专利名称：废气净化装置、微粒过滤器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种废气净化装置、微粒过滤器及其制造方法。
背景技术：
用于收集内燃机所排放废气中的微粒的微粒过滤器已公开于公布的PCT申请JP-T-8-508199的日文译文中。在这种微粒过滤器中，蜂巢状结构由多孔材料形成，并且，此蜂巢状结构中多条通路(以下被称为过滤器通路)中的一些在其上游端封闭，而其余的过滤器通路在其下游端封闭。因此，流入微粒过滤器的废气总是流经形成过滤器通路的多孔壁(以下被称为过滤器分隔壁)并流出微粒过滤器。
在这种微粒过滤器中，由于废气总是流经过滤器分隔壁并在其后流出微粒过滤器，因而其微粒收集率高于废气仅仅流经过滤器通路而不流经微粒过滤器分隔壁的微粒过滤器的微粒收集率。
在上述公布中所公开的微粒过滤器中，通过使过滤器分隔壁的端部收缩并将这些端部粘合在一起而封闭过滤器通路。因此，过滤器通路中的废气流入口呈漏斗形。如果过滤器通路中的废气流入口呈漏斗形，那么废气就平滑地流入过滤器通路而不产生湍流。也就是说，当废气流入过滤器通路时废气中没有湍流产生。因此，公开于该公布中的微粒过滤器的压力损失较低。
在上述类型的微粒过滤器中，通过使过滤器分隔壁的端部收缩以使得这些端部彼此相接触，并烘烤这些彼此相接触的端部以使得这些端部粘合在一起，而完全地封闭过滤器通路。因此，过滤器通路被完全地封闭。然而，当彼此相接触的端部受到烘烤时，这些端部由于这些端部和周围过滤器分隔壁的热膨胀影响而分开，以使得过滤器通路可能被不完全地封闭。
发明内容
本发明的一个目的在于，在上述类型的微粒过滤器中，将过滤器通路在其端部可靠地封闭。
本发明的第一方面涉及一种废气净化装置，该装置具有一种用于收集废气中的微粒的微粒过滤器。这种微粒过滤器具有分隔壁，该分隔壁形成了废气流经其中的通路。然后，这种分隔壁由多孔材料形成。通过将分隔壁的尖端收缩以使得相邻的分隔壁彼此相接触并烘烤它们而形成这种微粒过滤器。由于分隔壁在彼此相接触的状态下被烘烤，因而相邻的分隔壁以预定的粘合强度粘合在一起。而且，根据本发明的第一方面，微粒过滤器的端部具有比预定粘合强度更高的粘合强度。
增加的粘合强度能够通过多种措施实现。重要的是，预定粘合强度被认为是可以通过彼此相向弯曲的相邻壁板端部的被烘烤接触表面而实现的粘合强度。
本发明的第二方面涉及一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器的制造方法。这种方法包括下列步骤通过挤压多孔材料而形成具有分隔壁的预成形体的步骤，该分隔壁形成通路；通过将预成形体的端部收缩以使得相邻端部的尖端彼此相接触而封闭预成形体的通路；烘烤预成形体；加固通路中的封闭端。
本发明的第三方面涉及一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器的制造方法。这种方法包括下列步骤通过挤压多孔材料而形成具有分隔壁的预成形体，该分隔壁形成通路；通过将预成形体的分隔壁端部收缩以使得相邻端部的尖端彼此相接触而封闭预成形体的通路；烘烤预成形体；并在分隔壁封闭预成形体通路的端部装填一种能够氧化微粒的物质。
本发明的第四方面涉及一种具有微粒过滤器的废气净化装置，该微粒过滤器用于收集废气中的微粒。该微粒过滤器通路的端部包括在由多孔材料制成、形成该通路的相邻分隔壁的尖端相接触并受到烘烤时以预定的粘合强度粘合在一起的粘合部分。在本发明的第四方面中，粘合部分的平均孔径小于端部以外的其它分隔壁的平均孔径。
本发明的第五方面涉及一种废气净化装置，该装置具有用于收集废气中微粒的微粒过滤器。在本发明的第五方面中，相邻的分隔壁通过在从由多孔材料制成、形成微粒过滤器通路的分隔壁的尖端起的一个预定长度上烘烤，以使得相邻的分隔壁彼此相接触而粘合在一起，并且相邻的分隔壁在分隔壁的粘合部分上彼此平行地粘合。
本发明的第六方面涉及一种用于收集废气中的微粒的微粒过滤器。这种微粒过滤器包括一个形成有多孔材料制成的分隔壁的主体部分，该分隔壁形成废气流经的通路；和一个端部，该端部具有在相邻分隔壁的尖端彼此相接触并受到烘烤时以预定粘合强度相粘合的粘合部分。在本发明的第六方面中，该端部具有高于预定粘合强度的强度。
本发明的第七方面涉及一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器。这种微粒过滤器包括一个主体部分，该部分形成有多孔材料制成的分隔壁，该分隔壁形成了废气流经的通路；和一个端部，该端部包括在相邻的分隔壁部分的尖端彼此相接触并受到烘烤时以预定粘合强度粘合的粘合部分。在本发明第七方面中，该粘合部分的平均孔径小于主体部分分隔壁的平均孔径。
