专利名称：柴油发动机及其催化过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含尾气排放系统的柴油发动机，所述尾气排放系统包含颗粒过滤器。特别是，本发明涉及包含催化滤烟器的发动机。
内燃机如柴油发动机的许可排放是由政府立法规定的。立法规定中，尾气物质是氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、烃类(HC)及颗粒物(PM)。在下一个10到15年间，这些物质的许可排放水平正逐渐降低。通过发动机设计和尾气后处理相结合，原始设备制造商(OEMs)正在设法满足这些立法要求。
为了满足对柴油PM现有和未来的立法要求，一种推荐用于尾气后处理的装置是颗粒过滤器。这里的“过滤器”是指从尾气中去除固体颗粒的装置以及有目的地延缓颗粒通过尾气排放系统之过程的装置。在EP 1057519中描述了有关后类装置的例子(这里引入作为参考)。
颗粒过滤器的一个例子是壁流过滤器，其中过滤器是蜂窝形的。该蜂窝具有入口端和出口端，以及许多从入口端延伸到出口端的孔室(cell)，孔室具有多孔的壁，其中所有孔室中的一部分在入口端是堵塞的，例如沿它们长度部分塞住约5到20mm的深度，在入口端是敞开的其余部分的孔室沿它们长度部分在出口端是堵塞的，使得经过蜂窝孔室的流动的尾气物流由入口端流入敞开的孔室，通过孔室壁，并且在出口端由敞开的孔室流出过滤器。US专利No.4,329,162中描述了塞住孔室的组合物(在此引入作为参考)。典型的布局是使给定面上所有相隔的孔室堵塞，如棋盘式图案。
催化上述过滤器是已知的，以便降低烟灰燃烧温度，从而通过在发动机/车辆正常运行时的尾气温度下，典型为300-400℃，氧化PM来促进过滤器被动再生。在没有催化剂的情况下，在温度超过500℃下，PM才可以以适宜速率进行氧化，该温度在柴油发动机的实际运行中是罕见的。上述催化过滤器常被称作催化滤烟器(或CSF)。
被动过滤器再生的共同问题是行驶条件可阻止尾气温度达到甚至通过充分频繁地催化过滤器以可靠防止PM积累在过滤器上所实现的更低的温度。上述的行驶条件包括长时间的发动机空转或缓慢市区行驶，并且该问题对轻型柴油发动机尾气而言特别尖锐。已被OEM采用的对此问题的一个解决办法是除了被动再生外，使用主动技术定期地或检测到预定过滤器背压时再生过滤器。轻型柴油发动机车辆中典型的布局是将柴油氧化催化剂(DOC)置于CSF上游的独立整料上和通过各种发动机控制技术来调节缸内的燃料燃烧以将增量的未燃燃料引入尾气中。额外的燃料在DOC上燃烧，充分增加下游CSF中的温度来促进其上PM的燃烧。
EP-A-0341382或US-A-4,902,487(将两者在这里引入作为参考)描述了在氧化催化剂上处理含未过滤的PM和NOx的柴油发动机尾气以使NO转换为NO2、在氧化催化剂下游的过滤器上收集PM以及在NO2中燃烧所捕获的PM的方法。该技术可在市场上以Johnson Matthey的CRT得到。此方法的优点是NO2中PM的燃烧发生在最高达400℃的温度下，即，更接近用于柴油发动机尾气的正常运行范围，然而在氧气中PM的燃烧发生在550-600℃。
我们的WO 01/12320(在此引入作为参考)描述了特别适合处理尾气以去除包括PM的污染物的反应器，它包含具有多孔壁和交替堵塞端的壁流过滤器结构，其中负载催化剂的耐冲刷涂层(washcoat)涂在过滤器上游端的敞开管道的上游端的区域。
我们也已设计了用于被动-主动过滤器再生的CSF，其更有效地利用柴油发动机，特别是轻型柴油发动机的更有限的尾气温度和尾气温度的变化。
