FI90464B - Katalysaattori - Google Patents

Description

1 90464

Katalysaattori Tämä keksintö kohdistuu polttomoottorien pakokaasujen jalometalleja säästävään ja 5 mekaanisesti lujaan katalysaattorikennostoon, jossa kennostossa läpivutauskanavat ovat oleellisesti pienempiä läpimitaltaan ja reikiä poikkipinta-alaa kohti on oleellisesti enemmän kuin tähän asti tunnetuissa katalysaattoreissa.

Katalyyttien soveltuvuutta tiettyyn toimintaan voidaan kuvata monella eri kriteerillä. Tällaisia ovat mm. aktiivisuus, selektiivisyys ja stabiilisuus. Myös fysikaaliset omi-10 naisuudet, kuten pinta-ala, huokostilavuus ja huokosjakautuma, määräävät katalyytin toimintaa. Vastapaine, joka syntyy pakokaasujen virratessa kennoston läpi, on merkittävä fysikaalinen tekijä. Auton metallikatalyyttikennostot muodostetaan pääsääntöisesti siten, että käytetään päällystämättömiä rypytettyjä ja suoria folio-nauhoja ja tehdään kierteinen kennosto (GB-patentti 2 069 364). Päihin hitsataan 15 sauma, jolloin estetään folionauhojen aksiaalinen liikkuminen toistensa suhteen. Tällöin kennosto voidaan päällystää tukiaineella ja katalyyttiaineella vasta hitsaa-misen jälkeen, koska tukiaine alentaen sähkönjohtokykyä ja estää virran kulkua hitsaamisen aikana. Kun nyt tukiaine lisätään valmiiseen kennostoon, se ei leviä tasaisesti vaan kerääntyy folioiden yhtymäkohtien muodostamiin nurkkiin. Tämä 20 pienentää aukon vapaata poikkipinta-alaa ja paksu tukiaine lohkeilee helposti pois käytön aikana. Lisäksi paksu tukiaine kerää itseensä varsinaista katalyyttiä, joka ei kuitenkaan pääse tehokkaasti toimimaan.

DE-patentissa 2 924 592 on esitetty menetelmiä katalyyttikennoston valmistamiseksi, jossa päällystämätön poimutettuja suora folionauha kiinnitetään toisiinsa 25 juottamalla. Menetelmässä kennosto voidaan päällystää vasta sen jälkeen kun foliot on kiinnitetty toisiinsa.

Katalysaattorin toiminnan kannalta on ensiarvoisen tärkeää, että pakokaasu joutuu kosketukseen katalysaattorin katalyyttisen pinnan kanssa. Reaktionopeudet ovat niin suuret, että niillä on vähemmän merkitystä. Näistä syistä on kennomaisten, keraa-30 misten katalysaattorien reikätiheyttä pyritty kasvattamaan. Keraamisilla kennoilla on päästy reikätiheyksiin n. 400 reikää neliötuumaa kohti (400/in^). Jotta reikätiheys saataisiin isommaksi, on siirrytty metallisiin kennostoihin. Tosin tähän on myös muita syitä. Nykyisin yleisesti käytetty toimiva reikätiheys on metallikennostoissa noin 500 reikää/in^.

35 Paitsi reikätiheyttä nostamalla on metallikennokatalyyttien toiminnan tehokkuutta pyritty parantamaan aiheuttamalla laminaaristen virtauksien "häirintää" reiässä joko reikiä muotoilemalla tai tekemällä erilaisia aukkoja ja poimutuksia kennorakenteisiin (US-patentti 4 559 205 ja DE-37 38 537).

