Устройство управления отработавшими газами, система управления отработавшими газами и способ изготовления устройства управления отработавшими газами - RU2744954C1

Чертежи

Описание

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники

[0001] Изобретение относится к устройству управления отработавшими газами, содержащему катализатор, установленный в фильтре с пристеночной структурой потока, к системе управления отработавшими газами, использующей устройство управления отработавшими газами, и к способу изготовления устройства управления отработавшими газами.

2. Раскрытие предшествующего уровня техники

[0002] Отработавшие газы, выделяемые двигателем внутреннего сгорания транспортного средства или иным подобным оборудованием, содержат частицы вещества (далее иногда сокращенно называемые «ЧВ»), преимущественно углерода, способные загрязнять атмосферу, а также золу и иные подобные негорючие вещества. В качестве фильтра для сбора и удаления частиц вещества из отработавших газов широко используют фильтр с пристеночной структурой потока. Пристеночная структура потока подразумевает наличие ячеистой подложки с пористой перегородкой, разделяющей множество ячеек, проходящих от входной боковой оконечной поверхности до выходной боковой оконечной поверхности, при этом множество включает входную ячейку и выходную ячейку, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой, находящейся между входной и выходной ячейкой. Входная ячейка открыта с входной боковой оконечной части и герметизирована уплотнительным элементом с выходной боковой оконечной части, а выходная ячейка герметизирована уплотнительным элементом с входной боковой оконечной части и открыта с выходной боковой оконечной части.

[0003] В фильтре с пристеночной структурой потока отработавшие газы, поступающие во входную ячейку через входную боковую оконечную часть, проходят через перегородку в выходную ячейку и выходят через выходную боковую оконечную часть выходной ячейки. Когда отработавшие газы проходят через перегородку, частицы вещества скапливаются в порах перегородки. Среди известных примеров фильтра с пристеночной структурой потока можно назвать дизельный сажевый фильтр (ДСФ) для дизельного двигателя и бензиновый сажевый фильтр для бензинового двигателя (далее иногда сокращенно «БСФ»).

[0004] С другой стороны, в отработавших газах, кроме частиц вещества содержатся другие вредные компоненты, в частности, окись углерода (CO), гидрокарбонат (HC) и оксиды азота (NO_x). Такие вредные компоненты можно удалять фильтром, оборудованным катализатором. Поэтому в последние годы в качестве устройства, способного удалять не только частицы вещества, но и вредные компоненты, используют устройство управления отработавшими газами, содержащее катализатор, установленный в фильтре с пристеночной структурой потока.

[0005] В таком устройстве управления отработавшими газами с катализатором для эффективного удаления вредных компонентов, содержащихся в отработавших газах, соотношение (A/F) воздуха и топлива в горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, предпочтительно близко к стехиометрическому составу горючей смеси (стехиометрическому соотношению). Тем не менее, фактическое соотношение воздуха и топлива считается богатым (A/F < 14,7) или бедным (A/F > 14,7) с точки зрения стехиометрического соотношения в зависимости от режима управления транспортным средством или иным подобным агрегатом, и, следовательно, отработавшие газы также будут богатыми или бедными. Поэтому для того, чтобы подавить или уменьшить изменение соотношения воздуха и топлива в отработавших газах с целью поддержания этого соотношения в диапазоне стехиометрического соотношения воздуха и топлива и улучшения состава отработанных газов, в качестве катализатора в некоторых случаях используют материал с функцией накопления кислорода, и способный поглощать/выделять кислород. В качестве устройства управления отработавшими газами, использующего в качестве катализатора материал с функцией накопления кислорода, используют устройство, полученное нанесением материала с функцией накопления кислорода на поверхность или в перегородку ячеистой подложки или в уплотнительный элемент ячейки, как описано, например, в опубликованном японском переводе патентной заявки РСТ № 2017-527437.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В устройстве управления отработавшими газами, в котором в качестве катализатора используют материал с функцией накопления кислорода (oxygen storage capacity - OSC), воздушно-топливное отношение в отработавших газах на входной стороне переключают с богатого на бедное или с бедного на богатое, количество накопленного кислорода (количество OSC) определяют при переключении отношения, и на основании найденного таким образом количества накопленного кислорода определяют степень износа катализатора. В том случае, если устройство управления отработавшими газами установлено в месте с низкой концентрацией отработавших газов в канале отведения отработавших газов, определение количества накопленного кислорода может быть затруднительным.

[0007] Настоящим изобретением предложено устройство управления отработавшими газами, система управления отработавшими газами, а также способ изготовления устройства управления отработавшими газами, позволяющие легко определить количество накопленного кислорода.

[0008] Один объект настоящего изобретения представляет собой устройство управления отработавшими газами, содержащее: ячеистую подложку с пористой перегородкой, разделяющей множество ячеек, проходящих от входной боковой оконечной поверхности до выходной боковой оконечной поверхности, при этом множество ячеек включает в себя входную ячейку и выходную ячейку, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой, находящейся между входной и выходной ячейкой; первый уплотнительный элемент, установленный на выходной боковой оконечной части входной ячейки, и второй уплотнительный элемент, установленный на входной боковой оконечной части выходной ячейки; и слой катализатора, нанесенный на перегородку. Входная ячейка открыта со стороны входной боковой оконечной части и герметизирована первым уплотнительным элементом со стороны выходной боковой оконечной части, а выходная ячейка герметизирована вторым уплотнительным элементом со стороны входной боковой оконечной части и открыта со стороны выходной боковой оконечной части. Первый уплотнительной элемент и/или второй уплотнительный элемент содержит материал с функцией накопления кислорода и герметизирующий материал, причем концентрация материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе, содержащем такой материал, постоянна вдоль продольного направления уплотнительного элемента.

[0009] Настоящее изобретение позволяет легко определять количество накопленного кислорода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Отличительные признаки, преимущества, техническая и промышленная значимость примеров осуществления настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых одинаковые обозначения относятся к одинаковым элементам:

На ФИГ. 1A схематично в аксонометрии изображен пример осуществления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 1B схематично изображен фрагмент поперечного сечения, взятый параллельно осевому направлению устройства управления отработавшими газами, изображенного на ФИГ. 1A;

На ФИГ. 2 схематично изображен пример осуществления системы управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 3 изображена блок-схема примера осуществления способа изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 4А схематично изображен фрагмент, иллюстрирующий один из этапов примера осуществления способа изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 4B схематично изображен фрагмент, иллюстрирующий другой этап примера осуществления способа изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 5А схематично изображен фрагмент, иллюстрирующий еще один этап примера осуществления способа изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 5B схематично изображен фрагмент, иллюстрирующий еще один этап примера осуществления способа изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением;

На ФИГ. 6 изображен график, иллюстрирующий результаты измерения количества накопленного кислорода в испытательных образцах согласно Примерам 1 и 2 и Сравнительному примеру;

На ФИГ. 7 изображен график, иллюстрирующий средние значения интенсивности рентгеновского излучения Ce, измеренные в трех точках (наружный край, центр и внутренний край) в направлении продольного направления уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, в каждом из испытательных образцов согласно Примерам 1 и 2 и Сравнительному примеру; и

На ФИГ. 8 изображен спектр H₂-TPR (сигналы термокаталитического детектора) материалов с функцией накопления кислорода, полученный на контрольных образцах 1 и 2.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Ниже будет детально раскрыто устройство управления отработавшими газами, система управления отработавшими газами и способ изготовления устройства управления отработавшими газами согласно настоящему изобретению.

A. Устройство управления отработавшими газами

[0012] Рассмотрим один из примеров осуществления устройства управления отработавшими газами согласно изобретению.

[0013] Устройство управления отработавшими газами согласно первому примеру осуществления изобретения содержит ячеистую подложку с пористой перегородкой, разделяющей множество ячеек, проходящих от входной боковой оконечной поверхности до выходной боковой оконечной поверхности, при этом множество ячеек включает в себя входную ячейку и выходную ячейку, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой, находящейся между входной и выходной ячейкой; уплотнительные элементы, установленные на выходной боковой оконечной части входной ячейки и входной боковой оконечной части выходной ячейки, соответственно; и слой катализатора, нанесенный на перегородку. Входная ячейка открыта с входной боковой оконечной части и герметизирована уплотнительным элементом с выходной боковой оконечной части, а выходная ячейка герметизирована уплотнительным элементом с входной боковой оконечной части и открыта с выходной боковой оконечной части. Уплотнительный элемент, установленный на выходной боковой оконечной части входной ячейки, и/или уплотнительный элемент, установленный на входной боковой оконечной части выходной ячейки, содержит материал с функцией накопления кислорода и герметизирующий материал, причем концентрация материала с функцией накопления кислорода постоянна вдоль продольного направления. В данном случае термин «входная сторона» относится к стороне, на которой отработавшие газы поступают в устройство управления отработавшими газами, а термин «выходная сторона» относится к стороне, на которой отработавшие газы выходят из устройства управления отработавшими газами. Кроме того, под продольным направлением понимают продольное направление ячеек, и продольное направление уплотнительных элементов соответствует продольному направлению ячеек.

