КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к каталитическому преобразователю для нейтрализации отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего дизельного двигателя или двигателя, работающего на обедненных смесях, имеющему по меньшей мере один сотовый элемент с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками проточными каналами для ОГ, при этом указанный преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении протекания потока ОГ первую и вторую зоны, теплоемкость первой из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента, меньше приходящейся на единицу объема сотового элемента теплоемкости второй зоны.

С постоянным ужесточением во многих странах законодательств по охране окружающей среды связана необходимость во все более точном согласовании характеристик каталитических преобразователей, используемых для нейтрализации ОГ, с характеристиками ДВС транспортных средств и режимами их работы.

Для нейтрализации ОГ двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси с целью сокращения выбросов токсичных веществ в период пуска холодного двигателя известно применение каталитического преобразователя, у которого имеется первая зона с минимально возможной теплоемкостью, приходящейся на единицу объема, каковая зона благодаря этому быстро нагревается, инициирует каталитическую реакцию и нагревает за счет образующейся при такой реакции тепловой энергии расположенные за ней части каталитического преобразователя. Пример каталитического преобразователя такого типа описан в WO 92/02716.

Сотовые элементы с пониженной теплоемкостью на входном участке описаны также в US 5549873 и в ЕР 0705962 А1. Общим согласно всем этим трем публикациям является то, что первая зона имеет меньшую площадь поверхности по сравнению со второй зоной, за счет чего в основном и достигается снижение теплоемкости.

Наряду с вышеописанными монолитными сотовыми элементами с пониженной теплоемкостью в первой зоне во многих системах выпуска ОГ используются конструкции с двумя сотовыми элементами, первый из которых характеризуется меньшим числом каналов, приходящихся на площадь поперечного сечения, и, как следствие, обладает более низкой теплоемкостью.

В последние годы в конструкторских разработках наблюдается общая тенденция к уменьшению толщины стенок у всех сотовых элементов и достижению в целом по возможности минимальной теплоемкости. Причина этого состоит не только в снижении массы, но и прежде всего в стремлении обеспечить по возможности минимальную потерю давления в системе выпуска ОГ в сочетании со стремлением по возможности максимально увеличить площадь поверхности на единицу объема.

Весь этот вышеописанный практический опыт, накопленный в основном в ходе проведения исследований на ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси и справедливый в отношении таких ДВС, относится к двигателям обычных типов, у которых соотношение между воздухом и топливом в горючей смеси поддерживается по возможности точно стехиометрическим.

Вместе с тем, однако, такие наработки невозможно непосредственно перенести на дизельные двигатели или так называемые двигатели, работающие на обедненных смесях, т.е. на двигатели, работающие со значительным избытком воздуха в горючей смеси, прежде всего на двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина. При работе такого двигателя его ОГ из-за большого избытка воздуха имеют значительно более низкую температуру, чем при работе на стехиометрической горючей смеси. Несмотря на сохраняющееся, как очевидно, стремление как можно быстрее достичь в каталитическом преобразователе после пуска холодного двигателя необходимой для каталитического преобразования рабочей температуры, тем не менее при последующей работе двигателя, прежде всего при работе на холостом ходу, температура ОГ опускается до таких значений, при которых каталитический преобразователь в определенных условиях охлаждается до температуры ниже той рабочей температуры, которая необходима для каталитического превращения, в результате чего при последующем переходе на работу в режиме нагрузки вначале происходит выброс в окружающую атмосферу токсичных веществ, пока температура каталитического преобразователя не достигнет рабочей.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой каталитический преобразователь для нейтрализации ОГ, который допускал бы его применение прежде всего с дизельными двигателями и работающими на обедненных смесях двигателями и который после пуска холодного двигателя быстро достигал бы рабочей температуры, но при этом не охлаждался бы быстро ниже нее в последующие периоды работы двигателя, когда ОГ имеют более низкую температуру.

