CN1678821A - 将污染控制元件安装在处理废气的污染控制装置中的垫片 - Google Patents

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Abstract

一种适合用于内燃机(如柴油发动机)的污染控制装置，包含一个置于一个外套中的污染控制元件，在外套和污染控制元件之间布置有非织造垫片。所述的非织造垫片是一种非膨胀的垫片，包含按垫片总重量计至少90％的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，其具有5微米或更大的平均直径和0.5－15厘米的长度，所述的玻璃纤维是针刺的或缝编的，所述的垫片不含有或者实质上不含有有机粘合剂。

Description

将污染控制元件安装在处理废气的污染控制装置中的垫片
技术领域
本发明涉及污染控制装置，其包括将污染控制元件装配在污染控制装置中的安装垫片。本发明特别涉及用于处理内燃机(如柴油发动机)废气的污染控制装置。这种污染控制元件的安装垫片能够设计成特别适合较低温度下的应用，如适合于减少柴油机废气污染的催化式转化器或其它的污染控制元件。
背景技术
柴油机污染控制装置包括催化式转化器和柴油颗粒物过滤器或收集阱。这种污染控制装置通常包含一个金属罩或外套，以及一个用有弹性的、柔韧的安装垫片安全地安装在外套内部的污染控制元件。污染控制装置普遍地应用于机动车辆上以控制空气污染。当前，两种类型的设备被广泛地使用：催化式转化器和柴油机颗粒物过滤器或收集阱。催化式转化器包含一种催化剂，通常涂布于安装在金属罩内部的单块结构上。这种单块结构有代表性的是陶瓷，虽然金属单块也被使用。催化剂使汽车尾气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化并且使氮的氧化物还原，从而控制空气污染。
柴油颗粒物过滤器或收集阱通常是壁流式过滤器，其具有蜂窝状的单块结构，通常由多孔结晶陶瓷材料制成。蜂窝结构中的交替蜂房通常是堵塞的，以致于废气进入其中一个蜂房后，被迫通过多孔壁到达邻近的蜂房才能离开这个结构。这样，存在于柴油废气中的小的烟尘颗粒被收集起来。
用于污染控制装置中的单块，特别是陶瓷污染控制单块，是脆性的并且容易受到振动或冲击破坏和破损的影响。它们的热膨胀系数一般比容纳它们的金属罩小一个数量级。这意味着当污染控制装置被加热时，在罩的内壁和单块的外壁之间的间隙增加。即使金属罩经受由于垫片绝缘效果而产生的较小的温度变化，金属罩的较高的热膨胀系数仍然会引起罩体膨胀到较大的外围尺寸，这比单块元件的膨胀要快。在污染控制装置的有效使用过程中，这种热循环发生许多次。
为避免陶瓷单块受到诸如道路冲击和振动的损坏，补偿热膨胀的差异，并且防止废气从单块和金属罩之间通过(因此绕过了催化剂)，安装垫片安置在陶瓷单块和金属罩之间。这些垫片必须施加足够的压力以使单块在整个期望的温度范围内保持在适当的位置但是又不足以损坏陶瓷单块。
现在技术中描述的许多安装垫片，是为装配用于处理汽油发动机的废气的、通常在高温下运行的催化式转化器而开发。已知的安装垫片包括由陶瓷纤维、膨胀材料和有机和/或无机粘合剂组成的膨胀薄片材料。膨胀薄片材料在将催化式转化器装配在外壳中时是有用的，记载在诸如美国专利3,916,057(Hatch等人)、4,305,992(Langer等人)、5,151,253(Merry等人)、5,250,269(Langer)和5,736,109(Howorth等人)中。近几年，由多晶陶瓷纤维和粘合剂组成的非膨胀垫片已经特别地用于所谓的超薄壁单块，由于它的蜂房壁特别薄，垫片的强度显著地降低。非弹性垫片的例子描述在诸如美国专利4,011,651(Bradbury等人)、4,929,429(Merry)、5,028,397(Merry)、5,996,228(Robinson等人)和5,736,109
(Howorth等人)。多晶纤维比普通的熔化形成的陶瓷纤维要昂贵得多，因此，这种垫片仅仅用于绝对必需使用的场合，如超薄壁单块。
美国专利5,290,522记载了一种具有非织造的安装垫片的催化式转化器，该垫片包含至少60重量％的、没有注射的高强度镁铝硅酸盐玻璃纤维，其直径大于5微米。在这篇参考资料中所教导的安装垫片主要是指定用于高温应用的场合，这可以从其实施例中的测试数据可以看出，其垫片所经受的废气的温度高于700℃。
美国专利5,380,580记载了一种柔性非织造垫片，它包含没有注射的陶瓷氧化物纤维，其陶瓷氧化物纤维选自：(a)铝硅酸盐纤维，包含重量比从60％到约85％之间的氧化铝和重量比在40％到约15％的氧化硅，基于所述铝硅酸基纤维总重量而言；所述的铝硅酸基纤维是至少20重量％的(b)结晶石英纤维，和(c)即(a)和(b)的混合物，而且其中所述铝硅酸基纤维和所述结晶石英纤维的合计重量是所述非织造垫片总重量的至少50％。这种柔性非织造垫片还可以包含高强度纤维，这些高强度纤维选自：碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、不锈钢纤维、黄铜纤维、挥发性纤维以及它们的相应混合物。
