СУБСТРАТ ДЛЯ САЖЕВОГО ФИЛЬТРА С ПОКРЫТИЕМ "WASHCOAT"
SUBSTRATE FOR BLACK FILTER WITH "WASHCOAT" COATING

Настоящее изобретение относится к субстрату для сажевого фильтра для двигателя внутреннего сгорания, такого как дизельный двигатель, и, в частности, к субстрату для сажевого фильтра с покрытием "washcoat".
x
Выхлопы от двигателей внутреннего сгорания, включая дизельные двигатели, во всем мире являются ограниченными в соответствии с принятым правительствами законодательством. Производители исходного оборудования (original equipment manufacturers (OEMs)) стремятся соответствовать этим узаконенным требованиям посредством комбинации проектирования двигателей и последующей обработки выхлопных газов. Системы выхлопа, используемые для выполнения последующей обработки выхлопных газов, обычно включают ряд катализаторов и/или фильтров, которые спроектированы, чтобы осуществить некоторые реакции, которые снижают долю компонентов выхлопных газов, ограниченных в соответствии с таким законодательством. Компоненты выхлопных газов, ограниченные в соответствии с законодательством, включают оксиды азота (NO), монооксид углерода (CO), углеводороды (НС) и твердые частицы (particulate matter, PM).
Один из компонентов выхлопной системы для использования при обработке таких компонентов выхлопных газов представляет собой субстрат для сажевого фильтра. Обычно PM, захваченные в фильтре, подвергаются сжиганию, или активно, или пассивно. Один из видов пассивного сжигания должен сжигать захваченные PM в диоксиде азота, как описано в нашем документе ЕР 341832. Сжигание PM в диоксиде азота происходит при температурах, существенно более низких, чем в кислороде (менее чем 400°C по сравнению с >550°C). Удобный способ генерирования диоксида азота состоит в том, чтобы окислить оксид азота в выхлопных газах на подходящем катализаторе окисления, расположенном выше по потоку от фильтра. Устройство такой природы поставляет Johnson Matthey как непрерывно регенерирующую ловушку (continuously regenerating trap) или CRT.
Один из видов регенерации активного фильтра заключается в том, чтобы периодически вводить в выхлопные газы дополнительное углеводородное топливо и сжигать его, чтобы повысить температуру фильтра. Сжигание дополнительного углеводородного топлива может быть произведено непосредственно на фильтре при помощи покрывания фильтра подходящим катализатором, промотирующим сгорание. Соответствующий каталитический фильтр часто упоминается как каталитический сажевый фильтр (catalysed soot filter) или CSF.
Во время активной регенерации CSF может понадобиться достичь температур приблизительно 600°C, чтобы позволить, чтобы РМ были удалены (сожжены) с достаточной скоростью. Однако, если в ходе активной регенерации случается период слабого потока выхлопных газов, например, когда двигатель/транспортное средство вынуждено работать вхолостую, сокращенный газовый поток препятствует тому, чтобы теплота была удалена от CSF. Это может привести к тому, что части фильтра достигают температур свыше 1000°C (см. Фиг.1 - заметим, что верхняя часть данной Фигуры представляет собой вход CSF, а нижняя часть Фигуры представляет собой выход; более светлые тени показывают более высокие температуры). Такие высокие температуры могут привести к двум главным проблемам. Во-первых, катализатор может спекаться, уменьшая площадь своей поверхности, и, как следствие, активность катализатора теряется. Во-вторых, в субстрате могут встречаться высокие тепловые градиенты, приводя к механическому напряжению, вызванному различиями в тепловом расширении. При экстремальных условиях тепловые градиенты и напряжения могут вызвать разрушение субстрата, приводя, таким образом, к нарушению целостности CSF. Поэтому проблема заключается в управлении активной регенерацией CSF таким образом, чтобы он мог достичь температур, достаточно высоких для удаления РМ, но не настолько высоких, чтобы нанести ущерб катализатору и/или субстрату для фильтра.
