ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ Российский патент 2019 года по МПК B01D53/94 B01J23/38 

Настоящее изобретение относится к трехкомпонентному (трехфункциональному) каталитическому нейтрализатору для снижения количества токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) работающих на бензине двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также к соответствующему способу снижения токсичности ОГ. Такой каталитический нейтрализатор отличается особым неоднородным распределением имеющегося у него накапливающего кислород материала (НКМ).

Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания на автомобилях обычно наряду с вредными газами, к которым относятся монооксид углерода (СО), углеводороды (НС), оксиды азота (NO_x) и при определенных условиях оксиды серы (SO_x), содержат также твердые частицы, которые преимущественно представляют собой сажевые остатки и при определенных условиях клейкие органические агломераты. СО, НС и твердые частицы являются продуктами неполного сгорания топлива в камере сгорания в двигателе. Оксиды азота образуются в цилиндре из азота и кислорода, присутствующими во всасываемом воздухе, когда температуры сгорания локально превышают 1000°C. Оксиды серы образуются в результате сгорания органических сернистых соединений, которые всегда содержатся в малых количествах в несинтетическом топливе. Для удаления таких вредных для окружающей среды и для здоровья выбросов из ОГ автомобилей был разработан целый ряд технологий каталитической нейтрализации ОГ, основной принцип которых обычно заключается в пропускании нейтрализуемых ОГ через каталитический нейтрализатор, который состоит из проточного сотового элемента (носителя) и нанесенного на него каталитически активного покрытия. Такой каталитический нейтрализатор, а точнее, его каталитически активный материал, ускоряет химическое превращение различных компонентов ОГ с образованием безвредных продуктов, таких, например, как диоксид углерода (СО₂) и вода.

При этом каталитически активные покрытия у используемых каталитических нейтрализаторов отчасти существенно различаются по своему принципу действия и по своему составу в зависимости от состава нейтрализуемых ОГ и в зависимости от ожидаемого уровня их температуры на входе в каталитический нейтрализатор и в нем. Множество применяемых в качестве каталитически активного покрытия композиций содержит компоненты, которые при наличии определенных рабочих условий способны временно связывать один или несколько компонентов ОГ, а при соответствующем изменении рабочих условий способны вновь целенаправленно высвобождать его/их. Компоненты, обладающие подобной способностью, ниже обобщенно обозначаются как накапливающий материал.

Так, например, в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах для удаления СО, НС и NO_x из ОГ работающих на в среднем стехиометрической топливовоздушной смеси бензиновых двигателей (ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси) используются накапливающие кислород материалы. К наиболее известным накапливающим кислород материалам относятся смешанные оксиды церия-циркония, которые могут быть легированы другими оксидами, прежде всего оксидами редкоземельных элементов, такими, например, как оксид лантана, оксид празеодима, оксид неодима или оксид иттрия (Autoabgaskatalysatoren, Grundlagen - Herstellung - Entwicklung - Recycling - , Christian , 2-е изд., 2005, с. 49; Catalytic Air Pollution Control, Commercial Technology, R. Heck и др., 1995, cc. 73-112).

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, содержащие накапливающий кислород материал и используемые для нейтрализации ОГ современных бензиновых двигателей, работают в условиях с дискретным изменением коэффициента избытка воздуха λ. При использовании таких каталитических нейтрализаторов строго определенным образом периодически изменяется коэффициент избытка воздуха λ, а тем самым периодически чередуются окислительные и восстановительные условия в ОГ. Такое изменение коэффициента избытка воздуха λ имеет в обоих случаях важное значение для результата нейтрализации ОГ. Для этого значение коэффициента λ отработавших газов регулируемо изменяют с крайне коротким временем цикла (примерно от 0,5 до 5 Гц) и с амплитудой Δλ от не менее 0,005 до не более 0,05 относительно значения λ, равного 1 (при котором обладающие восстановительным и обладающие окислительным действием компоненты ОГ находятся в стехиометрическом соотношении между собой). Вследствие динамического изменения режима работы двигателя на транспортном средстве возникают отклонения от этого состояния. Во избежание отрицательного влияния таких отклонений на результат нейтрализации ОГ при их прохождении через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор содержащиеся в нем накапливающие кислород материалы до определенной степени компенсируют эти отклонения, по мере необходимости поглощая кислород из ОГ или отдавая его в ОГ (Catalytic Air Pollution Control, Commercial Technology, R. Heck и др., 1995, с. 90).

