專利名稱：矩形孔道的催化轉(zhuǎn)化器的制作方法
本申請要求J.Paul Day在1996年8月12日提交的題為“矩形孔道的催化轉(zhuǎn)化器”的美國臨時申請60/023，788的權(quán)益。
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及排放物控制領域，具體涉及改進的催化轉(zhuǎn)化器，該催化轉(zhuǎn)化器用于除去固定和移動用途(如汽車)中使用的內(nèi)燃機產(chǎn)生的一氧化碳、氧化氮和未燃盡的烴。
目前，大多數(shù)用于除去汽車發(fā)動機排放物用途的催化轉(zhuǎn)化器包含一種或多種分散在大表面積耐火涂層中的鉑族金屬催化劑，該涂層和催化劑承載在陶瓷蜂窩載體的孔道中，發(fā)動機尾氣即由這些孔道穿透排出。美國專利3，885，977所述適用于本申請的陶瓷蜂窩載體通常包括一個輸入表面、一個輸出表面以及許多在輸入表面和輸出表面之間穿透該載體的開口孔道，所述孔道是由互相連結(jié)且混亂分布的孔壁所包圍的。用陶瓷粉末擠壓法制造這種載體的方法和設備描述在美國專利3，790，654和4，731，010中。
過去，擠壓陶瓷蜂窩載體領域的理論工作集中在壓力降和轉(zhuǎn)化效率方面。通常，認為轉(zhuǎn)化效率與算得的蜂窩載體幾何表面積直接相關，即與形成蜂窩載體孔道的所有壁的表面積總和直接有關。因此本領域的設計人員通常大都依據(jù)計算的載體幾何表面積來預測各種市售擠壓的孔道橫截面為正方形的蜂窩體產(chǎn)品的催化性能。但是隨著數(shù)據(jù)的積累，計算的表面積和測得的催化性能之間的差異使人們對這兩種參數(shù)之間的確切關系產(chǎn)生懷疑。
這種差異的一個具體例子可通過比較400孔的擠壓陶瓷蜂窩體(即孔道密度為陶瓷蜂窩體每平方英寸的輸入表面積上有400孔的蜂窩體)和400孔的纏繞金屬蜂窩體的性能來說明。金屬蜂窩體的幾何表面積比陶瓷蜂窩體的幾何表面積高約33％，主要是金屬蜂窩體中的孔道具有正弦曲線的形狀。但是，在試驗兩種產(chǎn)品的排放性能時，使用相同體積的基材(即金屬蜂窩體的表面積高33％)，結(jié)果兩種產(chǎn)品的性能實際上相同。
通過提高蜂窩體幾何表面積來改進催化轉(zhuǎn)化器性能的傳統(tǒng)方法具有許多缺點。首先，要明顯提高表面積，就需要增加孔道密度。由于提高孔道密度會減小孔道的水力直徑并提高轉(zhuǎn)化器兩端的氣體壓力降，盡管可以減小孔道的壁厚來降低轉(zhuǎn)化器的壓力降，但是減小孔道壁厚受到產(chǎn)品強度要求和其它因素(包括增加制造難度，從而會極大地提高產(chǎn)品成本)的限制。
由于這些原因和其它的考慮，如果要明顯提高用于氣體處理用途的蜂窩體催化轉(zhuǎn)化器的性能，就需要深入地了解材料和/或幾何因素對排放性能的影響。
因此，本發(fā)明的一個主要目的是根據(jù)對決定轉(zhuǎn)化器性能因素的進一步分析，通過規(guī)定蜂窩體基材的設計參數(shù)而提供一種性能提高的催化轉(zhuǎn)化器。
由下面的詳細描述可理解本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點。
