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"Catalyseur pour la combustion des gaz d'échappement d'un moteur à explosion".
La présente invention a pour objet un catalyseur pour la combustion des gaz d'échappement d'un moteur à explosion.
La combustion du carburant dans un moteur à explosion n'étant pas complète, les gaz d'échappement contiennent encore de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures. L'oxyde de carbone est un toxique et il n'est pas nécessaire d'insister sur le danger que constitue sa présence dans l'air. Mais les hydrocarbures eux
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aussi peuvent présenter de grands inconvénients. En effet, par une réaction photochimique avec les oxydes d'azote, ils peuvent donner lieu, dans certaines régions, à la formation de couches de brume qui diminuent grandement la visibilité et même irritent les yeux. On connait bien la formation du "smog" dans la région de Los Angeles (U.S.A.)
C'est la raison pour laquelle il y a intérêt à éliminer par combustion les composants des gaz d'échappement dont la présen- ce dans l'atmosphère est nocive.
Cette combustion peut se faire au moyen de catalyseurs en présence d'une quantité nécessaire d'air.
Divers catalyseurs ont été proposés, notamment ceux con- tenant du platine ou de l'oxyde de vanadium. Toutefois, aussi, bien les premiers que les seconds présentent de grands inconvénients.
Ainsi par exemple, les catalyseurs contenant du platine, tout en donnant d'excellents résultats lorsqu'il s'agit de carburants exempts de plomb, sont inutilisables pour les carburants courants contenant du plomb tétraéthyle. En effet, par une réaction avec les composés du plomb, ils deviennent inactifs dans un temps très court.
Quant aux catalyseurs contenant de l'oxyde de vanadium, les expériences nous ont démontré que leur mise en action demande des températures assez élevées, leur durée de vie étant, d'autre part, très courte.
Les conditions principales qu'un catalyseur pour la com- bustion des gaz d'échappement doit remplir sont les suivantes : - Etre capable de transformer au moins 90% de l'oxyde de carbone et des substances organiques en anhydride carbonique et en eau, - Agir à des températures relativement basses, - Etre insensible aux composés du plomb, - Avoir une durée de vie suffisamment longue.
L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients préci-
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-tés des catalyseurs connus en proposant un catalyseur se distin- guent de ces derniers par le fait qu'il est constitué par un oxyde de cobalt.
Les oxydes de cobalt sont des semi-conducteurs dont les propriétés, aussi bien catalytiques qu'électroniques, peuvent être largement modifiées par l'addition d'autres substances. Ainsi, il a été démontré qu'une introduction de l'oxyde de lithium dans le réseau cristallin de l'oxyde cobalteux (CoO) diminue sensiblement l'énergie d'activation nécessaire pour obtenir l'oxydation de l'o- xyde de carbone (J. Block und H. Chon, Z. Electrochem 60,912; 1956).
Nos expériences sur la combustion catalytique des gaz d'échappement, donc d'un mélange contenant non seulement de l'oxyde de carbone mais encore, entre autres, des hydrocarbures, nous ont montré qu'il est possible d'améliorer un catalyseur à base d'oxyde de cobalt, et notamment d'oxyde cobalteux, en y ajoutant des quan- tités convenables d'oxyde d'un métal dont les cations sont mono- valents. L'amélioration constatée consiste en une augmentation sen- sible de la durée de vie du catalyseur et en une diminution de la température nénessaire pour la mise en action. Ainsi, de bons ré- sultats ont été obtenus avec des catalyseurs à l'oxyde cobalteux additionné d'oxyde de lithium. La teneur en ce dernier doit être comprise entre 1 et 20% molaire.
Les catalyseurs à l'oxyde de cobalt, aussi bien au Co 0 qu'au Co3 O4, additionné ou non d'un autre oxyde, peuvent être prévus sans support, le catalyseur ayant dans ce cas la forme d'un corps fritté poreux, ou encore avec un support convenable tel que, par exemple, l'alumine. Ils peuvent être fabriqués, par exemple, de la manière suivante : a) Catalyseur au coo avec 4% molaire de Li2 O, sans support :
Le mélange comprenant du nitrate de cobalt, la quantité correspondante de carbonate de lithium et un peu d'acide
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nitrique, est chauffé au rouge sombre de manière à obte- nir des oxydes. La poudre ainsi obtenue, à laquelle on ajou- te un liant, par exemple du oamphre, est comprimée de maniè- re à obtenir des corps de forme désirée.
