CN101547731A - 汽车排放组件和制造方法 - Google Patents

汽车排放组件和制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101547731A
CN101547731A CNA2004800438059A CN200480043805A CN101547731A CN 101547731 A CN101547731 A CN 101547731A CN A2004800438059 A CNA2004800438059 A CN A2004800438059A CN 200480043805 A CN200480043805 A CN 200480043805A CN 101547731 A CN101547731 A CN 101547731A
Authority
CN
China
Prior art keywords
interlude
changeover portion
inlet
outlet
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2004800438059A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101547731B (zh
Inventor
J·M·图尔斯基
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evolution Industries Inc
Original Assignee
Evolution Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evolution Industries Inc filed Critical Evolution Industries Inc
Publication of CN101547731A publication Critical patent/CN101547731A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101547731B publication Critical patent/CN101547731B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2839—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration
    • F01N3/2853—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/009—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having two or more separate purifying devices arranged in series
    • F01N13/0097—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having two or more separate purifying devices arranged in series the purifying devices are arranged in a single housing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/18—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1838—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly characterised by the type of connection between parts of exhaust or silencing apparatus, e.g. between housing and tubes, between tubes and baffles
    • F01N13/1844—Mechanical joints
    • F01N13/185—Mechanical joints the connection being realised by deforming housing, tube, baffle, plate, or parts thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2839—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration
    • F01N3/2853—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing
    • F01N3/2857—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing the mats or gaskets being at least partially made of intumescent material, e.g. unexpanded vermiculite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2310/00—Selection of sound absorbing or insulating material
    • F01N2310/08—Exfoliated vermiculite, e.g. zonolite, coke, pumice
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2350/00—Arrangements for fitting catalyst support or particle filter element in the housing
    • F01N2350/02—Fitting ceramic monoliths in a metallic housing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2450/00—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements
    • F01N2450/20—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements by mechanical joints, e.g. by deforming housing, tube, baffle plate or parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49345—Catalytic device making

Abstract

一种用于内燃机排放系统的催化转化器(10)包括整体无缝金属外壳(12)，该外壳(12)具有管状气体入口(14)和出口(18)，以及其中具有多个级联的催化剂元件(28)的管状中间段(22)。中间段(22)通过入口过渡段(24)连接到入口(14)，并且通过出口过渡段(26)连接到出口(18)。通过模锻用于形成外壳(12)的无缝管的端部形成入口(14)、出口(18)和入口过渡段(24)和出口过渡段(26)。由发动机的操作产生的废气进入转化器(10)并且通过催化剂元件(28)。使用模锻过程形成转化器(10)上的管状端部。

Description

汽车排放组件和制造方法
技术领域
本发明涉及汽车排放组件的领域；并且更具体地涉及形成并容纳在无缝外壳中的消声器和催化转化器等。
背景技术
广泛认可的是，内燃机的废气排放构成整个世界的空气污染的主要源头。这些内燃机中的燃烧过程不可避免地导致进入废气流的某些物质的产生，所述物质对于人类和其它动物和植物物种的健康和良好状态是有害的。所关注的排放物包括微粒(炭烟)以及诸如CO、SO2、NOX和未完全燃烧的碳氢化合物(HC)之类的气体。这些物质在燃烧过程中与CO2和H2O一起产生，所述CO2和H2O是包含在燃料中的碳氢化合物的完全氧化的产物。
市场力量和政府环境规定的结合已刺激了减轻或消除发动机废气中的有害成分的产生的途径的研究和开发。汽车制造商和供应商已受到由1965年的美国清洁空气法规(U.S.Clean Air Act)和美国及其它国家的后来法规的控制和降低车辆尾气排放的挑战。响应于该法规，发动机中的几乎每个系统都已被改进。结果，现代发动机较高效地将燃料中潜在的化学能转化为有用的机械功，从而使其排放显著降低。
由于消费者的偏爱和政府行动，迄今已将重大努力指向轿车中的四冲程奥托发动机。虽然对于这些汽车发动机在排放降低上有进步，但正在施加日益紧迫的限制。排放规定已同样扩展到其它公路用(on-road)车辆，诸如公共汽车和卡车，其中许多采用了柴油机；扩展到非公路用(off-road)车辆；并扩展到非推进用发动机，其中许多是二冲程的。
