[发明专利]分区涂布的过滤器、排放物处理系统和方法

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2006年12月1日提交的美国临时专利申请系列号No. 60/868,289的权益，以及要求2007年11月29日提交的美国专利申请系列 号No.11/947,324的权益，它们的公开内容全文经此引用并入本文。

发明领域

本发明的实施方案大体上涉及柴油机废气处理过滤器、系统和方法。 更特别地，本发明的实施方案涉及包括具有涂有氧化催化剂的区域的分区 涂布微粒过滤器的柴油机废气处理系统和方法。

背景技术

压缩点火柴油机由于它们固有的燃料经济性和在低速下的高扭矩而具 有作为车辆动力装置的极大实用性和优点。柴油机在非常稀燃条件下在高 空燃比(A/F)下运行。因此，它们具有极低的气相烃和一氧化碳排放。

但是，柴油机废气以相对较高的氮氧化物(NO_x)和微粒排放为特征。柴 油机废气是不仅含有气态排放物，如一氧化碳(“CO”)、未燃烃(“HC”) 和氮氧化物(“NO_x”)，还含有构成所谓微粒或颗粒物的凝相材料(液 体和固体)的多相混合物。柴油机的排放物处理系统必须处理废气的所有 组分以符合全世界各个管理机构设定的排放标准。

柴油机废气的总颗粒排放物含有三种主要组分。一种组分是固态、干 燥的碳质成分或烟炱成分。这种干燥的碳质成分引起常与柴油机废气联系 在一起的可见烟炱排放。颗粒物的第二组分是可溶有机成分(“SOF”)。 SOF可以根据柴油机废气的温度以蒸气或以气溶胶(液体冷凝物的细滴) 形式存在于柴油机废气中。其通常如标准测量试验，例如U.S.Heavy Duty Transient Federal Test Procedure所规定，在52℃的标准微粒收集温度下 以冷凝液体形式存在于稀释废气中。这些液体来自两个来源：(1)活塞每 次上下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。颗粒物的第三组分是所谓的硫酸盐成分，其由柴油燃料中存在的少 量硫组分形成。

通常在柴油机排气系统中提供催化剂组合物和将该组合物置于其上的 基底以将某些或所有这些废气组分转化成无害组分。例如，含有铂族金属、 贱金属及其组合的氧化催化剂(其在柴油机系统中可以被称作柴油机氧化 催化剂(DOCs))通过促进未燃烃(HC)和一氧化碳(CO)气态污染 物以及一定比例的颗粒物经由这些污染物的氧化转化成二氧化碳和水来促 进柴油机废气的处理。这类催化剂通常位于各种基底(例如蜂窝流过型整 体基底)上，其被放置在柴油机排气装置中以便在废气排放到大气中之前 处理废气。某些氧化催化剂还促进NO氧化成NO₂。

除了使用氧化催化剂外，还使用柴油机微粒过滤器实现柴油机排放物 处理系统中高的颗粒物减少。从柴油机废气中除去颗粒物的已知过滤器结 构包括蜂窝壁流式过滤器、缠绕或填充纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属 过滤器等。但是，下述陶瓷壁流式过滤器受到最大关注。这些过滤器能够 从柴油机废气中除去超过90％颗粒物。

典型的陶瓷壁流式过滤器基底由耐火材料如堇青石或碳化硅构成。壁 流式基底特别可用于从柴油机废气中过滤颗粒物。常见的构造是在蜂窝结 构的入口侧和出口侧上交替堵塞通道末端的多通道蜂窝结构。这种构造在 任一末端上产生棋盘型图案。在入口轴向末端堵塞的通道在出口轴向末端 上开放。这允许夹带着颗粒物的废气进入开放的入口通道，流经多孔内壁 并经由具有开放的出口轴向末端的通道离开。颗粒物由此过滤到基底内壁 上。气压驱使废气经由多孔结构壁进入在上游轴向末端封闭和在下游轴向 末端开放的通道。积聚的粒子会增加发动机上的来自该过滤器的背压。因 此，必须从过滤器上连续或定期烧除积聚的粒子以维持可接受的背压。

沿壁流式基底内壁沉积的催化剂组合物通过促进积聚的颗粒物燃烧而 有助于过滤器基底的再生。积聚的颗粒物的燃烧恢复排气系统内可接受的 背压。烟炱燃烧可以是被动的(例如，借助壁流式过滤器上的催化剂和足 够高的废气温度)，尽管对于许多应用，也要求主动烟炱燃烧(例如在过 滤器上游的废气中产生高温放热)。这两种方法都采用氧化剂如O₂或NO₂燃烧颗粒物。