Система нейтрализации вредных выбросов для транспортных средств с бензиновыми двигателями

Система нейтрализации вредных выбросов для транспортных средств с бензиновыми двигателями

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе нейтрализации вредных выбросов для транспортных средств, оснащенных бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, в частности бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива (НВТ, англ. сокр. "GDI" от "gasoline direct injection"). Кроме того, изобретение относится к способу эффективного уменьшения токсичности соединений, содержащихся в отработавших газах таких двигателей, путем применения предлагаемой в изобретении системы нейтрализации вредных выбросов для выполнения перспективных законодательных норм по ограничению токсичности выбросов.

Уровень техники

Очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, работающих преимущественно на стехиометрических топливовоздушных смесях, например двигателей с впрыском топлива во впускной канал (англ. сокр. "PFI" от "port fuel injection"), осуществляется обычными методами с помощью трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов. Такие каталитические нейтрализаторы одновременно обеспечивают химическое превращение трех основных видов газообразных загрязняющих веществ, содержащихся в отработавших газах двигателя, а именно углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота, в безвредные компоненты. Помимо загрязняющих окружающую среду газообразных углеводородов (НС), монооксида углерода (СО) и оксидов азота (NOx), отработавшие газы бензиновых двигателей также содержат мельчайшие ультрадисперсные твердые частицы (ТЧ), образующиеся в результате неполного сгорания топлива и состоящие в основном из сажи.

В последнее время для бензиновых двигателей были внедрены технологии непосредственного впрыска топлива, создающие условия для более эффективного горения, что дает выигрыш в расходе топлива. Однако такие условия могут вызвать образование еще более мелких твердых частиц. В отличие от твердых частиц, образующихся при работе дизельных двигателей на обедненных топливовоздушных смесях, твердые частицы, выбрасываемые бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, как правило, гораздо мельче. Это связано с тем, что в дизельном двигателе преобладают иные условия горения по сравнению с бензиновым двигателем. Например, бензиновые двигатели работают при более высокой температуре, чем дизельные двигатели. Кроме того, отработавшие газы бензиновых двигателей по составу углеводородных компонентов отличаются от отработавших газов дизельных двигателей.

Транспортные средства, оснащенные бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, с турбонаддувом и без него, завоевывают свою долю рынка в Европе, благодаря превосходству этих двигателей над двигателями с впрыском топлива во впускной канал по топливной экономичности и дорожным качествам. Ожидается, что эта тенденция сохранится в свете требования Европейского Союза к автопроизводителям дополнительно сократить выбросы диоксида углерода (CO₂) и в 2012 году довести выбросы CO₂ для выпускаемых автотранспортных средств до среднего по парку уровня 130 г/км. Обсуждаются и еще более амбициозные целевые уровни средних по парку выбросов CO₂. Ввиду ужесточения стандартов CAFE (американский закон о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией) в целом ожидается, что доля автотранспортных средств, имеющих бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, будет расти в Северной Америке за счет автотранспортных средств, имеющих двигатели с впрыском топлива во впускной канал.

Одна из проблем, связанных с транспортными средствами, оснащенными бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, заключается в вышеупомянутом содержании твердых частиц в отработавших газах этого типа двигателей, в частности из-за относительно малых размеров этих частиц, а соответственно, и их потенциально более опасной природы. С тех пор как в начале 2011 г. был введен в действие экологический класс Евро-5б европейского стандарта на выбросы вредных веществ, любые новые сертифицированные легковые автомобили с дизельными двигателями должны удовлетворять требованиям к содержанию в выхлопных газах твердых частиц по их предельной массе, составляющей 4,5 мг/км, а также по их количеству, составляющему 6×10¹¹ #/км (см. ниже таблицу 1). Введение предельного количества твердых частиц для транспортных средств с бензиновыми двигателями было отложено до введения в действие экологического класса Евро-6, которое должно состояться в сентябре 2014 г. Ожидается, что для перехода к универсальному (не зависящему от технологий) регулированию допустимой токсичности отработавших газов предельные значения показателей экологичности для транспортных средств (ТС), оснащенных двигателями с искровым зажиганием, будут такими же, что и для транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия.

