КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F01N3/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к системам снижения токсичности отработанных газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, в котором каталитический блок выполнен из пластин пенометаллов (никеля и меди), прижатых рабочими поверхностями, расположенными перпендикулярно направлению потока отработавших газов друг к другу без зазора. Рабочие поверхности по меньшей мере семи пластин, расположенных внутри упомянутого блока, покрыты слоем каталитически активных веществ - платины, палладия, оксидов хрома, марганца, кобальта, при этом крайняя по ходу потока пластина выполнена на основе меди, а соседняя с ней никелевая пластина внутри блока выполнена без каталитического слоя (авт. св. СССР N 1809133, МКИ F 01 N 3/02, 1993).

Недостатком данного нейтрализатора является возможность эксплуатации при сравнительно низкой температуре до 500^oC, которая определяется окалиностойкостью медного и никелевого пенометалла. Кроме того, опытные испытания каталитических блоков на основе пенометаллов высокопористых ячеистых металлов (ВПЯМ) на стендах ГАЗа и ЗИЛы показали, что при расположении пластин пенометалла в блоке без зазора и без дополнительных отверстий резко возрастает гидравлическое сопротивление блока при больших потоках выхлопных газов во время работы двигателя на больших оборотах, что приводит к значительному падению полезной мощности двигателя.

Беззазорное расположение пластин в каталитическом блоке приводит к перекрытию отверстий ячеек в одном блоке узлами ребер ячеек другого блока, прижатого к нему и, следовательно, к возрастанию, а не к снижению суммарного сопротивления потоку обработавших газов, проходящему через реактор, как указано в данном устройстве.

Рабочая поверхность каталитического блока определяется удельной поверхностью используемых ВПЯМ и в данном случае не превышает 0,1 м²/г.

Известен катализатор для очистки отходящих газов технологических процессов и автотранспорта от монооксида углерода, оксидов азота и органических соединений, содержащий носитель из пористого газопроницаемого материала и каталитически активное вещество, нанесенное на носитель и включающее по меньшей мере один металл из платиновой группы и по меньшей мере один оксид переходного металла четвертого периода периодической системы, при этом носитель имеет нерегулярную ячеистую структуру, полученную дублированием структуры полимерного открытоячеистого материала металлом со средним диаметром каждой ячейки 0,5 - 5,0 мм и кажущейся плотностью 0,1 - 1,0 г/см² (патент РФ, 2024295, МКИ B 01 J 23/64, B 01 D 53/36, 1995). В данном аналоге использованы в качестве ВПЯМ коррозионностойкие сплав никеля с хромом, нержавеющая сталь, никель, а в качестве каталитического слоя - композиции на основе платины, палладия, родия, оксидов меди, кобальта, хрома, марганца, ванадия.

Данный каталитический блок имеет все те же недостатки, что и предыдущий аналог, за исключением использования более жаростойкого ВПЯМ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, где катализатор выполнен из благородного металла, нанесенного на грунтовочное покрытие из оксида алюминия. Грунтовочное покрытие нанесено на подложку из жаропрочного высокопористого ячеистого материала - кордиерита, нихрома, никелида алюминия, никеля с пористостью 85 - 95% (патент РФ, 2029107, МКИ F 01 N 3/00, 1995).

Использование слоя вторичного носителя - оксида алюминия, позволило увеличить на три порядка рабочую поверхность каталитического блока, при этом его удельная поверхность возросла с 0,1 до 100 м²/г. Применение жаропрочного носителя нихрома обеспечивает рабочую температуру до 800^oC и создает возможность изготовлять каталитический блок любой конфигурации без ущерба его эффективности, что определяется турбулизацией потока выхлопных газов после прохождения первых ячеек ВПЯМ. В качестве каталитического слоя использованы благородные металлы - платина, родий и т.д.

Опыт практического использования изобретения при эксплуатации на российских автомобилях, не имеющих электронных карбюраторов и лямбда-зондов, оптимизирующих состав выхлопных газов и предотвращающих попадание избыточного топлива в выхлопную систему и нейтрализатор (что приводит к перегреву каталитического блока при факельном горении избытка топлива в нейтрализаторе) и вероятность проскока неразложившихся оксидов азота при поступлении бедной топливом смеси в двигатель на ряде режимов, показал необходимость повышения термостойкости и эффективности работы каталитического слоя данного нейтрализатора.

