CN1040242C - 催化式排气净化器及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种催化式排气净化器，包括一个具有一定内径的套管，至少有两个由构成许多气体流动通道的金属薄板夹层制成的独立的蜂窝体，这些蜂窝体配置在该套管内，气体可以沿着流动方向通过该蜂窝体，其特征在于：所述金属薄板夹层可通过焊接技术(特别是硬焊)与套管相连接，由于其内部结构的原因，在初应力作用下，弹性蜂窝体在插入套管时的弹性压缩量为其理论上的无应变状态下的直径的2～10%。

Description

催化式排气净化器及其生产方法
本发明涉及一种在套管中装有两个或更多个蜂窝体的催化式排气净化器及其生产方法。催化式排气净化器尤其是用来净化内燃机的废气，它主要在汽车中使用。为了增大其表面积，这类净化器通常包括两个或更多个蜂窝体，蜂窝体具有许多供废气流动的通道。由于不可能生产出任意尺寸的大容积单个蜂窝体，人们通常将许多这种蜂窝体一个接着一个地放置在套管中。在某些情况下，这些蜂窝体之间的空隙还可以产生一种额外的混合作用，因而还可以得到某些附加的好处。
随然有关在单个套管中放置两个或更多个蜂窝体的参考资料很多(例如德国专利DE3939490A1就是本发明的出发点)，但是迄今为止，它们仍没有能解决有经济价值的大量生产这种催化式排气净化器这个大问题。由于各种原因(这将在下文中详细叙述)，具有两个或更多个蜂窝体的催化式排气净化器应该在加工和喷涂过程一结束就得马上进行装配(通常用焊接)，这样就使一体化生产的优点不能充分发挥出来，而只能进行单件生产。
原因之一是生产出一个催化式排气净化器需要进行许多加工工序。不但需要把各蜂窝体插入套管中，而且还需要进行涂覆钎焊材料、钎焊和在其后进行的表面喷涂诸工序。对于在德国专利DE3939490A1中介绍的这种典型的螺旋形蜂窝体来说，在它们最终被钎焊连接成一体之前，当受到轴向力时，将会引起卷绕层之间的相互错位，通称“轴向套叠”。因此，在加工时必须避免发生轴向力。此外，也不可能在直立位置对蜂窝体进行钎焊，因为此时由于重量造成的轴向力将会使其位置发生变化。蜂窝体在套管中的精确位置也多半不能实现。因为光滑金属薄板实际上沿环状延伸，由光滑金属薄板和金属波纹薄板夹层螺旋卷绕成的蜂窝体的弹性并不很大，所以由这种蜂窝体所产生的弹性力并不足以吸收在高速生产中所产生的轴向力。
从现有技术(欧洲专利EP0430945B1和EP0279159B1)中可以看到一些其它形状的蜂窝体，这些蜂窝体由于其特殊结构而增加了它们的弹性。欧洲专利EP0454712B1中还公开了一种装有微型结构件的蜂窝体，这些微型结构件沿着流向的横切方向延伸，它除了影响流动以外，还可以使金属薄板之间相钩住，从而在金属薄板夹层之间建立了一种可以阻止其相互移动的成形锁紧件。
本发明的目的在于创造一种在套管中装有两个或更多个蜂窝体的催化式排气净化器，这种净化器即使在高速大量生产的条件下，也能制造出来。本发明的另一目的是想提供一种在套管中装有两个或更多个蜂窝体的催化式排气争化器的制造方法。
为此，本发明提供具有下述结构的一种催化式排气净化器，该净化器包括：
一个内径为D的套管：
至少两个由构成流动通道的结构金属薄板夹层制成的独立的蜂窝体，这些蜂窝体被安装在套管中，流体可以沿着流动方向通过该蜂窝体；
其中金属薄板夹层通过焊接与套管相连接；
其特征在于：其内部结构而具弹性的蜂窝体在初应力作用下插入套管的弹性压缩量为其理论上的无应变状态下的直径d的2～10％。
