CN1193373A - 减少汽车废气内碳氢化合物的催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机汽车用的主要用于催化净化含大比例碳氢化合物的废气的催化剂,它由一外管(1)构成,外管(1)内设有至少部分地涂有一层催化活性材料的金属箔,其中,金属箔设在外管(1)内表面(3)附近,外管(1)横截面积的主要部分没有涂催化活性材料的金属箔。金属箔(2)至少在部分区域内具有某种结构尤其是波纹形,和/或是打有孔眼(5)的。此外,创造了一种具有两个在废气流一侧的连续设置的催化剂连接法。

Description

减少汽车废气内碳氢化合物的催化剂
本发明涉及一种内燃机汽车用的主要用于催化净化含有大比例碳氢化合物的废气的催化剂。
在世界性的对汽车废气净化提出越来越严格要求的过程中，发展了许多种设计形式的催化剂。其中一类催化剂至少有部分地涂有催化活性材料层的金属箔，金属箔设在外管内，对于这些催化剂已知许多具有不同金属箔结构的结构形式。
尽管在金属箔上涂有催化活性材料的催化剂在导热和温度分布方面具有非常良好的特性，然而在某些使用情况下由于放热反应仍然在催化剂内出现过热。为避免这种情况，由DE3635993A1已知一种催化剂，它设计为让废气自由流过横截面积的中央区，以避免过热。由EP0270856A1还已知这样一种蜂窝体。
然而在这些已知的催化剂中始终还有一个目的，即，净化废气的一个尽可能多的份额，而只有在中央区的一小部分不受阻碍地流过，以避免在此区域过热，在一种完全占满排气截面的蜂窝体中就可能出现这种过热。
当然存在一些使用情况，此时内燃机的废气中含有如此大比例的碳氢化合物，以致即使在这些已知的蜂窝体中当它们催化转换碳氢化合物成分时仍会过热。尤其是某些老式二行程发动机产生的废气中碳氢化合物的浓度高达4体积％，在完全催化燃烧时它们释放出极大的热量。虽然这可以借助于大容积的催化剂加以控制，但为此往往没有可供使用的足够大的空间。尽管如此，值得追求的是用合理的花费降低此高的有害物质比例，以便能满足至少某些有关有害物质排放的最低要求。
因此本发明的目的是要创造一种催化剂，它至少能部分地催化转换具有例如2-4体积％的高碳氢化合物浓度的废气，在此情况下不会过热。与此同时，结构应尽可能简单而且也能装在小型汽车中。
按照权利要求1的催化剂以及具有权利要求21的特征的催化剂连接法用于达到上述目的。在从属权利要求中说明了有利的设计。
试验证明，为了催化转换废气中大部分碳氢化合物，使废气通过一外管流动便足够了，此外管在其内表面附近有至少部分有催化活性材料涂层的金属箔，但外管横截面积的主要部分没有这种金属箔，在一种有催化活性材料的蜂窝体中(这种蜂窝体占满外管的全部横截面)，人们发现，按照流动剖面而言最严重的放热反应发生在中央区，而且通常在蜂窝体的一个沿轴向相当短的区域内。与此同时，由于这种蜂窝结构，热量很难从蜂窝体内部向外散发给外管。若反之，外管横截面积的大部分没有金属箔，而将这种涂有催化活性材料的金属箔基本上布置在外管的内表面附近，则首先可以使放热反应生成的热量轻易散出。现在由于在排气流内有扩散过程，所以催化反应不是在沿轴向短的区域内进行，而是沿有涂层的金属箔全长发生，所以在这种配置中同样能够将绝大部分碳氢化合物转换成无害的成分(二氧化碳和水)。
对于不太严格的废气规范，有唯一的一层全部或部分涂有催化活性材料的金属箔，便足以能满足要求。为了增大催化活性的表面，金属箔至少可以在部分区域内设计为具有某种结构，尤其是波纹状。这些结构也可以更为复杂，例如波纹上加横向肋、缝或微结构，或其它几何形状。
