CN1316152C - 用于净化废气的过滤催化转化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于净化废气的过滤催化转化器，它包括一种蜂窝结构、催化层和纤维层。蜂窝结构包括阻塞在废气流下游端的进气室，邻近进气室并阻塞在废气流上游端的出气室，以及分隔进气室和出气室并具有孔的多孔壁。催化层是在多孔壁表面和孔内表面上形成的，并包括由多孔氧化物组成的载体粉末和加载在载体粉末上的催化成分。纤维层是在至少进气室的多孔壁的最外表面上形成的，并包括由耐热材料组成的缠绕状纤维物质，其中纤维的直径为0.5～5μm，长度为5～30μm。该过滤催化转化器能抑制压力损失的增加并大大地提高PM的氧化速率。

Description

用于净化废气的过滤催化转化器
技术领域
本发明涉及用于净化废气例如从柴油机中发出的那些废气的、并包括颗粒物的过滤催化转化器。
背景技术
对于汽油机，废气中的有害成分已经通过针对废气的严格法规和应付该严格法规的技术发展而可靠地减少。但对于柴油机，由于有害成分是以颗粒形式(也就是颗粒物质，如碳微粒，像硫酸盐之类的硫微粒，和高分子量烃微粒，在下文中全部称之为“PM”)散发的这一独特情况，法规和技术发展的进展要慢于汽油机。
作为目前为柴油机开发的废气净化设备，下列这些是已知的。例如，废气净化设备一般来说可以分成捕获(或壁流)型废气净化设备和开放(或直流)型废气净化设备。其中，陶瓷制造的阻塞式蜂窝结构(即柴油机PM过滤器，在下文中称之为“DPF”)已知是捕获型废气净化设备类的一种。在DPF中，举例来说，蜂窝结构以方格形式交替阻塞在室的相对开口上。DPF包括阻塞在废气流下游端的进气室，邻近进气室并阻塞在废气流上游端的出气室，和分隔进气室和出气室的多孔壁。DPF通过多孔壁上的孔隙过滤废气收集PM来抑制PM的散发。
但是，在DPF中，随着PM沉积在其上，压力损失不断增加。因此就需要定期地用某些方式清除所沉积的PM来回收DPF。所以当压力损失增加时，沉积的PM一般用燃烧器或电热器来燃烧，从而回收DPF。但在这种情况下，PM的沉积越多，在燃烧沉积PM时的温度提高得越多。因此就可能出现由该燃烧产生的热应力损坏DPF的情况。
所以，如日本已审查专利出版物(KOKOKU)No.7-106,290，日本未审查专利出版物(KOKAI)No.9-94,434，和日本未审查专利出版物(KOKAI)NO.2001-79,391中所述，最近已经开发了连续再生型的DPF。例如，在日本已审查专利出版物(KOKOKU)No.7-106,290披露的连续再生型DPF中，在DPF多孔壁的表面上形成包含氧化铝的涂层，和在涂层上加载有催化成分如铂(Pt)。根据该连续再生型DPF，因为所收集的PM通过催化成分的催化反应被氧化和燃烧掉，所以有可能通过在收集PM的同时或之后相继燃烧PM来再生DPF。另外，因为催化反应在较低温度下发生，和因为PM在少量收集时就能够燃烧，所以连续再生型DPF还有一个优点就是热应力对DPF的影响较小，使得DPF免于受损害。
此外，日本未审查专利出版物(KOKAI)No.9-94,434披露了连续再生型DPF，其中不仅在多孔壁上，而且还在多孔壁的孔隙中都形成了加载有催化成分的涂层。当催化成分进一步加载在孔隙中时，PM与催化成分的接触概率增加，而且有可能氧化和燃烧在孔隙中收集到的PM。另外，该出版物描述了涂层上进一步加载了一种NOx吸收剂。对于这一设置，吸收在NOx吸收剂上的NOx将在高温下以NO2形式释放出来，因此还有可能由所形成的NO2进一步促进PM的氧化。
