КАТАЛИЗАТОР СГОРАНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ (РСС ИЛИ PCCz) И КАТАЛИЗАТОР СГОРАНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ С ПОКРЫТИЕМ (СРСС ИЛИ CPCCz)
PARTICULATES COMBUSTION CATALYST (PCC OR PCCZ) AND COATED PARTICULATES COMBUSTION CATALYST (CPCC OR CPCCZ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Цель данного изобретения - удаление или уменьшение твердых примесей в выхлопе двигателей внутреннего сгорания. Изобретение относится к катализатору сгорания твердых частиц (РСС), сажевому фильтру и системе очистки выхлопного газа. Изобретение в частности относится к составу и устройству, разработанным для удаления твердых примесей или сажи из выхлопного газа дизельного двигателя, двигателей с непосредственным впрыском топлива (НВТ) и т.д. Данное изобретение также относится к способам производства упомянутого устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Удаление или уменьшение твердых примесей, высвобождающихся из выхлопа двигателей внутреннего сгорания во время работы всегда желательно. Общеизвестные сажевые фильтры с проточными стенками (DPF) могут удалять более 95% твердых примесей (ТП) из выхлопов дизельных двигателей. Некоторые фильтры спроектированы для однократного употребления, предназначены для утилизации и замены после заполнения накопившейся сажей. Другие разработаны для сжигания накопившихся твердых частиц либо пассивно, путем использования катализатора, или активными средствами, такими как топливная горелка, которая нагревает фильтр до температуры сгорания сажи.
Фильтрам требуется больше обслуживания, чем каталитическим нейтрализаторам. Постоянное накопление уловленных твердых примесей засоряет наполнитель фильтра, и таким образом приводит к увеличению противодавления в таких устройствах и неблагоприятно влияет на КПД двигателя и, как следствие, на соблюдение нормативов выбросов. Сажа собирается внутри пористого металлического наполнителя и на металлической сетке из-за принципов инерционного соударения. Существует постоянная необходимость разрабатывать эффективное удаление твердых частиц, и данное изобретение предоставляет средства для этого. Данное изобретение предлагает устройство, которое создает меньшее противодавление, чем обычные DPF, с большим поперечным потоком и использованием подложки.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретатели разработали РСС, который преодолевает риски неисправности из-за постоянного накопления уловленных твердых примесей путем создания альтернативного открытого пути потока в случае переполнения сажей, таким образом ограничивая противодавление в допустимых пределах. Подход, основанный на симуляции, и полевые испытания использовались для исследования, проектирования и разработки новых структур поперечного потока путем оценки падения давления и эффективности улавливания. Конструкция была оптимизирована для эффективного улавливания сажи без засорения основных путей потока.
Изобретение раскрывает трехмерное устройство для каталитической обработки выхлопных газов автомобильных транспортных средств, содержащее подложку, сформированную путем соединения множества элементов сотовой подложки, каждый из которых имеет структуру, в которой некоторое количество ячеек расположено параллельно или последовательно или параллельно расположено последовательно в отношении друг друга.
Другой аспект данного изобретения - подложка, образованная специальной комбинацией пористого металлического наполнителя (ПМН) и металлической сетки с разной формой отверстий и разным числом ячеек с или без или с рифленым или микрорифленым материалом для формирования трехмерной (3D) структуры.
Другой аспект данного изобретения - комбинация рифленого или микрорифленого ПМН с рифленой или микрорифленой металлической сеткой с разной формой отверстий и разным числом ячеек с или без или с рифленым или микрорифленым материалом для формирования трехмерной (3D) структуры.
Другой аспект данного изобретения - комбинация рифленого или микрорифленого ПМН с нерифленойметаллической сеткой с разной формой отверстий и разным числом ячеек с или без или с рифленым или микрорифленым материалом для формирования трехмерной (3D) структуры.
Еще один аспект данного изобретения - нерифленый ПМН может быть специальным образом комбинирован с рифленой или микрорифленой металлической сеткой с разной формой отверстий и разным числом ячеек с или без или с рифленым или микрорифленым материалом для формирования трехмерной (3D) структуры.
Другой аспект данного изобретения состоит в том, что каждая ячейка внутри подложки состоит из металлической сетки с разной формой отверстий и разным числом ячеек и/или рифленым или микрорифленым зазубренным металлическим материалом и/или неорганическим материалом и ПМН в качестве стенок.
Z
Еще один аспект данного изобретения состоит в том, что CPCC покрыт специальным материалом покрытия из пористого оксида, который способен постоянно создавать insitu двуокись азота, который необходим для постоянного окисления уловленных частиц сажи, что приводит к повышению эффективности уменьшения количества твердых примесей (ТП).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Отличительные признаки данного изобретения станут очевидными посредством последующего описания предпочтительных вариантов изобретения вместе с сопровождающими чертежами, в которых:
Фиг. 1: Комбинация ПМН и металлической сетки в PCCz - схематическое изображение
Фиг. 1.2: Улучшенная массо- и теплопередача в рифленом канале турбулентного типа
Фиг. 1.3: Конструкция подложки с прямым рифлением
Фиг. 1.4: Пористый металлический наполнитель с прямым рифлением с микрорифленой/зазубренной металлической фольгой
Фиг. 1.5: Фольга с прямым рифлением с микрорифлением
Фиг. 1.6: Диагонально рифленая фольга с более высоким cpsi с микрорифлением
Фиг. 1.7: Диагонально рифленая фольга с более низким cpsi с микрорифлением
Фиг. 1.8: Диагонально рифленая плоская подложка из фольги и диагональная + микрорифленая подложка из фольги
Фиг. 1.9: Диагонально рифленая + микрорифленая фольга и микрорифленая фольга с прямым рифлением
Фиг. 1.10: Пористый металлический наполнитель турбулентного типа
Фиг. 1.11: Диагонально рифленый пористый металлический наполнитель
Фиг. 1.12: Плоский/нерифленый пористый металлический наполнитель
Фиг. 1.13: Металлическая сетка со структурой полотняного плетения и квадратными отверстиями сетки
Фиг. 1.14: Металлическая сетка со структурой саржевого плетения и квадратными отверстиями сетки
Фиг. 1.15: Структура прямоугольной сетки
Фиг. 1.16: Структура квадратной сетки
Фиг. 2: Примеры разных форм катализатора сгорания твердых частиц и катализатора сгорания твердых частиц с покрытием
Фиг. 3.1-3.13: изменение ΔP отобранных образцов, имеющих разные комбинации, и с рифлением.