[0014] В данном примере осуществления изобретения продольное направление ячеек, по существу, не ограничено и, как правило, по существу совпадает с продольным направлением перегородки. Продольное направление перегородки, по существу, не ограничено и, по существу, совпадает с осевым направлением ячеистой подложки. В описании настоящего примера осуществления под осевым направлением понимают осевое направление ячеистой подложки, а под продольным направлением – продольное направление ячеек и перегородки, которое, по существу, совпадает с осевым направлением ячеистой подложки.

[0015] Сначала рассмотрим устройство управления отработавшими газами согласно настоящему примеру осуществления изобретения. На ФИГ. 1A схематично в аксонометрии изображен пример осуществления устройства управления отработавшими газами, описываемого настоящим изобретением, а на ФИГ. 1B схематично изображен фрагмент поперечного сечения, параллельного осевому направлению устройства управления отработавшими газами, изображенного на ФИГ. 1A.

[0016] Устройство 1 управления отработавшими газами согласно данному примеру содержит, как показано на ФИГ. 1A и 1B, ячеистую подложку 10, уплотняющий элемент 20 и слой 30 катализатора. В ячеистую подложку 10 встроена цилиндрическая рама 12 и перегородка 14, разделяющая пространство внутри рамы 12 на соты. Перегородка 14 представляет собой пористый элемент, разделяющий множество ячеек 16, проходящих от входной боковой оконечной поверхности 10Sa до выходной боковой оконечной поверхности 10Sb. Перегородка 14 содержит множество элементов 14L стенки, расположенных на некотором удалении друг от друга и параллельно друг другу, а также несколько элементов 14S стенки, перпендикулярных множеству элементов 14L и расположенных на некотором удалении друг от друга и параллельно друг другу, в результате чего поперечное сечение, перпендикулярное продольному направлению каждой из нескольких ячеек 16, может иметь квадратную форму. Таким образом, поперечное сечение перегородки 14, перпендикулярное продольному направлению, имеет форму сетки.

[0017] Множество ячеек 16 включает входную ячейку 16A и выходную ячейку 16B, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой 14. Слой 30 катализатора нанесен на боковую поверхность 14SA входной ячейки и боковую поверхность 14SB выходной ячейки перегородки 14. Входная ячейка 16A открыта с входной боковой оконечной части 16Aa в продольном направлении и герметизирована уплотнительным элементом 20 с выходной боковой оконечной части 16Ab в продольном направлении. Выходная ячейка 16B герметизирована уплотнительным элементом 20 с входной боковой оконечной части 16Ba в продольном направлении и открыта с выходной боковой оконечной части 16Bb в продольном направлении.

[0018] Уплотнительный элемент 20, установленный с выходной боковой оконечной части 16Ab входной ячейки 16A, и уплотнительный элемент 20, установленный с входной боковой оконечной части 16Ba выходной ячейки 16B, представляют собой уплотнительные элементы 22, содержащие материал с функцией накопления кислорода. Концентрация материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе 22, содержащем такой материал, постоянна в продольном направлении. Материал с функцией накопления кислорода имеет максимум поглощения Н₂ при нагревании материала со скоростью увеличения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂ и 95 объемных % газообразного N₂, в диапазоне от 500°С до 650°С.

[0019] В устройстве 1 управления отработавшими газами согласно данному примеру уплотнительный элемент 20, установленный с выходной боковой оконечной части 16Ab входной ячейки 16A, и уплотнительный элемент 20, установленный с входной боковой оконечной части 16Ba выходной ячейки 16B, представляют собой уплотнительные элементы 22, содержащие материал с функцией накопления кислорода, причем концентрация этого материала постоянна в продольном направлении. Каждый из этих уплотнительных элементов 22, содержащих материал с функцией накопления кислорода, может быть изготовлен способом, включающим приготовление суспензии путем смешивания материала с функцией накопления кислорода, частиц каталитического металла, герметизирующего материала и растворителя, заполнение суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, выходной боковой оконечной части 16Ab входной ячейки 16А и входной боковой оконечной части 16Ba выходной ячейки 16B, и обжиг полученной ячеистой подложки 10, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода. Поэтому в уплотнительных элементах 22, содержащих материал с функцией накопления кислорода, содержание такого материала может быть увеличено без увеличения пористости, в отличие от обычного уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода и полученного путем пропитывания суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, пористого элемента, изготовленного путем заполнения оконечной части каждой ячейки герметизирующей суспензией и последующего обжига этого полуфабриката. Таким образом, можно улучшить определение количества накопленного кислорода, без снижения прочности уплотнительного элемента 22, содержащего материал с функцией накопления кислорода.

[0020] Материал с функцией накопления кислорода, содержащийся в уплотнительном элементе 22, имеет пик поглощения Н₂ при поглощении Н₂ при нагреве материала с функцией накопления кислорода со скоростью увеличения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂ и 95 объемных % газообразного N₂, в низкотемпературном диапазоне от 500°С до 650°С. Это позволяет улучшить определение количества накопленного кислорода, в частности, в низкотемпературном диапазоне.

[0021] Кроме того, поскольку материал с функцией накопления кислорода содержится в уплотнительном элементе 22, нет необходимости включать материал с функцией накопления кислорода в состав слоя 30 катализатора, нанесенного на перегородку 14 для реализации функции накопления кислорода. Это позволяет включить в состав слоя 30 катализатора большее количество частиц благородных металлов и иных подобных веществ и, соответственно, улучшить связывание вредных компонентов, в частности, NO_x. Кроме того, при запуске двигателя внутреннего сгорания выделяется тепло, что обусловлено реакцией выделения кислорода в уплотнительном элементе 22, содержащем материал с функцией накопления кислорода; следовательно, можно снизить ухудшение, происходящее во время разогрева.

[0022] При осуществлении изобретения, как и в этом примере, в уплотнительном элементе, содержащем материал с функцией накопления кислорода и расположенном на выходной боковой оконечной части входной ячейки, и/или в уплотнительном элементе, расположенном на входной боковой оконечной части выходной ячейки, можно увеличить содержание материала с функцией накопления кислорода без увеличения пористости. Таким образом, можно улучшить определение количества накопленного кислорода без снижения прочности уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода. В результате можно легко определить количество накопленного кислорода.

[0023] Кроме того, поскольку материал с функцией накопления кислорода содержится в уплотнительном элементе, нет необходимости включать материал с функцией накопления кислорода в состав слоя катализатора, нанесенного на перегородку для реализации функции накопления кислорода. Это позволяет включить в состав слоя катализатора большее количество частиц благородных металлов и иных подобных веществ и, соответственно, улучшить связывание вредных компонентов, в частности, NO_x. Кроме того, при запуске двигателя внутреннего сгорания выделяется тепло, что обусловлено реакцией выделения кислорода в уплотнительном элементе, содержащем материал с функцией накопления кислорода; следовательно, можно снизить ухудшение, происходящее во время разогрева.

[0024] Далее рассмотрим в деталях каждый компонент устройства управления отработавшими газами согласно настоящему примеру осуществления изобретения.

1. Уплотнительный элемент

[0025] Уплотнительный элемент установлен на выходной боковой оконечной части входной ячейки и входной боковой оконечной части выходной ячейки. Уплотнительный элемент, установленный с выходной боковой оконечной части входной ячейки, и/или уплотнительный элемент, установленный с входной боковой оконечной части выходной ячейки, содержит материал с функцией накопления кислорода и герметизирующее вещество.

(1) Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода

[0026] Уплотнительный элемент содержит материал с функцией накопления кислорода и герметизирующий материал, причем концентрация материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе постоянна вдоль продольной оси этого уплотнительного элемента.

