PL101655B1 - A catalyst for purifying combustion gases of i.c.engines - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest katalizator do oczyszczania spalin silników spalinowych.Zanieczyszczenie powietrza gazami wylotowymi stale wzrastajacej liczby samochodów staje sie istotnym problemem, dla rozwiazywania którego sposród proponowanych i juz praktykowanych sposobów najwieksze znaczenie maja sposoby katalityczne oczyszczania spalin. Stawia sie najwieksze wymagania katalizatorom jakie sa do tego celu uzywane, szczególnie dotyczace skutecznosci, trwalosci dzialania i mechanicznej stabilnosci. Obok katalizatorów sypkich stosuje sie przede wszystkim monolityczne katalizatory na nosnikach. Te ostatnie moga byc wytwarzane z kordierytu, mulitu, tlenku aluminium, weglika krzemu lub stopów metali. Te materialy ze wzgledu na swoja strukture komórkowa i pory biegnace równolegle do kierunku przeplywu gazów wylotowych nie powoduja liczacego sie spadku cisnienia, jednakze moga miec wplyw na przekrój kanalu i ksztaltu kanalu do transportu masy, a przy tym na katalityczna skutecznosc ukladu.Substancje aktywne, jak metale szlachetne, zwiazki tlenkowe metali nieszlachetnych, albo kombinacje obydwu rodzajów metali sa nanoszone na ogól w postaci cienkich warstw na nosniki monolityczne. Dla lepszego rozdzialu substancji aktywnej, naklada sie na podloze dolno-powierzchniowe ciala szkieletowe z bardzo cienka górno-powierzchniowa nosnikowa warstwa posrednia.Jako zwiazki metali nieszlachetnych stosowane sa tlenki miedzi, chromu, manganu, zelaza, kobaltu, niklu oraz ich kombinacje, jak na przyklad chromin miedzi.Z grupy metali szlachetnych stosuje sie platyne, pallad, rod oraz ruten. Inne warianty tworzone sa przez to, ze wykonuje sie domieszkowanie metali nieszlachetnych metalami szlachetnymi, albo odwrotnie metali szlachetnych metalami nieszlachetnymi, albo tez wykonuje sie ich zwiazki, W wielu przypadkach wspomniane materialy sa ponadto domieszkowane mala iloscia innych pierwiastków, przykladowo z grupy metali ziem alkalicznych jak np. magnez, wapn, stront lub bar, z grupy ziem rzadkich jak np. samar, lantan, cer, albo z grupy czwartej okresowego ukladu pierwiastków jak np. tytan lub cyna, jako tak zwane promotory (aktywatory katalizatora) dla ulepszenia okreslonych wlasnosci ukladu kata Iizatorowego. Te substancje aktywne moga sie zmieniac podczas uzytkowania w wyniku starzenia katalizatora, lub z powodu zatrucia katalizatora.2 101 655 Na skutecznosc katalizatorów, obok stosunkowo wysokich wartosci temperatury eksploatacyjnej, maja równiez wplyw przede wszystkim dodatki paliwa i oleju silnikowego albo ich produkty rozpadu. Do nich naleza alkile olowiowe (srodek przeciwstukowy, antydetonator), halogenki alkilowe, zwiazki fosforowe, siarkowe i cynkowe. Zwiazki olowiowe, które sa zawarte w postaci aerozoli w gazach wylotowych, szkodza katalizatorom, zawierajacym metale szlachetne, powodujac rzeczywiste zatrucie katalizatora.Zadaniem wynalazku jest opracowanie katalizatora na nosniku do oczyszczania spalin silników spalino¬ wych, nie ulegajacego przedwczesnemu starzeniu i zatruwaniu.Zgodnie z wynalazkiem katalizator do oczyszczania spalin silników spalinowych charakteryzuje sie tym, ze stanowi substancje aktywna naniesiona