用于处理排气的催化单元以及这种单元的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为200980144817. 3、申请日为2009年11月11日、名称为"用于 处理排气的催化单元以及这种单元的制造方法"的专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用 本申请要求2008年11月11日提交的第61/113, 593号的美国临时申请的权益，通过 参考将其全部合并于此。
[0003] 联邦政府资助的研宄或开发 不适用。
[0004] 微缩胶片/版权参考 不适用。
技术领域
[0005] 本发明涉及用于处理来自燃烧过程的排气的催化单元，例如，用于机动车的压缩 发动机的催化转化器、柴油氧化催化剂（D0C)以及选择性催化还原催化剂（SCR)，更具体 地，涉及这样的催化单元，其中，在催化载体结构的外圆周表面周围放置支撑或安装垫，用 于在壳体或壳内支撑该结构。
【背景技术】
[0006] 已知在机动车产业包括利用一个或多个催化单元的排气处理系统，诸如催化转化 器、柴油氧化催化单元或选择性催化还原催化单元，以改善排气中的排放物。在这种催化单 元中，通常将催化剂作为涂层而承载在支撑基底结构上，诸如具有单片结构的陶瓷基底。通 常，这种催化剂载体的横截面是椭圆或圆形，并且通常包裹着位于催化剂载体和该单元的 外壳或壳之间的一层支撑或安装垫，帮助保护催化剂载体免受可能从外壳或壳传递到该载 体的冲击和振动力。通常，支撑或安装垫由耐热减震型材料制成，诸如玻璃纤维或岩棉垫。 这些垫通常用结合剂进行处理，该结合剂可以在将垫子切割为预定尺寸时并且在用垫子进 行包裹和催化单元的组装期间，改善工人对垫子的处理能力。在这些结构适合于它们的预 期目的，但还是有改进的余地。
[0007] 通常，这些结构包括围绕催化剂载体包裹的单层垫子。这些结构中的垫子由多卷 垫子材料形成，多卷垫子材料首先被切成片，然后在模切为包裹所需的宽度和长度之前用 结合剂处理。虽然这种工艺满足期望目的，但是其产生大量垫子材料的废料(平均高达产出 的30%)，由于在制造和组装期间为模切垫子所需的处理而需要使用结合剂，并且对于每个 特定催化单元设计需要的每个不同尺寸和形状的模切需要保持不同零件编号的库存。图1 是此工艺的示图。
[0008] 通常在这些结构中，在催化单元的外壳或壳与催化剂载体之间压缩支撑垫，以在 催化剂载体上产生保持力。然而，因为支撑垫在组装到这些单元之前其密度就被设定，所以 由于所述支撑垫的密度的可变性，很难精确地维持该保持力。对支撑垫提供期望的组装密 度的一种已知方法是在将催化剂载体和支撑垫放置到壳内之后减小单元的外壳或壳的尺 寸，其中，基于支撑垫的期望组装密度确定壳的最终外径。
【发明内容】
[0009] 在一个特征中，提供一种处理来自燃烧过程的排气的催化单元。催化单元包括催 化剂载体和包裹在催化剂载体周围的至少一层支撑垫，支撑垫没有任何结合剂。
[0010] 在另一特征中，基于需要实现期望垫密度的外壳的内径与催化剂载体之间的垫的 实际环形体积计算具有包裹在外壳中包含的支撑垫中的催化剂载体的催化单元结构的目 标外壳直径。
[0011] 作为另一特征，通过首先测量作为单独组件的催化剂载体和外壳或壳的重量，然 后测量催化剂载体、支撑垫和外壳的整体组装重量，并且从组装重量减去外壳和催化剂载 体的重量，间接地确定给定催化单元的支撑垫的质量/重量。
[0012] 在另一特征中，通过消除了与传统模切工艺相关的浪费，并且通过减少与传统模 切工艺所需的多个零件编号相关的库存，改善了支撑垫的产出效率。在这方面，在"按需"或 所谓"刚好及时"的基础上，提供一大卷支撑垫，并且沿其宽度将该支撑垫割开以产生多个 最终单元特定垫卷，其中，每个最终单元特定垫卷具有催化单元的具体配置或设计特有的 宽度。通过认真选择在大卷上提供的支撑垫的长度，或者通过认真选择从大卷上割下来的 每个最终单元特定支撑垫卷上设置的长度，或者通过在生产与每个最终单元特定支撑垫卷 相关的催化单元时认真选择从该最终单元特定卷切下来的支撑垫的长度，或者通过上述所 有中的一种或多种的组合，可以进一步缩减浪费。
[0013] 在另一方面，支撑垫的前边缘和后边缘被切割成一定角度，以减少在传统结构中 经常发生的材料密度的变化，在传统结构中，当支撑垫包裹在催化剂载体周围时，支撑垫的 相邻层部分重叠在该垫的前边缘和后边缘的之上或之下。
[0014] 在另一方面，通过优化在催化剂载体周围包裹支撑垫时的层数，减小在支撑垫的 相邻层部分重叠在该垫的前边缘和后边缘之上或之下的区域中的垫密度的变化。
[0015] 根据整个说明书的描述，包括所附权利要求以及附图，其他目的、特定和优点将变 得更加明显。
[0016] 根据整个说明书的描述，包括所附权利要求以及附图，本发明的其他目的、特定和 优点将变得更加明显。
【附图说明】
