CN103422953A

CN103422953A - 催化转化器

Info

Publication number: CN103422953A
Application number: CN2013101672779A
Authority: CN
Inventors: 铃木宏昌; 中野道晴; 垣花大; 松原浩之; 村田雅一; 林真大
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-12-04
Also published as: JP2013244437A; US20130315788A1

Abstract

本发明公开了一种催化转化器（10），其具有载体（4）以及在所述载体上承载的贵金属催化剂，所述载体具有蜂窝结构。所述载体包括第一载体（2）和第二载体（3）。所述第二载体设置在所述第一载体的在流入所述催化转化器的气体的气流方向上的下游。所述第一载体具有第一周边区域（2b）和第一中央区域（2a），所述第一中央区域具有比所述第一周边区域低的窝孔密度。所述第二载体具有第二中央区域（3a）和第二周边区域（3b），所述第二周边区域具有比所述第二中央区域低的窝孔密度。

Description

催化转化器

技术领域

本发明涉及在形成用于排气的排气系统的导管中设置的催化转化器。

背景技术

在各种工业领域中，正在为在全球范围内减少环境影响作出各种努力。其中，在汽车工业中，除了对于具有充分燃料效率性能的汽油发动机车辆的发展，所谓的生态型汽车（生态友好型汽车）如混合动力车和电动车也正在普及，并且正在进行开发以进一步提高这些车辆的性能。

典型地，用于净化排气的催化转化器被布置在将车辆发动机连接到消声器的用于排气的排气系统中。

发动机将有害物质例如CO、NOx、未燃烧的HC以及挥发性有机化合物（VOC）等排放到环境中。通过使排气经过所述催化转化器来将这些有害物质转换成可接受物质。也就是说，CO被转换成CO₂，NOx被转换成N₂和O₂，并且VOC被燃烧而产生CO₂和H₂O。所述催化转化器具有中空的基材，并且由金属催化剂（例如钯或铂）覆盖的陶瓷结构或类似结构被设置在该中空的基材的内部。

如图6所示，根据现有技术的催化转化器具有在形成导管系统的基材K内部的、由蜂窝结构的载体C1和载体C2形成的载体CA。所述载体C1被设置于在排气流动的方向（下文中简称为“排气流方向”）上的上游（即，在基材的前侧（Fr侧）），并且所述载体C2被设置于在排气流方向上的下游（即，在基材的后侧（Rr侧））。在所述载体CA上承载有贵金属。在该催化转化器中，典型地所述载体C1和C2的窝孔密度是相同的。

公开号为9-317454的日本专利申请（JP9-317454A）描述了一种催化转化器，其中通过使得整个催化转化器的流速分布和温度分布均匀来改进图6中示出的现有技术的催化转化器的载体。在JP9-317454A所描述的催化转化器中，在气流方向上的上游载体和下游载体两者中，在中央区域处的窝孔密度不同于在周边区域处的窝孔密度。

图7是模仿在JP9-317454A中描述的催化转化器的视图。在图7图示的催化转化器中，在上游载体C1中，中央区域C1a处的窝孔密度高于周边区域C1b处的窝孔密度。而且，在下游载体C2中，与载体C1相反，周边区域C2b的窝孔密度高于中央区域C2a的窝孔密度。

对于设置有这些种类窝孔密度的载体C1和C2的催化转化器，在方向X1上流动并且进入催化转化器的排气主要流动（在方向X1’上）通过周边区域C1b，在所述周边区域C1b处，上游载体C1的窝孔密度低并且气体容易流动。然后在下游载体C2中，排气主要流动通过中央区域C2a，在中央区域C2a处，所述窝孔密度低并且气体容易流动。

典型地，气体以相对高的流速在导管的中央部处流动通过导管，在导管的中央部处，气体未受到由于导管的壁面摩擦的影响。因此，排气同样趋向于容易地流动通过催化转化器中的该中央区域。然而，如图7所示，如果已经进入所述催化转化器的排气首先流入的上游催化剂的中央区域的窝孔密度大，则关于排气流的压力损失将增加。结果，对于图7所示的催化转化器，排气将不会容易地流动，因此结果可能是排气的流入量减少。