С учетом постоянно возрастающих требований к сокращению вредных выбросов двигателями внутреннего сгорания существует необходимость в постоянном дальнейшем совершенствовании каталитических нейтрализаторов ОГ. Особое значение при этом наряду с начальной рабочей температурой каталитического нейтрализатора, по достижении которой он начинает превращать вредные вещества, имеет также его температурная стабильность и, как очевидно, степень уменьшения количества основных компонентов ОГ бензинового двигателя, которыми являются углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота.

В результате оптимизации аккумулирующей кислород способности в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах были также предложены концепции, предполагающие неоднородное распределение этой способности по длине трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. При этом были предложены схемы, в которых аккумулирующая кислород способность с входной стороны нейтрализатора (в его передней по ходу потока ОГ в выпускном тракте части) ниже, чем на расположенном с выходной стороны конце (в задней по ходу потока ОГ в выпускном тракте части) (WO 96/17671 А1, DE 102010055147 А1), равно как и схемы, в которых аккумулирующая кислород способность, наоборот, уменьшается от входного конца нейтрализатора к его выходному концу (US 7785545 В2, ЕР 2431094 A1, US 8323599 В2).

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор с накапливающим кислород материалом на корпусе-носителе и с зонированной схемой распределения аккумулирующей кислород способности описан прежде всего в публикации ЕР 2431094 А1. У предложенного в этой публикации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в первой секции предусмотрено двухслойное каталитически активное покрытие, которое содержит накапливающий кислород материал в определенном количестве, которое больше его содержания в однослойном каталитически активном покрытии на выходном конце нейтрализатора. Описанный в данной публикации трехкомпонентный каталитический нейтрализатор пригоден прежде всего для образования менее токсичного сероводорода (H₂S). При этом, однако, специально делается оговорка, что уменьшение соотношения между аккумулирующей способностью с входной стороны и аккумулирующей способностью с выходной стороны ниже определенного значения привело бы к отрицательным последствиям.

Как уже указывалось выше, задача по совершенствованию трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов с целью снижения количества основных вредных газов, к которым относятся НС, СО и NO_x, также продолжает сохранять свою актуальность. Поэтому в основу настоящего изобретения была положена задача предложить трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ОГ, который по сравнению с известными из уровня техники каталитическими нейтрализаторами превосходил бы их по меньшей мере в рассмотренной в настоящем описании дисциплине. Помимо этого такой каталитический нейтрализатор должен быть конкурентоспособным с точки зрения своей себестоимости, которая по возможности должна быть ниже себестоимости других трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов.

Эта и другие, со всей очевидностью вытекающие из уровня техники задачи решаются с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора ОГ, заявленного в п. 1 формулы изобретения. В зависимых от п. 1 пунктах формулы изобретения представлены различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении каталитического нейтрализатора. В п. 7 формулы изобретения заявлен способ, при осуществлении которого находят применение предлагаемые в изобретении каталитические нейтрализаторы.

Положенную в основу изобретения задачу удается решить неожиданно простым, но от этого не менее эффективным путем благодаря применению трехкомпонентного каталитического нейтрализатора для снижения количества токсичных компонентов ОГ работающих на бензине ДВС, который имеет один или несколько смежных, предпочтительно расположенных вплотную один к другому корпусов-носителей с каталитически активным покрытием, которое обладает неоднородным в направлении потока ОГ распределением аккумулирующей кислород способности, при котором на выходном конце каталитического нейтрализатора отсутствует накапливающий кислород материал, и эта часть имеет относительный объем во всем трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе от 5 до 50%. Предлагаемый в изобретении каталитический нейтрализатор позволяет при его сравнимой активности добиться экономии затрат на исходное сырье и материалы либо позволяет при тех же затратах на исходное сырье и материалы повысить его эффективность.

В принципе предлагаемый в изобретении каталитический нейтрализатор ОГ состоит из одного или нескольких смежных корпусов-носителей, на который/которые или в пустоты которого/которых, например в пористые структуры стенок, наносят каталитически активное покрытие. Для специалиста в данной области представляется очевидным, о каких носителях может в данном случае идти речь. Под ними подразумеваются так называемые проточные монолитные носители или фильтры для улавливания твердых частиц, так называемые сажевые фильтры (Christian Hageluken, Autoabgaskatalysatoren, 2-е изд., 2005, сс.27-46). Подобные агрегаты (фильтры, а также проточные монолитные носители), в том числе снабженные также трехфункциональным каталитически активным покрытием, известны достаточно давно (например, фильтры описаны в DE 102010055147 A1, US 2010/0293929, US 2011/0252773, US 2011/0158871).