但是，已经发现废气中的一部分PM在从排气集管流向连续再生型DPF时凝结成块。此时PM就会粒状生长至颗粒直径为1～10μm或甚至超过10μm。如此生长的PM就不太可能进入多孔壁的孔隙内，于是它们就会沉积在多孔壁表面上。因此，就会导致PM更加难以进入孔隙内。结果，在多孔壁上的PM沉积就会急剧增加，引起压力损失增加。而且PM与多孔壁内加载的催化成分的接触概率将急剧下降，导致PM的氧化速率显著下降。
另外，中国专利申请CN1330212A提供了一种在由DPF收集的PM燃烧之际过滤器不会烧坏或破损的柴油机的废气净化装置，其中含有纤维聚集体的纤维型过滤器被放置在DPF的上游。但是，该装置仍然不能完全防止粗PM流入过滤器催化剂。
发明内容
依照本发明的用于净化废气的过滤催化转化器包括：
一种蜂窝结构，它包括：
阻塞在废气流下游端的进气室；
邻近进气室并阻塞在废气流上游端的出气室；和
分隔进气室和出气室并具有孔的的多孔壁；
催化层，它是在多孔壁表面和孔内表面形成的，并包括由多孔氧化物组成的载体粉末和加载在载体粉末上的催化成分；和
纤维层，它是在至少进气室的多孔壁的最外表面上形成的，并包括由耐热材料组成的缠绕状纤维物质，其中纤维的直径为0.5～5μm，长度为5～30μm。
此外，优选在纤维层上加载有一种氧化催化剂。此外，纤维层的孔隙率优选是30～80体积％。而且纤维物质的长径比优选是1～60。
因此，依照本发明的废气净化型过滤催化转化器，有可能大大地提高PM的氧化速率，抑制由PM沉积引起的压力损失的增加。
附图说明
图1是根据本发明实施例1的过滤催化转化器的主横截面放大示意图。
图2是根据对比例1的过滤催化转化器的主横截面放大示意图。
图3是根据对比例2的过滤催化转化器的放大主横截面示意图。
具体实施方式
在一般性说明本发明后，通过参考为了仅仅说明的目的而不是限制所附权利要求的范围而提供的特定的优选实施方案可获得进一步的理解。
在本发明的废气净化型过滤催化转化器中，在至少进气室的多孔壁最外表面上形成纤维层，在该层中由耐热材料组成的纤维物质是缠绕状的。纤维层包括网状缠绕的纤维物质。因为在PM流向多孔壁表面的同时纤维层会捕获有较大颗粒直径的PM，所以该层被抑制，使得对多孔壁中的孔隙开口关闭。而且纤维层具有如此高的孔隙率，使得为气流提供了许多空间。因此，即使当PM被捕获在纤维层上时，纤维层也显示出高透气性。另外，当氧化催化剂加载在纤维层上时，氧化催化剂就会分解烃组分(或可溶性有机馏分，在下文中简称为“SOF”)，后者成为粗PM的粘结剂，这样PM就可以精细地粉碎。所以，较小颗粒直径的PM可穿过纤维层中的空间而到达多孔壁，并被捕获在多孔壁的孔隙中。因为催化层是在孔隙中形成的，所以被捕获的PM被催化成分所氧化，就不会阻塞孔隙。
在纤维层上被捕获的具有较大颗粒直径的PM在高温废气通过它们的时候会发生燃烧。因此就有可能抑制PM大量沉积在纤维层上，这样压力损失的增加会减轻。而且即使当多孔壁表面中开有50μm或更大孔径的大直径孔隙时，开口直径也减小，这是因为纤维物质像桥一样架在开口上。因此，本废气净化型过滤催化转化器从初始期起就显示出高PM捕获功效。
而且，因为PM在多孔壁表面上的沉积被抑制，就有可能显著减少灰烬的沉积。此优点是由流向多孔壁中孔隙的PM的数量增加而带来的，其中，在孔隙中形成的催化层将氧化和燃烧PM，所产生的灰尘组分同时流出。
蜂窝结构包括进气室，出气室和多孔壁。进气室阻塞在废气流下游端。出气室相邻进气室并阻塞在废气流上游端。多孔壁把进气室和出气室分隔开。
