BRPI0921618B1

BRPI0921618B1 - filtro de partículas diesel com propriedades aperfeiçoadas de pressão dinâmica

Info

Publication number: BRPI0921618B1
Application number: BRPI0921618-9A
Authority: BR
Inventors: Franz Dornhaus; Stephanie Frantz; Gerald Jeske
Original assignee: Umicore Ag & Co. Kg
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2020-08-25
Also published as: EP2181749B1; BRPI0921618A2; RU2011122210A; DE502008003033D1; ATE503549T1; PL2319606T3; JP2012507402A; EP2319606B2; EP2181749B2; CN102196853B; EP2181749A1; WO2010051877A1; CN102196853A; KR101643910B1; US20120014842A1; EP2974779A1; PL2319606T5; US9051857B2; EP2319606B1; KR20110091736A

Abstract

filtro de partículas diesel com propriedades aperfeiçoadas de pressão dinâmica. a presente invenção refere-se a um filtro de partículas diesel, que contém um substrato de filtro de fluxo tubular cerâmico e um revestimento aplicado nos dutos de afluência, sendo que este revestimento é composto de um material com ponto de fusão elevado. o revestimento (6) é formado de maneiro tal, que ele fecha os poros (5) que conectam os dutos de afluência (1) e os dutos de escoamento (2) na parede (4) para partículas de fuligem (7) do lado da afluência sem impedir, com isso, a passagem dos componentes gasosos do gás de exaustão. o revestimento pode ser fabricado a partir de um ou mais óxidos com ponto de ebulição elevado ou a partir de material fibroso com ponto de ebulição elevado. nos dois casos, o revestimento leva a que a filtração profundo é nitidamente reduzida e, dessa maneira, o aumento da pressão dinâmica a ser observado durante a fase de filtração profunda é significativamente reduzida.

Description

FILTRO DE PARTÍCULAS DIESEL COM PROPRIEDADES APERFEIÇOADAS DE PRESSÃO DINÂMICA

[0001] A presente invenção refere-se a um filtro de partículas diesel com propriedades aperfeiçoadas de pressão dinâmica que se adaptam para a remoção de fuligem diesel do gás de escape de motores diesel, especialmente em veículos automotores.

[0002] O gás de escape de veículos automotores, operados por motor diesel contêm, além dos gases nocivos como seja monóxido de carbono (CO) e óxidos nitrílicos (NOx), também componentes que se originam da combustão incompleta do combustível dentro do compartimento combustor do cilindro. Fazem parte, além de hidrocarbonetos residuais que também estão presentes preponderantemente em forma gasosa, existem emissões de partículas também designadas como "fuligem diesel" ou "partículas de fuligem". No caso, se trata de aglomerados complexos de partículas de substâncias sólidas, preponderantemente contendo carbono e de uma fase líquida aderente que geralmente consiste em condensados de hidrocarbonetos de cadeia mais longa. A fase liquefeita que adere nos componentes fixos também é designada como "Soluble Organic Fraction SOF" - "fração orgânica solúvel SOF" ou "Volatile Organic Fraction VOF" - "fração orgânica volátil VOF".

[0003] Para a remoção dessas emissões de partículas são empregados filtros para partículas. Diante da atual problemática criada pelo pó fino, progressivamente são empregados substratos de filtração de fluxo em parede cerâmicos que se destacam por elevada eficiência de filtragem também em relação a partículas pequenas. Estes substratos de filtração de fluxo em paredes são corpos de colmeia cerâmicos com canais de afluxo e de escoamento, alternadamente fechados, estanques a gás. A figura 1 apresenta esquematicamente um substrato de filtração de fluxo de parede deste tipo. O gás de escape contendo partículas que fluem dentro dos canais de afluxo 1 é forçado pela rolha estanque a gás (3), existente no lado do escoamento, para passar pela parede (4) porosa, passando a escoar nos canais de escoamento (2), fechados no lado do afluxo, abandonando o substrato de filtração de fluxo em parede. No caso, fuligem de diesel será eliminada por filtração do gás de escape.

[0004] A filtração da fuligem no substrato da filtração de fluxo de parede, na passagem pela parede, pode ser descrita como um processo de dois estágios. Em uma primeira fase, a chamada "fase de filtração profunda", na passagem do gás de escape contendo partículas, através das paredes, as partículas de fuligem permanecem nos poros da parede, onde aderem (figura 2b). Isto resulta em uma diminuição do diâmetro de poros na parede e por consequência em um aumento saltiforme da pressão dinâmica sobre o substrato de filtração de fluxo de parede. Tão logo o diâmetro dos poros estiver reduzido de forma muito acentuada, para permitir a penetração nos poros de partículas de fuligem de tamanho médio e maior, começará uma formação de bolo de filtração (figura 2c) em toda a região de afluxo do canal. Durante a formação deste bolo de filtrado, aumenta a pressão dinâmica sobre o substrato de filtração de fluxo de parede, apenas em sentido linear, com a quantidade filtrada de fuligem diesel. A figura 3 apresenta esquematicamente o desenvolvimento da pressão dinâmica sobre o filtro de fluxo de parede, partindo do filtro isento de fuligem, como função da quantidade de fuligem acolhida. (1) apresenta a pressão dinâmica do filtro sem fuligem, (2) representa um aumento da fase de filtração profunda e (3) representa o aumento da pressão dinâmica linear durante a fase da formação do bolo de filtrado.

[0005] O processo de dois estágios acima descrito da filtração de fuligem no substrato de filtração de fluxo de parede é válido de maneira geral; ele é observado nos substratos de filtração do fluxo de parede sem revestimento, da mesma maneira como nos substratos de filtração de fluxo de parede com revestimento catalítico ativo, com revestimento de ignição de fuligem ou com revestimentos que apresentam especiais estruturas de ancoragem para aprimorar a eficiência do processo da filtração. A configuração básica do filtro do fluxo de parede influencia acentuadamente a pressão dinâmica da peça em estado isento de fuligem como pode ser depreendido da figura 4. Substratos de filtração de fluxo de parede, revestidos cataliticamente ou aqueles com uma camada de ignição de fuligem (2) típica, apresentam, em estado sem fuligem, uma pressão de dinâmica de saída, nitidamente maior do que substratos de filtração de filtro de fluxo de parede, sem revestimento (1); o traçado da curva da pressão de recalque da pressão dinâmica, com crescente carga de fuligem, todavia, pode ser comparado com o traçado da curva da pressão dinâmica do substrato (1), não revestido. Um substrato com um revestimento (3) que aumenta a eficiência do processo da filtração, normalmente apresenta uma pressão de dinâmica de saída em estado isento de fuligem que pode ser comparado ao estado da pressão dinâmica de filtros de fluxo de parede, cataliticamente revestidos. O aumento da pressão dinâmica durante a fase da filtração profunda, todavia, é consideravelmente maior porque o raio dos poros, em virtude das estruturas de ancoragem, controladamente integradas, se estreita ainda mais rapidamente.

[0006] Basicamente, é indesejada uma elevada pressão dinâmica da mesma forma como um rápido aumento da pressão dinâmica nos filtros de partículas diesel, empregados em veículos automotores, porque esta elevada pressão na operação faz com que o rendimento do motor precisa ser empregado para forçar o gás de escape pela instalação de purificação de gás de escape. Este rendimento do motor será perdido para o acionamento do veículo automotor. O aproveitamento ótimo do rendimento do motor para o acionamento é, todavia, idêntico a um aumento do aproveitamento efetivo do combustível e significa vantagens de consumo de combustível e, portanto, também emissões de CO2 menores do veículo automotor.

[0007] Constitui tarefa da presente invenção, oferecer um filtro de partículas diesel que se destaca por propriedades de pressão dinâmica aprimoradas, sem revelar menor eficiência de filtração, ou piores propriedades catalíticas, ou propriedades de ignição de fuligem.

[0008] Esta tarefa será solucionada por um filtro de partículas diesel, contendo um substrato cerâmico de filtro de fluxo de parede e um revestimento de um material de alto índice de fusão, integrado nos canais de afluxo, material este que é de tal ordem que fecha os poros que interligam os canais de afluxo e de escoamento na parede, na parte do afluxo, para as partículas de fuligem, sem bloquear, todavia, a passagem dos componentes de gás de escape gasosos (Figura 5).

[0009] Isto é logrado por um revestimento que contém várias quantidades de óxido ou também de várias quantidades de óxido de elevado índice de fusão, cujo tamanho de partículas é de tal modo sincronizado aos tamanhos de poros na parede dos substratos de filtração de fluxo de parede que o valor d50 da distribuição de tamanho de partículas dos óxidos é igual ou superior ao valor d5 da distribuição da dimensão de poros do substrato de filtro de fluxo de parede, sendo que, ao mesmo tempo, o valor d90 da distribuição de tamanho de partículas dos óxidos é igual ou superior ao valor d95 da distribuição de dimensão de poros do substrato de filtração de fluxo de parede. No caso, com relação ao valor d50, ou seja, d90, da distribuição de tamanho de partículas dos óxidos, deve-se compreender que 50%, ou seja, 90% do volume global dos óxidos somente contêm aquela partícula, cujo diâmetro é menor ou igual ao valor indicado como d50, ou seja, d90. O valor d5, ou seja, o valor d95 da distribuição de tamanho de poros do substrato de filtração do fluxo de parede deve-se compreender que 5%, ou seja, 95% de todo volume de poros determináveis pelo poro simetria de mercúrio é formado por poros cujo diâmetro é menor ou igual ao valor indicado como d5, ou seja, d95.

[00010] A funcionalidade exigida do revestimento aplicado nos canais de afluxo também é dada quando o revestimento contém várias partes de um material fibroso, com elevado índice de fusão, que se aplica como uma esteira, permeável ao gás, sobre as aberturas dos poros, dificultando assim, de modo significativo, ou no caso mais vantajoso, ou até evitando completamente a penetração de partículas de fuligem também finíssimas, dentro dos poros. Um material de fibras adequado deve ser escolhido de tal maneira que o comprimento médio das fibras esteja situado entre 50 e 250 μm e o diâmetro médio, referido à massa das fibras, é igual ou inferior ao valor d50 da distribuição de tamanho de poros do substrato do filtro de fluxo de parede, sendo que o valor d50 da distribuição de tamanho de poros do substrato do filtro de fluxo de parede deve-se compreender que 50% de todo o volume de poros que pode ser determinado pelo poro simetria de mercúrio é representado por poros cujo diâmetro é menor ou igual ao valor indicado d50.