發(fā)明的概述本發(fā)明提供一種擠壓的陶瓷蜂窩體，在轉(zhuǎn)化效率方面其消除排放物的性能優(yōu)于現(xiàn)有的蜂窩體，其加熱和點火(light-off)特性也有所改進。具體地說，本發(fā)明提供一種具有矩形橫截面孔道的蜂窩體，當適當?shù)卦O計孔道大小、孔道長寬比、孔道壁厚和孔道密度(蜂窩體單位正面面積上的孔道數(shù))時，與現(xiàn)有的市售產(chǎn)品相比，這種蜂窩體具有更快速的催化劑點火性能和明顯改進的排放物控制性能。排放物控制性能的改進可由催化轉(zhuǎn)化效率的提高、轉(zhuǎn)化器兩端尾氣壓力降的減小或兩者的結(jié)合得到證實。
本發(fā)明蜂窩體具有矩形橫截面的孔道，其特征在于矩形橫截面的長寬比(長邊長度∶短邊長度)大于1.2∶1。另外，可選擇孔道的水力直徑Dh和孔道的“形狀”熱傳遞特性Nμ(即孔道橫截面的恒溫努塞爾特數(shù))，使Nμ/Dh較好為70或更大。在具有增大的點火特性的同時，該蜂窩體將保持所需的幾何表面積(用于有效催化處理)和適當?shù)牧黧w流量(以滿足傳統(tǒng)排放物控制系統(tǒng)對壓力降的要求)。
滿足這些要求的蜂窩體的孔道密度一般約為350-600矩形孔道/英寸2，孔道壁厚為0.002-0.006英寸。要求孔道橫截面的長寬比為1.5-2.5。
在這些參數(shù)限定的設計范圍內(nèi)，可設計出在目前可接受的轉(zhuǎn)化器壓力降范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化效率明顯改進的蜂窩體?；蛘撸诿黠@減小轉(zhuǎn)化器體積和轉(zhuǎn)化器流動阻力的同時可保持現(xiàn)有的轉(zhuǎn)化效率。在這兩種情況下，這種蜂窩體改進的熱傳遞特性可望明顯改進轉(zhuǎn)化器的點火性能。
附圖簡述參照附圖可進一步理解本發(fā)明，附圖中

圖1是在恒定加熱速率條件下不同長寬比范圍矩形孔道的努塞爾特數(shù)圖；圖2是不同長寬比范圍矩形孔道的與孔道密度無關的熱傳遞因子H／N圖。
詳細描述本發(fā)明涉及將流體動力學和熱傳遞原理用于解決蜂窩體催化轉(zhuǎn)化器設計的問題。主要的工作假設是影響熱交換的那些蜂窩體設計參數(shù)(表面積、孔道的形狀和尺寸)也將影響催化性能，因為在熱交換和催化作用這兩種情況下，氣體分子必需靠近蜂窩體的孔道壁才能發(fā)生所需的壁上相互作用。
根據(jù)從流體(如尾氣流)至蜂窩體孔壁上的對流熱傳遞的研究，可得到下列熱傳遞(蜂窩體的幾何表面積(A)和對流熱傳遞系數(shù)(h)的乘積)與蜂窩體孔道的尺寸和形狀的關系式h×A=Nμ×ADh×k=H×k------(1)]]>在式(1)中，h是對流熱傳遞系數(shù)，A是幾何表面積，Nμ是與孔道形狀有關的恒溫努塞爾特數(shù)，Dh是孔道的水力直徑，k是流體的熱導率。H這個量定義著熱傳遞因子，它與流體的性質(zhì)無關，僅與蜂窩體孔道的尺寸、形狀和長短(extent)有關，可使用該量的值來表征幾何形狀獨自對熱傳遞的影響。當用于解決預測相對催化效率這一問題時，由式(1)可見，與其說這種效率僅取決于蜂窩體的幾何表面積A，倒不如說取決于“有效”幾何表面積(相當于實際表面積A乘以“有效表面積因子Nμ/Dh”)。
