專利名稱：汽車排放組件和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車排放組件的領(lǐng)域；并且更具體地涉及形成并容納 在無縫外殼中的消聲器和催化轉(zhuǎn)化器等。
背景技術(shù)：
廣泛認可的是，內(nèi)燃機的廢氣排放構(gòu)成整個世界的空氣污染的主 要源頭。這些內(nèi)燃機中的燃燒過程不可避免地導(dǎo)致進入廢氣流的某些 物質(zhì)的產(chǎn)生，所述物質(zhì)對于人類和其它動物和植物物種的健康和良好 狀態(tài)是有害的。所關(guān)注的排放物包括微粒(炭煙)以及諸如C0、 S02、 N0X和未完全燃燒的碳氫化合物(HC)之類的氣體。這些物質(zhì)在燃燒 過程中與C02和H20 —起產(chǎn)生，所述0)2和H20是包含在燃料中的碳氫 化合物的完全氧化的產(chǎn)物。
市場力量和政府環(huán)境規(guī)定的結(jié)合已刺激了減輕或消除發(fā)動機廢氣 中的有害成分的產(chǎn)生的途徑的研究和開發(fā)。汽車制造商和供應(yīng)商已受 到由1965年的美國清潔空氣法規(guī)(U.S. Clean Air Act)和美國及 其它國家的后來法規(guī)的控制和降低車輛尾氣排放的挑戰(zhàn)。響應(yīng)于該法 規(guī)，發(fā)動機中的幾乎每個系統(tǒng)都已被改進。結(jié)果，現(xiàn)代發(fā)動機較高效 地將燃料中潛在的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有用的機械功，從而使其排放顯著降 低。
由于消費者的偏愛和政府行動，迄今已將重大努力指向轎車中的 四沖程奧托發(fā)動機。雖然對于這些汽車發(fā)動機在排放降低上有進步， 但正在施加日益緊迫的限制。排放規(guī)定已同樣擴展到其它公路用 (on-road)車輛，諸如公共汽車和卡車，其中許多采用了柴油機； 擴展到非公路用(off-road)車輛；并擴展到非推進用發(fā)動機，其中 許多是二沖程的。
有害排放物的減少大多歸因于催化轉(zhuǎn)化器的使用，廢氣流被導(dǎo)向 通過所述催化轉(zhuǎn)化器。廢氣穿過包含適當?shù)拇呋瘎┐龠M了進一步的化 學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)去除大部分有害的C0、 N0x和HC物質(zhì)，將它們轉(zhuǎn)化為較良性的物質(zhì)，諸如C02、 02和1120。而且，當優(yōu)化發(fā)動機操作參
數(shù)以實現(xiàn)降低的排放時，催化轉(zhuǎn)化器與正時和燃料-空氣混合物的計 算機驅(qū)動和自適應(yīng)控制結(jié)合的使用給予發(fā)動機設(shè)計者很大靈活性。 雖然市場拉動來自通過在廢氣流中插置催化轉(zhuǎn)化器實現(xiàn)的顯著優(yōu)
點，但對其制造仍有很大阻礙。希望的是，能使用可靠、高效和廉價
的構(gòu)造過程制造轉(zhuǎn)化器；并且在延長的使用壽命中保持耐久性和功能 性。然而，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化器無法提供這些希望的特征。
轉(zhuǎn)化器構(gòu)造必須生產(chǎn)氣密的外殼，以便使廢氣僅在入口處進入并 僅通過出口排出。無法獲得密封將有害地使廢氣泄漏，繞過催化劑的 有利作用并產(chǎn)生無法接受的噪音。在某些情況下，包含可燃氣體的排
使車輛i客暴露于c。;其它排放物的不健、康的或危i^的水平。另外，
已知泄漏會引起災(zāi)難性的車輛火災(zāi)。
可理解地，汽車制造商由若干因素被迫最小化或消除這些催化轉(zhuǎn) 化器故障。作為高質(zhì)量產(chǎn)品的供應(yīng)商的制造商的聲譽通過報告故障而 降級。另外，市場力和目前美國環(huán)境規(guī)定迫使汽車制造商保證汽車的 污染控制系統(tǒng)的所有方面的完整性和效能。更具體地，規(guī)定要求系統(tǒng) 功能在延長的時間段和里程中將汽車的排放物維持在建立的標準內(nèi)。 任何故障使制造商承受昂貴的擔保修理和麻煩的消費者的憤怒。
迄今為止，用于催化轉(zhuǎn)化器的金屬外殼主要落入三個廣泛種類的 構(gòu)造"薄烤餅，，或"蛤殼"形式、包裹形式和多件形式，其中每個 都封裝承載催化活性材料的催化劑載體。
典型地，"薄烤餅，，或"蛤殼，，形式包括印模沖壓的上殼和下殼， 該上殼和下殼彼此基本相同，并且具有相配的外周側(cè)面凸緣，所述凸 緣被焊接在一起以位于包含外殼的縱向軸線的平面中。上殼和下殼成 形為形成內(nèi)腔，催化劑載體通過一體地設(shè)置在殼體組件殼中的"L-形，， 或其它已知支架或預(yù)先形成的結(jié)構(gòu)安裝在所述內(nèi)腔中。
包裹形式的殼體由起初是片狀并且形成為大體圍繞催化劑載體的 材料制成。該形式也已知為"止血帶包裹"，反應(yīng)了其構(gòu)造。外殼的 邊緣必須在焊縫處接合，該焊縫基本延伸過轉(zhuǎn)化器的全部軸向長度。 該構(gòu)造中的入口和出口可作為包裹操作的一部分形成或較一般地可包 括單獨的組件，該組件在片材形成后焊接到外殼的端部。
7已知若干多件外殼構(gòu)造。由美國專利5, 118, 476公開的一種形式 包括管狀中間段和附裝到中間段的每個端部的端部村套，催化劑載體 放置在該中間段中。美國專利6， 001， 314公開了一種兩件式殼體。每 一件都通過深沖壓成形，以提供開口端部和圓錐形外端，該圓錐形外 端逐漸變細到用于連接到相聯(lián)的排放系統(tǒng)管道的開口 。兩件焊接在一 起，催化劑栽體包含在其中。
這些多件構(gòu)造的每一個必須通過焊接以封閉片狀材料中的接縫或 以附裝適當?shù)亩松w來密封。焊接既需要提供外殼所需的密封，又需要 固定催化劑載體。然而，這些焊接的每一個都可能為失效模式。而且， 1996年后由美國環(huán)保署對轎車要求的0BD2 (車載診斷)標準要求對 發(fā)動機排放系統(tǒng)中的密封完整性的進一步的需要。該標準要求在催化 轉(zhuǎn)化器之前和之后的02含量的測量，作為用于計算機化的發(fā)動機控 制系統(tǒng)的要求的輸入。即使在傳感器之間的系統(tǒng)中的針孔泄漏也會損 害用于質(zhì)量平衡確定的02水平比較的準確性。排放控制系統(tǒng)失靈， 使發(fā)動機控制系統(tǒng)自適應(yīng)地優(yōu)化正時和燃料/空氣混合物以最小化排 放的能力失效。排放控制系統(tǒng)的這種故障必須保證由車輛制造商在相 當昂貴且對消費者很麻煩的情況下糾正。
由于多種原因，催化轉(zhuǎn)化器的環(huán)境是苛刻的，所述原因中的每一 個都可潛在地導(dǎo)致轉(zhuǎn)化器外殼的穿透腐蝕和最終失靈。例如，在道路 用車輛中使用的轉(zhuǎn)化器，尤其在寒冷氣候中，外部暴露于道路鹽分的 飛'減，并且內(nèi)部暴露于酸性的廢氣。本領(lǐng)域中公知的是，化學(xué)和應(yīng)力 作用結(jié)合使焊接部成為尤其可能受到腐蝕侵襲的位置。因此，在汽車 領(lǐng)域中長久以來一直尋找一種可高效地且經(jīng)濟地形成為單個部件而沒 有焊接的催化轉(zhuǎn)化器外殼。這種整體的催化轉(zhuǎn)化器外殼將克服包括現(xiàn) 有多件式和焊接外殼形式的可靠性的嚴重缺點。
用于生產(chǎn)整體外殼的唯一已知的技術(shù)是旋壓。在該過程中，在管 中放置催化劑元件，并且當適當?shù)墓ぞ咴诠艿拿總€端部處進入與管的 接觸時，繞管的圓筒軸線迅速旋壓組合工件。由此獲得足夠的變形以 在管的每個端部處形成減小直徑的管口。根據(jù)所需的縮減，旋壓可冷 地和熱地進行。雖然旋壓方法確實可生產(chǎn)整體外殼，但它也具有嚴重 的缺點。進行產(chǎn)品成形是昂貴且能量密集的。而且，導(dǎo)致在變形區(qū)域 中外殼的內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面上的圓周皺脊的形成。這些皺脊既是討厭的，又引起消聲器中氣流的顯著中斷，導(dǎo)致湍流和不希望的背壓，該 湍流和背壓降低了對于給定氣缸排量的可用的發(fā)動機功率。通過旋壓 可獲得的直徑減小的幅度是有限的。另外，在縮減段中的金屬中產(chǎn)生 顯著的加工硬化。結(jié)果，包括端口管的縮減段中的管的延展性太低， 以致于無法通過普通夾具將轉(zhuǎn)化器附裝到接合排氣段。而必須使用焊 接的或凸緣的接合。對焊接接合的需要對于售后服務(wù)和修理用途是尤 其不方便的。
旋壓過程還受到其可生產(chǎn)的產(chǎn)品的尺寸和形狀的限制。非常長的
而且，通過旋壓生產(chǎn)的裝置必須繞圓筒軸線旋轉(zhuǎn)對稱，否則產(chǎn)生的不 平衡性使得不可能旋壓該裝置并實現(xiàn)所需形狀的所需形成。在很多情 況下，可用于排放系統(tǒng)的迂回路徑將使得非常希望具有非對稱組件可 用，諸如這樣的催化轉(zhuǎn)化器，其中入口和出口不不需要同軸地排列， 而是可相對于彼此成角度或偏移。這種構(gòu)造無法通過已知的旋壓方法 形成。而且，通過旋壓形成的外殼的區(qū)域被加工硬化到這樣的程度， 即，使得隨后的彎曲等操作根本不可能。
作為這些缺陷的結(jié)果，旋壓沒有在排放組件的制造中廣泛使用， 盡管市場具有對于旋壓被認為能夠生產(chǎn)的可行的整體無縫裝置的渴 求。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的 一個方面中，提供一種用于內(nèi)燃機排放系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn) 化器和用于構(gòu)造該轉(zhuǎn)化器的方法，該催化轉(zhuǎn)化器具有整體無縫金屬外
殼。該催化轉(zhuǎn)化器包括(i)外殼中的管狀氣體入口，廢氣通過該入 口引入；(ii)外殼中的管狀氣體出口，廢氣通過該出口排出；(iii) 具有入口端和出口端的外殼的管狀中間段；(iv)連接入口和所述中 間段的入口端的入口過渡段；(v)連接中間段的出口端和出口的出口 過渡段；以及(vi )包含在中間段中的多個級聯(lián)的催化劑元件，當廢 氣在氣體入口與氣體出口之間流動時通過所述催化劑元件。入口和出 口過渡段以及氣體入口和出口的內(nèi)表面是平滑的，并且其上基本沒有 皺脊。通過模鍛用于形成外殼的無縫管的端部形成入口和出口以及入 口過渡段和出口過渡段。如這里所使用的，術(shù)語"無縫金屬管"應(yīng)理解為是指例如通過擠壓(extrusion)生產(chǎn)的總體為圓筒形的金屬管 或這樣形成的管，即，通過使薄板相對的、大體平行的邊緣鄰接并通 過焊接接合所述邊緣使長的、較窄的薄板成形為管狀結(jié)構(gòu)。
由發(fā)動機的操作產(chǎn)生的廢氣進入轉(zhuǎn)化器并通過催化劑元件。廢氣 中包括C0、 N0X和未完全燃燒的碳氫化合物的有害物質(zhì)通過催化劑元 件的作用被轉(zhuǎn)化為較良性的物質(zhì)，該催化劑元件優(yōu)選地包括易碎的陶 瓷蜂窩結(jié)構(gòu)，該陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)具有多個涂敷有一種或多種催化活性物 質(zhì)的內(nèi)部通道。
有利地，本發(fā)明的整體無縫轉(zhuǎn)化器構(gòu)造在生產(chǎn)上是經(jīng)濟的，并且 消除了傾向于故障的外殼組件的焊接。更具體地，該轉(zhuǎn)化器外殼的整 體無縫構(gòu)造減小了轉(zhuǎn)化器部件的尺寸和數(shù)量(與已知的實際構(gòu)造相 比)，而同時提高了轉(zhuǎn)化器的有效性并且改善了其構(gòu)造和制造。該轉(zhuǎn) 化器在生產(chǎn)上固有地是經(jīng)濟的，并且可以大量生產(chǎn)，滿足將原始設(shè)備 轉(zhuǎn)化器直接供應(yīng)給汽車和卡車制造商用于工廠安裝在排放系統(tǒng)中所需 的大批量。而且，外殼的改進提供了額外的優(yōu)點，包括較好的車輛燃 料經(jīng)濟性和較好的制造經(jīng)濟性。
由該催化轉(zhuǎn)化器的整體構(gòu)造提供的對接縫或端蓋的任何焊接的消 除極大地提高了其在使用期間的可靠性。焊接部出了名地易作為由于 化學(xué)和應(yīng)力作用腐蝕侵襲的位置。在操作中，在典型地道路用車輛應(yīng) 用中的催化轉(zhuǎn)化器外部暴露于道路鹽分和其它腐蝕性物質(zhì)，并且內(nèi)部 暴露于酸性廢氣。該催化轉(zhuǎn)化器中焊接部的缺失消除了在裝置的使用 壽命期間的主要故障源。
本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器的制造包括使用模鍛過程以形成催化轉(zhuǎn)化器 的管狀端部。內(nèi)徑總體上大于端部的外殼的中段包圍并保持催化劑元 件就位。在本發(fā)明的實施中使用模鍛以總體上將外殼的端部減小到用 于將轉(zhuǎn)化器連接到發(fā)動機排放系統(tǒng)的接合組件的管徑。
與其它用于形成端部的已知方法相比，模鍛經(jīng)常提供許多優(yōu)點。 直徑的減小可使用多個模具在一系列步驟中進行。結(jié)果，模鍛過程是 非常適用的，為設(shè)計者在制造外殼以裝配到可用空間中方面和在優(yōu)化 通過裝置的氣流的動力學(xué)方面提供了靈活性。管狀端部和過渡段是平 滑的，并且在內(nèi)側(cè)或外側(cè)表面上基本沒有圓周皺脊。改善了裝置的外 觀。內(nèi)側(cè)表面的平滑和其上皺脊的缺失使湍流的產(chǎn)生最小化，該湍流阻礙廢氣通過轉(zhuǎn)化器的流動并造成過大的背壓。模鍛通常將延展性^ 水平維持到足以使轉(zhuǎn)化器可通過夾緊、焊接或凸緣連接件連接到排放 系統(tǒng)的其余部分。
