CN204386703U - 新型净化设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于处理含颗粒流体的净化设备(PUL)。为了提供高颗粒分离能力，并且在运行条件下保持基本上无堵塞，本实用新型的净化设备(PUL)包括用于流体通流的至少一个主颗粒分离器(PPE)，以及在所述主颗粒分离器(PPE)旁边的至少一个旁路颗粒分离器(OPE)，所述主颗粒分离器(PPE)具有比所述旁路颗粒分离器(OPE)高的相对颗粒分离能力和压力损失，所述旁路颗粒分离器(OPE)基本上不易堵塞并且设置尺寸使得，一旦主颗粒分离器(PPE)被完全堵塞，其能够进行净化设备(PUL)中的流体处理，并且设置流经所述主颗粒分离器和旁路颗粒分离器的流体流量，以由所述分离器的相对背压所控制。

Description

新型净化设备
技术领域
本发明涉及一种用于处理含颗粒的流体的净化设备。
背景技术
由于车辆、机器和发动机的废气排放限制逐年变得日益严格，因此不可避免的要使用后处理方法来保持低于限值的排放。在柴油汽车中，要达到颗粒(PM＝颗粒物质)和NOx的排放标准，是最困难的，但要达到一氧化碳和碳氢化合物的排放标准，通过使用氧化催化剂，是很容易实现的。在发动机中，可以通过使用发动机技术方法(如EGR＝废气再循环)来降低燃烧温度以减少NOx，但是这些技术方法会增加CO、HC和PM的排放量。柴油机颗粒过滤器(DPF＝柴油机颗粒过滤器)通常用于车辆应用中，用于减少有害颗粒，转化率超过90％。传统过滤器为壁流式(强制流过多孔壁)，并基于表层过滤，其中颗粒层积聚在流道壁上，并且经过初始积聚后，很少有颗粒堆积在多孔壁内。这种基于表层过滤的过滤器在壁中具有平均孔径大小约为8-25μm，该孔径大小在普通的尺寸设置中足以除去95％以上的颗粒物质量。这些完全过滤器可以由部分过滤器代替，部分过滤器也被称为POC(部分氧化催化剂)，并且过滤效率约为40-70％。与完全过滤器的大部分灰分和未燃烧物质捕集于过滤器表面相比，部分过滤器的优点是免维护，未燃烧的灰分和过量的颗粒能够在不使用外部能量的情况下脱离组件。对于完全过滤器，即使完全除去了可燃碳烟/碳，在操作过程中压力损失也常常增加。这是由于未燃烧灰分的积聚所导致。还存在一种基于深度过滤的过滤器，其分离效率大致处于表层过滤分离效率和局部过滤分离效率之间，通常为50-90％，但从实际使用来看，最佳分离效率估计为60-80％。这种基于深度过滤的过滤器通常由陶瓷或金属纤维或泡沫或烧结金属制成。过滤器中的纤维可以是垫或褶垫(pleated mats)形式。通过最大化过滤面积(类似于空气或油过滤器的褶皱构型的薄垫)，可以最大限度地提高效率和压力 损失之间的关联。部分过滤器和完全过滤器之间的本质区别是，完全过滤器中流体是被强制通过过滤/收集层，而部分过滤器还有畅通的通道通过过滤器。部分过滤器通常采用滤网、纤维垫或多孔板，并且响应于各种通道中的压力差和湍流，颗粒可以迁移到滤网、纤维垫或多孔板上。即使深度过滤器和部分过滤器名义上使用相同的材料，两者还是可以通过工作机制和结构来区分的。例如，通过强制流体通过纤维垫，所述纤维垫可用作蜂窝结构(深度过滤)，或通过使主流流经波纹状光滑纤维垫制成的蜂窝的通道但同时仍有一些颗粒留在壁面上，而用作所述蜂窝(部分过滤)。在使用纤维的过滤器中，过滤是基于利于过滤的纤维直径。在纤维层或垫中，具有典型的非常高空隙比例(大于90％的孔隙率)，而在典型的基于表层过滤的过滤器(如堇青石、SiC或钛酸铝)中，过滤壁的孔隙率通常为40-50％，在特殊的高孔隙率过滤器中可高达60-70％。同样，在深度过滤中，像在表层过滤中一样，更多的颗粒开始在下游积聚在过滤器表面上。
通常，颗粒中被过滤的碳物质(碳烟)通过补充热量进行热力燃烧。碳烟可以在550℃以上的温度与氧进行强烈燃烧反应而被氧化，或在较低温度(250-350℃)下借助NO2缓慢地与氧进行强烈燃烧反应而被氧化。所述NO2是在氧化催化剂中产生，并且只要所述氧化催化剂充分有效，NO2就可在适度低温(>250-300℃)下氧化碳烟。
有效氧化催化剂可以去除PM中大部分含碳氢化合物的蒸发成分(VOF＝挥发性有机成分或SOF＝可溶性有机成分)。通常VOF的比例为10-40％，但对于某些发动机和某些驾驶条件，颗粒中的VOF可高达70-90％。所述条件是在城市驾驶中由于使用旧式发动机和/或某些燃料形成的。因此，无法根据分离效率来明确归类氧化催化剂、部分过滤器和完全过滤器，因为它们的分离效率根据不同的操作条件在转化率方面互相重叠。此外，颗粒积聚在过滤相内(深度过滤)而不是通道表面上的过滤器的分离效率，很大程度上取决于流速和线速度。深度过滤器的分离效率通常会随着线速度增大而减小，而典型部分过滤器的效率则随着线速度的增大而增大(过滤是基于增强的材料转移)，这是深度过滤器和部分过滤器之间明显的功能差异。许多深度过滤器开始允许颗粒以较高流速通过。分离效率也取决于颗粒的大小。
碳成分的去除要求在过滤器或催化剂中的停留时间较长。现有公知的CRT方法(连续再生捕集)包括含Pt的氧化催化剂，然后是未涂覆或涂覆催化剂的DPF(EP 341832)。使用传统的完全过滤器的被动方法的问题在于，某些情况下没有产生足够量的NO2，例如，在拥挤的城市驾驶条件下，而且该方法需要含硫量非常低的燃料(S<10ppm)，以在有效且昂贵的含Pt氧化催化剂中形成最少的硫酸盐。如果使用含硫量较高的燃料，则会形成更多的硫酸盐(SO2→SO3→SO4，由Pt催化剂催化)，这会完全抹杀掉使用过滤器所带来的好处，或过滤器很快被填满从而增加了再生频率和堵塞风险。任何情况下都无法接受完全过滤器(DPF)堵塞，因为它会使驾驶停下来。正是由于这个原因，大多数的颗粒过滤器具有主动再生特性，这种原则已经实行了数十年。现代控制工程和发动机控制技术使得主动再生可以在DPF中进行。在新型现代柴油汽车中，主动过滤器再生可以通过周期性升温进行设置，一般升到600-650℃的范围。如果过滤器堆积了足够的碳烟，则开始燃烧提供补充热量帮助碳烟进行完全燃烧。尽管碳进行了再生，完全过滤器还是聚集了未燃烧灰分，其量在尺寸设置、润滑剂建议以及可能的维护步骤中必须予以考虑。
除了传统的壁流式颗粒过滤器，还有现有已知的由钢棉、泡沫陶瓷、蜡烛结构、利用静电分离的纤维包覆管结构、或水洗器制成的组件。在现有已知的过滤器组件中，穿孔管结构包裹在纤维垫或金属棉中，一个或多个这样的结构可以安装在完全过滤器组件中。典型的是，所述纤维结构是均匀的并且没有间隙，所述流在所述组件中被任意输送，避开纤维丝并且主流向一般为径向。这些方面对深度过滤型过滤器来说是典型的，其中一些颗粒积聚在过滤材料内。通常，在这些过滤器中，废气径向地流向所述管内部，从而所述颗粒有足够空间积聚在所述过滤器上游的所述组件的里面、表面上以及开放空间里。也有使用例如烧结金属或多孔金属泡沫的金属制完全过滤器。
