CN1438911A - 从流体流中分离微粒的方法和微粒捕集器以及该微粒捕集器的应用 - Google Patents

从流体流中分离微粒的方法和微粒捕集器以及该微粒捕集器的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用来从流体流中分离微粒的微粒捕集器，和用来从流体流中分离微粒的方法。其中含有微粒的流体流流过一流道(1)，在流道内的一侧上有内部结构，为凸台、峰形、隆起(3)等等。通道壁(2)的相对区域是完全或部分带孔的。如果含有微粒的流体流流过这个微粒捕集器，那么微粒将向多孔的通道壁(2)偏转并附着在那里。然后它们可以通过再生重新去除。所述微粒捕集器和所属的方法可特别有利地用在内燃机特别是柴油机的排气管路中，而且特别有利于与炭黑过滤器联合应用。

Description

从流体流中分离微粒的方法和微粒捕集器以及该微粒捕集器的应用
本发明涉及一种从流体流中分离微粒的微粒捕集器，具有至少一个由流体流过的流道，本发明还涉及一种从流体流中分离微粒的方法，最后本发明还涉及微粒捕集器的应用。
开头所述类型的微粒捕集器用来将包含在流动着的流体中的固体微粒从流体流中分离出去。这类微粒捕集器在净化汽车柴油机废气时具有特别的实际意义。这里微粒捕集器必须可通过微粒的氧化再生。微粒捕集器可装在一管子例如汽车的排气管路内。
汽车废气中的微粒常常沉积在例如排气管路中的涂层和/或外壁上，和/或汽车排气管路和/或催化转化器的外壁上。然后在载荷变化时以微粒云例如炭黑云的形式排出。
通常采用筛网，部分也称为过滤器，来分离微粒，筛网虽然在原则上能捕获微粒，但是具有两个明显的缺点：一方面它可能堵塞，另一方面它造成不希望的压降。如果不用筛网，那么催化转化器的蜂窝体存在堵塞的危险，即贵金属的小孔被覆盖，既没有有害物质也没有氧气能在被微粒覆盖的部位处扩散到贵金属上。此外必须遵守法律规定的汽车排放数值，若不减少微粒则这个数值将会被超出。因此存在这样的要求，制造一种用于废气微粒的捕集元件，它克服筛网和过滤器的缺点，并且不影响催化转化器的效果。
因此本发明的目的是，创造一种开头所述类型的微粒捕集器和方法，它以尽可能高的效率从流体流中分离出微粒，其中分离出来的微粒以后可通过氧化去除，从而该微粒捕集器可以再生。
这个目的在给定类型的微粒捕集器中用权利要求1的特征来实现。也就是说设想，流道壁至少具有由带孔或多孔材料组成的区域，并且流道具有起转向或引导作用的这样布局的内部结构，使微粒从气流中偏转到由带孔或多孔材料组成的区域内。
在开头所述的方法方面按本发明的按权利要求11的目的解决方案是一种用来在微粒捕集器中从流体流中分离微粒的方法，其中通过在至少一个微粒捕集器的流道中的至少一个转向或导引结构使流过微粒捕集器的流体中的微粒甩向或者转向带孔的或多孔的通道壁。
令人惊讶地发现，通过内部结构从气流中偏转到由带孔或多孔材料组成的区域内的微粒通过拦截和/或冲击作用附着在带孔通道壁上。对于这种效果的实现流动流体流动图内的压差起重要作用。通过转向可以形成附加的局部低压和高压条件，这通过带孔壁产生一个过滤作用，因为必须平衡压差。
与封闭的筛网或过滤系统不同微粒捕集器是开放的，因为未设置流动死胡同。在这种情况下这种性能也可以用来反映微粒捕集器的特征，例如20％的可见开放性(Blickoffenheit)表明，在横截面内看约有20％的面积是可穿透的，在具有d(液力的)＝0.8mm的600cpsi基体中这相当于＞0.1mm2的面积。
作为微粒捕集器的材料合适的有：金属、塑料、陶瓷等等，其中在形成通道时至少大致位于内部结构对面的通道壁部分是多孔的。
作为带孔材料可以采用任何带孔或多孔烧结材料和/或纤维材料，其中除相对于炭黑微粒的分离和附着性能外(例如大的几何表面，大的迎流面，结构的合适深度)还有带孔或多孔材料的形状稳定性、强度和耐腐蚀性也起一定作用。
