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CN105813715A - 设计为壁式流动过滤器的颗粒过滤器 - Google Patents

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CN105813715A
CN105813715A CN201380081133.XA CN201380081133A CN105813715A CN 105813715 A CN105813715 A CN 105813715A CN 201380081133 A CN201380081133 A CN 201380081133A CN 105813715 A CN105813715 A CN 105813715A
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waste gas
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K.施赖韦
S.斯泰格特
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HJS Emission Technology GmbH and Co KG
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Abstract

一种颗粒过滤器，设计为壁式流动过滤器，用于去除内燃机、尤其柴油发动机的废气中所含有的碳黑颗粒。所述颗粒过滤器具有多孔的基板1，所述基板1具有多个被过滤器壁2所围绕的过滤器通道3。所述基板1具有至少两个沿废气穿过所述基板1的穿流方向相继布置的、具备不同孔隙度的基板区域P1、P2、P3。

Description

设计为壁式流动过滤器的颗粒过滤器
本发明涉及一种颗粒过滤器，设计为壁式流动过滤器，用于去除在内燃机的废气中所含有的碳黑颗粒，所述颗粒过滤器具有多孔的基板，所述基板具有多个被过滤器壁所围绕的过滤器通道。
为了降低内燃机的排放，首先在此涉及柴油发动机，在废气通道中连接有颗粒过滤器。该颗粒过滤器用于去除包含在内燃机的废气中的颗粒、尤其碳黑颗粒。在此，人们在各种情况下都致力于尽可能完全抑制碳黑颗粒的排放，因此在很多情况下将颗粒过滤器设计为全过滤器。这种全过滤器是壁式流动过滤器，即：在过滤器中待过滤的介质(在此为颗粒以及废气所含有的碳黑颗粒)必须穿流过过滤器壁，用于从基板的上游侧到达下游侧(净化侧)。这种颗粒过滤器的基板包括多个相互平行延伸的被过滤器壁围绕的过滤器通道。多种陶瓷材料可作为应用材料。在此，过滤器通道以蜂窝状相邻地布置并且分别通过过滤器壁相互分隔。过滤器通道交替地在上游侧或下游侧被封闭。上游通道和下游通道的横截面可以设计为对称的或不对称的。颗粒全过滤器也已知地具有由烧结金属材料构成的其它的过滤器通道几何形状。
这种颗粒过滤器设计用于废气清洁系统的运行，由此通过颗粒过滤器在碳黑积聚增大时不会进一步提高废气反压力。由此需要在达到碳黑加载量时还原基板。在这种还原过程中，积聚的碳黑被氧化，这也称为受控的碳黑燃尽。这种还原可以是被动的并且由此在碳黑达到确定的温度时自动地或主动地通过输入热量被触发。在这种被动的还原中，在积聚的碳黑的上游侧输入NO2，由此在较低的温度下可开始碳黑的氧化并且由此不必进行附加的升温。为了满足前述要求，其具有通常5μm至15μm的相对较小的孔隙尺寸和很大程度地明显小于50％的孔隙度。此外，基板设计为，从未加载的基板开始过滤过程尽可能快速地调节到表面过滤。在至少以可识别的量值开始表面过滤之前，处于过滤器壁的孔隙被附着了碳黑，由此该基板的有效的孔隙度被进一步降低。在持续深度过滤时，以这种过滤器无法实现所希望的大于98％的滤除度。因此，人们致力于设计这种颗粒过滤器，使得其快速地到达准备实现的表面过滤状态。
