СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ С АДСОРБИРУЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ, ПРЕЖДЕ ВСЕГО ДЛЯ УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЛОВУШКИ Российский патент 2003 года по МПК F01N3/00 

Изобретение относится к сотовому элементу с адсорбирующим материалом, прежде всего для так называемой углеводородной ловушки (НС-ловушки), предпочтительно применяемому в системе нейтрализации отработавших газов (ОГ) транспортного средства.

В связи с постоянным ужесточением во всем мире требований к токсичности ОГ транспортных средств особое внимание уделяется нейтрализации ОГ в период пуска холодного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Связано это с тем, что непосредственно после пуска ДВС в ОГ присутствует сравнительно большое количество несгоревших углеводородов, и одновременно с этим температура каталитических нейтрализаторов в системе нейтрализации ОГ еще не достигает уровня, достаточно высокого для каталитического превращения этих углеводородов. Одним из возможных путей решения проблемы снижения выбросов углеводородов, прежде всего в период пуска холодного ДВС, является применение НС-ловушки. НС-ловушка в целом представляет собой сотовый элемент с проточными для газа каналами, которые по меньшей мере частично отделены один от другого перегородками, при этом сотовый элемент покрыт адсорбирующим материалом, предпочтительно цеолитом, который при низкой температуре адсорбирует углеводороды и снова десорбирует их при более высокой температуре. Обычно подобные НС-ловушки устанавливают перед каталитическим нейтрализатором. Пример такой системы известен, например, из ЕР 0582971 В1. Аналогичная система описана в ЕР 0424966 А1, причем во избежание перегрева при продолжительном режиме работы в конце периода пуска холодного двигателя поток ОГ дополнительно направляют в обход НС-ловушки по байпасу. Сказанное может иметь определенное значение и для адсорберов других компонентов ОГ, например оксидов азота или воды.

До настоящего времени при разработке конструкции НС-ловушек и при выборе места их расположения необходимо было учитывать то обстоятельство, что на сегодняшний день практически не существует таких адсорбирующих материалов, которые обладали бы долговременной стойкостью при их использовании в системе выпуска ОГ ДВС и температура десорбции которых одновременно превышала бы минимальную температуру, необходимую для каталитического превращения углеводородов. По этой причине во всех известных в настоящее время разработках исходили из того, что НС-ловушка должна обладать высокой теплоемкостью, прежде всего более высокой теплоемкостью в сравнении с теплоемкостью расположенного за ней нейтрализатора, чтобы последний успевал нагреться до необходимой для каталитической реакции минимальной температуры, прежде чем в НС-ловушке начнется десорбция углеводородов. Подобная система описана прежде всего и в упомянутой ЕР 0582971 В1.

Тем не менее нерешенной остается проблема, заключающаяся в том, что НС-ловушка в период пуска холодного двигателя отбирает тепло от ОГ и в результате в любом случае замедляет достижение установленным за ней каталитическим нейтрализатором необходимой для каталитической реакции минимальной температуры, вследствие чего всегда достаточно трудно найти компромиссное решение при выборе размеров и определении параметров НС-ловушки и устанавливаемого за ней каталитического нейтрализатора.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой сотовый элемент с адсорбирующим материалом, прежде всего для углеводородов, который обеспечивал бы более эффективную нейтрализацию ОГ двигателя внутреннего сгорания, прежде всего в период пуска холодного двигателя.

Указанная задача решается с помощью сотового элемента с проточными для газа каналами, формой внутреннего поперечного сечения и количеством которых определяется удельная площадь геометрической поверхности (УПГП) сотового элемента, измеренная в м²/л его объема, и которые по меньшей мере частично отделены один от другого перегородками, материалом и толщиной которых определяется отнесенная к единице площади геометрической поверхности теплоемкость (ср) сотового элемента, измеренная в кДж/(К•м²), причем сотовый элемент имеет адсорбирующий материал, прежде всего адсорбирующий углеводороды материал. При этом удельная площадь геометрической поверхности (УПГП) сотового элемента, деленная на отнесенную к единице площади поверхности теплоемкость (ср), измеренную при комнатной температуре и без адсорбирующего материала и иных возможных покрытий, больше или равна 37,5 м•K/Дж [метр-кельвин на джоуль] м•K/Дж.

Теплоемкость материала зависит от его температуры, и при разработке систем нейтрализации ОГ ее часто рассматривают и задают для сравнительно высоких температурных интервалов. Однако для выполнения адсорбером, прежде всего НС-ловушкой, своих функций решающим является температурный интервал ниже 350^oС, и поэтому в рассматриваемом случае все величины указываются для комнатной температуры, т.е. для температуры в 20^oС. Теплоемкостью в этом отношении является при этом теплоемкость, отнесенная к единице площади геометрической поверхности сотового элемента, т.е. величина, зависящая от толщины и пористости перегородок и от материала.