有害排放物的减少大多归因于催化转化器的使用，废气流被导向通过所述催化转化器。废气穿过包含适当的催化剂促进了进一步的化学反应，该化学反应去除大部分有害的CO、NOX和HC物质，将它们转化为较良性的物质，诸如CO2、O2和H2O。而且，当优化发动机操作参数以实现降低的排放时，催化转化器与正时和燃料-空气混合物的计算机驱动和自适应控制结合的使用给予发动机设计者很大灵活性。
虽然市场拉动来自通过在废气流中插置催化转化器实现的显著优点，但对其制造仍有很大阻碍。希望的是，能使用可靠、高效和廉价的构造过程制造转化器；并且在延长的使用寿命中保持耐久性和功能性。然而，传统转化器无法提供这些希望的特征。
转化器构造必须生产气密的外壳，以便使废气仅在入口处进入并仅通过出口排出。无法获得密封将有害地使废气泄漏，绕过催化剂的有利作用并产生无法接受的噪音。在某些情况下，包含可燃气体的排气的泄漏会导致发动机回火并损坏发动机系统的其它部分。泄漏还会使车辆乘客暴露于CO和其它排放物的不健康的或危险的水平。另外，已知泄漏会引起灾难性的车辆火灾。
可理解地，汽车制造商由若干因素被迫最小化或消除这些催化转化器故障。作为高质量产品的供应商的制造商的声誉通过报告故障而降级。另外，市场力和目前美国环境规定迫使汽车制造商保证汽车的污染控制系统的所有方面的完整性和效能。更具体地，规定要求系统功能在延长的时间段和里程中将汽车的排放物维持在建立的标准内。任何故障使制造商承受昂贵的担保修理和麻烦的消费者的愤怒。
迄今为止，用于催化转化器的金属外壳主要落入三个广泛种类的构造：“薄烤饼”或“蛤壳”形式、包裹形式和多件形式，其中每个都封装承载催化活性材料的催化剂载体。
典型地，“薄烤饼”或“蛤壳”形式包括印模冲压的上壳和下壳，该上壳和下壳彼此基本相同，并且具有相配的外周侧面凸缘，所述凸缘被焊接在一起以位于包含外壳的纵向轴线的平面中。上壳和下壳成形为形成内腔，催化剂载体通过一体地设置在壳体组件壳中的“L-形”或其它已知支架或预先形成的结构安装在所述内腔中。
包裹形式的壳体由起初是片状并且形成为大体围绕催化剂载体的材料制成。该形式也已知为“止血带包裹”，反应了其构造。外壳的边缘必须在焊缝处接合，该焊缝基本延伸过转化器的全部轴向长度。该构造中的入口和出口可作为包裹操作的一部分形成或较一般地可包括单独的组件，该组件在片材形成后焊接到外壳的端部。
已知若干多件外壳构造。由美国专利5,118,476公开的一种形式包括管状中间段和附装到中间段的每个端部的端部衬套，催化剂载体放置在该中间段中。美国专利6,001,314公开了一种两件式壳体。每一件都通过深冲压成形，以提供开口端部和圆锥形外端，该圆锥形外端逐渐变细到用于连接到相联的排放系统管道的开口。两件焊接在一起，催化剂载体包含在其中。
这些多件构造的每一个必须通过焊接以封闭片状材料中的接缝或以附装适当的端盖来密封。焊接既需要提供外壳所需的密封，又需要固定催化剂载体。然而，这些焊接的每一个都可能为失效模式。而且，1996年后由美国环保署对轿车要求的OBD2(车载诊断)标准要求对发动机排放系统中的密封完整性的进一步的需要。该标准要求在催化转化器之前和之后的O2含量的测量，作为用于计算机化的发动机控制系统的要求的输入。即使在传感器之间的系统中的针孔泄漏也会损害用于质量平衡确定的O2水平比较的准确性。排放控制系统失灵，使发动机控制系统自适应地优化正时和燃料/空气混合物以最小化排放的能力失效。排放控制系统的这种故障必须保证由车辆制造商在相当昂贵且对消费者很麻烦的情况下纠正。
由于多种原因，催化转化器的环境是苛刻的，所述原因中的每一个都可潜在地导致转化器外壳的穿透腐蚀和最终失灵。例如，在道路用车辆中使用的转化器，尤其在寒冷气候中，外部暴露于道路盐分的飞溅，并且内部暴露于酸性的废气。本领域中公知的是，化学和应力作用结合使焊接部成为尤其可能受到腐蚀侵袭的位置。因此，在汽车领域中长久以来一直寻找一种可高效地且经济地形成为单个部件而没有焊接的催化转化器外壳。这种整体的催化转化器外壳将克服包括现有多件式和焊接外壳形式的可靠性的严重缺点。
用于生产整体外壳的唯一已知的技术是旋压。在该过程中，在管中放置催化剂元件，并且当适当的工具在管的每个端部处进入与管的接触时，绕管的圆筒轴线迅速旋压组合工件。由此获得足够的变形以在管的每个端部处形成减小直径的管口。根据所需的缩减，旋压可冷地和热地进行。虽然旋压方法确实可生产整体外壳，但它也具有严重的缺点。进行产品成形是昂贵且能量密集的。而且，导致在变形区域中外壳的内侧和外侧表面上的圆周皱脊的形成。这些皱脊既是讨厌的，又引起消声器中气流的显著中断，导致湍流和不希望的背压，该湍流和背压降低了对于给定气缸排量的可用的发动机功率。通过旋压可获得的直径减小的幅度是有限的。另外，在缩减段中的金属中产生显著的加工硬化。结果，包括端口管的缩减段中的管的延展性太低，以致于无法通过普通夹具将转化器附装到接合排气段。而必须使用焊接的或凸缘的接合。对焊接接合的需要对于售后服务和修理用途是尤其不方便的。
旋压过程还受到其可生产的产品的尺寸和形状的限制。非常长的形状不适合在可用的车床和类似的机床中固定并在所需的速率旋压。而且，通过旋压生产的装置必须绕圆筒轴线旋转对称，否则产生的不平衡性使得不可能旋压该装置并实现所需形状的所需形成。在很多情况下，可用于排放系统的迂回路径将使得非常希望具有非对称组件可用，诸如这样的催化转化器，其中入口和出口不不需要同轴地排列，而是可相对于彼此成角度或偏移。这种构造无法通过已知的旋压方法形成。而且，通过旋压形成的外壳的区域被加工硬化到这样的程度，即，使得随后的弯曲等操作根本不可能。
作为这些缺陷的结果，旋压没有在排放组件的制造中广泛使用，尽管市场具有对于旋压被认为能够生产的可行的整体无缝装置的渴求。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供一种用于内燃机排放系统的催化转化器和用于构造该转化器的方法，该催化转化器具有整体无缝金属外壳。该催化转化器包括：(i)外壳中的管状气体入口，废气通过该入口引入；(ii)外壳中的管状气体出口，废气通过该出口排出；(iii)具有入口端和出口端的外壳的管状中间段；(iv)连接入口和所述中间段的入口端的入口过渡段；(v)连接中间段的出口端和出口的出口过渡段；以及(vi)包含在中间段中的多个级联的催化剂元件，当废气在气体入口与气体出口之间流动时通过所述催化剂元件。入口和出口过渡段以及气体入口和出口的内表面是平滑的，并且其上基本没有皱脊。通过模锻用于形成外壳的无缝管的端部形成入口和出口以及入口过渡段和出口过渡段。如这里所使用的，术语“无缝金属管”应理解为是指例如通过挤压(extrusion)生产的总体为圆筒形的金属管或这样形成的管，即，通过使薄板相对的、大体平行的边缘邻接并通过焊接接合所述边缘使长的、较窄的薄板成形为管状结构。
由发动机的操作产生的废气进入转化器并通过催化剂元件。废气中包括CO、NOX和未完全燃烧的碳氢化合物的有害物质通过催化剂元件的作用被转化为较良性的物质，该催化剂元件优选地包括易碎的陶瓷蜂窝结构，该陶瓷蜂窝结构具有多个涂敷有一种或多种催化活性物质的内部通道。
有利地，本发明的整体无缝转化器构造在生产上是经济的，并且消除了倾向于故障的外壳组件的焊接。更具体地，该转化器外壳的整体无缝构造减小了转化器部件的尺寸和数量(与已知的实际构造相比)，而同时提高了转化器的有效性并且改善了其构造和制造。该转化器在生产上固有地是经济的，并且可以大量生产，满足将原始设备转化器直接供应给汽车和卡车制造商用于工厂安装在排放系统中所需的大批量。而且，外壳的改进提供了额外的优点，包括较好的车辆燃料经济性和较好的制造经济性。
由该催化转化器的整体构造提供的对接缝或端盖的任何焊接的消除极大地提高了其在使用期间的可靠性。焊接部出了名地易作为由于化学和应力作用腐蚀侵袭的位置。在操作中，在典型地道路用车辆应用中的催化转化器外部暴露于道路盐分和其它腐蚀性物质，并且内部暴露于酸性废气。该催化转化器中焊接部的缺失消除了在装置的使用寿命期间的主要故障源。
本发明的催化转化器的制造包括使用模锻过程以形成催化转化器的管状端部。内径总体上大于端部的外壳的中段包围并保持催化剂元件就位。在本发明的实施中使用模锻以总体上将外壳的端部减小到用于将转化器连接到发动机排放系统的接合组件的管径。
与其它用于形成端部的已知方法相比，模锻经常提供许多优点。直径的减小可使用多个模具在一系列步骤中进行。结果，模锻过程是非常适用的，为设计者在制造外壳以装配到可用空间中方面和在优化通过装置的气流的动力学方面提供了灵活性。管状端部和过渡段是平滑的，并且在内侧或外侧表面上基本没有圆周皱脊。改善了装置的外观。内侧表面的平滑和其上皱脊的缺失使湍流的产生最小化，该湍流阻碍废气通过转化器的流动并造成过大的背压。模锻通常将延展性的水平维持到足以使转化器可通过夹紧、焊接或凸缘连接件连接到排放系统的其余部分。
该方法的某些实施例与旋压相比提供的另一个好处是形成更复杂结构的能力，包括具有诸如延伸的长度和弯曲的特征或其它非对称构造的结构。由于该端部形成过程不需要工件的快速旋转，因此不需要考虑旋转平衡和可用的车床或类似机床的尺寸。端部形成因而可生产具有入口、出口和过渡段的转化器，所述入口、出口和过渡段可以是适应车辆间隙或其它尺寸和空间要求的圆形或具有多种其它形状，如椭圆形，并且尤其是“扁椭圆形”。也可将转化器形成为在其任何段中具有弯曲部。也可以形成其中催化剂元件是椭圆圆柱体而不是正圆圆柱体的设计。