該方法的某些實施例與旋壓相比提供的另一個好處是形成更復(fù)雜 結(jié)構(gòu)的能力，包括具有諸如延伸的長度和彎曲的特征或其它非對稱構(gòu) 造的結(jié)構(gòu)。由于該端部形成過程不需要工件的快速旋轉(zhuǎn)，因此不需要 考慮旋轉(zhuǎn)平衡和可用的車床或類似機床的尺寸。端部形成因而可生產(chǎn) 具有入口、出口和過渡段的轉(zhuǎn)化器，所述入口、出口和過渡段可以是 適應(yīng)車輛間隙或其它尺寸和空間要求的圓形或具有多種其它形狀，如 橢圓形，并且尤其是"扁橢圓形"。也可將轉(zhuǎn)化器形成為在其任何段 中具有彎曲部。也可以形成其中催化劑元件是橢圓圓柱體而不是正圓 圓柱體的設(shè)計。
在本發(fā)明的一個方面中，催化劑元件包括具有通過其延伸的多個 通道的易碎的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。通道的表面充分地覆蓋有細微分布的催 化活性物質(zhì)。該構(gòu)造帶來催化物質(zhì)的有效使用，該催化物質(zhì)通常包括 昂貴的鉑族貴金屬中的一種或多種，包括鈀、鉑和銠。陶瓷蜂窩優(yōu)選 地包圍有膨脹性材料的墊，該膨脹性材料起將陶瓷蜂窩彈性地且絕熱 地固定在中間段的內(nèi)徑中的作用。墊材料的膨脹產(chǎn)生可靠的且氣密性 的密封，該密封在陶瓷的構(gòu)造和使用壽命期間保護陶瓷。另外，膨脹 材料迫使廢氣流通過蜂窩的通道，使催化效能最大化。


當參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下詳細說明并參照附圖時，將更 完全地理解本發(fā)明，并且本發(fā)明的其它優(yōu)點將變得明顯，在所有附圖
中，相同的附圖標記表示相同的元件，在附圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器的透視圖； 圖2是圖1所示的催化轉(zhuǎn)化器沿軸向中間平面的縱向橫截面圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的催化轉(zhuǎn)化器沿軸向中間平面的縱
向橫截面圖4是在圖3所示的轉(zhuǎn)化器的中間段中得到的軸向橫截面圖； 圖5是沿根據(jù)本發(fā)明的另一方面的催化轉(zhuǎn)化器的軸向中間平面得 到的局部的縱向橫截面圖，該催化轉(zhuǎn)化器具有多個催化劑元件；圖6是沿根據(jù)本發(fā)明的另一方面的催化轉(zhuǎn)化器的軸向中間平面得 到的局部的縱向橫截面圖，該催化轉(zhuǎn)化器具有多個直徑不同并且布置 在不同中間分段中的催化劑元件；
圖7A是沿軸向中間平面得到的局部縱向橫截面圖，示出在用于 制作圖6所示的轉(zhuǎn)化器的外殼的一個過程中的中間階段；
圖7B是沿軸向中間平面得到的局部縱向橫截面圖，示出在用于 制作圖6所示的轉(zhuǎn)化器的外殼的替代過程中的中間階段；
圖8A是沿軸向中間平面得到的局部縱向橫截面圖，示出在用于 制作圖6所示的轉(zhuǎn)化器的外殼的一個過程中的中間階段；
圖8B是沿軸向中間平面得到的局部縱向橫截面圖，示出在用于 制作圖6所示的轉(zhuǎn)化器的外殼的替代過程中的中間階段，圖8B的視 圖是在圖8A中所見的階段之后得到的；
圖9A是用于生產(chǎn)催化轉(zhuǎn)化器的該方法的一個實施例的生產(chǎn)期間
通過夾緊模接合的管狀預(yù)制件的部分地切除的透視圖；以及
圖9B是也在圖9A所示的通過夾緊模接合的管狀預(yù)制件的水平縱 向橫截面圖，該橫截面在圖9A的高度IX-IX處截取。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種包含在內(nèi)燃機的排放系統(tǒng)中的催化轉(zhuǎn)化器，該術(shù) 語在此用于指催化轉(zhuǎn)化器、消聲器和預(yù)催化轉(zhuǎn)化器等。 一般說來，催 化轉(zhuǎn)化器容納在整體無縫金屬外殼中，該金屬外殼優(yōu)選地由諸如不銹 鋼合金的耐腐蝕金屬合金制成。該外殼具有管狀氣體入口和出口，廢 氣分別通過該入口和出口引入和排出。該轉(zhuǎn)化器還包括包含在外殼的 管狀中間段中的多個級聯(lián)的催化劑元件。在廢氣通過轉(zhuǎn)化器期間，使 得廢氣流過催化劑元件的表面。存在于催化劑元件上的催化活性材料 促進凈化氣流的化學(xué)反應(yīng)。這是通過將其中的某些化學(xué)物類轉(zhuǎn)化為其 它物類，所述其它物類通常被認為對于生命和環(huán)境無害，或帶來大大 減小的危險。
現(xiàn)在參照圖l和圖2,總體地以10示出有包括本發(fā)明的一個方面 的催化轉(zhuǎn)化器。催化轉(zhuǎn)化器10具有整體無縫金屬外殼，該金屬外殼 由耐腐蝕金屬，優(yōu)選地是不銹鋼，構(gòu)成。圖1所示的實施例總體上是 圓柱形的，在沿其軸向長度的每個點處具有圓形橫截面。然而，在其
12它實施例中，該外殼可以具有諸如扁橢圓形的非圓形橫截面。外殼12 在形狀上總體上是管狀的，并且設(shè)有具有入孔16的管狀氣體入口 14 和具有出孔20的管狀氣體出口 18。轉(zhuǎn)化器IO用于在內(nèi)燃機(未示出) 的排放系統(tǒng)中使用。入口 14通過入口過渡段24連接到外殼12的管 狀中間段22。中間段22通過出口過渡段26連接到出口 18。在內(nèi)燃 機的操作期間產(chǎn)生的廢氣通過入口 14中的入孔16進入轉(zhuǎn)化器。廢氣 繼而在通過出口 18的出孔20排出之前連續(xù)地通過入口過渡段24、中 間段22和出口過渡段26。轉(zhuǎn)化器10的入口 14和出口 18雖然具有由 于以下所述的制造過程形成的減小的直徑，但并未被加工硬化。結(jié)果， 轉(zhuǎn)化器10的端口 14、 18可通過由發(fā)動機技術(shù)中已知的適當?shù)难b置產(chǎn) 生的焊接、夾緊和凸緣連接被容易地連接到排放系統(tǒng)的其他組件。
圖1的催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)側(cè)組件的布置最好地見于圖2的橫截面圖 中。轉(zhuǎn)化器10還包括催化劑元件28。在本發(fā)明的一方面中，催化劑 元件28包括總體上為圓柱形的易碎耐熱陶瓷蜂窩載體30，該載體具 有通過其的大量通道32，通道32中的每個都大體平行于栽體30和中 間段22的圓柱軸線延伸。通道32通常布置為蜂窩模式或類似排列。 通道32完全穿過載體30延伸，由此使氣體通道可從元件28的一個 端部34到其另一個端部36。在本發(fā)明的一方面中，載體30由堇青石 構(gòu)成。也可以使用具有足夠的強度、耐熱沖擊性、耐熱性和與廢氣流 和對其施用的催化劑材料的化學(xué)相容性的其它陶瓷材料。通道32的 內(nèi)表面充分地覆蓋有催化活性物質(zhì)，導(dǎo)致發(fā)動機廢氣中存在的物質(zhì)的 化學(xué)反應(yīng)，來使其凈化。在本發(fā)明的某些方面中，催化劑元件28可 包括多個順序或并列布置的陶瓷或其它載體，例如，為了獲得較好的 氣流，為了設(shè)置多于一種類型的催化劑，或為了便于較長的轉(zhuǎn)化器的 制造。順序布置的載體可以是順序鄰接關(guān)系或可以由優(yōu)化氣流所希望 的自由空間分隔。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，雖然圖1和圖2所示的實施例是圓柱 對稱的，但本發(fā)明也預(yù)期其中可存在彎曲部、角部和其它非對稱結(jié)構(gòu) 的方面。中間段可以成形為橢圓或"薄烤餅，，形狀，并且其中具有相 配形狀的催化劑元件。入口端部、出口端部和中間段可同軸地導(dǎo)向， 如圖1-2中所示?；蛘?，可以以這種方式構(gòu)造外殼，端部可以定向為 沿平行但偏移的方向，或在相對角度處。另外，入口和出口端部可延伸以用作發(fā)動機排放系統(tǒng)的部分。雖 然該延伸需要額外的形成步驟，但整個發(fā)動機排放系統(tǒng)中部件數(shù)量的 相應(yīng)減少對于簡化組裝和對于消除否則需要的也易受腐蝕故障的連接 部是有利的。
該催化轉(zhuǎn)化器采用多種已知的催化活性物質(zhì)中的任何一種。這些
物質(zhì)許多都包含諸如鉑(Pt)、鈀(Pd)和銠(Rh)的貴金屬。作為 需要(i )盡可能高效地使用這些高價材料和(ii )使催化表面的有 效面積最大化的結(jié)果，催化劑材料通常設(shè)置成涂敷并附著在催化劑載 體上的細微地分布的形式。適當?shù)拇呋瘎┎牧习ㄓ糜趯⒌趸铩?一氧化碳和碳氫化合物轉(zhuǎn)化為氮氣、水和二氧化碳的三元催化劑。用
面面積的^段在催化劑技術(shù)中是公知的。^H匕器還可包括氧化催化劑 和用于將二次空氣供給到中間段22以便促進一氧化碳和碳氫化合物
到水和二氧化碳的轉(zhuǎn)化的裝置(未示出)。在本發(fā)明的實施中也可使 用催化劑載體的其它形式，包括金屬催化劑承載系統(tǒng)。
陶瓷載體30優(yōu)選地通過大體上圍繞的墊38可靠地支承并保持在 中間段22中的密封接觸。該墊優(yōu)選地是有彈性的、絕熱的且能吸收 沖擊的，并且可由在公開市場中可買到的不透氣的蛭石基材料組成。 這種材料是膨脹的，也就是說，其在加熱時顯著膨脹。典型地使用具 有約1/4"初始厚度的墊。在轉(zhuǎn)化器10的組裝期間，墊38被圏繞以 基本圍繞陶瓷載體30并覆蓋其縱向或軸向長度的至少一部分。優(yōu)選 地，陶瓷載體30在其端部34、 36的每個處的圓柱外周的一短部分留 下不由墊覆蓋，如圖2所示。優(yōu)選地，在各端部處未覆蓋的軸向長度 從墊的厚度的約一半到三倍變化。該約束保證了墊的部分不脫落并阻 塞通過蜂窩載體30的任何通道。圏繞的墊38被徑向地壓縮到約為其 在組合的載體30和墊38插入中間段22的內(nèi)徑中之前的初始厚度的 一半，以確保組合的組件在轉(zhuǎn)化器外殼12中的定位。
適于實施本發(fā)明的墊的一種形式包括柔性的膨脹片，該膨脹片可 用于安裝汽車催化轉(zhuǎn)化器整體載體。該片包括未膨脹的蛭石，該未 膨脹的蛭石通過使包含層間陽離子的蛭石礦石經(jīng)過硝酸鉀溶液處理達 足以使礦石中的層間陽離子與鉀離子進行離子交換的時間間隔；無機 纖維材料；和粘合劑。片狀材料可設(shè)有或臨時層壓至牛皮紙、塑料膜和無紡人造纖維網(wǎng)或類似物的襯片。膨脹密封墊38的另一種適當?shù)?形式在市場上可買到，商品名為"3M INTERAM MAT"。適當?shù)呐蛎浢?封墊也由Unifrax作為型號"XPE"商業(yè)銷售。
有利地，墊38的膨脹保證了催化劑載體30在轉(zhuǎn)化器外殼中的固 定安裝。另外，膨脹墊38密封催化劑載體30的外圓柱表面與中間段 22的內(nèi)圓柱表面之間的間隙。該"密封作用，，強迫基本所有氣體通過 入口 16流入轉(zhuǎn)化器10中，以在通過出口 18排出之前穿過載體30中 的內(nèi)部通道32。由于廢氣最大程度地暴露于催化活性材料，因此提高 了覆蓋內(nèi)部通道32的表面的催化劑材料的效能。墊38的彈性用于在 轉(zhuǎn)化器10的初始制作期間緩沖和保護易碎的載體30。而且，墊38即 使在反復(fù)的熱循環(huán)之后也保持該彈性。轉(zhuǎn)化器10的組件在其中廢氣 穿過轉(zhuǎn)化器10的發(fā)動機的每個暖機、操作和冷卻循環(huán)期間經(jīng)歷不同 的熱膨脹和收縮。由于保持了墊的彈性，墊38能夠保護載體30不會 由于該模式的不同膨脹而損壞，同時在每個操作循環(huán)的全部期間仍保 持足夠的密封程度。
雖然圖1所示的本發(fā)明的方面包括采用分布并支承在陶瓷載體上 的催化劑的催化轉(zhuǎn)化器，但在本發(fā)明的實施中也可使用其它形式的催 化劑和載體。例如，催化劑可分布在金屬載體上，該金屬載體可采用 褶皺的金屬箔的形式，該金屬箔盤繞在自身上以形成具有多個穿過其 縱向延伸的通道的總體上圓柱形的結(jié)構(gòu)。由于金屬比已知的陶瓷催化 劑載體顯著地不易碎并且較堅固，因此這種形式的金屬催化劑支承件 可在轉(zhuǎn)化器10的構(gòu)造中去除膨脹材料38。
多種金屬合金適合于本發(fā)明的外殼。合金選擇是基于成本和關(guān)于 所需要的溫度能力、耐久性和耐腐蝕性的性能水平要求而做出的。對 于汽車用途，通常使用鐵素體不銹鋼，包括各種400系列合金。最普 通地采用409SS和SAE51409合金。對于小型發(fā)動機，包括非推進應(yīng) 用和其它主要考慮成本的例子，經(jīng)常使用碳鋼。對于希望特別長壽命 和高耐腐蝕性的苛求的應(yīng)用，諸如船用發(fā)動機，通常采用諸如304SS 的奧氏體和300系列的不銹鋼合金。
本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器可被制造成寬范圍尺寸，以適合不同發(fā)動機 的要求，所述發(fā)動機可從幾馬力或更小的小型發(fā)動機，諸如在草碎修 剪機、吹雪機、雜草修剪機和類似的非道路用、非推進應(yīng)用中使用的小型發(fā)動機，到在卡車中使用的大些柴油機。許多現(xiàn)有汽車應(yīng)用采用
