催化转化器和用于设计催化转化器的方法
【专利摘要】本发明涉及催化转化器和用于设计催化转化器的方法，所述催化转化器能够使排气流速均匀以实现均匀的温度分布和提高的净化性能。所述催化转化器包括催化剂基底和排气管，所述催化剂基底由具有内栅格孔的内基底材料部和具有外栅格孔的外基底材料部构成，所述排气管由上游侧管、催化剂收纳管和下游侧管构成。在所述催化转化器中，定义为S1的上游侧管的流动路径截面积、定义为S2的内基底材料部的截面积、定义为S3的催化剂基底的截面积、定义为d1的内栅格孔的水力直径和定义为d2的外栅格孔的水力直径满足S1≤S2≤S3(?0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)的关系。
【专利说明】
催化转化器和用于设计催化转化器的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于净化排气的催化转化器和一种用于设计所述催化剂转化器 的方法。
【背景技术】
[0002] 作为用于净化汽车等的内燃发动机中的排气的催化转化器，已知这样一种催化转 化器，其中在允许排气流过的排气管内配置有催化剂基底，所述催化剂基底具有以格子框 架样式排布的多个栅格壁和形成为由栅格壁围绕的多个栅格孔。在该催化转化器中，从催 化剂基底的栅格孔流过的高温排气激活被载持的催化剂，由此排气被净化。在该催化转化 器中，流向催化剂基底的中央的排气流量倾向于高，而流向催化剂基底的外周的排气流量 倾向于低。
[0003] 专利文献1公开了用在这种催化转化器中的催化剂基底的一个示例。在专利文献1 中公开的催化剂基底中，载持在排气流量高的催化剂基底的中央部的催化剂量与载持在其 外周部的催化剂量相比增加，由此提高了净化性能。
[0004] 引用清单
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献 l:JP-A-2002-177794
【发明内容】
[0007] 技术问题
[0008] 专利文献1中公开的催化剂基底具有以下问题。
[0009] 在专利文献1中公开的催化剂基底中，尽管通过增加载持在中央部的催化剂的量 提高了净化性能，但仍未解决催化剂基底的中央部和外周部之间的排气流量的不均匀。在 催化剂基底中，这种排气流量的不均匀导致排气流量高的中央部具有高温，而排气流量低 的外周部具有比中央部低的温度。因此，在低温部中，催化剂会耗费更多时间来达到活化温 度，或无法达到活化温度。结果，催化剂基底的净化性能下降。
[0010] 本发明鉴于以上背景而完成，并且提供了一种能够使流动的排气的流速均匀以实 现均匀的温度分布和提高的净化性能的催化转化器，以及一种用于设计所述催化转化器的 方法。
[0011] 问题的解决方案
[0012] 本发明的一方面涉及一种用于设计催化转化器的方法，所述催化转化器包括:催 化剂基底，所述催化剂基底包括内基底材料部和外基底材料部，所述内基底材料部包括允 许排气流过的内栅格孔，并且所述外基底材料部形成在所述内基底材料部的外侧且包括外 栅格孔，所述外栅格孔各自具有比所述内栅格孔的水力直径大的水力直径;和排气管，所述 排气管包括上游侧管、催化剂收纳管和下游侧管，所述上游侧管允许内燃发动机中产生的 排气流过，所述催化剂收纳管与所述上游侧管连通、具有比所述上游侧管的直径大的直径 且收纳所述催化剂基底，并且所述下游侧管配置在所述催化剂收纳管的下游并允许由所述 催化剂基底净化的排气流过，所述方法包括以下步骤:将定义为S1的所述上游侧管的流动 路径截面积、定义为S2的所述内基底材料部的截面积、定义为S3的所述催化剂基底的截面 积、定义为dl的各所述内栅格孔的水力直径和定义为d2的各所述外栅格孔的水力直径的大 小确定为满足 S1SS2 彡 53(-0.2242((112/(122)2+0.1141((11 2/(122)+0.617)的关系。
