專利名稱：廢氣后處理裝置的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及根據(jù)獨立權(quán)利要求的類型的用于廢氣后處理的裝置。
由DE 3538107 A1已公知了一種用于廢氣凈化的過濾器，其中材料沿一個通流線具有不同的孔隙率。
由DE 3529684還公知了蜂窩陶瓷過濾器主體。它基于壁流式過濾器的原理。由廢氣攜帶的微粒在邊緣上由軸向入流，在封閉的通道的端部沉積在陶瓷載體(Keramikmatrix)上。負載的廢氣在此根據(jù)通道內(nèi)部氣流壓力關(guān)系及陶瓷基底上的過濾積塊的厚度通過陶瓷基底。在此情況下，該基底可設(shè)有催化層，由此，即使在較低溫度下也可實現(xiàn)碳黑氧化。在一定的持續(xù)工作時間后，由于濾出物的積聚，穿流這種過濾器時的壓力損失顯著上升。此時，通過與廢氣中剩余氧的氧化作用或通過添加氧化劑如臭氧或二氧化氮使沉積在陶瓷基底上的碳黑再生。在此情況下，位于過濾器上的碳黑可發(fā)生局部不同的燒盡。這里關(guān)鍵的主要是這樣的工作狀態(tài)，即其中在后部的即背離入流區(qū)域的區(qū)域上積聚了一定量的殘余碳黑。由于較高的過濾積塊密度，過濾積塊及基底上的總流動阻力大于前部區(qū)域的。于是氣流優(yōu)先通過前部的過濾器區(qū)域。在后部的過濾器區(qū)域通過碳黑的化學(xué)反應(yīng)釋放出的熱量則不再被充分地導(dǎo)出。尤其在后部的過濾器區(qū)域中，產(chǎn)生了與高溫相關(guān)的局部過熱。在陶瓷載體中由此可產(chǎn)生強的溫度梯度，它導(dǎo)致熱應(yīng)力，直至導(dǎo)致基底的破裂。另一副作用是壁流式過濾器上有效催化劑層的熱損壞，由此使其功能受到明顯的損害。
本發(fā)明的優(yōu)點相比之下，根據(jù)本發(fā)明的具有獨立權(quán)利要求的特征的裝置具有其優(yōu)點，即提供了一種過濾器或一種催化器，它保證了在再生期間產(chǎn)生對氣流的導(dǎo)向，這降低了形成具有小穿流量的區(qū)域的及由此形成高溫的危險。如果該裝置構(gòu)成微粒過濾器，則在過濾器負載期間滲透性的初始差別將通過過濾積塊的增長被部分地補償，該增長在穿流量較大的區(qū)域中被增強。此外，可通過限界裝置的滲透性的有目的的變化以有利方式達到不同的目標(biāo)方向，它導(dǎo)致流動阻力的不同梯度。
通過從屬權(quán)利要求中所述的措施可得到獨立權(quán)利要求中給出的裝置的有利的進一步構(gòu)型及改進方案。
特別有利的是，限界裝置的滲透性或通流區(qū)域的流動阻力通過對廢氣穿流方向上的限界裝置的厚度的相應(yīng)選擇來調(diào)節(jié)。它的變化能以簡單的方式不僅分布在流入氣體的方向上，而且還分布在徑向上；在后一情況下，不同的通流通道根據(jù)其在基底上的位置具有不同的滲透性或不同的流動阻力。
尤其有利的是，滲透性在徑向上變化，以便通過一個過濾器或催化器的橫截面實現(xiàn)更好的氣流分布或?qū)崿F(xiàn)催化器和/或過濾器容積的更好利用。該措施以有利方式及成本相對低地防止了過濾器外部區(qū)域即過濾器邊緣區(qū)域的可能燒壞并更有效地利用了容積。由此也可以使用成本合適的過濾器基底，這些過濾器基底可具有相對小的耐熱強度(例如堇青石與碳化硅相比)。
其它的優(yōu)點可由從屬權(quán)利要求及說明書中所述的特征中得到。
附圖在附圖中表示了本發(fā)明的實施例，在以下的說明中對它們進行詳細的描述。
附圖為

圖1表示一個具有沿流動方向流動阻力下降的通流區(qū)域的過濾器，
圖2表示具有沿廢氣的流動方向增加的流動阻力的一個實施例，圖3表示由具有徑向可變的流動阻力的蜂窩陶瓷過濾器，圖4表示一個存儲式催化器的橫截面?zhèn)纫晥D，及圖5表示本發(fā)明的另一實施例。
