专利名称：废气后处理装置的制作方法
现有技术本发明涉及根据独立权利要求的类型的用于废气后处理的装置。
由DE 3538107 A1已公知了一种用于废气净化的过滤器，其中材料沿一个通流线具有不同的孔隙率。
由DE 3529684还公知了蜂窝陶瓷过滤器主体。它基于壁流式过滤器的原理。由废气携带的微粒在边缘上由轴向入流，在封闭的通道的端部沉积在陶瓷载体(Keramikmatrix)上。负载的废气在此根据通道内部气流压力关系及陶瓷基底上的过滤积块的厚度通过陶瓷基底。在此情况下，该基底可设有催化层，由此，即使在较低温度下也可实现碳黑氧化。在一定的持续工作时间后，由于滤出物的积聚，穿流这种过滤器时的压力损失显著上升。此时，通过与废气中剩余氧的氧化作用或通过添加氧化剂如臭氧或二氧化氮使沉积在陶瓷基底上的碳黑再生。在此情况下，位于过滤器上的碳黑可发生局部不同的烧尽。这里关键的主要是这样的工作状态，即其中在后部的即背离入流区域的区域上积聚了一定量的残余碳黑。由于较高的过滤积块密度，过滤积块及基底上的总流动阻力大于前部区域的。于是气流优先通过前部的过滤器区域。在后部的过滤器区域通过碳黑的化学反应释放出的热量则不再被充分地导出。尤其在后部的过滤器区域中，产生了与高温相关的局部过热。在陶瓷载体中由此可产生强的温度梯度，它导致热应力，直至导致基底的破裂。另一副作用是壁流式过滤器上有效催化剂层的热损坏，由此使其功能受到明显的损害。
本发明的优点相比之下，根据本发明的具有独立权利要求的特征的装置具有其优点，即提供了一种过滤器或一种催化器，它保证了在再生期间产生对气流的导向，这降低了形成具有小穿流量的区域的及由此形成高温的危险。如果该装置构成微粒过滤器，则在过滤器负载期间渗透性的初始差别将通过过滤积块的增长被部分地补偿，该增长在穿流量较大的区域中被增强。此外，可通过限界装置的渗透性的有目的的变化以有利方式达到不同的目标方向，它导致流动阻力的不同梯度。
通过从属权利要求中所述的措施可得到独立权利要求中给出的装置的有利的进一步构型及改进方案。
特别有利的是，限界装置的渗透性或通流区域的流动阻力通过对废气穿流方向上的限界装置的厚度的相应选择来调节。它的变化能以简单的方式不仅分布在流入气体的方向上，而且还分布在径向上；在后一情况下，不同的通流通道根据其在基底上的位置具有不同的渗透性或不同的流动阻力。
尤其有利的是，渗透性在径向上变化，以便通过一个过滤器或催化器的横截面实现更好的气流分布或实现催化器和/或过滤器容积的更好利用。该措施以有利方式及成本相对低地防止了过滤器外部区域即过滤器边缘区域的可能烧坏并更有效地利用了容积。由此也可以使用成本合适的过滤器基底，这些过滤器基底可具有相对小的耐热强度(例如堇青石与碳化硅相比)。
其它的优点可由从属权利要求及说明书中所述的特征中得到。
附图在附图中表示了本发明的实施例，在以下的说明中对它们进行详细的描述。
附图为
图1表示一个具有沿流动方向流动阻力下降的通流区域的过滤器，
图2表示具有沿废气的流动方向增加的流动阻力的一个实施例，图3表示由具有径向可变的流动阻力的蜂窝陶瓷过滤器，图4表示一个存储式催化器的横截面侧视图，及图5表示本发明的另一实施例。
实施例说明图1中表示一个由碳化硅-陶瓷或堇青石组成的可透流的主体的部分区域10。标有标号1的部分表示流入的废气，该废气流入到一个示范性表示的、构成过滤室的通流区域4。过滤室4在入流口7对面的端部上以一个构成封闭壁的封板9为限界。在侧面上，构成方形横截面的通流区域在所有4个侧面上各以一个构成过滤器壁2的限流装置构成边界。过滤器壁2在向着过滤室4的一侧上各覆盖有一个陶瓷层12，该陶瓷层的厚度从入流口7向着封板区域9减小。过滤器壁2可透过废气(有渗透性)，由此，废气在过滤器壁2的另一侧可离开区段地表示的过滤器体(参见设有标号5的箭头，它们表示流出的废气)。在此，过滤室4的向着入流口7的区域是具有用于废气穿过过滤器壁的第一流动阻力的第一区域11，过滤室4的向着封板区域9的区域是具有其小于区域11的流动阻力的第二区域13。在此情况下，可由废气穿过的过滤器体由多个过滤室4组成，这些过滤室与所示的过滤室平行地布置，并直接地连接在图1所示的区域之上及之下。
