PL203221B1 - Pochłaniacz o strukturze komórkowej z substancją adsorbującą, stosowany zwłaszcza jako adsorber węglowodorów - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy korpusu pochłaniacza o strukturze plastra miodu z kanałami drożnymi dla gazu, zawierający materiał adsorbujący, w szczególności do adsorpcji węglowodorów, a także układu oczyszczania gazów spalinowych pojazdu silnikowego zawierającego ten korpus pochłaniacza.

Ze względu na systematyczny w skali światowej wzrost wymagań odnośnie oczyszczania gazów spalinowych z pojazdów mechanicznych, poświęcono szczególną uwagę oczyszczaniu gazów spalinowych w fazie uruchamiania zimnego silnika spalinowego. Przyczyną tego jest stosunkowo duża zawartość niespalonych węglowodorów w gazie spalinowym uchodzącym bezpośrednio po uruchomieniu silnika, podczas gdy równocześnie konwertery katalityczne (katalizatory) znajdujące się w układzie oczyszczania gazów spalinowych nie osiągnęły jeszcze dostatecznie wysokiej temperatury, niezbędnej do wystąpienia przemiany katalitycznej tych węglowodorów. Rozwiązaniem umożliwiającym ograniczenie emisji węglowodorów, w szczególności w początkowej fazie uruchamiania zimnego silnika spalinowego, jest zastosowanie adsorbera węglowodorów. Adsorber węglowodorów stanowi, ogólnie biorąc filtr o strukturze plastra miodu, zawierający kanały umożliwiające przepływ gazu, przynajmniej częściowo oddzielone między sobą ściankami, przy czym powierzchnie czynne filtra pokryte są mineralnym materiałem adsorbującym, korzystnie zeolitem, który adsorbuje węglowodory w zakresie niskich temperatur i następnie uwalnia je (desorbuje) przy wyższych temperaturach. W typowych rozwiązaniach tego rodzaju adsorbery węglowodorów umieszczane są przed konwerterami katalitycznymi (katalizatorami). Przykład z tego zakresu znany jest m.in. z EP 0 582 971 B1. Układ taki opisywany jest również w EP 0 424 966 A1., przy czym adsorber węglowodorów w końcowej fazie rozruch zimnego silnika zmostkowany jest przez przewód bocznikujący, w celu uniknięcia przegrzania podczas długotrwałej pracy. Uwaga ta może odnosić się również do adsorberów innych składników gazów odlotowych, np. tlenków azotu względnie wody. Wszystkie dotychczasowe koncepcje odnośnie konstrukcji i miejsca usytuowania adsorbera węglowodorów uwzględniać muszą to, że dotychczas praktycznie trudno jest uzyskać materiały adsorbujące, wykazujące długotrwałą odporność na działanie gazów spalinowych i równocześnie odznaczające się wymaganą minimalną temperaturą desorpcji, niezbędną dla zaistnienia przemiany katalitycznej węglowodorów. Z tego względu przy dotychczasowych koncepcjach wychodzi się z założenia, że adsorber węglowodorów odznaczać się powinien dużą pojemnością cieplną właściwą, a w szczególności pojemnością cieplną większą, niż usytuowany za nim reaktor katalityczny tak, aby reaktor ten mógł nagrzać się do minimalnej temperatury pracy niezbędnej do zaistnienia reakcji katalitycznej, zanim rozpocznie się desorpcja w adsorberze węglowodorów. Koncepcję tą opisano przede wszystkim również w EP 0 582 971 B1.

Pomimo to nadal pozostał nierozwiązany problem polegający na tym, że adsorber węglowodorów przy uruchamianiu zimnego silnika pochłania ciepło z gazów spalinowych i wskutek tego osiągnięcie niezbędnej minimalnej temperatury dla zaistnienia reakcji katalitycznej w umieszczonym za nim konwertorze katalitycznym ulega opóźnieniu, wskutek czego ciągle istnieje trudność znalezienia kompromisu odnośnie doboru wymiarów adsorbera węglowodorów i umieszczonego za nim konwertora katalitycznego.

Zadanie zaproponowanego wynalazku sprowadza się do opracowania konstrukcji pochłaniacza o strukturze plastra miodu zawierającego materiał adsorbujący, szczególnie dla węglowodorów, który umożliwiałby lepsze oczyszczanie gazów odlotowych z silnika spalinowego, w szczególności w fazie uruchamiania zimnego silnika.

