具有相變材料的車輛排氣催化劑系統(tǒng)的溫度保持和調(diào)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本文描述的主題涉及車輛排氣系統(tǒng)，并具體涉及在發(fā)動機停機和隨后的起動之間以及在運行期間這種系統(tǒng)內(nèi)的溫度的管理。
【背景技術(shù)】
[0002]生產(chǎn)能夠滿足日益嚴格的排放規(guī)定的車輛對制造商提出了挑戰(zhàn)。用于將有害的CO和NOx氣體以及未燃燒的燃料轉(zhuǎn)化為環(huán)境上更加良性的化學物種的主要組件為催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)。催化轉(zhuǎn)化器包括一種或多種催化劑磚，通常以諸如堇青石的通道型基底材料的形式。以有催化活性的貴金屬和諸如氧化鋁或鈰鋯氧化物的金屬載體材料涂覆基底。
[0003]目前的催化轉(zhuǎn)化器存在數(shù)個技術(shù)問題，其影響裝置以最佳效率運行的能力。第一個問題是為了有效地運行，催化劑需要處于高溫下(對于以汽油為燃料的車輛在大約7000C以上并且對于柴油車輛在200°C以上)。因此，當起動具有催化轉(zhuǎn)化器的冷的內(nèi)燃發(fā)動機或柴油發(fā)動機時，污染物的排放高，因為催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的催化劑在低溫下不起作用。在加熱催化轉(zhuǎn)化器之前，在起動時排放的排氣加熱排氣歧管和排氣管。將冷的催化轉(zhuǎn)化器加熱至“起燃”溫度可能需要數(shù)分鐘。“起燃”溫度為催化轉(zhuǎn)化器氧化發(fā)動機排氣中至少百分之五十的烴時的溫度。已經(jīng)報道了所有烴排放的60%至80%發(fā)生在發(fā)動機起動之后的最初幾分鐘期間。
[0004]為了減少在起動時污染物的排放，已經(jīng)使用多種主動和被動技術(shù)進行了旨在保持催化轉(zhuǎn)化器處于起作用的溫度(funct1nal temperature)的努力，所述技術(shù)包括燃料燃燒、預熱催化轉(zhuǎn)化器、起動之后使用電加熱快速加熱催化轉(zhuǎn)化器或使用增加的燃料與空氣比。其他努力包括在沸石中吸附和存儲污染物直到催化轉(zhuǎn)化器已經(jīng)達到起作用的溫度。然而，這樣的努力已經(jīng)導致在概念上和機械上均復雜的系統(tǒng)，需要增加的組件，其增加制造的成本和復雜性。
[0005]另一個問題是轉(zhuǎn)化器中催化劑的老化。老化過程可以包括轉(zhuǎn)化器中非活性材料的降解和精細分布的金屬催化劑顆粒的燒結(jié)，其減小了催化劑顆粒的表面積并因此降低了它們的催化效果。在高于大約950°C的非常高的溫度下開始和/或大大加速這些變化，高于大約950°C的非常高的溫度可出現(xiàn)在重負載運轉(zhuǎn)中或在發(fā)動機頻繁斷火的時期期間。出現(xiàn)在催化劑系統(tǒng)中的化學反應也可以是高度放熱的并可以容易地將溫度升高到損壞催化劑的范圍。理想地，催化劑系統(tǒng)應當包括一些溫度調(diào)節(jié)的裝置，既當發(fā)動機短期熄火時保持催化劑溫暖(對于發(fā)動機將有規(guī)則地打開和關(guān)閉的混合動力車輛尤其重要)，又避免溫度敏感的和昂貴的催化劑材料過熱。
[0006]因此，還進行了在發(fā)動機運行期間控制催化轉(zhuǎn)化器溫度的努力。在發(fā)動機運行期間用于控制催化轉(zhuǎn)化器溫度的技術(shù)的方面涉及保持催化轉(zhuǎn)化器處于發(fā)動機使用之間的起作用的溫度。這些努力中的一些已經(jīng)利用相變材料(“PCM”)以在發(fā)動機起動期間儲存熱能并抑制熱損失并在發(fā)動機運行期間吸收熱以避免轉(zhuǎn)化器過熱。例如，美國專利號5，477，676描述了被可變傳導隔離物包圍的催化轉(zhuǎn)化器，該可變傳導隔離物包括以相變材料形式的儲熱介質(zhì)。通常這樣的系統(tǒng)存在用于當相變材料融化時容納它們的真空密封的室、護罩和夾套。再次，對真空容納裝置的需要增加了制造這種催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的復雜性和成本。
