CN1085291C - 制造用于内燃机的催化式排气净化器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用来净化来自内燃机的排出气体的催化式排气净化器包括一整体陶瓷基体，它具有被不膨胀支承垫料围绕的外周表面。一金属外壳包括一紧贴并包围垫料和基体的较宽部分。金属外壳还包括一叠合并固定在较宽部分的外表面上较窄部分。金属外壳的较宽部分和较窄部分结合后在被围绕的基体上施加一压缩力。

Description

制造用于内燃机的催化式排气净化器的方法

本发明涉及用来净化排出气体的催化式排气净化器，特别涉及用来净化由摩托车内燃机排出的气体的催化式排气净化器。

汽车和摩托车排出气体按惯例由支承在可承受高温的陶瓷体里的催化剂净化。较佳的催化剂支承结构是蜂窝结构，它包括许多无阻碍的平行的通道，其大小允许气体流动，而其四周由一薄陶瓷壁限定。该通道可具有使气体自由通过而颗粒材料无法通过的任何结构和大小。包含薄壁限定的陶瓷蜂窝结构的这种较佳结构的例子已在授予巴格利的美国专利第3,790,654号和授予霍伦巴克的美国专利第3,112,184号中作了描述。

陶瓷蜂窝催化剂支承由于与热的排出气体接触、以及由于排出气体里的未燃烧的碳化氢和一氧化碳的催化氧化作用而暴露在高温之下。此外，当汽车引擎起动和停止、或在空转和开足马力之间循环时，该支承必需承受温度的迅速升高和降低。这种操作条件要求陶瓷蜂窝催化剂支承具有高的耐热冲击能力，以及与热膨胀系数成反比的性质。

用于催化式排气净化器的陶瓷支承一般由易碎的耐火材料制成，诸如氧化铝、氧化镁、硅酸锆、堇青石或碳化硅。由这些陶瓷材料制成的典型的支承蜂窝结构即使在非常小的机械应力作用下也会产生断裂或破碎。由于它们的易碎性，已经耗费了大量的精力来为该支承研制催化式排气净化器壳体。

例如，授予坦艾克的美国专利第4,863,700号描述了一种催化式排气净化器系统，易碎的陶瓷整体催化剂通过包封着该整体的陶瓷纤维绝缘层、以及置于金属壳体和陶瓷纤维层之间的一层膨胀材料有弹性地安装在一金属壳体里。

在许多用途里，特别是在小型摩托车引擎里，有一个用来安装催化式排气净化器的小室。针对这个问题的一种方案是将催化式排气净化器安装在已有的排气系统零件里，而不是提供一附加的催化式排气净化器壳体；其位置一般在一包括膨胀室和消声器的热气室里。

将排气净化器安装在消声器壳体里的一个困难是，在消声器里的排气净化器不允许冷却，以便足以使标准的膨胀垫维持在良好的热环境里(＜550℃)；特别是，在诸如消声器的绝缘热气室里的封装将阻止这种排气净化器显著地向大气散发热量。此外，在这种用途里，热的排出气体不仅流动通过催化式排气净化器，而且还环绕着它的壳体。因此，在这种用途里，催化式排气净化器壳体组件(即将排气净化器保持在热气室内的正确位置上的壳体)的温度通常接近900℃。此外，具有值得注意浓度的气态的未燃尽的燃料和油出现在排出气体流里，而富含燃料的排出气体在排气净化器里产生急剧的温升，从而使温度高达1100℃。标准的蛭石基膨胀垫当暴露在高于750℃的温度下时将失去它们的膨胀能力。特别是，当暴露在如此高的温度下时，膨胀垫将失去它们的化合水。失去化合水将危及材料的膨胀性能，从而不再提供适当的安装压力来维持陶瓷催化剂支承。这将危害陶瓷催化剂承受由排出气体流和汽车振动产生的轴向力和其它力。因此，对于内部安装的摩托车排气净化器，膨胀垫不再提供有益的作用。

可暴露在1200℃高的温度下的陶瓷纤维垫被认为是膨胀的替换物。这些垫子产生的力完全是在封装催化式排气净化器过程中它所承受的压缩形成的。因此，封装的形成对于这些纤维基垫子是至关重要的。

