КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР С ПРИСТЕНОЧНЫМ ТЕЧЕНИЕМ С ЧАСТИЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ПОВЕРХНОСТИ
CATALYTIC FILTER WITH WALL FLOW WITH PARTIAL COATING ON SURFACE

Область техники, к которому относится изобретение
Настоящее изобретение относится к каталитическому монолиту с пристеночным течением, пригодному для использования в системе обработки выбросов, такой как подвижные и стационарные системы, имеющие выхлопную систему внутреннего сгорания. Монолит обеспечивает эффективный способ очистки выхлопных потоков двигателей.
Уровень техники
Выбросы двигателей внутреннего сгорания, включая дизельные двигатели, во всем мире регулируются законодательством, устанавливаемым правительствами. Количество отдельного вещества, такого как монооксид углерода (CO) или смесь родственных веществ, таких как материал в виде частиц (PM) или NOx, присутствующих в газах, покидающих выхлопную систему двигателя, во всем мире ограничивается законодательными требованиями различных правительств. Производители пытаются удовлетворить эти законодательные требования с помощью сочетания конструкции двигателя и дополнительной обработки выхлопных газов. Выхлопные системы, используемые для осуществления дополнительной обработки выхлопных газов, обычно содержат ряд катализаторов и/или фильтров, которые конструируются для осуществления определенных реакций, которые понижают количество видов выхлопных газов, ограничиваемых таким законодательством.
x
x
Выхлопной поток дизельного двигателя представляет собой гетерогенную смесь, которая содержит не только газообразные выбросы, такие как монооксид углерода ("CO"), несгоревшие углеводороды ("HC") и оксиды азота ("NO"), но также и материалы в виде конденсированной фазы (жидкости и твердые продукты), которые составляют так называемые вещество в виде частиц или материал в виде частиц. Часто, в выхлопных системах дизельных двигателей предусматриваются композиции катализаторов и носители, на которых размещаются эти композиции, для превращения определенных или всех этих компонентов выхлопов в безвредные компоненты, такие как вода и азот. Например, выхлопные системы дизелей могут содержать одно или несколько устройств из числа катализатора окисления дизельного топлива, фильтров сажи и катализатора восстановления NO.
Общие выбросы материалов в виде частиц выхлопных потоков дизельных двигателей содержат твердую сухую углеродистую фракцию, так называемую фракцию сажи. Этот сухой углеродистый материал вносит вклад в видимые выбросы сажи, обычно ассоциируемые с выхлопными газами дизельных двигателей.
Одна из ключевых технологий дополнительной обработки, используемых для уменьшения содержания материала с высоким содержанием частиц, представляет собой дизельный фильтр для частиц. Имеется несколько известных структур фильтров, которые являются эффективными при удалении материала в виде частиц из выхлопных потоков дизельных двигателей, таких как сотовый фильтр с пристеночным течением, навитые или набитые волоконные фильтры, пены с открытой структурой ячеек, спеченные металлические фильтры, и тому подобное. Однако керамические фильтры с пристеночным течением, описанные ниже, представляют собой самый популярный тип. Эти фильтры могут удалять более 90% материалов в виде частиц из выхлопных потоков дизельных двигателей. Фильтр представляет собой физическую структуру для удаления частиц из потока выхлопных газов. Аккумуляция частиц на фильтре будет увеличивать обратное давление от фильтра на двигатель. Таким образом, аккумулирующиеся частицы должны непрерывно или периодически выжигаться с фильтра для поддержания приемлемого обратного давления. К сожалению, частицы углеродной сажи иногда могут требовать температур выше 500°C для горения при условиях обогащенных кислородом (обедненных) выхлопных газов. Эта температура выше, чем обычно встречается (200-400°C) в выхлопных потоках дизельных двигателей.
2
Два главных способа регенерации фильтра посредством удаления сажи с фильтра используют пассивную или активную пассивную регенерацию. Пассивная регенерация выжигает сажу с фильтра посредством увеличения концентрации NO над катализатором на фильтре. Активная регенерация удаляет сажу с фильтра сажи посредством увеличения температуры сажи, захваченной в фильтре, примерно до 500-550°C для сжигания сажи и регенерации фильтра. Один из путей увеличения температуры фильтра заключается в периодическом введении дополнительного углеводородного топлива в выхлопные газы перед фильтром сажи и в сжигании этого дополнительного углеводорода для увеличения температуры фильтра. Сжигание дополнительного углеводородного топлива осуществляться на самом фильтре посредством покрытия фильтра соответствующим катализатором, ускоряющим горение. Фильтр, катализируемый соответствующим образом, часто упоминается как каталитический фильтр сажи или CSF.
В ходе активной регенерации CSF может потребоваться достижение температур приблизительно 500-550°C, чтобы сделать возможным удаление (горение) материала в виде частиц с достаточной скоростью. Однако, если в ходе процесса активной регенерации имеет место период низкого потока выхлопных газов, например, когда двигатель/транспортное средство заводится на холостом ходу, уменьшение газового потока предотвращает удаление тепла из CSF. Это может приводить в результате к достижению некоторыми частями фильтра температур выше 1000°C. Такие высокие температуры вызывают две главных проблемы. Во-первых, катализатор может спекаться, уменьшая площадь поверхности, и, как следствие, теряется активность катализатора. Во-вторых, высокие градиенты температуры, которые могут возникать в носителе, приводят к механическим напряжениям, вызываемым различиями в тепловом расширении. При экстремальных условиях градиенты температуры и напряжения могут вызывать растрескивание носителей, приводя в результате к разрушению целостности CSF.
По этой причине, проблема заключается в контроле активной регенерации CSF с тем, чтобы он мог достигать температур, достаточно высоких для удаления материала в виде частиц, но не таких высоких, чтобы вызывать повреждение катализатора и/или носителя фильтра.
x
x
x
3
2
x
x
x
Как отмечено выше, выхлопные потоки дизельных двигателей также содержат NO. Проверенная технология снижения содержания NO, полезная в условиях обедненных выхлопных газов представляет собой селективное каталитическое восстановление (SCR). В этом способе, NO восстанавливают с помощью аммиака (NH) до азота (N) над катализатором, как правило, состоящим из неблагородных металлов. Эта технология может восстанавливать NO больше чем на 90%, и таким образом, она представляет собой один из лучших подходов для достижения целей агрессивного восстановления NO. SCR обеспечивает эффективную конверсию NO, если только температура выхлопных газов находится в диапазоне активных температур катализатора.
x
x
В выхлопной системе могут предусматриваться отдельные носители, каждый из которых содержит катализаторы для работы с отдельными компонентами выхлопных газов. Однако желательно использовать меньшее количество носителей для уменьшения общего размера системы, упрощения сборки системы и для понижения общих затрат на систему. Один из подходов для достижения этой цели заключается в покрытии фильтра сажи композицией катализатора, эффективной для конверсии NO в безвредные компоненты. При этом подходе каталитический фильтр сажи предполагает две функции катализатора: удаление компонента в виде частиц из потока выхлопных газов и превращение компонента NO в потоке выхлопных газов в азот.
x
Фильтры сажи с покрытием, которые могут достигать целей восстановления NO, требуют достаточной нагрузки катализатором SCR на фильтре сажи для получения достаточного количества активных центров, чтобы сделать возможными желаемые скорости восстановления NOx. Постепенная потеря каталитической эффективности композиций, которая происходит со временем из-за воздействия определенных вредных компонентов потока выхлопных газов, усиливает потребность в более высоких нагрузках катализатором композиции катализаторов SCR. Однако изготовление фильтров сажи с покрытиями с более высокими нагрузками катализатором может приводить к неприемлемому повышению обратного давления в выхлопной системе. Таким образом, являются желательными технологии покрытий, которые делают возможным повышение нагрузок катализатором на фильтре с пристеночным течением, при этом позволяя фильтру все еще сохранять характеристики протекания, которые достигают приемлемых обратных давлений.
x
x
Дополнительный аспект для рассмотрения при покрытии фильтра с пристеночным течением представляет собой выбор соответствующей композиции катализаторов SCR. Во-первых, композиция катализатора должна быть износостойкой, чтобы она сохраняла свою каталитическую активность SCR даже после продолжительного воздействия температур более высоких, чем те, которые характерны для регенерации фильтра. Например, сгорание сажевой фракции материала в виде частиц часто приводит к общим температурам фильтра в пределах от 500 до 600°C, с локальными температурами выше 700°C. Такие температуры делают многие широко используемые композиции катализаторов SCR, такие как смешанные оксиды ванадия и титана, менее эффективными каталитически. Во-вторых, композиции катализатора SCR предпочтительно имеют достаточно широкий диапазон рабочих температур, так что они могут быть приспособлены к различным диапазонам температур, в которых работает транспортное средство. Температуры ниже 300°C обычно встречаются, например, при условиях низкой нагрузки, или при запуске. Композиции катализаторов SCR предпочтительно могут катализировать восстановление компонента NO выхлопных газов для достижения целей восстановления NO, даже при более низких температурах выхлопных газов.