[0007]因此，本領域?qū)么呋D(zhuǎn)化器的車輛排氣系統(tǒng)的需求仍然存在，所述催化轉(zhuǎn)化器能夠在發(fā)動機停機和隨后的起動之間保持催化劑的溫度，以及在發(fā)動機運行期間調(diào)節(jié)催化劑的溫度，并且其在設計和制造上也是簡單的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的實施方式解決了那些需求，本發(fā)明向催化轉(zhuǎn)化器或車輛排氣系統(tǒng)中其他含催化劑的組件提供相變材料，而不需要復雜的設計或操作。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供了車輛排氣系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)包括沉積在車輛排氣通道中的催化劑。催化劑為沉積在基底上的涂層的形式。系統(tǒng)包括位于鄰近催化劑的相變材料，以在發(fā)動機停機和隨后的起動之間保持催化劑的溫度和在發(fā)動機運行期間調(diào)節(jié)催化劑的溫度。在一個實施方式中，相變材料包括封裝在陶瓷材料中的金屬或金屬合金的顆粒。金屬或金屬合金適合(adapted to)具有其中催化劑具有活性的運行溫度范圍內(nèi)的熔點或固相轉(zhuǎn)變，和優(yōu)選地在催化劑的最佳運行溫度窗口內(nèi)(對于汽油發(fā)動機排氣系統(tǒng)在大約700至大約900°C之間和對于柴油排氣系統(tǒng)在大約200至400°C之間)。適合用于本發(fā)明的實施方式的其他合適的相變材料包括陶瓷相變材料、聚合相變材料(包括蠟)和堿或堿土金屬鹽相變材料。
[0010]在用于汽油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的一個實施方式中，相變材料包括鈹和銅的合金。在另一個實施方式中，相變材料包括錳和青銅的合金。在用于柴油發(fā)動機排氣系統(tǒng)的另一個實施方式中，相變材料包括錫或鉛，或錫、鉛、銅和銻的合金，諸如，例如巴比合金。
[0011]在一些實施方式中，催化劑沉積在其上的基底包括堇青石。在一些實施方式中，封裝相變材料的陶瓷材料包括氧化鋁。
[0012]在不同的實施方式中，相變材料可以被放置在圍繞所述催化劑的護罩(shroud)中。可選地，相變材料可以被并入基底。在又另一個可選的實施方式中，相變材料與催化劑可以被包括在涂層中。在所有實施方式中，因為相變材料被封裝，所以不需要將材料放置于密封的(真空的或加壓的)容器或器皿中。另外，因為相變材料為小顆粒的形式，所以顆粒可以被緊密鄰近催化劑放置。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，提供了車輛排氣系統(tǒng)并且該車輛排氣系統(tǒng)包括放置在車輛的排氣通道中的催化劑。提供蜂窩形主體并且該蜂窩形主體包括布置以形成在主體的端面之間延伸的多個小室的間壁。催化劑作為涂層被沉積在主體的間壁的至少一部分上。相變材料被沉積在所述小室的至少一部分中，使得相變材料位于鄰近催化劑，使得催化劑的溫度在發(fā)動機停機和隨后的起動之間被保持以及在車輛的運行期間被調(diào)節(jié)。
[0014]在汽油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的實施方式中，相變材料可以包括具有在大約700至大約900°C之間的熔點或相變的金屬或金屬合金。在柴油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的實施方式中，相變材料可以包括具有在大約200至大約400°C之間的熔點或相變的金屬或金屬合金?？梢允褂镁哂胁煌埸c的多種相變材料，并且顆?？梢愿鶕?jù)需要以任意比例被摻合在一起。在排氣系統(tǒng)的另一個實施方式中，多種相變材料被放置在所述小室的至少一部分中，所述相變材料具有不同的熔點。在排氣系統(tǒng)的另一個實施方式中，所述相變材料包括封裝在陶瓷材料中的金屬或金屬合金的顆粒，所述金屬或金屬合金適合具有在大約700至大約900°C之間的熔點。
[0015]因此，提供利用催化轉(zhuǎn)化器的車輛排氣系統(tǒng)是本發(fā)明的特征，其能夠在發(fā)動機停機和隨后起動之間更好地保持催化劑的溫度，并且其還能夠在發(fā)動機運行期間調(diào)節(jié)催化劑的溫度，并且其還是設計和制造簡單的。由以下【具體實施方式】、附圖和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將顯而易見。
