CN103206287B

CN103206287B - 具有提高过滤器性能的载体涂层的柴油机微粒过滤器

Info

Publication number: CN103206287B
Application number: CN201210500837.3A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·M·哈里斯
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2017-09-08
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: EP2599534A2; US20130133313A1; EP2599534A3; CN103206287A; US8980187B2; EP2599534B1

Abstract

本发明公开一种柴油机微粒过滤器，包括：多孔陶瓷基体，所述多孔陶瓷基体具有与来自柴油发动机的废气接触的第一表面和与大气接触的第二表面，并且其中所述第一表面和所述第二表面共用介于其间的多孔壁；一组耐热微颗粒，其中，所述微颗粒的直径在约1微米至约40微米之间的量级；一组耐热胶状颗粒，其中，所述胶状颗粒的直径在约1nm至约10nm之间的量级，其中，所述微颗粒和所述胶状颗粒沉积在所述多孔陶瓷基体的至少一个表面上。

Description

具有提高过滤器性能的载体涂层的柴油机微粒过滤器

技术领域

本发明涉及柴油机微粒过滤器及其制造材料和方法。

背景技术

柴油发动机是在宽的应用范围内使用的优选的产生扭矩的装置，从在运输中使用，如重型卡车、火车、野外农业和采矿设备，到现场电力的大规模生产，仅举几例。柴油发动机在功质比(power to mass ratio)方面几乎是无与伦比的，并且它们燃料的相对安全性使得柴油发动机几乎是用在需要移动、可靠、安全的大扭矩来源的应用的唯一选择。

由于它们燃烧的燃料的类型以及由于它们的设计，柴油发动机总是产生烟尘。烟尘本身是占多数的碳颗粒和包括碳氢化合物的液体的小滴的混合。在一般情况下，柴油发动机越大，它产生的烟尘越多。因此，烟尘是所有柴油发动机的问题，尤其是大型柴油发动机，如在大型卡车、火车、船、发电机、野外建设、采矿和农业设备等中发现的那些柴油发动机。

为了限制释放到大气中的烟尘的量，大多数工业化国家控制给定的发动机可以释放到大气中的烟尘的量。工业上已经通过产生用于移除或至少减少由柴油发动机排放到大气中的烟尘的量的各种系统来作出反应。这些系统中的多种可能对于该系统所连接到的发动机的燃料效率有负面影响。在某些情况下，发动机的机械完整性和这种系统的使用增加了制造和操作使用柴油发动机的机器的成本。本文所描述的发明的各方面提供制造和使用有助于有效地降低通过操作柴油发动机排放到大气中的烟尘的量的系统的材料、设备和方法。

发明内容

一些实施例包括柴油机微粒过滤器，包括：柴油机微粒过滤器，包括：多孔陶瓷基体，所述多孔陶瓷基体具有与来自柴油发动机的废气接触的第一表面和与大气接触的第二表面，并且其中所述第一表面和所述第二表面共用介于其间的多孔壁；一组耐热微颗粒，其中，所述微颗粒的直径在约1微米至约40微米之间的量级；和一组耐热胶状颗粒，其中，所述胶状颗粒的直径在约1nm至约10nm之间的量级，其中，所述微颗粒和所述胶状颗粒沉积在所述多孔陶瓷基体的至少一个表面上。在一些实施例中，所述微颗粒和胶状颗粒主要由氧化铝组成。在一些实施例中，用于涂覆DPF的陶瓷芯体的载体涂层(washcoat)中的微颗粒的含量在该柴油机微粒过滤器上的载体涂层中的颗粒的总量的约99％至约80％之间；在另一些实施例中，所述胶状颗粒的含量在该柴油机微粒过滤器上的载体涂层中的颗粒的总量的约1％至约20％之间。并且在其它实施方案中，涂层颗粒包括约20微米至约50微米量级的一组大颗粒。在其它实施例中，DPF包括主要由微颗粒和胶状颗粒组成的载体涂层，但同时还包括示范性水平的约20微米至约50微米等级的较大颗粒。

根据本发明的一些方面，柴油机颗粒过滤器包括在涂敷的同时被涂敷到DPF的陶瓷过滤器主体的催化成分。在许多实施例中，催化剂作为包括用于涂敷DPF的陶瓷芯体的颗粒的载体涂层浆料的成分被涂敷到DPF。在一些实施例中，该创造性的DPF的催化成分包括从由铂、钯等构成的组中选择的至少一种金属。在另一些实施例中，DPF包括至少一种催化金属氧化物，例如从由氧化铈、氧化锆、氧化镧、氧化钇等构成的组中选择的至少一种氧化物。

