專利名稱：柔性金屬催化劑載體,由其制成的適合催化劑元件和安裝該元件的方法
相關(guān)申請的前后參照本申請是1999年4月29日提交的題為“具有電弧噴射基底的催化劑元件和制造該元件的方法”的系列申請09/301626的部分延續(xù)，所述系列申請本身又是1998年5月1日提交的題為“具有電弧噴射基底的催化劑元件和制造該元件的方法”的系列申請09/071,663的部分延續(xù)。
本發(fā)明的背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及柔性難熔金屬載體，可以在其上涂敷一種催化劑成分來提供適合的催化劑元件(conformable catalyst member)。更具體地說，本發(fā)明涉及難熔金屬載體，其可以被涂敷以催化劑成分，然后被彎曲，以便能將形成的適合催化劑元件插入彎曲管道等元件中，例如插入汽油機或柴油機的排氣歧管或排氣管中。
相關(guān)技術(shù)當(dāng)然，在現(xiàn)有技術(shù)中提供催化劑(器)來處理廢氣例如內(nèi)燃機的廢氣是眾所周知的。通常，這種催化劑(器)包括一個剛性載體，例如所謂的“蜂窩”型載體，其包括一種陶瓷類的材料，例如堇青石或多鋁紅柱石，其通常為圓柱狀或橢圓柱狀并具有多個從前表面延伸到后表面的細的氣體流動通道。這些氣體流動通道的壁被涂以催化材料，例如一種由干燥的、細小的顆粒狀難熔金屬氧化物如活性氧化鋁的煅燒涂層所組成的材料，其中分散有一種或多種催化金屬成分。例如，后者可以是鉑、鉑加銠中的一種或多種，和多價基金屬氧化物如鈷、鎳、鐵或錳的氧化物中的一種或多種。在現(xiàn)有技術(shù)中使用由一對疊置的難熔金屬條構(gòu)成的載體也是已知的，例如一個平的和一個波紋狀的不銹鋼條。將所述疊置條緊緊地纏繞成一個圓筒，因此交替的波紋狀和平的金屬條形成多個從金屬支承前表面延伸到后表面的細小氣體流動通道?？梢詫⒋呋牧先缟厦嫠龅母稍锖挽褵暮贊{微粒涂敷在這些氣體流動通道上。在任一情況中，無論是由陶瓷狀材料擠壓的或由緊緊地螺旋纏繞的平的和波紋狀金屬條形成的，最終產(chǎn)生的載體都是剛性的。為了提供足夠的催化材料來進行待處理廢氣的凈化，這些剛性催化劑元件通常具有比它們放入的廢氣管道直徑大的多的直徑。因此，將這些剛性催化劑元件裝入罐中、如不銹鋼罐中，加上截錐形的入口和出口端是眾所周知的，截錐形端部的較大底部連接到一柱狀殼體上，該殼體容納剛性催化劑元件。截錐形端部的較小端遠離剛性催化劑元件并被制成一定的尺寸，以便分別連接到進口和出口管道，其使廢氣進入剛性催化劑元件并將廢氣從剛性催化劑元件帶出。
前述結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中是舊的和已知的。在現(xiàn)有技術(shù)中還知道這種催化材料涂到金屬基底上是通過在金屬基底上涂上作為金屬和催化活性層之間中間層的金屬間化合物來增強的。例如，1993年4月20日公布的I.V.Gorynin等人的題為“催化劑成分及其制備方法”的專利US5,204,302(“′302專利”)中示出了這種設(shè)置?！?02專利披露了一種承載在金屬基底上的多層催化劑材料。所述金屬基底(第4欄，第64～68行)可以是任何包括不銹鋼和低合金鋼的熱穩(wěn)定金屬。如該專利的

圖1和第4欄第32行及其后等所述，一種火焰噴涂或等離子噴涂裝置(圖2和第5欄第32行及其后)被用來給金屬基底11施加粘性的底層12，其作為一種密集的(實心的)盤狀結(jié)構(gòu)以截面示出。粘性底層1 2包含一種由多個金屬對中任何一個(對)形成的自粘結(jié)金屬間化合物，所述金屬對包括鋁和鎳并在′302專利的第5欄1至6行中被披露。在底層12上面噴涂催化活性層14(圖1)，而且層14具有一種成分梯度，即離分界面越遠催化活性成分含量越高(第5欄7至24行)。催化活性層可以是氧化鋁，優(yōu)選的是γ-氧化鋁，而且還可以包括特定的金屬氧化物穩(wěn)定劑如CaO、Cr2O3等和金屬氧化物催化物質(zhì)如ZrO2，Ce2O3等。多孔層18(圖1和第5欄第25至32行)包含一些催化活性成分和作為孔形成化合物如MnCO3、Na2CO3等的分解產(chǎn)物的過渡金屬氧化物。在多孔層上可以施加任意一種催化劑涂層19，最好是通過磁電管噴鍍(magnetronsputtering)(見第4欄第56至63行和第8欄第24行及其后)。
所謂的“金屬泡沫材料”以及它們在用于處理機動車廢氣的催化劑的基底或載體中的應(yīng)用在現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的。例如1963年11月19日公開的Ball的US3,111,396中披露了一種制造多孔“金屬泡沫材料”的方法。實質(zhì)上，該方法包括形成多孔有機構(gòu)件如網(wǎng)、織物或硬化了的泡沫構(gòu)件如開孔海綿，用液體媒介中粉末金屬的液體懸浮液將所述構(gòu)件浸漬，并將浸漬構(gòu)件干燥和加熱以去掉液體媒介，然后再加熱所述有機構(gòu)件以使它分解并將金屬粉末燒結(jié)為一種連續(xù)的形狀。盡管產(chǎn)生的金屬構(gòu)件在制造過程中沒有起泡，但是它仍然被描述為泡沫材料，這是因為它的最終結(jié)構(gòu)類似泡沫材料的結(jié)構(gòu)。
