用于降低发动机背压的装置和方法
【专利摘要】本发明公开一种改进的催化基底，其与车辆排放系统中的容器一同使用，基底为布置于容器中使用的类型，改进包括：将基底热隔离为中心区和围绕中心区的管状外部区的绝缘材料，绝缘材料、中心区和外部区共同地限定改良基底，绝缘材料适于使得在运行状态下整个绝缘材料的温度差为至少25℃。
【专利说明】用于降低发动机背压的装置和方法
[0001]相关申请交叉参考
[0002]本申请声明2012年7月25日提交的美国临时专利申请序列号61/675，483、2012年7月19日提交的美国临时专利申请序列号61/673,394、以及2013年6月3日提交的美国临时专利申请序列号61/830，409、2013年6月25日提交的美国临时专利申请序列号61/839,083的优先权。
【技术领域】
[0003]本发明涉及催化转化器领域。
【背景技术】
[0004]催化转化器被广泛用于车辆排放系统以降低排放物毒性。在一般的催化转化器中，基底采用涂覆有催化材料的多孔结构的形式。多孔结构通常为通过模具挤压而成的陶瓷，从而形成大量平行的流动通道(单元)。尾气被发动机以一定速率排出并且通过排气管道被引导至催化转化器。催化转化器一般被安放于直径比排放管道大的的金属容器中，所述金属容器通过被称为入口和出口扩散器的喇叭形管道段连接至排放系统的剩余部分。
[0005]将催化转化器插入至排放系统内能够阻碍气体流动、产生能够显著地降低发动机功率并增加燃料消耗的背压。
【发明内容】
[0006]形成本发明一个方面的是一种改进的催化基底，所述催化基底与车辆排放系统中的容器一同使用，基底为布置于容器中使用的类型。根据本发明的该方面，所述改进包括:绝缘材料，所述绝缘材料将基底热隔离为中心区和围绕中心区的外部区，绝缘材料、中心区和外部区共同地限定改良的基底，绝缘材料适于使得在运行状态下，通过改良的基底的气体流动特征在于静压，
[0007]?所述静压在改良的基底的面向上游的表面上具有在大体居中
[0008]于改良的基底的面向上游的表面的位置处的峰值，
[0009]?当面向上游的表面远离所述位置径向地延伸至外围时，所述
[0010]静压在改良的基底的面向上游的表面上下降，除了以下情况外:在
[0011]面向上游的表面延伸越过绝缘材料之后，所述静压骤增；以及与容
[0012]器相关的边缘效应。
[0013]在本发明以及附属权利中，“大体居中”应当被理解为包括在外周的内部并且经常(但并不完全)与外周相比更接近中心的位置。
[0014] 根据本发明的另一个方面，在所述运行状态下:当面向上游的表面远离所述位置朝向外围径向地延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压能够首先相对缓慢地下降；当面向上游的表面进一步延伸以跨越绝缘材料时，在面向上游的表面横穿绝缘材料时所述面向上游的表面上的气体静压能够相对快速地下降；当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压能够随后经历所述骤增；并且当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压能够随后相对缓慢地下降，除了所述与容器相关的边缘效应之外。
[0015]根据本发明的另一个方面，绝缘材料和外部区中的每一个均能够为管状的。
[0016]根据本发明的另一个方面，中心区容积与外部区容积的比值能够落入60:40至40:60范围内。
[0017]根据本发明的另一个方面，绝缘材料能够适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差能够为至少25°C。
[0018]根据本发明的另一个方面，绝缘材料能够适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差能够在25°C至300°C之间。
[0019]根据本发明的另一个方面，在所述运行状态下，通过中心区的气体流动能够比如下情况下的气体流动更均匀地分布:即如果改良的基底的绝缘部分被催化材料替代的话将通过中心区的气体流动。[0020]形成本发明的另一个方面的是一种改进的催化基底，所述催化基底与车辆排放系统中的容器一同使用，基底为布置于容器中使用的类型。
[0021]所述改进包括:绝缘材料，所述绝缘材料将基底热隔离为中心区和围绕中心区的管状的外部区，绝缘材料、中心区和外部区共同地限定改良的基底，绝缘材料适于使得在运行状态下，整个绝缘材料的温度差为至少25°C。
[0022]根据另一个方面，绝缘材料的厚度能够为基本上2或3个单元的宽度。
[0023]形成本发明的另一个方面的为一种用于提供处理来自内燃机的排放物的方法。所述方法包括如下步骤:提供催化转化器以接收来自内燃机的尾气。催化转化器具有中心区；围绕中心区的管状的外部区；以及布置于中心区和外部区中间的绝缘材料。绝缘材料适于使得在使用中，通过改良的基底的气体流动特征在于静压，
[0024]?所述静压在改良的基底的面向上游的表面上具有在大体居中于改良的基底的面向上游的表面的位置处的峰值；
[0025]?当面向上游的表面远离所述位置径向地延伸至外围时，所述静压在改良的基底的面向上游的表面上下降，除了以下情况外:
[0026]〇在面向上游的表面延伸越过绝缘材料之后，所述静压骤增；以及
