專利名稱：尤其用于碳?xì)浠衔锸占鞯膸讲牧系姆涓C體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)選地用于汽車排氣凈化系統(tǒng)的尤其用于所謂的碳?xì)浠衔锸占?HC收集器)的帶吸附材料的蜂窩體。
隨著世界性的對汽車廢氣的凈化要求越來越高，特別注意內(nèi)燃機(jī)冷起動階段中的排氣凈化。其原因在于，直接在內(nèi)燃機(jī)起動后，排氣內(nèi)存在相當(dāng)大量的未燃燒碳?xì)浠衔?，與此同時在排氣凈化系統(tǒng)內(nèi)的催化轉(zhuǎn)換器尚未處于為催化轉(zhuǎn)換此碳?xì)浠衔锼璧淖銐蚋叩臏囟?。為了尤其在?nèi)燃機(jī)冷起動階段減少碳?xì)浠衔锏呐欧牛捎肏C收集器是一種解決辦法。HC收集器通常是一個帶有允許氣體流過的通道的蜂窩體，通道用隔板互相至少部分隔開，其中，此蜂窩體有一種吸附材料涂層，優(yōu)選沸石，它在低的溫度時可吸附碳?xì)浠衔?，而在較高的溫度下將碳?xì)浠衔镏匦陆馕＿@種HC收集器通常設(shè)在催化轉(zhuǎn)換器上游。例如由EP 0582971B1已知一種例子。EP 0424966A1也介紹了這樣一種系統(tǒng)，其中附加地在冷起動階段結(jié)束時通過旁通管跨接HC收集器，以避免在連續(xù)運行中過熱。在這里所述的系統(tǒng)，當(dāng)用于吸附其他排氣成分時，例如氮氧化物或水，也都可以是有效的。
所有迄今有關(guān)HC收集器結(jié)構(gòu)和布局的設(shè)計必須考慮到，迄今幾乎沒有任何吸附材料能在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)長期耐用，并與此同時其解吸溫度高于為催化轉(zhuǎn)換碳?xì)浠衔锉匦璧淖畹蜏囟?。由于這一原因，迄今已知的設(shè)計的出發(fā)點是，HC收集器應(yīng)當(dāng)有高的單位熱容量，尤其是有比下游的催化反應(yīng)器大的熱容量，為的是可在HC收集器內(nèi)開始解吸前才將催化反應(yīng)器加熱到對催化反應(yīng)必要的最低溫度。尤其在EP0582971B中也介紹了這種設(shè)計。
盡管如此，仍存在的問題是，HC收集器在冷起動階段從排氣內(nèi)吸熱，并因此肯定延緩了下游的催化轉(zhuǎn)換器達(dá)到為催化反應(yīng)所必需的最低溫度，所以始終難以在HC收集器的尺寸和下游的催化轉(zhuǎn)換器的尺寸之間找到一種妥協(xié)的辦法。
本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種有主要用于碳?xì)浠衔锏奈讲牧系姆涓C體，它能尤其在冷起動階段更好地凈化內(nèi)燃機(jī)的排氣。
按權(quán)利要求1所述的蜂窩體用于達(dá)到此目的，此蜂窩體包括一些可流過氣體的通道，通道的內(nèi)部橫截面形狀和數(shù)量確定了蜂窩體以m2/l計量的單位幾何表面積(GSA)，以及它們通過隔板互相至少部分隔開，其中，隔板的材料和厚度決定了蜂窩體涉及幾何表面積的以KJ(K·m2)計的單位熱容量(CP)，此外，此蜂窩體有一種主要用于碳?xì)浠衔锏奈讲牧希约?，蜂窩體的單位幾何表面積(GSA)除以涉及表面積的單位熱容量(CP)，在室溫和沒有吸附材料及沒有其他可能涂層的情況下計量，大于或等于37.5m·K/J(米·開爾文/焦耳)，優(yōu)選地大于40，尤其大于或等于60。
材料的熱容量取決于材料的溫度，在排氣凈化系統(tǒng)中往往針對比較高的溫度來考慮和提供數(shù)據(jù)。但是對于尤其HC收集器的吸附功能而言，溫度范圍低于350℃具有決定性意義，因此在這里的具體情況下這些數(shù)據(jù)涉及室溫，亦即20℃。在這里所定義的單位熱容量是涉及蜂窩體單位幾何表面積的熱容量，也就是一個與隔板的壁厚和孔隙率以及材料有關(guān)的量。
