Выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания и устройство, включающее эту систему - RU2439342C2
Код документа: RU2439342C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, соответственно дизельного двигателя малой мощности, включающей катализатор для окисления монооксида углерода (СО) и углеводородов (НС), например, растворимой органической фракции (SOF) твердых частиц в выхлопных газах дизеля.
Уровень техники
US 6827909 В1 раскрывает каталитический конвертер для очистки выхлопного газа дизельного двигателя, включающий, по меньшей мере, одно сотовидное тело, покрытое каталитически активным материалом с проходами, через которые может проходить выхлопной газ, стенки, отделяющие проходы друг от друга, и первую и вторую зоны, расположенные последовательно в направлении потока. Первая зона имеет более низкую теплоемкость на единицу объема сотовидного тела, чем вторая зона. В одном осуществлении первая зона и вторая зона образованы покрытиями, имеющими различные толщины. Первая зона может быстро достичь своей рабочей температуры при высокой температуре выхлопного газа, тогда как вторая зона сохраняет тепло для рабочих режимов, включающих низкую температуру выхлопного газа.
WO 01/74476 раскрывает NOx абсорбер со многими зонами, включающий первую зону, вторую зону и, необязательно, одну или более промежуточных зон, расположенных между первой и второй зоной. В первой зоне, материал каталитической ловушки включает подложку из жаропрочного оксида металла с нанесенным на ней палладиевым каталитическим компонентом в количестве около 30-300 г·фут-3, платиновым каталитическим компонентом в количестве около 0-100 г·фут-3 и родиевым каталитическим компонентом в количестве около 0-10 г·фут-3; и NOx сорбент, включающий одно или более основных окисленных соединений одного или более щелочноземельных металлов и, необязательно, одно или более основных окисленных соединений одного или более щелочных металлов. Во второй зоне каталитический материал ловушки включает подложку из жаропрочного оксида металла с нанесенным на ней палладиевым каталитическим компонентом в количестве около 0-50 г·фут-3, платиновым каталитическим компонентом в количестве около 10-100 г·фут-3 и родиевым каталитическим компонентом в количестве около 5-20 г·фут-3; и NOx сорбент, включающий одно или более основных окисленных соединений одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из щелочных и щелочноземельных металлов. В дополнительной зоне(ах), материал каталитической ловушки включает подложку из жаропрочного оксида металла с нанесенным на ней палладиевым каталитическим компонентом в количестве около 25-75 г·фут-3, платиновым каталитическим компонентом в количестве около 5-30 г·фут-3 и родиевым каталитическим компонентом в количестве около 0-10 г·фут-3; и NOx сорбент, включающий одно или более основных окисленных соединений одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из щелочных и щелочноземельных металлов. Поэтому раскрытие указывает, что первая зона, продолженная промежуточной зоной, окончательно продолженная второй зоной, может иметь максимальное полное содержание металлов платиновой группы 410, 115 и 170 г·фут-3 соответственно.
Новый европейский цикл движения (NEDC) используется для сертификации выхлопа дизельных транспортных средств малой мощности в Европе. NEDC состоит из четырех сегментов ЕСЕ, повторенных без перерыва, продолженных одним сегментом европейского городского цикла движения (EUDC). Отсутствует период работы на холостом ходу до начала первого сегмента ЕСЕ. Цикл ЕСЕ является городским циклом движения, также известным как UDC, и предназначен для моделирования городских условий движения, например в Париже или Риме. Он характеризуется низкой скоростью транспортного средства, низкой нагрузкой двигателя и низкой температурой выхлопного газа. Сегмент EUDC отвечает более агрессивному движению и высокой скорости движения. NEDC также известен как MVEG-A цикл. Эквивалентным испытательному циклу NEDC в США является FTP-75, который был дополнен сегментом US06 для отражения агрессивного, высокоскоростного движения и сегментом SC03 для теста на соответствие стандарту выхлопа при работе системы кондиционирования воздуха. Другие страны приняли свои собственные эквивалентные испытательные циклы.
Катализаторы для окисления, по меньшей мере, монооксида углерода (СО) и углеводородов (НС) в выхлопном газе двигателя, работающего на обедненной топливной смеси, обычно включают один или более дорогих металлов платиновой группы (PGMs), таких как платина, палладий и/или родий. Производитель катализаторов имел бы конкурентоспособное преимущество, если бы смог разработать новый катализатор окисления, который достигает лучшего превращения СО и НС в полном предписанном законом цикле испытаний выхлопа, не увеличивая общее количество PGMs, или даже используя меньше PGMs, в новом катализаторе окисления по отношению к стандартному катализатору окисления. Для целей настоящего раскрытия «стандартный» катализатор окисления имеет однородное распределение тонкого слоя и однородное распределение PGM по всей его длине.
