CN105263601A - 排气净化过滤器 - Google Patents

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Abstract

一种排气净化过滤器包含：流入/流出通路，排气通过其流入/流出；以及分隔部。所述流出通路和所述流入通路交替地配置。所述分隔部构造成将所述流入通路和所述流出通路彼此隔开，且为多孔的。分隔部包含涂覆区和在所述涂覆区的下游侧的非涂覆区，在所述涂覆区中，所述分隔部的基部的表面由具有比所述基部的平均孔径小的平均孔径的第一涂层覆盖，在所述非涂覆区中，所述基部的所述表面未由所述第一涂层覆盖。所述基部的所述平均孔径大到足以使灰通过所述分隔部，且所述第一涂层由具有彼此不同的平均粒径的多个颗粒群构成。

Description

排气净化过滤器
技术领域
本发明涉及一种排气净化过滤器。
背景技术
在收集排气中的粒状物质的颗粒过滤器配置在排气通路内的压燃式内燃机中，颗粒过滤器包含交替地配置的排气流入通路和排气流出通路，以及多孔的分隔部，该多孔的分隔部将这些排气流入通路和排气流出通路彼此隔开。在这种颗粒过滤器中，排气流入通路在其下游端处由下游侧塞闭合，而排气流出通路在其上游端处由其上游侧塞闭合。因此，排气首先流入排气流入通路，然后穿过周围的分隔部，从而流出到邻近的排气流出通路中。结果，排气中的粒状物质被收集在分隔部上，而由此抑制粒状物质释放到大气中。
随着收集在颗粒过滤器上的粒状物质的量增加，压力损失在颗粒过滤器中逐渐增加。因而，发动机输出会降低。因此，在这种内燃机中，执行在将颗粒过滤器维持在氧化气氛中的同时、颗粒过滤器的温度增加的PM除去过程，来燃烧粒状物质且将粒状物质从颗粒过滤器除去。
排气中包含称作“灰”的非可燃成分。灰连同粒状物质一起由颗粒过滤器收集。尽管执行了PM除去过程，但是灰没有燃烧或汽化，而是残留在颗粒过滤器上。因此，随着发动机运转时间越来越长，收集在颗粒过滤器上的灰量逐渐增加，而因此颗粒过滤器中的压力损失逐渐增加。因而，即使PM除去过程重复地执行时，发动机输出也会降低。
日本专利申请公开第2004-130229号(JP2004-130229A)公开了一种颗粒过滤器，在该颗粒过滤器中，通孔形成在下游侧塞中，使得灰通过该通孔而从颗粒过滤器流出。在JP2004-130229A中，随着发动机运转时间越来越长，该通孔被粒状物质闭合。当该通孔闭合时，该颗粒过滤器能够以与不包含任何通孔的传统的颗粒过滤器相同的方式来收集粒状物质。接下来，执行PM除去过程，然后除去使通孔闭合的粒状物质，从而打开该通孔。结果，颗粒过滤器上的灰通过该通孔而被从颗粒过滤器排出。
发明内容
在JP2004-130229A中，在从发动机运转开始时或PM除去过程完成时至通孔闭合时的期间内，存在粒状物质通过该通孔而从颗粒过滤器流出的可能性。在JP2004-130229A中，由于通孔的直径设定成等于或大于0.2mm，因此由粒状物质闭合具有该尺寸直径的通孔可需要相当长的时间量。因此，存在通过该通孔而从颗粒过滤器流出的粒状物质的量增加的可能性。
本发明提供了一种能够抑制由灰引起的排气净化过滤器中的压力损失的增加而同时可靠地收集粒状物质的排气净化过滤器。
依照本发明的方案，排气净化过滤器配置在内燃机的排气通路内，且收集排气中包含的粒状物质。所述排气净化过滤器包括：流入通路，排气通过所述流入通路流入；流出通路，排气通过所述流出通路流出，所述流出通路和所述流入通路交替地配置；以及分隔部。所述分隔部构造成将所述流入通路和所述流出通路彼此隔开，且所述分隔部为多孔的。所述分隔部包含涂覆区和在所述涂覆区的下游侧的非涂覆区，在所述涂覆区中，所述分隔部的基部的表面由具有比所述基部的平均孔径小的平均孔径的第一涂层覆盖，在所述非涂覆区中，所述基部的所述表面未由所述第一涂层覆盖。所述基部在所述非涂覆区中的所述平均孔径大到足以使排气中包含的灰通过所述分隔部，且所述第一涂层由具有彼此不同的平均粒径的多个颗粒群构成。
