СИСТЕМА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
HARMFUL EMISSIONS NEUTRALISATION SYSTEM FOR PETROL ENGINE VEHICLES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе нейтрализации вредных выбросов для транспортных средств, оснащенных бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, в частности бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива (НВТ, англ. сокр. "GDI" от "gasoline direct injection"). Кроме того, изобретение относится к способу эффективного уменьшения токсичности соединений, содержащихся в отработавших газах таких двигателей, путем применения предлагаемой в изобретении системы нейтрализации вредных выбросов для выполнения перспективных законодательных норм по ограничению токсичности выбросов.
Уровень техники
Очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, работающих преимущественно на стехиометрических топливовоздушных смесях, например двигателей с впрыском топлива во впускной канал (англ. сокр. "PFI" от "port fuel injection"), осуществляется обычными методами с помощью трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов. Такие каталитические нейтрализаторы одновременно обеспечивают химическое превращение трех основных видов газообразных загрязняющих веществ, содержащихся в отработавших газах двигателя, а именно углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота, в безвредные компоненты. Помимо загрязняющих окружающую среду газообразных углеводородов (НС), монооксида углерода (СО) и оксидов азота (NOx), отработавшие газы бензиновых двигателей также содержат мельчайшие ультрадисперсные твердые частицы (ТЧ), образующиеся в результате неполного сгорания топлива и состоящие в основном из сажи.
В последнее время для бензиновых двигателей были внедрены технологии непосредственного впрыска топлива, создающие условия для более эффективного горения, что дает выигрыш в расходе топлива. Однако такие условия могут вызвать образование еще более мелких твердых частиц. В отличие от твердых частиц, образующихся при работе дизельных двигателей на обедненных топливовоздушных смесях, твердые частицы, выбрасываемые бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, как правило, гораздо мельче. Это связано с тем, что в дизельном двигателе преобладают иные условия горения по сравнению с бензиновым двигателем. Например, бензиновые двигатели работают при более высокой температуре, чем дизельные двигатели. Кроме того, отработавшие газы бензиновых двигателей по составу углеводородных компонентов отличаются от отработавших газов дизельных двигателей.
2
2
2
Транспортные средства, оснащенные бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, с турбонаддувом и без него, завоевывают свою долю рынка в Европе, благодаря превосходству этих двигателей над двигателями с впрыском топлива во впускной канал по топливной экономичности и дорожным качествам. Ожидается, что эта тенденция сохранится в свете требования Европейского Союза к автопроизводителям дополнительно сократить выбросы диоксида углерода (CO) и в 2012 году довести выбросы CO для выпускаемых автотранспортных средств до среднего по парку уровня 130 г/км. Обсуждаются и еще более амбициозные целевые уровни средних по парку выбросов CO. Ввиду ужесточения стандартов CAFE (американский закон о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией) в целом ожидается, что доля автотранспортных средств, имеющих бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, будет расти в Северной Америке за счет автотранспортных средств, имеющих двигатели с впрыском топлива во впускной канал.
11
Одна из проблем, связанных с транспортными средствами, оснащенными бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, заключается в вышеупомянутом содержании твердых частиц в отработавших газах этого типа двигателей, в частности из-за относительно малых размеров этих частиц, а соответственно, и их потенциально более опасной природы. С тех пор как в начале 2011 г. был введен в действие экологический класс Евро-5б европейского стандарта на выбросы вредных веществ, любые новые сертифицированные легковые автомобили с дизельными двигателями должны удовлетворять требованиям к содержанию в выхлопных газах твердых частиц по их предельной массе, составляющей 4,5 мг/км, а также по их количеству, составляющему 6×10 #/км (см. ниже таблицу 1). Введение предельного количества твердых частиц для транспортных средств с бензиновыми двигателями было отложено до введения в действие экологического класса Евро-6, которое должно состояться в сентябре 2014 г. Ожидается, что для перехода к универсальному (не зависящему от технологий) регулированию допустимой токсичности отработавших газов предельные значения показателей экологичности для транспортных средств (ТС), оснащенных двигателями с искровым зажиганием, будут такими же, что и для транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия.
Транспортные средства, оснащенные бензиновыми двигателями с впрыском топлива во впускной канал, обычно соответствуют предлагаемому предельному значению количества выбрасываемых твердых частиц - 600 млрд. на километр. В ходе исследования, проведенного Braisher и др., было установлено, что количество твердых частиц в выхлопе транспортных средств, оснащенных двигателями с непосредственным впрыском топлива, на порядок выше, чем в выхлопе транспортных средств, оснащенных двигателями с впрыском топлива во впускной канал, причем в рамках ездового цикла значительная часть твердых частиц выбрасывается в фазе холодного пуска (Braisher, М., Stone, R., Price, P., "Particle Number Emissions from a Range of European Vehicles," SAE Technical Paper 2010-01-0786, 2010, doi:10.4271/2010-01-0786). Такая же тенденция была выявлена для массы выбрасываемых твердых частиц.
11
Несколько исследований показали, что для уменьшения количества твердых частиц, содержащихся в отработавших газах этих двигателей, до уровня ниже указанного выше предельного значения 6×10 #/км, эффективны лишь фильтры с проницаемыми стенками. Кордиеритовые фильтры с проницаемыми стенками стали стандартным решением для дизельных автомобилей большой грузоподъемности и всерьез рассматриваются для применения на легковых автомобилях с дизельными двигателями. Недавние исследования показали успешность применения кордиеритовых фильтров для очистки выхлопных газов транспортных средств, оснащенных бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, от твердых частиц (Saito, С, Nakatani, Т., Miyairi, Y., Yuuki, К., Makino, М., Kurachi, Н., Heuss, W., Kuki, Т., Furuta, Y., Kattouah, P., Vogt, C.-D., "New Particulate Filter Concept to Reduce Particle Number Emissions," SAE Technical Paper 2011-01-0814, 2011, doi: 10.4271/2011-01-0814).
Наряду с нормативными требованиями по очистке отработавших газов от твердых частиц, продолжают ужесточаться нормы предельного содержания в отработавших газах таких загрязняющих веществ, как несгоревшие углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота (таблица 1). Для выполнения этих норм в выпускном тракте бензиновых двигателей внутреннего сгорания необходимо устанавливать специализированные трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы (ТКН) отработавших газов, в обиходе также называемые трехкомпонентными катализаторами. Как было упомянуто выше, вышеупомянутый каталитический нейтрализатор способствует окислению несгоревших углеводородов и монооксида углерода кислородом, а также восстановлению оксидов азота до молекулярного азота в потоке отработавших газов. Кроме того, для применения в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива предложены специально разработанные типы фильтров, нейтрализующие все виды выбрасываемых загрязняющих веществ. Поскольку частицы сажи, выбрасываемые бензиновыми двигателями, имеют меньший размер по сравнению с дизельными двигателями, необходимо дальнейшее изучение возможностей достижения приемлемого баланса между эффектом фильтрации и явным негативным эффектом повышения противодавления (публикации US 20100239478, US 20100275579, US 8066963, US 20110030346, US 20090193796, SAE 2011010814).
