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(lǐng)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(yán)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(xué)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(dāng)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?！捌鹑肌睖囟葹榇呋D(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(yù)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(dǎo)致在概念上和機械上均復(fù)雜的系統(tǒng)，需要增加的組件，其增加制造的成本和復(fù)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(xué)反應(yīng)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(yīng)當(dāng)包括一些溫度調(diào)節(jié)的裝置，既當(dāng)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(dǎo)隔離物包圍的催化轉(zhuǎn)化器，該可變傳導(dǎo)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(dāng)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(fù)雜性和成本。
[0007]因此，本領(lǐng)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(shè)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(fù)雜的設(shè)計、制造步驟或操作。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供車輛排氣系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)包括放置在車輛排氣通道中的催化劑。催化劑被放置在包括間壁的蜂窩形催化劑主體中，該間壁被布置以形成多個小室，該小室在主體的端面之間延伸，催化劑在主體的小室中的間壁的至少一部分上形成涂層。相變材料被包含在這些小室中不存在催化劑的至少一些小室中，使得相變材料鄰接蜂窩形主體中包含催化劑的小室。以該方式，通過相變材料吸收或釋放的熱調(diào)節(jié)在發(fā)動機停機和隨后的起動之間以及在車輛運行期間催化劑的溫度，以減少或消除催化劑冷啟動問題和防止發(fā)動機運行期間的催化劑過熱。
[0010]在一些實施方式中，含有相變材料的小室(或通道)的相對端被密封以在其中包含相變材料。在一些實施方式中，含有相變材料的小室的壁首先被涂覆材料以減少小室壁的孔隙率(porosity)。
[0011]在一些實施方式中，相變材料被密封在具有高于大約1000°C的熔點的材料的容器中，并且按尺寸制作該容器使得其適于蜂窩形主體中選擇的小室。在一些實施方式中，容器由電阻材料組成，其可以被任選地連接至電力來源。
[0012]在一些實施方式中，相變材料包括金屬或金屬合金。根據(jù)車輛的類型，無論是以汽油為動力還是以柴油為動力，選擇相變材料以具有各自車輛排氣系統(tǒng)的正常運行溫度內(nèi)的熔點。例如，對于以汽油為動力的車輛，相變材料可以包括具有大約700至大約900°C之間的熔點的金屬或金屬合金。這種相變材料的一個實例為鈹和銅的合金。對于以柴油為動力的車輛，相變材料可以包括具有大約200至大約400°C之間的熔點的金屬或金屬合金。這種相變材料的一個實例為鎂和青銅的合金。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。
[0013]在其他實施方式中，相變材料包括封裝在陶瓷材料中的顆粒，該陶瓷材料具有高于相變材料恪點的恪點，諸如，例如氧化銷。在一些實施方式中，蜂窩形催化劑主體包括堇青石?？蛇x地，多種不同的相變材料可以被使用并被包含在至少一些小室中，該相變材料具有不同的熔點?？梢愿鶕?jù)需要將相變材料以任意比例混合在一起以獲得期望的熔點或熔點范圍。在另一個實施方式中，含有所述相變材料的所述小室被電連接至動力源。
[0014]因此，提供利用催化轉(zhuǎn)化器的車輛排氣系統(tǒng)是本發(fā)明的實施方式的特征，該催化轉(zhuǎn)化器能夠在發(fā)動機停機和隨后起動之間更好地保持催化劑的溫度以減少或消除冷啟動。提供車輛排氣系統(tǒng)是本發(fā)明的實施方式的進一步特征，該車輛排氣系統(tǒng)也能夠在發(fā)動機運行期間調(diào)節(jié)催化劑的溫度以避免過熱。提供設(shè)計、制造和操作簡單的車輛排氣系統(tǒng)是本發(fā)明的實施方式的進一步特征。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】
[0015]當(dāng)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:
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]圖3B為具有沉積在其上的催化劑涂層的圖3A的整體基底的蜂窩形結(jié)構(gòu)的放大圖；
[0020]圖3C為具有包含在至少一些小室中的相變材料的蜂窩形結(jié)構(gòu)的可選實施方式的放大圖；
[0021]圖4A為本發(fā)明的實施方式的局部切掉的示意透視圖，其中相變材料的固體棒被并入至少一些蜂窩形結(jié)構(gòu)小室中；
[0022]圖4B為本發(fā)明的另一個實施方式的局部切掉的示意透視圖，其中相變材料以微粒形式被密封在放置在至少一些小室中的容器內(nèi)；和
[0023]圖5為圖解了本發(fā)明的另一個實施方式的局部切掉的示意透