按本发明的微粒捕集器和按本发明的方法在其在如由汽车催化转化器所知的蜂窝体中的应用方面有特别重要的意义。例如通过由多孔材料构成整个蜂窝体可实现多孔通道壁。在由带孔或多孔材料形成蜂窝体时在通过整体上带孔的通道壁可以实现微粒捕集器的径向流通方面，带孔材料的可流通性也是有意义的。
在流道整个长度上的通道壁或整个通道壁的一部分称作为通道壁。
通过转向或导引结构，也就是内部结构，微粒在一定的速度下从流体中偏转向带孔壁，并附着在那里。在微粒捕集器内按“锤(Schlaeger)”和“捕集器”的原理实现微粒的分离，其中转向结构作为“锤”，微粒向带孔通道壁或中间层的“捕集器”偏转。在一个流道内的转向结构可以是相同或不同的，在微粒捕集器内流道的构造同样可以是变化的。
流道横截面的大小这样选择，使得即使在通道的最小部分平均尺寸的微粒也能通过。横截面受到转向和导引结构的影响，并且在流道的整个长度上可以是相同或不同的。
按本发明的微粒捕集器的一种优选结构是，由带孔或多孔材料组成的区域由一中间层构成，中间层装在不带孔的通道壁上。用这种方法使得在选择材料时有比较大的自由度。
如果按照一种改进结构内部结构由至少一个凸起、峰形、隆起等等组成，它位于由带孔或多孔材料组成的区域的对面和在某些情况下轴向错开地从通道壁上突起地设置，那么按本发明的微粒捕集器的实际结构特别有利。用这种方法可以工艺简单和在最佳部位地实现内部结构。
这里可以这样地设想，按照一种优良的改进结构沿流体的流动方向顺序设置多个凸起、峰形、隆起等等；它们都从通道壁向流道内部突起同样距离。或者这样地设想，沿流体的流动方向顺序设置多个凸起、峰形、隆起等等，它们沿流动方向从通道壁越来越大地向流道内部突起。在这两种情况下按照一种优良的结构可以成组地设置还在通道壁周向局部延伸的凸起、峰形、隆起等等的结构。
通过转向和导引结构与流道的构造相匹配可以例如实现这样的效果，即在微粒捕集器之内在相互衔接的部分区域中首先以第一种流动速度从结构中偏转出来的微粒转向多孔通道壁，然后微粒以第二种例如更高的流动速度流动，它在较小的偏转结构处不产生偏转，等等。根据汽车运行状态的不同在这种情况下微粒捕集器对于不同的流动速度提供(不同的)分离可能性。
同样通过转向和导引结构的几何形状可以操纵流过微粒捕集器的流体的流动速度和流动压力并且和一个最佳的分离率相匹配。例如通过凸起、峰形、隆起等等伸入流道内部的越来越大的径向高度达到，使微粒不仅在较高的速度时能够偏转，而且使位于带孔通道壁对面但距离很小的微粒也能偏转；用这种方法微粒通过流动到达由带孔或多孔材料组成的区域所必须走过的扩散路径变得越来越小。
这里其起转向或导引结构作用的内部结构分别将还包含在废气中的微粒的2％至15％，特别是4％至8％偏转到由带孔或多孔材料组成的区域内的微粒捕集器证明是特别有利的。相应的试验表明，设计成这样的微粒捕集器只造成非常小的压降，然而其中在在沿流动方向顺序和/或相互错开设置的转向或导引结构的数量足够多时可确保非常有效地净化微粒。这里在必要时也可以将多个这种分别具有少量转向或导引结构的微粒捕集器相互串接，在必要时它们相互支承。特别是这样来选择转向或导引结构的数量，使得进行整个气流的至少一次统计的朝向带孔材料或通过带孔材料的转向。目前由试验得知，沿流动方向顺序串接10至15个这种转向结构便可形成包含在气流中的微粒的90％以上，甚至95％以上的分离率。
这里还包含在废气中的微粒的偏转最好通过带孔或多孔材料孔隙度的相应设计和/或微粒捕集器的转向或导引结构的尺寸设计造成。这意味着例如，如果保证通道壁足够大的孔隙率，那么只需要带有做得较小的转向结构使气流较小地转向。其中特别是在沿流动方向后面的一转向结构的附近的形成在相邻流通路径内具有减小的压力的区域，因此它导致微粒吸入带孔材料内。在微粒捕集器与入流废气主要的流动条件相应地匹配的情况下确保在非常小的压力损失的条件下微粒特别有效的分离。
