CN1448619A - 陶瓷蜂窝式过滤器和排气净化方法 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷蜂窝式过滤器，包括陶瓷蜂窝结构，该蜂窝结构具有限定了多条流动通道的多孔隔离壁和密封物，所述密封物设置在流动通道内，从而排气穿过多孔隔离壁的孔，催化剂至少部分地被承载在所述隔离壁和/或密封物上；及排气出口侧的至少其中一个密封物设置在与流动通道入口侧开口端分离的位置上。微粒通过这样的方法去除，即将气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到所述入口侧密封物的上游，以便将至少一部分入口侧密封物和它们的下游区域的温度维持在大体上等于或高于所述催化剂的最低活化温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷蜂窝式过滤器，该过滤器适用于汽车发动机的排气净化装置，尤其适用于用于从柴油机的排气中去除微粒的净化装置，及涉及一种利用这种陶瓷蜂窝式过滤器的排气净化方法。
背景技术
近来，人们已经发现了陶瓷蜂窝式过滤器在从柴油机的排气中去除包含碳作为主要成份的微粒中的应用，所述陶瓷蜂窝式过滤器包括陶瓷蜂窝结构，该蜂窝结构具有在两端交替密封的多条流动通道。如图3和图4所示，通常大体上为圆筒形或椭圆形的多孔陶瓷蜂窝式过滤器1包括(a)多孔的陶瓷蜂窝结构10，该结构包括外壁20和设置在外壁20内的多孔的隔离壁30，并具有由外壁20和多孔隔离壁30或由相邻多孔隔离壁30包围的大量的流动通道40，及(b)密封物50、52，它们用于交替地密封流动通道40的入口侧开口端12和出口侧开口端13。
蜂窝式过滤器1内的排气净化机构如图4所示。由于密封物52设置在流动通道30的出口侧开口端13，因此流入蜂窝式过滤器1入口侧开口端12的流动通道14开口的排气(黑箭头90所示)穿过隔离壁30的孔，并被从相邻出口侧开口端13的流动通道43开口排出(白箭头92所示)。此时，包含在排气中的微粒被捕获在隔离壁30中的孔内，从而净化了排气。当收集在孔内的微粒超过预定量时，就会发生孔的阻塞，从而引起蜂窝式过滤器的压力损失增大，由此造成发动机输出降低。
当孔被阻塞时，给蜂窝式过滤器1排气供给停止，收集的微粒通过燃烧器和电子加热器烧掉以便使蜂窝式过滤器1再生。在收集的微粒通过燃烧器和电子加热器烧掉和去除的情况下，收集的微粒量越大，越难均匀地控制蜂窝式过滤器1内的温度。尤其是在微粒高浓度集聚的部分，蜂窝式过滤器1的温度易升高，蜂窝式过滤器1越容易被微粒燃烧产生的热应力破裂。在某些情况下，蜂窝式过滤器1的温度升高到构成隔离壁30的陶瓷材料的熔点或更高，从而隔离壁30破裂或熔化。另一方面，如果抑止蜂窝式过滤器1的最高温度以避免破裂或熔化，再生的蜂窝式过滤器1会由于微粒的灰烬而无法具有充分低的压力损失。
JP3-68210B公开了一种用于容易地再生蜂窝式过滤器地排气净化装置，包括具有大量蜂室(cell)的蜂窝结构，用于交替地密封每个蜂室的入口侧和出口侧的塞子，覆盖蜂窝结构并具有排气入口和出口的壳体，及设置在壳体内蜂窝结构入口侧的加热装置，入口侧的塞子设置在蜂室的入口侧开口端内，而出口侧的塞子设置在蜂室的出口侧开口端内。排气净化结构具有位于蜂室入口侧塞子和出口侧开口端之间的空间，大量的微粒附在面对所述空间的蜂室的隔离壁上。因此，由设置在入口侧蜂室开口端的加热装置产生的热量有效地向下游传导，从而容易烧掉下游区域内的微粒。
然而，在JP3-68210B公开的蜂窝式过滤器内，由于加热装置仅设置在蜂室入口侧，因此，难以沿从入口侧到出口侧的流动通道方向上均匀地控制蜂窝式过滤器内的温度。因此，当微粒的量增加时，由于微粒燃烧产生的热量温度局部地变得太高，从而易使蜂窝结构破裂或熔化。同样，加热装置的控制必须精确地进行，从而造成高的能量成本，结果又会造成整个排气净化装置昂贵。
JP7-106290B公开了一种用于柴油机排气内微粒的过滤器，其包括催化剂，催化剂包括铂族金属和碱土金属氧化物并且被承载在隔离壁的表面上，通过催化剂的作用微粒的燃烧起始温度降低以便连续地去除微粒。这种过滤器能够连续地再生，即使是在与柴油机的排气温度一样低的温度，由此防止过滤器被微粒阻塞。
然而，在某些情况下，这种过滤器不能防止由于微粒阻塞而造成的压力损失增加。其原因是因为驾驶在低于大约300℃的排气温度在低速驾驶环境如大城市中连续进行，其中300℃的温度是过滤器承载的催化剂的活化温度的下限，因此微粒通过催化剂的燃烧不能进行得很好。
