采用自动再生金属泡沫滤芯的分段式柴油车微粒捕集器 【技术领域】
本发明涉及柴油机的后处理器技术领域，特别涉及一种用于柴油车尾气处理的采用自动再生金属泡沫滤芯的分段式柴油车微粒捕集器。
背景技术
柴油机微粒捕集器(DPF)被公认为是目前最为有效的微粒净化后处理技术，也是目前商用前景最好的后处理技术之一。微粒捕集器采用的过滤材料对整个系统的性能(如过滤效率、压降、传热传质特性等)有很大的影响。目前国内外研究较多的过滤体材料有堇青石(其主要成分为MgO.Al2O3.SiO2)和SiC材料。但因为这两种材料的导热系数均较低，再生过程中易发生局部区域过热而熔透，还会因热应力的冲击而破裂，因而缺少足够的可靠性，且这两种材料难以作为催化剂的载体，因此需要单独的氧化催化器(中国专利号，200420061926.3)。又由于柴油机排气中存在着不同粒径的微粒，单一孔径的微粒捕集器难以兼顾不同粒径的捕集，因此国内外一些专利(美国专利号20040161596和中国专利号200710055688.3)提出了分级过滤的思想，但其滤芯为陶瓷滤芯，存在导热性差、抗机械振动能力差等缺点。
随着运行时间的增加，滤芯中的微粒聚集增多，过滤效率降低，排气背压上升，影响柴油机的功率和油耗。因此，在经过一段捕集时间后要对其进行处理，将微粒除掉。现在用得最多的解决微粒捕集器中积炭问题的方法有强制再生、喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、红外加热再生等，这些方法大多需要一整套复杂的控制系统，同时还要消耗额外的能量，均不能做到既满足排放要求又不影响发动机性能。美国专利20060100097和中国专利02157234.8均提出了使用贵金属(如Ag)及在催化剂中加入稀土元素可以使颗粒燃烧温度降至发动机排气温度范围，实现自动再生。
然而，上述公开专利功能较为单一，抗机械振动能力差，且不能兼顾分级过滤和自动再生，因此其应用具有一定的局限性。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述柴油机微粒捕集器过滤滤芯在过滤过程中存在的问题，提供一种能够实现自动再生、提高过滤器的使用寿命并能够节约能源的采用自动再生金属泡沫滤芯的分段式柴油车微粒捕集器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
采用自动再生金属泡沫滤芯的分段式柴油车微粒捕集器，包括FeCrAl合金圆筒外壁以及烧结在该圆筒外壁内的多个外径相等的通孔FeCrAl泡沫合金圆柱滤芯，且同一泡沫合金圆柱滤芯孔径相同，但沿着尾气流动方向各泡沫合金圆柱滤芯的孔径逐渐减小，所说的各个通孔FeCrAl泡沫合金圆柱滤芯的骨架的表面浸渍稀土氧化催化剂后经烘干、焙烧形成稀土氧化催化层。
所说的FeCrAl合金圆筒外壁内至少有三个紧密排列的FeCrAl泡沫合金圆柱滤芯，每个通孔FeCrAl泡沫合金圆柱滤芯的长度为15～60mm，相邻两个通孔FeCrAl泡沫合金圆柱滤芯之间采用阶梯型定位，且在阶梯型连接处设置有耐高温材料制成的圆环形密封毡。
所说的泡沫合金圆柱滤芯的孔径为0.05mm～1.27mm。
所说的稀土氧化催化剂为掺有贵金属的钙钛矿型LaCoO3或尖晶石型CuFe2O4稀土催化剂。
所说的稀土氧化催化剂中所掺贵金属为Ag或Pt。
所说的通孔FeCrAl泡沫合金圆柱滤芯的孔隙率为0.90～0.98。
所说的FeCrAl合金圆筒外壁厚度为2～3mm，直径为50～200mm。
本发明以通孔FeCrAl泡沫合金材料压制而成的多孔金属过滤体作为柴油车微粒捕集器过滤滤芯，针对柴油机排放颗粒粒径的大小不同，沿着尾气流动方向各泡沫合金圆柱滤芯的孔径逐渐减小，从而实现分级过滤和捕集，提高过滤效果，减少捕集器堵塞，减缓滤芯的老化速度，提高滤芯的使用寿命，兼有消声的效果。采用掺有少量贵金属的稀土氧化催化剂，排气通过时，HC和CO在催化剂作用下在滤芯表面上催化燃烧，燃烧释放的热量使颗粒燃烧，实现捕集器自动再生，因此提高了过滤器地使用寿命并起到了节约能源的目的。
【附图说明】
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；
图2是变孔径的金属泡沫过滤芯结构的横端面示意图；
图3是变孔径的金属泡沫过滤芯结构相邻两块过滤芯连接处定位局部放大示意图；
