CN1272534C - 用于汽车或摩托车的废气净化器 - Google Patents

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Abstract

一种用于汽车或摩托车的废气净化器包括一个排气管、多个圆筒形载体和催化层。圆筒形载体被设置在排气管内，都各具有一个外周表面和一个内周表面。至少有两个相邻的圆筒形载体可以其外周表面互相接触。催化层被装载在圆筒形载体的外周表面和内周表面中的至少一个表面上。至少有一个圆筒形载体具有一个环形横截面和一条切开缝，并且以弹性变形状态被设置在排气管内使它能在离心方向上膨胀。这样，该废气净化器不仅具有高的废气净化能力，而且容易装配，另外还可提高对点火不良的承受力。

Description

用于汽车或摩托车的废气净化器
技术领域
本发明涉及一种用于汽车或摩托车的废气净化器。
背景技术
为了净化从汽车和摩托车排出的废气，可使用废气净化器。废气净化器有许多种，如热反应器系统、贫气燃烧系统、发动机修改系统和催化剂系统。其中催化剂系统的废气净化器曾被广泛使用。
催化剂系统的废气净化器使用催化的贵金属如Pt(铂)、Rh(铑)和Pd(钯)来净化废气。催化剂按下列方式制造。用活化氧化铝如γ氧化铝在催化剂载体上形成一个催化层。然后将一种或多种催化的贵金属加载在其上。
耐热材料被用来制造催化剂载体，因为催化剂载体要曝晒在高温的废气下。作为这种材料可以一提的为陶瓷如堇青石(cordierite)、耐热金属如不锈钢。
由陶瓷制成的催化剂载体具有这样的缺点：它们易受机械冲击的影响并且呈现大的排气阻力。因此在排气系统的压力损失应被减少或催化剂载体的耐热能力应被改善的理由下由金属制造的催化剂载体被使用。
设有金属催化剂载体的废气净化器例如可按下列方式制造。将钢坯料辗压成箔状或片状的工件。钢坯料可以是SUS304(按日本工业标准JIS，即18Cr-8Ni奥氏体不锈钢)或SUS430(按JIS，即16Cr铁素体不锈钢)。造成的箔状或片状工件被加工成金属的催化剂载体。然后在造成的金属催化剂载体上制出一个催化层。最后，将一种或多种催化贵金属加载在催化层上。这样，设有金属催化剂载体的废气净化器便告完成。
取决于催化剂载体的形状，废气净化器可分为整体式、颗粒式、蜂窝状式和管状式。
在蜂窝状废气净化器中存在的问题是金属催化剂载体可能由于内燃机方面传来的点火不良而被熔化。具体地说，当催化剂载体被熔化时，催化贵金属的有效加载量可被减少，或者蜂窝状室可被堵塞以致降低废气净化能力。
另外，在管状废气净化器中，轴向长度应能延伸以资得到合适的废气净化能力。因此可能牵涉到管状废气净化器的可扩展性问题。此外，当管状废气净化器的轴向长度被延伸时，废气温度可能会降落以致废气净化能力被降低。
因此，管状废气净化器曾向缩短其轴向长度的方向发展。例如日本待审专利公报(KOKAI)9-228，832和9-317，452号就曾提出这种管状废气净化器。
日本待审专利公报(KOKAI)9-228，832号曾披露一种催化剂转换器，其中由波形金属板卷绕制成的金属载体被配装在一个排气管内。
但在上述公报9-228，832号中公开的催化转换器却有一个在金属载体和排气管之间的可连结性的问题。其体地说，金属载体由卷绕波形金属板制成。但在金属载体的外周表面与排气管的内周表面接触处很难使金属载体外周表面的曲率与排气管的弯曲的内周表面匹配。因此，当将金属载体配装到排气管内时，金属载体只是用点接触与排气管接触。结果在金属载体与排气管之间就得不到足够的连结面积。这就是可连结性的问题。
日本待审专利公报(KOKAI)9-317,452号曾公开一种废气净化器，其中多个小直径管被设置在一个大直径管内。