Для того чтобы предохранить фильтр от достижения таких разрушительно высоких температур, может быть выбран более тяжелый субстрат для фильтра. Предполагая квазиадиабатическую систему, изменение температуры в субстрате для фильтра может быть представлено уравнением (I):
,
где коэффициент Q пропорционален массе сажи на фильтре.
Из этого следует, что при увеличении массы фильтра ΔT снижается.
Однако увеличение массы, например, кордиеритовой стенки фильтра потока приводит к материалу, содержащему меньше пор, и это, в свою очередь, нежелательно повышает противодавление в системе. Повышенное противодавление приводит к повышенному потреблению топлива и, потенциально, к необходимости более частых активных регенераций.
Из US 6827909 В1 известно, как повысить теплоемкость монолитного субстрата, через который протекает поток, с помощью покрывания его зоны, находящейся ниже по потоку, более толстым покрытием "washcoat" так, чтобы он мог «сохранять» тепло для эксплуатационных режимов, при которых получаются более низкие температуры выхлопных газов, поддерживая, таким образом, активность катализатора, загруженного на монолитный субстрат при таких температурных режимах. Зона, находящаяся выше по потоку, имеет относительно более низкую теплоемкость, которая позволяет ей достигать активной температуры более быстро. Однако более толстое покрытие "washcoat" может нежелательно повысить противодавление в системе, как отмечено в ЕР 1379322.
В настоящее время мы разработали способ избирательного увеличения массы субстрата для фильтра без увеличения противодавления до степени, соблюдаемой в субстратах для фильтров более высокой массы или при использовании более толстых покрытий "washcoat".
3
Согласно одному аспекту в настоящем изобретении предлагается субстрат в сажевом фильтре для двигателей внутреннего сгорания, каковой субстрат для фильтров покрыт, по меньшей мере, частично, покрытием "washcoat", каковое покрытие включает материал относительно высокой плотности, имеющий плотность, по меньшей мере, 3,50 г/см.
В настоящем изобретении обеспечивается ряд очень полезных преимуществ. Первое преимущество состоит в том, что оно увеличивает варианты конструирования квалифицированным инженером, чтобы сбалансировать конкурирующие интересы повышенной теплоемкости и пористости фильтра в части стоимости разработки и производства специализированных фильтров с применением субстрата, причем без сопутствующих проблем, обсуждавшихся выше. При покрывании субстрата фильтров покрытием "washcoat" пористость субстрата будет уменьшаться. Однако, выбирая подходящий размер частиц для материалов покрытия в зависимости от размера пор субстрата для фильтра, квалифицированный инженер способен уменьшить блокирование пор и любые существенные повышения противодавления. Мы предпочитаем, например, использовать покрытие "washcoat", имеющее размер частиц D90 < 15 мкм, такой как <10 мкм, например, <5 мкм, чтобы предотвратить блокирование пор фильтра.
Второе преимущество настоящего изобретения заключается в том, что предел массы сажи на субстрате для фильтра может быть увеличен. Предел массы сажи представляет собой массу сажи, которая может быть уловлена на фильтре до того, как потребуется активная регенерация, чтобы регенерировать фильтр. Если предел массы сажи на фильтре превышен, воспламеняясь, сажа может вызвать повреждение фильтра. Однако, повышая теплоемкость фильтра, можно увеличить массу сажи, которую возможно уловить на фильтре до того, как потребуется активная регенерация. Менее частая активная регенерация приводит к улучшенной экономии топлива.
Третье преимущество состоит в том, что, поскольку материал покрытия "washcoat" является более плотным, чем обычные материалы покрытий "washcoat", становится возможным обеспечить покрытие "washcoat" с более нормальной толщиной покрытия, имеющее повышенную теплоемкость. Допуская использование более нормальной толщины покрытия, настоящее изобретение уменьшает или позволяет избежать проблемы противодавления, связанной с использованием более толстых покрытий в попытке повысить теплоемкость.