在一些应用中，不需要进行完全的或很大程度完全的碳黑排放的还原。在这种应用中，内燃机的碳黑排放被减少50％或仅20％至25％就足够了。
为此，研发了所谓的部分过滤器。部分过滤器具有在所希望的量级中最大名义上的滤除度。这意味着，这种过滤器可以获得与滤除度相应的包含在内燃机的废气中的颗粒尤其碳黑颗粒的一部分。部分过滤器可以设计为壁式流动过滤器。在这种情况下，通过不同的措施形成一个或多个、通常大量的旁通通道。旁通通道实现了从基板的上游侧至下游侧的流动性，而无需使废气穿流过滤器壁。这种旁通通过下游侧封闭的过滤器壁与一个或多个上游侧开放的过滤器壁的连接实现。旁通流动性的可穿流的横截面如此设计，使得一部分废气流未过滤地流过。根据旁通流动性的可穿流的横截面确定通过这种部分过滤器实现的滤除度。
颗粒过滤器设计为具有通道结构的壁式流动过滤器，大多数在在下游侧被封闭的过滤器通道内进行废气中所包含的碳黑的积聚。在碳黑积聚时，随着过滤器通道的加深，碳黑堆积也就越大。由此，从过滤器通道的进入侧至其下游侧的封闭处不断地增大碳黑加载量。在颗粒过滤器的下游侧的端部区域内存在的且相对于进入侧相对较大的碳黑量可以造成在还原时在颗粒过滤器或其基本的下游侧的端部区域出现热学问题。这可以导致在该区域发生过热，由此损伤或者甚至可能毁坏颗粒过滤器。这首先适用于其基板由陶瓷材料如堇青石材料制成的颗粒过滤器。
从所讨论的现有技术出发，本发明所要解决的技术问题是，改进设计为具有通道结构的壁式流动过滤器的颗粒过滤器，有效避免由于还原所导致的在基板区域中的过热。
所述技术问题按照本发明通过一种前述类型的颗粒过滤器解决，其中，所述基板具有至少两个沿废气穿过所述基板的穿流方向相继布置的、具备不同孔隙度的基板区域。
在这种颗粒过滤器中，基板和围绕过滤器通道的过滤器壁沿着废气穿过基板的流动方向至少具有两个相继布置的具有不同孔隙度的区域。具有不同孔隙度的区域的基板的方案使得在这些区域中可以调节废气穿过过滤器壁的不同的穿流特性。相对于前述讨论的现有技术中所述的缺点，通过该方案可以有效地防止在基板的下游侧的端部区域内在沿该方向封闭的过滤器通道内有时出现较大的碳黑积聚。这由此实现，即在基板的下游侧布置的端部区域内设置比上游侧布置的主碳黑积聚区域更低的孔隙度。在这种端部区域内的较低的孔隙度使得包含在废气内的碳黑颗粒由于较低的流动阻力更多地穿流过具有更高孔隙度的布置在上游的一个或多个区域，并且由此所包含的碳黑颗粒根据有利的流动路径在该一个或多个区域积聚在上游侧的过滤器壁。以这种方式可以有效地避免由于在还原时在出口端部区域出现所不希望的过热而使颗粒过滤器受损。
首先以单一的或统一的孔隙度制造基板，如果没有在制造时进行相应的孔隙度分区，通过对基板的一个或多个区域的涂层，这些区域具有相对于其它孔隙度区域更低的孔隙度。这种涂层优选实施为增加表面积的涂层，即通常通过涂覆所谓的载体材料(Washcoat)实现。这种载体材料的组合或成分和应用是充分已知的。这种载体材料通常用于增大催化器的基板表面积。应理解的是，区域的孔隙度通过一次或多次的具有相同或不同载体材料的涂层以简单方法而被调节。
同样地如前述的颗粒过滤器的基板的端部区域，可以与此无关地或者也可以附加地使进口区域与其在下游侧布置的相邻的孔隙区域相比具有较低的孔隙度。
