專利名稱：灰分過濾器、具有灰分過濾器的排氣處理系統(tǒng)及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明的示例性實施例涉及一種排氣處理系統(tǒng)，更具體地，涉及一種用于在往復 活塞式內燃機中使用的排氣處理系統(tǒng)的灰分過濾器及其使用方法。
背景技術：
從內燃機(尤其是柴油發(fā)動機)排放的排氣是一種不均勻混合物，包含氣體排氣 排放物(如一氧化碳(CO)，未燃烴(HC)和氮氧化物(NOx))以及組成顆粒物質(PM)的凝相 材料(液態(tài)和固態(tài))。典型地布置在催化劑載體或者催化劑基底上的催化劑組分設置在柴 油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中，用于將這些排氣組分的某些或全部轉化為未管制的排氣組分。例如，從包含過量氧氣的排氣供應流中還原NOx排放物對于車輛制造者來說是一 種挑戰(zhàn)。例如，據估算，依照美國Bin5規(guī)定可需要后處理系統(tǒng)在FTP (聯邦試驗程序)循環(huán) 中基于當前預期的發(fā)動機排出的NOx水平能夠具有70-90% NOx轉化效率。對于特定的應 用，所述轉化效率必須在前述FTP循環(huán)中發(fā)生的低溫操作范圍(如，200-350°C)下和在高 速試驗循環(huán)期間(例如，US06聯邦試驗程序)發(fā)生的較高溫度操作范圍(如450-550°C ) 下獲得。所述PM包括可被氧化而產生氣體CO或者C02的碳煙和其它含碳顆粒以及其它不 可燃燒顆粒(即，灰分)，所述不可燃燒顆粒不能被氧化或者以其它方式處理以將它們轉化 為氣體成分而從系統(tǒng)中去除。由往復活塞式內燃機燃燒產生的PM的組分和形態(tài)根據燃料、 發(fā)動機類型、發(fā)動機設計、發(fā)動機操作和控制方法、環(huán)境操作條件和其它因素而變。例如，進 入到燃燒室且被部分地燃燒的發(fā)動機潤滑油產生大部分的灰分。作為另一例子，汽油發(fā)動 機的燃燒可能產生亞微米有機物質(OM)、和硫酸鹽以及元素硅、鐵、鋅或者硫。所述元素硅、 鐵和鋅是不可燃燒顆粒并且包括灰分。作為另一個例子，柴油發(fā)動機的燃燒也可能會產生 0M、硫酸鹽以及元素硅、鐵、鋅或者硫、以及碳煙和銨，并可能產生比汽油發(fā)動機燃燒多大約 100-大約1000倍的PM。所述碳煙可包括BC (碳黑，或者冷凝碳顆粒)和0M。所述BC可能 覆蓋單層或者多層OM(包括多環(huán)芳香烴(PAH))和單層或多層的有機或無機化合物。柴油 燃料的燃燒也可能產生含氮-PAH化合物，如，具有氮官能團的PAH。來自往復活塞式內燃機 的碳煙可具有直徑小于大約0. 02 μ m的顆粒尺寸。目前已經采用用于可燃燒顆粒的各種顆粒過濾器(PF)，如柴油顆粒過濾器裝置 (DPF)。用于DPF的多種已知過濾器結構在從排氣去除顆粒物質上展現了良好的有效性，如 陶瓷蜂窩壁流式過濾器、纏繞或者填充纖維的過濾器、開孔泡沫、燒結金屬纖維等等。陶瓷 壁流式過濾器在車輛運用中已經廣為接受。過濾器是一種用于從排氣去除顆粒的物理結構，因此，過濾的顆粒的積聚將具有 增加發(fā)動機經歷的排氣系統(tǒng)背壓的影響。為了解決由于可燃燒的排氣顆粒積聚所造成的背 壓增加，DPF被定期地清洗或者再生。車輛應用中的DFP再生通常為自動式，且基于由發(fā)動 機或者排氣系統(tǒng)傳感器產生的信號被發(fā)動機或者其它控制器所控制。所述再生事件包括將
3DPF的溫度增加至通常高于600°C的水平以燃燒所積聚的顆粒。—種用于產生排氣系統(tǒng)所要求的溫度以再生DPF的方法是，將未燃HC輸送至設置 在DPF上游的氧化催化劑裝置中。HC可以通過直接向排氣系統(tǒng)噴射燃料而輸送，或者可以 通過延遲向發(fā)動機燃燒室噴射燃料而使得部分蒸發(fā)的HC離開發(fā)動機而進入排氣來實現。 HC在氧化催化劑裝置中被氧化，從而產生放熱反應，所述放熱反應增加排氣的溫度。被加熱 的排氣向下游行進到DPF且燃燒所述顆粒積聚物。這種再生方法的一個缺點在于，將未燃 的HC輸送到發(fā)動機排氣系統(tǒng)降低了發(fā)動機/車輛的效率，因為燃料沒有被用于做有用功。 另外，取決于HC的輸送位置，DPF上游的發(fā)動機和排氣系統(tǒng)的熱損失會是明顯的；從而進一 步降低了系統(tǒng)的效率。同時，在燃料被過量供應燃料給發(fā)動機的情形下，一些燃料可能會旁 通活塞，從而導致發(fā)動機油的不希望的燃料稀釋。也已知DPF的再生會不利地影響暴露于再生溫度下的SCR裝置，通過降低了暴露 于這些溫度下的SCR催化劑的催化效率。因此，隨著時間的經過，由于熱再生循環(huán)次數的增 加，SCR的轉化效率將降低。這種SCR轉化效率隨時間的降低使得更難獲得上述的高轉化效率。因此，各種方法和設備已經被發(fā)展用于高溫分解可燃的顆粒，例如含碳顆粒，然而 再生過程可能對排氣處理系統(tǒng)性能具有負面效應。另外，并沒有有效地解決不可燃顆粒 (這里主要指的是灰分)的處理。因此，期望提供一種有效的設備和方法來處理往復活塞式發(fā)動機的排氣處理系統(tǒng) 中的灰分，同時也保持各種管制排氣成份的所需系統(tǒng)轉化效率水平。