专利名称：内部具有金属催化剂的消声器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种消声器组件，特别是涉及这样一种类型的消声器组件， 其用于衰减由内燃机产生的排气噪声且在内部具有催化转化器。
背景技术：
本发明涉及用于处理流体流(如气态流体流)的低成本的催化产品及 方法。其中，本文公开的产品和方法非常适合于将由小型发动机产生的排 气流中的污染物成分转化为无害成分。众所周知，内燃机(包括小型发动 机)的排气含有污染空气的污染物，如碳氢化合物、 一氧化碳以及氮氧化
物(NOx)。
各种管理机构不断制订对于由小型内燃机驱动的装置的更严格的排放 规定。小型发动机指的是排量小于约75、优选小于35立方厘米的发动机， 通常为两沖程和四冲程的火花点火式发动机。这样的发动机("通用发动 机")特别是用在下面的装置中汽油机驱动的割草机、机动链锯、便携式 发电机单元、吹雪机、吹草/叶机、绳式割草机(string mower)、草畔边 修剪机、园艺拖拉机、机动踏板车、摩托车、机动脚踏两用车等。这样的 发动机为催化式排气处理装置提供了苛刻的环境。这是因为在小型发动机 中，排气包含高浓度的未燃燃料和未消耗的氧。因为很多这种装置(如机 动锯，割草机，绳式切割机)的使用者在非常接近装置的情况下工作，所 以对于减少排放物的关注提高了 。
对于减少来自由小型发动机驱动的装置的排放物，排气处理催化产品 提出了一种解决方案。但是，因为小型发动机的工作条件给设计提出了挑 战，所以将催化产品实际地集成在这种装置中可能是困难的。
首先，催化产品必须是耐用的。与由较大的发动机驱动的装置(如车 辆)相比，由较小的发动机驱动的装置更不容易吸收和分散由发动机导致 的振动。两冲程发动机中的振动力可达到四冲程发动机的三倍或四倍。例
如，已有报道称小型发动机在150赫兹(Hz)下的振动加速度达到70G至 90G ( G =重力加速度)。小型发动机的急剧振动和排气温度条件导致排气 催化处理装置内出现多种模式的故障，包括由于机械振动和排气在高温条 件下的流动波动引起的将催化器部件固定于装置内的安装结构的故障，和 由此导致的催化器部件的损坏或毁坏。此外，小型发动机在催化产品的布 置方面提供了更小的设计灵活性。在由小型发动机驱动的装置内，催化产 品与发动机的紧密接近使所述产品暴露于强烈的振动下。此外，小型发动 机的特征在于，当发动机的负荷升高或降低时温度剧烈变化。因此，用于 处理小型发动机的排气的催化器部件通常比汽车上的催化转化器经受更大 的温度变化和更大的振动，这些状况会导致催化材料碎裂。
其次，因为大多数的小型发动机平台由于在这些发动机上使用的消声 器的尺寸有限而具有较高的空间速度，所以催化产品优选要适应高的流量。 例如，排量为50立方厘米、工作的最大(转速)为8000 rpm的小型发动 机通常的排气输出量为12000-15000 L/h。因为排气系统内的背压较高会使 发动机的工作效率降低，所以显著限制排气流的流量的催化产品是更不希 望(选用)的。此外，由于流过催化产品的排气流的流量很高，所以使用 的催化剂成分必须是高度活化的，并最优地置于产品内以确保充分地转化 污染物。
笫三，因为很多由小型发动机驱动的装置是手持的工具，如修草机、 链锯，所以催化产品优选为轻质的并且占用较小的体积。过重或从这些装 置的笨大突出不利地限制了装置所设计的各种应用。
第四，排放物处理系统的成本不能显著增加装置的总成本，以确保装 置在市场上保持竟争力。小型发动机通常用来驱动中等价位的装置。因此， 需要设计出符合预期标准却使装置的附加成本最小化的、用于处理由小型 发动机驱动的装置的排放物的催化产品。在美国专利No. 08/682,247中记载了在小型发动机应用中可用的催化 剂，本文将其引入作为参考。简言之，这些催化剂包括可置于适当的载体 材料上的一种或多种铂族金属化合物或合成物。适当的载体材料包括耐高 温的氧化物，如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化硅-氧化铝、铝硅酸 盐、铝-锆氧化物、铝-铬氧化物等。催化材料通常以颗粒的形式使用，其 中所述颗粒的直径处于微米的量级，例如10至20微米，因此所述颗粒可 形成灰浆状并被涂覆成载体部件上的涂层。可使用适当的载体部件，如具 有多个微小的并行气流通道类型的蜂窝状载体，所述气流通道从载体的入 口面或出口面起延伸穿过所述载体以使该通道可供流体流从中穿过。如在 本领域中已知，将涂层载体设置在适于保护催化器部件并有利于建立穿过 催化器部件的气体流路的筒罐内。
