CN106351718A - 废气过滤器 - Google Patents

Abstract

用于净化从内燃机排放的包含颗粒物的废气的废气过滤器(1)，包括蜂窝结构(10)，其轴向(X)符合废气流(G)，栓塞部(4)，其选择性地闭塞面向废气流的蜂窝结构的上游末端面(11)，以及在蜂窝结构上负载的催化剂。所述蜂窝结构具有多个隔离壁(2)和被隔离壁围绕的蜂孔(3)，和在隔离壁内相邻的蜂孔之间形成的彼此连通的孔隙。多个蜂孔具有在轴向穿透的开放孔(31)，以及闭塞孔(32)，闭塞孔(32)的面向废气流的一个上游末端被栓塞部闭塞。所述蜂窝结构具有在隔离壁上不负载催化剂的第一区域(A)，和在隔离壁上负载催化剂的第二区域(B)。

Description

废气过滤器

技术领域

本发明涉及废气过滤器，其用以净化从内燃机排放的废气。

背景技术

捕集废气中所含的有害颗粒物(即，PM)的废气过滤器被布置在内燃机的排气管中，内燃机例如车辆发动机。所述废气过滤器包括具有隔离壁的多个蜂孔(cell)。

所述蜂孔可以设计成在轴向上具有其第一组和第二组，所述组在蜂窝结构中排列整齐。通常，蜂孔包括第一和第二蜂孔。一些第一蜂孔以如下方式形成：面向废气流的第一组的上游末端面分别被栓塞部闭塞。一些第二蜂孔以如下方式形成：第二组的下游末端面分别被栓塞部闭塞。隔离壁由多孔材料构成，并且废气流入面向废气流的第一组的开口中。废气中所含的PM通过使所述废气经过布置在所述第一组和第二组之间的隔离壁而去除。其后，废气经由隔离壁从第一蜂孔的第一组流动，并且从第二蜂孔的第二组排出。

在上述结构的废气过滤器中，当使所述废气通过过滤器时，压力损失容易由于PM在废气过滤器上的积聚而增加。燃料中所包含的发动机油以及痕量杂质(例如S和Ca，等等)会生成灰分。由于灰分在废气过滤器上的积累，由废气携带进入废气过滤器中的灰分也会增加所述压力损失。因此，如WO 2012/046486中所示，例如已经建议使废气过滤器以单侧闭塞类型的结构形成。所述单侧闭塞类型的结构如下方式形成，以使得在所述蜂窝结构中的蜂孔的上游末端面的任何一些分别被栓塞所闭塞。在单侧闭塞类型的结构中，灰分的积聚可以受到抑制，从所述第一蜂孔排放该灰分。

但是，在单侧闭塞类型结构的废气过滤器中，在高废气流速的情形下，透过隔离壁的废气流会减少，所述废气易于穿过蜂孔的内部，从而没有废气被捕获。即，从废气流的上游侧引入到下游侧的废气过滤器中的废气以未穿过隔离壁的方式流动。因此，已考虑适当选择废气过滤器的基材的长度，以抑制捕获PM的性能的下降。所述基材也可以被称为隔离壁的一部分。所以，将会存在的问题是废气过滤器需要增加尺寸。

在废气过滤器上负载催化剂、同时除去废气中所含的PM是可以考虑的。但是，在单侧闭塞类型的结构中，透过隔离壁的废气流会由于催化剂涂布层所涂布的隔离壁中的孔隙而变得更小。当废气流的减小下降时将会存在问题，因为催化剂涂层的量是有限制的。因此，不能得到满意的净化性能。

发明内容

本发明的进行是为了解决以上提及的问题，其目的是提供一种废气过滤器，该过滤器能够改进对有害物的净化性能和对PM的捕集性能，同时过滤器的尺寸不会增加。

本公开内容的一个方面涉及一种废气过滤器，其净化从内燃机排放的包含PM的废气。所述废气过滤器蜂窝结构、栓塞部和催化剂。蜂窝结构的轴向所述废气的流动方向。面向所述废气流的蜂窝结构的一些上游末端面分别被栓塞部闭塞。催化剂负载在蜂窝结构上。所述蜂窝结构具有多个蜂孔，蜂孔具有隔离壁。在隔离壁内部形成相邻蜂孔之间渗透的孔隙。所述蜂孔包括在轴向穿透(penetrate)的开放孔和闭塞孔，闭塞孔的上游末端面面向所述废气流，并且被所述栓塞部闭塞。在所述蜂窝结构中，在废气流的上游侧在隔离壁上存在不负载催化剂的第一区域。在废气流的下游侧在隔离壁上存在负载催化剂的第二区域。所述废气过滤器具有该第一区域和第二区域。

废气过滤器具有开放孔和闭塞孔。面向废气流的闭塞孔的一些上游末端面分别被栓塞部闭塞。因此，在相邻的开放孔和闭塞孔之间使废气通过时就会产生压力差。开放孔具有彼此相对的第一壁和第二壁，所述第一壁和第二壁是隔离壁。流入开放孔的一部分废气经由第一壁和第二壁透过，并由于所述压力差而流入相邻的闭塞孔和开放孔。这样，PM就被隔离壁内形成的孔隙所捕集。在相邻的开放孔和闭塞孔之间所产生的压力差在废气流的上游侧变大。所述压力差在朝向废气流的下游侧则变小。废气过滤器在废气流的上游侧具有不负载催化剂第一区域。因此，在所述第一区域中，废气中所含有的有害物可以利用两种蜂孔之间产生的压力差而高效地得到捕获，所以可以得到满意的捕集性能。