本发明的其它方面包括制造柴油机微粒过滤器的方法，包括以下步骤：使用载体涂层浆料涂敷柴油颗粒过滤器，其中，所述载体涂层浆料包括：水基载体；第一组耐热微颗粒，其中，所述微颗粒的直径在约1微米至约40微米之间的量级；和第二组耐热胶状颗粒，其中，所述胶状颗粒的直径在约1nm至约10nm之间的量级，其中所述第一组耐热微颗粒和所述第二组耐热胶状颗粒沉积在在柴油机微粒过滤器的至少一个表面上。在一些实施例中，载体涂层浆料中的所述微颗粒和所述胶状颗粒主要由氧化铝组成。在一些实施例中，载体涂层浆料中的所述微颗粒的含量在最终载体涂层浆料中的颗粒的总量的约99％至约80％之间。在一些实施例中，载体涂层浆料中的胶状颗粒的含量在载体涂层浆料(slurry)中的颗粒的总量的约1％至约20％之间。在一些实施例中，除了主要具有微颗粒和胶状尺寸的颗粒，载体涂层浆料还包括一组大颗粒，其中这些颗粒的直径为约20微米至约50微米的量级。

在一些实施例中，除了颗粒，载体涂层浆料还包括催化成分。在一些实施例中，催化成分包括从由铂、钯和铑构成的组中选择的至少一种金属。在某些实施例中，该浆料包括从由氧化铈、氧化锆、氧化镧、氧化钇等构成的组中选择的至少一种金属氧化物。在一些实施例中，该创造性的浆料包括约5％重量至约20％重量之间的固体。

附图说明

图1为用于柴油发动机的代表性SCR废气处理系统的示意图。

图2为示出DPF入口通道、壁和出口通道的显微照片剖视图。

图3A为示出塞满例如烟尘的单个过滤DPF孔的草图。

图3B为示出沉积在DPF的入口表面上的烟尘“层”的草图。

图3C为示出建立在DPF过滤器主体的表面上的隔膜的草图。

图3D为示出烟尘积聚对为不同DPF配置预测的废气压降的影响的假设曲线图。

图4A为示出采用用总结于表1中的不同的载体涂层(washcoat)涂敷的DPF测得的湿涂层量(wet pick-up)(g)的值的条形图。

图4B为示出采用用总结于表1中的不同的载体涂层涂敷的DPF测得的干重增量(dry weight gain)(g)的值的条形图。

图5为示出使用载体涂层组合编号1(小直径的颗粒、低固体含量，表1)涂敷的DPF的DPF入口、壁和出口的结构的开口侧视图的显微照片(800倍)。

图6为示出使用载体涂层组合编号1(表1)涂敷的DPF的入口通道的开口侧视图的显微照片(800倍)。

图7为示出使用载体涂层组合编号1(表1)涂敷的DPF的DPF出口通道的多孔性结构的开口侧视图的显微照片(800倍)。

具体实施方式

为了促进对新颖的技术的原则的理解的目的，现在将参照其优选实施例，并且将使用具体语言来描述其优选实施例。然而，应理解，并不是由此希望限制该新颖技术的范围，诸如该新颖的技术的原理的、被预期通常将由该新颖的技术涉及的本领域技术人员想到的改变、修改和其它应用落入本公开内容和从中得出的合理的推论的范围之内。

如本文所用，除非明确指出或另有明确暗示，术语“约”是指加或减10％的数值范围；例如，约1.0包括从0.9到1.1的值。

在载体涂层或载体涂层浆料中的具有特定的尺寸范围的颗粒的百分比的范围方面描述本发明的一些实施例。应当理解，在给定载体涂层或载体涂层浆料中的颗粒的总百分比会永远不超过100％。因此，在给定载体涂层或载体涂层浆料中一组颗粒的百分比的增加意味着在相同载体涂层或载体涂层浆料中至少另外一组颗粒的百分比必须减小，以保持100％的百分比总和。