为了解决上述问题，JP2002-122015A公开了一种用于通过由设置在排气管中间的催化剂可再生过滤器捕获排气中微粒净化排气的方法，其中来自柴油机的排气在其内流动并且燃烧和去除集聚在过滤器内的微粒，所述方法包括步骤：在柴油机启动时向密封物上游的过滤器区域内喷射燃料；点燃燃料以使过滤器内的温度升高到基本上等于或高于催化剂的最低活化温度；在后继的固定操作期间将燃料喷射到密封物上游的过滤器区域内并且不点火，从而使得通过催化剂上的燃料的氧化反应产生的热量将过滤器内的温度维持为基本上等于或高于催化剂的最低活化温度。催化剂总是通过燃料的氧化反应保持在稳定的活化状态，不论柴油机的运行条件如何，因此收集在过滤器内的微粒能够被连续地燃烧。然而，即使这种排气净化方法也易于无法防止过滤器经受由微粒阻塞引起的压力损失升高。
发明内容
相应地，本发明的一个目的是提供一种陶瓷蜂窝式过滤器，该陶瓷蜂窝式过滤器通过燃烧排气中的微粒能够连续地再生以便保证长时间稳定的使用，其中排气中微粒的燃烧是通过承载在多孔陶瓷蜂窝结构上的催化剂的作用进行的，从而避免了由于微粒集聚将发生的压力损失增加，且由此防止了过滤器的破裂和熔化。
本发明的另一个目的是提供一种使用这种陶瓷蜂窝式过滤器净化排气的方法。
作为对引起JP2002-122015A中使用的蜂窝式过滤器压力损失增加的原因的详细调查结果，本发明的发明人已经发现因为微粒主要集聚在入口侧密封物50的前端面51上，如图5所示，因此流动通道40在其开口端被阻塞，从而造成蜂窝式过滤器1内的压力损失增加。另外，作为对微粒70在蜂窝式过滤器1的排气入口侧12集聚的详细调查结果，本发明的发明人已经发现蜂窝式过滤器内压力损失的原因是，当气体状态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物被喷射到密封物50上游的过滤器区域内时，在蜂窝式过滤器1内沿流动通道方向出现了一个温度分布，同时集聚在承载了催化剂的过滤器1上的微粒70的量超过了依赖于柴油机运行条件的预定量。
如图6所示，蜂窝式过滤器1内沿流动通道方向的温度分布是，温度在蜂室的入口侧开口端12最低，随着进入过滤器1升高，并且在某个位置的下游变得基本上恒定(等于出口侧开口端13的温度)。因此，在排气入口侧承载在蜂窝式过滤器1上的催化剂没有被加热到催化剂活化温度，显示低的活性。因此，微粒的燃烧在排气入口侧进行得不充分，微粒集聚在入口侧密封物50的前端面51上，由此阻塞了密封物50前端面51附近的流动通道40，并由此增加了蜂窝式过滤器1的压力损失。
当喷射气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物以提高过滤器温度时，在图6所示的传统陶瓷蜂窝式过滤器内沿流动通道方向出现温度分布的原因是，气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物的氧化反应没有被过滤器入口侧的催化剂充分加速。在排气在过滤器的流动通道内流动时，排气内气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物通过承载在过滤器表面上的催化剂的作用燃烧。结果，不但提高了上游区域内的蜂窝式过滤器的温度，而且下游区域的温度也通过加热的排气升高。因为当未燃烧的燃料和/或碳氢化合物在排气中减少时，蜂窝式过滤器的温度升高不易发生，其中所述气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物在有催化剂参与的情况下被氧化，因此过滤器温度在一个位置下游变得基本上恒定，其中所述位置与蜂窝式过滤器的蜂室的入口侧开口端离开预定的距离。
作为努力研究的结果，本发明的发明人已经发现当集聚在承载了催化剂的过滤器上的微粒量超过预定水平时，假设集聚的微粒量依赖于柴油机的运行条件，集聚在入口侧密封物前端面上的微粒能够容易地通过以下步骤被燃烧和去除，(a)将气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到入口侧密封物的上游区域，从而引起未燃烧的燃料和/或碳氢化合物与催化剂的氧化反应，并通过其反应热量将过滤器内的温度保持为基本上等于或高于催化剂的最低活化温度的温度；和(b)将入口侧密封物的前端面设置在温度在其上能够升高到接近最低催化剂活化温度的位置上，其中在过滤器内微粒在所述入口侧密封物的前端面易于集聚的最多。本发明已经基于上述发现而完成。
因此，本发明陶瓷蜂窝式过滤器包括陶瓷蜂窝结构，该结构具有限定了多条流动通道的多孔隔离壁，及密封物，所述密封物设置在流动通道内，从而排气穿过多孔隔离壁的孔，由此从排气中去除微粒；催化剂至少部分地被承载在隔离壁和/或密封物上；及排气出口侧的至少其中一个密封物设置在与流动通道入口侧开口端分离的位置上。
优选的是，排气至少穿过存在于流动通道入口侧开口端和与其分离的密封物之间的孔。