實施例說明圖1中表示一個由碳化硅-陶瓷或堇青石組成的可透流的主體的部分區(qū)域10。標(biāo)有標(biāo)號1的部分表示流入的廢氣，該廢氣流入到一個示范性表示的、構(gòu)成過濾室的通流區(qū)域4。過濾室4在入流口7對面的端部上以一個構(gòu)成封閉壁的封板9為限界。在側(cè)面上，構(gòu)成方形橫截面的通流區(qū)域在所有4個側(cè)面上各以一個構(gòu)成過濾器壁2的限流裝置構(gòu)成邊界。過濾器壁2在向著過濾室4的一側(cè)上各覆蓋有一個陶瓷層12，該陶瓷層的厚度從入流口7向著封板區(qū)域9減小。過濾器壁2可透過廢氣(有滲透性)，由此，廢氣在過濾器壁2的另一側(cè)可離開區(qū)段地表示的過濾器體(參見設(shè)有標(biāo)號5的箭頭，它們表示流出的廢氣)。在此，過濾室4的向著入流口7的區(qū)域是具有用于廢氣穿過過濾器壁的第一流動阻力的第一區(qū)域11，過濾室4的向著封板區(qū)域9的區(qū)域是具有其小于區(qū)域11的流動阻力的第二區(qū)域13。在此情況下，可由廢氣穿過的過濾器體由多個過濾室4組成，這些過濾室與所示的過濾室平行地布置，并直接地連接在圖1所示的區(qū)域之上及之下。
廢氣以公知的方式流過過濾器體，其中在過濾器壁上可沉積下碳黑，而廢氣穿過可滲透的過濾器壁2并在限制相應(yīng)通流區(qū)域的過濾器壁的另一側(cè)上離開可穿流的過濾器體。通過附加層12改善過濾器的穿流，其方式是流動阻力沿廢氣流動方向減小。由此使過濾器的在封板區(qū)域9附近的后部區(qū)域可更好地使廢氣穿流。這主要在微粒過濾器的再生時起作用，因為在后部區(qū)域穿流差的情況下則不能保證熱量排出，由此產(chǎn)生熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力可導(dǎo)致過濾器的損壞。在此，過濾器壁2上的層12被施加在構(gòu)成過濾器壁2的陶瓷基底上。因此，總的流動阻力由基底的阻力及附加施加的層12的流動阻力組成。層厚度的變化可通過相應(yīng)選擇的設(shè)層過程來調(diào)節(jié)。
在一個變換的實施形式中，層12可為一個沖洗涂層(Washcoat)，它附加地包含起催化作用的組分。該在載體物質(zhì)上的具有氧化鋁微粒懸浮物的沖洗涂層可明顯地增大有效表面積，例如增大不超過三個數(shù)量級。在該設(shè)層中可包括貴金屬，如鉑及鈀或這些組分的混合物。在該設(shè)層中也可包括氧化鈰(Ceroxid)，其中氧化鈰有助于氧的積存。在一個簡化的實施形式中，該沖洗涂層或?qū)?2僅被施加在通流區(qū)域的入流口附近的區(qū)域中或在過濾室4中，而例如陶瓷單體的最后幾厘米未被設(shè)層。除用于沖洗涂層設(shè)層的相應(yīng)小的浸入深度的浸漬技術(shù)外，也可用預(yù)置放掩模技術(shù)來處理。在另一變換的實施形式中，以減小在封板區(qū)域中的過濾器壁2的壁材料厚度來取代層12的施加。這也減小了相對入流口附近區(qū)域的壁的流動阻力，這就對流量產(chǎn)生了如剛才所述的積極影響。除在蜂窩陶瓷過濾器上外，根據(jù)本發(fā)明的裝置或根據(jù)本發(fā)明的層施加或壁厚減小的方法也可在燒結(jié)金屬過濾器上、在氧化催化器上或在NOx存儲式催化器上使用。在另一變換的實施形式中，既不施加層也不減小壁厚。在過濾器壁中包含著一些微孔，這些微孔的表面密度或其體積密度或其平均值在前部的過濾器區(qū)域中以可控制的方式通過加入附加材料可稍微地減小。在此情況下，該材料必需承受過濾器的工作條件，且因此應(yīng)由合適的陶瓷材料或先質(zhì)(Precursor)-材料組成，然后通過熱處理或焙燒被固定。另一可能性在于，由陶瓷或一種先質(zhì)材料的氣相微粒這樣地沉積在微粒過濾器的表面上，即這些微粒優(yōu)先沉積在過濾器的前部區(qū)域中。然后通過相應(yīng)的熱處理或焙燒處理來實現(xiàn)該層在基底上的固定。
