催化颗粒过滤器的制作方法

相关申请的交叉引证

本申请要求于2015年12月4日提交的韩国专利申请号10-2015-0172450的优先权和权益，该案的全部内容通过引证结合于此。

本公开涉及一种催化颗粒过滤器，并且更具体而言，涉及一种这样的催化颗粒过滤器，其尽可能减小背压的增大，并且提供催化剂与流体之间更长的接触时间(更大的接触面积)。

背景技术：

内燃机(例如，柴油机或各种燃烧设备)的废气包含颗粒物(pm)。在排放到大气内时，这种pm可以造成环境污染。为此，排气系统装有颗粒过滤器，用于捕捉pm。

根据流体的流量，颗粒过滤器可以分成流过式(flow-through)颗粒过滤器或壁流式(wall-flow)颗粒过滤器。在流过式颗粒过滤器中，流入通道内的流体仅仅在其通道内流动，而不移动到另一个通道内。这有助于尽可能减少背压的增大，但是需要捕捉在流体内的颗粒物质的装置，并且可以造成低过滤性能。

在壁流式颗粒过滤器中，流入通道内的流体移动到相邻的通道，然后，通过相邻的通道从颗粒过滤器中释放。即，流入入口通道内的流体通过多孔壁移动到出口通道，然后，通过出口通道从颗粒过滤器中释放。在流体穿过多孔壁时，捕捉流体内的颗粒物质，而不穿过多孔壁。虽然可以在某种程度上增大了背压，但是在去除颗粒物质时，壁流式颗粒过滤器有效。因此，主要使用壁流式颗粒过滤器。

车辆装有至少一个催化转换器以及颗粒过滤器。催化转换器被设计成去除一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)以及氮氧化合物(nox)。

催化转换器可以在物理上与颗粒过滤器分离，或者通过使用催化剂涂覆颗粒过滤器来与颗粒过滤器组合。涂有催化剂的颗粒过滤器可以称为催化颗粒过滤器(cpf)。

在cpf中，在将入口通道和出口通道彼此分离的多孔壁上涂有催化剂，并且流体穿过多孔壁并且与催化剂涂层接触。在由多孔壁分离的入口通道和出口通道之间具有压差。这允许流体快速穿过多孔壁。因此，在催化剂与流体之间的接触时间较短，这使得难以有效地发生催化反应。

而且，在多孔壁上的厚催化剂涂层允许催化剂阻挡壁部上的微孔，并且这可以干扰流体从入口通道流入出口通道。因此，背压增大。为了尽可能使背压的增大最小化，在cpf中，在壁部薄薄地涂覆催化剂。然而，在cpf上涂覆的催化剂的量可能不足以有效地发生催化反应。

为了克服该问题，通过增大入口通道和出口通道(在后文中统称为“单元”)的数量(密度)，涂有催化剂的壁部的表面区域可以增大。然而，在有限空间内的单元密度的增大减小了壁厚。壁厚的减小可以使过滤器性能退化。因此，单元密度不应增大为大于密度限制。

在本背景技术中公开的以上信息仅仅用增强理解本公开的背景，因此，可以包含不构成技术人员在本领域中已知的先有技术的一部分的信息。

技术实现要素：

本公开总体上提供了一种催化颗粒过滤器，其尽可能减小背压的增大并且增大催化剂装载。根据本公开的另一方面，催化颗粒过滤器可以尽可能减小背压的增大，并且在催化剂与流体之间提供更长的接触时间。

根据本公开的一个方面，提供了一种催化颗粒过滤器，包括至少一个入口通道，其在纵向方向上延伸，流体流入其一端，而其另一端被堵塞。催化颗粒过滤器进一步包括：至少一个出口通道，其在纵向方向上延伸，其一端被堵塞，而流体通过其另一端流出；至少一个多孔壁，限定相邻的入口通道与出口通道之间的边界并且在纵向方向上延伸；以及支撑件，支撑件上涂覆有催化剂。通过所述入口通道流入的流体可以穿过多孔壁并且流入所述出口通道。

