CN101473118A - 绝缘双壁排气系统部件及其制造方法 - Google Patents

绝缘双壁排气系统部件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种绝缘双壁排气系统部件及其制造方法，所述绝缘双壁排气系统部件具有设置在内管和外管之间的玻璃泡。所述玻璃泡具有粒度分布，其中，基于总体积，至少90％的所述玻璃泡具有小于150微米的尺寸。

Description

绝缘双壁排气系统部件及其制造方法
背景技术
用于机动车辆的催化转化器通常在高温下操作最有效。发动机一启动，催化转化器温度就需要充分地升高，以便它正确地工作。这一过程通常称为“起燃”。“起燃”通常定义为催化转化器达到50％效率时的温度。取决于污染物的类型，这通常在约200至300℃的范围内发生。一种减少起燃时间的方法是提高到达催化转化器的排气的温度。为了致力于解决该问题和/或保护灵敏的车辆零部件(例如电子器件、塑料零件等)免受由汽车排气带来的热量的影响，已开发出多种双壁排气系统部件(例如排气歧管、用于连接到催化转化器的端锥、排气管或管)。这样的部件一般具有在外管内的内管。在内管和外管之间形成的环形间隙可以留空或用例如陶瓷纤维垫的绝缘材料填充。
近来，存在一种将催化转化器用于柴油发动机的趋势，柴油发动机产生的排气通常比汽油发动机产生的排气温度更低(例如200至300℃)。因此，在柴油发动机的情况下，维持催化转化器上游的排气温度是期望的。
例如，如果部件在双壁排气系统中有弯头和/或如果在内管和外管之间形成的环形间隙是不均匀的，有效绝缘双壁排气系统部件可能尤其具有挑战性。这通常使得在两个管之间难以安装片状形式的任何东西。
发明内容
在一个方面，本发明提供绝缘双壁排气系统部件，该绝缘双壁排气系统部件包括内管，围绕内管的外管，连接内管和外管并且与内管和外管一起限定封闭腔体的第一和第二环形密封件，以及至少部分地填充封闭腔体的玻璃泡，玻璃泡具有粒度分布，其中基于总体积，至少90％的玻璃泡具有小于150微米的尺寸。
在一些实施例中，可以设置在催化转化器的上游的绝缘双壁排气系统部件连接到汽油或柴油发动机，使得来自于发动机的排气被引导通过内管。在一些实施例中，绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组：绝缘双壁排气管、催化转化器组件的绝缘双壁端锥、催化转化器组件的绝缘双壁分隔圈、绝缘双壁消声器、以及绝缘双壁尾管。
在另一方面，本发明提供制造绝缘双壁排气系统部件的方法，该方法包括：提供内管；在外管内至少部分地禁闭内管；连接内管和外管以形成具有至少一个开口的可填充的腔体；使用玻璃泡至少部分地填充可填充的腔体，该玻璃泡具有粒度分布，其中基于总体积，至少90％的玻璃泡具有小于150微米的尺寸；以及密封所述的至少一个开口并且封闭玻璃泡。
在一些实施例中，内管和外管通过至少一个密封件连接，其中内管、外管、所述的至少一个密封件以及开口形成可填充的腔体。
在一些实施例中，基于总体积，至少90％的玻璃泡具有小于140微米、130微米、120微米或110微米的尺寸。在一些实施例中，基于总体积，大于50％的玻璃泡具有大于50微米的尺寸。在一些实施例中，玻璃泡具有0.1至0.15克/毫升范围内的真密度。在一些实施例中，内管和外管中的至少一个包括不锈钢、钢或钢合金。在一些实施例中，封闭腔体几乎完全用玻璃泡填充。在一些实施方案中，紧密填充玻璃泡。
本发明向双壁排气系统部件提供隔热和隔音特性，并且可以容易地填充到内管和外管之间的腔体(即环形间隙)内。此外，在多个实施例中，使用市售的和经济的材料可获得这些有益效果。
如本文所用，术语：
“管”是指可以为圆柱形的、渐缩的、平坦的和/或弯曲的并且可以具有沿其长度变化的横截面形状和/或尺寸的管；例如，术语管包括用于催化转化器的典型端锥。
“排气管”是指在排气歧管和催化转化器或消声器之间的管；
“排气系统部件”是指设计以导向来自喷焰器或发动机的排气的部件；并且
“尾管”是指消声器下游并且直接向大气排气的管。
附图说明
图1是示例性的机动车辆排气系统的示意图；
图2是示例性的包含玻璃泡的双壁绝缘排气管的纵向剖面图；并且
图3是示例性的包含玻璃泡的催化双壁绝缘转化器组件的纵向剖面图；
这些附图都是理想化的，仅仅旨在示例性而非限制性地展示本发明。
具体实施方式
示例性的机动车辆排气系统在图1中示出。在正常的操作下，发动机12将排气11引进到排气歧管14内。排气11通过排气系统10，并从尾管19喷出。排气歧管14连接到第一排气管15。催化转化器组件17设置在第一排气管15和第二排气管16之间。第二排气管16连接到消声器18，消声器18连接到尾管19。