Транспортные средства, оснащенные бензиновыми двигателями с впрыском топлива во впускной канал, обычно соответствуют предлагаемому предельному значению количества выбрасываемых твердых частиц - 600 млрд. на километр. В ходе исследования, проведенного Braisher и др., было установлено, что количество твердых частиц в выхлопе транспортных средств, оснащенных двигателями с непосредственным впрыском топлива, на порядок выше, чем в выхлопе транспортных средств, оснащенных двигателями с впрыском топлива во впускной канал, причем в рамках ездового цикла значительная часть твердых частиц выбрасывается в фазе холодного пуска (Braisher, М., Stone, R., Price, P., "Particle Number Emissions from a Range of European Vehicles," SAE Technical Paper 2010-01-0786, 2010, doi:10.4271/2010-01-0786). Такая же тенденция была выявлена для массы выбрасываемых твердых частиц.

Несколько исследований показали, что для уменьшения количества твердых частиц, содержащихся в отработавших газах этих двигателей, до уровня ниже указанного выше предельного значения 6×10¹¹ #/км, эффективны лишь фильтры с проницаемыми стенками. Кордиеритовые фильтры с проницаемыми стенками стали стандартным решением для дизельных автомобилей большой грузоподъемности и всерьез рассматриваются для применения на легковых автомобилях с дизельными двигателями. Недавние исследования показали успешность применения кордиеритовых фильтров для очистки выхлопных газов транспортных средств, оснащенных бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, от твердых частиц (Saito, С, Nakatani, Т., Miyairi, Y., Yuuki, К., Makino, М., Kurachi, Н., Heuss, W., Kuki, Т., Furuta, Y., Kattouah, P., Vogt, C.-D., "New Particulate Filter Concept to Reduce Particle Number Emissions," SAE Technical Paper 2011-01-0814, 2011, doi: 10.4271/2011-01-0814).

Наряду с нормативными требованиями по очистке отработавших газов от твердых частиц, продолжают ужесточаться нормы предельного содержания в отработавших газах таких загрязняющих веществ, как несгоревшие углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота (таблица 1). Для выполнения этих норм в выпускном тракте бензиновых двигателей внутреннего сгорания необходимо устанавливать специализированные трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы (ТКН) отработавших газов, в обиходе также называемые трехкомпонентными катализаторами. Как было упомянуто выше, вышеупомянутый каталитический нейтрализатор способствует окислению несгоревших углеводородов и монооксида углерода кислородом, а также восстановлению оксидов азота до молекулярного азота в потоке отработавших газов. Кроме того, для применения в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива предложены специально разработанные типы фильтров, нейтрализующие все виды выбрасываемых загрязняющих веществ. Поскольку частицы сажи, выбрасываемые бензиновыми двигателями, имеют меньший размер по сравнению с дизельными двигателями, необходимо дальнейшее изучение возможностей достижения приемлемого баланса между эффектом фильтрации и явным негативным эффектом повышения противодавления (публикации US 20100239478, US 20100275579, US 8066963, US 20110030346, US 20090193796, SAE 2011010814).

Уже были предложены каталитические системы, призванные эффективно нейтрализовывать все загрязняющие вещества, содержащиеся в отработавших газах бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. В некоторых случаях эти системы проектируются по схеме, согласно которой за расположенным вблизи двигателя ТКН следует фильтр с проницаемыми стенками (каталитический фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей; ФТЧ-БД). В некоторых случаях фильтр с проницаемыми стенками также имеет каталитическую функциональность, например, служит дополнительным ТКН.