所述支撑件可以位于在所述至少一个入口通道和所述至少一个出口通道之中的至少一个内。所述支撑件可以在纵向方向上延伸。可以在所述支撑件的表面上涂覆催化剂。还可以在所述多孔壁上涂覆催化剂。

在本公开的一个方面，所述支撑件可以由与所述多孔壁相同的材料制成。在另一个方面，所述支撑件可以由与所述多孔壁不同的材料制成。

所述支撑件可以位于至少一个入口通道内并且位于至少一个出口通道内。可替换地，所述支撑件可以仅位于至少一个入口通道内或者仅位于一个出口通道内。

所述支撑件可以从所述催化颗粒过滤器的一端延伸预定的长度。所述预定的长度可以是所述催化颗粒过滤器的整个长度的大约50％到70％。

根据本公开的一个方面，提供了一种催化颗粒过滤器，包括至少一个入口通道，入口通道的一端敞开，以接收流入其内的流体，而另一端堵塞，以防止流体从其中流出。该催化颗粒过滤器进一步包括：至少一个出口通道，与所述至少一个入口通道交替地设置，并且出口通道的一端堵塞，以防止流体从其中流出，并且出口通道的另一端敞开，以促使流体流出；多孔壁，位于相邻的入口通道与出口通道之间，并且允许入口通道内的流体流入出口通道；以及支撑件，支撑件上具有催化剂，所述支撑件位于入口通道和出口通道中的至少一个内。

所述入口通道和所述出口通道可以彼此平行地延伸，并且所述支撑件可以与所述入口通道和所述出口通道延伸的方向平行地、垂直地或者倾斜地延伸。

还可以在所述多孔壁上涂覆催化剂。在这种情况下，涂覆在所述支撑件上的催化剂的量可以大于涂覆在所述多孔壁上的催化剂的量。在一个方面，所述支撑件可以由与所述多孔壁相同的材料制成。在另一个方面，所述支撑件可以由与所述多孔壁不同的材料制成。所述支撑件可以比所述多孔壁更薄。

所述支撑件可以与所述入口通道和所述出口通道延伸的方向平行地延伸，并且所述支撑件可以从所述催化颗粒过滤器的一端延伸预定的长度。可以基于所述颗粒过滤器的温度分布，设置所述预定的长度。

如上所述，可以尽可能减小背压的增大，并且通过在至少一个入口通道和至少一个出口通道内形成支撑件并且使用催化剂涂覆支撑件来增大催化剂装载。

而且，由于在由支撑件分离的通道的第一部分和第二部分之间的压差以及在沿着支撑件的长度的第一部分或第二部分的一端与另一端之间的压差小，所以在废气与催化剂之间的接触时间可以延长。

此外，由于在流体与催化剂之间提供更大的催化剂装载和更大的接触面积，同时保持壁厚恒定，所以可以实现充足的过滤性能和催化剂性能。

通过在本文中提供的本公开，进一步适用性领域显而易见。应理解的是，本说明书和具体实例旨在仅仅用于说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在参考附图描述了通过实例提供的其他各种形式，附图中：