Уже были предложены каталитические системы, призванные эффективно нейтрализовывать все загрязняющие вещества, содержащиеся в отработавших газах бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. В некоторых случаях эти системы проектируются по схеме, согласно которой за расположенным вблизи двигателя ТКН следует фильтр с проницаемыми стенками (каталитический фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей; ФТЧ-БД). В некоторых случаях фильтр с проницаемыми стенками также имеет каталитическую функциональность, например, служит дополнительным ТКН.
Например, публикация US 20100293929 посвящена системам нейтрализации отработавших газов для двигателей с искровым зажиганием. Упомянутые в этой публикации различные варианты выполнения системы включают в себя как расположенный вблизи двигателя ТКН, так и расположенное под днищем устройство нейтрализации отработавших газов. Расположенное под днищем устройство нейтрализации отработавших газов может иметь либо функциональность ТКН, либо функциональность восстановления NOx. Как показано на фиг. 1 вышеупомянутой публикации, известная система может включать в себя фильтрующий элемент (8) с проницаемыми стенками и трехкомпонентным каталитическим покрытием. В отношении фиг. 4 упоминается, что нанесенный на фильтр трехкомпонентный каталитический состав обеспечивает уменьшение количества твердых частиц, а также газов, нейтрализуемых обычными ТКН. Так, фильтр с проницаемыми стенками после достижения своей рабочей температуры способен уменьшать содержание в отработавших газах НС, СО, NOx и эффективно уменьшать выбросы твердых частиц во всех рабочих состояниях. Однако в этой публикации не приводится подробных сведений относительно состава расположенного вблизи двигателя ТКН и фильтра, снабженного трехкомпонентным каталитическим покрытием.
3
3
3
Аналогичным образом, в публикации US 20110252773 раскрыта система выпуска отработавших газов, применяемая в сочетании с бензиновыми двигателями для того, чтобы помимо уменьшения содержания газообразных выбросов, таких как углеводороды, оксиды азота и монооксид углерода, улавливать твердые частицы. Для минимизации негативного повышения противодавления используемый в этой системе фильтр твердых частиц с трехкомпонентным каталитическим покрытием имеет пористое оксидное покрытие в количестве, составляющем по меньшей мере от 1 до 4 г/дюйм. Пористость снабженного покрытием фильтра может находиться в диапазоне от 55 до 70% и характеризоваться определенными распределениями среднего размера пор. Для обеспечения соответствия законодательным нормам и требованиям к автопроизводителям этот каталитический фильтр может быть необходимо использовать в сочетании со вторым трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (ТКН) отработавших газов (фиг. 1). Вместе с тем, благодаря наличию фильтра твердых частиц с трехкомпонентным каталитическим покрытием такой дополнительный ТКН, расположенный первым по потоку отработавших газов, может быть выполнен меньшего размера, чем это было бы необходимо без применения фильтра твердых частиц с трехкомпонентным каталитическим покрытием, или может вообще не использоваться, если фильтр обеспечивает полную функциональность ТКН. Каталитический фильтр твердых частиц может быть выполнен по зональной схеме, при которой во входной зоне фильтра количество палладиевого компонента выше, чем в выходной зоне. В вышеупомянутой публикации говорится, что каталитический фильтр должен содержать от 2 до 100 г/футпалладия во входной зоне и от 1 до 20 г/фут палладия в выходной зоне. Системы, которые испытывались в этом применении, содержали благородные металлы в ТКН и каталитическом фильтре в удельном количестве ≥30 г/фут. Значение отношения палладия к родию в каждом из двух каталитических устройств составляет 27:3.
3
В публикации US 20110158871 также раскрыта система выпуска отработавших газов для автомобильного двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси. Система содержит пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором, расположенное на монолитном носителе, установленном по потоку отработавших газов перед фильтром, который также снабжен пористым оксидным покрытием с трехкомпонентным катализатором. Заявлено, что устройство, расположенное первым по потоку отработавших газов, содержит пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором в количестве, меньшем или равном 75% его общей массы в системе выпуска отработавших газов. Функционирование фильтра с проницаемыми стенками исследовалось в отношении влияния среднего размера пор фильтрующего носителя и пористого оксидного покрытия фильтра. В вышеупомянутой публикации патентной заявки расположенный вблизи двигателя ТКН имеет пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором, а также расположенный за ним по потоку отработавших газов керамический фильтр с проницаемыми стенками, снабженный трехкомпонентным каталитическим покрытием. В приведенных примерах отношение палладия к родию в фильтрующем носителе с проницаемыми стенками составляет, например, 16:1 при содержании благородных металлов 85 г/фут. Расположенный вблизи двигателя ТКН имеет такое же содержание благородных металлов.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача предложить систему для уменьшения токсичности загрязняющих веществ, содержащихся в отработавших газах бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива, которая по эффективности превзошла бы известные из уровня техники системы как с экономической, так и с экологической точек зрения. В частности, предлагаемая в изобретении система призвана обеспечивать гарантированное выполнение рассмотренных выше перспективных законодательных норм. Кроме того, эта цель выгодно достигается при меньших затратах на благородные металлы, чем в системах, известных из уровня техники. Аналогичным образом, задача изобретения заключается в разработке способа для эффективной нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива.
Эти и другие очевидные для специалистов задачи, решаются в системе, охарактеризованной в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения предлагаемой в изобретении системы охарактеризованы в зависимых пунктах 2-10, ссылающихся на пункт 1 формулы изобретения. Пункт 11 формулы относится к предлагаемому в изобретении способу.
Первым объектом настоящего изобретения является система нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей, содержащая расположенный вблизи двигателя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) отработавших газов и расположенный за ним по потоку отработавших газов каталитический фильтр твердых частиц, также называемый сажевым фильтром, для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД), имеющий проницаемые стенки. Эта система отличается определенным отношением содержания благородных металлов в расположенном вблизи двигателя ТКН к содержанию благородных металлов в расположенном за ним по потоку отработавших газов каталитическом фильтре твердых частиц для бензиновых двигателей. В частности, количество металлов платиновой группы, например палладия и родия, в ТКН превышает количество металлов платиновой группы, например палладия и родия, в ФТЧ-БД по меньшей мере в пять раз. Предлагаемая в изобретении система обеспечивает решение вышеупомянутых задач относительно простым, но при этом неожиданным образом. Можно показать, что за счет распределения в системе содержания благородных металлов предлагаемым в настоящем изобретении образом должно достичь тех же результатов при меньшем количестве благородных металлов, что, в свою очередь, ведет к удешевлению производства предлагаемой в изобретении система либо при тех же затратах обеспечивает лучшую нейтрализацию вредных выбросов.