這種用于預測催化活性的熱傳遞模型的有效性可從反映具有直孔道壁的正方形孔道的陶瓷蜂窩體轉(zhuǎn)化器與具有正弦曲線形孔道壁的纏繞金屬蜂窩體轉(zhuǎn)化器的實際轉(zhuǎn)化效率差異的數(shù)據(jù)得到驗證。文獻報道，標準的400孔/英寸2陶瓷蜂窩載體的幾何表面積A約為2.7m2/升，400孔/英寸2的纏繞金屬蜂窩體的表面積約為3.6m2/升。表面積之比為75％。陶瓷蜂窩體和纏繞金屬蜂窩體的孔道幾何系數(shù)Nμ/Dh分別為76和58，即此系數(shù)之比為131％。
上述兩種比值的乘積(應代表這兩種蜂窩體的“有效”表面積之比)為98.3％。因此這種熱傳遞模型預測出這兩種不同蜂窩結(jié)構(gòu)體具有大致相同的催
表13B.(7天)Hoechst-L493纖維化介質(zhì)與標準除去設備的比較貯藏7天后血小板收率和體外功能<p>其中N是孔道密度，n是矩形的長寬比，b是矩形孔道橫截面短邊的開口長度。使用這種關系式，可計算出用于蜂窩體設計的各種矩形孔道形狀的熱傳遞因子H。另外，可以比較和評價單獨改變孔道長寬比的效果，即在恒定孔道密度N下各種孔道形狀的性能。
附圖2是各種孔道形狀的熱傳遞因子(以與孔道密度無關的熱傳遞比H/N表示)的圖。這些因子作圖時采用與圖1相同的一些多邊形，包括長寬比變化范圍較大的各種矩形。由這些數(shù)據(jù)可見，理論上可得到很高的熱傳遞因子，盡管下面將詳細描述這些因子將受到實際上的限制。
從這些分析可以計算出，長寬比為2∶1的矩形的熱傳遞和有效表面積分別比相同孔道密度的正方形大29％和29％。同樣，2.5∶1長寬比的矩形，這兩個量可分別大50％。根據(jù)上述分析，可注意到熱傳遞因子與孔道壁的厚度無關。
盡管熱傳遞的單獨考慮表明對于孔道形狀應使用盡可能大的長寬比，但是適用的長寬比受到發(fā)動機運行要求的限制。更具體地說，要求將轉(zhuǎn)化器壓力降和轉(zhuǎn)化器尺寸保持在低于指明的設計值就限制了可使用的最大長寬比。
除了氣體壓力降和轉(zhuǎn)化器尺寸對提高長寬比的限制以外，實際上還要考慮改變孔道形狀對于蜂窩體強度的影響。例如，陶瓷蜂窩體目前是通過擠壓塑化的無機粉末批料制成的，這些批料的塑性使得蜂窩體在未干燥即“濕”的狀態(tài)下受到輕微應力時會發(fā)生孔道變形。提高這些蜂窩體孔道的長寬比會提高該結(jié)構(gòu)孔道變形的敏感性，使得很高長寬比的產(chǎn)品需要特殊的擠出和/或“濕”加工技術(shù)，因此會使制造成本更高。因此，同時由于壓力降的考慮，目前采用小于約2.5的孔道長寬比是較好的。
通過研究改變設計參數(shù)對計算的特定蜂窩體的轉(zhuǎn)化效率和流動阻力的影響，可進一步理解孔道橫截面形狀對蜂窩載體性能的影響。為了進行這種研究，將孔道長寬比為2∶1、孔道密度為400孔/英寸2、孔道壁厚為0.005英寸的蜂窩載體與具有相同孔道密度，但是具有正方形孔道橫截面并且孔道壁厚為0.007英寸的市售蜂窩載體進行了比較。還研究了其它蜂窩體設計，包括典型的正方形孔道橫截面而孔道密度大的蜂窩體，即孔道密度為600正方形孔/英寸2，孔道壁厚為0.004英寸的蜂窩體。
使用400矩形孔產(chǎn)品的一種方式是以體積對體積的方式用它來直接代替標準的正方形孔道產(chǎn)品。與標準產(chǎn)品相比，具有相同轉(zhuǎn)化器體積的400矩形孔產(chǎn)品的“有效”表面積要大30％。這個表面積增加造成熱傳遞的增加，從而提高點火性能和/或轉(zhuǎn)化效率，這些性能的提高程度與“有效”表面積的增加程度大致相當。
