柴油機顆粒過濾器制造技術

一種制造用于過濾從貧油燃燒內燃機發動機排出的廢氣的顆粒物質的過濾器的方法，其中該過濾器包含具有入口表面和出口表面的多孔基材，其中該入口表面和出口表面通過包含第一平均孔徑的孔的多孔結構而分開，其中該入口表面包含含有在多孔結構的孔上相互連接的耐火材料顆粒的橋接網絡，該方法包括使過濾器基材的入口表面與包含以干燥粉末形式的耐火材料的氣溶膠接觸的步驟。本發明專利技術也涉及通過該方法可獲得的過濾器。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及用于從貧油燃燒內燃機排出的廢氣過濾顆粒物質的過濾器。特別地本專利技術涉及對包含具有入口表面和出口表面的多孔基材的過濾器的改進，其中入口表面和出口表面通過包含具有第一平均孔徑的孔的多孔結構而分開。
技術介紹
目前存在著對來自內燃機且特別地來自在人口稠密的市區中運行的汽車應用中的柴油發動機的顆粒物質(PM)，通常稱作煙灰(soot)的關注。最大的關注是與潛在的健康影響有關，而最近與具有在納米范圍尺寸的非常微小顆粒有關。尺寸在IOOnm左右的納米顆粒通常稱作累積模態，而在IOnm左右的非常微小顆粒稱作成核模態。當被吸入時，納米顆粒可深深地滲透進入肺中，且從那里可容易地進入血流中從而因此傳播到全身的各個器官，在其中它們可引起多種問題。還存在這樣的證據:納米顆粒可以沿著神經從嗅腺直接轉移進入到動物大腦中。正由于這些擔心，來自柴油動力乘用車和重型車輛的排氣管顆粒排放物的最大數量通過立法所限制，近些年其已經隨著對環境影響的關注而同步地下降。直到最近，這些排放物的限制以克數來表達，且目前，歐洲乘用車的限制為5mg/km(EUro 5)，這需要合適的廢氣過濾器來實現如此低的水平。柴油機顆粒過濾器(DPF)通過使用包括燒結金屬，陶瓷或金屬纖維等多種材料而制造，而在實際的大規模生產中最常見的類型是壁流類別，其由以貫穿本體長度的許多小通道的整塊排列形式而構造的多孔陶瓷材料制備。在一端插入交替的通道使得廢氣強制流過多孔陶瓷通道壁，從而阻止大部分顆粒通過，因此僅經過濾的氣體進入大氣。商用生產中的陶瓷壁流式過濾器包括從堇青石，各種形式的碳化硅和鈦酸鋁制得的那些。車輛上應用的過濾器的實際形狀和尺寸，以及性能例如通道壁的厚度和其性能等，取決于相關的應用。氣體通過的陶瓷壁流式過濾器的過濾器通道壁中的孔的平均尺寸典型地為10-50 μ m，通常為約20 μ m。在顯著的對比中，來自現代乘用車高速柴油發動機的大部分柴油機顆粒物質的尺寸非常小，例如10-200nm，因此它們應該能夠通過所述過濾器而未被注意到，而這確實是當廢氣第一次通過干凈的過濾器時所發生的情況。然而，一些PM保留在過濾器壁中的孔結構內，而這逐漸累積，直到所述孔通過PM網絡橋接起來，而然后該PM網絡使得容易形成過濾器通道內壁上的顆粒餅。該顆粒餅是卓越的過濾器介質，且它的存在提供很聞的過濾效率。需要周期性地從過濾器除去所捕集的PM以防止累積對發動機性能不利的過量背壓，并可導致差的燃料經濟性。因此在柴油機應用中，保留的顆粒物質通過在一個過程中在空氣中使其燃燒而從過濾器除去，在該過程中，非常小心地控制用于達到點燃所保留的PM所需的最高溫度的可獲得的空氣量和過量燃料的量。接近通常稱作再生的該過程的最后，過濾器中的最后剩余顆粒物質的除去導致過濾效率的顯著降低，并釋放一陣大量的小顆粒物質到環境中。因此，當過濾器第一次使用和隨后在每次再生事件后以及在每次再生過程的較后部分時，過濾器具有低的過濾效率。先前的法律規定顆粒排放物的限制是基于重量，所以對于較大較重的顆粒是偏頗的。現在引入顆粒數測量，來自2011年9月I日(歐洲5b限值)的新模型，對于柴油乘用車為6.0X1011，其對于歐洲6b限值(待確認實施日期)是相同的，這對于較小的、對環境危害更大的顆粒來講是偏頗的。這種改變的另一實際原因是因為所允許顆粒的質量正在逐漸地降低，且目前處于其中通過稱重非常小的物質來確定它們實踐起來是困難的水平。隨著顆粒數立法的引入，一直保持過濾效率是非常重要的，在再生期間和再生后立即的排放對于整體上通過的內容可是非常重要的貢獻，且因此，特別是目前的柴油機過濾器系統不足以滿足新立法要求。對于比在柴油發動機且尤其是那些柴油機乘用車的排氣中高得多的溫度下運行的汽油火花點火發動機而言，存在過濾器相關的問題。直噴汽油機特別傾向于形成相對高水平的廢氣顆粒物質。此時，溫度可以如此高使得顆粒物質保留在過濾器后很快燃燒，因此在過濾器中不會形成大量的顆粒餅，不會實現高的過濾效率。已知用于特定申請的催化過濾器。例如，美國專利4，477，417 (將其全部內容引用并入)公開了用于降低柴油機煙灰點火溫度的催化劑。因此，存在對于改進過濾器的過濾效率而不導致對過濾系統的附加背壓的方法的需求。