部分过滤器的结构已经在氧化催化剂的基础上进行了改造，通过采用在壁中带有各种穿透式构造、爪式和凸起式构造以及在蜂窝流道内收缩或过滤元件的结构来代替陶瓷或金属蜂窝，以促进颗粒分离。所述穿透或过滤元件使用陶瓷或金属网、陶瓷或金属棉，或者陶瓷或金属多孔材料构成， 来代替普通金属或陶瓷壁。部分过滤器通常设置有蜂窝组件，其在主流方向上包括轴向开口通道系统。主流与普通催化剂组件中的类似，但通过迫使部分流在径向上流过壁中滤网、纤维或网眼，同时被压力差所调节，颗粒分离得到了增强。但径向流在各个方向上仍然是杂乱无章的，与主流一致的向量一般是轴向的。另一个基本原则是，流体从蜂窝一端流入，从另一端相对侧流出，蜂窝通常是圆形或角形的。
颗粒过滤器的再生不仅要通过结合使用发动机节流(调节空气/燃料比，以接近化学计量条件)和补充燃料喷射，而且还要使用电加热、等离子体(SAE Paper 199-01-3638)或燃烧器，其能带来补充热量并燃烧碳烟(EP0070619-1982and Emissionminderung,Autobilabgase,Dieselmotoren,Nurnberg 15-17Oct 1985,Kurzfassungen,VDI 1985)。补充燃料可被注入气缸(后注入)，或注入在氧化催化剂和/或催化颗粒过滤器上游的排气系统。使用添加剂也可增强燃烧，添加剂可注入到燃料中并含有Ce、Fe或Sr等，一旦添加剂在碳烟表面分散，可将燃烧温度降至例如约500℃，也可增强使用NO2进行的再生。
特别是在静止项目中，也可以使用相邻的颗粒过滤器，其中一些过滤器处于过滤模式，而另外一些处于再生模式。载有颗粒的过滤器被转移以进行再生并且在再生后返回到过滤模式。流体的流量由阀门调节，但使用阀门也存在问题，在比较脏的项目中可能出现缺陷。与单线路系统相比，这种结构还需要大量额外的过滤器体积。
颗粒过滤器的催化涂层可以用于促进碳烟的催化燃烧(SAE Paper 8500015,1985)、促进NO2的形成、或氧化为升温而喷射的燃料。催化剂在碳氢化合物(来源于燃料)、一氧化碳和NO的氧化中最有效，并且也最耐用，其是基于铂(Pt)的催化剂。形成高含量的NO2尤其需要使用Pt，而在碳氢化合物和CO的氧化中铂(Pt)也具有活性。通过使用各种涂覆在过滤器上并含有例如钒、铜、钾、钼以及它们的化合物的催化剂，来进行碳烟的催化燃烧。这些催化剂通常表现出良好的流动性以移动到固体碳烟的表面，或含有可移动的氧。
相对于完全过滤器，部分过滤器的再生主要是基于NO2的被动再生。由于未燃烧的杂质和硫酸盐会立刻或过一会儿从部分过滤器出现，所以对 含硫和灰分较高的燃料，也可以使用部分过滤器，并不会出现堵塞。从再生角度考虑，温度以及NOx/C的比值通常要求要足够高，这样才能形成足够量的NO2，并且NO2+C反应足够快，以阻止颗粒的积累。部分过滤器在结构和颗粒堆积方面与完全过滤器不同，这就是为什么在再生中不同的条件起主要作用。在21世纪初，部分过滤器的效率比氧化催化剂效率稍好，但后来一直希望将这个开放型过滤器的PM效率提高到约60-70％的水平。因此，PM排放量也是完全过滤器(转化率超过95％-98％)的5-20倍以上，因此这些过滤器可以分到不同类别里。因此，部分过滤器的堵塞条件和再生策略仍完全不同于基于表层过滤的完全过滤器。相较于这些，很少氧化催化剂提供更低一级的堵塞风险或背压。在完全过滤器中，背压上升相当大，可用传统的压力传感器进行测量。而另一方面，在部分过滤器中，压力损失增加要少得多、慢得多。背压的显著上升就已经显示出了堵塞的迹象。
最初在21世纪早期，部分过滤器是相当开放的，PM的转换率比DOC或VOF成分的转换率稍高(30-40％)。由于通过开发更封闭的结构已使部分过滤器得到增强(PM转换率60-70％)，因此堵塞风险也同时增加了，甚至希望使用原先与之无关的主动再生方法。如果部分过滤器必须采用主动再生方法，那么使用部分过滤器所带来的一些优点将会丢失，并且使用完全过滤器的门槛会降低。
实用新型内容
本发明的一个目的是提供一种处理含颗粒的流体的净化设备，其具有高颗粒分离能力，并在操作过程中尽可能不出现堵塞。为了达到这个目的，本发明的特征在于在独立权利要求中提出的特征。其他权利要求给出了本发明的几个优选实施方案。
根据本发明的净化设备包括至少一个主颗粒分离器PPE，在所述主颗粒分离器PPE旁边还包括至少一个旁路颗粒分离器OPE，主颗粒分离器PPE具有比旁路颗粒分离器OPE高的相对颗粒分离能力和压力损失。所述旁路颗粒分离器OPE基本上不易堵塞并且设置尺寸使得，一旦主颗粒分离器被完全堵塞，其能够进行净化设备PUL中的流体处理，并且设置流经所 述主颗粒分离器和旁路颗粒分离器的流体流量，以由所述分离器的相对背压所控制。
与现有已知的可能包括流量调节阀门的系统相比，所述设备优选为完全被动型。优选地，在完全过滤器或部分过滤器旁边设置的是至少一个部分过滤器或蜂窝催化剂，其基本上不易堵塞并且尺寸设置为在主单元出现完全堵塞时，其尺寸足以处理系统的流体。
与现有技术中的完全或部分过滤器相比，所述新型组件、再生方法和系统实现了免维护运行、各种工作条件下再生、以及再生中的低能耗。所述组件允许使用具有催化活性组分的涂层，用于氧化一氧化碳、碳氢化合物、一氧化氮(NO)和颗粒。通过使用具有至少两个并排不同的过滤器或催化剂的组件，可以使所述净化设备在整个使用期内不会出现堵塞并具有低压力损失，这样，比较稀疏的结构会在效率比较高的单元被完全堵塞时起作用。由于流经所述组件的所述流响应于所述分离器的相对背压而被输送，因此无需阀门调节或其他调节方法而实现流量分配。根据本发明，所述设备的另一益处是适当的制造和操作成本。
根据本发明的一个目的，所述主颗粒分离器PPE和旁路颗粒分离器OPE涂覆有催化剂，其催化碳氢化合物、一氧化碳、氢气、氮氧化物、氨和/或颗粒的氧化，和/或碳氢化合物、氨等还原剂对氮氧化物的还原，和/或吸附氮氧化物。根据本发明的一个目的的净化设备(PUL)前面进一步设置有净化催化剂，其在碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物和/或颗粒的氧化中，和/或氮氧化物的催化去除中具有活性。
本发明的应用领域包括但不限于，移动或静止项目中的排气、烟气和废气。通常，气体混合物是这样的，它连续或一般含有过量氧。在产生废气的燃烧中，可以使用任何类型的气态燃料(例如甲烷、丙烷、生物燃料、气化气体)、液态燃料(轻质或重质燃料油、柴油、汽油或生物燃料)或固态燃料。
