Фильтр, содержащий множество элементов в виде сот, объединённых в нецентрированную сборку

ФИЛЬТР, СОДЕРЖАЩИЙ МНОЖЕСТВО ЭЛЕМЕНТОВ В ВИДЕ СОТ, ОБЪЕДИНННЫХ В НЕЦЕНТРИРОВАННУЮ СБОРКУ(71)(73) Заявитель и патентовладелец: СЭН-ГОБЭН САНТР ДЕ РЕШЕРШ Э Д'ЭТЮД ЭРОПЕЕН (FR) Джасси Алессандро, Карранса Франсиско Хосе (FR) Представитель: Изобретение относится к фильтрующей структуре газа, содержащего частицы, включающей сборку элементов сотового типа, связанных соединением, при этом каждый элемент содержит комплекс ходов или соседних каналов 20 с параллельными осями, разделенных пористыми стенками, при этом упомянутые ходы закупорены с одной или с другой из ее сторон для образования входных камер, открывающихся со стороны приема газов, и выходных камер, открывающихся на поверхность 25 удаления газов таким образом, что фильтруемый газ проходит через пористые стенки, при этом упомянутая структура отличается тем, что ее геометрический центр в соответствии с сечением структуры, перпендикулярным ее главной оси, не соответствует элементу симметрии одного элемента или группы элементов 30 в сборке. 014622 Изобретение относится к области фильтрующих структур объединенного типа, содержащих, при необходимости, каталитический компонент и используемых, например, в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания дизельного типа. Фильтры, осуществляющие обработку газов и удаление копоти, обычно выходящей из дизельного двигателя, хорошо известны в технике. Их конструкции имеют, чаще всего, сотовую структуру, одна из поверхностей которой служит для приема обрабатываемых выхлопных газов, а другая поверхность служит для выхода обработанных выхлопных газов. Структура содержит между приемной и выходной поверхностями комплекс проходов или расположенных рядом каналов с параллельными осями, отделенных один от другого пористыми перегородками. Проходы закрыты с одного или другого конца для образования входных камер, открывающихся на приемную поверхность, и выходных камер, открывающихся на выходную поверхность. Каналы попеременно закрыты в таком порядке, что выхлопные газы при проходе через сотовую структуру вынуждены проходить через боковые стенки входных каналов, чтобы попасть в выходные каналы. Таким образом, частицы или сажа оседают и собираются на пористых стенках фильтрующего тела. В настоящее время для фильтрации газов используют фильтры из пористой керамики, например из кордиерита, гидроокиси алюминия, муллита, нитрида кремния, смеси кремний/карбид кремния или карбида кремния. Фильтры или пористые структуры для фильтрации сажи широко используются в устройствах для очистки выхлопных газов тепловых дизельных двигателей и гораздо реже - бензиновых. Настоящее изобретение неограничивающим образом относится, в частности, к таким устройствам. В выхлопной автомобильной системе фильтры частиц известным образом последовательно осуществляют фазы фильтрации (аккумулирование сажи) и регенерации (удаление сажи). В процессе фаз фильтрации частицы сажи, выбрасываемые двигателем, удерживаются и остаются внутри фильтра. В процессе фаз регенерации частицы сажи сжигаются внутри фильтра для восстановления его фильтрующих способностей. Таким образом, пористая структура подвергается интенсивным тепловым и механическим напряжениям, которые могут привести к образованию микротрещин, способных с течением времени привести к значительной потере фильтрующей способности комплекса и даже к полной потере его работоспособности. Это явление особенно проявляется в монолитных фильтрах большого диаметра. Для решения этих проблем и повышения срока службы фильтров недавно были предложены более сложные фильтрующие структуры, объединяющие в одном фильтрующем блоке многочисленные монолитные элементы с сотовой структурой. Наиболее часто элементы соединены между собой склеиванием с помощью цемента с керамическими свойствами, называемого далее в описании соединительным цементом или соединением. Примеры таких фильтрующих структур даны, например, в заявках на патенты ЕР 816065, ЕР 1142619, ЕР 1455923, а также WO 2004/090294. Известно, впрочем, что введение фильтра частиц описанного выше типа в выхлопную систему двигателя приводит к потере мощности, способной ухудшить рабочие характеристики последнего. Встраиваемый фильтр должен, следовательно, быть таким, чтобы исключить или уменьшить до минимума такое ухудшение. Изготовление фильтров частиц по изобретению осуществляется путем соединения