催化转化器的制造方法
【专利说明】催化转化器
[0001] 发明背景 1.发明领域
[0002] 本发明涉及安放并固定在构成废气排气系统的管道中的催化转化器。
[0003] 2.相关技术描述
[0004] 全世界各种工业已经为降低环境影响负荷作出各种努力，特别地，汽车工业已努 力推广所谓的环保汽车，如混合电动汽车和电动汽车以及具有优异燃料经济性能的汽油汽 车，并努力作出旨在进一步改进其性能的发展。
[0005] 通常，在连接车辆发动机和消声器的废气排气系统中安置用于净化废气的催化转 化器。
[0006] 发动机排放环境有害物质，如CO和NOx以及未燃烧的HC和V0C，因此，为了将这样 的有害物质转化成许可的物质，在具有许多孔的基底的孔壁中形成由贵金属催化剂如钯或 铂形成的催化剂层。更具体地，在许多孔的孔壁中，在基底的纵向（这也是废气的流向）中 形成催化剂层。当废气经过具有由此构成的基底的催化转化器时，CO转化成C02,NOx转化 成队和0 2，且VOC燃烧产生0)2和H20。
[0007] 例如，关于催化转化器，具有蜂窝结构的含孔的基底的孔密度通常均一。但是，由 于废气的流速分布在基底横截面的中心区中高于周边区中，这引起没有充分利用整个基底 中的催化剂层的问题。考虑到废气的这种流速分布，修改催化转化器以使基底中心区的孔 密度高于周边区。因此，可以尽可能降低基底横截面内的流速分布差异并由此可以有效利 用整个催化转化器的催化剂层净化废气。
[0008] 日本专利申请公开No. 2002-177794(JP2002-177794A)公开了通过与沉积在具 有蜂窝结构且整个催化转化器（在此称作催化剂体）中的孔密度均一的基底的周边区（在 此称作外周区段）中的量相比改变沉积在中心区（在此称作中心区段）中的贵金属催化剂 的量来改进废气净化性能的技术。更具体地，在催化剂体中，将沉积在具有大气体流速的中 心区段中的每单位体积的催化剂量设定为外周区段中的I. 1倍或更大。但是，这种技术固 有的问题在于，由于整个催化剂中的均一孔密度，很难期望高废气净化性能，并且在通过提 高贵金属催化剂的量来净化废气的方法中会产生大量硫化氢，这是异味的成因。
[0009] 此外，日本专利申请公开No. 2006-281 134(JP2006-281 134A)公开了一种蜂窝 结构，其中孔密度从中心区向外周区降低。相应地，通过改变该蜂窝结构的横截面内的孔密 度，可以将废气的流速分布调节到在该蜂窝结构的横截面内尽可能均一。但是，已经确认， 通过仅如所述调节孔密度以将流速分布简单调节到尽可能均一无法在废气净化过程中有 效利用构成蜂窝结构的整个催化剂层。
[0010] 发明概述
[0011] 本发明提供了可有效利用催化转化器中的整个催化剂净化废气并因此具有优异 的废气净化性能的催化转化器。
[0012] 本发明的一个方面涉及一种催化转化器，其包括：具有孔结构的基底，其由具有最 高孔密度的中心区、具有最低孔密度的周边区和位于中心区和周边区之间并具有介于中心 区的孔密度和周边区的孔密度之间的孔密度的中间区构成；在基底的中心区的孔壁上形成 并包括第一贵金属催化剂的第一催化剂层；在基底的中间区的孔壁上形成并包括第二贵金 属催化剂的第二催化剂层；和在基底的周边区的孔壁上形成并包括第三贵金属催化剂的第 三催化剂层。第二催化剂层在基底纵向上的长度比第一催化剂层的纵向长度长，第三催化 剂层的纵向长度比第二催化剂层的纵向长度长，且中心区中的第一催化剂层的纵向长度与 基底的纵向长度的比率为65%或更大。本发明的"第一至第三催化剂层"分别是指各区域 中的整个催化剂层的最厚部分。第一至第三贵金属催化剂可以是相同的贵金属催化剂。 [0013] 在本发明的催化转化器中，例如，具有许多孔的基底由孔密度彼此不同的中心区、 中间区和周边区构成，且中心区具有最高孔密度，而周边区具有最低孔密度。相应地，与 具有均一孔密度的基底相比，可以降低废气在中心区、中间区和周边区之间的流速分布差 异。此外，关于中心区、中间区和周边区中的催化剂层的纵向长度（废气在基底中流过的长 度），中间区的催化剂层比中心区的长，周边区的催化剂层比中间区的长。因此，可以有效利 用构成该催化转化器的整个催化剂层。
[0014] 下面描述上述情况的原因。在沿纵向横截面切割基底的垂直剖视图中，与具有均 一的每单位体积孔密度的基底相比，在中心区具有相对较高孔密度的基底中，流入具有相 对较低孔密度的周边区的废气量提高。关于在孔壁上形成的各催化剂层在基底纵向上的长 度（为各催化剂层的纵向长度与基底的纵向长度设定各种比率），如果对具有不同孔密度 的基底的各催化剂层使用充当参照物的具有均一孔密度的传统基底的催化剂层，在具有小 孔密度的周边区中由于与具有均一孔密度的传统基底相比大量废气流经其中（待净化的 废气量），不可能获得足够的净化性能。考虑到上述情况，除在中心区、中间区和周边区之间 改变孔密度外，还将中间区和周边区中的催化剂层的纵向长度设定得比中心区长。因此，中 间区和周边区中的催化剂层与废气的接触面积提高，并由此改进废气净化性能。
