CN110195628B - 气态排放物处理组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气态排放物处理组件及其制造方法。该气态排放物处理组件通过以下方法制备：将生陶瓷混合物通过模头挤出以形成具有蜂窝状基底的挤出物，该挤出物具有沿其长度延伸的伸长泡孔，并且该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界。用于对该组件感应加热的熔融金属放置于选择的泡孔中并通过冷却凝固。

Description

气态排放物处理组件及其制造方法

相关专利的交叉引用

本美国专利申请为于2017年7月14日提交且名称为“催化转化器组件及其制造方法”的未决美国专利申请15650416的部分继续申请，该416申请为于2013年8月20日提交名称为“制造用于催化转化器的组件的方法”、现颁布为美国专利9737851的美国专利申请13971247的继续申请，该247申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2012年8月24日提交的名称为“催化转化器组件及其制造方法”的美国临时专利申请61692732和于2012年12月6日提交的名称为“催化转化器组件及其制造方法”的美国临时申请61733949的优先权。

本美国专利申请为于2016年9月8日提交的且名称为“具有感应加热的气态排放物处理结构”的未决美国专利申请15259858的部分继续申请，该858申请为于2014年8月6日提交的名称为“具有感应加热的催化转化器结构”、现颁布为美国专利9488085的美国专利申请14452800的继续申请，该800申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2013年9月18日提交的名称为“采用电流体动力学技术的催化转化器”的美国临时申请61879211和于2013年11月28日提交的名称为“利用金属组件的场加热的催化转化器”的美国临时专利申请61910067的优先权。

出于所有目的，所有上述申请均通过引用整体并入本文，并且作为本美国专利申请的一部分。

发明领域

本发明涉及气态排放物处理组件及其制造方法，该组件具有在催化转化器、微粒过滤器(PF)和相似结构中用于处理废气以减少有害污染的特定但非唯一的应用。

背景技术

美国交通部(DOT)和美国环境保护局(EPA)制定了美国联邦法规，规定了国家温室气体排放标准。从2012款车型开始，汽车制造商要求全范围(fleet-wide)内的温室气体排放量每年减少约5％。要求包括，例如，新标准规定，新标准规定新乘用车、轻型卡车及中型乘用车2016款车型中必须具有不超过每英里250克二氧化碳(CO₂)的估计综合平均排放水平。

催化转化器和DPF用于内燃机以减少当燃料作为燃烧循环的一部分被焚烧时有毒废气排放的出现。这种排放中显著存在一氧化碳和一氧化氮。这些气体对健康有害，但是可以通过分别氧化成二氧化碳和氮/氧而转化为毒性较低的气体。其它有毒气态排放产物，包括未燃烧的烃，也可以通过氧化或还原转化为毒性较低的形式。如果转化过程在高温下并在合适的催化剂存在下进行，则转化过程可以实现或加速，所述催化剂与待处理的并被转化为良性气态形式的特定有毒排放气体匹配。例如，用于将一氧化碳转化成二氧化碳的典型的催化剂为细粉碎的铂和钯，而用于将一氧化氮转化成氮和氧的典型的催化剂为细粉碎的铑。

当较冷时，即从环境空气起始温度到典型地300C或“起燃”温度级别的温度的运行温度时，催化转化器和PF的效率低，“起燃”温度是金属催化剂开始加速之前所述的污染物转化过程的温度。起燃经常被表征为发生有毒排放降低50％的温度，并且对于汽油来说为大约300℃。低于起燃温度，很少或没有催化作用发生。因此，这是车辆日常使用期间产生大部分车辆污染排放的时段。尽快使催化转化器或PF变热对减少冷启动排放很重要。

共同未决美国专利申请14452800(具有感应加热的催化转化器结构)显示了一种催化转化器装配件，其具有含多个用于使废气通过其中的泡孔的基底本体。金属位于该基底本体的预定位置，电磁场发生器与该基底本体相邻安装，用于感应地产生变化的电磁场以加热金属并由此加热该基底本体。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了制备气态排放物处理组件的方法，包括将生陶瓷混合物通过模头挤出以形成具有蜂窝状基底的挤出物，该蜂窝状基底具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，切下一段长度的该挤出物，将用于对该组件感应加热的熔融金属放置于所述长度中至少一些该泡孔的至少一部分中，以及通过冷却使该熔融金属凝固。优选地，在将所述熔融金属放置于所述至少一些该泡孔中之后将催化剂金属载体涂层施加到该基底的开泡孔的壁。

优选地，在放置该熔融金属前将该蜂窝状基底烧结。在一种变化方案中，至少一些该泡孔是被至少部分地填充的，使得该熔融金属在凝固时在所述泡孔中形成阻塞。可以将该熔融金属以高压注入未加热的泡孔。在一种形式中，该至少一些该泡孔是被用熔融金属至少部分地填充的，使得该熔融金属是所述泡孔的壁上的层。在一种变化方案中，在将熔融金属放置于所述至少一些该泡孔的所述至少一部分中之前将该蜂窝状基底加热。在一种形式中，该加热是加热该基底至接近但低于该金属的熔化温度的温度。可以将该金属最初以固体形式引入所述至少一些泡孔，然后将该引入的金属加热以熔化该引入的金属，从而它变成放置的金属。在一种形式中，固体形式的引入的金属是流化流中的粒状金属，其中含有该颗粒的储存器为流化流通过以下方式之一来调理：振荡含有该颗粒的储存器的容器和将空气注入含有该颗粒的储存器的容器。在另一种形式中，固体形式的引入的金属为金属线。

优选地，所述冷却起到冷却和凝固该熔融金属以引起该金属的第一收缩的作用和起到冷却该基底以引起该基底小于该第一收缩的第二收缩的作用，从而在该金属凝固时，在该凝固的金属与所述至少一些该泡孔的相邻壁之间的至少一些界面处建立空间。优选地，选择该金属的特性、该基底材料的特性和该至少一些该泡孔的尺寸，使得当该组件被用于排放处理并且该组件的操作温度从预期的最低温度操作增加到预期的最高温度操作时，该金属与该基底之间的差异膨胀不会完全关闭所述空间。典型地，公路车辆汽油发动机可期待在非常寒冷的区域在启动时达到负80摄氏度的温度到高速行驶时的1000摄氏度的温度操作。在一种形式中，在该挤出物的形成期间，至少一些该泡孔的壁提供有纹理化的表面，从而该熔融金属在其凝固时在一定程度上获得匹配的纹理。

根据本发明的另一方面，提供了制备气态排放物处理组件的方法，包括将生陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，切下和烧结一段长度的该挤出物以形成蜂窝状基底，将含有用于对该组件感应加热的金属的颗粒的浆料放置于该基底的至少一些该泡孔，以及烧结该浆料涂层以将该涂层粘结到该壁和强化该金属颗粒。优选地，将用于气态排放物处理的催化剂金属的载体涂层施加到烧结的浆料层上方。优选地，该浆料含有用于气态排放物处理的催化剂金属的颗粒。优选地，所述放置浆料包括迫使浆料进入所述至少一些泡孔，以及干燥该浆料以形成栓塞。

根据本发明的进一步方面，提供了制备气态排放物处理组件的方法，包括将陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，与该挤出协同，将金属与该挤出的混合物一起通过该模头供料，以及切下和烧结一段长度的该挤出物和相关的金属以形成蜂窝状基底。该金属可以包括金属线，在所述至少一些该泡孔的位置处将该线供料通过模头中的孔。优选地，该孔紧密匹配该线的截面形状和尺寸。备选地，当该陶瓷混合物通过该模头挤出时，将金属线夹带在该挤出物的壁中。在两种情况下，可以将前端固定到拉夹具，拉拽该拉夹具以保持该线紧张并且在挤出物中期望的位置。在进一步的备选方式中，金属可以包括与生陶瓷混合物混合的金属颗粒，其中在所述至少一些该泡孔的位置将该金属颗粒供料通过模头中的孔。优选地，烧结起到将金属颗粒和陶瓷混合物粘结到壁的作用。优选地，使金属颗粒的浓度足够高，使得在烧结后，至少一些金属颗粒作为金属块强化。