图4是变孔径的金属泡沫过滤芯泡沫骨架及浸渍催化剂局部放大示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本实施例是由不同孔径的高孔隙率(0.90～0.98)(孔隙体积占总体积的百分数)的通孔FeCrAl泡沫合金压制成的圆柱滤芯块组成。沿着尾气流动方向各泡沫合金圆柱滤芯的孔径逐渐减小，同一泡沫合金圆柱滤芯孔径相同，即捕集器滤芯依次由大孔径的多孔金属泡沫圆柱滤芯块2(其孔径为1.27mm～0.64mm)、中等孔径的多孔金属泡沫圆柱滤芯块4(其孔径在0.64mm～0.32mm)和小孔径的多孔金属泡沫圆柱滤芯块5(其孔径在0.32mm～0.05mm)三部分组成。采用变孔径的通孔FeCrAl金属泡沫作为柴油机微粒捕集器的过滤材料，一方面其大的比表面积(2000～10000m2/m2)在相同净化性能的条件下能够减小捕集器的体积；同时良好的导热性和较低的热容，有利于催化剂快速起活，实现自动再生；而且其在高温尾气的条件下具有较好的耐腐蚀性，较高的捕集效率，较低的压差，较强的抗热冲击和机械冲击能力，克服了陶瓷材料导热性差、抗机械振动能力差等缺点，具有陶瓷材料无可比拟的优势。另一方面，FeCrAl合金具有较好的高温抗氧化性，在其表面能够形成γ-Al2O3膜，这种γ-Al2O3膜的晶相一般为γ-Al2O3，因为γ-Al2O3具有较大的比表面积、适度的孔分布和较好的机械强度等优点，而浸渍法一般要求载体表面浮着一层γ-Al2O3，然后再进行烧结热处理，从而使本发明采用稀土催化再生的方案得以实现。(此外，由于通孔金属泡沫滤芯的捕集是基于撞击机理，因此较壁流式滤芯对颗粒直径小于20μm的微粒捕集效果好。本发明采用分级过滤，不但提高了过滤效果、减少对微粒捕集器的堵塞、延长其再生周期、减缓滤芯的老化速度、提高微粒捕集器的使用寿命，便于老化的过滤芯块的更换，而且降低了背压损失，能够起到消声器的功用。图1中三种孔径的多孔金属泡沫滤芯块的长度按孔径由大到小分别记为：L1，L2，L3，其尺寸范围在15～60mm。过滤芯块的块数和长度可以根据发动机的排放性能和相关的法律法规来选择和调整的，但是沿着气体的流动方向孔径依次减小。同时为了防止尾气泄露，在相邻两块滤芯之间填充有耐高温的圆环形密封毡3。
图2是变孔径的金属泡沫过滤芯结构的横端面示意图；从图中可以看出过滤芯主要由两大部分组成，一部分是用来减少过滤芯中的多孔金属泡沫磨损及用来防止尾气泄露和加工定位面的圆筒外壁1，另一部分就是填充在圆筒内部的不同孔径的多孔金属泡沫滤芯块2、4、5。图中所示的D为微粒捕集器滤芯的外径，其尺寸范围为50～200mm；具体的尺寸选择也是满足发动机的排放性能等实际需求。外壁1尺寸b，其尺寸范围在2～3mm，其尺寸的选择主要是由加工阶梯型定位面的加工工艺决定。
图3是变孔径的金属泡沫过滤芯结构相邻两块过滤芯定位局部放大示意图。为了能使不同孔径的过滤芯块能够满足紧密排列，本发明将相邻两块的多孔金属泡沫外壁做成阶梯型，这样能很好地进行轴向定位，防止轴向窜动。为了防止由于加工精度问题而造成的尾气从相邻两滤芯块连接处的缝隙中泄露出来，本发明通过在接触面之间添加一耐高温的圆环形密封毡3来满足密封要求，另一方面，通过设计密封毡还可以防止相邻两滤芯块之间直接刚性接触，从而减小定位阶梯的磨损。
图4是变孔径的金属泡沫过滤芯泡沫骨架及浸渍催化剂局部放大示意图，参见图4，泡沫骨架7是连续的，在其表面浸渍稀土氧化催化剂后经烘干、焙烧形成稀土氧化催化层6。当排气温度超过200℃时，尾气中的HC和CO在贵金属的氧化催化作用下发生反应，反应所释放的能量能使尾气上升到400℃左右，通过高导热系数的泡沫金属骨架7迅速传递给吸附在骨架表面上的颗粒，并在稀土氧化催化剂的作用下燃烧，实现自动再生。
本发明采用变孔径的FeCrAl金属泡沫作为柴油机微粒捕集器的过滤材料，不但提高了过滤效果、减少对微粒捕集器的堵塞、延长其再生周期、减缓滤芯的老化速度、提高微粒捕集器的使用寿命，便于老化的过滤芯块的更换，而且降低了背压损失，能够起到消声器的功用。采用钙钛矿型LaCoO3或尖晶石型CuFe2O4稀土催化剂催化再生的方法，降低了微粒的燃烧温度，提高了再生性能；并省去了一整套复杂的控制系统，降低了额外能量的消耗，既满足排放要求又不影响发动机性能，且其稳定性好、抗中毒性高、价格低廉、实用性和推广性更好。