同時，由于改變孔道的壁厚和水力直徑，在相同的轉(zhuǎn)化器體積下矩形孔道的蜂窩體的壓力降稍有減小，即為相同轉(zhuǎn)化器體積下標準轉(zhuǎn)化器的98％。關于轉(zhuǎn)化器壓力降的問題，應注意的是，盡管常規(guī)的正方形孔道設計(如上述孔道密度大的600孔蜂窩體)同樣能提高“有效”表面積，但是這種600孔的設計會導致氣體壓力降比標準轉(zhuǎn)化器高20％，這種壓力降上升是目前排放系統(tǒng)難以接受的。
使用矩形孔道的蜂窩載體的另一種方式是將排放系統(tǒng)的壓力降保持在與使用標準轉(zhuǎn)化器時的壓力降相同。在這種使用方式下，由于矩形孔道的產(chǎn)品能使壓力降稍有減小，因此可使用較大的轉(zhuǎn)化器體積。在排放系統(tǒng)中矩形孔道轉(zhuǎn)化器的“有效”表面積比標準轉(zhuǎn)化器大約40％，從而導致轉(zhuǎn)化效率高約40％。
上述矩形孔道轉(zhuǎn)化器的另一種使用方式是直接將排放系統(tǒng)的性能保持在與標準轉(zhuǎn)化器相同的程度。這種系統(tǒng)中矩形孔道蜂窩體的優(yōu)點在于可降低轉(zhuǎn)化器的尺寸，并由于降低了轉(zhuǎn)化器壓力降而可改善發(fā)動機的運行。
使用400矩形孔轉(zhuǎn)化器，為得到相同的轉(zhuǎn)化效率，與標準正方形孔道轉(zhuǎn)化器相比，轉(zhuǎn)化器的體積只需要其76％，并且氣體壓力降僅為其73％。使用孔道密度大的正方形孔道轉(zhuǎn)化器設計(如上述600孔蜂窩體)同樣可降低體積，但是用矩形孔道的蜂窩體產(chǎn)生的壓力降減小幾乎是600正方形孔產(chǎn)品所得壓力降減小的兩倍。
使用矩形孔道的蜂窩體代替常規(guī)正方形孔道的蜂窩體，還能改進催化轉(zhuǎn)化器的點火特性。對于點火性能兩個最重要的與載體有關的因素是催化劑載體(載體和涂層的組合)的熱質(zhì)量以及熱量傳遞至催化劑的速率。
在現(xiàn)有技術(shù)中，使催化劑快速點火的較好方法是降低孔道壁的厚度，以便降低基材的熱容量。矩形孔道的催化劑載體能至少由于兩個其它原因加快了點火。首先由于載體較大的“有效”表面積而使系統(tǒng)的催化活性較高。其次是在試驗循環(huán)的起始階段載體的吸熱速率提高。盡管尚未確定由于矩形孔道設計而使催化劑點火得到改進的程度，但是這種基材較大的表面積和較快的吸熱應能進一步加強由于降低壁厚而單獨造成的點火優(yōu)點。
如上所述，在制造和隨后封裝陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體過程中有關蜂窩體剛性和/或強度的考慮對所使用的矩形幾何形狀產(chǎn)生了限制。具體地說，為了確保蜂窩體能承受封裝時的應力，必須使矩形孔道的壁厚和矩形孔道橫截面長邊的長度保持適當?shù)年P系?？紤]到通過采用常規(guī)正方形孔道蜂窩體經(jīng)驗而確立的強度要求，應滿足下列關系式(t/a)2≥0.004其中t是矩形孔道的壁厚，a是矩形孔道橫截面長邊的長度。下表2和表3列出了基于400孔/英寸2(表2)和600孔/英寸2(表3)的正方形孔道(現(xiàn)有技術(shù))蜂窩體結(jié)構(gòu)和滿足本發(fā)明要求的矩形孔道蜂窩體的蜂窩體設計。所有的矩形孔道設計的長寬比大于1.2，“有效”表面積因子大于70。另外，矩形孔道設計的孔道壁厚足以滿足對于所用孔道形狀和尺寸的最低強度要求。