Известные из уровня техники обычные фильтрующие элементы могут быть выполнены из металла и/или керамических материалов. К ним относятся, например, металлические тканые и плетеные фильтрующие элементы, металлокерамические элементы и пенистые структуры из керамических материалов. Преимущественное применение находят фильтры с проницаемыми стенками каналов и с подложкой из кордиерита, карбида кремния или титаната алюминия. Такие фильтры с проницаемыми стенками каналов, соответственно подложки таких фильтров имеют входные и выходные каналы, при этом входные каналы на своих расположенных с выходной стороны концах, а выходные каналы на своих расположенных с входной стороны концах закрыты со смещением друг относительно друга, т.е. в шахматном порядке, газонепроницаемыми "заглушками". Вследствие этого нейтрализуемые ОГ, поступающие в фильтр, принудительно проходят сквозь пористую стенку между соседними входным и выходным каналами, чем обусловлено исключительно высокое фильтрующее действие по улавливанию твердых частиц. Варьируя пористость, распределение пор по размерам/радиусам и толщину стенки, можно регулировать степень улавливания твердых частиц фильтром. Каталитически активное покрытие присутствует в и/или на пористых стенках между входными и выходными каналами. Предпочтительные для применения фильтры и их подложки описаны в ЕР 12164142.7, ЕР 2042225 А1, ЕР 2042226 А2.

Проточные монолитные носители представляют собой обычные, известные из уровня техники носители каталитических нейтрализаторов, изготавливаемые из металла или керамических материалов. Преимущественно используют огнеупорные керамические материалы, такие, например, как кордиерит. Монолитные носители из керамики по большей части имеют сотовую структуру, образованную сквозными каналами, из-за чего такие носители называют также многоканальными монолитными носителями или проточными монолитными носителями. ОГ могут проходить по каналам и контактируют при этом с их стенками, которые снабжены каталитически активным покрытием. Количество каналов, приходящееся на единицу площади поперечного сечения носителя, характеризуют плотностью расположения каналов, которая обычно составляет от 300 до 900 каналов на квадратный дюйм. Толщина стенок каналов у керамических носителей составляет от 0,5 до 0,05 мм.

Следует отметить, что предлагаемый в изобретении трехкомпонентный каталитический нейтрализатор либо может состоять из одного корпуса-носителя, либо может иметь несколько отдельных смежных в направлении потока ОГ трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов. Под термином "смежный" согласно изобретению подразумевается компоновка, при которой составляющие трехкомпонентный каталитический нейтрализатор корпуса-носители расположены с определенным отступом один от другого, предпочтительно в месте, находящемся вблизи двигателя и под днищем кузова или кабины автомобиля, при этом в особенно предпочтительном варианте между корпусами-носителями не расположено никакое другое каталитическое устройство. Предпочтительна, однако, компоновка, при которой составляющие трехкомпонентный каталитический нейтрализатор корпуса-носители расположены вплотную один к другому и тем самым непосредственно один за другим ("встык"). Отдельный корпус-носитель выполняют при этом таким образом, что соответствующее каталитическое покрытие присутствует на или в носителе, соответственно корпусах-носителях (см. ЕР 1974809 или ЕР 2308592 в отношении покрытия на стенках и ЕР 2042226 А2 в отношении покрытия в стенках).

Каталитически активное покрытие, применяемое в предлагаемом в изобретении каталитическом нейтрализаторе, выполняется из материалов, которые достаточно давно известны по их использованию в этих целях (M.V. Twigg, Catalysis Today, 163, 2011, сс.33-41, ЕР 1158146 А2, ЕР 0870531 А1, ЕР 0601314 А1, ЕР 0662862 А1, ЕР 0582971 А1, ЕР 0314058 А1, ЕР 0314057 А1). Чаще всего каталитическое покрытие у трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов содержит металлы из числа платины, палладия и родия в самом разнообразном составе, осажденные на обладающие высокоразвитой поверхностью (высокой удельной поверхностью) и сравнительно нечувствительные к температуре оксиды металлов, такие, например, как оксид алюминия, соответственно смешанный оксид церия-циркония. Каталитическое покрытие может согласно изобретению, при необходимости в различном составе, присутствовать на носителе или носителях зонированно и/или в виде одного либо нескольких расположенных одно поверх другого каталитических покрытий, которые при необходимости могут различаться между собой (WO 08/113445 A1, WO 08/000449 А2, WO 08/113457 A1, US 8323599 В2).