在多数情况下，在基板的整个横截面上定义孔隙区域。然而也可以将相邻的孔隙区域在其孔隙度方面不同的孔隙度仅仅限定在基板的横截面的局部范围中。由此也可以使用该方案，当基板非均匀地被待清洁的废气流过时，用于在基板的横截面上有利地实现碳黑加载的均匀分布。由各个部分构成的过滤器结构可特别简单地实现。
前述设计为壁式流动过滤器的颗粒过滤器的孔隙度分区的方案同样适用于完整过滤器和部分过滤器。有趣的是，该方案然首先用于设计为壁式流动过滤器的颗粒过滤器，因为在有利的实施例中用于具有较高孔隙度的基板，尤其孔隙度大于50％。较高的孔隙度优选大约在60％至70％之间，优选还具有相对较大的孔隙尺寸并且在15μm至30μm之间的。根据有利的改进方案，孔隙尺寸争取不超过25μm。这种基板由碳化硅材料制成，其由于较高的孔隙度是特别有利的，以便由具有统一的孔隙度的基板开始通过涂覆一个或多个增加表面积的涂层、尤其载体材料形式的涂层来实现孔隙度分区。在此所使用的载体材料如此调整，使得基板的孔隙度在涂层过程中下降大约5％至10％。这从而构成为所述目的足够的基板相邻的孔隙区域之间的孔隙度差异。在此可理解的是，在第一步骤中，基板总体上以载体材料覆层，用于在接下来的步骤中与首先统一设定的孔隙度相比形成多个具有降低的孔隙度的空隙区域。
在使用载体材料时，优选所使用的更为多孔的基板也在其孔内涂层，使得孔隙度的降低也通过一定的降低达到孔隙尺寸。
在改进方案中，这种载体材料在整个基板中存在或者仅在涂层的区域中存在，以便使用载体材料作为催化涂层的载体。可以理解的是，活化物质在这种情况下集成在载体材料中，或者在接下来的过程步骤中涂覆在由载体材料提供的表面上。在两种情况中，为了基板的孔隙度分区所使用的载体材料涂层可以同时用作增加表面积的用于催化涂层的载体。在此例如涉及氧化催化的涂层。还可行的是，这种整体或局部涂覆载体材料的基板具有用于NOx还原的有效催化的涂层，例如可以是根据所谓的SCR(选择性催化还原)工艺的氮氧化物的选择性催化还原。在这种情况下，设有进口区域，其具有用于实施水解的催化涂层。随后用作水解催化器的区域支持包含在废气中的尿素微滴作为还原剂前驱体，用于释放出其含有的NH3作为还原剂。这对于在基板内的下游在SCR催化涂层上进行的NOx还原是必需的。
设计为部分过滤器的颗粒壁式流动过滤器具有前述的孔隙度和优选的颗粒尺寸，其中在基板的设计方案中已经提供了由基板制成的颗粒过滤器的特征。基板相对较低的孔隙度使得过滤器壁具有低阻力的可穿流性。由此，在设计为具有通道结构的壁式流动过滤器的部分过滤器中，这种形式明显延长了深度过滤效果。
由此，旁通穿流通过性的开放的横截面可以相对于前述的设计为壁式流动过滤器的颗粒过滤器具有较小的尺寸。在相同基板容积中，这实现了滤除度效率的改进。同时，通过基板的明显更高的孔隙度，相对于前述的基板未强烈地降低基板的重量。
这种颗粒过滤器的滤除度也通过过滤器通道密度确定。这也称为腔室密度，其优选在大约100cpsi至350cpsi之间、尤其在180cpsi至225cpsi(每平方英寸的腔室数)之间。特别有效的颗粒过滤器在考虑到前述的设计标准的情况下大约是200cpsi。
由此过滤器通道密度可以考虑用于基板的目的。当过滤器通道密度较小时，使得通过过滤器壁的流动速度是相对较高的，并且由此在这种颗粒过滤器的设计中降低了所希望的深度过滤性，并且由此降低了滤除度。此外，旁通穿流通过性的横截面积相对较大。在更高的腔室密度的情况下，旁通穿流通过性的横截面积相对较小。此外，在过滤器壁中的深度过滤性仅更多是从属地实现，这导致在表面上的快速的碳黑积聚。
在这种设计的颗粒过滤器中，由于所希望的深度过滤效果，首先过滤器壁也用作这种用于滤除废弃流中包含的颗粒。特别有利的是，壁厚在0.3mm至0.7mm之间、尤其大约是0.4mm，以便在这种部分过滤器上实现所设定的要求。