由柴油发动机，特别是大型发动机，如火车、重型卡车和野外设备中所使用的柴油发动机产生的废气在它排放到大气中之前一般在由废气处理系统处理。主要由碳氢化合物的小滴和颗粒物(主要是碳)组成的烟尘是柴油机废气的一种成分。为了遵守各种环境法规，排放到大气中的烟尘的水平由各种废气处理系统降低。用于减少释放到大气的烟尘的量的使用最广泛和有效的系统之一是柴油机微粒过滤器(DPF)。在许多实施例中，DPF包括催化剂，该催化剂帮助烟尘颗粒转换成诸如二氧化碳和蒸汽的气体，然后该气体被排放到大气中。在一些废气处理系统中，该系统进一步包括将柴油机废气的其他成分(如一氧化碳和未燃烧的柴油机废气)转换成然后排放到大气中的更加环保无害分子的催化剂，该催化剂。在一些废气处理系统中，该系统进一步包括催化剂，该催化剂能够将氮氧化合物转换成最适合促进其它希望的工艺(如DPF上的无源烟尘氧化或DPF上或DPF下游的单独部件上的选择性催化还原(catalytic reduction))的形式。

现在参照图1，示出了典型的重型柴油机废气处理系统2的示意图。具有催化剂4的DPF位于排气管6内。该排气管具有两个端部。一个端部8连接到柴油机废气源10，另一个端部12通向大气14。典型系统还可以包括可选的附加催化剂16和18。例如16和18的催化剂可以参与催化碳单体和氮氧化物转化为CO₂和N₂的反应。催化剂4通常催化废气流中的各种化合物的氧化，包括将烟尘成分氧化成可以容易地退出过滤器的诸如CO₂和气相的H₂O之类的气体。

催化剂能够催化废气中的烃和CO氧化成二氧化碳。在这些应用中使用无源或者有源两种类型催化剂。用于将烟尘转换成气体的催化剂一般利用柴油机废气的高温起作用。在正常废气温度起作用的催化系统被称为无源系统。无源系统或多或少地连续地起作用并且不需要定期引入额外能量，如起源于柴油机燃料到废气流中定期引入。许多无源系统通过催化碳颗粒与二氧化氮根据在约250℃以上发生的反应中的方程式1的反应而起作用。

C+NO₂＝CO₂+NO (1)

像这样的无源系统需要可以通过将由柴油燃烧产生的NO转换成NO₂而催化地制成的NO₂源。

还有用于将颗粒烟尘转换成二氧化碳的其它系统被称为有源系统。有源系统在高温下起作用并且这些系统包括用于产生在约400℃至约700℃的范围内的温度的材料。典型的有源系统催化在方程式(2)中给出的反应：

C+O₂＝CO₂ (2)

在许多有源系统中，通过将柴油机燃料引入接近烟尘过滤器的废气流中，废气温度周期性地增加。在废气流中的这种燃料与催化剂反应以建立足够的热量以将碳基烟尘颗粒燃烧成二氧化碳。

一些DPF使用无源再生以从过滤器去除多余的烟尘。无源再生通常采用有助于碳基烟尘颗粒转换成CO₂和在例如从约325至约420℃的一般柴油发动机废气温度处起作用的催化剂。一些DPF使用有源再生以移除烟尘。这些系统中的一些在高达700℃的温度处起作用。

再次参照图1，使用加热元件(图中未显示)可以产生从DPF中有源地去除烟尘所需的非常高的温度。在一些系统中，通过经由第一阀32或第二阀34定期地引导柴油机燃料通过补充燃料管线进入废气系统6而产生该温度。柴油机燃料的流动可以通过燃料中继装置28调节，燃料中继装置28在其入口侧连接到柴油机燃料入口管线22，柴油机燃料入口管线22在其入口侧连接到柴油机燃料箱20。来自燃料中继装置28的出口连接到出口燃料管线30。补充柴油机燃料中继装置28可以由控制器42启动，控制器42根据发动机背压、废气温度、发动机运行时间等因素处理信息。控制器还控制补充燃料中继装置28的动作以在必要时直接引导柴油机燃料进入废气系统。

典型的柴油机微粒过滤器是包括一系列平行的相邻通道(有时称为腔室)的蜂窝状结构。现在参照图2，示出了典型的DPF过滤器80的横截面的照片。典型的DPF 80由薄壁86、88构造而成，薄壁86、88分开例如一系列相邻和互补的通道。这些通道可以被分开成两个互补的通道组，例如，入口通道82和出口通道84。在入口通道组中的通道的端部在距离柴油机废气源最远的通道的端部处被堵塞，并且在最靠近废气气体源的通道的端部处开口。与此相反，出口通道的端部在最靠近柴油机废气源的通道的端部处被堵塞，并且在最靠近到大气的开口的通道的端部处开口。