[0027] Под выражением «концентрация материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе, содержащем такой материал, постоянна в продольном направлении» понимают следующее: если принять среднюю концентрацию материала с функцией накопления кислорода в различных точках продольной оси уплотнительного элемента за 1, то концентрация материала с функцией накопления кислорода в различных точках продольной оси уплотнительного элемента будет составлять от 0,5 до 1,5. Если принять среднюю концентрацию материала с функцией накопления кислорода в различных точках продольной оси уплотнительного элемента за 1, то концентрация материала с функцией накопления кислорода в различных точках будет составлять, предпочтительно, от 0,75 до 1,25.

[0028] Под «концентрацией материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе» понимают массовую концентрацию материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе, измеряемую, например, путем анализа составляющих элементов этого материала с помощью электронного микроанализатора. Ниже будет раскрыт в деталях каждый компонент уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода.

a. Материал с функцией накопления кислорода

[0029] Под материалом с функцией накопления кислорода понимают неорганический материал с функцией накопления кислорода, поглощающий кислород при поступлении отработавших газов с бедным воздушно-топливным отношением и выделяющий кислород при поступлении отработавших газов с богатым воздушно-топливным отношением.

[0030] Как показано в примерах на ФИГ. 1A и 1B, материал с функцией накопления кислорода имеет максимум поглощения Н₂при нагревании материала при скорости повышения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂ и 95 объемных % газообразного N₂, в диапазоне температур от 500°С до 650°С. Это позволяет улучшить определение количества накопленного кислорода, в частности, в низкотемпературном диапазоне. Таким образом, если устройство управления отработавшими газами используют, например, как катализатор под полом кабины (UF/C), эффект, позволяющий легко определять количество накопленного кислорода, может быть заметно продемонстрирован.

[0031] В частности, при поглощении Н₂вследствие нагревания материала с функцией накопления кислорода при скорости повышения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂ и 95 объемных % газообразного N_2,материал с функцией накопления кислорода имеет максимум поглощения Н₂ в диапазоне температур от 500°С до 650°С, поскольку материал с функцией накопления кислорода способен накапливать большое количество кислорода даже в низкотемпературном диапазоне благодаря, например, регулярной кристаллической структуре.

[0032] Способ оценки поглощения H₂ известен как способ редуцирования в зависимости от температуры, в котором в качестве реакционного газа обычно используют H₂ (H₂-TPR). Для оценки расхода H₂ используют измерительный прибор, например, каталитический анализатор BELCAT-A производства компании Microtracbel Corp.

[0033] Выбор материала с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничен; материал может представлять собой, например, двуокись церия или сложный оксид, в состав которого входит двуокись церия. В качестве примера сложного оксида, содержащего двуокись церия, можно назвать сложный оксид, содержащий двуокись церия и двуокись циркония.

[0034] Форма материала с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничена, она может быть любой распространенной формой, предпочтительно, является порошковой формой. Таким образом, можно обеспечить большую удельную площадь поверхности. Средний размер частиц материала с функцией накопления кислорода в порошковой форме, по существу, не ограничен и может представлять собой общий средний размер частиц, предпочтительно, в диапазоне, например, от 0,01 мкм до 20 мкм. Если средний размер частиц равен нижней границе этого диапазона или превышает ее, можно обеспечить достаточную жаропрочность, а если равен верхней границе диапазона или ниже ее – можно обеспечить достаточную удельную площадь поверхности. Здесь термин «форма материала с функцией накопления кислорода» относится к форме материала с функцией накопления кислорода, используемой в качестве сырья для изготовления уплотнительного элемента, а термин «средний размер частиц материала с функцией накопления кислорода в порошковой форме» относится к среднему размеру частиц материала с функцией накопления кислорода в порошковой форме, используемого в качестве сырья для изготовления уплотнительного элемента, причем средний размер частиц может быть определен, например, способом дифракционного рассеяния лазерного излучения.

b. Герметизирующий материал

[0035] Выбор герметизирующего материала, по существу, не ограничен; материал может представлять собой любой распространенный герметизирующий материал. В качестве примеров можно назвать неорганические материалы, в частности, керамику и металлы, причем керамика предпочтительнее. Примеры керамики: кордиерит, диоксид кремния, оксид алюминия, муллит, карбонат кремния, нитрид кремния и титанат алюминия. В частности, в качестве керамики предпочтителен кордиерит Sumicerum (производства компании Sumica Chemtex Co., Ltd.) или иной подобный материал. Это обусловлено жаропрочностью такой керамики.

[0036] Форма герметизирующего материала, по существу, не ограничена, он может иметь любую распространенную форму, предпочтительна порошковая форма. Средний размер частиц герметизирующего материала в порошковой форме, по существу, не ограничен и может представлять собой средний размер частиц, предпочтительно, в диапазоне, например, от 0,01 мкм до 20 мкм. В данном случае под «формой герметизирующего материала» понимают форму герметизирующего материала, используемого в качестве сырья для изготовления уплотнительного элемента, а под «средним размером частиц герметизирующего материала в порошковой форме» – средний размер частиц герметизирующего материала в порошковой форме, используемого в качестве сырья для изготовления уплотнительного элемента, причем средний размер частиц может быть определен, например, способом дифракционного рассеяния лазерного излучения.

c. Частицы каталитического металла

[0037] Выбор уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничен, при условии содержания в нем материала с функцией накопления кислорода и герметизирующего материала, предпочтительно, материала с функцией накопления кислорода, герметизирующего материала и частиц каталитического металла. Таким образом, можно существенно улучшить определение количества накопленного кислорода.

[0038] Выбор материала частиц каталитического металла, по существу, не ограничен; можно использовать любой из распространенных материалов, в частности, благородные металлы, например, родий (Rh), палладий (Pd) и платину (Pt). Материалом частиц каталитического металла может быть один, два и более металлов или сплав, содержащий два и более металлов.

[0039] Средний размер частиц каталитического металла, по существу, не ограничен и может представлять собой средний размер частиц, предпочтительно, в диапазоне, например, от 0,1 нм до 20 нм. Если средний размер частиц равен или меньше верхней границы этого диапазона, площадь контакта с отработавшими газами может быть увеличена. Под «средним размером частиц каталитического металла» понимают среднее значение, полученное на основании размеров частиц, измеренных, например, просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ).

d. Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода

[0040] Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, может содержать произвольный компонент, в частности, связующее или присадку, в дополнение к смеси материала с функцией накопления кислорода и герметизирующего материала или к смеси материала с функцией накопления кислорода и герметизирующего материала и частиц каталитического металла.

[0041] Содержание материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе, по существу, не ограничено и составляет, например, предпочтительно от 0,5 весовых % до 80 весовых %, особенно предпочтительно, от 10 весовых % до 50 весовых %. Если содержание равно или превышает нижние границы этих диапазонов, можно эффективно улучшить определение количества накопленного кислорода. Если содержание равно или ниже верхних границ этих диапазонов, можно обеспечить прочность.

[0042] Весовое соотношение частиц каталитического металла и общей массы смеси материала с функцией накопления кислорода и частиц каталитического металла в уплотнительном элементе, содержащем материал с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничено и составляет, например, предпочтительно, 5 весовых % и менее, особенно предпочтительно, 1 весовой % и менее. Если весовое соотношение равно или ниже верхних границ этих диапазонов, можно исключить агрегирование частиц каталитического металла.

[0043] Общее содержание герметизирующего материала и произвольного компонента, в частности, связующего или присадки в уплотнительном элементе, содержащем материал с функцией накопления кислорода, может считаться равновесным, за исключением материала с функцией накопления кислорода, или смеси материала с функцией накопления кислорода и частиц каталитического металла. Весовое отношение герметизирующего материала к равновесному содержанию, по существу, не ограничено и может находиться в общем диапазоне.

[0044] Длина уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, в продольном направлении, по существу, не ограничена и может быть равна длине общего уплотнительного элемента, предпочтительно, например, от 2 мм до 20 мм.

(2) Уплотнительный элемент

[0045] Выбор уплотнительного элемента, по существу, не ограничен при условии, что уплотнительный элемент, установленный с выходной боковой оконечной части входной ячейки, и/или уплотнительный элемент, установленный с входной боковой оконечной части выходной ячейки, содержит материал с функцией накопления кислорода. Как показано в примере на ФИГ. 1A и 1B, уплотнительный элемент, установленный на входной боковой оконечной части выходной ячейки, предпочтительно, содержит материал с функцией накопления кислорода. Таким образом, уплотнительный элемент, установленный на боковой оконечной части с более высокой концентрацией отработавших газов, содержит материал с функцией накопления кислорода, что позволяет существенно улучшить определение количества накопленного кислорода. Уплотнительный элемент, установленный на выходной боковой оконечной части входной ячейки, может содержать материал с функцией накопления кислорода.

