CN101595283A - 气体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于金属泡沫的废气处理装置。使用合适的催化涂层，该装置可用作柴油机和汽油机的催化转化器，包括氧化催化剂、三元催化剂、去NOx催化剂、NH3脱滑催化剂。泡沫结构提供较大的表面积和较高的混合速率，其增强了催化性能。该装置能够以并联方式使用深床过滤而用于柴油机和直接喷射汽油发动机中的颗粒过滤。本发明使用由隔板(5)分隔开的多于一个的泡沫部分(4a、4b)而利用了复合通过径向流动的原理。

Description

气体处理装置
技术领域
本发明涉及基于金属泡沫的气体处理的装置，特别地涉及废气后处理装置，该装置包括：金属壳，所述金属壳限定了具有入口管和出口管的腔以及两个泡沫部分，所述泡沫部分由层叠的金属泡沫片制成，所述金属泡沫片设置在所述入口管和出口管之间的联通路径中。
背景技术
所考虑的金属泡沫材料和制造工艺分别在国际专利申请WO2004089564和WO 2005037467中进行了描述。根据该工艺，所述金属泡沫以具有所需长度和宽度的片的形式生产。
对于柴油机颗粒过滤应用，将在所述装置中使用或被包括在所述装置中的基于泡沫的过滤器是已知的，虽然它们大多是基于陶瓷材料的。由于封闭的孔的较大数量，具有充分小的孔尺寸以实现良好的过滤效率的典型陶瓷泡沫表现出相对较高的压力下降。此外，由于更多的烟灰积聚在过滤器中，所以已知这种泡沫会降低它们的过滤效率，直到观察到“吹脱(blow-off)”行为，即负效率。
陶瓷泡沫的另一缺点是，对于在所述装置中使用或包括在所述装置中的最终过滤器的成形的限制。因此，在汽车应用中所需的有限空间中，获得较大的过滤面积是非常困难的。
已知存在一种金属催化剂载体，用于内燃机的废气，其进入排气管、进入管通道并且通过其中的穿孔流向外部，并且其通过内部截流(interior closure)被转移出来。环形挡板改变气流的方向通过穿孔流回到通道中，并且通过透气塞(gas-permeable plug)催化剂构件，然后流过另一塞催化剂构件，并且继续通过穿孔被强迫流入进出管通道的蜿蜒流动路径。这种路径强迫废气与合适的催化剂构件的排气管催化涂层和内部催化剂涂层发生接触。合适的催化剂构件的表面和排气管的内表面可涂覆有催化材料。通过接触催化涂层，催化地接触的气体经历污染消除反应，表现为清洁的废气。然而，该发动机基本上不同于本主题发明的装置。
在已知的现有技术中，所建议的材料一般是指多孔材料，而不用具体地详述生产工艺。
此外，某些已知实施例由通过使用电加热器支持过滤器的热再生的需要所限定。因此，需要使用至少两个圆柱形过滤元件。由于涉及材料的限制、过滤器元件的生产工艺以及复合过滤器元件的需要，过滤器元件的厚度被限制在0.5mm到20mm的区域中，优选地为1mm或者更厚。
孔的尺寸范围相当小，所述孔的尺寸范围建议特别地优选地用于从100μm到600μm。相似地，过滤厚度非常地窄。此外，简单参考“3维截留效果(3-D trapping effect)”未表明对现实的过滤机构的理解。
在另外的已知的现有技术中，有两个要素被认为是基本的，包括所谓的“孔隙率梯度(porosity gradient)”原理和未说明的催化地涂覆的泡沫材料的使用。
另一另外已知的现有技术涉及陶瓷材料的使用，其导致了它们不提供渐变的孔隙率。
发明目的
本发明的目的是克服上述缺陷，并且本发明的应用领域主要指向用于汽油和柴油机废气后处理的催化基质的领域。
发明内容