柴油氧化催化剂(DOC’s)被使用在现代柴油发动机上，使柴油颗粒释放物中的可溶有机组分(SOF)氧化。因为废气温度特别低，用常规的装配材料装配DOC’s是有问题的。现代柴油发动机如涡轮驱动直接注射(TDI)发动机排放的废气也许从来不会超过300℃。这样的温度是低于使大部份可膨胀垫片膨胀的所需温度。这种膨胀需要提供和维持催化式转化器内部的合适压力。此外，这样的温度太低而不足以使包含在可膨胀垫片材料中的有机粘合剂烧尽。在这样的温度下粘合剂只是软化，它起的作用是干扰了陶瓷纤维的弹性。结果是，当使用常规的可膨胀安装垫片时DOC’s发生场失效。为了克服这些困难，经常在安装之前将转化器进行热处理以使蛭石膨胀并且烧尽粘合剂。这是昂贵而且耗时的。辅助的金属丝网“L”密封也被用于增加低温下可膨胀垫片的保持力，但也增加了成本和装置的复杂性。大多数性能较好的非膨胀垫片仍包含有机粘合剂，它显著地减小了在200-300℃范围内纤维的弹性。这对其它的柴油机废气污染控制装置，包括贫NOx催化剂、连续再生阱(CRT’s)和NOx阱，也同样如此。
美国专利6,231,818试图克服使用包含无定形无机纤维的非膨胀垫片来装配低温柴油催化剂的现实困难。虽然在该专利中教导说这种垫片可以是不含有机粘合剂的，但在实施例中使用的几个垫片似乎需要使用大量的粘合剂。而且还发现在这个美国专利中公开的安装垫片，在处理柴油发动机特别是TDI发动机的废气时仍然未能有很好的表现。
因此，期望找到一种替代安装垫片，用于在处理柴油机废气的污染控制装置的金属外套中装配柴油污染控制单块。尤其是，期望获得一种改进的安装垫片，可以用简单和方便的方法并以可接受的成本而制造。此外，期望找到一种至少在下述一项或多项测试中显示出优异性能的安装垫片：真实条件装置测试(RCFT)、循环压缩测试和热振动测试。当然，这种安装垫片也应是在健康、安全和环境等方面可以接受的。
发明内容
本发明的一个方面，提供了一种包含非织造非膨胀垫片，包含按垫片总重量计至少90％的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，其具有5微米或更大的数均直径和0.5-15厘米的长度，所述的玻璃纤维是针刺的或缝编的，所述的垫片不含有或者实质上不含有有机粘合剂。所谓的“实质上不含有”意思是粘合剂的量不超过1％的重量比(基于垫片总重量)，优选不超过0.5％的重量比。这种垫片使用在处理机器的内燃机(如柴油机)排放废气的污染控制装置中。这种发动机也许包括在一个固定的机器中，例如在发电机中或机动车中。这种安装垫片将污染控制元件安装在污染控制装置的外壳(如金属外套)中，通常置于外套和污染控制元件之间。
根据本发明的一个特别的方面，提供了这样一种垫片：它用于将一个污染控制元件(如柴油污染控件单块)安装在污染控制装置的外壳(如金属外套)中，该垫片是一种非膨胀垫片，包含按垫片总重量计至少90％的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，该纤维具有5微米或更大的平均直径和0.5-15厘米的长度，所述的玻璃纤维是针刺的或缝编的，所述的垫片不含有或者实质上不含有有机粘合剂，包含至少两层短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，其中这两层的区别在于它们的玻璃纤维的组成。发现：该方面的垫片特别适合于优化柴油发动机废气的污染控制装置的装配垫片的性能和制造成本。
本发明的另一方面，提供了一种处理内燃机(如柴油发动机)废气的方法，该方法使废气通过一个污染控制装置，该装置包含一个置于外壳(例如金属外套)中的污染控制元件(如柴油污染控制单块)，一个非织造垫片则安装在外套和污染控制元件之间。所说的非织造垫片是一种非膨胀垫片，包含按垫片总重量计至少90％的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，其具有5微米或更大的数均直径和0.5-15厘米的长度，所述的玻璃纤维是针刺的或缝编的，所述的垫片不含有或者实质上不含有有机粘合剂。
术语“柴油污染控制单块”是指一种适合和/适应于减少由于柴油发动机排放废气产生污染的单块结构，特别包括一种在低温下(如350℃或更低)可以有效减少污染的单块结构。柴油污染控制单块包括但不限于催化式转化器、柴油颗粒阱和NOx吸收器或收集阱。
术语“镁铝硅酸盐玻璃纤维”包括这样的玻璃纤维：它们包含硅、铝、镁的氧化物，但并不排除其它氧化物特别是其它金属氧化物的存在。
附图说明
下述附图的提供，完全是出于说明和更好地理解本发明的目的，而不是有意地以任何方式来限制本发明：
图1是以一种分解图的方式显示的本发明的催化式转化器的透视图。
图2和图3显示了实施例1、比较例1和比较例2在真实条件装置测试中的垫片的结果。
本发明的详细说明
