БЕНЗИНОВЫЙ ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2021 года по МПК F01N3/21 F01N3/22 F01N3/35 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к фильтру твердых частиц, в частности, к фильтру твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя. Фильтр твердых частиц обеспечивает выгодное сочетание низкого противодавления и высокой эффективности фильтрации нового фильтра.

Уровень техники изобретения

Бензиновые двигатели образуют потоки выхлопных газов сгорания, содержащие углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота вместе с твердыми частицами. Известна очистка газов с помощью композиции тройного катализатора конверсии, и известно удаление твердых частиц в улавливателях твердых частиц, таких как сажевые фильтры.

В отличие от твердых частиц, образуемых дизельными двигателями на обедненных смесях, твердые частицы, образуемые бензиновыми двигателями, имеют тенденцию быть более мелкими и в более низких содержаниях. Это связано с иными условиями сгорания топлива дизельного двигателя по сравнению с бензиновым двигателем. Например, бензиновые двигатели работают при более высокой температуре, чем дизельные двигатели. Кроме того, образующиеся углеводородные компоненты в выхлопах бензиновых двигателей отличаются от дизельных двигателей.

Производители исходного оборудования (original equipment manufacturers (OEM), т.е. производители транспортного средства, требуют, чтобы бензиновые фильтры твердых частиц (GPF) имели высокую эффективность фильтрации нового фильтра и низкое противодавление. Однако, поскольку из бензинового двигателя выбрасывается мало твердых частиц, не образуется сажевого осадка в ходе предварительной подготовки системы последующей очистки перед испытанием. Этот сажевый осадок отвечает, по меньшей мере частично, за высокую эффективность фильтрации дизельных фильтров твердых частиц, и для дизельного двигателя эффективный сажевый осадок может быть образован за 10-20 км пробега. Поскольку этот эффект обычно не достижим с бензиновым двигателем, целевая эффективность фильтрации нового фильтра достигается за счет использования более высокой загрузки покрытия из пористого оксида, что увеличивает падение давления на фильтре.

Вышесказанное относится только к новым фильтрам для соответствия требованиям проверки при сходе с конвейера OEM. По мере того как транспортное средство накапливает пробег, GPF повышает эффективность своей фильтрации за счет накопления золы, являющейся побочным продуктом сгорания. Следовательно, на протяжении большей части срока службы GPF остается спроектированным для избыточной эффективности фильтрации и имеет более высокое падение давления, чем это необходимо на большей части его срока службы, что снижает потенциальные рабочие характеристики двигателя.

WO 2014162140 (A1) относится к каталитическому фильтру для фильтрации твердых частиц из выхлопных газов, содержащих один или более каталитических ядов и выбрасываемых из двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением, причем этот фильтр содержит пористый носитель, имеющий общую длину и имеющий поверхности впуска и поверхности выпуска, при этом поверхности впуска отделены от поверхностей выпуска пористой структурой, имеющей поры первого среднего размера, при этом пористый носитель покрыт покрытием из пористого оксида, содержащим множество твердых частиц, при этом пористая структура пористого носителя с нанесенным покрытием из пористого оксида содержит поры второго среднего размера, при этом второй средний размер пор меньше первого среднего размера пор, причем покрытие из пористого оксида расположено на пористом носителе в осевом направлении в виде первой зоны, содержащей поверхности впуска первой длины носителя, меньшей чем общая длина носителя, и второй зоны, содержащей поверхности выпуска второй длины носителя, меньшей чем общая длина носителя, при этом сумма длины носителя в первой зоне и длины носителя во второй зоне превышает 100%, при этом покрытие из пористого оксида по меньшей мере второй зоны представляет собой тройное каталитическое покрытие из пористого оксида, содержащее один или более благородных металлов, нанесенных на оксид с большой площадью поверхности, и аккумулирующий кислород компонент, и при этом: (i) удельная поверхность покрытия из пористого оксида в первой зоне больше, чем во второй зоне; или (ii) как загрузка покрытия из пористого оксида, так и удельная поверхность покрытия из пористого оксида в первой зоне оказывается больше, чем во второй зоне.

Желательно предложить усовершенствованный фильтр твердых частиц и/или решить по меньшей мере некоторые из проблем, связанные с предшествующим уровнем техники, или, по меньшей мере, предложить коммерчески подходящую альтернативу.

Сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом предлагается фильтр твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя, где фильтр имеет сторону впуска и сторону выпуска, при этом по меньшей мере сторона впуска загружена синтетической золой.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно. В следующих ниже параграфах различные аспекты изобретения определены более детально. Каждый определенный таким образом аспект может быть объединен с любым другим аспектом или аспектами, если явным образом не указано иное. В частности, любой признак, обозначенный как предпочтительный или имеющий преимущества, может быть объединен с любым другим признаком или признаками, обозначенными как предпочтительные или имеющие преимущества.

