專利名稱：用于空間不均勻地涂覆蜂窩體的方法和裝置以及不均勻地涂履的蜂窩體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于涂覆一基體，尤其是涂覆一具有一流體可流過的蜂窩體的基體的方法。這中經涂覆的蜂窩體特別用作用于內燃機的廢氣凈化的催化轉換器。
背景技術：
已知的蜂窩體有大量基本上平行的通道通過，并且包括例如由一陶瓷成形體。作為陶瓷材料可采用例如堇青石、富鋁紅柱石或α氧化鋁。擠出的基體基本上由堇青石制成，此時，在初始材料中可另外加入高嶺土、氫氧化鋁、氧化鋁、滑石、碳顆粒等。還已知由多個部分地形成表面結構的并在必要時卷繞的薄板構成的金屬蜂窩體。
考慮到廢氣中的有害物質的催化轉換的高效性，需要提供盡可能大的蜂窩體催化活性接觸面積。在催化轉換時，特別重要的是下列有害物質氮的氧化物、不飽和碳氫化合物、一氧化碳等。為了具有高效性，蜂窩體有很高的通道密度，例如已知具有上達1500cpsi(單元每平方英寸)的單元密度的金屬蜂窩體。
可這樣來實現(xiàn)催化活性表面的進一步擴大，即用所謂的載體涂料(Washcoat)涂覆比較光滑的通道壁，所述載體涂料有一有非常多裂縫的表面。所述裂縫的表面一方面保證提供足夠大的空間以固定催化劑(例如鉑、銠等)，另一方面提供一大的用于催化流過的廢氣的表面，此時形成與催化劑的特別強烈的接觸。
已經知道，促進催化的大表面的載體涂料涂層的涂覆按這樣的方式進行，即將蜂窩體浸入一液態(tài)的載體涂料分散體中，或用所述液態(tài)載體涂料分散體對蜂窩體進行噴涂。接著，去掉多余的載體涂料分散體，干燥蜂窩體中的載體涂料，并在最后在通常超過450℃的溫度下煅燒。在煅燒時，載體涂料分散體的揮發(fā)性組成部分被排出，從而形成一具有大的比表面積的耐熱的和促進催化的層。在必要時，此過程可多次重復，以達到希望的涂層厚度。
載體涂料通常包括一種過渡系的氧化鋁和至少一種促進劑氧化物(Promoteroxid)例如稀土氧化物、氧化鋯、氧化鎳、氧化鐵、氧化鎵和氧化鋇的混合物。
迄今為止通常希望，載體涂料分散體在涂覆在蜂窩體上時必須有一盡可能均勻的流動特性，以便在整個通道長度上得到希望的均勻的涂層厚度。尤其是如同目前發(fā)展趨勢所追求的那樣，在通道截面非常小時，也應得到特別均勻的厚度。
不過，在催化轉換器中一個重要的成本因素是涂層材料尤其是催化活性物質如貴金屬的費用。
發(fā)明內容
由此，本發(fā)明的目的是，提供一種用于涂覆一基體的方法、一種基體以及用于涂覆一基體的裝置，其中可以可靠地提供對有害物質的有效催化并節(jié)省成本。
所述通過一種按照權利要求1的特征的方法，一種具有權利要求17的特征的基體以及一種具有權利要求23的特征的裝置來實現(xiàn)。各單獨應用或彼此任意組合的其它有利構形和改進方案是相應從屬權利要求的內容。
在按照本發(fā)明的用于用一種涂覆在基體上的涂層材料涂覆基體，尤其是可流過流體的蜂窩體的方法中，基體中涂層材料的空間溫度分布在涂覆時和/或在涂覆后是不均勻的。
借助涂層材料的不均勻分布，在涂覆過程中，形成基體中涂層材料的空間不均勻粘度。由于涂層材料的粘度是取決于溫度的，因此，可通過涂層材料不均勻的溫度分布影響涂層材料從基體上的流下，并由此調節(jié)變化的涂層厚度。由此，空間的不均勻溫度分布導致空間的不均勻層厚分布。
