CN102741518A - 具有整合的催化转化器和聚合物消声器主体的消声器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整合有催化转化床(9、32、52)的消声器(1、21、41)，所述消声器包括聚合物消声器主体(2、22、42)、与发动机排气流动连通的进气管(3、23、43)和与所述催化转化床的出口流动连通的穿孔排气管(4、34、44)，所述进气管连接到第一主体固定转接器(5、25、45)以便使所述进气管与所述聚合物消声器主体保持绝热距离，所述进气管与所述催化转化床(9、32、52)流动连通，所述穿孔排气管安装在第二主体固定转接器(6、26、56)上以便使所述穿孔排气管与所述聚合物消声器主体保持绝热距离；所述进气管和所述穿孔排气管使所述催化转化床与所述聚合物消声器主体保持绝热距离，所述第一主体固定转接器、聚合物消声器主体和第二主体固定转接器形成密封的内室以提供绝热和噪声抑制空间(8、28、48)。

Description

具有整合的催化转化器和聚合物消声器主体的消声器
发明领域
本发明公开了具有整合的催化转化器和具有聚合物消声器主体的排气消声器。
发明背景
消声器也被称为消音器，其被用作内燃机和其它类型发动机排气系统中的部件，主要用于降低废气离开发动机(喷气发动机和火箭发动机除外)时的噪声。这些系统的典型使用类型为汽车、卡车、履带式雪上汽车、摩托车、船、踏板车、铁路机车、发电机、高尔夫球车、拖拉机和其它机动农业设备、割草机和其它电动园林设备等。实际上，对于内燃机的任何使用通常也包括消声器(系统)。由于排出气体的高温以及那些气体的腐蚀性，传统上使用金属尤其是钢来制造消声器。这些金属的腐蚀是一个问题，但是这已经通过使用更加贵重的合金例如不锈钢而得到解决。然而，因为金属具有高密度，消声器往往体积很大(以便能够充分地减小噪声)并且很重。
因此需要使各组件微型化和/或整合各组件以便降低系统成本和重量。此外有关气体排放的环境法规不断加强，要求这些应用中的一些在历史上所用的装置上安装附加的排放控制装置。
尽管用于排放控制装置具体地催化转化器的新技术已经出现，所述新技术在较低温度下运行并同时消除绝大多数的所规定的排放气体，但是因为放热反应，它们仍然在高温下运行。在组合催化转化器与排气消声器的过程中，如有时为了节省较小装置例如摩托车上的空间所做的那样，催化转化器的额外放热在设计时必须进行考虑。这可导致额外的空间和绝热元件，从而增大了排气系统的成本、重量和体积。
所需要的是与催化转化器系统整合的用于所有类型的内燃机的紧凑型消声器，从而降低成本和重量。
美国专利公布2009/0194364A1公开了一种聚合物复合材料消声器主体，其中所述聚合物复合材料主体与排气管隔离开。
美国专利6,109,026公开了一种具有催化转化器的消声器。
发明概述
本发明公开了一种整合有催化转化床(9、32、52)的消声器(1、21、41)，所述消声器包括聚合物消声器主体(2、22、42)、与发动机排气流动连通的进气管(3、23、43)和与所述催化转化床(9、32、52)的出口流动连通的穿孔排气管(4、34、44)，所述进气管连接到第一主体固定转接器(5、25、45)以便使所述进气管与所述聚合物消声器主体保持绝热距离，所述进气管与所述催化转化床的入口流动连通，所述穿孔排气管安装在第二主体固定转接器(6、26、56)上以便使所述穿孔排气管与所述聚合物消声器主体保持绝热距离；所述进气管和所述穿孔排气管使所述催化转化床与所述聚合物消声器主体保持绝热距离，所述第一主体固定转接器、聚合物消声器主体和第二主体固定转接器，从而形成密封的内室以提供绝热和噪声抑制空间(8、28、48)。
附图简述
图1显示具有整合的催化转化器的消声器的一个实施方案的剖视图。
图2显示具有整合的催化转化器的消声器的另一个实施方案的剖视图。