Выпуск опытных партий каталитического нейтрализатора показал необходимость снижения стоимости каталитического блока и расхода драгоценных металлов, оптимизации его гидравлического сопротивления для улучшения конкурентоспособности с лучшими мировыми аналогами, использующими другую конструкцию каталитического блока на основе сотовой керамики, или гофрированной фольги.

Так как конструкция корпуса нейтрализатора определяется конструкцией выхлопного тракта конкретного типа автомобиля, в основу изобретения положена задача создать каталитический блок с высокой термостойкостью и эффективностью работы при перегревах, с минимальным расходом ВПЯМ, драгоценных металлов и оптимальным гидравлическим сопротивлением.

Предлагаемый каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, состоящий из корпуса с впускным и выпускным патрубками и размещенного в корпусе блока катализатора на основе жаропрочного открытоячеистого высокопористого нихрома с каталитической композицией из благородных металлов, нанесенный на грунтовочное покрытие из оксида алюминия, отличается тем, что катализатор выполнен в виде блока из сборки отдельных пластин, расположенных друг от друга на расстоянии, равном 10 - 15 диаметрам внутренних ячеек.

Каталитический блок нейтрализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания может быть изготовлен из отдельных пластин жаропрочных высокопористых ячеистых металлов - нихрома, фехраля, алитированного нихрома с плотностью 0,3 - 0,8 г/см² и диаметром ячеек 0,5-5 мм с нанесенным слоем вторичного носителя гамма-оксида алюминия, модифицированного оксидом лантана и каталитическим слоем платины, родия, оксидов III-IV-валентного церия. Предпочтительно использование пластин со сквозными отверстиями диаметром, равным 1-5 диаметрам ячейки.

Высокая эффективность очистки нейтрализатора достигается благодаря протяженности каталитического блока в направлении движения газового потока и повышенным газодинамическим свойствам. Для повышения газопроницаемости блока предложено использовать пластины, имеющие сквозные отверстия в направлении движения потока. Гидравлическое сопротивление каждой пластины может регулироваться изменением размера отверстий, при этом необходимо, чтобы размер отверстий обеспечивал максимальное сохранение характеристик потока. Этому условию, как подтверждают результаты испытаний и расчетов, отвечают отверстия с размером от 1 до 5 диаметров ячейки. При размещении пластин целесообразно избегать соосности отверстий в смежных пластинах, т.е. расположение отверстий должно быть различным. Отверстия в пластине размером более 5 диаметров ячейки изменяют характер движения потока и, как следствие, снижают эффективность каталитической очистки. Выполнение отверстий менее одного диаметра ячейки конструктивно невозможно.

Зазор между отдельными пластинами в блоке нейтрализатора предназначен для выравнивания давления газового потока на выходе из одной пластины перед входом в последующую. Оптимальное расстояние между пластинами составляет 10 - 15 диаметров ячейки. Увеличение зазора выше указанных размеров ограничивается конструктивными характеристиками выхлопного тракта, а уменьшение приведет к снижению газопроницаемости блока и, как следствие, падению полезной мощности двигателя.

Исследованиями процесса протекания газового потока через блок ВПЯМ установлено, что проницаемость блока целиком и полностью определяется свойствами ВПЯМ и не зависит от характеристик потока. Изучение газодинамических характеристик носителей катализаторов доказало, что сквозные отверстия в пластинах ВПЯМ резко снижают сопротивление газовому потоку при его больших скоростях, не меняя при этом характера течения газа через ВПЯМ и химического взаимодействия компонентов газа с каталитической поверхностью ВПЯМ. Расчетная модель, построенная по данным экспериментальных исследований, показала, что наличие отверстий в ВПЯМ до определенного диаметра равнозначно кажущемуся увеличению диаметра ячейки, а наличие промежутков определенной длины между пластинами ВПЯМ, вне зависимости от их расположения, равнозначно кажущемуся снижению плотности ВПЯМ.

Оба этих приема позволяют многократно снизить объем использования ВПЯМ в сборке каталитического блока и его сопротивление газовому потоку и, соответственно, уменьшить расход драгоценных металлов без снижения эффективности работы блока по нейтрализации отработанных газов.

Введение в слой гамма-оксида алюминия оксида лантана при соответствующей последующей термообработке повышает температуру перехода оксида алюминия в альфа-фазу на 300^oC, введенная в каталитический слой платиново-родиевой черни смесь оксидов церия стабилизирует ее мелкодисперсное состояние при высоких температурах, что приводит к высокой эффективности работы каталитического блока даже в условиях перегрева.