因此，根据本发明提出一种如权利要求1所限定的装置。因此，本发明的目的由上文中所述类型的装置实现，该装置的特征在于所述泡沫部分由隔板分隔开，每一泡沫部分包括多层金属泡沫片，所述金属泡沫片绕壳的纵向轴线设置，其设置方式在壳之内限定了入口腔、外部腔和出口腔。所述腔与所述入口管和所述出口管联通，其联通方式使得，在使用的过程中发动机废气被强迫从入口腔流向外部腔以及从外部腔流向出口腔，从而表现出相对于壳的纵向轴线的速度的径向分量。
根据本发明的另外一个主要的实施例，提出一种废气后处理装置，其在主要的所述两个泡沫部分之外，还包括两个由层叠的金属泡沫片制成的次泡沫部分，所述层叠的金属泡沫片设置在所述入口管和出口管之间的联通路径上。所述装置的特征在于，所述两个次泡沫部分还包括多层金属泡沫片，该金属泡沫片绕壳的纵向轴线设置，其设置方式在壳之内限定了内部腔、外部腔、出口腔和封闭腔，其中所述腔分别与所述入口管和出口管联通，其联通的方式使得，在使用过程中发动机的废气被强迫通过外部腔和封闭腔从内部腔流向出口腔，从而表现出相对于壳的纵向轴线的速度的径向分量。
根据本发明的有利实施例，所述装置的所述泡沫部分包括金属泡沫片的同心层。
根据本发明的另外的有利实施例，金属泡沫层的孔隙率在任意方向是可变的。
根据本发明的另一另外的有利实施例，泡沫部分卷绕在穿孔的管上。
根据本发明的特别的实施例，所述穿孔的管的各自的直径各不相同。
根据本发明的更特别的实施例，所述穿孔的管的穿孔是局部可变的。
根据本发明的优选实施例，所述金属泡沫层涂覆有催化活性材料。
根据本发明的另外的优选实施例，金属泡沫层的催化装载(loading)在任意方向上是可变的。
根据本发明的具体实施例，所述隔板具有碟状外形，其外直径表现为大于穿孔的管的直径并且小于外部的壳的直径的任意值。
根据本发明的更具体实施例，所述隔板被穿孔。
根据本发明的另一更具体实施例，隔板的所述穿孔是局部可变的。
根据本发明的另外的实施例，所述穿孔的管在其一端由碟状隔板封闭并且在其相反的一端由碟状隔板封闭，从而强迫进入内部腔的气体通过外部腔和封闭腔流向出口腔，该出口腔与出口管联通。
根据本发明的另一另外的实施例，每一泡沫片由金属合金制成，其具有适当的机械性质，从而允许以管状设计成形。
本发明还涉及发动机废气后处理系统，包括多个组合，每一组合包括按串联方式布置的如上所述装置。
可选地，本发明涉及发动机废气后处理系统，包括多个组合，每一组合包括按并联方式布置的如上所述装置。
另外可选地，本发明涉及发动机废气后处理系统，包括多个组合，每一组合包括分别按串联和并联方式布置的如上所述装置。
根据具体实施例，根据本发明的系统还包括具有腔的管道，该腔由内表面所限定，并且其中每一组合被容纳于所述腔中。
金属泡沫为催化涂层的应用提供较大的具体表面积。此外，泡沫结构增强了气体和催化表面之间的气体混合和质量转移率。作为催化剂基质的金属泡沫的另外的性质是其从废气中过滤颗粒物质的潜力，这在柴油机和直接喷射汽油发动机的情况下是重要的。由于上述性质，金属泡沫与广泛使用的蜂巢基质相比表现出优势。另一方面，金属泡沫的流动阻力极大地取决于它们的内部结构。为了使用泡沫基质获得可接受的压力下降，有必要最优化微观结构(例如孔尺寸)和宏观结构(例如外部几何形状)。本发明提出这种设计最优化的问题。
压力下降能够通过降低气体的速度而减小，这能够通过较大的横截面面积而实现。如果泡沫以管状构造成形从而被废气气流径向横穿，则能够获得较大的横截面面积。在本发明中所考虑的金属泡沫的情况下，在技术上是可行的。
在一些应用中，首要的要求是废气后处理装置通过施加极大的反压力而不会阻塞发动机。这种大的反压力将发生于高效地积聚烟灰并且在低温条件(100℃-250℃)下工作的任何过滤器中，其典型地在城市驾驶中遇到。避免这种情况发生的一种可能性是使用在烟灰负载增大时表现降低的过滤效率的泡沫。这种装置将趋于在发动机的可接受的反压力水平上平衡(“零效率”)。