在本发明的一个方面中，催化剂元件包括具有通过其延伸的多个通道的易碎的陶瓷蜂窝结构。通道的表面充分地覆盖有细微分布的催化活性物质。该构造带来催化物质的有效使用，该催化物质通常包括昂贵的铂族贵金属中的一种或多种，包括钯、铂和铑。陶瓷蜂窝优选地包围有膨胀性材料的垫，该膨胀性材料起将陶瓷蜂窝弹性地且绝热地固定在中间段的内径中的作用。垫材料的膨胀产生可靠的且气密性的密封，该密封在陶瓷的构造和使用寿命期间保护陶瓷。另外，膨胀材料迫使废气流通过蜂窝的通道，使催化效能最大化。
附图说明
当参考本发明的优选实施例的以下详细说明并参照附图时，将更完全地理解本发明，并且本发明的其它优点将变得明显，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，在附图中：
图1是根据本发明的催化转化器的透视图；
图2是图1所示的催化转化器沿轴向中间平面的纵向横截面图；
图3是根据本发明的另一方面的催化转化器沿轴向中间平面的纵向横截面图；
图4是在图3所示的转化器的中间段中得到的轴向横截面图；
图5是沿根据本发明的另一方面的催化转化器的轴向中间平面得到的局部的纵向横截面图，该催化转化器具有多个催化剂元件；
图6是沿根据本发明的另一方面的催化转化器的轴向中间平面得到的局部的纵向横截面图，该催化转化器具有多个直径不同并且布置在不同中间分段中的催化剂元件；
图7A是沿轴向中间平面得到的局部纵向横截面图，示出在用于制作图6所示的转化器的外壳的一个过程中的中间阶段；
图7B是沿轴向中间平面得到的局部纵向横截面图，示出在用于制作图6所示的转化器的外壳的替代过程中的中间阶段；
图8A是沿轴向中间平面得到的局部纵向横截面图，示出在用于制作图6所示的转化器的外壳的一个过程中的中间阶段；
图8B是沿轴向中间平面得到的局部纵向横截面图，示出在用于制作图6所示的转化器的外壳的替代过程中的中间阶段，图8B的视图是在图8A中所见的阶段之后得到的；
图9A是用于生产催化转化器的该方法的一个实施例的生产期间通过夹紧模接合的管状预制件的部分地切除的透视图；以及
图9B是也在图9A所示的通过夹紧模接合的管状预制件的水平纵向横截面图，该横截面在图9A的高度IX-IX处截取。
具体实施方式
本发明涉及一种包含在内燃机的排放系统中的催化转化器，该术语在此用于指催化转化器、消声器和预催化转化器等。一般说来，催化转化器容纳在整体无缝金属外壳中，该金属外壳优选地由诸如不锈钢合金的耐腐蚀金属合金制成。该外壳具有管状气体入口和出口，废气分别通过该入口和出口引入和排出。该转化器还包括包含在外壳的管状中间段中的多个级联的催化剂元件。在废气通过转化器期间，使得废气流过催化剂元件的表面。存在于催化剂元件上的催化活性材料促进净化气流的化学反应。这是通过将其中的某些化学物类转化为其它物类，所述其它物类通常被认为对于生命和环境无害，或带来大大减小的危险。
现在参照图1和图2，总体地以10示出有包括本发明的一个方面的催化转化器。催化转化器10具有整体无缝金属外壳，该金属外壳由耐腐蚀金属，优选地是不锈钢，构成。图1所示的实施例总体上是圆柱形的，在沿其轴向长度的每个点处具有圆形横截面。然而，在其它实施例中，该外壳可以具有诸如扁椭圆形的非圆形横截面。外壳12在形状上总体上是管状的，并且设有具有入孔16的管状气体入口14和具有出孔20的管状气体出口18。转化器10用于在内燃机(未示出)的排放系统中使用。入口14通过入口过渡段24连接到外壳12的管状中间段22。中间段22通过出口过渡段26连接到出口18。在内燃机的操作期间产生的废气通过入口14中的入孔16进入转化器。废气继而在通过出口18的出孔20排出之前连续地通过入口过渡段24、中间段22和出口过渡段26。转化器10的入口14和出口18虽然具有由于以下所述的制造过程形成的减小的直径，但并未被加工硬化。结果，转化器10的端口14、18可通过由发动机技术中已知的适当的装置产生的焊接、夹紧和凸缘连接被容易地连接到排放系统的其他组件。
图1的催化转化器内侧组件的布置最好地见于图2的横截面图中。转化器10还包括催化剂元件28。在本发明的一方面中，催化剂元件28包括总体上为圆柱形的易碎耐热陶瓷蜂窝载体30，该载体具有通过其的大量通道32，通道32中的每个都大体平行于载体30和中间段22的圆柱轴线延伸。通道32通常布置为蜂窝模式或类似排列。通道32完全穿过载体30延伸，由此使气体通道可从元件28的一个端部34到其另一个端部36。在本发明的一方面中，载体30由堇青石构成。也可以使用具有足够的强度、耐热冲击性、耐热性和与废气流和对其施用的催化剂材料的化学相容性的其它陶瓷材料。通道32的内表面充分地覆盖有催化活性物质，导致发动机废气中存在的物质的化学反应，来使其净化。在本发明的某些方面中，催化剂元件28可包括多个顺序或并列布置的陶瓷或其它载体，例如，为了获得较好的气流，为了设置多于一种类型的催化剂，或为了便于较长的转化器的制造。顺序布置的载体可以是顺序邻接关系或可以由优化气流所希望的自由空间分隔。
本领域的技术人员应理解，虽然图1和图2所示的实施例是圆柱对称的，但本发明也预期其中可存在弯曲部、角部和其它非对称结构的方面。中间段可以成形为椭圆或“薄烤饼”形状，并且其中具有相配形状的催化剂元件。入口端部、出口端部和中间段可同轴地导向，如图1-2中所示。或者，可以以这种方式构造外壳，端部可以定向为沿平行但偏移的方向，或在相对角度处。
另外，入口和出口端部可延伸以用作发动机排放系统的部分。虽然该延伸需要额外的形成步骤，但整个发动机排放系统中部件数量的相应减少对于简化组装和对于消除否则需要的也易受腐蚀故障的连接部是有利的。
该催化转化器采用多种已知的催化活性物质中的任何一种。这些物质许多都包含诸如铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)的贵金属。作为需要(i)尽可能高效地使用这些高价材料和(ii)使催化表面的有效面积最大化的结果，催化剂材料通常设置成涂敷并附着在催化剂载体上的细微地分布的形式。适当的催化剂材料包括用于将氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物转化为氮气、水和二氧化碳的三元催化剂。用于选择适当的催化剂材料和用于确定催化剂材料的特定活性和有效表面面积的手段在催化剂技术中是公知的。转化器还可包括氧化催化剂和用于将二次空气供给到中间段22以便促进一氧化碳和碳氢化合物到水和二氧化碳的转化的装置(未示出)。在本发明的实施中也可使用催化剂载体的其它形式，包括金属催化剂承载系统。
陶瓷载体30优选地通过大体上围绕的垫38可靠地支承并保持在中间段22中的密封接触。该垫优选地是有弹性的、绝热的且能吸收冲击的，并且可由在公开市场中可买到的不透气的蛭石基材料组成。这种材料是膨胀的，也就是说，其在加热时显著膨胀。典型地使用具有约1/4”初始厚度的垫。在转化器10的组装期间，垫38被圈绕以基本围绕陶瓷载体30并覆盖其纵向或轴向长度的至少一部分。优选地，陶瓷载体30在其端部34、36的每个处的圆柱外周的一短部分留下不由垫覆盖，如图2所示。优选地，在各端部处未覆盖的轴向长度从垫的厚度的约一半到三倍变化。该约束保证了垫的部分不脱落并阻塞通过蜂窝载体30的任何通道。圈绕的垫38被径向地压缩到约为其在组合的载体30和垫38插入中间段22的内径中之前的初始厚度的一半，以确保组合的组件在转化器外壳12中的定位。
适于实施本发明的垫的一种形式包括柔性的膨胀片，该膨胀片可用于安装汽车催化转化器整体载体。该片包括：未膨胀的蛭石，该未膨胀的蛭石通过使包含层间阳离子的蛭石矿石经过硝酸钾溶液处理达足以使矿石中的层间阳离子与钾离子进行离子交换的时间间隔；无机纤维材料；和粘合剂。片状材料可设有或临时层压至牛皮纸、塑料膜和无纺人造纤维网或类似物的衬片。膨胀密封垫38的另一种适当的形式在市场上可买到，商品名为“3M INTERAM MAT”。适当的膨胀密封垫也由Unifrax作为型号“XPE”商业销售。
有利地，垫38的膨胀保证了催化剂载体30在转化器外壳中的固定安装。另外，膨胀垫38密封催化剂载体30的外圆柱表面与中间段22的内圆柱表面之间的间隙。该“密封作用”强迫基本所有气体通过入口16流入转化器10中，以在通过出口18排出之前穿过载体30中的内部通道32。由于废气最大程度地暴露于催化活性材料，因此提高了覆盖内部通道32的表面的催化剂材料的效能。垫38的弹性用于在转化器10的初始制作期间缓冲和保护易碎的载体30。而且，垫38即使在反复的热循环之后也保持该弹性。转化器10的组件在其中废气穿过转化器10的发动机的每个暖机、操作和冷却循环期间经历不同的热膨胀和收缩。由于保持了垫的弹性，垫38能够保护载体30不会由于该模式的不同膨胀而损坏，同时在每个操作循环的全部期间仍保持足够的密封程度。
虽然图1所示的本发明的方面包括采用分布并支承在陶瓷载体上的催化剂的催化转化器，但在本发明的实施中也可使用其它形式的催化剂和载体。例如，催化剂可分布在金属载体上，该金属载体可采用褶皱的金属箔的形式，该金属箔盘绕在自身上以形成具有多个穿过其纵向延伸的通道的总体上圆柱形的结构。由于金属比已知的陶瓷催化剂载体显著地不易碎并且较坚固，因此这种形式的金属催化剂支承件可在转化器10的构造中去除膨胀材料38。