[00011] Em ambos os casos, o revestimento faz com que a filtração profunda seja nitidamente reduzida e assim durante a fase da filtração profunda, o aumento da pressão dinâmica que ali é observada, é significativamente reduzido. A figura 6 mostra esquematicamente o efeito que é logrado pelo revestimento aplicado.

[00012] O conceito da redução da pressão dinâmica pela aplicação de um revestimento que reduz a filtração profunda nos canais de afluxo pode basicamente ser empregado em todos os substratos de filtro de fluxo de parede. Conformações preferidas dos componentes, de acordo com a invenção, contêm substratos de filtração de fluxo de parede que são produzidos de carboneto de silício, cordierita ou de titanato de alumínio e os poros integrados nas paredes, entre canais de afluxo e de escoamento apresentam diâmetros médios, situados entre 5 e 50 μm, especialmente preferido, entre 10 e 25 μm.

[00013] As modalidades mais importantes, de acordo com a invenção, serão em seguida detalhadamente descritas. O revestimento, de acordo com a invenção, cuja função reside em reduzir nitidamente a filtração profunda, será a seguir designado como "Overcoat" - cobertura.

[00014] Na reivindicação é indicado um filtro de partículas de acordo com a invenção 2, com uma cobertura que contém varias partes um, ou vários óxidos com alto índice de fusão. Para que a cobertura seja de tal modo constituído que os poros que interligam os canais de afluxo e de escoamento, sejam fechados para partículas de fuligem, sem bloquear a passagem dos componentes de gás de escape gasosos, os materiais empregados para a cobertura precisam ser cuidadosamente selecionados. Especialmente, os óxidos a serem usados devem apresentar uma distribuição de tamanho de partículas que seja adequada à distribuição do tamanho de partículas na parede do substrato. A função consoante à designação da cobertura será cumprida quando o valor d50 da distribuição de tamanho de partículas dos óxidos é igual ou maior do valor d5 da distribuição de tamanho de poros do substrato de filtração de fluxo de parede e ao mesmo tempo, o valor d90 da distribuição de tamanho de partículas de óxidos seja igual ou superior ao valor d95 da distribuição de tamanho de poros do substrato de filtro de fluxo de parede. (O que deve ser compreendido sob os correspondentes valores dx da distribuição de tamanho de partículas, por um lado, e da distribuição de tamanho de partículas, por outro lado, já foi acima explicado). De preferência são empregados óxidos, cuja distribuição de tamanho de partículas apresenta um valor d50, superior ou igual a 5 μm, com um valor d90 superior ou igual a 20 μm. São especialmente preferidos os óxidos com um valor d50, entre 10 e 15 μm e um valor d90, situado entre 25 e 40 μm. De preferência são empregados óxidos que apresentam um valor d50 de 10 a 15 μm e um valor d90 de 30 até 35 μm. Estes últimos se destacam além de uma funcionalidade otimizada, relativamente à redução da filtração do fundo, também por uma aderência, especialmente boa, no substrato de filtração de parede.

[00015] Com alguns óxidos, as necessárias regiões do tamanho das partículas exigidas podem ser bem reguladas por uma pré-moagem controlada do óxido, antes da introdução no substrato do filtro de fluxo de parede. Para poder aproveitar de modo amplo esta vantagem, os óxidos da cobertura, preferencialmente, serão escolhidos do grupo constituído de óxido de alumínio, óxido de alumínio estabilizado por metal terroso raro, sesquióxido-metalterroso-raro, dióxido de titânio, óxido de zircônio, óxido compostoCer-zircônio, pentóxido de vanádio, trióxido de vanádio, trióxido de wolfrânio, trióxido de molibdênio e suas misturas. Especialmente preferido, são escolhidos óxidos do grupo constituído de óxido de alumínio, óxido de alumínio estabilizado-metalterroso-raro, sesquióxido-metalterroso-raro, óxido de zircônio e suas misturas.

[00016] Materiais baseados em zeolitos não se adaptam geralmente como cobertura oxídica porque os tamanhos de partículas de zeólitos sintéticos geralmente estão situados com tamanhos médios de partículas de d50 < 3 μm, nitidamente abaixo dos valores aqui requisitados.

[00017] Para garantir um modo de funcionamento mais otimizado possível da cobertura oxídica com menor influência possível para o revestimento para a pressão dinâmica de saída que diminui a filtração profunda, a cobertura será aplicada preferencialmente com uma espessura de camada de 10 até 150 μm, especialmente preferido, de 20 até 100 μm e nos canais de afluxo do substrato de filtração de fluxo de parede. Para a escolha acima mencionada de possíveis materiais de cobertura oxídicos, podem ser apresentadas espessuras de camadas correspondentes com uma carga de 1 até 50 g/L substância sólida referida ao substrato do filtro de fluxo de parede. De modo especialmente preferido são cargas de 1 até 20 g/L substância sólida, especialmente sendo vantajosas espessuras de camadas de 1 até 10 g/L substância sólida referida ao volume do substrato de filtração de fluxo de parede.

