入流側壁厚減小的催化器體的製作方法
2023-05-01 00:26:06
專利名稱：入流側壁厚減小的催化器體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種主要應用於內燃機驅動的汽車排氣管路內的催化器體以及一種製造催化器體的方法。
按先有技術有多種避免內燃機有害物質排放的方法。在這裡人們必須區別兩種不同類型的有害物質，亦即氣態的有害物質和顆粒，尤其炭煙顆粒。在柴油機汽車中長期以來認為炭煙顆粒是最有害的成分，所以發展了許多裝置，用於從排氣中除去炭煙顆粒。其中例如由US-PS4404795已知一種過濾器，它可流過氣體，但阻滯炭煙顆粒。為避免過濾器由於過多地聚集炭煙顆粒而堵塞，此過濾器有時在其前部區通過電熱器加熱到使聚集的炭煙層著火併燒盡的程度。為了支持這一過程，可以在此狀態下在過濾器前供給附加的空氣。
減少柴油機有害物質的另一種方案的出發點在於，包含在柴油廢氣內的碳氫化合物和一氧化碳必須氧化，以便排除這一部分有害物質。為此目的，在柴油機中採用與在汽油機中類似的氧化催化器，亦即有許多用於流過排氣的通道的蜂窩體，通道有一種催化活性塗層，這種塗層有利於碳氫化合物和一氧化碳的氧化。但在這裡出現了一個問題，即這種氧化催化器原則上並不是設計為過濾器，而是有貫穿的通道，在通道的表面較快地沉積炭煙層，它堵塞孔隙從而減小或甚至完全覆蓋催化活性表面。其結果是，具有這種炭煙層的氧化催化器實際上不再能形成催化活性。在這種氧化催化器中積炭尤其從催化器體的端面區開始。因此在蜂窩體壁的前部區內產生特別厚的炭煙層，這是特別不希望發生的，因為在內燃機起動後在那裡最迅速地達到為催化轉換所需的溫度，所以降低此區域內的催化活性導致增加冷起動階段的有害物質排放。
本發明的目的是創造一種尤其用於內燃機，優選地柴油機排氣管路中的催化器體，它以簡單和經濟的方式防止在其端面區內沉積炭煙顆粒。
按本發明為達到此目的藉助於按權利要求1所述的催化器體以及按權利要求7所述的製造催化器體的方法。在相關的從屬權利要求中說明了本發明恰當的設計。
按本發明的催化器體包括至少一個尤其具有催化活性塗層的蜂窩體，它有許多可流過流體的軸向通道，通道有關的通道壁總是有平均的壁厚，其中，相關的通道壁按本發明至少在催化器體的端面區內各有具有壁厚減小的起始段。
蜂窩體的軸向長度及其橫截面形狀與在汽車內的具體安裝條件相適應，其中長度通常在若干釐米的範圍內以及一般採用基本上圓形的橫截面形狀。但原則上也可以是其他長度和別的橫截面形狀。塗層優選地由一中間層構成，它優選地由多孔氧化鋁(Al2O3)組成，其中作為催化活性物質例如含鉑(Pt)和/或銠(Rh)。催化器體的壁厚由真正的蜂窩體壁各自的壁厚和塗層的厚度得出，其中，塗層優選地塗覆在相關壁的兩面。相關的壁確定了可流過流體的軸向通道，它們在壁之間通過催化器體延伸。此外蜂窩體優選地還被一外殼包圍，外殼的尺寸基本上與蜂窩體的軸向尺寸和橫截面形狀相對應。
通過按本發明的具有至少在端面區通道壁壁厚減小的催化器體的設計，在催化器體直接流入排氣的端面處，與在催化器體的端面也保持平均壁厚不同，在此區域內形成了一個對於沉積炭煙顆粒而言為減小了的作用面。其結果是防止產生上面已說明的效應，亦即導致在催化器體的端面上開始沉積炭煙顆粒的結果。因此有效地避免了由於在其起始段形成厚的積炭而迅速堵塞沿軸向通過催化器體延伸的通道，而且恰恰在起始區保持了催化器體的催化效果。按先有技術例如附加地加熱催化器體的起始段以便通過將其燒盡來排除積炭的特殊措施，基於按本發明的設計在有些情況下便可以根本取消，因為在起始段迅速開始催化反應並點燃可能在後方沉積的顆粒。因此也取消了為附加地加熱起始段所需的結構方面的預防措施。