商業(yè)可買到的2. 5和4英寸的標準直徑的陶瓷載體。汽車轉(zhuǎn)化器整個 長度典型地約為9到20英寸。小型非推進用發(fā)動機可采如用1英寸 直徑那么小或甚至更小的載體，并且可僅為幾英寸長。載體的最小長 度通常由流速和廢氣必須在催化劑表面處實現(xiàn)足以降低污染物濃度的 化學(xué)反應(yīng)的時間量確定。轉(zhuǎn)化器的全部長度因而既由活性催化劑的長 度，又由過渡段和入口與出口所需的形狀確定。轉(zhuǎn)化器的入口和出口 經(jīng)常約為載體直徑的一半，以減小廢氣流動阻力。入口過渡段和出口 過渡段的錐度可從非常緩到非常陡變化。對于汽車應(yīng)用，過渡段為了 簡單經(jīng)常選擇由10-15°的直錐度。然而，在該轉(zhuǎn)化器的某些實施例 中設(shè)置的彎曲的過渡對于較好的空氣動力學(xué)特性通常是有利的。在本 發(fā)明的一個方面中，中間段是圓柱形的，并且入口和出口過渡段的長 度選擇成每個長度從中間段的直徑的約30%到100%變化。
圖1-2所示的上述出轉(zhuǎn)換器是所謂的地板下型的，通常由于可用 空間的原因布置在汽車的地板下方。然而，本領(lǐng)域的4支術(shù)人員應(yīng)理解， 本發(fā)明的原理可應(yīng)用于許多不同類型的催化轉(zhuǎn)化器，包括用于接近內(nèi) 燃機的排氣歧管安裝的那些類型。有時這些類型如果安裝在歧管的約 三十六英寸之內(nèi)則稱為預(yù)催化(pre-cat)催化轉(zhuǎn)化器，或者如果安 裝在歧管的約八英寸之內(nèi)則稱為預(yù)燃(pre-light)催化轉(zhuǎn)化器。另
機的4化轉(zhuǎn)化器的制造，'、并i 二于在;放系統(tǒng)中與消聲器、、共振器i
其它類似組件形成一體的轉(zhuǎn)化器的制造。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，通過模鍛形成催化轉(zhuǎn)化器的入口和出口過 渡段以及入口和出口。在圖1-2所示的本發(fā)明的方面中，轉(zhuǎn)化器外殼 12由圓柱形金屬管制成，該金屬管的直徑在其長度上是一致的。在墊 38和載體30位于中間段22中的情況下，該管的端部被模鍛以形成過 渡段24、 26和端口 14、 18。如圖2所示，中間段22在其基本整個長 度上的內(nèi)徑為dt。模鍛操作形成過渡段24和入口 14，使管平滑地漸 縮到入口區(qū)域處的直徑dy以便使入口 14可附裝到排放系統(tǒng)的前方 組件。同樣使用模鍛操作以形成出口的過渡段26和出口 18。出口18 的直徑d?？梢耘c入口 14的直徑di相同。或者，可選擇不同的直徑以 適應(yīng)排放系統(tǒng)的要求。
16在圖3和圖4中示出本發(fā)明的一方面，包括圖1和圖2所示的外 殼12的形式的變化。在該方面中，可包括模鍛的進一步成形操作可 選地施加到外殼12的中間段22，以在其中形成沿中間段22軸向延長 的多個肋狀壓痕50。優(yōu)選地，壓痕50沿中間段的主要部分延伸，而 不延伸到入口和出口過渡段24、 26。在圖3所示的線A-A處得到的圖 4的橫截面圖示出其中存在三個這種壓痕的方面。優(yōu)選地，壓痕50徑 向向內(nèi)延伸到最多為膨脹墊38厚度的一半的深度。壓痕還用于支承 并限制墊38和載體30的軸向移動，以保證墊/載體組件在外殼12的 壁中的密封。壓痕50不應(yīng)過深以致于導(dǎo)致載體30的破碎。
圖3還示出在入口過渡段24與中間段22之間的連接處和在中間 段22與出口過渡段26之間的連接處的可選的圓周地延伸的壓痕52。 這些壓痕52用于支承并限制載體30的軸向移動。如果存在，這些壓 痕優(yōu)選地為小于或約等于墊的厚度的深度。該壓痕在某些情況下也有 利地提高橫穿載體30的表面區(qū)域的氣流的均勻性。在其它實施例中， 也可將篩網(wǎng)、擋板或類似結(jié)構(gòu)用于保護陶瓷載體的入口和出口不受雜 質(zhì)的4旻入，并改善氣體流動。
用于形成轉(zhuǎn)化器外殼12的端部中的每個的模鍛通過在管的每個 端部上機械地強加適當?shù)貥?gòu)造的模具而進行，力沿大體軸向方向施 加，并且模具設(shè)計成引起金屬的流動，由此減小管的直徑同時維持其 圓度。優(yōu)選地，模鍛在使用多個模具的多個模鍛步驟中進行，以形成 轉(zhuǎn)化器外殼12的每個端部。還可使用適當順序的模具以在過渡段獲 得希望的輪廓。該輪廓可像圓錐一樣簡單，或者包括較復(fù)雜的模式， 該模式具有曲率的組合，其中在轉(zhuǎn)化器的內(nèi)表面的斜面中在其軸向方 向上曲率沒有非連續(xù)性。在本發(fā)明的某些實施例中，外殼的兩個端部 通過使用液壓驅(qū)動沖頭將方向相反的壓縮力施加到每個端部上的模具 上來模鍛。
在該轉(zhuǎn)化器的過渡段的選擇輪廓中的靈活性是非常有利的。輪廓 的特征部分地在于在沿過渡段的長度的每個點處的曲率和所述段漸縮 的總體速度。轉(zhuǎn)化器設(shè)計者必須滿足多個約束。轉(zhuǎn)化器的總長度可由 可用空間限制到最大長度。要求的氣體流動速率、對氣體流動的允許 的阻力、廢氣暴露于活性催化劑的要求程度以及載體的可用形式和通度。另外，適當?shù)卦O(shè)計的過渡段有利地維持廢氣的總體上的層流，并 且使其中不想要的湍流最小化。該湍流不良地增大催化轉(zhuǎn)化器的阻 力，并且導(dǎo)致過大的背壓。過渡段中的斜面中的上述非連續(xù)性的缺失 和具有逐漸縮減的直徑的適當?shù)倪^渡輪廓 一起使該湍流最小化。
模鍛與諸如旋壓的其它成形技術(shù)相比的另 一個好處是其在多數(shù)情 況下生產(chǎn)縮減段同時保持轉(zhuǎn)化器的內(nèi)表面和外表面的平滑性的能力。 當適當?shù)剡M行時，可做出直徑的顯著減小而不產(chǎn)生典型地由旋壓產(chǎn)生 的內(nèi)部和外部的圓周皺脊。如果存在，排放組件的內(nèi)表面上的這種皺 脊是不期望的湍流的另一個源頭，如前面所討論的。另外，模鍛技術(shù) 通常帶來平滑的并且審美上吸引人的外表面，使其點蝕、腐蝕或類似 侵襲的弱點最小化，并且使其可易于通過電鍍或其它涂層操作修整。 模鍛技術(shù)也產(chǎn)生平滑的內(nèi)表面而沒有顯著的皺脊。
諸如旋壓的技術(shù)的另一個缺點是在縮減段中導(dǎo)致的加工硬化的 量。該加工硬化對于其留給入口和出口的延展性水平是非常有害的， 該延展性水平不足以使所述口通過夾持可靠地且密封地附裝到其它排 放組件上。相反，不得不使用焊接部或凸緣做接合部，這較昂貴并且 難以實施，尤其是對于售后服務(wù)安裝。
該催化轉(zhuǎn)化器可制造成其它構(gòu)造。例如，該轉(zhuǎn)化器可包括多個級
