ФИЛЬТР ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ С ГИДРОЛИЗУЮЩИМ ПОКРЫТИЕМ
FILTER TO CATCH SOLID PARTICLES WITH HYDROLYSING COATING

Настоящее изобретение относится к фильтру для улавливания твердых частиц с образованными пористыми стенками каналами, проходящими между его первым торцом и вторым торцом. Такие фильтры для улавливания твердых частиц используются главным образом в системах выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе нестационарных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), например, на автомобилях.
Рассматриваемый фильтр твердых частиц образован прежде всего пористой, в некоторых случаях экструдированной структурой, например, по типу сотовой структуры. На наружную форму такой сотовой структуры не накладывается никаких особых ограничений. Вместе с тем сотовая структура может иметь в поперечном сечении, например, круглую, эллиптическую или овальную наружную форму. На форму каналов также не накладывается никаких особых ограничений, однако предпочтительна обычно многоугольная форма поперечного сечения каналов, например, треугольная, четырехугольная, шестиугольная или иная аналогичная форма. Плотность расположения каналов в поперечном сечении сотовой структуры также может варьироваться в широких пределах, при этом предпочтительна, например, сотовая структура с плотностью расположения каналов в ее поперечном сечении от 50 до 400 каналов на кв.дюйм (от 7,8 до 62 каналов на кв.см). Пористые стенки могут быть при этом выполнены, например, из керамики. В качестве пригодного для применения в этих целях зарекомендовали себя, например, карбид кремния или металлический кремний и карбид кремния. При использовании керамики, в которой основную кристаллическую фазу составляют металлический кремний и карбид кремния, суммарное содержание кремния (Si+SiC) составляет предпочтительно от 5 до 50 мас.%, более предпочтительно от 10 до 40 мас.%.
Подобные фильтры для улавливания твердых частиц обычно называют "фильтрами с проточными стенками" или "фильтрами с проницаемыми стенками", поскольку в таких фильтрах по меньшей мере преобладающая часть потока ОГ принудительно проходит сквозь пористые стенки. Для этого известно выполнение соседних каналов фильтра для улавливания твердых частиц попеременно закрытыми или глухими на одном из их противоположных концов с тем, чтобы отдельный поток ОГ мог входить в первый канал, открытый с входной стороны, принудительно проходить из-за выполнения этого канала глухим с другой его стороны сквозь пористую стенку в соседний канал и выходить из него наружу. При прохождении ОГ сквозь пористые стенки переносимые также потоком ОГ твердые частицы могут накапливаться на стенках и в их порах и при необходимости восстанавливаться, соответственно превращаться в газообразные компоненты.
2
3
2
2
Подобные фильтры для улавливания твердых частиц с пористыми стенками каналов обычно имеют внутреннюю поверхность особо большой площади, благодаря чему в относительно небольшом конструктивном объеме можно при нанесении соответствующего покрытия на стенки обеспечить наличие исключительно большой по своей площади каталитически активной поверхности. По этой причине такие фильтры для улавливания твердых частиц предпочтительно предлагается также использовать также в сочетании с системой селективного каталитического восстановления (СКВ-системой). При селективном каталитическом восстановлении (оксидов азота в ОГ) происходит преимущественно восстановление оксидов азота (NO, NO), тогда как нежелательные побочные реакции (такие, например, как окисление оксида серы до триоксида серы) практически полностью подавляются. Для протекания такой реакции обычно используют аммиак (NH), который примешивают к ОГ. Продуктами подобной реакции являются вода (НО) и азот (N). К пригодным для применения в данном случае катализаторам относятся, например, диоксид титана, пентаоксид ванадия и/или оксид вольфрама. Возможно также применение цеолитов. СКВ-метод используют главным образом на автомобилях с дизельным двигателем, прежде всего на грузовых автомобилях, с целью снижения выброса вредных веществ, в первую очередь оксидов азота, во избежание загрязнения ими окружающей среды.