[0027]〇与容器相关的边缘效应
[0028]根据本发明的另一个方面，在所述运行状态下:当面向上游的表面远离所述位置朝向外围径向地延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压能够首先相对缓慢地下降；当面向上游的表面进一步延伸以跨越绝缘材料时，在面向上游的表面横穿绝缘材料时所述面向上游的表面上的气体静压能够相对快速地下降；当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压能够随后经历所述骤增；并且当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压能够随后相对缓慢地下降，除了所述与容器相关的边缘效应之外。
[0029]根据本发明的另一个方面，绝缘材料和外部区中的每一个均能够为管状的。
[0030]根据本发明的另一个方面，中心区容积与外部区容积的比值能够落入60:40至40:60范围内。[0031]根据本发明的另一个方面，绝缘材料能够适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差能够为至少25°C。
[0032]根据本发明的另一个方面，绝缘材料能够适于使得，在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差能够在25°C至300°C之间。
[0033]根据本发明的另一个方面，在所述运行状态下，通过中心区的气体流动能够比如下情况下的气体流动更均匀地分布:即如果改良的基底的绝缘部分被催化材料替代的话将通过中心区的气体流动。
[0034]根据另一个方面，绝缘材料物质的厚度能够为基本上2或3个单元的宽度。
[0035]一旦参考附图总览以下描述和附属权利要求(后者在下文被简要地描述)，则本文公开的说明书的其他方面和特点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1A为根据本发明的第一示范性实施例的装置的侧剖视图；
[0037]图1B为图1A的装置的截面图；
[0038]图1C为类似于图1B的视图，示出第二示范性实施例；
[0039]图1D为类似于图1B的视图，示出第三示范性实施例；
[0040]图1E为类似于图1B的视图，示出第四示范性实施例；
[0041]图2A为根据第五示范性实施例的装置的侧剖视图；
[0042]图3为在示例I中描述的发动机背压的曲线图；
[0043]图4为用于在示例I中描述的老化周期的发动机RPM的曲线图，基线结果示出于上方并且样机结果示出于下方；
[0044]图5为在FTP和US06驾驶周期过程中基线排放和样机排放的比较；
[0045]图6为基线和样机的CFD模拟的综述；
[0046]图7示出在低(左侧)和高(右侧)气体流动速率下的气体渗透性和压力的曲线图；
[0047]图8为在基线和样机中出口速率(左侧)和流动均匀性(右侧)的曲线图；
[0048]图9为在2010年Ford Edge上测试的在FTP驾驶周期过程中测量到的在常规(左侦D和样机(右侧)转化器中的中心区和外围区之间的时间和温度差的曲线图；
[0049]图10为在FTP驾驶周期加速部分过程中在样机的中心区和外围区之间的温度差异的曲线图；
[0050]图11为在热流动模型上在高速公路驾驶状态下(质量流率=0.05千克/秒)的催化转化器模型的前方段的等压曲线图，包括温度效应，基线示出于左侧并且样机示出于右侧。
[0051]图12为在样机(左侧)和基线(右侧)中的流动速率的比较；
[0052]图13为示出作为绝缘层位置的函数的发动机背压的曲线图；
[0053]图14为示出作为绝缘层厚度的函数的背压效应的曲线图；
[0054]图15为示出在底盘测力计上测试本发明的实施例的峰值功率过程中每平方英寸磅数(PSi)背压的曲线图；
[0055]图16为在测试峰值功率过程中比较以马力(HP)计的发动机功率的曲线图；[0056]图17为在测试峰值功率过程中比较以英尺磅(ft-lbs)计的发动机扭矩的曲线图；
[0057]图18示出在测试峰值功率过程中的空气-燃料比值；
[0058]图19为示出作为绝缘层位置的函数的发动机背压的曲线图。
【具体实施方式】
[0059]在图1A至2A中示出本发明的示范性实施例。
[0060]图1A、1B和2A示出根据本发明的第一示范性实施例的催化转化器装置100。
[0061]这个装置100被用于内燃机(未示出)的排放系统中，并且将被视为包括壳体102、气体入口 104、与入口 104间隔开的气体出口 106以及椭圆形基底元件108，所述椭圆形基底元件108在相对于从入口 104至出口 106的气体流动轴线来说的径向或横向维度上大体上填充 壳体102。基底元件108容纳由绝缘材料制成的椭圆形流动再分布元件110,所述椭圆形流动再分布元件110将基底热力地且物理地隔离为中心区以及围绕中心区的管状外部区。中心区和外部区中的每一个为涂覆有催化材料的挤压出的陶瓷蜂巢，并且除了形状和彼此的方位以及插入绝缘材料之外，还将被理解为常规的构造。
[0062]图1C示出了第二示范性实施例，其中四个致动段110a、110b、IIOc和IIOd限定流动分布元件110。因此，此时绝缘材料并非物理地隔离中心区和外部区，而是继续热隔离中心区和外部区。