如果流入所述催化转化器的排气量以这种方式减少，则供应到所述催化转化器的热也将自然地减少，并且在紧接着发动机启动之后的暖机能力将降低。由于在紧接着发动机启动之后的暖机能力的降低，可能促进HC和NOx等的排放（即，冷排放）。

发明内容

因此，本发明提供具有在紧接着发动机启动之后的充分暖机能力的催化转化器，并且此外，由于全部催化剂被有效利用而使得该催化转化器具有高的排气净化性能。

本发明的一个方案涉及催化转化器，其具有载体以及在所述载体上承载的贵金属催化剂，所述载体具有蜂窝结构。所述载体包括第一载体和第二载体。所述第二载体设置在所述第一载体的在气体的气流方向上的下游，所述气体在所述气流方向上流入所述催化转化器。所述第一载体具有第一周边区域和第一中央区域，所述第一中央区域具有比所述第一周边区域低的窝孔密度。所述第二载体具有第二中央区域和第二周边区域，所述第二周边区域具有比所述第二中央区域低的窝孔密度。

在本发明的上述方案中，所述第一载体和所述第二载体可以在所述气流方向上成排设置。

本发明的上述方案的所述催化转化器包括从在排气流方向上的上游按顺序的均具有蜂窝结构的所述第一载体和所述第二载体。而且，在本发明的上述方案的所述催化转化器中，所述第一载体和所述第二载体具有与图7所示的所述催化转化器的窝孔密度相反的窝孔密度。也就是说，在定位于上游的所述第一载体中，所述第一周边区域的窝孔密度高于所述第一中央区域的窝孔密度，并且在定位于下游的所述第二载体中，所述第二中央区域的窝孔密度高于第二周边区域的窝孔密度。在该结构中，已经流入所述催化转化器的排气首先流入上游的第一载体。上游的第一载体的所述第一中央区域的窝孔密度低于所述第一周边区域的窝孔密度，因此关于排气流的压力损失相对低。因此，排气容易地流动通过所述第一载体的所述第一中央区域，因此流入的排气的量增加。流入的排气量的这种增加促进了对所述催化转化器的热的供应，因此在紧接着发动机启动之后的暖机能力增强。结果是，利用在紧接着发动机启动之后的暖机能力的这种增强，有效地抑制了HC和NOx等的排放（冷排放）。

而且，已经通过所述第一载体的所述第一中央区域的排气主要流动通过定位于下游的所述第二载体中的窝孔密度和压力损失低的第二周边区域。以这种方式，在定位于下游的所述第二载体中，促进在第二周边区域中的排气流动。结果是，在上游的第一载体的所述第一中央区域处较大的排气流分布被分布到下游的第二载体中的第二周边区域。因此，当所述载体被看作是一个整体时，排气流分布被整流成尽可能均匀的流分布。通过所述第二载体的这种排气流分布整流作用能够有效利用整个载体的贵金属催化剂，使得能够获得具有高排气净化性能的催化转化器。

在本发明的上述方案中，所述第一中央区域的窝孔密度与所述第一周边区域的窝孔密度的比可以等于或大于0.5且小于1。

在本发明的上述方案中，所述第一载体可以是在与所述气流方向正交的方向上具有圆形截面的圆柱体，所述第二载体也可以是在与所述气流方向正交的所述方向上具有圆形截面的圆柱体。而且，由所述第一中央区域的半径除以所述第一周边区域的半径所获得的值可以等于或大于0.5且等于或小于0.85，并且由所述第二中央区域的半径除以所述第二周边区域的半径所获得的值可以等于或大于0.5且等于或小于0.85。

