[發明專利]用于從壓燃式發動機排放的廢氣過濾顆粒物的過濾器

在審

• 申請號: 201710913398.1
• 申請日: 2010-02-26
• 公開（公告）號: CN107654273A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: L.阿諾;R.布里斯利;G.R.錢德勒;A.F.基費;K.A.弗拉納根;D.格林威爾;C.摩根
• 申請（專利權）人: 約翰遜馬西有限公司
• 主分類號: F01N3/035
• 分類號: F01N3/035
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 馬蔚鈞,周李軍

本申請是一項發明專利申請的分案申請，其母案的申請日為2010年2月26日、申請號為201080019272.6(PCT/GB2010/050347)、發明名稱為“用于從壓燃式發動機排放的廢氣過濾顆粒物的過濾器”。

技術領域

本發明涉及用于處理由壓燃式發動機產生的顆粒物(PM)和氮氧化物的過濾器。

背景技術

壓燃式發動機通過將烴噴射到壓縮空氣中而引起烴燃燒，并且可通過柴油燃料、生物柴油燃料、柴油燃料和生物柴油燃料的共混物以及壓縮天然氣供給燃料。本發明目的與2010年2月26日提交的題為“Filter(過濾器)”的英國專利申請第1003244.9號要求保護的發明不同。該英國專利申請的發明目的在于用于強制點火(positive ignition)發動機廢氣中顆粒物的過濾器。

環境PM被大多數作者基于其空氣動力學直徑(空氣動力學直徑定義為與被測定顆粒在空氣中具有相同沉降速度的1g/cm³密度球體的直徑)分為以下類別：

(i)PM-10-空氣動力學直徑小于10μm的顆粒；

(ii)直徑低于2.5μm的細顆粒(PM-2.5)；

(iii)直徑低于0.1μm(或100nm)的超細顆粒；和

(iv)納米顆粒，由小于50nm的直徑表征。

自從二十世紀九十年代中期以來，由于細顆粒和超細顆粒對健康可能的不利影響，由內燃機排放的顆粒狀物的粒徑分布愈來愈受關注。在美國，環境空氣中PM-10顆粒狀物的濃度受到法律管制。由于健康研究表明人類死亡率與低于2.5μm的細顆粒的濃度之間的密切關聯，因此在美國，在1997年引入了對于PM-2.5的新的另外的環境空氣質量標準。

人們已轉而關注由柴油發動機和汽油發動機產生的納米顆粒，因為根據對2.5-10.0μm范圍內的顆粒狀物研究的結果推測，它們被認為相比較大尺寸的顆粒狀物能夠更加深入地滲透到人肺中，并因此被認為比較大顆粒更加有害。

柴油顆粒狀物的尺寸分布具有對應于顆粒成核和附聚機理的非常確實的雙峰特征，其中相應的顆粒類型分別稱作核模和積聚模(參見圖1)。如圖1可見，在核模中，柴油PM由大量具有非常小質量的小顆粒組成。幾乎所有的柴油顆粒狀物尺寸均顯著小于1μm，即它們包含細顆粒(即落入1997年美國法律)、超細顆粒和納米顆粒的的混合物，。

據相信，核模顆粒主要由揮發性冷凝物(烴、硫酸、硝酸等)組成，并且含有很少的固體材料，例如灰和碳。一般認為積聚模顆粒含有與冷凝物和吸附材料(重質烴、硫物質、氮氧化物衍生物等)混合的固體(碳、金屬灰等)。據相信，粗粒模顆粒不在柴油燃燒過程中產生，而是可通過例如沉積和隨后從發動機氣缸、排氣系統或顆粒狀物取樣系統再夾帶粒狀材料等機理形成。這些模式之間的關系示于圖1。

成核顆粒的組成可隨發動機運行條件、環境條件(特別是溫度和濕度)、稀釋和取樣系統條件而變。實驗室工作和理論已表明，大多數核模形成和生長在低稀釋比率范圍內發生。在該范圍內，揮發性顆粒前體(如重質烴和硫酸)的氣體到顆粒的轉變導致核模的成核和生長以及吸附到現有積聚模顆粒上同時發生。實驗室測試(例如參見SAE 980525和SAE 2001-01-0201)已表明，隨著空氣稀釋溫度的降低，核模形成強烈增加，但是關于濕度是否具有影響存在矛盾的證據。

一般而言，低溫、低稀釋比率、高濕度和長停留時間有利于納米顆粒形成和生長。研究已表明，納米顆粒主要由揮發性材料(如重質烴和硫酸)組成，有證據表明僅在非常高負載下具有固體部分。

在柴油顆粒過濾器中柴油顆粒狀物的顆粒收集基于使用多孔屏障將由氣體產生的顆粒狀物與氣相分離的原理。柴油過濾器可定義為深層過濾器和/或表面型過濾器。在深層過濾器中，過濾器介質的平均孔徑大小比收集顆粒的平均直徑大。通過包括擴散沉積(布朗運動)、慣性沉積(壓緊)和流線截取(布朗運動或慣性)的深度過濾機理的組合，顆粒在介質上沉積。

在表面型過濾器中，過濾器介質的孔直徑小于PM的直徑，因此通過篩分分離PM。通過收集柴油PM本身的累積進行分離，該累積通常稱為“過濾濾餅”，該方法通常稱為“濾餅過濾”。

應理解的是，柴油顆粒過濾器(例如陶瓷壁流整體料)可通過深度過濾和表面過濾的組合工作：當深度過濾容量飽和并且顆粒層開始覆蓋過濾表面時，過濾濾餅以較高的煙灰負載發展。深度過濾表征為比濾餅過濾稍低的過濾效率和較低的壓降。