催化颗粒过滤器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年12月14日提交的韩国专利申请第10-2015-0178661号的优先权和权益，该申请的全部内容结合于此用于通过该引用的所有目的。

本发明涉及一种催化颗粒过滤器，更具体地说，涉及这样一种催化颗粒过滤器，其使背压的增加最小化，并提供催化剂和流体之间更长的接触时间(更大的接触面积)。

背景技术：

来自内燃机(如柴油发动机)或各种燃烧设备的排放气体含有颗粒物质(pm)。这些pm在排放至大气中时会引起环境污染。出于这一原因，气体排放系统配备有用于捕获pm的颗粒过滤器。

颗粒过滤器根据流体的流动可以分为流动穿过式颗粒过滤器或壁流式颗粒过滤器。

在流动穿过式颗粒过滤器中，被引入通道的流体仅在此通道内流动，而不移动至其他通道。这有助于背压的增加的最小化，但是需要用于捕获流体中的微粒物质的装置，并可能导致较低的过滤性能。

在壁流式颗粒过滤器中，被引入通道的流体移动至相邻的通道，然后通过相邻的通道从颗粒过滤器释放。亦即，被引入入口通道的流体通过多孔壁移动至出口通道，然后通过出口通道从颗粒过滤器释放。当流体穿过多孔壁时，在流体中颗粒物质被捕获而不穿过多孔壁。壁流式颗粒过滤器有效地去除颗粒物质，虽然其可能会使背压增加至某种程度。因此，主要使用壁流式颗粒过滤器。

车辆配备有与颗粒过滤器一起的至少一个催化转化器。催化转化器设计成去除一氧化碳(co)、烃(hc)和氮氧化物(nox)。

催化转化器可以完全从颗粒过滤器中分离，或者通过用催化剂涂布颗粒过滤器来与颗粒过滤器结合。涂布有催化剂的颗粒过滤器可被称为催化颗粒过滤器(cpf)。

在cpf中，将催化剂涂布在将入口通道和出口通道相互分开的多孔壁上，流体穿过多孔壁并与涂布的催化剂接触。在被多孔壁分开的入口通道和出口通道之间存在压力差。这使得流体快速穿过多孔壁。因此，在催化剂和流体之间的接触时间很短，这造成催化反应难以有效地发生。

此外，涂布在多孔壁上的厚催化剂使得催化剂阻塞壁上的微孔，这可能妨碍流体从入口通道至出口通道的流动。背压因此而增加。为了使背压的增加最小化，在cpf中催化剂以较小厚度涂布在壁上。因此，涂布在cpf上的催化剂的量可能不足以有效地发生催化反应。

为了解决这一问题，通过增加入口通道和出口通道(下文中，统称为“小室”)的数量(密度)可以增加待涂布催化剂的壁的表面面积。然而，在有限的空间中的小室密度的增加会减小壁的厚度。壁厚度的减小可能使过滤器的性能变差。因此，小室密度不应增加至比密度极限更大。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的各个方面旨在提供一种催化颗粒过滤器，其使背压的增加最小化，并增加催化剂装载量。

本发明的另一方面为提供一种催化颗粒过滤器，其背压的增加最小化，并在催化剂和流体之间提供更长的接触时间。

本发明的示例性实施方案提出了如下催化颗粒过滤器，其包括：至少一个入口通道，其在纵向方向上延伸，并具有流体流入的第一端部和阻塞的第二端部；至少一个出口通道，其在纵向方向上延伸，并具有阻塞的第一端部和流体流出通过的第二端部；至少一个壁，其限定相邻的入口通道和出口通道之间的边界，并在纵向方向上延伸；以及至少一个支架，其位于所述至少一个入口通道和所述至少一个出口通道中的至少一个内，其中至少两种催化剂涂布在入口通道的至少一个内壁、出口通道的至少一个内壁或者支架的两个表面上，涂布在入口通道的至少一个内壁上的催化剂的种类相同，涂布在出口通道的至少一个内壁上的催化剂的种类相同，涂布在支架的两个表面中的至少一个表面上的催化剂的种类相同。

