专利名称：用于内燃机废气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机废气净化装置，尤其涉及一种用于吸附和净化废气中未燃 烧燃料(HC)的HC俘获催化剂的结构。
背景技术：
内燃机的排气通道中已经广泛采用三元催化剂，用于清除HC、 CO和NOx元。因为 三元催化剂的性能在低温时显著下降，作为废气净化装置，那些进一步包括HC俘获催化 剂设置在排气通道中的废气净化装置已经被越来越多地使用。
HC俘获催化剂包括HC吸附层和三元催化剂层。HC吸附层在低温时吸附HC，在高 温时排出HC。 HC俘获催化剂具有在内燃机冷起动、三元催化剂尚不能清除HC时防止 排出HC的功能，该功能通过在高温时在三元催化剂层中氧化除去低温时吸附在HC吸附 层中的HC而实现(参考JP-A-2004-9029 )。
然而，在上述的HC俘获催化剂中，三元催化剂层形成在HC吸附层上，HC吸附层 与三元催化剂层密切接触，以致当HC的氧化在三元催化剂层中开始时，HC吸附层被加 热，温度急剧升高。因此，在紧随冷起动被大量吸附的HC又被HC吸附层快速释放，因 而有可能使HC不能在三元催化剂层中完全氧化就从HC俘获催化剂中排出。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于内燃机废气净化装置，即使HC在三元催 化剂层中氧化并产生热量时，也几乎不升高HC吸附层的温度，从而抑制HC在冷起动时 的释放。
为了实现上述目的，依照本发明提供一种内燃机废气净化装置，该装置设置在内燃机 排气通道中，包括 载体；
HC吸附层，被支撑在载体上，用于吸附未燃烧的燃料；和三元催化剂层，被支撑在HC吸附层的表面上，用于氧化并去除未燃烧的燃料，其中 HC吸附层包括微粒状HC吸附剂，每粒HC吸附剂具有空腔，HC吸附剂被堆叠起来。
每粒HC吸附剂可以包含连通空腔与外部的开口部，且每粒HC吸附剂的内径和开口 部的孔径可比废气中的未燃烧燃料的分子直径大。 开口部的孔径可以为3nm至100nm。 每粒HC吸附剂可以支撑贵金属催化剂。 每粒HC吸附剂可以具有80%至95%的空隙度。 每粒HC吸附剂可以由沸石组成。
每粒HC吸附剂可以具有超过200m2/g的比表面积(specific surface area)。
图1为应用本发明废气净化装置的发动机排气系统示意简图。 图2为一种HC俘获催化剂的放大图。
图3为根据本实施例的三元催化剂层和HC吸附层的放大图。 图4为根据第一实施例的HC吸附剂的放大结构图。
图5为显示在冷起动时HC俘获催化剂的进、出口处HC浓度变化的实例曲线图。 图6为根据本发明的第二实施例的HC吸附剂放大结构图。 图7为根据本发明的另一个实施例的放大剖视图。 图8为根据本发明的其他实施例的放大剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图描述本发明的具体实施例。
图1为应用本发明的废气净化装置的发动机(内燃机)的排气系统的示意简图。 发动机1为汽油发动机，作为本发明废气净化装置一个实施例的三元催化剂3和HC 俘获催化剂4沿发动机的排气管(排气通道)2固定。三元催化剂3包含载体上铂(Pt)、 铑(Rh)、钯(Pd)、铜(Cu)、银(Ag)和铱(Ir)中任何一种作为贵金属催化剂，并且 具有在活化状态下除去HC、 CO和NOx的功能。 图2为HC俘获催化剂4的放大图。
如图2所示，HC俘获催化剂4由载体5上覆以HC吸附层6形成，并进一步在HC吸附层6上覆以三元催化剂层7，载体5由蜂窝整(块)石(料)(堇青石)或金属形成。 三元催化剂层7包含如上述三元催化剂3的贵金属催化剂，具有一并除去CO、 NOx
和HC的功能。三元催化剂层7在预定或更高温度的活化状态下能充分展现其功能。
HC吸附层6以沸石为主要成分，具有在低温区吸附废气中的HC、在高温区释放所
吸附的HC的特性。就是说，在发动机l处于冷态、HC的排量大、且三元催化剂3尚未