在1997年2月24至27日于密歇根州底特律舉行的國際會議和博覽會上提出了Arun D.Jatkar撰寫的題為“一種用于汽車催化轉(zhuǎn)化器的新催化劑支承結(jié)構(gòu)”的SAE(汽車工程師協(xié)會)學(xué)術(shù)論文971032。該論文披露了金屬泡沫材料作為汽車催化劑基底的應(yīng)用，并指出由FeCrAlloy和ALFA-IV鐵素不銹鋼粉末制成的泡沫材料至少在初步實驗中被認為可以成功地用作汽車催化劑基底。加有貴金屬的陶瓷中間層(washcoat)被沉積在Astro Met公司生產(chǎn)的ALFA-IV金屬盤上。所述中間層包γ-氧化鋁和氧化鈰，其上以4∶1的比例分散有鉑和銠，用以在每立方英尺泡沫材料支承的催化劑上提供40克貴金屬。一般認為這種被催化的基底在處理碳氫化合物排放物中是有效的。
在高級材料年刊(Journal of Advanced Material)1994，1(5)471-476中公布的、Pestryakov等人題為“基于泡沫金屬的催化劑”(Catalysts Based Onthe Foam Metals)中提出將泡沫金屬用作用于小汽車發(fā)動機廢氣催化中和的催化材料的載體基底。建議在金屬泡沫材料和催化材料之間使用具有大表面面積的氧化鋁的中間層，這通過將其直接沉積在泡沫材料載體上實現(xiàn)。除了增加基底的表面積，氧化鋁還被用于防止基底表面受到腐蝕。
EMITECH，GmbH的Reck等人題為“用于兩輪和三輪客車中催化轉(zhuǎn)換器的金屬基底和熱管(hot tube)”的SAE論文962473中指出使用催化轉(zhuǎn)換器和熱管來處理小型摩托車和摩托車的廢氣，特別是那些具有兩沖程發(fā)動機的車輛。
用于催化材料的金屬絲網(wǎng)載體在商業(yè)上是可得到的，并包括已經(jīng)被等離子噴涂的金屬絲，等離子噴涂是為了在其上形成粗糙表面以提高沉積在其上的催化材料的粘著力。

發(fā)明內(nèi)容
總體上，本發(fā)明涉及一種用于催化材料的柔性難熔金屬載體。涂敷有催化材料以提供適合催化劑元件(conformable catalytic member)的柔性載體可以被彎曲或折疊，以容許適合的催化劑元件插入受到限制的和彎曲或者折彎的區(qū)域，例如內(nèi)燃機排氣管的彎曲部分。適合的催化劑元件可以容易地插入傳統(tǒng)剛性催化劑元件通常不能到達的區(qū)域。本發(fā)明還提供了一種利用載體的柔性和可適應(yīng)特性安裝這種適合催化劑元件的方法。在一些情況中，可以將未涂催化劑的柔性載體插入排氣管等的彎曲或受限制部分，以用作火焰消除器。
具體地，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種柔性難熔金屬載體，其可以有選擇地具有多個形成在其中的穿孔，并在其上涂覆一錨固層(anchor layer)，例如一金屬間錨固層，當(dāng)柔性載體被彎曲時，該層能接收催化涂層并使催化涂層在載體上保持完好。
在本發(fā)明的一有關(guān)方面中，柔性載體可以是管的形狀，例如一種波紋構(gòu)造的管。
本發(fā)明的一方面提供了一種柔性難熔金屬載體，其包括下述元件(a)一定長度的柔性管，該管具有(i)一外表面，(ii)一限定一管通道的內(nèi)表面，和(iii)多個沿至少一部分管道長度延伸的穿孔；(b)一個或多個從管道外表面向外徑向延伸的環(huán)形隔板；和(c)一個或多個內(nèi)封閉件，用于封閉管通道但至少留下一些穿孔是開口的。環(huán)形隔板和內(nèi)封閉件沿管的長度方向彼此交錯設(shè)置，而且沿管的長度至少和環(huán)形隔板及內(nèi)封閉件同延伸范圍地設(shè)置穿孔。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種難熔金屬載體，該載體至少部分地被設(shè)定尺寸和結(jié)構(gòu)以被安裝在具有開口的排出端的管道中，所述載體在其上涂敷有一錨固層，例如金屬間錨固層，用于使催化涂層施加在其上。所述載體具有一個遠端和一個近端，近端包括一個安裝元件，當(dāng)至少一部分載體設(shè)置在管道中時，該安裝元件的尺寸和結(jié)構(gòu)適于被固定到所述管道的開口排出端處。
在一相關(guān)方面中，本發(fā)明規(guī)定前述安裝元件包括限定一安裝凸緣的環(huán)形套環(huán)，該凸緣設(shè)置在催化劑元件近端的徑向向外處并沿從近端向遠端的方向延伸。通過這種結(jié)構(gòu)，在安裝凸緣和催化劑元件的近端之間限定了一個環(huán)形槽，使該槽具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)至少一部分載體設(shè)置在管道中時將管道的開口排出端容納在該槽中。
本發(fā)明的另一相關(guān)方面規(guī)定一種催化劑元件由難熔金屬載體組成，該載體在至少某些部分上涂敷有催化材料，該載體的尺寸和結(jié)構(gòu)適于設(shè)置在管道中。
本發(fā)明的另一方面提供了一種柔性催化劑元件，其包括下述元件(a)呈一定長度管形式的柔性難熔金屬載體，其具有(i)一外表面，(ii)一限定管通道的內(nèi)表面，和(iii)多個沿至少一部分管道長度延伸的穿孔；(b)一個或多個從管道外表面向外徑向延伸的環(huán)形隔板；和(c)一個或多個內(nèi)封閉件，用于封閉管通道但至少留下一些穿孔是開口的；和(d)承載在載體上的第一催化材料。
本發(fā)明的另一方面提供了一種上述適合的催化劑元件和一具有內(nèi)表面的管道的組件，所述適合的催化劑元件設(shè)置在管道內(nèi)，以在柔性載體的外表面和管道內(nèi)表面之間限定一環(huán)形空間。使環(huán)形隔板具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以封閉所述環(huán)形空間，而且沿柔性載體的長度方向至少和環(huán)形隔板同延伸范圍地(co-extensively)設(shè)置所述穿孔。