使用小心选择的泡沫孔隙率的组合，能够设计该装置，从而实现上述目的。
取决于应用，金属泡沫能够涂覆有任何催化活性材料。可能的应用包括柴油机氧化催化剂、“三元”催化剂、稀油(lean)NOx催化剂和捕集器(traps)，NOx选择性催化还原。所述催化涂层还可被用于增强在过滤装置中的积聚烟灰的氧化率。
本发明的目的是基于管状设计实现的，其中使用引导气流的隔板，气流被强迫多次在横向方向通过。具体的设计产生了可能容积(通常是受限制的)的最大化的使用，从而在较小的气体速度、充分的过滤深度和可接受的反压力之间实现良好的妥协。
如果过滤器以管状构造成形从而被废气气流径向横穿，则能够获得较大的过滤面积。在根据本发明的装置中所考虑的金属泡沫的情况下，在技术上是可行的。
在可选的实施例中，另外的(次)泡沫管被设置在主泡沫部分的金属支承件中。隔板被设置成允许气流在主泡沫部分和次泡沫部分之间根据各自的气流阻力被分隔开。这种构造还增大了给定的可用容积的气流面积，提供了另外的压力下降的优点。这可在总的泡沫厚度上完成妥协。导致的关于过滤效率的副作用能够通过泡沫孔隙率的适当选择而最小化。
泡沫的孔尺寸可在400到1800微米之间的范围内变化。每一泡沫片的厚度对于最小孔尺寸为大约1.5mm，而对于最大孔尺寸为大约4mm。通过滚动，该泡沫能够容易地成形，以形成圆柱结构。此外，该泡沫能够容易地涂覆有催化活性材料，该材料典型地用于汽车应用中。
本发明的另外的特征在另外的从属权利要求中给出。
与基于表面过滤机构工作的大多数商业化柴油机颗粒过滤器不同，泡沫过滤器是基于深床(deep-bed)过滤而工作的。这意味着烟灰是在泡沫结构中被收集，而不是在其表面被收集的。基于发动机测试的当前的经验，具有小孔的高效的过滤器将趋于在其入口附近而不是朝向其出口积聚多得多的烟灰。这种不均匀的烟灰分布并不是令人满意的，因为过滤器的高负载区域将不成比例地增加压力下降。另一方面，能够使用不同泡沫结构的组合完成更加均匀的分布，在入口附近具有较大的孔并且逐渐地在出口附近具有较小的孔。这种被称为“孔隙率梯度”的构造使用在此考虑的金属泡沫材料在技术上是可行的，其并不用于陶瓷泡沫的情况。
到目前为止的现实世界的测试显示，使用涂覆的泡沫过滤器，基于80％到95％的级别的颗粒过滤效率的深床是可能的，其具有可接受的压力下降，所述过滤器适当地成形以允许在径向方向的流动方向。由于控制的基于渗滤的过滤机构，对于较小颗粒尺寸(＜20nm)，过滤效率是最高的(接近100％)。已评估的是，过滤器的烟灰容量限制可超过15克/升，该容量几乎等于标准壁流(wall-flow)系统的两倍。该过滤器在低温下(250℃-450℃之间)的再生潜力已经被证明强于标准的催化的陶瓷壁流过滤器。在200℃级别的温度下，该催化涂层还能够获得CO和碳氢化合物的接近100％的转化。同时，具有600微米或更小的孔尺寸的基于泡沫的过滤器在任何可能的现实驾驶条件下不会表现出吹脱积聚的烟灰的趋势。
根据本发明的装置的一些示例性实施例还将在下文的说明中进行更加详细的描述，其还通过附图进行说明，其中相同的附图标记表示相似或者相同的元件。
附图说明
图1说明了本发明的第一实施例。
图2说明了本发明的第二实施例。
图3说明了本发明的第二实施例。
具体实施方式
图1显示了一种装置，其包括两个泡沫部分4a和4b，其中，废气从入口腔7流向外部腔8并且从外部腔8流向出口腔9。
图2显示了一种装置，其包括两个泡沫部分4a和4b，其中，废气被强迫通过外部腔8’和封闭腔13从内部腔7’流向出口腔9’。