[0063]图1D示出第三示范性实施例，其中流动分布元件为圆筒形的。
[0064]图1E示出第四示范性实施例，其中流动分布元件为圆筒形的并且由四个段110a、IlObUlOc 和 IlOd 限定。
[0065]虽然不能在附图中清晰地可见，但是应当理解的是，在已说明的每一个实施例中，基底为400cpi的基底，绝缘材料的厚度为2个单元的宽度，并且中心区和外部区的容积的比值为大约50:50。
[0066]绝缘材料适于使得在使用时以及在运行状态下时:
[0067]?通过改良基底的气体流动的特征在于静压，所述静压在改良基底的面向上游的表面上具有在大体居中于改良基底的面向上游的表面的位置处的峰值；并且当面向上游的表面远离该位置径向地延伸至外围时，所述静压下降，除了以下情况之外:(i)在面向上游的表面延伸越过绝缘材料之后骤增；以及(ii)与容器相关的边缘效应；
[0068]?当面向上游的表面远离该位置朝向外围径向地延伸时，该表面上的气体静压能够首先相对缓慢地下降；当面向上游的表面进一步延伸以跨越绝缘材料时，在面向上游的表面横穿绝缘材料时该表面上的的气体静压能够相对快速地下降；当面向上游的表面进一步延伸时，该表面上的气体静压能够随后经历所述骤增；并且当面向上游的表面进一步延伸时，该表面上的气体静压能够随后相对缓慢地下降，除了所述与容器相关的边缘效应之外；
[0069]籲整个绝缘材料的温度差在25°C至300°C之间；并且
[0070]?通过中心区的气体流动比如下情况下的气体流动更均匀地分布:即如果改良基底的绝缘部分被催化材料替代的话会穿过其中的气体流动。
[0071]在本说明书以及权利要求中出现的短语“在运行状态下”意为:在正常运行中，这种状况自然地发生并且用于正常运行周期的材料部分(material portion) 0
[0072]当前参考以下实施的测试和分析的描述，所述描述集中地提供关于本发明的运行的理解并且证明其优势。
[0073]老化测试
[0074]在随机(on-engine)老化周期过程中执行发动机背压测量。用于3.5L Duratec发动机的Ford Edge商用催化转化器被用做主要测试平台。这个转化器包括900CPSI前陶瓷基底以及400CPSI后陶瓷基底，二者直径均为4.16”，并且这个转化器紧密地联接至发动机。这个车辆排放系统包括两个平行的催化转化器，在发动机的每一侧上具有一个催化转化器，后文称为左手侧(LH)和右手侧(RH)催化转化器。间隔大约18个月执行两组测试，每一组测试包括未改良(后文有时称为基线)的催化转化器以及被改良为与本发明设计(后文称为样机)相同的催化转化器。用于基线和样机的钼系金属(PGM)和载体涂层(washcoat)为相同的。老化测试持续240小时，且在恒定的发动机RPM(2900± 15)和排放温度(1570 T )下停工期长达20小时。在整个老化周期过程中通过I赫兹频率记录背压，并且通过计算RPM和温度处于适当水平的周期的活动部分的平均值而计算背压。
[0075]表1示出用于基线和样机的随机测试的测量到的发动机背压和燃料消耗结果。应当相信的是，两个400CPSI样机提供由排放系统的其他部分产生的背压的大致测量值，原因在于它们本身不对背压产生影响。使用空气-燃料比值14.7±0.2计算质量流率，在周期过程中通过测量获得所述空气-燃料比值。
[0076]表1
[0077]
【权利要求】
1.一种改进的催化基底，所述催化基底与车辆排放系统中的容器一同使用，基底为布置于容器中使用的类型，所述改进包括: 绝缘材料，所述绝缘材料将基底热隔离为中心区和围绕中心区的外部区，绝缘材料、中心区和外部区共同地限定改良的基底，绝缘材料适于使得在运行状态下，通过改良的基底的气体流动特征在于静压， 所述静压在改良的基底的面向上游的表面上具有在大体居中于改良的基底的面向上游的表面的位置处的峰值， 当面向上游的表面远离所述位置径向地延伸至外围时，所述静压在改良的基底的面向上游的表面上下降，除了以下情况外: 在面向上游的表面延伸越过绝缘材料之后，所述静压骤增；以及 与容器相关的边缘效应。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述运行状态下:当面向上游的表面远离所述位置朝向外围径向地延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压首先相对缓慢地下降；当面向上游的表面进一步延伸以跨越绝缘材料时，在面向上游的表面横穿绝缘材料时所述面向上游的表面上的气体静压相对快速地下降；当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压随后经历所述骤增；并且当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压随后相对缓慢地下降，除了所述与容器相关的边缘效应之外。