参照图1，污染控制装置10包含金属外套或外壳11，具有一般是圆锥体形状的入口和出口端12和13。置于金属外套11内部的是柴油污染控制单块，例如由一个具有大量气体流道(没有显示出来)的蜂窝状单块体。在柴油污染控制单块20的周围是安装垫片30，其包含短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，起到密封但弹性地支撑位于外套11中的单块元件20的作用。安装垫片30将柴油污染控制单块保持在外套中的合适位置，并且密封在柴油污染控制单块20和外套11之间的间隙，因此可以防止或减少柴油机废气绕过柴油污染控制单块20。
金属外套可以由现有技术中已知的用于同类用途的材料制成，包括不锈钢。
用于污染控制装置10中的柴油污染控制单块的例子包括催化式转化器和柴油颗粒过滤器或收集阱。催化式转化器包含一种催化剂，通常涂布在安装于金属罩内部的单块结构上。这种催化剂通常适用于低温，通常不超过350℃时是可行的和有效的。这种单块结构有代表性的是陶瓷，虽然金属单块也已经被使用。催化剂使汽车尾气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化并且使氮的氧化物还原，从而控制空气污染。在汽油发动机中所有这三种污染物能够在所谓的“三效催化式转化器”中同时反应，然而大多数的柴油发动机只装备了柴油氧化催化式转化器。催化式转化器用于减少氮的氧化，其仅仅在当前在柴油机中有限地使用，一般包含一个独立的催化式转化器。合适的用作催化剂载体的陶瓷单块可以从Corning公司(Corning N.Y)购买(其商标名是CELCOR)或从NGK绝缘有限公司(日本Nagoya)购买(其商标名是HONEYCERAM)。
柴油颗粒物过滤器或收集阱通常是壁流式过滤器，其蜂窝状的单块结构通常由多孔结晶陶瓷制成。蜂窝结构中的交替蜂房通常是堵塞的，以致于废气进入其中一个蜂房后被迫通过多孔壁到达邻近的蜂房才能离开这个结构。这样，存在于柴油废气中的小的烟尘颗粒被收集起来。由堇青石制成的合适的柴油颗粒物过滤器可以从Corning公司(Corning N.Y)和NGK绝缘有限公司(日本Nagoya)购买。由碳化硅制成的柴油颗粒物过滤器可以从Ibiden公司(日本)购买而且描述在诸如专利JP2002047070A中。
用于非织造的安装垫片的镁铝硅酸盐玻璃纤维具有至少5微米的平均直径和0.5-15厘米的长度，优选1-12厘米的长度。尤其是，平均直径为至少7微米，典型的是7-14微米之间。玻璃纤维优选分散的。为了提供分散的(即每根纤维之间是相互分离的)纤维，一股或一束纤维可以被短切，例如，使用一台玻璃粗纱剪切机(可以购买，例如加利弗尼亚州Pacoma的Finn&Fram Inc.生产的“90型GLASS ROVING CUTTER”)将纤维切短到所需的长度(通常是约0.5至约15厘米之间)。这种纤维通常是没有注射的或含有很低数量的注射量，通常是低于1重量％(基于纤维总重量)。此外，纤维通常在直径上是相当均匀的，即直径在平平均值+/-3微米以内的纤维的数量一般至少占70％的重量比，优选至少80％的重量比，特别优选至少90％的重量比(相对镁铝硅酸盐玻璃纤维总重量而言)。
这种垫片除包含镁铝硅酸盐玻璃纤维以外，还可以包含高达10重量％的其它纤维。但是作为优选，这种垫片仅由镁铝硅酸盐玻璃纤维组成。如果其它的纤维包含在垫片中，它们通常是无定形的纤维并且也是优选平均直径为至少5微米。特别是，这种垫片不含有或本质上不含有直径为3微米或以下的纤维，更特别是，这种垫片不含有或本质上不含有直径为5微米或以下的纤维。这里所说的“本质上不含有”意思是直径这样小的纤维的数量不超过2％的重量比，特别是不超过1％的重量比(基于垫片中纤维总重量而言)。在制造非织造垫片的优选的方法中，剪切或短切纤维可以采用使它们通过一个常规的双区Laroche Opener的方法(如可以从Laroche S.A.，Cours laVille，France购买)而分散。纤维也可以采用使它们通过一个锤式粉碎机，优选吹风卸料锤式粉碎机(如可以从俄亥俄州Tiffin的C.S.Bell Co.购买商品名为BLOWER DISCHARGE MODEL 20HAMMER MILL锤式粉碎机)。尽管效率低，纤维可以使用常规的吹风机分散，如可以从W.W.Grainger of Chicago IL购买商标为DAYTON RADIAL BLOWER，其3C539型，31.1cm(12.25英寸)，3马力。短切纤维正常只需通过Laroche Opener 1次。当使用锤式粉碎机，它们一般需要通过2次。如果单独使用吹风机，纤维通常需要至少通过2次。优选地，在形成非织造垫片以前，至少有50重量％的纤维被分散开。
虽然大于约15cm的剪切或短切纤维在制备非织造垫片中也是有用的，但它们容易导致加工困难。分散这些纤维趋向于增加了形成非织造垫片的纤维的疏松性(也即减小体积密度)，因而降低了合成垫片的密度。
为了便于以最小的破坏加工和分散短切或剪切纤维，当纤维被分散时，一种抗静电剂润滑剂(例如可以从新泽西州Hatfield的Simco Co.Inc购买的商标名为“NEUTROSTAT”的润滑剂)可能被喷射到锤式粉碎机里。