[0013] 本发明的另一方面涉及一种催化转化器，所述催化转化器包括:催化剂基底，所述 催化剂基底包括内基底材料部和外基底材料部，所述内基底材料部包括允许排气流过的内 栅格孔，并且所述外基底材料部形成在所述内基底材料部的外侧且包括外栅格孔，所述外 栅格孔各自具有比所述内栅格孔的水力直径大的水力直径;和排气管，所述排气管包括上 游侧管、催化剂收纳管和下游侧管，所述上游侧管允许内燃发动机中产生的排气流过，所述 催化剂收纳管与所述上游侧管连通、具有比所述上游侧管的直径大的直径且收纳所述催化 剂基底，并且所述下游侧管配置在所述催化剂收纳管的下游并允许由所述催化剂基底净化 的排气流过，其中，定义为S1的所述上游侧管的流动路径截面积、定义为S2的所述内基底材 料部的截面积、定义为S3的所述催化剂基底的截面积、定义为dl的各所述内栅格孔的水力 直径和定义为d2的各所述外栅格孔的水力直径满足S1彡S2彡S3(-0.2242(dl 2/d22)2+ 0.1141(dl2/d2 2)+0.617)的关系。
[0014] 本发明的有利效果
[0015] 上述催化转化器和用于设计所述催化转化器的方法提供了适当地确定催化剂基 底的内基底材料部的截面积的关系式。
[0016] 具体地，将上游侧管的流动路径截面积S1、内基底材料部的截面积S2、催化剂基底 的截面积S3、各内栅格孔的水力直径dl和各外栅格孔的水力直径d2的大小确定为满足SIS S2 彡 33(-0.2242((112/(122)2+0.1141((11 2/(122)+0.617)的关系式。通过满足该关系式，以平衡 的方式确定了 S1、32、33、(11和(12的大小，并且能使流过催化剂基底的排气的流速分布均匀。 由此，能使催化剂基底的温度分布均匀，并且能使全部催化剂基底的温度快速上升到活化 温度。
[0017]因此，以例如满足上述关系式的方式设计催化转化器使得能提供上述适合于有效 地净化排气的催化转化器。
[0018] 因此，上述用于设计催化转化器的方法能提供能够使排气的流速分布均匀并有效 地净化排气的催化转化器。
【附图说明】
[0019] 图1是根据示例1的催化转化器的局部剖视图。
[0020] 图2是(沿图1的箭头II的方向看去的)根据示例1的催化剂基底的剖视图。
[0021] 图3是示出确认试验1中的流速变动和截面积比率之间的关系的曲线图。
[0022] 图4是示出确认试验1中的截面积比率和水力直径的平方比率之间的关系的曲线 图。
[0023] 图5是示出确认试验1中的催化剂基底的净化性能和压力损失之间的关系的曲线 图。
[0024] 图6是示出确认试验2中的流速变动和截面积比率之间的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0025]在上述催化转化器中，形成内基底材料部中的内栅格孔并具有定义为tl的厚度的 内栅格壁和形成外基底材料部中的外栅格孔并具有定义为t2的厚度的外栅格壁优选构造 成满足tl<t2的关系。
[0026]这种情况下，外基底材料的强度提尚，且因此催化剂基底的强度提尚。不例 [0027]将参考图1和2说明如上所述的催化转化器和用于设计该催化转化器的方法的示 例。
[0028]如图1和2所示，根据本示例的催化转化器1包括用于净化排气G1的催化剂基底2和 收纳催化剂基底2的排气管3。
[0029] 催化剂基底2包括内基底材料部21和形成在内基底材料部21的外侧的外基底材料 部23。在内基底材料部21中，形成有允许排气G1流过的内栅格孔211。在外基底材料部23中， 形成有具有比内栅格孔211的水力直径大的水力直径的外栅格孔231。
[0030] 排气管3包括上游侧管31、催化剂收纳管32和下游侧管33。上游侧管31允许内燃发 动机中产生的排气G1流过。催化剂收纳管32配置在上游侧管31的下游，具有比上游侧管31 的直径大的直径，并且收纳催化剂基底2。下游侧管33配置在催化剂收纳管32的下游，并允 许利用催化剂基底2净化后的净化排气G2流过。
