CN1615171A - 滚动再生柴油机颗粒捕集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滚动再生柴油机颗粒过滤器和过滤方法，其利用在所述方法中产生的NO，来生成除由柴油机产生的NO2以外的附加数量的NO2。所述方法包括使柴油机燃烧废气流经包括第一段(48)和第二段(50)的过滤器系统(42)的步骤。所述第一段(48)位于相对于柴油机废气流经所述过滤器的流动方向的第二段(50)的上游。所述第一段包括发泡体(52)，所述发泡体的构造和排布用来捕集在废气中的碳基颗粒物。所述发泡体承载有第一催化剂来促进柴油机废气中的NO转化为NO2；还用来促进NO2与至少一部分由所述发泡体捕集的碳基颗粒物反应从而形成CO和NO；促进CO氧化为CO2、以及通过NO2与碳反应生成的NO的氧化来生成附加量的NO2。所述附加数量的NO2也用来氧化碳基颗粒物。过滤器系统的第二段包括一种壁流式整体块(54)，所述整体块具有多个在其中形成的贯通所述整体块纵向长度的通孔腔。所述整体块的构造和排布用来捕集在废气中的颗粒物，并促进NO2与碳的反应从而生成NO和CO。所述陶瓷发泡体也可被所述壁流式过滤器(54)容纳和环绕。

Description

滚动再生柴油机颗粒捕集器
技术领域
本发明涉及过滤器系统，更具体而言涉及采用滚动再生柴油机颗粒捕集器的用于柴油机的过滤器系统。
发明背景
图1图示了用于柴油机12的现有技术过滤器系统10。在柴油机12和过滤器系统10之间提供有排气管线14。所述过滤器系统可包括壳体16，所述壳体包括至少一个第一段18和第二段20。所述第一段18通常其中包括直流式整体块(flow-through monolith)22，且其中所述直流式整体块涂覆有催化剂如铂。柴油机12出来的废气包括多种组分，所述组分包括NO和颗粒物，所述颗粒物通常呈碳基物质的形式。在直流式整体块22上的所述催化剂促进NO与废气中同时存在的氧的反应，生成NO2。但所述反应不能够足够有效地将在废气中的所有NO完全转化为NO2。因而，如图1所示，NO和NO2均离开所述过滤器的第一段18并进入该过滤器系统的第二段20。所述第二段20通常其中包括壁流式整体块(Wall flow monolith)24。壁流式整体块是本领域普通技术人员公知的，通常由陶瓷材料制造，其制造方式为提供经过所述整体块纵向长度的多个通孔腔。这些通孔腔的断面积极小，在10微米数量级。壁流式整体块能够捕集99+％的柴油机颗粒排出物。但壁流式整体块由于通孔腔的很小的开口而很容易堵塞。如图1所示，在废气中的NO2可用来将碳氧化来形成NO和CO，从而除去堵塞壁流式整体块的一些颗粒物。然而，在柴油机废气中存在的或在直流式整体块22中产生的NO2的数量可能不足以完全氧化堵塞壁流式整体块的颗粒物。因而，柴油机必须运行以产生氧化堵塞壁流式整体块的所有碳和其它颗粒物所需的显著数量的NO2。另外，所述壁流式整体块必须以另一种方式清洗。
因而，希望提供一种用于柴油机的过滤器系统，其应导致壁流式整体块不常堵塞，并对捕集器的再生提供一种可供选择的途径。本发明克服了现有技术中的缺陷，并提供其替代方案和优点。
发明简述
本发明包括滚动再生柴油机颗粒过滤器和过滤方法，其对在所述方法中产生的NO进行再利用来生成附加数量的NO2。本发明的一种实施方案包括一种方法，所述方法包括使柴油机燃烧废气流经过滤器系统，所述系统包括第一和第二段。所述第一段位于相对于废气流动方向的第二段的上游。所述第一段包括发泡体，所述发泡体的构造和排布用来捕集在废气中的碳基颗粒物。所述发泡体承载有第一催化剂来促进柴油机废气中的NO转化为NO2。NO2用来氧化由所述发泡体捕集的颗粒物从而形成CO和NO。在所述发泡体上的第一催化剂或第二催化剂还促进CO氧化为CO2、以及通过NO2与碳反应生成的NO的氧化来生成附加的NO2。过滤器系统的第二段包括一种壁流式过滤器，所述过滤器具有多个在其中形成的贯通所述壁流式过滤器纵向长度的通孔腔。所述壁流式过滤器的构造和排布用来捕集在废气中的颗粒物，并促进NO2与碳的反应从而生成NO和CO。
