namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2023-2-18-30nami-271Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTРоль окислительного катализа в процессах нейтрализации отработавших газов дизелейRole of oxidation catalysis in after-treatment of exhaust gases of diesel enginesПанчишныйВ. И.PanchishnyiV. I.

Панчишный Владимир Иванович – канд. техн. наук, ведущий эксперт Экспертного совета

г. Москва 125438

PhD (Eng), leading expert of the Expert Council

Moscow 125438

vladimir.panchishnyi@nami.ruВоробьёвИ. Ю.VorobievI. Yu.

Воробьёв Иван Юрьевич – магистрант

г. Москва 125319

undergraduate

Moscow 125319

ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian FederationМосковский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)РоссияMoscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)Russian Federation202312072023021830Copyright © Панчишный В.И., Воробьёв И.Ю., 20232023Панчишный В.И., Воробьёв И.Ю.Panchishnyi V.I., Vorobiev I.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/271

Введение (постановка задачи и актуальность). Окислительный катализ, помимо нейтрализации СО и НС, обеспечивает необходимую эффективность и работоспособность дизельных фильт ров улавливания дисперсных частиц и систем селективной очистки оксидов азота. Кроме того, окислительные нейтрализаторы могут быть инструментом обезвреживания выбросов метана и некоторых ненормируемых, но весьма опасных полициклических и частично окисленных углеводородов. Есть и слабо изученные теоретические вопросы окислительного катализа, связанные со взаимным влиянием токсичных компонентов, содержащихся в отработавших газах дизелей.

Цель исследования – уточнение роли окислительного катализа в общей проблеме нейтрализации токсичных выбросов дизелей, разработка и испытания катализаторов и нейтрализаторов для обезвреживания токсичных продуктов сгорания двигателей, работающих на природном газе.

Методология и методы. Исследование катализаторов в проточных условиях с привлечением современных методов газового анализа, ИК-спектроскопия, моторные испытания разработанных нейтрализаторов.

Результаты и научная новизна. Показана роль окислительного катализа в решении общих проблем нейтрализации вредных выбросов дизелей, включая как прямую нейтрализацию токсичных соединений, так и обеспечивающие функции. Разработаны катализаторы повышенной эффективности и серия нейтрализаторов для газовых двигателей. Предложены оригинальные методы повышения устойчивости окислительных катализаторов к оксидам серы. Практическая значимость. Разработанные катализаторы и конструкции нейтрализаторов рекомендованы к внедрению на газовых двигателях КАМАЗ-820.52-260 и Cummins 250 и 280.

Introduction (problem statement and relevance). The oxidation catalysis provides the necessary efficiency and performance of diesel filters for trapping dispersed particles and systems for selective treatment of nitrogen oxides. In addition, oxidation catalysts can be a tool for neutralizing emissions of methane and some non-regulated but very hazardous polycyclic and partially oxidized hydrocarbons. There are also poorly studied theoretical issues of oxidation catalysis associated with mutual influence of toxic components contained in exhaust gases of diesel engines.

The purpose of the study is to clarify the oxidation catalysis role in the general problem of after-treatment of toxic emissions of diesel engines, development and testing of catalysts and converters for neutralization of toxic combustion products of engines powered by natural gas.

Methodology and research methods. Research into the catalysts under flow conditions using modern methods of gas analysis, IR spectroscopy, engine tests of the developed catalytic converters.

Scientific novelty and results. The paper shows the role of oxidation catalysis in solving the common problems of after-treatment of hazardous emissions of diesel engines including both direct after-treatment of toxic compounds and supporting functions. Catalysts of higher efficiency and a series of converters for gas engines have been developed. Innovative methods to increase the resistance of oxidation catalysts to sulfur oxides have been proposed.

Practical significance. The developed catalysts and converter designs are recommended for implementation in KAMAZ-820.52-260 and Cummins 250 and 280 gas engines.