Распространенные трехфункциональные каталитические покрытия, кроме того, часто обладают дополнительными функциональными возможностями, такими, например, как функция накопителя углеводородов или функция накопителя оксидов азота (четырехфункциональный каталитический нейтрализатор). Предлагаемый в изобретении трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который также может обладать такими вышеуказанными функциями, в любом случае имеет накапливающий кислород из ОГ материал, который, как указано в начале описания, способен аккумулировать или связывать кислород в диапазоне значений коэффициента избытка воздуха, соответствующих работе двигателя на обедненной смеси (λ>1), и отдавать его в окружающую среду в диапазоне значений коэффициента избытка воздуха, соответствующих работе двигателя на обогащенной смеси (λ<1). Подобные материалы известны (см., например, Е. Rohart, О. Larcher, S. Deutsch, С. , H. Aimin, F. Fajardie, M. Allain, P. , Top. Catal., 30/31, 2004, cc. 417-423, или R. Di Monte, J. Kaspar, Top. Catal., 28, 2004, cc. 47-57). Применяемый материал с аккумулирующей кислород способностью преимущественно выбирают из группы оксидов церия, соответственно оксидов церия-циркония и их смесей, при этом различают смешанные оксиды с высоким и с низким содержанием церия. Согласно изобретению такой материал предлагается распределять по длине трехкомпонентного каталитического нейтрализатора таким образом, чтобы на выходном конце корпуса-носителя или корпусов-носителей этот накапливающий кислород материал отсутствовал. Наличие или отсутствие накапливающих кислород материалов при этом можно определять испытанием со скачкообразным изменением коэффициента избытка воздуха. В этом случае аккумулирующую кислород способность расположенного между двумя лямбда-зондами каталитического нейтрализатора или системы можно вычислить по возникающему при скачкообразных изменениях коэффициента избытка воздуха сдвигу между сигналами обоих лямбда-зондов (Autoabgaskatalysatoren, Grundlagen - Herstellung - Entwicklung -Recycling - , Christian , 2-е изд., 2005, с. 62).

Распределение накапливающего кислород материала можно с учетом вышеуказанного условия реализовать таким образом, чтобы аккумулирующая кислород способность возрастала в каталитическом нейтрализаторе ступенчато или непрерывно (например, за счет увеличения количества покрытия из гамма-оксида алюминия) от его выходного конца к его входному концу. Ступенчатого возрастания аккумулирующей кислород способности можно добиться, например, путем зонированного расположения каталитического покрытия, при котором в различных зонах каталитического покрытия присутствуют разные накапливающие материалы или накапливающий материал содержится в разных количествах. При использовании нескольких корпусов-носителей их соответственно зонированному расположению целесообразно снабжать различающимися между собой покрытиями и располагать непосредственно один за другим, реализуя таким путем предлагаемую в изобретении концепцию.

Предпочтительно, однако, выбирать вариант со ступенчатым распределением каталитически активного покрытия. Выходная, т.е. расположенная с выходной стороны, часть трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, которая не должна обладать никакой аккумулирующей кислород способностью, имеет относительный объем во всем трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе от 5 до 50%, предпочтительно от 15 до 45%, особенно предпочтительно от 25 до 40%.