由于第一组通道的端部在最靠近废气气体源的通道的端部处开口并且在距离柴油机废气源最远的通道的端部处被堵塞，则废气可以进入第一组通道，但是它不能直接地退出第一组通道。因此，被堵塞的滤芯被构造成使得进入入口通道82的柴油机废气不能够退出到大气中，除非柴油机废气通过穿过(traverse)过滤器壁86中的孔90)而通过过滤器壁86中的孔90，该过滤器壁86将入口通道82与出口通道84分开。由于孔90一般都太小以至于不能够允许烟尘颗粒容易地穿过过滤器主体80的内壁86和88，因此大多数烟尘颗粒被捕获在过滤器80的入口通道82中。在典型的DPF中，过滤器壁86和88中的孔90大到足以允许废气从与发动机直接接触的通道82中排出，并进入最终通向大气的过滤器侧的通道84。

在其最简单的形式中，柴油机微粒过滤器的功能是物理地捕获太大以至于不能够穿过过滤器壁的孔的烟尘颗粒，该过滤器壁将首先接收发动机废气的腔室与通向大气的通道分开。作为实际情况，大多数这些过滤器允许一些烟尘通过直到烟尘层聚集在过滤器表面上。

广泛使用的多孔陶瓷过滤器主体包括由诸如碳化硅、堇青石、莫来石和这些化合物的组合之类的材料制成的过滤器主体。这些设备的效率和长时间运作部分地取决于这些结构的孔隙率。典型的过滤器主体的孔隙率在约30％至约75％的范围内。在一些过滤器中，陶瓷过滤器主体的孔隙率在至少约40％的范围内，有时是至少为55％。在其它过滤器中，陶瓷过滤器主体的孔隙率在至少约55％的范围内，或至多约65％。而且，在一些过滤器中，陶瓷过滤器主体的孔隙率在至少约65％且小于或等于约75％的范围内。

多孔过滤器的陶瓷“主体”通常通过挤压具有多个通道的蜂窝状结构而制成；每个通道通过薄的多孔壁与其相邻通道分开。蜂窝状结构的交替通道在相对端部处被堵塞，以形成DPF的最终芯体。

现在参照图3A，在典型的DPF中，烟尘54最初被捕获在过滤器主体50的多孔壁52的孔56内。这种“深滤床过滤(deep bed filtration)”导致压降的显著增加，例如参见图3D。现在参照图3B，在初始沉积烟尘之后，有时称为烟尘块的烟尘层62形成在DPF 60的首先接收烟尘的通道(“入口通道”)的壁64的表面上。在烟尘层62积聚时，压降增加，尽管以较慢的速率增加(参见图3D)。现在参照图3B，一定水平的烟尘62可能是有益的，因为包括沉积在过滤器的表面上的烟尘层的正常运作的微粒过滤器在移除“新”沉积的烟尘时，比清洁的过滤器相比更高效。使用典型DPF发生这种情况，因为烟尘层本身成为烟尘从废气流传输到大气中的阻碍。

然而，如果沉积在过滤器表面上的烟尘层太厚或开始压缩，则烟尘层将增加压降，从而减少颗粒和气体从发动机到大气的流动(参见，例如，在图3D中的曲线)。左侧不受制止的过量的烟尘积聚增加了发动机背压，这可能会导致关机或者甚至损坏发动机。

完全地(或至少部分地)消除深滤床过滤可以降低DPF上的整体压降。现在参照图3C，这可以通过将时常称作隔膜的材料层72放置在DPF的入口通道70的壁74的表面上而实现。因此，一些DPF被制造成包括隔膜，该限制烟尘颗粒接近烟尘过度堆积的过滤器壁的孔。一些过滤器包括形成在过滤器主体的入口表面上的隔膜。这些隔膜72包括热稳定和可透气材料，所述材料允许柴油机废气从DPF入口通道迅速地流动到穿过将入口通道和出口通道分开的DPF壁74的孔76。在典型的市售DPF中，这些隔膜由与下面的DPF本质上相同的陶瓷材料制成。这些常规隔膜层本身可以具有均匀尺寸颗粒的“填充床(packed bed)”的结构。这些隔膜防止所有或几乎所有烟尘颗粒78进入过滤器主体的、烟尘颗粒可能会积聚在那里并堵塞的孔76，从而限制废气流动通过过滤器和提高发动机承受的背压。隔膜层中的颗粒间的间隔足够大，不限制废气流动通过DPF(即，DPF上的压降在清洁状态中不增加)。因此，例如，参见图3D，随着烟尘积累的初始压降增加大大地降低。

