CN1284910A - 矩形孔道的催化转化器 - Google Patents
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Abstract
挤压的矩形孔道陶瓷蜂窝体,其中所述孔道横截面的长宽比为1.2∶1或更大,水力直径Dh和恒温努塞尔特数Nμ(“形状”热传递特性)使“有效”孔道表面积因子Nμ/Dh至少约为70,从而使用于发动机尾气排放控制的催化基材具有较佳的点火特性,在现用的转化器压力降下具有提高的转化效率,和/或在减小的压力降下具有相同的转化效率。
Description
本申请要求J.Paul Day在1996年8月12日提交的题为“矩形孔道的催化转化器”的美国临时申请60/023，788的权益。
发明的背景
本发明涉及排放物控制领域，具体涉及改进的催化转化器，该催化转化器用于除去固定和移动用途(如汽车)中使用的内燃机产生的一氧化碳、氧化氮和未燃尽的烃。
目前，大多数用于除去汽车发动机排放物用途的催化转化器包含一种或多种分散在大表面积耐火涂层中的铂族金属催化剂，该涂层和催化剂承载在陶瓷蜂窝载体的孔道中，发动机尾气即由这些孔道穿透排出。美国专利3，885，977所述适用于本申请的陶瓷蜂窝载体通常包括一个输入表面、一个输出表面以及许多在输入表面和输出表面之间穿透该载体的开口孔道，所述孔道是由互相连结且混乱分布的孔壁所包围的。用陶瓷粉末挤压法制造这种载体的方法和设备描述在美国专利3，790，654和4，731，010中。
过去，挤压陶瓷蜂窝载体领域的理论工作集中在压力降和转化效率方面。通常，认为转化效率与算得的蜂窝载体几何表面积直接相关，即与形成蜂窝载体孔道的所有壁的表面积总和直接有关。因此本领域的设计人员通常大都依据计算的载体几何表面积来预测各种市售挤压的孔道横截面为正方形的蜂窝体产品的催化性能。但是随着数据的积累，计算的表面积和测得的催化性能之间的差异使人们对这两种参数之间的确切关系产生怀疑。
这种差异的一个具体例子可通过比较400孔的挤压陶瓷蜂窝体(即孔道密度为陶瓷蜂窝体每平方英寸的输入表面积上有400孔的蜂窝体)和400孔的缠绕金属蜂窝体的性能来说明。金属蜂窝体的几何表面积比陶瓷蜂窝体的几何表面积高约33％，主要是金属蜂窝体中的孔道具有正弦曲线的形状。但是，在试验两种产品的排放性能时，使用相同体积的基材(即金属蜂窝体的表面积高33％)，结果两种产品的性能实际上相同。
通过提高蜂窝体几何表面积来改进催化转化器性能的传统方法具有许多缺点。首先，要明显提高表面积，就需要增加孔道密度。由于提高孔道密度会减小孔道的水力直径并提高转化器两端的气体压力降，尽管可以减小孔道的壁厚来降低转化器的压力降，但是减小孔道壁厚受到产品强度要求和其它因素(包括增加制造难度，从而会极大地提高产品成本)的限制。
由于这些原因和其它的考虑，如果要明显提高用于气体处理用途的蜂窝体催化转化器的性能，就需要深入地了解材料和/或几何因素对排放性能的影响。
因此，本发明的一个主要目的是根据对决定转化器性能因素的进一步分析，通过规定蜂窝体基材的设计参数而提供一种性能提高的催化转化器。
由下面的详细描述可理解本发明的其它目的和优点。
发明的概述
本发明提供一种挤压的陶瓷蜂窝体，在转化效率方面其消除排放物的性能优于现有的蜂窝体，其加热和点火(light-off)特性也有所改进。具体地说，本发明提供一种具有矩形横截面孔道的蜂窝体，当适当地设计孔道大小、孔道长宽比、孔道壁厚和孔道密度(蜂窝体单位正面面积上的孔道数)时，与现有的市售产品相比，这种蜂窝体具有更快速的催化剂点火性能和明显改进的排放物控制性能。排放物控制性能的改进可由催化转化效率的提高、转化器两端尾气压力降的减小或两者的结合得到证实。
本发明蜂窝体具有矩形横截面的孔道，其特征在于矩形横截面的长宽比(长边长度∶短边长度)大于1.2∶1。另外，可选择孔道的水力直径Dh和孔道的“形状”热传递特性Nμ(即孔道横截面的恒温努塞尔特数)，使Nμ/Dh较好为70或更大。在具有增大的点火特性的同时，该蜂窝体将保持所需的几何表面积(用于有效催化处理)和适当的流体流量(以满足传统排放物控制系统对压力降的要求)。