在本发明的另一种实施方案中，所述发泡体可包括由Al2O3制备的陶瓷发泡体。
在本发明的另一种实施方案中，所述陶瓷发泡体还可包括ZrO2。
在本发明的另一种实施方案中，所述第一催化剂可包括铂。所述铂可镀覆在所述发泡体上，载荷量为每立方英尺发泡体至少25克。
在本发明的另一种实施方案中，所述发泡体可具有的孔隙率范围为80％至90％或更高。
在本发明的另一种实施方案中，所述发泡体每英寸可包括10至60个孔。
在本发明的另一种实施方案中，所述壁流式过滤器每平方英寸整体块(monolith)横截面积可包括25至300个腔室。
在本发明的另一种实施方案中，所述过滤器系统可包括一壳体。所述过滤器系统的第一和第二段可载于所述壳体中。
本发明的另一种实施方案包括一种滚动再生柴油机颗粒过滤捕集器，其具有第一和第二段。所述第一段位于相对于废气流经所述捕集器方向的第二段的上游。所述第一段包括发泡体，所述发泡体的构造和排布用来捕集在废气中的碳颗粒物。所述发泡体承载有第一催化剂，来促进流经所述捕集器的废气中的NO转化为NO2。NO2用来氧化由所述发泡体捕集的碳颗粒物从而形成CO和NO。在所述发泡体上的第一催化剂或第二催化剂还促进CO氧化为CO2、以及通过NO2与碳反应生成的NO的氧化来生成附加的NO2。所述捕集器的第二段包括一种壁流式过滤器，所述过滤器具有多个在其中形成的贯通所述过滤器纵向长度的通孔腔。所述过滤器的构造和排布用来捕集在废气中的颗粒物，并促进NO2与碳的反应从而生成NO和CO。
本发明的另一种实施方案包括一种柴油机废气过滤器系统，其包括催化发泡体过滤器和壁流式过滤器组合体，其中至少一部分壁流式过滤器环绕一部分催化发泡体过滤器，从而废气可流经所述催化发泡体过滤器，然后流经所述壁流式过滤器。
本发明的另一种实施方案包括一种柴油机废气过滤器系统，其具有多个过滤器组合体，其中每个过滤器组合体包括催化发泡体过滤器和壁流式过滤器，且其中至少一部分各壁流式过滤器环绕一部分催化发泡体过滤器，从而废气可流经所述催化发泡体过滤器，然后流经所述壁流式过滤器。
从如下附图的简要说明、优选实施方案的详细说明、所附的权利要求书和附图可显而易见本发明的这些和其它目的、特征和优点。
附图简要说明
图1图示的是现有技术柴油机颗粒过滤器系统；
图2图示的是本发明的滚动再生柴油机颗粒过滤器系统；
图3为图示本发明的另一种实施方案的断面图，其包括一种柴油机废气过滤器系统，所述系统包括催化发泡体过滤器和壁流式过滤器组合体；
图4为图示本发明的另一种实施方案的断面图，其中多个催化发泡体过滤器和壁流式过滤器组合体容纳于废气导管空腔中；
图5为具有单一催化发泡体过滤器和壁流式过滤器组合体的柴油机废气过滤器系统的透视图；
图6为具有多重催化发泡体过滤器和壁流式过滤器组合体的柴油机废气过滤器系统的透视图；和
图7为由于在壁流式过滤器上烟灰(颗粒)积累所致的相对于陶瓷发泡体的压降的图示。
优选实施方案的说明