根据本发明的过滤器可在例如完全贫燃条件下(氧过量)、或不时地进行混合物比值短时调整以达到化学计量比或浓混合比的条件下应用。调整混合物比值以及由此产生的温度上升的目的是为了由颗粒、累积的毒素或吸附剂全部或部分再生过滤器。调整混合物比值的另外一个可能原因是由于 该系统包括其他催化剂(如NOx吸附催化剂)，这些催化剂不时地需要化学计量条件或浓混合条件，以进行再生。
完全或部分过滤器的应用已经扩展到温度极低的项目中，例如，在恒定的城市驾驶中，以及条件不足以进行被动再生的项目中，因此，高性能过滤器可能会开始堵塞，或者在部分过滤器中，大量颗粒滑入废气中。在此情况下，就会有堵塞危险，特别是使用基于NO2再生的完全过滤器。即使使用主动再生，完全过滤器不管怎样都会不可避免地堵塞，因为未燃烧灰分如果不维护、不清洁的话是无法去除的。这个维护周期也取决于燃料和润滑剂(灰分物质)的性质。在发生故障事故(非标燃油、其他杂质、发动机故障)时，可能会突然发生堵塞。
附图说明
附图中描述了根据本发明的一些方案：
图1净化设备，其包括主颗粒分离器和旁路颗粒分离器。图1A显示组件侧视图。图1B显示组件正视图。
图2净化设备，其进一步包括上游的净化催化剂，和任选的多孔板组件。
图3中部带有旁路颗粒分离器的组件。
图4具有三个嵌套分离器的组件，所述分离器具有阶梯变化的相对压力损失。其中，相对压力损失(单位体积、单位长度)：3>4a>4b。图4A显示以嵌套构造的三个不同组件。图4B显示组件正视图。
图5具有两个不同的分离器的组件，依次在旁路和/或主通道中，其具有连续设置有两个不同蜂窝的主通道和/或旁路通道。相对压力损失和分离效率：3b＞3a＞4b＞4a。4a(3a)和4b(3b)的性质可以相互调换。每个单元的长度也可以不同。图5A显示旁路通道具有两个不同性质的蜂窝。图5B显示主通道和旁路通道具有两个不同性质的蜂窝。
图6具有依次设置的本发明的两个结构的组件，使得第一结构的主蜂窝位于中部而后面的结构位于外围。图6显示两个连续设置的本发明的组件交换蜂窝的位置。
图7由成对滤网组成的通道系统，其中流体也能在横向通过。7(a)表 示滤网/箔组件表面上的催化涂层。7(b)表示输入气体或流体轴向。
图8由成对壁或多个壁组成的部分过滤器结构。壁：通常为滤网、纤维垫、膜、多孔箔或箔。8(a)表示对角波纹角度，8(b)表示波纹箔波峰的第一方向，8(c)表示波纹箔波峰的第二方向，D表示滤网宽度，8(e)表示对角波纹相对于流的角度。8(f)表示壁1(高波峰)，8(g)表示壁2(低波峰)，8(h)表示无波纹壁。
图9根据本发明的组件的再生方法，采用被动(两种分离器都使用NO2)和主动再生(在主颗粒分离器中)。
图10颗粒层厚度在开放型颗粒分离器中的影响、对压力损失的影响以及对旁路尺寸、旁通率的影响。当流体全部流经旁路蜂窝时，压力损失是543mbar。
图1-10中使用的缩写：
1＝输入流体 
2＝输出(处理过的)流体
3＝主颗粒分离器(PPE)
3a＝第一主颗粒分离器(PPE)
3b＝第二主颗粒分离器(PPE)
4＝旁路颗粒分离器(OPE)
4a＝第一旁路颗粒分离器
4b＝第二旁路颗粒分离器
5＝通过主颗粒分离器的流
6＝通过旁路颗粒分离器的流
6a＝通过第一旁路颗粒分离器的流
6b＝通过第二旁路颗粒分离器的流
7＝多孔板
7a＝分离器上游的多孔板(第一多孔板)
7b＝分离器下游的多孔板(第二多孔板)
8＝反应器/外壳
9＝净化催化剂 
10＝用于升温的附加能量，如燃料或电力
ES＝能量供应 
具体实施方式
图1所示为根据本发明的一个组件。流体(1)(通常为废气)进入设置有一个或多个主颗粒分离器PPE(3)和一个或多个旁路颗粒分离器OPE(4)的反应器。所述主颗粒分离器具有比所述旁路颗粒分离器更高的颗粒分离能力和相对压力损失。所述分离器(5和6)之间的流量控制主要是基于分离器的相对背压、大小和填充程度以完全静态方式确定，无需调节阀。因此，所述设备在流量控制方面优选为完全被动式。同时也有必要将旁路通道定义为分离器，而不仅仅是作为空隙旁路。此外，该结构可包括多孔板7，位于所述分离器的上游和/或下游，用于调节/控制流量并用作粗过滤器。所述设备容置于反应器/壳体(8)中(图2)。所述基本结构前面也可设置净化催化剂(9)，用于将气体杂质，例如一氧化碳、碳氢化合物、碳(颗粒)和NO，有效地氧化成水、CO2和NO2，它们可用于部分过滤器的再生，或用于实际净化催化剂中，并且在氮氧化物还原(NOx吸附还原(NOx捕集)，还原剂为氨和/或其衍生物以及碳氢化合物的SCR)方面也可能起到积极作用。
因此，根据本发明的组件包括两个或更多个蜂窝的嵌套结构，其中，所述流基于相对背压通过各种蜂窝进行分配。每个蜂窝中的背压以及由此确定的流量分配将根据主要配置(普通蜂窝，POC配置(部分过滤器，甚至是完全过滤器)、尺寸设置(表面积、长度、孔径数、壁厚)，以及碳烟/灰分负载量)来确定。在密集型固体蜂窝中，背压上升的速度比在开放稀疏型蜂窝中快，所述开放稀疏型蜂窝即使在比较恶劣的条件下也保持开放。事实上，一些柴油机应用可能会经历这样的情形，例如完全过滤器没有再生或充满了灰分，以及由于过滤器堵塞而使驾驶停止。因此，通过旁路蜂窝的小型旁路通道是系统中很好的预防措施。
因此，所述基本结构包括密集型分离器/蜂窝和稀疏型分离器/蜂窝。所述密集型蜂窝是指具有较高的颗粒分离能力(具有较高目数的APE蜂窝)和背压的蜂窝。稀疏型蜂窝是指具有较低颗粒分离能力和背压的蜂窝。因此所述组件包括比较密集型蜂窝和比较稀疏型蜂窝。如果密集型蜂窝是完全过滤器，那么比较稀疏型蜂窝可以是开放型颗粒结构(APE)。如果比较密集 型蜂窝是APE结构，那么比较稀疏型蜂窝就是，例如传统的流通式转换器或开放直通道型蜂窝。例如，流通式转换器是普通氧化催化剂，该催化剂在作为旁路蜂窝时，优选为金属环元件。根本上，在这种情况下，流通式转换器收集较少的颗粒，并且与PPE相比，不容易堵塞。
如果密集型蜂窝是具有1200cpsi目数的普通流通式转换器，比较稀疏型蜂窝则例如是具有400cpsi目数的普通流通式转换器。颗粒分离效率和背压是互相关联的，但同时蜂窝堵塞的增加也与分离效率和背压成正比。密集型蜂窝和稀疏型蜂窝的长度也可以是不同的。
还有一种特殊方案是这样的，即蜂窝是相似的，但是“稀疏型蜂窝”相当短，这样就不容易发生堵塞，并且当较长的蜂窝发生堵塞时，越来越多的流体开始流过较短的蜂窝。较短的蜂窝中出现更多湍流。这一理念可主要应用于开放型结构，因为完全过滤器的过滤效率和易堵塞性都是由封闭设计所导致的。