优选的是，入口侧密封物的前端面这样定位，即至少部分地承载在入口侧密封物上的催化剂在内燃机运行期间被保持在它的最低活化温度或更高。另外，入口侧密封物的前端面优选位于自陶瓷蜂窝式过滤器的入口侧开口端起陶瓷蜂窝式过滤器整个长度的0.7倍或更小的区域内。
承载在陶瓷蜂窝式过滤器上的催化剂优选包括铂族金属。承载在排气入口侧隔离壁上的催化剂的活性优选比承载在排气出口侧隔离壁上的催化剂的活性高。
根据本发明从排气中去除微粒的方法使用一种陶瓷蜂窝式过滤器，该陶瓷蜂窝式过滤器包括陶瓷蜂窝结构，该结构具有限定了多条流动通道的多孔隔离壁，及密封物，所述密封物设置在流动通道内，从而排气穿过多孔隔离壁的孔，催化剂至少部分地被承载在隔离壁和/或密封物上；及排气出口侧的至少其中一个密封物设置在与流动通道入口侧开口端分离的下游位置上。本发明的方法包括步骤：将气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到入口侧密封物的上游，以便将至少一部分入口侧密封物和它们的下游区域维持在基本上等于或高于催化剂最低活化温度的温度。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的陶瓷蜂窝式过滤器的示意横截面图；
图2(a)是密封浆被引入陶瓷蜂窝结构的状态的示意横截面图；
图2(b)是图2(a)中A部分的放大横截面图；
图2(c)是示出了在树脂掩膜和浆被从隔离壁端部去除后的蜂窝结构端部的放大横截面图；
图3是传统蜂窝式过滤器的透视图；
图4是图3沿线B-B的部分横截面图；
图5是在其上集聚有微粒的蜂窝式过滤器的示意横截面图；
图6是传统陶瓷蜂窝式过滤器沿纵向的温度变化的曲线图；
图7是本发明陶瓷蜂窝式过滤器沿纵向的温度变化的曲线图；
图8是根据本发明另一实施例的陶瓷蜂窝式过滤器的示意横截面图；
图9是根据本发明又一实施例的陶瓷蜂窝式过滤器的示意横截面图；
图10是根据本发明再一实施例的陶瓷蜂窝式过滤器的示意横截面图；
图11是根据本发明又另一实施例的陶瓷蜂窝式过滤器的示意横截面图。
具体实施方式
[1]陶瓷蜂窝式过滤器
图1示出了本发明陶瓷蜂窝式的一个例子。图1所示蜂窝式过滤器包括(a)多孔的(porous)陶瓷蜂窝结构10，该结构在垂直于流动通道的横截面上具有基本上圆形或椭圆形的形状，陶瓷蜂窝结构10包括外壁20和位于外壁内限定了多个流动通道40的多孔隔离壁30，及(b)密封物50、52，它们设置在每个流动通道40的所需部分以交替地密封流动通道40。在排气入口侧至少其中一个密封物50的前端面51沿下游方向离开陶瓷蜂窝式过滤器1的入口侧开口端12。催化剂(未示出)至少部分地承载在隔离壁30和/或密封物50、52上。
在具有这种结构的蜂窝式过滤器中，排气从入口侧开口端12流入流动通道41和42。流入流动通道42的排气91由于入口侧密封物51的存在而穿过上游侧隔离壁部分31的孔，流入相邻的流动通道41，与流入流动通道41的排气90结合，朝着出口侧开口端13前进，穿过下游侧隔离壁部分32的孔，流入相邻的流动通道43(其在出口侧开口端13开口)，并从过滤器1中出来，如箭头92所示。当排气穿过流动通道41-43和隔离壁部分31和32时，排气中的微粒通过催化剂的作用被燃烧，从而排出干净的排气。
如图1和图7-11所示，在排气入口侧至少其中一个密封物50与入口侧开口端12离开。当在内燃机运行期间集聚在蜂窝式过滤器1上的微粒量超过规定的水平，气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物被喷射到过滤器1的上游部分内，以便使蜂窝式过滤器1的温度更高，从而气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物通过过滤器1内的催化剂被氧化，同时产生反应热量。因此，在过滤器1内产生如图7所示的温度分布。由于温度升高发生在入口侧密封物50的前端面51，在该前端面上易于集聚微粒，因此承载在密封物50的前端面51上的催化剂的活性升高，使得微粒的燃烧容易。因此有可能防止微粒集聚在入口侧密封物50的前端面51上。
如图7所示，因为在入口侧密封物50的下游在隔离壁部分32存在温度增加，因此承载在隔离壁部分32上的催化剂的活性也增加，从而使得微粒的燃烧容易。因此，当流入流动通道40的排气穿过隔离壁部分32的孔并流入相邻流动通道43内时，排气中的微粒被烧掉，从而净化了排气。
如上所述，当内燃机运行过程中蜂窝式过滤器1内的微粒集聚量超过规定水平，气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物被喷射到过滤器1的上游区域，用于壁升高蜂窝式过滤器1的温度，从而微粒通过入口侧密封物50、上游隔离部分31和下游隔离壁部分32内的催化剂的作用被烧掉，从而净化了排气。因此，与传统的蜂窝式过滤器不同，本发明陶瓷蜂窝式过滤器1不易于经受这样的现象，即微粒如图5所示集聚在流动通道40的开口端，造成由于流动通道的阻塞引起压力损失增加。利用本发明的方法，微粒通过催化剂的作用有效地被烧掉，从而能够避免过滤器破裂和熔化的问题，并且排气能够长时间得到净化而不增加压力损失。