迄今考慮的出發(fā)點是，在下游的催化轉(zhuǎn)換器沒有達(dá)到為催化轉(zhuǎn)換所必需的最低溫度前，HC收集器不應(yīng)到達(dá)開始解吸碳?xì)浠衔锏慕馕鼫囟?。然而這一考慮沒有注意到，在達(dá)到必需的最低溫度時，催化轉(zhuǎn)換很快促使全部碳?xì)浠衔锿耆D(zhuǎn)換，因為，即使只是在一個部位達(dá)到必需的最低溫度，但由于催化轉(zhuǎn)換器隨后進(jìn)行的放熱反應(yīng)幾乎是沖擊式地進(jìn)一步被完全加熱，并在此情況下催化轉(zhuǎn)換流入的全部碳?xì)浠衔?。與之相反，在HC收集器內(nèi)的解吸過程進(jìn)行得十分緩慢，所以即使達(dá)到解吸溫度和超過此溫度后，也只是逐漸釋放出儲存的碳?xì)浠衔铩＿@一由計算和試驗發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，與迄今的技術(shù)理論不同，認(rèn)為具有盡可能小的熱容量和盡可能大的幾何表面積的HC收集器是優(yōu)選的，其中，在單位幾何表面積與涉及表面積的單位熱容量之間的比值，在室溫和沒有吸附材料及沒有其他可能的涂層的情況下計量，發(fā)現(xiàn)有利的是大于或等于40m·K/J。甚至優(yōu)選的是更大的比值為大于等于60。盡管在這種配置的情況下在冷起動階段HC收集器在排氣流中很快加熱并開始逐漸解吸碳?xì)浠衔?，但是由于HC收集器隨著溫度的不斷升高從排氣流中的吸熱越來越少，所以下游的催化轉(zhuǎn)換器也能更迅速地加熱，并因而更快地到達(dá)它催化反應(yīng)必需的最低溫度。在這種情況下總的效果是，碳?xì)浠衔镌诶淦饎与A段中很早就能得到轉(zhuǎn)化和可以降低有害物排放。按本發(fā)明的方案對于HC收集器的尺寸設(shè)計也是有利的，因為催化反應(yīng)的迅速起動允許減小HC收集器的儲存容積。
本發(fā)明特別有利的方面在于，蜂窩體本身附加地有一催化活性涂層，它至少起氧化作用。一旦達(dá)到為此所需的最低溫度，在此涂層上便可立即催化轉(zhuǎn)換被吸附的碳?xì)浠衔?。在這方面的試驗證明，當(dāng)開始轉(zhuǎn)換時蜂窩體的溫度由于放熱反應(yīng)立即上升，由此加速解吸過程及轉(zhuǎn)換反應(yīng)。這一點尤其對于經(jīng)常在短距離內(nèi)使用的汽車更為有利。因為HC收集器很快再次完全再生，并準(zhǔn)備好在下一個冷起動時吸納碳?xì)浠衔铩?br> 在按本發(fā)明的蜂窩體的尺寸設(shè)計方面有許多因素起作用，尤其是蜂窩體總體積、軸向長度和橫截面積之比以及在排氣系統(tǒng)內(nèi)的定位。但與這些沒有關(guān)系業(yè)已證明，增加蜂窩體的單位幾何表面積在總體上是有利的，這主要可借助于增加每單位橫截面積的通道數(shù)達(dá)到。因此，特別有利的是蜂窩體每平方英寸(cpsi)有多于360個通道，優(yōu)選地甚至多于450cpsi，以及尤其是多于540cpsi。
對于按本發(fā)明的蜂窩體同樣有利的是，將隔板設(shè)計為使它們有盡可能小的熱容量，這基本上可通過減小隔板的厚度達(dá)到。因此，對于用金屬薄板制的蜂窩體而言，采用小于或等于40μm，優(yōu)選地小于或等于30μm的厚度。對于陶瓷的蜂窩體，類似地，使用所謂的薄壁陶瓷是特別有利的。
按本發(fā)明的蜂窩體優(yōu)選地使用于汽車的排氣凈化系統(tǒng)中，而且與下游的三路催化轉(zhuǎn)換器相連接。在已知的排氣凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中也可以有利地采用按本發(fā)明的蜂窩體，尤其是有一根可根據(jù)工作狀態(tài)控制的旁通管和/或蜂窩體或下游的三路催化轉(zhuǎn)換器的電熱器。
