CN100422516C

CN100422516C - 内燃机的废气转化器

Info

Publication number: CN100422516C
Application number: CNB2004800331418A
Authority: CN
Inventors: P·德拉波塔; G·萨尔瓦戈; S·齐里奥; G·韦尔加尼
Original assignee: SAES Getters SpA
Current assignee: SAES Getters SpA
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: CN1878933A; ITMI20032210A1

Abstract

本发明描述了一种内燃机的废气转化器(10)，它包括一个外壳(13)，所述外壳(13)设有至少一个用于要转化的废气的进口(14)和至少一个用于转化了的气体的出口(15)，并包括一个转化系统(11)，其中，所述转化系统包括多块纤维(30)的面板(12)，所述纤维(30)包括一个覆盖有氧化物层(32)的金属芯(31)，氧化物层(32)承载有催化激活的金属(33)，所述面板被布置成一个边缘面对进口，另一个边缘面对出口，彼此基本平行，且通过金属间隔结构(41，41’；51，51’；62；70)间隔开。

Description

内燃机的废气转化器

技术领域

本发明涉及一种内燃机的转化器，尤其涉及一种可用来氧化这些内燃机废气的装置。

背景技术

已知内燃机的废气包含没有完全氧化的气体，比如CO和未燃烧的烃；这些气体是一环境污染源，且现行法规要求采取消除这些排放物的系统，例如通过布置在内燃机下游的转化器完成所述气体的燃烧。

美国专利5294411公开了一种用于处理废气的装置，该装置包括一个如螺旋状卷起来的蜂窝结构，该蜂窝结构在陶瓷或金属的基片上具有一个催化激活的连续表面，在该表面中，废气流沿线性路径行进，从而在由结构本身限定的多个沟槽中流动，所有沟槽都彼此平行且与所述废气流的方向平行。这种装置基本上存在两个问题：首先，与螺旋结构的扩展相对应的用来与气体接触的整个表面不是特别宽，且装置容积与其上铺设有催化剂的几何表面之间所成的比不是很有利；其次，沟槽的严格线性几何结构是这样的，即，穿过该结构的气流一般是层流，由此不能最佳程度地利用催化剂。

专利申请WO97/02092公开了一种从一穿孔金属片或金属网获得的处理废气的装置，穿孔金属片或金属网上沉积有一层优选由氧化铝或氧化锆制成的陶瓷多孔层，随后注入一种催化剂前体的溶液或悬浮液。不过，在这种情况下，可利用的催化表面也不是很宽，且因此转化效率有限。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种废气转化器，它克服了所述缺陷。

所述目的是利用一种内燃机的废气转化器实现的，它包括一个外壳，所述外壳设有至少一个用于要转化废气的进口和至少一个转化了的气体的出口，并包括一个转化系统，其特征在于，所述转化系统包括多块纤维面板，所述纤维包括一个覆盖有一氧化物层的金属芯，催化激活的金属存在于氧化物层上，所述面板被布置成一个边缘面对进口，另一个边缘面对出口，彼此基本平行，且通过金属间隔结构间隔开。

本发明利用催化剂功能化的金属面板具有一个相对于公知装置的穿孔板和金属网明显增大的接触表面。此外，本发明包括多块面板和间隔结构的配置在转化器中产生湍流气流，于是进口与出口之间沿其路径的气体被迫至少部分地通过所述面板。这些特征显著地改善了气流与催化剂之间的接触，且因此提高了本发明转化器的转化效率，尤其是氧化效率。

附图说明

自下面参照附图的其一些实施例的详细且非限制性的说明，本领域的技术人员将清楚地看出本发明转化器的优点和特征，其中：

图1示出了一个本发明转化器的分解图；

图2示出了用在本发明中的一块金属纤维面板的透视图；

图3示出了构成图1面板的纤维的横剖图；

图4-7示出了本发明转化系统的细部；

图8示出了本发明的一个优选转化系统。

具体实施方式

图1示出了本发明转化器10的分解图，该转化器10包括一个转化系统11，该转化系统11包括多块面板12；转化器10按公知方式包括一个外壳13，该外壳13具有至少一个进口14用于要被处理的来自内燃机的废气，和至少一个出口15用于由系统11处理过的废气。这些面板优选由金属元件16(未在该图中示出)包围，该金属元件形成一个通过任何合适的手段例如通过机械卷曲固定在面板边缘上的框架：该框架有助于使面板12在热循环(既包括使面板氧化和功能化的热处理，又包括因内燃机下游的操作引起的热循环)期间保持平整，并避免纤维在面板边缘处的损失。转化器10可在出口15周边的四周包括凸缘(未在该图中示出)。