Фиг. 4: Данные по выбросам массы загрязняющих веществ для отобранных образцов, имеющих разные комбинации, и с рифлением.
Фиг. 5: Блок-схема 1 технологического процесса для катализатора сгорания твердых частиц (РСС) и катализатора сгорания твердых частиц с покрытием (СРСС);
Фиг. 6: Блок-схема 2 технологического процесса для катализатора сгорания твердых частиц (РСС) и катализатора сгорания твердых частиц с покрытием (СРСС);
Фиг. 7: Блок-схема 3 технологического процесса для катализатора сгорания твердых частиц (РСС) и катализатора сгорания твердых частиц с покрытием (СРСС)
Фиг. 8: Блок-схема технологического процесса для изготовления покрытия из пористого оксида для катализатора сгорания твердых частиц с покрытием
Z
Z
Фиг. 9-22: Сравнительный график лабораторной симуляции реакции окисления для окисления моноксида углерода, окисления пропилена и образования двуокиси азота с температурой для различных комбинаций РСС и СРСС (далее называемые каталитической активностью), испытанной при различных рабочих условиях.
3
На Фиг. 9а и 9b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функции температуры с объемной скоростью 30000 h-1 для VF-структур с одним и двумя слоями с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН) и диагонально рифленой металлической сеткой с прямоугольными ячейками с содержанием МП Г (металлы платиновой группы) 1, 2, 5, 10 и 20 г/фт.
3
3
На фиг. 10 сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функции температуры с объемной скоростью 30000 h-1 для VF-структуры с одним слоем с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН) и диагонально рифленой металлической сеткой с прямоугольными ячейками с содержанием МПГ 1 г/фт и для VX-структуры с одним слоем предшествующего уровня техники с содержанием МПГ 20 г/фт.
3
На фиг. 11а и 11b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функции температуры с объемной скоростью 30000 и 60000h-1 для однослойных VF-структур с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН) и диагонально рифленой металлической сеткой с прямоугольными ячейками с содержанием МПГ 1 и 5 г/фт.
3
На фиг. 12а и 12b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функции температуры с объемной скоростью 60000 h-1 для VF с одним и двумя слоями с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН) и диагонально рифленой металлической сеткой с прямоугольными ячейками с содержанием МПГ 1, 5, 10 и 20 г/фт.
На фиг. 13а и 13b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 h-1 для структур без покрытия с тремя разными типами рифления для пористого металлического наполнителя (ПМН) с плоской/нерифленой фольгой (UF) или микрорифленой/зазубренной фольгой (МФ).
3
На фиг. 14а и 14b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 h-1 для однослойных структур с тремя разными типами рифления для пористого металлического наполнителя (ПМН) с плоской/нерифленой фольгой (UF) или микрорифленой/зазубренной фольгой (МФ). Содержание МПГ одинаково во всех случаях - 1 г/фт.
3
На фиг. 15а и 15b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30,000 h-1 для однослойных структур с разными типами рифления для пористого металлического наполнителя (ПМН) с плоской/нерифленой фольгой (UF) или микрорифленой/зазубренной фольгой (МФ). Содержание МПГ одинаково во всех случаях - 5 г/фт.
3
На фиг. 16а и 16b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30,000 и 60000 h-1 для однослойных структур с диагональным типом рифления пористого металлического наполнителя (ПМН) с плоской/нерифленой фольгой (UF) или микрорифленой/зазубренной фольгой (МФ). Содержание МПГ - 10 г/фт.
3
На фиг. 17а и 17b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 60000 h-1 для структур с одним слоем с тремя разными типами рифления пористого металлического наполнителя (ПМН) с плоской/нерифленой фольгой (UF) или с микрорифленой/зазубренной фольгой (МФ). Содержание МПГ - 10 г/фт.
3
На фиг. 18а и 18b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 h-1 для VX-структур с одним слоем с 330 cpsi, рифленая металлическая сетка имеет содержание МПГ 1, 5 и 10 г/фт.
3
На фиг. 19 сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 и 60000 h-1 для однослойных структур с тремя разными типами рифления для фольги (CF) с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН). Содержание МПГ одинаково во всех случаях - 1 г/фт.
3
На фиг. 20 сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 и 60000 h-1 для однослойных структур с тремя разными типами рифления для фольги (CF) с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН). Содержание МПГ одинаково во всех случаях - 5 г/фт.
3
На фиг. 21 сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 и 60000 h-1 для однослойных структур с тремя разными типами рифления для фольги (CF) с плоским пористым металлическим наполнителем (ПМН). Содержание МПГ одинаково во всех случаях - 10 г/фт.
3
На фиг. 22а и 22b сравниваются преобразование СО, НС, %, и образование NO2, %, как функция температуры с объемной скоростью 30000 и 60000 h-1 для однослойных структур с двумя разными типами рифления для пористого металлического наполнителя (ПМН) с плоской/нерифленой фольгой (UF) или микрорифленой/зазубренной фольгой (МФ). Содержание МПГ одинаково во всех случаях - 1 г/фт.
Z
На фиг. 23.1 и 23.2 описываются параметры накопления сажи как функция расстояния, проделываемого образцами CPCC, имеющими разные структурные комбинации и разные рифления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Другие задачи и аспекты изобретения будут очевидны из последующего описания вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, которые прилагаются ниже. Варианты осуществления данного изобретения могут быть различным образом модифицированы. Так, объем данного изобретения должен толковаться как не ограниченный вариантами осуществления, описанными в данном документе. Варианты осуществления представлены для лучшего объяснения данного изобретения специалистам в области техники. Далее, элементы и области чертежей изображены примерно, и объем данного изобретения не ограничивается соответственными размерами, формами и промежутками на чертежах.
