用于从内燃机排气流中分离出微粒的微粒分离器尤其是微粒过滤器

摘要

本发明涉及用于从内燃机排气流中分离出微粒的微粒分离器尤其是微粒过滤器。本发明所述的微粒分离器(1)至少沿着排气流(3，12，13)经由微粒分离器(1)的主流动方向(x)具有在其蓄热性能和/或传热能力和/或从排气流(3，12，13)朝向微粒分离器(1)的热传递特性方面上不同的传热区(a，b)，可以利用这些传热区将限定的热量从排气流(3，12，13)传递给相应的微粒分离器区段。

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于从内燃机 (Brennkraftmaschine)排气流(Abgasstrom)中分离出微粒的微粒分离器 (Partikelabscheider)，尤其是微粒过滤器(Partikelfilter)。

背景技术

本发明所述的微粒分离器一方面指其流动通道直径显著大于存在的最大排 气微粒直径的微粒分离器。另一方面通常也指称作微粒过滤器的微粒分离器， 其流动通道直径在排气流微粒直径范围之内，和/或其中排气流流经过滤介质。 由于存在这种差异，微粒过滤器面临堵塞风险，这随着分离出来的炭黑量逐渐 增多，提高排气背压，并且降低发动机功率(Motorleistung)。使微粒过滤器再生 的已知可能方法是将在此分离出来的含碳炭黑氧化。为此需将排气温度主动升 高到超过550℃，从而可以被废气中所含的剩余氧氧化。将大量碳氢化合物加 入到废气之中，通过安装在微粒过滤器前面的催化器(Katalysator)将其氧化，从 而提高排气温度。反应放热引起所需的温度上升，其在过滤器入口处使得分离 出来的炭黑发生氧化反应，反应式如下：

C+O₂-＞CO₂

这一反应过程也是放热的，因此会进一步加热废气，使得排气温度朝向过 滤器出口不断升高。由于必须主动触发再生，因此被人们称作主动过滤器再生。

EP 0341832A2公开了另一种微粒过滤器再生可能方法。在安装于微粒过 滤器上游的氧化催化器中利用同样所含的剩余氧将废气中所含的一氧化氮 (NO)氧化成为二氧化氮(NO₂)。二氧化氮又在微粒过滤器中与碳微粒进行反 应生成CO、CO₂、N₂和NO。这里所涉及的是所谓的被动式再生。

为了进一步提高炭黑燃尽度，实践中给微粒过滤器增加用来氧化一氧化氮 的的催化涂层。所涉及的通常是含有铂的催化剂。这种方法的缺点在于：微粒 过滤器上形成的二氧化氮仅可对一氧化氮氧化催化活性层下游分离出来的微粒 进行氧化，也就是在过滤介质内部进行氧化。而与此不同，当在过滤器表面以 及因而在催化活性层上形成由分离出来的微粒所构成的层(称作滤饼)时，使 得一氧化氮氧化催化剂处在滤饼下游，从而无法利用施加在微粒过滤器上的一 氧化氮氧化催化剂所产生的二氧化氮来氧化这里分离出来的炭黑微粒。正是出 于这些原因，尽管在微粒过滤器上的催化涂层，也无法在微粒过滤器上游免去 使用一氧化氮氧化催化器，因此总体而言结构体积比较大。

此外广为人知的还有使用例如铁和/或铈的将燃点(Zündtemperature)降低到 大约350℃的添加剂来再生微粒过滤器。

上述所有方法或系统的共同之处在于：如果无法完全氧化微粒过滤器中沉 积的碳，碳含量和从而排气背压将持续增加。如果达到某一临界质量，可能会 在排气温度很高的情况下造成碳的不受控制地点燃，从而与氧反应发生爆燃。 这会导致温度升高到至多1200℃，多数情况下会损坏微粒过滤器。与之前结合 主动式再生所描述的情况一样，最高温度通常在过滤器出口处。