一方面，本发明提供包含尾气排放系统的柴油发动机，该尾气排放系统包含由多孔材料制造的微粒过滤器，多孔材料的平均孔径是5μm-40μm，孔隙率至少40％，例如50％-70％，500℃时整体体积热容至少0.50J cm-3K-1，所述过滤器包含位于过滤器前端区域中的柴油氧化催化剂(DOC)，其用于氧化一氧化碳(CO)、烃类(HC)和一氧化氮(NO)，发动机包含发动机控制装置，在工作时连续或间歇地提供包含足量氮氧化物(NOx)或HC的尾气和/或足够高温的尾气，以在过滤器中燃烧颗粒物(PM)。
本发明的催化滤烟器结合了许多非常有用的功能从尾气中收集烟灰；促进所收集烟灰在氧气中被动氧化；根据EP 0341832中描述的方法促进NO氧化以促进所收集烟灰在NO2中被动燃烧；和在较低温度下将尾气中的CO和HC转换。此外，通过将DOC置于过滤器的前面，因为额外HC的燃烧放热有助于直接加热过滤器，即上游DOC和下游CSF间没有温度损失，所以促进了过滤器的主动再生。因此，主动再生更有效率，其需要更少的燃料以提高过滤器温度来实现再生。
选择相对较高的整体体积热容过滤器对于主动再生系统是令人惊奇的，因为整体体积热容决定了可以被过滤器整料所吸收热能的量。对于主动再生，通常理解为需要低热容量过滤器，因为它能使过滤器温度迅速增加并且付出极小的能量损失加热整料实现快速再生。我们已发现，通过将DOC元件置于具有较高的整体体积热容的过滤器的上游端，更易在过滤器中维持温度，因而改善系统中HC、CO和烟灰的转化。
用于本发明的合适的整料材料具有相对较低的压降和相对较高的过滤效率。有经验的技术人员会知道在孔隙率和机械强度间有折衷方案较小孔径和较低孔隙率的基材比那些高孔隙率的更坚固。热性质(热容量和导热性这两者)随着孔隙率的增加而减少。然而，因为本发明的过滤器用于负载催化剂和任选地耐冲刷涂层，如约50g/dm3的耐冲刷涂层，所以合适的过滤器材料典型地具有45-55％的孔隙率，对于包含最高达约100g/dm3的高耐冲刷涂层载荷的NOx存储元件的过滤器，孔隙率甚至为60％及更高。上述材料的理想特征是它们具有良好的孔隙连通性及尽可能少的闭合或“闭端(dead end)”孔。合适的平均孔径是8-25μm，如15-20μm。在此所表示的孔隙率值可以通过水银孔率法或电子显微镜检查测量。
典型地，过滤材料包含陶瓷材料，包含碳化硅、氮化铝、四氮化三硅、钛酸铝、烧结金属、氧化铝、堇青石、富铝红柱石、铯榴石(见如WO 02/38513(在这里引入作为参考))、thermet如Al2O3/Fe、Al2O3/Ni或B4C/Fe、或包含其中任何两个或更多部分的复合材料中的至少一种。
用于制造本发明的过滤器的优选的材料是堇青石(硅酸铝镁)、碳化硅及钛酸铝。具有近似的化学计量Mg2Al4Si5O18的合适的堇青石型材料在WO 01/91882(在这里引入作为参考)和WO 2004/002508(在这里引入作为参考)中公开，尽管也可使用替换物如铝硅酸锂陶瓷，前提是它们具有所需的特性。堇青石型材料通常特征是相对低热膨胀系数(CTE)和低弹性(E)模数。
用于本发明的钛酸铝材料可以包括WO 2004/011124(在这里引入作为参考)中描述的60-90％钛酸铁-钛酸铝固溶体和10-40％富铝红柱石；或WO 03/078352(在这里引入作为参考)中公开的钛酸铝锶长石。
本发明的特征是在500℃时整体体积热容至少0.50J cm-3K-1。这至少出于两个原因。首先，一旦过滤器达到温度，它保温即使当尾气温度在瞬间操作期间发生波动。为此我们已看到在瞬间操作期间CO氧化和HC氧化的良好结果(见实施例)。这可以特别地用于处理轻型柴油发动机尾气，其通常低于重型柴油发动机。
其次，相对较高的整体体积热容防止或降低烟灰燃烧热损害过滤器和/或催化剂涂层的风险，因为放出的热量被过滤材料本身吸收。对于整体体积热容，合适的值是在500℃时大于0.67Jcm-3K-1，但有的钛酸铝基材料可以具有更高的值，如在500℃时大于3.0Jcm-3K-1，如对于WO 2004/011124中描述的材料为在500℃时至少3.9J cm-3K-1。