根据本发明的该方案的所述催化转化器，流动于其中的排气的量增加，因此促进对所述催化转化器的热的供应。因此，由于在紧接着发动机启动之后的暖机能力的提高而使得冷排放减少效果增强。此外，在上游的第一载体的中央区域中增加的排气流分布被分布到下游的第二载体中的周边区域，因此排气流分布被整流成尽可能均匀的流分布。于是，有效利用整个载体的贵金属催化剂，因此提高排气净化性能。

附图说明

结合附图将在下面对本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性进行描述，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示出了用于排气的排气系统的框架形式的图，其中插入有根据本发明的一个示例性实施例的催化转化器；

图2是示出了根据本发明的示例性实施例的催化转化器的框架形式的图；

图3是与冷排放比和上游载体的中央区域与周边区域的窝孔密度比相关的试验结果的图；

图4是与冷排放比和第一载体和第二载体的中央区域的半径与周边区域的半径的比相关的试验结果的图；

图5A和图5B是与冷排放比和上游载体的中央区域与周边区域的窝孔密度比相关的试验结果的图、以及与冷排放比和第一载体和第二载体的中央区域的半径与周边区域的半径的比相关的试验结果的图；

图6是示出了根据现有技术的催化转化器的框架形式的图；以及

图7是示出了根据现有技术的催化转化器的框架形式的另一图。

具体实施方式

下文中，将结合附图对本发明的催化转化器的示例性实施例进行描述。图1是示出了用于排气的排气系统的框架形式的图，其中插入有根据本发明的一个示例性实施例的催化转化器。

用于排气的排气系统包括：发动机20、催化转化器10、三元催化转化器30、辅消声器40以及主消声器50。发动机20和催化转化器10通过系统导管60连接。相似地，全部经由系统导管60，催化转化器10连接到三元催化转化器30上，三元催化转化器30连接到辅消声器40上，并且辅消声器40连接到主消声器50上。也就是说，发动机20经由系统导管60连接到催化转化器10的上游部上。由发动机20产生的排气在图1中的方向X1上被排出。在图1示出的排气系统中，催化转化器10可以是电加热式催化转化器（EHC）。该电加热式催化转化器具有蜂窝状催化剂。例如，在电加热式催化转化器中，一对电极附接至蜂窝状催化剂。蜂窝状催化剂由流动通过这些电极的电流加热，因而增强了对通过转化器的排气进行解毒的蜂窝状催化剂的活性。除了以正常温度对排气进行净化外，通过电加热来激活催化剂，在冷启动期间电加热式催化转化器也对排气进行净化。例如，当启动发动机20时，蜂窝状催化剂被加热使得其温度尽可能快速地上升到预定温度，并且从发动机流出的排气由该蜂窝状催化剂来净化。而且，尚未被电加热式催化转化器完全净化的排气由定位在气流方向上的下游的三元催化转化器30来净化。

接下来，将对根据示例性实施例的催化转化器进行描述。图2是根据本发明的示例性实施例的催化转化器的图。图2中示出的催化转化器10包括：中空的筒状基材1；以及载体4，其承载容纳在基材1中的贵金属催化剂。下文中，载体4也可以称作为“蜂窝状催化剂载体4”。而且，如图2所示，蜂窝状催化剂载体4在与气流方向正交的方向上的截面的半径大于系统导管60的在相同方向上的截面的半径。

这里，陶瓷材料如堇青石或碳化硅可以被用作为基材1的材料，或者除陶瓷材料外的材料如金属材料可以被用作为基材1的材料。堇青石是氧化镁、氧化铝以及氧化硅的复合氧化物。而且，基材1可以是具有圆柱形形状或者具有矩形截面或类似截面的多角形状的中空体。

而且，容纳在基材1中的蜂窝状催化剂载体4是由堇青石、氧化硅或者导电金属如不锈金属或类似金属制成的。而且，蜂窝状催化剂载体4具有方形或六边形形状的多个栅格部分。如果使用堇青石的堇青石蜂窝状载体被使用作为蜂窝状催化剂载体4，则将提高耐热冲击性。蜂窝状催化剂载体4承载散布的催化剂金属如铂、钯或铑。排气流动通过其中的气流孔形成在蜂窝状催化剂载体4的栅格的中央。