蜂窝结构可用耐热陶瓷如堇青石制成。例如，制备主要成分是堇青石粉末的粘土淤浆，然后通过例如挤压来成形，最后进行煅烧。作为堇青石粉末的替代，有可能将氧化铝、氧化镁和氧化硅粉末配混以制备堇青石组合物。然后，一半数的室是在蜂窝结构的相对表面之一中的相对开口当中的一个开口中被类似的粘土淤浆以方格形方式阻塞，与这些室相邻的另一半数的室是在相对表面之另一面中的相对开口当中的另一个开口中被淤浆阻塞。最后，阻塞淤浆通过例如煅烧来固定。这样制得了蜂窝结构。
而且，可以以下述方式在蜂窝结构的多孔壁内形成孔。易燃粉末如碳粉、木粉、淀粉和树脂粉在淤浆中混合，在烧结时烧掉这些粉末形成孔。应该指出，有可能通过调节易燃性粉末的粒径和添加量来控制孔隙直径和孔的孔隙率。孔可使进气室和出气室相互连通。结果是，PM在孔中被捕获，而气体可以通过孔隙从进气室通向出气室。
多孔壁的孔隙率可理想地是60～80体积％。当孔隙率在这个范围中时，即使当以相对于1L蜂窝结构的100～200g的量形成催化层时，也有可以抑制压力损失的升高，和进一步阻止蜂窝结构强度的降低。而且还可以更有效地捕获PM。
在多孔壁的表面和孔的内表面上形成催化层。催化层包括由多孔性氧化物组成的载体粉末和加载在载体粉末上的催化成分。作为载体粉末，有可能使用氧化物如Al2O3、ZrO2、CeO2、TiO2和SiO2，或由它们中的多种组成的复合氧化物。
催化层可由以下方式形成。载体粉末与粘结剂组分，如氧化铝溶胶，和水混合以得到淤浆。所获得的淤浆沉积在多孔壁上。然后，沉积的淤浆被煅烧形成涂层。然后，在涂层上加载催化成分。另外，可以预先将催化成分加载在载体粉末上。所形成的催化粉末可以用来制备淤浆。如此制得的淤浆可以用来形成涂层。为了将淤浆沉积在多孔壁上，有可能采用普通的浸渍法。但优选的是将淤浆强制充填入多孔壁的孔内，同时将进入孔的多余淤浆通过吹空气或抽吸来清除。
在形成涂层或催化层时，优选以100～200g/1L蜂窝结构的量形成涂层或催化层。当以低于100g/1L蜂窝结构的量形成涂层或催化层时，就不可避免地会降低催化成分的耐久性。当以高于200g/1L蜂窝结构的量形成涂层或催化层时，因为压力损失太多，因此是不实际的。
作为包括在催化层中的催化成分，可以使用能通过催化反应促进PM氧化的催化成分。然而，优选的是使用选自铂族元素如Pt、Rh和Pd中的至少一种，或它们中的多种。优选的是以1～5g/1L蜂窝结构的量加载贵金属。当加载量低于下限时，因为贵金属活性太低，因此是不实际的。当加载量超过上限时，不仅贵金属活性饱和，而且费用增加。贵金属可以通过吸附加载方法或用例如溶解了贵金属的硝酸盐的溶液的浸渍加载方法来加载。
催化层优选进一步包括选自碱金属、碱土金属和稀土元素中的NOx吸附成分。当催化层包括NOx吸附成分时，NOx的净化活性得到提高，因为有可能由NOx吸附成分来吸附NOx，后者是通过用催化成分氧化废气而产生。作为NOx吸附成分，可以使用选自碱金属、碱土金属和稀土元素中的至少一种。碱金属可以是K、Na、Cs和Li。碱土金属可以是Ba、Ca、Mg和Sr。稀土元素可以是Sc、Y、Pr和Nd。其中，优选使用选自NOx吸附能力出色的碱金属和碱土金属中的至少一种。
NOx吸附成分的加载量优选落在0.15～0.45mol/1L蜂窝结构的范围。当加载量低于0.15mol/1L蜂窝结构时，所形成的催化层的净化活性太低，而不符合实际。当NOx吸附成分的加载量高于0.45mol/1L蜂窝结构时，NOx吸附成分就会覆盖催化成分，减弱所得到的催化层的活性。NOx吸附成分可通过以下方式加载在催化层上。NOx吸附成分可通过使用溶解了NOx吸附成分的醋酸盐或硝酸盐的溶液的浸渍加载方法而加载在催化层上。另外，可以预先将NOx吸附成分加载在载体粉末上。然后可用所形成的粉末形成催化层。