US8617476 описывает сотовый фильтр, отличающийся количеством цеолита на носителе на стенкахканала и теплопроводностью стенок.
US8398925 описывает носитель фильтра в виде частиц для двигателя внутреннего сгорания. Носитель фильтра покрывают покрытием из пористого оксида, имеющим области с различными плотностями.
WO2005016497 описывает систему обработки выхлопных газов для одновременной очистки от оксидов азота (NOx), материала в виде частиц и газообразных углеводородов, присутствующих в потоках выхлопных газов дизельного двигателя. Система обработки выбросов содержит катализатор окисления перед фильтром сажи, покрытый материалом, эффективным при селективном каталитическом восстановлении (SCR) NOx с помощью восстановителя, например, аммиака. Также описывается способ размещения композиции катализатора SCR на монолите с пристеночным течением, который обеспечивает адекватную нагрузку катализатора, но не дает в результате непригодных для использования обратных давлений в выхлопе.
US2012/0247092 описывает многокомпонентный фильтр для контроля выбросов. Описано каталитическое изделие, содержащее фильтр с пристеночным течением, имеющий проницаемые для газа стенки, катализатор гидролиза, необязательный катализатор окисления сажи, катализатор селективного каталитического восстановления, проникающий в стенки, катализатор окисления аммиаком и катализатор окисления для окисления CO и углеводородов. Также предлагаются способы обработки потоков выхлопных газов, содержащих сажу, предшественник аммиака, такой как мочевина, аммиак, NOx, CO и углеводороды.
US2014/0140899 описывает каталитический фильтр в виде частиц, катализируемый на своей входной стороне катализатором, имеющим активность при удалении остаточных углеводородов и монооксида углерода и катализирующий при условиях работы двигателя на обогащенной смеси реакцию оксидов азота с водородом и/или монооксидом углерода до аммиака и катализируемый на своей выходной стороне катализатором, имеющим активность при селективном восстановлении NOx посредством реакции с аммиаком, образующимся на входной стороне.
Соответственно, желательно предложить улучшенный каталитический монолит с пристеночным течением, который обеспечивает улучшение регенерации фильтра.
Сущность изобретения
В первом аспекте настоящего изобретения каталитический монолитный фильтр с пристеночным течением для использования в системе обработки выбросов содержит первый торец, второй торец, отрезок фильтра, определяемый расстоянием от первого торца до второго торца, продольное направление между первым торцом и вторым торцом, и первое и второе множества каналов, простирающихся в продольном направлении,
где первое множество каналов открыто на первом торце и закрыто на втором торце, а второе множество каналов открыто на втором торце и закрыто на первом торце,
где монолит ный фильтр содержит пористый носитель, имеющий поверхности, которые определяют каналы, и имеющий первую зону, простирающуюся в продольном направлении от первого торца в сторону второго торца на расстояние, которое меньше, чем длина фильтра, и вторую зону, простирающуюся в продольном направлении от второго торца до первого торца и простирающуюся в продольном направлении на расстояние, которое меньше, чем длина фильтра,
где первый каталитический материал распределен по первой зоне пористого носителя, и второй каталитический материал покрывает поверхности во второй зоне пористого носителя и не распределяется по всему пористому носителю.
Второй аспект настоящего изобретения относится к системе обработки выбросов для обработки потока выхлопных газов горения, где система содержит каталитический монолитный фильтр с пристеночным течением в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, где первый торец находится ниже по потоку относительно второго торца или где второй торец находится ниже по потоку относительно первого торца.
Третий аспект настоящего изобретения относится к способу изготовления каталитического монолитного фильтра с пристеночным течением, включающему:
подготовку пористого носителя, имеющего первый торец и второй торец, определяющие продольное направление между ними, и первое и второе множества каналов, простирающихся в продольном направлении, где первое множество каналов открыто на первом торце и закрыто на втором торце, и где второе множество каналов открыто на втором торце и закрыто на первом торце;
селективное пропитывание пористого носителя покрытием из пористого оксида, содержащим первый каталитический материал для формирования первой зоны, которая содержит первый каталитический материал, и второй зоны, которая не содержит первого каталитического материала, где первая зона простирается в продольном направлении от первого торца в сторону второго торца и вторая зона простирается в продольном направлении от второго торца и простирается до первой зоны; и
формирование во второй зоне покрытия из второго каталитического материала, покрывающего поверхность второго множества каналов.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение будет теперь описываться в связи со следующими далее неограничивающими фигурами, на которых:
Фигура 1 представляет собой общий вид, который схематически показывает монолитный фильтр 1 с пристеночным течением в первой ориентации в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 2 представляет собой вид поперечного сечения монолитного фильтра 1 с пристеночным течением, показанный в плоскости A-A на Фигуре 1.
Фигура 3 представляет собой общий вид, который схематически показывает монолитный фильтр 1 с пристеночным течением во второй ориентации в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 4 представляет собой вид поперечного сечения монолитного фильтра 1 с пристеночным течением, показанный в плоскости A-A на Фигуре 3.
Фигура 5 представляет собой графическое представление примера количества каталитического материала (по массе) в первой и второй зонах монолита.
Фигура 6 представляет собой графическое представление другого примера количества каталитического материала (по массе) в первой и второй зонах монолита.
Фигура 7 представляет собой графическое представление другого примера количества каталитического материала (по массе) в первой и второй зонах монолита.
Фигура 8 представляет собой схематическое изображение системы обработки выхлопных газов для дизельного двигателя.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение теперь будет описываться дополнительно.
В следующих пассажах различные аспекты настоящего изобретения определяются более подробно. Каждый аспект, определенный таким образом, может объединяться с любым другим аспектом или аспектами, если четко не указано противоположного. В частности, любой признак, указанный как предпочтительный или преимущественный, может объединяться с любым другим признаком или признаками, указанными как предпочтительные или преимущественные.
Настоящее изобретение относится к каталитическому монолитному фильтру с пристеночным течением для использования в системе обработки выбросов. Монолиты с пристеночным течением хорошо известны в данной области для использования в дизельных фильтрах для частиц. Они работают, принуждая выхлопные газы (включая материалы в виде частиц) проходить через стенки, сформированные из пористого материала.
Монолит с пристеночным течением имеет первый торец и второй торец, определяющие продольное направление между ними. При использовании, один торец из первого торца и второго торца будет представлять собой входной торец для выхлопных газов, а другой торец будет представлять собой выходной торец для обработанных выхлопных газов. Как объясняется ниже, авторы обнаружили определенные преимущества, связанные с каждой из ориентаций первого и второго торцов относительно направления потока.
Монолитный фильтр с пристеночным течением содержит множество параллельных каналов, разделенных тонкими стенками, которые проходят аксиально сквозь монолит и покрыты одним или несколькими катализаторами. Термин ʺстенкиʺ означает физическую структуру носителя, которая формирует каналы. Термин ʺканалʺ означает пространство, сформированное стенками в носителе. Поперечное сечение каналов может быть круглым, овальным или многоугольным (треугольным, квадратным, прямоугольным, гексагональным или трапецеидальный). Структура напоминает соты.