所述净化设备可容置在反应器(8，图2)中，该反应器例如是常规覆盖型催化转换器，该转换器的蜂窝可以是未绝缘的或者包裹在绝缘/装置垫和/或热屏蔽中。所述反应器还可以与消音器集成在一起，所述消音器也可以包括其他功能蜂窝(氧化或脱硝催化剂(SCR，LNT)、完全过滤器、以及与这些单元的操作相关的附加单元)。蜂窝形状可以是圆形、椭圆形或跑道形的，并且在所有这些情形中，所述流可以是轴向或径向的，或某些情形下蜂窝是轴向的而其他情形下是径向的。
根据本发明的一个目的，所述主颗粒分离器PPE是完全过滤器，例如壁流式过滤器，所述旁路颗粒分离器OPE是开放型颗粒分离器APE，其具有蜂窝结构，并且蜂窝结构设置有其间为开放型通道的渗透壁。在本发明的一个目的中，所述主颗粒分离器PPE是开放型颗粒分离器，所述旁路颗粒分离器OPE是流通式转换器。
在本发明的一个目的中，所述主颗粒分离器PPE的尺寸被设计为在无负载状态和/或正常颗粒负载状态下具有大于70％的通流，优选大于85％。
在本发明的一个目的中，所述主颗粒分离器PPE具有50-100％，优选60-99％的颗粒分离效率，所述旁路颗粒分离器OPE具有20-90％的效率，优选为30-70％。例如，主颗粒分离器(PPE，3)是具有高颗粒分离效率(通常 为80-100％)的完全过滤器、表层过滤器或深度过滤器，或是开放型颗粒分离器，其PM效率(例如50-80％)比旁路颗粒分离器(OPE，4，PM效率20-70％)要高。
在本发明的一个目的中，所述主颗粒分离器PPE是壁流式陶瓷过滤器，所述旁路颗粒分离器OPE是金属和/或陶瓷开放型颗粒分离器(APE)。所述完全过滤器是典型的蜂窝型过滤器，其中所述流体被强制穿过滤壁。该过滤器材料由堇青石、碳化硅或钛酸铝等陶瓷材料或它们的混合物组成。所述完全过滤器也可以是由陶瓷泡沫、纤维(金属、陶瓷、金属氧化物或它们的混合物)、烧结金属等有效颗粒过滤材料制成的深度过滤器。当PPE是开放型颗粒分离器时，在其旁边还有另外一个开放型颗粒分离器作为OPE，其相对PM效率和背压比所述PPE的低。
所述旁路颗粒分离器OPE通常是单位体积背压显著低于所述主颗粒分离器的颗粒分离器。这尤其可以通过OPE为开放型颗粒分离器，而PPE为例如蜂窝型完全过滤器来实现。开放型颗粒分离器具有通过蜂窝的开放型通道，用于即使在PPE开始堵塞的情况下也可保持该结构畅通。在所述设备中流量控制是完全被动的。由于OPE的相对背压比PPE的低，因此OPE的体积要非常小，以确保旁路结构运行，并确保即使PPE完全堵塞，背压也不会变得过高。由于OPE很小，并且正常情况下只有小部分流体流过，所以整个系统的PM效率保持在较高的整体水平上。
本发明不同于其他具有旁路的系统，在这些系统中用阀门调节流量。那些包括空隙旁路通道或管道的结构也同样与本发明不同，因为旁路通道旨在具有收集效率/表面、催化表面、颗粒分离器/催化剂蜂窝。当然，最简单的、具备旁路的结构会是这样的，旁路包括空隙管道或环形通道，但即使如此，也要通过设置系统流量分配的大小，如本发明提出的那样，来调整相对背压，使得背压保持在限值内，并不会阻止继续驾驶。
所述开放型颗粒分离器(APE)是指具有开放型通道的结构，而不是完全过滤器的密集型孔隙或纤维图案，其中，颗粒的流壁粘附性已经通过使用曲折的、间或收缩和扩大的通道段来进行增强，所述通道段具有通过该流壁的穿通路径，有助于相邻通道之间压力差的均衡。这些条件促进了颗粒对壁的粘附性，所述壁用作收集表面，并优选由金属或陶瓷滤网、膜或纤 维垫(或其组合)制成。典型地，收集效率为40-80％，明显低于蜂窝型完全过滤器的收集效率。
图3描述了本发明的一个组件，旁路设置在所述主蜂窝的中部。这样，收集能力更强的主蜂窝位于外部，由此更容易冷却，热量更容易向外传播。在技术意义上说，在中部制造小型稀疏蜂窝比制造在外围具有相应表面的蜂窝更容易。
在本发明的一个目的中，所述主颗粒分离器PPE位于所述结构中部，所述金属旁路颗粒分离器OPE设置在所述主颗粒分离器PPE结构的周围并平行于流动方向。根据本发明，也可以设置两个以上平行分离器(图4)。在这种情况下，所述蜂窝的密度、分离效率和/或相对背压会阶梯式减小，从而所述流的大部分在空隙状态下首先通过最密集的分离器，但是，随着比较密集型分离器的填满，越来越多的流会转向下一个比较稀疏型分离器，最终流入最稀疏的分离器。同时，相对体积和收集区域会随着分离效率的降低而减小这种情况也较常见。这类设备可以由例如这样的结构组成，该结构中，所述主颗粒分离器包括完全过滤器，所述第一旁路颗粒分离器包括密集型APE，所述第二旁路颗粒分离器包括稀疏型APE或流通式蜂窝或在任何情况下都保持开放的空隙旁路通道。
所述主通道和/或旁路通道也可以依次设置具有不同特性的分离器(图5)。这也可以实现背压和流量分布的更精确调节。例如，上前方可以是稀疏型蜂窝，而比较密集型蜂窝设在其下游侧，从而可以获得适当的背压，并在密集型下游段收集更多的颗粒。因此，所述颗粒不会从正面填满所述分离器，而是从背面填满所述分离器，由此，当上游段开始堵塞时，正面仍有空间用于收集和存储颗粒。如果比较密集型蜂窝位于该结构的上游，那么在该蜂窝的上游段会收集到更多的颗粒，由此，通过使用供应到正面的外部能量(基于电的加热方法或者基于燃料喷射的加热方法)，可以很容易地再生。接下来可以设置APE和完全过滤器，作为例如PPE。连续结构也能在上游段使用催化活性较强的涂层，这可在下游的密集型蜂窝、尤其是特定的通道中，产生更多的NO2，或者上游催化剂是与主动催化相关的有效的HC氧化剂。因此，上游分离器也可以是流通型蜂窝。该结构可以用来代替上游净化催化剂。
在本发明的一个方案中，在蜂窝的完全静态段的调节下，所述流通过蜂窝输送。即使不进行外部流量调整，也会进行再生。如果蜂窝处于堵塞过程，就会有较少的贯通流，这使得其更容易加热。除了静态条件，也可以使用流量或再生控制，如在密集型蜂窝中进行电加热。外部加热尤其适合该系统的正常加热，其通过燃料富集来进行，更难在完全堵塞的蜂窝中传递。额外能量可以使整个系统、整体主颗粒分离器以及部分PPE，一次被加热，或使主颗粒分离器中的含碳物质被点燃。所述颗粒主要由碳和碳氢化合物组成，其点燃可通过额外能量或火花来实现。碳氢化合物在温度上升到150-300℃以上时，可以局部点燃，并且如果温度局部升高到400-600℃以上，同样适用于碳，这取决于碳烟结构以及碳燃烧中可能存在的催化活性。同时存在的高NO2含量也可以促进点燃。当然，再生也可以基于采用NO2的完全或部分被动再生。
