專利名稱：從廢氣中去除炭黑顆粒的方法和對應的捕集元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種從特別是內燃機的廢氣中去除炭黑顆粒的方法，和一種適合于它的捕集元件，特別是它是可以再生的，并且可以裝入一管子例如汽車的排氣管內。
內燃機的廢氣除氣態(tài)的組成部分外還包含顆粒。它們和廢氣一起直接進入周圍環(huán)境—這是不希望的，或常常堆積在排氣系統(tǒng)的某個部位，使得例如在載荷變化時以顆粒云的形式噴出來。
通常采用捕集顆粒的過濾器。但是封閉的過濾系統(tǒng)帶來兩個明顯的缺點，一方面這些過濾器可能堵塞，另一方面它造成不希望的壓降，如果不使用過濾器，那么沒有直接進入周圍大氣的顆粒有可能積聚在用來凈化其它有害物質成分的內置催化器的涂層上，并在那里導致毒化或至少減小有效的催化表面。在環(huán)境保護法規(guī)越來越嚴的情況下需要進一步降低有害物質和顆粒的排放。在廢氣凈化方面除了排除顆粒以外減少氮氧化物也起重要作用。對此由DE 4203807已知一種裝置，其中噴出一種氧化劑并與廢氣混合。
本發(fā)明的目的是，提供一種從廢氣中去除炭黑顆粒的方法以及制造一種用于廢氣流中的顆粒的捕集元件。
這個目的用具有權利要求1特征的方法和按權利要求5特征的捕集元件來實現。其它優(yōu)良的結構在各從屬權利要求中說明。此外還提供捕集元件優(yōu)選的應用場合。
在用混合元件做試驗時，如例如在WO 91/01807或WO 91/01178中所述，和為了使噴入排氣系統(tǒng)的添加劑更好地分布所進行的試驗時，令人驚訝地表明，這種元件也可以促使炭黑顆粒的減少。估計顆粒通過在氣流轉向部位形成的在混合元件內部的渦旋被留住或幾乎是噴射在混合元件的內壁上-類似于重力分選，然后牢固地附著在上面。在顆粒附著時金屬-炭黑可能的相互作用和/或廢氣/通道壁溫度梯度也有影響。也可以觀察到顆粒強烈的附聚作用，特別是在未涂覆的和金屬的壁時。這種認識對于本發(fā)明是有用的，其中捕集元件這樣設計，使炭黑顆粒在那里停留這么久，使得存在足夠大的概率，使顆粒和存在于廢氣中的氮氧化物起反應。
也就是說不走常用的途徑，即使炭黑顆粒通過多孔壁等等所謂強制式地100％完全濾出，而是簡單地通過延長炭黑顆粒在捕集元件內的逗留時間，提高炭黑顆粒與氮氧化物反應的概率。這在暢通的流通路徑中通過足夠數量的旋渦區(qū)和平穩(wěn)區(qū)(Beruhigungszonen)和/或通過轉向進行，它們有利于顆粒沉積在壁上。與廢氣一起流動的顆粒只有很少的機會與其它廢氣成分發(fā)生反應，而如果顆粒保留在一個旋渦區(qū)或沉積在壁上，則這種機會大大提高。這樣所有從旁邊經過的氮氧化物都可能進行反應，使炭黑顆粒迅速減少。因此捕集元件不可能堵塞，而是不斷地再生。
在通道內具有小的流動速度的區(qū)域稱為平穩(wěn)區(qū)，沒有流體運動的區(qū)域稱為死區(qū)。
因此與封閉的系統(tǒng)相反捕集元件稱作自由流通的，因為不存在流通死胡同。因此捕集元件不會象有可能會被填充(堵)的孔的普通過濾系統(tǒng)那樣堵塞，因為事先氣流將顆粒帶出。這里轉向部位設計成這樣，使得每處約有還包含在廢氣中的顆粒的2％至15％甩到捕集元件50的壁11，12，21，22上，其中優(yōu)先的范圍在4％到8％之間，這樣做特別有利?！斑€包含在廢氣中的顆?！钡谋磉_方法是考慮到，在廢氣流徑常轉向的情況下沿流動方向顆粒數量越來越少。特別是為此轉向部位的數量這樣來選擇，使得至少就統(tǒng)計方面而言，整個廢氣流朝捕集元件的壁導向，碰撞的顆?；蛘呤罐D向的廢氣流在數量方面的限制有這樣的好處，即在捕集元件上只出現很小的壓降。
