採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器的製作方法

2023-06-04 12:31:06

專利名稱：採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及柴油機的後處理器技術領域，特別涉及一種用於柴油車尾氣處理的採
用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器。
背景技術：
柴油機微粒捕集器(DPF)被公認為是目前最為有效的微粒淨化後處理技術，也是 目前商用前景最好的後處理技術之一。微粒捕集器採用的過濾材料對整個系統的性能(如 過濾效率、壓降、傳熱傳質特性等)有很大的影響。目前國內外研究較多的過濾體材料有堇 青石(其主要成分為Mg0.A1203. Si02)和SiC材料。但因為這兩種材料的導熱係數均較 低，再生過程中易發生局部區域過熱而熔透，還會因熱應力的衝擊而破裂，因而缺少足夠的 可靠性，且這兩種材料難以作為催化劑的載體，因此需要單獨的氧化催化器(中國專利號， 200420061926.3)。又由於柴油機排氣中存在著不同粒徑的微粒，單一孔徑的微粒捕集器 難以兼顧不同粒徑的捕集，因此國內外一些專利(美國專利號20040161596和中國專利號 200710055688. 3)提出了分級過濾的思想，但其濾芯為陶瓷濾芯，存在導熱性差、抗機械振 動能力差等缺點。 隨著運行時間的增加，濾芯中的微粒聚集增多，過濾效率降低，排氣背壓上升，影 響柴油機的功率和油耗。因此，在經過一段捕集時間後要對其進行處理，將微粒除掉。現在 用得最多的解決微粒捕集器中積炭問題的方法有強制再生、噴油助燃再生、電加熱再生、微 波加熱再生、紅外加熱再生等，這些方法大多需要一整套複雜的控制系統，同時還要消耗額 外的能量，均不能做到既滿足排放要求又不影響發動機性能。美國專利20060100097和中 國專利02157234. 8均提出了使用貴金屬(如Ag)及在催化劑中加入稀土元素可以使顆粒 燃燒溫度降至發動機排氣溫度範圍，實現自動再生。 然而，上述公開專利功能較為單一，抗機械振動能力差，且不能兼顧分級過濾和自 動再生，因此其應用具有一定的局限性。

發明內容
本發明的目的在於解決上述柴油機微粒捕集器過濾濾芯在過濾過程中存在的問
題，提供一種能夠實現自動再生、提高過濾器的使用壽命並能夠節約能源的採用自動再生
金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器。 為達到上述目的，本發明採用的技術方案是 採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，包括FeCrAl合金圓筒 外壁以及燒結在該圓筒外壁內的多個外徑相等的通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯，且同一 泡沫合金圓柱濾芯孔徑相同，但沿著尾氣流動方向各泡沫合金圓柱濾芯的孔徑逐漸減小， 所說的各個通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯的骨架的表面浸漬稀土氧化催化劑後經烘乾、 焙燒形成稀土氧化催化層。 所說的FeCrAl合金圓筒外壁內至少有三個緊密排列的FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯，每個通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯的長度為15 60mm，相鄰兩個通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯之間採用階梯型定位，且在階梯型連接處設置有耐高溫材料製成的圓環形密封氈。所說的泡沫合金圓柱濾芯的孔徑為0. 05mm 1. 27mm。 所說的稀土氧化催化劑為摻有貴金屬的鈣鈦礦型LaCo03或尖晶石型CuFe204稀土催化劑。 所說的稀土氧化催化劑中所摻貴金屬為Ag或Pt。 所說的通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯的孔隙率為0. 90 0. 98。所說的FeCrAl合金圓筒外壁厚度為2 3mm，直徑為50 200mm。 本發明以通孔FeCrAl泡沫合金材料壓制而成的多孔金屬過濾體作為柴油車微粒