在实际应用方面这样的改进结构是重要的，即按本发明的微粒捕集器可以是具有大量流道的蜂窝体的组成部分。这种实施形式的微粒捕集器特别适合于汽车技术。为了覆盖汽车驱动系统的不同的(动态)载荷状况优先采用圆锥形的系统或圆锥形状的元件。这种系统，例如在WO 93/20339中介绍的那样，具有逐渐扩大的通道，使得如果通道设有相应的转向或涡旋结构，在通道的任意部位任何质量流量时，形成对于捕获微粒特别有利的条件。
按本发明的用来从流体流中分离微粒的方法有利地通过这样的方法实现，即进行带孔或多孔通道壁的连续或断续的再生。这里可组合地或单独地接入不同的辅助装置。辅助装置可以是连接在前面的催化转化器，它们提供足够的NO2，和/或是连接在前面的添加剂输入装置，它们有利于微粒的氧化，从而有利于微粒捕集器的再生。
附带地也可以用一NO2存储器按流动技术与微粒捕集器连接，例如由钙钛矿，如BaSnO3或其它钡锡钙钛矿组成的存储器，或由钡-铝酸盐和/或由钡沸石组成的NO2存储器。
如果按本发明的方法有利地通过根据微粒捕集器的覆盖(占用)程度(Belegungsgrad)而释开的辅助装置(手段)而得以支持，那么该方法可以按照由微粒捕集器确定的压力损失而启动。
按本发明的微粒捕集器特别有利地用在内燃机，特别是柴油机的排气管路中。这里与炭黑过滤器的联合应用特别有利。在这种情况下炭黑过滤器当然比在没有微粒捕集器的排气管路中小得多。
下面用一个实施例较详细地说明本发明。
其中表示：
图1按本发明的微粒捕集器和按本发明的方法的基本功能，
图2按本发明的微粒捕集器的一种结构，其中由带孔或多孔材料组成的区域通过一中间层构成，
图3一种带内部结构的设计，内部结构沿流动方向从通道壁逐渐增大地向流道内部突起。
图4带有顺序设置的内部结构的微粒捕集器的一种设计，它们全部以同样的高度伸入流道内部，
图5支承在后续(下游)催化转化器基体上的微粒捕集器的一种实施形式。
图1表示流道1，含有微粒的流体沿流动方向8(箭头方向)在它里面流动。在这种情况下通道壁2完全是带孔的。凸台、峰形或隆起3形式的内部结构位于通道壁对面。在这个部位通道壁4不是带孔的。在流动速度小时流体中的微粒通过凸台、峰形、隆起3等等被截获并向带孔的通道壁2偏转。它们附着在那里。它们可以在微粒捕集器再生时例如通过用氧气在高温下氧化或通过在较低温度时用二氧化氮氧化去除。
图2同样表示一流道1，含有微粒的流体在它里面沿流动方向8(箭头)流动。这里通道壁4完全是不带孔的。但是设有一由带孔材料组成的中间层2a。凸台、峰形、隆起3等等位于中间层2a对面并略微错开地设置，使得在这里微粒也从流体中向带孔的中间层2a偏转，它们附着在那里。
图3表示基本上和图1同样的结构；但是这里沿流动方向8顺序设置的凸台、峰形、隆起3a、3b、3c、3d、3e做成这样，使它们越来越多地径向伸入流通横截面内。用这种方法即使在较高的速度时也使微粒转向，并且与带孔或多孔的壁区的距离越来越小，使得到微粒附着区的路径也越来越小。
在图4的情况中画出的流道1的整个部段由带孔或多孔材料组成，也包括凸台、峰形、隆起3和两个通道壁2。在这种情况下凸台、峰形、隆起等等的径向延伸始终相同。这时可以，但不是强制地，整个都采用同样的带孔材料。
图5示意表示装在内燃机7排气管路6内的微粒捕集器5的一种实施形式的结构，其中这里微粒捕集器5直接支承在一沿流动方向8后置的催化转化器基体9上。为此微粒捕集器5用支承销10固定，支承销在流道1内和在催化转化器基体9或微粒捕集器5的横截面上最好是均匀地设置。这里内燃机7除汽油发动机外还特别是指小轿车和/或摩托车的用柴油工作的发动机。这里支承销10设计成这样，使它们具有和流道1大致相同的横截面，并且至少部分伸入流道内。这里催化转化器基体9也可以用净化废气的其它部件代替，例如炭黑过滤器。