圖2表示一個變換的、蜂窩陶瓷過濾器的部分區(qū)域，其中，一個施加在過濾器壁2上的層14具有一個厚度，該厚度在廢氣的流動方向上增加。類似于圖1中所示的裝置，在此形成了具有不同的流動阻力的區(qū)域15及16，其中，在本例中用于廢氣的流動阻力向著封板區(qū)域9增大。
這種形式的梯度層的目的在于，避免在過濾器的后部區(qū)域中積聚碳黑。由于在過濾器入口處的較小的流動阻力，大部分的氣流在該區(qū)域中流動，以致在該位置上沉積了最大量的碳黑。但在過濾器的前部區(qū)域中由于運用CRT效應(yīng)(“CRT”＝“continuously regenerating trap”-“連續(xù)再生捕集器”)，再生是沒有問題的。在前部過濾器區(qū)域中，碳黑通常通過二氧化氮被氧化且首先在熱氧化時燃燒，由此可與良好穿流相關(guān)地保證反應(yīng)熱量的對流排出。
圖3以示意圖表示一個蜂窩陶瓷過濾器的橫截面17。在橫截面17的上方以曲線圖表示流動阻力與半徑r的關(guān)系。過濾器壁2(參見圖1及2)的特性被這樣選擇，以致得到在曲線圖中畫出的、各個彼此平行布置的過濾器室中的流動阻力的徑向分布。在此構(gòu)成圓柱形的過濾器體具有半徑R0。流動阻力在過濾器體中心處最大并向著邊緣下降。在此可以區(qū)分具有不同的流動阻力的兩個區(qū)域20與21。第一區(qū)域20位于過濾器體中心處并從該圓柱形的過濾器體的對稱軸一直到半徑R處。第二區(qū)域21從半徑R一直到過濾器體的外邊緣。在此情況下，通過過濾器壁的相應(yīng)構(gòu)型，與區(qū)域21中的流動阻力相比，區(qū)域20中的流動阻力被提高。
通過徑向上流動阻力的變化應(yīng)有利于過濾器的均勻穿流。通常在過濾器上出現(xiàn)的問題是，僅在過濾器的中心區(qū)域流過氣流。在柴油機微粒過濾器中，這導(dǎo)致在過濾器的外區(qū)域中沉積大量的碳黑，當(dāng)該區(qū)域不能很好穿流時，這在再生時可導(dǎo)致溫度負荷的增高。通過在過濾器的中心區(qū)域即區(qū)域20中流動阻力的增高，氣流更多地轉(zhuǎn)移到過濾器的外部區(qū)域中。并且通過各個過濾器通道的流動阻力的徑向梯度，即不同的通流通道中不同設(shè)置的滲透性，可實現(xiàn)過濾器穿流的改善。
在過濾器或催化器的中心處較大流動阻力的產(chǎn)生并不限于柴油機微粒過濾器上，而且在氧化催化器或例如NOx存儲式催化器上也可導(dǎo)致橫截面上的更好的氣流分布及催化器容積的更好利用。這將借助圖4及5進行詳細說明。
圖4表示一個存儲式催化器30的橫截面圖，其中為了簡化起見，僅表示出對稱軸39一側(cè)的半個存儲式催化器。廢氣導(dǎo)管31通過一個擴展器35通入存儲式催化器的一個設(shè)有彼此平行延伸的、構(gòu)成通流通道44的通流區(qū)域的區(qū)域，這些通流區(qū)域從向著擴展器的入流口開始一直延伸到連接在下游的收縮器37，該收縮器再連接到繼續(xù)導(dǎo)向的廢氣導(dǎo)管32。通流通道可具有例如垂直于廢氣流的方形的、圓形的或圓環(huán)形的橫截面；在后一情況中，該示意圖可這樣理解，即對于每個通流通道總是僅畫出側(cè)向橫截面的一半。這些通流通道44以構(gòu)成為帶有催化設(shè)層的通道壁46的限界裝置構(gòu)成邊界，與圖1至3中所示的結(jié)構(gòu)不同，這些通道壁被構(gòu)成為不可透過廢氣的。帶有標(biāo)號48的線表示一個流動廢氣的流動線，標(biāo)號50表示渦流線。
