專利名稱：排氣凈化裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對內燃機排放的廢氣進行凈化的裝置，特別是對柴油機排放的PM(微粒排放物)進行凈化的裝置。
背景技術：
柴油機一般用于汽車上，特別是大型汽車上。最近，柴油機要求減少氮氧化物、一氧化碳、碳氫化合物以及PM的排放。因此，可以通過改善發動機的性能或優化燃燒條件來控制PM的產生，并對廢氣中產生的PM進行凈化。
為了消除廢氣中的PM，一般是用具有多個柵格通道的陶瓷蜂窩式過濾器、金屬過濾器和陶瓷纖維過濾器來捕集廢氣中的PM。但是，在使用這種過濾器的情況下，過濾器中的PM會越積越多，從而使對過濾器造成堵塞，進一步會使廢氣排放不暢通，加重發動機的負荷。另外，毫微級的PM不會被這種過濾器所捕集。在使用這種過濾器來收集廢氣中的PM的情況下，僅靠廢氣的熱能很難充分使過濾器中所收集的PM燃燒。
眾所周知，可以使用一種能夠提供電子放電的裝置來對柴油機的廢氣進行凈化。例如，日本專利2698804號公開了一種裝置，其包括一個針狀電極，一個偏轉電極和一個包圍針狀電極和偏轉電極的捕集電極。這種裝置通過電極之間的放電使柴油機廢氣中的PM帶電，從而將PM捕獲到捕集電極上。但是，這種裝置是為了將PM捕集而不是將捕集的PM燃燒來設計的，因此，這種裝置不能使PM充分燃燒，而需要借助另一種特殊的裝置來完成。這是因為電流是從金屬捕集電極中流過，而不是從沉積于電極上的PM中流過，因此，是不可能用這種電流來使PM燃燒的。
此外，日本國家公開2001-511493號描述了一種在電極之間具有絕緣片的排氣凈化裝置。但是，這種裝置的設計是在接近反應表面的地方提供電力，特別是將電力供應到接地的導電管道中。因此，該文獻沒有透露電場角度與廢氣流動方向的重要性，也沒有透露廢氣流過的絕緣體的重要性。
尚未審查的日本專利公開60-235620號描述了一種柴油機廢氣PM的過濾器，這種過濾器承載鉑系金屬元素和堿土金屬氧化物的混合物，用于燃燒過濾器中捕集的PM。但是，該文獻沒有說明在過濾器中提供電場，以及將電場與鉑系金屬元素和堿土金屬氧化物的混合物結合使用。
因此，在現有技術中的排氣凈化裝置沒有充分地使用電場來捕集PM，或沒有充分地對捕集的PM進行燃燒。
發明內容
本發明涉及一種捕集PM和燃燒PM的排氣凈化裝置。該裝置包括電極和一個具有多個柵格通道的絕緣蜂窩結構。該裝置的特征在于電極在蜂窩式結構中產生電場，該電場不是平行的，而是特別地與蜂窩式結構的柵格通道至少成45度或60度，更特別地大致垂至于蜂窩式結構的柵格通道。
根據本發明，廢氣中的PM在通過蜂窩式結構的柵格通道時，受與蜂窩式結構的柵格通道方向不平行的電場與其之間的庫侖力的作用，沉積于柵格通道的側壁上。此外，使用廢氣中的熱能與流過這些沉積PM而不是流過絕緣的蜂窩式結構的電流，使沉積于蜂窩式結構的PM燃燒。
雖然PM不需任何特殊處理就自然地有些帶電，但也可以使用任何合適的方法來使PM帶電，例如利用蜂窩式結構上游的放電電極，和/或蜂窩式結構中的電場。
在本發明涉及的裝置的一方面，所述電極包括一個中心電極和一個包圍中心電極的外圍電極，蜂窩式結構位于中心電極與外圍電極之間。
根據這一方面，廢氣中的PM在通過蜂窩式結構時，受中心電極和外圍電極之間的電場與其之間的庫侖力作用，被迫徑向地向中心電極和/或外圍電極而沉積于柵格通道的側壁上。
在本發明涉及的裝置的另一方面，所述電極包括一個在蜂窩式結構上游端的網狀電極，和一個在蜂窩式結構圓周表面周圍的外圍電極。
根據這一方面，廢氣中的PM在通過蜂窩式結構的時候，與網狀電極的接觸和受蜂窩式結構中的電場的作用而使之充電，然后受網狀電極與外圍電極之間產生的電場與其之間的庫侖力作用而沉積于蜂窩式結構的柵格通道的側壁上。
在這一方面，電極可進一步包括位于蜂窩式結構下游端的第二網狀電極，該第二網狀電極在電氣上與外圍電極相連。
在本發明涉及的裝置的另一方面，電極包括一個中心電極和一個包圍中心電極的外圍電極；蜂窩式結構位于中心電極與外圍電極之間；中心電極延伸超過蜂窩式結構的上游端；蜂窩式結構的徑向向內區域比徑向向外的區域具有更低的氣流阻力。
在這一方面，徑向向內的區域可以是穿過蜂窩式結構的孔道。
根據這一方面，具有更低氣流阻力的徑向向內區域減小了通過蜂窩式結構的壓降，而通過蜂窩式結構的廢氣中的PM受中心電極和外圍電極之間的電場與PM之間的庫侖力作用，被迫使朝外圍電極流動并沉積于蜂窩式結構的徑向向外的區域中。
在上述的各個方面，外圍電極可以接地，以防止向外界放電。
在本發明涉及的裝置的另一個方面，蜂窩式結構具有相對的外側表面，電極包括一對平板電極，分別位于這兩個相對的外側表面上。
根據這一方面，廢氣中的PM在通過蜂窩式結構的柵格通道時，受這對平板電極之間產生的電場與PM自身之間的庫侖力作用，而被迫使朝著任一平板電極流動并沉積于柵格通道的側壁上。
在這一方面，本裝置可以包括兩個或更多組的蜂窩式結構，和分別位于這些蜂窩式結構相對外側表面上的一對平板電極。因此，每組蜂窩式結構和每對平板電極可以調整成平行與一組或更多組放置。在這種情況下，位于蜂窩式結構之間的平板電極可以在相鄰組中被剪切。
根據這一方面，平板電極之間的距離可以變窄，這樣就可以用比較低的電壓產生一個比較強的電場。具體地說，電場的強度與電極之間的電壓成正比，并與電極之間的距離成反比。因此，如果電極之間的距離減半，就可以用一半的電壓大小產生期望的電場強度。
此外，在這一方面，平板電極可以用交流電進行供電。
根據這一方面，廢氣中的帶正電荷或帶負電荷的PM被迫使向著不同的方向流動，以便使PM均勻地沉積于蜂窩式結構的柵格通道的側壁上。也就是說，在這一方面，廢氣流中的PM沉積于一個側壁上，而沉積的PM則在另一個側壁上燃燒。這樣就可以防止沉積的PM對蜂窩式結構造成堵塞。
本發明所涉及的裝置的另一方面，蜂窩式結構具有兩對相對的外圍表面，特別地形成一個長方體的形狀；電極包括兩對相對的平板電極，每對相對平板電極分別位于每對相對的外圍表面上，特別地，位于與蜂窩式結構柵格通道平行方向上的相對的外圍表面上，這樣，兩對相對的平板電極可以在兩個不平行的不同方向上產生交變電場，特別地與蜂窩式結構柵格通道的方向成至少45度或60度，更特別地，垂直于蜂窩式結構柵格通道的方向。
根據這一方面，在兩個不同方向上的交變電場可以交替地變換PM沉積的側壁，從而使PM可以均勻地沉積于蜂窩式結構柵格通道的側壁上。
在這一方面，平板電極可以用交流電來供電。
根據這一方面，廢氣流中的帶正電荷或帶負電荷的PM被迫使向著不同的方向流動，以便均勻地沉積于蜂窩式結構柵格通道的側壁上。也就是說，在這一方面，廢氣流中的PM沉積于一個側壁上，而同時，沉積的PM在另一個側壁上燃燒。這樣可以防止沉積的PM對蜂窩式結構造成堵塞。
在上述任一方面，排氣凈化裝置可以具有一個位于蜂窩式結構上游的放電電極，以便促進PM充電并受庫侖力的作用沉積于蜂窩式結構上。
放電電極可以與在蜂窩式結構中提供電場的電極，例如外圍電極或中心電極，在電氣上相連。也就是說，放電電極可以是中心電極的一部分，其中這一部分向外延伸超過蜂窩式結構的上游端。該放電電極可以具有天線狀的電極，特別是針狀電極，以便促進放電并使PM充電。
本發明涉及一種捕集PM并使之燃燒的排氣凈化裝置，這種裝置包括電極和一個絕緣蜂窩式結構。該裝置的特征在于，電極在蜂窩式結構中產生電場，蜂窩式結構載有從包括堿金屬或堿土金屬的一族中所選的至少一種金屬。