上述公报9-317,452号中公开的废气净化器有一个问题涉及小直径管的装配的容易程度。具体地说，小直径管须用铜焊连结到大直径管上。但已知铜焊时在大直径管与小直径管之间的连结处不允许有余地。因此要求大直径管和小直径管的制造都要求有高度的尺寸准确性。这个要求指出不能使用普通的电焊缝管。因此在制造大直径管和小直径管时，要求进行辅助加工，如在直径上使大直径管和小直径管缩小或膨胀。结果这种废气净化器的制造费用就会上升。
发明内容
本发明是有鉴于上述情况而研制的。因此本发明的目的是要提供一种具有高净化能力的废气净化器。
本发明的发明人曾全心力地研究具有一个排气管和多个圆筒形载体的废气净化器，结果他们发现，当将至少一个圆筒形载体用压力加压到其他圆筒形载体上使它们互相接触及/或用压力使圆筒形载体与排气管接触时，上述目的可以达到，这样他们就完成本发明。
本发明提供了一种用于汽车或摩托车的废气净化器，包括：一个排气管；多个设在排气管内的圆筒形金属载体，每个圆筒形金属载体各有一个外周表面和一个内周表面，至少有两个相邻的圆筒形金属载体以其外周表面可互相接触；及装载在圆筒形金属载体的外周表面和内周表面中的至少一个表面上的催化层；其中，至少有一个圆筒形金属载体具有一个带切口的环形横截面，它可以弹性变形的状态被设置在排气管内使它能在离心方向上膨胀。
当装入排气管内的具有切开缝的圆筒形载体以其弹力膨胀时，它便加压在其他圆筒形载体上，被压的圆筒形载体便与相邻的圆筒形载体及/或排气管接触。具体地说，在本废气净化器中，排气管和圆筒形载体在制造时可不要求具有高的尺寸准确度。另外，本废气净化器能扩大与废气面积，因为有多个圆筒形载体被设置在排气管内。结果本废气净化器既显示有高的废气净化能力，又容易装配。此外，当圆筒形载体的厚度被加厚时，本废气净化器能提高对从内燃机传来的点火不良的承受力。
附图说明
在阅读下面结合附图所作的详细说明后当可对本发明及其许多优点有较完整的了解。
在附图中：
图1和2分别为本发明的例1和2的废气净化器的布置图；
图3和4分别为本发明的例3和4的废气净化器的布置图；
图5和6分别为按照例4和比较例的废气净化器在经受点火不良承受力试验后画出的图像。
具体实施方式
上面一般地说明了本发明，下面将进一步结合具体的较优实施例来进行说明，但这些实施例只是用来说明而已，并不能用来限制所附权利要求书所限定的范围。
本废气净化器包括一个排气管、多个圆筒形载体和催化层。圆筒形载体设在排气管内，并各具有外周表面和内周表面，至少有两个相邻的圆筒形载体以其外周表面互相接触。催化层被加载在圆筒形载体中的至少一个外周表面或内周表面上。圆筒形载体中至少有一个载体具有环形横截面和一条切开缝，使当被设置在排气管内时处在弹性变形状态，能在离心方向上膨胀。
在本废气净化器中，催化层被制在圆筒形载体的外周表面和内周表面中的至少一个表面上，它能净化流动通过排气管内的废气。由于在排气管内设有多个圆筒形衬底，在其外周表面和内周表面中的至少一个表面上载有催化层，因此催化层与废气的接触面积被扩大。
在本废气净化器中，至少有一个圆筒形载体具有环形横截面和一条切开缝，并以弹性变形的状态被设置在排气管内使它能在离心方向上膨胀。
至少在其中一个圆筒形载体中，环形横截面具有一条切开缝，表明该圆筒形载体在垂直于轴向切取的垂直的横截面被制成一个至少部分切开的环形。这种部分切开可以得到满意的效果。就切开缝在圆筒形载体的圆周方向上的设置相位而言，并无限制。具体地说，切开缝可被制成与圆筒形载体的轴向倾斜的直线，或者可被制成曲线。
另外，至少其中有一个圆筒形载体，其垂直于轴向切取的垂直横截面没有被切开而是一个环形。注意圆筒形载体的环形横截面并不限于只是为一完整的环形，而是可被制成椭圆形、或者甚至成为长方形和三角形。