以下结合附图所示的实施例描述本发明。在附图中：
图1示出根据本发明的颗粒过滤器的多条这种过滤器通道的一条过滤器通道的纵剖视图，颗粒过滤器具有加载碳黑的过滤器壁，
图2示出根据现有技术的颗粒过滤器的多条这种过滤器通道的一条过滤器通道的纵剖视图，颗粒过滤器具有加载碳黑的过滤器壁，和
图3示出由两个被催化剂覆层的、设计为壁式流动过滤器的颗粒过滤器构成的废气清洁设备。
由多孔的碳化硅材料制成的基板1用于形成多个相互平行延伸的、被过滤器壁围绕的过滤器通道。颗粒过滤器设计为部分过滤器，使得第一过滤器通道组在该实施例中在下游侧被封闭，同时第二通道组没有被封闭，并且由此提供一种旁通穿流通过性。构成基板1的碳化硅材料的孔隙度在所示实施例中大约为65％。图1示出剖切围绕着过滤器通道3的过滤器壁2、2.1、2.2所得的纵剖视图。过滤器通道3在下游侧通过封闭体4被封闭，封闭体相对于过滤器通道3形成塞子。与过滤器通道3相邻的过滤器通道在所示实施例中没有被封闭。由此，由基板1构成的颗粒过滤器涉及颗粒部分过滤器。
在所示的实施例中，只有在基板的纵向延伸段上设置多个孔隙区域后，才安装封闭体4并且借助封闭体4安装所有其它的分别在下游侧封闭过滤器通道的塞子。在图1所示的实施例中，设有三个孔隙区域P1、P2、P3。它们沿废气穿过基板1的穿流方向、如通过框形箭头所示的那样相继地布置。三个孔隙区域P1、P2、P3通过在基板被制造后对基板1的原始孔隙度的相应的减少而被调整。为此，基板1在第一步骤中整体被载体材料覆着。在此和在接下来的涂层步骤中有利的是，封闭体4尚未安装。由此，载体材料可以通过将基板1浸入载体材料溶剂和从载体材料溶剂中取出载体材料来较好地实施。同样地，对于接下来的对覆着的载体材料的吹干也是有利的。所布置的载体材料是已知的、传统的作为载体的催化剂涂层。在基板1中，人们却首先利用覆着的载体材料的增加表面积的特性，用于减少孔隙度。通过第一载体材料涂覆过程，调整中间的孔隙区域P2的孔隙度。其相对于原始孔隙度下降了大约7％。在接下来的步骤中，在终端区域、即孔隙区域P3中，孔隙度通过第二载体材料涂覆过程被再次降低大约7％。同样地，在孔隙区域P1中在图1所示的进入区域中，孔隙度同样通过第二载体材料涂覆过程如同孔隙区域P2中的孔隙度被降低。为此，再次布置相同的载体材料，使得基板1在孔隙区域P1、P3内具有约51％的孔隙度并且在孔隙区域P2内具有约58％的孔隙度。这对于基板1的可穿流性意味着，由于不同的孔隙度，废气优选穿流过孔隙区域P2。
在所示的实施例中，在孔隙区域P2和P3中存在的载体材料被实施为选择性还原NOx的催化涂层。这意味着，颗粒过滤器的基板1在区域P2和P3中根据SCR催化器的形式、除了其过滤器功能以外、在存在作为还原剂的氨的情况下工作。位于孔隙区域P1中的载体材料被实施为发挥水解作用的涂层。其用于加快包含在废气中的尿素微滴的水解，以便从中释放出用于SCR催化的作为还原剂所必需的NH3。由此，颗粒过滤器的基板1除了其本身的过滤器功能外，还具备SCR催化器的功能。应理解的是，为了SCR催化器在基板的上游向废气流中喷射尿素。
基板1的上述孔隙度的区域化所产生的结果是，废气中所含有的碳黑在通过封闭体4封闭的过滤器通道3的端侧最大程度地积聚在孔隙区域P2中。原因在于，与孔隙区域P1和P3相比，孔隙区域P2具有由较大的孔隙度所决定的较低的穿流阻力。在图1中示意性地示出过滤器通道3的典型的加载碳黑的构型。碳黑在其中可识别地标记为附图标记5。明显可以看到，在具有孔隙度P3的端部区域中，碳黑积聚朝着封闭体4的方向是减少的。同时，在所示的实施例中，通过在孔隙区域P3中的附加的载体材料涂覆，用于降低该区域P3相对于区域P2的孔隙度，而被实施了附加的涂覆量。