可以通过使用比较耐热的材料(如碳化硅或钛酸铝)替代通常所使用的堇 青石，尽可能避免造成损伤。但这些耐高温材料难以加工、非常昂贵，且重量 也大于常用的材料。这些耐高温材料的另一个缺点是其热容通常高于例如堇青 石的热容。这会导致温度峰因为蓄热容量较高而被 削平。这对于主动式过滤器再生而言尤其不利，因为必须提供更多的热量，才 能尽管蓄热性能高的过滤器基材的缓冲作用在过滤器 入口处达到燃点。

发明内容

鉴于以上所述的现有技术，本发明的目的在于：提供具有高的热稳定性的 微粒分离器，尤其是微粒过滤器，特别是藉此能够可靠避免过度加热排气流， 从而避免伴随着的在排气流流动方向中在微粒分离器后端区域内分离出来的炭 黑失控点燃。

利用权利要求1所述的特征即可实现这一目的。从属权利要求所述内容均 为有益改进实施方式。

本发明所述的微粒分离器至少沿着排气流经由微粒分离器的主流动方向 具有从排气流朝向微粒分离器(vom Abgasstrom auf den Partikelabscheider)的传热特性不同的传热区，可 以利用这些传热区将各个精确限定的热量从排气流传递给各个相应的微粒分离 器区段。按照一种优选实施方式所述，传热区如此 设计：使得传热系数和/或蓄热性能沿着流动方向增大，从而从排气流传递给微 粒分离器的热量沿主流动方向提高。

尤其对于微粒分离器(尤其是微粒过滤器)的主动再生而言，这样迅速升 高微粒分离器流入区内的温度，而在废气继续通过微粒分离器时，从废气中抽 取的热量逐渐增多，并且将热量传递给微粒分离器的基材。这样可防止沿着主 流动方向过强地加热排气流，从而防止微粒分离器后部(沿着排气流的流动方 向观察)分离出来的炭黑失控点燃。

微粒分离器优选具有多个流动通道在微粒分离器作为开 头所述的微粒过滤器的优选实施方式中，则微粒过滤器优选构造为表面微粒过 滤型或者深度过滤器。

不同传热区至少局部在微粒过滤器内部的导热率和/或微粒 过滤器的蓄热性能和/或微粒过滤器与气流之间的热传递(热传导，对流，热辐 射)方面上有所不同。例如可以通过沿着主流动方向改变分离器基材的孔隙率， 从而改变蓄热性能和导热率。同样也可以考虑使用主流动方向上具有不同热容 的不同材料。例如流入区可以用堇青石陶瓷过滤器基材制成，流出区则用钛酸 铝或者碳化硅制成，这样就可使得热容与蓄热性能朝向过滤器出口方向增大。 本示例仅仅是多种可能方法中的其中一种可能方法，仅仅旨在更好地示例性解 释。

也可以在一定范围内提高微粒过滤器基材的质量来增大蓄热性能，以便形 成具有不同蓄热性能以及视需要不同传热特性的所需传热区。例如沿着主流动 方向增大分离器基材的壁厚，即可特别有利地增大质量。另一种提高蓄热性能 的可能方法是采用蜂窝状构造的过滤器基材，即在流入侧和/或流出侧安置一些 隔板。这样即可增大孔率(Zelligkeit)、质量以及蓄热性能。尽管孔率较高，但这 种结构的背压升高程度小，因为在流过过滤器材料以及流过在其中或其上分离 出来的炭黑或灰分微粒时，不会在流入侧或流出侧出现这种系统的主背压。可 以对堇青石、钛酸铝或者碳化硅进行挤压加工，以非常简单的方式制成这种微 粒过滤器，例如可在流入侧及流出侧使用例如塞子交替封闭通道，以迫使气流 通过过滤器壁。就这些优选实施方式的陶瓷过滤器基材而言，可在一道工艺步 骤中制成过滤器基材和隔板，因为可选择孔率交替为高和低的适当喷嘴 (Mundstück)，以极其简单的方式制成具有不同通道截面的平行通道。但是应注 意的是：如此形成的隔板并非在整个通道截面范围延伸，而是仅仅在微粒过滤 器基材的后部区域范围内延伸，和/或隔板的厚度朝向微粒过滤器出口方向增大。 然后按照以上所述，在气体入口或者气体出口封闭通道，以使得气体通过过滤 器基材。