至少在其中一个圆筒形载体中，切开缝最好是连续的、从圆筒形载体的一个轴向端延伸到另一端。当切开缝为连续时，圆筒形载体较易在离心方向上膨胀。
如上所述，至少其中有一个圆筒形载体以弹性变形状态被设置在排气管内使它能在离心方向上膨胀。具体地说，至少在其中一个圆筒形载体内有一力作用着，使按垂直于圆筒形载体而切取的环形横截面能在排气管内的离心方向上膨胀。来自圆筒形载体的力压迫在另一个相邻圆筒形载体的外周表面上及/或排气管的内周表面上。这样被压迫的另一个圆筒形载体还会进一步压迫相邻的圆筒形载体。压迫操作将接续进行，从而多个圆筒形载体可定位地固定在排气管内。
另外，在本废气净化器中，当一对在环形横截面上形成切开缝的开启端互相接近(间距缩小甚至为零)，或者当其中一个开启端伸向圆筒形载体内的轴向空洞内时，由于该圆筒形载体的直径被压缩而减小，所以它能容易地以弹性变形的状态配装到排气管内，而在装入后由于其弹性又能在离心方向上膨胀。
在至少一个圆筒形载体内的具有切开缝的横截面最好被制成字母C形，这样在制造这种圆筒形载体时，只要在圆形管的周壁上作出一条轴向的切开缝即可，既省事又省钱。
圆筒形载体可较好地在接触的外周表面上互相连结。另外，当多个圆筒形载体在接触的外周表面上互相连结时，它们就不能作互相定位的位移，并且不能从相邻的圆筒形载体上脱开。结果就能阻止装载在圆筒形载体的内周表面和外周表面中的至少一个表面上的催化层遭受损害，从而能够阻止催化层的废气净化能力变坏。
圆筒形载体可较好地以其外周表面与排气管的内周表面接触，并可较好地以其接触的外周表面连结到排气管上。采用这个布置，圆筒形载体就不能在排气管内作定位的位移，并且不能从排气管上脱落。
排气管和圆筒形载体可较好地由金属制成。当圆筒形载体由金属制成时，至少其中一个圆筒形载体较易在离心方向上弹性变形。当排气管和圆筒形载体均由金属制成时，排气管就容易与圆筒形载体连结。另外，本废气净化器容易被废气加热，从而催化层的催化能力在内燃机被开动后可迅即发挥作用。制造排气管和圆筒形载体的金属材料并无具体限制，因此能使用传统上已知的金属材料。
圆筒形载体可较好地由具有多个穿透孔的多孔钢板制成。当这样做时圆筒形载体上除了切开缝外便有许多孔。当废气流动通过这些孔时，废气将更容易与催化层接触，从而本废气净化器的废气净化能力能被提高。
圆筒形载体可较好地结合成多个组，并且这些组可按预定的间隔沿着排气管的轴向设置在排气管内。当这样做时催化层的装载量便可扩大，因此本废气净化器的废气净化能力能被提高。
排气管可较好地利用排气管，这样只要简单地使废气在排气管内通过，便能净化废气。
在本废气净化器中，催化层被装载在圆筒形载体的外周表面和内周表面中的至少一个表面上。这样，只要能将催化层装载在圆筒形载体中的至少一个表面上，就能获得本废气净化器的废气净化能力。注意在本废气净化器中，只要催化层被装载在圆筒形载体中的至少一个表面上，净化要求便能得到满足。另外，除了圆筒形载体的表面以外，催化层还可装载在排气管的内周表面上。这样，本废气净化器的废气净化能力还能进一步提高。
本废气净化器能使用传统上已知的催化层。催化层可较好地包括一个承载层和装载在承载层上的催化成分。
在废气净化催化装置中，承载层扩大与废气的接触面积。在本废气净化器中，能够使用耐热的无机氧化物作为承载层，这种材料以前曾被用于通常的废气净化催化装置内。例如承载层可较好地具有耐热的无机氧化物，其主要成分为活化的氧化铝。另外，承载层还可较好地含有氧化铈及/或氧化锆。当承载层含有这些氧化物时，本废气净化器就废气净化的特征而言，等级还可提高。此外，承载层的厚度并无具体限制，但可根据本废气净化器的用途适当地加以控制。
催化成分被装载在承载层上。这个装载可以在承载层制成以后完成，或者可以包括在承载层内与承载层同时完成，其时催化成分与由活化氧化铝构成的稀浆被混合在一起，然后将造成的混合浆涂敷在圆筒形载体的外周表面和内周表面中的至少一个表面上。在废气净化催化装置中，催化成分为能净化废气的成分。因此能够使用曾被用在通常的废气净化催化装置中的催化成分。例如能够使用氧化催化剂、还原催化剂和三用催化剂中的任何一种。
具体地说，当从由铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)构成的组群中选取的至少一项被用作催化成分时，就能有效地清除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮的氧化物(NOx)。另外，催化成分装载量并无具体限制，但可根据本废气净化器的用途适当加以控制。
                         例子
下面本发明将结合具体例子较详细地说明，本发明使用的管状废气净化器的制造也将在下面说明。
                         例1
首先按下列方式制出垂直于轴向的横截面为字母“C”形的圆筒形载体20。准备好一根圆管，其外直径为19mm、长度为90mm、厚度为0.6mm，由SUS304钢(按JIS)构成。该圆管在周壁的一个部分上沿轴向被连续切开，从而形成一个开口(切开缝)201。注意该开口的周边宽为2mm。周边宽可较好地为圆管或圆筒形载体20的整个周长的1/100到10/100，更好是从1/100到5/100。
然后准备好两个垂直于轴向的横截面为环形的圆筒形载体30、30，其外直径为19mm、长度为90mm、厚度为0.6mm，由SUS304钢(按JIS)构成。另外准备一个排气管40，其外直径为42.7mm、长度为90mm、厚度为1.2mm，由SUS304钢(按JIS)构成。将垂直于轴向的横截面为字母C形的圆筒形载体20与垂直于轴向的横截面为环形的两个圆筒形载体30、30一同配装在排气管40内。配装时由于垂直于轴向的横截面为字母C形的圆筒形载体20能在直径上被缩小，因此三个圆筒形载体20、30、30容易被配装到排气管40内。配装后由于垂直于轴向的横截面为字母C形的圆筒形载体20受到弹性变形而产生一个恢复力，使它能在离心方向上膨胀，因此圆筒形载体20能以压力与排气管40的内表面接触，并能以压力与具有环形横截面的圆筒形载体30、30的外周表面接触。此外，由于具有C形横截面的圆筒形载体20作用在两个具有环形横截面的圆筒形载体30、30而产生的应力，圆筒形载体30、30能以压力与排气管40的内周表面接触，并能以压力与相邻圆筒形载体20、30的外周表面接触。
随后，在三个圆筒形载体20、30、30和排气管40之间的接触部用含镍的铜焊合金予以铜焊。由于铜焊，三个圆筒形载体20、30、30和排气管40被连结在一起。其时，通过均匀地混和活化氧化铝、Ce-Zr的复合氧化物、连结剂、Pt、Rh和水制备稀浆。活化氧化铝为γ-Al2O3，用量为57.6份·Ce-Zr复合氧化物的用量为32.4份。注意这个Ce-Zr复合氧化物在转换成CeO2时其用量可能为27.5份。连结剂的用量为5.8份。Pt的用量为3.6份。Rh的用量为0.7份。水的用量为250份。以上这些用量均以重量计。
造成的稀浆被涂覆在排气管40的内周表面上及圆筒形载体20、30、30的外周表面和内周表面上。注意涂覆量为90g/m2。此后，涂覆的稀浆在500℃被煅烧一小时。
按照上述程序可以制出例1所要求的管状废气净化器10，其布置如图1所示。注意在图中，排气管40以虚线示出，为的是使圆筒形载体20、30、30在例1中管状废气净化器内的设置容易观看。
