КАТАЛИТИЧЕСКИЙ БЛОК НЕЙТРАЛИЗАТОРА СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к конструкциям систем выхлопа двигателей внутреннего сгорания (ДВС), снабженных каталитическим нейтрализатором окислительно-восстановительного типа действия, и может быть использована для снижения токсичности отработавших газов ДВС, работающих на бензиновом топливе.
Известна сотовая конструкция из керамического материала, предназначенная для нейтрализации отработавших газов ДВС (патент RU №2198302, МПК F01N 3/28, опубл. 07.01.1999). Недостатком известной сотовой конструкции является недостаточная степень снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является каталитический нейтрализатор с однослойным каталитическим покрытием, содержащим палладий и родий, включающий носитель в виде сотового элемента с проточными каналами для прохождения отработавших газов, на поверхности стенок которых нанесено каталитическое покрытие в котором концентрация палладия составляет 0,1-10 г, а родия - 0,01-1 г в пересчете на объем сотового элемента (заявка RU на изобретение №2009138367, МПК B01J 23/44, опубл. 27.04.2011). К недостаткам известного каталитического блока можно отнести недостаточную степень снижения токсичности выхлопных газов ДВС, особенно по углеводородам (СН) и окиси углерода (СО), а также высокую себестоимость из-за большого количества дорогостоящих компонентов каталитического покрытия, в качестве которых используют палладий, родий, платину, оксиды церия, циркония, стронция, бария, стабилизированных оксидами редкоземельных элементов, таких, как титан, иттрий, лантан, самарий и др.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение качества очистки отработавших газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в каталитическом блоке нейтрализатора системы выпуска отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания, выполненном в виде керамического блока с ячеистой структурой, поверхность ячеек которого снабжена каталитическим покрытием, содержащим драгоценные металлы, в качестве которых используют палладий и родий, каталитическое покрытие дополнительно содержит платину, причем количественное массовое соотношение платина/палладий составляет 0,075-13,33; палладий/родий составляет 3,0-40,0; платина/родий составляет 3,0-40,0 при удельном содержании общего количества драгоценных металлов в объеме керамического блока в пределах 0,25-6,5 г/дм3, при этом плотность ячеек в керамическом блоке составляет 30-140 яч/см2.
Добиться одновременно снижения в равной мере содержания в выхлопных газах всех вредных веществ, таких, как углеводороды (СН), окись углерода (СО) и окислы азота (NOx) довольно трудно, так как уменьшение содержания одного токсичного компонента, например, СО под воздействием палладия, ведет к увеличению содержания другого, например, NOx, к которому палладий нейтрален, a NOx хорошо нейтрализуется родием. Как показали проведенные испытания, при снижении количественного массового соотношения палладий/родий ниже 3,0 не происходит эффективного снижения содержания СО в отработавших газах, так как такого количества палладия, нейтрализующего СО, становится недостаточно для эффективного проведения окислительно-восстановительных процессов во всем объеме проходящих газов, при этом улучшаются показатели по нейтрализации NOx, так как увеличивается содержание родия. При повышении этого соотношения выше 40,0 не происходит эффективного снижения содержания NOx, так как такого количества родия, нейтрализующего NOx, становится недостаточно для эффективного проведения окислительно-восстановительных процессов во всем объеме проходящих газов, при этом улучшаются показатели по нейтрализации СО, так как увеличивается содержание палладия. Платина хорошо очищает отработавшие газы от СО и СН, а в сочетании с палладием, который также эффективно воздействует на СО, можно добиться почти полной очистки выхлопных газов от этого высокотоксичного вещества. В зависимости от состава отработавших газов выбирают оптимальный вариант соотношения платины и палладия, палладия и родия, платины и родия из предложенных соотношений 0,075-13,33; 3,0-40,0; 3,0-40,0, которые учитывают различные потребности и позволяют добиться уровня снижения токсичности отработавших газов, соответствующего требованиям норм Евро 3, Евро 4 и Евро 5. Комбинация каталитического покрытия из трех компонентов, платины, палладия и родия, каждый из которых влияет на снижение содержания в выхлопных газах определенного вредного вещества, при их количественном массовом соотношении платина/палладий 0,075-13,33; палладий/родий 3,0-40,0; платина/родий 3,0-40,0 позволяет эффективно очищать отработавшие газы от различных токсичных веществ, длительное время сохранять активность нейтрализатора и оптимизировать содержание драгметаллов.