涂布在入口通道的至少一个内壁上的催化剂的种类可以不同于涂布在出口通道的至少一个内壁上的催化剂的种类或涂布在支架的两个表面中的至少一个表面上的催化剂的种类。

不同种类的催化剂可以分别涂布在支架的两个表面上。

流入通过入口通道的流体可以穿过壁并流至出口通道。

贫nox捕集(lnt)催化剂可以涂布在入口通道的所述至少一个内壁、出口通道的所述至少一个内壁或支架的两个表面中的所述至少一个表面上。

选择性催化还原(scr)催化剂可以涂布在支架的两个表面中的所述至少一个表面上。

流入通过入口通道的流体可以在与涂布在形成于入口通道中的支架上的催化剂接触之后穿过涂布在壁上的催化剂，并与涂布在形成于出口通道中的支架上的催化剂接触。

本发明的另一示例性实施方案提出了一种催化颗粒过滤器，其包括：至少一个入口通道，其具有打开以接收流体进入其中的第一端部和阻塞以防止流体通过其流出的第二端部；至少一个出口通道，其与所述至少一个入口通道交替设置，并具有阻塞以防止流体流动通过的第一端部和打开以使流体流出的第二端部；多孔壁，其设置在相邻的入口通道和出口通道之间，并允许入口通道中的流体流动至出口通道；以及支架，其位于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之内，其中至少两种催化剂涂布在多孔壁、形成于入口通道支架中的支架或形成于出口通道中的支架上，并且涂布在多孔壁上的催化剂、或涂布在形成于入口通道中的支架上的催化剂、或涂布在形成于出口通道中的支架上的催化剂不同于涂布在形成于出口通道中的支架上的催化剂。

选择性催化还原(scr)催化剂可以涂布在多孔壁或形成于入口通道中的支架的至少一个上。

氧化催化剂可以涂布在形成于出口通道中的支架上。

氧化催化剂可以包括氨氧化催化剂(aoc)。

流入通过入口通道的流体可以在与涂布在形成于入口通道中的支架上的选择性催化还原催化剂接触之后穿过涂布在多孔壁上的选择性催化还原催化剂，并与涂布在形成于出口通道中的支架上的氨氧化催化剂接触。

本发明的另一示例性实施方案提出了一种催化颗粒过滤器，其包括：至少一个入口通道，其具有打开以接收流体进入其中的第一端部和阻塞以防止流体通过其流出的第二端部；至少一个出口通道，其具有阻塞以防止流体流动通过的第一端部和打开以使流体流出的第二端部；多孔壁，其设置在相邻的通道入口和出口通道之间，并允许入口通道中的流体流动至出口通道；以及支架，其位于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之内，其中至少两种催化剂涂布在多孔壁的第一侧或第二侧、形成于入口通道的支架的第一侧或第二侧以及形成于出口通道中的支架的第一侧或第二侧上，涂布在形成于入口通道中的支架的第一侧或第二侧上的催化剂或者涂布在形成于出口通道中的支架的第一侧或第二侧上的催化剂与涂布在多孔壁的第一侧或第二侧上的催化剂不同。

流入通过入口通道的流体可以在与涂布在形成于入口通道中的支架上的催化剂接触之后穿过涂布在多孔壁上的催化剂，并与涂布在形成于出口通道中的支架上的催化剂接触。

选择性催化还原(scr)催化剂可以涂布在形成于入口通道中的支架上或形成于出口通道中的支架上。

贫nox捕集(lnt)催化剂可以涂布在多孔壁上。

如上所述，通过在至少一个入口通道和至少一个出口通道之中的至少一个内形成支架并用催化剂涂布支架可以使背压的增加最小化并增加催化剂装载量。

此外，在排放气体和催化剂之间的接触时间可以延长，这是因为由支架隔开的通道的第一部分和第二部分之间的压力差和沿着支架的长度的第一部分或第二部分的第一端部和第二端部之间的压力差较小。

此外，可以实现充分的过滤性能和催化剂性能，这是因为在保持壁厚度的同时提供了更大的催化剂装载量以及流体和催化剂之间更大的接触面积(接触时间)。

此外，可以扩展nox转化的温度范围，因为多种催化剂涂布在包括壁的颗粒过滤器上。

本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点将在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于解释本发明的某些原理的具体实施方式中显现或更详细地阐明。

附图说明

图1为根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器的立体图。

图2为根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器的横截面图。

图3为显示根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器中的一些入口通道和出口通道的正视图。

图4为显示根据本发明的示例性实施方案的涂布有两种催化剂的颗粒过滤器的氮氧化物(nox)转化效率的图表。

图5为显示根据本发明的示例性实施方案的涂布有三种催化剂的颗粒过滤器的氮氧化物(nox)转化效率的图表。

应了解，附图并不一定是按比例绘制的，其示出了某种程度上经过简化了的本发明的基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定的预期应用和使用环境加以确定。