典型地，用于本发明的过滤器具有蜂窝形，蜂窝具有入口端和出口端，以及许多从入口端延伸到出口端的孔室，孔室具有多孔的壁，其中所有孔室中的一部分在入口端沿它们长度部分是堵塞的，在入口端是敞开的其余部分的孔室沿它们长度部分在出口端是堵塞的，使得经过蜂窝孔室的流动的尾气物流由入口端流入敞开的孔室，通过孔室壁，并且在出口端由敞开的孔室流出过滤器。
常见的孔室几何结构包括100/17，即每平方英寸(cpsi)100个孔室(每平方厘米31个孔室)和0.017英寸(0.43mm)壁厚、200/12(每平方厘米62个孔室/0.30mm)、200/14(每平方厘米62个孔室/0.36mm)、200/19(每平方厘米62个孔室/0.48mm)和300/12(每平方厘米93个孔室/0.30mm)的结构。200/19结构例如提供了机械强度更好的过滤器和加大的整体体积热容。因此，用于本发明的孔室密度可以是50-600cpsi(每平方厘米15.5-186个孔室)具有较低CTE和较低E模数的过滤器整料是优选的，因为它们很少会破裂和需要替换。当过滤器中的拉伸应力(在过滤器再生期间由局部放热所引起的高热梯度的结果)超过过滤器拉伸强度时可以发生破裂。如果CTE和E较高，如碳化硅材料的情况(CTE～10-6/℃)，热冲击容许量可能较差。耐热冲击性的度量是热冲击参数(TSP)，其是机械应变容许量与温度梯度所产生的热应变的比值。TSP越高，材料的热冲击容量越好。此问题最常见的解决方案是限制过滤器的截面面积。过滤器由两个或更多纵向段粘合两个或更多被粘合的段一起组成。就碳化硅来说，粘合材料典型地是基于氧化硅-氧化铝纤维、氧化硅溶胶、羧甲基纤维素或碳化硅粉剂的。复合硅-碳化硅材料(硅金属作为碳化硅颗粒间的粘合剂代替再结晶的碳化硅)可以用于代替上述分段构造或作为它们补充。
相反，数量级约为10-7/℃的相对较低CTE的材料可以以单片形式，即未分段的形式使用。
可以考虑用于本发明的材料的合适的CTE值是-30×10-7/℃至+30×10-7/℃(25℃-800℃)，如-20×10-7/℃至+10×10-7/℃(25-800℃)。对于堇青石材料，例如CTE可以是4×10-7/℃到17×10-7/℃，如4-13×10-7/℃(见WO 2004/002608和WO 01/91882)，而合适的钛酸铝材料可以具有从-10×10-7/℃至+15×10-7/℃(25-1000℃)和-0.5×10-7/℃到6×10-7/℃(25-800℃)的CTE(见WO 03/078352)。
WO 01/91882的较高整体体积热容的过滤材料在高温应用中是合适的，如用于微粒过滤器，其在过滤器全长上显示出低压降。
或者，过滤材料可以包括碳化硅和四氮化三硅的混合物。在此实施方案中，微粒过滤器可以包括若干块粘结在一起的这些材料。
用于本发明的氧化CO、HC和NO用的柴油氧化催化剂位于过滤器前端区域中。所选定的区域的尺寸可以取决于过滤器的尺寸并且可以容易地由有经验的技术人员不用过度的试验而优化。在一个实施方案中，在尺寸为直径5.66in(144mm)和长9.75in(248mm)并且具有每平方英寸(cpsi)200个孔室(每平方厘米31个孔室)的孔室密度和0.019in(0.48mm)壁厚的过滤器中，DOC区域由过滤器的入口端延伸3英寸(7.62cm)。
DOC可以包含一种或多种铂族金属(PGM)如铂、钯、铑或钌或任何其中两个或更多的组合。优选地，总的或单独的PGM载荷可以是25-200g/ft3，适当地为50-150g/ft3。催化剂可以浸渗在过滤材料本身上或担载在合适的高表面积的颗粒耐火氧化物上。合适的颗粒耐火氧化物耐冲刷涂层组分包括块状的(bulk)二氧化铈、氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆和其中任何两个或更多的混合氧化物和复合氧化物，如氧化硅-氧化铝或二氧化铈-氧化铝。在此耐冲刷涂层包括块状的二氧化铈，适当地，它是以与锆、镧、铝、钇、镨和钕中的至少一种混合或复合的氧化物形式存在，以改善其耐热性、耐硫性和/或其他的特性。在一个具体实施方案中，块状的二氧化铈与锆结合在混合或复合氧化物中，其重量比为5∶95至95∶5。
