CN102979607A - 一种三元催化转换器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三元催化转换器的制造方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：将支撑垫包裹在催化剂载体外侧构成催化剂载体/支撑垫组件，将催化剂载体/支撑垫组件以滑动的方式置于金属外壳内；第二步：通过推力施加装置在催化剂载体/支撑垫组件的一侧施加轴向推力，同时通过收缩装置来收缩金属外壳的周长，当轴向推力达到给定的催化剂载体轴向保持力值时，停止催化剂载体/支撑垫组件的推入并同时停止收缩金属外壳的周长；第三步：将金属外壳的两端与端锥焊接在一起。本发明的优点是：方法简单、制作精度高，且能够减少催化剂载体封装后在外壳内的轴向保持力的变差。

Description

一种三元催化转换器的制造方法

技术领域

本发明涉及一种三元催化转换器的制造方法，属于转换器制造技术领域。

背景技术

为了控制汽车尾气的排放，三元催化转换器已经被使用了很多年，有着不同的制造技术。由于该产品成本相当高，且其生产属劳动密集型，所以为了降低制造成本，同时提高产品的耐久性和稳定性，人们开发了很多制造技术。

其中一种是，先将外壳进行预成型，然后用有着一定厚度和重量的膨胀或非膨胀支撑垫将催化剂包裹，塞入成型好的外壳。包好的催化剂载体外径大约比外壳内径大8个毫米，然后包好的催化剂载体和支撑垫子总成通过一个填料模被塞入外壳内，所需的塞入力可达到大约20,000磅。非常特别地，在此范围内，或许7,000磅的塞入力也会用到。

另外一种是“捆绑式”，这种封装方式催化剂载体和支撑垫不需要经过填料模的过压缩，因此在封装过程中避免了经受高的塞入力。这种方式是把包好的催化剂子总成放入纵向开口的外壳内，然后经捆绑后压缩到该产品设计尺寸，外壳的纵向开口将以搭接的形式被焊接到一起。这种制造技术也属于高成本，劳动密集型。由于外壳的纵向开口是搭接接头设计方式，所以设计时要充分考虑到外壳搭接处的内布空间，搭接处多余的外壳材料将会导该区域支撑垫密度改变。

另外一种是“Size-To-Fit”，根据每片支撑垫重量和催化剂载体尺寸(例如，直径)的实际测量结果，系统会根据支撑垫设计时所要求的厚度方向上的压缩量自动计算出相应的所需外壳的内径，然后外壳将被收缩或扩大到该尺寸(例如，直径)，从而保证封装后支撑垫被压缩到的密度的一致性。然后，包好的催化剂将被塞入相应成型后的外壳内。这种封装方式企图间接地保证催化剂载体封装后的轴向保持力，从而防止催化剂载体和支撑垫在外壳内的轴向窜动。

还有一种封装技术是“Size-To-Force”。包好的催化剂被塞入一个测量夹具中，测量夹具会根据产品设计时给出的支撑垫所需的压缩力来定义所需外壳内径，然后外壳被加工到相应尺寸(例如，直径)，然后，包好的催化剂被塞入成型后的外壳。这种封装方式也是企图间接地保证催化剂载体封装后的轴向保持力，从而防止催化剂载体和支撑垫在外壳内的轴向窜动。

