專利名稱：用于排氣處理的具有分散的催化劑布置的基體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于起催化作用的涂層的基體。這種基體特別用于汽 車中的排氣處理。
背景技術(shù)：
除了其它表現(xiàn)形式外，這種基體特別設(shè)計(jì)成由至少一個(gè)至少部分形成
構(gòu)造的不透氣材料的層構(gòu)成。從而存在大量最小橫截面為0.5mm2的流動(dòng) 路徑，其中至少多數(shù)流動(dòng)路徑做得帶有到至少一個(gè)相鄰流動(dòng)路徑的多個(gè)通 路。這種基體對(duì)于包含在排氣中的污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方面的效率受很多不同 因素的影響。兩個(gè)主要要求是污染物質(zhì)向^i催化作用的涂層的有效的物質(zhì) 傳輸和由于排氣流過(guò)基體而在排氣流內(nèi)產(chǎn)生的小的背壓。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了 以希望的背壓更好地傳輸物質(zhì)，必須控制排氣在基體內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理。這里 已證實(shí)，在通路或流動(dòng)路徑內(nèi)部的湍流導(dǎo)致物質(zhì)傳輸顯著增加。通過(guò)形成 湍流造成比其它基體高一個(gè)數(shù)量級(jí)的物質(zhì)傳輸系數(shù)，
為了進(jìn)一步提高排氣處理的效率，可以在催化劑中實(shí)現(xiàn)從一個(gè)通道到 其它通道的部分排氣流之間的徑向橫向交換，從而可以有效利用迄今未利 用的表面。例如通過(guò)穿孔的金屬薄板可實(shí)現(xiàn)這種流動(dòng)平衡。不管是光滑薄 板還是波紋薄板都可以具有大直徑、特別是大于通道的直徑的孔。通過(guò)這 些孔使通道壁中斷并造成各部分排氣流之間的希望的相互作用。
但是，在基體內(nèi)部對(duì)于排氣的改變的流動(dòng)狀況導(dǎo)致用來(lái)轉(zhuǎn)化污染物質(zhì) 的化學(xué)反應(yīng)方面的條件的變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，盡管排氣和涂層表面之間的物 質(zhì)傳輸顯著改善，卻并不總能實(shí)現(xiàn)希望的凈化作用或轉(zhuǎn)化率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是至少部分地解決對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所提到的問(wèn)題。 特別是要提供一種基體，其涂層適應(yīng)于在基體內(nèi)部的湍流條件，并可以使 排氣中的污染物質(zhì)更有效地轉(zhuǎn)化。此外，還要提供一種用來(lái)制造涂覆的催 化劑基體的方法，該方法可實(shí)現(xiàn)特別一均勻的涂層，以便后者在操作時(shí)對(duì) 排氣的流動(dòng)特性只有很小的影響。
征的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)特別在各從屬權(quán)利要求中給出。 應(yīng)該指出，在權(quán)利要求中單獨(dú)列出的特征可以按技術(shù)上適宜的任何方式相 互組合，并表示本發(fā)明的另一些方案。
本發(fā)明的基體具有包括至少一個(gè)帶催化作用涂層的涂層部分的總基體
表面積，并包括至少一種催化劑元素，它們^lfc設(shè)置在基體表面上，其中 -催化劑元素具有沿表面至少3微米jim的平均間距， -表面具有2至10微米[nm的平均粗糙度Rz,
-所述基體與具有光滑和未涂覆表面的基體相比具有最多25%的壓力 損失增量。
在基體的構(gòu)造方面可以采用多種不同的方案。例如，可以形成氣體可 流動(dòng)通過(guò)且具有規(guī)定數(shù)量和位置的流動(dòng)路徑的整體結(jié)構(gòu)；但是，整體結(jié)構(gòu) 也可以做得具有例如泡末形式的隨機(jī)的(雜亂的)空腔結(jié)構(gòu)。通常氣流穿 透基體，在一側(cè)流入而在(不同的) 一側(cè)流出。氣流通過(guò)界定流動(dòng)路徑和/ 或空腔結(jié)構(gòu)的材料表面，總基體表面積包括流動(dòng)路徑的這些壁的表面和內(nèi) 部的材料表面，并基本上與基體的所謂的"幾何表面積"(GSA) —致。
總基體表面積的至少一部分被涂覆。也可以設(shè)置多個(gè)(不同的)涂層 部分。術(shù)語(yǔ)"催化劑元素"特別用于描述可對(duì)應(yīng)于一平均尺寸的顆粒狀結(jié)構(gòu)。 催化劑元素的外部構(gòu)型可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選擇，優(yōu)選采用近似球狀構(gòu)型?，F(xiàn) 在這些催化劑元素分散設(shè)置在表面上(即，總基體表面積的設(shè)置在涂層部 分中的部分)，這主要意味著不應(yīng)在整個(gè)面積上存在連續(xù)的涂層。相反， 催化劑元素至少部分、優(yōu)選完全單粒地涂覆在表面上。按照本發(fā)明，催化劑元素在表面上設(shè)置成使得它們沿表面具有至少