镁铝硅酸盐玻璃纤维优选包含10-30重量％的氧化铝、52-70重量％的氧化硅和1-12重量％的氧化镁。上述氧化物的重量百分比是基于Al2O3、SiO2和MgO的理论含量。可以进一步理解为镁铝硅酸盐玻璃纤维可以包含其它氧化物。例如，其它氧化物可以以包括钠或钾的氧化物、硼的氧化物或钙的氧化物等形式存在。镁铝硅酸盐玻璃纤维的特例包括E-玻璃纤维，其组成通常为约55％SiO2、11％Al2O3、6％B2O3、18％CaO、5％MgO和5％的其它氧化物；S和S -2玻璃纤维，其组成通常为约65％SiO2、25％Al2O3和10％MgO；以及R-玻璃纤维，其组成通常为60％SiO2、25％Al2O3、9％CaO和6％MgO。例如，E-玻璃纤维和S和S-2玻璃纤维可以从Advanced Glassfiber Yarns LLC获得，而R-玻璃纤维可以从Saint-Gobain vetrotex获得。
根据制造非织造垫片的方法，短切分散的纤维(优选大约2.5-5cm长度)被投进一台常规的成网机(可以购买，比如其商标名为“RANDO WEBBER”，由Rando Machine Corp.of Macedon，N.Y.生产或者商标名为“DAN WEB”，由丹麦的ScanWeb Co.生产)，在此纤维被纺在一个金属筛网或丝网带(如金属或尼龙带)的上面。如果使用一台“DAN WEB”型成网机，优选纤维先用锤式粉碎机再用吹风机分散。长度大于约2.5cm的纤维容易在成网过程中相互缠绕。取决于纤维的长度，合成的垫片通常具有足够的可操作性，可以不需要支撑体(如平纹织物)传送到一个针刺机。
这种非织造垫片也可以使用常规的成网机或织物梳理机。对成网工艺而言，纤维的长度优选约0.5cm至约6.0cm。对织物工艺而言，纤维的长度优选约5cm至约10cm。
针刺非织造垫片是指这样的一种垫片，其中纤维自然缠绕，完全或者部份(优选完全)穿透垫片，例如被带刺的针所穿透。这种非织造垫片可以使用常规的针刺设备(例如一种针刺机，从德国Dilo公司购买，其商标名为“DILO”，附有带刺的针(可以购买，例如从威斯康星州Manitowoc的Foster NeedleCompany，Inc.))进行针刺，以得到一种针刺的非织造垫片。针刺，其使得纤维相互缠绕，通常包括压缩垫片，然后穿孔，拉着带刺的针穿过垫片。单位面积垫片上最佳穿孔的数量取决于具体的应用。通常，非织造垫片被穿孔以提供约5至约60个针孔/cm2，尤其是，非织造垫片被穿孔以提供约10至约20个针孔/cm2。
特别是，这种针刺的非织造垫片的单位面积的重量在从大约1000至大约3000g/cm2的范围内，在另一方面其厚度在从大约0.5至大约3cm的范围内。在5kPa负载下典型的体积密度在0.1-0.2g/cc的范围内。
这种非织造垫片可以使用常规的方法(参见例如美国专利US4,181,514(Lefkowitz等)，它的公布与其中的参考资料结合起来提供了缝编的教导)进行缝编。通常这种垫片是用有机线进行缝编。一种有机或无机片材制成的薄层可以放在垫片的其中一面或两面，以防止或减小线将垫片割断。其中缝合的线在使用中不分解是所期望的，一种无机线诸如陶瓷或金属(例如不锈钢)可以使用。针脚之间的间距通常是3至30mm以使纤维均匀地压缩在垫片的整个面积上。
作为本发明的一个特例，这种垫片可以包含多层镁铝硅酸盐玻璃纤维，每一层在所使用纤维的平均直径、长度和/或化学组成上完全不同。由于在一定温度下纤维的热阻和机械强度随它们的组成而变化，并且为了较低的纤维直径，纤维层可以进行选择，以使性能最优而成本最低。例如，一种由一层S-2玻璃纤维联合一层E-玻璃纤维组成的非织造垫片可以用来装配柴油机催化式转化器。在使用中S-2玻璃纤维层直接置于较热的、催化式转化器的单块的一侧，而E-玻璃纤维则置于较冷的、催化式转化器的金属罩的一侧。这种叠层组合垫片比仅由E-玻璃纤维组成的垫片能耐更高的温度，又比仅由S-2玻璃纤维组成的垫片能较大地降低成本。这种叠层垫片由初始成型的单层的垫片制备而成，其中单层垫片是使用前述的成型方法由某种具体类型的纤维制成。然后将这些单层采用缝编在一起，形成具有所需的不连续层的最终垫片。
本发明的安装垫片特别适合于装配污染控制装置中的柴油污染控制单块。通常，垫片的装配密度，即装配后垫片的体积密度应该为至少0.2g/cm3，以提供足够的压力使单块安全在保持在适当的位置。当装配密度在大约0.70g/cm3以上时，纤维可能过度地变形。在很高的装配密度下也存在这样的风险，在污染控制装置组装时单块出现断裂。合适的装配密度应该在0.25g/cm3与0.45g/cm3之间。使用在低温应用如柴油机废气处理中，这种污染控制装置有优异的性能特征。这种污染控制装置可以用于固定的机械以处理从其包含的柴油发动机所释放废气的处理。这样的固定机械包括诸如发电或抽送液体的能量源。
这种污染控制装置特别适合于从机动车的柴油发动机中释放废气的处理。这样的机动车辆的例子包括火车、公共汽车、卡车和低容量载人车辆。这里的低容量载人车辆是指那些设计为运输少量乘客的机动车辆，通常不超过15名乘客。相应的例子包括轿车、有篷货车和所谓的单容量汽车。这种污染控制装置特别适合从涡轮式注射柴油发动机(TDI)的废气处理，它被越来越频繁地特别使用在欧洲的机动车辆上。
