[发明专利]催化直通型快速起燃陶瓷基材及其制造方法

说明书

发明领域

本发明一般性涉及用于车辆排气系统的陶瓷蜂窝结构，具体地，涉及具有快 速起燃特性的催化直通型陶瓷基材。

发明背景

用于车辆排气系统的陶瓷蜂窝结构为现有技术领域已知。这种结构一般包括 互连壁的网状结构(网)，这种网状结构形成形状通常为正方形或六边形的拉长的传 导气体的孔的矩阵。孔矩阵被圆柱形外层包围，形成具有相对的进口端和出口端的 罐形结构，用于接受和排出通过该孔矩阵的废气。这种陶瓷蜂窝结构的一个具体应 用是作为用于机动车排放系统的催化剂的负载基材。

当这种陶瓷蜂窝结构用作机动车的催化转化器时，孔壁上涂覆含例如铂、铑 或钯的贵金属催化剂。这种结构的孔密度约为400-900孔/英寸²，以使从气体传导 孔吹过的机动车废气与存在于孔壁上的催化剂的接触面积最大。为降低废气从蜂窝 体结构中流过时产生的压降，通常制造的壁厚为3.0-5.0密耳(mil)。使用如此厚 度的壁还能产生合理的短(约24秒)起燃时间(即，浸渍在壁上的催化剂开始氧化 CO为CO₂并有效分解NO_x为N₂和O₂之前，网状物达到约250℃时所需的时间)。起燃 时间短很重要，因为装备催化转化器的机动车产生的大多数机动车污染物都是在机 动车开始启动至壁达到要求的约250℃的活化温度之间的时间内产生的。

为了进一步缩短起燃时间，已经制造了具有很薄的壁(小于或等于2密耳左右) 的陶瓷基材。但是，本申请人发现与这种薄壁基材有关的两个主要缺陷。第一，这 种基材的结构强度小于常规的较厚壁的基材。因此，它们在制造过程和将它们固定 在形成机动车排放系统部分的金属外壳内的“罐装(canning)”过程期间，很容易发 生裂纹或破碎。第二，在运作中，由于夹带在废气流中的颗粒物质的撞击，薄壁在 沿基材进口端面很容易发生侵蚀。产生的“喷砂”效应可能使已经为脆性的结构的强 度变得更低，但也可能侵蚀孔壁上的催化涂层，甚至壁本身，而使该基材的进口部 分对污染物的催化作用失效。为了代替通过提供薄壁来缩短这种陶瓷基材的起燃 时间的办法，还制造了具有同样厚度但孔隙率更高的基材。但是，本申请人发现这 些基材存在和薄壁基材同样的缺陷，即，机械强度不足，在靠近进口端过度侵蚀。

很清楚，需要一种改进的催化直通型陶瓷基材，这种基材的起燃时间短，机 械强度没有明显下降。理想地，这种基材在其进口端具有耐侵蚀性，至少与现有技 术中使用3.0-5.0密耳厚度的网状物壁的陶瓷基材的耐侵蚀性相当。还希望快速 起燃基材具有慢冷却性质，以减小在基材质心(centroid)和外层之间的热梯度，热 梯度有时会因为在这些区域的热膨胀的差异而引起碎裂。最后，希望能相对简便和 低廉地制造这种快速起燃的基材。

发明概述

本发明是一种快速起燃的催化直通型陶瓷基材，该基材避免或至少改进了与 现有技术相关的上述缺陷。因此，本发明的陶瓷基材包括陶瓷材料的主体，该陶瓷 材料体具有轴向相对的进口端和出口端，用于分别接受和排出机动车的废气流，并 含有限定轴向导向的直通型孔道壁的网状结构，其中，靠近进口端的壁的第一轴向 区域的平均热质量(ATM₁)小于所有壁的平均热质量(ATM_总)。陶瓷材料体可以包含与 第一区域邻近的壁的第二轴向区域，在第一区域和第二区域中的壁的平均热质量沿 陶瓷体的轴向基本上均匀。这种实施方式中，第一轴向区域中的壁可以比第二轴向 区域中的壁更薄、更多孔，或者更薄且多孔，在第一壁区域和第二壁区域之间的界 面上，壁的厚度、孔隙率或者两者有显著变化。第一轴向区域可包括陶瓷体的进口 端。或者，第一轴向区域与上述陶瓷体的进口端间隔很小的距离，使形成陶瓷体出 口端的壁的平均热质量与陶瓷基材的第二轴向区域中的壁的平均热质量相同。较好 地，第一轴向区域的轴向长度约为该陶瓷体的轴向长度的10-45％，第一区域的平 均热质量(ATM₁)约为第二区域的平均热质量(ATM₂)的20-50％。