根据本发明的一个示例性的绝缘双壁排气系统部件在图2中示出。现在参见图2，绝缘双壁排气管20包括内管22，围绕内管22的外管24，连接内管22和外管24并且与内管22和外管24一起限定封闭腔体29的第一环形密封件23和第二环形密封件25。玻璃泡26设置在封闭腔体29内。玻璃泡26具有粒度分布，其中至少90％的玻璃泡具有小于150微米的尺寸。内管22围绕内部空间21，如果排气管用于机动车辆的排气系统中，排气流过上述内部空间21。
图3示出示例性的催化转化器组件30，根据本发明，催化转化器组件30包括绝缘双壁端锥和绝缘双壁分隔圈。入口端锥34具有入口35并且在第一装配垫42处端接，第一装配垫42容纳第一催化元件38。出口端锥36具有出口37并且在第二装配垫43处端接，第二装配垫43容纳第二催化元件39。绝缘双壁分隔圈40设置在第一装配垫42和第二装配垫43之间。也通常被称为罐或壳体的外壳32可以由本领域中用于该目的的已知的任何合适的材料制成，通常为金属；例如不锈钢。第一催化元件38和第二催化元件39由蜂窝结构的整体形成，通常是陶瓷或金属。围绕催化元件38、39的是第一装配垫42和第二装配垫43，第一装配垫42和第二装配垫43一般由膨胀型材料制成。当热的排气流过污染控制装置时外壳32、33与催化元件38、39之间的间隙变宽时，第一装配垫42和第二装配垫43应当分别保持对催化元件38、39的足够的支撑力。
入口端锥34具有第一外管46和第一内管48。出口端锥36具有第二外管56和第二内管58。入口端锥34具有限定封闭第一腔体55的第一端密封件51和第二端密封件52。出口端锥36具有限定封闭第一腔体65的第三端密封件61和第四端密封件62。分隔圈40分别具有第三内管53和外管54以及限定第三封闭腔体59的第五端密封件57和第六端密封件67。封闭腔体55、65、59用玻璃泡60填充。
内管和外管可以由能够经受与来自于内燃机的排气喷出有关的高温的任何材料制成。通常，内管和外管包括金属，例如钢、不锈钢或钢合金(例如，如以商品名“INCONEL”从西弗吉尼亚州亨廷顿的特种金属股份公司(Special Metals Corp.，Huntington，West Virginia)得到)。
第一密封件和第二密封件可以具有起到在内管和外管之间形成封闭腔体作用的任何形式。密封件实例包括凸缘、颈圈、焊缝以及卷边，可选地与一种或多种焊缝或密封剂、玻璃和陶瓷组合。第一密封件和第二密封件可以由能够经受与来自于内燃机的排气喷出有关的高温的任何材料制成。密封件应当基本上不含可以使玻璃泡从封闭腔体逸出的洞。对于密封件适合的材料的实例包括陶瓷和陶瓷垫(例如，容纳催化转化器整体的陶瓷垫)、玻璃以及金属。在一些实施例中，密封件可以包括金属凸缘，例如从内管或外管延伸出的金属凸缘。
根据本发明的绝缘双壁排气系统部件可以加工成多种排气系统部件。实例包括绝缘双壁排气管、绝缘双壁端锥和催化转化器组件的分隔圈、绝缘双壁围住的整个催化转化器组件、绝缘排气歧管以及绝缘双壁尾管。尽管在本发明实践中使用的玻璃泡通常享有较低密度和热导率的有益效果，但其在排气部件中的有用性可能是有限的，这些部件将遭遇超过约650℃的温度，在该温度下玻璃泡通常开始变软和聚结。在汽油发动机的情况下，绝缘双壁排气系统部件可以用作绝缘双壁排气管或尾管，但不适合于排气歧管或作为在催化转化器组件中的端锥或分隔圈。然而，由于柴油发动机的典型的较低排气温度，绝缘双壁排气系统部件可以通常加工成并且用作任何排气系统部件，例如在上文中提到的那些。
根据本发明的绝缘双壁排气系统部件可以例如与通用发动机、或机动车辆(例如汽车、卡车或摩托车)装配的发动机结合使用。
一个或多个绝缘双壁排气系统部件可以在例如机动车辆的排气系统中使用和结合。
种类繁多的玻璃泡可以是市售的或换句话讲通过本领域中已知的方法可得到的。可用的玻璃泡具有粒度分布，其中基于总体积，至少90％的玻璃泡具有小于150、120、110、100、90微米或甚至更小的尺寸。在一些实施例中，大于50％的玻璃泡可以具有大于30、40、50、60、80、90或甚至大于100微米的尺寸。粒度分级例如可以通过本领域熟知的方法(例如筛分法或风筛)实现。通常，玻璃泡的真密度(也就是说，没有充填效率影响的密度，该密度例如可以通过空气测比重术或阿基米德方法来测定)在0.05至0.4克/毫升的范围内，更典型地在0.1至0.15克/毫升范围内，尽管还可以使用这些范围外的真密度。市售的玻璃泡的实例包括以商品名“SCOTCHLITE”玻璃泡从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company，St.Paul，Minnesota.)商购获得的那些。实例包括以“S系列”(例如，“S15”、“S22”、“S32”、“S35”或“S38”)和“K系列”(例如，“K1”、“K15”、“K20”、“K25”、“K37”或“K46”)命名的玻璃泡。玻璃泡的混合物还可以用于例如产生具有高充填效率的双峰粒度分布。如果多个绝缘双壁排气系统部件用在排气系统中，每一个绝缘双壁排气系统部件可以采用具有不同尺寸和/或物理特性的玻璃泡。