EP2158956(將其全部內容引用并入)公開了壁流式類別和僅在流入側間壁(partition wall)上或同時在流入側和流出側間壁上提供表面層的蜂窩過濾器。該文獻特別公開了兩種蜂窩狀過濾器實施方案和五種蜂窩過濾器制造方法。在第一或第二蜂窩過濾器中的表面層優選地含有具有鉬和鈀的一種或兩種的精細顆粒，并符合以下條件:(I)表面層的孔徑峰值等于或小于間壁基材的平均孔徑，和表面層的孔隙率大于間壁基材的孔隙率；(2)表面層具有0.3 μ m或更大和小于20 μ m的孔徑峰值，和60 %或更大且少于95%的孔隙率(測量方式是壓汞法)；(3)表面層的厚度LI是間壁厚度L2的0.5%或更大且小于30%; (4)每過濾面積的表面層質量為0.01mg/cm2或更大且小于6mg/cm2 ;和(5)間壁基材具有10 μ m或更大且小于60 μ m的平均孔徑，和40 %或更大且小于65%的孔隙率。所述五種蜂窩過濾器制造方法包括準備含有至少一種纖維材料的淤漿，和通過使用例如針形霧化器的霧化方法將該淤漿施涂到蜂窩過濾器基材上。來自2008年4月14-17日在Michigan，Detroit舉行的2008世界會議的汽車工程協會(SAE)科技論文2008-01-0621 (歐洲專利EP2158956的作者)，描述了在碳化硅柴油機顆粒過濾器上以15g/l (非貴金屬)的負載量使用具有300nm顆粒尺寸的CeO2基材料的表面層。
技術實現思路
我們已經研究具有在EP2158956中公開的表面層的涂覆非催化過濾器，我們發現它們不令人滿意:用于涂覆經催化的煙灰過濾器的標準基面涂層配制劑制造出經涂覆的過濾器，其在使用中帶來過量背壓；溶膠基(sol-based)配制劑的耐久性較差，由于化學地沉積該金屬困難，較高的鉬族金屬負載量是達不到的。目前我們發現令人驚奇地，通過使以氣溶膠形式的顆粒耐火材料沉積在過濾器的入口表面上以形成在其上的橋接網絡，與其中基面涂層滲透過濾器的多孔結構的傳統過濾器相比，所得到的過濾器可以從處于較低背壓的內燃機的廢氣捕集相同量的顆粒物質。根據一方面，本專利技術提供了制造用于從內燃機、優選為貧油燃燒柴油發動機或燃料噴射燃氣發動機排出的廢氣過濾顆粒物質的過濾器的方法，該過濾器包含具有入口表面和出口表面的多孔基材，其中該入口表面和出口表面通過包含具有第一平均孔徑的孔的多孔結構而分開，其中該入口表面包含含有在多孔結構的孔上相互聯接的耐火材料顆粒的橋接網絡，該方法包括使該過濾器基材的入口表面與包含以干粉末形式的耐火材料的氣溶膠接觸的步驟。附圖說明將參考以下附圖全面地理解本專利技術圖1是顯示對于現有技術的(對比性)催化過濾器而言的過濾效率針對時間的圖；圖2是顯示對于相同的現有技術(對比性)催化過濾器而言的背壓針對煙灰負載量的圖；圖3如圖1，包括相同的現有技術(對比性)催化過濾器的過濾效率與時間的關系圖，但目前包括根據本專利技術的耐火材料粉末橋接網絡；圖4如圖2，包括相同的現有技術(對比本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.02 US 61/350,8891.一種用于過濾來自貧油燃燒廢氣的顆粒物質的過濾器，所述過濾器包含: (a)多孔基材，其具有入口表面和出口表面，其中所述入口表面和出口表面通過多孔結構而分開；和 (b)在入口表面上的催化過濾餅，所述餅包括選自硅酸鹽沸石，鋁硅酸鹽沸石，金屬取代的鋁硅酸鹽沸石，非沸石分子篩和金屬氧化物的無機顆粒，條件是所述金屬氧化物顆粒具有大于0.2 μ m和小于5 μ m的平均尺寸。2.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述餅是干燥氣溶膠-沉積的餅。3.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述餅來自堆密度為0.05-lg/cm3的粉末。4.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述餅是來自堆密度為0.1-0.4g/cm3的粉末。5.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述多孔基材的平均孔徑為約11_22μπι。6.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述多孔基材是壁流式過濾器。7.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述餅以小于1.2g/in3的量存在。8.前述權利要求任一項的過濾器，其中所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：N·薩頓，M·V·特威格，
申請(專利權)人：約翰森·馬瑟公開有限公司，
類型：
國別省市：