Монолит с пристеночным течением имеет первое и второе множества каналов, простирающихся в продольном направлении. Первое множество каналов открыто на первом торце и закрыто на втором торце. Второе множество каналов открыто на втором торце и закрыто на первом торце. Каналы предпочтительно параллельны друг другу и обеспечивают относительно постоянную толщину стенок между каналами. В результате, газы, поступающие в один из множества каналов, не могут покинуть монолит без диффузии сквозь стенки канала в другое множество каналов. Каналы закрываются с помощью введения герметизирующего материала в открытый край канала. Предпочтительно, количество каналов в первом множестве равно количеству каналов во втором множестве, и каждое множество равномерно распределено по монолиту.
Монолит с пристеночным течением содержит ряд ячеек. Термин ʺячейкаʺ означает канал, окруженный одной или несколькими стенками. Количество ячеек на единицу площади поперечного сечения представляет собой плотность ячеекʺ. Предпочтительно, средняя ширина поперечного сечения первого и второго множества каналов в сочетании с пористыми стенками дает в результате в плотность ячеек от 100 до 600, предпочтительно, от 200 до 400, ячеек на квадратный дюйм (cpsi) (от 15,5 до 93 ячеек на квадратный сантиметр (cpscm), предпочтительно, от 31 до 64 cpscm). Каналы могут иметь постоянную ширину, и каждое множество каналов может иметь однородную ширину канала. Предпочтительно, однако, множество каналов, которые служат при использовании как вход, имеют большую среднюю ширину поперечного сечения, чем множество каналов, которые служат как выход. Предпочтительно, разница составляет, по меньшей мере, 10%. Это придает увеличенную емкость накопления золы в фильтре, что означает, что можно использовать более низкую частоту регенерации. Асимметричные фильтры описаны в WO 2005/030365, который включается в настоящий документ в качестве ссылки.
Предпочтительно, средняя минимальная толщина носителя между соседними каналами (то есть, толщина стенки) составляет от 8 до 20 мил, включительно (где ʺмилʺ представляет собой 1/1000 дюйма) (от 0,02 до 0,05 см). Поскольку каналы предпочтительно параллельны и предпочтительно имеют постоянную ширину, минимальная толщина стенки между соседними каналами предпочтительно постоянна. Как будет очевидно, для обеспечения воспроизводимого измерения необходимо измерять среднее минимальное расстояние. Например, если каналы имеют круговое поперечное сечение и являются плотноупакованными, тогда имеется, по меньшей мере, одна точка, где стенка между двумя соседними каналами является самой тонкой. Толщина стенки предпочтительно ассоциируется с пористостью стенки и/или средним размером пор. Например, толщина стенки может превышать в 10-50 раз средний размер пор.
Для облегчения прохождения газов, которые должны обрабатываться, сквозь стенки каналов, монолит формируется из пористого носителя. Носитель может также действовать как подложка для удерживания каталитического материала. Пригодные для использования материалы для формирования пористого носителя включают материалы подобные керамике, такие как кордиерит, α-оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, муллит, сподумен, оксид алюминия-диоксид кремния-оксид магния или силикат циркония, или пористый огнеупорный металл. Носители с пристеночным течением могут также формироваться из композитных материалов на основе керамических волокон. Предпочтительные носители с пристеночным течением формируются из кордиерита и карбида кремния. Такие материалы способны противостоять воздействию окружающей среды, в частности, при высоких температурах, встречающихся при обработке потоков выхлопных газов, и могут быть сделаны достаточно пористыми. Такие материалы и их использование при изготовлении пористых монолитных носителей хорошо известно в данной области.
Предпочтительно, монолитный фильтр является пористым и может иметь пористость от 40 до 75%. Соответствующие методики для определения пористости известны в данной области и включают ртутную порометрию и рентгеновскую томографию. Предпочтительно, пористый носитель с покрытием имеет пористость примерно от 25 до 50% и покрытие поверхности катализатора имеет пористость от 25 до 75%. Пористость каталитического покрытия может быть выше, чем пористость пористого носителя с покрытием или пористый носитель с покрытием может иметь более высокую пористость по сравнению с пористостью каталитического покрытия.
3
2
Монолитный фильтр с пристеночным течением содержит один или несколько катализаторов. Термин ʺкатализаторʺ означает материал, который является ответственным за увеличение скорости реакции, используемой при преобразовании одного или нескольких веществ из аммиака (NH), NOx, NO, монооксида углерода (CO) и углеводородов (HC). Катализатор, как правило, наносится на монолитный фильтр с пристеночным течением как каталитический материал. Термин ʺкаталитический материалʺ означает сочетание катализатора с одним или несколькими не каталитическими материалами, такими как носители, связующие, модификаторы реологии, промоторы, стабилизаторы, и тому подобное.
Монолитный фильтр с пристеночным течением по настоящему изобретению обрабатывается одним или несколькими каталитическими материалами таким образом, чтобы получить первую зону, простирающуюся в продольном направлении от первого торца, и вторую зону, простирающуюся в продольном направлении от второго торца и простирающуюся до первой зоны. Другими словами, один край монолита (по отношению к потоку выхлопных газов) формирует первую зону, а остальная часть монолита на другом краю формирует вторую зону. Первая и вторая зоны могут предпочтительно встречаться на границе, которая предпочтительно находится в плоскости приблизительно параллельной первому и второму торцам. Это упрощает процесс нанесения покрытия из пористого оксида. Однако можно также получить границу, которая изменяется по поперечному сечению монолита, такую как границу конической формы. Ее можно преимущественно использовать для увеличения объема второй зоны в монолите, поскольку центральная область монолита может испытывать воздействие повышенных температур.
В некоторых конфигурациях, монолитный фильтр с пристеночным течением может при этом дополнительно содержать зазор между, по меньшей мере, частью первой зоны и второй зоны. Предпочтительно, зазора между, по меньшей мере, частью первой зоны и второй зоны нет.
Каталитический монолитный фильтр с пристеночным течением, описанный в настоящем документе, может иметь часть второго каталитического материала, перекрывающуюся с частью первой зоны фильтра на величину до 10%, предпочтительно, до 5%, от длины монолитного носителя.
Каталитический монолитный фильтр с пристеночным течением, описанный в настоящем документе, может иметь часть второго каталитического материала, перекрывающуюся с частью первой зоны фильтра, и второй каталитический материал может присутствовать на длине до 100%, до 90%, до 85%, до 80%, до 75%, до 70%, до 65%, до 60%. до 55%, до 50%, до 45%, до 40%, до 35%, до 30%, до 25%, до 20%, до 25%, до 20%, до 15%, до 10% или до 5% от длины монолитного носителя.
Для создания каталитического монолита с пристеночным течением по настоящему изобретению, каталитический материал должен наноситься на пористый носитель, как правило, в форме покрытия из пористого оксида. Нанесение может характеризоваться как нанесение ʺна стенкеʺ или нанесение ʺвнутри стенкиʺ. ʺНа стенкуʺ означает, что материал катализатора присутствует как каталитическое покрытие на стенках каналов. Термин ʺкаталитическое покрытиеʺ означает, что каталитический материал присутствует на стенках монолитного фильтра при толщине примерно от 0,1 до 15% от толщины стенки, на которой находится покрытие. ʺВнутри стенкиʺ означает, что каталитический материал присутствует в порах внутри пористого материала. Некоторая часть каталитического материала при нанесении на стенке может присутствовать внутри стенки.
Технологии нанесения ʺвнутри стенкиʺ или ʺна стенкеʺ будут зависеть от вязкости наносимого материала, от технологии нанесения (например, распыление или погружение) и от присутствия различных растворителей. Такие технологи нанесения известны в данной области. На вязкость покрытия из пористого оксида влияет, например, содержание твердых продуктов. На него также влияет распределение размеров частиц покрытия из пористого оксида - относительно плоское распределение будет давать различную вязкость для мелкодисперсно измельченного покрытия из пористого оксида с острым пиком в его распределении размеров частиц - и модификаторы реологии, такие как гуаровая смола и другие смолы. Соответствующие способы нанесения покрытия описаны в WO2011/080525, WO1999/047260 и WO2014/195685, которые включаются в настоящий документ в качестве ссылок.
Можно использовать обычные технологии для получения различных зон в носителе, имеющих различные распределения каталитического материала. Например, когда желательным является нанесение ʺна стенкеʺ на конкретную зону носителя, на остальную зону может наноситься защитное полимерное покрытие (такое как поливинилцетат), так что там каталитическое покрытие не формируется. После удаления остаточного покрытия из пористого оксида, например, в вакууме, защитное полимерное покрытие может выжигаться.
