專利名稱：內(nèi)部具有金屬催化劑的消聲器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消聲器組件，特別是涉及這樣一種類型的消聲器組件， 其用于衰減由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣噪聲且在內(nèi)部具有催化轉(zhuǎn)化器。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于處理流體流(如氣態(tài)流體流)的低成本的催化產(chǎn)品及 方法。其中，本文公開的產(chǎn)品和方法非常適合于將由小型發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的排 氣流中的污染物成分轉(zhuǎn)化為無害成分。眾所周知，內(nèi)燃機(jī)(包括小型發(fā)動 機(jī))的排氣含有污染空氣的污染物，如碳?xì)浠衔铩?一氧化碳以及氮氧化
物(NOx)。
各種管理機(jī)構(gòu)不斷制訂對于由小型內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的裝置的更嚴(yán)格的排放 規(guī)定。小型發(fā)動機(jī)指的是排量小于約75、優(yōu)選小于35立方厘米的發(fā)動機(jī)， 通常為兩沖程和四沖程的火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)。這樣的發(fā)動機(jī)("通用發(fā)動 機(jī)")特別是用在下面的裝置中汽油機(jī)驅(qū)動的割草機(jī)、機(jī)動鏈鋸、便攜式 發(fā)電機(jī)單元、吹雪機(jī)、吹草/葉機(jī)、繩式割草機(jī)(string mower)、草畔邊 修剪機(jī)、園藝拖拉機(jī)、機(jī)動踏板車、摩托車、機(jī)動腳踏兩用車等。這樣的 發(fā)動機(jī)為催化式排氣處理裝置提供了苛刻的環(huán)境。這是因為在小型發(fā)動機(jī) 中，排氣包含高濃度的未燃燃料和未消耗的氧。因為很多這種裝置(如機(jī) 動鋸，割草機(jī)，繩式切割機(jī))的使用者在非常接近裝置的情況下工作，所 以對于減少排放物的關(guān)注提高了 。
對于減少來自由小型發(fā)動機(jī)驅(qū)動的裝置的排放物，排氣處理催化產(chǎn)品 提出了一種解決方案。但是，因為小型發(fā)動機(jī)的工作條件給設(shè)計提出了挑 戰(zhàn)，所以將催化產(chǎn)品實際地集成在這種裝置中可能是困難的。
首先，催化產(chǎn)品必須是耐用的。與由較大的發(fā)動機(jī)驅(qū)動的裝置(如車 輛)相比，由較小的發(fā)動機(jī)驅(qū)動的裝置更不容易吸收和分散由發(fā)動機(jī)導(dǎo)致 的振動。兩沖程發(fā)動機(jī)中的振動力可達(dá)到四沖程發(fā)動機(jī)的三倍或四倍。例
如，已有報道稱小型發(fā)動機(jī)在150赫茲(Hz)下的振動加速度達(dá)到70G至 90G ( G =重力加速度)。小型發(fā)動機(jī)的急劇振動和排氣溫度條件導(dǎo)致排氣 催化處理裝置內(nèi)出現(xiàn)多種模式的故障，包括由于機(jī)械振動和排氣在高溫條 件下的流動波動引起的將催化器部件固定于裝置內(nèi)的安裝結(jié)構(gòu)的故障，和 由此導(dǎo)致的催化器部件的損壞或毀壞。此外，小型發(fā)動機(jī)在催化產(chǎn)品的布 置方面提供了更小的設(shè)計靈活性。在由小型發(fā)動機(jī)驅(qū)動的裝置內(nèi)，催化產(chǎn) 品與發(fā)動機(jī)的緊密接近使所述產(chǎn)品暴露于強(qiáng)烈的振動下。此外，小型發(fā)動 機(jī)的特征在于，當(dāng)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷升高或降低時溫度劇烈變化。因此，用于 處理小型發(fā)動機(jī)的排氣的催化器部件通常比汽車上的催化轉(zhuǎn)化器經(jīng)受更大 的溫度變化和更大的振動，這些狀況會導(dǎo)致催化材料碎裂。
其次，因為大多數(shù)的小型發(fā)動機(jī)平臺由于在這些發(fā)動機(jī)上使用的消聲 器的尺寸有限而具有較高的空間速度，所以催化產(chǎn)品優(yōu)選要適應(yīng)高的流量。 例如，排量為50立方厘米、工作的最大(轉(zhuǎn)速)為8000 rpm的小型發(fā)動 機(jī)通常的排氣輸出量為12000-15000 L/h。因為排氣系統(tǒng)內(nèi)的背壓較高會使 發(fā)動機(jī)的工作效率降低，所以顯著限制排氣流的流量的催化產(chǎn)品是更不希 望(選用)的。此外，由于流過催化產(chǎn)品的排氣流的流量很高，所以使用 的催化劑成分必須是高度活化的，并最優(yōu)地置于產(chǎn)品內(nèi)以確保充分地轉(zhuǎn)化 污染物。