多种金属合金适合于本发明的外壳。合金选择是基于成本和关于所需要的温度能力、耐久性和耐腐蚀性的性能水平要求而做出的。对于汽车用途，通常使用铁素体不锈钢，包括各种400系列合金。最普通地采用409SS和SAE51409合金。对于小型发动机，包括非推进应用和其它主要考虑成本的例子，经常使用碳钢。对于希望特别长寿命和高耐腐蚀性的苛求的应用，诸如船用发动机，通常采用诸如304SS的奥氏体和300系列的不锈钢合金。
本发明的催化转化器可被制造成宽范围尺寸，以适合不同发动机的要求，所述发动机可从几马力或更小的小型发动机，诸如在草坪修剪机、吹雪机、杂草修剪机和类似的非道路用、非推进应用中使用的小型发动机，到在卡车中使用的大些柴油机。许多现有汽车应用采用商业可买到的2.5和4英寸的标准直径的陶瓷载体。汽车转化器整个长度典型地约为9到20英寸。小型非推进用发动机可采如用1英寸直径那么小或甚至更小的载体，并且可仅为几英寸长。载体的最小长度通常由流速和废气必须在催化剂表面处实现足以降低污染物浓度的化学反应的时间量确定。转化器的全部长度因而既由活性催化剂的长度，又由过渡段和入口与出口所需的形状确定。转化器的入口和出口经常约为载体直径的一半，以减小废气流动阻力。入口过渡段和出口过渡段的锥度可从非常缓到非常陡变化。对于汽车应用，过渡段为了简单经常选择由10-15°的直锥度。然而，在该转化器的某些实施例中设置的弯曲的过渡对于较好的空气动力学特性通常是有利的。在本发明的一个方面中，中间段是圆柱形的，并且入口和出口过渡段的长度选择成每个长度从中间段的直径的约30％到100％变化。
图1-2所示的上述出转换器是所谓的地板下型的，通常由于可用空间的原因布置在汽车的地板下方。然而，本领域的技术人员应理解，本发明的原理可应用于许多不同类型的催化转化器，包括用于接近内燃机的排气歧管安装的那些类型。有时这些类型如果安装在歧管的约三十六英寸之内则称为预催化(pre-cat)催化转化器，或者如果安装在歧管的约八英寸之内则称为预燃(pre-light)催化转化器。另外，应理解，本发明的原理可应用于除了汽车发动机之外的各种内燃机的催化转化器的制造，并应用于在排放系统中与消声器、共振器或其它类似组件形成一体的转化器的制造。
根据本发明的一方面，通过模锻形成催化转化器的入口和出口过渡段以及入口和出口。在图1-2所示的本发明的方面中，转化器外壳12由圆柱形金属管制成，该金属管的直径在其长度上是一致的。在垫38和载体30位于中间段22中的情况下，该管的端部被模锻以形成过渡段24、26和端口14、18。如图2所示，中间段22在其基本整个长度上的内径为dt。模锻操作形成过渡段24和入口14，使管平滑地渐缩到入口区域处的直径di，以便使入口14可附装到排放系统的前方组件。同样使用模锻操作以形成出口的过渡段26和出口18。出口18的直径do可以与入口14的直径di相同。或者，可选择不同的直径以适应排放系统的要求。
在图3和图4中示出本发明的一方面，包括图1和图2所示的外壳12的形式的变化。在该方面中，可包括模锻的进一步成形操作可选地施加到外壳12的中间段22，以在其中形成沿中间段22轴向延长的多个肋状压痕50。优选地，压痕50沿中间段的主要部分延伸，而不延伸到入口和出口过渡段24、26。在图3所示的线A-A处得到的图4的横截面图示出其中存在三个这种压痕的方面。优选地，压痕50径向向内延伸到最多为膨胀垫38厚度的一半的深度。压痕还用于支承并限制垫38和载体30的轴向移动，以保证垫/载体组件在外壳12的壁中的密封。压痕50不应过深以致于导致载体30的破碎。
图3还示出在入口过渡段24与中间段22之间的连接处和在中间段22与出口过渡段26之间的连接处的可选的圆周地延伸的压痕52。这些压痕52用于支承并限制载体30的轴向移动。如果存在，这些压痕优选地为小于或约等于垫的厚度的深度。该压痕在某些情况下也有利地提高横穿载体30的表面区域的气流的均匀性。在其它实施例中，也可将筛网、挡板或类似结构用于保护陶瓷载体的入口和出口不受杂质的侵入，并改善气体流动。
用于形成转化器外壳12的端部中的每个的模锻通过在管的每个端部上机械地强加适当地构造的模具而进行，力沿大体轴向方向施加，并且模具设计成引起金属的流动，由此减小管的直径同时维持其圆度。优选地，模锻在使用多个模具的多个模锻步骤中进行，以形成转化器外壳12的每个端部。还可使用适当顺序的模具以在过渡段获得希望的轮廓。该轮廓可像圆锥一样简单，或者包括较复杂的模式，该模式具有曲率的组合，其中在转化器的内表面的斜面中在其轴向方向上曲率没有非连续性。在本发明的某些实施例中，外壳的两个端部通过使用液压驱动冲头将方向相反的压缩力施加到每个端部上的模具上来模锻。
在该转化器的过渡段的选择轮廓中的灵活性是非常有利的。轮廓的特征部分地在于在沿过渡段的长度的每个点处的曲率和所述段渐缩的总体速度。转化器设计者必须满足多个约束。转化器的总长度可由可用空间限制到最大长度。要求的气体流动速率、对气体流动的允许的阻力、废气暴露于活性催化剂的要求程度以及载体的可用形式和通过载体的通道的几何形状通常限制对于催化剂元件要求的面积和长度。另外，适当地设计的过渡段有利地维持废气的总体上的层流，并且使其中不想要的湍流最小化。该湍流不良地增大催化转化器的阻力，并且导致过大的背压。过渡段中的斜面中的上述非连续性的缺失和具有逐渐缩减的直径的适当的过渡轮廓一起使该湍流最小化。
模锻与诸如旋压的其它成形技术相比的另一个好处是其在多数情况下生产缩减段同时保持转化器的内表面和外表面的平滑性的能力。当适当地进行时，可做出直径的显著减小而不产生典型地由旋压产生的内部和外部的圆周皱脊。如果存在，排放组件的内表面上的这种皱脊是不期望的湍流的另一个源头，如前面所讨论的。另外，模锻技术通常带来平滑的并且审美上吸引人的外表面，使其点蚀、腐蚀或类似侵袭的弱点最小化，并且使其可易于通过电镀或其它涂层操作修整。模锻技术也产生平滑的内表面而没有显著的皱脊。
诸如旋压的技术的另一个缺点是在缩减段中导致的加工硬化的量。该加工硬化对于其留给入口和出口的延展性水平是非常有害的，该延展性水平不足以使所述口通过夹持可靠地且密封地附装到其它排放组件上。相反，不得不使用焊接部或凸缘做接合部，这较昂贵并且难以实施，尤其是对于售后服务安装。
该催化转化器可制造成其它构造。例如，该转化器可包括多个级联的催化剂元件。图5示出在总体为圆柱形的转化器中包括两个催化剂元件28、28’的这种实施例11。该元件的每个都具有基本相同的尺寸，并由膨胀垫38围绕。元件横向间隔距离s1。优选地，s1至少为直径dt的10％。废气通过入口14进入并通过元件28和28’，顺序地进入元件28的端部34并在端部36处排出，通过元件之间的空间，然后进入元件28’的端部34’并在端部36’处排出，最后通过出口18排出转化器。在某些实施例中，元件28、28’包括基本相同的催化活性材料，该催化活性材料可以是涂覆到诸如堇青石的陶瓷蜂窝载体的涂层。然而，元件也可包括不同的催化物质，所述不同的催化物质可被优化以催化地促进不同的反应。例如，一种催化剂可以是用于将NOX转化为N2+O2的类型，而另一种催化剂可以是用于完全燃烧未燃烧的HC的类型。采用多于两个元件的其它组合和构造也被理解为在本发明的范围之内。
另外，各种催化剂元件可具有不同的直径。采用三个催化剂元件的一个这种构造70见于图6。在该实施例中，催化转化器的中间段包括分段72、74和76，其中分别布置有催化剂元件78、82和84。分段通过过渡部73、75连接。所示实施例还包括将催化剂元件中的每个围绕并固定在其相应的分段中的膨胀垫80。分段的直径从过渡入口端90到出口端91顺序地减小。在其它实施例(未示出)中，过渡段73、75中的一个或多个可包括弯曲部，以便使端部90和91可不同轴或相互偏移。在某些车辆应用中有利地采用这种形状，其中排放系统由于从发动机到排放系统的希望的终点没有任何可用的直路径而必须遵循迂回路线。
采用多种催化剂和将其构造在不同直径的载体上的能力在提供最大催化效能方面提供了很大的设计灵活性。可选择不同的材料以促进处理典型废气流中的多种不良成分的不同反应。通过改变整个转化器和单个催化活性元件的几何构造，还可有利地优化流动模式和获得的废气的滞留时间。几何形状的灵活性还有利于车辆设计，其中用于定位转化器和其它排放系统组件的可用空间经常受限，并且迂回地布置在车辆底架中。
可使用可在多种顺序中进行的许多制造技术制造诸如图6所示的多级转化器构造。可在插入不同催化剂元件之前或之后形成具有其所需直径的中间段的外壳。
在一个可用于制作如图6所示的外壳的实施例中，提供具有最大分段72的近似直径的预制件。大体如图7A中的70’处所示，继而使用模锻以减小长度足以容纳段74和76的预制件部分的直径，由此产生临时分段74’，伴随有最终希望形状的过渡部73的形成。后续的模锻操作(未示出)施加到临时分段74’的一部分以形成最终希望的具有过渡部75的分段74和76。
或者，大体如图7B中的70”处所见，也提供具有最大分段72的近似直径的预制件。首先形成分段76，产生临时分段72”和过渡部75”。然后进行后续的模锻，以形成分段74并将临时过渡部75”再成形为具有希望形状的过渡部75，如图6所示。
图7A-7B所示的任何一种成形法都可在插入催化剂元件之前或之后进行。也可采用其它顺序。例如，可交替进行分段的形成和相关催化剂元件的插入。如果过渡部包括弯曲部，则也优选地采用这种顺序。还可以通过诸如旋压的其它成形方法在分段之间形成过渡部。然而，上述模锻是优选的，这是由于其通常产生平滑且基本没有皱脊的内表面，由此使流动中断最小化。同样，对于形成非圆柱对称的外壳，使用模锻比旋压成形或其它类似过程简单得多并且更高效。