蜂窝状催化剂载体4包括：第一载体2，其定位于在排气流方向上的上游（在Fr侧上）；以及第二载体3，其定位于在排气流方向上的下游（在Rr侧上）。也就是说，第二载体3被设置在第一载体2的在流入催化转化器10的气体的气流方向上的下游。下文中，除非特别说明，术语上游和下游将分别指的是在气体（即，排气）流动方向（即，气流方向）上的上游和下游。第一载体2和第二载体3在气流方向上成排设置。第一载体2和第二载体3两者均是在与气流方向正交的方向上具有圆形截面的圆柱体。第一载体2的内部和第二载体3的内部由多个窝孔形成。此外，第一载体2和第二载体3可以设置为在气流方向上彼此接触，也可以设置为在气流方向上彼此稍微分离。贵金属催化剂被承载在第一载体2和第二载体3上。这里，在定位在上游的第一载体2中，周边区域2b的窝孔密度高于中央区域2a的窝孔密度。另一方面，在定位于下游的第二载体3中，中央区域3a的窝孔密度高于周边区域3b的窝孔密度。这里，中央区域2a可以被看作是本发明的第一中央区域，而周边区域2b可以被看作是本发明的第一周边区域。而且，周边区域3b可以被看作是本发明的第二周边区域，而中央区域3a可以被看作是本发明的第二中央区域。

根据图示的载体的结构，催化转化器10中的排气首先流入上游的第一载体2。上游的第一载体2的中央区域2a的窝孔密度低于周边区域2b的窝孔密度，因此关于排气流的压力损失低。因此，排气容易地流动通过第一载体2的中央区域2a（图2中的排气流X2），使得与现有技术相比流入的排气的量大。流入的排气的量的这种增加促进了对催化转化器10的热的供应，因此在紧接着发动机启动之后的暖机能力增强。而且，由于在紧接着发动机启动之后的暖机能力的这种增强，有效抑制了HC和NOx等的冷排放。

而且，已经流动通过第一载体2的中央区域2a的排气主要流动通过定位于下游的第二载体3中的周边区域3b，周边区域3b中的窝孔密度和压力损失低于中央区域3a（图2中的排气流X3）中的窝孔密度和压力损失。以这种方式，在定位于下游的第二载体3中，在第二载体3的周边区域3b中促进排气流，并且结果是，在上游的第一载体2的中央区域2a中较大的排气流分布被分布到下游的第二载体3中的周边区域3b。因此，当载体被看作是一个整体时，排气流分布被整流成尽可能均匀的排气流分布。通过第二载体3的这种排气流分布整流作用能够有效利用整个载体4的贵金属催化剂，使得能够获得具有高的排气净化性能的催化转化器。

图5A和图5B是与冷排放比和上游载体的中央区域与周边区域的窝孔密度比相关的试验结果的图、以及与冷排放比和第一载体和第二载体的中央区域的半径与周边区域的半径的比相关的试验结果的图。在试验中，比较实例1至5以及实例1至7的催化转化器是根据图5A和5B示出的各种规格而制造的。然后，实施试验以识别冷排放比和上游催化剂的中央区域与周边区域的窝孔密度比之间的关系，以及识别排放比和第一载体和第二载体的中央区域的半径与周边区域的半径的比之间的关系。这里，术语“冷排放”是指在紧接着发动机启动之后的HC+NOx的排放。术语“冷排放比”是指各个催化转化器的实际测量值与比较实例1的实际测量值的比。催化剂的直径Φ为103mm、长度L为105mm。冷排放比在图5A和5B的底部栏处示出。图3是与冷排放比和窝孔密度比相关的试验结果的图，并且图4是与冷排放比和第一载体和第二载体的中央区域的半径与周边区域的半径的比之间的关系相关的试验结果的图。这里，中央区域的半径由“r”表示，并且周边区域的半径由“R”表示。在比较实例1中，中央区域的窝孔密度和周边区域的窝孔密度相同，因此r/R可以是0和1。因此，比较实例1中的r/R以值0和1示出。在图5A和图5B中，“cpsi”是指每平方英寸中的窝孔的数目。