微粒分离器特别优选具有多个基本上相互平行流动通道。这些流动通道本 身可以在其本身中和/或彼此地具有始终相同或者至少部分区域不同的流动通道 截面。

按照一种优选实施方式所述，流动通道的第一部分构成容纳未处理排气流 (Rohabgasstrom)的未处理排气侧(Rohabgasseite)，流动通道的第二部分则构成排 出净化气流的净化气体侧，该流动通道的第二部分通过可渗透气体和截留规定 大小微粒的流动通道壁区域与未净化气体侧分隔。为了以规定的样式形成未处 理排气侧和净化排气侧的口袋或盲孔，相对于主流动方向，在流入侧和流出侧 交替使用单独的或者整体形成的封闭元件封闭流动通道。

在至少一部分流动通道中布置有至少一个在主流动方向的规定部分区段 (Teilstrecke)内延伸、并且具有规定形状的内装元件，且该内装元件构成具有与 至少一个在主流动方向相邻的传热区不同的传热特性和/或蓄热性能的传热区。 所述内装元件原则上可以具有任何所需的形状，例如可以设计成隔板或者散热 片形状。也可以采用球形、疙瘩状、针状或者桨叶形状。这些内装元件可以由 与微粒分离器相比相同的或者不同的材料构成。除了陶瓷材料之外，也可以用 金属箔、烧结金属板或者金属板网箔(Streckmetallfolie)来制造微粒过滤器。

可以利用这些材料，通过适当的成型工艺制成较大表面的微粒过滤器进气 侧以及排气侧，不需要单独安装附加内装构件。如果仍然需要单独的内装构件 (例如螺旋线、间隔垫片(Abstandshalter)、连接片(Steg)等)来增大内装元 件的表面，则可以采用简单的钎焊焊接(Schweiβen)、力锁合(Kraftschluss) 或者形锁合(Formschluss)方式，将这些构件固定在金属箔或板上。

利用这些内装元件可以用简单且性能可靠的方式沿着规定方向适当改变排 气流与微粒分离器之间的传热特性，从而可以形成所需的不同传热区。除了增 大几何面积之外，还可以利用这些内装元件来增强湍流，这同样也可改善传热。 如果这类内装元件不仅安装在未处理气体侧，而且也安装在净化气体侧，那么 可以将微粒分离器设计得对热负荷更加不敏感，从而能够将例如在未处理气体 侧提供给微粒分离器基材的热量在净化气体侧重新通过净化后的排气流排出。

此外还可以首先沿着主流动方向提高特别是微粒过滤器从入口进入基材的 传热和/或蓄热性能，然后在从基材中流出的方向使其降低。这样使得入口与出 口之间形成最大热传递和/或蓄热性能，且有利地将这种最大能力安排在中心与 90％基材长度之间的某一区间内(从入口开始观察)。这样一方面保证在出口 上游从排气流中取得热量，另一方面不会朝向出口方向将过多热量传递给过滤 器基材导致发生热损伤。优选将微粒分离器设计成具有陶瓷过滤器基材的微粒 过滤器形式。当然也可以将本发明所述的措施与金属微粒分离器或者由含有陶 瓷和/或玻璃和/或硅酸盐和/或石英的纤维所构成的此类过滤器或分离器结合使 用。

为了将整个废气后处理系统的结构空间保持为小，优选将催化活性材料涂 在微粒分离器上，以避免使用单独的催化器，或者能够将其设计得至少小一些。 这里所涉及的可以是柴油机氧化催化器和/或SCR催化器和/或一氧化氮氧化催 化器和/或三元(3-Wege)催化器和/或NO_x-储存式催化器和/或NH₃-氧化催化器 和/或尿素分解型催化器。

为了将排气背压保持为低，可将微粒分离器上的催化剂涂布量保持为低。 例如典型的涂布质量比微粒过滤器的过滤器壁质量小50％。如果将修补基面涂 层(Washcoat)的孔隙率优选提高到超过53％，当然也可以增大这一质量。