Список ниже представляет полные формы сокращений, используемых в данной спецификации:
Описываемое устройство данного изобретения предназначено для каталитической обработки выхлопных газов, которое состоит из подложки, образованной соединением множества отдельных элементов, отличающихся тем, что упомянутые отдельные элементы содержат множество ячеек. Отдельный элемент может иметь сотовое тело. Множество ячеек располагается параллельно или последовательно или параллельно в последовательности в отношении друг друга.
В изобретении раскрывается подложка, образованная специальной комбинацией пористого металлического наполнителя (ПМН) и металлической сетки с разной формой отверстий и разным числом ячеек с или без или с рифленым или микрорифленым материалом для формирования трехмерной (3D) структуры. Изобретение обеспечивает существенное улавливание твердых примесей, освобождающихся из двигателя.
Рифленый или микрорифленый ПМН комбинируется с рифленой или микрорифленойметаллической сеткой с разной формой отверстий и разным числом ячеек и/или рифленой или микрорифленой зазубренной металлической фольгой и/или неорганическим волоконным тканым матричным материалом для получения трехмерной (3D) структуры.
В альтернативном варианте осуществления изобретения комбинируется рифленый или микрорифленый ПМН с нерифленой металлической сеткойс разной формой отверстий, предпочтительно прямоугольной, и разным числом ячеек и/или рифленой или микрорифленой зазубренной металлической фольгой и/или неорганическим волоконным тканым матричным материалом для получения такой трехмерной (3D) структуры. ПМН может быть флисом.
В альтернативном варианте нерифленый ПМН может специально комбинироваться с рифленой или микрорифленой металлической сеткой с разной формой отверстий, предпочтительно прямоугольной, и разным числом ячеек и/или рифленой или микрорифленой зазубренной металлической фольгой и/или неорганическим волоконным тканым матричным материалом для получения такой трехмерной (3D) структуры.
Изобретение далее раскрывает, что каждая ячейка внутри подложки состоит из металлической сетки с разной формой отверстий, предпочтительно прямоугольной, и разным числом ячеек и/или рифленой или микрорифленой зазубренной металлической фольгой и/или неорганическим волоконным тканым матричным материалом и ПМН в качестве ее стенок. Плотность ячеек предпочтительна в диапазоне от 20 до 1300 ячеек на квадратный дюйм (cpsi), предпочтительно от 50 до 600 cpsi. Неорганический волоконный тканый матричный материал имеет толщину волокон от 5 до 22 микрометров. Толщина неорганического волоконного тканого матричного материала составляет 0,5-100 миллиметров в отдельном слое, более предпочтительно 0,5-10 миллиметров, и пористость составляет от 70 до 95%. ПМН имеет предпочтительную пористость в 70-95% и используется с разной толщиной от 0,1 мм до 1 мм.
Элементы подложки комбинируются специальным образом, формируя разные геометрии, такие как круглые, овальные, квадратные, прямоугольные, тороидальной формы, в форме банана, в слоистой тороидальной форме и т.п., каждый с обходным каналом или без него и для разных размеров, и может или иметь сплошное прилегание, или быть частично открытым в радиальном и/или осевом направлении, что обеспечивает разнообразие схем потока.
Число ячеек металлической сетки подложки предпочтительно составляет 120-20 ячеек на дюйм, более предпочтительно 90-30 ячеек на дюйм. Диаметр проволоки металлической сетки составляет 0,08-0,3 мм, предпочтительно 0,1-0,2 мм, при этом металлическая фольга имеет толщину в 20-110 микрометров, предпочтительно 40-80 микрометров. Высота микрорифления составляет 0,01-0,5 мм, предпочтительно 0,02-0,2 мм.
Подложка изобретения демонстрирует высокую тепловую и механическую устойчивость при всех нагрузках двигателя.
Z
Z
Изобретение показывает, что можно изготавливать PCC/СРСС с плотностями ячеек, варьирующимися от 20 до 1300 ячеек на квадратный дюйм (cpsi), предпочтительно от 50 до 600 cpsi, с микрорифлением или без него. Рифление диагональное, угол рифления составляет от 10 до 60 градусов, предпочтительно 32-40 градусов. Рифление также может быть прямым или турбулентным.
Z
Z
Z
Z
СРСС, который является РСС с покрытием, способен окислять уловленные частицы сажи, что приводит к повышению эффективности уменьшения количества ТП. Далее раскрывается, что СРСС и РСС способны к окислению уловленных частиц сажи с объемом существенно более низким, чем в предшествующем уровне техники. Существенно более низкое противодавление наблюдается при сравнении с имеющимися устройствами, когда подложка данного изобретения используется в устройстве для повышения эффективности уменьшения количества ТП.
Z
Изобретение показывает, что СРСС покрыт материалом покрытия из пористого оксида, который способен постоянно создавать insitu двуокись азота, которая необходима для постоянного окисления уловленных частиц сажи, что приводит к повышению эффективности уменьшения количества ТП. Изобретение раскрывает специальный материал покрытия из пористого оксида и способ изготовления такового.
Специальное покрытие из пористого оксида раскрывается изобретателями. Покрытие из пористого оксида содержит комбинацию каталитически неактивного материала и каталитически активного материала. Покрытие из пористого оксида необходимо наносить до или после того, как сформирована подложка.
Каталитически неактивный материал покрытия из пористого оксида включает в себя комбинацию целого ряда оксидов, нитратов и гидроксидов алюминия, кремния, титана, циркония, гафния, кальция, бария, стронция и редкоземельных оксидов металла. Каталитически неактивный материал имеет удельную площадь поверхности, варьирующуюся от 100 до 260 кв. м на г. Покрытие из пористого оксида состоит из частиц, имеющих распределение среднего диаметра частицы от 0,5 до 3,5 микрон.