本發(fā)明的一個方法方面用于將適合催化劑元件裝入管道中，所述管道具有一開口的排出端和至少一個彎曲的縱向段。所述催化劑元件包括一個其上涂敷有催化材料的柔性難熔金屬載體，催化劑元件具有一個遠端和一個近端，而且所述方法包括下述步驟。將催化劑元件的遠端插入管道的開口排出端，而且催化劑元件通過管道前行，包括使催化劑元件彎曲以使它符合管道的彎曲縱向段的曲率，以使催化劑元件的近端鄰近管道的排出端設(shè)置。然后將催化劑元件固定到所述管道上。
本發(fā)明方法的另一方面提供了一種將催化劑元件安裝到具有開口排出端的管道中的方法。所述催化劑元件包括一個其上具有催化涂層的難熔金屬載體，并具有一個遠端和一個近端。近端具有一安裝元件，并具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以便在至少一部分載體設(shè)置在管道中時該元件可以被固定到管道的開口排出端，而且所述方法包括下述步驟。將催化劑元件的遠端插入管道的開口排出端，而且催化劑元件通過管道前行，以使管道的排出端和安裝元件對準。然后將催化劑元件固定到所述管道的排出端。
在前述方法中，安裝元件可以包括一個環(huán)形套環(huán)，該套環(huán)限定一安裝凸緣，該凸緣設(shè)置在催化元件近端的徑向向外處并沿從近端向遠端的方向延伸。這樣，在安裝凸緣和催化元件的近端之間限定了一個環(huán)形槽，使該槽具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以將管道的開口排出端容納在其中。使催化劑元件通過管道前進的步驟包括將管道的排出端設(shè)置在所述環(huán)形槽中，而且通過將所述安裝凸緣固定到管道的排出端可以將所述安裝元件固定到管道的排出端。
本發(fā)明的另一方法方面提供了一種將適合的催化劑元件安裝在廢氣源的廢氣管道、例如內(nèi)燃機的排氣管內(nèi)部的一選定位置處的方法，所選定的位置可以通過到那的入口通道接近。適合的催化劑元件包括至少一個其上具有催化涂層的柔性難熔金屬載體。所述方法包括下述步驟將適合的催化劑元件插入入口通道，通過彎曲適合的催化劑元件以使它符合選定位置處的形狀而使該元件前進到選定的位置。
附圖的簡要描述圖1是另一種傳統(tǒng)摩托車的側(cè)視圖，該摩托車的排氣系統(tǒng)備有根據(jù)本發(fā)明一實施例的適合催化劑元件(圖1中看不到)；圖1A是局部被剖開的圖1所示摩托車的一部分排氣系統(tǒng)的分解圖，部分地以虛線示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的適合催化劑元件；圖2是另一種傳統(tǒng)的汽油機驅(qū)動的便攜式發(fā)電機的透視圖，其排氣管裝有根據(jù)本發(fā)明一實施例的適合催化劑元件(圖2中看不到)；圖2A是局部被斷開的圖2所示發(fā)電機的發(fā)動機排氣管道的透視圖，該排氣管道中安裝有根據(jù)本發(fā)明另一實施例的適合催化劑元件；圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的柔性難熔金屬載體的局部被斷開的正視圖；圖3A是其端視圖；圖3B是圖3所示柔性難熔金屬載體的透視圖；圖4是其中安裝有適合的催化劑元件的彎曲排氣管的示意剖視圖，所述催化劑元件包括一柔性難熔金屬載體，該載體包括一定長度的柔性管、一個或多個環(huán)形隔板、一個或多個內(nèi)封閉件和一插塞式催化劑元件，它們作為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的元件；圖5是由柔性難熔金屬載體組成的一種適合催化劑元件的側(cè)視圖，其中載體具有固定到其近端的安裝凸緣；圖5A是圖5所述適合催化劑近端的視圖，其局部剖開并相對于圖5放大，而且局部斷開，與其中將要安裝所述適合催化劑元件的管道的開口排出端并置；圖5B是與圖5A相對應(yīng)的視圖，但示出安裝在管道中的適合催化劑元件；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的部分形成的適合催化劑元件的透視圖；
圖6A是沿圖6中A-A線的剖視圖；圖7是安裝在保持架中的圖6所示的完整的適合催化劑元件的視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的具有手風(fēng)琴式褶的適合催化劑元件的封閉板的前視圖；圖8A是沿圖8中A-A線的剖視圖；圖9是發(fā)動機用兩沖程摩托車傳統(tǒng)消聲器和發(fā)動機排氣管的局部斷開的透視分解圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述圖1示出的摩托車10一般包括一個其上安裝有普通汽油機14的機架12，所述汽油機由燃料箱16以通常的方式供給燃料。排氣系統(tǒng)18由排氣管20、催化劑殼體22和排氣尾管24組成。圖1A示出排氣管20和催化劑殼體22的放大分解圖，一部分排氣管20被斷開以提供根據(jù)本發(fā)明一實施例的適合催化劑元件26的局部視圖。以虛線形式示出的傳統(tǒng)的、現(xiàn)有技術(shù)的剛性催化劑元件28設(shè)置在適合的催化劑元件26的下游，這是相對廢氣沿圖1A中未標以數(shù)字的箭頭所示方向流過排氣系統(tǒng)18的方向而言的。適合的催化劑元件26是柔性的，因此可以將它插入排氣管20中并使其彎曲以符合排氣管的曲線構(gòu)造。在所示實施例中，適合的催化劑元件26基本延伸穿過排氣管20的整個長度，然后進入催化劑殼體22的一部分中。下面將給出根據(jù)本發(fā)明的適合催化劑元件如適合的催化劑元件26的詳細結(jié)構(gòu)。