na monolityczny nosnik, przy czym stezenie tej substancji w przekroju nosnika zmienia sie w sposób rosnacy.W drugim wariancie wykonania katalizator stanowi uklad co najmniej dwóch nosników z naniesiona równomiernie substancja aktywna, przy czym stezenie substancji sktywnej na poszczególnych nosnikach wzrasta kolejno, lub alternatywnie stezenie tej substancji na kazdym nosniku zmieni sie w sposób rosnacy.Zgodnie z wynalazkiem katalizator do oczyszczania spalin w korzystnym wariancie wykonania stanowi uklad zawierajacy nosniki o równomiernym stezeniu substancji aktywnej oraz nosniki o stezeniu substancji aktywnej, zmieniajacym sie w przekroju nosnika w sposób rosnacy.Niezaleznie od wariantu wykonania wynalazku katalizator umieszcza sie w urzadzeniu w ten sposób, ze stezenie substancji aktywnej wzrasta kazdorazowo w kierunku przeplywu spalin. Za gradient dodatni zawartosci substancji aktywnej przyjmuje sie przyrost stezenia substancji aktywnej na jednostke dlugosci katalizatora.Zaleznie od celu zastosowania i sposobu wytwarzania, wartosc gradientu moze sie znacznie zmieniac w obrebie danego katalizatora. Przykladowo, przy miejscu wplywu do katalizatora gradient moze byc bardzo maly, natomiast w poblizu wyplywu przyrastac. Ten gradient moze byc takze przy wplywie bardzo duzy, a w miare zblizania sie do miejsca wyplywu moze zmniejszac sie. Jego wartosc moze wynosic od 6 X 10~2 do 3 X 10_1% na mm, a korzystnie 6 X 10"4 do 3 X 10"2% na mm. « W katalizatorze, stanowiacym trzy nosniki z substancja aktywna o stezeniu wzrastajacym, odpowiednio pierwszy nosnik ma maly, drugi sredni, natomiast trzeci duzy gradient dodatni zawartosci substancji aktywnej.Jest zalecany uklad zlozony z dwóch pojedynczych nosników, jednak w przypadkach specjalnych mozna zalaczac do czterech i wiecej nosników szeregowo.Poszczególne nosniki moga byc przy tym pokrywane substancja aktywna o jednakowym lub róznym skladzie. Pozwala to na optymalne wykorzystywanie róznych efektów poszczególnych substancji aktywnych, np. dotyczacych temperatury rozpoczecia reakcji i przetwarzania substancji szkodliwych.Katalizator, stanowiacy uklad nosników o równomiernych stezeniach substancji aktywnej jest tak ustawiony, ze w kierunku przeplywu spalin kolejne nosniki maja coraz wieksze stezenie substancji aktywnej.Taki uklad odpowiada warunkowi wedlug wynalazku, aby w kierunku przeplywu spalin byla wzrastajaca zawartosc substancji aktywnej, a przy tym byla wykorzystywana wzdluz calego ukladu dodatnia wartosc gradientu zawartosci substancji aktywnej. Przykladowo, uklad trzech nosników przewiduje, ze stezenie substancji aktywnych jest odpowiednio niskie na pierwszym nosniku, srednie na drugim, oraz wysokie na trzecim.Takze w tym wykonaniu wedlug wynalazku poszczególne nosniki moga byc pokrywane dla uzyskiwania optymalizacji skutków calosci ukladu substancja aktywna o jednakowym kJb równym skladzie.Zaleznie od poszczególnych przypadków zastosowania dobiera sie odpowiedni katalizator o róznych gradientach zawartosci substancji aktywnej, albo o jednolitym osadzeniu substancji aktywnych na poszczegól¬ nych nosnikach.Katalizator wedlug wynalazku ma te zalete, ze mniejsze ilosci substancji aktywnej sa nieczynne przez nasycenie substancjami trujacymi nieczynne, poniewaz