在本发明的方法的一方面中，半连续地进行形成过程。基本具有中间段(或其分段中最大的)的希望直径的无缝管以长的长度供给。从这些管切割出适于形成催化转化器外壳的预制件。陶瓷载体设置成具有希望的直径和长度。每个载体都缠绕有膨胀垫以形成催化剂元件。垫被压缩，并且结合的组件被插入供给管的自由端。然后圆周地夹紧供给管，并且模锻其自由端以形成入口和入口过渡段。随后，切割供给管以去除其具有所需的预先选择长度的部分，由此限定出预制件。然后再夹紧预制件，并模锻另一端以形成出口和出口过渡段。该过程的步骤中的大部分都易于自动化，以提供高水平的制造效率和过程控制，由此使生产成本最小化。
在本发明的方法的另一方面中，从基本具有转化器的中间段希望的直径的无缝管将预制件切割成段。具有所需长度的陶瓷载体缠绕膨胀垫，以形成催化剂元件，并近似地插入每个预制件的中部。然后将具有其载体的预制件放置在液压冲头组件中，该液压冲头组件具有同轴对准并且适于压缩地强制到预制件端部中的每个上的模锻模具，由此同时模锻每个端部。多个模具按顺序排入液压冲头中，并且逐步地用于实现最终入口和出口直径的期望减小，并形成入口和出口过渡段。或者，使用多个冲头，预制件排列在冲头之间，冲头采用希望顺序的模具，以在多个分级的模锻阶段中逐步模锻端部。
通过参照图8A-B进一步说明一种方法，图6部分地所示的催化转化器可通过该方法生产。提供具有中间段70的级联布置的最大分段72的近似直径的管预制件。首先将由膨胀垫80围绕的催化剂载体78插入段72中。然后，预制件的端部通过将预制件强行插入模锻模具92中进行端部成形，该模锻模具适于减小预制件的直径以产生临时分段74’和过渡部73。然后从模具92去除工件，并且将由膨胀垫80围绕的催化剂载体82布置在临时分段74’中预先选定的位置处。再次使用模锻模具94对现在承载有载体78和82的预制件进行端部成形，这将预制件的部分的直径减小到为段76预先选定的尺寸，并产生过渡段75。在另一个步骤(未示出)中，载体84和围绕的膨胀垫80被插入预制件中。模锻预制件的两端以提供入口和出口。将认识到，虽然由图6-8所示的本发明的实施例采用了三个级联的催化剂元件，但具有从两个到四个或更多元件变化的其它数量的催化剂元件的实施例也是可以的，并且应理解为在本发明的范围之内。如上所述，包括中间段和直径渐变的分段的外壳可在催化剂元件插入到各分段之前形成，或者对每个分段的成形和插入操作可交替地完成，如上所述。其中单独的成形和插入操作交替完成的实施例也可允许在分段之间形成弯曲部或偏移。这些实施例还可允许这样地成形，其中各分段的尺寸不以严格的顺序增大或减小。然而，诸如图6所示的具有顺序地减小的分段直径的构造是特别优选的，并且较易于形成。
应理解，模锻操作通常在夹具固定管预制件的一部分的情况下而进行，以便可施加足够的轴向力以将管端部中的至少一个形成为希望的构造，尽管其中同时形成入口和出口端部的方法可依靠相反地定向的轴向模锻力消除了夹紧或减小了所需的夹紧力的量。
在该方法的某些实施例中，夹紧操作通过夹紧模具实现，该模具基本围绕管并提供径向导向的力以减小预制件的内侧段的直径。一个这种操作总体地示于图9A-B的94处。模具96通过径向导向的力F被推到一起，如在图9B中所见。模具96适于产生通过过渡段102连接到管98的其余部分的缩减直径段100。在所示的实施例中，缩减在待减小的段中插入有催化剂元件的情况下进行。该元件可包括具有所述围绕膨胀垫105的陶瓷载体104或其它形式的催化剂元件。虽然示出两个互补的模具，但其它实施例可采用三个或更多互补的模具，所述模具共同围绕管98，并且当径向地施力时导致管直径基本圆柱形地缩减。通常液压地提供用于压缩模具96的力，但也可使用其它已知的机械力的来源。
同时减小管直径的夹紧模具的使用通过消除许多已知成形过程中的步骤有利地提高了管制作过程的效率。尤其是，对于成功的端部成形经常需要能够抵消所要求的基本轴向的力的夹紧操作。目前为止，已经要求用于减小管的中间部分的直径的单独步骤。然而，实现所要求的夹紧和缩减的模具的使用消除了处理步骤。
给出以下示例以提供本发明的较完全的理解。被阐述以举例说明本发明的原理和实施的特定技术、条件、材料、比例和报告数据是示例性的，而不应理解为对本发明的范围的限制。
示例1
催化转化器的准备和测试
使用包括传统铂族贵金属类型的催化剂形成用于从汽车发动机减少排放物的常用类型的催化转化器，所述催化剂支承在穿过堇青石陶瓷蜂窝结构延伸的多个通道的壁上。蜂窝结构具有约为3.6英寸的直径和3英寸的长度。用于转化器的外壳由409不锈钢合金的无缝管制成，该无缝管具有约四英寸的外径和0.049英寸的壁。蜂窝结构围绕有压缩到约0.12英寸厚度的膨胀垫，并且然后将结合的垫和陶瓷插入总体管状的转化器外壳的中央部分。然后对外壳的端部进行端部成形以提供每个都具有两英寸的直径和两英寸的长度的入口段和出口段。约两英寸长的锥形过渡段将入口段和出口段连接到中间段。
转化器经过汽车工业中已知并且遵从40 CFR 85.2116中提出的程序的标准测试。进行以下测试。
通过刻度盘计量(dial-gage)技术测试膨胀垫材料的膨胀。垫被加热到825℃的最高温度，并且测量其膨胀，并发现表现出相对于其初始厚度约120-130％的最大值。该值在本领域内已知的通常范围内是良好的，以导致陶瓷载体在催化转化器外壳中令人满意的密封和定位。
通过标准机械挤压技术测量陶瓷载体的冷态推出阻力。该试验通过夹紧转化器外壳并通过轴向挤压的心轴将机械力施加到载体上而进行。发现需要约60-80磅的力以使膨胀的垫开始切变并造成载体的位移。观察到的力在本领域公认的标准中是良好的，其中在小于约30磅时的移动表示不足地支承和密封的载体，而在超过约200磅时的移动表示载体被膨胀垫过量接合，这有可能在转化器使用期间导致载体的碎裂或易碎的故障。
通过扫描测试测量转化器的催化效率，该扫描测试使用对已知的CO、HC和NOX污染物到良性物质的转化效率的气相色谱分析。观察最小背压，确认通过包括催化剂载体的转化器的足够流动。观察到令人满意的催化效率性能，表示转化器对于在汽车应用中使用的适用性，该应用实现了符合可用的污染物标准。
以上测试的结果证实，整体无缝转化器令人满意地证明了足以满足在汽车应用中对于排放物减小的要求的性能。
已如此相当详细地说明了本发明，应理解，不需要严格遵循这种细节，而是本领域的技术人员可提出各种修改和变型，其所有都落入由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于内燃机排放系统的催化转化器，包括：
a.整体无缝金属外壳；
b.所述外壳中的管状气体入口，废气通过该管状气体入口引入；
c.所述外壳中的管状气体出口，所述废气通过该管状气体出口排出；
d.所述外壳的管状中间段，该中间段具有入口端和出口端；
e.入口过渡段，该入口过渡段连接所述入口和所述中间段的所述入口端；
f.出口过渡段，该出口过渡段连接所述中间段的所述出口端和所述出口；以及
g.容纳在所述中间段中的多个级联的催化剂元件，当所述废气在所述气体入口与所述气体出口之间流动时其顺序地通过所述催化剂元件。
2.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于，所述入口过渡段、所述出口过渡段、所述气体入口和所述气体出口的内表面是平滑的，并且基本没有皱脊。
3.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于，所述催化剂元件的每个都包括：
a.陶瓷载体，该陶瓷载体具有多个通过其延伸的通道；以及
b.催化活性材料，该催化活性材料存在于所述通道中每个的表面的主要部分上。
4.根据权利要求3所述的催化转化器，还包括膨胀垫，该膨胀垫围绕所述陶瓷载体中的每个，并且将所述陶瓷载体的外表面密封到所述中间段的内表面上。
5.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于，所述中间段基本为圆柱形，并且具有直径，所述入口过渡段和所述出口过渡段每个都具有长度，所述入口过渡段和所述入口过渡段中每个的所述长度都从所述中间段的所述直径的约30％到100％变化。
6.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于，通过模锻形成所述入口过渡段、所述出口过渡段、所述气体入口和所述气体出口。
7.根据权利要求6所述的催化转化器，其特征在于，所述中间段具有多个肋状压痕，所述压痕沿所述中间段轴向地延长。
8.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于，所述中间段具有多个分段，每个分段包含所述催化剂元件中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的催化转化器，其特征在于，所述分段和所述多个催化剂元件具有不同的直径。
10.一种内燃机系统，具有包括催化转化器的排放系统，所述催化转化器包括：
a.整体无缝金属外壳；
b.所述外壳中的管状气体入口，废气通过该管状气体入口引入；
c.所述外壳中的管状气体出口，所述废气通过该管状气体出口排出；
d.所述外壳的管状中间段，该中间段具有入口端和出口端；
e.入口过渡段，该入口过渡段连接所述入口和所述中间段的所述入口端；
f.出口过渡段，该出口过渡段连接所述中间段的所述出口端和所述出口；以及