另外，在内燃机运行过程中，假设集聚在蜂窝式过滤器1上的微粒量已经超过了预定水平，那么气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物被喷射到过滤器1的上游，用于升高蜂窝式过滤器1的温度，从而得到图7所示的陶瓷蜂窝式过滤器1内的温度分布。利用该温度分布，从入口侧密封物50和它们下游的隔离壁32到入口侧密封物50上游的隔离壁31发生热传导，从而得到随时间的温度升高。因此，陶瓷蜂窝式过滤器1的入口侧开口端的温度也升高，从而增加承载在入口侧密封物50上游隔离壁31上的催化剂的活性，并由此确定地燃烧微粒。从而避免了微粒在入口侧密封物50的前端面51上的集聚。
通过调节喷射的气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物，蜂窝式过滤器1内入口侧密封物50和它们下游区域内的温度可以升高到600℃或更高，在该温度会发生微粒的自燃。在这种情况下，微粒容易地在入口侧密封物50的前端面51被燃烧并且不使用催化剂，其中微粒易于集聚在前端面51上，由此能够防止微粒在入口侧密封物50的前端面51上的集聚。
在内燃机运行过程中，当集聚在蜂窝式过滤器1内的微粒量为预定水平或更少，及当来自内燃机的排气温度基本上等于或高于最低活化温度(这没有必要在密封物50的上游喷射气态的未燃烧的燃料和/或碳氢化合物)，排气内的微粒通过活化的催化剂被燃烧，从而流入蜂窝式过滤器1的排气90和91被净化，同时穿过蜂窝式过滤器1的流动通道40和隔离壁30。
如图1所示，所有的入口侧密封物50都不必离开入口侧开口端12，并且所必需的仅仅是部分入口侧密封物50离开入口侧开口端12达到本发明目的能够实现的程度，如图10所示。如果70％或更多的入口侧密封物50离开蜂室的入口侧开口端12，那么就可能有效地防止由于微粒集聚造成的压力损失增加。当离开入口侧开口端12的入口侧密封物50少于70％，由于陶瓷蜂窝式过滤器1的高温区域内的密封物50的百分比太低，因此大量的微粒集聚在低温区域内的密封物50的前端面51上，从而无法有效地防止蜂窝式过滤器1内的压力损失增加。
如上所述，由于密封物仅仅需要在陶瓷蜂窝式过滤器1的高温区域内，因此密封物50的前端面51就不必离开入口侧开口端12相同的距离，如图8所示，而且入口侧密封物50和出口侧密封物52也不必具有相同的长度，如图9所示。同样，只要能够获得本发明的效果，排气出口侧密封物52可以离开过滤器1的端部相同的距离。
如图11所示，在陶瓷蜂窝式过滤器1具有流动通道在外壁20附近的端部被密封的情况下，由于排气没有流入其中，这些流动通道40a用作绝热空间。因此，可能防止陶瓷蜂窝式1内的热量经外壁20、握持件和金属容器散逸到外面，从而陶瓷蜂窝式过滤器1内的温度能够保持一致。
像排气入口侧密封物50一样，当排气出口侧密封物52离开陶瓷蜂窝式过滤器1的出口侧开口端13时，或甚至当排气出口侧密封物52从出口侧开口端13伸出时，都能够获得同样的效果。
优选的是，排气穿过密封物50上游的隔离壁部分31的孔，其中密封物50离开本发明陶瓷蜂窝式过滤器1内的入口侧开口端12。其原因是，尽管入口侧密封物50上游的隔离壁部分31位于温度比图7所示入口侧密封物50温度低的低温区域，承载在隔离壁部分31上的催化剂的温度仍然比入口侧开口端12的温度高，从而造成催化剂具有高的活性。因此，当流动通道42内的排气经隔离壁部分31的孔流入相邻的流动通道40时，排气中的微粒被燃烧，从而净化了排气。
优选的是，当气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物在内燃机的运行过程中喷射到密封物50的上游区域至少某一段时间(其中集聚在蜂窝式过滤器1上的微粒量处于规定的水平或更多的时间段)，入口侧密封物50的前端面51位于本发明陶瓷蜂窝式过滤器1内这样的位置，即承载在上游隔离壁部分31上的催化剂的温度保持的基本上等于或高于最低活化温度。这样的目的是为了确保燃烧并通过催化剂的作用去除微粒，由此防止由于微粒在入口侧密封物50的前端面51上的集聚导致密封物50阻塞的现象。顺便说明的是，需要理解的是，“基本上等于或高于催化剂的最低活化温度”并不限于密封物50的前端面51所处的温度等于或高于最低活化温度的情况，也包括它们的温度低于最低催化剂活化温度但与最低催化剂活化温度充分接近。