te trujace substancje odkladaja sie na katalizatorze.Wedlug wyników testu trwalosci w pojazdach, trucizny katalizatora z paliwa i oleju silnikowego najsilniej odkladaja sie w obrebie wlotu spalin do katalizatorów i tam prowadzi to do wiekszej neutralizacji ich dzialania, w porównaniu z dalej polozonymi wzdluz przeplywu obszarami.Przy oczyszczeniu katalitycznym dysponuje sie dluzszy czas substancja aktywna, poniewaz dezaktywacja przebiega w kierunku wstecznym na dlugosci katalizatora znacznie wolniej i w znacznie mniejszym rozmiarze.Czas uzytkowania katalizatora wedlug wynalazku jest znacznie dluzszy od znanych katalizatorów. Ponadto stezenie substancji aktywnej, narastajace wedlug wynalazku w kierunku wylotu spalin w katalizatorze ma te zalete, ze przy zmniejszajacym sie stezeniu substancji palnych w spalinach, i przy tym coraz trudniejszej przemianie, wykorzystuje sie narastajace stezenie osrodka aktywnego, który ponownie kompensuje czesciowo zmniejszenie oczyszczania, przez co polepsza sie calkowita skutecznosc katalizatora.101 655 3 Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia katalizator umieszczony w obudowie, fig. 2 — wykres mozliwego rozmieszczenia zawartosci substancji aktywnej katalizatora jak na fig. 1 z gradientem dodatnim, fig. 3- katalizator stanowiacy uklad trzech nosników wedlug wynalazku, fig. 4 — wykresy mozliwego rozmieszczenia zawartosci substancji aktywnej katalizatora pokazanego na fig. 3 z gradientem dodatnim, fig. 5—schematycznie katalizator wedlug wynalazku, w którym monolityczne nosniki o równomiernym kazdorazowo rozmieszczeniu zawartosci substancji aktywnej sa ustawione jeden za drugim u kierunku przeplywu spalin, oraz fig. 6- schematycznie wykres zawartosci substancji aktywnej na poszczególnych nosnikach, jak na fig. 5. ¦ Na figurze 5 widac, ze nosnik 2 ma wieksza zawartosc równomiernie rozmieszczonej substancji aktywnej niz nosnik 1. Natomiast odpowiednio nosnik 3 ma wieksza zawartosc równomiernie rozmieszczonej substancji aktywnej niz nosnik 2.Przyklad I. Katalizator, wytworzony przez malowanie zanurzeniowe, majacy dlugosc 150 mm, podzielono na 10 segmentów po 15 mm, aby okreslic zawartosc substancji aktywnej. Mialy one odpowiednio nastepujaca zawartosc platyny wagowo w %: Segment 1 0,5 Segment 2 0,28 Segment 3 0,22 Segment 4 0,21 Segment 5 0,20 Segment 6 0,20 Segment 7 0,21 Segment 8 0,26 Segment9 0,28 Segment 10 0,74 Omawiany katalizator zawieral wstanie swiezym wedluj testu dla konwersji: CO—max. 98,04%; Weglowodo¬ ry — max. 77,33% Wyniki stopnia konwersji uzyskano w procentach z równania: ipp X (stezenie wejsciowe — stezenie wyjsciowe) stezenie wejsciowe Przyklad II. Katalizator wedlug przykladu I podzielono miedzy segmentem 5, a segmentem 6.Obydwie koncówki ustawiono jedna za druga tak, ze powierzchnie przekroju sa kierowane przeciw kierunkowi przeplywu spalin. Test konwersji swiezego katalizatora wykazal zawartosc CO max. 98,0% a weglowodorów max. 78,71%. Gradienty (róznice zawartosci Pt miedzy segmentami) wynosily w kierunku przeplywu spalin: + 0,01 wagowo %/15 mm oraz + 0,01 wagowo %/ 15 mm + 0,01 wagowo %/ 15 mm + 0,05 wagowo %/ 15 mm + 0,06 wagowo %/ 15mm + 0,02 wagowo %/ 15 mm + 0,22 wagowo %/ 15 mm + 0,46 wagowo %/ 15 mm Na calej dlugosci