在本发明的一个目的中，与不含有颗粒的净化设备PUL相比，所述净化设备PUL的尺寸被设置以使压力损失可增大5-50倍，优选为10-20倍，并且所述流整体经由旁路颗粒分离器OPE向前流动。虽然净化设备的目的是保持整体背压尽可能低，但根据本发明的设备是通过相对背压来设置每段尺寸的。
流经蜂窝的流速是这样设计的，在正常条件下主流经过更有效、更密集型蜂窝，因此该蜂窝体积必须比稀疏型蜂窝大很多。虽然稀疏型蜂窝较小，但背压的设计考虑到了发动机运行和驾驶，即使所述流的全部或几乎全部必须流经所述蜂窝。但是，如果主蜂窝堵塞了，在正常尺寸设置中，背压会是几百毫巴。当然，稀疏型小蜂窝没有设置主要碳烟存储容量，从而在所述流全部转向所述旁路蜂窝的情况下，使PM转换保持在相对较低的水平(30-50％)。旁路颗粒分离器也可以用于确保发动机/设备不停地运行，以及，只要有可能，用于进行例如主动再生。当然，也可使用致动器和阀门进行流量调节，如基于背压进行，在这种情况下，系统不再是被动的。根据本发明，在一个应用中，虽然流量调节会是完全被动的，但可使用主动或被动方法进行PM的再生。
特殊方案可以是蜂窝尺寸彼此接近的情形。一种此类系统可以包括并排的完全过滤器(PM转换率大于98％)和开放型颗粒分离器(PM转换率为 40-50％，具有该特殊尺寸设置)，由此，如果大部分所述流经过所述完全过滤器，那么整体PM转换率会较高(如80-90％)，如果大部分所述流经过所述开放型过滤器，那么整体PM转换率就会较低(60-70％)。这就为系统再生或维护提供了时间和机会，无需中断驾驶，无论什么时候，只要允许进行维护就可以。当大部分所述流经过所述旁路过滤器时或者再生不能在野外进行时，OBD(车载诊断)系统可能激活。通过这种方式，确保所述净化设备可以进行维护。
在实施例中应用的一个开放型颗粒分离器是由波纹滤网构成的，其中滤网的波纹偏离主流方向并且相邻/叠加的滤网相对于主流方向具有相互不同的角度(图7和8)。在部分过滤器中起作用的波纹，可选择其高度(h1和h2)以达到设计、背压和排放法规方面的目的(图8)。各种滤网中的波纹高度可以相等或不等。所述高度可以在0.2-200mm，优选0.8-3mm的范围内变化。对角波纹的角度也可在-90°至+90°，优选-60°至-20°和+20°至+60°的范围内变化。带正负号的角度是指：相对于主流方向，方向相反的角度。实际的做法是使用一种具有对角波纹的滤网材料，并用这种材料制造成对滤网，其中一个滤网的内侧翻出，以使波峰在不同方向上延伸，并彼此支撑。这样可以很好地使用一个相同的滤网制造APE。波纹的高宽比可以通过使用低而宽的波纹或高而窄的波纹而实现大范围变化。这些具有对角波纹的滤网是将直滤网通过螺旋齿轮制成的，这样形成的波纹成品在本发明中用作PPE或OPE。两个对角波纹滤网之间也可以是无波纹滤网或渗透壁，从而减小通道大小，进而增强物质传递和收集能力。所述渗透壁之间也可以是非渗透箔或壁，用于包套元件，以防止元件之间相混。这可以实现主动或被动再生调节。可以根据项目这样优化波纹高度：非常脏的项目对应大波纹高度，而非常干净的项目对应小波纹高度。
在图7和8所示的APE中，滤网丝厚度为0.01-5mm，优选为0.1-1mm。滤网网眼的尺寸为0.05-10mm，优选为0.1-2mm。该滤网可以是编织的或采用其他紧凑的形式(coherent)。所述宽泛范围是因为有非常多样的项目或目的存在。在非常脏的项目中，所述滤网是比较稀疏的并且波纹具有大的高度，而在干净项目中，所述滤网是比较密集的并且波纹具有小的高度。由非常细的丝制成的和/或具有大网眼的滤网可用作所述波纹滤网，而非常 密集型滤网可用作平面滤网，从而即使在相当大的波纹角度(40-80度)，也可以卷起所述滤网。也可以采用加工为相应结构的纤维板或膜来代替所述滤网，或与所述滤网一起使用，所述相应结构在壁上具有各自网眼/厚度，并且部分可渗透流体。在图7和8中所示的组件可进一步包括额外的或任选的流动障碍物、收缩物/放大物或爪/叶片，它们增强了物质传递和收集效率，并组成开放型颗粒分离组件。
如果PPE是陶瓷(堇青石、SiC、氮化硅、钛酸铝等)制成的，OPE可以是金属APE，因而所述结构具有并排的效率较高的陶瓷颗粒分离器和效率较低的金属颗粒分离器，所述金属颗粒分离器主要通过静态方式进行基于压力损失的流量调节，而非主动调节。陶瓷蜂窝优选位于中部，其周围是环形金属OPE，如前所述，可由波纹金属结构(滤网)制成。陶瓷颗粒过滤器很难制成环状结构，也没有薄环结构的良好强度。这可实现利用每个结构的良好性质。这样的结构也能够实现不同分离器使用不同再生方法。PPE可以进行基于电力的燃料喷射和/或升温的主动再生。同时，还可以使A/F比设定得较低，这也升高了温度。
PPE和OPE也可以在所述流向上完全或部分涂覆多孔载体介质，其用作氧化CO、碳氢化合物、氢气、氨、或碳的活性化合物的底涂。碳氢化合物还可以包括含有氧、氮或卤素的官能团。优选地，APE的涂层是这样涂覆的，即所述滤网中一个滤网的网眼至少部分保持开放。可选地，所述结构根本没有涂层，因此所述结构仅作为APE和消声器。此外或任选地，所述催化剂可使用碳氢化合物或氨来催化NOx的还原，吸收氮氧化物(浓混合条件下还原)，或氧化氨。典型地，所述催化剂的载体介质中含有铝、硅、钛的氧化物和/或沸石。涂层的厚度范围为1-500μm，优选5-40μm。涂层表面积是由使用的原料确定的，范围是1-1000m2/g，通常为20-300m2/g。涂层可以通过浸渍、泵送、抽吸和/或喷涂各种浆料、溶胶和/或溶液的方式施加到分离器上。所述滤网可通过开放条件下喷涂同时将成对滤网彼此分开，然后卷起形成滤网和由APE形成的APE组件。这能够确保该滤网网眼保持开放。至于APE，其设置有机械耐用涂层，不过所述涂层也使滤网网眼保持开放。所述涂层也可以通过使用可蒸发原料(CVD、Ale技术)进行部分或全部涂覆。
在催化剂涂层中所用的活性金属包括如贵金属，例如铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)和/或铑(Rh)和/或铱(Ir)和/或钌(Ru)。所述涂覆的催化剂组合物中可通过吸收(干式、湿式或化学吸收法)或与涂层浆料、溶液或溶胶共混的方式来添加活性组分。所述活性组分可在混合和涂布浆料之前被预吸收到催化剂原料颗粒中。该涂布和/或吸收过程中包括使用水或其他溶剂或它们的混合物，通常为液相。
活性金属(如贵金属)的量为0.01-10g/dm3，优选0.1-3g/dm3。如果有几个结构连续设置，第一个上游结构的活性金属量可以优选为0.8-2g/dm3，接下来的一个/几个下游结构中为0-0.8g/dm3。目的是提供一个相同的结构，例如在所述流向的入口侧具有更多Pt，从而在此产生更多的NO2。在出口侧，Pt没有时间催化NO的氧化来进行被动再生，从而此处填充量较低。在出口侧还可以存在其他活性组分，如Pd。这种结构可以同其上游侧的净化(氧化)催化剂一起使用。