在废气流的下游侧在隔离壁上存在负载催化剂的第二区域。因此，在所述第二区域中，废气中所含的有害物可以利用所述催化剂净化。不需要限制催化剂涂层的量，以允许废气渗透穿过第二区域中的隔离壁，因为所述第二区域不具有足够的压力差来捕获PM。因此，第二区域具有充足量的催化剂涂层，并具有提升的净化性能。

这样，以上所述的单侧闭塞类型结构的废气过滤器可以分成两个部分：位于废气流上游侧的第一区域和位于下游侧的第二区域。因此，废气过滤器的基底材料的轴向长度可以得到充分利用，因为各自区域都具有各自适用于此的功能。如上所述，以上提及的实施方案可以提供能够改进对有害物的净化性能和对PM的捕集性能的废气过滤器。结果，与常规的过滤器相比，本公开内容可以使所述过滤器小型化。

附图说明

在以下附图中：

图1所示为根据本公开内容的第一实施方案，包括废气过滤器的废气过滤系统的总示意性截面图；

图2所示为根据第一实施方案的废气过滤器的示意性结构的透视图；

图3为图1放大的部分截面图，其显示根据第一实施方案的废气过滤器的主结构部分；

图4所示为根据本公开内容的第二实施方案，包括废气过滤器的废气过滤系统的总示意性截面图；

图5所示为废气过滤器下游末端面的放大的部分截面图，所述末端面以废气流动的方向彼此相对，本部分截面图为根据第二实施方案的图4沿着线V‐V获取；

图6为图4放大的部分截面图，其显示根据第二实施方案的废气过滤器的主结构部分；

图7所示为放大的部分截面图，其显示根据第一实施方案的废气过滤器的多个蜂孔；

图8所示为根据第一实施例，与面向废气流的废气过滤器的一个上游末端面之间的距离与当模型气体从废气的上游侧流入废气过滤器中时开放和闭塞孔中的压力之间的关系图；

图9所示为根据第一实施例，废气过滤器的蜂孔的一个上游末端面与在废气流动方向的催化剂涂层的起始点之间的距离与当模型气体从废气的上游侧流入废气过滤器中时的PM捕集率之间的关系图；

图10所示为根据第一实施例，在废气过滤器的多个隔离壁上负载的催化剂涂层的量和废气中所含有害物的净化率之间的关系图；

图11所示为根据第一实施例，面向废气流的开放孔的一个上游末端面与彼此相对的废气流动方向的废气过滤器下游一个末端面的开口比率与废气中所含PM的捕集率之间的关系图；

图12所示为根据第一实施例从废气过滤器的蜂孔分离的灰分的外观的电镜照片；

图13所示为根据第一实施例从废气过滤器的蜂孔分离的灰分的粒径分布。

具体实施方式

第一实施方案

下文中将描述废气过滤器的第一实施方案。第一实施方案的废气过滤器1如图1和图2中举例说明的，其净化废气并部分地负载催化剂。所述废气包含从内燃机排放的颗粒物(即PM)(未示出)。废气过滤器1是单侧闭塞类型结构，其具有蜂窝结构10和多个栓塞部4。蜂窝结构10中的废气流G定义为轴向X。栓塞部4部分地闭塞所述蜂孔交替的上游末端面11(即，图1或图2中的蜂窝结构的左末端面)，所述末端面面向蜂窝结构中的废气流G。蜂窝结构10具有多个隔离壁2和蜂孔3，蜂孔3具有各自的隔离壁，其在一个轴向末端开放，并在另一个轴向末端闭塞。隔离壁2内部彼此连通的相邻的蜂孔3之间形成孔隙(未示出)。蜂孔3如图1中说明的，其具有在轴向X上开放的开放孔31，以及闭塞孔32，该闭塞孔的末端面向废气流G上游侧的每一个被栓塞部4闭塞。

废气过滤器1可以分成两个部分：在废气流G方向上的第一区域A和第二区域B。第一区域A是在隔离壁2上不负载催化剂的区域，且第一区域位于废气流G的上游侧。第二区域B在隔离壁2上负载催化剂的区域，且第二区域B位于废气流G的下游侧。以上描述的隔离壁2构成开放孔31和闭塞孔32的主要部分。第一区域A作用是捕集废气中所含的PM的捕集区域，第二区域B作用是净化有害物的净化区域。

废气净化系统以如下方式形成：如图1中所示的气过滤器1布置在内燃机的排气管中(未示出)。废气净化系统包括圆筒状壳体51，壳体中布置有废气过滤器1。废气入口52和废气出口53分别布置在所述圆筒状壳体51中废气流的上游侧和下游侧的末端部分。筒状垫子材料61安装在圆筒状壳体51和蜂窝结构10之间，堵头62各自布置在其两个末端部件上。所述内燃机是，例如，轿车用直喷型汽油发动机或柴油发动机。废气过滤器1净化有害物，例如NOx、CO和HC，并捕集废气中所含的PM，该废气被排放进入废气排气管中。