Предложенные ранее системы для сокращения количества твердых частиц, с одной стороны, и для восстановления оксидов азота, с другой стороны, отчасти имеют исключительно сложную конструкцию, а для их размещения требуется большое монтажное пространство. Помимо этого некоторые системы требуют сложного и дорогостоящего кондиционирования восстановителя (например, мочевины или иного аналогичного вещества) вне потока ОГ и/или в самой системе их выпуска, при этом полное превращение восстановителя отчасти обеспечить невозможно. По этой причине неоднократно предлагалось также использовать так называемый задерживающий катализатор, который при недостаточной степени превращения восстановителя должен предотвращать прорыв оксидов азота.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке фильтра для улавливания твердых частиц, который именно при его применении в СКВ-системах обеспечивал бы достижение преимуществ касательно полноты СКВ-реакций, соответственно полноты гидролиза восстановителя. Помимо этого задача изобретения состояла в разработке соответствующего устройства для реализации СКВ-метода на автомобилях, которое имело бы компактную и простую конструкцию.
Указанные задачи решаются с помощью фильтра для улавливания твердых, заявленного в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в зависимых пунктах формулы изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать тем самым другие варианты осуществления изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения, которые рассматриваются как предпочтительные.
Объектом изобретения является фильтр для улавливания твердых частиц, имеющий образованные пористыми стенками каналы, проходящие между его первым торцом и вторым торцом, причем на первом торце предусмотрены первые закупоривающие средства для перекрытия каналов, образующие своими передними поверхностями часть первого торца фильтра, и первый торец имеет гидролизующее покрытие вне каналов, причем гидролизующим покрытием снабжены все образующие первый торец компоненты.
Как указано выше, предлагаемый в изобретении фильтр для улавливания твердых частиц имеет образуемые пористыми стенками каналы, проходящие между его первым торцом и вторым торцом, первый из которых имеет гидролизующее покрытие вне каналов.
Гидролизующее покрытие в предпочтительном варианте содержит диоксид титана в качестве важнейшего (или даже единственного) активного компонента, благодаря чему прежде всего имеется малый объем для накопления аммиака. При определенных условиях, однако, возможно также использование нанесенных на диоксид титана катализаторов на основе диоксида вольфрама и на основе ванадия и оксида вольфрама. Такое покрытие прежде всего обладает свойством превращать, т.е. гидролизовать, содержащий мочевину восстановитель совместно с горячими ОГ и водой до аммиака (и изоциановой кислоты). При этом в данном случае гидролизующим покрытием снабжен (только) первый торец фильтра (также) вне каналов. Под первым торцом фильтра при этом подразумевается в основном поверхность, которую можно увидеть в горизонтальной проекции первого торца, т.е. которая расположена главным образом вне каналов. Именно у подобных фильтров для улавливания твердых частиц с пористыми стенками их первый торец, на который набегает поток ОГ, имеет сравнительно большие размеры. Помимо этого необходимо учитывать, что этот первый торец фильтра при определенных условиях является поверхностью, на которую набегает восстановитель. С целью обеспечить при этом максимально полное превращение восстановителя именно в зоне первого торца фильтра снаружи и предусмотрено гидролизующее покрытие. При попадании на него, например, жидкого восстановителя и при последующем его контакте с горячими ОГ происходит максимально полное превращение восстановителя до аммиака, вследствие чего внутри фильтра для улавливания твердых частиц затем при определенных условиях происходит полностью завершающаяся СКВ-реакция. Очевидно, что такое гидролизующее покрытие может также продолжаться вглубь открытого и/или глухого канала, например, по длине закупоривающих средств (10-40 мм), благодаря чему покрытие при необходимости можно наносить на фильтр путем простого погружения его торца в жидкость для нанесения покрытия.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении полноты превращения капель восстановителя, набегающих на снабженную покрытием торцевую поверхность, за счет полного снабжения этой поверхности гидролизующим покрытием.
Как указано выше, на первом торце фильтра предусмотрены первые закупоривающие средства для перекрытия каналов, образующие своими передними поверхностями часть первого торца фильтра. Такие закупоривающие средства снабжаются гидролизующим покрытием на своих передних поверхностях. Подобные закупоривающие средства представляют собой, например, заглушки, расположенные в зоне первого торца фильтра для улавливания твердых частиц и герметично перекрывающие часть каналов со стороны этого первого торца фильтра. Передние поверхности таких первых закупоривающих средств, которые при определенных условиях частично входят внутрь каналов, обращены при этом наружу, и на них прежде всего при последующем применении фильтра может набегать поток ОГ. Именно в этом случае, таким образом, более 50% всей торцевой поверхности фильтра для улавливания твердых частиц (торец плюс каналы) выполнены с гидролизующим покрытием.