根据本发明，系统11包括多块通过金属间隔结构保持预定距离的面板12。本发明人已发现，如果将该距离保持为约1-4毫米，会取得良好的效果。在距离小于1毫米的情况下，面板的填料变得过于拥填，且系统11会产生太高的气压降。另一方面，距离太大，会产生减少面板12的数量由此减少在气体处理中激活催化表面的缺陷；此外，如果面板的间距过大，在气流中产生湍流运动的效果就会降低，并且至少一部分气体会横穿系统11而不与位于面板12上的催化剂接触。相邻面板间的距离的最佳值为约2-3毫米。

图2示出了一块用在本发明系统中的面板12，在优选实施例中，其包括包围金属元件16。面板是一块金属纤维毡，这些金属纤维一般通过烧结彼此粘附。纤维可由钢制成，或优选由一种含铁、铬和铝并加上较少百分比的其它元素的合金制成，该合金称作

(大不列颠Didcot的UKAEA注册的商标)。该合金被证明特别适用于在高温下长期使用，如在内燃机的催化转化器或过滤器的使用中。由

纤维制成的面板可由比利时Zwevegem的N.V.Bekaert SA公司获得，销售品名为这些面板可根据不同的几何结构成形，且适于不同种类的使用。

图3在剖面中示出了用于制造面板12的纤维(纤维的部分未按比例绘出)；在图中，示出了一种矩形横剖面的纤维，这是

纤维最为典型的形式，但显然，该纤维可具有其它剖面，例如圆形。纤维30包括覆盖有一层承载了催化剂33的氧化物层32的

芯31。该氧化物层一般是由两层或三层氧化物构成的多层，层之间的化学成分或物理性能彼此不同。第一氧化物层32’通过在氧化气氛下的高温处理生长在

纤维的表面上；由该处理形成的氧化物层主要由氧化铝晶须构成，晶须长度一般为0.5-5微米(μm)，依处理时间和温度而定；优选晶须的长度小于3μm。形成这些晶须的氧化物一般很密且均匀。随后的工序步骤是在第一氧化物层上形成第二氧化物层32”。与第一氧化物层不同，该第二氧化物层是多孔的且具有高的比表面；该第二氧化物层可仍由氧化铝构成，或可以是不同的氧化物。第二氧化物层可通过将一种氧化物的前体复合物溶液喷射到烧结的金属纤维毡上而获得，或通过将毡浸渍在该溶液中然后对前体进行热分解而获得。作为替换，第二氧化物层可通过将毡浸渍到前体颗粒的液体悬浮液中随后煅烧而获得。可选择的是，在第二氧化物层上形成第三氧化物层32”’。该层也具有高的比表面。可选层32”’一般由铈和锆的混合氧化物(可选择性地添加镧)构成，且具有限制催化金属烧结的性能，由此确保催化金属随时间的散布，且因此有助于保持转化器和用来氧化离开内燃机的未燃烧气体的氧的存储器的高效率。

外氧化物层(32”或32”’)由于具有多孔结构而成为催化金属的最佳载体，从而确保了金属的散布及其在纤维表面上的良好固定。利用催化剂33进行的氧化物层的功能化对于纤维面板的预期使用是必要的。催化剂优选是一种或多种选自周期表第八族的贵金属或其化合物；优选使用铂。

图4示出了系统11第一可行实施例的局部分解图。在该实施例中，系统11包括与金属片40相交替的面板12的堆叠层(在图中仅示出了两块面板和一块金属片；金属元件16未示出)；这些金属片具有多个突起41，41’，...，它们自金属片的两面延伸。这些突起都具有相同的高度，从而提供了多个接触点，两面板12(金属片40的两侧各一块)可置于这些接触点上。金属片40是利用耐高温金属制成的；优选这些金属片也利用生成面板12纤维的相同

材料制成。这些金属片一般都尽可能地薄，与高温下必要的机械阻力相适应；最佳厚度值为0.15-0.45毫米。

图5在与图4相似的视图中示出了一个略有不同的系统11的实施例；在这种情况下，片材50(类似于片材40)除了突起51，51’外，还具有多个孔52，52’，...；该配置有助于增强气体在其通过系统11时的运动中的湍流，从而提高了气体与面板12之间接触的效率，因此提高了系统11在气体处理上的效率；在图5中，这些孔被示出为圆形，但它们基本上可具有任何形状。在包括此种片材50的系统11中，优选这些孔不占据超过片材表面50％的面积，以便不致在系统11高温工作时给片材表面带来结构问题。