При разработке новых катализаторов окисления было найдено, что в некоторых транспортных средствах с относительно высоким содержанием платины в зоне со стороны ввода подложки катализатора превращение СО и НС улучшается на стадиях ускорения ЕСЕ-цикла, компоновка способствует более быстрому началу работы катализатора. Однако на более холодных стадиях ЕСЕ-цикла, например при замедлении, мы нашли, что это является фронтом «отключения» катализатора.
Для целей настоящего раскрытия «начало работы» определяется как температура, при которой и выше которой катализатор ускоряет превращение реагента с эффективностью ≥50% или Т50. «Отключение» означает, что температура катализатора упала ниже уровня, при котором катализатор ускоряет превращение реагента с эффективностью ≥50%. Также возможно выбрать альтернативные значения для определения начала работы, например Т70, то есть температура, при которой и выше которой катализатор ускоряет превращение реагента с эффективностью ≥70%, но для целей настоящего описания "отключение", будет означать Т50.
В настоящее время мы разработали катализатор окисления для двигателей, работающих на обедненной смеси, который достигает лучшего превращения СО и НС по нормированным циклам испытания выхлопа по сравнению со стандартным катализатором окисления, без использования большего количества PGMs и, более того, может быть использовано меньше PGMs, чем в стандартном катализаторе окисления.
В соответствии с одним аспектом изобретение предлагает выхлопную систему для двигателя внутреннего сгорания, работающего на обедненной смеси, включающую катализатор для окисления монооксида углерода (СО) и углеводородов (НС), каковой катализатор, включающий проницаемую сплошную подложку, включающую первую зону тонкого слоя по существу однородную по длине, содержащую, по меньшей мере, один металл платиновой группы (PGM), нанесенный на поверхность слоя компонента, увеличивающего площадь поверхности, каковая первая зона ограничена со стороны ввода входом сплошной подложки и со стороны вывода точкой, которая расположена на расстоянии, меньшем половины длины сплошной подложки, измеренном со стороны входа, вторая зона тонкого слоя, содержащая, по меньшей мере, один PGM, нанесенный на поверхность слоя компонента, увеличивающего площадь поверхности, каковая вторая зона тонкого слоя по существу однородна по длине и включает точку половины длины сплошной подложки, измеренной со стороны входа и третью зону тонкого слоя, содержащую, по меньшей мере, один PGM, нанесенный на поверхность слоя компонента, увеличивающего площадь поверхности, по существу однородную по длине, каковая третья зона тонкого слоя ограничена со стороны выхода выводом сплошной подложки и со стороны входа точкой на расстоянии не менее трех четвертей длины сплошной подложки, измеренной со стороны входа, причем содержание PGM в слое первой зоны и в слое третьей зоны больше, чем содержание PGM в слое второй зоны, и в которой содержание в слое первой зоны меньше содержания в слое третьей зоны.
Не желая быть связанными с теорией, мы полагаем, что изобретение способно достичь лучшего превращения СО и НС в цикле испытания NEDC, чем стандартный катализатор окисления или даже катализатор окисления с двумя зонами, состоящий из зоны с большим содержанием PGM на входе, потому что третья зона слоя поддерживается в рабочем состоянии на стадиях охлаждения цикла, тогда как стандартный или катализатор окисления с 2 зонами «отключен». Вторая зона слоя может действовать как тепловой буфер и обеспечивать превращение НС и СО в условиях высоких скоростей в EUDC части NEDC цикла. Кроме того, в осуществлениях, в которых вторая зона слоя включает соответствующие компоненты слоя, такие как цеолиты, вторая зона слоя может обеспечить сохранение НС на низкотемпературных стадиях цикла для последующего выделения и превращения на более высокотемпературных стадиях.