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種用于往復活塞式內燃機的灰分過濾 器。所述灰分過濾器包括基底和設置在所述基底上的沸石材料基體，所述沸石材料基體設 置成從來自于往復活塞式內燃機的排氣流去除灰分。在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，提供了一種用于往復活塞式內燃機的排氣處 理系統(tǒng)。所述排氣處理系統(tǒng)包括上游灰分過濾器，所述上游灰分過濾器包括第一沸石基體 且構造成接收來自于發(fā)動機的排氣流；和排氣處理裝置，所述排氣處理裝置包括第二沸石 基體并被構造成從灰分過濾器接收排氣流。在本發(fā)明的又一個示例性實施例中，提供了一種用于處理來自于往復活塞式內燃 機的排氣流的方法。所述方法包括提供排氣處理系統(tǒng)，所述排氣處理系統(tǒng)包括灰分過 濾器，所述灰分過濾器包括第一沸石基體且被構造成接收來自發(fā)動機的排氣流；和排氣處 理裝置，所述排氣處理裝置包括第二沸石基體并被構造成接收來自于所述灰分濾器的排氣 流。所述方法還包括操作所述發(fā)動機以產生包含一定量灰分的排氣流。所述方法還包括使 用灰分過濾器來過濾排氣流從而減少排氣流中的灰分量。方案1. 一種用于往復活塞式內 燃機的灰分過濾器，包括基底，和設置在基底上的沸石材料基體，所述沸石材料基體構造 成從來自于往復活塞式內燃機的排氣流去除灰分。方案2. —種用于往復活塞式內燃機的 排氣處理系統(tǒng)，包括灰分過濾器，所述灰分過濾器包括第一沸石基體，且被構造成接收來 自發(fā)動機的排氣流；和排氣處理裝置，所述排氣處理裝置包括第二沸石基體并被構造成接 收來自灰分過濾器的排氣流。方案3.如方案2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述排氣處理裝置包括氧化催化劑、顆粒過濾器、SCR催化劑、或其組合。方案4.如方案2所述的排氣處理 系統(tǒng)，其中，所述SCR催化劑包括HC-SCR催化劑、稀NOx捕集器、NSR催化劑或者U-SCR催化 齊U。方案5.如方案2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石包括NaX、NaY或者ZSM-5、 或者其組合。方案6.如方案2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石具有大于約Inm 的平均孔徑。方案7.如方案2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石基體包括氧化鋁。 方案8.如方案7所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石基體還包括硅土。方案9.如方 案7所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石基體還包括Zr、Nb、Y、Hf、La、Ce或者Nd、或 者其氧化物或其合金、或者其組合。方案10.如方案2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第 一沸石基體設置在所述基底表面上或者基底內。方案11如方案8所述的排氣處理系統(tǒng)，其 中，所述第一沸石基體包括設置在所述基底表面上的層。方案12.如方案11所述的排氣處 理系統(tǒng)，其中，所述層的密度為大約1.0-3. Og/in3。方案13.如方案11所述的排氣處理系 統(tǒng)，其中，所述基底包括蜂窩狀整料，所述蜂窩狀整料具有被相鄰的壁隔開的多個壁流式或 者流通式流動通道。方案14.如方案11所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述基底包括基底顆 粒床。方案15.如方案13所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述灰分過濾器和排氣處理裝置都 在單個蜂窩狀整料上形成。方案16.如方案13所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述灰分過濾 器在第一蜂窩狀整料上形成，排氣處理裝置在第二蜂窩狀整料上形成，所述第一整料流體 地聯接到所述第二整料上，以使排氣流在第一整料和第二整料之間通過。方案17.如方案 16所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一整料和第二整料被設置在單個殼體中。方案18. — 種用于處理來自于內燃機的排氣流的方法，包括提供排氣處理系統(tǒng)，所述排氣處理系統(tǒng)包 括灰分過濾器，所述灰分過濾器具有第一沸石基體且被構造成接收來自發(fā)動機的排氣流； 和排氣處理裝置，所述排氣處理裝置包括第二沸石基體且被構造成接收來自灰分過濾器的 排氣流；和操作所述發(fā)動機以產生包含一定量灰分的排氣流；和使用灰分過濾器過濾所述 排氣流以減少排氣流中的灰分量。方案19.如方案18所述的方法，還包括拆卸所述灰分 過濾器；提供更換的灰分過濾器。方案20.如方案19所述的方法，還包括使用控制器來監(jiān) 測與排氣流中的灰分量或者灰分過濾器中的灰分量相關的排氣處理系統(tǒng)預定特性，和基于 所述預定特性來進行拆卸。本發(fā)明的上述特點和優(yōu)點，以及其它特點和優(yōu)點在用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式的 以下詳細描述結合附圖顯而易見。