根據本發明，加速了在蜂窩式結構中所捕集的PM的燃燒。這是因為蜂窩式結構載有堿金屬和/或堿土金屬吸附廢氣中的NOx以生成硝酸鹽，從而通過下列的方式加速PM的燃燒(1)硝酸鹽通電之后放出的具有氧化作用的化學物質，如NO2，(2)硝酸鹽與廢氣中的水汽反應產生硝酸鹽離子，和/或(3)具有較低熔點的硝酸鹽，其在廢氣中的熱能下熔化，從而更好地與PM接觸。
本發明涉及一種捕集PM并使之燃燒的排氣凈化裝置，這種裝置包括電極和絕緣蜂窩式結構。該裝置的特征在于，電極在蜂窩式結構中產生電場，蜂窩式結構載有一種通電后產生氧基的物質，如12CaO·7Al2O3。
根據本發明，加速了蜂窩式結構中所捕集的PM的燃燒。這是因為氧基具有很強的氧化能力，從而加速PM的燒盡。
本發明涉及一種捕集PM并使之燃燒的排氣凈化裝置，這種裝置包括電極和絕緣蜂窩式結構。該裝置的特征在于，電極在所述的蜂窩式結構中產生電場，且蜂窩式結構載有二氧化錳(MnO2)。
根據本發明，加速了蜂窩式結構中所捕集的PM的燃燒。這是因為在蜂窩式結構中的電場放電產生臭氧，使MnO2分解產生氧基。該氧基具有很強的氧化能力，從而加速PM的燒盡。
本發明涉及一種捕集PM并使之燃燒的排氣凈化裝置，這種裝置包括電極和絕緣蜂窩式結構。該裝置的特征在于，電極在所述蜂窩式結構中產生電場，且蜂窩式結構載有一種具有高介電常數的物質，即鐵電材料，如鈦酸鋇和鈦酸鍶。
術語“一種具有高介電常數的物質”是指一種在本裝置的工作溫度下(例如，250攝氏度下)具有比蜂窩式結構材料高至少10倍的靜態(即恒電壓下)單位介電常數。通常用作絕緣蜂窩式結構材料的堇青石具有低于10的單位介電常數，特別是4到6。具有高介電常數的材料可以是在上述溫度下具有高于100的靜態單位介電常數的材料，特別是高于500，更特別是高于1000。
根據本發明，加速了蜂窩式結構中PM的捕集。這是因為蜂窩式結構所載的高介電常數的材料使蜂窩式結構具有更強的充電能力，從而提高蜂窩式結構對PM的捕集能力。
在上述的各個方面，蜂窩式結構可以載有PM氧化催化劑，使沉積于蜂窩式結構的PM燃燒。這種催化劑包括CeO2、Fe/CeO2、Pt/CeO2、Pt/Al2O3和它們的化合物。
本發明的排氣凈化裝置中的上述特性可以隨意地組合。例如，本裝置的任何一種都包括一個蜂窩式結構，該蜂窩式結構載有至少從包括堿金屬或堿土金屬的一族中所選的至少一種金屬；至少一種通電后能產生氧基的材料；二氧化錳；具有高介電常數的材料；和/或PM氧化催化劑。
在本裝置用于產生放電作用的情況下，可以蜂窩式結構中捕集PM，此外，產生強氧化性的化學物質，如活性氧，臭氧，NOx，氧基，氮氧(NOx)基，從而使PM的燃燒加速。
此外，還可以通過高電壓產生等離子體來促進PM的捕集和燃燒。
具有一般技能的本領域技術人員在配合附圖閱讀下面詳細的說明書后，將明白本發明的這和或其他的目的、特性和優點。
圖1a和1b分別是根據本發明第一個實施例的排氣凈化裝置的透視圖和剖視圖。
圖2a和2b分別是根據本發明第二個實施例的排氣凈化裝置的透視圖和剖視圖。
圖3a和3b分別是根據本發明第三個實施例的排氣凈化裝置的透視圖和剖視圖。
圖4a至4c是作為例子使用的排氣凈化裝置的剖視圖。
圖5是根據本發明第四個實施例的排氣凈化裝置的透視圖。
圖6a和6b是圖5所示裝置的上游末端的正視圖。
圖7是根據本發明第五個實施例的排氣凈化裝置的透視圖。
圖8a至8d是圖7所示裝置的上游末端的正視圖。
圖9a和9b是圖7所示裝置的柵格通道的放大正視圖。
圖10a和10b是作為例子使用的排氣凈化裝置的透視圖。
具體實施例方式
本發明通過實施例和圖例進行說明，這些實施例和圖例并不意在限定權利要求所述的本發明的范圍。
本排氣凈化裝置的第一個實施例說明如下。圖1a是本裝置的第一個實施例的透視圖，圖1b是側面剖視圖。
在圖1a和圖1b中，10表示具有多個柵格通道的直流型絕緣蜂窩式結構，14表示中心電極，16表示外圍電極，18表示在中心電極14上的針狀電極，110表示電源。絕緣蜂窩式結構10位于中心電極14和外圍電極16之間，從而使這些電極在電氣上絕緣。含有PM的廢氣從左側流向右側，如圖1a和圖1b中的箭頭100所示，并通過由外圍電極16包圍的蜂窩式結構10的柵格通道。
在使用如圖1a和圖1b所示的排氣凈化裝置的情況下，電源110在中心電極14和外圍電極16之間施加電壓并在蜂窩式結構10中產生一個徑向電場121。也就是說，在蜂窩式結構10中產生一個橫穿于柵格通道的電場121。電場121迫使廢氣中的PM沉積于蜂窩式結構10的柵格通道的側壁上，從而促進對PM的捕集。
圖1a和圖1b所示排氣凈化裝置的各個部件將在以下的內容以35個細節進行說明。
絕緣蜂窩式結構10可以用陶瓷材料制造，如堇青石。蜂窩式結構可以是直流型(即，蜂窩式結構中的柵格通道基本上是直通的)或壁流型(即，蜂窩式結構中的柵格通道是交替堵塞的，也就是所謂的“柴油機微粒過濾器”)。根據這一實施例，直流型的蜂窩式結構適宜用來阻礙氣流，以達到充分捕集PM的目的。此外，壁流型蜂窩式結構適宜用來產生PM通道，然后利用流過的電流使捕集的PM燃燒。該絕緣蜂窩式結構的導電性能應該比微粒的導電性能足夠差，以保證電流不流過蜂窩式結構本身，而是流過沉積的PM并使之燒盡。
中心電極14由合適的材料制造，從而可以在中心電極14和外圍電極16之間施加電壓。這種材料可以是導電材料或半導電材料等，特別地，可以是如Cu、W、不銹鋼、Fe、Pt和Al的一種金屬，不銹鋼因為它的耐久性和低成本顯得尤為適宜。中心電極14一般是金屬導線，但也可以是空心的金屬棒。
外圍電極16由合適的材料制造，從而可以在中心電極14和外圍電極16之間施加電壓。這種材料可以是導電材料或半導電材料等，特別地，可以是如Cu、W、不銹鋼、Fe、Pt和Al的一種金屬，不銹鋼因為它的耐久性和低成本顯得尤為適宜。外圍電極16可以通過在蜂窩式結構10周圍的材料上包圍一層網絲或箔片而制成，或通過在蜂窩式結構10的圓周表面上加上導電性膠而制成。
電源110可以提供脈沖或恒定直流電(DC)，或交流電(AC)的電壓。施加在中心電極14和外圍電極16之間的電壓通常應高于1千伏，優選地高于1萬伏。所施加的電壓的脈沖周期優選為小于1ms(毫秒)，更優選地小于1μs(微秒)。中心電極14可以是陰極或陽極。優選地，中心電極14是陽極，外圍電極16是陰極。外圍電極16可以與在中心電極14上施加相反電壓的電源110電氣地相連，雖然在圖1a和1b中所示外圍電極16是接地的。
在蜂窩式結構10的上游，如圖1a和1b所示的排氣凈化裝置具有放電用的針狀電極18。一旦電源110給針狀電極供電，針狀電極就會促進從其上放電并使PM帶上電荷。這進一步改進了蜂窩式結構10中捕獲PM。針狀電極18用一種材料制成，該材料可以在針狀電極18和外圍電極16之間穩定地產生放電。這種材料可以是導電材料、半導電材料等，特別可以是如Cu、W、不銹鋼、Fe、Pt和Al的一種金屬，不銹鋼因為它的耐久性和低成本顯得尤為適宜。針狀電極18指向外圍電極16。如果針狀電極18的數目太少，就難以在針狀電極18和外圍電極16之間維持均勻的放電。因此，需要非常大量的針狀電極。針狀電極的最佳數目可以這樣確定，使廢氣中的PM最好地帶電(充電)。電源110在針狀電極18和外圍電極16之間施加電壓來產生放電。
電源110可以在電極間提供直流電壓、交流電壓或具有周期性波形的電壓等。優選地使用直流脈沖電壓，因為它可以產生穩定的電暈放電。交流脈沖電壓的外加電壓、脈沖寬度和脈沖周期可以隨意，只要能夠產生電暈放電就可以。優選地，外加電壓和脈沖周期分別圍高壓和短周期，以便產生電暈放電，即使這些參數可能會因裝置的設計、如經濟利益等所限制。
