CN1678820A - 废气滤清器和用于净化废气的方法 - Google Patents

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Abstract

用于净化内燃机废气的废气滤清器(11)，由至少一个具有至少一由至少部分可流过一种流体的材料组成的过滤区(2)的条状的过滤层(1)和必要时一金属箔(4)组成，其中过滤层具有至少一个具有用于转换废气的气态成分的催化活性层的接触区(3)和一个用于从废气中过滤出颗粒的过滤区。

Description

废气滤清器和用于净化废气的方法
技术领域
本发明涉及一种用于净化内燃机的废气的由至少一个条状过滤层组成的废气滤清器，以及一种净化内燃机废气的方法。
背景技术
由于相对低的耗油量以及其他原因，在很多国家中具有柴油发动机的汽车的销售量不断增长。相对于汽油驱动的汽车，柴油机汽车具有显著减少的二氧化碳排放，但在柴油发动机中燃烧过程时产生的碳黑颗粒的份额明显地高于汽油发动机的份额。在很多国家中汽车必须满足排放标准，在该排放标准中确定在排放到环境中的汽车废气中的单各种成分的浓度的最高限度。
如今人们关注废气的净化，尤其是柴油发动机的废气净化，例如通过碳氢化合物(HC)以及一氧化碳(CO)与一种催化的活性表面接触，使废气中的碳氢化合物(HC)以及一氧化碳(CO)可以以一种常见的方式氧化。但在氧气充足的条件下，氧化氮(NOX)的还原更加困难。一种例如在汽油机上使用的三元催化器没有带来所期望的效率。由于这个原因开发了选择性催化还原(SCR)的方法。此外对于废气氧化氮的还原，NOX吸收器在其使用中通过试验确定可行。
此外颗粒捕集器用于还原废气尤其是柴油机的废气中的固体颗粒排放是已知的，该颗粒捕集器由一种陶瓷基体构成。该颗粒捕集器具有多个通道，使得待净化的废气可以流入到该颗粒捕集器中。相邻的通道交替地封闭，使得废气在入口侧上进入到通道中，穿过陶瓷壁并且穿过相邻的通道在出口侧上选出。这样的颗粒捕集器作为封闭的颗粒滤清器是已知的。它在排出的颗粒大小的整个宽度上达到大约95％的效率。
在汽车的废气系统中，滤清器可靠的再生是一个问题。颗粒捕集器的再生是必需的，因为随着颗粒在待通流的通道壁上越来越多地积累导致一个持续增大的压力损失，它对发动机功率有消极的影响。再生基本上包括颗粒捕集器以及在其中积累的颗粒的短时间的加热，使得碳黑颗粒转化为气态的成分。但颗粒捕集器高的热应力对寿命有负面的影响。
为了避免间断的和促使热磨损的再生，设计一种用于过滤器连续再生的装置(连续再生捕集器，CRT)。在一种这样的装置中，颗粒在200℃的温度以上时已经借助于与NO2的氧化作用转化。该温度极限明显低于传统的颗粒捕集器。为此必需的NO2经常通过氧化催化器产生，该氧化催化器设置在颗粒捕集器的上游。但在此正好对于在柴油车上使用提出这样的问题，即在废气中只存在不充足的一氧化氮(NO)份额，该份额的一氧化氮可以转化为所期望的二氧化氮(NO2)。因此直至现在不能保证，在排气系统中实现颗粒捕集器的一种连续的再生。
除了最低的反应温度和单位的停留时间，为了使具有NO2的颗粒连续的再生，必须有充足的氧化氮可供使用。有关NO和颗粒的动态排放的试验清楚地显示，当废气中没有和只有微量的NO或相反时，然后颗粒正好被排放。因此一个具有真实的连续再生的滤清器必须基本上起补偿器和存储器的作用，以便保证两个反应伙伴在一个给定的时刻在滤清器中以所需的量中存在，在该时刻中规定最低的反应温度。此外滤清器设置得尽可能接近内燃机，以便在冷启动后可以已经立刻达到尽可能高的温度。为了准备提供必需的NO，氧化催化器连接在滤清器的上游，该氧化催化器转化一氧化碳和碳氢化合物并且尤其也将一氧化氮转化为一氧化氮。