Фильтр твердых частиц обычно образован из пористого носителя. Пористый носитель может содержать керамический материал, такой как, например, кордиерит, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, муллит, сподумен, оксид алюминия-диоксид кремния-оксид магния, силикат циркония и/или титанат алюминия, как правило, кордиерит или карбид кремния. Пористый носитель может быть пористым носителем, который обычно используют в системах очистки выхлопов бензиновых двигателей.

Пористый носитель может иметь традиционную сотовую структуру. Фильтр может иметь форму традиционного «фильтра со сквозным потоком». В качестве альтернативы, фильтр может иметь форму традиционного «фильтра с проточными стенками» (WFF). Такие фильтры известны в области техники.

Фильтр твердых частиц предпочтительно представляет собой фильтр с проточными стенками. Фильтры с проточными стенками работают путем пропускания потока выхлопных газов (включающего твердые частицы) через стенки, образованные из пористого материала.

Фильтр с проточными стенками обычно имеет первую торцевую поверхность и вторую торцевую поверхность, ограничивающие продольное направление между ними. В процессе использования, одна из первой торцевой поверхности и второй торцевой поверхности будет торцевой поверхностью впуска для выхлопных газов, а другая будет торцевой поверхностью выпуска для очищенных выхлопных газов. Традиционный фильтр с проточными стенками имеет первое и второе множества каналов, продолжающиеся в продольном направлении. Первое множество каналов открыто на первой торцевой поверхности и закрыто на второй торцевой поверхности. Второе множество каналов открыто на второй торцевой поверхности и закрыто на первой торцевой поверхности. Каналы предпочтительно параллельны друг другу, что обеспечивает постоянную толщину стенки между каналами. В результате, газы, входящие в один из множества каналов, не могут выйти из монолита, не диффундируя через стенки канала в другое множество каналов. Каналы закрывают с помощью введения герметизирующего материала в открытый конец канала. Предпочтительно, количество каналов в первом множестве равно количеству каналов во втором множестве, и каждое множество равномерно распределено по всему монолиту. Предпочтительно в плоскости, ортогональной продольному направлению, фильтр с проточными стенками имеет от 100 до 500 каналов на квадратный дюйм (15,5-77,5 каналов на см²), предпочтительно от 200 до 400 каналов на квадратный дюйм (31-62 канала на см²). Например, на первой торцевой поверхности плотность открытых первых каналов и закрытых вторых каналов составляет от 200 до 400 каналов на квадратный дюйм (31-62 канала на см²). Каналы могут иметь поперечные сечения, которые имеют прямоугольную, квадратную, круглую, овальную, треугольную, шестиугольную или иные многоугольные формы.

Материалы, из которых состоит синтетическая зола, обычно не являются по своей природе каталитическими в момент загрузки. В частности, в отсутствие других каталитических соединений этот материал обычно не оказывает каталитического эффекта. Иными словами, он обычно не катализирует реакции с соединениями, содержащимися в подлежащих очистке выхлопах, такими как, например, несгоревшие углеводороды, монооксид углерода, диоксид углерода, азотсодержащие соединения, сажа, металлы и т.д. Конечно, синтетическая зола может обеспечивать, по меньшей мере, частичный каталитический эффект в сочетании с другими веществами, нанесенными на фильтр, например, с каталитическим покрытием из пористого оксида. Однако синтетическая зола, как правило, не способна обеспечить каталитический эффект сама по себе в типичных условиях работы фильтра.

В то же время, некоторые предпочтительные компоненты синтетической золы, например, оксид церия или смешанный оксид церия-диоксид циркония обладают по меньшей мере каталитической активностью сгорания сажи при контакте поверхность-поверхность. Тем не менее, определения в предыдущем абзаце предназначены, в числе прочего, чтобы отличать синтетическую золу от золы, которая образуется при использовании композиций топливных катализаторов (FBC), где присутствуют определенные металлоорганические соединения, содержащие нафтенаты металлов и т.п., или коллоидные дисперсии очень мелких частиц оксида одного или более металлов, например, Cu, Fe, Pt или Ce, имеющихся в моторном топливе. Во время процесса сгорания катализаторы включаются в сажевую матрицу и затем собираются на фильтре. Такой подход может улучшать контакт твердого катализатора/сажи с O₂ и может понижать температуру сгорания сухой сажи (см. R.M. Heck et al., Catalytic Air Pollution Control - Commercial Technology, 3^rd Edition (2009), pp. 259-260, 273; и «Filters Using Fuel Borne Catalysts», Paul Richards, Revision 2014.12, DieselNet Technology Guide (доступно для подписчиков https://www.dieselnet.com/tech/dpf_fbc.php).