而且，催化层优选进一步包括在低温下吸收NOx和在高温下释放NOx的NOx吸收剂。对于这样的设置，在较低温度区域中时，废气中的NO作为NO2被吸收在NOx吸收剂上，在较高温度区域中时所吸收的NO2就从NOx吸收剂中释放出来，然后释放出来的NO2通过氧化促进净化PM。作为NOx吸收剂，可以使用包括加载了贵金属的氧化锆的粉末，或包括加载了贵金属的CeO2的粉末。
作为本过滤催化转化器的诸多特征之一，纤维层是在至少进气室的多孔壁的最外表面上形成的，并包括由耐热材料组成的缠绕状纤维物质。作为由耐热材料组成的纤维物质，可能的例子有陶瓷纤维或单晶纤维，和金属短纤维。陶瓷纤维或单晶纤维可包括例如氧化铝、氧化钛、氧化锆、碱金属钛酸盐、碳化硅或莫来石。金属短纤维可包括钢。
优选的是，纤维层具有30～80体积％的孔隙率。这样就有可能抑制PM收集功效的降低和进一步抑制在收集PM时压力损失的升高。而且当纤维层的孔隙率在这一范围时，即使当纤维层变厚，也可以保证一定程度的废气渗透性。所以，考虑到压力损失，纤维层的厚度越薄，就越优选。考虑到PM收集功效，纤维层的厚度越厚，就越优选。但纤维层的厚度不是特别限定的。当纤维层的孔隙率小于30体积％，因为在收集PM时压力损失剧增，所以不是优选的。当纤维层的孔隙率大于80体积％，初始的PM收集功效下降。
为了控制纤维层的孔隙率在该范围内，理想的是使用长径比在1～60之间的纤维物质。当长径比小于1或超过60时，就难以控制纤维层的孔隙率在该范围内。特别地，更优选使用直径为0.5～5μm，长度为5～30μm的纤维物质。当纤维物质具有这样的直径和长度时，可以容易地控制长径比在该范围内。而且还可以抑制纤维物质在形成纤维层时进入多孔壁的孔内，从而防止纤维物质阻塞这些孔。
纤维层优选以3～11g/m2的单位面积重量应用于多孔壁的最外表面上。当纤维层以该范围内的单位面积重量应用时，使最外层表面与最内层表面连通的连通空间的直径是适宜于收集较大颗粒直径的PM的，这样纤维层就不会不利地影响压力损失。当单位面积重量超过11g/m2时，则不是优选的，因为压力损失在收集PM时可能升高。另外，当单位面积重量低于3g/m2时，较大颗粒直径的PM就会通过所形成的纤维层而沉积在多孔壁上，导致压力损失的增加。
纤维层可通过例如以下方式形成。通过将纤维物质与粘结剂(如氧化铝溶胶和氧化硅溶胶)和溶剂混合来制备淤浆。所得到的淤浆至少注入到形成了催化层的蜂窝结构的进气室中。然后淤浆经过煅烧而形成纤维层。或者，纤维层可通过例如以下干燥方法来形成。纤维物质与空气一起被抽吸而穿过形成了催化层的蜂窝结构的出气室，并因此沉积在进气室的多孔壁上。然后，沉积的纤维物质经过煅烧而形成纤维层。为了形成纤维层，有必要至少在进气室上形成它。但是，在出气室上形成纤维层也根本没有影响。
纤维层优选进一步加载氧化催化剂。对于这样的设置，因为氧化催化剂氧化了在纤维层上收集到的具有大粒径的PM，再加上催化层对PM的氧化，PM的氧化率可以显著地提高。而且当氧化催化剂燃烧在PM中所含有的SOF时，因为粘结剂成分通过燃烧而消失，使得较大粒径的PM被分解成细颗粒。因此，产生的细颗粒可轻易进入多孔壁的孔内，最后被催化层氧化。所以，由于进一步抑制了PM在纤维层上的沉积，不仅可以进一步提高PM的氧化速率，还进一步抑制了压力损失的增加。
而且，当较大粒径的PM在纤维层上氧化和燃烧时，因为较大灰烬沉积在纤维层上，压力损失仍有可能升高。相反地，当较大粒径的PM被分解成较小粒径的PM和所形成的细PM在多孔壁的孔中燃烧时，因为细灰烬容易随废气一起流出，有可能如上述的那样进一步抑制压力损失的增加。