聯(lián)的催化劑元件。圖5示出在總體為圓柱形的轉(zhuǎn)化器中包括兩個催化 劑元件28、 28，的這種實施例11。該元件的每個都具有基本相同的尺 寸，并由膨脹墊38圍繞。元件橫向間隔距離Sp優(yōu)選地，Si至少為 直徑dt的lQ。/。。廢氣通過入口 14進入并通過元件28和28，，順序地 進入元件28的端部34并在端部36處排出，通過元件之間的空間， 然后進入元件28，的端部34，并在端部36，處排出，最后通過出口 18排 出轉(zhuǎn)化器。在某些實施例中，元件28、 28，包括基本相同的催化活性 材料，該催化活性材料可以是涂覆到諸如堇青石的陶瓷蜂窩載體的涂 層。然而，元件也可包括不同的催化物質(zhì)，所述不同的催化物質(zhì)可被 優(yōu)化以催化地促進不同的反應(yīng)。例如， 一種催化劑可以是用于將N0X 轉(zhuǎn)化為^+02的類型，而另一種催化劑可以是用于完全燃燒未燃燒的HC 的類型。采用多于兩個元件的其它組合和構(gòu)造也被理解為在本發(fā)明的 范圍之內(nèi)。
另外，各種催化劑元件可具有不同的直徑。采用三個催化劑元件的一個這種構(gòu)造70見于圖6。在該實施例中，催化轉(zhuǎn)化器的中間段包 括分段72、 74和76,其中分別布置有催化劑元件78、 82和84。分 段通過過渡部73、 75連接。所示實施例還包括將催化劑元件中的每 個圍繞并固定在其相應(yīng)的分段中的膨脹墊80。分段的直徑從過渡入口 端90到出口端91順序地減小。在其它實施例(未示出)中，過渡段 73、 75中的一個或多個可包括彎曲部，以侵z使端部90和91可不同軸 或相互偏移。在某些車輛應(yīng)用中有利地采用這種形狀，其中排放系統(tǒng) 由于從發(fā)動機到排放系統(tǒng)的希望的終點沒有任何可用的直路徑而必須 遵循迂回路線。
采用多種催化劑和將其構(gòu)造在不同直徑的載體上的能力在提供最 大催化效能方面提供了很大的設(shè)計靈活性。可選擇不同的材料以促進 處理典型廢氣流中的多種不良成分的不同反應(yīng)。通過改變整個轉(zhuǎn)化器 和單個催化活性元件的幾何構(gòu)造，還可有利地優(yōu)化流動模式和獲得的 廢氣的滯留時間。幾何形狀的靈活性還有利于車輛設(shè)計，其中用于定 位轉(zhuǎn)化器和其它排放系統(tǒng)組件的可用空間經(jīng)常受限，并且迂回地布置 在車輛底架中。
可使用可在多種順序中進行的許多制造技術(shù)制造諸如圖6所示的 多級轉(zhuǎn)化器構(gòu)造。可在插入不同催化劑元件之前或之后形成具有其所 需直徑的中間段的外殼。
在一個可用于制作如圖6所示的外殼的實施例中，提供具有最大 分段72的近似直徑的預(yù)制件。大體如圖7A中的70，處所示，繼而使 用模鍛以減小長度足以容納段74和76的預(yù)制件部分的直徑，由此產(chǎn) 生臨時分段74，，伴隨有最終希望形狀的過渡部73的形成。后續(xù)的模 鍛操作(未示出)施加到臨時分段74，的一部分以形成最終希望的具 有過渡部75的分段74和76。
或者，大體如圖7B中的70"處所見，也提供具有最大分段72的 近似直徑的預(yù)制件。首先形成分段76，產(chǎn)生臨時分段72"和過渡部 75"。然后進行后續(xù)的模鍛，以形成分段74并將臨時過渡部75"再成 形為具有希望形狀的過渡部75，如圖6所示。
圖7A-7B所示的任何一種成形法都可在插入催化劑元件之前或之 后進行。也可采用其它順序。例如，可交替進行分段的形成和相關(guān)催 化劑元件的插入。如果過渡部包括彎曲部，則也優(yōu)選地采用這種順序。還可以通過諸如旋壓的其它成形方法在分段之間形成過渡部。然而，
上述模鍛是優(yōu)選的，這是由于其通常產(chǎn)生平滑且基本沒有皺脊的內(nèi)表 面，由此使流動中斷最小化。同樣，對于形成非圓柱對稱的外殼，使 用模鍛比旋壓成形或其它類似過程簡單得多并且更高效。
在本發(fā)明的方法的一方面中，半連續(xù)地進行形成過程?；揪哂?中間段(或其分段中最大的)的希望直徑的無縫管以長的長度供給。 從這些管切割出適于形成催化轉(zhuǎn)化器外殼的預(yù)制件。陶瓷載體設(shè)置成 具有希望的直徑和長度。每個載體都纏繞有膨脹墊以形成催化劑元
件。墊被壓縮，并且結(jié)合的組件被插入供給管的自由端。然后圓周地 夾緊供給管，并且模鍛其自由端以形成入口和入口過渡段。隨后，切 割供給管以去除其具有所需的預(yù)先選擇長度的部分，由此限定出預(yù)制 件。然后再夾緊預(yù)制件，并模鍛另一端以形成出口和出口過渡段。該 過程的步驟中的大部分都易于自動化，以提供高水平的制造效率和過 程控制，由此使生產(chǎn)成本最小化。
在本發(fā)明的方法的另一方面中，從基本具有轉(zhuǎn)化器的中間段希望 的直徑的無縫管將預(yù)制件切割成段。具有所需長度的陶瓷載體纏繞膨 脹墊，以形成催化劑元件，并近似地插入每個預(yù)制件的中部。然后將 具有其載體的預(yù)制件放置在液壓沖頭組件中，該液壓沖頭組件具有同 軸對準并且適于壓縮地強制到預(yù)制件端部中的每個上的模鍛模具，由 此同時模鍛每個端部。多個模具按順序排入液壓沖頭中，并且逐步地 用于實現(xiàn)最終入口和出口直徑的期望減小，并形成入口和出口過渡 段?；蛘?，使用多個沖頭，預(yù)制件排列在沖頭之間，沖頭采用希望順 序的模具，以在多個分級的模鍛階段中逐步模鍛端部。
通過參照圖8A-B進一步說明一種方法，圖6部分地所示的催化 轉(zhuǎn)化器可通過該方法生產(chǎn)。提供具有中間段70的級聯(lián)布置的最大分 段72的近似直徑的管預(yù)制件。首先將由膨脹墊80圍繞的催化劑載體 78插入段72中。然后，預(yù)制件的端部通過將預(yù)制件強行插入模鍛模 具92中進行端部成形，該模鍛模具適于減小預(yù)制件的直徑以產(chǎn)生臨 時分段74，和過渡部73。然后從模具92去除工件，并且將由膨脹墊80 圍繞的催化劑載體82布置在臨時分段74，中預(yù)先選定的位置處。再次 使用模鍛模具94對現(xiàn)在承載有載體78和82的預(yù)制件進行端部成形， 這將預(yù)制件的部分的直徑減小到為段76預(yù)先選定的尺寸，并產(chǎn)生過渡段75。在另一個步驟(未示出)中，載體84和圍繞的膨脹墊80被 插入預(yù)制件中。模鍛預(yù)制件的兩端以提供入口和出口。將認識到，雖 然由圖6-8所示的本發(fā)明的實施例采用了三個級聯(lián)的催化劑元件，但 具有從兩個到四個或更多元件變化的其它數(shù)量的催化劑元件的實施例 也是可以的，并且應(yīng)理解為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。如上所述，包括中 間段和直徑漸變的分段的外殼可在催化劑元件插入到各分段之前形 成，或者對每個分段的成形和插入操作可交替地完成，如上所述。其 中單獨的成形和插入操作交替完成的實施例也可允許在分段之間形成 彎曲部或偏移。這些實施例還可允許這樣地成形，其中各分段的尺寸 不以嚴格的順序增大或減小。然而，諸如圖6所示的具有順序地減小 的分段直徑的構(gòu)造是特別優(yōu)選的，并且較易于形成。