处于活化状态的情况下，HC吸附层6扮演吸附废气中的HC角色，用以减少排入空气中
的HC。
图3为HC吸附层6和三元催化剂层7的放大图。
如图3所示，HC吸附层6由多个微粒状HC吸附剂10在载体5上堆叠而成。三元 催化剂层7形成并覆盖在包括多个HC吸附剂10的HC吸附层6的表面。 图4为根据本发明第一实施例的HC吸附剂10的放大图。
如图4所示，HC吸附剂10具有中空结构，其外径大约为lum，厚度大约100nm， 壁至少在一个位置处具有连通外部和内部空腔11的开口部12。开口部12的孔径为3至 10nm，比高分子量的HC 13的分子直径大。开口部12的孔径可设为3nm或者更大以免 妨碍HC迁入空腔11内，可设为lOnm或者更小以免废气紊流侵入其中。此外，作为材 料的自然属性，HC吸附剂10内部还形成有无数个孔隙15，孔隙的大小约为lnm，低分 子量的HC14能够进入其中。为保证吸附性能，HC吸附剂10的比表面积按BET测量法 须大于200m2/g。
作为产生具有中空结构的HC吸附剂10的生产工艺，例如，可以将碳或聚乙烯之类 的球形有机物在作为主要成分的沸石被烘烤时与其混合。按照这种方式，沸石就会覆盖在 碳或球形有机物的外围形成微粒。此外，通过适当设定燃烧温度，可以只烧除碳或球形有 机物的内部物质，很容易产生出图4所示的具有空腔11的微粒状HC吸附剂10。
在具有上述结构的HC俘获催化剂4中，由于HC吸附层6由具有空腔11的微粒状 HC吸附剂10堆叠而成，HC吸附层6的内部形成有大量间隙，热量很难从中传导。HC 吸附层6的空隙度适宜设为80%至95%。空隙度被定义为表达式容积密度D (g/cm3) +真密度(1 (g/cm3)。上述数值范围的设定归因于这样的事实热导性随空隙度增加而降 低，但是，当空隙度过高时，废气紊流的侵入难以防止，热交换反倒容易发生。
当这种HC俘获催化剂4被用作发动机1的废气净化装置时，即使在发动机1冷启动 时HC在三元催化剂层7中被氧化并产生热量，HC吸附层6、特别是其下层部位的温度 几乎不升高，从而抑制HC吸附层6大量产生HC。因此，在发动机l冷起动时，可在三
5元催化剂层7中充分氧化并且除去HC，使得HC俘获催化剂4的HC释放受到抑制。
此外，因HC吸附剂设有连通空腔与外部的开口部12，这样不仅可以在HC吸附剂 的外壁上吸附HC，而且可以在内壁上吸附HC，于是吸附能力得到增强。尤其是，通过 穿过开口部12，即使具有大分子直径的高分子量HC 13也能被吸附在HC吸附剂10的内 壁上。另一方面，具有小分子直径的低分子量HC 14不仅能够进入HC吸附剂的外壁和 内壁，而且能够进入形成在沸石内部的孔隙15中。由于本实施例的HC吸附剂10具有空 心结构，气孔15的深度受到限制，并且，因HC能够不仅从外部而且能够从内部进入孔 隙15，吸附面积能够通过有效的利用孔隙15增加，从而能够提高吸附性能。
图5显示的是在冷起动时HC俘获催化剂4在进、出口处HC浓度变化的实例曲线图。 在此图中，实线表示本实施例HC俘获催化剂4的HC浓度，虚线表示相关技术中HC吸 附剂10没有空心结构而仅呈简单层状的HC俘获催化剂的HC浓度。
如图5所示，因紧随发动机1启动排出的HC量大，所以在HC俘获催化剂入口处的 HC浓度增加。从启动到催化剂温度尚低的一段预定时间Ta内，本实施例和相关技术的 HC俘获催化剂都吸附HC，从而向下游排出的HC得到抑制。然而，在预定时间Ta之后， 催化剂的温度升高，在相关技术的HC俘获催化剂的情况下，HC的排量增加，但在本实 施例的HC俘获催化剂的情况下，HC的排出仍然被抑制。
图6为根据本发明第二实施例的HC吸附剂20的结构图。在该实施例的HC吸附剂 20中，铂之类的贵金属催化剂21进一步支承在第一实施例HC吸附剂10的表面上。在 这种情况下，贵金属催化剂21可被支承在整个HC吸附剂上。当贵金属催化剂21被如此 支撑在HC吸附剂上时，HC借助贵金属催化剂21被氧化并被除去，使除去HC的性能能 够被提高。