图1是根据本公开的一个方面的催化颗粒过滤器的透视图；

图2是图1的催化颗粒过滤器的剖视图；

图3是示出在图1的催化颗粒过滤器中的一些入口通道和出口通道的前视图；

图4是示出根据涂覆在壁流式颗粒过滤器上的催化剂的量绘制的氮氧还原(nitrogenoxidereduction)的示图；

图5是示出根据涂覆在流过式载体上的催化剂的量绘制的氮氧还原的示图；

图6是示出根据涂覆在壁流式颗粒过滤器上的催化剂的量绘制的背压的示图；

图7是示出根据涂覆在流过式载体上的催化剂的量绘制的背压的示图；

图8是示出根据流过式载体内的单元密度绘制的背压的示图；

图9是示出根据壁流式载体内的单元密度绘制的背压的示图；以及

图10是示出在颗粒过滤器的再生期间根据颗粒过滤器的位置绘制的温度的示图以及设置预定长度的支撑件的示意图，其中，dpf床温度表示dpf中的壁的温度。

具体实施方式

以下详细描述实质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本公开、应用或使用。详细参考本公开的各种形式，仅仅通过说明的方式显示和描述其实例。本领域的技术人员会认识到，可以通过各种不同的方式修改所描述的各种形式，所有这些都不背离本发明的精神或范围。

根据本公开的一个方面的催化颗粒过滤器可以适用于通过燃烧化石燃料来获得能量并且将在燃烧过程中产生的气体排放到大气内的各种装置以及车辆。虽然本说明书示出了适用于车辆的催化剂颗粒过滤器的一个实例，但是本公开不应解释为限于该具体实例。

车辆装有用于产生动力的发动机。发动机通过燃烧燃料空气混合物来将化学能量转换成机械能量。发动机连接至进气歧管，以将空气吸入燃烧室内，并且连接至收集和排出在燃烧期间产生的废气的排气歧管。喷油嘴安装在燃烧室或进气歧管上，以将燃料喷入燃烧室或进气歧管内。

通过排气系统从车辆中排出从发动机中产生的废气。排气系统可以包括排气管和废气再循环(egr)设备。排气管连接至排气歧管，以从车辆中排出废气。

废气再循环设备安装在排气管上，从发动机中排放的废气穿过废气再循环设备。而且，废气再循环设备连接至进气歧管，以混合一些废气和空气并且控制燃烧温度。通过控制在废气再循环设备内的egr阀门(未示出)的打开/关闭，可以调节燃烧温度。即，通过控制egr阀门的打开/关闭，调整供应给进气歧管的废气的量。

排气系统可以进一步包括颗粒过滤器，其安装在排气管上并且捕捉废气内的颗粒物质。颗粒过滤器可以是根据本发明的示例性实施方式的催化颗粒过滤器，其去除有害物质以及废气内的颗粒物质。

在后文中，参考附图，详细描述根据本公开的一个方面的催化颗粒过滤器。

参考图1，提供了根据本公开的一个方面的催化颗粒过滤器的透视图。在图2中，示出了图1的催化颗粒过滤器的剖视图。在图3中，提供了示出在图1的催化颗粒过滤器中的一些入口通道和出口通道的前视图。

如图1所示，催化颗粒过滤器在外壳内包括至少一个入口通道10和至少一个出口通道20。至少一个入口通道10和至少一个出口通道20通过壁部30彼此分离。支撑件40可以位于入口通道10和出口通道20中的至少一个内。

在本说明书中，入口通道10和出口通道20可以统称为“单元”。虽然在本说明书中，外壳具有圆柱形并且单元具有矩形，但是外壳和单元不限于这种形状。

现在参考图2和图3，入口通道10沿着废气的流动延伸。入口通道10的前端敞开，使得废气通过入口通道10被引入颗粒过滤器1内。入口通道10的后端由第一插头12堵塞。因此，阻止颗粒过滤器1内的废气通过入口通道10从颗粒过滤器1中流出。

出口通道20沿着废气的流动延伸，并且可以与入口通道10平行放置。至少一个入口通道10位于出口通道20周围。

例如，如果单元具有矩形形状，则每个出口通道20的四边由壁部30包围。这四边中的至少一个边位于每个出口通道20与相邻的入口通道10之间。如果单元具有矩形形状，则每个出口通道20可以由4个相邻的入口通道10包围，并且每个入口通道10可以由4个相邻的出口通道20包围，但是本公开不限于此。

由于出口通道20的前端由第二插头22堵塞，所以阻止废气通过出口通道20流入颗粒过滤器1内。出口通道20的后端敞开，使得颗粒过滤器1内的废气通过出口通道20从颗粒过滤器1中流出。