更为优选的是，突起和开口相重合。图6是一个该实施例的示例。在这种情况下，片材60具有多个开口61，它们是通过部分地切割片材而获得的，从而获得沿着至少一个边缘与片材连接的“翼”62，并且沿着所述边缘将这些“翼”弯曲；“翼”的尺寸及其相对于片材平面所成的弯曲角度将决定片材60表面与相邻面板12表面之间的距离，于是这些“翼”就构成了该实施例中的间隔结构；图6示出了矩形的“翼”(和开口)，但显然可采用任何其它合适的形状。限定了这些“翼”的片材60上的切口可由机械剪切、激光切割或任何其它公知的方法来实现。

优选将至此描述的各种系统11插入一个金属壳体中，从而在除了进口和出口侧外的所有侧面包围该系统，随后又将该金属壳体插入外壳13中；优选的是，在该金属壳体与外壳13之间，出于绝热原因的考虑安置有多块陶瓷纤维板。

图7示出了一块面板12，其可用于本发明系统11的另一个实施例；为了清楚起见，该图示出了具有几块间隔结构的面板组件。在这种情况下，间隔结构70是金属片，其几何面积是面板12几何面积的一小部分(与片材40、50和60相反)，并以这样的方式卷起来，即，与相邻面板接触的任何接触点都是弯曲且光滑的。间隔结构70通过固定(例如，通过点焊)到金属带71上而保持就位；金属带71尽可能地窄，与机械性能足够强和提供固定间隔结构70的充足面积的需要相兼容。金属带71又通过固定(例如，仍通过点焊)到两个金属元件16上而保持就位，这两个金属元件16是通过压接(by crimping)到面板12的两侧边缘(相对于如箭头所示的转化器10中的气流方向)上而固定的；而另两个金属元件16(各面向转化器10的进口14和出口15)可在纤维热氧化处理之前与面板连接，所述两个侧向金属元件16最好在面板12的生产结束时加到面板12上，以避免它们氧化并确保对于带71具有良好的焊接性能。其它间隔结构70存在于隐藏在图中的板12的另一面上：这些间隔结构优选位于转化器系统所有面板上的相同位置，于是通过堆叠多块面板而使间隔结构形成一种支柱，从而具有加强结构的总体效果。

图8示出了使用间隔结构70时的系统11优选组件的分解图：为了清楚起见，并未在该图中示出间隔结构。在这种情况下，为了保证系统的机械稳定性，已发现，最好将面板插在两个侧向保持元件80，80’中，所述侧向保持元件具有希腊回纹饰的形状。面板12可通过将回纹部分机械地压接到支承带子71的侧向元件16上而固定于元件80，80’上。由面板和保持元件构成的组件又被插在一个金属壳体81中，从而将与气流平行的组件的四面包围，不过在进口侧和出口侧敞开。该配置可能会留下通道82，使气体在从旁边经过系统11，然后未经处理地显现在出口15。为了避免这种风险，给通道82填充一种耐高温胶(未在图中示出)；这些胶通常在无机粘结剂中包括金属粉末(例如钢粉末)；一种合适的胶是由纽约布鲁克林(美国)的COTRONICS公司销售的Durabond954。该组件是通过在其背面和正面连接两个框架83，83’而完成的，这一并确保了不会留出让来自内燃机的气体从旁边经过系统11的通道；框架83，83’仍通过胶粘连接到面板12的前面和背面元件16、保持元件80，80’的端部上，还可能连接到壳体81上。

通过包括利用金属纤维生成的面板，本发明的转化器特别适用于其尽可能靠近发动机的配置(在本领域中称作“闭式耦合催化剂”或“CCC”的结构)，即，处于确保转化器在最高温度工作从而获得高转化效率的位置上。此外，由于其具有金属结构，本发明的转化器能容忍突发的温度变化，正如在现代系统中为减少来自内燃机的污染物所希望的那样。在柴油机情况下特别关键的是所谓的“后喷射”阶段，该阶段在于当气缸处于排气冲程中(排气阀打开)时将燃油喷射到气缸中，且因此燃油不在气缸中分解而是未燃烧地到达CCC转化器，燃油因为CCC转化器的高温而在其中催化氧化。因而，离开CCC转化器的气体具有很高的温度，且可燃烧聚积在适当过滤器(在本领域中称作“柴油机微粒过滤器”或DPF)上的微粒，从而容许过滤器再生：以申请人名义申请的意大利专利申请MI2003A002211描述了一个DPF过滤器的示例。