如图2中说明的废气过滤器1完全成型为圆柱状形式。隔离壁2格子状布置成所述圆柱状形式的外表皮，且隔离壁2将圆柱状形式中的空间隔开并形成很多蜂孔3。在蜂窝结构10中彼此相邻的一些蜂孔3如图1中所说明地其被面向废气入口52的蜂孔的上游末端面11的栓塞交替地闭塞。蜂孔的下游末端面12(即，如图1和图2中所示的蜂窝结构的右末端面)面向废气出口53，如图1中可以看出的。蜂孔3的下游末端中没有一个是被栓塞所闭塞的。由此，开放孔31和闭塞孔32是交替布置的。对于每个开放孔31，其两个末端都是开放的(即，蜂窝结构10中蜂孔的上游末端面11和下游末端面12)。每个闭塞孔32的一个末端在蜂孔的下游末端面12是开放的，而闭塞孔32的另一个末端在所述蜂孔的上游末端面11是闭塞的(即，图1和图2中的左侧末端部分)。

在本实施方案中，开放孔31和闭塞孔32形成为基本相同的形状，其内周形状可以形成为普通四边形。所述蜂孔的形状不仅可以是普通四边形，而且可以是长方形、多边形、圆形或任意形状。开放孔31和闭塞孔32两者也可以不具有相同的形状，而是可以具有相互不同的形状。开放孔31和闭塞孔32两者垂直于轴向X的流动通道横截面可以具有相互不同的形状。在这种情形下，闭塞孔32的流动通道横截面积布置为大于开放孔31的流动通道横截面积。相邻的开放孔31和闭塞孔32之间产生的压力差增加，所以废气中所含的PM的捕集率的增加是可能的。

蜂窝结构10中的隔离壁2由具有多孔结构的陶瓷材料形成。隔离壁2内部形成的孔隙与蜂窝结构10中相邻的蜂孔3彼此连通。例如，堇青石、碳化硅或钛酸铝被用作所述陶瓷材料的构成成分。蜂窝结构10中的栓塞部4使用相似的陶瓷材料形成。在所述蜂窝结构10中，源自隔离壁2内部的孔隙的孔隙度可以通过添加至陶瓷材料中的造孔材料而加以调节。蜂窝结构10的孔隙度例如设置在40‐70％的范围内。

在废气过滤器1的轴向X上，从蜂孔的上游末端面11的预定长度范围定义为第一区域A。所述第一区域A用作PM的捕集范围，形成开放孔31和闭塞孔32的隔离壁2在此不负载催化剂。相邻的开放孔31和闭塞孔32之间产生的压力差ΔP在其中废气流G流动的开放孔31上游末端面11的周围变大，如图3中所说明的。由此，可以利用所述压力差ΔP使所述废气渗透穿过隔离壁2。每个开放孔包括彼此相对的第一壁和第二壁，所述第一壁和第二壁是隔离壁2。废气从流入开口侧流入开放孔31中，并且通过所述第一壁和第二壁流入闭塞孔32。同时，PM(即，图3中所示的PM)与废气分离开来和/或在隔离壁2的表面和内孔隙中被捕获。借此方式，由于隔离壁2不负载催化剂，第一区域A中的初始孔隙度得以保持。因此，透过隔离壁2的废气流可以具有减少的损失。因此，可以得到希望的PM捕集率，因为废气中所含的PM可以高效率地在第一区域A中被捕集。

在废气过滤器1中，隔离壁2的容积增加，PM捕集率随着蜂窝结构的轴向X上基材的轴向长度Lx的更长而增加。基材的轴向长度Lx可以被称为隔离壁的长度。在其中基材的轴向长度Lx比标准长度更短的范围内，PM的捕集率几乎依照基材的轴向长度Lx的延长而增加。但是，当基材的轴向长度Lx变成比标准长度长时，PM捕集率随着基材的轴向长度Lx的延长的增加逐渐减缓。然后，当基材的轴向长度Lx达到一极限长度时，所述PM捕集率也达到极限比率。当基材的轴向长度Lx超过一定长度时，经确定所述PM捕集率不会超过规定的数值。这是因为据认定，PM捕集率随着基材轴向长度Lx的延长而持续增加的原因在于，废气渗透穿过隔离壁2的比率增加，直至基材的轴向长度Lx达到一定长度。但是，当基材的轴向长度Lx超过所述一定长度时，废气渗透穿过隔离壁2的比率不再增加。隔离壁的整个长度由第一区段和第二区段构成，所述区段以废气流的方向彼此对齐。第一区段位于废气流的上游侧，其长度等于所述一定长度。第二区段位于废气流的下游侧。总之，当废气过滤器1基材的轴向长度Lx超过所述一定长度时，废气就渗透进入第一区段内的隔离壁2中。但是，到达第二区段的废气则会通过第二区段至废气流的下游侧，不会透过隔离壁2。

在废气过滤器1中，当基材的轴向长度Lx达到所述一定长度时，PM捕集率将稳定在所述规定数值且不会变化(即，PM的最大捕集率)。总之，所述一定长度是当PM捕集率达到最大值时基材轴向长度Lx的最短长度。因此，第一区域A的轴向长度LA优选基于基材轴向长度的最短长度Ls进行定义。具体而言，第一区域A的轴向长度LA设置为等于或大于基材轴向长度中的最短长度Ls。这样，第一区域A的PM捕集率达到最大值。从废气过滤器1排放的废气中所含的PM的量则定义为排放量A。引入到废气过滤器1中的废气中所含的PM的量定义为引入量B。第一区域A的PM捕集率是排放量A与引入量B的比率(比率的单位是％)。

