FI120750B - Pakokaasujen puhdistamiseen käytettävä katalysaattori ja menetelmä tällaisen katalysaattorin käyttämiseksi - Google Patents

Description

Pakokaasujen puhdistamiseen käytettävä katalysaattori ja menetelmä tällaisen katalysaattorin käyttämiseksi - Katalysator for rening av avgaser och förfa-rande för att använda en sädan katalysator 5 Keksintö koskee autojen, moottoripyörien ym. laitteiden pakokaasujen puhdistamiseen käytettävää sisäkkäisistä putkimaisista elementeistä muodostettua katalysaattoria sekä menetelmää tällaisen katalysaattorin käyttämiseksi.

Nykyisin käytetään pakokaasujen puhdistamiseen kennorakenteisia katalysaattoreita, joissa keraaminen tai metallinen suhteellisen tiheäreikäinen runko pinnoitetaan 10 huokoisella keraamisella materiaalilla. Tähän kantajan pintaan kiinnitetään katalyyt-tisesti aktiiviset jalometallipartikkelit tai esim. perusmetallioksidit. Metallinen runko valmistetaan tavallisesti rullaamalla hyvin ohuesta sileästä metallifoliosta ja hyvin rypytetystä metallifoliosta muodostettu foliopari. Katalysaattorin runkona on myös käytetty yhtä revitettyä putkea tai teräslevyä. Revitettyjä teräslevykatalysaat-15 toreita voidaan latoa myös päällekkäin monikerroksiseksi rakenteeksi, jossa pakokaasujen virtaus tapahtuu kohtisuoraan levyjen tasoa vasten. Käytössä on lisäksi ratkaisuja, joissa katalyyttisesti aktiiviset aineet imeytetään esim. alumiini- tai titaani-oksidirakeisiin, jonka jälkeen rakeista tehdään ’’patja”, joka toimii katalysaattorina.

, Kyseisen keksinnön tarkoituksena on parantaa katalysaattoreiden tehoa, mekaanista ··· 20 lujuutta ja kemiallista käyttöikää.

« « « • · · • :*·*: Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät jäljempänä olevista patenttivaati- • · •\ : mukeista.

• ·· • · 9 * * Erityisen hyvin keksintö soveltuu autojen esikatalysaattoriksi, joka sijoitetaan joko levypakosaijaan osaksi sitä tai pääkatalysaattorin sisääntulokartioon tai suuret HC ja 25 CO päästöt omaavien 2-tahtimoottorien ainoaksi katalysaattoriksi. Lisäksi se vähen-:T: tää katalysaattorin sisääntulokartion tai levypakosaijan aiheuttamaa säteilymelua ja :***: rajoittaa katalysaattorin ylikuumenemisriskiä. Keksinnön mukaisen katalysaattorin \ rungon rakenne sallii huomattavasti normaalikennoa suuremman mekaanisen ja \ termisen rasituksen.

30 Edellä mainitut edut saavutetaan katalysaattorirakenteella, joka muodostuu sisäk- • · mw. käisistä kartioista. Putkimainen kartiorunko tehdään suhteellisen vahvasta (esim.

0,5-2,0 mm) teräslevystä, joka pinnoitetaan keraamisella katalyytin kantajalla ja katalyyteillä, kuten nykyisetkin katalysaattorit. Teräslevyn käyttö kennon rakenteena 2 (metallifolioon verrattuna 10-40 -kertaisen vahvuuden takia) sallii huomattavasti normaalikennoa suuremman mekaanisen ja termisen rasituksen. Keksinnön mukainen runkorakenne soveltuu erityisen hyvin autojen esikatalysaattoriksi ja 2-tahtimoottorin ainoaksi katalysaattoriksi. Autojen katalysaattorina se voidaan si-5 joittaa moottorin lähelle asennettavan katalysaattorin sisääntulokartioon. Painehä-viö pakosaijassa on minimoitavissa virtauskanavan mitoituksella siten, että virtaus pidetään laminaarisena tai lähes laminaarisena. Tällöin pinnoitteen karheus ei nosta painehäviötä. Tällä tavoin alennetaan myös levypakosaijan aiheuttamaa säteilyme-lua.

10 Pääkatalysaattorin sisääntulokartioon asennetulla ratkaisulla parannetaan virtausja-kaumaa pääkatalysaattorissa ja alennetaan turbulenssia sisääntulokartiossa. Tämä vähentää katalysaattorin mekaanista rasitusta ja pidentää kemiallista käyttöikää sekä turbulenssin vähenemisen myötä alentaa sisääntulokartion aiheuttamaa säteilyme-lua. Katalysaattorin nopean syttymisen varmistamiseksi käytetään paksua tukiaine- 15 pinnoitusta ja korkeaa jalometallilatausta.