Помимо этого в еще одном варианте предлагается также предусматривать на втором торце фильтра вторые закупоривающие средства для перекрытия каналов, ограничивающие их своими основаниями и снабженные на своих основаниях гидролизующим покрытием. Эти вторые закупоривающие средства, которые обычно находятся в каналах, в которых не предусмотрены первые закупоривающие средства, расположены преимущественно заподлицо со вторым торцом фильтра. Каждое из таких вторых закупоривающих средств имеет основание, которое преимущественно расположено внутри каналов. Основания вторых закупоривающих средств обычно обращены при этом в том же направлении, что и передние поверхности первых закупоривающих средств. Тем самым они также могут служить поверхностями набегания восстановителя и/или ОГ. В данном варианте, таким образом, на основаниях вторых закупоривающих средств также предлагается предусматривать гидролизующее покрытие, на которое попадают капельки восстановителя, прямолинейно пролетающие по подобному каналу, и на котором они гидролизуются.
В еще одном варианте фильтр для улавливания твердых частиц имеет каналы заданной длины, которые на первом участке этой своей длины, который доходит до второго торца фильтра, выполнены с гидролизующим покрытием. В соответствии с этим, таким образом, с гидролизующим покрытием выполнен прежде всего расположенный ниже по ходу потока ОГ участок каналов. Этот первый участок прежде всего доходит до оснований вторых закупоривающих средств. Протяженность первого участка каналов в предпочтительном варианте составляет от 10 до 70% от их длины.
Помимо этого предпочтителен также вариант, в котором каналы имеют длину и на втором участке этой своей длины, который расположен между первым торцом и вторым торцом фильтра, выполнены с покрытием для селективного каталитического восстановления (СКВ-покрытием). Сказанное означает, в частности, что СКВ-покрытие расположено на явном удалении от первого торца и второго торца фильтра. Сказанное относится прежде всего к случаю, когда СКВ-покрытие предусмотрено в каналах без первых закупоривающих их средств на первом торце фильтра. Лишь для полноты описания необходимо отметить, что в таких каналах можно и не предусматривать СКВ-покрытие, т.е. что такие каналы прежде всего могут также иметь участки без покрытия. Предпочтительно, однако, предусматривать СКВ-покрытие по длине второго участка (только) в каждом их тех каналов, которые не имеют закупоривающих их средств на втором торце фильтра. Очевидно, что СКВ-покрытие может быть предусмотрено по всей длине таких каналов. СКВ-покрытие прежде всего из-за наличия в нем дополнительных компонентов, таких как пентаоксид ванадия и/или цеолиты, обладает более высокой по сравнению с гидролизующим покрытием способностью накапливать аммиак.
В рассмотренном в начале описания случае, но прежде всего в описанном выше варианте, в котором в каналах без первых закупоривающих их средств на первом торце фильтра предусмотрено СКВ-покрытие на втором участке, такие каналы предпочтительно выполнять с гидролизующим покрытием на третьем участке их длины, который доходит до первого торца фильтра. В соответствии с этим практически и входная часть каналов, примыкающая к первому торцу фильтра, также выполнена с гидролизующим покрытием. В этом случае оно прежде всего может служить поверхностью набегания восстановителя, когда подача восстановителя происходит вблизи первого торца наклонно к нему.
В следующем варианте по меньшей мере часть каналов по меньшей мере частично выполнена криволинейной или с выступающими в них профильными структурами. Под "криволинейной" формой каналов прежде всего подразумевается волнистая форма ограничивающих их пористых стенок, вследствие чего каналы имеют по своей длине, например, меандрообразную форму. Равным образом каналы можно также выполнять в форме винтовой линии. Помимо этого можно, при необходимости дополнительно, выполнять выступающие внутрь каналов профильные (рельефные) структуры. Такие профильные структуры могут быть выполнены по типу направляющих поверхностей, сужений каналов или иных аналогичных профильных структур.