Покрытие из пористого оксида обеспечивает существенное образование insitu диоксида азота в диапазоне от 20% до 50% по объему, что непрерывно обеспечивает эффективное окисление сажи, скопившейся внутри тела сотовой структуры во время работы двигателя. Подложка обеспечивает такое же или более низкое противодавление, чем перед нанесением покрытия из пористого оксида. Неожиданно было обнаружено, что покрытие из пористого оксида обеспечивает каталитическую эффективность при существенно меньших объемах, что приводит к снижению затрат и загрязнения.
Каталитически активный материал, используемый в покрытии из пористого оксида, содержит, но не ограничивается этим, комбинацию ряда солей платины, палладия, родия, рутения, осмия и иридия, предпочтительно платины, палладия и родия. Каталитически активный материал содержится в сотовом теле подложки, предпочтительно в пределах 0,5-30 г/куб. фут, более предпочтительно 1-10 г/куб. фут.
Покрытие из пористого оксида имеет толщину в пределах 0,5-10 микрометров, предпочтительно 1-5 микрометров. Элементы могут быть включены в сотовое тело с предварительно нанесенным покрытием из пористого оксида. Элементы могут быть включены в материал покрытия из пористого оксида напрямую перед нанесением покрытия.
Покрытие из пористого оксида спроектировано так, чтобы иметь высокую степень адгезии и с ПМН, и металлической сеткой, а также с металлической фольгой и неорганическим материалом и комбинацией таковых. Покрытие из пористого оксида демонстрирует высокую тепловую и механическую устойчивость и устойчиво к загрязнению серой, присутствующей в выхлопном газе автомобиля, когда двигатель работает.
Подложка изобретения предлагает равномерное течение потока и имеет взаимодействующую трехмерную сеть каналов, которая обеспечивает быстрое рассеивание тепловой энергии, выпускаемой во время регенерации таких устройств. Эффективность тепло- и массопередачи улучшена, что приводит к оптимальным внутренним диффузионным и осевым потокам.
Подложка имеет взаимодействующие каналы, которые эффективно замедляют липкие и/или влажные и сухие аналогичные частицы из выхлопа двигателя на своих поверхностях, которые с течением времени улавливаются внутри ПМН и/или металлической сетки с разной формой отверстий, предпочтительно прямоугольной, и разным числом ячеек и/или внутри неорганического волоконного тканого матричного материала. Улавливание твердых частиц происходит преимущественно путем сталкивания уловленных частиц из выхлопа двигателя на промежуточной отражательной поверхности.
В другом варианте осуществления изобретения ПМН и металлическая сетка также по отдельности покрываются комбинацией каталитически неактивного материала и каталитически активного материала перед формированием из них подложки.
Разные отличительные особенности изобретения далее описываются на не ограничивающих примерах для лучшего понимания изобретения.
На фиг. 1.1 схематически изображена комбинация ПМН и металлической сетки для PCCz данного изобретения. На фиг. 1.2 объясняется улучшенная массо- и теплопередача в канале с рифлением турбулентного типа. На фиг. 1.3-1.16 раскрываются разные варианты осуществления структуры подложки и комбинаций, включая прямую/рифленую/мирокрифленую/зазубренную металлическую фольгу/диагонально рифленую/турбулентную/пористую/плоскую/нерифленую/металлическую сетку /прямоугольную сетку/квадратную сетку
На фиг. 2 изображены примеры разных форм катализатора сгорания твердых частиц и катализатора сгорания твердых частиц с покрытием.
Оценка противодавления:
Из фиг. 3.1 видно, что подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и диагонально рифленой сетки с 330 cpsi, явно демонстрирует самую высокую ΔР (1448). Вторая по показателям - с плоским ПМН и диагонально рифленой 330 cpsi (1401/1).
После этого следует подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и 330 диагонально рифленой сетки, имеющей меньший объем (1461).
Обе структуры предшествующего уровня техники (1394/3 и 1405) показывают более низкую ΔР с 33 рифлением сетки и с квадратными и прямоугольными ячейками.
Из фиг. 3.2 видно, что подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и диагонально рифленой сетки (1448) с 330 cpsi демонстрирует самую высокую ΔР, в то время как комбинация плоского ПМН и диагонально рифленой сетки (1461) с 400 cpsi демонстрирует самую низкую ΔР.
Другая комбинация структуры подложки предшествующего уровня техники (1405+1407) и комбинация плоского ПМН и диагонально рифленой с 330 cpsi (1401/1) находятся в промежутке.
Из фиг. 3.3 видно, что подложка, образованная комбинацией диагонально рифленого ПМН с 330 cpsi и диагонально рифленой сетки с 330 cpsi дает максимальную ΔР (1436/1). Вторая подложка предыдущего уровня техники с диагонально рифленой сеткой (1394/3) с 330 cpsi дает такую же ΔР и с квадратными, и с прямоугольными ячейками (1405).
Самую низкую ΔР демонстрирует подложка, образованная комбинацией рифленой сетки турбулентного типа с 200 cpsi и ПМН (1444) с желобками.
Из фиг. 3.4 видно, что предшествующий уровень техники, содержащий рифленую сетку с 330 cpsi, очевидно дает самую высокую ΔР (1394/3). Также видно, что структура, образованная комбинацией диагонально рифленого ПМН со 100 cpsi и плоской сетки (1401/4), демонстрирует более высокую ΔР, чем структура, образованная комбинацией плоского ПМН и диагонально рифленой сетки (1401/3) со 100 cpsi.
Из фиг. 3.5 видно, что подложка (1583/1) предшествующего уровня техники с сеткой с 400 cpsi дает самую высокую ΔР и 1582/1 с сеткой с 33р cpsi имеет самую высокую ΔР. Обе плоские подложки ПМН, 1584/1 и 1585/1, с 330 и 400 cpsi соответственно имеют промежуточные показатели.
Из фиг. 3.6 видно, что подложка (1581/1) предшествующего уровня техники с сеткой с 400 cpsi демонстрирует самую высокую ΔР. Подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и сеткой с прямым рифлением с 300 cpsi, дает самую низкую ΔР. Эффективность накопления сажи подложкой предшествующего уровня техники с сеткой (1580/1) с 330 cpsi имеет промежуточные показатели.