在圖中示意表示了按本發(fā)明的一種實施例。按本發(fā)明用作HC收集器的蜂窩體1有通道2，它們通過隔板3互相隔開。這種蜂窩體1尤其可裝在汽車的排氣系統(tǒng)5內(nèi)，在這種情況下它設(shè)在一三路催化轉(zhuǎn)換器4的上游。在冷起動階段，慢慢變熱的排氣首先通過蜂窩體1流動，其中實際上所有在排氣內(nèi)所含的碳?xì)浠衔锉桓舭?上用于吸附碳?xì)浠衔锏耐繉?，尤其沸石涂層所吸附。排氣接著流過三路催化轉(zhuǎn)換器4。基于按本發(fā)明有利的幾何表面積與蜂窩體1每單位表面積熱容量的比值，所以蜂窩體1在此期間已吸附碳?xì)浠衔锏反呋D(zhuǎn)換器還未能將其轉(zhuǎn)換的時間間隔很短。在這之后幾乎沖擊式地實施包含在排氣內(nèi)的和所吸附的全部碳?xì)浠衔锏耐耆D(zhuǎn)換，從而總起來使碳?xì)浠衔锏呐欧帕啃∮趥鹘y(tǒng)的系統(tǒng)。若蜂窩體1附加的有一催化有效的至少加速氧化的催化活性涂層，則可以進(jìn)一步有助于上述過程。
按本發(fā)明的蜂窩體尤其適用于應(yīng)滿足最嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求的汽車的排氣凈化系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1．蜂窩體(1)，包括一些可流過氣體的通道(2)，通道的內(nèi)部橫截面形狀和數(shù)量確定了蜂窩體的單位幾何表面積(GSA)，以及它們通過隔板(3)互相至少部分隔開，隔板的材料和厚度決定了涉及單位表面積的單位熱容量，其中，蜂窩體有一種尤其針對碳?xì)浠衔锏奈讲牧?，其特征為蜂窩體(1)以每升平方米[m2/l]計的單位幾何表面積(GSA)除以以每開爾文每平方米千焦?fàn)朳kJ/(K·m2)]計的涉及表面積的單位熱容量(CP)，在室溫和沒有吸附材料和沒有其他可能涂層的情況下，大于或等于37.5每焦耳米·開爾文[m·K/J]，優(yōu)選地大于或等于40，尤其大于或等于60。
2．按照權(quán)利要求1所述的蜂窩體，其特征為蜂窩體(1)附加地有一催化活性涂層，它至少起氧化作用。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的蜂窩體，其特征為每平方英寸(cpsi)的通道數(shù)至少為360個，優(yōu)選地大于450個，尤其大于540個。
4．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的蜂窩體，其特征為蜂窩體(1)由金屬薄板層堆疊或卷繞而成，以及，隔板(3)的厚度小于或等于40μm，優(yōu)選地小于或等于30μm。
5．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的蜂窩體，其特征為它是汽車排氣凈化系統(tǒng)(5)的一部分，排氣凈化系統(tǒng)(5)還有至少一個三路催化轉(zhuǎn)換器(4)，以及，蜂窩體(1)作為碳?xì)浠衔锸占髟O(shè)在三路催化轉(zhuǎn)換器(4)上游。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蜂窩體(1),包括一些可流過氣體的通道(2),通道的內(nèi)部橫截面形狀和數(shù)量確定了蜂窩體的單位幾何表面積(GSA),它們通過隔板(3)互相至少部分隔開,隔板的材料和厚度決定了涉及單位幾何面積的單位熱容量,其中,蜂窩體有一種尤其針對碳?xì)浠衔锏奈讲牧?。蜂窩體(1)的單位幾何表面積(GSA)除以涉及面積的單位熱容量(CP),在室溫和沒有吸收材料及沒有其他可能涂層的情況下計量,大于或等于37.5m·K/J[米·開爾文/焦耳],優(yōu)選地大于或等于40,尤其大于或等于60。蜂窩體(1)可附加地有一催化活性涂層,它至少起氧化作用。優(yōu)選地,此蜂窩體用薄板層構(gòu)成,此薄板層厚度小于等于40μm和大于450cpsi,尤其大于540cpsi。在凈化汽車排氣時,采用這種HC收集器的尺寸設(shè)計,可減少冷起動階段中有害物的排放。
文檔編號F01N13/02GK1298471SQ99805558
公開日2001年6月6日 申請日期1999年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月30日
發(fā)明者羅爾夫·布呂克, 彼得·希爾特 申請人:發(fā)射技術(shù)有限公司