為了覆蓋汽車驅動系統(tǒng)各種不同的(動態(tài))載荷狀況，優(yōu)選一種圓錐形系統(tǒng)。如例如在WO93/20339中所述的這種系統(tǒng)具有擴展的通道，使得在通道的任意一個部位在任一種質量流量時必然形成對于捕集顆粒特別有利的情況—如果它配備相應的轉向或旋渦結構的話。
捕集元件的材料最好是金屬，但是也可以是塑料、無機(陶瓷、纖維材料)、有機或金屬有機的天然物質和/或燒結材料。其中捕集元件的壁可以涂有或不涂有Washcoat和/或催化活性材料。
壁厚優(yōu)先在0.02至0.11mm范圍內，特別優(yōu)先在0.04至0.08mm之間。
捕集元件的單格密度(單位橫截面上的通道數)優(yōu)先在每平方英寸25至1000個通道(cpsi)范圍內，最好在200到400cpsi之間。
典型的捕集元件具有例如200cpsi，對于柴油機而言，體積為約每100kw 0.5至0.8立升，或者幾何表面面積為每100kw 1至2m2，其在流動路徑內最好存在間距為3至20mm的轉向或旋渦結構。
捕集元件可以連續(xù)或周期地再生，其中在柴油機排氣管內既可以通過在250℃以上的溫度下通過氮氧化物(NO2)，也可以在溫度為500℃以上時用空氣或氧氣(O2)和/或通過噴入添加劑(例如鈰Cer)通過炭黑的氧化進行再生。
借助于NO2，例如通過按的連續(xù)再生捕集器(CRT)的機理的炭黑氧化反應要求，在排氣管內的捕集元件的前面安裝一氧化催化器，它使NO足夠數量地氧化成NO2。試驗表明，作為化學計算的要求應該在捕集元件內輸入兩倍，尤其是1.2倍(相當于約2.4Mol)的NO2，以使炭黑完全氧化。但是反應物的數量比還主要與流體的混合有關，因此根據捕集元件結構的不同也應該采用不同的數量比。
在不同的實施形式時捕集元件在裝入例如汽車排氣管時還可以有許多希望的輔助效應按照一種實施形式捕集元件除分離顆粒外還有使廢氣和其它流體混和的任務，例如柴油機廢氣與氨氣或尿素溶液混合，以例如在應用SCR(可選擇的催化還原)方法時產生還原反應。為此捕集元件與至少一種添加劑輸入裝置結合使用。
通過捕集元件優(yōu)良的結構設計還優(yōu)化了流過的流體的流動分布，例如用于隨后輸入還原催化器。按照一種實施形式采用與一連接在前面的添加劑輸入裝置組合的捕集元件。
按照一種實施形式采用與至少一個催化器組合的捕集元件。氧化催化器、帶有前置或后置加熱盤的加熱催化器、水解催化器和/或還原催化器特別適合于作為這種催化器和/或前置催化器。作為氧化催化器也采用那種將NOx(亞硝氣體)氧化成二氧化氮(NO2)，還有將碳氫化合物和一氧化碳氧化成二氧化碳的氧化催化器，催化器是管狀或圓錐狀的。
捕集元件與至少一個催化器和一個渦流增壓器(Turbolader)的組合或捕集元件與一個渦流增壓器的組合是有利的。其中連接在渦流增壓器后面的捕集元件可以安裝在發(fā)動機附近或底盤位置上。
也采用捕集器與前置或后置炭黑過濾器的組合，其中后置炭黑過濾器可以比普通炭黑過濾器小得多，因為它只應該提供附加的防護以消除顆粒的排放。例如100kw的柴油機0.5至1m2大小的過濾器就足夠了，相反不用捕集元件的話每100kw需要約4m2大小的過濾器。
下面這些例子表示，捕集元件與催化元件、渦流增壓器、炭黑過濾器和添加劑輸入裝置沿汽車排氣管鋪設的許多可能的組合的布局。
A)氧化催化器—渦流增壓器—捕集元件，其中捕集元件可以安裝在發(fā)動機附近或底盤位置上；B)前置催化器—捕集元件—渦流增壓器；C)氧化催化器—渦流增壓器—氧化催化器—捕集元件；D)加熱催化器—捕集元件1—捕集元件2(其中捕集元件1和2可以是相同的或不同的)；E)捕集元件1—排氣管的錐形開口—捕集元件2；F)添加劑輸入裝置—捕集元件—水解催化器—還原催化器；G)前置催化器—氧化催化器—添加劑輸入裝置—(可能的炭黑過濾器)—捕集元件例如圓錐形的，在某些情況下帶有水解涂層—(可能的炭黑過濾器)—(可能是圓錐形以提高管子橫截面的)還原催化器。