Przedmiotem wynalazku jest, zatem korpus pochłaniacza o strukturze plastra miodu z kanałami drożnymi dla gazu, których kształt przekroju wewnętrznego oraz liczba determinują wielkość geometrycznej powierzchni właściwej (GSA) pochłaniacza oraz które przynajmniej częściowo oddzielone są między sobą ściankami działowymi, których materiał oraz grubość określają właściwą pojemność cieplną (cp) w odniesieniu do jednostki powierzchni, przy czym korpus o strukturze plastra miodu zawiera materiał adsorbujący, w szczególności do adsorpcji węglowodorów, charakteryzujący się tym, że wyrażona w m²/l geometryczna powierzchnia wł aś ciwa korpusu o strukturze plastra miodu podzielona przez wartość wyrażonej w kJ/(K-m²) właściwej pojemności cieplnej związanej z wielkością powierzchni, w temperaturze otoczenia i bez materiału adsorbującego oraz bez żadnych innych powłok, wynosi co najmniej 37,5 mrK/J, korzystnie co najmniej 40 mKJ, w szczególności co najmniej 60 mKJ.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji korpus pochłaniacza według wynalazku jest pokryty powłoką aktywną katalitycznie, wykazującą co najmniej działanie utleniające. W innym korzystnym wariancie realizacji korpusu pochłaniacza według wynalazku liczba kanałów przypadająca na 6,4516 cm²

PL 203 221 B1 wynosi, co najmniej 360, korzystnie powyżej 450, a w szczególności powyżej 540. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji korpus pochłaniacza według wynalazku jest wykonany z ułożonych warstwowo lub zwiniętych blach metalowych, przy czym grubość ścianek działowych jest mniejsza lub równa 40 μm, korzystnie mniejsza lub równa 30 μm.

Przedmiotem wynalazku jest również układ oczyszczania gazów spalinowych pojazdu silnikowego zawierający, co najmniej jeden katalizator trójdrożny oraz jeden korpus o strukturze plastra miodu według wynalazku jako pochłaniacz węglowodorów, zamontowany w układzie przed katalizatorem trój drożnym.

Pojemność cieplna materiału zależna jest od temperatury tego materiału i w przypadku układów oczyszczania gazów jest ona uwzględniana i podawana dla stosunkowo wysokich zakresów temperatur. Jednakże dla układów tych oddziaływanie materiału adsorbującego, szczególnie w adsorberze węglowodorów, decydujące znaczenie ma temperatura poniżej 350°C, dlatego też dane przytoczone w przedstawionym przypadku odniesiono do temperatury otoczenia, a więc 20°C. Pojemność cieplna właściwa w kontekście przedmiotowego rozwiązania oznacza pojemność cieplną odniesioną do jednostki powierzchni pochłaniacza o strukturze plastra miodu, a więc jest wielkością zależną od grubości i porowatości ścianek działowych oraz od rodzaju materiału pochłaniacza.

Dotychczas przeprowadzone rozważania wynikają stąd, że adsorber węglowodorów nie powinien osiągnąć temperatury desorpcji, przy której rozpoczyna się desorpcja węglowodorów, zanim usytuowany za nią konwerter katalityczny (katalizator) nie osiągnie minimalnej temperatury, niezbędnej do zapoczątkowania przemiany katalitycznej. Rozważanie to nie uwzględnia jednak faktu, że przemiana katalityczna przy osiągnięciu niezbędnej minimalnej temperatury powoduje bardzo szybko zajście całkowitej przemiany węglowodorów, ponieważ konwertor katalityczny, o ile tylko również osiągnie niezbędną temperaturę minimalną, w następstwie, której zapoczątkowana będzie reakcja egzotermiczna, niemal błyskawicznie ulega dalszemu całkowitemu nagrzaniu i tym samym powoduje pełną przemianę katalityczną dopływających węglowodorów. W przeciwieństwie do tego desorpcja w adsorberze węglowodorów przebiega bardzo powoli, w związku, z czym również po osiągnięciu minimalnej temperatury desorpcji oraz po jej przekroczeniu następuje tylko stopniowe uwalnianie znajdujących się w nim węglowodorów. Wynik ten, uzyskany na podstawie obliczeń i prób, w przeciwieństwie do dotychczasowych poglądów prowadzi, do wniosku, że preferować należy adsorbery węglowodorów o możliwie małej pojemności cieplnej i możliwie dużej powierzchni efektywnej, przy czym korzystne jest, aby stosunek względnej wielkości geometrycznej powierzchni i odniesionej do wielkości powierzchni względnej pojemności cieplnej, wyznaczony dla temperatury otoczenia, bez zastosowania materiału adsorbującego oraz bez ewentualnych innych powłok był większy bądź równy 40 mrK/J. Preferuje się, jako bardziej korzystny, nawet jeszcze większy stosunek ww. wskaźników, powyżej 60 mKJ. Przy takich uwarunkowaniach następuje wprawdzie stosunkowo szybkie nagrzewanie się adsorbera węglowodorów w strumieniu gazów spalinowych po uruchomieniu zimnego silnika, które rozpoczyna się stopniowo, wraz z desorpcją węglowodorów, przy czym możliwe staje się również coraz szybsze nagrzewanie konwertora katalitycznego który tym samym szybciej osiąga minimalną temperaturę niezbędną do zapoczątkowania reakcji katalitycznej, ponieważ adsorber węglowodorów w miarę postępowania nagrzewania oddaje strumieniowi gazów odlotowych coraz mniej energii cieplnej. W końcowym efekcie węglowodory przy rozruchu zimnego silnika już w bardzo wczesnej fazie jego pracy ulegają przemianie, dzięki czemu emisja substancji szkodliwych do atmosfery może być znacznie obniżona. Rozwiązanie konstrukcyjne według wynalazku wykazuje również zalety odnośnie doboru wymiarów adsorbera węglowodorów, ponieważ szybsze zapoczątkowanie reakcji katalitycznej dopuszcza ograniczenie wymiarów przestrzeni czynnej adsorbera, w której gromadzą się nierozłożone węglowodory.

Jak wskazano powyżej, w jednym z korzystnych wariantów realizacji korpus pochłaniacza według wynalazku jest pokryty powłoką aktywną katalitycznie, wykazującą co najmniej działanie utleniające. Na warstwie tej, po osiągnięciu przez nią niezbędnej minimalnej temperatury węglowodory, które uległy desorpcji z powierzchni, natychmiast podlegają przemianie katalitycznej. Przeprowadzone próby wykazują przy tym, że natychmiast po zapoczątkowaniu przemiany katalitycznej w następstwie reakcji egzotermicznej rośnie temperatura korpusu pochłaniacza o strukturze plastra miodu, co powoduje znaczne przyspieszenie procesu desorpcji i reakcji utleniania. Stanowi to szczególną zaletę wówczas, gdy pojazd mechaniczny często uruchamiany jest w celu przejechania krótkich odcinków drogi, ponieważ adsorber węglowodorów bardzo szybko ma możliwość całkowitej regeneracji i adsorpcji węglowodorów przy następnym rozruchu zimnego silnika.

PL 203 221 B1

Przy doborze wymiarów pochłaniacza o strukturze plastra miodu o konstrukcji według wynalazku uwzględniać należy szereg licznych czynników, m.in. objętość całkowitą pochłaniacza, stosunek długości w kierunku poosiowym i powierzchni przekroju oraz jego usytuowanie w układzie odprowadzania gazów spalinowych. Niezależnie od tego okazało się jednak, że ogólnie biorąc korzystne jest zwiększenie względnej geometrycznej wielkości powierzchni pochłaniacza o strukturze plastra miodu, co głównie uzyskuje się przez zwiększenie liczby kanałów, przypadających na jednostkę przekroju poprzecznego. Szczególnie korzystne pod tym względem są wspomniane powyżej korpusy pochłaniaczy o liczbie kanałów przypadającej na 6,4516 cm² wynosi, co najmniej 360, korzystnie powyżej 450 a w szczególności powyżej 540.

Również korzystne jest, w odniesieniu do pochłaniacza plastra miodu według wynalazku, takie ukształtowanie ścianek działowych tworzących komórki, aby miały one możliwie małą pojemność cieplną, co możliwe jest szczególnie przez ograniczenie ich grubości. Jak wskazano powyżej w odniesieniu do jednego z korzystnych wariantów realizacji korpusu pochłaniacza według wynalazku, do wytwarzania pochłaniacza wykorzystuje się w szczególności warstwowo lub zwinięte blachy metalowe o gruboś ci mniejszej lub równej 40 μ m, a korzystnie - mniejszej lub równej 30 μ m.

Dla ceramicznych pochłaniaczy o strukturze plastra miodu analogicznie, szczególnie korzystne jest zastosowanie tzw. ceramiki cienkościennej.

Pochłaniacz o strukturze plastra miodu znajdzie przede wszystkim zastosowanie w układzie odprowadzania gazów spalinowych pojazdów mechanicznych, a mianowicie w połączeniu z umieszczonym za nim katalizatorem trójdrożnym. Rozwiązania konstrukcyjne znanych układów odprowadzania gazów spalinowych mogą być dla pochłaniaczy o strukturze plastra miodu również korzystne, w szczególności zastosowanie układu bocznikującego z możliwością sterowania nim odpowiednio do fazy pracy silnika i/lub elektryczne ogrzewanie pochłaniacza względnie umieszczonego za nim katalizatora trój drożnego.

Przykład rozwiązania konstrukcyjnego według wynalazku przedstawiono schematycznie na rysunku (fig. 1). Korpus pochłaniacza o strukturze plastra miodu 1 według wynalazku, zastosowany jako adsorber węglowodorów, zawiera kanały 2, oddzielone między sobą ściankami działowymi 3. Tego typu korpus pochłaniacza o strukturze plastra miodu i może być zainstalowany w szczególności w układzie odprowadzania gazów spalinowych 5 pojazdu mechanicznego, przy czym jest on umieszczany przed katalizatorem trójdrożnym 4. W fazie rozruchu zimnego silnika powoli nagrzewający się gaz spalinowy przepływa najpierw przez korpus pochłaniacza o strukturze plastra miodu 1, przy czym praktycznie wszystkie węglowodory zawarte w gazie spalinowym adsorbowane są przez powłokę służącą do adsorbowania węglowodorów, w szczególności przez powłokę zeolitową, wytworzoną na ściankach działowych 3. Gaz spalinowy przepływa następnie przez katalizator trój drożny 4. W związku z korzystnie dobranym według wynalazku stosunkiem wielkości powierzchni do pojemności cieplnej korpusu pochłaniacza o strukturze plastra miodu i odniesionym do jednostki powierzchni, bardzo krótki jest okres czasu, po którym rozpoczyna się desorpcja węglowodorów w pochłaniaczu, podczas gdy nie może jeszcze zachodzić ich przetworzenie w katalizatorze trójdrożnym. Następnie niemal natychmiast rozpoczyna się całkowita przemiana całej masy węglowodorów, które uległy desorpcji, w związku, z czym całkowita emisja węglowodorów staje się mniejsza, niż w przypadku wcześniej stosowanych układów. Proces ten można dodatkowo wspomóc przez zastosowanie aktywnej katalitycznie powłoki, przyspieszającej, co najmniej przebieg utleniania.

Pochłaniacz o strukturze plastra miodu według wynalazku nadaje się w szczególności do zastosowania w układach odprowadzania gazów spalinowych pojazdów mechanicznych, które spełniać powinny najwyższe wymagania odnośnie postępowania w sposób przyjazny środowisku naturalnemu.

Claims (4)

1. Korpus pochłaniacza o strukturze plastra miodu (1) z kanałami (2) drożnymi dla gazu, których kształt przekroju wewnętrznego oraz liczba determinują wielkość geometrycznej powierzchni właściwej pochłaniacza oraz które przynajmniej częściowo oddzielone są między sobą ściankami działowymi (3), których materiał oraz grubość określają właściwą pojemność cieplną w odniesieniu do jednostki powierzchni, przy czym korpus o strukturze plastra miodu zawiera materiał adsorbujący, w szczególności do adsorpcji węglowodorów, znamienny tym, że wyrażona w m²/l geometryczna powierzchnia właściwa korpusu o strukturze plastra miodu (1) podzielona przez wartość wyrażonej w kJ/(Km²) właściwej

PL 203 221 B1 pojemności cieplnej związanej z wielkością powierzchni, w temperaturze otoczenia i bez materiału adsorbującego oraz bez żadnych innych powłok, wynosi co najmniej 37,5 mK/J, korzystnie co najmniej 40 m^K/J, w szczególności co najmniej 60 m^K/J.

2. Korpus pochłaniacza według zastrz. 1, znamienny tym, że jest pokryty powłoką aktywną katalitycznie, wykazującą co najmniej działanie utleniające.

3. Korpus pochłaniacza według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że liczba kanałów (2) przypadająca na 6,4516 cm² wynosi co najmniej 360, korzystnie powyżej 450 a w szczególności powyżej 540.

4. Korpus pochłaniacza według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jest wykonany z ułożonych warstwowo lub zwiniętych blach metalowych, przy czym grubość ścianek działowych (3) jest mniejsza lub równa 40 μm, korzystnie mniejsza lub równa 30 μm. Układ oczyszczania gazów spalinowych (5) pojazdu silnikowego zawierający co najmniej jeden katalizator trój drożny (4) oraz jeden korpus o strukturze plastra miodu (1) jako pochłaniacz węglowodorów, zamontowany w układzie przed katalizatorem trójdrożnym (4), znamienny tym, że korpus o strukturze plastra miodu (1) jest taki, jak określono w zastrzeżeniu 1.