параллелепипедных элементов, наиболее часто с квадратным сечением, с помощью соединительного цемента. Толщина соединения между двумя смежными элементами составляет порядка от 1 до 3 мм. После отверждения и схватывания цемента получают жесткую форму с достаточным механическим сопротивлением для обработки с целью получения формы фильтра к его посадочному месту в выхлопной системе. В общем,изготовление фильтра заканчивается этапом нанесения покрывающего слоя цемента, который изолирует изготовленный фильтр. Дополнительное требование, необходимое для надлежащего качества фильтра при работе, связано со способом изготовления собственно структуры и, особенно, с вопросом обработки различных элементов. Так, после обработки выясняется, что если остаточная часть наиболее удаленных элементов структуры является очень маленькой, существует риск чрезмерного отрыва материала, неизбежным следствием чего является хрупкость полученной конечной структуры и даже в крайних случаях полный отрыв элемента от своего цементного соединения. Заявителем было выявлено, что остаточный объем наиболее удаленных элементов должен обычно оставаться ниже одной шестнадцатой и предпочтительно одной восьмой первоначального объема перед обработкой для того, чтобы минимизировать риски таких явлений и сделать способ, таким образом, совместимым с промышленным производством. Сборные фильтры, описанные в известных публикациях и продающиеся в настоящее время, обладают по меньшей мере одной осью симметрии. Наиболее характерными формами являются круглые, как описано в заявках ЕР 1455923 или WO 2004/090294, или овальные, как описано в заявках ЕР 816065, а также в ЕР 1626037. Хотя обе представленные формы являются наиболее используемыми, другие различные формы также могут иметь место. Единичные элементы имеют обычно ширину сечения, составляющую от 30 до 50 мм. Например,для изготовления круглого фильтра диаметром примерно 14 см требуется 14 единичных элементов квадратного сечения и шириной 36 мм. Во всех этих сборках геометрический центр фильтра в плоскости поперечного сечения совпадет-1 014622 либо с центром одного из элементов, либо с положением, занимаемым соединительным цементом, соединяющим два элемента, либо еще с положением соединительного цемента, соединяющего четыре элемента фильтра. В заявке на патент ЕР 1371406 описана сборочная структура, в которой наименьшее расстояние, отделяющее центр тяжести упомянутой структуры от поверхности соединения, меньше на 1/10 наибольшего расстояния между упомянутым центром и окружностью фильтра. Целью настоящего изобретения является, таким образом, изготовление сотовой структуры нового типа для решения комплекса вышеупомянутых проблем. Точнее говоря, изобретение относится к фильтрующей структуре, содержащей соединение многих описанных выше монолитных элементов в сотовую структуру и обеспечивающей для максимальной эффективности фильтрования и повышения срока службы комбинацию следующих свойств: минимальная потеря нагрузки при работе обычно в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания,достаточная термомеханическая прочность для сопротивления напряжениям при работе фильтра,минимальный объем внешних элементов в конечной сборке, т.е. после обработки, по меньшей мере,равный одной шестнадцатой и предпочтительно равный, по меньшей мере, одной восьмой объема одного элемента в центральном положении. Фильтрующая структура по изобретению отличается нецентрированной или децентрированной сборкой элементов, т.е. геометрический центр упомянутой структуры не соответствует центру одного элемента или не совпадает с элементом симметрии, размещенным среди множества других элементов. В более общей форме настоящее изобретение относится к фильтрующей структуре газов с частицами, содержащей сборку элементов сотового типа, связанных соединением, при этом каждый входящий в сборку элемент включает комплекс ходов или соседних каналов с параллельными осями, разделенных пористыми стенками, причем упомянутые ходы закупорены с одной или с другой из ее сторон для образования входных камер, открывающихся со стороны поверхности приема газов, и выходных камер, открывающихся со стороны выхода газов таким образом, что фильтруемый газ проходит через пористые стенки, при этом упомянутая структура отличается тем, что ее геометрический центр в соответствии с сечением структуры, перпендикулярным ее главной оси, не соответствует элементу симметрии