本发明转化器系统的另一个重要优点在于，较之现有技术中占有相同容积(且因此具有大致相同的催化剂金属量和基本相同的转化效率)的蜂窝式转化器系统，支承材料的重量要轻。发明人制备了本发明不同类的转化器系统，且通过测量它们的重量和容积，已发现：这些系统每立方厘米平均具有0.28克的重量；另一方面，对现有技术中的系统作了相似测量，显示出每立方厘米平均具有约0.62克的重量。除了总重轻(这已经是本身的一个优点)外，还具有热惯性小的重要优点，于是本发明的系统更为迅速地到达高温，在此催化剂具有最佳性能，从而减少了“冷起动”问题。

Claims

1. 一种内燃机的废气转化器(10)，它包括一个外壳(13)，所述外壳(13)设有至少一个用于要转化的废气的进口(14)和至少一个用于转化了的气体的出口(15)，并包括一个转化系统(11)，其特征在于，所述转化系统包括多块由纤维(30)制成的面板(12)，所述纤维(30)包括一个覆盖有氧化物层(32)的金属芯(31)，催化激活的金属(33)存在于所述氧化物层(32)上，所述面板被布置成一个边缘面对进口，另一个边缘面对出口，彼此基本平行，且通过金属间隔结构(41，41’；51，51’；62；70)间隔开。

2. 如权利要求1所述的转化器，其特征在于，所述纤维(30)的所述芯(31)由一种含铁、铬和铝的合金制成，且覆盖有一个氧化物的多层(32)，所述氧化物的多层包括与所述合金接触的第一氧化铝层(32’)、第二氧化物层(32”)和可选的由铈、锆和可选的镧构成的第三氧化物层(32”’)。

3. 如权利要求2所述的转化器，其特征在于，所述多层(32)覆有一种或多种催化剂(33)，其选自周期表第八族的贵金属或其化合物。

4. 如权利要求3所述的转化器，其特征在于，所述催化剂是铂。

5. 如权利要求1所述的转化器，其特征在于，所述转化系统(11)是由被金属元件(16)包围的面板(12)构成的。

6. 如权利要求1所述的转化器，其特征在于，所述转化系统(11)的两块相邻面板(12)之间的距离为1-4毫米。

7. 如权利要求1所述的转化器，其特征在于，所述转化系统(11)的两块相邻面板(12)之间的距离为2-3毫米。

8. 如权利要求1所述的转化器，其特征在于，所述转化系统(11)包括面板(12)和金属片(40)的交替堆叠层，所述金属片的两面都具有突起(41，41’)。

9. 如权利要求1所述的转化器，其特征在于，所述转化系统(11)包括面板(12)和金属片(50)的交替堆叠层，所述金属片的两面都具有突起(51，51’)和孔(52，52’)，从而允许要转化的气体从片材的一侧通行到另一侧。

10. 如权利要求9所述的转化器，其特征在于，所述突起和孔相重合且通过在片材(60)上制作切口而形成，从而获得沿着至少一个边缘连接在片材上的翼(62)，并沿着所述边缘弯曲所述翼，由此获得所述孔(61)。

11. 如权利要求5所述的转化器，其特征在于，所述转化系统(11)包括一个通过间隔结构(70)保持预定间距的面板(12)的堆叠层，所述间隔结构(70)是金属片，其几何面积小于所述面板的几何面积，并以这样的方式卷起来，即，与相邻面板接触的任何接触点弯曲且光滑。

12. 如权利要求11所述的转化器，其特征在于，所述间隔结构(70)通过固定到金属带(71)上而保持就位，所述金属带又通过固定在包围面板的两个金属元件(16)上而保持就位。

13. 如权利要求12所述的转化器，其特征在于，所述两个金属元件(16)位于面板平行于转化器中的气流的那些侧面。

14. 如权利要求13所述的转化器，其特征在于，所述面板平行于转化器中的气流的侧面由两个侧向保持元件(80，80’)保持，所述侧向保持元件(80，80’)具有希腊回纹饰的形状；由面板(12)和保持元件(80，80’)构成的组件插在一个金属壳体(81)中，所述金属壳体(81)包围与转化器中的气流平行的组件的四面，不过在进口侧和出口侧敞开；保持元件(80，80’)与壳体(81)之间的通道(82)填充有一种耐高温胶；并且两个金属框架(83，83’)连接到面板(12)的前面和背面包围元件(16)、所述保持元件(80，80’)的端部上，还可选地连接到所述壳体(81)上。

15. 如前述权利要求中的任一项所述的转化器，其特征在于，转化系统(11)插在一个壳体(81)中，所述壳体(81)随后被安放在所述转化器(10)的所述外壳(13)中，陶瓷板插置在所述壳体和所述外壳之间。