[00018] Para produzir um filtro de partículas diesel, de acordo com a invenção, com uma cobertura oxídica, é selecionado um óxido adequado, sendo suspenso em uma quantidade de água que ao menos é duas vezes tão grande como o volume de poros do óxido escolhido. Eventualmente, a suspensão aquosa assim obtida do óxido será moída com o auxílio de um moinho Dyno até a regulagem da desejável distribuição do tamanho de partículas. A adição de substâncias coadjuvantes para aumentar a estabilidade da sedimentação da suspensão neste estágio do processo de produção, é inofensiva para a função da cobertura a ser produzida desde que estas substâncias coadjuvantes possam ser totalmente removidas em processo térmico na calcinação, no último passo preparatório. Também a adição por mistura de aglomerantes como ácido silícico e outras salmouras inorgânicas é inofensiva e pode, em algumas modalidades, eventualmente até ser vantajoso. Após a eventual regulagem da distribuição do tamanho de partículas por moagem, a suspensão será introduzida por bombeamento, dentro dos canais de afluxo, do substrato de filtração de fluxo de parede a ser revestida. Após o enchimento completo dos canais de afluxo com a suspensão, a suspensão excedente será novamente aspirada e removida do substrato de filtração de fluxo de parede. No caso, o rendimento da sucção deverá ser escolhido de tal maneira que no término do processo permaneça no canal de afluxo a quantidade predeterminada de carga de substância sólida. O substrato de filtração de fluxo de parede revestida assim produzido será seco na corrente de ar quente a 80 até 180°C e em seguida será calcinado a 250 até 600°C, de preferência a 300 até 500°C. Após a calcinação poderá ser empregado sem outro tratamento.

[00019] De acordo com a presente invenção, um filtro de partículasé indicado com uma cobertura que contém em várias camadas, o material de fibras com alto índice de fusão. O material de fibras deverá ser de tal ordem que nos canais de afluxo se posiciona como uma esteira permeável ao gás sobre as aberturas dos poros na parede, dificultando assim de modo significativo e em caso mais vantajoso, até suprimindo de forma mais ampla a penetração também de partículas finíssimas de fuligem, dentro dos poros. A fim de que isto seja assegurado, o material de fibras deverá ser selecionado de tal maneira que o comprimento médio das fibras esteja entre 50 e 250 μm e o diâmetro médio referido à massa das fibras seja igual ou menor ao valor d50 da distribuição de tamanhos de poros do substrato de filtração de fluxo de parede. Com o valor d50 da distribuição de tamanhos de poros do substrato de filtro de fluxo de parede deve-se compreender quer 50% de todo o volume de poro, que pode ser determinado pelo poro simetria de mercúrio, é formado por poros cujo diâmetro é menor ou igual ao valor indicado como sendo d50. De preferência, são empregadas fibras com um comprimento médio de fibras de 100 até 150 μm e um diâmetro médio referido à massa da fibra de 5 até 15 μm.

[00020] O material de fibras deverá ser de tal modo resistente à temperatura que resiste às temperaturas normais de operação e de regeneração do filtro de partículas diesel, na faixa de 100 até 800°C, isto é, a temperatura da fusão das fibras deverá estar situada acima de 800°C. Muitas fibras que cumprem estas exigências técnicas como, por exemplo, asbesto, mulita, lã mineral com reduzidos diâmetros de fibras e fibras de óxido de alumínio, liberam pós de fibras carcinogênicos. O material de fibra que é empregado no filtro de partículas diesel, consoante à invenção, portanto, deve se preferencialmente selecionar do grupo dos materiais não prejudiciais à saúde, consistindo de lã mineral, fibras de pedra natural, e lã mineral com diâmetros de fibras superiores a 5 μm. São especialmente preferidos fibras de pedra natural. Estas fibras de pedra natural consistem preponderantemente em dióxido de silício, óxido de alumínio, óxido de cálcio e de magnésio. Além disso, podem conter óxidos de ferro e óxidos alcalinos, especialmente óxido de potássio e óxido de sódio. Fibras de pedra natural adequadas são obtidas, por exemplo, de basalto fundido. São comercializados como materiais de inibição no comércio de material de construção.

[00021] Pelo emprego de material de fibras com elevado índice de fusão para a produção da cobertura, as espessuras da cobertura no componente, de acordo com a invenção, podem ser reduzidas de 1 até 50 μm. De modo preferido, uma cobertura de material de fibra com elevado índice de fusão, possui uma espessura de camada de 3 até 30 μm. Estas podem ser representadas com uma carga da cobertura de 1 até 30 g/L de substância sólida, referida ao volume do substrato de filtro de fluxo de parede. São especialmente preferidas as cargas de 2 até 15 g/L de substância sólida, especialmente vantajosa quantidade de carga de 2 até 5 g/L de substância sólida, referida ao volume do substrato do filtro de fluxo de parede.