借助這種方法可以以有利的方式使涂層厚度適應催化的要求，尤其是適應催化的空間分布。尤其是其中只進行比其它區(qū)域少的催化轉換的區(qū)域，要設置比其中進行主要的催化轉換的其它區(qū)域少的涂層材料。由此，可減少涂層材料的費用，同時保證有效的催化轉換。
例如在基體的流入側選擇比流出側厚的涂層厚度，因為，按照本發(fā)明，在流入側按百分數(shù)有比流出側多的有害物質要催化轉換，從而在流入側需要比流出側厚的涂層材料厚度。由此，節(jié)約了流出側的涂層材料。
此外，基體內部的涂層厚度可以選擇成使其沿徑向從內向外減小。由此也可以借助較大的層厚保證在高催化活性區(qū)域內進行完全的催化，并通過較小的涂層厚度節(jié)約低催化活性區(qū)域內的涂層材料。
在按照本發(fā)明的方法的一種實施形式中，空間溫度分布沿基體的軸向是不均勻的。沿基體的軸向的空間溫度分布在所述方向上促使形成相應的粘度分布，由此形成一與該粘度分布相對應的涂層厚度分布。
借助沿基體軸向的變化的涂層厚度可以影響催化的空間輪廓。催化可集中在確定的空間區(qū)域內或保持遠離所述區(qū)域。還可以通過預先給定催化的空間分布而控制催化的起始特性。
例如，催化集中在基體的前部區(qū)域(沿流體的流動方向)，會使得催化的絕大部分只在基體的一部分中進行。催化器的這部分由于其相對于整個基體較小的熱慣性而達到催化起動所需要的點火溫度，因為只要使較少的質量達到所要求的點火溫度。由此，可以形成特別有利的催化轉換器的起始特性。
沿流動方向位于后面的區(qū)域保證有害物質的完全轉換。所述區(qū)域在催化器的熱狀態(tài)特別重要。不過，所述區(qū)域只需要較少的催化活性材料，因為有害物質量的大部分已經在流入側被轉換。
有利的是，空間溫度分布沿基體的徑向是不均勻的。涂層厚度的這種不均勻性是因為這樣的情狀，即待凈化的流體(例如廢氣)的流動速度在基體的中部區(qū)特別大，從而在中部區(qū)必須轉換特別多的有害物質。在所述中部區(qū)內較厚的涂層使得形成一較大的用于催化轉換的表面積，并由此在催化轉換器的所述區(qū)域內也確保有效的催化轉換。
在邊緣區(qū)流動速度較小，并且只需轉換較少的有害物質。換句話說，由于待凈化的流體的流剖面輪廓，在通道截面積相同時，一邊緣上的通道一定轉換比催化轉換器中部通道少的有害物質。由于這個原因，在邊緣區(qū)需要較小的涂層厚度。通過在邊緣處的較小的涂層厚度，可以節(jié)約起催化作用的材料如貴金屬的費用。
如果空間不均勻的溫度分布的溫度差為至少2℃，尤其是至少為5℃，則有利的是。但特別優(yōu)選的是至少為15℃，由此，會特別強烈地形成由于不同的溫度而引起的粘度差別。有利的是，出現(xiàn)至少為1％，尤其是至少為3％，最好至少為10％的一種液態(tài)涂層材料的粘度差別。
在不均勻的溫度分布中的溫度差可通過局部冷卻和/或加熱基體形成。例如，基體可通過與一吸熱體的接觸而局部冷卻?；w也可借助一紅外燈或通過與一加熱體接觸而局部加熱。
涂層材料的不均勻溫度分布的溫度差也可通過局部冷卻和/或局部加熱涂層材料形成。在這個變型方案中，不均勻的溫度分布不是通過基體向涂層材料的傳熱形成，而是通過直接局部冷卻或局部加熱涂層材料形成。