满足这些要求的蜂窝体的孔道密度一般约为350-600矩形孔道/英寸2，孔道壁厚为0.002-0.006英寸。要求孔道横截面的长宽比为1.5-2.5。
在这些参数限定的设计范围内，可设计出在目前可接受的转化器压力降范围内转化效率明显改进的蜂窝体。或者，在明显减小转化器体积和转化器流动阻力的同时可保持现有的转化效率。在这两种情况下，这种蜂窝体改进的热传递特性可望明显改进转化器的点火性能。
附图简述
参照附图可进一步理解本发明，附图中：
图1是在恒定加热速率条件下不同长宽比范围矩形孔道的努塞尔特数图；
图2是不同长宽比范围矩形孔道的与孔道密度无关的热传递因子H／N图。
详细描述
本发明涉及将流体动力学和热传递原理用于解决蜂窝体催化转化器设计的问题。主要的工作假设是影响热交换的那些蜂窝体设计参数(表面积、孔道的形状和尺寸)也将影响催化性能，因为在热交换和催化作用这两种情况下，气体分子必需靠近蜂窝体的孔道壁才能发生所需的壁上相互作用。
根据从流体(如尾气流)至蜂窝体孔壁上的对流热传递的研究，可得到下列热传递(蜂窝体的几何表面积(A)和对流热传递系数(h)的乘积)与蜂窝体孔道的尺寸和形状的关系式：
在式(1)中，h是对流热传递系数，A是几何表面积，Nμ是与孔道形状有关的恒温努塞尔特数，Dh是孔道的水力直径，k是流体的热导率。H这个量定义着热传递因子，它与流体的性质无关，仅与蜂窝体孔道的尺寸、形状和长短(extent)有关，可使用该量的值来表征几何形状独自对热传递的影响。当用于解决预测相对催化效率这一问题时，由式(1)可见，与其说这种效率仅取决于蜂窝体的几何表面积A，倒不如说取决于“有效”几何表面积(相当于实际表面积A乘以“有效表面积因子Nμ/Dh”)。
这种用于预测催化活性的热传递模型的有效性可从反映具有直孔道壁的正方形孔道的陶瓷蜂窝体转化器与具有正弦曲线形孔道壁的缠绕金属蜂窝体转化器的实际转化效率差异的数据得到验证。文献报道，标准的400孔/英寸2陶瓷蜂窝载体的几何表面积A约为2.7m2/升，400孔/英寸2的缠绕金属蜂窝体的表面积约为3.6m2/升。表面积之比为75％。陶瓷蜂窝体和缠绕金属蜂窝体的孔道几何系数Nμ/Dh分别为76和58，即此系数之比为131％。
上述两种比值的乘积(应代表这两种蜂窝体的“有效”表面积之比)为98.3％。因此这种热传递模型预测出这两种不同蜂窝结构体具有大致相同的催化效率，这种预测为这两种完全不同设计蜂窝体催化性能试验的结果所证实。
这种热传递模型有效性的进一步证据在于实验观察到具有与400孔陶瓷蜂窝体大致相同几何表面积，但是孔道壁更薄以便降低蜂窝体压力降的350孔的陶瓷蜂窝体产品，其催化转化效率稍有下降。尽管两种蜂窝体的努塞尔特数(Nμ)和几何表面积(A)相同，但是350孔产品的水力直径(Dh)稍大。根据上述分析，正是由于350孔转化器的Dh增加才使其“有效”表面积稍有减小，因而导致催化性能稍有下降。
将这些原理用于蜂窝体设计的步骤，包括定出各种候选蜂窝体结构的努塞尔特数Nμ和求出它们的几何表面积以及孔道水力直径。各种正多边形孔道的恒定壁温度(T)和恒定热通量(H)这两种努塞尔特数是已知的或者是可以计算的。可无空隙地填充蜂窝横截面的三种普通孔道形状(即等边三角形、正方形和六边形)的恒定热通量努塞尔特数值分别为3.00、3.63和4.00。第四种普通的空间填充形状即矩形的努塞尔特数取决于该矩形的长宽比n。下表1列出了正方形(n=1)和长宽比渐增的数种典型矩形的恒定热通量Nμ(H)和恒温Nμ(T)努塞尔特数。
表1-矩形的努塞尔特数
| 长宽比(n) | Nμ(H) | Nμ(T) |
| 1(正方形) | 3.63 | 2.89 |
| 1.5 | 3.79 | 3.12 |
| 2.0 | 4.11 | 3.38 |
| 2.5 | 4.46 | 3.67 |