或者，在废气过滤器1的基材的轴向长度Lx受限制的情形下，设置低于最大PM捕集率的预定的PM捕集率。此时，第一区域A的轴向长度LA优选定义为以预定的PM捕集率下的基材轴向长度为基础。所述预定的PM捕集率例如设定为不小于50％，优选不小于90％。第一区域A的最大PM捕集率随以下因素变化：开放孔31和闭塞孔32的横截面积比、隔离壁2的厚度、孔密度、平均孔隙尺寸和蜂窝结构的孔隙度等。因此，可以预先确定上述基材的规格与PM捕集率之间的关系，而第一区域A的轴向长度LA优选基于所述关系进行设置。这使得所述第一区域A的轴向长度LA能够得到优化，并可以达到期望的PM捕集率，由此防止废气过滤器1的变大。

在废气过滤器1的轴向X上，从第一区域A的一个下游末端到蜂孔下游末端面12的范围定义为第二区域B。所述第二区域B用作废气中所含PM的净化范围，形成开放孔31和闭塞孔32的隔离壁2负载催化剂。具体而言，在所述第二区域中，隔离壁2的一个表面和隔离壁2内部的一个孔隙表面完全被含有所述催化剂的一个催化剂涂布层21所覆盖。所述催化剂是，例如，贵金属催化剂，例如Pt、Rh和Pd，并可以根据待净化的废气进行选择。催化剂涂布层21通过在包括促进剂的多孔载体上负载所述贵金属催化剂而形成，所述促进剂例如氧化铈‐氧化锆复合氧化物，以及氧化铝等。催化剂涂布层21均匀地涂布在蜂窝结构的隔离壁2的表面上。更多细节可参见图3。

从图3中可以看出，当废气经过废气流上游侧的第一区域A流入至废气流下游侧的第二区域B时，所述废气得以与开放孔31或闭塞孔32内的催化剂涂布层21接触。所述废气在多孔的催化剂涂布层21中扩散，废气中所含的有害物被贵金属催化剂净化。在第一区域A中，相邻的开放孔31和闭塞孔32之间产生的压力差ΔP在朝向蜂孔的下游末端面12(其同样可以被称为废气的出口)的方向上变小，这点从图3中可以看出。因此，如前所述，透过隔离壁2的废气流减小。但是，这对PM的捕集性能的影响较小，因为期望的PM捕集率可以在第一区域A中得到，如上所述。开放孔31和闭塞孔32的各自下游末端面12是开放的。由此，废气中所含的灰分(即图3中所示的灰分)从开放孔31或闭塞孔32的开口向外散发，不会停留在废气过滤器1中。

在第二区域B中，形成催化剂涂布层21的催化剂涂层的量可以是例如50至250g/L。所述催化剂涂层的量优选例如不小于100g/L。催化剂涂层的量优选为较大，以提升废气的净化性能，以及通过冷和热的重复而抑制净化性能的下降。所述热是由从上述内燃机排放的废气所产生的，因为内燃机是在运动的。当内燃机停止时，温度从高变低。由此加热和冷却重复。上述催化剂涂层的量定义为每1L容积的废气过滤器1所负载的催化剂涂布层21的质量。在废气过滤器1中，增加催化剂涂层的量通常导致PM捕集性能的降低。但是，在本实施方案中，期望的PM捕集率可以在第一区域A中在废气流的上游侧得到。因此，在作为PM净化区的第二区域B中，催化剂涂层的量可以任意设定，以便得到需要的PM净化率。

作为PM的净化区的第二区域B的轴向长度LB可以任意设定。在第二区域B中，催化剂负载区随着轴向长度LB的变长而变得更大。废气的净化性能通过增加催化剂负载面积而得到改进。通过将第二区域B布置在第一区域A的废气流的下游侧、在废气流动的方向上，基材的轴向长度Lx往往变长。由此，例如高流速的废气导致阻止废气流动穿过蜂孔的内部而不被捕获的效果提升。另一方面，随着废气过滤器1的基材的轴向长度Lx变长，废气净化系统需要增加尺寸。因此，在第二区域B中，轴向长度LB和第二区域B中催化剂涂层的量优选要进行调节，以便得到在一定范围内的期望的净化性能，在所述范围中，废气过滤器1的基材的轴向长度Lx不超过所述一定长度。

借此方式，本实施方案的废气过滤器1具有单侧闭塞类型的结构以及第一区域A和第二区域B。单侧闭塞类型的结构的形成要使得面向废气流G的交替末端被栓塞所闭塞。所述单侧闭塞类型的结构可防止废气中所含的灰分在废气过滤器1上积累。第一区域A在上游侧不负载催化剂。第二区域B在下游侧负载催化剂。因此，通过将分别具有两个不同功能的范围分开，所述废气过滤器1共同具有对PM的捕集性能以及对废气的净化性能。