本发明基于下面的认识：只有当蜂窝体在套管中被很大的弹性力所完全固定以及单个金属薄板夹层之间不再发生相对移动时，加快高速生产过程和使蜂窝体处于直立位置进行钎焊(由于各种技术和空间尺寸的原因一般希望如此)才有可能实现。为了产生这样大的弹性力，蜂窝体必须受到压缩，其压缩量至少为其理论上的无应变状态下的直径的2～10％。由于蜂窝体是一个金属薄板结构，该理论上的无应变状态下的直径应理解为在没有受到压缩作用时的一个密集的卷绕体或层叠体的直径。当然，由于在生产过程中受到压力的作用，蜂窝体会产生变形。因此，在生产过程中实际上决不会出现这个理论上的无应变状态下的直径。然而，重要的一点是，蜂窝体通过其独特的结构实际上应允许在这个数量级进行弹性压缩。为此，必须或者使用现有技术中弹性更好的结构，或者使用特殊的波纹薄板来做单独的薄板夹层。使用由许多金属薄板相互缠结在一起的蜂窝体或由不同波纹形(不是螺旋形)的光滑金属薄板夹层构成的蜂窝体都能符合上述要求。由这些结构所获得的弹性力甚至足以满足在高温真空钎焊过程中应保持的剩余弹性的要求，该弹性力是如此之高，足以允许蜂窝体处于直立位置进行钎焊。虽然在钎焊过程中部分弹性变形可能会转变为塑性变形，但是某些剩余弹性始终能保持下来。当进行钎焊(无振动时)，该剩余弹性就能够防止蜂窝体和薄板相互之间发生移动。尽管我们已经可以对装在套管中处于直立位置的单个蜂窝体进行钎焊，而蜂窝体又可以以其下面作为支承，但是由于并非所有的蜂窝体都能同时在其下面取得支承，因此，当套管中装有两个或更多个蜂窝体时，只有依靠足够大的固定力才能解决蜂窝体与薄板夹层相互之间发生移动的问题。
弹性力的作用还可以通过蜂窝体的某种结构或其内部的成形锁紧件而得到加强。特别是内部的成形锁紧件可以阻止螺旋形卷绕夹层的轴向移动，否则这种轴向移动是容易发生的。使用卷绕成S形的金属薄板或具有许多缠结在一起的金属薄板的蜂窝体也有助于防止金属薄板夹层的轴向移动，因为这些薄板比较短，并且以其端部靠在套管上，从而这种轴向移动就为很大的摩擦力所阻止。
此外，这种作用还可以通过对套管和蜂窝体的材料进行适当的配对而得到改进。在这里不但是材料的表面特性，而且最重要的是材料的热膨胀系数起着重要作用。在热处理或钎焊过程中，由于套管的热膨胀要比蜂窝体大得多，因而在这个过程中摩擦力就减小，并发生了不希望有的轴向移动。虽然奥氏体特殊钢常常用作安装蜂窝体的套管的材料，但在本发明中，使用耐腐蚀的铁素体特殊钢更为有利，特别是用材料标记为1.4509或1.4512的钢。
即使对于装有许多个蜂窝体的催化式排气净化器，本发明仍可以用一根整体套管来做成这种净化器，特别是在蜂窝体之间没有任何圆焊缝。从原则上说，如果各单个蜂窝体具有不同的直径，本发明的整体套管也可以做成尺寸分段的，但它仍具有本发明的一切优点。
蜂窝体在套管中的固定和精确位置可以利用内部突缘来加强，这种突缘在蜂窝体插入套管时可以起挡块的作用，而在以后的加工工序中则可以起固定件的作用。我们完全可以通过压缩蜂窝体把它推过内部突缘，随后它的压缩变形又有某些恢复。但是，在许多应用场合，不用内部突缘的附加构造也是完全可以的。
如果各蜂窝体在单位横截面积上的气体流动通道数目不相同，上述所有措施也可以直接使用。这些措施也可以用于分布在整个气体流动横截面上的各单位横截面积的气体流动通道数目不相同的蜂窝体中。
同样重要的一点是，在一根套管内对许多蜂窝体一起进行涂层是可能的。在这方面缺乏经验可能是为什么所生产的催化式排气净化器至今还远没有得到大量工业应用的一个原因。最初有人认为：用陶瓷材料作涂层(通常这是用喷洒陶瓷粉浆的方法来实现的)将会出现的问题是，较大的液滴可能在上部的蜂窝体中形成，并且可能堵塞下部的蜂窝体。然而实际上，如下文还要进一步详细说明的那样，人们已经知道，当满足某些外部条件时，对在一根套管中的许多蜂窝体进行均匀涂层是可能的。
本发明的另一方面是提供一种生产催化式排气净化器的方法，其中包括：至少两个蜂窝体在初应力的作用下，从一端或两端顺序或同时插入到一个预制的一个套管中；蜂窝体在插入套管之前受到弹性压缩，此弹性压缩量为其理论上的无应变状态下的直径的2～10％；或该套管在蜂窝体插入之后至少在局部区域将受到塑性压缩，该塑性压缩量为套管内径的2～10％。
从原则上说，一个受到弹性压缩的蜂窝体插入一个没有变形的套管，与一个具有初始的轻微弹性变形的蜂窝体，由于插入套管后而受到套管塑性变形的作用而使其弹性变形增加，这两种方案并没有什么区别。上述两种方案的组合方案也是可能的，简要地说，蜂窝体必须至少受到一个初应力，该初应力应与该蜂窝体理论上的无应变状态下的直径的2～10％的压缩变形相当。