3pm、優(yōu)選在3至9^im范圍內(nèi)的平均間距。關(guān)于平均間距應(yīng)該注意該術(shù) 語(yǔ)首先是指在涂層部分的一代表性區(qū)域內(nèi)存在的平均值。此外，該間距是 沿表面的數(shù)據(jù)，不是一孤立的距離。這里沿表面的平均間距等于排氣流從 一個(gè)催化劑元素沿表面流到相鄰催化劑元素必須走過(guò)的路程。根據(jù)催化劑 元素的大小不同，平均間距應(yīng)該至少在催化劑元素尺寸(lxD)至催化劑 元素尺寸(D)的20倍(20xD)的范圍內(nèi)。由此特別是避免在高溫環(huán)境條 件下分散分布的催化劑元素熔合在一起，從而減小催化作用表面積。
為了特別有效地防止催化劑元素的這種熔合，還要求表面具有2至 10fim、特別是3至6nm的平均粗糙度Rz。平均粗糙度Rz至少涉及到涂 層部分的一代表性區(qū)域，并在適當(dāng)時(shí)涉及到整個(gè)表面。在軋制表面時(shí)特別 是考慮沿軋制方向的平均粗糙度。平均粗糙度Rz是指多個(gè)(通常為5個(gè)) 粗糙度的算術(shù)平均值，所述粗糙度是在粗糙輪廓各個(gè)測(cè)量區(qū)段內(nèi)在最高點(diǎn) 和最低點(diǎn)處的兩條平行線之間的間距。在這種粗糙輪廓中，借助于粗糙尖 峰提供阻擋，它首先可以造成催化劑元素的優(yōu)選的位置，但特別是防止催 化劑元素熔合，并同時(shí)使催化劑元素外表面的大部分可供表面上的有效的 化學(xué)反應(yīng)使用。這里，特別希望至少在涂層部分內(nèi)存在粗糙輪廓的均勻構(gòu) 型。
為此，還要求基體比具有光滑和未涂覆表面的基體相比具有最多 25%、特別是最多15%的壓力損失增量。這還可以指粗糙度Rz基本上做 得統(tǒng)一地具有小的容差，使得即使基體在長(zhǎng)時(shí)間使用后在涂層部分內(nèi)仍可 以保持均勻的轉(zhuǎn)化特性。但是，此外還確保流動(dòng)路徑的水力直徑由于形成 了粗糙輪廓而減小成使得不利地影響到排氣的(特別是湍流)流動(dòng)特性。 因此，這特別表明，粗糙輪廓的形成被限制在非常靠近壁的區(qū)域內(nèi)。
光滑或未涂覆表面特別是指所采用的材料的表面質(zhì)量，它通常具有在 最多l(xiāng)fim (光滑)范圍內(nèi)的平均粗糙度Rz (沿軋制方向)。作為基準(zhǔn)，可 以使用至少一個(gè)具有一這種表面的基體。為了確定壓力損失增量，使溫度 為900。C的排氣以550kg/h的質(zhì)量流量流過(guò)基準(zhǔn)基體或具有一光滑或未涂覆表面的基體，這時(shí)在被測(cè)排氣系統(tǒng)內(nèi)在基體下游的壓力為1.25bar?，F(xiàn)在 確定在基體上的壓降，例如對(duì)于由金屬薄板制成的長(zhǎng)度為118mm、直徑為 110mm、通道密度為400cpsi(每平方英寸的單元數(shù))的蜂窩體類型的基體， 得到的壓力損失為約69mbar。為了測(cè)試本發(fā)明的表面構(gòu)型，對(duì)具有要求的 粗糙輪廓的同樣的基體進(jìn)行上述過(guò)程；這時(shí)由于粗糙輪廓和/或涂層的存 在，可以測(cè)得較大的壓降。但是，這里出現(xiàn)的壓降的增量應(yīng)被限制在最多 25%的范圍內(nèi)，這意味著，在超過(guò)這個(gè)限度時(shí)，例如應(yīng)該設(shè)置更均勻的粗 糙輪廓和/或更小的涂層厚度。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在特別地能夠影響內(nèi)部氣體湍流流動(dòng) 的基體的情況下，由于緩慢的物質(zhì)傳輸(擴(kuò)散)，不再到達(dá)通常設(shè)置在涂 層較深區(qū)域內(nèi)的催化劑元素。因此力求在表面上涂抹催化劑元素。為此， 通過(guò)要求催化劑元素按一定間距設(shè)置來(lái)確保催化劑元素與待凈化的排氣流 之間的足夠大的持久存在的接觸面積一一粗糙輪廓構(gòu)成對(duì)催化劑元素之間 接觸的阻擋。由此可以例如有效地防止催化劑元素在使用期間在其形狀方 面改變而使得相鄰催化劑元素相互結(jié)合，這將導(dǎo)致催化劑元素的平均尺寸 顯著改變，造成催化劑元素的體積與表面積的較為不利的比率，從而降低 催化劑基體的效率。這里對(duì)它采取防止措施。
此外有利的是，催化劑元素按每平方米0.2至2.0克g/m、的量設(shè)置在 總基體表面積上?？偦w表面積的0.2至2.0 g/m2 [克每平方米的量特別針 對(duì)汽車內(nèi)燃機(jī)的排氣處理設(shè)計(jì)，例如用來(lái)凈化汽油或柴油排氣。對(duì)于貴金 屬催化劑鉑，極其特別優(yōu)選0.4至0.8g/ii^的范圍。如果負(fù)載量選得較小， 在待凈化的排氣的成分不利時(shí)，在某些情況下可能發(fā)生污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化不充 分。在負(fù)載量超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，貴金屬催化劑可能相互疊置，這不會(huì)使催 化作用增加，而僅僅增加制造成本。
優(yōu)選采用包括貴金屬催化劑的催化劑元素類型，所述貴金屬催化劑從 由鉑、鈀、銠組成的組中選取。特別是在這種催化劑元素時(shí)，催化劑元素 的平均尺寸優(yōu)選在5至10納米[nm范圍內(nèi)。
按照起催化作用的涂層的基體的 一優(yōu)選的改進(jìn)，所述基體用至少 一個(gè)至少部分形成構(gòu)造的不透氣材料的層構(gòu)成，使得存在大量具有0.5平方毫 米[nm^最小橫截面的流動(dòng)路徑，其中至少大多數(shù)流動(dòng)路徑做得帶有多個(gè) 通向至少一條相鄰流動(dòng)路徑的通路。