Четвертое преимущество состоит в том, что при увеличении массы фильтра становится маловероятным, что фильтр и катализатор, если он присутствует, будут повреждаться вследствие быстрого увеличения AT (см. уравнение (1) выше).
3
3
3
3
3
3
3
Материал относительно высокой плотности для использования в настоящем изобретении может быть тугоплавким оксидом, выбранным из группы, состоящей из уплотненного альфа-оксида алюминия, уплотненного оксида лантана, уплотненного оксида церия (II), уплотненного оксида церия (III) и уплотненного оксида циркония. Общими свойствами таких материалов являются низкая площадь поверхности, тугоплавкая природа и стекловидная консистенция. Данные материалы также известны как «плавленые». Плавленый оксид циркония, например, имеет плотность 5,90 г/см, уплотненный альфа-оксид алюминия - 3,97 г/см, уплотненный оксид лантана - 6,5 г/см и уплотненный оксид церия (оксид церия (II)) - 7,1 г/см. Любые материалы, имеющие плотность, по меньшей мере, 3,50 г/см, имеют применение в этом аспекте настоящего изобретения. Материалы, обычно используемые в покрытиях "washcoat" для компонентов выхлопных систем, обычно имеют насыпные плотности <1,00 г/см, например 0,63 г/смдля гамма-оксида алюминия.
2
3
2
3
4
Фильтры, подходящие для использования в настоящем изобретении, в общем, могут быть сделаны из ряда керамических материалов, включая карбид кремния, нитрид алюминия, нитрид кремния, титанат алюминия, оксид алюминия, спеченный металл, кордиерит, муллит, поллуцит, кермет, такой как AlO/Fe, AlO/Ni или BC/Fe, или любые их комбинации. Также это может быть частично металлический фильтр, такой как тип, описанный в ЕР 1276549, или субстрат, включающий каналы, имеющие извилистые дорожки для потока, такие как те, которые описаны в ЕР 1057519.
В одном варианте воплощения, по существу, вся длина L субстрата покрыта покрытием "washcoat", включающим материал относительно высокой плотности.
Чтобы проиллюстрировать температурные градиенты, которые могут быть достигнуты во время активной регенерации, дана ссылка на Фигуру 1, которая показывает изображение с компьютерной модели регенерации активного CSF в течение периода низкой скорости потока выхлопных газов. Можно заметить, что тыловая часть фильтра, обращенная к нижнему полю Фигуры, достигает очень высоких температур, и, таким образом, зона, включающая тыловую часть фильтра, наиболее подошла бы для того, чтобы здесь была более высокая теплоемкость, обеспечиваемая покрытием "washcoat" согласно настоящему изобретению.
3
Поэтому в одном варианте воплощения зона, по существу, постоянной протяженности вверх до двух третьих полной длины L субстрата от первого конца субстрата покрыта покрытием "washcoat", включающим материал относительно высокой плотности. В этом последнем варианте воплощения зона, по существу, постоянной протяженности, такой как, по меньшей мере, от одной третьей до двух третьих от полной длины L субстрата от второго конца субстрата, покрыта покрытием "washcoat", включающим материал относительно низкой плотности, имеющий плотность менее чем 3,50 г/см. Желательно, чтобы не существовало, по существу, никакого перекрывания между зоной материала относительно высокой плотности и зоной материала относительно низкой плотности.
На практике конец субстрата для фильтра, покрытый материалом относительно низкой плотности, расположен выше по потоку. Такое расположение имеет то преимущество, что зона, включающая материал относительно низкой плотности, является более легко нагреваемой, так что фильтр в целом может достичь температуры зажигания для активной регенерации более легко. Материал относительно высокой плотности в тыловой зоне (такой как, по меньшей мере, от трети длины L до двух третьих длины L) способен более эффективно сохранять тепло в субстрате для фильтра в течение периода, в котором фильтр испытывает относительно низкие температуры выхлопных газов. Это имеет то преимущество, что требуется меньше энергии для того, чтобы активно регенерировать фильтр, т.е. сжечь сажу, уловленную в фильтре, улучшая, таким образом, экономию топлива в системе. Кроме того, поскольку масса фильтра в зоне ниже по потоку увеличена, это может предотвратить повреждение фильтра, вызванное быстрым повышением температуры (согласно уравнению (1)).