所述活性组分可根据使用情况选择。具有合适载体介质的含铂催化剂涂层，可用于促进形成NO2，从而在例如柴油机项目中促进颗粒的燃烧和净化设备的再生。因为在所述载体介质中使用了适当催化剂(例如钒)，阻止了NO2的形成并由此阻止了硫酸盐的形成，所以所有的含Pt催化剂没有提供高含量NO2。在再生是通过完全主动方式(燃料喷射和/或通过发动机节流)进行的项目中并且当目标是尽量减少NO2排放时，就要减少NO2的生成。当催化剂涂层用于催化CO和HC的氧化并且不产生NO2时，以及在高温工作或再生条件下，Pd可以用作活性组分。
所述载体介质中采用的助催化剂可包括如钒(V)、钨(W)、铁(Fe)、锆(Zr)、铈(Ce)、镧(La)、锰(Mn)、钴(Co)、钡(Ba)、锶(Sr)和/或镍(Ni)。所述载体介质还可以包括这些助催化剂化合物中的大部分。典型NOx吸附化合物可通过例如吸收而添加到所述涂层中，从而使氮氧化物被吸附在稀混合气和减少浓混合物中的氮氧化物。
根据本发明，完全过滤器可以使用与APE相似类型的涂层，或优选以溶胶形式添加的涂层，其是在收集单元的纤维或孔隙上涂覆薄催化剂层，而不会堵塞通道或提高此处的背压。所述溶胶是指其中分散有小颗粒的液体，所述小颗粒的平均粒径为5-1000纳米，优选15-100纳米，该粒径大小 甚至可实现小孔隙和纤维的均匀涂覆。所述颗粒可以是例如Al、Si Ti、Zr、Ce、Mn、V、Cr、Co、Sr、La、Y、Pr氧化物。涂层的量通常是完全过滤器重量的0.1-30％，活性组分通常是贵金属，如Pt、Pd、Rh或者它们的混合物。或者，也可以使用跟其他催化剂涂层一样的助催化剂、活性金属添加物/添加操作和处理。
在分离器中可使用促进碳烟催化燃烧/点燃的化合物(V、Cr、Mn、Co、Sr)，以及热稳定氧化物(La、Y、Zr)，其保护分离器免受热应力破坏。根据本发明的一个应用，所述完全过滤器涂覆有溶胶，APE涂覆含有较大颗粒(远远大于100μm)的一般催化剂浆料。这样两个分离器都具有最佳涂层。所述含有大颗粒的浆料，例如堵塞了小孔隙完全过滤器，或者，不理想地，所述涂层只在所述分离器表面进行了过滤。使用一般催化剂浆料(如氧化催化剂)可在流通型蜂窝表面提供较厚的催化剂层。
根据本发明的一个涂层策略，在所述分离器上涂覆耐热涂层和/或直接或间接(通过形成NO2的方式)催化碳烟燃烧的涂层。所述主颗粒分离器和旁路颗粒分离器也可以设置有不同的涂层。例如，所述主颗粒分离器可设置耐热涂层(例如含有镧和/或锆)，因为一旦发生堵塞以及接下来的颗粒燃烧，它不只加热所述旁路颗粒分离器。同时，所述旁路颗粒分离器可以直接或间接(借助NO2、较高Pt含量，以及不会阻碍NO2生成的化合物)设置有催化碳烟燃烧的涂层。
所述分离器上游的净化催化剂使用了与APE中相似的涂层组合物。所述净化催化剂与开放型颗粒分离器APE的明显不同之处在于，所述净化催化剂涂层的量通常较大，即约50-500g/L，并且活性金属的量也较大，通常为1-5g/L。所述净化催化剂本体是具有1-2000cpsi，优选50-600cpsi目数的陶瓷或金属蜂窝。
涂有催化剂的单元在生产过程中可使用氧化性和/或还原性气体混合物在静态或动态条件下进行处理，该气体混合物可包括空气、氧气、氢气、一氧化碳、氨、废气、碳氢化合物、水或某些惰性气体。所述处理也可用于通过使用合适的起始原料、粒径和精加工条件来制备涂层化合物之间的各种混合氧化物。
APE的滤网通过焊接、钎焊固定，或在滤网蜂窝周围钉金属钉或长钉， 其可附着于内管。主动再生中使用的热源(电加热系统或装置)可与这些用于机械连接的结构元件集成在一起。如果PPE包括陶瓷完全过滤器，它就被支承在具有耐高温柔性安装垫的表面或覆盖物上。因此，在中部的蜂窝周围是安装垫和覆盖物，并且它周围的APE不需要单独的大安装垫，从而有利于结构制造过程。
因此，根据本发明的设备尤其能减少排出气体中的颗粒排放物。所述组件是分离设备，尤其适用于柴油机项目，其中在不适合进行再生的情况下，更多地利用旁路颗粒分离器以确保被动或主动再生成功地进行。在所有时间，该结构尤其适合低温的项目，例如在城市驾驶中，或者是被动再生、乃至于主动再生也不能保证再生的项目中。优选地，分离器(主颗粒分离器和/或旁路颗粒分离器)的再生尽可能采用被动再生，以达到最佳燃油效率。所述净化设备，或其部件，也可以代替一些消音用的普通元件。所述净化设备可容置于消音器中，并且所述消音器与那些用于普通氧化催化剂和颗粒分离器的消音器相似。
因此，分离器上收集的颗粒通过使用外部能量(燃料、电力等)，进行被动和/或主动再生。对于含有过量氧的废气，可在所述设备的上游安装净化催化剂(如DOC＝柴油氧化催化剂)，其氧化CO、HC和NO。所产生的NO2缓慢氧化碳基颗粒。所述DOC可位于同一罐中或作为位于反应器的上游的单独单元。DOC也可位于入口管中。所述分离器可以通过燃烧碳氢化合物、或使用其他放热(生热)反应来进行外部升温，这些放热反应发生在(被催化的)分离器或净化催化剂中。将燃料供给到废气中和/或后喷射到发动机中来产生附加热量。同时，燃烧空气的量也可减少(通过减小A/F比)。可以通过电加热、燃烧器和/或等离子体和/或能够加热该结构和/或碳烟的一些其他方法来产生附加热量，用于再生催化剂结构。通过静电方法、使用带电状态的成对滤网作为收集滤网以及使所述滤网与结构其他部分隔开并彼此隔开，也可以促进颗粒积聚。使用本发明的组件进行的颗粒再生，也可以通过使用添加剂增强，所述添加剂可促进碳烟燃烧(FBC＝燃料添加型催化剂)，并含有例如铁、锶和/或铈系化合物。通过同时供给添加剂和使用主动再生方法，颗粒中的碳能够更容易被点燃。
必须从颗粒燃烧中获得一定量的热量，以使所述分离器能瞬时升高到 500-600℃以上的温度，该温度足以进行热力燃烧，并且该燃烧可在分离器中存在的或废气中夹带的催化剂辅助下进行。如果要利用分离器中颗粒的热能，所述分离器需要先收集其上一定量的颗粒，足以用于加热，并维持燃烧进行与所述分离器完全再生所需的时间一样长，或足够长的时间。
本发明的一个优点通过这样一个结构来获得，其中，密集型分离器(蜂窝)位于中部并且旁路分离器在外侧围绕着它。这样热损失很小，因为外部蜂窝起到绝缘体的作用，并且与只通过表层和周围空气直接连通的颗粒过滤器的系统相比，只需很少的额外能量就可开始氧化中部分离器中的颗粒。因此，通过使用外部能量进行的再生可以应用于中部分离器，从而使外部能量和燃烧热被扩散并以浓缩方式进行聚集，用于增强再生。
