專利名稱：顆粒過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顆粒過濾器、 一種包括顆粒過濾器的內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng) 和一種用于減少內(nèi)燃機(jī)的規(guī)定排放物的方法。更具體地，本發(fā)明涉及這樣 一種顆粒過濾器，該顆粒過濾器構(gòu)造成至少部分地過濾從內(nèi)燃機(jī)或外燃機(jī) 的排氣系統(tǒng)排放的不希望的燃燒副產(chǎn)物的一部分。
背景技術(shù)：
4H^界有數(shù)百萬的發(fā)動(dòng)機(jī)被使用。這些發(fā)動(dòng)機(jī)中很多是內(nèi)燃機(jī)，包括
汽車用柴油和汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)大多排放化學(xué)物質(zhì)，例如氮氧
化物(NOx)、顆粒物(例如炭煙)和一氧化碳，這里只列舉了少數(shù)幾種。
為了減少這些化學(xué)物質(zhì)的排放，美國(guó)及全世界的政府不斷地通過大氣 清潔法規(guī)，該大氣清潔法規(guī)規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)可合法排放的這種化學(xué)物質(zhì)的量。
一種用于減少顆粒物排放的裝置是顆粒過濾器。顆粒過濾器的有效性 的一種量度是顆粒過濾器的過濾效率。過濾器效率越高，則其在從排氣流 中去除顆粒物方面越有效。
授予Fanselow等人的US專利6,273,938 (Fanselow)公開了 一種由多 個(gè)濾層形成的過濾介質(zhì)，其中至少一些濾層包括具有多個(gè)連續(xù)的曲折通道 的多維通道樣式和位于形成于其中的多個(gè)通道的端部處的多維邊緣。 Fansdow的過濾介質(zhì)構(gòu)造成堆垛，通道結(jié)構(gòu)的多維邊緣形成通往堆垛的第 一面的多個(gè)進(jìn)口、通往堆垛的第二面的多個(gè)出口、和從進(jìn)口穿過堆垛去往 出口的相應(yīng)的多個(gè)分裂的流動(dòng)路徑。
盡管Fanselow總體上公開了一種過濾介質(zhì)，但是，它并沒有公開能夠 有效去除發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中的顆粒物和其它燃燒副產(chǎn)物的過濾器。例如，
4Fanselow的過濾介質(zhì)是由不能經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中存在的某些高溫的材 料制成的。另外，F(xiàn)ansdow的過濾介質(zhì)的微結(jié)構(gòu)沒有賦予其有效過濾通常 存在于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的很小的炭煙尺寸的顆粒的能力。
本發(fā)明意在克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的 一個(gè)或多個(gè)問題或不足。

發(fā)明內(nèi)容
在一種實(shí)施例中，提供了一種顆粒過濾器。在該實(shí)施例中，顆粒過濾 器包括至少 一個(gè)第 一構(gòu)件和鄰近所述至少 一個(gè)第 一構(gòu)件的至少 一個(gè)第二構(gòu) 件，所述第一構(gòu)件包括非直線通道。該過濾器構(gòu)造成使得所述至少一個(gè)第 一構(gòu)件和所述至少一個(gè)第二構(gòu)件中的任一者包括燒結(jié)的金屬纖維和多孔金 屬性泡沫中的任一者。
在另一實(shí)施例中，提供了一種減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中的規(guī)定化學(xué)物質(zhì)的 方法。該方法包括如下步驟提供一種顆粒過濾器，所述過濾器包括至少 一個(gè)第 一構(gòu)件和鄰近所述至少一個(gè)第 一構(gòu)件的至少 一個(gè)第二構(gòu)件，所述第 一構(gòu)件包括非直線通道；用催化劑催化顆粒過濾器；4吏排氣流通過過濾器； 從排氣流中過濾至少一些顆粒物；以及用催化劑化學(xué)轉(zhuǎn)化排氣流中的至少 一些NOx。