在上述排气净化过滤器中，所述多个颗粒群可在所述基部上大体配置成层，且形成较靠近所述基部的层的所述颗粒群的平均粒径可比形成较远离所述基部的层的所述颗粒群的平均粒径大。
在上述的排气净化过滤器中，所述多个颗粒群可在几乎均匀混合的状态下配置在所述基部上。
在上述的排气净化过滤器中，形成所述第一涂层的所述颗粒群可由具有催化功能的金属制成。
在上述的排气净化过滤器中，与所述第一涂层不同的第二涂层可设置在所述非涂覆区中，且所述第二层可包含催化剂。
在上述的排气净化过滤器中，所述流入通路可在排气上游端处开口，而在排气下游端处闭合，并且所述流出通路可在所述上游端处闭合，而在所述下游端处开口。
通过上述构造，能够抑制由灰引起的排气净化过滤器中的压力损失的增加，同时可靠地收集粒状物质。
附图说明
参考附图，将在下文描述本发明的示范性实施例的特征、优势、以及技术和产业意义，其中同样的附图标记表示同样的元件，且其中：
图1是依照本发明的实施例的内燃机的总体视图；
图2A是依照实施例的颗粒过滤器的正视图；
图2B是依照实施例的颗粒过滤器的侧剖视图；
图3是依照实施例的分隔部的局部放大的剖视图；
图4是依照实施例的涂层的局部放大的视图；
图5是示出依照实施例的形成涂层的颗粒的尺寸分布的曲线图；
图6是依照实施例的涂层的局部放大的剖视图；
图7A是依照本发明的另一个实施例的涂层的局部放大的剖视图；
图7B是依照本发明的又一个实施例的涂层的局部放大的剖视图；
图7C是依照本发明的又一个实施例的涂层的局部放大的剖视图；
图7D是依照本发明的又一个实施例的涂层的局部放大的剖视图；
图8是解释依照本发明的颗粒过滤器的操作的示意图；
图9A是在颗粒之间的间隙的说明图；
图9B是在颗粒之间的间隙的说明图；
图9C是在颗粒之间的间隙的说明图；以及
图10是依照本发明的另一个实施例的分隔部的局部放大的剖视图。
具体实施方式
参考图1，附图标记1表示内燃机的主要单元，附图标记2表示进气通路，附图标记3表示排气通路，以及附图标记4表示配置在排气通路3内的排气净化过滤器。在图1所示的实施例中，排气净化过滤器4由壁流式颗粒过滤器(wall-flowparticulatefilter)构成。在图1所示的实施例中，内燃机1由压燃式内燃机构成。然而，内燃机1并不限制于本实施例中的内燃机，而是在另一个实施例中由火花点火式内燃机构成。
图2A和图2B示出了颗粒过滤器4的结构。图2A是颗粒过滤器4的正视图。图2B是颗粒过滤器4的侧剖视图。如图2A和图2B所示，颗粒过滤器4具有蜂窝状结构，且包含彼此平行延伸的多个排气流道5i和5o以及将排气流道5i和排气流道5o彼此隔开的分隔部6。在如图2A和图2B所示的实施例中，排气流道5i和排气流道5o由排气流入通路5i和排气流出通道5o构成，其中排气流入通路在其上游端开口而在其下游端由塞子7d闭合，排气流出通路在其上游端由塞子7u闭合而在其下游端开口。在图2A中，剖面线部分示出了塞子7u。排气流入通路5i和排气流出通路5o交替地配置，分隔部6介于排气流入通路5i和排气流出通路5o之间，该分隔部为薄壁。换句话说，排气流入通路5i和排气流出通路5o配置成使得：排气流入通路5i中的每一个均由四个排气流出通路5o包围，而排气流出通路5o中的每一个也均由四个排气流入通路5i包围。然而，本发明并不限制于这种构造，而是在另一个实施例中，排气流道由在其上游端和下游端都开口的排气流入通路与在其上游端由塞子闭合而在其下游端开口的排气流出通路构成。
在又一个实施例中，围绕排气流入通路5i的下游端的分隔部6变形以闭合此下游端，而围绕排气流出通路5o的上游端的分隔部6变形以闭合此上游端。这使得塞子7u和塞子7d不是必要的。