Первая зона содержит каталитический материал, распределенный по всему пористому носителю. Примеры каталитического материала обсуждаются ниже. Этот материал вводится в поры носителя, например, посредством инфильтрации с помощью способа нанесения покрытия из пористого оксида. При этом на поры наносится покрытие, и они удерживают в себе каталитический материал, сохраняя при этом достаточную пористость для проникновения газов через стенки каналов. Каталитический материал создается по всему пористому носителю в первой зоне.
Первая зона предпочтительно содержит каталитический материал, по существу, по всему пористому носителю, так что большая часть пор содержит каталитический материал. ʺРаспределенный по всему пористому носителюʺ означает, что материал находится в пористом носителе, то есть, между стенками носителя.
Это можно визуально наблюдать, например, с использованием микроскопии. Вторая зона не содержит каталитического материала, по существу, по всему пористому носителю. Это можно также наблюдать, например, с использованием микроскопии, по отсутствию покрытия из пористого оксида на стенках носителя. Во второй зоне, большая часть пор не содержит каталитического материала. То есть, в первой зоне катализатор, по существу, находится в стенках, а не на поверхности, а во второй зоне катализатор, по существу, на стенках и не в стенках. Термин ʺпо существу, в стенах, а не на поверхностиʺ означает, что большая часть материала находится в стенках и что меньшая часть материала находится на поверхности пористого носителя. Термин ʺпо существу на стенках, а не в стенкахʺ означает, что большая часть, предпочтительно, по меньшей мере, 75%, 80%, 85%, 90%, или 95%, материала присутствует на стенках монолита во второй зоне. Это можно определить, например, с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Когда катализатор содержит металл, такой как медь, можно использовать (электронный микрозондовый анализ) EPMA для определения распределения металла в стенках и на них.
В первой зоне, предпочтительно, каталитический материал не покрывает стенки первого или второго множества каналов. Термин ʺне покрывает поверхностьʺ означает, что нет каталитического материала, присутствующего на стенках, не имеется каталитического материала, детектируемого на стенках канала, или любой каталитический материал, детектируемый на стенках канала, присутствует при концентрации, которая не оказывает влияния на общую каталитическую активность монолитного фильтра.
Во второй зоне, каталитический материал, присутствующий в качестве покрытия, покрывает стенки второго множества каналов. Каталитическое покрытие может иметь среднюю толщину примерно 0,1-15% от толщины стенки, на которой располагается покрытие. Эта толщина не включает никакой глубины, связанной с проникновением в поры. Покрытие может также содержать примерно 5-40% каталитического материала по отношению к общей массе каталитического материала, нагруженного на фильтр в целом.
Покрытие может находиться на входной или выходной стороне пористой стенки. Покрытие может покрывать 10-90% длины фильтра, измеренной от второго торца. Например, покрытие может покрывать 10-25%, 25-50%, 50-75%, 35-75% или 75-90% длины фильтра. Предпочтительно, покрытие покрывает 10-25%, 25-50%, более предпочтительно, 10-25% длины фильтра. Покрытие может также содержать градиент концентрации катализатора, при этом высокая концентрация катализатора находится со стороны входного края фильтра.
Каталитический монолитный фильтр с пристеночным течением может иметь отношение длины второй зоны и длины первой зоны в продольном направлении от 1:20 до 1:3, предпочтительно, от 1:10 до 1:4, более предпочтительно, от 1:7до 1:4.
Размер частиц каталитического материала может выбираться для ограничения их перемещения в носитель. Специалист в данной области заметит, что этот размер зависит от размеров пор монолитного фильтра до обработки.
Покрытие может содержать один или несколько катализаторов из катализатора SCR, ловушки для NOx, катализатора окисления сажи, катализатора гидролиза, адсорбентов для металлов, таких как V, Pt, Pd, Rh, Ru, Na, Cu, Fe, Co, Nu, и Cr, или адсорбентов для других ядов, таких как зола и/или оксиды серы. Примеры каталитических материалов и/или материалов адсорбентов включают цеолиты, нагруженные металлом, такие как Cu/CHA, Cu/AEI, Fe/CHA, Pd/CHA, H-форму цеолитов, металлы платиновой группы на носителе, и тому подобное.
Покрытие может наноситься как каталитическое покрытие из пористого оксида, которое содержит катализатор и, необязательно, одно или несколько других составляющих, таких как связующие (например, частицы оксидов металлов), волокна (например, стеклянные или керамические нетканые волокна), маскирующие агенты, модификаторы реологии и порообразователи.
Материал катализатора может осаждаться как слой на стенках каналов. Это можно осуществлять посредством подхода с распылением или погружением. Может, по существу, предотвращаться инфильтрация каталитического материала в пористый носитель посредством одной из нескольких технологий, таких как использование густого и вязкого раствора покрытия, как описано выше.
Во второй зоне, каталитический материал покрывает стенки канала из второго множества каналов от второго торца как покрытие на стенке, имеющее толщину от 10 мкм до 80 мкм, предпочтительно, от 15 до 60 мкм, более предпочтительно, 15-50 мкм, включительно.
Каталитический материал во второй зоне может простираться в поры близко к поверхности носителя во второй зоне и присутствовать в части носителя вблизи покрытия. Это может быть необходимым для приклеивания покрытия к носителю. Однако каталитический материал, предусматриваемый во второй зоне, не распределяется по всему пористому носителю. Термин ʺне распределяется по всему пористому носителюʺ означает, что, либо материал присутствует только на стенках носителя, либо материал присутствует в большей части материала на стенках пористого носителя и остальная часть материала располагается в части, но не во всем пористом носителе, связанном со второй зоной.
Предпочтительно, каталитический материал, покрывающий каналы второй зоны, проникает на одно или несколько расстояний из <25%, <20%, <15%, <10% и <5% от толщины стенки канала.
Предпочтительно, во второй зоне, первое множество каналов не содержит каталитического материала на их поверхности. Термин ʺне содержит каталитического материала на поверхностиʺ означает, что нет внешнего проявления каталитического материала, нет каталитического материала, детектируемого на стенках канала, или любой каталитический материал, детектируемый на стенках канала, присутствует при концентрации, которая не оказывает влияния на общую каталитическую активность монолитного фильтра.
3
3
3
x
3
Использование рассмотренных выше первой и второй зон может уменьшить количество необходимого катализатора и, следовательно, уменьшить затраты, связанные с изготовлением продукта, без ослабления каталитических характеристик. Поскольку вторая зона носителя не содержит значительного количества (меньше, чем 0,75 г/дюйм (0,05 г/куб. см), предпочтительно, меньше, чем 0,5 г/дюйм (0,03 г/куб. см), более предпочтительно, меньше, чем 0,25 г/дюйм(0,015 г/куб. см)) каталитического материала в порах, обратные давления могут быть уменьшены, таким образом, улучшая рабочие характеристики и надежность двигателя, а также экономию топлива. Это уменьшение обратного давления предполагает, что обратное давление от покрытия на стенке меньше, чем обратное давление каталитического материала внутри стенки. Покрытие на стенке обеспечивает улучшенный доступ потока выхлопных газов к катализатору. Когда монолит с пристеночным течением содержит катализатор SCR, катализатор проскока аммиака или катализатор окисления, это делает возможным улучшение конверсии NO, NH или смеси углеводород (HC)/монооксид углерода (CO), соответственно.
