САЖЕВЫЙ ФИЛЬТР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ОБЛАДАЮЩИЙ УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СОЗДАВАЕМОГО ИМ ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B01D46/24 F01N3/21 

Изобретение относится к сажевому фильтру отработавших газов (ОГ) дизельного двигателя, обладающему улучшенными характеристиками создаваемого им противодавления и пригодному для удаления сажи из ОГ дизельных двигателей, прежде всего на автомобилях.

ОГ дизельных двигателей автомобилей наряду с такими вредными газообразными веществами, как монооксид углерода (СО) и оксиды азота (NO_x), содержат также компоненты, наличие которых обусловлено неполным сгоранием топлива в камере сгорания, находящейся в цилиндре. Такими компонентами помимо остаточных углеводородов, которые по большей части также представлены преимущественно в газообразном виде, являются твердые частицы, называемые также "дизельной сажей" или "сажевыми частицами". Речь при этом идет о сложных агломератах, состоящих из преимущественно углеродсодержащих пылевидных или твердых частиц и прилипшей к ним жидкой фазы, которая по большей части состоит из длинноцепных углеводородных конденсатов. Такую прилипшую к твердофазным компонентам жидкую фазу называют также "растворимой органической фракцией" (РОФ) или "летучей органической фракцией" (ЛОФ).

Для удаления таких твердых частиц используют фильтры для их улавливания, называемые сажевыми фильтрами. С учетом актуальной проблематики, создаваемой высокодисперсной пылью, в постоянно возрастающих объемах применяются керамические фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов, характеризующиеся высокой эффективностью отфильтровывания даже мелких твердых частиц. Такие фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов представляют собой керамические сотовые элементы с попеременно газонепроницаемо закрытыми с их противоположных сторон входными и выходными каналами. Подобный фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов схематично показан на фиг.1. Входящие во входные каналы (1) ОГ, содержащие твердые частицы, из-за наличия газонепроницаемых заглушек (3) с выходной стороны фильтрующего элемента принудительно проходят сквозь пористую стенку (4) и затем вновь выходят из фильтрующего элемента из его закрытых с входной стороны выходных каналов (2). При этом дизельная сажа отфильтровывается из ОГ.

Отфильтровывание сажи в фильтрующем элементе с проницаемыми стенками каналов при прохождении ОГ сквозь стенку можно рассматривать как двухстадийный процесс. На первой стадии, так называемой "стадии глубокой фильтрации", сажевые частицы при прохождении содержащих их ОГ сквозь стенку задерживаются в ее порах [фиг.2,б]. В результате происходит уменьшение диаметра пор в стенке, вследствие чего противодавление на фильтрующем элементе скачкообразно возрастает. Сразу же после уменьшения диаметра пор до величины, слишком малой для возможности входа в них сажевых частиц средней и большей крупности, начинается образование фильтровального осадка (фильтровального кека) во всем входном канале [фиг.2,в]. В процессе образования фильтровального осадка противодавление на фильтре возрастает еще только линейно с увеличением количества отфильтрованной дизельной сажи. На фиг.3 в графическом виде схематично проиллюстрировано нарастание противодавления на фильтре начиная с его состояния, в котором в нем отсутствует сажа, в функции количества задержанной им сажи. Позицией (1) при этом обозначена величина противодавления на чистом фильтре (т.е. на фильтре в отсутствие в нем сажи), позицией (2) обозначено нарастание противодавления на стадии глубокой фильтрации, а позицией (3) обозначено линейное увеличение противодавления на стадии образования фильтровального осадка.

Описанный выше двухстадийный процесс отфильтровывания сажи в фильтрующем элементе с проницаемыми стенками каналов носит всеобщий характер и наблюдается в фильтрующих элементах без покрытия так же, как и в фильтрующих элементах с каталитически активным покрытием, со способствующим воспламенению сажи покрытием или с покрытиями, имеющими специальные фиксирующие ("анкерные") структуры для повышения эффективности фильтрации. Исходная конфигурация фильтра с проницаемыми стенками каналов влияет преимущественно на величину создаваемого им исходного противодавления в чистом состоянии, как это показано на фиг.4. У фильтрующих элементов с каталитическим покрытием или у таковых с типичным способствующим воспламенению сажи покрытием (кривая (2)) создаваемое ими исходное противодавление в чистом состоянии значительно выше, чем у фильтрующих элементов без покрытия (кривая (1)), однако форма кривой изменения противодавления, создаваемого фильтрующими элементами с покрытием, с увеличением количества задержанной ими сажи сравнима с формой кривой изменения противодавления, создаваемого фильтрующим элементом без покрытия (кривая (1)). У фильтрующего элемента с повышающим эффективность фильтрации покрытием (кривая (3)) исходное противодавление в чистом состоянии обычно сопоставимо с исходным противодавлением, создаваемым фильтром с каталитическим покрытием. Однако характеристика нарастания противодавления на стадии глубокой фильтрации имеет значительно большую крутизну, поскольку радиус пор из-за наличия целенаправленно встроенных анкерных структур уменьшается еще быстрее.