obydwa segmenty katalizatora mialy gradient substancji aktywnej o wartosci + 0,30%/75 mm oraz + 0,54%/75 mm.Przyklad III. Katalizator,, otrzymany wedlug przykladu II przy temperaturze 720°C spalin silnika przez 100 godzin starzono, a na zakonczenie poddano testowi konv/:;rsji. Jako stopien konwersji uzyskano dla CO max. 98,04%, a dla weglowodorów max. 74,7%.Inna miara jakosci katalizatora, uzywanego do oczyszczenia spalin silników spalinowych jest zachowanie poczatkowe, które uzyskuje sie odpowiednio do ilosci konwersji uprzednio ustalonej przy danej temperaturze. Im ustalona temperatura jest wieksza, tym gorsze jest zachowanie poczatkowe katalizatora.Dla katalizatora starzonego ustalono nastepujace dane dotyczace dzialania poczatkowego: 50% CO -? 324°C 90% CO -? 339°C 50% weglowodory -* 336°C 70% weglowodory -+3910C Przyklad IV. Katalizator wedlug przykladu I starzono przy temporaturze 720°C spalin silnika przez 100 godzin, a na zakonczenie poddano testowi konwersji. Uzyskano dki CO max. 98,0%, a dla weglowodorów max. 71,35%. Poczatkowe zachowanie jest jak dla przykladu III. Otrzymano nastepujace dane dla starzonego katalizatora:4 101 655 50% CO *•* 325°C : 90% CO * 360°C 50% weglowodory *+ 560°C 70% weglowodory *+ 437°C Z przykladów IM i IV latwo mozna wyciagnac wniosek równiez, ze katalizator wedlug wynalazku wykazuje lepsze cechy starzenia i zachowania poczatkowego.Przyklad V. Krtalizator pokryto przez malowanie zanurzeniowe srodkiem wedlug opisu RFN DOS 2306395 z substancja aktywna z kordierytu, o dlugosci 150 mm, i podzielono na siedem segmentów, kazdy po 21,4 mm, aby okreslic zawartosc substancji aktywnej. Segmenty mialy nastepujace zawartoser platyny (wagowo w%): Segment 1 Segment 2 Segment 3 Segment 4 Segment 5 Segment 6 Segment 7 0,185 0,172 0,170 0,168 0,172 0,174 0,21 Dla calosci katalizatora zawartosc platyny wynosila 1,65 g albo 11 mg/mm, co jest jak widac z podanych wartosci prawie stala wartoscia stezenia dla calego podzielonego katalizatora. Przy tescie konwersji dla stanu swiezego katalizatora mial nastepujace wartosci: CO max. 99%; Weglowodory max. 80,5%.Charakterystyczne jest dla katalizatora jego zachowanie poczatkowe, Wynika to zwartosci temi-eratury jakie sa ustalane, przy których bylo konwertowane 50% albo 90% CO oraz 50% albo tez 70% weglowodorów.Dla katalizatorów uzyskano wedlug przykladu V, dla stanu poczatkowego zachowania nastepujace wartosci: 50% CO - 249° C 90% CO - 283° C 50% weglowodory -? 263°C 70% weglowodory -? 285°C Przyklad,VI.. Katalizator, stanowiacy dw wedlug opisu RFN DOS 2306395 z substancja aktywna w róznym stopniu, kazdy o dlugosci po 75 mm, i podzielono kazdy na segmenty o dlugosci po 18,75 mm, aby okreslic zawartosc substancji aktywnej. Ustalono nastepujace zawartosci platyny: Nosniki Nosnik 2 Segment 1 0,197 wagowo % Segment 1 0,252 wagowo % Segment 2 0,193 wagowo % Segment 2 0,252 wagowo % Segment 3 0,194 wagowo % Segment 3 0,249 wagowo % Segment 4 0,210 wagowo % Segment 4 0,253 wagowo % Dla calosci katalizatora ustalone zawartosci platyny, które wynosily 0,6 g albo 8,28 mg/mm, albo tez 0,9 g lub 12,41 mg/mm dlugosc' katalizatora. Nosniki 1-2 katalizatora zostaly tak usytuowane w urzadzeniu do oczyszczania spalin, ze nosnik 1 jest ustawiony przed nosnikiem 2, liczac w kierunku przeplywu spalin. Przy tescie Konwersji dla stanu swiezego uzyskano dla nosników katalizatora, ustawionych jeden na drugim, nastepujace wartosci: COmax. 