于2004年5月6日公开的共同转让的美国专利公报No. 2004/0087439 公开了一种可用作排气系统的一部分的催化金属基底，该系统可应用于小 型发动机，所述小型发动机适用于如摩托车、割草机、链锯、修草机等。
于2004年2月26日公开的共同转让的美国专利公报No. 2004/0038819 公开了 一种易弯的耐热的金属载体，在该金属载体上可涂覆有锚固层以改 善催化涂层与载体的附着性。顺应性的催化器部件可弯曲以顺应供其安装 在内的弯曲或弯折的排气管。
于2002年9月12日公开的共同转让的美国专利公报No. 2002/0128151 公开了将金属电弧喷涂在泡沫基底上以在基底上产生锚固层，锚固层用 作供催化材料沉积于其上的极其优质的中间层。即使当承受由小型发动机 引入的严酷条件或处在与较大发动机紧密接合的位置处时，也能阻止催化 材料碎裂。还公开了催化涂层可涂覆在基底上，如泡沫、波紋状薄板或 篩网上。
通常，在发动机内使用两个分立的单元(消声器和催化转化器)以分 别在排气系统的两个分离的区段中将排放噪声和空气污染减到最小。消声 器通常以下面的三种方式之一进行设计(a)具有交错的隔音板；(b) 具有消声偏角调节装置；或(c)具有玻璃纤维包装。因为交错的隔音板式
的消声器高效、低价且易于制造，所以这种消声器最普遍地应用于工业中。
另一方面，催化转化器通常以两种方式制造(a)具有蜂窝状材料； 或(b)具有颗粒状材料。蜂窝状材料和颗粒状材料都用作涂覆有催化物质 的栽体，该催化物质可通过预定的催化反应将排气排放流中不希望的和有 害的化合物转化为无害的成分。
因此，通常由这两个分立的装置实施对排气排放流中的噪声和空气污 染的处理，所述装置相互独立地起作用。因此，常规的催化转化器的基本 不能压制排气排放物的噪声，而常规的消声器不能催化处理排气排放物。
同时减少噪声和污染排放物的需要对于小型内燃机(如用于拖拉机、 草冲和庭院维护设备、摩托车、小型摩托车、吹雪/叶机以及其它日益增加 地需要减少排放物和噪声水平的动力设备)的制造商是非常重要的。大多 数这样的小型发动机都配备有小型消声器来控制噪声水平。因为现有的小 型发动机制造商不希望改变消声器设计，所以在这种装置的典型设计中包 括用于控制现有消声器中的有害排放物的小型金属基底催化剂。在这种情 形下，消声器和催化器不是彼此独立的。
美国专利6，040，266公开了一种隔声板/催化剂泡沫载体材料以及制造 隔声板/催化剂泡沫载体材料的方法。根据该专利，提供了密度在10-100 ppi 之间的聚氨酯开口型泡沫材料。用树脂材料浸润该聚氨酯泡沫以产生浸透 的泡沫。使该浸透的泡沫热解(pyrolize )而形成用以形成碳泡沫的碳骨架。 碳泡沫骨架涂覆有下组材料中的一种或多种以达到5%-35%的相对密度 SiC, Si3N4， Mo2Si2或高温金属。接着在涂覆有金属的泡沫上涂覆铂族 金属催化剂。
本发明的目的在于提供一种同时降低噪声水平和减少排气流中的污染 物(如碳氢化合物、 一氧化碳以及氮氧化物)的消声器装置。
发明内容
根据本发明，来自小型发动机或通用发动机的排气流被导入双重功能 的消声器中，该消声器包括消声器壳体、形成于消声器中的内腔以及催化
涂覆的用于减弱声音和减少排放污染物(如碳氩化合物、 一氧化碳以及氮 氧化物)的栽体材料。更具体地，消声器的内腔或副腔包括催化涂覆的载 体材料，例如涂覆有一种或多种贵金属催化剂的网状金属泡沫基体。在本 发明的消声器中，迫使发动机的排气依次流过催化涂覆的金属泡沫栽体， 以及一个或多个后续的消声器腔，使得排气流频繁地改变方向，由此阻隔 或减弱噪声。