[00022] A produção de um filtro de partículas diesel de acordo com a invenção, se verifica pela suspensão das fibras em uma quantidade suficiente de água e pelo bombeamento desta suspensão, a partir do lado do afluxo, através do substrato do filtro de fluxo de parede. No caso, a quantidade em suspensão, introduzida por bombeamento no substrato, deverá ser escolhida de material que a quantidade do material de fibras ali contidas corresponda à carga de substância sólida a ser aplicada.

[00023] Para bombear a parcela da suspensão aquosa pela parede, será necessária uma pressão de bombeamento correspondentemente elevada. Eventualmente podem ser adicionadas à suspensão do revestimento quantidades reduzidas de substâncias coadjuvantes aglomerantes, desde que o tamanho de seus grãos seja suficientemente grande para que permaneçam nos compartimentos intermediários das fibras e não penetrem nos poros, entre os canais de afluxo e de escoamento. Eventualmente, como substâncias coadjuvantes aglomerantes também podem ser considerados ácidos silícicos e outras salmouras inorgânicas. Após o bombeamento da suspensão de revestimento, o substrato de filtro de fluxo de parede será seco na corrente de ar quente a 80 até 180°C e em seguida será calcinado a 250 até 600°C, de preferência 300 até 500°C. Após a calcinação, poderá ser empregado sem outro tratamento adicional.

[00024] Comparado com a produção de um filtro de partículas diesel de acordo com a invenção, a suspensão do revestimento, na produção de um filtro de partículas diesel de acordo com a invenção, com coberturas de fibras, não pode ser aspirada e removida dos canais de afluxo do substrato de filtro do fluxo de parede, porque a carga da aspiração teria por consequência uma ruptura da esteira de fibras introduzida e, portanto, uma liberação dos poros. Os poros assim liberados continuariam a estar acessíveis para partículas de fuligem; em consequência desta situação, foi observada uma medida majorada de filtração profunda e o potencial que reduz a pressão dinâmica não seria totalmente exaurido.

[00025] Já foi mencionado que o conceito da redução da pressão dinâmica pela aplicação de um revestimento (cobertura) que diminui a filtração profunda nos canais de afluxo pode ser basicamente empregado em todos os substratos de filtro de fluxo de parede. Fazem parte também substratos de filtro de fluxo de parede de revestimento catalítico ou substratos de filtração de fluxo de parede com revestimentos redutores da temperatura de ignição de fuligem.

[00026] Por exemplo, podem ser empregadas coberturas de material de elevado índice de fusão, oxídico, ou material fibroso, com elevado índice de fusão, conforme foram acima descritos, sendo aplicados em substratos de filtro de fluxo de parede que contêm um revestimento catalítico ativo e/ou um revestimento redutor da temperatura de ignição de fuligem e que está presente de modo preponderante nos poros da parede, entre os canais de afluxo e de escoamento. De preferência, esses substratos de filtração de fluxo de parede já revestidos receberão uma cobertura de material fibroso, porque esta forma do revestimento que reduz a filtração profunda é especialmente eficaz, já no caso de espessuras de camadas muito finas. As espessuras de camadas preferidas para uma eficácia ótima da cobertura oxídica, de acordo com a presente invenção, podem eventualmente fazer com que a pressão dinâmica inicial, da parte isenta de fuligem, aumente de modo mais intenso do que uma redução da pressão dinâmica ao evitar a filtração profunda.

[00027] De acordo com a aplicação do veículo automotor pode também ser vantajoso aplicar sobre um filtro de partículas diesel de acordo com a invenção com cobertura, um revestimento adicional cataliticamente ativo e/ou o revestimento adicional que reduz a temperatura de ignição de fuligem é aplicado nos tubos de afluência, sendo que este revestimento é composto de um material com ponto de fusão elevado, que é formado de maneira tal, que este fecha os poros que conectam os canais de afluxo e escoamento na parede para partículas de fuligem do lado da afluência sem impedir, com isso, a passagem dos componentes gasosos do gás de exaustão. Uma modalidade deste tipo apresenta, todavia, basicamente a desvantagem de que pela disposição sobreposta de duas camadas nos canais de afluxo, aumenta de modo exorbitante a pressão dinâmica inicial do filtro isento de fuligem. Portanto, estas formas de acabamento somente são consideradas para aplicações em veículos especiais, nas quais o consumo de combustível é assunto de importância secundária, mas para os quais, por exemplo, em virtude de condições operacionais médias menores, é exigida uma ignição de fuligem a temperaturas muito reduzidas e/ou uma medida elevada de regeneração de partículas contínuas (efeito CRT®) assim como é o caso, por exemplo, para máquinas de construção e as chamadas aplicações "Non-Road" - fora da estrada.

[00028] Modalidades especialmente bem adequadas para muitas aplicações de veículos automotores são obtidas quando, a partir de um filtro de partículas diesel de acordo com a invenção, se realizam com cobertura oxídica, se proceder a uma ativação catalítica adicional do revestimento redutor da aplicação profunda.