壁部30放置在相邻的入口通道10与出口通道20之间，以限定在其间的边界。壁部30可以是多孔壁30，在其内具有至少一个微孔。多孔壁30允许相邻的入口通道10与出口通道20彼此流体连通。因此，引入入口通道10内的废气可以通过多孔壁30移动到出口通道20中。而且，多孔壁30不允许废气内的颗粒物质通过。在废气通过多孔壁30从入口通道10移动到出口通道20时，通过多孔壁30过滤废气内的颗粒物质。多孔壁30可以非限制性地由氧化钛铝、堇青石(codierite)、碳化硅或它们的混合物制成。

多孔壁30可以涂有催化剂50。涂在多孔壁30上的催化剂50不限于任何特定的成分。换言之，壁部30可以涂有各种催化剂50，根据设计意图，包括但不限于稀燃nox捕集(lnt)催化剂、三效催化剂、氧化催化剂、碳氢化合物捕集催化剂(hydrocarbontrapcatalyst)或选择性催化还原(scr)催化剂。而且，两种或多种类型的催化剂50可以涂覆在壁部30上。例如，lnt可以涂覆在入口通道10的内壁上，并且scr可以涂覆在出口通道20的内壁上，但是本发明不限于此。

支撑件40可以位于入口通道10和出口通道20中的至少一个内。支撑件40可以仅仅位于至少一个入口通道10内或者仅仅位于至少一个出口通道20内。虽然图1到图3示出了支撑件40与入口通道10和/或出口通道20延伸的方向平行地延伸，但是本公开不限于此。即，支撑件40可以与入口通道10和/或出口通道20延伸的方向垂直地或者倾斜地延伸。在支撑件40与入口通道10和/或出口通道20延伸的方向垂直地或者倾斜地延伸的情况下，支撑件40的两端中的至少一个端可以不与使单元彼此分离的多孔壁30接触。在支撑件40与入口通道10和/或出口通道20延伸的方向平行地延伸的情况下，支撑件40可以在通道10或20的整个长度之上延伸或者在通道10或20的部分长度之上延伸(参考图10)。

支撑件40涂有催化剂50。涂在支撑件40上的催化剂50不限于任何特定的成分。换言之，支撑件40可以涂有各种催化剂50，根据设计意图，包括但不限于稀燃nox捕集(lnt)催化剂、三效催化剂、氧化催化剂、碳氢化合物捕集催化剂或选择性催化还原(scr)催化剂。而且，两种或多种类型的催化剂50可以涂覆在支撑件40上。例如，lnt催化剂和scr催化剂可以依次涂覆在支撑件40上，但是本公开不限于此。而且，不同类型的催化剂50可以涂覆在支撑件40的一侧和另一侧上。而且，涂在支撑件40上的催化剂50可以是与涂在壁部30上的催化剂50不同的类型。

同时，提供支撑件40，以将催化剂50保持在原位，而非用作过滤器。因此，支撑件40不必由多孔材料制成。即，支撑件40可以由于多孔壁30相同的材料或不同的材料制成。甚至在支撑件40由多孔材料制成的情况下，废气主要沿着支撑件40和壁部30移动，而不穿过支撑件40，这是因为在由支撑件40分离的通道10或20的两个部分之间具有很小的压差。而且，由于支撑件不需要用作过滤器，所以支撑件40不需要是厚的。即，支撑件40可以比壁部30更薄，这尽可能减小背压的增大。对于由多孔材料制成的支撑件40，催化剂50涂在支撑件40的表面上以及在支撑件40内的微孔上。相反，对于由非多孔材料制成的支撑件40，催化剂50涂在支撑件40的表面上。