氧化催化剂可通过例如以下方式来加载。制备氧化催化剂粉末，它包括载体粉末如氧化铝粉末，而贵金属如Pt、Rh和Pd被加载在载体粉末上。所形成的氧化催化剂粉末用湿法或干法沉积在纤维层上。沉积的氧化催化剂粉末经过煅烧后在纤维层上加载氧化催化剂。或者，当纤维层是由氧化铝纤维组成时，通过按照与贵金属加载于在普通废气净化催化剂中的氧化铝载体上的同样方式，将贵金属加载于氧化铝纤维上而使氧化催化剂能够加载于纤维层上。因为几乎不改变纤维层的孔隙率，后一加载方法是更优选的。
当贵金属作为氧化催化剂加载在纤维层上时，贵金属优选以0.01～0.5g/1L蜂窝结构的量加载于纤维层上。当贵金属的加载量低于0.01g/1L蜂窝结构时，对贵金属而言，就难以显示其作为氧化催化剂的优点。当贵金属的加载量高于0.5g/1L蜂窝结构时，由贵金属带来的优点已经饱和，同时材料成本增加。
实施例
本发明的过滤催化转化器在下文中通过参考特定的实施方案和对比例来更详细地进行描述。
实施例1
图1是根据本发明实施例1的用于净化废气的过滤催化转化器的主横截面放大示意图。该过滤催化转化器包括蜂窝式过滤器1、催化层2和纤维层3。蜂窝式过滤器1包括阻塞在废气流下游端的进气室10，阻塞在废气流上游端的出气室11，和其中形成大量孔13的多孔壁12。孔13不仅是互相连通的，还连通了进气室10和出气室11。
催化层2包括由Al2O3和CeO2混合粉末组成的载体和加载在载体上的Pt。应该指出，在多孔壁12和孔13的两者表面上形成催化层2。
纤维层3包括加载了Pt的缠绕状氧化铝纤维，并主要在进气室10的多孔壁12的表面上形成。根据实施例1的过滤催化转化器的制造过程将在下文中描述，代替在设置上的详细描述。
准备了市场上可买到的蜂窝过滤器1，其平均孔径为30μm，孔隙率为60体积％，体积为2L，而且它具有进气室10和出气室11。随后制备淤浆，并进行研磨，使得固体颗粒具有1μm或更低的平均粒径。应该注意，淤浆包含Al2O3粉末、CeO2粉末、氧化铝溶胶和离子交换水。将蜂窝过滤器1浸入淤浆中使得淤浆注入室内。然后将蜂窝过滤器1从淤浆中取出，然后经由两端中的一端进行抽吸以去除多余淤浆。在蜂窝过滤器1通风干燥后，在450℃下煅烧2小时。全部的操作都重复两遍。在第二遍操作中，经由两端中的另一端对蜂窝过滤器1进行抽吸，为的是分别在进气室10和出气室11上以基本上同样的量形成涂层。应该指出，以100g/1L蜂窝过滤器1的量形成涂层。
然后，蜂窝过滤器1用预定量的具有规定浓度的二硝基二胺硝酸铂水溶液浸渍。在蜂窝过滤器1干燥后，将它煅烧以便在涂层上加载Pt。这样就形成了催化层2。应该指出，以2g/1L蜂窝过滤器1的量加载Pt。
此外，准备市场上可买到的平均直径为1μm的Al2O3纤维。对该Al2O3纤维进行研磨到长度约为20μm。将Al2O3纤维加入到预定量的具有规定浓度的二硝基二胺硝酸铂水溶液中。将该二硝基二胺硝酸铂水性溶液蒸发至干燥而在Al2O3纤维上加载Pt，加载量占Al2O3纤维和Pt总量(取作100重量％)的2重量％。
所形成的加载了Pt的Al2O3纤维与氧化铝溶胶、痕量氧化铝粉末和离子交换水混合，从而制得淤浆。然后，将提供了催化层2的蜂窝过滤器1从进气室10的一端浸入所得到的淤浆中。在将蜂窝过滤器1从淤浆中取出后，经由出气室11进行抽吸。最后，蜂窝过滤器1被干燥和煅烧，主要在进气室10的多孔壁12的表面上形成纤维层3。应该指出，以10.4g/1L蜂窝过滤器的量形成纤维层3，而且纤维层以9.6g/m2的单位面积重量施用。而且，当在显微镜下观察来测量纤维层3的孔隙率时，发现其具有大约50体积％的孔隙率。
实施例2
制备含Al2O3粉末、TiO2粉末、ZrO2粉末和氧化铝溶胶和离子交换水的淤浆，进行研磨至固体颗粒的直径为1μm或更低。除了使用如此制备的淤浆，按照与实施例1一样的方法形成涂层并在所形成的涂层上加载Pt而形成催化层2。