第二实施方案

根据第一实施方案，废气过滤器1可以以这样的方式形成，在第二区域B中完全覆盖形成蜂孔的隔离壁的催化剂涂布层21的每个蜂孔都具有相同的厚度。但是，所述废气过滤器1还可以以这样的方式形成，布置在开放孔和闭塞孔上的在第二区域B中的催化剂涂布层21的厚度不同。在后一种情形下，在开放孔31内的催化剂涂布层21的厚度优选更厚地形成，在后一种情形下的例子将在下文中加以描述。

面向所述废气流的开放孔31的上游末端定义为第一末端。与所述第一末端以废气流动的方向相对的开放孔31的下游末端定义为第二末端。在第二实施方案的废气过滤器1的第二区域B中，如图4和图5中所举例说明的，覆盖开放孔31的整个表面、除了开放孔31在第一末端和在第二末端中的末端面的催化剂涂布层21的厚度是不同的。完全覆盖在第二区域B中在开放孔31上的隔离壁2的催化剂涂布层21的厚度定义为具有第二厚度。具体而言，催化剂涂布层21在至少第二末端的厚度形成为比在第一末端的更厚。例如，如图4中所说明的，催化剂涂布层的锥形部分22以这样的方式形成：所述第二厚度朝向第二末端逐渐变厚。完全覆盖在第二区域B中闭塞孔32上的隔离壁2的催化剂涂布层21的厚度基本上不变。在废气过滤器1的蜂孔的下游末端面12中，开放孔31的孔开口小于闭塞孔32的孔开口。不同于锥形部分22，可以使用是催化剂涂布层21的台阶部分，其以如下方式形成：第二厚度以台阶的方式朝向第二末端而变得更厚。催化剂涂布层21可以是锥形或台阶形的，其不仅可以在第二末端整个之上，而且也可以在开放孔31中的整个第二区域B上。顺便来说，第二实施方案的废气过滤器1具有与第一实施方案基本相同的结构，除了催化剂涂布层21，因此其细节处加以省略。

在第二区域B中，当锥形部分22在开放孔31内延伸时，第二厚度朝第二末端逐渐变厚，如上所述。从图5中可以看出，开放孔31的开口面积S1任何之一都小于开口面积S2(即，S1<S2)。开口面积S1是其中第二末端的一个开口部分地被催化剂堵住的空间。开放孔31的开口面积S2基本上是上游末端面12的一个的空间。在下游末端面12中，通过锥形部分22的围绕而形成的开口23的一个基本上是圆形的。开放孔31内部的压力通过在第二区域B中延伸开放孔31内的一个锥形部分22而增加。由此，相邻的开放孔31和闭塞孔32之间产生的压力差ΔP变大。这样，在第一区域A中，如从图6中可以看出的，透过隔离壁2的废气流增加，废气中所含的PM的捕集率也进一步增加。

在第二区域B中，在开放孔31和闭塞孔32各自表面上形成的催化剂涂布层21净化废气中所含的有害物。因为开放孔31在第二末端具有锥形部分22，引入到开放孔31中的废气沿着锥形部分22流动和/或容易在锥形部分22内扩散。由此与催化剂接触的机会增加，对废气中所含的有害物的捕集率进一步增加。因为开放孔31和闭塞孔32的各自下游末端面12都是打开的，废气中所含的灰分(即图6中的灰分)就容易排放到蜂窝结构10以外。

开放孔31内的压力随着开放孔31的开口面积S1在第二末端的变小而变大。此时，相邻的开放孔31和闭塞孔32之间产生的压力差ΔP变大。由以下描述的式子所表示的开口比率(单位：％)可以优选为例如低于80％，以便利用上述压力差ΔP得到对废气中所含PM的捕集率增加的效果。

开口比率＝(S1/S2)×100(式子)

所述开口比率是位于第二末端的开口面积S1与位于第一末端的开口面积S2的比率。

当开口面积S1变小时，废气中所含的灰分停留并容易堆积在开放孔31的内部。因此，在第二末端中，被锥形部分22围绕的开口23可能被开放孔31内积累的灰分所闭塞。为此，开口23优选形成为比废气中所含的灰分的粒径足够大。例如，所述催化剂涂布层21优选以如下方式形成：第二末端的开口面积(即，开口23的直径)不小于0.2mm。这是因为灰分的粒径通常为约1至100μm，最大200μm(即，0.2mm)。

根据本实施方案，开放孔31内的催化剂涂布层21在一些第二末端较厚地形成。位于第二末端的开口面积S1由于催化剂涂布层21阻隔它而变小。由此，在第一区域A中捕获PM的捕集性能和在第二区域B中净化有害物的净化性能可以进一步改进。因为在开放孔31内的催化剂涂布层21在第二末端具有锥形部分22，催化剂涂布层21的量和第二末端的开口面积可以通过改变锥形部分22的形状而任意改变。在相邻的蜂孔3之间的压力差ΔP增加，通过调节催化剂涂布层21的量和第二末端的开口面积，灰分的沉积同时受到抑制。这样，废气过滤器1具有用于高效率净化废气的紧凑结构。

第一实施例

上述废气过滤器1通过以下方式形成。废气过滤器1以如下方式形成：面向废气流的圆柱状蜂窝结构10的一些上游末端各自被栓塞部4闭塞。所述蜂窝结构10由堇青石制得，并具有尺寸φ132mm×L 100mm。蜂窝结构10具有大量的蜂孔3，其内周形状是正方形，蜂孔3的密度是300个/英寸²，隔离壁2的厚度是0.28mm，隔离壁2内的平均孔隙尺寸是18μm，隔离壁2内形成的孔隙的孔隙度是60％。