如图2B所示，分隔部6被划分成涂覆区CZ和定位在涂覆区CZ下游侧的非涂覆区NCZ。如图3所示，在涂覆区CZ中，分隔部6的基部6s的表面由涂层8覆盖。与此相反，在非涂覆区NCZ中，分隔部基部6s的表面未由上述的涂层8覆盖。
在图3所示的实施例中，涂层8设置在分隔部基部6s的面对排气流入通路5i的一个表面上。在另一个实施例中，涂层8设置在分隔部基部6s的面对排气流出通路5o的一个表面上。在又一个实施例中，涂层8设置在分隔部基部6s的分别面对排气流入通路5i和排气流出通路5o的两个表面上。涂层8的一部分可有时在孔处到达分隔部6的内表面的一部分或全部。
在图2B所示的实施例中，涂覆区CZ的上游边缘基本上与分隔部6的上游端对应。在图2B所示的实施例中，非涂覆区NCZ的下游边缘基本上与分隔部6的下游端对应。然而，涂覆区CZ和非涂覆区NCZ的定位并不限制于本实施例中描述的。在另一个实施例中，涂覆区CZ的上游边缘定位在分隔部6的上游端的下游侧。在又一个实施例中，非涂覆区NCZ的下游边缘定位在分隔部6的下游端的上游侧。例如，涂覆区CZ的纵向长度设定成颗粒过滤器4的纵向长度的50％至90％。
分隔部基部6s由多孔材料形成，该多孔材料例如为诸如堇青石的陶瓷、碳化硅、氮化硅、氧化锆、二氧化钛、氧化铝、二氧化硅、莫来石、硅酸铝锂或磷酸锆。
如图4所示，涂层8由多个颗粒9形成，且包含在颗粒9之间的多个间隙或孔10。因此，涂层8为多孔的。因此，如由图2B中的箭头所示，排气首先流入排气流入通路5i内，然后穿过围绕排气流入通路5i的分隔部6，从而流出到邻近排气流入通路5i的排气流出通路5o中。
在图4所示的实施例中，颗粒9由具有催化功能的金属制成。催化功能的实例包含氧化功能、以及在如HC或氨的还原剂存在时的NOX还原作用。如铂(Pt)、铑(Rh)、或钯(Pd)的铂族金属、或如铜(Cu)、铁(Fe)、银(Ag)、或铯(Cs)的金属能够作为具有氧化功能的金属来使用。在另一个实施例中，颗粒9由与用于分隔部基部6s的陶瓷相同的陶瓷制成，或由如Y-Pr-Ce氧化物、CeO2或SiO2的氧化物制成，作为具有氧化功能的金属。在又一个实施例中，颗粒9由上述的金属和陶瓷制成，或由上述的金属和氧化物制成。
在本实施例中，分隔部基部6s的平均孔径等于或大于25μm且等于或小于100μm。当分隔部基部6s的平均孔径等于或大于25μm时，排气中所包含的大部分的灰能够穿过分隔部6。换句话说，分隔部6的孔径设定成使得排气中所包含的灰能够在非涂覆区NCZ中穿过分隔部6。在又一种描述中，分隔部6的孔径设定成使得在非涂覆区NCZ中的灰的收集率比容许率低。例如，该容许率为50％。假定粒状物质的平均粒径比灰的平均粒径小，也能够考虑到分隔部6的孔径设定成使得粒状物质和灰能够在非涂覆区NCZ中穿过分隔部6。
涂层8的平均孔径设定成比分隔部基部6s的平均孔径小。具体地，涂层8的平均孔径设定成使得涂层8能够收集排气中所包含的粒状物质。
在本实施例中，分隔部基部中的孔的平均直径指的是，通过水银渗入方法(mercurypenetrationmethod)获得的孔径分布的中间直径(50％直径)，而颗粒的平均直径指的是，通过激光衍射/散射方法获得的基于体积的颗粒尺寸分布的中间直径(50％直径)。
在图4所示的实施例中，涂层8由具有小平均粒径的小直径颗粒群以及具有大平均粒径的大直径颗粒群形成。换句话说，如图5所示，两个不同的峰出现在形成涂层8的颗粒的尺寸分布中。在图5中，PS表示小直径颗粒群，而PL表示大直径颗粒群。
图6图示出涂层8的实例。在图6所示的实例中，形成涂层8的小直径颗粒群PS和大直径颗粒群PL在分隔部基部6s上大体配置成层。即，涂层8包含较靠近分隔部基部6s的层8n，以及较远离分隔部基部6s的层8f。换句话说，在图6中的实例中，层8n覆盖分隔部基部6s的表面，且进一步地，层8f覆盖层8n。即，涂层8由大体重叠成层的层8n和层8f形成。较靠近分隔部基部6s的层8n主要由大直径颗粒群PL形成。较远离分隔部基部6s的层8f主要由小直径颗粒群PS形成。换句话说，形成较靠近分隔部基部6s的层8n的颗粒群的平均粒径大于形成较远离分隔部基部6s的层8f的颗粒群的平均粒径。存在如下情况：大直径颗粒群PL的一些颗粒能够存在于层8f内，而小直径颗粒群PS的一些颗粒能够存在于层8n内。