Yleisesti metallikennostot tehdään valmiiksi ennen tukiainekerroksen laittamista 40 hehkutetun folionauhan pinnalle. Usein vielä rypytetty ja suora folionauha juotetaan 2 9 ϋ 464 tai yleensä kiinteästi kiinnitetään toinen toisiinsa ennen tukiainekerroksen lisäystä. Nyt jos tällaisen katalyyttimetallikennoston folionauhat päällystetään tukiaineker-roksella, jää muodostuvien reikien liitoskohtiin runsaasti ylimääräistä tukiainetta. Kun sitten reikätiheyttä suurennetaan, ei katalyytti toimikaan tarpeeksi hyvin ja 5 reikätiheyden noustessa lähelle 600 reikää/in^ alkavat vaikeudet läpivirtauksen ja puhdistustehon suhteen.

Tukiaineen kerääntyminen kennoston kanavien nurkkiin voidaan estää tekemällä kierteinen kennosto etukäteen tukiaineella päällystetystä rypytetystä ja sileästä foliosta ja tukemalla kennosto päätymillä (FI-patentti 74523) tai kennoston läpi vie-10 dyllä nauhalla (Fl-patentti 78161).

Nyt on yllättäen havaittu, että etukäteen tukiaine-ja katalyyttikerroksilla päällystetyistä ja ilman juotos- tms. vastaavaa kiinteätä sidosta olevista rypytetyistä ja suorista metallifolioista tehty erittäin pienireikäinen kennosto on puhdistuskyvyItään tehokas. Reikätiheys on välillä 600 - 1200, edullisesti välillä 800 - 1200, reikää neliö-15 tuumaa kohti. Yllättäen havaittiin, että myös vastapaine on tyydyttävä. Poikkipinta-alan ollessa riittävä voidaan tällaista reikätiheydeltään suurta katalysaattoria lyhentää ja täten parantaa sekä vastapainetta että asennettavuutta tehon kärsimättä. Tällainen pieniaukkoinen, aukkotiheydeltään suuri ja avoimena päällystetty metallinen kierteinen kennosto on mekaanisesti erittäin luja sekä aksiaalisten että radiaalisten 20 värähtelyjen suhteen.

Keksinnön oleelliset tunnusmerkit on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Kun katalysaattorin reikätiheyttä kasvatetaan, lisääntyy katalysaattorin geometrinen pinta-ala samalla kun reiän dimensiot pienenevät. Aiemmissa tutkimuksissa on todettu katalysaattorin tehokkuuden paranevan reikäluvun kasvaesa. Syynä tähän on 25 katsottu olevan katalysaattorin lisääntyneen kokonaispinta-alan (kokonaispinta-ala = tilavuus x geometrinen pinta-ala).

Suorittamissamme tutkimuksissa on kuitenkin yllättäen havaittu, että pääasiallinen syy katalysaattorin tehokkuuden lisääntymiseen reikäluvun kasvaessa olivat reiän pienentyneet dimensiot. Difiuusioetäisyys pakokaasusta katalysaattorin pintaan oli 30 pienentynyt ja tällä oli ratkaiseva vaikutus katalysaattorin toiminnan tehokkuuteen.

Esimerkissä 2 on verrattu kolmea eri reikätiheyden omaavaa katalysaattoria keskenään. Kaikissa katalysaattoreissa on sama kokonaispinta-ala sekä sama jalometalli-määrä ja -koostumus.

Selvästi alhaisimmat päästöarvot saavutettiin suurella reikätiheydellä ja heikoimmat 35 alhaisimmalla reikätiheydellä. Koska kaikkien kennojen kokonaispinta-ala oli sama, voitiin nähdä, että reiän dimensioiden pienentyminen vaikutti ratkaisevasti katalysaattorin konversiotehokkuuteen. Toisaalta painehäviön suhteen järjestys oli päinvastainen.

I.

3 90164

Toisessa tutkimuksessa verrattiin katalysaattorin tilavuuden ja jalometallimäärän kasvattamisen vaikutusta katalysaattorin konversiotehokkuuteen. Yllättäen ilmeni, että tilavuuden ja samanaikaisen jalometallimäärän kasvattaminen oli selvästi vähemmän tehokas keino parantaa katalysaattorin konversioita kuin reikätiheyden 5 nostaminen jalometallimäärää lisäämättä (Esimerkki 3).