为了将微粒分离器的结构体积保持为低，主要将催化剂涂布在作为微粒分 离器优选的微粒过滤器的透气区域，并且涂布在用来改善热传递和/或蓄热性能 的内装元件(Einbauelement)上。

优选使用铂和/或氧化铂和/或沸石作为氧化催化剂的活性材料将一氧化氮 转化为二氧化氮。对于NH₃-氧化型催化剂而言同样如此。

可使用钒和/或V₂O₅和/或WO₃和/或WO₃/TiO₂和/或铁沸石和/或钴沸石和/或 铜沸石作为SCR催化剂的活性成分。

可使用铂和/或钯和/或铑和/或钡和/或钙作为NO_x-存储式催化剂的活性成 分。优选使用铂和/或钯和/或铑作为三元催化剂的活性成分。

TiO₂和沸石也优选作为用来分解尿素的催化活性物质。

另一种可能方法是配置具有不同催化剂和/或不同催化剂担载量的微粒分离 器(尤其是微粒过滤器)以及内装元件。由于炭黑氧化作用使得担载了炭黑的 过滤器壁上的温度高于内装元件，尤其当这些内装元件安装在流出侧时更是如 此，因此优选使用涂有热稳定性催化剂的微粒过滤器作为内装元件。

附图说明

以下将依据附图对本发明进行详细解释。

相关附图如下：

附图1示意性示出微粒过滤器的纵断面，在未处理气体侧具 有朝向过滤器出口方向提高蓄热性能的隔板

附图2示意性示出沿附图1所示剖切线A-A剖开的横断 面，包括涂有催化剂的隔板，

附图3示意性示出本发明所述微粒过滤器的纵断面，具有用 来将热量从未处理气体侧朝向净化气体侧排出的散热片，以及

附图4示意性示出整合在消声器壳体之中的微粒过滤器。

具体实施方式

附图1示意性示出本发明所述微粒过滤器1的纵断面，就是沿着附图2所 示剖切线B-B剖开的横断面。附图2所示为沿着附图1所示剖切线A-A剖 开的横断面。

夹带有大量有待分离的炭黑微粒4的未处理排气流3在流入侧2流向微 粒过滤器1。

微粒过滤器1具有若干直接相邻排列的平行流动通道6，如图所示，在流 入侧2以及主流动方向x对面的流出侧5利用例如整合的端壁(Stirnwand)7 交替封闭这些通道，使得各个流动通道6交替朝向流入侧2构成开口的第一盲 孔状或口袋状腔室8，并且朝向流出侧5构成开口的第二盲孔状或口袋状腔室 9。可以使用堇青石、钛酸铝或碳化硅，也可以使用烧结金属或陶瓷纤维以及硅 酸盐纤维或者金属针织物(Metallgestricke)作为微粒过滤器1的过滤器材料。

如附图1中明显看出，担载有炭黑微粒4的未处理排气流3吹向微粒过 滤器1的流入侧2，炭黑微粒4尤其积聚在第一盲孔状或口袋状腔室8中形 成所谓滤饼10，然后清除炭黑微粒4后的排气(Abgas)12穿过透气腔壁流入第 二盲孔状或口袋状腔室9之中，然后从这里作为净化气体13流出。

从附图1和2一起中还可以明显看出：在第一腔室8中均安装有内装元 件14，所述内装元件在流出侧与端壁7相连，其自由端15与流入侧的微粒过 滤器端之间具有预先设定的距离a。如附图2仅仅示意性所示，通过十字形隔 板构成内装元件14，从主流动方向x观察，这些隔板沿着内装元件14的延伸 方向将第一腔室8再分成四个单一的流动通道6′。显而易见，通过将这种内装 元件14安装在第一腔室8的后端区域之中，可以使得这一区域内的表面积增 大许多倍，在所选择的实例中增大至近乎四倍。从主流动方向x观察，这样就 会沿着内装元件14的延伸长度b形成传热区，这里从排气流朝向微粒过滤器 1的传热以及蓄热性能明显高于朝向流入侧从内装元件14的自由端15开始 沿着路径区段a延伸的传热区中的传热与蓄热性能。

