矩形孔道的催化转化器制造技术

挤压的矩形孔道陶瓷蜂窝体，其中所述孔道横截面的长宽比为１．２∶１或更大，水力直径Ｄ↓［ｈ］和恒温努塞尔特数Ｎ↓［μ］（“形状”热传递特性）使“有效”孔道表面积因子Ｎ↓［μ］／Ｄ↓［ｈ］至少约为７０，从而使用于发动机尾气排放控制的催化基材具有较佳的点火特性，在现用的转化器压力降下具有提高的转化效率，和／或在减小的压力降下具有相同的转化效率。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请要求J.Paul Day在1996年8月12日提交的题为“矩形孔道的催化转化器”的美国临时申请60/023，788的权益。专利技术的背景本专利技术涉及排放物控制领域，具体涉及改进的催化转化器，该催化转化器用于除去固定和移动用途(如汽车)中使用的内燃机产生的一氧化碳、氧化氮和未燃尽的烃。目前，大多数用于除去汽车发动机排放物用途的催化转化器包含一种或多种分散在大表面积耐火涂层中的铂族金属催化剂，该涂层和催化剂承载在陶瓷蜂窝载体的孔道中，发动机尾气即由这些孔道穿透排出。美国专利3，885，977所述适用于本申请的陶瓷蜂窝载体通常包括一个输入表面、一个输出表面以及许多在输入表面和输出表面之间穿透该载体的开口孔道，所述孔道是由互相连结且混乱分布的孔壁所包围的。用陶瓷粉末挤压法制造这种载体的方法和设备描述在美国专利3，790，654和4，731，010中。过去，挤压陶瓷蜂窝载体领域的理论工作集中在压力降和转化效率方面。通常，认为转化效率与算得的蜂窝载体几何表面积直接相关，即与形成蜂窝载体孔道的所有壁的表面积总和直接有关。因此本领域的设计人员通常大都依据计算的载体几何表面积来预测各种市售挤压的孔道横截面为正方形的蜂窝体产品的催化性能。但是随着数据的积累，计算的表面积和测得的催化性能之间的差异使人们对这两种参数之间的确切关系产生怀疑。这种差异的一个具体例子可通过比较400孔的挤压陶瓷蜂窝体(即孔道密度为陶瓷蜂窝体每平方英寸的输入表面积上有400孔的蜂窝体)和400孔的缠绕金属蜂窝体的性能来说明。金属蜂窝体的几何表面积比陶瓷蜂窝体的几何表面积高约33％，主要是金属蜂窝体中的孔道具有正弦曲线的形状。但是，在试验两种产品的排放性能时，使用相同体积的基材(即金属蜂窝体的表面积高33％)，结果两种产品的性能实际上相同。通过提高蜂窝体几何表面积来改进催化转化器性能的传统方法具有许多缺点。首先，要明显提高表面积，就需要增加孔道密度。由于提高孔道密度会减小孔道的水力直径并提高转化器两端的气体压力降，尽管可以减小孔道的壁厚来降低转化器的压力降，但是减小孔道壁厚受到产品强度要求和其它因素(包括增加制造难度，从而会极大地提高产品成本)的限制。由于这些原因和其它的考虑，如果要明显提高用于气体处理用途的蜂窝体催化转化器的性能，就需要深入地了解材料和/或几何因素对排放性能的影响。因此，本专利技术的一个主要目的是根据对决定转化器性能因素的进一步分析，通过规定蜂窝体基材的设计参数而提供一种性能提高的催化转化器。由下面的详细描述可理解本专利技术的其它目的和优点。专利技术的概述本专利技术提供一种挤压的陶瓷蜂窝体，在转化效率方面其消除排放物的性能优于现有的蜂窝体，其加热和点火(light-off)特性也有所改进。具体地说，本专利技术提供一种具有矩形横截面孔道的蜂窝体，当适当地设计孔道大小、孔道长宽比、孔道壁厚和孔道密度(蜂窝体单位正面面积上的孔道数)时，与现有的市售产品相比，这种蜂窝体具有更快速的催化剂点火性能和明显改进的排放物控制性能。排放物控制性能的改进可由催化转化效率的提高、转化器两端尾气压力降的减小或两者的结合得到证实。本专利技术蜂窝体具有矩形横截面的孔道，其特征在于矩形横截面的长宽比(长边长度∶短边长度)大于1.2∶1。另外，可选择孔道的水力直径Dh和孔道的“形状”热传递特性Nμ(即孔道横截面的恒温努塞尔特数)，使Nμ/Dh较好为70或更大。在具有增大的点火特性的同时，该蜂窝体将保持所需的几何表面积(用于有效催化处理)和适当的流体流量(以满足传统排放物控制系统对压力降的要求)。满足这些要求的蜂窝体的孔道密度一般约为350-600矩形孔道/英寸2，孔道壁厚为0.002-0.006英寸。