下面的实施例进一步对本发明进行描述，而决不是故意来限制本发明的范围。
实施例
实施例中所采用的原材料
S-2玻璃纤维，直径约9微米，剪切至长度为1.0英寸(2.54mm)，可以以401S-2玻璃短丝的形式从Advanced Glassfiber YarnsLLC(AGY)，Aiken，South Carolina/USA获得。
E-短切玻璃丝，直径9微米，剪切至长度为1.0英寸(2.54mm)，从AdvancedGlassfiber Yarns LLC(AGY)，Aiken，South Carolina/USA获得。
R-玻璃纤维(典型的组成为60％SiO2、25％Al2O3、9％CaO和6％MgO)，直径大约10微米，剪切至长度为36mm，可以从Saint-Gobain VetrotexDeutschland GmbH，Herzogenrath/Germany获得。
真实条件装置测试(RCFT)
该测试模拟在通常使用过程中带有单块或柴油颗粒物收集阱的污染控制装置的实际条件，测试在这种模拟使用条件下由装配材料施加的压力。这种RCFT方法详细地描述在Material Aspects in Automotive Pollution controldevices，ed.Hans Bode，Wiley-VCH，2002，pp-206-208中。
两片50.8mm×50.8mm独立控制加热的不锈钢板，被加热到不同的温度以分别模拟金属罩和单块的温度。与此同时，两块板之间的空间或间隙增加到一个计算好的数值(由具体类型的典型污染控制装置的温度和热膨胀系数计算出)。柴油机污染控制装置的正常运行条件由300℃以上的单块温度和100℃以上的金属罩温度来模拟，更恶劣的条件，例如在汽车高速公路连续高速的运行过程中可能出现，由500℃以上的单块温度和200℃以上的金属罩温度来模拟。
使用单位面积重量为1200-1400g/m2的垫片作为样品，每个安装垫片样品进行3次RCFT循环测试。装配在测试样品中的垫片密度是0.35g/m3。而膨胀样品的对照实例是在1.0g/cc的密度下测试。
在三个RCFT循环完成后，数据曲线就可以产生。曲线表明，两块板之间的压力作为温度的函数，第一块板和第二块板的温度，开始都分别上升，在某一温度下保持15分钟然后下降。
热振动测试
热振动测试是用来进一步评价根据本发明的安装垫片作为柴油发动机用低温污染控制装置的安装垫片的合适性。热振动测试包括：传送废气通过一个金属外套(以下称为测试组合装置)内安装有安装垫片的污染控制装置元件上，与此同时，使转化器组装件经受足够的机械振动以充当加速的耐久性测试。
这个测试组合装置包括：
1)一个圆柱形的陶瓷单块，直径为4.66英寸(11.8cm)，长度为3.0英寸(7.6cm)，具有350cell/英寸2，壁厚为5.5mil(0.14mm)；
2)一个描述在以下对照实施例中的安装垫片，该垫片以圆柱形的方式安装在单块和金属罩之间；和
3)一个包含409不锈钢的圆柱形的罐形罩，其内径为大约4.88英寸(12.4cm)。
一个常规的振动桌(购自美国Wallingford，Conn.的Unholtz-DickieCorp.)被用来给测试组合装置提供振动。热源包含一台天然气燃料炉，它能够为转化器提供高达1000℃的高温进气。转化器上安装有热电偶，以测量在单块外表面和安装垫片内表面之间的界面温度。受热的废气经过循环(反得地升温和降温)以至在安装垫片表面产生额外的应力。在测试的振动部件启动以前，进行一个15小时的热调节阶段。这个热调节阶段包括在某一选定温度下进行5个2小时的循环，接下来在50℃下维持1小时。在测试的振动部件中，随机正弦型振动被用来产生进一步的应力和模拟测试组合装置在使用条件下的加速老化。在第一步中，振动以1.75g(在这个振动测试中，“g”代表重力)、随机0.01g2/Hz(大约10g波峰)的振动水平开始。在某一选定温度下振动持续3小时然后停止。测试组合装置允许冷却到50℃并在没有振动的情况下保持1小时。在第二步中，当测试组合装置在选定温度下再加热3小时，振动水平加倍(即3.5g随机0.02g2/Hz正弦振动)。然后振动停止又1小时，接下来冷却并维持在50℃。在第三步中，上述的振动参数加倍，循环(包含在选定温度下进行3小时的振动和在50℃下保持1小时)反复进行。在第四步中，振动参数再次加倍，经过完事的4个步骤，也就是说，直到振动参数达到正弦28g、随机0.16g2/Hz(大约61g波峰)。这个振动组合装置进一步经受最后一步振动参数下的作用直到测试组合装置明显失效或者在正弦28g、随机0.16g2/Hz下至少进行14个循环为止。
循环压缩测试
循环压缩测试的测试装置包括：
a)一个可以购买的测试仪器(通常称之为拉力测试仪)，由一个较低的固定端和一个较高的、远离较低端的、可以在垂直方向以称为十字头速度的速率移动的部件组成，并且带有一个可以测量超过30KN力的负载单元(MTSTM ModelRT/30，可以从Material Test Systems，Cary，North carolia)。
b)第一根石英管(直径50.8mm×长度20cm)垂直地附着在仪器的固定的较低端，
c)第二根石英管(直径50.8mm×长度20cm)垂直地附着在仪器的较高端的负载蜂房上，
d)一个热电偶伸出较高的石英管并与测试组合装置相接触，和
e)一个电热炉，它有一个衬砖内置一个管式孔，以便它紧密地包围两个石英管，彼此靠得最近。
测试组合装置由三个相互重叠的圆盘组成：
a)一个较大的处于下端的石英圆盘(厚度20.0mm，直径75mm)，用于支撑测试样品，
b)一个待测试的安装垫片的测试样品，它包含一个待测试的安装垫片的称重圆盘，直径为大约2英寸(51mm)，
c)一个较小的处于上端的石英圆盘(厚度12.5mm，直径51mm)，位于测试样品的顶部。
测试组合装置置于低位石英管的上端和高位石英管的下端之间，这样就可以使测试装置的三个圆盘垂直地布置并相互连接。
然后选择两个间隙的距离：
1)间隙1：两个石英圆盘之间的较小间距，
2)间隙2：两个石英圆盘之间的另一个较大的间距。
这些间隙距离需要精心选择，以便被测试的安装垫片样品在较小的间隙1处具有相对给定材料而言推荐的装配密度，而在间隙2处则具有超过较小间隙1处密度10％的装配密度。当安装垫片使用在实际的使用条件下，经常碰到这些参数的选择，而选择是基于垫片的密度，
然后将这样选择的间隙距离编程输入到仪器中，关闭围绕测试组合装置的炉子，加热至250℃并保温，最后这个仪器按程序反复地从一个间隙距离移到另一个间隙距离，因此反复地增加和降低位于两个石英圆盘之间的测试组合装置上的样品圆盘上的压力。十字头速度是5.0mm/min，实质上在间隙1和间隙2之间没有停留时间。
在任何一段时间由样品圆盘施加的压力以千帕斯卡(KPa)的单位被记录下来。压缩循环重复进行1000次。
在测试开始阶段由样品圆盘施加的压力(初始压力)被记录下来，同时仪器处在压缩循环的较小间隙1的位置。在250℃下经过1000次压缩循环后由样品圆盘施加的压力(最终压力)也被记录下来，而同时仪器再次处在压缩循环的较小间隙1的位置。
这两个数字用下面的方法进行比较：(最终压力/初始压力)×100％＝百分比保持率
实施例1
40L平均直径大约9微米、长度为2.54cm的S-2玻璃纤维从AdvancedGlassfiber Yarns LLC(AGY)获得。这些纤维实质上是没有注射的。
玻璃纤维在一台双区Laroche开松机中进行开松。第一区进料速度为2m/min，Lickerin旋转速度为2500转/分钟。第二区进料速度为4m/min，Lickerin旋转速度为2500转/分钟。输出速度为6m/min。
然后，被开松的纤维投进一个常规的成网机(购自新泽西州Macedon的RandoMachine Corp.，其商标名为Rando Webber)，在此纤维被吹到一个多孔金属辊上形成一个连续网。然后这个连续网在一个常规的针钉上进行针刺。针的速度是100循环/分钟，输出速度为1.1m/min。安装垫片的单位面积重量可以调整到所要求的值。在测试中单位面积重量的数值对测试结果影响很大，这个参数与测试结果一起被指示出来。实施例1中安装垫片的组成总结在下面的表1中。
实施例1中的垫片按照上述测试方法中的RCFT方法进行测试。产生三条数据曲线簇，分别代表三次循环中的一个。实施例1中的安装垫片在测试温度范围内显示出很均一的压力，提供了一个远高于单块安全地固定在原地所需要的最小压力(约40kPa)。实施例1的RCFT数据显示在图2中。在图2中，X轴代表模拟单块温度和模拟外壳温度的温度数值。对单块温度而言，图1所示的温度范围是在线A中从20℃到300℃，再从线B中的300℃回到50℃。对模拟外壳温度而言，范围分别是从20℃到100℃和从100℃回到25℃。在线A和线B中的间隔显示样品在最高温度下保持了15分钟。Y轴代表测得的压力。数值范围是从0到500kPa。曲线1到3分别代表第一次到第三次循环的结果。从图2可以看出：在整个测试的温度范围内，均发现了足够的保持力。
实施例1中的垫片也进行按照上述测试方法中的热振动测试。热振动测试分别在两个温度下进行：300℃和500℃。在300℃，实施例1中的垫片在72小时后没有失效。在500℃，实施例1中的垫片在80小时后没有失效。热振动测试结果总结在下表2中。
实施例2
实施例2按照实施例1进行准备，除了使用E-玻璃纤维以外(短切玻璃丝，直径9微米，剪切至长度为1英寸(25.4mm)，可以从Advanced GlassfiberYarns LLC(AGY)，Akien，SC，USA获得)。实施例2中的垫片的组成总结在表1中。
对实施例2中的垫片的测试包括循环压缩测试。结果总结在表3中，表明在柴油污染控制装置的温度(即平均垫片温度250℃)下，垫片在经过1000次循环后能保持86.3％的初始压力。
实施例2也按照与实施例1中的同样的条件进行RCFT测试。在整个温度范围内实施例2维持了足够的保持力。
实施例3