但是也可以设与外管齐平的光滑的金属箔。
金属箔可相互之间和/或与外管通过钎焊固定，如在金属蜂窝体的情况下已知的那样。尤其是，金属箔在外管端部钎焊就位便足够了。此外，金属箔进行预处理，例如软化退火，是有利的，由此形成一个氧化层。但也可以熔接，例如采用点焊的形式。
对于更严格的废气规范，可能需要在外管内表面附近布设多层金属箔，例如2层至6层，这些金属箔具有某种结构，使它们构成用于通过废气的通道。尤其是这些层可通过螺旋形地卷绕具有某种结构的金属箔特别是光滑和波纹薄膜构成。
金属箔结构的形状和尺寸应最好设计成这样，即，它们构成具有一种横截面积的通道，这种横截面积如在具有25-200cpsi(每平方英寸的孔数)的蜂窝体中出现的那样。这意味着，在典型的波纹形状时例如波的幅度约为1.5-6mm。然而对于本发明而言，波的准确形状具有次要的意义，所以在这里存在着众多的变化可能性。
为了借助于横向流和涡流改善废气的转换，有利的是金属箔制有孔眼，这些孔眼例如其直径为2-6mm。
金属箔卷绕成螺旋形同样可以获得涡流。这样一方面提供了可能性使这种金属箔由一个整块制成。另一方面通过适当的卷绕，保证流过所形成的间隙或从间隙旁流过的废气充分混合。在这种情况下螺旋的螺距最好使螺圈不重叠，而是有一小的间距例如1-10mm。借此还可以内衬弯曲管。
外管本身可设计为圆柱形或呈锥形扩张。由EP0386013B1已知在催化剂体前或后的扩压器或渐缩管的配置。由DE3719773A1还已知用于废气净化的催化反应器的支承体，它设计为锥形并为其配设一个同样为锥形的外套管。外管也可以是椭圆形的横截面形状。
为了能更充分地利用可供使用的空间，催化剂区域也可以按弯曲的外管区延伸。这例如特别适用于摩托车的排气管。
作为用于金属箔的材料可考虑通常的耐高温腐蚀的材料，尤其是那些如同材料1.4767的材料或具有类似性能的材料。
本发明另一种特别有利的实施例提供了一种由上述按本发明的催化剂(以下称为预催化剂)和下游的主催化剂的组合。预催化剂最好圆柱形或锥形地连接在沿流动方向看在下游的催化剂上游。因此在内燃机起动时可以做到快速地达到主催化剂的起始温度，并与此同时获得更好的燃烧气体转换率。此外，预催化剂还起使排气流相对于周围环境的隔热装置的作用，并因为迅速达到起始温度，所以通过燃烧至少一部分形成的碳氢化合物，还导致顺利地加热下游的催化剂。在发动机起动阶段，可以通过预催化剂的电加热进一步改善废气特性。这种加热可以特别快速地完成。采用锥形的预催化剂是特别有利的，因为它实际上在管外壁附近分出一部分质量流，并流到下游的催化剂的边缘区。因此它尤其用作整流器。
在附图中表示了本发明的实施例，但本发明不受此实施例的限制，附图表示：
图1通过按本发明的催化剂横剖面；
图2通过此催化剂的纵剖面；
图3示意表示具有打了孔眼的金属箔的本发明另一种实施例；
图4在弯曲外管内的螺旋形金属箔；
图5螺旋形金属箔；
图6一个按本发明的催化剂作为预催化剂和在下游的主催化剂；以及
图7具有电接头的一个按本发明的锥形催化剂作为预催化剂和在下游的主催化剂。