g.容纳在所述中间段中的多个级联的催化剂元件，当所述废气在所述气体入口与所述气体出口之间流动时其顺序地通过所述催化剂元件。
11.一种用于生产内燃机排放系统的催化转化器的方法，所述催化转化器包括：
a.整体无缝金属外壳；
b.所述外壳中的管状气体入口，废气通过该管状气体入口引入；
c.所述外壳中的管状气体出口，所述废气通过该管状气体出口排出；
d.所述外壳的管状中间段，该中间段连接所述气体入口和所述气体出口；
e.入口过渡段，该入口过渡段连接所述入口和所述中间段的所述入口端；
f.出口过渡段，该出口过渡段连接所述中间段的所述出口端和所述出口；以及
g.容纳在所述中间段中的多个级联的催化剂元件，当所述废气在所述气体入口与所述气体出口之间流动时其顺序地通过所述催化剂元件；并且
所述方法包括：
i.提供具有第一端部和第二端部的无缝金属管预制件，所述预制件适于被成形为所述外壳；
ii.将所述多个级联的催化剂元件插入所述管预制件中；
iii.模锻所述第一端部以形成所述气体入口和所述入口过渡段；以及
iv.模锻所述第二端部以形成所述气体出口和所述出口过渡段。
12.根据权利要求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锻期间夹紧所述管。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述催化剂元件中的每个都包括：
a.陶瓷载体，该陶瓷载体具有多个通过其延伸的通道；以及
b.催化活性材料，该催化活性材料存在于所述通道中每个的表面的主要部分上；以及
c.膨胀垫，该膨胀垫适于围绕所述陶瓷载体，并且将所述陶瓷载体的外表面密封到所述中间段的内表面上；
并且所述方法还包括以下步骤：
用所述膨胀垫围绕所述陶瓷载体中的每个，以在所述催化剂元件被插入所述管预制件中之前形成所述催化剂元件。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
a.所述管预制件从供给管提供；
b.所述第一端部的所述模锻在所述催化剂元件插入所述管预制件之后进行，并且在所述第一端部的所述模锻期间夹紧所述管预制件；
c.在所述第一端部被模锻后，切割所述供给管以去除其具有预先选定长度的部分，由此限定出所述预制件，并且所述催化剂元件存在于所述预制件中；以及
d.在所述供给管的所述切割以形成所述预制件后，进行所述第二端部的所述模锻，并且在所述第二端部的所述模锻期间夹紧所述管。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
模锻所述中间段以形成多个分段；以及
将所述多个级联的催化剂元件插入所述分段中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述分段具有顺序地减小的直径。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述中间段的所述模锻的至少一部分期间夹紧所述预制件，并且其中通过夹紧模具接合所述预制件，所述夹紧模具适于在所述分段中的至少一个的一部分中产生直径减小的段。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述气体入口、所述气体出口和所述分段基本同轴。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述催化转化器具有至少一个弯曲部。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述催化剂元件中的每个都包括：
a.陶瓷载体，该陶瓷载体具有多个通过其延伸的通道；以及
b.催化活性材料，该催化活性材料存在于所述通道中每个的表面的主要部分上；以及
c.膨胀垫，该膨胀垫适于围绕所述陶瓷载体，并且将所述陶瓷载体的外表面密封到所述中间段的内表面上；
并且所述方法还包括以下步骤：
用所述膨胀垫围绕所述陶瓷载体中的每个，以在所述催化剂元件被插入所述管预制件中之前形成所述催化剂元件。
CN2004800438059A 2004-06-15 2004-06-18 汽车排放组件和制造方法 Expired - Fee Related CN101547731B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/867,925 US7323145B2 (en) 2002-03-26 2004-06-15 Automotive exhaust component and method of manufacture
US10/867,925 2004-06-15
PCT/US2004/019502 WO2006001807A2 (en) 2004-06-15 2004-06-18 Automotive exhaust component and method of manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101547731A true CN101547731A (zh) 2009-09-30
CN101547731B CN101547731B (zh) 2012-07-04

Family

ID=35782199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2004800438059A Expired - Fee Related CN101547731B (zh) 2004-06-15 2004-06-18 汽车排放组件和制造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7323145B2 (zh)
EP (1) EP1791620A4 (zh)
JP (1) JP4482585B2 (zh)
CN (1) CN101547731B (zh)
CA (1) CA2570842A1 (zh)
WO (1) WO2006001807A2 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103629462A (zh) * 2013-12-09 2014-03-12 南京七四二五橡塑有限责任公司 耐高温橡胶软管总成制造铆合工装结构
CN107218107A (zh) * 2017-06-02 2017-09-29 河南科技大学 一种催化器及使用该催化器的内燃机和车辆
CN109838292A (zh) * 2017-11-29 2019-06-04 珀金斯发动机有限公司 包括透气块和壳体的废气处理组件以及组装方法
TWI669691B (zh) * 2018-12-14 2019-08-21 國家中山科學研究院 Air pollution control system

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070294891A1 (en) * 2006-06-23 2007-12-27 Haimian Cai Method of forming a catalytic converter from a radially deformed pre-form member
US20080000084A1 (en) * 2006-06-23 2008-01-03 Haimian Cai Method of spin forming a catalytic converter
US8484967B2 (en) * 2007-09-04 2013-07-16 Suma Algebraica, S.L. Sealed engine/compressor housing comprising an adsorption element
US20090113709A1 (en) * 2007-11-07 2009-05-07 Eberspaecher North America, Inc. Method of manufacturing exhaust aftertreatment devices
DE102008046527B4 (de) 2008-09-10 2021-09-16 Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh Verfahren zum Herstellen einer Abgas führenden Vorrichtung sowie Werkzeug hierfür
DE102008049925A1 (de) * 2008-10-02 2010-04-08 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Verbindungsverfahren für rohrförmige Bauteile
DE102012208449C5 (de) * 2012-05-21 2016-03-03 Eberspächer Exhaust Technology GmbH & Co. KG Abgasnachbehandlungseinrichtung und zugehöriges Herstellungsverfahren
CN113565607B (zh) * 2021-08-31 2022-06-03 吉林大学 一种三元催化转化器防堵塞结构