不希望被理论束缚，据信与较大的绝缘颗粒相比，本发明的非常小尺寸的玻璃泡降低了困在双壁腔体内的空气对流，从而降低了在内管和外管之间的传热率。
除了使用根据本发明的玻璃泡代替传统的绝缘材料外，根据本发明的绝缘双壁排气系统部件例如可以通过本领域中制造绝缘双壁排气系统部件的已知技术制造。例如，在第一步中，内管可以至少部分地设置在外管内。在第二步中，可填充的腔体通过形成第一密封件在内管和外管之间形成(例如，如上文所描述的)。在这些第一或第二步中的任一步之后，内管或外管之一或两者可以弯曲或换句话讲变形为所需的形状。玻璃泡引入到到可填充的腔体内(例如，通过注入或吹入)，在填充期间可选地用振动方式以有助于获得所期望的(例如，典型地是高的)填充密度。一旦可填充的腔体填充到所需的程度，第二密封件就产生在内管和外管之间，从而起到在由内管和外管以及第一密封件和第二密封件限定的封闭腔体中禁闭玻璃泡的作用。
在另一个方法中，在玻璃泡引入之前，两个密封件可以在适当的位置。这可以通过通常在外管中钻适合的孔，在填充完内管和外管以及密封件之间的腔体之后然后密封孔来实现。
通过以下的非限制性实例，进一步说明了本发明的目的以及优点，但在这些实例中所列举的具体材料及其数量以及其它的条件和细节不应被解释为不当地限制了本发明。
实例
构造30英寸(91cm)长度的不锈钢双壁管。内管具有21/2英寸(63.5mm)的外径(OD)和23/8＂英寸(60.3mm)的内径(ID)。外管具有3.0英寸(76.2mm)的外径和27/8英寸(73.0mm)的内径。这导致4.75mm的环形间隙。管在一端连接到由不锈钢制成的环形密封件，该环形密封件焊接在适当的位置。管的另一端具有环形不锈钢密封件，该环形不锈钢密封件是可移除的并且可以使用四个机用螺钉扣紧到管上。环形间隙在内管周围是均匀的。
管装备有热电偶。各热电偶在离管的入口端(入口端为具有焊接密封件的一端)18英寸(45.7cm)的位置。1/8英寸(3.18mm)的铠装热电偶位于管中心线处以测量气体温度。第二个热电偶焊接到内管的外径上。第三个热电偶焊接到外管的外径上。所有的热电偶位于离管的入口端18英寸(46cm)的位置。
首先测试在适当的位置具有可移除的环形密封件的管，但是双壁管仅含有空气。它连接到7.5升的福特V-8发动机上，并在垂直方向上以其轴取向。
发动机在如表1(下面)所报告的多种条件下运转，直至气体温度稳定并且外管的外径达到平衡。
在冷却回到室温之后，移除可移除的密封件，并将玻璃泡(以商品名“SCOTCHLITE K1”从3M公司得到的玻璃泡)注入到双壁管的环形间隙内。当填充管时，在桌子上轻敲管几次以紧凑玻璃泡，直至管完全充满玻璃泡。然后，在适当的位置螺纹连接可移除的密封件，并且填充泡的管子以与空管子测试方法相同的方法测试。除了使用以商品名“SCOTCHLITE K37”和“SCOTCHLITE S60”从3M公司得到的玻璃泡外，该过程还被重复。
测试结果在表1和表2(下面)中报告，其中术语“NA”意思是“不适用”。在表1中，排气流量以标准立方英尺/分钟(SCFM)报告。一个标准立方英尺是在14.696磅/平方英寸(psi)(101.33kPa)的压力下在一个立方英尺(28升)的气体中包含的为60℉(15.5℃)的气体的量。
Figure A200780022346D00131
Figure A200780022346D00132
在不偏离本发明的范围和精神的情况下，本领域内的技术人员可以对本发明作出各种修改和更改，并且应该理解的是，不应该将本发明不适当地限制于本文中给出的示例性实施例。

Claims (23)

1.一种绝缘双壁排气系统部件，包括：内管、围绕所述内管的外管、连接所述内管和所述外管并且与所述内管和所述外管一起限定封闭腔体的第一和第二环形密封件、以及至少部分地填充所述封闭腔体的玻璃泡，所述玻璃泡具有如下粒度分布，其中，基于总体积，至少90％的所述玻璃泡具有小于150微米的尺寸。
2.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述内管包括不锈钢、钢或钢合金。