[0031] 当将上游侧管31的流动路径截面积、内基底材料部21的截面积、催化剂基底2的截 面积、内栅格孔211的水力直径和外栅格孔231的水力直径分别定义为31、32、33、(11和(12时， 催化转化器 1 被构造成满足 S1SS2 彡 33(-0.2242((112/(122)2+0.1141((11 2/(122)+0.617)的关 系。
[0032] 在下文中，将更详细地说明该示例。
[0033] 如图1所示，本示例的催化转化器1用于净化汽车发动机中产生的排气G1。从发动 机的燃烧室排出的排气G1经由排气通路(未示出)流到催化转化器1。
[0034] 催化转化器1包括与排气通路连通的排气管3和配置在排气管3内的催化剂基底2。 [0035]排气管3包括收纳催化剂基底2的催化剂收纳管32、设置在催化剂收纳管32的上游 的上游侧管31和设置在催化剂收纳管32的下游的下游侧管33。
[0036]催化剂收纳管32的内径大于上游侧管31和下游侧管33的直径。催化剂基底2收纳 在催化剂收纳管32中。在催化剂收纳管32和上游侧管31之间设置有上游侧圆锥部34。上游 侧圆锥部34具有这样的形状，即随着它从上游侧管31侧朝催化剂收纳管32侧延伸，其直径 从上游侧管31的直径逐渐变成催化剂收纳管32的直径。此外，在催化剂收纳管32和下游侧 管33之间设置有下游侧圆锥部35。下游侧圆锥部35具有这样的形状，即随着它从催化剂收 纳管32侧朝下游侧管33侧延伸，其直径从催化剂收纳管32的直径逐渐变成下游侧管33的直 径。
[0037] 如图1所示，上游侧管31呈圆柱形并且在与上游侧圆锥部34的连接部位附近呈直 线形状地形成为使得上游侧管31的中心轴线与催化剂收纳管32的中心轴线共轴。将上游侧 管31的流动路径截面积定义为S1。
[0038]此外，下游侧管33呈圆柱形并且在与下游侧圆锥部35的连接部位附近呈直线形状 地形成为使得下游侧管33的中心轴线与催化剂收纳管32的中心轴线共轴。
[0039] 如图2所示，催化剂基底2包括用于净化排气的催化剂和载持该催化剂的圆柱形陶 瓷载体。催化剂基底2具有由均呈格子框架样式排布的栅格壁212和232构成的蜂巢结构，以 及各自都由栅格壁212和232分隔出的多个栅格孔211和231。此外，催化剂基底2具有覆盖其 外周面的圆柱形外壁24。将催化剂基底2的与催化剂基底2的轴向垂直的截面的截面积定义 为S3。
[0040] 催化剂基底2包括形成在截面的径向内侧的内基底材料部21和形成在内基底材料 部21的径向外侧的外基底材料部23。此外，在内基底材料部21和外基底材料部23之间形成 有分隔壁22。
[0041 ]外基底材料部23包括呈格子框架样式排布的多个外栅格壁232和由外栅格壁232 分隔出并沿轴向贯穿外基底材料部23的多个外栅格孔231。将外栅格壁232的厚度定义为 t2。各外栅格孔231具有矩形截面形状。将外栅格孔231的水力直径定义为d2。
[0042]内基底材料部21包括呈格子框架样式形成的多个内栅格壁212和由内栅格壁212 分隔出并沿轴向贯穿内基底材料部21的多个内栅格孔211。将内基底材料部21的与其轴向 垂直的截面的截面积定义为S2。将内栅格壁212的厚度定义为tl。内栅格壁212的厚度tl和 外栅格壁232的厚度t2被设定成满足tl<t2的关系。此外，各内栅格孔211具有矩形截面形 状。将各内栅格孔的水力直径定义为dl。内栅格孔211的水力直径dl和外栅格孔231的水力 直径d2被设定成满足dl<d2的关系。