通流通道的垂直于從廢氣導(dǎo)管31到廢氣導(dǎo)管32的廢氣主流動方向的橫截面在催化器內(nèi)部與在催化器邊緣區(qū)域一樣具有相同大小。但在一定條件下，由于擴展器區(qū)域中通流空間的擴大，形成了位于邊緣的廢氣渦流，流過催化器內(nèi)部通流通道的廢氣流比位于催化器邊緣區(qū)域的、渦流線50后部的廢氣流強。
圖5表示一個與圖4中結(jié)構(gòu)相比改變了的催化器裝置。相同或類似的組成部分設(shè)有與圖4中的相同的標(biāo)號且不再進行描述。通道壁46由層53覆蓋，這些層的厚度從對稱軸線39附近的催化器內(nèi)部出發(fā)向著邊緣區(qū)域減小。這些層的材料與這些通道壁的材料相同，催化活性層不是設(shè)在通道壁46上，而是設(shè)置在施加于通道壁的層53上。流通線55象征著廢氣的氣流分布。在該催化器的邊緣區(qū)域中用虛線表示低流動阻力的第一區(qū)域57，在該催化器的中間區(qū)域中用虛線表示高流動阻力的第二區(qū)域58。設(shè)層借助掩模技術(shù)來產(chǎn)生，其中，在一個浸漬槽中施加層以前，尤其是催化器基體在端面上的邊緣區(qū)域被覆蓋住。在簡化的情況下，催化器內(nèi)部區(qū)域中的一些通道壁被設(shè)層，而在催化器邊緣區(qū)域中的通道壁保持不被設(shè)層。該設(shè)層由沖洗涂層-覆層組成。
在催化器中心區(qū)域中比在催化器邊緣區(qū)域中厚的層53，或在催化器中心區(qū)域中的層53本身(與邊緣區(qū)域中不設(shè)層的區(qū)域相比較)增加了催化器中心區(qū)域中——與邊緣區(qū)域相比——的流動阻力，以致與根據(jù)圖4的結(jié)構(gòu)相比保證了所有通流通道更均勻的穿流(區(qū)域58中的流動阻力高于區(qū)域57中的流動阻力)。通過由中心向邊緣降低的流動阻力，促進了廢氣在邊緣區(qū)域中——與中心區(qū)域相比——的流動，以致由不設(shè)層53時形成的廢氣在各通道中的不同穿流趨向平衡。
催化器也可變換地構(gòu)成為三元催化器、氧化催化器或用于選擇性催化還原的催化器。在一個變型實施例中，催化器基體就已被這樣加工基體內(nèi)部區(qū)域中的通流通道具有比邊緣區(qū)域中更大的流動阻力。該基體隨后僅需要均勻地用催化活性物質(zhì)設(shè)層，如果基體本身不包含催化活性材料的話。在另一變換的實施形式中，這些層53也已包含催化活性材料。除了沖洗涂層外，任何其它可能的、通過它可實現(xiàn)在通流通道中均勻材料施加的涂層形式均適合。該催化器30在一個變換的實施形式中也可構(gòu)成不對稱的，因此不具有對稱線39。
權(quán)利要求
1.廢氣后處理裝置，具有一個可由內(nèi)燃機的廢氣流過的、帶有不同流動阻力的區(qū)域的主體，其特征在于該主體具有彼此隔開的、各以限界裝置(2，12，14，46)構(gòu)成邊界的通流區(qū)域(4，44)，這些通流區(qū)域各具有至少一個可加載廢氣的入流口(7)；及在各區(qū)域(11，13；15，16；20，21；57，58)中通過不同地構(gòu)造的限界裝置提供不同的流動阻力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的廢氣后處理裝置，其特征在于限界裝置是可滲透廢氣的，而包含在廢氣中的碳黑微?？杀粩r截。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的廢氣后處理裝置，其特征在于限界裝置的滲透性是變化的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的廢氣后處理裝置，其特征在于限界裝置的不同滲透性至少部分地通過對限界裝置的厚度的相應(yīng)選擇來引起。