CN102203393A - 催化转化器装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机排气系统中的催化转化器装置包括具有气体进口和气体出口的壳体，和至少一个设在壳体中的催化载体元件。至少一个载体元件被分成多个区域或部分，各区域至少部分地相互分隔开以阻止热量流动。各区域可由壁至少部分地分隔开。该壁包括用于减少热量径向向外流动的隔热材料。每一区域限定出流体连通地连接进口和出口的、大体上分隔开的流动通道。与常规催化转化器相比，该装置可以更快地从冷启动进行加热。

Description

催化转化器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年8月27日提交的美国临时申请No.61/092,110的优先权，其内容在此通过引用而全部并入。
技术领域
本说明书涉及一种用于内燃机的催化转化器装置。
背景技术
下列段落不被认为其中论述的一切都是现有技术或者所属技术领域普通技术人员认知的一部分。
Gast的美国专利No.4,394,351公开了一种双体式催化转化器，其具有上下游定位的载体和一种结构，该结构使排出气流横跨每个载体的上游锋面非均匀地分布并在这种锋面的中间集中。该转化器进一步具有位于所述载体之间的腔室。适于与脉冲气体供给连接的、具有开口端的空气分布管穿过并横跨大体上垂直于在载体之间流动的排出气体的腔室并以封闭端结束。位于该腔室内的管具有多个孔，设计这些孔的尺寸并使这些孔沿管间隔开，从而以某种方式贯穿腔室非均匀地分配脉冲空气供给，从而提供与排出气体的非均匀分布一致的合成气流分布。流量分配器沿管间隔并以某种方式基本上平行于载体间的排放气流延伸，从而将该腔室分成多个分别通向所述孔中的所选定孔的离散通道，以接纳不均匀分布的脉冲气体供给的仅一部分和不均匀分布的排出气体的仅一部分，由此当排出气体在载体间流动时在各通道之间保持不均匀的气流分布，以防止排出气体进入下游载体，造成脉冲气体的不当混合，使得下游载体的转化效率最大。
White等人的美国专利No.5,578,277公开了一种模块化催化转化器和用来净化来自相对大型柴油发动机的排气的消声器。该装置包括各种结构部件，这些部件安装在位于具有进口和出口的壳体内的排气流动路径中。安装在壳体中的板将壳体分成进气室和出气室。多个催化转化器子罐横跨进气室和出气室之间的板安装。流量分配器安装在该催化转化器子罐上游的壳体内。该流量分配器将一部分排气分开并导向每一催化转化器子罐。一些消声器结构安装在位于催化转化器子罐和出口之间的壳体内以便减少排气中的噪声。
Bolander等人的美国专利No.7,210,287公开了一种减少车辆催化转化器装置的废气排放的方法，该装置包括至少一个催化转化器，至少一个催化转化器中的每一个都具有位于车辆预定长度内的催化剂砖。该方法包括引导废气不止一次地通过至少一个催化剂砖中的至少一个的预定长度。该转化器装置可加速催化剂转化反应，从而加速转化器系统点燃。
发明内容
根据说明书的一方面，用于内燃机排气系统中的催化转化器装置可包括：壳体，该壳体包括气体进口和气体出口；和至少一个设置在壳体中的载体元件，至少一个载体元件包括催化材料，至少一个载体元件被分成多个区域，每个区域限定出使进口和出口流体连通地连接的、大体上分隔开的流动通道。
该装置可进一步包括至少部分地分隔多个区域的至少一个壁。该至少一个壁可以包括用于禁止各区域间热量流动的隔热材料。各区域间隔热材料的厚度是可以变化的。在各区域间的隔热材料的厚度可以小于10mm。隔热材料可包括陶瓷纤维材料。
至少一个壁可以将各区域分隔成基本上不受相邻区域间的气流影响。至少一个壁可在从进口延伸到出口的方向上大体沿各区域的整个长度分隔各区域。区域可包括中心区域和至少一个径向区域。分隔中心载体区域和至少一个径向区域的至少一个壁可包括至少一个连接部分。
至少一个载体元件在与从进口延伸到出口的气流方向垂直的径向尺寸上基本上填充壳体。各区域可在沿从进口延伸到出口的气流方向上大体平行设置。在与从进口延伸到出口的气流方向垂直的平面内，各区域的横截面面积是可以变化的。位于中心的区域的横截面面积比位于外围的区域的横截面面积更大。
每个区域都在与气流方向正交的平面内具有相同的横截面形状。该形状可以选自由梯形、矩形、正方形、三角形、六边形和圆形组成的组。
各区域中的催化材料的装填量是可变的。例如，位于中心的区域中的催化材料的装填量可大于位于外围的区域中的催化材料的装填量。类似地，至少一个载体的各区域的催化表面面积也是可变的。例如，位于中心的区域的催化表面面积可大于位于外围的区域的催化表面面积。
根据说明书的一方面，用于内燃机排气系统中的催化转化器装置可包括：壳体，该壳体包括气体进口和气体出口；至少一个设置在壳体中的载体元件，至少一个载体元件包括催化材料，至少一个载体元件被分成多个区域，各区域在沿从进口延伸到出口的气流方向上大体上平行设置，每一区域限定出使进口和出口流体连通地连接的、大体上分隔开的流动通道；和至少部分地分隔多个区域的至少一个壁，至少一个壁将各区域分隔成基本上不受相邻区域间气流的影响，至少一个壁包括隔热材料。
一种减少内燃机排放量的方法，包括提供如上所述的催化转化器装置并将该装置进口与发动机的排出气流流体连通。