本发明的第八方面涉及一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器。这种过滤器包括一个形成有由多孔材料制成的分隔壁的主体部分，该分隔壁形成废气流经的通路；和一个与彼此相接触的相邻分隔壁的尖端一起受到烘烤的粘合部分。在本发明的第八方面中，该粘合部分通过使得相邻的分隔壁部分彼此平行而粘合形成。
本发明的上述和其它目的、特性和优点将由优选实施例的下列说明并参考附图而变得明显，在附图中，类似的标号用于表示类似的部件，并且在附图中图1A、1B为示出了根据本发明第一实施例的一种微粒过滤器的简图；图2A、2B为示出了第一实施例的微粒过滤器的上游端部分和下游端部分的简图；图3A、3B为示出了现有微粒过滤器的上游端部分和下游端部分的简图；图4A为示出了蜂巢状结构的正视图；图4B为示出了蜂巢状结构、加固件和模具的侧视图；图5A、5B为示出了图4B所示加固件的简图；图6A、6B为示出了图4B所示模具的简图；图7A为示出了第二实施例的微粒过滤器的简图；图7B为示出了第二实施例的蜂巢状结构和模具的简图；图8A、8B为用于说明微粒的氧化过程的简图；图9A至9B为用于说明微粒的沉积过程的简图；图10为示出了可氧化去除的微粒量和微粒过滤器温度之间的关系的简图。
具体实施例方式
下面将参考
本发明的第一实施例。图1A为微粒过滤器的端面简图而图1B为微粒过滤器的纵截面视图。如图1A、1B中所示，微粒过滤器22具有蜂窝状结构，包括多个平行延伸的废气通路。废气通路由其下游端开口被锥形壁(以下被称为下游锥形壁)52封闭的废气流入通路50和其上游端开口被锥形壁(以下称为上游锥形壁)53封闭的废气流出通路51组成。也就是说，废气流动通路(废气流入通路50)的一些部分被下游锥形壁52在其下游端封闭，而其余的废气流动通路(废气流出通路51)被上游锥形壁53在其上游端封闭。
通过将分隔壁的下游端分隔部分收缩并连接而形成下游锥形壁52，该分隔壁形成微粒过滤器22的废气流入通路50。另一方面，通过将分隔壁的上游端分隔部分收缩并连接而形成上游锥形壁53，该分隔壁形成微粒过滤器22的废气流出通路51。
根据本实施例，废气流入通路50和废气流出通路51交替设置穿过薄分隔壁54。也就是说，废气流入通路50和废气流出通路51被构造得使各废气流入通路50被四个废气流出通路51包围而各废气流出通路51被四个废气流入通路50包围。也就是说，两个相邻的废气流动通路中的一个废气流动通路(废气流入通路50)在其下游端被下游锥形壁52完全地封闭，而另一废气流动通路(废气流出通路51)在上游端被上游锥形壁53完全地封闭。
如图2A、2B所示，加固件55、56连接到这些锥形壁52、53的端部。这些加固件55、56连接到锥形壁52、53，以至少覆盖锥形壁52、53的尖端，或是覆盖锥形壁的全部。
微粒过滤器22由例如堇青石的多孔材料制成。因此，流入废气流入通路50的废气如图1B中箭头所示地穿过周围的分隔壁54，并流入相邻的废气流出通路51。由于锥形壁52、53为分隔壁54的一部分，这些锥形壁52、53当然也由与分隔壁54相同的多孔材料制成。而且，根据本实施例，由于加固件55、56也由多孔材料制成，废气如图2A中箭头所示地穿过上游锥形壁53和加固件56，并如图2B中箭头所示地流入废气流出通路51，穿过下游锥形壁52和加固件55并流出。
也就是说，在图3A所示的微粒过滤器中，废气流出通路的上游端被塞72封闭。在此情形下，由于部分废气与用实线示出的塞72相碰撞，因而废气并不易于流入废气流入通路。结果，微粒过滤器的压力损失增加。而且，由于从塞72附近流入废气流入通路的废气在入口附近变为湍流，如图中虚线所示，因而废气更难于流入废气流入通路。结果，微粒过滤器的压力损失进一步增加。
另一方面，本实施例的微粒过滤器22使废气可以流入废气流入通路50而不在废气中产生任何湍流，如图2A所示。因此，根据本实施例，废气能够容易地流入微粒过滤器22。因此，微粒过滤器的压力损失较小。
在图3A、3B所示的微粒过滤器中，废气中的微粒易于沉积在塞72的上游端面和附近的分隔壁表面。产生这种情况的原因在于废气与塞72碰撞并且废气在塞72附近变为湍流。然而，在本实施例的微粒过滤器22中，由于有上游锥形壁53，因而并不存在与废气发生强烈碰撞的上游端表面。而且，加固件56为四棱锥体，并且废气在上游端面附近并不成为湍流。因此，根据本实施例，大量的微粒并不沉积于微粒过滤器22的上游端区域，所以微粒过滤器22的压力损失被抑制。
另一方面，本实施例的下游锥形壁52呈四棱锥体状，以使得废气流入通路50的流动通路的截面面积随着其接近下游端而逐渐减少。当然，连接以覆盖下游锥形壁52的加固件55也被形成为容纳于四棱锥体形状中，该四棱锥体形状随着其接近下游而逐渐变窄。因此，由包围的四个下游锥形壁52形成的废气流出通路51下游端以四棱锥体形状扩展，其中，截面面积随着其接近下游而逐渐减少。结果，同如图3B所示形成的废气流出通路出口的情形相比，废气更易于流出微粒过滤器。