[0043]在本示例的催化转化器1中，上游侧管31的流动路径截面积S1、内基底材料部21的 截面积S2、催化剂基底2的截面积S3、内栅格孔211的水力直径dl和外栅格孔231的水力直径 d2 的大小被确定成满足 S1SS2 彡 S3(-0.2242(dl2/d22)2+0.1141(dl 2/d22)+0.617)的关系 式。通过满足该关系式，以平衡的方式确定了 3142、53、(11和(12的大小，并且由此能使流过 催化剂基底2的排气G1的流速分布均匀。因此，能使催化剂基底2的温度分布均匀，并且使全 部催化剂基底2的温度快速上升到活化温度。
[0044] 将催化转化器1设计成满足以上关系式使得催化转化器1能够有效地净化排气G1。
[0045] 在催化转化器1中，形成内基底材料部21中的内栅格孔211并具有定义为tl的厚度 的内栅格壁212和形成外基底材料部23的外栅格孔231并具有定义为t2的外栅格壁232被构 造成满足tl<t2的关系。因此，外基底材料部23的强度提高，并且因此催化剂基底2的强度 提尚。
[0046] (确认试验1)
[0047] 在该确认试验中，如图3至6所示，改变示例1的催化转化器1中的内栅格孔211的水 力直径dl、外栅格孔231的水力直径d2和内基底材料部21的截面积S2的大小，并且确认变动 的大小对流速分布、热分布和净化性能的影响。
[0048] 关于催化剂基底2的大小，上游侧管31的流动路径截面积S1和催化剂基底2的截面 积S3为8332mm2。将催化剂基底2中的内栅格孔211的水力直径dl和外栅格孔231的水力直径 d2设定为使得水力直径的平方比率(dl2/d22)，即水力直径dl的平方与水力直径d2的平方之 比取 0.67、0.82、0.49、0.35和0.24这5个值。
[0049] 图3是在纵轴上示出催化转化器1中的排气G1的流速的变动并且在横轴上示出表 示内基底材料部21的截面积S2与催化剂基底2的截面积S3之比的截面积比率(S2/S3)的曲 线图。在图3中，实线L1至L5对应于各自具有水力直径的不同平方比率的催化剂基底2,并且 表示与截面积比率的变化对应的流速变动的变化。关于水力直径的平方比率，实线L1、L2、 L3、L4和L5分别对应于0.82、0.67、0.49、0.35和0.24。关于流速分布的变动，如图2所示，在 催化剂基底2中的多个测量点测量流速，以获得标准偏差3σ。从催化剂基底2的中央朝其外 周每隔10mm设定流速测量点。
[0050]如图3所示，实线1^1上2上3上4和1^5形成浴缸形曲线，并分别具有第一拐点？11、 ?21131、？41和？51以及第二拐点？12、？22、？32、？42和？52，在所述拐点处流速变动急剧变 化。在各第一拐点PI 1至P51和各第二拐点P12至P52之间，流速变动小。
[00511 在实线L1至L5的各第一拐点P11至P51，截面积比率为0.34。当截面积比率为0.34 时，内基底材料部21的截面积S2与上游侧管31的流动路径截面积S1大致相等。换言之，流速 变动在内基底材料部21的截面积S2和上游侧管31的流动路径截面积S1具有SKS2的关系 时减小。
[0052]图4是示出在第二拐点P12至P52的截面积比率和水力直径的平方比率之间的关系 的曲线图。在该曲线图中，截面积比率在纵轴示出，而水力直径的平方比率在横轴示出。曲 线C1代表从实线L1至L5的第二拐点P12至P52获得的近似式。该近似式为S2/S3 = (-0.2242 (dl2/d22)2+0.1141(dl 2/d22)+0.617)。在截面积比率小于从该近似式获得的截面积比率的 区域X中，流速变动减小。
[0053]换言之，在设计成满足 SKS2 彡 S3(-0.2242(dl2/d22)2+0.1141(dl 2/d22)+0.617) 的关系式的催化剂基底2中，能使流动的排气G1的流速分布均匀。