3.根据权利要求 1所述的装置，其中，绝缘材料和外部区中的每一个均为管状的。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，中心区容积与外部区容积的比值能够落入60:40至40:60范围内。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，绝缘材料适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差为至少25°C。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，绝缘材料适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差在25°C至300°C之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述运行状态下，通过中心区的气体流动比如下情况下的气体流动更均匀地分布:即如果改良的基底的绝缘部分被催化材料替代的话，将通过中心区的气体流动。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述运行状态下，通过外部区的气体流量比如下情况下的气体流量更高:即如果改良的基底的绝缘部分被催化材料替代的话，将通过中心区的气体流量。
9.一种改进的催化基底，所述催化基底与车辆排放系统中的容器一同使用，基底为布置于容器中使用的类型，所述改进包括: 绝缘材料，所述绝缘材料将基底热隔离为中心区和围绕中心区的管状的外部区，绝缘材料、中心区和外部区共同地限定改良的基底，绝缘材料适于使得在运行状态下，整个绝缘材料的温度差为至少25°C。
10.根据权利要求9所述的改进的基底，其中，绝缘材料的厚度为2个或3个单元的宽度。
11.根据权利要求9所述的改进的基底，其中，中心区容积与外部区容积的比值落入60:40至40:60范围内。
12.根据权利要求9所述的改进的基底，其中，绝缘材料的厚度在0.10”和0.15”之间。
13.一种用于对来自内燃机的排放物提供处理的方法，所述方法包括如下步骤: 提供催化转化器以接收来自内燃机的尾气，催化转化器具有 中心区； 围绕中心区的管状的外部区；以及 布置于中心区和外部区中间的绝缘材料，绝缘材料适于使得在使用中，通过改良的基底的气体流动特征在于静压， 所述静压在改良的基底的面向上游的表面上具有在大体居中于改良的基底的面向上游的表面的位置处的峰值； 当面向上游的表面远离所述位置径向地延伸至外围时，所述静压在改良的基底的面向上游的表面上下降，除了以下情况外: 在面向上游的表面延伸越过绝缘材料之后，所述静压骤增；以及 与容器相关的边缘效应。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述运行状态下:当面向上游的表面远离所述位置朝向外围径向地延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压首先相对缓慢地下降；当面向上游的表面进一步延伸以跨越绝缘材料时，在面向上游的表面横穿绝缘材料时所述面向上游的表面上的气体静压相对快速地下降；当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压随后经历所述骤增；并且当面向上游的表面进一步延伸时，所述面向上游的表面上的气体静压随后相对缓慢地下降，除了所述与容器相关的边缘效应之外。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，绝缘材料和外部区中的每一个均为管状的。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，中心区容积与外部区容积的比值能够落入60:40至40:60范围内。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，绝缘材料适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差为至少25°C。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，绝缘材料适于使得在所述运行状态下，整个绝缘材料的温度差在25°C至300°C之间。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述运行状态下，通过中心区的气体流动比如下情况下的气体流动更均匀地分布:即如果改良的基底的绝缘部分被催化材料替代的话将通过中心区的气体流动。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述运行状态下，通过外部区的气体流动比如下情况下的气体流动更高:即如果改良的基底的绝缘部分被催化材料替代的话将通过中心区的气体流动。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，绝缘材料的厚度为2个或3个单元的宽度。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，绝缘材料的厚度在0.10”和0.15”之间。
【文档编号】F01N3/28GK103917286SQ201380003775
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2012年7月19日
【发明者】S·帕拉蒂, V·布拉格杰维克, G·K·科亚纳吉 申请人:维达控股股份有限公司