根据本发明的另一方面，提供了制备气态排放物处理组件的方法，包括将生陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，切下和烧结一段长度的该挤出物以形成蜂窝状基底，以及通过电解将金属层沉积到该泡孔的内表面上。优选地，在电解沉积前将导电层施加到该内表面，施加通过以下方式之一进行：将该基底浸渍在熔融金属盐中和用金属化漆来涂布。

根据本发明的进一步方面，提供了制备气态排放物处理组件的方法，包括将生陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，切下和烧结一段长度的该挤出物以形成蜂窝状基底，以及通过等离子喷涂将雾化的熔融金属层沉积到至少一些该泡孔的内表面。雾化的熔融金属可以通过引导金属粉末通过火焰和进入所选择的泡孔的入口来产生。备选地，雾化的熔融金属通过使金属熔融，将熔融金属供入喷头和将熔融金属喷入所选择的泡孔的入口来产生。在每种情况中，将该基底和雾化器/喷头之一或两者移动通过轨迹，其中与重力相结合，使金属沉积在沿着该泡孔的与其入口间隔开的位置。具体来说，将该雾化的熔融金属从该基底的一端引导，然后从该基底的另一端引导。优选地，采用真空和/或吹扫辅助来改进沉积层的形貌。

附图说明

为了说明的简单和清楚，附图中示出的元件不是按照共同的比例绘制的。例如，为清楚起见，相对于其他元件夸大了一些元件的尺寸。本发明的优点、特征和特征，以及结构的相关元件以及部件的方法、操作和功能，和制造经济的组合，将在考虑以下说明和权利要求时参考附图的内容而变得显而易见，所有这些形成说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各图中的相应部分，以及其中:

图1为现有技术气态排放物处理单元的纵向截面图。

图2为适用于本发明的实施方案的气态排放物处理单元的纵向截面图。

图3为图2的单元的的截面图。

图4为根据本发明的实施方案的气态排放物处理单元的一部分的透视截面图，显示了位于基底本体的泡孔中的金属插入物。

图5为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的用于将熔融金属注入陶瓷基底的泡孔的方法的装置的一部分的详细视图。

图6为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的用于将熔融金属注入陶瓷基底的泡孔的备选方法的装置的一部分的详细视图。

图7为用于将催化剂层施加到图6的陶瓷基底的泡孔壁的装置的一部分的详细视图。

图8为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的用于将金属颗粒放置于陶瓷基底的泡孔中的方法的装置的一部分的详细视图。

图9为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的用于利用流化流将金属颗粒放置于陶瓷基底的泡孔中的备选方法的装置的一部分的详细视图。

图10为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的用于将金属颗粒放置于陶瓷基底的泡孔中的方法的装置的一部分的详细视图，该金属最初含于浆料中。

图11为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的这样的装置的一部分的详细视图，该装置用于使放置于陶瓷基底的泡孔内的金属在该金属的外表面与该泡孔的内表面之间建立间隙。

图12为根据用于制备气态排放物处理系统的组件的本发明的一种实施方案的这样的装置的一部分的详细视图，该装置用于将线拉拽通过模头，协同挤出粘土或粘土/陶瓷混合物通过该模头，以产生含有该线的挤出物的方法。

图13为根据本发明的实施方案用于制备气态排放物处理系统的组件的这样的装置的一部分的详细视图，该装置用于将粒状金属和粘土或粘土/陶瓷混合物通过模头共挤出以产生含有该粒状金属的挤出物的方法。

图14A为根据本发明的实施方案用于制备气态排放物处理系统的组件的这样的装置的一部分的详细视图，该装置用于由金属粉末产生雾化的金属以及在陶瓷基底的泡孔的内表面上沉积雾化的金属的方法。

图14B为根据本发明的实施方案用于制备气态排放物处理系统的组件的这样的装置的一部分的详细视图，该装置用于由熔融金属的储存器产生雾化的金属以及在陶瓷基底的泡孔的内表面上沉积雾化的金属的方法。

图15和16为根据本发明的实施方案用于制备气态排放物处理系统的组件的这样的装置的一部分的详细视图，该装置用于通过电解在陶瓷基底的泡孔的内表面上沉积金属的方法。

具体实施方式

气态排放物处理组件可采用许多形式中的任意种。这些中典型的为具有圆柱形基底本体10的催化转化器，该本体通常由陶瓷材料制成并且经常被称作砖，其实例示于图1。该砖具有蜂窝状结构，其中许多小面积通道或泡孔12沿该砖的长度延伸，该泡孔被壁14分开。每平方英寸(cpsi)该基底本体10截面面积典型地有400至900个泡孔，而壁的厚度典型地范围在0.003至0.008英寸。典型地，陶瓷基底本体10在挤出工艺中形成，其中生陶瓷材料-含有粘土或粘土和粒状陶瓷的混合物-通过有适当形状的模头挤出，并从挤出物相继切出单元。将该单元烧结以将粘土组分转化成陶瓷，然后将该单元切成砖。该泡孔或通道12的区域形状可任意，只要方便贡献该基底本体10的总体强度，同时提供大接触面积，在此处流动废气可以与涂覆该泡孔内壁的热催化剂相互作用。在其它气态排放物处理比如微粒过滤器中，通道壁上可存在或不存在催化剂涂层。在微粒过滤器中，泡孔的棋盘格子集的前端被堵塞，泡孔的“相反的”棋盘格子集的后端被堵塞，并且通过驱使气态排放物从第一子集的泡孔进入相反的子集的泡孔来通过蜂窝状结构的多孔壁，从而处理该气态排放物。

在催化转化器中，管状泡孔12的内部用含有特定催化剂材料的层载体涂覆。载体涂层典型地含有基础材料，其适于确保黏附到该基底本体的固化的陶瓷材料，以及夹带的粒状催化剂材料，其用于促进减少特定污染物的化学反应。这样的催化剂材料的实例为铂和钯，它们是有效地将一氧化碳和氧转化成二氧化碳的催化剂，以及铑，其为适于将一氧化氮转化成氮和氧的催化剂。已知其它催化剂促进其它气态物质的高温氧化或还原。载体涂层通过在陶瓷糊料或浆料中产生细粉碎的催化剂的悬浮液来制备，陶瓷浆料用于引起载体涂层粘结到陶瓷基底本体的壁。作为载体涂覆以将催化剂材料置于该基底本体表面上的备选方式，基底本体材料本身可含有催化剂，从而砖在限定该泡孔边界的内表面处提供催化剂材料。

来自柴油发动机(压燃)的废气含有比汽油发动机(火花燃烧)更多的氮氧化物。即使在低水平下长期接触氮氧化物也可能导致暂时性或永久性的呼吸问题。选择催化还原(SCR)为将液体还原剂注入柴油发动机废气流与废气中的二氧化氮和一氧化氮(统称为NO_X)结合的方法。优选的还原剂为尿素(2(NH₂)₂CO，其经常被称为柴油废气流体(DEF)。在催化剂的存在下，由尿素热分解产生的氨与氮氧化物结合以产生有害性较低的产物，主要是氮和水。其它还原剂比如无水氨和氨水也可用作尿素的备选方式，但特别是对于汽车应用而言，车载存储存在较大困难。合适的催化剂可以是某种金属氧化物(如钼、钒及钨的那些)、某些贵金属和沸石中的任何一种。SCR反应的典型的温度范围在360℃至450℃，用催化剂比如活性炭来激发较低温度的反应。如在汽油发动机(火花燃烧)中，柴油发动机(压力燃烧)可能在起动后经历一段废气温度对于发生有效的SCR NO_x还原过程来说太冷的时间。本发明能应用来预热或补充加热的其它催化转化器为贫NOX催化剂系统，贫NOX捕集系统和非选择性催化还原系统。本发明也适用于这些氮氧化物排放处理装配件的每一种中。