笫三，因為很多由小型發(fā)動機(jī)驅(qū)動的裝置是手持的工具，如修草機(jī)、 鏈鋸，所以催化產(chǎn)品優(yōu)選為輕質(zhì)的并且占用較小的體積。過重或從這些裝 置的笨大突出不利地限制了裝置所設(shè)計的各種應(yīng)用。
第四，排放物處理系統(tǒng)的成本不能顯著增加裝置的總成本，以確保裝 置在市場上保持竟?fàn)幜ΑＰ⌒桶l(fā)動機(jī)通常用來驅(qū)動中等價位的裝置。因此， 需要設(shè)計出符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)卻使裝置的附加成本最小化的、用于處理由小型 發(fā)動機(jī)驅(qū)動的裝置的排放物的催化產(chǎn)品。在美國專利No. 08/682,247中記載了在小型發(fā)動機(jī)應(yīng)用中可用的催化 劑，本文將其引入作為參考。簡言之，這些催化劑包括可置于適當(dāng)?shù)妮d體 材料上的一種或多種鉑族金屬化合物或合成物。適當(dāng)?shù)妮d體材料包括耐高 溫的氧化物，如氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、二氧化硅-氧化鋁、鋁硅酸 鹽、鋁-鋯氧化物、鋁-鉻氧化物等。催化材料通常以顆粒的形式使用，其 中所述顆粒的直徑處于微米的量級，例如10至20微米，因此所述顆?？?形成灰漿狀并被涂覆成載體部件上的涂層?？墒褂眠m當(dāng)?shù)妮d體部件，如具 有多個微小的并行氣流通道類型的蜂窩狀載體，所述氣流通道從載體的入 口面或出口面起延伸穿過所述載體以使該通道可供流體流從中穿過。如在 本領(lǐng)域中已知，將涂層載體設(shè)置在適于保護(hù)催化器部件并有利于建立穿過 催化器部件的氣體流路的筒罐內(nèi)。
于2004年5月6日公開的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公報No. 2004/0087439 公開了一種可用作排氣系統(tǒng)的一部分的催化金屬基底，該系統(tǒng)可應(yīng)用于小 型發(fā)動機(jī)，所述小型發(fā)動機(jī)適用于如摩托車、割草機(jī)、鏈鋸、修草機(jī)等。
于2004年2月26日公開的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公報No. 2004/0038819 公開了 一種易彎的耐熱的金屬載體，在該金屬載體上可涂覆有錨固層以改 善催化涂層與載體的附著性。順應(yīng)性的催化器部件可彎曲以順應(yīng)供其安裝 在內(nèi)的彎曲或彎折的排氣管。
于2002年9月12日公開的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公報No. 2002/0128151 公開了將金屬電弧噴涂在泡沫基底上以在基底上產(chǎn)生錨固層，錨固層用 作供催化材料沉積于其上的極其優(yōu)質(zhì)的中間層。即使當(dāng)承受由小型發(fā)動機(jī) 引入的嚴(yán)酷條件或處在與較大發(fā)動機(jī)緊密接合的位置處時，也能阻止催化 材料碎裂。還公開了催化涂層可涂覆在基底上，如泡沫、波紋狀薄板或 篩網(wǎng)上。
通常，在發(fā)動機(jī)內(nèi)使用兩個分立的單元(消聲器和催化轉(zhuǎn)化器)以分 別在排氣系統(tǒng)的兩個分離的區(qū)段中將排放噪聲和空氣污染減到最小。消聲 器通常以下面的三種方式之一進(jìn)行設(shè)計(a)具有交錯的隔音板；(b) 具有消聲偏角調(diào)節(jié)裝置；或(c)具有玻璃纖維包裝。因為交錯的隔音板式
的消聲器高效、低價且易于制造，所以這種消聲器最普遍地應(yīng)用于工業(yè)中。
另一方面，催化轉(zhuǎn)化器通常以兩種方式制造(a)具有蜂窩狀材料； 或(b)具有顆粒狀材料。蜂窩狀材料和顆粒狀材料都用作涂覆有催化物質(zhì) 的栽體，該催化物質(zhì)可通過預(yù)定的催化反應(yīng)將排氣排放流中不希望的和有 害的化合物轉(zhuǎn)化為無害的成分。
因此，通常由這兩個分立的裝置實施對排氣排放流中的噪聲和空氣污 染的處理，所述裝置相互獨(dú)立地起作用。因此，常規(guī)的催化轉(zhuǎn)化器的基本 不能壓制排氣排放物的噪聲，而常規(guī)的消聲器不能催化處理排氣排放物。
同時減少噪聲和污染排放物的需要對于小型內(nèi)燃機(jī)(如用于拖拉機(jī)、 草沖和庭院維護(hù)設(shè)備、摩托車、小型摩托車、吹雪/葉機(jī)以及其它日益增加 地需要減少排放物和噪聲水平的動力設(shè)備)的制造商是非常重要的。大多 數(shù)這樣的小型發(fā)動機(jī)都配備有小型消聲器來控制噪聲水平。因為現(xiàn)有的小 型發(fā)動機(jī)制造商不希望改變消聲器設(shè)計，所以在這種裝置的典型設(shè)計中包 括用于控制現(xiàn)有消聲器中的有害排放物的小型金屬基底催化劑。在這種情 形下，消聲器和催化器不是彼此獨(dú)立的。