本发明并不局限于如图3所示的三元催化剂层7均匀地覆盖在HC吸附层6上的结构， 覆盖在HC吸附层6上的三元催化剂层7的厚度可以从上游侧向下游侧增加。
不仅如此，如图8所示，HC俘获催化剂4的结构还可以是HC吸附剂10和20置 于上游侧，而三元催化剂层7被单独置于下游侧。
根据本发明的一个方面，因HC吸附层是由具有空腔的微粒状HC吸附剂堆叠而成， HC吸附层内部形成有大量空间，使得HC吸附层内部很难发生热传导。因此，在内燃机 冷起动阶段，即使在HC吸附层中HC被氧化并且产生热量，HC吸附层，特别是其底层 的温度也几乎不升高，因此，作为结果，HC从废气净化装置HC吸附层的排出能够被抑 制。根据本发明的一个方面，因HC能够通过开口部流入空腔，故而HC也能够被吸附在 HC吸附层的内壁上，从而HC的吸附性能得以被提高。
根据本发明的一个方面，3nm或者更大的孔径有利于未燃烧的燃料分子快速迁移不 被干扰，100nm或者更小的孔径有利于防止废气紊流侵入HC吸附层内部，从而既能提高 HC吸附层的HC吸附量，又能抑制被吸附的HC的排出。
根据本发明的一个方面，HC借助HC吸附剂中的贵金属催化剂被氧化，因此去除HC 的性能能够被提高。
根据本发明的一个方面，通过将HC吸附剂的空隙度控制在80。/。至95。/。之间，能够 同时实现降低热导性和通过抑制废气紊流来抑制热交换的双重目的，从而能够抑制HC从 HC吸附层的释放，结果，HC从废气净化装置的排出得到抑制。此处，空隙度被定义为 表达式容积密度D (g/cm3)十真密度d (g/cm3)。
根据本发明的一个方面，能够直接耐受汽车废气的废气净化装置可以采用沸石作为 HC吸附剂。
根据本发明的一个方面，通过控制HC吸附剂的表面面积达到200m"g或者更高，被 可以增加HC的吸附量，提高其吸附性能。HC吸附剂的表面面积按照BET法测量的比表 面积定义。
权利要求
1. 一种设置在内燃机的排气通道中的用于内燃机的废气净化装置，其特征在于，所述废气净化装置包括载体；HC吸附层，被支撑在所述载体上并适合于吸附未燃烧的燃料；和三元催化剂层，被支撑在HC吸附层的表面上并适合于氧化和去除所述未燃烧的燃料，其中所述HC吸附层包括各自具有空腔并被堆叠起来的微粒状HC吸附剂。
2. 如权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，每粒HC吸附剂包括连通所述空腔与外部的开口部，并且每粒HC吸附剂的内径和所述开口部的孔径都比废气中所述未燃烧的燃料分子直径大。
3. 如权利要求2所述的废气净化装置，其特征在于，所述开口部的所述孔径为3nm至 100腿。
4. 如权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，每粒所述HC吸附剂支承贵金属催 化剂。
5. 如权利要求l所述的废气净化装置，其特征在于，每粒所述HC吸附剂具有80。/。至95。/0 的空隙度。
6. 如权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，每粒所述HC吸附剂由沸石组成。
7. 如权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，每粒所述HC吸附剂具有超过200m2/g 的比表面积。
全文摘要
一种内燃机废气净化装置，设置在内燃机的排气通道中。该废气净化装置包括载体；HC吸附层，被支撑在载体上，用于吸附未燃烧的燃料；以及三元催化剂层，被支撑在HC吸附层的表面上，用于氧化和去除未燃烧的燃料。HC吸附层包括微粒状HC吸附剂，每粒HC吸附剂都具有空腔，所述微粒状HC吸附剂被堆叠起来。
文档编号F01N3/08GK101545393SQ20081018170
公开日2009年9月30日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年3月27日
发明者棚田浩, 诹访真由子, 谷山晃一 申请人:三菱自动车工业株式会社