В отдельном осуществлении катализатор по существу свободен от щелочноземельных и щелочных металлов, то есть катализатор не предназначен для использования в качестве NOx-адсорбента (как это раскрыто в WO 01/74476) в выхлопной системе, в которой выхлопной газ периодически обогащается для десорбции адсорбированного NOx и его превращения в N2, с использованием подходящего восстановителя, например, модулируя отношение воздух-топливо в двигателе, постинжекции или послеинжекции топлива в цилиндр двигателя до открытия выпускного клапана или инжекции восстановителя непосредственно в выхлопной газ после выпускного коллектора. В другом осуществлении катализатор по существу свободен от лантанидов, например, церия.
В одном осуществлении длина первой зоны тонкого слоя составляет 15-70% длины сплошной подложки со стороны входа, в котором вторая зона тонкого слоя включает 10-80% полной длины сплошной подложки. В другом осуществлении длина первой зоны тонкого слоя составляет 10-65% длины сплошной подложки со стороны входа, в котором вторая зона тонкого слоя включает 10-80% полной длины сплошной подложки.
В другом осуществлении длина третьей зоны тонкого слоя составляет 70-15% длины сплошной подложки со стороны входа, в котором вторая зона тонкого слоя включает 10-80% полной длины сплошной подложки. В другом осуществлении длина третьей зоны тонкого слоя составляет 65-10% длины сплошной подложки со стороны входа, в котором вторая зона тонкого слоя включает 10-80% полной длины сплошной подложки.
В одном осуществлении общее содержание PGM в первой зоне тонкого слоя составляет 10-240 г·фут-3; тогда как в другом осуществлении общее содержание PGM в первой зоне тонкого слоя составляет 30-240 г·фут-3.
В другом осуществлении общее содержание PGM в третьей зоне тонкого слоя составляет 10-120 г·фут-3, но в отдельном осуществлении содержание PGM в первой зоне тонкого слоя такое же, как содержание PGM в третьей зоне тонкого слоя. В другом осуществлении общее содержание PGM в третьей зоне тонкого слоя составляет 60-120 г·фут-3.
Общее содержание PGM во второй зоне тонкого слоя может составлять 5-30 г·фут-3.
Общее содержание PGM на сплошной подложке в целом может составлять 25-390 г·фут-3, например, 30-240 г·фут-3 или 50-120 г·фут-3. «PGM» здесь включает платину, палладий, родий и иридий. В представленных в описании осуществлениях PGM в первой, второй и третьей зонах тонкого слоя состоит из платины.
Обычно компонентом, увеличивающим площадь поверхности слоя, является оксид, выбранный из группы, состоящей из цеолитов, оксида алюминия, диоксида титана, диоксида кремния, диоксида церия, диоксида циркония и смесей, и смешанных, и композитных оксидов, содержащих два или более из них. В отдельном осуществлении первая зона тонкого слоя включает слой, который имеет более низкую теплоемкость, чем слой и второй, и третьей зон.
В этом отношении содержание тонкого слоя в первой зоне тонкого слоя может составлять 0,5-2,5 г·дюйм-3; и содержание тонкого слоя в третьей зоне тонкого слоя может составлять 1,5-5,0 г·дюйм-3. В одном осуществлении содержание тонкого слоя во второй зоне такое же, как содержание слоя в третьей зоне тонкого слоя.
В отдельном осуществлении содержание тонкого слоя в третьей зоне тонкого слоя, по меньшей мере, на 10% больше, например, по меньшей мере, на 15% или, по меньшей мере, на 20% больше содержания тонкого слоя и в первой и во второй зонах тонкого слоя. Альтернативно, содержание тонкого слоя во второй и третьей зонах тонкого слоя, по меньшей мере, на 10% больше, например, по меньшей мере, на 15% или, по меньшей мере, на 20% больше, чем содержание тонкого слоя в первой зоне тонкого слоя.
Конечно, также возможно на первой стадии покрывать сплошную подложку первой зоной тонкого слоя и второй зоной тонкого слоя, соприкасающейся с первой зоной тонкого слоя, где первая зона тонкого слоя имеет более низкую теплоемкость, чем вторая зона тонкого слоя, и затем нанести на покрытую сплошную подложку PGM-содержащие зоны. То есть две из PGM-зон не должны быть ограничены зонами тонкого слоя, например, вторая зона тонкого слоя может начинаться с части второй PGM-зоны.
