催化装置的制作方法

1.本发明涉及一种催化装置，其由具有多个孔的层叠和卷绕的平板和波纹板形成，并且支撑催化剂载体，所述催化剂载体通过将催化剂载体容纳在外筒中而将催化剂固定在其中。


背景技术：

2.装有内燃机的车辆包括排气系统，该排气系统用于将内燃机的燃烧过程中产生的废气排出车辆。排气系统包括净化废气的催化装置。在编号为2005
‑
535454(pct)的日本公开专利公开中，公开了一种设置在汽车中的用于内燃机的催化装置。该催化装置包括支撑催化剂的带有多个孔的蜂窝体(催化剂载体)和通过容纳催化剂载体来支撑催化剂载体的外盖管(外筒)。催化剂载体由具有多个孔的层叠和卷绕的金属叶状平薄板(平板)和波纹状薄板(波纹板)形成。


技术实现要素：

3.当通过废气将热量施加到催化剂载体时，在催化剂载体中产生热应力。如果形成催化剂载体的平板和波纹板具有多个大的孔，则热应力变得不均匀，并且产生热应变。此外，带有孔的板的刚度低于无孔的板的刚度。如上所述，因为在有孔的催化剂载体中容易产生热应变，并且这种催化剂载体的刚度较低，因此在某些情况下催化剂载体会变形。特别是，由于催化剂被激活且催化剂的温度在废气的流动方向上靠近中心的地方升高，因此容易产生大的热应变。如果将靠近中心的构件钎焊并固定，则可能会损坏钎焊部分和钎焊部分周围的区域。
4.本发明是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于提供一种催化装置，其能够提高具有孔的催化剂载体(形成孔的催化剂载体)的耐久性。
5.本发明是催化装置，其包括：催化剂载体，其由金属叶状平板和波纹板经层叠和卷绕而形成，并支撑催化剂；以及外筒，其容纳所述催化剂载体并且以使所述催化剂载体的一端面向废气的上游侧和使所述催化剂载体的另一端面向废气的下游侧的方式来支撑所述催化剂载体。所述平板和波纹板具有多个孔。在所述平板和所述波纹板尚未成形为所述催化剂载体的平坦状态下，所述多个孔通过在平行于所述催化剂载体的轴线方向的第一方向上对齐而形成多条第一线，并且通过在垂直于第一方向的第二方向上对齐而形成多条第二线。所述平板和所述波纹板之间的连接区域设置在包括所述催化剂载体的所述一端的第一上游区域中，并且所述催化剂载体和所述外筒之间的连接区域设置在包括所述催化剂载体的所述一端的第二上游区域中。
6.根据本发明，提高形成孔的催化剂载体的耐久性是可能的。
附图说明
7.[图1]图1是摩托车的左侧视图；
[图2]图2是排气系统的左侧视图；[图3]图3是催化剂存储部的剖视图；[图4]图4是示意性地描绘从上游侧观察的催化装置的示意图；[图5]图5是示意性描绘根据例子1的平板的示意图；[图6]图6是示意性地描绘根据例子2的平板的示意图；[图7]图7是用于说明钎焊部分的说明图；[图8]图8是用于说明钎焊部分的说明图；[图9]图9是用于说明钎焊部分的说明图；[图10]图10是用于说明钎焊部分的说明图；以及[图11]图11是用于说明用于制造催化剂载体的方法的说明图。
具体实施方式
[0008]
下面将参照附图详细描述根据本发明的催化装置的优选实施例。
[0009]
在以下描述中，上游和下游是相对于废气的流动而定义的。
[0010]
1、排气系统14如图1所示，摩托车10包括作为行驶驱动源的内燃机12。排气系统14连接到内燃机12。
[0011]
如图2所示，排气系统14包括凸缘16、上游侧排气管18、催化剂存储部20、下游侧排气管22(图3)、隔热罩24和消声器26。上游侧排气管18通过凸缘16连接到内燃机12的气缸盖。催化剂存储部20连接到上游侧排气管18的下游侧端部。催化剂存储部20的结构将在下文[2]中描述。下游侧排气管22(图3)连接到催化剂存储部20的下游侧端部。隔热罩24以覆盖下游侧排气管22的方式连接到催化剂存储部20的下游侧端部。消声器26连接到下游侧排气管22的下游侧端部和隔热罩24的下游侧端部。排气系统14通过一个或多个支柱28附接到车体的框架。由于该结构，从内燃机12排出的废气在穿过上游侧排气管18、催化剂存储部20、下游侧排气管22和消声器26后被排出到外部。