одного элемента или группы элементов в сборке, а также тем, что она отвечает следующим геометрическим характеристикам в упомянутой плоскости сечения: если 0 D 3xLe + 4xLj, или если 4xLe + 5xLj D 4,25xLe + 4xLj, или если 6xLe + 5xLj D 7xLe + 6xLj, или если 8xLe + 7xLj D 8,5xLe + 6xLj, то d находится между 0 исключительно и 0,1xLjxLe,если 3xLe + 4xLj D 3,5xLe + 5xLj, или если 4,25xLe + 5xLj D 5xLe + 5xLj, то d находится между 0,2xLjxLe и 0,35xLjxLe,где D является наибольшим отрезком, связывающим две точки оболочки фильтра, d является расстоянием между центром элемента, находящегося наиболее близко от центрального положения в этой сборке, и геометрическим центром фильтра, Le является полной шириной единичного элемента, a Lj является средней толщиной соединения. Параметры D, d, Lj и Le соответствуют номинальным значениям и выражены в мм. Предпочтительно в соответствии с изобретением отрезок D проходит, кроме того, через геометрический центр фильтра, а именно, по главной оси симметрии фильтра. В качестве материала на основе SiC в настоящем описании рассматривается, что упомянутый материал содержит по меньшей мере 30 мас.% SiC, предпочтительно 70 мас.% SiC и особо предпочтительно по меньшей мере 98 мас.% SiC. Предпочтительно фильтрующая структура содержит множество фильтрующих элементов на основеSiC, связанных между собой соединительным цементом, теплопроводность которого составляет по меньшей мере 0,3 Вт/мK между 20 и 800 С. Повышенная теплопроводность соединительного элемента позволяет предпочтительно сделать однородной теплопередачу в фильтре, тогда как малая теплопроводность, меньшая 0,3 Вт/мK (измерение обычно производится при 600 С), повышает тепловые градиенты и термомеханические напряжения в соединении и внутри фильтра. Обычно сечение элемента, образующего собранную структуру, представляет собой параллелограмм и предпочтительно квадрат, при этом ширина элемента составляет от 30 до 50 мм. Типично средняя толщина соединения структуры составляет от 0,5 до 4 мм. Предпочтительно толщина стенок составляет от 200 до 500 мкм. Структура может содержать, кроме того, каталитическое покрытие для обработки выхлопных газов типа СО или НС и NOx. Типичная структура по изобретению содержит множество сотовых элементов, связанных между собой соединительным цементом, при этом число каналов в фильтрующих элементах составляет от примерно 7,75 до примерно 62 на см 2, при этом упомянутые каналы имеют сечение примерно от 0,5 до 9 мм 2. Изобретение относится также к использованию структуры в соответствии с одним из предшествующих притязаний в качестве фильтра частиц в выхлопной системе дизельного или бензинового двига-2 014622 теля, предпочтительно дизельного. В дальнейшем изобретение поясняется примерами, не являющимися ограничительными, для лучшего понимания изобретения и его преимуществ. Примеры В нижеследующих примерах синтезируется серия фильтров, отвечающих критериям в соответствии с настоящим изобретением и иллюстрирующих свои преимущества по сравнению с другой серией фильтров, представленных для сравнения и не отвечающих критериям в соответствии с изобретением. Все фильтры обобщены в соответствии со следующим методом. 1) Синтез элементов: единичные элементы были синтезированы следующим образом. В смесителе вначале была приготовлена в соответствии с известным уровнем техники первичная смесь порошка карбида кремния порообразующего агента типа полиэтилена и органического связующего типа метилцеллюлозы. К смеси порошков добавляют воду и перемешивают до получения гомогенной пасты, пластичность которой позволяет осуществить экструзию через фильеры монолитных сотовых структур квадратного сечения, размерные характеристики которых даны в табл. 1. Таблица 1 Затем высушивают микроволнами полученные необработанные монолиты в течение времени, достаточного для того, чтобы довести содержание химически несвязанной воды по меньшей мере до 1 мас.%. Попеременно закупоривают каналы с каждой стороны монолита известным образом, описанным,например, в заявке WO 2004/065088. Далее монолит обжигают при повышении температуры 20 С/ч до достижения температуры порядка 2200 С, при которой его выдерживают в течение 2 ч. В конечном итоге получают серию монолитов из карбида кремния, микроструктурные характеристики которых практически одинаковы. 