Двигатель внутреннего сгорания с каталитическим нейтрализатором малого объема

 

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет рабочий объем Н, за ним установлен каталитический нейтрализатор для нейтрализации отработавших газов (ОГ), при этом указанный каталитический нейтрализатор имеет геометрическую поверхность площадью О, эффективность Е превращения по меньшей мере одного токсичного компонента ОГ в безвредные компоненты, и по меньшей мере один сотовый элемент, причем все сотовые элементы имеют суммарный объем V. Согласно изобретению указанный объем V предлагается выбирать таким, чтобы он по меньшей мере в 0,6 раза был меньше рабочего объема Н, при этом геометрическая поверхность имеет такую площадь О, чтобы указанная эффективность Е каталитического нейтрализатора составляла более 98%. Сотовый элемент предпочтительно представляет собой металлический сотовый элемент, выполненный из набранных в пакет и/или свернутых в рулон по меньшей мере частично структурированных или профилированных металлических листов, образующих каналы, разделенные между собой стенками, средняя толщина (d) которых составляет самое большое 40 мкм, при этом количество каналов, приходящееся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента и выражаемое в виде количества ячеек сотовой структуры на кв. дюйм, составляет по меньшей мере 600 ячеек/кв.дюйм. Изобретение позволяет изготавливать прежде всего недорогие сотовые элементы малого объема. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС), имеющему рабочий объем Н, с установленным за ним каталитическим нейтрализатором отработавших газов (ОГ), имеющим по меньшей мере один сотовый элемент с предназначенными для прохождения ОГ каналами, образованными стенками, геометрическую поверхность площадью О, образованную совместно стенками каналов, и эффективность Е превращения по меньшей мере одного токсичного компонента ОГ в безвредные компоненты, при этом все сотовые элементы имеют суммарный объем V.

В большинстве стран в соответствии с законодательно установленными нормами для снижения токсичности ОГ, выбрасываемых ДВС, принято использовать каталитические нейтрализаторы, устанавливаемые в системе выпуска ОГ ДВС.

Ранее разработка систем нейтрализации ОГ основывалась большей частью на эмпирических данных. Так, например, в WO 91/01178 описаны системы нейтрализации ОГ, состоящие из нескольких сотовых элементов, что позволяет за счет варьирования размеров и количества этих сотовых элементов подбирать для ДВС любых рабочих объемов каталитические нейтрализаторы требуемого объема. При этом основополагающим моментом является в конечном итоге достижение такой эффективности нейтрализации ОГ, которая должна удовлетворять законодательно установленным нормам на токсичность ОГ. В настоящее время в большинстве стран степень превращения содержащихся в ОГ токсичных компонентов, прежде всего углеводородов и/или оксидов азота, в безвредные компоненты должна составлять более 98%, предпочтительно даже более 99%. Эффективность Е нейтрализации ОГ измеряют на основании заданных циклов движения автомобиля либо в определенных рабочих режимах.

При разработке системы нейтрализации ОГ следует учитывать большое число самых различных критериев. Обычно каталитические преобразователи имеют сотовые элементы, которые должны обладать достаточно большой площадью геометрической поверхности, контактирующей с потоком подвергаемых нейтрализации ОГ. Подобные сотовые элементы имеют, как правило, сквозные каналы для прохождения ОГ, отделенные друг от друга стенками. Решающее значение для эффективности Е каталитического нейтрализатора имеет площадь О его геометрической поверхности. В принципе требуемую площадь О геометрической поверхности каталитического нейтрализатора можно обеспечить либо за счет увеличения количества А ограничивающих каналы стенок при заданном объеме каталитического нейтрализатора, либо за счет увеличения объема каталитического нейтрализатора при заданном количестве А стенок, приходящемся на единицу площади его поперечного сечения. При разработке каталитического нейтрализатора следует далее учитывать такие влияющие на его эффективность Е параметры, как скорость и характер движения потока ОГ в каналах нейтрализатора, а также обусловленную прохождением через каталитический нейтрализатор потерю давления потока ОГ, влияющую на кпд ДВС. Очевидно, что выбор той или иной формы поперечного сечения сотового элемента зависит от типа каталитически активного покрытия, условий набегания потока ОГ на сотовый элемент и других параметров.