[0012]
2、催化剂存储部20如图3所示，催化剂存储部20包括外锥形管30、隔热管32、上游侧内锥形管34、催化装置36和下游侧内锥形管38。外锥形管30连接到上游侧排气管18的下游侧端部。隔热管32连接到外锥形管30的下游侧端部。上游侧内锥形管34在从外锥形管30和上游侧排气管18之间的连接开始的一下游位置处连接到上游侧排气管18的下游侧端部，并且位于外锥形管30内部。催化装置36连接到上游侧内锥形管34的下游侧端部，并且位于隔热管32内部。催化装置36的结构将在下文[3]中描述。下游侧内锥形管38连接到催化装置36的下游侧端部，并且位于隔热管32内部。
[0013]
3、催化装置36如图3和4所示，催化装置36包括催化剂载体42和外筒44。催化剂载体42基本上为具有蜂窝状结构的圆柱的形状，并由一个或多个金属叶形平板52和一个或多个波纹板54形成，波纹板54为波纹状金属叶形平板52，其中所述金属叶形平板52和所述波纹板54层叠并卷绕。每个平板52(和每个波纹板54)由不锈钢形成，并具有从一侧贯穿到另一侧的多个孔64(图5和6)。孔64将在下文[3.1]中描述。
[0014]
催化剂载体42支撑催化剂。例如，在催化剂载体42的状态下，平板52和波纹板54的表面覆盖有含有催化材料(例如铂、钯、铑的铂族元素)的涂层。平板52和波纹板54彼此连接。平板52和波纹板54的连接将在下文[3.2]中描述。
[0015]
外筒44是其内径略大于催化剂载体42的外径的筒。与平板52的情况一样，外筒44由不锈钢形成。外筒44容纳催化剂载体42。外筒44以使催化剂载体42的一端42a面向废气的上游侧和使催化剂载体42的另一端42b面向废气的下游侧的状态来支撑催化剂载体42。在外筒44正在支撑催化剂载体42的状态下，外筒44的轴线与催化剂载体42的轴线相互重合。如图3所示，外筒44和催化剂载体42的轴线称为轴线a。催化剂载体42的外周表面与外筒44的内周表面彼此连接。催化剂载体42和外筒44的连接将在下文[3.2]中描述。
[0016]
3.1、具有多个孔64的平板523.1.1、例子1例子1的平板52将通过利用图5进行说明。图5所示的平板52处于平板52尚未成形为催化剂载体42的平坦状态。该平板52基本上为矩形的金属叶状构件，其在第一方向d1上长度为l，在第二方向d2上长度为w(＞l)。第一方向d1平行于废气流动方向和催化剂载体42的轴线方向(轴线a延伸的方向)。在图5中，假设纸平面上从上到下的方向为第一方向d1。第二方向d2正交于第一方向d1。在图5中，假设纸平面上从左到右的方向为第二方向d2。平板52在第一方向d1上的长度l是催化剂载体42在其轴线方向上的长度。平板52在第二方向d2上的长度w与催化剂载体42的直径相关。因此，长度l和长度w是根据催化剂载体42的设计而确定的。
[0017]
平板52具有孔形成部60和围绕孔形成部60的边缘部62。平板52在孔形成部60中具有沿第一方向d1和第二方向d2对齐的多个孔64。沿第一方向d1的孔64的线称为第一线66。沿第二方向d2的孔64的线称为第二线68。当连接沿第一线66的各个孔64的中心的线被称为该线的中心线66c时，该各个孔64布置成使得中心线66c均匀地间隔开。当连接沿第二线68的各个孔64的中心的线被称为该线的中心线68c时，该各个孔64布置成使得中心线68c均匀地间隔开。
[0018]
各条第一线66朝第二方向d2连续地编号。当从第二方向d2的一侧(或另一侧)观察时，第n条第一线66上的孔64和第n+1条第一线66上的孔64交替形成线。也就是说，当从第二方向d2的一侧(或另一侧)观察时，第n+1条第一线66的一个孔64布置在第n条第一线66中彼此相邻的两个孔64之间，并且第n条第一线66的一个孔64布置在第n+1条第一线66中彼此相邻的两个孔64之间。
[0019]
同样，各条第二线68在第一方向d1上从一侧到另一侧是连续编号的。当从第一方向d1的一侧(或另一侧)观察时，第n条第二线68上的孔64和第n+1条第二线68上的孔64交替形成线。即，当从第一方向d1上的一侧(或另一侧)观察时，第n+1条第二线68的一个孔64布置在第n条第二线68中彼此相邻的两个孔64之间，并且第n条第二线68的一个孔64布置在第n+1条第二线68中彼此相邻的两个孔64之间。
[0020]
在两条(第n条和第n+1条)相邻的第一线66中，当从第一方向d1观察时，一条(第n条)第一线66上的孔和另一条(第n+1条)第一线66上的孔64通过部分64p彼此重叠。每个重叠部分64p在第二方向d2上的长度大于0，并且小于或等于孔64在第二方向d2上的长度(例如，直径2a)的20％。另一方面，在两条(第n条和第n+1条)第二线68中，当从第二方向d2观察
时，在一条(第n条)第二线68上的孔64和在另一条(第n+1条)第二线68上的孔64彼此分开。
[0021]
在此，将对例子1的平板52的具体例子进行说明。孔64是圆形的。孔64的半径a为4.0mm(其直径为8.0mm)。彼此相邻的第二线68之间的间隔i2(即，第n条第二线68和第n+1条第二线68之间的间隔i2)为9.52mm。彼此相邻两个孔64的端部之间的距离b为3mm。
[0022]
这些形状和数值是作为例子给出的，可以采用其它形状和数值。例如，孔64可以是椭圆形的；在这种情况下，长轴和短轴中的任一个可平行于第一方向d1或第二方向d2。
[0023]
此外，位于部分64p的区域中的孔64的尺寸(例如，直径2a)可以小于位于另一区域中的孔64的尺寸(例如，直径2a)。特别是，优选使从上游侧的第二线68开始，即从作为催化剂载体42的一端42a的第一端52a侧开始，向上计数的给定第二线68(第1条到第k条第二线68)中包含的孔64的尺寸更小。具体地，当孔64为圆形时，孔64的尺寸和布置可以设定成使得距离b＞半径a的关系成立。使上游侧的孔64的尺寸更小，提高承受由废气脉动引起的催化剂载体42的振动(即称为颤动)的耐久性。
[0024]
波纹板54是通过将平板52沿第二方向d2延伸成金属叶形构件，并将金属叶形构件加工成沿第二方向d2布置的波纹状而形成的。当在平面图中观察时，波纹板54的外部形状与平板52的外部形状基本相同。波纹板54的波纹幅度逐渐增大然后减小：波纹板54的波纹例如形成正弦波。波纹板54的孔64以与平板52的孔相同的方式布置。然而，由于波纹板54在第二方向d2上比平板52长，因此孔形成部60在第二方向d2上较宽，并且有更多孔64。
[0025]
3.1.2、例子2将通过利用图6对例子2的平板52进行说明。图6所示的平板52对应于通过将图5所示的平板52的孔64的布置在孔形成部60内旋转90
°
而得到的平板52。除了孔64的布置之外，图6所示的平板52的配置与图5所示的平板52的配置相同。在以下的说明中，对图6所示的平板52中与图5所示的平板52中不同的部分进行说明。
[0026]
在两条(第n条和第n+1条)相邻的第一线66中，当从第一方向d1观察时，在一条第一线66(第n条第一线66)上的孔64和在另一条(第n+1条)第一线66上的孔64彼此分开。另一方面，在两条(第n条和第n+1条)相邻的第二线68中，当从第二方向d2观察时，在一条第二线68(第n条第二线68)上的孔64和在另一条(第n+1条)第二线68上的孔64通过部分64p彼此重叠。每个重叠部分64p在第一方向d1上的长度大于0，并且小于或等于孔64在第二方向d2上的长度(例如直径2a)的20％。
[0027]
在此，将描述例子2的平板52的具体示例。孔64是圆形的。孔64的半径a为4.0mm(其直径为8.0mm)。彼此相邻的第一线66之间的间隔i1(即，第n条第一线66和第n+1条第一线66之间的间隔i1)为9.52mm。两个相邻的孔64的端部之间的距离b为3mm。
[0028]
如例子1中那样，这些形状和数值作为例子给出，可以采用其它形状和数值。例如，孔64可以是椭圆形的；在这种情况下，长轴和短轴的任何一个可平行于第一方向d1或第二方向d2。
[0029]