2) Сборка фильтра. В соответствии с разъяснениями заявки на патент ЕР 816065 элементы далее объединяются между собой с помощью склеивания цементом керамической природы, затем обрабатываются для образования фильтров необходимого диаметра. Соединительный цемент приготавливается путем смешивания 85 вес.% порошка SiC с размерами гранул от 10 до 200 мкм,4 вес.% порошка кальцинированной гидроокиси алюминия, выпускаемой обществом Almatis,10 вес.% порошка активной гидроокиси алюминия, выпускаемой обществом Almatis,0,8 вес.% временного связующего и пластификатора типа целлюлозы,0,2 вес.% антикоагулянта типа TPPNa (триполифосфата натрия). Добавляют воду в количестве, соответствующем 15 вес.% этой смеси, для получения цемента необходимой вязкости. В соответствии с таким способом синтеза получают различные фильтры по изобретению или сравнительные образцы путем изменения формы фильтра, его диаметра и положения и размера элементов внутри фильтра относительно его геометрического центра. Было проведено исследование с цементом малой теплопроводности при смешивании 44 вес.% порошка SiC с гранулами с размерами от 10 до 200 мкм,5 вес.% порошка кальцинированной гидроокиси алюминия, выпускаемой обществом Almatis,10 вес.% порошка активной гидроокиси алюминия, выпускаемой обществом Almatis,40% полых сфер, выпускаемых Envirospheres под наименованием е-сферы, которые имеют химический состав, обычно 60% SiO2 и 40% Al2O3 со средним размером порядка 100 мкм,0,8 вес.% временного связующего и пластификатора типа целлюлозы,0,2 вес.% антикоагулянта типа TPPNa (триполифосфата натрия).-3 014622 Добавляют воду в количестве, соответствующем 30 вес.% этой смеси, для получения цемента желаемой вязкости. Предпочтительно при сборке в зависимости от размеров и формы готового фильтра некоторые единичные элементы разрезаются по главной оси, т.е. по длине, таким образом, чтобы использовать минимально необходимое число для каждой сборки. Элементы большего размера выполнены с использованием экструзионной фильеры, приспособленной к желаемому размеру элемента. Свойства фильтров измерены в соответствии со следующими протоколами. А. Измерение потери нагрузки. Под потерей нагрузки в настоящем изобретении имеется в виду дифференциальное давление, существующее между входом и выходом фильтра. Потеря нагрузки была измерена в соответствии с известным уровнем техники для расхода воздуха в 300 м 3/ч в потоке окружающего воздуха. В. Измерение термомеханического сопротивления. Различные фильтры были встроены в выхлопную систему дизельного двигателя 2,0 L, работающего при полной мощности (4000 об./мин) в течение 30 мин, затем разобраны и взвешены для определения их начальной массы. Фильтры затем были вновь установлены на двигательный стенд с режимом в 3000 об./мин и крутящим моментом в 50 Nm для получения нагрузки сажей в 8 г/л. Получившие такую нагрузку фильтры были встроены в выхлопную систему для обеспечения жесткой регенерации, полученной следующим образом: после стабилизации режима двигателя в 1700 об./мин и крутящим моментом в 95 Nm в течение 2 мин был осуществлен послевпрыск с 70-ной фазировкой для расхода послевпрыска в 18 мм 3/ход. После начала сжигания сажи, точнее, когда потеря нагрузки уменьшается, по меньшей мере, в течение 4 с, режим двигателя снижается до 1050 об./мин и крутящего момента в 40 Nm в течение 5 мин для того, чтобы ускорить сжигание сажи. Далее двигатель работает при режиме 4000 об./мин в течение 30 мин, чтобы полностью освободить фильтр от остатков копоти. Уровень растрескивания фильтра определяется в соответствии с неразрушающим способом, описанным в заявке на патент FR-A-2840405 и включающим, в частности, измерение распространения ультразвуковых волн в фильтре. Среди параметров распространения (скорость распространения, частота и амплитуда волн) скорость проявляет себя как надежный индикатор количества и серьезности трещин. Значительное уменьшение скорости распространения по сравнению со скоростью распространения ультразвуковых волн в новом материале может действительно свидетельствовать о наличии трещин. Показатель растрескивания соответствует в процентном отношении изменению скорости распространения ультразвуковых волн в регенерированном фильтре по сравнению с новым фильтром перед регенерацией, при этом оба измерения осуществляются в соответствии с одним и тем же операционным протоколом. Обычно этот показатель является отрицательным. Скорости распространения звуковых волн измеряют обычно при частоте 50 КГц. В качестве оборудования может быть, например, использовано оборудование, выпускаемое обществом CNS Farnell под названием Pundit plus. Нижеприведенная табл. 2 для различных конструкций фильтров, выполненных в соответствии с изобретением или нет, позволяет сравнить рабочие характеристики, получаемые в рамках потери мощности и механической стойкости. Таблица 2 Проблема с механической стойкостью: высокая хрупкость периферических элементов.