Например, публикация US 20100293929 посвящена системам нейтрализации отработавших газов для двигателей с искровым зажиганием. Упомянутые в этой публикации различные варианты выполнения системы включают в себя как расположенный вблизи двигателя ТКН, так и расположенное под днищем устройство нейтрализации отработавших газов. Расположенное под днищем устройство нейтрализации отработавших газов может иметь либо функциональность ТКН, либо функциональность восстановления NOx. Как показано на фиг. 1 вышеупомянутой публикации, известная система может включать в себя фильтрующий элемент (8) с проницаемыми стенками и трехкомпонентным каталитическим покрытием. В отношении фиг. 4 упоминается, что нанесенный на фильтр трехкомпонентный каталитический состав обеспечивает уменьшение количества твердых частиц, а также газов, нейтрализуемых обычными ТКН. Так, фильтр с проницаемыми стенками после достижения своей рабочей температуры способен уменьшать содержание в отработавших газах НС, СО, NOx и эффективно уменьшать выбросы твердых частиц во всех рабочих состояниях. Однако в этой публикации не приводится подробных сведений относительно состава расположенного вблизи двигателя ТКН и фильтра, снабженного трехкомпонентным каталитическим покрытием.

Аналогичным образом, в публикации US 20110252773 раскрыта система выпуска отработавших газов, применяемая в сочетании с бензиновыми двигателями для того, чтобы помимо уменьшения содержания газообразных выбросов, таких как углеводороды, оксиды азота и монооксид углерода, улавливать твердые частицы. Для минимизации негативного повышения противодавления используемый в этой системе фильтр твердых частиц с трехкомпонентным каталитическим покрытием имеет пористое оксидное покрытие в количестве, составляющем по меньшей мере от 1 до 4 г/дюйм. Пористость снабженного покрытием фильтра может находиться в диапазоне от 55 до 70% и характеризоваться определенными распределениями среднего размера пор. Для обеспечения соответствия законодательным нормам и требованиям к автопроизводителям этот каталитический фильтр может быть необходимо использовать в сочетании со вторым трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (ТКН) отработавших газов (фиг. 1). Вместе с тем, благодаря наличию фильтра твердых частиц с трехкомпонентным каталитическим покрытием такой дополнительный ТКН, расположенный первым по потоку отработавших газов, может быть выполнен меньшего размера, чем это было бы необходимо без применения фильтра твердых частиц с трехкомпонентным каталитическим покрытием, или может вообще не использоваться, если фильтр обеспечивает полную функциональность ТКН. Каталитический фильтр твердых частиц может быть выполнен по зональной схеме, при которой во входной зоне фильтра количество палладиевого компонента выше, чем в выходной зоне. В вышеупомянутой публикации говорится, что каталитический фильтр должен содержать от 2 до 100 г/фут³ палладия во входной зоне и от 1 до 20 г/фут³ палладия в выходной зоне. Системы, которые испытывались в этом применении, содержали благородные металлы в ТКН и каталитическом фильтре в удельном количестве ≥30 г/фут³. Значение отношения палладия к родию в каждом из двух каталитических устройств составляет 27:3.

В публикации US 20110158871 также раскрыта система выпуска отработавших газов для автомобильного двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси. Система содержит пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором, расположенное на монолитном носителе, установленном по потоку отработавших газов перед фильтром, который также снабжен пористым оксидным покрытием с трехкомпонентным катализатором. Заявлено, что устройство, расположенное первым по потоку отработавших газов, содержит пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором в количестве, меньшем или равном 75% его общей массы в системе выпуска отработавших газов. Функционирование фильтра с проницаемыми стенками исследовалось в отношении влияния среднего размера пор фильтрующего носителя и пористого оксидного покрытия фильтра. В вышеупомянутой публикации патентной заявки расположенный вблизи двигателя ТКН имеет пористое оксидное покрытие с трехкомпонентным катализатором, а также расположенный за ним по потоку отработавших газов керамический фильтр с проницаемыми стенками, снабженный трехкомпонентным каталитическим покрытием. В приведенных примерах отношение палладия к родию в фильтрующем носителе с проницаемыми стенками составляет, например, 16:1 при содержании благородных металлов 85 г/фут³. Расположенный вблизи двигателя ТКН имеет такое же содержание благородных металлов.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача предложить систему для уменьшения токсичности загрязняющих веществ, содержащихся в отработавших газах бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива, которая по эффективности превзошла бы известные из уровня техники системы как с экономической, так и с экологической точек зрения. В частности, предлагаемая в изобретении система призвана обеспечивать гарантированное выполнение рассмотренных выше перспективных законодательных норм. Кроме того, эта цель выгодно достигается при меньших затратах на благородные металлы, чем в системах, известных из уровня техники. Аналогичным образом, задача изобретения заключается в разработке способа для эффективной нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива.