Из фиг. 3.7 видно, что подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и рифленой фольги (1590/1 и 1591/1) с прямым рифлением с 300 или 400 cpsi, демонстрирует самую низкую ΔР, а комбинация плоского ПМН и фольги (1592/1) с прямым рифлением с 500 cpsi, комбинация плоского ПМН и фольги (1597/1) с рифлением турбулентного типа с 350 cpsi демонстрирует самые высокие значения ΔР.
Из фиг. 3.8 видно, что подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и фольги (1588/1) с прямым рифлением со 100 cpsi, демонстрирует более низкую ΔР, а комбинация плоского ПМН и фольги (1596/1) с рифлением турбулентного типа с 200 cpsi демонстрирует самые высокие значения ΔР. ΔР, измеренная для комбинации плоского ПМН и фольги (1595/1) с рифлением турбулентного типа с 120 cpsi и комбинации плоского ПМН и фольги с прямым рифлением с 200 cpsi, приблизительно такая же и находится между крайними значениями.
На фиг. 3.9 описываются параметры ΔР двух отличающихся типов структур подложки, образованной (1) комбинацией плоского ПМН и рифленой фольги (1590/1_uc & 1590/1_с) с прямым рифлением с 300 cpsi, и (2) также подложки, образованной другой комбинацией плоского ПМН и фольги (1597/1_uc & 1597/1_с) с рифлением турбулентного типа с 350 cpsi.
В данном графике комбинация плоского ПМН и рифления турбулентного типа демонстрирует более высокую ΔР. В обеих структурах покрытие не увеличивает ΔР.
Из фиг. 3.10 видно, что подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и фольги (1588/1_uc & 1588/1_с) с прямым рифлением со 100 cpsi, демонстрирует гораздо более низкую ΔР, чем комбинация плоского ПМН с фольгой (1595/1_uc & 1595/1_с) рифлением турбулентного типа с 120 cpsi.
В обеих структурах покрытие не увеличивает ΔР.
Из фиг. 3.11 видно, что структуры подложки слоистого тороидального типа, образованные комбинацией плоского ПМН и диагонально рифленой сетки (1674/1) с 263 cpsi и другой комбинацией плоской неорганической волоконной тканой матрицы с диагонально рифленой сеткой с 263 cpsi, дают самое низкое значение ΔР.
Двойная пересекающаяся слоистая тороидальная структура (1675) демонстрирует явно более высокую ΔР по сравнению с одинарной пересекающейся слоистой тороидальной структурой (1674/1).
Структура (1687) подложки предшествующего уровня техники с диагональным рифлением с 292 cpsi и комбинация плоского ПМН с диагонально рифленой сеткой (1676) с 263 cpsi демонстрирует наиболее высокую ΔР.
Из фиг. 3.12 видно, что структуры подложки слоистого тороидального типа, образованные комбинацией плоского ПМН с диагонально рифленой сеткой (1669) с 263 cpsi, демонстрируют самую низкую ΔР.
Другая комбинация плоского ПМН с диагональным рифлением, сеткой (1669) с 263 cpsi демонстрирует самую высокую ΔР, а подложка (1682) предшествующего уровня техники с диагонально рифленой сеткой с 263 cpsi находится между ними.
Из фиг. 3.13 видно, что структуры подложки слоистого тороидального типа, образованные комбинацией плоского ПМН с диагонально рифленой сеткой (1673) с 263 cpsi, демонстрируют самую низкую ΔР.
Другая комбинация плоского ПМН с диагональным рифлением, подложками с рифленой сеткой (1659) с 263 cpsi и (1660) с 303 cpsi демонстрирует приблизительно аналогичную и самую высокую ΔР.
Исследования по оценке эффективности на динамометрическом стенде (массовый выброс):
Z
Каталитическая активность в аспекте выброса массы загрязняющих веществ для различных комбинаций СРСС оценивалась на динамометрическом стенде. Исследуемые образцы собирались в выхлопной узел в сборке тестового транспортного средства, которое потом приводилось в движение в испытательном цикле, имитирующем схему езды в типичном индийском городе. Во время этой операции преобладающие загрязнители, состоящие из окиси углерода, углеводорода, оксидов азота и твердых примесей, высвобождающиеся из двигателя, постоянно отслеживались и измерялись в граммах данных испускаемых загрязнителей на километр, пройденный тестовым транспортным средством.
Z
На фиг. 4 сравнивается выброс массы загрязняющих веществ для структуры подложки предшествующего уровня техники с подложкой (СРСС), образованной различными комбинациями плоского ПМН и диагонально рифленой сетки на разных уровнях объема, а именно 1,817 л (предшествующий уровень техники) и 0,374 л (данное изобретение) соответственно.
Данные показывают, что несмотря на меньший объем (в 4,85 раз), чем подложка предшествующего уровня техники, подложка, образованная различными комбинациями плоского ПМН и диагонально рифленой сетки, демонстрирует более низкие выбросы массы загрязняющих веществ, особенно для твердых примесей.
Исследования по оценке эффективности на испытательном стенде имитации газа:
Все исследования каталитической активности, описанные в примерах, проводились на испытательном стенде имитации газа. Типичный состав входного газа содержит (1) СО: 1000-1500 ПМН, пропан-пропилен: 500-800 м.д., O2: 12-14%, NO: 500-800 м.д., 6-10% СO2, 7-12% пара и баланса азота.
Регулируемый поток предварительно разогретой смеси этих газов подается в реактор, содержащий исследуемый образец. Объемные скорости управляются путем регулирования потока газовой смеси, поступающей в реактор. Исходящие газы из реактора анализируются мультигазовым анализатором существующего уровня техники.
Результат оценки - графики реакций окисления для окисления окиси углерода, окисления пропилена и образования двуокиси азота с изменением температуры.