在这些图形中，附图标记在贯穿附图的多幅图形中指代本发明的同样的或等同的部件。

具体实施方式

现在将详细提及本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案结合加以描述，但是应当理解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。

下面将参考附图详细描述本发明的示例性实施方案。

根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器配置成用在通过燃烧化石燃料获取能量并将燃烧过程中产生的气体排放至大气的各种设备以及车辆中。尽管本说明书说明了配置成用于车辆中的催化颗粒过滤器的实施例，但是本发明不应理解为仅限于此实施例。

车辆配备有用于产生动力的发动机。发动机通过燃烧燃料-空气混合物将化学能转化成机械能。发动机连接至进气歧管以将空气吸入燃烧室，并连接至排放歧管，在燃烧过程中产生的排放气体被收集在排放歧管中并被排出。喷射器安装在燃烧室或进气歧管处，从而将燃料喷洒进入燃烧室或进气歧管。

产生自发动机的排放气体通过排放系统排放出车辆。排放系统可以包括排放管和排放气体再循环(egr)设备。

排放管连接至排放歧管以将排放气体排放出车辆。

排放气体再循环设备安装在排放管上，自发动机排放的排放气体穿过排放气体再循环设备。此外，排放气体再循环设备连接至进气歧管，以将部分排放气体与空气混合并控制燃烧温度。燃烧温度可以通过控制排放气体再循环设备中egr阀的开启/关闭而调节。亦即，供应至进气歧管的排放气体的量通过egr阀的开启/关闭而调节。

排放气体可以进一步包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器安装在排放管上并捕获排放气体中的颗粒物质。颗粒过滤器可以为根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器，其去除有害物质以及排放气体中的颗粒物质。

在下文中，将参考所附附图更详细地描述根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器。

图1为根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器的立体图。图2为根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器的横截面图。图3为显示根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器中的部分入口通道和出口通道的正视图。

如图1中所示，根据本发明的示例性实施方案的催化颗粒过滤器1包括在壳体中的至少一个入口通道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30而相互隔开。支架40可以位于至少一个入口通道10和至少一个出口通道20之中的至少一个内。

在本说明书中，入口通道10和出口通道20可以统称为“小室”。在本说明书中，虽然壳体为圆柱形形状，小室具有矩形形状，但是壳体和小室并不限于这些形状。

参考图2和图3，入口通道10沿着排放气体流延伸。入口通道10的前端部打开，使得排放气体通过入口通道10引入颗粒过滤器1。入口通道10的后端部通过第一塞12堵塞。因此，防止颗粒过滤器1中的排放气体通过入口通道10流出颗粒过滤器1。

出口通道20沿着排放气体流延伸，并可以平行于入口通道10设置。至少一个入口通道10围着出口通道20设置。

例如，当小室具有矩形形状时，每个出口通道20被在四个侧面上的壁30围绕。四个侧面中的至少一个位于每个出口通道20和相邻的入口通道10之间。当小室具有矩形形状时，每个出口通道20可以被四个相邻的入口通道10围绕，而每个入口通道10可以被四个相邻的出口通道20围绕，但本发明不限于此。

因为出口通道20的前端被第二塞22阻塞，所以防止了排放气体通过出口通道20流入颗粒过滤器1。出口通道20的后端部打开，使得颗粒过滤器1中的排放气体通过出口通道20流出颗粒过滤器1。

壁30设置在相邻的入口通道10和出口通道20之间，从而限定了它们之间的边界。壁30可以为其中具有至少一个微孔的多孔壁30。多孔壁30使得相邻的入口通道10和出口通道20相互流体连通。因此，引入入口通道10的排放气体可以通过多孔壁30移动至出口通道20。此外，多孔壁30不允许排放气体中的颗粒物质穿过。当排放气体从入口通道10通过多孔壁30向出口通道20移动时，排放气体中的颗粒物质通过多孔壁30而被过滤。多孔壁30可以由钛酸铝、堇青石、碳化硅等制得。

支架40可以位于至少一个入口通道10和至少一个出口通道20之中的至少一个内。支架40可以仅位于至少一个入口通道10中，或仅位于至少一个出口通道20中。虽然图1至图3显示支架40平行于入口通道10和/或出口通道20延伸的方向延伸，但本发明不限于此。

