CN104632327A - 催化转化器 - Google Patents
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Abstract
一种催化转化器(10)，是串联搭载有使废气流通的2个窝孔结构的基体材料、即上游侧的第1基体材料(2)和下游侧的第2基体材料(3)而成的催化转化器，第1基体材料(2)的窝孔密度均一，第2基体材料(3)由窝孔密度相对高的中央区域(3a)和窝孔密度相对低的周边区域(3b)构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化转化器，其被容纳固定在构成废气(exhaustgas)的排气系统的配管内。
背景技术
在各种产业界，在世界范围内进行了针对环境影响负荷降低的各种努力，其中尤其在汽车产业，燃料消耗率性能优良的汽油发动机车自不必言，混合动力车、电动汽车等所谓的环保车的普及以及针对其性能的进一步提高的开发日渐推进。除了这样的环保车的开发外，还在积极进行对从发动机排出的废气进行净化的废气净化催化剂的相关的研究。该废气净化催化剂包含氧化催化剂、三元催化剂、NOx储存还原催化剂(storage reduction catalyst)等，在该废气净化催化剂中发现有催化剂活性的是铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属催化剂，贵金属催化剂一般以附着在由氧化铝等多孔氧化物构成的载体上的状态来使用。
在将车辆发动机和消声器相连的废气的排气系统中一般配设有用于对废气进行净化的催化转化器。发动机有时会排出CO、Nox、未燃烧的HC、VOC等对环境有害的物质，为了将这样的有害物质转换为能够容许的物质，通过使废气穿过催化转化器，从而CO被转换为CO2，NOx被转换为N2和O2，VOC燃烧并生成CO2和H2O，其中，催化转化器是将在载体上附着有Rh、Pd、Pt这样的贵金属催化剂的催化剂层配设在基体材料的窝孔(cell)壁面上而成的。
顺便提及，作为背景技术(related art)的催化转化器的实施方式，能够例举出：将2个窝孔结构的基体材料沿废气的流通方向配设而成的串联(tandem)型催化转化器。该串联型的催化转化器使上游侧的基体材料和下游侧的基体材料所附着的贵金属催化剂种类、附着量等变化，来实现高的催化剂活性。
此处，图7示出了背景技术的将2个基体材料串联地搭载而成的催化转化器。如该图所示，有如下形态的催化转化器：在构成配管系统的管路H的内部，在废气流动上游侧(前侧、Fr侧)和下游侧(后侧、Rr侧)分别配设有各1个，总计2个窝孔结构的基体材料K1、K2，在这些基体材料K1、K2各自的窝孔壁面上形成有由载体和附着于该载体的贵金属催化剂构成的催化剂层。在该催化转化器中，一般基体材料K1、K2的窝孔密度都是均匀的。
顺便提及，由于气流一般在不存在与管路H的壁面产生摩擦的影响的管路的中心部(基体材料的中心部)以相对高的流速在基体材料内流通，因此图7所示的窝孔结构的基体材料存在的问题是：由于基体材料K1、K2的截面中央区域与周边区域相比废气的流速分布高，由此导致在周边区域流通的废气量减少，因此该区域的催化剂不能被充分利用，作为结果，就不能充分利用基体材料整体的催化剂。
对于这样的问题，日本特开平9-317454公开了如下催化转化器：对图7所示的以往的串联型的催化转化器的构成加以改良，通过对气流上游侧的基体材料和下游侧的基体材料双方，在各中央区域和周边区域使窝孔密度变化，从而能够将催化转化器整体的流速分布、温度分布平均化。
图8中模拟了日本特开平9-317454公开的催化转化器。在该图所示的催化转化器中，在上游侧的基体材料K1中，中央区域K1a与周边区域K1b相比窝孔密度高；在下游侧的基体材料K2中，反而周边区域K2b与中央区域K2a相比窝孔密度高。
