一种蜂窝陶瓷构件及用它制成的催化剂
2020-01-06

一种蜂窝陶瓷构件及用它制成的催化剂

一种蜂窝状陶瓷催化剂,包括具有薄隔板的蜂窝状陶瓷构件和附着在其上的催化剂材料。该蜂窝状陶瓷构件具有许多由外壁和位于外壁之中的隔板所形成的纵向延伸的流体通道。该蜂窝状陶瓷构件满足隔板厚度与正面开口面积或松密度之间的特定关系式。尽管采用了薄的隔板,该蜂窝状陶瓷构件仍然具有满足实际使用要求的抗压强度。具有陶瓷蜂窝状构件的催化剂具有减小的热容量和压力损失。

下面将对隔板的另一种可能的变形方式,亦即隔板的挤压变形进行说明。与上述隔板的弯曲变形不同,挤压变形是由于构成巢室型流体通道的相邻单元隔板之间的夹角产生变化而造成的。例如,当流体通道具有正方形的横截面时,挤压变形就是使流体通道的横截面变形成菱形。在这样的情况下,如附图26所示,可以认为蜂窝状陶瓷构件中的任何流体通道具有格点,每一个格点为一个最大内接圆的圆心,该内接圆至少和相邻单元隔板交点的三个角相接。借助连接一对相对格点的对角线,隔板的挤压变形程度就可以方便地定量表示为长度比Lmax/Lmin,其中Lmax为最长的对角线,而Lmin为最短的对角线。

此外,在LA-4模式的最初505秒中,采用装有其排量为2500cc的六缸汽油发动机的汽车来测量各种排气成分(NOX、CO、HC)的排放量,在测量过程中将一系列的催化转换器依次装在排气系统的排气歧管的下游端,这些转换器分别装有金属蜂窝状催化剂和蜂窝状陶瓷催化剂。附图19表示了上述测量的结果,由它可以看出:蜂窝状陶瓷催化剂的排气净化性能优于金属蜂窝状催化剂的排气净化性能。

例如,对于单元隔板,亦即在蜂窝状陶瓷构件中形成了任何一个流动通道,并对可能产生弯曲变形的隔板来说,为了定量地确定弯曲变形的程度,定义出单元隔板的中心线是十分有用的。更具体地说,如附图20所示,单元隔板的中心线可以被定义为这样一条线,它通过与隔板两个侧面相切的一系列圆周的圆心。在上述中心线上任意取不同的两点,设这两点之间的实际中心线长度为LB,它们之间的直线距离为LA。显然,当隔板存在弯曲变形时,LB就始终大于LA。这样,弯曲变形的程度就可以用如附图21A所示的长度比LB/LA来表示。先取用于计算长度比LB/LA的中心线上的两点,使长度比LB/LA达到其最大值。至于说到弯曲变形的形状,则除了隔板在其整个长度上弯曲成弧形形状之外,还存在其他的类型,例如附图21B和21C所示那样,隔板的中心线由两段彼此成一定角度的线段构成,或隔板仅仅局部地产生弯曲。

A—轴抗压强度受蜂窝状结构的异常变化,例如隔板的变形程度以及类似变化的影响不大,然而和材料的强度却有密切的关系,这是因为压缩负荷施加在流体通道的方向上。与此相对应的是:尽管B—轴抗压强度也取决于材料强度,但是它在更大的程度上受蜂窝状结构的异常变化、例如隔板的变形程序的影响。这一点也同样适合于匀压强度,因此均衡强度和B-轴抗压强度都是用于作为结构强度特性的指标。然而,B—轴抗压强度是在没有外壁的状态下来测量的,因此它不受外壁结构的任何影响。

具有上述结构的蜂窝状陶瓷构件已被广泛地用于在诸如汽车排气净化系统中作为催化剂载体。由于蜂窝状陶瓷构件具有较大的正面开口面积,当排气流过时压力损失较小,同时它还具有优良的排气净化性能,因此被广泛地用作催化剂的载体。例如,一种已投入实际应用的先进蜂窝状陶瓷构件的隔板厚度为0.170mm,其巢室密度为每cm260个巢室。

如本技术领域里的普通技术人员所知,对实际车辆在工作状态下的排气测量通常是根据由特定测试驱动模式所确定的预定车辆速度来完成的。图13A示出作为这种测试驱动模式的一个例子的LA-4模式的车辆速度分布图,附图13B更详细地表示了按照LA-4模式在最初的505秒中的车辆速度分布图。

本发明也涉及一种蜂窝状陶瓷催化剂,它由蜂窝状陶瓷构件以及附着在该蜂窝状陶瓷构件上的催化材料构成。

附图23中的曲线表示了从统计的角度来看,在一个蜂窝状陶瓷构件的任意横截面部位上已产生弯曲变形的隔板的长度比LB/LA的分布状况。

根据本发明,当蜂窝状陶瓷构件10例如用作催化剂载体时,一开始需在隔板12的表面上涂一层基础材料,例如γ-氧化铝或类似材料,其使用量相对于催化剂体积而言应不少于100g/l。随后,在基础材料的表面上附着催化材料,该材料可以是稀有金属Pt、Rh和Pd中的至少一种,其使用量相对于催化剂体积而言应不少于2g/l。在这一情况下,如上所述的由涂有基础材料和催化材料的蜂窝状陶瓷构件构成的蜂窝状陶瓷催化剂每m3的热容量不大于450kJ/K,最好不大于410fkJ/K。

根据LA-4模式的汽车速度分布图,采用装有其排量为2500cc的六缸汽油发动机的汽车在工作状态下进行排气测量,在测量过程中将一系列的催化转换器依次装在排气系统的排气歧管的下游端。上述转换器分别装有蜂窝状瓷质催化剂载体,它们具有相同的大小或体积和相同的巢室密度,即1200cc和60巢室/cm2,但具有不同的隔板厚度。测量每一种转换器在LA-4模式的最初505秒中的碳氢化合物(HC)累计排放量。附图14表示了测量的结果,由它可以看出:减小隔板的厚度能够降低碳氢化合物的排放量。

如本技术领域里的普通技术人员所知,汽车排气净化系统在冷启动状态下的性能主要是取决于催化剂载体本身的温度上升特性,通过减小催化剂载体的松密度,亦即减小催化剂的热容量,就能够改善该净化特性。因此,在LA-4模式的最初505秒中,采用装有其排量为2500cc的六缸汽油发动机的测试汽车来测量催化剂载体的温度,在测量过程中将一系列的催化转换器依次装在排气系统的排气歧管的下游端,每一个转换器蜂窝状陶瓷催化剂载体同样具有相同的大小或溶剂以及相同的巢室密度,即1200cc和60巢室/cm2,但具有不同的隔板厚度。每一催化剂载体的温度是在载体的中心部位来测量的,该部位与排气进口相距15mm。附图18表示了测量的结果,由它可以看出:减小隔板厚度,亦即减小催化剂载体的松密度,就能够改善催化剂载体的温度上升特性。由附图18还可以看出:金属蜂窝状催化剂与蜂窝状陶瓷催化剂相比具有较低的温度上升速度,其原因是金属具有更高的导热性能,因而在温度上升过程中与陶瓷相比会散发更多的热量。