捕集器過濾濾芯，針對柴油機排放顆粒粒徑的大小不同，沿著尾氣流動方向各泡沫合金圓
柱濾芯的孔徑逐漸減小，從而實現分級過濾和捕集，提高過濾效果，減少捕集器堵塞，減緩
濾芯的老化速度，提高濾芯的使用壽命，兼有消聲的效果。採用摻有少量貴金屬的稀土氧化
催化劑，排氣通過時，HC和CO在催化劑作用下在濾芯表面上催化燃燒，燃燒釋放的熱量使
顆粒燃燒，實現捕集器自動再生，因此提高了過濾器的使用壽命並起到了節約能源的目的。


圖1是本發明的一種實施例的結構示意圖； 圖2是變孔徑的金屬泡沫過濾芯結構的橫端面示意圖； 圖3是變孔徑的金屬泡沫過濾芯結構相鄰兩塊過濾芯連接處定位局部放大示意圖； 圖4是變孔徑的金屬泡沫過濾芯泡沫骨架及浸漬催化劑局部放大示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 參見圖l，本實施例是由不同孔徑的高孔隙率(0. 90 0. 98)(孔隙體積佔總體積的百分數)的通孔FeCrAl泡沫合金壓製成的圓柱濾芯塊組成。沿著尾氣流動方向各泡沫合金圓柱濾芯的孔徑逐漸減小，同一泡沫合金圓柱濾芯孔徑相同，即捕集器濾芯依次由大孔徑的多孔金屬泡沫圓柱濾芯塊2(其孔徑為1. 27mm 0. 64mm)、中等孔徑的多孔金屬泡沫圓柱濾芯塊4(其孔徑在0. 64mm 0. 32mm)和小孔徑的多孔金屬泡沫圓柱濾芯塊5 (其孔徑在0. 32mm 0. 05mm)三部分組成。採用變孔徑的通孔FeCrAl金屬泡沫作為柴油機微粒捕集器的過濾材料，一方面其大的比表面積(2000 10000m2/m2)在相同淨化性能的條件下能夠減小捕集器的體積；同時良好的導熱性和較低的熱容，有利於催化劑快速起活，實現自動再生；而且其在高溫尾氣的條件下具有較好的耐腐蝕性，較高的捕集效率，較低的壓差，較強的抗熱衝擊和機械衝擊能力，克服了陶瓷材料導熱性差、抗機械振動能力差等缺點，具有陶瓷材料無可比擬的優勢。另一方面，FeCrAl合金具有較好的高溫抗氧化性，在其表面能夠形成Y-A1A膜，這種^41203膜的晶相一般為^41203，因為Y-A1A具有較大的比表面積、適度的孔分布和較好的機械強度等優點，而浸漬法一般要求載體表面浮著一層^^1203，然後再進行燒結熱處理，從而使本發明採用稀土催化再生的方案得以實現。(此外，由於通孔金屬泡沫濾芯的捕集是基於撞擊機理，因此較壁流式濾芯對顆粒直徑小於20iim的微粒捕集效果好。本發明採用分級過濾，不但提高了過濾效果、減少對微粒捕集器的堵塞、延長其再生周期、減緩濾芯的老化速度、提高微粒捕集器的使用壽命，便於老化的過濾芯塊的更換，而且降低了背壓損失，能夠起到消聲器的功用。圖1中三種孔徑的多孔金屬泡沫濾芯塊的長度按孔徑由大到小分別記為L1，L2，L3，其尺寸範圍在15 60mm。過濾芯塊的塊數和長度可以根據發動機的排放性能和相關的法律法規來選擇和調整的，但是沿著氣體的流動方向孔徑依次減小。同時為了防止尾氣洩露，在相鄰兩塊濾芯之間填充有耐高溫的圓環形密封氈3。 圖2是變孔徑的金屬泡沫過濾芯結構的橫端面示意圖；從圖中可以看出過濾芯主要由兩大部分組成， 一部分是用來減少過濾芯中的多孔金屬泡沫磨損及用來防止尾氣洩露和加工定位面的圓筒外壁1，另一部分就是填充在圓筒內部的不同孔徑的多孔金屬泡沫濾芯塊2、4、5。圖中所示的D為微粒捕集器濾芯的外徑，其尺寸範圍為50 200mm ;具體的尺寸選擇也是滿足發動機的排放性能等實際需求。外壁1尺寸b，其尺寸範圍在2 3mm，其尺寸的選擇主要是由加工階梯型定位面的加工工藝決定。 圖3是變孔徑的金屬泡沫過濾芯結構相鄰兩塊過濾芯定位局部放大示意圖。為了能使不同孔徑的過濾芯塊能夠滿足緊密排列，本發明將相鄰兩塊的多孔金屬泡沫外壁做成階梯型，這樣能很好地進行軸向定位，防止軸向竄動。為了防止由於加工精度問題而造成的尾氣從相鄰兩濾芯塊連接處的縫隙中洩露出來，本發明通過在接觸面之間添加一耐高溫的圓環形密封氈3來滿足密封要求，另一方面，通過設計密封氈還可以防止相鄰兩濾芯塊之間直接剛性接觸，從而減小定位階梯的磨損。 圖4是變孔徑的金屬泡沫過濾芯泡沫骨架及浸漬催化劑局部放大示意圖，參見圖4，泡沫骨架7是連續的，在其表面浸漬稀土氧化催化劑後經烘乾、焙燒形成稀土氧化催化層6。當排氣溫度超過20(TC時，尾氣中的HC和C0在貴金屬的氧化催化作用下發生反應，反應所釋放的能量能使尾氣上升到40(TC左右，通過高導熱係數的泡沫金屬骨架7迅速傳遞給吸附在骨架表面上的顆粒，並在稀土氧化催化劑的作用下燃燒，實現自動再生。