[0046] В частности, когда только один элемент из уплотнительного элемента, установленного с выходной боковой оконечной части входной ячейки, и уплотнительного элемента, установленного с входной оконечной части выходной ячейки, содержит материал с функцией накопления кислорода, другой уплотнительный элемент не будет содержать материала с функцией накопления кислорода. Герметизирующий материал, используемый в уплотнительном элементе, не содержащем материал с функцией накопления кислорода, аналогичен герметизирующему материалу, описанному выше в разделе «(1) Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода» и, следовательно, повторно здесь не раскрыт.

2. Ячеистая подложка

[0047] Ячеистая подложка содержит пористую перегородку, разделяющую множество ячеек, проходящих от входной боковой оконечной поверхности до выходной боковой оконечной поверхности. Множество ячеек включает в себя входную и выходную ячейки, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой, причем входная ячейка открыта с входной боковой оконечной части и выходной боковой оконечной части и выходная ячейки открыта с входной боковой оконечной части и выходной боковой оконечной части. Входная ячейка должна быть герметизирована уплотнительным элементом с выходной боковой оконечной части, а выходная ячейка – уплотнительным элементом с входной боковой оконечной части.

[0048] В ячеистую подложку, например, встроена рама и перегородка, разделяющая пространство внутри рамы на соты.

[0049] Длина ячеистой подложки в осевом направлении, по существу, не ограничена и может быть выбран из распространенных вариантов, например, может составлять, предпочтительно от 10 мм до 500 мм, особенно предпочтительно от 50 мм до 300 мм. Объем ячеистой подложки, в частности, общий объем ячеек, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов, например, может составлять, предпочтительно, от 0,1 л до 5 л.

[0050] Выбор материала ячеистой подложки, по существу, не ограничен; можно использовать один из распространенных материалов, например, керамику, в частности, кордиерит, карбонат кремния (SiC) и титанат алюминия, а также сплав, в частности, нержавеющую сталь.

[0051] Форма рамы, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов; например, можно использовать не только цилиндрическую, но и трубчатую форму, в частности, цилиндр эллиптического сечения или цилиндр многоугольного сечения. Форма остальной части рамы, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов.

[0052] Форма перегородки, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов. Длина перегородки в продольном направлении, по существу, не ограничена и, по существу, совпадает с длиной ячеистой подложки в осевом направлении. Толщина перегородки, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов, например, может составлять, предпочтительно, от 50 мкм до 2000 мкм, особенно предпочтительно, от 100 мкм до 1000 мкм. Если толщина перегородки соответствует этому диапазону, можно обеспечить адекватную производительность сбора частиц вещества и ограничение потерь давления с сохранением прочности подложки.

[0053] Перегородка имеет пористую структуру, проницаемую для отработавших газов. Пористость перегородки, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов, например, может составлять, предпочтительно, от 40% до 70%, особенно предпочтительно, от 50% до 70%. Если пористость равна или превышает нижние границы этих диапазонов, можно эффективно ограничить потери давления. Если пористость равна или ниже верхних границ этих диапазонов, можно обеспечить адекватную механическую прочность. Средний размер пор перегородки, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов, например, может составлять, предпочтительно, от 1 мкм до 60 мкм, особенно предпочтительно, от 5 мкм до 30 мкм. Если средний размер пор соответствует этому диапазону, можно обеспечить адекватную производительность сбора частиц вещества и ограничение потерь давления. В частности, под «средним размером пор в перегородке» понимают средний размер пор, измеряемых, например, способом определения точки пузырька с помощью порометра.

[0054] Входная и выходная ячейки образованы путем разделения пространства внутри рамы перегородкой и примыкают друг к другу, будучи разделенными перегородкой. Входная и выходная ячейки, как правило, окружены перегородкой в направлении, перпендикулярном продольному направлению.

[0055] Форма поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению входной ячейки и выходной ячейки, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов, в частности, может быть адаптирована к расходу, а также компонентам и иным параметрам отработавших газов, проходящих через устройство управления отработавшими газами. Например, поперечное сечение может иметь прямоугольную, в частности, квадратную форму, многоугольную, в частности, шестигранную форму, и круглую форму. Площадь поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению входной и выходной ячейки, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов, в частности, может составлять от 1 мм² до 7 мм². Длина входной и выходной ячейки в продольном направлении, по существу, не ограничена и, по существу, совпадает с длиной ячеистой подложки в осевом направлении. Входная и выходная ячейки расположены, например, в шахматном порядке, в частности, чередуются друг с другом.

3. Слой катализатора

[0056] Слой катализатора нанесен на перегородку ячеистой подложки. Слой катализатора содержит, например, один слой из следующих слоев: слой катализатора со стороны входной ячейки, нанесенный на наружную или внутреннюю боковую поверхность перегородки во входной ячейке, слой катализатора со стороны выходной ячейки, нанесенный на наружную или внутреннюю боковую поверхность перегородки в выходной ячейке. В данном случае слой катализатора, нанесенный на боковую поверхность перегородки в ячейке, представляет собой слой катализатора, нанесенный на боковую наружную поверхность перегородки в ячейке, а слой катализатора, нанесенный на внутреннюю боковую поверхность перегородки в ячейке, представляет собой слой катализатора, нанесенный в области, обращенной к ячейке внутри перегородки.

[0057] Толщина слоя катализатора, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов. Слой катализатора обычно содержит частицы каталитического металла и опору, поддерживающую частицы каталитического металла, и представляет собой, например, пористую спеченную прессованную основу катализатора, служащую опорой для частиц каталитического металла.

[0058] Выбор материала частиц каталитического металла, по существу, не ограничен; можно использовать любой из распространенных материалов, в частности, благородные металлы, например, родий (Rh), палладий (Pd) и платину (Pt). Материалом частиц каталитического металла может быть один, два и более металлов или сплав, содержащий два и более металлов. Средний размер частиц каталитического металла, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов.

[0059] Материал основы, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных материалов, например, оксидов металлов, в частности, окиси алюминия (Al₂O₃), двуокиси циркония (ZrO₂) и двуокиси церия (CeO₂). Основа может содержать один, два или более материалов. Основа, по существу, может иметь любую распространенную форму, предпочтительно, порошковую форму. Это позволяет увеличить удельную площадь поверхности. Средний размер частиц основы в порошковой форме, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов.

[0060] Содержание частиц каталитического металла, по существу, не ограничено и может быть выбрано из распространенных вариантов в зависимости от материала частиц каталитического металла. Если в качестве материала взят, например, Pd, Pt или Rh, содержание частиц каталитического металла, предпочтительно, составляет от 0,05 г до 5 г на литр объема ячеистой подложки. В данном случае под содержанием частиц каталитического металла на литр объема подложки понимают величину, получаемую делением массы частиц каталитического металла, содержащихся в слое катализатора, на парциальный объем в осевом направлении ячеистой подложки, длина которой в осевом направлении соответствует длине слоя катализатора в продольном направлении. Весовое соотношение частиц каталитического металла и общей массы смеси частиц каталитического металла и основы, по существу, не ограничено и может быть выбрано из распространенных вариантов, предпочтительно, может составлять от 0,01 весовых % до 10 весовых %.

[0061] Слой катализатора может содержать материал с функцией накопления кислорода дополнительно к частицам каталитического металла и основе, но, предпочтительно, не содержит такого материала, поскольку уплотнительный элемент содержит материал с функцией накопления кислорода. Кроме того, слой катализатора может содержать произвольный компонент, например, связующее или присадку.

4. Устройство управления отработавшими газами

[0062] Устройство управления отработавшими газами изготавливают, например, способом, описанным ниже в разделе «С. Способ изготовления устройства управления отработавшими газами». В частности, устройство управления отработавшими газами изготавливают способом, который, предпочтительно, содержит этап обжига ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, при температуре от 500 °С до 800 °С в течение 0,5-2 часов.

B. Система управления отработавшими газами

[0063] Рассмотрим пример осуществления системы управления отработавшими газами согласно предложенному изобретению.

[0064] Система управления отработавшими газами согласно предложенному примеру осуществления изобретения содержит входное устройство управления и выходное устройство управления, установленные, соответственно, на входной стороне и выходной стороне канала для отработавших газов. Входное устройство управления представляет собой устройство с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, а выходное устройство управления – устройство управления отработавшими газами, описанное выше в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами».