Tämän perusteella voitiin päätellä, että käyttämällä katalysaattorissa nykyisiä oleellisesti suurempia reikätiheyksiä voidaan kalliita jalometalleja oleellisesti säästää.

Esimerkki 1

Seuraavat koetulokset kuvaavat keksintöä. A on US-vaatimus tehokkuudesta. B ja C 10 ovat tavanomaisilla metallikennostokatalyyteillä saatuja tuloksia ja D ja E ovat keksinnön mukaisilla metallikatalyyteillä saadut tulokset. Koetulokset on saatu ns. CVS-testissä (constant volume sample) FTP-75-syklin mukaan.

Kaikkien katalyyttien tilavuus oli 1,04 dm^, kaikilla oli sama halkaisija ja pituus ja kaikki sisälsivät saman määrän jalometalleja. Kaikkia katalysaattoreita oli ikäytetty 15 moottoripenkissä siten, että se vastaa ainakin 80 000 km ajoa maantiellä.

HC CO NOx g/km g/km g/km A US-83 vaatimus 0,25 2,11 0,62 B 400 aukkoa/in^ 0,32 2,46 0,59 20 C 600 " 0,27 2,10 0,42 D 800 ” 0,24 1,77 0,29 E 1000 ’’ 0,22 1,50 0,25

Esimerkki 2

Kokeissa tutkittiin katalysaattoreita, joilla oli eri reikätiheys ja erilainen kennon pi-25 tuus. Poikkipinta-ala oli sama ja myös jalometallisisältö.

Reikätiheys Tilavuus HC CO NOx aukkoa /in^ dm^ g/km g/km g/km 400 1,04 0,319 2,60 0,58 600 0,84 0,250 2,09 0,44 30 800 0,70 0,229 2,06 0,33

Geometrinen pinta-ala oli kaikissa kolmessa sama.

Molemmista esimerkeistä ilmenee suuren reikätiheyden edullisuus verrattuna muihin pienemmän reikätilavuuden omaaviin katalysaattorikennostoihin.

Keksinnön mukaisen suuren reikätiheyden omaavan katalysaattorikennoston etuna 35 on myös se, että se soveltuu myös dieselkoneisiin hapetuskatalysaattoriksi.

4 9 Γs 464

Eräs yllättävä etu on myös se, että katalysaattori voidaan kääntää poikkipuoliseksi. Normaalisti katalysaattoria asennettaessa on otettava huomioon - tila on aina rajoitettu korkeussuunnassa auton alatiloissa - tila on usein rajoitettu leveyssuunnassakin.

5 Nyt jos keksinnön mukaisessa ratkaisussa on poikkipinta-alaa kasvatettu, voidaan tehdä lyhennetty kenno, joka on silti toimiva ja se saadaan käännettynä sovitettua ahtaisiinkin tiloihin.Tällöin saadaan tyydyttäviä tuloksia pienellä jalometallimää-rällä. Oleellista on, että tässä sovellutusmuodossa on kenno käännetty autonpohjan tasoon nähden vaakasuorassa poikittain pakokaasun virtaussuuntaan nähden.

10 Esimerkki 3 kuvaa tämän sovellutusmuodon mukaisella katalysaattorilla saatuja tuloksia.

Esimerkki 3 Tässä on verrattu 800-reikäistä 0,84 dmÄn metallikatalysaattoria 1,64 dmÄn keraamiseen 400 reikäiseen katalysaattoriin.

15 Katalysaattori Reikätiheys Tilavuus HC CO NOx aukkoa/in^ dm^ g/km g/km g/km Käännetty metallinen 800 0,84 0,185 1,41 0,28

Suora 20 keraaminen 400 1,64 0,178 1,24 0,25

Katalysaattoreja on vanhennettu 50 tuntia moottoripenkissä. Tämä ns. pikaikäytys vastaa noin 80 000 km ajoa maantiellä. Katalysaattorien tulokset ovat hyvin vertailukelpoiset vaikka metallikatalysaattorissa on puolet pienempi jalometallimäärä kuin keraamisessa.