表2-400孔蜂窩體設計
表3-600孔蜂窩體設計 參見表中所列的數(shù)據(jù)，每個所述的設計包括算得的壁厚與孔道橫截面長邊長度之比(t/a)以及壁厚與孔道橫截面短邊長度之比(t/b)、蜂窩正面開口面積(PFA)和兩個表示投影蜂窩體行為的與性能有關的參數(shù)。這后兩個參數(shù)是用每個蜂窩體的恒定熱通量努塞爾特數(shù)Nμ，正面開口面積、孔道尺寸和蜂窩壓力降特性(f×Re)算得的。
與排放系統(tǒng)設計特別有關的是例如Nμ×OFA2/f×Re系數(shù)，這是具體蜂窩體設計中蜂窩體轉(zhuǎn)化器兩端單位壓力降的熱傳遞的衡量。如表2和表3中的數(shù)據(jù)所示，在給定的氣體壓力降條件下，本發(fā)明矩形孔道設計比相同孔道密度和孔道壁厚的正方形孔道設計具有更好的加熱性能。在正方形孔道設計中獲得相似的性能需要將壁厚減小許多，因此蜂窩體更難以制造，在裝配或使用過程中更容易受到機械損傷。
保持矩形孔道蜂窩體設計的性能優(yōu)點，需要仔細地遵守上述的設計限制。低于所需的孔道長寬比會犧牲蜂窩體的性能優(yōu)點，當長寬比大于約2.5時，則滿足蜂窩體壽命所需的蜂窩壁厚將過大。當“有效”表面積因子Nμ/Dh小于約70，則矩形孔道形狀的熱傳遞優(yōu)點會基本上喪失；另一方面，很大的Nμ/Dh設計(大于約120)通常存在難以接受的單位蜂窩體表面積的太大氣體壓力降，除非孔道壁相當薄?？椎烂芏认薅ㄔ诩s350-600矩形孔/英寸2，壁厚限定在約0.002-0.006英寸的蜂窩體設計一般可滿足這些要求，當孔道密度超出該范圍時，從制造或使用的觀點看，在實際可用的蜂窩壁厚下難以有效地保持所需的Nμ/Dh。
權(quán)利要求
1．一種擠壓的陶瓷蜂窩體，它具有一個輸入表面、一個輸出表面以及由輸入表面至輸出表面穿透所述蜂窩體的相交的孔道壁所形成的許多平行的開口孔道，其中所述孔道具有矩形的橫截面，矩形的長寬比至少約1.2∶1；所述矩形孔道的水力直徑Dh和恒溫努塞爾特數(shù)Nμ能使蜂窩體的有效表面積因子Nμ/Dh至少約為70。
2．如權(quán)利要求1所述的蜂窩體，其特征在于在蜂窩體輸入表面上的孔道密度約為350-600矩形孔道/英寸2，相交的孔道壁厚(t)約為0.002-0.006英寸。
3．如權(quán)利要求2所述的蜂窩體，其特征在于所述矩形的長寬比約為1.5-2.5。
4．如權(quán)利要求2所述的蜂窩體，其矩形孔道橫截面長邊的長度(a)與壁厚(t)滿足下列關系(t/a)2≥0.004。
全文摘要
擠壓的矩形孔道陶瓷蜂窩體,其中所述孔道橫截面的長寬比為1.2∶1或更大,水力直徑D
文檔編號B01J35/04GK1284910SQ98812906
公開日2001年2月21日 申請日期1998年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月12日
發(fā)明者J·P·戴 申請人:康寧股份有限公司