專利名稱：催化轉化器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種催化轉化器、 一種包括催化轉化器的內燃機排氣系統、 以及一種用于制造催化轉化器的方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種設計用 于將由內燃機的排氣系統排出的至少一部分不希望的燃料副產物部分地催 化的催化轉化器。
背景技術：
在世界范圍內有數百萬發(fā)動機在被使用。這些發(fā)動機中很多是內燃機， 包括用柴油和汽油作為燃料的機動車用發(fā)動機。不利的是，這些發(fā)動機中
的大部分都排i文對環(huán)境有害的空氣污染物，如氮氧化物("NOx")、未 燃燒的燃料或碳氫化合物、以及一氧化碳等。
為了有效地減少這些有害污染物的產生，美國以及世界范圍內的各政 府都通過了清潔空氣法規(guī)，所述立法規(guī)定發(fā)動機可合法地產生的有害排放 量。為符合清潔空氣法規(guī)，發(fā)動機制造商必須持續(xù)地改進發(fā)動機技術。發(fā) 動機技術的為滿足嚴格的規(guī)定而經常改進的一個領域是催化轉化器技術。
催化轉化器是利用化學催化劑來幫助將發(fā)動機排放的各種不同的有害 排放物轉換成無害的一或危害較小的一化學混合物。如上所述，這種有害 排放物中的一些包括碳氫化合物、NOx以及一氧化碳。
有些催化轉化器是由陶瓷結構如蜂窩體制成，該結構接著被涂覆催化 劑然后容納在連接到排氣管上的類似消聲器的預裝件中。其它催化轉化器 包括金屬薄片，該金屬薄片然后繞一軸線巻起形成筒狀結構，該筒狀結構 然后容納在連接到排氣管上的類似消聲器的預裝件中。在這些巻起的催化 轉化器中，可在薄片巻繞在一起之前或之后施加催化劑。所述轉換器通常包括多個供排氣流動通過的相鄰的通路/通道/溝槽。
多數催化轉化器都涂有化學催化劑。這些催化劑可包括貴金屬，例如 銠、柏和鈀。 一些催化劑，例如有助于將一氧化碳轉化成二氧化碳。其它 催化劑可有助于將碳氫化合物轉化成二氧化碳和水，而甚至其它一些催化
劑可有助于將NOx轉化成氮氣和氧氣。
如果催化轉化器由陶瓷基體制成，該轉化器可通過擠出工藝制造，從 而使通路沿其整體長度上都是直的。
如果催化轉化器由金屬制成，波紋狀的片材或薄片可選地與扁平的片 材一起設置，二者然后被繞一軸線或如Emitec設計的繞多個軸巻繞。所得 到的通路截面形狀通常是矩形或梯形。另外，與在陶瓷基體轉化器中的通 路相似，在金屬轉化器中所得到的通路通常沿其整體長度也是直的。
因為陶瓷的或金屬型的催化劑中的很多都具有表面平滑均勻的大致為 直的通路，流經所述通路的氣體的速度較低，在通路中的流動通常是層流。
在層流流體流動中，最靠近通路壁處形成邊界層。在該邊界層處，氣 體的速度幾乎為零。因此，邊界層減小了物質傳遞系數，這會降低催化轉 化器的效率。
催化轉化器的效率的測度取決于在轉化器內對有害排放物的轉化。照 此，希望具有高效的轉化器。通常，為了使催化轉化器具有高效率，必須 使作為物質傳遞率的度量的物質傳遞系數較高。
為了增加物質傳遞系數以及提高催化轉化器的效率，可以將穿過通路 的排氣的流動從層流變成湍流，盡管這通常會增加過濾器的壓降。湍流可 以多種不同的方式形成。例如，可使排氣速度顯著地增加，這會在通路中 產生湍流?；蛘撸瑢⑼吩O置成使得所述通路在整體長度上不是直的，也 可產生湍流。
授予Nilsson的美國專利No. 6,187,274 ( "Nilsson，，)公開了一種催 化轉化器通路中的湍流引發(fā)器。在Mlsson中公開了一種包括縱向通路的 催化轉化器。在Nilsson中，所述通路具有在縱向方向上彼此間隔開的第 一和第二湍流發(fā)生器，用來制造氣流湍流。另外，在Nilsson中，各湍流發(fā)生器包括以35°到60°的角度從通路基部向前傾斜并面向后方的后表 面，從后表面的自由邊緣向前延伸的連接表面，以及從連接表面的前邊緣 向基部突出并面向前方的前表面。