Преимущество этой компоновки состоит в том, что более высокая теплоемкость тонкого слоя в третьей зоне тонкого слоя или второй и третьей зонах тонкого слоя обеспечивает более длительное сохранение тепла на стадиях охлаждения NEDC, то есть катализатор окисления остается отключенным максимально долго, сохраняя тепловую энергию с большим количеством тепла в задней секции сплошной подложки; тогда как более низкий фронт содержания тонкого слоя обеспечивает более быстрое начало работы на стадиях нагрева при испытаниях. Общее превращение СО и НС при NEDC может быть дополнительно улучшено объединением концепции расположения PGM, по меньшей мере, в трех зонах по длине сплошной подложки; увеличением количества тепла во второй и третьей зонах тонкого слоя или только в третьей зоне тонкого слоя,.
Один способ получения более высокой теплоемкости в зонах тонкого слоя состоит в использовании более толстого слоя, как описано в US 6827909 В1. Однако более толстый слой может увеличить противодавление в системе выше желательного проектного допуска и может даже привести к закупорке, образующейся в проницаемой сплошной подложке при изготовлении, в частности на подложках с ячейками более высокой плотности. В отдельном осуществлении, однако, мы используем компонент тонкого слоя, который обладает по существу более высокой теплоемкостью, снижая или устраняя таким образом проблемы, связанные с более толстыми слоями. Иллюстративные примеры более высокой теплоемкости компонентов слоя включают уплотненный альфа-оксид алюминия, уплотненный диоксид циркония, уплотненный оксид лантана и уплотненный диоксид церия.
Общими свойствами таких материалов являются небольшая площадь поверхности, жаропрочные свойства и стеклообразная структура. Материалы также известны как «плавленые». Плавленый диоксид циркония, например, имеет плотность 5,90 г·см-3; уплотненный альфа оксид алюминия, 3,97 г·см-3; уплотненный оксид лантан, 6,5 г·см-3; и уплотненный диоксид церия (церий II оксид), 7,1 г·см-3. Любой материал, имеющий плотность, по меньшей мере, 3,5 г·см-3 применяется в этом аспекте изобретения.
Изготовление катализаторов окисления в соответствии с изобретением может быть достигнуто использованием способов и устройств известного уровня техники, включая раскрытые в нашем WO 99/47260, и дополнительные детали будут опущены в описании.
В соответствии с другим аспектом изобретение предлагает устройство, включающее дизельный двигатель, например дизельный двигатель малой мощности и выхлопную систему в соответствии с изобретением. В этом отдельном осуществлении катализатор окисления СО и НС может быть обозначен как дизельный катализатор окисления или DOC.
Для лучшего понимания изобретения приведены осуществление и примеры только в плане иллюстрации и со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг.1 является схемой, представляющей разрез сплошной подложки, включающей осуществление катализатора окисления для использования в настоящем изобретении;
фиг.2 представляет запись суммарного выброса СО для транспортного средства, снабженного выхлопной системой в соответствии с изобретением при опробовании циклом NEDC по сравнению со стандартной выхлопной системой;
фиг.3 является гистограммой, представляющей средний выброс газов из выхлопной трубы, сравнивающей выбросы НС, СО, и NOx no NEDC для транспортного средства, снабженного 1) стандартным катализатором окисления, 2) катализатором окисления с тремя зонами PGM в соответствии с изобретением, 3) катализатором окисления с двумя зонами слоя (только для целей сравнения) и 4) катализатором окисления в соответствии с изобретением с объединенными тремя зонами PGM и двумя зонами тонкого слоя.
Фиг.1 представляет, в аспекте, продольное сечение проницаемой сплошной подложки 10, такой как обычная конструкция из кордиерита с 400 ячейками на квадратный дюйм (cpsi (62 ячейки см-2)). Сплошная подложка 10 покрыта со стороны ввода 12 (обозначенного также стрелкой направления на виде сверху, показывая направление потока выхлопного газа в сплошной подложке) платиной, нанесенной на слой оксида алюминия в зоне 14, ограниченной выводом 16. Вторая зона тонкого слоя 18 ограничена со стороны ввода окончанием со стороны вывода 16 первой зоны тонкого слоя и со стороны вывода окончанием со стороны ввода 20 третьей зоны тонкого слоя 22. Вторая зона тонкого слоя 18 включает платину, нанесенную на слой оксида алюминия с более низким содержанием платины, чем в первой зоне тонкого слоя 14. Третья зона слоя 22 ограничена со стороны ввода окончанием 24 со стороны вывода сплошной подложки 10 и включает платину, нанесенную на слой оксида алюминия с содержанием платины, подобным содержанию платины в первой зоне тонкого слоя. Первая зона тонкого слоя составляет 30% полной длины сплошной подложки, и третья зона тонкого слоя составляет 20% полной длины сплошной подложки. Содержание тонкого слоя во второй и третьей платиновых зонах может быть выше, чем содержание тонкого слоя в первой платиновой зоне.