也就是说，在图3B中所示的微粒过滤器中，废气流入通路的下游端被塞70封闭而废气流出通路一直延伸到出口。在此情形下，流出废气流出通路出口的部分废气沿下游端面流动，因而湍流71在废气流出通路中形成于出口附近。如果湍流以这种方式形成，那么废气就不容易流出废气流出通路。
另一方面，在本实施例的微粒过滤器中，如图2B所示，废气中没有湍流形成，因此废气能够流出废气流出通路51的出口。因此，根据本实施例，废气相对容易地流出微粒过滤器。因此，微粒过滤器22的压力损失较小。
同时，锥形壁52、53和加固件55、56可以以任何四棱锥体之外的其它形式形成，例如随着其接近微粒过滤器22的外部而逐渐变窄的圆锥形。
下面将详细说明第一实施例的加固件。通过将分隔壁收缩而形成上述类型的微粒过滤器22的锥形壁52、53，也即，分隔壁54的端部，该分隔壁形成了由多孔材料制成的蜂巢状结构中的通路，以使得其尖端彼此相接触并烘烤蜂巢状结构。也就是说，分隔壁端部受到烘烤，以使得端部粘合在一起。
实际上，当蜂巢状结构受到烘烤时，视情况而定，在锥形壁52、53的尖端可以形成一个孔，因为分隔壁的尖端54由于分隔壁端部的热膨胀影响而分开。根据本实施例，由于微粒过滤器22的基本结构是这样的，废气流动通路(废气流入通路50、废气流出通路51)的端部被锥形壁52、53完全地封闭，因而孔并不由类似于此的方式形成于锥形壁52、53的尖端。
根据本实施例，在蜂巢状结构受到烘烤之前，加固件55、56设置于锥形壁52、53的尖端，并在其后，蜂巢状结构受到烘烤。尽管通过将分开的分隔壁54的尖端粘合在一起而形成锥形壁52、53，但是加固件55、56为一体件。因此，它们夹持着形成锥形壁52、53的分隔壁54尖端，以使得它们在蜂巢状结构受到烘烤时彼此不相分离。
根据本实施例，构成锥形壁52、53的分隔壁54的粘合区域的粘合强度增加，从而防止了在锥形壁52、53的尖端中形成孔。
根据当加固件55、56连接到锥形壁52、53尖端时整个微粒过滤器22的压力损失增加程度，并根据足以防止锥形壁52、53尖端形成任何孔的加固程度，确定各加固件55、56的平均孔径。也就是说，在抑制的压力损失增加的需要变大时，使用具有较大平均孔径的加固件。然后，在加固的水平需要增加时，使用具有较小平均孔径的加固件。同时，在本实施例中的加固件平均孔径小于分隔壁54的平均孔径。
作为第一实施例的修改例，加固件55、56、特别是其尖端可以装填有一种能够氧化废气中微粒的物质。因此，加固件55、56的平均孔径变得小于它们没有装填这种能够氧化微粒的物质时的情形。因此，即使当蜂巢状结构受到烘烤而在锥形壁52、53的尖端形成孔时，加固件55、56尖端的平均孔径也很小。因此，防止了废气中的微粒在没有被微粒过滤器收集的情形下流出微粒过滤器。
当然，如果在蜂巢状结构受到烘烤后通过将加固件55、56连接到锥形壁52、53而封闭锥形壁52、53尖端的孔，那么至少本发明的目的得到了实现。也在此情形下，通过减少可以携带一种能够氧化微粒的物质的加固件55、56的平均孔径，能够可靠地防止废气中的微粒在未被加固件55、56收集的情况下流出微粒过滤器22。
同时，就其性能而论，重要的是构造微粒过滤器22，以使得在微粒过滤器22的使用中，压力损失潜在地小并防止压力损失大大超出的潜在的可实现值。
也就是说，在内燃机具有微粒过滤器的情形下，考虑一个微粒过滤器的潜在压力损失而设计内燃机的操作控制。即使微粒过滤器被构造得将压力损失保持得较低，如果在使用中，压力损失超出其潜在的可实现值，那么内燃机的性能也会降低。
因此，根据本发明，在微粒过滤器22中形成废气流动通路上游端区域的分隔壁由锥形壁形成，而且，覆盖此分隔壁的加固件也由锥形件形成。因此，在废气流入废气流动通路时防止了湍流的产生，以保持微粒过滤器22的压力损失潜在地较低。
如上所述，在微粒过滤器22中，形成废气流动通路的上游端区域的分隔壁由锥形壁22形成，而覆盖此分隔壁的加固件由锥形件形成。因此，微粒并不易于沉积于这些锥形加固件的壁上。也就是说，在微粒过滤器22的使用中，防止了这些微粒被沉积于锥形加固件的壁上以在流入废气流动通路中的废气中产生湍流。结果，在微粒过滤器22的使用中，能够防止压力损失增加而远远超出其潜在的可实现值。
如上所述，在微粒过滤器22的使用中，微粒不易沉积于上游加固件56上。然而，微粒能够沉积于上游加固件56上。在此情形下，在微粒过滤器22的使用中压力损失增加。
因此，根据本发明实施例的上述修改例，上游加固件56装填有一种能够氧化和去除微粒的物质，以氧化和去除沉积于上游加固件56上的微粒。结果，由于被上游加固件56收集的微粒被连续的氧化和去除，因而没有大量的微粒沉积在上游加固件56上。因此，在微粒过滤器22的使用中，压力损失能够被保持得较低。