Фильтры, содержащие катализатор, полученный из FBC, также могут отличаться тем, что фильтр настоящего изобретения находится в своем первоначальном состоянии, т.е. в том виде, как он был изготовлен, например, без оболочки, и не содержит компонентов, полученных из FBC. Они также могут отличаться тем, что FBC присутствует внутри структуры частиц сажи, т.е. в тесной комбинации с ними, в то время как синтетическая зола настоящего изобретения контактирует с сажей только посредством контакта поверхность-поверхность между частицами сажи и синтетической золой.

Синтетическая зола предпочтительно не содержит каталитического материала, содержащего металл платиновой группы. Это может снижать стоимость исходных материалов фильтра твердых частиц. Металлы платиновой группы включают: платину, палладий, рутений, родий, осмий и иридий.

Синтетическая зола обычно не реагирует с материалом фильтра (например, кордиеритом, карбидом кремния и т.д.) при типичных рабочих температурах фильтра, например, до 300°С или до 500°С, или до 700°С, или даже до 800°С. Синтетическая зола также обычно не реагирует при таких температурах с другими веществами, которые могут содержаться в фильтре, например, с каталитическим покрытием из пористого оксида (например, с каталитическими покрытиями из пористого оксида, содержащими традиционные «тройные катализаторы», TWC).

Синтетическая зола не образуется непосредственно в процессе сгорания. Например, синтетическая зола не является компонентом выхлопов, подлежащих очистке системой очистки выхлопов, например, продуктом сгорания топлива, такого как бензин.

Синтетическая зола может содержать одно или несколько соединений, которые присутствуют в несинтетической золе. Синтетическая зола обычно по существу не содержит углеродсодержащих веществ, например, сажи.

По меньшей мере сторона впуска фильтра твердых частиц загружена синтетической золой. Синтетическая зола также может быть загружена на сторону выпуска фильтра и/или во внутреннюю часть фильтра. Загрузка может быть охарактеризована как загрузка «на поверхность стенки» или загрузка «внутрь стенки». Первая характеризуется образованием синтетической золы на поверхности фильтра. Последняя характеризуется проникновением синтетической золы в поры внутри пористого материала. Как правило, практически вся синтетическая зола загружается «на поверхность стенки». В противоположность этому, когда катализатор, такой как тройной катализатор (TWC), также присутствует, обычно практически весь катализатор загружается «внутрь стенки». Загрузка синтетической золы «на поверхность стенки» может быть достигнута, например, путем изменения реологических характеристик суспензии покрытия из пористого оксида, в которой используется синтетическая зола.

Синтетическая зола может быть загружена в виде уплотненного слоя, например, когда синтетическая зола загружается путем «вдувания» в фильтр твердых частиц. Такой уплотненный слой обычно является пористым и газопроницаемым. В качестве альтернативы, синтетическая зола может быть в виде пористого покрытия, например, покрытия, наносимого как (т.е. полученного из) суспензии покрытия из пористого оксида.

Неожиданно было обнаружено, что при включении в систему очистки выхлопов бензинового двигателя фильтр твердых частиц демонстрирует сочетание высокой эффективности фильтрации нового фильтра и сниженного увеличения противодавления с течением времени. Не ограничиваясь какой-либо теорией, считается, что синтетическая зола функционирует подобно сажевому осадку, образующемуся после большого пробега, например, после 5000 км или после 10000 км, или 20000 км (сажевый осадок, образовавшийся после некоторого пробега, будет, конечно, зависеть, в числе прочего, от используемого топлива, бензинового двигателя и условий движения). Иными словами, синтетическая зола служит для улавливания твердых частиц, содержащихся в выхлопах, обеспечивая таким образом высокую эффективность фильтрации. Предпочтительно, эта высокая эффективность фильтрации демонстрируется фильтром твердых частиц, только что вышедшим с производственной линии, а это означает, что фильтр твердых частиц способен лучше проходить проверку производительности при сходе с конвейера OEM.

Как обсуждалось выше, в традиционных бензиновых фильтрах твердых частиц высокая эффективность фильтрации нового фильтра обычно обеспечивается за счет использования высоких уровней загрузки покрытия из пористого оксида. Поскольку фильтр твердых частиц настоящего изобретения может обеспечивать более высокую эффективность фильтрации нового фильтра без необходимости использования высокого уровня загрузки покрытия из пористого оксида, увеличение противодавления фильтра с течением времени может быть снижено. Кроме того, поскольку требуется меньше покрытия из пористого оксида, затраты на исходные материалы для фильтра твердых частиц могут быть снижены.

