具有相变材料的车辆排气催化剂系统的温度保持和调节的制作方法
【技术领域】
[0001]本文描述的主题涉及车辆排气系统，并具体涉及在发动机停机和随后的起动之间以及在运行期间这种系统内的温度的管理。
【背景技术】
[0002]生产能够满足日益严格的排放规定的车辆对制造商提出了挑战。用于将有害的CO和NOx气体以及未燃烧的燃料转化为环境上更加良性的化学物种的主要组件为催化转化器系统。催化转化器包括一种或多种催化剂砖，通常以诸如堇青石的通道型基底材料的形式。以有催化活性的贵金属和诸如氧化铝或铈锆氧化物的金属载体材料涂覆基底。
[0003]目前的催化转化器存在数个技术问题，其影响装置以最佳效率运行的能力。第一个问题是为了有效地运行，催化剂需要处于高温下(对于以汽油为燃料的车辆在大约7000C以上并且对于柴油车辆在200°C以上)。因此，当起动具有催化转化器的冷的内燃发动机或柴油发动机时，污染物的排放高，因为催化转化器内的催化剂在低温下不起作用。在加热催化转化器之前，在起动时排放的排气加热排气歧管和排气管。将冷的催化转化器加热至“起燃”温度可能需要数分钟。“起燃”温度为催化转化器氧化发动机排气中至少百分之五十的烃时的温度。已经报道了所有烃排放的60%至80%发生在发动机起动之后的最初几分钟期间。
[0004]为了减少在起动时污染物的排放，已经使用多种主动和被动技术进行了旨在保持催化转化器处于起作用的温度(funct1nal temperature)的努力，所述技术包括燃料燃烧、预热催化转化器、起动之后使用电加热快速加热催化转化器或使用增加的燃料与空气比。其他努力包括在沸石中吸附和存储污染物直到催化转化器已经达到起作用的温度。然而，这样的努力已经导致在概念上和机械上均复杂的系统，需要增加的组件，其增加制造的成本和复杂性。
[0005]另一个问题是转化器中催化剂的老化。老化过程可以包括转化器中非活性材料的降解和精细分布的金属催化剂颗粒的烧结，其减小了催化剂颗粒的表面积并因此降低了它们的催化效果。在高于大约950°C的非常高的温度下开始和/或大大加速这些变化，高于大约950°C的非常高的温度可出现在重负载运转中或在发动机频繁断火的时期期间。出现在催化剂系统中的化学反应也可以是高度放热的并可以容易地将温度升高到损坏催化剂的范围。理想地，催化剂系统应当包括一些温度调节的装置，既当发动机短期熄火时保持催化剂温暖(对于发动机将有规则地打开和关闭的混合动力车辆尤其重要)，又避免温度敏感的和昂贵的催化剂材料过热。
[0006]因此，还进行了在发动机运行期间控制催化转化器温度的努力。在发动机运行期间用于控制催化转化器温度的技术的方面涉及保持催化转化器处于发动机使用之间的起作用的温度。这些努力中的一些已经利用相变材料(“PCM”)以在发动机起动期间储存热能并抑制热损失并在发动机运行期间吸收热以避免转化器过热。例如，美国专利号5，477，676描述了被可变传导隔离物包围的催化转化器，该可变传导隔离物包括以相变材料形式的储热介质。通常这样的系统存在用于当相变材料融化时容纳它们的真空密封的室、护罩和夹套。再次，对真空容纳装置的需要增加了制造这种催化转化器系统的复杂性和成本。
[0007]因此，本领域对利用催化转化器的车辆排气系统的需求仍然存在，所述催化转化器能够在发动机停机和随后的起动之间保持催化剂的温度，以及在发动机运行期间调节催化剂的温度，并且其在设计和制造上也是简单的。
【发明内容】
[0008]本发明的实施方式解决了那些需求，本发明向催化转化器或车辆排气系统中其他含催化剂的组件提供相变材料，而不需要复杂的设计、制造步骤或操作。