這可以例如借助一紅外燈或通過在基體上涂覆之前預先給定涂層材料的空間溫度不均勻性實現(xiàn)。例如，在基體的中部區(qū)域噴涂比靠外的區(qū)域以冷的涂層材料。
有利的是，在不同的部位加熱和/或冷卻涂層材料和/或基體。例如，可以將基體夾緊在一加熱體和一吸熱體之間，從而在基體中在相應的加熱體或吸熱體的接觸表面之間形成一溫度梯度。
通過預先給定多個熱源或冷源，可以在寬的界限內精確地規(guī)定基體中的涂層材料的溫度分布。尤其是，可以由此調節(jié)變化的涂層厚度，所述涂層厚度允許有效的催化，同時降低所需涂層材料的費用。
在按照本發(fā)明的方法另一種實施形式中，在涂覆之前基體有一與涂層材料的溫度不同的溫度。通過材料的熱容和基體向涂層材料的傳熱和傳冷，會實現(xiàn)涂層材料的不均勻的熱分布。
僅僅通過基體與涂層材料之間的溫度差可以實現(xiàn)，涂層在流過基體時被加熱(冷卻)，并由此形成不均勻的溫度分布。另一種方案是，基體在涂覆之前在其內部有一空間不均勻的溫度分布。
可通過涂覆之前涂層材料與基體之間的溫度差形成、通過在涂覆之前基體的空間溫度分布、通過涂覆時局部加熱/冷卻或通過在涂覆之前涂層材料的空間不均勻性實現(xiàn)涂層材料空間不均勻的溫度分布。通過這些可能的組合，可以在大的范圍內改變或規(guī)定涂層材料的空間溫度分布或涂層厚度的空間分布。
有利的是，基體可通過電磁輻射尤其是通過感應或微波局部加熱。通過局部感應可這樣來實現(xiàn)涂層材料的空間不均勻溫度分布，即在涂覆前或涂覆時加熱基體。
有利的是，可通過局部熱接觸加熱和/或通過局部冷接觸冷卻基體。另一種方案為，借助一流體流局部加熱或冷卻基體和/或涂層材料。在借助流體流傳熱時，除熱接觸外，熱對流也起很重要的作用。此外，可借助一紅外燈尤其是通過熱輻射局部加熱或冷卻基體和/或涂層材料。
通過必要時在不同的位置預先給定多個冷卻源或熱源，可以精確規(guī)定涂層材料的不均勻熱分布并由此規(guī)定變化的涂層厚度。
在按照本發(fā)明的方法的一種特別的實施形式中，以液態(tài)尤其是作為懸浮體涂覆涂層材料?？衫缃柚唤⊥扛餐繉硬牧匣驀娡客繉硬牧?。
可有利地采用一載體涂料作為涂層材料，其中載體涂料可有利地包括一種過渡系的氧化鋁和至少一種促進劑氧化物例如稀土氧化物、氧化鋯、氧化鎳、氧化鐵、氧化鎵和氧化鋇的混合物。這種載體涂料提供一裂縫的表面，所述表面一方面提供足夠大的用于固定催化劑的空間，另一方面用于通過在流過的廢氣的擴散改善物質傳送。涂層材料有利地包括起催化作用的物質(例如鉑、銠等)，尤其是貴金屬。
按照本發(fā)明的基體包括流體可流過的通道、一入口側、一出口側、一內部區(qū)域和一外側區(qū)域，其中以一涂層材料的涂層厚度涂覆通道，并且由此其特征為，各通道的涂層厚度是不同的和/或涂層厚度沿通道是變化的。
通過所述不均勻的涂層厚度考慮了催化轉換的空間分布，特別是確保在高催化活性的區(qū)域存在足夠多的涂層材料，而在低催化活性的區(qū)域節(jié)省多余的涂層材料。因此與以前的觀點相反，放棄了特別均勻的涂層材料，以得到一(與需要)特別相適應的、與實際發(fā)生的催化反應相匹配的涂層。由此一方面確保高效的催化轉換，另一方面節(jié)約多余的、昂貴的涂層材料。
各通道之間涂層厚度可以是不同的，尤其是，在基體的中部比較靠外的區(qū)域厚。例如，涂層厚度從基體的中部起沿徑向向外減小。
