[发明专利]改进的催化烟灰过滤器

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化烟灰过滤器，特别是用于处理柴油发动机排气的催化烟灰过滤器，其具有确保烟灰微粒过滤，促进一氧化碳氧化和在正常发动机操作和主动再生情况的过程中产生低NO₂排放物的分区设计。

背景技术

柴油发动机排气为多相混合物，其不仅含有气态排放物如一氧化碳(“CO”)、未燃烧的烃(“HC”)和氮氧化物(“NOx”)，而且含有构成所谓的微粒物质的凝相材料，即液体和固体。用于柴油发动机的排放物处理系统必须处理所有排气组分以符合全世界各管理机构所设定的排放标准。

柴油机排气的总微粒物质排放物含有三种主要组分。一种组分为固体的、干燥的、固体含碳部分或烟灰部分。该干燥的含碳部分对通常与柴油机排气相关的可见烟灰排放物有贡献。微粒物质的第二组分为可溶有机部分(“SOF”)。取决于柴油机排气的温度，SOF可以作为蒸气或气雾(液体冷凝物的微小液滴)存在于柴油机排气中。它通常在稀释的排气中在52℃的标准微粒集中温度下作为冷凝液存在，正如标准测量试验如美国联邦重负荷瞬态试验程序(U.S.Heavy Duty Transient Federal Test Procedure)所规定的那样。这些液体来自两个来源：(1)每当活塞上下运动时从发动机的汽缸壁扫下的润滑油；和(2)未燃烧的或部分燃烧的柴油。微粒物质的第三组分为所谓的硫酸盐部分，其由柴油中存在的少量硫组分形成。

催化剂组合物和其上设置有所述组合物的基底通常在柴油发动机排气系统中提供以将某些或全部这些排气组分转化成无害组分。例如，含有铂系元素金属、贱金属及其组合的氧化催化剂通过促进未燃烧的烃(HC)和一氧化碳(CO)气态污染物以及一定比例的微粒物质经由这些污染物的氧化以转化成二氧化碳和水而便于处理柴油发动机排气。该类催化剂通常已经设置于各种基底(例如蜂巢直流整料基底)上，其置于柴油发动机排气中以在将排气排放至大气中之前对其进行处理。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，柴油机微粒过滤器还用于在柴油机排放物处理系统中实现高的微粒物质减少。从柴油机排气中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。这些过滤器能够从柴油机排气中除去超过90%的微粒物质。典型的陶瓷壁流过滤器基底由耐火材料如堇青石或碳化硅组成。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，使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路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路离开。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路。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积的催化剂组合物通过促进聚集的微粒物质燃烧而便于再生过滤器基底。聚集的微粒物质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。两种过程均利用氧化剂如O₂或NO₂来燃烧微粒物质。

被动再生过程在柴油机排气系统的正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易于从大气中获得，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。

尽管存在催化剂组合物以及对使用NO₂作为氧化剂的供应，但通常需要主动再生过程来清除出聚集的微粒物质，并恢复过滤器内可接受的背压。微粒物质的烟灰部分通常需要超过500℃的温度以在富氧(稀薄)条件下燃烧，所述温度高于柴油机排气中通常存在的温度。通常通过改变发动机操作以将过滤器前面的温度提升到570-630℃而启动主动再生过程。