Во всех вышеприведенных выкладках предполагалось, что НС-ловушка не должна достигать температуры десорбции, при которой начинается десорбция углеводородов, до тех пор, пока установленный за ней каталитический нейтрализатор не достигнет минимальной температуры, необходимой для каталитического превращения. Однако при этом не учитывался тот факт, что по достижении минимальной температуры, необходимой для начала каталитического превращения, происходит очень быстрое и полное превращение всех углеводородов, поскольку каталитический нейтрализатор, даже если до минимально необходимой температуры прогрелся всего лишь какой-то его отдельный участок, практически мгновенно полностью нагревается дальше в результате начавшейся экзотермической реакции и при этом обеспечивает каталитическое превращение всех поступающих в него углеводородов. В отличие от этого десорбция в НС-ловушке протекает очень медленно, в результате чего даже по достижении температуры десорбции и после ее превышения высвобождение накопленных углеводородов происходит лишь постепенно. Такой полученный расчетным и экспериментальным путем результат позволяет в отличие от существовавшей до настоящего времени в технике теории сделать вывод о том, что более эффективной является НС-ловушка, которая обладает по возможности минимальной теплоемкостью и имеет по возможности максимальную площадь геометрической поверхности, при этом, как было установлено, величина, рассчитываемая как отношение удельной площади геометрической поверхности к отнесенной к единице площади этой поверхности теплоемкости, измеренной при комнатной температуре и без адсорбирующего материала и иных возможных покрытий, и превышающая или равная 40 м•К/Дж, является оптимальной. Предпочтительна даже еще большая величина указанного отношения, превышающая или равная 60. Хотя в такой системе и происходит относительно быстрый нагрев НС-ловушки потоком ОГ в период пуска холодного двигателя и начинается постепенная десорбция углеводородов, тем не менее установленный за этой ловушкой каталитический нейтрализатор может прогреваться быстрее, поскольку НС-ловушка по мере увеличения ее температуры отбирает от потока ОГ все меньшее количество тепла, а тем самым и быстрее достигать минимальной температуры, необходимой для начала каталитического превращения. Таким образом, в целом можно констатировать, что превращение углеводородов в период пуска холодного двигателя начинается уже на очень ранней стадии, благодаря чему снижается выброс токсичных веществ. Предлагаемое в изобретении решение позволяет достичь определенных преимуществ и в отношении размеров НС-ловушки, поскольку быстрое начало каталитической реакции позволяет выполнять НС-ловушку меньшего объема, необходимого для накопления углеводородов.

В наиболее предпочтительном варианте предлагается дополнительно снабдить сам сотовый элемент каталитически активным покрытием, обладающим по меньшей мере окислительным действием. На таком покрытии сразу же по достижении минимально необходимой температуры начинается каталитическое превращение десорбированных углеводородов. При этом, как показали эксперименты, сразу же с началом такого превращения температура сотового элемента вследствие экзотермической реакции повышается, благодаря чему ускоряются процесс десорбции и превращение углеводородов. В этом состоит особое преимущество при частых поездках на автомобиле на короткие расстояния, поскольку в этом случае происходит очень быстрая и полная регенерация НС-ловушки, благодаря чему в период следующего пуска холодного двигателя она способна поглощать новое количество углеводородов.

При определении параметров и назначении размеров предлагаемого в изобретении сотового элемента определенную роль играет большое количество факторов, в частности общий объем сотового элемента, соотношение между осевой длиной и площадью поперечного сечения и место его расположения в системе выпуска ОГ. Однако вне зависимости от этого было установлено, что в целом целесообразно увеличивать удельную площадь геометрической поверхности сотового элемента, чего можно достигнуть в основном за счет увеличения количества каналов, приходящегося на единицу площади поперечного сечения. Поэтому наиболее предпочтителен сотовый элемент, в котором количество каналов на один квадратный дюйм составляет более 360, предпочтительно даже более 450 и прежде всего превышает 540.

Равным образом предлагаемый сотовый элемент предпочтительно выполнять с перегородками, обладающими по возможности минимальной теплоемкостью, что достигается в основном за счет уменьшения их толщины. Поэтому при изготовлении сотовых элементов из металлических листов, которые и образуют указанные перегородки, используют листы толщиной не более 40 мкм, предпочтительно не более 30 мкм. Аналогичным образом для керамических сотовых элементов наиболее предпочтительно использование так называемой тонкостенной керамики.