美國專利6，040，266公開了一種隔聲板/催化劑泡沫載體材料以及制造 隔聲板/催化劑泡沫載體材料的方法。根據(jù)該專利，提供了密度在10-100 ppi 之間的聚氨酯開口型泡沫材料。用樹脂材料浸潤該聚氨酯泡沫以產(chǎn)生浸透 的泡沫。使該浸透的泡沫熱解(pyrolize )而形成用以形成碳泡沫的碳骨架。 碳泡沫骨架涂覆有下組材料中的一種或多種以達(dá)到5%-35%的相對密度 SiC, Si3N4， Mo2Si2或高溫金屬。接著在涂覆有金屬的泡沫上涂覆鉑族 金屬催化劑。
本發(fā)明的目的在于提供一種同時降低噪聲水平和減少排氣流中的污染 物(如碳?xì)浠衔铩?一氧化碳以及氮氧化物)的消聲器裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，來自小型發(fā)動機(jī)或通用發(fā)動機(jī)的排氣流被導(dǎo)入雙重功能 的消聲器中，該消聲器包括消聲器殼體、形成于消聲器中的內(nèi)腔以及催化
涂覆的用于減弱聲音和減少排放污染物(如碳?xì)寤衔铩?一氧化碳以及氮 氧化物)的栽體材料。更具體地，消聲器的內(nèi)腔或副腔包括催化涂覆的載 體材料，例如涂覆有一種或多種貴金屬催化劑的網(wǎng)狀金屬泡沫基體。在本 發(fā)明的消聲器中，迫使發(fā)動機(jī)的排氣依次流過催化涂覆的金屬泡沫栽體， 以及一個或多個后續(xù)的消聲器腔，使得排氣流頻繁地改變方向，由此阻隔 或減弱噪聲。
另一方面，本發(fā)明涉及一種金屬泡沫催化劑載體，該載體具有通過熱 電弧噴涂而沉積于其上的金屬層，從而提高了催化劑的附著性。在這種應(yīng) 用中，金屬熱電弧噴涂層是金屬間層或錨固層，并且甚至在小型發(fā)動機(jī)的 應(yīng)力下也將貴金屬催化劑層保持就位。
在本發(fā)明的又一個方面中，與包括傳統(tǒng)的陶瓷和金屬換熱器的其它裝 置相比，包括用于發(fā)動機(jī)排氣的曲折流路的催化涂覆的金屬泡沫易于更高 效地收集無機(jī)沉積物。因此，金屬泡沫可被分區(qū)涂覆，設(shè)置用于捕集可能 使催化劑中毒的無機(jī)物的上游無催化劑捕集區(qū)，以及用于減少污染物(如 碳?xì)浠衔铩?一氧化碳以及氮氧化物)的下游催化劑區(qū)。平直通道的載體 通常使得無機(jī)物可繞過預(yù)催化劑從而使下游位置的貴金屬催化劑過早中 毒。
從以下說明和所附的權(quán)利要求可清楚看到本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的消聲器的分解視圖。
圖2a示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的消聲器的透視圖。
圖2b是根據(jù)本發(fā)明的消聲器沿圖2a中的線I-I截取的剖視圖。
圖3是示出圖l的消聲器構(gòu)造的內(nèi)隔音板的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的金屬泡沫的放大示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)(特別是所述類型的小型發(fā)動機(jī)，尤其是
四沖程發(fā)動機(jī))的設(shè)備，該設(shè)備能夠在一個單元內(nèi)同時降低排氣噪聲和催 化控制污染排放物。更具體地，本發(fā)明涉及一種使用催化涂覆的基底來減 少與來自小型發(fā)動機(jī)的排氣流相關(guān)的有害排放物的消聲器系統(tǒng)，其中，催 化基底包含在消聲器內(nèi)所含的空心空間或內(nèi)腔內(nèi)。
本發(fā)明的消聲器優(yōu)選使用兩個或多個在消聲器殼體或筒罐內(nèi)的并置的 隔音板，以打斷進(jìn)入的排氣流的并行流動，從而迫使其降低速度并且減弱 分貝水平。隔音板在內(nèi)部包括具有催化涂覆的基底的空心空間或腔。但橫 截面構(gòu)型可以是任何合適的形狀。隔音板優(yōu)選由金屬制成，但也可使用傳 統(tǒng)的制造技術(shù)由非金屬(如陶瓷)制成。
本發(fā)明的一個示例性的消聲器設(shè)計參見圖1-3。參照圖l-3，可用的消 聲器2包括上外殼4、下外殼6、外殼中的排氣入口8、以及排氣出口IO。 消聲器2還包括上部的內(nèi)隔音板12和下部的內(nèi)隔音板14。當(dāng)組裝在消聲 器2內(nèi)時，上、下內(nèi)隔音板12、 14分別并行對齊、相互并置并且呈鏡像地 彼此面對。并置的隔音板12和14位于消聲器2的中央，將消聲器2分隔 為兩個主腔，即上部腔16和下部腔18 (參見圖2b)。
按照圖1和2b的方向組裝好的部件具有在豎直方向上軸線對齊的組 件，其依次形成上外殼4、上部腔16、上部內(nèi)隔音板12、內(nèi)腔20、下部 內(nèi)隔音板14、下部腔18以及包括排氣出口 10的下外殼6。如圖2b所示， 上部腔16形成于上外殼4與上部內(nèi)隔音板12之間。內(nèi)腔20形成于上部內(nèi) 隔音板12與下部內(nèi)隔音板14之間，下面將更詳細(xì)地進(jìn)行說明。下部腔18 形成于下部內(nèi)隔音板14與下外殼6之間。
如圖1和2b所示，上部內(nèi)隔音板12具有較大的伸出部分24以及較小 的伸出部分26。類似地，下部內(nèi)隔音板14具有較大的伸出部分28和較小 的伸出部分30。各隔音板12、 14的較大的伸出部分24、 28和較小伸出部 分26、 30是并置的。當(dāng)組裝消聲器2時，如圖2a所示，上部隔音板12 的較大和較小的伸出部分24、 26分別形成第一內(nèi)副腔32。類似地，在下 部內(nèi)隔音板14內(nèi)較大和較小的伸出部分28、 30分別形成第二內(nèi)副腔34。 上部內(nèi)隔音板12的副腔32朝上外殼4軸向向上延伸，并且下部內(nèi)隔音板 14的副腔34朝下外殼6軸向向下延伸。如圖l和2b所示，在組裝消聲器 2時這些副腔32和34彼此并置形成內(nèi)腔20。優(yōu)選地，腔20充滿催化涂覆 的基底22,如催化涂覆的金屬泡沫。
如圖1-3所示，來自發(fā)動機(jī)(未示出)的排氣流(此處用箭頭36表示) 通過排氣入口 8進(jìn)入消聲器2。排氣流36流過排氣入口 8并進(jìn)入內(nèi)腔20, 并且經(jīng)過催化涂覆的基底22 (如催化涂覆的金屬泡沫)，此處用箭頭38 表示。接著排氣流36離開內(nèi)腔20和催化涂覆的基底22,穿過位于內(nèi)隔音 板12的較大伸出部分24內(nèi)的第一組孔口 40，進(jìn)入上部腔16，此處由箭頭 42表示(參見圖2b )。接著排氣流36經(jīng)過上部腔16到達(dá)上部腔16的左 后部，穿過位于下部隔音板14內(nèi)的第二組孔口 44和位于上部隔音板12 內(nèi)的容納切口部45離開；此處用箭頭46表示(參見圖2b)。接著排氣流 36經(jīng)過下部腔18，穿過排氣出口 10離開消聲器，此處用箭頭48表示(參 見圖1和2b)。
本發(fā)明提供了 一種催化涂覆的基底或催化基底。用于形成本發(fā)明的催 化涂覆基底的基底包括能夠適應(yīng)高流量(對于50 cc的發(fā)動機(jī)優(yōu)選>20000 L/h)的、輕質(zhì)的、熱質(zhì)量低的金屬基底。例如，所述基底可以是金屬泡沫、 穿孔的金屬薄板、燒結(jié)的金屬、織物絲網(wǎng)或無紡物篩網(wǎng)。優(yōu)選地，如下文 所述，基底的表面適于涂覆有金屬錨固層，例如金屬熱電弧噴涂層。
一種特別適用的基底是金屬泡沫。本發(fā)明的金屬泡沫基底形成開口的 或網(wǎng)狀的基底結(jié)構(gòu)，該基底結(jié)構(gòu)包括由單元(cell)壁的支柱(strut)形成 的金屬單元或孔(例如參見圖4)。金屬泡沫基底還可進(jìn)一步描述為具有 多個不規(guī)則形狀的通道的多孔基體，其中排氣在從泡沫的上游側(cè)流到下游 側(cè)的過程中經(jīng)過多個隨機(jī)的扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)彎。這種紊亂的或曲折的流路由多個 孔口、孔隙、通道或類似的結(jié)構(gòu)特征來限定，所述結(jié)構(gòu)特征使得流經(jīng)的液 體和/或氣體形成紊流或基本上以非層流的形式流過并且使基底對于穿過 基底的流體的流路的單位總體積具有的高的表面積，例如是為其中的流體 形成高傳質(zhì)區(qū)的特征。相反，不論是否穿孔，密實的基底(如板、管、薄 板等)對穿過該基底的流路的單位總體積具有較小的表面積，并且基本上
不會擾亂從中穿過的層流。開口或網(wǎng)狀的金屬泡沫基底結(jié)構(gòu)不僅重要地提 供了高傳質(zhì)區(qū)，而且這種開口的結(jié)構(gòu)減小了背壓。
參照附圖4更容易理解本發(fā)明的金屬泡沫，圖4示出了本發(fā)明的非限 制性實施例的金屬泡沫的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖。參照圖4，該 圖示出了金屬支柱60和孔62的開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了發(fā)動 機(jī)排氣流的曲折通道。金屬泡沫優(yōu)選收集主要處于氣態(tài)的有害物，并用作 防止有害物與下游的整體式貴金屬催化劑接觸的物理屏障。
因為這些金屬泡沫結(jié)構(gòu)具有比密實的基底更大的表面積，以及由于金 屬泡沫結(jié)構(gòu)使得流體能夠穿過，所以它們非常適于用作催化劑載體。此夕卜， 金屬泡沫可用作捕集(如不被捕集則)可能毒害貴金屬催化劑的液栽或氣 載材料的捕集部件。例如，金屬泡沫可在分離的區(qū)域內(nèi)被涂覆，以使金屬 泡沫的上游部分可涂覆有熱電弧噴涂層(如下文所述)而用作捕集裝置， 而涂覆有催化劑的下游部分可用于減少排氣流中的污染物，如碳?xì)浠衔铩?一氧化碳以及氮氧化物。熱電弧噴涂層的大的表面積使活性物質(zhì)的傳質(zhì)提 高，從而提高金屬泡沫捕集區(qū)的效率。
在本領(lǐng)域中已知制造泡沫金屬的方法，例如參見美國專利No. 3,111,396，本文中引入該專利的內(nèi)容作為參考，在本領(lǐng)域中也已提出使用 泡沫金屬作為催化材料的載體，例如參見1997年2月24-27日在密歇根州 的底特律舉行的International Congress and Exposition上由 Arun D. Jatkar發(fā)表的題為"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 )。金屬泡沫的特 征多種多樣，其中一些涉及供金屬圍繞設(shè)置的原始的有機(jī)基體的特性。本 領(lǐng)域所知的泡沫金屬基底的一些特征包括單元的大小、密度、自由體積和 比表面積。例如，表面積可以是與泡沫基底尺寸相同的實心基底的1500 倍。如Pestryakov等人所述，可用作催化器部件的載體的泡沫金屬基底的 平均單元直徑在0.5-5mm的范圍內(nèi)，自由體積為約80-98%，例如泡沫基 底所占據(jù)的體積的3-15%可由金屬構(gòu)成。基底的孔隙度在每英寸有孔3-80
個(ppi)之間，如3-30ppi，或3畫10ppi,或3-5ppi。在10-80ppi的示例性 范圍內(nèi)，其它特征，如每平方英寸的單元數(shù)可在100至6400之間，而大致 的薄片(web)直徑可在0.01-0.004英寸之間變化。這樣的泡沫可具有基于 網(wǎng)狀/交聯(lián)薄片前體的開口單元的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所述泡沫通常具有隨著孔隙度 而增加的表面積，從約10ppi時的約700平方米/立方英尺的泡沫(m2/ft3 ) 至約60ppi時的4000m2/ft3,等等。其它適當(dāng)?shù)慕饘倥菽椎谋砻娣e范圍 為從約10ppi時的200平方英尺/立方英尺的泡沫金屬(ft2/ft3 )至約80ppi 時的1900 ft2/ft3。 一種這樣的基底在厚度約為1.6+/-0.2毫米、孔隙度為 110ppi的情況下，比重為500g/m?；卓删哂?.1-0.3克每立方厘米(g/cc ) 的容積密度。
金屬泡沫基底可由多種金屬形成，包括鐵、鈦、鉭、鎢、貴金屬，普 通的可燒結(jié)金屬如銅、鎳、青銅等，鋁、鋯等，以及組合物及其合金，如 鋼、不銹鋼、哈氏合金(Hastalloy) , Ni/Cr, Inconel合金(鎳/鉻/鐵)， Monel合金(鎳/銅)，以及Fecralloy合金UA/鉻/鋁/釔)。在一個實施例 中，金屬泡沫基底選自包含以下材料的組不銹鋼，鈦，F(xiàn)ecralloy合金， 鋯酸鋁，鈦酸鋁，磷酸鋁，堇青石，富鋁紅柱石和剛玉。在另一個實施例 中，以Fecralloy合金(FeCrAlY )作為示例。用于本發(fā)明的適當(dāng)?shù)慕饘倥?沫基底的體積被泡沫化的基底占據(jù)了約3-12%。也可例舉出約6-8%。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的金屬泡沫基底在沉積催化劑組分 之前被預(yù)處理，以提高組分在基底上的附著性?；椎念A(yù)處理可通過在涂 覆催化劑灰漿前利用已知的熱噴涂技術(shù)向基底涂覆金屬錨固層來實現(xiàn)。這 樣的層可被稱為金屬熱電弧噴涂層。這些技術(shù)包括等離子噴涂，單絲噴涂， 高速氧燃料噴涂，燃燒絲材和/或粉末噴涂，電弧噴涂等。優(yōu)選通過電弧噴 涂來涂覆金屬錨固層。
在金屬多孔基底上進(jìn)行金屬(本文使用的這個術(shù)語包括金屬混合物， 包括但不限于合金、假合金以及其它金屬間混合物)的電弧噴涂(如雙絲 電弧噴涂)能產(chǎn)生在催化器部件領(lǐng)域中非常適于用作催化材料的基底的結(jié) 構(gòu)。雙絲電弧噴涂(此處的術(shù)語包括于"絲材電弧噴涂，，以及更廣義的術(shù)語
"電弧噴涂"中)是已知的方法，如上所述引入美國專利No. 4,027,367的內(nèi) 容作為參考。簡單地說，在雙絲電弧噴涂方法中，兩根原料絲用作兩個可 消耗電極。當(dāng)這些絲被供給至噴槍的噴嘴時這些絲彼此絕緣，該噴槍形式 類似于絲材火焰噴槍。這些絲在噴嘴所產(chǎn)生的氣流的中央相遇。在所述絲 之間產(chǎn)生電弧，流過絲的電流導(dǎo)致所述絲的尖端熔化。壓縮的霧化氣體(通 常為空氣)被導(dǎo)引通過噴嘴并且跨過電弧區(qū)域，剪切掉熔化的液滴而形成 被推向基底的噴流。因為原料必須導(dǎo)電，所以在電弧噴涂系統(tǒng)中只能使用 金屬絲原料。噴槍產(chǎn)生的高顆粒溫度使金屬基底上的碰撞點(diǎn)處產(chǎn)生微小的 焊接區(qū)。因此，這樣的電弧噴涂層(有時稱為"錨固層")保持了與基底的 強(qiáng)力粘合。
用于在多孔基底上形成錨固層的絲材電弧噴涂的操作參數(shù)在1999年4 月29日提交的共同未決的美國專利申請No. 09/301,626 ('626申請)中公 開，該專利于2002年9月12日公開，7>開號為2002/0128151的，其/>開 內(nèi)容全部引入作為參考。