окислительный катализгазовые двигателиметаноксиды серыдезактивация катализаторовсистемы нейтрализацииотработавшие газыдизелиoxidation catalysisgas enginesmethanesulfur oxidescatalyst deactivationafter-treatment systemsexhaust gasesdiesel enginesReferencesТер-Мкртичьян Г.Г., Демидов А.А., Старков Е.Е. Комбинированные аккумуляторные системы с мультипликаторами давления – новый этап развития топливной аппаратуры дизелей грузовых автомобилей // Труды НАМИ. – 2013. – № 255. – С. 88–113.Ter-Mkrtich'yan G.G., Demidov A.A., Starkov E.E. [Common rail systems combined with pressure amplifiers as the new stage of diesel fuel equipment for heavy duty trucks]. Trudy NAMI, 2013, no. 255, pp. 88–113. (In Russian)Матышак В.А., Газаров Р.А., Панчишный В.И., Кадушин А.А. Взаимодействие оксида углерода и оксида азота в присутствии кислорода на нанесённом платиновом катализаторе // Кинетика и катализ. – 1988. – Т. 29. – № 6. – С. 1382–1388.Matyshak V.A., Panchishnyi V.I., Kadushin A.A., Gazarov R.A. [The interaction of carbon monoxide and nitric oxide in the presence of oxygen on the supported platinum catalyst]. Kinetika i kataliz, 1988, vol. 29, no. 6, pp. 1382–1388. (In Russian)Матышак В.А., Газаров Р.А., Панчишный В.И., Кадушин А.А. Влияние О2 на взаимодействие СО и NO на нанесённых платиновых, родиевых и платинородиевых катализаторах // Кинетика и катализ. – 1988. – Т. 29. – № 6. – С. 1389–1392.Matyshak V.A., Gazarov R.A., Panchishnyi V.I., Kadushin A.A. [Influence of O2 on the interaction of CO and NO on supported platinum, rhodium and platinumrhodium catalysts]. Kinetika i kataliz, 1988, vol. 29, no. 6, pp. 1389–1392. (In Russian)Панчишный В.И. Нейтрализация ненормируемых токсичных компонентов отработавших газов дизелей // Труды НАМИ. – 2020. – № 2 (281). – С. 44–54.Panchishnyi V.I. [Neutralization of non-normative toxic diesel exhaust components]. Trudy NAMI, 2020, no. 2 (281), pp. 44–54. (In Russian)Bondareva N.K., Shpiro E.S., Panchishnyi V.I., Baeva G.N. On NO2 formation and its role in SCR of NOx over Cu-ZSM-5 / EUROPACAT-II, Congr.: Abstracts. – Maastricht: Elsevier BV, 1995.Bondareva N.K., Shpiro E.S., Panchishnyi V.I., Baeva G.N. On NO2 formation and its role in SCR of NO x over Cu-ZSM-5. EUROPACAT-II, Congr.: Abstracts. Maastricht: Elsevier BV, 1995.Панчишный В.И., Бондарева Н.К., Скляров А.В., Розанов В.В., Чадина Н.П. Окисление оксида углерода и углеводородов в присутствии диоксида серы на платиновых и палладиевых катализаторах // Журнал прикладной химии. – 1988. – № 5. – С. 1093–1098.Panchishnyi V.I., Bondareva N.K., Sklyarov A.V., Rozanov V.V., Chadina N.P. [Oxidation of carbon monoxide and hydrocarbons in the presence of sulfur dioxide on platinum and palladium catalysts]. Zhurnal prikladnoy khimii, 1988, no. 5, pp. 1093–1098. (In Russian)Matyshak V.A., Bondareva N.K., Panchishni V.I. Suppression of SO2 poisoning effect in the processes of NO x reduction and CO oxidation over Platinum group support metals, Catalysis and Automotive Pollution Control / Proceedings of the Third International Symposium (CaPoC3-). – Brussels, Belgium, April 20–22, 1994.Matyshak V.A., Bondareva N.K., Panchishni V.I. Suppression of SO2 poisoning effect in the processes of NOx reduction and CO oxidation over Platinum group support metals, Catalysis and Automotive Pollution Control. Proceedings of the Third International Symposium (CaPoC3-). Brussels, Belgium, April 20–22, 1994.Кадушин А.А. Оптическая спектроскопия поверхностных соединений и кластеров в условиях каталитического окисления и метатезиса олефинов: дисс. ... д-ра хим. наук. – М.: ИХФ АН СССР, 1983. – 410 с.Kadushin A.A. [Optical spectroscopy of surface compounds and clusters under conditions of catalytic oxidation and olefin metathesis. Dr. sci. chem. diss.]