Family Cites Families (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US622835A (en) * 1899-04-11 Adolph wurzburger
US3523590A (en) 1968-12-18 1970-08-11 Tenneco Inc Simplified muffler shell construction
US3841435A (en) 1973-02-05 1974-10-15 Tenneco Inc Swaged tri-flow muffler
IT1070099B (it) 1975-09-23 1985-03-25 Degussa Catalizzatore supportato monolitico e disposizione di catalizzatori supportati monolitici per la depurazione dei gas di scarico di motori a combustione
US4207661A (en) 1976-04-23 1980-06-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method of fabricating a catalyst converter for cleaning exhausts of cars
US4206179A (en) * 1978-04-08 1980-06-03 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Apparatus for purifying exhaust gases of internal combustion engines
US4425304A (en) 1981-01-20 1984-01-10 Toyo Kogyo Co., Ltd. Catalytic converter
US4625511A (en) 1984-08-13 1986-12-02 Arvin Industries, Inc. Exhaust processor
US4969264A (en) 1986-06-12 1990-11-13 Tennessee Gas Pipeline Company Catalytic converter and substrate support
US5118476A (en) 1986-06-12 1992-06-02 Tennessee Gas Pipeline Company Catalytic converter and substrate support
US4782661A (en) 1987-02-13 1988-11-08 General Motors Corporation Mat support/substrate subassembly and method of making a catalytic converter therewith
US4865818A (en) 1987-08-17 1989-09-12 Minnesota Mining And Manufacturing Co. Catalytic converter for automotive exhaust system
US5119551A (en) 1989-02-06 1992-06-09 Tennessee Gas Pipeline Company Method of making a catalytic converter with one piece housing
US5055274A (en) 1989-02-06 1991-10-08 Tennessee Gas Pipeline Company Catalytic converter and substrate support with one piece housing
US5329698A (en) 1989-02-06 1994-07-19 Tennessee Gas Pipeline Company Method of assembling a catalytic converter
JPH02110223U (zh) 1989-02-17 1990-09-04
US5403559A (en) 1989-07-18 1995-04-04 Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Device for cleaning exhaust gases of motor vehicles
CA2028217A1 (en) * 1989-10-23 1991-04-24 Timothy Z. Thayer Exhaust processor with sized ends
JPH04118053A (ja) 1989-12-29 1992-04-20 Tokyo Roki Kk エンジンの排気ガス浄化用触媒
US5216809A (en) 1990-07-02 1993-06-08 Tennessee Gas Pipeline Company Acoustic muffler with one-piece housing
DE4138851A1 (de) * 1991-11-26 1993-05-27 Scheidling Martina Vorrichtung zur erzeugung turbolenter stroemungen
US20010043891A1 (en) 1992-01-07 2001-11-22 Adiletta Joseph G. Regenerable diesel exhaust filter
US5866079A (en) 1993-09-03 1999-02-02 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic honeycomb catalytic converter
JPH0842333A (ja) 1994-06-06 1996-02-13 Ford Motor Co 触媒排気処理装置の製造方法
US6247552B1 (en) 1994-12-16 2001-06-19 J. Eberspächer Gmbh & Co. Air gap-insulated exhaust manifold
US5853675A (en) 1995-06-30 1998-12-29 Minnesota Mining And Manufacturing Company Composite mounting system
US5523059A (en) 1995-06-30 1996-06-04 Minnesota Mining And Manufacturing Company Intumescent sheet material with glass fibers
US5879640A (en) 1995-08-16 1999-03-09 Northrop Grumman Corporation Ceramic catalytic converter
JP3585064B2 (ja) 1995-10-12 2004-11-04 トヨタ自動車株式会社 モノリス触媒コンバータ及びその製造方法
US5882608A (en) 1996-06-18 1999-03-16 Minnesota Mining And Manufacturing Company Hybrid mounting system for pollution control devices
EP0818615B1 (de) 1996-07-10 2011-09-28 Volkswagen Aktiengesellschaft Katalysatorgehäuse
US5829132A (en) 1996-08-07 1998-11-03 Arvin Industries, Inc. Methods of assembling an exhaust processor
US5787584A (en) 1996-08-08 1998-08-04 General Motors Corporation Catalytic converter
DE69712149T2 (de) 1996-10-15 2003-03-13 Corning Inc Verfahren zur Herstellung eines Katalysators einer Brennkraftmaschine
US6051193A (en) 1997-02-06 2000-04-18 3M Innovative Properties Company Multilayer intumescent sheet
ES2206769T3 (es) 1997-02-12 2004-05-16 Corning Incorporated Procedimiento de fabricacion de un convertidor catalitico para uso en un motor de combustion interna.
