[发明专利]涂布金属基质

说明书

发明领域

本发明涉及用于担载发动机尾气处理催化剂的涂布金属基质。

发明背景

小型内燃机，尤其是两冲程和四冲程火花点燃式发动机，被用来给各 种机器例如汽油驱动割草机、链锯、叶片鼓风机、线切割机(string cutter)、 叶片鼓风机、小型摩托车、摩托车等提供动力。这样的发动机使催化尾气 处理装置处于恶劣环境下工作。这归因于：在小型发动机中，尾气中含有 高浓度未燃烧的燃料和未消耗的氧气。

此外，两冲程发动机的振动力可达四冲程发动机的3到4倍。例如， 据报道，小型内燃机在150赫兹下能产生70到90重力加速度的震动加速 度。小型内燃机的强烈震动和尾气温度条件导致了几种尾气催化处理装置 失效的模式，包括通过其将催化剂元件固定在装置中的支撑结构的失效， 和作为结果的、机械振动导致的催化剂元件损坏或损毁，以及在高温条件 下的尾气的流量波动。

催化剂元件一般含有通常由例如堇青石、多铝红柱石等制成的陶瓷类 载体元件，在其上涂有尾气处理催化剂材料。陶瓷类材料将由于过度震动 开裂并粉碎。金属载体元件，也就是金属基质，显然可用来替代陶瓷类材 料，但有如下所公开的它们自己的问题。

在不远的将来，小型内燃机将受到严格的联邦和各州的排放控制法规 的约束。由此，这些小型发动机将需要类似当前用于控制汽车排放的尾气 排放控制系统。

对于小型内燃机所用的尾气排放控制系统，通常将控制烃类、一氧化 碳和氮氧化物排放的尾气控制处理催化剂如三元转化(“TWC”)催化剂涂 在金属基质(在现有技术中也称作金属载体元件)上。所面临的挑战在于， 对于寿命有限的各种小型发动机平台，赋予金属基质这样的物理性质，即 使得催化剂能够承受剧烈震动下的高温条件和来自油的毒物以及灰分，以 及这样的小型发动机平台在宽范围的空气/燃料比和空间速度下运行的需 要。贵金属催化剂和金属基质热胀系数上的严重差异会使这个问题更加严 重。

尾气排放控制催化剂材料通常以例如直径为10到20微米的微米级颗 粒度范围的颗粒形式使用，这样就可以将它们制成浆料，并被用作载体元 件上的修补基面涂层。展现出很好的活性和长寿命的已知TWC催化剂含 有一种或多种沉积在高表面积的难熔氧化物载体(例如高表面积的氧化铝 涂层)上的铂族金属(例如铂或钯，铑，钌和铱)。用尾气排放控制处理 催化剂如TWC催化剂涂布金属基质所产生的主要问题是在很宽范围的条 件下(在小型发动机平台的运行过程中，涂有催化剂的金属基质将被暴露 在这样的条件下)将催化剂粘结到金属基质上。

发明目的

本发明的一个目的是提供涂布组合物和有效地将尾气排放控制处理 催化剂固定到涂布金属基质上的方法。

发明综述

本发明涉及发动机尾气排放物催化还原所用的涂布金属基质，包括金 属基质和金属基质上的氧化铝-硅酸盐涂层，上述的涂层中分散有氧化铝颗 粒。

发明详述

为了本发明的目的，金属基质可包含一种金属如不锈钢、碳钢、钛、 FeCr合金或哈氏合金。哈氏合金是非注册商标合金，它的主要组分是镍- 铬和钼并含有包含钴、铁和钨的微量组分。

通常用于小型发动机平台的金属基质以膨胀锥体(expansion cone)或 废气消音器(exhauset gas silencer)的形式存在，长约为100到约300mm， 直径在约30到约100mm的范围内，厚度为约0.5到约3mm以及内表面 积为约0.03到0.06mm²。

金属基质表面上的粘合层含有其中分布有氧化铝颗粒的氧化铝-硅酸 盐组合物。已经发现氧化铝-硅酸盐组合物与金属基质的表面非常好地粘 合。然而，氧化铝-硅酸盐粘合层的表面很光滑，尾气排放物处理催化剂组 合物不能很好地附着至粘合层的表面，特别是在小型发动机平台运行过程 中涂布金属基质所处的条件下。发明人发现，当氧化铝的颗粒在粘合层还 湿润时被分散在其中时，所得到的涂布金属基质经煅烧后，在小型发动机 平台的所有运行条件下，尾气排放物处理催化剂都能很好地附着到涂布金 属基质上。