排氣尾管24可以包含另一種催化劑元件，包括根據(jù)本發(fā)明的適合催化劑元件，和可選地或者附加地可以包含用以減輕發(fā)動機噪音的傳統(tǒng)消聲器。
圖2表示本發(fā)明催化劑元件的另一種應(yīng)用環(huán)境，包括一種傳統(tǒng)構(gòu)造的便攜式發(fā)電機30，該發(fā)電機包括安裝在支架34的平臺34a、34b上的小型汽油機或柴油發(fā)動機32。發(fā)動機32由一燃料箱36以傳統(tǒng)的方式供給燃料，并驅(qū)動一傳動裝置38，該裝置又驅(qū)動一發(fā)電機40，發(fā)電機通過傳統(tǒng)的輸出口40a供給電能。
排氣管42從發(fā)動機32延伸到一消聲器44，廢氣從所述消聲器排向大氣。圖2A是排氣管42的放大透視圖，該管被部分斷開以示出其中的根據(jù)本發(fā)明另一實施例的適合催化劑元件126。適合的催化劑元件126可以是根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的任何適當(dāng)型式，包括下面詳細描述的型式。圖2A示出適合的催化劑元件126如何被彎曲以適合排氣管42的曲折輪廓。
圖3、3A和3B表示一種適合的催化劑元件126，其表示根據(jù)本發(fā)明的適合催化劑元件的一實施例。適合的催化劑元件126由柔性難熔金屬載體46構(gòu)成，在所述實施例中，該載體具有波紋狀管結(jié)構(gòu)并在其上涂敷有一錨固層47，該錨固層用于增大催化涂層48對金屬載體46的粘結(jié)強度，涂層48被涂敷到錨固層47上。錨固層47和催化涂層48的一部分在適合的催化劑元件126的左側(cè)(如圖3所示)被去除，用以示出柔性難熔金屬載體46的未涂敷部分和錨固層47的一部分。錨固層47可以是任何適當(dāng)?shù)腻^固層，只要它能有效地充分增大催化涂層48的粘結(jié)力就可以，因此當(dāng)彎曲或折彎適合的催化劑元件126而將它插入彎曲或彎折的通道中時，催化涂層48不會從適合的催化劑元件126分離。圖1A和2A中的排氣管20和42分別示出了典型的彎曲或彎折的通道。
適當(dāng)?shù)暮蛢?yōu)選的錨固層是如前述專利申請系列號09/301,626中披露的金屬間錨固層。這些錨固層可以通過電弧噴涂(electric arc spraying)沉積到柔性難熔金屬載體上，金屬原料可以從下述組中選擇，其中包括鎳、Ni/Cr/Al/Y、Co/Cr/Al/Y、Fe/Cr/Al/Y、Co/Ni/Cr/Al/Y、Fe/Ni/Cr、Fe/Cr/Al、Ni/Cr、Ni/Al、300系列不銹鋼、400系列不銹鋼、Fe/Cr和Co/Cr、以及它們中兩種或多種的混合物。在一實施例中，錨固層可以包括鎳和鋁。鋁可以占錨固層中鎳和鋁的組合重量的3～10％、或者4～6％。
在錨固層上沉積催化涂層48，而且涂層48可以包括一難熔金屬氧化物支承，例如氧化鋁或氧化鈰，其上分散有一種或多種催化金屬成分，例如鉑、銠和鈀中的一種或多種。
通過電弧噴涂實現(xiàn)的錨固層的強粘結(jié)性容許在沉積錨固層47和催化層48之后該由柔性的(即有延展性的和/或可變形的)、涂敷有錨固層的難熔金屬載體所構(gòu)成的適合催化劑元件被彎曲、壓縮、折疊、卷繞等。同樣，其上具有錨固層47及錨固層之上有催化涂層48的泡沫金屬也可以被彎曲、壓縮、折彎等，用以改變形狀而插入排氣管的彎折或彎曲部分。
盡管柔性難熔金屬載體如柔性難熔金屬載體46或圖6和6A中所示的適合催化劑元件82在其上通常會具有催化劑涂層，但可以將未涂催化劑的柔性難熔金屬載體作為火焰消除器。未被涂催化劑的柔性難熔金屬載體的這種應(yīng)用使得可以將火焰消除器插入或通過排氣管或其它管道的彎曲或彎折部分。例如，在一些實施例中，只有一部分柔性難熔金屬載體可以在其上具有催化劑涂層(和一種任選的金屬間錨固層)，而且其一部分可以被保持不涂催化劑，以用作火焰消除器和/或通過提供大量的被流過的氣體接觸的未催化金屬來幫助溫度控制。
如上所述，適合的催化劑元件126是波紋狀的結(jié)構(gòu)，具有由環(huán)形連接板52隔開的交替環(huán)狀物50。這里有一系列彼此隔開并圍繞各環(huán)形物50的周邊徑向延伸的穿孔。從圖3A中的端視圖可以最好地看出，適合的催化劑元件126實質(zhì)上包括一個穿孔的波狀管，其限定了一管通道56。難熔金屬載體46由適當(dāng)?shù)碾y熔材料如不銹鋼、FeCr合金等制成并具有一個壁厚，它與波紋狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使適合的催化劑元件126被彎曲以適合彎曲和彎折處，如排氣管20(圖1A)和排氣管42(圖2A)的彎曲部。
現(xiàn)在參照圖4，以示意性剖面圖示出了包括一個排氣管220的本發(fā)明的另一實施例，在該管中設(shè)有一以虛線示出的適合催化劑元件226，其基本在排氣管220的整個長度上延伸，該適合催化劑元件226由柔性難熔金屬載體組成，所述載體能彎曲以與排氣管220的彎管部分220a相一致。