[0054]表1示出催化转化器1的催化剂基底2中的温度分布。为了确认温度分布而准备的 催化剂基底2的水力直径的平方比率为0.67,并且对应于图3所示的实线L2。以30g/s的流量 将400°C的排气G1导入催化转化器1中，并且针对与图3所示的点P23、P24、P25和P26对应的 截面积比率分别测量催化剂基底2的温度。该测量在三个点一一即如图1和2所示的位于内 基底材料部21的中央的A点、位于内基底材料部21的外周侧的B点和位于外基底材料部23中 的C点--进行。如表1所示，在催化剂基底2中，流速变动被抑制得越多，便能达到越均匀的 温度分布。
[0055] [表1]
[0056]
?0057?~图5是示出在与实线L2(图3)对应的条件下形成的催化转化器1的净化性能的曲线_ 图。在该曲线图中，通过以30g/s的流量将400°C的排气G1导入催化转化器1中并且利用催化 转化器1净化而获得的净化排气G2中的排放量在纵轴示出，而催化剂基底2中的压力损失在 横轴示出。为了确认净化性能而准备的催化剂基底2具有与为了确认温度分布而准备的催 化剂基底2相同的形状，并且在与截面积比率对应的两个条件下一一即，在P23和P25处一一 比较净化性能。
[0058]在图5中，实线La示出了具有均匀的栅格孔一一其水力直径和数量有所变动一一 的催化剂基底中呈现的排放量和压力损失之间的关系。在具有均匀栅格孔的催化剂基底 中，净化性能由于缩小栅格孔的水力直径和增加栅格孔的数量而提高，但压力损失增加。另 一方面，压力损失由于扩大栅格孔的水力直径和减少栅格孔的数量而减少，但净化性能下 降。
[0059] 如图5所示，当催化剂基底2具有在P25处的截面积比率时，净化排气G2中的排放量 与催化剂基底2具有P23处的截面积比率的情形相比减少。亦即，净化性能提高。此外，能确 认的是，与实线La相比，具有在P25处的截面积比率的催化剂基底2能在抑制压力损失的增 加的同时提高净化性能。
[0060] 如上所述，在设计成满足31彡32彡33(-0.2242((112/(122)2+0.1141 ((112/(122) + 0.617)的关系式的催化转化器1中，能取得实现排气的均匀流速的有利效果。该均匀流速能 实现催化转化器1中的均匀温度分布以提高净化性能。
[0061 ](确认试验2)
[0062] 通过部分地修改用在确认试验1中的催化转化器1的构型来准备用在该确认试验 中的催化转化器。在该确认试验中，将催化剂基底2的截面积S3设定为13，070_ 2。其它构型 与用在确认试验1中的催化转化器1相同。
[0063] 图6是示出催化转化器1中的排气G1的流速的变动和截面积比率(S2/S3)--即内 基底材料部21的截面积S2与催化剂基底2的截面积S3之比一一之间的关系的曲线图。在图6 中，实线L6至L10对应于内栅格孔211的水力直径dl和外栅格孔231的水力直径d2有所变动 的催化剂基底2。在实线L6至L10中，水力直径的平方比率(dl 2/d22)对于实线L6而言为0.82， 对于实线L7而言为0.67,对于实线L8而言为0.49,对于实线L9而言为0.35,且对于实线L10 而言为0.24。
[0064] 如图6所示，实线1^6、1^7、1^8、1^9和1^10形成浴缸形曲线，并且分别具有第一拐点？61、 ?71、？81、？91和？101以及第二拐点？62、？72、？82、？92和？102。在实线1^6至1^10的各第一拐点 P61至P101，截面积比率为0.22。当截面积比率为0.22时，内基底材料部21的截面积S2与上 游侧管31的流动路径截面积S1大致相等。亦即，通过将内基底材料部21的截面积S2设定为 等于或大于上游侧管31的流动路径截面积S1来减小流速的变动。
[0065]在实线L6至L10中，针对第二拐点P62至P102的截面积比率不是固定的。此外，在该 确认试验中，对第二拐点P62至P102绘制的近似曲线具有与图4所示的曲线C1的形状相似的 形状。
[0066] 因此，在该确认试验中，即使在具有不同形状的催化转化器1中，通过将催化转化 器 1 设计成满足 S1SS2 彡 S3(-0.2242(dl2/d22)2+(hll41(dl 2/d22)+(h617)的关系式，也能取 得实现排气的均匀流速的有利效果。该均匀流速能实现催化转化器1中的均匀温度分布以 提高净化性能。