[00029] Conforme acima descrito, os óxidos das coberturas são de preferência selecionados do grupo constituído de óxido de alumínio, óxido de alumínio estabilizado de metal-terroso-raro, sesquióxido-metalterroso-raro, dióxido de titânio, óxido de zircônio, óxido misto-cer-zircônio, pentóxido de vanádio, trióxido de vanádio, trióxido de wolfrâmio, trióxido de molibdênio, e suas misturas. Estes óxidos não raramente formam a base para revestimentos redutores da temperatura de ignição de fuligem e/ou para revestimentos com atividade oxidante catalítica ou redutora catalítica que podem ser empregados para transformar os gases nocivos como monóxidos de carbono e hidrocarbonetos residuais e óxidos nítricos, contidos no gás de escape diesel, além da fuligem diesel, em componentes inofensivos. Desta maneira, poderá ser lograda uma ativação catalítica adicional do revestimento redutor da filtração profunda, pela mistura adicional ou impregnação de componentes atuantes, em sentido oxidante catalítico ou redutor catalítico e/ou de componentes que podem reduzir a temperatura de ignição de fuligem.

[00030] Em seguida, a invenção será descrita com base em algumas figuras e exemplos.

[00031] As figuras mostram:

[00032] Figura 1: representação esquemática de um substrato de filtro de fluxo de parede;
parte da figura (1a) mostra a vista superior para a face frontal com canais abertos, em lados alternados ( - representados em branco -) e ( - representados em preto - ), canais fechados estanques a gás;
a parte da figura (1b) é um recorte do substrato do filtro de fluxo de parede como esboço básico que esclarece o modo de funcionamento;
ali designam:
as setas, a direção do fluxo do gás de escape;

(1) Canal de afluxo;
(2) Canal de escoamento;
(3) Rolha estanque a gás;
(4) Parede porosa, isto é, permeável ao gás.

[00033] Figura 2: representação esquemática do processo de filtração de fuligem em um substrato de filtração de fluxo de parede; ali designam:
as setas, a direção do fluxo do gás de escape;

(1) Canal de afluxo;
(2) Canal de escoamento;

[00034] A parte (2a) da figura é um recorte ampliado da parede do substrato de filtro de fluxo de parede com poros;
a parte (2b) da figura mostra esquematicamente a sequência da filtração profunda;
a parte da figura (2c) mostra esquematicamente a sequência da formação do bolo de filtrado;

[00035] Figura 3: apresenta esquematicamente a formação da pressão de recalque sobre um substrato de filtro de fluxo de parede como função da quantidade de fuligem acolhida; ali designam:

(1) Pressão dinâmica incipiente, em estado isenta de fuligem;
(2) Aumento da pressão dinâmica durante a fase da filtração profunda;
(3) Aumento da pressão dinâmica durante a fase da formação do bolo de filtrado;

[00036] Figura 4: representação esquemática da formação da pressão dinâmica em diferentes substratos de filtro de fluxo de parede como função da quantidade de fuligem acolhida; ali designam:

(1) A curva de evolução da pressão dinâmica em um substrato de filtro de fluxo de parede, não revestido,
(2) A curva da formação de pressão dinâmica em um substrato de filtro de fluxo de parede com revestimento catalítico ou revestimento de ignição de fuligem,
(3) A evolução da pressão dinâmica em um substrato de filtro de fluxo de parede com um revestimento que apresenta estruturas de ancoragem especiais para aprimorar a eficiência do processo filtrante.

[00037] Figura 5: representação esquemática de um recorte de um filtro de partículas diesel de acordo com a invenção, contendo um substrato cerâmico de filtração de fluxo em parede e uma cobertura (6) aplicada nos canais de afluxo (1), consistindo em material com elevado ponto de fusão, e de tal ordem que fecha os poros (5) na parede (4) no lado do afluxo para as partículas de fuligem (7), poros estes que unem os canais de afluxo (1) e os canais de escoamento (2), sem evitar no caso a passagem dos componentes gasosos, do gás de escape.

[00038] Figura 6: representação esquemática da evolução da pressão dinâmica

(1) Em um substrato de filtro de fluxo de parede de acordo com o estado da técnica, sem o revestimento prejudicial à filtração profunda;
(2) Em um substrato de filtro de fluxo de parede de acordo com a invenção, com um revestimento que evita a filtração profunda.

[00039] Figura 7: de tamanho de poros determinada pelo poro simetria de mercúrio do substrato cerâmico de filtro de fluxo de parede SD 031 da empresa Ibiden em uma aplicação logarítmicas simples.

[00040] Figura 8: distribuição de tamanho de partículas do óxido para produzir a cobertura oxídica do exemplo 2, após a moagem, em aplicação logarítmica simples;

[00041] Figura 9: medição comparativa da pressão dinâmica do filtro de partículas diesel, sem cobertura (#) do exemplo comparativo e do filtro de partículas diesel com cobertura (#ov) do exemplo 2, sendo que ambas as curvas medidas foram corrigidas pela subtração do valor do segmento axial reduzido em 1 da curva para o componente #, sem cobertura.