【附圖說明】
[0016]當結(jié)合下面的附圖閱讀時，可以最好地理解本發(fā)明的【具體實施方式】的以下詳述，其中相同的結(jié)構(gòu)以相同的參考數(shù)字表示，并且其中:
[0017]圖1為包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式的催化轉(zhuǎn)化器的汽油發(fā)動機的車輛排氣系統(tǒng)的基本元件的示意形式的概要；
[0018]圖2為包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式的催化轉(zhuǎn)化器的柴油發(fā)動機的車輛排氣系統(tǒng)的基本元件的示意形式的概要；
[0019]圖3A為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的催化轉(zhuǎn)化器主體的局部切掉的透視圖；
[0020]圖3B為具有沉積在其上的催化劑涂層的整體基底的蜂窩形結(jié)構(gòu)的放大圖；
[0021]圖4為本發(fā)明的實施方式的示意側(cè)視圖，其中相變材料被包括在圍繞催化劑的護罩中；
[0022]圖5為封裝在陶瓷外殼中的相變材料的顆粒的示意圖；
[0023]圖6A為本發(fā)明的實施方式的示意側(cè)視圖，其中相變材料被包括在基底中，以及圖6B為該實施方式的放大透視圖；和
[0024]圖7A為本發(fā)明的實施方式的示意側(cè)視圖，其中相變材料被并入基底主體上的催化劑涂層，以及圖7B為該實施方式的放大透視圖。
【具體實施方式】
[0025]首先參考圖1，示出了汽油發(fā)動機的典型車輛排氣系統(tǒng)10的示意圖。可見，發(fā)生在發(fā)動機12中的燃燒過程產(chǎn)生污染物，諸如通過排氣尾管16被排出至環(huán)境的排氣流中的一氧化碳、各種未燃燒的烴、微粒物質(zhì)和氮氧化物(NOx)。為了在污染物被排出至環(huán)境之前去除這種污染物，催化轉(zhuǎn)化器14被放置在發(fā)動機12的下游。轉(zhuǎn)化器14包含基底上支撐的催化劑，其通過由催化劑的存在催化的化學反應處理排氣。例如，這些反應包括氧化一氧化碳形成二氧化碳。未燃燒的烴也可被氧化形成二氧化碳和水蒸氣。氮氧化物(NOx)被還原并最終轉(zhuǎn)化為氮氣。微粒過濾捕集器(未示出)也可以被放置在發(fā)動機的下游以捕集包含在排氣中的任何微粒物質(zhì)。這樣的過濾器或捕集器也可以包含設計為將這樣的微粒轉(zhuǎn)化為在環(huán)境上良性的物質(zhì)的催化劑。
[0026]圖2為典型柴油排氣系統(tǒng)20的示意圖。如所示，來自柴油發(fā)動機22的排氣進入包含耐火載體上的柴油氧化催化劑26的殼體24。柴油氧化催化劑26的下游為容器或殼體30內(nèi)的柴油微粒過濾器28。系統(tǒng)進一步包括還原劑遞送系統(tǒng)32，其通過噴射器34將諸如氨(通常來自水性尿素來源)的還原劑的來源遞送至排氣流。柴油微粒過濾器28通常由多孔材料制作，其捕集排氣流中夾帶的微粒物質(zhì)。任選地，SCR催化劑可以被涂覆在微粒過濾器基底的壁上。柴油排氣系統(tǒng)的其他配置是可能的并且屬于本領域的技術(shù)。
[0027]—般而言，用于本發(fā)明的實施方式的實踐中的催化劑可以包括柴油氧化催化劑、氨滑移催化劑(ammonia-slip catalyst)、SCR催化劑或作為組分并入三元催化劑中的這種催化劑。已知這種催化劑一般在溫度的有限范圍內(nèi)最有效地起作用。加熱時，催化劑變得更有效并且催化劑達到最大活性的50%的溫度經(jīng)常被稱作起燃溫度，其大致限定催化劑理想的操作范圍的下限。對于用于汽油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的貴金屬催化劑，起燃溫度常常在500°C和700°C之間，而對于柴油氧化催化劑，起燃溫度常常在大約200°C以上。也已知的是在非常高的溫度下(即，對于汽油發(fā)動機催化劑大約950°C以上的那些溫度)，催化劑活性遭受永久退化。
[0028]經(jīng)歷化學或物理相之間轉(zhuǎn)化的材料可以吸收或釋放熱。相變的實例是固態(tài)冰至液態(tài)水的轉(zhuǎn)化。加熱冰至融化溫度時，必須添加額