Поскольку зола является «синтетической», ее состав можно регулировать так, чтобы она по существу не содержала соединений, способных реагировать с материалом фильтра твердых частиц или с каталитической композицией, нанесенной на фильтр. Это противоположно обычной накапливающейся золе, например, из моторных смазок или присадок к топливу, - как также обсуждалось выше, - и/или сажевому осадку, который обычно содержит вещества, способные отравлять традиционные катализаторы, используемые в выхлопных системах бензиновых двигателей. Соответственно, когда фильтр твердых частиц загружен катализатором, фильтр твердых частиц может обеспечивать сочетание высокой эффективности фильтрации и пониженного увеличения противодавления с течением времени, наряду с высокими каталитическими свойствами. Поскольку зола является «синтетической», можно регулировать ее положение в фильтре, уровень загрузки и размер частиц, чтобы тем самым точно подобрать фильтрацию нового фильтра и свойства противодавления фильтра.

Синтетическая зола предпочтительно содержит одно или более из: оксида алюминия, оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция, смешанного оксида церия-диоксида циркония, диоксида циркония, оксида церия и гидратированного оксида алюминия; более предпочтительно одно или более из: оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция и диоксида циркония. При обычных рабочих температурах такие вещества обычно не реагируют с материалами, из которых изготовлены традиционные бензиновые фильтры твердых частиц. При обычных рабочих температурах такие вещества как правило не реагируют с катализаторами, обычно загружаемыми в бензиновые фильтры твердых частиц, например, с TWC. Кроме того, в отличие от сажевого осадка синтетическая зола не «выгорает» во время нормальной работы. Соответственно, эффективность фильтрации фильтра твердых частиц обычно является по существу постоянной на протяжении всего срока службы фильтра твердых частиц. В случае синтетической золы, содержащей гидратированный оксид алюминия, гидратированный оксид алюминия обычно превращается в оксид алюминия in situ, т.е. в условиях работы фильтра твердых частиц. Для получения фильтра твердых частиц, в котором синтетическая зола содержит гидратированный оксид алюминия, любую стадию прокаливания нужно осуществлять до загрузки гидратированного оксида алюминия. В предпочтительном варианте осуществления синтетическая зола не содержит оксида алюминия и/или оксида церия-диоксида циркония, и/или оксида церия.

Синтетическая зола предпочтительно не содержит отравляющих катализатор материалов. Когда фильтр твердых частиц загружен каталитической композицией, такой как, например, композиция TWC, это может служить для предотвращения какого-либо значительного снижения каталитических свойств фильтра твердых частиц.

В связи с этим, синтетическая зола предпочтительно по существу не содержит оксидов серы, фосфора, магния, марганца и свинца. Известно, что такие вещества отравляют катализаторы, обычно используемые в бензиновых фильтрах твердых частиц.

Фильтр предпочтительно содержит 1-50 г/л синтетической золы, более предпочтительно 5-40 г/л, еще более предпочтительно 10-35 г/л, еще более предпочтительно 15-35 г/л, и даже еще более предпочтительно 20-30 г/л. Более низкие уровни синтетической золы могут не обеспечивать адекватной эффективности фильтрации нового фильтра. Более высокие уровни могут повышать производственные затраты, а также увеличивать противодавление используемого фильтра.

Фильтр предпочтительно содержит пористое тело, содержащее множество пор, и также содержит одно или более каталитическое покрытие из пористого оксида внутри по меньшей мере части из множества пор. Использование одного или более каталитических покрытий из пористого оксида может служить для очистки компонентов выхлопных газов бензинового двигателя, таких как, например, несгоревшие углеводороды, монооксид углерода и/или оксид азота. По сравнению с традиционными бензиновыми фильтрами твердых частиц, фильтр твердых частиц настоящего изобретения может содержать более низкие уровни покрытия из пористого оксида (например, TWC покрытия из пористого оксида), например, менее 1 г/дюйм³ (0,06 г/см³), или менее 0,7 г/дюйм³ (0,043 г/см³), или менее 0,5 г/дюйм³ (0,031 г/см³), или менее 0,3 г/дюйм³ (0,02 г/см³), или 0,05-0,9 г/дюйм³ (0,003-0,055 г/см³), или 0,1-0,6 г/дюйм³ (0,006 г/см³-0,037 г/см³). Это связано с тем, что нет необходимости полагаться на высокие загрузки покрытия из пористого оксида для достижения высокой эффективности фильтрации нового фильтра. Для обеспечения достаточной каталитической активности для окисления монооксида углерода и углеводородов, а также для восстановления оксидов азота (NO_x), покрытие из пористого оксида (например, TWC покрытие из пористого оксида) предпочтительно присутствует в количестве 0,05 г/дюйм³ (0,003 г/см³) или более, или 0,1 г/дюйм³ (0,006 г/см³) или более. Каталитическое покрытие из пористого оксида, как правило, распределяется по существу по всему множеству пор.