亦即，支架40可以相对于入口通道10和/或出口通道20延伸的方向垂直地或倾斜地延伸。在支架40相对于入口通道10和/或出口通道20的延伸方向垂直地或倾斜地延伸情况下，支架40的两个端部的至少一个可以不与多孔壁30接触，所述多孔壁30将小室相互隔开。

同时，设置支架40以原位保持催化剂，而非用作过滤器。因此，支架40不必须由多孔材料制得。亦即，支架40可以由与多孔壁30相同的材料或不同的材料制得。即使在支架40由多孔材料制得的情况中，排放气体主要沿着支架40和壁30移动而不穿过支架40，这是因为在被支架40隔开的通道10或20的两个部分之间的压力差较小。此外，支架40不需要很厚，因为其不需要用作过滤器。亦即，支架40可以比壁30更薄，这使得背压的增加最小化。对于由多孔材料40制得的支架，催化剂涂布在支架40的表面和支架40中的微孔上。反之亦然，对于由非多孔材料制得的支架40，催化剂涂布在支架40的表面上。

支架40包括设置在入口通道10中的第一支架40a和设置在出口通道20中的第二支架40b。

第一支架40a、多孔壁30和第二支架40b中的至少一个可以涂布有催化剂。第一支架40a可以涂布有第一催化剂50，多孔壁30可以涂布有第二催化剂60，第二支架40b可以涂布有第三催化剂70。

第一催化剂50、第二催化剂60和第三催化剂70可以以各种催化剂涂布，包括贫nox捕集(lnt)催化剂、三元催化剂、氧化催化剂、烃阱催化剂、选择性催化还原(scr)催化剂等。

至少两种催化剂可以涂布在第一支架40a、多孔壁30和第二支架40b上。此外，不同类型的催化剂可以涂布在第一支架40a、多孔壁30和第二支架40b的第一侧和第二侧上。例如，不同类型的催化剂可以涂布在作为入口通道10的内壁的多孔壁30的第一侧上，以及作为出口通道20的内壁的多孔壁30的第二侧上。此外，不同类型的催化剂可以涂布在第一支架40a的第一侧和第二侧上，不同类型的催化剂可以涂布在第二支架40b的第一侧和第二侧上。

涂布在作为入口通道10的内壁的多孔壁30上的催化剂的种类可以相同，涂布在在作为出口通道20的内壁的多孔壁30上的催化剂的种类可以相同，涂布在第一支架40a和第二支架40b的两个表面上的催化剂的种类可以相同。

涂布在入口通道10的至少一个内壁上的催化剂的种类可以不同于涂布在出口通道20的至少一个内壁上的催化剂的种类，并可以不同于涂布在第一支架40a或第二支架40b的两个表面的至少一个表面上的催化剂的种类。

例如，根据本发明的示例性实施方案，涂布在第一支架40a上的第一催化剂50和涂布在多孔壁30上的第二催化剂60可以为贫nox捕集(lnt)催化剂，涂布在第二支架40b上的第三催化剂70可以为选择性催化还原(scr)催化剂。

涂布在第二支架40b上的选择性催化还原(scr)催化剂可以包括使用排放自lnt催化剂的nh3而不注射尿素的被动scr(pscr)。pscr设置在lnt催化剂的后部，并以预定时间捕获由lnt催化剂产生的nh3。pscr可以通过nh3与排放气体中的氮氧化物的反应来净化氮氧化物。

因此，根据本发明的示例性实施方案，流入通过入口通道10的排放气体，可以在与涂布在第一支架40a上的第一催化剂50接触之后穿过涂布在多孔壁30上的第二催化剂60，并与涂布在第二支架40b上的第三催化剂70接触。

根据本发明的另一示例性实施方案，涂布在第一支架40a上的第一催化剂50和涂布在多孔壁30上的第二催化剂60可以为选择性催化还原(scr)催化剂，涂布在第二支架40b上的第三催化剂70可以为氧化催化剂。氧化催化剂可以包括氨氧化催化剂(aoc)，其防止还原剂逃逸和排放至外部。

因此，根据本发明的另一示例性实施方案，流入通过入口通道10的流体，可以在与涂布在第一支架40a上的scr催化剂接触之后穿过涂布在多孔壁30上的scr催化剂，并与涂布在形成于出口通道20中的第二支架40b上的氨氧化催化剂接触。

根据本发明的另一示例性实施方案，涂布在第一支架40a上的第一催化剂50和涂布在第二支架40b上的第三催化剂70可以为选择性催化还原(scr)催化剂，涂布在多孔壁30上的第二催化剂60可以为贫nox捕集(lnt)催化剂。