图3显示具有整合的催化转化器的消声器的另一个实施方案的剖视图。
发明详述
图1示出了具有整合的催化转化器(9)的排气消声器(1)的一个实施方案，其显示横截所述聚合材料消声器主体(2)的局部剖视图。与发动机排气连通的进气管(3)连接到第一主体固定转接器(5)，以便使所述进气管(3)与所述聚合物消声器主体(2)保持绝热距离。进气管(3)连接到催化转化床(9)的入口顶盖(7)上，从而提供所述进气管(3)与所述催化床的流动连通。催化床(9)的出口顶盖(11)连接到穿孔排气管(4)以在所述催化床和穿孔排气管之间提供流动连通。穿孔排气管(4)也连接到第二主体固定转接器(6)，以便使所述穿孔排气管(4)与所述聚合物消声器主体(2)保持绝热距离。催化转化器催化床(9)因此与聚合物主体(2)保持绝热距离。第一主体固定转接器(5)、聚合物消声器主体(2)和第二主体固定转接器(6)形成密封的内室以提供绝热和噪声抑制空间(8)。绝热和噪声抑制空间可被绝热和/或噪声抑制材料(10)例如玻璃纤维粗纱占据。
图2示出具有整合的催化转化器的排气消声器(21)的另一个实施方案，其显示横截所述聚合物消声器主体(22)的局部剖视图。与发动机排气连通的进气管(23)贯穿并连接到第一主体固定转接器(25)，以便提供内管部分(23a)，以及以便使所述进气管(23)与所述聚合物消声器主体(22)保持绝热距离。所述内管部分的与所述第一主体固定转接器(25)相背的末端是开口的。催化床(32)被安装在内管部分(23a)的外表面上。导流板(29)将来自所述内管部分(23a)的气体流偏转进催化床(32)中以提供二者之间的流动连通。导流板(24)将来自催化床(32)的出口的气体流偏转到包围催化床的外表面的穿孔排气管(34)。穿孔排气管(34)被连接到第二主体固定转接器(26)，以便使所述穿孔排气管(34)与所述聚合物消声器主体(22)保持绝热距离。穿孔排气管(34)引导气体流横穿催化床的外表面，从而提供催化床的冷却。催化床(32)和穿孔排气管(34)因此与聚合物主体(22)悬浮成绝热距离。第一主体固定转接器(25)、聚合物消声器主体(22)和第二主体固定转接器(26)形成密封的内室以提供绝热和噪声抑制空间(28)。所述绝热和噪声抑制空间可被绝热和/或噪声抑制材料(30)例如玻璃纤维粗纱占据。可将扩散器顶盖(31)放置在穿孔排气管(34)的出口之上以充当防火装置。可存在一个或多个任选的支座(27a)和辐条(27b)，以将催化床(32)的外表面连接到穿孔排气管(34)以提供附加的结构支撑。
图3示出具有整合的催化转化器的排气消声器(41)，其显示横截聚合材料消声器主体(42)的局部剖视图。与发动机排气连通的进气管(43)贯穿并连接到第一主体固定转接器(45)以便提供内管部分(43a)，以及以便使进气管(43)与聚合聚合物消声器主体(42)保持绝热距离。所述内管部分的与第一主体固定转接器(45)相背的一端是敞开的。催化床(52)被安装在内管部分(43a)的外表面上。导流板(49)将来自内管部分(43a)的气体流偏转进催化床(52)中以提供二者之间的流动连通。导流板(44)将来自催化床(52)的出口的气体流偏转到环绕催化床的外表面的穿孔排气管(44)。穿孔排气管(44)连接到出口顶盖(57)，所述出口顶盖连接到出口管(58)。出口管(58)连接到第二主体固定转接器(56)以便使出口管(58)、出口顶盖(57)和穿孔排气管(44)与聚合物消声器主体(42)保持绝热距离。穿孔排气管(44)引导气体流横跨催化床的外表面，从而提供催化床的冷却。催化床(52)和穿孔排气管(44)因此与聚合物主体(42)被悬浮绝热距离。第一主体固定转接器(45)、聚合物消声器主体(42)和第二主体固定转接器(56)形成密封的内室以提供绝热和噪声抑制空间(48)。绝热和噪声抑制空间可被绝热和/或噪声抑制材料(50)例如玻璃纤维粗纱占据。可存在一个或多个任选的支座(47a)和辐条(47b)，以将催化床(52)的外表面连接到穿孔排气管(44)以提供附加的结构支撑。