Как ТКН, расположенный первым по потоку отработавших газов, так и ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, содержат в качестве благородных металлов палладий, родий, платину или их смеси. Также могут присутствовать другие благородные металлы, например иридий, рений, рутений, серебро, золото. Однако при наличии последних металлов платиновой группы они содержатся в меньших количествах по сравнению и с палладием, и родием. Наиболее предпочтителен вариант осуществления изобретения, в котором металлами платиновой группы, присутствующими в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, и в ФТЧ-БД, расположенном вторым по потоку отработавших газов, являются только палладий и родий.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отношение количества металлов платиновой группы, содержащихся в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, к количеству металлов платиновой группы, содержащихся в ФТЧ-БД, расположенном вторым по потоку отработавших газов, составляет по меньшей мере 6, более предпочтительно - по меньшей мере 7, еще более предпочтительно - по меньшей мере 8 или 9 и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 10. Это, в частности, предпочтительно, если используемыми в системе металлами платиновой группы являются только палладий и родий.
3
3
3
3
Было установлено, что наличие металлов платиновой группы в расположенном вторым по потоку отработавших газов фильтре твердых частиц для бензиновых двигателей способствует ускорению сгорания сажи, накопившейся в фильтре. Следовательно, верхняя граница интервала возможных значений отношения количества металлов платиновой группы в ТКН к количеству металлов платиновой группы в ФТЧ-БД определяется тем, что ФТЧ-БД должен обладать полезной функциональностью трехкомпонентного катализатора, достаточной для того, чтобы экономически эффективным и экологичным образом дополнять функциональность расположенного перед ним по потоку отработавших газов ТКН, и при этом должен быть способным ускорять выжигание частиц сажи. Очевидно, что в этой связи количество металлов платиновой группы в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, также должно быть сбалансировано с учетом стоимостных факторов и эффективности обезвреживания содержащихся в отработавших газах токсичных загрязняющих веществ посредством предлагаемой в изобретении системы. Необходимо отметить, что этот фактор может сильно зависеть от типа оснащаемого системой двигателя и от состава его отработавших газов, а также от степени, в которой металлы платиновой группы эффективны в соответствующих устройствах (например с учетом уменьшения их активности из-за старения, с учетом используемого носителя и т.д.). Специалисту будет известно, как найти верхнюю границу интервала возможных значений отношения количеств металлов платиновой группы согласно вышеупомянутым параметрам. Вместе с тем, целесообразно, чтобы эта верхняя граница находилась в диапазоне от 10 до 23, предпочтительно - от 15 до 20 и наиболее предпочтительно - от 16 до 19. С учетом этого целесообразно, чтобы количество металлов платиновой группы, например палладия и родия, в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов ТКН, находилось в диапазоне от 20 до 200 г/фут, более предпочтительно - от 25 до 120 г/фут, и наиболее предпочтительно - около 30-80 г/фут. ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, напротив, характеризуется содержанием металлов платиновой группы, составляющим предпочтительно от 2 до 20 г/фут, более предпочтительно - от 2 до 15 г/фут, и наиболее предпочтительно - около 2-10 г/фут.
В предпочтительном альтернативном варианте осуществления изобретения в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, металлы платиновой группы содержатся в определенном отношении друг к другу. Например, в случае, когда в качестве металлов платиновой группы используются только палладий и родий, массовое отношение палладия к родию (т.е. отношение их массовых долей) в расположенном первым по потоку отработавших газов ТКН составляет от 8:1 до 40:1, предпочтительно - от 10:1 до 25:1 и наиболее предпочтительно - примерно от 11:1 до 19:1. ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов и содержащий металлы платиновой группы в меньшей концентрации, также характеризуется определенным отношением содержания этих металлов платиновой группы. Например, опять же в случае, когда в качестве металлов платиновой группы используются только палладий и родий, массовое отношение палладия к родию в расположенном вторым по потоку отработавших газов ФТЧ-БД составляет от 1:1 до 10:1, предпочтительно - от 1:1 до 5:1 и наиболее предпочтительно -примерно от 1:1 до 3:1.
В настоящем изобретении предлагается система нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Система содержит расположенный вблизи двигателя ТКН, за которым расположен ФТЧ-БД, также снабженный каталитическим покрытием, имеющим функциональность трехкомпонентного катализатора, т.е. трехкомпонентным каталитическим покрытием (ТКК-покрытие). В соответствии с изобретением ТКН расположен в передней по потоку части системы выпуска отработавших газов. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ТКН находится в так называемом расположенном вблизи двигателя положении. Это означает, что такое устройство для нейтрализации отработавших газов, расположенное вблизи двигателя, находится рядом с выходным отверстием выпускного коллектора, выходным отверстием самого двигателя или турбонагнетателем. То есть, ТКН находится за двигателем на расстоянии от соответствующего выходного отверстия/турбонагнетателя, составляющем предпочтительно примерно от 2 до 40 см, более предпочтительно - примерно от 5 до 30 см и наиболее предпочтительно - от 5 до 20 см, по потоку отработавших газов.
Обычно транспортные средства имеют моторный отсек, в котором размещаются двигатель и относящиеся к нему подсистемы и устройства, в том числе вышеупомянутое устройство для нейтрализации отработавших газов, расположенное вблизи двигателя. Стенка моторного отсека у днища кузова транспортного средства отделяет моторный отсек и салон от расположенных под днищем подсистем и устройств. Последние называют находящимися под днищем или под кузовом (подкузовными) устройствами, если такое устройство расположено под днищем или полом указанного транспортного средства. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, находится под днищем. Таким образом, в предлагаемой в изобретении системе ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, сообщается с ТКН, расположенным первым по потоку отработавших газов и сообщающимся с выходным отверстием двигателя, турбонагнетателя или выпускного коллектора, вследствие чего отработавшие газы, образующиеся при работе бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива, сначала проходят через ТКН, предпочтительно расположенный вблизи двигателя, а затем по выпускному трубопроводу проходят в расположенный вторым по потоку отработавших газов ФТЧ-БД, предпочтительно находящийся под днищем транспортного средства. С учетом динамики течения отработавших газов или торможения потока оказалось, что между ТКН и ФТЧ-БД существует некое оптимальное расстояние.