废气以公知的方式流过过滤器体，其中在过滤器壁上可沉积下碳黑，而废气穿过可渗透的过滤器壁2并在限制相应通流区域的过滤器壁的另一侧上离开可穿流的过滤器体。通过附加层12改善过滤器的穿流，其方式是流动阻力沿废气流动方向减小。由此使过滤器的在封板区域9附近的后部区域可更好地使废气穿流。这主要在微粒过滤器的再生时起作用，因为在后部区域穿流差的情况下则不能保证热量排出，由此产生热应力，该热应力可导致过滤器的损坏。在此，过滤器壁2上的层12被施加在构成过滤器壁2的陶瓷基底上。因此，总的流动阻力由基底的阻力及附加施加的层12的流动阻力组成。层厚度的变化可通过相应选择的设层过程来调节。
在一个变换的实施形式中，层12可为一个冲洗涂层(Washcoat)，它附加地包含起催化作用的组分。该在载体物质上的具有氧化铝微粒悬浮物的冲洗涂层可明显地增大有效表面积，例如增大不超过三个数量级。在该设层中可包括贵金属，如铂及钯或这些组分的混合物。在该设层中也可包括氧化铈(Ceroxid)，其中氧化铈有助于氧的积存。在一个简化的实施形式中，该冲洗涂层或层12仅被施加在通流区域的入流口附近的区域中或在过滤室4中，而例如陶瓷单体的最后几厘米未被设层。除用于冲洗涂层设层的相应小的浸入深度的浸渍技术外，也可用预置放掩模技术来处理。在另一变换的实施形式中，以减小在封板区域中的过滤器壁2的壁材料厚度来取代层12的施加。这也减小了相对入流口附近区域的壁的流动阻力，这就对流量产生了如刚才所述的积极影响。除在蜂窝陶瓷过滤器上外，根据本发明的装置或根据本发明的层施加或壁厚减小的方法也可在烧结金属过滤器上、在氧化催化器上或在NOx存储式催化器上使用。在另一变换的实施形式中，既不施加层也不减小壁厚。在过滤器壁中包含着一些微孔，这些微孔的表面密度或其体积密度或其平均值在前部的过滤器区域中以可控制的方式通过加入附加材料可稍微地减小。在此情况下，该材料必需承受过滤器的工作条件，且因此应由合适的陶瓷材料或先质(Precursor)-材料组成，然后通过热处理或焙烧被固定。另一可能性在于，由陶瓷或一种先质材料的气相微粒这样地沉积在微粒过滤器的表面上，即这些微粒优先沉积在过滤器的前部区域中。然后通过相应的热处理或焙烧处理来实现该层在基底上的固定。
图2表示一个变换的、蜂窝陶瓷过滤器的部分区域，其中，一个施加在过滤器壁2上的层14具有一个厚度，该厚度在废气的流动方向上增加。类似于图1中所示的装置，在此形成了具有不同的流动阻力的区域15及16，其中，在本例中用于废气的流动阻力向着封板区域9增大。
这种形式的梯度层的目的在于，避免在过滤器的后部区域中积聚碳黑。由于在过滤器入口处的较小的流动阻力，大部分的气流在该区域中流动，以致在该位置上沉积了最大量的碳黑。但在过滤器的前部区域中由于运用CRT效应(“CRT”＝“continuously regenerating trap”-“连续再生捕集器”)，再生是没有问题的。在前部过滤器区域中，碳黑通常通过二氧化氮被氧化且首先在热氧化时燃烧，由此可与良好穿流相关地保证反应热量的对流排出。
图3以示意图表示一个蜂窝陶瓷过滤器的横截面17。在横截面17的上方以曲线图表示流动阻力与半径r的关系。过滤器壁2(参见图1及2)的特性被这样选择，以致得到在曲线图中画出的、各个彼此平行布置的过滤器室中的流动阻力的径向分布。在此构成圆柱形的过滤器体具有半径R0。流动阻力在过滤器体中心处最大并向着边缘下降。在此可以区分具有不同的流动阻力的两个区域20与21。第一区域20位于过滤器体中心处并从该圆柱形的过滤器体的对称轴一直到半径R处。第二区域21从半径R一直到过滤器体的外边缘。在此情况下，通过过滤器壁的相应构型，与区域21中的流动阻力相比，区域20中的流动阻力被提高。