適合催化劑元件226的虛線部分也提示，沿其長度部分形成有多個穿孔254。適合催化劑元件226限定了一個沿其整個長度延伸的管通道256。沿適合催化劑元件226的長度方向設(shè)有多個內(nèi)封閉件58，用以隔離管通道256使氣體不能通過，從而迫使氣體通過穿孔254，這在下面將較詳細地描述。多個環(huán)形隔板60在縱向隔開的位置處被固定到適合催化劑元件226的外部。環(huán)形隔板60封閉了在管通道256外部的排氣管220環(huán)形部分，以使氣體不能連續(xù)地從其中流過，除了經(jīng)過管通道256之外。
圖4A以透視圖示出一柔性插塞式載體62，該載體包括其上涂敷有一錨固層47的柔性金屬泡沫材料，在錨固層47上涂敷催化劑涂層48，用以提供一種柔性插塞式催化劑元件64。如圖4所示，在管通道256內(nèi)部的縱向隔開位置處設(shè)有一對柔性插塞式催化劑元件64、64′。第一插塞式催化劑元件64被彎曲以適應(yīng)彎管部分220a，而第二插塞式催化劑元件64′處于未彎曲狀態(tài)，其被設(shè)置在排氣管220的直管部分。但是，如果要通過入口220b將適合的催化劑元件226插入排氣管220中，那么第二插塞式催化劑元件64′在其通過彎管部分220a期間的彎曲性能使裝置可以進行裝配或至少便于裝置的裝配。如果要從排氣管220的排出端220c插入適合催化劑元件226，那么第二插塞式催化劑元件64′可以是一種剛性、不可以彎曲的插塞式催化劑元件，這是由于它不必穿過排氣管220的彎曲部分。最好一些排氣管、例如圖9中所示的排氣管92的入口部分以這種一種方式彎曲，以便不管適合催化劑元件從哪個方向插入排氣管該適合催化劑元件都會出現(xiàn)彎曲。插塞式催化劑元件64和64′是可透氣的并由已知類型的柔性金屬泡沫材料制成，其可以有一催化涂層48，而且還可以有選擇地具有一個錨固層47。
排氣管催化涂層66可以被施加到部分(如圖所示)或整個排氣管220內(nèi)表面上。在所示實施例中，排氣管催化涂層66在一對環(huán)形隔板60之間延伸，該部分中包含第二插塞式催化劑元件64′。內(nèi)催化劑涂層248被施加到第二插塞式催化劑元件64′下游(沿氣體流動方向)的一對環(huán)形隔板60之間的適合催化劑元件226的內(nèi)部上。在柔性難熔金屬載體元件和內(nèi)催化涂層248之間，在構(gòu)成適合的催化劑元件226的柔性難熔金屬載體內(nèi)部(在圖4中未編號)上可以涂敷錨固層(圖4中未示出)。催化涂層和可選擇的錨固層還可以被施加在適合催化劑元件226的其它部分或者整個內(nèi)、外表面上。
使用中，如圖4中箭頭E所示，廢氣、例如內(nèi)燃機的廢氣在入口220b處進入排氣管220并如圖4中較小的未編號箭頭所示，進入管通道256并通過形成在其中的穿孔254向外流動，被一系列內(nèi)封閉件58中的第一個轉(zhuǎn)向到管通道256外部。一系列環(huán)形隔板60中的第一個使氣體改變方向，通過穿孔254流回通道256并流經(jīng)可透氣的、第一柔性插塞式催化劑元件64。如未編號的箭頭所示，氣體然后流經(jīng)第二插塞式催化劑元件64′，并且通過內(nèi)封閉件58和環(huán)形隔板60的設(shè)置而迫使所述氣體繼續(xù)在蜿蜒的流動通道中流動，經(jīng)過穿孔254進出管通道256。這種蜿蜒的流動通道迫使廢氣與排氣管催化涂層66和適合催化劑元件226的內(nèi)催化涂層248接觸。如上所述，適合催化劑元件226的其它部分或整個內(nèi)、外表面以及排氣管220的內(nèi)部可有選擇地地涂敷有一種或多種適合的催化材料。這種被催化接觸的氣體通過接觸一種或多種催化涂層而進行眾所周知的污染物消除反應(yīng)，如箭頭C所示，作為凈化排氣從排氣管220的排出端220c排出。
盡管根據(jù)本發(fā)明的適合催化劑元件能以任何便利的方式并通過任何便利的安裝手段而被設(shè)置并安裝在排氣管中，但圖5-5B中示出了可以被固定到排氣管的開口端處的安裝元件的一特定實施例，其中示出了具有一遠端326a和一相對近端326b的適合催化劑元件326，安裝元件68固定到近端。從圖5A和5B中可以最好地看出，安裝元件68由一雙層壁構(gòu)造的環(huán)形套環(huán)70組成，內(nèi)環(huán)形壁70a比外環(huán)形壁70b短并被例如通過焊接固定到適合催化劑元件326的近端326b。如圖5A和5B所示，在內(nèi)環(huán)形壁70a和外環(huán)形壁70b之間形成一環(huán)形槽74，而且設(shè)定該槽的尺寸和形狀以便可以容納排氣管320的排出端320c。外環(huán)形壁70b在其中形成有容納機械緊固件的螺紋孔，在所示實施例中，緊固件包括一對直徑方向相對的固定螺釘72。安裝元件68使適合催化劑元件226可以插入排氣管320的開口排出端320c，這種插入一直進行到排出端320c被完全容納在圖5B所示的環(huán)形槽74中。在此插入期間，固定螺釘72處于回退位置，或者被從安裝元件68上拆下，以便不會與容納在環(huán)形槽74中的排出端320c干涉。當(dāng)排出端320c完全座落在圖5B所示的環(huán)形槽74中時，擰緊固定螺釘72以將適合催化劑元件326在排氣管320中固定就位。如果需要，可以在排出端320c附近形成孔或槽(未示出)，它們與安裝元件68完全安裝在圖5B所示的排氣管320上時的固定螺釘72的位置對準。這樣，固定螺釘72可以穿入或穿過排氣管320的壁，以提供更牢固的連接。
優(yōu)選地，如果排氣管320具有適合催化劑元件326的遠端326a必需通過的彎曲部分(圖5A或5B中未示出)，那么適合催化劑元件326將被彎曲以與彎曲部分相配(一致)。最好，在那些很多用于容納適合催化劑元件326的排氣管320是直的情況中，適合催化劑元件326可以被剛性、管狀催化劑元件代替。因此，安裝元件68或等效的構(gòu)件或者可以被固定到適合催化劑元件如適合催化劑元件326的近端，或者在不需要彎曲催化劑元件來適應(yīng)彎曲部分時被固定到剛性催化劑元件的近端。剛性催化劑元件例如可以和適合催化劑元件326形狀相同或類似，只是它是剛性而不是柔性亦即是可以進行適配的。