Эти и другие очевидные для специалистов задачи, решаются в системе, охарактеризованной в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения предлагаемой в изобретении системы охарактеризованы в зависимых пунктах 2-10, ссылающихся на пункт 1 формулы изобретения. Пункт 11 формулы относится к предлагаемому в изобретении способу.

Первым объектом настоящего изобретения является система нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей, содержащая расположенный вблизи двигателя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) отработавших газов и расположенный за ним по потоку отработавших газов каталитический фильтр твердых частиц, также называемый сажевым фильтром, для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД), имеющий проницаемые стенки. Эта система отличается определенным отношением содержания благородных металлов в расположенном вблизи двигателя ТКН к содержанию благородных металлов в расположенном за ним по потоку отработавших газов каталитическом фильтре твердых частиц для бензиновых двигателей. В частности, количество металлов платиновой группы, например палладия и родия, в ТКН превышает количество металлов платиновой группы, например палладия и родия, в ФТЧ-БД по меньшей мере в пять раз. Предлагаемая в изобретении система обеспечивает решение вышеупомянутых задач относительно простым, но при этом неожиданным образом. Можно показать, что за счет распределения в системе содержания благородных металлов предлагаемым в настоящем изобретении образом должно достичь тех же результатов при меньшем количестве благородных металлов, что, в свою очередь, ведет к удешевлению производства предлагаемой в изобретении система либо при тех же затратах обеспечивает лучшую нейтрализацию вредных выбросов.

Как ТКН, расположенный первым по потоку отработавших газов, так и ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, содержат в качестве благородных металлов палладий, родий, платину или их смеси. Также могут присутствовать другие благородные металлы, например иридий, рений, рутений, серебро, золото. Однако при наличии последних металлов платиновой группы они содержатся в меньших количествах по сравнению и с палладием, и родием. Наиболее предпочтителен вариант осуществления изобретения, в котором металлами платиновой группы, присутствующими в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, и в ФТЧ-БД, расположенном вторым по потоку отработавших газов, являются только палладий и родий.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отношение количества металлов платиновой группы, содержащихся в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, к количеству металлов платиновой группы, содержащихся в ФТЧ-БД, расположенном вторым по потоку отработавших газов, составляет по меньшей мере 6, более предпочтительно - по меньшей мере 7, еще более предпочтительно - по меньшей мере 8 или 9 и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 10. Это, в частности, предпочтительно, если используемыми в системе металлами платиновой группы являются только палладий и родий.

Было установлено, что наличие металлов платиновой группы в расположенном вторым по потоку отработавших газов фильтре твердых частиц для бензиновых двигателей способствует ускорению сгорания сажи, накопившейся в фильтре. Следовательно, верхняя граница интервала возможных значений отношения количества металлов платиновой группы в ТКН к количеству металлов платиновой группы в ФТЧ-БД определяется тем, что ФТЧ-БД должен обладать полезной функциональностью трехкомпонентного катализатора, достаточной для того, чтобы экономически эффективным и экологичным образом дополнять функциональность расположенного перед ним по потоку отработавших газов ТКН, и при этом должен быть способным ускорять выжигание частиц сажи. Очевидно, что в этой связи количество металлов платиновой группы в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, также должно быть сбалансировано с учетом стоимостных факторов и эффективности обезвреживания содержащихся в отработавших газах токсичных загрязняющих веществ посредством предлагаемой в изобретении системы. Необходимо отметить, что этот фактор может сильно зависеть от типа оснащаемого системой двигателя и от состава его отработавших газов, а также от степени, в которой металлы платиновой группы эффективны в соответствующих устройствах (например с учетом уменьшения их активности из-за старения, с учетом используемого носителя и т.д.). Специалисту будет известно, как найти верхнюю границу интервала возможных значений отношения количеств металлов платиновой группы согласно вышеупомянутым параметрам. Вместе с тем, целесообразно, чтобы эта верхняя граница находилась в диапазоне от 10 до 23, предпочтительно - от 15 до 20 и наиболее предпочтительно - от 16 до 19. С учетом этого целесообразно, чтобы количество металлов платиновой группы, например палладия и родия, в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов ТКН, находилось в диапазоне от 20 до 200 г/фут, более предпочтительно - от 25 до 120 г/фут, и наиболее предпочтительно - около 30-80 г/фут³. ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, напротив, характеризуется содержанием металлов платиновой группы, составляющим предпочтительно от 2 до 20 г/фут³, более предпочтительно - от 2 до 15 г/фут³, и наиболее предпочтительно - около 2-10 г/фут³.