另一方面，本发明涉及一种金属泡沫催化剂载体，该载体具有通过热 电弧喷涂而沉积于其上的金属层，从而提高了催化剂的附着性。在这种应 用中，金属热电弧喷涂层是金属间层或锚固层，并且甚至在小型发动机的 应力下也将贵金属催化剂层保持就位。
在本发明的又一个方面中，与包括传统的陶瓷和金属换热器的其它装 置相比，包括用于发动机排气的曲折流路的催化涂覆的金属泡沫易于更高 效地收集无机沉积物。因此，金属泡沫可被分区涂覆，设置用于捕集可能 使催化剂中毒的无机物的上游无催化剂捕集区，以及用于减少污染物(如 碳氢化合物、 一氧化碳以及氮氧化物)的下游催化剂区。平直通道的载体 通常使得无机物可绕过预催化剂从而使下游位置的贵金属催化剂过早中 毒。
从以下说明和所附的权利要求可清楚看到本发明的其它目的和优点。
图1示意性地示出根据本发明而构造的消声器的分解视图。
图2a示意性地示出根据本发明的消声器的透视图。
图2b是根据本发明的消声器沿图2a中的线I-I截取的剖视图。
图3是示出图l的消声器构造的内隔音板的示意图。
图4是根据本发明的金属泡沫的放大示意图。
具体实施例方式
本发明涉及一种用于内燃机(特别是所述类型的小型发动机，尤其是
四沖程发动机)的设备，该设备能够在一个单元内同时降低排气噪声和催 化控制污染排放物。更具体地，本发明涉及一种使用催化涂覆的基底来减 少与来自小型发动机的排气流相关的有害排放物的消声器系统，其中，催 化基底包含在消声器内所含的空心空间或内腔内。
本发明的消声器优选使用两个或多个在消声器壳体或筒罐内的并置的 隔音板，以打断进入的排气流的并行流动，从而迫使其降低速度并且减弱 分贝水平。隔音板在内部包括具有催化涂覆的基底的空心空间或腔。但横 截面构型可以是任何合适的形状。隔音板优选由金属制成，但也可使用传 统的制造技术由非金属(如陶瓷)制成。
本发明的一个示例性的消声器设计参见图1-3。参照图l-3，可用的消 声器2包括上外壳4、下外壳6、外壳中的排气入口8、以及排气出口IO。 消声器2还包括上部的内隔音板12和下部的内隔音板14。当组装在消声 器2内时，上、下内隔音板12、 14分别并行对齐、相互并置并且呈镜像地 彼此面对。并置的隔音板12和14位于消声器2的中央，将消声器2分隔 为两个主腔，即上部腔16和下部腔18 (参见图2b)。
按照图1和2b的方向组装好的部件具有在竖直方向上轴线对齐的组 件，其依次形成上外壳4、上部腔16、上部内隔音板12、内腔20、下部 内隔音板14、下部腔18以及包括排气出口 10的下外壳6。如图2b所示， 上部腔16形成于上外壳4与上部内隔音板12之间。内腔20形成于上部内 隔音板12与下部内隔音板14之间，下面将更详细地进行说明。下部腔18 形成于下部内隔音板14与下外壳6之间。
如图1和2b所示，上部内隔音板12具有较大的伸出部分24以及较小 的伸出部分26。类似地，下部内隔音板14具有较大的伸出部分28和较小 的伸出部分30。各隔音板12、 14的较大的伸出部分24、 28和较小伸出部 分26、 30是并置的。当组装消声器2时，如图2a所示，上部隔音板12 的较大和较小的伸出部分24、 26分别形成第一内副腔32。类似地，在下 部内隔音板14内较大和较小的伸出部分28、 30分别形成第二内副腔34。 上部内隔音板12的副腔32朝上外壳4轴向向上延伸，并且下部内隔音板 14的副腔34朝下外壳6轴向向下延伸。如图l和2b所示，在组装消声器 2时这些副腔32和34彼此并置形成内腔20。优选地，腔20充满催化涂覆 的基底22,如催化涂覆的金属泡沫。
如图1-3所示，来自发动机(未示出)的排气流(此处用箭头36表示) 通过排气入口 8进入消声器2。排气流36流过排气入口 8并进入内腔20, 并且经过催化涂覆的基底22 (如催化涂覆的金属泡沫)，此处用箭头38 表示。接着排气流36离开内腔20和催化涂覆的基底22,穿过位于内隔音 板12的较大伸出部分24内的第一组孔口 40，进入上部腔16，此处由箭头 42表示(参见图2b )。接着排气流36经过上部腔16到达上部腔16的左 后部，穿过位于下部隔音板14内的第二组孔口 44和位于上部隔音板12 内的容纳切口部45离开；此处用箭头46表示(参见图2b)。接着排气流 36经过下部腔18，穿过排气出口 10离开消声器，此处用箭头48表示(参 见图1和2b)。