气态排放物处理组件可具有一系列基底本体或砖10，其各自具有特定催化剂层或排放处理模式，这取决于待还原或中和的有毒排放。气态排放物处理砖可由除烧结的陶瓷以外的材料制成，比如不锈钢。此外，它们可具有与上述那些不同的蜂窝状泡孔或通道。例如，泡孔可以是圆形、方形、六角形、三角形或其它方便的截面形状。另外，如果需要优化强度和低热容量或用于其他目的，可以形成一些比其它壁更厚的挤出的蜂窝状壁，或者形成一些变化的泡孔的形状和尺寸。相邻内泡孔壁之间的连接处可以是锐角的，或者可以存在弯曲的形貌。

典型地，如在图1中所示，载体涂层的陶瓷蜂窝状砖10包裹在陶瓷纤维膨胀毯16中。金属板壳体或罐体18在气态排放物处理组件的废气管道(未示出)前后的部分之间过渡以便包围毯包裹的砖。壳体18典型地由焊接以将砖密封到位的两部分制成。膨胀毯16在壳体18和砖10之间提供缓冲以适应它们不同的热膨胀系数。金属板壳体18的金属在给定的温度升高下比砖的陶瓷材料膨胀得更多，并且如果这两种材料粘结在一起或彼此直接接触，则在这两种材料的界面处将经历破坏性的应力。毯16还缓冲来自废气系统的振动，该振动原本可能损坏基底本体10的脆性陶瓷。

在使用中，封装的砖(或多块砖)安装在车辆废气管线上以接受来自发动机的废气并且将它们传送到车辆尾管。废气32进入气态排放物处理组件10的前端并且经处理的废气34从其后部离开。在沿泡孔穿过的过程中，加热废气、陶瓷砖10和催化剂涂层以促进流动的气体接触催化剂层的处理过程。尤其是当车辆发动机在最佳的操作温度下运行时并且当存在显著通过量的废气时，这种处理组件实质上运行以减少进入到大气的有毒气体排放的存在。然而这种组件在启动时(此时砖的内部处于低温下)、在空转期间、在城市行驶期间或当在Tim Hortons的得来速(drive-through)等待咖啡时以及在混合动力汽车的电动行驶期间具有缺点。

砖的形状、形貌和泡孔密度随不同制造商而变化。例如，虽然大多数砖是圆形的，但有些是椭圆形的、正方形的或不规则的截面形状。一些装配件具有通常用催化剂金属大量载体涂覆的单级砖，而其他的可具有在每个砖上具有两个或三个不同载体涂层的两种或三种砖。一些废气装置具有在全部废气装配件中使用的900、600和400cpsi的泡孔密度，而其他的始终仅使用400cpsi个砖。紧耦合转换器可以靠近废气歧管安装，以减少启动和起燃温度之间的时间周期。地板下转换器可位于距发动机的更远处，在那里它将需要相对较长时间加热，但它将相对较大并且一旦废气装配件达到温度就用于处理大部分气体。在另一种配置中，将用于减少达到起燃温度的时间周期的组件和在起燃后处理高气体流量的组件一起安装在共同的壳体中。

在装配件中的一个或多个位置处，安装在包括在基底本体内或附近的废气流中的传感器向发动机控制系统提供反馈，以用于排放检查和调谐目的。除启动之外，燃料和空气输入的控制具有对于功率和清洁度的最佳组合而言典型地保持为14.6：1的空气：燃料比率的目标。高于该比率产生贫条件-燃料不足。较低的比率产生富条件-燃料过多。在一些车辆上的启动程序在最初的几秒钟内在富条件下运行，以使热量进入到发动机中并最终进入到催化转化器中。下面描述的用于间接加热催化剂层和废气的结构和操作方法可以与紧耦合的催化转化器、地板下转换器和两者的组合中的之一一起使用。来自温度传感器的输出被送到控制器，在控制器处使用监测的一个或多个温度来控制何时接通和断开感应加热。使用在控制器处实施的适当算法，监测的温度还可用于控制所施加的加热过程的具体效果以实现特定的加热模式。

如美国专利No.9488085中所公开的，对如图1中所示的气态排放物处理组件进行如在图2和3中所示的修改以能够感应加热。感应加热是这样一种过程，其中通过施加变化的电磁场来改变金属本体所受到的磁场，从而加热金属本体。这反过来在本体内引发涡流，从而引起本体的电阻加热。在铁磁金属本体的情况下，还通过迟滞效应产生热量。当将非磁化的铁磁金属置于磁场中时，金属通过产生具有相反磁极的磁畴而被磁化。变化场周期性地引起磁畴中的极性逆转，取决于铁磁金属本体的材料、质量和形状，该逆转以约1,000秒至1,000,000秒的周期/秒(Hz)的量级响应于高频感应场的变化。磁畴极性不易逆转，并且抗逆转性在金属中引起进一步的热量产生。

如图2和3中所示，围绕陶瓷基底本体10的是金属线圈20，并且虽然在图2中不可见，但是位于泡孔12的选定泡孔内的是金属插入物22(图4)如金属线。通过在线圈20处产生变化的电磁场，引发链式反应，其最终结果是在启动配备有实施本发明的废气系统的车辆之后，在存在变化的电磁感应场的情况下可比如果没有这样的场更快地获得起燃温度。链式反应如下：变化的电磁场在金属元件22中引发涡流；涡流引起金属元件的加热；来自金属元件22的热量被传递到陶瓷基底本体10；来自经加热的基底本体10的热量在废气流过排放物控制组件时被传递给废气；与仅由车辆发动机运行加热的废气引发的时间周期相比，加热的废气使在壁14处的放热催化反应更快地开始。当排放物组件运行时，来自经加热的金属元件22的传导是向陶瓷基底10的热传递的主要来源并因此也是向废气的热传递的主要来源。在诸如金属线的金属元件和包含它们的泡孔的内表面之间的任何小气隙处也存在少量的对流和辐射热传递。

线圈20是铜管的缠绕长度，虽然也可以使用其他材料如铜线或绞合线。铜管是优选的，因为它在线圈的其他尺寸方面提供高表面积，感应是趋肤效应现象，高表面积在产生变化场方面是有利的。如果使用绞合线或铜线，则导线上的釉或其他涂层配置成在转换器的持续高温操作期间不会烧坏。在线圈20和最近的电感金属元件22之间的气隙防止了从金属元件22到线圈10的显著热传递，这原本将会增加线圈电阻率并因此降低其效率。

电磁场屏蔽/集中材料层24位于仅靠线圈20的外侧以提供感应屏蔽并减少对金属转换器外壳的感应损失。层24还用于增加与基底本体10中的金属的电感耦合以聚焦加热。屏蔽/集中器24可由铁氧体或其他高磁导率、低功率损耗材料制成，例如Giron，MagnetShield，Papershield，Finemet，CobalTex或其他可布置成围绕线圈20的部分或全部缠绕的磁屏蔽材料。特别地，磁屏蔽24作为磁通量集中器、通量增强器、转向器或通量控制器操作，以将磁场控制在基底本体内。磁屏蔽通过减轻相邻导电材料的不希望的加热来降低损耗。在没有磁屏蔽/集中器24的情况下，由线圈20产生的磁通量可在线圈20周围扩散并且与导电环境如金属壳体18和废气系统中的其他周围金属和/或内燃机、车辆、发电机或其他电气系统或主机系统的其他组件连接，减少这些组件的寿命并增加能量损失。另外，层24用于将磁场引导或集中到基底本体10，例如通过重新引导本来将从所希望的区域离开的磁通量来提供基底本体10希望区域的选择性或增强的加热。特别地，层24用于将由线圈20产生的磁通量集中在基底本体10中的金属元件22的方向上，以用于更有效地加热。作为额外的益处，磁屏蔽可以通过增加功率传输来改善感应线圈20的电效率。