按催化器體的一種優選的實施形式，通道壁各自的起始段從端面出發沿軸向分別延伸的長度在1至10mm的範圍內，特別優選地在2至5mm範圍內。因此在催化器體的至少一個端面區內造成壁厚足夠的減小。原則上壁厚的減小只是在入流側才需要，但出自於對稱的原因壁厚的減小可設在兩個端側，以便允許按任意方向安裝催化體。
因為催化器體通道壁的壁厚總體上由蜂窩體壁的厚度和塗層的厚度決定，所以在結構上特別有利的是，將通道壁相關的起始段設計為，它們至少在一側沒有或基本上沒有塗層。因此以特別簡單的方式實現按本發明具有已提及的優點的壁厚減小。
本發明的一種實施形式是特別有利的，其中在起始段的區域內通道壁朝催化器體端面的方向基本上逐漸形成尖頂的。其結果是導致朝端面方向連續地減小壁厚，由此可達到在催化器體的端面區內有效的入流迎面橫截面積特別有效地減小。除此之外這種設計在流動技術上特別有利於減少沉積，因為在最有利的情況下通道壁系從其平均厚度減小到在催化器體端面區內為銳的入流邊。
特別優選的是，按本發明的蜂窩體基本上由纏繞的薄板層，優選地由基本上光滑的和波紋狀的交替的薄板層構成。同樣，蜂窩體優選地可基本上是一種由陶瓷材料構成的尤其擠壓而成的蜂窩體，其中至少一個端側有通過再變形減小的壁厚。
在製造催化器體尤其製造按權利要求1所述的催化器體的方法中，按已知的方式至少設一個蜂窩體，它有多個可流過流體的軸向通道和有各自的通道壁並基本上加有一個塗層，塗層尤其含有催化活性物質。按本發明通道壁沿催化器體的軸向長度分別製成有平均的壁厚，但相關通道壁各自的起始段至少在催化器體端面區內形成減小的壁厚。此外，在通常應用於汽車中的情況下，催化器體的封套通過設計一個安裝蜂窩體的外殼實現。
按本發明為了提高催化器體的效率僅在催化器體的端面區內製成具有減小了各通道壁壁厚的起始段就足夠了。因此只付出較低的結構性費用，並因而能簡單和經濟地生產按本發明的催化器體，它設計成能防止在端面區內沉積顆粒，尤其是炭煙顆粒。
優選一種製造催化器體的方法，其中蜂窩體基本上用陶瓷材料構成。尤其是這樣一種蜂窩體可以擠壓而成，然後在至少一個端側再成形。
特別優選的是，基本上由疊置的薄板層，優選地由基本上光滑的和波紋狀交替的薄板層通過纏繞這些薄板層構成按本發明的蜂窩體。在這種情況下特別優選的是，薄板的寬度按蜂窩體沿軸向所要求的長度剪裁，其中有關的切口斜置，由此形成逐漸變尖的起始段。
因此在一道工序中既可以按蜂窩體要求的長度剪裁，又可以形成減小了壁厚的起始段。通過在一道工序中綜合這兩個過程，提供了按本發明方法的一種特別有效和省時以及經濟的實施形式。
按方法的一種特別優選的實施形式建議，首先製造上述類型之一的蜂窩體，接著尤其通過將蜂窩體浸入一浴槽內對蜂窩體進行塗層，在這種情況下起始段不塗層。因此無論是基本上用陶瓷材料構成的蜂窩體還是基本上由疊置的薄板層纏繞而成的蜂窩體，都可以在一道工序中既完成塗層又可在如此構成的蜂窩體的端面區內形成減小的壁厚。
若蜂窩體基本上由疊置的薄板層纏繞而成，則按用於製造蜂窩體方法的另一種優選的實施形式特別有利的是，首先薄板層尤其通過浸入一浴槽內加塗層，接著將薄板層纏繞成蜂窩體，在這一過程中，按本發明在塗層步驟中薄板層與催化器體在纏繞步驟中構成的端面區內各自的起始段相應的區段不塗層或基本上不塗層或重新去除塗層。此方法可附加地與方法的一種實施形式組合，在這種實施形式中蜂窩體各自的起始段通過在薄板上斜置切口構成。