如例子1中那样，设置在部分64p的区域中的孔64的尺寸(例如，直径2a)小于设置在另一区域中的孔64的尺寸(例如，直径2a)。特别地，优选使从上游侧的第二线68开始，即从作为催化剂载体42的一端42a的第一端52a侧开始，向上计数的给定第二线68(第1条到第k条第二线68)中包含的孔64的尺寸更小。具体地，当孔64为圆形时，孔64的尺寸和布置可以设定成使得距离b＞半径a的关系成立。使上游侧的孔64的尺寸更小，提高承受由废气脉动
引起的催化剂载体42的振动(也称为颤动)的耐久性。
[0030]
如例子1和例子2中那样，由于在平板52和波纹板54中形成的孔64，在流过催化剂载体42的废气中趋于产生湍流(涡流)。当废气中产生湍流时，废气更频繁地与催化剂接触，从而提高废气净化效率。此外，当在平板52和波纹板54中形成孔64时，废气的流动通道的长度大大增加。当废气的流动通道的长度增加时，废气更频繁地与催化剂接触，从而提高废气净化效率。
[0031]
3.2、构件的连接3.2.1、上游侧的连接将通过使用图7来描述平板52和波纹板54的连接以及催化剂载体42和外筒44的连接。图7示出了图3所示的催化装置36中的构件的连接区域。平板52和波纹板54通过钎焊连接在一起，并且催化剂载体42和外筒44也通过钎焊连接在一起。
[0032]
在本实施例中，上游侧的平板52和波纹板54彼此钎焊的部分称为第一上游区域70，而催化剂载体42和外筒44彼此钎焊的部分称为第二上游区域72。第一上游区域70是这样的区域，其沿轴线方向从催化剂载体42的一端42a的位置朝下游侧扩展到距离所述一端42a长度l1的位置。第二上游区域72是这样的区域,其沿轴线方向从催化剂载体42的一端42a的位置朝下游侧扩展到距离所述一端42a长度l2的位置。长度l2比长度l1长。即，第二上游区域72比第一上游区域70在轴线方向上朝下游侧更宽。
[0033]
具体地，长度l1可以设定为3mm，长度l2可以设定为10mm。原因如下：在该范围内，废气的温度相对较低。在上述例子1和2(半径a＝4.0mm，距离b＝3mm)的情况下，如图5和6所示，第二上游区域72的下游侧边界与第二条第二线68的孔64相交。
[0034]
在位于第一上游区域70的催化剂载体42中，平板52和波纹板54从中心到外周相互钎焊。第一上游区域70容纳平板52的边缘部62和波纹板54的边缘部62以及第一条至第k条(给定序号)第二线68上的多个孔64。波纹板54所包含的波纹部的大致峰部分被钎焊到平板52上。然而，难以钎焊第一上游区域70所包含的平板52与波纹板54之间的所有接触点。因此，在本实施方式中，不需要钎焊所有接触点。
[0035]
位于第二上游区域72的催化剂载体42和外筒44相互钎焊。具体地，催化剂载体42的外周表面和外筒44的内周表面彼此钎焊。
[0036]
越靠近上游侧，催化装置36的振动越大。如本实施例中那样，通过在第一上游区域70中将平板52和波纹板54连接在一起并在第二上游区域72中将催化剂载体42和外筒44连接在一起，有效地抑制催化剂载体42的振动是可能的。此外，由于所述构件不是沿着催化剂载体42的长度连接在一起，因此防止催化剂载体42因构件受热影响膨胀和收缩而损坏是可能的。
[0037]
3.2.2、在下游侧的连接除了如上所述将平板52和波纹板54在上游侧相互钎焊外，还可以将平板52和波纹板54在下游侧相互钎焊。在图8至图10中，将平板52和波纹板54彼此钎焊的下游侧的部分称为下游区域74。下游区域74是这样的区域，其沿轴线方向从催化剂载体42的另一端42b的位置朝上游侧扩展到距离所述另一端42b长度l3的位置。
[0038]
如图8所示，在下游区域74中在径向方向上远离中心的区域中，也可以在位于外周侧的周边区域74a中将平板52和波纹板54相互钎焊。周边区域74a位于从在径向方向上距轴
线a距离a1的位置到外周位置。
[0039]
如图9所示，在下游区域74中在径向方向上远离中心的区域中，平板52和波纹板54可以在位于中心侧的中心区域74b中彼此钎焊。中心区域74b位于从轴线a到在径向方向上距轴线a距离a2的位置。
[0040]