线圈包含在纤维绝缘护套26中，其中带护套的线圈被封装在浇铸的固化绝缘体中。护套起到稳定线圈位置和产生气密密封的作用，以限定通过陶瓷蜂窝状基底本体10的发生催化作用的废气通道。绝缘体还提供屏障以防止感应线圈20在转换器罐体18或铁氧体屏蔽24上短路。绝缘体适当地是铝硅酸盐胶粘水泥。可替代地，基底本体可包裹在铝硅酸盐纤维纸中。在一种制造方法中，铜线圈20环绕基底本体缠绕并且然后放置在壳体或罐体18中。在可替代的制造方法中，线圈20放置在罐体或壳体18中，并且基底本体10插入到线圈/罐体组件中。

通过从DC或AC电源施加功率，在线圈处产生变化的电磁感应场。传统汽车具有12VDC电气系统。感应系统可在DC或AC电源上运行。产生的感应信号也可以是DC或AC驱动的。对于DC或AC，使用1kw功率作为实例，这产生1-200kHz的频率，130-200V的RMS电压和5-8A的电流。在适用于公路车辆的一个实例中，DC至DC总线将车辆的12VDC电池电力转换成上面所述的所需DC电压。在适用于传统道路车辆的另一实例中，DC至AC的变换器将车辆的12VDC电池电力转换成上面所述的希望的AC电压。另一个实例更适合于具有内燃机和电动机的混合动力车辆，其具有额定为360V电压和50kW功率的车载电池。在这种情况下，电池供电功率较高，但可应用相同的基础DC至DC总线或DC至AC变换器电气配置。绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)高速开关用于改变流过线圈的电流方向。在变化的电磁感应场对陶瓷基底本体中金属的影响方面，低开关频率产生较长的波形，在金属元件的表面下方提供良好的场穿透以及因此相对均匀的加热。然而，这由于缺乏切换而牺牲了高温和快速加热。相反，高切换频率产生较短的波形，其在牺牲穿透深度时产生较高的表面温度。限制所施加的功率以避免熔化金属元素或使它们达到居里点的风险。到单个砖线圈的合适功率输入大约为1.1kw，但超过10kW也是可能的。

如前所述，由铁磁或其他金属制成的金属插入物22位于陶瓷基底本体10的选定位置处，如图4的细节图所示。

由电磁感应线圈产生的场可以调谐到金属负载，以在产生热量和减少起燃温度的时间方面实现高效率。通过适当选择以下中的任一个或全部，可以改变加热效果：(a)到线圈20的电输入波形，(b)无源通量控制元件(例如屏蔽/集中器24)的性质和位置，以及(c)线圈20的性质、位置和配制。此外，所施加的场可随时间改变，使得在感应场/加热模式与特定操作阶段之间存在相互依赖性；所述操作阶段例如，预启动、预热、高速公路行驶、空转，以及对于混合动力而言，从内燃机驱动到电驱动的间歇性改变。在可替代的配置中，可使用一个以上的线圈来获得希望的感应效果。

加热模式可以通过金属插入物22的适当位置和配置来确定。用于插入的金属元件的合适金属是铁磁金属如430级不锈钢，其具有高磁导率和耐腐蚀性。也可使用较低磁导率的合金如300或400系列不锈钢。根据所需的特定性能，可使用可替代的金属。为了在基底中形成磁通量的方向和强度，可使用较低磁导率的金属或合金用于外泡孔中的金属元件，其中相对较高的磁导率的金属用于内泡孔中的金属插入物。也可使用具有非常高磁导率的金属。例如，由Sandvik制造的Kanthal铁铬铝合金坯具有9000及以上的相对磁导率。使用由其他合金(包括镍-铁和铁-钴合金)制成的坯可实现高的相对磁导率。

陶瓷基底中的泡孔/平方英寸(cpsi)为400至900个或更高，泡孔在生产过程中接收金属插入物的横截面积非常小。美国专利申请15486369公开了将金属元件如金属线插入陶瓷基底的选定泡孔中的方法。

参见图5，在用于插入金属的可替代方法中，将熔融金属注入到陶瓷基底10选定的泡孔22中。在准备制造时，将陶瓷基底10在具有室36的注入站42处装入支撑夹具中。遮蔽垫片38固定到基底10的一端，以覆盖泡孔12的端部，该端部保持为空并且暴露其中将注入金属的泡孔12的端部。输送子系统(例如可以是抽吸、正位移和螺旋驱动器中的任何一个)将熔融金属从坩埚炉沿高压管线40输送到注入站42。在注入站，将熔融金属计量的装料44注入到柱塞46上方的室36中，并且柱塞向上移动以驱动金属通过遮蔽垫片38中的孔并沿着选定的泡孔12。注入方向不重要。顶板48构造成允许空气逸出但防止金属从泡孔12的另一端排出。遮蔽垫片38和顶板48由熔化温度高于被注入的金属的熔化温度的金属制成。例如，钢制固定装置可用于铝的注入。这些基底10、垫圈38和板48在注入之前被夹在一起以避免熔融金属泄漏到未选择的泡孔12中。操纵熔融金属的流动以减轻在凝固开始时引起的背压增加，并且否则可能会引起熔融金属流变性的变化，使注入更加困难。当仅部分注入时，流变学的不利变化可能导致陶瓷的破裂和/或金属装料44的冻结。需要100psi-300psi的压力和在几分之一秒内进行的快速金属注入，以避免熔融金属在到达其希望位置之前过早冻结。具有400cpsi的4英寸直径陶瓷基底可以典型地承受10MPa(1450psi)的轴向压缩力和2MPa(290psi)的径向压缩力。这与用于典型商业金属压铸的大于1000psi的注入压力形成对比。

刚好在金属注射之前经由视觉系统和机器人操作来进行遮蔽垫片38的放置。视觉系统识别基底的当前位置和方向以及与针对恰当注入的指定方向的相关偏差。在夹紧和注入之前，将偏差转换为机器人运动，以操纵遮蔽垫片38和底座10中的一个或两个。在熔融金属部件的传统高压注入中，模头/模具为针对快速进料速率的快速打开和关闭的蛤壳形式，其中模头被冷却以快速凝固。这种模具也通常坚固的建造以承受高液压。对于注射陶瓷基底10而言，模头/模具是基底本身，并且不存在冷却以控制温度或实质性增加陶瓷质量的能力。在大多数实施中，紧靠注入金属的泡孔的泡孔是空的，因此唯一的结构支撑是周围的陶瓷壁。作用于纤细的泡孔壁14的压力必须保持在其不会受损的水平以下。然而，尽管壁薄，但蜂窝状陶瓷的性质和注入方式有助于在注入过程中基底的生存能力。因此，单一的大固体部分需要相当长的时间来冷却，因为表面积与体积的比典型地为1:1到10:1。与此相反，直径为4英寸具有400cpsi的陶瓷基底以及在25个被金属占据的泡孔中的一个孔的表面积与体积之比约100:1。这意味着，注入的熔融金属在注入时几乎立即冷却，因为金属质量低且陶瓷的高表面积使得热从熔融金属快速传导到陶瓷。当柱塞将熔融金属推进传统模具中时，通常在模具表面的各个方向上均匀施加液压。随着注入到陶瓷基底泡孔中，当金属凝固时柱塞压力迅速从液压变为轴向压力。因此，其中注入熔融金属的泡孔12的壁不会显著受应力，并且壁被吹破的风险最小化。在陶瓷基底10的轴向方向上最强的抗压性通过添加注入产生的固体金属插入物而增加。注入到冷基底中通常超过注入的泡孔的全长，因为考虑到所需的高注入速度，很难有效地控制部分注入。注入后，部件以相对干净的边缘分开。例如在用钢制工具注入铝的情况下，分开是直接的，因为铝即使在熔化时也不会粘在钢上。柱塞式注入被设计为抽空室中的所有熔融金属，这意味着体系中剩下的唯一金属是在陶瓷的泡孔中和遮蔽垫片中的通孔中的。垫圈层中的残余金属是非常少量的材料，并且当注入的金属在凝固期间收缩时会部分或全部消耗掉。在另一个实施方案中，柱塞板具有与遮蔽垫片38中的通孔配合(interface)的小突起。在注射行程结束时，柱塞板接触到遮蔽垫片，并且突起伸入通孔以清除残余金属。在循环之间，可用模具释放润滑剂涂覆夹具。