通过径向上流动阻力的变化应有利于过滤器的均匀穿流。通常在过滤器上出现的问题是，仅在过滤器的中心区域流过气流。在柴油机微粒过滤器中，这导致在过滤器的外区域中沉积大量的碳黑，当该区域不能很好穿流时，这在再生时可导致温度负荷的增高。通过在过滤器的中心区域即区域20中流动阻力的增高，气流更多地转移到过滤器的外部区域中。并且通过各个过滤器通道的流动阻力的径向梯度，即不同的通流通道中不同设置的渗透性，可实现过滤器穿流的改善。
在过滤器或催化器的中心处较大流动阻力的产生并不限于柴油机微粒过滤器上，而且在氧化催化器或例如NOx存储式催化器上也可导致横截面上的更好的气流分布及催化器容积的更好利用。这将借助图4及5进行详细说明。
图4表示一个存储式催化器30的横截面图，其中为了简化起见，仅表示出对称轴39一侧的半个存储式催化器。废气导管31通过一个扩展器35通入存储式催化器的一个设有彼此平行延伸的、构成通流通道44的通流区域的区域，这些通流区域从向着扩展器的入流口开始一直延伸到连接在下游的收缩器37，该收缩器再连接到继续导向的废气导管32。通流通道可具有例如垂直于废气流的方形的、圆形的或圆环形的横截面；在后一情况中，该示意图可这样理解，即对于每个通流通道总是仅画出侧向横截面的一半。这些通流通道44以构成为带有催化设层的通道壁46的限界装置构成边界，与图1至3中所示的结构不同，这些通道壁被构成为不可透过废气的。带有标号48的线表示一个流动废气的流动线，标号50表示涡流线。
通流通道的垂直于从废气导管31到废气导管32的废气主流动方向的横截面在催化器内部与在催化器边缘区域一样具有相同大小。但在一定条件下，由于扩展器区域中通流空间的扩大，形成了位于边缘的废气涡流，流过催化器内部通流通道的废气流比位于催化器边缘区域的、涡流线50后部的废气流强。
图5表示一个与图4中结构相比改变了的催化器装置。相同或类似的组成部分设有与图4中的相同的标号且不再进行描述。通道壁46由层53覆盖，这些层的厚度从对称轴线39附近的催化器内部出发向着边缘区域减小。这些层的材料与这些通道壁的材料相同，催化活性层不是设在通道壁46上，而是设置在施加于通道壁的层53上。流通线55象征着废气的气流分布。在该催化器的边缘区域中用虚线表示低流动阻力的第一区域57，在该催化器的中间区域中用虚线表示高流动阻力的第二区域58。设层借助掩模技术来产生，其中，在一个浸渍槽中施加层以前，尤其是催化器基体在端面上的边缘区域被覆盖住。在简化的情况下，催化器内部区域中的一些通道壁被设层，而在催化器边缘区域中的通道壁保持不被设层。该设层由冲洗涂层-覆层组成。
在催化器中心区域中比在催化器边缘区域中厚的层53，或在催化器中心区域中的层53本身(与边缘区域中不设层的区域相比较)增加了催化器中心区域中——与边缘区域相比——的流动阻力，以致与根据图4的结构相比保证了所有通流通道更均匀的穿流(区域58中的流动阻力高于区域57中的流动阻力)。通过由中心向边缘降低的流动阻力，促进了废气在边缘区域中——与中心区域相比——的流动，以致由不设层53时形成的废气在各通道中的不同穿流趋向平衡。
催化器也可变换地构成为三元催化器、氧化催化器或用于选择性催化还原的催化器。在一个变型实施例中，催化器基体就已被这样加工基体内部区域中的通流通道具有比边缘区域中更大的流动阻力。该基体随后仅需要均匀地用催化活性物质设层，如果基体本身不包含催化活性材料的话。在另一变换的实施形式中，这些层53也已包含催化活性材料。除了冲洗涂层外，任何其它可能的、通过它可实现在通流通道中均匀材料施加的涂层形式均适合。该催化器30在一个变换的实施形式中也可构成不对称的，因此不具有对称线39。