Ces corps sont en- suite frittés dans un courant d'azote à une température de
1000 à 1100 C et cela pendant plusieurs heures, de manière à obtenir des catalyseurs en forme de corps solides, durs @ et poreux. b) Catalyseur au CO3 O4, aveo support :
Des corps en alumine, de forme désirée, sont imbibés par du nitrate de cobalt en fusion auquel on a ajouté un peu d'aci- de nitrique. Ces corps sont ohauffés au rouge sombre de ma- nière à obtenir des oxydes et ensuite chauffés encore à l'air pendant quelques heures à une température de 600 à
700 c
Ces catalyseurs peuvent être utilisés pour la combustion des gaz d'échappement au moyen d'installations connues. Un tel catalyseur sera placé dans une chambre de combustion dans laquelle sont conduits des gaz d'échappement mélangés avec de l'air.
La température nécessaire pour sa mise en action est d'environ 300 C.
Au cas où la température des gaz d'échappement ne suffit pas pour réchauffer le catalyseur à 300 on pourrait prévoir un chauffa- ge éleotrique supplémentaire, lequel serait supprimé dès que la température nécessaire serait atteinte. En effet, la quantité de chaleur développée pendant la oombustion suffit amplement à main- tenir une température d'au moins 300 C.
Les résultats obtenus avec un catalyseur selon l'inven- tion et indiqués ci-après à titre d'exemple, démontrent les avan- tages qu'il présente.
Le catalyseur utilisé était constitué par des éléments de forme cylindrique ayant chacun un diamètre d'environ 5 mm. et une longueur de 5 à 10 mm. Les gaz d'échappement étaient ceux d'un
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moteur à 4 temps, refroidi par air, climenté avec de l'essence ordinaire ayant une teneur en plomb tétraéthyle de 0.38 cm3/1.
Une analyse de ces gaz (après la condensation de l'eau) a donné :
CO2 4%
C0 @ 5% Hydrocarbures (rapporté à l'hexane) : 0,7 %
La combustion catalytique de ces gaz a été faite aveo une addition d'air allant de 30 à 50% en volume. Le rapport entre chauds le volume des gaz/traversant par heure la chambre de combustion oatalytique et le volume du catalyseur, était d'environ 20.000.
Une analyse des gaz sortant de la chambre de combustion a donné :
002 : lotit
CO : 0% Hydrocarbures (reporté à l'hexrne) - 0.03%
Comme on le voit pur ce qui précède, le catalyseur suivant l'invention remplit parfaitement les conditions énumérées plus haut nécessaires pour obtenir de bons résultéts lors de 1 com- bustion catalytique des gaz déohappement.
REVENDICATIONS
1. Catalyseur pour la combustion des gaz d'échappement d'un moteur à explosion caractérisé par le fait qu'il est consti- tué per un oxyde de cobalt.
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"Catalyst for the combustion of the exhaust gases of an internal combustion engine".
The present invention relates to a catalyst for the combustion of the exhaust gases of an internal combustion engine.
Since the combustion of fuel in an internal combustion engine is not complete, the exhaust gases still contain carbon monoxide and hydrocarbons. Carbon monoxide is a poison and it is not necessary to stress the danger posed by its presence in the air. But hydrocarbons them
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also can present great disadvantages. Indeed, by a photochemical reaction with nitrogen oxides, they can give rise, in certain regions, to the formation of layers of haze which greatly reduce visibility and even irritate the eyes. We know well the formation of "smog" in the Los Angeles area (U.S.A.)
It is for this reason that there is an advantage in eliminating by combustion the components of the exhaust gases, the presence of which in the atmosphere is harmful.
This combustion can take place by means of catalysts in the presence of a necessary quantity of air.
Various catalysts have been proposed, in particular those containing platinum or vanadium oxide. However, both the former and the latter have great drawbacks as well.
Thus, for example, catalysts containing platinum, while giving excellent results in the case of lead-free fuels, are unusable for common fuels containing tetraethyl lead. Indeed, by a reaction with the lead compounds, they become inactive in a very short time.