上面所提到的制造技术都是企图通过压缩后支撑垫来很好地保持催化剂载体的轴向保持力，同时支撑垫又在催化剂和外壳之间起到了隔热和隔音的作用。尽管这么多的三元催化转换器制造技术，但是要完成那样的目标还是有一些困难。适当的催化剂载体的轴向保持力，是为了预防催化剂载体和支撑垫在使用过程中沿外壳的轴向窜动，这就要求支撑垫的密度、相对于外壳和催化剂载体的摩擦系数以及别的特性要保持较好的一致性。由于材料本身有些变化，支撑垫、催化剂和外壳的不同组合，以及这些原材料制造批次之间的变化，所以为了达到产品的这些一致性所需要的所有参数的精确控制将要求大量的测试，以及原材料一致性和质量的精确控制。所以，对于有着多个零部件组合的三元催化转换器，要满足其催化剂载体封装后的轴向保持力的一致性，还是比较难做到的。例如，所用到的各种衬垫会使用不同的添加物来得到不同的隔热和其它性能。这些添加物会影响到支撑垫的压缩性能，以及相对于外壳和催化剂载体的摩擦系数。除了支撑垫这些物理特性的变化，外壳的材料也会有不同的变化，例如不同等级的不锈钢，它们每个都有着不同的表面特征，外壳内径，还有其他一些沿外壳长度上方向变化的特性，这些也都是影响因素。此外，催化剂载体也会有不同的陶瓷材料和成份组成，每个都有着不同外形尺寸(例如，表面粗糙度和外径)，或许还有一些催化剂材料残留在催化剂载体的外表面，导致催化剂载体有不同的外形和表面摩擦系数。这些变化的因素都直接地影响着催化剂载体装配后轴向保持力的一致性，因为，支撑垫就像一个弹簧，通过外壳内壁施加压缩力给催化剂载体表面，以及其与外壳和催化剂载体之间的摩擦系数等，所有这些因素都是用来固定催化剂载体和支撑垫，使其在使用过程中不发生沿外壳轴向的窜动。

以上介绍的制造技术，都是根据催化剂载体所需的轴向保持力用各组件所需尺寸间接地控制其轴向保持力，它们以支撑垫与外壳以及催化剂载体的摩擦系数为前提条件，包括影响摩擦系数的因素，如催化剂载体的表面形态和各种材料变差或表面光洁度等；为保证催化剂载体在外壳中的轴向保持力稳定，这些方法通常控制支撑垫被外壳和催化剂载体压缩后的密度或单位密度。众所周知，这样的保持力会有着很多不确定的变差。这种变差可能会导致使用这些方法的催化转换器以及安装这些催化转换器车辆的不确定性故障率。如果支撑垫的压缩力太低，或者假设的摩擦系数都不准确，或是这两种情况的综合，催化剂载体在外壳内可能发生窜动。如果压缩力太高，支撑垫的隔热效果会降低或催化剂载体受到的压力过大，其中任何一种情况都可能会导致催化剂载体的失效以及催化转换器后续功能的失效。因此，减少催化剂载体封装后在外壳内的轴向保持力的变差是非常必要的，从而提高三元催化转换器的整体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接地控制催化剂载体轴向保持力的三元催化转换器的制造方法，其能够减少催化剂载体封装后在外壳内的轴向保持力的变差，提高三元催化转换器的整体性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种三元催化转换器的制造方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：将支撑垫包裹在催化剂载体外侧构成催化剂载体/支撑垫组件，将催化剂载体/支撑垫组件以滑动的方式置于金属外壳内；

第二步：通过推力施加装置在催化剂载体/支撑垫组件的一侧施加轴向推力，同时通过收缩装置来收缩金属外壳的周长，当轴向推力达到给定的催化剂载体轴向保持力值时，停止催化剂载体/支撑垫组件的推入并同时停止收缩金属外壳的周长；

第三步：将金属外壳的两端与端锥焊接在一起。

进一步地，所述收缩装置为设置在金属外壳的外侧的收缩模具。所述收缩模具可包括第一环形模具和第二环形模具，第一环形模具设于金属外壳的外侧，第二环形模具设于第一环形模具的外侧，第一环形模具和第二环形模具的纵截面皆为梯形，第二环形模具与第一环形模具之间的接触面为斜面。

所述推力施加装置为设置在催化剂载体/支撑垫组件一侧的电动丝杆。

进一步地，所述推力施加装置连接轴向力限制机构。所述轴向力限制机构可为离合器。所述轴向力限制机构也可为力传感器，所述力传感器连接控制器，所述控制器连接电动丝杆的电动马达。