由未初步公开的专利申请DE 10153283中已知对此必需的可承受高的热载荷的滤清器材料。在该文本中描述了一种滤清器装置，它基本上可以被称为“开放式滤清器装置”。在一种这样的开放式滤清器装置中省去滤清器通道的相互间的结构封闭。该通道壁至少部分地由多孔的或高度多孔的材料组成，所述开放式滤清器的流体通道具有转向或导向结构，该结构把在其中含有颗粒的废气导引至由多孔的或高度多孔的材料组成的区域。当颗粒滤清器可以完全由颗粒通过，并且也可以由显著大于实际上的待过滤颗粒的颗粒通过，那么该滤清器可以称为开放式的。因此一种这样的滤清器在运行期间在颗粒附聚时本身不会堵塞。用于测量颗粒滤清器的开放度的合适的方法例如进行检验，直至哪些直径的球状颗粒仍可以慢慢流动穿过一种这样的滤清器。在当前使用情况中，如果直径大于或等于0.1mm的球，优选直径在0.2mm以上的球还可以滴流穿过，那么这种滤清器是特别开放的。
但在该文本中描述的开放式颗粒滤清器具有这样的问题，即由于沿流动方向必须连接在颗粒捕集器之前的绝对必需的氧化催化器决定，颗粒捕集器的冷启动性能相对迟缓，也就是说，通过在颗粒捕集器之前的首先待加热的氧化催化器，颗粒捕集器才被相对缓慢地加热。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，提供一种用于净化内燃机废气的废气滤清器，以及一种用于净化内燃机废气的方法，该废气滤清器/该方法具有一个快速的冷启动性能，并且满足连续再生的条件。
该目的通过按权利要求1的废气滤清器和按权利要求13的用于净化废气的方法达到。有利的扩展结构和构成是从属权利要求的对象。
一种按本发明的用于净化内燃机废气的废气滤清器，由至少一个具有至少一个由至少部分可流过一种流体的材料构成的过滤区的条状的过滤层和必要时一金属箔组成。过滤层具有至少一个具有用于转化废气的气态成分的催化活性涂层的接触区和一个用于从废气中过滤出颗粒的过滤区。
也就是说，过滤层的接触区能使废气的气态成分氧化转化，其中首先是一氧化碳和碳氢化合物以及尤其一氧化氮转化为二氧化氮。因此该接触区保证，一旦到达运行温度，在流过过滤区的废气中存在如此多的NO2，该废气滤清器可以在连续再生运行中相对于被过滤的颗粒被操作，使得可以省去位于上游的氧化剂的用于提供必需的NO2的构成。因此接近发动机安装废气滤清器是可能的。这造成实际的废气滤清器更快速地加热，并且因此造成相对于由现有技术已知的包括前接的氧化催化器的开放式滤清器装置明显改善的冷启动性能。
在这种关联中特别有利的是，接触区可以设计在以下区域中，在这些区域中过滤层与必要时相邻的薄片层或也与一个包围废气滤清器的套管连接。一个这样的通过接合技术的连接的构成经常通过钎焊实现，但熔焊或其他的接合技术方法也是可能的。如果过滤层由一种至少部分可流过流体的材料构成，这种与其他的薄片层和/或套管连接的构成通常导致，在该区域中过滤层不再或只以很少量地可流过流体，因为例如在钎焊的情况下，所述材料吸满焊料，使得在这里不再能够实现颗粒的吸收。因此这些区域只在缩小的范围上有助于废气滤清器的效率。因此有利的是，在这些区域中形成接触区，因为由此在同样的结构下不会显著地降低从废气中过滤颗粒的过滤效率，但是可以避免安装一个单独的氧化催化器。