根据说明书的一方面，减少内燃机排放量的方法包括：将来自内燃机的排出气流输送到具有多个区域的至少一个载体元件，至少一个载体元件包括位于其中的催化材料，各区域至少部分地彼此分隔成使得通过隔热材料至少部分地阻止各区域间的热量流动，每一区域限定出大体上分隔开的流动通道；使气流经过多个区域从而使气流分成多个单独的流，单独的流与载体元件的催化材料起反应从而形成多个处理过的流；以及排出处理过的流。
根据本说明书具体示例的下列描述，在此公开的教导的其他方面和特征对本领域的普通技术人员将变得明了。
附图说明
本领域普通技术人员应当理解接下来所述的附图仅仅是示例目的。附图未意欲以任何方式限制申请人教导的范围。
图1A是装置的侧面剖视图；
图1B是图1A中装置的截面图；
图1C是图1A中装置的透视剖视图；
图2A是装置的侧面剖视图；
图2B是图2A中装置的截面图；
图2C是图2A中装置的透视剖视图；
图3A是装置的侧面剖视图；
图3B是图3A中装置的截面图；
图3C是图3A中装置的透视剖视图；
图4A是装置的侧面剖视图；
图4B是图4A中装置的截面图；
图4C是图4A中装置的透视剖视图；
图5A是装置的侧面剖视图；
图5B是图5A中装置的截面图；
图5C是图5A中装置的透视剖视图；
图6-9是其它装置的截面图；
图10是显示试验结果的曲线图；和
图11是显示试验结果的另一个曲线图。
具体实施方式
接下来描述各个装置和方法以为每个所要求保护的发明提供实施例的示例。如下所述的实施例不限制任何所要求保护的发明，任何所要求保护的发明可以覆盖以下未描述的装置或方法。一项或多项发明可以属于如下所述或本文献其他部分所述的装置部分或方法步骤的组合或子组合。所请求保护的发明不被限制为具有如下所述的任一装置或方法的所有特征的装置或方法或者不被限制为多个或所有如下所述装置共有的特征。可能的是，如下所述的装置或方法不是任何所要求保护的发明的一个实施例。申请人、发明人和/或所有者保留如下所述的、在该文献中没有要求保护的装置或方法中所公开的任何发明的所有权利，并且不通过在该文献中的公开来撤回、放弃任何这类发明或将其贡献给公众。
催化转化器广泛用于机动车排气系统以减少排放物的毒性。在典型的催化转化器中，载体可以采用涂有催化材料的圆柱形多孔单体式结构。典型的转化器可以包含两个独立的催化剂涂布阶段：还原NOX的第一催化阶段和氧化CO和烃类的第二阶段。载体通常由多孔陶瓷材料制成，或者在某些情况下由不锈钢制成。从冷启动开始，催化转化器中的催化材料在排出气体经过时加热，排出气体的转化加速并且排放水平降低。
传统的催化转化器通常只在载体已经达到相对高的工作温度时高效工作。在发动机启动后需要几分钟来达到工作温度。在某些实施例中，由单体陶瓷催化剂载体组成的催化转化器具有大约300℃的″点火″温度(在该温度催化转化器以50％的效率进行转化)和大约500℃到600℃的工作温度。在使载体达到工作温度的这段时间内，未处理的有毒成分从排气系统排出。
申请人的教导涉及一种具有至少一个被分成或分隔成多个区域或部分的载体元件的催化转化器装置。各区域可以通过壁至少部分地相互分隔开，从而阻止各区域间的热量流动。壁可以包括用于减少热量径向向外流动的隔热材料。各区域可大体上彼此独立地加热，实现相对快速的加热。快速加热可允许减少达到有效转化出现的工作温度所需的时间量。因此在与具有单体或整块载体的传统催化转化器相比期间，使用该装置可以减少从排气系统排出的、未处理有毒成分的量。此外，该壁可提供该装置内部的更好的热保持能力，可被用来在停机或发动机空转期间保持高温。此外，在某些示例中，根据申请人教导的装置与具有单体或整块载体的传统催化转化器相比更加适应机械应力和热应力。
参考图1A、1B和1C，催化转化器装置的示例总的以100表示。装置100用在内燃机(未示出)的排气系统内。装置100包括壳体102。壳体102可以是，例如但不限于，具有卵形、圆形或椭圆形横截面形状的大致圆柱形。壳体102的各种形状和尺寸都是可能的。壳体102包括气体进口104和与进口104间隔开的气体出口106。
装置100包括至少一个设在壳体102中的载体元件108。载体元件108被分成或分隔成区域或部分108a、108b。区域108a、108b可横向设置成分别限定使进口104和出口106流体连通地连接的、大体上分隔开的腔室或流动通道。
区域108a、108b可通过至少一个壁110至少部分地彼此分隔开。壁110可在从进口104延伸到出口106的方向上大体沿区域108a、108b的整个长度延伸。壁110可使每个区域108a、108b相互分隔成不受各区域108a、108b之间气流的影响。壁110的至少一部分可包括正如接下来进一步详细论述的隔热材料。
至少一个载体元件108由常见的多孔陶瓷或不锈钢结构形成，包括用于已知催化转化器的陶瓷配方和不锈钢材料。载体元件108包括用于转化排出气体的催化材料。催化材料可以是可操作以进行转化车辆排放物所需的氧化/还原反应的任何合适材料。在希望是三元转化的某些示例中，区域108a、108b中的每一个区域可包括两个连续地设置的独立的催化剂涂布阶段(未示出)。
在与从进口104到出口106的气流轴线有关的径向或横向尺寸上，区域108a、108b可基本上填充壳体102。区域108a、108b可在沿从进口104延伸到出口106的方向上大体平行设置。