現(xiàn)在參照圖6，示出了本發(fā)明的另一實施例，其中柔性難熔金屬載體包括一其中形成多個穿孔78的金屬條76。所示的一部分金屬條76被折疊成手風(fēng)琴式褶80。金屬條76上涂有錨固層47，錨固層上涂有催化涂層48，用以提供一種適合催化劑元件82?？蛇x擇的錨固層47的存在將催化涂層48更牢固地粘結(jié)到金屬條76上，因此當(dāng)涂敷有催化劑的金屬條被折疊而形成手風(fēng)琴式褶80時，粘結(jié)在褶處的催化涂層48并不會從其剝落。從圖6A中可以清楚地看到，穿孔78是穿過金屬條76沖壓的孔，從金屬條76的相對側(cè)交替沖壓穿孔，以便具有粗糙邊緣的突起78a從金屬條76的相對兩側(cè)76a和76b伸出(圖6A)。金屬條76被如此構(gòu)成，有點類似帶有由以規(guī)則圖案從其兩側(cè)延伸的突起78a形成的“坑洼”的奶酪擦板。
在該實施例中，適合催化劑元件82能被彎曲或變形以形成手風(fēng)琴式褶80并可以通過安裝在一支架84(圖7)內(nèi)而被保持在那種狀態(tài)，以維持適合催化劑元件82的手風(fēng)琴式褶的形狀。適合催化劑元件82裝配在支架84內(nèi)所提供的組件可以設(shè)置在廢氣的流動通道中。如圖7中箭頭E所示，發(fā)動機廢氣流過穿孔78(圖6)，以多個細小的、稀薄的廢氣流與穿孔78接觸，提供了廢氣和適合催化劑元件82的催化涂層48的密切接觸，以促進化學(xué)反應(yīng)而將廢氣的有害成分如未燃碳氫化合物、一氧化碳和/或氮氧化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，例如H2O，CO2和/或N2。可以在一定的條件下沖壓穿孔78，以提供所需高度的沖出金屬的坑洼形突起78a，這些突起即用于增加催化總表面積又用作在各手風(fēng)琴式褶80之間提供最小間隔的間隔物，即使當(dāng)手風(fēng)琴式褶被盡可能地緊密形成而沒有擠壓突起78a時也是這樣的。當(dāng)然在手風(fēng)琴式褶80之間也可以應(yīng)用較大的間隔。在相鄰的手風(fēng)琴式褶80之間設(shè)置間隔便于廢氣流過穿孔78并增加了廢氣和催化涂層48的接觸。
圖8和8A表示另外傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的消聲器板86，其中具有一矩形孔88(圖8A)。一支架84′設(shè)置在矩形孔88周邊處并在其中容納一適合催化劑元件82′，該元件具有和圖7中適合催化劑元件82相同的手風(fēng)琴式褶結(jié)構(gòu)。如圖8A所示，含有污染物的廢氣沿箭頭E標示的方向流過適合催化劑元件82并接觸催化涂層(在圖8和8A中未標號)，如圖6中的催化涂層48，以便通過促進從有害污染物到無害物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)來消除或降低有害污染物量而凈化廢氣。凈化后的廢氣從適合催化劑元件82排出，如圖8A中箭頭C所示。消聲器板86通常是在工業(yè)用發(fā)動機(utility engines)如鏈鋸發(fā)動機(chainsaw engines)和發(fā)電機用發(fā)動機如圖2中發(fā)動機32中所示出的類型。
現(xiàn)在參照圖9，示出了通常用于兩沖程摩托車發(fā)動機中的典型消聲器90和排氣管92。廢氣E在排氣管92的入口端92a進入，經(jīng)過彎曲部分92b，然后通過直的部分92c和彎曲部分92d，向外(沿排出方向)進入擴張部分92e。廢氣從出口部分92f排出，進入消聲器殼體94，進入隔音材料制成的隔聲罩(envelope)96內(nèi)，所述隔聲罩96包含在殼體94中并封閉排出端92f。一對彎曲的、內(nèi)部分流管98、99設(shè)置在隔聲罩96中并貫穿由一種隔音材料制成的內(nèi)阻擋件100，該材料與隔聲罩96的類似或相同。一個排出管102從隔聲罩96內(nèi)延伸并從殼體94經(jīng)出口104出來。
使用中，廢氣E經(jīng)入口端92a流過廢氣管92并從出口端92f出來進入隔聲罩96內(nèi)。然后廢氣進入分流管98、99的各自入口端98a、99a并通過其出口端排出，在圖9中只可以看到其中一個出口端99b。廢氣從分流管98、99的出口端出來，進入排出管102的入口端102a，經(jīng)過該排出管流到出口104。這種已知的結(jié)構(gòu)用于發(fā)動機噪音的隔音，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。為了給廢氣E提供或補充催化處理，可以將根據(jù)本發(fā)明的一個或多個適合催化劑元件例如插入排氣管92的彎曲部分92b。這種適合催化劑元件可以在彎曲部分92b的相對側(cè)上延伸一段距離，例如延伸到彎曲部分92d或超過彎曲部分92d?；蛘?，可以使根據(jù)本發(fā)明的另一種適合催化劑元件通過排氣管92的彎曲部分92d。還可以將根據(jù)本發(fā)明的適合催化劑元件插入彎曲的分流管98、99和/或排出管102中。圖9中未示出適合催化劑元件，僅簡單地示出其一種典型的使用環(huán)境。如圖4中所示，通過涂敷排氣管92、分流管98、99和/或排出管102的全部或部分可以提供另外的催化劑。另外，可以將傳統(tǒng)的剛性催化劑元件插入排氣管92的直線段中。可以將一種具有內(nèi)封閉件、環(huán)形隔板和穿孔(例如圖9實施例的內(nèi)封閉件58、環(huán)形隔板60和穿孔54)的適合催化劑元件，例如圖4中的適合催化劑元件226應(yīng)用在排氣管92中。