R-玻璃纤维(60％SiO2、25％Al2O3、9％CaO和6％MgO)，其直径大约10微米，剪切至长度为36mm，从Saint-Gobain Vetrotex获得，按照实施例1的方法加工成网。实施例3中垫片的组成总结在表1中。
对实施例3中R-玻璃纤维垫片的测试包括循环压缩测试。结果总结在表3中，表明在柴油污染控制装置的温度(即平均垫片温度250℃)下，垫片在经过1000次循环后能保持95.5％的初始压力。
此外，RCFT测试也与实施例1同样的方法在实施例3的垫片上进行，除了模拟温度范围是单块从25℃到500℃、外壳从25℃到200℃。在整个温度范围内实施例3维持了足够的保持力。
实施例4
一种双层垫片是由两层分别制备的垫片重叠而成。第一层包含R-玻璃纤维。第二层包含E-玻璃纤维。这两层以针刺的方式结合在一起。用这种方式形成的安装垫片有两个具有不同组成的玻璃的不连续层。实施例4的双层垫片的组成总结在表1中。
实施例4中的双层垫片使用与实施例3的温度条件进行RCFT测试。在整个温度范围内实施例3维持了足够的保持力。
实施例5
一种双层垫片是由两层分别制备的垫片重叠而成。第一层包含S-2玻璃纤维。第二层包含E-玻璃纤维。这两层以针刺的方式堆积在一起。用这种方式形成的安装垫片有两个具有不同组成的玻璃的不连续层。实施例5中双层垫片的组成总结在表1中。
对实施例5中垫片进行循环压缩测试。结果总结在表3中，表明在柴油转化器温度(即平均垫片温度250℃)下，垫片在经过1000次循环后能保持82.2％的初始压力。
比较例1
比较例1(C1)包括一种由Belcotex硅纤维制成的无粘合剂、非织造纤维垫片，其纤维直径为9微米，从Belchem Fiber Materials GmbH，Brand-Erbisdorf，Germany获得。
这种材料在装配密度为0.4g/cm3下进行真实条件装置测试(RCFT)。所使用的温度范围与上述实施例3相同。测试结果显示在图3的曲线C中。图3显示了第三次循环的结果。实施例1的垫片也经受了与比较例1同样的RCFT测试条件，其结果显示在图3的曲线1中。由图3中可以看出，比较例1中的垫片并不能维持足够的压力，以使在模拟条件下单块保持在适当的位置，而在实施例1中的垫片可以维持足够保持单块的压力。
比较例2
比较例2(C2)包括一种由Belcotex硅纤维制成的无粘合剂、非织造纤维垫片，从BGF industries in Altvisa，Virginia获得，其商标名为SilcosoftTM。垫片中的纤维的平均直径为9微米。
这种材料在0.4g/cm3和0.45g/cm3的装配密度下使用比较例1中的模拟温度条件进行RCFT测试。第三次循环的测试结果显示在图3的曲线C2a(0.45g/cm3装配密度)和曲线C2b(0.40g/cm3装配密度)，表明比较例2中的垫片并不能维持足够的压力，以使在柴油发动机的模拟条件下单块能保持在适当的位置。在图3中代表压力的Y轴的数值范围为0至600kPa。
比较例3
比较例3包括一种可以购买的膨胀污染控制装置安装垫片。它由大约55％的未膨胀蛭石、大约37％的纤维和大约8％的有机粘合剂组成。这种纤维是熔融成型的、无定形的、含有注射的铝/硅纤维，其直径约为2-3微米，长度不超过0.5英寸。
比较例3在300℃按照热振动测试进行测试。样品在8小时后失效。热振动测试结果总结在表2中。比较例3也进行了循环压缩测试。结果显示在表3中，表明在柴油污染控制装置的温度(即平均垫片温度250℃)下，垫片在经过1000次循环后只能保持25.3％的初始压力，这种降低是不可接受的。
比较例3也使用实施例1的温度条件进行RCFT测试。在首次循环后已经出现不可接受的低保持力。
比较例4
比较例4包含一个简化的蛭石膨胀污染控制装置安装垫片，它是可以购买的。它由大约37％的未膨胀蛭石，大约54％的纤维和大约9％的有机粘合剂组成。纤维与比较例3中所使用的纤维相同。
比较例3也按照热振动测试在300℃和500℃均进行了测试。在300℃下样品在8小时后失效，在500℃下样品在18小时后失效。热振动测试结果总结在表2中。
比较例5
比较例5(C5)包含一个湿法成型的垫片，它是由熔融成型的、无定形的、包含注射的铝硅纤维制成，可以从Kaowool Bulk Fibers from ThermalCeramics in Augusta，Georgia。纤维的直径为2-3微米，长度为大约0.5英寸。
比较例5按照上述测试方法中的循环压缩测试进行测试，显示出49.8％的百分比保持率，这对使用在柴油发动机污染控制装置中而言是不可接受的。循环压缩测试的结果总结在表3中。
比较例6
比较例6(C6)包含一个“无粘合剂非织造垫片材料”，是从Thermal CeramicsUK Lmtd，Wirrel，Merseyside，England购买，其商标名为UltrafeltTM Paper，其密度为12lb/ft3(0.2g/cm3)。这种垫片是由铝/硅纤维(47％Al2O3和53％SiO2)针束式接合而成的垫片。根据垫片制造商的技术数据表，这种纤维的长度大于通常使用在造纸中的纤维的长度。这说明纤维的长度超过0.5英寸。
比较例6按照上述测试方法中的循环压缩测试进行测试，显示出41.2％的百分比保持率，这是不可接受的低。