Как уже говорилось выше, каталитически активный материал трехкомпонентного каталитического нейтрализатора ОГ обычно содержит металлы из группы, включающей платину, палладий, родий и их смеси. Преимущественно, однако, в предлагаемом в изобретении трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе используются лишь металлы из числа палладия и родия. Их в предпочтительном варианте распределяют таким образом, что в по меньшей мере 2-х частях располагаются по меньшей мере 2, а предпочтительно 3 различающихся между собой каталитически активных покрытия. Соответственно зонированному расположению эти по меньшей мере 2 части находятся на одном корпусе-носителе в по меньшей мере 2 отдельных зонах, из которых передняя зона, соответственно передние зоны имеет/имеют по меньшей мере 1-слойную, а предпочтительно 2-слойную структуру, либо эти различающиеся между собой части распределены по минимум 2-м отдельным расположенным один за другим корпусам-носителям (фиг. 1, фиг. 2). Поэтому в еще одном предпочтительном варианте предлагаемый в изобретении трехкомпонентный каталитический нейтрализатор состоит из по меньшей мере 2-х, а особенно предпочтительно - из 3-х расположенных вплотную один к другому корпусов-носителей. При использовании варианта с 3-мя корпусами-носителями оба первых корпуса-носителя (с аккумулирующей кислород способностью) в наиболее предпочтительном варианте идентичны. Расположенный же с выходной стороны корпус-носитель (без аккумулирующей кислород способности) в особенно предпочтительном варианте имеет каталитически активное покрытие, содержащее палладий и родий, которые осаждены на стабилизированный оксидом бария оксид алюминия с высокоразвитой поверхностью (с высокой удельной поверхностью) (см. ЕР 1181970 А1). У расположенного с выходной стороны корпуса-носителя каталитически активное покрытие в особенно предпочтительном варианте также имеет двухслойную структуру, в которой нижний слой содержит только палладий в качестве каталитически активного металла, а верхний слой содержит одновременно палладий и родий. В таком двухслойном каталитическом покрытии указанные металлы присутствуют в осажденном виде на обладающем высокоразвитой поверхностью оксиде алюминия, при необходимости стабилизированном оксидом лантана, оксидом празеодима, оксидом бария или оксидом иттрия, и на обладающем высокоразвитой поверхностью оксиде церия, оксиде церия-циркония или на обладающем высокоразвитой поверхностью оксиде церия-циркония, легированном оксидами редкоземельных элементов, такими, например, как оксид лантана, оксид празеодима, оксид неодима или оксид иттрия (ЕР 1974809 В1).

В предпочтительном варианте особенно предпочтительные каталитически активные покрытия имеют указанный ниже состав.

I.a) Расположенная(-ые) с входной стороны однослойная(-ые) зона(-ы), соответственно расположенное(-ые) с входной стороны однослойное(-ые) каталитически активное(-ые) покрытие(-я):

I.б) Расположенная(-ые) с выходной стороны зона(-ы), соответственно расположенное(-ые) с выходной стороны каталитически активное(-ые) покрытие(-я):

II.а) Расположенная(-ые) с входной стороны двухслойная(-ые) зона(-ы), соответственно расположенное(-ые) с входной стороны двухслойное(-ые) каталитически активное(-ые) покрытие(-я):

II.б) Расположенная(-ые) с выходной стороны зона(-ы), соответственно расположенное(-ые) с выходной стороны каталитически активное(-ые) покрытие(-я):

Для применения в качестве корпусов-носителей пригодны преимущественно керамические сотовые элементы, так называемые проточные подложки, и также керамические фильтрующие элементы, например, из кордиерита, а также аналогичные носители из металла (см. выше). При этом используются преимущественно носители с круглым или овальным сечением, имеющие диаметр от 63,5 до 132,1 мм и длину от 76,6 до 152,4 мм. Для реализации предлагаемой в изобретении концепции можно использовать размещаемый вблизи двигателя каталитический нейтрализатор с двумя зонами с различающимися между собой каталитическими покрытиями либо несколько последовательно размещаемых вблизи двигателя каталитических нейтрализаторов с соответствующими покрытиями. Помимо этого реализация предлагаемого в изобретении решения возможна также с использованием системы, состоящей из размещаемого вблизи двигателя каталитического нейтрализатора с накапливающим кислород материалом (НКМ) и каталитического нейтрализатора без НКМ, устанавливаемого под днищем кузова или кабины автомобиля на удалении предпочтительно 20-100 см от каталитического нейтрализатора, размещаемого вблизи двигателя. Расположенная с выходной стороны часть трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, которая не должна обладать никакой аккумулирующей кислород способностью, имеет относительный объем во всем трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе от 5 до 50%, предпочтительно от 15 до 45%, особенно предпочтительно от 25 до 40%.

Еще одним объектом настоящего изобретения является способ снижения количества токсичных компонентов ОГ работающих на бензине двигателей внутреннего сгорания путем пропускания ОГ через предлагаемый в изобретении трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Необходимо отметить, что предпочтительные варианты, рассмотренные выше применительно к выполнению предлагаемого в изобретении трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, с учетом соответствующих изменений относятся и к предлагаемому в изобретении способу.