Вторая зона может иметь более высокую проницаемость для выхлопных газов и/или для сажи, чем первая зона. Альтернативно, вторая зона может иметь более низкую проницаемость для выхлопных газов и/или для сажи, чем первая зона.
x
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что, контролируя относительные проницаемости первой и второй зон, можно направлять расположение сажи. Например, если зона, которая находится на входе, когда соединена с выхлопной системой, имеет пористость ниже, чем зона на выходе, будет увеличиваться контакт газа с катализатором на выходном краю. Если в этой зоне присутствует катализатор SCR, эффективность конверсии NO может улучшиться. Однако, если зона, которая находится на выходе, когда соединена с выхлопной системой, имеет более низкую пористость, чем зона на входе, количество сажи, поступающее в заднюю часть фильтра, уменьшается, так что больше ее сгорает в передней части. Это может уменьшать температуры, достигаемые в задней части фильтра, в ходе регенерации, улучшая износостойкость фильтра относительно повреждения фильтра.
x
x
Катализаторы для использования в монолите с пристеночным течением включают цеолиты, такие как ZSM-5, морденит, гамма цеолит и бета цеолит, или смеси любых двух или более из них. Цеолит может содержать один или несколько металлов, предпочтительно, Ce, Cu, Fe, Mn, Pt или V или любые два или более из них. Металл может наноситься с использованием известных технологий, таких как импрегнирование или ионный обмен. Предпочтительно, монолит представляет собой селективный каталитический восстановительный фильтр (SCR). Пригодные для использования катализаторы для восстановления NO известны в данной области и описаны, например, в WO2009/001131, WO2010/043891 и WO2008/106519, которые включаются в настоящий документ в качестве ссылок. Преимущественно, монолит SCR может как понижать содержание NOв потоке выхлопных газов, так и удалять материал в виде частиц в одном и том же узле.
Каталитический материал, распределенный по всей первой зоне пористого носителя, может быть таким же как каталитический материал, покрывающий поверхность второго множества каналов.
Альтернативно, каталитический материал, распределенный по всей первой зоне пористого носителя, может отличаться от каталитического материала, покрывающего поверхность второго множества каналов.
x
Предпочтительно, каталитический материал, распределенный по всей первой зоне пористого носителя, содержит цеолит с малыми порами. Цеолиты с малыми порами с конкретным применением для обработки NO в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, работающих на обедненной смеси, содержат цеолиты, выбранные из структурных семейств AEI, AFT, AFX, CHA, DDR, EAB, ERI, GIS, GOO, KFI, LEV, LTA, MER, PAU, SFW, VNI и YUG. Соответствующие примеры описаны в WO2008/132452, который включается в настоящий документ в качестве ссылки. Цеолиты с малыми порами из семейства AEI и CHA являются особенно предпочтительными. Цеолит с малыми порами предпочтительно содержит один или несколько металлов из Cu, Fe и Mn. Цеолит с малыми порами может содержать один или несколько благородных металлов (золото, серебро и металлы платиновой группы), предпочтительно, металлы платиновой группы, более предпочтительно, палладий или платину, а наиболее предпочтительно, палладий. Кроме того, каталитический материал может содержать Ce.
Катализаторы, присутствующие на стенке на входном (переднем) краю монолита с пристеночным течением может предпочтительно содержать катализатор с быстрой динамической реакцией, такой как катализатор, который не содержит ванадия и не содержит цеолита, или цеолита, или цеолита, содержащего металл, такого как Cu/бета.
Предпочтительно, более износостойкий катализатор, такой как медьсодержащий цеолит с малыми порами, располагается в задней части монолита с пристеночным течением.
Предпочтительно, когда используют два катализатора SCR, катализатор на стенках, расположенный в задней (тыльной) секции монолита с пристеночным течением, имеет более высокую термическую стабильность. Катализаторы, содержащие ванадий, имеют высокую термическую стабильность.
Предпочтительно, каталитический материал, распределенный по всей первой зоне пористого носителя, и каталитический материал, покрывающий поверхность второго множества каналов, независимо выбирают из цеолитов, содержащих медь, железо или марганец, таких как AEI, AFX, BEA, CHA и LTA.
x
x
3
3
3
3
3
3
2
2
,
2
,
3
Одна из сложностей обработки NO в выхлопных газах заключается в том, что количество NO, присутствующих в выхлопном газе, является нестационарным, то есть оно изменяется вместе с условиями вождения, такими как ускорение, замедление и движение с нулевым ускорением при различных скоростях. Для решения этой проблемы, катализаторы SCR могут адсорбировать (или накапливать) азотистый восстановитель, такой как аммиак, обеспечивая таким образом буфер для соответствующей доставки доступного восстановителя. Катализаторы на основе молекулярных сит, такие, как описаны выше, могут накапливать аммиак, и активность катализатора в начале экспонирования катализатора для NH может быть существенно ниже, чем активность, когда катализатор имеет относительно высокое экспонирование или насыщенное экспонирование для NH. Для практических применений в транспортных средствах, это означает, что катализатор должен предварительно нагружаться соответствующей нагрузкой NH для обеспечения хорошей активности. Однако это требование доставляет некоторые значительные проблемы. В частности, для некоторых рабочих условий невозможно достичь требуемой нагрузки NH; и этот способ предварительной нагрузки имеет ограничения, поскольку невозможно знать какими будут рабочие условия двигателя после предварительной нагрузки. Например, если катализатор предварительно нагружается NH, но затем двигатель работает на холостом ходу, NH может проскакивать в атмосферу. Скорость увеличения активности катализатора SCR от нулевого экспонирования аммиака до насыщенного экспонирования аммиака упоминается как ʺдинамическая реакцияʺ. В этой связи, является предпочтительным, чтобы каталитический материал, покрывающий поверхность второго множества каналов, представлял собой цеолит с большими порами, предпочтительно, цеолит медь бета. Альтернативно, можно использовать другие, нецеолитные, каталитические материалы, такие как CeO, импрегнированный W, CeZrO импрегнированный W, или ZrO импрегнированный Fe и W. Другие пригодные для использования катализаторы описаны в WO2009/001131 и WO2011/064666, которые включаются в настоящий документ в качестве ссылок. Использование таких цеолитов с большими порами или нецеолитных материалов в качестве покрытия является преимущественным, поскольку эти материалы, как правило, обеспечивают более быструю динамическую реакцию SCR, чем цеолиты с малыми порами, описанные выше, поскольку они требуют значительно меньше предварительно нагруженного аммиака для эффективного функционирования. Другими словами, они имеют высокую активность при более низких экспонированиях для NH (низкое экспонирование относительно насыщенной емкости накопления катализатора) по сравнению с цеолитами с малыми порами). Может существовать синергическое соотношение между цеолитами с малыми порами, описанными выше, и цеолитами с большими порами и нецеолитными материалами, описываемыми здесь.
В другом аспекте, предлагается система обработки выбросов для обработки потоков выхлопных газов горения, система содержит каталитический монолит с пристеночным течением, как описано в настоящем документе, где каталитический фильтр присутствует в системе в одной из двух конфигураций.
В первой конфигурации, первый торец находится ниже по потоку относительно второго торца. Это дает в результате вторую зону, содержащую катализатор на стенке, расположенную перед первой зоной, содержащей катализатор внутри стенки. Нагрузка материала катализатора во второй зоне, которая находится рядом с входом фильтра, может быть ниже, чем используется в конфигурациях, иных, чем эта конфигурация. Уменьшенная нагрузка означает, что часть монолита, содержащая вторую зону на входе монолита, может нагреваться быстрее. Это может быть преимущественным, поскольку катализатор, присутствующий на поверхности, может быстрее достигать рабочей температуры.
Во второй конфигурации, второй торец находится ниже по потоку относительно первого торца. Это дает в результате первую зону, содержащую катализатор внутри стенки, расположенную перед второй зоной, содержащей катализатор на стенке. В этой конфигурации, каталитического материала меньше во второй зоне фильтра, которая становится горячее при использовании. Это означает, что активная регенерация в ней с меньшей вероятностью соответствует дегенерации катализатора в первой зоне. Когда каналы в носителе, которые представляют собой выходные каналы, уже чем входные каналы, обратное давление не ухудшает свойств фильтра до такой же степени как для входных и выходных каналов, имеющих одинаковые размеры.
Каталитические монолитные фильтры с пристеночным течением, описанные в настоящем документе, являются выгодными по ряду причин.
3
Система может обеспечить одно или несколько преимуществ: уменьшение аккумуляции сажи, уменьшение обратного давления, понижение температуры запуска, увеличение конверсии NH, HC или CO, по сравнению с фильтром с пристеночным течением, содержащим такие же компоненты в другой конфигурации.