Указанная задача решается с помощью предложенного каталитического преобразователя для нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, прежде всего дизельного двигателя или двигателя, работающего на обедненных смесях, имеющего по меньшей мере один сотовый элемент с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками проточными каналами для ОГ, при этом указанный преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении протекания потока ОГ первую и вторую зоны, теплоемкость первой из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента, меньше приходящейся на единицу объема сотового элемента теплоемкости второй зоны. Согласно изобретению приходящаяся на единицу объема сотового элемента теплоемкость второй зоны составляет по меньшей мере 800 джоулей на литр и градус Кельвина (Дж/л-К).

В предпочтительном варианте выполнения изобретения сотовый элемент образован слоями свернутых в рулон, набранных в пакет или S-образно скрученных по меньшей мере частично структурированных металлических листов, которые образуют стенки каналов, при этом в первой зоне толщина указанных металлических листов без покрытия составляет в среднем менее 0,06 мм, предпочтительно менее 0,04 мм, а во второй зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем более 0,06 мм, предпочтительно более 0,08 мм, прежде всего 0,11 мм.

При этом предпочтительно, чтобы в первой зоне толщина стенок, включая покрытие, составляла менее 0,08 мм, а во второй зоне составляла больше 0,1 мм, предпочтительно больше 0,12 мм.

Целесообразно, чтобы первая зона и вторая зона были образованы двумя отдельными сотовыми элементами.

Целесообразно также, чтобы первая зона и вторая зона были выполнены в монолитном сотовом элементе.

Предпочтительно первую зону и вторую зону выполнить за счет использования покрытий различной толщины.

Следует отметить, что осевая длина второй зоны должна быть по меньшей мере вдвое больше осевой длины первой зоны.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения осевая длина первой зоны составляет от 10 до 60 мм, предпочтительно от 20 до 50 мм. Предпочтительно далее, чтобы приходящееся на единицу площади поперечного сечения количество каналов в первой и во второй зонах было примерно одинаково и прежде всего составляло более 55 каналов на квадратный сантиметр, а значения площади поверхности, приходящейся на единицу объема в первой и во второй зонах, были в основном одинаковы.

Основная идея настоящего изобретения состоит в создании в каталитическом преобразователе за обычной зоной с низкой теплоемкостью, наличие которой и в данном случае также является целесообразным, второй зоны с особо высокой теплоемкостью, приходящейся на единицу объема сотового элемента. При этом, в отличие от описанной выше общей тенденции, вполне допустимо увеличение массы и незначительное увеличение потерь давления, учитывая значительное повышение показателей нейтрализации ОГ.

Согласно изобретению каталитический преобразователь для нейтрализации ОГ имеет по меньшей мере один сотовый элемент с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками проточными каналами для ОГ, при этом преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении протекания потока ОГ первую и вторую зоны, теплоемкость первой из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента, меньше теплоемкости второй зоны. Вторая зона обладает согласно изобретению особо высокой теплоемкостью, составляющей по меньшей мере 800, предпочтительно по меньшей мере 900 джоулей на литр и градус Кельвина (Дж/л-К). Наличие столь высокой теплоемкости у второй зоны позволяет аккумулировать в ней тепло, которое при низкой температуре ОГ может поддерживать в течение определенного промежутка времени каталитическую реакцию.

После пуска холодного двигателя первая зона, как известно, быстро нагревается, и в ней начинается каталитическое превращение токсичных компонентов ОГ, прежде всего углеводородов и моноксида углерода. Эта экзотермическая реакция способствует быстрому нагреву второй зоны, начинающей в этом случае аккумулировать тепло. В этот период пуска холодного двигателя для каталитического превращения вполне достаточно площади поверхности первой зоны каталитического преобразователя, благодаря чему медленный нагрев второй зоны никак отрицательно не влияет на выброс токсичных веществ. В то же время вторая зона может за счет накопленного в ней тепла поддерживать каталитическую реакцию при последующей работе двигателя, когда ОГ имеют более низкую температуру, а первая зона вследствие ее низкой теплоемкости будет быстро охлаждаться до температуры, ниже необходимой для каталитического превращения. В последующем, когда температура ОГ вновь повысится, экзотермическое превращение вновь быстро сместится в первую зону, а вторая зона будет в результате снова быстро нагреваться и сможет аккумулировать новое количество тепла. Такой процесс обеспечивает в целом равномерную эффективную нейтрализацию ОГ, в том числе и при смене режимов работы двигателя, как это прежде всего имеет место при городском цикле езды и при соответствующих циклах испытаний или проверки.