所谓“第一主体固定转接器”是指将消声器主体相对于排气管保持固定并且处在所述消声器最接近于发动机的末端上的转接器。
所谓“第二主体固定转接器”是指将消声器主体相对于穿孔排气管保持固定并且处在所述消声器离发动机最远的末端上的转接器。
所谓聚合物消声器主体“连接到”所述第一和第二主体固定转接器和/或转接器“连接到”排气管指固定地连接。所谓“固定地”是指在正常运行时所述物品相对于其所连接的物品将不移动，但可为可移除的，例如用于修理或置换。
所谓“密封的内室”是指聚合物消声器主体和第一主体固定转接器(5)以及聚合物消声器主体和第二主体固定转接器(6)之间形成气密密封，从而形成内室。
所谓“聚合物消声器主体”是指具有由聚合材料制造的主体的消声器，所述聚合材料可为任何种类的聚合物，包括热塑性塑料、热固性塑料或不可熔性聚合物。不可熔性聚合物是不交联的但在它达到其分解温度之前不会变成液体。
所谓“聚合物”是指包括聚合物和任选地包含通常存在于此类组合物例如填充剂、增强剂、稳定剂、颜料、抗氧化剂和润滑剂中的任何其它材料的组合物。它包括热固性和热塑性聚合材料两种。
“绝热距离”是指进气管、穿孔排气管和催化床外表面各自与聚合物消声器主体之间的距离。这些距离将部分确定绝热和噪声抑制空间(8)的尺寸。给定一组条件(例如，排气温度和流量)，排气管和催化转化床的外表面各自与聚合物消声器主体之间的距离越大，聚合物消声器主体所暴露的温度越低。对于靠近第一和/或第二主体固定转接器或者靠近催化转化床表面的聚合物消声器主体获得某个最大暴露量的这些距离的必须长度可通过采用流体有限元分析计算(参见下面)而容易地获得。
绝热距离应当足以避免在使用时对聚合物消声器主体的显著热损伤。所谓“显著热损伤”是指聚合物消声器主体将由于高温而受到损害，致使其不适合于正常使用。有关不会发生这种损伤的最小时间段将通过设备生产商的说明书来确定，但通常“正常”运行将超过约1000小时，更优选地超过约2000小时，特别优选地超过约3000小时，以及非常优选地超过约5000小时。
如上所述，在进气管和聚合物消声器主体、穿孔排气管和聚合物消声器主体、以及催化转化床的外表面和聚合物消声器主体之间应当具有足够的距离，以便聚合物消声器主体不会过热。所需的距离可通过反复试验来确定。也可采用设计用于计算热流动的计算机程序来建模。用于此目的的典型计算机程序为
Figure BDA00001968880500051
CFX，release 11(从Ansys Inc.，Canonsburg，PA15317，USA获得)。使用这样一种建模程序，对于任何给定的一组条件和聚合物性质，可计算在排气管和聚合物消声器主体之间的所需距离。在某些情况下，聚合物消声器主体的临界过热点可为在其接触或接近于接触聚合物消声器主体的点处的第一和/或第二固定转接器。在此情况下，排气管和与转接器的聚合物消声器主体接触点之间的距离以及转接器自身的导热性可为关键因素。
聚合物消声器主体的聚合物应是耐温的以足以经受其可能被加热到的温度。用于这些聚合物消声器有用的材料包括选自半结晶聚酰胺、热致液晶聚合物、聚酯、聚缩醛的热塑性塑料，和选自环氧化物树脂、三聚氰胺树脂和酚醛树脂的热固性树脂，以及选自聚酰亚胺、聚(对亚苯基)和包含大于50％下式重复单元的聚合物的不可熔性聚合物。
以及
Figure BDA00001968880500062
其中X为NH、N-苯基、O(氧)或S(硫)、并且Ar为对亚苯基、4，4′-亚联苯基或1，4-亚萘基。聚合物消声器主体必须能够抵抗其例如通过与排放气体直接接触和/或通过热传导进行加热而可能被暴露的较高温度。