Как видно из Фигуры 1, центральная часть фильтра имеет тенденцию достигать более высоких температур, чем края фильтра. Поэтому в дальнейшем варианте воплощения покрытие "washcoat" относительно высокой теплоемкости покрывает осевую зону субстрата либо по всей длине фильтра, либо в части фильтра, продлевая вперед от тылового конца, по меньшей мере, на треть полной длины фильтра. Оставшаяся часть фильтра может быть покрыта обычным составом покрытия "washcoat".
3
3
Чтобы проиллюстрировать тот факт, что покрытие "washcoat", содержащее материал относительно высокой плотности, способно повысить теплоемкость покрытия без необходимости увеличения толщины покрытия, мы подготовили вариант воплощения, в котором зона двух третьих длины проточного фильтра с керамическими стенками с одного его конца была покрыта обычным покрытием "washcoat" на основе оксида алюминия при 0,6 г/дюйм, а остающаяся треть была покрыта покрытием "washcoat", содержащим плавленый оксид циркония при 1,8 г/дюйм. Найдено, что толщины покрытий были близкими.
3
В зонированном варианте воплощения согласно настоящему изобретению зоны, содержащие обычный материал покрытия "washcoat", могут иметь загрузку покрытия "washcoat" 0,1-1,0 г/дюйм, а зоны, содержащие материал относительно высокой плотности, могут иметь загрузку покрытия "washcoat" <1,0 г/дюйм или 1,0<4,0 г/дюйм. Процесс покрывания может быть выполнен per se известными способами, включая те, которые описаны в ЕР 1064094.
Субстраты фильтров, содержащие каталитически активный металл или соединение металла, известны как каталитические сажевые фильтры (catalysed soot filters, CSFs), и в одном варианте воплощения один или каждый из материалов покрытия "washcoat" является носителем каталитически активного металла или соединения металла, такого как один или более из металлов платиновой группы, например, платины, палладия, родия, рутения и смесей любых двух или более из них. Материал относительно высокой плотности может работать или может не работать в качестве носителя для каталитически активного металла или соединения металла. Поскольку он не имеет особенно большой площади поверхности, в специфическом варианте воплощения он не используется в качестве носителя для каталитически активного металла или соединения металла. Если материал относительно высокой плотности не используется в качестве носителя, покрытие "washcoat" может содержать, по меньшей мере, один дополнительный материал покрытия "washcoat", чтобы действовать в качестве носителя. Такой, по меньшей мере, один дополнительный материал покрытия "washcoat" может быть «обычным» материалом носителя с относительно высокой площадью поверхности, таким как оксид церия, оксид титана, оксид церия-циркония, оксид алюминия, оксид кремния-алюминия или цеолит.
Согласно второму аспекту в настоящем изобретении предлагается выхлопная система для двигателей внутреннего сгорания слабого горения, включающая субстрат для фильтра согласно настоящему изобретению.
Согласно третьему аспекту в настоящем изобретении предлагается устройство, включающее двигатель внутреннего сгорания слабого горения и выхлопную систему согласно настоящему изобретению. В одном варианте воплощения двигатель внутреннего сгорания слабого горения представляет собой дизельный двигатель (с компрессионным воспламенением).
Фактически в вариантах воплощения настоящего изобретения, включающих каталитический компонент для выхлопной системы транспортных средств, материал, используемый, чтобы покрывать части субстрата компонента, может действовать как носитель для любого присутствующего катализатора. Альтернативно, материалы, используемые, чтобы повысить теплоемкость части субстрата, могут не действовать в качестве носителя для любого присутствующего катализатора. Кроме того, может потребоваться дополнительный материал, чтобы помогать любому покрытию, используемому для повышения теплоемкости части субстрата, связываться с субстратом.