盡管Nilsscm公開了利用湍流引發(fā)器來在至少部分催化轉化器通路內 制造湍流流動，Mlsson中說明的催化轉化器存在使得該催化轉化器不實用 的某些特征。例如，由于存在湍流發(fā)生器，Nilsson催化轉化器的制造成本 可能是相當高。另外，由于多個因素，包括湍流發(fā)生器的間隔，Mlsson的 通路的整體長度內的流動可能仍保持層流特征。
本發(fā)明旨在克服現在技術中存在的 一個或多個問題或缺點。

發(fā)明內容
在一實施例中，設置有一種催化轉化器。該催化轉化器可包括至少一 個構造用于接收氣流的通路以及涂在所述至少一個通路上的催化劑。在該 實施例中，所述至少 一個通路沿長度方向至少部分是非線性的。
在另一實施例中，提供了一種內燃機排氣系統。該系統可包括與內燃 機的排氣歧管流體連通的排氣管、與排氣管流體連通的殼體、以及容納于 該殼體中的催化轉化器。該催化轉化器可包括至少一個構造用于接收氣流 的通路以及涂在所述至少一個通路上的催化劑。在該實施例中，所述至少 一個通路沿通路長度的至少 一部分是非線性的。所述排氣系統也可以是其 中催化轉化器構造成至少部分地催化排氣成分的系統。
在又一實施例中，提供了一種制造催化轉化器的方法。在該實施例中， 該方法可包括以下步驟提供至少一個第一金屬薄片，該第一金屬薄片是 基本扁平的；提供至少一個第二金屬薄片，該第二金屬薄片包括非線性通 路；以及繞一軸線巻繞所述至少 一個第 一金屬薄片和所述至少 一個第二金 屬薄片。
在又一實施例中，提供了另一種制造催化轉化器的方法。在該具體實 施例中，該方法可包括以下步驟提供至少一個薄片，該薄片包括非線性 通路；以及繞一軸線巻繞所述至少一個薄片。


圖l是具有非線性通路的催化轉化器薄片的透^f見圖； 圖2是圖1的催化轉化器薄片的一部分的示意性俯視圖； 圖3是圖1的催化轉化器薄片的一部分的示意性前剖視圖； 圖4是兩個可選地插置在兩個扁平薄片之間的帶有非線性通路的催化 轉化器薄片的透視圖5是繞一軸線部分巻起的帶有非線性通路的催化轉化器薄片的透視
圖6是兩個繞一軸線與兩個扁平薄片一起部分巻起的帶有非線性通路 的催化轉化器薄片的透^L圖；以及
圖7是示出排氣流過催化轉化器具體實施例的透視圖。
具體實施例方式
圖1是帶有非線性通路16的催化轉化器薄片10的透視圖。在此具體 實施例中，通路16沿通路16的整體長度呈正弦曲線形狀。當通路16形成 為催化轉化器30 (圖7中示出)的一部分時，通路16構造成用于接收流 體流，如排氣40流體流。通路16的非線性特性促進湍流流體流動，這樣 通常會增加化學催化劑的效率。
盡管圖1-7中所示的通路16是正弦曲線形狀，但讀者應當意識到可以 使用任何非線性通路16。例如，通路16可以包括尖銳的拐角、與典型正 弦波不一致的不規(guī)則的輪廓以及其它任何非線性形狀，只要在通路16的至 少一部分中產生湍流流動。
讀者應當意識到，通路16的非線性特性不必存在于通路16的整體長 度上。盡管圖l-7示出非線性波存在于通路16的整體長度上，但所公開的 實施例不限于這種結構。例如，通路16可以，例如僅在通路16的部分長 度上，包括非線性的波、彎曲形狀、輪廓線或曲線。在通路16的其它長度 上，通路16可以是直的。圖2示出薄片IO的部分俯視圖，如圖所示，薄片lO包括具有幅值ll 和周期12的正弦曲線形狀通路16。在至少一個實施例中，幅值11約為0.25 英寸或更小，周期12約為2.0英寸或更小。盡管圖2給出了幅值11和周 期12的具體值，但讀者應當意識到，也可利用一些不同的值來促進通路 16中的湍流流動。如上所述，讀者應當意識到，催化轉化器30不限于要 求通路16具有如所述的正弦曲線形狀，而是可以包括促進湍流流體流動的 任何非線性形狀。