根據實施形式的不同捕集元件可以具有不同的涂層，它們分別具有確定的功能。例如捕集元件除存儲、混合、流動分布功能外還可以具有作為水解催化器的功能。
下面借助于優(yōu)選的結構方案對本發(fā)明作較詳細的說明。


圖1示意表示一內燃機的排氣裝置。
圖2表示一按本發(fā)明的捕集元件的實施形式的一小部分。
圖3表示一按本發(fā)明的捕集元件的另一種實施形式的一小部分。
圖1中表示一臺內燃機1，特別是柴油機，其廢氣引入一排氣管2內。排氣管具有至少一個氧化催化器3，它前面還可以連接一個未畫出的設置在非?？拷隹谔幍那爸么呋鳌４送庠谶@個區(qū)域內還可以存在一個同樣未畫出的渦流增壓器。在排氣管內后面接著有一個用于添加劑。特別是尿素的輸入裝置4。在這個輸入裝置的下游設有一個按本發(fā)明的捕集元件，它后面又連接一個SCR-催化器。
圖2表示按本發(fā)明的捕集元件的一個實施例的一小部分。它由形成波紋結構(strukturiert)的板層11和光滑的板層12構成，其中產生可暢通無阻的流通路徑13，但是它們通過形成波紋結構的板層11的特殊結構具有轉向部位15、16。這些轉向部位使廢氣產生渦流，使顆粒在捕集元件內停留較長時間，并可以與廢氣的其它成分容易發(fā)生反應。根據轉向部位15、16確切的結構的不同廢氣還有顆粒甩向通過板層11、12構成的流通路徑13的壁，顆粒便附著在那里。轉向部位15、16具有例如20°至90°的張開角或偏(入射)角。相對于流動方向的偏角越大，所達到的轉向和渦流便越大，但是造成按指數增加的壓力損失。角度的最佳值在40°至50°之間，在這種角度時在壓力損失可以承受的情況下產生很好的渦流。轉向部位15、16最好與形成波紋結構的板層11上的開口17相組合，由此形成強烈的旋渦，并達到在相鄰流通路徑13內的氣流的完全混合。
圖3中表示另一個實施例，同樣僅僅作為一捕集元件的一小部分。捕集元件由一形成波紋結構的板層21和一帶缺口28的光滑板層22構成，并形成可自由流通的流通路徑23。葉片狀的轉向部位25、26連同曲線形的開口27造成和上面所述的相同的效果。光滑板層22上的缺口28有利于渦流的形成，和在捕集元件內廢氣的完全混合。
已經確定，顆粒的沉積特別是發(fā)生在捕集元件的入口和出口表面區(qū)域內。因此按照一種實施形式采用作為盤狀元件的順序連接的窄的蜂窩體形式的捕集元件。這里在每個盤的入口和出口區(qū)分別形成轉向和/或渦流部位。其中優(yōu)先采用最多10個盤的捕集元件。
本發(fā)明推薦一種用于炭黑顆粒的捕集系統(tǒng)，它可以代替普通的過濾系統(tǒng)，并相對于這種系統(tǒng)帶來突出的優(yōu)點一方面它不會堵塞，并且由于這種系統(tǒng)產生的壓降不象在過濾系統(tǒng)時那樣隨著運行時間的加長而迅速增大，因為顆粒附著在氣流之外，另一方面相對而言它造成較小的壓力損失，因為它是一個開式的系統(tǒng)。
附圖標記表1 內燃機 2 排氣管3 氧化催化器 4 添加劑輸入裝置5 捕集元件 6 SCR-催化器11 形成波紋結構的板層 12 光滑板層13 流通路徑 15 轉向部位16 轉向部位 17 開口21 形成波紋結構的板層 22 光滑板層23 流通路徑 25 轉向部位26 轉向部位 27 開口28 缺口
權利要求
1.從內燃機(1)特別是柴油機的廢氣中排除炭黑顆粒的方法，其中廢氣被引導通過一對于廢氣可自由流通的，但設有許多轉向部位(15，16；25，26)和/或渦流和平穩(wěn)區(qū)的捕集元件(5)，在捕集元件內至少一部分顆粒停留或環(huán)繞渦流這樣長的時間，使得存在足夠大的概率，使顆粒與廢氣中存在的氮氧化物發(fā)生反應，直至完全排除捕獲的顆粒。
2.按權利要求1所述的方法，其中捕集元件(5)同時是一個用來使還原劑，特別是尿素均勻分布的混合元件，并在捕集元件之前輸入還原劑(4)。