                        例2
除了使用多孔管来制备三个圆筒形载体21、31、31而将它们设置在排气管41内之外，例2的管状废气净化器11的制造与例1完全相同。
具体地说，在按照例2的管状废气净化器11中，固定在排气管41内的三个圆筒形载体21、31、31都是由多孔的钢管制成的。在这三个圆筒形载体21、31、31中，只有圆筒形载体21设有字母C形的与轴向垂直的横截面。
图2示出按照例2的管状废气净化器11的布置。注意在图中，排气管41用虚线示出，为的是使圆筒形载体21、31、31在例2的管状废气净化器的设置容易观看。
                         例3
首先按下列方式制造出垂直于轴向的横截面为字母“C”形的圆筒形载体22。准备好一根圆管，其外直径为19mm、长度为90mm、厚度为0.6mm，由SUS304钢(按JIS)构成。该圆管在周壁的一个部分上沿轴向被连续切开，从而形成一个开口(切开缝)221。注意该开口221的缝宽为2mm。
然后，准备好两个垂直于轴向的横截面为环形的圆筒形载体32、32，其外直径为19mm、长度为90mm、厚度为0.6mm，由SUS 304钢(按JIS)构成。
然后准备好两个垂直于轴向的横截面为环形的圆筒形载体32、32，其外直径为19mm、长度为90mm、厚度为0.6mm，由SUS304钢(按JIS)构成。将垂直于轴向的横截面为字母C形的圆筒形载体22与垂直于轴向的横截面为环形的两个圆筒形载体32、32一同配装在排气管42内，它们被设置在排气管42的在轴向上的中部。
另外，准备好两组与上述情况相同的圆筒形载体22、32、32。具体地说，每组各有三个圆筒形载体22、32、32，其中一个载体22具有C形的垂直横截面，另外两个载体32、32具有环形的垂直横截面，然后将这两组各三个载体分别从排气管42的两个相对的开口端配装到排气管42内。当三组圆筒形载体22、32、32都被配装在排气管42内时，它们被设置得不在同一相位上，或者它们在排气管42内被设置的相位并不互相一致。换句话说，这三组圆筒形载体22、32、32在排气管42的轴向上被设置成参差的方式。
注意我们能将圆筒形载体22、32、32共九件一同配装到排气管42内，就像在例1中配装三个圆筒形载体那样容易。
随后以与例1相同的方式，圆筒形载体22、32、32用铜焊互相连结并铜焊到排气管42上，此后分别在其上设置催化层。
按照上述程序便可制出例3所要求的管状废气净化器12，其布置如图3所示，注意在图中，排气管42以虚线示出，为的是使圆筒形载体22、32、32在例3中管状废气净化器12内的布置容易观看。
                        例4
除了使用多孔管来制备九个圆筒形载体23、33、33而将它们设置在排气管43内之外，例4的管状废气净化器13的制造与例3完全相同。
具体地说，在按照例4的管状废气净化器13中，固定在排气管43内的九个圆筒形载体23、33、33都是由多孔的钢管制成的。每一组的三个圆筒形载体都以同样的轴向位置设置在排气管43内，只有圆筒形载体23设有字母C形的与轴向垂直的横截面。
图4示出按照例4的管状废气净化器13的布置。注意在图中，排气管用虚线示出，为的是使圆筒形载体23、33、33在例4中管状废气净化器内的设置容易看清。
当按照例1到4制造管状废气净化器10到13时，人们都能容易地将圆筒形载体配装在排气管内。另外，当圆筒形载体这样被配装在排气管内时，圆筒形载体还能将自身固定在排气管上，因此在进行铜焊操作时，可不需将圆筒形载体暂时固定在排气管上，从而能急剧地降低按照例1到4来制造管状废气净化器的费用。