当然，所描述的结构，不仅可以在嵌套结构中实施，也可以使用例如圆形或角形的相邻分离器来实施，并且在所述相邻分离器中可以是轴向和/或径向流。
因此，可并排设置颗粒分离能力(过滤能力)彼此不同的分离器，当效率较高的分离器被堵塞时，使所述流如上所述那样，在压力损失自然变动控制下，通过效率较低的分离器而转向。因此，按照分离效率降低的顺序并排设置的单元是1)壁流式过滤器，2)纤维、烧结金属、陶瓷/金属泡沫制成的深度过滤器，3)开放型颗粒分离器(APE)和/或4)传统催化剂蜂窝(陶瓷或金属制的，流通式)。第五种单元也可以是空隙旁路管道和通道的形式。也可以平行提供相似类型的结构，但其分离效率是通过蜂窝长度、壁孔径、通道尺寸/形状、或者其他影响过滤的变量进行调整的。
相对分离效率是指采用相应设计或分离器尺寸、过滤面积和/或重量可以获得的效率。所述分离效率可以像上面公开的那样进行评定，也可以根据每种范畴更精确地评定。例如，壁流式过滤器的分离效率随着壁厚的增加及壁孔径的减小而增加。APE的分离效率可通过通道尺寸/形状/材料和体积进行调整。壁流式过滤器具有高颗粒分离效率，即90-100％，通常为约97-99.8％。深层过滤器的PM分离效率约为50-95％，通常70-90％。开放型颗粒分离器的PM分离效率为30-80％，通常40-70％。在普通的催化剂蜂窝中，PM转换率取决于VOF含量，约为10-60％，通常为约20-40％。因此，根据本发明的组件，可基于这些PM转换率范围和相对背压进行定义。
各种分离器的线速度通常是不等的：在完全过滤器中，相对压力损失较高，由此，线速度比开放型过滤器或催化剂单元中低。在本发明中，所有单元被定义为颗粒分离器，因为即使是完全开放型催化蜂窝也有一些氧化活性，可促进碳氢化合物的去除，并因此去除颗粒中的VOF成分。假如所述旁路蜂窝只是空管不加催化剂材料，那么在正常运行条件下，甚至不可能除去这种VOF成分，就产生一种与本发明方案不同的系统。所述VOF成分的比例可能相当大，并在很大范围内波动：约10-85％，通常约15-40％，这影响着颗粒分离效率。
根据本发明的设备优选用于长期低温条件，由此分离器的被动再生是不够的。这种条件，例如对于车辆来说，是指恒定城市驾驶或一些其他类型的低速驾驶。与所述完全过滤器相比，正确设计的开放型过滤器即使那时也不会发生堵塞，但随着更多的所述流转向所述旁路通道，收集能力会降低，并且有更多的颗粒通过。即使速度持续偏低，使用旁路颗粒分离器可使主颗粒分离器时常进行再生。
分离器的被动再生要求在大型氧化催化剂上游以及所述分离器内部使用具有合适载体介质组合物的高Pt填充物。因为可使用旁路功能来防止整个设备堵塞，所以在某种程度上可以减少昂贵的贵金属用量，这是通过节省战略原料而得到的主要商业利益。大部分Pt用来在200-300℃的范围内提高NO2的含量。由于所述旁路均衡了条件影响，因此使用较少Pt填充物可进一步使所述分离器在300℃以上进行再生。这也可以减少NO2的排放量，并且较少的氧化催化剂产生较低的背压，以进一步降低燃料消耗。在本发明设备中，一个目的是将使用被动方法的益处与过滤旁路的益处结合在一起。所述被动再生，只要能起作用，就会将背压保持在较低水平，而不消耗外部能量。
虽然APE不像完全过滤器、尤其是CRT系统那样对燃料中的硫(小于10ppm·S)敏感，但是燃料中含有尽可能少的硫对其运行是有益的。然而，对于所有预期应用来说，这是不可能的。使用旁路颗粒分离器可减少氧化催化剂(较低的Pt负载)的活性，由此同时减少硫酸盐的形成。因此，根据本发明的所述设备也可用于富含硫的燃料，因为PPE可以是密集有效的，即使在颗粒会迅速积聚在PPE中并且PPE背压会上升的情况下，OPE会起 到保证流体畅通并限制背压的作用。可根据驾驶(运行)条件和燃料，给出调控策略。
在完全过滤器中，已通过使用所述过滤器上游和下游的压力传感器并在温度传感器的辅助下来调控主动再生。将压差数据与发动机控制参数图数据(engine map data)结合起来，可在最容易开始并节能的时刻开始主动再生。当然也可以将发明设备或设备部件与这些方法一起使用。在完全过滤器(PPE)中，这是很自然的，但APE即使在高颗粒负载量的情况下，背压也很低，从而压力传感器的准确度可能会成为限制因素。因此，将背压传感器设置在所述设备的整个系统或所述主颗粒分离器中，实际上是一样的。通过上面给出的策略，共同使用主动再生和完全过滤器是最明智的实施方式。压力和温度传感器也可用于OBD目的，以告知所述设备是否堵塞或过热，并是否需要维修。
所述净化设备的上游侧，不但可以供给碳氢化合物和已知的燃料，还可以供给其他氧化和还原性化合物，如单纯的氨、脲、臭氧、过氧化氢、空气、氧气和/或水，或它们的混合物。这能够促进NOx和/或颗粒的反应，促进所述净化设备的维修，以及调节反应的化学计量。
根据本发明，所述结构可进行被动和/或主动再生(图9)。在更易于堵塞、更需要再生的主过滤器中，可应用基于使用外部能量(燃料和电力)的主动再生。当所述主颗粒分离器堵塞时，越来越少的流体流过该分离器，与再生过程中大部分流体流过并冷却该分离器的情形相比，需要更少的热能来加热该分离器和流体。同时，由于使用了外部能量，能够在稀混合气发动机项目中改变A/F比，以接近λ值1，由此，排气的温度升高。因此，主颗粒分离器的再生可能基于A/F比调整和同步补充加热，而旁路颗粒分离器的再生可能会借由A/F比调整以及由此导致的温度上升而增强。否则，只要NO2与碳的比值以及温度(高于250℃)适合进行NO2与碳的反应时，两种分离器就会发生被动再生。
实施例1
可基于现有技术中已知的蜂窝的背压，模拟示例性组件和流量分布。对于每种蜂窝类型，一些参数通过计算方程界定，其中废气的压力损失取 决于蜂窝结构、蜂窝尺寸、目数、载体介质量、温度和流速。这些用于催化剂蜂窝的压力损失方程都是常识。示例性的计算包括流速迭代，以使相邻蜂窝之间的压力损失相等，本质上这是在这些结构上均衡流体的效果。在这些方程中，可以单纯以几何方式并通过与处理载体介质同样的方式来处理碳烟以及改变载体介质的厚度，以呈现出堵塞状况。后者的计算方式可能只适合小型PM负载。已在基于Excel的电子表格上进行了相邻蜂窝的迭代计算，包括每种蜂窝类型的压力损失方程。
在示例性的计算中，给定发动机废气的量为770kg/h。废气的最高温度为500℃，并且运行条件在外部空气温度和进行压力损失计算的最高温度间波动。