在改型的方法中，将陶瓷基底预加热至接近但低于熔融金属的熔化温度。将陶瓷加热提供了注入的金属发生凝固前更多的时间。这意味着，金属的注入或计量加入在更强的控制下并且在优选的相对较低的25psi至200psi注入压力下更缓慢地进行。采用加热的基底还最小化了金属和陶瓷经历的热冲击，从而限制了冷却导致的应力。金属与基底泡孔壁之间的机械结合与冷注入相比也在总体上得到了改进。注入预加热基底还减少了凝固时发生的金属收缩效应，因为加热的陶瓷比在室温时更大，因此在其冷却时收缩。虽然由于陶瓷的收缩低于所含的金属而会有一些分离，但陶瓷的预热降低了收缩差异。实际上，一些收缩差是期望的，因为在达到高温时，当操作组件处理热废气时，分离提供了金属和陶瓷之间的缓冲。当在操作中，组件被感应加热时，该缓冲也是有价值的，因为金属在陶瓷开始膨胀前相对迅速地升温。注入冷基底的表征的快速冷却可以导致金属栓塞的周边迅速冷冻，导致金属收缩主要是在金属的中央。这可以带来缺陷，比如裂纹和空隙。利用预加热的陶瓷基底，发生缓慢冷却，从而使周边和中央一起冷却，以更接近的比例收缩，从而限制了缺陷形成。如将在此描述的，泡孔12的内表面不是完美光滑的，熔融金属在其凝固时在一定程度上贴合这些表面，从而提供了一定水平的凝固的金属元件22的机械保留。

在备选方法中，如图6中所示，将遮蔽垫片38施加到陶瓷基底10，然后将其浸没在含有熔融金属52的浴50中，并降低到这样的高度，在该高度下，作用于受到表面张力的所含的金属52的表面上的压力引起熔融金属从泡孔底部进入并升至基底中对应于期望的金属插入物长度的高度。低表面张力和低粘度对于使液体在泡孔中上升是期望的。然而，熔融金属的的表面张力高，(约0.9牛顿/米，对于铝在600℃)，其粘度也高，(约3x10^-3Pa-s，对于铝在600℃)。结果，可以使用真空抽吸系统通过基底通道抽出熔融金属。可调节真空抽吸参数以将感应加热金属仅与需要的泡孔壁处接触；例如，限制到基底的一端区域。整个基底可以使用金属接触，或使用垫圈或掩蔽技术仅在选择的通道接触。对于完全填充，使用高的和持续的真空沿着通道一直吸引熔融金属。对于部分填充，通过施加和保持较小的真空，将金属拉到距基底面所需的距离。如之前所指出的，所选择的通道可以完全(封闭)或部分(衬里)填充。为了阻塞，将真空保持足以凝固的延长时间。涂覆通道需要在一定间隔后释放真空以允许过多的熔融金属从泡孔排出。该间隔与涂层的所需厚度成比例，间隔较短，产生较薄的涂层，较长的间隔产生较厚的涂层。因此，使用浸入深度和施加真空水平的组合来控制通道中的填充量。如果需要从通道中清除熔融金属并且仅留下包围通道中的通孔的涂层，则还实施反转真空和注入空气。在施加和凝固感应加热金属后，如图7中所示，将基底10浸没在含催化剂的载体涂层56的浴54中，该载体涂层被施加到空泡孔的壁上和所选择的泡孔，如果它们没有被感应加热金属完全封闭的话。裸陶瓷和诱导金属之间产生的粘附力很高。诱导金属涂层和催化剂载体涂层的顺序可以颠倒，而对性能和完整性没有任何显著影响。

在如图8所示的另一种方法中，将金属颗粒58注入或泵入所选的泡孔12中，并且基底10以高频振动60以使颗粒58在重力作用下落下并抵靠临时放置在基底10下面的底板，以阻挡所选泡孔的末端。然后将颗粒58加热到金属的熔点或软化点。加热至熔点使颗粒成为完全熔融的物质。如果要在整个长度上填充泡孔，则必须添加额外量的金属颗粒以补偿由间隙空隙塌陷引起的体积减小。如在直接熔融金属注入中，随后熔化的金属通常与泡孔壁的内表面的轮廓一致，这导致一些机械保持以将插入的金属保持在适当位置。仅熔化到软化点促进表面熔化或润湿，但加热不足以使颗粒58完全熔化。因此，颗粒基本上保持其原始体积和形状，同时像固体一样物理和电连接。保留基质体积但重量低于相同尺寸的固体金属栓塞。随着颗粒58收集在泡孔12中，收集的颗粒的振动幅度减小并且累积的颗粒的聚集密度增加。振动填充方法仅在重力的情况下起效；也就是说，颗粒从所选泡孔的底端向上收集和构建。在一个变型中，通过向颗粒施加振荡电场直接实现振动以使颗粒流体化流动到基底并进入泡孔。由流体化流体中填充的一个效果是流体化颗粒的积聚倾向于自流平(self-level)。

在如图9所示的泡孔填充的变型中，使用空气使金属颗粒流体化以促进泡孔的填充。将高压空气64注入保持金属颗粒68的容器66中。加压空气通过掩蔽垫片38中的小孔洞39向下驱动金属颗粒。孔洞39与待填充有金属粉末的泡孔12的端部对准，其中垫片的其他部分覆盖待保持空的泡孔12的端部。空气64用于漂浮和分离金属颗粒68以建立流动，否则这将非常困难。通过孔洞39的空气逸出允许更多的空气被注入，这使金属粉末68保持流动以及保持通过所选泡孔的空气路径。逐渐地，所选的泡孔填充有金属颗粒68，空气通过颗粒之间的空隙继续逸出。当更多金属进入泡孔并将颗粒包装在已经与底部支撑板62相靠的位置时，空气压力将颗粒向下推入所选的泡孔中。具有小于最小颗粒尺寸的开口的细网筛70允许空气离开系统但保留所选泡孔中的所有颗粒。空气流体化颗粒以空气路径流动，这意味着可以从顶部或底部填充所选的泡孔12。使用向上的空气流从底部填充可以通过将基底降低到流体化颗粒中或者将流体化床向上提升超过基底的底部来补充。一旦将所选的泡孔用粉末填充至所需水平，则如前所述加热金属粉末以使其熔化或软化。在使用金属颗粒的替代方案中，使用例如美国专利申请15486369中描述的方法之一将一段长度的线放置在泡孔中的所需位置，然后加热到金属的熔点或软化点。