98%r Weglowodory max. 80%.Dla stanu poczatkowego zachowania ustalono nastepujace temperatury: 50% CO -? 239°C 50% weglowodory -+ 261°C 90% CO -* 280°C 70% weglowodory -? 283°C Przyklad VII. Katalizator wedlug przykladu V siarzono w silniku przez 100 godzin, a na koniec podano testoy/ konwersyjnemu. Uzyskano nastepujace wartosci: CO max. 98%; Weglowodory max. 74,3% Dla stanu zachowania poczatkowego ustalono nastepujace wartosci temperatury: 50% CO ^ 343°C 90% CO ¦+ 386°C 50% weglowodory -? 360°C 90% weglowodory -? 404°C Przyklad VIII. NosrWk 1 i 2 katalizatora ustawiono jak w przykladzie VI oraz starzono w tempera¬ turze spalin 720°C w silniku przez 100 g dzin. Przy tescie konwersji uzyskano nastepujace wartosci: CO max. 98%; Weglowodory max. 74,3%101 655 5 Dla stanu zachowania poczatkowego ustalono nastepujace wartosci temperatury: 50% CO h 343° C 90% CO *+ 386°C 50% weglowodory - 360°C 90% weglowodory -? 404°C Przyklad IX. Nosnik 1 i 2 katalizatora ustawiono jak w przykladzie VI oraz starzono w temperaturze spalin 720°C w silniku przez 100 godzin. Przy tescie konwersji uzyskano nastepujace wartosci: CO max. 98%, Weglowodory max. 77,5% Dla stanu zachowania poczatkowo ustalono nastepujace wartosci temperatury: 50% CO - 332°C 90% CO ¦* 355°C 50% weglowodory * 335°C 70% weglowodory -* 365°C Z przytoczonych przykladów mozna latwo wywnioskowac, ze w urzadzeniu wedlug wynalazku kataliza¬ tor po wystarzeniu, pomimo niskiej zawartosci substancji aktywnej, ma lepsze wlasnosci poczatkowe i,konwersyjne i zgodnie z tym ma trwalsza aktywnosc. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Claims (4)

Zastrzezenia patentowe

1. Katalizator do oczyszczania spalin silników spalinowych, stanowiacy substancje aktywna naniesiona na monolityczny nosnik, znamienny tym, ze stezenie substancji aktywnej w przekroju nosnika zmienia sie w sposób rosnacy w kierunku przeplywu spalin. <

2. Katalizator do oczyszczania spalin silników spalinowych, stanowiacy substancje aktywna naniesiona na monolityczny nosnik, znamienny tym, ze stanowi go uklad co najmniej dwóch nosników z naniesiona równomiernie substancja aktywna, przy czym stezenie substancji aktywnej na poszczególnych nosnikach wzrasta kolejno. «

3. Katalizator do oczyszczania spalin silników spalinowych, stanowiacy substancje aktywna naniesiona na monolityczny nosnik, znamienny tym, ze stanowi go uklad co najmniej dwóch nosników z naniesiona substancja aktywna, przy czym stezenie tej substancji na kazdym nosniku zmienia sie w sposób rosnacy w kierunku przeplywu spalin. -

4. Katalizator do oczyszczania spalin silników spalinowych, stanowiacy substancje aktywna naniesiona na monolityczny nosnik, znamienny tym, ze stanowi go uklad zawierajacy nosniki o równomiernym stezeniu substancji aktywnej oraz nosniki o stezeniu substancji aktywnej zmieniajacym sie w przekroju nosnika w sposób rosnacy.101 655 strumien spalin FiG. 1 FiG. 2 mg f ?mm strumien spalin FiG. 3 Y^ l 1-1 — 1 mg FiG. U r^\ ?mm strumien spalin — »¦ FiG. 5 FiG. 6 ?mm Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120 + 18 Cena 45 zl