. Moscow, Institute of Chemical Physics of the Academy of Sciences of the USSR, 1983. 410 p. (In Russian)Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия / пер. с англ. – М.: Мир, 1974. – 1133 с.Morrison R., Boyd R. [Organic chemistry. Transl. from English]. Moscow, Mir Publ., 1974. 1133 p. (In Russian)He L., Fan Y., Bellettre J., Yue J., Luo L. A review on catalytic methane combustion at low temperatures: Catalysts, mechanisms, reaction conditions and reactor de-signs // Renewable and Sustainable Energy Reviews journal. – 2020. – No. 119. URL: http://www.elsevier.com/locate/rser (дата обращения: 07.03.2023).He L., Fan Y., Bellettre J., Yue J., Luo L. A review on catalytic methane combustion at low temperatures: Catalysts, mechanisms, reaction conditions and reactor de-signs. Renewable and Sustainable Energy Reviews journal, 2020, no. 119. Available at: http://www.elsevier.com/locate/rser (accessed 07 March 2023).Li Zh., Gar B., Hoflund A. Review on Complete Oxidation of Methane at Low Temperatures // Journal of Natural Gas Chemistry. – 2012. – No. 3. – P. 153–160.Li Zh., Gar B., Hofl und A. Review on complete oxidation of methane at low temperatures. Journal of Natural Gas Chemistry, 2012, no. 3, pp. 153–160.Speccia S., Palmisano, Fonocchio E., Busca G. Ageing mechanism on PdOx – based catalysts for natural gas combustion in premixed burnes // Chem Eng Sci. – 2010. – No. 65 (1). – P. 186–192.Speccia S., Palmisano, Fonocchio E., Busca G. Ageing mechanism on PdOx – based catalysts for natural gas combustion in premixed burnes. Chem Eng Sci, 2010, no. 65 (1), pp. 186–192.Schwartz WR., Ciuparu D., Pfefferle L. Combustion of Methane on Palladium based catalysts; catalytic deactivation and role of the support // J. Phys. Chem. – 2012. – P. 8587–8593.Schwartz WR., Ciuparu D., Pfefferle L. Combustion of Methane on Palladium based catalysts; catalytic deactivation and role of the support. J. Phys. Chem., 2012, pp. 8587–8593.Gholami R., Alyani M., Smith K.J. Deactivation of Pd catalysts by water during low temperature methane oxidation relevant to natural gas vehicle converters // Catalysts. – 2015. – No. 5. – P. 561–594. DOI: 10.3390/catal5020561.Gholami R., Alyani M., Smith K.J. Deactivation of Pd catalysts by water during low temperature methane oxidation relevant to natural gas vehicle converters. Catalysts, 2015, no. 5, pp. 561–594. DOI: 10.3390/catal5020561.Adijanto L., Bennett D.A., Chen C., Yu A.S., Cargnello M., Fornasiero P., Gorte R.J., Vohs J.M. Exceptional thermal stability of Pd/СeO2 core-shell catalyst nanostructures grafted onto an oxide surface // Nano Lett. – 2013. – No. 13. – P. 2252–2257.Adijanto L., Bennett D.A., Chen C., Yu A.S., Cargnello M., Fornasiero P., Gorte R.J., Vohs J.M. Exceptional thermal stability of Pd/СeO2 core-shell catalyst nanostructures grafted onto an oxide surface. Nano Lett., 2013, no. 13, pp. 2252–2257.Gannouni A., Albela B., Zina M.S., Bonneviot L. Metal dispersion, accessibility and catalytic activity in methane oxidation of mesoporous templated aluminosilica supported paladium // Appl. Catal. A. – 2013. – P. 116–127, 464–465.Gannouni A., Albela B., Zina M.S., Bonneviot L. Metal dispersion, accessibility and catalytic activity in methane oxidation of mesoporous templated aluminosilica supported palladium. Appl. Catal. A, 2013, pp. 116– 127, 464–465.Панчишный В.И., Воробьёв И.Ю. К вопросу о моделировании систем нейтрализации автомобильных дизелей // Труды НАМИ. – 2018. – № 4 (275). – С. 23–37.Panchishnyi V.I., Vorob’ev I.Yu. [To the issue of neutralization systems simulation of automobile diesel engines]. Trudy NAMI, 2018, no. 4 (275), pp. 23–37. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.