所述第二步中，在催化剂载体/支撑垫组件的一侧施加轴向推力的同时，在催化剂载体/支撑垫组件的另一侧施加一个轴向反向力。

本发明的优点是：方法简单、制作精度高，且能够减少催化剂载体封装后在外壳内的轴向保持力的变差。

附图说明

图1为三元催化转换器的剖视图；

图2为三元催化转换器横断面图a；

图3为三元催化转换器横断面图b；

图4为三元催化转换器的制作方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，为三元催化转换器的剖视图，所述的三元催化转换器10包括一个金属外壳14和一个催化剂载体12，催化剂涂覆在催化剂载体12上。催化剂载体12和金属外壳14可以是各种适当的形状、尺寸。一般建议将催化剂载体12和金属外壳14的形状设计成相同，这样催化剂载体12可以通过其外表面16被装配在金属外壳14的内表面18形成的金属外壳14型腔内，该型腔方向为金属外壳14纵轴方向20。例如，催化剂载体12和金属外壳14都可以为圆柱体，催化剂载体12被装配到金属外壳14的型腔内。压缩的支撑垫22被装配在金属外壳14和催化剂载体12之间，包裹在催化剂载体12的周围。金属外壳14至少包括一个开口端部，通常有两个端部以便使尾气通过。这两个端部至少安装有一个端锥56、端盖(图中无显示)，或排气岐管(图中无显示)，将用来连接到汽车排气系统组件(图中无显示)，如发动机排气岐管，连接管、排气管、柔性节、法兰或其它排气系统组件。当汽车尾气进入排气系统时，汽车尾气将通过三元催化转换器，其中的催化剂将会处理经过的汽车尾气，去除那些影响环境的有害气体成分。

压缩后的支撑垫22被装在金属外壳14的内表面18和催化剂载体12的外表面16之间的空隙内。支撑垫22的材料特性及数量决定了该空隙内的支撑垫密度(GBD)。支撑垫22相对于金属外壳14的摩擦系数为第一摩擦系数，其相对于催化剂载体12的为第二摩擦系数。如图1所示，支撑垫22在压缩状态下，在催化剂载体12表面提供了弹性压力，使催化剂载体12固定在金属外壳14内。通过本文中描述的方法进行周长的控制，通过不断减少周长，提供一定的弹性压力、第一摩擦系数和第二摩擦系数从而达到设计的催化剂载体轴向保持力。一旦达到给定的轴向保持力，周长减少就完成了。

如图4所示，上述三元催化转换器的制作方法，如下：

第一步：取一块一定周长的催化剂载体12和一片支撑垫22。催化剂载体12可以是各种适当的形状，如圆柱体。如图2和图3所示，分别为三元催化转换器横断面图a和b，金属外壳14的形状(如金属外壳14垂直剖面外表面的形状)是一个圆形。可以使用各种适当的催化剂载体12形状和周长，如各种圆形、椭圆形或其它形状。支撑垫22可以用此文中描述的材料制成，包裹在催化剂载体12周围，构成催化剂载体/支撑垫组件90。

取一只金属外壳14，该金属外壳14有一定的壁厚、周长和型腔，金属外壳14可以是各种适当的形状，如圆柱体。可以采用各种适当的金属外壳14形状和周长，如各种圆形、椭圆形或其它形状。通常情况下，金属外壳14和催化剂载体12外形设计一样，如圆柱体。金属外壳14用来容纳催化剂载体/支撑垫组件90，它的直径大于催化剂载体/支撑垫组件90的外径。两者的直径差别应设计成足够大，使催化剂载体/支撑垫组件90可以不受任何阻力地塞入金属外壳14，或者只需轻微的轴向推力，或者设计成差别足够小，但其需要的轴向推力应不大于给定的催化剂载体12轴向保持力。

将催化剂载体/支撑垫组件90塞入金属外壳14。当设计成无阻力塞入时，把催化剂载体/支撑垫组件90直接塞入金属外壳14；如果设计成有阻力塞入时，可使用足够的轴向推力F将催化剂载体/支撑垫组件90塞入金属外壳14。