В принципе существует несколько возможностей изготавливать каталитический преобразователь с обладающей особо высокой теплоемкостью второй зоной. Необходимую теплоемкость можно обеспечить увеличением толщины стенок носителя и/или увеличением толщины покрытия. Очевидно, что помимо этого можно увеличить и плотность расположения каналов, т.е. увеличить по сравнению с первой зоной количество каналов, приходящееся на площадь поперечного сечения.

В одном из предпочтительных вариантов предлагается выполнять каталитический преобразователь из двух отдельных сотовых элементов, которые могут непосредственно примыкать друг к другу или могут быть пространственно несколько отделены друг от друга, при этом у второго сотового элемента ограничивающие проточные каналы стенки выполняют более толстыми, чем у первого сотового элемента. Если сотовые элементы выполняют из сворачиваемых в рулон, набираемых в пакет или S-образно скручиваемых металлических листов, то согласно изобретению в первой зоне толщина указанных металлических листов без покрытия должна составлять в среднем менее 0,06 мм, предпочтительно менее 0,04 мм, а во второй зоне толщина металлических листов без покрытия должна составлять в среднем более 0,06 мм, предпочтительно более 0,08 мм, прежде всего 0,11 мм. Поскольку по технологическим и/или механическим причинам может возникнуть необходимость в изготовлении отдельных металлических листов, прежде всего гладких или гофрированных металлических листов различной толщины, в данном случае указывается их средняя толщина. Однако наиболее предпочтительно выполнять все металлические листы одной зоны одинаковой толщины. Металлические листы толщиной более 0,08 мм, возможность применения которых для изготовления металлических сотовых элементов до настоящего времени практически не рассматривалась, позволяют благодаря высокой теплоемкости обычно используемых для этой цели марок нержавеющей стали аккумулировать значительное количество тепловой энергии, которая способна поддерживать в течение определенного промежутка времени рабочую температуру в керамическом слое на основе γ-оксида алюминия, которым покрыты металлические листы даже в случае значительного снижения температуры ОГ.

Альтернативно или дополнительно можно, как очевидно, использовать в первой и второй зонах каталитического преобразователя покрытия различной толщины, в результате чего общая толщина стенок в первой зоне, включая покрытие, должна составлять менее 0,08 мм, а во второй зоне эта общая толщина стенок должна составлять более 0,1 мм, предпочтительно более 0,12 мм. Такое решение позволяет получить две зоны с различной теплоемкостью прежде всего в монолитных сотовых элементах, у которых образующие проточные каналы стенки носителя каталитически активного покрытия имеют одинаковую толщину.

С целью обеспечить несмотря на медленный нагрев второй зоны наличие достаточной для каталитического превращения площади поверхности осевая длина первой зоны должна составлять от 10 до 60 мм, предпочтительно от 20 до 50 мм. Вместе с тем осевая протяженность второй зоны должна в целом по меньшей мере в два раза превышать осевую протяженность первой зоны. Было установлено, что оптимальное для обеих зон количество каналов составляет по меньшей мере 55 каналов на квадратный сантиметр (360 каналов на квадратный дюйм).

Другие преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере описания одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемый схематичный чертеж. На этом чертеже показан каталитический преобразователь с сотовым элементом 6. Такой сотовый элемент условно разбит в осевом направлении на первую зону 1 осевой длины а и вторую зону 2 осевой длины b. Поток ОГ от ДВС, прежде всего дизельного двигателя или двигателя, работающего на обедненных смесях, проходит сквозь сотовый элемент 6 в направлении S. Следует отметить, что сотовый элемент 6 может представлять собой монолитный сотовый элемент, в котором выполнены зоны 1, 2 с различной теплоемкостью, однако возможно также применение системы из двух отдельных сотовых элементов, каждый из которых образует соответствующую зону 1, 2 и которые в этом случае размещены в одном общем трубчатым кожухе 7. В рассматриваемом же варианте сотовый элемент образован слоями свернутых в противоположных направлениях в рулон гладких 4 и гофрированных 5 металлических листов, образующих проточные каналы 3 для ОГ. В предпочтительном варианте толщина всех металлических листов в первой зоне 1 составляет примерно 0,03 мм, а во второй зоне 2 - примерно 0,11 мм. В результате во второй зоне с покрытием получаемая теплоемкость составляет более 900 Дж/л-К.