其它目標、特點、優(yōu)點和細節(jié)將在實施例的以下詳細描述中僅通過例子顯現，詳細 描述參考附圖，在附圖中圖1是包括熱時效數據的表，示出了灰分污染物對催化排氣處理裝置的影響；圖2示出了與根據位置而變的灰分積聚相關的多種化學成份的量的圖表，用于圖 1所描述的試驗中使用的代表性催化劑試驗柱狀圖；圖3是本文公開的排氣處理系統(tǒng)的示例性實施例的示意性部分截面圖；圖4是本文公開的分立式灰分過濾器的示例性實施例；圖5是圖4的區(qū)域5的放大截面圖；圖6是本文公開的分立式灰分過濾器的第二示例性實施例的示意性截面5
圖7是圖6中區(qū)域7的放大截面圖；圖8是本文公開的排氣處理系統(tǒng)的第二示例性實施例的示意性部分截面圖；圖9是本文公開的灰分過濾器和排氣處理裝置的示例性實施例的示意性截面圖；圖10是本文公開的灰分過濾器和排氣處理裝置的第二示例性實施例的示意性截 面圖；圖11是本文公開的灰分過濾器和排氣處理裝置的第三示例性實施例的示意性截 面圖；圖12是本文公開的排氣處理系統(tǒng)的第三示例性實施例的示意性部分截面圖；和圖13是灰分過濾器和排氣處理裝置的第四示例性實施例的示意圖。
具體實施例方式除了在與這些過濾器再生和如上所述的可燃燒PM的相關燃燒相關的熱循環(huán)時可 能發(fā)生逐步減少SCR催化劑結構的效力外，申請人已經發(fā)現，不可燃顆粒(灰分)也可能積 聚在SCR催化劑結構的催化劑表面，這樣進一步降低了它們催化氧化或者還原通過其中的 排氣流的各種成分(包括如N0x、C0、HC等以及由這些轉化所形成的朋3排放水平)的能力。 如圖1所示，在包含SCR催化劑的排氣系統(tǒng)在700次DPF再生循環(huán)內老化后，依照FTP的各 種排氣成分獲得轉化百分比，其中柴油發(fā)動機排氣在大約650°C的溫度下流動。圖1還示出 了灰分污染物對相同的排氣系統(tǒng)(具有尿素SCR催化劑)的影響，所述排氣系統(tǒng)在柴油發(fā) 動機排氣流經所述系統(tǒng)的情況下在240-540°C的溫度范圍內采用4-模式灰分老化循環(huán)在 420次循環(huán)內老化。該結果示出了可歸因于系統(tǒng)內的灰分積聚的這些系統(tǒng)的NOxR化能力 的顯著降低。如圖2所示，SCR催化劑柱狀圖的隨后化學分析揭示了引起NOx轉化效率降低 的柱的催化劑表面上的污染物的存在，包括&05、CaO和ZnO。所述柱的入口端處的催化劑 表面具有最高水平的這些污染物，其中在所述柱的入口端處P2O5和CaO的量顯著更高。除 了排氣系統(tǒng)的轉化效率降低之外，這些成分的積聚也可能會降低發(fā)動機的效率，因為隨著 時間的經過催化裝置的性能降低會需要使用比否則所需更多的氧化劑或者還原劑材料，例 如燃料、尿素等。對于還包括PF的排氣系統(tǒng)，這些結果也表示，在PF結構(如DPF)中的不 可燃燒的顆粒積聚往往也會進一步增加排氣系統(tǒng)的背壓。由于所述顆粒的不可燃性質，背 壓的這種增加可能不會被上述過濾器的再生完全消除。因此，這些顆粒往往也會逐步降低 排氣處理系統(tǒng)中使用的顆粒過濾器(尤其是壁流式顆粒過濾器)的效率。以下的描述本質上僅僅是示例性的，而不旨在限制本發(fā)明、應用或者使用。應理解 地是，對于所有的附圖，對應的附圖標記表示對應的部分和特征?，F在參考圖3，本發(fā)明的示例性實施例涉及用于處理內燃機(例如柴油發(fā)動機12) 的管制排氣成分的排氣處理系統(tǒng)10。將理解的是，柴油發(fā)動機12本質上僅僅是示例性的， 本文所述的發(fā)明涵蓋具有包括排氣灰分過濾器的排氣處理系統(tǒng)10的任何類型的往復活塞 式內燃機。這包括但不限于用于汽油直噴式發(fā)動機和均質充氣壓縮點火發(fā)動機的排氣處理 系統(tǒng)。為了便于描述和討論，本發(fā)明將在柴油發(fā)動機12及其排氣處理裝置的上下文內討 論。排氣處理系統(tǒng)10包括排氣管14，排氣管14可包括多個分立部段，用于將包含各種可燃 和不可燃PM(包括灰分)的排氣流16從柴油發(fā)動機12運送到排氣處理系統(tǒng)10中的各種 排氣處理裝置。在一個示例性的實施例中，排氣處理系統(tǒng)10包括至少一個灰分過濾器18，在其它示例性的實施例中，也可以包括多個灰分過濾器18?；曳诌^濾器18將用于過濾和積 聚來自排氣流16的灰分，并防止其向外部環(huán)境排放。在其它示例性實施例中，排氣處理系統(tǒng)10將包括至少一個附加的排氣處理裝置。 任何附加排氣處理裝置都可以與灰分過濾器18 —起使用。合適的附加排氣處理裝置的例 子包括各種氧化催化劑(OC)、選擇性催化還原(SCR)催化劑或者顆粒過濾器(PF)、或者它 們的組合?？傮w上取決于驅動發(fā)動機所使用的燃料，任意合適的OC都可以使用，且可包括 所有形式的汽油氧化催化劑(GOC)和柴油氧化催化劑(DOC)?？