第二步：当塞催化剂载体/支撑垫组件90进入金属外壳14时，通过一种适当的机构来同时收缩金属外壳14的周长。如图2所示，可用一套收缩模具将装有催化剂载体/支撑垫组件90的金属外壳14收缩，所述收缩模具包括第一环形模具30和第二环形模具32，第一环形模具30设于金属外壳14的外侧，第二环形模具32设于第一环形模具30的外侧，第一环形模具30和第二环形模具32的纵截面皆为梯形，第二环形模具32与第一环形模具30之间的接触面为斜面。当第一环形模具30和第二环形模具32沿着横向箭头34所示方向相对移动时，金属外壳14的外径或周长就会由于金属外壳14受到外部收缩力的作用沿图中纵向箭头36所示方向减少。当金属外壳14直径因受力减少时，一个轴向的推力F也将被用来将催化剂载体/支撑垫组件90逐渐塞入到金属外壳14内。当金属外壳14直径减少时，支撑垫22也会被金属外壳14内壁逐渐压缩，随着支撑垫22被逐渐的压缩，支撑垫22相对于金属外壳14的滑动摩擦系数，以及所施加在催化剂载体12上的轴向推力F也随之增加。当轴向推力F达到给定的轴向保持力时，金属外壳14的收缩和催化剂载体/支撑垫组件90的轴向移动将停止。金属外壳14收缩和催化剂载体/支撑垫组件90轴向移动停止时，轴向推力所达到的值可以是任何适当的值，但所选择的值最好和在催化转换器10设计中催化剂载体12的轴向保持力一致。该设计力的大小会因催化剂载体/支撑垫组件90的形状和大小、金属外壳14、车辆要求及其它因素的变化而不同。使用本方法，可以通过控制该给定的推力值来保证其产品结果的一致性。对于既定的催化剂载体12、支撑垫22和金属外壳14设计组合，使用本方法，可以容忍来自原材料尺寸和材料的一些公差，辟如经常发生的原材料批次之间的变化，通过控制金属外壳14的收缩模具来达到相同的给定催化剂载体保持力。如果产品设计和原材料组合相同，为了达到给定的轴向保持力，如圆柱体设计，每个催化剂载体12/支撑垫22/金属外壳14总成所需要的收缩模具的收缩力通常会使金属外壳14直径发生变化，或使其它非圆柱体外部尺寸变化，因此催化剂载体12轴向保持力的变化将会被不同程度地大幅降低或甚至被消除。通过将产品加工到给定的轴向保持力，金属外壳14的外形尺寸变化倾向(例如直径)可以被观察到，对于一个给定的设计(如产品号)，其金属外壳14外部尺寸的变化量通常可以通过尺寸公差的形式被定义下来，可以通过各种方法进行补偿，如通过设计装配特征，来消除这种变化带来的影响。

可以使用各种适当的方式，施加足够的轴向推力到这些组件上，使将其塞入金属外壳14。如图2和图3中，通常使用电动丝杆40产生的轴向力将催化剂载体/支撑垫组件90塞入金属外壳14。轴向推力一般可以被应用到催化剂载体12和支撑垫22这两个零件上，但是也可以仅仅应用到催化剂载体12上，因为催化剂载体12和支撑垫22之间的摩擦系数大于支撑垫22和金属外壳14之间的摩擦系数，所以塞入时将是支撑垫22相对于金属外壳14之间的滑动，而非支撑垫22和催化剂载体12之间的滑动。

在塞入过程中，限制轴向推力F到一个给定的催化剂载体轴向保持力，当达到该值时，可以通过各种适当的限制轴向力的方法来停止金属外壳14外径的收缩和催化剂载体12的塞入。电动丝杆可以通过用一个轴向力限制机构来控制丝杆的轴向推力到给定的催化剂载体轴向保持力。如图2所示，轴向推力限制机构可包括一套完整的力限制机构，如与电动丝杆40连接的离合器42，用来限制用于电动丝杆40上的最大轴向力。最大轴向力将被控制到给催化剂载体12定轴向保持力。如图3所示，轴向推力限制机构也可能是一个单独的轴向力限制机构，如力传感器44，它与控制器46连接在一起。控制器46用来探测应用在催化剂载体12上的轴向推力的大小，并用过信号和电动丝杆40的电动马达联系在一起，当轴向推力达到给定的轴向保持力时，停止金属外壳14收缩和载体的塞入。