В процессе совершенствования сотовых элементов, выполняющих в каталитическом нейтрализаторе функцию носителей каталитически активного материала, наблюдалась постоянная тенденция к уменьшению толщины стенок каналов, что уменьшало потерю давления в потоке ОГ. В результате расширялись и возможности по выбору тех или иных конструктивных параметров при разработке каталитических нейтрализаторов, поскольку с уменьшением толщины стенок становилось возможным при приемлемой потере давления уменьшать размеры каналов и тем самым увеличивать площадь геометрической поверхности нейтрализаторов из расчета на единицу его объема. Однако вместе с тем при разработке каталитических нейтрализаторов в основном продолжали опираться на установленные эмпирическим путем зависимости, в результате чего объем устанавливаемого после ДВС каталитического нейтрализатора обычно имел тот же порядок величин, что и рабочий объем этого ДВС.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать ДВС с установленным за ним каталитическим нейтрализатором, конструктивные параметры которого обеспечивали бы достижение соответствующей требованиям законодательства высокой эффективности Е, но который при этом имел бы значительно меньший объем V по сравнению с рабочим объемом Н соответствующего ДВС и вместе с тем был бы недорогим в изготовлении. При этом подобный сотовый элемент каталитического нейтрализатора должен прежде всего допускать возможность его изготовления из частично структурированных или профилированных листов металлической фольги.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью ДВС, имеющего рабочий объем Н, с установленным за ним каталитическим нейтрализатором ОГ, имеющим по меньшей мере один сотовый элемент с предназначенными для прохождения ОГ каналами, образованными стенками, геометрическую поверхность площадью О, образованную совместно стенками каналов, и эффективность Е превращения по меньшей мере одного токсичного компонента ОГ в безвредные компоненты, при этом все сотовые элементы имеют суммарный объем V, который имеет такую величину, что он по меньшей мере в 0,6 раза меньше рабочего объема Н двигателя, а геометрическая поверхность при этом имеет такую площадь О, что указанная эффективность Е каталитического нейтрализатора составляет более 98%. Подобные условия можно математически представить следующими формулами:

(а) Е>98%,

(б) V<0,6 Н.

Преимущество, связанное с выбором таких параметров, состоит прежде всего в том, что каталитический нейтрализатор имеет сравнительно малый объем, что позволяет упростить его размещение в подкапотном пространстве и/или под днищем автомобиля. При этом для достижения требуемой эффективности Е площадь О геометрической поверхности из расчета на единицу объема необходимо, как очевидно, увеличить по сравнению с каталитическими нейтрализаторами большого объема. Если ранее исходили из предположения, что необходимое для достижения требуемой эффективности выполнение каналов с более тонкими стенками неизменно будет приводить к повышению стоимости изготовления сотовых элементов малого объема, имеющих большую площадь геометрической поверхности, то более детальный анализ, как неожиданно было установлено, позволяет опровергнуть указанное предположение, что поясняется ниже на примере сотовых элементов, выполненных из металлической фольги.

Наиболее предпочтительно, чтобы количество А каналов, приходящееся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента и выражаемое в виде количества ячеек сотовой структуры на кв. дюйм, составляло по меньшей мере 500 ячеек/кв.дюйм. При этом средняя толщина d стенок, которыми образованы каналы сотового элемента и которыми эти каналы отделены друг от друга, составляет самое большее 40 мкм, предпочтительно не превышает 35 мкм, прежде всего составляет от 18 до 32 мкм, т.е.

(в) А≥500 ячеек/кв.дюйм,

(г) d<40 мкм.

Сотовый элемент предпочтительно представляет собой металлический сотовый элемент, выполненный из набранных в пакет и/или свернутых в рулон по меньшей мере частично структурированных или профилированных металлических листов. Для подобных металлических сотовых элементов существует взаимосвязь между количеством А каналов, приходящимся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, и толщиной d этих листов. При относительно небольшом количестве каналов, приходящемся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, сами эти каналы имеют сравнительно большие размеры, и поэтому стенки каналов должны иметь сравнительно большую толщину во избежание их вибраций под действием пульсирующего потока ОГ и тем самым во избежание их повреждения при продолжительной эксплуатации. В принципе, чем меньше сечение каналов, тем короче подверженные вибрациям свободные участки профилированных металлических листов, образующих стенки этих каналов. В результате становится возможным использовать металлические листы меньшей толщины без увеличения склонности стенок каналов к вибрациям. Подобный эффект имеет исключительно важное для настоящего изобретения значение, поскольку количество А каналов, приходящееся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, можно увеличить с учетом потери давления потока ОГ лишь за счет значительного уменьшения толщины стенок каналов.