傮w上取決于驅動發(fā)動機所 使用的燃料、排氣流16的成分、這些成分的所需控制限制和與系統(tǒng)10的排放控制相關的其 它因素，任意合適的SCR都可以使用，并可以包括所有形式的烴SCR(HC-SCR)催化劑、稀NOx 捕集器(LNT)、NSR催化劑或者尿素SCR催化劑(U-SCR)、或者其組合?？傮w上取決于驅動 發(fā)動機所使用的燃料，任何合適的PF都可以使用，包括所有形式的汽油顆粒過濾器(GPF) 和柴油顆粒過濾器(DPF)。附加的排氣處理裝置具體地包括所有多效催化劑配置，包括各 種雙效催化劑、三效催化劑、四效催化劑配置等等，并還包括那些也包含PF (如DPF)且有時 包括有催化劑量的PF (如，包含HC-SCR或者稀NOx催化劑(LNC)、U-SCR、NSR或者LNT以 及DPF的雙效催化劑)的配置。在該實施例中，灰分過濾器18將與至少一個附加排氣處理 裝置一起使用來過濾和積聚來自所述裝置上游的排氣流16中的灰分。由于如果不在系統(tǒng) 10中包括灰分過濾器18，否則會因為發(fā)動機12的操作而逐步發(fā)生灰分積聚，因而在該配置 中，灰分過濾器18會延緩或者防止催化轉化能力或者過濾能力、或者附加排氣處理裝置性 能的降低。參考圖3-7，結合示例性的排氣處理系統(tǒng)10示出了分立式灰分過濾器18的示例性 實施例，即，與其它排氣處理裝置獨立地存在和容納。與系統(tǒng)10結合使用，尤其是其它排氣 處理裝置的性質和布置，僅僅是示例性的以示出灰分過濾器18的使用。分立式灰分過濾器 18，包括所示的示例性實施例，可以與附加排氣處理裝置的任意其它有用組合一起使用。在 其它示例性實施例中，灰分過濾器18也可以與附加排氣處理裝置集成為集成式灰分過濾 器18，如本文所描述的和圖8-10所示出的，或者并入附加排氣處理裝置作為一體式灰分過 濾器，如本文所描述的和圖11-13所示出的。再次參考圖3-7，灰分過濾器18包括基底20，基底20具有設置于其上的多孔基體 材料22，如沸石材料多孔基體，作為灰分過濾和積聚的媒介。多孔基體材料22并不包括催 化劑材料，因為其用于犧牲性地積聚灰分并因此防止灰分積聚在系統(tǒng)中的其它位置，尤其 是防止積聚在各種催化裝置的催化劑材料上或者在如此處所述的各種其它過濾器的過濾 介質中。基底20可以由用作催化劑材料的基底的那些材料中的任何材料形成，將優(yōu)選地包 括陶瓷或金屬基底20。合適的基底20包括各種高溫陶瓷和高溫金屬或金屬合金。陶瓷基底 20可以由任意合適的難熔材料制成；示例包括堇青石、堇青石-礬土、氮化硅、鋯莫來石、鋰 輝石、硅酸鋁鎂、硅酸鋯、硅線石、硅酸鎂、鋯石、透鋰長石、氧化鋁、鋁矽酸鹽等等。金屬基底 可以包括耐氧化和耐熱金屬和金屬合金；示例包括Ti、Ti合金和各種級別的不銹鋼以及鐵 為基本或者主要成份的其它合金，包括包含鎳、鉻或鋁或其組合中的一種或多種的其它合 金，這些金屬的總量可有利地包括合金的至少大約15wt. %，如10-25wt. %的鉻，3-8wt. % 的鋁和高達20wt. %的鎳。所述合金也可以包含少量或微量的一種或多種其它金屬，如，錳、 銅、釩、鈦等。金屬基底的表面可以在高溫(如1000°C或者更高)下被氧化，以通過形成粘
7附性表面氧化層而增強抗腐蝕能力和抵抗進一步氧化合金。該高溫氧化也可增強多孔基體 材料22到基底20上的附著力。任何合適的基底20的形狀和尺寸都可以用于灰分過濾器18。對于陶瓷基底20尤 其有用的形狀包括多個陶瓷或金屬顆粒或者陶瓷或金屬顆粒床24，如圖6和7的分立式 灰分過濾器18和圖10的一體式灰分過濾器18所示；蜂窩狀陶瓷或者金屬流通式整料26 結構，如圖4和5的分立式灰分過濾器18和圖8-11的一體式灰分過濾器18所示；以及蜂 窩狀壁流式陶瓷整料28結構，如圖13的一體式灰分過濾器所示。如圖4、5、9和11所示，蜂窩狀陶瓷或者金屬流通式整料26的基底20包括具有多 個細的平行氣體流動通道30的基底，通道30從入口 32通過基底延伸至基底20出口 34面， 這樣通道30開放以使排氣流16從中通過，并稱為蜂窩流通式基底。對于這些整料，基本上 是從入口 32到出口 34的平直路徑的通道被多個互連的相鄰側壁36限定，在側壁36上設 置多孔基體材料22 (如沸石材料基體)，作為基底20表面上的層或者在多孔基底20內，通 常作為涂層22。所述涂層可包括單層或者多層，且可以具有任意合適的厚度、表面積、密度 或者提供所需過濾能力或者過濾容量所需的其它特性。多孔基體材料22可以包括任意多 孔網，包括具有有序孔陣列的高度有序多孔結構以及所有形式的無序多孔結構，被構造成 捕集排氣流16中的灰分顆粒。由于其多孔有序結構，包括各種沸石材料的多孔基體材料22 是優(yōu)選的。如圖12和1 3所示，蜂窩狀陶瓷壁流式整料基底20包括具有多個細的、平行的、 互補入口通道40和出口通道42的基底，所述入口通道40和出口通道42被相鄰的多孔的 排氣可滲透的側壁44流體地聯接，所述側壁將相鄰的入口通道40和出口通道42流體地連 接。入口通道40、可滲透的側壁44和出口通道42被構造成將排氣流16從基底20的入口 46傳送到出口 47，因此被稱為蜂窩壁流式基底。對于這些整料，所述通道提供了經由通過 多孔側壁44提供的通道網從入口 46經由入口通道40通過出口通道42至出口 47的曲折 路徑。入口通道40和出口通道42被多個互連的相鄰側壁44所限定，在所述側壁上設置有 多孔基體材料22 (如沸石材料基體)，優(yōu)選地在接近入口 46的入口通道40中。