[发明专利]催化剂的蜂窝状结构

说明书

本发明关于包括蜂窝及环绕护套的催化剂；此蜂窝包括由一堆金属片形成的构造，且其至少部分经切割，蜂窝构造包括许多气体的流经通道。

本发明尤其是关于催化剂用的蜂窝，及关于蜂窝对环绕护套的固定；此产品一般用于通过使气态杂质或附着于粒子表面的杂质氧化，或通过减低氧化氮，纯化内燃机的排出物。

催化剂用的金属蜂窝一般包含薄金属片，它形成许多气体可经由它而渗入蜂窝的通道。一般的蜂窝包含二块金属片，其一为波状，且另一块基本较平，因此许多通道由使各片交互层结合产生。陶瓷支撑物加于蜂窝表面上，增加催化剂的几何面积，它包含增加活性的化合物；上述化合物可能为例如：储存的气态化合物。另外，支撑物用作催化活性成分的贵金属的载体。陶瓷支撑物可在蜂窝制造前加于金属片的表面上，此方法称之为“开放涂布”(″open coating″)：或当用作“蜂窝涂布”时，此支撑物可在蜂窝卷绕动，组合或弯曲之后加入。

为了操作，催化剂必须达到适当的操作温度(点火温度)，其可能为例如超过250℃，这将按催化剂的贵金属含量及发动机的类型而定。排出物限制的严格导致需要尽可能快速地到达点火温度。过去均认为以电力来使装置在实际催化剂前面的较小的电催化剂加热是快速点火的解决方法之一。因此可能使催化剂维持在车底盘下之传统位置。然而，由于成本及与技术有关的问题，使此解决方法几乎需全部放弃。通过使直接与废气歧管相连的催化剂或较小的预催化剂装在所谓的“密闭偶合”位置中解决快速点火的需求已成为现实，然而，催化剂的耐久性成为大的需求，因为施加于催化剂的热及机械应力是不可忽视的。

在“密闭偶合”位置，将普通频率为50-400Hz的大的加速力加到催化剂上。在严重情况下经由废气歧管自发动机体转移到催化剂上的加速值为重力加速度的许多倍。再者，废气流的脉冲影响催化剂的蜂窝，尤其是其前表面，该脉冲导致蜂窝的前表面在发动机的燃烧频率上振动。因此，这种现象以高频疲劳表示。

除高频疲劳外，温度-热力的重要循环导向“密闭偶合”位置很差的催化剂蜂窝上。当车辆启动或加速时，马达的负荷，废气温度均上升，而且催化剂中欲氧化的成分浓度增加，导致催化剂被加热，且使温度戏剧性地上升，首先是在蜂窝中心上升。由于环绕蜂窝的较冷护套热梯度使金属蜂窝的热膨胀导致蜂窝产生压缩应力；此意味着温度在约900-1000℃的高应力下，一般由铁素体钢制成的蜂窝无法避免地令变形至相当程度，这取决于例如上述热梯度的大小，另外还受例如护套外部或内部热绝缘，及流动分布的影响。当发动机负荷降低或关掉发动机时，发动机温度下降，蜂窝与护套收缩。蜂窝接着会得到一新的且比高温时小的体积，在蜂窝及护套间产生拉伸应力，最坏情况下会导致蜂窝从外套上撕离。除放射方向外，温度梯度亦依照流动方向存于蜂窝中，即在轴向，引起过度的热应力。由热循环所产生的力称为热疲劳。

控制导致金属蜂窝高频疲劳的已有的方法包括增强蜂窝结构，例如使用较强的金属片。这可由较厚或较强的材料制成。这种产品已销售较长时间，其中较平的片(会比波状片经受较大的应力)由比波状片较强的材料制成，或增加其厚度。形成通道的片用铜焊或电子束焊接在一起。曾经试着控制由废气造成的类似冲击的脉冲，改善产品的流动分布，或增加蜂窝的截面积；将这些方法结合的最好方式是将蜂窝转成相对于气体流入的对角位置。

热疲劳问题仅强烈地存在于其本身与“密闭偶合”位置有关，尤其是在用铜焊连接到护套管上且在蜂窝内部的结构时，其中循环改变的温度造成很大的残留应力。此状况的控制主要与降小轴向护套管与蜂窝间的结合表面以增加蜂窝的柔性有关。虽然用连在一起的单片或成对的波状及平板形成的结构分开，由热疲劳造成的应力已较小，然而仍可能造成蜂窝松弛，降低高频疲劳的耐久性。

在专利EP-0 245 738中，叙述弯曲且成滚轧的构造，其中蜂窝强度由增强壁而增强。可使用增强壁以影响蜂窝的自然频率，且因此增加高频疲劳的耐久性。然而以这种结构不易控制热疲劳的耐久性，其中蜂窝增加的刚性可能对蜂窝的耐久性更危险。另外，结构中的增强壁的体积大且成本高。

EP-0 245 737揭示一种催化剂构造，其中一堆金属片经弯曲或滚成相反方向。此构造的特点为各片以二个相对扇面或段与护套周边对称结合。在单一片未连接情况下此构造为柔性的，但若结构的高频疲劳的耐久性是通过各片相连接而增加时，则会产生一般需通过降低轴向结合区域，来增加热疲劳耐久性的情况，如公开号为WO-96/26805中所述。