案例1：所述主蜂窝是由对角波纹金属滤网制成的开放型颗粒分离器，所述对角波纹金属滤网的波纹高度对应于400cpsi目数，丝的厚度为110μm，载体介质的量为10g/m2。所述旁路蜂窝是直通道型400cpsi金属蜂窝，其中箔的厚度为50μm，载体介质的量为40g/m2。对于主蜂窝和旁路蜂窝的尺寸，进行了初步计算和迭代。环形旁路蜂窝的压力损失可以根据具有匹配表面的圆形蜂窝进行计算。主蜂窝直径被设定为230mm，由此，在主蜂窝周围使用10.4mm(相当于70mm的圆形)的环形旁路蜂窝结构会导致有90.8％的流量分配通过所述主蜂窝，而9.2％的流量分配通过所述旁路蜂窝(压力损失16.9mbar)。如果所有所述流应转向通过所述旁路蜂窝，那么压力损失可能是543mbar，因而这是最坏的情况。当旁路蜂窝的尺寸比这(相当于小于70mm)更小时，整个所述流的压力损失增加到极度大：即在相当于旁路直径30mm的情况下，为7366mbar，在相当于旁路直径50mm的情况下为1662mbar。这些结构(窄通道)甚至可使用足够长时间，只要确保所述主颗粒分离器不会完全堵塞，因此这种极端的最坏情况永远不会发生。
案例2：条件跟案例1的一样。但采用的旁路蜂窝是EcocatTM蜂窝(箔50μm，载体介质40g/m2)，含有曲折的通道。该旁路通道的表面保持得跟先前一样(D70mm)，由此所述主流为90.3％，而通过旁路蜂窝的是9.7％(压力损失16.7mbar)。对于所述流完全通过该旁路蜂窝这种情况，压力损失会是501mbar。如果蜂窝中载体介质的量减少50％，即20g/m2，流量分配会 是89.3％比10.7％(16.4mbar，并且最大424mbar)。
案例3：模拟颗粒积聚，前提是颗粒的影响与在案例2中增加载体介质相似。假定开放型旁路单元完全不收集颗粒。如果APE已经收集一层40μm厚的颗粒，流量分配会变为88.3％比11.7％(21.9mbar，最大501mbar)。对于100μm的颗粒层，所述的流量分配将是85％比15％(31.5mbar，最大值不变，即501mbar)。
案例4：也使用直通道型旁路蜂窝(400cpsi，箔厚度为50μm，载体介质的量为40g/m2)计算了案例3的情况。在计算的基础上，获得了颗粒层厚度与旁通率和系统压力损失之间的关系(图10)。这清楚地表明，所述主流，以及PM效率，在主颗粒分离器侧取决于中等厚度的颗粒层。500μm厚的颗粒层具有约40％的旁通率。
相应的做法也可以相对于压力损失和流量分配而用于模拟一些结构并设置其尺寸，所述结构中的主颗粒分离器是蜂窝型完全过滤器而旁路颗粒分离器例如是开放型颗粒分离器，如前面的实施例所示。
旁路蜂窝D70，在实际应用中尺寸刚好：这样有9.2％的流量通过旁路蜂窝，最大压差是543mbar。因此，所述流的主要部分，即约80-91％，将流过主蜂窝，其尺寸设置成所述PM转换率约为50-70％。如果开始出现堵塞，通常，所述整个旁路蜂窝的背压会与在DPF项目中的最大压差的量级相同。同样的原理也可以用在为达到略微不同的背压或流量分配而进行的尺寸设置中。在模拟和设计中，也要考虑这样一种情况，即所述旁路蜂窝的背压由于堵塞也略微增加。

Claims (10)

1.用于处理含颗粒流体的净化设备(PUL)，其特征在于，为了提供高颗粒分离能力，并且在运行条件下保持基本上无堵塞，所述净化设备(PUL)包括用于流体通流的至少一个主颗粒分离器(PPE)，以及在所述主颗粒分离器(PPE)旁边的至少一个旁路颗粒分离器(OPE)，所述主颗粒分离器(PPE)具有比所述旁路颗粒分离器(OPE)高的相对颗粒分离能力和压力损失，所述旁路颗粒分离器(OPE)基本上不易堵塞并且设置尺寸使得，一旦主颗粒分离器(PPE)被完全堵塞，其能够进行净化设备(PUL)中的流体处理，并且设置流经所述主颗粒分离器和旁路颗粒分离器的流体流量，以由所述分离器的相对背压控制，所述主颗粒分离器(PPE)位于所述净化设备的中部，所述旁路颗粒分离器(OPE)位于所述主颗粒分离器(PPE)结构的周围并在流动方向上与其平行。
2.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，所述主颗粒分离器(PPE)是完全过滤器，所述旁路颗粒分离器(OPE)是开放型颗粒分离器(APE)，其蜂窝结构中具有渗透壁并且在所述壁之间具有开放型通道。
3.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，所述主颗粒分离器(PPE)和旁路颗粒分离器(OPE)之间流体通流的调节主要基于分离器的相对背压、大小和填充程度以完全静态方式确定，无需调节阀。
4.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，所述主颗粒分离器(PPE)是开放型颗粒分离器，所述旁路颗粒分离器(OPE)是流通型蜂窝。
5.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，设置所述主颗粒分离器(PPE)的尺寸，在空载条件下和/或具有正常颗粒负载时，具有大于70％的通流。
6.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，设置所述主颗粒分离器(PPE)的尺寸，当全部流流经所述旁路颗粒分离器(OPE)时，与没有颗粒的净化设备(PUL)相比，压力损失可以增加到5-50倍。
7.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，所述主颗粒分离器(PPE)及旁路颗粒分离器(OPE)涂有催化剂，所述催化剂催化作为还原剂的碳氢化合物、一氧化碳、氢气、氮氧化物、氨和/或颗粒的氧化，和/或碳氢化合物、氨对氮氧化物的还原，和/或吸附氮氧化物。
8.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，所述主颗粒分离器(PPE)具有50-100％的颗粒分离效率，所述旁路颗粒分离器(OPE)具有20-90％的颗粒分离效率。
9.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，所述主颗粒分离器(PPE)是陶瓷壁流式过滤器，所述旁路颗粒分离器(OPE)是金属和/或陶瓷开放型颗粒分离器(APE)。
10.根据权利要求1所述的净化设备(PUL)，其特征在于，在所述净化设备(PUL)的上游进一步提供净化催化剂，其在碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物和/或颗粒的氧化中、和/或催化除去氮氧化物中具有活性。
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