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.
Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус и размещенный в нем катализатор, выполненный из благородного металла (патент RU №2029107, МПК F01N 3/00, опубл. 19.02.1991). Недостатком известного каталитического нейтрализатора является недостаточная степень снижения токсичности отработавших газов.
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 бензинового двигателя, а также сокращение количества дорогостоящих элементов, используемых в каталитическом покрытии.
Технический результат достигается тем, что в каталитическом блоке нейтрализатора системы выпуска отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания сотовой структуры, выполненном из слоев гладкой и гофрированной лент, покрытых катализатором и свернутых в рулон, в качестве катализатора используют палладий и родий, количественное массовое соотношение палладий/родий составляет 3,0-40,0 при удельном содержании общего количества палладия и родия в объеме сотовой структуры в пределах 0,25-6,5 г/дм3, при этом плотность гофр в объеме сотовой структуры составляет 23-94 гофры на квадратный сантиметр поперечного сечения блока.
При количественном массовом соотношении палладий/родий в пределах 3,0-40,0, при удельном содержании общего количества палладия и родия в объеме блока в пределах 0,25-6,5 г/дм3, как показали проведенные испытания, имеет место наибольшее снижение токсичности отработавших газов при значительном ресурсе эффективной работы нейтрализатора с обеспечением интенсивного протекания окислительно-восстановительных процессов очистки при высокой активности катализатора. При количественном массовом соотношении палладий/родий менее 3,0 наблюдается резкое ухудшение степени очистки по СО, а при массовом соотношении палладий/родий более 40,0 - по NOx.
Аналогичным образом при удельном содержании общего количества палладия и родия в объеме блока менее 0.25 г/дм3 наблюдается резкое ухудшение степени очистки, а при удельном содержании более 6,5 г/дм3 динамики снижения токсичности выхлопных газов не наблюдается и повышенное содержание драгметаллов становится неоправданным.
Количественное массовое соотношение палладий/родий, выбранное в пределах 3,0-40,0, является наиболее оптимальным для эффективной нейтрализации выхлопных газов и продолжительной нормальной работы самого нейтрализатора. Добиться одновременно снижения в равной мере содержания в выхлопных газах всех вредных веществ, таких, как углеводороды (CH), окись углерода (CO) и окислы азота (NOx) довольно трудно, так как уменьшение содержания одного токсичного компонента ведет к увеличению содержания другого. Как показали проведенные испытания, при снижении количественного массового соотношения палладий/родий ниже 3,0 не происходит эффективного снижения содержания CO в отработавших газах, так как такого количества палладия, нейтрализующего CO, 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 росте этого соотношения выше 40,0 не происходит эффективного снижения содержания NOx, так как такого количества родия, нейтрализующего NOx, становится недостаточно для эффективного протекания окислительно-восстановительных процессов во всем объеме проходящих газов, при этом улучшаются показатели по нейтрализации CO, так как увеличивается содержание палладия. В зависимости от состава отработавших газов выбирают оптимальный вариант соотношения палладия и родия из предложенного предела 3,0-40,0, который учитывает различные потребности и позволяет добиться уровня снижения токсичности отработавших газов, соответствующего требованиям норм Евро 3, Евро 4 и Евро 5. Комбинация каталитического покрытия из двух компонентов, палладия и родия, каждый из которых влияет на снижение содержания в выхлопных газах определенного вредного вещества (палладий - на CO, родий - на NOx), при их количественном массовом соотношении 3,0-40,0, позволяет длительное время сохранять активность нейтрализатора, так как в зависимости от содержания в выхлопных газах того или иного вредного вещества с большей нагрузкой «работают» попеременно палладий или родий, а также оптимизировать содержание драгметаллов.
Удельное содержание общего количества драгоценных металлов в объеме сотовой структуры в пределах 0,25-6,5 г/дм3, как показали проведенные испытания, обеспечивает наибольшее снижение токсичности отработавших газов 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 сотовой структуры 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 вредных веществ. При удельном содержании более 6,5 г/дм3 снижение токсичности выхлопных газов остается на том же уровне, в то время как присутствует неоправданное повышение количества используемых драгметаллов и соответственно себестоимости нейтрализатора.
Плотность гофр в объеме сотовой структуры в пределах 23-94 гофры на квадратный сантиметр поперечного сечения блока, как установлено, является наиболее оптимальной для снижения токсичности отработавших газов при хорошем ресурсе эффективной работы нейтрализатора с обеспечением интенсивного протекания окислительно-восстановительных процессов очистки. При плотности гофр менее 23 гофр на квадратный сантиметр поперечного сечения 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 нейтрализатор выхлопных газов. При плотности гофр более 94 гофры на квадратный сантиметр поперечного сечения блока дальнейшего повышения степени очистки не наблюдается, в то время как присутствует существенное повышение гидросопротивления нейтрализатора и неоправданный расход драгметаллов.
На фиг.1 представлен каталитический блок нейтрализатора системы выпуска отработавших газов бензинового ДВС, общий вид и его сотовая структура, на фиг.2 - металлические ленты с покрытием.
Каталитический блок нейтрализатора отработавших газов бензинового ДВС представляет собой каталитический блок сотовой структуры 1, образованный слоями гладкой и гофрированной лент, поверхности гофр 2 которых снабжены каталитическим покрытием 3, содержащим драгоценные металлы, в качестве которых используют палладий и родий, количественное массовое соотношение палладий/родий составляет 3,0-40,0 при удельном содержании общего количества драгоценных металлов в объеме блока 1 0,25-6,5 г/дм3, при этом плотность гофр 2 в объеме блока 1 составляет 23-94 гофры на квадратный сантиметр поперечного сечения блока 1.
Работа каталитического блока нейтрализатора отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. Отработавшие газы из цилиндров ДВС поступают на вход блока 1, проходят через его гофры 2, в которых под воздействием каталитического покрытия 3, выполненного из палладия и родия, происходят каталитические окислительно-восстановительные реакции очистки газов от токсичных веществ до уровня норм Евро 3, Евро 4 или Евро 5, и далее через систему шумоглушения очищенные газы поступают в атмосферу.
Каталитический блок нейтрализатора отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания изготавливают любым известным специалистам промышленным способом в виде сложенных вместе гладкой и гофрированной лент, свернутых в рулон и покрытых палладием и родием в высокодисперсной форме.
Каталитический блок нейтрализатора отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания, выполненный в соответствии с предлагаемым техническим решением, позволяет эффективно снижать токсичность отработавших газов, длительное время сохранять его активность и оптимизировать содержание драгметаллов.