下面藉助附圖進一步說明本發明的其他優點、特徵和實施形式。在附圖中表示
圖1按本發明的催化器體優選的實施形式剖切俯視圖；圖2按本發明的催化器體優選的實施形式剖切側視圖；圖3a按本發明的第一種優選的實施形式起始段放大的剖切側視圖；圖3b沿圖3a中線B-B的剖面；圖3c沿圖3a中線A-A的剖面；圖4a按本發明的第二種優選的實施形式起始段放大的剖切側視圖；以及圖4b沿圖4a中線C-C的剖面。
圖1表示按本發明的一種優選的實施形式的催化器體剖切俯視圖。此催化器體包括一個由漸開線狀纏繞的薄板層，在這種情況下為由基本上光滑的和波紋狀的交替的薄板層構成的蜂窩體1、蜂窩體1含催化活性物質的塗層2(圖中未表示)以及圍繞蜂窩體的外殼。在蜂窩體1內纏繞的薄板構成許多可流過流體的軸向通道3相關的通道壁4。
圖2表示圖1的催化器體剖切側視圖。構成蜂窩體1的纏繞的薄板裝在一個在剖視圖中畫有斷面線的外殼內。催化器體1設計為蜂窩體並包括多個可流過流體的軸向通道3，它們相關的通道壁4沿其各自的軸向長度基本上有平均壁厚。在催化器體的端面5區內，相關的通道壁4按本發明有壁厚減小的起始段6。各自的起始段6從端面5起沿軸向的長度在圖2中用虛線表示。
圖3a表示按本發明第一種優選的實施形式具有通道壁4起始段6的催化器體端面5區域的放大側視圖。在各通道壁4之間構成可流過流體的各軸向通道3。通道壁4在其沿軸向延伸的長度上基本上有平均壁厚。此壁厚由真正的蜂窩體1和塗層2決定，在圖3a中塗層存在於真正的蜂窩體1的兩面。塗層優選地由一種基本上製成多孔的Al2O3中間層構成，其中催化活性物質含有例如鉑(Pt)和/或銠(Rh)。在此第一種優選的實施形式中，按本發明的起始段6這樣構成，即，通道壁4在那裡總是沒有塗層2。對於在圖3a中表示的催化器體的情況下這一點適用於蜂窩體1的兩面。但也可以設想，在起始段6的區域內只有一面保持不塗層，或只有部分相關的起始段6保持無塗層。
尺寸的比例，具體而言各通道壁4平均壁厚與相關通道3寬度之比，在圖3a中以及在其他一些圖中均沒有按正確的比例描繪。
圖3b在俯視圖中表示沿圖3a中的線B-B的剖面。可以看出在蜂窩體區域內通道壁4的一個區段，在此區段中通道壁4在蜂窩體1的兩側均加有塗層2以及分別有平均的壁厚。
與之不同，圖3c表示了沿圖3a催化器體的剖面A-A，剖面A-A在相關的通道壁4各自的起始段6的區域內延伸。與圖3b所示的剖面不同，在圖3c的剖面內可以看出，在起始段6區域內的壁厚比圖3b中所表示的平均壁厚小得多。在按圖3a、b、c所表示的第一種優選的實施形式中，在端面5的區域內通道壁4壁厚的減小這樣實現，即，令通道壁4的起始段6沒有塗層2。這尤其可從圖3c的A-A剖面中看出。
圖4a表示具有按本發明的起始段6第二種優選的實施形式的按本發明的催化器體端面5區域的放大側視圖，起始段與通道壁4的平均壁厚相比有減小了的壁厚。在這裡催化體1也基本上設計為具有許多可流過流體的軸向通道3的蜂窩體，蜂窩體有內含催化活性物質的塗層2。已結合圖3a說明的塗層成分也適用於此。
在此起始段6的第二種實施形式中，在其所在區內通道壁4朝端面5的方向逐漸形成基本上尖頂的。圖4a表示在起始段6的下部蜂窩體1塗層2的厚度逐漸減小，以及在其上部，表示了在由於厚度減小因而逐漸變尖的塗層延長段內蜂窩體1逐漸變尖的分段。顯然，也可以在此第二種實施形式中類似於圖3a中所示的那樣，起始段6設計為基本上沒有塗層2以及僅僅是蜂窩體1的相關段設計為逐漸變尖的。