應(yīng)理解，模鍛操作通常在夾具固定管預(yù)制件的一部分的情況下而 進^f亍，以^f更可施加足夠的軸向力以將管端部中的至少一個形成為希望 的構(gòu)造，盡管其中同時形成入口和出口端部的方法可依靠相反地定向 的軸向模鍛力消除了夾緊或減小了所需的夾緊力的量。
在該方法的某些實施例中，夾緊操作通過夾緊模具實現(xiàn)，該模具 基本圍繞管并提供徑向?qū)虻牧σ詼p小預(yù)制件的內(nèi)側(cè)段的直徑。 一個 這種操作總體地示于圖9A-B的94處。模具96通過徑向?qū)虻牧 被推到一起，如在圖9B中所見。模具96適于產(chǎn)生通過過渡段102連 接到管98的其余部分的縮減直徑段100。在所示的實施例中，縮減在 待減小的段中插入有催化劑元件的情況下進行。該元件可包括具有所 述圍繞膨脹墊105的陶瓷載體104或其它形式的催化劑元件。雖然示 出兩個互補的模具，但其它實施例可采用三個或更多互補的模具，所 述模具共同圍繞管98，并且當徑向地施力時導(dǎo)致管直徑基本圓柱形地 縮減。通常液壓地提供用于壓縮模具96的力，但也可使用其它已知 的機械力的來源。
同時減小管直徑的夾緊模具的使用通過消除許多已知成形過程中 的步驟有利地提高了管制作過程的效率。尤其是，對于成功的端部成 形經(jīng)常需要能夠抵消所要求的基本軸向的力的夾緊操作。目前為止， 已經(jīng)要求用于減小管的中間部分的直徑的單獨步驟。然而，實現(xiàn)所要 求的夾緊和縮減的模具的使用消除了處理步驟。
給出以下示例以提供本發(fā)明的較完全的理解。被闡述以舉例說明
21本發(fā)明的原理和實施的特定技術(shù)、條件、材料、比例和報告數(shù)據(jù)是示 例性的，而不應(yīng)理解為對本發(fā)明的范圍的限制。 示例1
催化轉(zhuǎn)化器的準備和測試
使用包括傳統(tǒng)鉑族貴金屬類型的催化劑形成用于從汽車發(fā)動機減 少排放物的常用類型的催化轉(zhuǎn)化器，所述催化劑支承在穿過堇青石陶
瓷蜂窩結(jié)構(gòu)延伸的多個通道的壁上。蜂窩結(jié)構(gòu)具有約為3.6英寸的直 徑和3英寸的長度。用于轉(zhuǎn)化器的外殼由409不銹鋼合金的無縫管制 成，該無縫管具有約四英寸的外徑和0.049英寸的壁。蜂窩結(jié)構(gòu)圍繞 有壓縮到約0.12英寸厚度的膨脹墊，并且然后將結(jié)合的墊和陶瓷插 入總體管狀的轉(zhuǎn)化器外殼的中央部分。然后對外殼的端部進行端部成
段。、:兩英寸長的錐形過:度段將入:段和出口段連接到中間段。
轉(zhuǎn)化器經(jīng)過汽車工業(yè)中已知并且遵從40 CFR 85.2116中提出的 程序的標準測試。進行以下測試。
通過刻度盤計量(dial-gage)技術(shù)測試膨脹墊材料的膨脹。墊 被加熱到825。C的最高溫度，并且測量其膨脹，并發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出相對于 其初始厚度約120-130 %的最大值。該值在本領(lǐng)域內(nèi)已知的通常范圍 內(nèi)是良好的，以導(dǎo)致陶瓷栽體在催化轉(zhuǎn)化器外殼中令人滿意的密封和 定位。
通過標準機械擠壓技術(shù)測量陶瓷載體的冷態(tài)推出阻力。該試驗通 過夾緊轉(zhuǎn)化器外殼并通過軸向擠壓的心軸將機械力施加到栽體上而進 行。發(fā)現(xiàn)需要約60-80磅的力以使膨脹的墊開始切變并造成載體的位 移。觀察到的力在本領(lǐng)域公認的標準中是良好的，其中在小于約30 磅時的移動表示不足地支承和密封的載體，而在超過約200磅時的移 動表示栽體被膨脹墊過量接合，這有可能在轉(zhuǎn)化器使用期間導(dǎo)致載體 的碎裂或易碎的故障。
通過掃描測試測量轉(zhuǎn)化器的催化效率，該掃描測試使用對已知的 CO、 HC和NOx污染物到良性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率的氣相色i普分析?！芬姴熳?小背壓，確認通過包括催化劑載體的轉(zhuǎn)化器的足夠流動。觀察到令人 滿意的催化效率性能，表示轉(zhuǎn)化器對于在汽車應(yīng)用中使用的適用性， 該應(yīng)用實現(xiàn)了符合可用的污染物標準。以上測試的結(jié)果證實，整體無縫轉(zhuǎn)化器令人滿意地證明了足以滿 足在汽車應(yīng)用中對于排放物減小的要求的性能。
已如此相當詳細地說明了本發(fā)明，應(yīng)理解，不需要嚴格遵循這種 細節(jié)，而是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可提出各種修改和變型，其所有都落入 由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于內(nèi)燃機排放系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器，包括a. 整體無縫金屬外殼；b. 所述外殼中的管狀氣體入口，廢氣通過該管狀氣體入口引入；c. 所述外殼中的管狀氣體出口，所述廢氣通過該管狀氣體出口排出；d. 所述外殼的管狀中間段，該中間段具有入口端和出口端；e. 入口過渡段，該入口過渡段連接所述入口和所述中間段的所述入口端；f. 出口過渡段，該出口過渡段連接所述中間段的所述出口端和所述出口；以及g. 容納在所述中間段中的多個級聯(lián)的催化劑元件，當所述廢氣在所述氣體入口與所述氣體出口之間流動時其順序地通過所述催化劑元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，所述入口 過渡段、所述出口過渡段、所述氣體入口和所述氣體出口的內(nèi)表面是 平滑的，并且基本沒有皺脊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，所述催化 劑元件的每個都包括a. 陶瓷載體，該陶瓷載體具有多個通過其延伸的通道；以及b. 催化活性材料，該催化活性材料存在于所述通道中每個的表 面的主要部分上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的催化轉(zhuǎn)化器，還包括膨脹墊，該膨脹 墊圍繞所述陶瓷載體中的每個，并且將所述陶瓷載體的外表面密封到; 所述中間段的內(nèi)表面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，所述中間 段基本為圓柱形，并且具有直徑，所述入口過渡段和所述出口過渡段 每個都具有長度，所述入口過渡段和所述入口過渡段中每個的所述長 度都從所述中間段的所述直徑的約30%到100%變化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，通過模鍛 形成所述入口過渡段、所述出口過渡段、所述氣體入口和所述氣體出n 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，所述中間 段具有多個肋狀壓痕，所述壓痕沿所述中間段軸向地延長。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，所述中間 段具有多個分段，每個分段包含所述催化劑元件中的至少一個。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的催化轉(zhuǎn)化器，其特征在于，所述分段 和所述多個催化劑元件具有不同的直徑。