热塑性塑料为优选的聚合物类型。优选的热塑性塑料为聚酰胺，尤其是部分芳族聚酰胺。所谓部分芳族聚酰胺是指在聚酰胺中，一些但并非所有的重复单元包含芳族环。可用的部分芳族聚酰胺包括1，6-己二胺、对苯二酸和/或间苯二酸以及任选的己二酸的共聚酰胺，和完全或部分衍生自下列一种或多种单体的聚酰胺：H2N(CH2)mNH2(其中m为4至14)、HO2C(CH2)yCO2H(其中y为2至14)、2-甲基-1，5-戊二胺、间苯二酸、对苯二酸、1，3-二氨基苯、1，4-二氨基苯和4，4′-联苯甲酸。
优选用于聚合物消声器主体的聚酰胺为具有至少260℃熔点的第(I)组聚酰胺，其包含
(a)大于95摩尔％的半芳族重复单元，所述半芳族重复单元衍生自选自下列中的一种或多种的单体：
i)具有8-20个碳原子的芳族二羧酸和具有4-20个碳原子的脂族二胺；和
(b)小于5摩尔％的脂族重复单元，所述脂族重复单元衍生自选自下列中的一种或多种的单体：
ii)具有6-20个碳原子的脂族二羧酸和具有4-20个碳原子的脂族二胺；和
iii)具有4-20个碳原子的内酰胺和/或氨基羧酸。
优选的第(I)组聚酰胺选自聚(对苯二甲酰丁二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺)PA4T/DT、聚(对苯二甲酰丁二胺/对苯二甲酰己二胺)PA4T/6T、聚(对苯二甲酰丁二胺/对苯二甲酰癸二胺)PA4T/10T、聚(对苯二甲酰丁二胺/对苯二甲酰十二烷二胺)PA4T/12T、聚(对苯二甲酰丁二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺/对苯二甲酰己二胺)(PA4T/DT/6T)、聚(对苯二甲酰丁二胺/对苯二甲酰己二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺)(PA4T/6T/DT)、聚(对苯二甲酰己二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺)(PA6T/DT)、聚(己二酰己二胺/间苯二甲酰己二胺)(PA 6T/6I)、聚(对苯二甲酰己二胺/对苯二甲酰癸二胺)PA6T/10T、聚(对苯二甲酰己二胺/对苯二甲酰十二烷二胺)(PA6T/12T)、聚(对苯二甲酰己二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺/聚(对苯二甲酰癸二胺)(PA6T/DT/10T)、聚(对苯二甲酰己二胺/对苯二甲酰癸二胺/对苯二甲酰十二烷二胺)(PA6T/10T/12T)、聚(对苯二甲酰癸二胺)(PA10T)、聚(对苯二甲酰癸二胺/对苯二甲酰丁二胺)(PA10T/4T)、聚(对苯二甲酰癸二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺)(PA10T/DT)、聚(对苯二甲酰癸二胺/对苯二甲酰十二烷二胺)(PA10T/12T)、聚(对苯二甲酰癸二胺/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺/(对苯二甲酰癸二胺)(PA10T/DT/12T)、聚(对苯二甲酰十二烷二胺)(PA12T)、聚(对苯二甲酰十二烷二胺)/对苯二甲酰丁二胺)(PA12T/4T)、聚(对苯二甲酰十二烷二胺)/对苯二甲酰己二胺)PA12T/6T、聚(对苯二甲酰十二烷二胺)/对苯二甲酰癸二胺)(PA12T/10T)和聚(对苯二甲酰十二烷二胺)/对苯二甲酰-2-甲基戊二胺)(PA12T/DT)；并且最优选的第(I)组聚酰胺为PA6T/DT。
用于本发明中的聚酰胺树脂具有熔点。本文中的熔点是使用差示扫描量热法(DSC)在第一次升温扫描中以10℃/min的扫描速率测得的，其中将吸热峰的最高点视为熔点。
所述热塑性组合物可包含0-60重量％的一种或多种增强剂。在一个实施方案中，所述热塑性组合物包含约10-60重量％的一种或多种增强剂。
在另一个实施方案中，所述组合物包含少于10重量％，优选少于1重量％的一种或多种增强剂。