[0009]根据本发明的一个实施方式，提供车辆排气系统，并且该系统包括放置在车辆排气通道中的催化剂。催化剂被放置在包括间壁的蜂窝形催化剂主体中，该间壁被布置以形成多个小室，该小室在主体的端面之间延伸，催化剂在主体的小室中的间壁的至少一部分上形成涂层。相变材料被包含在这些小室中不存在催化剂的至少一些小室中，使得相变材料邻接蜂窝形主体中包含催化剂的小室。以该方式，通过相变材料吸收或释放的热调节在发动机停机和随后的起动之间以及在车辆运行期间催化剂的温度，以减少或消除催化剂冷启动问题和防止发动机运行期间的催化剂过热。
[0010]在一些实施方式中，含有相变材料的小室(或通道)的相对端被密封以在其中包含相变材料。在一些实施方式中，含有相变材料的小室的壁首先被涂覆材料以减少小室壁的孔隙率(porosity)。
[0011]在一些实施方式中，相变材料被密封在具有高于大约1000°C的熔点的材料的容器中，并且按尺寸制作该容器使得其适于蜂窝形主体中选择的小室。在一些实施方式中，容器由电阻材料组成，其可以被任选地连接至电力来源。
[0012]在一些实施方式中，相变材料包括金属或金属合金。根据车辆的类型，无论是以汽油为动力还是以柴油为动力，选择相变材料以具有各自车辆排气系统的正常运行温度内的熔点。例如，对于以汽油为动力的车辆，相变材料可以包括具有大约700至大约900°C之间的熔点的金属或金属合金。这种相变材料的一个实例为铍和铜的合金。对于以柴油为动力的车辆，相变材料可以包括具有大约200至大约400°C之间的熔点的金属或金属合金。这种相变材料的一个实例为镁和青铜的合金。用于本发明的实施方式的其他合适的相变材料包括陶瓷相变材料、聚合相变材料(包括蜡)和碱或碱土金属盐相变材料。
[0013]在其他实施方式中，相变材料包括封装在陶瓷材料中的颗粒，该陶瓷材料具有高于相变材料恪点的恪点，诸如，例如氧化销。在一些实施方式中，蜂窝形催化剂主体包括堇青石。可选地，多种不同的相变材料可以被使用并被包含在至少一些小室中，该相变材料具有不同的熔点。可以根据需要将相变材料以任意比例混合在一起以获得期望的熔点或熔点范围。在另一个实施方式中，含有所述相变材料的所述小室被电连接至动力源。
[0014]因此，提供利用催化转化器的车辆排气系统是本发明的实施方式的特征，该催化转化器能够在发动机停机和随后起动之间更好地保持催化剂的温度以减少或消除冷启动。提供车辆排气系统是本发明的实施方式的进一步特征，该车辆排气系统也能够在发动机运行期间调节催化剂的温度以避免过热。提供设计、制造和操作简单的车辆排气系统是本发明的实施方式的进一步特征。由以下【具体实施方式】、附图和所附权利要求，本发明的其他特征和优点将显而易见。
【附图说明】
[0015]当结合下面的附图阅读时，可以最好地理解本发明的【具体实施方式】的以下详述，其中相同的结构以相同的参考数字表示，并且其中:
[0016]图1为包括根据本发明的实施方式的催化转化器的汽油发动机的车辆排气系统的基本元件的示意形式的概要；
[0017]图2为包括根据本发明的实施方式的催化转化器的柴油发动机的车辆排气系统的基本元件的示意形式的概要；
[0018]图3A为根据本发明的实施方式的催化转化器主体的局部切掉的透视图；
[0019]图3B为具有沉积在其上的催化剂涂层的图3A的整体基底的蜂窝形结构的放大图；
[0020]图3C为具有包含在至少一些小室中的相变材料的蜂窝形结构的可选实施方式的放大图；
[0021]图4A为本发明的实施方式的局部切掉的示意透视图，其中相变材料的固体棒被并入至少一些蜂窝形结构小室中；
[0022]图4B为本发明的另一个实施方式的局部切掉的示意透视图，其中相变材料以微粒形式被密封在放置在至少一些小室中的容器内；和
[0023]图5为图解了本发明的另一个实施方式的局部切掉的示意透