10. —種內(nèi)燃機系統(tǒng)，具有包括催化轉(zhuǎn)化器的排放系統(tǒng)，所述催 化轉(zhuǎn)化器包括a. 整體無縫金屬外殼；b. 所述外殼中的管狀氣體入口，廢氣通過該管狀氣體入口引入；c. 所述外殼中的管狀氣體出口 ，所述廢氣通過該管狀氣體出口 排出；d. 所述外殼的管狀中間段，該中間段具有入口端和出口端；e. 入口過渡段，該入口過渡段連接所述入口和所述中間段的所 述入口端；f. 出口過渡段，該出口過渡段連接所述中間段的所述出口端和 所述出口；以及g. 容納在所述中間段中的多個級聯(lián)的催化劑元件，當所述廢氣 在所述氣體入口與所述氣體出口之間流動時其順序地通過所述催化劑 元件。
11. 一種用于生產(chǎn)內(nèi)燃機排放系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的方法，所述催 化轉(zhuǎn)化器包括a. 整體無縫金屬外殼；b. 所述外殼中的管狀氣體入口，廢氣通過該管狀氣體入口引入；c. 所述外殼中的管狀氣體出口 ，所述廢氣通過該管狀氣體出口 排出；d. 所述外殼的管狀中間段，該中間段連接所述氣體入口和所述 氣體出口 ；e. 入口過渡段，該入口過渡段連接所述入口和所述中間段的所 述入口端；f. 出口過渡段，該出口過渡段連接所述中間段的所述出口端和所述出口；以及g.容納在所述中間段中的多個級聯(lián)的催化劑元件，當所述廢氣 在所述氣體入口與所述氣體出口之間流動時其順序地通過所述催化劑 元件；并且所述方法包括i. 提供具有第一端部和第二端部的無縫金屬管預(yù)制件，所述預(yù) 制件適于被成形為所述外殼；ii. 將所述多個級聯(lián)的催化劑元件插入所述管預(yù)制件中；i i i.模鍛所述第 一端部以形成所述氣體入口和所述入口過渡段；以及iv.才莫鍛所述第二端部以形成所述氣體出口和所述出口過渡段。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第一端 部和所述第二端部的所述模鍛期間夾緊所述管。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述催化劑元 件中的每個都包括a. 陶瓷載體，該陶瓷載體具有多個通過其延伸的通道；以及b. 催化活性材料，該催化活性材料存在于所述通道中每個的表 面的主要部分上；以及c. 膨脹墊，該膨脹墊適于圍繞所述陶瓷載體，并且將所述陶瓷 載體的外表面密封到所述中間段的內(nèi)表面上；并且所述方法還包括以下步驟用所述膨脹墊圍繞所述陶瓷載體中的每個，以在所述催化劑元件 被插入所述管預(yù)制件中之前形成所述催化劑元件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，a. 所述管預(yù)制件從供給管提供；b. 所述第一端部的所述模鍛在所述催化劑元件插入所述管預(yù)制 件之后進行，并且在所述第一端部的所述模鍛期間夾緊所述管預(yù)制 件；c. 在所述第一端部被模鍛后，切割所述供給管以去除其具有預(yù) 先選定長度的部分，由此限定出所述預(yù)制件，并且所述催化劑元件存 在于所述預(yù)制件中；以及d. 在所述供給管的所述切割以形成所述預(yù)制件后，進行所述第二端部的所述模鍛，并且在所述第二端部的所述模鍛期間夾緊所述 管。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括 模鍛所述中間段以形成多個分段；以及 將所述多個級聯(lián)的催化劑元件插入所述分段中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述分段具有 順序地減小的直徑。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括在所述中間段的所述 模鍛的至少一部分期間夾緊所述預(yù)制件，并且其中通過夾緊模具接合 所述預(yù)制件，所述夾緊模具適于在所述分段中的至少一個的一部分中 產(chǎn)生直徑減小的段。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述氣體入口、所述氣體出口和所述分段基本同軸。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述催化轉(zhuǎn)化 器具有至少一個彎曲部。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述催化劑元 件中的每個都包括a. 陶瓷載體，該陶瓷載體具有多個通過其延伸的通道；以及b. 催化活性材料，該催化活性材料存在于所述通道中每個的表 面的主要部分上；以及c. 膨脹墊，該膨脹墊適于圍繞所述陶瓷載體，并且將所述陶瓷載體的外表面密封到所述中間段的內(nèi)表面上；并且所述方法還包括以下步驟用所述膨脹墊圍繞所述陶瓷載體中的每個，以在所述催化劑元件 被插入所述管預(yù)制件中之前形成所述催化劑元件。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃機排放系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器(10)包括整體無縫金屬外殼(12)，該外殼(12)具有管狀氣體入口(14)和出口(18)，以及其中具有多個級聯(lián)的催化劑元件(28)的管狀中間段(22)。中間段(22)通過入口過渡段(24)連接到入口(14)，并且通過出口過渡段(26)連接到出口(18)。通過模鍛用于形成外殼(12)的無縫管的端部形成入口(14)、出口(18)和入口過渡段(24)和出口過渡段(26)。由發(fā)動機的操作產(chǎn)生的廢氣進入轉(zhuǎn)化器(10)并且通過催化劑元件(28)。使用模鍛過程形成轉(zhuǎn)化器(10)上的管狀端部。
文檔編號F01N3/28GK101547731SQ200480043805
公開日2009年9月30日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者J·M·圖爾斯基 申請人:發(fā)展工業(yè)公司