盡管已經(jīng)參照特定的實施例對本發(fā)明進行了詳細描述，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，其它落在本發(fā)明和所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例也是可以的。
權(quán)利要求
1.一種用在適合催化劑元件中的柔性難熔金屬載體，具有涂覆其上的一錨固層，當(dāng)彎曲該柔性載體時，該層能使施加到其上的催化涂層在載體上保持完好。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性載體，具有多個形成在其中的穿孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性載體，在所述錨固層上具有一催化涂層，用以提供一適合的催化劑元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的柔性載體，包括一管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性載體，其特征在于所述管具有波紋狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性載體，其特征在于所述錨固層是一種金屬間錨固層。
7.一種柔性難熔金屬載體，包括(a)一定長度的柔性管，該管具有(i)一外表面，(ii)一限定管通道的內(nèi)表面，和(iii)多個沿至少一部分管道長度延伸的穿孔；(b)一個或多個從管外表面向外徑向延伸的環(huán)形隔板；和(c)一個或多個內(nèi)封閉件，用于封閉管通道但至少保留一些穿孔是開口的；其特征在于所述環(huán)形隔板和內(nèi)封閉件沿管的長度方向彼此交錯設(shè)置，而且沿管的長度至少和環(huán)形隔板及內(nèi)封閉件同延伸范圍地設(shè)置穿孔，從而在各對內(nèi)封閉件之間設(shè)置一個或多個穿孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柔性載體，還包括多個環(huán)形隔板和多個內(nèi)封閉件，各自以間隔開的關(guān)系沿至少一部分管道長度設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性載體，包括多個穿孔板元件，所述元件具有相對表面并以線形陣列形式面對面設(shè)置，從而使載體形成為柱狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的柔性載體，其特征在于所述板元件具有從其表面延伸的突起，這些突起用于使相鄰的板元件彼此隔開。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的柔性載體，包括一個被折疊以形成多個手風(fēng)琴式褶的條狀物，這些褶限定所述板元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的柔性載體，其特征在于所述板元件具有從其表面延伸的突起，這些突起用于使相鄰的板元件彼此隔開。
13.根據(jù)權(quán)利要求6至12中任一所述的柔性載體，在所述錨固層上具有一催化涂層，用以提供適合的催化劑元件。
14.一種難熔金屬載體，具有一細長的主體部分，該部分被設(shè)定尺寸和結(jié)構(gòu)以安裝在具有開口排出端的管道中，所述載體上涂敷有一錨固層，適用于使一催化涂層施加到其上，所述載體具有一個遠端和一個近端，近端包括一個安裝元件，該安裝元件的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計成當(dāng)載體的主體部分設(shè)置在管道中時適于被固定到所述管道的開口排出端處。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的載體，其特征在于所述安裝元件包括一個限定一安裝凸緣的環(huán)形套環(huán)，該凸緣設(shè)置在催化元件近端的徑向向外處并沿從近端向遠端的方向延伸，從而在安裝凸緣和催化元件的近端之間限定了一個環(huán)形槽，使該槽具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)載體的主體部分設(shè)置在管道中時將管道的開口排出端容納在該槽中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的載體，在所述載體的至少一些主體部分上涂敷催化材料，用以提供一催化元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的載體，其特征在于所述主體部分是柔性的而且錨固層被設(shè)置在至少一部分主體部分上，而且當(dāng)主體部分彎曲時，該層能使催化涂層在載體上保持完好。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的載體，在所述錨固層上具有一催化涂層，用以提供適合的催化劑元件。