圖l是具有非線性通道的顆粒過濾器構(gòu)件的透視圖； 圖2是具有非直線通道的兩個(gè)顆粒過濾器構(gòu)件交替插置在兩個(gè)平的部 段之間的透浮見圖3是穿過顆粒過濾器的具體實(shí)施例流動(dòng)的排氣的透^f見圖； 圖4是圖2的過濾器構(gòu)件和平的部段繞一軸線巻繞的透視圖；以及 圖5是穿過顆粒過濾器的另一實(shí)施例流動(dòng)的排氣的透^L圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是具有非直線通道16的過濾器構(gòu)件10的透視圖。在該具體實(shí)施例中，通道16在其整個(gè)長(zhǎng)度上是正弦曲線形的。通道16構(gòu)造成在形成為 顆粒過濾器30 (在圖3和圖5中示出)的一部分時(shí)用于接納流體流，例如 排氣流體流。通道16的非直線性質(zhì)增強(qiáng)了流體湍流，從而可提高過濾效率 和當(dāng)存在任何化學(xué)催化劑時(shí)提高催化劑的化學(xué)轉(zhuǎn)化率。
過濾器構(gòu)件10還可由多孔材料構(gòu)成，這有助于過濾顆粒物。特別地， 構(gòu)件10包括燒結(jié)的金屬纖維或多孔的金屬基泡沫，這有助于提高過濾效 率。構(gòu)件10和/或20的多孔性質(zhì)使得能夠過濾大約為1微米和更大的炭煙 尺寸的顆粒。
盡管圖l和圖2所示的通道16是正弦曲線形的，但應(yīng)該理解，可以使 用任何非直線的通道16。例如，通道16可包括明顯的轉(zhuǎn)角、與典型正弦 波不一致的不規(guī)則輪廓和任何其它非直線形狀，只要對(duì)于至少一些流動(dòng)條 件可在通道16的至少一部分中產(chǎn)生湍流即可。
還應(yīng)理解，通道16的非直線性質(zhì)不需要存在于通道16的整個(gè)長(zhǎng)度上。 盡管圖l和圖2示出了存在于通道16的整個(gè)長(zhǎng)度上的非直線波，但是，本 發(fā)明的實(shí)施方式并不局限于該種結(jié)構(gòu)。例如，通道16可包括例如非直線波、 折彎、輪廓線(contour)或曲線一例如僅對(duì)于通道16的一部分長(zhǎng)度。在 通道16的其它部分中，通道16可以是直的。
現(xiàn)在參考圖2，可通過交替地將一個(gè)或多個(gè)平的構(gòu)件20鄰近一個(gè)或多 個(gè)正弦曲線形構(gòu)件10放置而制成顆粒過濾器30。在該具體實(shí)施例中，構(gòu) 件10和20可一起組成夾層結(jié)構(gòu)，以形成顆粒過濾器30，如圖3所示。
在圖3的具體實(shí)施例中，構(gòu)件10和20基本平地相互疊置。如圖3所 示，在疊置前或疊置后，可將構(gòu)件10和20切割成柱形以獲得改進(jìn)的過濾 效率或《更于包裝。盡管圖3示出將構(gòu)件10和20疊置成柱形，但是應(yīng)理解， 可將構(gòu)件10和20疊置成任意形狀，以便適應(yīng)汽車的"在發(fā)動(dòng)機(jī)罩下方" 或由于其它原因而有時(shí)是限制性的空間限制。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4和圖5，還應(yīng)理解，可將構(gòu)件10和20繞軸線17巻繞在 一起，以形成顆粒過濾器30。
在至少一種實(shí)施例中，構(gòu)件10和/或構(gòu)件20可由燒結(jié)的金屬纖維制成，例如SAE文章2005-01-0580中描述的纖維?；蛘撸瑯?gòu)件10和/或構(gòu)件20 可由多孔金屬性泡沫制成，例如SAE文章2006-01-1524中描述的泡沫。
如前面所述，在一些實(shí)施例中，顆粒過濾器30可由金屬纖維制成。金 屬纖維通常是直徑可在約1微米到約80微米范圍內(nèi)的細(xì)金屬絲。不借助于 任何添加物或粘合成分，可將纖維燒結(jié)在一起形成板件。板件可由單層材 料制成，其中纖維具有相同的纖維直徑。可選擇地，板件可由多層材料制 成，包括具有各種不同直徑的纖維。然后可將板件形成為構(gòu)件10或20。