也就是说，通过第一腔室8中的内装元件14在排气流的主流动方向x来看 形成两个不同的传热区，通过路径区段a表征的这些传热区的蓄热性能小于通过 路径区段b表征的传热区的蓄热性能。在本实施例情况中提供了这样的微粒过滤 器1，其蓄热性能以及微粒过滤器1和气流之间的传热同样在主流动方向x提 高。

在未处理气体侧流过第一腔室8时，通过内装元件14在第一腔室8的后 端区域(从主流动方向x观察)从未处理排气流3中获取热量。如果在微粒过 滤器1上游安装例如用来氧化一氧化氮的催化器，就会迫使所形成的NO₂与废 气12一起通过在腔壁11上分离出来的滤饼10。废气中富含的NO₂与滤饼 10发生接触，从而将炭黑微粒4转化为CO、CO₂、N₂和NO，这些反应连 续进行，从而可以使滤饼10的厚度基本保持不变，并且能将滤饼所引起的排 气背压保持在基本上不变的水平。

除了以上所述与在微粒过滤器1上游连接的一氧化氮氧化催化器相关地对 微粒过滤器1进行连续、被动再生的方法之外，也可以用循环方式主动再生微 粒过滤器1。为此可按照众所周知的方式，通过添加碳氢化合物并且使其进行 氧化反应来提高未处理排气流3中的温度，使得可利用氧气氧化炭黑微粒4。 这里尤其凸显出本发明的优点：可以在未处理排气流3的流入区域，也就是在 流入侧迅速提高排气温度，以便引起含碳的炭黑微粒4进行氧化反应。然后通 过安装在下游的内装元件14将通过放热的炭黑氧化反应所形成的温度峰缓和 下来，从而防止排气温度升高到对微粒过滤器1造成热损伤的水平。

此外还可以使得特别是微粒过滤器的热传递和/或蓄热性能并非朝向基材的 出口、而是朝向其中心方向升高。这样一方面保证从排气流中取得热量，另一 方面不会朝向出口方向将过多热量传递给过滤器基材导致发生热损伤。在本情 况中，移去微粒过滤器入口与出口区域内的隔板14即可做到这一点，当然为 了清晰起见，在附图1中并未绘出。

采用这种利用内装元件14降低温度的方式，甚至可以将对热敏感的催化 剂(例如NO_x-存储式催化剂，SCR催化剂，一氧化氮氧化催化剂，NH₃-氧化 催化剂，三元催化剂或者尿素分解催化剂)涂布在微粒过滤器1上，不会因为 过高的温度使其受损。视功能而定，可在流入侧和/或流出侧或者在整个过滤器 范围内至少局部涂布这些催化剂。

在后面所述的微粒过滤器1再生的情况下在微粒过滤器1的流入侧2局 部温度升高可以额外通过适当选择材料，通过过滤器材料的蓄热性能使得流出 侧5相对好地避开温度升高的影响。因此有意义的是在朝向流出侧5的方向， 也就是在流出侧涂布特别热不稳定的催化剂，例如基于V₂O₅的SCR催化剂、 含铁沸石、含铜沸石或含钴沸石。

出于热稳定性方面的考虑，如果微粒过滤器1的催化活性材料担载量在排 气的主流动方向x减少，和/或在通过过滤介质尤其是过滤器壁的流动方向中增 大，则更为有益。这样可使得位于末端区域和过滤器壁的未处理气体侧的炭黑 微粒负载量最大的部位以及失控再生情况下放热最大的部位与催化活性涂层在 空间上分离开来。实现这一效果的方式为：要么使微粒过滤器1本身为分层结 构，且催化活性材料在各层上的担载量在排气的主流动方向x降低；或者用涂 覆或浸渍微粒过滤器流出侧5的方式担载催化活性材料，使得过滤器材料上的 担载量随着涂覆或浸渍溶液侵入深度的增大从净化气体侧朝向未处理气体侧减 少。可以将若干管状结构组合程密集的包装，按照如前所述的方式，在流入侧2 或者流出侧5交替封闭相邻的流动通道6或管，从而形成微粒过滤器1的盲孔 状结构。如前所述，可以使用与微粒过滤器1相同的材料进行封闭。但也可以 使用不同的材料。