Пример 1
1,5-литровый TDI пассажирский автомобиль, удовлетворяющий нормам выбросов Евро III, снабженный сплошной подложкой, покрытой по всей ее длине стандартным, гомогенным слоем катализатором окисления с нанесенной платиной. Автомобиль затем проверяют по циклу испытания NEDС. То же самое транспортное средство затем оснащают сплошной подложкой, включающей катализатор окисления с тремя Pt зонами/катализатор окисления с двумя зонами слоя в соответствии с изобретением, в котором общее содержание Pt то же, что в стандартном катализаторе окисления, и испытание NEDC повторяют. Результаты суммарного превращения монооксида углерода представлены на фиг.2 (левая ось) с наложением на график скорости (правая ось) в цикле испытания NEDC. Верхняя кривая содержания СО представляет содержание СО в выхлопе двигателя, которые идентичны для обоих испытаний. Можно ясно видеть из более низкой кривой, что суммарное содержание СО для катализатора окисления в соответствии с изобретением достигает превращения СО приблизительно на 30% лучше по NEDC, чем для стандартного катализатора окисления.
Пример 2
Фиг.3 представляет результаты для ряда испытаний NEDC, выполненных на 1,3-литровом TDI пассажирском автомобиле (также удовлетворяющий нормам выбросов Евро III). На гистограмме 1) - стандартный катализатор окисления; 2) - катализатор окисления с тремя зонами PGM в соответствии с изобретением; 3) - катализатор окисления с двумя зонами тонких слоев в соответствии с изобретением; и 4) - катализатор окисления с объединенными тремя зонами PGM и двумя зонами тонких слоев в соответствии с изобретением. Содержание Pt для каждого из 1)-4) составляет 70 г·фут-3.
Можно видеть из фиг.3, что катализаторы окисления и с тремя Pt-зонами и двумя зонами тонких слоев обеспечивают улучшение по сравнению со стандартным гомогенным катализатором окисления и используют меньше общей Pt. Также можно видеть, что катализатор окисления в соответствии с изобретением с объединенными тремя PGM-зонами и двумя зонами тонких слоев обеспечивает дальнейшее улучшение по сравнению с концепциями катализаторов окисления с тремя Pt-зонами и с двумя зонами тонких слоев. Превращение НС, СО и NOx для катализатора окисления в соответствии с изобретением с объединенными тремя PGM-зонами и двумя зонами тонких слоев по сравнению со стандартным катализатором окисления представлены в таблице.
Средний выброс газов из выхлопной трубы для NEDC теста на транспортном средстве В.
Реферат
Изобретение относится к выхлопной системе для двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, включающая катализатор для окисления монооксида углерода (СО) и углеводородов (НС), катализатор включает проницаемую сплошную подложку (10), содержащую первую зону тонкого слоя (14), однородную по длине, содержащую один металл платиновый группы (PGM), нанесенный на компонент тонкого слоя, увеличивающего площадь поверхности, и где первая зона тонкого слоя ограничена со стороны ввода окончанием сплошной подложки со стороны входа (12) и со стороны вывода (16) точкой, находящейся менее чем на половине длины сплошной подложки при измерении со стороны ввода, вторую зону тонкого слоя (18), содержащую один PGM, нанесенный на компонент тонкого слоя, увеличивающего площадь поверхности, причем вторая зона тонкого слоя по однородна по длине и включает точку середины длины сплошной подложки, измеренной со стороны ввода, и третью зону тонкого слоя (22) содержащую один PGM, нанесенный на компонент тонкого слоя, увеличивающего площадь поверхности, третья зона тонкого слоя ограничена со стороны вывода окончанием сплошной подложки со стороны выхода и точкой (20), расположенной максимум на три четверти длины сплошной подложки, измеренной со стороны входа, в котором содержание PGM в первой зоне тонкого слоя и в третьей зоне тонкого слоя больше, чем содержание PGM во второй зоне тонкого слоя и в котором содержание тонкого слоя в первой зоне тонкого слоя меньше, чем содержание тонкого слоя в третьей зоне тонкого слоя. Техническим результатом изобретения является у�
