專利名稱：汽車廢氣系統(tǒng)的熱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車廢氣系統(tǒng)，尤其涉及對在催化轉(zhuǎn)化器中產(chǎn)生的熱的處置和利用的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大多數(shù)汽車的廢氣系統(tǒng)，尤其是由燃汽油的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的汽車的廢氣系統(tǒng)，都裝備著催化轉(zhuǎn)化器，以減少廢氣中的有害排放物。最有效的現(xiàn)有技術(shù)催化轉(zhuǎn)化器地由被一種或多種貴金屬催化劑(例如鉑、鈀或銠)涂覆著的陶瓷基體組成的。用于減少高溫碳?xì)浠衔锏膬?yōu)選貴金屬是鈀，而銠對于改善氧化亞氮和一氧化碳排放物是有效的。所謂的3級催化轉(zhuǎn)化器典型地包括了這些貴金屬的組合，這些貴金屬可催化兩個氧化反應(yīng)，即將一氧化碳氧化為二氧化碳，以及將碳?xì)浠衔镅趸癁槎趸己退?。與此同時，氧化氮被還原成氮和氧。這些反應(yīng)在某些高溫下是非常有效的。但是，直至催化劑被加熱到其起燃(溫度light-off temperature)(起燃溫度被定義為要求50％的碳?xì)浠衔锉谎趸臏囟?以前，催化轉(zhuǎn)化器的效率都是很低的。例如，J.C.Summers等人在其題為“應(yīng)用起燃催化劑以符合加利福尼亞LEV/ULEV標(biāo)準(zhǔn)”的論文中(該論文刊于催化劑和排放技術(shù)，汽車工程學(xué)會專集第968集，Warredale，PA，1993年出版，即，“Catalysts andEmission Technology，Society of Automotive Engineers Special Publication No.968，Warredale，PA，1993″)，指出在起初冷起動(Bag1)階段，大約產(chǎn)生60-85％尾噴管碳?xì)浠衔锱欧盼铩?br> 為了較快地達(dá)到起燃溫度，希望在催化轉(zhuǎn)化器中盡可能多地保存廢氣熱，至少保持到達(dá)到起燃溫度，通常達(dá)到約600°-800°F范圍。在催化轉(zhuǎn)化器周圍設(shè)置一個熱絕緣套會有助于保熱。但是，在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，一旦達(dá)到起燃溫度，催化轉(zhuǎn)化器的溫度會由于與廢氣的催化反應(yīng)放熱而迅速上升。假如在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)期間或從在催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)過的富燃?xì)庵挟a(chǎn)生的熱不能有效地散逸，溫度就可能升至催化劑的失效點(diǎn)，或甚至?xí)?dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器或其鄰近的零件或物體的永久性損壞。所以，所希望的最大運(yùn)轉(zhuǎn)范圍通常為1,500°F。頒發(fā)給D.Bainbridge的專利號為5,163,289的美國專利論述了這一問題，它披露了一種圍繞著催化轉(zhuǎn)化器的絕緣套，其中的絕緣物質(zhì)是一種高溫下導(dǎo)熱優(yōu)于低溫下導(dǎo)熱的耐火纖維。而這種方法只是在有幫助的方向上的一個開端，為了進(jìn)一步減少廢氣排放物和進(jìn)一步利用在催化轉(zhuǎn)化器中產(chǎn)生的熱，仍有必要對催化轉(zhuǎn)化器的熱進(jìn)行更好的控制和更有效的處理。
本發(fā)明的公開因此，本發(fā)明的總的目的，在于要提供一種更好的催化轉(zhuǎn)化器熱處置系統(tǒng)，用以減少在汽車的廢氣催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)中達(dá)到起燃溫度所要求的時間，在某些條件下甚至可排除這一時間要求，而在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)期間則防止產(chǎn)生過熱。
本發(fā)明的另一個目的，在于在汽車廢氣系統(tǒng)中的催化轉(zhuǎn)化器的周圍提供充分的熱屏蔽，以便在持續(xù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)期間保護(hù)相鄰的或近處的對溫度敏感的材料和零件。
本發(fā)明還有一個目的，是在發(fā)生過熱和溫度可能危及在汽車廢氣系統(tǒng)中的催化轉(zhuǎn)化器維持其有效壽命的情況下，恢復(fù)從催化轉(zhuǎn)化器安全地排放或散逸熱量。
本發(fā)明再一個目的，在于為催化轉(zhuǎn)化器中產(chǎn)生的熱提供有效和有用的利用結(jié)構(gòu)和方法。
本發(fā)明更明確的目的，在于提供一種用于催化轉(zhuǎn)化器的可控制的絕緣和能量轉(zhuǎn)化器套，這樣的可控套可被用于使保存熱和保持催化溫度高于起燃溫度的時間區(qū)間延長，而在起燃溫度不能保持的情況下，縮短達(dá)到起燃溫度的時間，并可被用于保護(hù)催化轉(zhuǎn)化器材料和周圍的零件或環(huán)境免于過熱和溫度上升，以及使催化轉(zhuǎn)化器和廢氣系統(tǒng)的其它零件的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度穩(wěn)定，并使在催化轉(zhuǎn)化器中產(chǎn)生的熱得到更有益的使用。
本發(fā)明附加的目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征，將在下文中予以部分闡述，對于本技術(shù)領(lǐng)域那些熟練技術(shù)者，通過研究下文或可從本發(fā)明的實(shí)施中了解，有一部分將成為顯而易見的。藉助于媒介和綜合在所附權(quán)利要求中特別指出的，這些目的和優(yōu)點(diǎn)可被理解和實(shí)現(xiàn)。
為達(dá)到上述的和其他的目標(biāo)，并按照本發(fā)明的各項(xiàng)目的，在此予以具體地和概括地描述所提供的廢氣處置系統(tǒng)包括圍繞著催化轉(zhuǎn)化器的可調(diào)節(jié)的和可控制的絕緣，當(dāng)在催化轉(zhuǎn)化器中沒有廢氣正在反應(yīng)時，或當(dāng)催化轉(zhuǎn)化器的溫度低于最佳溫度或起燃溫度時，該可調(diào)節(jié)的絕緣可被開啟，以把熱保存在催化轉(zhuǎn)化器中；但當(dāng)催化轉(zhuǎn)化器的溫度升高到高于最佳溫度或起燃溫度時，可調(diào)節(jié)的絕緣可被關(guān)閉。絕緣最好也能被保持在一種水平，或被保持在從開啟到關(guān)閉之間的種種水平，以調(diào)整在催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)中的溫度?？烧{(diào)節(jié)的和可控制的絕緣可以是具有氣體或固體傳導(dǎo)控制能力的真空絕緣，用以有選擇地中止或恢復(fù)絕緣。一個熱交換器可被提供來把熱量傳導(dǎo)給催化轉(zhuǎn)化器或從催化轉(zhuǎn)化器傳導(dǎo)出熱量，可用致密的真空絕緣給熱交換器作外套，以便每次在可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣被開啟時有助于保持熱量。附圖簡介下列附圖，被編入并作為說明書的一部分，圖解說明了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并與文字描述一起用于解釋本發(fā)明的要點(diǎn)。


圖1是按照本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器熱處置系統(tǒng)的示意簡圖；圖2是按照本發(fā)明可提供熱處置的催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖3是傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器廢氣系統(tǒng)的排出物、運(yùn)轉(zhuǎn)時間和溫度之間關(guān)系的曲線圖；圖4顯示了按本發(fā)明具有熱處置構(gòu)造的催化轉(zhuǎn)化器廢氣系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時間、溫度和排出物之間關(guān)系的曲線圖，用作與傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的排放物對比；
圖5是本發(fā)明催化轉(zhuǎn)化器熱處置系統(tǒng)另一個實(shí)施例的橫截面圖；圖6是用于調(diào)節(jié)圖2或圖5所示催化轉(zhuǎn)化器實(shí)施例熱傳導(dǎo)的熱短路銷棒的放大的橫斷面圖；圖7是另一個實(shí)施例的橫截面圖，在該實(shí)施例中，一種相變材料被放置在包圍著催化劑基體的內(nèi)罩殼中。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式圖1顯示了按本發(fā)明帶有一個熱處置系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器10，它被安裝在排氣管P上，排氣管P連接著一輛汽車(圖中未顯示)的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)E的排出管M。排氣管P把廢氣從內(nèi)燃機(jī)E導(dǎo)流至催化轉(zhuǎn)化器10。在催化轉(zhuǎn)化器10中可以容納傳統(tǒng)的3級催化劑，用于與在廢氣中的未燃燒的燃料起反應(yīng)，從而減少廢氣中的碳?xì)浠衔?、一氧化碳和氧化亞氮排放物。反?yīng)過的廢氣然后通過通常在汽車尾部(圖中未示出)的尾噴管T排出。
現(xiàn)參見圖2，本發(fā)明催化轉(zhuǎn)化器10由一個催化劑內(nèi)罩殼12構(gòu)成，最好用金屬或其它不透氣的材料制造，以容納一個或多個催化劑基體14、16和18，這些基體可以是包覆著3級催化劑材料(例如鉑、鈀和/或銠)的陶瓷材料。廢氣從內(nèi)燃機(jī)E(圖1)流經(jīng)催化轉(zhuǎn)化器10，如圖2中箭頭20所示，包括流經(jīng)在陶瓷基體14、16和18中形成的大量細(xì)小的、包覆著催化劑的毛細(xì)孔或通道22。形成這些毛細(xì)孔和通道是為了增加催化劑的暴露面積。
催化劑內(nèi)罩殼12被封閉在外罩24中，外罩被放置在從催化劑內(nèi)罩殼12徑向地向外隔開一個距離處。外罩24，像內(nèi)罩殼12一樣，最好也是用金屬或其它不透氣的材料，甚至在熱的、高度真空環(huán)境下也不透氣的材料制成。被封閉在內(nèi)罩殼12和外罩24之間的環(huán)狀腔30是被抽成真空的。腔30的熱絕緣特性最好以可控方式使之可變化，下文將對此予以詳述。在此只要說明腔30的熱導(dǎo)絕緣作用使之能抑制催化劑基體14、16和18的熱量傳導(dǎo)到內(nèi)罩殼12的外面以至到外罩24，從而防止熱量散失在周圍環(huán)境中，或者腔30的熱導(dǎo)絕緣作用能被中止而允許這樣的熱傳導(dǎo)，從而使廢氣催化反應(yīng)熱“放泄”到周圍環(huán)境中。最好也能在完全恢復(fù)或完全中止其熱絕緣性能之間調(diào)節(jié)其恢復(fù)和中止的程度，這取決于任何時候所需要的熱傳導(dǎo)性或絕緣能力。所以，絕緣腔30能恢復(fù)其絕緣性而使在催化劑基體14、16和18中的熱量得以保存，例如在發(fā)動機(jī)起動時，這使催化劑達(dá)到起燃溫度或最佳運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的時間縮短。然后當(dāng)催化劑達(dá)到最佳運(yùn)轉(zhuǎn)溫度時，其絕緣性可被中止，以防止產(chǎn)生過熱和高的溫度，該溫度會損壞基體14、16和18或使包覆在基體14、16和18上的催化劑材料的使用壽命縮短。但是，或更重要的是，當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)閉時，絕緣腔30能被中止以盡可能長時間地把熱量保持在基體14、16和18中，從而使基體14、16和18的溫度保持高于起燃溫度直至發(fā)動機(jī)下次起動?；蛘咧辽偈够w14、16和18的溫度保持高于周圍溫度，以便發(fā)動機(jī)下次起動時催化劑升至起燃溫度的時間縮至最短。
這種用于控制熱傳導(dǎo)能力的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣、方法及裝置，在我們的美國專利申請(專利號07/960,885)中有詳細(xì)的圖示和敘述，現(xiàn)將其列于此處以供參閱。實(shí)質(zhì)上，真空腔30與內(nèi)罩殼12的內(nèi)部是隔離的，廢氣在內(nèi)罩殼12內(nèi)部流經(jīng)催化劑基體14、16和18；真空腔30與外罩24的外部環(huán)境也是隔離的。如何確切地完成這種隔離并非必須限于任何特殊技術(shù)。但對延續(xù)很長的隔離，最好通過金屬對金屬焊接來造成隔離。例如，如圖2所示，內(nèi)罩殼12可帶有焊在圓筒側(cè)壁36兩端的內(nèi)端板32和34。外罩24相似地帶有焊在外圓筒側(cè)壁42兩端的外端板38和40。藉助于復(fù)雜間隔物50使外圓筒側(cè)壁42與內(nèi)圓筒側(cè)壁36分離開。間隔物50最好用低導(dǎo)熱材料(例如陶瓷)制成，具有弧形或尖頭的表面形狀，以形成熱阻節(jié)點(diǎn)，使從內(nèi)罩殼12傳導(dǎo)到外罩24的熱所通過的接觸表面的面積減小至最小。例如，如圖2所示，間隔物50可帶有位于兩個弧形陶瓷襯瓦46和48之間的球形陶瓷小珠44，因此在內(nèi)罩殼12和外罩24之間形成了一系列四個“近點(diǎn)”，即十分小的、陶瓷對陶瓷的表面接觸面積，或熱阻節(jié)點(diǎn)。熱阻節(jié)點(diǎn)之中的兩個位于襯瓦46、48的弧形外表面與對應(yīng)的內(nèi)圓筒側(cè)壁36和外圓筒側(cè)壁42接觸處。另兩個熱阻節(jié)點(diǎn)位于球形小珠的徑向兩側(cè)與相應(yīng)的襯瓦46和48的內(nèi)表面的接觸處。當(dāng)然，弧形襯瓦46和48并非必要，但它們增加了熱流通過球形小珠44的熱阻。小珠44也可以是卷纏在內(nèi)罩殼12上的細(xì)長的多股線，但這種造形會導(dǎo)致較大的接觸表面面積。陶瓷間隔物50優(yōu)于玻璃、瓷或其它材料，因?yàn)樘沾赡苡镁哂休^高熔點(diǎn)的材料制成，它可能有必要在催化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫下保存其構(gòu)造的完整性。
在內(nèi)端板32、34和外端板38、40之間的廢氣通道，最好用不透氣的、但是薄的、焊接在對應(yīng)的金屬端板32、38和34、40上的金屬箔導(dǎo)管52和54密封住，以保持在內(nèi)罩殼12和外罩24之間的絕緣腔的真空緊密封。導(dǎo)管52、54最好也是象折式風(fēng)箱那樣是有折皺或有波紋的，以增加熱量從內(nèi)罩殼12通過導(dǎo)管52、54傳導(dǎo)到外罩24所必須通過的有效距離。被間隔物58間隔開的許多薄的、可折射熱的金屬箔輻射屏蔽56，可被放置在絕緣腔30中，以抑制內(nèi)罩殼12和外罩24之間的熱輻射。間隔物56最好用陶瓷制成，但不要用會顯著釋放氣體的材料制造。
絕緣腔30被抽至高真空，最好達(dá)10-5-10-6托范圍，以獲得高效的真空熱絕緣效果。但可以包括一個真空絕緣中止系統(tǒng)，例如圖2所示的氣體控制系統(tǒng)60，以用于有選擇地恢復(fù)或中止真空腔30的絕緣作用。氣體控制系統(tǒng)60，正如專利申請?zhí)枮?7/960,885的我們的美國專利申請所描述的，可以帶有一個氫氣源，例如金屬氫化物62，和一個例如為鉑64那樣的氫氣窗口或閥門，該氫氣源被封閉在相對應(yīng)的金屬容器66、68中，并通過一個導(dǎo)管70與真空腔30相連接。當(dāng)金屬氫化物62被加熱時，例如通過一個電加熱元件72對其進(jìn)行加熱時，它便釋放出氫氣，氫氣流入腔30并從腔30的這頭到那頭傳導(dǎo)熱，由此有效地使腔30中止或關(guān)閉其絕緣效應(yīng)。然后，當(dāng)金屬氫化物62被冷卻時，它又重新回收氫氣并在容器66中造成一個把氫氣從腔30中拉回的低壓差，由此使腔30再恢復(fù)或開啟其絕緣效應(yīng)。鈀閥門64被加熱時，例如被元件74加熱時，氫氣得以通過鈀門64，但當(dāng)它不被加熱時氫氣就不能透過。因此，通過既加熱金屬氫化物62，又加熱鈀門64，氫氣一旦被導(dǎo)入腔30就能被保存在腔30中，甚至當(dāng)關(guān)斷加熱元件72的電源，也關(guān)斷加熱元件74的電源使鈀門64冷卻時，氫氣仍被保持在腔30中。事實(shí)上，在冷卻金屬氫化物62之前，通常使鈀門64先冷卻，以便藉助氣體控制系統(tǒng)60可靠而充分地使所有氫氣被收集在腔30中，從而達(dá)到最大程度的絕緣中止。然后，當(dāng)要再次恢復(fù)絕緣時，只需要瞬時加熱鈀門64以使氫氣被從腔30中拉出并通過鈀門64而回到金屬氫化物62中。當(dāng)然，金屬氫化物62和鈀門64各自的加熱和冷卻可被控制和定時，以使穿過腔30的氣體的導(dǎo)熱作用只部分恢復(fù)或部分中止到任何所希望的程度，由此可改變或控制熱傳導(dǎo)率使之處于充分導(dǎo)熱和完全不導(dǎo)熱之間的任何程度。
以上述及的驅(qū)動氣體控制系統(tǒng)60的電源，可以使用電池，如標(biāo)號88所示。利用催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的熱的熱電或熱伏打能源器件，也可作為一種適合應(yīng)用的電源。事實(shí)上，從催化轉(zhuǎn)化器輸送出的熱量足以在這樣的熱電或熱伏打器件中開始產(chǎn)生出臨閾級的電，能使絕緣腔30的熱導(dǎo)開始并持續(xù)下來。
藉助于任何適合的電控制系統(tǒng)，例如各個繼電器開關(guān)82、84，可以開啟或關(guān)斷加熱元件72、74。繼電器開關(guān)82、84可由合適的電控制組件86，例如微信號處理器或其他邏輯回路來控制。只要本發(fā)明的要點(diǎn)被理解，設(shè)計(jì)和制造上述電控制回路就是在有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的人的能力范圍之內(nèi)的。例如，控制組件86可包括一個與汽車的點(diǎn)火開關(guān)76或指示發(fā)動機(jī)E(圖1)起動時間的其它電回路連接的定時器，然后在設(shè)定的允許催化劑基體14、16、18達(dá)到最佳催化劑操作溫度的一段運(yùn)行時間后，使繼電器開關(guān)82、84動作，以關(guān)閉絕緣腔30。然后，控制組件可被編程以再起動絕緣腔30，以便當(dāng)關(guān)掉發(fā)動機(jī)E時，使催化劑基體14、16、18中的熱量在發(fā)動機(jī)E不運(yùn)轉(zhuǎn)期間能盡可能長時間地保存，而不使它很快冷卻到周圍溫度。用這種方式控制時，催化劑基體14、16、18的溫度可被長時間地保持高于起燃溫度，直至發(fā)動機(jī)E再次起動。這就具有了促進(jìn)廢氣的催化反應(yīng)以便幾乎立即減少有害的廢氣排放物的益處，而不會耽誤從周圍溫度再次達(dá)到起燃溫度的要求。
圖3和圖4顯示出了這種益處。首先參考圖3，曲線90圖示了發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間與在傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器(圖中未示)中的催化劑溫度之間的關(guān)系，而曲線100圖示了傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的廢氣排放物與發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間以及與時間-溫度曲線90的關(guān)系。例如，當(dāng)傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器在發(fā)動機(jī)起動之前運(yùn)行時，催化溫度(如標(biāo)號91所示)基本上處于周圍溫度TO。當(dāng)然，周圍溫度TO在夏季可能超過100°F而在冬季可能低于0°F，但在任何場合，TO都遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)水平的催化劑的起燃溫度TL的典型值600°-800°F。發(fā)動機(jī)在初始時間tO起動時，廢氣溫度起初相對較冷，排放的廢氣是濕的并富含未燃燒的燃料。因此，如標(biāo)號102所示，在初始加溫階段92期間，冷的發(fā)動機(jī)和冷的催化轉(zhuǎn)化器排出的排放物EC很高。由于發(fā)動機(jī)廢氣中的熱的驅(qū)使，在初始升溫階段92(典型的約60-180秒)以后經(jīng)時間t1，最終達(dá)到了起燃溫度TL(約600°-800°F)，在催化轉(zhuǎn)化器中的廢氣發(fā)生催化反應(yīng)而放出的熱促使溫度以很大的加速速率上升，如標(biāo)號94所示，直至?xí)r間t2時達(dá)到了某個平衡運(yùn)轉(zhuǎn)溫度TR。如上所述，起燃溫度TL被定義為這樣一個溫度，即在此溫度時排放物EL中有50％的碳?xì)浠衔镆驯淮呋瘎┺D(zhuǎn)化。在從t1到t2(約30-60秒)這相同的時間間隔期間，催化反應(yīng)變得更加有效，如標(biāo)號104所示，排放物迅速減少到一個運(yùn)轉(zhuǎn)水平ER，該水平大體上被保持得與發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間一樣長。當(dāng)然，特殊運(yùn)轉(zhuǎn)溫度TR取決于許多因素，諸如廢氣中的燃油含量、發(fā)動機(jī)負(fù)荷和廢氣體積或流速、催化劑的效果、和催化轉(zhuǎn)化器熱散失的能力。雖然傾向使TR高到(約1200°F)足以能有效地催化減少排放物的反應(yīng)，但不能高到會損壞催化劑和其基體、或相鄰的零件或構(gòu)件的程度。當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)閉時，如在時間t3處，排放物曲線端部如標(biāo)號106所示那樣陡降，而催化轉(zhuǎn)化器，包括催化劑，都如標(biāo)號96所示那樣會很迅速地冷卻，在時間t4時再次冷至周圍溫度TO。時間t4取決于許多因素，如環(huán)境氣候或其他情況，周圍溫度TO的高低，以及車輛中催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造和所處位置。無論如何，通常可以指望典型的傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器會在約20到40分鐘內(nèi)冷卻到起燃溫度以下，并在約4-6小時內(nèi)冷卻到接近周圍溫度TO。曲線100下方的有陰影線面積代表在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間全部排放物量。
現(xiàn)在參見圖4，按本發(fā)明構(gòu)造的催化轉(zhuǎn)化器10(圖2)的時間-溫度曲線和對應(yīng)的時間-排放物曲線120，圖示出了本發(fā)明的改進(jìn)了溫度控制和改善了的減少排放物的結(jié)果。腔30和本發(fā)明的附設(shè)的熱貯存元件的熱絕緣性能效果，在裝有不到五(5)磅熱貯存或吸熱材料的情況下，足以使催化轉(zhuǎn)化器基體14、16、18(圖2)中的熱保持40小時或更久，保溫時間的長短取決于周圍溫度和其它的周圍氣候條件。所以，除非車輛已經(jīng)持續(xù)很長時間未被驅(qū)動，在起始時間tO以前催化劑溫度仍會高于周圍溫度TO，假如發(fā)動機(jī)E已在12小時以前運(yùn)轉(zhuǎn)過，這對用于工作和家庭之間聯(lián)系的汽車而言是很典型的使用，在此情況下如標(biāo)號111所示，催化劑溫度最可能在起燃溫度TL附近變動。假如新近驅(qū)動過汽車，例如在過去10到12小時內(nèi)驅(qū)動過，則絕緣腔30和所組合的熱貯存元件將使催化劑基體的溫度保持高于起燃溫度TL，如標(biāo)號111’所示。
當(dāng)發(fā)動機(jī)E(圖1)在時間t0被發(fā)動，在標(biāo)號111或111’處(圖4)已溫暖的催化劑已對催化某些與廢氣的放熱反應(yīng)有效。所以，假如催化劑還不在或不高于起燃溫度TL，則在很短時間區(qū)間t0到t1約60秒鐘內(nèi)即可達(dá)到催化劑的起燃溫度TL，如標(biāo)號112所示。溫升時間區(qū)段t0到t1被縮短，不僅由于有在起動時間t0時已溫?zé)岬拇呋瘎?，而且還由于在溫升期間絕緣腔30把放熱反應(yīng)和廢氣熱約束在催化劑基體14、16、18中。所以，如標(biāo)號122所示的高排放物EC的溫升階段，在t0到t1區(qū)段期間，也非常短，肯定比傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的高排放物EC的這個區(qū)段要短得多，如曲線100所示，曲線100從圖3被以虛線形式疊放在圖4上。當(dāng)發(fā)動機(jī)在其催化劑溫度高于起燃溫度TL時起動，如標(biāo)號122’所示，溫升的排放物甚至更少。當(dāng)然，一旦在t1時達(dá)到起燃溫度TL，則放熱反應(yīng)使催化劑的溫度如標(biāo)號114所示那樣迅速升高到最佳運(yùn)轉(zhuǎn)溫度TR。與此同時，排放物降低到如標(biāo)號124所示的低運(yùn)轉(zhuǎn)水平ER。在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)溫度TR，氣體控制系統(tǒng)60(圖2)能被驅(qū)動來使絕緣腔30關(guān)閉，以便使與廢氣發(fā)生的放熱催放反應(yīng)產(chǎn)生的過量熱消散到圍繞著外罩24的周圍環(huán)境中。當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)停時，如在時間t3時，如標(biāo)號126所示，排放物當(dāng)然會停止。但是，發(fā)動機(jī)E(圖1)在時間t3時剛一關(guān)停(圖4)，氣體控制系統(tǒng)60(圖2)就被驅(qū)動從而使絕緣腔30回到開啟狀態(tài)以阻止催化劑迅速冷卻到周圍溫度TO。在圖4中以標(biāo)號116顯示了隨著絕緣腔30的開啟，催化劑會冷卻得慢得多。而且，如上所述，催化劑可被保溫高于環(huán)境溫度TO長達(dá)40小時或更長時間。
按本發(fā)明裝備有熱處置的催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)10的汽車，在其運(yùn)轉(zhuǎn)期間的全部排放物，如圖4中曲線120下方陰影面積128所示。通過比較曲線120下方的陰影面積128(代表本發(fā)明催化轉(zhuǎn)化器10的排放物)與曲線100下方的陰影面積108(代表傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的排放物)，就能看出本發(fā)明帶有熱處置的催化轉(zhuǎn)化器10所實(shí)現(xiàn)的起動期間排放物量的相對減少優(yōu)于傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器。
重新參見圖2，設(shè)定控制組件86在發(fā)動機(jī)起動以后的某個預(yù)定時間關(guān)閉絕緣腔30，如上所述，該預(yù)定的時間最好對催化劑達(dá)到起燃溫度TL是充分的時間，其它輸入信號和控制也能被使用，這應(yīng)是在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力之內(nèi)的，只要他們對本發(fā)明的要點(diǎn)有所了解。例如，從與內(nèi)罩殼12接觸的溫度傳感器78所得到的輸入信息可被用于驅(qū)使氣體控制系統(tǒng)60動作，例如當(dāng)內(nèi)罩殼12的溫度達(dá)到某個所希望的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度時，就關(guān)閉絕緣腔30。當(dāng)然，這樣的溫度傳感器78應(yīng)必須是與環(huán)境和外罩24很好絕緣的，以便當(dāng)絕緣腔30被開啟時避免通過那些地方導(dǎo)熱。也應(yīng)有必要對外罩24上那些穿透外罩24而顯露出泄漏的地方予以堵塞，例如用類似專利申請?zhí)枮?7/960,885的我們的美國專利申請中所描述的那些陶瓷堵塞連接物來堵塞泄漏。
處于下游廢氣出口130中的另一種可供選擇的或補(bǔ)充的溫度傳感器79，被用于測量從催化轉(zhuǎn)化器10中涌出的廢氣尾氣溫度，它也可以表示出催化劑的溫度水平，即使并非是其相同的確切溫度。催化劑的溫度水平，對驅(qū)動氣體控制系統(tǒng)60是有用的。在出口130中的這樣一個可供選擇的溫度探測器79不必如同延伸穿過隔熱腔30的傳感器78所要求的那樣既要絕緣以避免熱傳導(dǎo)又要密封以保持真空。
其它輸入信號，例如位于鄰近外罩24的溫度傳感器80，能被用于開啟或關(guān)閉絕緣腔30。例如，如果靠近催化轉(zhuǎn)化器10的其它零件或結(jié)構(gòu)(圖中未示)只能經(jīng)受住這么高的溫度，而從外罩24輻射出熱量81的溫度升至高于予先設(shè)定的水平，則溫度傳感器80就會使控制組件86動作以開啟絕緣腔30。
另一方面，在其它應(yīng)用中，更快地從內(nèi)罩殼12和催化劑基體14、16、18“放泄”出熱，可能比可操縱關(guān)閉絕緣腔30更為重要。所以，在內(nèi)罩殼12和外罩24間設(shè)置金屬對金屬的接觸以起如同熱短路的作用。例如圖2所示，與我們的美國專利申請07/960,885所描述的相似的一個或幾個雙金屬凹座或調(diào)節(jié)器132，可被設(shè)置在內(nèi)罩殼側(cè)壁36處，并可被設(shè)計(jì)成當(dāng)內(nèi)壁36達(dá)到予設(shè)定的最大溫度時，調(diào)節(jié)器132可從通常的凹形改變成凸形，如虛線132’所示。熱分流支柱134，最好用導(dǎo)熱好的金屬制成，它們從外罩24的外壁42延伸到極接近對應(yīng)的雙金屬凹座132的逼近處，這樣，當(dāng)雙金屬凹座猛地凸起成凸形132’時，它們就與支柱134形成金屬對金屬接觸。這種金屬對金屬接觸一形成，支柱134就很迅速地把熱量從內(nèi)罩殼12傳導(dǎo)至外罩24，熱量可從該處消散到周圍環(huán)境中。
在某些情況或應(yīng)用中，也可能期望使熱量從催化劑基體(例如基體14、18從頭到尾)到內(nèi)罩殼側(cè)壁36并進(jìn)入絕緣腔30的熱傳導(dǎo)增強(qiáng)，例如在基體14、18都是由陶瓷材料制成的因而導(dǎo)熱差的情況下。用一個或幾個細(xì)長的銷棒136，其一端延伸到基體14、18中，其另一端穿透內(nèi)罩殼側(cè)壁36而延伸到絕緣腔30中，從而可強(qiáng)化熱傳導(dǎo)。如果這些銷棒并未長到足以接觸到外壁42，則就不存在通過這些銷棒的金屬對金屬熱傳導(dǎo)到達(dá)外罩24，當(dāng)如上所述，通過氣體控制系統(tǒng)60使絕緣腔30關(guān)閉時，銷棒將仍把熱量傳導(dǎo)給絕緣腔中的氫氣。
或者，銷棒136可被設(shè)計(jì)成和放置為在較低溫度下不與外罩24接觸，但在較高溫度下通過熱膨脹它們能伸長到足以與外罩24的外側(cè)壁42接觸，如圖6中標(biāo)號136’所示。一旦實(shí)現(xiàn)了接觸，如標(biāo)號136’所示，則銷棒136就成為把熱量從內(nèi)罩殼12直接傳導(dǎo)到外罩24的外側(cè)壁42的一種熱分路或短回路。為了以這種方式起作用，銷棒136在其中段被焊接點(diǎn)135焊到圓筒側(cè)壁36上。因此，當(dāng)其被加熱時，銷棒136在其兩端軸向膨脹，如圖6中虛線136’和136”所示。使銷棒136充分膨脹到能如標(biāo)號136’所示那樣與外側(cè)壁42接觸所要求的熱量在設(shè)計(jì)銷棒136時應(yīng)對這些參數(shù)加以考慮，即如銷棒136從焊接點(diǎn)135向外延伸到圓筒側(cè)壁36的長度、制成銷棒136的金屬或其它材料的類型及其熱膨脹系數(shù)、銷棒136端部與外側(cè)壁42之間間距等等。催化轉(zhuǎn)化器10可以被設(shè)計(jì)和制造成帶有許多這樣的銷棒136，這些銷棒136具有不同的長度或用具有不同熱膨脹系數(shù)的不同材料制成，這樣，它們就不會同時或在同一溫度下與外側(cè)壁42接觸，從而使熱短路的數(shù)量發(fā)生變化，因此也使橫穿過腔30的總的熱傳導(dǎo)發(fā)生變化。圖6中所示的銷棒137是一個補(bǔ)充方案，它只從圓筒側(cè)壁36徑向地向外延伸而不向內(nèi)延伸，所以它只從圓筒側(cè)壁36中導(dǎo)出熱量，這可以是用作建立熱短路的另一種變化的設(shè)計(jì)。
在排放廢氣的路徑中設(shè)置熱吸收裝置或擋簾材料138(如圖2所示)，以提供附加的熱輻射和熱對流控制，這也可能是更可取的，但并非必要的，這可抑制基體14、16、18徑向地直接輻射熱量到內(nèi)罩殼12的外面，同樣也可遏制在該范圍內(nèi)熱的廢氣的熱對流。當(dāng)熱吸收裝置或擋簾材料138是如圖2所示的固體迷宮結(jié)構(gòu)時，它可以是一種松散的材料，例如陶瓷毛纖維，它對紅外輻射是不透光的，因此它能在纖維之間強(qiáng)制進(jìn)行多重再輻射，從而阻擋由軸向輻射引起的熱逸失。陶瓷毛纖維或其它材料也起到減小對流單元的尺寸的作用，因而也阻擋了由對流引起的熱逸失。圖中所顯示的擋簾材料138只在內(nèi)罩殼12的下游端，當(dāng)然，類似的擋簾也可以被放置在緊接著第一基體14的上游空間中。
為了更擴(kuò)展本發(fā)明對廢氣熱和排放物的處置，圖5中圖示了帶有熱貯存器和熱交換器特征的另一實(shí)施例催化轉(zhuǎn)化器140。但是，在詳細(xì)敘述催化轉(zhuǎn)化器140之前，首先再參考圖1。在本實(shí)施例中，與廢氣的催化放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱與各種原因相適應(yīng)地被投入有益的利用、儲備或散逸。例如，催化轉(zhuǎn)化器140產(chǎn)生熱而且比冷的發(fā)動機(jī)E發(fā)動后產(chǎn)生的熱增加得快得多，冷發(fā)動機(jī)E不僅不能像溫暖的發(fā)動機(jī)那樣有效運(yùn)轉(zhuǎn)，而且也產(chǎn)生更多的有害廢氣排出物并更消蝕發(fā)動機(jī)零件。并且，大多數(shù)汽車的客室是用熱的發(fā)動機(jī)冷卻劑供暖的，所以不僅在發(fā)動機(jī)E本身熱起來之前，而且在發(fā)動機(jī)E的水套中的冷卻劑熱起來之前，都不會有熱量可供客室或擋風(fēng)玻璃除霜用。
所以，按照本發(fā)明，催化轉(zhuǎn)化器140所產(chǎn)生的熱，不是由于散逸到大氣中損耗掉，而是如虛線144所示意表明的，被導(dǎo)入歧管142中并被導(dǎo)至發(fā)動機(jī)E的水套中，以有助于使發(fā)動機(jī)E更快地暖起來，而這又能使溫?zé)岬睦鋮s劑通過如虛線146示意表明的傳統(tǒng)的加熱器軟管更快地到達(dá)客室的暖氣設(shè)備H。可備擇的或附加的實(shí)施方案是，催化轉(zhuǎn)化器140所產(chǎn)生的熱可被直接導(dǎo)至客室以加熱客座S(如虛線148示意表明)或加熱其它零件，如擋風(fēng)玻璃、駕駛盤和空間加熱器等。由于在運(yùn)轉(zhuǎn)著的催化轉(zhuǎn)化器140中的溫度和很快也在其周圍達(dá)到的溫度，對標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)冷卻劑/防凍劑溶液而言往往是過高的，所以最好在熱交換腔164(圖5)中使用熱交換和熱貯存液166，這種液體166具有高的沸點(diǎn)，并在這樣比較高的溫度下比發(fā)動機(jī)冷卻劑/抗凍劑溶液更穩(wěn)定。因此，可設(shè)置另外的熱交換界面裝置153(圖1)以把更適合的熱量和溫度水平傳導(dǎo)給汽車發(fā)動機(jī)E中使用的發(fā)動機(jī)冷卻劑/防凍劑溶液。
當(dāng)不需要附加熱時，例如在帶有催化器140的汽車正常持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，發(fā)動機(jī)E通過連接系統(tǒng)144，以及其它零件的溫度已上升到正常操作溫度，在此情況下，催化轉(zhuǎn)化器140所產(chǎn)生的熱可被導(dǎo)至熱貯存槽150和散熱器152，或者通過連接系統(tǒng)144導(dǎo)至發(fā)動機(jī)E，并從該處隨發(fā)動機(jī)E的熱一起通過傳統(tǒng)的汽車暖氣裝置R散逸入大氣。以上提及的實(shí)際的管道系統(tǒng)、閥、控制裝置以及類似的用于各種熱應(yīng)用的裝置，在此均未詳細(xì)敘述，因?yàn)橹灰炯夹g(shù)領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的人員對本發(fā)明的要點(diǎn)有所理解，這些就完全在其實(shí)施能力范圍之內(nèi)的。要說的只是，假如使用液體發(fā)動機(jī)冷卻劑或其它液體介質(zhì)來傳導(dǎo)熱，這種循環(huán)回路將包括一個輸送液體的導(dǎo)管、另一個返回液體的管道、一臺泵、許多閥門，以及由電、真空或空氣壓力驅(qū)動的可以是手動或自動的閥門控制器。同時，熱貯存槽150可被用于貯熱，為以后用于對要起動的發(fā)動機(jī)和冷的客室供暖，或者，被貯存的熱也可用于幫助使在催化轉(zhuǎn)化器中的被提升了的溫度保持更長的時間。一種熱貯存裝置可以是，例如，如同在題為“潛熱貯存器”一文(發(fā)表在1992年2月出版的汽車工程雜志第100卷，第2號，第58-61頁)所描述的那種。熱輸送管道，雖然在圖中未特別顯示，但也可以用于取代熱傳送液體以把熱量傳導(dǎo)至催化轉(zhuǎn)化器或從催化轉(zhuǎn)化器中把熱傳導(dǎo)出來。
現(xiàn)在參看圖5，按本發(fā)明的催化轉(zhuǎn)化器140具有與上述的催化轉(zhuǎn)化器10相同的基本零件，包括(但不限于)容納在一個內(nèi)罩殼12中的三個催化劑基體14、16、18，一個外罩24把絕緣腔30密封在其中，氣體控制系統(tǒng)60，金屬對金屬熱分流支柱134和關(guān)聯(lián)的雙金屬凹座132，以及軸向輻射擋簾材料138。
然而，催化轉(zhuǎn)化器140還有至少一個包圍著外罩24的主要熱交換器160，它被用于從外壁36吸收熱再把熱傳導(dǎo)至歧管142(圖1)或其它零件或上文述及的其它應(yīng)用。該主要的熱交換器160包括一個從外罩24的外端壁38和40徑向地向外延伸的外套162，它把包圍著外壁36的主要熱交換器腔164密封在其中。腔164被制造成并被密封以容納熱交換流體166，它可以是一種液體或一種氣體，最好是一種穩(wěn)定的流體。假如是一種液體，如上所述，最好在催化轉(zhuǎn)化器通常遭遇的高溫下不會達(dá)到其沸點(diǎn)。這樣一種熱交換器流體可以是，例如，聚醚或硅。
許多葉片168從外壁36徑向地向外突入熱交換器腔164以增加熱交換表面面積。因此，當(dāng)絕緣腔關(guān)閉時，從催化劑基體14、16、18和內(nèi)罩殼12傳導(dǎo)來的熱通過腔30傳導(dǎo)到外罩24，然后從葉片168上被流體166有效地吸收。流體166可流經(jīng)熱交換器腔164，例如從入口170流入腔164而從出口172流出，從而把熱從催化轉(zhuǎn)化器140帶走。合適的軟管或其它管道系統(tǒng)(圖中未示出)能把已熱的流體166傳輸?shù)狡渌考?，例如歧?42、熱貯存槽150、散熱器152、熱交換器153，如此等等，如圖1所示和如上所闡明的。當(dāng)然，反向傳導(dǎo)也是可能的，即流體166可能從熱貯存器150把熱帶回到催化轉(zhuǎn)化器140中，例如為了在起動發(fā)動機(jī)E之前予熱催化劑基體14、16、18時。
主要的熱交換器160的外套162，如圖5所示，最好用十分有效的絕緣材料制成，例如用我們的美國專利(專利號5,175,975)的主題-致密真空絕緣物(CVI)制成，該專利被引用在此以備參考。因此，當(dāng)絕緣腔30被開啟時，例如，當(dāng)發(fā)動機(jī)E被關(guān)閉時，不僅熱的內(nèi)罩殼12和熱的催化劑基體14、16、18被高效的絕緣腔30所隔絕，而且外罩24也被在熱交換器腔164中的熱的流體166所包圍。CVI外套162對保存包圍液體166中的熱十分有效，通過橫穿過絕緣腔30的熱梯度或熱差別保持在很低水平，外套162還抑止了催化劑基體14、16、18的熱傳導(dǎo)。
催化轉(zhuǎn)化器140的幾個任選零件包括具有從廢氣入口129和出口130中回收熱的第二熱交換器174,184。如圖5所示，在入口129上的第二熱交換器174包括一個外套176，它封閉著一個腔，該腔容納有從入口129徑向向外延伸的葉片178。熱交換流體，例如與用于主要熱交換腔160的流體166同樣的流體，能從流體入口180流經(jīng)該腔到達(dá)流體出口182，以把熱量從葉片178帶到其它零件以供使用、貯存或散逸，如同上文敘述過的。同樣地，在廢氣出口130上的第二熱交換器184也有一個外套186，它容納著熱交換流體介質(zhì)166。流體介質(zhì)166在入口190和出口192中循環(huán)，以把葉片188的熱量帶至其它零件，如上文敘述過的以供使用、貯存或散逸。在第二熱交換器174、184上的外套176、186并未被認(rèn)為是CVI的組成部分，因?yàn)檫@些第二熱交換器并未起到把熱量保存在催化劑基體14、16、18中的主要功能，雖然假如希望的話，它們也能用CVI制成并能輔助上述功能或用于使進(jìn)入周圍大氣的熱損失減至最小。
圖5所示的催化轉(zhuǎn)化器140的另一個任選零件是，一個固體的吸收芯194延伸著通過催化劑基體14、16、18的中心。該固體的吸收芯194用于兩個目的。首先，它使廢氣的催化反應(yīng)發(fā)生在催化劑基體14、16、18的外部，因此當(dāng)熱被傳導(dǎo)通過絕緣腔30時，這就使熱量必須流經(jīng)陶瓷基體14、16、18而到達(dá)內(nèi)罩殼12的距離減少到最低程度。其次，熱吸收芯194最好是例如鋁硅合金或鎂鋅合金類具有大的熱吸收能力的材料，因而在催化劑運(yùn)作期間它能接受并保存大量的熱。再者，當(dāng)發(fā)動機(jī)E關(guān)閉而絕緣腔30開啟時，熱吸收芯194所含的熱有助于使催化劑基體14、16、18的溫度保持更長的一段時間，從而增大了催化劑基體14、16、18仍然高于或接近起燃溫度，或至少高于發(fā)動機(jī)E下次再起動時的周圍溫度的可能性。
正如上述的在催化轉(zhuǎn)化器實(shí)施例10中，圖5中的控制器68可以從諸如點(diǎn)火開關(guān)76、溫度探測器80、89，以及類似的許多器件或傳感元件取得輸入信號，以引發(fā)氣體控制器60動作使絕緣腔30開啟或關(guān)閉。例如，位于外套162鄰近的溫度探測器80能探測到催化轉(zhuǎn)化器140周圍的環(huán)境溫度何時會變得太高，從而使控制器或者開啟絕緣腔30或者使流體166開始通過連接裝置196循環(huán)流至一個泵控制裝置(圖中未示)或汽車或系統(tǒng)的其它適合的控制零件。例如，位于發(fā)動機(jī)E水套或在汽車客室中的一個更遙控的溫度探測器可把信號輸入控制器68，使絕緣腔30、流體166的循環(huán)以及類似裝置起動或不起動。許多其它可任選的信號輸入，以導(dǎo)線197代表，以及如到閥和其它零件的任選信號輸出，以導(dǎo)線198代表，對本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的，只要他們對本發(fā)明的要點(diǎn)和本發(fā)明的主要特征有所理解。
為進(jìn)一步增加催化轉(zhuǎn)化器的熱容量，尤其為了長時間地保持足夠的熱，以便有可能在發(fā)動機(jī)E起動前把基體14、16、18加熱到起燃溫度，一些相變材料，例如金屬、氫氧化金屬鹽、三甲醇乙烷氫化物(TME)或其它多元醇(在美國專利號4,572,864和4,702,853中對此均有闡述，在此引用這兩個專利號以供參閱)都能被容納圍繞著或在與基體14、16、18有關(guān)的熱流之中。例如，在圖5的實(shí)施例140中，可以不用上文述及的流動的熱傳導(dǎo)流體166通過主要的熱交換器腔164，而可以用PCM充滿腔164以取代流體166，并可以帶有也可不帶有入口配件170、172。當(dāng)由在內(nèi)罩殼12中的催化反應(yīng)生成熱時，絕緣腔30的熱傳導(dǎo)功能被起動(絕緣作用中止)，如上所述，它把熱傳導(dǎo)到固態(tài)PCM166中，在此該熱量作為熔化熱使PCM熔化，并以此形式把熱量貯存在液態(tài)PCM中。因此，假如PCM是可以過冷的或可被激發(fā)的，如上文提到的氫氧化物或氫化物那樣，則當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)閉而基體14、16、18隨之冷卻時，甚至當(dāng)PCM過冷到低于其熔點(diǎn)時，熔化熱仍被保存在液態(tài)PCM中，這正如美國專利號4,860,729所闡述的，它也被引用在此以供參閱。然后，當(dāng)操縱者決定起動發(fā)動機(jī)E時，點(diǎn)火開關(guān)76發(fā)出的信號可使相變激發(fā)器動作，正如美國專利號4,869,729中所述，該專利也被引用在此以供參閱。如圖1中以標(biāo)號154表示的這樣一個相變激發(fā)器能被連接到如圖5所示的一個配件170、172上。當(dāng)相變激發(fā)器被致動時，它引發(fā)PCM的成核晶化而使PCM釋放出其熔化熱。由于絕緣腔30的傳導(dǎo)功能也被致動(絕緣作用中止)，PCM的熔化熱被傳導(dǎo)回內(nèi)罩殼12以便有助于使基體14、16、18達(dá)到其起燃溫度。
當(dāng)然，為此目的使用PCM的方法有很多。例如，熱貯存槽150或其它類似裝置也裝盛PCM。熱量也可被傳導(dǎo)到帶有熱交換器流體液166的外部的PCM容器中或從中被傳導(dǎo)出來。其他腔(圖中未示)也可被設(shè)置在腔164的徑向向外處，以便同時使用PCM和熱交換流體166來包圍內(nèi)罩殼12。
在圖7所示的另一個實(shí)施例中，帶有環(huán)狀腔157的一個陶瓷容器156被置于內(nèi)罩殼12中，并相對包圍著催化劑基體14、16、18。相變材料158，例如鋁或鋁合金，幾乎充滿但稍微不充滿環(huán)狀腔157。在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間當(dāng)催化劑基體熱起來時，它也加熱了環(huán)狀腔157和相變材料158。但由于陶瓷是很差的熱導(dǎo)體，容器和相變材料158取得熱量不能足以快到把基體14、16、18加熱到起燃溫度所需要增加的時間。在發(fā)動機(jī)E運(yùn)轉(zhuǎn)期間，在腔157中的材料158熱到足以熔化并大體上加熱到催化轉(zhuǎn)化器最佳運(yùn)轉(zhuǎn)溫度所需的超額時間，可由上述本發(fā)明的各種配件來控制。上面提及的在腔157中材料158稍微不充滿，是為了當(dāng)材料158被加熱時為適應(yīng)其熱膨脹而在腔157中留出足夠的空間。然后，當(dāng)發(fā)動機(jī)E關(guān)閉時，相變材料158將有助于把熱保存在基體14、16、18上。起始冷卻是以一種可被感知的方式進(jìn)行的，如同上文討論過的圖5中的熱吸收芯158。然而，當(dāng)溫度冷至材料158的冰點(diǎn)時，由于材料158釋放出其熔化熱而使溫度長時間地保持不變。隨之，只要材料158的組成具有高于催化劑起燃溫度的冰點(diǎn)或熔點(diǎn)，該材料158就有助于使基體14、16、18的溫度長時間保持高于起燃溫度。
雖然上述對本發(fā)明的闡述和舉例主要都涉及有關(guān)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的汽車，但這并不限制本發(fā)明的應(yīng)用范圍?？衫e出其它的應(yīng)用，如在化工和石油化工工業(yè)中用于控制催化工序反應(yīng)器。
上述闡述僅應(yīng)被看作為說明本發(fā)明要點(diǎn)的例證。而且，鑒于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到許多修改和變化，因此不應(yīng)把本發(fā)明限制在上述確定的結(jié)構(gòu)和步驟中。因此，所有合適的修改和等效物可被列入如下列權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
按照本發(fā)明實(shí)施例，對專利權(quán)或特許權(quán)的權(quán)利要求限定如下1、一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括催化轉(zhuǎn)化器裝置，由催化劑和為催化劑提供表面及支撐結(jié)構(gòu)的基體組成，用于催化廢氣中污染物的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)；催化劑罩殼裝置，用于容納所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置，并把廢氣引導(dǎo)到催化轉(zhuǎn)化器裝置；和可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置，它包圍著所說的催化劑罩殼裝置，用于使所說的罩殼裝置有選擇地?zé)峤^緣，以隨著第一信號而抑制所說的罩殼裝置徑向地?zé)醾鲗?dǎo)，或隨著第二信號而恢復(fù)其熱傳導(dǎo)。
2.按照權(quán)利要求1的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的催化劑罩殼裝置包括一個內(nèi)金屬側(cè)壁，所說的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置包括包圍著內(nèi)金屬側(cè)壁的外金屬密封罩，它被置于從所說的內(nèi)金屬側(cè)壁徑向地向外隔開距離處，從而密封住在所說的內(nèi)金屬側(cè)壁與所說的金屬密封罩之間的主絕緣腔。
3.按照權(quán)利要求2的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的主絕緣腔被抽空至很高的真空度，而其中所說的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置包括與所說的主絕緣腔連接的絕緣中止裝置，用于有選擇地隨著所說的第二信號而中止所說的主絕緣腔的抑制熱傳導(dǎo)的作用，或隨著所說的第一信號而恢復(fù)所說的主絕緣腔的抑制熱傳導(dǎo)的作用。
4.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處理設(shè)備，其中，所說的絕緣中止裝置由與所說的主絕緣腔連接的氣源裝置構(gòu)成，用于隨著所說的第二信號而釋放氣體進(jìn)入所說的主絕緣腔，或隨著所說的第一信號而從所說的主絕緣腔中回收氣體。
5.按照權(quán)利要求4的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的氣源裝置包括被加熱時釋放氫氣而冷卻時回收氫氣的一種金屬氫化物。
6.按照權(quán)利要求5的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的氣源裝置包括被設(shè)置在所說的金屬氫化物和所說的主絕緣腔之間的閥門裝置，用于有選擇地讓氫氣流通過或擋住氫氣流。
7.按照權(quán)利要求6的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的閥門裝置由鈀構(gòu)成，當(dāng)它被加熱時允許氫氣從其中流過，而當(dāng)它被冷卻時擋住氫氣流從其中通過。
8.按照權(quán)利要求1的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置被設(shè)置以用于在所說的廢氣開始流經(jīng)所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置時抑制所說的罩殼裝置的熱傳導(dǎo)，而其中所說的第二信號驅(qū)使所說的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置，在所說的廢氣和所說的反應(yīng)使所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置的溫度升至高于起燃溫度后恢復(fù)所說的罩殼裝置的熱傳導(dǎo)。
9.按照權(quán)利要求8的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中所說的第一信號驅(qū)使所說的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置，在所說的廢氣停止流經(jīng)所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置時，抑制所說的罩殼裝置的熱傳導(dǎo)。
10.按照權(quán)利要求9的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括用于引發(fā)所說的第二信號的定時裝置。
11.按照權(quán)利要求9的一種廢氣熱的處理設(shè)備，包括用于產(chǎn)生所說的第二信號的溫度傳感器。
12.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括置于所說的內(nèi)罩殼和所說的外金屬密封罩之間的熱可致動的熱分流裝置，用于在所說的內(nèi)罩殼達(dá)到予定的最高溫度時，在所說的內(nèi)罩殼和所說的外金屬密封罩之間造成金屬對金屬的接觸。
13.按照權(quán)利要求12的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的熱分流裝置包括一個雙金屬元件，當(dāng)雙金屬元件的溫度達(dá)到所說的預(yù)定溫度時，它從凹形轉(zhuǎn)換成凸形。
14.按照權(quán)利要求12的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的熱分流裝置包括固定在所說的內(nèi)罩殼中的熱致可膨脹銷棒，它徑向地向外延伸到與所說的外金屬密封罩非常近的位置，以便可熱致膨脹地與所說的外金屬密封罩接觸。
15.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣裝置包括許多位于所說的內(nèi)側(cè)壁和所說的外金屬密封罩之間的陶瓷間隔物，所說的間隔物被成形為與所說的內(nèi)側(cè)壁與所說的外金屬密封罩只有點(diǎn)接觸或近似點(diǎn)接觸的形狀。
16.按照權(quán)利要求15的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中所說的間隔物包括具有球形外表面的間隔物元件，和位于所說的間隔物元件與所說的內(nèi)側(cè)壁和所說的外金屬密封罩各方之間的具有弧形外表面的襯瓦元件。
17.按照權(quán)利要求15的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括至少一個輻射屏蔽，它位于主絕緣腔中，在所說的內(nèi)側(cè)壁和所說的外金屬密封罩之間。
18.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括一個熱傳導(dǎo)銷棒，它延伸穿過所說的內(nèi)側(cè)壁進(jìn)入所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置中，以及進(jìn)入所說的主絕緣腔中。
19.按照權(quán)利要求18的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中所說的銷棒被固定在所說的內(nèi)側(cè)壁上，它作為一個溫度功能元件，熱致可膨脹地和可收縮地與所說的外金屬密封罩接觸或脫離接觸。
20.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括廢氣入口導(dǎo)管裝置，它在所說的內(nèi)罩殼裝置和所說的外金屬密封罩之間延伸并將這兩者分隔開來，用于把廢氣導(dǎo)至所說的內(nèi)罩殼裝置中，所說的入口導(dǎo)管裝置包括一個用薄的金屬箔制成有折皺的管道，該管道的一端焊接在所說的外金屬密封罩上而其另一端焊接在所說的內(nèi)罩殼上。
21.按照權(quán)利要求3的一種廢氣的處置設(shè)備，包括廢氣出口導(dǎo)管裝置，它在所說的內(nèi)罩殼裝置和所說的外金屬密封罩之間延伸并將這兩者分隔開來，用于把廢氣從所說的內(nèi)罩殼裝置中導(dǎo)出，所說的出口導(dǎo)管裝置包括一個用薄的金屬箔制成的有折皺的管道，該管道的一端焊接在所說的內(nèi)罩殼上而其另一端焊接在所說的外金屬罩上。
22.按照權(quán)利要求21的一種廢氣熱的處罩設(shè)備，包括位于所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置和所說的出口導(dǎo)管裝置之間的輻射擋簾裝置，用以遮斷從所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置向所說的出口導(dǎo)管裝置發(fā)射的熱輻射。
23.按照權(quán)利要求21的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括位于所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置和所說的出口導(dǎo)管裝置之間的對流擋簾裝置，用以阻擋從所說的催化轉(zhuǎn)化器裝置向所說的出口導(dǎo)管裝置的熱對流。
24.按照權(quán)利要求23的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的對流擋簾裝置包括陶瓷毛纖維。