根据本实施例及其修改例，封闭废气流出通路51的结构的一个固有问题在于，可以通过上游锥形壁53和由多孔材料制成的锥形加固件56，避免在微粒过滤器的使用中偏离其可实现值的压力损失，以潜在地降低微粒过滤器22的压力损失。
根据本实施例的修改例，一种能够氧化微粒的物质被装填于整个微粒过滤器22上，也就是说，不仅在上游加固件56上，而且也在上游锥形壁53、分隔壁54、下游锥形壁52和下游加固件55上。而且，不但上游加固件56、上游锥形壁52、分隔壁54、下游锥形壁52和下游加固件55的壁上，而且这些孔壁的内部都载有一种能够氧化微粒的物质。根据本实施例的修改，装填于上游加固件56和上游锥形壁53上的能够氧化微粒的物质在单位体积内的量大于装填于分隔壁54、下游锥形壁52和下游加固件55上的能够氧化微粒的物质在单位体积内的量。
根据本实施例，尽管微粒过滤器的上游端开口和下游端开口被完全地封闭，但是本发明的概念能够应用于微粒过滤器，其中上游端开口和下游端开口中仅有一个被完全地封闭。
下面将简要描述本实施例的微粒过滤器的制造方法。首先，通过被挤压成如图4A、4B所示的预成形体，由例如堇青石的多孔材料制成圆柱形蜂巢状结构80。蜂巢状结构80具有多个废气流动通路，每个通路都具有正方形截面。在微粒过滤器22中，这些废气流动通路的一部分作为废气流入通路50，而其余的废气流动通路在微粒过滤器22中作为废气流出通路51。
接着，如图4B所示，由多孔材料制成的加固件81设置于蜂巢状结构80的各端面。如图5A所示，各加固件81具有固定于蜂巢状结构80的圆形端面的盘状部分82。多个支腿部分83垂直于该盘状部分82延伸。如图5B中所示，这些支腿部分83的每一个具有正方形管的方形。
当加固件81设置于蜂巢状结构80上游的端面上时，各支腿部分83被容纳于废气流入通路50中。另一方面，当加固件81设置于蜂巢状结构80下游的端面上时，各支腿部分83被容纳于废气流出通路51中。图5A示出了沿图5B中线5A-5A的截面图。
接着，图6所示的模具90被和加固件81一起挤压到蜂巢状结构80端面。模具90被挤压到蜂巢状结构80的一个端面，然后被挤压到另一端面。当然，可以允许的是，准备两个模具90，并同时用它们挤压蜂巢状结构80的各端面。
如图6A所示，模具90具有多个四棱锥体形突起91。图6B示出突起91。模具90被与加固件81一起挤压到蜂巢状结构80的一个端面，以使得突起91插入各预定的废气流动通路。当模具90的突起91插入预定废气流动通路中时，加固件81的盘状部分82被这些突起91折断。如果模具90进一步移向蜂巢状结构80的端面，那么加固件81的盘状部分82和支腿部分83就聚集到一起。同时，形成预定废气流动通路的分隔壁54聚集在一起，以形成由加固件55、56覆盖的锥形壁52、53。
接着，蜂巢状结构80被干燥，然后，蜂巢状结构80被烘烤。接着，为蜂巢状结构装填了一种能够氧化微粒的物质。结果，形成了微粒过滤器22。
如上所述，微粒过滤器22的端部被锥形壁52、53封闭，该锥形壁由与分隔壁54相同的多孔材料组成。因此，如上所述，根据一种将模具90压向蜂巢状结构80端面的简单方法，能够用与分隔壁54相同的材料封闭微粒过滤器22的废气流动通路(废气流入通路50、废气流出通路51)。
在蜂巢状结构80端面上设置加固件81并将模具90挤压向蜂巢状结构80端面的步骤可以在蜂巢状结构80被干燥后执行。可选的是，在蜂巢状结构80受到烘烤后可以软化蜂巢状结构80的端部，然后将加固件81设置于蜂巢状结构80的端面上并将模具90压向软化了的端部。在这种情形下，蜂巢状结构80的端部在其后再次受到烘烤。
作为本实施例的第二修改例，由多孔材料形成的四棱锥体状加固件可以在蜂巢状结构80受到烘烤后直接设置于锥形壁上。
尽管加固件81的支腿部分83是用于将加固件81在蜂巢状结构上可靠地定位和夹持的装置，但是如果提供了其它的用于实现此目的的装置，那么就可以省略支腿部分83。
下面将说明第二实施例的微粒过滤器。根据第二实施例，如图7A所示，分隔壁54的端部从尖端起在一个预定的长度上被粘合，以形成延伸部分57、58。在微粒过滤器22的下游区域，分隔壁54下游端部与相邻的平行部分在从尖端向上游的预定长度上粘合在一起，以形成延伸部分57。另一方面，在微粒过滤器22的上游区域，分隔壁54上游的端部在从尖端向下游的预定长度上粘合在一起，以形成延伸部分58。
如图7B所示，通过挤压将模具90挤压向蜂巢状结构80的各端面而形成这些延伸部分57、58，该模具具有四棱锥体状突起91和邻近于该突起91的长方形部分92，并还包括这些长方形部分92之间的槽93。
因此，根据本实施例，在微粒过滤器22的端部区域中与分隔壁54粘合在一起的端部粘合区域，大于仅有分隔壁尖端粘合在一起时的粘合区域。因此，本实施例的微粒过滤器22的端部区域中分隔壁的粘合强度就高于仅有分隔壁的尖端粘合在一起时的粘合强度。