В выходной части каналов, открытых со стороны второго торца фильтра, можно, кроме того, предусматривать окисляющее покрытие. Такое окисляющее покрытие прежде всего содержит платину и в предпочтительном варианте расположено в той части (длиной, например, 10-40 мм) фильтра, с которой ОГ до их выхода из фильтра контактируют в последнюю очередь.
Помимо этого в качестве предпочтительного рассматривается являющееся еще одним объектом изобретения устройство для реализации метода СКВ, имеющее по меньшей мере один выпускной трубопровод, по которому в направлении своего потока могут проходить отработавшие газы, сопло для подачи содержащего или образующего аммиак восстановителя и фильтр для улавливания твердых частиц предлагаемого в изобретении типа, первый торец которого при этом обращен к соплу. Под "соплом" прежде всего подразумевается сопло, через которое можно впрыскивать жидкий восстановитель. Восстановитель уже может содержать аммиак, однако может также образовывать его и может содержать лишь (частично) предшественник аммиака. В особенно предпочтительном варианте восстановитель содержит жидкую мочевину. Предлагаемый в изобретении фильтр для улавливания твердых частиц следует располагать в выпускном трубопроводе таким образом, чтобы поступающие в него и нейтрализуемые в нем ОГ совместно с восстановителем набегали на первый торец фильтра. При соблюдении этого условия прежде всего обеспечивается возможность полного гидролиза восстановителя в состоящей из него и ОГ смеси на первом торце фильтра.
В этом отношении предпочтителен также вариант, в котором сопло расположено в направлении впрыскивания, ориентированном наклонно к первому торцу фильтра для улавливания твердых частиц или к направлению потока ОГ. Для равномерного распределения восстановителя по первому торцу фильтра и тем самым для обеспечения в этом месте тесного контакта восстановителя с гидролизующим покрытием сопло при определенных условиях особенно предпочтительно располагать таким образом, чтобы направление впрыскивания было ориентировано наклонно и к первому торцу фильтра, и к направлению потока ОГ.
2
2
Помимо этого в выпускном трубопроводе может быть предусмотрен катализатор окисления, который, если смотреть в направлении потока ОГ, расположен перед соплом и отстоит от фильтра для улавливания твердых частиц на расстояние, составляющее по меньшей мере 150 мм. Катализатор окисления служит, например, источником диоксида азота (NO), который способен непрерывно взаимодействовать с уловленными фильтром твердыми частицами (сажей), предотвращая тем самым закупоривание ими пористых стенок фильтра. С целью обеспечить достаточно равномерное распределение окислителя (NO) и восстановителей катализатор окисления по возможности следует располагать в выпускном трубопроводе по ходу потока ОГ перед фильтром для улавливания твердых частиц на указанном выше расстоянии от него.
Настоящее изобретение наиболее предпочтительно использовать в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания и системой выпуска отработавших газов, имеющей по меньшей мере один предлагаемый в изобретении фильтр для улавливания твердых частиц или по меньшей мере одно устройство описанного выше типа.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - вид в аксонометрии предлагаемого в изобретении фильтра для улавливания твердых частиц, выполненного по одному из вариантов,
на фиг.2 - вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении фильтра для улавливания твердых частиц, выполненного еще по одному варианту,
на фиг.3 - фрагмент фильтра для улавливания твердых частиц, выполненного по еще по одному варианту, и
на фиг.4 - схема устройства для реализации СКВ-метода.
На фиг.1 в аксонометрии показан фильтр 1 для улавливания твердых частиц, имеющий круглое поперечное сечение. Такой фильтр 1 представляет собой керамический экструдат с пористыми стенками 2, образующими множество каналов 3. Выполненный цилиндрической формы фильтр 1 имеет первый торец 4 и второй торец 5, между которыми прямолинейно проходят каналы 3. Каналы 3 попеременно закрыты с их торцов. На чертеже видны первые закупоривающие одну часть каналов 3 средства 7. Все образующие первый торец 4 фильтра компоненты (перегородки в виде пористых стенок 2 и передние поверхности первых закупоривающих средств 7) снабжены в данном случае гидролизующим покрытием 6.