在此“复合氧化物”是指主要无定形的氧化物材料，其包含至少两种元素的氧化物，该氧化物不是由至少两种金属组成的真正意义上的混合氧化物。
为了更进一步地在系统中最大程度地利用热，在一个实施方案中，过滤器的上游端被布置在离尾气歧管或涡轮的上游或下游最多1米，如最多50cm，例如最多20cm的地方。微粒过滤器被布置在发动机尾气歧管1米内的结构这里称为“紧闭耦合(close-coupled)”或“靠近耦合(near coupled)”的相对位置。关于本说明书的功能术语“紧闭耦合(close coupling)”可以定义为“限制发动机出口和过滤器入口间的温度降”。为了限制在较长耦合距离例如70-100cm上的温度损失，尾气导管可以是重壁的管，其在共轴区域可有或者没有真空，有防护套的或类似地绝热。
在一个具体实施方案中，过滤器包含至少一个含有耐冲刷涂层的区域，该耐冲刷涂层沿其长度的至少一部分包含颗粒耐火氧化物。
在一个实施方案中，过滤器包含至少两个区域，其各自包含相同的或不同的耐冲刷涂层。例如，至少一个区域可以位于过滤器的上游侧，而至少一个区域可以位于过滤器的下游侧。
在更进一步的实施方案中，至少一个耐冲刷涂层区域包含耐冲刷涂层厚度的纵向梯度，例如在壁流过滤器中，敞开管道的上游端比其下游具有更高的耐冲刷涂层载荷。上述的梯度可以是分级梯度，即阶式梯度或斜坡梯度。可以按本领域人所共知的技术产生任何一种布局。例如，阶式梯度可以如下产生，通过在合适的耐冲刷涂层中浸渍到所需的深度并干燥，以产生具有第一耐冲刷涂层的过滤器。涂覆的片然后再浸入较少的深度，因此仅仅覆盖了第一层的一部分然后干燥所获得的片。再浸过程可以重复需要的次数，例如产生需要的系列“阶梯式”耐冲刷涂层梯度载荷。
包括斜坡梯度的过滤器可以如下产生，通过将合适的过滤器，例如壁流过滤器引入到自动涂覆整料基材的装置，所述装置如我们的WO99/47260(在这里引入作为参考)中所描述的。更具体地说，整料载体涂布装置包括用于计量预定量液体组分的装置，上述的量使得液体组分基本上完全地留在所需载体之内，液体组分保存装置，其可位于载体顶部以接收上述量的液体组分，和负压装置，其作用于载体的底部并且能够从保存装置抽出全部的液体组分使其进入载体的一部分而不用循环。
分级的耐冲刷涂层实施方案的优点是通过调整纵向的耐冲刷涂层载荷，有可能改变沿过滤器壁的纵向压降，即耐冲刷涂层确立了渗透性梯度。例如，在特征为在入口端比其下游具有更高的耐冲刷涂层载荷的实施方案中，更多的烟灰被引导朝向入口管道的下游端。这是有利的，因为它减少或防止朝向入口管道上游端的局部的烟灰燃烧的风险，防止了不期望地引起DOC和存在的任何其他催化剂的加速热老化，因而保持了催化剂的活性。
如有经验的技术人员能注意到的，过滤器应被再生前，过滤器不应该涂覆耐冲刷涂层达到这样的程度，即对于过滤器来说，系统中背压过高，以致于不能完成其收集足量烟灰的功能。使用时，可接受的背压在流速600Kghr-1温度600℃时最高达0.8bar。耐冲刷涂层载荷可以由技术人员酌情调整，以使足够的烟灰载荷在到达上述阈值以前触发主动再生过程。
根据更进一步的实施方案，至少一个耐冲刷涂层区域包括耐冲刷涂层载荷的横向梯度。如此布局也可以使用WO99/47260的装置获得。例如，如其中所描述的，保存装置的底部可以具有不同渗透性以产生更容易的流动，并因此有更多的涂覆沉积物在充当成型的(profiled)保存装置(例如通过机器加工蜂窝整料)区域或底部本身中，因此某些区域包含更大量的液体组分，其被直接地传输到位于底部下面的载体的对应部分。
合适的颗粒耐火氧化物耐冲刷涂层组分包括任何与DOC有关的描述中提到的组分。