本发明提供了 一种催化涂覆的基底或催化基底。用于形成本发明的催 化涂覆基底的基底包括能够适应高流量(对于50 cc的发动机优选>20000 L/h)的、轻质的、热质量低的金属基底。例如，所述基底可以是金属泡沫、 穿孔的金属薄板、烧结的金属、织物丝网或无纺物筛网。优选地，如下文 所述，基底的表面适于涂覆有金属锚固层，例如金属热电弧喷涂层。
一种特别适用的基底是金属泡沫。本发明的金属泡沫基底形成开口的 或网状的基底结构，该基底结构包括由单元(cell)壁的支柱(strut)形成 的金属单元或孔(例如参见图4)。金属泡沫基底还可进一步描述为具有 多个不规则形状的通道的多孔基体，其中排气在从泡沫的上游侧流到下游 侧的过程中经过多个随机的扭转和转弯。这种紊乱的或曲折的流路由多个 孔口、孔隙、通道或类似的结构特征来限定，所述结构特征使得流经的液 体和/或气体形成紊流或基本上以非层流的形式流过并且使基底对于穿过 基底的流体的流路的单位总体积具有的高的表面积，例如是为其中的流体 形成高传质区的特征。相反，不论是否穿孔，密实的基底(如板、管、薄 板等)对穿过该基底的流路的单位总体积具有较小的表面积，并且基本上
不会扰乱从中穿过的层流。开口或网状的金属泡沫基底结构不仅重要地提 供了高传质区，而且这种开口的结构减小了背压。
参照附图4更容易理解本发明的金属泡沫，图4示出了本发明的非限 制性实施例的金属泡沫的三维网络结构的局部放大示意图。参照图4，该 图示出了金属支柱60和孔62的开放式网络结构，该网络结构构成了发动 机排气流的曲折通道。金属泡沫优选收集主要处于气态的有害物，并用作 防止有害物与下游的整体式贵金属催化剂接触的物理屏障。
因为这些金属泡沫结构具有比密实的基底更大的表面积，以及由于金 属泡沫结构使得流体能够穿过，所以它们非常适于用作催化剂载体。此夕卜， 金属泡沫可用作捕集(如不被捕集则)可能毒害贵金属催化剂的液栽或气 载材料的捕集部件。例如，金属泡沫可在分离的区域内被涂覆，以使金属 泡沫的上游部分可涂覆有热电弧喷涂层(如下文所述)而用作捕集装置， 而涂覆有催化剂的下游部分可用于减少排气流中的污染物，如碳氢化合物、 一氧化碳以及氮氧化物。热电弧喷涂层的大的表面积使活性物质的传质提 高，从而提高金属泡沫捕集区的效率。
在本领域中已知制造泡沫金属的方法，例如参见美国专利No. 3,111,396，本文中引入该专利的内容作为参考，在本领域中也已提出使用 泡沫金属作为催化材料的载体，例如参见1997年2月24-27日在密歇根州 的底特律举行的International Congress and Exposition上由 Arun D. Jatkar发表的题为"A New Catalyst Support Structure For Automotive Catalytic Converters"的SAE Technical Paper 971032,以及Pestryakov等 人的Journal of Advanced Materials, 1(5)， 471-476 ( 1994 )。金属泡沫的特 征多种多样，其中一些涉及供金属围绕设置的原始的有机基体的特性。本 领域所知的泡沫金属基底的一些特征包括单元的大小、密度、自由体积和 比表面积。例如，表面积可以是与泡沫基底尺寸相同的实心基底的1500 倍。如Pestryakov等人所述，可用作催化器部件的载体的泡沫金属基底的 平均单元直径在0.5-5mm的范围内，自由体积为约80-98%，例如泡沫基 底所占据的体积的3-15%可由金属构成。基底的孔隙度在每英寸有孔3-80