US5958347A (en) 1997-02-18 1999-09-28 Precision Combustion, Inc. Pre-converter mounting device
JP3610720B2 (ja) 1997-03-03 2005-01-19 日産自動車株式会社 メタル触媒担体の構造
US5857329A (en) 1997-03-14 1999-01-12 Deere & Company One-piece combined muffler exhaust outlet and exhaust gas deflector
US6101714A (en) 1997-09-08 2000-08-15 Corning Incorporated Method of making a catalytic converter for use in an internal combustion engine
DE19752772C2 (de) 1997-11-28 1999-09-02 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Herstellung eines mit einem Abzweigstutzen versehenen luftspaltisolierten Abgasrohres
US5980837A (en) 1997-12-03 1999-11-09 Ford Global Technologies, Inc. Exhaust treatment device for automotive vehicle having one-piece housing with integral inlet and outlet gas shield diffusers
US6497847B2 (en) 1998-10-26 2002-12-24 Delphi Technologies, Inc. Catalytic converter end plate inlet/outlet plenum length ratio
WO2000037781A1 (en) 1998-12-18 2000-06-29 Corning Incorporated A catalytic converter for use in an internal combustion engine and a method of making
US7282185B2 (en) 1999-01-11 2007-10-16 Clean Air Power, Inc. Emission control apparatus
US6591498B2 (en) * 1999-08-03 2003-07-15 Sango Co., Ltd. Method of producing a catalytic converter
US6381843B1 (en) * 1999-08-03 2002-05-07 Sango Co., Ltd. Method of producing a catalytic converter
DE10000568C2 (de) 2000-01-10 2003-08-14 Emitec Emissionstechnologie Thermisch isolierte Abgasreinigungsanlage
US6324758B1 (en) 2000-01-13 2001-12-04 Visteon Global Tech., Inc. Method for making a catalytic converter canister
DE10013428C1 (de) 2000-03-17 2001-01-18 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Herstellung von doppelwandigen Hohlprofilen mittels Innenhochdruckumformen
DE10016401C2 (de) 2000-04-01 2002-01-31 Gillet Heinrich Gmbh Gehäuse für Abgaskatalysatoren
US6484397B1 (en) 2000-07-11 2002-11-26 Corning Incorporated Method of assembling a catalytic converter for use in an internal combustion engine
DE10054877A1 (de) 2000-11-06 2002-05-29 Omg Ag & Co Kg Abgasreinigungsanlage für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden unter mageren Abgasbedingungen und Verfahren zur Abgasreinigung
US6919052B2 (en) * 2000-12-04 2005-07-19 Delphi Technologies, Inc. Catalytic converter
JP3738828B2 (ja) 2001-01-19 2006-01-25 トヨタ自動車株式会社 二重管構造中空部材、その製造方法、および二重管構造中空部材を使用した流体処理システム
US20020168304A1 (en) 2001-05-09 2002-11-14 Boehnke John C. Devices for managing housing expansion in exhaust emission control devices
US7018590B2 (en) 2001-06-27 2006-03-28 Environmental Control Corporation Reverse flow catalytic muffler
JP2003136793A (ja) 2001-08-24 2003-05-14 Hitachi Koki Co Ltd 印刷システムおよびその印刷開始時の位置合わせ制御方法
US7132087B2 (en) 2001-12-13 2006-11-07 Caterpillar Inc Catalytic converter assembly
US6769281B2 (en) * 2002-03-05 2004-08-03 Sango Co., Ltd. Method and apparatus of producing a columnar member container

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103629462A (zh) * 2013-12-09 2014-03-12 南京七四二五橡塑有限责任公司 耐高温橡胶软管总成制造铆合工装结构
CN103629462B (zh) * 2013-12-09 2016-06-22 南京利德东方橡塑科技有限公司 耐高温橡胶软管总成制造铆合工装结构
CN107218107A (zh) * 2017-06-02 2017-09-29 河南科技大学 一种催化器及使用该催化器的内燃机和车辆
CN107218107B (zh) * 2017-06-02 2023-10-31 河南科技大学 一种催化器及使用该催化器的内燃机和车辆
CN109838292A (zh) * 2017-11-29 2019-06-04 珀金斯发动机有限公司 包括透气块和壳体的废气处理组件以及组装方法
TWI669691B (zh) * 2018-12-14 2019-08-21 國家中山科學研究院 Air pollution control system

Also Published As

Publication number Publication date
EP1791620A2 (en) 2007-06-06
WO2006001807A2 (en) 2006-01-05
JP2008511776A (ja) 2008-04-17
JP4482585B2 (ja) 2010-06-16
CN101547731B (zh) 2012-07-04
US7323145B2 (en) 2008-01-29
WO2006001807A3 (en) 2009-04-02
CA2570842A1 (en) 2006-01-05
US20040265191A1 (en) 2004-12-30
EP1791620A4 (en) 2010-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7334334B2 (en) Automotive exhaust component and method of manufacture
CN101547731B (zh) 汽车排放组件和制造方法
EP1793100B1 (en) Exhaust gas treatment device with insulated housing construction
US6623704B1 (en) Apparatus and method for manufacturing a catalytic converter
US5555621A (en) Method of producing a catalytic converter
JP2694389B2 (ja) 金属のハニカム状の本体、特に、内側および外側のジャケットチューブに保持される触媒担体本体
US7685714B2 (en) Automotive exhaust component and process of manufacture
US7252808B2 (en) Automotive exhaust component and method of manufacture
CN111441853B (zh) 具有向内翻折边缘的扩散表面合金金属排气部件
JP2001515168A (ja) エンジンの近くに設置するための触媒担体配列
US5857326A (en) Exhaust poison trap
CN1118619C (zh) 发动机的排气净化装置
US7597859B2 (en) Exhaust gas system with two exhaust gas treatment units
EP1436490B1 (en) Housing arranged in an exhaust gas system for a combustion engine
US8241578B2 (en) Catalytic apparatus for vehicle
US6200538B1 (en) Exhaust gas system suitable for retrofitting exhaust gas catalytic converters in motorcycles
US9115627B2 (en) Multiple skewed channel bricks mounted in opposing clocking directions
US5314665A (en) Catalytic converter
US7238327B2 (en) Method of attaching internal heat shield in automotive catalytic converters
US7276213B2 (en) Internally shielded catalytic converter
CA2057502A1 (en) Electrically heatable catalytic converter insert
AU2009212948B2 (en) Catalytic converter for internal combustion engine exhaust system
AU6358001A (en) Emission control catalyst assembly for an engine of a motor vehicle
KR100412456B1 (ko) 자동차용 촉매컨버터 제조방법
CN114810308A (zh) 用于更换排气后处理部件的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120704

Termination date: 20140618

EXPY Termination of patent right or utility model