适当地，选择耐冲刷涂层颗粒粒径以便它不阻塞用于过滤柴油发动机PM所需的孔径范围。颗粒粒径可以通过已知技术调整，如碾磨。
DOC和存在的任何其他催化剂可以通过浸渗过滤材料本身例如通过在合适的贵金属盐中浸渍过滤器材料、干燥然后锻烧所得的块而应用于过滤器。过滤器可以包括一个或多个具有此特征和依照要求具有不同的催化剂载荷的区域。在一个实施方案中，过滤器包含至少两个催化剂区域，其各自包含相同的或不同的催化剂，任选地至少一个催化剂区域在过滤器下游侧。
根据一个实施方案，至少一个催化剂区域包括催化剂载荷的纵向梯度，其可以是阶式梯度，即分级梯度，或斜坡梯度。此布局是特别有利的，因为我们已发现在紧密耦合布局中过滤器温度可以在入口处为700℃，但在出口处高达1100℃。在这些温度下，任何去往下游端的催化剂可能由于烧结等立刻降低活性。而且，入口管道的下游端在车辆使用年限内可能充满了粉尘，因此烟灰不可能同管道这部分中的催化剂良好接触。因此，梯度的使用使得贵金属如铂得到节约，以防金属位于过滤器上使其变为多余的或钝化的的位置。
上述至少一个催化剂区域可以覆盖作为耐冲刷涂层区域的过滤器相同部分，尽管这不是必需的，即催化剂和耐冲刷涂层载荷可以彼此独立。典型地，涂覆耐冲刷涂层的过滤器被浸渍和浸于合适的金属盐，然后所得材料被干燥和锻烧。然而，在一个实施方案中，催化剂可以被预先固定到颗粒载体材料上，例如用合适的盐通过早期湿浸渍法浸渍，然后进行干燥并煅烧。担载催化剂的颗粒可以然后配制成合适的耐冲刷涂层组合物并且如以上所述应用于过滤器。
当然，上面描述的耐冲刷涂层实施方案的相似实施方案，其中至少一个催化剂区域包括催化剂载荷的横向梯度，也是可能的。
一种避免在过滤器下游段中催化剂冗余的办法是将催化剂置于过滤器出口管道的下游端。如此布局对于处理来自被迫的或主动的过滤器再生过程产生的CO是理想的。如果其用于该位置时，催化剂可以针对耐热性进行配制。
此外，或者作为替换方案，至少一种用于DOC下游区域的催化剂可以是烟灰燃烧催化融剂，其包含熔融盐、适当地碱金属盐、碱土金属盐或钒、钨或钼的镧盐或五氧化二钒。碱土金属组分包括镁、钙、锶和钡或其中任何两个或更多的混合物。铜基和银基催化剂也是可以使用的，如银或铜的钒酸盐。
上述至少一种催化剂可以被担载在任何上述如上所述的颗粒耐火氧化物材料上，然后或通过将已涂覆耐冲刷涂层的过滤器浸渍于合适的金属盐，或通过在过滤器被涂覆耐冲刷涂层之前将催化剂固定到颗粒载体例如通过浸渍、干燥、然后锻烧被浸渍的载体。后者方法使有经验的技术人员能够在包含两种或更多不同的颗粒耐热氧化物的耐冲刷涂层系统中选择哪些颗粒耐热氧化物来携带催化金属。例如，有经验的技术人员希望将铂载于氧化铝上，而不是在块状的二氧化铈和氧化锆的混合或复合氧化物上，这可以通过分别制备载铂的耐冲刷涂层组分然后将两个组分以在耐冲刷涂层中需要的比例混合而实现。
在用于本发明的附加催化剂中PGM载荷可以是0.10-200g/ft3，适合地是0.25-120g/ft3，任选地是1.00-50g/ft3。在过滤器包含两个或更多催化剂区域时，各区域可以包含不同的催化剂载荷。合适的催化剂包括PGM如铂、钯、铑和钌，特别是铂。在一个具体实施方案中，DOC包含在氧化铝基载体上的铂，其载荷是100g/ft3，并且过滤器的其余部分包含分级催化剂布局，其包含多个区域，其中入口管道最下游区域基于上述原因包含10g/ft3铂/氧化铝基载体。
在更进一步的实施方案中，过滤器包括尾气稀薄时用于吸收NO2的催化剂。从尾气中吸收NO2的催化剂是已知的，例如参见EP-A-0560991(在这里引入作为参考)，该催化剂包括碱金属如钾或铯、碱土金属如钡、锶、钙或镁，典型地是钡，或稀土金属例如镧或铯、或其混合物中的至少一种的化合物。使用中典型地以氧化物形式存在的化合物可以是氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐的形式。