个(ppi)之间，如3-30ppi，或3画10ppi,或3-5ppi。在10-80ppi的示例性 范围内，其它特征，如每平方英寸的单元数可在100至6400之间，而大致 的薄片(web)直径可在0.01-0.004英寸之间变化。这样的泡沫可具有基于 网状/交联薄片前体的开口单元的网状结构。所述泡沫通常具有随着孔隙度 而增加的表面积，从约10ppi时的约700平方米/立方英尺的泡沫(m2/ft3 ) 至约60ppi时的4000m2/ft3,等等。其它适当的金属泡沫基底的表面积范围 为从约10ppi时的200平方英尺/立方英尺的泡沫金属(ft2/ft3 )至约80ppi 时的1900 ft2/ft3。 一种这样的基底在厚度约为1.6+/-0.2毫米、孔隙度为 110ppi的情况下，比重为500g/m。基底可具有0.1-0.3克每立方厘米(g/cc ) 的容积密度。
金属泡沫基底可由多种金属形成，包括铁、钛、钽、钨、贵金属，普 通的可烧结金属如铜、镍、青铜等，铝、锆等，以及组合物及其合金，如 钢、不锈钢、哈氏合金(Hastalloy) , Ni/Cr, Inconel合金(镍/铬/铁)， Monel合金(镍/铜)，以及Fecralloy合金UA/铬/铝/钇)。在一个实施例 中，金属泡沫基底选自包含以下材料的组不锈钢，钛，Fecralloy合金， 锆酸铝，钛酸铝，磷酸铝，堇青石，富铝红柱石和刚玉。在另一个实施例 中，以Fecralloy合金(FeCrAlY )作为示例。用于本发明的适当的金属泡 沫基底的体积被泡沫化的基底占据了约3-12%。也可例举出约6-8%。
在本发明的优选实施例中，本发明的金属泡沫基底在沉积催化剂组分 之前被预处理，以提高组分在基底上的附着性。基底的预处理可通过在涂 覆催化剂灰浆前利用已知的热喷涂技术向基底涂覆金属锚固层来实现。这 样的层可被称为金属热电弧喷涂层。这些技术包括等离子喷涂，单丝喷涂， 高速氧燃料喷涂，燃烧丝材和/或粉末喷涂，电弧喷涂等。优选通过电弧喷 涂来涂覆金属锚固层。
在金属多孔基底上进行金属(本文使用的这个术语包括金属混合物， 包括但不限于合金、假合金以及其它金属间混合物)的电弧喷涂(如双丝 电弧喷涂)能产生在催化器部件领域中非常适于用作催化材料的基底的结 构。双丝电弧喷涂(此处的术语包括于"丝材电弧喷涂，，以及更广义的术语
"电弧喷涂"中)是已知的方法，如上所述引入美国专利No. 4,027,367的内 容作为参考。简单地说，在双丝电弧喷涂方法中，两根原料丝用作两个可 消耗电极。当这些丝被供给至喷枪的喷嘴时这些丝彼此绝缘，该喷枪形式 类似于丝材火焰喷枪。这些丝在喷嘴所产生的气流的中央相遇。在所述丝 之间产生电弧，流过丝的电流导致所述丝的尖端熔化。压缩的雾化气体(通 常为空气)被导引通过喷嘴并且跨过电弧区域，剪切掉熔化的液滴而形成 被推向基底的喷流。因为原料必须导电，所以在电弧喷涂系统中只能使用 金属丝原料。喷枪产生的高颗粒温度使金属基底上的碰撞点处产生微小的 焊接区。因此，这样的电弧喷涂层(有时称为"锚固层")保持了与基底的 强力粘合。
用于在多孔基底上形成锚固层的丝材电弧喷涂的操作参数在1999年4 月29日提交的共同未决的美国专利申请No. 09/301,626 ('626申请)中公 开，该专利于2002年9月12日公开，7>开号为2002/0128151的，其/>开 内容全部引入作为参考。
多种合成物的锚固层Ni, Ni/Al， Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y， Co/Cr， Co/Cr/Al/Y， Co/Ni/Cr/Al/Y， Fe/Al， Fe/Cr， Fe/Cr/Al， Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al， Fe扁Cr, 300和400系列不锈钢，以及可选地上述材料的一种或多种的混合物。根 据'626申请的用于向基底上进行丝材电弧喷涂的金属的一个具体示例是镍 /铝合金，以重量计，该镍/铝合金一般包含至少约90%的镍和约3-10%的 铝，优选约4-6%的铝。这样的合金可含有较低比例的其它金属，该金属此 处统称为"杂质"，其总量不超过合金的约2%。 一种优选的具体原料合金 包括约95%的镍和5%的铝，熔点可约为2642。F。在合金中可包含一些这 样的杂质以用于各种不同的目的，如有助于丝材电弧喷涂过程或锚固层的
形成，或使锚固层具有优良特性。