[0065] Сначала рассмотрим пример системы управления отработавшими газами согласно настоящему примеру осуществления изобретения. На ФИГ. 2 схематично изображен пример осуществления системы управления отработавшими газами согласно изобретению.

[0066] Система 100 управления отработавшими газами согласно данному примеру содержит установленные в выхлопной трубе 110 (канале отработавших газов) начальный катализатор 130а (start-up catalyst S/C, также называемый входным устройством управления), размещенный непосредственно за двигателем 120 (обращенный к двигателю входной стороной), и катализатор 130b под днищем кабины (underfloor catalyst UF/C, являющийся выходным устройством управления), установленный ниже по потоку от начального катализатором 130а. Начальный катализатор 130a представляет собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 3, а катализатор 130b под днищем кабины представляет собой устройство 1 управления отработавшими газами, изображенное на ФИГ. 1A и 1B (см. выше).

[0067] В системе 100 управления отработавшими газами согласно данному примеру устройство 1 управления отработавшими газами установлено в выхлопной трубе 110 в качестве катализатора 130b под днищем кабины за начальным катализатором 130a, используемым в качестве трехкомпонентного каталитического нейтрализатора 3. После начального катализатора 130а в выхлопной трубе 110 концентрация и температура отработавших газов ниже, чем перед этим катализатором непосредственно за двигателем 120. С другой стороны, устройство 1 управления отработавшими газами улучшает определение количества накопленного кислорода, как описано выше в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами». Поэтому, несмотря на то, что устройство 1 управления отработавшими газами используют в качестве катализатора (UF/C) под днищем кабины в системе 100 управления отработавшими газами, можно легко определить количество кислорода, накопленного устройством 1 управления отработавшими газами.

[0068] Согласно предложенному примеру осуществления изобретения, можно легко определять количество кислорода, накопленного устройством управления отработавшими газами, несмотря на то, что устройство управления отработавшими газами находится на выходной стороне канала отработавших газов, как это имеет место в данном примере. Кроме того, поскольку устройство управления отработавшими газами установлено на выходной стороне канала отработавших газов, где имеют место более низкие температуры, устройство управления отработавшими газами может быть изготовлено путем обжига ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, при низких температурах, например, при температуре от 500°С до 800°С, например, способом, описанным ниже в разделе «С. Способ изготовления устройства управления отработавшими газами».

[0069] Далее рассмотрим в деталях каждый компонент системы управления отработавшими газами согласно настоящему примеру осуществления изобретения.

[0070] Входное устройство управления представляет собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, установленный на входной стороне канала отработавших газов. Под входной стороной канала отработавших газов понимают сторону выше по потоку выходного устройства управления, в частности, участок, расположенный непосредственно после двигателя внутреннего сгорания, далее именуемого двигатель. Выбор трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, по существу, не ограничен; можно взять, например, известный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор или аналогичное устройство, используемое в канале отведения отработавших газов автомобиля или иного подобного устройства.

[0071] Выходное устройство управления представляет собой устройство управления отработавшими газами, установленное на выходной стороне канала отработавших газов и раскрытое выше в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами». Под выходной стороной канала отработавших газов понимают участок, расположенный ниже по направлению движения газов от начального устройства управления. Выходное устройство управления представляет собой, например, катализатор (UF/C) под днищем кабины. Устройство управления отработавшими газами аналогично раскрытому выше в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами» и поэтому здесь повторно не раскрыто.

[0072] В системе управления отработавшими газами устройство управления отработавшими газами, предпочтительно, установлено вместе с уплотнительным элементом, содержащим материал с функцией накопления кислорода и находящимся с входной стороны, как это имеет место в примере, показанном на ФИГ. 2. Это позволяет существенно улучшить определение количества накопленного кислорода.

C. Способ изготовления устройства управления отработавшими газами

[0073] Рассмотрим один из примеров способа изготовления устройства управления отработавшими газами, предложенного изобретением.

[0074] Способ изготовления устройства управления отработавшими газами согласно примеру осуществления изобретения, представляет собой способ изготовления устройства управления отработавшими газами, содержащего: ячеистую подложку с пористой перегородкой, разделяющей множество ячеек, проходящих от входной боковой оконечной поверхности до выходной боковой оконечной поверхности, множество ячеек включает в себя входную ячейку и выходную ячейку, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой, находящейся между входной ячейкой и выходной ячейкой; уплотнительные элементы, установленные на выходной боковой оконечной части входной ячейки и входной боковой оконечной части выходной ячейки; и слой катализатора, нанесенный на перегородку, причем входная ячейка открыта со стороны входной боковой оконечной части и герметизирована первым уплотнительным элементом со стороны выходной боковой оконечной части, а выходная ячейка герметизирована вторым уплотнительным элементом со стороны входной боковой оконечной части и открыта со стороны выходной боковой оконечной части. Способ включает этап приготовления суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, путем смешивания материала с функцией накопления кислорода, герметизирующего материала и растворителя; этап заполнения суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, выходной боковой оконечной части входной ячейки и/или входной боковой оконечной части выходной ячейки ячеистой подложки; и этап обжига ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, для образования уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, на выходной боковой оконечной части входной ячейки и/или входной боковой оконечной части выходной ячейки.

[0075] В данном случае под «входной стороной», «выходной стороной» и «продольным направлением» понимают те же термины, которые раскрыты выше в разделе «А. Устройство управления отработавшими газами». В данном примере осуществления изобретения продольное направление ячеек и перегородки совпадает с раскрытым выше в разделе «А. Устройство управления отработавшими газами». В раскрытии данного примера осуществления под «осевым направлением» и «продольным направлением» понимают направления, раскрытые выше в разделе «А. Устройство управления отработавшими газами».

[0076] Сначала рассмотрим для примера способ изготовления устройства управления отработавшими газами согласно одному из примеров осуществления. На ФИГ. 3 изображена блок-схема примера способа изготовления устройства управления отработавшими газами согласно настоящему изобретению. На ФИГ. 4А-5B схематично изображены фрагменты, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с изобретением.

[0077] Способ изготовления устройства управления отработавшими газами согласно этому примеру предусматривает предварительное изготовление ячеистой подложки 10, как показано на ФИГ. 4A (этап изготовления подложки). Ячеистая подложка 10 изображена на ФИГ. 1A и 1B (см. выше). В ячеистой подложке 10 входная ячейка 16A открыта с входной боковой оконечной части 16Aa и выходной боковой оконечной части 16Ab, а выходная ячейка 16B открыта с входной боковой оконечной части 16Ba и выходной боковой оконечной части 16Bb.

[0078] Далее для приготовления суспензии S, содержащей материал с функцией накопления кислорода (этап приготовления суспензии), материал S1 с функцией накопления кислорода, имеющий максимум поглощения Н₂ в диапазоне от 500°С до 650°С при нагревании со скоростью увеличения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂ и 95 объемных % газообразного N₂, смешивают с частицами S2 каталитического металла, герметизирующим материалом S3 и растворителем S4.

[0079] Далее, как показано на ФИГ. 4B, выходную боковую оконечную часть 16Ab входной ячейки 16A и входную боковую оконечную часть 16Ba выходной ячейки 16B ячеистой подложки 10 заполняют суспензией S, содержащей материал с функцией накопления кислорода (этап заполнения суспензией).

[0080] Далее, как показано на ФИГ. 5A, ячеистую подложку 10, заполненную суспензией S, содержащей материал с функцией накопления кислорода, высушивают и обжигают при температуре от 500°С до 800°С в течение промежутка времени от 0,5 до 2 часов (этап сушки и этап обжига). В результате получают уплотнительный элемент 22, содержащий материал с функцией накопления кислорода, в виде уплотнительного элемента 20 на выходной боковой оконечной части 16Ab входной ячейки 16A и входной боковой оконечной части 16Ba выходной ячейки 16B.

[0081] Далее, как показано на ФИГ. 5B, на боковой поверхности 14SA и боковой поверхности 14SB перегородки 14 входной и выходной ячейки формируют слой 30 катализатора (этап формирования слоя катализатора). В результате получают устройство 1 управления отработавшими газами. Полученное устройство 1 управления отработавшими газами аналогично устройству 1 управления отработавшими газами, изображенному на ФИГ. 1A и 1B (см. выше).