按照废气滤清器一种有利的构造，接触区至少部分由金属箔组成。至少部分由金属箔组成的接触区的构成允许以一种有利的方式对接触区进行简单的涂层，因为金属箔可以以已知的方式用催化活性材料加以涂层，例如以一种所谓的中间层的形式，在其中可以加入催化活性物质例如贵金属如铂或铑。按本发明也有可能，使用已经涂层的箔片用于形成接触区。
按照一种另外的有利的构造，金属箔是微结构化的。一种具有微结构化的金属箔在相应的结构构造中导致，流体在流动通道中变得更加紊流，并且没有形成层流的边缘侧层。这导致大部分的气流向着至少部分可流过流体的材料区域方向导引。因此滤清器的效率总体上以一个有利的方式得以改进。此外根据金属箔的厚度相对于至少部分可流过流体的材料的厚度的比率，可以使用金属箔的微结构用于对接触区和过滤区之间的厚度进行补偿。此外金属箔的微波纹结构使得明显地增加了用于转化废气中至少一种气态成分的反应面积。
按照废气滤清器一种另外的有利的构造，接触区至少部分由可流过流体的材料组成。这使得能够以有利的方式简单地制造废气滤清器，因为这样例如整个过滤层只由可流过流体的材料组成，并且它只在接触区中用催化活性材料涂层或浸渍。
按照废气滤清器一种另外的有利的构造，废气滤清器具有一个主流动方向，沿该方向它由废气流过。接触区沿主流动方向设计在过滤区的上游。这使得能够以一种有利的方式正好也在废气入口侧的边缘区中构成接触区，所述边缘区总是用于形成不同的过滤层相互间的和/或金属层和/或与外套体的连接。因此在该区域中只存在一个降低的过滤效率，因为按通过接合技术构成的连接，可流过流体的材料吸满例如钎焊料和/或焊接添加剂和/或该区域发生压缩。此外按本发明的废气滤清器的一种这样的构造具有以下优点，即对于有助于颗粒过滤处理效率的区域，亦即对位于下游的过滤区，足够大量的二氧化氮可非常快速地形成，使得过滤区在冷启动之后以CRT-模式非常快速地运行。
按照废气滤清器一种另外的有利的构造，接触区设计在废气滤清器废气入口侧的端面区域中，优选在短于废气滤清器轴向长度20％的纵向区域中，特别优选在短于废气滤清器轴向长度10％的纵向区域中。这使得在一个只对过滤区的过滤效率有小的影响时，以有利的方式为过滤区的CRT-运行提供足够大量的二氧化氮。此外接触区在废气入口侧上的形成导致一种排气保护，通过该排气保护，防止过滤层和薄片层受废气脉冲强烈加载的废气入口侧的的边缘区域散成一缕缕，使得废气滤清器的寿命提高。
按照废气滤清器一种有利的构造，废气滤清器由相互缠结的层构成，它们至少部分为过滤层。其余的层可以是例如可设计为具有结构的或基本上光滑的薄片层。在这种关系中特别有利的是，废气滤清器由基本上光滑的薄片层和具有结构的过滤层或也由基本上光滑的过滤层和具有结构的薄片层构成。一种这样的结构使得例如废气滤清器构成为由光滑的和具有结构的层组成的蜂窝状滤芯。是否选择具有结构的过滤层和光滑的薄片层和具有结构的薄片层或光滑的过滤层的决定，取决于对废气滤清器的要求。
按照废气滤清器一种另外的有利的构造，金属箔与至少部分可流过流体的材料通过接合技术相互地连接。特别优选在该连接中，金属箔与至少部分可流过流体的材料熔焊、钎焊和/或铆接，优选熔焊和/或钎焊，特别优选钎焊。这使得以有利的方式在金属箔与至少部分可流过流体的材料之间牢固的连接，所述连接对过滤层的牢固性有积极的影响。如果金属箔设计为在废气滤清器的废气入口侧的区域中的过滤区的下游的接触区，在这种关系中是特别有利的。然后该金属箔同时也用作为在废气滤清器的由内燃机的废气脉冲和交变热应力强烈加载的局部区域中的排气保护。如果安装特别接近于发动机，废气脉冲的作用也还由此加强。
按照废气滤清器一种有利的构造，至少部分可流过流体的材料由金属纤维制成。这是有利的，因为一种这样的可流过流体的材料是非常耐热的，并且因此可以在相对长的寿命中承受汽车排气系统中的交变热应力。如果可流过流体的材料由金属纤维烧结制成是特别有利的。
按本发明构思的一个另外的方面，建议一种净化内燃机废气的方法，该方法特别在一个按本发明的废气滤清器中实施。按本发明的方法在一个蜂窝状滤芯中不仅实现一种废气的气态成分的转化而且也实现从废气中过滤出颗粒。
按照所述方法的一种有利的设计，废气气态成分的转化沿废气滤清器的主流动方向在颗粒过滤的上游发生。这使得以有利的方式提供了用于废气滤清器的过滤区的CRT-运行所必需的二氧化氮。因此也可能以有利的方式省去在废气滤清器的上游的一种单独的氧化催化器。这使得废气滤清器接近于发动机安装，由此该废气滤清器相对于由现有技术已知的开放式滤清器装置具有改进的冷启动性能。
按照所述方法一种有利的设计，气态颗粒的转化通过至少一种催化剂优选一种贵金属催化剂进行催化。这使得以有利的方式降低废气滤清器的运行温度。
附图说明
现在借助于附图更详细地说明本发明，所述附图示出按本发明的废气滤清器以及按本发明方法的特别有利和特别优选的设计。但本发明不限于在附图中示出的实施例。附图中：
图1一个按本发明的废气滤清器的过滤层的第一实施例的纵向剖面图；
图2一个按本发明的废气滤清器的过滤层的第二实施例的纵向剖面图；
图3一个按本发明的废气滤清器的过滤层的实施例的透视图，以及
图4一个按本发明的废气滤清器。
具体实施方式
图1示出一个过滤层1的第一实施例，该过滤层用于制作一种按本发明的废气滤清器。该过滤层1具有一个过滤区2和一个接触区3。过滤区2由至少部分可流过流体的材料构成。也就是说，过滤区2由一种多孔的或高度多孔的材料组成。优选在这里由金属纤维特别优选由烧结的金属纤维组成。过滤区2具有高的热稳定性。在过滤层1的这个实施例中接触区3由金属箔4构成。接触区3用一种催化活性的材料涂层。由此特别优选的是涂层为中间层的形式，在其中加入贵金属催化剂。应该在废气滤清器中净化的废气中的至少一种气态成分至少部分在接触区3中转化。在一种或多种气态成分的反应中，所述成分通过催化活性涂层加以催化，无论如何都涉及由NO转化为NO2，此外按本发明也可能对未燃烧地到达废气滤清器的碳氢化合物以及一氧化碳进行转化。
过滤区2至少部分可流过流体。在该过滤区2中过滤出位于废气中的颗粒。这正好增强地出现在柴油发动机废气中。当废气滤清器至少部分由过滤层1制成时，通过在多孔的过滤区2上和/或中的颗粒的拦截和/或碰撞使得粘附位于废气中的颗粒的至少一部分。为了实现所述效果，在流动的废气的流动断面中的压力差是重要的。通过在金属箔4中的以及在相邻的图1中未示出的薄片层中的微结构还可以提高所述效果，因为额外地产生局部的负压和过压。这通过多孔的壁增强了过滤效果。
金属箔4与过滤区2在连接区5中搭接。在该连接区中形成一个通过接合技术的在金属箔4也就是接触区3和过滤区2之间的连接。该连接区5可以例如通过铆接、钎焊或熔焊或通过至少两种这些方法的组合制成。在钎焊中，不同的钎焊方法也是可能的，其中涂覆钎焊料作为粉末或钎焊箔。此外按本发明也可能的是，金属箔4具有微结构优选为微波纹结构。它们一方面可以用于防止在边缘区域中的层流，另一方面由此也可能以有利的方式补偿在过滤区2和接触区3之间的高度差，并且因此使废气滤清器的结构简单。该区域可以由特别薄的例如厚度为15至30μm的箔片组成，和/或具有一些孔，以便保持低的热容量，这改善了冷启动性能。
此外也可能有利地加厚连接区5，这可以通过压制、轧制或在焊接方法的范围中，如例如滚缝焊接实现。
