所述旁路顆粒分離器OPE是金屬和/或陶瓷開放型顆粒分離器(APE)。所述完全過(guò)濾器是典型的蜂窩型過(guò)濾器，其中所述流體被強(qiáng)制穿過(guò)濾壁。該過(guò)濾器材料由堇青石、碳化硅或鈦酸鋁等陶瓷材料或它們的混合物組成。所述完全過(guò)濾器也可以是由陶瓷泡沫、纖維(金屬、陶瓷、金屬氧化物或它們的混合物)、燒結(jié)金屬等有效顆粒過(guò)濾材料制成的深度過(guò)濾器。當(dāng)PPE是開放型顆粒分離器時(shí)，在其旁邊還有另外一個(gè)開放型顆粒分離器作為0ΡΕ，其相對(duì)PM效率和背壓比所述PPE的低。
[0062]所述旁路顆粒分離器OPE通常是單位體積背壓顯著低于所述主顆粒分離器的顆粒分離器。這尤其可以通過(guò)OPE為開放型顆粒分離器，而PPE為例如蜂窩型完全過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)。開放型顆粒分離器具有通過(guò)蜂窩的開放型通道，用于即使在PPE開始堵塞的情況下也可保持該結(jié)構(gòu)暢通。在所述設(shè)備中流量控制是完全被動(dòng)的。由于OPE的相對(duì)背壓比PPE的低，因此OPE的體積要非常小，以確保旁路結(jié)構(gòu)運(yùn)行，并確保即使PPE完全堵塞，背壓也不會(huì)變得過(guò)高。由于OPE很小，并且正常情況下只有小部分流體流過(guò)，所以整個(gè)系統(tǒng)的PM效率保持在較高的整體水平上。
[0063]本發(fā)明不同于其他具有旁路的系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中用閥門調(diào)節(jié)流量。那些包括空隙旁路通道或管道的結(jié)構(gòu)也同樣與本發(fā)明不同，因?yàn)榕月吠ǖ乐荚诰哂惺占?表面、催化表面、顆粒分離器/催化劑蜂窩。當(dāng)然，最簡(jiǎn)單的、具備旁路的結(jié)構(gòu)會(huì)是這樣的，旁路包括空隙管道或環(huán)形通道，但即使如此，也要通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)流量分配的大小，如本發(fā)明提出的那樣，來(lái)調(diào)整相對(duì)背壓，使得背壓保持在限值內(nèi)，并不會(huì)阻止繼續(xù)駕駛。
[0064]所述開放型顆粒分離器(APE)是指具有開放型通道的結(jié)構(gòu)，而不是完全過(guò)濾器的密集型孔隙或纖維圖案，其中，顆粒的流壁粘附性已經(jīng)通過(guò)使用曲折的、間或收縮和擴(kuò)大的通道段來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)，所述通道段具有通過(guò)該流壁的穿通路徑，有助于相鄰?fù)ǖ乐g壓力差的均衡。這些條件促進(jìn)了顆粒對(duì)壁的粘附性，所述壁用作收集表面，并優(yōu)選由金屬或陶瓷濾網(wǎng)、膜或纖維墊(或其組合)制成。典型地，收集效率為40-80%，明顯低于蜂窩型完全過(guò)濾器的收集效率。
[0065]圖3描述了本發(fā)明的一個(gè)組件，旁路設(shè)置在所述主蜂窩的中部。這樣，收集能力更強(qiáng)的主蜂窩位于外部，由此更容易冷卻，熱量更容易向外傳播。在技術(shù)意義上說(shuō)，在中部制造小型稀疏蜂窩比制造在外圍具有相應(yīng)表面的蜂窩更容易。
[0066]在本發(fā)明的一個(gè)目的中，所述主顆粒分離器PPE位于所述結(jié)構(gòu)中部，所述金屬旁路顆粒分離器OPE設(shè)置在所述主顆粒分離器PPE結(jié)構(gòu)的周圍并平行于流動(dòng)方向。根據(jù)本發(fā)明，也可以設(shè)置兩個(gè)以上平行分離器(圖4)。在這種情況下，所述蜂窩的密度、分離效率和/或相對(duì)背壓會(huì)階梯式減小，從而所述流的大部分在空隙狀態(tài)下首先通過(guò)最密集的分離器，但是，隨著比較密集型分離器的填滿，越來(lái)越多的流會(huì)轉(zhuǎn)向下一個(gè)比較稀疏型分離器，最終流入最稀疏的分離器。同時(shí)，相對(duì)體積和收集區(qū)域會(huì)隨著分離效率的降低而減小這種情況也較常見。這類設(shè)備可以由例如這樣的結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)中，所述主顆粒分離器包括完全過(guò)濾器，所述第一旁路顆粒分離器包括密集型APE，所述第二旁路顆粒分離器包括稀疏型APE或流通式蜂窩或在任何情況下都保持開放的空隙旁路通道。