为了使蜂窝体以后能牢固地钎焊在套管上，在它装入套管以前，先在套管内侧(至少在某些区域)涂上粉状硬钎料是较好的一种方法。这是人所共知的一种方法。
此外，蜂窝体在插入套管中以后，粉状硬钎料就作用在该蜂窝体的外端面上(以人们所熟知的方式)。当然，在卷绕蜂窝体以前(或在卷绕时)使用其他的涂覆粉料硬钎料的方法也是可行的。
为了增加整个结构的机械强度并且对蜂窝体进行辅助固定，内部突缘可在蜂窝体插入套管以前(或以后)压制出来。这些内部突缘可以对蜂窝体的位置起挡块和/或精确定位的作用。
上述方法步骤可以保证即便是在高温真空钎焊的过程中，该蜂窝体的预加应力对于它的固定仍然是足够的。因此，蜂窝体可以直立在钎焊炉中进行钎焊，这种方法除了可以节省空间以外，在技术上还有以下几个优点。首先，由于液态的硬钎料不可能集中在蜂窝体的某一边，硬钎料可以在蜂窝体四周取得更均匀的分布，另一方面也避免了变形。直立位置对于炉子抽真空也是有利的。
在随后进行的涂层工序中，由于同样的原因，直立位置也特别有利。在用陶瓷合成物进行涂层时，是用陶瓷粉浆从上方对蜂窝体进行喷洒的。只要这种陶瓷粉浆的颗粒尺寸比气体流动通道的直径小得很多，对于一个接一个地上下垂直安放的许多蜂窝体进行涂层是没有困难的。
在单位横截面上的气体流动通道数目有不同的各蜂窝体中，建议把单位横截面上气体流动通道最少的那个蜂窝体放在顶部，这样，该蜂窝体就可以第一个受到陶瓷粉浆的喷洒。此时，粉浆的分布既没有显著的变化，也不会有任何可能使位于较低位置的第二个蜂窝体中的通道堵塞的较大液滴产生。
在装有不同横截面积的蜂窝体的分段套管的情况下，建议把横截面积最大的那个蜂窝体放在顶部，使之首先受到粉浆的喷洒。这种安排可以保证位于较低位置的较小蜂窝体也能获得完整的涂层，如果安装顺序与此相反，要做到这一点就十分困难。
下面我们将通过附图中的几个典型实施例来对本发明作出更详细的说明，但本发明并不局限于这些实施例。其中：
图1为在套管中装有两个蜂窝体的催化式排气净化器的局部剖开的透视图；
图2为一个设有微型结构件的蜂窝体在加工中，该微型结构件沿着气体流动方向的横切方向延伸；
图3为一个装有三个蜂窝体的套管的横剖面图，各蜂窝体在单位横截面上的气体流动通道的数目各不相同；
图4为一个套管的横剖面图，该套管上有一个用来对两个蜂窝体作辅助固定的内突缘；
图5，6和7中示出了装有两个蜂窝体的催化式排气净化器的不同结构形式；及
图8为一个催化式排气净化器的横剖面，该净化器内装有两个不同直径的蜂窝体。
图1中所示的催化式排气净化器包括一个内径为D的套管1，套管1内插入两个蜂窝体2，3。这两个蜂窝体均由光滑金属薄板4和金属波纹薄板5交替放置的薄板夹层组成。这些薄板夹层中形成了许多气体流动通道6，气体可沿流动方向S从该通道流过。蜂窝体2，3之间有空隙7。蜂窝体2可在一个特定的环形带8(如蜂窝体2上的虚线部分所表示的)上钎焊到套管1上。当然，蜂窝体3的情况也一样。蜂窝体2，3(图1中为简单起见绕成螺旋形)必须是一种金属薄板夹层结构4，5，或者是一种特殊的有弹性的内部结构。这种弹性应当足够大，以便至少可使一个无初应力的卷绕体能产生可使其直径减少2～10％这样大的弹性变形。因此，套管1外面在无应变状态下的蜂窝体2，3的直径d应该大于套管1的内径d。
图2示出了绕成螺旋形的蜂窝体3的基本结构，此处它包括一块光滑金属薄板4和一块金属波纹薄板5。对本发明，使用两种显著不同的波纹板会使效果更好，因为它能形成弹性更好的蜂窝体。为了防止绕好的蜂窝体夹层沿轴向滑动，在所有金属薄板夹层中，沿着与流动方向S的横切方向都设有微型结构件9。这些微型结构件之间互相卡住，由于这些成形锁紧件的作用，使整个蜂窝体的稳定性增加。此外，这些微型结构件9对于在蜂窝体的气体流动通道6中的气体影响也是有利的。蜂窝体3的直径d还在图2所示建议的结构型式中示出。
图3中示出了套管11的横剖面，该套管装有3个蜂窝体12，13，14，这3个蜂窝体的单位横截面积上气体流动通道的数目各不相同。蜂窝体12，13，14之间留有空隙17。本发明的这种蜂窝体可以很经济地进行大量生产。不同的蜂窝体12，13，14单位横截面上的气体流动通道的容积及数目的具体要求可以根据给定的使用条件灵活地确定。