Это расстояние сильно зависит от нескольких аспектов, например модели двигателя и параметров системы, таких как активность ТКН по сравнению ФТЧ-БД. Следовательно, если ФТЧ-БД находится за выходным отверстием двигателя или выпускного коллектора на расстоянии от него по потоку отработавших газов, составляющем приблизительно от 60 до 200 см, предполагается, что ФТЧ-БД расположен под днищем транспортного средства. В более предпочтительном варианте осуществления изобретения ФТЧ-БД находится за вышеупомянутым выходным отверстием на расстоянии от него, составляющем от 60 до 150 см по потоку отработавших газов. В наиболее предпочтительном случае расстояние между вышеупомянутым выходным отверстием и входным отверстием ФТЧ-БД составляет от 60 до 120 см.
Все металлы платиновой группы либо некоторые или только один из металлов платиновой группы, используемых в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, и/или в ФТЧ-БД, расположенном вторым по потоку отработавших газов, могут быть равномерно распределены по соответствующему устройству, могут быть распределены зонально, или могут быть расположены слоями.
В очень предпочтительном варианте осуществления изобретения ТКН, расположенный первым по потоку отработавших газов, характеризуется зональностью распределения всех, некоторых или только одного из расположенных в нем металлов платиновой группы. В частности, в случае использования в качестве металлов платиновой группы, например, только палладия и родия, содержание палладия может быть распределено по расположенному первым по потоку отработавших газов ТКН неравномерно, тогда как содержание родия преимущественно распределено по всему объему устройства равномерно. То есть зональностью распределения палладия характеризуется только расположенный первым по потоку отработавших газов ТКН. Более предпочтительно, чтобы содержание палладия во входной зоне ТКН, расположенного первым по потоку отработавших газов, было выше, чем содержание палладия в его выходной зоне. Отношение значений массового содержания палладия во входной и выходной зонах должно находиться в пределах от 2:1 до 10:1, предпочтительно - от 3:1 до 7:1 и наиболее предпочтительно - примерно от 4:1 до 5:1. Протяженность входной зоны, измеряемая от входа в устройство, меньше полной длины от входа до выхода.
Протяженность выходной зоны, измеряемая от выхода из устройства, меньше полной длины от выхода до входа. Две зоны могут перекрываться или могут быть расположены с промежутком между собой или без промежутка, т.е. "встык". Предпочтительно, чтобы длина входной зоны составляла от 1/5 до 1/2, более предпочтительно - от 1/5 до 1/3 и наиболее предпочтительно - от 1/5 до 1/4 длины носителя. Выходная зона предпочтительно имеет такую же длину, что и входная зона. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения обе зоны имеют длину от 7 до 8 см, а отношение содержания палладия во входной зоне к содержанию палладия в выходной зоне составляет от 4:1 до 5:1.
Так как размер твердых частиц, образующихся при работе бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива, довольно мал, размер пор и пористость каталитического фильтра твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД) становятся важными с точки зрения нахождения подходящего баланса между эффективностью фильтрации и неблагоприятным увеличением противодавления. Кроме того, если фильтр твердых частиц имеет функциональность трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, обеспеченной нанесением на фильтр неправильно составленного пористого оксидного покрытия, это может вызвать еще большее увеличение противодавления. Было установлено, что проблему противодавления можно решить, выбрав для нанесения на ФТЧ-БД специально оптимизированное пористое оксидное покрытие с функциональностью трехкомпонентного катализатора, имеющее адаптированную пористость и средний размер пор. Не основываясь на какой-либо теории, можно полагать, что хотя размеры твердых частиц, содержащихся в отработавших газах бензинового двигателя, меньше размеров твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизельного двигателя (как это обсуждалось выше), средний размер пор стенок ФТЧ-БД, используемого в соответствии с настоящим изобретением, может быть довольно большим, в частности > 14 мкм или даже > 20 мкм (SAE 2007010921). По крайней мере, эти принятые размеры пор, очевидно, находятся в противоречии с рекомендациями, приведенными в литературе (SAE 2011010814). Благодаря тому, что пористые оксидные покрытия, содержащие частицы подходящего размера, в большей или меньшей степени проникают в поры стенок ФТЧ-БД, они помогают улавливать сажу, но препятствуют повышению противодавления.
В более предпочтительном аспекте средний размер пор ФТЧ-БД составляет от 14 до 25 мкм, более предпочтительно - от 15 до 21 мкм. Количество пористого оксидного покрытия, присутствующего на или в ФТЧ-БД, можно правильно определить, руководствуясь содержанием публикации US 20110252773, касающимся соответствующих вопросов.
Следовательно, по меньшей мере до некоторой степени, пористое оксидное покрытие не покрывает стенки ФТЧ-БД, используемого в соответствии с изобретением, но расположено в самих порах этих стенок. Для проникновения в пористую структуру стенок ФТЧ-БД частицы пористого оксидного покрытия должны быть меньше среднего размера пор фильтра. Поэтому целесообразно, чтобы размер частиц пористого оксидного покрытия был меньше среднего размера пор используемого ФТЧ-БД. Таким образом, предпочтительно, чтобы размер частиц пористого оксидного покрытия составлял от 0,1 до 20 мкм, более предпочтительно - от 0,1 до 15 мкм и наиболее предпочтительно - от 0,1 до 10 мкм.
Известно, что приведенные здесь размеры частиц демонстрируют определенный разброс значений диаметра. Специалистам должно быть понятно, что по меньшей мере 80%, предпочтительно - по меньшей мере 90% и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 95% частиц, имеющихся в пористом оксидном покрытии, должны иметь диаметр, находящийся в вышеупомянутых пределах.
В еще одном аспекте настоящего изобретения фильтр твердых частиц с проницаемыми стенками, предназначенный для бензиновых двигателей, имеет определенную пористость. Для достижения баланса между эффективностью фильтрации и повышением противодавления важен не только средний размер пор стенок ФТЧ-БД. Противодавление, создаваемое фильтром с проницаемыми стенками, также определяется количество пор. Целесообразно, чтобы фильтр твердых частиц с проницаемыми стенками, предназначенный для бензиновых двигателей и используемый в соответствии с настоящим изобретением, имел пористую структуру своих стенок с пористостью от 45 до 75%, предпочтительно - от 55 до 70% и наиболее предпочтительно - от 60 до 65%.
Настоящее изобретение в очень предпочтительном варианте его осуществления относится к системе нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей, содержащей расположенный вблизи двигателя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор отработавших газов (ТКН), например, характеризующийся зональностью распределения палладия, и расположенный за ним по потоку, снабженный трехкомпонентным каталитическим покрытием фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД), причем средний размер пор фильтра твердых частиц с проницаемыми стенками составляет примерно от 18 до 22 мкм, размер частиц в нанесенном на фильтр пористом оксидном покрытии составляет от 1 до 7 мкм, а пористость фильтра составляет примерно от 60 до 70%.