虽然这种隔膜式DPF设计是创新的，但其有两个缺点。首先，由DPF制造商进行的隔膜的涂敷涉及额外的加工步骤(包括额外的烘烧)，这导致部件更昂贵。其次，该隔膜的存在使得更难以涂敷催化剂载体涂层到入口通道的表面；传统涂层将堵塞填充床式隔膜结构内的颗粒间空间。

本文所公开的创造性的DPF解决了在当前可用的支承DPF的隔膜的至少两个不足之处。首先，在单个步骤中涂敷用创造性的载体涂层，该单个步骤同时提供催化剂和降低烟尘颗粒堵塞在DPF的过滤器壁中的孔的倾向的装置。这种单个步骤涂敷省却对涂敷隔膜的单独步骤的需要。并且载体涂层浆料中形成减少烟尘结垢的孔状结构的相同颗粒还有助于将催化剂固定到DPF的表面。

本发明的一些实施例包括具有载体涂层的DPF，载体涂层包括氧化铝颗粒，氧化铝颗粒包括微颗粒(micro-particle)和纳米颗粒(nano-particle)二者。可以使用载体涂层浆料将载体涂层涂敷到DPF过滤器主体。传送氧化铝颗粒的同一浆料还可以包括有助于减少废气流中被调节化合物的水平的催化剂。同一浆料还可以提供催化剂到DPF的入口通道，该催化剂催化烟尘颗粒转化成CO₂。最终的结果是具有氧化铝颗粒层的DPP，氧化铝颗粒层的很像隔膜一样起作用，其相像之处在于它减少被烟尘颗粒堵塞的孔的数量。因为容易以与催化剂相同的载体涂层浆料涂敷这个层，使用这种方法消除了对形成常规隔膜所需的单独的步骤的需求。这种方法减少形成DPF所需的步骤的数量。这又减少制造以降低的背压运行的DPF的复杂性、时间和费用。

开发具有既是热稳定的又耐过度烟尘孔堵塞的理想质量的DPF载体涂层需要开发在此之前未预料到的颗粒的混合物。在表1中总结了尝试过的一些颗粒组合，包括失败的许多组合。

实验性的过滤器被测试，以除了其它参数之外确定否则等效的过滤器在使用不同载体涂层浆料涂敷它们以后的湿重(wet weight)和干重(dry weight)。这些参数有助于确定最初被涂敷到过滤器的载体涂层浆料中的材料的量，和干燥后的保留量。在图4A和4B中显示的条形图中总结了这些比较重量中的一些。

使用相对大(直径为50～100微米)的球状氧化铝颗粒制造一个实验性DPF。通过湿磨商业上可获得的氧化铝粉末产生这些颗粒。胶状氧化铝(悬浮于水中的纳米尺寸的氧化铝颗粒)被添加到包括50～100微米颗粒的同一载体涂层浆料中，以使这些颗粒能够粘在一起，并且粘到下面的DPF的陶瓷材料的表面。这两组颗粒在水中混合在一起，通过气流(由真空驱动)被拉入DPF中且然后分布在整个DPF中，并且随后使用第一热气流干燥，之后在500℃炉中煅烧。

现在参考图3C，图3C为示出这种方法产生出的载体涂层的草图。不幸的是，具有这些尺寸的颗粒的载体涂层没有很好地粘附到入口通道的表面。这种载体涂层的另一个问题在于其形成具有大压降的过滤器。最初进行实验以通过在DPF的表面上形成大的氧化铝颗粒层尝试并形成用于DPF入口表面和出口表面的载体涂层，该载体涂层可以兼作隔膜。最初的方法产生由大的氧化铝颗粒和高浓度的胶状氧化铝颗粒构成的层。大的颗粒不容易粘到DPF滤芯表面。为了使大的颗粒形成表面，在载体涂层浆料中包括高浓度的胶状材料是必要的。这种组合导致厚表面的形成，该厚表面太厚并且被充分地塞满以至于不允许废气穿过载体涂层。