Одно или более покрытий из пористого оксида предпочтительно включает TWC покрытие из пористого оксида. Такие покрытия из пористого оксида известны в данной области техники и особенно эффективны в системах очистки выхлопов бензиновых двигателей.

В одном варианте осуществления фильтр твердых частиц заключен в оболочку. В альтернативном варианте осуществления фильтр не заключен в оболочку. «Заключен в оболочку» означает, что фильтр твердых частиц помещен в корпус для включения в систему очистки выхлопов. «Не заключен в оболочку» означает, что фильтр твердых частиц еще не помещен в корпус для включения в систему очистки выхлопов, но по-прежнему загружен синтетической золой. В типичном процессе заключения в оболочку фильтр твердых частиц помещается в поддерживающий мат, обычно выполненный из керамических волокон или волокон диоксида кремния, перед помещением в металлический корпус. Способы включения фильтра твердых частиц в металлический корпус включают, например, способы помещения в «двустворчатую раковину», «набивки» и «закрутки». Такие способы известны в данной области техники.

В дополнительном аспекте предложена система очистки выхлопов, включающая описанный здесь фильтр твердых частиц, где сторона впуска фильтра твердых частиц расположена выше по потоку от стороны выпуска. Сторона впуска, расположенная выше по потоку от стороны выпуска, означает, что выхлопы из бензинового двигателя входят в фильтр твердых частиц через сторону впуска, а затем выходят из фильтра через сторону выпуска. Фильтр твердых частиц обычно помещают в оболочку перед включением в систему очистки выхлопов.

В дополнительном аспекте предлагается способ изготовления фильтра твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя, причем способ включает в себя:

обеспечение фильтра, имеющего сторону впуска и сторону выпуска; и

загрузку по меньшей мере стороны впуска синтетической золой.

Фильтр твердых частиц, изготовленный в соответствии с этим способом, может быть фильтром твердых частиц, как описано в настоящем документе. То есть, все признаки первого аспекта могут быть свободно комбинированы с дополнительными аспектами, описанными в данном документе.

Синтетическую золу можно вводить в контакт со стороной впуска в виде газовой суспензии. В качестве альтернативы, синтетическую золу можно вводить в контакт со стороной впуска в виде жидкой суспензии, например, покрытия из пористого оксида.

Предпочтительно синтетическую золу загружают «в сухом состоянии», т.е. загружают без использования жидкого носителя. Такая сухая загрузка может привести к распределению синтетической золы внутри фильтра, более точно имитирующему распределение несинтетической золы, которая попадает в фильтр твердых частиц в процессе использования. Соответственно, эффективность фильтрации нового фильтра может более близко имитировать эффективность фильтрации, которая наблюдается после большого пробега.

После загрузки синтетическая зола может принимать форму уплотненного слоя. Например, когда фильтр твердых частиц представляет собой фильтр с проточными стенками, синтетическая зола может образовывать уплотненный слой у стенок множества каналов, открытых на стороне впуска. Уплотненный слой может быть образован в каналах, открытых на стороне впуска, и у герметизирующего материала, закрывающего каналы, т.е. по направлению к выходному концу впускных каналов. Уплотненный слой обычно является пористым и, как правило, является газопроницаемым, причем поры имеют размеры, позволяющие улавливать твердые частицы в выхлопе бензинового двигателя, например, сажу. Поры уплотненного слоя обычно меньше, чем поры пористого носителя фильтра твердых частиц. В качестве альтернативы или в дополнение, уплотненный слой может быть более пористым, чем стенки пористого носителя (т.е. он может обеспечивать высокий уровень фильтрации за счет обеспечения большой длины пути). Уплотненный слой может проходить вдоль стенок множества каналов, открытых со стороны впуска. Уплотненный слой может иметь форму слоя или мембраны, например, сплошного слоя или мембраны. Уплотненный слой может проходить по всей длине стенок множества каналов или вдоль только части длины стенок. Вместо уплотненного слоя синтетическая зола может быть в форме пористого покрытия, например покрытия, наносимого как (т.е. полученного из) суспензии покрытия из пористого оксида. Пористое покрытие может быть расположено в фильтре с проточными стенками аналогично уплотненному слою, рассмотренному выше.

Способ может дополнительно включать заключение в оболочку фильтра, загруженного синтетической золой. Способы заключения в оболочку фильтра, загруженного синтетической золой, известны в данной области техники, и примеры таких способов приведены выше.