Для того чтобы настоящее изобретение могло быть понято более полно, сделаны ссылки на следующие фигуры:
Фигура 1 является изображением распределения температуры по разрезу CSF при активной регенерации в течение периода низкой скорости потока выхлопных газов;
3
Фигура 2 представляет собой диаграмму, показывающую результаты падения давления для 5,66×6-дюймовых (14,38×15,24 см) субстратов DPF, покрытых известной массой стандартного покрытия CSF и трехкратной массой покрытия высокой плотности CSF, как измерено на потоковом стенде при скоростях потока газов 600 м/ч, в начальных испытаниях; и
Фигура 3 представляет собой графическое изображение внутренней температуры каталитического сажевого фильтра, полученное в 30 мм от его тыловой стороны, в зависимости от времени, показывающее преимущество в снижении пиковых температур материала высокой плотности с покрытием "washcoat", когда дизельный двигатель возвращается на холостой ход при активной регенерации фильтра.
Обращаясь к фигуре 2, можно заметить, что материал с покрытием "washcoat" относительно высокой плотности воздействует статистически незначимо на противодавление в CSF по сравнению с материалом с покрытием "washcoat" «стандартной» плотности.
2
Фигура 3 показывает результаты эксперимента, выполненного на установленном на стенде 2,0-литровом турбодизельном двигателе; 5,66×6-дюймовый (14,38×15,24 см) кордиеритовый сажевый фильтр был гомогенно покрыт покрытием "washcoat" из плавленого оксида циркония (D90 < 5 мкм) и гомогенно пропитан раствором соли платины до 50 г/фут (1,77 г/л) Pt после высушивания и прокаливания. Контрольный каталитический сажевый фильтр был приготовлен идентично (включая толщину покрытия и т.д.), но вместо плавленого оксида циркония использовали покрытие "washcoat" из смеси оксида алюминия и смешанного оксида CeZrO.
Каждый из каталитических сажевых фильтров был вставлен в выхлопную систему установленного на стенде двигателя, и двигатель работал по определенному циклу, чтобы достичь нагружения сажей 5,9 г/л. Затем двигателем управляли по повторяемому циклу, включающему фазу относительно тяжелого использования, чтобы достичь относительно высоких температур выхлопных газов. Когда температура в центре тыловой части фильтра (измеренная с использованием термопары, расположенной в 30 мм от тыловой поверхности фильтра) достигала 400°C в течение 150 секунд, двигатель был переключен, чтобы установить операцию инжекции, посредством чего, по меньшей мере, из одного цилиндра двигателя выпускались несгоревшие углеводороды, увеличивая, таким образом, содержание углеводородов в выхлопных газах. Несгоревшие углеводороды подвергались сожжению на каталитическом фильтре, еще более повышая, таким образом, температуру в фильтре, чтобы вслед за тем промотировать, таким образом, сгорание задержанной сажи. Такая процедура для активного регенерирования каталитических сажевых фильтров известна специалистам. Например, типичная частота регенерации составляет примерно каждые 5000 км пройденного автотранспортом расстояния.
Когда фильтр достигал целевой температуры для сжигания сажи 600°C приблизительно за 180 секунд, скорость работы двигателя уменьшали до холостой для оставшейся части испытания, чтобы смоделировать сценарий «наихудшего случая» для активной регенерации фильтра.
Можно заметить, что в течение примерно 190 секунд температура в каталитическом сажевом фильтре, включающем контрольное покрытие, достигает потенциально разрушительной приблизительно в 1000°C. В отличие от этого пиковая температура для испытательного пробега с использованием покрытия "washcoat" из плавленого оксида циркония была на 98°C меньше, чем для контрольного покрытия.
Полное содержание каждого цитированного здесь документа во всей их полноте включено в описание посредством ссылки.