[0067] 附图标记列表
[0068] 1 催化转化器
[0069] 2 催化剂基底
[0070] 21内基底材料部 [0071] 211内栅格孔
[0072] 23外基底材料部
[0073] 231外栅格孔
[0074] 3 排气管
[0075] 31上游侧管
[0076] 32催化剂收纳管
[0077] 33下游侧管
【主权项】
1. 一种用于设计催化转化器（I)的方法，所述催化转化器（I)包括： 催化剂基底(2 )，所述催化剂基底包括内基底材料部(21)和外基底材料部(23 )，所述内 基底材料部(21)包括允许排气流过的内栅格孔(211 )，并且所述外基底材料部(23)形成在 所述内基底材料部(21)的外侧且包括外栅格孔(231)，所述外栅格孔各自具有比所述内栅 格孔(211)的水力直径大的水力直径;和 排气管（3)，所述排气管包括上游侧管（31)、催化剂收纳管（32)和下游侧管(33)，所述 上游侧管(31)允许内燃发动机中产生的排气流过，所述催化剂收纳管(32)与所述上游侧管 (31)连通、具有比所述上游侧管(31)的直径大的直径且收纳所述催化剂基底(2)，并且所述 下游侧管(33)配置在所述催化剂收纳管(32)的下游并允许由所述催化剂基底(2)净化的排 气流过， 所述方法包括以下步骤:将定义为Sl的所述上游侧管（31)的流动路径截面积、定义为 S2的所述内基底材料部(21)的截面积、定义为S3的所述催化剂基底(2)的截面积、定义为dl 的各所述内栅格孔(211)的水力直径和定义为d2的各所述外栅格孔(231)的水力直径的大 小确定为满足 S1SS2 彡 53(-0.2242((112/(122)2+0.1141((11 2/(122)+0.617)的关系。2. -种催化转化器（1 )，包括： 催化剂基底(2 )，所述催化剂基底包括内基底材料部(21)和外基底材料部(23 )，所述内 基底材料部(21)包括允许排气流过的内栅格孔(211 )，并且所述外基底材料部(23)形成在 所述内基底材料部(21)的外侧且包括外栅格孔(231)，所述外栅格孔各自具有比所述内栅 格孔(211)的水力直径大的水力直径;和 排气管（3)，所述排气管包括上游侧管（31)、催化剂收纳管（32)和下游侧管(33)，所述 上游侧管(31)允许内燃发动机中产生的排气流过，所述催化剂收纳管(32)与所述上游侧管 (31)连通、具有比所述上游侧管(31)的直径大的直径且收纳所述催化剂基底(2)，并且所述 下游侧管(33)配置在所述催化剂收纳管(32)的下游并允许由所述催化剂基底(2)净化的排 气流过，其中 定义为Sl的所述上游侧管(31)的流动路径截面积、定义为S2的所述内基底材料部(21) 的截面积、定义为S3的所述催化剂基底(2)的截面积、定义为dl的各所述内栅格孔(211)的 水力直径和定义为d2的各所述外栅格孔(231)的水力直径满足Sl<S2<S3(-0.2242(dl 2/ (122)2+0.1141((112/(12 2)+0.617)的关系。3. 根据权利要求2所述的催化转化器（1)，其中，形成所述内基底材料部(21)中的所述 内栅格孔(211)并具有定义为tl的厚度的内栅格壁(212)和形成所述外基底材料部(23)中 的所述外栅格孔(231)并具有定义为t2的厚度的外栅格壁(232)被构造成满足tl<t2的关 系。
【文档编号】B01D53/86GK105899775SQ201480003176
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月16日
【发明人】青木悠生, 藤原孝彦, 萱沼良介, 薮崎祐司, 林真大, 松原浩之
【申请人】丰田自动车株式会社