附图1是各种多边形(包括长宽比为1(正方形)至超过5的各种矩形)的恒定热通量努塞尔特数图。在约3.7-4.5范围内的努塞尔特数对于适合本发明蜂窝设计的矩形孔道结构是最典型的值。
由上面式(1)可见，对应于蜂窝体形状的“有效”表面积的热传递因子H是努塞尔特数与几何表面积A和孔道水力直径Dh之比的乘积。对于矩形孔道，这种比值部分取决于矩形孔道的长宽比n：
其中N是孔道密度，n是矩形的长宽比，b是矩形孔道横截面短边的开口长度。使用这种关系式，可计算出用于蜂窝体设计的各种矩形孔道形状的热传递因子H。另外，可以比较和评价单独改变孔道长宽比的效果，即在恒定孔道密度N下各种孔道形状的性能。
附图2是各种孔道形状的热传递因子(以与孔道密度无关的热传递比H/N表示)的图。这些因子作图时采用与图1相同的一些多边形，包括长宽比变化范围较大的各种矩形。由这些数据可见，理论上可得到很高的热传递因子，尽管下面将详细描述这些因子将受到实际上的限制。
从这些分析可以计算出，长宽比为2∶1的矩形的热传递和有效表面积分别比相同孔道密度的正方形大29％和29％。同样，2.5∶1长宽比的矩形，这两个量可分别大50％。根据上述分析，可注意到热传递因子与孔道壁的厚度无关。
尽管热传递的单独考虑表明对于孔道形状应使用尽可能大的长宽比，但是适用的长宽比受到发动机运行要求的限制。更具体地说，要求将转化器压力降和转化器尺寸保持在低于指明的设计值就限制了可使用的最大长宽比。
除了气体压力降和转化器尺寸对提高长宽比的限制以外，实际上还要考虑改变孔道形状对于蜂窝体强度的影响。例如，陶瓷蜂窝体目前是通过挤压塑化的无机粉末批料制成的，这些批料的塑性使得蜂窝体在未干燥即“湿”的状态下受到轻微应力时会发生孔道变形。提高这些蜂窝体孔道的长宽比会提高该结构孔道变形的敏感性，使得很高长宽比的产品需要特殊的挤出和/或“湿”加工技术，因此会使制造成本更高。因此，同时由于压力降的考虑，目前采用小于约2.5的孔道长宽比是较好的。
通过研究改变设计参数对计算的特定蜂窝体的转化效率和流动阻力的影响，可进一步理解孔道横截面形状对蜂窝载体性能的影响。为了进行这种研究，将孔道长宽比为2∶1、孔道密度为400孔/英寸2、孔道壁厚为0.005英寸的蜂窝载体与具有相同孔道密度，但是具有正方形孔道横截面并且孔道壁厚为0.007英寸的市售蜂窝载体进行了比较。还研究了其它蜂窝体设计，包括典型的正方形孔道横截面而孔道密度大的蜂窝体，即孔道密度为600正方形孔/英寸2，孔道壁厚为0.004英寸的蜂窝体。
使用400矩形孔产品的一种方式是以体积对体积的方式用它来直接代替标准的正方形孔道产品。与标准产品相比，具有相同转化器体积的400矩形孔产品的“有效”表面积要大30％。这个表面积增加造成热传递的增加，从而提高点火性能和/或转化效率，这些性能的提高程度与“有效”表面积的增加程度大致相当。
同时，由于改变孔道的壁厚和水力直径，在相同的转化器体积下矩形孔道的蜂窝体的压力降稍有减小，即为相同转化器体积下标准转化器的98％。关于转化器压力降的问题，应注意的是，尽管常规的正方形孔道设计(如上述孔道密度大的600孔蜂窝体)同样能提高“有效”表面积，但是这种600孔的设计会导致气体压力降比标准转化器高20％，这种压力降上升是目前排放系统难以接受的。
使用矩形孔道的蜂窝载体的另一种方式是将排放系统的压力降保持在与使用标准转化器时的压力降相同。在这种使用方式下，由于矩形孔道的产品能使压力降稍有减小，因此可使用较大的转化器体积。在排放系统中矩形孔道转化器的“有效”表面积比标准转化器大约40％，从而导致转化效率高约40％。
上述矩形孔道转化器的另一种使用方式是直接将排放系统的性能保持在与标准转化器相同的程度。这种系统中矩形孔道蜂窝体的优点在于可降低转化器的尺寸，并由于降低了转化器压力降而可改善发动机的运行。
使用400矩形孔转化器，为得到相同的转化效率，与标准正方形孔道转化器相比，转化器的体积只需要其76％，并且气体压力降仅为其73％。使用孔道密度大的正方形孔道转化器设计(如上述600孔蜂窝体)同样可降低体积，但是用矩形孔道的蜂窝体产生的压力降减小几乎是600正方形孔产品所得压力降减小的两倍。