所尝试的另一个载体涂层包括具有约10至约40微米之间的规定直径的三组颗粒。包括全部三个颗粒组的载体涂层浆料用于涂敷DPF陶瓷过滤器主体。涂敷、干燥和煅烧产生粘合的载体涂层。然而，代替类似于图3C的填充床(packed bed)结构，观察到不同的结构。中型、不规则形状的氧化铝颗粒(称为微颗粒)渗透到在入口通道表面处的许多大孔中，在那些部件中有效地形成局部填充床，同时大的和过小的颗粒在该表面上形成单独的不均匀涂层。

在产生最好载体涂层的载体涂层浆料中的颗粒的组合包括不规则形状的中间尺寸的颗粒和相对少量的胶状颗粒的混合物。现在参考图5，示出了最佳地实现的涂覆的DPF之一的显微照片。在入口通道的壁中的大孔填充有不规则形状中型颗粒和少量胶状物，该少量胶状物看来可能帮助中型颗粒保持它们在陶瓷主体的较大孔中的位置。

现在参考图6，示出了使用产生呈现次优性能的过滤器的氧化铝颗粒涂敷的DPF的入口通道壁的显微照片。使用包括高浓度的球状宏观颗粒和胶状颗粒两者的载体涂层浆料涂敷该滤芯。所述浆料必须包括高浓度胶状材料，以帮助大的球形颗粒粘合到过滤器表面，因为大的球形颗粒过大以至于不能够进入过滤器表面的大孔。使用这个氧化铝颗粒的这种混合物形成的载体涂层是厚的。大量胶状材料还形成非常紧凑填充的颗粒矩阵，该颗粒矩阵干扰废气穿过过滤器的通行，形成呈现高的压降的过滤器。这可能是因为，当作为载体涂层浆料的大部分存在时，胶状尺寸的颗粒具有紧紧地挤在一起的倾向。

现在参照图7，示出呈现所独创的示意性载体涂层的DPF的出口通道的高倍放大视图。采用主要包括不规则形状的中型氧化铝颗粒和少量的胶状氧化铝颗粒的载体涂层浆料制成形成在这个过滤器上的载体涂层。如在入口通道中所观察到的那样，使用氧化铝颗粒的这种创造性组合形成的出口通道形成一表面，在该表面中主要地由不规则形状的中型颗粒和相对少量的胶状颗粒的组合至少部分地填充大孔。由于阻止烟尘堵塞的表面，这种DPF呈现出可接受的水平的背压。最重要的是，在将催化剂涂敷到过滤器所需要的同一步骤中形成隔膜。

令人惊讶的是，所形成的最有效的载体涂层中的一些包括不规则形状、中型氧化铝颗粒和少量胶状氧化铝的混合物。这种组合产生主要地积聚在较大的孔中的载体涂层。这些载体涂层是不连续的，但是应仍然起作用，以防止烟尘塞满过滤器壁孔，同时允许DPF以可接受的压降运转。

不限于任何理论或解释，可以如下解释这些结果：首先，没有必要在入口通道的表面上形成理想化的隔膜结构。相反地，朝向DPF芯体表面的孔可以由形状不规则的颗粒的填充床占据，形成“隔膜效应”(即从大孔排出烟尘)。其次，如果氧化铝颗粒填充到大孔中，则更容易使氧化铝颗粒彼此粘附并且粘附到陶瓷表面。最后，通过优化氧化铝粒度和胶状氧化铝的量，能够形成局部隔膜结构，而没有显著地增加清洁DPF压降。用于涂敷浆料或涂敷过程的附加选项如下并提供用于进一步优化催化膜载体涂层的路径。用于产生本文所公开的示意性载体涂层式DPF的过程的特征在于，积极混合载体涂层浆料，以减少沉淀影响。如果氧化铝的微颗粒的最佳直径足够大，以使颗粒从浆料中沉淀，则稠化剂可以添加到浆料以降低沉淀速率。而且，如果需要更低的清洁DPF压降，则人们可以添加小的热不稳定聚合物球到载体涂层浆料。尺寸合适的聚合物球可以渗透到最大的孔中，占据其中一些空间，并且因而限制可能填充到该孔中的氧化铝颗粒的数量。所列出的聚合物在煅烧期间将被烧掉，因此，在DPF的表面孔内的局部填充床结构内留下更多的开口空间。