                     比较例
按照比较例的废气净化器按下列方式制造。金属蜂窝状载体由一个排气管、波形箔和平箔制成。排气管的外直径为42.7mm、长度为90mm、厚度为1.2mm，由SUS436L钢(按JIS)构成。波形箔和平箔的厚度为0.1mm，由20Cr-5Al耐热钢构成。金属蜂窝状载体每cm2具有15.5小室(即约100小室/平方英寸)。金属蜂窝状载体以与例1相同的方式设有催化层。
                         评估
为了评估本废气净化器，对按照例4和比较例的废气净化器进行点火不良承受力试验。该试验按以下的方式进行。将相关的废气净化器装到摩托车的排气系统上，该摩托车设有一个排量为0.400L(或400cc)的四冲程发动机。该发动机在常速条件，即在60km/h的速率下(或在第四挡速率下，或在3600rpm的转速下)被驱动，并在此后由于点火开关被关掉而被迫停止，这样就发生点火不良的情况。在点火不良承受力试验中，废气净化器被查定何时发动机被迫停止并且一直停下去。
此后按照例4和比较例的管状废气净化器从摩托车的排气系统上被取下，并肉眼检查它们是如何受到点火不良的影响的。在此试验后，管状废气净化器被摄影。图5和6分别示出按照例4的管状净化器和按照比较例的蜂窝状废气净化器在经过点火不良承受力试验后的外观。
从图6可以证实按照蜂窝状的废气净化器由于点火不良已被熔化和损坏。在另一方面，如图5所示，能够看到按照例4的管状废气净化器极少被点火不良熔化和损坏。具体地说，在按照比较例的蜂窝状废气净化器中，分隔各小室的壁箔的厚度由于很小以致被点火不良产生的热熔化和损坏。而在按照例4的管状废气净化器13中，圆筒形载体23、33、33由于有足够的厚度以致在点火不良的情况下，呈现高的点火不良承受力。注意较好是将圆筒载体的厚度控制在0.3mm或以上，更好是在0.3到1.0mm的范围内。
如上所述，按照例1到4的管状废气净化器的优点是不仅能减少制造费用，具有高的废气净化能力，而且能够呈现对点火不良提高的承受能力。
上面完整地说明了本发明，但对本行业的行家来说，受此启发，显然能作出许多变化和修改而没有离开本发明所附权利要求书中所限定的创意和范围。

Claims (8)

1.一种用于汽车或摩托车的废气净化器，包括：
一个排气管；
多个设在排气管内的圆筒形金属载体，每个圆筒形金属载体各有一个外周表面和一个内周表面，至少有两个相邻的圆筒形金属载体以其外周表面可互相接触；及
装载在圆筒形金属载体的外周表面和内周表面中的至少一个表面上的催化层；
其中，至少有一个圆筒形金属载体具有一个带切口的环形横截面，它可以弹性变形的状态被设置在排气管内使它能在离心方向上膨胀。
2.如权利要求1所述的废气净化器，其特征在于，带切口的环形横截面为一字母C形的横截面。
3.如权利要求1所述的废气净化器，其特征在于，圆筒形金属载体在其接触的外周表面上互相连结在一起。
4.如权利要求1所述的废气净化器，其特征在于，圆筒形金属载体以其外周表面与排气管的内周表面接触，并将接触的外周表面连结到排气管上。
5.如权利要求4所述的废气净化器，其特征在于，圆筒形金属载体由具有多个穿透孔的多孔钢板制成。
6.如权利要求1所述的废气净化器，其特征在于，圆筒形金属载体被结合成多个组，这些组沿排气管的轴向按预定的间隔被设置在排气管内。
7.如权利要求6所述的废气净化器，其特征在于，圆筒形金属载体的各组被设置得不在同一相位上。
8.如权利要求1所述的废气净化器，其特征在于，所述切口是连续的，从至少一个圆筒形金属载体的一个轴向端延伸到另一个相对的轴向端。
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