作为第二实施例的修改例，构成延伸部分57的分隔壁54端部的粘合强度能够通过在延伸部分57、58上装填能氧化微粒的物质而增加。当然，整个微粒过滤器22可以装填有能够氧化微粒的上述物质。
根据本实施例，在蜂巢状结构80上装填有能够氧化微粒的物质的情形下，为蜂巢状结构80装填这种能够氧化微粒的物质的步骤，在烘烤蜂巢状结构80的步骤后进行。
下面将说明第三实施例的微粒过滤器22。第三实施例的微粒过滤器22的结构和操作除下列项目外均与第一实施例相同。因此，与第一实施例相同结构和操作的说明从略。
根据第三实施例，第一实施例的加固件55、56被省略。根据第三实施例，作为替代，要被粘合在一起以形成锥形壁52、53的分隔壁54的端部的平均孔径被设为小于分隔壁54的平均孔径。
根据本实施例，假定粘合在一起的分隔壁54端部面积相等，那么基本上彼此相接触的分隔壁54的端部面积就大于具有与分隔壁54相同的平均孔径的端部的尖端粘合区域。因此，本实施例的微粒过滤器22的端部区域中分隔壁的粘合强度就高于与分隔壁54具有相同孔密度的端部彼此相粘合的情形下的粘合强度。
也根据本实施例，当然可以通过为粘合在一起的分隔壁54端部装填一种能够氧化微粒的物质而增加分隔壁54尖端的粘合强度。
根据本实施例，降低被粘合在一起的分隔壁54端部的平均孔径的步骤，可以在用端部封闭蜂巢状结构80中的废气流动通路的步骤和烘烤蜂巢状结构80的步骤之间执行。为蜂巢状结构80装填一种能够氧化微粒的步骤，可以在烘烤蜂巢状结构80的步骤之后进行。
下面将说明第四实施例的微粒过滤器。根据本实施例，被粘合在一起的分隔壁端部的尖端的粘合强度增加，以防止在蜂巢状结构受到烘烤时构成锥形壁的分隔壁端部的尖端分开而产生孔。也就是说，上述实施例的一个目的在于防止锥形壁的尖端形成孔。
第四实施例的目的在于通过一种简单的方式封闭锥形壁尖端中的孔而防止废气从锥形壁尖端的孔中流出。更特别的是，根据第四实施例，在蜂巢状结构80受到烘烤后，通过为锥形壁52、53尖端装填一种能够氧化微粒的物质而封闭各锥形壁52、53尖端中的孔。
最后，将详细说明微粒过滤器22上装填的一种能够氧化微粒的物质。根据上述实施例，铝制载流层等形成于各废气流入通路50的圆周壁面上和圆周壁内部以及各废气流出通路51，也即，各分隔壁54的两侧表面和内部，锥形壁52、53的两侧表面和内部，以及加固件的两侧表面和内部。然后，该载体层载有贵金属催化剂和活性氧释放剂，当存在过量的氧时，该释放剂吸收并保持氧，并且，当氧浓度降低时，以活性氧的形式释放所保持的氧。根据上述实施例，这种能够氧化微粒的物质为活性氧释放剂。
根据上述实施例，铂Pt用作贵金属催化剂，从例如钾K、钠Na、锂Li、铯Cs、铷Rb的碱金属，例如钡Ba、钙Ca、锶Sr的碱土金属，例如镧La、钇Y、铈Ce的稀土金属，例如铁Fe的过渡金属，和例如锡Sn的碳族元素中选出的至少一个被作为活性氧释放剂。
优选的是，使用具有比钙Ca更高电离倾向的碱金属或碱土金属，例如钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba和锶Sr等。
下面将说明在铂Pt和钾K装填于载体上时使用微粒过滤器22的装置从废气中去除微粒的作用。如果采用其它贵金属、碱金属、碱土金属、稀土元素或过渡金属，也实现相同的微粒去除作用。
例如，如果流入微粒过滤器22的废气为压燃式内燃机产生的气体，该内燃机燃烧过量的空气，例如微粒过滤器22的废气包括大量的过量空气。也就是说，如果供给到进气通路和燃烧室的空气与燃料之间的比率被称为废气的空燃比，那么在压燃式内燃机中的空燃比就变稀。而且，由于在压燃式内燃机的燃料燃烧室中产生NO，因而废气中包括了NO。此外，燃料中含有硫成分S，并且这种硫成分S在燃料燃烧室中与氧发生反应以产生SO2。因此，废气中含有SO2。因此，含有过量氧气、NO和SO2的废气流入微粒过滤器22的废气流入通路50。
图8A、8B示意性地示出了形成于废气流入通路50内圆周面上的载体表面的放大简图。在图8A、8B中，微粒60为铂Pt微粒而活性氧释放剂61包括钾K。
如上所述，由于废气包含大量的过量氧气，如果废气流入微粒过滤器22中的废气流入通路50，那么氧气O2就以O2或O2-的形式附着于铂Pt 60的表面。另一方面，废气中的NO在铂Pt 60的表面上与O2-或O2-发生反应，以产生NO2()。接下来，产生的部分NO2被在铂Pt 60上氧化并吸收到活性氧释放剂61中，然后与钾K化合在一起，以使其以硝酸根离子NO3-的形式扩散入活性氧释放剂61中并产生硝酸钾KNO3。