图4示出了利用套管21上的内突缘28来对蜂窝体22，23进行辅助固定的方法。在图示实例中，蜂窝体从其端面插入，内突缘28对它起着挡块的作用。因此，更易达到精确的加工尺寸。也可以用相同的内部突缘设在端面上来固定各蜂窝体，此处当蜂窝体插入时，必须能经受严重的压缩变形，以便它能通过内部突缘并在通过后它的压缩变形有部分恢复。内部突缘还可以在蜂窝体22，23插入套管21后制成。
图5，6和7中示出了一种催化式排气净化器的一种不同结构型式。该净化器包括装有S形缠绕的金属薄板夹层54，55的蜂窝体52，53。同样，图中还示出了这些夹层所提供的许多气体流动通道56。图6示出了单位横截面积上具有较少气体流动通道56的蜂窝体52。图7示出了单位横截面积上具有较多气体流动通道56的蜂窝体53(图5中以虚线示出的部分)。图7中所示的建议结构型式还示出了蜂窝体53在理论上的无应变状态下的直径d。图5中还示意地示出了涂敷在单块金属薄板夹层54，55上的涂层50。图8示出了另一个示例性的催化式排气净化器的实施例，该净化器包括一个蜂窝体83，它的直径小于第二个蜂窝体82。蜂窝体82，83都装在同一个套管内。该套管包括大直径部分81，锥体部分84和小直径部分85。
本发明所展示的催化式排气净化器特别适合经济地进行大量生产，并且特别适合在汽车中使用。用来改进这种蜂窝体性能的大多数已知的结构型式和方法都可以毫无困难地用于本发明催化式排气净化器中。

Claims (20)

1.一种催化式排气净化器，包括：
一个内径为D的套管(1；11；21；51；81；84，85)；
至少两个由形成气体流动通道(6)的结构金属薄板夹层(4，5；54，55)制成的独立的蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)，这些蜂窝体被安装在套管(1；11；21；51；81，84，85)中，流体可以沿着流动方向S通过该蜂窝体；
该金属薄板夹层(4，5；54，55)通过焊接与套管(1；11；21；51；81，84，85)相连接；
其特征在于：其结构而具弹性的蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)在初应力作用下插入套管(1；11；21；51；81，84，85)，产生相当于其理论上的无应变状态下的直径d的2～10％的弹性压缩变形。
2.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)通过其结构形状或内部的成形锁紧件(9)来阻止其金属薄板夹层(4，5；54，55)目互之间的轴向移动。
3.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：套管(1；11；21；51；81，84，85)和夹层(4，5；54，55)由不同的材料进行配对，以增加套管(1；11；21；51；81，84，85)与薄板夹层(4，5；54，55)之间的摩擦力。
4.按权利要求3所述的催化式排气净化器，其特征在于：套管(1；11；21；51；81，84，85)由铁素体耐腐蚀特殊钢制成。
5.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：结构金属薄板夹层(54，55)包括许多互相缠结在一起的单片金属薄板，每片金属薄板都以其末端(58)固定在套管(1；11；21；51；81，84，85)上。
6.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)至少包括两种不同的金属波纹薄板(5，55)。
7.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：薄板夹层(4，5)上设有微型结构件(9)，这些微型结构件沿着气体流向(S)的横切方向或斜向延伸，其最大高度为200微米，它在薄板夹层(4，5)之间形成了成形锁紧件(9)。