3.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述第一密封件和第二密封件包括金属凸缘。
4.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述封闭腔体基本上由所述玻璃泡填充。
5.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述玻璃泡密实压紧。
6.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中，基于总体积，大于50％的所述玻璃泡具有大于50微米的尺寸。
7.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述玻璃泡具有0.1至0.15克/毫升范围内的真密度。
8.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组：排气管、催化转化器组件的至少一部分、以及尾管。
9.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组：绝缘双壁排气管、催化转化器组件的绝缘双壁端锥、催化转化器组件的绝缘双壁分隔圈、绝缘双壁消声器、以及绝缘双壁尾管。
10.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，所述绝缘双壁排气系统部件连接到柴油发动机，以使得来自所述柴油发动机的排气被引导通过所述内管。
11.根据权利要求10所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述排气系统部件设置在催化转化器的上游。
12.根据权利要求10所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述部件包括绝缘双壁排气管。
13.根据权利要求10所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述部件包括催化转化器组件的端锥或分隔圈。
14.根据权利要求10所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述部件包括绝缘双壁尾管。
15.一种制造绝缘双壁排气系统部件的方法，所述方法包括：
提供内管；
至少部分地将所述内管限制在外管内；
连接所述内管和所述外管以形成具有至少一个开口的可填充腔体；
使用玻璃泡至少部分地填充所述可填充腔体，所述玻璃泡具有如下粒度分布，其中，基于总体积，至少90％的所述玻璃泡具有小于150微米的尺寸；以及
密封所述至少一个开口并且封闭所述玻璃泡。
16.根据权利要求15所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述内管和所述外管通过至少一个密封件连接，并且其中所述内管、外管、所述至少一个密封件以及所述开口形成所述可填充腔体。
17.根据权利要求16所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述至少一个密封件包括金属凸缘。
18.根据权利要求15所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述内管包括不锈钢、钢或钢合金。
19.根据权利要求15所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述第一密封件和第二密封件包括金属凸缘。
20.根据权利要求15所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中，基于总体积，大于50％的所述玻璃泡具有大于50微米的尺寸。
21.根据权利要求15所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述玻璃泡具有0.1至0.15克/毫升范围内的真密度。
22.根据权利要求15所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组：绝缘双壁排气管、催化转化器组件的绝缘双壁端锥、催化转化器组件的绝缘双壁分隔圈、绝缘双壁消声器、以及绝缘双壁尾管。
23.具有如下粒度分布的玻璃泡作为双壁排气系统部件中的绝缘材料的用途，其中，基于总体积，至少90％的所述玻璃泡具有小于150微米的尺寸。
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