图2所示为与本发明过滤器系统42连接的柴油机40。提供的废气管线44一端与所述柴油机40连接，另一端与过滤器系统42连接。所述过滤器系统42可包括封装了第一段48和第二段50的壳体46。所述第一段48包括具有由发泡体承载的催化剂的发泡体52。这里使用的术语“由发泡体承载的催化剂”是指镀覆、吸收、吸附和/或包嵌在所述发泡体上的催化剂。优选的催化剂是铂。优选，所述发泡体由如Al2O3和/或ZrO2的陶瓷材料来制备。在所述发泡体上涂覆的铂的载荷量为每立方英尺发泡体至少25克，更优选每立方英尺发泡体50克或更多。所述发泡体的构造和排布为使得其具有至少80％至90％或更大的孔隙率。所述发泡体优选包括每英寸10至60个孔。所述孔是开口的以对流经所述发泡体的柴油机废气提供弯曲的流径。结果，在所述发泡体上的催化剂促进在所述废气中的NO与氧(也在废气中)的反应来形成NO2。所述发泡体的构造和排布还使得其在发泡体中捕集颗粒物质如烟灰和碳基物质。NO2(存在于废气中并由NO与氧形成NO2的反应来产生)用来氧化在所述发泡体中捕集的碳(颗粒物)从而形成NO和CO。在所述发泡体上的催化剂还促进新形成的NO(由NO2与C的反应)氧化来提供除自柴油机刚排出的废气中存在的以外的NO2来源。在所述发泡体上的催化剂还促进CO和氧反应来形成CO2和热量。
过滤器系统42的第二段50包括壁流式过滤器(或整体块(monolith)54，所述壁流式过滤器54优选由陶瓷材料制备并包括多个在其中形成的贯通所述过滤器54纵向长度的通孔腔。所述过滤器54的构造和排布为使得可捕集在所述废气中的颗粒物并促进NO2与碳(颗粒物)的反应来生成NO和CO。优选，所述过滤器54每平方英寸整体块横截面积包括至少25至300个腔室。排出所述过滤器系统42的排出管线56包括NO、CO、NO2和CO2。通过下游部件(未示出)可对排出物56进行附加的过滤和纯化操作。
图3为图示本发明的另一种实施方案的断面图，其包括柴油机过滤器系统100，所述系统100包括催化发泡体过滤器110和壁流式过滤器116组合体。这里使用的术语“催化发泡体过滤器”是指具有镀覆、吸收、吸附和/或包嵌在所述发泡体上的催化剂的发泡体。所述柴油机废气系统100包括废气管线102，所述废气管线102自然地包括空腔104，经过该空腔，来自柴油机的废气由所述内燃机流经废气管线102，并最终排出到大气中。所述系统100包括具有开孔(如上所述)的催化发泡体过滤器110和容纳在废气管线102的空腔104中的壁流式过滤器116。所述壁流式过滤器116优选为单室结构，并包括多孔壁118，所述多孔壁118与管线102的内表面103间隔有一距离。优选，催化发泡体过滤器110和壁流式过滤器116均由在管线102的内表面103之间延伸的隔板106支撑。优选，所述隔板106包括开口107，经由该开口107露出催化发泡体过滤器110的前端面108使得废气可流经所述隔板106中的开口107进入到发泡体110中。来自柴油机的以箭头方向121流动的废气流向催化发泡体过滤器110的前端面108，经过催化发泡体过滤器110、并经过壁流式过滤器116的多孔壁118，如箭头122所示。颗粒物由催化发泡体过滤器110、并由壁流式过滤器116捕集在催化发泡体过滤器110与壁流式过滤器116的壁118之间的空间120中。所述多孔壁118可为任何适用的材料如陶瓷，包括例如孔尺寸为10至20微米且孔隙率为40％或更高的三氧化二铝。所述壁118可具有0.25mm至1mm的厚度，优选为0.5mm。所述催化发泡体过滤器110包括纵向侧边(一个或多个)或圆周边112和后端面104。所述侧边112和后端面104各与壁流式过滤器116的多孔壁118间隔有约2mm至5mm的距离，以在它们中间提供空间120来积聚在柴油机废气中的颗粒物。优选，至少一部分壁流式过滤器116环绕一部分催化发泡体过滤器110。在一种优选实施方案中，壁流式过滤器116沿催化发泡体110的至少一部分纵向侧边112和后端面104环绕所述催化发泡体过滤器110。然而，还可设计成，可在后端面104附近提供固体帽(未示出)以迫使废气流出侧边112而不是流出后端面104。在图5中图示了具有单一催化发泡体过滤器110和壁流式过滤器116的柴油机废气过滤器系统的透视图。
