中之一般人员可容易地对上述实施例作出近乎无限数量之非实质性变化及修饰，从而难以在本说明书中阐述所有此等实施例之变化形式。因此，应了解的是，所有属于本发明精神内之变化及修饰应皆受到保护。

Claims (10)

1.一种触媒转化装置，用于自一燃烧过程的排放气流中移除气体污染物及捕获微粒物质，该触媒转化装置包括：

一整体式基板，基本上由缠结性耐热纤维所组成；

一组入口通道，位在该整体式基板，且定位成接收该排放气流；

一组出口通道，位在该整体式基板，且邻近该组入口通道并与该组入口通道交错；

实质纤维性不织物多孔壁，使各该组入口通道与各该组出口通道相分离，且构造成使该排放气流自该组入口通道流出、经由该用于捕获微粒物质的实质纤维性不织物多孔壁、而流入该组出口通道内；以及

一反应剂，设置于该耐热纤维上，且位在该多孔壁。

2.根据权利要求1所述的触媒转化装置，其中该组入口通道与该组出口通道以一实质平行的各自位置定向。

3.根据权利要求1所述的触媒转化装置，其中该组入口通道与该组出口通道以一实质垂直的相对位置定向。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的触媒转化装置，其中该反应剂足以催化氮氧化物污染物的还原。

5.根据权利要求4所述的触媒转化装置，其中该反应剂适于催化一氧化碳成为二氧化碳的氧化。

6.根据权利要求5所述的触媒转化装置，其中该反应剂适于催化未燃烧的碳氢化合物成为二氧化碳及水的氧化。

7.根据权利要求6所述的触媒转化装置，其中该反应剂包括在实际上相互间隔的一第一触媒与一第二触媒。

8.根据权利要求6所述的触媒转化装置，其中该反应剂设置于该实质纤维性不织物多孔壁中，而不会减小孔隙率。

9.根据权利要求6所述的触媒转化装置，其中藉由一再生过程来燃尽该所捕获的微粒物质。

10.根据权利要求1所述的触媒转化装置，进一步包括一外壳，其具有耦接至一汽油内燃引擎的一入口孔及一出口孔。

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