区域108a、108b利用壁110至少部分地彼此分隔开，减少装置100内部的热量流动。如特定示例所示，至少一个壁110可由连接部分114分成壁部分110a、110b、110c、110d。连接部分114在区域108a、108b之间提供结构支撑，这可以辅助制造。
具体地，包括区域108a、108b的单体载体元件可通过挤压成型法形成，每个壁110a、110b、110c、110d都具有空隙。空隙随后注塑模制有隔热材料以形成壁110a、110b、110c、110d。在挤压区域108a、108b之后并且在注塑模制壁110a、110b、110c、110d之前，连接部分114可在区域108a、108b之间提供结构支撑。
壁110可部分或完全由隔热材料形成。在某些特定示例中，壁110可以至少部分地包括陶瓷纤维隔热材料，例如但不限于，FIBERFRAXXFPTM材料(纽约，Niagara Falls的Unifrax公司)。在一些其它的特定实施例中，壁110可以至少部分地包括可塑模粘合剂，例如但不限于，FIBERFRAX LDS MOLDABLETM材料(纽约，Niagara Falls的Unifrax公司)。在其他示例中，壁110可以至少部分包括例如气凝胶或纳米凝胶、玻璃丝等等的其他隔热材料。
通过使壁110与区域108a、108b之间的隔热材料相结合，装置100可更加适应机械应力和热应力。隔热材料通常可允许一定量的压缩并可因此适应区域108a、108b中的每一个区域的热膨胀。隔热材料还可以提供改进的机械挠性。
可选择地，参考图1B，隔热层112可设置在区域108b和壳体102之间。隔热层112可使从区域108b和壳体102向外的热量损失最小化，以便区域108a、108b保持热量，进一步减少为了达到有效转化出现时的工作温度所需的时间量。
使用中，可以使用该装置100来减少内燃机(未示出)的排放量。尤其是，进口104设为与发动机的排放气流流体连通。排放气流可被传送到区域108a、108b。气流可经过区域108a、108b从而使气流被分成多个单独的流，每个单独的流与至少一个载体元件的催化材料起反应从而形成处理过的流。处理过的流可被合并形成出口气流，然后从出口106排出。
区域108a、108b可大体上彼此独立地进行加热。因此，与单体或整块载体设计相比，由于热量通过区域108a、108b分开传送，装置100显示出增强的导热性。此外，如果由于排放气流中的不均匀热量分布，例如靠近流中间更热，区域108a比区域108b更快加热，高温区域108a能够更快达到点火温度以催化排放物，即使其他载体区域108还未达到点火温度。相反地，在空转期间，空转气体可比区域108b更快地冷却区域108a，因此区域108b保持热量并能够更快地从空转期间恢复。
在传统催化转化器装置的不同部分之间存在三个热交换器机制：(i)载体内部的热气对流；(ii)通过载体的传导；和(iii)来自载体的辐射。对于装置100，前两个机制即对流和传导可不受引入壁110的干扰(不考虑可允许在区域108a、108b之间少量微小热交换的连接部分114)。第三个机制即辐射很大程度地取决于载体的温度，并且可只在高温下作为明显贡献者。例如，在100℃，载体材料由于辐射的热量损失可估算为大约1.4kW/m2s，而在700℃时，由于辐射造成的热量损失可估算为大约57kW/m2s，增加40倍。因此，在区域108a、108b之间引入壁110可以在较低温度时阻止装置100内部的热量传递，而在高温时增大辐射的参与可回避隔热材料的影响并增加各区域108a、108b之间的热量流动，防止各区域108a、108b过热。
然而，应当理解的是，外部涂覆在载体区域(即112)上的单层隔热材料不能实现与位于区域108a、108b之间的壁110中的合并多层隔热材料相同的作用。固体材料是有传导性的，而包括空气的大部分气体是不良导体和可靠的隔热体。最有效的隔热材料是多孔的，并且传导性热传递很大程度上是由填充有空气(具有低的导热性)的空间的存在而减少的而不是材料本身。当隔热材料温度升高时，其导热能力同时增加。由于空气分子在高温下快速运动，夹带的空气变成良好的导体。另外，隔热材料的实心部分本身将随着温度增加开始辐射更多。与隔热材料不同，区域108a、108b可以是大体上实心的，因此在热传导性方面不会经受这么大的变化。
因此，应当理解的是，随着温度升高，隔热材料将显示出对阻止装置100内部热量流动的影响降低，这可防止区域108a、108b过热。相反地，单个的、相对较厚的隔热材料层可以提高载体区域保持热量的能力，因此可以更快地加热，但是其也会降低高温下失去热量的能力，这会导致过热。
举例来说，装置100可具有大约12cm的宽度尺寸和大约8cm的高度尺寸。尺寸可以根据应用变化。壁110和在该壁中分隔区域108a、108b的隔热材料可具有厚度，例如但不限于，小于10mm，或在0.1到5mm之间，或在0.5到2mm之间。隔热材料的厚度可根据工作温度(即温度越低越薄)和隔热材料的特性变化。在壁110中分隔区域108a、108b的隔热材料的厚度可以大体上是均匀的。
壁110的端面可用来阻隔轴向气流，因为进入进口104的至少一部分排出气流必须从其路径转向以进入区域108a、108b中的相应的一个区域。至少一部分气流的转向可造成压力增大并增加正对进口104的区域108a、108b端部处气流的紊流。增加的紊流可造成气流温度的相应增加，这会促进区域108a、108b的加热并提高达到工作温度的速度。