图3显示了一种装置，其包括串联组装到一起并且共享公共隔板16的两个单元。每一个单元类似于图1中所描述的实施例。单元“A”与单元“B”共享公共隔板16，从而强迫气流通过出口腔A9离开单元“A”而直接进入单元“B”的入口腔B7。所述气流然后被强迫通过外部腔B8和出口腔B9到达出口管3。
与图3中所描述的实施例相似，通过串联和/或并联地将多于两个单元组装在一起，其它可能的实施例是可能的。
参考图1，数字1表示金属壳，该金属壳限定了具有入口管2和出口管3的腔以及两个泡沫部分4a、4b，所述泡沫部分由层叠的金属泡沫片制成，所述金属泡沫片设置在所述入口管2和出口管3之间的联通路径中。
在图1中，泡沫部分4a、4b包括多个金属泡沫片，该金属泡沫片卷绕在穿孔的管10a、10b上，具有优选地大于40％的孔隙率。
泡沫部分4a和4b被隔板5分隔开，并且绕壳1的纵向轴线6设置，其设置方式在壳1之内限定了入口腔7、外部腔8和出口腔9，所述腔与所述入口管2和所述出口管3联通，其联通方式使得，在使用的过程中发动机废气的气流被强迫从入口腔7流向外部腔8以及从外部腔8流向出口腔9，从而表现出相对于壳1的纵向轴线6的速度的径向分量。泡沫层的孔隙率优选地为可变的。为了使压力下降最小化，穿孔的管附近的层应当优选地具有较大的孔，而接近边缘的层应当优选地具有较小的孔。
在多数应用中，泡沫材料是催化涂覆的。催化涂层的类型和数量取决于具体的应用。本装置的一个重要的特征是，通过在不同的泡沫层中使用不同类型和/或不同数量的催化涂层，而能够在一个系统中结合不同的催化功能。另外，所述泡沫可同时作为颗粒的过滤装置。
在图2所示的所述设计的变化形式中，泡沫部分4a、4b、12a、12b绕壳1的纵向轴线6进行设置，其设置方式在壳1之内限定了内部腔7、外部腔8、出口腔9和封闭腔13，所述腔与所述入口管2和所述出口管3联通，其联通方式使得，在使用的过程中发动机的废气被强迫通过外部腔8和封闭腔13从内部腔7流向出口腔9，从而表现出相对于壳1的纵向轴线6的速度的径向分量。
通过在过滤深度上的妥协，对于相同的总容积来说，本设计实现了更大的流动横截面面积。根据各自的流动阻力，废气气流分布在主泡沫部分和次泡沫部分之间。考虑到过滤和压力下降的需求，所述主泡沫部分和次泡沫部分的内部尺寸和外部尺寸能够被适当地设计以实现优选的气流分布。对于泡沫的孔隙率和催化分布，相同的考虑如已经在图1的情况中提及的一样适用。
在图3所示的所述设计的变化形式中，两个单元串联组装，共享公共隔板16。单元“A”包括被隔板A5分隔开的两个泡沫部分A4a和A4b，所述泡沫部分绕壳1的纵向轴线6进行设置，其设置方式在壳1之内限定了入口腔A7、外部腔A8和出口腔A9。单元“B”包括被隔板B5分隔开的两个泡沫部分B4a和B4b，所述泡沫部分绕壳1的纵向轴线6进行设置，其设置方式在壳1之内限定了入口腔B7、外部腔B8和出口腔B9。
通过入口管2进入单元“A”的发动机的废气被强迫通过外部腔A8从内部腔A7流向出口腔A9，从而表现出相对于壳1的纵向轴线6的速度的径向分量。单元“A”与单元“B”共享公共隔板16，从而强迫废气通过出口腔A9离开单元“A”而直接流入单元“B”的入口腔B7。然后废气被强迫通过外部腔B8和出口腔B9流向出口管3，从而表现出相对于壳1的纵向轴线6的速度的径向分量。

Claims (18)

1、一种废气后处理装置，包括：金属壳(1)，所述金属壳限定了具有入口管(2)和出口管(3)的腔以及两个泡沫部分(4a、4b)，所述泡沫部分由层叠的金属泡沫片制成，所述金属泡沫片设置在所述入口管(2)和出口管(3)之间的联通路径中；其特征在于，所述泡沫部分(4a)和(4b)由隔板(5)分隔开，每一泡沫部分包括多层金属泡沫片，所述金属泡沫片绕壳(1)的纵向轴线(6)设置，其设置方式在壳(1)之内限定了入口腔(7)、外部腔(8)和出口腔(9)，所述腔与所述入口管(2)和所述出口管(3)联通，其联通方式使得，在使用的过程中发动机废气被强迫从入口腔(7)流向外部腔(8)以及从外部腔(8)流向出口腔(9)，从而表现出相对于壳(1)的纵向轴线(6)的速度的径向分量。