测量所形成的具有催化层2的蜂窝过滤器1的吸水性。让蜂窝过滤器1吸收预定量的具有规定浓度的乙酸钾水溶液。在蜂窝过滤器1干燥后，将它进行煅烧来加载K到催化层2上。应该指出，K是以0.2mol/1L蜂窝过滤器的量被加载。
最后，用与实施例1同样的方法形成纤维层3。应该指出，以10.9g/1L蜂窝过滤器的量形成纤维层3，而且以10.0g/m2的单位面积重量施用。另外，当在显微镜下观察来测量纤维层3的孔隙率时，发现其具有大约50体积％的孔隙率。
实施例3
预备市场上可买到的平均直径0.5μm、平均长度10μm的TiO2纤维。将TiO2纤维加入到预定量的具有规定浓度的二硝基二胺硝酸铂水溶液中。蒸发该二硝基二胺硝酸铂水溶液至干燥，从而在TiO2纤维上加载Pt，加载量占TiO2纤维和Pt总量(取作100重量％)的2重量％。
将所形成的加载了Pt的TiO2纤维与异丙醇、表面活性剂、痕量TiO2粉末和离子交换水混合，从而制得淤浆。然后用与实施例1同样的方法在提供了催化层2的蜂窝过滤器1上形成纤维层3，该催化层2已按照与实施例2同样的方式加载了Pt和K。应该指出，以9.8g/1L蜂窝过滤器1的量形成纤维层3，而且纤维层以9.0g/m2的单位面积重量施用。而且，当在显微镜下观察以测量纤维层3的孔隙率时，发现其具有大约50体积％的孔隙率。
实施例4
预备市场上可买到的平均直径3μm、平均长度30μm的SiC纤维。将SiC纤维加入到预定量的具有规定浓度的二硝基二胺硝酸铂水溶液中。蒸发二硝基二胺硝酸铂水性溶液至干燥，从而在SiC纤维上加载Pt，加载量占SiC纤维和Pt总量(取作100重量％)的2重量％。
将所形成的加载了Pt的SiC纤维与异丙醇、表面活性剂、痕量TiO2粉末和离子交换水混合，从而制得淤浆。然后用与实施例1同样的方法在提供了催化层2的蜂窝过滤器1上形成纤维层3，该催化层2上按照与实施例2同样的方法加载了Pt和K。应该指出，以11.2g/1L蜂窝过滤器的量形成纤维层3，而且纤维层以10.3g/m2的单位面积重量施用。另外，当在显微镜下观察来测量纤维层3的孔隙率时，发现其具有大约50体积％的孔隙率。
实施例5
用与实施例4一样的方法制备净化废气用的过滤催化转化器。但以4.2g/1L蜂窝过滤器的量形成纤维层，而且纤维层以3.9g/m2的单位面积重量施用，具有大约80体积％的孔隙率。
实施例6
除了使用市场上可买到的平均直径0.5μm、平均长度3μm的TiO2纤维之外，用与实施例3一样的方法制备净化废气用的过滤催化转化器。但以11.5g/1L蜂窝过滤器的量形成纤维层，而且纤维层以10.6g/m2的单位面积重量施用，具有大约30体积％的孔隙率。
对比例1
除了没有形成纤维层3，用与实施例2一样的方法制备净化废气用的过滤催化转化器。
对比例2
除了淤浆没有进行研磨之外，按照与实施例1一样的方法以100g/1L蜂窝过滤器1的量形成涂层和在涂层上加载Pt，从而形成催化层2。应该指出，用于形成涂层的氧化铝粉末的平均颗粒直径为3.5μm。结果，大部分的涂层在进气室10的多孔壁12的表面上形成，封闭了在多孔壁12中原已开放的开孔。
测试和评估
将依照实施例1～6和对比例1和2的各过滤催化转化器分别装入2L排量柴油机的排气系统。柴油机在等效于如下驱动条件的驱动模式下在工作台上反复驱动：
a)怠速；
b)加速到60km/hr.；
c)在60km/hr.下正常运行；
d)怠速；
e)加速到100km/hr.；和
f)在100km/hr.下正常运行。
当柴油机在上述模式下驱动时，连续地测量PM的散发。注意，废气进入过滤催化转化器的进气温度平均为240℃。但在加速到100km/hr.时，进气温度暂时升高到最高的370℃。注意，最高进气温度对应于在200km/hr.运行的驱动条件。