Z
Z
PCC и CPCC, образованные специальными комбинациями рифленого или микрорифленого ПМН и/или рифленой или микрорифленой металлической сеткой с разной формой отверстий, предпочтительно прямоугольной, и разным числом ячеек и/или рифленой или микрорифленой зазубренной металлической фольгой и/или неорганическим волоконным тканым матричным материалом с разным содержанием драгоценных металлов, разными слоями покрытия из пористого оксида, оценивались при разных объемных скоростях.
Z
Z
Z
Z
3
3
3
3
PCC формировался путем комбинации плоского ПМН с диагонально рифленой металлической сеткой с прямоугольными ячейками. Сформированный таким образом РСС преобразовывался в СРСС путем покрытия первого комбинацией каталитически неактивного материала таким образом, чтобы получить толщину покрытия в 2 микрометра. Четыре образца этого упомянутого СРСС затем каждый покрывались МПГ в 1 г/фт, 5 г/фт, 10 г/фт и 20 г/фт.
Z
Вышеупомянутая подложка была высушена, кальцинирована и оценена на предмет каталитической активности. На фиг. 9 сравнивается каталитическая активность, в частности, кривые температуры пуска СРСС при объемных скоростях 30000/h.
Угол рифления в 34° был выбран для всех комбинаций диагонально рифленых образцов.
Z
3
Из фиг. 9а видно, что при объемной скорости в 30.000 h-1 SV, СРСС с МПГ в 5 г/фт демонстрирует самые лучшие кривые пуска для СО и НС для VF-структуры с одним слоем (VF0, VF1,VF5, VF10, VF20, VF5) также демонстрирует самое большое образование NO2 среди всех проанализированных серий.
Z
3
Из фиг. 9b видно, что при объемной скорости в 60.000 h-1 SV, СРСС с МПГ в 20 г/фт демонстрирует самые лучшие кривые пуска для VF-структуры с двумя слоями (VF0, VF1, VF5, VF10, VF20, VF5), в частности в случае образования NO2 в 38% при температуре 350°С.
VF20 на двухслойном покрытии из пористого оксида дает наибольшую эффективность и при 30.000 h-1 SV, так как полное покрытие из пористого оксида доступно для каталитической реакции.
VF5 на одном слое и VF20 на двух слоях имеют лучшее insitu образование NO2.
С точки зрения затрат наилучшим решением является VF5 на одном слое.
Пустые (без покрытия и без МПГ) образцы РСС2 демонстрируют только очень малую конверсию.
Z
3
3
Из фиг. 10 - видно, что СРСС, имеющий МПГ в 5 г/фт в однослойной VF-структуре (VF1), демонстрирует лучшие параметры пуска, чем тот, что имеет МПГ в 20 г/фт предшествующего уровня техники в VX-структуре сотового типа (VX20).
Это подразумевает уменьшение затрат на МПГ на 95%.
VF1 дает также более высокую эффективность образования in-situ NO2.
Z
3
Из фиг. 11а и 11b видно, что при объемной скорости в 30,000 /h, CPCC, имеющий МПГ в 5 г/фт, демонстрирует самые лучшие параметры пуска (VF5, 30K).
Z
3
Однако при объемной скорости в 60.000/h СРСС, имеющий содержание МПГ в 1 г/фт, находится приблизительно на том же уровне с этой однослойной VF-структурой (VF5, 60K).
С точки зрения затрат, VF5 - это решение, на 80% более дешевое при затратах на МПГ.
Z
3
Из фиг. 12а видно, что СРСС, имеющий содержание МПГ в 1 г/фт, дает самые лучшие параметры пуска для однослойной VF-структуры.
Z
3
Было также отмечено, что СРСС, имеющий содержание МПГ в 20 г/фт, демонстрирует очень плохие параметры пуска для однослойной VF-структуры, что можно объяснить тем фактом, что плотность МПГ слишком высока для этой однослойной VF-структуры.
Z
3
3
Из фиг. 12b видно, что при объемной скорости в 60,000 /h VF10 (СРСС, имеющий содержание МПГ в 10 г/фт) на двухслойной VF-структуре дает наиболее высокую эффективность, потому что плотность МПГ лучше, чем той, содержание МПГ которой составляет 20 г/фт, когда весь полный слой покрытия из пористого оксида не используется для каталитической активности.
С точки зрения затрат, наилучшим решением является VF1 в один слой.
Z
На фиг. 13 изображены кривые пуска для образцов Р-1661-Р1666 как следующие пустые структуры/структуры без покрытия (РСС): Рифленый ПМН турбулентного типа с UF как плоский (Р-1661) и с МФ как микрорифленый (Р-1662); рифленый ПМН с прямым рифлением с UF как плоский (Р-1663) и с МФ как микрорифленый (Р-1664); диагонально рифленый ПМН с UF как плоский (Р-1665) и с МФ как микрорифленый (Р-1666).
Из фиг. 13 явно видно, что без покрытия или без содержания МПГ структуры с комбинацией разных рифленых ПМН и плоской (нерифленой) или микрорифленой фольги не дают никаких заметных преобразований.
Z
На фиг. 14а изображены кривые пуска для образцов Р-1661-Р1666 как следующие структуры с покрытием (СРСС). Рифленый ПМН турбулентного типа с UF как плоский (Р-1661) и с МФ как микрорифленый (Р-1662); рифленый ПМН с прямым рифлением с UF как плоский (Р-1663) и с МФ как микрорифленый (Р-1664); диагонально рифленый ПМН с UF как плоский (Р-1665) и с МФ как микрорифленый (Р-1666).
3
Во всех трех типах рифления видно, что эффективность катализатора наивысшая для микрорифленой фольги по сравнению с плоскими нерифлеными структурами фольги при оценке с объемной скоростью в 30.000 h-1 и с содержанием МПГ в 1 г/фт. Кривые пуска показывают преимущества микрорифления, особенно при температурах, превышающих 300°C, где явления массо- и теплопередачи начинают управлять каталитическими реакциями. При использовании микрорифленой подложки слоистый тип потока у каталитической поверхности (граничный слой) может нарушиться, таким образом улучшая массопередачу между выхлопным газом и стенкой, что приводит к повышению каталитической эффективности.