与具有通过其它方法涂覆得到的金属锚固层的基底相比，将金属电弧 喷涂至金属基底上得到了更好的用于催化剂材料的基底。已看出，与未涂 覆中间层的基底乃至与具有通过等离子喷涂而沉积的金属层的基底相比，
催化材料能更好地附着在包括电弧喷涂锚固层的基底上。在基底与催化材 料之间没有中间层的情况下设置于金属基底上的催化材料常常不能充分良 好地附着在基底上以提供商业上可接受的产品。具有通过其它热喷涂技术 来涂覆的中间层的金属基底通常具有相同的缺陷。例如，具有通过等离子 喷涂于其上的金属中间层和涂覆于中间层上的催化材料的金属基底不能保 持住催化材料，该催化材料在常规的操作中就会剥落，显然是因为中间层 不能与基底粘结。已看出，其它基底上的催化材料在正常的使用中便M 裂，显然是因为经受高气体流量、热循环、与排气流中的高温蒸汽和其它 成分的腐蚀性接触、振动等。因此，用电弧喷涂来涂覆中间层通过提高承 载于多孔基底上的催化材料的耐久性而提高了包括该催化材料的催化器部 件的耐久性。
材料上散布任何催化活性成分的化合物和/或合成物(如一种或多种柏族金 属化合物或合成物)来制备。此处使用的术语"化合物"(如在"铂族金属化 合物"中所用)指的是催化活性成分(或"催化成分")的任何盐类、合成物 等，其可在煅烧或使用催化剂时分解或转化为催化活性形态，通常是氧化 物，但不必一定是氧化物。 一种或多种催化化合物的化合物或合成物可溶 解于或悬浮于浸湿或浸润载体材料的任何液体中，该液体不会与催化材料 的其它成分起不利的反应并且能够在加热和/或抽真空时通过挥发或分解 从催化剂中去除。通常，从经济和环境的角度考虑，优选采用可溶解的化 合物或合成物的水溶液。例如，适当的水溶性铂族金属化合物为氯铂酸， 胺溶氢氧化铂，三氯化铑，硝酸铑，六胺三氯化铑，硝酸钯或氯化钯等。 含有化合物的液体浸在催化剂的成块载体颗粒的孔隙内，浸润的材料被干
情形下，可能直到催化剂^f皮应用并受到高温排气时才完成液体(可能作为 例如结晶水存在)的去除。在煅烧步骤期间，或至少在催化剂使用的初期， 这种化合物被转化为铂族金属或其化合物的催化活性的形态。也可使用类 似的方法将其它成分加入到催化材料中。可选地，可省略惰性载体材料并
且催化材料可主要包括通过传统方法直接沉积在被喷涂的多孔基底上的催 化成分。
用于本发明的产品的优选铂族金属成分包括铂，钯，铑，钌和铱成分。 特别优选铂，钯和铑成分。当沉积于多孔基底(如金属滤网)上时，对于
典型的通用发动4几应用，这些成分通常以0.001-0.01g/ii^的浓度沉积。
用于催化剂成分的适当载体材料包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、 二氧化硅-氧化铝、铝硅酸盐、铝-锆氧化物、铝-铬氧化物等。这些材料优 选以高表面积的形式使用。例如，，氧化铝优于a-氧化铝。已知通过用稳 定物来浸润高表面积载体材料来稳定所述材料。例如，通过用铈化合物溶 液浸润材料、然后煅烧浸润材料以去除溶剂并将铈化合物转化为氧化铈来
稳定，氧化铝以防其被热降解。该稳定物可存在的量为例如载体材料的重 量的5%左右。通常以颗粒形态使用催化材料，该颗粒的量级为微米，如 直径为10-20微米，这样它们可形成灰浆并且涂覆在基底上。
用于小型发动机的催化器部件上的典型的催化材料包括分散在氧化铝 上的柏、钯和铑并且还包括钕、锶、镧、钡和锆的氧化物。在1996年12 月6日递交的美国专利申请No.08/761544中说明了一些适当的催化剂，其 公开内容此处引入作为参考。在该文所述的一个实施例中，催化材料包括 第一耐火(耐热)成分和至少一种第一铂族成分(优选第一钯成分)和可 选地除把外的至少 一种第 一铂族金属成分，优选与第 一层的铂族金属成分 紧密接触的储氧成分。储氧成分("OSC，，)在稀发动机运转期间有效地吸 收多余的氧并在发动机富燃运转期间释放氧，从而改善由于发动机在富燃 运转模式与稀(即，氧过量)运转模式之间的运转变化而引起的排气流的