В предпочтительном альтернативном варианте осуществления изобретения в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, металлы платиновой группы содержатся в определенном отношении друг к другу. Например, в случае, когда в качестве металлов платиновой группы используются только палладий и родий, массовое отношение палладия к родию (т.е. отношение их массовых долей) в расположенном первым по потоку отработавших газов ТКН составляет от 8:1 до 40:1, предпочтительно - от 10:1 до 25:1 и наиболее предпочтительно - примерно от 11:1 до 19:1. ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов и содержащий металлы платиновой группы в меньшей концентрации, также характеризуется определенным отношением содержания этих металлов платиновой группы. Например, опять же в случае, когда в качестве металлов платиновой группы используются только палладий и родий, массовое отношение палладия к родию в расположенном вторым по потоку отработавших газов ФТЧ-БД составляет от 1:1 до 10:1, предпочтительно - от 1:1 до 5:1 и наиболее предпочтительно -примерно от 1:1 до 3:1.

В настоящем изобретении предлагается система нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Система содержит расположенный вблизи двигателя ТКН, за которым расположен ФТЧ-БД, также снабженный каталитическим покрытием, имеющим функциональность трехкомпонентного катализатора, т.е. трехкомпонентным каталитическим покрытием (ТКК-покрытие). В соответствии с изобретением ТКН расположен в передней по потоку части системы выпуска отработавших газов. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ТКН находится в так называемом расположенном вблизи двигателя положении. Это означает, что такое устройство для нейтрализации отработавших газов, расположенное вблизи двигателя, находится рядом с выходным отверстием выпускного коллектора, выходным отверстием самого двигателя или турбонагнетателем. То есть, ТКН находится за двигателем на расстоянии от соответствующего выходного отверстия/турбонагнетателя, составляющем предпочтительно примерно от 2 до 40 см, более предпочтительно - примерно от 5 до 30 см и наиболее предпочтительно - от 5 до 20 см, по потоку отработавших газов.

Обычно транспортные средства имеют моторный отсек, в котором размещаются двигатель и относящиеся к нему подсистемы и устройства, в том числе вышеупомянутое устройство для нейтрализации отработавших газов, расположенное вблизи двигателя. Стенка моторного отсека у днища кузова транспортного средства отделяет моторный отсек и салон от расположенных под днищем подсистем и устройств. Последние называют находящимися под днищем или под кузовом (подкузовными) устройствами, если такое устройство расположено под днищем или полом указанного транспортного средства. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, находится под днищем. Таким образом, в предлагаемой в изобретении системе ФТЧ-БД, расположенный вторым по потоку отработавших газов, сообщается с ТКН, расположенным первым по потоку отработавших газов и сообщающимся с выходным отверстием двигателя, турбонагнетателя или выпускного коллектора, вследствие чего отработавшие газы, образующиеся при работе бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива, сначала проходят через ТКН, предпочтительно расположенный вблизи двигателя, а затем по выпускному трубопроводу проходят в расположенный вторым по потоку отработавших газов ФТЧ-БД, предпочтительно находящийся под днищем транспортного средства. С учетом динамики течения отработавших газов или торможения потока оказалось, что между ТКН и ФТЧ-БД существует некое оптимальное расстояние.