[0067]所述主通道和/或旁路通道也可以依次設(shè)置具有不同特性的分離器(圖5)。這也可以實(shí)現(xiàn)背壓和流量分布的更精確調(diào)節(jié)。例如，上前方可以是稀疏型蜂窩，而比較密集型蜂窩設(shè)在其下游側(cè)，從而可以獲得適當(dāng)?shù)谋硥?，并在密集型下游段收集更多的顆粒。因此，所述顆粒不會(huì)從正面填滿所述分離器，而是從背面填滿所述分離器，由此，當(dāng)上游段開始堵塞時(shí)，正面仍有空間用于收集和存儲(chǔ)顆粒。如果比較密集型蜂窩位于該結(jié)構(gòu)的上游，那么在該蜂窩的上游段會(huì)收集到更多的顆粒，由此，通過(guò)使用供應(yīng)到正面的外部能量(基于電的加熱方法或者基于燃料噴射的加熱方法)，可以很容易地再生。接下來(lái)可以設(shè)置APE和完全過(guò)濾器，作為例如PPE。連續(xù)結(jié)構(gòu)也能在上游段使用催化活性較強(qiáng)的涂層，這可在下游的密集型蜂窩、尤其是特定的通道中，產(chǎn)生更多的NO2，或者上游催化劑是與主動(dòng)催化相關(guān)的有效的HC氧化劑。因此，上游分離器也可以是流通型蜂窩。該結(jié)構(gòu)可以用來(lái)代替上游凈化催化劑。
[0068]在本發(fā)明的一個(gè)方案中，在蜂窩的完全靜態(tài)段的調(diào)節(jié)下，所述流通過(guò)蜂窩輸送。即使不進(jìn)行外部流量調(diào)整，也會(huì)進(jìn)行再生。如果蜂窩處于堵塞過(guò)程，就會(huì)有較少的貫通流，這使得其更容易加熱。除了靜態(tài)條件，也可以使用流量或再生控制，如在密集型蜂窩中進(jìn)行電加熱。外部加熱尤其適合該系統(tǒng)的正常加熱，其通過(guò)燃料富集來(lái)進(jìn)行，更難在完全堵塞的蜂窩中傳遞。額外能量可以使整個(gè)系統(tǒng)、整體主顆粒分離器以及部分PPE，一次被加熱，或使主顆粒分離器中的含碳物質(zhì)被點(diǎn)燃。所述顆粒主要由碳和碳?xì)浠衔锝M成，其點(diǎn)燃可通過(guò)額外能量或火花來(lái)實(shí)現(xiàn)。碳?xì)浠衔镌跍囟壬仙?50-300°C以上時(shí)，可以局部點(diǎn)燃，并且如果溫度局部升高到400-600°C以上，同樣適用于碳，這取決于碳煙結(jié)構(gòu)以及碳燃燒中可能存在的催化活性。同時(shí)存在的高顯2含量也可以促進(jìn)點(diǎn)燃。當(dāng)然，再生也可以基于采用NO2的完全或部分被動(dòng)再生。
[0069]在本發(fā)明的一個(gè)目的中，與不含有顆粒的凈化設(shè)備PUL相比，所述凈化設(shè)備PUL的尺寸被設(shè)置以使壓力損失可增大5-50倍，優(yōu)選為10-20倍，并且所述流整體經(jīng)由旁路顆粒分離器OPE向前流動(dòng)。雖然凈化設(shè)備的目的是保持整體背壓盡可能低，但根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備是通過(guò)相對(duì)背壓來(lái)設(shè)置每段尺寸的。
[0070]流經(jīng)蜂窩的流速是這樣設(shè)計(jì)的，在正常條件下主流經(jīng)過(guò)更有效、更密集型蜂窩，因此該蜂窩體積必須比稀疏型蜂窩大很多。雖然稀疏型蜂窩較小，但背壓的設(shè)計(jì)考慮到了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和駕駛，即使所述流的全部或幾乎全部必須流經(jīng)所述蜂窩。但是，如果主蜂窩堵塞了，在正常尺寸設(shè)置中，背壓會(huì)是幾百毫巴。當(dāng)然，稀疏型小蜂窩沒(méi)有設(shè)置主要碳煙存儲(chǔ)容量，從而在所述流全部轉(zhuǎn)向所述旁路蜂窩的情況下，使PM轉(zhuǎn)換保持在相對(duì)較低的水平(30-50% )。旁路顆粒分離器也可以用于確保發(fā)動(dòng)機(jī)/設(shè)備不停地運(yùn)行，以及，只要有可能，用于進(jìn)行例如主動(dòng)再生。當(dāng)然，也可使用致動(dòng)器和閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，如基于背壓進(jìn)行，在這種情況下，系統(tǒng)不再是被動(dòng)的。根據(jù)本發(fā)明，在一個(gè)應(yīng)用中，雖然流量調(diào)節(jié)會(huì)是完全被動(dòng)的，但可使用主動(dòng)或被動(dòng)方法進(jìn)行PM的再生。
[0071]特殊方案可以是蜂窩尺寸彼此接近的情形。一種此類系統(tǒng)可以包括并排的完全過(guò)濾器(PM轉(zhuǎn)換率大于98% )和開放型顆粒分離器(PM轉(zhuǎn)換率為40-50%，具有該特殊尺寸設(shè)置)，由此，如果大部分所述流經(jīng)過(guò)所述完全過(guò)濾器，那么整體PM轉(zhuǎn)換率會(huì)較高(如80-90 % )，如果大部分所述流經(jīng)過(guò)所述開放型過(guò)濾器，那么整體PM轉(zhuǎn)換率就會(huì)較低(60-70% )0這就為系統(tǒng)再生或維護(hù)提供了時(shí)間和機(jī)會(huì)，無(wú)需中斷駕駛，無(wú)論什么時(shí)候，只要允許進(jìn)行維護(hù)就可以。當(dāng)大部分所述流經(jīng)過(guò)所述旁路過(guò)濾器時(shí)或者再生不能在野外進(jìn)行時(shí)，OBD(車載診斷)系統(tǒng)可能激活。通過(guò)這種方式，確保所述凈化設(shè)備可以進(jìn)行維護(hù)。
[0072]在實(shí)施例中應(yīng)用的一個(gè)開放型顆粒分離器是由波紋濾網(wǎng)構(gòu)成的，其中濾網(wǎng)的波紋偏離主流方向并且相鄰/疊加的濾網(wǎng)相對(duì)于主流方向具有相互不同的角度(圖7和8)。在部分過(guò)濾器中起作用的波紋，可選擇其高度(hi和h2)以達(dá)到設(shè)計(jì)、背壓和排放法規(guī)方面的目的(圖8)。各種濾網(wǎng)中的波紋高度可以相等或不等。所述高度可以在0.2-200_，優(yōu)選0.8-3mm的范圍內(nèi)變化。對(duì)角波紋的角度也可在-90°至+90°，優(yōu)選-60°至-20°和+20°至+60°的范圍內(nèi)變化。帶正負(fù)號(hào)的角度是指:相對(duì)于主流方向，方向相反的角度。實(shí)際的做法是使用一種具有對(duì)角波紋的濾網(wǎng)材料，并用這種材料制造成對(duì)濾網(wǎng)，其中一個(gè)濾網(wǎng)的內(nèi)側(cè)翻出，以使波峰在不同方向上延伸，并彼此支撐。這樣可以很好地使用一個(gè)相同的濾網(wǎng)制造APE。波紋的高寬比可以通過(guò)使用低而寬的波紋或高而窄的波紋而實(shí)現(xiàn)大范圍變化。這些具有對(duì)角波紋的濾網(wǎng)是將直濾網(wǎng)通過(guò)螺旋齒輪制成的，這樣形成的波紋成品在本發(fā)明中用作PPE或OPE。兩個(gè)對(duì)角波紋濾網(wǎng)之間也可以是無(wú)波紋濾網(wǎng)或滲透壁，從而減小通道大小，進(jìn)而增強(qiáng)物質(zhì)傳遞和收集能力。所述滲透壁之間也可以是非滲透箔或壁，用于包套元件，以防止元件之間相混。這可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng)再生調(diào)節(jié)。可以根據(jù)項(xiàng)目這樣優(yōu)化波紋高度:非常臟的項(xiàng)目對(duì)應(yīng)大波紋高度，而非常干凈的項(xiàng)目對(duì)應(yīng)小波紋高度。