在上述结构情况下，微粒过滤器1单侧担载催化剂材料的方式为：首先在 流出侧5每隔一个孔进行封闭，然后将微粒过滤器1的过滤体浸没在涂覆溶液 或浸渍溶液之中，使得涂覆溶液或浸渍溶液在朝向流出侧5开口的流动通道6 中上升。完成涂覆或浸渍之后，重新吹出多余的涂覆溶液或浸渍溶液，然后朝 向流入侧2封闭经过涂覆或浸渍处理的通道。

形成盲孔状或口袋状腔室结构的一种可能方法为：制造相邻间隔的包装 (Packung)，分别在流入侧2和流出侧5交替封闭通过该间隔相隔开的空腔， 从而形成口袋状的结构。可以给流入侧2或流出侧5针对性担载催化剂材料的 方式为：让用于构成这种结构的板材一端担载催化剂材料，对板材进行涂覆， 使得两个担载了的板材端与两个没有担载的板材端交替相对而置。可以将板材 适当担载，使得板材具有层状结构，同时改变各层的担载程度。但也可以采用 喷涂或刷涂催化活性涂覆溶液或浸渍溶液的方式给板材担载催化剂材料。

为了促进氨从还原剂(例如尿素水溶液)中分离出来，以运行后面安装的 SCR催化器，优选配置有助于分离的催化剂，以防止形成氰尿酸。形成氰尿酸 之所以存在问题，因为这会导致堵塞微粒过滤器1，不仅有可能使得废气后处 理系统、而且也可能使得整个内燃机出现故障。使得微粒过滤器1的流入侧2担 载或者涂上有助于分离的催化剂，就可以形成能够促使氨从还原剂中分离出来 的催化器。可使用的材料有TiO₂或TiO₂/SiO₂或TiO₂/SiO₂/Al₂O₃以及沸石。可类 似于以上所述的方法来担载这些材料。

从附图2尤其看出：通过十字形隔板形式的内装元件14不仅能明显改善 热传递，或者在第一腔室8的后端区域中形成更多用于蓄热的质量，而且内装 元件14还可在这里形成较大的几何面积可供担载催化剂涂层16，且该催化剂 涂层也可以仅配备在内装元件14的部分区域内。

使用附图3中所示的散热片17、18还能进一步改善热传递。与附图1所 示实施方式相同的零件均使用相同的附图标记，在此不再予以赘述，可参考对 附图1的相关描述。散热片17和18在未处理排气侧的第一腔室8中(散热 片17)或者在净化排气侧的第二腔室9中(散热片18)安装在过滤介质上， 可将高温排向第二腔室9没有炭黑的净化侧，从而能够可靠避免在第一腔室8 的未处理排气侧失控点燃含碳的炭黑。

附图4所示为安装在消声器壳体19之中的基本上类似于图1构造的微粒 过滤器1的特别优选的结构。按照这里所示的横断面，微粒过滤器1具有相对 而置大致呈风琴状相互排列或对齐的区域，从而在微粒过滤器1的两个净化气 体侧之间形成净化气体内腔20，该内腔朝向消声器壳体19流入侧22的一端 21被封闭起来，而该净化气体内腔20朝向消声器壳体流出侧23末端21的一 端24则敞开，并且紧邻消声器壳体19的流出口25。总之这里所示的微粒过 滤器1具有围绕净化气体内腔20的环形轮廓。

消声器壳体19的内腔被风琴状构造的微粒过滤器1划分成以上所述的净 化气体内腔20和位于消声器壳体19壁与微粒过滤器1之间的外腔26。在图 中所示的消声器壳体19流入侧22区域内还安装有例如氧化催化器27，该氧 化催化器将排气流中所含的一氧化氮部分转化成二氧化氮，和/或在规定的时间 将预定量碳氢化合物计量加入到氧化催化器27上游的排气流之中以提高排气 温度。额外地或可选择地，也可以将氧化催化器安装在消声器壳体之外。

微粒过滤器1的作用原理与构造与结合附图1所示实施方式所描述的微 粒过滤器一样，因此可参考与此相关的实施方式，在此不予赘述。