参照图10，在将感应加热金属放入所选泡孔的另一种方法中，将包含陶瓷(氧化铝)颗粒76和感应加热金属颗粒74的“生”浆料72涂覆至所选泡孔12的壁14上或至基底10的所有泡孔的壁上。感应加热金属74可以具有与催化剂金属颗粒尺寸相同数量级的细颗粒尺寸，或者可以具有更大尺寸，只要它们实质上小于泡孔跨度，以使得可以避免颗粒堵塞。通过将水，氧化铝，粉末金属(感应金属或感应金属和催化剂金属的混合物)和任选的粘合剂合并制备浆料72，并将基底降低到浆料中以涂覆所选择的泡孔。改变混合物(主要是水)中的液体量以获得足够低的粘度，使其流入泡孔12，但又足够高以留下具有可测量厚度的涂层。可以使用真空辅助来促进浆料流入泡孔12中，抽真空还用于分配涂料并保持泡孔中心清洁以避免由于表面张力效应而堵塞。在一种工艺变型中，浆料在泡孔内部上形成涂层。如果催化剂金属与感应金属混合或在施加感应加热层后作为覆盖层施加，则当该组分用于废气处理时，催化剂金属促进特定泡孔内的气态排放处理。可以将感应加热金属颗粒和催化剂金属颗粒混合并一起施加在单一浆料中，或者可以将它们混合并施加在单独的浆料中。通过感应加热金属对所有泡孔进行金属分层意味着，当在气态排放物处理过程中操作该组件时，在每个泡孔处发生一定程度的感应加热。在这种情况下，感应金属加热层位于催化剂层表面的正下方，这导致在操作中，仅需要很短的时间将催化剂载体涂层加热到致动或起燃温度。在进一步的变型中，感应加热金属完全或基本上阻挡所选择的泡孔。为了实现实质上的堵塞，连续施加浆料层直至泡孔关闭或基底部分或完全浸没在浆料中。在这两种情况下，分配足够的时间用于毛细管作用以从浆料中吸取水分，从而在泡孔内留下滤饼或栓塞(plug)。二次固化用于稳定栓塞。在每个浆料工艺变型中，在放置之后烧制生浆料涂层或栓塞，以便将感应加热金属层化学和机械地粘合至基底。基底预先完全烧制，因此仅需要固化所施加的金属。将基底加热至低于基底的烧制温度的温度，并且高于最大使用中的应用温度，通常在800至1200℃。虽然金属浆料工艺比熔融金属注入更慢，但是基底上的应力通常较低。

参照图11的细节图，在泡孔内经历熔融到固体转变的金属栓塞或金属层的特征是凝固金属的表面与周围的陶瓷壁稍微一致，如在80的导轨表面形状所示。由于壁表面不是完全光滑和规则的，因此熔融到固体的转变提供了金属栓塞或层在泡孔中的一定程度的保持。陶瓷表面的纹理化或粗糙度，无论是作为正常挤压的人工制品还是通过强制挤压条件和设备有意施加，都提供了对陶瓷表面中的泡孔隙和突出部分的机械锁定的度量，尽管金属表面几何形状不绝对符合陶瓷表面几何形状，因为金属具有高表面张力，以及陶瓷是相当不润湿的。与完美光滑和规则的金属和陶瓷壁界面相比，表面纹理化还增加了泡孔的表面积并增加了金属和陶瓷壁之间的热传导量。取决于陶瓷和金属的性质，如果温度接近或高于陶瓷烧结温度，或者在金属合金中存在反应性物质，则在两种材料之间也可能存在一些化学反应，其在界面处形成新的物质。

然而，金属的热膨胀系数通常是陶瓷的几倍，这意味着在操作温度循环过程中，紧密的界面会引起破坏性应力。为了尽可能地对抗这种情况，将熔融金属/陶瓷组合物放在一起高温，并且然后冷却。在这种情况下，金属比周围的陶瓷收缩得非常多，但在至少部分金属表面上，在金属表面具有陶瓷表面的残留印记。

在一个实例中，使用堇青石基底和注入的铝的组合。堇青石的热膨胀系数约为2×10^-6/℃，并且铝的热膨胀系数约为24×10^-6/℃。这意味着铝在给定温度范围内具有12倍的堇青石膨胀。当从室温加热到950℃(汽油应用的峰值温度)时，堇青石膨胀0.0019英寸/英寸长度的材料和铝膨胀0.0228英寸/英寸长度的材料。因此，在950℃下长度的扩展差异为0.0209英寸/英寸长度。对于所使用的0.031英寸直径(跨度)方形销，差值为0.00065英寸(0.0209英寸/英寸长度×0.031英寸＝0.00065)。为了在950℃时获得低操作应力，与在金属外表面和泡孔壁内表面之间保持最高可能的一致性结合，选择工艺条件以在室温下在金属和泡孔壁之间获得0.000325英寸的间隙，以便使得在950℃的应用温度下无间隙但具有最大表面保留。理想地，为了随后的操作目的，在整个金属陶瓷界面上存在均匀间隔的间隙，如果在制造期间陶瓷金属组合的冷却也是均匀的，则更容易实现这一点。例如，如果在径向意义上，金属中的冷却速率存在变化，则收缩间隙可在除了金属陶瓷界面处之外开口。而且，为了理想的操作目的，优选的是，无论是通过废气通过还是通过感应加热，陶瓷金属组合的加热也应该是均匀的，以使得随着车辆应用增加至其工作温度，陶瓷和金属之间的缓冲间隙均匀地关闭。如所指出的，壁表面粗糙度或纹理化可以提供紧密定位金属的保持。在一种生产方法中，在成品中容纳感应加热金属的泡孔在挤出过程中有意地配置成提供不光滑的壁表面以强调保留。

参照图12，在将金属置于陶瓷基底中的另一种方法中，在将粘土或粘土/陶瓷混合物挤出通过模头时，将诸如线82的固体形式的金属拉过挤压模头84以产生生挤出物，该挤出物待干燥和烧制并定尺切割以形成陶瓷蜂窝砖。如果在挤出过程中，线被夹带在泡孔壁内，则该方法意味着与目前的商业高cpsi蜂窝基底相比具有低的cpsi，因为高cpsi基底的薄壁提供了容纳金属线的极小空间。在一个变型中，修改模头以使得线沿着蜂窝泡孔位置被拉动，从而在形成泡孔时有效地填充泡孔。用于线的模孔具有相对于线规的紧密公差，以确保线不会从一侧移动到另一侧并防止粘土或粘土/陶瓷混合物通过该孔排出。在两种情况下，线的前端连接到拉板上，该拉板用于以与挤出物相同的速率推进线。与来自模头的阻力结合的拉板也用于拉紧线以便将它们保持在线上并与相邻线等距地隔开，防止线的横向位移以避免损坏相邻的泡孔壁。

通常，使用细切割线来进行粘土混合物挤出物的切割。在挤出物中包含感应加热线使得定尺切割变得困难。无论在烧制之前还是之后将挤出物切成坯料，切割过程都是慢的。如果在烧制之前进行切割，则必须注意避免感应加热线从其在相对柔软的生泡孔壁中的位置的不希望的振动而损坏复合结构。如果在烧制后切割挤出物，则切割仍然有些困难。陶瓷通常用金刚石刀片切割，而金属通常用陶瓷刀片切割。需要包含金刚石和陶瓷的组合刀片切断线而不损坏陶瓷。在另一种共挤出工艺中，预切割有限长度的线并将其拉过挤出机。当特定基底的短线组已完全拉过模头时，挤出完成。线从另一端释放，导致生坯、蜂窝状坯料准备好通过线锯在未被感应加热线占据的横截面上切割。切割后，将坯料干燥并烧制。

参照图13，在将固体金属放入陶瓷基底10中的另一种方法中，金属粉末和生陶瓷材料(通常是粘土或颗粒陶瓷/粘土混合物)形成糊料88。在陶瓷基底的制造中，将糊料通过模头84挤出，以制备复合陶瓷/粘土金属蜂窝。选择金属粉末含量及其分布中的任一种或两种以使基底具有感应活性以实现操作感应加热。对于典型的4英寸直径×6英寸长的400cpsi基底，金属含量为大约10至100克。实际金属含量取决于组件使用时催化转换器或PDF吸收的功率。许多应用需要快速加热或高功率，这需要相对高的金属含量。金属的浓度可以沿基底的长度和/或跨越其跨度而变化。金属密度是混合物中粘土或陶瓷成分的几倍。取决于粉末金属含量及其颗粒尺寸，将水加入到成分中或从成分中除去。金属通常对水的亲和力低于粘土/陶瓷材料，因此对于相同的颗粒尺寸需要较少的水。如果粉末状金属的颗粒尺寸小于粉末状粘土材料的颗粒尺寸，则需要更多的水。调节水含量和颗粒尺寸以产生所需的流变学；例如，以匹配当前商业上使用的基底挤出工艺。然后将金属/粘土挤出物干燥并烧制。选择金属在陶瓷烧制温度下是稳定的，因此是驻留在陶瓷基质中的观察材料，而不与陶瓷反应形成全新的产品。在组合物中，基质是烧结的陶瓷，具有捕获的单个金属颗粒。尽管不是关键性的，但是金属含量由于烧制而固定以在全部或部分金属中产生电连续性是有益的。金属通常具有几倍于陶瓷的热膨胀，这意味着基底本身比当前商业上使用的不含金属的基底膨胀得更多。在排放物处理装配件的一种形式中，为了允许更大的尺寸变化，在陶瓷/金属基底和周围的片材金属罐之间放置较厚的绝缘垫。