另一方面，如上所述，废气中包含SO2，并且此SO2以与NO相同的机制被活性氧释放剂61吸收。也就是说，如上所述，氧气O2以O2-或O2-的形式附着于铂Pt 60的表面，并且废气中的SO2在铂Pt 60的表面上与O2-或O2-发生反应并转化为SO3。接下来，所产生的部分SO3被在铂Pt 60上氧化并吸收到活性氧释放剂61中，以使其与钾K化合在一起并以硫酸根离子SO42-的形式扩散入活性氧释放剂61中，以产生硫酸钾K2SO4。结果，产生了硝酸钾KNO3和硫酸钾K2SO4。
另一方面，在燃烧室中产生主要由碳C组成的微粒，并因此，这些微粒包含于废气中。当废气流入微粒过滤器22的废气流入通路50或者从废气流入通路50流向废气流出通路51时，废气中包含的这些微粒62与例如活性氧释放剂61的载体表面相接触并附着于载体。
如果微粒62附着于活性氧释放剂61的表面，那么微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面上的氧浓度就降低。如果氧浓度降低，那么活性氧释放剂61的接触表面与氧浓度较高的活性氧释放剂61之间就产生了氧浓度差，以使得活性氧释放剂61中的氧试图移向微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面。结果，形成在活性氧释放剂61中的硝酸钾KNO3就分解为钾K、氧O、和NO。氧O移向微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面，而NO被释放出活性氧释放剂61。释放出的NO在下游的铂Pt 60上被氧化并再次吸收到活性氧释放剂61。
此外，活性氧释放剂61中形成的硫酸钾K2SO4被分解为钾K、氧O、和SO2。氧O移向微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面，而SO2被释放出活性氧释放剂61。释放出的SO2在下游的铂Pt 60上被氧化并再次吸收到活性氧释放剂61中。然而，由于硫酸钾K2SO4稳定并难于分解，因而硫酸钾K2SO4比硝酸钾KNO3更不易放出活性氧。
当NOx以硝酸根离子NO3-的形式被吸收时，在与氧的反应中，活性氧释放剂61也产生并释放活性氧。类似的是，当SO2以硫酸根离子SO4-的形式被吸收时，活性氧释放剂61在与氧的反应过程中产生并释放活性氧。
移向微粒62和活性氧释放剂61之间接触表面的氧O为例如硝酸钾KNO3、硫酸钾K2SO4的化合物分解产生的氧。化合物分解产生的氧O具有较高能量和极高的活性。因此，移向微粒62和活性氧释放剂61之间接触表面的氧作为活性氧O。类似的是，在活性氧释放剂61中NOx与氧的反应过程中产生的氧或者在SO2和氧的反应过程中所产生的氧作为活性氧。如果活性氧O与微粒62相接触，那么微粒62就在短时间内(几秒钟到几十分钟)在没有任何光焰的情况下被氧化，以使得微粒62完全消失。因此，微粒62几乎不沉积在微粒过滤器22上。
在沉积于微粒过滤器层中的微粒被燃烧时，一些类型的微粒过滤器被烧红，并用火焰燃烧微粒。除非保持较高温度，否则火焰的燃烧并不持续。因此，微粒过滤器的温度必须保持较高，以使得具有火焰的燃烧持续进行。
根据本发明的实施例，微粒62在没有光焰的情况下被氧化，如上所述，而微粒过滤器22的表面没有被烧红。也就是说，根据本发明的实施例，同具有火焰的燃烧相比，在相对较低的温度下，微粒62被氧化并去除。因此，根据本发明实施例，通过在没有任何光焰的情况下微粒62的氧化而实现的微粒去除作用，与用火焰燃烧的微粒去除作用完全不同。
由于铂Pt 60和活性氧释放剂61随着微粒过滤器22温度的增加而被更加激活，因而在微粒过滤器22上，在没有光焰的情况下单位时间可氧化去除的微粒量随着微粒过滤器22温度的增加而增加。
在图10中的实线表示在没有光焰的情况下单位时间可氧化去除的微粒量G。图10中的水平轴表示微粒过滤器22的温度TF。此后，单位时间内流入微粒过滤器22的微粒量被称为流入微粒量M。如果这种流入微粒量M小于可氧化去除的微粒G，也即在图10中的区域I内，与微粒过滤器22相接触的所有流入微粒过滤器22的微粒都在没有任何光焰的情况下在短时间内(几秒到几十分钟)在微粒过滤器22上被氧化并去除。
与此相反，如果流入微粒量M大于可氧化去除的微粒量G，也即，在图10中的区域H中，那么活性氧的量就不足以氧化所有的微粒。图9A到9C示出了这种情形下的微粒氧化状态。也就是说，如果活性氧的量不足以氧化所有微粒并且微粒62附着于活性氧释放剂61，如图9A所示，那么部分微粒62被氧化，而未被氧化的部分微粒被充分地留在载体上。如果活性氧量不足的状态持续，那么未被充分氧化的微粒就成功地保持在载体上，以使得如图9B所示，载体的表面被剩余微粒部分63覆盖。
如果载体表面由剩余微粒部分63覆盖，那么消除了NO和SO2被铂Pt 60的氧化和活性氧通过活性氧释放剂61的释放，以使得剩余微粒部分63在没有被氧化的情况下留下来，而稍后，其它微粒成功地沉积于剩余微粒部分63上，如图9C所示。也就是说，微粒沉积于各层中。
