[发明专利]用于柴油机烟炱过滤的分隔的催化金属丝过滤器

说明书

技术领域

本发明涉及柴油机废气处理，更特别涉及使用催化过滤器从柴油机废气中过滤微粒。

背景技术

柴油机废气是多相混合物，不仅含有气体排放物，例如一氧化碳(“CO”)、未燃烃(“HC”)和氮的氧化物(“NO_x”)，还含有构成所谓微粒或颗粒物(“PM”)的凝相材料(液体和固体)。总颗粒物(“TPM”)排放由三种主要组分构成。一种组分是固态、干燥的、固体含碳馏分或烟炱。这种干燥的含碳物质引起常与柴油机废气联系在一起的可见烟炱排放。TPM的第二组分是可溶有机部分(“SOF”)。可溶有机部分有时被称作挥发性有机部分(“VOF”)，在本文中使用该术语。根据柴油机废气的温度，VOF可能在柴油机废气中以蒸气形式或气溶胶(液体冷凝物的细滴)形式存在，并通常如标准测量试验(例如U.S.Heavy Duty TransientFederal Test Procedure)所规定，在52℃的标准微粒收集温度下在稀释废气中作为冷凝液体存在。这些液体来自两个来源：(1)活塞每次来回运动时从发动机汽缸壁上扫除的润滑油；和(2)未燃或部分燃烧的柴油燃料。

微粒的第三组分是所谓的硫酸盐部分。柴油燃料含有硫，在美国供应的甚至低硫燃料也可能含有0.005％硫。燃料在发动机中燃烧时，几乎所有硫都被氧化成二氧化硫，其在气相中与废气一起离开。但是，少部分硫，大约2-5％，被进一步氧化成SO₃，其又迅速与废气中的水结合形成硫酸，硫酸作为凝相与作为气溶胶的微粒一起聚集，或被吸附到其它微粒组分上，由此增加TPM的量。

来自柴油机的排放物近年来受到越来越多的审视，且标准、尤其是对微粒排放物的标准变得更为严格。在1994年，美国对于新发动机的微粒排放标准允许每制动马力小时总共不超过0.1克(g/BHP-h)。对于在拥挤的市区运行的公共汽车中的柴油机，微粒排放标准甚至更严格，为0.07g/BHP-h TPM。这些标准均被视为与自1991年起生效的0.25 g/BHP-h的先前微粒排放标准相比显著降低。从1994年开始，首次发现发动机技术发展本身不能满足新的标准，对于某些发动机后处理技术，例如，如下进一步论述的柴油机氧化催化剂(DOC)单元是必要的。

由于下个十年要不断立法确定更严格的排放标准，因此，如何最好地降低柴油机废气中排放到大气中的颗粒物含量的问题目前相当受关注。在这方面，需要开发出有效且实用的装置，用于在使废气逸出到大气中之前从柴油机废气系统的废气中除去大部分微粒。

在本领域中，已知为柴油机提供废气过滤器，该过滤器在柴油机运行过程中从废气流中捕集微粒。过滤器通常由多孔固体材料制成，这种材料含有许多延伸穿过其中并具有小的截面尺寸的孔，因此该过滤器可让流过该过滤器的废气透过，并能够阻止大部分或全部微粒随该气体穿过过滤器。受阻的微粒通常由烟炱粒子形式的含碳微粒构成，在本文和说明书中所述的“微粒”是指这种由柴油机生成的粒子。随着收集的微粒量增多，废气穿过过滤器的流速通常受阻，因而过滤器内的背压升高，并且发动机的效率降低。

在本领域中，希望通过烟炱粒子被捕集在过滤器中时的连续烧除或焚化来更简单地使微粒过滤器再生。但是，经验已经表明，在普通柴油机运行中，废气系统中的温度在发动机载荷和速度的不同条件下显著变化，且过滤器中的温度几乎达不到焚化被捕集的微粒所需的510℃温度水平。

为了顺应在美国和欧洲均越来越严格的降低以路运柴油机和工程柴油机为动力的车辆的固体排放物含量的法律，已经开发出了废气后处理，例如各种滤烟介质。壁行型陶瓷蜂窝过滤器是工业应用的现有系统中最广泛使用的过滤技术。壁行过滤器解决了过滤的要求，但仍然具有实现可靠和可重复的过滤器清洗方法的残余问题。这种残余问题引起了广泛的工程研究和开发。壁行过滤元件特别可用于从柴油机废气中过滤颗粒物。许多参考文献公开了壁行过滤器的使用，其可以包含在过滤器上或在过滤器中的催化剂以过滤和烧除滤过的颗粒物。常用的陶瓷壁行过滤器构造是多通道蜂窝结构，该蜂窝结构的上游和下游侧上的交替通道的末端被堵塞。这在任一侧上产生了棋盘型图案。上游或入口端被堵塞的通道在下游或出口端是开放的。这使得气体可进入开放的上游通道，流经多孔壁，并通过具有开放下游端的通道离开。气压驱使气体透过多孔结构壁进入在上游端封闭和在下游端开放的通道。这种结构主要是打开的，以从废气流中过滤粒子。

理想的是从壁行过滤器的上游侧除去颗粒物。一种方法是在壁上提供催化剂层，以在过滤器运行过程中催化颗粒物的引燃。许多美国专利都公开了这类壁行结构。