在图1和2中，在外管1的内表面3上只设置了一层波纹形金属箔2。因此波纹形金属箔形成更大的表面，表面上可具有催化活性材料涂层。其中涂层可以只设在金属箔的内侧或设在两侧。在此实施形式中，在催化反应时产生的热量可以方便地传给外管1。通过图中没有表示的孔眼，可以提高此装置的有效性，尤其是在金属箔两侧有催化活性材料涂层的情况下。波纹形金属箔2与外管1一起构成通道4，它们各有一定的横截面积。对于用这种通道完全占满的蜂窝体常用单位cpsi(每平方英寸的孔数)，所以单个通道的尺寸通常也可以比照此单位。按本发明应构成具有这样一个横截面积的通道，即如同它在具有25-200cpsi的蜂窝体中出现的横截面积。通过螺旋形卷绕多个交替地不同结构的金属箔层，可以提供一个更大的催化活性表面，然而与此同时必须注意，为避免过热，横截面的绝大部分应保持空缺。
图3表示，在最简单的情况下为了催化转换使金属箔2具有孔眼5便已足够，此金属箔设在外管1的内表面3上。
在为催化剂提供的空间较小时，看来有意义的是同样利用反正存在的外管弯曲部分。在图4中，弯管形状的外管1也利用来安置催化剂。在这种情况下有利的是，能置入一个用一整块加工成的金属箔2。因此大大简化了在弯曲外管1中的装配。与此同时必须保证废气的均匀混合。例如在制作时形成的间隙6提供了为此所需的扰流装置。
图5表示由一个整块加工成的螺旋形金属箔7和有关的扰流间隙6。
图6表示按本发明的催化剂作为预催化剂8和在下游的主催化剂，其中预催化剂8可以与外管1稍有间距。由此可以使部分废气流在外管1与预催化剂8之间流过。这一部分在那里用作在预催化剂8内部流动的废气流相对于周围环境的隔热层。在一种为间隔预催化剂8的有利的实施形式中，一层或多层金属箔的一个波纹可直接放在外管1上，因此它们以有利的方式在外管1与预催化剂8之间构成了相应的通道。在另一种设计中制有相应的装置例如凸起，它们用来保证预催化剂8的间距。
图7表示预催化剂8和下游的主催化剂9的另一种有利的设计。由于预催化剂8的锥形，所以它可使流动均匀化。因为它有能力分割废气质量流，所以它能向下游的主催化剂9尤其是其边缘区提供被分开的废气分流。这一在外管1和预催化剂8之间的分流因未燃烧的碳氢化合物的放热分解而被加热。这些热量然后进一步传给主催化剂9的边缘区，因此使整个主催化剂9非常迅速而且均匀地加热至达到起始温度。锥形的预催化剂8最好相对于一条想象的中心流线有一个约为7°的张开角。试验证实，在锥形扩张的流动剖面中还形成了废气在锥体边缘区内有利的质量输送。因此更小的斜度约3°至6°包括5°，也就有更均匀的流动剖面。但由于通过改变雷诺数和其它特征参数影响流动剖面并因而影响预催化剂8边缘区内的质量输送，故更大的锥体倾斜角，约10°至15°，也可能证明是有利的。按流动位于预催化剂8前面的外管1的造型还对废气的流动特性带来另一个影响。若在与预催化剂8邻近的区域内存在弯曲，则预催化剂8的锥体也可以在不同的段有完全不同的倾斜角，尤其是预催化剂8的横截面还可以制成椭圆形。在一种有利的实施形式中，预催化剂8定向为大体平行于外管1延伸。在呈锥形扩张的情况下这样做带来的结果是，由于横截面增加，在中央区与在外管和预催化剂8之间区域相比，压力和平均速度均略有不同。压力最好略大并导致有利地流入和流过在下游的主催化剂的边缘区。通过适当地设计这种预催化剂8可以加强这一效果。例如，波纹可以形成横截面恒定的通道。为了获得一种喷嘴效果，也可以使横截面沿长度减小，或反之至少在一些区域内增大。因此，一个较大的边缘横截面区实际上可通过一个通道供入废气。在一种有利的设计中，通道或波纹不仅沿纵向延伸，而且还延伸为如螺旋形或蜗壳形。由此延长了废气在预催化剂8中或预催化剂8与外管1之间的途径，并导致未燃烧的碳氢化合物充分地转换。主催化剂9与预催化剂8也有这种间距，使它的边缘区也供入大部分废气质量流。