优选的是，密封物50的前端面51位于区域X内，区域X为自入口侧开口端12起陶瓷蜂窝式过滤器1总长度L的0.7倍或更小。当密封物50的前端面51位于区域X外面，密封物50下游隔离壁部分32的面积小于上游隔离壁部分31的面积。因此，整个蜂窝式过滤器1易于产生初始压力损失增加的问题。在气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到密封物50的上游区域以便获得通过催化剂升高过滤器温度的充分效果的情况下，密封物50优选离开入口侧开口端12的距离为1mm或更多。密封物50的前端面51位于其中的区域X优选在自陶瓷蜂窝式过滤器1的入口侧开口端12起陶瓷蜂窝式过滤器1总长度的0.1-0.4倍的范围内。
承载在本发明陶瓷蜂窝式过滤器1上的催化剂优选包括铂族金属。喷射到密封物50上游区域的气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物在包含铂族金属的催化剂的参与下被燃烧，以便产生反应热，该反应热升高了过滤器1内的温度。因此，催化剂被激活，从而加速了包含在排气中的微粒的氧化反应。
微粒通过包括铂族金属催化剂的作用的氧化反应如下进行：当排气中的微粒的主要成份碳(C)与包括活化的铂族金属的催化剂接触，其通过与氧(O2)反应而被氧化，以便形成二氧化碳(CO2)。因此，陶瓷蜂窝式过滤器1能够使用很长时间，而不会产生由于微粒集聚引起的压力损失增加的问题。
催化剂中的铂族金属并不限于诸如Pt，Pd，Ru，Rh等的铂族金属中的一个或者多个，也可以是它们的氧化物等。同样，催化剂也可包括碱土金属氧化物、稀土氧化物或贱金属催化剂[典型为镧、铯、钒(La/Cs/V2O3)]等。当具有高的特定表面面积的材料用作催化剂载体时，其中所述材料有活化的氧化铝如γ-氧化铝制成，催化剂与排气具有大的接触面积，从而增加了净化排气的效率。
在本发明的陶瓷蜂窝式过滤器1中，承载在密封物50上游侧的隔离壁部分31上的催化剂具有比承载在密封物下游侧的隔离壁部分32上的催化剂高的活性。例如，这可以通过使承载在隔离壁部分31上的催化剂中的铂族金属量和诸如碱土金属氧化物、稀土氧化物或贱金属催化剂的催化剂量比承载在隔离壁部分32上的催化剂中的这些成份的量大来实现。
因为喷射到密封物50上游区域的气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物在隔离壁部分31上比在隔离壁部分32上燃烧的更多，因此隔离壁部分31的温度比隔离壁部分32的温度高，从而有效地提高了承载在密封物50前端面51上的催化剂的活性。因此，有效防止了微粒集聚在密封物50的前端面51上，微粒的主要成份碳(C)高度地通过承载在隔离壁部分31上的催化剂转化为CO2。因此，排气中微粒被有效地燃烧，从而陶瓷蜂窝式过滤器1能够使用一段很长的时间，而不会增加压力损失。
在优选实施例中，为了使用陶瓷蜂窝式过滤器1很长一段时间而不会增加压力损失，承载在隔离壁部分31上的催化剂中的铂族金属量比承载在隔离壁部分32上的催化剂中的这些成份的量大。在另一实施例中，隔离壁部分31上的催化剂具有较大量的作为氧化物催化剂的铂族金属，而隔离壁部分32上的催化剂包含较大量的助催化剂和铂族金属，从而增加了微粒的燃烧效率。
本发明的排气净化方法包括步骤：将气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到具有上述结构的陶瓷蜂窝式过滤器内密封物50的上游侧区域内，以便在催化剂的参与下氧化燃料和/或碳氢化合物，从而产生反应热，所述反应热用于将陶瓷蜂窝式过滤器1内至少下游区域的温度维持为等于过高于催化剂的最低活化温度。因此，即使来自内燃机的排气具有较低的温度，喷射到密封物50上游的燃料和/或碳氢化合物加热蜂窝式过滤器1内的排气，并将承载在蜂窝式过滤器1上的催化剂维持在最低活化温度或更高，从而很好地从排气中去除微粒。因此，在使用本发明陶瓷蜂窝式过滤器1去除微粒的方法中，陶瓷蜂窝式过滤器1的压力损失长时间不增加。因此，微粒易于集聚其上的密封物50离开本发明陶瓷蜂窝式过滤器1中蜂室的入口侧开口端12。相应地，排气中的微粒的燃烧在本发明陶瓷蜂窝式过滤器1内比在传统蜂窝式过滤器内更有效，其中入口侧密封物50形成在蜂室的入口侧开口端12。
因为本发明陶瓷蜂窝式过滤器1从主要来自柴油机的排气中去除微粒，因此由多孔陶瓷蜂窝结构和密封物组成的材料优选为具有极佳的耐热性，尤其是包括从下面的材料组中选择至少一种作为主要成份的陶瓷材料，所述材料组包括堇青石、氧化铝、氮化硅和LAS。在它们中间，包含堇青石作为主要成份的陶瓷蜂窝式过滤器1是特别优选的，因为其廉价并且耐热性和耐腐蚀性极佳，同时具有低的热膨胀系数。
蜂窝结构的隔离壁优选具有50-80％的孔隙率。因为排气穿过隔离壁的孔，因此低于50％的隔离壁孔隙率将导致蜂窝式过滤器内太高的压力损失，从而降低发动机输出。另一方面，当隔离壁的孔隙率超过80％时，隔离壁的强度太低，从而蜂窝结构易于在使用中被热振动和机械振动破裂。