[0082] В данном примере способа изготовления устройства управления отработавшими газами выходную боковую оконечную часть 16Ab входной ячейки 16A и входную боковую оконечную часть 16Ba выходной ячейки 16B заполняют суспензией S, полученной смешиванием материала S1 с функцией накопления кислорода, частиц S2 каталитического металла, герметизирующего материала S3 и растворителя S4, а ячеистую подложку 10, заполненную суспензией S, содержащей материал с функцией накопления кислорода, обжигают для формирования уплотнительных элементов 22, содержащих материал с функцией накопления кислорода, в виде уплотнительных элементов 20. Поэтому в отличие от обычного уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода и полученного путем пропитывания суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, пористого элемента, изготовленного путем заполнения оконечной части каждой ячейки герметизирующей суспензией и последующего обжига этого полуфабриката, в уплотнительном элементе 22, содержащем материал с функцией накопления кислорода, содержание такого материала может быть увеличено без увеличения пористости. В результате можно получить устройство 1 управления отработавшими газами, позволяющее улучшить определение количества накопленного кислорода без снижения прочности уплотнительного элемента 22, содержащего материал с функцией накопления кислорода.

[0083] Материал с функцией накопления кислорода, входящий в состав суспензии S, содержащей материал с функцией накопления кислорода, имеет максимум поглощения Н₂при нагреве материала с функцией накопления кислорода со скоростью увеличения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂и 95 объемных % газообразного N₂, в низкотемпературном диапазоне от 500°С до 650°С. Кроме того, ячеистую подложку 10, заполненную суспензией S, содержащей материал с функцией накопления кислорода, обжигают при низких температурах от 500°С до 800°С для формирования уплотнительного элемента 22, содержащего материал с функцией накопления кислорода. Это позволяет предотвратить снижение способности материала к накоплению кислорода, например, вследствие нагрева материала с функцией накопления кислорода до высоких температур, способных нарушить кристаллическую структуру или уменьшить удельную площадь поверхности. Это позволяет получить устройство 1 управления отработавшими газами с улучшенным определением количества накопленного кислорода, в частности, в низкотемпературном диапазоне.

[0084] В данном примере осуществления уплотнительный элемент с увеличенным содержанием материала с функцией накопления кислорода без увеличения пористости можно изготовить в виде уплотнительного элемента, расположенного на выходной боковой оконечной части входной ячейки, и/или уплотнительного элемента, расположенного на входной боковой оконечной части выходной ячейки. В результате можно получить устройство управления отработавшими газами, позволяющее улучшить определение количества накопленного кислорода без снижения прочности уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода. Соответственно, можно получить устройство управления отработавшими газами, позволяющее легко определять количество накопленного кислорода.

[0085] Ниже будет детально раскрыт способ изготовления устройства управления отработавшими газами в соответствии с данным примером осуществления изобретения, главным образом, в части применяемых условий.

1. Этап приготовления суспензии

[0086] На этапе приготовления суспензии материал с функцией накопления кислорода, герметизирующий материал и растворитель смешивают для получения суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода.

[0087] Материал с функцией накопления кислорода предпочтительно имеет максимум поглощения Н₂при нагреве со скоростью увеличения температуры 10°С/мин в атмосфере газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂и 95 объемных N₂, в диапазоне температур от 500°С до 650°С, как показано в примере, изображенном на ФИГ. 4A, 4B, 5A и 5B. Таким образом, можно получить уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, поглощающий максимальное количество Н₂ в низкотемпературном диапазоне от 500°С до 650°С, что позволяет, в свою очередь, получить устройство управления отработавшими газами с улучшенной возможностью определения количества накопленного кислорода, в частности, в низкотемпературном диапазоне. Таким образом, при использовании, например, в качестве катализатора под полом кабины (UF/C), устройство управления отработавшими газами заметно упрощает определение количества накопленного кислорода. Материал с функцией накопления кислорода аналогичен раскрытому в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами, первый уплотнительный элемент, (1) Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода», и поэтому здесь повторно не раскрыт.

[0088] Герметизирующий материал аналогичен раскрытому в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами, первый уплотнительный элемент, (1) Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода», и поэтому здесь повторно не раскрыт.

[0089] Выбор растворителя, по существу, не ограничен, и можно использовать обычный растворитель, например, воду, в частности, ионообменную воду, спирт, а также смесь воды и спирта.

[0090] Суспензию, содержащую материал с функцией накопления кислорода, предпочтительно, изготавливают путем примешивания частиц каталитического металла к смеси материала с функцией накопления кислорода, герметизирующего материала и растворителя. Когда таким образом получен уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, содержащий частицы каталитического металла, можно получить устройство управления отработавшими газами, позволяющее улучшить определение количества накопленного кислорода. Частицы каталитического металла аналогичны частицам, описанным выше в разделе «А. Устройство управления отработавшими газами, 1. Уплотнительный элемент, (1) Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода», и поэтому здесь повторно не раскрыты. Кроме того, суспензия, содержащая материал с функцией накопления кислорода, может быть приготовлена путем примешивания произвольно выбранного компонента, в частности, связующего и присадки, к смеси материала с функцией накопления кислорода, герметизирующего материала и растворителя или к смеси материала с функцией накопления кислорода, герметизирующего материала, частиц каталитического металла и растворителя.

[0091] Содержание растворителя в суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничено при условии сохранения возможности получения суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода и имеющей заданную консистенцию, и составляет, например, предпочтительно от 5 весовых % до 40 весовых %, особенно предпочтительно, от 10 весовых % до 35 весовых %.

[0092] Содержание материала с функцией накопления кислорода в твердом компоненте суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, аналогично содержанию материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе, описанном выше в разделе «А. Устройство управления отработавшими газами, 1. уплотнительный элемент, (1) Уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода», и поэтому здесь повторно не раскрыт. Весовое соотношение частиц каталитического металла и общей массы смеси материала с функцией накопления кислорода и частиц каталитического металла в твердом компоненте суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, соответствует весовому соотношению частиц каталитического металла и общей массы смеси материала с функцией накопления кислорода и частиц каталитического металла в уплотнительном элементе, описанном в вышеуказанном разделе; поэтому здесь оно повторно не раскрыто. Общее содержание герметизирующего материала и произвольного компонента, в частности, связующего и присадки в твердом компоненте суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, может считаться равновесным, за исключением материала с функцией накопления кислорода, или смеси материала с функцией накопления кислорода и частиц каталитического металла. Весовое соотношение герметизирующего элемента и равновесных компонентов в твердом компоненте суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, соответствует весовому соотношению герметизирующего материала и равновесных компонентов, за исключением материала с функцией накопления кислорода и смеси материала с функцией накопления кислорода и частиц каталитического металла в уплотнительном элементе, описанном в вышеуказанном в разделе; поэтому здесь оно повторно не раскрыто.

[0093] Выбор способа смешивания, используемого при приготовлении суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничен при условии, что сохраняется возможность приготовления необходимой суспензии, содержащей материал с функцией накопления кислорода; в частности, может быть выбран один распространенных способов.

2. Этап заполнения суспензией

[0094] На этапе заполнения суспензией выходную боковую оконечную часть входной ячейки и/или входную боковую оконечной части выходной ячейки ячеистой подложки заполняют суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода.

[0095] Ячеистая подложка аналогична подложке, раскрытой в разделе «A. Устройство управления отработавшими газами, 2. Ячеистая подложка», и поэтому здесь повторно не раскрыта.

[0096] Способ заполнения суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, выходной боковой оконечной части входной ячейки и/или входной боковой оконечной части выходной ячейки, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов. Длина заполненной содержащей материал с функцией накопления кислорода суспензией выходной боковой оконечной части входной ячейки или входной боковой оконечной части выходной ячейки, по существу, не ограничена и может быть выбрана из распространенных вариантов, причем желательно, чтобы длина формируемого уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, укладывалась в предпочтительный диапазон.

3. Этап обжига

[0097] На этапе обжига ячеистую подложку, заполненную суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, обжигают до образования уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, на выходной боковой оконечной части входной ячейки и / или входной боковой оконечной части выходной ячейки.

[0098] Условия на этапе обжига, по существу, не ограничены при условии сохранения возможности получения необходимого уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода. Например, в примере, изображенном на ФИГ. 4A - 5B, предпочтителен обжиг ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, при температуре от 500°С до 800°С в течение 0,5-2 часов, предпочтительно, при температуре от 500°С до 600°С в течение 0,5-1 часа. При температуре или времени обжига, равном или превышающем нижнюю границу такого диапазона, обжиг позволяет адекватно удалить органический компонент. Кроме того, если температура или время обжига равны или ниже верхней границы такого диапазона, можно предотвратить снижение способности материала к накоплению кислорода, например, вследствие нагрева материала с функцией накопления кислорода до высоких температур, способных нарушить кристаллическую структуру или уменьшить удельную площадь поверхности.