不過，涂層厚度也可沿通道變化，此時，涂層厚度最好基本上沿流動方向減小。
有利的是，涂層厚度沿通道從基體的入口側至出口側減小。由此，催化轉換集中在基體的前部區(qū)域，并通過基體的后部區(qū)域保證特別完全的催化轉換。
有利的是，涂層厚度從內部區(qū)域到外側區(qū)域從一個通道到另一個通道逐漸減小。由此就考慮了待凈化的流體的流剖面輪廓，并以對應于催化轉換率的厚度涂覆涂層材料。在較少的流體流動并由此預期具有較低的催化活性的最外側的區(qū)域中，節(jié)省了多余的涂層材料。
有利的是，涂層厚度基本上按線性降低。線性的空間涂層厚度變化可用簡單的結構通過預先給定相應的冷源或熱源而規(guī)定。此外，有利的是，涂層厚度基本上按指數(shù)降低。通過按指數(shù)的變化會特別多地節(jié)約涂層材料。
此處，涂層厚度的空間輪廓沿不同的空間方向可以是不同的。例如，涂層厚度可沿通道按指數(shù)減小，而沿徑向則從內向外線性地減小，或者相反。
有利的是，涂層厚度按至少10％減小，最好按至少30％，特別優(yōu)選按至少80％。從這些數(shù)字知道，借助本發(fā)明，涂層材料，尤其是特別昂貴的起催化作用的物質如貴金屬可節(jié)約至少5％至至少40％。
按照本發(fā)明的用于用一涂層材料優(yōu)選用按照本發(fā)明的方法涂覆一基體、尤其是涂層按照本發(fā)明的基體的裝置包括一涂覆裝置和至少一個溫度確定裝置，其中借助涂覆裝置可將涂層材料涂覆到基體上，而借助溫度確定裝置則可以在涂覆涂層材料之前或之中形成涂層材料空間不均勻的溫度分布。
涂覆裝置可例如是一浸浴或一用于噴射涂層材料的噴嘴。溫度確定裝置可例如是一形式為一吸熱體或加熱體的熱源或冷源，或一加熱燈或一感應加熱器。借助熱傳導、熱對流或熱輻射局部加熱或冷卻基體，從而可產生涂層材料空間不均勻的溫度分布輪廓。借助所述裝置，可以有控制地調整基體上的涂層材料的涂層厚度。例如，在高催化活性區(qū)，尤其是在基體的流入側或在基體的內部區(qū)域設置特別多的涂層。
在按照本發(fā)明的裝置的一種實施形式中，存在至少兩個用于在基體中產生空間不均勻溫度分布的溫度確定裝置。通過所述至少兩個溫度預先給定裝置，可以產生一特別陡的溫度梯度，由此，涂層厚度可以以特別強烈的程度變化。
下面根據(jù)
其它的優(yōu)點和有利的實施形式，它們并不限制本發(fā)明，而只是對本發(fā)明進行說明。
在圖中圖1用透視斜視圖示意地示出一按照本發(fā)明的蜂窩體，和圖2a、2b示意地示出按照本發(fā)明的用于涂覆一蜂窩體的方法的兩個步驟。
具體實施例方式
圖1示出一按照本發(fā)明的設計成催化蜂窩體的基體1?；w1通過堆疊或層疊光滑層或波紋層的金屬薄板而形成?；w1具有一內部區(qū)8和一外側區(qū)9，以及一入口側3和一出口側4。入口側3用作流體的流入側。在入口側3和出口側4之間布置用于流體可以流過的通道5、5’。流體基本沿方向I流過通道5、5’流動。
通道5、5’由薄板16形成，所述薄板由具有變化的涂層厚度D的涂層材料2覆蓋或涂覆。所述涂層厚度D沿流動通道從入口側3至出口側4逐漸減小，其中一按指數(shù)的輪廓曲線是優(yōu)選的。涂層厚度D還沿徑向向外從內部區(qū)8至外側區(qū)9逐漸減小。此時，有利的是選擇一基本上線性的變化分布。由此，涂層厚度D在一位置P1比一第二位置P2厚，但是不如一第三位置P3那樣厚。