在柴油机起动后PM的积累散发量达到0.3g时，分别用废气分析仪测试每种过滤催化转化器的PM收集率。下表1汇总了作为PM的初始收集率的测量结果。应该注意，蜂窝过滤器显示这样一个特征：它们具有较低的PM收集率，一直到在多孔壁上形成PM沉积层为止。这一结果归因于以下事实：低的PM初始收集率在诸如普通DPF之类的系统中不碍事，在这些系统中，PM沉积到一定程度和然后燃烧来再生该系统。另一方面，PM的初始收集功效在以假设没有形成PM沉积层为基础的连续再生型DPF中是有关系的。
表1
 催化层的组成          纤维层   PM初始收集率(％)    PM残余量(g) 沉积灰烬的比率(％)
  成分 孔隙率(体积)
实施例1  Pt/Al2O3-CeO2  Pt/Al2O3 约50％   85   2.8     51
实施例2  Pt-K/Al2O3-TiO2-ZrO2  Pt/Al2O3 约50％   86   2.5     42
实施例3  Pt-K/Al2O3-TiO2-ZrO2  Pt/TiO2 约50％   90   3.0     44
实施例4  Pt-K/Al2O3-TiO2-ZrO2  Pt/SiC 约50％   85   2.1     41
实施例5  Pt-K/Al2O3-TiO2-ZrO2  Pt/SiC 约80％   82   2.7     46
实施例6  Pt-K/Al2O3-TiO2-ZrO2  Pt/SiC 约30％   80   5.3     83
对比例1  Pt-K/Al2O3-TiO2-ZrO2  无 不适用的   72   5.8     84
对比例2  Pt/Al2O3-CeO2  无 不适用的   94   6.2     102
图2和图3分别是根据对比例1和对比例2的过滤催化转化器的主横截面放大示意图。如表1所列，根据对比例2的过滤催化转化器比根据对比例1的过滤催化转化器具有更高的PM初始收集率。在根据对比例1的过滤催化转化器中，如图2所示，催化层2在多孔壁12的表面上和孔隙13的内表面上以较薄的厚度形成。因此，PM起初容易地进入孔13中，通过粗孔散发到出气室13。另一方面，在根据对比例2的过滤催化转化器中，如图3所示，催化层2封闭了多孔壁12的开孔。因此，PM沉积层迅速地形成，阻止了PM的散发。结果可以相信，根据对比例2的过滤催化转化器显示出比根据对比例1的过滤催化转化器更高的PM初始收集率。然而，考虑到压力损失，对比例2的过滤催化转化器有个缺点，即随着PM沉积，压力损失增加，这是因为起初它就显示出大的压力损失。相反，根据对比例1的过滤催化转化器具有一个优点，即其初期压力损失是较低的。
另一方面，在根据实施例1～6的过滤催化转化器中，所存在的纤维层3显示出一定程度的孔隙率，使得不会封闭开孔。因此根据实施例1～6的过滤催化转化器显示了比根据对比例1的过滤催化转化器更高的PM初始收集率，而且同时很好地抑制了压力损失的升高。而且，在根据实施例1～6的过滤催化转化器中，除了物理上有利的效果外，在PM中的SOF通过加载在纤维层3上的Pt的催化作用而燃烧掉，PM被分解粉碎，从而能进入多孔壁12的孔13中，最终在那里被捕获。因此，可以相信会出现化学上有利的效果，即PM不太可能沉积在多孔壁12的表面上。