首先，将高岭土、滑石、热熔硅石和氧化铝用作堇青石原料。将各原料粉末如下混合，使MgO、Al₂O₃和SiO₂的摩尔比率基本上是2、2和5，以作为堇青石的组成。将混合的原料粉末压碎并通过湿法工艺混合，并将碳作为成孔材料加入其中。接下来，将因为作为增稠剂的甲基纤维素的加入而增稠的以上混合物捏合，得到陶瓷体。在所述陶瓷体使用磨具挤出形成后，将其切割成为预定的大小，通过干燥所述陶瓷体得到干燥的本体。将干燥过的本体在1400至1440℃下煅烧，就得到了由堇青石制得的蜂窝结构10。其后，面向所述废气流的蜂窝结构10中蜂孔3的上游开口被陶瓷材料以格子状的形式交替地闭塞。通过在不低于500℃下进行煅烧，得到了单侧闭塞类型结构的蜂窝结构10。

废气过滤器1通过在蜂窝结构10中形成负载催化剂的催化剂涂布层21而构建。Pt和Rh用作贵金属催化剂，其是用于催化剂涂布层21的材料。面向废气出口53的蜂窝结构10的下游末端面浸渍(immerse)在催化剂浆料中。所述催化剂浆料是通过使用氧化锆/氧化铈复合氧化物而调节粘度的，γ–氧化铝被用作载体，贵金属混合在其中。在具有催化剂涂层的蜂窝结构的下游末端面得到干燥以后，通过煅烧干燥过的催化剂涂层得到催化剂涂布层21。由此得到了具有第一区域A和第二区域B的废气过滤器1。不负载催化剂的第一区域A布置在更接近被栓塞部4闭塞的末端面。其中形成有催化剂涂布层21的第二区域B布置在更接近不具有栓塞部4的末端面。

此外，将所得废气过滤器1的开放孔31的第二区域B的一个开口末端用上述调节过粘度的低粘度催化剂浆料含浸(impregnate)。含浸时间设定为1至2秒。开放孔31的催化剂涂布层21的锥体通过使催化剂浆料选择性浸入(invade)开放孔31中而强化。含浸后如从图7中可以看出的，锥形部分22布置在接近催化剂涂布层21的开放孔31的下游末端。然后将开放孔31的开口比率(即，所述开口比率为位于第二末端的开口面积S1与位于一些第一末端的开口面积S2的比率；S1/S2)设置为80％。

在闭塞孔32中，废气过滤器1的基材的轴向长度Lx为100mm。从面向废气流动的闭塞孔32的一个上游末端延伸至废气流动方向的预定长度的一部分闭塞孔32被栓塞部4闭塞。

图8显示了开放孔31和闭塞孔32在废气过滤器1中的压力分布，该废气过滤器具有通过上述方法得到的锥形部分22。所述压力分布是在模型气体从废气的上游侧流入废气过滤器中时得到。图9显示了在废气流动方向上蜂孔的上游末端面和第二区域B的起始点之间的距离(下文称作“非催化剂区域的长度”)与PM捕集率(即图9中所示的PM捕集率)之间的关系。第二区域B具有通过上述方法形成的催化剂涂布层21，第二区域B的起始位置是介于第一区域A和第二区域B之间的边界位置。图9中举例说明了PM捕集率依据边界位置的变化。在计算PM捕集率的情形下，在以下条件下操作V型六缸直喷型汽油发动机(下文称作“V型汽油发动机”)。在V型汽油发动机中，转速：2000rpm，气体流速：25g/sec，燃料喷射时间：330°BTDC，过滤器地板温度：400℃。引入废气过滤器1中之前和从废气过滤器1排放后模型气体中所含PM的量通过由Tokyo Dylec Co.Ltd.制造的Engine Exhaust Particle Sizer(EEPS)3090型光谱仪计算。PM捕集率则通过引入废气过滤器1中之前和从废气过滤器1排放之后模型气体中所含PM的量之间的差值计算。

开放孔31内压力P1从图8中可以看出在开放孔31的上游末端处是最高的。所述压力P1朝向开放孔31的下游末端变低。开放孔31下游末端的压力P1基本上等同于闭塞孔32内的压力P2。相邻的开放孔31和闭塞孔32之间产生的压力差ΔP在废气流的上游侧较高。ΔP朝向废气流的下游侧变小，并且在蜂孔的下游末端处大大下降。具有锥形部分22(即具有锥体)的开放孔31内的压力P1显示出相对于不具有锥形部分22的开放孔31内(即没有锥体)的压力P1有相似的趋势。图中所示作为参考的负载有催化剂的开放孔31内(即没有锥体)的压力P1高于不具有催化剂(即，没有催化剂)的开放孔31内的压力。这种趋势适用于无催化剂区域的任何长度。另一方面，当非催化剂区域的长度如图9中所示为0至约20mm时(即，基材轴向长度Lx的0至约20％)，PM捕集率显著地停留在20％。当非催化剂区域的长度大于20mm时，PM捕集率突然增加。对于任何长度的非催化剂区域，具有锥形部分22的开放孔31的每一个的PM捕集率都高于不具有锥形部分22的那些。具有锥形部分22和不具有锥形部分22的开放孔31下文分别称作“具有锥体的蜂孔”和“不具有锥体的蜂孔”。