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于限界裝置各具有一個壁及一個至少部分地覆蓋該壁的層(12，14，53)，其中該層的厚度是變化的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4的廢氣后處理裝置，其特征在于至少一個限界裝置在該限界裝置的向著入流口的區(qū)域(11；15)中的滲透性不同于該限界裝置在背離入流口的區(qū)域(13；16)中的滲透性。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4或6的廢氣后處理裝置，其特征在于至少兩個限界裝置的滲透性彼此不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4、6或7之一的廢氣后處理裝置，其特征在于這些限界裝置至少部分地由多孔材料組成，這些限界裝置的不同滲透性至少部分地通過在這些區(qū)域中相應(yīng)選擇的微孔密度和/或微孔大小來引起。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的廢氣后處理裝置，其特征在于至少兩個限界裝置的滲透性在入流口附近的和/或遠離入流口的區(qū)域中彼此不同。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于通流區(qū)域具有與廢氣流通方向垂直的橫截面，這些限界裝置以這種方式不同地構(gòu)成，即在這些區(qū)域中橫截面的面積彼此不同。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于在不同流動阻力的區(qū)域之間形成一個連續(xù)的過渡。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于可被穿流的主體構(gòu)成一個氧化催化器或一個用于廢氣除氮的存儲式催化器(30)。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于可被穿流的主體構(gòu)成一個微粒過濾器。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于這些限界裝置由陶瓷壁構(gòu)成。
15.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于這些限界裝置由金屬編織物構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的廢氣后處理裝置，其特征在于過濾器是一個燒結(jié)金屬過濾器。
17.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的廢氣后處理裝置，其特征在于通流區(qū)域彼此彼此平行地布置，以致它們的入流口位于該主體的一側(cè)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及廢氣后處理裝置，它具有一個可由內(nèi)燃機的廢氣流過的、帶有不同通流阻力的區(qū)域的主體，其中主體具有彼此隔開的、各以限界裝置(2，12，14)構(gòu)成邊界的通流區(qū)域(4)，這些通流區(qū)域各具有至少一個可加載廢氣的入流口(7)；及在各區(qū)域(11，13；15，16；20，21；57，58)中通過不同地構(gòu)造的限界裝置提供不同的流動阻力。
文檔編號F01N3/035GK1688799SQ03824305
公開日2005年10月26日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者斯特凡·維爾斯托恩, 安德烈亞斯·根斯勒, 諾貝特·布羅伊爾 申請人:羅伯特·博世有限公司