參考圖4、5、9、11和13，流通和壁流式整料基底20的流動通道為薄壁槽道，可以 具有任意合適的截面形狀和大小，如梯形、長方形、正方形、正弦曲線形、六邊形、橢圓形、圓 形等等。該結構可以包括每平方英寸的截面從約60至約600個或者更多的氣體入口開口 (即，單元)。用于本發(fā)明催化劑的基底20本質上也可以是金屬，且包括一種或多種金屬或 金屬合金。金屬基底能以各種形狀(如波形板狀，或者整料形式，尤其是流通式整料，正如 上所述)使用。與基底20的形狀無關，多孔基體材料22 (如沸石材料基體)可以作為層設置在基 底20表面上或者設置在基底20的多孔側壁中，通常作為涂層。所述涂層可以包括單層或者 多層，且可以具有任意合適的厚度、表面積、密度或者提供所需過濾能力或者過濾容量所需 的其它特性。多孔基體材料22可以包括任意多孔網，包括具有有序孔陣列的高度有序的多 孔結構，以及所有形式的無序多孔結構，被構造成捕集排氣流16中的灰分顆粒。由于其高 孔隙率和高度有序的沸石結構，包括各種沸石材料的多孔基體材料22是優(yōu)選的。沸石基體 材料22可以作為涂層涂覆。所述沸石基體材料22可以包括任意合適的沸石基體材料22。 一種合適的基體材料22包括氧化鋁沸石。氧化鋁沸石材料22也可以包括硅，如各種硅酸
8鋁組分，包括各種鋁矽酸鹽材料。此外，氧化鋁沸石基體材料也可以包括Zr、Nb、Y、Hf、La、 Ce或者Nd，或者其氧化物或其合金、或其組合。氧化鋁沸石基體材料可以包括多個表面羥 化氧化鋁顆粒。所述表面羥化氧化鋁顆?？梢园ú肥尾肥⒛z狀勃姆石、水鋁 石、諾三水鋁石、三羥鋁石或水鋁礦、或者其組合。氧化鋁沸石基體材料可以包括NaX、NaY 或者ZSM-5沸石或者其組合。沸石基體材料可以具有適于從排氣流16中捕集灰分顆粒的 任意孔徑或者形態(tài)。在一個示例性實施例中，平均孔徑大于約lnm。沸石基體材料22可以 設置在基底20的表面上或者基底20內?？梢蕴峁┰诨?0內的設置，如在基底20是多 孔材料時，這樣沸石基體可以被布置在基底20的多孔材料內。當采用涂層時，可以采用具 有任意合適的厚度或者數量的層的涂層。在一個示例性實施例中，涂層(作為單層或者作 為多層)可以具有約1. 0-約3. Og/in3的密度。參考圖3-13，排氣流16在灰分過濾器18中引導經過基底20和設置在基底20上 的多孔基體材料22 (如沸石材料基體)，這樣流經通道的氣體與多孔基體材料接觸且在流 16中包含的灰分被多孔基體過濾，這樣灰分從流16中去除并積聚在多孔基體材料22中。 通過減少排氣流16中的灰分量，減少了來自于系統(tǒng)10的灰分排放物量。此外，減少了流過 下游排氣處理裝置(或多個裝置)的灰分量，從而減少了灰分在這些裝置的催化劑表面或 者過濾介質上積聚并因而降低其性能的可能性，例如，降低的氧化能力(對于0C)、N0xRK 能力(對于U-SCR、HC-SCR、LNC、LNT或者NSR)，由于不可燃灰分的積聚造成的降低的過濾 能力(對于PF)。確定地說，并入灰分過濾器18趨于改進排氣處理系統(tǒng)10的操作性能并延 長操作壽命。參考圖3-7，系統(tǒng)10的示例性實施例包括分立式灰分過濾器18形式的排氣處理 裝置。如圖4和5所示，灰分過濾器18可包括流通式金屬或者陶瓷整料26基底20，基底 20上設置有多孔基體材料22，如沸石基體材料，如本文所述。整料26被包裹在當加熱時會 膨脹的發(fā)泡墊48內，從而保護和隔絕了封裝在金屬殼體或者金屬罐50 (例如不銹鋼殼體) 內的基底20，金屬殼體或者金屬罐50具有與排氣管14流體連通的入口和出口。金屬殼體 50可以包括一對凸緣51或者類似的附連特征，其提供用于通過使用適當的附連裝置(未示 出)將灰分過濾器18可拆卸地附連到系統(tǒng)10，包括管道14，所述附連裝置例如多個帶螺紋 螺栓(和設置在凸緣51上的相應多個周向隔開的孔)、周向帶狀夾等。附連裝置可以用來 將凸緣51附連到匹配附連特征上，例如可以與管道14或者其它排氣處理裝置的部分相關 的凸緣53。這是分立式灰分過濾器18的有利方面，因為其在排氣處理系統(tǒng)10和柴油發(fā)動 機12的使用壽命期間允許拆卸和更換灰分過濾器18。這樣，已經積聚與柴油發(fā)動機12和 排氣處理系統(tǒng)10操作有關的灰分的分立式灰分過濾器18可以被拆卸并使用新的分立式灰 分過濾器18來更換，從而利于柴油發(fā)動機12和排氣處理系統(tǒng)10兩者的維護。所述拆卸和 更換可以根據預定時間間隔進行，或者使用各種傳感器與本文所述的系統(tǒng)控制器相結合基 于對排氣處理系統(tǒng)10的監(jiān)測而進行。灰分過濾器18和基底20的另一個示例性實施例包括多個基底20顆?；蚧?0 顆粒床24，沸石基體材料22被設置在所述基底20顆粒的表面上或者基底20顆粒內，如圖 6和7所示?；曳诌^濾器18可以容納在金屬殼體或者金屬罐50中，例如不銹鋼殼體，金屬 殼體或者金屬罐50具有與排氣管14流體連通的入口和出口。分立式灰分過濾器18也可 以構造成可拆卸地附連至排氣處理系統(tǒng)10，如上文結合如圖4和5所示的灰分過濾器所述。在一個示例性實施例中，基底20顆粒的床24可以設置在床殼體或者罐52中，可以由與外 部殼體50相同的材料制成。