要求孔道横截面的长宽比为1.5-2.5。在这些参数限定的设计范围内，可设计出在目前可接受的转化器压力降范围内转化效率明显改进的蜂窝体。或者，在明显减小转化器体积和转化器流动阻力的同时可保持现有的转化效率。在这两种情况下，这种蜂窝体改进的热传递特性可望明显改进转化器的点火性能。附图简述参照附图可进一步理解本专利技术，附图中附图说明图1是在恒定加热速率条件下不同长宽比范围矩形孔道的努塞尔特数图；图2是不同长宽比范围矩形孔道的与孔道密度无关的热传递因子H／N图。详细描述本专利技术涉及将流体动力学和热传递原理用于解决蜂窝体催化转化器设计的问题。主要的工作假设是影响热交换的那些蜂窝体设计参数(表面积、孔道的形状和尺寸)也将影响催化性能，因为在热交换和催化作用这两种情况下，气体分子必需靠近蜂窝体的孔道壁才能发生所需的壁上相互作用。根据从流体(如尾气流)至蜂窝体孔壁上的对流热传递的研究，可得到下列热传递(蜂窝体的几何表面积(A)和对流热传递系数(h)的乘积)与蜂窝体孔道的尺寸和形状的关系式h&times;A=N&mu;&times;ADh&times;k=H&times;k------(1)]]>在式(1)中，h是对流热传递系数，A是几何表面积，Nμ是与孔道形状有关的恒温努塞尔特数，Dh是孔道的水力直径，k是流体的热导率。H这个量定义着热传递因子，它与流体的性质无关，仅与蜂窝体孔道的尺寸、形状和长短(extent)有关，可使用该量的值来表征几何形状独自对热传递的影响。当用于解决预测相对催化效率这一问题时，由式(1)可见，与其说这种效率仅取决于蜂窝体的几何表面积A，倒不如说取决于“有效”几何表面积(相当于实际表面积A乘以“有效表面积因子Nμ/Dh”)。这种用于预测催化活性的热传递模型的有效性可从反映具有直孔道壁的正方形孔道的陶瓷蜂窝体转化器与具有正弦曲线形孔道壁的缠绕金属蜂窝体转化器的实际转化效率差异的数据得到验证。文献报道，标准的400孔/英寸2陶瓷蜂窝载体的几何表面积A约为2.7m2/升，400孔/英寸2的缠绕金属蜂窝体的表面积约为3.6m2/升。表面积之比为75％。陶瓷蜂窝体和缠绕金属蜂窝体的孔道几何系数Nμ/Dh分别为76和58，即此系数之比为131％。上述两种比值的乘积(应代表这两种蜂窝体的“有效”表面积之比)为98.3％。因此这种热传递模型预测出这两种不同蜂窝结构体具有大致相同的催 表13B.(7天)Hoechst-L493纤维化介质与标准除去设备的比较贮藏7天后血小板收率和体外功能<p>其中N是孔道密度，n是矩形的长宽比，b是矩形孔道横截面短边的开口长度。使用这种关系式，可计算出用于蜂窝体设计的各种矩形孔道形状的热传递因子H。另外，可以比较和评价单独改变孔道长宽比的效果，即在恒定孔道密度N下各种孔道形状的性能。附图2是各种孔道形状的热传递因子(以与孔道密度无关的热传递比H/N表示)的图。这些因子作图时采用与图1相同的一些多边形，包括长宽比变化范围较大的各种矩形。由这些数据可见，理论上可得到很高的热传递因子，尽管下面将详细描述这些因子将受到实际上的限制。从这些分析可以计算出，长宽比为2∶1的矩形的热传递和有效表面积分别比相同孔道密度的正方形大29％和29％。同样，2.5∶1长宽比的矩形，这两个量可分别大50％。根据上述分析，可注意到热传递因子与孔道壁的厚度无关。尽管热传递的单独考虑表明对于孔道形状应使用尽可能大的长宽比，但是适用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种挤压的陶瓷蜂窝体，它具有一个输入表面、一个输出表面以及由输入表面至输出表面穿透所述蜂窝体的相交的孔道壁所形成的许多平行的开口孔道，其中： 所述孔道具有矩形的横截面，矩形的长宽比至少约１．２∶１； 所述矩形孔道的水力直径Ｄ↓［ｈ］和恒温努塞尔特数Ｎ↓［μ］能使蜂窝体的有效表面积因子Ｎ↓［μ］／Ｄ↓［ｈ］至少约为７０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：JP戴，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]