尽管密封物的孔隙率可以低于、或高于或基本上等于隔离壁的孔隙率，优选的是高于隔离壁的孔隙率。当密封物的孔隙率高于隔离壁的孔隙率时，排气也穿过密封物的孔，从而使微粒不易于集聚在入口侧密封物50的前端面51上。
蜂窝结构的隔离壁优选具有0.1-0.5mm的厚度和1.3mm或更大的间距(pitch)。当隔离壁的厚度小于0.1mm时，具有高孔隙率隔离壁的多孔陶瓷蜂窝结构的强度太低。另一方面，当隔离壁的厚度大于0.5mm时，对于排气穿过隔离壁存在太大的阻力，造成陶瓷蜂窝式过滤器内太大的压力损失。隔离壁更优选的厚度为0.2-0.4mm。当隔离壁的间距小于1.3mm时，蜂窝结构的开口面积太小，造成大的压力损失。
[2]陶瓷蜂窝式过滤器的生产
参考图2，下面说明用于生产本发明陶瓷蜂窝式过滤器1的一个例子。如图2(a)所示，棋盘形式的设置有浆(slurry)引入管81的树脂掩膜80连接到蜂窝结构10的蜂室的入口侧开口端12。如图2(b)所示，形成浆53的密封物被引入管81内，从而蜂窝结构10的流动通道40的一部分装满了浆53。浆53内的水被吸收到蜂窝结构10的隔离壁30内。得到的密封物50固定到隔离壁30上，并且具有足够的形状保持力。其后，卸下未凝固的浆53，并去除树脂掩膜以便干燥凝固的密封物50。因为留在树脂管81内的浆53被隔离壁30除去了水，密封物50没有形成在树脂管81被引入其中的流动通道40内。因此，如图2(c)所示，在每个流动通道40内形成有密封物50，密封物50在离开入口侧开口端12一个距离X的位置上具有前端面51。通过调整浆引入管81的长度，能够确定密封物50到入口侧开口端12的距离X。蜂窝结构10内的出口侧开口端13处的密封物52可以通过已知的方法制成。形成后，两侧的密封物50和52都被煅烧，以便与隔离壁30成为一体。
出了上述形成密封物的方法外，其他方法例如包括(a)通过将长的薄管通过其一端插入蜂窝结构内一个预定的位置，经这些管将预定量的密封膏装入蜂窝结构，干燥并煅烧它们，形成密封物的方法；(b)通过将陶瓷芯片嵌入蜂窝结构，并煅烧它们等形成密封物的方法。
下面参考实例对本发明进行详细的描述，其中的实例不是为了限制本发明。
例1
准备包括高岭土粉末、云母粉末、硅石粉末、氢氧化铝粉末和氧化铝粉末作为主要成份的用于堇青石的原材料粉末。原材料粉末具有包括47-53％的SiO2、32-38％的Al2O3和12-16％的MgO(质量)作为主要成份的成份，以及总量占2.5％或更少的另外不可避免的杂质，这些杂质包括CaO、Na2O、K2O、TiO2、Fe2O3、PbO和P2O5。将注模辅助物和孔成形剂加入该原始材料粉末，加入水以便完成充分混合，从而准备可挤压的膏。
将所述膏挤压注模成绿色主体，该主体具有蜂窝结构，该结构包括外壁20和限定了多个流动通道40的隔离壁30，每个流动通道40都具有方形横截面。干燥后，煅烧绿色主体以便形成多孔的蜂窝结构10，该蜂窝结构具有267mm的直径和300mm的整个长度，隔离壁30具有1.5mm的间距、0.3mm的厚度和65％的孔隙率。
如图2(a)所示，棋盘形式的具有浆引入管81的树脂掩膜80连接到蜂窝结构10，从而每个管81插入每个蜂室的入口侧开端部。将密封浆53通过管81装入流动通道40部分内。在密封物50附到隔离壁30上并且具有足够的形状保持力之后，移去树脂掩膜80，并干燥密封物50。调整每个浆引入管81的长度，从而密封物50形成有自入口侧开口端12起五个不同的距离。另一方面，在蜂窝结构10的排气出口侧开口端13一侧的密封物52通过使用粘结剂浆掩膜固定到出口侧开口端13而形成，在棋盘形式的掩膜内制出开口，所述棋盘形式与用于密封物50的棋盘形式相交替，并将浆引入出口侧开口端部。利用具有受控温度的间歇式(batch-type)炉，煅烧密封物50和52以便形成蜂窝式过滤器1，每个蜂窝式过滤器都具有作为样品1-6的图1所示的结构。
在每个蜂窝式过滤器1内，将每个都具有0.8mm直径和200mm长度的金属杆插入蜂室的入口侧开口端12，测量每个金属杆从蜂窝式过滤器1另一端伸入的长度，以便确定入口侧密封物50的前端面51与蜂窝式过滤器1的入口侧开口端12之间的距离X(mm)。这个操作根据任意选择的密封物50相对于每个蜂窝式过滤器1完成，将测量值的平均值作为距离X。表1示出了每个样品1-6中的距离X和X与蜂窝式过滤器整个长度L的比率。
包括铂、氧化铈和活化的氧化铝的催化剂承载在每个蜂窝式过滤器1的隔离壁30的表面和孔及密封物上。催化剂中的Pt的量为2克/蜂窝式过滤器1的L。