因此，基體優(yōu)選是所謂的蜂窩體，其流動(dòng)路徑用大量基本上直的相互 平行設(shè)置的通道構(gòu)成。這些流動(dòng)路徑或通道可以用一個(gè)或多個(gè)不透氣材料 的層構(gòu)成。這里可以設(shè)置完全形成構(gòu)造的和/或完全光滑的層，但是也可以 使用部分形成構(gòu)造的混合層。對(duì)于不透氣材料應(yīng)該注意，它通常是耐高溫 和耐腐蝕的材料。這里既可以采用(非多孔的)陶瓷、例如金屬氧化物， 也可以采用滿足所述條件的金屬。
此外應(yīng)注意，流動(dòng)路徑具有為0.5mm2的最小橫截面。這特別是指， 它們不是微孔和/或不確定、雜亂分布的流動(dòng)路徑，而U本能清楚地相互 區(qū)分邊界的流動(dòng)路徑。特別優(yōu)選地采用最小為0.8mm2、甚至為1.0mm2的 最小橫截面。此外應(yīng)該注意，該最小橫截面涉及流動(dòng)路徑整個(gè)長(zhǎng)度上的平 均值，其中不考慮使最小橫截面局部減小的內(nèi)部配件(凹陷、導(dǎo)向葉片等)。 這里，最小橫截面優(yōu)選涉及流動(dòng)路徑的不存在內(nèi)部配件、導(dǎo)向面、變窄的 流動(dòng)路徑等的直線區(qū)域。
此外，多數(shù)流動(dòng)路徑具有多個(gè)通向至少一條相鄰流動(dòng)路徑的通路。有 利地，所有流動(dòng)路徑配備多個(gè)通路。所述通路可以實(shí)現(xiàn)與緊密相鄰的流動(dòng) 路徑的連接一_例如通過(guò)在層本身中形成通路，從而允許排氣向緊鄰的流 動(dòng)路徑流動(dòng)。但是，可選擇地或另外地，也可以通過(guò)層的純粹變形形成通 路，此時(shí)，例如緊密相鄰的通道可翹起并進(jìn)入下一個(gè)流動(dòng)路徑。通路有這 樣的功能，即，使沿優(yōu)選的主流動(dòng)方向流過(guò)基體的排氣偏轉(zhuǎn)和產(chǎn)生渦流， 使排氣和部分排氣流可以多次改變流動(dòng)路徑。
這里還建議，總基體表面積的至少一個(gè)涂層部分配備催化作用涂層。 涂層部分可以是層的 一部分，但是優(yōu)選地整個(gè)基體在其軸向長(zhǎng)度的 一部分 上具有這種涂層部分。換句話說(shuō)，所有流動(dòng)路徑在一長(zhǎng)度部分內(nèi)(相對(duì)于 基體在其軸向長(zhǎng)度的同一部分內(nèi))配備涂層。例如可以設(shè)想，使涂層部分 從基體端側(cè)起在例如最多30mm或只有20mm的深度上是有催化作用的。但是也可以例如使整個(gè)總基體表面積做得具有催化作用涂層。
根據(jù)基體的另 一種結(jié)構(gòu)，它具有總基體表面積的至少 一個(gè)涂層部分，
該涂層部分配備涂層厚度最多為15微米jim的催化作用涂層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 用于排氣中污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化的通常的擴(kuò)散過(guò)程由于在基體內(nèi)部的湍流流動(dòng)而 不再按通常的方式方法進(jìn)行。涂層厚度的顯著減小一方面造成流動(dòng)路徑的 水力直徑增加，從而造成排氣流過(guò)基體時(shí)的較小的壓力損失。另一方面， 現(xiàn)在涂層可能做得在表面附近具有適應(yīng)的催化作用區(qū)域的分布，使得可以 進(jìn)一步改善在那里的污染物質(zhì)的催化轉(zhuǎn)化。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合或按照流動(dòng)路徑 類型和/或排氣組成，涂層厚度還可以顯著減小，例如減小到最多8jun或 最多l(xiāng)jim。
按照基體的一種有利的改進(jìn)，僅在具有最多l(xiāng)微米[nml邊界層厚度的 表面邊界層內(nèi)設(shè)置至少一種貴金屬催化劑，所述貴金屬催化劑從由鉑、鈀 和銠組成的組中選取。換句話說(shuō)，貴金屬催化劑實(shí)際上僅僅設(shè)置在涂層表 面上。邊界層厚度可有利地做得更小，例如最多O.ljim。因此，對(duì)表面邊 界層厚度的限制表明了表面邊界層多么具有活性，從而避免了在(無(wú)活性 的)內(nèi)部摻入貴金屬催化劑。
按照基體的一種改進(jìn)，涂層包括一多孔的存儲(chǔ)層，其中，在至少一個(gè) 涂層部分內(nèi)設(shè)置在5至30克每平方米[g/ii^l之間的存儲(chǔ)層。特別優(yōu)選在10 至20g/i^范圍內(nèi)。多孔的存儲(chǔ)層特別是提供了氧氣儲(chǔ)存能力，它例如通過(guò) 所謂的鍍層(washcoat)[包含Al203或鈰的氧化物[Ce01實(shí)現(xiàn)。特別地， 如果待凈化的排氣只具有少量的氧氣，則采用這種存儲(chǔ)層，以便存儲(chǔ)該成 分以用于存儲(chǔ)層內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。這種存儲(chǔ)層有利地具有最多為lOfim[微 米]、優(yōu)選僅為6fim的涂層厚度，并在適當(dāng)時(shí)基本上不含貴金屬催化劑。 對(duì)于要處理柴油機(jī)排氣的情況，建議采用包括作為碳?xì)浠衔锏拇鎯?chǔ)物質(zhì) 的沸石的存儲(chǔ)層，而在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下建議采用氧氣存儲(chǔ)器(鈰/鋯的 氧化物)。
設(shè)置兩個(gè)以上的層可能是有利的一一例如一帶相互間有規(guī)定間距的貴 金屬催化劑的表面邊界層、 一適合應(yīng)用場(chǎng)合的存儲(chǔ)層和一設(shè)置在它們之間的阻擋層，這防止了在表面層和存儲(chǔ)層內(nèi)的排氣成分的不希望的相互作用.