充填安装是封装的一种方法，在过去已经使用。首先，用垫子围绕基体，并将基体插入一锥形装置里，当推动锥形装置时锥形装置压缩垫子。然后将被围绕的基体从压缩锥体推入一作排气净化器外壳用的圆柱形管子。在进行这个动作的过程中，必需使垫子保持在密封外壳和基体之间的狭窄间隙区域里；可接受的纤维基垫子的间隙容积密度(GBD)一般是0.55±0.05g/cc。在充填安装中存在的问题包括：(1)间隙太大，从而不能对基体产生足够的夹紧力，在汽车操作过程中使被围绕的基体滑动；以及(2)过度压缩垫子，从而对垫子造成危险，并且最终导致气体冲蚀。

与充填安装有关的其它问题包括：(1)垫子基本重量的变化范围是10％，它使一些如此形成的排气净化器落在上述可接受的GBD范围之外；(2)基体直径的可变性；以及(3)金属外壳管子直径的可变性，垫子/基体放置在该管子里。即使这些加起来的问题可以被默认，但在如此高的间隙容积密度下充填安装这些纤维基垫子至少是一种低效率的操作。垫子必需在进入管子之前在充填锥体里被如此“过度压缩”，由此，损失了某些二维回弹性(由于纤维受损)。此外，可以看到，作用在垫子上的剪切力会使基体和外壳之间的一些部分在充填安装零件的顶部的间隙处“漏出”。由于一些垫子从间隙处漏出，从而使降低了所需要的固定基体的压缩力。

因此，仍需要一种催化式排气净化器，它将依旧固定安装在一热气室里，即使工作温度超过800℃。

本发明涉及一种用来净化来自内燃机的排出气体的催化式排气净化器。该催化式排气净化器包括一整体的陶瓷基体，该基体具有由一不膨胀的支承垫料围绕的外表面。一金属外壳包括一较宽部分，该较宽部分紧贴并包围着垫料和基体。金属外壳还包括一较窄部分，该较窄部分叠合并固定在较宽部分的外表面上。金属外壳的较宽部分和较窄部分结合而在围绕的基体上施加一压缩力。

本发明还涉及一种方法，它可以克服形成摩托车催化式排气净化器的目前方法、即充填安装所固有的问题和缺点。一般来说，制造这种催化式排气净化器的方法首先包括用不膨胀的支承垫料围绕一整体陶瓷基体。然后，将该围绕的基体插入一基本与被围绕的基体一致的金属外壳，该金属外壳包括一较宽的环绕部分和一较窄的延伸固定部分。然后，使金属外壳带压力地环绕着基体，从而使金属外壳较宽部分紧贴并包围着垫料和基体，而较窄部分叠合在较宽部分的外表面上。最后，将叠合的较窄部分的内表面固定在较宽部分的外表面上，以保持压缩应力。

图1A和1B分别是按照本发明创作的催化式排气净化器的一实施例在未闭合状态和闭合状态时的立体图；

图2是当置于一热气室里时的该催化式排气净化器的剖视图；

图3A和3B分别是显示按照本发明调整催化式排气净化器的方法的侧面剖视图；

图4A和4B分别是显示按照本发明调整催化式排气净化器的另一实施例的侧面剖视图；

图5A和5B分别是按照本发明创作的催化式排气净化器的另一实施例在未闭合状态和闭合状态时的立体图。

图1A和1B描述了按照本发明创作的催化式排气净化器的两立体图，它们用来净化来自内燃机的排出气体。图1A显示了未闭合的排气净化器，而图1B显示了已闭合的排气净化器。下面将描述形成排气净化器10的方法。首先，使一整体的陶瓷基体12包封在一不膨胀的垫料14中。然后，将包封的垫料14插入一形状基本与被包封的基体12一致的金属外壳16中。具体的说，金属外壳16包括一较宽的环绕部分18和一较窄的附加部分20。金属外壳16经压缩而环绕着基体12，由此，较宽的金属外壳部分18紧靠着并包围着垫料14和基体12。较窄部分20叠合在金属外壳较宽部分18的外表面上。

罐头制造中的绞压包封方法适用于经压缩闭合的催化式排气净化器。简单地说，使排气净化器的金属外壳包封在一金属壳体中，而该金属壳体包围着金属外壳16的外周。金属壳体包括相对的狭带，沿相反的方向拉动它们，从而带压力地闭合环绕着垫料14和基体12的金属外壳16，直至达到所需目标的垫压缩。

一旦外壳带压力地环绕着垫料14和基体12封闭，金属外壳较窄部分20的内表面就固定在金属外壳较宽部分20的外表面上，以维持该压力。一种合适的固定方法包括将较窄部分焊接在较宽部分上。