这导致快速加热主催化剂9。一种有利的设计规定在由预催化剂8流出的分流与其作为流入主催化剂9的分流之间的直接性。为此，两者也可以互相连接。在一种进一步的发展中，预催化剂8沿途制有孔或其它形状，这主要是使流过它们的废气供给主催化剂9更大的区域。适当的导引装置如外管1和/或预催化剂8上小的壁，可有利地导致流动废气目标更加准确地朝着主催化剂9。借助于电接头10可以电加热预催化剂8，在这种情况下由于其结构形式所以只需很少的电能。因此迅速达到使催化剂完全有效工作的起始温度，由于在这之后发生的废气转换，此同样可以电加热的下游催化剂9可吸收释放的热量用于加热。下游的催化剂9尤其设计为使它在外管1的整个横截面上起作用。
本发明尤其用于部分减小含有很大比例的碳氢化合物的废气中的碳氢化合物成分。

Claims (21)

1.内燃机汽车用的主要用于催化净化含有大比例碳氢化合物的废气的催化剂由外管(1)构成，外管(1)内设有至少部分地涂有一层催化活性材料的金属箔，其特征为：金属箔设在外管(1)内表面(3)附近，外管(1)横截面积的主要部分没有涂催化活性材料的金属箔。
2.按照权利要求1所述的催化剂，其中，在外管(1)内表面(3)的至少部分内圆周上设有至少一层作为单独构件的具有催化活性材料的金属箔(2)。
3.按照权利要求2所述的催化剂，其中，金属箔(2)至少在部分区域内具有某种结构，尤其是波纹形。
4.按照权利要求2所述的催化剂，其中，金属箔(2)是光滑地与壁齐平的。
5.按照权利要求2至4之一所述的催化剂，其中，金属箔(2)至少在外管(1)的端部(4)钎焊就位。
6.按照权利要求2至5之一所述的催化剂，其中，设二至六层金属箔(2)，它们的结构设计为使它们构成废气能流过的通道。
7.按照权利要求6所述的催化剂，其中，金属箔的这些层按蜗壳形卷绕。
8.按照权利要求6所述的催化剂，其中，金属箔的这些层螺旋形卷绕。
9.按照权利要求6所述的催化剂，其中，金属箔的这些层螺纹状卷绕。
10.按照权利要求3至9之一所述的催化剂，其中，金属箔(2)结构的尺寸和形状设计为使它们构成有一种横截面积的通道，这种横截面积如同在具有25至200cpsi(每平方英寸的孔数)的蜂窝体中出现的那样。
11.按照权利要求2至10之一所述的催化剂，其中，金属箔(2)有孔眼(5)。
12.按照权利要求11所述的催化剂，其中，孔眼(5)的直径在2mm至6mm范围内。
13.按照权利要求11所述的催化剂，其中，催化剂箔(2)光滑地钎焊在外管(1)的内表面(3)上。
14.按照权利要求1至13之一所述的催化剂，其中，外管(1)直线延伸。
15.按照权利要求1至13之一所述的催化剂，其中，外管(1)弯曲形延伸。
16.按照权利要求1至15之一所述的催化剂，其中，外管(1)是圆柱形的。
17.按照权利要求1至16之一所述的催化剂，其中，外管(1)沿流动方向呈锥形扩张。
18.按照权利要求1至15之一或16所述的催化剂，其中，外管(1)的横截面形状是椭圆形的。
19.按照权利要求1至18之一所述的催化剂，其中，金属箔用一种经改进的耐高温腐蚀的材料制成，这种材料尤其是具有与材料1.4767类似的成分。
20.按照权利要求1至19之一所述的催化剂，其中，此催化剂是可以电加热的。
21.按照权利要求1至19之一所述的催化剂，其中，在此作为预催化剂(8)的催化剂下游设主催化剂(9)。
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