如果微粒沉积于各层中，那么微粒64就不会被活性氧O氧化，并因此，其它微粒成功地沉积于微粒64上。也就是说，如果流入微粒量M大于可氧化去除的微粒量G的状态持续，那么沉积于微粒过滤器22上各层的微粒和已沉积的微粒不能被点燃并燃烧，直到废气的温度升高或者微粒过滤器22的温度升高。
在图10中的区域I，微粒在没有任何光焰的情形下在微粒过滤器22上短时间内被氧化，而在图10中的区域II中，微粒沉积于微粒过滤器22的各层中。因此，流入微粒量M总是需要比可氧化去除的微粒量G小，以使得微粒不会沉积在微粒过滤器22上的各层中。
如从图10中所得出的，即使微粒过滤器22的温度TF相当地低，用于本发明的实施例中的微粒过滤器22也能够氧化微粒。因此，保持流入微粒量M和微粒过滤器22的温度TF，以使得流入微粒量M总是小于可氧化去除的微粒量G。
如果流入微粒量M总是小于可氧化去除的微粒量G，那么很少微粒会沉积于微粒过滤器22上，以使得背压增加很少。
另一方面，如果微粒沉积于微粒过滤器22上的各层，如上所述，那么即使流入微粒量M变得小于可氧化去除的微粒量G，也难以用活性氧O氧化微粒。也就是说，当微粒仅低于预定水平沉积时，如果流入微粒量M变得小于可氧化去除的微粒量G，那么该剩余微粒部分就在没有任何光焰的情况下被活性氧O氧化并去除。
如果考虑微粒过滤器22被设置于内燃机废气通路中并实际应用的情形下，燃料和润滑剂含有钙Ca，并因此，废气中含有钙Ca。如果存在SO3，那么这些钙Ca就生成硫酸钙CaSO4。硫酸钙CaSO4为固体，即使在较高温度下受热也不分解。因此，如果生成了硫酸钙而微粒过滤器22中的孔被这些硫酸钙CaSO4封闭，那么废气就不易流入微粒过滤器22。
在此情形下，如果具有比钙Ca更高电离倾向的碱金属或碱土金属，例如，钾K被用作活性氧释放剂61，那么在活性氧释放剂61中扩散的SO3就与钾K化合以形成硫酸钾K2SO4。钙Ca在不与SO3化合的情形下穿过微粒过滤器22的分隔壁54并流出到废气流出通路51中。因此，微粒过滤器22中的孔从不堵塞。因此，优选的是，采用具有高于钙Ca的较高电离倾向的碱金属和碱土金属，即，钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba或锶Sr，作为活性氧释放剂61。
本发明的实施例能够在形成于微粒过滤器22两侧上的载体层仅设置有例如铂Pt 60的贵金属的情形下实施。然而，在此情形下，表示可氧化去除的微粒量G的实线与图10所示实线相比略微向右移动。在此情形下，从保持在铂Pt 60表面上的NO2或SO3中释放出活性氧。
而且，可以采用一种象活性氧释放剂一样吸收NO2或SO3并能够从这些吸收的NO2或SO3中释放活性氧的催化剂。
权利要求
1.一种废气净化装置，其包括一个微粒过滤器，该微粒过滤器具有由多孔材料制成的分隔壁，形成允许废气流动的通路；以及一个端部，在该端部中，当收缩在一起而彼此相接触的分隔壁的尖端受到烘烤时，通路的开口被以预定粘合强度粘合在一起的粘合部分封闭以在废气中收集微粒，其特征在于该端部具有高于预定粘合强度的强度。
2.一种废气净化装置，其包括微粒过滤器，该微粒过滤器收集废气中的微粒，其中，微粒过滤器通路的端部包括，在由多孔材料形成的、形成通路的相邻分隔壁的尖端彼此相接触并受到烘烤时，以预定粘合强度粘合在一起的粘合部分，并且该端部具有高于预定粘合强度的强度。
3.根据权利要求1或2的废气净化装置，还包括加固设置于端部的粘合部分的加固件。
4.根据权利要求3的废气净化装置，其特征在于，所述加固件为一种由多孔材料制成的部件，并装填有一种能够氧化微粒的物质。
5.根据权利要求3的废气净化装置，其特征在于，所述加固件的平均孔径小于分隔壁的平均孔径。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的废气净化装置，其特征在于，所述相邻的分隔壁在端部从分隔壁的尖端起在一个预定的长度上粘合在一起。
7.根据权利要求6的废气净化装置，其特征在于，被粘合在一起的相邻分隔壁从分隔壁尖端起的预定长度上彼此平行。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的废气净化装置，其特征在于，所述相邻分隔壁的尖端通过预定的接触面积粘合在一起，并由于在粘合部分尖端单位面积的接触面积的增加，端部的粘合强度变得高于预定粘合强度。
9.根据权利要求8的废气净化装置，其特征在于，由于降低了粘合部分的平均孔径，接触面积增加。
10.根据权利要求9的废气净化装置，其特征在于，通过在粘合部分装填一种能够氧化微粒的物质，粘合部分的平均孔径减小。
