三元催化轉(zhuǎn)化器的制造方法
【專利說明】三元催化轉(zhuǎn)化器
[0001] 說明書
[0002] 本發(fā)明涉及一種用于減少汽油動力內(nèi)燃機(jī)的有害廢氣組分的三元催化轉(zhuǎn)化器 (TWC)，并涉及相應(yīng)的廢氣凈化方法。該催化轉(zhuǎn)化器的特征在于其中儲氧材料特別不均勻的 分布。
[0003] 內(nèi)燃機(jī)的廢氣通常含有有害氣體一氧化碳（C0)和烴類（HC)、氮氧化物（N0X)和可 能的硫氧化物（S0X)以及顆粒物，所述顆粒物主要包括煙塵殘留物和可能附著的有機(jī)附聚 物。C0、HC和顆粒物是由于發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)燃料不完全燃燒產(chǎn)生的。當(dāng)燃燒溫度在局部超 過1000°C時，進(jìn)氣中的氮?dú)夂脱鯕鈺跉飧變?nèi)反應(yīng)生成氮氧化物。非合成燃料中總是存在 少量的有機(jī)硫化合物，而有機(jī)硫化合物的燃燒會生成硫氧化物。為了去除機(jī)動車輛廢氣中 這些對健康和環(huán)境有害的排放物，人們已經(jīng)開發(fā)了大量用于凈化廢氣的催化技術(shù)，其基本 原理通?；谝龑?dǎo)需要凈化的廢氣通過由涂有催化活性涂層的蜂窩狀體組成的催化轉(zhuǎn)化 器。這種催化轉(zhuǎn)化器可促進(jìn)不同廢氣組分之間的化學(xué)反應(yīng)，同時形成無害產(chǎn)物，如二氧化碳 (C02)和水。
[0004] 根據(jù)要凈化的廢氣組合物和預(yù)期廢氣溫度水平，所使用的操作方式和催化轉(zhuǎn)化器 的組合物可以顯著不同。許多用作催化活性涂層的組合物包含下述組分：在一定的操作條 件下，一種或多種廢氣組分可以被暫時束縛，而當(dāng)操作條件發(fā)生適當(dāng)改變時，該組分可被重 新有意地釋放。具有這種能力的組分在下文通常被稱為存儲材料。
[0005] 例如，三元催化轉(zhuǎn)化器中的儲氧材料用于去除汽油發(fā)動機(jī)（奧托發(fā)動機(jī)）廢氣 中的C0、HC和N0X，其中該發(fā)動機(jī)通過按化學(xué)計量平均的空氣/燃料混合物來操作。眾 所周知的儲氧材料是鈰和鋯的混合氧化物，其中可能摻雜有另外的氧化物，特別是摻雜有 稀土金屬氧化物，如氧化鑭、氧化鐠、氧化釹或氧化紀(jì)（Autoabgaskatalysatoren, Grundl agen-Herstellung-Entwicklung-Recycling- Okologie, Christian Hagelilken, 2nd Edi tion, 2005, p. 49 (Autoabgaskatalysatoren, Grundlagen-Herstellung-Entwicklung-Re cycling-0k〇l〇gie，Christian HagelUken，第二版，2005 年，第 49 頁）；Catalytic Air Pollution Control，Comme;rcial Technology，R.Heck et al·，1995, p. 73-112(催化空氣污 染控制，《商業(yè)技術(shù)》，R. Heck等人，1995年，第73-112頁））。
[0006] 在現(xiàn)代汽油發(fā)動機(jī)中，包含儲氧材料的三元催化轉(zhuǎn)化器是在涉及空氣/燃料比率 λ不連續(xù)累進(jìn)的條件下進(jìn)行操作的。所述條件包括空氣/燃料比率λ以限定的方式發(fā) 生的周期性變化以及由此產(chǎn)生的廢氣氧化還原條件的周期性變化。在這兩種情況下，空氣 /燃料比率λ的這種變化對于廢氣凈化的效果都是關(guān)鍵。為此，將廢氣的λ值調(diào)節(jié)為具 有很短的循環(huán)時間（約〇. 5至5赫茲），并且在λ值=1時具有〇. 〇〇5 < Δ λ < 〇. 05的 振幅△ λ (還原和氧化的廢氣組分彼此之間呈化學(xué)計量關(guān)系）。由于車輛的動態(tài)發(fā)動機(jī)操 作，會出現(xiàn)偏離這種條件的情況。為了不使上述情況在廢氣流過三元催化轉(zhuǎn)化器時對廢氣 凈化效果產(chǎn)生負(fù)面影響，催化轉(zhuǎn)化器中包含的儲氧材料會通過從廢氣中吸收氧氣，并根據(jù) 需要將氧氣釋放到廢氣中的方式在一定程度上抵消這些偏差（Catalytic Air Pollution Control，Commercial Technology，R.Heck et &1.，1995，口.90(催化空氣污染控制，《商業(yè) 技術(shù)》，R. Heck等人，1995年，第90頁））。
[0007] 對于減少內(nèi)燃機(jī)排放物的不斷增長的需求，需要催化轉(zhuǎn)化器不斷地更進(jìn)一步發(fā) 展。這樣做時，催化轉(zhuǎn)化器的溫度穩(wěn)定性以及，汽油發(fā)動機(jī)的主要廢氣組分如烴類、一氧化 碳和氮氧化物減少的程度無疑是特別重要的，此外用于轉(zhuǎn)化污染物的催化轉(zhuǎn)化器的啟動溫 度也很重要。