應(yīng)該指出，涂層本身的結(jié)構(gòu)、即涂層成分的布置和構(gòu)型可能關(guān)系重大， 因此認(rèn)為涂層借助于所謂的微觀技術(shù)和/或納米技術(shù)積累或涂抹在基體上 是有利的。微觀技術(shù)(也稱為微型構(gòu)造技術(shù))涉及用來(lái)制造尺寸在微米范
圍內(nèi)(0.1fun-1000nm)的物體和幾何結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)例如用作涉及制造小 于100納米[nml的物體和結(jié)構(gòu)的范圍廣泛的技術(shù)的綜合概念。用這些方法 能以更有目的和確定的方式形成涂層。
按照基體的一種改進(jìn)，流動(dòng)路徑至少部分地用金屬絲織物界定。極其 特別優(yōu)選地采用這樣的結(jié)構(gòu)，即，在這種結(jié)構(gòu)中，基體用規(guī)定數(shù)量的完全 形成構(gòu)造的層和相應(yīng)數(shù)量的由金屬絲制成的織物構(gòu)成，其中形成構(gòu)造的層 和織物相互交替i殳置。這里，層的構(gòu)造和織物一起構(gòu)成流動(dòng)路徑的邊界或 壁。鑒于層由不透氣材料制成的事實(shí)，例如可以通過(guò)使用形成構(gòu)造的層使 流動(dòng)路徑橫截面縮小來(lái)影響對(duì)流過(guò)流動(dòng)路徑的部分氣流的過(guò)濾，它促使部 分氣流至少部分地進(jìn)入織物或者甚至穿過(guò)那里。鑒于基體的各個(gè)部件通常 經(jīng)受非常大的熱應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力的事實(shí)，不管是層還是織物都由相同的材 料制成是有利的。應(yīng)明確指出，這里"織物"的概念應(yīng)被理解成不同類型的 金屬絲復(fù)合物一一隨意布置的、織造織物、針織織物、非織造的等一一的 總的概念，其中它們可以相互鉤結(jié)、焊接、釬焊、燒結(jié)等在一起。
根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)還建議，至少一個(gè)至少部分形成構(gòu)造的層包括一不銹鋼 薄板。這特別是指包括按重量計(jì)約18-22%的鉻、按重量計(jì)約4.5-6%的鋁、 按重量計(jì)在約0.04至0.08。/。之間的鈦、鐿和鋯的添加物以及作為基本材料 的鐵的金屬薄板。這種耐高溫和耐腐蝕的材料已經(jīng)被證明適用于汽車領(lǐng)域 中使用的已知的催化劑基體。
在這樣小的涂層厚度時(shí)，為了保證基體的長(zhǎng)的使用壽命，如果涂層可 靠地固定在不銹鋼薄板和/或織物上則是有利的。因此還建議，至少金屬絲 或不銹鋼薄板在至少一涂層部分內(nèi)具有一在2至6nm[微米]范圍內(nèi)的凈JL^ 度Rz。對(duì)于例如在不銹鋼薄板或金屬絲上設(shè)置存儲(chǔ)層的情況，粗糙度優(yōu)選 在2至3jun的范圍內(nèi)。如果要省去這種存儲(chǔ)層且催化劑要直接分配在金屬
ii絲和/或不銹鋼薄板表面上，那么金屬絲和/或不銹鋼薄板的粗糙度在3至 6jim范圍內(nèi)。
這里金屬絲或不銹鋼薄板包含鋁作為一組成部分，它在至少一個(gè)涂層 部分內(nèi)形成表面氧化物，則特別有利。優(yōu)選地不管是金屬絲還是不銹鋼薄 板都在表面上形成有鋁的氧化物。這特別是指，不銹鋼薄板或金屬絲經(jīng)過(guò) 熱處理，使得由金屬中的鋁在表面上形成鋁的氧化物。
例如對(duì)于下述不銹鋼薄板可以通過(guò)如下方式得到合適的表面氧化物 (如特別是所謂的Y-或6-Ah03)，即，對(duì)于具有50nm[微米厚度的不銹 鋼薄板在卯O'C下在空氣中或在925。C下在由氬和按重量計(jì)4%的112和按 重量計(jì)7%的H20組成的混合氣體中處理70小時(shí)。試驗(yàn)不銹鋼薄板在一 種情況下是"鐵*金(Fecralloy)"材料(Fe按重量計(jì)72.3%; Cr按重 量計(jì)22.0%; Al按重量計(jì)5.10%; Si按重量計(jì)0.42%; Hf按重量計(jì)少于 0.01%; Mg按重量計(jì)0.003%; Mn按重量計(jì)0.10%; Ti按重量計(jì)0.051%; Y按重量計(jì)0.074%; Zr按重量計(jì)0.077%; C按重量計(jì)0.048%; S按重量計(jì) 少于0.001%; N按重量計(jì)0.0180%; O按重量計(jì)0.0160% )或者是"含釔、 鉿合金元素的鐵鉻鋁鋼(Aluchrom YHf) ，， ( Fe按重量計(jì)72.0%; Cr按 重量計(jì)20.5%; Al按重量計(jì)5,39。/o; Si按重量計(jì)0.29。/o; Hf按重量計(jì)0.026%; Mg按重量計(jì)0.008%; Mn按重量計(jì)0.12%; Ti按重量計(jì)0.005%; Y按重量 計(jì)0.041%; Zr按重量計(jì)0.055%; C按重量計(jì)0.035%; S按重量計(jì)0.002%; N按重量計(jì)0.0034%; O按重量計(jì)0.0086% )。在形成表面氧化物之后涂覆 貴金屬催化劑。
按照基體的另 一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，至少一種貴金屬催化劑直接涂覆在至少 金屬絲或不銹鋼薄板上，所述貴金屬催化劑選自由鉑、鈀和銠組成的組中。 優(yōu)選地，貴金屬催化劑基本上均勻地涂在金屬絲或不銹鋼薄板上。在此時(shí) 不設(shè)置存儲(chǔ)層。因此總體上得到例如小于30nm納米l、特別是在0.5至 20nm范圍內(nèi)的涂層高度。