Объектом настоящего изобретения является также способ уменьшения выброса вредных веществ, содержащихся в отработавших газах бензиновых двигателей, заключающийся в том, что отработавшие газы вводят в контакт с предлагаемой в изобретении системой. Специалистам должно быть понятно, что все рассмотренные выше предпочтительные и целесообразные аспекты настоящего изобретения и варианты выполнения предлагаемой в изобретении системы также относятся, с соответствующими изменениями, к предлагаемому в изобретении способу.
Носитель для ТКН:
Трехкомпонентные каталитические композиции располагаются на носителе. Носителем может быть любой из материалов, обычно используемых для изготовления катализаторов, и предпочтительно включает в себя керамическую или металлическую сотовую конструкцию. При этом может использоваться любой подходящий носитель, например монолитный носитель с параллельными газовыми каналами, проходящими через него от входного или выходного торца носителя таким образом, что эти каналы открыты для прохождения через них текучей среды (носители такого типа называются проточными сотовыми носителями или сотовыми элементами). Каналы, представляющие собой по существу прямолинейные проходы для текучей среды, тянущиеся от входа к выходу, ограничены стенками, снабженными каталитическим материалом, нанесенным в составе пористого оксидного покрытия, благодаря чему проходящие через каналы газы контактируют с каталитическим материалом. Каналы в монолитном носителе образованы тонкими стенками, которые могут иметь любые походящие форму и размер поперечного сечения, например трапециевидное, прямоугольное, квадратное, синусоидальное, шестиугольное, овальное, круглое и иное поперечное сечение. Такие конструкции могут содержать примерно от 60 до 900 или более входных отверстий для газа (т.е. ячеек) на квадратный дюйм поперечного сечения.
Керамический носитель может изготавливаться из любого подходящего тугоплавкого материала, таконо как кордиерит, смесь кордиерита и оксида алюминия, нитрид кремния, муллит циркония, сподумен, смесь оксида алюминия, диоксида кремния и оксида магния, силикат циркония, силлиманит, силикат магния, диоксид циркония, петалит, оксид алюминия, алюминосиликат и т.п. Носители, которые в соответствии с настоящим изобретением пригодны в качестве основы для нанесения каталитических композиций, также могут быть металлическими и могут состоять из одного или нескольких металлов или металлических сплавов. Металлические носители могут использоваться в самых разных формах выполнения, например, могут изготавливаться из гофрированного листа или в виде монолита. Предпочтительные металлические носители содержат жаростойкие металлы и металлические сплавы, такие как титан и нержавеющая сталь, а также другие сплавы, в которых основным или существенным компонентом является железо. Такие сплавы могут содержать один или несколько из следующих элементов: никель, хром и/или алюминий, и суммарная массовая доля этих металлов в сплаве может составлять по меньшей мере около 15%; например, сплав может содержать примерно 10-25 мас. % хрома, примерно 3-8 мас. % алюминия и до 20 мас. % никеля. Сплавы также могут содержать малые или следовые (микроскопические) количества одного или нескольких других металлов, таких как марганец, медь, ванадий, титан и т.п. Поверхность металлических носителей можно подвергать оксидированию при высоких температурах, например при температуре около 1000°C и выше, для повышения коррозионной стойкости сплавов за счет образования на поверхностях носителей окисного слоя. Такое высокотемпературное оксидирование способно усиливать сцепление тугоплавких оксидов металлов, выполняющих функцию подложки катализатора, и каталитически активных металлических компонентов с носителем. В альтернативных вариантах осуществления изобретения одна или несколько каталитических композиций может/могут наноситься осаждением на носитель из вспененного материала с открытыми порами. Такие носители широко известны в уровне техники и обычно изготавливаются из тугоплавких керамических или металлических материалов.
Носитель для ФТЧ-БД:
В настоящем изобретении предлагается система нейтрализации отработавших газов, содержащая фильтр твердых частиц с проницаемыми стенками, специально приспособленный для обработки, т.е. нейтрализации, потоков отработавших газов, образующихся при работе бензиновых двигателей, в частности бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. При осуществлении настоящего изобретения в качестве основы для нанесения каталитической композиции может использоваться любой фильтрующий носитель с проницаемыми стенками при условии, что такой носитель обеспечивает эффективное отфильтровывание, или улавливание, твердых частиц, содержащихся в потоках отработавших газов бензиновых двигателей. В качестве фильтрующего носителя предпочтительно использовать так называемый фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД), причем в контексте настоящего изобретения под улавливателем твердых частиц, как часто называют подобный фильтр, понимается фильтр, выполненный по размерам и форме таким образом, чтобы улавливать твердые частицы, образующиеся в процессе реакций горения топлива в бензиновом двигателе, предпочтительно в бензиновых двигателях с технологиями непосредственного впрыска топлива.
Таким образом, фильтрующий носитель ФТЧ-БД предпочтительно является монолитом с проницаемыми стенками или фильтром с проницаемыми стенками, а в более предпочтительном исполнении он является фильтром сотовой (ячеистой) конструкции с проницаемыми стенками. К пригодным при осуществлении изобретения носителям с проницаемыми стенками относятся носители, имеющие множество мелких, по существу параллельных газовых каналов, проходящих вдоль продольной оси носителя. В предпочтительном исполнении такого фильтра твердых частиц каждый канал перекрыт на одном из торцов корпуса носителя, а каналы, перекрытые на противоположных торцах, чередуются. В отношении подходящих носителей с проницаемыми стенками, которые могут использоваться при осуществлении настоящего изобретения, в описание путем ссылки включено содержание патентной публикации US 4329162.
Фильтрующий носитель для улавливания твердых частиц может быть выполнен с использованием любого материала или комбинации материалов, которые позволяют отфильтровывать твердые частицы, содержащиеся в отработавших газах бензинового двигателя, не затрудняя работу бензинового двигателя, выход которого сообщается с фильтром твердых частиц. С этой целью в качестве материала фильтрующего носителя предпочтительно использовать пористые материалы, в частности керамоподобные материалы, такие как кордиерит, альфа-оксид алюминия, карбид кремния, титанат алюминия, нитрид кремния, диоксид циркония, муллит, сподумен, смесь оксида алюминия, диоксида кремния и оксида магния и силикат циркония, а также пористые тугоплавкие металлы и их оксиды. В контексте настоящего изобретения под тугоплавким металлом понимается один или несколько металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W и Re. Фильтрующий носитель для улавливания твердых частиц также может изготавливаться из керамических волокнистых композиционных материалов. В соответствии с настоящим изобретением фильтрующий носитель для улавливания твердых частиц предпочтительно изготавливается из кордиерита, карбида кремния и/или из титаната алюминия. Вообще предпочтительны материалы, способные выдерживать высокие температуры, в условиях которых фильтр твердых частиц эксплуатируется по назначению - для нейтрализации отработавших газов бензинового двигателя.