Синтетическая зола может быть загружена в виде частиц. Частицы могут иметь D90, например, менее 10 мкм или менее 5 мкм, хотя могут быть использованы и другие распределения частиц по размерам. Синтетическую золу предпочтительно загружают в форме частиц, имеющих D90 менее 1 мкм. Такие распределения частиц могут способствовать предотвращению попадания значительного количества синтетической золы в поры пористого носителя. Во избежание неопределенности, определения D90 были получены с помощью анализа размера частиц методом лазерной дифракции с использованием Malvern Mastersizer 2000, который представляет собой метод на основе объема (т.е. D90 также может называться D_V90 (или D(v, 0,90)) и применяет математическую модель теории Ми для определения распределения частиц по размерам. Образцы синтетической золы для определения D90 получали обработкой ультразвуком в дистиллированной воде без поверхностно-активного вещества в течение 30 с при 35 Вт.

В предпочтительном варианте осуществления загрузка по меньшей мере стороны впуска синтетической золой включает:

приведение в контакт стороны впуска с синтетической золой; и

подачу газового потока со стороны впуска к стороне выпуска и/или подведение вакуума со стороны выпуска для уплотнения синтетической золы относительно фильтра.

Сторона впуска предпочтительно приводится в контакт с синтетической золой в форме газообразной суспензии (т.е. путем продувки синтетической золы по направлению к стороне впуска) или жидкой суспензии (например, покрытие из пористого оксида).

Способ может дополнительно включать прокаливание загруженной синтетической золы. Прокаливание может снижать противодавление получаемого фильтра твердых частиц.

В дополнительном аспекте настоящее изобретение предусматривает использование загрузки синтетической золы для повышения эффективности фильтрации нового фильтра для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано со ссылкой на следующие неограничивающие чертежи, на которых:

На фиг.1А представлен вид в перспективе, схематично показывающий фильтр 1 твердых частиц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1В показан вид в поперечном разрезе по линии А-А фильтра 1 твердых частиц, показанного на фиг.1А.

На фиг.2 показан схематический чертеж системы очистки выхлопов бензинового двигателя.

На фиг.3 показаны рентгеновские изображения фильтров твердых частиц в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

На фиг.4 показан график характеристик противодавления фильтров твердых частиц в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения и фильтра твердых частиц известного уровня техники.

На фиг.5 показан график эффективностей фильтрации фильтра твердых частиц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и фильтра твердых частиц известного уровня техники.

На фиг.6 показаны рентгеновские изображения фильтров твердых частиц: сравнительного фильтра III и фильтра IV в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Фильтр 1 твердых частиц в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг.1А и фиг.1B. В данном варианте осуществления фильтр твердых частиц является фильтром с проточными стенками. Он включает большое число каналов, расположенных параллельно друг другу в продольном направлении фильтра 1 (показано двухсторонней стрелкой «а» на фиг.1А). Большое число каналов включает первое подмножество каналов 5 и второе подмножество каналов 10.

Каналы показаны таким образом, что второе подмножество каналов 10 более узкое, чем первое подмножество каналов 5. Однако, в качестве альтернативы, каналы могут быть по существу одинакового размера.

Первое подмножество каналов 5 открыто в концевой части на первой торцевой поверхности 15 монолита 1 с проточными стенками и герметизировано с помощью герметизирующего материала 20 в концевой части на второй торцевой поверхности 25.

С другой стороны, второе подмножество каналов 10 открыто в концевой части на второй торцевой поверхности 25 монолита 1 с проточными стенками и герметизировано с помощью герметизирующего материала 20 в концевой части на первой торцевой поверхности 15.

Фильтр 1 может быть предусмотрен с каталитическим материалом внутри пор в стенках 35 каналов. Катализатор, нанесенный в стенке 35 каналов монолита 1, функционирует как катализатор очистки выхлопных газов.

Синтетическая зола 50 расположена внутри первого подмножества каналов 5 и плотно прилегает к герметизирующему материалу 20 в концевой части на второй торцевой поверхности 25. Уплотненный слой синтетической золы проходит от герметизирующего материала вдоль стенок 35 каналов.

Соответственно, когда фильтр твердых частиц используется в выхлопной системе, выхлопные газы G (на фиг.1B «G» указывает на выхлопные газы, и стрелка указывает направление потока выхлопных газов), введенные в первое подмножество каналов 5, будут проходить через синтетическую золу 50 и стенку 35 канала, расположенную между каналом 5a и каналами 10a и 10b, и затем выходить из монолита 1. Соответственно, твердые частицы в выхлопных газах улавливаются синтетической золой 50.