如图10所示，在下游区域74中，可以在平板52和波纹板54卷绕的方向上以规则的间隔或不规则的间隔设置平板52和波纹板54彼此钎焊的钎焊区域74c以及平板52和波纹板54彼此不钎焊的非钎焊区域74c。
[0041]
4、用于制造催化装置36的方法如图11所示，通过用支撑构件支撑层叠体50的中心部c和通过旋转支撑构件，使中心部c沿一个方向r旋转，从而形成催化剂载体42，层叠体50是通过在波纹板54的两侧上层叠平板52而形成的，在催化剂载体42中层叠体50从中心朝向径向方向层叠。这样，将平板52和波纹板54彼此钎焊，并且将催化剂载体42形成为基本上圆柱形状。
[0042]
层叠体50可以是由交替层叠的多个平板52和多个波纹板54形成的多个层。此外，如上面提到的编号为2005
‑
535454(pct)的日本公开专利公开中所述，可以通过用支撑构件支撑层叠体50的端部并通过沿方向r旋转支撑构件来形成催化剂载体42。
[0043]
接着，将基本上为圆柱形的催化剂载体42插入到外筒44中，并且将催化剂载体42和外筒44彼此钎焊。
[0044]
接着，将含有催化材料的高粘度混合溶液置于催化剂载体42的其一端42a所在的侧上，通过使另一端42b所在的侧的大气压低于所述一端42a所在的侧的大气压来产生压差。然后，将混合溶液抽吸到另一端42b所在的侧，由此混合溶液从所述一端42a所在的侧进入蜂窝状催化剂载体42。当通过催化剂载体42的内部时，混合溶液被抽吸到另一端42b所在的侧，同时与平板52和波纹板54的前表面接触。结果，催化剂载体42的内表面(平板52和波纹板54的表面)覆盖了包含催化材料的涂层。
[0045]
5、通过实施例获得的发明下面将对可以根据上述实施例理解的发明进行说明。
[0046]
本发明是催化装置36，其包括：催化剂载体42，其由层叠和卷绕的金属叶形平板52和波纹板54形成并且支撑催化剂；以及外筒44，其容纳催化剂载体42并且以使催化剂载体42的一端42a面向废气的上游侧和使催化剂载体42的另一端42b面向废气的下游侧的方式来支撑催化剂载体42。平板52和波纹板54具有多个孔64。在平板52和波纹板54尚未成形为催化剂载体42的平坦状态下，该多个孔64通过沿平行于催化剂载体42的轴线方向的第一方向d1对齐而形成多条第一线66，并通过沿垂直于第一方向d1的第二方向d2对齐而形成多条第二线68。平板52和波纹板54之间的连接区域设置在包括催化剂载体42的一端42a的第一上游区域70中，并且催化剂载体42和外筒44之间的连接区域设置在包括催化剂载体42的一端42a的第二上游区域72中。
[0047]
尽管催化剂载体42的作为其上游侧端部的一端42a和一端42a周围的部分被废气加热，但是所述一端42a和所述一端42a周围的部分受到由催化剂活化引起的发热影响较小。由于平板52和波纹板54之间的连接区域以及催化剂载体42和外筒44之间的连接区域设置在上游侧(第一上游区域70和第二上游区域72)，而不是在观测到最高温度的中心区域附近，因此降低活化催化剂的发热对形成孔的催化剂载体42的影响是可能的。这使得提高形
成孔的催化剂载体42的耐久性是可能的。
[0048]
在本发明中，催化剂载体42与外筒44之间的连接区域可设置在第二上游区域72中，所述第二上游区域72包括第一上游区域70并且在轴线方向上比第一上游区域70宽。
[0049]
通过如在上述配置中那样使第二上游区域72比第一上游区域70宽，更适当地提高形成孔的催化剂载体42的耐久性是可能的。
[0050]
在本发明中，在第一上游区域70中，可以包括预定数量的第二线68。
[0051]
在从催化剂载体42的作为其上游侧端部的一端42a开始的预定长度的区域中，由于催化剂活化引起的发热的影响小，所以废气的温度相对较低。特别地，废气的温度在从一端42a到下游侧约10mm的区域中较低。优选在该区域中进行构件的钎焊。
[0052]
在本发明中，平板52和波纹板54之间的连接区域可以设置在包括催化剂载体42的另一端42b的下游区域74中。
[0053]
不言而喻，根据本发明的催化装置不限于上述实施例，并且可以采用本发明范围内的各种配置。