2、如上述权利要求所述的废气后处理装置，该装置在主要的所述两个泡沫部分(4a、4b)之外，还包括两个由层叠的金属泡沫片制成的次泡沫部分(12a、12b)，所述层叠的金属泡沫片设置在所述入口管(2)和出口管(3)之间的联通路径上，其特征在于，所述两个次泡沫部分(12a、12b)还包括多层金属泡沫片，该金属泡沫片绕壳(1)的纵向轴线(6)设置，其设置方式在壳(1)之内限定了内部腔(7’)、外部腔(8’)、出口腔(9’)和封闭腔(13)，所述腔与所述入口管(2)和出口管(3)联通，其联通的方式使得，在使用过程中发动机的废气被强迫通过外部腔(8’)和封闭腔(13)从内部腔(7’)流向出口腔(9’)，从而表现出相对于壳(1)的纵向轴线(6)的速度的径向分量。
3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，泡沫部分(4a、4b)和/或(12a、12b)包括金属泡沫片的同心层。
4、如上述权利要求1至3的一项所述的装置，其特征在于，金属泡沫层的孔隙率在任意方向是可变的。
5、如上述权利要求的一项所述的装置，其特征在于，泡沫部分(4a、4b)和(12a、12b)分别地卷绕在穿孔的管(10a、10b)和(15a、15b)上。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述穿孔的管(10a、15a)和(10b、15b)的各自的直径各不相同。
7、如权利要求5或6之一所述的装置，其特征在于，所述穿孔的管(10a、15a)和(10b、15b)的穿孔是局部可变的。
8、如上述权利要求的一项所述的装置，其特征在于，所述金属泡沫层涂覆有催化活性材料。
9、如上述权利要求所述的装置，其特征在于，金属泡沫层的催化装载在任意方向上是可变的。
10、如权利要求5至9的一项所述的装置，其特征在于，隔板(5)具有碟状外形，其外直径表现为大于穿孔的管(10a、15a)和(10b、15b)的直径并且小于外部的壳(1)的直径的任意值。
11、如上述权利要求的一项所述的装置，其特征在于，所述隔板(5)被穿孔。
12、如上述权利要求所述的装置，其特征在于，隔板(5)的孔是局部可变的。
13、如权利要求5至12的一项所述的装置，当从属于权利要求2时，其特征在于，所述穿孔的管(15a)在其一端由碟状隔板(11)封闭并且在其相反的一端由碟状隔板(14)封闭，从而强迫进入内部腔(7’)的气体通过外部腔(8’)和封闭腔(13)流向出口腔(9’)，该出口腔与出口管(3)联通。
14、如上述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，每一泡沫片由金属合金制成，其具有适当的机械性质，从而允许以管状设计成形。
15、一种发动机废气后处理系统，包括多个组合，每一组合包括按串联方式布置的如上述权利要求中一项所述的装置。
16、一种发动机废气后处理系统，包括多个组合，每一组合包括按并联方式布置的如上述权利要求1至14中一项所述的装置。
17、一种发动机废气后处理系统，包括多个组合，每一组合包括分别按串联和并联方式布置的如上述权利要求中一项所述的装置。
18、如权利要求15至17的一项所述的系统，还包括具有腔的管道，该腔由内表面所限定，并且其中每一组合被容纳于所述腔中。
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