В принципе наличие высокого противодавления, равно как и быстрое его повышение у сажевых фильтров, используемых на автомобилях с дизельным двигателем, нежелательно, поскольку из-за такого противодавления часть мощности двигателя должна затрачиваться на "продавливание" ОГ через систему снижения их токсичности. Эта часть мощности двигателя по существу расходуется впустую, поскольку не затрачивается на приведение в движение транспортного средства. Однако оптимальное использование мощности двигателя для приведения в движение транспортного средства равносильно повышению эффективности использования топлива и обеспечивает достижение преимуществ, проявляющихся в снижении расхода топлива, а тем самым и в сокращении выброса CO₂ автомобилем.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать сажевый фильтр ОГ дизельного двигателя, таковой фильтр обладал бы улучшенными характеристиками создаваемого им противодавления без снижения при этом эффективности фильтрации, или ухудшения каталитических свойств, или ухудшения свойств по воспламенению, соответственно выжиганию сажи.

Указанная задача решается с помощью сажевого фильтра отработавших газов (ОГ) дизельного двигателя, таковой фильтр имеет керамический фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов и нанесенное во входных каналах на их стенки покрытие из тугоплавкого материала, которое обладает такими свойствами, что оно с входной стороны соединяющих между собой входные и выходные каналы пор в стенках каналов закрывает проход сажевых частиц в эти поры, но не препятствует при этом прохождению через них газообразных компонентов ОГ [фиг. 5].

Обеспечивается подобный эффект благодаря покрытию, которое преимущественно содержит один или несколько тугоплавких оксидов, размер частиц которых согласован с размером пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента таким образом, что значение d₅₀ в спектре размеров частиц оксидов не меньше значения d₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента, при этом одновременно значение d₉₀ в спектре размеров частиц оксидов не меньше значения d₉₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента. Под значением d₅₀, соответственно значением d₉₀ в спектре размеров частиц оксидов при этом имеется в виду, что 50%, соответственно 90% от всего количества частиц оксидов приходится только на такие частицы, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅₀, соответственно d₉₀. Под значением d₅, соответственно значением d₉₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента имеется в виду, что 5%, соответственно 95% от всего определяемого ртутной порометрией объема пор приходится на поры, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅, соответственно d₉₅.

Требуемая функциональность нанесенного во входных каналах на их стенки покрытия обеспечивается и в том случае, когда такое покрытие преимущественно содержит тугоплавкий волокнистый материал, который по типу газопроницаемого мата расположен над входными отверстиями пор, соответственно перекрывает входные отверстия пор и тем самым значительно затрудняет, а в оптимальном случае практически полностью предотвращает проникновение в них даже мельчайших сажевых частиц. Пригодный для применения в указанных целях волокнистый материал следует подбирать с таким расчетом, чтобы средняя длина образующих его волокон составляла от 50 до 250 мкм, а их среднемассовый диаметр не превышал значение d₅₀ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента, при этом под значением d₅₀ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента имеется в виду, что 50% от всего определяемого ртутной порометрией объема пор приходится на поры, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅₀.

В обоих вариантах подобное покрытие существенно уменьшает глубокую фильтрацию и тем самым значительно снижает наблюдающееся на стадии глубокой фильтрации нарастание противодавления. Эффект, достигаемый благодаря такому нанесенному покрытию, схематично проиллюстрирован на фиг.6.

Принцип снижения противодавления путем нанесения уменьшающего глубокую фильтрацию покрытия во входные каналы по существу можно использовать применительно ко всем фильтрующим элементам с проницаемыми стенками каналов. В предпочтительных вариантах выполнения предлагаемых в изобретении фильтров в них используются фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов, изготовленные из карбида кремния, кордиерита или титаната алюминия и имеющие в стенках, разделяющих между собой входные и выходные каналы, поры со средним диаметром от 5 до 50 мкм, особенно предпочтительно от 10 до 25 мкм.

Ниже более детально рассмотрены наиболее важные варианты осуществления настоящего изобретения. Предлагаемое в изобретении покрытие, функция которого заключается в значительном уменьшении глубокой фильтрации, ниже обозначается как "фильтрующее покрытие" (“overcoat”).

В п.2 формулы изобретения заявлен предлагаемый в нем сажевый фильтр с фильтрующим покрытием, которое преимущественно содержит один или несколько тугоплавких оксидов. Для придания такому фильтрующему покрытию свойств, при которых оно закрывает проход сажевых частиц в поры, соединяющие между собой входные и выходные каналы, но не препятствует при этом прохождению через поры газообразных компонентов ОГ, необходимо со всей тщательностью подходить к подбору материалов, используемых для образования такого фильтрующего покрытия. Применяемые оксиды прежде всего должны обладать таким распределением их частиц по размерам, который согласован с распределением пор в стенках фильтрующего элемента по размерам. Выполнение фильтрующим покрытием своей отвечающей его назначению функции обеспечивается в том случае, когда значение d₅₀ в спектре размеров частиц оксидов не меньше значения d₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента и когда одновременно с этим значение d₉₀ в спектре размеров частиц оксидов не меньше значения d₉₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента. (Величины, которые подразумеваются под значениями d_x в спектре размеров частиц, с одной стороны, и в спектре размеров пор, с другой стороны, уже пояснялись выше.) Предпочтительно использовать оксиды, в спектре размеров частиц которых значение d₅₀ составляет не менее 5 мкм при значении d₉₀ не менее 20 мкм. Особенно предпочтительны оксиды со значением d₅₀ в пределах от 10 до 15 мкм и со значением d₉₀ в пределах от 25 до 40 мкм. Предпочтительно при этом использовать оксиды, у которых значение d₅₀ составляет от 10 до 15 мкм, а значение d₉₀ составляет от 30 до 35 мкм. Последние наряду с оптимизированной функциональностью касательно уменьшения глубокой фильтрации отличаются также особо высоким сцеплением в содержащем их покрытии на фильтрующем элементе с проницаемыми стенками каналов.

Частицам некоторых оксидов можно эффективно придавать лежащие в требуемых пределах размеры путем целенаправленного предварительного размола соответствующего оксида перед его введением в фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов. Для возможности максимально полного использования подобного преимущества оксиды, входящие в состав фильтрующего покрытия, предпочтительно выбирать из группы, включающей оксид алюминия, стабилизированный редкоземельными элементами оксид алюминия, сесквиоксид редкоземельного элемента, диоксид титана, диоксид циркония, смешанный оксид церия и циркония, пентаоксид ванадия, триоксид ванадия, триоксид вольфрама, триоксид молибдена и их смеси. Особенно предпочтительны оксиды, выбранные из группы, включающей оксид алюминия, стабилизированный редкоземельными элементами оксид алюминия, сесквиоксид редкоземельного элемента, диоксид циркония и их смеси.

Материалы на основе цеолитов в целом не пригодны для применения в качестве оксидного фильтрующего покрытия, поскольку у синтетических цеолитов средние размеры d₅₀ их частиц, составляющие преимущественно менее 3 мкм, явно меньше требуемых в данном случае значений.

С целью обеспечить по возможности оптимальное выполнение уменьшающим глубокую фильтрацию оксидным фильтрующим покрытием предусмотренной для него функции при одновременно минимально возможном его влиянии на исходное противодавление фильтрующее покрытие предпочтительно наносить на проницаемые стенки входных каналов фильтрующего элемента слоем толщиной от 10 до 150 мкм, особенно предпочтительно от 20 до 100 мкм. При указанном выше выборе возможных материалов для выполнения оксидного фильтрующего покрытия его нанесение слоем соответствующей толщины можно обеспечить при удельном количестве твердого вещества от 1 до 50 г на л объема фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов. Более предпочтительные значения удельного количества твердого вещества составляют от 1 до 20 г на л объема фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов, особенно предпочтительно от 1 до 10 г на л объема фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов.

Для изготовления предлагаемого в изобретении сажевого фильтра с оксидным фильтрующим покрытием выбирают пригодный для этого оксид и суспендируют его в воде, взятой в количестве, которое по меньшей мере вдвое больше объема пор выбранного оксида. Полученную таким путем водную суспензию оксида при необходимости подвергают размолу в мельнице типа Dyno до получения частиц с требуемым их распределением по размерам. К суспензии для повышения ее стойкости к расслоению на этой стадии изготовления сажевого фильтра можно добавлять вспомогательные вещества без ущерба для функции наносимого фильтрующего покрытия при условии, что такие вспомогательные вещества допускают возможность их полного термического удаления при прокаливании на последней стадии формирования фильтрующего покрытия. Добавление промоторов адгезии, таких как кремниевая кислота и иные неорганические золи, также не оказывает отрицательного влияния на функциональность фильтрующего покрытия, а в некоторых вариантах при определенных условиях может даже оказаться предпочтительным. Далее суспензию после выполнения предусмотренной при необходимости стадии размола для получения требуемого распределения оксидных частиц по размерам нагнетают во входные каналы снабжаемого покрытием фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов. После полного заполнения входных каналов суспензией ее избыток вновь откачивают из фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов. Мощность откачки избыточной суспензии следует при этом задавать такой, чтобы по завершении этого процесса твердое вещество оставалось во входном канале в требуемом заданном удельном количестве. Изготовленный таким путем снабженный покрытием фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов затем сушат в потоке горячего воздуха с температурой в пределах от 80 до 180°C и после этого прокаливают при температуре в пределах от 250 до 600°C, предпочтительно от 300 до 500°C. После прокаливания безо всякой последующей обработки получают готовый к применению фильтрующий элемент.

В п.6 формулы изобретения заявлен предлагаемый в изобретении сажевый фильтр с фильтрующим покрытием, которое преимущественно содержит тугоплавкий волокнистый материал. Подобный волокнистый материал должен обладать такими свойствами, при которых он по типу газопроницаемого мата располагается во входных каналах над входными отверстиями пор в стенке входного канала, соответственно перекрывает входные отверстия пор в стенке входного канала и тем самым значительно затрудняет, а в оптимальном случае практически полностью предотвращает проникновение в них даже мельчайших сажевых частиц. Для соблюдения подобных условий волокнистый материал следует подбирать с таким расчетом, чтобы средняя длина образующих его волокон составляла от 50 до 250 мкм, а их среднемассовый диаметр не превышал значения d₅₀ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента. Под значением d₅₀ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента имеется в виду, что 50% от всего определяемого ртутной порометрией объема пор приходится на поры, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅₀. Для образования волокнистого материала предпочтительно использовать волокна со средней длиной от 100 до 150 мкм и со среднемассовым диаметром от 5 до 15 мкм.

Волокнистый материал должен обладать такой температуростойкостью, при которой он способен выдерживать воздействие обычных рабочих температур и температур регенерации сажевого фильтра, составляющих от 100 до 800°C, т.е. температура плавления волокон должна превышать 800°C. Многие волокнистые материалы, которые удовлетворяют подобным техническим требованиям, такие, например, как асбест, муллит, минеральная вата с волокнами малого диаметра и волокна оксида алюминия, выделяют карциногенную волокнистую пыль. Поэтому волокнистый материал, применяемый в предлагаемом в изобретении сажевом фильтре, предпочтительно выбирать из группы безвредных для здоровья материалов, включающей каменную вату, волокно из природного камня и минеральную вату с волокнами диаметром более 5 мкм. Особенно предпочтительны волокна из природного камня. Подобные волокна из природного камня состоят преимущественно из диоксида кремния, оксида алюминия, оксида кальция и оксида магния. Кроме того, они могут содержать оксид железа и оксиды щелочных металлов, прежде всего оксид калия и оксид натрия. Приемлемые волокна из природного камня получают, например, из расплавленного базальта. Такие волокнистые материалы используются в строительстве в качестве изоляционных материалов, выпускаются и поступают в продажу в различных формах.

Применение тугоплавкого волокнистого материала для образования фильтрующего покрытия позволяет уменьшить толщину его слоя в предлагаемой в изобретении детали до значений в пределах от 1 до 50 мкм. В предпочтительном варианте слой фильтрующего покрытия из тугоплавкого волокнистого материала имеет толщину в пределах от 3 до 30 мкм. Для получения слоев фильтрующего покрытия такой толщины удельное количество твердого вещества в нем должно составлять от 1 до 30 г на л объема фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов. Более предпочтительные значения удельного количества твердого вещества составляют от 2 до 15 г на л объема фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов, особенно предпочтительно от 2 до 5 г на л объема фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов.

Для изготовления предлагаемого в изобретении сажевого фильтра, заявленного в п.6 формулы изобретения, волокнистый материал суспендируют в воде, взятой в достаточном для этого количестве, и полученную суспензию прокачивают через фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов с его входной стороны. При этом количество нагнетаемой в фильтрующий элемент суспензии следует выбирать с таким расчетом, чтобы количество содержащегося в ней волокнистого материала соответствовало удельному количеству наносимого твердого вещества. Для прокачки некоторой части водной суспензии через стенку канала насос должен создавать соответственно высокое давление. При необходимости к суспензии для нанесения покрытия можно в небольших количествах добавлять промотирующие адгезию вспомогательные вещества при условии, что их частицы имеют достаточно большие размеры для того, чтобы оставаться в промежутках между волокнами и не проникать в поры в стенках между входными и выходными каналами. В качестве таких промотирующих адгезию вспомогательных веществ при необходимости также можно использовать кремниевую кислоту и другие неорганические золи. После прокачки суспензии для нанесения покрытия через фильтрующий элемент с проницаемыми стенками его сушат в потоке горячего воздуха с температурой в пределах от 80 до 180°С и после этого прокаливают при температуре в пределах от 250 до 600°С, предпочтительно от 300 до 500°С. После прокаливания безо всякой последующей обработки получают готовый к применению фильтрующий элемент.

В отличие от изготовления предлагаемого в изобретении сажевого фильтра, заявленного в п.2 формулы изобретения, суспензию для нанесения покрытия при изготовлении предлагаемого в изобретении сажевого фильтра с волокнистым фильтрующим покрытием нельзя откачивать из входных каналов фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов, поскольку создаваемая при откачке нагрузка привела бы к разрыву находящегося во входных каналах волокнистого мата и тем самым к обнажению пор. Обнажившиеся таким образом поры стали бы вновь доступны для сажевых частиц, вследствие чего наблюдалась бы повышенная степень глубокой фильтрации, а уменьшающий противодавление потенциал использовался бы не полностью.

Как уже указывалось выше, принцип снижения противодавления путем нанесения уменьшающего глубокую фильтрацию покрытия (фильтрующего покрытия) во входные каналы по существу можно использовать применительно ко всем фильтрующим элементам с проницаемыми стенками каналов. К таким фильтрующим элементам относятся также снабженные каталитическим покрытием фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов или фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов, снабженные снижающими температуру воспламенения сажи покрытиями.

Так, например, описанные выше фильтрующие покрытия из тугоплавкого оксидного материала или из тугоплавкого волокнистого материала можно наносить на фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов, снабженные каталитически активным покрытием и/или снижающим температуру воспламенения сажи покрытием, которое преимущественно присутствует в порах стенок, разделяющих между собой входные и выходные каналы. Подобные уже имеющие покрытие фильтрующие элементы с проницаемыми стенками каналов предпочтительно снабжать фильтрующим покрытием из волокнистого материала согласно п.6 формулы изобретения, поскольку уменьшающее глубокую фильтрацию покрытие такого типа особо эффективно уже при очень малой толщине своего слоя. Применение же оксидного фильтрующего покрытия согласно п.2 формулы изобретения с предпочтительной для обеспечения оптимальной эффективности толщиной его слоя может при определенных условиях привести к увеличению исходного противодавления на фильтре в его чистом состоянии на величину, превышающую величину уменьшения противодавления, которой позволило бы достичь предотвращение глубокой фильтрации.

В зависимости от типа транспортного средства, для применения на котором предназначен предлагаемый в изобретении сажевый фильтр с фильтрующим покрытием, может оказаться предпочтительным снабжать такой сажевый фильтр дополнительным каталитически активным покрытием и/или дополнительным снижающим температуру воспламенения сажи покрытием. Однако принципиальный недостаток подобного варианта состоит в том, что при наличии двух расположенных одно поверх другого покрытий во входных каналах чрезмерно возрастает исходное противодавление на фильтре в его чистом состоянии. Поэтому сажевый фильтр в подобных вариантах его выполнения следует применять только на транспортных средствах специального назначения, для которых расход топлива имеет второстепенное значение, но для которых, например, в связи с тяжелыми в целом условиями их эксплуатации требуется обеспечить воспламенение, соответственно выжигание сажи при очень низких температурах и/или высокую степень непрерывной регенерации фильтра для улавливания твердых частиц (принцип CRT, от англ. "Continous Regeneration Trap" - непрерывно регенерируемый улавливатель твердых частиц), что относится, например, к строительным машинам и иным внедорожным автомобилям, соответственно вездеходам.

Наиболее пригодные для применения на транспортных средствах многих типов варианты выполнения предлагаемого в изобретении сажевого фильтра с оксидным фильтрующим покрытием можно получить, дополнительно каталитически активировав уменьшающее глубокую фильтрацию покрытие.

Как указано выше, оксиды для нанесения фильтрующего покрытия предпочтительно выбирать из группы, включающей оксид алюминия, стабилизированный редкоземельными элементами оксид алюминия, сесквиоксид редкоземельного элемента, диоксид титана, диоксид циркония, смешанный оксид церия и циркония, пептаоксид ванадия, триоксид ванадия, триоксид вольфрама, триоксид молибдена и их смеси. Такие оксиды нередко образуют основу для снижающих температуру воспламенения сажи покрытий и/или для катализирующих окисление или восстановление каталитически активных покрытий, которые могут использоваться для превращения вредных газообразных компонентов, которые помимо сажи содержатся в ОГ дизельных двигателей и к которым относятся монооксид углерода, остаточные углеводороды и оксиды азота, в безвредные вещества. Дополнительно каталитически активировать уменьшающее глубокую фильтрацию покрытие можно путем примешивания к нему либо путем его пропитки обладающими действием катализатора окисления или катализатора восстановления компонентами и/или компонентами, позволяющими снизить температуру воспламенения сажи.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию графические материалы и на иллюстрирующих его примерах.

На фиг.1 схематично показан фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов, при этом на фиг.1,а) приведен вид сбоку фильтрующего элемента со стороны его торца с изображением попеременно открытых (показанных белым цветом) и газонепроницаемо закрытых (показанных черным цветом) каналов, а на фиг.1,б) представлен фрагмент фильтрующего элемента в виде упрощенной, поясняющей принцип его работы схемы, на которой стрелками обозначено направление потока ОГ, позицией (1) обозначен входной канал, позицией (2) обозначен выходной канал, позицией (3) обозначена газонепроницаемая заглушка, а позицией (4) обозначена пористая, т.е. газопроницаемая, стенка.

На фиг.2 показаны схемы, которые иллюстрируют процесс отфильтровывания сажи в фильтрующем элементе с проницаемыми стенками каналов и на которых стрелками обозначено направление потока ОГ, позицией (1) обозначен входной канал, а позицией (2) обозначен выходной канал, при этом на фиг.2,а) показан увеличенный фрагмент стенки фильтрующего элемента с проницаемыми стенками каналов с изображением отдельной поры, на фиг.2,б) схематично представлен процесс глубокой фильтрации, а на фиг.2,в) схематично представлен процесс образования фильтровального осадка.

На фиг.3 в графическом виде схематично проиллюстрировано нарастание противодавления на фильтрующем элементе с проницаемыми стенками каналов в функции количества задержанной им сажи, при этом позицией (1) обозначена величина противодавления на чистом фильтрующем элементе (т.е. на фильтрующем элементе в отсутствие в нем сажи), позицией (2) обозначено нарастание противодавления на стадии глубокой фильтрации, а позицией (3) обозначено линейное увеличение противодавления на стадии образования фильтровального осадка.

На фиг.4 в графическом виде схематично проиллюстрировано нарастание противодавления на разных фильтрующих элементах с проницаемыми стенками каналов в функции количества задержанной ими сажи, при этом позицией (1) обозначено нарастание противодавления на фильтрующем элементе без покрытия, позицией (2) обозначено нарастание противодавления на фильтрующем элементе с каталитическим покрытием или со способствующим воспламенению сажи покрытием, позицией (3) обозначено нарастание противодавления на фильтрующем элементе с покрытием, имеющим специальные фиксирующие ("анкерные") структуры для повышения эффективности фильтрации.

На фиг.5 схематично показан фрагмент предлагаемого в изобретении сажевого фильтра, имеющего керамический фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов и нанесенное во входных каналах (1) на их стенки покрытие (6) из тугоплавкого материала, которое обладает такими свойствами, что оно с входной стороны соединяющих между собой входные (1) и выходные (2) каналы пор (5) в стенках (4) каналов закрывает проход сажевых частиц (7) в эти поры, но не препятствует при этом прохождению через них газообразных компонентов ОГ.

На фиг.6 в графическом виде схематично проиллюстрировано нарастание противодавления на известном из уровня техники фильтрующем элементе без уменьшающего глубокую фильтрацию покрытия (кривая (1)) и на предлагаемом в изобретении фильтрующем элементе с уменьшающим глубокую фильтрацию покрытием (кривая (2)).

На фиг.7 показана изображенная в полулогарифмическом масштабе кривая определенного ртутной порометрией распределения пор по размерам в керамическом фильтрующем элементе с проницаемыми стенками каналов, выпускаемом под обозначением SD 031 фирмой Ibiden.

На фиг.8 показана изображенная в полулогарифмическом масштабе кривая распределения полученных после размола частиц оксида по размерам, используемого для выполнения оксидного фильтрующего покрытия из примера 2.

На фиг.9 в графическом виде представлены результаты измерения противодавления на сажевом фильтре без фильтрующего покрытия (кривая #) из сравнительного примера и на сажевом фильтре с фильтрующим покрытием (кривая #ov) из примера 2, при этом обе построенные по результатам измерений кривые корректировали путем вычитания уменьшенной на 1 величины отрезка, отсекаемого на оси кривой, полученной для фильтрующего элемента # без фильтрующего покрытия.

Пример 1

Керамический фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов, который выпускается под обозначением SD 031 фирмой Ibiden и который характеризуется представленным на фиг.7 распределением пор по размерам и значением d₅₀, равным 10 мкм, снабжали покрытием из тугоплавкого волокнистого материала.

Для этого волокнистый материал из природного камня со средней длиной волокон 125 мкм и со среднемассовым диаметром волокон 9 мкм суспендировали в воде. После добавления золя кремнекислоты ST-OUP фирмы Nissan Chemical в количестве примерно 5 мас.% в пересчете на общее количество твердого вещества суспензию прокачивали через фильтрующий элемент, нагнетая ее со стороны его входных каналов, при этом прокачиваемая через фильтрующий элемент суспензия содержала волокнистый материал точно в наносимом в общей сложности количестве, составлявшем 5 г на л объема фильтрующего элемента. Снабженный таким путем волокнистым матом фильтрующий элемент сушили в потоке нагнетаемого воздуходувкой горячего воздуха с температурой 120°С и затем в течение часа прокаливали также в потоке нагнетаемого воздуходувкой горячего воздуха с температурой 350°С.

У изготовленного таким путем фильтра степень, в которой происходило нарастание противодавления, обусловленное глубокой фильтрацией и измеренное в функции количества задержанной фильтром сажи, была гораздо ниже по сравнению с фильтрующим элементом без покрытия.

Сравнительный пример

Для изготовления сажевого фильтра с каталитическим покрытием, соответствующего уровню техники, два изготовленных из титаната алюминия керамических фильтрующих элемента с проницаемыми стенками каналов производства фирмы Corning снабжали покрытием из каталитически активного материала.

Для этого сначала приготавливали содержащий благородные металлы порошок в качестве каталитически активного компонента покрытия. Для приготовления такого порошка γ-оксид алюминия, стабилизированный сесквиоксидом лантана в количестве 3 мас.%, пропитывали с заполнением пор смесью из водного раствора соединения-предшественника платины и из водного раствора соединения-предшественника палладия, при этом общее количество водного раствора, которым обрабатывали γ-оксид алюминия, выбирали таким, чтобы порошок сохранял свою сыпучесть. Полученный в результате пропитки влажный порошок затем сушили в течение 10 ч при 120°С и после этого прокаливали в течение 4 ч при 300°С. Содержание благородных металлов в готовом порошке составляло 11 мас.% в пересчете на общее количество порошка при соотношении между платиной и палладием 2:1.

Полученный таким путем каталитически активный компонент покрытия при перемешивании суспендировали в воде, взятой в количестве, которое примерно в два с половиной раза превышало то количество воды, которое был способен впитать порошок. Полученную таким путем суспензию подвергали размолу в мельнице типа Dyno до получения частиц со значением d₁₀₀ в спектре их размеров менее 7 мкм.

Далее суспензию после доведения содержания в ней твердого вещества до менее 20% вводили путем нагнетания во входные каналы и путем последующей откачки - в поры проницаемых стенок каналов описанных выше фильтрующих элементов. После этого фильтры сушили в потоке нагнетаемого воздуходувкой горячего воздуха с температурой 120°С и после этого прокаливали в течение 4 ч при 300°С в стационарной печи. Количество нанесенного каталитически активного покрытия составляло в готовых сажевых фильтрах примерно 28 г на л их объема.

Пример 2

Для изготовления предлагаемого в изобретении сажевого фильтра один из изготовленных в сравнительном примере сажевых фильтров с каталитическим покрытием снабжали оксидным фильтрующим покрытием.

Для приготовления соответствующей суспензии для нанесения фильтрующего покрытия необходимое для этого количество оксида алюминия, стабилизированного сесквиоксидом лантана в количестве 3 мас.%, при перемешивании суспендировали в воде, взятой в количестве, которое примерно в два с половиной раза превышало то количество воды, которое был способен впитать применяемый оксид. Полученную таким путем суспензию подвергали размолу в мельнице типа Dyno до получения частиц со значением d₅₀ в спектре их размеров около 10 мкм (точно 10,35 мкм) и значением d₉₀ около 30 мкм (точно 29,48 мкм). Кривая распределения частиц окончательно размолотого и суспендированного оксида по размерам, для определения которых использовали прибор LS230 фирмы Beckman Coulter, показана на фиг.8.

Далее из суспензии после доведения содержания в ней твердого вещества до примерно 18% наносили покрытие на один из изготовленных в сравнительном примере сажевых фильтров, уже снабженных каталитическим покрытием, путем ее нагнетания в его входные каналы и путем последующей откачки. После этого фильтр сушили в потоке нагнетаемого воздуходувкой горячего воздуха с температурой 120°С и после этого прокаливали в течение 4 ч при 350°С в стационарной печи. Количество нанесенного таким путем фильтрующего покрытия составляло в готовом сажевом фильтре 5 г на л его объема.

Для определения характеристик изменения (нарастания) противодавления по мере увеличения количества задержанной сажи проводили сравнительные испытания на изготовленном в сравнительном примере известном из уровня техники сажевом фильтре с каталитическим покрытием и на предлагаемом в изобретении сажевом фильтре из примера 2. Кривые изменения противодавления в процессе насыщения фильтров сажей регистрировали с использованием генератора сажи "Diesel Particulate Generator" DPG фирмы Cambustion, лежащие в основе работы которого принцип и методика измерений хорошо известны специалисту, в рекомендуемых изготовителем этого прибора стандартных условиях.

Результаты таких сравнительных испытаний по определению величины противодавления в зависимости от количества задержанной сажи в графическом виде представлены на фиг.9. Кривая # относится к сажевому фильтру из сравнительного примера без фильтрующего покрытия, а кривая #ov - к сажевому фильтру из примера 2 с фильтрующим покрытием. На фиг.9 с целью наглядно продемонстрировать непосредственное влияние фильтрующего покрытия обе построенные по результатам измерений кривые корректировали путем вычитания уменьшенной на 1 величины отрезка, отсекаемого на оси кривой, полученной для фильтра # без фильтрующего покрытия.

Из приведенных на диаграмме графиков со всей очевидностью следует, что на фильтре с фильтрующим покрытием (кривая #ov) при одинаковой исходной величине противодавления его нарастание происходит в гораздо меньшей степени на обусловленном глубокой фильтрацией участке кривой изменения противодавления. Наблюдаемая разница в величинах противодавления между сажевым фильтром с фильтрующим покрытием и сажевым фильтром без фильтрующего покрытия составляет порядка 6 мбар.

Изобретение касается сажевого фильтра отработавших газов (ОГ) дизельного двигателя, имеющего керамический фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов и нанесенное во входных каналах на их стенки покрытие из тугоплавкого материала. Такое покрытие (6) обладает такими свойствами, что оно с входной стороны соединяющих между собой входные каналы (1) и выходные каналы пор (5) в стенках (4) каналов закрывает проход сажевых частиц (7) в эти поры, но не препятствует при этом прохождению через них газообразных компонентов ОГ. Подобное покрытие может быть выполнено из одного или нескольких тугоплавких оксидов либо из тугоплавкого волокнистого материала. Такое покрытие существенно уменьшает глубокую фильтрацию и тем самым значительно снижает наблюдающееся на стадии глубокой фильтрации нарастание противодавления. Технический результат: высокая эффективность фильтрации. 11 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 пр.

1. Сажевый фильтр отработавших газов (ОГ) дизельного двигателя, имеющий керамический фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов и нанесенное во входных каналах на их стенки покрытие из тугоплавкого материала, которое обладает такими свойствами, что оно с входной стороны соединяющих между собой входные и выходные каналы пор в стенках каналов закрывает проход сажевых частиц в эти поры, но не препятствует при этом прохождению через них газообразных компонентов ОГ.

2. Сажевый фильтр по п.1, отличающийся тем, что покрытие преимущественно содержит один или несколько тугоплавких оксидов, размер частиц которых согласован с размером пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента таким образом, что значение d₅₀ в спектре размеров частиц оксидов не меньше значения d₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента и одновременно с этим значение d₉₀ в спектре размеров частиц оксидов не меньше значения d₉₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента, при этом под значением d₅₀, соответственно значением d₉₀ в спектре размеров частиц оксидов имеется в виду, что 50%, соответственно 90% от всего количества частиц оксидов приходится только на такие частицы, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅₀, соответственно d₉₀, а под значением d₅, соответственно значением d₉₅ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента имеется в виду, что 5%, соответственно 95% от всего определяемого ртутной порометрией объема пор приходится на поры, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅, соответственно d₉₅.

3. Сажевый фильтр по п.2, отличающийся тем, что оксиды имеют спектр размеров их частиц, в котором значение d₅₀ составляет не менее 5 мкм при значении d₉₀ не менее 20 мкм.

4. Сажевый фильтр по п.3, отличающийся тем, что оксиды выбраны из группы, включающей оксид алюминия, стабилизированный редкоземельными элементами оксид алюминия, сесквиоксид редкоземельного элемента, диоксид титана, диоксид циркония, смешанный оксид церия и циркония, пентаоксид ванадия, триоксид ванадия, триоксид вольфрама, триоксид молибдена и их смеси.

5. Сажевый фильтр по п.4, отличающийся тем, что покрытие имеет толщину его слоя от 10 до 150 мкм.

6. Сажевый фильтр по п.1, отличающийся тем, что покрытие преимущественно содержит тугоплавкий волокнистый материал, средняя длина образующих который волокон составляет от 50 до 250 мкм, а их среднемассовый диаметр не превышает значения d₅₀ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента, при этом под значением d₅₀ в спектре размеров пор в проницаемых стенках каналов фильтрующего элемента имеется в виду, что 50% от всего определяемого ртутной порометрией объема пор приходится на поры, диаметр которых не превышает величину, указанную в качестве значения d₅₀.

7. Сажевый фильтр по п.6, отличающийся тем, что волокнистый материал выбран из группы, включающей каменную вату, волокно из природного камня и минеральную вату с волокнами диаметром более 5 мкм.

8. Сажевый фильтр по п.7, отличающийся тем, что покрытие имеет толщину его слоя от 1 до 50 мкм.

9. Сажевый фильтр по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов изготовлен из карбида кремния, кордиерита или титаната алюминия, а поры в стенках, разделяющих между собой входные и выходные каналы, имеют средний диаметр от 5 до 50 мкм.

10. Сажевый фильтр по п.9, отличающийся тем, что фильтрующий элемент с проницаемыми стенками каналов снабжен каталитически активным покрытием и/или снижающим температуру воспламенения сажи покрытием, которое преимущественно присутствует в порах стенок, разделяющих между собой входные и выходные каналы.

11. Сажевый фильтр по п.9, отличающийся тем, что на нанесенное во входных каналах на их стенки покрытие из тугоплавкого материала, которое обладает такими свойствами, что оно с входной стороны соединяющих между собой входные и выходные каналы пор в стенках каналов закрывает проход сажевых частиц в эти поры, но не препятствует при этом прохождению через них газообразных компонентов ОГ, нанесено дополнительное каталитически активное покрытие и/или дополнительное снижающее температуру воспламенения сажи покрытие.

12. Сажевый фильтр по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что к покрытию, которое преимущественно содержит один или несколько тугоплавких оксидов, путем примешивания или пропитки добавлены обладающие действием катализатора окисления или катализатора восстановления компоненты и/или компоненты, позволяющие снизить температуру воспламенения сажи.