然而，如果背压增加是可避免的，装置100在与气流正交的方向上的截面尺寸可以减小的量与壁110占据的截面面积值的量成正比。例如，参考图1B，如果壁110构成该装置100的整个横截面面积的大约10％，那么装置100的尺寸可减小大约10％以抵消壁110的背压作用。
参考图2A、2B和2C，催化转化器装置的另一个示例总的以200表示。装置200类似于装置100，相同的特征以相同的附图标记表示。装置200包括壳体202。壳体202是具有大体为圆形横截面形状的大致圆柱形。壳体202包括气体进口204和与进口204间隔开的气体出口206。
装置200包括至少一个设在壳体202中的载体元件208。载体元件208被分成或分隔成区域或部分208a、208b、208c。区域208a、208b、208c可横向或径向设置成分别限定使进口204和出口206流体连通地连接的、大体上分隔开的腔室或流动通道。在与从进口204到出口206的气流轴线有关的径向尺寸上，区域208a、208b、208c可大体填充壳体202。区域208a、208b可通过壁210a至少部分地分隔开而区域208b、208c通过壁210b至少部分地分隔开。虽然未图示，壁210a、210b可包括用于在区域208a、208b、208c之间提供结构支撑的连接部分(与装置100中连接部分114类似)。
区域208a、208b、208c可通过壁210a、210b相互分隔开，这些壁在从进口204延伸到出口206的方向上基本沿区域208a、208b、208c的整个长度延伸。壁210a、210b可使区域208a、208b、208c相互分隔成大体上不受相邻区域208a、208b、208c之间气流的影响。
壁210a、210b可以包括隔热材料以减少装置200内部的热量流动。在某些实施例中，壁210a、210b可部分地由隔热材料形成并且还可以包括用来分隔区域208a、208b、208c并限定分隔开的流动通道的一些结构(例如，相对较薄的固体陶瓷或不锈钢材料)。在一些其它示例中，壁210a、210b可完全由隔热材料形成。
壁210a、210b中的隔热材料在厚度上可以是大体均匀的。替换地，隔热材料在厚度上是可变的。例如，在排放气流存在明显不均匀热量分布的地方，例如流靠近中间时更热，希望使围绕靠近壳体202的外围设置的区域208c比位于中心的区域208a更进一步地隔热。从而，壁210b可能比壁210a更进一步地隔热。
通过使壁210a、210b与区域208a、208b、208c之间的隔热材料相结合，装置200可更加适应机械应力和热应力。隔热材料通常可允许一定量的压缩并因此可适应每个区域208a、208b、208c的热膨胀。隔热材料还可以提供改进的机械挠性。
可选择地，参考图2B，隔热层212可设置在区域208c和壳体202之间。隔热层212可使从区域208c和壳体202向外的热量损失最小化，以便区域208a、208b、208c保持热量，进一步减少为了达到有效转化出现时的工作温度所需的时间量。
区域208a、208b、208c可大体上彼此独立地进行加热。因此，因为热能通过区域208a、208b、208c分别传递，与单体或整块载体设计相比，装置200可显示出增强的传导加热。此外，如果由于排放气流中的不均匀热量分布，例如靠近流中间更热，区域208a比区域208b、208c更快加热，高温区域208a能够更快达到点火温度以催化排放物，即使其他区域208b、208c还未达到点火温度。相反地，在空转期间，空转气体可比区域208b、208c更快地冷却区域208a，使得区域208b、208c保持热量并能够更快地从空转期间恢复。
可选择地，区域208a、208b、208c之间催化材料的装填量是可变的。例如，希望制造装置200，使得中心区域208a中催化材料的装填量大于区域208b的装填量，并且可以进一步希望使区域208b中催化材料的装填量大于区域208c的装填量。在这种结构中，提供更多的催化材料的装填量以催化位于中心的区域中的排放物，通常位于中心的区域比位于外围的区域处理更大流量的排放物。
还可选择地，区域208a、208b、208c之间的催化表面面积是可变的。例如，希望制造装置200，使得中心区域208a中的催化表面面积大于区域208b的催化表面面积，并且可以进一步希望使区域208b中的催化表面面积大于区域208c的催化表面面积。在这种结构中，提供较大的催化表面面积以催化位于中心的区域中的排放物，通常位于中心的区域比位于外围的区域处理更大流量的排放物。
参考图3A、3B和3C，催化转化器装置的另一个示例总的以300表示。装置300类似于装置100和200，相同的特征以相同的附图标记表示。装置300包括壳体302。壳体302可以是具有大体为卵形横截面形状的大致圆柱形。壳体302包括气体进口304和与进口304间隔开的气体出口306。
装置300包括至少一个设在壳体302中的载体元件308。载体元件308被分成或分隔成区域或部分308a、308b、308c。区域308a、308b、308c可横向设置成分别限定使进口304和出口306流体连通地连接的、大体上分隔开的腔室或流动通道。在与从进口304到出口306的气流轴线有关的径向尺寸上，区域308a、308b、308c可大体填充壳体302。
壁310a、310b至少部分地使区域308a与区域308b、308c分隔开。壁310a、310b可在从进口304延伸到出口306的方向上基本沿各区域308a、308b、308c的整个长度延伸。壁310a、310b可与区域308a、308b、308c相互分隔成大体上不受相邻区域308a、308b、308c之间气流的影响。
壁310a、310b可以包括隔热材料以减少装置300内部的热量流动。在某些实施例中，壁310a、310b可部分地由隔热材料形成并且还可以包括用来分隔区域308a、308b、308c并限定分隔开的流动通道的一些结构(例如，相对较薄的固体陶瓷或不锈钢材料)。在一些其它实施例中，壁310a、310b可完全由隔热材料形成。
通过使壁310a、310b与区域308a、308b、308c之间的隔热材料相结合，装置300可以更加适应机械应力和热应力。隔热材料通常可允许一定量的压缩并因此能适应区域308a、308b、308c中每个区域的热膨胀。隔热材料还可以提供改进的机械挠性。
可选择地，参考图3B，隔热层312可设置在区域308b、308c和壳体302之间。隔热层312可使从区域308c和壳体302向外的热量损失最小化，以便区域308a、308b、308c保持热量，进一步减少为了达到有效转化出现时的工作温度所需的时间量。
区域308a、308b、308c可大体上彼此独立地进行加热。因此，因为热能通过区域308a、308b、308c分别传递，与整体或单块载体设计相比，装置300显示出增强的传导加热。此外，如果由于排放气流中的不均匀热量分布，例如靠近流中间更热，区域308a比区域308b、308c更快加热，高温区域308a能够更快达到点火温度来催化排放，即使其他区域308b、308c还未达到点火温度。相反地，在空转期间，空转气体可比区域308b、308c更快地冷却区域308a，因此区域308b、308c保持热量并能够更快地从空转期间恢复。
与对装置200的描述类似，在区域308a、308b、308c之间催化材料的装填量是可变的。例如，可将装置300制备成使中心区域308a中的催化材料的装填量大于区域308b的催化材料的装填量，区域308b中的催化材料的装填量大于区域308c的催化材料的装填量。
参考图4A、4B和4C，催化转化器装置的另一个示例总的以400表示。装置400类似于装置100、200和300，相同的特征以相同的附图标记表示。装置400包括壳体402。壳体402可以是具有大体为椭圆形横截面形状的大致圆柱形。壳体402包括气体进口404和与进口404间隔开的气体出口406。
装置400包括至少一个设在壳体402中的载体元件408。载体元件408被分成或分隔成区域或部分408a、408b、408c、408d。区域408a、408b、408c、408d可横向设置成分别限定使进口404和出口406流体连通地连接的、大体上分隔开的腔室或流动通道。在与从进口404到出口406的气流轴线有关的径向尺寸上，区域408a、408b、408c、408d可大体上填充壳体402。
壁410a、410b、410c、410d至少部分地分隔区域408a、408b、408c、408d。壁410a、410b、410c、410d可在从进口404延伸到出口406的方向上基本沿区域408a、408b、408c、408d的整个长度延伸。壁410a、410b、410c、410d可使区域408a、408b、408c、408d相互分隔成不受相邻区域408a、408b、408c、408d之间气流的影响。
壁410a、410b、410c、410d可以包括隔热材料以减少装置400内部的热量流动。在某些示例中，壁410a、410b、410c、410d可部分地由隔热材料形成并且还可以包括用来分隔区域408a、408b、408c、408d并限定分隔开的流动通道的一些结构(例如，相对较薄的固体陶瓷或不锈钢材料)。在一些其它实施例中，壁410a、410b、410c、41Od可完全由隔热材料形成。
通过使壁410a、410b、410c、410d与区域408a、408b、408c、408d之间的隔热材料相结合，装置400更加适应机械应力和热应力。隔热材料通常可允许一定量的压缩并因此能适应区域408a、408b、408c、408d中的每个区域的热膨胀。隔热材料还可以提供改进的机械挠性。
选择性地，参考图4B，隔热层412可设置在区域408d和壳体402之间。隔热层412可使从区域408c和壳体402向外的热量损失最小化，以便区域408a、408b、408c、408d保持热量，进一步减少为了达到有效转化出现时的工作温度所需的时间。
区域408a、408b、408c、408d可大体上彼此独立地进行加热。因此，因为热能通过区域408a、408b、408c、408d分别传递，与整体或单块载体设计相比，装置400可显示出增强的传导加热。此外，如果由于排放气流中的不均匀热量分布，例如靠近流中间更热，区域408a比区域408b、408c、408d更快加热，高温区域408a能够更快达到点火温度以催化排放物，即使其他区域408b、408c、408d还未达到点火温度。相反地，在空转期间，空转气体可比区域408b、408c、408d更快地冷却区域408a，使得区域408b、408c、408d保持热量并能够更快地从空转期间恢复。
区域408a、408b、408c、408d和壁410a、410b、410c、410d的组合平均热传导性可由穿过每一组件的路径长度确定。因此，对于某些特定示例，有效的是在与壳体整个横截面形状相对应的、大体平行的层中设置壁。如图所示，并且具体参考图4B，采用具有椭圆形横截面形状的壳体402，装置400壳包括中心区域408a和同心设置的径向区域408b、408c、408d。壁410a、410b、410c、410d是同心的并且大致平行于壳体402的形状。这种结构可使区域数量和用于壁中的隔热材料量最少。此外，可以包括径向延伸的壁410a来将径向区域408b、408c、408d中的每个区域分隔成大致互补的半部，这可简化装置400的组装。
参见图5A、5B和5C，催化转化器装置的另一个示例总的以500表示。装置500类似于装置100、200、300和400，相同的特征以相同的附图标记表示。装置500包括壳体502。壳体502可以是，例如但不限于，具有圆形横截面形状的大致圆柱形。壳体502包括气体进口504和与进口504间隔开的气体出口506。
装置500包括至少一个设在壳体502中并被分成或分隔成多个区域或部分508的载体元件。每个区域508由整体的载体元件组成。区域508可横向设置成分别限定使进口504和出口506流体连通地连接的、大体上分隔开的腔室或流动通道。在与从进口504到出口506的气流轴线有关的径向尺寸上，区域508可大体上填充壳体502。在某些示例中，装置500可包括至少25个载体区域508。在一些示例中，装置500可包括至少100个载体区域508。
壁510至少部分地分隔区域508。壁510可在从进口504延伸到出口506的方向基本沿区域508的整个长度延伸。壁510可以使各区域相互分隔成基本上不受相邻区域508之间气流的影响。
壁510可以包括隔热材料以减少装置500内部的热量流动。在一些示例中，壁510可部分地由隔热材料形成并且还可以包括用来分隔区域508并限定分隔开的流动通道的一些结构(例如，相对较薄的固体陶瓷或不锈钢材料)。在一些其它示例中，壁510可完全由隔热材料形成。
通过使壁510与区域508之间的隔热材料相结合，装置500可更加适应机械应力和热应力。隔热材料通常允许一定量的压缩并因此能适应每个区域508的热膨胀。隔热材料还可以提供改进的机械挠性。
可选择地，参考图5B，隔热层512可设置在区域508和壳体502之间。隔热层512可使从区域508和壳体502向外的热量损失最小化，以便区域508保持热量，进一步减少为了达到有效转化出现时的工作温度所需的时间。
区域508可大体上彼此独立地进行加热。因此，因为热能是通过区域508分别传递的，与整体或单块载体设计相比，装置500显示出增强的传导加热。
参考图6、7、8和9，每个区域的数量、尺寸和形状都可对给定的排气系统进行优化。示例性装置600、700、800和900类似于装置100、200、300、400和500，相同的特征以相同的附图标记表示。
在一些示例中，每个区域都在与气流方向正交的平面上具有相同的横截面形状，并且该形状选择正方形(参见图5B)、三角形(参见图6)、圆形(参见图7)、六边形(参见图8)、矩形(图9)、梯形等等。区域和壳体的其他形状及其不同组合也是可能的。
如图5B、6和8所示，区域508、608、808在与气流方向正交的平面上的横截面面积可以是大体上一致的。然而，参见图1B、2B、3B、4B、7和9，区域108、208、308、408、708和908在与气流方向正交的平面上的横截面面积是可变的。例如，参考图7和9，位于中心的区域708a、908a具有比位于外围的区域708b、908b更大的横截面面积。这是合乎需要的，例如在排出气流存在明显不均匀热量分布的地方，例如，流接近中间时更热，以及由多个区域708、908提供的热量增加在靠近壳体702、902的外围附近的区域中更加关键。
在此公开的装置可被设计并制造成与常规催化转化器类似的尺寸，从而作为改进可与现有排气系统一起安装。各种几何形状都是可能的，因此在此公开的装置适合于各种汽油或柴油内燃机，并可被用于各种机动车辆的排气系统中，例如但不限于汽车、轻型货车、重型货车、公共汽车、拖拉机、叉车及其他工业器械、摩托车等等。
现在参考下列示例性而非限制性的示例进行说明。
示例1
进行使用催化转化器装置样机的测试。市场上可买到的催化转化器(乔治亚州、亚特兰大Applied Ceramics公司制造的)具有3.15×4.75×2.5英寸的尺寸，并且具有20g/cf的贵金属装填量。通常制备三个催化转化器装置样机来模仿示例性装置100。样机1具有3.15×4.75×2.25英寸的尺寸和20g/cf的贵金属装填量。样机2具有3.15×4.75×2.25英寸的尺寸和17g/cf的贵金属装填量。样机3具有3.15×4.75×2.25英寸的尺寸和14g/cf的贵金属装填量。每个样机包括FIBERFRAX LDS MOLDABLETM材料，作为分隔载体元件的区域的壁，具有大约0.16cm的厚度。