上述的催化剂可以包括至少一种PGM，典型地是铂，用于在尾气组合物稀薄时将尾气中的NO氧化成NO2，和铑，用于在尾气组合物浓厚时将NOx还原成N2。DOC可以完成氧化NO的功能，因此额外的铂是不必要的。
虽然利用整个行驶周期内尾气温度和尾气组分的自然波动来再生吸收剂是可能的，但通常为此使用发动机控制装置以提供间歇的富集尾气和/或相对于正常工作条件的较高温度的尾气。在一个实施方案中，在尾气中间歇供给足以在过滤器中燃烧PM的NOx是通过调整尾气再循环(EGR)速率来实现的。
发动机可以是任何柴油发动机。它可以包括，例如，直接喷射如使用共轨喷射和/或涡轮。
European Directive(欧洲指令)70/220/EEC在欧洲法规(European legislation)中规定了轻型柴油发动机，由93/59/EC和98/69/EC对其修订。在美国，小客车、车辆毛重定额(GVWR)6000磅以下的轻的轻型载重汽车(LLDT)和6000磅以上的重的轻型载重汽车(HLDT)被归入轻型柴油发动机范畴。轻型柴油发动机的尾气温度通常低于重型柴油发动机的尾气温度(如相关法规所规定)。
在一个实施方案中，发动机可以包含两列汽缸，例如以V形布局的，每列包含尾气歧管，所述尾气歧管含用于本发明的柴油微粒过滤器，或者过滤器在两歧管连接处的下游。
希望的是，根据任何前面请求保护的发动机使用小于50ppm硫w/w的燃料运转。
为了可以更完全地理解本发明，提供以下实施例，目的仅仅是参考附图进行举例说明，在附图中，
图1显示了配备根据本发明的催化滤烟器的轻型柴油车的累积尾气管CO排放。
被认证符合欧洲三级法规要求的市场上可买到的2.2升16汽门、涡轮增压、直接喷射、共轨柴油车，在涡轮增压器出口的下游8英寸(203mm)处配备根据本发明的催化滤烟器(CSF)。陶瓷过滤器基材的直径为5.66in(144mm)，长为9.75in(248mm)，孔室密度为每平方英寸(cpsi)200个孔室(每平方厘米31个孔室)，壁厚为0.019in(0.48mm)，整体体积热容为820kJKg-1K-1。铂载荷在过滤器上，所述过滤器以两个分级区域的布局已经预涂有氧化铝基颗粒载体，其中根据本发明优选的范围的大约80％的铂载荷(in g/ft3)位于过滤器的前部以形成DOC，剩余20％均匀涂到过滤器的其余部位。
加入含50ppm硫的柴油燃料后，将车辆置于里程累积功率计上，进行AMA里程累积循环。此循环，其是法律承认的催化剂耐用性循环，包含11圈、每圈6km的路程，平均速度为46kmh-1，最高速度为113kmh-1，此循环所需时间约为88分钟。
恒定地以0.1Hz记录催化剂数据。在催化剂入口并且由背面深入过滤器1英寸(25mm)处监控温度。还监控背压。在里程累计的被动再生过程阶段期间，CSF入口温度变化范围是约250℃至最大值约350℃。尾气管NOx排放说明，系统中在观测温度下有足够量的NOx可用于CSF的部分被动再生过程。此外，车辆产物提供的校准，用以在均匀的预定间隔再生CSF。在主动再生期间，后部CSF温度升高到700-1000℃。
完成总共80000km的AMA老化，在0、5000、10000、20000、40000、60000和80000km收集了欧III排放和颗粒数据(表1)。可以看出在整个80,000km耐用范围内尾气管排放保持稳定。
表1尾气管累积捕获的排放，在80000km道路里程累计中间隔地采用欧III测试循环来进行相同规格的车辆行驶20000km道路里程，所述车辆配备相同规格的CSF，其装在相同的尾气排放位置中。在市区和快速道混合行驶累计20000km。以0.1Hz的频率记录温度和背压，CSF过滤器再生过程温度峰值在650-700℃。在0、5000、10000和20000km里程累计后收集排放数据(表2)，具有与AMA里程累计期间所收集的数据相似的尾气管排放。