Согласно настоящему изобретению под каталитически активным покрытием подразумевается пористое покрытие, обычно из γ-оксида алюминия, включая его возможную пропитку на последующих стадиях, которое наносят на корпус-носитель или корпуса-носители, соответственно вводят в корпус-носитель или корпуса-носители и которое содержит в основном вышеуказанные материалы.

Под размещением "вблизи двигателя" согласно настоящему изобретению подразумевается расстояние от места выхода ОГ из двигателя до места их входа в каталитический нейтрализатор менее 80 см, предпочтительно менее 60 см, особенно предпочтительно менее 50 см. Под размещением "под днищем" подразумевается расположение под днищем кузова или кабины автомобиля на удалении 20-200 см, предпочтительно 40-150 см, особенно предпочтительно 60-100 см, от выхода корпуса-носителя, размещенного вблизи двигателя.

Настоящее изобретение со всей очевидностью свидетельствует о том, что путем особой организации отдельных функций возможно дальнейшее улучшение даже тех совершенных технологий, которые находят применение в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе. Необходимо отметить, что по эффективности снижения количества основных токсичных компонентов ОГ, которыми являются монооксид углерода (СО), углеводороды (НС) и оксиды азота (NO_x), предлагаемый в изобретении трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ОГ, у которого на его выходном конце как раз отсутствует функция накопления кислорода, явно превосходит трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, которые непрерывно по всей своей протяженности снабжены накапливающим кислород материалом. Подобного эффекта никоим образом невозможно было ожидать на фоне известного уровня техники. В соответствии с этим предлагаемое в изобретении решение представляет собой дальнейшее усовершенствование известного уровня техники.

Графические материалы

На фиг. 1 показана принципиальная схема особенно предпочтительного предлагаемого в изобретении трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. У каталитического нейтрализатора в показанном на фиг. 1а варианте в расположенном с входной стороны слое содержатся палладий и родий в качестве каталитически активных компонентов. В этом же слое присутствует также накапливающий кислород материал (НКМ). Корпус-носитель, снабженный подобным каталитически активным покрытием, сокращенно обозначается как CAT-1а. Расположенный с выходной стороны единственный слой выполнен без накапливающего кислород материала и содержит палладий и родий. Корпус-носитель с таким каталитически активным покрытием обозначается как САТ-2. У предлагаемого в изобретении трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в показанном на фиг.1б варианте в расположенном с входной стороны верхнем слое содержатся палладий и родий в качестве каталитически активных компонентов. В этом же слое присутствует также накапливающий кислород материал (НКМ). Расположенный с входной стороны нижний слой также содержит накапливающий кислород материал, однако в отличие от верхнего слоя содержит только палладий. Корпус-носитель, снабженный подобным каталитически активным покрытием, сокращенно обозначается как CAT-1b. Расположенный с выходной стороны единственный слой выполнен без накапливающего кислород материала и содержит палладий и родий. Корпус-носитель с таким каталитически активным покрытием обозначается, как уже указано выше, через САТ-2.

На фиг. 2 в сопоставлении между собой показаны принципиальные экспериментальные конструкции испытывавшихся трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов. В каждом случае в выпускном тракте один за другим располагали по три дисковидных корпуса-носителя толщиной 2 дюйма (2'') и диаметром 4 дюйма (4'') и затем проводили испытания. При этом на фиг. 2а показан общеизвестный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ОГ, на фиг. 2б показан каталитический нейтрализатор согласно уровню техники (например, каталитический нейтрализатор описанного в WO 96/17671 А1 типа), а на фиг. 2в показан каталитический нейтрализатор с предлагаемой в изобретении экспериментальной компоновкой.

На фиг. 3 показана диаграмма, иллюстрирующая содержание всех углеводородов (ТНС от англ. "total hydrocarbons", общее количество всех углеводородов) в выбрасываемых ОГ после их пропускания через каталитические нейтрализаторы показанных на фиг. 2 экспериментальных компоновок 2а-2в. Очевидно, что предлагаемая в изобретении система 2в (CAT-1b/CAT-1b/CAT-2) и система 2б эффективнее системы 2а, которая целиком обладает аккумулирующей кислород способностью.

На фиг. 4 показана диаграмма, иллюстрирующая содержание неметановых углеводородов (NMHC от англ. "non-methanic hydrocarbons") в выбрасываемых ОГ после их пропускания через каталитические нейтрализаторы показанных на фиг. 2 экспериментальных компоновок 2а-2в. Аналогично данным по ТНС (фиг. 3) предлагаемая в изобретении система 2в (CAT-1b/CAT-1b/CAT-2) и система 2б проявляют преимущества перед системой 2а, которая целиком обладает аккумулирующей кислород способностью.