在具备这样的窝孔密度形态的基体材料K1、K2的催化转化器中，废气一边沿X1方向流动一边进入催化转化器后，在上游侧的基体材料K1中，废气以窝孔密度低而气体容易流动的周边区域K1b为主而流动(X1’方向)，接下来在下游侧的基体材料K2中，废气同样以窝孔密度低而气体容易流动的中央区域K2a为主而流动。
然而，如图8所示那样，在废气相对于催化转化器最初流入的上游侧的基体材料K1的中央区域K1a的窝孔密度高的形态下，对于流入该中央区域K1a的流速分布高的废气流动造成的压力损失高，作为结果，由于废气向基体材料K1的流动被阻碍，因此废气向催化转化器的流入量降低。
而且，若这样废气相对于催化转化器的流入量下降，则对于催化转化器的热供给也会自然降低，发动机起动之后的预热性会降低。随着该发动机刚起动之后的预热性的降低，促进HC、Nox等的排放(冷排放，cold emission)。
另外，日本特开2000-97019公开了在上游侧配置有中央区域的窝孔密度高的基体材料、并在下游侧配置有窝孔密度均匀的基体材料的构成的催化转化器(此处为汽车用排气处理装置)。
但是，即使根据日本特开2000-97019所公开的催化转化器，也与日本特开平9-317454同样，由于上游侧的基体材料的中央区域的窝孔密度高，因此阻碍废气流动，废气的流入量降低这样的问题依然存在。
发明内容
本发明在于提供一种催化转化器，其发动机刚起动之后的预热性较好，并且有效活用催化剂整体而废气净化性能优良。
本发明的形态的催化转化器涉及如下的催化转化器：包括串联搭载的上游侧的第1基体材料和下游侧的第2基体材料，每个所述第1基体材料和所述第2基体材料是窝孔结构且废气在所示第1基体材料和所述第2基体材料流通，第1基体材料的窝孔密度均一，第2基体材料包括具有第一窝孔密度的中央区域和具有第二窝孔密度的周边区域，所述第二窝孔密度比所述第一窝孔密度低。
上述催化转化器涉及从废气流动的上游侧依次具有第1、第2这2个窝孔结构的基体材料的串联型的催化转化器，第1基体材料整体采用窝孔密度均匀的基体材料，位于下游侧的第2基体材料是中央区域与周边区域相比窝孔密度高的基体材料。通过该构成，由于一方的基体材料的窝孔密度均一，因此与2个基体材料都使窝孔密度变化的形态相比，在易于制造的方面具有优点。并且，通过将废气在位于下游侧的第2基体材料的截面内的流速分布尽可能缓和来实现其均一化，从而该效果也会波及到位于上游侧的第1基体材料，废气在第1基体材料的截面内的流速分布也被尽可能地缓和，从而实现其均一化。其结果是，能够有效利用第1、第2基体材料所有的催化剂，能够提高废气净化性能。
这样，对于串联型的2个基体材料，通过使下游侧的基体材料的截面内的窝孔密度变化来实现废气的流速分布的均一化，从而该效果也有助于废气在位于上游侧且窝孔密度均匀的基体材料中的流速分布的均一化，这样的作用是由上述催化转化器起到的新颖的作用。
而且，由于位于上游侧的基体材料的窝孔密度均匀，例如由于中央区域不是高的窝孔密度，因此抑制了废气最初流入的上游侧的基体材料对于废气流动的造成压力损失的上升，保证了良好的废气流动及因此导致的对于催化转化器的良好的热供给，保证了发动机刚起动之后的高预热性。
此外，根据本发明的发明人等的验证，通过在第2基体材料中将中央区域的第一窝孔密度相对于周边区域的第二窝孔密度设定在大于1倍、且2倍以下的范围，从而证实了成为排放减少效果极高的催化转化器。
此处，作为使用的窝孔结构的基体材料，除了由氧化镁、氧化铝和二氧化硅的复合氧化物构成的堇青石(cordierite)、碳化硅等陶瓷原材料构成的基体材料之外，能够例举出金属原材料等陶瓷原材料以外的原材料的基体材料。另外，其构成能够采用具备四边形、六边形、八边形等许多格状轮廓的窝孔的所谓的蜂窝结构体。
另外，作为构成在基体材料的窝孔壁面上形成的催化剂层的载体，能够例举出以是多孔氧化物的氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3)的至少1种作为主成分的氧化物，能够例举出由CeO2、ZrO2和Al2O3的任意一种构成的氧化物、由二种以上构成的复合氧化物(所谓的CZ材料即CeO2-ZrO2化合物、作为扩散阻挡层导入有Al2O3的Al2O3-CeO2-ZrO2三元系复合氧化物(ACZ材料)等)。