在孔隙区域P3中的较低的碳黑积聚和通过载体材料涂覆实施的附加的涂覆量保护了孔隙区域P3(基板1的端部区域)，防止在基板1还原时出现所不希望的过热，这种过热会造成积聚的碳黑5被氧化。当增加了尿素的废气进入基板1时，尿素作为还原剂前驱体在孔隙区域P1的表面上水解，用于释放所含有的NH3。同时，通过出现的过滤作用，也在孔隙区域P1内积累碳黑。由于在孔隙区域P2中较低的流动阻力，大多数碳黑量在孔隙区域P2内积聚。这首先涉及所积聚的碳黑的厚度。因为孔隙区域P2相对于基板1的纵向延伸段占据了最长的区域并且大约是基板1长度的70％，这附加地使得，大多数碳黑量在该孔隙区域P2内积聚。伴随着碳黑积聚，通过最晚在孔隙区域P1的水解催化器上释放的NH3，所含有的NOx在孔隙区域P2和P3的催化表面上被还原。
图2示出根据现有技术的已知的相应的在其纵向延伸段上具有均匀孔隙度的基板的视图。图2所示的过滤器通道F具有朝向封闭体V的逐渐增加的碳黑加载R。颗粒过滤器的传统的基板所形成的典型的碳黑积聚由于在端部区域中存在的相对较大的碳黑量导致在下游侧的端部区域中还原时发生过热的危险。由于一定在该区域内存在相对较大的碳黑量，由此进一步提高了还原温度并且首先与在其中仅有较低碳黑积聚的区域相比持续更长的还原过程。
图3示出具有构成颗粒过滤器的基板1的废气清洁设备。在具有基板1的壳体7内共同存在另外的基板8，同样构造为颗粒过滤器。基板8也涉及这种如同基板1所述的基板。与基板1不同的是，基板8只具有两个孔隙区域P4、P5。孔隙区域P4、P5相当于基板1的孔隙区域P2、P3。由此，在基板8中，孔隙度在孔隙区域P5内比在孔隙区域P4内下降。基板8的整体的载体材料涂覆通过氧化催化剂涂层实施。这用于去除废气流中的碳氢化合物以及一氧化碳，并且用于由废气中含有的NO而生成NO2。在相对于基板8的出口侧，所希望的废气流中的NO:NO2的比例是1:2至2:1。这种NO:NO2的比例促进在基板1中的SCR催化。同样地如在基板1中，孔隙度降低的孔隙区域P5在基板8中用于防止在还原时发生过热。
在两个基板8、1之间具有喷射装置9，用于输入液体形式的作为还原剂前驱体的尿素。通过喷射装置9，液体形式输入的尿素被雾化，其最晚在基板1的孔隙区域P1内在接触水解催化涂层时被分解。
在本实施例中所提供的孔隙尺寸，原则上是指中等的孔隙尺寸。在此，孔隙尺寸的范围优选的标准偏差最大是70％。
图3所示的废气清洁设备的两个净化级，可以由一个或多个串联的过滤器基板构成。因为单基板沿废气的流动方向仅具有相对较短的长度，所以由多个单基板组成总基板的结构对于还原是有意义的，因为这有效地避免了与热学相关的损伤。在这种设计方案中，其中多于一个个基板形成一个净化级，单基板层相互叠形式地布置。在这种层叠形式的设计方案中有利的是，每个单基板在端部范围内均具有较低孔隙度的区域，如在实施例中所述的。
在各个过滤器基板之间可以设有产生涡流的结构，例如设计为涡流栅栏。
前述技术方案的优点在于，作为壁式流动过滤器的颗粒过滤器设计为用于在其上涂覆催化涂层的基板，由于与整体过滤器相比具有相对更高的孔隙度和相对较大的孔隙尺寸，从而为载体材料的涂覆和为催化涂层提供更大可接触的表面。最后，由于这种部分过滤器的设计，确保了孔隙体积内也被催化剂涂层。由此，通过这种在紧凑空间内的基板，与设计为纯粹的催化器的表面相比，提供了特别大的催化器表面。
废气清洁方案在本实施例中结合柴油内燃机、例如柴油发动机的废气的清洁进行描述。同样地，该方案也适用于汽油发动机的废气的清洁。
所述的废气清洁设备也可以称为四行程废气清洁设备或者四行程催化器。
本发明结合实施例描述。只要没有脱离权利要求的保护范围，技术人员可以通过多种方式实现本发明。