[0099] Выбор способа обжига ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничен; пока сохраняется возможность получения уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, можно использовать один из распространенных способов, в частности, обжигать ячеистую подложку в печи для обжига.

[0100] Состав атмосферы для обжига ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, по существу, не ограничен и может соответствовать распространенным вариантам, в частности, воздуху.

[0101] Способ изготовления устройства управления отработавшими газами после этапа заполнения суспензией и перед этапом обжига предпочтительно включает этап сушки ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, для последующего обжига высушенной ячеистой подложки, заполненной суспензией, на этапе обжига. Выбор условий на этапе сушки, по существу, не ограничен при условии, что растворитель может быть надлежащим образом удален для получения необходимого уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, а ячеистую подложку сушат, например, при температуре от 60°С до 300°С в течение 0,5-5 часов.

4. Этап формирования слоя катализатора

[0102] Способ изготовления устройства управления отработавшими газами обычно содержит этап формирования слоя катализатора на перегородке. Этап формирования слоя катализатора обычно выполняется после этапа обжига и содержит, например, этап формирования слоя катализатора с входной боковой стороны на наружной или внутренней боковой поверхности перегородки во входной ячейке и/или этап формирования слоя катализатора с выходной боковой стороны на наружной или внутренней боковой поверхности перегородки в выходной ячейке.

[0103] Выбор способа формирования слоя катализатора, по существу, не ограничен и может выбран из распространенных вариантов; например, суспензию подают на наружную или внутреннюю боковую поверхность перегородки в ячейке с последующей сушкой и обжигом ячеистой подложки, заполненной суспензией.

[0104] Суспензия обычно содержит частицы каталитического металла и основу для частиц каталитического металла. Выбор способа нанесения частиц каталитического металла на основу, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов. Например, основу пропитывают водным раствором, содержащим соль (например, нитрат) каталитического металла или комплекс каталитических металлов (например, тетраамминный комплекс), после чего высушивают и обжигают. Суспензия может содержать материал с функцией накопления кислорода дополнительно к частицам каталитического металла и основе, но, предпочтительно, не содержит такого материала, поскольку уплотнительный элемент содержит материал с функцией накопления кислорода. Суспензия может содержать произвольный компонент, например, связующее и присадку. Частицы каталитического металла, основа, материал с функцией накопления кислорода и произвольный компонент аналогичны раскрытым выше в разделе «А. Устройство управления отработавшими газами, 3. Слой катализатора», и потому здесь повторно не раскрыты.

[0105] Выбор способа нанесения суспензии на наружную или внутреннюю боковую поверхность перегородки в ячейке, по существу, не ограничен и может быть выбран из распространенных вариантов; например, ячеистую подложку погружают в суспензию со стороны входной или выходной боковой оконечной поверхности и извлекают из суспензии по истечении установленного времени. Этот способ позволяет скорректировать средний размер частиц основы в суспензии, а также свойства суспензии, такие как концентрация твердых частиц и вязкость суспензии, таким образом, чтобы суспензия не могла или, наоборот, могла проникать в перегородку. Альтернативно можно использовать разность давлений между выходной и входной ячейкой, чтобы исключить проникновение суспензии в перегородку.

[0106] Условия сушки ячеистой подложки, заполненной суспензией, по существу, не ограничены и зависят от формы и размера ячеистой подложки или основы. Например, ячеистую подложку сушат, предпочтительно, при температуре от 80°С до 300°С в течение промежутка времени от 1 до 10 часов. Условия обжига ячеистой подложки после высыхания, по существу, не ограничены, например, ячеистую подложку обжигают, предпочтительно, при температуре от 400 °С до 1000 °С в течение промежутка времени от 1 до 4 часов. Следует помнить, что толщина и свойства слоя катализатора, в частности, пористость могут меняться в зависимости от свойств суспензии, количества подаваемой суспензии, условий сушки, условий обжига и иных подобных параметров.

5. Способ изготовления устройства управления отработавшими газами

[0107] В способе изготовления устройства управления отработавшими газами, предпочтительно, входную боковую оконечную часть выходной ячейки заполняют суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, на этапе заполнения суспензией, а уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, формируют на входной боковой оконечной части выходной ячейки на этапе обжига. Таким образом, уплотнительный элемент, установленный на стороне с более высокой концентрацией отработавших газов, содержит материал с функцией накопления кислорода, что позволяет существенно улучшить определение количества накопленного кислорода.

[0108] В способе изготовления устройства управления отработавшими газами, если только выходную боковую оконечную часть входной ячейки или входную боковую оконечную часть выходной ячейки заполняют суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода, на этапе заполнения суспензией, а уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, формируют только на выходной боковой оконечной части входной ячейки или входной боковой оконечной части выходной ячейки на этапе обжига, другую боковую оконечную часть этих ячеек, на которой не формируют уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, заполняют суспензией, не содержащей материал с функцией накопления кислорода, на этапе заполнения суспензией, а на этапе обжига формируют уплотнительный элемент без материала с функцией накопления кислорода на той боковой оконечной части, где отсутствует уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода. Суспензию, не содержащую материала с функцией накопления кислорода, приготавливают смешиванием герметизирующего материала и растворителя, причем используемые герметизирующий материал и растворитель, а также содержание растворителя в суспензии, не содержащей материала с функцией накопления кислорода, аналогичны раскрытым выше в разделе «1. Этап приготовления суспензии», и потому здесь повторно не раскрыты.

[0109] Далее детально рассмотрим предложенный пример осуществления изобретения со ссылкой на Примеры, Сравнительные примеры и Контрольные примеры.

1. Количество кислорода, аккумулированное уплотнительным элементом, содержащим материал с функцией накопления кислорода

[0110] Оценивали количество кислорода, накопленное уплотнительным элементом, содержащим материал с функцией накопления кислорода и образованным при обжиге ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода.

Пример 1

[0111] Сначала приготовили суспензию, смешав 1,5 г материала с функцией накопления кислорода (содержание двуокиси церия: 60 весовых %) в форме порошка, содержащего 1 весовых % Pt, 3,0 г герметизирующего материала в форме порошка (Sumicerum производства компании Sumica Chemtex Co., Ltd.) и 0,8 г ионообменной воды.

[0112] После этого суспензией заполнили выходную боковую оконечную часть входной ячейки и входную боковую оконечную часть выходной ячейки ячеистой подложки (изготовленной из кордиерита со следующими размерами: внешний диаметр 30 мм х осевая длина 50 мм, плотность ячеек: 300/дюйм²), причем в ячеистой подложке как единое целое сформирована цилиндрическая рама и перегородка (толщиной: 200 мкм), разделяющая пространство внутри рамы части на соты.

[0113] Далее, ячеистую подложку, заполненную суспензией, высушили при температуре 120°С в течение 2 часов и обожгли при температуре 600°С в течение 1 часа, в результате чего на выходной боковой оконечной части входной ячейки и входной боковой оконечной части выходной ячейки сформировался уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, длиной 5 мм в продольном направлении. Таким образом был изготовлен испытательный образец.

Пример 2

[0114] Испытательный образец изготовили аналогично примеру 1, за исключением того, что суспензию приготовили, смешав 0,5 г материала с функцией накопления кислорода в форме порошка, содержащего 1% Pt по массе, 4,0 г герметизирующего материала в форме порошка и 0,4 г ионообменной воды.

Сравнительный пример

[0115] Испытательный образец изготовлен аналогично примеру 1, за исключением того, что суспензию приготовили путем смешивания только герметизирующего материала в форме порошка и ионообменной воды.

Оценка

[0116] В испытательных образцах, изготовленных согласно Примерам 1 и 2 и Сравнительному примеру, было измерено количество накопленного кислорода. В частности, каждый испытательный образец устанавливали в модели газогенератора, а газовую смесь, содержащую 1 объемных % О₂ и 99 объемных % N₂, при 600°С пропускали со скоростью 20 л/мин в течение 2 минут для подачи кислорода в количестве, в достаточной мере насыщающем материал с функцией накопления кислорода. После этого газовую смесь, содержащую 2 объемных % СО и 98 объемных % N₂, при температуре 600°С пропускали со скоростью 20 л/мин. Таким образом, исходя из количества СО₂, образовавшегося из CO, рассчитывали количество накопленного кислорода. Такую процедуру повторяли три раза, после чего на основании значений в эти моменты времени рассчитали среднее количество накопленного кислорода для испытательного образца при температуре 600°С. Кроме того, такую процедуру повторили три раза для газовой смеси с температурой 400°C, после чего на основании значений в эти моменты времени рассчитали среднее количество накопленного кислорода для испытательного образца при температуре 400°C. Результаты измерений сведены в таблицу 1 вместе с измеренным значением, полученным на холостом образце, измерение которого проводилось в аналогичных условиях без размещения испытательного образца в выхлопной трубе. Кроме того, на ФИГ. 6 изображен график, иллюстрирующий результаты измерения количества накопленного кислорода в испытательных образцах согласно Примерам 1 и 2 и Сравнительному примеру.