本發明採用變孔徑的FeCrAl金屬泡沫作為柴油機微粒捕集器的過濾材料，不但提高了過濾效果、減少對微粒捕集器的堵塞、延長其再生周期、減緩濾芯的老化速度、提高微粒捕集器的使用壽命，便於老化的過濾芯塊的更換，而且降低了背壓損失，能夠起到消聲器的功用。採用鈣鈦礦型LaCo03或尖晶石型CuFe204稀土催化劑催化再生的方法，降低了微粒的燃燒溫度，提高了再生性能；並省去了一整套複雜的控制系統，降低了額外能量的消耗，既滿足排放要求又不影響發動機性能，且其穩定性好、抗中毒性高、價格低廉、實用性和推廣性更好。
權利要求
採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，其特徵在於包括FeCrAl合金圓筒外壁(1)以及燒結在該圓筒外壁(1)內的多個外徑相等的通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯，且同一泡沫合金圓柱濾芯孔徑相同，但沿著尾氣流動方向各泡沫合金圓柱濾芯的孔徑逐漸減小，所說的各個通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯的骨架(7)的表面浸漬稀土氧化催化劑後經烘乾、焙燒形成稀土氧化催化層(6)。
2. 根據權利要求1所述的採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，其 特徵在於所說的FeCrAl合金圓筒外壁(1)內至少有三個緊密排列的FeCrAl泡沫合金圓 柱濾芯，每個通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯的長度為15 60mrn，相鄰兩個通孔FeCrAl泡 沫合金圓柱濾芯之間採用階梯型定位，且在階梯型連接處設置有耐高溫材料製成的圓環形 密封氈(3)。
3. 根據權利要求1所述的採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，其 特徵在於所說的泡沫合金圓柱濾芯的孔徑為0. 05mm 1. 27mm。
4. 根據權利要求1所述的採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，其 特徵在於所說的稀土氧化催化劑(6)為摻有貴金屬的鈣鈦礦型LaCo03或尖晶石型CuF^04 稀土催化劑。
5. 根據權利要求1或4所述的採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集 器，其特徵在於所說的稀土氧化催化劑(6)中所摻貴金屬為Ag或Pt。
6. 根據權利要求1所述的採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，其 特徵在於所說的通孔FeCrAl泡沫合金圓柱濾芯的孔隙率為0. 90 0. 98。
7. 根據權利要求1所述的採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，其 特徵在於所說的FeCrAl合金圓筒外壁(1)厚度為2 3mm，直徑為50 2Q0mm。
全文摘要
採用自動再生金屬泡沫濾芯的分段式柴油車微粒捕集器，該捕集濾芯是由不同孔徑的通孔FeCrAl泡沫合金壓製成的柱形塊組成，針對柴油機排放顆粒粒徑的大小不同，沿著尾氣流動的方向，濾芯孔徑逐漸減小，從而實現分級過濾和捕集，提高過濾效果，減少捕集器堵塞，減緩濾芯的老化速度，提高濾芯的使用壽命，兼有消聲的功能。本發明採用摻有少量貴金屬的稀土氧化催化劑，排氣通過時，HC和CO在催化劑作用下在濾芯表面上催化燃燒，燃燒釋放的熱量使顆粒燃燒，實現捕集器自動再生。本發明過濾效果好，成本低廉，兼具多元催化和消聲的功能，且容易根據發動機功率及排放法規進行調整，在柴油車尾氣後處理上得到很好的應用。
文檔編號B01D53/94GK101737125SQ20101010133
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月25日 優先權日2010年1月25日
發明者屈治國, 汪天送 申請人:西安交通大學