表2尾气管累积捕获的排放，在20000km道路里程累计中间隔地采用欧III测试循环来进行图1表明点火后CO排放物曲线是平的，这表示一旦CSF达到温度，过滤器基材的热物质在尾气温度波动期间保持足够的热量用于一氧化碳的转化。
权利要求
1.一种包含尾气排放系统的柴油发动机，该尾气排放系统包含由多孔材料制造的微粒过滤器，多孔材料的平均孔径是5μm-40μm，孔隙率至少40％，500℃时整体体积热容至少0.50J cm-3K-1，所述过滤器包含位于过滤器前端区域中的柴油氧化催化剂(DOC)，用于氧化一氧化碳(CO)、烃类(HC)和一氧化氮(NO)，所述发动机包含发动机控制装置，在工作时连续或间歇地提供包含足量氮氧化物(NOx)或HC的尾气和/或足够高温的尾气，以在过滤器中燃烧颗粒物(PM)。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中过滤器的孔隙率是50％-70％。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中过滤器的上游端被布置在离尾气歧管或涡轮最多1米，任选最多50cm的地方。
4.根据权利要求1、2或3所述的发动机，其中过滤器具有蜂窝形，蜂窝具有入口端和出口端，以及许多从入口端延伸到出口端的孔室，孔室具有多孔的壁，其中所有孔室中的一部分在入口端沿它们长度部分是堵塞的，在入口端是敞开的其余部分的孔室沿它们长度部分在出口端是堵塞的，使得经过蜂窝孔室的流动的尾气物流由入口端流入敞开的孔室，通过孔室壁，并且在出口端由敞开的孔室流出过滤器。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的发动机，其中过滤材料包含陶瓷材料。
6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其中过滤材料包含碳化硅、氮化铝、四氮化三硅、钛酸铝、氧化铝、烧结金属、堇青石、富铝红柱石、铯榴石或thermet如Al2O3/Fe、Al2O3/Ni或B4C/Fe中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中过滤材料包含碳化硅和四氮化三硅的混合物。
8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其中过滤器包含至少一个含有耐冲刷涂层的区域，该耐冲刷涂层沿其长度的至少一部分包含颗粒耐火氧化物。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中过滤器包含至少两个区域，其各自包含相同的或不同的耐冲刷涂层。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中至少一个区域位于过滤器的上游侧，而至少一个区域位于过滤器的下游侧。
11.根据权利要求8至10中任一项权利要求所述的发动机，其中至少一个耐冲刷涂层区域包含耐冲刷涂层厚度的纵向梯度。
12.根据权利要求8至11中任一项权利要求所述的发动机，其中至少一个耐冲刷涂层区域包含耐冲刷涂层厚度的横向梯度。
13.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其中DOC包含至少一种PGM。
14.根据权利要求13所述的发动机，其中所述至少一种PGM选自铂、钯、铑或钌或任何其中两个或更多个的混合物。
15.根据权利要求14所述的发动机，其中总的PGM载荷或存在的每个PGM的PGM载荷是25-200gft-3，任选地是50-150gft-3。
16.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其中过滤器包含至少两个催化剂区域，其各自包含相同的或不同的催化剂。