图2示出用于制作按本发明的废气滤清器的过滤层1的一个另外的实施例。该过滤层1也具有一个过滤区2和一个接触区3。该接触区3不同于在图1中示出的实施例，但也由多孔的材料组成，该材料用催化活性材料涂层或浸渍。在这种关系中特别有利的是，接触区3用一种含贵金属催化剂的中间层(材料)浸渍。也可能有利地对接触区3进行预处理，以便减少所需涂层或中间层的数量。在这里可能有利地用钎焊料进行预浸渍，它由接触区3的多孔或高度多孔的材料吸收。此外接触区2也可以通过压缩例如通过压制或轧制预处理，以便减少所吸收的中间层的数量。
在图1和2中所示的一种过滤层1的实施例是示范性地示出为光滑的。但过滤层1也可以是具有结构的优选是波纹形的。按本发明有可能的是，光滑的过滤层1与波纹形的、在这里未示出的层组合成一个废气滤清器。这可以例如通过例如以螺旋形、S形、SM形或一种其他的形式构成一个本身已知的蜂窝状滤芯。但例如形式上为蜂窝状滤芯的废气滤清器的构造也可能同样好，通过一些另外的光滑的层组合成一结构化的过滤层1。
图3示出一个具有结构的也就是波纹形的过滤层1的实施例。该过滤层1具有一个第一接触区6，一个第二接触区7，一个第一过滤区8和一个第二过滤区9。在两个接触区6、7中实现废气的气态成分的至少一部分的转化。优选在该区域中实现从NO到NO2的转化。通过由此产生的NO2可能以CRT-模式运行按本发明的废气滤清器。通过多个接触区6、7的构造，平均地实现NO2含量沿轴向方向10的均匀的分配，因为在这里在第一接触区6的端部上不仅出现NO2含量的绝对最小值，而且分别在第一接触区6和第二接触区7的端部上出现局部的最大值。其他的接触区和过滤区的构成按本发明也是可能的。
图4示出一个按本发明的废气滤清器11。该滤清器沿轴向方向由废气流12流过，废气流12经废气入口侧13流入到废气滤清器11中，并且从废气出口侧14离开此废气滤清器。废气滤清器11由蜂窝状滤芯制成。如在小的详细示出的区域中所示，废气滤清器11由一些光滑的层15和具有结构的层16构成，它们相互交替地并且S型地缠结。按本发明可能同样好的是，光滑的层15与具有结构的层16以一种另外的方式组合，例如螺旋形或SM形或也以任意的其他形式卷绕。光滑的层15和具有结构的层16形成通道19，它们可流过流体例如可流过废气流12。
按本发明可以把过滤层1用作为光滑的层并且把薄片层用作为具有结构的层16，但也可能同样好的是，把过滤层1用作具有结构的层16并把金属薄片层用作光滑的层15。按本发明把过滤层1至少部分地不仅用作光滑的层15而且用作具有结构的层16也是可能的。
在废气入口侧13废气滤清器11具有一个接触区3，在该接触区中实现废气流12的至少一种气态成分的至少一部分的转化。优选在接触区3中实现从一氧化氮到二氧化氮的转化，也就是说从NO到NO2的转化，使得通过在接触区中的转化产生用于CRT-模式运行所必需的NO2的份额。优选至少在接触区3中也将光滑的层15连接到波纹形的层16上和/或未明确示出的包围蜂窝状滤芯的套管上。此外，通过以与过滤区2连接的金属薄片的形式的构成接触区，在废气入口侧13上产生一排气保护，因为没有排气保护废气入口侧特别遭受强烈的老化，因为通过废气流12的脉冲状排出的废气在层15、16上施加了一个特别大的负载。
相对于废气滤清器11的轴向长度17，接触区3的线膨胀18选择为明显较小的。优选接触区3的线膨胀18小于废气滤清器11的轴向长度的20％，特别优选小于废气滤清器11的轴向长度的10％。因此，可能以有利的方式通过在废气入口侧13的区域中形成接触区3，为过滤区2提供用于以CRT-模式运行的充足的NO2。因此无须在废气滤清器11的上游不构成一个附加的氧化催化器地实现废气滤清器11接近于发动机的安装，它使得实现废气滤清器11非常好的冷启动性能。此外这样可以节省制造成本，因为无需在废气滤清器的上游设计单独的氧化催化器。