此处，涂布在第一支架40a上的scr催化剂可以包括使用一氧化碳(co)作为还原剂的一氧化碳选择性催化还原(co-scr)催化剂。涂布在第二支架40b上的scr催化剂可以包括使用排放自lnt催化剂的nh3而不注射尿素的被动scr(pscr)。pscr设置在lnt催化剂的后部，并以预定时间捕获由lnt催化剂产生的nh3。pscr可以通过nh3与排放气体中的氮氧化物的反应而净化氮氧化物。

因此，根据本发明的另一示例性实施方案，流入通过入口通道10的排放气体，可以在与涂布在第一支架40a上的co-scr催化剂接触之后穿过涂布多孔壁30上的lnt催化剂，并与涂布在第二支架40b上的pscr催化剂接触。

此外，如上所述，第一催化剂50、第二催化剂60和第三催化剂70可以涂布在全部第一支架40a、多孔壁30和第二支架40b上。在此情况下，涂布在第一支架40a上的第一催化剂50的量和涂布在第二支架40b上的第三催化剂70的量可以大于涂布在多孔壁30上的第二催化剂60的量。第二催化剂60可以以较小厚度涂布在多孔壁30上，因为多孔壁30用作过滤器。相比之下，第一催化剂50和第三催化剂70可以以较大厚度涂布在第一支架40a和第二支架40b上，因为第一支架40a和第二支架40b不需要用作过滤器。因此，涂布在颗粒过滤器1上的催化剂的量可以增加。此处，第一催化剂50、第二催化剂60和第三催化剂70的量是指每单位长度或单位面积涂布的催化剂的量。

图4为显示根据本发明的示例性实施方案的涂布有两种催化剂的颗粒过滤器的氮氧化物(nox)转化效率的图表。

如图4中所示，在情况(a)中：在如常规技术中在柴油颗粒物质过滤器(dpf)设置在lnt催化剂的后部而没有壁时，因为nox转化效率仅稍大于40％，所以需要改进颗粒过滤器。

然而，在情况(b)中：在scr催化剂涂布在设置在lnt催化剂的后部的dpf上时，因为nox可以通过使用lnt催化剂的富冲洗中产生的nh3来额外地净化，所以可以改进nox转化效率。此外，如本发明的示例性实施方案，在情况(c)中：在lnt催化剂涂布在设置在lnt催化剂后部的dpf上时，nox转化效率可以进一步改进。

在本发明的示例性实施方案中，因为lnt催化剂和scr催化剂两者涂布在包括额外的壁的dpf上，所以nox转化效率可以最大化达到70％或更高。在本发明的示例性实施方案中，不需要额外地安装scr催化器，由此减小了颗粒过滤器的体积。此外，因为scr催化剂涂布在同一dpf中，所以热损失减少，并可以改进nox转化效率。

图5为显示根据本发明的示例性实施方案的涂布有三种催化剂的颗粒过滤器的氮氧化物(nox)转化效率的图表。

参考图5，根据本发明的示例性实施方案，co-scr催化剂涂布在第一支架40a上，lnt催化剂涂布在多孔壁30上，pscr催化剂涂布在第二支架40b上。

此处，co-scr催化剂的nox在100℃至250℃的温度范围内转化效率较高，lnt催化剂的nox在200℃至400℃的温度范围内转化效率较高，pscr催化剂的nox在250℃至500℃的温度范围内转化效率较高。

因此，在根据本发明的示例性实施方案的颗粒过滤器中，co-scr催化剂涂布在设置于入口通道10中的支架上，lnt催化剂涂布在入口通道10和出口通道20之间的壁上，pscr催化剂涂布在设置于出口通道20中的支架上。因此，nox转化的温度范围可以得到扩展。

此外，在根据本发明的示例性实施方案的颗粒过滤器中，在lnt催化剂的富条件(富冲洗)中产生的nh3存储在pscr催化剂中，然后在贫条件下用于nox还原。因此，可以使在类似于相关技术中的pscr设置在dpf的后部时产生的温度损失最小化，并改进nox转化效率。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背部”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“内”、“外”、“向前”和“向后”被用于参考附图中所显示的特征的位置来描述示例性实施方式的这些特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。它们并不会毫无遗漏，也不会将本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多修改和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其它们的实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同的选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等同方案加以限定。