上述催化转化器优选具有耐热冲击性优良的堇青石蜂窝载体，但除此之外也可以是电气加热式的催化转化器(EHC：Electrically HeatedConverter)。该电气加热式的催化转化器是如下的催化转化器：例如在蜂窝催化剂上安装一对电极，通过将电极通电来加热蜂窝催化剂，使蜂窝催化剂的活性提高从而将通过该催化转化器的废气无害化，该催化转化器通过应用于将车辆发动机和消声器相连的废气的排气系统，从而能够除了净化常温时的废气外，还在冷时利用电气加热使催化剂活化来对废气进行净化。
从以上的说明可以理解，根据上述催化转化器，涉及串联搭载有废气流动的上游侧的第1基体材料和下游侧的第2基体材料而成的催化转化器，第1基体材料的窝孔密度均一，第2基体材料由窝孔密度相对高的中央区域和窝孔密度相对低的周边区域构成，从而能够保证废气相对于催化转化器的良好的流入而促进对于催化转化器的热供给，能够提高使发动机刚起动之后的预热性而提高冷排放减少效果。另外，由于仅使下游侧的第2基体材料截面内的窝孔密度变化，因此与2个基体材料的窝孔密度都变化的形态相比，能够享有在易于制造的方面的优点。并且，通过将废气在位于下游侧的第2基体材料的截面内的流速分布尽可能缓和来实现其均一化，从而该效果也会波及到位于上游侧的第1基体材料，废气在第1基体材料的截面内的流速分布也被尽可能地缓和而实现其均一化，作为结果，能够有效利用第1、第2基体材料所有的催化剂，能够实现废气净化性能的提高。
附图说明
下面，参照附图说明本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术上和工业上的重要性，在附图中，同样的附图标记指代同样的元件，其中：
图1是说明本发明的催化转化器介在其间的废气的排气系统的示意图。
图2是说明本发明的催化转化器的实施方式的示意图。
图3是说明废气在基体材料的截面内的流速分布的图，且是示出了对上游侧的基体材料的截面内的流速分布进行验证的实验结果的图。
图4是示出了对上游侧的基体材料的截面内的流速分布进行验证的实验结果的图。
图5是示出了与上游侧的基体材料的催化剂的排放比相关的实验结果的图。
图6是示出了对下游侧的基体材料的中央区域和周边区域的窝孔密度比、与排放比的相关性进行确定的实验结果的图。
图7是说明背景技术的催化转化器的实施方式的示意图。
图8是说明背景技术(日本特开平9-317454公开)的催化转化器的实施方式的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的催化转化器的实施方式。
(废气的排气系统)
图1是说明本发明的催化转化器介在其间的废气的排气系统的示意图。
图1的废气的排气系统配置有发动机20、催化转化器10、三元催化转化器30、子消声器40和主消声器50，并由系统管60相互连接，由发动机20生成的废气向该图的X1方向排气。在图1的排气系统中，在催化转化器10是电气加热式催化转化器(EHC)的情况下，例如在使发动机20起动时，尽可能快速地将构成电气加热式催化转化器的蜂窝催化剂加热升温至预定温度，从发动机流通过来的废气被该蜂窝催化剂净化，未被电气加热式催化转化器净化完的废气被位于其下游的三元催化剂净化装置30净化。接下来，以下说明催化转化器的实施方式。
(催化转化器的实施方式)
图2是说明本发明的催化转化器的实施方式的示意图。该图所示的催化转化器10大致由以下部件构成：中空的筒状的管路1；和容纳在该管路1内的串联型的基体材料4，串联型的基体材料4由以下部件构成：位于废气流动的上游侧的第1基体材料2；和位于下游侧的第2基体材料3。