在如图6所示的实例中，包含大直径颗粒群PL的浆料施加至分隔部基部6s，从而在分隔部基部6s上形成层8n。接下来，包含小直径颗粒群PS的浆料施加至分隔部基部6s，从而在层8n上形成层8f。结果，涂层8形成为层。
图7A至图7D图示出涂层8的另外的实例。在图7A至图7D所示的实例中，形成涂层8的小直径颗粒群PS和大直径颗粒群PL在几乎均匀混合状态下配置在分隔部基部6s上。
在图7A至图7D所示的实例中，包含混合在一起的大直径颗粒群PL和小直径颗粒群PS的浆料施加至分隔部基部6s，从而形成涂层8。
在图7A所示的实例中，涂层8设置在分隔部基部6s的面对排气流入通路5i的表面上，且设置在分隔部孔6p的内表面的一部分上。在图7B所示的实例中，涂层8设置在分隔部基部6s的面对排气流入通路5i的表面上，且设置在分隔部孔6p的全部内表面上。在图7C所示的实例中，涂层8设置在分隔部基部6p的全部内表面上，但是没有设置在分隔部基部6s的分别面对排气流入通路5i和排气流出通路5o的两个表面上。在图7D所示的实例中，涂层8设置在分隔部基部6s的面对排气流入通路5i的表面上，且设置在分隔部孔6p的整个内侧空间中。
小直径颗粒群PS的平均粒径为例如接近0.1至10μm。例如，大直径颗粒群PL的平均粒径为接近分隔部基部6s的平均孔径的一半。在分隔部基部6s的平均孔径为75μm的情况下，大直径颗粒群PL的平均粒径等于或小于37.5μm。例如，小直径颗粒群PS由氧化物形成。大直径颗粒群PL由金属形成。
排气中包含主要由实心炭形成的粒状物质。该粒状物质被收集在颗粒过滤器4上。
排气中也包含灰。这种灰伴随着粒状物质由颗粒过滤器4收集。本发明人已经确定的是，灰主要由如硫酸钙(CaSO4)或磷酸锌钙Ca19Zn2(PO4)14的钙盐形成。钙(Ca)、锌(Zn)、磷(P)等来自发动机润滑油。硫(S)来自燃料。即，以硫酸钙(CaSO4)作为实例，发动机润滑油流到燃烧室2内且燃烧，并且润滑油中的钙(Ca)与燃料中的硫(S)键合，从而产生硫酸钙(CaSO4)。
依照本发明者，已经确定的是，当具有接近10至25μm的平均孔径且不包含涂层8的颗粒过滤器，换句话说，灰几乎不能穿过的颗粒过滤器，配置在发动机排气通路内时，粒状物质趋向于在分隔部6的上游部上比在分隔部6的下游部上积聚得多。已经进一步确定的是，在此情况下，灰趋向于在分隔部6的下游部上比在分隔部6的上游部上积聚得多。
因此，在上述实施例中，涂覆区CZ设置在分隔部6的上游侧，而非涂覆区NCZ设置在分隔部6的下游侧。因此，如图8所示，粒状物质20在上游侧的涂覆区CZ中由分隔部6收集，而灰21在下游侧的非涂覆区NCZ中穿过分隔部6。因此，能够防止灰积聚在颗粒过滤器4上，同时防止粒状物质穿过颗粒过滤器4。换句话说，能够抑制由灰引起的颗粒过滤器4中的压力损失的增加，而同时收集粒状物质。
在图1所示的内燃机1中，每当被收集在颗粒过滤器4上的粒状物质的量超出上限量，则执行PM除去过程，以将粒状物质从颗粒过滤器4除去。例如，在PM除去过程中，在颗粒过滤器维持在氧化气氛中的同时，颗粒过滤器的温度增加，从而由此燃烧粒状物质。
在上述实施例中，涂层8由小直径颗粒群PS和大直径颗粒群PL形成。借助这种构造，粒状物质20能够因以下原因而被收集。
即，当涂层8由大直径颗粒形成时，如图9A所示，在颗粒P之间形成的间隙或孔G大。与此相反，当涂层8由小直径颗粒形成时，如图9B所示，颗粒P之间的间隙G小。进一步地，当涂层8由小直径颗粒和大直径颗粒的组合物形成时，如图9C所示，颗粒P之间的间隙G小。在如图6和图7A至图7D所示的实施例中，如图9B或图9C所示，在颗粒之间形成小间隙。结果，能够收集小直径的粒状物质，而同时将灰释放。进一步地，当涂层8由具有氧化功能的颗粒形成时，能够促进粒状物质的氧化。