В частности, фильтр твердых частиц предпочтительно содержит фильтрующий носитель, первый слой, расположенный на или в одной поверхности фильтрующего носителя, и необязательно второй слой, расположенный на или в одной поверхности фильтрующего носителя. В очень предпочтительном варианте осуществления изобретения покрытие расположено полностью или по меньшей мере преимущественно внутри пористых стенок основы фильтра с проницаемыми стенками.
Пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором:
В соответствии с настоящим изобретением фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей, имеющий проницаемые стенки, а также расположенный перед ним по потоку отработавших газов ТКН, снабжены подходящим пористым оксидным покрытием, содержащим катализатор с трехкомпонентной функциональностью. Пористые оксидные покрытия двух вышеупомянутых устройств могут быть одинаковыми или различными. В принципе, в предлагаемой в изобретении системе нейтрализации отработавших газов может использоваться любое пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором при условии, что им обеспечивается эффективная нейтрализация отработавших газов бензинового двигателя. Сведения о подходящих пористых оксидных покрытиях с трехкомпонентным катализатором, наносимых одним слоем или несколькими слоями, содержатся, например, в ЕР 1974810 B1, PCT/EP 2011/070541, EP 1974809 B1 или PCT/EP 2011/070539. Дополнительная информация по этой теме также содержится в источниках, цитируемых в приведенном выше обзоре уровня техники. Используемые трехкомпонентные катализаторы содержат металлы платиновой группы, например родий (Rh) и палладий (Pd), более предпочтительно они содержат только палладий и родий.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором содержит катализатор, состоящий из металлооксидного материала-носителя, который предпочтительно выбран из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида циркония, смеси диоксида циркония и оксида алюминия, смеси оксидов бария и алюминия, смеси оксидов лантана и алюминия, смеси оксида лантана, диоксида циркония и оксида алюминия, а также их смесей. В особенно предпочтительных вариантах осуществления изобретения в качестве металлооксидного материала-носителя каталитической композиции используют гамма-оксид алюминия. Материал-носитель каталитической композиции предпочтительно легирован оксидом редкоземельного, щелочноземельного или тугоплавкого металла в количестве, составляющем предпочтительно от 0,01 до 30 мас. %, более предпочтительно - от 0,05 до 15 мас. %, еще предпочтительнее - от 0,1 до 10 мас. %. В частности, оксид редкоземельного, щелочноземельного или тугоплавкого металла предпочтительно выбирают из группы, состоящей из диоксида церия, оксида лантана, оксида празеодима, оксида неодима, оксида бария, оксида стронция, диоксида циркония и их смесей, причем оксидом редкоземельного, щелочноземельного или тугоплавкого металла предпочтительно является оксид лантана, оксид бария и/или диоксид циркония. В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения в качестве металлооксидного материала-носителя используют гамма-оксид алюминия, легированный предпочтительно оксидом редкоземельного, щелочноземельного или тугоплавкого металла, более предпочтительно - оксидом лантана, оксидом бария и/или диоксидом циркония. Помимо указанного материала-носителя, трехкомпонентный катализатор, используемый в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно содержит накапливающий кислород компонент, предпочтительно выбираемый из группы, состоящей из диоксида церия, оксида празеодима и их смесей, а также смесей этих материалов с другими оксидами металлов, более предпочтительно выбираемых из группы, состоящей из смеси диоксидов церия и циркония, смеси диоксида церия, диоксида циркония и оксида лантана, смеси диоксида церия, диоксида циркония и оксида неодима, смеси диоксида церия, диоксида циркония и оксида празеодима, смеси диоксида церия, диоксида циркония и оксида иттрия, смеси диоксида церия, диоксида циркония, оксида лантана и оксида неодима, смеси диоксида церия, диоксида циркония, оксида лантана и оксида празеодима или смеси диоксида церия, диоксида циркония, оксида лантана и оксида иттрия.
Каталитическая композиция легко наносится на носитель в виде покрытия. Для нанесения первого слоя такого пористого оксидного покрытия в подходящей несущей среде, например в воде, суспендируют мелкодисперсные частицы оксида металла с высокой удельной поверхностью, такого как гамма-оксид алюминия. Для включения в состав покрытия других компонентов, таких как металлы платиновой группы (например палладий, родий, платина и/или их комбинации), стабилизаторы и/или промоторы (усилители), такие компоненты могут добавляться в суспензию в виде смеси растворимых или диспергируемых в воде соединений или комплексов. При включении в состав пористого оксидного покрытия компонентов, содержащих металлы платиновой группы, например палладий и/или родий, соответствующий компонент обычно используется в виде соединения или комплекса для обеспечения распределения компонента по металлооксидному материалу-носителю, например активированному оксиду алюминия, такому как гамма-оксид алюминия. В отношении пористоого оксидного покрытия с трехкомпонентным катализатором термин "компонент" означает любое соединение, комплекс и т.п., которое(-ый) при его прокаливании или использовании разлагается или претерпевает иное превращение с переходом в каталитически активную форму, обычно металл или оксид металла. Это соответственно относится ко всем элементам платиновой группы, используемым в соответствии с настоящим изобретением в отдельности или в комбинации друг с другом. Растворимые в воде соединения или диспергируемые в воде соединения или комплексы металлического компонента могут использоваться, если только жидкая среда, используемая для пропитки частиц тугоплавкого оксида металла, служащих подложкой (носителем) катализатора, металлическим компонентом или для осаждения металлического компонента на указанные частицы, не вступает в неблагоприятные реакции с металлом, его соединением или его комплексом, либо с другими компонентами, которые могут присутствовать в составе каталитической композиции, и если эта жидкая среда удаляется из металлического компонента за счет улетучивания или разложения при нагреве и/или создании вакуума. В некоторых случаях удаление жидкости завершается лишь после ввода катализатора в эксплуатацию и воздействия на него высоких рабочих температур. Как правило, исходя из соображений экономичности и экологичности, используют водные растворы растворимых соединений или комплексов благородных металлов. Например, подходящими для этого соединениями являются нитрат палладия или нитрат родия.
Вообще, для изготовления предлагаемой в изобретении системы нейтрализации отработавших газов может применяться любой возможный способ (в отношении ФТЧ-БД см.: US 2009129995, EP 1789191, WO 2006021336). При использовании известных технологий суспензия катализатора может проникать в стенки носителя. При этом термин "проникновение" применительно к распределению суспензии катализатора на носителе означает, что каталитическая композиция распределяется по объему стенки носителя.