当非催化剂区域的长度为0至约30mm时(即，基材轴向长度Lx的0至约30％)，具有锥体的蜂孔和不具有锥体的蜂孔的一个的PM捕集率分别是约20至40％，并且稍稍不同。当非催化剂区域的长度不小于40mm时(即，基材轴向长度Lx的40％)，具有锥体的蜂孔和不具有锥体的蜂孔的PM捕集率具有较大区别。例如，当非催化剂区域的长度为40mm时，具有锥体的蜂孔的PM捕集率为高于50％。当非催化剂区域的长度为50至60mm时(即，基材轴向长度Lx的50至80％)时，具有锥体的蜂孔的PM捕集率高于60％。当非催化剂区域的长度为不小于60mm时，具有锥体的蜂孔的PM捕集率基本上相同。当非催化剂区域的长度为50至60mm时，不具有锥体的蜂孔的一个的PM捕集率为55％或更高并低于60％。当非催化剂区域的长度为不小于60mm时，不具有锥体的蜂孔的PM捕集率基本上相同。

这样，上述第一区域A优选设置在废气过滤器1中，以便利用废气流上游侧的压力差ΔP得到期望的PM捕集率。优选地，第一区域A的轴向长度LA不小于基材轴向长度Lx的50％，这样其具有几乎不变的PM捕集率。更优选地，第一区域A的轴向长度LA不小于基材轴向长度Lx的60％，在此长度下所述PM捕集率变为最大并保持不变。由此，相邻开放孔31和闭塞孔32之间的压力差ΔP可有效地用于捕集PM。

实验例1

在通过上述方法得到的废气过滤器1中，对废气中所含的PM的净化性能根据在第二区域B中催化剂涂层的量的变化进行评估。结果见图10中所示。在图10中，催化剂涂布层21不具有锥形部分22，且贵金属催化剂和载体的量在以下描述。第一区域A的轴向长度LA为60mm，第二区域B的轴向长度LB为40mm。

贵金属催化剂的量Pt:Rh＝0.6g/L:0.15g/L；固定

载体的量：氧化锆/氧化铈基复合氧化物40％，γ–氧化铝60％：50至250g/L

蜂窝结构10：0.9L，3密尔/600个蜂孔

PM的净化性能通过废气中所含的CO和NOx的净化率曲线相交时的空气燃料比率处的PM净化率来评估。在评估PM净化性能时，在以下描述的使用2.4L四缸直喷型汽油发动机的耐久条件下，废气被引入废气过滤器1中。PM净化率的评价条件如下：

耐久条件：转速：3800rpm，气体流速：18g/sec，950℃，富‐贫耐久性测试

评价条件：转速：2200rpm，气体流速：10.2g/sec，引入到废气过滤器1中之前的废气的温度：500℃。

如图10中所示，当催化剂涂层的量为50至100g/L时，有害物的净化率突然上升至约80％至95％。当催化剂涂层的量高于150g/L时，有害物的净化率稳定在稍低于100％的比率。因此，所述PM净化率可以通过设置在第二区域B中催化剂涂层的量优选不小于100g/L而接近最大值。在催化剂涂布层21具有锥形部分22的情形下，上述第二末端的一个开口面积可以通过增加催化剂涂层的量来调节。此时，锥形部分22具有期望的形状。

实验例2

在通过上述方法得到的废气过滤器1中，评价PM捕集率针对开放孔31的开口比率S1/S2的变化。结果见图11中所示。开口比率S1/S2通过改变第二区域B中催化剂涂层的量而改变。具体而言，第二末端的开口面积S1在上述第一末端开口面积S2的5‐100％的范围内变化。第一区域A的轴向长度LA为60mm，在此长度下对于基材长度为100mm时，PM捕集率变为最大。

如图中所示11，随着开口比率S1/S2从100％变小，PM捕集率从50％变大。当开口比率S1/S2为80％时，PM捕集率高于60％。当开口比率S1/S2不大于80％时，PM捕集率温和地增加。当开口比率S1/S2为10％时，PM捕集率是约65％。当S1/S2开口比率是5％时，PM捕集率是稍低于70％的比率。这样，在第二区域B具有锥形部分22的情形下，开口比率S1/S2优选不大于80％。由此，PM可以得到有效捕集。

但是，当开口比率S1/S2变小至一定程度时，发现废气中所含的灰分容易被收集在所述蜂孔3内。从图12中可以看出，测量灰分粒径分布的结果在图13中示出，其基于从蜂孔3分离的灰分的SEM照片。如图13中所示，灰分的粒径分布介于1和1000μm之间，在约10μm的粒径处显示有尖锐的主峰。基于灰分的粒径分布，在计算其灰分的体积累积量为90％(即，D90)的粒径后，发现粒径D90为192μm。该结果使得不少于90％的灰分能够被排出，无论开口比率S1/S2是多少，只要第二末端的蜂孔开口尺寸D1是例如200μm(即，0.2mm)即可。