Проверку эффективности работы заявляемого каталитического блока проводили в лаборатории материаловедения номер 11 Исследовательского центра фирмы HONDA R & D CO., LTD. Wako Research Center. 1-4-1 Chuo Wako Saitama 351-01, Япония.

Испытания проводили на цилиндрических каталитических блоках из нихромового ВПЯМ плотностью 0,6 г/см³ с размерами ячеек 2-4 мм, диаметром 25 и высотой 50 мм, расстояние между блоками составляло 20 мм, а диаметр отверстий 3 мм. В качестве слоя вторичного носителя был нанесен слой гамма-оксида алюминия, стабилизированный оксидом лантана, в количестве 15 мас.%. Содержание драгоценных и редкоземельных металлов - пластины, родия, церия, составляло 1,2 г/л каталитического блока. В качестве каталитического блока сравнения при испытаниях был выбран стандартный промышленный катализатор дожига выхлопных газов, представляющий собой кордиеритовый сотовый блок таких же размеров с каталитическим слоем Рt-Rh/Al₂O₃ с содержанием драгметаллов 5,5 г/л.

Каталитические блоки помещали в кварцевую трубу, нагреваемую по заданной программе трубчатым нагревателем, снабженным термопарой, регистрирующей температуру каталитического блока. Конвертированный газ анализировали на хроматографии непрерывного действия "HORIBA" с пламенно-ионизационным детектором для определения содержания метана, содержание NO, CO и CO₂ определяли на катарометре.

Состав и расход газа: O₂ + CO₂ + CO + NO + CH + H₂O/N₂, соотношение окислителей/восстановителей= 1, объемная скорость 60000 ч^-1. Скорость повышения температуры: 20^oC/мин до температуры 1000^oC.

Предварительно половина блоков была состарена перегревом при 900^oC в течение 20 ч для проверки стойкости.

Результаты сравнительных испытаний приведены в табл. 1.

Результаты ресурсных и сертификационных испытаний, проведенных АО "Нотек", г. Москва, в соответствии с ТУ 37.0001.1893-94 при получении сертификата соответствия Российской федерации N 00290070 на нейтрализатор отработавших газов автотранспорта, показали высокую конкурентоспособность заявляемого каталитического блока по сравнению с лучшими мировыми аналогами (табл. 2).

Таким образом, заявляемый каталитический блок обеспечивает эффективную нейтрализацию углеводородов, оксида углерода и азота в нейтрализаторах выхлопных газов автомобилей, неоснащенных лямбда-корректором и электронной регулировкой топливной смеси, при меньших габаритных расходе драгметаллов и равной эффективности с лучшими мировыми аналогами.

Изобретение может быть использовано в системах снижения токсичности отработавших газов ДВС. Нейтрализатор состоит из корпуса с впускным и выпускным патрубками и размещенного в корпусе блока катализатора на основе жаропрочного открытоячеистого высокопористого нихрома с каталитической композицией из благородных металлов, нанесенной на грунтовочное покрытие из оксида алюминия. Катализатор выполнен в виде блока из сборки отдельных пластин, расположенных друг от друга на расстоянии, равном 10-15 диаметрам внутренних ячеек. Предпочтительно использование пластин со сквозными отверстиями диаметром, равным 1-5 диаметрам ячейки. Грунтовочное покрытие оксида алюминия модифицировано оксидом лантана и/или оксидами III и/или IV валентного церия. Нейтрализатор имеет высокую эффективность очистки. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя, внутреннего сгорания, состоящий из корпуса с впускным и выпускным патрубками и размещенного в корпусе блока катализатора на основе жаропрочного открытоячеистого высокопористого нихрома с каталитической композицией из благородных металлов, нанесенной на грунтовочное покрытие из оксида алюминия, отличающийся тем, что катализатор выполнен в виде блока из сборки отдельных пластин, расположенных друг от друга на расстоянии, равном 10 - 15 диаметрам внутренних ячеек. 2. Каталитический нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что пластины снабжены сквозными отверстиями диаметром, равным 1 - 5 диаметрам ячейки. 3. Каталитический нейтрализатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что грунтовочное покрытие оксида алюминия модифицировано оксидом лантана и/или оксидами трех- и/или четырехвалентного церия.