[0017]图1是提供催化剂载体中使用的支撑垫的现有技术工艺的图解； 图2是包括根据本发明的催化单元的燃烧过程和系统的图解； 图3是沿图2的线3-3放大的部分截面图； 图4是根据本发明的提供在组装催化单元中使用的支撑垫的工艺的图解； 图5是根据本发明的用于确定支撑垫的质量以及用于组装包括该支撑垫的催化单元 的工艺的图解； 图6a_6b示出催化单元的壳的示例，其中，图6a是透视图，图6b是端视图； 图7a_7b示出催化单元的催化载体的示例，其中，图7a是透视图，图7b是端视图；以及 图8a_8b示出催化单元的单层支撑垫的示例，其中，图8a是处于平坦状态的垫子得平 面图，图8b是处于包裹状态的垫子的透视图。
【具体实施方式】
[0018] 参照图2,示出用于处理来自燃烧过程(诸如来自燃烧压缩发动机14)的排气12的 催化单元10。催化单元10是排气处理系统16的一部分，排气处理系统16可以包括其他排 气处理组件18,位于催化单元10的上游和/或下游。组件18可以是任何适当的类型或结 构，并且可以包括消声器、柴油微粒过滤器、喷射器和阀门，诸如排气再循环阀门，仅列举一 止匕 -、〇
[0019] 如图3所示，催化单元10包括催化剂载体或基底20以及载体20周围包裹的且夹 在载体20与外壳或壳30之间的一层或多层支撑垫24。
[0020] 虽然催化剂载体20可以任何适当的类型和结构，许多这种适当的类型和结构都 是已知的，但在图2和图3所示的优选实施例中，载体20是承载适合于单元10的期望功能 的催化剂涂层的多孔陶瓷单片结构，例如，适当的氧化催化剂或适当的选择性催化还原催 化剂。优选地，载体20具有与纵轴线34平行延伸的外表面32,最佳见图1，其通常与排气 12通过单元10的流动方向一致。尽管可以使用任何适当横截面时，包括例如，卵形、椭圆 形、三角形、长方形、六边形，但是图2和图3所示的优选实施例具有圆形横截面，以轴线34 为中心以限定载体20的圆柱形形状、外表面32和壳30的外表面36。
[0021] 支撑垫24的每层22可以由任何适当的材料形成，许多这种适当的材料都是已知 的，例如，包括玻璃纤维垫或岩棉垫。在一个优选形式中，垫24无任何结合剂。在这方面， 优选地是，在自动处理中包裹或填装垫24。
[0022] 图4示出提供用于一个或多个特定催化单元设计10的支撑垫的发明方法。如图4 所示，支撑垫37的连续坯料形成于针刺站38,且盘绕到心轴上以形成支撑垫的大卷40,然 后大卷40被包装和运送以储存在仓库中。然后，由最终用户在"按需"或所谓"刚好及时" (JIT)的基础上将大卷40从存储状态拉出以进行割开操作41，其中，每个大卷40沿其宽度 W被割开，以形成多个最终单元特定支撑垫卷42,每个最终单元特定支撑垫卷42具有具体 催化单元10的配置/设计特有的宽度W KW。优选地，因为本发明的工艺不需要使用结合 剂，所以在卷40和42中不使用结合剂。无结合剂材料提供了单元10的成本上、二次排放物 上和低温行为上的优势。一旦将大卷40割开以用于个别程序，就可以提供最终单元卷42， 以用于切割成设定长度且在填装处理44中将支撑垫24组装到基底上。
[0023] 在一个优选形式中，基于每个最终单元支撑垫卷42的期望宽度WKW选择每个大卷 40的原始宽度W，其中每个最终单元支撑垫卷42是有待根据考虑了由于割开处理41所引 起的任何宽度损失的所述期望宽度W KW的增量而从所述大卷40上割开的。在另一优选形 式中，基于大卷40的宽度W选择从大卷40割下来的期望宽度W K(X)，以最小化由割开处理41 导致的来自大卷40的废料。另外，在一种形式中优选的是，基于最终单元支撑垫卷42中支 撑垫的总长度的整数划分选择从最终单元支撑垫卷42切割的每个支撑垫24的长度，以最 小化或消除来自卷42的任何废料。替换地，可以基于将利用大卷40的单元10中的一个或 多个单元的各个支撑垫24的期望切割长度的倍数选择原始大卷40的总长度，再次最小化 浪费。在一个优选形式中，从单元特定卷42切割固定长度的支撑垫24,以形成用于正在组 装的各个单元10中每一个的支撑垫24。作为另一可选示例，可以基于用于每个单元特定卷 42的特定单元10的垫24的期望切割长度的倍数选择该单元特定卷42上的垫的总长度，再 次最小化浪费。在另一形式中，为了考虑基底20尺寸的变化，而非使用固定的切割长度，基 于每个支撑垫24将要包裹的特定基底20的测量直径DsubstMte计算每个支撑垫24的长度， 从而对于任何具体最终单元10来说，将垫24和基底20定制为彼此配合。
[0024] 为了示出上述概念的一部分，下面示出样本分析，以试图最小化与从宽度为1280 mm的大卷40分割多种支撑垫24相关的废料，其中大卷40上支撑垫的长度是74. 2 m或80 m。第一个表示出优化每个支撑垫24的长度以最小化来自大卷40上垫的长度的端部的废 料的分析，第二个表示出用于优化可以从大卷40切割的最终单元特定卷42的宽度的分析。
[0025] 基于垫卷长度的垫分割产出的分析
优选地，基于期望的安装垫密度（IMD)计算壳体或壳30的标定的或大小确定的外径Dcase，其中，基于催化剂载体20的外表面32与大小确定后的/标定之后的壳30的内表面47 之间的间隙46中的期望用于支撑垫24的实际环形体积计算