Настоящее изобретение обеспечивает эффективную нейтрализацию ОГ при изменении режимов работы дизельного двигателя или двигателя, работающего на обедненных смесях, при этом предлагаемое в изобретении решение является простым, оптимальным с точки зрения затрат и связано лишь с незначительными недостатками касательно массы каталитического преобразователя и потери давления.

Изобретение может быть использовано в системе нейтрализации отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего дизельного двигателя или двигателя, работающего на обедненных смесях. Каталитический преобразователь имеет по меньшей мере один сотовый элемент с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками проточными каналами для ОГ, при этом указанный преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении (S) протекания потока ОГ первую и вторую зоны, теплоемкость первой из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента, меньше теплоемкости второй зоны, приходящейся на единицу объема сотового элемента, причем теплоемкость второй зоны, приходящейся на единицу объема сотового элемента, составляет по меньшей мере 800 Дж/л-К. В предпочтительном варианте в первой зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем менее 0,06 мм, предпочтительно менее 0,04 мм, а во второй зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем более 0,06 мм, предпочтительно более 0,08 мм, прежде всего 0,11 мм. Таким образом, первая зона при высокой температуре ОГ может быстро достигать рабочей температуры, тогда как вторая зона аккумулирует тепло для работы в режимах, в которых ОГ имеют низкую температуру. Изобретение позволяет повысить эффективность работы преобразователя. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Каталитический преобразователь для нейтрализации отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания, прежде всего дизельного двигателя или двигателя, работающего на обедненных смесях, имеющий по меньшей мере один сотовый элемент (6) с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками (4, 5) проточными каналами (3) для ОГ, при этом указанный преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении (5) протекания потока ОГ первую (1) и вторую (2) зоны, теплоемкость первой (1) из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента (6), меньше приходящейся на единицу объема сотового элемента (6) теплоемкости второй зоны (2), отличающийся тем, что приходящаяся на единицу объема сотового элемента (6) теплоемкость второй зоны (2) составляет по меньшей мере 800 Дж/л-К. 2. Каталитический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что сотовый элемент (6) образован слоями свернутых в рулон, набранных в пакет или S-образно скрученных по меньшей мере частично структурированных металлических листов, которые образуют стенки (4, 5) каналов (3), при этом в первой зоне (1) толщина указанных металлических листов без покрытия составляет в среднем менее 0,06 мм, предпочтительно менее 0,04 мм, а во второй зоне (2) толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем более 0,06 мм, предпочтительно более 0,08 мм, прежде всего 0,11 мм. 3. Каталитический преобразователь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в первой зоне (1) толщина стенок (4, 5), включая покрытие, составляет менее 0,08 мм, а во второй зоне (2) составляет больше 0,1 мм, предпочтительно больше 0,12 мм. 4. Каталитический преобразователь по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что первая зона (1) и вторая зона (2) образованы двумя отдельными сотовыми элементами. 5. Каталитический преобразователь по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что первая зона (1) и вторая зона (2) выполнены в монолитном сотовом элементе (6). 6. Каталитический преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что первая зона (1) и вторая зона (2) выполнены за счет использования покрытий различной толщины. 7. Каталитический преобразователь по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что осевая длина (b) второй зоны (2) по меньшей мере вдвое больше осевой длины (а) первой зоны (1). 8. Каталитический преобразователь по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что осевая длина (а) первой зоны (1) составляет от 10 до 60 мм, предпочтительно от 20 до 50 мм. 9. Каталитический преобразователь по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что приходящееся на единицу площади поперечного сечения количество каналов в первой (1) и во второй (2) зонах примерно одинаково, прежде всего составляет более 55 каналов на 1 см². 10. Каталитический преобразователь по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что значения площади поверхности, приходящейся на единицу объема в первой (1) и во второй (2) зонах, в основном одинаковы.