Это расстояние сильно зависит от нескольких аспектов, например модели двигателя и параметров системы, таких как активность ТКН по сравнению ФТЧ-БД. Следовательно, если ФТЧ-БД находится за выходным отверстием двигателя или выпускного коллектора на расстоянии от него по потоку отработавших газов, составляющем приблизительно от 60 до 200 см, предполагается, что ФТЧ-БД расположен под днищем транспортного средства. В более предпочтительном варианте осуществления изобретения ФТЧ-БД находится за вышеупомянутым выходным отверстием на расстоянии от него, составляющем от 60 до 150 см по потоку отработавших газов. В наиболее предпочтительном случае расстояние между вышеупомянутым выходным отверстием и входным отверстием ФТЧ-БД составляет от 60 до 120 см.

Все металлы платиновой группы либо некоторые или только один из металлов платиновой группы, используемых в ТКН, расположенном первым по потоку отработавших газов, и/или в ФТЧ-БД, расположенном вторым по потоку отработавших газов, могут быть равномерно распределены по соответствующему устройству, могут быть распределены зонально, или могут быть расположены слоями.

В очень предпочтительном варианте осуществления изобретения ТКН, расположенный первым по потоку отработавших газов, характеризуется зональностью распределения всех, некоторых или только одного из расположенных в нем металлов платиновой группы. В частности, в случае использования в качестве металлов платиновой группы, например, только палладия и родия, содержание палладия может быть распределено по расположенному первым по потоку отработавших газов ТКН неравномерно, тогда как содержание родия преимущественно распределено по всему объему устройства равномерно. То есть зональностью распределения палладия характеризуется только расположенный первым по потоку отработавших газов ТКН. Более предпочтительно, чтобы содержание палладия во входной зоне ТКН, расположенного первым по потоку отработавших газов, было выше, чем содержание палладия в его выходной зоне. Отношение значений массового содержания палладия во входной и выходной зонах должно находиться в пределах от 2:1 до 10:1, предпочтительно - от 3:1 до 7:1 и наиболее предпочтительно - примерно от 4:1 до 5:1. Протяженность входной зоны, измеряемая от входа в устройство, меньше полной длины от входа до выхода.

Протяженность выходной зоны, измеряемая от выхода из устройства, меньше полной длины от выхода до входа. Две зоны могут перекрываться или могут быть расположены с промежутком между собой или без промежутка, т.е. "встык". Предпочтительно, чтобы длина входной зоны составляла от 1/5 до 1/2, более предпочтительно - от 1/5 до 1/3 и наиболее предпочтительно - от 1/5 до 1/4 длины носителя. Выходная зона предпочтительно имеет такую же длину, что и входная зона. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения обе зоны имеют длину от 7 до 8 см, а отношение содержания палладия во входной зоне к содержанию палладия в выходной зоне составляет от 4:1 до 5:1.

Так как размер твердых частиц, образующихся при работе бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива, довольно мал, размер пор и пористость каталитического фильтра твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД) становятся важными с точки зрения нахождения подходящего баланса между эффективностью фильтрации и неблагоприятным увеличением противодавления. Кроме того, если фильтр твердых частиц имеет функциональность трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, обеспеченной нанесением на фильтр неправильно составленного пористого оксидного покрытия, это может вызвать еще большее увеличение противодавления. Было установлено, что проблему противодавления можно решить, выбрав для нанесения на ФТЧ-БД специально оптимизированное пористое оксидное покрытие с функциональностью трехкомпонентного катализатора, имеющее адаптированную пористость и средний размер пор. Не основываясь на какой-либо теории, можно полагать, что хотя размеры твердых частиц, содержащихся в отработавших газах бензинового двигателя, меньше размеров твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизельного двигателя (как это обсуждалось выше), средний размер пор стенок ФТЧ-БД, используемого в соответствии с настоящим изобретением, может быть довольно большим, в частности > 14 мкм или даже > 20 мкм (SAE 2007010921). По крайней мере, эти принятые размеры пор, очевидно, находятся в противоречии с рекомендациями, приведенными в литературе (SAE 2011010814). Благодаря тому, что пористые оксидные покрытия, содержащие частицы подходящего размера, в большей или меньшей степени проникают в поры стенок ФТЧ-БД, они помогают улавливать сажу, но препятствуют повышению противодавления.