使用矩形孔道的蜂窝体代替常规正方形孔道的蜂窝体，还能改进催化转化器的点火特性。对于点火性能两个最重要的与载体有关的因素是催化剂载体(载体和涂层的组合)的热质量以及热量传递至催化剂的速率。
在现有技术中，使催化剂快速点火的较好方法是降低孔道壁的厚度，以便降低基材的热容量。矩形孔道的催化剂载体能至少由于两个其它原因加快了点火。首先由于载体较大的“有效”表面积而使系统的催化活性较高。其次是在试验循环的起始阶段载体的吸热速率提高。尽管尚未确定由于矩形孔道设计而使催化剂点火得到改进的程度，但是这种基材较大的表面积和较快的吸热应能进一步加强由于降低壁厚而单独造成的点火优点。
如上所述，在制造和随后封装陶瓷蜂窝结构体过程中有关蜂窝体刚性和/或强度的考虑对所使用的矩形几何形状产生了限制。具体地说，为了确保蜂窝体能承受封装时的应力，必须使矩形孔道的壁厚和矩形孔道横截面长边的长度保持适当的关系。考虑到通过采用常规正方形孔道蜂窝体经验而确立的强度要求，应满足下列关系式：
(t/a)2≥0.004其中t是矩形孔道的壁厚，a是矩形孔道横截面长边的长度。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(现有技术)蜂窝体结构和满足本发明要求的矩形孔道蜂窝体的蜂窝体设计。所有的矩形孔道设计的长宽比大于1.2，“有效”表面积因子大于70。另外，矩形孔道设计的孔道壁厚足以满足对于所用孔道形状和尺寸的最低强度要求。
表2-400孔蜂窝体设计
表3-600孔蜂窝体设计
参见表中所列的数据，每个所述的设计包括算得的壁厚与孔道横截面长边长度之比(t/a)以及壁厚与孔道横截面短边长度之比(t/b)、蜂窝正面开口面积(PFA)和两个表示投影蜂窝体行为的与性能有关的参数。这后两个参数是用每个蜂窝体的恒定热通量努塞尔特数Nμ，正面开口面积、孔道尺寸和蜂窝压力降特性(f×Re)算得的。
与排放系统设计特别有关的是例如Nμ×OFA2/f×Re系数，这是具体蜂窝体设计中蜂窝体转化器两端单位压力降的热传递的衡量。如表2和表3中的数据所示，在给定的气体压力降条件下，本发明矩形孔道设计比相同孔道密度和孔道壁厚的正方形孔道设计具有更好的加热性能。在正方形孔道设计中获得相似的性能需要将壁厚减小许多，因此蜂窝体更难以制造，在装配或使用过程中更容易受到机械损伤。
保持矩形孔道蜂窝体设计的性能优点，需要仔细地遵守上述的设计限制。低于所需的孔道长宽比会牺牲蜂窝体的性能优点，当长宽比大于约2.5时，则满足蜂窝体寿命所需的蜂窝壁厚将过大。当“有效”表面积因子Nμ/Dh小于约70，则矩形孔道形状的热传递优点会基本上丧失；另一方面，很大的Nμ/Dh设计(大于约120)通常存在难以接受的单位蜂窝体表面积的太大气体压力降，除非孔道壁相当薄。孔道密度限定在约350-600矩形孔/英寸2，壁厚限定在约0.002-0.006英寸的蜂窝体设计一般可满足这些要求，当孔道密度超出该范围时，从制造或使用的观点看，在实际可用的蜂窝壁厚下难以有效地保持所需的Nμ/Dh。
Claims (4)
1．一种挤压的陶瓷蜂窝体，它具有一个输入表面、一个输出表面以及由输入表面至输出表面穿透所述蜂窝体的相交的孔道壁所形成的许多平行的开口孔道，其中：
所述孔道具有矩形的横截面，矩形的长宽比至少约1.2∶1；
所述矩形孔道的水力直径Dh和恒温努塞尔特数Nμ能使蜂窝体的有效表面积因子Nμ/Dh至少约为70。
2．如权利要求1所述的蜂窝体，其特征在于在蜂窝体输入表面上的孔道密度约为350-600矩形孔道/英寸2，相交的孔道壁厚(t)约为0.002-0.006英寸。
3．如权利要求2所述的蜂窝体，其特征在于所述矩形的长宽比约为1.5-2.5。
4．如权利要求2所述的蜂窝体，其矩形孔道横截面长边的长度(a)与壁厚(t)满足下列关系：
(t/a)2≥0.004。
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