2009款丰田花冠TM车辆装备有该商业催化转化器和本装置样机。根据美国环保署US06试验程序进行第三方独立测试。车辆经过汽车行驶循环，收集冷启动、过渡和热启动阶段中每一阶段的排放物，并测量平均排放量。排放结果列在下面表1中。测试表明装置样机具有良好结果，即使减少了贵金属装填量。
Figure BDA0000056726100000171
表1 平均排放结果
示例2
进行使用催化转化器装置样机的测试。提供两个零件市场上购买的催化转化器(加利福尼亚，MagnaFlow Performance Exhaust ofRancho Santa Margarita，MAGNAFLOWTM OBD-II催化转化器)，每个都有大约100mm长、125×80mm卵形/溜冰场形状的两级载体。改变其中一个转化器来模拟示例性装置500。
为了制造装置样机，将载体元件从壳体移除并沿纵向切成多个区域或部分，每一区域在与气流方向正交的平面上都具有大约10mm×10mm的正方形横截面。每个区域都包裹有FIBERFRAX LDSMOLDABLETM隔热材料。然后将已包裹区域捆在一起并包上另外的FIBERFRAXTM隔热层，再插入壳体内。使每个区域与相邻区域分隔开的隔热材料的厚度大致为1mm。使用原始钢制壳体，因此不得不为隔热材料厚度而移除一些区域体积(大致为10-15％)，导致由于催化材料量减少而造成的总性能降低。
1986款GMC C3500 SIERRATM车辆装备有常规催化转化器和装置样机。两个催化转化器都在壳体内的中央位置处装有热电偶来测量内部温度。车辆由冷启动开始。发动机在测功机上加速并保持40km/h的恒定速度以在测试过程中保持大约2,000rpm转速。参见图10，与用线条″B″表示的常规催化转化器相比，用曲线″A″表示的装置样机显示出缩短的加热时间。
在Ontario驱动清洁程序(Ontario Drive Clean Program)认证机构处进行排放物测量。车辆经过使用标准催化转化器和装置样机的标准测试。车辆保持大约10分钟的空转，然后记录使用测功机为40km/h的速度和极限怠速时的排放量。排放结果列在下表2中。相对较差的烃类和一氧化碳结果表明，温度测量探头可能已经明显损坏催化材料，尤其是载体的氧化部分。
Figure BDA0000056726100000181
表2 使用标准排放测试的样机排放结果
参考新图11，车辆还经过实时排放量测试。在4分钟期间内，每隔10到15秒记录一次排放量。虽然存在数据散布，装置样机看起来比标准的、未改进的催化转化器更快地达到工作温度。应当指出，测试期间周围温度相对较低(大约5℃)，导致两个催化转化器加热时间相对较慢。
示例3
通过改进大众JETTATM的标准催化转化器来制造另一个催化转化器样机。改变催化转化器来模拟示例性装置500。为了制造装置样机，通过切割不锈钢壳体、移出单块载体元件和将载体纵向切成多个区域或部分来将标准催化转化器分解，每一区域在与气流方向正交的平面上都具有大约10mm×10mm的正方形横截面。FIBERFRAX LDSMOLDABLETM材料可以相对薄的层施加到每一区域的表面。各区域在具有比原始尺寸稍大的钢制壳体中重新组装，从而留出隔热材料的厚度而不需要去除催化材料。分隔每个区域和相邻区域的隔热材料的厚度大致为2mm。
在Ontario驱动清洁程序(Ontario Drive Clean Program)认证机构处进行排放物测量。2001款大众JETTATM车辆经过使用标准催化转化器和装置样机的标准测试。车辆保持大约5到10分钟的空转，然后记录使用测功机为40km/h的速度和极限怠速时的排放量。排放结果列在下表3中。
Figure BDA0000056726100000191
表3 使用标准排放测试的排放结果
示例4
提供两个MAGNAFLOWTM 94306催化转化器。改变其中一个转化器来大体模拟示例性装置500。为了制造装置样机，将载体元件从壳体移除并沿纵向切成多个区域或部分，每一区域在与气流方向正交的平面上都具有大约10mm×10mm的正方形横截面。每个区域都用FIBERFRAX XFPTM纸和FIBERFRAX LDS MOLDABLETM粘合剂材料的组合隔热。FIBERFRAX XFPTM纸是主要隔热体，而FIBERFRAX LDS MOLDABLETM粘合剂以薄层形式涂覆以将各区域与FIBERFRAX XFPTM纸粘合在一起。各区域捆在一起并再次插入壳体中。使用原始钢制壳体，因此不得不为隔热材料厚度移除一些区域体积(大致为10-15％)，导致由于催化材料量的减少而造成的总性能降低。分隔每个区域和相邻区域的隔热材料的厚度大致为2mm。
1991款PONTIAC GRAND PRIXTM车辆装备有未改进的标准催化转化器和改进的装置样机。根据美国环保署FTP-75汽车行驶循环进行第三方独立测试。车辆经过汽车行驶循环并记录循环中每一部分的平均排放量。低温、过度和高温阶段的排放结果分别列在下表4、5和6中。
表4 低温启动阶段的排放结果
Figure BDA0000056726100000202
表5 过渡阶段的排放结果
Figure BDA0000056726100000203
表6 热启动阶段的排放结果
虽然已经结合各个实施例描述了本申请的教导，并未意欲将本申请的教导限制为这些实施例。本申请的教导包括本发明所属领域的普通技术人员可以理解的各种备选方案、变形和等效物。