多種合成物的錨固層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系列不銹鋼，以及可選地上述材料的一種或多種的混合物。根 據(jù)'626申請的用于向基底上進(jìn)行絲材電弧噴涂的金屬的一個具體示例是鎳 /鋁合金，以重量計，該鎳/鋁合金一般包含至少約90%的鎳和約3-10%的 鋁，優(yōu)選約4-6%的鋁。這樣的合金可含有較低比例的其它金屬，該金屬此 處統(tǒng)稱為"雜質(zhì)"，其總量不超過合金的約2%。 一種優(yōu)選的具體原料合金 包括約95%的鎳和5%的鋁，熔點(diǎn)可約為2642。F。在合金中可包含一些這 樣的雜質(zhì)以用于各種不同的目的，如有助于絲材電弧噴涂過程或錨固層的
形成，或使錨固層具有優(yōu)良特性。
與具有通過其它方法涂覆得到的金屬錨固層的基底相比，將金屬電弧 噴涂至金屬基底上得到了更好的用于催化劑材料的基底。已看出，與未涂 覆中間層的基底乃至與具有通過等離子噴涂而沉積的金屬層的基底相比，
催化材料能更好地附著在包括電弧噴涂錨固層的基底上。在基底與催化材 料之間沒有中間層的情況下設(shè)置于金屬基底上的催化材料常常不能充分良 好地附著在基底上以提供商業(yè)上可接受的產(chǎn)品。具有通過其它熱噴涂技術(shù) 來涂覆的中間層的金屬基底通常具有相同的缺陷。例如，具有通過等離子 噴涂于其上的金屬中間層和涂覆于中間層上的催化材料的金屬基底不能保 持住催化材料，該催化材料在常規(guī)的操作中就會剝落，顯然是因為中間層 不能與基底粘結(jié)。已看出，其它基底上的催化材料在正常的使用中便M 裂，顯然是因為經(jīng)受高氣體流量、熱循環(huán)、與排氣流中的高溫蒸汽和其它 成分的腐蝕性接觸、振動等。因此，用電弧噴涂來涂覆中間層通過提高承 載于多孔基底上的催化材料的耐久性而提高了包括該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(如一種或多種柏族金 屬化合物或合成物)來制備。此處使用的術(shù)語"化合物"(如在"鉑族金屬化 合物"中所用)指的是催化活性成分(或"催化成分")的任何鹽類、合成物 等，其可在煅燒或使用催化劑時分解或轉(zhuǎn)化為催化活性形態(tài)，通常是氧化 物，但不必一定是氧化物。 一種或多種催化化合物的化合物或合成物可溶 解于或懸浮于浸濕或浸潤載體材料的任何液體中，該液體不會與催化材料 的其它成分起不利的反應(yīng)并且能夠在加熱和/或抽真空時通過揮發(fā)或分解 從催化劑中去除。通常，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度考慮，優(yōu)選采用可溶解的化 合物或合成物的水溶液。例如，適當(dāng)?shù)乃苄糟K族金屬化合物為氯鉑酸， 胺溶氫氧化鉑，三氯化銠，硝酸銠，六胺三氯化銠，硝酸鈀或氯化鈀等。 含有化合物的液體浸在催化劑的成塊載體顆粒的孔隙內(nèi)，浸潤的材料被干
情形下，可能直到催化劑^f皮應(yīng)用并受到高溫排氣時才完成液體(可能作為 例如結(jié)晶水存在)的去除。在煅燒步驟期間，或至少在催化劑使用的初期， 這種化合物被轉(zhuǎn)化為鉑族金屬或其化合物的催化活性的形態(tài)。也可使用類 似的方法將其它成分加入到催化材料中。可選地，可省略惰性載體材料并
且催化材料可主要包括通過傳統(tǒng)方法直接沉積在被噴涂的多孔基底上的催 化成分。
用于本發(fā)明的產(chǎn)品的優(yōu)選鉑族金屬成分包括鉑，鈀，銠，釕和銥成分。 特別優(yōu)選鉑，鈀和銠成分。當(dāng)沉積于多孔基底(如金屬濾網(wǎng))上時，對于
典型的通用發(fā)動4幾應(yīng)用，這些成分通常以0.001-0.01g/ii^的濃度沉積。
用于催化劑成分的適當(dāng)載體材料包括氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、 二氧化硅-氧化鋁、鋁硅酸鹽、鋁-鋯氧化物、鋁-鉻氧化物等。這些材料優(yōu) 選以高表面積的形式使用。例如，，氧化鋁優(yōu)于a-氧化鋁。已知通過用穩(wěn) 定物來浸潤高表面積載體材料來穩(wěn)定所述材料。例如，通過用鈰化合物溶 液浸潤材料、然后煅燒浸潤材料以去除溶劑并將鈰化合物轉(zhuǎn)化為氧化鈰來
穩(wěn)定，氧化鋁以防其被熱降解。該穩(wěn)定物可存在的量為例如載體材料的重 量的5%左右。通常以顆粒形態(tài)使用催化材料，該顆粒的量級為微米，如 直徑為10-20微米，這樣它們可形成灰漿并且涂覆在基底上。