現在參照圖3，其示出薄片IO的部分前橫截面視圖。如圖所示，薄片 10除具有正弦曲線形狀的通路16 (圖1示出)外，還沿其端部具有波紋。 在本實施例中，所述波紋具有半徑15、幅值13和周期14。在至少一個實 施例中，半徑15約為0.038英寸、幅值13約為0.15英寸或更小，周期14 約為0.15英寸或更小。盡管圖3給出了半徑15、幅值13和周期14的具體 值，但讀者應當意識到，在薄片10以及通路16的設計(圖1中示出)中 也可以利用一些不同的值。另外，讀者應當意識到，催化轉化器30不限于 要求通路16具有半圓或波紋狀的橫截面(圖3中示出)，而是可包括任意 橫截面形狀。例如，通路16可包括多邊形的橫截面形狀，如梯形的、矩形 的、或三角形的形狀等。
現在參照圖4-7，可以以幾種不同的方式制造催化轉化器30。在一示 例中，如圖5所示，薄片10可^f皮巻起以形成筒狀催化轉化器30 (圖7中 示出)。在該實施例中，巻起的催化轉化器30的軸線17基本平行于非線 性通路16的方向。盡管所示的實施例示出軸線17是基本平行于通路16, 讀者應當意識到，也可以將薄片IO繞軸線17巻起，使得該軸線17不M 本平行于非線性通路16的方向。例如，薄片10可繞軸線17巻起使得通路 16的方向相對于軸線17偏離一角度。只要轉化器30能夠從一端部31接 收排氣流40并將排氣送到另一端部32,通路16可以以任意可能的方式相 對于軸線17定向。
另外，讀者應當意識到，可繞軸線17巻起任意數量的薄片IO來形成 催化轉化器30。例如、可巻^^2個、3個、4個或5個薄片IO來形成催化轉化器30。
如圖4和6所示，催化轉化器30可選地通過鄰近兩正弦曲線形狀薄片 IO放置兩扁平薄片20來制造。在該具體實施例中，薄片10和20可繞軸 線17被巻起，使得軸線17基本上平行于正弦曲線形狀通路16的方向。如 上所述，讀者應當意識到，薄片10和20也可繞軸線17被巻起，使得軸線 17不是基本上平行于正弦曲線形狀通路16的方向。
在至少一個實施例中，薄片10和/或薄片20可由本領域技術人員已知 的任意材料構成，包括柔性材料。在一具體實施例中，薄片IO和薄片20 由類似的金屬構成。在一實施例中薄片10和20包含鋁。另外，薄片10 和/或薄片20可涂有催化劑，例如鈀、銠、和/或柏。在一具體實施例中， 薄片10和20都涂有相同的化學催化劑。
現存在多種已知催化劑用于催化多種不同的可在所公開的轉化器30 中使用的排氣組分。本領域的技術人員應當理解，所公開的實施例不限于 僅催化碳氫化合物、 一氧化碳和NOx。
工業(yè)實用性
所公開的催化轉化器30可用于很多不同的應用中，包括內燃機的排氣 流中。例如，催化轉化器30可凈i^文置在接收來自發(fā)動機的排氣歧管的排氣 40的筒狀殼體(未示出)中。在這種應用中，例如，在排氣40被排放到 環(huán)境中或被再循環(huán)到發(fā)動機進氣系統中(例如對于具有排氣再循環(huán)的發(fā)動 機)之前，排氣40可部分地或全部地被催化。
在工作中，如圖7的具體實施例所示，排氣40從左向右地流過催化轉 化器30。隨著排氣40進入催化轉化器30的左端31，排氣40可能具有不 希望的成分，如碳氫化合物、 一氧化碳和NOx。
隨著排氣40進入催化轉化器30,對環(huán)境有害的排氣成分被完全地或 部分地轉化成有害程度較小的產物。在這種轉化過程期間，不希望的成分 與催化劑相互作用，這有利于化學反應。通過提供非線性的通路16，排氣 40經過催化轉化器30的流動可以更紊亂，這使得在排氣40與化學催化劑之間有更好的表面相互作用。因此，更多的對環(huán)境有害的排氣成分被轉化。 本領域的技術人員應當意識到，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，參 照本文公開的實施例可做出各種不同的變型和修改。在考慮說明書以及本 文所公開的材料實施的情況下，本發(fā)明的其它實施例對本領域的技術人員 將是顯而易見的。說明書與示例應當認為僅是示例性的，本發(fā)明的實際范 圍由下面的權利要求及其等同方案限定。
權利要求
1.一種催化轉化器(30)，包括至少一個構造用于接收氣流(40)的通路(16)；以及涂在所述至少一個通路(16)上的催化劑，其中，所述至少一個通路(16)具有非線性形狀。
2. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30),其特征在于，所述至 少一個通路(16)至少部分地具有正弦曲線形狀。
3. 根據權利要求2所述的催化轉化器(30)，其特征在于，所述至 少一個通路(16)沿通路(16)的整體長度具有正弦曲線形狀。
4. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30),其特征在于，所述至 少一個通路(16)沿通路(16)的整體長度是非線性的。
5. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30),其特征在于，所述至 少一個通路(16)由金屬薄片(10)制成。
6. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30 ),其特征在于，所述催 化轉化器還包括至少一個插置有至少一個扁平薄片(20)的包括非線性通 路(16)的薄片(10)。
7 . 根據權利要求6所述的催化轉化器(30),其特征在于，所述扁 平薄片(20)涂有催化劑。
8. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30),其特征在于，所述至 少一個通路(16)包括半圓形的橫截面形狀。
9. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30),其特征在于，所述催 化劑包括鉑、鈀或銠中的至少一種。
10. 根據權利要求5所述的催化轉化器(30 ),其特征在于，所述金 屬薄片(10)包含鋁。
11. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30 )，其特征在于，所述至 少一個通路(16)具有波紋狀的橫截面。
12. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30 )，其特征在于，所述至少一個通路(16)的幅值(11)約為0.25英寸或更小。
13. 根據權利要求1所述的催化轉化器(30 ),其特征在于，所述至 少一個通路(16)的周期(12)約為2.0英寸或更小。
14. 根據權利要求11所述的催化轉化器(30)，其特征在于，所述 波紋狀橫截面的波紋的幅值(13)約為0.15英寸或更小。
15. 根據權利要求11所述的催化轉化器(30)，其特征在于，所述 波紋狀橫截面的波紋的周期(14)約為0.15英寸或更小。
16. 根據權利要求11所述的催化轉化器(30)，其特征在于，所述 波紋狀橫截面的波紋的半徑(15)約為0.038英寸。
17. —種用于制造催化轉化器(30)的方法，包括 提供至少一個薄片(10),所述薄片(10)包括正弦曲線形狀的通路(16);以及繞軸線(17)巻繞所述至少一個薄片(10)。
18. 根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述軸線(17)基 本平行于所述正弦曲線形狀的通路(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種催化轉化器(30)、一種包括催化轉化器(30)的排氣系統以及一種制造催化轉化器(30)的方法。所述催化轉化器(30)包括至少一個構造用于接收氣流(40)的通路(16)以及涂在所述至少一個通路(16)上的催化劑。在一個公開的實施例中，所述催化轉化器(30)中所述至少一個通路(16)具有非線性形狀。
文檔編號F01N3/28GK101316995SQ200680044676
公開日2008年12月3日 申請日期2006年8月14日 優(yōu)先權日2005年11月29日
發(fā)明者C·F·哈貝格, M·J·波拉德 申請人:卡特彼勒公司