Claims (25)

1.一种用于内燃机排气系统中的催化转化器装置，该装置包括：
a)壳体，该壳体包括气体进口和气体出口；和
b)设置在所述壳体中的至少一个载体元件，所述至少一个载体元件包括催化材料，所述至少一个载体元件被分成多个区域，所述多个区域中的每个区域限定出使所述气体进口和所述气体出口流体连通地连接的、大体上分隔开的流动通道。
2.如权利要求1所述的装置，该装置还包括至少一个壁，该至少一个壁至少部分地分隔所述多个区域。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个壁包括用于阻止所述多个区域之间热量流动的隔热材料。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述多个区域之间的隔热材料的厚度是可变的。
5.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述多个区域之间的隔热材料的厚度小于10mm。
6.如权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述隔热材料包括陶瓷纤维材料。
7.如权利要求2至6中任一项所述的装置，其中，所述至少一个壁使所述多个区域分隔成基本上不受相邻区域间气流的影响。
8.如权利要求2至7中任一项所述的装置，其中，所述至少一个壁在从所述气体进口延伸到所述气体出口的方向上基本上沿所述多个区域的整个长度分隔所述多个区域。
9.如权利要求2至8中任一项所述的装置，其中，所述多个区域包括中心区域和至少一个径向区域。
10.如权利要求9所述的装置，其中，使所述载体元件的中心区域和至少一个径向区域分隔开的至少一个壁包括至少一个连接部分。
11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述至少一个载体元件在与从所述气体进口延伸到所述气体出口的气流方向垂直的径向尺寸上基本上填充所述壳体。
12.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，所述多个区域在从所述气体进口延伸到所述气体出口的气流方向上大体上平行设置。
13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其中，所述多个区域在与从所述气体进口延伸到所述气体出口的气流方向垂直的平面上的横截面面积是可变的。
14.如权利要求13所述的装置，其中，位于中心的区域的横截面面积比位于外围的区域的横截面面积更大。
15.如权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述多个区域中的每个区域在与气流方向正交的平面上具有相同的横截面形状。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述横截面形状选自由梯形、矩形、正方形、三角形、六边形和圆形组成的组。
17.如权利要求1至16中任一项所述的装置，其中，所述多个区域中的催化材料的装填量是可变的。
18.如权利要求17所述的装置，其中，位于中心的区域中的催化材料的装填量大于位于外围的区域中的催化材料的装填量。
19.如权利要求1至18中任一项所述的装置，其中，所述至少一个载体元件的所述多个区域的催化表面面积是可变的。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述位于中心的区域的催化表面面积大于所述位于外围的区域的催化表面面积。
21.一种用于内燃机排气系统中的催化转化器装置，该装置包括：
a)壳体，该壳体包括气体进口和气体出口；
b)设置在所述壳体中的至少一个载体元件，所述至少一个载体元件包括催化材料，所述至少一个载体元件被分成多个区域，各区域在沿从所述气体进口延伸到所述气体出口的气流方向上大体上平行设置，所述多个区域中的每个区域限定出使所述气体进口和所述气体出口流体连通地连接的、大体上分隔开的流动通道；和
c)至少部分地分隔所述多个区域的至少一个壁，所述至少一个壁将所述多个区域分隔成基本上不受相邻区域间气流的影响，所述至少一个壁包括隔热材料。
22.一种减少内燃机排放量的方法，该方法包括提供如权利要求1至21中任一项的催化转化器装置，并且使该装置的进口与发动机的排出气流流体连通。
23.一种减少内燃机排放量的方法，该方法包括：
a)将来自内燃机的排出气流输送到具有多个区域的至少一个载体元件，所述至少一个载体元件包括位于该载体元件中的催化材料，所述多个区域至少部分地彼此分隔成使得通过隔热材料至少部分地阻止所述多个区域间的热量流动，所述多个区域中的每个区域限定出大体上分隔开的流动通道；
b)使所述排出气流经过所述多个区域，从而使所述排出气流分成多个单独的流，所述单独的流与所述载体元件的催化材料起反应，从而形成多个处理过的流；和
c)排出所述处理过的流。
24.一种基本上参考附图如上所述或如附图所示的催化转化器装置。
25.一种基本上参考附图如上所述或如附图所示的转化内燃机排放物的方法。
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