-4 014622 Из табл. 1 видно, что примеры 1, 2, 3, 4 и 7 по изобретению по сравнению соответственно с примерами 1 а, 2 а и 2b, 3 а, 4 а, 6 а и 7 а, не входящими в изобретение, показывают термомеханическую стойкость,по меньшей мере, также удовлетворительную, что было измерено по показателю растрескивания и потере нагрузки. Отмечают также, что сравнительный фильтр 2b показывает меньшую потерю нагрузки, чем объект изобретения, но он имеет значительно меньшую механическую стойкость периферических элементов при использовании в качестве фильтра частиц. Такая слабая механическая стойкость была вызвана остаточным объемом некоторых периферических объемов фильтра, меньшим 1/16 и даже 1/8 объема элемента в центральном положении. Сравнительный пример 5 а, отличающийся цементом с очень малой проводимостью, показывает гораздо более слабую термомеханическую стойкость, чем пример 3 по изобретению. Кроме того, для эквивалентных размеров и форм табл. 2 показывает, что структуры по изобретению требуют для своей сборки использования минимального количества единичных элементов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Структура для фильтрации газов, загрязненных частицами, содержащая сборку элементов сотового типа, связанных соединением, при этом каждый входящий в сборку элемент включает набор примыкающих друг к другу трубок или каналов с параллельными осями, разделенных пористыми стенками,закрытых попеременно с одной или другой стороны для разграничения впускных каналов, открывающихся со стороны впуска газов, и выпускных каналов, открывающихся со стороны выпуска газов таким образом, что фильтруемый газ проходит через пористые стенки, отличающаяся тем, что геометрический центр сечения структуры, перпендикулярного ее главной оси, не совпадает с элементом симметрии одного элемента или группы элементов сотового типа в сборке, причем указанная структура отвечает следующим геометрическим характеристикам: если 0 D 3xLe + 4xLj, или если 4xLe + 5xLj D 4,25xLe + 4xLj, или если 6xLe + 5xLj D 7xLe + 6xLj, или если 8xLe + 7xLj D 8,5xLe + 6xLj, то d находится между 0 и 0,1xLjxLe,если 3xLe + 4xLj D 3,5xLe + 5xLj, или если 4,25xLe + 5xLj D 5xLe + 5xLj, или если 5,6xLe + 3xLj D 6xLe + 5xLj, то d находится между 0,2xLjxLe и 0,35xLjxLe,где D является наибольшим сегментом, связывающим две точки оболочки фильтра и проходящим через геометрический центр фильтра и по основной оси симметрии фильтра, d является расстоянием между центром элемента, находящегося в центральном положении в сборке, и геометрическим центром фильтра, Le является полной шириной единичного элемента, a Lj является средней толщиной соединения. 2. Фильтрующая структура по п.1, в которой сегмент D проходит, кроме того, через геометрический центр фильтра и по главной оси симметрии фильтра. 3. Фильтрующая структура по п.1 или 2, содержащая множество фильтрующих элементов на основеSiC, связанных между собой соединительным цементом, термическая проводимость которого составляет по меньшей мере 0,3 Вт/мK в диапазоне от 20 до 800 С. 4. Структура по одному из пп.1-3, в которой сечение одного элемента является параллелепипедным,предпочтительно квадратным, причем ширина элемента составляет от 30 до 50 мм. 5. Структура по одному из предыдущих пунктов, в которой средняя толщина соединения составляет от 0,5 до 4 мм. 6. Структура по одному из предыдущих пунктов, в которой толщина стенок составляет от 200 до 500 мкм. 7. Структура по одному из предыдущих пунктов, содержащая, кроме того, каталитическое покрытие для обработки выхлопных газов типа СО или НС и NOx. 8. Структура по одному из предыдущих пунктов, в которой множество элементов сотовой структуры связано между собой посредством соединительного цемента, при этом число каналов в фильтрующих элементах составляет примерно от 7,75 до 62 см 2, причем упомянутые каналы имеют сечение примерно от 0,5 до 9 мм 2. 9. Применение структуры по одному из предыдущих пунктов в качестве фильтра частиц в выхлопной системе дизельного или бензинового двигателя, предпочтительно дизельного.