在另一个方法实施方案中，(a)金属粉末-生陶瓷浆料和(b)生陶瓷混合物的料流通过模头共挤出，使得生陶瓷混合物形成蜂窝壁和金属-生陶瓷浆料最终形成位于某些蜂窝壁附近的感应加热元件。在挤出主要生粘土/陶瓷组分期间，将金属粉末和生陶瓷浆料泵入并通过模头。浆料是必要的，因为用于高cpsi挤出的蜂窝模头是如此复杂以至于难以成功地共挤出两种高粘度材料。将低粘度金属-陶瓷泵送到模头中的位置使得当挤出壁时，它用薄的感应金属-陶瓷层涂覆粘土/陶瓷泡孔的壁。该层的厚度不如该层中的金属浓度那么关键。例如，对于600cpsi陶瓷基底，9个图案中的1个中的固体0.031英寸跨度线相当于出于感应加热目的，对于相同陶瓷基底，用0.0009英寸厚的金属层(或者对于由50:50的由金属和非金属载体制成的浆料制成的层，层为0.0018英寸)涂覆阵列中的所有9个泡孔。

在制造陶瓷基底的另一种方法中，使用粘土或粘土/陶瓷混合物和/或挤出方法，其在陶瓷蜂窝基底中烧制后产生，具有显著的缺陷，例如表面孔隙的壁表面。使用感应加热金属，其熔点低于基底的烧制温度，并且高于在预期的排放物处理应用中可能经历的最高温度。在该范围的低端，排放物处理系统的典型最高温度对于汽油动力发动机为约950℃，对于柴油发动机为约700℃。在该范围的高端，例如，堇青石陶瓷的烧制温度通常为约1300℃，并且碳化硅陶瓷的烧制温度通常为约2200℃。感应加热金属的选择取决于许多因素，但主要的一个原因是最低工作温度取决于最高应用温度，并且最高工作温度取决于最低陶瓷烧制温度，且一些缓冲考虑在这些限度之间。将完成并烧制的陶瓷基底浸入熔融金属浴中，任选地预热陶瓷基底，以避免在基底浸没时熔融金属冻结。通过浸渍基底的一端或其他选择的泡孔区域来实现泡孔长度的一部分的涂覆。压缩空气或真空用于从泡孔中排出多余的熔融金属。熔融金属被吸收到陶瓷的孔隙中并在冷却时保留。金属的吸收取决于陶瓷的孔隙率，其中更多孔的陶瓷吸收更多的金属。金属也保留在陶瓷表面上，并与在基底壁表面下方延伸的孔隙中的金属相连。可能需要多层涂层来产生所需的厚度。该过程产生的金属似乎是涂层，但实际上具有良好的穿透深度。

在如图14A所示的另一种方法中，通过等离子喷涂将雾化的熔融金属90(例如400系列不锈钢)沉积在陶瓷蜂窝10的选定泡孔的壁上。金属粉末92从喷枪94吹出，该喷枪94迫使料流通过火焰96以液化金属颗粒，然后金属颗粒在它们落在泡孔12的表面上时凝固。覆盖的持续时间和位置改变金属涂层的厚度和位置。与陶瓷基底10的质量相比，保留在雾化熔融金属90中的热量是极小的。因此，熔融原子在遇到基底的壁14时几乎立即冻结。由于热质量的大的差异，可以使用熔化温度高于陶瓷基底的烧制温度的金属，因为它们不会将陶瓷的温度升高到临界点。实例是430不锈钢(熔点1425℃)和Kanthal(熔点1500℃)。熔融原子的恒定轰击局部地增加了温度，从而产生连续的膜。在该过程中，等离子体喷射器94相对于固定的陶瓷基底10移动，或者基底10相对于固定的喷射器94移动。涂层基于视线，因此只有具有大的泡孔跨度的短陶瓷基底才真正屈从于等离子喷涂，除非使用辅助工艺。在一个这样的过程中，通过在基底10离喷嘴等离子体喷射器94的相对端建立部分真空来辅助等离子体的流动。当产生熔融喷雾时，真空将其吸引到陶瓷基底的通道中，在这里它与通道表面相互作用。难以建立均匀厚度的涂层，因为即使使用真空辅助，涂层在等离子喷枪附近通常比距离更远的情况更厚。在一个实施方案中，为了使层的厚度更均匀，在从一端的真空辅助喷射泡孔后，从另一端真空辅助喷射泡孔。在图14B所示的变型中，金属由熔融金属浴96计量。在另一个变化中，喷涂系统安装在万向节上，通过该万向节，基底以逐渐变化的角度径向倾斜，以利用重力的影响。因此，直接向上或向下喷射泡孔引起熔融颗粒沿直线行进，直到它们的动量消失。在一定角度上喷涂增加了颗粒的轨迹，允许在泡孔壁上沉积雾化金属的更多方向性。

参照图15和16，在另一种将金属置于陶瓷基底中的方法中，通过电沉积将金属施加到陶瓷蜂窝10的壁14上的选定表面上。因为陶瓷基底不导电，所以首先通过将陶瓷基底浸入含有例如熔融铜或镍盐的浴或这样的盐的溶液中来使壁表面导电。铜或镍在催化剂如氯化钯或氯化锡的存在下粘附到陶瓷上，从而使陶瓷表面导电。或者，蜂窝表面涂有金属漆。对于需要高导电性和耐腐蚀性的专业应用，沉积更昂贵的材料，例如金，银或钯中的任何一种，以提供粘合层。一旦沉积或涂覆初始金属层，将基底浸入含有电解质的电化学浴98中，所述电解质例如铜，银，铬，镍或铁的普通盐溶液。陶瓷基底用作随后电沉积的电极，而另一电极是牺牲电极，例如由待沉积的金属制成的杆100。附接在基底的泡孔中的悬挂线用于将电荷扩散到整个基底。在不锈钢的情况下，制备含有Fe(II)、Ni(II)和Cr(III)的电解质溶液，电镀通常是逐层地一次一种金属，以将这三种主要组分组合成单一复合层。该工艺中沉积浴的数量和持续时间决定了电沉积金属的厚度。如前所述，在不锈钢的情况下，几种不同的金属基本上同时沉积。对于类似于铬化工艺的较少金属的耐腐蚀性，可能需要不同的金属层。在一个实例中，耐腐蚀铬是外层，其涂覆并保护具有良好磁导率的铁层。在另一个实例中，基底的泡孔和端面被涂覆，但外表面被可移除的带或蜡覆盖，以阻挡初始粘结层的沉积，使得在沉积在基底端部和内部时在后续步骤中没有金属镀在外表面上。陶瓷基底10具有复杂的几何形状，因此不能容易地涂覆在通常用于更简单几何形状的湍流沉积浴中。在正常情况下，湍流使金属和盐的浓度保持均匀，并补充发生沉积反应的表面附近的金属浓度，如图16所示。在通道横截面积非常小的情况下，该工艺不起作用，因此由于高摩擦而不允许通过流动。因此，只有进入通道的液体发生反应，一旦金属耗尽，如果没有补充，这种反应就会结束。在一个实施方案中，强制流动用于在电镀期间使电解质循环通过通道，其中锚定布置用于在将浴液泵送通过泡孔时将基底保持在适当位置。这确保了新鲜的高金属浓度液体总是在很接近通道表面处流动。

