[发明专利]具有层状设计的催化滤烟器

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化滤烟器，尤其用于处理柴油发动机废气，其具有确保烟灰颗粒过滤、有助于一氧化碳和未燃烧烃的氧化且在发动机正常运行和活性再生期间产生低NO₂排放物的层状设计。

背景技术

柴油发动机废气为非均质的混合物，其不仅含有气态排放物如一氧化碳(“CO”)、未燃烧烃(“HC”)和氮氧化物(“NOx”)，而且含有构成所谓的颗粒或颗粒物的凝聚相材料，即液体和固体。柴油发动机的排放处理系统必须对废气的所有组分进行处理以符合由世界各地的不同监管机构所设定的排放标准。

柴油机废气的全部颗粒状排放物含有三种主要组分。一种组分为固态、干燥的固体含碳级分或烟灰级分。该干燥的含碳级分导致通常与柴油机废气有关的可见烟灰排放物。所述颗粒物的第二组分为可溶性有机级分(“SOF”)。取决于柴油机废气的温度，SOF可作为蒸气或气溶胶(液态冷凝物的细液滴)存在于柴油机废气中。其通常在标准测试试验，例如美国重型瞬态联邦测试程序(U.S.Heavy Duty Transient Federal Test Procedure)所规定的52℃标准颗粒物收集温度下于稀废气中以凝聚的液体存在。这些液体获自两种来源：(1)每次活塞上下移动时扫过发动机气缸壁的润滑油；和(2)未燃烧或部分燃烧的柴油燃料。所述颗粒物的第三组分为所谓的硫酸盐级分，其由存在于柴油燃料中的少量硫组分形成。

通常在柴油发动机废气系统中提供催化剂组合物和其上沉积有该组合物的基材以将特定或所有这些废气组分转化为无害组分。例如，含铂族金属、贱金属及其组合的氧化催化剂通过促进未燃烧烃(HC)和一氧化碳(CO)气态污染物二者以及一定比例的颗粒物经由这些污染物的氧化转化为二氧化碳和水而促进柴油发动机废气的处理。该类催化剂通常沉积于不同基材(例如蜂窝状通流式整料基材)上，所述基材置于柴油发动机的废气中以在所述废气排入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。

除使用氧化催化剂之外，还使用柴油机颗粒物过滤器以使柴油机排放处理系统中的颗粒物大大降低。已知的从柴油机废气中除去颗粒物的过滤器结构包括蜂窝状壁流式(wall flow)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。然而，下文所述的陶瓷壁流式过滤器获得了最大的关注。这些过滤器能从柴油机废气中除去超过90%的颗粒状材料。典型的陶瓷壁流式过滤器基材由耐熔材料如堇青石或碳化硅构成。壁流式基材尤其可用于从柴油发动机废气中过滤颗粒物。常规结构为多通道蜂窝状结构，其中交替堵塞所述蜂窝状结构入口侧和出口侧的通道末端。该结构导致在另一端形成棋盘式图案。入口轴端堵塞的通道在出口轴端是开放的。这允许具有夹带颗粒物的废气进入开放的入口通道，流经多孔内壁并通过具有开放出口轴端的通道排出。由此使得颗粒物在基材内壁上过滤。气体压力迫使废气通过所述多孔结构壁进入在上游轴端处封闭而在下游轴端处开放的通道中。聚集的颗粒使发动机上的过滤器背压提高。因此，必须连续或定期将聚集的颗粒从过滤器上烧尽以保持可接受的背压。

沿壁流式基材的内壁沉积的催化剂组合物由于促进聚集颗粒物的燃烧而有助于过滤器基材的再生。聚集颗粒物的燃烧使废气系统内的背压恢复至可接受的水平。这些方法可为被动或主动再生方法。这两种方法均使用氧化剂如O₂或NO₂以燃烧颗粒物。

被动再生方法使颗粒物在柴油机废气系统的正常运行范围的温度下燃烧。优选地，所述再生方法中所用的氧化剂为NO₂，这是因为烟灰级分在比使用O₂作为氧化剂时所需温度低得多的温度下燃烧。尽管O₂可容易地从大气中获得，但NO₂可通过使用在废气流上游氧化NO的上游氧化催化剂而主动产生。

尽管存在催化剂组合物且提出了使用NO₂作为氧化剂，主动再生方法通常需要清除聚集的颗粒物，并将过滤器内的背压恢复至可接受的水平。所述颗粒物的烟灰级分通常需要高于500℃的温度以在富氧(贫)条件下燃烧，所述温度为比通常存在于柴油机废气中的温度高的温度。主动再生方法通常通过改变发动机控制以将过滤器前端的温度提高至570-630℃而引发。