Носители, снабженные пористым оксидным покрытием, сушат, обычно при температуре около 100°C, и прокаливают при более высокой температуре (например, составляющей от 300 до 450°C и достигающей 550°C). После прокаливания массу нанесенного каталитического состава можно определить по массе носителя без покрытия и массе носителя с покрытием. Специалисту понятно, что массу наносимой каталитической композиции можно регулировать, изменяя содержание твердой фазы в суспензии, используемой для нанесения покрытия. В другом случае может выполняться многократное погружение носителя в суспензию, используемую для нанесения покрытия, с последующим удалением излишка суспензии, как это описано выше.
Каталитические композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, могут формироваться одним слоем или несколькими слоями либо в нескольких зонах. В некоторых случаях может быть подходящим приготовление одной суспензии каталитического материала и использование этой суспензии для формирования на носителе нескольких слоев. Каталитические композиции легко готовятся при использовании известных из уровня техники методов. Ниже рассматривается типичный из подобных методов. В данном описании термин "пористое оксидное покрытие" (washcoat) используется в своем традиционном для соответствующей области техники значении и означает тонкое, хорошо сцепляющееся с подложкой покрытие из каталитического или другого материала, наносимое на материал носителя, например сотового элемента, и обладающее пористостью, достаточной для прохождения через него потока обрабатываемого газа.
Необходимо отметить, что с предлагаемой в изобретении системой могут сопрягаться и другие катализаторы или функциональности, например функциональность селективного каталитического восстановления и/или функциональность накопления кислорода и/или функциональность накопления оксидов азота и т.д. (US 20110158871; US 20090193796).
2
Включение каталитических фильтров твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД) в состав системы нейтрализации отработавших газов может быть экономичным и экологичным решением по уменьшению выброса твердых частиц в отработавших газах бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. При этом наиболее сложная задача заключается в том, чтобы обеспечить достаточную степень уменьшения количества выбрасываемых твердых частиц при приемлемом падении давления, чтобы не свести на нет преимущество бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива по выбросу CO и одновременно обеспечить высокую эффективность нейтрализации законодательно регулируемых загрязняющих веществ. Нанесение специального пористого оксидного покрытия, снабженного трехкомпонентным катализатором, на керамический фильтр с проницаемыми стенками и применение ТКН, расположенного перед таким фильтром по потоку отработавших газов, позволяет удовлетворить всем вышеупомянутым требованиям, выполнив по меньшей мере нормы намеченного к введению в действие экологического стандарта Евро-6.
Удалось подтвердить положительное влияние каталитического покрытия на эффективность отфильтровывания твердых частиц, а также на эффективность нейтрализации углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота в каталитическом ФТЧ-БД. В системе выпуска отработавших газов, содержащей два нейтрализатора, замена расположенного под днищем транспортного средства трехкомпонентного каталитического нейтрализатора каталитическим ФТЧ-БД возможна без отрицательного влияния на эффективность нейтрализации всех законодательно регулируемых загрязняющих веществ. Данные, полученные в ходе испытаний систем выпуска отработавших газов, содержащих обычные трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы и дополнительные фильтры твердых частиц для бензиновых двигателей, в сочетании с современными бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, показывают даже то, что наряду с достигнутым повышением эффективности фильтрации очистки отработавших газов для их очистки от твердых частиц также может быть повышена эффективность снижения выбросов всех законодательно регулируемых загрязняющих веществ. В частности, применение дополнительного каталитического ФТЧ-БД обеспечивает существенное уменьшение содержания NOx в выхлопных газах.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема экспериментальной установки и расположения контрольно-измерительных приборов.
Фиг. 2 - результаты определения количества твердых частиц в выхлопных газах в рамках нового европейского ездового цикла NEDC и эффективности фильтрации.
Фиг. 3 - профиль количества твердых частиц в выхлопе бензинового двигателя с рабочим объемом 1,4 л, турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива при испытаниях по ездовому циклу NEDC.
Фиг. 4 - профиль количества вредных выбросов в отработавших газах на выходе из бензинового двигателя с рабочим объемом 1,4 л, турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива при испытаниях по ездовому циклу NEDC.
Фиг. 5 - сопоставление сравнительной системы и примеров предлагаемой системы в отношении количества вредных выбросов в собранных в мешки пробах отработавших газов бензинового двигателя с рабочим объемом 1,4 л, турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива для разных частей ездового цикла.
Номера позиций на фиг. 1:
1: Бензиновый двигатель
2: Анализатор отработавших газов
3: Сравнительный ТКН
4: Анализатор отработавших газов
5: ФТЧ-БД без катализатора
6: Анализатор отработавших газов
7: ТКН
8: Каталитический ФТЧ-БД
9: ТКН с зональным распределением катализатора Экспериментальная установка
2
2
Для измерения содержания газообразных компонентов отработавших газов СО (монооксид углерода), CO (диоксид углерода), NOx (оксиды азота), ТНС (общие углеводороды) и O (кислород) использовались анализаторы отработавших газов (AVL/Pierburg АМА4000). Датчики состава отработавших газов были установлены в местах выпускного тракта, расположенных на расстоянии два дюйма перед (поз. 2 на фиг. 1) ТКН, за (поз. 4 на фиг. 1) ТКН и за (поз. 6 на фиг. 1) ФТЧ-БД. Для измерения температуры и противодавления примерно в тех же местах были установлены термопары и датчики давления. Для измерения коэффициента избытка воздуха использовались дополнительные лямбда-зонды (кислородные датчики). Для измерения количества твердых частиц согласно Программе измерения твердых частиц (РМР) использовался прибор МЕХА-1000 фирмы Horiba. Поскольку количество твердых частиц PN измерялось после ФТЧ-БД без разбавления, использовалась дополнительная стадия разбавления в приборе МЕХА-1000. Прибор позволял получать данные о количестве твердых частиц с разрешением во времени.
Были собраны четыре системы (фиг. 1), которые оценивались на двигателе с рабочим объемом 1,4 л и непосредственным впрыском топлива. В сравнительной системе использовался носитель 3 диаметром 101,6 мм и длиной 152 мм. Плотность расположения ячеек - 600 ячеек на квадратный дюйм. В примерах 1 и 2 использовалась та же технология приготовления трехкомпонентного катализатора, что в сравнительном примере, но при несколько иной массе металлов платиновой группы в ТКН 3 и 7 и в сочетании с расположенным под днищем транспортного средства ФТЧ-БД, который в примере 1 не имел каталитического покрытия (поз. 5 на фиг. 1), а в примере 2 был снабжен каталитическим покрытием (поз. 8 на фиг. 1). В примере 3 использовался ТКН 9 с зональным распределением металла платиновой группы и каталитический ФТЧ-БД 8. Все носители ФТЧ-БД изготовлены из кордиеритового материала с пористостью 65% и большим средним размером пор примерно 20 мкм. Размеры носителей: диаметр 118,4 мм и длина 152 мм. Плотность расположения ячеек - 300 ячеек на квадратный дюйм, толщина стенки - 12 мил. Носители фильтров твердых частиц были покрыты суспензией, образующей пористое оксидное покрытие с трехкомпонентной каталитической композицией, специально оптимизированное для применения в ФТЧ-БД. Значения массы благородных металлов на единицу объема ТКН, расположенного вблизи двигателя, и ФТЧ-БД, расположенного под днищем кузова транспортного средства, приведены в таблице 2. Все системы с каталитическим ФТЧ-БД, оценивавшиеся в данном испытании, характеризуются меньшей стоимостью благородных металлов, чем сравнительная система. Все системы параллельно подвергались ускоренному старению по процедуре, предусматривающей отсечки подачи топлива, при температуре катализатора внутри расположенного вблизи двигателя ТКН, составлявшей 1030°C.