圖2a和2b示出按照本發(fā)明的用于用一涂層材料2涂覆一基體1的方法，利用一設計成浸浴的涂覆裝置11將所述涂層材料涂覆到基體1上。為此，基體1夾緊在一第一溫度確定裝置12與一第二溫度確定裝置13之間，從而通過基體1與設計成加熱體的第二溫度確定裝置13之間的熱接觸6，熱從第二溫度確定裝置13傳至基體1上，并通過基體1與第一溫度確定裝置12之間的冷接觸7，冷從第一溫度確定裝置12傳至基體1上。兩個溫度確定裝置之間的溫度差有利地為5℃。
借助兩個溫度確定裝置以沿通道5的方向I形成基體1不均勻的溫度分布。涂覆裝置11包括一具有涂層材料2的浴，所述浴借助一第三溫度確定裝置14達到一規(guī)定的溫度。接著，將基體1浸入涂層材料2中(圖2b)，以使涂層材料2滲透到基體1的通道5中。最后，從浴中取出基體1。
通過浸入之前的基體1中的不均勻溫度分布輪廓和第三溫度確定裝置14的溫度來精確地調整涂層厚度D的空間輪廓。尤其是，由此在基體1上得到相應的不均勻溫度分布，所述溫度分布決定涂層材料2的相應粘度。
通過從設計成浸浴的涂覆裝置11中快速取出，涂層材料2對應于在不同的空間位置P1、P2、P3的粘度以不同的速度流下，并由此形成空間不均勻的涂層厚度D。
本發(fā)明涉及一種用于用一涂覆在基體1上的涂層材料2涂覆一基體1，尤其是涂覆一流體可流過的蜂窩體的方法，其中基體1中的涂層材料2的空間溫度分布在涂覆時和/或在涂覆后是不均勻的，本發(fā)明還涉及一具有空間不均勻的涂層厚度的基體和一種用于的不均勻地涂覆基體1的裝置。
本發(fā)明的特征在于，可保證有效的催化，并節(jié)約不需要的位置處的多余的涂層材料。
參考標號表1 基體 12第一溫度確定裝置2 涂層材料 13第二溫度確定裝置3 入口側14第三溫度確定裝置4 出口側15接觸5、5’ 通道 16薄板6 熱接觸P1第一位置7 冷接觸P2第二位置8 內部區(qū)域 P3第三位置9 外側區(qū)域 D 涂層厚度11涂覆裝置 I 方向
權利要求
1.用于用一涂覆在一基體(1)上的涂層材料(2)涂覆所述基體(1)，尤其是涂覆一具有一流體可流過的蜂窩體的基體的方法，其中，基體(1)中的涂層材料(2)的空間溫度分布在涂覆時和/或在涂覆后是不均勻的。
2.如權利要求1的方法，其特征為，所述空間溫度分布沿所述基體(1)的軸向是不均勻的。
3.如權利要求1或2的方法，其特征為，所述空間溫度分布沿所述基體(1)的徑向是不均勻的。
4.如前述權利要求之一的方法，其特征為，溫度差至少為2℃，尤其是至少為5℃，最好至少為15℃。
5.如前述權利要求之一的方法，其特征為，通過局部冷卻和/或局部加熱基體(1)形成所述溫度差。
6.如前述權利要求之一的方法，其特征為，通過局部冷卻和/或局部加熱涂層材料(2)形成所述溫度差。
7.如前述權利要求之一的方法，其特征為，在不同的位置(P1，P2，P3)加熱和/或冷卻所述涂層材料(2)和/或基體(1)。
8.如前述權利要求之一的方法，其特征為，基體(1)在涂覆之前有一與涂層材料(2)的溫度不同的溫度。
9.如前述權利要求之一的方法，其特征為，基體(1)在涂覆前有一空間不均勻溫度分布。
10.如前述權利要求之一的方法，其特征為，通過電磁輻射，尤其是電磁感應或微波局部加熱基體(1)。
11.如前述權利要求之一的方法，其特征為，通過熱輻射局部加熱基體(1)和/或涂層材料(2)。
12.如前述權利要求之一的方法，其特征為，通過局部熱接觸(6)加熱基體(1)和/或通過局部冷接觸(7)冷卻基體(1)。
13.如前述權利要求之一的方法，其特征為，借助一流體流局部加熱或冷卻基體(1)和/或涂層材料(2)。
14.如前述權利要求之一的方法，其特征為，以液態(tài)形式，尤其是作為懸浮體涂覆涂層材料(2)。
15.如前述權利要求之一的方法，其特征為，采用一載體涂料作為涂層材料(2)。
16.如前述權利要求之一的方法，其特征為，涂層材料(2)具有起催化作用的物質，尤其是貴金屬。
17.基體(1)，包括流體可以流過的通道(5，5’)、一入口側(3)、一出口側(4)、一內部區(qū)域(8)和一外側區(qū)域(9)，其中，特別是按照權利要求1至13之一的方法用一涂層材料(2)的涂層厚度(D)涂覆通道(5)，其特征為，各通道(5、5’)的涂層厚度(D)是不同的和/或涂層厚度(D)沿通道(5、5’)是變化的。
18.如權利要求17的基體(1)，其特征為，涂層厚度(D)沿通道(5)從入口側(3)至出口側(4)減小。
19.如權利要求17或18的基體(1)，其特征為，涂層厚度(D)從內部區(qū)域(8)到外側區(qū)域(9)從一個通道(5)到另一個通道(5’)減小。
20.如權利要求17至19之一的基體(1)，其特征為，涂層厚度(D)基本上按線性減小。
21.如權利要求17至20之一的基體(1)，其特征為，涂層厚度(D)基本上按指數(shù)減小。
22.如權利要求17至21之一的基體(1)，其特征為，涂層厚度(D)減小至少10％，最好減小至少30％，特別優(yōu)選減小至少80％。
23.用于用一涂層材料(2)最好用如權利要求1至16之一的方法涂覆一基體(1)，尤其是涂覆一如權利要求17至22之一的基體(1)的裝置，包括一涂覆裝置(11)和至少一個溫度確定裝置(12、13、14)，其中，借助所述涂覆裝置(11)可將所述涂層材料涂覆到基體(1)上，而借助所述溫度確定裝置(12、13、14)可在涂覆涂層材料(2)之前或之中形成涂層材料(2)空間不均勻的溫度分布。
24.如權利要求23的裝置，其特征為，有至少兩個溫度確定裝置(12、13、14)，以在基體(1)中形成空間不均勻的溫度分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于用一涂覆在一基體(1)上的涂層材料(2)涂覆一基體(1)，尤其涂覆一具有一流體可流過的蜂窩體的基體方法，其中，基體(1)中的涂層材料(2)的空間溫度分布在涂覆時和/或在涂覆后是不均勻的，本發(fā)明還涉及一具有空間不均勻涂層厚度的基體和一用于不均勻地涂覆基體(1)的裝置。本發(fā)明的特征是，可保證有效的催化，并節(jié)約不需要的位置處的多余的涂層材料。
文檔編號B01J35/04GK1665593SQ03815989
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2002年7月5日
發(fā)明者R·布呂克, B·奧登達爾, B·普法爾茨格拉夫 申請人:排放技術有限公司, 奧迪股份公司