В варианте осуществления системы 100 очистки выхлопов, показанной на фиг.2, поток 110 выхлопных газов пропускается через фильтр 1 твердых частиц. Выхлопные газы 110 проходят из бензинового двигателя 115 через систему 120 труб в выхлопную систему 125.

Следует отметить, что фильтр твердых частиц описан здесь как единый компонент. Тем не менее, при формировании системы очистки выхлопов, используемый фильтр может быть образован путем склеивания множества каналов или путем склеивания множества более мелких фильтров, как описано в данном документе. Такие методы хорошо известны в данной области техники, как и подходящие корпуса и конфигурации системы очистки выхлопов.

Каталитический монолит с проточными стенками далее будет описан в связи со следующим неограничивающим примером.

Пример 1:

Фильтр I: фильтр твердых частиц получали загрузкой порошка ZnO в сторону впуска коммерческого фильтра с проточными стенками 300/8 с пористостью 65% из непокрытого кордиерита. Порошок ZnO помещали на поддерживающую сетку над впуском фильтра для нанесения покрытия, и воздушный поток направляли со стороны впуска через фильтр с проточными стенками и из стороны выпуска, тем самым втягивая порошок ZnO через сетку в фильтр, уплотняя порошок ZnO относительно гереметизирующих заглушек впускных каналов. Приблизительно 45 г порошка ZnO загружали на фильтр, обеспечивая уровень загрузки приблизительно 25 г/л.

Фильтр II: второй фильтр твердых частиц получали аналогично фильтру I, но вместо ZnO использовали порошок Disperal^® (диспергируемый гидрат оксида алюминия высокой чистоты).

Фильтр III (сравнительный): другой фильтр твердых частиц получали путем покрытия коммерческого фильтра с проточными стенками из непокрытого кордиерита 300/8 с пористостью 65% с помощью TWC покрытия из пористого оксида (загрузка покрытия из пористого оксида 0,4 г/дюйм³ (0,024 г/см³), 30 г/фут³ (1059 г/м³) PGM, (Pt/Pd/Rh 0:27:3) со стороны впуска и стороны выпуска.

Фильтр IV: другой фильтр твердых частиц получали сперва как и фильтр III, путем покрытия коммерческого фильтра с проточными стенками из непокрытого кордиерита 300/8 с пористостью 65% с помощью TWC покрытия из пористого оксида (загрузка покрытия из пористого оксида 0,4 г/дюйм³ (0,024 г/см³), 30 г/фут³ (1059 г/м³) PGM, (Pt/Pd/Rh 0:27:3) со стороны впуска и стороны выпуска, и путем прокаливания при 500°С перед загрузкой 45 г порошка Disperal^® в сторону впуска покрытого фильтра, полученного аналогичным образом, как и в фильтрах I и II.

На фиг.3 показаны рентгеновские изображения фильтров I и II [наверху: фильтр II (Disperal^®); внизу: фильтр I (ZnO)], при этом стороны впуска находятся в верхней части изображений. Темные полосы указывают заглушки А в верхней и нижней частях фильтров. Дополнительная темная штриховка в нижней части фильтров соответствует синтетической золе В, уплотненной относительно концевых заглушек каналов.

Исследовали характеристики противодавления фильтров твердых частиц как до, так и после прокаливания при 500°С, и результаты показаны на фиг. 4 вместе с результатами для фильтра с проточными стенками, не содержащего синтетической золы (кривые сверху вниз: Disperal^®, не прокаленный (фильтр II); Disperal^®, прокаленный (фильтр IIC); ZnO, не прокаленный (фильтр I); ZnO прокаленный (фильтр IC); и без покрытия (пунктир)). Можно видеть, что фильтры, загруженные синтетической золой, особенно после прокаливания, демонстрировали характеристики противодавления, аналогичные фильтру, в который не загружали синтетическую золу.

Измеряли эффективности фильтрации фильтра I и непокрытого фильтра твердых частиц, в который не загружали синтетическую золу, при этом TWC приводится первым (1 л объема субстрата с 400/4 CPSI и покрытие катализатора 21 г/фут³ (741,5 г/м³) (Pt/Pd/Rh 0:18:3) (2 л бензиновый двигатель с прямым впрыском топлива стандарта Euro 5, тестирование NEDC, PN на выходе двигателя=1,28×10¹²), и результаты показаны на фиг.5. Можно видеть, что эффективность фильтрации нового фильтра твердых частиц, загруженного ZnO (показан справа), составила 91%, тогда как новый фильтр твердых частиц без синтетической золы демонстрировал эффективность фильтрации 73%. Результаты показывают, что фильтр твердых частиц настоящего изобретения обеспечивает выгодное сочетание высокой фильтрации нового фильтра и низкого противодавления.