На фиг. 5 в графическом виде представлены результаты испытания систем (фиг. 2) касательно содержания СО в выбрасываемых ОГ. Предлагаемая в изобретении система (CAT-1b/CAT-1b/CAT-2) показала в данном случае достоверно наилучшие результаты.

На фиг. 6 в графическом виде представлены результаты испытания показанных на фиг. 2 систем касательно содержания СО в выбрасываемых ОГ. Именно в данном случае предлагаемая в изобретении система 2в неожиданно показывает хорошие результаты по сравнению с остальными системами 2а и 2б.

Пример

На керамические подложки в соответствии с современным уровнем техники наносили различные пористые покрытия с получением показанных на фиг. 2 каталитических нейтрализаторов. Затем эти каталитические нейтрализаторы подвергали на моторном стенде старению в соответствии с ZDAKW-циклом, имитируя таким путем пробег транспортного средства, равный 160000 км. Причиной старения каталитических нейтрализаторов является помимо прочего регулярное прекращение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода, что в этом случае приводит при временно обедненном составе ОГ к возрастанию температуры каталитического слоя свыше 1000°С. Такие условия обусловливают необратимое повреждение накапливающего кислород материала и благородных металлов. В последующем эти каталитические нейтрализаторы подвергали на высокодинамическом моторном стенде испытанию на реальном 2,0-литровом четырехцилиндровом ДВС в положении вблизи него в соответствии с ездовым циклом FTP-75 (федеральный цикл испытаний (США)). Отработавшие газы в каждой из соответствующих фаз ездового цикла FTP-75 собирали в системе определения токсичности ОГ с отбором проб постоянного объема в три разных мешка. По завершении испытания анализировали содержимое мешков и оценивали в соответствии с действующим законодательством США, регламентирующим предельно допустимое содержание вредных веществ в ОГ. Полученные результаты в графическом виде представлены на фиг. 3-6. В этом испытании система 2в проявляет явные преимущества в снижении выброса монооксида углерода и оксидов азота.

Изобретение относится к трехкомпонентному каталитическому нейтрализатору для снижения количества токсичных компонентов отработавших газов работающих на бензине двигателей внутреннего сгорания, а также к способу снижения токсичности отработавших газов. Нейтрализатор содержит один или несколько смежных корпусов-носителей с каталитически активным покрытием, которое обладает неоднородным в направлении потока отработавших газов распределением аккумулирующей кислород способности, при этом на его выходном конце отсутствует накапливающий кислород материал и эта часть имеет относительный объем во всем нейтрализаторе от 5 до 50%. Изобретение обеспечивает температурную стабильность нейтрализатора и снижение количества основных токсичных компонентов в отработавших газах. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 пр.

1. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор для снижения количества токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) работающих на бензине двигателей внутреннего сгорания, имеющий один или несколько смежных корпусов-носителей с каталитически активным покрытием, которое обладает неоднородным в направлении потока ОГ распределением аккумулирующей кислород способности, отличающийся тем, что на его выходном конце отсутствует накапливающий кислород материал и эта часть имеет относительный объем во всем трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе от 5 до 50%.

2. Каталитический нейтрализатор по п. 1, отличающийся тем, что каталитически активное покрытие присутствует на корпусе-носителе или корпусах-носителях зонированно и/или в виде одного либо нескольких слоев.

3. Каталитический нейтрализатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что применяемый материал с аккумулирующей кислород способностью выбран из группы оксидов церия, оксидов церия-циркония, легированных оксидов церия-циркония и их смесей.

4. Каталитический нейтрализатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что аккумулирующая кислород способность возрастает в нем ступенчато или непрерывно от его выходного конца к его входному концу.

5. Каталитический нейтрализатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он содержит металлы из группы, включающей платину, палладий, родий и их смеси.

6. Каталитический нейтрализатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он состоит из по меньшей мере двух расположенных вплотную один к другому корпусов-носителей, из которых расположенный с выходной стороны корпус-носитель имеет каталитически активное покрытие, содержащее палладий, родий и оксид бария, осажденные на оксид алюминия с высокоразвитой поверхностью.

7. Способ снижения количества токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) работающих на бензине двигателей внутреннего сгорания путем пропускания ОГ через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по одному или нескольким из предыдущих пунктов.