图5A、图5B和图3验证了，当各个实例的上游载体的中央区域与周边区域的窝孔密度比处于等于或者大于0.5并且小于1的范围时，冷排放比小于1。也就是说，在上游的载体（即，第一载体）中，当（第一）中央区域的窝孔密度与（第一）周边区域的窝孔密度的比在等于或者大于0.5并且小于1的范围内时，冷排放减少效果（即，在紧接着发动机启动之后的关于HC和NOx等的排放减少效果）增强。从该试验结果看，可以确定的是，蜂窝状催化剂载体的上游载体的中央区域与周边区域的窝孔密度比的期望的范围是等于或者大于0.5并且小于1。

而且，从图5A、图5B和图4看出，这些实例的冷排放比全部是等于或者小于1。这验证优选地具有这样的结构，其中不考虑载体的中央区域的半径与周边区域的半径的比，定位于上游的第一载体在周边区域中具有比在中央区域中高的窝孔密度，并且定位于下游的第二载体在中央区域中具有比在周边区域中高的窝孔密度。另外，从这些附图得知，因为当r/R是0.5或者0.85时穿过每个绘图的近似曲线的拐点之一被示出并且在0.5与0.85之间的范围内接近0.85时冷排放比呈现出最低值，所以能够确定r/R的优选的范围是等于或者大于0.5并且等于或者小于0.85的范围。也就是说，当r/R等于或者大于0.5并且等于或者小于0.85时，冷排放减少效果增强。

虽然已经结合本发明的各种示例性实施例对本发明进行了描述，但具体结构并不受限于这些示例性实施例。也就是说，本发明还包括在本发明的范围内的任何和所有的设计改变和其它的变型和修改等。

Claims

1.催化转化器（10），其具有载体（4）以及在所述载体上承载的贵金属催化剂，所述载体具有蜂窝结构，所述载体包括第一载体（2）和第二载体（3），所述第二载体设置在所述第一载体的在气体的气流方向上的下游，所述气体在所述气流方向上流入所述催化转化器，所述催化转化器（10）的特征在于：

所述第一载体具有第一周边区域（2b）和第一中央区域（2a），所述第一中央区域具有比所述第一周边区域低的窝孔密度；并且

所述第二载体具有第二中央区域（3a）和第二周边区域（3b），所述第二周边区域具有比所述第二中央区域低的窝孔密度。

2.根据权利要求1所述的催化转化器，其中

所述第一载体和所述第二载体在所述气流方向上成排设置。

3.根据权利要求2所述的催化转化器，其中

所述第一中央区域的窝孔密度与所述第一周边区域的窝孔密度的比等于或大于0.5且小于1。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的催化转化器，其中

所述第一载体是在与所述气流方向正交的方向上具有圆形截面的圆柱体；

所述第二载体是在与所述气流方向正交的所述方向上具有圆形截面的圆柱体；

由所述第一中央区域的半径除以所述第一周边区域的半径所获得的值等于或大于0.5且等于或小于0.85；并且

由所述第二中央区域的半径除以所述第二周边区域的半径所获得的值等于或大于0.5且等于或小于0.85。

5.根据权利要求4所述的催化转化器，还包括

中空的筒状基材（1），

其中所述载体容纳在所述筒状基材中；

所述催化转化器经由系统导管（60）连接到发动机（20）上；并且

在与所述气流方向正交的所述方向上，所述载体的截面的半径大于所述系统导管的截面的半径。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的催化转化器，其中

发动机（20）经由系统导管（60）连接到所述催化转化器的在所述气流方向上的上游部上。