2-tahtimoottoreissa hiilivety- (HC) ja häkäpäästöt ovat hyvin korkeita. Hapetusreak-tiota rajoittavana tekijänä on yleensä hapen (02) puute. Silti normaaliolosuhteissa lämpötilan nousu katalysaattorissa voi olla 300-500 °C. Poikkeustilanteissa lämmönnousu voi olla vielä huomattavasti suurempaa. Tällaisia tilanteita syntyy mm.

20 kaasuläpän edestakaisella aukaisulla ja sulkemisella tai moottorin sytytyshäiriöstä. Myös vuoto pakoputkessa aiheuttaa ylikuumenemisriskin. Keksinnön mukaisessa • · ·*,·’.·' katalysaattorissa on normaalisti alhainen geometrinen pinta-ala, joka sinänsä rajaa :*·]: reaktiota. Toisaalta edellä mainittu kennon vahvempi rakenne sallii normaalikennoa suuremman mekaanisen ja termisen rasituksen.

• # 25 Keksinnön mukainen katalysaattori toimii varsin tehokkaasti huomattavasti normaa-*···* likennoa pienemmästä geometrisesta pinta-alastaan ja alhaisemmasta jalometalli- määrästä huolimatta, koska aineensiirron tehokkuus on siinä parempi. Normaalin • · · V · kennokatalysaattorin aukon koko on niin pieni, että virtaus siinä on lähes koko mat- kalla laminaarista. Aukon muodosta riippuva aineen- ja lämmönsiirtoa kuvaavat ,·«·. 30 Nusseltin ja Sherwoodin luvut ovat alhaiset. Sinikäyrän muotoisessa aukossa ne • · « ovat noin 3,0 ja neliskulmaisessa noin 3,5. Tasomaisessa suorassa raossa luvut ovat *:** noin 7,5. Renkaan muotoisella virtausaukolla, kuten kyseisessä keksinnössä on, päästään lähelle tätä arvoa. Lisäksi aineensiirtoa voidaan tehostaa mitoittamalla ka-talysaattori siten, että virtaus katalysaattorissa pysyy turbulenttina tai katalysaatto- 35 riin voidaan tehdä aineensiirtoa parantavia sekoitussiipiä.

3

Keksinnön edullisille sovellusmuodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty.

Seuraavassa selostetaan keksintöä tarkemmin viittaamalla piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää kartiomaista katalysaattoria suoraan edestä katsottuna, 5 kuvio 2 esittää kuvion 1 leikkausta A-A, kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaista leikkausta erästä toisesta edullisesta sovelluksesta, kuvio 4 esittää putkimaista katalysaattorirakennetta edestä päin kuvattuna, 10 Kuviossa 1 on esitetty kartiomainen katalysaattori, jossa on pintalevyn 1 sisällä kolme sisäkkäin olevaa revitettyä kartiomaista katalysaattorielementtiä 2, 3 ja 4. Kartiomaiset katalysaattorielementit 2, 3 ja 4 on koottu kahdesta samanlaisesta puolikkaasta, jotka on liitetty yhteen niiden sivuilla olevien kiinnityslevikkeiden 5, 6 ja 7 kohdalta. Samaisten levikkeiden 5, 6 ja 7 avulla sisemmät kartioelementit 2 ja 3 15 on aina kiinnitetty seuraavaan ulompana olevaan elementtiin 3 ja 4 ja viimeinen, halkaisijaltaan suurin, elementti 5 on kiinnitetty pintalevyyn 1. Reiät 9 kyseisissä katalysaattorielementeissä 2, 3 ja 4 voivat olla esimerkiksi pyöreitä ja halkaisijaltaan n. 2-8 mm. Tarvittaessa myös muun muotoisia tai kokoisia reikiä voidaan käyttää.

20 Kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 kartiomaisen katalysaattorin poikkileikkaus A-A.

····

Kuviossa on katalysaattorin pintalevy 1 ja kartiomaiset katalysaattorin elementit 2, 3 ja 4, joissa on pyöreitä reikiä 9. Kiinnityslevikkeet 5, joilla elementin 2 puoliskot • · \ \ on kiinnitetty toisiinsa ja katalysaattorin seuraavaan elementtiin 3 näkyvät kuvion *· 1| keskikohdalla.

• · :1"· 25 Kuviossa 3 on esitetty vastaavanlaisen kartiomaisen katalysaattorin poikkileikkaus kuin kuviossa 2. Erona kuvion 2 katalysaattoriin on se, että pelkkien suorakaiteen muotoisten reikien 10 lisäksi katalysaattorin elementeissä 11, 12 ja 13 on sekoitus- ,···. siivekkeitä 14. Nämä siivekkeet 14 ovat tässä esimerkissä suorakaiteen muotoisia ja • · T muodostettu taivuttamalla materiaali aukon 10 edestä 30-90° sivulle toista suorakai- ··» v : 30 teen pitkää sivua myöden. Esitetty sekoitussiivekkeen 14 malli on vain esimerkki ja ··· käytännössä sen muotoa voi vaihdella miltei rajattomasti.