用于小型發(fā)動機(jī)的催化器部件上的典型的催化材料包括分散在氧化鋁 上的柏、鈀和銠并且還包括釹、鍶、鑭、鋇和鋯的氧化物。在1996年12 月6日遞交的美國專利申請No.08/761544中說明了一些適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，?公開內(nèi)容此處引入作為參考。在該文所述的一個實施例中，催化材料包括 第一耐火(耐熱)成分和至少一種第一鉑族成分(優(yōu)選第一鈀成分)和可 選地除把外的至少 一種第 一鉑族金屬成分，優(yōu)選與第 一層的鉑族金屬成分 緊密接觸的儲氧成分。儲氧成分("OSC，，)在稀發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間有效地吸 收多余的氧并在發(fā)動機(jī)富燃運(yùn)轉(zhuǎn)期間釋放氧，從而改善由于發(fā)動機(jī)在富燃 運(yùn)轉(zhuǎn)模式與稀(即，氧過量)運(yùn)轉(zhuǎn)模式之間的運(yùn)轉(zhuǎn)變化而引起的排氣流的
氧/碳?xì)浠衔锏睦碚撆浔鹊淖兓?。已知成塊的二氧化鈰可用作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-氧化鋯作為OSC。共同形成的稀土氧化物-氧化鋯可通過任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù) 如共沉淀、共凝膠等制造。在Luccini， E., Mariani， S.和Sbaizero， O.的文 獻(xiàn)(1989): "Preparation of Zirconia Cerium Carbonate in Water With Urea", Int. J. of Materials and Product Technology, vol.4, no.2， 167-175頁
中描述了 一種制造共同形成的二氧化鈰-氧化鋯材料的適當(dāng)技術(shù)，其內(nèi)容在
此引入作為參考。如文章從第169頁開始所述的，用硝酸銨作為緩沖劑控 制pH值，配制氯化氧鋯和硝酸鈰成比例的蒸餾水稀釋液(0.1M)最終得 到ZrO2-10 mol % Ce02。在持續(xù)攪拌的情況下使溶液沸騰2小時并且在任 何步驟的pH值都不超過6.5的情況下得到完全沉淀。
可使用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來制備共同形成稀土氧化物-氧化鋯，只要得到 的產(chǎn)品保證稀土氧化物基本分散在最終產(chǎn)品的整個氧化鋯基體內(nèi)，而不是 僅位于氧化鋯顆粒表面或表層內(nèi)而導(dǎo)致氧化鋯基體的大部分芯部內(nèi)沒有稀 土氧化物分布。因此，共同沉淀的鋯和鈰(或其它稀土金屬)鹽可包括氯 化物、硫酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽等。在沖洗后，共同沉淀物被噴霧干燥或 冷凍干燥從而去除水，接著在約500。C下在空氣中煅燒以形成共同形成的 稀土氧化物-氧化鋯栽體。前述申請08/761544的催化材料也可包括第一鋯 成分，至少一種第一堿土金屬成分，以及從包括鑭金屬成分和釹金屬成分 的組中選擇的至少 一種第 一稀土金屬成分。催化材料還可包含至少 一種堿 土金屬成分和至少一種稀土成分以及可選地至少一種額外的鉑族金屬成 分，優(yōu)選從包括鉑、銠、釕和銥成分的組中選擇，優(yōu)選額外的第一層柏族 金屬成分從包括鉑和銠及其混合物的組中選擇。
另一種優(yōu)選的催化劑材料包含鉑族金屬成分，包括分散在包括氧化鋁、 共同形成的二氧化鈰-氧化鋯、氧化鋇和氧化鋯的耐火氧化物載體成分上的 柏和銠。這種催化材料的制備在示例1中(下面)描述。在本領(lǐng)域中已知 多種用于在多孔基底上沉積催化材料的沉積方法。這些將催化成分涂覆于 基底上的方法構(gòu)成了在制造過程中與在基底上涂覆任何錨固層(如果涂覆) 的步驟分離的步驟。
將催化材料沉積在多孔基底上的方法例如包括，將催化材料置于液體 溶劑中形成灰漿，將多孔基底浸沒到灰漿中而用灰漿將其浸潤，將灰漿噴 涂在基底上等?；蛘撸蓪⒋呋牧先芙庥谌軇┲?，然后可使溶劑潤濕多 孔基底的表面，隨后將溶劑去除以使催化材料或其前體留在多孔基底上。 去除步驟可能涉及加熱被潤濕的基底和/或?qū)⒈粷櫇竦幕壮檎婵諒亩?br> 過蒸發(fā)去除溶劑。
另 一種將催化材料沉積在多孔基底上的方法是提供粉末狀的催化材 料，并通過靜電沉積使該催化材料附著于基底。該方法適于制造用在液相 化學(xué)反應(yīng)中的催化器部件。
下面的示例進(jìn)一步解釋了本發(fā)明，但當(dāng)然不能解釋為以任何方式限制 本發(fā)明的范圍。
示例1:制備含比例為5:1的鉑和銠的催化劑合成物 可用于本發(fā)明的特定催化產(chǎn)品的優(yōu)選催化劑合成物包含約5: 1的鉑和 銠成分(重量比)。該合成物制備如下。
首先，在表面積高(150 m2/g)的y氧化鋁載體上散布鉑和銠的化合 物。用含有74g胺溶氫氧化鉑的水溶液浸透氧化鋁的含水灰漿(97%的固 體，3079g)。隨后，用含有14.7g硝酸銠的水溶液浸透灰漿。使灰漿與辛 醇(固體總重的0.3% ) 、 90%乙酸和水的混合物結(jié)合。得到的灰漿(固體 重量47% )被混合并且進(jìn)行球磨，使得卯％的顆粒具有12微米或更小的 顆津立尺寸。