图4为图示本发明的另一种实施方案的断面图，其中多重催化发泡体过滤器110和壁流式过滤器116组合体容纳在废气管线102的空腔104中。优选各催化发泡体过滤器110和壁流式过滤器116组合体由其中具有多个开口107的隔板106支撑，对各组合体(110和116)各有一个开口107。在图6中图示了具有多重催化发泡体过滤器110和壁流式过滤器116组合体的柴油机废气过滤器系统的透视图。
图7为每英寸100腔室的壁流式过滤器、每英寸200腔的壁流式过滤器和孔隙率为80％至90％且每平方英寸有约10至60个孔的陶瓷发泡体的相对于颗粒物载荷量的压降示意图。如可理解的，本发明使用的陶瓷发泡体的压降为壁流式过滤器的1/10或更低。这使得本发明可使用镀覆有催化剂如铂的发泡体来捕集颗粒物，从而减少了下游壁流式过滤器上的颗粒载荷量。由于流经发泡体的废气的弯曲的流径，产生了除来自柴油机废气中存在的NO2以外的NO2。所述附加的NO2有助于氧化在发泡体中捕集的碳和由下游壁流式整体块捕集的碳。结果，所述发泡体和下游壁流式整体块不必如现有技术系统那样经常地清洗来减少颗粒物。

Claims (34)

1.一种滚动再生的柴油机颗粒过滤方法，其对在所述方法中产生的NO进行再利用来生成附加数量的NO2，所述方法包括：使柴油机燃烧废气流经过滤器系统，所述系统包括第一和第二段，其中所述第一段位于相对于废气流动方向的第二段的上游，且其中所述第一段包括发泡体，所述发泡体的构造和排布用来捕集在废气中的碳基颗粒物，所述发泡体承载有第一催化剂来促进柴油机废气中的NO转化为NO2，并促进在所述发泡体中捕集的至少一部分颗粒物与NO2反应从而形成CO和NO，且其中所述发泡体承载的第一催化剂还促进CO氧化为CO2、以及通过NO2与碳反应生成的NO的氧化来生成附加的NO2，且其中所述第二段包括一种壁流式过滤器，所述过滤器具有至少一个在其中形成的贯通所述壁流式过滤器纵向长度的通孔腔，所述壁流式过滤器的构造和排布用来捕集在废气中的颗粒物，并促进NO2与C的反应从而生成NO和CO。
2.如权利要求1的方法，其中所述发泡体包含陶瓷发泡体，所述陶瓷发泡体包括Al2O3。
3.如权利要求2的方法，其中所述陶瓷发泡体还包括ZrO2。
4.如权利要求1的方法，其中所述发泡体包含陶瓷发泡体，所述陶瓷发泡体包括ZrO2。
5.如权利要求1的方法，其中所述第一催化剂包括铂。
6.如权利要求1的方法，其中所述第一催化剂包括由发泡体承载的铂，载荷量为每立方英尺发泡体至少25克。
7.如权利要求1的方法，其中所述发泡体具有的孔隙率范围为80％至90％。
8.如权利要求1的方法，其中所述发泡体每英寸包括10至60个孔。
9.如权利要求1的方法，其中所述壁流式过滤器每平方英寸壁流式过滤器横截面积包括25至300个腔室。
10.如权利要求1的方法，其中所述过滤器系统还包括一壳体，且其中所述第一和第二段载于所述壳体中。
11.一种滚动再生柴油机颗粒过滤器系统，包括：第一和第二段，其中所述第一段位于第二段的上游，且其中所述第一段包括发泡体，所述发泡体的构造和排布用来捕集流经所述过滤器的柴油机废气中的碳基颗粒物，所述发泡体承载有第一催化剂来促进柴油机废气中的NO转化为NO2，且所述第一催化剂设计为促进在所述发泡体中捕集的至少一部分碳基颗粒物与NO2反应从而形成CO和NO，且其中所述发泡体承载的第一催化剂还促进CO氧化为CO2、以及通过NO2与碳反应生成的NO的氧化来生成附加的NO2，且其中所述第二段包括一种壁流式过滤器，所述过滤器具有至少一个在其中形成的贯通所述壁流式过滤器纵向长度的通孔腔，所述壁流式过滤器的构造和排布用来捕集流经壁流式过滤器的柴油机废气中的颗粒物，并促进NO2与C的反应从而生成NO和CO。
12.如权利要求11的系统，其中所述发泡体包含陶瓷发泡体，所述陶瓷发泡体包括Al2O3。