                    附图标记表
1    流道                    2    带孔通道壁
2a          中间层       3        凸台
4           通道壁       5        微粒捕集器
6           排气管路     7        内燃机
8           流动方向     9        催化转化器基体
10          支承销

Claims (17)

1.用来从流体流中分离微粒的微粒捕集器(5)，具有至少一个由流体流过的流道(1)，其特征为：流道(1)的壁(2，4)至少具有由带孔或多孔材料组成的区域，并且流道(1)具有这样布置的起转向或导引结构作用的内部结构，使微粒从气流中偏转到由带孔或多孔材料组成的区域内。
2.按权利要求1所述的微粒捕集器(5)，其特征为：由带孔或多孔材料组成的区域由一中间层(2a)构成，它装在不带孔通道壁(4)上。
3.按权利要求1或2所述的微粒捕集器(5)，其特征为：内部结构由至少一个凸台、峰形、隆起(3)等等组成，它与由带孔或多孔材料组成的区域相对，并且在必要时轴向错开地从通道壁(2、4)上突起地设置。
4.按权利要求3所述的微粒捕集器(5)，其特征为：沿流体的流动方向(8)顺序设置多个凸台、峰形、隆起(3a、3b、3c、3d、3e)等等，它们全部从通道壁(2)一样高地伸入流道(1)内部。
5.按权利要求3所述的微粒捕集器(5)，其特征为：沿流体的流动方向(8)顺序设置多个凸台、峰形、隆起(3a、3b、3c、3d、3e)等等，它们沿流动方向(8)从通道壁(4)逐渐加大地伸入流道(1)的内部。
6.按权利要求3至5之任一项所述的微粒捕集器(5)，其特征为凸台、峰形、隆起等等的具有同时沿通道壁(4)的周向局部延伸的成组布局。
7.按权利要求1以及3至6之任一项所述的微粒捕集器(5)，其特征为：整个流道(1)和/或内部结构都由带孔或多孔材料组成。
8.按上述权利要求之任一项所述的微粒捕集器(5)，其特征为：它是具有大量流道(1)的蜂窝体的组成部分。
9.按上述权利要求之任一项所述的微粒捕集器(5)，其特征为：起转向或导引结构作用的内部结构设计成这样，使得通过它们总是有还包含在废气中的微粒的2％至15％，特别是4％至8％可向由带孔或多孔材料组成的区域偏转。
10.按权利要求9所述的微粒捕集器(5)，其特征为：通过带孔或多孔材料的孔隙度的相应设计和/或转向或导引结构尺寸的相应设计促使还包含在废气中的微粒的偏转。
11.用来将微粒从在微粒捕集器(5)中的流体流中分离出去的方法，其中通过在微粒捕集器(5)的至少一条流道(1)内的至少一个转向或导引结构使流过微粒捕集器(5)的流体内的微粒甩向或转向带孔或多孔的通道壁(2、4)。
12.按权利要求11所述的方法，其中根据在微粒捕集器(5)的不同分区内的流动速度使微粒向带孔或多孔的通道壁(2)偏转。
13.按权利要求11或12所述的方法，其特征在于带孔或多孔通道壁(2)连续或断续的再生。
14.按权利要求13所述的方法，其中再生通过辅助装置得以支持，它们根据微粒捕集器(5)的覆盖或者占用程度而释开。
15.按权利要求11至14之任一项所述的方法，其中通过至少一个转向或导引结构分别使还包含在废气中的微粒的2％至15％，特别是4％至8％向由带孔或多孔材料组成的区域偏转。
16.按权利要求1至10之任一项所述的微粒捕集器(5)在内燃机特别是柴油机排气管路中的应用。
17.按权利要求1至10之任一项所述的微粒捕集器(5)与炭黑过滤器组合应用。
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