[发明专利]分区催化烟灰过滤器

说明书

技术领域

本发明涉及一种分区催化烟灰过滤器。这种烟灰过滤器包括壁流基底，该壁流基底包括入口端、出口端、在入口端与出口端之间延伸的基底轴向长度、以及由壁流基底的内壁限定的多个通路。多个通路包括具有开启的入口端和封闭的出口端的入口通路、以及具有封闭的入口端和开启的出口端的出口通路。入口通路的内壁包括第一入口涂层，该第一入口涂层从入口端延伸到第一入口涂层端，由此限定第一入口涂层长度，其中第一入口涂层长度是基底轴向长度的x%，其中0<x<100。出口通路的内壁包括第一出口涂层，该第一出口涂层从出口端延伸到第一出口涂层端，由此限定第一出口涂层长度，其中第一出口涂层长度是基底轴向长度的100-x%。第一入口涂层长度由此限定上游区，并且第一出口涂层长度限定下游区。根据一个优选实施例，第一入口涂层和第一出口涂层两者均包括氧化催化剂。根据本发明，第一入口涂层和第一出口涂层以特定涂层加载量比率而存在于壁流基底上，该特定涂层加载量比率定义为入口涂层加载量相对于出口涂层加载量。具体而言，所述涂层加载量比率小于0.5。

背景技术

贫燃发动机如柴油发动机的运转给用户提供了优良的燃料经济性，并且由于它们在燃料稀薄条件下以高空气/燃料比运转而具有很低的气相碳氢化合物和一氧化碳排放。与汽油发动机相比，柴油发动机还在它们的燃料经济性、耐久性和它们在低速产生高转矩的能力方面提供了显著的优点。然而，柴油发动机排气中含有某些已知导致污染并因此可能对环境有严重影响的材料。除气态排放物如一氧化碳（“CO”）、未燃烧的碳氢化合物（“HC”）和氮氧化物（“NOx”）以外，柴油发动机排气还包含凝相材料，即液体和固体，其构成所谓的微粒物质（“PM”）。除可溶有机部分（“SOF”）和所谓的硫酸盐部分以外，柴油机排气中包含的总微粒物质排放物还包括也称为“烟灰”部分的固态且干燥的含碳部分。这种烟灰加剧了通常与柴油机排气相关的可见烟灰排放物。视柴油机排气的温度而定，可溶有机部分可以作为蒸气或气雾——即液体浓缩物的微小液滴——存在于柴油机排气中。通常，它在稀释的排气中在52℃的标准微粒集中温度下作为浓缩液存在，正如诸如美国联邦重负荷瞬态试验程序（U.S.Heavy Duty Transient Federal Test Procedure）的标准测量试验所规定的那样。这些液体相信来自两个来源：一方面，每当活塞上下运动时从发动机的汽缸壁扫下的润滑油，另一方面，未燃烧的或仅部分燃烧的柴油。可以认为，硫酸盐部分由柴油燃料中存在的少量硫组分形成。

催化过滤器通常设置在柴油发动机排气系统中，以实现高程度的微粒物质还原，尤其是烟灰还原，并且将一些或全部排气组分转化为无害组分。从柴油机排气除去微粒物质的已知过滤器结构包括蜂巢壁流过滤器、纤维缠绕或填塞式过滤器，开孔泡沫、烧结金属过滤器等。然而，下文描述的陶瓷壁流过滤器受到最多的关注。典型的陶瓷壁流过滤器基底由诸如堇青石或碳化硅之类的耐热材料组成。壁流基底尤其用于从柴油发动机排气中过滤微粒物质。普遍的结构是多通路蜂巢结构，交替通路的端部在蜂巢结构的入口侧和出口侧插入。这种结构在任一端上产生棋盘型图案。在入口轴向端上插入的通道在出口轴向端上开启。这允许夹杂有微粒物质的排气进入开启的入口通路，流过多孔内壁，并通过具有开启的出口轴向端的通道离开。微粒物质由此在基底的内壁上被过滤。气体压力迫使排气经多孔结构壁进入在上游轴向端封闭并且在下游轴向端开启的通道。聚集的粒子将增大来自发动机上的过滤器的背压。因此，聚集的粒子必须被连续或定期从过滤器燃尽，以维持可接受的背压。沿壁流基底的内壁沉淀的催化剂成分有助于通过促进积聚的微粒物质的燃烧而再生过滤器基底。聚集的微粒物质的燃烧恢复了排气系统内可接受的背压。这些过程可以是被动的或主动的再生过程。两种过程均利用诸如O₂或NO₂之类的氧化剂来燃烧微粒物质。被动再生过程在柴油机排气系统的通常操作范围内的温度下燃烧微粒物质。优选地，用于再生过程中的氧化剂是NO₂，因为烟灰部分在比O₂用作氧化剂时所需的温度低得多的温度下燃烧。虽然O₂易于从大气获得，但可以通过使用使排气流中的NO氧化的上游氧化催化剂而主动生成NO₂。