13.如权利要求12的系统，其中所述陶瓷发泡体还包括ZrO2。
14.如权利要求11的系统，其中所述发泡体包含陶瓷发泡体，所述陶瓷发泡体包括ZrO2。
15.如权利要求11的系统，其中所述第一催化剂包括铂。
16.如权利要求11的系统，其中所述第一催化剂包括由发泡体承载的铂，载荷量为每立方英尺发泡体至少25克。
17.如权利要求11的系统，其中所述发泡体具有的孔隙率范围为80％至90％。
18.如权利要求11的系统，其中所述发泡体每英寸包括10至60个孔。
19.如权利要求11的系统，其中所述壁流式过滤器每平方英寸壁流式过滤器横截面积包括25至300个腔室。
20.如权利要求11的系统，还包括一壳体，且其中所述第一和第二段载于所述壳体中。
21.一种滚动再生的柴油机颗粒过滤方法，其对在所述方法中产生的NO进行再利用来生成附加数量的NO2，所述方法包括：使柴油机燃烧废气流经一过滤器系统的第一段，之后使所述废气流经所述过滤器系统的第二段，且其中所述第一段包括发泡体，所述发泡体的构造和排布用来捕集在废气中的碳基颗粒物，所述发泡体承载有第一催化剂来促进柴油机废气中的NO转化为NO2，并促进在所述发泡体中捕集的至少一部分颗粒物与NO2反应从而形成CO和NO，且其中所述发泡体承载的第一催化剂还促进CO氧化为CO2、以及通过NO2与碳反应生成的NO的氧化来生成附加的NO2，且其中所述第二段包括一种壁流式过滤器，所述过滤器具有至少一个在其中形成的贯通所述壁流式过滤器纵向长度的通孔腔，所述壁流式过滤器的构造和排布用来捕集在废气中的颗粒物，并促进NO2与C的反应从而生成NO和CO。
22.一种柴油机废气过滤器系统，包括：催化发泡体过滤器和壁流式过滤器组合体，其中至少一部分所述壁流式过滤器环绕一部分催化发泡体过滤器，从而废气可流经所述催化发泡体过滤器，然后流经所述壁流式过滤器。
23.如权利要求22的系统，还包括具有由内表面界定的空腔的导管，且其中所述组合体容纳于所述空腔中。
24.如权利要求23的系统，其中所述催化发泡体过滤器包括一前端面，还包括与所述内表面连接的隔板，所述隔板具有穿过其的开口，且其中所述组合体由所述隔板支撑，使得所述开口暴露出催化发泡体过滤器的前端面。
25.如权利要求22的系统，其中所述催化发泡体过滤器包括一侧边和一后端面，且其中所述壁流式过滤器环绕至少一部分所述侧边。
26.如权利要求25的系统，其中所述壁流式过滤器环绕所述催化发泡体过滤器的后端面。
27.如权利要求22的系统，其中所述壁流式过滤器为单一腔室的壁流式过滤器。
28.如权利要求25的系统，其中所述壁流式过滤器包括与所述侧边间隔一段距离的多孔壁。
29.如权利要求28的系统，其中所述多孔壁与所述催化发泡体过滤器的后端面间隔一段距离。
30.一种柴油机废气过滤器系统，包括：多个过滤器组合体，且其中各过滤器组合体包括催化发泡体过滤器和壁流式过滤器，且其中至少一部分各壁流式过滤器环绕一部分催化发泡体过滤器，使得废气可流经所述催化发泡体过滤器，然后流经所述壁流式过滤器。
31.如权利要求30的系统，还包括具有由内表面界定的空腔的导管，且其中各组合体容纳于所述空腔中。
32.如权利要求31的系统，其中各催化发泡体过滤器包括一前端面，还包括与所述内表面连接的隔板，所述隔板具有穿过其的多个开口，且其中各开口的构造和排布为使得暴露出催化发泡体过滤器之一的前端面。
33.如权利要求30的系统，其中各催化发泡体过滤器包括包括一侧边，且其中所述壁流式过滤器之一环绕至少一部分所述侧边。
34.如权利要求33的系统，其中各催化发泡体过滤器还包括一后端面，且其中所述壁流式过滤器环绕所述催化发泡体过滤器的所述后端面。
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