絕緣蜂窩式結構10可以載有任何對PM進行捕集和/或燃燒的材料。這種材料包括從包括堿金屬或堿土金屬的一族中所選的至少一種金屬；至少一種通電后能產生氧基的材料；二氧化錳(MnO2)；具有高介電常數的材料；和/或PM氧化催化劑，如Pt、CeO2、Fe/CeO2、Pt/CeO2和Pt/Al2O3以及它們的混合物。
蜂窩式結構可以通過任意一種工藝來帶有這些材料的一種或多種，如侵蝕涂層工藝(wash coating process)。蜂窩式結構可以帶有任意量的這些材料。一旦使用侵蝕涂層的工藝來使蜂窩式結構帶有金屬氧化催化劑，蜂窩式結構最好應焙燒而成。本領域普通技術人員都應熟知焙燒的條件，優選地，焙燒溫度是450到500攝氏度。通過焙燒工藝來使蜂窩式結構帶有PM氧化催化劑可以改善PM燃燒的效果。
本排氣凈化裝置的第二個實施例說明如下。圖2a是本裝置的第二個實施例的透視圖，圖2b是它的側向剖視圖。
在圖2a和圖2b中，20表示具有多個柵格通道的直流型絕緣蜂窩式結構，24表示一個上游網狀電極，26表示一個外圍電極，27表示一個下游網狀電極，110表示電源。外圍電極26與下游網狀電極27在電氣上相連。位于其間的絕緣蜂窩式結構20使上游網狀電極24在電氣上與外圍電極26、下游網狀電極27絕緣。含有PM的廢氣如圖2a和2b上箭頭100所示的方向從左側流向右側，然后通過被外圍電極26包圍的蜂窩式結構20的柵格通道。
在使用如圖2a和2b所示的排氣凈化裝置時，電源110在上游網狀電極24和外圍電極26、下游網狀電極27之間施加電壓，從而在位于其間的蜂窩式結構中產生一個電場12。如圖2b所示，電場122從上游網狀電極24一直到達外圍電極26和下游網狀電極27。電場122迫使廢氣中的PM沉積于蜂窩式結構20的柵格通道的側壁上，從而促進PM的捕集。可以在上游網狀電極24與外圍電極26、下游網狀電極27之間產生放電而使PM充電，來改善蜂窩式結構20中PM的捕集效果。
如圖2a和2b所示排氣凈化裝置的各個部件將在以下詳細說明。
上游網狀電極24、外圍電極26和下游網狀電極27可以用以上所述的材料制造，如用于制造圖1a和1b所示中心電極14的材料。也就是說，外圍電極26可以通過在蜂窩式結構20周圍的金屬材料上包圍一層網絲或箔片而制成，或通過在蜂窩式結構20的圓周表面上加上導電性膠而制成。絕緣蜂窩式結構20、電源110和蜂窩式結構所載有的材料與如圖1a和1b所述的相似。
本排氣凈化裝置的第三個實施例說明如下。圖3a是本裝置第三個實施例的透視圖，圖3b是相應的側向剖視圖。
在圖3a和3b中，30表示具有多個柵格通道的壁流型絕緣蜂窩式結構，31是蜂窩式結構30徑向向內區域中的孔道，34是中心電極，36是外圍電極，38是中心電極34上的針狀電極，111時直流電源。位于其間的絕緣蜂窩式結構30使中心電極34在電氣上與外圍電極36絕緣。含有PM的廢氣如圖3a和3b上箭頭100所示的方向從左側流向右側，然后通過被外圍電極36所包圍的蜂窩式結構30的柵格通道和孔道31。
使用如圖3a和3b所示的排氣凈化裝置時，電源111在中心電極34和外圍電極36之間施加電壓，以便在蜂窩式結構30的、柵格通道和孔道31和其上游產生一個電場123。在蜂窩式結構30上游位置的電場123迫使廢氣中的PM通過蜂窩式結構30的徑向向外側的柵格通道，而不是通過孔道31。蜂窩式結構30借助于電場123促進對PM的捕集。根據這種機理，當主要含有PM的廢氣從柵格通道通過，而含有較少量PM的廢氣則從蜂窩式結構30的徑向向內區域中的孔道31中通過，可以用更低的氣流阻力來充分捕集PM。
如圖3a和3b所示排氣凈化裝置的各個部件將在以下詳細說明。
絕緣蜂窩式結構30可以用如圖1a和1b所示裝置相同的材料制造。蜂窩式結構30可以是直流型或壁流型。由于孔道31的作用，壁流型雖然具有更大的氣流阻力，但也是可以接受并優選用作PM的捕集。孔道31的直徑可以任意，例如，蜂窩式結構30的直徑與它的直徑之比可以是10∶1或2∶1。直流電源111可以是任何一種合適的電源，其提供電壓、脈沖周期等，并適合于迫使PM朝徑向向外的方向通過柵格通道。中心電極34和外圍電極36可以用如圖1a和1b所述的方法制成。蜂窩式結構30所帶有的材料與如圖1a和1b所述的相似。
本排氣凈化裝置的第四個實施例如下所述。圖5至6b分別是該裝置上游末端的透視圖和正視圖。
在圖5至6b中，50表示具有多個柵格通道的直流型絕緣蜂窩式結構，54至58是網狀平板電極，110是電源，125和126表示說明蜂窩式結構50中電場方向的箭頭。在平板電極54至58中，平板電極55和57與電源110相連，平板電極54、56和58接地。平板電極54至58中相鄰的電極在電氣上被位于其中的絕緣蜂窩式結構50相互隔絕。含有PM的廢氣從夾于平板電極54至58中的絕緣蜂窩式結構50的柵格通道中通過，如箭頭100所示。
如圖5至6b所示的裝置包括四組蜂窩式結構以及位于其相對外圍表面的平板電極。但是，當該裝置僅包含一組蜂窩式結構以及位于其相對外圍表面的平板電極時，該裝置可以是包含一個與電源110相連的平板電極55、一個接地的平板電極54和一個位于其中的絕緣蜂窩式結構50。
在使用如圖5至6b所示的排氣凈化裝置時，電源110在平板電極54、56、58與相鄰電極55、57之間施加一個電壓，從而在蜂窩式結構50中產生電場125或126。例如，為了產生如圖6a箭頭125所示方向的電場，應將平板電極55和57當作陽極，而電極54、56和58當作陰極。如果陽極和陰極相互調換，則將在蜂窩式結構50中產生如圖6b箭頭126所示方向的電場。不管哪種情況，電場將穿過廢氣所流通的蜂窩式結構的柵格通道。電場125或126迫使廢氣中的PM受庫侖力的作用而沉積于蜂窩式結構50柵格通道的側壁上，以改善PM的捕集效果。
如圖5至6b所示排氣凈化裝置的各個部件將在以下詳細說明。
平板電極54至58可以用如圖1a和1b所述中心電極14和外圍電極16的材料制造。盡管在圖5至6b中所示裝置中的平板電極54至58是網狀電極，它們也可以由這些材料做成金屬箔片或實心板，并可以通過在蜂窩式結構50表面上涂上一層導電性膠來制成。絕緣蜂窩式結構50、電源110和蜂窩式結構50所帶有的材料與如圖1a和1b所述裝置的相似。
本排氣凈化裝置的第五個實施例如下所述。圖7是該裝置的透視圖，圖8a至8d是該裝置的前面正視圖，圖9a和9b是該裝置中蜂窩式結構的柵格通道的放大正視圖。
在圖7至8d中，70表示具有多個柵格通道的直流型絕緣蜂窩式結構，74至77是網狀平板電極，111和112是電源。平板電極74至77被位于其中的絕緣蜂窩式結構70相互隔絕。在平板電極74至77中，平板電極74和76分別與電源111和112相連，另外的平板電極75和77接地。含有PM的廢氣從被平板電極74至77所包圍的絕緣蜂窩式結構70的柵格通道中通過，如圖上箭頭100所示。在圖9a和9b中，98表示蜂窩式結構70中柵格通道的側壁，99表示沉積于側壁上的PM。
在使用如圖7至9b所示的排氣凈化裝置時，電源111在相對的平板電極74和75之間施加電壓并在其間產生一個電場，同時電源112在相對的平板電極76和77之間施加電壓并在其間產生一個電場。例如，為了在蜂窩式結構70中產生一個如圖8a箭頭281所示方向的電場，應將平板電極74用作陽極，而平板電極75用作陰極。此外，為了在蜂窩式結構70中產生一個如圖8c箭頭283所示方向的電場，應將平板電極76用作陽極，而平板電極77用作陰極。如果這些陽極和陰極相互調換，產生的電場方向將分別如圖8b中的箭頭282和8d中的箭頭284所示。不管哪種情況，電場都將穿過廢氣所流通的蜂窩式結構70的柵格通道。利用庫侖力的作用，電場迫使廢氣中的PM沉積于蜂窩式結構柵格通道的側壁上，以改善PM的捕集效果。