氧/碳氢化合物的理论配比的变化。已知成块的二氧化铈可用作OSC，但也 可使用其它稀土氧化物。此外，如上所述，可使用共同形成的稀土氧化物-氧化锆作为OSC。共同形成的稀土氧化物-氧化锆可通过任何适当的技术 如共沉淀、共凝胶等制造。在Luccini， E., Mariani， S.和Sbaizero， O.的文 献(1989): "Preparation of Zirconia Cerium Carbonate in Water With Urea", Int. J. of Materials and Product Technology, vol.4, no.2， 167-175页
中描述了 一种制造共同形成的二氧化铈-氧化锆材料的适当技术，其内容在
此引入作为参考。如文章从第169页开始所述的，用硝酸铵作为緩沖剂控 制pH值，配制氯化氧锆和硝酸铈成比例的蒸馏水稀释液(0.1M)最终得 到ZrO2-10 mol % Ce02。在持续搅拌的情况下使溶液沸腾2小时并且在任 何步骤的pH值都不超过6.5的情况下得到完全沉淀。
可使用任何适当的技术来制备共同形成稀土氧化物-氧化锆，只要得到 的产品保证稀土氧化物基本分散在最终产品的整个氧化锆基体内，而不是 仅位于氧化锆颗粒表面或表层内而导致氧化锆基体的大部分芯部内没有稀 土氧化物分布。因此，共同沉淀的锆和铈(或其它稀土金属)盐可包括氯 化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐等。在冲洗后，共同沉淀物被喷雾干燥或 冷冻干燥从而去除水，接着在约500。C下在空气中煅烧以形成共同形成的 稀土氧化物-氧化锆栽体。前述申请08/761544的催化材料也可包括第一锆 成分，至少一种第一碱土金属成分，以及从包括镧金属成分和钕金属成分 的组中选择的至少 一种第 一稀土金属成分。催化材料还可包含至少 一种碱 土金属成分和至少一种稀土成分以及可选地至少一种额外的铂族金属成 分，优选从包括铂、铑、钌和铱成分的组中选择，优选额外的第一层柏族 金属成分从包括铂和铑及其混合物的组中选择。
另一种优选的催化剂材料包含铂族金属成分，包括分散在包括氧化铝、 共同形成的二氧化铈-氧化锆、氧化钡和氧化锆的耐火氧化物载体成分上的 柏和铑。这种催化材料的制备在示例1中(下面)描述。在本领域中已知 多种用于在多孔基底上沉积催化材料的沉积方法。这些将催化成分涂覆于 基底上的方法构成了在制造过程中与在基底上涂覆任何锚固层(如果涂覆) 的步骤分离的步骤。
将催化材料沉积在多孔基底上的方法例如包括，将催化材料置于液体 溶剂中形成灰浆，将多孔基底浸没到灰浆中而用灰浆将其浸润，将灰浆喷 涂在基底上等。或者，可将催化材料溶解于溶剂中，然后可使溶剂润湿多 孔基底的表面，随后将溶剂去除以使催化材料或其前体留在多孔基底上。 去除步骤可能涉及加热被润湿的基底和/或将被润湿的基底抽真空从而通
过蒸发去除溶剂。
另 一种将催化材料沉积在多孔基底上的方法是提供粉末状的催化材 料，并通过静电沉积使该催化材料附着于基底。该方法适于制造用在液相 化学反应中的催化器部件。
下面的示例进一步解释了本发明，但当然不能解释为以任何方式限制 本发明的范围。
示例1:制备含比例为5:1的铂和铑的催化剂合成物 可用于本发明的特定催化产品的优选催化剂合成物包含约5: 1的铂和 铑成分(重量比)。该合成物制备如下。
首先，在表面积高(150 m2/g)的y氧化铝载体上散布铂和铑的化合 物。用含有74g胺溶氢氧化铂的水溶液浸透氧化铝的含水灰浆(97%的固 体，3079g)。随后，用含有14.7g硝酸铑的水溶液浸透灰浆。使灰浆与辛 醇(固体总重的0.3% ) 、 90%乙酸和水的混合物结合。得到的灰浆(固体 重量47% )被混合并且进行球磨，使得卯％的颗粒具有12微米或更小的 颗津立尺寸。
将包含二氧化铈-氧化锆-复合材料(包含约50:50重量比的二氧化铈和 氧化锆，2329g)、醋酸锆(238g)、乙酸钡(299g)和醋酸的含水灰浆加 入上述经研磨的灰浆中。得到的灰浆(固体重量47%)被混合并且研磨， 使得90%的颗粒具有7微米或更小的颗粒尺寸。将假勃姆石的含水混合物 (60g)加入到所得到的经研磨的灰浆内，从而得到包含45%重量比的固 体的涂覆灰浆。
权利要求