11.根据权利要求10的废气净化装置，其特征在于，所述分隔壁装填有一种能够氧化微粒的物质，并且粘合部分所装填的该物质的量大于除了粘合部分的分隔壁其他部分上装填的该物质的量。
12.根据权利要求1到7中任一项所述的废气净化装置，其特征在于，所述粘合部分装填有一种能够氧化微粒的物质。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的废气净化装置，其特征在于，所述微粒过滤器包含多个通路，并且，在部分通路中，形成通路的分隔壁的下游端部收缩，而在其余通路中，形成通路的上游端部收缩。
14.一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器的制造方法，包括通过挤压多孔材料而形成具有分隔壁的预成形体，该分隔壁形成通路；通过收缩预成形体分隔壁的端部以使得相邻端部的尖端彼此相接触而封闭预成形体的通路；烘烤预成形体；并加固通路中的封闭部分。
15.根据权利要求14的制造方法，其特征在于，通过在预成形体分隔壁的端部设置加固件，将预成形体分隔壁的尖端与加固件一起收缩，使端部的尖端彼此相接触而封闭预成形体的通路，以及烘烤预成形体和加固件，而加固封闭部分。
16.根据权利要求14的制造方法，其特征在于，在封闭了预成形体的通路后，通过为端部提供加固件而加固了封闭部分。
17.根据权利要求14到16中任一项所述的制造方法，其特征在于，通过为分隔壁的尖端装填一种能够氧化微粒的物质而加固封闭部分。
18.一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器的制造方法，包括通过挤压多孔材料而形成具有分隔壁的预成形体，该分隔壁形成通路；通过将预成形体分隔壁的端部收缩以使相邻的端部彼此相接触而封闭预成形体的通路；烘烤预成形体；和为封闭预成形体通路的分隔壁端部装填一种能够氧化微粒的物质。
19.根据权利要求14到18中任一项所述的制造方法，还包括如下步骤在封闭通路和烘烤预成形体之间，减少封闭预成形体中通路的分隔壁的端部的平均孔径。
20.一种废气净化装置，其包括一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器，其中，微粒过滤器通路的端部包括，在由多孔材料形成的、形成通路的相邻分隔壁的尖端相接触并受到烘烤时，以预定粘合强度粘合在一起的粘合部分，并且粘合部分的平均孔径小于端部以外的分隔壁的平均孔径。
21.一种废气净化装置，其包括一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器，其中，通过烘烤从分隔壁的尖端起的一个预定长度以使得相邻的分隔壁彼此相接触，而将相邻分隔壁粘合在一起，该分隔壁由多孔材料制成并形成微粒过滤器的通路，并且，在分隔壁的粘合部分上，相邻的分隔壁彼此平行地粘合在一起。
22.一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器，其包括一个主体部分，该主体部分形成有由多孔材料制成的分隔壁，该分隔壁形成废气流动的通路；和一个端部，该端部包括在相邻分隔壁尖端彼此相接触并受到烘烤时、以预定粘合强度相粘合的粘合部分，该端部具有高于预定粘合强度的强度。
23.一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器，其包括一个主体部分，该主体部分形成有由多孔材料制成的分隔壁，该分隔壁形成废气流动的通路；和一个端部，该端部包括在相邻分隔壁尖端彼此相接触并受到烘烤时以预定粘合强度相粘合的粘合部分，其中，该粘合部分的平均孔径小于主体部分分隔壁的平均孔径。
24.一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器，其包括一个主体部分，该主体部分形成有由多孔材料制成的分隔壁，该分隔壁形成废气流动的通路；和一个粘合部分，该粘合部分与彼此相接触的相邻分隔壁的尖端一起受到烘烤，其中，该粘合部分通过使得相邻的分隔壁彼此平行而粘合形成。
全文摘要
本发明涉及一种废气净化装置，该装置具有一种用于收集废气中微粒的微粒过滤器。这种微粒过滤器(22)包括分隔壁，该分隔壁形成了废气流动的通路(50、51)。这种分隔壁由多孔材料形成。通过将分隔壁的尖端收缩并与彼此相接触的相邻分隔壁一起受到烘烤，形成这种微粒过滤器(22)。如果该分隔壁在相接触时受到烘烤，那么相邻分隔壁就以预定的粘合强度粘合在一起。根据本发明，微粒过滤器(22)的端部具有比预定粘合强度更高的强度。
文档编号F01N3/035GK1539054SQ02815497
公开日2004年10月20日 申请日期2002年8月7日 优先权日2001年8月8日
发明者伊藤和浩, 也, 广田信也, 一郎, 中谷好一郎 申请人:丰田自动车株式会社