在兩個不同方向上的交替電場將實現以下的作用。在圖9a和9b中，98表示蜂窩式結構柵格通道的側壁，99表示沉積于側壁98上的PM。當在蜂窩式結構70中產生電場281或282時，即向下或向上的電場，廢氣流中的PM將優先沉積于如圖9a所示側壁的下或上表面。在這期間，在側壁垂直表面上的PM將被廢氣中的熱能與流過其中的電流燃燒。當在蜂窩式結構70中產生電場283或284時，即向右或向左的電場，廢氣流中的PM將優先沉積于如圖9b所示側壁的右或左表面。在這期間，在側壁水平表面上的PM將被廢氣中的熱能與流過其中的電流燃燒。
由于蜂窩式結構中電場的方向可以轉換，因此廢氣流中的PM可以均勻地沉積在蜂窩式結構中柵格通道的側壁上。此外，如果希望PM帶上正電或負電并沉積于側壁上和下表面或右和左表面上，那么通過如圖8a和8b或圖8c和8d所示的方向轉換電場方向，能夠使PM均勻地沉積在側壁上。
如圖7至9b所示的排氣凈化裝置的各個部件將在以下詳細說明。
平板電極74至77可以用如圖1a和1b所述的中心電極14和外圍電極16的材料制造。絕緣蜂窩式結構70、電源110和蜂窩式結構70所帶有的材料與如圖1a和1b所述裝置的相似。
本發明的效果將結合以下的例子來進行說明，但這些例子并不能旨在限制如權利要求所述的本發明的范圍。
例子1根據如圖1a和1b所示的本發明第一個實施例提供一個排氣凈化裝置。即，在直流型堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25μm(微米))的圓周表面上，有一個用不銹鋼網(寬度40毫米，SUS 304，300個網格)被包圍而形成的外圍電極。在蜂窩式結構的中心軸線上裝有一個針狀電極的中心電極(棒狀電極)。用于該例子進行說明的排氣凈化裝置如圖4a所示。
例子2用于該例子的排氣凈化裝置與例子1的相同，除了它是用壁流型的堇青石蜂窩式結構(柵格密度300個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)而不是例子1中的直流型的堇青石蜂窩之外。
例子3該例子的排氣凈化裝置基本與例子1的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克CeO2粉末和Pt(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；用二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
例子4該例子的排氣凈化裝置基本與例子1的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克CeO2粉末和Fe(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；用Fe(NO3)3水溶液浸透蜂窩式結構，然后對蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Fe。
例子5該例子的排氣凈化裝置基本與例子1的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克Al2O3粉末和Pt(重量是Al2O3粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有Al2O3粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
性能評定PM捕集例子1至5中每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入一個內徑為37毫米的石英管中。中心電極與電源電氣地相連，外圍電極接地。對排氣凈化裝置，從一個排量為2400cc的直噴柴油發動機將部分廢氣(100升/分鐘)噴入其中，并施加4千伏電壓(輸入功率約為3瓦)。在該裝置上游和下游部位的廢氣中PM含量將用ELPI來測定。而PM凈化率由該裝置上游和下游部位的PM含量差所決定。該值越大，就表明該裝置的性能越好。在所有情況下，發動機均保持在怠速狀態(700轉/分鐘)。
性能評定PM氧化效果在例子1至5的蜂窩式結構中使PM充分沉積后，在一個干燥器內在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，然后稱重。該所獲得的重量將作為初始重量。然后把每個裝置嵌入如上所述的石英管中(大氣空氣中)，對中心電極施加15千伏的電壓15分鐘。然后將所得蜂窩式結構在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。PM氧化能用PM氧化量除以輸入電能(電壓×電流×時間)來計算。該值越小，就說明PM的氧化性能越好。若僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表1
表1中PM的捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果，而在同樣的電能下，直流型和壁流型的蜂窩式結構具有相似的PM捕集效果。表1中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，而PM氧化催化劑進一步減小所需PM氧化能。
例子6根據如圖2a和2b所示本發明第二個實施例提供排氣凈化裝置。即，在直流型堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)的上游和下游末端上，固定有圓形的不銹鋼網(直徑25毫米，SUS 304，30個網格)，分別形成上游網狀電極和下游網狀電極。此外，在蜂窩式結構的圓周表面周圍，有一個用不銹鋼網(寬度30毫米，SUS 304，300個網格)被包圍而形成的外圍電極。用于該例子的排氣凈化裝置如圖4b所示。
例子7該例子的排氣凈化裝置基本與例子6的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克CeO2粉末和Pt(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
例子8該例子的排氣凈化裝置基本與例子6的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克CeO2粉末和Fe(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；用Fe(NO3)3水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Fe。
例子9該例子的排氣凈化裝置基本與例子6的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克Al2O3粉末和Pt(重量是Al2O3粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有Al2O3粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
性能評定PM捕集例子6至9中每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入一個內徑為37毫米的石英管中。上游電極電極與電源電氣地相連，下游網狀電極和外圍電極接地。對排氣凈化裝置，從一個排量為2400cc的直噴柴油發動機將部分廢氣(100升/分鐘)噴入其中，供電4千伏(輸入功率約為3瓦)。在該裝置上游和下游部位的廢氣中PM含量將用ELPI來測定。而PM凈化率由裝置上游和下游部位PM含量的差所決定。該值越大，就表明該裝置的性能越好。在所有情況下，發動機均保持在怠速狀態(700轉/分鐘)。
性能評定PM氧化效果在例子6至9的蜂窩式結構中充分沉積PM后，在一個干燥器內在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，然后稱重。該所獲得的重量將作為初始重量。然后把每個裝置嵌入如上所述的石英管中(大氣空氣中)，對中心電極施加15千伏的電壓15分鐘。然后將所得的蜂窩式結構在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得的重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。PM氧化能用PM氧化量除以輸入電能(電壓×電流×時間)來計算。該值越小，就說明PM的氧化性能越好。若僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表2
表2中PM的捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果。表2中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，而PM氧化催化劑進一步減小所需PM氧化能。
在例子6至9中的排氣凈化裝置沒有使用外圍電極的情況下，即，這些裝置僅通過上游網狀電極和下游電極進行供電來產生一個與蜂窩式結構柵格通道平行的電場時，PM的捕集不夠充分，如只有約25％。這說明了與蜂窩式結構柵格通道方向不平行的電場的作用。
例子10根據如圖3a和3b所示本發明第三個實施例提供排氣凈化裝置。即，在壁流型堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)的中心區域中設有一個孔道(直徑9毫米，長度50毫米)。此外，在蜂窩式結構的圓周表面上，有一個用不銹鋼網(寬度40毫米，SUS 304，300個網格)被包圍而形成的外圍電極。在蜂窩式結構的中心軸線上，裝有一個具有針狀電極的中心電極(棒狀電極)。用于該例子的排氣凈化裝置如圖4c所示。
例子11該例子的排氣凈化裝置基本與例子10的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克Ce)2粉末和Pt(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
例子12該例子的排氣凈化裝置基本與例子10的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克CeO2粉末和Fe(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；用Fe(NO3)3水溶液浸透該蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Fe。
例子13該例子的排氣凈化裝置基本與例子10的相同，除了它的蜂窩式結構帶有4.0克Al2O3粉末和Pt(重量是Al2O3粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有Al2O3粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
性能評定PM捕集例子10至13中每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入一個內徑為37毫米的石英管中。中心電極與電源相連，外圍電極接地。對排氣凈化裝置供電4千伏(輸入功率約為3瓦)，同時從一個排量為2400cc的直噴柴油發動機將部分廢氣(100升/分鐘)噴入其中。在該裝置上游和下游部位的廢氣中PM含量將用ELPI來測定。而PM凈化率由該裝置上游和下游部位PM含量的差所決定。該值越大，就表明該裝置的性能越好。在所有情況下，發動機均保持在怠速狀態(700轉/分鐘)。
性能評定PM氧化效果在例子10至13的蜂窩式結構中充分沉積PM后，在一個干燥器內在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，最后稱重。所得重量將作為初始重量。然后把每個裝置嵌入如上所述的石英管中(大氣空氣中)，對中心電極施加15千伏的電壓15分鐘。然后將所得的蜂窩式結構在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。PM氧化能用PM氧化量除以輸入電能(電壓×電流×時間)來計算。該值越小，就說明PM的氧化性能越好。若僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表3
表3中PM的捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果。表3中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，而PM氧化催化劑進一步減小所需PM氧化能。
例子14
根據如圖5所示本發明第四個實施例提供排氣凈化裝置。即，長方體形的直流型堇青石蜂窩式結構(柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米，高度15柵格，寬度5柵格，長度50毫米)夾在不銹鋼網狀電極(SUS 304，高度24毫米，長度45毫米，300或30個網格)之間。用于該例子的排氣凈化裝置如圖10a所示。
在該實驗中，廢氣如圖10a中箭頭所示的方向通過排氣凈化裝置。網狀電極交替地與電源和地相連。與電源相連的電極為陽極，接地的電極是陰極。
例子15該例子的排氣凈化裝置基本與例子14的相同，除了它的蜂窩式結構帶有1.5克CeO2粉末和Fe(重量是CeO2粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有CeO2粉末；用Fe(NO3)3水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所獲的蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Fe。
例子16該例子的排氣凈化裝置基本與例子14的相同，除了它的蜂窩式結構是帶有1.5克Al2O3粉末和Pt(重量是Al2O3粉末的2％)之外。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有Al2O3粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所獲的蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
例子17該例子的排氣凈化裝置基本與例子14的相同，除了所有網狀電極具有300個網格，并且電源為交流電源，以便交替地轉換蜂窩式結構中的電場方向。
例子18該例子的排氣凈化裝置基本與例子17的相同，但該蜂窩式結構帶有的是如例子15所述的Fe/CeO2。
例子19該例子的排氣凈化裝置基本與例子17的相同，但該蜂窩式結構帶有的是如例子16所述的Pt/Al2O3。
性能評定PM捕集例子14至19中每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入在一個外形為34×48毫米的丙烯酸管(acrylic tube)中。對該裝置，供電為4千伏、輸入功率約為3瓦的直流電(例子14至16)或4千伏、60Hz的交流電(例子17至19)，同時從一個排量為2400cc的直噴柴油發動機將部分廢氣(100升/分鐘)噴入其中。
在該裝置上游和下游部位的廢氣中PM含量將用ELPI來測定。而PM凈化率由該裝置上游和下游部位PM含量的差所決定。該值越大，就表明該裝置的性能越好。在所有情況下，發動機均保持在怠速狀態(700轉/分鐘)。
性能評定PM氧化效果在例子14至19的蜂窩式結構中充分沉積PM后，在一個干燥器內在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，然后稱重。該所得重量將作為初始重量。然后把每個裝置嵌入如上所述的丙烯酸管中(大氣空氣中)，施加10千伏的電壓20分鐘。然后將所得裝置在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。PM氧化能用PM氧化量除以輸入電能(電壓×電流×時間)來計算。該值越小，就說明PM的氧化性能越好。若僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表4
表4中PM的捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果。表4中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，而PM氧化催化劑進一步所需減小PM氧化能。
例子20根據如圖7所示本發明第五個實施例提供排氣凈化裝置。即，在長方體形的直流型堇青石蜂窩式結構(柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米，高度15柵格，寬度15柵格，長度50毫米)的表面上，有4個不銹鋼網狀電極(SUS 304，高度20毫米，長度40毫米，300或30個網格)在平行于蜂窩式結構柵格通道的方向上將其包圍住。用于該例子的排氣凈化裝置如圖10b所示。
在該實驗中，廢氣如圖10b中箭頭所示的方向通過排氣凈化裝置。其中兩個網狀電極與直流電源相連，另外兩個電極接地。與電源相連的電極為陽極，接地電極是陰極。
例子21該例子的排氣凈化裝置基本與例子20的相同，除了所有網狀電極都具有300個網格，并且使用交流電源，以便交替地轉換蜂窩式結構中的電場方向。
性能評定PM捕集例子20和21中每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入在一個外形為34×48毫米的丙烯酸管中。對于該裝置， 施加10千伏、功率約為7.5瓦的直流電(例子20)或10千伏、60Hz的交流電(例子21)，同時從一個排量為2400cc的直噴柴油發動機將部分廢氣(100升/分鐘)噴入其中。電場的方向在如圖10b所示的x和y方向之間每10秒變換一次。
在該裝置上游和下游部位的廢氣中PM含量將用ELPI來測定。而PM凈化率由該裝置上游和下游部位PM含量的差所決定。該值越大，就表明該裝置的性能越好。在所有情況下，發動機均保持在怠速狀態(700轉/分鐘)。
性能評定PM氧化效果在例子20和21的蜂窩式結構中對充分沉積PM后，在一個干燥器內在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，然后稱重。該所得重量將作為初始重量。然后把每個裝置嵌入如上所述的丙烯酸管中(大氣空氣中)，并施加10千伏的電壓20分鐘。然后將所得裝置在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。PM氧化能用PM氧化量除以輸入電能(電壓×電流×時間)來計算。該值越小，就說明PM的氧化性能越好。若僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表5
表5中PM的捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果。表5中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，而PM氧化催化劑進一步減小所需PM氧化能。
例子22和23將說明在使用電流、并且在蜂窩式結構上帶有堿金屬或堿土金屬時，這種結合使用減小所需的PM氧化能。為了對比，準備了一個控制例子A。在這些例子22、23和A中，在直流型堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)的圓周表面上，有一個用不銹鋼網(寬度40毫米，SUS 304，300個網格)被包圍而形成的外圍電極。在蜂窩式結構的中心軸線上裝有一個具有針狀電極的中心電極(棒狀電極)。用于這些例子進行說明的排氣凈化裝置如圖4a所示。
例子A在該例子中，該蜂窩式結構帶有4.0克Al2O3粉末和Pt(重量是Al2O3粉末的2％)。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有Al2O3粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得的蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
例子22該例子的排氣凈化裝置基本與例子A的相同，但蜂窩式結構還另外帶有0.07摩爾/蜂窩式結構的K。其中，將乙酸鉀水溶液浸透例子A中的蜂窩式結構(Pt/Al2O3)，然后對蜂窩式結構干燥并在550攝氏度下焙燒2小時來使之帶有K。
例子23
該例子的排氣凈化裝置基本與例子A的相同，但蜂窩式結構還另外帶有0.07摩爾/蜂窩式結構的Ba。其中將乙酸鋇水溶液浸透例子A中的蜂窩式結構(Pt/Al2O3)，然后對所得蜂窩式結構干燥并在550攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Ba。
性能評定PM捕集例子A、22和23中每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入一個內徑為37毫米的石英管中。中心電極與電源電氣地相連，外圍電極接地。對排氣凈化裝置，供電4千伏(輸入功率約為3瓦)，同時從一個排量為2400cc的直噴柴油發動機將部分廢氣(100升/分鐘)噴入其中。在該裝置上游和下游部位的廢氣中PM含量將用ELPI來測定。而PM凈化率由該裝置上游和下游部位PM含量的差所決定。該值越大，就表明該裝置的性能越好。在所有情況下，發動機均保持在怠速狀態(700轉/分鐘)。
性能評定PM氧化效果在例子A、22和23的蜂窩式結構中使PM充分沉積后，在干燥器中在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，然后稱重。該所獲的重量將作為初始重量。然后把每個裝置嵌入如上所述的石英管中大氣空氣中。對中心電極施加15千伏電壓15分鐘，同時將該裝置放入電爐中在250攝氏度下加熱，并將含有10％的O2、1000ppm的NO、15％的CO2和10％的H2O的混合氣體通過該蜂窩式結構。然后將所得裝置在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。PM氧化能用PM氧化量除以輸入電能(電壓×電流×時間)來計算。該值越小，就說明對PM氧化性能越好。僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表6
表6中PM捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM捕集效果。表6中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，并且，蜂窩式結構中帶有的堿金屬或堿土金屬(特別是K和Ba)進一步減小所需PM氧化能。
例子24和25將說明在使用電流、并且蜂窩式結構帶有堿金屬或堿土金屬時，這種結合使用明顯改善了PM的氧化。為了對比，準備了一個控制例子A’。
例子A’用于該例子的排氣凈化裝置與例子A(Pt/Al2O3)的相同，除了它是用壁流型的堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)而不是直流型的堇青石蜂窩式結構之外。
例子24用于該例子的排氣凈化裝置與例子22的相同，除了它是用壁流型的堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)而不是直流型的堇青石蜂窩式結構之外。
例子25用于該例子的排氣凈化裝置與例子23的相同，除了它是用壁流型的堇青石蜂窩式結構(直徑30毫米，長度50毫米，柵格密度200個/平方英寸，孔隙率65％，平均孔徑25微米)而不是直流型的堇青石蜂窩式結構之外。
性能評定PM氧化效果在例子A’、24和25的蜂窩式結構中使PM充分沉積后，在干燥器內在120攝氏度下對該蜂窩式結構干燥24小時，然后稱重。該所得重量將作為初始重量。然后把每個裝置用氧化鋁柵網包裹并嵌入一個內徑為37毫米的石英管中。對中心電極施加15千伏的電壓15分鐘，或者不通電，同時將該裝置放入電爐中在250攝氏度下加熱，并將含有10％的O2、1000ppm的NO、15％的CO2和10％的H2O的混合氣體通過該蜂窩式結構。然后將所得蜂窩式結構在120攝氏度下干燥24小時再稱重。該所得重量將作為處理后重量。PM氧化量由初始重量與處理后重量的差得到。該值越大，就說明PM氧化性能越好。
表7
表7中PM氧化量的增加說明了在通電的情況下，使用Pt/Al2O3的控制例子A’其PM氧化量增加了0.08克，而分別使用堿金屬和堿土金屬(K和Ba)的例子24和25其PM氧化量分別增加了0.18克和0.16克(差不多是2倍)。這說明了，同時使用堿金屬或堿土金屬和電場可以明顯地加速PM氧化。
例子26和27說明在通電情況下產生氧基的材料可以改善所需的PM氧化能。為了對比，準備了上述的控制例子A(Pt/Al2O3)。例子26和27所用的排氣凈化裝置基本與圖4a所示的控制例子A的相同，除了各自蜂窩式結構所帶有的材料不同之外。
例子26在該例子中，蜂窩式結構帶有4.0克12CaO·7Al2O3粉末，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對該蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有12CaO·7Al2O3粉末。
例子27在該例子中，蜂窩式結構帶有4.0克12CaO·7Al2O3粉末和Pt(重量是12CaO·7Al2O3粉末的2％)。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有12CaO·7Al2O3粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
性能評定PM捕集和PM氧化PM捕集性能和PM氧化性能的評定如同例子22和23所述的進行。僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表8
表8中PM的捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果。表8中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流減小所需PM氧化能，并且，蜂窩式結構上單獨帶有在通電情況下產生氧基的材料(12CaO·7Al2O3)或同時帶有該材料和Pt，進一步減少所需PM氧化能。
例子28和29說明蜂窩式結構所帶有的MnO2減少所需的PM氧化能。為了對比，進行了上述控制例子A(Pt/Al2O3)。例子28和29所用的排氣凈化裝置基本與圖4a所示的控制例子A的相同，除了各自蜂窩式結構所帶有的材料不同之外。
例子28在該例子中，蜂窩式結構帶有4.0克MnO2粉末，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有MnO2粉末。
例子29在該例子中，蜂窩式結構帶有4.0克MnO2粉末和Pt(重量是MnO2粉末的2％)。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有MnO2粉末；將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
性能評定PM捕集和PM氧化PM捕集性能和PM氧化性能的評定如同例子22和23所述的進行。僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表9
表9中PM捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM捕集效果。表9中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流能夠減小所需PM氧化能，并且，蜂窩式結構單獨帶有MnO2粉末或同時帶有該物質和Pt，能夠進一步減少所需PM氧化能。
例子30和31說明具有高介電常數的材料對PM捕集性能的影響。為了對比，準備了上述控制例子A(Pt/Al2O3)。例子30和31所用的排氣凈化裝置基本與圖4a所示的控制例子A的相同，除了蜂窩式結構所帶有的材料不同之外。
例子30在該例子中，蜂窩式結構帶有4.0克的Al2O3粉末和BaTiO3粉末為1∶1的混合物，和Pt(重量是BaTiO3粉末的2％)。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對該蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶有1∶1混合物；然后將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶有Pt。
例子31在該例子中，蜂窩式結構帶有4.0克的Al2O3粉末和SrTiO3粉末為1∶1的混合物，和Pt(重量是SrTiO3粉末的2％)。其中，用侵蝕涂層的工藝并在450攝氏度下對蜂窩式結構焙燒2小時來使之帶上1∶1混合物；然后將二硝基二胺鉑復合物水溶液浸透蜂窩式結構，然后對所得蜂窩式結構干燥并在450攝氏度下焙燒2小時來使之帶上Pt。
性能評定PM捕集和PM氧化PM捕集性能和PM氧化性能的評定如同例子22和23所述的進行。僅用加熱的方法對PM進行氧化所需的輸入能量大約為290千焦/克。
表10
表10中PM捕集性能說明了蜂窩式結構中的電場增強了PM的捕集效果，而且，在同時使用電場和具有高介電常數的材料(特別是BaTiO3或SrTiO3)的情況下進一步增強了PM的捕集效果。表10中的PM氧化性能說明了相對于用僅加熱的方式，電流減少了所需PM氧化能。
雖然已經用各種例子和相關附圖來對本發明進行了充分的描述，但是應該知道，各種變動和改造對于本領域中的專業人員來說是顯而易見的。因此，可以在本發明所界定的范圍內可以進行此類的變動和改造。
權利要求
1.一種捕集并燃燒PM的排氣凈化裝置，包括電極和一個具有多個柵格通道的絕緣蜂窩式結構，其特征在于，所述電極在所述蜂窩式結構中產生一個電場，該電場的方向與所述蜂窩式結構的柵格通道的方向不平行。
2.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述電場與所述蜂窩式結構柵格通道成至少為45度的角度。
3.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構是一個直流型蜂窩式結構。
4.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述電極包括一個位于所述蜂窩式結構上游的放電電極。
5.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構載有一種PM氧化催化劑。
6.根據權利要求5的排氣凈化裝置，其特征在于，所述PM氧化催化劑從包括CeO2，Fe/CeO2，Pt/CeO2和Pt/Al2O3的一族和它們的混合物之中所選擇。
7.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述電極包括一個中心電極和一個包圍該中心電極的外圍電極，所述蜂窩式結構位于該中心電極和該外圍電極之間。
8.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述電極包括一個位于所述蜂窩式結構上游末端的網狀電極和一個位于所述蜂窩式結構圓周表面周圍的外圍電極。
9.根據權利要求8的排氣凈化裝置，其特征在于，所述電極進一步包括位于所述蜂窩式結構下游末端的第二個網狀電極，所述第二個網狀電極與外圍電極在電氣上相連。
10.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述電極包括一個中心電極和一個包圍該中心電極的外圍電極；所述蜂窩式結構位于所述中心電極和所述外圍電極之間；所述中心電極延伸至所述蜂窩式結構上游末端之外；所述蜂窩式結構的徑向向內區域比其外部區域具有更低的氣流阻力。
11.根據權利要求10的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構的徑向向內區域中具有一個貫穿于蜂窩式結構的孔道。
12.根據權利要求11的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構的直徑與所述孔道的直徑之比為10∶1到2∶1。
13.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構具有相對的外圍表面，所述電極包括一對平板電極，該平板電極分別位于蜂窩式結構的所述相對表面上。
14.根據權利要求13的排氣凈化裝置，其特征在于，該裝置包括兩組或多組所述蜂窩式結構和所述平板電極對。
15.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構具有兩對相對的外圍表面；所述電極包括兩對相對的平板電極；每對相對的平板電極位于蜂窩式結構每對相對的外圍表面上，從而所述兩對相對的平板電極交替地產生兩個不同方向的電場，該電場不平行于蜂窩式結構柵格通道的方向。
16.根據權利要求15的排氣凈化裝置，其特征在于，所述蜂窩式結構是長方體形狀，所述電極位于其四個與柵格通道方向平行的外圍表面上。
17.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，蜂窩式結構載有從包括堿金屬和堿土金屬的一族中所選的至少一種金屬。
18.根據權利要求17的排氣凈化裝置，其特征在于，所述至少一種金屬是鉀或鋇。
19.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，該蜂窩式結構載有一種在通電時可以產生氧基的材料。
20.根據權利要求19的排氣凈化裝置，其特征在于，所述材料是12CaO·7Al2O3。
21.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，該蜂窩式結構載有二氧化錳。
22.根據權利要求1的排氣凈化裝置，其特征在于，該蜂窩式結構載有一種具有高介電常數的材料。
23.根據權利要求22的排氣凈化裝置，其特征在于，所述材料是一種在溫度為250攝氏度下、靜態單位介電常數高于100的材料。
24.根據權利要求22的排氣凈化裝置，其特征在于，所述材料是鈦酸鋇或鈦酸鍶。
25.一種捕集并燃燒PM的排氣凈化裝置，該裝置包括電極和一個絕緣蜂窩式結構，其特征在于，該電極在所述蜂窩式結構中產生一個電場，該蜂窩式結構載有從包括堿金屬和堿土金屬的一族中所選的至少一種金屬。
26.根據權利要求25的排氣凈化裝置，其特征在于，所述至少一種金屬是鉀或鋇。
27.一種捕集并燃燒PM的排氣凈化裝置，該裝置包括電極和一個絕緣蜂窩式結構，其特征在于，該電極在所述蜂窩式結構中產生一個電場，該蜂窩式結構載有一種在通電時產生氧基的材料。
28.根據權利要求27的排氣凈化裝置，其特征在于，所述材料是12CaO·7Al2O3。
29.一種捕集并燃燒PM的排氣凈化裝置，該裝置包括電極和一個絕緣蜂窩式結構，其特征在于，該電極在所述蜂窩式結構中產生一個電場，該蜂窩式結構載有二氧化錳。
30.一種捕集并燃燒PM的排氣凈化裝置，該裝置包括電極和一個絕緣蜂窩式結構，其特征在于，該電極在所述蜂窩式結構中產生一個電場，該蜂窩式結構載有一種具有高介電常數的材料。
31.根據權利要求30的排氣凈化裝置，其特征在于，所述材料是一種在溫度為250攝氏度下、靜態單位介電常數高于100的材料。
32.根據權利要求30的排氣凈化裝置，其特征在于，所述材料是鈦酸鋇或鈦酸鍶。
全文摘要
本發明涉及一種捕集并燃燒PM的排氣凈化裝置，該裝置包括電極和一個絕緣蜂窩式結構。該裝置的特征在于，所述電極在所述蜂窩式結構中產生一個電場，該電場與所述蜂窩式結構的柵格通道不平行。此外，該裝置特征在于，該電極在蜂窩式結構中產生一個電場，該蜂窩式結構載有從包括堿金屬和堿土金屬的一族中所選的至少一種金屬；一種在通電時產生氧基的材料；二氧化錳；和/或一種具有高介電常數的材料。
文檔編號F01N3/027GK1517523SQ20041000222
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月15日 優先權日2003年1月15日
發明者平田裕人, 垣花大, 矢作秀夫, 夫 申請人:豐田自動車株式會社