然后，在废气过滤器1的一些开放孔31中，在耐久测试以后通过积累灰分检查第二末端处的开口的堵塞存在与否。当耐久测试在检查时，蜂孔的开口尺寸D1在0.05至0.5mm的范围内变化。上述V型汽油发动机被用在所述耐久测试中，并且在以下条件下以每2分钟切断燃料的循环下操作30小时。在耐久测试之后，在以下条件下观察开放孔31，并对在第二末端是否存在开口的堵塞进行评价，该结果见表1中所示。该评价的进行基于与耐久测试之前的开口面积S1相比，耐久测试后的灰分积累对蜂孔堵塞的比率。

耐久条件：转速：3200rpm，气体流速：15g/sec，燃料喷射时间：330度BTDC

燃料：汽油，添加有1％的发动机油成分。

评价条件：蜂孔堵塞率不小于20％的情形确定为被堵塞，蜂孔堵塞率低于20％的情形确定为未堵塞。

表1

蜂孔开孔尺寸(mm)	0.05	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
							堵塞有无	Y	Y	N	N	N	N

“Y”意思是“存在堵塞”。

“N”意思是“不存在堵塞”。

从表1可以清楚地看出，当第二末端的开口面积S1低于0.2mm时，灰分积累所致的蜂孔堵塞率不小于20％。但是，当开口面积S1不小于0.2mm时，抑制了灰分在开放孔31内的积累，蜂孔堵塞率可以降低。

对比实施例1

为了与第一实施例中描述的废气过滤器1进行比较，制造了对比废气过滤器。对比废气过滤器与废气过滤器1基本上相同，其制造为具有负载催化剂的区域。在对比废气过滤器中，布置了具有面向入口的上游末端的区域，其等同于负载有催化剂的第一区域A。所述催化剂与催化剂涂布层21的相同，其具有包含贵金属催化剂和氧化铈‐氧化锆复合氧化物的铝载体。

在对比废气过滤器中，其中布置有一个上游末端的区域定义为区域A。在对比废气过滤器中，其中面向出口的下游末端的区域布置为等同于第二区域B，并且也同样定义为区域B。催化剂在区域A中的量不小于20g/L，催化剂在区域B中的量不小于160g/L。在对比废气过滤器中，调节催化剂浆料，使得溶胶化的氧化铈‐氧化锆复合氧化物与10％的氧化铝溶胶混合。接下来将具有预定的贵金属催化剂的催化剂浆料加入对比废气过滤器的基材中。然后，额外部分添加的催化剂浆料被鼓风装置吸取，以便抑制隔离壁内孔隙的堵塞，以及在对比废气过滤器中形成催化剂涂层。对比废气过滤器的基材的轴向长度具有在轴向上的区域A和区域B。区域A的轴向长度为60mm，区域B轴向长度为40mm，对比废气过滤器的基材轴向长度100mm。

在通过上述方法得到的对比废气过滤器中，计算的包含在废气中的PM的净化率基本上等同于实施例1中所描述的废气过滤器1。而废气过滤器1的第一区域A不负载催化剂。在对比废气过滤器中，催化剂浆料需要通过溶胶化而使其具有低粘度，以便不会封闭区域A中的孔隙。这就是实际情形，所以对催化剂涂布过程的控制需要劳力。从此结果可知，如本发明的公开内容，只有第二区域B负载有催化剂。由此，调节催化剂浆料和催化剂涂层的工艺得以简化，废气净化得更高效。

Claims (6)

1.一种废气过滤器(1)，其净化从内燃机排放的包含颗粒物的废气，该废气过滤器包括：

蜂窝结构(10)，其轴向(X)是废气的流动方向(G)；

栓塞部(4)，其部分地闭塞所述蜂窝结构的上游末端面(11)，该上游末端面面向所述废气流；以及

所述蜂窝结构中负载的催化剂，

其中所述蜂窝结构具有多个隔离壁(2)，由所述隔离壁围绕的蜂孔(3)，布置在所述隔离壁上位于废气流的上游侧的不负载所述催化剂的第一区域(A)，和在所述隔离壁上位于废气流的下游侧的负载所述催化剂的第二区域(B)，

其中所述隔离壁具有在相邻的蜂孔间连通的孔隙，

其中多个蜂孔包括在轴向开放的开放孔(31)以及闭塞孔(32)，闭塞孔的上游末端面面向所述废气流，并且被所述栓塞部闭塞。

2.如权利要求1中所述的废气过滤器，其中所述第一区域的轴向长度被设置成最短的长度，在此长度下实现对所述颗粒物的最大捕集率。

3.如权利要求1或2中所述的废气过滤器，其中包含所述催化剂的催化剂涂布层布置在第二区域中的隔离壁(partition cell)上，并且其浓度不小于100g/L。

4.如权利要求3中所述的废气过滤器，其中在开放孔中的催化剂涂布层具有以废气流动的方向彼此相对的第一末端和第二末端，面向废气流的第一末端的厚度比第二末端的厚度更薄。

5.如权利要求3或4中所述的废气过滤器，其中所述开放孔具有以废气流动的方向彼此相对的第一末端和第二末端，并且第一末端面的开口面积S1和第二末端面的开口面积S2的比率的开口比率S1/S2为不大于80％。

6.如权利要求3至5之一所述的废气过滤器，其中每个开放孔的第一末端面的开口面积不小于0.2mm。