19.一種適合的催化劑元件，包括至少一個柔性難熔金屬載體，所述載體上具有一錨固層，在錨固層上設(shè)置一第一催化材料涂層，當(dāng)柔性載體彎曲時，錨固層能使該催化涂層在載體上保持完好，柔性載體在其中設(shè)置至少一個可透氣的且其上分散有第二催化材料的柔性插塞式載體。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的柔性催化劑元件，其特征在于所述柔性插塞式載體包括一種金屬泡沫材料。
21.一種適合催化劑元件，包括(a)呈一定長度管形式的柔性難熔金屬載體，其具有(i)一外表面，(ii)一限定管通道的內(nèi)表面，和(iii)多個沿至少一部分管道長度延伸的穿孔；(b)多個從管道外表面向外徑向延伸的環(huán)形隔板；(c)多個內(nèi)封閉件，用于封閉管通道，但至少留下一些穿孔是開口的；(d)承載在載體上的第一催化材料；其特征在于所述環(huán)形隔板和內(nèi)封閉件沿管的長度方向彼此交錯設(shè)置，而且沿管的長度至少和環(huán)形隔板及內(nèi)封閉件同延伸范圍地設(shè)置穿孔。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的適合催化劑元件，其特征在于柔性載體在其中設(shè)置至少一個可透氣的且其上分散有第二催化材料的柔性插塞式載體。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的適合催化劑元件，其特征在于所述插塞式載體包括一種金屬泡沫材料。
24. 一種按照權(quán)利要求21、22或23所述的適合催化劑元件和一具有內(nèi)表面的管的組件，所述適合的催化劑元件設(shè)置在管內(nèi)，以在柔性載體的外表面和管內(nèi)表面之間限定一環(huán)形空間，使環(huán)形隔板具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以封閉所述環(huán)形空間，而且沿柔性載體的長度方向至少和環(huán)形隔板同延伸范圍地設(shè)置所述穿孔。
25.一種用于將適合催化劑元件裝入管中的方法，所述管具有一開口的排出端和至少一個彎曲的縱向段，所述催化劑元件包括一個其上涂敷有催化材料的柔性難熔金屬載體，催化劑元件具有一個遠端和一個近端，而且所述方法包括下述步驟將催化劑元件的遠端插入管道的開口排出端，而且使催化劑元件通過管道前行，包括使催化劑元件彎曲以使它符合管道的彎曲縱向段的曲率，以使催化劑元件的近端鄰近管道的排出端設(shè)置；和將催化劑元件固定到所述管道上。
26.一種將催化劑元件安裝到具有開口排出端的管中的方法，所述催化劑元件包括一個其上具有催化涂層的難熔金屬載體，并具有一個遠端和一個近端，近端具有一安裝元件，使該元件具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以便在至少一部分載體設(shè)置在管中時該元件可以被固定到管的開口排出端，所述方法包括下述步驟將催化劑元件的遠端插入管的開口排出端，而且使催化劑元件通過管前行，以使管的排出端和安裝元件對準；將催化劑元件固定到所述管道的排出端。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述安裝元件包括一個環(huán)形套環(huán)，該套環(huán)限定一安裝凸緣，該凸緣設(shè)置在催化元件近端的徑向向外處并沿從近端向遠端的方向延伸，從而在安裝凸緣和催化元件的近端之間限定了一個環(huán)形槽，使該槽具有一定的尺寸和結(jié)構(gòu)，以將管的開口排出端容納在其中，而且使催化劑元件通過管前進的步驟包括將管的排出端設(shè)置在所述環(huán)形槽中；和通過將所述安裝凸緣固定到管的排出端而將所述安裝元件固定到管的排出端。
28.一種將適合的催化劑元件安裝在廢氣源的廢氣管道內(nèi)部的一選定位置處的方法，所選定的位置可以通過到那的入口通道接近，所述適合的催化劑元件包括至少一個其上具有催化涂層的柔性難熔金屬載體，所述方法包括下述步驟將適合的催化劑元件插入入口通道，通過彎曲適合的催化劑元件以使它符合選定位置處的形狀而將該元件前進到選定的位置。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述排氣管是內(nèi)燃機的排氣管。
全文摘要
一種柔性難熔金屬載體(46)可以在其上涂敷一錨固層(47)，以提高催化涂層(48)在載體(46)上的粘結(jié)力。適合催化劑元件(26，82，82′，126，226，326)可以被彎曲以與其將被安裝在內(nèi)的彎曲或彎折排氣管(20，220，320)相一致。柔性難熔金屬載體可以是管狀例如其中形成有穿孔(54)的載體(46)，或者可以是金屬條(76)，所述條被折疊成手風(fēng)琴式褶(80)并在其中具有穿孔(78)。穿孔(54，78)用于使廢氣通過。可以設(shè)置一系列內(nèi)封閉件(58)和環(huán)形隔板(60)，以給氣體提供流過排氣管(22)的蜿蜒流動通道，排氣管(22)中包含適合的催化劑元件(226)。可以提供一安裝元件(68)，用以將適合的催化劑元件(226)的一端固定到排氣管(220)的排出端。
文檔編號F01N3/28GK1507532SQ01812066
公開日2004年6月23日 申請日期2001年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月2日
發(fā)明者M·P·加利根, J·C·德特蘭, 陳效林, M·P·拉金, M P 加利根, 德特蘭, 拉金 申請人:恩格哈德公司