附图标记列表
1基板
2、2.1、2.2过滤器壁
3过滤器通道
4封闭体
5碳黑
6废气清洁设备
7壳体
8基板
9喷射装置
P1-P5孔隙区域
F过滤器通道
R碳黑加载物
V封闭体

Claims (14)

1.一种颗粒过滤器，设计为壁式流动过滤器，用于去除在内燃机的废气中所含有的碳黑颗粒，所述颗粒过滤器具有多孔的基板(1、8)，所述基板(1、8)具有多个被过滤器壁(2、2.1、2.2)所围绕的过滤器通道(3)，其特征在于，所述基板(1、8)具有至少两个沿废气穿过所述基板(1、8)的穿流方向相继布置的、具备不同孔隙度的基板区域(P1、P2、P3、P4、P5)。
2.按照权利要求1所述的颗粒过滤器，其特征在于，在相对于另一个基板区域(P2、P4)具有较低孔隙度的一个基板区域(P1、P3、P5)中，所述基板(1、8)被一次或多次地增加表面积地涂层，以便在该基板区域(P1、P3、P5)中降低孔隙度。
3.按照权利要求2所述的颗粒过滤器，其特征在于，降低孔隙度的涂层是施加载体材料的涂层。
4.按照权利要求1至3之一所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述基板(1、8)具有包含其下游侧的端部区域，相对于与沿废气的流动方向的上游侧相邻的基板区域，该端部区域具有降低的孔隙度。
5.按照权利要求4所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述端部区域的纵向长度不超过所述基板(1、8)的长度的20％。
6.按照权利要求1至5之一所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述基板(1)具有进入区域，相对于与沿废气的流动方向的下游侧相邻的基板区域(P2)，该进入区域具有降低的孔隙度。
7.按照权利要求6所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述进入区域被催化地涂层，用于对包含在废气流中的含水的液滴进行水解。
8.按照权利要求6或7所述的颗粒过滤器，其特征在于，沿废气的流动方向紧随所述进入区域的至少一个基板区域被催化地涂层，用于进行NOx的还原。
9.按照权利要求1至8之一所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述基板(1、8)是多孔的陶瓷材料、例如碳化硅材料、堇青石材料或者钛酸铝材料。
10.按照权利要求1至9之一所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述颗粒过滤器被设计为部分过滤器。
11.按照权利要求10所述的颗粒过滤器，其特征在于，一定数量的过滤器通道既没有在上游侧也没有在下游侧被封闭。
12.按照权利要求11所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述基板(1、8)未被涂层的部分具有大于50％的孔隙度和15μm至30μm之间的孔隙尺寸。
13.按照权利要求10至12之一所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述基板(1、8)或者多个基板中的至少一个基板被催化地涂层，例如涂覆有氧化催化剂涂层。
14.按照权利要求10至13之一所述的颗粒过滤器，其特征在于，所述过滤器壁(2、2.1、2.2)的壁厚在0.3mm至0.7mm之间、尤其等于约0.4mm。
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