金屬纖維可由鐵-鉻-鋁(Fe-Cr-Al)合金金屬制成，例如SAE文章 2005-01-0580中描述的金屬。這些鐵-鉻-鋁纖維通常能經(jīng)受存在于發(fā)動(dòng)機(jī)排 氣流中的高溫。SAE文章2005-01-0580中乂>開的纖維的直徑為約1到約 80孩i米范圍內(nèi)。
如前面所述，在其它實(shí)施例中，顆粒過濾器30還可由多孔的鎳基耐高 溫合金泡沫制成，例如在SAE文獻(xiàn)2006-01-1524中描述的泡沫。鎳基泡 沫能夠經(jīng)受高排氣溫度，從而使其適合用于柴油顆粒過濾器30。
在顆粒過濾器30的再生過程中，使過濾器中的炭煙氧化，從而導(dǎo)致可 能造成大量放熱的放熱反應(yīng)。由于再生，過濾器中的溫度可高達(dá)600X:或 更高。通過使用鎳基優(yōu)等合金或鐵-鉻-鋁合金，顆粒過濾器30通常將不會(huì) 在再生情況下被損壞。
通常存在兩種再生(方式)被動(dòng)式和主動(dòng)式。當(dāng)通過外部能量源對(duì) 過濾器加熱時(shí)發(fā)生主動(dòng)式再生。該外部能量源可以例如是燒燃料的燃燒器、 向催化劑噴射燃料的后噴射器、電加熱器、微波(熱)源或本領(lǐng)域中已知 的^f壬何其它熱源。另一方面，當(dāng)在不加入外部熱源的情況下對(duì)被過濾的炭 煙進(jìn)行氧化的時(shí)發(fā)生被動(dòng)式再生。應(yīng)理解，不管是被動(dòng)式或是主動(dòng)式再生 都會(huì)造成顆粒過濾器30達(dá)到超過600匸的溫度。
由于通常炭煙中的至少一些碳?xì)寤衔飳⒃谧兓陌l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載條件下 發(fā)生氧化，在很多柴油顆粒過濾器30中存在被動(dòng)式再生。但是，由于所需 的再生的量通常超過存在的被動(dòng)式再生的量，因此，很多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也能 夠主動(dòng)地再生顆粒過濾器30。
7由于汽車的"在發(fā)動(dòng)機(jī)軍下方"的空間限制會(huì)限制排氣后處理部件的 數(shù)量，因此，可對(duì)過濾器進(jìn)行催化以進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化一種或多種燃燒副產(chǎn)物 的附加功能。這樣，除了過濾排氣流中的炭煙或其它顆粒物，顆粒過濾器
30還可涂有化學(xué)催化劑，以化學(xué)地轉(zhuǎn)化多種不同的燃燒副產(chǎn)物中的一種或 多種。
在過濾器30的一種具體實(shí)施例中，構(gòu)件10和/或20可涂有化學(xué)催化 劑。例如，該化學(xué)催化劑可以是NOx催化劑或炭煙氧化物催化劑。在又一 種實(shí)施例中，構(gòu)件10和/或20涂有選擇性催化還原(SCR)催化劑，這在 存在還原劑一例如氨一的情況下可將NOx轉(zhuǎn)化成氮?dú)夂退?。使用氨或尿?作為還原劑的一些SCR催化劑可包括沉積在二氧化鈦上的釩氧化物 (vanadia)、鎢氧化物(tungsta)，以t或者可以是基于沸石的催化劑。 可使用碳?xì)浠衔镒鳛檫€原劑的其它SCR催化劑可包括沉積在金屬氧化 物例如氧化鋁上的過渡金屬。
在另一具體實(shí)施例中，構(gòu)件10和/或20可涂有四元催化劑。四元催化 劑包括除(轉(zhuǎn)化)顆粒物外還用于轉(zhuǎn)化NOx、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉幕?學(xué)物。由于過濾器30還起到從排氣流40中過濾顆粒物的作用，該顆粒催 化過濾器30具有四種功能(l)過濾顆粒物；(2)化學(xué)轉(zhuǎn)化NOx; (3) 化學(xué)轉(zhuǎn)化碳?xì)寤衔?；?4)化學(xué)轉(zhuǎn)化一氧化碳。因此稱為"四元催化劑，，。
在又一具體實(shí)施例中，過濾器30可涂有NOx吸附劑，該吸附劑與過 濾器30 —起形成貧NOx捕集器/陷阱。該組中最常見的催化劑使用與NOx 儲(chǔ)存成分(例如氧化鋇或碳酸鋇)相結(jié)合的貴金屬例如鉑，該Nox存儲(chǔ)成 分可沉積于金屬氧化物例如氧化鋁上。在一種具體實(shí)施例中，NOx吸附劑 包括鉑、氧化鋇和氧化鋁。