В частности, присутствие покрытия на стенке на входном краю фильтра усиливает отфильтровывание материала в виде частиц, давая возможность для движения сажи в направлении задней части входного края. Это может давать в результате увеличение соотношения между обратным давлением и нагрузкой сажи, так что, когда строят график обратного давления в зависимости от нагрузки, крутизна (градиент) реакции увеличивается. Преимущество этого события в том, что сенсоры транспортного средства отслеживают обратное давление на фильтре и запускают стратегии регенерации (или сжигания) избытка сажи на фильтре, когда такое обратное давление превышает пороговое значение. Имея более крутой градиент обратного давления из-за нагрузки сажи, система мониторинга легче распознает, что достигнуто пороговое значение обратного давления, и таким образом, запуск событий регенерации становится более эффективным и предсказуемым.
В дополнение к этому, как описано в WO2011/064666, ʺдинамическая реакцияʺ предпочтительных термически износостойких катализаторов SCR на основе цеолитов с малыми порами относительно плохая по сравнению с другими цеолитными катализаторами, такими как бета цеолит. Это проявляется само по себе требованием более высокого уровня ʺзаполненияʺ катализатора аммиаком, прежде чем он станет более химически активными. В динамичной окружающей среде, такой как выхлопные газы двигателя транспортного средства, где многие переменные, такие как газообразные компоненты, скорость потока газа и температура, изменяются быстро, это может быть проблемой. Когда катализатор внутри стенки, расположенный в задней части, представляет собой предпочтительный катализатор SCR на основе цеолита с малыми порами, катализатор SCR на стенке на входной стороне предпочтительно представляет собой катализатор SCR, имеющий более быструю динамическую реакцию.
2
2
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
Можно также покрывать на стенке на входном краю катализатор горения сажи, такой как катализатор на основе меди на носителе из смешанного оксида церия-циркония. Имеется реакция горения сажи в NO (NO+C → NO+CO), которая является предпочтительной в применениях для мощных дизельных двигателей (HDD) (поскольку выхлопные газы HDD, как правило, горячее, чем у пассажирских транспортных средств, и это термодинамически благоприятствует окислению NO до NO на соответствующем катализаторе). Сажа может быть гореть в NO при относительно более низких температурах, чем на воздухе. Разумеется, если катализатор SCR на стенке потребляет оксиды азота перед отфильтрованной сажей, доступность конверсии в NO для ускорения горения сажи меньше. Cu/CeO-ZrO представляет собой катализатор окисления NO и с меньшей вероятностью потребляет (окисляет) NH. Соответственно, предпочтительное создание катализатора на основе меди на покрытой второй зоне дает возможность способу генерировать NO и не окислять NH; таким образом оба вещества доступны для их работы в задней части (NO для окисления сажи; NH для восстановления NOx).
2
Когда создается покрытие на стенке на выходной стороне фильтра с пристеночным течением, первая зона находится перед второй зоной, оксиды азота по-прежнему присутствуют в выхлопных газах, покидающих фильтр через каналы фильтра с пристеночным течением в задней части, могут вступать в контакт с каталитическим покрытием SCR на стенке, если оно присутствует в покрытии на стенке. Это может обеспечить лучший контакт/доступность реагентов и активных центров каталитического компонента, чем конфигурация, где покрытие на стенке во второй зоне расположены перед каталитическим материалом внутри стенки в первой зоне, и материал, покидающий покрытие на стенке, имеет уменьшенный контакт с каталитическим материалом внутри стенки и будет, в большой части обходить каталитический материал в первой зоне. Эта конфигурация может обеспечить конверсию NOx в применениях с относительно высокой скоростью потока или сделать возможным более короткие/имеющие меньший объем носители, которые дешевле при изготовлении, потенциально легче (уменьшение массы выгодно для экономии топлива и, таким образом, уменьшает выбросы CO), менее проблематичны при упаковке (консервировании) и для них легче найти место в транспортном средстве. Если катализатор должен находиться внутри стенки, такой контакт газ/катализатор уменьшался бы благодаря ламинарному потоку газа, покидающего каналы фильтра, и уменьшению возможности для проникновения газа через граничный слой на поверхности фильтра с пристеночным течением.
Покрытие на стенке на выходном краю фильтра изменяет динамику потока в каналах перед ним, при этом сажа с меньшей вероятностью собирается на задней стороне входных каналов. Поток газа и сажи, переносимой газом, будет следовать по пути наименьшего сопротивления. Больше газа будет проходить через стенки вблизи входного края, затем проходить через каналы фильтра в ламинарном потоке, как описано выше.
Если выходные края фильтра покрыты на стенках каталитическим покрытием из пористого оксида, что увеличивает сопротивление потоку сквозь стенки фильтра в этой области, фильтрование сажи может распределяться вдоль входных стенок канала более эффективно. Это дает то преимущество, что, когда запускается событие регенерации фильтра, имеется менее локализованная генерации тепла и при этом уменьшаются градиенты температуры и напряжения в носителе и уменьшается возможность растрескивания фильтра и отказа носителя.
Посредством распределения эффективной области фильтрования с включением области перед входными каналами, может улучшиться фильтрование в целом. Срок службы фильтра также может улучшиться благодаря тому, что аккумуляция золы распределяется по всему монолитному фильтру более эффективно и она не собирается на тыльной стороне входных каналов. Зола аккумулируется в дизельных фильтрах частиц от ряда источников. Например, присадки в смазочное масло вносят вклад в большую часть золы, находящейся в дизельных фильтрах частиц (DPF). Другие источники появления золы включают присадки для топлива, которые улучшают регенерацию фильтра (в противоположность катализу фильтра самого по себе), следы металлов в дизельных топливах, частицы от износа двигателя и выхлопных систем и продукты коррозии.
В соответствии с другим аспектом предлагается способ изготовления каталитического монолита с пристеночным течением, включающий:
получение пористого носителя, имеющего первый торец и второй торец, определяющие продольное направление между ними, и первое и второе множества каналов, простирающихся в продольном направлении, где первое множество каналов открыто на первом торце и закрыто на втором торце, и где второе множество каналов открыто на втором торце и закрыто на первом торце;
селективную инфильтрацию пористого носителя покрытием из пористого оксида, содержащим первый каталитический материал, для формирования первой зоны, которая содержит первый каталитический материал, и второй зоны, которая не содержит первого каталитического материала, где первая зона простирается в продольном направлении от первого торца в сторону второго торца и вторая зона простирается в продольном направлении от второго торца и простирается до первой зоны; и
формирование во второй зоне покрытия из второго каталитического материала, покрывающего поверхность второго множества каналов.
Селективная инфильтрация носителя покрытием из пористого оксида может осуществляться посредством погружения носителя вертикально в суспензию катализатора, так что желаемая граница между первой и второй зонами носителя находится на поверхности суспензии. Носитель можно оставлять в суспензии в течение достаточного периода времени, чтобы дать возможность для перемещения желаемого количества суспензии в носитель. Период времени должен быть меньше 1 одной минуты, предпочтительно, примерно 30 секунд. Носитель удаляют из суспензии, и избыток суспензии удаляют из носителя с пристеночным течением, сначала посредством предоставления ему возможности для стекания из каналов носителя, затем посредством продувания суспензии на носителе сжатым воздухом (против направления проникновения суспензии), а затем вытягивания вакуумом с направления проникновения суспензии. При использовании этой технологии, суспензия катализатора проникает в стенки первой зоны носителя, при этом поры еще не забиваются до такой степени, что обратное давление в готовом носителе будет повышаться до неприемлемых уровней. Специалист в данной области распознает неприемлемые уровни обратного давления, зависящие от многих факторов, включая размер двигателя, с которым соединен фильтр, условия, при которых работает двигатель, и частоту, и способ регенерации фильтра.
Носители с покрытием сушат, как правило, примерно при 100°C и кальцинируют при более высокой температуре (например, 300-450°C). После кальцинирования можно определить нагрузку покрытия из пористого оксида по массам носителя с покрытием и без него. Нагрузку катализатора можно определить по нагрузке покрытия из пористого оксида, по относительному количеству катализатора в покрытии из пористого оксида. Как будет очевидно специалистам в данной области, нагрузка покрытия из пористого оксида может модифицироваться посредством изменения содержания твердых продуктов в суспензии покрытия. Альтернативно, можно осуществлять многократные погружения носителя в суспензию покрытия, с последующим удалением избытка суспензии, как описано выше.