权利要求
1.废气后处理装置，具有一个可由内燃机的废气流过的、带有不同流动阻力的区域的主体，其特征在于该主体具有彼此隔开的、各以限界装置(2，12，14，46)构成边界的通流区域(4，44)，这些通流区域各具有至少一个可加载废气的入流口(7)；及在各区域(11，13；15，16；20，21；57，58)中通过不同地构造的限界装置提供不同的流动阻力。
2.根据权利要求1的废气后处理装置，其特征在于限界装置是可渗透废气的，而包含在废气中的碳黑微粒可被拦截。
3.根据权利要求2的废气后处理装置，其特征在于限界装置的渗透性是变化的。
4.根据权利要求3的废气后处理装置，其特征在于限界装置的不同渗透性至少部分地通过对限界装置的厚度的相应选择来引起。
5.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于限界装置各具有一个壁及一个至少部分地覆盖该壁的层(12，14，53)，其中该层的厚度是变化的。
6.根据权利要求3或4的废气后处理装置，其特征在于至少一个限界装置在该限界装置的向着入流口的区域(11；15)中的渗透性不同于该限界装置在背离入流口的区域(13；16)中的渗透性。
7.根据权利要求3、4或6的废气后处理装置，其特征在于至少两个限界装置的渗透性彼此不同。
8.根据权利要求2、3、4、6或7之一的废气后处理装置，其特征在于这些限界装置至少部分地由多孔材料组成，这些限界装置的不同渗透性至少部分地通过在这些区域中相应选择的微孔密度和/或微孔大小来引起。
9.根据权利要求7的废气后处理装置，其特征在于至少两个限界装置的渗透性在入流口附近的和/或远离入流口的区域中彼此不同。
10.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于通流区域具有与废气流通方向垂直的横截面，这些限界装置以这种方式不同地构成，即在这些区域中横截面的面积彼此不同。
11.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于在不同流动阻力的区域之间形成一个连续的过渡。
12.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于可被穿流的主体构成一个氧化催化器或一个用于废气除氮的存储式催化器(30)。
13.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于可被穿流的主体构成一个微粒过滤器。
14.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于这些限界装置由陶瓷壁构成。
15.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于这些限界装置由金属编织物构成。
16.根据权利要求14的废气后处理装置，其特征在于过滤器是一个烧结金属过滤器。
17.根据以上权利要求之一的废气后处理装置，其特征在于通流区域彼此彼此平行地布置，以致它们的入流口位于该主体的一侧上。
全文摘要
本发明涉及废气后处理装置，它具有一个可由内燃机的废气流过的、带有不同通流阻力的区域的主体，其中主体具有彼此隔开的、各以限界装置(2，12，14)构成边界的通流区域(4)，这些通流区域各具有至少一个可加载废气的入流口(7)；及在各区域(11，13；15，16；20，21；57，58)中通过不同地构造的限界装置提供不同的流动阻力。
文档编号F01N3/035GK1688799SQ03824305
公开日2005年10月26日 申请日期2003年6月24日 优先权日2002年10月15日
发明者斯特凡·维尔斯托恩, 安德烈亚斯·根斯勒, 诺贝特·布罗伊尔 申请人:罗伯特·博世有限公司