此处，作为第1、第2基体材料2、3的原材料，能够例举出由氧化镁、氧化铝和二氧化硅的复合氧化物构成的堇青石、碳化硅等陶瓷原材料、金属原材料等陶瓷原材料以外的原材料。另外，作为构成在第1、第2基体材料2、3的窝孔壁的表面上形成的未图示的催化剂层的载体，能够例举出以是多孔氧化物的氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3)的至少1种作为主成分的氧化物，能够例举出由CeO2、ZrO2和Al2O3的任意一种构成的氧化物、由二种以上构成的复合氧化物(所谓的CZ材料即CeO2-ZrO2化合物、作为扩散阻挡层导入有Al2O3的Al2O3-CeO2-ZrO2三元系复合氧化物(ACZ材料)等)。
第1、第2基体材料2、3由具备四边形、六边形、八边形等许多格子轮廓的窝孔的蜂窝结构体构成，在第1、第2基体材料2、3中，流入到废气的流动方向上游侧(Fr侧)的端部的窝孔内的废气在第1基体材料2的内部流通，在该流通过程中被净化，被净化了的废气从第1、第2基体材料2、3中的废气的流动方向下游侧(Rr侧)的端部流出(X1方向)。
在串联型的基体材料4中，位于上游侧的第1基体材料2的窝孔密度均一，位于下游侧的第2基体材料3由窝孔密度相对高的中央区域3a和窝孔密度相对低的周边区域3b构成。因此，对于流入到第1基体材料2(X1方向)的废气，与向窝孔密度高的中央区域3a的流动(X2方向)相比，向窝孔密度低的周边区域3b的流动(X3方向)被促进。
此处，图3是说明废气在基体材料的截面内的流速分布的图。如该图的虚线所示，在窝孔密度均一的基体材料中产生了大的流速分布。与之相对，如第2基体材料3那样，通过使窝孔密度在截面内变化，从而如实线所示那样，缓和截面内的流速分布，实现其均一化。
根据图2的催化转化器10，通过使废气最初流入的上游侧的第1基体材料2的窝孔密度在截面整体中为均一的构成，由于不具有不同种类的窝孔密度，因此第1基体材料2的制作变得容易，且抑制了对于废气流动造成的压力损失的上升。保证了良好的废气流动及因此带来的对于催化转化器的良好的热供给。保证了发动机刚起动之后的高预热性，有效抑制了HC、NOx等的冷排放。
另外，通过使下游侧的第2基体材料3的中央区域3a与周边区域3b相比窝孔密度高，能够使第2基体材料3的截面内的废气的流速分布尽可能缓和而实现其均一化。除此以外，该效果也会波及到位于上游侧的第1基体材料2，废气在第1基体材料2的截面内的流速分布也被尽可能地缓和，而实现其均一化，作为结果，能够有效利用第1、第2基体材料2、3所有的催化剂。
此外，关于第2基体材料3的周边区域3b和中央区域3a的窝孔密度，通过将中央区域3a的窝孔密度相对于周边区域3b的窝孔密度设定在大于1倍、且2倍以下的范围，成为排放减少效果极高的催化转化器。
另外，图2的第2基体材料3的中央区域3a、周边区域3b的废气流动方向的长度都具有相同长度，但也可以相对地延长低窝孔密度的周边区域的长度。
[与上游侧的第1基体材料的流速分布和净化性能相关的实验及其结果]
在具有串联型的基体材料的催化转化器中，本发明的发明人等进行了与上游侧的第1基体材料的流速分布和净化性能相关的实验。下面，关于实施例1和比较例1的催化转化器，对于上游侧的基体材料，两者都是相同构成，对于下游侧的基体材料，在实施例1和比较例1中使其不同。
(关于上游侧的基体材料(实施例1、比较例1使用相同的基体材料))
利用挤压成形来制作了堇青石制的蜂窝结构基体材料。蜂窝结构体的尺寸为：与废气的流动方向垂直的圆形截面的直径φ是103mm，长边方向的长度是105mm，窝孔密度是600cpsi(93个/cm2)，窝孔的格子形状都是六边形。另外，构成催化剂层的载体是Al2O3-CeO2-ZrO2复合氧化物(ACZ材料)，附着了1.0g/L的Pd、0.2g/L的Rh作为贵金属催化剂。
(关于下游侧的基体材料)
＜实施例1＞
利用挤压成形来制作堇青石制的蜂窝结构基体材料，使窝孔密度在中央区域和周边区域不同。蜂窝结构体的尺寸为：与废气的流动方向垂直的圆形截面的直径φ是103mm，长边方向的长度是105mm，窝孔密度低的周边区域的窝孔密度是400cpsi(62个/cm2)，窝孔密度高的中央区域的窝孔密度是600cpsi(93个/cm2)，中央区域和周边区域的切换部位是φ70mm，窝孔的格子形状都是四边形。另外，构成催化剂层的载体是Al2O3-CeO2-ZrO2复合氧化物(ACZ材料)，附着了0.3g/L的Pt、0.1g/L的Rh作为贵金属催化剂。
