[发明专利]陶瓷蜂窝体和安装有该蜂窝体的催化转化器

说明书

本申请要求了美国临时申请No.60/049,557的优先权，该申请由Robert J.Locker，Constance B.Sawyer和Martin J.Schad于1997年6月13日提交，名称为“有涂层的催化转化器基体和其固定物”。

本发明涉及用于处理内燃机燃烧排气的催化转化器。更具体地说，本发明涉及改进的蜂窝形催化剂基体和固定催化剂的支承系统，此支承系统可提供一个对高温热损伤、冲击和振动损伤都有良好抵抗能力的固定转化器系统，且成本低，固定方便。

在催化转化器固定系统的发展中，一直面临的一个问题是固定物的热稳定性。该问题在所谓的“紧密连接”的催化转化器(有时称作预转化器，它在发动机排气系统中通常离发动机非常近)中特别严重。因为催化转化器位于发动机的邻近位置，所以其催化剂、蜂窝形基体和转化器固定系统所遇到的排气温度和振动负荷比常规汽车底部转化器所遇到的要高的多。

通常，膨胀性垫料可用作金属外壳中的支承陶瓷基体催化转化器所必需的固定材料。这些垫料由一些矿物质组分组成，其选择应使垫料在首次使用温度升高时发生膨胀，从而将基体固定在转化器外壳中。例如，美国专利No.4,863,700(TenEyck)和5,376,341(Gulati)中描述了单单用膨胀性垫料固定材料以及与另一种纤维垫料材料组合在一起将陶瓷蜂窝限定在转化器的金属外壳中。

不利的是，常规垫料材料在高于约700℃的温度下容易劣化。因此，垫料对基体起的固位压力作用减弱，结果在排气的反向压力作用下，基体的轴向运动趋势增加，最终使得固定系统失效。在汽车排气预转化器的非常炽热和振动的环境下，垫料的热劣化的问题变得更为严重。

SAE Paper No.952414和SAE Paper No.960563中讨论了这些固定方面的问题。总体上，这些文章中详细描述的实验表明，常规垫料固定系统的残余剪切强度在环境温度为950℃至1050℃范围内会显著下降。而在1000℃至1050℃时，残余剪切强度会下降到可接受的最低强度水平以下，该最低强度水平应提供使得基体在炽热(950℃)而高速(75g)振动的环境下产生轴向移位所需计算压力的3至4倍的安全系数。除了由于高温之外，在这些振动条件下，垫料固定材料也会产生机械劣化的问题。

本发明的目的是通过在陶瓷基体上使用一层隔热涂层来提高转化器在高温下的固定耐久性。该方法是通过在基体的外表皮上涂布一层隔热涂层来降低垫料温度，从而减少传递给垫料的热量。这样一来，垫料就与炽热的基体外表皮有一定距离，而由于所用涂层的隔热特性，减少了表皮传递来的辐射热和传导热，就可减少热量。

除了垫料温度观察到有降低外，用了这些涂层还可修整圆柱形基体上尺寸不圆的地方，并可提高基体的破碎强度，特别当工业上采用的蜂窝体中有较多窝穴，同时窝穴间壁较薄时，破碎强度尤为重要。

本发明的第一方面是一个整体的有隔热涂层的陶瓷蜂窝体，它包括一个蜂窝形基体，其圆柱形外表面上涂布有连成一体的隔热涂层。基体是低膨胀的陶瓷蜂窝形基体，通常是可用来支承在苛刻化学环境下(如汽车排气环境)使用的催化剂的那一种。

基体圆柱形外表面上的隔热涂层是一层粘合的多孔耐热陶瓷层，这里所用的术语“陶瓷”具有最广泛的意义，包括玻璃、半结晶陶瓷如玻璃-陶瓷，和常规的基本上不含玻璃相的结晶陶瓷。多孔玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷层的热传导率通常比蜂窝形基体低，它有足够的厚度和空隙度，使得当它维持在与蜂窝形基体相当的温度下时，可使涂布有隔热涂层的基体表皮温度比没有涂层的蜂窝形基体表皮温度低得多。

表皮温度的显著下降是指在蜂窝体温度约为950℃时，其表皮温度至少降低约50℃。用堆密度不超过约2.0g/cm³以及厚度至少约为1mm的多孔陶瓷隔热层，很容易实现这样的温度降低。

本发明的第二方面是一个固定的催化剂基体系统，该系统包括其中含有许多通道的陶瓷蜂窝基体(其外面是外表皮)，以及隔热多孔耐热陶瓷涂层，涂层与蜂窝基体连成一体，是粘结在所有或部分外表皮上的。系统还包括一个外壳，外壳是用来支承具有涂层的蜂窝基体的金属壁，还包括至少一层位于多孔耐热陶瓷涂层和金属壁之间的无机膨胀材料。该系统为陶瓷基体提供了良好的机械保护，并同时保护膨胀材料以免产生热劣化因而降低固位强度，这些将在下文有更完全的描述。

本发明可参照附图来进一步了解，其中：

图1是本发明提供的涂布有隔热层的蜂窝基体的截面端视图；

图2是本发明蜂窝形催化剂基体固定设计的截面侧视图，和