[0015] 以中心区、中间区和周边区的顺序逐步或连续降低孔密度，以此模式改变各区域 的孔密度。此外，不仅可以提供一个中间区，还可以提供两个或更多个中间区。相应地，各 自具有不同孔密度的区域数目可能不是3,而是4或更大。
[0016] 此外，在本发明的催化转化器中，关于催化剂层的比率，将中心区中的催化剂层的 纵向长度与基底的纵向长度的比率限定为65 %或更大。由于如刚刚所述限定中心区中的催 化剂层的长度与基底长度的比率，该催化转化器表现出优异的气体净化性能。
[0017] 在孔壁中形成的催化剂层的一个实施方案具有双层结构，包括在孔壁侧上的下层 和在其上的上层，且各层由Pd、Pt、Rh中的一种或多种作为贵金属催化剂形成。
[0018] 除由含有氧化镁、氧化铝和二氧化硅的复合氧化物的堇青石、和碳化硅的陶瓷材 料等形成的基底外，所用的具有孔结构的基底可以由陶瓷材料以外的金属材料等的材料形 成。关于基底的构造，可以使用所谓的蜂窝结构，其包括许多格形孔，如正方形、六边形、八 边形等。
[0019] 中心区的孔密度与周边区的孔密度的比率可以为至少大于1和最多2。
[0020] 设定该数值范围的上限和下限的基础是，如果孔密度的比率为1或更低，则由于 中心区与周边区之间的孔密度差异，无法充分控制流入各区域的孔中的废气量，如果孔密 度的比率超过2,则流入周边区中的废气量变得太大，因此净化性能变差。
[0021] 本发明的催化转化器可具有抗热震性质优异的堇青石蜂窝载体，但其也可以是电 热转化器（EHC)。在EHC中，将一对电极连接到蜂窝催化剂上，通电以加热蜂窝催化剂，并由 此增强蜂窝催化剂的活性以净化例如经过其的废气。当用于连接车辆发动机和消声器的废 气排气系统时，EHC可以在常温下借助该催化剂净化废气。即使催化剂是冷的，EHC也可以 电加热该催化剂以便活化并由此净化废气。
[0022] 由上文的描述已经理解，根据本发明的催化转化器，可以提供表现出优异的废气 净化性能的催化转化器。
[0023] 附图简述
[0024] 下面参考附图描述本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业意义， 其中类似数字是指类似元件，且其中：
[0025] 图1是图解本发明的催化转化器的一个实施方案的示意图；
[0026] 图2A是图解基底中心区中的孔壁的纵向长度和具有双层结构的催化剂层的上层 和下层的纵向长度的示意图；
[0027] 图2B是图解周边区中的孔壁的纵向长度和具有双层结构的催化剂层的上层和下 层的纵向长度的示意图；
[0028] 图3是显示具有均一孔密度的基底中和孔密度在中心区和周边区之间改变的基 底中的废气流速分布的曲线图；
[0029] 图4是显示当中心区中的催化剂层的长度（其与基底长度的比率）为50%并改变 周边区中的催化剂层的长度时测量NOx排放的实验的结果的曲线图；
[0030] 图5是显示当中心区中的催化剂层的长度（其与基底长度的比率）为65%并改变 周边区中的催化剂层的长度时测量NOx排放的实验的结果的曲线图；
[0031] 图6是显示当中心区中的催化剂层的长度（其与基底长度的比率）为80%并改变 周边区中的催化剂层的长度时测量NOx排放的实验的结果的曲线图；且
[0032] 图7是显示当中心区中的催化剂层的长度（其与基底长度的比率）为50%、65%、 80%和100%并改变周边区中的催化剂层的长度时测量NOx排放的实验的结果的曲线图。
[0033] 实施方案详述
[0034] (废气排气系统）首先，概述废气排气系统，在其中放入本发明的一个实施方案的 催化转化器。本发明的催化转化器可用于下述废气排气系统：在其中安置发动机、催化转化 器、三路催化转化器、副消声器和主消声器并通过管道彼此相连，且其中发动机中生成的废 气经由该管道流经各组件，然后排出。接着，下面将描述催化转化器的一个实施方案。
[0035] (催化转化器的实施方案）图1是图解本发明的催化转化器的该实施方案的示意 图，图2A是图解基底中心区中的孔壁的纵向长度和具有双层结构的催化剂层的上层和下 层的纵向长度的示意图，且图2B是图解基底周边区中的孔壁的纵向长度和具有双层结构 的催化剂层的上层和下层的纵向长度的示意图。在此，图2A和2B中的带有催化剂层的上 层和下层的部分可以被视为本发明的第一和第三催化剂层。基底1的中间区IB中的带有 催化剂层的上层和下层的部分可以被视为本发明的第二催化剂层。此外，图3显示具有均 一孔密度的基底中和孔密度在中心区和周边区之间改变的基底中的废气流速分布。
[0036] 图1中所示的催化转化器10基本由具有许多孔的圆柱形基底1和在用于形成孔 的孔壁中形成的具有双层结构的催化剂层形成。
[0037] 基底1的材料的实例是陶瓷材料，如碳化硅和含有氧化镁、氧化铝和二氧化硅的 复合氧化物的