仍参看图1A和1B，如此形成的催化式排气净化器10包括一整体的陶瓷基体12，它具有由不膨胀的支承垫料14环绕的外周表面。包括较宽的环绕部分18和较窄的附加部分20的金属外壳16包围着垫料14和基体12。特别是，较宽的环绕部分18紧靠并包围着基体12和垫料14，而较窄的附加部分20叠合并固定在较宽部分18的外表面上。金属外壳部分结合后在被包封的基体上施加一压力。

在本发明的一实施例里，金属外壳的较宽部分18具有等于或大于基体12长度的宽度。此外，垫料14具有一长度，它使基体14两端的一部分外周表面露出。

绞压包封成形技术和如此形成的催化式排气净化器提供了许多满装的催化式排气净化器所没有的优点。绞压包封的催化式排气净化器可校正力，以补偿垫料基本重量的不一致和基体直径的可变性。

图2描述了热气室22的一部分，而催化式排气净化器10插入其中。传统的热气室包括膨胀室和消声器，其中，一排气管进入一具有比排气管大的横截面的腔室。较大的横截面允许热的排出气体膨胀，并提供一可抑制噪声的区域。上述绞压包封基体以校正力的操作使排气净化器成为可改变外径的罐头，由此，调整排气净化器端部的大小是必需的，以提供一稳定产品直径，从而能在位置24(它在排气净化器插入前已预设)插入热气室。

本发明的催化式排气净化器的一个优点是，金属外壳的端部利用后面所述的方式可方便地进行调整。现在参看图3A和3B，它们描述了调整如此形成的催化式排气净化器10的两个实施例。

为了这种有效调整方法，如此形成的催化式排气净化器10具有一金属外壳16，它包括延伸超过垫料14端部的较宽的环绕部分18。紧随着上述的带压力的闭合和固定步骤，简单地说，该方法还包括将一具有预定直径的调整件(在这个实施例里是调整塞26)插入延伸超过垫料14的金属外壳部分，并带压力地调整延伸超过垫料的金属外壳。

在图3A中，带压力调整的实施例包括使用一外调整环28，它围绕着金属外壳16的端部，并具有一缩小的内径。外调整环28沿平行于催化式排气净化器10长度的方向滑动，如图中的箭头30所示。通过滑动，外调整环28压缩金属外壳，使其与调整塞26接触；调整塞和调整环将金属外壳压缩到预定所需的直径，以便插入上述的热气室。在压缩调整后，卸下调整塞。

在图3B中，带压力调整的实施例包括使用调整颚夹32，它沿着箭头34的方向压缩金属外壳16，使其与调整塞26接触；而调整塞和颚夹将金属外壳压缩到一预定直径。如前面所述的，在压缩调整后，卸下调整塞。

调整排气净化器端部大小的另一方法如图4A和4B所述。简单地说，该实施例包括插入一替换的调整件，特别是，使用一调整插入环36来代替调整塞26。使用上述的外调整环28或调整颚夹32，以相同的方式完成带压力的闭合，这里，图4A和4B中的相同零件用与图3A和3B中的相同标号来标注。与上述实施例中的调整塞26不同，在下面描述的压缩完成之后，可不卸下调整插入环36。

在另一实施例里，调整插入环可包括一延伸超过金属外壳的延伸部分，例如，一锥形延伸部分。在压缩之后，具有锥形延伸部分的插入环仍插入催化式排气净化器里，以便催化式排气净化器能固定在(例如)一排气管上。

现在参看图5A和5B，它们描述了按照本发明的催化式排气净化器的另一实施例；其中，图5A所示未被压缩，而图5B所示已被压缩。催化式排气净化器10类似于图1A和1B所示的排气净化器，除了排气净化器包括图4A和4B所示的调整插入环36，它仍保留在如此形成的催化式排气净化器10里，垫料保护环36的结构和功能可防止垫料暴露在热的排出气体之下。因此，图5A和5B中的相同零件用与图1A和1B详细描述的催化式排气净化器中的零件的相同标号来标注。