1. 一种用于减少通用发动机的噪声和排放物的装置，包括:消声器壳体、形成在所述消声器中的内腔、包含在所述内腔中的网状金属泡沫基体以及一种或多种与所述网状金属泡沫基体结合的贵金属催化剂。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述内腔由包含在所 述消声器内的并置的隔音板形成。
3. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述网状金属泡沫基 体选自包括以下材料的组不锈钢、钛、铁铬合金、锆酸铝、钛酸铝、磷 酸铝、堇青石、富铝红柱石和刚玉。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述网状金属泡沫基 体为铁铬合金泡沫。
5. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述网状金属泡沫基 体涂覆有金属热电孤喷涂层，其中所述催化剂涂覆在所述金属热电孤喷涂 层上。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述金属热电弧喷涂 层选自包括以下材料的组Ni、 Ni/Al、 Ni/Cr、 Ni/Cr/Al/Y、 Co/Cr、 Co/Cr/Al/Y、 Co扁Cr/Al/Y、 Fe/Al、Fe/Cr、 Fe/Cr/Al、 Fe/Cr/Al/Y、 Fe/Ni/Al、 Fe/Ni/Cr、 300和400系列不锈钢。
7. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述金属热电弧喷涂 层涂覆有耐火氧化物层，该耐火氧化物层选自包括例如以下耐火氧化物的 组氧化铝、"氧化铝、二氧化钛、氧化锆、氧化梏-氧化铝、氧化锆-二氧 化钛、二氧化钛-氧化铝、氧化镧-氧化铝、氧化钡-氧化锆-氧化铝、氧化铌 -氧化铝和二氧化石圭-沥滤的堇青石。
8. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述网状金属泡沫基 体上分区地涂覆有所述催化剂，从而提供了上游的无催化剂捕集区和分离 的下游催化剂区。
9. 一种用于降低噪声水平和减少通用发动机的排放物的方法，所述方法包括(a) 引导发动机排气流穿过消声器，所述消声器包括 (i)至少两个隔音板；(ii )涂覆有用于减少通用发动机排放物的一种或多种贵金属催化 剂的网状金属泡沫基体，其中所迷金属泡沫包含在所述隔音板内；以及 (iii)位于所述隔音板附近的一个或多个腔；(b) 引导所述发动机排气流穿过所述泡沫基体，随后穿过所述一个或 多个腔，从而减少发动机排放物和减少噪声；以及(c) 引导所述发动机排气流从所述一个或多个腔离开所述消声器。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述隔音板并置而在 其中形成内腔，其中所述涂覆有一种或多种贵金属催化剂的网状金属泡沫 基体包含在所述内腔中，其中所述发动机排气流被引导穿过所述内腔。
11. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述一个或多个腔 包括散布于所述并置的隔音板的相对两侧的上部腔和下部腔，其中所述发 动机排气流被引导依次穿过所述网状金属泡沫、所述上部腔和所迷下部腔。
全文摘要
本发明涉及一种用于减少噪声和排放物(如碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物)的改进的两用消声器(2)。更具体地，该消声器包括消声器壳体(4，6)，形成于所述消声器内部的内腔(20)，以及包含在内腔里的催化涂覆的载体材料(22)。本发明还涉及催化涂覆的金属泡沫催化剂载体，其可选地预先涂覆有金属热电弧喷涂层。
文档编号F01N1/08GK101384798SQ200680053258
公开日2009年3月11日 申请日期2006年12月14日 优先权日2005年12月22日
发明者M·P·加利根 申请人:巴斯福催化剂公司