床24可以通過一對附連的端蓋53封裝在床殼體52中，所述 端蓋包括多個穿孔44或孔，所述穿孔44或孔允許排氣流16從中通過以到達床24，并經過 多孔基體材料22的表面以過濾灰分，如本文所述，也可以由與殼體50相同的材料制造。再次參考圖3，排氣處理系統(tǒng)10也包括設置在灰分過濾器18下游的選擇性催化 還原裝置(SCR)58。所述SCR催化劑58也可以包括在當加熱時膨脹的發(fā)泡墊(未示出) 中包裹的流通式陶瓷或者金屬整料基底60，從而保護和隔絕被封裝在金屬殼體或者金屬罐 62 (例如不銹鋼殼體)中的基底，金屬殼體或者金屬罐62具有與排氣管14流體連通的入口 和出口。所述基底具有涂覆于其上的SCR催化劑材料(未示出)。SCR催化劑組分優(yōu)選地包 括具有設置在其上的一種或多種賤金屬催化劑材料的沸石基體材料，如，鐵(Fe)、鈷(Co)、 銅(Cu)或者釩(V)、或者其氧化物或其合金、或者其組合，可以在存在合適還原劑(例如氨 (NH3))的情況下有效地操作以轉化排氣流16中NOx成分。通過管道68從還原劑供給罐66 提供的NH3還原劑64可以使用與管道68流體連通的尿素噴射器70或者將還原劑輸送到 排氣流16中的其它合適方法噴射到SCR催化劑58的上游位置的排氣管14中。所述還原 劑可以是氣體、液體的形式，包括含水尿素溶液，并可以在噴射器70中與空氣混合以幫助 分散所噴射的噴流。混合器或者紊流器72也可以設置在排氣管14內緊鄰噴射器70，以進 一步有助于將還原劑64與排氣流16完全混合。再次參考圖3，排氣處理系統(tǒng)10也包括DPF74形式的排氣PF，其定位在SCR催化劑 58的下游，DPF74操作以從排氣流16過濾包括碳煙和其它OM顆粒的PM。DPF74可以采用 陶瓷壁流式整料76來構建，以從排氣流16過濾這些物質。DPF可以被包裹在在加熱時膨脹 的發(fā)泡墊(未示出)中，從而保護和隔絕封裝在金屬殼體或者金屬罐78 (例如不銹鋼殼體) 中的基底，所述金屬殼體或者金屬罐78具有與排氣管14流體連通的入口和出口。正如本 文參考灰分過濾器18所述，所述陶瓷壁流式整料76具有被縱向延伸壁所限定的多個可滲 透的縱向延伸的通道。所述通道包括具有開口入口端和封閉出口端的入口通道子組、和具 有封閉入口端和開口出口端的互補出口通道子組。通過入口通道的入口端進入到DPF74中 的排氣流16被強制地移動通過相鄰的縱向延伸壁而到達出口通道。通過該壁流機構，排氣 流16被過濾碳煙和其它OM顆粒。所過濾的顆粒沉積在入口通道的縱向延伸壁上，隨著時 間的經過，將具有增加柴油發(fā)動機經歷的排氣背壓的影響。可理解地是，陶瓷壁流式整料過 濾器本質上僅僅是示例性的，DPF可以包括其它過濾裝置，如纏繞或者填充纖維的過濾器、 開孔泡沫、燒結金屬纖維等。在一個示例性實施例中，由碳煙和其它OC顆粒物質的積聚引起排氣背壓的增加 需要DPF74被定期地清洗或者再生。再生包括在典型的高溫下(如，> 600°C)環(huán)境中氧化 或者燃燒所積聚的碳和其它顆粒。任選地，柴油氧化催化裝置(000 80也可以設置在0 74的罐78內。00080可以包 括流通式金屬或者陶瓷整料基底82，所述基底被包裹在在加熱時膨脹的發(fā)泡墊(未示出) 中，從而保護和隔絕在金屬殼體或者金屬罐78中的基底?；?2具有設置于其上的氧化 催化劑化合物(未示出)。氧化催化劑化合物可以作為涂層涂覆并可以包括Pt族金屬催化 劑材料。合適的Pt族金屬催化劑包括Pt、Rh、Ir、Ru、Re、Os或者Pd、或者其合金、或者其 組合。
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再次參考圖3，HC或者燃料噴射器84設置在D0C80的上游，與排氣管14中的排 氣流16流體連通。燃料噴射器84通過燃料管道90與燃料供應箱88或者其它燃料源(如 共軌燃料噴射系統(tǒng)(未示出)的燃料管道)中的HC86(例如燃料)流體連通。燃料噴射器 84被構造成將未燃HC86引入到排氣流16中以輸送到D0C80。混合器或紊流器92也可以 設置在排氣管14中，緊鄰燃料噴射器84，以進一步有助于液態(tài)或者氣態(tài)HC或者燃料與排氣 流16完全混合。再次參考圖3，控制器(如車輛控制器94)通過與尿素噴射器70、燃料噴射器84 和多個溫度、壓力和排氣傳感器(例如NOx傳感器，氧氣傳感器等)信號連通而可操作地連 接到排氣處理系統(tǒng)10，并監(jiān)測和控制排氣處理系統(tǒng)10。正如本文所使用的，術語控制器可 以包括任意適當的控制器，例如，專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行一個或多個軟件或 者固件程序的處理器(共享的、專用的和群組的)和存儲器、組合邏輯電路、和/或提供所 述控制功能的其它合適部件。在一個示例性實施例中，位于DPF74上游的壓力傳感器96產生指示陶瓷壁流式整 料過濾器76內的碳和顆粒負載以及系統(tǒng)10內背壓的信號。在確定背壓已經達到表示需要 再生DFP74的預定水平時，控制器94激活HC或者燃料噴射器84，以將燃料輸送到排氣管 14中，以便與排氣流16混合。燃料/排氣混合物進入到DPF74中，也流經D0C80 (如果采用 的話)，從而引起排氣流16中的HC氧化并將排氣溫度升高至適合于陶瓷壁流式整料過濾器 76中的碳煙或者其它OM顆粒再生的水平(> 600°C)?？