Аналогично фиг.3, на фиг.6 показаны рентгеновские изображения фильтров III и IV (верх: сравнительный фильтр III; низ: фильтр IV), при этом стороны впуска находятся в верхней части изображений.

Хотя здесь подробно описываются предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области будет понятно, что в них могут быть сделаны различные изменения без отклонения от объема изобретения или прилагаемой формулы изобретения.

Во избежание неопределенности, полное содержание всех процитированных здесь документов включено в настоящее описание посредством ссылки.

Настоящее изобретение относится к фильтру твердых частиц, в частности к фильтру твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя. Фильтр твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя, где фильтр имеет сторону впуска и сторону выпуска. При этом по меньшей мере сторона впуска загружена синтетической золой. При этом синтетическая зола содержит одно или более из: оксида алюминия, оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция, (смешанного) оксида церия-диоксида циркония, диоксида циркония, оксида церия и гидратированного оксида алюминия. При этом синтетическая зола свободна от оксидов серы, фосфора, магния, марганца и свинца. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой эффективности фильтрации и снижение противодавления фильтра. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Фильтр твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя, где фильтр имеет сторону впуска и сторону выпуска, при этом по меньшей мере сторона впуска загружена синтетической золой, при этом синтетическая зола содержит одно или более из: оксида алюминия, оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция, смешанного оксида церия-диоксида циркония, диоксида циркония, оксида церия и гидратированного оксида алюминия, и при этом синтетическая зола свободна от оксидов серы, фосфора, магния, марганца и свинца.

2. Фильтр твердых частиц по п.1, где фильтр твердых частиц представляет собой фильтр с проточными стенками.

3. Фильтр твердых частиц по п.1, где синтетическая зола содержит одно или более из: оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция и диоксида циркония.

4. Фильтр твердых частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором синтетическая зола не содержит каталитического материала, содержащего металл платиновой группы.

5. Фильтр твердых частиц по любому из предшествующих пунктов, где фильтр содержит 1-50 г/л синтетической золы.

6. Фильтр твердых частиц по любому из предшествующих пунктов, где фильтр содержит пористое тело, содержащее множество пор, и также содержащее одно или более каталитических покрытий из пористого оксида внутри по меньшей мере части из множества пор, при этом одно или более покрытий из пористого оксида предпочтительно включает TWC покрытие из пористого оксида.

7. Фильтр твердых частиц по любому из предшествующих пунктов, где фильтр твердых частиц не заключен в оболочку.

8. Система очистки выхлопов, содержащая фильтр твердых частиц по любому из пп.1-6, где сторона впуска фильтра твердых частиц расположена выше по потоку от стороны выпуска.

9. Способ изготовления фильтра твердых частиц для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя, причем способ включает в себя:

обеспечение фильтра, имеющего сторону впуска и сторону выпуска; и

загрузку по меньшей мере стороны впуска синтетической золой,

при этом синтетическая зола содержит одно или более из: оксида алюминия, оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция, смешанного оксида церия-диоксида циркония, диоксида циркония, оксида церия и гидратированного оксида алюминия, и при этом синтетическая зола свободна от оксидов серы, фосфора, магния, марганца и свинца.

10. Способ по п.9, в котором фильтр твердых частиц соответствует любому из п.п.1-7.

11. Способ по п.9 или 10, где способ дополнительно включает заключение в оболочку фильтра, загруженного синтетической золой.

12. Способ по любому из пп.9-11, в котором синтетическую золу загружают в форме частиц, имеющих D90 менее 1 мкм.

13. Способ по любому из пп.9-12, в котором загрузка по меньшей мере стороны впуска синтетической золой включает:

приведение в контакт стороны впуска с синтетической золой; и

подачу газового потока со стороны впуска к стороне выпуска и/или подведение вакуума со стороны выпуска для уплотнения синтетической золы относительно фильтра.

14. Способ по п.13, в котором сторона впуска приводится в контакт с синтетической золой в форме газообразной суспензии или жидкой суспензии.

15. Способ по любому из пп.9-14, дополнительно включающий прокаливание загруженной синтетической золы.

16. Применение загрузки синтетической золы для повышения эффективности фильтрации нового фильтра для использования в системе очистки выхлопов бензинового двигателя, при этом синтетическая зола содержит одно или более из: оксида алюминия, оксида цинка, карбоната цинка, оксида кальция, карбоната кальция, смешанного оксида церия-диоксида циркония, диоксида циркония, оксида церия и гидратированного оксида алюминия, и при этом синтетическая зола свободна от оксидов серы, фосфора, магния, марганца и свинца.