Exemplo 1:

[00042] Um substrato de filtro de parede cerâmico SD 031 da empresa Ibiden, que evidenciou a distribuição do tamanho de poros e um valor de d50 de 10 μm, mostrado na figura 7, recebeu uma cobertura de um material fibroso, com elevado índice de fusão.

[00043] Para tanto, foi suspenso em água um material de fibras de pedra natural com um comprimento médio de fibras de 125 μm e um diâmetro médio referido à massa das fibras de 9 μm. Após a adição de cerca de 5%, em peso, de salmoura de ácidos salicílicos SD-OUP da Nissan Chemical, referido à quantidade de substância sólida global, a suspensão foi bombeada no lado do canal de afluxo, através do substrato de filtração de fluxo de parede, sendo que a quantidade de suspensão bombeada pelo substrato, continha precisamente a quantidade a ser aplicada de material de fibras de 5 g/L referido ao volume do componente. O componente assim provido de uma esteira de fibra, foi seco na ventoinha aquecedora a 120°C e, em seguida, também foi calcinado na ventoinha a quente, durante uma hora, a 350°C.

[00044] O filtro assim produzido, comparado ao substrato não revestido, apresentou um aumento da pressão dinâmica, nitidamente menor pela filtração profunda, medido como função da quantidade de carga de fuligem.

Exemplos Comparativos:

[00045] Para produzir filtros de partículas de diesel, cataliticamente revestidos, de acordo com o estado da técnica, dois substratos de filtro de fluxo de parede cerâmicos de titanato de alumínio da Empresa Corning receberam uma cobertura de material cataliticamente ativo.

[00046] Para tanto, foi produzido inicialmente um pó contendo metal nobre como componente cataliticamente ativo do revestimento. Para sua obtenção foi impregnado um óxido de alumínio γ, estabilizado com 3%, em peso de sesquióxido de lântano com uma mistura de uma solução aquosa de um composto percussor de platina e de uma solução aquosa em um composto percussor de paládio, com enchimento de poros, sendo que a quantidade global da solução aquosa, com a qual o óxido de alumínio γ foi tratado, foi selecionada de tal maneira que a capacidade de fluidez do pó permaneceu preservada. O pó úmido resultante da impregnação foi seco pela duração de 10 horas a 120°C e em seguida foi calcinada durante quatro horas a 300°C. O pó pronto, contendo metal nobre continha 11%, em peso, de metal nobre, referido a quantidade global de pó, com uma relação de platina: paládio de 2:1.

[00047] O componente catalítico ativo assim revestido no revestimento, com mistura, foi suspenso em uma quantidade de água que correspondeu aproximadamente a duas vezes e meia a água absorvida pelo pó. A suspensão daí obtida, com o auxílio de um moinho Dyno, passou a ser moída até que a distribuição de tamanho de partículas apresentou um valor d100, inferior a 7 μm.

[00048] Após a regulagem de um adequado teor de substância sólida, abaixo de 20%, o bombeamento dentro dos canais de afluxo e subsequente aspiração foram aplicados nas paredes do substrato de filtração de fluxo de parede, acima mencionado. Em seguida, os filtros foram secos a 120°C na ventoinha quente e durante quatro horas a 300°C foram calcinados em um forno estacionário. A quantidade aplicada de revestimento cataliticamente ativo, nos filtros de partículas diesel prontos, correspondeu a aproximadamente 28 g/L referido ao volume do componente.

Exemplo 2:

[00049] Para a produção de um filtro de partículas diesel, de acordo com a invenção, um filtro de partículas diesel, cataliticamente revestido, constante no exemplo comparativo, recebeu uma cobertura oxídica.

[00050] Para obter uma suspensão de revestimento adequado para a cobertura, foi suspensa em uma quantidade de água, uma quantidade adequada de 3%, em peso, de sesquióxido de lântano, com óxido de alumínio estabilizado mediante mistura, quantidade de água esta que correspondeu aproximadamente a duas vezes e meia a água acolhida pelo óxido empregado. A suspensão assim obtida foi moída em um moinho Dyno até que a distribuição de tamanho de partículas apresentou um valor de d50 de cerca de 10 μm (exatamente: 10, 35 μm) e um valor d90 de cerca de 30 μm (exatamente 29, 48 μm). A figura 8 apresenta a distribuição do tamanho de partículas do óxido já moído e suspenso, medido com o aparelho medidor de tamanho de partículas LS230 da Beckman Coulter.

[00051] Após o ajuste de um teor de substância sólida adequado de cerca de 18%, de substância sólida, a suspensão foi aplicada em um dos filtros de partículas diesel, já cataliticamente revestido, do exemplo de comparação, por bombeamento da suspensão de revestimento, nos canais de afluxo, e subsequente aspiração. Em seguida, o filtro foi seco a 120°C na ventoinha quente e durante quatro horas foi calcinado a 350°C, em um forno estacionário. A quantidade da carga alocada à cobertura no filtro acabado, de partícula de diesel foi de 5 g/L referido ao volume do componente.