此外，為了保證在基體的流動(dòng)路徑中的流動(dòng)盡可能紊亂，建議各流動(dòng) 路徑具有一長(zhǎng)度，在該長(zhǎng)度上具有以最多20mm重復(fù)間隔的通路。換句話說(shuō)，至少每20mm、有利地甚至至多每10mm設(shè)置一通向相鄰流動(dòng)路徑的 通路。特別優(yōu)選地在相接連的重復(fù)間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)或與不同的相鄰流動(dòng)路 徑的交叉混合。
原則上，如果在各流動(dòng)路徑內(nèi)設(shè)置足夠數(shù)量的大的通路，它們例如在 基體工作時(shí)不會(huì)被堵塞，那么對(duì)于實(shí)現(xiàn)湍流流動(dòng)便足夠了。但是特別優(yōu)選 采用這種結(jié)構(gòu)，即，通路的至少一部分配設(shè)伸入流動(dòng)路徑內(nèi)的導(dǎo)向面。這 些導(dǎo)向面例如可以通過(guò)層中在通路周圍(相鄰)區(qū)域內(nèi)的沖壓結(jié)構(gòu)或凹陷 構(gòu)成。關(guān)于導(dǎo)向面的伸入程度，有利地，導(dǎo)向面阻塞流動(dòng)路徑的最小橫截 面的例如約50-80%,從而對(duì)流過(guò)的排氣產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)壓力。由此強(qiáng)制部分 排氣流穿過(guò)在前的通路和/或織物。
根據(jù)基體的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，通路至少部分地由位于至少一個(gè)層中的孔 形成，所迷孔具有至少25平方毫米mm1的孔橫截面?？讬M截面至少為50 mir^的結(jié)構(gòu)特別優(yōu)選。對(duì)于孔例如做成圓形的情況，優(yōu)選采用直徑為至少 8mm毫米的孔。這些大的孔在多個(gè)流動(dòng)路徑的壁上以規(guī)定間隔延伸，使 得相鄰的壁同時(shí)開啟并能實(shí)現(xiàn)橫向流動(dòng)。此外，排氣在流過(guò)孔邊緣時(shí)向孔 偏轉(zhuǎn)，這造成部分氣流進(jìn)一步分開。在孔橫截面加大時(shí)這種效果更好。
此外還建議，層的至少一半做得帶有孔，其中對(duì)于各層的開孔橫截面 之和至少相當(dāng)于封閉的層表面的30%。例如如果基體用光滑和波紋層做 成，則這種結(jié)構(gòu)特別優(yōu)選，其中特別是光滑層做得具有孔，波紋層提供帶 導(dǎo)向面或凹陷的通路。至少30。/。的封閉的層表面做得帶有孔是為了說(shuō)明每 個(gè)層應(yīng)設(shè)置多少個(gè)這種孔。特別是在大應(yīng)力的基體時(shí)或者為了保證有足夠 的表面積用于涂覆催化作用涂層，開孔橫截面之和不應(yīng)該超過(guò)封閉的層表 面的50%。這里封閉的層表面特別是指不設(shè)置孔時(shí)層的表面積。
特別優(yōu)選采用這樣的基體，即，其中的流動(dòng)路徑設(shè)計(jì)成使得流過(guò)的氣 體在流動(dòng)路徑長(zhǎng)度的至少80。/。上是湍流。這里優(yōu)選基體的大多數(shù)、特別優(yōu) 選全部流動(dòng)路徑相應(yīng)地設(shè)計(jì)。已經(jīng)證實(shí)，采用本發(fā)明的涂層特別適合于這 種特別是湍流的氣流。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了 一種用來(lái)制造具有一包含至少一個(gè)帶催化作用涂層的涂層部分的總表面積的基體的方法，它至少包括以下步驟
a) 提供一具有光滑表面的基體；
b) 在規(guī)定環(huán)境條件下確定基體的壓力損失；
c )形成一具有在2至10微米范圍內(nèi)的平均粗糙度Rz的表面，其中基 體經(jīng)歷最多25%的壓力損失增量；
d )將催化劑元素設(shè)置成使得它們分歉地沿表面以至少3微米的平均間 距布置。
該方法特別適合于用來(lái)制造本發(fā)明的上述基體，在這方面始終可以參 考上面的說(shuō)明以用于進(jìn)一步解釋。
步驟a)特別包括提供金屬蜂窩體，它用至少一個(gè)至少部分形成構(gòu)造 的薄板構(gòu)成。步驟b)特別按上面已經(jīng)說(shuō)明過(guò)的方式進(jìn)行。在進(jìn)行步驟c) 之前，可以至少部分地重新拆開基體和/或與其它部件組合。此外，特別是 在步驟a) 、 c)和/或步驟d)中，可以對(duì)基體進(jìn)行熱處理(氧化、加熱等 等)和/或接合(焊接、釬焊、粘結(jié)等)。在開始步驟d)之前也可以重復(fù) 步驟b)和c),直至出現(xiàn)希望的壓力損失增量。但是仍應(yīng)注意，特別是在 這種基體的批量生產(chǎn)的情況下，不一定需要進(jìn)行步驟b);在邊界條件不 變的情況下，可以假設(shè)基體從步驟a)開始始終具有相同的壓力損失，從 步驟c)開始始終具有相同的壓力損失增量，因此不必再單獨(dú)確定這些特 征變量。
如果步驟c)包括至少一個(gè)下列過(guò)程，則這種方法特別優(yōu)選 cl)機(jī)加工表面；
c2)形成表面氧化物； c3)涂覆表面；
c4)通過(guò)納米技術(shù)將材料涂在表面(35)上。
在某些情況下，進(jìn)行這些過(guò)程中的至少兩個(gè)可能是有利的，此時(shí)，這 些過(guò)程也可以在工藝流程的不同時(shí)刻進(jìn)行。
過(guò)程cl)包括例如表面的刮擦處理(磨、刮等)；步驟c2)特別涉及 形成鋁的氧化物，如上面已經(jīng)說(shuō)明過(guò)的那樣。因此，過(guò)程cl)和c2)是與改變基體本身的基本材料的粗糙輪廓有關(guān)的主要加工步驟，而過(guò)程c3)和 c4)涉及(相同的)添加材料的涂覆。在后面所述的過(guò)程中，可以采用對(duì) 排氣催化轉(zhuǎn)化已知的涂覆過(guò)程，或者可選擇地，可以使用上述微觀技術(shù)或 納米技術(shù)的涂覆方法。
在按本發(fā)明所述的和/或按本發(fā)明制造的基體的工業(yè)適用性方面，特別 參考例如與汽車相結(jié)合的排氣處理單元。因此，本發(fā)明也提出了一種相應(yīng) 的排氣處理單元和具有至少一個(gè)這種排氣處理單元的汽車。


下面借助于附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明及其技術(shù)背景。附圖表示本發(fā)明特別 優(yōu)選的實(shí)施方案，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施方案。在附圖中 圖l是用于本發(fā)明的基體的一種實(shí)施方案的層3的透視圖。 圖2A^體1的另一種實(shí)施方案的端視圖。 圖3是帶涂層的層的第一實(shí)施例。 圖4是帶涂層的層的第二實(shí)施例。 圖5是帶涂層的層的第三實(shí)施例。 圖6是流動(dòng)路徑的一種實(shí)施方案。 圖7是本發(fā)明的基體的又一實(shí)施方案的局部透視圖。 圖8是帶有排氣處理單元的汽車。 圖9是催化劑元素在表面上的*分布的示意圖。 圖IO是催化劑元素在表面上的分散分布的另一示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1以透視圖表示了具有至少部分地界定了流動(dòng)路徑4的波紋結(jié)構(gòu)的 層3的第一實(shí)施方案。這里流動(dòng)路徑4具有一長(zhǎng)度19,在所示實(shí)施方案中 提供了基本為直線的平行定向的流動(dòng)路徑4。在構(gòu)成層3的波紋不銹鋼薄 板17中按可預(yù)先確定的重復(fù)間隔20設(shè)置通路6。如借助于中間所示的流 動(dòng)路徑4所表示的那樣，這些通路6允許排氣轉(zhuǎn)移到其它流動(dòng)路徑4中，即可以M過(guò)向上或向下壓的導(dǎo)向面21也可以經(jīng)由穿過(guò)層3的相鄰的開 口。在更詳細(xì)考察用箭頭表示的流動(dòng)路徑4時(shí)，顯然，排氣流接觸設(shè)置在 流動(dòng)路徑4內(nèi)的導(dǎo)向面21,這使流動(dòng)路徑的最小橫截面顯著變窄。由于由 此造成的動(dòng)壓力，使處于流動(dòng)路徑4內(nèi)的部分排氣流的大部分向上偏轉(zhuǎn)， 其中在這個(gè)位置優(yōu)選設(shè)置由金屬絲制成的織物(這里未示出)，然后它過(guò) 濾和凈化流過(guò)其中的排氣。但是動(dòng)壓力只積累到排氣能夠偏轉(zhuǎn)為止。這可 以借助于在左面示出的虛線箭頭看出。此外應(yīng)該注意，導(dǎo)向面11不完全封 閉流動(dòng)路徑4，使得在那里還可以形成旁路流(圖1右面的虛線箭頭)。
特別是這種具有設(shè)置在上面或下面的金屬絲織物的裝置也稱為旁路流 過(guò)濾器，因?yàn)椴糠峙艢饬髟诟髑闆r下具有流經(jīng)各導(dǎo)向面的可能性。但是， 最終希望導(dǎo)向面i殳置成使得"統(tǒng)計(jì)地"全部排氣至少一次穿過(guò)過(guò)濾介質(zhì)。 這種旁路流過(guò)濾器的特別的優(yōu)點(diǎn)是，它具有非常小的壓力損失。它同時(shí)可 實(shí)現(xiàn)相當(dāng)可觀的轉(zhuǎn)化和過(guò)濾率。
圖2表示基體1的一種實(shí)施方案，其中許多光滑和形成構(gòu)造的層3相 互S形巻曲并裝在一殼體27內(nèi)。層3由光滑不銹鋼薄板16和波紋不銹鋼 薄板17構(gòu)成。在光滑不銹鋼薄板和波紋不銹鋼薄板之間形成基本上相互平 行延伸的通道或流動(dòng)路徑4。通過(guò)不銹鋼薄板16、 17構(gòu)成的流動(dòng)路徑4的 邊界總體構(gòu)成總基體表面積7，或者也稱為"GSA(幾何表面積)"。
圖3示意表示在層3上的涂層2的笫一實(shí)施方案。涂層2總共具有最 多10nm的涂層厚度9。它由外面的直接與排氣接觸且具有最多l(xiāng)pm邊界 層厚度12的表面邊界層11構(gòu)成?；旧纤匈F金屬催化劑10都設(shè)置在這 個(gè)表面邊界層11內(nèi)。此外在表面邊界層11和層3之間設(shè)置多孔的存儲(chǔ)層 13。這個(gè)存儲(chǔ)層可以例如用Y -Al203 (鍍層)或由Y -入1203和CeO及其它 氧化物的混合物構(gòu)成，此時(shí)其層厚相應(yīng)地選擇成較小。
圖4表示涂層2的另一示例性實(shí)施例，其中層3用光滑不銹鋼薄板16 構(gòu)成，它具有相應(yīng)含量的鋁。借助于在光滑不銹鋼薄板16中存在的鋁一一 適當(dāng)時(shí)用后續(xù)添加的鋁作代替或補(bǔ)充一一通過(guò)相應(yīng)的熱處理形成表面氧化 物18。表面氧化物18例如提高了光滑不銹鋼薄板16的粗糙度，使貴金屬催化劑10可持久地附著。
在圖5中貴金屬催化劑10直接涂在層3上。因此表面邊界層11的邊 界層厚度12 (即特別是設(shè)置貴金屬催化劑10的涂層)或涂層總厚度9被 限制在幾納米內(nèi)。此時(shí)在涂層部分或?qū)颖砻?4上的貴金屬催化劑10優(yōu)選 地均勻分布。這里在層3中還表示了具有大的孔橫截面23的孔22，由此 允許了通過(guò)層3的流體交換。
在圖3至5中同時(shí)還表示了各貴金貴催化劑10之間的要求的間距34。
圖6中以局部示意圖表示了流動(dòng)路徑4的一種實(shí)施方案。這里基體由 交替設(shè)置的織物14和波紋不銹鋼薄板17構(gòu)成.流動(dòng)路徑4做得具有至少 為0.5mii^的最小橫截面5 (劃陰影線)。在確定最小橫截面5時(shí)，不考慮 伸入流動(dòng)路徑4內(nèi)的導(dǎo)向面21,而是采用該部位的總橫截面，如同存在于 流動(dòng)路徑的大的分區(qū)域中的那樣。
織物14包括例如做得粗細(xì)為15至50nm[微米]的金屬絲15?？椢镉欣?地具有200至1000 g/m2 [克/平方米的面重量和0.1至0.5mm[毫米之間的 高度。單根金屬絲15相互焊接，在織物14和波紋不銹鋼薄板17之間有利 地設(shè)置相應(yīng)的或類似的接合點(diǎn)。用來(lái)促使流過(guò)的排氣中的污染物質(zhì)催化轉(zhuǎn) 化的貴金屬催化劑10直接設(shè)置在織物14上或內(nèi)和波紋不銹鋼薄板17上。
圖7以局部透示圖表示了基體1的另一種結(jié)構(gòu)?；w同樣用波紋層3 構(gòu)成，在它們之間設(shè)置織物14。層3配備用來(lái)控制排氣流動(dòng)的導(dǎo)向面21, 排氣通常沿主流動(dòng)方向14流過(guò)基體1 (夾帶的顆粒29也一樣)。在這種 實(shí)施方案中，僅僅在下面表示的波紋層3配備孔22,但是不是強(qiáng)制要求的。 設(shè)置在它們之間的光滑層包括一復(fù)合材料，它包括具有光滑不銹鋼薄板16 的部分和具有織物14的部分。這兩部分有利地通過(guò)接合、特別是通過(guò)焊接 相互連接。由圖可以看出，光滑不銹鋼薄板16形成一涂層部分8，即在那 里設(shè)有催化作用材料，在這種實(shí)施方案中，織物bM故得不帶相應(yīng)的涂層。 既可在光滑不銹鋼薄板16內(nèi)也可以在織物14內(nèi)設(shè)置其它一些孔22或通路 (未示出)。
圖8示意表示了這里所述的基體作為汽車26內(nèi)的排氣處理單元25的特別優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域。這里在內(nèi)燃機(jī)30中產(chǎn)生的排氣通i^f目應(yīng)的排氣系統(tǒng) 31，并在該過(guò)程中在其最后經(jīng)凈化排入外界之前例如流過(guò)多個(gè)具有這種基 體的排氣處理單元25。除所示應(yīng)用領(lǐng)域外，這種基體也可以用在固定式燃 燒設(shè)備、作業(yè)機(jī)械、手提工具等中。
圖9示意表示了在涂層部分8內(nèi)催化劑元素32在總表面積7上的* 分布的俯視圖。催化劑元素32分散分布在基體1的表面上，其中催化劑元 素32有利地具有小于lOrnn的平均尺寸33。它們?cè)O(shè)置成相互之間的間距 34大于催化劑元素32的尺寸33。
圖10以另一種方式表示了催化劑元素32的分散設(shè)置，它們沿表面35 的平均間距34為至少3微米。此外，表面具有約6nm的平均粗糙度Rz， 這在該情況下由光滑不銹鋼薄板16的表面氧化物18形成。現(xiàn)在根據(jù)本發(fā) 明的粗糙輪廓保證了催化劑元素32相互之間的足夠的間距，從而可避免在 表面35上的催化劑元素32濃度提高時(shí)熔合在一起，并保證排氣污染物質(zhì) 的有效轉(zhuǎn)化。此外，除了更好地轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)外，由于涂層材料量的減少， 還能實(shí)現(xiàn)這種基體在制造成本方面的額外的好處。
附圖標(biāo)記列表
l基體2涂層
3層4流動(dòng)路徑
5最小橫截面6通路
7總基體表面積8涂層部分
9涂層厚度10貴金屬催化劑
ll表面邊界層12邊界層厚度
13存儲(chǔ)層14織物
15金屬絲16光滑不銹鋼薄板
17波紋不銹鋼薄板18表面氧化物
19長(zhǎng)度20重復(fù)間隔
21導(dǎo)向面22孔
23孔橫截面24層表面
1825排氣處理單元 26汽車
27殼體 28主流動(dòng)方向
29顆粒 30內(nèi)燃才幾
31排氣系統(tǒng) 32催化劑元素
33尺寸 34間距
35表面 Rz平均Wt度
權(quán)利要求
1. 具有總表面積(7)的基體(1)，所述總表面積包括至少一個(gè)帶催化作用涂層(2)的涂層部分(8)，所述催化作用涂層包含至少一種催化劑元素(32)，所述催化劑元素分散設(shè)置在基體(1)的表面(35)上，其中-催化劑元素(32)沿表面具有至少為3微米的平均間距(34)，-表面(35)具有2至10微米的平均粗糙度Rz，以及-基體(1)與具有光滑和未涂覆表面(35)的基體相比具有最多25％的壓力損失增量。
2. 按權(quán)利要求1的基體(1),其特征在于，所述催化劑元素(32 ) 按0.2至2.0克每平方米的總基體表面積(7)的量設(shè)置。
3. 按權(quán)利要求1或2的基體(1),其特征在于，所迷催化劑元素 (32)包含從由鉑、鈀、銠組成的組中逸取的貴金屬催化劑(10)。
4. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，所述催化 劑元素(32)的平均尺寸(33)在5至10納米范圍內(nèi)。
5. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1),構(gòu)造成具有至少一個(gè)至 少部分形成構(gòu)造的不透氣材料的層(3),使得存在大量具有0.5平方毫米 的最小橫截面(5)的流動(dòng)路徑(4),其中，至少多數(shù)流動(dòng)路徑(4)做得 具有多個(gè)通向至少一條相鄰流動(dòng)路徑(4)的通路(6)。
6. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1),其特征在于，所述總基 體表面積(7)的至少一個(gè)涂層部分(8)具有一催化作用涂層(2)，該催 化作用涂層具有至多15微米的涂層厚度(9)。
7. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，僅在具有 最多l(xiāng)微米邊界層厚度(12)的表面邊界層(11)中設(shè)置至少一種貴金屬 催化劑(10),所述貴金屬催化劑從由鉑、鈀和銠組成的組中選取。
8. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，所述涂層 (2)包括一多孔的存儲(chǔ)層(13),其中，在所迷至少一個(gè)涂層部分(8)中設(shè)置5至30克每平方米的存儲(chǔ)層。
9. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1),其特征在于，所迷流動(dòng) 路徑(4)至少部分地用由金屬絲(15)制成的織物(14)界定。
10. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，所迷至少 一個(gè)至少部分形成構(gòu)造的層(2)包括不銹鋼薄板(16、 17)。
11. 按權(quán)利要求9或10的基體(1)，其特征在于，至少所述金屬絲 (15)或不銹鋼薄板(16、 17)在所述至少一個(gè)涂層部分(8)中具有在2至6微米范圍內(nèi)的粗糙度Rz。
12. 按權(quán)利要求9至11的基體(1),其特征在于，至少所述金屬絲 (15)或不銹鋼薄板(16、 17)包括作為組成部分的鋁，所述鋁在所述至少一個(gè)涂層部分(8)中形成表面氧化物(18)。
13. 按權(quán)利要求9至12之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，至少一 種貴金屬催化劑(10 )直接涂覆在至少所迷金屬絲(15 )或不銹鋼薄板(16、 17)上，所述貴金屬催化劑從由柏、鈀和銠組成的組中選取。
14. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，各流動(dòng)路 徑(4)具有一長(zhǎng)度(19),在該長(zhǎng)度(19)上以最大20亳米的重復(fù)間隔(20 )設(shè)置通路(6 )。
15. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，通路(6) 中的至少一些配i殳伸入流動(dòng)路徑(4)的導(dǎo)向面(21)。
16. 按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的基體(1)，其特征在于，流動(dòng)路徑 (4 )構(gòu)造成使得流過(guò)其中的氣體在流動(dòng)路徑(4 )的長(zhǎng)度(19 )的至少80%上是鴻流。
17. 用來(lái)制造具有總表面積(7 )的基體(1)的方法，所述總表面積 包括至少一個(gè)帶催化作用涂層(2)的涂層部分(8)，所述方法至少包括 以下步驟a) 提供一具有光滑表面(35)的基體(1);b) 在規(guī)定環(huán)境條件下確定基體(1)的壓力損失；c) 形成具有在2至10微米范圍內(nèi)的平均粗糙度Rz的表面(35),基體(1)得到最多25。/。的壓力損失增量；d)設(shè)置催化劑元素(32)使得它們沿表面以至少3微米的平均間距 (34)分散布置。
18. 按權(quán)利要求17的方法，其特征在于，步驟c)至少包括以下過(guò)程 之一cl)才幾加工表面(35)， c2)形成表面氧化物(34)， c3)涂覆表面(35)，c4)借助于納米技術(shù)將材料涂覆在表面(35)上。
19. 具有至少一個(gè)按權(quán)利要求1至16之一所述的或按權(quán)利要求17或 18的方法制造的基體(1)的排氣處理單元(25)。
20. 具有至少一個(gè)按權(quán)利要求19的排氣處理單元(25 )的汽車(26 )。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有一總表面積(7)的基體(1)，所述總表面積(7)包括至少一個(gè)帶催化作用涂層(2)的涂層部分(8)，所述催化作用涂層(2)包含至少一種催化劑元素(32)，所述催化劑元素分散設(shè)置在基體(1)的表面(35)上，其中催化劑元素(32)沿表面具有至少3微米的平均間距(34)，表面(35)具有2至10微米的平均粗糙度R_Z，基體(1)與具有光滑和未涂覆表面(35)的基體相比具有最多25％的壓力損失增量。
文檔編號(hào)B01J35/04GK101443121SQ200780017147
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者H·斯托克, P·希爾特, R·布呂科, T·黑里希 申請(qǐng)人:排放技術(shù)有限公司