25 Mekaaninen kestävyys on katalysaattorien kriittisimpiä ominaisuuksia. Kuuma pakokaasu purkautuu sylinteristä voimakkaana paineiskuna. Pakokaasun lämpötila voi nousta yli 900°C ja paine voi vaihdella 0,83 - 1,8 bar välillä. Pakokaasu aiheuttaa paineiskun katalysaattoriin paitsi virtaussuunnassa myös virtaussuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa.

30 Pakokaasun paineimpulssi saa kennon värähtelemään. Värähtely synnyttää kataly-saattorikennosta ulospäin säteilevää melua. Ääritilanteissa kennofolio saattaa murtua värähtelyn takia. Tutkittaessa kennoja, joissa oli erilainen reikätiheys, havaittiin yllättäen että mitä suurempaan reikätiheyteen mentiin, sitä jäykemmäksi ja lujemmaksi kenno muuttui.

35 Suoriteteuissa tutkimuksissa voitiin havaita, että kennon lujuus on aallotetun pellin harjavälin kolmanteen potenssiin kääntäen verrannollinen, eli kun suurilla reikäti-heyksillä harjaväli lyhenee, lujittuu kenno erittäin merkittävästi. Kun reikätiheys kasvaa 400:sta 800 reikään/in^, lisääntyy kennon jäykkyys kolminkertaiseksi.

Il 5 90464

Kun katalysaattorin reikätiheyttä nostetaan, nousee katalysaattorin vastapaine reiän (hydraulisen) halkaisijan toiseen potenssiin verrannollisena. Katalysaattorin poikkipinta-alaan painehäviö on kääntäen ja pituuteen suoraan verrannollinen. Kun otetaan käyttöön suuret reikätiheydet, on katalysaattorin aiheuttamaa painehäviötä 5 alennettava joko lyhentämällä kennoa tai/ja suurentamalla poikkileikkausta.

Jälkimmäisessä tapauksessa on ongelmana se, että kaasun virtausjakauma kennon läpi pyrkii huononemaan, sillä virtaus pyrkii jatkuvuuden lain mukaan menemään keskeltä. Mitä laajempi poikkipinta-ala, sitä huonompi on suhteellinen virtaus-jakauma.

10 Yllättäen havaittiin, että kääntämällä keksinnön mukainen kenno oosittain tai kokonaan poikittain virtaussuuntaan nähden voitiin virtausjakaumaa parantaa. Tämä ratkaisu on edullinen myös tilankäytön kannalta, sillä pakokaasun virtaussuunnassa auton alla on normaalisti runsaasti tilaa käytettävissä. Sen sijaan korkeus- ja leveys-suunnassa tilasta on yleensä puutetta.

Claims (3)

6 90 464

1. Av veckade och raka pä förhand belagda folier tili en cellstruktur lindad, meka-niskt hällfast katalysator, kännetecknad av att cellstrukturens öppningsdensitet är mellan 800 - 1200 öppningar per kvadrattum (6,5 cm^).

1. Rypytetyistä ja suorista etukäteen päällystetyistä folioista kennomaiseksi kierretty mekaanisesti luja katalysaattori, tunnettu siitä, että kennoston aukkotiheys on välillä 800 - 1200 aukkoa neliötuumaa (6,5 cm^) kohti.

2. Katalysator enligt patentkrav 1, kännetecknad av att fri ytinnehall av en enstaka öppning är under 0,8 mm^.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katalysaattori, tunnettu siitä, että yksittäisen reiän vapaa pinta-ala on alle 0,8 mm^.

3 Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen katalysaattori, tunnettu siitä, että folioita ei ole kiinteästi liitetty toisiinsa.

10 Patentkrav

3. Katalysator enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att foliema inte är stationärt fästa tili varandra. I!