刂破?4可以通過溫度傳感器98 監(jiān)測DPF74和D0C80以及陶瓷壁流式整料過濾器76中的放熱氧化反應的溫度，并調節(jié)噴射 器84的輸送速率以維持預定溫度。NOx傳感器(未示出)可以插入到管道14中，用以產生 指示發(fā)動機排出的NOx量的信號，控制器94可以利用該信號來控制尿素噴射器70，以便將 尿素噴射到SCR催化劑58中以還原N0X，從而維持排氣流16中的預定NOx水平。其它許多 種控制方法都可以與系統(tǒng)10結合來控制與排氣流16相關的N0X、HC、CO和PM。圖8示出了排氣處理系統(tǒng)10的第二示例性實施例。本實施例的系統(tǒng)10與上文 參考圖3所描述的基本相同，除了采用與SCR催化劑58結合在一起的集成式灰分過濾器 18(圖9和10)或者一體式灰分過濾器18 (圖11)替代分立式灰分過濾器18之外。如圖 9-11示出的示例性實施例所示，集成或一體式灰分過濾器18在單殼體50中與SCR催化劑 58結合。殼體50可以被修改，例如通過延長殼體，以適合于結合灰分過濾器18。也可以結 合用于控制排氣處理系統(tǒng)10的傳感器，例如用于測量排氣流16的NOx含量并將信號輸入 提供給控制器94的NOx傳感器100。如圖9和10所示，集成式灰分過濾器18可以作為流 通式整料26或者顆粒床24結合。流通式整料26或者床24的結構可以分別與上文參考圖 4和5、以及6和7中的實施例所述的相同。在圖11的示例性實施例中，一體式灰分過濾器 18可以在SCR催化劑58的入口端上結合到SCR催化劑58的流通式整料60上。這可以通 過以下方法實現例如采用區(qū)域涂覆技術來將多孔基體材料22沉積在整料26的流通式整 料60的一部分上，整料的剩余部分接收催化劑材料，如本文參考SCR催化劑58所述。圖 9-11示出的示例性實施例的集成式和一體式灰分過濾器18兩者都是特別有利的，因為它 們縮短了排氣處理系統(tǒng)10的總體長度、以及該系統(tǒng)所安裝的車輛上所需的空間包絡線(包 括發(fā)動機罩下空間，所述發(fā)動機罩下空間容納柴油發(fā)動機12且通常受到空間的限制，即， 期望封裝在所述空間內的部件的數量超過可用體積)。這些配置也是有利的，因為它們減少了用來封裝分立式過濾器所需的部件的成本，例如殼體、發(fā)泡墊等。圖11的實施例是特別 期望的，因為SCR催化劑和灰分過濾器可以作為單個部件制造，為了將其結合到系統(tǒng)10中， 不需要將單獨存儲、運輸以及處置和制造。圖12和13示出了排氣處理系統(tǒng)10的第三示例性實施例。本實施例的系統(tǒng)10在 一些方面與具有一些共同元件的上述系統(tǒng)類似；但是它們的布置有些不同，如下所述。基本 布置包括位于雙效催化劑Iio上游的D0C80。灰分過濾器18是結合到雙效催化劑110的陶 瓷壁流式整料28上的一體式灰分過濾器。D0C80示出為分立式裝置，且可以包括流通式金屬或者陶瓷整料基底82，所述基 底被包裹在當加熱時膨脹的發(fā)泡墊(未示出)中，從而保護和隔絕金屬殼體或者金屬罐114 中的基底?；?2具有設置于其上的氧化催化劑化合物(未示出)。氧化催化劑化合物可 以作為涂層涂覆并可以包括Pt族金屬催化劑材料。合適的Pt族金屬催化劑包括Pt、Rh、 Ir、Ru、Re、Os或者Pd、或者其合金、或者其組合。雙效催化劑110包括DPF74和SCR催化劑58，SCR催化劑58以U-SCR催化劑的形 式被容納在用于容納SCR催化劑58的單個壁流式整料28結構上。然而，在其它實施例中， SCR催化劑58可以包括其它SCR裝置，包括HC-SCR催化劑、LNT催化劑或者NSR催化劑以 替代U-SCR催化劑。如圖12和13示出的示例性實施例所示，一體式灰分過濾器18作為涂 層定位在所述整料的入口通道40的側壁44上靠近入口 46。這樣，其位于DPF74和SCR催 化劑58的上游?；曳诌^濾器18涂層可以沿著入口通道40的一部分延伸，如圖所示，或者 可選擇地，可沿著入口通道40的全部長度延伸。DPF74包括多孔側壁44。在該配置中，灰 分過濾器18也可以提供一些DPF功能并積聚一些碳煙或OM顆粒；然而，DPF74的功能基本 上與側壁44相關。SCR催化劑58定位在灰分過濾器18和DPF74兩者的上游。包含在SCR 催化劑58中使用的SCR催化劑材料的涂層59定位在出口通道42的側壁上接近出口 47處。 這可以通過以下方法實現例如采用區(qū)域涂覆技術來將多孔基體材料22沉積在壁流式整 料26的入口通道部分上，整料的剩余部分接收催化劑材料的涂層59，如本文參考SCR催化 劑58所述。陶瓷壁流式整料28基底被包裹在當加熱時膨脹的發(fā)泡墊116中，從而保護和 隔絕金屬殼體或者金屬罐118中的基底。殼體118也可以包括用于控制排氣處理系統(tǒng)10 的傳感器，例如用于測量排氣流16的NOx含量并將信號輸入提供給控制器94的NOx傳感器 100。再次參考圖12和13，HC或者燃料噴射器84設置在D0C80的上游，與排氣管14中 的排氣流16流體連通。燃料噴射器84通過燃料管道90與燃料供應箱88或者其它燃料源 (如共軌燃料噴射系統(tǒng)(未示出)的燃料管道)中的HC86(例如燃料)流體連通。燃料噴 射器84被構造成將未燃HC86引入到排氣流16中以輸送到D0C80?；旌掀骰蛭闪髌?2也 可以設置在排氣管14中，緊鄰燃料噴射器84，以進一步有助于液態(tài)或者氣態(tài)HC或者燃料與 排氣流16完全混合。通過管道68從還原劑供應罐66提供的NH3還原劑64可以使用與管道68流體連 通的尿素噴射器70或者運送還原劑到排氣流16的其它合適方法被噴射到位于SCR催化劑 58上游位置的排氣管14中。所述還原劑可以是液態(tài)、氣態(tài)的形式，包括含水尿素溶液，并可 以在噴射器70中與空氣混合以幫助分散所噴射的噴流?；旌掀骰蛘呶闪髌?2也可以設置 在排氣管14內，緊鄰噴射器70，以進一步有助于還原劑64與排氣流16完全混合。