[00052] O comportamento da pressão dinâmica, mediante carga de fuligem, foi examinado de forma comparativa no filtro de partículas diesel, cataliticamente revestido e produzido no exemplo comparativo, consoante o estado da técnica, bem como no filtro de partículas diesel, de acordo com a invenção, conforme o exemplo 2. A geração das curvas da pressão dinâmica durante a carga do filtro com fuligem se verificou com a unidade denominada "Diesel Particulate Generator" -"gerador de partículas diesel" DPG da Empresa Cambustion, cujo princípio e metódica de medição são conhecidos ao versado, sendo realizados nas condições padrão, recomendados pelo fornecedor do aparelho.

[00053] A figura 9 apresenta o resultado do exame comparativo da pressão dinâmica como função da quantidade de fuligem acolhida. # designa o filtro de partículas diesel sem cobertura do exemplo comparativo, #ov o filtro de partículas diesel com cobertura do exemplo 2. Na figura 9, as duas curvas medidas foram corrigidas pelo valor 1 reduzido do valor do segmento axial da curva para o componente # sem cobertura, a fim de mostrar a influência direta da cobertura.

[00054] Pode-se reconhecer nitidamente que o filtro com cobertura #ov, partindo da mesma pressão de recalque inicial, revelou um aumento nitidamente menor na região da curva da pressão dinâmica, atribuível à filtração profunda. O diferencial da pressão de recalque observado entre o filtro de partículas diesel com cobertura e o filtro de partículas diesel sem cobertura é de cerca de 0,6 KPa (6 mbar).

Claims

Filtro de partículas diesel contendo um substrato de filtração de fluxo em parede cerâmico e um revestimento aplicado nos dutos de afluência, caracterizado por ser formado de maneira tal, que este fecha os poros que conectam os canais de afluxo e escoamento na parede para partículas de fuligem do lado da afluência sem impedir, com isso, a passagem dos componentes gasosos do gás de exaustão,
em que o revestimento contém predominantemente um ou mais óxidos com alto índice de fusão, cujos tamanhos de partículas são adaptados aos tamanhos de poros na parede do substrato de filtro de fluxo tubular de maneira tal, que o valor d50 da distribuição do tamanho de partícula dos óxidos é igual ou maior do que o valor d5 da distribuição do tamanho da partícula do substrato de filtro de fluxo tubular, sendo que, ao mesmo tempo, o valor d90 da distribuição do tamanho de partícula dos óxidos é igual ou maior do que o valor d95 da distribuição do tamanho de poros do substrato de filtro de fluxo tubular, sendo que os óxidos apresentam uma distribuição do tamanho de partícula com valor d50 de 10 a 15 μm e um valor de d90 de 25 a 40 μm,
em que o valor d50 ou o valor d90 da distribuição do tamanho de partícula dos óxidos deve ser entendido, tal que 50% ou 90%, respectivamente, do volume total dos óxidos contém somente aquelas partículas, cujo diâmetro é menor ou igual ao valor indicado como d50 ou d90, e em que o valor d5 ou o valor d95 da distribuição de tamanho de partícula na parede do substrato de filtro de fluxo tubular deve ser entendido, tal que 5% ou 95% de todo o volume de poros determinável através de porosimetria de mercúrio são formados por poros, cujo diâmetro é menor ou igual ao valor indicado como d5 ou como d95.
Filtro de partículas diesel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os óxidos são selecionados do grupo consistindo de óxido de alumínio, óxido de alumínio estabilizado com metal terroso-raro, sesquióxido-metalterroso-raro, dióxido de titânio, óxido de zircônio, óxido misto de cério-zircônio, pentóxido de vanádio, trióxido de vanádio, trióxido de tungstênio, trióxido de molibdênio e misturas desses.
Filtro de partículas diesel de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento apresenta uma espessura de camada de 10 a 150 μm.
Filtro de partículas diesel de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o substrato de filtro de fluxo tubular é fabricado de carbeto de silício, cordierita ou titanato de alumínio e os poros contidos entre os tubos de afluência e escoamento apresentam um diâmetro médio entre 5 e 50 μm.
Filtro de partículas diesel de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o substrato de filtro de fluxo tubular contém um revestimento cataliticamente ativo e/ou um revestimento que reduz a temperatura de ignição de fuligem, a qual está principalmente presente nos poros da parede entre os tubos de afluência e escoamento.
Filtro de partículas diesel de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o revestimento adicional cataliticamente ativo e/ou o revestimento adicional que reduz a temperatura de ignição de fuligem é aplicado nos tubos de afluência, sendo que este revestimento é composto de um material com ponto de fusão elevado, que é formado de maneira tal, que este fecha os poros que conectam os canais de afluxo e escoamento na parede para partículas de fuligem do lado da afluência sem impedir, com isso, a passagem dos componentes gasosos do gás de exaustão.
Filtro de partículas diesel de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os componentes de ação catalítica de oxidação ou catalítica de redução e/ou componentes, que podem reduzir a temperatura de ignição de fuligem, são adicionados ao revestimento, que contém predominantemente um ou mais óxidos com ponto de ebulição elevado através de mistura ou impregnação.