循环压缩测试的结果总结在表3中。
比较例7
比较例7(C7)包含一种可购买的非膨胀污染控制装置安装垫片，它由高铝含量的多晶陶瓷纤维制成。这种纤维实质上不含注射，纤维的平均直径为3微米。
比较例6按照上述测试方法中的循环压缩测试进行测试，显示出81.1％的百分比保持率。循环压缩测试的结果总结在表3中。这些非常昂贵的纤维的保持力是可以接受的，但没有本发明的好。
        表1：本发明的安装垫片的组成的总结
 实施例   玻璃类型  纤维直径，μm  纤维长度，mm
    1     S-2     9      25.4
    2     E     10      25.4
    3     R     10      36
    4     R+E双层     R＝10E＝10      R＝36E＝25.4
    5     S-2+E双层     S-2＝9E＝10      S-2＝25.4E＝25.4
                       表2：热振动测试结果的总结
实施例  装配密度(g/cm3)  峰值温度(℃)  峰值振动(g2/Hz)  总循环数 结果
1  0.32  300  0.16  23 72小时后未失效
1  0.32  500  0.16  25 80小时后未失效
C3  1.04  300  0.04  2 8小时后失效
C4  0.81  300  0.04  2 8小时后失效
C4  0.85  500  0.16  4 18小时后失效
          表3：循环压缩测试结果的总结
实施例 安装垫片的类型 250℃、1000次循环后的保持百分率
    2     单层E      86.3％
    3     单层R      95.5％
    5     一层E，一层S-2      82.2％
    C3     可膨胀垫片      25.3％
    C5     TC HA-Bulk      49.8％
    C6     UltrafeltTM      41.2％
    C7     多晶垫片      81.1％

Claims (14)

1.一种污染控制装置，包含一个置于一个外套中的污染控制元件，在外套和污染控制元件之间布置有非织造垫片。所述的非织造垫片是一种非膨胀的垫片，包含按垫片总重量计至少90％的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，其具有5微米或更大的平均直径和0.5-15厘米的长度，所述的玻璃纤维是针刺的或缝编的，所述的垫片不含有或者实质上不含有有机粘合剂。
2.如权利要求1所述的污染控制装置，其特征在于，所述的玻璃纤维包含10-30重量％的氧化铝、52-70重量％的氧化硅和1-12重量％的氧化镁，其中氧化铝、氧化硅和氧化镁的重量百分比分别是基于Al2O3、SiO2和MgO的理论含量计算得出。
3.如权利要求2所述的污染控制装置，其特征在于，所述的玻璃纤维选自：E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、S-2玻璃纤维、R-玻璃纤维以及它们的混合物。
4.如权利要求1所述的污染控制装置，其特征在于，非织造垫片包含两层或两层以上，其区别在于玻璃纤维组成不同。
5.如权利要求4所述的污染控制装置，其特征在于，玻璃纤维组成的区别在于玻璃纤维的长度和/或玻璃纤维的平均直径。
6.如权利要求4所述的污染控制装置，其特征在于，玻璃纤维组成的区别在于玻璃纤维的化学组成。
7.如权利要求1所述的污染控制装置，其特征在于，所述的非织造垫片的装配密度在0.2至0.7g/cm3之间。
8.如权利要求1-7任何一项所述的包含柴油发动机和污染控制装置的机器。
9.如权利要求8所述的机器，其特征在于，所述的机器是机动车辆，所述的柴油发动机是涡轮驱动直接注射柴油发动机。
10.如权利要求8所述的机器，其特征在于，所述的机器是机动车辆，选自卡车、公共汽车和低容量载人车辆。
11.一种处理从柴油发动机释放的废气的方法，其特征在于使废气通过权利要求1至7任何一项所述的污染控制装置。
12.一种用于在污染控制装置的外套中装配污染控制元件的垫片，所述的垫片是一种非膨胀的垫片，包含按垫片总重量计至少90％的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，其具有5微米或更大的平均直径和0.5-15厘米的长度，所述的玻璃纤维是针刺的或缝编的，所述的垫片不含有或者实质上不含有有机粘合剂，并包含至少两层所述的短切镁铝硅酸盐玻璃纤维，所述的两层区别在于其玻璃纤维的组成。
13.如权利要求12所述的垫片，其特征在于，所述的玻璃纤维组成的区别在于玻璃纤维的长度和/或玻璃纤维的平均直径。
14.如权利要求12所述的垫片，其特征在于，所述玻璃纤维组成的区别在于玻璃纤维的化学组成。
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