В более предпочтительном аспекте средний размер пор ФТЧ-БД составляет от 14 до 25 мкм, более предпочтительно - от 15 до 21 мкм. Количество пористого оксидного покрытия, присутствующего на или в ФТЧ-БД, можно правильно определить, руководствуясь содержанием публикации US 20110252773, касающимся соответствующих вопросов.

Следовательно, по меньшей мере до некоторой степени, пористое оксидное покрытие не покрывает стенки ФТЧ-БД, используемого в соответствии с изобретением, но расположено в самих порах этих стенок. Для проникновения в пористую структуру стенок ФТЧ-БД частицы пористого оксидного покрытия должны быть меньше среднего размера пор фильтра. Поэтому целесообразно, чтобы размер частиц пористого оксидного покрытия был меньше среднего размера пор используемого ФТЧ-БД. Таким образом, предпочтительно, чтобы размер частиц пористого оксидного покрытия составлял от 0,1 до 20 мкм, более предпочтительно - от 0,1 до 15 мкм и наиболее предпочтительно - от 0,1 до 10 мкм.

Известно, что приведенные здесь размеры частиц демонстрируют определенный разброс значений диаметра. Специалистам должно быть понятно, что по меньшей мере 80%, предпочтительно - по меньшей мере 90% и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 95% частиц, имеющихся в пористом оксидном покрытии, должны иметь диаметр, находящийся в вышеупомянутых пределах.

В еще одном аспекте настоящего изобретения фильтр твердых частиц с проницаемыми стенками, предназначенный для бензиновых двигателей, имеет определенную пористость. Для достижения баланса между эффективностью фильтрации и повышением противодавления важен не только средний размер пор стенок ФТЧ-БД. Противодавление, создаваемое фильтром с проницаемыми стенками, также определяется количество пор. Целесообразно, чтобы фильтр твердых частиц с проницаемыми стенками, предназначенный для бензиновых двигателей и используемый в соответствии с настоящим изобретением, имел пористую структуру своих стенок с пористостью от 45 до 75%, предпочтительно - от 55 до 70% и наиболее предпочтительно - от 60 до 65%.

Настоящее изобретение в очень предпочтительном варианте его осуществления относится к системе нейтрализации отработавших газов для бензиновых двигателей, содержащей расположенный вблизи двигателя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор отработавших газов (ТКН), например, характеризующийся зональностью распределения палладия, и расположенный за ним по потоку, снабженный трехкомпонентным каталитическим покрытием фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД), причем средний размер пор фильтра твердых частиц с проницаемыми стенками составляет примерно от 18 до 22 мкм, размер частиц в нанесенном на фильтр пористом оксидном покрытии составляет от 1 до 7 мкм, а пористость фильтра составляет примерно от 60 до 70%.

Объектом настоящего изобретения является также способ уменьшения выброса вредных веществ, содержащихся в отработавших газах бензиновых двигателей, заключающийся в том, что отработавшие газы вводят в контакт с предлагаемой в изобретении системой. Специалистам должно быть понятно, что все рассмотренные выше предпочтительные и целесообразные аспекты настоящего изобретения и варианты выполнения предлагаемой в изобретении системы также относятся, с соответствующими изменениями, к предлагаемому в изобретении способу.

