[发明专利]柴油发动机废气过滤设备

说明书

技术领域

本发明涉及基于金属泡沫的柴油发动机废气过滤器，包括限定具 有进口管和出口管的腔室的金属壳体以及过滤设备本体，所述过滤设 备本体由设置在所述进口管和出口管之间的连通通道中的分层金属泡 沫板制成。

背景技术

所考虑的金属泡沫材料和制造工艺分别在国际专利申请WO 2004089564和WO 2005037467中描述。根据这种工艺，所生产的金属 泡沫为具有期望长度和宽度的板。

对于柴油颗粒过滤的应用，基于泡沫的过滤器是已知的，尽管大 多数过滤器都基于陶瓷材料。典型地，由于具有大量的封闭孔，具有 足够小的孔尺寸以实现良好过滤效率的陶瓷泡沫展示出相对较高的压 降。此外，当更多碳烟(soot)在过滤器中积累时，已知的是这种泡沫 的过滤效率将降低，直到观测到一种“吹走”(blow-off)行为，即负 效率。

陶瓷泡沫的另一个缺点是对最终过滤器成形的限制。因此，在汽 车应用中所需的有限空间内获得大的过滤区域是非常困难的。

不同于基于表面过滤机制工作的大多数商业化的柴油颗粒过滤 器，泡沫过滤器基于深床过滤(deep-bed filtration)操作。这就意味着 碳烟在泡沫结构中而不是在其表面上收集。根据基于发动机测试的目 前的经验，具有小孔的高效过滤器会倾向于在其入口附近积累比朝向 其出口更多的碳烟。由于过滤器的高度装载的区域会不成比例地增大 压降，这种非均匀的碳烟分布是不利的。

在已知的现有技术中，所提出的材料通常是指多孔材料，并没有 特别地说明生产工艺的细节。

此外，一些已知的实施方式由需求所限定，以通过使用电加热器 来支持过滤器的热再生。因此，要求使用至少两个圆柱过滤器元件。 由于材料方面的限制、过滤器元件的生产工艺以及多个过滤器元件的 生产工艺的需求，过滤器元件的厚度被限制在0.5至20mm的范围内， 优选地为1mm或更多。

所提出的待使用的孔的尺寸范围特别优选地为从100至600μm， 所述范围是相当小的。类似地，过滤厚度是非常窄的。此外，简单地 参考“3-D捕获效果”缺乏对实际过滤机制的理解。

在其他已知的现有技术中，有两个元件被认为是基本的，包括所 谓的“孔隙率梯度”(porosity gradient)原理以及使用未提出的催化覆 盖泡沫材料。

其他已知的现有技术涉及导致陶瓷泡沫不具有梯度孔隙率的陶瓷 泡沫的使用。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点，使用深床过滤金属泡沫来实现具 有低压降的高过滤效率。这是基于径向流动概念，在轴向和/或横向方 向使用“孔隙率梯度”。根据应用，所述泡沫还能够被催化活性材料 所覆盖，以增强碳烟氧化(再生)，同时减少其它废气污染物，例如 CO、碳氢化合物、氮氧化物。优先地，这可以根据目标应用通过在过 滤器中使用非均匀数量的催化材料来实现。在本发明的一个变化形式 中，所述过滤器的设计方式使在清洁时能够保证非常高的过滤效率， 并保证在由于各种原因(例如延长的低温操作)装载于过滤器中的碳 烟达到极高值的情况下，不会出现阻塞现象。

迄今为止的实际测试已经证明，使用形状适合于允许径向流动的 覆盖泡沫过滤器，具有可接受压降的80％至95％数量级的基于深床的 颗粒过滤效率是可能的。由于主导性的基于扩散的过滤机制，对于较 小的微粒尺寸，例如小于20nm，过滤效率是最高的，接近100％。估 计所述过滤器的碳烟容量极限可以超过15克/升，这几乎是标准壁流 (wall-flow)系统的两倍。已经证明，在低温条件下(250到450℃之 间)，这种过滤器的再生潜力要优于标准催化陶瓷壁流过滤器。在200℃ 级别的温度条件下，催化涂层也能够获得接近100％的CO和碳氢化合 物的转化率。同时，在任何可能的实际行驶条件下，孔的尺寸在600 微米或更小的基于泡沫的过滤器不会表现出吹走所积累的碳烟的倾 向。