许多DFP是使用载体涂层制造的以传送催化剂颗粒到DPF的表面上。涂敷到DPF上的大多数催化剂载体涂层是载体材料(优选地是粘合到陶瓷过滤器的热稳定固体)和催化剂的水基悬浮液。考虑到如上所述的深滤床过滤(deep bed filtration)的问题，期望的是形成薄的填充床结构或隔膜并且还提供用于传送处理废气成分所需的催化剂的介质的载体涂层材料。与DPF的制造相比，在载体涂层的涂敷期间引入这个特性还有更多的成本效益，因为在DPF的制造的情况中将需要额外的加工步骤。

使用包括粘合到滤芯的表面的颗粒的载体涂层涂敷该创造性的DPF中的一些。通过涂敷工艺将这些颗粒传送到过滤器的表面。所产生的载体涂层包括规定粒度的热稳定颗粒。涂层浆料的大部分通常是水或一些其它合适的流体。发现包括主要由诸如氧化铝之类的化合物的大颗粒构成的载体涂层往往较差地粘合到滤芯的表面。作为颗粒堵塞滤芯的孔的结果，主要地由非常小的颗粒组成的载体涂层显示出非常高的背压。因此，如在本文中所公开的那样，最佳载体涂层应由特定范围的颗粒组成，这种特定范围的颗粒既能够使载体涂层具有良好的粘附性，在通道表面上形成足够多孔的隔膜，又能够防止能够严重限制废气流动通过孔的颗粒深入孔中。

载体涂层浆料中的各种尺寸的颗粒的相对量也是重要的。使用主要地由多于20％的胶状氧化铝颗粒组成的载体涂层浆料处理过滤器主体会产生呈现高的背压的过滤器。小颗粒具有填充到过滤器的孔中并且抑制气体通过多孔过滤器壁的迅速流动的倾向。

在本发明的一些方面中，用于形成过滤器的催化剂载体涂层形成有助于降低烟尘引起的压降的薄的填充床结构。本发明的一些方面包括载体涂层材料以及这些创造性的载体涂层涂敷到DPF的工艺。大于规定尺寸的载体涂层颗粒具有减小的“外部几何表面积”。这些类型的载体涂层具有下降的分散贵金属催化剂的能力。用来对此进行弥补的方法之一是形成包括中孔性的颗粒的载体涂层。这种中孔性的颗粒具有适于催化剂分散的大的表面积。

按惯例，悬浮在水基载体涂层中的载体涂层颗粒具有从悬浮液中沉淀出来的趋势。在缺少某种形式的连续或周期性混合的情况下，在涂敷工艺能够完成之前，悬浮液中的较大颗粒从载体涂层中沉淀出来。因此，许多常规的载体涂层浆料包括增加流体的粘度而帮助颗粒悬浮的稠化剂。一般情况下，该稠化剂由可以在使用载体涂层涂敷过滤器主体之后的煅烧期间烧掉的有机材料组成。

在一些实施例中，堵塞DPF的壁内的最大孔的材料被添加到载体涂层。适合于在涂层中使用的材料包括聚合物珠粒，该聚合物珠粒如具有稍微大于多孔陶瓷过滤器主体的平均孔径的直径。

试验

过滤器涂敷

在这种独特设计的展示中利用在入口通道表面上不包括隔膜层的商用DPF。由多种尺寸的氧化铝颗粒制成专用水基载体涂层浆料。每种载体涂层中的颗粒的尺寸和颗粒的量是不同的以生产出具有不同尺寸的颗粒和固体含量(表示为百分比固体)的多种载体涂层。测试载体涂层在真空下涂敷至单独的DPF芯体，然后被干燥。通过湿磨市售氧化铝颗粒获得氧化铝的多种粒度。在一些情况下，为了调整浆料中包含的氧化铝颗粒的大小，包括氧化铝的载体涂层浆料本身被湿磨。除了改变在载体涂层浆料中的氧化铝颗粒的尺寸，还改变浆料中的氧化铝颗粒的数量。浆料在涂敷工艺期间被搅拌以确保有代表性的分布涂敷到DPF芯体。

干燥以后，具有载体涂层的DPF被测试以确定它们的背压。包括不同粒度分布以及不同固体含量的载体涂层被制造和测试。在此研究中考虑的涂敷参数包括真空强度(真空用来在整个入口通道中均匀地分布涂敷浆料)和干燥方向(热空气被迫从一端或者另一端通过一涂敷部分)。在表1中列出了被测试的一些涂敷条件的总结。