В результате проведенных испытаний было установлено, что количественное массовое соотношение платина/палладий, выбранное в пределах 0,075-13,33, является наиболее оптимальным для эффективной нейтрализации СН и СО в выхлопных газах и продолжительной эффективной работы нейтрализатора. При снижении количественного массового соотношения платина/палладий ниже 0,075 не происходит эффективного снижения содержания СН в выхлопных газах, а при его увеличении выше 13,33 степень очистки от СН выхлопных газов остается прежней и расход драгметаллов становится неоправданным. Количественное массовое соотношение палладий/родий, выбранное в пределах 3,0-40,0, является наиболее оптимальным для эффективной нейтрализации в выхлопных газах СО и NOx и продолжительной эффективной работы нейтрализатора. При снижении количественного массового соотношения палладий/родий ниже 3,0 не происходит эффективного снижения содержания СО в выхлопных газах, а при его увеличении выше 40,0 степень очистки от СО выхлопных газов остается прежней и расход драгметаллов становится неоправданным. Количественное массовое соотношение платина/родий, выбранное в пределах 3,0-40,0, является наиболее оптимальным для эффективной нейтрализации в выхлопных газах NOx и СН. При снижении количественного массового соотношения платина/родий ниже 3,0 не происходит эффективного снижения содержания NOx в выхлопных газах, а при его увеличении выше 40 не происходит роста эффективности очистки выхлопных газов от СН и расход драгметаллов становится неоправданным.
Установленные соотношения содержания в каталитическом покрытии платины, палладия и родия позволяют создать универсальный каталитический нейтрализатор, одинаково эффективно нейтрализующий такие токсичные вещества, как СО, СН и NOx.
Удельное содержание общего количества драгоценных металлов в объеме керамического блока в пределах 0,25-6,5 г/дм3, как показали проведенные испытания, обеспечивает наибольшее снижение токсичности отработавших газов по всем трем вредным компонентам при значительном ресурсе эффективной работы нейтрализатора с обеспечением интенсивного протекания окислительно-восстановительных процессов очистки при высокой активности катализатора. При удельном содержании общего количества драгметаллов в объеме блока менее 0,25 г/дм3 наблюдается резкое ухудшение степени очистки, так как активности этого количества каталитического покрытия недостаточно для интенсивного протекания окислительно-восстановительных процессов в объеме выхлопных газов и для эффективной нейтрализации всех вредных веществ. При удельном содержании более 6,5 г/дм3 улучшения очистки выхлопных газов от токсичных веществ по сравнению с меньшим содержанием каталитических веществ не наблюдается и расход драгметаллов становится неоправданным.
Плотность ячеек в керамическом блоке в пределах 30-140 ячеек на квадратный сантиметр поперечного сечения керамического блока, как показали проведенные испытания, является наиболее оптимальной для снижения содержания в отработавших газах СО, СН и NOx при хорошем ресурсе эффективной работы нейтрализатора с обеспечением интенсивного протекания окислительно-восстановительных процессов очистки при высокой активности катализатора. При плотности ячеек менее 30 ячеек на квадратный сантиметр поперечного сечения керамического блока не удается достичь степени очистки, соответствующей требованиям экологических норм, так как в этом случае общей поверхности ячеек и, соответственно, поверхности каталитического покрытия недостаточно для эффективного протекания окислительно-восстановительных процессов очистки во всем объеме проходящих через каталитический блок выхлопных газов. При плотности ячеек более 140 ячеек на квадратный сантиметр поперечного сечения керамического блока повышения степени очистки практически не наблюдается, в то время как повышается гидросопротивление блока, а расход драгметаллов становится неоправданным.
На фиг.1 представлен предлагаемый каталитический блок нейтрализатора системы выпуска отработавших газов бензинового ДВС.
Каталитический блок нейтрализатора представляет из себя выполненный из инертной керамики блок 1 с ячеистой структурой, поверхности ячеек 2 которого снабжены каталитическим покрытием 3, содержащим драгоценные металлы, в качестве которых используют платину, палладий и родий, количественное массовое соотношение которых составляет: платина/палладий 0,075-13,33; палладий/родий 3,0-40,0; платина/родий 3,0-40,0 при удельном содержании общего количества драгоценных металлов в объеме керамического блока 1 в пределах 0,25-6,5 г/дм3, при этом плотность ячеек 2 в керамическом блоке 1 составляет 30-140 ячеек на квадратный сантиметр поперечного сечения керамического блока 1.
Работа каталитического блока нейтрализатора осуществляется следующим образом. Отработавшие газы из цилиндров ДВС поступают на вход блока 1, проходят через его ячейки 2, в которых под воздействием каталитического покрытия, выполненного из платины, палладия и родия, происходят каталитические окислительно-восстановительные реакции очистки от токсичных веществ до уровня, соответствующего требования норм Евро 3, Евро 4, Евро 5 и далее через систему шумоглушения очищенные газы поступают в атмосферу.
Каталитический блок нейтрализатора отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания изготавливают любым известным специиалистам промышленным способом в виде керамического блока, имеющего ячеистую структуру, на который осаждают трехкомпонентный катализатор, включающий палладий, родий и платину в высокодисперсной форме одним слоем.
Каталитический блок нейтрализатора системы выпуска отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания, содержащий блок нейтрализатора, выполненный в соответствии с предлагаемым техническим решением, позволяет эффективно снижать токсичность отработавших газов, содержащих различные вредные компоненты, повысить качество очистки отработавших газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания.