催化轉(zhuǎn)化器的制造方法
【專利說(shuō)明】催化轉(zhuǎn)化器
[0001] 發(fā)明背景 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及安放并固定在構(gòu)成廢氣排氣系統(tǒng)的管道中的催化轉(zhuǎn)化器。
[0003] 2.相關(guān)技術(shù)描述
[0004] 全世界各種工業(yè)已經(jīng)為降低環(huán)境影響負(fù)荷作出各種努力，特別地，汽車工業(yè)已努 力推廣所謂的環(huán)保汽車，如混合電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車以及具有優(yōu)異燃料經(jīng)濟(jì)性能的汽油汽 車，并努力作出旨在進(jìn)一步改進(jìn)其性能的發(fā)展。
[0005] 通常，在連接車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和消聲器的廢氣排氣系統(tǒng)中安置用于凈化廢氣的催化轉(zhuǎn) 化器。
[0006] 發(fā)動(dòng)機(jī)排放環(huán)境有害物質(zhì)，如CO和NOx以及未燃燒的HC和V0C，因此，為了將這樣 的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化成許可的物質(zhì)，在具有許多孔的基底的孔壁中形成由貴金屬催化劑如鈀或 鉑形成的催化劑層。更具體地，在許多孔的孔壁中，在基底的縱向（這也是廢氣的流向）中 形成催化劑層。當(dāng)廢氣經(jīng)過(guò)具有由此構(gòu)成的基底的催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，CO轉(zhuǎn)化成C02,NOx轉(zhuǎn)化 成隊(duì)和0 2，且VOC燃燒產(chǎn)生0)2和H20。
[0007] 例如，關(guān)于催化轉(zhuǎn)化器，具有蜂窩結(jié)構(gòu)的含孔的基底的孔密度通常均一。但是，由 于廢氣的流速分布在基底橫截面的中心區(qū)中高于周邊區(qū)中，這引起沒(méi)有充分利用整個(gè)基底 中的催化劑層的問(wèn)題?？紤]到廢氣的這種流速分布，修改催化轉(zhuǎn)化器以使基底中心區(qū)的孔 密度高于周邊區(qū)。因此，可以盡可能降低基底橫截面內(nèi)的流速分布差異并由此可以有效利 用整個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的催化劑層凈化廢氣。
[0008] 日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2002-177794(JP2002-177794A)公開(kāi)了通過(guò)與沉積在具 有蜂窩結(jié)構(gòu)且整個(gè)催化轉(zhuǎn)化器（在此稱作催化劑體）中的孔密度均一的基底的周邊區(qū)（在 此稱作外周區(qū)段）中的量相比改變沉積在中心區(qū)（在此稱作中心區(qū)段）中的貴金屬催化劑 的量來(lái)改進(jìn)廢氣凈化性能的技術(shù)。更具體地，在催化劑體中，將沉積在具有大氣體流速的中 心區(qū)段中的每單位體積的催化劑量設(shè)定為外周區(qū)段中的I. 1倍或更大。但是，這種技術(shù)固 有的問(wèn)題在于，由于整個(gè)催化劑中的均一孔密度，很難期望高廢氣凈化性能，并且在通過(guò)提 高貴金屬催化劑的量來(lái)凈化廢氣的方法中會(huì)產(chǎn)生大量硫化氫，這是異味的成因。
[0009] 此外，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2006-281 134(JP2006-281 134A)公開(kāi)了一種蜂窩 結(jié)構(gòu)，其中孔密度從中心區(qū)向外周區(qū)降低。相應(yīng)地，通過(guò)改變?cè)摲涓C結(jié)構(gòu)的橫截面內(nèi)的孔密 度，可以將廢氣的流速分布調(diào)節(jié)到在該蜂窩結(jié)構(gòu)的橫截面內(nèi)盡可能均一。但是，已經(jīng)確認(rèn)， 通過(guò)僅如所述調(diào)節(jié)孔密度以將流速分布簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)到盡可能均一無(wú)法在廢氣凈化過(guò)程中有 效利用構(gòu)成蜂窩結(jié)構(gòu)的整個(gè)催化劑層。
[0010] 發(fā)明概述
[0011] 本發(fā)明提供了可有效利用催化轉(zhuǎn)化器中的整個(gè)催化劑凈化廢氣并因此具有優(yōu)異 的廢氣凈化性能的催化轉(zhuǎn)化器。
[0012] 本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種催化轉(zhuǎn)化器，其包括：具有孔結(jié)構(gòu)的基底，其由具有最 高孔密度的中心區(qū)、具有最低孔密度的周邊區(qū)和位于中心區(qū)和周邊區(qū)之間并具有介于中心 區(qū)的孔密度和周邊區(qū)的孔密度之間的孔密度的中間區(qū)構(gòu)成；在基底的中心區(qū)的孔壁上形成 并包括第一貴金屬催化劑的第一催化劑層；在基底的中間區(qū)的孔壁上形成并包括第二貴金 屬催化劑的第二催化劑層；和在基底的周邊區(qū)的孔壁上形成并包括第三貴金屬催化劑的第 三催化劑層。第二催化劑層在基底縱向上的長(zhǎng)度比第一催化劑層的縱向長(zhǎng)度長(zhǎng)，第三催化 劑層的縱向長(zhǎng)度比第二催化劑層的縱向長(zhǎng)度長(zhǎng)，且中心區(qū)中的第一催化劑層的縱向長(zhǎng)度與 基底的縱向長(zhǎng)度的比率為65%或更大。本發(fā)明的"第一至第三催化劑層"分別是指各區(qū)域 中的整個(gè)催化劑層的最厚部分。第一至第三貴金屬催化劑可以是相同的貴金屬催化劑。 [0013] 在本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器中，例如，具有許多孔的基底由孔密度彼此不同的中心區(qū)、 中間區(qū)和周邊區(qū)構(gòu)成，且中心區(qū)具有最高孔密度，而周邊區(qū)具有最低孔密度。相應(yīng)地，與 具有均一孔密度的基底相比，可以降低廢氣在中心區(qū)、中間區(qū)和周邊區(qū)之間的流速分布差 異。此外，關(guān)于中心區(qū)、中間區(qū)和周邊區(qū)中的催化劑層的縱向長(zhǎng)度（廢氣在基底中流過(guò)的長(zhǎng) 度），中間區(qū)的催化劑層比中心區(qū)的長(zhǎng)，周邊區(qū)的催化劑層比中間區(qū)的長(zhǎng)。因此，可以有效利 用構(gòu)成該催化轉(zhuǎn)化器的整個(gè)催化劑層。
[0014] 下面描述上述情況的原因。在沿縱向橫截面切割基底的垂直剖視圖中，與具有均 一的每單位體積孔密度的基底相比，在中心區(qū)具有相對(duì)較高孔密度的基底中，流入具有相 對(duì)較低孔密度的周邊區(qū)的廢氣量提高。關(guān)于在孔壁上形成的各催化劑層在基底縱向上的長(zhǎng) 度（為各催化劑層的縱向長(zhǎng)度與基底的縱向長(zhǎng)度設(shè)定各種比率），如果對(duì)具有不同孔密度 的基底的各催化劑層使用充當(dāng)參照物的具有均一孔密度的傳統(tǒng)基底的催化劑層，在具有小 孔密度的周邊區(qū)中由于與具有均一孔密度的傳統(tǒng)基底相比大量廢氣流經(jīng)其中（待凈化的 廢氣量），不可能獲得足夠的凈化性能?？紤]到上述情況，除在中心區(qū)、中間區(qū)和周邊區(qū)之間 改變孔密度外，還將中間區(qū)和周邊區(qū)中的催化劑層的縱向長(zhǎng)度設(shè)定得比中心區(qū)長(zhǎng)。因此，中 間區(qū)和周邊區(qū)中的催化劑層與廢氣的接觸面積提高，并由此改進(jìn)廢氣凈化性能。
[0015] 以中心區(qū)、中間區(qū)和周邊區(qū)的順序逐步或連續(xù)降低孔密度，以此模式改變各區(qū)域 的孔密度。此外，不僅可以提供一個(gè)中間區(qū)，還可以提供兩個(gè)或更多個(gè)中間區(qū)。相應(yīng)地，各 自具有不同孔密度的區(qū)域數(shù)目可能不是3,而是4或更大。
[0016] 此外，在本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器中，關(guān)于催化劑層的比率，將中心區(qū)中的催化劑層的 縱向長(zhǎng)度與基底的縱向長(zhǎng)度的比率限定為65 %或更大。由于如剛剛所述限定中心區(qū)中的催 化劑層的長(zhǎng)度與基底長(zhǎng)度的比率，該催化轉(zhuǎn)化器表現(xiàn)出優(yōu)異的氣體凈化性能。
[0017] 在孔壁中形成的催化劑層的一個(gè)實(shí)施方案具有雙層結(jié)構(gòu)，包括在孔壁側(cè)上的下層 和在其上的上層，且各層由Pd、Pt、Rh中的一種或多種作為貴金屬催化劑形成。
[0018] 除由含有氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅的復(fù)合氧化物的堇青石、和碳化硅的陶瓷材 料等形成的基底外，所用的具有孔結(jié)構(gòu)的基底可以由陶瓷材料以外的金屬材料等的材料形 成。關(guān)于基底的構(gòu)造，可以使用所謂的蜂窩結(jié)構(gòu)，其包括許多格形孔，如正方形、六邊形、八 邊形等。
[0019] 中心區(qū)的孔密度與周邊區(qū)的孔密度的比率可以為至少大于1和最多2。
[0020] 設(shè)定該數(shù)值范圍的上限和下限的基礎(chǔ)是，如果孔密度的比率為1或更低，則由于 中心區(qū)與周邊區(qū)之間的孔密度差異，無(wú)法充分控制流入各區(qū)域的孔中的廢氣量，如果孔密 度的比率超過(guò)2,則流入周邊區(qū)中的廢氣量變得太大，因此凈化性能變差。
[0021] 本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器可具有抗熱震性質(zhì)優(yōu)異的堇青石蜂窩載體，但其也可以是電 熱轉(zhuǎn)化器（EHC)。在EHC中，將一對(duì)電極連接到蜂窩催化劑上，通電以加熱蜂窩催化劑，并由 此增強(qiáng)蜂窩催化劑的活性以凈化例如經(jīng)過(guò)其的廢氣。當(dāng)用于連接車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和消聲器的廢 氣排氣系統(tǒng)時(shí)，EHC可以在常溫下借助該催化劑凈化廢氣。即使催化劑是冷的，EHC也可以 電加熱該催化劑以便活化并由此凈化廢氣。
[0022] 由上文的描述已經(jīng)理解，根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器，可以提供表現(xiàn)出優(yōu)異的廢氣 凈化性能的催化轉(zhuǎn)化器。
[0023] 附圖簡(jiǎn)述
[0024] 下面參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的特征、優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)和工業(yè)意義， 其中類似數(shù)字是指類似元件，且其中：
[0025] 圖1是圖解本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖；
[0026] 圖2A是圖解基底中心區(qū)中的孔壁的縱向長(zhǎng)度和具有雙層結(jié)構(gòu)的催化劑層的上層 和下層的縱向長(zhǎng)度的示意圖；
[0027] 圖2B是圖解周邊區(qū)中的孔壁的縱向長(zhǎng)度和具有雙層結(jié)構(gòu)的催化劑層的上層和下 層的縱向長(zhǎng)度的示意圖；
[0028] 圖3是顯示具有均一孔密度的基底中和孔密度在中心區(qū)和周邊區(qū)之間改變的基 底中的廢氣流速分布的曲線圖；
[0029] 圖4是顯示當(dāng)中心區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度（其與基底長(zhǎng)度的比率）為50%并改變 周邊區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度時(shí)測(cè)量NOx排放的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖；
[0030] 圖5是顯示當(dāng)中心區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度（其與基底長(zhǎng)度的比率）為65%并改變 周邊區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度時(shí)測(cè)量NOx排放的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖；
[0031] 圖6是顯示當(dāng)中心區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度（其與基底長(zhǎng)度的比率）為80%并改變 周邊區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度時(shí)測(cè)量NOx排放的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖；且
[0032] 圖7是顯示當(dāng)中心區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度（其與基底長(zhǎng)度的比率）為50%、65%、 80%和100%并改變周邊區(qū)中的催化劑層的長(zhǎng)度時(shí)測(cè)量NOx排放的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖。
[0033] 實(shí)施方案詳述
[0034] (廢氣排氣系統(tǒng)）首先，概述廢氣排氣系統(tǒng)，在其中放入本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的 催化轉(zhuǎn)化器。本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器可用于下述廢氣排氣系統(tǒng)：在其中安置發(fā)動(dòng)機(jī)、催化轉(zhuǎn)化 器、三路催化轉(zhuǎn)化器、副消聲器和主消聲器并通過(guò)管道彼此相連，且其中發(fā)動(dòng)機(jī)中生成的廢 氣經(jīng)由該管道流經(jīng)各組件，然后排出。接著，下面將描述催化轉(zhuǎn)化器的一個(gè)實(shí)施方案。
[0035] (催化轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方案）圖1是圖解本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器的該實(shí)施方案的示意 圖，圖2A是圖解基底中心區(qū)中的孔壁的縱向長(zhǎng)度和具有雙層結(jié)構(gòu)的催化劑層的上層和下 層的縱向長(zhǎng)度的示意圖，且圖2B是圖解基底周邊區(qū)中的孔壁的縱向長(zhǎng)度和具有雙層結(jié)構(gòu) 的催化劑層的上層和下層的縱向長(zhǎng)度的示意圖。在此，圖2A和2B中的帶有催化劑層的上 層和下層的部分可以被視為本發(fā)明的第一和第三催化劑層。基底1的中間區(qū)IB中的帶有 催化劑層的上層和下層的部分可以被視為本發(fā)明的第二催化劑層。此外，圖3顯示具有均 一孔密度的基底中和孔密度在中心區(qū)和周邊區(qū)之間改變的基底中的廢氣流速分布。
[0036] 圖1中所示的催化轉(zhuǎn)化器10基本由具有許多孔的圓柱形基底1和在用于形成孔 的孔壁中形成的具有雙層結(jié)構(gòu)的催化劑層形成。
[0037] 基底1的材料的實(shí)例是陶瓷材料，如碳化硅和含有氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅的 復(fù)合氧化物的