As for catalysts containing vanadium oxide, experiments have shown us that their activation requires fairly high temperatures, their lifespan being, on the other hand, very short.
The main conditions that a catalyst for the combustion of exhaust gases must fulfill are as follows: - Be capable of transforming at least 90% of carbon monoxide and organic substances into carbon dioxide and water, - Act at relatively low temperatures, - Be insensitive to lead compounds, - Have a sufficiently long service life.
The object of the invention is to eliminate the specific drawbacks
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These catalysts which are known by proposing a catalyst differ from the latter in that it consists of a cobalt oxide.
Cobalt oxides are semiconductors whose properties, both catalytic and electronic, can be greatly modified by the addition of other substances. Thus, it has been shown that the introduction of lithium oxide into the crystal lattice of cobaltous oxide (CoO) appreciably decreases the activation energy necessary to obtain the oxidation of carbon oxide. (J. Block und H. Chon, Z. Electrochem 60,912; 1956).
Our experiments on the catalytic combustion of exhaust gases, therefore of a mixture containing not only carbon monoxide but also, among other things, hydrocarbons, have shown us that it is possible to improve a catalyst based on of cobalt oxide, and in particular of cobaltous oxide, by adding thereto suitable amounts of oxide of a metal whose cations are monovalent. The improvement observed consists in a significant increase in the service life of the catalyst and in a decrease in the temperature necessary for activation. Thus, good results have been obtained with cobaltous oxide catalysts supplemented with lithium oxide. The content of the latter must be between 1 and 20 mol%.
Cobalt oxide catalysts, both with Co 0 and Co 3 O 4, with or without the addition of another oxide, can be provided without a support, the catalyst in this case having the form of a porous sintered body, or else with a suitable support such as, for example, alumina. They can be manufactured, for example, in the following manner: a) Coo catalyst with 4 mol% of Li2 O, without support:
The mixture comprising cobalt nitrate, the corresponding amount of lithium carbonate and a little acid
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nitric, is heated to dark red so as to obtain oxides. The powder thus obtained, to which a binder, for example amphor, for example, is added is compressed so as to obtain bodies of the desired shape.
These bodies are then sintered in a stream of nitrogen at a temperature of
1000 to 1100 C and this for several hours, so as to obtain catalysts in the form of solid, hard and porous bodies. b) CO3 O4 catalyst, with support:
Alumina bodies of the desired shape are impregnated with molten cobalt nitrate to which a little nitric acid has been added. These bodies are heated to dark red so as to obtain oxides and then heated again in air for a few hours at a temperature of 600 to
700 c
These catalysts can be used for the combustion of exhaust gases by means of known installations. Such a catalyst will be placed in a combustion chamber into which exhaust gases mixed with air are conducted.
The temperature necessary for its activation is about 300 C.
In the event that the temperature of the exhaust gases is not sufficient to heat the catalyst to 300, an additional electric heater could be provided, which would be removed as soon as the necessary temperature is reached. Indeed, the quantity of heat developed during combustion is more than enough to maintain a temperature of at least 300 C.
The results obtained with a catalyst according to the invention and given below by way of example, demonstrate the advantages which it presents.
The catalyst used consisted of elements of cylindrical shape each having a diameter of about 5 mm. and a length of 5 to 10 mm. The exhaust was from a
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4-stroke engine, air-cooled, clemented with regular gasoline with a tetraethyl lead content of 0.38 cm3 / 1.
An analysis of these gases (after the condensation of water) gave:
CO2 4%
C0 @ 5% Hydrocarbons (referred to hexane): 0.7%
The catalytic combustion of these gases was carried out with an addition of air ranging from 30 to 50% by volume. The ratio between hot the volume of gases / passing per hour through the catalyst combustion chamber and the volume of the catalyst was about 20,000.
An analysis of the gases leaving the combustion chamber gave:
002: lotit
CO: 0% Hydrocarbons (reported in hex) - 0.03%
As can be seen from the foregoing, the catalyst according to the invention perfectly fulfills the conditions listed above necessary to obtain good results during the catalytic combustion of the exhaust gases.
CLAIMS
1. Catalyst for the combustion of the exhaust gases of an internal combustion engine characterized by the fact that it consists of a cobalt oxide.