Способ изготовления каталитического блока для нейтрализации газовых выбросов

Патент 2126717

Авторы

Классы МПК

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, точнее автомобилестроения, а именно к способам изготовления выхлопных устройств, снабженных средствами каталитической очистки выхлопных газов. Способ заключается в формировании на поверхности ленты из сплава с высоким электросопротивлением каталитического слоя, состоящего в основе из модифицированного оксида алюминия. Слой формируют методом плазменного напыления порошков алюминия - 0,5-5 мас. % и гидроксида алюминия с естественными сопутствующими примесями - остальное. В качестве плазмообразующего газа используют воздух или иную кислородосодержащую смесь. Ленту с полученным слоем перфорируют, складывают, сворачивают или иным образом формируют объемную конструкцию каталитического блока со сквозными каналами. Затем блок термообрабатывают и наносят катализаторы методом пропитки. Преимуществом способа является изготовление каталитического блока, в котором функции нагрева и катализа были объединены. При этом способ обеспечивает изготовление каталитического блока с высоким электросопротивлением, развитой каталитической поверхностью, он технологичен и гарантирует высокую степень адгезии каталитического слоя на поверхности резистивного нагревателя. 6 з.п. ф-лы.

Предшествующий уровень техники характеризуют следующие способы.

Известен способ получения катализатора для очистки выхлопных газов (JP, B 3-34367, опубл. 22.05.91). Согласно этому способу для нанесения покрытия получают жидкий состав из порошка активированного оксида алюминия, порошкообразного оксида церия и циркония. Полученный состав наносят на поверхность монолитной основы носителя, после чего наносят каталитический компонент из благородного металла.

Известен способ получения катализатора для очистки выхлопных газов (JP, A, 2-17943, опубл. 22.01.92). Согласно этому способу приготавливают суспензию из порошкообразной смеси оксида ванадия и оксида алюминия в заданном соотношении по заданной технологии. Затем в приготовленную суспензию погружают носитель, высушивают и прокаливают его с целью формирования на нем оксидного поверхностного слоя, после чего на покрытый носитель осаждают каталитически активный металл - платину, родий и/или палладий.

Известен также способ изготовления каталитических блоков для нейтрализации вредных газов (EP,A 0203525, 22.05.1986). Согласно этому способу на монолитный сотовый носитель методом осаждения наносят каталитический состав, содержащий оксид алюминия и оксид церия. Состав получают путем пропитывания нерастворимого в воде соединения церия по крайней мере одним представителем из группы, состоящей из растворимых в воде соединений алюминия и гидратов оксида алюминия и прокаливания продукта пропитки, с последующим нанесением по крайней мере одного драгоценного металла из группы, состоящей из платины, палладия, родия. Указанный способ принят за прототип.

Известные способы позволяют получить носитель с большой свободной поверхностью: более 100 м²/г, что обеспечивает высокую каталитическую активность таких носителей.

Новым шагом в развитии данного вида техники является создание каталитических блоков, нагреваемых электрическим током, в которых нагревательный элемент разделен с каталитическим блоком. Наиболее перспективным, по мнению авторов, является создание каталитического блока, а соответственно, способа его изготовления, в котором нагревательный и каталитический элементы были бы конструктивно объединены. Такой блок может быть выполнен в виде носителя, подвергающегося резистивному нагреву, с развитой поверхностью, на которую нанесен каталитический слой. Такой элемент, подвергающийся термоциклическим нагрузкам, изготовленный традиционными способами, например, осаждением из суспензий (как в прототипе) или общеизвестным процессом плазменного напыления, не обеспечивает требуемого ресурса ввиду отслоения и/или осыпания каталитического покрытия.

В основу изобретения положена задача создать способ изготовления каталитического блока, в котором функции нагрева и катализа были бы объединены. При этом способ должен обеспечивать изготовление каталитического блока с высоким электросопротивлением, развитой каталитической поверхностью, быть технологичным и гарантировать высокую степень адгезии каталитического слоя на поверхности резистивного нагревателя.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления каталитического блока для нейтрализации газовых выбросов, заключающeмся в формировании на поверхности носителя каталитического слоя, состоящего в основе из оксида алюминия с последующим нанесением на него катализаторов, согласно изобретению в качестве носителя используют ленту из сплава с высоким электросопротивлением. Каталитический слой формируют методом плазменного напыления порошков алюминия - 0,5-5 мас.% и гидроксида алюминия с естественными сопутствующими примесями - остальное. В качестве плазмообразующего газа используют воздух или иную кислородосодержащую смесь. Предпочтительно в процессе плазменного напыления поддерживать регламентированные энергетические режимы, время нахождения напыляемых частиц в плазменной струе и другие параметры, обеспечивающие расплавление частиц порошка алюминия, но исключающие термическое разложение гидроксида алюминия. Оптимальные режимы определяются экспериментальным путем и достижимы специалисту в данном виде техники. Указанный прием позволяет получить на поверхности металлического ленточного носителя тонкий композиционный слой с высокой адгезионной прочностью. Высокая прочность сцепления обеспечивается за счет того, что в процессе напыления в результате сепарации порошков в плазменной струе на поверхности ленты образуется подслой из алюминия, на котором формируется основной слой из гидроксида алюминия. Подслой из алюминия характеризуется высокой адгезией за счет протекания процессов нестационарной диффузии на подложке непосредственно в процессе напыления.

Затем ленту с напыленным слоем перфорируют, что позволяет увеличить электросопротивление блока в целом, максимально сохраняя суммарную площадь его каталитической поверхности.