表1.用来形成原型的载体涂层浆料参数和工艺参数的总结。真空强度涉及抽取浆料向上进入DPF；接收浆料的部分的端部被定义为入口面。加热方向是指在干燥期间应用到DPF的入口面或另一端(出口面)的空气的流动。

载体涂层显像

通过分段被涂敷的过滤器并且在显微镜下显像这些分段来确定在单个柴油机微粒过滤器内的载体涂层分布。简要地说，从每个原型滤波器中去除两个1×6芯体。接下来，来自每个原型的一个芯体被切成2英寸长的子分段，包括入口段、中间段及出口段。每个子分段被轴向地切割以露出通道，用于在非安装状态成像。来自全部原型的非安装的中间段样品被检查是否是来自被分析的一些原型的出口段。来自一些原型的分段也被安装在环氧树脂中，并且然后被抛光成平坦光滑表面，这允许在横截面中检查DPF的多孔壁。

虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了新颖的技术，但附图和前面的描述被认为是说明性的而不是限制性的。应理解，仅仅显示和描述了优选实施例，并且在该新颖的技术的精神范围内的所有变化和修改希望得到保护。同样地，虽然使用具体示例、理论论据、计算和图示来说明该新颖的技术，但这些以及随附的讨论绝不应该被解释为限制该技术。通过引用将在本申请中引用的所有专利、专利申请以及对文本、科学论文、出版物等的提及整体地结合于此。

Claims

1.一种柴油机微粒过滤器，包括：

多孔陶瓷基体，所述多孔陶瓷基体具有与来自柴油发动机的废气接触的第一表面和与大气接触的第二表面，并且其中所述第一表面和所述第二表面共用介于其间的多孔壁；

一组耐热微颗粒，其中，所述微颗粒的直径在1微米至40微米之间的量级；

一组耐热胶状颗粒，其中，所述胶状颗粒的直径在1nm至10nm之间的量级，其中，所述微颗粒和所述胶状颗粒沉积在所述多孔陶瓷基体的至少一个表面上；和

20微米至50微米量级的一组大颗粒。

2.根据权利要求1所述的柴油机微粒过滤器，其中，作为载体涂层的所述微颗粒和所述胶状颗粒主要地由氧化铝组成。

3.根据权利要求1所述的柴油机微粒过滤器，其中，所述微颗粒的含量在涂敷到该柴油机微粒过滤器的载体涂层中的颗粒的总量的99％至80％之间。

4.根据权利要求1所述的柴油机微粒过滤器，其中，所述胶状颗粒的含量在涂敷到该柴油机微粒过滤器的载体涂层中的颗粒的总量的1％至20％之间。

5.根据权利要求1所述的柴油机微粒过滤器，其中，该柴油机微粒过滤器进一步包括催化成分。

6.根据权利要求5所述的柴油机微粒过滤器，其中，所述催化成分包括从由铂、钯和铑构成的组中选择的至少一种金属。

7.根据权利要求5所述的柴油机微粒过滤器，其中，所述催化成分包括从由氧化铈、氧化锆、氧化镧、氧化钇构成的组中选择的至少一种金属氧化物。

8.一种制造柴油机微粒过滤器的方法，包括以下步骤：

使用载体涂层涂敷柴油颗粒过滤器，其中，所述载体涂层包括：

载体；

一组耐热微颗粒，其中，所述微颗粒的直径在1微米至40微米之间的量级；和

一组耐热胶状颗粒，其中，所述胶状颗粒的直径在1nm至10nm之间的量级，其中，所述微颗粒和所述胶状颗粒沉积在该柴油机微粒过滤器的至少一个表面上。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述微颗粒的含量在所述柴油机微粒过滤器上的载体涂层中的颗粒的总量的99％至80％之间。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述胶状颗粒的含量在所述柴油机微粒过滤器上的载体涂层中的颗粒的总量的1％至20％之间。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述载体涂层进一步包括20微米至50微米量级的一组大颗粒。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述柴油机微粒过滤器进一步包括催化成分。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述催化成分包括从由铂、钯和铑构成的组中选择的至少一种金属。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述催化成分包括从由氧化铈、氧化锆、氧化镧、氧化钇构成的组中选择的至少一种金属氧化物。

15.根据权利要求8所述的方法，其中，涂层包括5％重量至20％重量之间的固体。

16.根据权利要求8所述的方法，其中，所述微颗粒和所述胶状颗粒主要地由氧化铝组成。