25.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括包圍著所說的外金屬密封罩的熱交換器裝置，用于從所說的外金屬密封罩導(dǎo)入或?qū)С鰺崃俊?br> 26.按照權(quán)利要求25的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的熱交換器裝置包括一個外套，該外套位于從所說的金屬外密封罩徑向地向外間隔距離處，它把包圍著所說的外金屬密封罩的主要熱交換器密封起來，以容納流體熱交換器介質(zhì)。
27.按照權(quán)利要求26的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括一個流體入口和一個流體出口，用以把所說的流體熱交換器介質(zhì)導(dǎo)入或?qū)С鏊f的主要熱交換器腔。
28.按照權(quán)利要求27的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的外套由致密的真空絕緣體構(gòu)成，它包括相互之間距離很靠近的兩塊硬的但可彎折的金屬箔片，通過金屬對金屬焊接將該兩塊金屬箔片的相互邊緣周圍密封住，以在其中形成一個真空腔，所說的真空腔被抽空到其壓力至少低至10-5托，而在所說的金屬箔片之間有許多具有低導(dǎo)熱率的間隔物以保持所說的間距。
29.按照權(quán)利要求27的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括與所說的主要熱交換器腔有關(guān)的流動的流體相接觸的熱槽熱貯存器件。
30.按照權(quán)利要求27的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括與所說的主要熱交換器腔有關(guān)的流動的流體相接觸的散熱裝置，用以把從所說的外金屬密封罩傳導(dǎo)出的熱散逸給所說的流體介質(zhì)。
31.按照權(quán)利要求27的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括把所說的主要熱交換器腔連接到發(fā)動機(jī)冷卻劑熱交換器上的流體導(dǎo)管裝置，用以把熱傳導(dǎo)給產(chǎn)生廢氣的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中的水套。
32.按照權(quán)利要求3的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括包圍著所說的外金屬密封罩的熱貯存裝置，用于貯存在所說的內(nèi)罩殼內(nèi)產(chǎn)生的熱。
33.按照權(quán)利要求32的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的熱貯存裝置由一種相變材料構(gòu)成。
34.按照權(quán)利要求32的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括有選擇地可致動激發(fā)裝置，用于有選擇地引發(fā)相變材料的成核化。
35.按照權(quán)利要求1的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括在所說的催化劑罩殼裝置中并與所說的基體相接觸的熱貯存裝置，用于貯存在所說的催化劑罩殼裝置中所產(chǎn)生的熱。
36.按照權(quán)利要求35的一種廢氣熱的處置設(shè)備，其中，所說的熱貯存裝置由一種相變材料構(gòu)成。
37.按照權(quán)利要求20的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括一個與所說的廢氣入口導(dǎo)管裝置連接的第二熱交換器，用以在廢氣到達(dá)所說的基體前從廢氣中取得熱。
38.按照權(quán)利要求21的一種廢氣熱的處置設(shè)備，包括一個與所說的廢氣出口導(dǎo)管裝置連接的第二熱交換器，用以在廢氣已通過所說的基體后從廢氣中取得熱。
39.一種處置在催化轉(zhuǎn)化器中的熱的方法，由以下步驟組成用可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣體包圍催化轉(zhuǎn)化器，該可調(diào)節(jié)的熱絕緣體在可“開啟”以遏制熱傳導(dǎo)和“關(guān)閉”以恢復(fù)熱傳導(dǎo)之間被調(diào)節(jié)；在沒有廢氣正在催化轉(zhuǎn)化器中起反應(yīng)時開啟可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣體以便把熱保存在催化轉(zhuǎn)化器中；當(dāng)催化轉(zhuǎn)化器的溫度低于催化轉(zhuǎn)化器的起燃溫度時，讓可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣體開啟著；當(dāng)催化轉(zhuǎn)化器的溫度高于起燃溫度時，關(guān)閉可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣體。
40.按照權(quán)利要求39的一種處置在催化轉(zhuǎn)化器中熱的方法，包括在完全開啟和完全關(guān)閉之間控制可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣體的步驟，以使所說的催化轉(zhuǎn)化器保持在所期望的溫度。
41.按照權(quán)利要求40的一種處置在催化轉(zhuǎn)化器中的熱的方法，包括當(dāng)可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣體被關(guān)閉時，把由催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的熱回收在一種流體介質(zhì)中，并把熱傳導(dǎo)給另一個零件的步驟。
42.按照權(quán)利要求41的一種處置在催化轉(zhuǎn)化器中的熱的方法，包括把流體介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)給產(chǎn)生廢氣的發(fā)動機(jī)的步驟。
43.按照權(quán)利要求41的一種處置在催化器轉(zhuǎn)化器中的熱的方法，包括把流體介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)給熱貯存器件的步驟。
44.按照權(quán)利要求43的一處置在催化轉(zhuǎn)化器中的熱的方法，包括以下步驟在起動產(chǎn)生廢氣的發(fā)動機(jī)之前，當(dāng)催化轉(zhuǎn)化器溫度低于其起燃溫度時，把熱從熱貯存器件傳導(dǎo)回到催化轉(zhuǎn)化器。
45.按照權(quán)利要求41的一種處置在催化轉(zhuǎn)化器中的熱的方法，包括把在流體中熱傳導(dǎo)給汽車客室的步驟，該汽車是由產(chǎn)生廢氣的發(fā)動機(jī)給予動力的。
46.按照權(quán)利要求41的一種處置在催化轉(zhuǎn)化器中熱的方法，包括把在流體中的熱傳導(dǎo)給散熱器以使熱散逸到大氣中的步驟。
全文摘要
一種催化轉(zhuǎn)化器(10、140)被可調(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣物(30、164)所包圍，以便使催化轉(zhuǎn)化器(10、140)的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度保持在最佳水平，并在催化轉(zhuǎn)化器的溫度上升到起燃溫度時抑制熱損失，還用于貯存過量的熱以保持或加速達(dá)到起燃溫度，以及在達(dá)到起燃溫度后將過量的熱導(dǎo)離催化轉(zhuǎn)化器(10、140)?？烧{(diào)節(jié)的熱導(dǎo)絕緣物(30)包括真空的氣體控制機(jī)構(gòu)和金屬對金屬的熱分流機(jī)構(gòu)(134)。徑向的和軸向的屏蔽(138)抑制了輻射和對流熱損失。熱貯存介質(zhì)包括相變材料(150)、熱交換器腔(164)和流體(166)，把熱帶入或帶出催化轉(zhuǎn)化器。
文檔編號A47J27/00GK1144551SQ95192286
公開日1997年3月5日 申請日期1995年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月27日
發(fā)明者戴維·K·本森, 托馬斯·F·波特 申請人:戴維·K·本森, 托馬斯·F·波特