Для повышения эффективности дальнейшей работы блока его формируют в виде объемной конструкции со сквозными каналами путем складывания иди сворачивания перфорированной ленты. Возможен другой прием формирования объемной конструкции блока путем набора отрезков перфорированной ленты с напыленным слоем.

После создания объемной конструкции осуществляют термообработку, в процессе которой обеспечивают разложение гидроксида алюминия напыленного слоя до оксида алюминия гамма- и/или дельта-модификации. Наилучшего результата добиваются при выдержке ленты с напыленным слоем при температуре 550-650^oC. в течение 3-6 ч.

После термообработки на керамический слой оксида алюминия наносят катализатор общеизвестными методами. Наиболее простым является пропитка из растворов солей благородных металлов и/или металлов переходной группы.

Предлагаемый способ был реализован следующим образом. В качестве ленточного металлического носителя использовалась лента толщиной 40 мкм из никель-хром-алюминиевого сплава. Напыление на обе стороны ленты осуществляли на воздухе с использованием плазмотрона марки ПВН -1B (фирма "Полиплазма").

Напыление проводилось на следующих режимах: рабочий ток 240-280 A, расход плазмообразующего газа (воздуха) 1,0-1,2 м³/мин, расстояние от среза сопла плазмотрона до подложки (ленты) 100-160 мм.

Для совместного напыления использовали порошки алюминия дисперсностью менее 40 мкм и гидроксида алюминия (гиббсита) дисперсностью менее 10 мкм. При этом гидроксид алюминия (гиббсит) не требует химической очистки, а используется с естественными (технологическими) примесями - натрий, калий, кальций, кремний и др., - которые являются в данном случае термостабилизирующими элементами и обеспечивают дополнительное повышение термической стабильности каталитического покрытия.

В результате напыления на обеих сторонах ленты был получен плотный слой толщиной 25-30 мкм, состоящий в основном из гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита), свободного алюминия и в небольших количествах оксидов алюминия гамма- и альфа-модификации.

Перфорацию ленты проводили на штампе холодной вырубки, степень перфорации (отношение удаленной поверхности к первоначальной) составляла 8%. В процессе перфорации сколов и отслоений покрытия не наблюдалось, что свидетельствует о высокой адгезии напыленного слоя к подложке. После перфорации лента была свернута с образованием объемной цилиндрической конструкции со сквозными каналами. После этого полученный блок был подвергнут термической обработке (отжигу) в термической печи при температуре 60020^oC в течение 4 ч с последующим охлаждением на воздухе. В результате получен слой каталитического носителя с развитой поверхностью (свыше 80 м²/г) и состоящий по преимуществу из оксида алюминия гамма- и дельта-модификации.

Затем блок был многократно подвергнут пропитке в растворах солей благородных металлов (платина, палладий, родий), сушке и термообработке для термического разложения солей.

Заявляемый способ позволяет изготавливать каталитический блок, обладающий высоким электросопротивлением и развитой каталитической поверхностью. Получение каталитического слоя методом плазменного напыления с использованием специфических приемов позволяет получить покрытие, равномерное по химическому составу и толщине, тогда как при использовании известных способов каталитический слой осаждается на поверхности носителя неравномерно по толщине и химическому составу. При этом в известных способах весьма трудно получить слой необходимой толщины: пропитка носителя погружением иди в раствор, сушка, снова погружение и так до 20-30 повторных операций, что нетехнологично, приводит к увеличению трудозатрат, а следовательно, к удорожанию способа.

Повышенная адгезионная прочность каталитического покрытия позволяет использовать блок для нейтрализации газовых выбросов при температуре до 900^oC, а также в условиях ударов, термоударов, вибрации, интенсивной газовой эрозии и коррозии.

В результате проведения испытаний установлено, что изготовленный по предлагаемому способу блок обеспечивает высокую эффективность нейтрализации выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в условиях жестких термических циклов, связанных с быстрым нагревом каталитического блока электрическим током и резким охлаждением, имитирующими работу системы нейтрализации в зимних условиях eвропейского Севера.

Изобретение может найти применение в автомобилестроении при проектировании двигателей внутреннего сгорания, включая дизельные, а именно для систем нейтрализации вредных компонентов газовых выбросов.

Формула изобретения

1. Способ изготовления каталитического блока для нейтрализации газовых выбросов, заключающийся в формировании на поверхности носителя каталитического слоя, состоящего в основе из оксида алюминия, с последующим нанесением на него катализаторов, отличающийся тем, что в качестве носителя используют ленту из сплава с высоким электросопротивлением, каталитический слой формируют методом плазменного напыления порошков алюминия - 0,5 - 5 мас.% и гидроксида алюминия с естественными сопутствующими примесями - остальное, в качестве плазмообразующего газа используют воздух или иную кислородосодержащую смесь, перфорируют ленту с полученным слоем, формируют каталитический блок, термообрабатывают и наносят катализаторы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каталитический блок формируют путем складывания или сворачивания перфорированной ленты с напыленным слоем с образованием объемной конструкции со сквозными каналами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каталитический блок формируют в виде объемной конструкции путем набора отрезков перфорированной ленты с напыленным слоем.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что катализаторы наносят методом пропитки из растворов солей благородных металлов и/или металлов переходной группы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе плазменного напыления поддерживают режимы, обеспечивающие расплавление частиц порошка алюминия в плазменной струе и исключающие термическое разложение гидроксида алюминия в плазменной струе.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в процессе термообработки обеспечивают термическое разложение гидроксида алюминия до оксида алюминия гамма и/или дельта модификации.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что термообработку осуществляют при температуре 550 - 650^oC в течение 3 - 6 ч.