Поскольку по соображениям коррозионной стойкости для изготовления каталитических нейтрализаторов применяют в основном стальные листы с высоким содержанием хрома и алюминия, которые сравнительно плохо поддаются прокатке, ранее не без оснований полагали, что с уменьшением толщины такой стальной фольги будут расти производственные затраты. Однако, как это более подробно описано ниже со ссылкой на фиг.3, более детальный анализ показал, что фактически затраты на получение геометрической поверхности площади О, от которой в решающей степени зависит эффективность Е каталитического нейтрализатора, с увеличением количества А каналов, приходящегося на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, за счет соответственно уменьшения толщины d фольги снижаются. Таким образом, настоящее изобретение основано на том неожиданно установленном факте, что по меньшей мере в отношении металлических сотовых элементов затраты на достижение требуемой эффективности каталитического нейтрализатора снижаются с увеличением отношения количества А каналов, приходящегося на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, к объему V этого сотового элемента, при условии уменьшения толщины d фольги до минимально возможной с точки зрения ее склонности к вибрациям. Несмотря на то, что, как очевидно, стоимость изготовления каталитического нейтрализатора из расчета на литр его объема возрастает практически линейно с увеличением количества А каналов, приходящегося в таком объеме на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, в результате чего увеличение количества А каналов нельзя признать бесспорной мерой, обеспечивающей рентабельность изготовления сотового элемента, фактически такое увеличение количества А каналов с одновременным уменьшением объема V каталитического нейтрализатора исключительно целесообразно.

С учетом сказанного выше в изобретении предлагается прежде всего использовать сотовый элемент, количество каналов в котором составляет по меньшей мере 600 ячеек на кв.дюйм площади поперечного сечения этого сотового элемента при средней толщине d стенок этих каналов не более 32 мкм.

Согласно еще одному из вариантов каталитический нейтрализатор представляет собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который в нормальном режиме работы позволяет превращать более 98%, предпочтительно по меньшей мере 99%, всех содержащихся в ОГ углеводородов и оксидов азота.

Предпочтительно далее, чтобы количество каналов в сотовом элементе составляло более 750 ячеек на кв. дюйм, а его объем V составлял менее половины рабочего объема Н ДВС. В этом случае средняя толщина d стенок каналов сотового элемента предпочтительно должна составлять менее 32 мкм, предпочтительно около 25 мкм.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение ДВС с установленным за ним каталитическим нейтрализатором,

на фиг.2 - схематичное изображение в перспективе каталитического нейтрализатора и

на фиг.3 - график, поясняющий зависимость стоимости изготовления металлического сотового элемента из расчета на единицу его объема, соответственно на единицу площади его поверхности от количества А каналов, приходящегося на единицу площади поперечного сечения такого сотового элемента.

На фиг.1 схематично показан двигатель 1 внутреннего сгорания (ДВС), за которым установлен каталитический нейтрализатор 2. Обычно подобный каталитический нейтрализатор 2 состоит из одного или несколько сотовых элементов, и его устанавливают в подкапотном пространстве или под днищем автомобиля.

На фиг.2 показан каталитический нейтрализатор 2 с одним сотовым элементом 3. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения, которым, однако, изобретение не ограничено, этот сотовый элемент 3 состоит из попеременно чередующихся слоев гладких 6 и гофрированных 7 металлических листов, образующих каналы 4 для прохождения ОГ. Эти металлические листы 6, 7 образуют стенки 5 каналов, имеющие среднюю толщину d. Вместе металлические листы 6, 7 образуют геометрическую поверхность площадью О сотового элемента 3. Помимо этого металлические листы 6, 7 имеют также керамическое покрытие на основе γ-оксида алюминия, образующее пористую поверхность большой площади, которая в несколько раз может превышать площадь О геометрической поверхности. На это покрытие из γ-оксида алюминия наносят каталитически активное вещество, прежде всего смесь различных благородных металлов.