На фиг.2 в продольном разрезе показан фильтр 1 для улавливания твердых частиц, выполненный по другому варианту. На этом чертеже при этом показаны пористые стенки 2, образующие множество проходящих прямолинейно каналов 3. Соседние каналы 3 попеременно закрыты на первом торце 4 фильтра или на его втором торце закупоривающими средствами, и поэтому входящие в фильтр со стороны его первого торца 4 ОГ принудительно проходят в каналах 3 сквозь пористую стенку 2. Внизу на фиг.2 показано, что передние поверхности 8 первых закупоривающих средств 7, расположенных со стороны первого торца 4 фильтра, обращены в том же направлении, что и основания 10 вторых закупоривающих средств 9, расположенных со стороны второго торца 5 фильтра.
Помимо этого вверху на фиг.2 обозначены различные участки каналов 3. Принципиально каналы 3 имеют заданную длину 11, измеряемую между обоими торцами фильтра. Как показано на примере расположенного на чертеже в самом верху канала 3, фильтр 1 имеет вблизи своего первого торца 4 гидролизующее покрытие 6, которое проходит начиная от первого торца 4 фильтра по длине третьего участка 15 канала 3. К этому участку канала примыкает его второй участок 13, на котором предусмотрено СКВ-покрытие 14. К этому участку канала примыкает проходящий вплоть до второго закупоривающего средства 9 первый участок 12 канала также с гидролизующим покрытием 6. Стенки соседнего канала 3, закрытого с одной стороны первым закупоривающим средством 7, по всей длине канала покрыты СКВ-покрытием 14. СКВ-покрытие 14 покрывает также весь второй торец 5 фильтра вне каналов 3.
На фиг.3 схематично показан фрагмент фильтра для улавливания твердых частиц 1 в зоне центрального канала 3, в который ОГ могут входить в заданном направлении 19 своего потока. Слева при этом показан входной участок, а справа - выходной участок. Слева на чертеже, таким образом, и в данном случае расположен первый торец 4 с гидролизующим покрытием 6, которое нанесено также на передние поверхности 8 первых закупоривающих средств 7. Тем самым ОГ, а при определенных условиях и восстановитель входят в центральный канал 3, при этом прямолинейно летящие частицы восстановителя попадают с противоположной стороны канала на второе закупоривающее средство 9. Основание 10 второго закупоривающего средства 9, а также стенки 2 на первом участке 12 канала, непосредственно примыкающем ко второму закупоривающему средству 9, покрыты гидролизующим покрытием 6, на котором могут гидролизоваться возможно попадающие в эту зону капельки восстановителя, например, капельки водного раствора мочевины. Полученный таким путем восстановитель, соответственно аммиак совместно с ОГ принудительно проходит сквозь пористые стенки 2 и попадает в соседние каналы 3, в которых в свою очередь предусмотрено СКВ-покрытие 14. Стенки каналов 3 в данном случае дополнительно выполнены с профильной структурой 16 и благодаря ей имеют криволинейную форму.
На фиг.4 схематично показан автомобиль 25, в который интегрировано устройство 17 для реализации СКВ-системы. ОГ, образующиеся при работе ДВС 26 (например, дизельного двигателя), проходят через систему 27 их выпуска, включающую в себя выпускной трубопровод 18, в указанном на чертеже направлении 19 их потока. В соответствии с этим ОГ сначала попадают на катализатор 23 окисления, который отстоит от фильтра 1 для улавливания твердых частиц на расстояние 24, составляющее по меньшей мере 150 мм. На участке между катализатором 23 окисления и фильтром 1 для улавливания твердых частиц предусмотрено также сопло 20 для подачи, например, водного раствора мочевины. Сопло 20 расположено наклонно и тем самым впрыскивает восстановитель 21 в направлении 22 наклонно к направлению 19 потока ОГ и к первому торцу 4 фильтра 1 для улавливания твердых частиц. Запас восстановителя 21, прежде всего водного раствора мочевины, хранится в соответствующей емкости 29 и может по мере необходимости, при определенных условиях по команде соединенной с ДВС 26 системы 28 управления, подаваться дозирующим устройством 30, выполненным, например, по типу дозирующего насоса, через сопло 20.