3
На фиг. 14b показаны кривые пуска для образцов только для ПМН с прямым рифлением с UF как плоского (Р-1663) и с МФ как микрорифленого (Р-1664). Очевидно, что эффективность катализатора выше для структуры микрорифленой фольги по сравнению с плоскими нерифлеными структурами фольги при оценке с объемной скоростью в 30.000 h-1 SV и с содержанием МПГ в 1 г/фт. Результаты показывают, как микрорифление помогает, особенно при температурах свыше 300°C, где явления массо- и теплопередачи начинают управлять каталитическими реакциями.
3
На фиг. 15а показаны кривые пуска для образцов для ПМН с прямым рифлением с UF как плоского (Р-1663) и с МФ как микрорифленого (Р-1664). Очевидно, что эффективность катализатора наивысшая для структуры микрорифленой фольги по сравнению с плоскими нерифлеными структурами фольги при оценке с 30.000 h-1 SV и с содержанием МПГ в 5 г/фт.
Z
3
На фиг. 15а показаны кривые пуска для образцов СРСС с ПМН с прямым рифлением с UF как плоский (Р-1663) и с МФ как микрорифленый (Р-1664).Диагонально рифленый ПМН с UF как плоский (Р-1665) и с МФ как микрорифленый (Р-1666). Выявлено, что эффективность катализатора выше для структур микрорифленой фольги по сравнению с плоскими нерифлеными структурами фольги при оценке с 30.000 h-1 SV и с содержанием МПГ в 1 г/фт.
Z
3
На фиг. 16а показаны кривые пуска для образцов СРСС с диагональным рифленым ПМН с UF как плоских (Р-1665) и с МФ как микрорифленых Р-1666, при оценке с 30.000 h-1 SV, а с 60.000 h-1 SV показаны на фиг. 16b. Результаты показывают, что когда объемная скорость увеличивается с 30.000h-1 до 60.000 h-1, пуск смещается в сторону режима более высокой температуры, но при обеих объемных скоростях структуры микрорифленой фольги демонстрируют более высокую каталитическую эффективность по сравнению со структурами плоской нерифленой фольги с содержанием МПГ в 10 г/фт.
3
Также было очевидно, что образование NO2 находится на хорошем уровне при объемной скорости 30,000 для (Р-1666) с МФ и с содержанием МПГ в 10 г/фт. Этот тип образованияNO2insitu обеспечивает хорошую основу для достижения эффективной регенерации сажи для выхлопа твердых примесей дизельного двигателя, начинающейся при температурах в 230°C.
Z
На фиг. 17а показаны кривые пуска для образцов СРСС с ПМН с прямым рифлением с UF как плоский (Р-1663) и с МФ как микрорифленый (Р-1664).
Z
3
Из испытания этого СРСС с прямым рифлением видно, что эффективность катализатора СО и НС немного выше, и NO2 очевидно лучше для структуры плоской нерифленой фольги UF по сравнению со структурой микрорифленой фольги МФ при объемной скорости 60,000 h-1 SV и содержанием МПГ в 10 г/фт.
Z
На фиг. 17b показаны кривые пуска для образцов СРСС с рифленым ПМН турбулентного типа с UF как плоский (Р-1661) и с МФ как микрорифленый (Р-1662); диагонально рифленым ПМН с UF как плоский (Р-1665) и с МФ как микрорифленый (Р-1666).
3
Результаты показывают, что структуры микрорифленой фольги МФ показывают более высокую эффективность по сравнению со структурами плоской нерифленой фольги UF и в ПМН с рифлением турбулентного типа, и в ПМН с диагональным рифлением с содержанием МПГ в 10 г/фт и при объемной скорости 60.000 h-1. Также видно, что диагонально рифленый ПМН с МФ дает наивысшую эффективность во всех изучаемых аспектах (СО, НС и NO2).
Z
3
На фиг. 18а изображены кривые пуска для образцов СРСС с VX-структурой и VL-структурой предшествующего уровня техники с содержанием МПГ в 1, 5 и 10 г/фт с однослойным покрытием.
Z
На фиг. 18а изображены кривые пуска для образцов СРСС VX1 и VL10. Как можно увидеть, каталитическая эффективность первого намного хуже по сравнению с эффективностью для VL10, которая является наилучшей. Оба образца имеют покрытие в один слой.
В обоих случаях - VX и VL - эффективность повышается по мере того как увеличивается содержание МПГ. VL10 и VL5 являются лучшими в этой группе сравнения.
Z
На фиг. 19 показаны кривые пуска для образцов СРСС с фольгой CF с прямым рифлением с плоским ПМН (Р-1700); фольгой с рифлением турбулентного типа CF с плоским ПМН (Р-1701); диагонально рифленой фольгой CF с плоским ПМН (Р-1702).
3
Очевидно из всех трех случаев рифления, что эффективность катализатора выше при объемной скорости 30.000 h-1 SV, чем при скорости 60.000 h-1 с содержанием МПГ в 1 г/фт.
Из разных исследованных рифлений, рифление турбулентного типа демонстрирует наивысшую каталитическую эффективность, при этом прямые рифления - вторые по эффективности, после чего следует диагональное рифление, которое сравнительно хуже в данной группе сравнения.
Образование NO2, %, достаточно низкое во всех случаях, потому что более высокие содержания МПГ необходимы, чтобы обеспечить более высокую эффективность в этом отношении. Турбулентное рифление Р-1701 дает образование NO2, %.
Z
На фиг. 20 показаны кривые пуска для образцов СРСС с фольгой CF с прямым рифлением с плоским ПМН (Р-1700); фольгой с рифлением турбулентного типа CF с плоским ПМН (Р-1701); диагонально рифленой фольгой CF с плоским ПМН (Р-1702).
3
Из всех трех случаев рифления видно, что эффективность катализатора выше при объемной скорости 30,000 h-1 SV, чем при 60.000 h-1 с содержанием МПГ в 5 г/фт.