三元催化转换器的制造中关于催化剂载体轴向力的控制也可以通过另一种方式实现：施加轴向推力F在催化剂载体一端，同时在催化剂载体的另一端应用另一个反向轴向推力T。通过给这一系统施加一系列的有助于轴向力测量或轴向力的限制的力，这种反向力的应用将有助于提高催化剂轴向保持力设计值的测定。

第三步，将金属外壳14的一端50与第一端锥54焊接在一起，另一端52与第二端锥56焊接在一起，第一端锥54和第二端锥56部分地将金属外壳14和催化剂载体12封装起来。

所述催化剂载体12上可以涂覆任何用于火花点火或柴油机尾气净化的各种材料，并具备以下特点：耐温高达1000℃；可直接接触碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和/或硫化物；有足够的比表面积和完整的结构，来涂覆所需的催化剂。

催化剂载体12可用的材料包括堇青石、碳化硅、金属箔、绵状氧化铝等等，还可以是包含上述至少一种材质的混合物，其中尤以堇青石以及堇青石混合物为佳。可用的陶瓷材料包括密西根州南菲尔德市NGK-Locke公司生产的商用“HONEY CERAM”陶瓷，和纽约州康宁市Corning公司生产的商用“CELCOR”陶瓷。氧化锆也可以添入催化剂载体12材料中，以增强高密度及薄壁催化剂载体12的结构强度。尽管催化剂载体12可以做成各种形状和尺寸，但是其形状和尺寸最好根据给定的三元催化转换器10的设计参数，做成最大比表面积的形状和尺寸。典型的催化剂载体12形状为蜂窝状，单元格可以是任何多边形或圆形，目前大多选择正方形、六角形、八角形或类似的几何形状，以便于生产制造和增加比表面积。催化剂载体12为单元格结构，利用挤压技术将多个单元格以蜂窝状行式排列，或诸如此类的形状。挤压技术是一种机械式加工，将湿软的载体材料通过一个带有一定形状开口的模具挤压成要求的形状，根据不同的单元格密度和壁厚形成所需要单元格状结构。例如，传统的催化剂载体12每平方英寸包含大约400个单元格，壁厚约为8到10米尔(一米尔约等于0.001英寸，或约0.025毫米)。薄壁高密度的催化剂载体12每平方英寸可包含高达1,200多个单元格，单元格壁厚约为2到3.5米尔，壁厚以约为2.5米尔的为佳，2米尔的最佳。涂覆在催化剂载体12上的可以是一层催化剂，用来将汽车排气处理到技术所要求的尾气排放水平。催化剂可以是一种或几种催化剂材料，通过涂覆、吸收、浸泡、物理吸附、化学吸收、沉淀凝结或其它方式附着于催化剂载体12。可用来做催化剂材料包括金属材料，如铂、钯、铑、铱、锇、钉、钽、锆、钇、铈、镍、铜等，以及至少含有一种上述金属的氧化物、混合物或合金，或者其它常规催化剂材料。使用上述任一方法或综合使用上述方法，除了可以将催化剂涂覆在催化剂载体12上之外，也可将抗腐蚀耐高温材料涂覆在局部或整个催化剂载体12上。耐高温材料可以是有机磷酸酯混合物，其中阳离子最好是过渡金属、稀土金属或碱性金属、和包含有至少上述一种金属等，例如铈、钡、铝、锆，最好是磷酸锆。磷酸锆可与催化剂载体12材料的菫青石混合物中的氧化锆结合。磷酸锆最好应用于堇青石或使用热浸法处理的催化剂载体12的菫青石混合物。可以把催化剂载体12浸入含有金属锆和磷酸的溶液，该溶液反应形成磷酸锆。产生的磷酸锆层厚达10纳米，一般达到8纳米时是比较理想的结果，最好程度是达到4纳米。磷酸锆有以下优点：(1)密度约为2.83g/cc；(2)孔隙度约15％-20％；(3)热传导率约为6.2BTU-in/hr-ft²-°F；(4)可以承受最高为2,800°F的工作温度；(5)极好的抗热冲击性能，例如可以承受每分钟加热或冷却2,000℃而不受热冲击影响。在正常以及酸性条件下，它也抗腐蚀性材料，例如抗稀土元素、碱土金属离子、过渡金属氧化物以及贵金属盐，含有氮氧化物和硫氧化物的成分。与其相比，堇青石密度较低，约为2.44g/cc，孔隙度几乎为零，传热率约为14BTU-in/hr-ft²-°F。和磷酸锆不同，在酸性环境下，以堇青石为主的催化剂表面会被腐蚀，其结构完整性受损。而且，以堇青石为主的催化剂载体12仅能忍受最大约1000摄氏度的工作温度，其抗热冲击性也不高。