Результаты испытаний на транспортном средстве, оснащенном двигателем с рабочим объемом 1,4 л и непосредственным впрыском топлива
Для прикладного исследования каталитических ФТЧ-БД было выбрано транспортное средство, оснащенное двигателем с рабочим объемом 1,4 л и непосредственным впрыском топлива: это был двигатель 2005 модельного года с рабочим объемом 1,4 л, непосредственным впрыском топлива и турбонагнетателем. Двигатель был отрегулирован под соответствие стандарту Евро-4 и был оснащен расположенным вблизи него каталитическим нейтрализатором, объем которого после изготовления составлял 1,25 л. Этот двигатель был помещен на стенд для высокодинамичных испытаний двигателей, оснащенный системой определения токсичности отработавших газов путем отбора проб постоянного объема в мешки, тремя расположенными последовательно линиями анализаторов (необработанные отработавшие газы на выходе из двигателя, отработавшие газы на выходе ТКН и отработавшие газы на выходе ФТЧ-БД) для определения газообразных компонентов отработавших газов, и счетчиком твердых частиц (МЕХА-1000 фирмы Horiba), использовавшимся для приема неразбавленных отработавших газов после ФТЧ-БД. Для измерения по процедуре РМР в системе также использовалась дополнительная стадия разбавления. Все данные, полученные на стенде для высокодинамичных испытаний двигателей, осреднены по результатам по меньшей мере пяти испытаний.
Результаты испытаний на количество выбрасываемых твердых частиц
11
10
10
Данные по количеству выбрасываемых твердых частиц, измеренному для четырех показанных на фиг. 1 систем выпуска отработавших газов при испытании по европейскому ездовому циклу, представлены на фиг. 2. Данные по количеству твердых частиц в отработавших газах на выходе сравнительной системы, содержащей только ТКН, идентичны данным для отработавших газов на выходе из двигателя транспортного средства, т.е. для необработанных отработавших газов. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор со сквозным проточным носителем не обеспечивает поддающегося измерению уменьшения количества твердых частиц. Системы же, оснащенные фильтрами твердых частиц для бензиновых двигателей, в соответствии с примерами 1-3, продемонстрировали существенное уменьшение количества выбрасываемых твердых частиц. На фиг. 2 обобщены данные по количеству выбрасываемых твердых частиц и эффективности фильтрации отработавших газов. На фиг. 3 показан профиль количества твердых частиц для всех систем при испытаниях по новому европейскому ездовому циклу NEDC. Эффективность фильтрации отработавших газов каждой системой рассчитывалась по отношению к соответствующему параметру отработавших газов на выходе двигателя. Каждое значение осреднено по результатам пяти испытаний по ездовому циклу NEDC. При выборе фильтра кордиеритового типа эффективность фильтрации в примере 1 составила 88%, что соответствует выбросу твердых частиц в количестве 1,7×10 #/км. Нанесением на фильтр пористого оксидного покрытия достигнуто повышение эффективности фильтрации до 99% в примере 2 и 99% в примере 3, что выразилось в уменьшении количества выбрасываемых твердых частиц до 1,4×10 #/км и 1,2×10 #/км, соответственно. Обе системы гарантированно удовлетворяют предельным значениям, которые предположительно будут закреплены законодательно.
Эффективность нейтрализации СО, НС и NOx
На фиг. 4 приведены данные по выбросу всех законодательно регулируемых загрязняющих веществ в отработавших газах на выходе из двигателя (т.е. без очистки отработавших газов), полученные на основе измерений по европейскому ездовому циклу. Все данные по выбросам в зависимости от режима работы двигателя собирались во временном интервале между началом отсчета времени (нулевая секунда) и 1200-ой секундой на выходе из двигателя с помощью газоанализаторов AVL/Pierburg АМА 4000. Если накопленная масса выбросов СО и НС увеличивается на протяжении цикла приблизительно линейно, то на графике массы NOx видно значительное увеличение, приходящееся на последнюю фазу разгона с высокой скоростью.
На фиг. 5 обобщены данные по количеству СО, НС и NOx в пробах отработавших газов бензинового двигателя, собранных в мешки на выходе из исследовавшихся систем нейтрализации отработавших газов. Все значения осреднены по результатам пяти испытаний. Включение в систему расположенного под днищем транспортного средства корпуса с содержащимся в нем фильтром приводит к некоторому изменению характера горения и лямбда-регулирования по сравнению с установкой, имеющей один каталитический нейтрализатор. В результате для сравнительного примера и примера 1, в которых используется одинаковый ТКН, расположенный вблизи двигателя, выбросы НС на выходе выхлопной трубы (а также выбросы СО и NOx в городском цикле ЕСЕ) различаются, хотя эти системы демонстрируют одинаковую эффективность нейтрализации НС. В отличие от этого, в примере 3, где используется ТКН с зональным (неравномерным) распределением катализатора, наблюдается явное преимущество в отношении нейтрализации НС. Очевидно, что применение расположенного вблизи двигателя ТКН с зональным распределением металла платиновой группы позволяет при аналогичных затратах на металлы платиновой группы значительно снизить выбросы СО, что дает сокращение выброса СО приблизительно на 12% по сравнению с другими системами.
Очевидным преимуществом применения каталитического ФТЧ-БД, демонстрируемым примерами 2 и 3, является заметное сокращение выбросов NOx. Соответствующие различия проявляются во второй части европейского ездового цикла - скоростном загородном цикле (EUDC). Хотя для сравнительного примера и примера 1 во время разгона в высоскоростной фазе видны резкие увеличения выброса NOx, каталитические ФТЧ-БД способны значительно подавлять этот эффект. На фиг. 5 показано, что применение в системе каталитического ФТЧ-БД обеспечивает уменьшение суммарного выброса NOx из выхлопной трубы на 10 мг/км по сравнению со сравнительной системой.