Носитель для ТКН:

Трехкомпонентные каталитические композиции располагаются на носителе. Носителем может быть любой из материалов, обычно используемых для изготовления катализаторов, и предпочтительно включает в себя керамическую или металлическую сотовую конструкцию. При этом может использоваться любой подходящий носитель, например монолитный носитель с параллельными газовыми каналами, проходящими через него от входного или выходного торца носителя таким образом, что эти каналы открыты для прохождения через них текучей среды (носители такого типа называются проточными сотовыми носителями или сотовыми элементами). Каналы, представляющие собой по существу прямолинейные проходы для текучей среды, тянущиеся от входа к выходу, ограничены стенками, снабженными каталитическим материалом, нанесенным в составе пористого оксидного покрытия, благодаря чему проходящие через каналы газы контактируют с каталитическим материалом. Каналы в монолитном носителе образованы тонкими стенками, которые могут иметь любые походящие форму и размер поперечного сечения, например трапециевидное, прямоугольное, квадратное, синусоидальное, шестиугольное, овальное, круглое и иное поперечное сечение. Такие конструкции могут содержать примерно от 60 до 900 или более входных отверстий для газа (т.е. ячеек) на квадратный дюйм поперечного сечения.

Керамический носитель может изготавливаться из любого подходящего тугоплавкого материала, таконо как кордиерит, смесь кордиерита и оксида алюминия, нитрид кремния, муллит циркония, сподумен, смесь оксида алюминия, диоксида кремния и оксида магния, силикат циркония, силлиманит, силикат магния, диоксид циркония, петалит, оксид алюминия, алюминосиликат и т.п. Носители, которые в соответствии с настоящим изобретением пригодны в качестве основы для нанесения каталитических композиций, также могут быть металлическими и могут состоять из одного или нескольких металлов или металлических сплавов. Металлические носители могут использоваться в самых разных формах выполнения, например, могут изготавливаться из гофрированного листа или в виде монолита. Предпочтительные металлические носители содержат жаростойкие металлы и металлические сплавы, такие как титан и нержавеющая сталь, а также другие сплавы, в которых основным или существенным компонентом является железо. Такие сплавы могут содержать один или несколько из следующих элементов: никель, хром и/или алюминий, и суммарная массовая доля этих металлов в сплаве может составлять по меньшей мере около 15%; например, сплав может содержать примерно 10-25 мас. % хрома, примерно 3-8 мас. % алюминия и до 20 мас. % никеля. Сплавы также могут содержать малые или следовые (микроскопические) количества одного или нескольких других металлов, таких как марганец, медь, ванадий, титан и т.п. Поверхность металлических носителей можно подвергать оксидированию при высоких температурах, например при температуре около 1000°C и выше, для повышения коррозионной стойкости сплавов за счет образования на поверхностях носителей окисного слоя. Такое высокотемпературное оксидирование способно усиливать сцепление тугоплавких оксидов металлов, выполняющих функцию подложки катализатора, и каталитически активных металлических компонентов с носителем. В альтернативных вариантах осуществления изобретения одна или несколько каталитических композиций может/могут наноситься осаждением на носитель из вспененного материала с открытыми порами. Такие носители широко известны в уровне техники и обычно изготавливаются из тугоплавких керамических или металлических материалов.

Носитель для ФТЧ-БД:

В настоящем изобретении предлагается система нейтрализации отработавших газов, содержащая фильтр твердых частиц с проницаемыми стенками, специально приспособленный для обработки, т.е. нейтрализации, потоков отработавших газов, образующихся при работе бензиновых двигателей, в частности бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. При осуществлении настоящего изобретения в качестве основы для нанесения каталитической композиции может использоваться любой фильтрующий носитель с проницаемыми стенками при условии, что такой носитель обеспечивает эффективное отфильтровывание, или улавливание, твердых частиц, содержащихся в потоках отработавших газов бензиновых двигателей. В качестве фильтрующего носителя предпочтительно использовать так называемый фильтр твердых частиц для бензиновых двигателей (ФТЧ-БД), причем в контексте настоящего изобретения под улавливателем твердых частиц, как часто называют подобный фильтр, понимается фильтр, выполненный по размерам и форме таким образом, чтобы улавливать твердые частицы, образующиеся в процессе реакций горения топлива в бен