8.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：套管(1；11；21；51；81，84，85)是一个在蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)之间区段没有圆形焊缝的整体件。
9.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：套管(81，84，85)在各段蜂窝体(82，83)处的直径尺寸各不相同。
10.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：套管(21)上有用来固定蜂窝体(22，23)位置的内突缘(28)。
11.按权利要求1所述的催化式排气净化器，其特征在于：蜂窝体(12，13，14；22，23；52，53；82，83)在单位横截面积上气体流动通道的数目是不相同的。
12.一种催化式排气净化器的生产方法，其特征在于：至少两个蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)在初应力作用下从一端或两端顺序或同时插入到一个预制套管(1；11；21；51；81，84，85)中，蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)在插入套管之前受弹性压缩，此弹性压缩量应为其理论上的无应变状态下的直径(d)的2～10％，或套管(1；11；21；51；81，84，85)在蜂窝体插入之后，至少在局部区域也受到塑性压缩，其压缩量为其内径(D)的2～10％。
13.按权利要求12所述的方法，其特征在于：套管(1；11；21；51；81，84，85)中的蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52；53；82，83)在同一道工序中一起被涂上陶瓷合成物(50)和催化活性材料。
14.按权利要求12所述的方法，其特征在于：在蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)插入套管(1；11；21；51；81，84，85)的内侧之前，至少在局部区域(8)内涂有粉状硬纤粉料。
15.按权利要求12所述的方法，其特征在于：蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)在插入套管(1；11；21；51；81，84，85)后，粉状硬钎料就贴在它的外端面上。
16.按权利要求12所述的方法，其特征在于：内突缘(28)是在蜂窝体(22，23)插入套管前或后在套管(21)上被向内压制出来，该突缘可作为蜂窝体(22，23)的辅助固定装置。
17.按权利要求12所述的方法，其特征在于：插入蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)的套管(1；11；21；51；81，84，85)在其直立位置(即其纵轴线垂直站立)进行高温真空钎焊。
18.按权利要求12所述的方法，其特征在于：将套管(1；11；21；51；81，84，85)和蜂窝体(2，3；12，13，14；22，23；52，53；82，83)置于直立位置，从上面对它们喷洒陶瓷粉浆，以便敷上一层多孔性陶瓷涂层(50)。
19.按权利要求18所述的方法，其特征在于：在诸蜂窝体(12，13，14；22，23；52，53；82，83)的单位横截面积上流体通道数不同的情况下，具有单位横截面积上的气体流动通道(56)数目较少的那个蜂窝体(22，52)应该放在顶部，并且首先受到陶瓷粉浆的喷洒。
20.按权利要求18所述的方法，其特征在于：在套管(81，84，85)装有不同横截面的蜂窝体(82，83)且尺寸分段不一的情况下，具有最大横截面积的蜂窝体(82)应该放在顶部，并且首先受到陶瓷粉浆的喷洒。
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