[0117] Таблица 1

[0118] Как показано в таблице 1 и на ФИГ. 6, испытательные образцы при любой из температур в диапазоне от 400°С до 600°С согласно Примерам 1 и 2 содержат кислород в количестве, превышающем испытательный образец согласно Сравнительному примеру. Предполагается, что количество накопленного кислорода в устройстве управления отработавшими газами достигается даже в том случае, если материал с функцией накопления кислорода будет содержаться в уплотнительном элементе, через который не протекают отработавшие газы. Кроме того, испытательный образец согласно Примеру 1 имеет больший запас кислорода при любой из температур в диапазоне от 400°С до 600°С, чем испытательный образец согласно Примеру 2. Предполагается, что количество накопленного кислорода увеличивается, поскольку увеличилось содержание материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе.

2. Концентрация материала с функцией накопления кислорода в различных точках в продольном направлении уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода

[0119] Оценивалась концентрация материала с функцией накопления кислорода в различных точках в продольном направлении уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода и образованного при обжиге ячеистой подложки, заполненной суспензией, содержащей материал с функцией накопления кислорода.

Оценка

[0120] В каждом из испытательных образцов согласно Примерам 1 и 2 была измерена концентрация материала с функцией накопления кислорода в трех точках, соответствующих наружному краю, центру и внутреннему краю в продольном направлении уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода. В частности, уплотнительный элемент, содержащий материал с функцией накопления кислорода, разрезали перпендикулярно продольному направлению в трех точках, соответствующих наружному краю, центру и внутреннему краю в продольном направлении, и каждое сечение подвергли измерению электронным микроанализатором для получения среднего значения интенсивности рентгеновского излучения Ce (церия). На ФИГ. 7 изображен график, иллюстрирующий средние значения интенсивности рентгеновского излучения Ce в трех точках, соответствующих наружному краю, центру и внутреннему краю в продольном направлении уплотнительного элемента, содержащего материал с функцией накопления кислорода, в каждом из испытательных образцов согласно Примерам 1 и 2.

[0121] Как показано на ФИГ. 7, в обоих уплотнительных элементах, содержащих материал с функцией накопления кислорода и изготовленных согласно Примерам 1 и 2, усредненные значения интенсивности рентгеновского излучения Ce в поперечных сечениях были практически одинаковы в трех точках, соответствующих наружному краю, центру и внутреннему краю в продольном направлении. Поэтому принято, что концентрация материала с функцией накопления кислорода (порошка двуокиси церия) постоянна в уплотнительных элементах, содержащих материал с функцией накопления кислорода, согласно Примерам 1 и 2.

3. Количество накопленного кислорода до и после испытания материала с функцией накопления кислорода на усталостную прочность

[0122] Оценивалось количество накопленного кислорода до и после испытания материала с функцией накопления кислорода, описываемого предложенным изобретением, на усталостную прочность.

Контрольный пример 1

[0123] Получен материал с функцией накопления кислорода, содержащий сложный оксид Ce-Zr-присадки, изготовленный компанией Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd.

Контрольный пример 2

[0124] Материал с функцией накопления кислорода согласно Контрольному примеру 1 испытали на усталостную прочность, нагревая в присутствии воздуха до температуры 1400°С в течение 5 часов. Таким образом, получили материал с функцией накопления кислорода после испытания на усталостную прочность.

Оценка

[0125] Количество кислорода, накопленное в материалах с функцией накопления кислорода согласно Контрольным примерам 1 и 2, было оценено способом восстановления в зависимости от температуры с использованием Н₂ в качестве реакционного газа (H₂-TPR). Для H₂-TPR был использован прибор BELCAT-A производства Microtracbel Corp.

[0126] Согласно способу H₂-TPR выполнена предварительная обработка, направленная на инициацию накопления кислорода материалом с функцией накопления кислорода. В частности, 1 г материала с функцией накопления кислорода поместили в пробирку; при пропускании через пробирку чистого газообразного кислорода с расходом 50 мл/мин материал с функцией накопления кислорода нагревали от комнатной температуры до 600°С в течение 30 минут с постоянной скоростью повышения температуры, выдерживали при этой температуре в течение 15 минут и естественным образом охлаждали до 80°С. После этого подачу чистого газообразного кислорода в пробирку остановили, и при температуре 80°С через пробирку в течение 10 минут пропускали газообразный N₂ с расходом 50 мл/мин.

[0127] После этого измерили поглощение H₂ материалом с функцией накопления кислорода, обусловленное процессом повышения температуры. В частности, при пропускании через пробирку газовой смеси, содержащей 5 объемных % газообразного Н₂ и 95 объемных % газообразного N_2, с расходом 50 мл/мин было выполнено количественное измерение поглощения Н₂ при нагреве материала с функцией накопления кислорода от 80°С до 800°С со скоростью увеличения температуры 10°С/мин. Для количественного измерения поглощения H₂ использовали детектор теплопроводности, причем перед детектором установили осушитель для улавливания воды, образующейся во время анализа. На ФИГ. 8 изображен спектр H₂-TPR (сигналы термокаталитического детектора) материалов с функцией накопления кислорода, полученный на Контрольных образцах 1 и 2.

[0128] Как показано на ФИГ. 8, в материале с функцией накопления кислорода согласно Контрольному примеру 1 поглощение H₂ в процессе повышения температуры начиналось примерно с 350°С, непрерывно возрастало до примерно 580°С, что соответствует пику поглощения H₂, а затем снижалось. Поскольку материал с функцией накопления кислорода согласно Контрольному образцу 1 не испытывали на усталостную прочность, способность к накоплению кислорода сохранилась, а пик поглощения Н₂ пришелся на диапазон от 500°С до 650°С. С другой стороны, в материале с функцией накопления кислорода согласно контрольному примеру 2 поглощение H₂ в процессе повышения температуры начиналось примерно с 500°C, непрерывно возрастало до примерно 700°C, что соответствует пику поглощения H₂, а затем снижалось. Поскольку материал с функцией накопления кислорода согласно Контрольному примеру 2 подвергали воздействию высокой температуры во время испытания на усталостную прочность, возможно, что кристаллическая структура сложного оксида Ce-Zr-присадки была нарушена, вследствие чего снизилась способность к накоплению кислорода.

[0129] Защищаемый объем настоящего изобретения не ограничивается описанными примерами осуществления устройства управления отработавшими газами, системы управления отработавшими газами и способа изготовления устройства управления отработавшими газами; эти варианты могут быть изменены и модифицированы различным образом.

Реферат

Предложено устройство управления отработавшими газами, содержащее: ячеистую подложку с пористой перегородкой, разделяющей множество ячеек, проходящих от входной боковой оконечной поверхности до выходной боковой оконечной поверхности, причем множество ячеек включает в себя входную ячейку и выходную ячейку, примыкающие друг к другу и разделенные перегородкой, находящейся между входной ячейкой и выходной ячейкой; первый уплотнительный элемент, установленный на выходной боковой оконечной части входной ячейки, и второй уплотнительный элемент, установленный на входной боковой оконечной части выходной ячейки; и слой катализатора, нанесенный на перегородку, при этом входная ячейка открыта со стороны входной боковой оконечной части и входная ячейка герметизирована первым уплотнительным элементом со стороны выходной боковой оконечной части, а выходная ячейка герметизирована вторым уплотнительным элементом со стороны входной боковой оконечной части, выходная ячейка открыта со стороны выходной боковой оконечной части, первый уплотнительной элемент и/или второй уплотнительный элемент содержит материал с функцией накопления кислорода, герметизирующий материал, и концентрация материала с функцией накопления кислорода в уплотнительном элементе, содержащем такой материал, постоянна в продольном направлении. При этом предложена система управления отработавшими газами, а также предложен способ изготовления устройства управления отработавшими газами. Технический результат - легкое определение количества накопленного кислорода. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл., 3 пр.

Формула