存在多種能催化可與本發(fā)明的過濾器30 —起使用的多種不同的排氣 部件的已知催化劑。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，本發(fā)明的實(shí)施方式不局限 于僅僅對(duì)碳?xì)浠衔铩?一氧化碳和NOx進(jìn)行催化。
工業(yè)適用性本發(fā)明的顆粒過濾器30可用于許多不同的應(yīng)用，包括用在內(nèi)燃機(jī)的排 氣流中。例如，可將顆粒過濾器30放在柱形殼體中，如圖3所示，所述殼 體接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管的排氣40。在這種應(yīng)用中，在排氣40被排放 到環(huán)境中或者再循環(huán)回到發(fā)動(dòng)機(jī)之前可使排氣40通過過濾器30。如前面 所述，過濾器30可4皮催化或不祐:催化，以用于將燃燒副產(chǎn)物化學(xué)地轉(zhuǎn)化成 更能被接受的組分。
在^Mt中和如圖3與圖5的具體實(shí)施例所示，排氣40從左到右流過顆 粒過濾器30。當(dāng)氣體40 i^A顆粒過濾器30的左端31時(shí)，排氣40可能具 有不希望的組分，例如碳?xì)浠衔铩?一氧化碳和/或NOx。
當(dāng)排氣40 i^過濾器30時(shí)，包括炭煙的任何顆粒物可^L收集到構(gòu)件 10和/20中。過濾器30可周期性地進(jìn)行再生過程，燃燒任何碳?xì)寤衔锖?將其轉(zhuǎn)化成燃燒副產(chǎn)物。
另外，如果過濾器30被催化，則可將一些或全部排氣組分完全或部分 地化學(xué)轉(zhuǎn)化成更能接受的副產(chǎn)物。
在該轉(zhuǎn)化過程中，不希望的組分與催化劑相互作用，這有助于化學(xué)反 應(yīng)。通過設(shè)置非直線通道16，穿過過濾器30的排氣流40可更紊亂，從而 實(shí)現(xiàn)排氣40和化學(xué)催化劑之間的更好的表面相互作用。從而可提高催化劑 的轉(zhuǎn)化效率。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可以顯見，可對(duì)這里公開的實(shí)施例做出多種改變 和變型而不偏離本發(fā)明的范圍。通過思考這里7>開的說明書和素材實(shí)際， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能顯見本發(fā)明的其它實(shí)施方式。說明書和示例僅應(yīng)被 看成是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍由所附權(quán)利要求及其等同方案限定。
9
權(quán)利要求
1. 一種顆粒過濾器(30)，包括至少一個(gè)第一構(gòu)件(10)，所述第一構(gòu)件(10)包括非直線通道(16)；和鄰近所述至少一個(gè)第一構(gòu)件(10)的至少一個(gè)第二構(gòu)件(20)；其中，所述至少一個(gè)第一構(gòu)件(10)或所述至少一個(gè)第二構(gòu)件(20)包括燒結(jié)的金屬纖維或多孔金屬性泡沫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器(30),其特征在于，還包括 涂在第一構(gòu)件(10)之一或第二構(gòu)件(20)之一的至少一部分上的催化劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述催 化劑是選擇性催化還原催化劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的顆粒過濾器(30),其特征在于，所述催 化劑是基于沸石的催化劑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述催 化劑是構(gòu)造成化學(xué)轉(zhuǎn)化NOx、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉乃脑呋瘎?br> 6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，還包括 涂在第一構(gòu)件(10)之一或第二構(gòu)件(20)之一的至少一部分上的NOx 吸附劑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的顆粒過濾器(30),其特征在于，所述 NOx吸附劑包括鉑、氧化鋇和氧化鋁。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述非 直線通道(16)基本上是正弦曲線形的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器(30),其特征在于，所述過 濾器(30)構(gòu)造成用于過濾直徑為約l微米和更大的顆粒物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述至 少一個(gè)第一構(gòu)件(10)或所述至少一個(gè)第二構(gòu)件(20)包括燒結(jié)的金屬纖 維，所述燒結(jié)的金屬纖維的直徑為約1微米到約80微米。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述 燒結(jié)的金屬纖維包括含鐵、鉻和鋁的合金。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述至 少一個(gè)第一構(gòu)件(10)或所述至少一個(gè)第二構(gòu)件(20)包括多孔的鎳基金 屬泡沫。
13. 才艮據(jù)權(quán)利要求l所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述第 一構(gòu)件和第二構(gòu)件(20)基本平地相互堆疊。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的顆粒過濾器(30)，其特征在于，所述第 一構(gòu)件和第二構(gòu)件(20)繞一軸線(17)巻繞。
15. —種去除來自發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙的方法，包括如下步驟 提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器(30); 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流(40)輸送通過顆粒過濾器(30); 用顆粒過濾器(30)從排氣流(40)中過濾掉至少一些炭煙；以及 使顆粒過濾器(30)再生，以燃燒掉被過濾的炭煙。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，主動(dòng)地進(jìn)行所述再 生步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種顆粒過濾器(30)和一種用于減少污染物的方法。該顆粒過濾器包括至少一個(gè)第一構(gòu)件(10)和鄰近所述至少一個(gè)第一構(gòu)件的至少一個(gè)第二構(gòu)件(20)，所述第一構(gòu)件包括非直線通道(16)。該顆粒過濾器構(gòu)造成使得所述至少一個(gè)第一構(gòu)件或所述至少一個(gè)第二構(gòu)件包括燒結(jié)的金屬纖維或多孔金屬性泡沫。所述方法包括如下步驟提供一種顆粒過濾器(30)，所述過濾器包括至少一個(gè)第一構(gòu)件(10)和鄰近所述至少一個(gè)第一構(gòu)件的至少一個(gè)第二構(gòu)件(20)，所述第一構(gòu)件包括非直線通道(16)；用催化劑催化顆粒過濾器；使排氣流(40)通過該過濾器；從排氣流中過濾掉至少一些炭煙；以及用催化劑化學(xué)地轉(zhuǎn)化來自排氣流的至少一些NOx。
文檔編號(hào)F01N3/022GK101479448SQ200780024569
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者C·F·哈貝格, H·F·達(dá)科斯塔, M·J·波拉德 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司