На фиг.3 представлен график, на котором по оси х отложено количество А каналов 4, приходящееся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента (обычно такое количество каналов выражают в виде количества ячеек сотовой структуры, приходящегося на кв. дюйм (ячеек/кв. дюйм)), при этом по левой оси у указана удельная стоимость изготовления сотового элемента из расчета на единицу его объема (цена/литр), а по правой оси у указана удельная стоимость изготовления сотового элемента из расчета на единицу площади его поверхности (цена/м²). Жирные вертикальные линии на графике ограничивают диапазоны, в которых возможно применение металлической фольги с типичными, имеющимися на рынке значениями толщины d. Из приведенного на этом чертеже графика следует, что для изготовления сотовых элементов с количеством каналов, составляющим до 500 ячеек/кв.дюйм, наиболее пригодна металлическая фольга толщиной 50 мкм, в диапазоне с количеством каналов от 500 до 600 ячеек/кв.дюйм целесообразно использовать фольгу толщиной 40 мкм, а в диапазоне с количеством каналов от 600 до 800 ячеек/кв.дюйм - фольгу толщиной 30 мкм, при этом для изготовления сотовых элементов с еще большим количеством каналов, приходящимся на единицу площади поперечного сечения, необходимо использовать фольгу еще меньшей толщины. Кривая Р1 на графике отражает рост удельной стоимости изготовления сотовых элементов из расчета на литр их объема при увеличении количества А каналов 4, приходящегося на единицу площади их поперечного сечения. Однако для настоящего изобретения существенно большее значение имеет кривая Р2, отражающая уменьшение удельной стоимости изготовления сотовых элементов из расчета на кв.метр с увеличением количества А каналов 4, приходящегося на единицу площади их поперечного сечения. В отношении предлагаемых в изобретении сотовых элементов это означает, что при одной и той же площади О геометрической поверхности сотовый элемент малого объема с большим количеством каналов дешевле сотового элемента большого объема.

Таким образом, согласно изобретению с точки зрения рентабельности предлагается использовать каталитические нейтрализаторы малого объема с большим количеством А каналов 4, приходящимся на единицу площади поперечного сечения, прежде всего использовать для изготовления сотовых элементов, у которых количество каналов составляет от более 800 и вплоть до 1200 ячеек/кв.дюйм, металлическую фольгу средней толщиной около 25 или даже 20 мкм. Эффективность подобных сотовых элементов в отношении степени нейтрализации ОГ достигает 98%, предпочтительно даже 99%, при объеме V установленного после ДВС 1 каталитического нейтрализатора 2, составляющем только примерно половину или менее от рабочего объема Н ДВС 1.

Формула изобретения

1. Двигатель (1) внутреннего сгорания (ДВС), имеющий рабочий объем Н, с установленным за ним каталитическим нейтрализатором (2) отработавших газов (ОГ), имеющим по меньшей мере один сотовый элемент (3) с предназначенными для прохождения ОГ каналами (4), образованными стенками (5), геометрическую поверхность площадью О, образованную совместно стенками (5) каналов (4), и эффективность Е превращения по меньшей мере одного токсичного компонента ОГ в безвредные компоненты, при этом все сотовые элементы (3) имеют суммарный объем V, отличающийся тем, что указанный объем V имеет такую величину, что он по меньшей мере в 0,6 раза меньше рабочего объема Н, а геометрическая поверхность при этом имеет такую площадь О, что указанная эффективность Е каталитического нейтрализатора (2) составляет более 98%.

2. ДВС (1) по п.1, отличающийся тем, что количество (А) имеющихся у сотового элемента (3) каналов (4) для прохождения ОГ, приходящееся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента (3) и выражаемое в виде количества ячеек сотовой структуры на кв.дюйм, составляет по меньшей мере 500 ячеек на кв.дюйм.

3. ДВС по п.1 или 2, отличающийся тем, что сотовый элемент (3) представляет собой металлический сотовый элемент (3), выполненный из набранных в пакет и/или свернутых в рулон по меньшей мере частично структурированных или профилированных металлических листов (6, 7).

4. ДВС (1) по п.2 или 3, отличающийся тем, что средняя толщина (d) стенок (5), которыми образованы каналы (4) и которыми эти каналы (4) отделены друг от друга, составляет самое большее 40 мкм, предпочтительно не превышает 35 мкм, прежде всего составляет от 18 до 32 мкм.

5. ДВС (1) по п.2 или 3, отличающийся тем, что количество (А) каналов (4) в сотовом элементе (3) составляет по меньшей мере 600 ячеек на кв.дюйм площади поперечного сечения этого сотового элемента (3) при средней толщине (d) стенок (5) этих каналов не более 32 мкм.

6. ДВС (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что каталитический нейтрализатор представляет собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который в нормальном режиме работы позволяет превращать более 98%, предпочтительно по меньшей мере 99%, всех содержащихся в ОГ углеводородов и оксидов азота.

7. ДВС (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество каналов (4) в сотовом элементе (3) составляет более 750 ячеек на кв. дюйм, а его объем V составляет менее половины рабочего объема Н ДВС.

8. ДВС по п.7, отличающийся тем, что средняя толщина (d) стенок (5) каналов сотового элемента (3) составляет менее 32 мкм, предпочтительно около 25 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3