如本领域中已知的，电解浴具有两个电极，一个带正电荷或负电荷，取决于产生的金属离子而另一个具有相反电荷。具有初始金属涂层的陶瓷基底带有相反的金属离子电荷，以便金属离子被吸引到表面以进行沉积。与陶瓷金属涂层相反地带电的牺牲电极102吸引非金属离子。当在基底表面上产生电差异时，电解质溶液中的金属从溶液中出来。这种差异破坏了溶液中的键，使得分子的金属部分在金属化陶瓷上沉积时变成固体，用于沉积的活性区非常靠近基底表面。浴中的电解质不断地再生以使高浓度溶液返回到沉积区。使用非常低粘度的溶液以使其容易地流过窄基底通道，从而允许金属沉积在陶瓷的所有表面上。浸渍阶段的数量和涂覆的沉积时间决定了金属涂层的厚度。一旦涂覆，就洗涤基底以除去任何残留的未反应的电解质溶液。必须在催化剂载体涂覆之前将涂覆的基底干燥。尽管前面提到的示例性金属特别适合于电沉积，但是也可以使用一些非金属导体如石墨，并提供导电非金属的优点。

钢、铁、铜、铝等及其合金都是用于使用本文所述的一种或多种技术插入泡孔的合适候选金属。这些金属因磁导率，熔化温度和其他性质而异，因此金属的选择取决于应用参数。例如，铁具有相对高的磁导率但耐腐蚀性极小，而铝具有相对低的磁导率但是具有良好的耐腐蚀性。对于特别适用于柴油应用的堇青石陶瓷，可以使用具有较低熔化温度的金属如铁或铜。对于碳化硅陶瓷，具有较高熔化温度的诸如430不锈钢的金属更合适。具有高磁导率和耐腐蚀性的430不锈钢是用于前述美国专利申请14452800的金属线放置方法的优选金属，但难以与上述一些金属放置技术一起使用。对于高温汽油应用，通常使用堇青石基底。在这些情况下，铜和铝是需要熔融金属的工艺所优选的，因为铁及其合金(如不锈钢)的熔化温度通常超过堇青石烧制温度。

在本文所公开的大多数金属插入技术中，使用掩蔽垫片来阻挡未被选择的泡孔的进入，使得它们保持为空，掩蔽垫片在要放置金属的泡孔入口处具有开口。在其他技术中，可以使用机械臂末端的小注入尖端单独注射泡孔而不使用掩蔽垫片以进行精确放置。该过程更耗时，但通常在陶瓷基底的精细壁上更温和。

在本文公开的许多金属插入技术中，必须将金属加热至熔化。这通常通过烘箱(或炉)加热，感应加热或电弧加热之一来完成。烘箱加热是加热方法中最慢的，因为相对较大的陶瓷组分被加热到金属的熔化温度。所用金属的熔点必须低于陶瓷和预先施加到泡孔壁上的任何催化剂载体涂层的烧结温度。在需要将加热集中在金属和周围陶瓷的一部分的地方使用感应加热或电弧加热。感应直接加热金属，直到它在泡孔中熔化。大约10到100千瓦的高功率感应电源迅速熔化每个基底内的少量金属。在一种实施中，将基底放置在感应线圈内，该感应线圈本身包含在垫片固定装置内，使得在组合过程中实现放置和熔化。或者，进行感应加热作为二次加工。电弧在高压下使高电流通过金属，由于金属的电阻特性，该金属熔化。通过将电极放置在非常接近待熔化的金属处来产生电弧，使得电势从电极通过金属发出电弧。在一个步骤过程中，将一个电极放置在前面(可能是垫片层的前面)，并将一个电极放置在陶瓷(底部支撑)的背面，或者在第二步骤中可以有更多的电极。除了由于相邻的热金属而间接加热外，陶瓷不受影响。

在本说明书中，术语“泡孔”和“通道”相对于所描述和要求保护的制造工艺可互换使用，尽管通常通道表征催化转换器和泡孔表征微粒过滤器(PF)。在大多数催化转化器中，通道是贯穿通道，允许排放物气体通常畅通无阻地流过涂覆通道壁的热催化剂。在微粒过滤器中，泡孔的棋盘子组的前端被堵塞，泡孔的“反向”棋盘子组的后端被堵塞，并且通过蜂窝结构的多泡孔壁从第一子组的泡孔驱动来处理气态排放物进入反向子组的泡孔。然而，一些PF还具有涂覆通道壁的催化剂。

在本说明书和权利要求书中，关于所描述和要求保护的制造工艺，术语金属的“熔化”和“软化”可互换使用。加热至熔点使颗粒成为完全熔融的物质。熔化至软化点促进表面熔化或润湿，但加热不足以使颗粒完全熔化。

在本说明书中，与作为用于气态排放物处理组件的陶瓷基底的前体的材料的挤出有关的术语“陶瓷混合物”，“生陶瓷”，“粘土”和类似材料及其组合的使用意指任何适于制造这样的基底的材料，该基底用于制造该气体排放处理组件的商业方法中。

Claims (11)

1.制备气态排放物处理组件的方法，包括将陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，与该挤出协同，与该挤出的混合物一起将金属供料通过该模头，以及切下和烧结一段长度的该挤出物和相关的金属以形成蜂窝状基底，并且

其中该金属位于选定泡孔内。

2.权利要求1所述的方法，其中该金属包括金属线。

3.权利要求2所述的方法，其中该方法包括在至少一些该泡孔的位置处将该线供料通过模头中的孔。

4.权利要求3所述的方法，其中该孔紧密匹配该线的截面形状和尺寸。

5.权利要求2或任何从属于其的权利要求所述的方法，其中该方法包括将该线的前端固定到拉夹具，并且拉拽该拉夹具以保持该线紧张并且在挤出物中期望的位置。

6.权利要求1所述的方法，其中操作拉夹具以与该挤出的混合物一起将该金属供料通过该模头,该金属包括在前端固定到该拉夹具的金属线，该金属被拉拽通过该模头，同时保持该金属线紧张并且在挤出物中期望的位置。

7.制备气态排放物处理组件的方法，包括将陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，与该挤出协同，与该挤出的混合物一起将金属供料通过该模头，以及切下和烧结一段长度的该挤出物和相关的金属以形成蜂窝状基底，并且

其中该金属包括与该陶瓷混合物混合的金属颗粒，并且其中在至少一些该泡孔的位置将该金属颗粒供料通过模头中的孔。

8.权利要求7所述的方法，其中该烧结起到将金属颗粒和陶瓷混合物粘结到壁的作用。

9.权利要求7或8所述的方法，其中使金属颗粒的浓度足够高，使得在烧结后，至少一些金属颗粒作为金属块强化。

10.制备气态排放物处理组件的方法，包括将陶瓷混合物通过模头挤出以形成挤出物，该挤出物具有多个沿该挤出物延伸的伸长泡孔，该泡孔以将相邻泡孔彼此分开的壁为界，与该挤出协同，与该挤出的混合物一起将金属供料通过该模头，以及切下和烧结一段长度的该挤出物和相关的金属以形成蜂窝状基底，并且

其中该陶瓷混合物是生陶瓷混合物，并且其中与该挤出协同将金属供料通过该模头包括金属粉末-生陶瓷浆料和该生陶瓷混合物通过该模头共挤出，使得该生陶瓷混合物形成蜂窝状基底的壁并且金属-生陶瓷浆料最终形成位于该壁的至少之一附近的感应加热元件。

11.权利要求10所述的方法，其中将该金属粉末-生陶瓷浆料泵送到模头中的位置使得当挤出壁时，它用薄的感应金属-陶瓷层涂覆泡孔的壁。

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