Покрытие второго каталитического материала может формироваться, как описано выше и в WO2011/080525, WO1999/047260 и WO2014/195685. Для предотвращения формирования покрытия из второго каталитического материала в первой зоне носителя, поверхность в первой зоне может предварительно покрываться защитной полимерной пленкой, такой как поливинилацетат. Это предотвращает приклеивание каталитического материала на поверхности носителя в первой зоне. Затем защитное полимерное покрытие может выжигаться.
Предпочтительно, каталитический монолит с пристеночным течением, изготовленный в соответствии с рассмотренным выше способом, представляет собой монолит, как описано в настоящем документе. То есть, все признаки первого аспекта настоящего изобретения могут свободно объединяться с другими аспектами, описанными в настоящем документе.
x
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ обработки потока выхлопных газов горения, содержащих NO и материал в виде частиц, способ включает прохождение потока выхлопных газов через монолит согласно первому аспекту настоящего изобретения, где первый торец находится ниже по потоку относительно второго торца или где второй торец находится ниже по потоку относительно первого торца.
Способ может обеспечить одно или несколько преимуществ: уменьшение содержания материала в виде частиц в задней части монолита с пристеночным течением и увеличение конверсии NOx, по сравнению с фильтром с пристеночным течением, содержащим такие же компоненты в другой конфигурации.
Преимущества, связанные с ориентацией монолита в системе обработки выбросов, обсуждаются в настоящем документе.
Выхлопные системы по настоящему изобретению предназначены для использования в двигателях внутреннего сгорания и в частности, в двигателях внутреннего сгорания, работающих на обедненной смеси, в особенности, в дизельных двигателях.
Фигуры 1-4 и 8 показывают различные признаки аспектов настоящего изобретения. Ниже приводится список с наименованием признаков и соответствующих указателей на этих фигурах.
монолит с пристеночным течением
1
система обработки выхлопных газов
100
первое подмножество каналов
5
аммиачный восстановитель
105
второе подмножество каналов
10
поток выхлопных газов
110
первый конечный торец
15
двигатель
115
герметизирующий материал
20
проход
120
второй конечный торец
25
выхлопная система
125
стенки каналов
35
резервуар
130
первая зона
40
контроллер
135
каталитический материал
45b
инжекционное сопло
140
каталитический материал
45c
вторая зона
50
длина монолита
a
длина первой зоны
b
длина второй зоны
c
площадь поперечного сечения
A-A
Монолит 1 с пристеночным течением по настоящему изобретению показан на Фигурах 1-4. Монолит содержит большое количество каналов, расположенных параллельно друг другу в продольном направлении (показано двухсторонней стрелкой ʺaʺ на Фигурах 1 и 3) монолита 1. Большое количество каналов составляют первое подмножество 5 каналов и второе подмножество 10 каналов. Монолитный фильтр состоит из пористого материала.
Фигура 1 показывает монолитный фильтр 1 с первым конечным торцом 15 с передней стороны. В этой конфигурации, выхлопные газы поступают в монолитный фильтр 1 через первое подмножество 5 каналов, которые открыты на первом конечном торце 15 и герметизированы на втором конечном торце 25. Второе подмножество 10 каналов герметизируется на первом конечном торце 15 с помощью герметизирующего материала 20 и имеют открытые края на втором конечном торце 25. Монолитный фильтр содержит первую зону 40, имеющую длину b, и вторую зону 50, имеющую длину c. Фигура 1 также показывает плоскость A-A, проходящую через монолитный фильтр.
Первая зона 40 монолита 1 с пристеночным течением простирается на расстояние b от первого конечного торца 15 и снабжена каталитическим материалом в порах стенок 45b каналов. Это можно обеспечить с использованием способа нанесения покрытия из пористого оксида, как известно в данной области и обсуждается в других местах в настоящем описании.
Вторая зона 50 монолита 1 с пристеночным течением простирается на расстояние c от второго конечного торца 25 в сторону первого конечного торца и встречается с первой зоной 40. Вторая зона 50 не снабжается каталитическим материалом 45b в порах стенок 35 каналов. Покрытие на поверхности из каталитического материала 45c, такого как цеолит (необязательно, но предпочтительно, такой же как каталитический материал 45b), наносят на поверхность стенок 35 каналов во второй зоне 50. Стенки 35 закрытых каналов во второй зоне 50 не имеют покрытия на поверхности.
Фигура 2 показывает плоскость поперечного сечения A-A монолитного фильтра. Первое подмножество 5 каналов открыто на первом конечном торце 15 монолита 1 с пристеночным течением и герметизируется с помощью герметизирующего материала 20 на втором конечном торце 25. Второе подмножество 10 каналов открыто на втором конечном торце 25 монолита 1 с пристеночным течением и герметизируется с помощью герметизирующего материала 20 на первом конечном торце 15. Первый конечный торец 15 принимает выхлопные газы G из двигателя. Выхлопные газы G поступают в монолитный фильтр 1 на открытом краю первого подмножества 5 каналов. Газ, проходящий через первое подмножество 5 каналов, не может покинуть канал на втором конечном торце 25, поскольку край герметизирован 20. Газ G проходит через пористые стенки 35 каналов и движется во второе подмножество 10 каналов, а затем покидает монолитный фильтр на втором конечном торце 25, который соединен с выхлопной системой двигателя. Когда газ G проходит через пористые стенки 35 каналов, сажа захватывается стенками или в них.
Монолитный фильтр содержит первую зону 40, которая содержит каталитический материал 45b внутри стенок 35 монолитного фильтра и простирается от первого конечного торца 15 на расстояние b в сторону второго конечного торца 25. Монолитный фильтр также содержит вторую зону 50, которая содержит каталитический материал 45c на стенках 35 монолитного фильтра. Вторая зона простирается от второго конечного торца 55 на расстояние c в сторону первого конечного торца 25.
Фигуры 3 и 4 аналогичны Фигурам 1 и 2 за исключением того, что монолитный фильтр повернут на 180 градусов, так что второй конечный торец 25 находится там же, где находится первый конечный торец 15 на Фигурах 1 и 2.
Фигура 3 показывает монолитный фильтр 1 со вторым конечным торцом 25, направленным в переднюю сторону. В этой конфигурации, выхлопные газы поступают в монолитный фильтр 1 через второе подмножество 10 каналов, которые открыты на втором конечном торце 25 и герметизированы на первом конечном торце 15. Первое подмножество 5 каналов герметизировано на первом конечном торце 15 герметизирующим материалом 20 и имеет открытые края на втором конечном торце 25. Монолитный фильтр содержит первую зону 40, имеющую длину b, и вторую зону 50, имеющую длину c. Фигура 1 также показывает плоскость A-A, проходящую через монолитный фильтр.
Вторая зона 50 монолита 1 с пристеночным течением простирается на расстояние c от второго конечного торца 25 в направлении первого конечного торца и встречается с первой зоной 40. Вторая зона 50 не снабжена каталитическим материалом 45b в порах стенок 35 каналов. Покрытие на поверхности из каталитического материала 45c, такого как цеолит (необязательно, но предпочтительно, такого же как каталитический материал 45b), наносят на поверхность стенок 35 каналов во второй зоне 50. Закрытые стенки 35 каналов во второй зоне 50 не имеют покрытия поверхности.
Первая зона 40 монолита 1 с пристеночным течением простирается на расстояние b от первого конечного торца 15 и снабжена каталитическим материалом в порах стенок 45b каналов. Это можно обеспечить с использованием способа нанесения покрытия из пористого оксида, как известно в данной области и обсуждается в других метах в настоящем описании.
Фигура 4 показывает плоскость A-A поперечного сечения монолитного фильтра. Второе подмножество 10 каналов открыто на втором конечном торце 25 монолита 1 с пристеночным течением и герметизируется герметизирующим материалом 20 на первом конечном торце 15. Первое подмножество 5 каналов открыто на первом конечном торце 15 монолита 1 с пристеночным течением и герметизируется герметизирующим материалом 20 на первом конечном торце 15. Второй конечный торец 25 принимает выхлопные газы G от двигателя. Выхлопные газы G поступают в монолитный фильтр 1 на открытом краю второго подмножества 10 каналов. Газ, проходящий через второе подмножество 10 каналов, не может покинуть канал на первом конечном торце 15, поскольку край герметизирован 20. Газ G проходит через пористые стенки 35 каналов и движется в первое подмножество 5 каналов, а затем покидает монолитный фильтр на первом конечном торце 15, который соединен с выхлопной системой двигателя. Когда газ G проходит через пористые стенки 35 каналов, сажа захватывается стенками или в них.