[0073]在圖7和8所示的APE中，濾網(wǎng)絲厚度為0.01-5_，優(yōu)選為0.1-1_。濾網(wǎng)網(wǎng)眼的尺寸為0.05-10mm，優(yōu)選為0.l_2mm。該濾網(wǎng)可以是編織的或采用其他緊湊的形式(coherent)。所述寬泛范圍是因?yàn)橛蟹浅６鄻拥捻?xiàng)目或目的存在。在非常臟的項(xiàng)目中，所述濾網(wǎng)是比較稀疏的并且波紋具有大的高度，而在干凈項(xiàng)目中，所述濾網(wǎng)是比較密集的并且波紋具有小的高度。由非常細(xì)的絲制成的和/或具有大網(wǎng)眼的濾網(wǎng)可用作所述波紋濾網(wǎng)，而非常密集型濾網(wǎng)可用作平面濾網(wǎng)，從而即使在相當(dāng)大的波紋角度(40-80度)，也可以卷起所述濾網(wǎng)。也可以采用加工為相應(yīng)結(jié)構(gòu)的纖維板或膜來(lái)代替所述濾網(wǎng)，或與所述濾網(wǎng)一起使用，所述相應(yīng)結(jié)構(gòu)在壁上具有各自網(wǎng)眼/厚度，并且部分可滲透流體。在圖7和8中所示的組件可進(jìn)一步包括額外的或任選的流動(dòng)障礙物、收縮物/放大物或爪/葉片，它們?cè)鰪?qiáng)了物質(zhì)傳遞和收集效率，并組成開放型顆粒分離組件。
[0074]如果PPE是陶瓷(堇青石、SiC、氮化硅、鈦酸鋁等)制成的，OPE可以是金屬APE，因而所述結(jié)構(gòu)具有并排的效率較高的陶瓷顆粒分離器和效率較低的金屬顆粒分離器，所述金屬顆粒分離器主要通過(guò)靜態(tài)方式進(jìn)行基于壓力損失的流量調(diào)節(jié)，而非主動(dòng)調(diào)節(jié)。陶瓷蜂窩優(yōu)選位于中部，其周圍是環(huán)形金屬0ΡΕ，如前所述，可由波紋金屬結(jié)構(gòu)(濾網(wǎng))制成。陶瓷顆粒過(guò)濾器很難制成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有薄環(huán)結(jié)構(gòu)的良好強(qiáng)度。這可實(shí)現(xiàn)利用每個(gè)結(jié)構(gòu)的良好性質(zhì)。這樣的結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)不同分離器使用不同再生方法。PPE可以進(jìn)行基于電力的燃料噴射和/或升溫的主動(dòng)再生。同時(shí)，還可以使A/F比設(shè)定得較低，這也升高了溫度。
[0075]PPE和OPE也可以在所述流向上完全或部分涂覆多孔載體介質(zhì)，其用作氧化CO、碳?xì)浠衔?、氫氣、氨、或碳的活性化合物的底涂。碳?xì)浠衔镞€可以包括含有氧、氮或鹵素的官能團(tuán)。優(yōu)選地，APE的涂層是這樣涂覆的，即所述濾網(wǎng)中一個(gè)濾網(wǎng)的網(wǎng)眼至少部分保持開放。可選地，所述結(jié)構(gòu)根本沒(méi)有涂層，因此所述結(jié)構(gòu)僅作為APE和消聲器。此外或任選地，所述催化劑可使用碳?xì)浠衔锘虬眮?lái)催化NOx的還原，吸收氮氧化物(濃混合條件下還原)，或氧化氨。典型地，所述催化劑的載體介質(zhì)中含有鋁、硅、鈦的氧化物和/或沸石。涂層的厚度范圍為1-500 μ m，優(yōu)選5-40 μ m。涂層表面積是由使用的原料確定的，范圍是1-1OOOm2/g，通常為20-300m2/g。涂層可以通過(guò)浸潰、泵送、抽吸和/或噴涂各種漿料、溶膠和/或溶液的方式施加到分離器上。所述濾網(wǎng)可通過(guò)開放條件下噴涂同時(shí)將成對(duì)濾網(wǎng)彼此分開，然后卷起形成濾網(wǎng)和由APE形成的APE組件。這能夠確保該濾網(wǎng)網(wǎng)眼保持開放。至于APE，其設(shè)置有機(jī)械耐用涂層，不過(guò)所述涂層也使濾網(wǎng)網(wǎng)眼保持開放。所述涂層也可以通過(guò)使用可蒸發(fā)原料(CVD、Ale技術(shù)