所述增强剂可以是任何填料，但优选地选自碳酸钙、具有圆形和非圆形横截面的玻璃纤维、玻璃片、玻璃珠、碳纤维、滑石、云母、钙硅石、煅烧粘土、高岭土、硅藻土、硫酸镁、硅酸镁、硫酸钡、二氧化钛、碳酸钠铝、钡铁氧体、钛酸钾、以及它们的混合物。
聚合物消声器主体优选地是单个部件，但可超过一个部件。如果具有一个以上部件，则它们通常在纵向上分开。例如，所述主体可以以两个半块进行挤压，它们可能通过一个或多个单独的外夹具相接合，或者所述两个部件可“按扣拟合”到一起，和/或通过粘合剂进行接合，或者例如通过激光焊接或振动焊接而焊接到一起。可采用密封剂来确保没有气体从所形成的一个或多个接头渗漏。
聚合物消声器主体的厚度可横跨聚合物消声器主体横截面而不同。例如在车辆中，聚合物消声器主体的底部表面厚于顶部表面可为有利的。
整合有催化转化床的消声器可具有横截面均匀的聚合物消声器主体。
在各种实施方案中，进气管(3、23、43)、入口顶盖(7)、出口顶盖(11)、导流板(24、29、44、49)、穿孔排气管(4、34、44)、任选的支座(27a、47a)、辐条(27b、47b)和催化转化床(9、32、52)应当由耐高温材料例如金属制造，并且优选所述金属为不锈钢。所有这些部件可通过炉中钎焊、焊接或其它接合方法接合在一起以提供组合件，所述组合件接着用绝热和/或噪声抑制材料(10、30、50)进行包裹。所包裹的组合件接着被封装到聚合物消声器主体中并且配备有第一和第二固定转接器(5、25、45)和(6、26、46)。
第一主体固定转接器(5、25、45)和第二主体固定转接器(6、26、46)将所述聚合物消声器主体相对于排气管和催化转化床保持固定。主体固定转接器(5)和(6)应当由耐高温材料例如金属或陶瓷制成。对于主体固定转接器中的一个或两个而言，金属是优选的。主体固定转接器可为一个或多个零件，例如它们可滑动到排气管上，或者实际上是开口环。整体转接器是优选的。第一和第二主体固定转接器可具有相同的设计或不同的设计。主体固定转接器可通过多种方法连接到排气管，例如(假设它们是金属)焊接、夹紧、压紧配合、栓接或螺丝连接等。因为通常不想让排出气体从排气管和转接器之间泄露，因此可能期望用高温胶泥或类似的材料来密封排气管和转接器之间的接头，尤其是如果它不是全密封焊接时。
转接器可通过很多装置将聚合物消声器保持固定。例如，可采用垫圈来即保持主体又密封转接器和主体间的接头。也可采用其它机械装置例如螺栓或(金属片)螺钉。在这种情况下，密封剂可适于确保气密的接头。
如前所述，主体固定转接器保持聚合物消声器主体相对于进气管(3、23、43)和穿孔排气管(4、34、44)固定。在图1中，排气管不必穿过聚合物消声器主体的中心(纵向上)，它可偏离中心。穿孔排气管(4)不必平行于消声器主体的两侧延伸，但可例如与消声器主体的长轴成对角线。穿孔排气管(4)可在聚合物消声器主体内部弯曲，但在任何给定点都不要太接近以至于使聚合物消声器主体的温度变得太高。在聚合物消声器主体和穿孔排气管(4)的相对位置上的这些“差异”将由转接器的构型限定并且与排气管是不是直的无关。
在美国专利公布2009/0194364A1的图2A、2B和2C中公开了将第一和第二主体固定转接器(5、25、45)和(6、26、46)连接到聚合物消声器主体(2、22、42)的各种方法，所述专利在此以引用方式并入。
催化转化床可具有常规构造，其中所述床的内表面涂覆有催化层。催化剂床可由不锈钢、整体式陶瓷砖或封装到金属或陶瓷外壳中的多个球形或非球形陶瓷珠来构造。当排放气体经过内表面时，所述气体在它们与内表面接触时被净化。转化床通常达到超过1000度的温度并且因此必须进行冷却，例如通过散热。本文所公开的具有整合的催化转化器的消声器的各实施方案允许运行消声器而没有附加的外部绝热材料。