3.按權利要求1或2所述的方法，其中顆粒通過廢氣的轉向部位(15，16；25，26)甩向捕集元件(5)的壁(11，12，21，22)，使顆粒附著在那里和/或可以與其它顆粒附聚。
4.按權利要求3所述的方法，其中用一個轉向部位(15，16；25，26)每次使還包含在廢氣中的顆粒的2％至15％甩向捕集元件(5)的壁(11，12，21，22)，其中最好準備這么多轉向部位(15，16；25，26)，使得全數顆粒甩向壁(11，12，21，22)。
5.用來捕集流過捕集元件(5)的廢氣中的炭黑顆粒的捕集元件(5)，其中捕集元件具有對于廢氣可自由流通的流通路徑(13；23)，但是流通路徑(13，23)設計成這樣，使得產生轉向部位(15，16；25，26)或渦流區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。
6.按權利要求5所述的捕集元件，其中捕集元件(5)包括至少一個由板層(11，12；21，22)組成的金屬蜂窩體，其中板層(11，12；21，22)以公知的方法至少局部形成這樣的結構構造，使得產生對于廢氣可自由流通的、具有障礙或轉向部位(15，16；25，26)的流通路徑。
7.按權利要求6所述的捕集元件，其中障礙或轉向部位(15，16；25，26)設計成這樣，使得每次還包含在廢氣中的顆粒的2％至15％甩向捕集元件(5)的壁(11，12，21，22)。
8.按權利要求5至7之任一項所述的捕集元件，其中捕集元件(5)的流通路徑(13；23)的壁(11，12；21，22)的至少一部分是涂覆的，特別是用由氧化鋁組成的Washcoat涂覆。
9.按權利要求5至8之任一項所述的捕集元件，其中捕集元件(5)是錐形的。
10.至少一個按權利要求5至9之任一項所述的捕集元件(5)在內燃機(1)特別是柴油機的排氣管(2)中的應用。
11.按權利要求5至9之任一項所述的捕集元件(5)與至少一個前置或后置添加劑輸入裝置(4)組合應用。
12.按權利要求5至9之任一項所述的捕集元件(5)與至少一個催化器(3，6)組合應用。
13.按權利要求5至9之任一項所述的捕集元件(5)與至少一個前置或后置的氧化催化器(3)組合應用，其中至少一種亞硝氣體(NOx)氧化成二氧化氮(NO2)。
14.按權利要求5至9之任一項所述的捕集元件(5)與至少一個前置或后置的渦流增壓器組合應用，其中捕集元件安裝在發(fā)動機附近和/或底盤位置上。
15.按權利要求5至9之任一項所述的捕集元件(5)與一前置的，前面又連接一氧化催化器的渦流增壓器組合應用在柴油機排氣管內。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從內燃機(1)特別是柴油機的廢氣中排除炭黑顆粒的方法。根據所述方法，廢氣被引導經過一捕集元件(5)，廢氣可自由流過捕集元件，但是它設有許多轉向部位和/或渦流和平穩(wěn)區(qū)。至少一部分顆粒停留或環(huán)繞渦流在所述捕集元件內，直至那里具有足夠大的概率，以使它和亞硝氣體發(fā)生反應，直至絕大部分被捕獲的顆粒被排除為止。這種類型的捕集元件具有這樣的流通路徑(13；23)，廢氣可以自由地流過這個路徑，但是這種流通路徑(13；23)具有轉向部位(15，16；25，26)或渦流區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。
文檔編號F01N13/02GK1429130SQ01809527
公開日2003年7月9日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權日2000年4月25日
發(fā)明者J·霍格森, R·布呂克, M·賴齊格 申請人:排放技術有限公司