Из всех трех разных оцененных рифлений, рифление турбулентного типа дает наивысшую эффективность, прямые рифления - вторые по эффективности, а диагональное рифление наихудшее в этом сравнении при 30.000 h-1 SV. Однако при 60.000 h-1 SV прямая структура - наилучшая.
Образование NO2, %, по-прежнему достаточно низкое во всех случаях, потому что более высокие содержания МПГ необходимы, чтобы обеспечить более высокую эффективность в этом отношении. Турбулентное рифление Р-1701 дает образование NO2, %.
Z
На фиг. 21 показаны кривые пуска для образцов СРСС с фольгой CF с прямым рифлением с плоским ПМН (Р-1700); фольгой с рифлением турбулентного типа CF с плоским ПМН (Р-1701); диагонально рифленой фольгой CF с плоским ПМН (Р-1702).
3
Из всех трех случаев рифления видно, что эффективность катализатора выше при объемной скорости 30,000 h-1 SV, чем при скорости 60.000 h-1 с содержанием МПГ в 10 г/фт.
Из всех трех разных оцененных рифлений, прямое рифление дает наивысшую эффективность, рифления турбулентного типа - вторые по эффективности, а диагональное рифление наихудшее в этом сравнении при 30.000 h-1 SV. Однако при объемной скорости 60.000 h-1 структура турбулентного типа Р-1701 демонстрирует наивысшую эффективность.
3
3
3
3
Образование NO2 в 28% - максимальное, и прямое рифление является наилучшим при содержании МПГ в 10 г/фт. Для прямого рифления Р-1700 образование NO2 улучшается, когда содержание МПГ повышается от 1 до 5 и 10 г/фт, но рифление турбулентного типа Р-1701 дает наилучшее образование NO2, %, с содержанием МПГ 5 г/фт и находится на том же уровне, что и прямое рифление Р-1700 с содержанием 10 г/фт.
Z
На фиг. 22а и 22b показаны кривые пуска для образцов СРСС с ПМН с прямым рифлением с UF как плоский (Р-1663) и с МФ как микрорифленый (Р-1664); диагонально рифленым ПМН с UF как плоский (Р-1665) и с МФ как микрорифленый (Р-1666) при объемных скоростях 30,000 h-1 и 60,000 h-1 соответственно.
3
Из всех типов рифления видно, что эффективность катализатора выше для структуры микрорифленой фольги по сравнению с плоскими нерифлеными структурами фольги при обеих SV и содержании МПГ в 1 г/фт.
Кривые пуска показывают преимущества микрорифления, особенно при температурах, превышающих 300°C, где явления массо- и теплопередачи обычно начинают управлять каталитическими реакциями.
В случае с диагонально рифленым ПМН с МФ (Р-1666) действие повышения эффективности очевидно при объемной скорости 60.000 h-1, чем по сравнению с 30.000 h-1. При использовании микрорифленой подложки слоистый тип потока у каталитической поверхности (граничный слой) может нарушиться, таким образом улучшая массопередачу между выхлопным газом и стенкой, что приводит к повышению каталитической эффективности.
Исследования содержания сажи
Исследования содержания сажи проводились на нескольких отобранных образцах, как описывается на фиг. 23.1 и 23.2. Упомянутые образцы вставлялись в выхлопной узел в сборке тестового транспортного средства, которое потом приводилось в движение в испытательном цикле протяженностью 200 км, имитирующем схему езды в типичном индийском городе. Во время операции сажа, высвобождающаяся из двигателя, попадает в структуру образца и накапливается в нем. Этот процесс называется накоплением сажи.
На фиг. 23.1 показано, что для катализаторов, помещенных в положение с глухим соединением, плоский ПМН и диагонально рифленая сетка демонстрируют самую высокую эффективность накопления сажи до 150 км. После этого подложка 1394/2 предшествующего уровня техники накапливает больше всего.
Подпольный (пп) катализатор с подложкой 1395/2 предшествующего уровня техники демонстрирует самые низкие содержания сажи.
На фиг. 23.2 показано, что плоский ПМН и сетка (1586/1) с прямым рифлением демонстрируют самую высокую эффективность накопления сажи, следующая после этого - подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и фольги с рифлением турбулентного типа (1597/1). Следующее по эффективности накопление сажи демонстрирует подложка, образованная комбинацией плоского ПМН и фольги с прямым рифлением с 400 cpsi (1591/1).
Самая низкая эффективность накопления сажи демонстрируется подложкой, образованной комбинацией плоского ПМН и фольги с прямым рифлением с 200 cpsi.
Результаты проведенных экспериментов на некоторых образцах представлены в таблицах ниже.
3
3
На фиг. 17 показана структурная информация по подложкам предшествующего уровня техники и структур данного изобретения. Очевидно, что для подложек, изготовленных из структур слоистого тороидального типа, каталитический объем составляет только (0,323+0,103)=0,426 дм по сравнению со диагонально рифленой структурой предшествующего уровня техники (0,323+0,763)=1,086 дм, которая составляет только 39,2%.
Испытания по массовым выбросам проводились на индийском испытательном трехколесном транспортном средстве в испытательных циклах BSIII и BSIV с системой EGR или без нее. Массовые выбросы упомянутого транспортного средства измерялись в горячем состоянии на испытательном цикле BSIII и в холодном состоянии на испытательном цикле BSIV. Из фиг. 18 видно, что настоящее изобретение со слоистым тороидальным типом ПМН или с неорганической волоконной тканой матрицей дают конкурентоспособные выбросы массы загрязняющих веществ, особенно в случае с твердыми примесями, только с 39,2% катализированного объема по сравнению со структурой предшествующего уровня техники, когда испытания проводились с одинаковым предшествующим КОД.
Возможны различные варианты осуществления изобретения, отличные от описанных выше, и легко понятные специалисту в данной области техники. Изобретение охватывает все таковые варианты осуществления в объемах данного изобретения. Хотя данное изобретение описано в отношении определенных предпочтительных вариантов осуществления изобретения, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что различные изменения и модификации могут вноситься без отступления от объема изобретения, определенного в формуле изобретения.