如前所述，催化剂50可以涂在支撑件40和多孔壁30上。在这种情况下，涂在支撑件40上的催化剂50的量可以大于涂在多孔壁30上的催化剂50的量。由于多孔壁30用作过滤器，所以催化剂50可以薄薄地涂在多孔壁30内。相反，由于支撑件40不需要用作过滤器，所以催化剂50可以浓厚地涂在支撑件40内。因此，涂覆在颗粒过滤器1上的催化剂的量可以增大。在此处，催化剂50的量表示涂覆在每单位长度或每单位面积的催化剂的量。

现在参考图4到图10，描述了根据本公开的另一个方面的催化颗粒过滤器的操作。在图4中，提供了示出根据涂覆在壁流式颗粒过滤器上的催化剂的量绘制的氮氧还原的示图。在图5中，提供了示出根据涂覆在流过式载体上的催化剂的量绘制的氮氧还原的示图。

图4和图5示出了通过在相同的模式中运行相同的发动机所获得的测量数据。在测试中使用的颗粒过滤器具有与在测试使用的载体相同的横截面面积、体积以及催化剂涂覆量，并且在颗粒过滤器中的单元的数量与在载体中的单元的数量不同。在颗粒过滤器中的壁部不能制成薄的，这是因为壁部需要用作过滤器，这产生少量单元。相反，在载体中的壁部可以制成薄的，这是因为壁部不需要用作过滤器，这产生大量单元。在测试中使用的颗粒过滤器的单元密度是300cpsi(每平方英寸的单元)，并且壁厚是12mil(1/1000英寸)，并且载体的单元密度是400cpsi，并且壁厚是3mil。

依然参考图4和图5，在使用相同的催化剂涂覆量的条件下，颗粒过滤器的氮氧还原比载体的氮氧还原低5％到15％。而且，在颗粒过滤器或载体上涂覆的催化剂的量越大，氮氧还原的差异就越大。随着为相同容量提供的单元的数量的增大，在壁部与废气之间的接触面积(接触时间)增大。因此，甚至通过相同的催化剂涂覆量，与壁流式颗粒过滤器相比，流过式载体允许在催化剂与废气之间更大的接触面积(更长的接触时间)，从而提高氮氧还原。如上所述，支撑件40可以起着与流过式载体相同的作用。因此，通过在支撑件40上而非在壁部30上涂覆催化剂50，可以提高氮氧还原。

现在参考图6，提供了示出根据涂覆在壁流式颗粒过滤器上的催化剂的量绘制的背压的示图。在图7中，提供了示出根据涂覆在流过式载体上的催化剂的量绘制的背压的示图。图6和图7示出了通过在相同的模式中运行相同的发动机所获得的测量数据。在测试中使用的颗粒过滤器具有与在测试使用的载体相同的横截面面积、体积以及催化剂涂层量。在测试中使用的颗粒过滤器的单元密度是300cpsi(每平方英寸的单元)，并且壁厚是12mil(1/1000英寸)，并且载体的单元密度是400cpsi，并且壁厚是3mil。

依然参考图6和图7，在使用相同的催化剂涂覆量的条件下，可以看出，给颗粒过滤器施加的背压可以比给载体施加的背压高5倍。而且，可以看出，随着在颗粒过滤器上的催化剂涂覆量的增加，给颗粒过滤器施加的背压可以大幅增大，然而，即使在载体上的催化剂涂覆量增大，给载体施加的背压仅仅略微增大。因此，得出以下结论：根据背压，在催化剂涂覆量变得更大时，流过式载体提供超过壁流式颗粒过滤器的明显优点。如上所述，支撑件40可以起着与流过式载体相同的作用。因此，在支撑件40上而非在壁部30上涂覆催化剂50，可以尽可能减少背压的增大。

现在参考图8，提供了示出根据流过式载体内的单元密度绘制的背压的示图。在图9中，提供了示出根据壁流式载体内的单元密度绘制的背压的示图。在图8的x轴描述单元密度和壁厚。例如，300cpsi/4mil表示300cpsi的单元密度和4mil的壁厚。图8示出了仅仅通过改变在具有与壁流式颗粒过滤器相同的横截面面积的流过式载体内的单元的数量所获得的测量数据。