附图标记清单
1  过滤层
2  过滤区
3  接触区
4  金属箔
5  连接区
6  第一接触区
7  第二接触区
8  第一过滤区
9  第二过滤区
10 轴向方向
11 废气滤清器
12 废气流
13 废气入口侧
14 废气出口侧
15 光滑层
16 结构层
17 轴向长度
18 线膨胀
19 通道

Claims (15)

1.一种用于净化内燃机废气的废气滤清器(11)，由至少一个条状的过滤层(1)和必要时一金属箔(4)组成，所述过滤层具有至少一个由至少部分可流过一种流体的材料组成的过滤区(2)，其特征在于，过滤层(1)具有至少一个具有一用于转换废气的气态成分的催化活性层的接触区(3)和一个用于从废气中过滤出颗粒的过滤区(2)。
2.按照权利要求1所述的废气滤清器(11)，其特征在于，接触区(3)至少部分由金属箔(4)组成。
3.按照上述权利要求之一所述的废气滤清器(11)，其特征在于，金属箔(4)是微结构化的。
4.按照上述权利要求之一所述的废气滤清器(11)，其特征在于，接触区(3)至少部分由可流过流体的材料组成。
5.按照上述权利要求之一所述的废气滤清器(11)，其特征在于，废气滤清器(11)具有一个主流动方向，沿着该主流动方向废气流过所述废气滤清器，并且接触区(3)沿着主流动方向构成在过滤区(2)的上游。
6.按照权利要求5所述的废气滤清器(11)，其特征在于，接触区(3)构成在废气滤清器(11)的气体入口侧的端面区域(14)中，优选构成在短于废气滤清器(11)的轴向长度(17)20％的纵向区域中，尤其优选构成在短于废气滤清器(11)的轴向长度(17)10％的纵向区域中。
7.按照上述权利要求之一所述的废气滤清器(11)，其特征在于，废气滤清器(11)由相互缠结的各层(15、16)构成，这些层至少部分为过滤层(1)。
8.按照权利要求7所述的废气滤清器(11)，其特征在于，废气滤清器(11)由基本上光滑的薄片层(15)和具有结构的过滤层(1)构成。
9.按照权利要求7所述的废气滤清器(11)，其特征在于，废气滤清器(11)由基本上光滑的过滤层(1)和具有结构的薄片层(16)构成。
10.按照上述权利要求之一所述的废气滤清器(11)，其特征在于，金属箔(4)与所述至少部分可流过流体的材料通过接合技术相互地连接。
11.按照权利要求9所述的废气滤清器(11)，其特征在于，金属箔(4)与所述至少部分可流过流体的材料熔焊、钎焊和/或铆接，优选熔焊和/或钎焊，尤其优选钎焊。
12.按照上述权利要求之一所述的废气滤清器(11)，其特征在于，所述至少部分可流过流体的材料由金属纤维构成。
13.一种用于净化内燃机废气的方法，尤其是在按权利要求1至12之一所述的废气滤清器(11)中进行，其特征在于，在一个蜂窝状滤芯中不仅实现废气的气态成分的转化，而且实现从废气中过滤出颗粒。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，相对于废气滤清器(11)的主流动方向在过滤颗粒的上游实现废气气态成分的转化。
15.按照权利要求13或14之一所述的方法，其特征在于，气态颗粒的转化通过至少一种催化剂，优选一种贵金属催化剂加以催化。
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