还考虑到的是，当涂层8仅仅由小直径的颗粒形成时，能够提高粒状物质的收集。然而，为了使粒状物质由涂层8收集，分隔部6中的孔6p的开口需要用涂层8覆盖。同时，在本发明的实施例中，分隔部6的孔径设定成使得灰能够穿过分隔部6。即，分隔部6的孔径相对大。因此，当涂层8仅仅由小直径的颗粒形成时，涂层8难以充分地覆盖分隔部6中的孔6p的开口。
与此相反，在如图6和图7A至图7D所示的实施例中，形成涂层8的颗粒中包含大直径颗粒群PL。因此，分隔部6中的孔6p的开口能够由涂层8可靠地覆盖。在此情况下，小直径颗粒群PS也能够被认作由大直径颗粒群PL保持。
在上述实施例中，涂层8由具有彼此不同的平均粒径的两个颗粒群形成。在另一个实施例中，涂层8由具有彼此不同的平均粒径的三个或更多个颗粒群形成。因此，涂层8由具有彼此不同的平均粒径的多个颗粒群形成。在此情况下，多个不同的波峰出现在形成涂层8的颗粒的尺寸分布中。
在上述实施例中，没有涂层设置在非涂覆区NCZ。在图10所示的另一个实施例中，与涂层8不同的附加的涂层11设置在非涂覆区NCZ中。在此情况下，其中设有附加的涂层11的非涂覆区NCZ中的分隔部6的平均粒径设定成等于或大于25μm且等于或小于100μm。例如，具有氧化功能的金属被支撑在附加的涂层11上。结果，已到达非涂覆区NCZ的粒状物质能够被容易地氧化且除去。如溶胶涂层的低体积密度的涂层被用作附加的涂层11。
尽管已经参考实施例说明了本发明，但是本发明并不限制于上述实施例和结构。本发明可包含各种变形和等同的构造。实施例中的各种构成元素的更多限定的构造以及这些构造的各种组合也都落入本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种排气净化过滤器，所述排气净化过滤器配置在内燃机的排气通路内，且收集排气中包含的粒状物质，所述排气净化过滤器包括：
流入通路，排气通过所述流入通路流入；
流出通路，排气通过所述流出通路流出，所述流出通路和所述流入通路交替地配置；以及
分隔部，其构造成将所述流入通路和所述流出通路彼此隔开，且所述分隔部为多孔的，其中
所述分隔部包含涂覆区和在所述涂覆区的下游侧的非涂覆区，在所述涂覆区中，所述分隔部的基部的表面由具有比所述基部的平均孔径小的平均孔径的第一涂层覆盖，在所述非涂覆区中，所述基部的所述表面未由所述第一涂层覆盖，所述基部在所述非涂覆区中的所述平均孔径大到足以使排气中包含的灰通过所述分隔部，且所述第一涂层由具有彼此不同的平均粒径的多个颗粒群构成。
2.根据权利要求1所述的排气净化过滤器，其中
所述多个颗粒群在所述基部上大体配置成层，且形成较靠近所述基部的层的所述颗粒群的平均粒径比形成较远离所述基部的层的所述颗粒群的平均粒径大。
3.根据权利要求1所述的排气净化过滤器，其中，所述多个颗粒群在几乎均匀混合的状态下配置在所述基部上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的排气净化过滤器，其中，形成所述第一涂层的所述颗粒群由具有催化功能的金属制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的排气净化过滤器，其中，与所述第一涂层不同的第二涂层设置在所述非涂覆区中，且所述第二层包含催化剂。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的排气净化过滤器，其中
所述流入通路在排气上游端处开口，而在排气下游端处闭合，并且
所述流出通路在所述上游端处闭合，而在所述下游端处开口。
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