依然参考图8，可以看出，即使流过式载体内单元的数量增大，背压也仅仅略微增大。如上所述，支撑件40可以起着与流过式载体相同的作用。因此，期望甚至支撑件40的数量的增大，仅仅造成背压略微增大。

现在参考图9，虚线表示8mil的壁厚，一点划线表示12mil的壁厚，并且实线表示13mil的壁厚。图9示出了由于背压随着单元密度大幅增大从而根据单元密度绘制的背压与参考背压的比率。在图9中，示出了仅仅通过改变在具有与流过式载体相同的横截面面积的壁流式颗粒过滤器内的单元的数量所获得的测量数据。依然参考图9，在壁流式颗粒过滤器中，背压随着单元的数量的增大而增大。可以看出，尤其如果壁厚大，则背压的增加大。由于颗粒过滤器用作过滤器，所以壁厚厚大，则过滤器性能越好。然而，如果壁厚大，则这限制了单元的数量并且促使背压大幅增大。

现在，总体上参考图4到图9，随着涂覆在颗粒过滤器1上的催化剂量的增大，氮氧还原上升。然而，涂覆在颗粒过滤器1上的催化剂量的增大，造成背压上升。而且，由于背压和壁部30的厚度(即，为了实现重复的过滤性能)，所以限制壁流式颗粒过滤器1内的单元的数量。

另一方面，在流过式载体的情况下，甚至随着催化剂涂覆量的增大，背压的增加小，并且不需要实现充分的过滤性能。因此，通过将壁部充分制薄，单元的数量可以大幅增大。如上所述，根据本公开的该方面的支撑件40不需要用作过滤器，而是仅仅用作保持催化剂50的载体。因此，根据本公开的该方面的支撑件40执行与流过式载体相同的功能。因此，甚至随着支撑件40的数量的增大，尽可能减小了背压的增大。而且，由于支撑件40可以制成薄的，所以足够数量的支撑件40可以安装在颗粒过滤器1上。此外，支撑件40允许在其上支撑的催化剂50的量增大并且在催化剂50与废气之间具有更长的接触时间(例如，更大的接触面积)，从而提高氮氧还原。

现在参考图10，提供了示出在颗粒过滤器的再生期间根据颗粒过滤器的位置绘制的温度的示图以及设置预定长度的支撑件的示意图。在图10中，实线表示在颗粒过滤器适当地再生时颗粒过滤器的温度对位置(temperaturevs.theposition)，并且一点划线表示在颗粒过滤器不适当地再生时(例如，由于在再生期间发动机发生故障，所以在将大量氧气供应给颗粒过滤器时)颗粒过滤器的温度对位置(temperaturevs.theposition)。

依然参考图10，可以看出，在再生期间颗粒过滤器的温度沿着废气的流动增大。在颗粒过滤器不适当地再生时，颗粒过滤器的温度沿着废气的流动突然增大。涂覆在支撑件40上的催化剂50在高温下会被损坏。因此，支撑件40可以放置在除了颗粒过滤器1的温度可以升高为高于可以损坏催化剂50的温度限制(例如，在图10，800℃)的位置以外的位置，或者支撑件40可以不涂覆有催化剂50。因此，支撑件40可以从颗粒过滤器1的一端在长度l1上延伸(入口通道10的开口端)。尤其在不适当的再生期间，可以基于颗粒过滤器1的温度分布，设置长度l1。例如，在图10示出的实例中，长度l1可以是入口通道10的整个长度l的大约50％到70％。而且，可以根据在支撑件40上涂覆的催化剂50的类型，设置长度l1。

虽然结合目前被视为实际实例的内容，描述了本公开，但是要理解的是，本公开不限于公开的实例，而是相反，旨在涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。