1 Näitä kartiomaisia, kuvioiden 1-3 mukaisia, katalysaattorirakenteita voidaan edulli- «·· sesti käyttää autojen esikatalysaattoreina, jolloin pakokaasujen tulovirtauksen ominaisuuksia virtauksen tullessa pääkatalysaattoriin voidaan sen avulla säädellä.

4

Kuviossa 4 on esitetty edestä päin putkimainen katalysaattorirakenne, jossa pintale-vyn 15 sisään on asennettu kolme sisäkkäistä putkimaista katalysaattorielementtiä 16, 17 ja 18. Nämä elementit 16, 17 ja 18 on kiinnitetty toisiinsa ja uloin elementti 18 pintalevyyn 15 katalysaattorielementteihin muotoiltujen nystyröiden 19 kohdal-5 ta. Kiinnitys voi tapahtua esimerkiksi poraamalla reiät nystyröiden 19 kohdalle ja hitsaamalla sen jälkeen putket 16,17 ja 18 yhteen. Nystyröiden 19 korkeudella pystytään säätelemään sisäkkäisten putkien 16,17 ja 18 välistä virtausrakoa.

Edellä esitetyt tapaukset ovat vain ei-rajoittavia esimerkkejä ja keksinnön toteutus voi vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen 10 ajatuksen puitteissa. Eri esimerkeissä esitettyjä muotoja voidaan vaihdella keskenään katalysaattoriratkaisujen välillä tai käyttää jotain edellä esittämätöntä muotoilua saman vaikutuksen aikaansaamiseksi.

* ·· · • · » · • * # f « · · • « «· · * ♦ · • · • · • · • · · • · · • 1 t • · • ·· • · • « • · 1 *·# * · ♦ • · · ··· * · • · ·»· ··· • · · • · · * ·1· • · • · • · · · • · · • · • · «·«

Claims (6)

1. Autojen, moottoripyörien ym. laitteiden pakokaasujen puhdistamiseen käytettävä katalysaattori, joka on pinnoitettu huokoisella keraamisella aineella, johon on 5 kiinnitetty katalyyttisesti aktiiviset aineet, kuten jalometallipartikkelit tai perusme-tallioksidit, jossa katalysaattorissa on yksi tai useampi sisäkkäinen putkimainen ka-talysaattorielementti (2-4, 11-13, 16-18), ja katalysaattorissa on kuori (1, 15), jossa on etukartio, tunnettu siitä, että elementit (2-4, 11-13, 16-18) on kiinnitetty toisiinsa ja/tai katalysaattorin kuoren (1, 15) etukartioon kiinnityslevikkeillä (5-7) tai nys-10 tyröillä (19) siten, että elementtien (2-4, 11-13, 16-18) väliin ja/tai elementin (2-4, 11-13, 16-18) ja kuoren (1, 15) väliin jää olennaisesti rengasmainen virtausrako pakokaasuille, ja että sisäkkäiset putkimaiset katalysaattorielementit (2-4, 11-13, 16-18) ovat muodoltaan kartioita niiden asentamiseksi katalysaattorin kuoren (1, 15. etukartioon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katalysaattori, tunnettu siitä, että katalysaat- torielementtien (2-4, 11-13, 16-18) materiaali on 0,5-3,0 mm paksua terästä, joka kestää suuria mekaanisia ja termisiä rasituksia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen katalysaattori, tunnettu siitä, että kata-lysaattorielementeissä (2-4,11-13,16-18) on reikiä (9,10) tai reikiä (9,10) ja sekoi-20 tussiipiä (14) kontaktin parantamiseksi.

·»·· • · # · · [·*·* 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen katalysaattori, tunnettu siitä, : V että katalysaattori on kartiomainen esikatalysaattori, joka ohjaa pakokaasun virtaus- • · \*·: ta pääkatalysaattoriin ja vähentää etukartion turbulenssia sekä siitä johtuvaa sätei- lymelua. • t • «

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen katalysaattori, tunnettu siitä, että ... katalysaattori on 2-tahtimoottorin ainoa katalysaattori. • I Φ ♦ · ♦ ♦

6. Menetelmä autojen, moottoripyörien ym. laitteiden pakokaasujen puhdistamisia seksi, tunnettu siitä, että pakokaasut johdetaan jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mu- kaisen katalysaattorin läpi. • ♦ • M 30 • · 999 • · 9 9 999