催化剂床仅当它达到工作温度并点火时来有效地控制排放，以便排放气体的燃烧可发生。这意味着紧接着发动机启动后的排出气体的初始流量可相对未经处理地流过催化剂床，因为催化剂床的热量不足以燃烧排出气体。为此，有利的是使催化剂床绝热以便它能够快速地升温，从而迅速达到工作温度并减少所述转化器的排放控制优点尚未得到实现的时间。当排放法规继续压低启动时所容许的碳氢化合物排放时，催化转化器可达到工作温度越快越好。
借助于聚合物外壳和隔音和/或绝热系统，与常规金属设计相比，包含在催化剂床内的热量被增加，因为聚合物壳体比金属外壳传送更少的热量远离催化剂床，这是由于通过聚合物的传热比金属更低的缘故。这意味着聚合物外壳减少在催化剂床内达到点火温度所需的时间。这允许具有本发明的聚合物外壳的单元来完成更快速的启动。

Claims (9)

1.整合有催化转化床的消声器，所述消声器包括聚合物消声器主体、与发动机排气流动连通的进气管和与所述催化转化床的出口流动连通的穿孔排气管，所述进气管连接到第一主体固定转接器以便使所述进气管与所述聚合物消声器主体保持绝热距离，所述进气管与所述催化转化床的入口流动连通，所述穿孔排气管安装在第二主体固定转接器上以便使所述穿孔排气管与所述聚合物消声器主体保持绝热距离；所述进气管和所述穿孔排气管使所述催化转化床与所述聚合物消声器主体保持绝热距离，所述第一主体固定转接器、聚合物消声器主体和第二主体固定转接器形成密封的内室以提供绝热和噪声抑制空间。
2.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述绝热和噪声抑制空间填充有或部分填充有噪声抑制材料。
3.权利要求2的整合有催化转化床的消声器，其中所述噪声抑制材料为玻璃纤维粗纱。
4.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述主体固定转接器、穿孔排气管、排气管和催化剂床通过焊接、炉中钎焊或其它金属接合方法全部接合在一起。
5.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述聚合物主体被模塑成多个零件，所述多个零件用扣件、粘合剂或通过聚合物焊接方法接合在一起。
6.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述聚合物消声器主体为均匀的横截面。
7.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述聚合物主体由热塑性塑料和热固性树脂以及不可熔性聚合物构造，所述热塑性塑料选自半结晶聚酰胺、热致液晶聚合物、聚酯、聚缩醛，所述热固性树脂选自环氧化物、三聚氰胺和酚醛树脂，所述不可熔性聚合物选自聚酰亚胺、聚(对亚苯基)和包含大于50％的下式重复单元的聚合物
Figure FDA00001968880400021
其中X为NH、N-苯基、O(氧)或S(硫)，并且Ar为对亚苯基、4，4′-亚联苯基或1，4-亚萘基。
8.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述聚合物消声器主体包含具有至少260℃的熔点的第(I)组聚酰胺，所述第(I)组聚酰胺包含
(a)大于95摩尔％的半芳族重复单元，所述半芳族重复单元衍生自选自下列各项中的一种或多种的单体：
i)具有8-20个碳原子的芳族二羧酸和具有4-20个碳原子的脂族二胺；和
(b)小于5摩尔％的脂族重复单元，所述脂族重复单元衍生自选自下列各项中的一种或多种的单体：
ii)具有6-20个碳原子的脂族二羧酸和具有4-20个碳原子的所述脂族二胺；和
iii)具有4-20个碳原子的内酰胺和/或氨基羧酸。
9.权利要求1的整合有催化转化床的消声器，其中所述催化剂床由不锈钢、整体式陶瓷砖或容器中的多个球形或非球形陶瓷珠构造。
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