[发明专利]用于诸如催化转换器的脆性结构上的支撑元件

说明书

发明领域

本发明涉及催化转换器、柴油颗粒收集器以及用于处理废气的其他装置。更具体地讲，本发明涉及一种具有安装在一个外壳里的脆性结构的装置，所述脆性结构由位于所述外壳和脆性结构之间的支撑元件支撑。所述支撑元件具有改进的弹性和加工特性，并且具有提高了的支撑压力特性，而且包括一体化的、基本上不能膨胀的熔融成型陶瓷纤维层，用于安装并支撑所述脆性结构。所述非膨胀支撑元件的改进的特性是通过用一种时间-温度方案通过热处理控制所述熔化成型陶瓷纤维中富铝红柱石微晶的形成所得到的，所述方案要求在至少1100℃的温度下处理所述纤维至少30分钟，或者在至少990℃的温度下处理至少1小时。

发明背景

用于处理汽车和柴油发动机废气的催化转换器包括一种脆性结构，如催化剂支撑结构，用于保持催化剂，所述催化剂用于实施对一氧化碳和烃的氧化以及还原氮氧化物，所述脆性结构安装在一个金属壳里。所述脆性结构优选由易碎的材料制成，例如，由金属或脆性、耐火的陶瓷材料制成的整体结构，如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、堇青石、和碳化硅等。所述材料形成一种具有若干微小的流通通道的骨架类型的结构。不过，正如上文所指出的，所述结构可能并且经常是非常脆弱的。实际上，所述整体结构是如此脆弱，以至于很小的冲击负荷或应力通常就足于将其破裂或粉碎。

所述脆性结构装在一个金属外壳里，在该脆性结构的外表面和所述外壳的内表面之间具有空隙或间隙。为了保护所述脆性结构不受热和机械冲击以及上述其他应力的影响，并提供隔热作用，众所周知的是在所述脆性结构和外壳之间的空隙里放入一层安装或支撑材料，例如，受让人的US4863700，US4999168，US5032441和US5580532(每一份专利的内容被收作本文参考文献)披露了催化转换器装置，该装置具有位于安装在该装置上的外壳和脆性结构之间的空隙中的安装或支撑材料，以便保护所述脆性结构并且将其固定在所述外壳中。

不过，即使用于所述催化转换器装置上的某些最新的安装材料适用于大多数现有的汽车催化转换器，但不能完全满足生产商对所述脆性结构和催化转换器的所有设计要求。具体地讲，业已发现，当所述催化转换器在经历了大范围温度波动之后，由许多现有的支撑材料层(通常被称为安装垫)所产生的剩余固定压力不足，因此，导致所述金属外壳相对所述脆性结构(又被称作催化支撑结构)的明显膨胀和收缩，这反过来又会导致所述安装垫在一段时间后发生明显的收缩和膨胀。业已发现，所述现有安装垫在温度达到900℃以上的严酷场合下不足于保持所述脆性结构，并且通常发生稳定的热循环。振动和机械冲击是所述安装垫的其他问题。

在催化支撑结构的直径大于35毫米的催化转换器系统上，上述问题更为严重，因为较大的结构意味着需要更大的外壳，后者又意味着在高温下所述脆性支撑结构和外壳之间具有更大的间隙膨胀，因为所述外壳相对所述脆性支撑结构而言具有较大的热膨胀。在正常工作条件下，大约2psi的用于固定所述支撑元件或垫的最低有效固定压力就足于防止所述脆性结构脱出和损坏。所述有效的垫固定压力被定义为垫的固定压力乘以垫／脆性结构界面的摩擦系数。在使用条件下，典型的垫制品的摩擦系数大约为0．45。因此，所述安装垫在900℃的额定温度下进行200轮次的试验之后需要具有至少4psi的足够的剩余最低固定压力，以及在900℃的额定温度下进行1000轮次的试验之后需要具有至少4psi的足够的剩余最低固定压力。更优选的是，所述支撑元件(即安装垫)在900℃的额定温度下进行200轮次的试验之后具有至少10psi的最低固定压力。在900℃下经过1000轮次试验之后，所述支撑垫更优选具有至少6psi的最低固定压力，更优选至少12psi的最低固定压力。另外，随着高温作用和机械循环，所述支撑元件应当具有可预测的、并且可以接受的衰减，这意味着所述材料层应当优选具有在使用大约600轮次之后，每100轮次衰减不超过大约1psi的规则的形式。

迄今为止，大多数安装垫都试图通过使用极其昂贵的高铝耐火陶瓷纤维来克服所述衰减和热循环问题，这种纤维明显提高了所述安装垫的生产成本。所述耐火陶瓷纤维是由被称为“有机溶胶”或“溶胶”的水溶液或胶体分散液制成。尽管通过溶胶工艺生产的陶瓷纤维具有安装整体结构所需要的高度弹性，但其高成本迫使生产商寻找其他较廉价的解决方案。