圖4b表示沿圖4a的線C-C的剖面俯視圖。可以看出，在相關的起始段6區域內各自的通道壁4減小了的壁厚和相關的塗層2在兩側減小了的厚度。因此，除了類似於在圖3a、b、c(尤其在圖3c中可見)的第一種實施例中通道壁4壁厚減小外，還提供了在相關的起始段6的區域內擴寬了的軸向通道3，這同樣防止因積炭而堵塞此通道3，並因而意味著按本發明的催化器體帶來的另一個優點。
權利要求
1.催化器體，它包括至少一個尤其具有催化活性塗層(2)的蜂窩體(1)，催化器體有多個可流過流體的軸向通道(3)，它們有關的通道壁(4)總是有基本上平均的壁厚，其中，有關的通道壁(4)至少在催化器體的端面(5)區內各有壁厚減小的起始段(6)。
2.按照權利要求1所述的催化器體，其特徵為通道壁(4)各自的起始段(6)從端面(5)出發沿軸向延伸的長度在1至10mm的範圍內，優選地從2至5mm的範圍內。
3.按照權利要求1或2所述的催化器體，其特徵為通道壁(4)各自的起始段(6)在通道壁的至少一側基本上無塗層。
4.按照權利要求1、2或3所述的催化器體，其特徵為在起始段(6)的區域內，通道壁(4)朝端面(5)的方向基本上逐漸形成尖頂的。
5.按照權利要求1至4之一所述的催化器體，其特徵為蜂窩體(1)是一種基本上由纏繞的薄板層，優選地由基本上光滑的和波紋狀的交替薄板層構成的蜂窩體。
6.按照權利要求1至4之一所述的催化器體，其特徵為蜂窩體(1)基本上是一種由陶瓷材料構成的尤其擠壓而成的蜂窩體。
7.製造催化器體尤其製造按照權利要求1所述催化器體的方法，其中按已知的方式設至少一個蜂窩體(1)，蜂窩體尤其設計有多個可流過流體的軸向通道(3)，有相關的通道壁(4)和基本上具有一個催化活性塗層(2)，通道壁(4)總是設計有平均的壁厚，以及，相關的通道壁(4)各自的起始段(6)至少在催化器體的端面(5)區內形成減小的壁厚。
8.按照權利要求7所述的方法，其特徵為蜂窩體(1)基本上由陶瓷材料構成尤其擠壓而成，以及，在至少一個端側為了減小壁厚再變形。
9.按照權利要求7所述的方法，其特徵為蜂窩體(1)基本上由堆疊的薄板層尤其由基本上光滑的和波紋狀交替的薄板層纏繞而成。
10.按照權利要求9所述的方法，其特徵為薄板的寬度按蜂窩體(1)沿軸向所要求的長度剪裁，有關的切口斜置，由此形成逐漸變尖的起始段(6)。
11.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特徵為首先製造蜂窩體，接著尤其通過將蜂窩體(1)浸入一浴槽內進行塗層，在這種情況下起始段(6)不浸入並因而無塗層。
12.按照權利要求9或10所述的方法，其特徵為首先疊置的薄板層尤其通過浸入一浴槽內加塗層(2)，接著薄板層的堆疊纏繞成蜂窩體(1)，在這一過程中起始段(6)不塗層或基本上不塗層或接著重新去除塗層(2)。
全文摘要
本發明涉及一種催化器體以及一種製造催化器體的方法,它包括至少一個具有催化活性塗層(2)的蜂窩體(1),有多個可流過流體的軸向通道(3),通道各自的通道壁(4)基本上總是有平均的壁厚。為了避免在蜂窩體(1)端面(5)上積炭,相關的通道壁(4)至少在端面(5)的區內各有壁厚減小的起始段(6)。
文檔編號F01N3/28GK1344350SQ00805354
公開日2002年4月10日 申請日期2000年2月14日 優先權日1999年3月22日
發明者羅爾夫·布呂克, 約爾格－羅曼·科涅奇內 申請人:發射技術有限公司