通过将每个样品1-6的得到陶瓷蜂窝式过滤器1设置在压力损失测量设备(未示出)中，以7.5Nm3/min的流速引入空气，以便测量入口侧开口端12与出口侧开口端13之间的压差，由此评估每个陶瓷蜂窝式过滤器1的初始压力损失。假设在样品1的陶瓷蜂窝式过滤器1中初始压力损失为1，其中在该陶瓷蜂窝式过滤器1中，入口侧密封物50的前端面与蜂窝式过滤器1的前端面在同一平面上，样品2-6的初始压力的相对值如表1所示。
将每个样品1-6的蜂窝式过滤器1放置到柴油机的排气管中，以便在类似于城市驾驶的标准(pattern)驾驶条件下进行耐用性测试。在该测试中，存在这样的情况下，即排气温度低于最低催化剂活化温度的驾驶条件继续，由此提供了微粒轻微集聚在过滤器内的条件。假设集聚在过滤器上的微粒量依赖于驾驶条件，当集聚的微粒量超过规定水平时，将未燃烧的燃料喷射到密封物50上游的过滤器1的区域内以再生过滤器1。
当测试能够连续进行相应于10000Km驾驶的时间段时，每个样品的这种评估为“通过(pass)”，而当测试不能够连续时，为“失败(fail)。相对于评估为“通过”的样品，当经过相应于10000Km驾驶的时间段之后，像初始压力损失一样测量蜂窝式过滤器1的压力损失，以便计算压力损失比率[(经过相应于10000Km驾驶的时间段之后的压力损失)/(初始压力损失)]。
表1
| 样品号 | X(mm)(1) | X/L(2) | 初始压力损失(3) | 压力损失比率 | 评估 |
| 1* | 0 | 0 | 1.0 | - | 失败 |
| 2 | 49.8 | 0.17 | 0.9 | 1.2 | 通过 |
| 3 | 96.3 | 0.32 | 0.9 | 1.1 | 通过 |
| 4 | 138.2 | 0.46 | 0.7 | 1.1 | 通过 |
| 5 | 157.5 | 0.53 | 0.8 | 1.2 | 通过 |
| 6 | 240.0 | 0.8 | 1.2 | 1.4 | 通过 |
注释：*本发明范围的外面
(1)X代表密封物50的前端面51与蜂窝式过滤器开口端12之间的距离
(2)L代表蜂窝式过滤器的总长度
(3)当样品1的初始压力损失假定为1时，初始压力损失的相对值
在样品1中，其中入口侧密封物50的前端面51与蜂窝式过滤器1的前端面在相同的平面上，在驾驶5000Km后压力损失急剧增加，从而不可能使蜂窝式过滤器1再生。因此，测试结束。另一方面，在本发明范围内的样品2-6中，密封物50的前端面51离开蜂室的入口侧开口端12，并且在密封物50上及它们上游的隔离壁30上承载有催化剂31。相应地，当未燃烧的燃料喷射到密封物50的上游时，微粒没有集聚在排气入口侧的蜂窝式过滤器1内。作为相应于10000Km驾驶的时间段的耐用性测试的结果，每个样品2-6的评估为“通过”。
在样品2-5中，蜂窝式过滤器1的入口侧开口端12于密封物50的前端面51之间的距离X为蜂窝式过滤器1的总长度L的0.7倍或更小。因此，样品2-5显示了小的初始压力损失，即使在相应于10000Km驾驶的时间段的耐用性测试之后，它们也展示了小于1.2的小的压力损失增加，假设它们能够经受长时间的使用。
例2
具有图1所示结构的蜂窝式过滤器1(样品7和8)以与例1相同的方式生产。每个蜂窝式过滤器1具有267mm的直径和300mm的长度，其隔离壁30具有1.5mm的间距、0.3mm的厚度和65％的孔隙率。从蜂窝式过滤器1的入口侧开口端12到密封物50的前端面51的距离X分别为49.8mm(样品7)和96.3mm(样品8)。
在每个样品7和8中，密封物50和下游隔离壁部分32的表面和孔承载了包括铂、氧化铈和活化的氧化铝的催化剂。承载的催化剂中的Pt的量为1克/L。比上述催化剂具有较高Pt浓度的催化剂(Pt：4克/L)承载在密封物50上游隔离壁部分31的表面和孔上。
每个得到的陶瓷蜂窝式过滤器1的耐用性测试以与例1一样的方式进行。在经过相应于10000Km驾驶的时间段之后，从蜂窝式过滤器1的压力损失和初始压力损失计算的是压力损失比率[(经过相应于10000Km驾驶的时间段之后的压力损失)/(初始压力损失)]。表2示出了这些结果。
表2
| 样品号 | X(mm)(1) | X/L(2) | 压力损失比率 | 评估 |
| 7 | 49.8 | 0.17 | 1.09 | 通过 |
| 8 | 96.3 | 0.32 | 1.05 | 通过 |
在样品7和8的陶瓷蜂窝式过滤器1内，入口侧密封物50的前端面51位于过滤器入口侧开口端12的下游，催化剂承载在入口侧开口端12与密封物50的前端面51之间的隔离壁部分31上。排气入口侧的催化剂具有较大的Pt量。因此，排气入口侧的催化剂展示了比排气出口侧的催化剂更高的活性。在样品7和8的相应于10000Km驾驶的时间段的耐用性测试中，它们的耐用性评估为“通过”，压力损失比率低于样品2和3的压力损失比率。因此，可以确信样品7和8的陶瓷蜂窝式过滤器1能够使用很长一段时间。
例3