控制器(如車輛控制器94)通過與尿素噴射器70、燃料噴射器80和多個溫度、壓 力和排氣傳感器(例如NOx傳感器，氧氣傳感器等)信號連通而可操作地連接到排氣處理 系統(tǒng)10，并監(jiān)測和控制排氣處理系統(tǒng)10。正如本文所使用的，術語控制器可以包括任意適 當的控制器，例如，專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行一個或多個軟件或者固件程序的 處理器(共享的、專用的和群組的)和存儲器、組合邏輯電路、和/或提供所述控制功能的 其它合適部件。盡管本發(fā)明已經參考示例性實施例來描述，但是本領域技術人員可理解的是，在 不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以作出各種變化且等價物可以替代其元件。另外，在不偏 離本發(fā)明本質范圍的情況下，可以作出許多修改以使得具體情況或材料適合于本發(fā)明的教 導。因此，本發(fā)明并不旨在限于作為用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式公開的具體實施例，而本發(fā) 明將包括所有落入本申請范圍內的所有實施例。
1權利要求
一種用于往復活塞式內燃機的灰分過濾器，包括基底，和設置在基底上的沸石材料基體，所述沸石材料基體構造成從來自于往復活塞式內燃機的排氣流去除灰分。
2.一種用于往復活塞式內燃機的排氣處理系統(tǒng)，包括灰分過濾器，所述灰分過濾器包括第一沸石基體，且被構造成接收來自發(fā)動機的排氣 流；和排氣處理裝置，所述排氣處理裝置包括第二沸石基體并被構造成接收來自灰分過濾器 的排氣流。
3.如權利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述排氣處理裝置包括氧化催化劑、顆粒 過濾器、SCR催化劑、或其組合。
4.如權利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述SCR催化劑包括HC-SCR催化劑、稀 NOx捕集器、NSR催化劑或者U-SCR催化劑。
5.如權利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石包括NaX、NaY或者ZSM-5、 或者其組合。
6.如權利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石具有大于約Inm的平均孔徑。
7.如權利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石基體包括氧化鋁。
8.如權利要求7所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石基體還包括硅土。
9.如權利要求7所述的排氣處理系統(tǒng)，其中，所述第一沸石基體還包括Zr、Nb、Y、Hf、 La、Ce或者Nd、或者其氧化物或其合金、或者其組合。
10.一種用于處理來自于內燃機的排氣流的方法，包括提供排氣處理系統(tǒng)，所述排氣處理系統(tǒng)包括灰分過濾器，所述灰分過濾器具有第一沸 石基體且被構造成接收來自發(fā)動機的排氣流；和排氣處理裝置，所述排氣處理裝置包括第 二沸石基體且被構造成接收來自灰分過濾器的排氣流；和 操作所述發(fā)動機以產生包含一定量灰分的排氣流；和 使用灰分過濾器過濾所述排氣流以減少排氣流中的灰分量。
全文摘要
本發(fā)明涉及灰分過濾器、具有灰分過濾器的排氣處理系統(tǒng)及其使用方法。公開了一種用于往復活塞式內燃機的灰分過濾器。所述灰分過濾器包括基底，例如蜂窩狀整料基底或者由多個顆?；祝缓驮O置在相應基底或者多個基底上的沸石材料基體，所述沸石材料基體構造成從來自往復活塞式內燃機的排氣去除灰分。公開了一種用于往復活塞式內燃機的排氣處理系統(tǒng)。所述排氣處理系統(tǒng)包括灰分過濾器，所述灰分過濾器具有第一沸石基體且被構造成接收來自發(fā)動機的排氣流；和排氣處理裝置，所述排氣處理裝置包括第二沸石基體，且被構造成接收來自灰分過濾器的排氣流。
文檔編號B01D46/30GK101956592SQ20101027250
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權日2009年7月14日
發(fā)明者D·B·布朗, M·C·勒克姆, S·任 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司