适用于本发明的陶瓷蜂窝基体可由一般用于该目的的任何陶瓷材料形成，诸如美国专利第3,885,977号和美国专利重新颁布第27,747号所述的。蜂窝基体一般在安装于金属外壳前用含有封闭底漆(washcoat)的催化剂进行处理。该封闭底漆一般包含诸如氧化铝或氧化镁的耐熔的氧化物，以及一种或几种诸如钪、钇等的催化剂。较佳的是，使用具有高的机械性能、低的阻止气体流动和高的几何学表面积的、挤出的堇青石陶瓷基体作为基体。陶瓷基体的一个重要参数是它的机械性能，特别是它的径向强度。典型的堇青石蜂窝基体在该蜂窝发生值得注意的危险前可容易地承受大于4826.5kPa(700psi)的径向压力。

适用于本发明的垫料包括形成的陶瓷纤维材料，一种简单的不膨胀的陶瓷材料。合适的不膨胀的陶瓷纤维材料包括诸如由明尼苏达州的3M公司销售的、商标为NEXTEL和SAFFIL的陶瓷材料，或由纽约州的Unifrax股份有限公司销售的、商标为CC-MAX和FIBERMAX的陶瓷材料。

用作金属外壳16的合适材料包括任何能耐盐、温度和腐蚀的材料，然而，包含SS-409、SS-439和新近才有的SS-441等级的铁素体不锈钢较佳。一般根据气体的类型、最高温度和其它情况来选择材料。

应该明白，本发明并不限于上面所述的实施例，对于本技术领域的技术人员来说，在不超出本发明范围或精神的情况下还可有许多变化和改进。

Claims (10)

1.一种用来净化来自内燃机的排出气体的催化式排气净化器，包括：

一整体陶瓷基体，它具有被支承垫料围绕的外周表面，所述支承垫料包括不膨胀的材料；

一金属外壳，它包括一紧贴并包围垫料和基体的较宽的环绕部分，以及一叠合并固定在较宽部分的外表面上的较窄的延伸固定部分，金属外壳各部分结合后在垫料和基体上施加压缩力。

2.如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于，金属外壳的较宽部分具有等于或大于基体长度的宽度。

3.如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于，垫料具有使基体两端的一部分外周表面露出的长度。

4.一种制造催化式排气净化器的方法，该排气净化器用来净化来自内燃机的排出气体，包括以下步骤：

用不膨胀的支承垫料围绕一整体陶瓷基体；

将被围绕的基体插入一形状与被围绕的基体一致的金属外壳里，该金属外壳包括一较宽的环绕部分和一较窄的延伸固定部分；

带压力地环绕基体闭合金属外壳，从而使较宽部分紧贴并包围着基体和垫料，而较窄部分叠合在较宽部分的外表面的一部分上；

将较窄部分的内表面固定在较宽部分的外表面上，以保持压缩应力。

5.一种用来净化来自内燃机的排出气体的催化式排气净化器，包括：

一整体陶瓷基体，它具有被不膨胀支承垫料围绕的外周表面，并具有至少一个暴露的端部；

一金属外壳，它包括一紧贴、包围并延伸超过垫料的较宽的环绕部分，以及一叠合并固定在较宽部分的外表面上的较窄的延伸固定部分，金属外壳各部分结合后在垫料和基体上施加一压缩力；

一垫料保护环，它环绕着延伸超过垫料的金属外壳的内表面，并基本上覆盖着垫料的暴露的端部。

6.如权利要求5所述的排气净化器，其特征在于，金属外壳的较宽部分延伸超过垫料的两端，一垫料保护环环绕着延伸超过垫料的金属外壳各部分的内表面。

7.如权利要求6所述的排气净化器，其特征在于，垫料具有使基体两端的一部分外周表面露出的长度。

8.如权利要求6所述的排气净化器，其特征在于，金属外壳的较宽部分具有等于或大于基体长度的宽度。

9.一种制造催化式排气净化器的方法，该排气净化器用来净化来自内燃机的排出气体，包括以下步骤：

用不膨胀的支承垫料围绕一整体陶瓷基体；

将被围绕的基体插入一形状与被围绕的基体一致的金属外壳里，该金属外壳包括一延伸超过垫料端部的较宽的环绕部分，以及一较窄的延伸固定部分；

使金属外壳带压力地环绕基体闭合，从而使金属外壳的较宽部分紧贴并包围着垫料和基体，而金属外壳的较窄部分叠合在较宽部分的外表面上；

将金属外壳的较窄部分的内表面固定在较宽部分的外表面上，以保持该压缩应力；

将一具有预定直径的调整装置插入金属外壳的延伸超过垫料的部分里，并带压力地调整延伸超过垫料的金属外壳。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，金属外壳的较宽部分延伸超过垫料的两端，在第二端重复进行调整步骤。

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