將包含二氧化鈰-氧化鋯-復(fù)合材料(包含約50:50重量比的二氧化鈰和 氧化鋯，2329g)、醋酸鋯(238g)、乙酸鋇(299g)和醋酸的含水灰漿加 入上述經(jīng)研磨的灰漿中。得到的灰漿(固體重量47%)被混合并且研磨， 使得90%的顆粒具有7微米或更小的顆粒尺寸。將假勃姆石的含水混合物 (60g)加入到所得到的經(jīng)研磨的灰漿內(nèi)，從而得到包含45%重量比的固 體的涂覆灰漿。
權(quán)利要求
1. 一種用于減少通用發(fā)動機(jī)的噪聲和排放物的裝置，包括:消聲器殼體、形成在所述消聲器中的內(nèi)腔、包含在所述內(nèi)腔中的網(wǎng)狀金屬泡沫基體以及一種或多種與所述網(wǎng)狀金屬泡沫基體結(jié)合的貴金屬催化劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)腔由包含在所 述消聲器內(nèi)的并置的隔音板形成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述網(wǎng)狀金屬泡沫基 體選自包括以下材料的組不銹鋼、鈦、鐵鉻合金、鋯酸鋁、鈦酸鋁、磷 酸鋁、堇青石、富鋁紅柱石和剛玉。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述網(wǎng)狀金屬泡沫基 體為鐵鉻合金泡沫。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述網(wǎng)狀金屬泡沫基 體涂覆有金屬熱電孤噴涂層，其中所述催化劑涂覆在所述金屬熱電孤噴涂 層上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述金屬熱電弧噴涂 層選自包括以下材料的組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系列不銹鋼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述金屬熱電弧噴涂 層涂覆有耐火氧化物層，該耐火氧化物層選自包括例如以下耐火氧化物的 組氧化鋁、"氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、氧化梏-氧化鋁、氧化鋯-二氧 化鈦、二氧化鈦-氧化鋁、氧化鑭-氧化鋁、氧化鋇-氧化鋯-氧化鋁、氧化鈮 -氧化鋁和二氧化石圭-瀝濾的堇青石。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述網(wǎng)狀金屬泡沫基 體上分區(qū)地涂覆有所述催化劑，從而提供了上游的無催化劑捕集區(qū)和分離 的下游催化劑區(qū)。
9. 一種用于降低噪聲水平和減少通用發(fā)動機(jī)的排放物的方法，所述方法包括(a) 引導(dǎo)發(fā)動機(jī)排氣流穿過消聲器，所述消聲器包括 (i)至少兩個隔音板；(ii )涂覆有用于減少通用發(fā)動機(jī)排放物的一種或多種貴金屬催化 劑的網(wǎng)狀金屬泡沫基體，其中所迷金屬泡沫包含在所述隔音板內(nèi)；以及 (iii)位于所述隔音板附近的一個或多個腔；(b) 引導(dǎo)所述發(fā)動機(jī)排氣流穿過所述泡沫基體，隨后穿過所述一個或 多個腔，從而減少發(fā)動機(jī)排放物和減少噪聲；以及(c) 引導(dǎo)所述發(fā)動機(jī)排氣流從所述一個或多個腔離開所述消聲器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述隔音板并置而在 其中形成內(nèi)腔，其中所述涂覆有一種或多種貴金屬催化劑的網(wǎng)狀金屬泡沫 基體包含在所述內(nèi)腔中，其中所述發(fā)動機(jī)排氣流被引導(dǎo)穿過所述內(nèi)腔。
11. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述一個或多個腔 包括散布于所述并置的隔音板的相對兩側(cè)的上部腔和下部腔，其中所述發(fā) 動機(jī)排氣流被引導(dǎo)依次穿過所述網(wǎng)狀金屬泡沫、所述上部腔和所迷下部腔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于減少噪聲和排放物(如碳?xì)浠衔?、一氧化碳和氮氧化?的改進(jìn)的兩用消聲器(2)。更具體地，該消聲器包括消聲器殼體(4，6)，形成于所述消聲器內(nèi)部的內(nèi)腔(20)，以及包含在內(nèi)腔里的催化涂覆的載體材料(22)。本發(fā)明還涉及催化涂覆的金屬泡沫催化劑載體，其可選地預(yù)先涂覆有金屬熱電弧噴涂層。
文檔編號F01N1/08GK101384798SQ200680053258
公開日2009年3月11日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者M·P·加利根 申請人:巴斯福催化劑公司