在上述测试结束后，各自的过滤催化转化器分别从排气系统中取出。然后各过滤催化转化器按照顺序称量在120℃下加热2小时后的重量W1；在300℃下加热2小时后的重量W2；在550℃下加热2小时后的重量W3；在空气吹气后的重量W4。注意到，伴随SOF燃烧的重量减少量由差值W2-W1表示；伴随碳烟灰燃烧的重量减少量由差值W3-W1表示；伴随吹空气被散发的灰烬成分量由差值W4-W1表示，虽然有一定误差。此外，未燃烧PM的量(或剩余PM的量)可确定为8.2-W1，因为在上述测试中散发的PM的总量是从通过仅仅让蜂窝过滤器1接受同一测试所测定的PM的沉积量计算为8.2g。表1列举了PM的残余量(即8.2-W1)和沉积灰烬的比率(即{(W4-W3)/W3}×100)，它同样是从沉积灰烬的量中计算出来的。
如表1所列，可以认识到，根据实施例1～6的过滤催化转化器比根据对比例1和2的过滤催化转化器显示出更低的PM残余量。因此，根据实施例1～6的过滤催化转化器在测试中燃烧掉了更大量的PM。显然这一优点来源于以下事实：加载了Pt的纤维层3是在进气室10的多孔壁12的最外表面上形成的。
而且，根据实施例1～5的过滤催化转化器显示了比根据实施例6和对比例1、2的过滤催化转化器降低大约1/2的沉积灰烬比率。灰烬通常以微粒形式分散于PM粒子中。但是当PM沉积层在多孔壁12的表面上形成时，沉积的PM之后燃烧，使灰烬作为聚结的颗粒沉积在多孔壁12的表面上。一个特殊的例子是，根据对比例2的过滤催化转化器具有高的沉积灰烬的比率。应该相信，根据对比例1的过滤催化转化器在下列方式中显示出较高的沉积灰烬的比率。当进入多孔壁12中的孔13内的细PM进行催化燃烧时，灰烬同样散发。另一方面，沉积在多孔壁12表面上的相对丰富存在的粗PM将会封闭开孔。因此进入孔13内的PM的量减少。因此，当柴油机启动时，在孔隙13中形成的催化层2上加载的Pt有助于初期PM的氧化。但是当开孔被封闭时，氧化PM的速率就下降到与根据对比例2的过滤催化转化器一样的水平。
另外，根据实施例6的过滤催化转化器具有较早下降的氧化PM的速率，因为TiO2纤维太细而不能使纤维层3具有高孔隙率，使得PM较早地形成沉积层。结果可以相信，根据实施例6的过滤催化转化器比实施例1～5的过滤催化转化器具有更大的PM残余量，从而显示出了增大的沉积灰烬的比率。
相反，根据实施例4的过滤催化转化器显示出更低的PM残余量，尽管具有与根据实施例2、3的过滤催化转化器一样的设置。该优点据信归因于这样的事实，即SiC纤维具有更高的热导率和在辐照性能(radiatingproperty)上比Al2O2纤维和TiO2纤维更好。结果，SiC纤维对入口废气的温度增加量是如此灵敏，以致于在PM中的SOF更高效地燃烧和去除。从该优点可以推测，热导率高的金属纤维被相信可以有效地作为纤维层3的材料。

Claims (5)

1、一种用于净化废气的过滤催化转化器，包括：
一种蜂窝结构，它包括：
阻塞在废气流下游端的进气室；
邻近进气室并阻塞在废气流上游端的出气室；和
分隔进气室和出气室并具有孔的多孔壁；
催化层，它是在多孔壁表面和孔内表面形成的，并包括由多孔性氧化物组成的载体粉末和加载在载体粉末上的催化成分；和
纤维层，它是在至少进气室的多孔壁的最外表面上形成的，并包括由耐热材料组成的缠绕状纤维物质，其中纤维的直径为0.5～5μm，长度为5～30μm。
2、权利要求1所述的过滤催化转化器，其中在纤维层上加载有一种氧化催化剂。
3、权利要求2所述的过滤催化转化器，其中氧化催化剂是选自Pt、Rh和Pd中的至少一种，并以相对于1L蜂窝结构而言的0.01-0.5g的量加载在纤维层上。
4、权利要求1所述的过滤催化转化器，其中纤维层的孔隙率为30～80体积％。
5、权利要求1所述的过滤催化转化器，其中纤维层以3～11g/m2的单位面积重量施用于进气室的多孔壁的最外表面。
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