＜比较例1＞
使基体材料整体的窝孔密度均一，使窝孔密度为500cpsi(78个/cm2)，除此之外与实施例1同样。
这样，实施例1是如下的基体材料：上游侧的基体材料的窝孔密度均一，下游侧的基体材料由窝孔密度高的中央区域和窝孔密度低的周边区域构成，比较例1是如下的基体材料：在上游侧和下游侧分别由固有的且具有均一窝孔密度的基体材料构成。
(实验方法)
使用实际发动机，在催化转化器的侧面打开孔，并将流速计插入其中而计测了如下的流速分布的测定：以950℃的催化剂床层温度，并以在1分钟内包含反馈、切断燃料、贫燃、富燃(rich lean)的循环，实施了50小时的耐久试验的流速分布的测定。另外，净化性能评价法是：在实际发动机中设置实施例1、比较例1的各催化转化器并使发动机驱动，测定了NOx排出量。
(实验结果)
实验结果如图4、5所示。此处，图4是示出了对上游侧的第1基体材料的截面内的流速分布进行验证的实验结果的图，图5是示出了与上游侧的第1基体材料的催化剂的排放比相关的实验结果的图。
首先，关于上游侧的基体材料的流速分布，图3也示出了实验结果，虚线是比较例1的流速分布，实线是实施例1的流速分布。在该图中，以5mm的间隔计测气体的流速，将比较例1的最大流速标准化为1，对实施例1和比较例1的各流速分布进行了评价。另外，图4是分别在实施例1、比较例1中通过将最大流速标准化为1、并取各测定点的标准偏差来示出了流速分布的均匀度。并且，图5以如下比率进行了图示：在紧靠上游侧的基体材料之后，测定紧靠下游侧的基体材料之前的NOx量，将比较例1的NOx减少量标准化为1，实施例1相对于比较例1的比率。
首先，由图3可知，与比较例1相比，实施例1的基体材料的流速分布被大幅缓和。该情况通过图4所示的比较例1和实施例1的流速的均匀度的不同也得到了证实。
并且，由图5可知，相对于比较例1，实施例1的上游侧的基体材料所导致的排放减少了5％左右。
这是因为，关于实施例1，下游侧的基体材料缓和了流速分布，该效果也波及到上游侧的基体材料。
[对下游侧的基体材料的中央区域和周边区域的窝孔密度比、与排放比的相关性进行确定的实验结果]
本发明的发明人等进一步进行了对下游侧的基体材料的中央区域和周边区域的窝孔密度比、与排放比的相关性进行确定的实验。下面，表1示出了除了实施例1、比较例1外，实施例2、3、比较例2的下游侧的基体材料的窝孔密度。此外，上游侧的窝孔密度和所有的催化转化器都与实施例1、比较例1同样。另外，催化剂平均的窝孔密度都是500cpsi。
表1
图6示出了实验结果。图6中，在比较例1(窝孔密度比1)以及实施例3与比较例2之间的窝孔密度比2处迎来拐点，由于在它们之间排放比变低，从而可知：通过使下游侧的基体材料的中央区域和周边区域的窝孔密度比在大于1倍、且2倍以下的范围，能够得到高的排放减少效果。
以上，使用附图详细说明了本发明的实施方式，但具体的构成不限于本实施方式，即使在不脱离本发明的要点的范围内有设计变更等，这些也包含在本发明中。
Claims (2)
1.一种催化转化器(10)，包括串联搭载的上游侧的第1基体材料(2)和下游侧的第2基体材料(3)，每个所述第1基体材料(2)和所述第2基体材料(3)是窝孔结构且废气在所示第1基体材料(2)和所述第2基体材料(3)流通，所述催化转化器(10)的特征在于，
第1基体材料(2)的窝孔密度均一，
第2基体材料(3)包括具有第一窝孔密度的中央区域(3a)和具有第二窝孔密度的周边区域(3b)，所述第二窝孔密度比所述第一窝孔密度低。
2.根据权利要求1所述的催化转化器，其中，
在第2基体材料(3)中，所述中央区域的所述第一窝孔密度相对于所述周边区域的所述第二窝孔密度在大于1倍、且2倍以下的范围。
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