支撑垫22起到使外壳隔离于来之高的汽车排气热量和催化反应热量的作用。支撑垫22通过在催化剂载体12上施加径向压力，提高了催化剂载体12的结构强度，减少了其轴向窜动，使其始终固定在其位置。支撑垫22材料既可采用膨胀性材料，如含有陶瓷的材料，也可以为其它传统材料如有机粘结剂等，或者至少包含上述一种材料以及和一种遇热膨胀的蛭石的合成剂，这样，在金属外壳14从催化基体向外膨胀时，可获得一致的压缩力，使之紧密结合，或采用不含有蛭石，或者不含有包括上述两种成分的合成材料的非膨胀型衬垫。典型非膨胀材料包括“3M”公司、Minneapolis公司和Minn公司出售的″NEXTEL″和″SAFFIL″牌材料，或其它材料，如Unifrax公司、Niagara Falls公司、N.Y.公司等出售的″FEBERFRAX″和″CC-MAX″牌的材料。膨胀材料包括″3M″公司，Minneapolis公司和Minn.公司出售的″INTERAM″牌材料，或″FIBERFRAX″牌膨胀材料，或者和其它材料的合成材料。

金属外壳14材质的选择取决于汽车排气的类型、催化剂载体12的最高工作温度、汽车排气的最高温度等。适合作金属外壳14的材料为可以耐受汽车底盘下的盐、高温、腐蚀环境的材料。通常使用的为铁基料，如铁素体不锈钢。铁素体不锈钢包括400系列的不锈钢，如SS-409，SS-439和S-441，常用的一般为SS-409。

Claims (8)

1.一种三元催化转换器的制造方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：将支撑垫(22)包裹在催化剂载体(12)外侧构成催化剂载体/支撑垫组件(90)，将催化剂载体/支撑垫组件(90)以滑动的方式置于金属外壳(14)内；

第二步：通过推力施加装置在催化剂载体/支撑垫组件(90)的一侧施加轴向推力，同时通过收缩装置来收缩金属外壳(14)的周长，当轴向推力达到给定的催化剂载体轴向保持力值时，停止催化剂载体/支撑垫组件(90)的推入并同时停止收缩金属外壳(14)的周长；

第三步：将金属外壳(14)的两端与端锥焊接在一起。

2.如权利要求1所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述收缩装置为设置在金属外壳(14)的外侧的收缩模具。

3.如权利要求2所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述收缩模具包括第一环形模具(30)和第二环形模具(32)，第一环形模具(30)设于金属外壳(14)的外侧，第二环形模具(32)设于第一环形模具(30)的外侧，第一环形模具(30)和第二环形模具(32)的纵截面皆为梯形，第二环形模具(32)与第一环形模具(30)之间的接触面为斜面。

4.如权利要求1所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述推力施加装置为设置在催化剂载体/支撑垫组件(90)一侧的电动丝杆(40)。

5.如权利要求4所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述推力施加装置连接轴向力限制机构。

6.如权利要求5所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述轴向力限制机构为离合器(42)。

7.如权利要求5所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述轴向力限制机构为力传感器(44)，所述力传感器(44)连接控制器(46)，所述控制器(46)连接电动丝杆(40)的电动马达。

8.如权利要求1所述的三元催化转换器的制造方法，其特征在于，所述第二步中，在催化剂载体/支撑垫组件(90)的一侧施加轴向推力的同时，在催化剂载体/支撑垫组件(90)的另一侧施加一个轴向反向力。

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