[发明专利]用于从压燃式发动机排放的废气过滤颗粒物的过滤器

说明书

本申请是一项发明专利申请的分案申请，其母案的申请日为2010年2月26日、申请号为201080019272.6(PCT/GB2010/050347)、发明名称为“用于从压燃式发动机排放的废气过滤颗粒物的过滤器”。

技术领域

本发明涉及用于处理由压燃式发动机产生的颗粒物(PM)和氮氧化物的过滤器。

背景技术

压燃式发动机通过将烃喷射到压缩空气中而引起烃燃烧，并且可通过柴油燃料、生物柴油燃料、柴油燃料和生物柴油燃料的共混物以及压缩天然气供给燃料。本发明目的与2010年2月26日提交的题为“Filter(过滤器)”的英国专利申请第1003244.9号要求保护的发明不同。该英国专利申请的发明目的在于用于强制点火(positive ignition)发动机废气中颗粒物的过滤器。

环境PM被大多数作者基于其空气动力学直径(空气动力学直径定义为与被测定颗粒在空气中具有相同沉降速度的1g/cm³密度球体的直径)分为以下类别：

(i)PM-10-空气动力学直径小于10μm的颗粒；

(ii)直径低于2.5μm的细颗粒(PM-2.5)；

(iii)直径低于0.1μm(或100nm)的超细颗粒；和

(iv)纳米颗粒，由小于50nm的直径表征。

自从二十世纪九十年代中期以来，由于细颗粒和超细颗粒对健康可能的不利影响，由内燃机排放的颗粒状物的粒径分布愈来愈受关注。在美国，环境空气中PM-10颗粒状物的浓度受到法律管制。由于健康研究表明人类死亡率与低于2.5μm的细颗粒的浓度之间的密切关联，因此在美国，在1997年引入了对于PM-2.5的新的另外的环境空气质量标准。

人们已转而关注由柴油发动机和汽油发动机产生的纳米颗粒，因为根据对2.5-10.0μm范围内的颗粒状物研究的结果推测，它们被认为相比较大尺寸的颗粒状物能够更加深入地渗透到人肺中，并因此被认为比较大颗粒更加有害。

柴油颗粒状物的尺寸分布具有对应于颗粒成核和附聚机理的非常确实的双峰特征，其中相应的颗粒类型分别称作核模和积聚模(参见图1)。如图1可见，在核模中，柴油PM由大量具有非常小质量的小颗粒组成。几乎所有的柴油颗粒状物尺寸均显著小于1μm，即它们包含细颗粒(即落入1997年美国法律)、超细颗粒和纳米颗粒的的混合物，。

据相信，核模颗粒主要由挥发性冷凝物(烃、硫酸、硝酸等)组成，并且含有很少的固体材料，例如灰和碳。一般认为积聚模颗粒含有与冷凝物和吸附材料(重质烃、硫物质、氮氧化物衍生物等)混合的固体(碳、金属灰等)。据相信，粗粒模颗粒不在柴油燃烧过程中产生，而是可通过例如沉积和随后从发动机气缸、排气系统或颗粒状物取样系统再夹带粒状材料等机理形成。这些模式之间的关系示于图1。

成核颗粒的组成可随发动机运行条件、环境条件(特别是温度和湿度)、稀释和取样系统条件而变。实验室工作和理论已表明，大多数核模形成和生长在低稀释比率范围内发生。在该范围内，挥发性颗粒前体(如重质烃和硫酸)的气体到颗粒的转变导致核模的成核和生长以及吸附到现有积聚模颗粒上同时发生。实验室测试(例如参见SAE 980525和SAE 2001-01-0201)已表明，随着空气稀释温度的降低，核模形成强烈增加，但是关于湿度是否具有影响存在矛盾的证据。

一般而言，低温、低稀释比率、高湿度和长停留时间有利于纳米颗粒形成和生长。研究已表明，纳米颗粒主要由挥发性材料(如重质烃和硫酸)组成，有证据表明仅在非常高负载下具有固体部分。

在柴油颗粒过滤器中柴油颗粒状物的颗粒收集基于使用多孔屏障将由气体产生的颗粒状物与气相分离的原理。柴油过滤器可定义为深层过滤器和/或表面型过滤器。在深层过滤器中，过滤器介质的平均孔径大小比收集颗粒的平均直径大。通过包括扩散沉积(布朗运动)、惯性沉积(压紧)和流线截取(布朗运动或惯性)的深度过滤机理的组合，颗粒在介质上沉积。

在表面型过滤器中，过滤器介质的孔直径小于PM的直径，因此通过筛分分离PM。通过收集柴油PM本身的累积进行分离，该累积通常称为“过滤滤饼”，该方法通常称为“滤饼过滤”。

应理解的是，柴油颗粒过滤器(例如陶瓷壁流整体料)可通过深度过滤和表面过滤的组合工作：当深度过滤容量饱和并且颗粒层开始覆盖过滤表面时，过滤滤饼以较高的烟灰负载发展。深度过滤表征为比滤饼过滤稍低的过滤效率和较低的压降。