17.根据权利要求16所述的发动机，其中至少一个催化剂区域在过滤器下游侧。
18.根据权利要求13、14、15或16所述的发动机，其中各个催化剂区域包括催化剂载荷的纵向梯度。
19.根据权利要求13至18中任一项权利要求所述的发动机，其中各个催化剂区域包括催化剂载荷的横向梯度。
20.根据权利要求13至19中任一项权利要求所述的发动机，当其从属于权利要求8至12中任一项权利要求时，其中至少一个催化剂区域覆盖作为耐冲刷涂层区域的相同过滤器部分。
21.根据权利要求20所述的发动机，其中所述至少一种催化剂负载在耐冲刷涂层中的颗粒载体上。
22.根据权利要求16至20中任一项权利要求所述的发动机，其中至少一种附加催化剂包含至少一种铂族金属(PGM)。
23.根据权利要求22所述的发动机，其中至少一个PGM是铂、钯、铑或钌或任何其中两个或更多的组合。
24.根据权利要求22或23所述的发动机，其中PGM载荷是0.10-200g/ft3，适合地是0.25-120g/ft3，任选地是1.00-50g/ft3。
25.根据权利要求16至20中任一项权利要求所述的发动机，其中至少一种附加催化剂包含熔融盐、适当地碱金属盐、或钒、钨或钼的镧盐或五氧化二钒。
26.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其中过滤器包括尾气稀薄时用于吸收NO2的催化剂。
27.根据权利要求26所述的发动机，其中用于吸收NO2的催化剂包含碱金属、碱土金属、稀土金属或其混合物中的至少一种。
28.根据权利要求27所述的发动机，其中所述至少一种碱金属是钾或铯。
29.根据权利要求27所述的发动机，其中所述至少一种碱土金属是钡、锶、钙或镁。
30.根据权利要求27所述的发动机，其中所述至少一种稀土金属是镧或铯。
31.根据权利要求26至30中的任一项权利要求所述的发动机，其中发动机控制装置在工作时间歇地降低尾气中的氧浓度和/或提供相对于正常运行条件更高温度的尾气用于再生NO2吸收剂。
32.根据权利要求13至31中的任一权利要求所述的发动机，其中各个金属催化剂组分由过滤材料本身担载。
33.根据权利要求8至31中的任一权利要求所述的发动机，其中颗粒耐火氧化物包括块状的二氧化铈、氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆和其中任何两个或更多的混合氧化物和复合氧化物。
34.根据权利要求33所述的发动机，其中颗粒载体包括混合氧化物或复合物，其包含块状的二氧化铈与锆、镧、铝、钇、镨和钕中的至少一种。
35.根据权利要求34所述的发动机，其中颗粒载体包括块状的二氧化铈与氧化锆的混合氧化物或复合氧化物，Ce∶Zr的重量比为95∶5至5∶95。
36.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其中在尾气中间歇供给足以在过滤器中燃烧PM的NOx是通过调整尾气再循环(EGR)速率来实现的。
37.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其包含两列汽缸，每列包含含根据前述权利要求中任一项权利要求所述的颗粒过滤器的尾气歧管。
38.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的发动机，其使用小于50ppm硫w/w的燃料运转。
全文摘要
包含尾气排放系统的柴油发动机，该尾气排放系统包含由多孔材料制造的微粒过滤器，多孔材料的平均孔径是5μm－40μm，孔隙率至少40％，500℃时整体体积热容至少0.50J cm
文档编号B01D53/94GK1809686SQ200480005933
公开日2006年7月26日 申请日期2004年3月5日 优先权日2003年3月5日
发明者P·R·菲利普斯, M·V·特维格 申请人:约翰逊马西有限公司