Монолитный фильтр содержит первую зону 40, которая содержит каталитический материал 45b внутри стенок 35 монолитного фильтра и простирается от первого конечного торца 15 на расстояние b в направлении второго конечного торца 25. Монолитный фильтр также содержит вторую зону 50, которая содержит каталитический материал 45c на стенках 35 монолитного фильтра. Вторая зона простирается от второго конечного торца 55 на расстояние c в направлении первого конечного торца 25.
На Фигурах 2 и 4, каналы изображены таким образом, что второе подмножество 10 каналов уже, чем первое подмножество 5 каналов. Конфигурация на Фигуре 2 может обеспечить увеличение емкости накопления золы в фильтре. Альтернативно, каналы могут иметь одинаковые размеры.
x
2
Каталитический материал в первой и второй зонах может содержать один или несколько катализаторов. Предпочтительно, по меньшей мере, один из катализаторов представляет собой катализатор SCR. Катализатор SCR может содержать молекулярное сито, предпочтительно, молекулярное сито, содержащее переходной металл, полученный от ионного обмена, в стенах 35 канала монолита 1. Это молекулярное сито, в сочетании с восстанавливающим агентом, таким как аммиак, может каталитически восстанавливать NO до N.
Когда покрытие на стенке на монолите располагается на входе потока выхлопных газов в монолит, газ может достигать катализатора лучше, считая, что доступ газа к покрытию на стенке проще, поскольку газ не должен проникать в пористую стенку, содержащую каталитический материал. Катализатор внутри стенки может считаться ʺразбавленнымʺ стенкой. Концентрация катализатора в покрытии на стенке, как правило, представляет собой более высокую концентрацию, чем для катализатора внутри стенки. В дополнение к этому, некоторые поры в стенках не содержат открытых проходов через стенку, но скорее имеют ʺтупикиʺ для потока газа. Доведения до максимума каталитической активности в этой зоне может быть важным, поскольку катализаторы в этом положении: (a) будут экспонироваться для тепла первыми и следовательно будут запускатьсяпервыми, (b) будут также запускаться первыми, поскольку катализатор после них на монолите или в нем будут иметь замедленный запуск, из-за термической задержки от разогрева фильтра, и (c) это положение соответствует наименьшему термическому старению, поскольку температуры регенерации сажи гораздо ниже спереди (например, 700°C), чем сзади (например, 1100°C сзади).
Когда покрытие на стенке монолита располагается в задней части монолита (на выходе потока выхлопных газов из монолита), зона покрытия на стенке может быть более непроницаемой, чем зона внутри стенки перед ней. Эта конфигурация будет влиять на поток газа через монолит и может использоваться для:
a. понижения количества сажи, расположенной в задней части монолита, для уменьшения пиковых температур в задней части монолита в ходе неконтролируемой регенерации сажи и следовательно для предотвращения повреждения фильтра;
3
b. направления большей части выхлопных газов для прохождения сквозь стенку зоны в передней части, а затем для прохождения над зоной на стенке после нее. Это поможет обеспечить, чтобы, по меньшей мере, большая часть, если не почти все выхлопные газы, экспонировались для катализатора в передней зоне. Это может быть важным, когда катализатор на стенке представляет собой катализатор иной, чем катализатор, расположенный после него. Например, если катализатор на стенке представляет собой катализатор проскока аммиака (ASC) или катализатор окисления дизельного топлива (DOC), эти катализаторы могут удалять весь или почти весь NH или HC/CO, соответственно.
c. генерирования большого количества NOx, в особенности, когда зола от горения сажи располагается в задней части входных каналов. Иметь катализатор внутри стенки в задней зоне было бы неэффективным, поскольку катализатор маскировался бы из-за предпочтительного потока сквозь стенки монолита в передней зоне. Следовательно, было бы выгодным иметь этот катализатор на стенке в заднем выходном канале.
В некоторых конфигурациях используют два катализатора SCR. В других конфигурациях, катализатор на стенке может представлять собой катализатор ASC или катализатор окисления в задней части, особенно если впереди на монолите с пристеночным течением нет DOC.
Иллюстративные распределения катализатора в первой и второй зонах показаны на Фигурах 5-7. На каждой из этих фигур, для зоны 1, масса (a) катализатора является относительно постоянной по всей стенке, как показано горизонтальной линией. В реальных образцах, может иметься некоторый разброс на основе процессов, используемых для изготовления образца. Однако во второй зоне катализатор может присутствовать в двух областях: как покрытие на стенке и внутри части стенки, но не распределенный по всей стенке.
Фигура 5 показывает покрытие, имеющее толщину примерно 15% от толщины стенки необработанного фильтра, часть катализатора проникает в стенку катализатора на глубину примерно 15% от толщины стенки. Покрытие имеет массу (b), которая приблизительно однородна по всей его толщине. Масса катализатора внутри стенки уменьшается от массы (b) покрытия на поверхности стенки до отсутствия катализатора на толщине стенки примерно 15% от толщины стенки необработанного фильтра. Фигура 5 показывает уменьшение массы катализатора в стенке, которое изменяется линейно с глубиной. Уменьшение массы катализатора внутри стенки с глубиной может быть нелинейным, как показано на Фигуре 6.
Фигура 7 показывает покрытие, имеющее толщину примерно 5% от толщины стенки необработанного фильтра, часть катализатора проникает в стенку канала на глубину примерно 5% от толщины стенки. Покрытие имеет массу (b), которая приблизительно однородна по всей его толщине. Масса катализаторов в этом покрытии может быть больше, чем показано на Фигуре 5, как показывает увеличение высоты покрытия. Масса катализатора внутри стенки уменьшается от массы (b) покрытия на поверхности стенки до отсутствия катализатора на толщине стенки примерно 5% от толщины стенки необработанного фильтра. Фигура 7 показывает уменьшение массы катализатора внутри стенки, нелинейно изменяющееся с глубиной. Уменьшение массы катализатора внутри стенки может быть линейным по глубине, как показано на Фигурах 5 и 6.
В иллюстративной системе 100 обработки выхлопных газов, показанной на Фигуре 8, аммиачный восстановитель 105 инжектируют в поток 110 выхлопных газов перед монолитом 1 с пристеночным течением. Выхлопные газы 110 проходят от двигателя 115 через проход 120 в выхлопную систему 125. Аммиачный восстановитель 105 распределяется из резервуара 130 по потребности (как определяется контроллером 135) через инжекционное сопло 140 и смешивается с выхлопными газами до достижения монолита 1, который действует как устройство SCR.
Монолит 1 с пристеночным течением предпочтительно представляет собой единый компонент. Однако монолит может формироваться посредством склеивания вместе множества каналов или посредством склеивания вместе множества меньших монолитов, как описано в настоящем документе. Такие технологии хорошо известны в данной области, как и соответствующие оболочки и конфигурации системы обработки выбросов.
2
3
Все эти признаки или любое их сочетание в покрытии могут улучшить обратное давление от нагрузки сажи (в частности, в сочетании с эффективностью фильтра), уменьшить экзотермичность в ходе регенерации фильтра, улучшить термическую и механическую износостойкость фильтра (например, устранить растрескивание, отслаивание, и тому подобное), защитить температурно чувствительный катализатор от импульсов высокой температуры, улучшить характеристики катализатора, как общие, так и удельные, понизить образование NO, сделать возможной лучшую утилизацию NH и улавливание ядов, таких как Pt, зола, оксиды серы, Na и Fe, и уменьшить потенциальные потери металлов из-за улетучивания.
Специалисту в данной области будет понятно, что изменения композиции и конфигураций каталитического монолитного фильтра с пристеночным течением и систем, содержащих каталитический монолитный фильтр с пристеночным течением, могут осуществляться без отклонения от рамок настоящего изобретения или прилагаемой формулы изобретения.