具有图1所示结构的蜂窝式过滤器1(样品9和10)以与例1相同的方式生产。每个蜂窝式过滤器1具有267mm的直径和300mm的长度，其隔离壁30具有1.5mm的间距、0.3mm的厚度和65％的孔隙率。在蜂窝式过滤器1中，从入口侧开口端12到密封物50的前端面51的距离X分别为49.8mm(样品9)和96.3mm(样品10)。
在每个样品9和10中，密封物50上游隔离壁部分31的表面和孔上承载了包括铂、氧化铈和活化的氧化铝的催化剂。其后，包含镧、铯和钒的催化剂被承载在密封物50和下游隔离壁部分32的表面和孔上。这表面承载在入口侧密封物50上游的隔离壁部分31上的催化剂比承载在下游隔离壁部分32上催化剂具有更高的活性。
每个得到的陶瓷蜂窝式过滤器1(样品9和10)的耐用性测试以与例1一样的方式进行。在经过相应于10000Km驾驶的时间段之后，从蜂窝式过滤器1的压力损失和初始压力损失计算的是压力损失比率[(经过相应于10000Km驾驶的时间段之后的压力损失)/(初始压力损失)]。表3示出了这些结果。
表3
| 样品号 | X(mm)(1) | X/L(2) | 压力损失比率 | 评估 |
| 9 | 49.8 | 0.17 | 1.07 | 通过 |
| 10 | 96.3 | 0.32 | 1.04 | 通过 |
在样品9和10的陶瓷蜂窝式过滤器1内，入口侧密封物50的前端面51位于过滤器蜂室入口侧开口端12的下游，密封物50和起上游的隔离壁部分31承载了包括铂、氧化铈和活化的氧化铝的催化剂，而密封物50下游隔离壁部分32上承载了包含镧、铯和钒的催化剂。因此，密封物50上游的催化剂具有比下游催化剂更高的活性。因此，在样品9和10的相应于10000Km驾驶的时间段的耐用性测试中，它们的耐用性评估为“通过”，压力损失比率低于样品2和3的压力损失比率。因此可以确信样品9和10的陶瓷蜂窝式过滤器1能够使用很长一段时间。
如上面所详细描述的，在本发明用于通过催化剂作用连续燃烧排气中微粒的陶瓷蜂窝式过滤器中，入口侧密封物的前端面位于过滤器蜂室入口侧开口端的下游。因此，当气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到密封物的上游过滤器区域，假设集聚在过滤器内的微粒量依赖于柴油机的运行条件，那么微粒就容易燃烧并且不易集聚在蜂窝式过滤器内。因此，本发明陶瓷蜂窝式过滤器能够长时间稳定地净化排气，并且具有小的压力损失，同时不会破裂和熔化。
Claims (7)
1.一种陶瓷蜂窝式过滤器，包括陶瓷蜂窝结构，该蜂窝结构具有限定了多条流动通道的多孔隔离壁和密封物，所述密封物设置在流动通道内，从而排气穿过所述多孔隔离壁的孔，由此从所述排气中去除微粒；催化剂至少部分地承载在所述隔离壁和/或所述密封物上；及排气出口侧的至少其中一个密封物设置离开流动通道入口侧开口端的位置上。
2.根据权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述排气至少穿过存在于所述流动通道入口侧开口端和与其离开的密封物之间的孔。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述入口侧密封物的前端面这样定位，即至少部分地承载在所述入口侧密封物上的催化剂在内燃机运行期间被保持在它的最低活化温度或更高温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述入口侧密封物的前端面位于自陶瓷蜂窝式过滤器的入口侧开口端起到陶瓷蜂窝式过滤器整个长度的0.7倍或更小的区域内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述催化剂包括铂族金属。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中承载在排气入口侧隔离壁上的催化剂的活性比承载在排气出口侧隔离壁上的催化剂的活性高。
7.一种通过陶瓷蜂窝式过滤器从排气中去除微粒的方法，所述陶瓷蜂窝式过滤器包括陶瓷蜂窝结构，该蜂窝结构具有限定了多条流动通道的多孔隔离壁和密封物，所述密封物设置在流动通道内，从而排气穿过多孔隔离壁的孔，催化剂至少部分地被承载在所述隔离壁和/或密封物上；及排气出口侧的至少其中一个密封物设置在与流动通道入口侧开口端分离的下游位置上，所述方法包括步骤：将气态未燃烧的燃料和/或碳氢化合物喷射到所述入口侧密封物的上游，以便将至少一部分入口侧密封物和它们的下游区域的温度维持在大体上等于或高于所述催化剂的最低活化温度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080423 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |