КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА Российский патент 2018 года по МПК F01N3/22 F01N3/35 B01D53/94 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к изделиям для обработки отработавших газов сгорания. В частности, данное изобретение относится к фильтрам для частиц, покрытым катализатором для уменьшения содержания сажи и других не желательных компонентов в отработавших газах сгорания бедной топливной смеси.

Уровень техники

Большая часть большинства отработавших газов сгорания содержит относительно неопасный азот (N₂), водяной пар (Н₂О) и диоксид углерода (СО₂); однако отработавшие газы содержат также относительно небольшую часть вредных и/или токсичных веществ, таких как моноксид углерода (СО) вследствие не полного сгорания, углеводороды (НС) из не сгоревшего топлива, оксиды азота (NOx) вследствие чрезмерных температур сгорания, и твердые частицы (в большинстве случаев сажу). Для смягчения воздействия на окружающую среду отработавших газов, выходящих в атмосферу, желательно исключить или уменьшить количество этих не желательных компонентов, предпочтительно с помощью процесса, который не создает других вредных или токсичных веществ.

Определенные двигатели, работающие на бедной топливной смеси, такие как дизельные двигатели, имеют тенденцию к образованию отработавших газов со значительным количеством сажи и других твердых частиц. Выброс сажи может быть уменьшен посредством пропускания содержащих сажу отработавших газов через дизельный фильтр для частиц (DFP), такой как фильтр с проточными стенками.

Для уменьшения пространства, требуемого для системы выпуска, предпочтительно предусматривать отдельные компоненты выпуска для выполнения более чем одной функции. Например, нанесение каталитического покрытия на подложку фильтра с проточными стенками уменьшает общий размер системы обработки отработавших газов за счет обеспечения выполнения подложкой двух функций, а именно, удаления сажи и для выполнения функции подложки для гетерогенного катализатора. Однако покрытие фильтра рабочим количеством катализатора может приводить к не желательному увеличению противодавления фильтра, что, в свою очередь, ухудшает характеристики двигателя и экономию топлива. Это относится, в частности, к высокоэффективным каталитическим моющим покрытиям, таким как катализатор избирательного каталитического восстановления (SCR), содержащий цеолиты переходных металлов.

Предпринималось много попыток выполнения дизельных фильтров для твердых частиц с моющим покрытием, имеющих достаточно большое количество катализатора и подходящее противодавление. Однако остается потребность в дизельных фильтрах для твердых частиц, которые создают относительно небольшое противодавление при покрытии эффективным количеством катализатора с избирательным каталитическим восстановлением.

Сущность изобретения

Заявителями неожиданным образом было установлено, что противодавление фильтра с проточными стенками может быть уменьшено посредством покрытия фильтра лишь на стороне выхода каталитическим моющим покрытием, при условии, что моющее покрытие содержит частицы, которые являются большими по сравнению со средним размером пор фильтра. В частности, покрытие лишь выходной стороны фильтра моющим покрытием с большими частицами неожиданным образом уменьшает вызванное отложением сажи противодавление фильтра по сравнению с таким же фильтром, имеющим эквивалентное количество каталитического покрытия, нанесенного лишь на входной стороне фильтра или имеющего эквивалентное количество того же каталитического покрытия, равномерно нанесенного как на стороне входа, так и на стороне выхода фильтра. Этот результат является также неожиданным, поскольку моющие покрытия с мелкими частицами, нанесенные лишь на выходной стороне того же фильтра, не приводят к указанным преимуществам, а в действительности к более высокому противодавлению.

Таким образом, предлагается дизельный фильтр для частиц, содержащий (а) подложку фильтра с проточными стенками, имеющую средний размер пор, сторону входа, сторону выхода и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами; и (b) каталитическую композицию, нанесенную на стороне выхода подложки, при этом каталитическая композиция имеет распределение частиц по размеру d₅₀, при этом распределение частиц по размеру d₅₀ больше или равно среднему размеру пор, разделенному на 4,9±0,1, и при этом входная сторона по существу свободна от каталитического покрытия.

Согласно другому аспекту изобретения, предлагается система для обработки отработавших газов сгорания бедного топлива, содержащая (а) дизельный фильтр для частиц, указанный выше; и (b) по меньшей мере один компонент выпускной системы, сообщающийся по текучей среде с дизельным фильтром для частиц, при этом компонент выпускной системы выбран из группы, состоящей из источника NO₂, расположенный выше по потоку от дизельного фильтра для частиц, источника восстановителя, расположенный выше по потоку от дизельного фильтра для частиц, катализатора АМОХ, ловушки NO_x, катализатора поглощения NO_x, дизельного окислительного катализатора и катализатора с избирательным каталитическим восстановлением.

Согласно другому аспекту изобретения, предлагается способ уменьшения сажи в отработавших газах сгорания бедного топлива, содержащий стадии (а) приведения в контакт потока отработавших газов, несущих сажу и, возможно, содержащих NO_x, с дизельным фильтром для частиц, указанным выше; (b) улавливания по меньшей мере части сажи на и/или в дизельном фильтре для частиц, при одновременном обеспечении возможности прохождения отработавших газов через дизельный фильтр для частиц; (с) периодического и/или непрерывного сжигания улавливаемой сажи для регенерации фильтра; и, не обязательно, (d) приведения в контакт отработавших газов с катализатором избирательного каталитического восстановления, нанесенным на выходной стороне фильтра для уменьшения концентрации NO_x в отработавших газах.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

фиг. 1А - дизельный фильтр для частиц;

фиг. 1В - разрез дизельного фильтра для частиц;

фиг. 2А – тонкая пористая стенка дизельного фильтра для частиц;

фиг. 2В – тонкая пористая стенка дизельного фильтра для частиц, имеющего каталитическое покрытие, согласно одному варианту выполнения изобретения; и

фиг. 3 – поперечный разрез дизельного фильтра для частиц, имеющего каталитическое покрытие, согласно одному варианту выполнения изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Изобретение частично относится к катализированному фильтру для улучшения качества окружающего воздуха и, в частности, для улучшения выбрасываемых отработавших газов, создаваемых дизельными и другими двигателями сгорания бедного топлива. Выбрасываемые отработавшие газы по меньшей мере частично улучшаются посредством уменьшения одного или нескольких газообразных компонентов, таких как NO_x и NH₃, и уменьшения концентрации твердых частиц в отработавших газах сгорания бедного топлива. В соответствии с этим, предпочтительные каталитические фильтры содержат пористую подложку, например, в дизельном фильтре твердых частиц (дизельном фильтре для частиц) (DFP), которая служит для механического удаления твердых частиц из потока отработавших газов, проходящего через пористую подложку, и для поддержки каталитической композиции, используемой для удаления не желательных газообразных составляющих из отработавших газов.

В некоторых вариантах выполнения фильтр является подложкой фильтра с проточными стенками, имеющей определенный средний размер пор, входную сторону, выходную сторону и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами, и каталитическую композицию, имеющую распределение частиц по размеру (размер частиц распределения) d₅₀, которая нанесена на выходной стороне подложки, при этом распределение частиц по размеру (размер частиц распределения) d₅₀ больше или равно среднему размеру пор, разделенному на 4,8, 4,9 или 5,0, и при этом входная сторона по существу свободна от каталитического покрытия.

Предпочтительные подложки фильтров включают дизельные фильтры твердых частиц, и предпочтительные дизельные фильтры твердых частиц включают фильтры с проточными стенками, такие как керамические монолиты с проточными стенками. Другие подложки фильтров включают проходные фильтры, такие как металлические или керамические пенные или волоконные фильтры. Дополнительно к кордиериту, силиконовому карбиду и керамике можно использовать другие материалы для пористой подложки, включая, но не ограничиваясь эти, алюмосиликат, нитрид алюминия, нитрид кремния, титанат алюминия, альфа-окись алюминия, муллит, поллуцит, циркон, окись циркона, шпинель, бориды, полевой шпат, окись титана, кварцевое стекло, бориды, композиты керамического волокна, их смеси или композиты, содержащие сегменты из любых двух или больше составляющих. Особенно предпочтительные подложки включают кордиерит, карбид кремния и титанат алюминия (АТ), при этом АТ является предоминантной кристаллической фазой.

На фиг. 1А показана фильтровальная подложка 10 с проточными стенками, согласно одному варианту выполнения изобретения. Фильтр с проточными стенками имеет переднюю часть 20 и заднюю часть 22, при этом передняя часть 20 предназначена для приема отработавших газов 21 перед фильтрацией, и задняя часть 22 предназначена для выхода очищенных отработавших газов 29 из фильтра 10.

На фиг. 1В показан поперечный разрез части фильтра с проточными стенками. Подложка фильтра с проточными стенками имеет множество квадратных параллельных каналов 14, разделенных тонкими пористыми стенками 23, покрытых на выходной стороне каталитическим моющим покрытием 44. Каналы 14 проходят в осевом направлении от передней части 20 подложки к задней части 22 подложки. Каналы 14 открыты лишь на одном конце. Противоположный конец канала закрыт. Закрытые концы расположены попеременно в шахматном порядке 12 между передней и задней частью, так что отработавшие газы 21 входят в каналы 24, открытые к передней части подложки, проходят через тонкие пористые стенки 23, входят в каналы 26, открытые к задней части подложки, а затем выходят из подложки. Стенки 23 имеют пористость и размер пор, который обеспечивает проницаемость для газов, но является эффективным для улавливания большей части твердых частиц, включая сажу, в частности, в комбинации с указанной выше каталитической композицией. То есть, при прохождении отработавших газов через фильтр, твердые частицы, несомые отработавшими газами, улавливаются с помощью тонких пористых стенок, за счет чего обеспечивается выход из фильтра свободных от твердых частиц отработавших газов. Твердые частицы накапливаются в фильтре до регенерации фильтра.

Форма поперечного сечения каналов специально не ограничивается и может быть, например, квадратной, круглой, овальной, прямоугольной, треугольной, шестиугольной и т.п. Подложки фильтров с проточными стенками для дизельных двигателей содержат обычно примерно 100-800 каналов на один квадратный дюйм, например, от примерно 100 до примерно 400, от примерно 200 до примерно 300, или от примерно 500 до примерно 600 каналов на один квадратный дюйм. В некоторых вариантах выполнения стенки имеют среднюю толщину стенок от примерно 0,1 мм до примерно 1,5 мм, например, от примерно 0,15 мм до примерно 0,25 мм, от примерно 0,25 мм до примерно 0,35 мм или от примерно 0,25 мм до примерно 0,50 мм.

Как показано на фиг. 2А и 2В, пористые стенки 23 имеют входную сторону 30 и выходную сторону 32 относительно типичного направления потока 34 отработавших газов через стенки. Входная сторона 30 имеет входную поверхность 40, которая обращена к каналам 24, открытым к передней части подложки, и выходная сторона 32 имеет выходную поверхность 42, которая обращена к каналам 26, открытым к задней части подложки. Фильтр имеет также центр 50, который равноудален от выходной поверхности 42 и входной поверхности 40. Используемое здесь понятие «внутренняя сторона» 30 относительно тонкой пористой стенки означает внутреннюю поверхность 40 и часть стенки 23 от входной поверхности 40 на глубину не больше примерно 10% и более предпочтительно примерно на 10%, примерно на 5% или примерно на 1% расстояния между входной поверхностью 40 и выходной поверхностью 42. Понятие «наружная сторона» 32 относительно тонкой пористой стенки означает выходную поверхность 42 и часть стенки 23 от выходной поверхности 42 на глубину не больше примерно 10% и более предпочтительно примерно на 10%, примерно на 5% или примерно на 1% расстояния между выходной поверхностью 42 и входной поверхностью 40. Пористая стенка имеет также внутреннюю часть, которая расположена между входной стороной 30 и выходной стороной 32. В некоторых вариантах выполнения толщина внутренней части составляет примерно 80% и более предпочтительно примерно 90% полной толщины стенки. Каталитическое покрытие нанесено на выходной стороне подложки фильтра и образует градиент 44 каталитического покрытия внутри выходной стороны, внутри внутренней части и/или на выходной поверхности, с наиболее высокой концентрацией катализатора в направлении выходной поверхности.

На фиг. 3 показано поперечное сечение загруженного катализатором фильтра, согласно одному варианту выполнения данного изобретения. Можно видеть, что поток отработавших газов проходит в направлении 21 из входных каналов 24 через каталитическое покрытие 44 и в выходные каналы 26.

Используемый диапазон пористости фильтра и средний размер пор специально не ограничены, однако коррелированны или используются для определения размера частиц каталитического покрытия. Как указывалось выше, пористость подложки фильтра и средний размер пор определяются на основе чистого фильтра (т.е. без каталитического покрытия). В целом, пористость подложки составляет по меньшей мере примерно 40%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 50%, например, от примерно 50% до 80%, от примерно 50% до примерно 70%, или от примерно 55% до примерно 65%. Пористость можно измерять с помощью любых подходящих средств, включая ртутную порозиметрию. В целом, средний размер пор подложки составляет от примерно 8 до примерно 40 мкм, например, от примерно 8 до примерно 12 мкм, от примерно 12 до примерно 20 мкм, или от примерно 15 до примерно 25 мкм. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере примерно 50% и более предпочтительно по меньшей мере примерно 75% пор находится внутри этих диапазонов, относительно полного объема пор и/или общего количества пор. Средний размер пор можно определять с помощью подходящих средств, включая ртутную порозиметрию. В некоторых вариантах выполнения подложка фильтра имеет средний размер пор примерно от 12 до примерно 15 мкм и пористость от примерно 50% до примерно 55%. В предпочтительных вариантах выполнения подложка фильтра имеет средний размер пор примерно от 18 до примерно 20 мкм и пористость от примерно 50% до примерно 65%. Эти диапазоны соответствуют предпочтительному распределению частиц по размеру (размеру частиц распределения) d₅₀ каталитической композиции примерно от 3,75 до примерно 5 микрон.

В некоторых вариантах выполнения подложки с проточными стенками являются высокоэффективными фильтрами. Эффективность определяется процентным содержанием массы твердых частиц, имеющих определенный размер, удаляемых из не обработанных отработавших газов после прохождения через подложку с проточными стенками. Поэтому эффективность является относительной по отношению к саже и имеющим аналогичный размер частицам и к их типичным конкретным концентрациям в обычных дизельных отработавших газах. Частицы в дизельных отработавших газах могут иметь размер в диапазоне от 0,05 микрон до 2,5 микрон. Таким образом, эффективность основывается на этом диапазоне. Фильтры с проточными стенками для использования в данном изобретении предпочтительно имеют эффективность по меньшей мере 70%, по меньшей мере примерно 75%, по меньшей мере примерно 80% или по меньшей мере примерно 90%. В некоторых вариантах выполнения эффективность предпочтительно составляет примерно от 75% до примерно 99%, примерно от 75% до примерно 90%, примерно от 80% до примерно 90% или примерно от 85% до примерно 95%.

Взаимосвязь пор, измеренная в виде процентного содержания общего пустого объема подложки, является мерой соединения пор, пустот и/или каналов для образования непрерывных путей прохождения через пористую подложку, т.е. от входной поверхности к выходной поверхности. Противоположностью взаимосвязи пор является сумма объема закрытых пор и объема пор, которые имеют канал лишь к одной из поверхностей. Предпочтительно, пористая подложка имеет объем взаимосвязанных пор по меньшей мере примерно 30%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 40%.

В некоторых вариантах выполнения подложка фильтра с проточными стенками является экструдированным каталитическим телом. Экструдированные каталитические тела отличаются от не каталитических подложек тем, что первые включают каталитическую композицию в качестве части пористых стенок, в то время как последние включают инертную подложку, возможно имеющую каталитическое покрытие, нанесенное на ее пористые стенки. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения, тонкие пористые стенки подложки фильтра содержат один или несколько катализаторов, однако не содержат каталитического покрытия. В некоторых других вариантах выполнения тонкие пористые стенки фильтра не содержат катализатор, за исключением каталитического покрытия. В некоторых вариантах выполнения предпочтительными являются инертные подложки за счет их структурных и рабочих свойств и их универсальности.

В целом, изготовление экструдированного твердого тела, содержащего источник катализатора, включает подмешивание каталитического материала, связующего вещества, возможно, органического увеличивающего вязкость соединения, в гомогенную пасту, которая затем добавляется в связующее вещество/матрицу или в продукт предшествующей стадии, и, не обязательно, одну или несколько стабилизированных смол и неорганических волокон. Смесь компактируется в смесительном устройстве или в экструдере. Смеси имеют органические добавки, такие как связующие вещества, порообразователи, пластификаторы, поверхностно-активные вещества, смазки, диспергенты, в качестве технологических добавок для улучшения смачивания и тем самым для образования однородной смеси. Затем полученный пластичный материал подвергается формованию, в частности, с использованием экструзионного пресса или экструдера, включающего экструзионную матрицу, и полученные прессованные изделия подвергаются сушке и кальцинированию. Органические добавки выжигаются во время кальцинирования экструдированного твердого тела.

Подложки фильтра с проточными стенками, согласно данному изобретению, содержат каталитическую композицию, загружаемую с выходной стороны, предпочтительно в виде покрытия. Для ясности следует отметить, что каталитическая композиция на выходной стороне фильтра означает, что по меньшей мере 90 масс.% каталитической композиции находится на выходной стороне и на внутренней части фильтра. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере примерно 95 масс.% каталитической композиции находится на выходной стороне и на внутренней части фильтра. Предпочтительно, по существу вся каталитическая композиция находится на выходной стороне и на внутренней части фильтра.

Предпочтительно, каталитическая композиция создает градиент концентрации между выходной поверхностью фильтра и входной поверхностью фильтра, при этом концентрация является наибольшей в направлении выходной поверхности. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере 50, 75, 90, 95 или 99 масс.% каталитической композиции находится между выходной поверхностью и центром фильтра.

Подложка фильтра с проточными стенками предпочтительно имеет входную сторону, которая по существу свободна от каталитического покрытия. Понятие «по существу свободна» относительно конкретной зоны фильтра означает, что зона не содержит каталитического покрытия, или, если каталитическое покрытие имеется, то загрузка достаточно небольшая для предотвращения увеличения противодавления фильтра не более чем на 5% при средней загрузки сажи, происходящей при типичных рабочих условиях в чистом фильтре или фильтре без покрытия. Например, фильтр, имеющий входную сторону по существу свободной от катализатора, может содержать покрытие внутренней стороны меньше 0,1 г на кубический дюйм, более предпочтительно меньше 0,05 г на кубический дюйм, и даже более предпочтительно меньше 0,01 г на кубический дюйм. В некоторых вариантах выполнения входная сторона фильтра по существу свободна от каталитического покрытия, при этом общее количество каталитического покрытия на внутренней стороне меньше примерно 5 масс.%, и более предпочтительно меньше примерно 1 масс.% и даже более предпочтительно меньше 0,1 масс.% от общей массы каталитического покрытия фильтра. Для устранения неясности, указанное здесь каталитическое покрытие не включает каталитический материал, который образует часть подложки (т.е. экструдированного каталитического тела).

В некоторых вариантах выполнения, подложка фильтра с проточными стенками имеет внутреннюю часть, которая по существу свободна от каталитического покрытия. Например, фильтр, имеющий внутреннюю часть, по существу свободную от каталитического покрытия, может содержать внутреннее покрытие меньше 0,2 г на кубический дюйм и более предпочтительно меньше 0,05 г на кубический дюйм. В некоторых вариантах выполнения, в которых имеется каталитическое покрытие на внутренней стенке фильтра, полное количество каталитического покрытия меньше примерно 5 масс.%, более предпочтительно меньше примерно 1 масс.% и даже более предпочтительно меньше 0,1 масс.% от общей массы каталитического покрытия фильтра, и предпочтительно меньше примерно 5 масс.%, более предпочтительно меньше 1 масс.% и даже более предпочтительно меньше 0,1 масс.% от общей массы каталитического покрытия на наружной стороне фильтра. Для устранения неясности, указанное каталитическое покрытие не включает каталитический материал, который образует часть подложки (т.е. экструдированного каталитического тела).

Указанное здесь каталитическое покрытие не включает некаталитические мембраны или другие некаталитические тонкослойные покрытия, которые могут быть нанесены на стенку фильтра в качестве технологической добавки (например, для улучшения адгезии каталитического покрытия на стенке фильтра), слой пассивирования для укрепления, упрочнения или стабилизации стенки фильтра. Предпочтительно, не каталитический слой, если он имеется, имеет толщину и/или загрузку, которая не оказывает существенного влияния на противодавление фильтра, например, не увеличивает или уменьшает противодавление более чем примерно на 5% по сравнению с аналогичной подложкой фильтра без не каталитического покрытия. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения подложка фильтра содержит не каталитический слой дополнительно к каталитическому покрытию (т.е. каталитическому покрытию, нанесенному на пассивированную подложку). В других вариантах выполнения подложка фильтра содержит каталитическое покрытие, однако свободна от не каталитических покрытий (т.е. каталитического покрытия, нанесенного на не пассивированную подложку).

В некоторых вариантах выполнения каталитическая композиция, загруженная с выходной стороны фильтра, расположена в виде единственного слоя или зоны. В других вариантах выполнения каталитическая композиция на выходной стороне фильтра расположена в виде двух или больше слоев или зон, при этом каждый слой или зона содержит одинаковую или различную каталитическую композицию. В вариантах выполнения, в которых каталитическая композиция содержит два или больше слоев, распределение частиц по размеру d₅₀ основывается на каталитической композиции в целом.

В некоторых предпочтительных вариантах выполнения каталитическое покрытие содержит последовательно первый каталитический слой и второй каталитический слой на выходной стороне подложки. Используемое здесь понятие «последовательно» относительно слоев означает, что каждый слой находится в контакте с соседним слоем (слоями), и что слои в виде единого целого расположены поверх друг друга на подложке. Используемые здесь понятия «первый слой» и «второй слой» указывают относительное положение каталитических слоев в каталитическом изделии относительно нормального направления прохождения потока отработавших газов через, по и/или над каталитическим изделием. При нормальных условиях прохождения потока отработавших газов, отработавшие газы приходят в контакт с первым слоем перед контактом со вторым слоем. В некоторых вариантах выполнения, первый слой нанесен на инертную подложку в качестве нижнего слоя, и второй слой является верхним слоем, который нанесен поверх первого слоя.

Каталитическая композиция предпочтительно имеет большой размер частиц относительно среднего размера пор фильтра. Предпочтительно, каталитическая композиция имеет размер частиц распределения d₅₀, который больше или равен среднему размеру частиц, разделенному на 4,9. Понятие «размер частиц распределения d₅₀» означает средний диаметр или среднюю величину распределения размера частиц. Это – величина диаметра частиц при 50% интегральной функции распределения. Используемое здесь понятие «распределение размера частиц (распределение частиц по размеру)» означает количество частиц, которое попадает в диапазон частиц в виде процентного содержания от общего количества всех размеров в выборке.

В некоторых вариантах выполнения распределение размера частиц каталитической композиции измеряется на основе размера частиц каталитически активного компонента. В других вариантах выполнения размер частицы каталитической композиции измеряется на основе каталитической композиции в целом. В некоторых вариантах выполнения каталитическая композиция является частью моющего покрытия, и в других вариантах выполнения каталитическая композиция является моющим покрытием (т.е. включает другие не каталитические компоненты) или каталитическим покрытием. То есть, измерение распределения размера частиц не ограничивается каталитическими частицами в покрытии, но вместо этого включает все частицы в покрытии, такие как связующие вещества, модификаторы реологии и т.д. В некоторых вариантах выполнения частицы в распределении содержат по меньшей мере 50% и более предпочтительно по меньшей мере 75% (относительно количества и/или массы) каталитических частиц.

Распределение размера частиц можно измерять с помощью любых обычных средств. В некоторых вариантах выполнения каталитическое покрытие имеет размер частиц распределения d₅₀ от примерно 1,5 до примерно 15 мкм, предпочтительно от примерно 3 до примерно 8 мкм, такое как от примерно 3,5 до примерно 5 мкм. Предпочтительно, подложка фильтра имеет относительно большой средний размер пор (например, больше примерно 10 мкм), и каталитическое покрытие имеет относительно большой размер частиц распределения d₅₀ (например, больше примерно 3,5 мкм). В некоторых вариантах выполнения фильтр имеет средний размер пор от примерно 10 до примерно 25 мкм, такой как от примерно 12 до примерно 15 мкм или от примерно 17 до примерно 21 мкм, пористость от примерно 50% до примерно 70%, и размер частиц распределения d₅₀ от примерно 3,75 до примерно 4,5 мкм.

Некоторые каталитические покрытия для данного изобретения имеют размер частиц распределения d₅₀ по меньшей мере 0,75 мкм, предпочтительно по меньшей мере примерно 1 мкм, например, от примерно 1 до примерно 2 мкм, от примерно 1 до примерно 1,5 мкм или примерно 1 мкм, 2 мкм или 3 мкм. Некоторые каталитические покрытия для данного изобретения имеют размер частиц распределения d₅₀ меньше примерно 15 мкм, предпочтительно меньше примерно 10 мкм, например, примерно 6 мкм, 7 мкм или 8 мкм. Используемое здесь понятие «размер частиц распределения d₁₀» означает, что 90% частиц в выборке больше указанной величины. Используемое здесь понятие «размер частиц распределения d₉₀» означает, что меньше 90% частиц в выборке меньше указанной величины. В некоторых вариантах выполнения каталитическое покрытие имеет размер частиц распределения d₁₀ от примерно 1 до 1,5 мкм, размер частиц распределения d₅₀ от примерно 3,75 мкм до примерно 4,5 мкм и размер частиц распределения d₉₀ от примерно 7,5 до примерно 9 мкм. В некоторых других вариантах выполнения каталитическое покрытие имеет размер частиц распределения d₁₀ от примерно 1,5 до 2 мкм, размер частиц распределения d₅₀ от примерно 3,5 мкм до примерно 4 мкм и размер частиц распределения d₉₀ от примерно 7 до примерно 8 мкм.

Концентрация загрузки каталитического покрытия специально не ограничивается, при условии, что каталитическая композиция присутствует в количестве, достаточном для эффективной катализации целевого компонента отработавших газов. Предпочтительно, каталитическая композиция присутствует в концентрации по меньшей мере примерно 0,1 и предпочтительно по меньшей мере примерно 0,3 г на один кубический дюйм. В некоторых вариантах выполнения каталитическая композиция имеет загрузку от примерно 0,5 до примерно 4 г на один кубический дюйм, более предпочтительно от примерно 0,75 до примерно 2 г на один кубический дюйм и даже более предпочтительно от примерно 1,0 до примерно 1,5 г на один кубический дюйм или от примерно 1,5 до примерно 2,5 г на один кубический дюйм. Концентрация загрузки предпочтительно измеряется на основе активного каталитического компонента, однако может измеряться на основе всего каталитического покрытия.

Предпочтительные каталитические композиции включают композиции, полезные для уменьшения концентрации NO_x, NH₃, SO_x, CO и/или углеводородов в отработавших газах. Другие полезные катализаторы включают абсорберы NO_x и ловушки NO_x. Предпочтительно, катализатор является гетерогенным катализатором, который содержит металл на и/или в материале зоны с большой площадью поверхности, таком как молекулярное сито или огнеупорный оксид металла. Металл предпочтительно пропитан, легирован или опирается на материал с большой площадью поверхности.

Предпочтительные металлы являются переходными металлами и/или металлами платиновой группы. Примеры используемых металлов включают медь, никель, цинк, железо, олово, вольфрам, молибден, кобальт, висмут, титан, циркон, сурьму, марганец, хром, ванадий, ниобий, рутений, родий, палладий, золото, серебро, индий, платину, иридий, рений и их смеси, при этом медь, марганец и железо являются особенно предпочтительными. Катализаторы могут включать также стабилизирующие металлы, такие как кальций, магний, калий и/или редкоземельные металлы, такие как церий и лантан. Эти материалы являются особенно пригодными для использования в качестве катализатора SCR, катализатора AMOX, ловушек NO_x, абсорберов NO_x, катализаторов окисления и т.п.

Предпочтительно, материал с большой площадью поверхности находится в виде частиц, кристаллов или агломерации частиц или кристаллов, при этом частицы, кристаллы или агломерации имеют указанный размер частиц распределения d₅₀. Другие примеры металлов с большой площадью поверхности включают оксиды металлов, таких как окись алюминия, оксид титана, оксид циркона, диоксид церия, диоксид кремния, оксид вольфрама, оксид молибдена и их смеси. Эти материалы при использовании в качестве опоры являются особенно пригодными для катализатора на основе PGM и катализаторов на основе ванадия. Например, основанный на не цеолите катализатор SCR может включать V₂O₅, опирающийся на TiO₂/WO₃. В другом варианте выполнения катализатор окисления, катализатор АМОХ, абсорбер NO_x или ловушка NO_x могут включать металл PGM, такой как Pt, Pd, Rh и их комбинации, с опорой на окись алюминия, оксид титана и т.п.

Другие примеры подходящего материала с большой площадью поверхности включают молекулярные сита, такие как алюмосиликаты (цеолиты), кремнеалюмофосфаты (SAPO), ферросиликаты и т.д. Примеры предпочтительных молекулярных сит включают цеолиты и SAPO, имеющие структуру небольших пор (т.е. имеющих максимальный кольцевой размер 8). Примеры мелкопористых молекулярных сит включают сита, имеющие код типа каркаса, выбранный из группы, состоящей из ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, KFI, MER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG и ZON. Особенно предпочтительные каркасы включают AEI, AFT, AFX, CHA, DDR, RHO, MER, LTA, UFI, RTH, SAV, PAU, LEV, ERI и KFI, при этом CHA и AEI являются особенно предпочтительными. Понятно, что цеолиты, имеющие специальный код каркаса включают все изотипичные материалы каркаса, определяемого кодом типа каркаса.

Предпочтительные цеолиты имеют молярное отношение диоксида кремния к окиси алюминия (SAR) меньше примерно 30, более предпочтительно от примерно 5 до примерно 30, например, от примерно 10 до примерно 25, от примерно 14 до примерно 20, от примерно 20 до примерно 30 или от примерно 15 до примерно 17. Отношение диоксида кремния к окиси алюминия цеолитов можно определять с помощью обычного анализа. Это отношение предназначено для отображения возможно точнее соотношения в жестком атомном каркасе цеолитного кристалла и для исключения кремния или алюминия в связующем или в катионном или другом виде внутри каналов. Поскольку может быть затруднительным непосредственное измерение отношения диоксида кремния к окиси алюминия цеолита после его комбинирования со связующим материалом, в частности, связующим диоксидом кремния, то эти отношения диоксида кремния к окиси алюминия выражаются в виде цеолита SAR как такового, т.е. перед комбинированием цеолита с другими компонентами катализатора.

В некоторых вариантах выполнения имеющее небольшие поры молекулярное сито содержит, по существу состоит или состоит из неупорядоченного каркаса, выбранного из группы, состоящей из ADC-6, AEI/CHA, AEI/SAV, AEN/UEI, AFS/BPH, BEC/ISV, бета, фуаджазита, ITE/RTH, KFI/SAV, ловдарита, монтесоммета, MTT/TON, пентазилов, SBS/STF, SSZ-33 и ZSM-48. В предпочтительном варианте выполнения мелкопористые молекулярные сита могут содержать каркас СНА с кодом типа, выбранным из SAPO-34, AIPO-34, SAPO-47, ZYT-6, CAL-1, SAPO-40, SSZ-62 или SSZ-13, и/или каркас AEI с кодом типа, выбранным из AIPO-18, SAPO-18, SIZ-8 или SSZ-39. В одном варианте выполнения композиция смешанной фазы является композицией AEI/CHA смешанной фазы. Отношение каждого типа каркаса в молекулярном сите особо не ограничивается. Например, отношение AEI/CHA может изменяться в диапазоне примерно от 5/95 до примерно 95/5, предпочтительно от примерно 60/40 до примерно 40/60. В одном примере выполнения отношение AEI/CHA может изменяться в диапазоне примерно от 5/95 до примерно 40/60.

Примеры катализаторов, используемых в нанесениях SCR, включают медь или железо на цеолите, имеющим мелкопористый каркас, такой как CHA, AEI и т.п. В некоторых вариантах выполнения, в частности, включающих медь и/или железо, каталитический металл присутствует на и/или внутри материала молекулярного сита в концентрации от примерно 0,1 до примерно 10 масс.%, относительно общей массы молекулярного сита, например, от примерно 0,5 до примерно 5 масс.%, от примерно 0,5 до примерно 1 масс.%, от примерно 1 до примерно 5 масс.%, от примерно 2 до примерно 4 масс.% и от примерно 2 до примерно 3 масс.%. Металл может быть заделан в молекулярное сито для использования в данном изобретении, с использованием хорошо известных технологий, включая обмен в жидкой фазе или ионный обмен в твердой фазе или с помощью процесса начального смачивания. Другие каркасы молекулярного сита, пригодные в качестве катализаторов SCR в данном изобретении, включают BEA, MOR и MFI, в частности, когда они включены в одно или несколько мелкопористых молекулярных сит.

Каталитическая композиция может быть выполнена в виде моющего покрытия, содержащего катализатор, предпочтительно в виде моющего покрытия, которое пригодно для покрытия подложки дизельного фильтра твердых частиц. Дополнительно к каталитически активному компоненту, моющее покрытие может включать каталитически не активные компоненты, такие как связующие вещества, модификаторы реологии, порообразующие вещества, диспергенты, смачивающие вещества и т.п. В данном случае, «каталитически активный» компонент является компонентом, который непосредственно участвует в качестве молекулярного компонента в желаемом каталитическом процессе, таком как каталитическое восстановление NO_x и/или окисление NH₃, или других избирательных каталитических восстановителей (SCR) на основе азота. Соответственно, «каталитически не активным» является компонент в моющем покрытии, который не участвует непосредственно в качестве молекулярного компонента в желаемом каталитическом процессе. Предпочтительные не активные компоненты включают связующие вещества, такие как окись алюминия, диоксид кремния, (не цеолитные) алюмосиликаты, природные глины, TiO₂, ZrO₂ и SnO₂. Хотя материалы аналогичного состава могут также использоваться в качестве каталитически активного компонента, каталитически не активная форма материала обычно отличается физическим свойством, таким как размер частиц.

Каталитическое покрытие может быть расположено на выходной стороне подложки фильтра посредством образования сначала суспензии функционального катализатора и приведения в контакт подложки фильтра с суспензией для обеспечения покрытия суспензией выходной поверхности и/или для пропитки фильтра на желаемую глубину, которая предпочтительно не больше глубины наружной стороны фильтра. В частности, суспензия подается дозированно на заднюю часть фильтра, или задняя часть фильтра погружается в суспензию, так что суспензия входит в выходные каналы фильтра. Затем суспензия образует покрытие мембранного типа на выходной поверхности и/или частично пропитывает открытую пористую структуру стенок фильтра, за счет чего образуется каталитическое покрытие на выходной стороне фильтра. В некоторых вариантах выполнения с передней частью фильтра частиц может быть соединена вакуумная система для втягивания каталитического моющего покрытия частично через стенки каналов. Чрезмерная суспензия удаляется из фильтра частиц с помощью дренажа, воздушного шабера или других технологий. В некоторых вариантах выполнения сжатая текучая среда, такая как сжатый воздух, может вдуваться в каналы фильтра для поддержки удаления остающейся суспензии. После этого фильтр твердых частиц подвергается сушке.

В некоторых вариантах выполнения катализатор подвергается воздействию температур до 950ºС. В некоторых вариантах выполнения катализатор работает при температуре от примерно 150ºС до примерно 850ºС. В частном варианте выполнения температура изменяется в диапазоне от 175 до 550ºС. В другом варианте выполнения температура изменяется в диапазоне от 175 до 400ºС.

Согласно другому аспекту изобретения, предлагается способ удаления твердых частиц, включая сажу, из отработавших газов и катализации реакции для оказания влияния на концентрацию по меньшей мере одного компонента в отработавших газах. После входа во входные каналы отработавшие газы приходят в контакт и проходят через тонкие пористые стенки фильтра, который удаляет сажу из отработавших газов, предпочтительно перед контактом отработавших газов с каталитическим покрытием. При осаждении частиц (например, сажи) на стенках и в пористых стенках уменьшается проницаемость стенок, уменьшается проницаемость стенок каналов, что приводит к увеличению противодавления. Проницаемость фильтра частиц может быть восстановлена за счет регенерации фильтра, что обычно включает сжигание осажденной сажи. Регенерация может осуществляться активно или пассивно. При активной регенерации поток отработавших газов перед фильтром периодически увеличивается, например, за счет дозированной подачи углеводорода в поток отработавших газов и преобразования углеводорода в тепло над катализатором окисления выше по потоку от фильтра. Увеличение тепла облегчает сжигание сажи для удаления сажи из фильтра и уменьшения тем самым противодавления.

При пассивной регенерации сажа, осажденная на стенки каналов, вступает в реакцию с NO₂, присутствующим в потоке отработавших газов, что приводит к сгоранию сажи и выделению NO. При накапливании сажи на стенках каналов фильтра частиц, реакция между сажей и NO₂, присутствующим в потоке отработавших газов, уравновешивает скорость осаждения сажи, когда нагрузка сажей достигает точки равновесия ниже заданного рабочего предела фильтра частиц.

Дополнительно к уменьшению концентрации твердых частиц, в некоторых вариантах выполнения каталитическое изделие уменьшает концентрацию NO_x в отработавших газах. В других вариантах выполнения каталитическое изделие увеличивает концентрацию NO, NO₂ или изменяет отношение NO:NO₂. В некоторых вариантах выполнения катализатор уменьшает концентрацию NH₃ в отработавших газах.

В некоторых особенно предпочтительных вариантах выполнения указанные каталитические композиции могут способствовать реакции, включающей восстановитель, предпочтительно аммиак, и оксиды азота для избирательного образования элементарного азота (N₂) и воды (Н₂О) на фоне параллельной реакции кислорода и аммиака. В одном варианте выполнения катализатор может быть выполнен для поддержки реакции оксидов азота с аммиаком (т.е. в виде катализатора SCR). В другом варианте выполнения катализатор может быть выполнен для поддержки окисления аммиака кислородом (т.е. в виде катализатора окисления аммиака – АМОХ). Источники аммиака включают восстановитель аммиака, который не расходуется в процессе SCR (т.е. проскальзывающий аммиак). В другом варианте выполнения катализатор SCR и катализатор АМОХ используются последовательно, при этом оба катализатора содержат указанный выше содержащий метал цеолит, и при этом катализатор SCR расположен выше по потоку от катализатора АМОХ. В некоторых вариантах выполнения катализатор АМОХ расположен в виде верхнего слоя на окислительном нижнем слое, при этом нижний слой содержит катализатор с металлом платиновой группы (PGM) (например, Pt или Pt/Pd) или катализатор не платиновой группы металлов на опоре с большой площадью поверхности, такой как окись алюминия. Катализатор АМОХ может быть нанесен на подложку в качестве моющего покрытия, предпочтительно для достижения загрузки от примерно 0,3 до примерно 2,3 г на кубический дюйм.

Восстановитель (известный также как восстанавливающий агент) для процессов SCR означает в широком смысле любое соединение, которое поддерживает восстановление NO_x в отработавших газах. Примеры восстановителей, используемых в данном изобретении, включают аммиак, гидразин или любой другой подходящий предшественник аммиака, такой как мочевина ((NH₂)₂CO), карбонат аммония, карбомат аммония, гидрокарбонат аммония или формиат аммония, и углеводороды, такие как дизельное топливо и т.п. Особенно предпочтительными являются восстановители на основе азота, при этом аммиак является особенно предпочтительным. В некоторых вариантах выполнения восстановитель может быть углеводородом, таким как метан, дизельное топливо или т.п.

В некоторых вариантах выполнения восстановитель или его предшественник вводится поток отработавших газов, предпочтительно выше по потоку от катализатора SCR и после дизельного окислительного катализатора. Ввод этого восстановителя можно осуществлять с помощью инжектора, распылительной форсунки или аналогичного устройства. В некоторых вариантах выполнения весь или по меньшей мере часть восстановителя на основе азота, в частности NH₃, может поставляться катализатором поглощения NO_x (NAC), ловушкой обедненного NO_x (LNT) или катализатором хранения/восстановления NOχ (NSCR), расположенным выше по потоку от катализатора SCR, например, катализатором SCR, согласно данному изобретению, расположенным на фильтре с проточными стенками. Компоненты NAC, используемые в данном изобретении, включают каталитическую комбинацию из базового материала (такого как щелочной металл, щелочноземельный металл или редкоземельный металл, включая оксиды щелочных металлов, оксиды щелочноземельных металлов и их комбинации) и благородного металла (такого как платина) и, не обязательно, восстановительного каталитического компонента, такого как родий. Специальные типы базового материала, используемые в NAC, включают оксид цезия, оксид калия, оксид магния, оксид натрия, оксид кальция, оксид стронция, оксид бария и их комбинации. Благородный метал предпочтительно присутствует в количестве примерно от 10 до примерно 200 г на один кубический фут, например, от 20 до 60 г на один кубический фут. В качестве альтернативного решения, благородный металл катализатора характеризуется средней концентрацией, которая может составлять от примерно 40 до примерно 100 г на один кубический фут.

При определенных условиях, во время периодических событий богатой регенерации, может образовываться NH₃ над катализатором поглощения NO_x. Катализатор SCR по потоку после катализатора поглощения NO_x может улучшать эффективность восстановления NO_x всей системы. В комбинированных системах катализатор SCR способен хранить NH₃, высвобождаемый из катализатора NAC во время событий богатой регенерации, и использовать сохраненный NH₃ для избирательного восстановления части или всего NO_x, который проскальзывает через катализатор NAC во время обычных бедных рабочих условий.

Способы, согласно данному изобретению, могут содержать одну или несколько следующих стадий: (а) накапливания и/или сжигания сажи, которая находится в контакте с входом каталитического фильтра; (b) ввода азотного восстановителя в поток отработавших газов перед контактом с каталитическим фильтром, предпочтительно с промежуточными каталитическими стадиями, включающими обработку NO_x и восстановление; (с) генерирования NH₃ над катализатором поглощения NH₃, и предпочтительно использования такого NH₃ в качестве восстановителя в реакции SCR ниже по потоку; (d) приведения в контакт потока отработавших газов с DOC для окисления углеводорода на основе растворимой органической фракции (SOF) и/или моноокиси углерода в СО₂, и/или окисления NO в NO₂, который в свою очередь можно использовать для окисления твердых частиц в фильтре твердых частиц; и/или уменьшения количества твердых частиц (РМ) в отработавших газах; (е) приведения в контакт отработавших газов с одним или несколькими проходными устройствами катализа SCR в присутствии восстановителя для уменьшения концентрации NO_x в отработавших газах; и (f) приведения в контакт отработавших газов с катализатором АМОХ, предпочтительно по потоку после катализатора SCR для окисления большинства, если не всего аммиака, перед выпуском отработавших газов в атмосферу или пропускания отработавших газов через контур рециркуляции перед повторным входом отработавших газов в двигатель.

Способы, согласно данному изобретению, можно осуществлять на отработавших газах, получаемых в результате процесса сгорания, такого как процесс в двигателе внутреннего сгорания (мобильного или стационарного), в газовой турбине или в электростанциях со сжиганием угля или нефти. Способы можно также использовать для обработки газов из промышленных процессов, таких как очистка, из очистительных нагревателей или бойлеров, топок, химической обрабатывающей промышленности, коксовых печей, муниципальных установок сжигания отходов и т.д. В частом варианте выполнения способ используется для обработки отработавших газов из автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедном топливе, таком как дизельный двигатель, бензиновый двигатель с бедным топливом или двигатель, работающий на жидком нефтяном газе или природном газе.

Согласно другому аспекту изобретения, предлагается выпускная система для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедном топливе, при этом система содержит канал для прохождения потока отработавших газов, источник азотного восстановителя и указанную выше каталитическую смесь. Система может включать контроллер для дозирования азотного восстановителя в поток отработавших газов, лишь когда определяется, что каталитическая смесь способна каталитизировать восстановление NO_x с желаемой эффективностью или с более высокой эффективностью, например, при температуре свыше 100ºС, свыше 150ºС или свыше 175ºС. Дозирование азотного восстановителя можно осуществлять так, что 60% - 200% теоретического количества аммиака присутствует в отработавших газах, входящих в катализатор SCR, вычисленного при отношении 1:1 NH₃/NO и 4:3 NH₃/NO₂. Средства управления могут содержать предварительно запрограммированный процессор, такой как электронный управляющий блок (ECU).

В другом варианте выполнения катализатор для окисления моноксида азота в отработавших газах в диоксид азота может быть расположен выше по потоку от точки дозирования азотного восстановителя в отработавшие газы. В одном варианте выполнения дизельный окислительный катализатор (DOC) предназначен для выдачи потока газов, входящих в цеолитный катализатор, имеющих отношение NO к NO₂ примерно от 4:1 до примерно 1:3 по объему, например, при температуре отработавших газов на входе катализатора окисления от 250ºС до 450ºС. В другом варианте выполнения отношение NO к NO₂ сохраняется в диапазоне примерно от 1:2 до примерно 1:5 по объему. Дизельный окислительный катализатор может содержать по меньшей мере один металл платиновой группы (или некоторую их комбинацию), такой как платина, палладий или родий, нанесенный на проходную монолитную подложку. В одном варианте выполнения по меньшей мере один металл платиновой группы является платиной, палладием или комбинацией платины и палладия. Металл платиновой группы может опираться на компонент моющего покрытия с большой площадью поверхности, такой как окись алюминия, цеолит, такой как алюмосиликатный цеолит, оксид кремния, не цеолитный алюмосиликат, оксид церия, оксид циркона, оксид титана или смешанный или композитный оксид, содержащий как оксид церия, так и оксид циркона. В другом варианте выполнения цеолитный катализатор для использования в данном изобретении нанесен в виде покрытия на фильтр по потоку после катализатора окисления. Когда фильтр включает цеолитный катализатор для использования в данном изобретении, то точка дозирования азотного восстановителя предпочтительно расположена между катализатором окисления и фильтром.

Согласно другому аспекту изобретения, предлагается автомобильный двигатель сгорания бедного топлива, содержащий систему выпуска, согласно данному изобретению. Автомобильный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедном топливе, может быть дизельным двигателем, бензиновым двигателем, работающем на бедном топливе, или двигателем, работающем на жидком нефтяном газе или природном газе.

Используемое здесь понятие «состоит по существу из» относительно каталитической композиции означает, что композиция содержит названные каталитические компоненты, но не содержит дополнительных компонентов, которые оказывают влияние на основные и новые характеристики заявляемого изобретения. То есть, каталитическая композиция не включает дополнительных компонентов, которые могут служить в качестве катализатора для планируемой реакции или могут служить для улучшения базовых каталитических свойств заявляемого катализатора.

ПРИМЕРЫ

Пример 1: Дизельный фильтр твердых частиц с покрытым катализатором выходом

Каталитическое моющее покрытие, имеющее пропитанное медью молекулярное сито, имеющее каркас СНА, нанесено с выходной стороны сотового фильтра с проточными стенками, выполненного первично из кордиерита и имеющего 300 каналов на один квадратный дюйм и толщину стенки 0,3 мм, а затем высушено. Полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображение подтвердило, что каталитическое покрытие сохранилось на выходной стороне и на внутренней части стенки фильтра. Входная сторона стенки фильтра осталась свободной от каталитических покрытий.

Моющее покрытие было нанесено в количестве, достаточном для образования каталитической загрузки примерно 1 г на кубический дюйм. Каталитическая загрузка имеет размер частиц распределения d₅₀ примерно 4,22 мкм.

Примеры 2-3 и сравнительные примеры А – В: дизельные фильтры твердых частиц с покрытым катализатором выходом

Были изготовлены два дополнительных образца в соответствии с общим процессом, указанным в примере 1, за исключением того, что в фильтре были изменены средний размер пор и пористость и размер частиц распределения d₅₀ каталитического покрытия, как показано в таблице 1.

Были изготовлены два сравнительных образца (А и В) в соответствии с общим процессом, указанным в примере 1, за исключением того, что в фильтре были изменены средний размер пор и пористость и размер частиц распределения d₅₀ каталитического покрытия, как показано в таблице 1.

Таблица 1 Пример/
Сравнитель-ный пример Пористость
фильтра Средний
размер пор фильтра (Средний размер пор)/4,9
(мин. требуемый размер частиц) Размер частиц распределения
d50 каталитического покрытия Размер частиц распр.
d50 выше мин.? Загрузка моющего покрытия 1 65% 20 мкм 4,08 мкм 4,22 мкм Да 1 г/дюйм² 2 59% 18 мкм 3,67 мкм 4,22 мкм Да 1 г/дюйм² 3 52% 13 мкм 2,65 мкм 3,76 мкм Да 1 г/дюйм² (А) 65% 20 мкм 4,08 мкм 1,47 мкм Нет 1 г/дюйм² (В) 59% 18 мкм 3,67 мкм 1,47 мкм Нет 1 г/дюйм²

Пример 4: Сравнительная характеристика противодавления

(входного и выходного покрытия)

Повторены указанные в примерах 1-3 и сравнительных примерах А – В процессы, за исключением того, что каталитическое покрытие было нанесено на входной стороне фильтра. Повторены указанные в примерах 1-3 и сравнительные примеры А – В процессы, за исключением того, что половина каталитического покрытия была нанесена на входной стороне фильтра и половина каталитического покрытия была нанесена на выходной стороне фильтра. Воздух при окружающей температуре пропускался через фильтр с расходом 400 кубических футов в минуту (PFM). Сажу постепенно вводили выше по потоку от фильтра и позволяли ей накапливаться на внутренней стороне фильтра, и регистрировали разницу давления в фильтре (например, противодавление фильтра) при увеличении уровня сажи. Противодавление нагруженного сажей каждого фильтра (SLPB) сравнивали при загрузке сажей примерно от 2 до примерно 9 г на квадратный дюйм, с целью определения, какое расположение каталитического покрытия (т.е. лишь на выходе, лишь на входе, как на входе, так и на выходе) приводит к наименьшему SLPB. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 Наименьшее относительное противодавление при
загрузке сажей (SLBP) Пример № Лишь выход Лишь вход Как вход, так и выход 1 ∙ 2 ∙ 3 ∙ А ∙ В ∙

Как показывают эти данные, SLPB фильтров, согласно данному изобретению, меньше чем у фильтров, имеющих другие конфигурации каталитического покрытия.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях. Дизельный фильтр для частиц содержит подложку фильтра с проточными стенками и каталитическую композицию (44). Подложка фильтра с проточными стенками имеет средний размер пор, сторону (30) входа, сторону (32) выхода и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами (30) и (32). Каталитическая композиция нанесена на сторону выхода подложки. Каталитическая композиция имеет распределение частиц по размеру d₅₀. Распределение частиц по размеру d₅₀ больше или равно среднему размеру пор, разделенному на 4,9. Входная сторона (30), по существу, свободна от каталитического покрытия (44). Раскрыты система для обработки отработавшего газа сгорания бедного топлива и способ уменьшения сажи в отработавшем газе сгорания бедного топлива. Технический результат заключается в уменьшении противодавления фильтра. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Дизельный фильтр для частиц, содержащий:

а) подложку фильтра с проточными стенками, имеющую средний размер пор, сторону входа, сторону выхода и пористую внутреннюю часть между входной и выходной сторонами; и

b) каталитическую композицию, нанесенную на сторону выхода подложки, при этом каталитическая композиция имеет распределение частиц по размеру d₅₀,

при этом указанное распределение частиц по размеру d₅₀ больше или равно среднему размеру пор, разделенному на 4,9, и при этом входная сторона, по существу, свободна от каталитического покрытия.

2. Дизельный фильтр по п. 1, в котором средний размер пор составляет по меньшей мере примерно 10 мкм.

3. Дизельный фильтр по п. 1, в котором средний размер пор составляет по меньшей мере примерно 15 мкм.

4. Дизельный фильтр по п. 1, в котором подложка фильтра с проточными стенками дополнительно содержит пористость по меньшей мере примерно 45%.

5. Дизельный фильтр по п. 1, в котором подложка фильтра с проточными стенками дополнительно содержит пористость по меньшей мере примерно 55%.

6. Дизельный фильтр по п. 1, в котором подложка фильтра с проточными стенками дополнительно содержит пористость по меньшей мере примерно 65%.

7. Дизельный фильтр по п. 1, в котором указанное распределение частиц по размеру d₅₀ составляет по меньшей мере примерно 2,5 мкм.

8. Дизельный фильтр по п. 1, в котором указанное распределение частиц по размеру d₅₀ составляет по меньшей мере примерно 3,5 мкм.

9. Дизельный фильтр по п. 1, в котором указанное распределение частиц по размеру d₅₀ составляет по меньшей мере примерно 4 мкм.

10. Дизельный фильтр по п. 1, в котором пористая внутренняя часть, по существу, свободна от каталитического покрытия.

11. Дизельный фильтр по п. 1, в котором каталитическая композиция присутствует в количестве примерно 0,5–3,0 г на кубический дюйм.

12. Дизельный фильтр по п. 1, в котором каталитическая композиция присутствует в количестве примерно 0,9–1,8 г на кубический дюйм.

13. Дизельный фильтр по п. 1, в котором каталитическая композиция присутствует в виде единственного слоя.

14. Дизельный фильтр по п. 1, дополнительно содержащий дополнительные каталитические слои, нанесенные на выходной стороне фильтра.

15. Дизельный фильтр по п. 1, в котором слой каталитического покрытия содержит катализатор избирательного восстановления.

16. Дизельный фильтр по п. 15, в котором катализатор избирательного восстановления содержит Cu или Fe на и/или внутри мелкопористого молекулярного сита.

17. Дизельный фильтр по п. 1, в котором слой каталитического покрытия содержит катализатор проскока аммиака.

18. Система для обработки отработавшего газа сгорания бедного топлива, содержащая:

а) дизельный фильтр для частиц по п. 1 и

b) по меньшей мере один компонент выпускной системы, сообщающийся по текучей среде с дизельным фильтром для частиц, при этом компонент выпускной системы выбран из группы, состоящей из источника NO₂, расположенного выше по потоку от дизельного фильтра для частиц, источника восстановителя, расположенного выше по потоку от дизельного фильтра для частиц, катализатора АМОХ, ловушки для NO_x катализатора поглощения NO_x, дизельного окислительного катализатора и катализатора SCR.

19. Способ уменьшения сажи в отработавшем газе сгорания бедного топлива, содержащий:

а) приведение в контакт потока отработавшего газа, несущего сажу и опционно содержащего NO_x, с дизельным фильтром для частиц по п. 1;

b) улавливание по меньшей мере части сажи на и/или в дизельном фильтре для частиц при одновременном обеспечении прохождения отработавшего газа через дизельный фильтр для частиц и

с) периодическое и/или непрерывное сжигание улавливаемой сажи для регенерации фильтра.

20. Способ по п. 19, дополнительно содержащий стадию:

а) приведения в контакт отработавшего газа с катализатором SCR, нанесенным на выходной стороне фильтра, для уменьшения концентрации NO_x в отработавшем газе.