Предлагаемый в изобретении сотовый элемент предпочтительно применяют в системе нейтрализации ОГ транспортного средства, а именно в сочетании с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором ОГ, устанавливаемым за этим сотовым элементом. При таком применении предлагаемого сотового элемента может оказаться целесообразным также использование некоторых конструктивных решений, применяемых в известных системах нейтрализации ОГ, в частности использование подключаемого в зависимости от режима работы байпаса и/или электрического подогрева сотового элемента либо установленного за ним трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Пример выполнения изобретения схематично представлен на чертеже. Предлагаемый в изобретении, служащий НС-ловушкой сотовый элемент 1 имеет каналы 2, отделенные один от другого перегородками 3. Подобный сотовый элемент 1 может быть установлен прежде всего в системе 5 выпуска ОГ транспортного средства перед трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором 4. В период пуска холодного двигателя медленно нагревающийся поток ОГ вначале проходит сквозь сотовый элемент 1, при этом адсорбирующим углеводороды покрытием, в частности цеолитным покрытием, на перегородках 3 адсорбируются практически все содержащиеся в ОГ углеводороды. Затем поток ОГ проходит сквозь трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 4. Благодаря предлагаемому в изобретении оптимальному соотношению между площадью геометрической поверхности и теплоемкостью сотового элемента 1, приходящейся на единицу площади его поверхности, интервал времени, в течение которого сотовый элемент 1 уже десорбирует углеводороды, а трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 4 еще не в состоянии подвергать их соответствующему превращению, сокращен до минимума. После этого происходит практически мгновенное полное каталитическое превращение всех содержащихся в ОГ и десорбированных углеводородов, что в целом позволяет существенно снизить выброс углеводородов в сравнении с обычными системами. Этот процесс можно сделать еще более эффективным, если дополнительно снабдить сотовый элемент 1 каталитически активным покрытием, которое по меньшей мере ускоряет окисление.

Предлагаемый в изобретении сотовый элемент наиболее пригоден для применения в системах нейтрализации ОГ транспортных средств, которые должны отвечать самым высоким экологическим требованиям, предъявляемым к предельно допустимому содержанию вредных веществ.

Изобретение может быть использовано в системах нейтрализации отработавших газов (ОГ) транспортного средства. Сотовый элемент имеет проточные для газа каналы, формой внутреннего поперечного сечения и количеством которых определяется удельная площадь геометрической поверхности (УПГП) сотового элемента и которые по меньшей мере частично отделены друг от друга перегородками, материалом и толщиной которых определяется теплоемкость, отнесенная к единице площади указанной геометрической поверхности, при этом сотовый элемент имеет адсорбирующий материал, прежде всего адсорбирующий углеводороды материал. УПГП сотового элемента, деленная на отнесенную к единице площади поверхности теплоемкость, измеренную при комнатной температуре и без адсорбирующего материала и иных возможных покрытий, больше или равна 37,5 м•К/Дж. Сотовый элемент может дополнительно иметь каталитически активное покрытие, обладающее по меньшей мере окислительным действием. Сотовый элемент предпочтительно изготовлен из набранных в пакет или свернутых в рулон металлических листов толщиной не более 40 мкм и имеет более 450 каналов на квадратный дюйм площади его поперечного сечения. При нейтрализации отработавших газов транспортных средств такие параметры НС-ловушки позволяют снизить выброс токсичных веществ в период пуска холодного двигателя. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Сотовый элемент (1) с проточными для газа каналами (2), формой внутреннего поперечного сечения и количеством которых определяется удельная площадь геометрической поверхности (УПГП) сотового элемента (1) и которые по меньшей мере частично отделены друг от друга перегородками (3), материалом и толщиной которых определяется теплоемкость, отнесенная к единице площади поверхности, при этом сотовый элемент имеет адсорбирующий материал, прежде всего адсорбирующий углеводороды материал, отличающийся тем, что удельная площадь геометрической поверхности (УПГП) сотового элемента (1), измеренная в м²/л его объема и деленная на отнесенную к единице площади поверхности теплоемкость (ср), измеренную в кДж/(К•м²) при комнатной температуре и без адсорбирующего материала и иных возможных покрытий, больше или равна 37,5 м•К/Дж] . 2. Сотовый элемент по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно имеет каталитически активное покрытие, обладающее по меньшей мере окислительным действием. 3. Сотовый элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что количество каналов (2), приходящееся на один квадратный дюйм, составляет по меньшей мере 360, предпочтительно более 450, прежде всего более 540. 4. Сотовый элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он изготовлен набором в пакет или свертыванием в рулон металлических листов, а толщина перегородок (3) меньше или равна 40 мкм. 5. Сотовый элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью установки в системе (5) нейтрализации отработавших газов (ОГ) транспортного средства перед трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (4) ОГ.