[0008] 優(yōu)化三元催化轉(zhuǎn)化器的儲氧容量引導(dǎo)人們提出了在三元催化轉(zhuǎn)化器的整個長度 上讓該容量非均勻分布的概念。在這一點(diǎn)上，人們已經(jīng)提出了在上游端（排氣道的上游） 具有比下游端（排氣道的下游）較低的儲氧容量的布局（W09617671AUDE102010055147A1) 以及相反的布局（US7785545B2、EP2431094A1、US8323599B2)。
[0009] EP2431094A1具體地描述了承載體上的、具有儲氧材料和分區(qū)布局的三元催化轉(zhuǎn) 化器。在該文中提出了在三元催化轉(zhuǎn)化器的第一部分上涂覆雙層的催化活性涂層，該涂層 含有一定量的儲氧材料，其大于所提供的催化轉(zhuǎn)化器下游端（僅具有一層催化活性涂層） 上的儲氧材料。該文中提供的三元催化轉(zhuǎn)化器特別適合于生成更少的具有危害的H2S。然 而，該文清楚地指出，如果存在于上游端上的存儲容量與存在于下游端上的存儲容量的比 率下降到低于特定值，這將是不利的。
[0010] 如已經(jīng)暗示的，對三元催化轉(zhuǎn)化器在減少主要有害氣體HC、C0和NOx方面的改進(jìn) 仍是個科學(xué)挑戰(zhàn)。因此，本發(fā)明的目的是介紹一種至少在本文提到的技術(shù)領(lǐng)域中優(yōu)于現(xiàn)有 技術(shù)催化轉(zhuǎn)化器的三元催化轉(zhuǎn)化器。此外，在制造成本方面，本發(fā)明的三元催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)該 是有競爭力的，如果可能的話，其制造成本應(yīng)比其他三元催化轉(zhuǎn)化器更低。
[0011] 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的是，根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求1所述的三元催 化轉(zhuǎn)化器可實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)有技術(shù)引出的這些和其他目標(biāo)。在從屬于權(quán)利要求1的子權(quán)利要求中 給出了根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器的優(yōu)選設(shè)計。權(quán)利要求7是指使用根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化 器的過程。
[0012] 人們能以出乎意料地簡單但卻非常有利的方式來實(shí)現(xiàn)所提出的目標(biāo)，即通過利用 三元催化轉(zhuǎn)化器來減少汽油驅(qū)動的內(nèi)燃機(jī)中有害的廢氣組分，所述三元催化轉(zhuǎn)化器具有一 個或多個優(yōu)選地以連接方式布置的具有催化活性涂層的相鄰承載體，其中該催化活性涂層 在流動方向上的儲氧容量呈不均勻分布，使得在催化轉(zhuǎn)化器的下游側(cè)（這個區(qū)域占整個三 元催化轉(zhuǎn)化器相對體積的5-50%)不存在儲氧材料。利用根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器，有可 能在節(jié)省原材料成本的同時保持相當(dāng)?shù)幕钚?，或者在原材料成本保持不變時實(shí)現(xiàn)更高的催 化轉(zhuǎn)化器效率。
[0013] 從根本上說，本文權(quán)利要求中所述的廢氣催化轉(zhuǎn)化器由一個或數(shù)個相鄰的承載體 構(gòu)成，在該承載體上或承載體中（例如，在孔壁結(jié)構(gòu)中）可施加催化活性涂層。在這種情 況下，可能的支撐物對于專家來說將是顯而易見的。這就是所謂的流通型整體柱或顆粒過 濾器(Christian Hagelilken, "Autoabgaskatalysatoren" [ "Exhaust gas catalytic converters for vehicles'，]，2005, 2nd edition, p. 27-46 (Christian Hagelilken, "Autoabgaskatalysatoren"["車輛的廢氣催化轉(zhuǎn)化器"]，2005年，第2版，第27-46頁））。這 樣的裝置（過濾器以及流通型整體柱）是專家所熟知，而涂敷有TWC活性涂層的裝置同樣 為專家所熟知（例如 DE102010055147A1、US20100293929、US20110252773、US20110158871 中所述的過濾器）。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)